JP2000334579A

JP2000334579A - 摩擦溶接による部材接合方法

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Publication number: JP2000334579A
Application number: JP11143183A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Jogan; 茂利成願; Ichizo Tsukuda; 市三佃
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Altemira Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-12-05
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP4294164B2

Abstract

(57)【要約】【課題】入熱量が比較的少ない摩擦溶接を用いた部材
接合方法であって、接合後における板状母材の裏面の外
観を簡単かつ確実に向上することができる部材接合方法
の提供を目的とする。【解決手段】板状母材１の表面１ａの接合部位に接合
用凸部３を形成し、該接合用凸部３の天面３ａに前記接
続部材２を突き付け状に配置した状態で摩擦溶接を実施
する。板状母材１の裏面１ｂは溶接時の摩擦熱の影響を
ほとんど受けないので、該裏面１ｂに窪みが生じたり、
接合部に熱変形が生じたりするのを防止あるいは軽減す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属製板状母
材、特にアルミニウム又はアルミニウム合金（以下、ア
ルミニウムという）からなる薄肉の板状母材に対して金
属製接続部材を接合するための、摩擦溶接による部材接
合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】種々の
製品を製造する上で、棒材やボルトなどのピン状の金属
製接続部材を金属製板状母材に接合する必要性は大きい
が、従来、これらの接合には、例えばスタッド溶接が広
く採用されている。このスタッド溶接は、その溶接作業
が簡便であり、接合状態も良好なことから広範囲に利用
されている。

【０００３】しかしながら、スタッド溶接では、板状母
材の肉厚が比較的薄い場合、例えば、肉厚が５ｍｍ以
下、特に１〜２ｍｍ程度の極薄肉のアルミニウム製の板
状母材に対して、該母材の肉厚より大きい直径を有する
ような接続部材を接合した場合、図５に示すように、板
状母材（５１）の表面（５１ａ）の接合部位に対応する
裏面が溶接時に生じる熱影響部（５４）に近接している
ために、板状母材（５１）の裏面（５１ｂ）に溶接後の
凝固収縮による小さな窪み（５３）が生じると共に、板
状母材（５１）の接合部に熱影響による有害な熱変形が
生じやすいという問題があった。この問題は、板状母材
（５１）の肉厚が薄いほど大きく現れる傾向にある。こ
のため、板状母材（５１）の裏面（５１ａ）の外観を損
い、特に板状母材（５１）の裏面（５１ａ）に高い面精
度が要求される製品では、裏面全体に切削やヘアーライ
ン加工等の仕上げ加工が必要となり面倒である上に経済
的にも不利であった。

【０００４】このような問題は、板状母材の肉厚を厚く
することによって、解消あるいは軽減することが可能で
あるが、板状母材の肉厚を厚くすることは、製品設計
上、歩留まり、材料コストなどの面から制限される場合
が多いのみならず、板状母材の生産性の低下、重量の増
大等の問題をも派生する。

【０００５】この発明は、上述のような問題に鑑みてな
されてもので、入熱量が比較的少ない摩擦溶接を用いた
部材接合方法であって、接合後における板状母材の裏面
の外観を簡単かつ確実に向上することができる部材接合
方法の提供を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、薄肉の金属
製板状母材の表面に金属製接続部材を摩擦溶接により接
合するに際し、前記板状母材の表面の接合部位に接合用
凸部を形成し、該接合用凸部の天面に前記接続部材を突
き付け状に配置した状態で摩擦溶接を実施することを特
徴とする。

【０００７】これによれば、板状母材の接合部位におけ
る肉厚が、他の部分よりも接合用凸部の高さの分だけ厚
くなるので、板状母材の接合部位に対応する裏面は、摩
擦溶接時の摩擦熱の影響をほとんど受けない。このた
め、板状母材の裏面に窪みが生じたり、板状母材の接合
部に熱影響による有害な熱変形が生じるのを防止あるい
は軽減することができる。

【０００８】また、上述のような板状母材における窪み
の発生や熱変形をより一層効果的に防止あるいは軽減す
るために、望ましくは、前記接合用凸部の高さは、前記
板状母材に対して０．１ｍｍ以上に設定されているのが
良い。

【０００９】さらに、上述のように板状母材における窪
みの発生や熱変形をより一層効果的に防止あるいは軽減
するほか、板状母材と接続部材との接合をより確実なも
のとするために、望ましくは、前記接合用凸部は短円柱
状で、かつその直径が前記接続部材の直径の１／２以上
に設定されているのがよい。一方、この発明は、薄肉の
金属製板状母材の表面に金属製接続部材を摩擦溶接によ
り接合するに際し、前記板状母材の表面の接合部位に対
応する裏面に補整用凸部を形成し、前記接合部位に前記
接続部材を突き付け状に配置した状態で摩擦溶接を実施
したあと、前記補整用凸部を前記板状母材から切削除去
することによって、前記板状母材の裏面を平坦面に仕上
げることを特徴とする。

【００１０】これによれば、溶接時の摩擦熱による窪み
は板状母材自体にほとんど生じず、生じても主に板状母
材の補整用凸部に生じるので、その補整用凸部を切削除
去するだけの簡単な作業で、それら窪みや熱変形を板状
母材から確実に除去することができる。

【００１１】また、補整用凸部の高さ範囲内に溶接時に
生じる窪みを収めるために、望ましくは、前記補整用凸
部の高さは、前記板状母材に対して０．１ｍｍ以上に設
定されているのが良い。

【００１２】さらに、補正用凸部の径範囲内においても
溶接時に生じる窪みを収めるために、望ましくは、前記
補整用凸部は短円柱状で、かつその直径が前記接続部材
の直径の１／３以上に設定されているのが良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】［実施形態１］図１及び図２は、
この実施形態によって製造される接合体（Ａ）の一例を
示す。この接合体（Ａ）は、板状母材（１）と、該板状
母材（１）に接合される１個ないし複数個の接続部材
（２）により構成される。

【００１４】前記板状母材（１）は、例えば厚みｔが１
〜３ｍｍ程度のアルミニウム製の薄肉平板で、板状母材
（１）の表面（１ａ）の接合部位には、短円柱状で天面
（３ａ）がフラットな接合用凸部（３）が冷間鍛造法等
により一体に形成されている。

【００１５】この接合用凸部（３）は、板状母材（１）
の裏面（１ｂ）を接合部から離間させるためのもので、
直径ｒ、高さｈの短円柱状に形成されている。この接合
用凸部（３）の高さｈは、板状母材（１）の肉厚ｔ、及
び該板状母材（１）に接合しようとする接続部材（２）
の直径Ｒ、あるいはそれらの相対比との関係で種々に可
変設定し得るが、溶接時に母材（１）の裏面（１ｂ）に
窪みや熱変形が生じるのをより効果的に防止あるいは軽
減するために、板状母材（１）の肉厚１〜３ｍｍに対し
て、少なくとも０．１ｍｍ以上、特に０．３ｍｍ以上に
設定するのが望ましい。また、接合用凸部（３）の直径
ｒは、接続部材（２）との接合を確実にするために、接
続部材（２）の直径Ｒの１／２以上に形成されているの
が望ましく、特に接続部材（２）の直径Ｒに対して同程
度から３／２の直径に形成されているのが最も望まし
い。

【００１６】一方、前記接続部材（２）は、母材（１）
と他の部材とを螺着接合せしめるためのアルミニウム製
のボルトであり、その一端部（２ａ）が雄ねじに形成さ
れると共に、基端部（２ｂ）が直径Ｒの円柱面に形成さ
れている。また、この基端部（２ｂ）側の下端面（２
ｃ）は平滑に形成されており、該下端面（２Ｃ）が溶接
時に摩擦熱により軟化するものとなされている。

【００１７】次に、前記母材（１）と接続部材（２）の
摩擦溶接による接合方法について説明する。

【００１８】まず、接続部材（２）の一端部（２ａ）を
摩擦溶接装置のチャック部（５）に装着したあと、図２
（ａ）に示すように、接続部材（２）の下端面（２ｃ）
を、母材（１）の接合用凸部（３）の天面（３ａ）に突
き付け状に接触させて配置する。

【００１９】そして、図２（ｂ）に示すように、チャッ
ク部を一定速度で自軸回転させることによって、接続部
材（２）を板状母材（１）に対して自軸回転させると、
接続部材（２）の下端面（２ｃ）と接合用凸部（３）の
天面（３ｃ）とが摩擦熱によって軟化し、接続部材
（２）と接合用凸部（３）は接合面で複雑に混じり合
う。

【００２０】そこで、摩擦熱が一定温度に達して接合面
が適当に溶融したときに、接続部材（２）の自軸回転を
停止すると共に、接続部材（２）の下端面（２ｃ）を接
合用凸部（３）の天面（３ａ）にさらに押し付け、その
状態を保持しながら軟化金属の冷却固化を待って、チャ
ック部（５）を取り外す。これにより、接続部材（２）
は、図２（ｃ）に示すように、板状母材（１）に対して
垂直に立設する態様で確実に接合されたものとなる。

【００２１】上述の摩擦溶接による接合方法の実施によ
り、板状母材（１）の表面（１ａ）の接合部位に対応す
る裏面は、接合面から接合用凸部（３）の高さｈだけ余
分に離間しており、母材（１）の裏面（１ｂ）は溶接時
の摩擦熱の影響をほとんど受けないので、板状母材
（１）の裏面（１ｂ）に窪みが生じたり、板状母材
（１）の接合部に有害な熱変形が生じるのを防止あるい
は軽減することができる。

【００２２】［実施形態２］図３及び図４は、この実施
形態によって製造される接合体（Ｂ）の一例を示す。こ
の接合体（Ｂ）は、板状母材（１１）と、該板状母材
（１１）に接合される１１個ないし複数個の接続部材
（２）により構成される。

【００２３】前記板状母材（１１）は、例えば厚みｔが
１〜３ｍｍ程度のアルミニウム製の薄肉平板で、板状母
材（１１）の表面（１１ａ）の接合部位に前記接続部材
（２）が接合されるものとなされている。そして、前記
板状母材（１１）の表面（１１ａ）の接合部位に対応す
る裏面には、短円柱状で天面（１３ａ）がフラットな補
整用凸部（１３）が冷間鍛造法等により一体に形成され
ている。

【００２４】この補整用凸部（１３）は、後述するよう
に溶接時に生じる窪み（１４）や熱変形が収まる部分で
あり、直径ｒ、高さｈの短円柱状に形成されている。こ
の補整用凸部（１３）の高さｈは、板状母材（１１）の
肉厚ｔ、及び該板状母材（１１）に接合しようとする接
続部材（２）の直径Ｒ、あるいはそれらの相対比との関
係で種々に可変設定し得るが、確実に補整用凸部（１
３）の高さ範囲内に窪み（１４）や熱変形を収め、かつ
接合後の切削加工を容易ならしめるために、板状母材
（１１）の肉厚１〜３ｍｍに対して、少なくとも０．０
５〜１．０ｍｍ、特に０．１〜０．３ｍｍ程度に設定す
るのが望ましい。また、補整用凸部（１３）の直径ｒ
は、確実に補整用凸部（１３）の径範囲内に窪み（１
４）や熱変形を収めるために、接続部材（２）の直径Ｒ
の１／３以上に形成されているのが望ましく、特に接続
部材（２）の直径Ｒに対して１／２〜３／２程度の直径
に形成するのが最も望ましい。

【００２５】一方、前記接続部材（２）は、板状母材
（１１）と他の部材とを螺着接合せしめるためのアルミ
ニウム製のボルトであり、実施形態１に示したのと同じ
ものである。

【００２６】次に、前記母材（１１）と接続部材（２）
の摩擦溶接による接合方法について説明する。

【００２７】まず、接続部材（２）の一端部（２ａ）を
摩擦溶接装置のチャック部（５）に装着したあと、図４
（ａ）に示すように、接続部材（２）の下端面（２ｃ）
を、板状母材（１１）の接合部位に突き付け状に接触さ
せて配置する。

【００２８】そして、図４（ｂ）に示すように、チャッ
ク部（５）を一定速度で自軸回転させることによって、
接続部材（２）を板状母材（１１）に対して自軸回転さ
せると、接続部材（２）の下端面（２ｃ）と板状母材
（１１）の接合部位とが摩擦熱によって軟化し、接続部
材（２）と板状母材（１１）は接合面で複雑に混じり合
う。

【００２９】そこで、摩擦熱が一定温度に達して接合面
が適当に溶融したときに、接続部材の自軸回転を停止す
ると共に、接続部材（２）の下端面（２ｃ）を板状母材
（１１）の接合部位にさらに押し付け、その状態を保持
しながら軟化金属の冷却固化を待って、チャック部
（５）を取り外す。これにより、接続部材（２）は、図
４（ｃ）に示すように、板状母材（１１）に対して垂直
に立設する態様で確実に接合されたものとなる。このと
き、前記補整用凸部（１３）には、摩擦溶接時の摩擦熱
の影響によって窪み（１４）や熱変形が生じる。

【００３０】従って、それら窪み（１４）や熱変形が生
じた前記補整用凸部（１３）のみを、公知の切削加工に
よって板状母材（１１）から切削除去すれば、図４
（ｄ）に示すように、窪みや熱変形のないフラットな裏
面を有する接合体（Ｂ）が得られる。

【００３１】このように、上述の摩擦溶接による接合方
法の実施により、摩擦熱の影響による窪み（１４）や熱
変形は板状母材（１１）自体に生じず、生じても板状母
材（１１）の補整用凸部（１３）に生じるので、その補
整用凸部（１３）を切削除去するだけの簡単な作業で、
それら窪みや熱変形を板状母材から確実に除去すること
ができる。

【００３２】

【実施例】次に、この発明の実施例を説明する。

【００３３】金属製接続部材として、直径６ｍｍ、長さ
１５ｍｍのアルミニウム製の接続ボルトを準備し、一
方、これを接合する相手材である薄肉の金属製板状母材
として、厚さ１ｍｍ及び２ｍｍの２種類のアルミニウム
板を準備した。

【００３４】前記接続部材は、先端面中央に基端部直径
４ｍｍ、高さ３ｍｍの円錐形接合用凸部を有するものと
した。

【００３５】一方、板状母材は、その表面側の接続部材
接合予定部位に短円柱状の接合用凸部を形成したもの
と、接続部材接合予定部位に対応する裏面に短円柱状の
補整用凸部を形成したものと、これらを形成しないもの
とを準備した。前記接合用凸部及び補整用凸部は、冷間
鍛造法により母材面に隆起状に一体に形成したものと
し、表１に示すようにその高さｈを０．１〜０．５ｍｍ
の範囲で、また直径ｒを２〜６ｍｍ（接続部材直径の１
／３〜１倍）の範囲で各種に変化させた。

【００３６】そして、前記接続部材と板状母材とを、公
知の摩擦溶接装置を用いて、常法により摩擦溶接を実施
した。この溶接は、接続部材の回転数を３０回／ｓ、接
触圧力を５０Ｍｐａ、アプセット圧力を１００Ｍｐａ
、溶接時間を１ｓｅｃに設定して行った。

【００３７】接合用凸部を形成した板状母材について
は、溶接後の板状母材の裏面を観察し、その裏面の接合
部対応部位に生じている窪み部分の最大窪み量を測定す
ると共に、前記部位近傍の熱変形の発生の有無を調べ
た。そして、上記最大窪み量が０．１０ｍｍ以下で熱変
形の認められないものを良品（○印）と判定し、最大窪
み量が０．１０ｍｍを越えるものを不良品（×印）と判
定した。前記測定結果及び判定結果を表１に併記した。

【００３８】また、補整用凸部を形成した板状母材つい
ては、溶接後の補整用凸部の天面を観察し、該天面に生
じている窪み部分の最大窪み量を測定すると共に、前記
部位近傍の熱変形の発生の有無を調べた。そして、上記
最大窪み量が補整用凸部の高さ範囲内で、かつ窪み領域
が補整用凸部の直径の範囲内に収まっているものを良品
（○印）と判定し、最大窪み量が補整用凸部の高さ範囲
を越えているものか、あるいは窪み領域が補整用凸部の
直径の範囲内に収まっていないものを不良品（×印）と
判定した。前記測定結果及び判定結果を表１に併記し
た。

【００３９】

【表１】上記表１より、板状母材の接合部位に接合用凸部を形成
した場合、溶接後に板状母材の裏面に窪みが生じたり、
母材の接合部に熱変形が生じるのを防止あるいは軽減し
得ることを確認し得た。また、板状母材の接合部位に対
応する裏面に補整用凸部を形成した場合、溶接時の摩擦
熱による窪みや熱変形が補整用凸部の範囲内に生じてお
り、該補整用凸部を板状母材から切削除去すれば、それ
ら窪みを熱変形を板状母材から確実に除去し得ることを
確認し得た。

【００４０】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、板状母材
の裏面は摩擦溶接時の摩擦熱の影響をほとんど受けない
ので、板状母材の裏面に窪みが生じたり、板状母材の接
合部に熱影響による有害な熱変形が生じるのを防止ある
いは軽減することができ、板状母材の裏面の外観を簡単
かつ確実に向上することが可能となると共に、窪みをな
くすための仕上げ加工が不要となり経済的である。

【００４１】請求項２に係る発明によれば、板状母材に
おける窪みの発生や熱変形をより一層効果的に防止ある
いは軽減することができる。

【００４２】請求項３に係る発明によれば、板状母材に
おける窪みの発生や熱変形をより一層効果的に防止ある
いは軽減することができるほか、板状母材と接続部材を
より確実に接合することができる。

【００４３】請求項４に係る発明によれば、溶接時の摩
擦熱による窪みや熱変形が板状母材自体にほとんど生じ
ず、生じても主に板状母材の補整用凸部に生じるので、
その補整用凸部を切削除去するだけの簡単な作業で、板
状母材の裏面を平滑面に仕上げることができる。従っ
て、板状母材の裏面全体について切削やヘアライン加工
等の仕上げ加工を実施する必要なくなり、板状母材裏面
の外観を簡単かつ確実に向上することが可能となる。

【００４４】請求項５に係る発明によれば、溶接時に生
じる窪みは前記補正用凸部の高さ範囲内に収まるので、
該補正用凸部のみを切削除去することによって、より確
実に板状母材の裏面を平滑面に仕上げることができる。

【００４５】請求項６に係る発明によれば、溶接時に生
じる窪みは前記補正用凸部の径範囲内にも収まるので、
該補正用凸部のみを切削除去することによって、より一
層確実に板状部材の裏面を平滑面に仕上げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態における板状母材と接続
部材を接合前の状態において示した断面図である。

【図２】この発明による部材接合方法の一実施形態を工
程順に示した断面図である。

【図３】この発明の他の実施形態における板状母材と接
続部材を接合前の状態において示した断面図である。

【図４】この発明による部材接合方法の他の実施形態を
工程順に示した断面図である。

【図５】従来の部材接合方法による母材と接続部材の接
合部を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・・母材２・・・接続部材３・・・接合用凸部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄肉の金属製板状母材の表面に金属製接
続部材を摩擦溶接により接合するに際し、前記板状母材の表面の接合部位に接合用凸部を形成し、
該接合用凸部の天面に前記接続部材を突き付け状に配置
した状態で摩擦溶接を実施することを特徴とする部材接
合方法。
【請求項２】前記接合用凸部の高さは、前記板状母材
に対して０．１ｍｍ以上に設定されている請求項１に記
載の部材接合方法。
【請求項３】前記接合用凸部は短円柱状で、かつその
直径が前記接続部材材の直径の１／２以上に設定されて
いる請求項１又は２に記載の部材接合方法。
【請求項４】薄肉の金属製板状母材の表面に金属製接
続部材を摩擦溶接により接合するに際し、前記板状母材の表面の接合部位に対応する裏面に補整用
凸部を形成し、前記接合部位に前記接続部材を突き付け
状に配置した状態で摩擦溶接を実施したあと、前記補整
用凸部を前記板状母材から切削除去することによって、
前記板状母材の裏面を平坦面に仕上げることを特徴とす
る部材接合方法。
【請求項５】前記補整用凸部の高さは、前記板状母材
に対して０．１ｍｍ以上に設定されている請求項４に記
載の部材接合方法。
【請求項６】前記補整用凸部は短円柱状で、かつその
直径が前記接続部材の直径の１／３以上に設定されてい
る請求項４又は５に記載の部材接合方法。