JP2012148334A - 異材接合構造体の接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の異材接合構造体の接合方法は、鋼製部材12と軽金属材14とを重ね合わせて、非溶融の状態で摩擦により撹拌させて接合する異材接合構造体の接合方法において、鋼製部材12に塗装を施す塗装工程S1と、軽金属材14の鋼製部材12との接合部に回転ツール54を回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で軽金属材14の接合部を軟化及び塑性流動させることにより、鋼製部材12と軽金属材14とを接合する接合工程S4とを含むことを特徴とする。
【選択図】図6
Description
前部サブフレームと後部サブフレームとを接合をするに際しては、溶融溶接する場合に温度が高過ぎて塗料がとんでしまうことから、通常、塗装せずに溶融溶接を行う。その後、一体化した前部サブフレームおよび後部サブフレームに塗装を行い、サブフレーム構造体を製造している。
サブフレーム構造体のような異種金属の接合に関しては、下記の特許文献1、2が開示されている。
特許文献2には、異種金属間の摩擦接合方法が記載されている。
第1の本発明によれば、溶融溶接のように塗膜が溶け出すことなく、細部まで先に容易に塗装を行うことができる。また、塗膜を外に押出すことができるので、先に塗装できる。
また、塑性流動によって、金属間化合物が形成されている。
第2の本発明によれば、塗膜が接合面の外に押出されることにより、軽金属材と鋼製部材との接合ができる。
第3の本発明によれば、亜鉛めっき層が押出されることにより、軽金属材と鋼製部材との接合ができる。
第4の本発明によれば、シール部材が塗膜、鋼製部材の亜鉛めっきの酸化防止剤とともに混ざりあって、防錆効果を発揮できる。
また、シール部材とその他の物質が混ざりあったものが、接合界面の外へ押し出され、鋼製部材と軽金属材との接合が可能になる。
第5の本発明によれば、軽金属材を確実に攪拌でき、鋼製部材に亜鉛めっき層、塗膜等が施された場合には亜鉛めっき層、塗膜等を押出すことができる。
第6の本発明によれば、鋼製部材と軽金属材との接合工程において、鋼製部材の下面の温度上昇を抑制できる。
第7の本発明によれば、回転ツールの先端部の鋼製部材への挿入性が向上し、切り屑の発生を抑制できる。
第8の本発明によれば、接合工程が終了される終了部で鋼製部材が露出するのを防止でき、終了部の鋼製部材を軽金属材で被覆できるために電食の発生を抑制できる。
<<第1実施形態>>
図1は、本発明の第1実施形態に係るサブフレーム構造体が自動車の前部に組み込まれた状態を示す概略斜視図であり、図2は、第1実施形態に係るサブフレーム構造体の分解斜視図である。
なお、各図中において、「前」、「後」は、車両11の前後方向における前側及び後側をそれぞれ示し、「左」、「右」は、前後方向に垂直な車幅方向における車両11の左側及び右側をそれぞれ示している。
サブフレーム構造体10は、図示しない主要な車体構造部材のフロントサイドフレームに固定されるように設けられるか、或いは、図示しないフローティング機構によってフローティング可能に支持され設けられる。
サブフレーム構造体10がフローティング機構によって支持される場合、車輪11rから伝達される振動を好適に減衰することができる利点がある。
図1〜図3に示すように、サブフレーム構造体10は、車両11の前後方向で、鋼製部材である前部サブフレーム12と軽金属製部材である後部サブフレーム14との二つに分割される。
前部サブフレーム12は、上面視で略コ字状の形状を有しており、例えば、図示しない鋼板をプレス成形することによって形成されたプレス成形品である。
後部サブフレーム14は、上面視で略エ字状の形状を有しており、軽金属製、例えば、図示しない金型(ダイカスト機)のキャビティ内で溶融したアルミニウム合金(アルミニウム)を固化させて形成されたダイカスト成形品である。
フロントクロスメンバ20は、マウント部(台座)16に装着される図示しないフロントエンジンマウントを介してエンジン18(図1参照)の車両11の前側を支持する。
また、一対の左・右サイドメンバ22a、22bの延在方向に沿った中央部(中間部)24bより前側の前方部24aは、鉄鋼製材料からなる中空部材で形成される。さらに、一対の左・右サイドメンバ22a、22bの延在方向に沿った中央部24bの一部、および、中央部24bより後側の後方部24cは、前方部24aと比較して薄肉(薄い板厚)に形成された薄板部26が後部サブフレーム14に重ね合わせる箇所として形成される。
図4は、図3(a)のA−A線に沿った断面図である。
一対の左・右サイドメンバ22a、22bの中央部24bの一部と後方部24cとを含む薄板部26は、図4に示されるように、1枚の薄板で断面が略ハット状に形成され、かつ、左・右サイドメンバ22a、22b(但し、図4中では、左サイドメンバ22aを図示し、右サイドメンバ22bの図示を省略)の左右両側に、その延在方向に沿って延在するフランジ部28が形成される。
後部サブフレーム14は、例えば、アルミニウム、マグネシウムやこれらの合金等からなる軽金属製材料によって形成される。
図5は、図3(a)のB−B線に沿った断面図である。
左・右リヤサイド部36a、36bのフランジ部40の側縁部40aは、左・右サイドメンバ22a、22bのフランジ部28と比較して、車幅方向に沿った左右両外側方に僅かに突出して形成される。
このボルト30による締結部位は、後記する摩擦攪拌接合によって前部サブフレーム12と後部サブフレーム14とが接合されていない非接合部位に位置し、溶接(摩擦撹拌接合)することができない非接合部位をボルト締結によって補強することができる。この結果、鉄鋼製の前部サブフレーム12と軽金属製の後部サブフレーム14とを相互に摩擦撹拌接合した場合であっても、非接合部位であるボルト締結部位との協働作用によって所望の剛性・強度を確保することができる。
先ず、鉄鋼製材料で形成された前部サブフレーム12側のフランジ部28と、アルミニウム合金等の軽金属材料で形成された後部サブフレーム14側のフランジ部40との重畳部位を、摩擦攪拌接合で一体的に接合する工程について図6に従って説明する。
まず、鉄鋼製材料で前部サブフレーム12の形状にプレス成形された成形品12´(図8(a)参照)に合金亜鉛めっき12mを施した後、カチオン電着塗装12dを行い、図7(a)に示すように、合金亜鉛めっき12m、カチオン電着塗装12dを行ったワークの前部サブフレーム12をクランプ台などの治具60にセットする(図6のS1)。
そして、図7(c)に示すように、前部サブフレーム12における上面にシール材58を塗布したフランジ部28の上に、ダイカスト成型されたアルミニウム合金材料などの軽金属製のワークの後部サブフレーム14のフランジ部40を重ね、図示しないクランプ機構を用いてクランプする(図6のS3)。このとき、図8(b)に示すように、シール材58が前部サブフレーム12のフランジ部28と後部サブフレーム14のフランジ部40との間に広がる。
図7(c)に示すように、摩擦攪拌接合に用いられる接合ツール50は、図示しないモータ等の回転駆動源によって回転軸の回りに回転駆動される円柱状の回転子(Stir Rod)52と、回転子52の底部中心から軸方向に沿って突出する接合ピン(Probe)54とを有する。接合ピン54の直径は、回転子52の直径よりも小さく設定され、接合ピン54と回転子52との環状の段差部分でショルダ部56が形成される。
さらに、回転子52及び接合ピン54を一体的に回転させながら後部サブフレーム14のフランジ部40に加圧進入させ、図9に示すように、回転子52のショルダ部56が後部サブフレーム14のフランジ部40の上面に摺接するまで接合ピン54を鉛直下方向に向かって挿入する。
すなわち、合金亜鉛めっき12m等のめっきの酸化防止剤とカチオン電着塗装12dの塗膜とシール材58とを接合面の周囲に押し出し混ぜ合わせて壁を作りながら、軽金属製材料の後部サブフレーム14と前部サブフレーム12のフランジ部28とを固着するので、塗料等がとぶことがない。また、フランジ部40とフランジ部28との接合面には、シール材58、カチオン電着塗装12dの層、合金亜鉛めっき12mの層は存在しない。なお、前記したように、接合ピン54の周りの合金亜鉛めっき12mの層、カチオン電着塗装12dの層、およびシール材58の部分には、これらの混合物mが壁のように形成される。
前部サブフレーム12のフランジ部28と後部サブフレーム14のフランジ部40との間に介装されたシール材58が左右両側(両側部)からはみ出して凹部42内に溜まるシール溜まり構造について、以下、図10に基づいて説明する。
この凹部42内に保持されたシール材58は、例えば、常乾型シール材で構成されることにより、所定時間経過後に固化されて、図11に示すように、前部サブフレーム12及び後部サブフレーム14の左右両側のフランジ部28、40間の間隙が確実にシールされる。
また、前部サブフレーム12及び後部サブフレーム14の左右両側の間隙から水等の腐食因子が浸入することを抑制して、高い防錆性能を確保することができる。
しかも、前部サブフレーム12が単体時に塗装を行えるので、塗装が容易で塗装に関する手間が大幅に省ける。また、前部サブフレーム12の塗り損いがない。
次に、本発明の第2実施形態に係るサブフレーム構造体100について、以下説明する。なお、以下に示される実施形態において、図1に示す第1実施形態に係るサブフレーム構造体10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態に係るサブフレーム構造体200について、以下説明する。
図17は、本発明の第3実施形態に係るサブフレーム構造体が自動車の前部に組み込まれた状態を示す概略斜視図、図18は、第3実施形態に係るサブフレーム構造体の分解斜視図、図19(a)は、第3実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図、図19(b)は、サブフレーム構造体から後部サブフレームを外した前部サブフレームの左側部の部分平面図、図20は、図19(a)のE−E線に沿った断面図、図21は、図19(a)のF−F線に沿った断面図、図22(a)は、第3実施形態に係るサブフレーム構造体において、前部サブフレーム及び後部サブフレームの各フランジ部を摩擦撹拌接合する状態を示す断面図、図22(b)は、摩擦撹拌接合部位の裏面の温度を測定した特性図、図22(c)は、摩擦撹拌接合後の状態を示す断面図である。
そこで、第3実施形態では、図21に示すように、前部サブフレーム12を構成する左・右サイドメンバ22a、22bの中央部24bから後方の延出部202までを鉄鋼材料からなる2枚の薄板206a、206bを薄肉に形成して積層し空気層を形成し、熱伝達率を低下させる。
これにより、接合ピン54の回転進入に起因する摩擦熱が下層側の薄板206bの下面に形成された電着塗装膜208cまで到達することを抑制することにより、摩擦撹拌接合部位の裏面210(フランジ部204a、204bの裏面)に形成された電着塗装膜208cを保護している。
図23は、第4実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図である。
第4実施形態に係るサブフレーム構造体300は、アルミニウム合金等の軽金属製材料で形成された左・右リヤサイド部36a、36bの前端部302の形状を、リヤクロス部38の軸線Gに対して交差するように傾斜させている点に特徴がある。このように前端部302を傾斜した形状とすることにより、摩擦撹拌接合部位62の長さや断面積を増減させて自在に調整することができる利点がある。なお、前端部302の傾斜形状は、各リヤサイド部36a、36bの内側が外側よりも前方に向かって長くなり、又は、外側が内側よりも前方に向かって長くなる形状のいずれであってもよい。
図24は、第5実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図である。なお、図24中の符号62s(始点部)は、摩擦撹拌接合を開始する箇所を示し、符号62e(終点部)は、摩擦撹拌接合を終了する箇所を示し、また、符号62s、62e間の白抜き矢印は摩擦撹拌接合の工程の作業の進行を示す。
第5実施形態のサブフレーム構造体400は、第3実施形態のサブフレーム構造体200を、図22に示す摩擦撹拌接合するに際して、摩擦撹拌接合を開始する始点部62sの形状と終点部62eの形状とを変更したものである。
本構成により、接合ピン54の回転進入による摩擦撹拌接合の開始に際して、フランジ部40の切り屑(バリ)の発生が抑制され、接合ピン54の挿入性が向上する。従って、摩擦撹拌接合の工程を円滑に開始し、摩擦撹拌接合の開始する始点部62sの仕上がりを良好にすることができる。
予め、図24に示す前部サブフレーム12の左・右サイドメンバ22a、22bの中央部24bから後方の延出部202までの薄板206a、206bにおける摩擦撹拌接合を終了する終点部62eの上部に、図25(b)に示すように、接合ピン54の先端部より大きな寸法をもつ凹形状の凹部202hを形成し、終点部62eの薄板206a、206bに上から重なるアルミニウム等の軽金属製の左・右サイド部36a、36bのフランジ部40、40にそれぞれ、薄板206a、206bの凹部202hに嵌入される凸形状の凸部40cを形成する。
そして、回転子52の底部中心下方に突出する接合ピン54を回転させて、上側のフランジ部40に進入させることで、図25(c)に示すように、後部サブフレーム14の左・右サイド部36a、36bのフランジ部40、40と前部サブフレーム12の左・右サイドメンバ22a、22bの薄板206a、206bとが、摩擦撹拌接合される。
なお、薄板206a、206bに、第3実施形態と同様に、各薄板206a、206bの両面に合金亜鉛めっき等のめっきを施してから、電着塗装膜208a、208b、208cを形成してもよい。
また、第5実施形態の構成は、摩擦撹拌接合の工程の始点部62sと終点部62eとの構成は、第1〜第4実施形態に適用することが可能である。
第1〜第5実施形態の構成によれば、カチオン(ED)電着塗装等の電着塗装した状態で摩擦撹拌接合を実施するので、接合強度を確保できる。
アルミ部材等の軽金属材と鉄部材を接合する際に、鉄部材に予め電着塗装を施した上で摩擦撹拌接合することにより、溶融溶接のように塗膜が溶け出すことなく、塗装に関する手間が省けて細部まで先に塗装を行うことができる。また、塗膜が外に押し出されることにより、軽金属材と鉄部材とを接合できる。
なお、前記実施形態では、後部サブフレーム14を軽金属で製作する例として、アルミニウム合金(アルミニウム)を例示したが、アルミニウム合金(アルミニウム)以外の軽金属を用いてもよいのは、勿論である。
また、第1〜第5実施形態で様々な構成を説明したが、説明した各構成を適宜任意に組み合わせて構成してもよい。
12 前部サブフレーム(鋼製部材)
14 後部サブフレーム(軽金属材)
28 フランジ部(鋼製部材)
40 フランジ部軽金属材)
40b 凹部(第1凹部)
40c 凸部
54 接合ピン(回転ツール)
58、258 シール材(シール部材)
62s 始点部
62e 終点部
202h 凹部(第2凹部)
206a、206b 鉄鋼製の薄板(複数枚を重ねた鋼製部材)
S1 ワークSET(塗装工程)
S4 摩擦撹拌接合とシール材はみ出し(接合工程)
Claims (8)
- 鋼製部材と軽金属材とを重ね合わせて、非溶融の状態で摩擦により撹拌させて接合する異材接合構造体の接合方法において、
前記鋼製部材に塗装を施す塗装工程と、
前記軽金属材の前記鋼製部材との接合部に回転ツールを回転させながら押し込み、このときに発生する摩擦熱で前記軽金属材の接合部を軟化及び塑性流動させることにより、前記鋼製部材と前記軽金属材とを接合する接合工程とを
含むことを特徴とする異材接合構造体の接合方法。 - 前記塗装が電着塗装であって、前記塗装の塗膜が前記接合部の前記軽金属材と前記鋼製部材との接合面の周囲に押出されることにより、当該接合面に前記塗膜が存在しない
ことを特徴とする請求項1に記載の異材接合構造体の接合方法。 - 前記鋼製部材には亜鉛めっき加工が施され、前記亜鉛めっき層が前記電着塗装の塗膜とともに前記接合面の周囲に押出される
ことを特徴とする請求項2に記載の異材接合構造体の接合方法。 - 前記鋼製部材と前記軽金属材との間にシール部材が設けられ、前記シール部材が前記亜鉛めっき層、前記電着塗装の塗膜とともに前記接合面の周囲に押出される
ことを特徴とする請求項3に記載の異材接合構造体の接合方法。 - 前記回転ツールの先端部が前記鋼製部材に接触するまで押し込まれる
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちの何れか一項に記載の異材接合構造体の接合方法。 - 前記接合部における前記鋼製部材は、複数枚を重ね合わせて成る
ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちの何れか一項に記載の異材接合構造体の接合方法。 - 前記接合工程が開始される始点部における前記軽金属材の前記回転ツールの先端部が押し込れる箇所に、前記回転ツールの先端部より大きいまたはほぼ同等の寸法をもつ凹形状の第1凹部を形成する
ことを特徴とする請求項1から請求項6のうちの何れか一項に記載の異材接合構造体の接合方法。 - 前記接合工程が終了される終了部における前記鋼製部材の前記回転ツールの先端部が押し込れる箇所に前記回転ツールの先端部より大きい寸法をもつ凹形状の第2凹部を形成し、かつ、前記軽金属材に前記鋼製部材の第2凹部内に収容される凸形状の凸部を形成する
ことを特徴とする請求項1から請求項7のうちの何れか一項に記載の異材接合構造体の接合方法。
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