JP2008087007A - 摩擦圧接された接続箇所を有する製品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦圧接された接続箇所を有する製品であって、スパッタやバリの内部への流出を抑制できる製品を提供する。
【解決手段】この製品１ｃは、第１の接合面１１を含む金属製の第１の中空部材１０と、端面が第２の接合面２１となった接合用の周壁２２を含む金属製の第２の中空部材２０とが、第１の接合面１１と第２の接合面２１とにおいて摩擦圧接された接続箇所３０を有する。接続箇所３０に、周壁２２の内側に沿ってリング状の内壁３１を設け、この内壁３１の内側を通って、第１の中空部材１０と第２の中空部材２０とが連通されるようにする。第１の中空部材１０の一部と、第２の中空部材２０の一部と、内壁３１とにより囲われたリング状の空間３２に、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１あるいはバリ４２を閉じ込める。
【選択図】図３

Description

本発明は摩擦圧接された接続箇所を有する製品およびその製造方法に関するものである。

従来、車載用エアコン配管には、冷媒注入用のチャージポートとなる継手パイプなどの種々のユニオン（継手）が接続されている。金属パイプ同士も含めて、配管にユニオンを接続する場合、多くはろう付けが用いられている。

特許文献１および２には、中空部材同士を摩擦圧接により接合する方法が提案されている。この摩擦圧接による接合方法は、一方の固定された中空部材に他方の中空部材を回転させながら押し当てる摩擦過程と、回転を停止させながらアプセット圧力を加え、金属結合に至るまで押圧するアプセット過程とが連続して行われる。特許文献１には、摩擦圧力を１４．７〜５８．８ＭＰａ、摩擦寄り代／肉厚の比を０．１５〜０．７、回転数を５００〜３０００ｒｐｍとするとともに、摩擦過程とアプセット過程との間に０．４〜０．８秒のアプセット遅れ時間を設け、５．０〜７０．０ｍｍ／秒のアプセット寄り速度でアプセット圧力を加え、バリ底が０．５ｍｍ以上、バリ底角度が７５度以下のバリを形成させるようにした摩擦圧接方法が開示されている。
特開平１１−１５６５６２号公報 特開２００５−３０５４４５号公報

摩擦圧接による中空部材同士の接合では、スパッタ（摩擦による金属同士の凝着摩耗粉）やバリ（摩擦熱による温度上昇で塑性変形した金属のはみ出し）が発生する。摩擦過程においては、主としてスパッタが発生する。また、アプセット過程においては、主としてバリが発生・成長する。接合される２つの中空部材の外側に発生するスパッタやバリは、除去も可能であり、さほど問題にはならないことが多い。しかしながら、内側（配管内）に発生したスパッタやバリは、除去が難しく、そのまま配管内に残留することが多いため、対応が必要な場合がある。すなわち、配管内に残留したスパッタや、配管内に剥がれ落ちたバリは異物となるため、配管および配管に連なるシステムの一部に詰まると、システムの不具合の原因になる可能性がある。また、バリは、配管内の流体の流れの妨げになる場合もある。

本発明の一態様は、接続箇所を有する製品である。接続箇所では、第１の接合面を含む金属製の第１の中空部材と、端面が第２の接合面となった接合用の周壁を含む金属製の第２の中空部材とが、第１の接合面と第２の接合面とにおいて摩擦圧接されている。さらに、この製品は、接続箇所に、周壁の内側に沿ってリング状の内壁が設けられており、この内壁の内側を通って、第１の中空部材と第２の中空部材とが連通されている。さらに、周壁を含む第２の中空部材の一部と、内壁と、第１の中空部材の一部とにより囲われたリング状の空間が形成され、第１の接合面と第２の接合面との間の摩擦圧接により生じたスパッタあるいはバリは、その空間に閉じ込められている。

この製品によれば、接続箇所に、周壁の内側に沿ってリング状の内壁が設けられており、第１の接合面と第２の接合面とが摩擦圧接する部分に沿って、その内側に空間が形成される。このため、第１の接合面と第２の接合面との間の摩擦圧接により生じたスパッタあるいはバリのうち、内側（中空側）に出るスパッタおよび／またはバリは、自動的にリング状の空間に閉じ込められる。このため、摩擦圧接により生じ、接続箇所の内部に残ったスパッタやバリが、第１および第２の中空部材内に流出され難い製品を提供できる。

この製品は、円筒形の物の端面同士、例えば、２本の金属パイプの端面同士を摩擦圧接してなるものであってもよい。すなわち、リング状の第１および第２の接合面が端面となる物同士の接続であってもよい。また、この製品は、容器の側壁に円筒形の物の端面を摩擦圧接したものであってもよい。さらに、この製品は、金属パイプの側面にユニオン（継手または継手パイプ）を摩擦圧接してなるものであってもよい。すなわち、第１の接合面が金属パイプの外面（側面）の一部であり、第２の接合面が円筒状のものの端面であってもよい。この場合、第１の接合面を含む側面は平坦であることが要求される。したがって、第１の中空部材である金属パイプには、接合準備のために、外側にその一部を平坦にした接合準備部分が形成される。第１の接合面は、上記接合準備部分に含まれる。そして、接合準備部分に、金属パイプの内部と連通する連通孔が形成される。このように準備された金属パイプとユニオンとを、これらの軸線が互いに交差するように、第１の接合面と第２の接合面とにおいて摩擦圧接させるとよい。このように、製品は、２本の金属パイプの端面同士を摩擦圧接してなるものであっても、金属パイプとユニオンとを互いの軸線が交差するように摩擦圧接してなるものであっても良く、接続箇所の内部に残ったスパッタやバリを閉じ込めることができる。

上記製品の一形態としては、内壁を含む内部リング部材を有するものを挙げることができる。内壁を含む内部リング部材は、第１の中空部材および第２の中空部材のそれぞれに対して直にまたは間接的に接する部分を備え、それらの接する部分の摩擦抵抗は、第１の接合面と第２の接合面との間の摩擦抵抗よりも小さいものである。内部リング部材の材料の好適な例の一つは、ステンレススチールである。

この形態によれば、内部リング部材と第１および第２の中空部材との間の摩擦抵抗が、摩擦圧接を行う第１の接合面と第２の接合面との間の摩擦抵抗よりも小さい。このため、内部リング部材と第１の中空部材との間および内部リング部材と第２の中空部材との間から、バリやスパッタが発生し難い。内部リング部材は、第１および第２の中空部材とは別体であるため、第１の中空部材に第２の中空部材を回転させながら押し当てる摩擦過程において、内部リング部材は、第１または第２の中空部材の回転につれ回る（とも回りする）可能性がある。その際の、第１および第２の中空部材に対する内部リング部材の相対的な回転速度は、第１および第２の中空部材の間の相対的な回転速度に比較すれば小さくなる。このため、内部リング部材と第１および／または第２の中空部材の間では、内部リング部材の内部に流出するようなバリやスパッタが発生し難い。

一方、内部リング部材により、周壁の内側にリング状の空間は形成されるので、第１の中空部材と周壁（第２の中空部材）とに起因するバリやスパッタをリング状の空間に閉じ込めることができる。

したがって、本発明の他の形態は、第１の接合面を含む金属製の第１の中空部材と、端面が第２の接合面となった周壁を含む金属製の第２の中空部材とを摩擦圧接する際に用いられる内部リング部材である。この内部リング部材は、第１の接合面と第２の接合面が摩擦圧接される接続箇所にセットされることにより、内側を通って第１の中空部材と第２の中空部材とを連通させるものである。また、この内部リング部材は、周壁の内側に沿って、第１の接合面と第２の接合面との間の摩擦圧接により生じたスパッタあるいはバリを閉じ込めるためのリング状の空間を形成するためのものである。さらに、この内部リング部材は、第１の中空部材および第２の中空部材のそれぞれに対して直にまたは間接的に接する部分を備え、接する部分の摩擦抵抗は、第１の接合面と第２の接合面との間の摩擦抵抗よりも小さい。

また、上記製品の他の形態としては、内壁の一方の端が、第１の中空部材または第２の中空部材に固定され、他方の端が、第２の中空部材または第１の中空部材に対して微小なクリアランスで対面しているものを挙げることができる。第１の中空部材または第２の中空部材に固定されているとは、第１の中空部材または第２の中空部材に、内壁を含む部材が固定されたものや、第１の中空部材または第２の中空部材に、内壁が一体に形成されたものなどを含む。また、上記微小なクリアランスは、リング状の空間に閉じ込められたバリやスパッタが、この微小なクリアランスを介して空間外に拡散しない程度のクリアランスであることが望ましい。

この形態によれば、内壁の一方の端は、第１または第２の中空部材に固定されているため、空間に閉じ込められたバリやスパッタは逃げない。一方、内壁の他方の端は、第２の中空部材または第１の中空部材に対して微小なクリアランスで対面しているため、この内壁に起因するバリやスパッタが発生し難く、内壁の内側にバリあるいはスパッタが排出される可能性は小さい。また、周壁が摩擦圧接される際に発生するバリあるいはスパッタは微小なクリアランスで閉じられた空間に閉じ込めることができる。したがって、バリやスパッタが発生する可能性の少ない形態の内壁を用いて、第１および第２の中空部材の摩擦圧接に起因するバリやスパッタを閉じ込め、バリやスパッタが製品内部に流出することを防止できる。

さらに、この製品によれば、内壁の第１の中空部材の側の端は、フランジ状に広がっていることが望ましい。第１の接合面と第２の接合面との摩擦圧接により生じたバリを、フランジの第２の中空部材の側に沿ってリング状の空間内に誘導することができる。このため、バリの閉じ込めが容易となる。さらに、バリにより内壁のフランジの部分を第１の接合面に向かって抑えることにより、空間に閉じ込められたバリあるいはスパッタが流出することを防止できる。

また、この製品によれば、内壁の外周面（周壁に対峙する面）は、第１の中空部材の側の端に向かって径が大きくなるようなテーパー面を含んでいることがさらに好ましい。第１の接合面と第２の接合面との摩擦圧接により生じたバリを、テーパー面に沿ってさらに容易にリング状の空間内に誘導することができる。しかも、第１の接合面と第２の接合面との摩擦圧接により生じたバリにより、内壁を第１の中空部材の側に押しつけることができる。したがって、空間に閉じ込められたバリあるいはスパッタが流出することを防止できる。特に、これらフランジ状またはテーパー状に第１の中空部材の側の端に向かって径が大きくなった内壁の形状は、内部リング部材に適している。

さらに、この製品によれば、第１の中空部材は、リング状の第１の接合面よりも内側に、内壁の端より径が大きく、第１の接合面よりも凹んだ部分を含んでいることが望ましい。フランジ状あるいはテーパー状に広がった部分の第１の中空部材の側の端を、第１および第２の接合面よりも第１の中空部材の側にシフトでき、バリあるいはスパッタを確実にリング状の空間に導くことができる。

さらに、凹んだ部分に、内壁と第１の中空部材が間接的に接するためのワッシャーを設けることが好ましい。凹んだ部分にワッシャーを設けることにより、摩擦圧接時において、ワッシャーが回転軸と直交する方向に不用意に移動することを抑止できる。ワッシャーは、第１および第２の中空部材同士の間の動摩擦係数よりも、小さな動摩擦係数を備えていることが望ましく、その一例はステンレススチール製のワッシャーである。ワッシャーも内部リング部材と同様に、第１および第２の中空部材に対して独立して回転することが可能な部材であり、内部リング部材が回転したときに、第２の中空部材との相対的な回転速度差を低減できる。したがって、内壁やワッシャーに起因するバリやスパッタの発生をさらに抑制できる。

本発明のさらに他の態様は、接続箇所を有する製品の製造方法である。この製造方法は、以下の工程を有する。
・ 第１の接合面を含む金属製の第１の中空部材と、端面が第２の接合面となった周壁を含む金属製の第２の中空部材とを、第１の接合面と第２の接合面とにおいて摩擦圧接すること。
・ 摩擦圧接することの前に、上記接続箇所に、第１の接合面と第２の接合面とを摩擦圧接する際には、第１の中空部材および第２の中空部材には圧接されない内壁であって、内側を通って第１の中空部材と第２の中空部材とが連通される内壁を配置し、周壁の内側に沿って、周壁を含む第２の中空部材の一部と、内壁と、第１の中空部材の一部とにより囲われたリング状の空間であって、第１の接合面と第２の接合面との間の摩擦圧接により生じたスパッタあるいはバリを閉じ込めるための空間を形成すること。

この製造方法によれば、摩擦圧接により生じ、接続箇所の内部に残ったスパッタやバリを、リング状の空間に閉じ込めることができる。したがって、スパッタやバリが、第１および第２の中空部材内に流出され難い製品を得ることができる。

この製造方法によれば、上記空間を形成する工程は、以下の工程を含むことが好ましい。
（ａ１）内壁を有し、第１の中空部材および第２の中空部材の双方から独立した内部リング部材を、第２の中空部材の内部に設ける工程。

この製造方法によれば、内部リング部材は、第１および第２の中空部材の双方から独立しているため、第１の中空部材に第２の中空部材を回転させながら押し当てる摩擦過程において、その回転につれ回る。したがって、内部リング部材は、温度上昇が少なく、塑性流動が少ないため、内部リング部材に起因するバリが発生し難い。

この場合、上記空間を形成する工程および摩擦圧接する工程は、以下の工程を含むことが好ましい。
（ｂ１）内部リング部材を治具により、第１の中空部材の側に向けて付勢する工程。

この製造方法によれば、摩擦圧接中に、内部リング部材が回転やバリなどにより第２の中空部材の軸方向に不用意に移動し、リング状の空間に隙間が形成されることを抑止できる。

以下に、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図１は、一点鎖線で示す中心線（軸線）Ｌ２よりも紙面左側が摩擦圧接のために部材がセットアップされた状態、紙面右側が摩擦圧接加工後（製品）を示している。本例の製品およびその製造方法は、例えば、車載用のエアコン配管にユニオンを接合する場合に好適である。

この製品（以下、接合体という）１ａは、第１の接合面１１を含む第１の中空部材１０と、第２の接合面２１を含む第２の中空部材２０とを含み、これらの部材１０および２０が、摩擦圧接されているものである。すなわち、接合体１ａは、接続箇所３０を含み、そこでは第１の接合面１１と第２の接合面２１とにおいて摩擦圧接されている。

第１の中空部材１０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属パイプである。第１の中空部材１０は、接合準備のため、外側である周壁の一部が平面状に加工され、全体が平坦な接合準備部分１２が形成されている。第１の接合面１１は、この平坦な接合準備部分１２に含まれ、接合準備部分１２の内の以下に述べる第２の中空部材２０に接合されるリング状の部分である。また、接合準備部分１２に含まれるリング状の第１の接合面１１の中央に、第１の中空部材１０の内部と連通する連通孔１３が形成されている。

第２の中空部材２０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるユニオン（継手）である。第２の中空部材２０は、円筒状で、その端面が第２の接合面２１となった接合用の周壁２２を含む。周壁２２は、第２の中空部材２０の端部にリング状の切削部２３を設けることにより形成されている。さらに、周壁２２の内側には、切削部２３による空間を隔てて円筒状の内壁３１が残されている。すなわち、接続体１ａの接続箇所３０には、第２の中空部材２０の内部に、周壁２２の内側に沿ってリング状の内壁３１が設けられている。

内壁３１の一方の端３１ａは、第２の中空部材２０に固定されている。本例では、内壁３１は、切削部２３を形成することにより形成されているので、内壁３１は第２の中空部材２０と一体であり、一方の端３１ａで繋がっている。内壁３１の他方の端３１ｂは、周壁２２より突き出た状態になっており、摩擦圧接する際に、その他方の端３１ｂが、第１の中空部材１０の連通孔１３に対して、微小なクリアランスＣ１で挿入されるようになっている。

この接合体１ａを製造するためには、まず、第１の中空部材となる金属パイプ１０の外周面にプレス加工などにより接合準備部分１２を形成する。次に、金属パイプ１０と、第２の中空部材であるユニオン２０とを、これらの軸線Ｌ１およびＬ２が互いに直交し、第１の接合面１１と第２の接合面２１とが接触するようにセットする。この際、ユニオン２０から下方に突出した内壁３１を、連通孔１３に対して微小なクリアランスＣ１がある状態で挿入する。このように部材１０および２０をセットアップすることにより、内壁３１の内側を通って、金属パイプ１０とユニオン２０とが連通され、金属パイプ１０の内部１９とユニオン２０の内部２９とが繋がる。さらに、内壁３１と、周壁２２を含むユニオン２０の一部と、金属パイプ１０の接合準備部分１２とにより切削部２３が囲われる。内壁３１の一端３１ａは、第２の中空部材２０と繋がり、他端３１ｂは、微小なクリアランスＣ１を介して第１の中空部材１０の連通孔１３に面する。したがって、ユニオン２０の周壁２２の内側に沿い、内壁３１の外側に実質的に閉塞されたリング状の空間３２が形成される（図１の一点鎖線Ｌ２よりも紙面左側参照）。

次に、金属パイプ１０とユニオン２０とを摩擦圧接する。このケースでは、金属パイプ１０を固定し、ユニオン２０を回転させることにより、部材１０および２０を相対的に回転させながら押し当てる（摩擦過程）。さらに、部材１０および２０の回転を停止しアプセット圧力を加え、接合に至るまでユニオン２０を金属パイプ１０に押圧する（アプセット過程）。これら摩擦過程とアプセット過程とを連続して行うことにより、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間が摩擦圧接される。さらに、摩擦圧接により生じたスパッタ４１あるいはバリ４２のうち、周壁２２の内側に排出されるものは、空間３２に導かれ、閉じ込められる。

内壁３１は、摩擦圧接する際に、その他方の端３１ｂが、金属パイプ１０の連通孔１３に対して、微小なクリアランスＣ１で対面するようにアレンジされるので、内壁３１は基本的には摩擦圧接されず、内壁３１の内側にスパッタやバリが放出される可能性は小さい。以上により、摩擦圧接により接合体１ａの接合箇所３０を形成できる。

この製造方法により製造される接合体１ａは、部材１０および２０が摩擦圧接された接続箇所３０を有する。そして、接続箇所３０には、周壁２２の内側に沿ってリング状の内壁３１が設けられ、この内壁３１の内側を通って金属パイプ１０とユニオン２０とが連通される。さらに、周壁２２を含むユニオン２０の一部と、内壁３１と、金属パイプ１０の一部とにより囲われたリング状の空間３２が設けられ、その空間３２に第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１あるいはバリ４２が閉じ込められる。接合体１ａは、スパッタ４１やバリ４２を接続箇所３０の内部の空間３２に保持するため、スパッタ４１やバリ４２は、第１および第２の中空部材１０および２０内に流出され難い。

図２は、本発明の第２の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図２の一点鎖線Ｌ２よりも紙面左側が摩擦圧接のために部材がセットアップされた状態、紙面右側が摩擦圧接加工後（製品）を示している。製品の一例は、車載用のエアコン配管であって接合されたユニオンを有するものである。

この製品（以下、接合体という）１ｂも接続箇所３０を有し、接続箇所３０では、第１の接合面１１を含む第１の中空部材１０と、第２の接合面２１を含む第２の中空部材２０とが、摩擦圧接されている。

第１の中空部材１０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属パイプであって、接合準備のため、外周の一部がフラットになるように加工され、接合準備部分１２が形成されている。この接合準備部分１２の一部が第１の接合面１１となり、その内部に第１の中空部材１０の内部と連通する連通孔１３が形成されていることは上記の例と同様である。連通孔１３には、内壁３１を形成するための中空部材３９が固定されている。内壁３１の一方の端３１ａが、かしめにより第１の中空部材１０に対し固定されている。内壁３１の他方の端３１ｂは、第２の中空部材２０の内部流路２９に対して、微小なクリアランスＣ２で挿入できるようになっている。

第２の中空部材２０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなるユニオン（継手）であって、端面が第２の接合面２１となった接合用の周壁２２を含む。第２の中空部材２０の周壁２２の内側は、切削によりユニオン２０の内部流路２９が広げられ、リング状の切削部２３が設けられている。

この接合体１ｂを製造する際には、第１の中空部材である金属パイプ１０と、第２の中空部材であるユニオン２０とを、軸線Ｌ１およびＬ２が互いに直交し、第１の接合面１１と第２の接合面２１とが接触するようにセットする。内壁３１の他方の端３１ｂは、ユニオン２０の内部流路２９に挿入され、内壁３１の内側を通って、金属パイプ１０の内部１９とユニオン２０の内部流路２９とが連通される。それとともに、内壁３１と、周壁２２を含むユニオン２０の一部と、金属パイプ１０の接合準備部分１２とにより周壁２２の内側にリング状の空間３２が形成される。内壁３１の一方の端３１ａは、固定されており、他方の端３１ｂは、ユニオン２０の内部流路２９に対して微小なクリアランスＣ２で面している。このため、リング状の空間３２は、実質的に閉塞されており、この空間３２に、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１やバリ４２を閉じ込めることができる。他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、図面に同符号を付して重複する説明は省略する。

次に、上記の例と同様に、金属パイプ１０とユニオン２０とを相対的に回転させ（摩擦過程）、押圧する（アプセット過程）ことにより、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間を摩擦圧接する。摩擦圧接により生じたスパッタ４１あるいはバリ４２のうち、周壁２２の内側に出されるものは、空間３２に導かれ、閉じ込められる。内壁３１の固定されていない他方の端３１ｂは微小なクリアランスがあるようにアレンジされるので、基本的にはバリやスパッタは内壁３１の内側には放出されない。万一、クリアランスの調整が不十分で内壁３１が接触したとしても、接触する範囲は限られるので、それにより放出されるスパッタなどの異物は微量である。

この接続体１ｂは、内壁３１が第１の中空部材である金属パイプ１０に固定されている例である。内壁３１（内壁３１を含む部材３９）のフリーの端３１ｂは、ユニオン２０の内面（内部流路２９の内面）に対して、微小なクリアランスで対面するようにしているので、内壁３１からスパッタあるいはバリは発生し難く、周壁２２からのスパッタ４１やバリ４２は空間３２で保持できる。

図３は、本発明の第３の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図３の一点鎖線Ｌ２よりも紙面左側が摩擦圧接のための部材がセットアップされた状態、紙面右側が摩擦圧接加工後の状態を示している。本図に示している治具５０は、接合のために用いられるものであり、製品には含まれない。製品の一例は、ユニオン付きのエアコン配管である。

この製品（以下、接合体１ｃという）は、第１の接合面１１を含む第１の中空部材１０と、第２の接合面２１を含む第２の中空部材２０と、内壁３１を含む内部リング部材３３とを含む。第１の中空部材１０と第２の中空部材２０とは摩擦圧接されており、接合体１ｃは、第１の接合面１１と第２の接合面２１とにおいて部材１０および２０が摩擦圧接された接続箇所３０を有する。

第１の中空部材１０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属パイプであって、接合準備のため、外壁の一部に、プレスなどにより平坦な接合準備部分１２が形成されている。第１の接合面１１は、この接合準備部分１２に含まれており、接合面１１よりも内側には、第１の中空部材１０の内部１９に繋がる連通孔１３が形成されている。

第２の中空部材２０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる円筒状の本体２８を備えたユニオン（継手）であって、本体２８から下方に突き出た円筒状の周壁であって、端面が第２の接合面２１となった接合用の周壁２２を含む。周壁２２は、本体２８よりも小径となるように、外側が切削されており、先端部分２１は、面取りされている。この先端部分２１が接合面となり、摩擦圧接される。

内部リング部材３３は、中空で外側に段差のある円筒状であり、大径部３３ａと小径部３３ｂとを有する。内部リング部材３３は、第２の中空部材であるユニオン２０の周壁２２、すなわち接続箇所３０の内側にセットされ、大径部３３ａの周面３３ｃがユニオン２０の内部経路２９に直に接し、小径部３３ｂの端面３４が第１の中空部材である金属パイプ１０の接合面１１の内側の接合準備部分１２に直に接する。内部リング部材３３は、ステンレススチール（ステンレス）製である。ステンレス−アルミニウムの間の摩擦抵抗は、アルミニウム−アルミニウムの間の摩擦抵抗よりも小さい。したがって、内部リング部材３３と金属パイプ１０とが接する部分との間の摩擦抵抗、および内部リング部材３３とユニオン２０とが接する部分との間の摩擦抵抗は、それぞれ、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦抵抗よりも小さい。

この接合体１ｃを製造する際には、金属パイプ１０とユニオン２０とを、軸線Ｌ１およびＬ２が互いに直交し、第１の接合面１１と第２の接合面２１とが接触するようにセットする。その際、ユニオン２０の周壁２２の内側に内部リング部材３３を挿入し、コイルばね５１を有する治具５０をユニオン２０の内部経路２９に挿入し、内部リング部材３３を治具５０により、金属パイプ１０の側に向けて付勢する。

金属パイプ１０の内部１９と、ユニオン２０の内部経路２９とは、内部リング部材３３の内部を通って連通する。内部リング部材３３の小径部３３ｂは内壁３１となり、その内壁３１と、周壁２２を含むユニオン２０の一部と、金属パイプ１０の接合準備部分１２とにより、周壁２２の内側に沿ってリング状の空間３２が形成される。内部リング部材３３の大径部３３ａは、周囲３３ｃがユニオン２０の内部経路２９と接し、小径部３３ｂは端部３４が金属パイプ１０の接合準備部分１２に接する。このため、リング状の空間３２は実質的に閉塞された空間となり、この空間３２に、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１やバリ４２を閉じ込めることができる（図３の一点鎖線Ｌ２よりも紙面左側参照）。

上記の例と同様に、摩擦過程と、アプセット過程とを連続して行い、摩擦圧接する。このとき、内部リング部材３３は、治具５０により金属パイプ１０の接合準備部分１２に付勢されているため、内部リング部材３３が接合準備部分１２から浮きにくいようになっている。第１の接合面１１と第２の接合面２１との間が摩擦圧接されるとともに、周壁２２の内側の空間３２に摩擦圧接により周壁２２の先端から生じたスパッタ４１あるいはバリ４２が閉じ込められる。そのバリ４２などにより空間３２が埋まるので、内部リング部材３３はユニオン２０に対して固定され、治具５０を取り外しても内部リング部材３３は動かず、スパッタ４１およびバリ４２は、空間３２に閉じ込められたままとなる。

内部リング部材３３は、金属パイプ１０およびユニオン２０に対して動摩擦係数が小さい。また、内部リング部材３３は、金属パイプ１０およびユニオン２０とは別体であるため、金属パイプ１０に対して相対的にユニオン２０を回転させながら押し当てる摩擦過程において、内部リング部材３３は、ユニオン２０にともなわれて回転しても回転数は低い。したがって、内部リング部材３３と金属パイプ１０およびユニオン２０との接触部分３３ｂおよび３３ｃの温度上昇が少なく、塑性流動が少ない。このため、内部リング部材３３に起因するバリが発生し難い。なお、摩擦圧接された後、治具５０は取り除く。治具５０は、再利用可能である。

本例の接合体１ｃは、内壁３１を含む内部リング部材３３を含み、バリ４２やスパッタ４１を内部リング部材３３と周壁２２との間の空間３２に保持する。したがって、金属パイプ１０あるいはユニオン２０の側に内壁３１を設ける必要はなく、それら中空部材の側に特別な加工を施す必要がない。

また、内部リング部材３３は、金属パイプ１０およびユニオン２０のいずれからも独立した部材であるため、それらに対してクリアランスの調整が不要である。摩擦圧接中に内部リング部材３３が接合準備部分１２から離れてしまう（浮いてしまう）と、閉じた空間が形成できない。これに対し、本例では、内部リング部材３３を再利用可能な治具５０で押さえつけながら摩擦圧接しているため、内部リング部材３３の浮き上がりを抑止できる。

図４は、本発明の第４の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図４の一点鎖線Ｌ２よりも紙面左側が摩擦圧接のためにセットアップされた状態、紙面右側が摩擦圧接加工後の状態を示している。摩擦圧接加工後、治具５０を取り除くことにより、製品を得ることができる。図５は、図４の一部（接続箇所３０近傍）を拡大して示している。製品の一例は、上記と同様に、車載用のエアコン配管あるいは配管アセンブリであって、ユニオンが接合されているものである。

この製品（以下、接合体１ｄという）では、内壁３１として機能する、内部リング部材３３の小径部３３ｂの先端（金属パイプ側）３４が、フランジ状に広がっている。一方、金属パイプ１０の接合準備部分１２においては、リング状の第１の接合面１１の内側に、第１の接合面１１よりも凹んだ部分３５が形成されており、この凹んだ部分３５の内径は、内部リング部材３３の先端のフランジ部分３４よりも大きい。したがって、内部リング部材３３のフランジ状の先端３４は、この凹んだ部分３５に嵌まった状態で当接する。他の構成および製造方法は、第３の実施形態と同様であるため、図面に同符号を付して重複する説明は省略する。

図５に拡大して示すように、内壁３１のフランジ状に広がった先端３４が、第１の接合面１１よりも凹んだ部分３５に入っているので、第１の接合面１１と第２の接合面２１との摩擦圧接により生じたバリ４２は、フランジ３４の上を通って空間３２に導かれる。したがって、バリ４２が内部リング部材３３と接合準備部分１２との間に入って内部リング部材３３が浮いてしまう事態の発生を防止できる。さらに、バリ４２によりフランジ状の先端３４が押さえられるので、いったんバリ４２が空間３２に導かれると、バリ４２により内部リング部材３３が接合準備部分１２に押し付けられ、内部リング部材３３が浮くのを防止する。また、摩擦圧接した後も、バリ４２により内部リング部材３３の動きが妨げられるので、リング状の空間３２の密閉度を維持できる。

図６は、本発明の第５の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図６の一点鎖線Ｌ２よりも紙面左側が摩擦圧接のためにセットアップされた状態、紙面右側が摩擦圧接加工後の状態を示している。摩擦圧接加工後、治具５０を取り除くことにより、製品を得ることができる。図７は、図６の一部（接続箇所３０近傍）を拡大して示している。製品の一例は、上記と同様に、車載用のエアコン配管あるいは配管アセンブリである。

この製品（以下、接合体１ｅという）では、内壁３１として機能する、内部リング部材３３の小径部３３ｂの先端３４がテーパー状に広がっている。このため、小径部３３ｂの先端３４の外周面（周壁２２に対峙する面）３６は、金属パイプ１０の側の端に向かって径が大きくなるようなテーパー面となっている。一方、金属パイプ１０の接合準備部分１２には、リング状の第１の接合面１１よりも内側（接合面１１と連通孔１３との間）に、第１の接合面１１よりも凹んだ部分３５が形成されている。そして、内部リング部材３３のテーパー状に広がった先端３４は、この凹んだ部分３５に当接している。他の構成および製造方法は、第３の実施形態と同様であるため、図面に同符号を付して重複する説明は省略する。

図７に拡大して示すように、内壁３１を含む内部リング部材３３のテーパー面３６は、フランジ状の先端よりも、バリ４２をさらに空間３２に誘導しやすい。また、第１の接合面１１と第２の接合面２１との摩擦圧接により生じたバリ４２により、内部リング部材３３を金属パイプ１０の接合準備部分１２に押しつける力を得やすく、空間３２の密閉性を向上でき、さらに信頼性の高い製品を提供できる。

図８は、本発明の第６の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図８の一点鎖線Ｌ２よりも紙面左側が摩擦圧接のためにセットアップされた状態、紙面右側が摩擦圧接加工後の状態を示している。図９は、本発明の第６の実施形態にかかる製品(加工後)の状態を示している。図１０は、図９の一部（接続箇所３０近傍）を拡大して示している。製品の一例は、上記と同様に車載用のエアコン配管または配管アセンブリである。

この製品（以下、接合体１ｆという）は、第５の実施形態の製品と同様に、内壁３１として機能する、内部リング部材３３の小径部３３ｂの先端３４が、テーパー状に広がっている。また、リング状の第１の接合面１１の内側に、第１の接合面１１よりも凹んだ部分３５が形成されている。本例の接合体１ｆでは、凹んだ部分３５に、ステンレス製のワッシャー３７が設けられており、内部リング部材３３の先端３４と、金属パイプ１０の接合準備部分１２とがワッシャー３７を介して間接的に接している。他の構成および製造方法は、第３の実施形態と同様であるため、図面に同符号を付して重複する説明は省略する。

ワッシャー３７を設けることにより、内部リング部材３３と金属パイプ１０との間の摩擦力をさらに低減できる。すなわち、ワッシャー３７と内部リング部材３３とはステンレス同士の接触になるので、金属パイプ１０と内部リング部材３３とが接する場合よりもさらに摩擦係数が小さくなる。また、内部リング部材３３を押さえるための治具５０がユニオン２０と共に回転し、内部リング部材３３もユニオン２０と共に回転した場合、内部リング部材３３と金属パイプ１０との間に配設されたワッシャー３７は、回転したとしても低速度であり、ワッシャー３７と金属パイプ１０との間の摩擦抵抗を低減できる。したがって、内壁３１やワッシャー３７に起因するバリ４２やスパッタ４１の発生を抑制することができる。また、第１の中空部材１０の凹んだ部分３５にワッシャー３７を設けることにより、摩擦圧接時において、ワッシャー３７が回転軸と直交する方向に不用意に移動することを抑止できる。

図１１は、本発明の第７の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図１１の一点鎖線よりも紙面上側が摩擦圧接のためにセットアップされた状態、紙面下側が摩擦圧接加工後（製品）を示している。

この製品（以下、接合体１ｇという）では、第１の中空部材１０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属パイプであって、端面が第１の接合面１１となっている。第２の中空部材２０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属パイプであって、端面が第２の接合面２１となっている。第２の中空部材２０の端部には、リング状の切削部２３が設けられており、第２の中空部材２０の内部には、接続箇所３０に、周壁２２の内側に沿ってリング状の内壁３１が一体に設けられている。そして、この内壁３１により、切削部２３は内側から覆われている。内壁３１は、摩擦圧接する際に、その他方の端３１ｂが、第１の中空部材１０の内壁面１４に対して、微小なクリアランスで対面するような外径を有している。

本例では、第１の中空部材１０と第２の中空部材２０とは、これらの軸線Ｌ１およびＬ２が実質的に一致するように、第１の接合面（端面）１１と第２の接合面（端面）２１とにおいて摩擦圧接され、接合体１ｇを成している。この接合体１ｇは、内壁３１と、周壁２２を含む第２の中空部材２０の一部と、第１の中空部材１０の端面１１とにより実質的に閉塞されたリング状の空間３２が形成され、この空間３２に、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１やバリ４２が閉じ込められている。製造方法は、第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は省略する。

本例によれば、直管状のパイプなどの円筒あるいは半球状の部材同士であっても、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１あるいはバリ４２がリング状の空間３２に閉じ込められた状態の接合体１ｇを得ることができる。以下の例においても同様である。

図１２は、本例の第８の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。図１２の一点鎖線よりも紙面上側が摩擦圧接のためにセットアップされた状態、紙面下側が摩擦圧接加工後（製品）を示している。

この製品（以下、接合体１ｈという）では、第１の中空部材１０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属パイプであって、第１の接合面１１は、端面が第１の接合面１１となっている。また、第１の中空部材１０には、内壁３１が形成されている。内壁３１は、摩擦圧接する際に、その他方の端３１ｂが、第２の中空部材２０の内壁面２４に対して、微小なクリアランスで対面するような外径を有している。

第２の中空部材２０は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる金属パイプであって、端面が第２の接合面２１となっている。第２の中空部材２０の端部には、リング状の切削部２３が設けられている。この切削部２３は、第１の中空部材１０と第２の中空部材２０とが接続された状態において、内壁３１により内側から覆われる。

本例では、第１の中空部材１０と第２の中空部材２０とは、これらの軸線Ｌ１およびＬ２が実質的に一致するように、第１の接合面（端面）１１と第２の接合面（端面）２１とにおいて摩擦圧接され、接合体１ｈを成している。そして、この接合体１ｈでも、内壁３１と、周壁２２を含む第２の中空部材２０の一部と、第１の中空部材１０とにより実質的に閉塞されたリング状の空間３２が形成され、この空間３２に、第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１やバリ４２が閉じ込められている。

図１３は、本例の第９の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図である。一点鎖線よりも紙面上側が摩擦圧接のためにセットアップされた状態、紙面下側が摩擦圧接加工後（製品）を示している。二点鎖線で記載されている治具を取り除くことにより、製品を得ることができる。

この製品（以下、接合体１ｉという）では、内壁３１を含む内部リング部材３３の小径部３３ｂの第１の中空部材１０の側の端３４がテーパー状に広がっている。第１の中空部材１０は、リング状の第１の接合面１１の内側に、第１の接合面１１よりも内側に凹んだ部分３５を含んでいる。内部リング部材３３の先端は、この凹んだ部分３５に当接している。他の構成および製造方法は、第７の実施形態と同様であるため、図面に同符号を付して重複する説明は省略する。

本例によれば、直管状のパイプ同士であっても、上記の各例と共通する形態の内部リング部材３３を用いて第１の接合面１１と第２の接合面２１との間の摩擦圧接により生じたスパッタ４１あるいはバリ４２を収納するためのリング状の空間３２を形成でき、バリ４２などがその空間３２に閉じ込められた状態の接合体１ｉを得ることができる。

本発明にかかるパイプ接合体１ａ及びパイプ接合方法は、車載用エアコン配管の接合に限らず、配管サイズや接合条件を適宜変更することで、他の用途、他の材質を用いた金属管どうしの側面と端面どうしの接合に用いることも可能である等、発明の本旨を変更しない範囲で様々な改変をなし得る。

本発明の第１の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 本発明の第２の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 本発明の第３の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 本発明の第４の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 図４の一部を拡大して示す図。 本発明の第５の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 図６の一部を拡大して示す図。 本発明の第６の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 本発明の第６の実施形態にかかる製品を示す断面図。 図９の一部を拡大して示す図。 本発明の第７の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 本発明の第８の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。 本発明の第９の実施形態にかかる製品およびその製造方法を説明するための図。

符号の説明

１ａ〜１ｉ 接合体（製品）
１０ 第１の中空部材、 １１ 第１の接合面
１２ 接合準備部分、 １３ 連通孔
２０ 第２の中空部材、 ２１ 第２の接合面
２２ 周壁、 ３０ 接続箇所
３１ 内壁、 ３２ リング状の空間
３３ 内部リング部材、 ３４ フランジ
３５ 凹んだ部分、 ３６ テーパー面
３７ ワッシャー、 ４１ スパッタ
４２ バリ、 ５０ 治具
Ｌ１ 第１の中空部材の軸線、 Ｌ２ 第２の中空部材の軸線

Claims (13)

1. 接続箇所を有する製品であって、
   前記接続箇所では、第１の接合面を含む金属製の第１の中空部材と、端面が第２の接合面となった接合用の周壁を含む金属製の第２の中空部材とが、前記第１の接合面と前記第２の接合面とにおいて摩擦圧接され、さらに、
   前記接続箇所には、前記周壁の内側に沿ってリング状の内壁が設けられ、この内壁の内側を通って前記第１の中空部材と前記第２の中空部材とが連通され、
   前記周壁を含む前記第２の中空部材の一部と、前記内壁と、前記第１の中空部材の一部とにより囲われたリング状の空間に、前記第１の接合面と前記第２の接合面との間の摩擦圧接により生じたスパッタあるいはバリが閉じ込められている、製品。
2. 請求項１において、前記第１の中空部材は、金属パイプであり、前記第２の中空部材は、ユニオンであり、
   前記金属パイプは、接合準備のために、外側にその一部を平坦にした接合準備部分が形成されており、前記第１の接合面は、前記接合準備部分に含まれており、前記接合準備部分に、前記金属パイプの内部と連通する連通孔が形成されており、
   前記金属パイプと前記ユニオンとは、これらの軸線が互いに交差するように、前記第１の接合面と前記第２の接合面とにおいて摩擦圧接されている、製品。
3. 請求項１において、前記内壁の一方の端は、前記第１の中空部材または前記第２の中空部材に固定されており、他方の端は、前記第２の中空部材または前記第１の中空部材に対して微小なクリアランスで対面している、製品。
4. 請求項１において、前記内壁を含む内部リング部材を有し、
   前記内部リング部材は、前記第１の中空部材および前記第２の中空部材のそれぞれに対して直にまたは間接的に接する部分を備え、それらの接する部分の摩擦抵抗は、前記第１の接合面と前記第２の接合面との間の摩擦抵抗よりも小さい、製品。
5. 請求項１において、前記内壁の前記第１の中空部材の側の端は、フランジを含んでおり、前記第１の接合面と前記第２の接合面と摩擦圧接により生じたバリをフランジとは反対側に誘導している、製品。
6. 請求項１において、前記内壁の前記周壁に対峙する面は、前記第１の中空部材の側の端に向かって径が大きくなるようなテーパー面を含んでおり、前記第１の接合面と前記第２の接合面との摩擦圧接により生じたバリにより、前記内壁が前記第１の中空部材の側に押されている、製品。
7. 請求項４において、前記内壁の前記第１の中空部材の側の端は、フランジ状またはテーパー状に前記第１の中空部材の側の端に向かって径が大きくなり、
   前記第１の中空部材は、リング状の前記第１の接合面よりも内側に、前記内壁の端よりも径が大きく、前記第１の接合面よりも凹んだ部分を含んでいる、製品。
8. 請求項７において、前記凹んだ部分に、前記内壁と前記第１の中空部材とを間接的に接するためのワッシャーが設けられている、製品。
9. 請求項８において、前記内壁および前記ワッシャーは、ステンレス製である、製品。
10. 第１の接合面を含む金属製の第１の中空部材と、端面が第２の接合面となった接合用の周壁を含む金属製の第２の中空部材とを摩擦圧接する際に用いられる内部リング部材であって、
    前記第１の接合面と前記第２の接合面とが摩擦圧接される接続箇所にセットされることにより、当該内部リング部材の内側を通って前記第１の中空部材と前記第２の中空部材とが連通し、前記周壁の内側に沿って、前記第１の接合面と前記第２の接合面との間の摩擦圧接により生じたスパッタあるいはバリを閉じ込めるためのリング状の空間が形成され、
    前記第１の中空部材および前記第２の中空部材のそれぞれに対して直にまたは間接的に接する部分を備え、前記接する部分の摩擦抵抗は、前記第１の接合面と前記第２の接合面との間の摩擦抵抗よりも小さい、内部リング部材。
11. 接続箇所を有する製品の製造方法であって、
    第１の接合面を含む金属製の第１の中空部材と、端面が第２の接合面となった接合用の周壁を含む金属製の第２の中空部材とを、前記第１の接合面と前記第２の接合面とにおいて摩擦圧接することと、
    前記摩擦圧接することの前に、前記接続箇所に、前記第１の接合面と前記第２の接合面とを摩擦圧接する際には、前記第１の中空部材および前記第２の中空部材には圧接されない内壁であって、内側を通って前記第１の中空部材と前記第２の中空部材とが連通される内壁を配置し、前記周壁の内側に沿って、前記周壁を含む前記第２の中空部材の一部と、前記内壁と、前記第１の中空部材の一部とにより囲われたリング状の空間であって、前記第１の接合面と前記第２の接合面との間の摩擦圧接により生じたスパッタあるいはバリを閉じ込めるための空間を形成することとを含む、製造方法。
12. 請求項１１において、前記空間を形成することは、前記内壁を有し、前記第１の中空部材および前記第２の中空部材の双方から独立した内部リング部材を、前記第２の中空部材の内部に設けることを含む、製造方法。
13. 請求項１２において、前記空間を形成することは、前記内部リング部材を治具により、前記第１の中空部材の側に向けて付勢することを含む、製造方法。

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