專利名稱：層疊部件的摩擦攪拌接合方法以及氫反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種向被接合部件的接合部插入旋轉(zhuǎn)工具，利用所述旋轉(zhuǎn) 工具的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦熱進(jìn)行接合的摩擦攪拌接合方法，尤其涉及不同 種類金屬材料的層疊接合方法。
背景技術(shù)：
摩擦攪拌接合方法是一種向被接合部件的接合部插入材質(zhì)比被接合 部件的材質(zhì)更硬的旋轉(zhuǎn)工具，在使所述旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，利用其與被 接合部件的相對(duì)移動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱進(jìn)行接合的方法。即，利用由旋轉(zhuǎn)工 具和被接合部件的摩擦熱引起的塑性流動(dòng)現(xiàn)象，而不是如電弧焊接那樣熔 化被接合部件進(jìn)行接合。另外，該接合方法與以往的旋轉(zhuǎn)摩擦壓接方法那 樣的方法有所不同，以往的旋轉(zhuǎn)摩擦壓接方法是使被接合部件彼此旋轉(zhuǎn)， 通過(guò)相互之間的摩擦熱進(jìn)行接合。根據(jù)使用旋轉(zhuǎn)工具的摩擦攪拌接合方 法，能夠?qū)⒈唤雍喜考亟雍暇€方向、即長(zhǎng)邊方向進(jìn)行連續(xù)地接合。作為根據(jù)摩擦攪拌接合技術(shù)對(duì)重疊接頭進(jìn)行接合的現(xiàn)有技術(shù)，是一種 利用前端面是平面狀或者在前端面有凹部的接合工具，通過(guò)將這種接合工 具壓入一方的部件一側(cè)并使其摩擦攪拌，并且，提供其它的部件也進(jìn)行摩 擦攪拌來(lái)將兩者接合起來(lái)的方法。(例如，參照專利文獻(xiàn)l)專利文獻(xiàn)h日本特開2001—314981號(hào)公報(bào)例如，在城市煤氣的改質(zhì)器、對(duì)有機(jī)氫化物進(jìn)行脫氫反應(yīng)的反應(yīng)器中， 為了在降低反應(yīng)溫度的同時(shí)供給高純度的氫，采用氫分離膜。氫分離膜是 以鈀(以下，記為Pb)、鈮、鋯為主體的金屬箔。因?yàn)楫a(chǎn)生氫的反應(yīng)吸熱， 所以催化劑采用鋁(以下，記為A1)等熱傳導(dǎo)性高的材料。在反應(yīng)器的制作中，在將熔點(diǎn)不同的金屬重疊接合時(shí)，因?yàn)椴煌饘?的抵抗變形能力不同，所以使兩部件摩擦攪拌進(jìn)行接合比較困難。例如在以A1、 Pd、 Al的順序依次重合， 一次性接合三張的情況下，Al的熔點(diǎn)是 660°C， Pd的熔點(diǎn)比Al遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高。因此，在上板是A1的情況下，中間板 的Pd由于是高熔點(diǎn)，抵抗變形能力也大，所以不產(chǎn)生塑性流動(dòng)，所以存 在不能將摩擦攪拌接合作用到在Pd板下面配置的Al板的問(wèn)題。另一方面，反應(yīng)器用于供給液體或氣體狀物質(zhì)、進(jìn)行脫氫反應(yīng)，但這 時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)部曝露于氫之中，存在氫脆化這樣材質(zhì)性能降低的顧慮。并 且可以預(yù)見(jiàn)，在不同種金屬的接合部生成的金屬間化合物引起疲勞強(qiáng)度的 降低，并且關(guān)于氫脆化，與母材相比感受性會(huì)變高。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)θ龔堃陨辖惶鎸盈B的熔點(diǎn)不同的金 屬同時(shí)進(jìn)行層疊接合的摩擦攪拌接合方法。本發(fā)明是一種摩擦攪拌接合方法，是對(duì)第一金屬板和熔點(diǎn)比第一金屬 板高的第二金屬板交替層疊三張以上而形成的層疊板進(jìn)行接合的方法，其 特征在于，以所述第一金屬板的側(cè)面從第二金屬板的側(cè)面向外側(cè)突出的方式進(jìn) 行層疊，只向所述第一金屬板的側(cè)面按壓接合工具，進(jìn)行摩擦攪拌接合。 另外，在上述接合方法中，其特征在于，由所述第一金屬板形成的凸部通過(guò)摩擦攪拌接合而發(fā)生變形，向凹部 塑性流動(dòng)，所述第二金屬板的側(cè)面被所述第一金屬板覆蓋。在本接合方法中，通過(guò)只向一方的部件按壓接合工具，來(lái)產(chǎn)生摩擦攪 拌，利用其按壓力和摩擦熱，能夠使所述部件向它和其它部件的接合界面 塑性流動(dòng)，從而在兩部件的接合界面上形成反應(yīng)層。由此，不同種類金屬 的接合成為可能。 (發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種能夠?qū)θ龔堃陨辖惶娴貙盈B的熔點(diǎn)不同的 金屬同時(shí)進(jìn)行層疊接合的摩擦攪拌接合方法。


圖1是根據(jù)本發(fā)明將Al板和Pd板摩擦攪拌接合時(shí)的接合截面照片；圖2是利用激光將Al板和Pd板重疊接合時(shí)的接合截面照片；圖3是表示本發(fā)明中的部件的配置狀態(tài)的模式圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的狀態(tài)的模式圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的狀態(tài)的模式圖；圖6是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的示意圖；圖7是表示圖6的實(shí)施例中的接合部的截面的示意圖；圖8是利用本發(fā)明進(jìn)行層疊接合的第三實(shí)施方式的示意圖；圖中1一A1板；2 — Pd板；3—反應(yīng)層；4 —空洞；5a、 5b—Al板的板寬； 6a、 6b — Pd板的板寬；7 —接合部；8 —接合工具；9一探針；10 — Pd板接 合面；ll一探針前端和Pd板接合面間的間隙；12—固定夾具；13 —層疊 表面；14一貫穿孔；15 —底板；16 —接合線。
具體實(shí)施方式
以下對(duì)層疊部件的情況下的接合法進(jìn)行說(shuō)明。為了實(shí)施基于本發(fā)明的接合，至少需要采用的裝置的構(gòu)造是，具有 旋轉(zhuǎn)軸，該旋轉(zhuǎn)軸用于使接合工具旋轉(zhuǎn)；接合工具移動(dòng)軸，該接合工具移 動(dòng)軸用于向接合部件按壓接合工具；接合工具移動(dòng)軸，該接合工具移動(dòng)軸 用于使接合工具向接合線方向移動(dòng)。此時(shí)，除接合工具的旋轉(zhuǎn)以外，也可 以是接合部件移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。如果滿足這些必備條件，比如，用銑床或NC 銑床這樣的機(jī)床也可以實(shí)施本接合。固定接合部件時(shí)使用配合于各種接合部件的形狀的固定夾具。特別在 對(duì)薄板的層疊結(jié)構(gòu)物進(jìn)行重疊接合的情況下，由于接合工具的按壓，接合 部件容易變形，所以希望沿著接合線方向連續(xù)限制接合線的周圍。由于根據(jù)接合部件的材質(zhì)和板厚，能夠接合的接合工具的轉(zhuǎn)速和接合 速度不同，所以不能一概而論。比如在用厚度為0.2mm的純Al板從上下 夾入厚度為O.lmm的Pd板而進(jìn)行的三張的層疊接合時(shí)，只向Al板按入 接合工具，接合工具的轉(zhuǎn)速為18000rpm，以接合速度1000mm/min能夠同 時(shí)結(jié)合三張。圖1表示根據(jù)本發(fā)明的接合方法接合的Al板1和Pd板2的接合部截面照片。根據(jù)本發(fā)明，可以在Al板l和Pd板2之間形成厚度大致一定的 反應(yīng)層3來(lái)實(shí)現(xiàn)兩板的接合。圖2是通過(guò)激光焊接，重疊接合A1板1和 Pd板2的情況，但是在Al板1和Pd板2之間形成了多處的被認(rèn)為是氣 孔的空洞4，反應(yīng)層3被空洞4分割開而變得不連續(xù)，厚度也不固定。并 且，與本發(fā)明的接合相比，反應(yīng)層3吸收大量的氧。因此，本發(fā)明的接合 比用激光那樣的熔融焊接質(zhì)量要好，還有能夠耐氫脆化的效果。另外，由 于具有能夠耐氫脆化的效果，所以本接合方法在接合氫分離膜的反應(yīng)器中 特別有效。(實(shí)施例1)圖3是表示本發(fā)明中的層疊部件的配置方法的示意圖。本實(shí)施例的層 疊部件是氫反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)是，在催化劑板即Al板1上配置氫分離膜即 Pd板2，并且在Pd板2上配置氫流路板即Al板l，具有A1板1/Pd板2/ Al板l的層疊結(jié)構(gòu)。此處，催化劑板具有在高熱傳導(dǎo)基板的Al基板上形 成作為催化劑載體的氧化鋁、在催化劑載體上承載作為催化劑金屬的Pt 的結(jié)構(gòu)，并且形成有向催化劑供給、排出有機(jī)氫化物的流路。在氫流路板 上形成有流路，用于排出通過(guò)氫分離膜分離了的氫氣。對(duì)氫反應(yīng)器的功能進(jìn)行說(shuō)明。首先，向氫反應(yīng)器供給的有機(jī)氫化物由 于通過(guò)催化劑板上的催化劑面而引起脫氫反應(yīng)，被分離為氫氣和廢液(被 脫氫化了的有機(jī)氫化物)。廢液通過(guò)催化劑板的流路被排放到氫反應(yīng)器的 外面。由有機(jī)氫化物生成的氫氣透過(guò)氫分離膜并向氫流路板一側(cè)移動(dòng)而與 廢液分離，通過(guò)氫流路被排放到氫反應(yīng)器的外部、然后被回收。在這里， 因?yàn)槊摎浞磻?yīng)是吸熱反應(yīng)，所以氫反應(yīng)器要加熱到200 30(TC再使用。接下來(lái)，對(duì)氫反應(yīng)器的Al板1/ Pd板2/ Al板1的層疊部件進(jìn)行接合 的方法加以說(shuō)明。因?yàn)锳l板1的熔點(diǎn)相對(duì)于Pd板2的熔點(diǎn)低，所以Al 板1的板寬5a、 5b比所述Pd板2的板寬6a、 6b加工得更大。本實(shí)施例 中，將Al板1的板寬5a、 5b的尺寸相對(duì)于Pd板2的板寬6a、 6b的尺寸 分別各增大2.0mm。這如圖1所示，相比于Pd板2的側(cè)面作為低熔點(diǎn)金 屬的所述A1板1的側(cè)面從所述Pd板2突出l.Omm，以該狀態(tài)對(duì)各板進(jìn)行 層疊。因此，構(gòu)成接合部的層疊部件的側(cè)面形成凹凸部，凸部是A1板1。圖4是表示根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行摩擦攪拌接合的狀態(tài)的圖。表示用接合工具8對(duì)接合部7進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的接合工具8和接合部7的位置關(guān)系。 接合工具8是在摩擦攪拌接合中廣泛使用的在前端形成有探針9的工具。 探針9的前端以轉(zhuǎn)速18000rpm —邊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)， 一邊只按壓在Al板1的從 Pd板2突出的部位。此時(shí)，設(shè)在本實(shí)施例中探針9前端和Pd板2的接合 面10之間的間隙11為O.lmm。在間隙11保持一定的狀態(tài)下，使接合工 具8以1000mm/min的速度向接合方向移動(dòng)，同時(shí)為了使層疊部件的全周 不產(chǎn)生液體泄露，將Al板1和Pd板2進(jìn)行接合。在本接合中，突出的 Al板1因?yàn)槟Σ翑嚢杞雍袭a(chǎn)生變形，通過(guò)向間隙11的凹部的塑性流動(dòng)， 從而覆蓋Pd板2的側(cè)面部分。在這里，在塑性流動(dòng)的Al和Pd板2的側(cè) 面接觸的界面部分，通過(guò)形成Al和Pd的反應(yīng)層而被接合。接合后，Pd 板2的上下表面及側(cè)面被Al板1覆蓋。通過(guò)本接合，接合后的Al板1和 Pd板2的側(cè)面的接合部的截面照片如圖1所示。在Al板1和Pd板2之 間，形成厚度大約為0.8pm且基本一定的反應(yīng)層3從而將兩板接合起來(lái)。 從接合強(qiáng)度的觀點(diǎn)出發(fā)，反應(yīng)層3的厚度最好設(shè)置在5pm以下。作為本實(shí)施例說(shuō)明的氫反應(yīng)器中可采用的有機(jī)氫化物，只要是化學(xué)方 式地重復(fù)氫的存儲(chǔ)和排放的有機(jī)化合物即可，其中優(yōu)選芳香族化合物，還 可以利用苯、甲苯、二甲苯、均三甲基苯、萘、甲基萘、蒽、聯(lián)苯、苯甲 酰亞甲基(7工于7 1/ 以及它們的垸基取代物的任意一種或多種的混 合物。另夕卜，作為高熱傳導(dǎo)基板、氫流路板，可以采用以銅、鎳、鋁、硅、 鈦等為主體的金屬或其合金、金屬包層材料。另外，作為催化劑載體，可 以使用從由氧化鋁、氧化鋅、二氧化硅、氧化鋯、硅藻土、氧化鈮、氧化 釩、活性炭、沸石、氧化銻、氧化鈦、氧化鎢、氧化鐵組成的組中選擇的 至少一種。另外，作為氫分離膜，可以采用Pd、 Nb、 Zr、 V、 Ta等金屬 或其合金。作為Nb、 V金屬，可以采用將Mo、 Co、 Ni等合金化了的物 質(zhì)。在本實(shí)施例中，己經(jīng)對(duì)A1板1/Pd板2/Al板l的層疊部件的接合進(jìn) 行了說(shuō)明，而本發(fā)明的接合方法也同樣適用于其它的不同種類的金屬。此 時(shí)的關(guān)鍵是，在不同種類金屬之中，使低熔點(diǎn)金屬突出進(jìn)行層疊，以將接 合工具只按壓向低熔點(diǎn)金屬來(lái)進(jìn)行摩擦攪拌。 (實(shí)施例2)圖5表示將實(shí)施例1的A1板1、 Pd板2的配置反過(guò)來(lái)，在最下層和 最上層配置Pd板2的情況下的實(shí)施方式。在本實(shí)施例中，也和實(shí)施例1 一樣將低熔點(diǎn)的Al板1以突出的方式層疊，被層疊的Al板1和Pd板2 從上下方向被固定夾具U固定。固定夾具I2起到墻壁的作用，使得被接 合工具8按壓的Al金屬不會(huì)被排出向?qū)盈B部件外部。使接合工具8的前 端以轉(zhuǎn)速18000ipm進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)按壓在A1板1的從Pd板2突出的部 位。此時(shí)，設(shè)在本實(shí)施例中的間隙ll也為0.1mm。在將所述間隙ll保持 一定的狀態(tài)下，通過(guò)使所述接合工具8以1000mm/min向接合方向移動(dòng)， 從而將所述Al板1和所述Pd板2接合起來(lái)。 (實(shí)施例3)圖6是表示利用本發(fā)明層疊接合的第三實(shí)施方式的示意圖，圖7是它 的接合部截面的示意圖。和實(shí)施例1 一樣，具有A1板1和Pd板2交替層 疊的結(jié)構(gòu)，在層疊表面13 —側(cè)設(shè)有貫穿孔14，在貫穿孔14的內(nèi)部接合 Al板1和Pd板2。和實(shí)施例1 一樣，以Al板1從Pd板2突出l.Omm的 方式被配置在成為接合部的貫穿孔14的內(nèi)周。圖7表示在貫穿孔14中的 接合的實(shí)施方式。通過(guò)使接合工具8在貫穿孔14中一邊旋轉(zhuǎn)一邊插入， 只有所述Al板被探針9的側(cè)面摩擦攪拌。這樣，通過(guò)Al板1的塑性流動(dòng) 來(lái)與Pd板2的接合面10進(jìn)行接合。在本實(shí)施例中，將接合工具8的轉(zhuǎn)速 設(shè)為18000rpm來(lái)實(shí)施。本實(shí)施例的貫穿孔內(nèi)的接合方法如果適用于實(shí)施例1中說(shuō)明的氫反應(yīng) 器，則貫穿孔的接合部變成集熱路徑，直到層疊部件的內(nèi)部供給熱量也變 得容易。由此，因?yàn)槟軌蛳虼呋瘎┌宓恼麄€(gè)面進(jìn)行供熱，所以可以提高脫 氫反應(yīng)的效率。此外這時(shí)，優(yōu)選的是在層疊部件的外周面和貫穿孔這雙方進(jìn)行接合。(實(shí)施例4)圖8是利用本發(fā)明層疊接合的第四實(shí)施方式的示意圖。在Al板1上， 以一定的間隔縱橫排列尺寸比Al板1小的Pd板2，其上層疊Al板1。這 是交替層疊。接著，和實(shí)施例2 —樣從層疊表面?zhèn)?3的方向?qū)⒔雍瞎ぞ? 按壓在實(shí)質(zhì)上只有Al板1被層疊的部位，進(jìn)行插入直到探針9的前端到 達(dá)底板15。并且使其向接合方向移動(dòng)。在對(duì)所有的接合部位進(jìn)行了摩擦攪拌接合之后，通過(guò)沿著接合線16切斷，可以一次制作多個(gè)層疊結(jié)構(gòu)部件， 能夠?qū)崿F(xiàn)制造工序的簡(jiǎn)化。
權(quán)利要求
1.一種摩擦攪拌接合方法，是對(duì)第一金屬板和熔點(diǎn)比第一金屬板高的第二金屬板交替層疊三張以上而形成的層疊板進(jìn)行接合的方法，其特征在于，以所述第一金屬板的側(cè)面從第二金屬板的側(cè)面向外側(cè)突出的方式進(jìn)行層疊，只向所述第一金屬板的側(cè)面按壓接合工具，進(jìn)行摩擦攪拌接合。
2. 如權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，由所述第一金屬板形成的凸部通過(guò)摩擦攪拌接合而發(fā)生變形，向凹部 塑性流動(dòng)，所述第二金屬板的側(cè)面被所述第一金屬板覆蓋。
3. 如權(quán)利要求2所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于， 在所述第二金屬板的側(cè)面和塑性流動(dòng)后的所述第一金屬板接觸的界面上形成兩金屬間的反應(yīng)層。
4. 如權(quán)利要求2所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于， 所述第二金屬板的上下面及側(cè)面被所述第一金屬板覆蓋。
5. —種層疊部件，由第一金屬板和熔點(diǎn)比第一金屬板高的第二金屬板 交替層疊三張以上而構(gòu)成，其特征在于，所述第二金屬板的上下面及側(cè)面被所述第一金屬板覆蓋。
6. 如權(quán)利要求5所述的層疊部件，其特征在于， 所述第二金屬板的側(cè)面和所述第一金屬板的界面被兩金屬間的反應(yīng)層接合。
7. —種氫反應(yīng)器，具有層疊了以下構(gòu)件的結(jié)構(gòu)催化劑板，該催化劑板用于使有機(jī)化合物發(fā)生脫氫反應(yīng)，該有機(jī)化合 物化學(xué)性地反復(fù)進(jìn)行氫的存儲(chǔ)和釋放；氫分離膜，該氫分離膜用于分離由脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的氫； 氫流路板，該氫流路板為透過(guò)氫分離膜的氫的流路， 所述氫反應(yīng)器的特征在于，所述催化劑板、氫分離膜、以及氫流路板的接合部，通過(guò)構(gòu)成各部件 的金屬材料中熔點(diǎn)低的部件在摩擦攪拌作用下產(chǎn)生的塑性流動(dòng)來(lái)接合。
8. 如權(quán)利要求7所述的氫反應(yīng)器，其特征在于，所述接合部是在層疊面內(nèi)形成的貫穿孔的內(nèi)部。
9. 如權(quán)利要求7所述的氫反應(yīng)器，其特征在于， 所述氫分離膜是以Pd、 Nb、 Zr、 V、 Ta為主體的金屬或其合金，構(gòu)成所述催化劑板和氫流路板的材料是以銅、鎳、鋁、硅、鈦等為主體的金 屬或其合金。
10. 如權(quán)利要求9所述的氫反應(yīng)器，其特征在于， 所述催化劑板和氫流路板由同種材料構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種摩擦攪拌接合方法，其能夠?qū)θ龔堃陨辖惶鎸盈B的熔點(diǎn)不同的金屬同時(shí)進(jìn)行層疊接合。本發(fā)明的摩擦攪拌接合方法，是對(duì)第一金屬板和熔點(diǎn)比第一金屬板高的第二金屬板交替層疊三張以上而形成的層疊板進(jìn)行接合的方法，其特征在于以所述第一金屬板的側(cè)面從第二金屬板的側(cè)面向外側(cè)突出的方式進(jìn)行層疊，只向所述第一金屬板的側(cè)面按壓接合工具，進(jìn)行摩擦攪拌接合。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101254571SQ20081000463
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月28日
發(fā)明者佐藤章弘, 石川敬郎, 青田欣也 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所