CN101443152A - 材料的接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种材料的接合方法，其使得不必担心成为设计限制的突出物的突出，以及松动和脱落等，可实现从薄板到厚板的大范围的接合，而且可避免开裂和变形等质量缺陷的发生，可在维持良好的操作性和操作环境的同时，进行再循环性良好的接合。以接合孔彼此对齐的方式将材料1，2重合，对装于该接合孔内的接合辅助材料3旋转并挤压接合工具8，通过其所产生的摩擦热使接合辅助材料3保持固态地软化，使接合工具8进入该接合辅助材料，由此使接合辅助材料3紧密地嵌入接合孔，且使该接合辅助材料3形成与各材料1，2啮合的机械啮合部(山形部5′和凸缘部6′，6″)，从而借助于接合辅助材料3将各材料1，2接合。

Description

材料的接合方法
技术领域
[0001]
本发明涉及材料的接合方法。
背景技术
[0002]
近年来，在汽车行业，从实现应对耗油量上升等的车辆的轻量化的观点出发，积极采用铝材等轻质原料，于是，涉及铝材和钢材等难以焊接的异种材料接合技术的重要性日益提高，而以前对于这种难以焊接的异种材料的接合，采用螺栓联接、机械铆钉接合、通过粘结剂粘结等手段。
[0003]
另外，作为与后述的本发明的材料的接合方法有关的现有技术文献信息，有下列专利文献1等。
专利文献1：特开2004-136365号公报
[0004]
然而，例如，采用螺栓联接时，在接合材料的上下两面有螺栓和螺母作为突出物突出，因此，存在设计上不得不确保这些突出物所占有的空间的限制，而且在螺栓联接时还要担心松动和脱落等，此外，采用机械铆钉接合时，以两薄板的接合为中心，且不加热材料而是仅通过加压来进行接合，因此，存在容易发生开裂和变形等质量缺陷的问题。
[0005]
此外，采用通过粘结剂粘结时，除了存在操作性和操作环境差的问题，还存在因再循环时难以将粘结剂从材料分离而导致再循环性差的问题。
发明内容
[0006]
本发明鉴于上述实际情况构思而成，其目的在于提供一种材料的接合方法，所述材料的接合方法，使得没有成为设计上的限制的突出物的突出，以及松动和脱落等的担心，可实现从薄板到厚板的大范围的接合，而且可避免开裂和变形等质量缺陷的发生，可在维持良好的操作性和操作环境的同时，进行再循环性良好的接合。
[0007]
本发明涉及一种材料的接合方法，所述材料的接合方法，其特征在于，将具有接合孔的多个材料以接合孔彼此对齐的方式重合，将接合辅助材料装入对齐的接合孔中，沿各材料的重叠方向，从一侧旋转接合工具并将其压在该接合辅助材料上，通过所产生的摩擦热使接合辅助材料保持固态地软化，从而使接合工具进入该接合辅助材料，由此将接合辅助材料紧密地嵌入接合孔内，且使该接合辅助材料形成与各材料之间的机械啮合部，拔出上述接合工具，使上述啮合部硬化，从而通过接合辅助材料将各材料接合。
[0008]
这样，通过紧密装入接合孔的接合辅助材料在各材料之间形成的机械啮合部，可取得防止松脱和防止旋转的效果，从而借助于接合辅助材料牢固地接合各材料。
[0009]
此时，由于没有螺栓联接时如螺栓和螺母大小的突出物的突出，所以没有确保这种突出物占有空间的设计上的限制，而且接合辅助材料紧密地嵌入接合孔内，因此没有像采用螺栓连接时那样的松动和脱落等的担心。
[0010]
此外，由于借助于装入各材料接合孔的接合辅助材料接合各材料，所以能够实现从薄板到厚板大范围的接合，而且，通过接合工具向接合辅助材料施加摩擦热，使之软化，而且不会产生过大压力，故可避免开裂和变形等质量缺陷的发生于未然。
[0011]
而且，由于没有像粘结剂的媒介物，借助于啮合部机械接合各材料，所以不会导致像采用粘结剂时的操作性和操作环境变差的问题，而且，可实现再循环时的分离操作容易、再循环性良好的接合。
[0012]
此外，更具体地实施本发明时，可将与预先形成于接合孔内侧面的槽部嵌合的、形成于接合辅助材料侧的山形部作为啮合部；还可将形成于接合辅助材料轴向两端的、在重叠方向夹紧保持各材料的凸缘部作为啮合部，并且各凸缘部中至少一个可在接合工具进入时形成而作为啮合部。
[0013]
此外，本发明中，各材料中的至少一种可为接合辅助材料的同种材料，可通过接合工具的旋转，搅拌设为该同种材料的材料和接合辅助材料的边界部分而将其摩擦搅拌接合部。
[0014]
此外，也可在各材料上点状地穿设接合孔，将接合工具定位在与该接合孔对应的点处从而进行点接合，或者还可在各材料上狭缝状地穿设接合孔，将接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
[0015]
采用本发明的上述材料的接合方法，可取得以下等的种种良好效果：由于没有螺栓连接时如螺栓和螺母大小的突出物的突出，故可大幅放宽设计上的限制，同时可解除像螺栓连接时的松动和脱落等的担心，而且能够实现从薄板到厚板的大范围内的接合，以及可避免发生开裂和变形等质量缺陷，此外还可在维持操作性和操作环境良好的同时，进行再循环性良好的接合。
附图说明
[0016]
图1是表示本发明一实施例的剖面图；
图2是表示图1的接合工具边旋转边下降的状态的剖面图；
图3是表示图2的接合工具进一步下降的状态的剖面图；
图4是表示从图3的状态拔出接合工具的状态的剖面图；
图5是表示采用在上端部设有凸缘部的接合辅助材料的示例的剖面图。
附图标记
[0017]
1     材料
1a    接合孔
2     材料
2a    接合孔
3     接合辅助材料
5     槽部
5′   山形部(啮合部)
6′   凸缘部(啮合部)
6＂   凸缘部(啮合部)
8     接合工具
10    摩擦搅拌接合部
具体实施方式
[0018]
以下参照附图说明本发明的实施例。
[0019]
图1～图4示出了本发明的一实施例，本实施例中，举例说明对相互重合的铁制材料1和铝制材料2进行点接合的情况，如图1所示，各材料1，2分别点状地穿设有贯穿厚度方向的接合孔1a，2a，并将其以对齐该接合孔1a，2a方式重合，将铝制接合辅助材料3装入对齐的接合孔1a，2a，并在该重合的各材料1，2的下侧配置衬垫构件4。
[0020]
这里，在上层材料1的接合孔1a内周面，通过螺纹加工形成有螺旋状槽部5，此外，在上述衬垫构件4的上表面，形成有正对上述材料1，2的接合孔1a，2a的、具有比该接合孔1a，2a大的截面的凹部6。
[0021]
此外，在上述各材料1，2的上侧，下端具有可插入接合孔1a，2a内的销部7的圆柱形接合工具8，与上述接合孔1a，2a同心地配置，由未图示的接合装置可旋转且可升降地支承。
[0022]
然后，如图2所示，通过接合工具8接合这样重叠的材料1，2时，接合工具8边旋转边下降，并向接合孔1a，2a内的接合辅助材料3挤压该接合工具8，通过该接合辅助材料3和接合工具8之间产生的摩擦热，使上述接合辅助材料3保持固态地软化，使接合工具8的销部7进入接合辅助材料3。
[0023]
接着，使接合工具8下降到图3所示的状态，因摩擦热而软化的接合辅助材料3，由于塑性流动紧密地嵌入接合孔1a，2a，形成与上述槽部5嵌合的螺旋状(螺纹上的山形)的山形部5′，同时通过与衬垫构件4的凹部6嵌合，在接合辅助材料3的下端部形成截面比接合孔1a，2a大的凸缘部6′，此外，通过向接合工具8的销部7底端侧周围的肩部9和材料1上表面之间的间隙突出，接合辅助材料3的上端部形成截面比接合孔1a，2a大的凸缘部6″，这些山形部5′和凸缘部6′、6″成为与各材料1，2啮合的机械啮合部。
[0024]
而且，尤其在本实施例中，由于下层材料2为接合辅助材料3的同种材料，所以可在接合工具8的销部7边旋转边进入接合辅助材料3时，通过接合工具8的旋转，搅拌设为该同种材料的材料2和接合辅助材料3的分界部分，从而形成摩擦搅拌接合部10。
[0025]
然后，如图4所示，向上拔出接合工具8，分别使山形部5′及凸缘部6′，6″和摩擦搅拌接合部10硬化，通过接合辅助材料3在各材料1，2侧之间形成的山形部5′及凸缘部6′，6″，可取得防止松脱和防止旋转的效果，各材料1，2借助于接合辅助材料3牢固地接合，另外，通过材料2和接合辅助材料3之间形成的摩擦搅拌接合部10，可实现更牢固地接合。
[0026]
此外，本发明还具有如下效果，铁制材料1和铝制接合辅助材料3之间，因摩擦热保持固态地软化的接合辅助材料3贴紧材料1，在熔点以下的温度条件下加压，由此在其接合面之间产生原子的扩散，故铁制材料1和铝制接合辅助材料3间扩散接合。
[0027]
事实上，在发明人所实施的拉伸剪切强度的验证实验中，将由SS400铁材制成的厚5mm的材料1置于上层，将由6000系列的铝材制成的厚7mm的材料2置于下层，接合辅助材料3选为材料2的同种材料6000系列铝材，在此情况下，确认得到了8.75KN的良好拉伸剪切强度。
[0028]
另外，本实施例中，在各材料1，2牢固地接合时，由于没有像螺栓连接时那样的螺栓和螺母大小的突出物的突出，所以没有确保这种突出物占有空间的设计上的限制，而且，由于接合辅助材料3紧密地嵌入接合孔1a，2a内，所以没有像采用螺栓连接时那样的松动和脱落等的担心。
[0029]
另外，这里图示的例子中，各材料1，2的上下表面上的各凸缘部6′，6″稍微突出，当形成各凸缘部6′，6″时，可在材料1的上表面侧和材料2的下表面侧，通过沉孔加工，加工出和接合孔1a，2a连接且具有比该接合孔1a，2a的截面大的凹部，凸缘部6′，6″嵌合形成于这些上下通过沉孔加工出的凹部，这样，材料1，2最终的上下表面为平面。
[0030]
此外，本实施例中，由于借助于嵌入各材料1，2的接合孔1a，2a的接合辅助材料3将各材料1，2接合，故能够以从薄板到厚板的大范围接合各材料1，2，而且，通过接合工具8对接合辅助材料3施加摩擦热使之软化，接合时不会产生过大压力，因此可避免开裂和变形等质量缺陷于未然。
[0031]
另外，由于没有像粘结剂那样的媒介物，借助于啮合部使各材料1，2机械接合，故不会导致像采用粘结剂时那样的操作性和操作环境变差，而且可实现再循环时分离操作容易、再循环性良好的接合。
[0032]
因而，按照上述实施例，由于没有螺栓连接时像螺栓和螺母大小的突出物的突出，可大幅放宽设计上的限制，且解除像螺栓连接时对松动和脱落等的担心，而且可从薄板到厚板的大范围地进行接合，可避免开裂和变形等质量缺陷的发生，另外，还可在维持良好的操作性和操作环境同时，进行再循环性良好的接合。
[0033]
另外，以上说明的实施例中，举例说明了在接合孔1a的内周面螺纹加工螺旋状槽部5的情况，但该槽部5不必受限于螺旋状地形成，例如，也可以是环状槽部5和花键状(spline)槽部5的组合(还可为螺旋状槽部5和花键状槽部5的组合)，故即使没有凸缘部6′，6″，也可取得防止松脱和防止旋转的效果，此外，还也可将各材料1，2和接合辅助材料3设为异种材料，相互之间不会形成摩擦搅拌接合部10。
[0034]
另外，上述实施例中，将形成于接合辅助材料3的轴线两端的、在重叠方向夹紧保持各材料1，2的凸缘部6′，6″作为啮合部，如图5所示，这些凸缘部6′，6″在接合工具8进入时同时形成，然而，也可以采用预先在上端部设有凸缘部6″的接合辅助材料3，接合工具8进入时，仅通过衬垫构件4的凹部6形成下端部的凸缘部6″而将其作为啮合部。
[0035]
此外，若采用预先在上端部设有凸缘部6″的接合辅助材料3，则设置接合装置之前，可手动将该接合辅助材料3置于接合孔1a，2a内，该设置操作容易进行，从而不需要用以将接合辅助材料3置于接合孔1a，2a内的送料器(feeder)等装置。
[0036]
此外，上述实施例中，说明了在材料1，2上点状地穿设接合孔1a，2a，将接合工具8定位在对应于该接合孔1a，2a点处而进行点接合的情况，然而，也可以狭缝(slit)状地穿设接合孔1a，2a，使接合工具8沿着该接合孔1a，2a的长度方向移动从而进行连续接合。
[0037]
此外，本发明的材料的接合方法，不仅仅限于上述实施例，各材料也可不必是异种材料，即使各材料是同种材料，也可采用同样的接合方法，而且，各材料和接合辅助材料，除金属材料外，还可适当地采用高分子材料等，此外，对于接合辅助材料，可预先在其轴心部分穿设引导接合工具进入的导孔，另外，接合孔的断面形状不限于如图所示的矩形，可适当采用各种不同的断面形状，来增大接合面积以提高强度，显而易见，可在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更。

Claims (24)

1.一种材料的接合方法，包括：将具有接合孔的多个材料以接合孔彼此对齐的方式重合，将接合辅助材料装入对齐的接合孔中，沿各材料的重叠方向，从一侧旋转接合工具并将其压在该接合辅助材料上，通过所产生的摩擦热使接合辅助材料保持固态地软化，从而使接合工具进入该接合辅助材料，由此将接合辅助材料紧密地嵌入接合孔内，且使该接合辅助材料形成与各材料之间的机械啮合部，拔出所述接合工具，使所述啮合部硬化，从而通过接合辅助材料将各材料接合。
2.根据权利要求1所述的材料的接合方法，其中，将与预先形成于接合孔内侧面的槽部嵌合的、形成于接合辅助材料侧的山形部作为啮合部。
3.根据权利要求1所述的材料的接合方法，其中，将形成于接合辅助材料轴向两端的、在重叠方向夹紧保持各材料的凸缘部作为啮合部，各凸缘部中的至少一个在接合工具进入时形成而作为啮合部。
4.根据权利要求2所述的材料的接合方法，其中，将形成于接合辅助材料轴向两端的、在重叠方向夹紧保持各材料的凸缘部作为啮合部，各凸缘部中的至少一个在接合工具进入时形成而作为啮合部。
5.根据权利要求1所述的材料的接合方法，其中，各材料中的至少一种为接合辅助材料的同种材料，通过接合工具的旋转，搅拌设为该同种材料的材料和接合辅助材料的分界部分而将其作为摩擦搅拌接合部。
6.根据权利要求2所述的材料的接合方法，其中，各材料中的至少一种为接合辅助材料的同种材料，通过接合工具的旋转，搅拌设为该同种材料的材料和接合辅助材料的分界部分而将其作为摩擦搅拌接合部。
7.根据权利要求3所述的材料的接合方法，其中，各材料中的至少一种为接合辅助材料的同种材料，通过接合工具的旋转，搅拌设为该同种材料的材料和接合辅助材料的分界部分而将其作为摩擦搅拌接合部。
8.根据权利要求4所述的材料的接合方法，其中，各材料中的至少一种为接合辅助材料的同种材料，通过接合工具的旋转，搅拌设为该同种材料的材料和接合辅助材料的分界部分而将其作为摩擦搅拌接合部。
9.根据权利要求1所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
10.根据权利要求2所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
11.根据权利要求3所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
12.根据权利要求4所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
13.根据权利要求5所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
14.根据权利要求6所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
15.根据权利要求7所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
16.根据权利要求8所述的材料的接合方法，其中，在各材料上点状地穿设接合孔，在与该接合孔对应的点处定位接合工具从而进行点接合。
17.根据权利要求1所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
18.根据权利要求2所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
19.根据权利要求3所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
20.根据权利要求4所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
21.根据权利要求5所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
22.根据权利要求6所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
23.根据权利要求7所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
24.根据权利要求8所述的材料的接合方法，其中，在各材料上狭缝状地穿设接合孔，使接合工具沿该接合孔的长度方向移动从而进行连续接合。
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