JP2007301578A - 材料の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】結合部を軽量化し、突起物の張り出し及び緩みや脱落等の心配がなくて済み、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる材料の接合方法を提供する。
【解決手段】接合孔1a,2aを有する複数の材料1,2を互いの接合孔1a,2aが合致するように重ね合わせ、その合致させた接合孔1a,2aに接合補助材料のボルト3a又はピン3bを嵌装し、ボルト3a又はピン3bに対し軸部10の端側から接合ツール9を回転しながら押し付け、その摩擦熱によりボルト3a又はピン3bを固相状態のまま軟化させ、これによりボルト3a又はピン3bの軸部10を接合孔1a,2aに緊密に内嵌せしめて各材料1,2同士を接合する。
【選択図】図1
【解決手段】接合孔1a,2aを有する複数の材料1,2を互いの接合孔1a,2aが合致するように重ね合わせ、その合致させた接合孔1a,2aに接合補助材料のボルト3a又はピン3bを嵌装し、ボルト3a又はピン3bに対し軸部10の端側から接合ツール9を回転しながら押し付け、その摩擦熱によりボルト3a又はピン3bを固相状態のまま軟化させ、これによりボルト3a又はピン3bの軸部10を接合孔1a,2aに緊密に内嵌せしめて各材料1,2同士を接合する。
【選択図】図1
Description
本発明は、材料の接合方法に関するものである。
近年、自動車業界においては、燃費向上等を目指した車両の軽量化を図る観点からアルミ材等の軽量素材が積極的に採用されており、これによりアルミ材と鉄材等といった溶接が困難な異種材料同士の接合技術に関する重要性が高まってきているが、従来、この種の溶接が困難な異種材料同士の接合に関しては、ボルトによる締結、メカニカルクリンチによる接合、接着剤による接着等の手段が用いられている。
尚、後述する本発明の材料の接合方法に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献1等がある。
特開2004−136365号公報
しかしながら、接合部において更なる軽量化が求められると共に、ボルトとナットの締結を採用した場合には、接合すべき材料の表裏面にナットが突起物として張り出すため、これらの突起物の占有スペースを設計上で確保しなければならないという制約があり、しかも、ボルトとナットの締結では緩みや脱落等の心配もあり、また、メカニカルクリンチによる接合を採用した場合には、薄板同士の接合が中心となる上、材料に熱を加えずに加圧のみで接合を行うことになるため、割れや変形等の品質欠陥が発生し易いという問題があった。
更に、接着剤による接着を採用した場合には、作業性や作業環境が悪いという問題に加え、リサイクル時における接着剤の材料からの分離が困難であるためにリサイクル性が悪いという問題があった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、結合部を軽量化し、突起物の張り出し及び緩みや脱落等の心配がなくて済み、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる材料の接合方法を提供することを目的とする。
本発明は、接合孔を有する複数の材料を互いの接合孔が合致するように重ね合わせ、その合致させた接合孔に接合補助材料のボルト又はピンを嵌装し、該ボルト又はピンに対し軸部の端側から接合ツールを回転しながら押し付け、その摩擦熱によりボルト又はピンを固相状態のまま軟化させ、これによりボルト又はピンの軸部を接合孔に緊密に内嵌せしめて各材料同士を接合することを特徴とする材料の接合方法、に係るものである。
而して、このようにすれば、接合補助材料のボルト又はピンを接合孔に緊密に内嵌せしめるので、抜け止めや回り止めの効果が奏されて各材料同士がボルト又はピンを介して強固に接合されることになる。
この際、ナットを用いることがないため、結合部を軽量化すると共に、ナット等の突起物の占有スペースを確保するといった設計上の制約がかからなくて済み、しかも、ボルト又はピンが接合孔に対し緊密に内嵌することになるので、ボルトとナットの締結を採用した場合のような緩みや脱落等の心配もなくなる。
また、各材料の接合孔に嵌装した接合補助材料のボルト又はピンを介して各材料同士を接合しているので、薄板から厚板まで広範な範囲で各材料同士を接合することが可能となり、しかも、ボルト又はピンに対し接合ツールにより摩擦熱を与えて軟化させた上で無理な加圧力をかけることなく接合しているので、割れや変形等の品質欠陥の発生を未然に回避することが可能となる。
更に、接着剤のような介在物無しで各材料同士を接合するので、接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化を招かなくても済み、しかも、リサイクル時における分離作業が容易なリサイクル性に優れた接合が実現されることになる。
本発明においては、前記接合ツールを回転しながら押し付けてボルト又はピンに没入することが可能である。
また、本発明をより具体的に実施するに際しては、前記接合ツールを回転しながら押し付け、前記ボルト又はピンの軸部を各材料との機械的な係合部にしても良い。
更に、前記接合ツールを回転しながら押し付けて材料に接触させ、前記ボルト又はピンの軸部の端面を材料の面に合致させても良い。
更にまた、本発明においては、各材料の少なくとも何れかを接合補助材料のボルト又はピンと同種材料とし、その同種材料とした材料と、ボルト又はピンとの境界部分を接合ツールの回転により撹拌して摩擦撹拌接合部とすることが好ましい。
また、本発明においては、接合孔の内側面に予め形成しておいた溝部にボルトのネジ溝を係合させて準備することが好ましい。
上記した本発明の材料の接合方法によれば、ナットを用いることがないため、結合部を軽量化することができ、同時にナット等の突起物の張り出しがないことから設計上の制約を大幅に緩和することができると共に、通常のボルト締結の場合の如き緩みや脱落等の心配も解消することができ、しかも、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、更には、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる等種々の優れた効果を奏し得る。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図1(a)〜(d)は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、相互に重ね合わせた鉄製の材料1とアルミ製の材料2をスポット接合する場合を例示しており、図1に示す如く、各材料1,2の夫々には、その厚さ方向に貫通する接合孔1a,2aがスポット状に穿設され、該接合孔1a,2aが互いに合致するように重ね合わされており、その合致させた接合孔1a,2a内にアルミ製の接合補助材料のボルト3a又はピン3bが嵌装されていると共に、その重ね合わせた各材料1,2の下側には、ボルト3a又はピン3bのヘッド部4を配置し得るよう、凹部5を備えた裏当て部材6が配置されている。
ここで、接合孔1aの内周面には、ネジ加工により螺旋状の溝部7を形成しており、図3の如く、接合補助材料のボルト3aのネジ溝8を係合させて準備し、裏当て部材6を不要にするようにしても良い。
更に、各材料1,2の上側には、円柱状の接合ツール9が接合孔1a,2aと同心状に配置されており、図示しない接合装置により回転可能且つ昇降可能に支持されるようになっている。
そして、このように重ね合わせた材料1,2を接合ツール9により接合するにあたり、図1(a),(b)に示す如く、接合ツール9を回転しながら下降して接合孔1a,2a内のボルト3a又はピン3bに対して軸部10の先端側から押し付けると、該接合補助材料のボルト3a又はピン3bと接合ツール9との間に生じた摩擦熱でボルト3a又はピン3bが固相状態のまま軟化して軸部10を押し潰すことになる。
ここで、図2(a)〜(d)に示す如く、円柱状の接合ツール9が下端にピン状の挿入部9aを有するものである場合には、固相状態のボルト3a又はピン3bに対して接合ツール9の挿入部9aが没入していくことになる。
次いで、図1(c)に示す状態まで接合ツール9を下降させると、摩擦熱で軟化したボルト3aの軸部10又はピン3bの軸部10が塑性流動することにより、接合孔1a,2aに対し緊密に内嵌すると共に、接合孔1aの溝部7と嵌合する螺旋状(ネジ山状)の山部10aが形成されることになる。また、接合ツール9の下面と材料1の上面との間の隙間に張り出すことでボルト3a又はピン3bの軸部10の上端部に接合孔1a,2aより平面断面の大きなフランジ部11が形成され、これらフランジ部11が各材料1,2側との機械的な係合部を成すことになる。なお、接合孔2aの内周面にも、ネジ加工により螺旋状の溝部(図1には図示せず)を形成し、軸部10の塑性流動により、接合孔2aの溝部と嵌合する螺旋状(ネジ山状)の山部10aが形成されるようにしても良い。
ここで、接合補助材料のボルト3a又はピン3bをやや短くし且つ接合ツール9を材料1に接触するまで降下させた場合には、図4に示す如く、摩擦熱で軟化したボルト3aの軸部10’又はピン3bの軸部10’が塑性流動することにより、接合孔1a,2aに対し緊密に内嵌すると共に、接合孔1aの溝部7と嵌合する螺旋状(ネジ山状)の山部10aが形成されることになり、更に、ボルト3a又はピン3bの軸部10’の端面が材料の面に合致するように形成されることになる。なお、接合孔2aの内周面にも、ネジ加工により螺旋状の溝部7を形成し、軸部10の塑性流動により、接合孔2aの溝部7と嵌合する螺旋状(ネジ山状)の山部10aが形成されるようにしても良い。
然る後、図1(d)に示す如く、接合ツール9を回転させつつ上方へ離間させると、摩擦撹拌接合部12、山部10a、フランジ部11等が硬化し、抜け止めや回り止めの効果が奏されて各材料1,2同士がボルト3a又はピン3bを介して強固に接合されることになる。
また、鉄製の材料1と、アルミ製のボルト3a又はピン3bとの間には、摩擦熱により固相状態のまま軟化したボルト3aの軸部10又はピン3bの軸部10が材料1に密着されて融点以下の温度条件で加圧されることにより、その接合面間に生じる原子の拡散で鉄製の材料1と、アルミ製のボルト3a又はピン3bとが拡散接合される効果も付与されることになる。
事実、本発明者による引張り剪断強度の検証実験では、上段を6000系のアルミ材から成る6mm厚の材料1とし、下段を6000系のアルミ材から成る6mm厚の材料2とし、接合補助材料をM6ボルト(ボルト径6mm)で同種材料の6000系のアルミ材とした場合に、3.68kNもの良好な引張り剪断強度が得られることが確認された。ここで、ナットを用いた場合には3.76kNの引張り剪断強度が得られ、略同じ強度を有することが明らかであった。
また、同じ材料1、2を用いて接合補助材料をM8ボルト(ボルト径8mm)で同種材料の6000系のアルミ材とした場合も、6.09kNもの良好な引張り剪断強度が得られると共に、ナットを用いた場合には5.93kNの引張り剪断強度が得られ、略同じ強度を有することが明らかであった。
更に、同じ材料1、2を用いて接合補助材料をM10ボルト(ボルト径10mm)で同種材料の6000系のアルミ材とした場合も、9.36kNもの良好な引張り剪断強度が得られると共に、ナットを用いた場合には9.39kNの引張り剪断強度が得られ、略同じ強度を有することが明らかであった。
しかも、結合ツール9に挿入部9aを有する場合には、図2(c),(d)に示す如く、下段の材料2を接合補助材料のボルト3a又はピン3bと同種材料としているので、接合ツール9の挿入部9aを回転しながらボルト3aの軸部10又はピン3bの軸部10に没入することにより、その同種材料とした材料2と接合補助材料との境界部分が接合ツール9の挿入部9aの回転により撹拌されて摩擦撹拌接合部12が形成されることになる。
このように、本形態例においては、各材料1,2が強固に接合されるに際し、ナットを用いることがないため、結合部の軽量化を為し得ると共に、ナット等の突起物の占有スペースを確保するといった設計上の制約がかからなくて済み、しかも、ボルト3a又はピン3bが接合孔1a,2aに対し緊密に内嵌することになるので、ボルト3aとナットの締結を採用した場合のような緩みや脱落等の心配もなくなる。
尚、ここに図示している例では、各材料1の上面にフランジ部11が僅かに張り出すことになるが、これらフランジ部11を形成するにあたっては、材料1の上面側に、接合孔1a,2aと連続し且つ該接合孔1a,2aより大きな平面断面を有する凹部を座ぐり加工しておくことで、フランジ部11が嵌合形成されるようにしても良く、このようにすれば、材料1の最終的な上面の形状がフラットなものとなる。
また、本形態例では、各材料1,2の接合孔1a,2aに嵌装した接合補助材料のボルト3a又はピン3bを介して各材料1,2同士を接合しているので、薄板から厚板まで広範な範囲で各材料1,2同士を接合することが可能となり、しかも、ボルト3a又はピン3bに対し接合ツール9により摩擦熱を与えて軟化させた上で無理な加圧力をかけることなく接合しているので、割れや変形等の品質欠陥の発生を未然に回避することが可能となる。
更に、接着剤のような介在物無しで各材料1,2同士を接合するので、接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化を招かなくても済み、しかも、リサイクル時における分離作業が容易なリサイクル性に優れた接合が実現されることになる。
また、形態例においては、接合ツール9を回転しながら押し付けて接合補助材料のボルト3a又はピン3bに没入すると、ボルト3aの軸部10又はピン3bの軸部10を容易に軟化させるので、ボルト3aの軸部10又はピン3bの軸部10を好適に接合孔1a,2aに対し緊密に内嵌させることができる。
更に、接合ツール9を回転しながら押し付け、ボルト3a又はピン3bの軸部10を各材料1,2との機械的な係合部のフランジ部11にすると、ボルト3a又はピン3bのヘッド部4とフランジ部11により、各材料1,2を強固に接合することができる。
更にまた、接合ツール9を回転しながら押し付けて材料に接触させ、ボルト3a又はピン3bの軸部10の端面を材料1の上面に合致させると、ナットやフランジの如き突起物が張り出すことがないため、この種の突起物の占有スペースを確保するといった設計上の制約を無くすことができる。
また、形態例においては、各材料の少なくとも何れかを接合補助材料のボルト3a又はピン3bと同種材料とし、その同種材料とした材料と、ボルト3a又はピン3bとの境界部分を接合ツール9の挿入部9aの回転により撹拌して摩擦撹拌接合部12とすると、摩擦撹拌接合部12により抜け止めや回り止めの効果を奏するので、各材料1,2同士を強固に接合することができる。
更に、形態例においては、接合孔1a,2aの内側面に予め形成しておいた溝部7にボルト3aのネジ溝8を係合させて準備すると、裏当て部材6を不要にするので、組み付け作業を容易にして生産性をアップし、製造コストを低減することができる。
尚、本発明の材料の接合方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、ボルト又はピンは接合ツールの押し付けにより固相状態のまま軟化するならば素材は特に限定されるものでないこと、材料はアルミや鉄に限定されるものでなく、本発明の作用効果を為し得るならば他の素材を用いても良いこと、下側の材料に形成した溝部に予めボルトのネジ溝を係合しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
1 材料
1a 接合孔
2 材料
2a 接合孔
3a ボルト
3b ピン
7 溝部
8 ネジ溝
9 接合ツール
10 軸部
10’ 軸部
11 フランジ部(係合部)
12 摩擦撹拌接合部
1a 接合孔
2 材料
2a 接合孔
3a ボルト
3b ピン
7 溝部
8 ネジ溝
9 接合ツール
10 軸部
10’ 軸部
11 フランジ部(係合部)
12 摩擦撹拌接合部
Claims (6)
- 接合孔を有する複数の材料を互いの接合孔が合致するように重ね合わせ、その合致させた接合孔に接合補助材料のボルト又はピンを嵌装し、該ボルト又はピンに対し軸部の端側から接合ツールを回転しながら押し付け、その摩擦熱によりボルト又はピンを固相状態のまま軟化させ、これによりボルト又はピンの軸部を接合孔に緊密に内嵌せしめて各材料同士を接合することを特徴とする材料の接合方法。
- 前記接合ツールを回転しながら押し付けてボルト又はピンに没入することを特徴とする請求項1に記載の材料の接合方法。
- 前記接合ツールを回転しながら押し付け、前記ボルト又はピンの軸部を各材料との機械的な係合部にすることを特徴とする請求項1又は2に記載の材料の接合方法。
- 前記接合ツールを回転しながら押し付けて材料に接触させ、前記ボルト又はピンの軸部の端面を材料の面に合致させることを特徴とする請求項1又は2に記載の材料の接合方法。
- 各材料の少なくとも何れかを接合補助材料のボルト又はピンと同種材料とし、その同種材料とした材料と、ボルト又はピンとの境界部分を接合ツールの回転により撹拌して摩擦撹拌接合部とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の材料の接合方法。
- 接合孔の内側面に予め形成しておいた溝部にボルトのネジ溝を係合させて準備することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の材料の接合方法。
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- 2006-05-09 JP JP2006130137A patent/JP2007301578A/ja active Pending
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