專利名稱：焊接異種金屬材料的方法以及異種金屬材料的焊接體的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過攪拌摩擦焊接方法焊接異種金屬材料的方法和通過該焊接方法獲得的異種金屬材料的焊接體。
背景技術：
通常通過熔焊方法或諸如利用鉚釘之類的機械接合方法焊接特別是諸如鋼材和鋁材之類的異種金屬材料。然而，在熔焊方法中，因為熱輸入量大，所以引起在鋼材和鋁材之間的邊界中形成 諸如脆性金屬間化合物(Fe2Al5、FeAl3等)之類的問題，導致焊接強度降低。另外，在利用鉚釘、螺栓等的機械焊接方法中，為了焊接需要諸如鉚釘之類的附加構件或材料，這導致成本增加。為此，近年來，已經開展了通過攪拌摩擦焊接方法(FSW :攪拌摩擦焊接)將鋼材和鋁材焊接于彼此的研究，在該方法中，將被焊接的材料軟化而無需熔焊材料以由此使軟化的材料流動并使材料在固體狀態下焊接于彼此。該攪拌摩擦焊接方法使用由普通工具鋼制成的FSW工具，并且使FSW工具僅與鋁材接觸以執行鋼材和鋁材之間的攪拌摩擦焊接(見例如專利文獻I :日本特開2005-34879號公報；專利文獻2 :日本特開2006-239720號公報)。例如，在專利文獻I中描述的攪拌摩擦焊接方法中，將被焊接的表面覆蓋有抗氧化膜(鍍鋅膜)的鋼材和鋁材相互重疊，FSW工具在轉動的同時壓鋁材并且插入到鋁材中，接著，通過施加摩擦熱而使鋁材和鍍鋅膜軟化，以使軟化的材料塑性地流動，鋅膜被移除以使鋼材的表面上的新形成表面暴露，并且塑性地流動的鋁材和鋼材的新形成表面最后焊接于彼此以實現固態焊接。然而，在使FSW工具不接觸鋼材而僅接觸鋁材的情況下執行的攪拌摩擦焊接方法中，鋼材和鋁材未被充分地攪拌，因此，不能獲得高的焊接強度。換言之，在FSW工具與鋁材接觸并且插入到鋁材中的情況下，當鋁材的溫度上升到僅低于鋁材的熔點的溫度時,鋁材軟化并且塑性地流動而使相對于FSW工具的摩擦強度降低。因此，不再產生熱(摩擦熱)，并且溫度不能上升到鋼材可以塑性地流動的溫度，因此，僅鋁材被攪拌，不能充分地攪拌鋼材和鋁材，并且難以獲得高的接合強度。此外，根據現有技術，在由普通工具鋼制成的FSW工具在轉動的同時與鋼材接觸的情況下，FSff工具可能會由于鋼材的至FSW工具的粘附而磨損或損壞。
發明內容
因此，鑒于上面提到的情況，結合現有技術構思出本發明，并且本發明的目的是提供如下的焊接異種金屬材料的方法并且還提供由以上提到的焊接方法形成的異種金屬材料的焊接體，該焊接異種金屬材料的方法能夠使異種金屬材料以高的焊接強度焊接于彼此并且避免用于攪拌摩擦焊接的可轉動(轉動)工具的損壞。
根據本發明，可以通過提供焊接異種金屬材料的方法實現該目的和其它目的，在該方法中，使作為具有彼此不同的熔點的異種金屬材料的高熔點材料和低熔點材料位于計劃焊接位置，并且使能轉動工具壓高熔點材料，而使能轉動工具插入到高熔點材料中，以由此執行高熔點材料和低熔點材料之間的攪拌摩擦焊接，而使它們焊接于彼此。在以上方法中，通過將由與高熔點材料相同的材料制成的介入片布置在能轉動工具和高熔點材料之間，來執行高熔點材料和低熔點材料之間的攪拌摩擦焊接。另外，根據本發明的異種金屬材料的焊接體是由以上描述的焊接異種金屬材料的方法焊接于彼此的高熔點材料和低熔點材料形成的焊接體。根據本發明的焊接異種金屬材料的方法和異種金屬材料的焊接體，高熔點材料和低熔點材料通過將由與高熔點材料相同的材料制成的介入片配置在能轉動工具和高熔點材料之間而攪拌摩擦焊接于彼此，在焊接方法中，使得能轉動工具不與高熔點材料直接接觸。因此，可以防止高熔點材料粘附于能轉動工具，并且可以避免用于攪拌摩擦焊接的能轉動工具的損壞。 另外，在焊接異種金屬材料的方法中，從高熔點材料側插入能轉動工具，使得高熔點材料產生高達使高熔點材料軟化和塑性地流動的溫度的熱，并且產生的熱傳遞至低熔點材料以使低熔點材料也軟化和塑性地流動。因此，高熔點材料和低熔點材料可以被能轉動工具部分且充分地攪拌，因此，高熔點材料和低熔點材料以高的焊接強度焊接于彼此。本發明的本質和進一步的特性特征從參照附圖進行的下列描述將變得更清楚。
在附圖中圖I是示出攪拌摩擦焊接方法的實施情況的視圖，根據本發明的焊接異種金屬材料的方法的一個實施方式應用于該實施情況，其中，圖I的(A)是該實施情況的示意性側視圖，并且圖I的(B)是該實施情況的示意性平面圖；圖2是示出通過圖I中的攪拌摩擦焊接方法獲得的攪拌摩擦焊接體的焊接部的外觀的照片；圖3是示出焊接部的外周的圖2的照片的截面圖；圖4是示意性地示出圖3的照片的截面圖；圖5包括示出攪拌摩擦焊接之后的能轉動工具的外觀的照片，其中，圖5的(A)是示出已經進行圖I中描繪的攪拌摩擦焊接方法之后的外觀的照片，并且圖5的(B)是示出已經在不使用介入片的情況下進行摩擦焊接方法之后的外觀的照片；以及圖6包括表不介入片和粘附防止效果之間的關系的表,其中，表I表不介入片的尺寸變化和粘附防止效果的存在與否之間的關系，表2表示介入片的板厚度的變化和粘附防止效果的存在與否之間的關系，并且表3表示介入片的形狀的變化和粘附防止效果的存在與否之間的關系。
具體實施例方式下面，將參照附圖描述本發明的實施方式。然而，應當注意，本發明不限制于所描述的實施方式。
圖I表示用于實施(執行)攪拌摩擦焊接方法的配置的狀態，本發明的焊接異種金屬材料的方法的一個實施方式能夠應用于該配置的狀態。本實施方式的攪拌摩擦焊接方法是通過使用攪拌摩擦焊接用的可轉動(轉動)工具13而使具有彼此不同的熔點的異種金屬材料(高熔點材料和低熔點材料)相互重疊并相互點焊而進行的方法。鐵材料，特別是具有大約1500°C的熔點的鋼材11，用作高熔點材料，并且具有大約580°C到650°C的熔點的鋁材(包括鋁合金)12用作低熔點材料。在此處，鋁材12不限于諸如A6061之類的鍛造(擴展)材料，而是還可以是諸如AC4CH之類的鑄造材料和諸如ADC12之類的壓鑄材料。在本實施方式的攪拌摩擦焊接方法中，首先，鋼材11和鋁材12相互重疊并且位于預定計劃焊接位置處。此時，如圖I所示，鋼材11位于上側，并且鋁材12位于下側，使得鋁材12安裝在焊接墊板夾具10上。 此外，介入(可以根據場合要求用“被介入”替換)片18安裝在鋼材11的上表面上。因此，介入片18在后處理中配置在能轉動工具13和鋼材11之間。另外，介入片18由具有與鋼材11的材料組分相同的材料組分的鐵制成，但是最優選的是由具有與鋼材11的材料組分相同的材料組分的鋼制成。如圖I的(B)所示，在從正面觀察時，介入片18可以具有諸如正方形形狀、矩形形狀、三角形形狀或圓形形狀之類的任何形狀，但是，介入片18的最長部分的長度L設定為大 于或等于能轉動工具13的頭部處的圓形接觸表面13A的直徑D的25%，并且優選地設定在25%到300%的范圍。例如，在介入片18具有正方形形狀或矩形形狀時，介入片18的最長部分的長度L是對角線的長度，并且在介入片18具有圓形形狀時，長度L是直徑。此外，介入片18的板厚度T設定為大于或等于0. 2mm,并且優選地設定在0. 2mm到3. Omm的范圍。接下來，固定夾具19通過將材料夾在焊接墊板夾具10和固定夾具19之間而使鋼材11和鋁材12保持在固定狀態。此時，介入片18保持在非固定狀態。在該狀態下，利用能轉動工具13攪拌摩擦點焊鋼材11和鋁材12。該攪拌摩擦點焊方法包括如下步驟在使能轉動工具13轉動的同時，使能轉動工具13沿著軸線0方向(軸向0)從鋼材11側移動；使能轉動工具13的接觸表面13A壓介入片18 ;擠壓(squash)介入片18,同時使介入片18與能轉動工具13 —起轉動；接著,在使能轉動工具13和介入片18轉動的同時，使能轉動工具13和介入片18緊壓鋼材11并且使能轉動工具13和介入片18插入到鋼材11中。在以上提到的處理中，鋼材11和鋁材12以介入片18插入在鋼材11和能轉動工具13之間以防止鋼材11和能轉動工具13直接相互接觸的方式攪拌摩擦點焊于彼此，因此，防止鋼材11在焊接處理之后粘附于能轉動工具13。另外，在以上描述的攪拌摩擦點焊中，介入片18設定在非固定狀態，因此，介入片18與能轉動工具13 —起轉動，由此防止能轉動工具13和介入片18之間的摩擦熱的產生，因此，防止介入片18焊接(包括粘附、沉積等)于能轉動工具13。這里，能轉動工具13由諸如SKD61之類的工具鋼和模具鋼制成，并且形成為具有3mm到IOmm的直徑的圓桿。另外，能轉動工具13的轉數設定為75rpm到750rpm。此外，將插入到鋼材11中的能轉動工具13的位置調節至鋼材11不能被工具13穿透的位置。具體地，能轉動工具13的該插入位置調節至能轉動工具13的頂端的接觸表面13A朝向鋼材11與鋼材11和鋁材12之間的重疊表面14隔開預定距離(例如，0. 05mm至0. 6mm)的位置。如上所述的攪拌摩擦點焊方法可以通過由與能轉動工具13 —起轉動的介入片18和鋼材11之間的摩擦產生的熱使鋼材11的在能轉動工具13附近的部分處的溫度部分地升高，并且使鋼材11以及介入片18軟化和塑性地流動。另外，攪拌摩擦焊接方法還可以通過由以上描述的摩擦產生的熱使鋁材12的在能轉動工具13附近的部分處的溫度部分地升高，并且使鋁材12軟化和塑性地流動。接著，通過能轉動工具13的與介入片18 —起的轉動在能轉動工具13附近的部分處攪拌已經塑性地流動的鋼材11和鋁材12，并且鋼材11和鋁材12經受攪拌摩擦點焊而被焊接于彼此。圖2和圖3中示出的攪拌摩擦焊接體15是通過以上提到的攪拌摩擦點焊方法獲得的異種金屬材料的焊接體，該攪拌摩擦點焊方法包括如下步驟使鋼材11和鋁材12重疊，鋼材11是具有Imm的板厚度的裸軟鋼板(JSC270CC J. I. S)，鋁材12是具有Imm的板 厚度的A6061鋁鍛造板；將由裸軟鋼板(JSC270CC)制成并且具有6mm的對角線的長度L和
I.Omm的板厚度T的四邊形介入片18載置在為鋼材11的裸軟鋼板的上表面上；以及在下列焊接條件下使鋼材11 (裸軟鋼板)和鋁材12 (鋁鍛造板)攪拌摩擦點焊于彼此。焊接條件如下。準備圓桿形可轉動(轉動)工具13，并且能轉動工具13由SKD61制成并且具有6mm的直徑。能轉動工具13的轉數是500rpm。能轉動工具13的插入速度是20mm/min,并且能轉動工具13插入到鋼材11中至能轉動工具13的頂端的接觸表面13A朝向鋼材11側與鋼材11和鋁材12的配合表面14隔開0. 5mm的位置。已經完成能轉動工具13的插入的時刻和拉出能轉動工具13的時刻之間的保持時間是I秒。在該攪拌摩擦焊接體15中，如圖4所示，焊接部17由已經通過能轉動工具13焊接的鋼材11 (裸軟鋼板)側的攪拌部16A和鋁材12 (鋁鑄造板)側的攪拌部16B形成。圖5的(A)是已經完成以上提到的攪拌摩擦點焊之后的能轉動工具13的接觸表面13A的外周的外觀的照片，并且圖5的(B)是在與以上描述的攪拌摩擦點焊的焊接條件相同的焊接條件下、在不插入介入片18的狀態下、攪拌摩擦點焊鋼材11 (裸軟鋼板；板厚度Imm)和鋁材12 (鋁鑄造板；板厚度Imm)之后的能轉動工具13的接觸表面13A的外周的外觀的照片。參照圖5的(B)，鋼材11的一部分作為粘附物質21粘附于能轉動工具13的接觸表面13A的外周，然而，如圖5的(A)所示，在已經在插入介入片18的狀態下完成攪拌摩擦點焊的能轉動工具13中觀察不到粘附物質21。在圖I中示出的攪拌摩擦點焊方法中，介入片18的尺寸(換言之，最長部分的長度L)設定為大于或等于能轉動工具13的接觸表面13A的直徑D的25%，并且優選地設定在25%到300%的范圍。這是因為，通過將能轉動工具13和鋼材11之間的直接接觸面積控制成不大，而由此防止鋼材11在焊接過程中粘附于能轉動工具13。例如，通過使具有Imm的板厚度的裸軟鋼板的鋼材11和具有Imm的板厚度的A6061鋁鑄造板的鋁材12重疊和通過改變具有I. Omm的板厚度T的正方形介入片18的尺寸(最長部分的長度L)，在以上描述的焊接條件下進行攪拌摩擦點焊測試。此時，觀察是否存在粘附于能轉動工具13的接觸表面13A的外周的粘附物質21。在圖6的表I中示出結果。如圖6的表I所示，在使用對角線(介入片18的最長部分)的長度L為I. Omm(換言之，為能轉動工具13的接觸表面13A的直徑D的大約17% )的介入片18時，在已經完成焊接之后在能轉動工具13上觀察到鋼材11的粘附。這是因為，鋼材11和能轉動工具13的直接接觸面積隨著介入片18的變小而變大。另一方面,在使用對角線(介入片18的最長部分)的長度L大于或等于I. 5mm(換言之，大于或等于能轉動工具13的接觸表面13A的直徑D的25% )的介入片18的情況下，在已經完成焊接之后在能轉動工具13上觀察不到鋼材11的粘附，。此外，介入片18的板厚度T在圖I中示出的 攪拌摩擦點焊方法中設定為大于或等于0. 2mm并且優選地設定在0. 2mm到3. Omm的范圍的原因在于在焊接過程中在不會由能轉動工具13的轉動而使介入片18破裂的情況下，防止能轉動工具13和鋼材11之間的直接接觸，由此防止鋼材11粘附于能轉動工具13。例如，在實驗中，通過使具有Imm的板厚度的為裸軟鋼板的鋼材11和具有Imm的板厚度的為A6061鋁鑄造(擴展)板的鋁材12相互重疊和改變具有6mm的對角線的長度L的正方形介入片18的板厚度T，在以上描述的焊接條件下進行攪拌摩擦點焊測試。此時，觀察粘附物質是否粘附于能轉動工具13的接觸表面13A的外周。在圖6的表2中示出結果。如圖6的表2所示，在使用具有小于或等于0. Imm的板厚度T的介入片18時，在已經完成焊接之后在能轉動工具13上觀察到鋼材11的粘附。這是因為，隨著介入片18的板厚度變薄，介入片18在焊接過程中破裂，并且能轉動工具13和鋼材11直接相互接觸。另一方面，在使用具有大于或等于0. 2mm的板厚度T的介入片18的情況下，在已經完成焊接之后在能轉動工具13上觀察不到鋼材11的粘附。此外，按照圖I中示出的攪拌摩擦點焊方法，通過使具有Imm的板厚度的為裸軟鋼板的鋼材11和具有Imm的板厚度的為A6061鋁鑄造板的鋁材12重疊和使用分別具有正方形形狀、圓形形狀或(等邊)三角形形狀的介入片18，在以上描述的焊接條件下進行攪拌摩擦點焊測試。此時，觀察粘附物質是否粘附于能轉動工具13的接觸表面13A的外周。在圖6的表3中示出結果。如圖6的表3所示，盡管介入片18具有任意形狀，但是在已經完成焊接之后在能轉動工具13的接觸表面13A的外周中觀察不到鋼材11的粘附。所使用的介入片18中的每一個的最長部分的長度L (就正方形形狀而言，L是對角線，就圓形形狀而言，L是直徑，并且就等邊二角形形狀而目，L是一條邊)均為6mm,并且板厚度T是I. 0mm。根據以上描述的特性和特征的本實施方式，可以實現下列有利效果和/或功能
(I)至(5)。(I)在實施方式中，由與鋼材11相同的材料制成的介入片18(例如，鋼)配置在能轉動工具13和鋼材11之間，并且在鋼材11和鋁材12之間執行攪拌摩擦點焊。因此，能轉動工具13和鋼材11在焊接操作期間不直接相互接觸。因此，可以防止鋼材11粘附于能轉動工具13，因此，可以避免用于攪拌摩擦焊接的能轉動工具13的損壞。(2)在本實施方式的方法中，通過從鋼材11側插入能轉動工具13，使得鋼材11產生高達使鋼材軟化和塑性地流動的溫度的熱，通過產生的熱的熱傳遞使鋁材12軟化和塑性地流動。因此，鋼材11和鋁材12可以被能轉動工具13部分且充分地攪拌，并且鋼材11和鋁材12可以以高的焊接強度焊接于彼此。(3)因為鋼材11和鋁材12通過用焊接墊板夾具10和固定夾具19將材料夾在中間而配置在固定狀態，介入片18布置在非固定狀態，并且在該狀態下，執行攪拌摩擦點焊而使材料焊接于彼此。因此，在能轉動工具13的接觸表面13A與介入片18接觸時，介入片18與能轉動工具13 —起轉動。因此，摩擦熱不產生在能轉動工具13和介入片18之間，因此，可以防止介入片18焊接(粘附，沉積等)于能轉動工具13。(4)該方法包括將介入片18的尺寸，換言之，介入片18的最長部分的長度L，設定為大于或等于能轉動工具13的接觸表面13A的直徑D的25%。由此，在攪拌摩擦點焊過程中，能轉動工具13和鋼材11之間的直接接觸面積可以減小。因此，可以防止鋼材11粘附于能轉動工具13。(5)因為介入片18的板厚度T設定為大于或等于0.2mm，所以甚至在能轉動工具 13在攪拌摩擦點焊過程中與介入片18接觸時，也可以防止介入片18由于能轉動工具13的轉動而破裂。因此，能轉動工具13不與鋼材11直接接觸，并且可以防止鋼材11粘附于能轉動工具13。還應當注意，雖然已經參照所描述的優選實施方式在上文中描述了本發明，但是本發明不限于該實施方式，并且可以在不背離所附權利要求的范圍的情況下作出許多其它的變化和修改或替換。例如，在所描述的實施方式中，雖然鋁材用作低熔點材料，但是低熔點材料還可以是包括鎂合金的鎂材料。
權利要求
1.ー種焊接異種金屬材料的方法，其包括如下步驟 準備能轉動工具； 使作為具有彼此不同的熔點的異種金屬材料的高熔點材料和低熔點材料位于計劃焊接位置； 在使所述能轉動工具轉動的同時，使所述能轉動工具壓所述高熔點材料，而使所述能轉動工具插入到所述高熔點材料中；以及 執行所述高熔點材料和所述低熔點材料之間的攪拌摩擦焊接，而使它們相互焊接到一起， 其中，通過將由與所述高熔點材料相同的材料制成的介入片布置在所述能轉動工具和所述高熔點材料之間，來執行所述高熔點材料和所述低熔點材料之間的所述攪拌摩擦焊、接。
2.根據權利要求I所述的焊接異種金屬材料的方法，其特征在于，所述高熔點材料和所述介入片是鐵材料，并且所述低熔點材料是鋁材或鎂材料。
3.根據權利要求I所述的焊接異種金屬材料的方法，其特征在于，通過將所述高熔點材料和所述低熔點材料設定在固定狀態且將所述介入片設定在非固定狀態，來執行所述攪拌摩擦焊接。
4.根據權利要求I所述的焊接異種金屬材料的方法，其特征在于，所述介入片的最長部分的長度被設定為大于或等于所述能轉動工具的圓形接觸表面的直徑的25%。
5.根據權利要求I所述的焊接異種金屬材料的方法，其特征在于，所述介入片的板厚度被設定為大于或等于O. 2mm。
6.一種異種金屬材料的焊接體,其中，高熔點材料和低熔點材料通過根據權利要求I至5中的任ー項所述的焊接異種金屬材料的方法而相互焊接到一起。
全文摘要
焊接異種金屬材料的方法以及異種金屬材料的焊接體。在焊接異種金屬材料的方法中，作為具有彼此不同的熔點的異種金屬材料的高熔點材料和低熔點材料位于計劃焊接位置，并且能轉動工具壓高熔點材料，接著插入到高熔點材料中，以由此執行高熔點材料和低熔點材料之間的攪拌摩擦焊接，而使它們焊接于彼此。在以上方法中，通過將由與高熔點材料相同的材料制成的介入片布置在能轉動工具和高熔點材料之間，來執行高熔點材料和低熔點材料之間的攪拌摩擦焊接。
文檔編號B23K103/20GK102728948SQ20121009812
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月5日 優先權日2011年4月5日
發明者四谷剛毅, 畑山智信 申請人:鈴木株式會社