CN107775169B - 金属构件的接合装置及接合方法 - Google Patents

金属构件的接合装置及接合方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属构件的接合装置及接合方法。所述金属构件的接合装置包括加压单元和电流供应单元及变形抑制单元。所述加压单元朝着第二金属构件的孔部对第一金属构件进行加压，使该第一金属构件压入所述孔部。所述电流供应单元将焊接电流供应于所述第一金属构件与所述第二金属构件之间。所述变形抑制单元抑制所述第一金属构件和所述第二金属构件这两者中成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形，所述横截面方向是与所述压入的方向相交的方向。所述变形抑制单元设置在所述压入的方向上至少包含塑性流动范围的区域。由此，既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大。

Description

金属构件的接合装置及接合方法
技术领域
本发明涉及金属构件的接合装置及接合方法。
背景技术
作为对棒状或筒状的第一金属构件与环状的第二金属构件进行接合的方法，可采用如下的接合方法：使一方压入另一方的孔部中，在短时间内流通大电流来进行接合。具体而言，首先，将第一金属构件的横截面尺寸(即，第一金属构件在与压入方向垂直的平面上的尺寸)预先设为大于第二金属构件的孔部的横截面尺寸(即，第二金属构件的孔部在与压入方向垂直的平面上的尺寸，也就是第二金属构件在与压入方向垂直的平面上的孔尺寸)。而且对第一金属构件的远端部预先进行锥形加工，并且对第二金属构件的孔部的开口缘也预先进行锥形加工。
其次，使第一金属构件抵接于第二金属构件的孔部，一边进行加压一边在短时间内流通大电流。由此，使第一金属构件及第二金属构件的一侧的界面部分软化而形成塑性流动，从而在该界面部分完成固相接合。
上述的接合方法中，由于在短时间内流通大电流，因此在接合部及其周边难以产生烧伤及变形等，能够实现高精度的接合。而且与采用了电弧焊接或钎焊等的接合方法相比，还能够降低成本。
日本专利公开公报特开2006-181627号中公开了一种如下的技术：使物理性质(熔融温度、屈服强度等)彼此不同的异种金属相互接合，以实现轻型化及降低成本。
然而，若采用以往技术所涉及的上述那样的接合方法来使物理性质互不相同的异种金属彼此接合时，为了确保接合强度而必须设定较多的顶锻量，从而会导致接合构件的大型化及重量增大。
对此，本发明人进行了研讨，下面利用图10对所研讨的事项进行说明。图10表示了利用上述的接合方法对由碳钢形成的第一金属构件900与由铝合金(Al合金)形成的第二金属构件901进行接合后的状态。如图10所示，在该接合方法中，第一金属构件900的锥形面900a被按压于(箭头A90)第二金属构件901的锥形面901b而形成塑性流动，并形成扩散层902而完成固相接合。
然而，由于由Al合金形成的第二金属构件901的熔融温度低于碳钢，因此接合初期的Al合金会发生溶融而成为毛刺903而被排出到外部。由此会产生未接合部Ar0。此外，由于Al合金和碳钢的屈服强度之差而会导致第二金属构件901发生变形。因此，基于上述的情况，在采用以往技术的情况下，必须设定较多的顶锻量，以确保接合强度。
发明内容
本发明鉴于上述的问题而作，其目的在于提供一种既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大的金属构件的接合装置及接合方法。
本发明的一个方面所涉及的金属构件的接合装置是使棒状或筒状的第一金属构件压入环状的第二金属构件的孔部以接合所述第一金属构件与所述第二金属构件的装置，所述第一金属构件由第一金属材料形成，所述第二金属构件由与所述第一金属材料互不相同的第二金属材料形成，所述孔部的横截面尺寸小于所述第一金属构件的横截面尺寸，所述金属构件的接合装置包括：加压单元，朝着所述第二金属构件的所述孔部对所述第一金属构件进行加压，使该第一金属构件压入所述孔部；电流供应单元，将电流供应于所述第一金属构件与所述第二金属构件之间；变形抑制单元，抑制所述第一金属构件和所述第二金属构件这两者中成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形，所述横截面方向是与所述压入的方向相交的方向；其中，所述变形抑制单元设置在所述压入的方向上至少包含塑性流动范围的区域。
本发明所涉及的金属构件的接合装置中设置有变形抑制单元，该变形抑制单元抑制金属构件中的成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形。因此，通过加压单元能够将第一金属构件压入第二金属构件的孔部，而且能够在开始通电后抑制所述较低者的金属构件的变形。
此外，变形抑制单元被设置在包含塑性流动范围的区域，因此，能够在该区域中有效地抑制毛刺的生成及毛刺的外部排出。
因此，本发明所涉及的金属构件的接合装置中，在对成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方不同的异种金属构件(第一金属构件和第二金属构件)彼此进行接合之际，既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大。
本发明的另一个方面所涉及的金属构件的接合方法是使棒状或筒状的第一金属构件压入环状的第二金属构件的孔部以接合所述第一金属构件与所述第二金属构件的方法，其包含：第一金属构件准备步骤，准备由第一金属材料形成的所述第一金属构件；第二金属构件准备步骤，准备由与所述第一金属材料互不相同的第二金属材料形成的所述第二金属构件，所述孔部的横截面尺寸被设定为小于所述第一金属构件的横截面尺寸；加压步骤，朝着所述第二金属构件的所述孔部对所述第一金属构件进行加压，使该第一金属构件压入所述孔部；电流供应步骤，将电流供应于所述第一金属构件与所述第二金属构件之间；变形抑制步骤，抑制所述第一金属构件和所述第二金属构件这两者中成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形；其中，在所述变形抑制步骤中，在所述压入的方向上至少包含塑性流动范围的区域，抑制变形。
本发明所涉及的金属构件的接合方法中执行如下的变形抑制步骤：抑制金属构件中的成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形。因此，在加压步骤中，能够将第一金属构件压入第二金属构件的孔部，而且能够在开始通电后抑制所述较低者的金属构件的变形。
此外，在变形抑制步骤中，在包含塑性流动范围的区域抑制变形，因此，能够在该区域中有效地抑制毛刺的生成及毛刺的外部排出。
因此，本发明所涉及的金属构件的接合方法中，在对成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方不同的异种金属构件(第一金属构件和第二金属构件)彼此进行接合之际，既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大。
附图说明
图1是表示第一实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构的模式剖视图。
图2是表示金属构件接合装置的变形抑制单元的结构的模式俯视图。
图3是用于说明变形抑制单元的功能的模式图。
图4是表示被金属构件接合装置接合后的第一金属构件和第二金属构件的模式剖视图。
图5是表示第二实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构的模式剖视图。
图6是表示金属构件接合装置的变形抑制单元的结构的模式俯视图。
图7是表示被金属构件接合装置接合后的第一金属构件和第二金属构件的模式剖视图。
图8是抽出第三实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构中的变形抑制单元的结构来进行表示时的模式俯视图。
图9是抽出第四实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构中的变形抑制单元的结构来进行表示时的模式俯视图。
图10是表示被采用了以往技术的金属构件接合装置接合后的第一金属构件和第二金属构件的模式剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。以下所说明的实施方式只不过是本发明的一实施方式，本发明除其本质性结构之外并不受到以下的任一实施方式的限制。
[第一实施方式]
1.金属构件接合装置1的结构
利用图1来说明第一实施方式所涉及的金属构件接合装置1的结构。
如图1所示，本实施方式所涉及的金属构件接合装置1具备底座10、加压单元19、变形抑制单元17、焊接电流供应单元18。底座10呈梯形形状。第二金属构件101被载置于底座10的上表面10a。加压单元19具有焊接头11、加压杆12、省略了图示的加压机构。
焊接头11被接合于加压杆12，能够如箭头A1所示那样沿着Z轴方向下降。第一金属构件100被焊接头11所保持。此处，当然可以采用如下的结构：在第一金属构件100载置在第二金属构件101上的状态下，通过使焊接头11下降来对第一金属构件100进行加压。
此外，虽省略了图示，但加压杆12被连结于加压机构，随着加压机构的驱动，其能够沿着Z轴方向而上下移动。作为加压机构的具体例子，例如可举气压缸、液压缸、电动马达等。
变形抑制单元17具有：一对变形抑制头13、14；与各变形抑制头13、14接合的按压杆15、16；省略了图示的按压机构。变形抑制头13、14以相对于载置在底座10的上表面10a上的第二金属构件101围绕着其外周部的状态而被布置。第二金属构件101的外周部与变形抑制头13、14的内周部大致无间隙地紧密接触。
变形抑制头13、14受到经由按压杆15、16的按压力而能够如箭头A2、Aa所示那样向横截面方向的内侧来按压第二金属构件101的外周部。虽省略了图示，但按压杆15、16连结于按压机构，随着按压机构的驱动，其能够沿着X方向前进及后退。作为按压机构的具体例子，例如可举气压缸、液压缸、电动马达等。
上述的叙述中，“横截而方向”是指与第一金属构件100向第二金属构件101的孔部101a的压入方向正交的方向(与Z方向正交的面方向)。这在本说明书中的其它部分也是同样。
此处，变形抑制头13、14进行的按压与焊接头11的加压同步地进行。更具体而言，随着焊接头11如箭头A1所示那样下降，与第一金属构件100的远端被开始压入到第二金属构件101的孔部101a中的时期对应(同步)地，变形抑制头13、14如箭头A2、A3所示那样开始按压第二金属构件101的外周部。
变形抑制头13、14的按压力及按压行程被控制为不会使第二金属构件101的外周部减小直径指定值以上的程度。
焊接电流供应单元18在短时间内将大电流供应于第一金属构件100与第二金属构件101之间。图1中，以从焊接电流供应单元18将配线直接连接于第一金属构件100及第二金属构件101的方式来图示，不过，实际的配线方式并不限定于此。例如，也可以预先由导电性材料来构成底座10及焊接头11，以便经由该底座10及焊接头11来供应来自焊接电流供应单元18的电流。
具体而言，作为焊接电流供应单元18可以采用具备电解电容、焊接变压器、放电电路、大电流电路的结构的大电流供应装置。焊接电流供应单元18为如下的装置：一旦将焊接所需的电能对电解电容器进行充电，将该电能在短时间内放电给变压器，在短时间内将大电流供应于第一金属部件100与第二金属构件101之间。
2.接合对象的第一金属构件100及第二金属构件101
继续利用图1来说明作为接合对象的第一金属构件100及第二金属构件101。
如图1所示，第一金属构件100为实心棒状的构件。而且，第一金属构件100以其轴芯沿着Z方向的状态而被设置。
第一金属构件100的Z方向的下端亦即压入第二金属构件101的孔部101a的压入远端侧的外周面为锥形部100a。
此外，第一金属构件100的横截面直径大于第二金属构件101的孔部101a的孔径。
形成第一金属构件100的金属材料由包含铁(Fe)的金属材料具体而言由碳钢形成。本实施方式中，作为其一例而采用了S35C。S35C的屈服点(屈服强度)为305(N/mm2)以上，熔融温度为1538(℃)。此外，线膨胀系数为11.7(×10-6/℃)。
另一方面，第二金属构件101为圆环状的构件，具有比第一金属构件100的横截面直径更小直径的孔部101a。第二金属构件101中，孔部101a的压入侧口缘为锥形部101b。锥形部101b的锥角与第一金属构件100的锥形部100a的锥角大致相等。
第二金属构件101由包含铝(Al)的金属材料具体而言由铝合金形成。本实施方式中，作为其一例而采用了作为Al-Mg系铝合金的A5056(H34)。A5056(H34)的屈服点(屈服强度)为230(N/mm2)，熔融温度为568至638(℃)。此外，线膨胀系数为26.3(×10-6/℃)。
3.变形抑制单元17的结构
利用图2来补充说明本实施方式所涉及的金属构件接合装置1所具备的变形抑制单元17的结构。图2是从图1的Z方向上方俯视变形抑制单元17时的模式俯视图。
如图2所示，变形抑制单元17的变形抑制头13、14分别呈半圆环形状。变形抑制头13和变形抑制头14以彼此的端边相互面对的状态而被布置。
变形抑制头13、14的内周面相对于具有孔部101a的第二金属构件101大致无间隙地沿着其外周部101c布置。在处于与第二金属构件101的外周部101c抵接的状态的变形抑制头13、14之间隔开有间隙G1、G2。间隙G1、G2为微小的间隙。
此处，在处于与第二金属构件101的外周部101c抵接的状态的变形抑制头13、14之间隔开有间隙G1、G2是因为即使存在第二金属构件101的尺寸公差及变形抑制头13、14的尺寸公差等也能够抑制第二金属构件101的变形。
4.利用金属构件接合装置1进行的第一金属构件100与第二金属构件101的接合
利用具有上述结构的金属构件接合装置1来进行的第一金属构件100与第二金属构件101的接合，如下述那样进行。
(i)准备第一金属构件100，并将其设置于焊接头11。如图1所示，在将第一金属构件100设置到焊接头11上时，让其远端外周中的锥形部100a朝向底座10侧。
(ii)准备第二金属构件101，并将其载置在底座10的上表面10a上。此时，在载置第二金属构件101之际，让其压入侧口缘中设有锥形部101b的这一侧朝向焊接头11侧。此外，以使第二金属构件101的孔部101a的孔中心与设置在焊接头11上的第一金属构件100的轴芯相一致的方式来进行位置调整。
(iii)对第二金属构件101的外周部101c设置变形抑制单元17的变形抑制头13、14。此阶段中，仅使变形抑制头13、14以相对于第二金属构件101的外周部101c无间隙的方式设置，不对其施加朝径向内侧的按压力。
(iv)使焊接头11如箭头A1所示般下降。
(v)在第一金属构件100的远端与第二金属构件101的面临孔部101a的开口缘处于抵接或接近的状态的时刻，开始从焊接电流供应单元18的电流供应。
(vi)在第一金属构件100的远端对第二金属构件101的孔部101a开始压入的时刻，与所述电流供应一起地如箭头A2、A3所示那样向第二金属构件101的径向内侧按压变形抑制头13、14。换言之，与第一金属构件100对第二金属构件101的孔部101a的压入同步地向第二金属构件101的径向内侧施加夹紧负荷。
(vii)使第一金属构件100压入预先规定的顶锻量，结束接合。而且，与接合结束同时地或在该接合结束的稍后结束变形抑制单元17的变形抑制动作。
5.变形抑制单元17的功能
利用图3及图4来说明变形抑制单元17在金属构件接合装置1中所发挥的功能。图3是模式地表示了第一金属构件100被压入而且被供应焊接电流的状态下的第二金属构件101的状况的示意图。图4是表示利用金属构件接合装置1进行接合后的第一金属构件100与第二金属构件101的模式剖视图。
如上所述，第二金属构件101由铝合金形成，其的屈服强度及熔融温度均比形成第一金属构件100的碳钢更低。因此，如图3所示，在第二金属构件101上作用有一个使之欲向径向外侧变形的力F1。由此，会使第二金属构件101的内周部101d及外周部101c的周长欲要伸长。
然而，本实施方式中，变形抑制单元17的变形抑制头13、14抵接于第二金属构件101的外周部101c，第二金属构件与嵌合(亦即第一金属构件的压入)同步地被施加一个向径向内侧的力F2。因此，在第二金属构件101中，外径D2几乎不发生变化，而内径D1除了塑性流动的部分之外实质上也几乎不发生变化。
如图4所示，如上所述那样利用了具备变形抑制单元17的金属构件接合装置1而被接合后的第一金属构件100和第二金属构件101被抑制了毛刺(bur)的生成及排出，而且还被抑制了如图10所示那样的“未接合部”的发生。由此，在采用了本实施方式所涉及的金属构件接合装置1来进行的接合中，能够抑制顶锻量的增大，并且能够形成接合长度LB102比图10的LB0更长的接合部(扩散层102)。
因此，在采用了本实施方式所涉及的金属构件接合装置1的接合中，能够抑制顶锻量的增大，并且能够以高的接合强度来进行第一金属构件100与第二金属构件101的接合。
此外，如图4所示，本实施方式所涉及的金属构件接合装置1中，变形抑制单元17的变形抑制头13、14(图4中仅图示了变形抑制头13)的Z方向高度H1a被设为与第二金属构件101的Z方向高度相同或该高度以上。换言之，变形抑制头13、14的下表面13b以与底座10的上表面10a抵接而且上表面13a以位于与第二金属构件101的Z方向上侧的表面齐一或高于该表面的位置的方式而被设定。
基于如上述那样来设定变形抑制头13、14的尺寸及进行布置，能够在Z方向上包含接合时的塑性流动的范围(与扩散层102的形成范围大致相同的范围)的范围对第二金属构件101施加夹紧负荷。由此，能够切实地抑制接合时在发生塑性流动的范围中的第二金属构件101的扩径方向的变形，能够抑制毛刺的生成及其往外部的排出。
6.效果
金属构件接合装置1中设置有抑制第二金属构件101的外周部101c向扩径方向变形的变形抑制单元17，第二金属构件101的成分材料的屈服强度及熔融温度均低于第一金属构件100。因此，能够将第一金属构件100压入第二金属构件101的孔部101a，而且能够在开始通电后抑制第二金属构件101的扩径变形(向扩径方向的变形)。
此外，变形抑制单元17以能够按压包含塑性流动范围的区域的方式而被设置，因此，能够有效地抑制接合时的毛刺的生成及毛刺的外部排出。
因此，本实施方式所涉及的金属构件接合装置1中，在进行由碳钢形成的第一金属构件100与由铝合金形成的第二金属构件101的接合中，既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大。
此外，在金属构件接合装置1中能够使由变形抑制单元17进行的夹紧负荷施加和基于焊接头11的下降而进行的第一金属构件100对孔部101a的压入同步地执行，因此，能够在恰当的时期施加用于抑制变形的负荷。由此，既能够有效地确保高的接合强度又能够有效地抑制顶锻量的增大。
此外，金属构件接合装置1的变形抑制单元17中具有两个变形抑制头13、14。由此，能够实现偏差少的按压，能够无偏差地抑制第二金属构件101的在横截面方向上的扩径变形。
[第二实施方式]
1.金属构件接合装置2的结构
利用图5来说明第二实施方式所涉及的金属构件接合装置2的结构。图5是表示金属构件接合装置2的结构的模式剖视图，省略了一部分的结构的图示。此外，图5中，对于与上述第一实施方式所涉及的金属构件接合装置1为同一结构的部位，付予同样的符号而省略其详细的说明。
如图5所示，在金属构件接合装置2中，呈圆筒状的第二金属构件104的筒内设有变形抑制单元20。变形抑制单元20能够对第二金属构件104的内周部104b施加向径向外侧的按压力。
此外，第二金属构件104的Z方向下端亦即压入第一金属构件103的孔部103a的压入远端侧的外周面为锥形部104a，这一点与上述第一实施方式的第一金属构件100相同。
另一方面，本实施方式所涉及的金属构件接合装置2中未设置用于对第一金属构件103的外周部施加夹紧负荷的变形抑制单元。不过，虽省略了图示，但在底座10上设置有用于抑制第一金属构件103的位置偏移的定位装置。
此外，第一金属构件103的孔部103a的压入侧口缘为锥形部103b。锥形部103b的锥角与第二金属构件104的锥形部104a的锥角大致相同。另外，第一金属构件103的孔部103a的孔径比第二金属构件104的外径大若干程度。
2.第一金属构件103及第二金属构件104各自的成分金属材料
第一金属构件103的成分金属材料由含铁(Fe)的金属材料具体而言由碳钢形成。本实施方式中，作为其一例而与上述第一实施方式同样地采用了S35C。S35C的屈服点(屈服强度)为305(N/mm2)以上，熔融温度为1538(℃)。此外，线膨胀系数为11.7(×10-6/℃)。
另一方面，第二金属构件104的成分金属材料由含铝(Al)的金属材料具体而言由铝合金形成。本实施方式中，作为其一例而与上述第一实施方式同样地采用了Al-Mg系铝合金的A5056(H34)。A5056(H34)的屈服点(屈服强度)为230(N/mm2)，熔融温度为568至638(℃)。此外，线膨胀系数为26.3(×10-6/℃)。
3.变形抑制单元20的结构
利用图6来补充说明本实施方式所涉及的金属构件接合装置2所具备的变形抑制单元20的结构。图6是假想地从图5的Z方向上方俯视变形抑制单元20时的模式俯视图。
如图6所示，变形抑制单元20具有六个变形抑制头21至26。此外，虽省略了图示，但变形抑制单元20具有用于使各变形抑制头21至26沿径向前进或后退的按压机构。
变形抑制头21至26分别具有将圆形六分割后的扇形形状。在各变形抑制头21至26扩径时，各外周面与第二金属构件104的内周部104b大致无间隙地抵接。
本实施方式所涉及的金属构件接合装置2所具备的变形抑制单元20具有与内径夹紧夹头(inside diameter gripping collet chuck)同样的机构。
此外，即使在本实施方式所涉及的金属构件接合装置2的驱动时，变形抑制单元20也与基于加压单元19的焊接头11的下降而进行的第二金属构件104往第一金属构件103的孔部103a的压入同步地对第二金属构件104的内周部104b施加向扩径方向的负荷。
4.第一金属构件103与第二金属构件104的接合状态
如图7所示，利用具备变形抑制单元20的金属构件接合装置2而被接合后的第一金属构件103与第二金属构件104被抑制了毛刺的生成及外部排出，而且还被抑制了图10所示般的“未接合部”的发生。由此，在利用了本实施方式所涉及的金属构件接合装置2的接合中，既能够抑制顶锻量的增大又能够形成接合长度LB105比图10的LB0更长的接合部(扩散层105)。
因此，即使在采用了本实施方式所涉及的金属构件接合装置2的接合中，也能够抑制顶锻量的增大而且还能够以高的接合强度来进行第一金属构件103与第二金属构件104的接合。
如图7所示，本实施方式所涉及的金属构件接合装置2中，变形抑制单元20的变形抑制头21至26(图7中仅图示了变形抑制头23)的Z方向高度H23以包含接合时的塑性流动的范围(与扩散层105的形成范围大致相同的范围)的方式而被设定。换言之，变形抑制头21至26的下表面23b与第二金属构件104的Z方向下端面大致齐一，上表面23a位于比扩散层105所形成的预定区域更靠Z方向上侧。
基于如上所述那样来设定变形抑制头21至26的尺寸及进行布置，能够在Z方向上包含接合时的塑性流动的范围(与扩散层105的形成范围大致相同的范围)的范围对第二金属构件104施加向径向外侧的负荷。由此，能够切实地抑制接合时在发生塑性流动的范围中的第二金属构件104的减径方向的变形，能够抑制毛刺的生成及其往外部的排出。
5.效果
金属构件接合装置2中设置有抑制第二金属构件104内周部104b向减径方向的变形的变形抑制单元20，第二金属构件104的成分材料的屈服强度和熔融温度均低于第一金属构件103。因此，在将第二金属构件104压入第一金属构件103的孔部103a且开始通电后能够抑制第二金属构件104的减径变形(向减径方向的变形)。
此外，变形抑制单元20以能够按压包含塑性流动范围的区域的方式而被设置，因此，能够有效地抑制接合时的毛刺的生成及毛刺的外部排出。
因此，本实施方式所涉及的金属构件接合装置2中，在进行由碳钢形成的第一金属构件103与由铝合金形成的第二金属构件104的接合中，既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大。
此外，在本实施方式所涉及的金属构件接合装置2中也能够使由变形抑制单元20进行的向径向外侧的负荷施加和基于加压单元19的焊接头11的下降而进行的第二金属构件104对孔部103a的压入同步地执行，因此，能够在恰当的时期施加用于抑制变形的负荷。由此，既能够有效地确保高的接合强度又能够有效地抑制项锻量的增大。
此外，金属构件接合装置2的变形抑制单元20具有六个变形抑制头21至26。由此，能够实现偏差少的按压，能够无偏差地抑制第二金属构件104的在横截面方向上的减径方向变形。
[第三实施方式]
利用图8来说明第三实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构。图8中，抽出了本实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构中的变形抑制单元30的部分结构来进行图示。被省略图示的各结构是与上述第一实施方式所涉及的金属构件接合装置1相同的结构。
如图8所示，本实施方式所涉及的金属构件接合装置所具备的变形抑制单元30具有三个变形抑制头31至33和与各变形抑制头31至33分别连接的按压杆34至36。此外，虽省略了图示，但变形抑制单元30具有与按压杆34至36连接而且使各变形抑制头31至33沿径向前进或后退的按压机构。
变形抑制头31至33分别具有俯视下由圆环被三分割后的形状。变形抑制头31至33以各自的端边彼此相向的状态而被布置。
变形抑制头31至33的内周面相对于具有孔部101a的第二金属构件101大致无间隙地沿着其外周部101c布置。在如箭头A4至A6所示那样使变形抑制头31至33向径向内侧前进而且使各者与第二金属构件101的外周部101c抵接的状态下，在变形抑制头31至33的各者之间分别隔开有间隙G3、G4、G5。间隙G3、G4、G5为微小的间隙。
本实施方式中，隔开有间隙G3、G4、G5也是与上述同样地因为即使存在第二金属构件101的尺寸公差及变形抑制头31至33的尺寸公差等也能够抑制第二金属构件101的变形。
即使在具有如上述般构成的变形抑制单元30的金属构件接合装置中，也能够获得与上述第一实施方式所涉及的金属构件接合装置1所获得的效果同样的效果。
[第四实施方式]
利用图9来说明第四实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构。图9中，抽出了本实施方式所涉及的金属构件接合装置的结构中的变形抑制单元40的部分结构来进行图示。
首先，上述第一实施方式至上述第三实施方式中，作为接合对象构件而采用了横截面形状呈圆形状或圆环状的构件，但在本实施方式中，如图9所示，将横截面形状呈四方形环状的第二金属构件106作为接合对象的其中一方。
虽省略了图示，但接合对象的另一方为具有与第二金属构件106的孔部106a的形状对应的横截面形状为四方形的棒体或筒体的金属构件。
如图9所示，本实施方式所涉及的金属构件接合装置的变形抑制单元40具备四个变形抑制头41至44和四个按压头45至48。四个变形抑制头41至44可以分别无间隙地与第二金属构件106的四个外周部106c至106f抵接。虽省略了图示，但四个按压头45至48连接于按压机构，而且与基于加压单元19进行的第一金属构件对孔部106a的压入同步地如箭头A7至A10所示那样能够对第二金属构件106施加向内侧的夹紧负荷。
即使在具有如上述般构成的变形抑制单元40的金属构件接合装置中，也能够获得与上述第一实施方式所涉及的金属构件接合装置1所获得的效果同样的效果。
[变形例]
上述第一实施方式至上述第四实施方式中，作为接合对象的构件而采用了含有Al的构件(Al合金)和含有Fe的构件(碳钢)，不过，本发明并不仅限于此。本发明对于由屈服强度和熔融温度的至少一方不同的材料来形成的构件彼此的接合，通过如上述那样地设置变形抑制单元便能够获得上述般的效果。
例如，本发明能够应用于由包含镁(Mg)的材料(例如Mg合金)形成的构件与由包含Al的材料(例如Al合金)形成的构件的接合，也能够应用于由包含Mg的材料(例如Mg合金)形成的构件与由包含Fe的材料(例如碳钢)形成的构件的接合等。即使在这些情形下，通过酌情考虑形成构件的材料的屈服强度及熔融温度的至少一方，便能够设置变形抑制单元。
作为Mg合金而采用例如MDC1D时，屈服点(屈服强度)为160(N/mm2)，熔融温度为470至595(℃)。此外，线膨胀系数为27.0(×10-6/℃)。只要酌情考虑上述的物理性质与形成对方的接合构件的材料之间的关系便可。
上述第二实施方式中，对第二金属构件104设置了变形抑制单元20，在第二金属构件104与第一金属构件103的接合时抑制该第二金属构件104减径的情况。本发明也可以例如在上述第二实施方式中进一步设置针对第一金属构件103的变形抑制单元。这是因为在焊接电流流通时，各构件103、104的温度上升而会导致各自膨胀。此时，由碳钢形成的呈环状的第一金属构件103会发生扩径的情况。通过抑制该扩径，能够有效地抑制毛刺的生成及其向外部的排出。有关接合对象的金属构件，即使其成分材料为上述以外的材料时，只要酌情考虑各构件的成分材料的屈服强度和熔融温度以及其线膨胀系数，便能够构成变形抑制单元以便能够获得同样的效果。
在上述第一实施方式至上述第四实施方式中，有关作为接合对象的构件100、101、103、104、106的形状仅示出了一个例子，但本发明并不限于此。也可以将例如俯视下呈椭圆环状的构件或具有三角形或五角形以上的多角形状的外周形状的构件等作为接合对象。此情况下，通过设置与这些构件的外周部的形状对应的变形抑制头，便能够获得与上述同样的效果。
在上述第一实施方式至上述第四实施方式中，通过设置变形抑制单元17、20、30、40来抑制第二金属构件101、104、106的变形。而且这些实施方式中的变形抑制单元17、20、30、40具备抑制第二金属构件101、104、106的横截面方向的变形的功能。
然而，本发明并不限于此。其也可以在例如流通焊接电流且熔融温度较低者的金属构件局部软化的状态下，使软化后的该金属构件沿横截面方向朝着接合对象的另一方的金属构件侧变形。通过采用这样的结构，在抑制横截面方向上的塑性流动区域的密度下降以确保高的接合强度这一方面效果优异。
上述第一实施方式、上述第三实施方式及上述第四实施方式中，采用了对第二金属构件101、106的外周部101c、106c、106d、106e、106f施加夹紧负荷的技术方案，但本发明并不限定于此。其也可以采用如下的方案：朝着底座10侧按压例如图1的第二金属构件101的外缘部分中Z方向的上表面，以通过摩擦力来抑制第二金属构件101的沿径向的变形。
在上述第一实施方式中，使第二金属构件101载置在底座10的上表面10a，而在上述第二实施方式中，使第一金属构件103载置在底座10的上表面，不过，本发明并不限定于此。其也可以采用如下的结构：例如设置与焊接头11相向的第二焊接头，使该第二焊接头握持第二金属构件101或第一金属构件103，在焊接时使之向Z方向上方上升。
上述第一实施方式至上述第三实施方式中，采用了变形抑制头13、14、21至26、31至33只能够沿径向前进或后退的结构，不过，本发明并不限定于此。其也可以采用例如使各变形抑制头进行螺旋转动来实现扩径或减径的结构。
此外，上述第一实施方式中具备两个变形抑制头13、14，上述第二实施方式中具备六个变形抑制头21至26，上述第三实施方式中具备三个变形抑制头31至33，上述第四实施方式中具备四个变形抑制头41至44，不过，本发明并不限定于此。其也可以例如在图1的情况下准备一体形成的环状的变形抑制头，并且使之紧密地抵接于环状的第二金属构件101的外周部。
此外，如上所述，变形抑制头的在金属构件的压入方向上的尺寸只要是包含作为接合对象的金属构件的塑性流动的范围在内的尺寸便可，其并不受到上述各实施方式的限制。
此外，上述第一实施方式及上述第二实施方式中，在作为接合对象的各金属构件100、101、103、104上设有锥形部100a、101b、103b、104a，不过，本发明中并不一定要设置锥形部。
[总结]
本发明的一个方面所涉及的金属构件的接合装置是使棒状或筒状的第一金属构件压入环状的第二金属构件的孔部以接合所述第一金属构件与所述第二金属构件的装置，所述第一金属构件由第一金属材料形成，所述第二金属构件由与所述第一金属材料互不相同的第二金属材料形成，所述孔部的横截面尺寸(即，第二金属构件的孔部在与所述压入的方向垂直的平面上的尺寸，也就是第二金属构件在与所述压入的方向垂直的平面上的孔尺寸)小于所述第一金属构件的横截面尺寸(即，第一金属构件在与所述压入的方向垂直的平面上的尺寸)，所述金属构件的接合装置包括：加压单元，朝着所述第二金属构件的所述孔部对所述第一金属构件进行加压，使该第一金属构件压入所述孔部；电流供应单元，将电流供应于所述第一金属构件与所述第二金属构件之间；变形抑制单元，抑制所述第一金属构件和所述第二金属构件这两者中成分金属材料(即，形成金属构件的金属材料，也就是第一金属材料和第二金属材料)的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形，所述横截面方向是与所述压入的方向相交的方向；其中，所述变形抑制单元设置在所述压入的方向上至少包含塑性流动范围的区域。
本发明所涉及的金属构件的接合装置中设置有变形抑制单元，该变形抑制单元抑制金属构件中成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形。因此，通过加压单元能够将第一金属构件压入第二金属构件的孔部，而且能够在开始通电后抑制所述较低者的金属构件的变形。
此外，变形抑制单元被设置在包含塑性流动范围的区域，因此，能够在该区域中有效地抑制毛刺的生成及毛刺的外部排出。
因此，本发明所涉及的金属构件的接合装置中，在对成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方不同的异种金属构件(第一金属构件和第二金属构件)彼此进行接合之际，既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大。
有关“塑性流动范围”，可以按照第一金属材料及第二金属材料的各物理性质或接合条件及环境条件等，根据实验或经验来进行设定。
此外，有关电流供应单元，可以采用公知的金属构件的接合装置(电容器焊接装置)用的电流供应装置。具体而言，该装置具备电解电容、焊接变压器、放电电路及大电流电路，通过暂且对电解电容充入焊接所必要的电能，并且将该电能在短时间内放电给变压器，从而在短时间内将大电流供应于第一金属构件与第二金属构件之间。
上述金属构件的接合装置的结构中较为理想的是，所述第二金属材料的屈服强度和熔融温度均低于所述第一金属材料，所述变形抑制单元从所述第二金属构件的外周部对该第二金属构件施加向所述横截面方向的内侧的夹紧负荷(即，所述变形抑制单元从所述第二金属构件的外周部对该第二金属构件施加在所述横截面(即，与所述压入的方向垂直的平面)上朝内侧方向的夹紧负荷)。
如上所述，在第二金属材料的屈服强度和熔融温度低于第一金属材料的情况下，当一边由加压单元进行加压一边开始流通电流时，基于温度上升及向横截面方向外侧的应力，第二金属构件的内外周长均欲会变大。即，第二金属构件欲发生扩径。
然而，本发明所涉及的金属构件的接合装置中，由于通过变形抑制单元从第二金属构件的外周部向横截面方向内侧夹紧该第二金属构件，因此，能够抑制第二金属构件的往外侧的扩大。
因此，本发明所涉及的金属构件的接合装置中，在第二金属构件由屈服强度及熔融温度相对较低的材料形成的情况下，也能够确保高的接合强度并且抑制顶锻量的增大。
上述金属构件的接合装置的结构中较为理想的是，所述变形抑制单元进行的所述夹紧负荷的施加与所述加压单元对所述第一金属构件进行的往所述第二金属构件的所述孔部的压入同步地进行。
本发明所涉及的金属构件的接合装置中，由于同步地执行夹紧负荷的施加和压入，因此能够在恰当的时期进行用于抑制变形的负荷施加。由此，能够有效地确保高的接合强度并且能够有效地抑制顶锻量的增大。
上述金属构件的接合装置的结构中较为理想的是，所述变形抑制单元具有：多个变形抑制头，以包围所述第二金属构件的外周部的方式而被布置；按压机构，向所述横截面方向的内侧按压所述多个变形抑制头的每一变形抑制头。
本发明所涉及的金属构件的接合装置中，作为变形抑制单元的具体结构而采用了具有多个变形抑制头和按压该多个变形抑制头的按压机构的结构。由此，无需采用复杂的机构便能够抑制第二金属构件的变形。
此外，由于利用多个变形抑制头来按压第二金属构件的外周部，因此，能够实现偏差少的按压，能够无偏差地抑制第二金属构件的向横截面方向外侧的扩大。
此外，作为“按压机构”的具体例子，也可以采用气压缸、液压缸及电动马达等，也可以通过连杆机构等手动(更具体而言例如采用夹头的结构)地进行按压。
上述金属构件的接合装置的结构中较为理想的是，所述第二金属材料是含有铝的材料，所述第一金属材料是含有铁的材料。
本发明所涉及的金属构件的接合装置中，对于屈服强度及熔融温度互不相同的铝系材料(含有铝的材料)与铁系材料(含有铁的材料)的接合，也能够确保高的接合强度并且抑制顶锻量的增大。
上述金属构件的接合装置的结构中较为理想的是，所述第一金属材料的屈服强度和熔融温度均低于所述第二金属材料，所述第一金属构件呈筒状，所述变形抑制单元从所述第一金属构件的内周部对该第一金属构件施加向所述横截面方向的外侧的负荷(即，所述变形抑制单元从所述第一金属构件的内周部对该第一金属构件施加在所述横截面(即，与所述压入的方向垂直的平面)上朝外侧方向的夹紧负荷)。
本发明所涉及的金属构件的接合装置中，对于如下的情形亦即形成第一金属构件的第一金属材料的屈服强度及熔融温度低于形成第二金属构件的第二金属材料的情形，也能够与所述同样地确保高的接合强度并且抑制顶锻量的增大。
上述金属构件的接合装置的结构中较为理想的是，所述变形抑制单元进行的所述负荷的施加与所述加压单元对所述第一金属构件进行的往所述第二金属构件的所述孔部的压入同步地进行。
本发明所涉及的金属构件的接合装置中，通过同步地执行变形抑制单元的负荷施加和压入，能够在恰当的时期进行用于抑制变形的负荷施加。因此，能够有效地确保高的接合强度并且能够有效地抑制顶锻量的增大。
本发明的另一个方面所涉及的金属构件的接合方法是使棒状或筒状的第一金属构件压入环状的第二金属构件的孔部以接合所述第一金属构件与所述第二金属构件的方法，其包含：第一金属构件准备步骤，准备由第一金属材料形成的所述第一金属构件；第二金属构件准备步骤，准备由与所述第一金属材料互不相同的第二金属材料形成的所述第二金属构件，所述孔部的横截面尺寸(即，第二金属构件的孔部在与所述压入的方向垂直的平面上的尺寸，也就是第二金属构件在与所述压入的方向垂直的平面上的孔尺寸)被设定为小于所述第一金属构件的横截面尺寸(即，第一金属构件在与所述压入的方向垂直的平面上的尺寸)；加压步骤，朝着所述第二金属构件的所述孔部对所述第一金属构件进行加压，使该第一金属构件压入所述孔部；电流供应步骤，将电流供应于所述第一金属构件与所述第二金属构件之间；变形抑制步骤，抑制所述第一金属构件和所述第二金属构件这两者中成分金属材料(即，形成金属构件的金属材料，也就是第一金属材料和第二金属材料)的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形；其中，在所述变形抑制步骤中，在所述压入的方向上至少包含塑性流动范围的区域，抑制变形。
本发明所涉及的金属构件的接合方法中执行如下的变形抑制步骤：抑制金属构件中成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方较低者的沿横截面方向的变形。因此，在加压步骤中，能够将第一金属构件压入第二金属构件的孔部，而且能够在开始通电后抑制所述较低者的金属构件的变形。
此外，在变形抑制步骤中，在包含塑性流动范围的区域抑制变形，因此，能够在该区域中有效地抑制毛刺的生成及毛刺的外部排出。
因此，本发明所涉及的金属构件的接合方法中，在对成分金属材料的屈服强度和熔融温度的至少一方不同的异种金属构件(第一金属构件和第二金属构件)彼此进行接合之际，既能够确保高的接合强度又能够抑制顶锻量的增大。
上述金属构件的接合方法中较为理想的是，所述第二金属材料的屈服强度和熔融温度均低于所述第一金属材料，在所述变形抑制步骤中，从所述第二金属构件的外周部对所述第二金属构件施加向所述横截面方向的内侧的夹紧负荷(即，在所述变形抑制步骤中，从所述第二金属构件的外周部对该第二金属构件施加在所述横截面(即，与所述压入的方向垂直的平面)上朝内侧方向的夹紧负荷)。
如上所述，在第二金属材料的屈服强度及熔融温度低于第一金属材料的情况下，当一边在加压步骤中进行加压一边开始流通电流时，基于温度上升及向横截面方向外侧的应力，第二金属构件的内外周长均欲会变大。即，第二金属构件的环欲向外扩展。
然而，本发明所涉及的金属构件的接合方法中，由于在变形抑制步骤中，从第二金属构件的外周部向横截面方向内侧夹紧该第二金属构件，因此，能够抑制第二金属构件的往外侧的扩大(扩径)。
因此，本发明所涉及的金属构件的接合方法中，在第二金属构件由屈服强度及熔融温度相对较低的材料形成的情况下，也能够确保高的接合强度并且抑制顶锻量的增大。
上述金属构件的接合方法中较为理想的是，所述变形抑制步骤中进行的所述夹紧负荷的施加与所述加压步骤中对所述第一金属构件进行的往所述第二金属构件的所述孔部的压入同步地进行。
本发明所涉及的金属构件的接合方法中，由于同步地执行夹紧负荷的施加和压入，因此能够在恰当的时期进行用于抑制变形的负荷施加。由此，能够有效地确保高的接合强度并且能够有效地抑制顶锻量的增大。
上述金属构件的接合方法中较为理想的是，在所述变形抑制步骤中，通过按压机构向所述横截面方向的内侧按压以包围所述第二金属构件的外周部的方式而被布置的多个变形抑制头，所述按压机构连接于所述多个变形抑制头的每一变形抑制头。
本发明所涉及的金属构件的接合方法中，作为变形抑制步骤的具体的执行方法而采用通过按压机构对多个变形抑制头进行按压的方法。由此，能够抑制每一个被施加按压力的外周部的区域的偏差，并且能够抑制第二金属构件的变形。
此外，由于利用多个变形抑制头来按压第二金属构件的外周部，因此，能够实现偏差少的按压，能够无偏差地抑制第二金属构件的向横截面方向外侧的扩大(扩径)。
此外，有关按压机构的具体例于，也与上述同样。
上述金属构件的接合方法中较为理想的是，所述第二金属材料是含有铝的材料，所述第一金属材料是含有铁的材料。
本发明所涉及的金属构件的接合方法中，对于屈服强度及熔融温度互不相同的铝系材料(含有铝的材料)与铁系材料(含有铁的材料)的接合，也能够确保高的接合强度并且抑制顶锻量的增大。

Claims (5)

1.一种金属构件的接合装置，使筒状的第一金属构件压入环状的第二金属构件的孔部，以接合所述第一金属构件与所述第二金属构件，其特征在于：
所述第一金属构件由第一金属材料形成，
所述第二金属构件由与所述第一金属材料互不相同的第二金属材料形成，所述孔部的横截面尺寸小于所述第一金属构件的横截面尺寸，
所述第一金属材料的屈服强度和熔融温度均低于所述第二金属材料，
所述金属构件的接合装置包括：
底座，载置所述第二金属构件；
加压单元，具有保持所述第一金属构件并能够下降的焊接头，在所述第一金属构件载置在所述第二金属构件上的状态下，通过使所述焊接头下降来朝着所述第二金属构件的所述孔部对所述第一金属构件进行加压，使该第一金属构件压入所述孔部；
电流供应单元，通过来自电容器的短时间内的放电而将电流供应于所述第一金属构件与所述第二金属构件之间；
变形抑制单元，通过从所述第一金属构件的内周部对该第一金属构件施加向横截面方向的外侧的负荷，抑制所述第一金属构件向所述横截面方向的内侧的变形，所述横截面方向是与所述压入的方向相交的方向；其中，
所述变形抑制单元设置在所述压入的方向上至少包含塑性流动范围的区域。
2.根据权利要求1所述的金属构件的接合装置，其特征在于：
所述第一金属材料是含有铝的材料，
所述第二金属材料是含有铁的材料。
3.根据权利要求1所述的金属构件的接合装置，其特征在于：
所述变形抑制单元进行的所述负荷的施加与所述加压单元对所述第一金属构件进行的往所述第二金属构件的所述孔部的压入同步地进行。
4.一种金属构件的接合方法，使筒状的第一金属构件压入环状的第二金属构件的孔部，以接合所述第一金属构件与所述第二金属构件，其特征在于包含：
第一金属构件准备步骤，准备由第一金属材料形成的所述第一金属构件；
第二金属构件准备步骤，准备由与所述第一金属材料互不相同的第二金属材料形成的所述第二金属构件，所述孔部的横截面尺寸被设定为小于所述第一金属构件的横截面尺寸；
将所述第二金属构件载置在底座上的步骤；
将所述第一金属构件设置于焊接头的步骤；
加压步骤，在所述第一金属构件载置在所述第二金属构件上的状态下，通过使保持所述第一金属构件的所述焊接头下降来朝着所述第二金属构件的所述孔部对所述第一金属构件进行加压，使该第一金属构件压入所述孔部；
电流供应步骤，通过来自电容器的短时间内的放电而将电流供应于所述第一金属构件与所述第二金属构件之间；
变形抑制步骤，通过从所述第一金属构件的内周部对该第一金属构件施加向横截面方向的外侧的负荷，抑制所述第一金属构件向所述横截面方向的内侧的变形，所述横截面方向是与所述压入的方向相交的方向；其中，
所述第一金属材料的屈服强度和熔融温度均低于所述第二金属材料，
在所述变形抑制步骤中，在所述压入的方向上至少包含塑性流动范围的区域，抑制变形。
5.根据权利要求4所述的金属构件的接合方法，其特征在于：
所述第一金属材料是含有铝的材料，
所述第二金属材料是含有铁的材料。
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