JP2007319877A - 積層した金属板体の端面部接合方法と、該端面部接合方法を使用した端面部接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層した金属板体の端面部を接合させる際、ヘム加工を省略し、車体意匠の要求する鋭利な端縁の実現と、製造コストの削減及び製品重量の軽減を図る。
【解決手段】積層したアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａに対して、回転工具７ａを回転させつつ、その側周面８に対して断面略放物線形状に設けられた接合溝９の溝底面９ｂを圧接した上、該端面部３ａ、４ａに沿って移動させることで、該端面部３ａ、４ａ全体にわたり撹拌摩擦接合により接合部５を形成して一体に接合すると共に、該接合部５を断面略放物線形状である接合溝９により断面ループ形状に成形してなるものである。
【選択図】図４

Description

本願発明は、例えば自動車用クロージャー部品等の製造において、積層した金属板体の端面部を一体に接合する場合に用いられる接合方法等に関するものである。

例えば、自動車のフード、ドア、トランク等の自動車用クロージャー部品は、予めプレス成形したアウターパネルとインナーパネルとを接合して作られている。そして、そのアウターパネルとインナーパネルとの接合においては、アウターパネルの端部を折曲して、その端縁を断面ループ形状とする（いわゆる「ヘム加工」という。）と共にフランジ部を形成した上で、該アウターパネルのフランジ部によってインナーパネルを挟持した上で、溶融接合を行うのが一般的であった。

ところで、近年、上記様々な自動車用クロージャー部品においては、車体意匠面から鋭利な端縁の形成が要求されている。そのため、予めプレス成形したアウターパネルとインナーパネルとを接合する際に、従来のように該アウターパネルの端部において、インナーパネルを挟持するために必要となるフランジ部を形成すべくヘム加工を施すと、次のような問題点が生じるものである。
即ち、アウターパネルの端部に対するヘム加工の際、鋭利な端縁の形成のためにその折曲をきつくすると、折曲したアウターパネルの断面ループ形状の端縁の表面に割れが生じ易くなってしまうことである。

また上記のように、プレス成形によるアウターパネルとインナーパネルを一体に接合する際に、アウターパネルの端部にヘム加工を施すことは、アウターパネルの端部を折曲して形成するフランジ部だけ余分に部材が必要となり、製造コストの上昇や製品の重量の増加につながるものでもある。

そのため、上記車体意匠面、製造コストの低減や製品の軽量化等の要求に応えるべく、自動車用クロージャー部品における新たな接合方法が模索されていたところ、近年、例えばアルミニウム合金材の新しい接合技術として、摩擦撹拌接合法が知られるようになってきた。即ち、摩擦撹拌接合法は、ツールと呼ばれる硬質の回転工具を回転させながら、その回転工具の素材よりも軟質の金属、例えばアルミニウム合金材等の積層した端面部に圧接することによって、摩擦発熱と共に、塑性流動を起こさせることでその端面部の接合を行う固相接合法の一種である。しかも、この摩擦撹拌接合法は接合部における変形も少なく、機械的性質も良好などの長所を多く有しているものである。そのため、この摩擦撹拌接合法によるアルミニウム合金材の接合が広く自動車用クロージャー部品等の製造分野に適用され始めている。

しかしながら、その新しい摩擦攪拌接合法を使用してプレス成形によるアウターパネルとインナーパネルを一体に接合しても、その接合された端面部は断面ループ形状となるわけではなく、前述のように鋭利な端縁を形成するためには、改めて端面部を断面ループ形状に加工しなければならないという欠点があった。
特開２００１−２５９８６３

本願発明は、上記問題点を解決するものであり、摩擦撹拌接合法による接合と同時に端面を鋭利な断面ループ形状に成形し、例えば自動車用クロージャー部品に対して車体意匠の面から要求される鋭利な端縁の実現と共に、製造コストの上昇や製品の重量増加を阻止するものである。

上記課題を解決するため、本願発明においては、積層して揃えた金属板体の各端面部の接合に、該金属板体よりも硬質の素材による回転工具の回転によって上記摩擦撹拌接合法を用い、接合と同時に成形をも行おうとするものである。

具体的には、第１の特徴として、該回転工具は、金属板体に対して相対的に硬質の素材よりなるものであって、円筒体の側周面全体にわたり内径方向に凹陥し、断面略放物線形状であって、軸方向に対向する外周面とそれらに連続する溝底面からなる接合溝を周設してなり、
積層した金属板体を押さえ治具により固持した上、
前記回転工具を回転させつつ、端面部の垂直方向より端面部に対して接合溝を圧接した上、端面部に沿って移動させることで、回転工具の接合溝と端面部との間で摩擦発熱を起こすとともに端面部で塑性流動を生じさせ、端面部全体にわたり接合部を形成することにより一体に接合すると共に、該接合部を断面ループ形状に成形してなるものである。
そのため、上記第１の特徴を有する本願発明においては、積層した金属板体の端面部に対して垂直方向から、回転する回転工具の接合溝を圧接することで、端面部では摩擦により発熱すると共に塑性流動が起こり摩擦撹拌接合が行われて接合部が形成され、該端面部は一体に接合されることとなる。このとき、金属板体の端面部において摩擦撹拌接合により接合部を形成する回転工具に周設される接合溝は、断面略放物線形状となっているので、該端面部の摩擦撹拌接合と同時に、端面部に形成されることとなる接合部を断面ループ形状に成形することとなる。
従って、該端面部に形成される接合部は、接合部の変形が少なく、また機械的性質、特に疲労特性に優れたものとなり、車体意匠の要求する鋭利な端縁を容易に実現すると共に、ヘム加工によるフランジ部に相当する部材が不要となり、製造コストの低減及び製品の軽量化を図ることができる。

更に、該接合溝が断面略放物線形状となっていることで、摩擦撹拌接合により端面部において接合部が形成される際に発生する金属板体のバリが、断面ループ形状に成形される該接合部自体に吸収されることから、端面部に形成される接合部は平滑な断面ループ形状となる。

また、積層した金属板体の端面部に対して、上記回転工具の接合溝を押し付けることで摩擦撹拌接合を行うので、シャーによる切断精度の誤差により、該金属板体の端面が反り返ってしまっていたり、斜めになってしまっていても、接合溝内の上下の外周面及び溝底面からの圧力によって、自動的に該端面部の隙間を無くして突き合わせられるので、確実に摩擦撹拌接合を行うことができる。

そして、積層した金属板体の端面部に対する回転工具の圧接時の圧力を高くすることで、回転工具の接合溝内で端面部を押し潰しながら摩擦撹拌接合することができるので、該端面部が不揃いであっても、該端面部において接合部を形成して接合することができるものである。なお、この場合には、押し潰されることとなる端面部近傍の大きさを考慮して、積層する金属板体を予め大きめに成型する必要がある。

その上、例えば差厚テーラードブランク材と平板状の部材とを積層して、該端面部を回転工具により接合する際にも、端面部を押し潰しつつ摩擦撹拌接合を行うので、部材に厚さがある部分では回転工具を弱く圧接して端面部の変形量を小さくし、薄い部分では強く圧接することで端縁部の変形量を大きくすることにより、該端面部全体の形状がほぼ一定形状となり、端面部において段差のない接合部を形成することができる。

更に、積層する金属板体として、アルミニウム合金同士というような同種金属板体だけでなく、アルミニウム合金とメッキ鋼板等のように硬さの異なる異種金属板体においても、その端面部を押し潰しながら摩擦撹拌接合して一体に接合できるので、様々な製品の製造に適用できるものとなる。すなわち、軟質材と硬質材とを積層してそれらの端面部を接合する場合、回転工具は、硬質材と同等かそれ以上の硬さのものを用い、軟質材の端面部を硬質材の端面部より突き出す（例えば、軟質材及び硬質材の各々１ｍｍの板厚であれば、該軟質材の端面部を１〜２ｍｍ突き出す）ようにして、該回転工具で軟質材の突き出した端面部を塑性流動させ、塑性流動された軟質材を硬質材に被せるようにして接合すればよい。

第２の特徴として、該回転工具は、金属板体に対して相対的に硬質の素材よりなるものであって、逆円錐台形状の筒状体の側周面全体にわたり内径方向に凹陥し、溝底面が曲面であり、該溝底面の筒状体の径大部側には、該溝底面から連なる垂直壁部を有するとともに、筒状体の径小部側には、該溝底面から連なる断面Ｓ字状の誘導曲面部を有するものであって、且つ該誘導曲面部の頂部と該溝底面の最深部との筒状体の内径方向の距離を、積層した金属板体の厚さ以下としてなる変形接合溝を周設してなり、
積層した金属板体を押さえ治具により固持した上、
前記回転工具を回転させつつ、端面部の垂直方向より端面部に対して該変形接合溝を圧接した上、端面部に沿って移動させることで、回転工具の該変形接合溝と端面部との間で摩擦発熱を起こさせるとともに該端面部で塑性流動を生じさせ、該端面部全体にわたり接合部を形成することにより一体に接合すると共に、該接合部を断面ループ形状に成形し、それと同時に、断面ループ形状となる接合部を形成する端面部を誘導曲面部側に向けて湾曲するように成形してなるものである。
そのため上記第２の特徴を有する本願発明においては、上記第１の特徴と同様に、端面部では摩擦により発熱すると共に塑性流動が起こり、摩擦撹拌接合が行われて接合部が形成され、端面部が一体に接合されるとともに、同時に該接合部が断面ループ形状に成形されることとなる。

その上、特に上記第２の特徴を有する本願発明においては、端面部に対する摩擦撹拌接合により接合部を形成すると共に、該端面部に形成される接合部を断面ループ形状に成形した上、更に該接合部が誘導曲面部側に湾曲した形状となるように成形されるものとなる。
従って、該端面部において接合部の形成と共に該接合部を断面ループ形状に成形し、更にそれと同時に、一方方向に向けて湾曲形状となるよう成形されるため、製品の製造工程における成形作業を省略化し、製造コストの削減及び製造作業における作業性を向上させることができる。

第３の特徴として、該回転工具は、金属板体に対して相対的に硬質の素材よりなるものであって、円筒体の側周面全体にわたり円筒体の側周面と一方の平坦面からなる角部が内径方向に凹陥し、積層した金属板体の上下面垂直方向に一対として配置した際に、該平坦面側より断面Ｕ字形状部を形成し、且つ、積層した金属板体を該断面Ｕ字形状部に挟持した際には、該一対の回転工具が相互に干渉しないだけの幅を有し、各々の該回転工具が、断面半Ｕ字形状の接合湾曲部を周設してなるとともに、
積層した金属板体の端面部に向けて互いの接合湾曲部が対向するように、該金属板体の上、下面部垂直方向に一対として配置し、
該一対の回転工具を回転させつつ両接合湾曲部により、積層した金属板体の端面部近傍を圧接、挟持し、端面部に沿って移動させることによって、一対の回転工具の両接合湾曲部と端面部との間で摩擦発熱を起こさせるとともに端面部で塑性流動を生じさせ、端面部全体にわたり接合部を形成することにより一体に接合すると共に、該接合部を断面ループ形状に成形してなるものである。
そのため、上記第３の特徴を有する本願発明においては、上記第１及び第２の特徴と同様に、端面部では摩擦により発熱すると共に塑性流動が起こり、摩擦撹拌接合が行われて接合部が形成され、端面部が一体に接合されるとともに、同時に該接合部が断面ループ形状に成形されることとなるが、その際、前記第１及び第２の特徴とは異なり、一対の回転工具自体が積層する金属板体を固持する押さえ治具をも兼用しており、該治具を不要とするものである。

そのため、上記第３の特徴を有する本願発明では、例えば、積層した金属板体の下面側にフランジ部などの突起物が形成されていても、確実に該端面部に接合部を形成して接合することができるものである。

第４の特徴として、上記第１乃至第３の特徴を踏まえて、上記回転工具によって形成される断面ループ形状の接合部に対して、更に仕上げ用回転工具によって加工してなるものである。
そのため、本願発明は、上記積層した金属板体の端面部接合方法により該端面部に断面ループ形状の接合部を形成した上、例えば同形状又は他形状の仕上げ用回転工具により加工することで、端面部全体にわたり湾曲させたり、該端面部の表面を一層平滑に仕上げることができる。

第５の特徴として、上記第１乃至第４の特徴を踏まえて、上記積層した金属板体の端面部に対する回転工具の回転を、該回転工具の移動方向に対して同方向に回転する順回転、又は該回転工具の移動方向に対して逆方向に回転する逆回転としてなるものである。
即ち、第５の特徴を有する本願発明は、上記積層した金属板体の端面部に対する回転工具の回転を、該回転工具の移動方向に対して同方向に回転する順回転、又は該回転工具の移動方向に対して逆方向に回転する逆回転とすることで、該回転工具と端面部との間で摩擦発熱が起こり、端面部における塑性流動が十分に発生して摩擦撹拌接合がおこなわれるものとなる。このとき、回転工具が該端面部に対して逆回転とすると、端面部との摩擦が大きくなるため摩擦熱が効率よく発生するのでより好適である。

第６の特徴として、上記第１乃至第５の特徴を踏まえて、上記積層した金属板体の対面部に対する回転工具の順回転又は逆回転の回転速度及び移動速度を、該回転工具の回転が順回転の場合における回転速度Ｒ＝移動速度Ｖ／（回転工具直径Ｌ×π）を除き、回転速度１〜３５０００ｒｐｍに対して移動速度を１〜１０００ｍ／分としてなるものである。
即ち、第６の特徴を有する本願発明は、回転工具の回転方向により、回転速度及び回転方向は、該回転工具と端面部との間で起こる摩擦発熱のより適宜設定されるものである。そのため、回転工具が順回転又は逆回転する場合、その回転速度は１０〜３５０００ｒｐｍであって、その移動速度も１〜１０００ｍ／分であるものが、効率よく摩擦発熱を発生させるため好適である。但し、回転工具が順回転する場合、回転速度Ｒ＝移動速度Ｖ／（回転工具直径Ｌ×π）の場合、回転工具と端面部との間での摩擦が極めて小さくなるので、効率よく摩擦発熱を起こすことができず、摩擦撹拌接合を行えないものである。

第７の特徴として、上記第１乃至第６の特徴を踏まえて、上記接合部を形成することとなる端面部を、予め加熱してなるものである。
即ち、第６の特徴を有する本願発明は、上記積層した金属板体の端面部を、例えば圧着式ヒーター、赤外線ヒーター、レーザ、アーク又は抵抗加熱等の加熱手段によって予め加熱するものである。これによって、該端面部における回転工具との間で発生する摩擦発熱が補われ、塑性流動が容易に発生することになるので、該端面部での摩擦撹拌接合が効率よく行なわれ、該端面部において接合部を形成して一体に確実に接合することができると共に、該接合部を断面ループ形状とする成形をも容易に行えるものである。

第８の特徴として、上記第１乃至第７の特徴を踏まえて、積層した金属板体の端面部接合方法を実施する装置であって、該積層した金属板体の端面部に圧接し、移動してなる回転工具を単数又は複数有するものとしてなるものである。
即ち、積層した金属板体の端面部を摩擦撹拌接合する回転工具を、単数又は複数有するものとすることで、端面部において摩擦撹拌接合により接合部を形成して一体に接合すると共に断面ループ形状に成形してなるので、例えば自動車用クロージャー部品の製造を効率よく行うことができる。

第９の特徴として、上記第８の特徴を踏まえて、単数又は複数の回転工具において、該回転工具の接合溝、変形接合溝あるいは接合湾曲部に付着した凝集金属片を除去するためのブラシ又はヘラ等のドレッシング装置を有するものである。
即ち、第９の特徴を有する本願発明は、上記積層した金属板体の端面部接合方法を実施する装置において、該装置を連続して運転することで、回転工具の表面に摩擦撹拌接合による凝集金属片が付着しても、各々の回転工具に設置されたブラシ又はへら等のドレッシング装置により、付着した該凝集金属片が除去され、回転工具の表面は常に清浄に保たれることとなるので、端面部に形成される接合部が常に均一に形成され、該接合部に対する断面ループ形状の成形も常に正確に行うことができるものである。

本願発明により、積層した金属板体の端面部を、効率よく正確に摩擦撹拌接合によって接合部を形成して一体に接合すると共に、該接合部を同時に断面ループ形状に成形できるようになるので、従来の摩擦攪拌接合方法によるよりも、例えば車体意匠において要求される鋭利な端縁を一工程で実現でき、また、従来行われていた溶融接合方法を使用する場合には、ヘム加工により形成されるフランジ部がその前提として不可欠となるが、そのフランジ部に相当する部材を省略できるので、いずれの方法に比較しても、製造コストの削減及び製品の軽量化を可能にすることができる優れた効果を有するものである。

以下において、本願発明の実施例である積層した金属板体の端面部接合装置（以下、「端面部接合装置」という。）について、図１乃至図１１に基いて説明する。
なお、これらの実施例は、本願発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これらにより本願発明が制限されるものでない。

図１における模式的に示された端面部接合装置１ａは、プレスにより成形されたアウターパネル３とインナーパネル４とをその平面部３ｂ、４ｂを重ねて積層し、その両端面部３ａ、４ａの位置を揃えた上で、その両パネル３，４の端面部３ａ、４ａ近傍において、回転工具７の移動に追随して移動しつつ両パネルを固定する、上下方向からの押さえ治具である押さえローラー６ａ、６ｂにより両パネル３，４を押さえ、回転工具７ａを回転させつつ端面部３ａ、４ａに圧接し、更に、該端面部３ａ、４ａ全体にわたり移動させて、順次その端面部３ａ、４ａにおいて摩擦撹拌接合を生ぜしめて接合部５を形成して一体に接合すると共に、該接合部５を断面ループ形状に成形する装置であって、該両パネル３，４はその接合により、自動車用クロージャー部品の一つであるフード２としてなるものである。

即ち、該アウターパネル３とインナーパネル４とを積層した上、その位置を整えたアウターパネル３の端面部３ａとインナーパネル４の端面部４ａに対して、該端面部３ａ、４ａの近傍を押さえローラー６ａ、６ｂにより該積層するアウターパネル３とインナーパネル４の上下面方向から固持する共に、その端面部３ａ、４ａに対して回転工具７を回転させつつその接合溝９を圧接し、更に移動させるものである（図１参照）。そして該回転工具７ａの移動に伴い、押さえローラー６ａ、６ｂも端面部３ａ、４ａ近傍を押さえつつ、回転工具７ａの位置に追随して移動する。その結果、該端面部３ａ、４ａにおいて摩擦発熱及び塑性流動が起こり、摩擦撹拌接合によって該端面部３ａ、４ａに接合部５が形成されて一体に接合される。そして、この接合部５の形成に伴って、該接合部５は、断面略放物線形状である接合溝９の溝底面９ｂの形状に合わせて、同時に断面ループ形状に成形される。（図４参照）。

なお、上記回転工具７ａによるアウターパネル３の端面部３ａとインナーパネル４の端面部４ａに対する摩擦撹拌接合において、塑性流動を容易に起こさせるように、接合する該端面部３ａ、４ａを、前述の、例えば圧着式ヒーター、赤外線ヒーター、レーザ、アーク又は抵抗加熱等の加熱手段によって予め加熱しておいても良い。

また、上記端面部接合装置１ａは、各回転工具７ａに対して、各々ブラシ又はへら等のドレッシング装置１１（図１１参照。）を有するものとし、これらを定期的に作動させてなるものである。
その結果、該端面部接合装置１を連続して運転した際に、積層された端面部３ａ、４ａを撹拌することで生じる金属凝集片１２が回転工具７ａ、特にその接合溝９の表面に付着しても、ブラシ又はへら等のドレッシング装置により、該付着した凝集金属片１２が除去されるので、回転工具７ａの表面は常に清浄に保たれ、端面部３ａ、４ａに形成される断面ループ形状の接合部５の成形が正確に行われるものとなる。

図３は、本願発明の実施例１である端面部接合装置１ａにおける回転工具７ａ及び押さえローラー６ａ、６ｂの設置状況を示す要部拡大模式図である。該端面部接合装置１ａは、回転工具７ａの回転により、積層されたアウターパネル３の端面部３ａおよびインナーパネル４の端面部４ａにおいて摩擦撹拌接合による接合部５を形成し、該アウターパネル３とインナーパネル４とを一体に接合すると共に、該接合部５を断面ループ形状に成形してなるものである。

ここで、該端面部接合装置１ａにおいて使用される回転工具７ａは、接合されるアルミニウム合金板体の両パネル３，４よりも硬質の鋼製であり、円筒体の側周面８全体にわたり内径方向に凹陥し、断面略放射線形状であって、該円筒体の軸方向に対向する外周面９ａ、９ａとそれに連続する溝底面９ｂからなる接合溝９を周設してなるものであって、全体としては略鼓状となっている。
また、押さえ治具は、その両パネル３，４の上、下面部３ｂ、４ｂに平行な水平の軸により、それぞれ回転かつ移動自在となる押さえローラー６ａ、６ｂとなっていることから、両パネル３，４をその端面部３ａ、４ａ近傍において上下方向から挟持しつつ、回転工具７ａが両パネル３，４の端面部３ａ、４ａに圧接されつつ回転して移動して行くのに追随して、両パネル３，４の端面部３ａ、４ａ近傍を移動することができる。なお、押さえローラー６ａ、６ｂによって両パネルを挟持した際に、アウターパネル３側において疵がつかないように、上側の押さえローラー６ａは樹脂製によるものとした。

そのため、図４（イ）〜（ニ）において示すように、積層したアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａを一体に接合するにあたっては、先ず、端面部３ａ、４ａの位置を揃えた上、その端面部３ａ、４ａの近傍を上下方向から押さえローラー６ａ、６ｂにより挟持して固定する。そして該端面部３ａ、４ａに対して、その垂直方向から、回転工具７ａをその回転軸７ａ’を中心として回転させつつ圧接することによって、その圧接箇所で摩擦撹拌接合を行い、接合部５を形成する。更に、その回転する回転工具７ａを端面部３ａ、４ａに沿って移動させることによって、端面部３ａ、４ａのその回転工具７ａの移動跡を接合部５に形成して、両パネル３，４を一体に接合する。このように、端面部３ａ、４ａにおいて接合部５を形成すると同時に、断面略放物線形状である該接合溝９の形状に合わせて、接合部５を断面ループ形状に成形してなるものである。
尚、押さえローラー６ａ、６ｂは、回転工具７ａが端面部３ａ、４ａに沿って移動するに従って、その積層した両パネル３，４がずれることのないよう、回転工具７ａの移動に追随して移動する。

そこで、実際に本願発明の効果について検討した。即ち、厚さ１．０ｍｍの６０１６−Ｔ４と呼ばれるアルミニウム合金板体を２種類の金型でプレス成形し、各々自動車のフード２を構成するアウターパネル３とインナーパネル４とに想定して同形状に切断し、積層した。なお、切断したアウターパネル３の端面部３ａ及びインナーパネル４の端面部４ａは、撹拌摩擦接合によって塑性流動した金属が欠損する量を見込んで、製品寸法より片側で１ｍｍ大きくした。

そして、積層したアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａより約１０ｍｍの所を、押さえ治具である押さえローラー６ａ、６ｂによりアウターパネル３及びインナーパネル４の上下面方向からそれぞれ荷重１ｋＮで挟んで固持するものである。

なお、上述のように回転工具７ａは略鼓状のものであって、具体的には、直径８０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの鋼製であって、その側周面８に周設される接合溝９は、開口部９ｃの幅Ｌが５ｍｍ、溝底面９ｂの幅Ｍが２ｍｍ、開口部９ｃから溝底面９ｂまでの深さＮが５ｍｍとなっているものである。

以上により、積層するアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａに対して、上記回転工具７ａを１５００ｒｐｍで回転させつつ、該回転工具７ａの接合溝９内の溝底面９ｂを荷重１０ｋＮで圧接させながら、更に該回転工具７ａを端面部３ａ、４ａに沿って１０ｍ／分の速度で移動させた。その結果、該端面部３ａ、４ａにおいて摩擦発熱及び塑性流動を起こさせながら摩擦撹拌接合を行い、厚さ２ｍｍの接合部５が形成されて、アウターパネル３とインナーパネル４は一体に接合された。そして該接合部５は、回転工具７ａにおける断面略放物線形状である接合溝９内の溝底面９ｂに対して押し付けられて変形し、その形成と同時に断面ループ形状に成形された。

そこで、この端面部３ａ、４ａに形成された接合部５に対して、その接合状態を確認したところ、割れや漏れはなかった。また、接合部５を２枚の板を開くように曲げ試験をしたところ、接合部５は開かず、近傍が曲がっただけであり、従って、本願発明の効果が確認された。

図５に示すものは、本願発明の実施例２である端面部接合装置１ｂにおける回転工具７ｂ及び押さえローラー６ａ、６ｂの設置状況を示す、要部拡大模式図である。該接合装置１ｂは、回転工具７ｂにより、フード２を構成するアウターパネル３およびインナーパネル４の端面部３ａ、４ａにおいて摩擦撹拌接合による接合部５’を形成して一体に接合すると共に、該接合部５’を断面ループ形状に成形し、更にそれと同時に該端面部３ａ、４ａにおいて形成される接合部５’全体を下方に向けて湾曲するように二次成形をも行うものである。

上記端面部接合装置１ｂにおいて使用する回転工具７ｂは、第１実施例の場合と同様にアルミニウム合金の両パネル３，４よりも硬質である鋼製であり、逆円錐台形状の筒状体の側周面８’全体にわたり内径方向へ凹陥した変形接合溝９’が形成されている。そして該変形接合溝９’は、その溝底面９ｂ’が曲面となり、筒状体を形成している径大部側（図５における上側）には垂直壁部９’ａが連なるとともに、径小部側（図５における下側）には断面Ｓ字状となる誘導曲面部９’ｂが連なっている。更に、この誘導曲面部９’ｂの頂部と溝底面９ｂ’の最深部との筒状体内径方向の距離Ｐは、積層した両パネル３，４の厚さＱよりも小さく設定されている。尚、前記垂直壁部９’ａは、筒状体の側周面８’にまで至っていてもよいが、本実施例では両パネル３，４の端面部３ａ、４ａとの位置決めが容易なように、垂直壁部９’ａは中間までで、それ以後は側周面８’側に対して開口する方向への傾斜面となっている。

図６（イ）〜（ニ）において示すように、積層したアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａを一体に接合するにあたっては、該端面部３ａ、４ａ近傍を上下面方向から移動自在の押さえ治具である押さえローラー６ａ、６ｂにより挟んで固持した上、該端面部３ａ、４ａに対して、回転工具７ｂの変形接合溝９’を回転軸７ｂ’を中心に回転させつつ、該端面部３ａ、４ａの垂直方向から圧接し、更に該端面部３ａ、４ａに沿って移動させることとなる。これによって両パネル３，４の端面部３ａ、４ａにおいて摩擦撹拌接合が生じ、接合部５’を形成して両パネル３，４を一体に接合すると共に、該接合部５’を断面ループ形状に成形してなるものである。しかも、該端面部３ａ、４ａは、回転工具７ｂの垂直壁部９’ａ側から強く圧力を受ける上、積層した両パネル３、４の厚さＱが、誘導曲面部９’ｂの頂部と溝底面９ｂ’の最深部との筒状体内径方向の距離Ｐよりも大きいため、該接合部５’は変形接合溝９’の誘導曲面部９’ｂを乗り越えるように湾曲して変形するものとなる。すなわち、図６（ニ）に示すように、接合部５’は下方に向けて湾曲するように二次成形されるものとなる。
即ち、積層するアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａを摩擦撹拌接合により接合部５’に形成して一体に接合すると共に、該接合部５’を断面ループ形状に成形し、更には該接合部５’を下方に向けて湾曲するように二次成形することが同時に行えるものである。
なお、押さえローラー６ａ、６ｂは実施例１の場合と同様に、回転工具７ｂの端面部３ａ、４ａに沿った移動に追随して、移動するようになっている。

そこで、実際に本願発明の効果について検討した。すなわち、実施例１における効果検討と同様の素材並びに方法において、使用する回転工具を実施例２における回転工具７ｂとして実施した。その際、その変形接合溝９’における溝底面９ｂ’の幅を２ｍｍ、誘導曲面部９’ｂの頂部と溝底面９ｂ’の最深部との筒状体内径方向の距離Ｐを１ｍｍとした。その結果、該端面部３ａ、４ａにおいて摩擦発熱及び塑性流動を起こさせながら摩擦撹拌接合を行い、厚さ２ｍｍの接合部５’が形成されて、アウターパネル３とインナーパネル４は一体に接合された。そして該接合部５’は、回転工具７ｂにおける変形接合溝９’によって、断面ループ形状に成形されるとともに、下方に湾曲した形状となった。

そこで、この端面部３ａ、４ａに形成された湾曲した接合部５’に対して、その接合状態を確認したところ、割れや漏れはなかった。また、接合部５’を２枚の板を開くように曲げ試験をしたところ、接合部５’は開かず、近傍が曲がっただけであり、従って、本願発明の効果が確認された。

図７に示すものは、本願発明の実施例３である端面部接合装置１ｃの要部拡大図であり、図８（イ）〜（ニ）において示すのは、該端面部接合装置１ｃの使用状況を示す模式図である。該接合装置１ｃに使用される回転工具７ｃは、実施例１及び実施例２の場合と同様、接合されるアルミニウム合金板体の両パネル３，４よりも硬質の鋼製であり、円筒体の側周面８”全体にわたって、円筒体の側周面８”と一方の平坦面からなる角部が内径方向に凹陥した接合湾曲部９”が設けられており、該接合湾曲部９”同士が相互に対向して、該平坦面側より断面Ｕ字形状部１０を形成するように一対として使用される。すなわち、該接合湾曲部９”は、積層した金属板体３，４の平面部３ｂ、４ｂの垂直方向、すなわち図７における上下方向に該回転工具７ｃが一対として設置された際に、相互に対向して、一方の平坦面側より断面Ｕ字形状部１０を形成する平面部９”ａと湾曲部９”ｂとからなっている。この断面Ｕ字形状部１０は、図８の（ロ）（ハ）の図にもあるとおり、積層した金属板体３，４側に開口して、その上、下面部３ｂ、４ｂを上下方向から挟持するものであるので、その接合湾曲部９”の相互に対向する平面部９”ａは、各金属板体３，４の上、下部３ｂ、４ｂと平行となっている。
また、その一対の回転工具７ｃの接合湾曲部９”、９”によって金属板体３，４が挟持された際、その両回転工具７ｂ、７ｂが最接近する位置においても、相互に接触、干渉しないように、該両接合湾曲部９”、９”によって形成された断面Ｕ字形状部１０の幅が設定されている。

そして、本願発明の実施例３である端面部接合装置１ｃにおいては、一対の回転工具７ｃ、７ｃが、フード２を構成することとなる積層したアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａに向けて互いの接合湾曲部９”、９”が対向するように、両パネル３，４の平面部３ｂ、４ｂにそれぞれ平行な回転軸７ｃ’をもって回転且つ、移動自在に保持されることから、先ず、該一対の回転工具７ｃ、７ｃの接合湾曲部９”、９”を構成する平面部９”ａ、９”ａが、端面部３ａ、４ａの極近傍を上下方向から圧接して挟持すると共に、同時に回転工具７ｃ、７ｃが回転しつつ端面部３ａ、４ａ方向へも圧接し、更に該端面３ａ、４ａに沿って移動することとなる。これによって、積層した両パネル３，４は一対の回転工具７ｃ、７ｃの回転及び移動に伴ってその積層位置がズレることなく、端面部３ａ、４ａにおいて回転工具７ｃ、７ｃの湾曲部９”ｂ、９”ｂによって摩擦撹拌接合が生じ、接合部５”を形成して、積層した両パネル３，４の端面部３ａ、４ａを一体に接合すると共に、該接合部５”を断面ループ形状に成形してなるものである。

以上のように、該端面部接合装置１ｃにおいては、一対の回転工具７ｃ、７ｃの使用に当たって、該回転工具７ｃ、７ｃ自体が押さえ治具を兼用していることから、その両パネル３，４を上下方向から圧接して挟持するに際しても、両パネル３，４の端面部３ａ、３ｂの極近傍において挟持することとなる。そのため、積層したアウターパネル３とインナーパネル４において、インナーパネル４側にフランジ等が突設されていても、該回転工具７ｃ、７ｃとフランジ等とは干渉することがなく、確実に端面部３ａ、４ａにおいて摩擦撹拌接合を行い接合部５”を形成することで一体に接合し、該接合部５”を断面ループ形状に成形することができる。

そこで、実際に本願発明の効果について検討した。即ち、厚さ１．０ｍｍの６０１６−Ｔ４と呼ばれるアルミニウム合金板体を２種類の金型でプレス成形し、それぞれ自動車のフードのアウター材とインナー材とを想定して同形状に切断し積層した。なお、アウターパネル３の端面部３ａ及びインナーパネル４の端面部４ａは、撹拌摩擦接合によって塑性流動した金属が欠損する量を見込んで、製品寸法より片側で１ｍｍ大きくするものとした。

以上により、積層したアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａ極近傍を、その回転工具７ｃ、７ｃの接合湾曲部９”、９”を構成する平面部９”ａ、９”ａが上下方向からそれぞれ荷重１ｋＮで圧接して挟持しつつ、回転工具７ｃ、７ｃを１５００ｒｐｍで回転させながら、その接合湾曲部９”、９”を構成する湾曲部９”ｂ、９”ｂを該端面部３ａ、４ａに対して荷重１０ｋＮで圧接させた。そして更に、該回転工具７ｃ、７ｃを１０ｍ／分の速度で該端面部３ａ、４ａに沿って移動させ、摩擦発熱及び塑性流動を起こさせて摩擦撹拌接合を行った。この結果、該端面部３ａ、４ａにおいては、断面ループ状の接合部５”が形成されたため、積層したアウターパネル３とインナーパネル４を一体に接合することができた。

そこで、上記アウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａに形成された接合部５”について、その接合状態を確認したところ、該接合部５”は端面部３ａ、４ｂの全長に渡り形成され、その接合部５”の断面形状は厚さ２ｍｍの断面ループ状に成形されており、割れや漏れはなかった。また、接合部５”を２枚の板を開くように曲げ試験したところ、接合部は開かず、近傍が曲がっただけであった。従って、本願発明の効果が確認された。

ところで、上記実施例１及び実施例３において示すように、積層したアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａにおいて形成されるループ形状の接合部５、５”については、そのままの状態で使用されることもあるが、例えば自動車用クロージャー部品において開閉時の安全性を確保するために該端面部３ａ、４ａ全体を一方方向に向けて湾曲するように二次成形することが必要になる場合がある（図９、図１０参照）。そのため、該接合部５、５”全体を湾曲するように二次成形する場合には、図９、図１０において示すようするものである。

まず、図９において示す場合は、実施例１の場合と同形状の回転工具７ａを使用して、接合、成形及び二次成形をも行おうとするものである。即ち、まず、回転工具７ａにより、積層するアウターパネル３とインナーパネル４の端面部３ａ、４ａにおいて摩擦撹拌接合を行うことで接合部５を形成して一体に接合すると共に、該接合部５を断面ループ形状に成形する〔図４（イ）〜（ニ）参照〕。その上で、同形状の回転工具７ａにおける接合溝９の上側の外周面９ａを、その断面ループ形状に形成された接合部５に対して回転させながら押し付けることにより、端面部３ａ、４ａ全体が下方に向けて湾曲するように二次成形されるものである〔図９（イ）〜（ハ）参照〕。

この本願発明の効果について検討するため、実施例１によって得られた、その端面部３ａ、４ａを断面ループ状に形成された接合部５としてなる両パネル３，４を使用し、該両パネル３、４の端面部３ａ、４ａより約１０ｍｍの所を、押さえ治具である押さえローラー６ａ、６ｂにより上下面方向からそれぞれ荷重１ｋＮで挟んで固持した上、該接合部５に対して、実施例１に使用した回転工具７ａと同形状である仕上げ用の回転工具７ａ（ただし、溝底面９ｂの幅Ｍは１ｍｍ）を回転数３５００ｒｐｍで回転させながら、その側周面８に周設する接合溝９の上側の内周面９ａ部分を荷重３ｋＮで圧接し、更に該接合部５に沿って１０ｍ／分の速度で移動させることにより、該端面部３ａ、４ａに形成されていた接合部５を、下方に向けて湾曲するよう二次成形することができた。

そこで、上述のように二次成形された接合部５における接合状態を確認したところ、該接合部５は端面部３ａ、４ａの全体にわたって厚さ２ｍｍの断面ループ状に形成されており、割れや漏れはなかった。また、接合部を２枚の板を開くように曲げ試験したところ、接合部は開かず、近傍が曲がっただけであった。従って、本願発明に効果は認められた。

また、図１０（イ）〜（ハ）において示すように、実施例１で使用した回転工具７ａによって両パネル３，４の端面部３ａ、４ａに接合部５を形成した上、実施例３に示す回転工具７ｃを使用して二次成形を行ってもよい。

即ち、その両パネル３，４の端面部３ａ、４ａに形成された接合部５に対して、３５００ｒｐｍで回転する該回転工具７ｃの変形接合溝９”を荷重３ｋＮで圧接し、更に、その接合部５に沿って５ｍ／分の速度で移動させることにより、該端面部３ａ、４ａに形成されていた接合部５を、下方に向けて湾曲するよう二次成形することができる。
そして、上述のように二次成形された接合部５における接合状態を確認したところ、該接合部５は端面部３ａ、４ａの全体にわたって厚さ２ｍｍの断面ループ状に形成されており、割れや漏れはなかった。また、接合部を２枚の板を開くように曲げ試験したところ、接合部は開かず、近傍が曲がっただけであった。従って、本願発明に効果は認められた。

本願発明の複数積層する金属板体の端面部接合方法により、ヘム加工を不要とすることができる上、摩擦攪拌接合した接合部を同時に断面ループ形状に、更には該接合部を一方方向へ湾曲する加工を施し、あるいは表面仕上げ加工を施すことができるので、自動車用クロージャー部品のみならず、積層するあらゆる金属板体の端面部接合時に適用することができる。

本願発明の実施例である端面部接合装置を模式的に示した斜視図である。 本願発明の実施例である各端面部接合装置に使用する回転工具の側面図である。 本願発明の実施例１である端面部接合装置の要部を模式的に示す側面図である。 本願発明の実施例１である端面部接合装置の作動状態を模式的に示す図である。 本願発明の実施例２である端面部接合装置の要部を模式的に示す側面図である。 本願発明の実施例２である端面部接合装置の作動状態を模式的に示す図である。 本願発明の実施例３である端面部接合装置の要部を模式的に示す側面図である。 本願発明の実施例３である端面部接合装置の作動状態を模式的に示す図である。 本願発明の実施例４である端面部接合装置の作動状態を模式的に示す図である。 本願発明の実施例４の変形例である端面部接合装置の作動状態を模式的に示す図である。 本願発明の実施例であるドレッシング装置を有する端面部接合装置を模式的に示した斜視図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ 端面部接合装置
２ フード
３ アウターパネル
３ａ （アウターパネルの）端面部
３ｂ （アウターパネルの）上面部
４ インナーパネル
４ａ （インナーパネルの）端面部
４ｂ （インナーパネルの）下面部
５、５’、５” 接合部
６ａ、６ｂ 押さえローラー
７ａ、７ｂ、７ｃ 回転工具
７ａ’、７ｂ’、７ｃ’ 回転軸
８、８’、８” 側周面
９ 接合溝
９ａ 外周面
９ｂ、９ｂ’ 溝底面
９ｃ 開口部
９’ 変形接合溝
９’ａ （変形接合溝の）垂直壁部
９’ｂ （変形接合溝の）誘導曲面部
９” 接合湾曲部
９”ａ （接合湾曲部の）平面部
９”ｂ （接合湾曲部の）湾曲部
１０ 断面Ｕ字形状部
１１ ドレッシング装置
１２ 凝集金属片

Claims (9)

1. 回転工具によって、積層して揃えた金属板体の各端面部を一体に接合する方法であって、
   該回転工具は、金属板体に対して相対的に硬質の素材よりなるものであって、円筒体の側周面全体にわたり内径方向に凹陥し、断面略放物線形状であって、軸方向に対向する外周面とそれらに連続する溝底面からなる接合溝を周設してなり、
   積層した金属板体を押さえ治具により固持した上、
   前記回転工具を回転させつつ、端面部の垂直方向より端面部に対して接合溝を圧接した上、端面部に沿って移動させることで、回転工具の接合溝と端面部との間で摩擦発熱を起こすとともに端面部で塑性流動を生じさせ、端面部全体にわたり接合部を形成することにより一体に接合すると共に、該接合部を断面ループ形状に成形してなることを特徴とする、積層した金属板体の端面部接合方法。
2. 回転工具によって、積層して揃えた金属板体の各端面部を一体に接合する方法であって、
   該回転工具は、金属板体に対して相対的に硬質の素材よりなるものであって、逆円錐台形状の筒状体の側周面全体にわたり内径方向に凹陥し、溝底面が曲面であり、該溝底面の筒状体の径大部側には、溝底面から連なる垂直壁部を有するとともに、筒状体の径小部側には、溝底面から連なる断面Ｓ字状の誘導曲面部を有するものであって、且つ該誘導曲面部の頂部と該溝底面の最深部との筒状体の内径方向の距離を、積層した金属板体の厚さ以下としてなる変形接合溝を周設してなり、
   積層した金属板体を押さえ治具により固持した上、
   前記回転工具を回転させつつ、端面部の垂直方向より端面部に対して変形接合溝を圧接した上、端面部に沿って移動させることで、回転工具の変形接合溝と端面部との間で摩擦発熱を起こさせるとともに端面部で塑性流動を生じさせ、端面部全体にわたり接合部を形成することにより一体に接合すると共に、該接合部を断面ループ形状に成形し、それと同時に、断面ループ形状となる接合部を形成する端面部を誘導曲面部側に向けて湾曲するように成形してなることを特徴とする、積層した金属板体の端面部接合方法。
3. 一対の回転工具によって、積層して揃えた金属板体の各端面部を一体に接合する方法であって、
   該回転工具は、金属板体に対して相対的に硬質の素材よりなるものであって、円筒体の側周面全体にわたり円筒体の側周面と一方の平坦面からなる角部が内径方向に凹陥し、積層した金属板体の上、下面部垂直方向に一対として配置した際に、該平坦面側より断面Ｕ字形状部を形成し、且つ、積層した金属板体を該断面Ｕ字形状部に挟持した際には、該一対の回転工具が相互に干渉しないだけの幅を有し、各々の該回転工具が断面半Ｕ字形状の接合湾曲部を周設してなるとともに、
   積層した金属板体の端面部に向けて互いの接合湾曲部が対向するように、該金属板体の平面部垂直方向に一対として配置し、
   該一対の回転工具の両接合湾曲部により、積層した金属板体の端面部近傍を圧接、挟持し、端面部に沿って移動させることによって、一対の回転工具の両接合湾曲部と端面部との間で摩擦発熱を起こさせるとともに端面部で塑性流動を生じさせ、端面部全体にわたり接合部を形成することにより一体に接合すると共に、該接合部を断面ループ形状に成形してなることを特徴とする、積層した金属板体の端面部接合方法。
4. 上記回転工具によって、積層した金属板体の端面部に形成される断面ループ形状の接合部に対して、仕上げ用回転工具によって、更に加工してなることを特徴とする、請求項１乃至３記載の積層した金属板体の端面接合方法。
5. 上記積層した金属板体の端面部に対する回転工具の回転を、該回転工具の移動方向に対して同方向に回転する順回転、又は該回転工具の移動方向に対して逆方向に回転する逆回転とすることを特徴とする、請求項１乃至４記載の積層した金属板体の端面部接合方法。
6. 上記積層した金属板体の端面部に対する回転工具の順回転又は逆回転の回転速度及び移動速度を、該回転工具の回転が順回転の場合における回転速度Ｒ＝移動速度Ｖ／（回転工具直径Ｌ×π）を除き、回転速度１〜３５０００ｒｐｍに対して移動速度を１〜１０００ｍ／分とすることを特徴とする、請求項１乃至５記載の積層した金属板体の端面部接合方法。
7. 上記接合部を形成することとなる積層した金属板体の端面部を、予め加熱してなることを特徴とする、請求項１乃至６記載の積層した金属板体の端面部接合方法。
8. 上記請求項１乃至７記載の積層した金属板体の端面部接合方法を実施する装置であって、該積層した金属板体の端面部に圧接し、移動してなる回転工具を単数又は複数有することを特徴とする、積層した金属板体の端面部接合装置。
9. 上記請求項８記載の接合装置において、単数又は複数の回転工具において、該回転工具の接合溝、変形接合溝あるいは接合湾曲部に付着した凝集金属片を除去するためのブラシ又はヘラ等のドレッシング装置を有することを特徴とする、積層した金属板体の端面部接合装置。

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