JP2003001441A - 構造部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】平面部を有する構造部材を中空押出形材からな
る構造部材に重ね合わせ摩擦攪拌接合する構造部材の接
合方法において、軽量化や作業性の向上を図りながら、
裏当てを用いることなく欠陥のない健全な接合部を容易
に得ることができる構造部材の接合方法を提供するこ
と。 【解決手段】平面部５ａを有する第１構造部材５を中空
押出形材からなる第２構造部材６に重ね合わせ、プロー
ブ３を前記第１構造部材５側から挿入し前記第２構造部
材６の長手方向へ移動しながら摩擦攪拌接合する構造部
材の接合方法において、前記第２構造部材６に、前記プ
ローブ３の押圧力による第１構造部材５および第２構造
部材６の撓みを抑える支柱６ｂを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車のフ
レーム用アルミニウム合金製構造部材を重ね合わせ接合
をする方法、特に、摩擦攪拌接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のフレーム用構造部材は、車両の
軽量化の観点からアルミニウム合金が多く使用されるよ
うになってきた。このようなアルミニウム合金製構造部
材を重ね合わせ接合をする方法としては、ＴＩＧ、ＭＩ
Ｇ等のアーク溶接が一般的であるが、溶接熱により接合
部近傍が軟化し強度が低下したり、熱歪みが生じ組み付
けを困難にしたりする恐れがあった。

【０００３】そこで、構造部材の接合方法としては、入
熱量が少なく熱歪み等が生じにくい摩擦攪拌接合が提案
されている。この摩擦攪拌接合による従来の構造部材の
接合方法においては、例えば、平面板を中空押出形材か
らなる構造部材に重ね合わせ接合する際、構造部材の中
空部に裏当てを挿着することにより、構造部材の撓みや
接合部における欠陥の発生を防止するものがあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の構造部材の接合方法のように、平面板を中空押
出形材からなる構造部材に重ね合わせ接合する際、構造
部材の中空部に裏当てを挿着すると、摩擦攪拌接合の押
圧力による構造部材の撓みや変形を防止することができ
るが、構造部材の接合ごとに裏当てを挿着するという工
程が増加し、作業が煩雑になるとともに、別途用意する
必要がある裏当ては、挿着する中空部に断面形状や大き
さに合うよう精度よく作製しなければならないという問
題があった。

【０００５】また、曲げ加工が施されている構造部材や
中空押出形材が長手方向に長い構造部材では、裏当てを
挿着することが困難であり、裏当てなしで重ね合わせ接
合すると摩擦攪拌接合の押圧力で構造部材が撓むことに
より接合部に欠陥が発生してしまうという恐れがあっ
た。

【０００６】そこで、例えば、特開平２００１−９５７
７号公報には、複数の構造部材を突き合わせ接合する
際、構造部材の接合部の肉厚を規定して摩擦攪拌接合す
る方法が記載されており、同様に、平面部を有する構造
部材を中空押出形材からなる構造部材に重ね合わせ接合
する際は、中空押出形材の肉厚を厚くすることで摩擦攪
拌接合の押圧力による構造部材の撓みを防止することが
可能であるが、コストや軽量化で不利になるという問題
があった。

【０００７】それゆえ、本発明は、平面部を有する構造
部材を中空押出形材からなる構造部材に重ね合わせ摩擦
攪拌接合する構造部材の接合方法において、軽量化や作
業性の向上を図りながら、裏当てを用いることなく欠陥
のない健全な接合部を容易に得ることができる構造部材
の接合方法を提供することを、その技術的課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した技術的課題を解
決するために、本発明は、平面部を有する第１構造部材
を中空押出形材からなる第２構造部材に重ね合わせ、プ
ローブを前記第１構造部材側から挿入し前記第２構造部
材の長手方向へ移動しながら摩擦攪拌接合する構造部材
の接合方法において、前記第２構造部材に、前記プロー
ブの押圧力による第１構造部材および第２構造部材の撓
みを抑える支柱を備えたことを特徴とする構造部材の接
合方法とした。

【０００９】かかる本発明によれば、中空押出形材から
なる第２構造部材に、プローブの押圧力による構造部材
の撓みを抑える支柱を備えたので、裏当てを用いたり構
造部材の肉厚を厚くしたりすることなく、構造部材の撓
みや変形を防止することができる。従って、摩擦攪拌接
合の押圧力で構造部材が撓むことにより発生する接合部
の欠陥を低減することが可能である。よって、軽量化や
作業性の向上を図りながら、健全な接合部を用意に得る
ことができる構造部材の接合方法を提供することができ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１１】図１〜図３は、本発明の一実施形態にかか
る構造部材の接合方法を示すもので、図１は平面部５ａ
を有する第１構造部材５と中空押出形材からなる第２構
造部材６とを接合中の状態を示す斜視図、図２は第１構
造部材５と第２構造部材６とを重ね合わせた状態（接合
前）を示す横断面図（接合方向垂直の断面）、図３はプ
ローブ３を挿入して摩擦攪拌させている状態を示す縦断
面図（図２におけるＡ視）である。

【００１２】図１に示すように、第１構造部材５の平面
部５ａを第２構造部材６の上面６ａに重ね合わせ、摩擦
攪拌接合用治具１により接合を行う。第２構造部材６
は、幅ｗ６、高さｈ６の外観に支柱６ｂを備えた断面略
日型のアルミニウム合金製中空押出形材により形成され
ている。支柱６ｂは、第２構造部材６の幅方向中央に、
上面６ａに対して垂直に設けられている。

【００１３】摩擦攪拌接合用治具１は、図２のごとく円
柱状の回転子２と、回転子２の回転軸１０上の先端に突
設されたプローブ３とで構成され、駆動装置（図示せ
ず）により高速で回転が可能である。

【００１４】プローブ３は、直径Ｐの円柱状または少な
くとも先端は円錐状を呈している。回転子２のショルダ
ー４は、外周からプローブ３に向かって傾斜した凹面と
なっており、プローブ３の先端は球状に形成されてい
る。尚、効果的に摩擦攪拌するために、プローブ３の外
周面にねじ構造等の凹凸を形成してもよい。プローブ３
の軸方向の長さＬは、平面部５ａの肉厚ｔ５ａよりも長
く、肉厚ｔ５ａに上面６ａの肉厚ｔ６ａを加えた値より
も短くなるように設定されている。

【００１５】第１構造部材５と第２構造部材６との接合
は、図３に示すように、回転子２及びプローブ３を高速
で回転させながら、第１構造部材５の平面部５ａを第２
構造部材６の上面６ａに重ね合わせた状態で、支柱６ｂ
の上部近傍を平面部５ａ側より、回転子２の接合方向８
後方（図３において右側）のショルダー４ａが平面部５
ａに食い込む方向に回転子２及びプローブ３が平面部５
ａの垂線１１に対する回転軸１０の傾斜角である先進角
θで傾斜して、プローブ３を第２構造部材６の上面６ａ
に及ぶように挿入させるとともに、回転子２のショルダ
ー４を平面部５ａに接触させ、第２構造部材６の長手方
向に移動させることで摩擦攪拌接合を行う。

【００１６】このとき、回転子２を回転させることによ
りプローブ３及びショルダー４と第１構造部材５及び第
２構造部材６との摺動で摩擦熱が発生し、摩擦攪拌接合
用治具１の接触部近傍の第１構造部材５及び第２構造部
材６の材料が軟化とともに攪拌及び塑性流動して、空洞
の無い接合部１２が得られる。その結果、第１構造部材
５と第２構造部材６とを接合することができる。

【００１７】このように、中空押出形材からなる第２構
造部材６に支柱６ｂを備えたので、裏当てを用いたり第
２構造部材６の肉厚を厚くしたりすることなく、プロー
ブ３の押圧力による第１構造部材５及び第２構造部材６
の撓みや変形を防止することができる。従って、第１構
造部材５及び第２構造部材６が撓むことにより発生する
接合部１２の欠陥を低減することが可能となる。よっ
て、軽量化や作業性の向上を図りながら、健全な接合部
を容易に得ることができる構造部材の接合方法を提供す
ることができる。

【００１８】尚、先進角θは、材料を十分に塑性流動さ
せるために３°以上が望ましい。更に、この先進角θ及
び回転子２の直径Ｄは、接合部のスペースや摩擦熱によ
る影響等をも考慮し総合的に決定される。

【００１９】ここで、直径Ｐの円柱状を呈したプローブ
３による接合においては、プローブ３の直径Ｐと支柱６
ｂの肉厚Ｔとの比であるＰ／Ｔが、４．２以下であるこ
とが望ましい。これにより、支柱６ｂは、プローブ３の
押圧力による第１構造部材５及び第２構造部材６の撓み
や変形を十分に抑えることができる。より好ましくは、
支柱６ｂの剛性を向上させるために、Ｐ／Ｔが１．９以
下であることが望ましい。また、軽量化の観点や第２構
造部材６の曲げ加工時の変形抵抗を考慮すると、Ｐ／Ｔ
の下限値は１以上が望ましい。尚、図２のごとく第２構
造部材６における上面６ａと支柱６ｂとで形成される隅
部６ｃは、内Ｒ（曲率半径）１ｍｍ以上で形成されてい
る。

【００２０】また、図４のごとく少なくとも先端は傾斜
角λの円錐状を呈したプローブ３による接合において
は、プローブ３の（底円における）直径Ｐと支柱６ｂの
肉厚Ｔとの比であるＰ／Ｔが、５以下であることが望ま
しい。このとき傾斜角λは、１０〜４５°が効果的であ
る。これにより、支柱６ｂは、プローブ３の押圧力によ
る第１構造部材５及び第２構造部材６の撓みや変形を十
分に抑えることができる。より好ましくは、支柱６ｂの
剛性を向上させるために、Ｐ／Ｔが２．４以下であるこ
とが望ましい。また、軽量化の観点や第２構造部材６の
曲げ加工時の変形抵抗を考慮すると、Ｐ／Ｔの下限値は
１以上が望ましい。尚、図２のごとく第２構造部材６に
おける上面６ａと支柱６ｂとで形成される隅部６ｃは、
内Ｒ（曲率半径）１ｍｍ以上で形成されている。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の実施例について、具体的に説
明する。

【００２２】先ず、図２及び図３示すような形態におい
て、肉厚ｔ５ａが２ｍｍのアルミニウム合金製押出板
（Ａ６１６３−Ｔ５）である第１構造部材５を、表１に
示す肉厚Ｔの支柱６ｂを備えた断面略日型のアルミニウ
ム合金製中空押出形材（Ａ６Ｎ０１−Ｔ５）からなる第
２構造部材６の上面６ａに重ね合わせ、第１構造部材５
の平面部５ａ側より、表１に示す直径Ｐの円柱状を呈し
たプローブ３を、先進角θが３．５°にて挿入し、回転
速度２５００ｒｐｍ、接合速度（移動速度）５００ｍｍ
／ｍｉｎの条件にて摩擦攪拌接合を行った。尚、第２構
造部材の断面は、幅ｗ６が１００ｍｍ、高さｈ６が４０
ｍｍの外観で、上面６ａの肉厚ｔ６ａが２ｍｍ、隅部６
ｃの内Ｒ（曲率半径）は１．５ｍｍであり、いずれの摩
擦攪拌接合用治具１においても、回転子２の直径Ｄは１
３ｍｍ、ショルダー４は凹面、プローブ３の外周面はね
じ構造（ピッチ１ｍｍ）の螺旋溝、プローブ３の先端は
球状、長さＬは３．５ｍｍとした。

【００２３】十分に冷却固化したあと、接合部１２の外
観及び内部を調査することにより接合性評価を行った。
例えば、接合部１２の外観に欠陥が無くても内部に空洞
のような欠陥があれば接合性は大きく損なわれるので、
外観は目視にて、内部はＸ線透過装置及び接断面の観察
にて欠陥（空洞も含む）の有無を調べ、外観及び内部そ
れぞれにおいて、欠陥が有れば×、欠陥が認められなけ
れば○と判定した。更に、外観及び内部の接合性評価を
○と判定したものは、図５のごとく接合方向垂直の断面
において摩擦攪拌接合用治具１の回転軸１０と支柱６ｂ
の厚さ方向の中心に位置する中心軸１３との距離（ずれ
量）を、０ｍｍから１ｍｍずつ増やして評価を実施し、
接合性評価が○となる最大の許容ずれ量Ｇを求めた。こ
れらの結果も、表１に併せて示した。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１に示すように、直径Ｐの円柱状を呈し
たプローブ３による接合において、プローブ３の直径Ｐ
と支柱６ｂの肉厚Ｔとの比であるＰ／Ｔが４．２以下で
ある実施例１〜７は、外観及び内部ともに欠陥は認めら
れず、いずれも比較例８〜９と比べて接合性の良いこと
が確認できた。それに対して、比較例８〜９は、外観及
び内部に空洞が生じており、接合性の悪いことが明らか
となった。また、実施例１〜２は、許容ずれ量Ｇが４ｍ
ｍ以上であるから、３ｍｍ以下程度のずれ量ならば、十
分に接合性を満足することがわかる。従って、より好ま
しくは、Ｐ／Ｔが１．９以下であることが望ましい。

【００２６】次に、図４のごとく少なくとも先端は傾斜
角λの円錐状を呈したプローブ３を用いて、表２に示す
直径Ｄと肉厚Ｔで上述と同様にして摩擦攪拌接合を行
い、上述と同様に評価して、その結果も、表２に併せて
示した。尚、傾斜角λは４０°、プローブ３の外周面は
ねじ構造（ピッチ１ｍｍ）の螺旋溝、プローブ３の先端
は半径０．５〜１．５の球状とした。

【００２７】

【表２】

【００２８】表２に示すように、円錐状を呈したプロー
ブ３による接合において、プローブ３の（底円におけ
る）直径Ｐと支柱６ｂの肉厚Ｔとの比であるＰ／Ｔが５
以下である実施例１０〜１７は、外観及び内部ともに欠
陥は認められず、いずれも比較例１８〜１９と比べて接
合性の良いことが確認できた。それに対して、比較例１
８〜１９は、外観に欠陥の認められない例もあるが、内
部には空洞が生じており、接合性の悪いことが明らかと
なった。また、実施例１０〜１２は、許容ずれ量Ｇが４
ｍｍ以上であるから、３ｍｍ以下程度のずれ量ならば、
十分に接合性を満足することがわかる。従って、より好
ましくは、Ｐ／Ｔが２．４以下であることが望ましい。

【００２９】更に、本発明によれば、例えば、肉厚ｔ５
ａが２ｍｍのアルミニウム合金製鋳物材（ＡＤＣ１２−
Ｔ６）からなる自動車の骨格構造材であるピラー（第１
構造部材５）の平面部５ａを、支柱６ｂを備えた肉厚ｔ
６ａが２ｍｍの断面略日型のアルミニウム合金製押出形
材（Ａ６１６３−Ｔ６）からなるフレーム（第２構造部
材６）に重ね合わせ、上述と同様にして摩擦攪拌接合す
ることができる。その結果、他のアーク溶接等の接合と
比較すると、接合による強度低下や熱歪みも少なく、優
れた性能を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、平面部を
有する構造部材を中空押出形材からなる構造部材に重ね
合わせ摩擦攪拌接合する構造部材の接合方法において、
軽量化や作業性の向上を図りながら、裏当てを用いるこ
となく欠陥のない健全な接合部を容易に得ることができ
る構造部材の接合方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による構造部材の接合方法の一実施形態
を示すもので、第１構造部材を第２構造部材に重ね合わ
せて接合中の状態を示す斜視図である。

【図２】第１構造部材と第２構造部材とを重ね合わせた
状態（接合前）を示す横断面図である。

【図３】図２に示す実施形態で、プローブを挿入して摩
擦攪拌させている状態を示す縦断面図（図２におけるＡ
視）である。

【図４】プローブが円錐状を呈した摩擦攪拌接合用治具
を示す図である。

【図５】図２に示す実施形態において、摩擦攪拌接合用
治具の回転軸と支柱の中心軸とに距離（ずれ量）がある
状態を示す横断面図である。

【符号の説明】

１ 摩擦攪拌接合用治具 ２ 回転子 ３ プローブ ４ ショルダー ５ 第１構造部材（構造部材） ５ａ 平面部 ６ 第２構造部材（構造部材） ６ａ 上面 ６ｂ 支柱 Ｐ プローブの直径 Ｔ 支柱の肉厚 Ｄ 回転子の直径 Ｇ 許容ずれ量 θ 先進角

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 CA04 DA13 EA07 EB00

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面部を有する第１構造部材を中空押出
   形材からなる第２構造部材に重ね合わせ、プローブを前
   記第１構造部材側から挿入し前記第２構造部材の長手方
   向へ移動しながら摩擦攪拌接合する構造部材の接合方法
   において、前記第２構造部材に、前記プローブの押圧力
   による第１構造部材および第２構造部材の撓みを抑える
   支柱を備えたことを特徴とする構造部材の接合方法。
2. 【請求項２】 前記プローブは円柱状を呈しているとと
   もに、前記プローブの直径（Ｐ）と前記支柱の肉厚
   （Ｔ）との比（Ｐ／Ｔ）が４．２以下であることを特徴
   とする請求項１に記載の構造部材の接合方法。
3. 【請求項３】 前記プローブの少なくとも先端は円錐状
   を呈しているとともに、前記プローブの直径（Ｐ）と前
   記支柱の肉厚（Ｔ）との比（Ｐ／Ｔ）が５以下であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の構造部材の接合方法。