JP2007136506A - 材料の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設計上の制約となるような突起物の張り出し及び緩みや脱落等の心配がなくて済み、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる材料の接合方法を提供する。
【解決手段】接合孔４を予め穿設してある第一材料１を第二材料２と第三材料３とで挟み、接合ツール８を回転しながらピン部７を第二材料２に押し付け、摩擦熱で第二材料２を固相状態のまま局所的に軟化させて第一材料１の接合孔４へ入り込ませると共に、ピン部７を第三材料３にも押し付けて該第三材料３を摩擦熱により固相状態のまま局所的に軟化せしめ、接合孔４に入り込ませた第二材料２と第三材料３との境界部分１０を撹拌してから接合ツール８を引き抜いて境界部分１０を硬化させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、材料の接合方法に関するものである。

近年、自動車業界においては、燃費向上等を目指した車両の軽量化を図る観点からアルミ材等の軽量素材が積極的に採用されており、これによりアルミ材と鉄材等といった溶接が困難な異種材料同士の接合技術に関する重要性が高まってきているが、従来、この種の溶接が困難な異種材料同士の接合に関しては、ボルトによる締結、メカニカルクリンチによる接合、接着剤による接着等の手段が用いられている。

尚、後述する本発明の材料の接合方法に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。
特開２００４−１３６３６５号公報

しかしながら、例えば、ボルトによる締結を採用した場合には、接合すべき材料の表裏面にボルトやナットが突起物として張り出すため、これらの突起物の占有スペースを設計上で確保しなければならないという制約があり、しかも、ボルトによる締結では緩みや脱落等の心配もあり、また、メカニカルクリンチによる接合を採用した場合には、薄板同士の接合が中心となる上、材料に熱を加えずに加圧のみで接合を行うことになるため、割れや変形等の品質欠陥が発生し易いという問題があった。

更に、接着剤による接着を採用した場合には、作業性や作業環境が悪いという問題に加え、リサイクル時における接着剤の材料からの分離が困難であるためにリサイクル性が悪いという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、設計上の制約となるような突起物の張り出し及び緩みや脱落等の心配がなくて済み、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる材料の接合方法を提供することを目的とする。

本発明は、接合孔を予め穿設してある第一材料を前記接合孔を被覆するように第二材料と第三材料とで挟み、前記接合孔内に挿入可能なピン部を有する接合ツールを前記接合孔に対応させて配置し、前記接合ツールを回転しながらピン部を第二材料に押し付け、該第二材料とピン部との間に生じた摩擦熱で前記第二材料を固相状態のまま局所的に軟化させて第一材料の接合孔へ入り込ませると共に、前記ピン部を第三材料にも押し付けて該第三材料を摩擦熱により固相状態のまま局所的に軟化せしめ、前記接合孔に入り込ませた第二材料と前記第三材料との境界部分を撹拌してから前記接合ツールを引き抜き、前記境界部分を硬化させて第一材料と第二材料と第三材料を三枚重ねで接合することを特徴とする材料の接合方法、に係るものである。

而して、このようにすれば、第一材料の接合孔内に入り込んで硬化した第二材料が第三材料に対し摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）されることになり、これら第二材料と第三材料との間で第一材料が強固に挾持されて第一材料と第二材料と第三材料の三枚重ねでの良好な接合が実現される。

この際、第一材料の接合孔内に入り込む第二材料は、第三材料側に対して摩擦撹拌接合されるだけで、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物が張り出すことがないため、この種の突起物の占有スペースを確保するといった設計上の制約がかからなくて済み、しかも、ボルト締結を採用した場合のような緩みや脱落等の心配もなくなる。

また、接合ツールのピン部により第二材料に摩擦熱を与えて軟化させた上で第一材料の接合孔に入り込ませ、その接合孔に入り込んだ第二材料と第三材料との境界部分についても摩擦熱を与えつつ軟化させて撹拌し、特に軟化させない第一材料側には無理な加圧力をかけることなく接合を完了するようにしているので、第一材料、第二材料、第三材料の板厚が比較的大きくなっても対応させることが可能で、薄板から厚板までの広範な範囲で接合が実現されることになり、しかも、割れや変形等の品質欠陥の発生が未然に回避されることにもなる。

更に、接着剤のような介在物無しで第一材料と第二材料と第三材料が強固に接合されることになるので、接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化を招かなくても済み、しかも、リサイクル時における分離作業が容易なリサイクル性に優れた接合が実現されることになる。

また、本発明をより具体的に実施するに際しては、第一材料の接合孔の内側面に溝部を予め形成しておき、前記接合孔に入り込ませた第二材料側に前記溝部と嵌合する山部を形成することが好ましく、このようにすれば、第一材料側の溝部と第二材料側の山部との嵌合により抜け止めや回り止めの効果が奏されて、第一材料と第二材料と第三材料との一層強固な接合が図られることになる。

尚、本発明において、第一材料に重ねる第二材料の板厚が薄過ぎて、接合孔に入り込ませるべき第二材料が不足する虞れがある場合には、第二材料側における第一材料の接合孔に対応する位置を部分的に板厚増加して材料不足を補うことが可能である。

更に、本発明の材料の接合方法は、同一材料の二股状の端部を第二材料及び第三材料として第一材料を挟むようにしても良く、このようにした場合にも第一材料と第二材料と第三材料との三枚重ねの接合が実現されることになる。

また、第一材料に対し接合孔をスポット状に穿設しておき、該接合孔に対応した一点に接合ツールを位置決めしてスポット接合を行うようにしても良く、或いは、第一材料に対し接合孔をスリット状に穿設しておき、該接合孔の長手方向に接合ツールを移動させて連続接合を行うようにしても良い。

上記した本発明の材料の接合方法によれば、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物の張り出しがないことから設計上の制約を大幅に緩和することができると共に、ボルト締結の場合の如き緩みや脱落等の心配も解消することができ、しかも、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、更には、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる等種々の優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、鉄材の第一材料１をアルミ材の第二材料２及び第三材料３で挟んで三枚重ねでスポット接合する場合を例示している。

図１に示す如く、第一材料１には、その厚さ方向に貫通する接合孔４がスポット状に穿設され、該接合孔４の内周面にネジ加工による螺旋状の溝部５が形成されており、また、第三材料３の下面側（反第二材料２側）には、前記接合孔４の位置と対応するように裏当て部材６が配置されている。

更に、前記第二材料２の上側には、第一材料１の接合孔４内に挿入可能なピン部７を下端に有する円柱状の接合ツール８が前記接合孔４と同心状に配置されており、図示しない接合装置により回転可能且つ昇降可能に支持されるようになっている。

そして、このように重ね合わせた第一材料１と第二材料２と第三材料３を接合ツール８により接合するにあたっては、図１の状態から図２に示すように接合ツール８を回転しながら下降してピン部７を第二材料２に押し付け、該第二材料２と接合ツール８のピン部７との間に生じた摩擦熱で前記第二材料２を固相状態のまま局所的に軟化させて第一材料１の接合孔４へ入り込ませる。

更に、図３に示す如く、接合ツール８をショルダー部９が第二材料２の表面に当接する位置まで下降させると、接合孔４に入り込ませた第二材料２が塑性流動及び圧入により接合孔４の全域に拡がり、接合孔４の螺旋状の溝部５と嵌合することで第二材料２側に螺旋状（ネジ山状）の山部５’が形成され、該山部５’が第一材料１側との機械的な係合を成すことになる。

しかも、接合ツール８のピン部７を第三材料３の表面にも押し付け、該第三材料３を摩擦熱により固相状態のまま局所的に軟化せしめると、前記接合孔４に入り込ませた第二材料２と前記第三材料３との境界部分１０が撹拌されることになり、然る後に、図４に示す如く、接合ツール８を上方へ引き抜いて前記山部５’及び前記境界部分１０を硬化させると、第一材料１の接合孔４内に入り込んで硬化した第二材料２が第三材料３に対し摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）され、しかも、前記第二材料２が第一材料１側との間に成す山部５’により抜け止めや回り止めの効果が奏されることになる。

即ち、以上に述べた如き第二材料２と第三材料３との間で第一材料１が強固に挾持された構造によれば、接合孔４の軸心方向（図４中では上下方向）に向けた第一材料１、第二材料２、第三材料３の相対変位が固定されて抜け止め効果が得られ、しかも、このように軸心方向の相対変位が固定された状態にあっては、同方向への相対変位を伴う軸心回りの回転（接合孔４の溝部５と第二材料２側の山部５’とが螺合状態にある）も不可能となって回り止め効果が得られることになり、これら第二材料２と第三材料３との間で第一材料１が強固に挾持されて第一材料１と第二材料２と第三材料３の三枚重ねでの良好な接合が実現される。

事実、本発明者による検証実験では、鋼板ＳＳ４００で５ｍｍ厚の第一材料１を中板として挟み、上板にアルミ６０００系で５ｍｍ厚の第二材料２を重ね、下板にアルミ６０００系で４ｍｍ厚の第三材料３を重ねた場合の接合において、約１２.２６ｋＮの引張り剪断強度が得られることが確認された。

尚、ここでは接合孔４の内周面に螺旋状の溝部５をネジ加工した場合を例示したが、この溝部５は必ずしも螺旋状に形成することに限定されるものではなく、例えば、リング状の溝部５とスプライン状の溝部５との組み合わせ（螺旋状の溝部５とスプライン状の溝部５との組み合わせでも可）により抜け止めや回り止めの効果が得られるようにすることが可能である。

更に、本形態例において、第一材料１の接合孔４内に入り込む第二材料２は、第三材料３に対して摩擦撹拌接合されるだけであり、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物が張り出すことがないため、この種の突起物の占有スペースを確保するといった設計上の制約がかからなくて済み、しかも、ボルト締結を採用した場合のような緩みや脱落等の心配もなくなる。

また、接合ツール８のピン部７により第二材料２に摩擦熱を与えて軟化させた上で第一材料１の接合孔４に入り込ませ、その接合孔４に入り込んだ第二材料２と第三材料３との境界部分１０についても摩擦熱を与えつつ軟化させて撹拌し、特に軟化させない第一材料１側には無理な加圧力をかけることなく接合を完了するようにしているので、第一材料１、第二材料２、第三材料３の板厚が比較的大きくなっても対応させることが可能で、薄板から厚板までの広範な範囲で接合が実現されることになり、しかも、割れや変形等の品質欠陥の発生が未然に回避されることにもなる。

尚、第一材料１に重ねる第二材料２の板厚が薄過ぎて、接合孔４に入り込ませるべき第二材料２が不足し、該第二材料２によりピン部７と接合孔４との隙間が良好に埋まりきらないような事態が生じた場合には、図５に示す如く、第一材料１の接合孔４の直上にあたる第二材料２側の表面に隆起部２ａを一体的に形成したり、或いは、図示しない別の第二材料のピースを前記隆起部２ａとして追加したりして部分的に板厚増加を図り、これにより材料不足を補ってピン部７と接合孔４との隙間が確実に第二材料２で埋まるようにすれば良い。

この際、前記隆起部２ａのサイズを接合ツール８のショルダー部９の外径Ｄ内に収めるようにすれば、該ショルダー部９により前記隆起部２ａが残存することなく軟化して平坦化され、第二材料２の最終的な上面形状をフラットなものとすることが可能となる。

更に、接着剤のような介在物無しで第一材料１と第二材料２と第三材料３が強固に接合されることになるので、接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化を招かなくても済み、しかも、リサイクル時における分離作業が容易なリサイクル性に優れた接合が実現されることになる。

従って、上記形態例によれば、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物の張り出しがないことから設計上の制約を大幅に緩和することができると共に、ボルト締結の場合の如き緩みや脱落等の心配も解消することができ、しかも、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、更には、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができるという優れた効果を奏することができる。

更に、本発明の材料の接合方法は、図６に示す如く、同一材料の二股状の端部を第二材料２及び第三材料３として第一材料１を挟むようにしても良く、このようにした場合には、第一材料１の端部を第二材料２及び第三材料３の二股形状に丁度嵌まり込むような凸型に形成しておくことによって、同じ板厚のまま接続された継手構造を成すようにすることが可能である。

また、以上に述べた各形態例においては、第一材料１に対し接合孔４をスポット状に穿設しておき、該接合孔４に対応した一点に接合ツール８を位置決めしてスポット接合を行う場合で説明したが、先の図１〜図６における接合孔４を図面に対し直角な向きに延びるスリット状に穿設しておき、該接合孔４の長手方向に接合ツール８を移動させて連続接合を行うようにすることも可能である。

このような連続接合にあっては、接合ツール８が回転しながら移動することによって、接合始端部から接合終端部の手前までの間が、軟化した第二材料２により順次埋められていくことになり、最終的に終端部に穴が残るだけで済んで比較的美観の良い仕上がりとなる。

尚、本発明の材料の接合方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、第一材料、第二材料、第三材料は必ずしも異種材料でなくても良く、第一材料、第二材料、第三材料が同種材料であっても同様の接合方法を適用して良いこと、更に、第一材料は接合孔が穿設できるものであれば特にその材質を問わないこと、また、第二材料及び第三材料は摩擦熱で固相状態のまま局所的に軟化させられるものであれば良く、金属材料以外に高分子材料等を適宜に採用し得ること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。 図１の接合ツールを回転しながら下降した状態を示す断面図である。 図２の接合ツールのピン部が第三材料に到達した状態を示す断面図である。 図３の状態から接合ツールを引き上げた状態を示す断面図である。 第二材料側の表面に隆起部を形成した例を示す断面図である。 同一材料の二股状の端部を第二材料及び第三材料とした例の断面図である。

符号の説明

１ 第一材料
２ 第二材料
２ａ 隆起部
３ 第三材料
４ 接合孔
５ 溝部
５’ 山部
６ 凹部
７ ピン部
８ 接合ツール
９ ショルダー部
１０ 境界部分

Claims (6)

1. 接合孔を予め穿設してある第一材料を前記接合孔を被覆するように第二材料と第三材料とで挟み、前記接合孔内に挿入可能なピン部を有する接合ツールを前記接合孔に対応させて配置し、前記接合ツールを回転しながらピン部を第二材料に押し付け、該第二材料とピン部との間に生じた摩擦熱で前記第二材料を固相状態のまま局所的に軟化させて第一材料の接合孔へ入り込ませると共に、前記ピン部を第三材料にも押し付けて該第三材料を摩擦熱により固相状態のまま局所的に軟化せしめ、前記接合孔に入り込ませた第二材料と前記第三材料との境界部分を撹拌してから前記接合ツールを引き抜き、前記境界部分を硬化させて第一材料と第二材料と第三材料を三枚重ねで接合することを特徴とする材料の接合方法。
2. 第一材料の接合孔の内側面に溝部を予め形成しておき、前記接合孔に入り込ませた第二材料側に前記溝部と嵌合する山部を形成することを特徴とする請求項１に記載の材料の接合方法。
3. 第二材料側における第一材料の接合孔に対応する位置を部分的に板厚増加して材料不足を補うことを特徴とする請求項１又は２に記載の材料の接合方法。
4. 同一材料の二股状の端部を第二材料及び第三材料として第一材料を挟むことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の材料の接合方法。
5. 第一材料に対し接合孔をスポット状に穿設しておき、該接合孔に対応した一点に接合ツールを位置決めしてスポット接合を行うことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の材料の接合方法。
6. 第一材料に対し接合孔をスリット状に穿設しておき、該接合孔の長手方向に接合ツールを移動させて連続接合を行うことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の材料の接合方法。

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