摩擦压焊方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及适合对金属构件彼此进行接合的摩擦压焊方法。
【背景技术】
[0002] 作为对金属构件彼此进行接合的方法之一，提出了摩擦压焊。摩擦压焊是使成为 被接合材的金属构件的接合面彼此接触，一边对该接合面进行加压一边使其机械地相对运 动，将产生的摩擦热作为加热源进行压焊的方法。
[0003] 关于构件的相对运动，例如有以与接触面垂直的轴为中心的旋转运动及与接触面 平行的方向的往复运动等。摩擦压焊由于不利用通电加热，所以不需要大型的电源设备，可 用比较简单的设备得到尺寸精度高的制品。因此，适用于实施了精加工的部件的接合等。此 外，与一般的焊接不同，还可进行异种金属材料间的接合，因而应用领域广。因此，已在汽车 用的阀门等多种精密机械部件等中应用。
[0004] 摩擦压焊中，加热到接近金属构件的熔点，利用接合面附近的塑性流动所产生的 密合性是必要的。因此，在接合面附近容易产生变形，此外金属构件的热影响区扩大，在强 度或材料特性方面产生不良影响。因此提出了作为控制金属构件的热影响的方法的多种方 法。
[0005] 专利文献1中公开了在摩擦压焊热容量不同的金属构件时，在金属构件之间插入 作为旋转体的嵌入件，分别对两构件进行温度控制，同时使嵌入件旋转而进行摩擦接合的 方法。在专利文献1的摩擦压焊方法中，可通过嵌入件来对一对金属构件进行接合。
[0006] 专利文献2中为谋求接合温度的低温化，提出了通过摩擦压焊法将液相扩散接合 中所用的非晶质合金箱（钎焊用钎料）预先与金属构件接合。也就是说，成为一次接合的 摩擦压焊可在钎料（非晶质金属箱）的熔点以下的温度下进行，成为二次接合的液相扩散 接合（钎焊）可在钎料（非晶质金属箱）的熔点左右的温度下进行。因此，与通常的摩擦 压焊相比可低温化，因而变形量小，能够减小金属构件的热影响区。可是，专利文献2的方 法本质上是对金属构件进行液相扩散接合，不是摩擦压焊。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1 :日本特开2009-101374号公报
[0010] 专利文献2:日本特开2006-159212号公报
[0011] 非专利文献
[0012] 非专利文献1 :久曾神他"关于碳钢的摩擦压焊的研究"1976年4月1日日本机械 学会论文集（C编）P1406~1414
【发明内容】
[0013] 发明要解决的问题
[0014] 在成为被接合材的金属构件的接合面中存在氧化物（包含自然氧化膜，起因于母 材的金属氧化物。以下简称为氧化物。）。在进行摩擦压焊这样的固相接合时，从接合面除 去氧化物是重要的。因为如果在接合界面中残留氧化物，则该部分成为缺陷，使接合强度下 降。另外，因为还有氧化物成为裂纹的发生源，使断裂韧性显著劣化的顾虑。
[0015] 在通常的摩擦压焊中，接合面附近因高温化而软化。因此，在进行压焊时，该软化 区产生塑性流动，连氧化物一齐向构件的外部挤出。其成为毛刺。通过该塑性流动除去氧 化物，使纯净的金属面彼此密合，可以得到无缺陷的接合材。
[0016] 可是，为了挤出氧化物，有必要产生足够量的塑性流动。因此，需要增加热量输入 量，尽量达到高温。由于金属构件的尺寸越大塑性流动量越增加，因此热量输入量增大。
[0017] 例如在为钢时，为了确保足够量的塑性流动，提高接合强度，最高到达温度达到 1300~1400°C(非专利文献1)。已知一般的低碳钢的熔点为1400°C~1500°C的范围，因 此是非常高温的。在如此进行高温加热时，要产生充分的摩擦热则需要时间，难以缩短接合 时间。
[0018] 另外，因加热时间变长而通过热传导使金属构件的热影响区扩大，使该热影响区 的材料特性发生变化。因此，出现不能确保如设计那样的强度及功能等问题。
[0019] 例如，在对钢材进行摩擦压焊时，接合部的周边在宽的范围内温度上升，形成热影 响区（以下称为HAZ(HeatAffectedZone)。）。接合界面一旦被加热到奥氏体区域并被 骤冷，因而成为马氏体组织，有时产生显著的HAZ硬化。在为淬火钢等马氏体钢时，只有在 HAZ区被加热到温度低于Acl点的区域被回火，产生所谓的HAZ软化。因此在为淬火钢时， 有在HAZ区的一部分中产生强度下降、接合构件整体的强度下降的顾虑。
[0020] 另外，因高温加热而软质化的区域通过顶锻加压（压紧）而产生塑性流动，向外部 排出，其成为毛刺。在为金属材料时，如果接合部的加热温度高则软化区域也扩展，因此在 接合部周边的宽的范围产生塑性流动，不仅变形量增大，而且毛刺量也增大。因此最终制品 的精度恶化，需要除去毛刺等加工（切削加工等），多余地需要劳力和成本。此现象并不局 限于钢，铝、钛、铜等金属材料也出现同样的情况。
[0021 ] 本发明是为解决这样的问题而完成的，其目的是在金属构件的摩擦压焊中，去除 以往那样由高温加热带来的弊病，同时以短时间得到足够的接合强度。
[0022] 用于解决课题的手段
[0023] 本发明人们进行了锐意的研究，结果得到以下的见识。
[0024] (a)发现了 ：在金属构件的摩擦压焊方法中，在将熔点比金属构件低的嵌入件配 置在金属构件之间实施摩擦压焊时，能够与熔化的嵌入件的流动一同将接合面的氧化物 (氧化皮膜）除去。由此，不用将金属构件加热至必要以上，只要使嵌入件熔化就能将存在 于金属构件的接合面中的氧化物（包括氧化皮膜）除去。
[0025] (b)发现了 ：仅夹着嵌入件而进行加热、压紧，不能将接合面上的氧化物完全除 去。
[0026] 也就是说，认为通过接合面的相对的运动（例如旋转运动等），将接合面上的氧化 物剥离，或形成易剥离的状态，除此以外，通过熔化的嵌入件的流动，将该剥离的氧化物刮 取，然后冲走。由此，能够显著提高接合面的纯净度，能够得到无缺陷的接合界面。
[0027] (c)发现了 ：为了最大限度地得到上述效果，优选使嵌入件的熔点比接合所需的 加热温度（压焊温度）低50°C左右。这是因为：如果使嵌入件的熔点低至必要以上，则在 氧化物的剥离未发展时将嵌入件向外部挤出。
[0028] 这样一来，尽管与以往的摩擦压焊相比为低温，但能够将除去了氧化物的纯净接 合面彼此进行压焊，确保金属构件的密合性，得到高的接合强度。另外，因加热温度低而能 缩短接合时间。
[0029] 而且，尽管金属材料因材质而使熔点变动，但发现能够以与金属构件的熔点（摄 氏温度）的比率近似地表示嵌入件的熔点。也就是说，发现了最好以达到金属构件熔点（摄 氏温度）的60%~80%的温度（摄氏温度）的方式选择嵌入件的熔点。
[0030] 本发明是基于上述见识而完成的，作为其主旨如下所述。
[0031] (1) -种摩擦压焊方法，其是一对金属构件的摩擦压焊方法，其特征在于：以在所 述金属构件的相对接合的面即接合面之间夹持下述嵌入件（也可以称为嵌入材料）的状态 开始摩擦压焊，使所述嵌入件熔化，并将所述嵌入件从所述一对金属构件之间挤出，其中所 述嵌入件由具有所述金属构件的熔点（摄氏温度）的60~80%的熔点（摄氏温度）的金 属形成，也就是说将熔化的所述嵌入件从所述相对的接合面之间挤出。
[0032](2)根据上述（1)所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述嵌入件的厚度为10~ 500μm〇
[0033](3)根据上述（1)或（2)所述的摩擦压焊方法，其特征在于：所述嵌入件覆盖至少 一方的所述接合面。
[0034](4)根据上述（1)~（3)中任一项所述的金属构件的摩擦压焊方法，其特征在于：