CN102059437A

CN102059437A - 金属部件的接合方法及金属接合体

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Publication number: CN102059437A
Application number: CN2010105440175A
Authority: CN
Inventors: 奥村信弥; 桥本晃; 椎野和幸; 藤井猛; 山县明信; 林弘昭; 沢崎朝生; 石田一之; 滨野正利; 佐佐木广治
Original assignee: OLISEN ELECTRICAL CO Ltd; Mazda Motor Corp
Current assignee: Origin Electric Co Ltd
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: EP2319652B1; US20110104511A1; JP5399206B2; CN102059437B; JP2011098358A; EP2319652A1; US8710393B2

Abstract

本发明提供金属部件的接合方法及金属接合体，该接合方法中，通过使第二金属部件(10)的第一外径部(11)及第二外径部(12)分别抵接于第一金属部件(1)的第一内径部(4)及第二内径部(5)，且用一对电极(21、22)对第一金属部件(1)与第二金属部件(10)沿轴向加压并通电，从而在这两个金属部件(1、10)之间形成接合第一内径部(4)与第一外径部(11)的第一接合部(P1)、以及接合第二内径部(5)与第二外径部(12)的第二接合部(P2)，并在这两个接合部(P1、P2)之间形成在指定的轴向长度上金属部件彼此不接触的间隙部(15)。据此，能以较少的接合能量确保较高的接合强度。

Description

金属部件的接合方法及金属接合体

技术领域

本发明涉及金属部件的接合方法及金属接合体，该方法是在对设有开口部的第一金属部件和具有能够与该第一金属部件的围绕上述开口部的内周壁部局部接触的外周壁部的第二金属部件沿轴向加压的情况下，通过通电产生的电阻发热来进行接合的方法。

背景技术

一直以来，作为所谓的环压(ring mash)接合法的一种，已知有日本专利公开公报特开2004-17048号(专利文献1)所示的接合方法。具体而言，在专利文献1所示的方法中，将中空状的第一金属部件、以及具有比第一金属部件的内径略大的外径的第二金属部件沿轴向重叠，并在沿该轴向施加加压力的状态下流通焊接电流，从而将上述第一金属部件的内周面与第二金属部件的外周面接合。

在该情况下，上述第一金属部件与第二金属部件的接合的形态不是熔融接合而是扩散接合。即，通过对上述两个金属部件施加加压力并通电，使接触部分的金属软化并产生塑性流动，使金属的新生面彼此金相接合。

根据上述专利文献1所示的环压接合法，与例如电弧焊接等通常的熔融接合相比，具有的优点是：不会产生熔融导致的碳化物的偏析、热影响导致的凝固裂纹(solidification cracking)等，且焊接所需的时间为非常短的时间即可。

但是，上述专利文献1所披露的方法存在的问题是：当以进一步提高接合强度为目的，而欲增加上述第一金属部件与第二金属部件的接合面积时，需要与之相应地增大加压力及电流值，从而会导致设备的大型化。因此，有将接合所需的能量抑制得尽可能低并进一步提高接合强度的要求。

发明内容

本发明是鉴于如上所述的情况而完成的，其目的在于提供能以较少的接合能量得到较高的接合强度的金属部件的接合方法及金属接合体。

本发明的金属部件的接合方法是在对设有开口部的第一金属部件和具有能够与该第一金属部件的围绕上述开口部的内周壁部局部接触的外周壁部的第二金属部件沿轴向加压的情况下，通过通电产生的电阻发热来进行接合的方法，其中，在上述第一金属部件的上述内周壁部上形成具有指定的内径的第一内径部、以及具有比上述第一内径部的上述内径大的内径的第二内径部，在上述第二金属部件的上述外周壁部上形成具有比上述第一内径部的上述内径大指定量的外径的第一外径部、以及具有比上述第二内径部的上述内径大指定量的外径的第二外径部，使上述第二金属部件的上述第一外径部及上述第二外径部分别抵接于上述第一金属部件的上述第一内径部及上述第二内径部，用一对电极对上述第一金属部件与上述第二金属部件沿轴向加压并通电，使得在这两个金属部件之间形成接合上述第一内径部与上述第一外径部的第一接合部、以及接合上述第二内径部与上述第二外径部的第二接合部，并使得在这两个接合部之间形成在指定的轴向长度上上述两个金属部件彼此不接触的间隙部。

本发明的金属接合体是设有开口部的第一金属部件与具有能够与该第一金属部件的围绕上述开口部的内周壁部局部接触的外周壁部的第二金属部件受到轴向的加压力和通电产生的电阻发热而被接合的金属接合体，其中，上述第一金属部件的上述内周壁部上形成有具有指定的内径的第一内径部、以及具有比上述第一内径部的上述内径大的内径的第二内径部，上述第二金属部件的上述外周壁部上形成有在接合前具有比上述第一内径部的上述内径大指定量的外径的第一外径部、以及具有比上述第二内径部的上述内径大指定量的外径的第二外径部，上述第一金属部件与上述第二金属部件之间形成有接合上述第一内径部与上述第一外径部的第一接合部、以及接合上述第二内径部与上述第二外径部的第二接合部，且在这两个接合部之间形成有在指定的轴向长度上上述第一金属部件与上述第二金属部件彼此不接触的间隙部。

根据本发明，能够以较少的接合能量得到较高的接合强度。

附图说明

图1是作为接合对象的齿圈与差动齿轮壳的分解剖视图。

图2是表示将上述齿圈与差动齿轮壳接合时所使用的接合装置的简要结构的图。

图3是图2的A部放大图。

图4是表示接合完成后的状态的图3相当图。

图5是用于说明对上述齿圈施加挠曲力矩的状况的图。

图6是用于说明本发明的变形例的图。

图7是用于说明本发明的其他变形例的图，其中，(a)表示接合前的状态，(b)表示接合后的状态。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的优选实施方式。图1是表示该实施方式的接合对象零部件的结构的分解剖视图。如该图所示，在该实施方式中，将作为车用零部件的齿圈1与差动齿轮壳10根据本发明的接合方法进行接合。

上述差动齿轮壳10是收纳差动机构的小齿轮、侧齿轮等的壳(差动齿轮壳)，相当于本发明所涉及的第二金属部件。差动齿轮壳10的材质是铸铁，作为其具体例，理想的是FCD450或FCD550等球状石墨铸铁。

上述差动齿轮壳10由沿轴向延伸的中空体构成，具备具有大小多个外径的多级状的外周壁部。具体而言，在上述差动齿轮壳10的外周壁部上形成具有外径Y1的第一外径部11、以及具有比外径Y1大的外径Y2的第二外径部12。

上述齿圈1是承受从变速器传来的驱动力的齿轮零部件，相当于本发明所涉及的第一金属部件。齿圈1的材质是钢，作为其具体例，理想的是SCR420H等渗碳淬火钢。

上述齿圈1由具有贯穿厚度方向的开口部2的环状部件构成，在其最外周部形成与变速器的输出齿轮啮合的齿轮部3。另外，在围绕上述开口部2的齿圈1的内周壁部上形成具有内径X1的第一内径部4、以及具有比内径X1大的内径X2的第二内径部5。

上述齿圈1的内径X1、X2与上述差动齿轮壳10的外径Y1、Y2的关系是，第一外径部11的外径Y1比第一内径部4的内径X1略大，第二外径部12的外径Y2比第二内径部5的内径X2略大。另外，如后述的图3所示，上述各外径部11、12与各内径部4、5的半径之差(过盈量)都为S。此时，由于直径差为2S，因此关系如下：(第一外径部11的外径Y1)＝(第一内径部的内径X1)+2S，(第二外径部12的外径Y2)＝(第二内径部的内径X2)+2S。

另外，关于上述各外径部11、12和各内径部4、5的轴向长度，如图1所示，齿圈1的第一内径部4及差动齿轮壳10的第二外径部12的轴向长度都为L1，齿圈1的第二内径部5及差动齿轮壳10的第一外径部11的轴向长度都为L2，且L1＜L2。

图2是表示将上述齿圈1与差动齿轮壳10接合时所使用的接合装置20的简要结构的图。如该图所示，接合装置20包括：上部电极21及下部电极22；沿轴向(图2中为上下方向)对各电极21、22加压的未图示的加压机构；以及向各电极21、22提供接合用高电流的电源装置23。使用这样的接合装置20所进行的接合，是通过在齿圈1的开口部2中插入差动齿轮壳10进行预固定的状态下，利用上述上部电极21及下部电极22沿轴向加压上述两个部件1、10并通电而进行的。另外，在图2中，例举了将上部电极21及下部电极22沿上下方向对置配置，在其间夹着齿圈1及差动齿轮壳10进行接合的情况，但当然也可以例如在将上述两个电极21、22沿水平方向对置配置的状态下进行接合。

进一步详细说明上述齿圈1及差动齿轮壳10的接合的步骤。为了将齿圈1及差动齿轮壳10接合，首先，将差动齿轮壳10从上方插入齿圈1的开口部2。即，将齿圈1以其第一内径部4处于第二内径部5下方的姿势设置在下部电极22上，从该齿圈1的上方，将差动齿轮壳10向下插入。此时，以差动齿轮壳10的第一外径部11处于第二外径部12的下方的状态，从第一外径部11先插入齿圈1。

图3是图2的A部放大图，表示如上所述的差动齿轮壳10的插入操作完成的状态。如上所述，由于上述差动齿轮壳10的第一外径部11及第二外径部12的各外径Y1、Y2比齿圈1的第一内径部4及第二内径部5的各内径X1、X2大过盈量S的程度，因此如图3所示，若差动齿轮壳10插入齿圈1，则第一外径部11的最外周部与第一内径部4抵接，并且第二外径部12的最外周部与第二内径部5抵接。此时，由于齿圈1的第二内径部5的轴向长度与差动齿轮壳10的第一外径部11的轴向长度相等(均为图1的尺寸L2)，因此上述第一内径部4与第一外径部11、以及第二内径部5与第二外径部12分别同时抵接。另外，在图示的例子中，各内径部4、5及各外径部11、12的角部分别被倒角，该被倒角的部分彼此互相抵接。如上所述，差动齿轮壳10被预固定在齿圈1上。

如上所述地完成预固定后，接下来利用上部电极21及下部电极22从上下夹住齿圈1及差动齿轮壳10并进行加压，并且对上述两个电极21、22施加接合用电压。具体而言，使上部电极21从上方接近预固定在上述下部电极22上的齿圈1及差动齿轮壳10，使其下端部与差动齿轮壳10的第二外径部12的上表面抵接，并且在该状态下对上述两个电极21、22沿接近方向(轴向)施加指定的加压力。另外，随之使电源装置23工作，从而对上述两个电极21、22施加接合用电压。

根据如上所述的电压的施加，在上述两个电极21、22之间，经由齿圈1及差动齿轮壳10瞬间流过较大的电流。此时，由于齿圈1与差动齿轮壳10通过第一内径部4与第一外径部11的抵接部、以及第二内径部5与第二外径部12的抵接部这两处接触，因此上述电流通过这两处抵接部流动。

这样便产生基于通电的电阻发热，在上述两处抵接部发生金属的软化及塑性流动。此时，由于上述电极21、22被继续加压，因此随着上述金属的软化，差动齿轮壳10相对于齿圈1被缓缓压向下方。据此，差动齿轮壳10与齿圈1的接触面积(即第一内径部4与第一外径部11、第二内径部5与第二外径部12的各接触面积)增大，金属软化的区域也增大。

上述差动齿轮壳10被压向下方，直至与下部电极22抵接，如图4所示，在齿圈1的第一内径部4的内周面整体与差动齿轮壳10的第一外径部11的外周面接触，且差动齿轮壳10的第二外径部12的外周面整体与齿圈1的第二内径部5的内周面接触的状态下，停止上述电极21、22间的通电，从而上述各接触面的金属凝固，形成该图所示的两个接合部P1、P2。

即，通过在上述第一内径部4与第一外径部11、以及第二内径部5与第二外径部12的各接触面发生金属的软化及塑性流动，氧化皮膜或异物等被去除，通过在该状态下停止通电，金属的新生面彼此金相结合并凝固。据此，在第一内径部4与第一外径部11之间形成第一接合部P1，并且在第二内径部5与第二外径部12之间形成第二接合部P2。另外，在图4中符号Q1、Q2是毛边，该毛边由从上述第一内径部4与第一外径部11之间、以及第二内径部5与第二外径部12之间向外部压出的，上述过盈量S程度的金属形成。

通过经过如上所述的工序，齿圈1与差动齿轮壳10的接合完成。在这种情况下形成的第一接合部P1与第二接合部P2之间，存在金属彼此不接触的间隙部15。即，由于齿圈1的第一、第二内径部4、5以及差动齿轮壳10的第一、第二外径部11、12为图1等所示的尺寸关系(即，Y1＝(X1+2S)＜Y2＝(X2+S2)，且L1＜L2)，在接合后的状态下，上述第一接合部P1及第二接合部P2在径向及轴向上相互偏置，其结果是，在上述两个接合部P1、P2之间，在指定的轴向长度范围形成间隙部15。

如以上所说明，在该实施方式中，在将齿圈1与差动齿轮壳10接合时，首先，在齿圈1的内周壁部形成内径X1的第一内径部4、以及比其大的内径X2的第二内径部5，并且在差动齿轮壳10的外周壁部形成具有比上述内径X1、X2大过盈量S的程度的外径Y1、Y2的第一外径部11及第二外径部12。而且，通过使上述差动齿轮壳10的第一、第二外径部11、12分别与上述齿圈1的第一、第二内径部4、5抵接，并且使用一对电极21、22对上述齿圈1与差动齿轮壳10沿轴向加压并通电，从而在上述两个部件1、10之间形成由上述第一内径部4与第一外径部11接合而成的第一接合部P1、以及由上述第二内径部5与第二外径部12接合而成的第二接合部P2，且在这两个接合部P1、P2之间，以指定的轴向长度形成金属彼此不接触的间隙部15。根据这样的结构，具有的优点是：能以较小的接合能量得到较高的接合强度。

即，上述实施方式中，通过两个接合部(第一、第二接合部)P1、P2接合齿圈1的内周壁部与差动齿轮壳10的外周壁部，且使这两个接合部P1、P2沿轴向离开并在两者之间形成间隙部15，因此具有的优点是：即使不过度增大上述各接合部P1、P2的轴向长度(接合长)，也可以构成特别是抗弯曲性能较强的优良的接合结构，可以避免接合能量的增大同时可有效提高接合强度。

例如，若仅以提高接合强度为目的，则即使不像上述实施方式那样将接合部分为两个(P1、P2)，而通过形成接合长较长的一个接合部，也可以提高接合强度。然而，在这种情况下，在接合时所需的电流值或加压力增大，会导致设备的大型化或成本上升。

与之相对，如上述实施方式所示，当形成沿轴向离开的两个接合部P1、P2时，与例如使各接合部P1、P2沿轴向连续时相比，由于接合部的剖面模数增大，因此特别在图5所示的挠曲力矩M作用于齿圈1时，可减轻作用于接合部P1、P2的力，使挠曲刚性进一步提高。另外，由于齿圈1因传递至其齿轮部3的驱动力而受到各种方向的力，因此基于如上所述的挠曲刚性的提高，可以进一步提高差动机构的可靠性。

而且，由于在各接合部P1、P2之间存在上述间隙部15，可以使由于接合而产生的毛边Q2潜入间隙部15，因此具有的优点是：不会例如夹着毛边Q2接合齿圈1与差动齿轮壳10，可以有效防止因毛边Q2引起的接合不良。

另外，在上述实施方式中，在齿圈1与差动齿轮壳10的接合开始时，如图2及图3所示，由于使第一内径部4与第一外径部11、第二内径部5与第二外径部12分别同时抵接，并在该状态下开始通电，因此具有的优点是：上述两个接合部P1、P2的品质不会产生偏差，可以构成可靠性较高的均质的接合结构。

例如，上述第一内径部4与第一外径部11的抵接、以及第二内径部5与第二外径部12的抵接在差距很大的时期发生时，在先抵接的一侧会流过过大的电流，产生金属母材飞散的称为飞溅(溅射)的现象等，从而接合强度有可能大幅下降。与之相对，上述实施方式具有的优点是：通过将两处的抵接时期设定为同时，可以避免如上所述的事态，将接合强度维持在较高的水平。

当然，若抵接时期稍微有些偏差，则由于流过过电流的时间不是很长，一般认为对品质的影响较小。因此，上述两处的抵接的时期可以不是严格意义上的同时，也可以多少存在一些时间的偏差。例如，如图6所示，由于设计上的原因等，无法使齿圈1的第二内径部5的轴向长度、与差动齿轮壳10的第一外径部11的轴向长度为同一尺寸时(在存在图示的尺寸差ΔL时)，上述第一内径部4与第一外径部11的抵接、及第二内径部5与第二外径部12的抵接的时期会偏差，但即使此时，若如图示所示尺寸差ΔL比较小，则抵接时期的偏差也较小，一般认为接合可以适宜地进行。

另外，在上述实施方式中，通过沿轴向离开的两处接合部P1、P2接合齿圈1与差动齿轮壳10，但接合部可以不是两处，也可以通过三处或者三处以上的接合部接合齿圈1与差动齿轮壳10。图7例举了设定三处接合部(P1、P2、P3)的情况，其中(a)表示接合前的状态，(b)表示接合后的状态。

另外，在上述实施方式中，以接合钢制的齿圈1与铸铁制的差动齿轮壳10的情形为例进行了说明，但本发明的接合方法当然也可以适用于其他金属制零部件，其材质也不限于钢或铸铁。由于本发明的接合方法是利用金属的软化、塑性流动进行接合，因此与例如电弧焊接或激光焊接等熔融接合的情形相比，材质的限制减少，可期待适用于各种材质。

最后，总结说明基于如上所述的实施方式所披露的本发明的结构及其效果。

本发明的接合方法是在对设有开口部的第一金属部件和具有能够与该第一金属部件的围绕上述开口部的内周壁部局部接触的外周壁部的第二金属部件沿轴向加压并通过通电产生的电阻发热来进行接合的方法。具体而言，首先，在上述第一金属部件的上述内周壁部上形成具有指定的内径的第一内径部、以及具有比上述第一内径部的上述内径大的内径的第二内径部，在上述第二金属部件的上述外周壁部上形成具有比上述第一内径部的上述内径大指定量的外径的第一外径部、以及具有比上述第二内径部的上述内径大指定量的外径的第二外径部。然后，使上述第二金属部件的上述第一外径部及上述第二外径部分别抵接于上述第一金属部件的上述第一内径部及上述第二内径部，用一对电极对上述第一金属部件与上述第二金属部件沿轴向加压并通电。据此，在上述两个金属部件之间形成接合上述第一内径部与上述第一外径部的第一接合部、以及接合上述第二内径部与上述第二外径部的第二接合部，并在这两个接合部之间形成在指定的轴向长度上上述两个金属部件彼此不接触的间隙部。

根据本发明的接合方法，由于将第一金属部件的内周壁部与第二金属部件的外周壁部通过两个接合部(第一、第二接合部)接合，且使这两个接合部沿轴向互相离开并在两者之间形成间隙部，因此具有的优点是：即使不过度增大上述各接合部的轴向长度(接合长)，也可以构成特别是抗弯曲性能较强的优良的接合结构，可以避免接合能量的增大并有效提高接合强度。

本发明的接合方法中，较为理想的是，在上述第一金属部件与上述第二金属部件的接合开始时，使上述第一内径部与上述第一外径部、上述第二内径部与上述第二外径部分别同时抵接，且在该状态下开始由上述电极进行的通电。

由此，具有的优点是：上述两个接合部的品质不会产生偏差，可以构成可靠性较高的均质的接合结构。

另外，本发明的金属接合体是设有开口部的第一金属部件与具有能够与该第一金属部件的围绕上述开口部的内周壁部局部接触的外周壁部的第二金属部件受到轴向的加压力和通电产生的电阻发热而被接合的。具体而言，上述第一金属部件的上述内周壁部上形成有具有指定的内径的第一内径部、以及具有比上述第一内径部的上述内径大的内径的第二内径部，上述第二金属部件的上述外周壁部上形成有在接合前具有比上述第一内径部的上述内径大指定量的外径的第一外径部、以及具有比上述第二内径部的上述内径大指定量的外径的第二外径部。上述第一金属部件与上述第二金属部件之间形成接合上述第一内径部与上述第一外径部的第一接合部、以及接合上述第二内径部与上述第二外径部的第二接合部，且在这两个接合部之间形成有在指定的轴向长度上上述第一金属部件与上述第二金属部件彼此不接触的间隙部。

本发明的金属接合体中，由于第一、第二金属部件通过沿轴向分离的两个接合部(第一、第二接合部)接合，因此具有的优点是：可有效地提高特别是对于弯曲的刚性。

本发明的金属接合体的具体的适用例可想出多种，例如上述第一金属部件为齿圈，上述第二金属部件为差动齿轮壳的情况就比较理想。

根据该结构，具有的优点是：可以高强度地接合齿圈与差动齿轮壳，可以进一步提高差动机构的可靠性。

Claims

1.一种金属部件的接合方法，其特征在于：在对设有开口部的第一金属部件和具有能够与该第一金属部件的围绕所述开口部的内周壁部局部接触的外周壁部的第二金属部件沿轴向加压的情况下，通过通电产生的电阻发热来进行接合，其中，

在所述第一金属部件的所述内周壁部上形成具有指定的内径的第一内径部、以及具有比所述第一内径部的所述内径大的内径的第二内径部，

在所述第二金属部件的所述外周壁部上形成具有比所述第一内径部的所述内径大指定量的外径的第一外径部、以及具有比所述第二内径部的所述内径大指定量的外径的第二外径部，

使所述第二金属部件的所述第一外径部及所述第二外径部分别抵接于所述第一金属部件的所述第一内径部及所述第二内径部，用一对电极对所述第一金属部件与所述第二金属部件沿轴向加压并通电，使得在这两个金属部件之间形成接合所述第一内径部与所述第一外径部的第一接合部、以及接合所述第二内径部与所述第二外径部的第二接合部，并使得在这两个接合部之间形成在指定的轴向长度上所述两个金属部件彼此不接触的间隙部。

2.根据权利要求1所述的金属部件的接合方法，其特征在于：

在所述第一金属部件与所述第二金属部件的接合开始时，使所述第一内径部与所述第一外径部、所述第二内径部与所述第二外径部分别同时抵接，且在该状态下开始由所述电极进行的通电。

3.一种金属接合体，其特征是设有开口部的第一金属部件与具有能够与该第一金属部件的围绕所述开口部的内周壁部局部接触的外周壁部的第二金属部件受到轴向的加压力和通电产生的电阻发热而被接合的金属接合体，其中，

所述第一金属部件的所述内周壁部上形成有具有指定的内径的第一内径部、以及具有比所述第一内径部的所述内径大的内径的第二内径部，

所述第二金属部件的所述外周壁部上形成有在接合前具有比所述第一内径部的所述内径大指定量的外径的第一外径部、以及具有比所述第二内径部的所述内径大指定量的外径的第二外径部，

所述第一金属部件与所述第二金属部件之间形成有接合所述第一内径部与所述第一外径部的第一接合部、以及接合所述第二内径部与所述第二外径部的第二接合部，且在这两个接合部之间形成有在指定的轴向长度上所述第一金属部件与所述第二金属部件彼此不接触的间隙部。

4.根据权利要求3所述的金属接合体，其特征在于：

所述第一金属部件是齿圈，所述第二金属部件是差动齿轮壳。