JP3960755B2

JP3960755B2 - 接合容器の製造方法

Info

Publication number: JP3960755B2
Application number: JP2001024635A
Authority: JP
Inventors: 公一松本; 誠二笹部
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2001-01-31
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2021-01-31
Also published as: JP2002224861A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミニウム又はアルミニウム合金製の接合容器の製造方法に関し、特に、乗用車、トラック及びバス等の自動車若しくは二輪車等に使用される燃料タンク、又は半導体製造装置用の真空チャンバ等に好適な接合容器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２輪自動車、乗用車、トラック、バス及び特殊車等の自動車に使用される燃料タンクは、鋼製、合成樹脂、アルミニウム及び各種クラッド板により形成されている。このような燃料タンクとして、特開平８−３２３４８７号公報には鋼製のものが開示されている。この公報に記載された従来の鋼製燃料タンク（従来例１）においては、鋼板で形成され開口部を有する２つの箱状の部材を有し、この２つの箱状の部材の開口部周縁に外向きにフランジ部が形成されており、２つの箱状の部材の開口部のフランジ部が重ね合わせられ、このフランジ部がシーム溶接により溶接されている。
【０００３】
また、実開平５−２７３号公報には、トラック及び産業機械等に取り付けられ、ガソリン又は軽油等の液体燃料を貯蔵するためのアルミニウム又はアルミニウム合金製の燃料タンクが開示されている。この公報に記載された燃料タンク（従来例２）においては、アルミニウム又はアルミニウム製の円筒状のタンク本体及びタンク本体の両開口部を閉鎖する２つの鏡板を有し、この鏡板の周縁には内側に略直角に折り曲げられた内向きフランジが形成されている。更に、このフランジ部にはタンク内側に向かって傾斜角が１５゜程度で傾斜する溶接継手が設けられており、この溶接継手にタンク本体開口端が付き当てられて、イナートガスアーク溶接により溶接固定されている。このように構成された従来例２の燃料タンクは、タンク本体と鏡板との寸法誤差を吸収することができ、サイズ合わせが簡単で、きれいな溶接部を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例１の技術においては、鋼製の箱状の部材のフランジ部を重ねて抵抗シーム溶接すると入熱量が多いという問題点がある。特に、鋼製ではなく、アルミニウム又はアルミニウム合金製のフランジ部を有する部材をシーム溶接すると、入熱量が多いためにアルミニウム又はアルミニウム合金板が歪み、寸法精度が低下してしまう。例えば、燃料タンクとして、アルミニウム又はアルミニウム合金製の箱状の部材を使用し、シーム溶接により溶接した場合に、寸法精度が下すると、気体及び液体等の密閉性が劣化するという問題点がある。燃料タンクはガソリン等の液体燃料を貯蔵するため、液体燃料と共に液体燃料から揮発するガス成分も密閉する必要があり、気密性が劣化すると極めて危険である。また、シーム溶接では、フランジ部同士の接触面が平坦でなかったり、酸化膜等が形成されていると、抵抗が高くなったり、抵抗が不均一になるため、熱流量が更に大きくなり、溶接部の熱影響部が大きくなるという問題点もある。
【０００５】
また、従来例２の技術においては、燃料タンクの本体と鏡板とを突き合わせてイナートガスアーク溶接により溶接固定しているが、このように、アルミニウム製の部材を重ね合わせて溶接するには、アーク又はレーザ等の熱源を直接受ける表面部だけでなく、部材同士が接する面の表面性状にも留意が必要で、これを怠った場合は溶接部に欠陥が発生したり、更に溶込みが安定せず、気体及び液体等の密閉性が不十分になったりするという問題点がある。溶融部において気泡が発生すると、これが浮上するより早く溶接部が固まり、この気泡がブローホール欠陥として残ってしまうため、ブローホール欠陥が多く生じた場合は欠陥部分が連なったり、また、その欠陥部に機械的な応力が加わると亀裂が生じたりして気体及び液体等の密閉性を劣化させてしまう。また、アーク溶接は溶接による熱影響部が比較的大きいため、母材の熱影響部が広い範囲に生じる。このため、継手近傍の母材の軟化が激しく、母材が変形して必要な密閉性を得ることが難しいという問題点がある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、継手の表面性状によらず接合時の入熱量が小さいと共に接合強度が高く、高い気体及び液体等の密閉性を得ることができる接合容器の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る接合容器の製造方法は、下方が開口しその開口部の全周縁に亘って外部に突出するフランジ部が形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金製上部容器部材と、上方が開口しその開口部の全周縁に亘って外部に突出するフランジ部が形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金製下部容器部材とをそのフランジ部同士で重ね合わせ、前記フランジ部を仮止めする工程と、表面にネジが形成されたツールにより前記フランジ部を全周縁に沿って摩擦撹拌接合を行う工程とを有する接合容器の製造方法において、前記摩擦撹拌接合を行う工程は、前記ネジが前記フランジ部中に進入する方向の回転方向を順回転方向としたとき、前記ツールを前記上部容器部材の本体部分の周囲を順回転方向で公転させながら前記摩擦撹拌接合を行う工程を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明においては、ツールを順回転方向で、即ち、ネジが左ネジの場合には、ネジは左回転でフランジ部に進入するので、本体部分が常に左側にあるような方向（左回転方向）で、ネジが右ネジの場合には、ネジは右回転でフランジ部に進入するので、本体部分が常に右側にあるような方向（右回転方向）で、公転させながらフランジ部同士を摩擦撹拌接合しているので、摩擦撹拌接合による利点だけでなく、熱拡散等の影響により接合部及びその近傍において、高い強度を確保することができる。
【０００９】
なお、前記フランジ部を仮止めする工程は、自己穿孔型リベット若しくはメカニカルクリンチングを使用して機械的に接合するか、抵抗スポット溶接により溶接するか、又は前記フランジ部を重ねたまま折り曲げ加工する工程とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る接合容器の製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例に係る接合容器の製造方法における各部材を示す斜視図である。
【００１１】
本実施例においては、図１に示すように、下方が開口された上部容器部材１と上方が開口された下部容器部材２とを接合して接合容器を製造する。上部容器部材１及び下部容器部材２は、いずれもアルミニウム又はアルミニウム合金製である。下部容器部材２には、その開口部２ｃの全周縁に亘って下部容器本体２ｂから外側に略９０゜折れ曲がって突出したフランジ部２ａが一体成形されている。同様に、上部容器部材１にもその開口部の全周縁に亘って上部容器本体１ｂから外側に略９０゜折れ曲がって突出したフランジ部１ａが一体成形されている。
【００１２】
本実施例においては、先ず、上部容器部材１及び下部容器部材２の両フランジ部を重ね合わせる。次いで、摩擦撹拌接合をより確実に行うため、重ね合わせた両フランジ部を仮止めする。両フランジ部を重ね合わせて摩擦撹拌接合する前に行う仮止め方法としては、自己穿孔型リベット若しくはメカニカルクリンチング等を使用して機械的に接合する方法又は抵抗スポット溶接等の溶接により行う方法等がある。本実施例においては、自己穿孔型リベットを使用し、このリベットを重ねられたフランジ部において、開口部の周囲に複数個打ち込むことにより仮止めを行う。
【００１３】
その後、仮止めされたフランジ部をその全周縁に沿って摩擦撹拌接合により接合する。図２は本発明の実施例において使用する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）用ツールを示す正面図である。図３は本発明の実施例におけるＦＳＷ用ツールと上部容器本体１ｂ及び下部容器本体２ｂとの位置関係を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１４】
本実施例において使用するＦＳＷ用ツール２０には、基部１０及びこの基部１０の先端に形成されたピン部１１が設けられている。ピン部１１の直径は基部１０のそれよりも小さく、その表面にはネジ部１２が形成されている。ネジ部１２は、例えば左ネジである。左ネジは左回転により素材中に進入するものであるから、この場合、順回転とは左回転、逆回転とは右回転である。
【００１５】
本実施例においては、図３に示すように、ＦＳＷ用ツール２０を、常にその左側に上部容器本体１ｂが存在するような方向を進行方向として移動させながら、仮止めされたフランジ部をその全周縁に沿って摩擦撹拌接合を行う。なお、上部容器部材１及び下部容器部材２の開口部の形状に沿って開口部の周囲全てに摩擦撹拌接合を行ってもよい。図４は接合容器の上部容器部材１からみた上面図であって、フランジ部を示す拡大図である。摩擦撹拌接合は、図４に示すように、例えば上部容器部材１のフランジ部１ａと下部容器部材２のフランジ部２ａとを重ね合わせて仮止めしたリベット５ａの上を通過するようにして行う。
【００１６】
次に、摩擦撹拌接合について更に詳しく説明する。図３（ｂ）に示すように、先ず、フランジ部１ａ及びフランジ部２ａを重ね合わせた後、重ね合わせた両フランジ部のうち、下部容器部材２のフランジ部２ａ側を裏当て材（定盤）（図示せず）上に載置する。次いで、ピン部１１に左ネジのネジ部１２が形成されたツール２０を、例えば右回転（逆回転）で自転させながら重ねられたフランジ部１ａ及び２ａの板厚方向上方からフランジ部１ａに突き立てる。そして、回転するピン部１１とフランジ部１ａとの接触部分を、ピン部１１とフランジ部１ａとの摩擦熱により軟化可塑化させ、ピン部１１により撹拌させつつ圧入し、フランジ部１ａ及び２ａを塑性流動させる。更に、ピン部１１が回転している状態で、上部容器部材１及び下部容器部材２の全周縁に沿って、一定の圧力を加えながらフランジ部１ａ及び２ａに対してツール２０を「左回転（順回転）」で相対移動（公転）させて摩擦撹拌接合する。これにより、フランジ部１ａとフランジ部２ａとが接合されて接合部５が形成され、図４に示すように、フランジ部１ａ及び２ａの接合位置に接合線４が形成される。本実施例において摩擦撹拌接合に使用するツール２０における基部１０の直径Ｔ１は、例えば１０ｍｍ、ピン部１１の直径Ｔ２は、例えば４ｍｍ、ピン部１１の長さｈは、例えば１．８ｍｍであり、ツール２０の回転速度は、例えば３０００ｒｐｍ、送り速度は、例えば４００ｍｍ／分である。
【００１７】
このような第１の実施例によれば、ピン部が圧入されるフランジ部１ａ及び２ａの表面及びフランジ部同士が接触する面の性状について、接合のための特別な配慮をすることは特に必要なことではなくなる。従って、これらの面の性状に関係なく安定した継手性能を発揮することができる。また、摩擦撹拌接合するため、アーク溶接等の溶融溶接と比べて入熱量が小さく、接合部材の熱による歪等の影響が小さい。従って、本実施例のようなタンク等の箱状の製品等、気体及び液体等の密閉性が要求される接合容器の接合に適しており、極めて優れた気体及び液体等の密閉性を得ることができる。
【００１８】
また、フランジ部１ａ及び２ａを有する開先を重ね合わせて溶接するため、上下容器部材１及び２は互いに平面で接触する。従って、適切に固定しなければ溶接中に口開きの変形及びフランジ部の面上での滑り等が発生しやすくなる場合も考えられるが、本実施例においては、摩擦撹拌接合前に仮止めを行っているため、上下の容器部材１及び２が横滑りすることはない。また、口開きの等の変形を抑制して安定した継手及び所望の寸法精度を確保することができる。更に、摩擦撹拌接合は溶加材を使用しないため、仮止めをした部分にそのまま摩擦撹拌接合しても、上下容器部材１及び２の素材であるアルミニウム又はアルミニウム合金の成分等を変化させることなく安定した継手を作成することができる。
【００１９】
更に、仮止めしたリベット５ａ上に行うため、接合線４により仮止めの後が残らない。更に、リベットの素材として適当な素材を選択すれば、例えば打ち込んだリベットをフランジ部と共にピン部１１で撹拌することにより、摩擦撹拌接合部の強度を向上させることができる。このように、強度を向上させる仮止め用のリベット又はクリンチングの素材としては、フランジ部の素材よりも高強度のものであれば特に限定されるものではないが、リサイクルの観点からいえば、例えば２０００系又は７０００系等の高強度のアルミニウム合金とすることが好ましい。
【００２０】
更にまた、ピン部１１に形成されるネジ部１２を左ネジとし、摩擦撹拌接合の進行方向（公転の回転方向）を常に上部容器本体１ｂの外壁が左側にある方向としているので、摩擦撹拌接合時の熱伝達等の影響により接合部５の周囲において高い強度を確保することができる。なお、第１の実施例では、ＦＳＷ用ツール２０の自転の回転方向を右回転（逆回転）としているが、これを左回転（順回転）とした場合には、塑性流動した部分のＦＳＷ用ツール２０の回転に伴う上向き対流を抑制して、フランジ部１ａ及び２ａの界面の上方への持ち上がりを防止することができる。このため、接合部５近傍におけるフランジ部１ａの強度をより高く維持することができ、より好ましい。
【００２１】
なお、ネジ部１２を右ネジとする場合には、摩擦撹拌接合の進行方向（公転の回転方向）を常に上部容器本体１ｂの外壁が右側にある方向とすればよい。この場合にも、ＦＳＷ用ツール２０の自転の回転方向は、右回転及び左回転のいずれでもよいが、上述の界面の持ち上がりを防止する観点から順回転、即ちこの場合には右回転とすることがより好ましい。
【００２２】
また、接合線４を形成する予定の位置よりもフランジ部１ａの端部側においてリベット５ｂで仮止めを行うか、又は上部容器本体１ｂ側においてリベット５ｃで仮止めを行っておいて、摩擦撹拌接合による接合線４が仮止めしたリベット５ｂ又は５ｃ上を通過しないようにしてもよい。なお、メカニカルクリンチング又は抵抗スポット溶接の場合も、同様にいずれの位置においても仮止めを行うことができる。更に、リベット５ｂ等による仮止め位置を摩擦撹拌接合した接合線４の外側になるようにすると、摩擦撹拌接合により、重ねられたフランジ部１ａ及びフランジ部２ａの端部がめくれて重ね合わせの精度が低下することを防止することができる。なお、仮止めとして、本実施例のように機械的に接合するのではなく、スポット溶接する場合には、例えば、基体の直径が１６ｍｍ、先端半径が７５ｍｍの電極を使用し、加圧力を２．７ｋＮ、溶接電流を２５ｋＡとして溶接することができる。また、このような仮止めを行わず、上下容器部材を重ね合わせた後、直接、摩擦撹拌接合してもよい。更に、仮止めの方法は、摩擦撹拌接合する際に上下の容器部材の位置がずれない程度に固定できる方法であれば上述の方法に限られるものではない。
【００２３】
更に、本実施例においては、フランジ部１ａ及び２ａを水平に設置した状態でフランジ部１ａ及び２ａに回転するＦＳＷ用ツール２０を突き立てて摩擦撹拌接合を行っているが、例えば、図１に示す２個の容器部材をそのフランジ部が垂直になるような状態に設置して、フランジ部同士を摩擦撹拌接合してもよい。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例においては、上部容器部材及び下部容器部材を重ね合わせた後、その重ね合わせたフランジ部の端部を折り曲げることにより仮止めを行う。図５は本発明の第２の実施例に係る接合容器の製造方法を示す断面図である。
【００２５】
第２の実施例では、第１の実施例と同様にして、上部容器部材１及び下部容器部材２の両フランジ部１ａ及び２ａを重ね合わせた後、フランジ部１ａ及び２ａの各端部を、例えば上部容器部材１側に折り返してフランジ部１ａの折り返されていない部位と接するように重ね合わせる曲げ加工を施す。その後、第１の実施例と同様に、折り返しによる重なりがないフランジ部の部位において、上部容器本体１ｂの開口部の形状に沿ってピン部を相対移動させて摩擦撹拌接合を行う。この際、ネジ部が左ネジであれば、公転の回転方向を左回転、即ち上部容器本体１ｂが常に左側にある方向とする。一方、ネジ部が右ネジであれば、公転の回転方向を右回転、即ち上部容器本体１ｂが常に右側にある方向とする。
【００２６】
このような第２の実施例によっても、第１の実施例と同様に、上下容器部材１及び２の横滑り及び口開きの変形等を抑制して安定した継手及び所望の寸法精度を得ることができる等の効果を得ることができる。また、本実施例では、フランジ部１ａ及び２ａの折り返された端部は４層構造になるため、より高い強度を得ることができる。
【００２７】
このようにして第１及び第２の実施例によって製造された接合容器は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製の自動車用燃料タンクに好適である。
【００２８】
なお、２つの容器部材のフランジ部の厚さが異なる場合、摩擦撹拌接合を行うに当たって上側のフランジ部が厚くなるようにして配置することが好ましい。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００３０】
先ず、２つの容器部材を仮止めし、左ネジのネジ部が形成されているピン部を備えたツールを使用してこれらの容器部材を下記表１に示す条件の下で摩擦撹拌接合した。実施例１及び２では、容器部材の容器本体が常に左側にある方向（順回転）でツールを公転させながら溶接線を形成し、比較例３及び４では、容器本体が常に右側にある方向（逆回転）でツールを公転させながら溶接線を形成した。なお、各容器部材はＪＩＳＡ５１８２−Ｏ材のアルミニウム合金製であり、ツールの自転方向は、逆回転方向とした。
【００３１】
次いで、摩擦撹拌接合により形成された継手部の引張試験を行った。図６は引張試験における荷重部分及び荷重方向を示す模式図である。引張試験では、接合部２３を挟んで上板２１と下板２２とを引っ張り破断位置及び破断荷重を測定した。この結果を、下記表２に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
上記表２に示すように、本発明範囲に含まれる実施例１及び２によれば、高い破断強度を得ることができた。特に、上板２１の方が厚い実施例２において、より高い破断強度が得られた。
【００３５】
一方、本発明範囲からはずれる比較例３及び４では、高い破断強度は得られず、接合時に破断が生じる場合もあった。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、摩擦撹拌接合によりフランジ部を接合するため、入熱量が小さいと共にフランジ部の表面及びフランジ部同士の接触面の性状に関係なく安定した継手性能を得ることができる。また、摩擦撹拌接合の進行方向を適切に規定しているので、高い接合強度を得ることができる。特に、乗用車、トラック及びバス等の自動車若しくは二輪車等に使用される燃料タンク、又は半導体製造装置用の真空チャンバ等の箱状の製品等に本発明を適用すると、極めて優れた気密性及び液密性等の密閉性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る接合容器の製造方法における各部材を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例において使用する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）用ツールを示す正面図である。
【図３】本発明の実施例におけるＦＳＷ用ツールと上部容器本体１ｂ及び下部容器本体２ｂとの位置関係を示す図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】接合容器の上部容器部材１からみた上面図であって、フランジ部を示す拡大図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る接合容器の製造方法を示す断面図である。
【図６】引張試験における荷重部分及び荷重方向を示す模式図である。
【符号の説明】
１、２；容器部材
１ａ、２ａ；フランジ部
１ｂ、２ｂ；容器本体
２ｃ；開口部
４；溶接線
５；接合部
５ａ、５ｂ、５ｃ；リベット
１０；基部
１１；ピン部
１２；ネジ部
２０；ツール
２１；上板
２２；下板
２３；接合部

Claims

下方が開口しその開口部の全周縁に亘って外部に突出するフランジ部が形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金製上部容器部材と、上方が開口しその開口部の全周縁に亘って外部に突出するフランジ部が形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金製下部容器部材とをそのフランジ部同士で重ね合わせ、前記フランジ部を仮止めする工程と、表面にネジが形成されたツールにより前記フランジ部を全周縁に沿って摩擦撹拌接合を行う工程とを有する接合容器の製造方法において、前記摩擦撹拌接合を行う工程は、前記ネジが前記フランジ部中に進入する方向の回転方向を順回転方向としたとき、前記ツールを前記上部容器部材の本体部分の周囲を順回転方向で公転させながら前記摩擦撹拌接合を行う工程を有することを特徴とする接合容器の製造方法。
前記フランジ部を仮止めする工程は、自己穿孔型リベット若しくはメカニカルクリンチングを使用して機械的に接合するか、抵抗スポット溶接により溶接するか、又は前記フランジ部を重ねたまま折り曲げ加工する工程であることを特徴とする請求項１に記載の接合容器の製造方法。