JP2017177205A - 部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部材の接合方法において、接合強度を向上させると共に、部材の割れを防止する。
【解決手段】本発明の部材の接合方法は、縁部１４ｂの少なくとも一部にリブ１４ｃが設けられた挿入穴１４ａを有するアルミ部品１０と、中空状の鋼製パイプ２０とを準備し、アルミ部品１０の挿入穴１４ａに鋼製パイプ２０を挿入し、鋼製パイプ２０を拡大変形させて鋼製パイプ２０をアルミ部品１０にかしめ接合することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、部材の接合方法に関する。

自動車の構造部材では、ハイテンション鋼と呼ばれる高強度の薄鋼板が使用される機会が増えている。これらのハイテンション鋼は軽量化や安全性向上に有効ではあるが、アルミなどの低比重材料と比べると重い。また、ハイテンション鋼には、高強度ゆえに、成形性の低下、成形荷重の上昇、および寸法精度の低下などの問題がある。これらの問題を解決するために、近年、鋼板よりも比重が軽いアルミを用いた押出成形品や鋳造品、プレス成形品を鋼製部品と合わせて活用するマルチマテリアル化が行われている。

マルチマテリアル化で問題となるのは鋼板製部品とアルミ部品の接合である。スポット溶接に代表される溶接技術においては鋼板とアルミ板の界面に脆弱な金属間化合物（ＩＭＣ：intermetallic compound）が生じるため、電磁成形接合、ボルトとナットに代表されるねじ締結、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：friction stir welding）、リベット、セルフピアスリベット（ＳＰＲ：self-piercing rivet）、メカニカルクリンチング、および接着などの接合技術が実用化されている。

電磁成形によるかしめは、相手部品に嵌合させたパイプ状の部品の内側にソレノイド成形コイルを挿入し、コイルに衝撃電流を流すことによって生じる磁界の変化により、導体のパイプに誘導電流を誘起させる。コイルの１次電流による磁界と、パイプの周方向上に反対方向に流れる誘導電流との間に電磁力が発生し、このときパイプは外側に向かう力を受けるため拡大変形され相手部品にかしめ接合される。この接合方法は、電気伝導度の良い銅やアルミに適しており、自動車部品の接合においても一部で実用化されている。

特許文献１には、マルチマテリアル化のための電磁成形によるかしめ接合技術が開示されている。特許文献１では、断面が中空の金属形材からなるバンパーリインフォースを電磁成形により拡大変形し、アルミニウム合金製のバンパーステイに設けられた穴部と嵌合させて接合している。

特開２００７−２８４０３９号公報

特許文献１の電磁成形では、第１部材と第２部材の接合態様が実質的に線接触ないし辺接触であるため、接合面積が小さく、接合強度が不足する場合がある。さらに、接合部での第２部材の曲率が小さいため、第２部材が割れる可能性がある。これらを解決するために、接合面積を増加して接合強度を向上させるように、接合部にバーリング等の加工を施すことが考えられる。しかし、接合部の形状によってはバーリング加工が難しい場合がある。また、バーリング加工可能な形状であっても、加工により工数が増加し、製造コストが増大する。

本発明は、部材の接合方法において、接合強度を向上させると共に、部材の割れを防止することを課題とする。

本発明の部材の接合方法は、挿入穴が設けられた第１壁部と、この挿入穴の縁部の少なくとも一部に設けられたリブとを備える第１部材と、中空状の第２部材とを準備し、前記第１部材の前記挿入穴に前記第２部材を挿入し、前記第２部材を拡大変形させて前記第２部材を前記第１部材にかしめ接合することを含んでいる。

挿入穴の縁部にリブを設けたことにより、第１部材（第１壁部）と第２部材の接合態様が実質的に面接触となり、即ち接合部の接触面積を増大でき、接合強度を向上できる。また、接合部での第２部材の曲率を大きくでき、第２部材の割れを防止できる。本方法は、成形された第１部材に対してバーリング等の後加工を施すことなく、接合強度を向上できると共に第２部材の割れを防止できるため、工数増加および製造コスト増加を抑制できる。

押出前記第１部材は中空角管の押出形材であり、前記リブは前記第１部材の長手方向に延びていてもよい。

第１部材が中空角管の押出形材であることで、第１部材の成形と同時にリブを設けることができ、リブの形成による工数増加を抑制できる。ただし、押出成形を利用するため、リブが延びる方向は押出方向（長手方向）に限定される。また、本方法は、第２部材の拡大変形の方法が電磁成形に限定されないため、第１部材の形状は特に限定されず、角管のような場合でもかしめ接合可能である。

前記第１部材の前記リブは、前記挿入穴の前記縁部のみに設けられていてもよい。

第１部材が中空角管の押出形材である場合、基本的に押出方向の全長にわたってリブが設けられる。しかし、接合強度の向上には、挿入穴の縁部で第２部材と接触するリブが有効であるため、それ以外の部分のリブを切り欠くことで第１部材を軽量化できる。

前記第１部材はアルミダイキャスト形材であり、前記リブは前記縁部の全周に設けられていてもよい。

前記第１部材がダイキャスト形材であることで、成形時に第１部材の縁部の全周にリブを設けることができる。従って、リブが押出方向にのみ延びる押出形材の場合と比べて接合面積を増大でき、接合強度を一層向上できる。

前記リブは前記第１壁部の両面から突出していてもよい。

リブが第１壁部の両面から突出していることで、片面から突出している場合と比べて、接合強度を向上できる。具体的には、リブ高さが同じ場合を比べると、リブが片面から突出している場合の方が接合時にリブが屈曲する可能性が高く、リブが屈曲すると、リブ高さが減少するため、接合面積が減少し、接合強度が低下する。そのため、リブは第１壁部の両面から突出している方が好ましい。

前記第２部材の端部の少なくとも一部を外側へ曲げることを含んでいてもよい。

第２部材の端部を外側へ曲げ加工することにより、仮にかしめ接合が外れた場合でも、曲げ加工された端部が抜け止めとなり、第２部材が第１部材から抜けることを防止できる。

例えば、前記第１部材は前記第１壁部と対向する第２壁部を備え、前記第２壁部は前記第１壁部に向けて突出しており、前記第２部材の前記端部を前記第２壁部に押し付けて、前記端部の少なくとも一部を外側へ曲げる。

前記第１部材と前記第２部材との間に絶縁材を配置することを含んでいてもよい。

第１部材と第２部材との間に絶縁材を配置することで、第１部材と第２部材との間で発生する電食を防止できる。特に、本方法では接合部にリブを設けて接触面積を増大させているため、辺接触でなく面接触の態様で接触する。従って、面接触の場合、辺接触の場合に比べて絶縁材を配置し易く、より簡単に異種金属間の電食を防止できる。

本発明によれば、挿入穴の縁部にリブを設けたことにより、第１部材と第２部材の接合部の接触面積を増大できる。従って、接合強度を向上でき、さらに接合部での第２部材の曲率を大きくでき、第２部材の割れを防止できる。

本発明の第１実施形態に係る第１部材と第２部材のかしめ接合前の斜視図。 図１の第１部材と第２部材を組み合わせた状態のかしめ接合前の斜視図。 図２の第１部材と第２部材のかしめ接合後の斜視図。 図２の縦断面図。 図３の縦断面図。 図４の変形例を示す縦断面図。 図４の他の変形例を示す縦断面図。 図４の他の変形例を示す縦断面図。 図１の変形例を示す第１部材と第２部材のかしめ接合前の斜視図。 図１の他の変形例を示す第１部材と第２部材のかしめ接合前の斜視図。 図１０の第１部材と第２部材のかしめ接合後の縦断面図。 本発明の第２実施形態に係る第１部材と第２部材のかしめ接合後の縦断面図。 図１２の変形例を示す縦断面図。 本発明の第３実施形態に係る第１部材と第２部材のかしめ接合前の斜視図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

以下で説明する各実施形態では、個々の部材の材料を例示しているが、全実施形態において個々の部材の材料は特に例示しているものに限定されず、任意の材料に対して本発明は適用できる。

（第１実施形態）
図１を参照すると、本実施形態のかしめ接合方法は、アルミ部品（第１部材）１０と鋼製パイプ（第２部材）２０を接合するものである。このかしめ接合方法では、まず、アルミ部品（第１部材）１０と、鋼製パイプ（第２部材）２０とを準備する。

アルミ部品１０は、アルミニウム合金製の押出形材からなり、図１において前後方向に延びる中空の四角管である。アルミ部品１０は、水平な底壁（第２壁部）１１と、底壁１１から鉛直上方へ立ち上がる２つの側壁１２，１３と、２つの側壁１２，１３の上端部を接続する水平な頂壁（第１壁部）１４とを備える。頂壁１４には、四角形の挿入穴１４ａが設けられている。挿入穴１４ａの縁部１４ｂには部分的にリブ１４ｃが設けられている。同様に、底壁１１には、平面視においてリブ１４ｃと重なる位置にリブ１１ａが設けられている。リブ１１ａ，１４ａは、図１において縁部１４ｂの左右で、アルミ部品１０の押出方向（長手方向）に、即ち図１における前後方向に、アルミ部品１０の全長にわたって延びている。本実施形態では、アルミ部品１０は押出形材であるため、リブ１４ｃに対して押出方向の形状に変化を付け難く、リブ１４ｃが全長にわたって延びている。リブ１４ｃは、頂壁１４の両面から突出しており、即ち頂壁１４の上面と下面の両面からアルミ部品１０の外向きおよび内向きに突出している。リブ１１ａは、底壁１１の上面からアルミ部品１０の内向きに突出している。アルミ部品１０内では、頂壁１４と側壁１２，１３と底壁１１とによって、両端に開口部１６，１７を有する空間１８が画定されている。

鋼製パイプ２０は、鋼製で、上下方向に延びる中空状の両端開口の四角管である。鋼製パイプ２０の周壁２１〜２４には、開口部は設けられていない。平面視において、鋼製パイプ２０は、アルミ部品１０の挿入穴１４ａに挿入可能なように、挿入穴１４ａの形状と相似形でわずかに挿入穴１４ａより小さな外形を有している。

図２に示すように、接合前に、アルミ部品１０と鋼製パイプ２０が組み合わせられ、弾性体３０が鋼製パイプ２０に挿入された状態で図示しないプレス装置等に配置される。具体的には、弾性体３０を鋼製パイプ２０に挿入し、弾性体３０が挿入された鋼製パイプ２０をアルミ部品１０の挿入穴１４ａに挿入し、鋼製パイプ２０を空間１８内で底壁１１に載置することで、かしめ接合前の組み合わせが完了する。この組み合わせ完了状態では、鋼製パイプ２０の一端（図において下端）はアルミ部材１０内かつリブ１１ａの間に位置するが、鋼製パイプ２０の他端（図において上端）はアルミ部材１０外に位置している。

弾性体３０は、ゴム材質であり、鋼製パイプ２０内に挿入できるように寸法が決定された上下方向に延びる四角柱状である。弾性体３０は、鋼製パイプ２０と同様にアルミ部品１０の底壁１１に載置されており、上下方向の長さは鋼製パイプ２０よりも長い。従って、挿入された状態で、弾性体３０は鋼製パイプ２０の上端から突出している。

図３に示すように、図２の状態から図示しないプレス装置等で弾性体３０を下方へ押圧すると、弾性体３０は上下方向の寸法が縮小するにつれて水平方向の寸法が拡大する。従って、鋼製パイプ２０は、弾性体３０の弾性変形（膨張）に合わせて水平方向に拡大変形される。このようにして、アルミ部品１０に対して鋼製パイプ２０を拡大変形させてかしめ接合する。

図４，５に示すように、鋼製パイプ２０は、アルミ部品１０との接合部１，２以外の部分が膨出し、アルミ部品１０とかしめ接合される。

このように、挿入穴１４ａの縁部１４ｂにリブ１４ｃを設けたことにより、アルミ部品１０と鋼製パイプ２０の接合態様は、線接触ないし辺接触ではなく、実質的に面接触となり、即ち接合部１の接触面積を増大でき、接合強度を向上できる。また、接合部１での鋼製パイプ２０の曲率を大きくでき、鋼製パイプ２０の割れを防止できる。本方法は、成形されたアルミ部品１０に対してバーリング等の後加工を施すことなく、接合強度を向上できると共に鋼製パイプ２０の割れを防止できるため、工数増加および製造コスト増加を抑制できる。

また、アルミ部品１０が中空角管の押出形材であることで、アルミ部品１０の成形と同時にリブを設けることができ、リブの形成による工数増加を抑制できる。ただし、押出成形を利用するため、リブ１４ｃが延びる方向は押出方向に限定される。また、本方法は、鋼製パイプ２０の拡大変形の方法が電磁成形に限定されないため、アルミ部品１０の形状は特に限定されず、本実施形態のように角管の場合でもかしめ接合可能である。

図６，７に示す本実施形態の２つの変形例のように、アルミ部品１０のリブ１４ｃは、頂壁１４の両面から突出しておらず、片面のみから突出していてもよい。図６では、リブ１４ｃは、頂壁１４の下面のみから突出しており、即ちアルミ部品１０の内向きに突出している。図７では、リブ１４ｃは、頂壁１４の上面のみから突出しており、即ちアルミ部品１０の外向きに突出している。なお、これらの変形例のように、底壁１１は、必ずしもリブ１１ａ（図４参照）を有している必要はなく、内面が平坦であってもよい。

図４，６，７を比較して、リブ１４ｃの形状として最も好ましいのは、図４のように頂壁１４の両面から突出している場合である。リブ１４ｃが頂壁１４の両面から突出している場合、接合時のアルミ部品１０への負荷が均等になり、損傷や破損の危険性が減少する。また、図４，６，７において同じ長さのリブ１４ｃで比較した場合、図４のように頂壁１４の両面から突出していると、リブ１４ｃの突出量が減少し、負荷が加えられた際のリブ１４ｃの変形も抑制される。

図８に示す本実施形態の変形例のように、アルミ部品１０と鋼製パイプ２０との間には接着剤３１を配置してもよい。

アルミ部品１０と鋼製パイプ２０との間に絶縁性の接着剤（絶縁材）３１を配置することで、アルミ部品１０と鋼製パイプ２０との間で発生する電食を防止できる。特に、本方法では接合部１にリブ１４ｃを設けて接触面積を増大させているため、辺接触でなく面接触の態様で接触する。従って、面接触の場合、辺接触の場合に比べて接着剤３１を配置し易く、より簡単に異種金属間の電食を防止できる。なお、接着剤３１は、絶縁性を有していればよく、必ずしも接着性を有する必要はない。代替的には、発泡剤等も使用可能である。

図９に示す本実施形態の変形例のように、アルミ部品１０のリブ１４ｃは、挿入穴１４ａの縁部１４ｂのみに設けられ、縁部１４ｂ以外の部分は切り欠かれていてもよい。上述のように、本実施形態では、アルミ部品１０は押出形材であるため、リブ１４ｃを挿入穴１４ａの縁部１４ｂのみに設ける場合、一旦アルミ部品１０の成形と同時にアルミ部品１０の全長にわたってリブ１４ｃを形成し、アルミ部品１０の成形後の加工によって縁部１４ｂ以外のリブ１４ｃを切り欠けばよい。

アルミ部品１０が中空角管の押出形材である場合、基本的に押出方向の全長にわたってリブ１４ｃが設けられる。しかし、接合強度の向上には、挿入穴１４ａの縁部１４ｂで鋼製パイプ２０と接触するリブ１４ｃが有効であるため、それ以外の部分のリブ１４ｃを切り欠くことでアルミ部品１０を軽量化できる。

また、アルミ部品１０の形状は、様々な変形が考えられる。例えば、図１０，１１に示すように、底壁１１と頂壁１４の間に、これらに平行な仕切壁１５が設けられていてもよい。仕切壁１５には、平面視において挿入穴１４ａと重なる位置に、挿入穴１４ａと同じ形状および大きさの挿入穴１５ａが設けられている。挿入穴１５ａの縁部１５ｂには部分的にリブ１５ｃが設けられている。リブ１５ｃは、平面視においてリブ１４ｃ，１１ａと重なる位置にリブ設けられている。この場合、アルミ部品１０と鋼製パイプ２０は、３か所の接合部１，２，３で接合される。

（第２実施形態）
図１２に示す本実施形態の接合方法は、アルミ部品１０と鋼製パイプ２０の下部以外の構成は図１から図５の第１実施形態と同様である。従って、図１から図５に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のアルミ部品１０は、底壁１１が内向きに湾曲している。

本実施形態の鋼製パイプ２０は、周壁２１〜２４のうち、周壁２１，２３のみが周壁２２，２４よりも下方へ延出している。

鋼製パイプ２０をアルミ部品１０の挿入穴１４ａに挿入した際、鋼製パイプ２０の下端部２５をアルミ部品１０の湾曲した底壁１１の上面に押し付けて曲げ加工する。換言すると、鋼製パイプ２０の周壁の下端部２５を外側へ曲げる。

鋼製パイプ２０の下端部２５を外側へ曲げ加工することにより、仮にかしめ接合が外れた場合でも、曲げ加工された下端部２５が抜け止めとなり、鋼製パイプ２０がアルミ部品１０から抜けることを防止できる。

図１３に示す本実施形態の変形例のように、鋼製パイプ２０をアルミ部品１０に押し付けて鋼製パイプ２０の下端部２５を曲げ加工するために、アルミ部品１０は湾曲部１１ｂを有していてもよい。このようにアルミ部品１０が底壁１１とは別に湾曲部１１ｂを有している場合、アルミ部品１０の底壁１１は湾曲していなくてもよい。

（第３実施形態）
図１４に示す本実施形態の接合方法は、アルミ部品１０以外の構成は図１から図５の第１実施形態と同様である。従って、図１から図５に示した構成と同様の部分については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のアルミ部品１０は、アルミダイキャスト（ＡＤＣ）形材である。そのため、リブ１４ｃの延びる方向を自由に設定でき、本実施形態では挿入穴１４ａの縁部１４ｂの全周にリブ１４ｃが設けられている。

アルミ部品１０がダイキャスト形材であることで、成形時にアルミ部品１０の縁部１４ｂの全周にリブ１４ｃを設けることができる。従って、リブ１４ｃが押出方向にのみ延びる押出形材の場合（第１および第２実施形態）と比べて接合面積を増大でき、接合強度を一層向上できる。

以上より、本発明の具体的な実施形態やその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

１，２，３ 接合部
１０ アルミ部品（第１部材）
１１ 底壁（第２壁部）
１１ａリブ
１１ｂ 湾曲部
１２，１３ 側壁
１４ 頂壁（第１壁部）
１４ａ 挿入穴
１４ｂ 縁部
１４ｃ リブ
１５ 仕切壁
１６，１７ 開口部
１８ 空間
２０ 鋼製パイプ（第２部材）
２１，２２，２３，２４ 周壁
２５ 下端部
３０ 弾性体
３１ 接着剤（絶縁材）

Claims (8)

1. 挿入穴が設けられた第１壁部と、この挿入穴の縁部の少なくとも一部に設けられたリブとを備える第１部材と、中空状の第２部材とを準備し、
   前記第１部材の前記挿入穴に前記第２部材を挿入し、
   前記第２部材を拡大変形させて前記第２部材を前記第１部材にかしめ接合することを含む、部材の接合方法。
2. 前記第１部材は中空角管の押出形材であり、
   前記リブは前記第１部材の長手方向に延びている、請求項１に記載の部材の接合方法。
3. 前記第１部材の前記リブは、前記挿入穴の前記縁部のみに設けられている、請求項２に記載の部材の接合方法。
4. 前記第１部材はアルミダイキャスト形材であり、前記リブは前記縁部の全周に設けられている、請求項１に記載の部材の接合方法。
5. 前記リブは前記第１壁部の両面から突出している、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の部材の接合方法。
6. 前記第２部材の端部の少なくとも一部を外側へ曲げることを含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の部材の接合方法。
7. 前記第１部材は前記第１壁部と対向する第２壁部を備え、
   前記第２壁部は前記第１壁部に向けて突出しており、
   前記第２部材の前記端部を前記第２壁部に押し付けて、前記端部の少なくとも一部を外側へ曲げる、請求項６に記載の接合方法。
8. 前記第１部材と前記第２部材との間に絶縁材を配置することを含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の部材の接合方法。

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