JP2003340543A - 自己穿孔型リベットによるアルミニウム又はアルミニウム合金材の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルミニウム又は種々の成分組成のアルミニ
ウム合金材についてその接合部に割れ欠陥が発生しない
ように自己穿孔型リベットにより接合することができる
技術を開発する。 【解決手段】 被接合材であるアルミニウム合金材２０
１及び３０１を重ね、その被接合部の背面に、耐力が１
５０ＭＰａ以上、伸びが２０％以上である金属製裏当材
９を重ね、更にその背後にダイ５を配置した後、上記被
接合材の表面に自己穿孔型リベット１を打ち込む。ダイ
は底面及び側面を有する箱形をなし、リベットはその先
端が筒状をなし、ダイの底面には、リベットの筒内部に
整合する位置に凸部が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、押出形材、圧延板
及び鋳物材等のアルミニウム又はアルミニウム合金材
（以下、総称してアルミニウム合金材という）を、自己
穿孔型リベットを使用して接合する方法に関し、特に接
合部に割れ欠陥が発生せず、接合部の強度が優れている
と共にその外観が良好であるアルミニウム又はアルミニ
ウム合金材の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】家庭電化製品の筐体並びに自動車、鉄道
及び船舶等の輸送機等は、アルミニウム合金材料の押出
形材、圧延板又は鋳物材により製作されており、これら
材料の接合には、抵抗スポット溶接に替わる技術とし
て、本願発明者等は、自己穿孔型リベットにより接合す
るメカニカルファスナ方式による接合方法を提案した
（社団法日本機械学会「第４回機械材料・材料加工技術
講演会講演論文集」１９９６年１１月１日発行）。そし
て、本発明者等は更に、特開平１１−３３６６４号公報
に下記技術を提案した（以下、先行技術１という）。先
ず、自己穿孔型リベットによりアルミニウム合金材を接
合する方法として、図３に示すような打込み前における
概略縦断面図の自己穿孔型リベット１を、図４に示すよ
うに、接合すべく重ねられたアルミニウム合金板２とア
ルミニウム合金板３との重ね体４に対して、その上面か
ら下方向にポンチ６で打ち込む。図４中の自己穿孔型リ
ベット１０１は、図３の自己穿孔型リベット１が重ね体
４に打ち込まれて、その接合機能が発揮されている状態
のものであり、図４はアルミニウム合金板２とアルミニ
ウム合金板３とが自己穿孔型リベット１０１により接合
された接合部の概略縦断面図の例である。

【０００３】上記において、先行技術１における自己穿
孔型リベット１は、例えば軟鋼製であり、その打込み前
の形状は、リベット頭部１ａとリベット軸部１ｂとで構
成されている。リベット頭部１ａの形状は、頂面が平ら
であって逆円錐台形を呈し、一方、リベット軸部１ｂの
形状は、その中心部が下端面から円柱状部がくり抜かれ
て円筒形状を呈している。そして、接合すべきアルミニ
ウム合金板２とアルミニウム合金板３との重ね体４の下
面にダイ５を配設しておき、重ね体４の上方からポンチ
６によって自己穿孔型リベット１を打ち込み、ダイ５に
より自己穿孔型リベット１の軸部１０１ｂが、ダイ５の
底部中心部に設けられた上向き突起部５ａにより押し拡
げられて拡開し、自己穿孔型リベット１０１はアルミニ
ウム合金板２とアルミニウム合金板３とを係止する。こ
の際、ダイ５側のアルミニウム合金板３はリベット１の
打込み及び拡開に伴って塑性流動し、軸部１０１ｂの拡
開につれてダイ５の内部に拡げられる。この自己穿孔型
リベット１により接合された接合部は、その静的強度は
抵抗スポット溶接による接合部と同等の強度を有してい
る。

【０００４】先行技術１においては、被接合材であるア
ルミニウム合金材の成分系としてＪＩＳ６０００系アル
ミニウム合金を使用し、そのアルミニウム合金材からな
る被接合材を重ね、これを自己穿孔型リベットにより接
合する。その際、自己穿孔型リベットが打ち込まれるこ
とに伴い、被接合材の特定部位において厳しい塑性流動
を引き起こされ、その結果、当該部位に微細な割れが発
生する。ここで、微細な割れ発生部位として、接合部の
ダイ側に向いた面部位を指摘しており、これは図４にお
ける符号３ｍで示した面部位に相当する。このような微
細割れが発生している接合体が構造体として使用された
場合、動的荷重の繰返し負荷による疲労荷重の環境下に
おいては、その微細割れが亀裂に進展し、疲労寿命を短
縮させることに着眼している。そして、上記微細な割れ
発生を防止するために、自己穿孔型リベットの打込み前
に被接合材に適切な熱処理を施してこれを軟化させると
共に、自己穿孔型リベットの打込み後に、微細割れが発
生し易い部位に適切な高強度化熱処理を施す。このよう
にして、接合体の特定部位における疲労寿命の劣化を改
善している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先行技
術１の方法により、自己穿孔型リベットを使用してアル
ミニウム合金材を接合しても、ある種類のアルミニウム
合金材、例えばＳｉ：１質量％、Ｃｕ：０.５質量％、
Ｍｎ：０．５質量％及びＭｇ：０．６質量％を含むよう
な高強度６０００系合金材、又は伸びの低いアルミニウ
ム合金材等を接合した場合には、図５に示すように、ダ
イ側の凸部分７に割れ欠陥８が発生する（図４参照）こ
とがある。自己穿孔型リベットが打ち込まれ、その軸部
が拡開したときに、塑性流動変形の大きい、被接合材の
接合部ダイ側の凸部分７にこのような割れ欠陥８が存在
すると、接合部の強度特性が損なわれるのは勿論のこ
と、接合部の外観、更にその気密性が損なわれるので好
ましくない。また、この割れ欠陥のようなマクロ的な割
れではなく、ミクロ的な微細な割れが発生したときに
は、疲労強度を劣化させる。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、アルミニウム又は種々の成分組成のアルミ
ニウム合金材についてその接合部に割れ欠陥が発生しな
いように自己穿孔型リベットにより接合することがで
き、従来広く行われている抵抗スポット溶接に替わり得
る接合技術として、接合部の接合強度が優れ、外観が良
好である自己穿孔型リベットによるアルミニウム合金材
の接合方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る自己穿孔型
リベットによるアルミニウム合金材の接合方法は、アル
ミニウム又はアルミニウム合金からなる複数の被接合材
を重ね、その被接合部の背面に、耐力が１５０ＭＰａ以
上、伸びが２０％以上である裏当材を重ね、更にその背
後にダイを配置した後、前記被接合材の表面に自己穿孔
型リベットを打ち込むことを特徴とする。

【０００８】本発明に係る自己穿孔型リベットによるア
ルミニウム合金材の接合方法において、前記ダイは底面
及び側面を有する箱形をなし、前記リベットはその先端
が筒状をなし、前記ダイの底面には、前記リベットの筒
内部に整合する位置に凸部が設けられていることが好ま
しい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について添付
の図面を参照して説明する。図１及び２は、本発明に係
る自己穿孔型リベットによるアルミニウム合金材の接合
方法を示す図であって、図１は自己穿孔型リベットを被
接合材に打ち込む前の状態を示し、そして図２はそれを
被接合材に打ち込んだ後の状態を示すものである。

【００１０】図１に示すように、先ず、アルミニウム合
金材２０１とアルミニウム合金材３０１とをクランプ方
式等適切な手段により両者を重ね、予備締めを行って重
ね体４に形成し、重ね体４を水平に保持する。そして、
所定の金属製裏当材９を、重ね体４の下面に対する裏当
材として配置する。一方、重ね体４の下面側にこの金属
製裏当材９を介して所定のダイ５を配設する。このダイ
５は底面及び側面を有する箱形をなしており、その内部
底面中心部には、上向き突起部５ａが形成されているも
のが好ましい。ここで、裏当材９を配置する方法は、例
えばダイ５の上端面部に裏当材９を設置してもよいし、
又は重ね体４の下面側に予め張り合わせておいてもよ
い。他方、重ね体４の上表面側には、この上表面に接し
て自己穿孔型リベット１の軸部１ｂを鉛直に立脚させ、
この自己穿孔型リベットの頭部１ａの頂面に接してポン
チ６を配設する。ここで、ダイ５と自己穿孔型リベット
１との配設位置関係を、それぞれの鉛直方向軸心どうし
が一致するように調整する。次いで、ポンチ６に所定の
加締め圧力を与えて、自己穿孔型リベット１を重ね体４
に対して鉛直下向きに打ち込むと、自己穿孔型リベット
１はその軸部１ｂから重ね体４の内部に進入して、アル
ミニウム合金材２０１とアルミニウム合金材３０１とを
加締めて接合する。

【００１１】図２に、自己穿孔型リベット１０１により
アルミニウム合金材２０１とアルミニウム合金材３０１
とが加締められて形成された接合体を示す。自己穿孔型
リベット１０１が重ね体４の内部に打ち込まれるにつれ
て、図１に示した軸部１ｂが、ダイ５の底部中心部に設
けられた上向き突起部５ａにより押し拡げられて拡開
し、自己穿孔型リベット１０１がアルミニウム合金材２
０１とアルミニウム合金材３０１とを接合する。この
際、ダイ５側のアルミニウム合金材３０１も自己穿孔型
リベット１０１の軸部１０１ｂの拡開に伴って塑性流動
してダイ５の内部に拡がる。この加締め・接合過程にお
いて裏当材９は常に、ダイ５側の被接合材であるアルミ
ニウム合金材３０１を下側から保持しているので、接合
時に最も厳しい成形条件下にあるアルミニウム合金材３
０１のダイ側凸部７が、裏当材９によって保持されるの
で、この成形上厳しい部位であるアルミニウム合金材３
０１のダイ側凸部７が強制的に大きく伸ばされずに済
む、即ち伸びが緩和される。その結果、アルミニウム合
金材３０１のダイ側凸部７には、図５に符号８で示した
ような割れ欠陥が発生することを防止することができ
る。

【００１２】本発明では、上記裏当材９として、耐力が
１５０ＭＰａ以上であって、伸びが２０％以上の機械的
性質を有するものに限定する。ここで、耐力は０．２％
永久伸び発生時における応力とする。裏当材９として耐
力が１５０ＭＰａ以上の材料に限定する理由は、これ未
満の耐力の材料を裏当材９に使用した場合には、被接合
材を接合した時に、加締め・接合過程における相対的に
小さな応力により裏当材９が過剰に変形してしまうの
で、被接合材のうちアルミニウム合金材３０１のダイ側
凸部７が大きく伸ばされるのを効果的に緩和させること
ができない。その結果、この部位における割れ欠陥の発
生を抑制することができないからである。更に、裏当材
９として伸びを２０％以上のものに限定する理由は、こ
れ未満の伸びの材料を裏当材９に使用した場合には、被
接合材の加締め過程において相対的に大きな応力が加わ
ると、裏当材９自身が十分に変形する以前に破断してし
まうので、被接合材の内アルミニウム合金材３０１のダ
イ側凸部７を裏当材９により保持することが全くできな
くなる。その結果、やはりこの部位における割れ欠陥の
発生を抑制することができないからである。

【００１３】本発明において使用する金属製裏当材９の
板厚については、ダイ５側アルミニウム合金材３０１の
厚さ（図１中、ｔで示す）、自己穿孔型リベット１の外
径（同図中、Ｄ_ｒで示す）及び全長（同図中、Ｌで示
す）、並びにダイ５の内径（図１中、Ｄ_ｄで示す）及び
深さ（図１中、ｄで示す）に応じて適切に選定すること
により、自己穿孔型リベット１は、この軸部１ｂが重ね
体４に打ち込まれたときに適度に押し拡げられて、好ま
しい接合機能を発揮する。自己穿孔型リベット１が重ね
体４に打ち込まれたときに、これが接合機能を発揮する
ためには、図２からわかるように、ダイ５の内部に裏当
材９、ダイ５側アルミニウム合金材３０１及び自己穿孔
型リベット１０１の各一部が陥入することが必要条件で
ある。従って、裏当材９が過度に厚い場合には、この裏
当材９がダイ５の入口近傍を塞いでしまうので、自己穿
孔型リベット１の軸部１ｂがダイ５の内部で全く押し拡
げられなくなり、その接合機能が発揮されない。自己穿
孔型リベット１が好ましい接合機能を発揮するのは、上
記必要条件を満たし、しかも、例えば板厚２ｍｍのアル
ミニウム合金材を２枚重ねて接合する場合に適切な裏当
材９の板厚は、このとき使用される自己穿孔型リベット
１の外径及び全長並びにダイ５の内径及び深さが適切に
設定されている場合に、０．３〜１．３ｍｍの範囲内に
あるときである。

【００１４】上述した方法により形成された自己穿孔型
リベットによるアルミニウム合金材の接合体は、被接合
材が高強度６０００系合金材又は伸びの低いアルミニウ
ム合金材等であるために、接合時に割れが発生しやすい
部位、即ち接合部の自己穿孔型リベットを打ち込むとき
にダイに面した側の被接合材の成形加工条件が通常厳し
い部位に、割れ欠陥が発生することなく、接合部の強度
が優れていると共にその外観が良好である。

【００１５】上記における本発明に係る自己穿孔型リベ
ットによるアルミニウム合金材の接合方法の実施形態の
説明においては、被接合材を２枚のアルミニウム合金材
として扱ったが、本発明では被接合材はアルミニウム合
金材２枚に制限されることなく、被接合材が複数のアル
ミニウム合金材の場合に対しても、上述した本発明の実
施形態についての説明は準用される。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例の効果について、本発
明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。実施例
においては、被接合材として、アルミニウム圧延材６Ｎ
０１−Ｔ５、アルミニウム押出形材６０６３−Ｔ５、及
びアルミニウム鋳物材ＡＣ４ＣＨ−Ｔ５のうちから１種
を選定した。これら各材の引張強度、耐力及び伸びを表
１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】表１に示した各被接合材から厚さが２．０
ｍｍの板状試験片を切り出し、同一材料の板状試験片を
２枚重ね、これに厚さが０．６ｍｍで所定の機械的性質
を有する裏当材を配置し、所定の自己穿孔型リベットを
打ち込んで２枚の被接合材を接合した。ここで使用した
自己穿孔型リベットの打込み装置は、ＨＥＲＯＢ社製の
Self pierce riveting system（自己穿孔型リベット
装置）であり、リベットとして全長が６．５ｍｍ、外径
が５．５ｍｍの軟鋼製の自己穿孔型リベットを使用し、
プリクランプ圧を８ＭＰａ、カシメ圧を１８ＭＰａに設
定し、外径が１１ｍｍ、深さが２．０ｍｍのダイを使用
して被接合材を接合した。その際、裏当材として、板厚
０．６ｍｍのチタン合金板（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ系合
金）、ステンレス鋼板（ＳＵＳ ３０４）、軟鋼板（Ｓ
ＰＣＣ）及びアルミニウム合金板（Ａ ３００４ Ｐ）
のいずれかを使用し、全ての裏当材の場合について接合
試験をした。

【００１９】一方、比較例においては、実施例の試験条
件のうち、裏当材の耐力及び伸びのうち少なくとも一方
が本発明の範囲外のものを使用したか、又は裏当材を使
用しなかったかのいずれか以外は、実施例における試験
条件と同じ条件で試験した。

【００２０】以下、被接合材の種類毎に、試験結果を説
明する。試験結果の評価は、実施例及び比較例の各接合
試験において得られたアルミニウム合金材の接合体につ
いて、ダイ側の被接合材の凸部に生じた割れの有無を目
視で判定し、割れが認められなかったものを○印で表記
し、そして割れが認められたものを×印で表記した。

【００２１】（１）被接合材がアルミニウム合金圧延材
６Ｎ０１−Ｔ５の場合 被接合材は、アルミニウム合金圧延材６Ｎ０１にＪＩＳ
のＴ５熱処理を施したものである。Ｔ５熱処理は、１７
０〜２００℃に１０分〜１０時間加熱する処理であり、
高温加工し冷却した後の人工時効硬化処理方法であり、
積極的に冷間加工をしないで人工時効硬化処理したもの
であるから、被接合材は自己穿孔型リベットを打ち込ま
れて塑性流動の冷間加工を受けてもその効果は小さい。
この場合の試験結果を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】上記表２に示すように、実施例Ｎｏ．１乃
至５においては、接合体の接合部に割れ欠陥が発生する
ことなく、接合部の外観が良好な接合体が得られた。

【００２４】これに対して、表２に示すように、比較例
Ｎｏ．６においては、裏当材であるアルミニウム合金板
のＡ ３００４ Ｐの伸びが本発明の下限値未満であ
り、比較例Ｎｏ．７においては、裏当材であるアルミニ
ウム合金板のＡ ３００４ Ｐの耐力が本発明の下限値
未満であり、比較例Ｎｏ．８においては、裏当材である
アルミニウム合金板のＡ ３００４ Ｐの耐力及び伸び
が本発明の下限値未満であり、そして比較例Ｎｏ．９に
おいては、裏当材を使用しなかったので、いずれにおい
ても接合体の接合部に割れ欠陥が発生し、接合部の外観
が良好な接合体は得られなかった。

【００２５】（２）被接合材がアルミニウム合金押出形
材６０６３−Ｔ５の場合 被接合材は、アルミニウム合金押出形材６０６３にＪＩ
ＳのＴ５熱処理を施したものである。Ｔ５熱処理は、１
７０〜２００℃に１０分〜１０時間加熱する処理であ
り、高温加工し冷却した後の人工時効硬化処理方法であ
り、積極的に冷間加工をしないで人工時効硬化処理した
ものであるから、被接合材は自己穿孔型リベットを打ち
込まれて塑性流動の冷間加工を受けてもその効果は小さ
い。この場合の試験結果を表３に示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】上記表３に示すように、実施例Ｎｏ．１０
乃至１４においては、接合体の接合部に割れ欠陥が発生
することなく、接合部の外観が良好な接合体が得られ
た。

【００２８】これに対して、表３に示すように、比較例
Ｎｏ．１５においては、裏当材であるアルミニウム合金
板のＡ ３００４ Ｐの伸びが本発明の下限値未満であ
り、比較例Ｎｏ．１６においては、裏当材であるアルミ
ニウム合金板のＡ ３００４Ｐの耐力が本発明の下限値
未満であり、比較例Ｎｏ．１７においては、裏当材であ
るアルミニウム合金板のＡ ３００４ Ｐの耐力及び伸
びが本発明の下限値未満であり、そして比較例Ｎｏ．１
８においては、裏当材を使用しなかったので、いずれに
おいても接合体の接合部に割れ欠陥が発生し、接合部の
外観が良好な接合体は得られなかった。

【００２９】（３）被接合材がアルミニウム合金鋳物材
ＡＣ４ＣＨ−Ｔ５の場合 被接合材は、アルミニウム合金鋳物材ＡＣ４ＣＨにＪＩ
ＳのＴ５熱処理を施したものである。Ｔ５熱処理は、１
７０〜２００℃に１０分〜１０時間加熱する処理であ
り、高温加工し冷却した後の人工時効硬化処理方法であ
り、積極的に冷間加工をしないで人工時効硬化処理した
ものであるから、被接合材は自己穿孔型リベットを打ち
込まれて塑性流動の冷間加工を受けてもその効果は小さ
い。この場合の試験結果を表４に示す。

【００３０】

【表４】

【００３１】上記表４に示すように、実施例Ｎｏ．１９
乃至２３においては、接合体の接合部に割れ欠陥が発生
することなく、接合部の外観が良好な接合体が得られ
た。

【００３２】これに対して、表４に示すように、比較例
Ｎｏ．２４においては、裏当材であるアルミニウム合金
板のＡ ３００４ Ｐの伸びが本発明の下限値未満であ
り、比較例Ｎｏ．２５においては、裏当材であるアルミ
ニウム合金板のＡ ３００４Ｐの耐力が本発明の下限値
未満であり、比較例Ｎｏ．２６においては、裏当材であ
るアルミニウム合金板のＡ ３００４ Ｐの耐力及び伸
びが本発明の下限値未満であり、そして比較例Ｎｏ．２
７においては、裏当材を使用しなかったので、いずれに
おいても接合体の接合部に割れ欠陥が発生し、接合部の
外観が良好な接合体は得られなかった。

【００３３】以上の通り、被接合材がアルミニウム圧延
材６Ｎ０１−Ｔ５、アルミニウム押出形材６０６３−Ｔ
５、及びアルミニウム鋳物材ＡＣ４ＣＨ−Ｔ５のうちの
いずれであっても、実施例においては接合体の接合部に
割れ欠陥が発生することなく、接合部の外観が良好な接
合体が得られた。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
自己穿孔型リベットを使用して各種アルミニウム合金材
を、接合部に割れ欠陥を発生させずに接合することがで
きる。また、接合部の外観が良好であり、接合部の強度
が優れている。従って、従来行われている抵抗スポット
溶接に替わり得る接合技術として、接合部の接合強度が
優れ、外観が良好である自己穿孔型リベットによるアル
ミニウム合金材の接合方法を提供することができ、工業
上極めて有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアルミニウム合金材の接合方法に
おいて、自己穿孔型リベットを被接合材に打ち込む前の
状態を説明する概略縦断面図である。

【図２】本発明に係るアルミニウム合金材の接合方法に
おいて、自己穿孔型リベットを被接合材に打ち込んだ後
の状態を説明する概略縦断面図である。

【図３】自己穿孔型リベットの形態を説明する概略縦断
面図である。

【図４】自己穿孔型リベットを使用した従来技術による
接合方法を説明する概略縦断面図である。

【図５】自己穿孔型リベットを使用した従来技術による
接合体に発生する割れ欠陥の発生部位を説明する概略縦
断面図である。

【符号の説明】 １；自己穿孔型リベット １０１；使用状態にある自己穿孔型リベット １ａ；リベット頭部 １ｂ；リベット軸部 １０１ｂ；拡開したリベット軸部 ２、３；アルミニウム合金板 ２０１、３０１；アルミニウム合金材 ３ｍ；接合部のダイ側の面部位 ４；重ね体 ５；ダイ ５ａ；突起部 ６；ポンチ ７；ダイ側凸部 ８；割れ欠陥 ９；金属製裏当材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム又はアルミニウム合金から
   なる複数の被接合材を重ね、その被接合部の背面に、耐
   力が１５０ＭＰａ以上、伸びが２０％以上である裏当材
   を重ね、更にその背後にダイを配置した後、前記被接合
   材の表面に自己穿孔型リベットを打ち込むことを特徴と
   する自己穿孔型リベットによるアルミニウム又はアルミ
   ニウム合金材の接合方法。
2. 【請求項２】 前記ダイは底面及び側面を有する箱形を
   なし、前記リベットはその先端が筒状をなし、前記ダイ
   の底面には、前記リベットの筒内部に整合する位置に凸
   部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の
   自己穿孔型リベットによるアルミニウム又はアルミニウ
   ム合金材の接合方法。