JP2007301578A - 材料の接合方法 - Google Patents

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

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。

本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。 本発明を実施する形態の二例を示す断面図である。 上側の材料にボルトを締結させた状態を示す断面図である。 ボルト又はピンの軸部の先端部を上側の材料に合致させた状態を示す図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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