JP2014168804A - 異材接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】異種金属同士を摩擦撹拌接合した場合であっても、シール材の剥離を防止すること。
【解決手段】前部サブフレームの延出部を、２枚の鉄鋼製の薄板２０６ａ、２０６ｂを積層して形成し、前部サブフレームのフランジ部２０４ａとアルミニウム製の後部サブフレーム１４のフランジ部４０とが重ね合わせられ、重ね合わせ面にシール材５８が塗布された状態で摩擦撹拌接合される。２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂのうち、アルミニウム製の後部サブフレーム１４と接合される薄板２０６ａの端部には、折り曲げられて形成された折り曲げ部２２０が設けられると共に、折り曲げ部２２０側の端部において後部サブフレーム１４よりも外部に向かって長く延出した延出部分２２２が設けられ、延出部分２２２は、シール材５８によって被覆される。
【選択図】図１８

Description

本発明は、例えば、車両の前部に組み込まれるサブフレーム等の構造体を異種材料で接合した異材接合構造体に関する。

自動車等の車両には、車体部材としてのフロントサイドフレームに固定され、例えば、サスペンションアームやスタビライザ等のサスペンション構成部品が取り付けられると共に、前記サスペンション構成部品を支持するためのサブフレーム構造体が用いられている。

この種のサブフレーム構造体として、例えば、特許文献１には、サスペンション構成部品が取り付けられる軽金属製のリヤメンバと、前記リヤメンバの２つの側辺部のそれぞれの前端部に接合されて車両前方に向かって延びる２つの鉄鋼製のサイドメンバと、前記２つのサイドメンバ同士を車幅方向に連結するクロスメンバとを備えたサブフレーム構造体が開示されている。

また、特許文献２には、センタピラーに関する自動車用構造体の接合構造に関し、アルミニウム合金製からなる箱型構造部材の開口側端縁のフランジと、亜鉛鋼板製からなる平板状のカバーとを摩擦撹拌接合することが開示されている。

特開２００７−３０２１４７号公報 特開２００９−１２６４７２号公報

この場合、例えば、特許文献１に開示された異種金属製部材同士を、特許文献２に開示された接合方法を適用して一体的に結合することが考えられる。すなわち、軽金属製のリヤメンバの側辺部の端面にフランジを設け、また、鉄鋼製のサイドメンバの端面に２枚重ね構造のフランジを設ける。そして、リヤメンバとサイドメンバとの重ね合わせ面にシール材を塗布しながら、リヤメンバ側のフランジとサイドメンバ側の２枚重ねのフランジとを相互に摩擦撹拌接合して、異材接合構造体を構築することが考えられる。

しかしながら、特許文献１の構造に特許文献２の接合方法を適用した異材接合構造体では、例えば、異種金属製部材同士による電食（電解腐食）や錆等の発生によりシール材が剥離するおそれがある。シール材が剥離すると異材接合構造体の耐久性が劣化する可能性がある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、異種金属同士を摩擦撹拌接合した場合であっても、シール材の剥離を防止することが可能な異材接合構造体を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、薄板状の鉄製部材と薄板状の軽金属製部材とを一体的に接合して構成される異材接合構造体において、前記鉄製部材は、２以上の鉄鋼製の薄板が積層されて形成され、前記薄板には、前記軽金属製部材との接合前に電着塗装が施されることにより、前記軽金属製部材との接合面、前記薄板同士の積層面、及び、前記軽金属製部材との接合面と反対側の前記薄板の裏面に、それぞれ電着塗装膜が形成され、前記鉄製部材と前記軽金属製部材とが重ね合わせられ、前記重ね合わせ面にシール材を塗布した状態で、前記重ね合わせ面の垂直方向で、且つ、前記軽金属製部材側から前記鉄製部材側に向かって摩擦撹拌接合用回転工具を回転挿入し、前記摩擦撹拌接合用回転工具が前記鉄製部材にまで回転挿入されて摩擦撹拌接合され、前記２以上の鉄鋼製の薄板のうち、前記軽金属製部材と接合される薄板の端部には、折り曲げられて形成された折り曲げ部が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、薄板状の鉄製部材と薄板状の軽金属製部材とから構成される異種金属同士を、その間にシール材を塗布した状態で摩擦撹拌接合した場合、軽金属製部材と接合される鉄製部材のエッジ部（端部）が折り曲げ部によって折り曲げられているため、電着塗装膜を有しない鉄製部材のエッジ部が腐食しても、鉄製部材と軽金属製部材との間から押し出されたシール材が剥離してシール性能が劣化することを防止することができる。

また、本発明は、軽金属製部材と接合される薄板の端部に、折り曲げ部側の端部において軽金属製部材よりも外部に向かって長く延出した延出部分が設けられ、延出部分は、シール材によって被覆されるとよい。

本発明によれば、シール材が延出部分で保持されると共に、鉄製部材と軽金属製部材との間に腐食因子が進入することを前記シール材によって好適に阻止することができる。

さらに、本発明は、折り曲げ部が、軽金属製部材の反対側に折り曲げられるとよい。折り曲げ部のエッジ部に錆が発生した場合であっても、折り曲げ部が軽金属製部材の反対側に折り曲げられているため、発生した錆が鉄製部材と軽金属製部材との間からはみ出したシール材に対して悪影響を与えることを好適に回避することができる。

本発明によれば、異種金属同士を摩擦撹拌接合した場合であっても、シール材の剥離を防止することが可能な異材接合構造体を得ることができる。

本発明の第１参考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る。 第１参考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。 （ａ）は、第１参考実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図、（ｂ）は、前記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部分平面図である。 図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った縦断面図である。 図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った縦断面図である。 （ａ）は、接合ツールを用いて摩擦撹拌接合する状態を示す斜視図、（ｂ）は、摩擦撹拌接合状態を示す縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、シール材が凹部内に溜まる状態を示す説明図である。 本発明の第２参考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る。 第２参考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。 （ａ）は、第２参考実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図、（ｂ）は、前記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部分平面図である。 図１０（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面図である。 図１０（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った縦断面図である。 本発明の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る。 本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。 （ａ）は、本実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図、（ｂ）は、前記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部分平面図である。 図１５（ａ）のＥ−Ｅ線に沿った縦断面図である。 図１５（ａ）のＦ−Ｆ線に沿った縦断面図である。 （ａ）は、図１７（ｂ）の部分拡大縦断面図、（ｂ）は、曲げ方向が異なる折り曲げ部の変形例を示す部分拡大縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、比較例において、シール材が剥離する状態を示す部分拡大縦断面図である。 （ａ）は、本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縦断面図、（ｂ）は、摩擦撹拌接合部位の裏面の温度を測定した特性図、（ｃ）は、摩擦撹拌接合後の状態を示す縦断面図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１参考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２は、第１参考実施形態に係るサブフレーム構造体の分解斜視図、図３（ａ）は、第１参考実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図、図３（ｂ）は、前記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部分平面図、図４は、図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った縦断面図、図５は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った縦断面図である。

図１に示されるように、本発明の第１参考実施形態に係るサブフレーム構造体（異材接合構造体）１０は、車体前部に配置され図示しない車体部材（骨格部材）に対して固定されるように設けられ、又は、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るように設けられる。サブフレーム構造体１０が図示しないフローティング機構によって支持される場合、車体から伝達される振動を好適に吸収することができる利点がある。

図１乃至図３に示されるように、サブフレーム構造体１０は、車両前後方向で二つに分割され、平面視して略コ字状からなる鉄鋼製の前部サブフレーム（鉄製部材）１２と、平面視して略エ字状からなる軽金属製の後部サブフレーム（軽金属製部材）１４とから構成されている。前部サブフレーム１２は、例えば、図示しない鋼板材をプレス成形することによって形成されたプレス成形体からなり、後部サブフレーム１４は、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）を固化させるダイカスト成形によって形成されたダイカスト成形体からなる。

なお、各図中において、「前」、「後」は、車両前後方向における車両１１（図１参照）の前側及び後側をそれぞれ示し、「左」、「右」は、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。

図２に示されるように、前部サブフレーム１２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）の車両前側を支持し、車幅方向に沿って延在するフロントクロスメンバ２０と、前記フロントクロスメンバ２０の軸方向に沿った両端部に結合され、前記フロントクロスメンバ２０から車両後方に向かって略平行に延在する一対の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂとを有する。

なお、フロントクロスメンバ２０と一対の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂとを、例えば、鋳造成形又は鍛造成形等によって一体成形してもよいし、又は、フロントクロスメンバ２０の軸方向に沿った両端部に、一対の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの前端部を溶接で接合するようにしてもよい。

フロントクロスメンバ２０は、鉄鋼製部材からなる中空部材によって形成される。また、一対の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの軸方向に沿った中央部（中間部）２４ｂより前側の前方部２４ａは、鉄鋼製部材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の軸方向に沿った中央部２４ｂ、及び、前記中央部２４ｂより後側の後方部２４ｃは、前方部２４ａと比較して薄肉に形成された薄板部２６が形成される。

この場合、一対の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの薄板部２６は、従来の左右サイドメンバと比較して、後方側に向かって所定長だけ延出（伸長）した延出部として形成されている。また、一対の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの中央部２４ｂ及び薄板部２６は、図４に示されるように、１枚の薄板で縦断面が略ハット状に形成され、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂ（但し、図４中では、右サイドメンバ２２ｂの図示を省略）の左右両側で、軸方向に沿って延在するフランジ部２８が形成される。

一対の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの軸方向に沿った中央部２４ｂには、ボルト３０が挿通されるボルト挿通孔３２が形成される。この場合、図４に示されるように、一対のボルト３０を、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂのボルト挿通孔３２に沿って下側から貫通させ、前記ボルト３０のねじ部３０ａを後部サブフレーム１４の前端部に設けられた有底のねじ穴３４に締結することができる。この結果、前部サブフレーム１２と後部サブフレーム１４とは、車幅方向に沿った左右両側の位置で、一対のボルト３０によって固定される。

後部サブフレーム１４は、図示しないリヤエンジンマウントを介して、エンジン１８の車両後方側を支持し車幅方向に沿って延在するリヤメンバからなる。前記リヤメンバは、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの中央部２４ｂ及び前記中央部２４ｂよりも後側の薄板部２６の上面にそれぞれ被せられ、前記左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの上面の一部を被覆（重畳）する一対の左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂと、前記一対の左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂを連結するリヤクロス部３８とから構成される。前記リヤメンバは、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部材によって形成される。

左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂの両側部にはフランジ部４０が設けられ、前記フランジ部４０は、左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂの軸方向に沿った一端部から他端部まで延在するように形成される。この場合、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側に向かって僅かに突出して形成される（図５参照）。図７に示されるように、この突出した左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂのフランジ部４０の側縁部４０ａが下方に向かい、前部サブフレーム１２のフランジ部２８の側端面２８ａとの間で、上側に向かって窪んで形成された天井面４２ａ（図７参照）を有する凹部４２が設けられる。前記凹部４２は、左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂの軸方向に沿って延在する。

換言すると、左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂ（後部サブフレーム１４）のフランジ部４０の側縁部４０ａを、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂ（前部サブフレーム１２）のフランジ部２８と比較して、車幅方向に沿って左右両側に向かって僅かに突出させ、この突出した部分を鉛直下方向に向かって垂れ下がるようにすることにより、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂのフランジ部２８の側端面２８ａとの間で天井面４２ａを有する凹部４２が形成される。

なお、鉛直下方向に向かって垂らされた左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂのフランジ部４０の側端部４０ａの下面は、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂのフランジ部２８の下面と水平方向に沿って同一又は略同一となるように設定されるとよい（図７（ｃ）参照）。

この場合、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの左右両側にそれぞれ設けられたフランジ部２８が下側に位置し、左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂの左右両側にそれぞれ設けられたフランジ部４０が上側に位置し、それぞれ重畳された状態で摩擦攪拌接合によって一体的に接合されることにより、閉断面４４が形成される（図４及び図５参照）。

また、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂとリヤメンバの左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂとは、中央部に設けられたボルト挿通孔３２を挿通させたボルト３０が前記左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂ側に設けられたねじ穴３４に螺入されて、閉断面４４を貫通して締結される。

前記閉断面４４内には、ボルト３０の外周面を囲繞する円筒体からなり、ボルト３０を締結したときに左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂと左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂとの接合強度を補強するカラー部材４６が設けられる。ボルト締結部位は、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。

従って、前部サブフレーム１２と後部サブフレーム１４とは、その重畳部位における各フランジ部２８、４０を摩擦攪拌接合することによって強固に固定（接合）されると共に、摩擦攪拌接合されていない非溶接部位で前部サブフレーム１２と後部サブフレーム１４とをボルト３０で締結することによって、サブフレーム構造体１０の全体において、より一層剛性・強度を増大させることができる。なお、左右リヤサイド部３６ａ、３６ｂにおける前記ボルト３０の締結部位よりも後方位置に雌ねじのねじ穴（図示せず）をそれぞれ形成し、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの後方部２４ｃの下方から図示しない補強用ボルトを挿通孔にそれぞれ差し込んで前記雌ねじのねじ穴に締結することにより、より一層剛性・強度を増大させることができる。

第１参考実施形態に係るサブフレーム構造体１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。図６（ａ）は、接合ツールを用いて摩擦撹拌接合する状態を示す斜視図、図６（ｂ）は、摩擦撹拌接合状態を示す縦断面図である。

先ず、鉄鋼製部材で形成された前部サブフレーム１２側のフランジ部２８と、アルミニウム合金製部材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説明する。

図６に示されるように、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、前記回転子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。

次に、前部サブフレーム１２と後部サブフレーム１４との接合工程について説明する。なお、前部サブフレーム１２は、予め鋼板材がプレス成形されたプレス成形体で構成され、一方、後部サブフレーム１４は、予めアルミニウム合金を用いてダイカスト成形されたダイカスト成形体で構成されている。

先ず、前部サブフレーム１２を図示しないクランプ台上にセットした後、図示しないシール材塗布機構によって前部サブフレーム１２の上面にシール材（シール部材）５８（例えば、常乾型シール材）を塗布する。シール材５８が塗布された前部サブフレーム１２の上面（中央部２４ｂよりも後側の薄板部２６）に対して後部サブフレーム１４を被せた後、この上下方向に重畳された前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４を図示しないクランプ機構を用いてクランプする。

続いて、前記した接合ツール５０を用いて、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とを摩擦攪拌接合する。なお、前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４の各フランジ部２８、４０の下側には、接合ツール５０によって各フランジ部２８、４０に付与される加圧力をバックアップするための治具６０が設けられている。

次に、摩擦攪拌接合工程は、以下のとおりである。
図示しない回転駆動源を用いて回転子５２及び接合ピン５４を一体的に回転させた状態で、アルミニウム合金等の軽金属製部材で形成された後部サブフレーム１４の上面に徐々に近接させ、加圧力（押込力）によって接合ピン５４の先端部を後部サブフレーム１４の上面に当接（接触）させ回転進入させることにより、後部サブフレーム１４に塑性流動域を生成する。

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加圧進入させ、回転子５２のショルダ部５６が後部サブフレーム１４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。その際、接合ピン５４の先端部が鉄鋼製部材で形成された前部サブフレーム１２の上面に当接するまで加圧力が付与される。

接合ピン５４が前部サブフレーム１２の上面に当接するまで回転進入されることにより、軽金属製部材の後部サブフレーム１４に生成される塑性流動域を塑性流動させ、鉄鋼製部材からなる前部サブフレーム１２の鋼板新生面を露出させて後部サブフレーム１４と固相接合される。

このように、回転子５２及び接合ピン５４が回転進入して、接合ピン５４の先端部が前部サブフレーム１２の上面に当接した状態を保持しながら、重畳されたフランジ部２８、４０の軸方向に沿って回転子５２及び接合ピン５４を変位させることによって摩擦攪拌接合部位（接合部）６２（図３（ａ）中の網状部分参照）が形成される。なお、摩擦撹拌接合部位６２には、上側の後部サブフレーム１４（アルミニウム合金等の軽金属部材）と、下側の前部サブフレーム１２（鉄鋼製部材）との間の接合界面には、金属間化合物が生成される。この金属間化合物は、接合界面全域にわたる連続した層状形態ではなく、粒状形態又は分断された層状形態で接合界面内に分散した状態で生成される。

図７（ａ）〜（ｃ）は、シール材が凹部内に溜まる状態を示す説明図である。
前部サブフレーム１２と後部サブフレーム１４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７に基づいて説明する。

上面にシール材５８が塗布された前部サブフレーム１２に対して後部サブフレーム１４が重畳された後（図７（ａ）参照）、図示しないクランプ機構によってクランプすることにより、前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４の左右両側から僅かにシール材５８がはみ出す（図７（ｂ）参照）。

重畳された前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４の左右両側からはみ出されたシール材５８は、散らばることがなく天井面４２ａを有する凹部４２内に溜まる。さらに、前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４がクランプされた状態で摩擦撹拌接合されることにより、シール材５８がさらに左右両側からはみ出して必要十分な量のシール材５８が凹部４２内に保持される（図７（ｃ）参照）。

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の左右両側の間隙が確実にシールされる。

この結果、第１参考実施形態では、摩擦撹拌接合された前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４の左右両側からはみ出されたシール材５８が散らばることを防止しつつ、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が浸入することを回避して、高い防錆性能を確保することができる。

また、凹部４２内におけるシール材５８の溜まり具合（溜まり量）は、作業者が外部から視認することができるため、シール材５８の塗布量を確認して前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４との間にシール材５８が確実に介装されたか否かを判断することができる。

さらに、フランジ部２８、４０同士が摩擦撹拌接合されて、前部サブフレーム１２と後部サブフレーム１４との間で閉断面４４が形成されるが、この閉断面４４が形成されたフランジ部２８、４０の内側においても、シール材５８がはみ出して固化されてシール機能が発揮される（図６（ｂ）参照）。このため、例えば、水滴（水）が後部サブフレーム１４の内壁面を伝わって流下する場合であっても、前記水滴が各フランジ部２８、４０間の間隙に留まることがない滞水防止構造とすることができる。

さらにまた、鉄鋼製部材からなる前部サブフレーム１２とアルミニウム製部材からなる後部サブフレーム１４との異種材料同士を摩擦撹拌接合した場合、各金属のイオン化傾向の違いによって各金属間に電位差が生じ、腐食電流が流れることによって異種金属同士の接触によって電解腐食（電食）が発生することが懸念される。しかしながら、第１参考実施形態では、摩擦撹拌接合されたフランジ部２８、４０からはみ出したシール材５８が固化することによって、腐食電流が流れることを回避することができる。この結果、第１参考実施形態では、異種金属間の接触による耐食性を向上させることができる。

次に、本発明の第２参考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１参考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。

図８は、本発明の第２参考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９は、第２参考実施形態に係るサブフレーム構造体の分解斜視図、図１０（ａ）は、第２参考実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図、図１０（ｂ）は、前記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部分平面図、図１１は、図１０（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った縦断面図、図１２は、図１０（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った縦断面図である。

この第２参考実施形態に係るサブフレーム構造体１００では、図１１に示されるように、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におけるボルト締結部位が２枚の鉄鋼材料からなる薄板１０２ａ、１０２ｂを接合して形成された閉断面４４を有している。従って、第２参考実施形態に係るサブフレーム構造体１００は、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂのボルト締結部位が１枚の鉄鋼板からなり前部サブフレーム１２と後部サブフレーム１４との間で閉断面４４（図４参照）が形成された第１参考実施形態に係るサブフレーム構造体１０と相違している。

この場合、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂを構成する２枚の薄板１０２ａ、１０２ｂには、ボルト３０が挿通されるボルト挿通孔３２、３２がそれぞれ形成され、前記ボルト挿通孔３２、３２に沿って挿通されたボルト３０のねじ部３０ａが後部サブフレーム１４のねじ穴３４に螺入されることにより、２枚の薄板１０２ａ、１０２ｂで形成された閉断面４４を貫通するように設けられる。

なお、閉断面４４中には、ボルト３０の外周面を囲繞する円筒体からなり、軸方向に沿った一端部が一方の薄板１０２ａに連結され、軸方向に沿った他端部が他方の薄板１０２ｂに連結されるカラー部材１０４が設けられる。このカラー部材１０４は、ボルト３０を締結したときの薄板１０２ａ、１０２ｂ同士の変形を回避して、ボルト締結部位における接合強度を補強するために設けられる。この場合、前記カラー部材１０４を下側の薄板１０２ｂと一体成形し、又は、薄板１０２ｂの上面にカラー部材１０４を予め溶接して固定することができる。また、２枚の薄板１０２ａ、１０２ｂで形成された閉断面４４を貫通するボルト３０を締結する際、アルミニウム合金製材料で形成された後部サブフレーム１４と、鉄鋼製材料で形成された上側の薄板１０２ａとが積層される、ボルト締結周辺部位を溶接するようにするとよい（図１１参照）。

第２参考実施形態では、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂを２枚の鉄鋼材料からなる薄板１０２ａ、１０２ｂを接合して閉断面４４を形成することにより、その閉断面積を大きく設定することができる利点がある。この結果、剛性・強度をより一層増大させることができる。また、第２参考実施形態では、鉄鋼材料からなる２枚の薄板１０２ａ、１０２ｂが左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの後方部２４ｃまで延在し、２枚の薄板１０２ａ、１０２ｂのフランジ部同士が２枚重ねで一体的に溶接されている。

次に、本発明の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１３は、本発明の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１４は、本実施形態に係るサブフレーム構造体の分解斜視図、図１５（ａ）は、本実施形態に係るサブフレーム構造体の平面図、図１５（ｂ）は、前記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部分平面図、図１６は、図１５（ａ）のＥ−Ｅ線に沿った縦断面図、図１７は、図１５（ａ）のＦ−Ｆ線に沿った縦断面図、図１８（ａ）は、図１７（ｂ）の部分拡大縦断面図、図１８（ｂ）は、曲げ方向が異なる折り曲げ部の変形例を示す部分拡大縦断面図、図１９（ａ）〜（ｃ）は、比較例において、シール材が剥離する状態を示す部分拡大縦断面図、図２０（ａ）は、本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縦断面図、図２０（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２０（ｃ）は、摩擦撹拌接合後の状態を示す縦断面図である。

本実施形態に係るサブフレーム構造体２００は、前部サブフレーム（鉄製部材）１２と後部サブフレーム（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の軽金属製部材、以下、アルミニウム製部材という）１４とからなる異種金属同士が、摩擦撹拌接合により一体的に構成される点で第１参考実施形態及び第２参考実施形態のサブフレーム構造体１０、１００と共通している。

一方、本実施形態に係るサブフレーム構造体２００では、図１４に示されるように、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（フランジ部２０４ａ、２０４ｂを含む）までを鉄鋼板からなる２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂを積層して薄肉に形成し、前記延出部２０２を含む左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂ全体を２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂの積層体で構成している点で第１参考実施形態及び第２参考実施形態のサブフレーム構造体１０、１００と異なっている。なお、２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂは、その積層面同士（フランジ部同士）が、例えば、ミグ溶接等によって予め一体的に接合されている。

鉄鋼製の２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂのうち、アルミニウム製部材１４と直接的に接合される上側の薄板２０６ａの端部には、折り曲げられて形成された折り曲げ部２２０が設けられる。この折り曲げ部２２０は、図１８（ａ）に示されるように、アルミニウム製部材１４の反対側（図中の下側に向かって）に断面略Ｌ字状に折り曲げられている。また、折り曲げ部２２０は、左右の両フランジ部２０４ａ、２０４ｂにそれぞれ略対称に設けられている。さらに、折り曲げ部２２０は、平面視して、延出部２０２のフランジ部２０４ａ、２０４ｂの形状に沿って車両前後方向に延在するように設けられる。

なお、折り曲げ部２２０は、摩擦撹拌接合前に図示しないプレス成形によって曲げ加工されることが好ましいが、摩擦撹拌接合後に薄板２０６ａの端部を折り曲げて折り曲げ部２２０を設けるようにしてもよい。また、図１８（ｂ）の変形例に示されるように、アルミニウム製部材１４側（図中の上側）に向かって断面略Ｌ字状に折り曲げて折り曲げ部２２０を形成するようにしてもよい。この変形例に係る折り曲げ部２２０では、アルミニウム部材１４と上側の薄板２０６ａとの間から外部にはみ出したシール材５８が、アルミニウム部材１４の端面１４ａと折り曲げ部２２０の内壁２２０ａとの間で保持される。

また、アルミニウム製部材１４と直接的に接合される上側の薄板２０６ａの端部には、折り曲げ部２２０側の端部においてアルミニウム製部材１４の端部１４ａよりも外部に向かって長く延出した延出部分２２２が設けられる。この延出部分２２２は、アルミニウム部材１４と上側の薄板２０６ａとの間から外部にはみ出したシール材５８によって被覆される。外部にはみ出したシール材５８がこの延出部分２２２の上面に載ることで、シール材５８の剥離を防止して安定した状態で保持される。さらに、この延出部分２２２の上面に保持されたシール材５８により、アルミニウム部材１４と上側の薄板２０６ａとの間から腐食因子が進入することを好適に防止することができる。

この場合、前部サブフレーム（鉄製部材）１２と後部サブフレーム（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の軽金属製部材、以下、アルミニウム製部材という）１４との摩擦撹拌接合前において、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂのフランジ部２０４ａ、２０４ｂの表裏両面及び表裏両面の間の結合面（積層面）には、それぞれ電着塗装処理によって電着塗装膜２０８ａ〜２０８ｃが予め形成されている（図２０（ａ）参照）。

電着塗装膜２０８ａは、アルミニウム製部材との接合面に形成された電着塗装膜として機能し、電着塗装膜２０８ｂは、薄板同士の積層面に形成された電着塗装膜として機能し、電着塗装膜２０８ｃは、アルミニウム製部材との接合面と反対側の薄板の裏面に形成された電着塗装膜として機能する。

図１７に示されるように、２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂが積層された左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂのフランジ部２０４ａ、２０４ｂと、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とを重ね合わせ、その重ね合わせ面に対してシール材５８を塗布しながら接合ツール５０を用いて摩擦撹拌接合する。その際、接合ツール５０の接合ピン（摩擦撹拌接合用回転工具）５４が、重ね合わせ面に対して垂直方向から左右サイド部３６ａ、３６ｂを回転進入（回転挿入）して左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂのフランジ部２０４ａ、２０４ｂまで当接し、左右サイド部３６ａ、３６ｂに対して摩擦熱が与えられる。

次に、図１９（ａ）〜（ｃ）に示される比較例に基づいて、シール材５８が剥離する状態を説明する。なお、比較例は、折り曲げ部２２０が設けられておらず、２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂが積層されたフランジ部２０４ａと、アルミニウム製部材１４のフランジ部４０とを重ね合わせ、その重ね合わせ面に対してシール材５８を塗布しながら接合ツール５０を用いて摩擦撹拌接合したものである。また、比較例では、第１参考実施形態及び第２参考実施形態と同様に、アルミニウム製部材１４の側縁部４０ａの断面円弧状に窪んだ凹部４２内にシール材５８が充填されている。

図１９（ａ）に示されるように、例えば、水等の腐食因子に起因して、図１９（ａ）中の下側の薄板２０６ｂのフランジ部２０４ａのエッジ部２２４及びエッジ部２２４近傍部位で上下の薄板２０６ａ、２０６ｂの接合面にそれぞれ錆２２６が発生する。このフランジ部２０４ａのエッジ部２２４は、薄板２０６ａ、２０６ｂに対して亜鉛メッキ塗装処理を施してもメッキ塗装膜が付着しづらい部位であるからである。

続いて、図１９（ｂ）に示されるように、下側の薄板２０６ｂのエッジ部２２４に発生した錆２２６が徐々に上側の薄板２０６ａのエッジ部２２８まで増大し、この増大した錆２２６がアルミニウム製部材１４に到達することで導通する。従って、図１９（ｃ）に示されるように、鉄とアルミニウムとの異種間金属におけるイオン化傾向により電位差が生じ腐食電流が流れることで、電食（電解腐食）が発生し、この電食によりアルミニウム製部材１４の凹部４２内に充填されていたシール材５８が剥離して落下する。

本実施形態では、例えば、亜鉛メッキ塗装処理が施された薄板をプレスの打ち抜き加工を行うことにより２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂを形成している。このため、本実施形態では、図１８（ａ）、（ｂ）に示されるように、下側の薄板２０６ｂのフランジ部２０４のエッジ部２３０や上側の薄板２０６ａの折り曲げ部２２０のエッジ部２３２に錆２２６がそれぞれ発生した場合であっても、これらのエッジ部２３０、２３２の錆２２６がシール材５８のシール性能を劣化させることを好適に回避することができる。

すなわち、本実施形態では、鉄鋼製部材からなる薄板２０６ａ、２０６ｂを２枚積層した合わせ構造とした場合、アルミニウム製部材１４と直接的に接合される上側の薄板２０６ａの端部に折り曲げ部２２０を設け、電着塗装膜を有しない折り曲げ部２２０のエッジ部２３２を意図的に錆２２６発生の起点とすることで、錆２２６がシール材５８に対して悪影響を及ぼすことを防止することができる。また、電着塗装膜を有しない折り曲げ部２２０のエッジ部２３２がアルミニウム製部材１４から所定距離だけ離間していることで、電食の発生を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、折り曲げ部２２０近傍の延出部分２２２とアルミニウム製部材１４の端縁部１４ａとの間でシール材５８を保持することで、アルミニウム部材１４と上側の薄板２０６ａとの間から腐食因子が進入することを好適に阻止することができる。

本実施形態において、摩擦撹拌接合部位の裏面２１０は、２枚の鉄鋼製の薄板２０６ａ、２０６ｂが積層されて構成されているため、電着塗装膜２０８ｃを分解可能とする所定温度（閾値温度）まで到達することなく（図２０（ｂ）参照）、電着塗装膜２０８ｃの剥がれを回避することができる（図２０（ｃ）参照）。

すなわち、摩擦撹拌接合する際、アルミニウム合金等の軽金属製部材からなる後部サブフレーム１４側（軽金属製部材側）から鉄鋼製部材の前部サブフレーム１２側（鉄製部材側）に向かって回転進入される接合ピン５４によって摩擦熱が発生し、この摩擦熱が積層された２枚の鉄鋼製の薄板２０６ａ、２０６ｂの内の下層側の薄板２０６ｂの下面に形成された電着塗装膜２０８ｃを剥離させるおそれがある。

本実施形態では、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までを鉄鋼製部材からなる２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂを積層して薄肉に形成し、前記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回避し下層側の薄板２０６ｂの下面に形成された電着塗装膜部位の裏面２１０の温度を抑制することにより、摩擦撹拌接合部位の裏面２１０に形成された電着塗装膜２０８ｃを保護している。

図２０（ｂ）は、図示しない温度センサを用いて摩擦撹拌接合部位の裏面２１０（積層された２枚の鉄鋼製の薄板２０６ａ、２０６ｂの内の下層側の薄板２０６ｂの下面）の温度を測定した特性図である。この場合、摩擦撹拌接合によって下層側の薄板２０６ｂの下面の温度が僅かに上昇するが、下層側の薄板２０６ｂの下面に形成された電着塗装膜２０８ｃを分解する所定温度（閾値温度）まで到達しないため、電着塗装膜２０８ｃの剥離を阻止して、前記電着塗装膜２０８ｃを安定して保護することができる。

なお、前部サブフレーム１２及び後部サブフレーム１４の接合面において、摩擦撹拌接合によって、積層された２枚の鉄鋼製の薄板２０６ａ、２０６ｂの内の上層側の薄板２０６ａとアルミニウム合金等の軽金属製の後部サブフレーム１５との間に形成された電着塗装膜２０８ａを確実に前記接合面の外方へ出すことができる。

また、本実施形態では、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（フランジ部２０４ａ、２０４ｂを含む）までを鉄鋼材料からなる２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂを積層した構造を例示しているが、これに限定されるものではなく、薄板の積層数は２枚以上であればよい。

さらに、本実施形態では、図１７に示されるように、２枚の薄板２０６ａ、２０６ｂが積層された鉄鋼製の前部サブフレーム１２のフランジ部２０４ａ、２０４ｂと、アルミニウム合金等の軽金属製の後部サブフレーム１４のフランジ部４０とが相互に摩擦撹拌接合され、この相互に接合された鉄鋼製の前部サブフレーム１２のフランジ部２０４ａ、２０４ｂと軽金属製の後部サブフレーム１４のフランジ部４０との間で閉断面４４が形成される。この結果、閉断面４４が形成されたサブフレーム構造体２００の左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂが得られる。本実施形態では、左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂに閉断面４４を形成することにより、前記左右サイドメンバ２２ａ、２２ｂの剛性・強度をより一層増大させることができる。

２００ サブフレーム構造体（異材接合構造体）
１２ 前部サブフレーム（鉄製部材）
１４ 後部サブフレーム（軽金属製部材）
２２ａ、２２ｂ 左右サイドメンバ（鉄製部材）
５４ 接合ピン（摩擦撹拌接合用回転工具）
５８ シール材
２０６ａ、２０６ｂ 薄板
２０８ａ〜２０８ｃ 電着塗装膜
２１０ 裏面
２２０ 折り曲げ部
２２２ 延出部分

Claims (3)

1. 薄板状の鉄製部材と薄板状の軽金属製部材とを一体的に接合して構成される異材接合構造体において、
   前記鉄製部材は、２以上の鉄鋼製の薄板が積層されて形成され、
   前記薄板には、前記軽金属製部材との接合前に電着塗装が施されることにより、前記軽金属製部材との接合面、前記薄板同士の積層面、及び、前記軽金属製部材との接合面と反対側の前記薄板の裏面に、それぞれ電着塗装膜が形成され、
   前記鉄製部材と前記軽金属製部材とが重ね合わせられ、前記重ね合わせ面にシール材を塗布した状態で、前記重ね合わせ面の垂直方向で、且つ、前記軽金属製部材側から前記鉄製部材側に向かって摩擦撹拌接合用回転工具を回転挿入し、前記摩擦撹拌接合用回転工具が前記鉄製部材にまで回転挿入されて摩擦撹拌接合され、
   前記２以上の鉄鋼製の薄板のうち、前記軽金属製部材と接合される薄板の端部には、折り曲げられて形成された折り曲げ部が設けられることを特徴とする異材接合構造体。
2. 請求項１記載の異材接合構造体において、
   前記軽金属製部材と接合される薄板の端部には、前記折り曲げ部側の端部において前記軽金属製部材よりも外部に向かって長く延出した延出部分が設けられ、前記延出部分は、前記シール材によって被覆されることを特徴とする異材接合構造体。
3. 請求項１又は請求項２記載の異材接合構造体において、
   前記折り曲げ部は、前記軽金属製部材の反対側に折り曲げられることを特徴とする異材接合構造体。

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