JP2007278337A - 部材接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一方の接合部材の上面及び下面を他方の接合部材に接合する部材接合方法において、設備の簡素化を図ると共に、接合部材同士の位置決め性を確保し、溶接熱による部材の変形を抑制する。
【解決手段】 上面３２及び下面３１を有するサイドシル３と、該サイドシルの上面３２及び下面３１にそれぞれ対向する部位２１ａ′、２１ａ″を有する延出部２１ａとを上方及び下方の各対向部でそれぞれ接合する部材接合方法であって、前記下方の対向部を接着剤Ａにより接着する接着ステップ（図４（ａ）、（ｂ））と、該接着剤Ａによる接着完了前に、前記上方の対向部を高密度熱源Ｂによる溶接により接合する溶接ステップ（図４（ｃ））とを有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一対の部材を接合する部材接合方法に関し、接合技術の技術分野に属する。

現在、自動車の車体などは、板金をプレスして組合せ、応力分散構造となるモノコック構造が主流であるが、アルミ合金パネル等を用いて軽量化を図る際には、まずパイプ材の骨格を組み立てた後、パネルを組み付けるフレーム構造とされることがある。

そして、前記フレーム構造における骨格の組み立てにおいては、接合部材同士を接着剤により接合する方法や、レーザ等の高密度熱源により接合する方法があるが、同一接合部位で接着剤と高密度熱源とを併用し、より強固な接合構造とすることが特許文献１に開示されている。すなわち、この文献１には、接合部材同士の合せ面に接着剤を塗布し、該合せ面の端部をレーザ溶接する方法が開示されている。
特開２００１−１９３７１５号公報

ところで、前記接合部材として、例えば図１５に断面形状で示すように、径の異なる一対のパイプ材１００，２００に対して一方のパイプ材１００を他方のパイプ材２００に挿入した状態で上部及び下部を接合するときのように、一方の接合部材１００の上面１００ａ及び下面１００ｂを他方の接合部材２００の上部下面２００ａ及び下部上面２００ｂに接合する際に、接着剤又は高密度熱源の同一接合手段で上部及び下部を接合するのが一般的であるが、この場合に以下のような問題がある。

すなわち、例えば他方の接合部材２００の上部下面２００ａ及び下部上面２００ｂに接着剤を塗布し、ここに一方の接合部材１００を挿入して接着接合するようにした場合は、接着剤を塗布する際のノズルの姿勢制御が複雑になって生産性が低下する。さらに、塗布後直ぐに硬化する接着剤は扱い難いため、塗布後ある程度の時間経過したときに硬化する接着剤が使用されることになるが、接着剤が硬化するまで接合部材１００，２００を精密に位置調整した状態で保持しなければならないという問題がある。

また、他方の接合部材２００に一方の接合部材１００を挿入した状態で、他方の接合部材２００の上側及び下側から高密度熱源を照射し、両接合部材１００，２００を上下で溶接するようにした場合は、熱源の照射角度を上下に変えなければならないので該熱源の設備の複雑化を招くことになる。また、このように溶接だけで十分な接合強度を確保しようとすると、溶接熱が大きくなって熱歪による接合部材１００，２００の変形が生じるおそれがあると共に、この変形に伴って接合後の接合部材１００，２００の位置精度が低下するという問題もある。

そこで、本発明は、一方の接合部材の上面及び下面を他方の接合部材に接合する部材接合方法において、設備の簡素化を図ると共に、接合部材同士の位置決め性を確保し、溶接熱による部材の変形を抑制することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、上面及び下面を有する第１接合部材と、該第１接合部材の上面及び下面にそれぞれ対向する部位を有する第２接合部材とを上方及び下方の各対向部でそれぞれ接合する部材接合方法であって、前記下方の対向部を接着手段により接着する接着ステップと、該接着手段による接着完了前に、前記上方の対向部を高密度熱源による溶接により接合する溶接ステップとを有することを特徴とする。

なお、前記接着手段としては接着剤や加熱により膨張して接着させる発泡充填材などがある。ここで、接着手段による接着完了前とは、接着剤の場合は未だ硬化していない液体状態のことであり、発泡充填材の場合は加熱前の状態である。また、前記高密度熱源としてはレーザビーム、電子ビーム、プラズマアーク、ガスなどがある。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の部材接合方法において、前記第１接合部材は、上面及び下面を有する挿入部を有し、前記第２接合部材は、前記挿入部が挿入される袋状部を有し、かつ、前記挿入部の上面と袋状部のそれに対向する部位とが上方の接合部とされ、前記挿入部の下面と袋状部のそれに対向する部位とが下方の接合部とされていることを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載の部材接合方法において、前記第２接合部材の袋状部は、前記挿入部が挿入される側の端面が上方側よりも下方側が突出するように傾斜して形成されていることを特徴とする。

一方、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の部材接合方法において、前記接着手段は、熱硬化型または紫外線硬化型の接着剤であり、前記溶接ステップの後に、該接着剤の加熱または紫外線照射による硬化を行う接着剤硬化ステップを有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、前記請求項４に記載の部材接合方法において、前記接着手段は、熱硬化型の接着剤とされ、前記接着剤硬化ステップは、塗装乾燥工程と併せて行われることを特徴とする。

さらに、請求項６に記載の発明は、前記請求項１から請求項５に記載の部材接合方法において、前記高密度熱源は、レーザビームであることを特徴とする。

そして、請求項７に記載の発明は、前記請求項１から請求項６に記載の部材接合方法において、前記第１、第２接合部材のうちの少なくとも一方は、軽金属材料からなることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、第１、第２接合部材の上方の対向部と下方の対向部とが接着手段又は高密度熱源の異なる接合手段により接合されるので、接着手段として接着剤が用いられる場合にノズルの姿勢制御を上下に変更することがなくなって制御の簡素化が図られると共に、高密度熱源の照射方向も上下に変更することがないので設備の簡素化が図られる。

また、接着手段による接着完了前に、高密度熱源による溶接により上方の対向部が接合されるので、第１、第２接合部材の相対位置が固定される。この結果、接着手段が接着完了するまで第１、第２接合部材の相対位置を精密に保持しておく必要がなくなるので、作業性が向上する。さらに、溶接が施されるのが片側だけであるから熱影響が小さくなって部材の熱歪による変形が抑制される。

ところで、上方の対向部を接着剤により接着する場合には、第２接合部材における第１接合部材の上面に対向する面に接着剤が塗布されることになるが、ここに接着剤を塗布すると液だれが生じ、接合品質の低下を招く。これに対し、本発明によれば、下方の対向部を接着手段により接合するので、接着剤の液だれが防止され、良好な接合品質が得られるという効果もある。

また、請求項２に記載の発明によれば、前記第１接合部材は、上面及び下面を有する挿入部を有し、前記第２接合部材は、前記挿入部が挿入される袋状部を有し、かつ、前記挿入部の上面と袋状部のそれに対向する部位とが上方の接合部とされ、前記挿入部の下面と袋状部のそれに対向する部位とが下方の接合部とされている場合に、前記請求項１の発明の方法を適用することにより、作業性を向上しつつ、挿入部と袋状部とを良好に接合することができる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、前記第２接合部材の袋状部は、前記挿入部が挿入される側の端面が上方側よりも下方側が突出するように傾斜して形成されているので、接着手段による接着作業が容易となる。つまり、接着手段として接着剤を用いる場合は、接着剤供給用のノズルが袋状部の挿入部の下面に対向する部位に近接しやすくなると共に、接着手段として発泡充填材を用いる場合は、該発泡充填材を袋状部の挿入部の下面に対向する部位に装着するときの作業性が向上する。

次に、請求項４に記載の発明によれば、前記接着手段は、熱硬化型または紫外線硬化型の接着剤であり、高密度熱源により上方の対向部が溶接された後に、前記接着剤の加熱または紫外線照射による硬化が行われるので、接着剤を確実に硬化させることができ、確実に十分な接合強度を確保することができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、前記接着手段は、熱硬化型の接着剤とされており、この接着剤は塗装乾燥工程で硬化させる。つまり、一般に車体の組み立て後には塗装工程に移送されることになるが、塗装工程における乾燥工程で車体を乾燥するために加熱が行われるので、熱硬化型の接着剤も加熱により硬化することになる。この結果、接着剤を硬化させるための工程を別途設けることなく、既存の工程を利用して作業の簡素化が図られる。

さらに、請求項６に記載の発明によれば、前記高密度熱源としてレーザビームが使用されるので、大掛かりな付帯設備等を設けることなく、熱影響のより少ない溶接を簡単に行うことができる。つまり、高密度熱源として例えば電子ビームを使用する場合は、真空引きの設備等が必要となるので、設備が大掛かりとなるのであるが、レーザビームによる溶接はこのような大掛かりな設備は必要なく、設備の簡素化が図られるのである。

そして、請求項７に記載の発明によれば、前記第１、第２接合部材のうちの少なくとも一方は、軽金属材料からなるので、溶接熱による熱膨張、つまり熱歪による変形が生じやすいが、前記のように上方の対向部にのみ溶接が行われるので、熱影響を極力少なくすることができる。この結果、熱影響に対して弊害が出易い軽金属材料に対しても良好な接合を行うことが可能となる。

以下、本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１に示すように、フレーム構造の車体１の一部としてジョイント部材２が備えられ、該ジョイント部材２は、サイドシル３とセンターピラー下部４とを連結するようになっている。

前記ジョイント部材２は、アルミニウム合金製の中空の部材であって、上部及び両側部に延出する延出部２１ａ，２１ｂ，２１ｃがそれぞれ設けられている。これらの延出部２１ａ，２１ｂ，２１ｃは断面略正方形の筒状に形成され、端部にそれぞれ開口部２２…２２（図中右側の延出部２１ｂに設けられた開口部は省略する）が設けられている。両側部に設けられた延出部２１ａ，２１ｂは、下部が上部よりも外方に突出するように端部２３，２３が傾斜して形成されている。

また、図２に示すように、前記サイドシル３は、アルミニウム合金を押出成形により断面略正方形の筒状に成形したものであって、その外径は前記ジョイント部材２の側部の延出部２１ａに設けられた開口部２２よりも若干小径とされている。そして、延出部２１ａの開口部２２にサイドシル３が挿入されると共に、上部の延出部２１ｃの開口部２２にセンターピラー下部４が挿入され、それぞれ接合されることになる。なお、前記ジョイント部材２及びサイドシル３は、アルミニウム合金製のものに限らず、マグネシウム等の軽金属材料で成形されたものでもよい。

ここで、前記ジョイント部材２とサイドシル３との接合方法について説明する。

まず、図３に示すように、ロボットのアーム４１に取り付けられた接着剤供給用のノズル４２を備えた装置４０が準備される。この装置４０は、ノズル４２の位置を３次元的に制御可能とされると共に、ノズル先端４２ａからは被接着面アに接着剤Ａを供給可能となっている。

そして、図４（ａ）に示すように、ノズル先端４２ａが下向きとなる状態で、前記ジョイント部材２の延出部２１ａの下部上面２１ａ′に近接させる。そして、ノズル先端４２ａから接着剤Ａを供給しつつ、該先端４２ａを延出部２１ａの下部上面２１ａ′における先端部近傍を幅方向に移動させることにより、幅方向に沿って直線状に接着剤Ａが塗布される。

前記接着剤Ａは、熱を加えることにより硬化する熱硬化型接着剤であり、例えば硬化時の耐衝撃性に優れるＤＯＷ社の製品名「ＢＭ１４８０」又は「ＢＭ１４９６Ｖ」などが使用される。なお、前記接着剤Ａは、紫外線硬化型のものであってもよく、この場合は、例えば金属同士を良好に接着可能なスリーボンド社の製品名「３１１３Ｂ紫外線硬化型エポキシ樹脂」などが使用される。

次に、図４（ｂ）に示すように、サイドシル３をジョイント部材２の延出部２１ａの開口部２２に挿入する。このとき、前記接着剤Ａは硬化していない液体状態であり、サイドシル３の端部を挿入することによりの下面３１と延出部２１ａの下部上面２１ａ′との間で接着剤Ａが引き伸ばされることになる。そして、サイドシル３は所定の挿入深さで位置決めされ、このときサイドシル３の挿入された部分を挿入部３′とする。

この後、図４（ｃ）に示すように、延出部２１ａ′の上方からレーザビームＢの照射を行い、延出部２１ａの上部２１ａ″とサイドシル３の上面３２とをレーザ溶接する。このレーザビームＢは、内周側に挿入部３′が重なる範囲の延出部２１ａの上部２１ａ″の幅方向中央部に点状に照射され、又は重なる範囲の延出部２１ａの上部２１ａ″の幅方向に亘って線状に照射され、又は重なる範囲の延出部２１ａの上部２１ａ″の複数箇所に点状に照射される。そして、レーザビームＢの照射により延出部２１ａの照射箇所Ｂ′が溶融すると共にこれに重なるサイドシル３の上面３２も溶融し、これを凝固させることにより延出部２１ａとサイドシル３の上部同士が接合された状態となる。

ここで、前記レーザ溶接に使用されるレーザ装置としては、図５に示すように、レーザ源５１から発振されたレーザＢを複数のミラー５２…５２で反射させることによって、被溶接面イに焦点を設定する所謂リモートレーザ装置５０が用いられる。この装置５０では、矢印ウ、エで示すように、ミラー５２…５２の角度を変更することにより焦点の位置をずらすことが可能であり、例えば線状に溶接する場合は、レーザ源５１からレーザＢを出力しつつミラー５２…５２の角度を徐々に変更していくことになる。なお、前記図４（ｃ）で示した溶接は、レーザビームＢによるものに限らず、電子ビーム、プラズマアーク、ガスなどの高密度熱源によるものであればよい。

次に、延出部２１ａとサイドシル３の上部同士が溶接により接合された状態で、塗装工程に送られる。この塗装工程では、電着塗装を行った後、電着乾燥炉に送られるようになっており、この電着乾燥炉で車体に熱が加えられる（例えば１８０〜２００℃で３０分の加熱）。この結果、延出部２１ａの下部上面２１ａ′とサイドシル３の下面３１との間に介在する接着剤Ａが硬化し、前記ジョイント部材２とサイドシル３との接合が完了する。なお、接着剤Ａとして紫外線硬化型接着剤が使用される場合は、塗装工程の前に、つまり前記溶接が行われた後に、該接着剤Ａに対して紫外線を照射することにより該接着剤Ａを硬化させることになる。そして、このとき得られた延出部２１ａとサイドシル３との接合構造は、上部で溶接により接合され、下部で接着剤Ａにより接着接合されたものとなる。

以上のように、ジョイント部材２の延出部２１ａの開口部２２にとサイドシル３が挿入され、これらの上部と下部とが接着剤Ａ又はレーザビームＢの異なる接合手段により接合されるので、接着剤Ａを供給するノズル４２の姿勢制御を上下に変更することがなくなって制御の簡素化が図られると共に、レーザビームＢの照射方向も上下に変更することがないので設備５０の簡素化が図られる。

また、接着剤Ａの硬化前に、レーザビームＢによる溶接部分が接合されるので、ジョイント部材２とサイドシル３との相対的な位置が固定される。この結果、接着剤Ａが硬化するまでジョイント部材２とサイドシル３との相対位置を精密に保持しておく必要がなくなるので、作業性が向上する。さらに、溶接が施されるのが上部だけであるから熱影響が小さくなって部材２，３の熱歪による変形が抑制される。

ところで、ジョイント部材２とサイドシル３との上部を接着剤Ａにより接着する場合には、ジョイント部材２の上部２１ａ″の下面に接着剤Ａが塗布されることになるが、ここに接着剤Ａを塗布すると液だれが生じ、接合品質の低下を招く。これに対し、前記のようにジョイント部材２とサイドシルとの下部を接着剤Ａにより接着する構成とされ、延出部２１ａの下部上面２１ａ′に接着剤Ａが塗布されるようになっているので、接着剤Ａの液だれの問題が解消され、良好な接合品質が得られるという効果もある。

また、前記ジョイント部材の延出部２１ａは、端面２３が上方側よりも下方側が突出するように傾斜して形成されているので、ノズル４２を近接させるための間口が広くなって、接着剤Ａの塗布作業が容易となる。

一方、前記接着剤Ａは、熱硬化型または紫外線硬化型の接着剤であり、溶接により延出部２１ａとサイドシル３との上部が接合された後に、該接着剤Ａの加熱または紫外線照射による硬化が行われるので、接着剤Ａを確実に硬化させることができ、接合不良の発生が防止される。

また、前記実施形態のように、熱硬化型の接着剤Ａが使用された場合には、塗装乾燥工程で接着剤を硬化させることが可能であるから、接着剤Ａを硬化させるための工程を別途設けることなく、既存の工程を利用して作業の簡素化が図られる。

さらに、溶接する際にレーザビームＢが使用されるので、大掛かりな付帯設備等を設けることなく、熱影響のより少ない溶接を簡単に行うことができる。つまり、高密度熱源として例えば電子ビームを使用する場合は、真空引きの設備等が必要となるので、設備が大掛かりとなるのであるが、レーザービームＢを使用することによりこのような大掛かりな設備は必要なくなる。

そして、前記ジョイント部材２又はサイドシル３のうちの少なくとも一方は、軽金属材料からなるので、溶接熱による熱膨張、つまり熱歪の変形が生じやすいが、前記のように上部にのみ溶接が行われるので熱影響を極力少なくすることができる。この結果、熱影響に対して弊害が出易い軽金属材料に対しても良好な接合を行うことが可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態は、前記接着剤Ａに代えて発泡充填材Ｃを用いるものである。この発泡充填材Ｃは、熱を加えると体積が膨張するもので（発泡倍率１．５倍以上）、例えば共和産業の商品名「ＨＹ−１００」（発泡倍率４．８倍）などが用いられる。

まず、図６、７に示すように、サイドシル３の下面３１の先端部近傍には断面コ字状の発泡充填材Ｃが下方から装着されている。この発泡充填材Ｃは、射出成形により成形されたものであって、中央部にクリップＤが取り付けられている。また、サイドシル３の先端部近傍の下部中央には孔部３３が設けられており、該孔部３３に前記クリップＤの先端を嵌め込むことによりサイドシル３に対して発泡充填材Ｃを固定するようになっている。なお、前記クリップＤは、発泡充填材Ｃの射出成形の際に一体成形することも可能である。

一方、図８に示すように、ジョイント部材２の延出部２１ａの先端近傍には、内周に亘って凹む段差部２１ａ_１が設けられている。そして、図９、１０に示すように、前記サイドシル３が延出部２１ａに挿入されたときに、前記発泡充填材Ｃが前記段差部２１ａ_１に嵌り込むことになる。

この状態で、延出部２１ａの上方から前記同様にレーザビームＢを照射して溶接し、この後、発泡充填材Ｃに高熱を加えて膨張させることにより、延出部２１ａとサイドシル３との接着作用が得られ、接合が完了する。このとき得られた延出部２１ａとサイドシル３との接合構造は、上部で溶接により接合され、下部で発泡充填材Ｃにより接着接合されたものとなる。

そして、この実施形態においても、前記第１の実施の形態と同様の作用効果が得られ、加えて、延出部２１ａの段差部２１ａ_１と発泡充填材Ｃとの係合によりサイドシル３の長手方向の接合強度が向上すると共に、発泡充填材Ｃを使用したときの特有の効果として振動減衰性が向上する。また、前記のように延出部２１ａの端部２３を傾斜して形成したことにより、発泡充填材Ｃの段差部２１ａ_１に装着する際の作業性が向上することになる。さらに、発泡充填材Ｃを膨張させる工程として前記のように塗装乾燥工程を兼用させ、工程を低減させることも可能である。

次に、前記第１の実施の形態の変形例について説明すると、図１１に示すように、ジョイント部材２の延出部２１ａの下部上面２１ａ′に一対の直方体の突起部２１ａ_２，２１ａ_２が幅方向に並んで設けられていると共に、図１２に示すように、サイドシル３の下面３１に前記突起部２１ａ_２，２１ａ_２に嵌合する一対の孔部３４，３４（一方のみ図示）が設けられている。この構成によればメカニカルに接合強度の向上が図れ、特にサイドシル３の長手方向の衝撃に対する耐性が向上する。また、前記突起部２１ａ_２，２１ａ_２と孔部３４，３４を嵌合させることにより、サイドシル３を延出部２１ａに挿入したときのおおよその位置決めが可能であり、作業性が向上する。

また、図１３に示すように、ジョイント部材２の延出部２１ａの下部上面２１ａ′に一対の略半球状となる突起部２１ａ_３，２１ａ_３が幅方向に並んで設けられ、図１４に示すように、サイドシル３の下面３１に前記突起部２１ａ_３，２１ａ_３に嵌合する一対の窪み３５，３５（一方のみ図示）が設けられているものであっても、同様の作用効果が得られる。

なお、このような構造に限らず、延出部２１ａの突起部がサイドシル３の凹みに係合する構造であればよく、突起部の数、形状は任意でよい。また、サイドシル３に突起部を設け、延出部２１ａに凹みを設けるようにしてもよい。

本発明は、一対の部材を接合する部材接合方法に関し、接合の作業性を向上すると共に良好な接合構造を得ることができるので、製造産業に広く利用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る車体の骨格及びジョイント部材の説明図である。 サイドシルの斜視図である。 接着剤供給用ノズルの説明図である。 接合の各工程の説明図である。 リモートレーザ装置の説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係るサイドシルの斜視図である。 図６のＸ−Ｘ線による断面図である。 ジョイント部材の延出部の斜視図である。 サイドシルを延出部に挿入したときの説明図である。 図９のＹ−Ｙ線による断面図である。 ジョイント部材の変形例の斜視図である。 サイドシルを延出部に挿入したときの説明図である。 ジョイント部材の変形例の説明図である。 サイドシルを延出部に挿入したときの説明図である。 従来技術の問題点の説明図である。

符号の説明

２ ジョイント部材
３ サイドシル
３′ 挿入部
２１ａ 延出部
２１ａ′ 下部上面
２１ａ″ 上部
３１ 下面
３２ 上面
Ａ 接着剤
Ｂ レーザビーム

Claims (7)

1. 上面及び下面を有する第１接合部材と、該第１接合部材の上面及び下面にそれぞれ対向する部位を有する第２接合部材とを上方及び下方の各対向部でそれぞれ接合する部材接合方法であって、
   前記下方の対向部を接着手段により接着する接着ステップと、
   該接着手段による接着完了前に、前記上方の対向部を高密度熱源による溶接により接合する溶接ステップとを有することを特徴とする部材接合方法。
2. 前記請求項１に記載の部材接合方法において、
   前記第１接合部材は、上面及び下面を有する挿入部を有し、
   前記第２接合部材は、前記挿入部が挿入される袋状部を有し、かつ、
   前記挿入部の上面と袋状部のそれに対向する部位とが上方の接合部とされ、前記挿入部の下面と袋状部のそれに対向する部位とが下方の接合部とされていることを特徴とする部材接合方法。
3. 前記請求項２に記載の部材接合方法において、
   前記第２接合部材の袋状部は、前記挿入部が挿入される側の開口端面が上方側よりも下方側が突出するように傾斜して形成されていることを特徴とする部材接合方法。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の部材接合方法において、
   前記接着手段は、熱硬化型または紫外線硬化型の接着剤であり、
   前記溶接ステップの後に、該接着剤の加熱または紫外線照射による硬化を行う接着剤硬化ステップを有することを特徴とする部材接合方法。
5. 前記請求項４に記載の部材接合方法において、
   前記接着手段は、熱硬化型の接着剤とされ、
   前記接着剤硬化ステップは、塗装乾燥工程と併せて行われることを特徴とする部材接合方法。
6. 前記請求項１から請求項５に記載の部材接合方法において、
   前記高密度熱源は、レーザビームであることを特徴とする部材接合方法。
7. 前記請求項１から請求項６に記載の部材接合方法において、
   前記第１、第２接合部材のうちの少なくとも一方は、軽金属材料からなることを特徴とする部材接合方法。

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