JP5094141B2

JP5094141B2 - 部材接合構造

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Publication number: JP5094141B2
Application number: JP2007016942A
Authority: JP
Inventors: 浩史福田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008137072A; US8333314B2; US20100065611A1

Description

本発明は部材接合構造に関するものである。

接合すべき部材を溶融させずに相互に接続する方法として摩擦撹拌接合がある（例えば、特許文献１参照）。

この技法では、被接合部材を重ね合わせた被接合物を、裏当て部材である支持ツールに載せたうえ、被接合物に接合ツールを回転させながら押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した材料を撹拌して同化させる。

次いで、接合ツールを被接合物から離して材料が同化した部位を硬化させ、被接合部材を相互に接合する。

接合ツールは、円柱状のショルダ部と、当該ショルダ部に同軸に連なり且つツール先端へ向けて突出する短円筒状でショルダ部よりも外径が小さいピン部とを備えている。
特開２００４−１３６３６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示してある手法は、厚み寸法が小さい部材を相互に接合することは考慮していないし、素材が異なる部材を相互に接合することはできない。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、厚み寸法が小さい部材の相互の接合や、素材が異なる部材の相互の接合に適した部材接合構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一端に開口を有し且つ当該開口の壁面に周方向に延びる溝が設けてある被嵌合部材と、予め穿設してある孔が前記開口に連なるように被嵌合部材に重ねた第１の部材と、前記孔に被さるように第１の部材に重ねた第２の部材とを備え、摩擦熱と塑性流動により第２の部材に由来する材料を、第１の部材の孔、並びに被嵌合部材の開口に入り込むように形作った構成を採る。

請求項２に記載の発明では、一端に開口を有し且つ当該開口の壁面に周方向に延びる溝が設けてある被嵌合部材と、前記開口に被さるように被嵌合部材に重ねた第１の部材と、当該第１の部材に重ねた第２の部材とを備え、摩擦熱と塑性流動により第１、第２の部材に由来する材料を、被嵌合部材の開口に入り込むように形作った構成を採る。

請求項３に記載の発明では、一端に開口を有する被同化部材と、前記開口に被さるように被同化部材に重ねた第１の部材と、当該第１の部材に重ねた第２の部材とを備え、摩擦熱と塑性流動により第１、第２の部材に由来する材料を、被同化部材の開口の周囲に同化させた構成を採る。

請求項４に記載の発明では、開口を有する第１の部材と、壁面に周方向に延びる溝を設けてある孔が前記開口に連なるように第１の部材に重ねた被嵌合部材と、前記孔に被さるように被嵌合部材に重ねた第２の部材とを備え、被嵌合部材を第１の部材に固着しておき、摩擦熱と塑性流動により第２の部材を、被嵌合部材の開口に入り込むように形作った構成を採る。

請求項５に記載の発明では、被嵌合部材にナットを用い、請求項６に記載の発明では、被同化部材にナットを用いる。

本発明の部材接合構造によれば、下記のような優れた効果を奏し得る。

（１）請求項１に記載の発明では、第２の部材と被嵌合部材とで第１の部材を挾持し、摩擦熱と塑性流動により第２の部材に由来する材料を被嵌合部材の溝に係合させるので、第１、第２の部材の厚み寸法が小さい場合でも、あるいは第１、第２の部材の素材が異なっていたとしても、双方を効率よく確実に接合することができる。

（２）請求項２に記載の発明では、第２の部材と被同化部材とで第１の部材を挾持し、摩擦熱と塑性流動により第１、第２の部材に由来する材料を被嵌合部材の溝に係合させるので、第１、第２の部材の厚み寸法が小さい場合でも、双方を効率よく確実に接合することができる。

（３）請求項３に記載の発明では、第２の部材と被同化部材とで第１の部材を挾持し、摩擦熱と塑性流動により第１、第２の部材に由来する材料を被同化部材に同化させるので、第１、第２の部材の厚み寸法が小さい場合でも、双方を効率よく確実に接合することができる。

（４）請求項４に記載の発明では、第１の部材に固着してある被嵌合部材に第２の部材を重ね、摩擦熱と塑性流動により第２の部材に由来する材料を被嵌合部材の溝に係合させるので、第１、第２の部材の厚み寸法が小さい場合でも、あるいは第１、第２の部材の素材が異なっていたとしても、双方を効率よく確実に接合することができる。

（５）請求項５、請求項６に記載の発明では、被嵌合部材、または被同化部材に規格品のナットを用いることで、コストの低減が図れる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の部材接合構造の第１の例であり、請求項１、７に対応している。

この部材接合構造は、ナット１と、予め穿設してある孔２がねじ孔に連なるようにナット１に重ねた第１の部材３と、前記孔２に被さるように第１の部材３に重ねた第２の部材４とを備え、第１の部材３は第２の部材４に比べて薄い。

第２の部材４はアルミニウム合金を素材としているが、ナット１、第１の部材３は特に素材を限定せず、例えば、アルミニウム合金、鋼のいずれであってもよい。

図１（ｃ）に示すように、第２の部材４に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、第１の部材３の孔２、並びにナット１のねじ孔に入り込むように形作られ、第２の部材４とナット１とで第１の部材３を挾持している。

第２の部材４を上述したような形状とする際には、例えば、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すような接合ツール５を用いる。

接合ツール５は、ナット１のねじ孔や第１の部材３の孔２に対して外径が小さい円柱状のピン部６を、それよりも外径が大きい円柱状のショルダ部７の先端面に同軸に連ねた形をしており、ピン部６の全長は、第１、第２の部材３，４の厚みの合計に対して若干短い。

接合ツール５の素材には、アルミニウム合金よりも硬く且つ軟化温度が高い鋼を用いている。

まず、裏当て部材８にナット１を載せ、第１の部材３と第２の部材４を重ね合わせる。

ナット１、第１の部材３の素材が同じである場合には、双方を溶接で固着しておいてもよい。

次いで、接合ツール５を回転させながら、そのピン部６を第２の部材４に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部６が徐々にめり込む。

やがて、摩擦熱と塑性流動により軟化した第２の部材４に由来する材料が、第１の部材３の孔２からナット１のねじ孔へと押し込まれるとともに当該ねじ孔の内周面に圧着され、最終的には、接合ツール５のショルダ部７端面が第２の部材４に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール５を第２の部材４から引き離し、当該第２の部材４の塑性流動部位と、塑性流動を呈してナット１のねじ孔に押し込まれた第２の部材４に由来する材料とを硬化させると、当該材料がねじ溝に嵌合し、ナット１から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材３，４の接合が完了する。

接合ツール５のピン部６が抜け出た後の第２の部材４の穴９は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

また、ナット１に代えて、開口の壁面に平行溝を有する被嵌合部材、もしくは袋ナットなどを用いてもよい。

図２は本発明の部材接合構造の第２の例であり、請求項１、７に対応している。

この部材接合構造は、ナット１と、予め穿設してある孔１０がねじ孔に連なるようにナット１に重ねた第１の部材１１と、前記孔１０に被さるように第１の部材１１に重ねた第２の部材１２とを備え、第１、第２の部材１１，１２は厚みが等しい。

第２の部材１２はアルミニウム合金を素材としているが、ナット１、第１の部材１１は特に素材を限定せず、例えば、アルミニウム合金、鋼のいずれであってもよい。

図２（ｃ）に示すように、第２の部材１２に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、第１の部材１１の孔１０、並びにナット１のねじ孔に入り込むように形作られ、第２の部材１２とナット１とで第１の部材１１を挾持している。

第２の部材１２を上述したような形状とする際には、例えば、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すような接合ツール１３を用いる。

接合ツール１３は、ナット１のねじ孔や第１の部材１１の孔１０に対して外径が小さい円柱状のピン部１４を、それよりも外径が大きい円柱状のショルダ部１５の先端面に同軸に連ねた形をしており、ピン部１４の全長は、ナット１、第１、第２の部材１１，１２の厚みの合計に対して若干短い。

接合ツール１３の素材には、アルミニウム合金よりも硬く且つ軟化温度が高い鋼を用いている。

まず、裏当て部材８にナット１を載せ、第１の部材１１と第２の部材１２を重ね合わせる。

ナット１、第１の部材１１の素材が同じである場合には、双方を溶接で固着しておいてもよい。

次いで、接合ツール１３を回転させながら、そのピン部１４を第２の部材１２に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部１４が徐々にめり込む。

やがて、摩擦熱と塑性流動により軟化した第２の部材１２に由来する材料が、第１の部材１１の孔１０からナット１のねじ孔へと押し込まれるとともに当該ねじ孔の内周面に圧着され、最終的には、接合ツール１３のショルダ部１５端面が第２の部材１２に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール１３を第２の部材１２から引き離し、当該第２の部材１２の塑性流動部位と、塑性流動を呈してナット１のねじ孔に押し込まれた第２の部材１２に由来する材料とを硬化させると、当該材料がねじ溝に嵌合し、ナット１から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材１１，１２の接合が完了する。

接合ツール１３のピン部１４が抜け出た後の第２の部材１２の穴１６は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

図３は本発明の部材接合構造の第３の例であり、請求項２、７に対応している。

この部材接合構造は、ナット１と、ねじ孔に被さるようにナット１に重ねた第１の部材１７と、当該第１の部材１７に重ねた第２の部材１８とを備え、第１、第２の部材１７，１８は厚みが等しい。

第１、第２の部材１７，１８はアルミニウム合金を素材としているが、ナット１は特に素材を限定せず、例えば、アルミニウム合金、鋼のいずれであってもよい。

図３（ｃ）に示すように、第１、第２の部材１７，１８に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、ナット１のねじ孔に入り込むように形作られ、第２の部材１８とナット１とで第１の部材１７を挾持している。

第１、第２の部材１７，１８を上述したような形状とする際には、例えば、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すような接合ツール５を用いる。

接合ツール５は、ナット１のねじ孔に対して外径が小さい円柱状のピン部６を、それよりも外径が大きい円柱状のショルダ部７の先端面に同軸に連ねた形をしており、ピン部６の全長は、第１、第２の部材１７，１８の厚みの合計に対して若干短い。

まず、裏当て部材８にナット１を載せ、第１の部材１７と第２の部材１８を重ね合わせる。

ナット１、第１の部材１７の素材が同じである場合には、双方を溶接で固着しておいてもよい。

次いで、接合ツール５を回転させながら、そのピン部６を第２の部材１８に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部６が徐々にめり込む。

やがて、接合ツール５のピン部６は第２の部材１８を突き抜けて第１の部材１７に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部６が徐々にめり込み、接合ツール５のピン部６の周囲に、第１、第２の部材１７，１８に由来する材料の同化層１９が軟化した状態で生じる。

この同化層１９が、ナット１のねじ孔へと押し込まれるとともに当該ねじ孔の内周面に圧着され、最終的には、接合ツール５のショルダ部７端面が第２の部材１８に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール５を第２の部材１８から引き離し、同化層１９を硬化させると、当該同化層１９がねじ溝に嵌合し、ナット１から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材１７，１８の接合が完了する。

接合ツール５のピン部６が抜け出た後の第２の部材１８の穴２０は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

図４は本発明の部材接合構造の第４の例であり、請求項３、８に対応している。

ナット１、第１、第２の部材１７，１８はいずれもアルミニウム合金を素材としている。

図４（ｃ）に示すように、第１、第２の部材１７，１８に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、ナット１に由来する材料とともに同化層２１を形作り、ナット１、及び第１、第２の部材１７，１８の一体化を図っている。

第１、第２の部材１７，１８を上述したような形状とする際には、例えば、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すような接合ツール１３を用いる。

接合ツール１３は、ナット１のねじ孔に対して外径が小さい円柱状のピン部１４を、それよりも外径が大きい円柱状のショルダ部１５の先端面に同軸に連ねた形をしており、ピン部１４の全長は、ナット１、第１、第２の部材１７，１８の厚みの合計に対して若干短い。

次いで、接合ツール１３を回転させながら、そのピン部１４を第２の部材１８に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部１４が徐々にめり込む。

やがて、接合ツール１３のピン部１４は第２の部材１８を突き抜けて第１の部材１７に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部１４が徐々にめり込み、接合ツール１３のピン部１４の周囲に第１、第２の部材１７，１８に由来する材料の同化層２１が軟化した状態で生じる。

この同化層２１は、ナット１のねじ孔の周囲に由来する材料をも巻き込み、最終的には、接合ツール１３のショルダ部１５端面が第２の部材１８に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール１３を第２の部材１８から引き離して同化層２１を硬化させ、ナット１から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材１７，１８の接合が完了する。

接合ツール１３のピン部１４が抜け出た後の第２の部材１８の穴２２は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

また、ナット１の代わりに、開口の壁面に平行溝を有する被同化部材、袋ナット、あるいは、ナット１のねじ孔の周囲に由来する材料が同化層２１に巻き込まれることに基づき、開口の内壁に溝がない部材を用いるようにしてもよい。

図５は本発明の部材接合構造の第５の例であり、請求項４、７に対応している。

この部材接合構造は、予め孔１０が穿設してある第１の部材１１と、ねじ孔が当該孔１０に連なるように第１の部材１１に重ねたナット１と、ねじ孔に被さるようにナット１に重ねた第２の部材１２とを備えている。

第２の部材１２はアルミニウム合金を素材としているが、ナット１、第１の部材１１は、アルミニウム合金以外の互いに共通する素材とし、ナット１は第１の部材１１に溶接などの手法で固着してある。

図５（ｃ）に示すように、第２の部材１２に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、ナット１のねじ孔、並びに第１の部材１１の孔１０に入り込むように形作られている。

第２の部材１２を上述したような形状とする際には、例えば、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すような接合ツール１３を用いる。

まず、裏当て部材８に第１の部材１１を載せ、既に第１の部材１１に固着してあるナット１に第２の部材１２を重ね合わせる。

やがて、摩擦熱と塑性流動により軟化した第２の部材１２に由来する材料が、ナット１のねじ孔から第１の部材１１の孔１０へと押し込まれるとともに当該ねじ孔の内周面に圧着され、最終的には、接合ツール１３のショルダ部１５端面が第２の部材１２に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール１３を第２の部材１２から引き離し、当該第２の部材１２の塑性流動部位と、塑性流動を呈してナット１のねじ孔に押し込まれた第２の部材１２に由来する材料とを硬化させると、当該材料がねじ溝に嵌合し、第１の部材１１から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材１１，１２の接合が完了する。

接合ツール１３のピン部１４が抜け出た後の第２の部材１２の穴２３は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

また、ナット１の代わりに、開口の壁面に平行溝を有する被嵌合部材を用いるようにしてもよい。

図６は本発明の部材接合構造の第６の例であり、請求項５、８に対応している。

ナット１、第１、第２の部材１１，１２はいずれもアルミニウム合金を素材としている。

図６（ｃ）に示すように、第２の部材１２に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、ナット１に由来する材料、並びに第１の部材１１に由来する材料とともに同化層２４を形作り、ナット１、及び第１、第２の部材１１，１２の一体化を図っている。

第２の部材１２を上述したような形状とする際には、例えば、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すような接合ツール１３を用いる。

やがて、摩擦熱と塑性流動により軟化した第２の部材１２に由来する材料が、ナット１のねじ孔から第１の部材１１の孔１０へと押し込まれるとともに、接合ツール１３のピン部１４の周囲に第２の部材１２に由来する材料とナット１のねじ孔の周囲に由来する材料の同化層２４が軟化した状態で生じる。

この同化層２４は、第１の部材１１の孔１０の周囲に由来する材料をも巻き込み、最終的には、接合ツール１３のショルダ部１５端面が第２の部材１２に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール１３を第２の部材１２から引き離して同化層２４を硬化させ、第１の部材１１から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材１１，１２の接合が完了する。

接合ツール１３のピン部１４が抜け出た後の第２の部材１２の穴２５は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

また、ナット１の代わりに、開口の壁面に平行溝を有する被同化部材、あるいは、ナット１のねじ孔の周囲に由来する材料が同化層２４に巻き込まれることに基づき、開口の内壁に溝がない部材を用いるようにしてもよい。

図７は本発明の部材接合構造の第７の例であり、請求項６、７に対応している。

この部材接合構造は、第１の部材１７と、当該第１の部材１７に重ねたナット１と、ねじ孔に被さるようにナット１に重ねた第２の部材１８とを備えている。

第１、第２の部材１７，１８はアルミニウム合金を素材とし、ナット１、第１の部材１７は特に素材を限定せず、例えば、アルミニウム合金、鋼のいずれであってもよい。

図７（ｃ）に示すように、第２の部材１８、及び第１の部材１７に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、ナット１のねじ孔に入り込むように形作られている。

第１、第２の部材１７，１８を上述したような形状とする際には、例えば、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すような接合ツール１３を用いる。

まず、裏当て部材８に第１の部材１７とナット１を順に載せ、当該ナット１に第２の部材１８を重ね合わせる。

やがて、摩擦熱と塑性流動により軟化した第２の部材１８に由来する材料が、ナット１のねじ孔の内周面に圧着されるとともに、ピン部１４が第１の部材１７に到達し、摩擦熱と塑性流動により軟化した第１の部材１７に由来する材料も、ナット１のねじ孔の内周面に圧着され、最終的には、接合ツール１３のショルダ部１５端面が第２の部材１２に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール１３を第２の部材１８から引き離し、第１の部材１７、及び第２の部材１８の塑性流動部位と、塑性流動を呈してナット１のねじ孔に押し込まれた第１、第２の部材１７，１８に由来する材料を硬化させると、当該材料がねじ溝に嵌合し、第１の部材１７から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材１７，１８の接合が完了する。

接合ツール１３のピン部１４が抜け出た後の第２の部材１８の穴２６は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

図８は本発明の部材接合構造の第８の例であり、請求項５、８に対応している。

図８（ｃ）に示すように、第２の部材１８に由来する材料は摩擦熱と塑性流動により、ナット１に由来する材料、並びに第１の部材１７に由来する材料とともに同化層２７を形作り、ナット１、及び第１、第２の部材１７，１８の一体化を図っている。

第１、第２の部材１７，１８を上述したような形状とする際には、例えば、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すような接合ツール１３を用いる。

やがて、摩擦熱と塑性流動により軟化した第２の部材１８に由来する材料が、ナット１のねじ孔へと押し込まれるとともに、ピン部１４が第１の部材１７に到達し、接合ツール１３のピン部１４の周囲に第１、第２の部材１７，１８に由来する材料の同化層２７が軟化した状態で生じる。

この同化層２７は、ナット１のねじ孔の周囲に由来する材料をも巻き込み、最終的には、接合ツール１３のショルダ部１５端面が第２の部材１８に押し付けられた状態となる。

更に、接合ツール１３を第２の部材１８から引き離して同化層２７を硬化させ、第１の部材１７から裏当て部材８を引き離すことにより、第１、第２の部材１７，１８の接合が完了する。

接合ツール１３のピン部１４が抜け出た後の第２の部材１８の穴２８は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

また、ナット１の代わりに、開口の壁面に平行溝を有する被同化部材、あるいは、ナット１のねじ孔の周囲に由来する材料が同化層２７に巻き込まれることに基づき、開口の内壁に溝がない部材を用いるようにしてもよい。

なお、本発明の部材接合構造は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の部材接合構造は、様々な部品の接合組付工程に適用できる。

本発明の部材接合構造の第１の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第２の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第３の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第４の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第５の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第６の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第７の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第８の例の施工手順を示す概念図である。

符号の説明

１ナット（被嵌合部材／被同化部材）
２孔
３第１の部材
４第２の部材
１０孔
１１第１の部材
１２第２の部材
１７第１の部材
１８第２の部材
１９同化層
２１同化層
２４同化層
２７同化層

Claims

一端に開口を有し且つ当該開口の壁面に周方向に延びる溝が設けてある被嵌合部材と、予め穿設してある孔が前記開口に連なるように被嵌合部材に重ねた第１の部材と、前記孔に被さるように第１の部材に重ねた第２の部材とを備え、摩擦熱と塑性流動により第２の部材に由来する材料を、第１の部材の孔、並びに被嵌合部材の開口に入り込むように形作ったことを特徴とする部材接合構造。
一端に開口を有し且つ当該開口の壁面に周方向に延びる溝が設けてある被嵌合部材と、前記開口に被さるように被嵌合部材に重ねた第１の部材と、当該第１の部材に重ねた第２の部材とを備え、摩擦熱と塑性流動により第１、第２の部材に由来する材料を、被嵌合部材の開口に入り込むように形作ったことを特徴とする部材接合構造。
一端に開口を有する被同化部材と、前記開口に被さるように被同化部材に重ねた第１の部材と、当該第１の部材に重ねた第２の部材とを備え、摩擦熱と塑性流動により第１、第２の部材に由来する材料を、被同化部材の開口の周囲に同化させたことを特徴とする部材接合構造。
開口を有する第１の部材と、壁面に周方向に延びる溝を設けてある孔が前記開口に連なるように第１の部材に重ねた被嵌合部材と、前記孔に被さるように被嵌合部材に重ねた第２の部材とを備え、被嵌合部材を第１の部材に固着しておき、摩擦熱と塑性流動により第２の部材を、被嵌合部材の開口に入り込むように形作ったことを特徴とする部材接合構造。
被嵌合部材にナットを用いた請求項１、２、４のいずれかに記載の部材接合構造。
被同化部材にナットを用いた請求項３に記載の部材接合構造。