CN116981533A

CN116981533A - 摩擦接合用元件

Info

Publication number: CN116981533A
Application number: CN202280021110.9A
Authority: CN
Inventors: 宗村尚晃; 松田广志; 村上善明
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-10-31
Also published as: WO2022202631A1; JP7327678B2; US20240167492A1; KR20230137468A; EP4275828A1; JPWO2022202631A1; MX2023011091A

Abstract

提供摩擦接合用元件。本发明将对上板使用了高强度钢板的重叠2张以上的金属板而成的板组机械接合，其中，摩擦接合用元件具备：心轴，具有被调整为板组的总板厚以下的长度的全长；及凸缘盘，设置在心轴的上部，所述摩擦接合用元件在心轴的头部侧的侧面具有螺纹牙。

Description

摩擦接合用元件

技术领域

本发明涉及摩擦接合用元件。本发明一边使该摩擦接合用元件高速旋转一边将其向板组压入，通过摩擦接合来将该板组接合，所述板组是对上板使用了高强度钢板的由2张以上的金属板构成的板组。

背景技术

在近年来的汽车产业中，以由车身轻量化实现的环境负荷降低和安全性的同时成立为目的，被称作超高张力钢的高强度钢板的采用正在推进，期待着今后进一步的高强度及高加工性的钢板的开发。然而，与钢板的高强度化及高加工性化一起，在电阻点焊等熔融接合中，由凝固组织的脆化引起的接头强度的下降成为了课题。因而，能够以非熔融的方式将高强度钢板接合的接合技术受到关注。

作为非熔融方式的接合技术，例如，如参考文献1所记载的那样研究着一边使元件高速旋转一边将其向板组压入来进行接合的FEW(Friction Element Welding：摩擦元件接合)的应用。作为该元件，例如提出了专利文献1所公开的方法等。

[参考文献1]Jamie D.Skovron,Brandt J.Ruszkiewicz,and LaineMears,“INVESTIGATION OF THE CLEANING AND WELDING STEPS FROM THE FRICTIONELEMENTWELDING PROCESS”(ASME 2017 12th International Manufacturing ScienceandEngineering Conference collocated with the JSME/ASME 2017 6th InternationalConference on Materials and Processing，June 4-8,2017Los Angeles,California,USA)

在专利文献1所公开的技术中，接合要素(元件)的心轴部顶端通过摩擦焊接而与下板连接，元件头部的凸缘盘将在接合过程中塑性变形而被挤出的上板材料压住，由此，达成板组的接合。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2013-534994号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1中，例如记载了对构成板组的上板使用铝板、对下板使用钢板。然而，在专利文献1所记载的技术中，在对上板应用了钢板的情况下，上板的塑性变形不充分，因此接合要素(元件)的凸缘盘和上板不接触，元件无法将上板充分地固定。其结果是，有时难以达成板组的接合。

本发明解决上述课题，其目的在于提供能够实现对上板应用了高强度钢板的重叠2张以上的金属板而成的板组的机械接合的摩擦接合用元件。

用于解决课题的手段

本发明人为了达成上述课题而进行了锐意研究。其结果是，得到了以下见解：通过对摩擦接合用元件的侧面形状下功夫，即使是将2张以上的金属板重叠而成的板组、尤其是对上板使用了包含超高张力钢的钢板(高强度钢板)的由2张以上的金属板构成的板组，也能够实现基于机械接合的接合。

具体而言，通过在摩擦接合用元件的心轴侧面设置螺纹牙，能够使摩擦接合用元件和上板啮合。由此，即使在对板组的上板使用高强度钢板的情况下，摩擦接合用元件也能够将上板充分地固定，能够实现上述板组的基于机械接合的接合。

本发明是基于上述见解进一步反复研究而完成的，本发明的主旨如下。

[1]一种摩擦接合用元件，将对上板使用了高强度钢板的重叠2张以上的金属板而成的板组机械接合，其中，

所述摩擦接合用元件具备：心轴，具有被调整为所述板组的总板厚以下的长度的全长；及凸缘盘，设置在该心轴的上部，

所述摩擦接合用元件在所述心轴的头部侧的侧面具有螺纹牙。

[2]根据[1]所述的摩擦接合用元件，所述螺纹牙在螺纹牙的表面具有涂层。

[3]根据[1]或[2]所述的摩擦接合用元件，在所述心轴的侧面区域设置有2列以上且20列以下的所述螺纹牙，将相邻的所述螺纹牙之间的距离设为100～1000μm的范围。

发明效果

根据本发明，通过螺纹紧固将本发明的摩擦接合用元件和板组固定，从而即使是对上板使用了高强度钢板的由2张以上的金属板构成的板组，也能够达成基于机械接合的接合。由此，能够提供具有良好的接头性能的机械接合接头。

附图说明

图1是说明由本发明的摩擦接合用元件实现的接合状态的概要图。

图2是说明本发明的摩擦接合用元件的一实施方式的概要图。

图3是说明由以往的元件实现的接合状态的概要图。

具体实施方式

以下，关于本发明进行详细说明。

首先，关于本发明的技术思想进行说明。

图1及图3是示出由2张金属板构成的板组由元件接合后的状态的概要图。在图3中示出了以往的元件，以往的元件在心轴侧面不具有螺纹牙。另一方面，在图1中示出了本发明的摩擦接合用元件(以下，也有时称作“元件”)，本发明的摩擦接合用元件在心轴侧面具有螺纹牙。需要说明的是，在图1及图3中，对共通的构成要素标注有相同的标号。在此，在图1及图3中，标号1是元件，标号2是心轴，标号3是凸缘盘，标号5是螺纹牙，标号6是板组，标号7是上板，标号8是下板，标号9是元件与下板的接合部界面。

在图1及图3中示出由2张板状部件(上板7、下板8)构成的板组6和元件1被接合后的状态。上板7是构成板组6的层叠于最上侧的金属板，下板8是构成板组6的层叠于最下侧的金属板。上板7是包含超高张力钢的高强度钢板。在本发明中，“高强度”是指拉伸强度为590MPa以上。钢板的拉伸强度优选为980MPa以上，优选为1470MPa以下。

如图1及图3所示，为了利用元件1接合板组6，首先，通过接合装置(未图示)，元件1一边旋转一边与板状部件的上板7接触，施加加压力而将元件1向上板7压入。由此，板状部件的上板7通过摩擦热而塑化，心轴2向板状部件的上板7内进入。元件1贯通板状部件的上板7，与板状部件的下板8接触之后，在元件1和下板8中开始摩擦接合的过程。

此时，在图3所示的以往的元件1的情况下，虽然由元件1达成了上板7与下板8的接合，但若观察接合部分的截面，则在元件1的凸缘盘3部与上板7之间存在间隙，接合状态不充分。这是基于：钢板等金属板与铝等的轻金属板相比难以塑性变形，塑性变形后的金属不向元件的凸缘盘部与上板之间充分地填充。

相对于此，在图1所示的本发明的元件1的情况下，在心轴2的侧面设置有在心轴的长度方向上连续形成的螺纹牙5。由此，对应于心轴2向板状部件的上板7进入，螺纹牙5和板状部件的上板7啮合，将板状部件的上板7向心轴2固定。其结果是，上板7的塑性变形变得充分，因此元件1的凸缘盘3和上板7接触。

另外，心轴2贯通板状部件的上板7而向下板8内进入，心轴2的顶端通过摩擦接合而与下板8连接，且在接合过程中塑性变形而被挤出的上板7的材料由设置于心轴2的上部的凸缘盘3压住。其结果是，能够通过元件1来达成板状部件的上板7与板状部件的下板8的机械接合。若观察本发明的元件中的接合部分的截面，则如图1所示，成为了上板7和螺纹牙5相互啮合的状态，即使上板7是高强度钢板也得到了坚实的接合状。

接着，参照图2，关于本发明的元件进行说明。

本发明的元件将板组机械接合，所述板组是对上板使用了高强度钢板的将2张以上的金属板重叠而成的板组。

图2是说明本发明的元件的一实施方式的概要图。如图2所示，本发明的元件1具有心轴2和凸缘盘3，在该心轴2的侧面设置有螺纹牙5。关于螺纹牙5，相对于心轴的长度方向连续形成有多个螺纹牙。元件1一边高速旋转一边向板组压入，用于与板组连接。如上所述，元件1与板组的上板由设置于心轴侧面的螺纹牙接合，与板组的下板在心轴顶端摩擦接合。

心轴2设置于元件1的轴心，形成为圆柱状。心轴2的顶端例如形成为平坦状、以使顶端部分突出的方式具有倾斜的锥状、具有切削刃的钻头形状等形状。

心轴2的全长L被调整为板组的总板厚的长度(板组6的总板厚的总计值)以下的长度。具体而言，心轴2的全长的上限值与板组6的总板厚的长度相同，或者为从板组6的总板厚除去在板组中配置于最下层(最下侧)的金属板(例如，在图1所示的例子中为下板8)的板厚后的值。心轴2的全长L只要是在心轴顶端和下板8处能够摩擦接合的长度即可。

心轴2的全长L(mm)优选为10mm以下，更优选为8mm以下。心轴2的全长L优选为1mm以上。

在心轴2的侧面设置有螺纹牙5。螺纹牙5设置于心轴2的头部侧(上部侧)(即，元件1的头部侧)的侧面。在图2所示的例子中，在心轴2的头部侧附近设置有3列螺纹牙。需要说明的是，在本发明中，在心轴2的侧面设置螺纹牙5是重要的。由此，如上所述，得到通过螺纹牙5和板状部件的上板7啮合而能够将上板7向心轴2固定的效果。因而，只要能得到该效果，则螺纹牙形状不管是什么样的形状都可以。螺纹牙的数量能够考虑构成板组6的金属板的材质、强度、构成板组的金属板的总计张数等而适当调整。

另外，在螺纹牙5的表面能够通过实施涂覆处理而设置涂层。由此，能够抑制在板状部件的上板7内的进入期间产生的螺纹牙5的损耗。其结果是，能够使元件1和板状部件的上板7进一步牢固地啮合。

上述涂层作为耐磨损性材料而具有期望的性能即可，不特别规定。例如，可举出WC、TiN、其他陶瓷、耐热涂层、基于氮化等硬化处理的涂层。另外，涂层的厚度也能够与期望的性能一致地适当调整。

凸缘盘3设置于心轴2的上部即元件1的头部。由此，能够利用凸缘盘3抑制因接合过程的塑性流动而被挤出的上板7的材料。具体而言，作为凸缘盘3的形状，例如可举出形成为扁平头或蘑菇头等形状。

具有上述结构的本发明的元件1例如如图1所示，通过在一边旋转一边被向板组6压入时产生的摩擦热而使金属板(上板7、下板8)塑化。由此，板组6的上板7和设置于心轴2的侧面的螺纹牙5成为相互啮合的状态而被固定，并且板组6的下板8与心轴2的顶端摩擦接合，因此能够达成基于机械接合的接合。根据本发明的元件1，可得到使板状部件(上板7、下板8)的固定牢固的效果。

需要说明的是，在图1所示的例子中，示出了由2张金属板构成的板组6，但也可以是由3张以上的金属板构成的板组。由2张以上的金属板构成的板组6中的最上层的上板7为包含超高张力钢的钢板(高强度钢板)。

接着，关于本发明的元件1的一实施方式进行详细说明。

〔螺纹牙〕

如上所述，在本发明中，在心轴2的侧面设置螺纹牙5是重要的。螺纹牙5优选为以下的形状。

螺纹牙5优选相对于心轴2的长度方向设置于心轴2的侧面区域。由此，能够利用上板7的金属板和螺纹牙5形成啮入部。另外，螺纹牙5的数量优选在2～20列的范围内设置于上述侧面区域。由此，能够形成上述啮入部。螺纹牙5的数量优选为3列以上，优选为10列以下。

相邻的螺纹牙5之间的距离(螺距)优选为100～1000μm的范围。在此，“相邻的螺纹牙之间的距离”是指相对于心轴2的长度方向相邻的螺纹牙的顶点之间的距离。若该距离小于100μm，则板材向螺纹牙之间的啮入变得困难，其结果是，得不到与金属板(上板7)的啮入部。另一方面，若该距离超过1000μm，则上述啮入部处的元件与金属板(上板7)的接触面积变小，其结果是，得不到上述的效果。相邻的螺纹牙5之间的距离优选为100～500μm的范围。

螺纹牙5的倾斜角度θ₁优选为10～180°。在此，“螺纹牙的倾斜角度θ₁”是指螺纹牙顶点的角度。若该倾斜角度θ₁小于10°，则螺纹牙的宽度变细，其结果是，得不到本发明的目的。另一方面，若该倾斜角度θ₁超过180°，则没有螺纹牙，或者牙顶牙底反转。该倾斜角度θ₁优选为30°以上，优选为90°以下。

〔心轴〕

心轴2的顶端形成为上述的形状。在图2所示的例子中，是上述的顶端部分突出的锥状。该锥状的角度θ₂优选为120～180°。

〔凸缘盘〕

如上所述，凸缘盘3起到抑制因接合过程的塑性流动而被挤出的上板7的材料的作用。为了得到这样的作用，需要凸缘盘3设置存储塑性流动后的金属的空间且利用凸缘盘3压紧上板7。因而，如图2所示，优选形成为伞状的形状。

〔涂层〕

涂层的厚度优选为1～100μm。在该厚度小于1μm的情况下，因磨损而涂层消失，其结果是，可能会得不到涂覆的效果。另一方面，在该厚度超过100μm的情况下，从成本的观点出发是不现实的。

涂层的厚度更优选为2μm以上，更优选为10μm以下。

实施例

以下，为了本发明的进一步的理解，使用实施例来进行说明。需要说明的是，以下的实施例并不限定本发明，只要满足本发明的主旨，则都包含于本发明的技术范围。

在试验材料中，对上板使用了590MPa级高张力钢、980MPa级高张力钢、1470MPa级高张力钢及A5052铝合金，对下板使用了1180MPa级高张力钢及1470MPa级高张力钢。另外，在3张的板组的情况下，对中板使用了980MPa级高张力钢、1470MPa级高张力钢及A5052铝合金。

在此，“590MPa级”是指拉伸强度的下限为590MPa，“980MPa级”是指拉伸强度的下限为980MPa，“1180MPa级”是指拉伸强度的下限为1180MPa，“1470MPa级”是指拉伸强度的下限为1470MPa。各试验材料的板厚h(mm)为表1-1及表1-2所示的厚度。在本实施例中，使用了表1-1及表1-2所示的板组。

关于用于将上述板组接合的元件，准备了表2所示的2种。一个是图1所示的在心轴2的侧面设置有螺纹牙的元件(本发明的元件)。另一个是图3所示的在心轴的侧面不设置螺纹牙的元件(以往的元件)。需要说明的是，图1所示的心轴2的顶端以使锥状的角度θ₂成为120～180°的范围内的方式适当设定(参照图2)。另外，表2所示的“耐热膜”是通过PVD处理而形成了耐热皮膜的涂层。

关于上述板组的接合方法，使用作为“摩擦元件焊接(Friction ElementWelding)(FEW)”而已知的接合方法(例如，参照US3,477,115的专利公报)进行了接合。接合条件为表2所示的条件。

使用在接合后得到的接头(机械接合接头)，以以下所示的方法进行了接头的外观观察及拉伸强度试验。使用得到的结果，以以下的基准评价了接合状态。

<外观观察>

外观观察通过目视观察得到的接头来进行。而且，在接合部分中央进行截面剖切，进行了截面的观察。在接头的外观的评价中，在元件贯通上板且与下板摩擦接合的情况下，评价为接头外观“良好”，赋予了符号“○”。在其以外的情况下，评价为接头外观“不良”，赋予了符号“×”。将得到的结果在表2中示出。

<拉伸强度试验>

关于拉伸强度试验，使用得到的接头而进行了十字拉伸试验(JISZ3137)。十字拉伸试验将在上述的外观观察中接头外观被评价为良好的接头作为了对象。将得到的接头强度(kN)在表2中示出。

<接合状态的评价>

使用上述的结果，以以下的基准评价了接合状态。

将接头的外观评价为“○”且接头强度为“6kN以上”的情况评价为“A”。将接头的外观评价为“○”且接头强度为“3kN以上且小于6kN”的情况评价为“B”。将接头的外观评价为“○”且接头强度为“小于3kN”的情况评价为“C”。在接头的外观评价为“×”的情况下，评价为“D”。将得到的接合状态的评价结果在表2中示出。

[表1-1]

[表1-2]

[表2]

在使用本发明的元件进行了接合的情况下，上述接合状态的评价是A～C中的任一者，达成了基于机械接合的接合。另外，可知：得到的接头(不过，除了表2中的No.12、16之外)具有良好的接头性能。另一方面，在使用以往的元件进行了接合的情况下，上述接合状态的评价全部为D，未能达成基于机械接合的接合。

如表2所示，本发明例的接合状态都为接合良好，且具有2.6kN以上的接头强度。不过，在No.12、16的接头(比较例)中，虽然接头的外观评价为良好“○”，但由于上板是铝合金板，所以上板贯入期间的元件的磨损显著，未能确保充分的接合直径，其结果是，接头强度下降为1.5kN。在脱离本发明的范围的比较例中，接合状态为不良(表2中的接头外观为符号“×”)。

标号说明

1 元件

2 心轴

3 凸缘盘

5 螺纹牙

6 板组

7 上板

8 下板

9 元件与下板的接合部界面。

Claims

1.一种摩擦接合用元件，将对上板使用了高强度钢板的重叠2张以上的金属板而成的板组机械接合，其中，

2.根据权利要求1所述的摩擦接合用元件，其中，

所述螺纹牙在螺纹牙的表面具有涂层。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦接合用元件，其中，

在所述心轴的侧面区域设置有2列以上且20列以下的所述螺纹牙，将相邻的所述螺纹牙之间的距离设为100～1000μm的范围。