JP2022154579A - 締結体並びにこれを用いた接合構造体および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦撹拌部への圧入時に所望の形状に容易に変形可能な締結体を提供し、もって当該締結体を用いた接合構造体の接合強度を向上させる。【解決手段】締結体（１）は、第１部材４１と第２部材４２との重なり部４５に形成される摩擦撹拌部５０に第１部材４１側から圧入される。締結体（１）は、摩擦撹拌部５０の表面に配置される頭部１１と、頭部１１から第２部材４２側に延びる筒状の軸部４２とを備える。軸部１２は、圧入時に当該軸部１２の先端部１２ａが拡径するのを促進する促進部（１５）を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦撹拌部を介して接合される第１部材および第２部材における前記摩擦撹拌部に前記第１部材側から圧入される締結体、並びに当該締結体を用いた接合構造体および接合方法に関する。

航空機、鉄道車両、または自動車などの構造物の製造時に、金属または樹脂等からなる二以上の部材を重ね合わせて接合する作業が必要になる場合がある。この接合の一方法として、リベット（締結体）を用いた接合が知られている。

例えば、下記特許文献１には、リベットと熱溶融とを併用した方法で二以上の樹脂部材を接合することが開示されている。具体的に、特許文献１では、熱可塑性の２つの樹脂部材を上下に重ねるとともに両者の間に導電性の金属板を配置するステップと、配置された金属板を通電、加熱することにより各樹脂部材と金属板とを融着させるステップと、上側の樹脂部材と金属板とを貫通するようにリベットを打設（圧入）するステップとを含む方法により、前記両樹脂部材が接合される。

特開２０１３－００２５０５号公報

前記特許文献１の接合方法は、樹脂部材の間に導電性の金属板を別途配置する必要があるため、重量および製造コストの増大を招き易いという問題がある。そこで、当該問題を解決し得る代替の方法として、摩擦撹拌接合を採用することが提案される。なお、摩擦撹拌接合とは、回転ツールを接合対象に圧入する摩擦撹拌により二以上の部材を接合する方法のことである。この摩擦撹拌接合とリベットとを併用した接合方法によれば、導電性金属板が必須要素でなくなるため、重量および製造コストを抑制することが可能になる。

上述した接合方法による場合、リベットは、摩擦撹拌された領域である摩擦撹拌部に圧入されることになる。ただしこの場合、圧入時にリベットの先端部が期待通りに拡径せず、求められる接合強度が得られない可能性がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、摩擦撹拌部への圧入時に所望の形状に容易に変形可能な締結体を提供し、もって当該締結体を用いた接合構造体の接合強度を向上させることを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明の一局面に係る締結体は、第１部材と第２部材との重なり部に前記第１部材側からの回転ツールの圧入により形成される摩擦撹拌部に、前記第１部材側から圧入される締結体であって、前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と、前記頭部から前記第２部材側に延びる筒状の軸部とを備え、前記軸部は、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を有するものである。

本発明の他の局面に係る接合構造体は、前記第１部材および前記第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との重なり部に形成された前記摩擦撹拌部と、前記摩擦撹拌部に圧入された前記締結体とを備えるものである。

本発明のさらに他の局面に係る接合方法は、前記締結体を用いて前記第１部材と前記第２部材とを接合する方法であって、前記第１部材と前記第２部材との重なり部に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入する摩擦撹拌を行うことにより前記重なり部に前記摩擦撹拌部を形成する摩擦撹拌ステップと、前記第１部材側から前記摩擦撹拌部に前記締結体を圧入する締結ステップとを含むものである。

以上説明したように、本発明によれば、摩擦撹拌部への圧入時に所望の形状に容易に変形可能な締結体を提供することができ、当該締結体を用いた接合構造体の接合強度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るリベットを単体で示す断面図である。 前記リベットを接合対象に打設（圧入）した状態を示す図であり、当該リベットの打設により得られる接合構造体の構造を示す断面図である。 前記接合構造体の製造時に使用される摩擦撹拌接合装置の全体構成を示す模式図である。 前記接合構造体を製造する第１の過程（準備工程）を示す断面図である。 前記接合構造体を製造する第２の過程（位置決め工程）を示す断面図である。 前記接合構造体を製造する第３の過程（摩擦撹拌工程）を示す断面図である。 前記接合構造体を製造する第４の過程（打設工程）を示す断面図である。 接合品質の合否を判定する手順を示すフローチャートである。 前記実施形態の変形例を示す図１相当図である。

［リベットの構造］
図１は、本発明の一実施形態に係るリベット１を単体で示す断面図である。本図に示すように、リベット１は、円板状の頭部１１と、頭部１１から同心状に延びる円筒状の軸部１２とを備えた締結体である。リベット１は、本実施形態では、下穴をもたない材料に非貫通で打設されるセルフピアスリベットである。なお、以下では、リベット１の軸方向のうち頭部１１の側を「上」、軸部１２の側を「下」というが、これは説明の便宜のためであり、リベット１の使用姿勢を限定する趣旨ではない。

頭部１１は、軸部１２の上端の開口を閉塞する中実の円板状に形成されている。頭部１１の外径をＲ１、軸部１２の外径をＲ２とすると、外径Ｒ１は外径Ｒ２よりも大きい値に設定される。これにより、頭部１１は、軸部１２の上端に対し径方向外側に突出する部分を有する円板状に形成される。

軸部１２は、頭部１１と同一の軸心に沿って上下方向に延びるように形成されている。軸部１２は、頭部１１よりも小さい一定の外径をもってストレート状に延びる円筒体であり、頭部１１と反対側（下端側）に開放された中空部を内部に有している。軸部１２および頭部１１を含んだリベット１の軸方向の全体長さ（全長）をＬとすると、この全長Ｌは、頭部１１の厚さ（軸方向長さ）よりも十分に大きい値に設定される。

軸部１２における頭部１１と反対側の端部（下端部）つまり先端部１２ａは、先鋭状に形成されている。すなわち、軸部１２の先端部１２ａは、先端側ほど（頭部１１から遠ざかるほど）内径が大きくなるテーパ状の内周面１２ｓを有している。当該内周面１２ｓを含む先端部１２ａは、軸部１２の先端（下端）の開口縁でもある。

軸部１２の外周面における軸方向（上下方向）の途中部には、凹溝１５が形成されている。凹溝１５は、軸部１２の外周壁を局所的に減肉して得られる溝であり、断面視でＵ字状またはＶ字状等の所定の凹形状を有している。凹溝１５は、軸部１２の外周面において周方向に連続して延びるように形成されている。凹溝１５の溝中心から軸部１２の最先端位置１２ｔまでの軸方向の距離をＧとすると、この距離Ｇは、後述するリベット１の打設時に拡径する軸部１２の拡径後の形状を左右するパラメータとなる。

リベット１の材質は、接合対象に打設可能な強度を有するものであればよく、適宜の材料から選択可能である。例えば、チタンや高張力鋼等の金属材、もしくは熱可塑性樹脂や熱可塑性複合材等の樹脂材を、リベット１の材質として用いることができる。なお、本実施形態のように繊維強化樹脂材の接合のためにチタン製のリベット１を用いる場合は、例えばＴｉ－６ＡＬ－４Ｖ等のチタン合金製のリベットが好適である。

［接合構造体の構造］
図２は、リベット１を接合対象に打設（圧入）した状態を示す図であり、当該リベット１の打設により得られる接合構造体３０の構造を示す断面図である。本図に示すように、接合構造体３０は、互いに重なり合った第１部材４１および第２部材４２と、両部材４１，４２の重なり部４５に形成された摩擦撹拌部５０と、摩擦撹拌部５０に打設された上述のリベット１とを備える。接合構造体３０は、例えば、航空機、鉄道車両、または自動車などの構造物に使用され得る。

第１部材４１および第２部材４２は、いずれも板状の部材であり、第１部材４１が上に（第２部材４２が下に）なる姿勢で互いに上下方向に重なり合っている。重なり合った第１部材４１および第２部材４２は、摩擦撹拌部５０が形成される予定の位置に重なり部４５を形成する。

第１部材４１および第２部材４２は、いずれも熱可塑性複合材により構成されている。具体的に、第１部材４１および第２部材４２は、熱可塑性樹脂からなる基材と当該基材に含浸された多数の強化繊維とを含む繊維強化熱可塑性樹脂により構成されている。第２部材４２の厚さは、第１部材４１の厚さと同一でもよいし、異なっていてもよい。

第１部材４１および第２部材４２の基材として用いることが可能な熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＥＡＫ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂、熱可塑性のエポキシ樹脂などを例示することができる。また、当該基材に含浸される強化繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、もしくは有機繊維を例示することができる。

摩擦撹拌部５０は、重なり部４５において摩擦撹拌された材料が硬化することで形成された接合部である。摩擦撹拌部５０は、後述する回転ツール１０１が圧入された領域に対応する円柱状に形成される。すなわち、摩擦撹拌部５０は、円形の上面５０ａおよび底面５０ｂと、円筒状の側周面５０ｃとを有する。上面５０ａは、第１部材４１の上面４１ａと略面一になる高さ位置に形成される。底面５０ｂは、摩擦撹拌部５０とその下側の非摩擦撹拌部（母材領域）との境界に相当する位置に形成される。側周面５０ｃは、摩擦撹拌部５０とその外周側の非摩擦撹拌部（母材領域）との境界に相当する位置に形成される。摩擦撹拌部５０は、必ずしも下側の第２部材４２まで達している必要はないが、本実施形態では、摩擦撹拌部５０が第２部材４２まで達するように、その深さが第１部材４１の厚さよりも大きい値に設定されている。

リベット１は、第１部材４１と第２部材４２とを機械的に接合するように摩擦撹拌部５０に打設（圧入）される。すなわち、リベット１は、後述する回転ツール１０１による重なり部４５の摩擦撹拌後に、当該重なり部４５（摩擦撹拌部５０）に打設されることにより、第１部材４１と第２部材４２とを機械的に接合する。この打設後の状態において、リベット１の頭部１１は、摩擦撹拌部５０の上面５０ａ（表面）に当接する。また、前記打設により、リベット１の軸部１２は、その先端部１２ａの外径が拡大した先拡がり状の形状に変化する。具体的に、前記打設後の軸部１２は、第１部材４１を貫通しかつ第２部材４２の厚さ方向の途中まで延びるように配置され、かつ、先端側ほど（頭部１１から遠ざかるほど）外径が拡大するように形成される。この状態における軸部１２の先端部１２ａは、摩擦撹拌部５０の外側まで突出し、第１部材４１と第２部材４２とを締結するインターロック部として機能する。すなわち、第１部材４１と第２部材４２とは、摩擦撹拌部５０の外側まで突出する先端部１２ａからなるインターロック部と、摩擦撹拌部５０の上面５０ａに配置される頭部１１との間に挟まれることにより、互いに固定される。

［摩擦撹拌接合装置］
上述したリベット１および摩擦撹拌部５０を含む接合構造体３０は、図３に示される摩擦撹拌接合装置Ｍを用いて製造される。本図に示すように、摩擦撹拌接合装置Ｍは、複動式の回転ツール１０１と、回転ツール１０１を回転および昇降駆動するツール駆動部１０２と、ツール駆動部１０２の動作を制御するコントローラＣとを含む。なお、図３には「上」「下」の方向表示を付しているが、これは説明の便宜のためであり、実際の回転ツール１０１の使用姿勢を限定する趣旨ではない。

回転ツール１０１は、図略のツール固定部によって支持される。このツール固定部は、例えば多関節ロボットの先端部とすることができる。回転ツール１０１の下端面に対向して、バックアップ部材１１５が配置されている。回転ツール１０１とバックアップ部材１１５との間には、接合対象である第１部材４１および第２部材４２が配置される。

回転ツール１０１は、ピン部材１１１と、ショルダ部材１１２と、クランプ部材１１３と、スプリング１１４とを備える。ピン部材１１１は円柱状に形成された部材であり、その軸線が上下方向に延びるように配置されている。ピン部材１１１は、前記軸線を回転軸Ｒとして回転することが可能であり、かつ、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退移動）することが可能である。

ショルダ部材１１２は、ピン部材１１１の外周を覆うように配置されている。すなわち、ショルダ部材１１２は、ピン部材１１１が内挿される中空部を備えた円筒状の部材である。ショルダ部材１１２の軸線は、ピン部材１１１の軸線（回転軸Ｒ）と同軸上にある。ショルダ部材１１２は、ピン部材１１１と同一の回転軸Ｒ回りに回転し、かつ回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退移動）することが可能である。このように、ショルダ部材１１２とその中空部に内挿されたピン部材１１１とは、いずれも回転軸Ｒ回りに回転しかつ当該回転軸Ｒに沿って相対移動することが可能である。すなわち、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２は、回転軸Ｒに沿って同時に昇降するだけでなく、一方が下降し他方が上昇するという独立移動が可能である。

クランプ部材１１３は、ショルダ部材１１２の外周を覆うように配置されている。すなわち、クランプ部材１１３は、ショルダ部材１１２が内挿される中空部を備えた円筒状の部材である。クランプ部材１１３の軸線も、回転軸Ｒと同軸上にある。クランプ部材１１３は、軸回りに回転はしないが、回転軸Ｒに沿って上下方向に昇降（進退）することが可能である。クランプ部材１１３は、ピン部材１１１またはショルダ部材１１２が摩擦撹拌を行う際に、これらの外周を囲う役目を果たす。クランプ部材１１３の囲いによって、摩擦撹拌材料を四散させず、摩擦撹拌部を平滑に仕上げることができる。

スプリング１１４は、クランプ部材１１３の上端側に取り付けられ、クランプ部材１１３を接合対象に向かう方向（下方）に付勢している。クランプ部材１１３は、スプリング１１４を介して、前記ツール固定部に取り付けられている。

バックアップ部材１１５は、接合対象の下面に当接する上面（支持面）を備える。すなわち、バックアップ部材１１５は、ピン部材１１１またはショルダ部材１１２が接合対象に圧入される際に、当該接合対象を支持する裏当て部材である。スプリング１１４で付勢されたクランプ部材１１３は、接合対象をバックアップ部材１１５に押し当てる。

ツール駆動部１０２は、回転駆動部１２１、ピン駆動部１２２、ショルダ駆動部１２３およびクランプ駆動部１２４を含む。回転駆動部１２１は、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２を回転軸Ｒ回りに回転駆動する機構である。ピン駆動部１２２は、回転軸Ｒに沿ってピン部材１１１を進退移動（昇降）させる機構である。ピン駆動部１２２は、ピン部材１１１の接合対象への圧入並びに接合対象からの退避を行うように、ピン部材１１１を駆動する。ショルダ駆動部１２３は、回転軸Ｒに沿ってショルダ部材１１２を進退移動させる機構であって、ショルダ部材１１２の接合対象への圧入並びに退避を行わせる。クランプ駆動部１２４は、回転軸Ｒに沿ってクランプ部材１１３を進退移動させる機構である。クランプ駆動部１２４は、クランプ部材１１３を接合対象に向けて移動させ、接合対象をバックアップ部材１１５に押圧させる。この際、スプリング１１４の付勢力が作用する。各駆動部１２１～１２４は、それぞれサーボモータおよび伝達ギア等を含み、当該サーボモータの回転に応じてそれぞれの駆動対象に所望の動作を行わせる。

コントローラＣは、マイクロコンピュータ等からなり、所定の制御プログラムを実行することでツール駆動部１０２の各部の動作を制御する。具体的に、コントローラＣは、回転駆動部１２１を制御して、ピン部材１１１およびショルダ部材１１２に所要の回転動作を行わせる。また、コントローラＣは、ピン駆動部１２２、ショルダ駆動部１２３、およびクランプ駆動部１２４を制御して、ピン部材１１１、ショルダ部材１１２、およびクランプ部材１１３に所要の進退移動動作を行わせる。

以上のような構造の摩擦撹拌接合装置Ｍは、通常、二以上の部材を摩擦撹拌接合により接合するために使用される。この摩擦撹拌接合装置Ｍを用いた摩擦撹拌接合は、ショルダ先行プロセスによる接合方法と、ピン先行プロセスによる接合方法とに大別することができる。

ショルダ先行プロセスによる接合方法では、前記二以上の部材の重なり部に対し回転ツール１０１のショルダ部材１１２を先行して圧入させて摩擦撹拌を行うとともに、ピン部材１１１を前記重なり部から退避させる。その後、ショルダ部材１１２を退避（上昇）させつつピン部材１１１を下降させることにより、前記重なり部の上面を平滑化する。これに対し、ピン先行プロセスによる接合方法では、前記重なり部に対し回転ツール１０１のピン部材１１１を先行して圧入させて摩擦撹拌を行うとともに、ショルダ部材１１２を前記重なり部から退避させる。その後、ピン部材１１１を退避（上昇）させつつショルダ部材１１２を下降させることにより、前記重なり部の上面を平滑化する。

［接合方法］
次に、上述した摩擦撹拌接合装置Ｍを用いて第１部材４１および第２部材４２を接合する方法について詳しく説明する。本実施形態において第１部材４１および第２部材４２を接合する際には、リベット１の打設と摩擦撹拌接合とを組み合わせたリベット併用摩擦撹拌接合が用いられる。リベット併用摩擦撹拌接合は、接合手段としてリベットが追加される点で通常の摩擦撹拌接合とは異なるが、本実施形態では上述したショルダ先行プロセスを応用することにより、図３に示した摩擦撹拌接合装置Ｍのみを用いて（リベット１を打設するための別の装置を追加することなく）リベット併用摩擦撹拌接合を実現することが可能である。すなわち、第１部材４１および第２部材４２の接合時には、両者の重なり部４５に対し回転ツール１０１のショルダ部材１１２が圧入されて摩擦撹拌が実行されるとともに、当該摩擦撹拌後の重なり部４５（摩擦撹拌部５０）にピン部材１１１を用いてリベット１が打設される。これにより、第１部材４１と第２部材４２とが接合されてなる接合構造体３０が製造される。詳しくは、第１・第２部材４１，４２の接合方法には、下記の４つの工程Ｐ１～Ｐ４が含まれる。

工程Ｐ１は、図４に示すように、リベット１を回転ツール１０１に装着する準備工程である。この準備工程Ｐ１において回転ツール１０１に装着されるリベット１は、重なり部４５に打設される前のリベット１であり、その軸部１２は未だ拡径していない。すなわち、準備工程Ｐ１で用いられるリベット１は、頭部１１と、当該頭部１１からストレート状に延びる円筒形の軸部１２とを備えている。

リベット１を回転ツール１０１に装着するため、コントローラＣ（図３）は、ピン駆動部１２２を駆動してピン部材１１１を上昇させ、ショルダ部材１１２の内部にリベット１の収容空間Ｖを創出する。すなわち、コントローラＣは、ピン部材１１１の先端（下端）１１１ａを、リベット１の全長Ｌ（図１）以上のストロークだけショルダ部材１１２の先端（下端）１１２ａに対し上昇させることにより、ショルダ部材１１２の下端開口に連なる収容空間Ｖを形成する。この収容空間Ｖにリベット１を収容可能とするため、リベット１としては、ショルダ部材１１２の内径よりもわずかに小さい外径を有するものが選択される。

工程Ｐ２は、図５に示すように、第１部材４１と第２部材４２とが上から順に重ねられた重なり部４５に対し、リベット１が装着された回転ツール１０１を位置決めする位置決め工程である。この位置決め工程Ｐ２において、コントローラＣは、バックアップ部材１１５上に支持された重なり部４５の中心に回転ツール１０１の回転軸Ｒ（図３）が一致するように位置決めした上で、ショルダ部材１１２およびクランプ部材１１３の各先端１１２ａ，１１３ａが第１部材４１の上面４１ａに当接するようにショルダ駆動部１２３およびクランプ駆動部１２４を制御する。また、コントローラＣは、ピン部材１１１の先端１１１ａと第１部材４１の上面４１ａとの間にリベット１が収容されるように、ピン部材１１１とショルダ部材１１２との軸方向の相対位置関係（ピン先端１１１ａがショルダ先端１１２ａに対し所定量上方に退避した状態）を保持する。

工程Ｐ３は、図６に示すように、ショルダ部材１１２を回転させつつ圧入する摩擦撹拌工程である。この摩擦撹拌工程Ｐ３において、コントローラＣは、回転駆動部１２１を制御してピン部材１１１およびショルダ部材１１２を高速回転させつつ、ショルダ駆動部１２３を制御してショルダ部材１１２を下降させ、当該ショルダ部材１１２を重なり部４５に圧入する。また、コントローラＣは、ピン駆動部１２２を制御してピン部材１１１を上昇させる。この動作により、重なり部４５が摩擦撹拌されて、材料の軟化および塑性流動が生じ、軟化した材料Ｑ１がショルダ部材１１２の圧入領域から溢れ出す。溢れ出した軟化材料Ｑ１は、ピン部材１１１の上昇（退避）により生じたショルダ部材１１２内の中空空間に逃がされる（矢印ｂ１参照）。なお、摩擦撹拌工程Ｐ３の開始時において、既に収容空間Ｖ（図４）が形成されるほどピン部材１１１は上方に退避しているので、前記のピン部材１１１の退避動作は省いてもよい。

ショルダ部材１１２の圧入深さをｈ１とすると、この圧入深さｈ１は、ショルダ部材１１２が少なくとも上側の第１部材４１を貫通するような値に設定される。本実施形態では、ショルダ部材１１２が上側の第１部材４１を貫通しかつ下側の第２部材４２を貫通しないような値に圧入深さｈ１を設定した例が示される。言い換えると、本実施形態における圧入深さｈ１は、第１部材４１の厚さｔ１よりも大きく、かつ、当該厚さｔ１と第２部材４２の厚さｔ２との合計（ｔ１＋ｔ２）よりも小さい値に設定されている。

本実施形態において、第１部材４１および第２部材４２は熱可塑性複合材であるから、前記摩擦撹拌により軟化した材料Ｑ１には強化繊維が含まれている。ただし、この軟化材料Ｑ１中の強化繊維は、摩擦撹拌によって細かく切断されている。このことは、後続するリベット１の打設を容易とする。

工程Ｐ４は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、リベット１を重なり部４５に打設する打設工程である。この打設工程Ｐ４において、コントローラＣは、回転駆動部１２１を制御してピン部材１１１およびショルダ部材１１２を高速回転させつつ、ショルダ駆動部１２３を制御してショルダ部材１１２を上昇させる。また、このショルダ部材１１２の上昇に続けて、コントローラＣは、ピン駆動部１２２を制御してピン部材１１１を下降させる。この動作により、重なり部４５に円柱状の摩擦撹拌部５０が形成されるとともに、この摩擦撹拌部５０を含む領域にリベット１が打設される。以下、摩擦撹拌部５０の形成およびリベット１の打設について詳しく説明する。

まず、打設工程Ｐ４による摩擦撹拌部５０の形成について説明する。打設工程Ｐ４では、ショルダ部材１１２が上昇しかつピン部材１１１が下降することにより、前記中空空間に逃がされていた軟化材料Ｑ１（図６）が、ショルダ部材１１２が圧入されていた領域へと移動し、材料の埋め戻しが行われる。埋め戻された材料は、前記中空空間に存在していた材料と共に、重なり部４５に摩擦撹拌部５０を形成する。摩擦撹拌部５０は、重なり部４５において摩擦撹拌を経験した材料により構成され、ショルダ部材１１２の外径ｄｓ（図７（ｂ））に略一致する外径Ｓｒと、ショルダ部材１１２の圧入深さｈ１（図６）に略一致する高さＳｄとを有した円柱状に形成される。すなわち、摩擦撹拌部５０は、高さＳｄ（≒ｈ１）の円筒形の側周面５０ｃと、外径Ｓｒ（≒ｄｓ）の円形の上面５０ａおよび底面５０ｂとを有する。摩擦撹拌部５０では材料が軟化している一方で、摩擦撹拌部５０の周囲の母材領域では、第１部材４１および第２部材４２の本来の硬度が維持され、強化繊維による補強構造も維持されている。

次に、打設工程Ｐ４によるリベット１の打設について説明する。打設工程Ｐ４では、ピン部材１１１の下降に応じてリベット１が下方に押圧され、押圧されたリベット１が重なり部４５に押し込まれる。言い換えると、打設工程Ｐ４では、回転ツール１０１に備わる既存の部品（ピン部材１１１）を用いてリベット１が打設される。このため、本実施形態では、リベット１を打設する工具を別途準備することなく、リベット１および摩擦撹拌部５０の組合せからなる接合部を重なり部４５に形成することが可能である。

具体的に、打設工程Ｐ４では、ピン駆動部１２２がピン部材１１１を下降させてリベット１の頭部１１に押圧力を与え、リベット１を重なり部４５へ押し込む（図７（ａ）参照）。リベット１は、ピン部材１１１の先端１１１ａに頭部１１の頂面が対向するように、予め収容空間Ｖ（図４）に装填されている。したがって、ピン部材１１１が下降すると、リベット１も下降し、その軸部１２が先端側から摩擦撹拌部５０の内部へ進入してゆく。このようなリベット１の進入（ピン部材１１１の押下）が進行すると、やがて軸部１２の先端部１２ａが摩擦撹拌部５０の底面５０ｂに到達する。

ここで、底面５０ｂよりも下方の領域は未軟化の母材領域であるから、先端部１２ａが底面５０ｂに到達すると、軸部１２に作用する軸方向の抵抗力が増大する。したがって、少なくとも先端部１２ａが底面５０ｂに到達した状態において、軸部１２には、その先端部１２ａを拡径させる力が作用する。このような拡径力の発生は、先端部１２ａに形成されたテーパ状の内周面１２ｓによって助長される。すなわち、先端部１２ａが底面５０ｂに到達することによる抵抗力の増大と、先端部１２ａの内周面１２ｓのテーパ形状との相乗効果により、軸部１２の先端部１２ａを拡径させる大きな力が作用する。この拡径力を受けた軸部１２は、その外周面に形成された凹溝１５を起点に座屈変形し、これによって図７（ｂ）に示すように、軸部１２が先拡がり状に変形して、先端部１２ａの外径が拡大する。言い換えると、凹溝１５は、軸部１２の圧入時（リベット１の打設時）に当該軸部１２の先端部１２ａが拡径するのを促進する促進部として機能する。

図７（ｂ）は、リベット１の頭部１１が重なり部４５の上面（摩擦撹拌部５０の上面５０ａ）に到達した状態、つまりリベット１の打設が完了した状態を示している。本図に示すように、リベット１の打設完了時、その軸部１２の先端部１２ａは、摩擦撹拌部５０の底面５０ｂを越えてその下方の前記母材領域へ圧入されるだけでなく、摩擦撹拌部５０の側周面５０ｃを越えてその外側の母材領域へも圧入されるようになる。このように摩擦撹拌部５０の外側に圧入された先端部１２ａは、第１部材４１と第２部材４２とを引き剥がす力に抗するアンカー効果を発揮する。すなわち、先端部１２ａは、第１部材４１と第２部材４２とを締結するインターロック部として機能する。

以上の工程Ｐ１～Ｐ４により、重なり部４５に摩擦撹拌部５０が形成されかつリベット１が打設される。リベット１および摩擦撹拌部５０の組合せは、第１部材４１と第２部材４２とを重なり部４５において比較的強固に接合する。

［合否判定］
次に、上述した接合方法による第１・第２部材４１，４２の接合時にリベット１が適切に打設されたか否かを確認する方法、つまりリベット１による接合品質の合否を判定する方法について説明する。図８は、この合否判定の具体的手順を示すフローチャートである。本図に示す制御は、図４～図７に示したリベット併用摩擦撹拌接合の本制御と並行してコントローラＣにより実行される。図８の制御がスタートすると、コントローラＣは、リベット１の各部の寸法を取得する（ステップＳ１）。具体的に、コントローラＣは、図１に示したリベット１の全長Ｌ、軸部１２の外径Ｒ２、および凹溝１５の軸方向位置を表す距離Ｇを、それぞれ取得する。これらの寸法は、コントローラＣに内蔵された記憶部に予め格納されている。

次いで、コントローラＣは、回転ツール１０１を重なり部４５に圧入する摩擦撹拌を実行する（ステップＳ２）。すなわち、コントローラＣは、ショルダ部材１１２を高速回転させつつ重なり部４５に圧入し（図６参照）、その後ショルダ部材１１２を上昇（退避）させることにより、重なり部４５に摩擦撹拌部５０（図７（ａ））を形成する。

次いで、コントローラＣは、摩擦撹拌部５０の外径Ｓｒ（図７（ｂ））を取得する（ステップＳ３）。以下、摩擦撹拌部５０の外径Ｓｒのことを摩擦撹拌径Ｓｒと略称する。摩擦撹拌径Ｓｒは、ショルダ部材１１２の外径ｄｓに略一致する値として予め前記記憶部に記憶されている。

次いで、コントローラＣは、摩擦撹拌部５０の高さＳｄを算出する（ステップＳ４）。以下、摩擦撹拌部５０の高さＳｄのことを摩擦撹拌深さＳｄと略称する。摩擦撹拌深さＳｄは、例えば、ショルダ駆動部１２３のサーボモータに内蔵されるエンコーダからの出力値に基づき算出することができる。すなわち、コントローラＣは、摩擦撹拌を開始したときのショルダ部材１１２の軸値（上下方向の座標）と、摩擦撹拌中にショルダ部材１１２が最も下降したときの軸値とを前記エンコーダの出力値からそれぞれ特定し、特定した両軸値の差分、つまりショルダ部材１１２の重なり部４５への圧入深さを、摩擦撹拌深さＳｄとして算出する。

次いで、コントローラＣは、摩擦撹拌部５０にリベット１を打設する（ステップＳ５）。すなわち、コントローラＣは、ピン部材１１１を下降させてリベット１を押し下げることにより、リベット１の軸部１２を摩擦撹拌部５０に圧入する（図７（ｂ）参照）。

次いで、コントローラＣは、摩擦撹拌部５０の上面５０ａからの頭部１１の突出量Ｈを算出する（ステップＳ６）。例えば、コントローラＣは、ピン駆動部１２２およびショルダ駆動部１２３に内蔵されるエンコーダからの出力値から、ピン部材１１１の下降が完了した図７（ｂ）の時点におけるピン部材１１１の軸値とショルダ部材１１２の軸値とをそれぞれ特定し、特定した両軸値の差分を頭部１１の突出量Ｈとして算出する。

次いで、コントローラＣは、軸部１２の先端部１２ａの外径である先端径Ｒｄを推定する（ステップＳ７）。具体的に、コントローラＣは、前記ステップＳ１で取得されたリベット１の寸法（リベット１の全長Ｌ、軸部１２の外径Ｒ２、凹溝１５の軸方向位置を表す距離Ｇ）と、前記ステップＳ４で算出された摩擦撹拌深さＳｄと、前記ステップＳ６で算出された頭部１１の突出量Ｈとに基づいて、軸部１２の先端径Ｒｄを推定する。すなわち、リベット１の打設後の軸部１２の先端径Ｒｄは、軸部１２が摩擦撹拌部５０に圧入される過程で生じる当該軸部１２の拡径、特に当該軸部１２が凹溝１５を起点に座屈することで生じる拡径がもたらす寸法であるから、このような先端径Ｒｄは、リベット１の大きさ（全長Ｌおよび外径Ｒ２）と、凹溝１５の軸方向位置（距離Ｇ）と、摩擦撹拌深さＳｄとによってそれぞれ変化する。また、頭部１１の突出量Ｈは、リベット１が適切に打設されたか否かによって変化し、打設が不十分な場合には突出量Ｈが頭部１１の厚さよりも大きくなる。不十分な打設はやはり上述の先端径Ｒｄを狂わせるので、その意味において先端径Ｒｄは突出量Ｈによっても変化する。以上の事情から、ステップＳ７では、上述の各パラメータＬ，Ｒ２，Ｇ，Ｓｄ，Ｈに基づき先端径Ｒｄが推定される。この推定にあたっては、例えば、実験等により予め定められたモデル演算式を用いることができる。

次いで、コントローラＣは、前記ステップＳ７で推定された軸部１２の先端径Ｒｄが、前記ステップＳ３で取得された摩擦撹拌径Ｓｒよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ８）。

前記ステップＳ８でＹＥＳと判定されて先端径Ｒｄが摩擦撹拌径Ｓｒよりも大きいことが確認された場合、コントローラＣは、リベット１の打設（圧入）が適切に行われたものと判定し、その判定（ＯＫ判定）の結果を作業者に提供するなどの所定の処理を行う（ステップＳ９）。すなわち、先端径Ｒｄが摩擦撹拌径Ｓｒよりも大きいということ（Ｒｄ＞Ｓｒ）は、軸部１２の先端部１２ａが摩擦撹拌部５０の外側の母材領域まで食い込んでいること、つまりインターロック部が適切に形成されたことを意味する。このようなインターロック部の形成は、リベット１による接合品質が良好であることを示唆している。そこで、コントローラＣは、ステップＳ９においてＯＫ判定を提示する。

一方、前記ステップＳ８でＮＯと判定されて先端径Ｒｄが摩擦撹拌径Ｓｒ以下であることが確認された場合、コントローラＣは、リベット１の打設（圧入）が適切に行われなかったものと判定し、その判定（ＮＧ判定）の結果を作業者に提供するなどの所定の処理を行う（ステップＳ１０）。すなわち、先端径Ｒｄが摩擦撹拌径Ｓｒ以下ということ（Ｒｄ≦Ｓｒ）は、軸部１２の先端部１２ａが摩擦撹拌部５０の外側の母材領域まで食い込んでいないこと、つまりインターロック部の形成が未達であることを意味する。このようなインターロック部の非形成は、リベット１による接合品質が不良であることを示唆している。そこで、コントローラＣは、ステップＳ１０においてＮＧ判定を提示する。

［作用効果］
以上説明したように、本実施形態では、第１部材４１と第２部材４２との接合時に、両者の重なり部４５が回転ツール１０１により摩擦撹拌されるとともに、それによって形成された摩擦撹拌部５０に対しさらにリベット１が圧入されるので、摩擦撹拌部５０とリベット１との組合せにより、第１部材４１と第２部材４２とを十分な強度で接合することができる。

特に、本実施形態において用いられるリベット１は、周方向に延びる凹溝１５が外周面に形成された軸部１２を含むので、当該リベット１の摩擦撹拌部５０への圧入時に、凹溝１５を起点に軸部１２を座屈させて当該軸部１２の先端部１２ａを容易に拡径させることができる。これにより、摩擦撹拌部５０の外側の母材領域まで軸部１２の先端部１２ａが食い込んだ状態を高い確率で得ることができ、当該母材領域に食い込んだ先端部１２ａからなるインターロック部の機能により第１部材４１と第２部材４２とを機械的に適切に接合することができる。このことは、摩擦撹拌部５０による接合との組合せにより、第１部材４１と第２部材４２とを十分な強度で接合することを可能にし、接合品質を向上させることができる。

ここで、本実施形態では、軸部１２の拡径を促進するための手段（促進部）として、軸部１２の外周壁が局所的に減肉されてなる凹溝１５が用いられるため、この凹溝１５の深さによってはリベット１自体の耐荷重が有意に低下するおそれがある。すなわち、凹溝１５の深さをむやみに大きくすると、前記インターロック部は確実に得られたとしても、接合強度の向上代が限定的になるおそれがある。このことから、凹溝１５の深さは、前記インターロック部の形成に必要な程度に前記拡径を促進する効果が得られる範囲においてできるだけ小さくすることが望ましい。言い換えると、凹溝１５の深さは、軸部１２の拡径促進とリベット１の耐荷重（もしくは接合強度）とを良好にバランスし得る値に決定することが望ましい。

また、本実施形態では、軸部１２の先端部１２ａにテーパ状の（先端側ほど内径が大きくなる）内周面１２ｓが形成されるので、リベット１の圧入時に軸部１２に作用する抵抗力を、テーパ状の内周面１２ｓを介して拡径力に変換することができる。このことは、上述した凹溝１５の作用との相乗効果により、先端部１２ａの拡径を十分に促進することにつながる。これにより、前記インターロック部が形成される確率をより高めることができ、接合品質を十分に向上させることができる。

また、本実施形態では、リベット１の圧入前の各寸法（図１のＬ，Ｒ２，Ｇ）と、摩擦撹拌部５０の深さである摩擦撹拌深さＳｄと、摩擦撹拌部５０の上面５０ａに対するリベット１の頭部１１の突出量Ｈとに基づいて、圧入後の軸部１２の先端径Ｒｄが推定されるとともに、推定された先端径Ｒｄと所定の閾値（ここでは摩擦撹拌部５０の外径である摩擦撹拌径Ｓｒ）との比較に基づいて接合品質の合否が判定される。このような構成によれば、特殊な検査装置（例えばＸ線やサーモグラフィ等を用いた検査装置）を必要としない簡便な方法で、リベット１による接合品質を保障することができる。

特に、本実施形態では、軸部１２の先端径Ｒｄを推定するための寸法パラメータの１つとして、凹溝１５の軸方向の位置を表す距離Ｇ（図１）が用いられるので、凹溝１５を起点に軸部１２が座屈する現象を考慮した適切な先端径Ｒｄの推定値を得ることができ、当該先端径Ｒｄの推定精度を高めることができる。

［変形例］
前記実施形態では、リベット１の軸部１２の先端部１２ａが拡径するのを促進する手段つまり促進部として、軸部１２の外周面に凹溝１５を形成したが、促進部は、先端部１２ａの拡径を促進し得るものであればよく、凹溝１５に限定されない。例えば、図９に示すように、内周壁および外周壁の双方を減肉させてなる減肉部６５を軸部１２の途中部に設け、当該減肉部６５を促進部として機能させることも可能である。また、図示を省略するが、軸部１２を軸方向に並ぶ第１部分と第２部分とに２分割し、当該第１部分および第２部分を相対的に強度の低い溶着金属等を用いて同軸に接合するようにしてもよい。このようにすれば、前記第１部分と前記第２部分との接合部（溶着部）を促進部として機能させることができる。

前記実施形態では、第１部材４１と第２部材４２とを直接重ね合わせて接合したが、第１部材４１と第２部材４２との間に一以上の他の部材を介在させた状態で第１部材４１と第２部材４２とを接合してもよい。

前記実施形態では、第１部材４１および第２部材４２の双方を、熱可塑性樹脂製の基材と当該基材に含浸された多数の強化繊維とを含む熱可塑性複合材によって構成したが、第１部材４１および第２部材４２の材質は互いに異なるものであってもよい。例えば、第１部材４１および第２部材４２の一方が熱可塑性樹脂の成形体で、他方が繊維強化複合材の成形体であってもよい。あるいは、第１部材４１および第２部材４２の一方が金属の成形体で、他方がこれとは異質の金属または熱可塑性樹脂の成形体であってもよい。

［まとめ］
上述した実施形態およびその変形例には主に以下の発明が含まれている。

本発明の一局面に係る締結体は、第１部材と第２部材との重なり部に前記第１部材側からの回転ツールの圧入により形成される摩擦撹拌部に、前記第１部材側から圧入される締結体であって、前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と、前記頭部から前記第２部材側に延びる筒状の軸部とを備え、前記軸部は、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を有するものである。

本発明によれば、締結体を摩擦撹拌部に圧入する際に、締結体の軸部を促進部を起点に座屈させて当該軸部の先端部を容易に拡径させることができる。これにより、摩擦撹拌部の外側の母材領域まで軸部の先端部が食い込んだ状態を高い確率で得ることができ、当該母材領域に食い込んだ先端部からなるインターロック部の機能により接合対象を機械的に適切に接合することができる。このことは、摩擦撹拌部による接合との組合せにより、接合対象を十分な強度で接合することを可能にし、接合品質を向上させることができる。

前記促進部は、例えば、前記軸部の外周面に形成された周方向に延びる凹溝とすることができる。

この構成によれば、軸部の外周面に凹溝を設けるだけの簡単な構成で、軸部の先端部の拡径を促進することができる。また、凹溝の深さを調整することにより、軸部の拡径促進と締結体の耐荷重（もしくは接合強度）とを良好にバランスさせることができる。

好ましくは、前記軸部の先端部は、先端側ほど内径が拡大するテーパ状の内周面を有する。

この構成によれば、締結体の圧入時にその軸部に作用する抵抗力が、テーパ状の内周面を介して拡径力に変換されるので、上述した促進部の作用との相乗効果により、先端部の拡径を十分に促進することができる。これにより、前記インターロック部が形成される確率をより高めることができ、接合品質を十分に向上させることができる。

本発明の他の局面に係る接合構造体は、前記第１部材および前記第２部材と、前記第１部材と前記第２部材との重なり部に形成された前記摩擦撹拌部と、前記摩擦撹拌部に圧入された前記締結体とを備えるものである。

本発明の接合構造体は、前記締結体と前記摩擦撹拌部との組合せに基づく十分な接合強度を有する。

本発明のさらに他の局面に係る接合方法は、前記締結体を用いて前記第１部材と前記第２部材とを接合する方法であって、前記第１部材と前記第２部材との重なり部に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入する摩擦撹拌を行うことにより前記重なり部に前記摩擦撹拌部を形成する摩擦撹拌ステップと、前記第１部材側から前記摩擦撹拌部に前記締結体を圧入する締結ステップとを含むものである。

本発明の接合方法によれば、前記締結体と前記摩擦撹拌部との組合せに基づく十分な接合強度をもった接合構造体を得ることができる。

前記接合方法は、好ましくは、前記締結体の圧入前の寸法と、前記摩擦撹拌ステップでの摩擦撹拌深さと、前記締結ステップ後における前記摩擦撹拌部の上面からの前記頭部の突出量とに基づいて、前記締結ステップ後の前記軸部の先端径を推定し、推定した当該先端径が所定の閾値よりも大きい場合に良好な接合が行われたと判定する判定ステップをさらに含む。

この構成によれば、特殊な検査装置（例えばＸ線やサーモグラフィ等を用いた検査装置）を必要としない簡便な方法で、締結体による接合品質を保障することができる。

前記圧入前の寸法には、例えば、前記締結体の軸方向長さと、前記軸部の外径と、前記促進部の軸方向の位置を表す距離とが含まれ得る。

この構成によれば、促進部を起点に軸部が座屈する現象を考慮した適切な先端径の推定値を得ることができ、当該先端径の推定精度を高めることができる。

１ ：リベット（締結体）
１１ ：頭部
１２ ：軸部
１２ａ ：（軸部の）先端部
１２ｓ ：（テーパ状の）内周面
１５ ：凹溝（促進部）
３０ ：接合構造体
４１ ：第１部材
４２ ：第２部材
４５ ：重なり部
５０ ：摩擦撹拌部
５０ａ ：（摩擦撹拌部の）上面
６５ ：減肉部（促進部）
Ｌ ：（リベットの）全長
Ｒ２ ：（軸部の）外径
Ｇ ：（凹溝の軸方向の位置を表す）距離
Ｈ ：（頭部の）突出量
Ｓｄ ：摩擦撹拌深さ
Ｓｒ ：摩擦撹拌径（閾値）
Ｒｄ ：（軸部の）先端径

Claims (7)

1. 第１部材と第２部材との重なり部に前記第１部材側からの回転ツールの圧入により形成される摩擦撹拌部に、前記第１部材側から圧入される締結体であって、
   前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と、
   前記頭部から前記第２部材側に延びる筒状の軸部とを備え、
   前記軸部は、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を有する、締結体。
2. 請求項１に記載の締結体において、
   前記促進部は、前記軸部の外周面に形成された周方向に延びる凹溝である、締結体。
3. 請求項１または２に記載の締結体において、
   前記軸部の先端部は、先端側ほど内径が拡大するテーパ状の内周面を有する、締結体。
4. 前記第１部材および前記第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との重なり部に形成された前記摩擦撹拌部と、
   前記摩擦撹拌部に圧入された請求項１～３のいずれか１項に記載の締結体とを備えた、接合構造体。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の締結体を用いて前記第１部材と前記第２部材とを接合する方法であって、
   前記第１部材と前記第２部材との重なり部に前記第１部材側から前記回転ツールを圧入する摩擦撹拌を行うことにより前記重なり部に前記摩擦撹拌部を形成する摩擦撹拌ステップと、
   前記第１部材側から前記摩擦撹拌部に前記締結体を圧入する締結ステップとを含む、接合方法。
6. 請求項５に記載の接合方法において、
   前記締結体の圧入前の寸法と、前記摩擦撹拌ステップでの摩擦撹拌深さと、前記締結ステップ後における前記摩擦撹拌部の上面からの前記頭部の突出量とに基づいて、前記締結ステップ後の前記軸部の先端径を推定し、推定した当該先端径が所定の閾値よりも大きい場合に良好な接合が行われたと判定する判定ステップをさらに含む、接合方法。
7. 請求項６に記載の接合方法において、
   前記圧入前の寸法には、前記締結体の軸方向長さと、前記軸部の外径と、前記促進部の軸方向の位置を表す距離とが含まれる、接合方法。

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