JP2021045772A - 接合方法及び接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ安価な構成であっても、十分な接合強度を得る。【解決手段】異なる材料からなる第１金属部材２と第２金属部材３の板状部同士を重ね合わせて接合する方法は、第１金属部材２の板状部と第２金属部材３の板状部に、重ね合わせた状態で互いに連通する挿通孔をそれぞれ形成する第１ステップと、第１金属部材２の板状部の第２金属部材３とは反対側に、金属材料からなる第１接合部材４を配置する第２ステップと、第１金属部材２と第２金属部材３の板状部同士を重ね合わせた状態で、第１接合部材４と同一の金属材料からなる第２接合部材５を、挿通孔を介して第２金属部材側から第１金属部材２に挿通する第３ステップと、第１接合部材４と第２接合部材５を溶接し、第１金属部材２と第２金属部材３を第１接合部材４と第２接合部材５で接合する第４ステップとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、接合方法及び接合体に関する。

従来、異なる材料で構成された車体部材同士の接合には、次のような接合方法が採用されている。具体的には、アルミ製のサイドメンバと鋼製の骨格部材との接合に、ＦＤＳ（Flow Drilling Screw、フロードリルスクリュー）やＳＰＲ（Self Piercing Rivets、セルフピアスリベット）を使用する接合方法が採用されている（例えば、特許文献１，２参照）。ここに、ＦＤＳとは、副資材としてネジを利用して、重ねた被接合材の上部から、ねじを高速回転させながら挿入し、発生する摩擦熱により軟化させた被接合材を機械的に締結する接合方法である。また、ＳＰＲとは、重ねた被接合材の上部から、リベットを圧入して上側の被接合材に貫通させ、下側の被接合材でリベットの先端を拡径させることにより被接合材同士を締結する接合方法である。

しかしながら、ＦＤＳやＳＰＲのいずれであっても、特殊な形状の接合部材（スクリューやリベット）が必要となる。また、これらの接合方法を行うために特別な設備投資を行う必要もある。このため、全体として高価なものとなっている。さらに、接合部材の数を減らしても十分な接合強度が得られるような接合方法が望まれている。

特開２０１９−１２０３４６号公報 特開２０１３−２５０５号公報

本発明は、簡単かつ安価な構成であっても、十分な接合強度を得ることができる接合方法及び接合体を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、異なる材料からなる第１金属部材と第２金属部材の板状部同士を重ね合わせて接合する方法であって、前記第１金属部材の板状部と前記第２金属部材の板状部に、重ね合わせた状態で互いに連通する挿通孔をそれぞれ形成する第１ステップと、前記第１金属部材の板状部の前記第２金属部材とは反対側に、金属材料からなる第１接合部材を配置する第２ステップと、前記第１金属部材と前記第２金属部材の板状部同士を重ね合わせた状態で、前記第１接合部材と同一の金属材料からなる第２接合部材を、前記挿通孔を介して前記第２金属部材側から前記第１金属部材に挿通する第３ステップと、前記第１接合部材と前記第２接合部材を溶接し、前記第１金属部材と前記第２金属部材を前記第１接合部材と前記第２接合部材で接合する第４ステップとを含む接合方法を提供する。

これによれば、異なる材料からなる第１金属部材と第２金属部材の接合を、同一金属材料からなる第１接合部材と第２接合部材で挟持し、両者を溶接することにより完了することができる。このため、接合部材を特殊な構成とする必要がない上、両者を溶接するだけの設備があればよく、安価に製作することができる。しかも、同一金属材料同士を溶接しているので、接合強度も十分なものとして所望の信頼性を得ることが可能となる。

前記第２接合部材は、前記第２金属部材側から前記第１接合部材に至る貫通孔を有するものであり、前記第４ステップでは、前記貫通孔を介して前記第１接合部材と前記第２接合部材を溶接するのが好ましい。

これによれば、第２接合部材に形成した貫通孔を介して第１接合部材と第２接合部材の当接部分に直接アクセスすることができる。したがって、貫通孔を介してこの当接部分をアーク溶接により低コストで強固に接合することが可能となる。

前記第２接合部材は前記挿通孔に挿通される突起を有するものであり、前記第４ステップでは、前記第１接合部材に前記突起を当接させた状態で、当接部分を溶接するのが好ましい。

これによれば、第２接合部材には貫通孔を形成することなく突起を設けることにより第１接合部材に当接させることができる。このため、第１接合部材と第２接合部材の当接部分をスポット溶接により低コストで強固に接合することが可能なる。

前記第１接合部材は板状であり、前記第１金属部材は、前記第１接合部材を保持可能なガイドリブを備え、前記第２ステップでは、前記ガイドリブにより前記第１接合部材を保持するのが好ましい。

これによれば、板状の第１接合部材をガイドリブによって簡単に脱落しないように保持することができる。

前記第１接合部材は、前記第１金属部材に予め接合される中空筒状であり、前記第２接合部材は、前記第１接合部材の中心孔に挿通される軸部と、前記挿通孔の横断面形状よりも大きい頭部とを備えるのが好ましい。

これによれば、第１接合部材を配置する作業が不要となり作業性を向上させることができる。

前記第１金属部材はアルミ製であり、前記第２金属部材、前記第１接合部材及び前記第２接合部材は鋼製であるのが好ましい。

これによれば、内側がアルミニウムからなり、外側が鉄鋼からなる骨格構造を簡単かつ安価に接合することができる。

前記第１金属部材は閉断面状に形成されていてもよい。

これによれば、閉断面状の第１金属部材であっても、第１接合部材と第２接合部材を使用して第２金属部材を接合することができる。

前記第１金属部材と前記第２金属部材は車体部材とすることができる。

前記車体部材はサイドメンバであってもよい。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、異なる材料からなり、互いに重ね合わせられ、重ね合わせた状態で互いに連通する挿通孔をそれぞれ形成された板状部を有する第１金属部材及び第２金属部材と、前記第１金属部材の板状部の前記第２金属部材とは反対側に配置される、金属材料からなる第１接合部材と、前記第１接合部材と同一の金属材料からなり、前記第１金属部材と前記第２金属部材の板状部同士を重ね合わせた状態で、前記挿通孔を介して前記第２金属部材側から前記第１金属部材に挿通される第２接合部材とを備え、前記第１接合部材と前記第２接合部材を溶接し、前記第１金属部材と前記第２金属部材を前記第１接合部材と前記第２接合部材で接合してなる接合体を提供する。

本発明によれば、異なる材料からなる第１金属部材と第２金属部材を、同一金属材料からなる第１接合部材と第２接合部材によって挟持して溶接することにより接合しているので、特別な設備投資を必要とすることなく、簡単かつ安価に、所望の接合強度を有する接合体を得ることができる。

本実施形態に係る接合体を示す概略図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図２の接合部分を示す部分拡大図である。 他の実施形態に係る接合部分を示す断面図である。 他の実施形態に係る接合部分を示す断面図である。 他の実施形態に係る接合部分を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは相違している。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る接合方法により製造した接合体１を示す。この接合体１の用途は限定されるものではないが、車体部材、特に車両のフロントサイドメンバをシャシに接合する場合が挙げられる。

接合体１は、第１金属部材２と第２金属部材３を第１接合部材４と第２接合部材５（アークリベット）で接合一体化したものである。

第１金属部材２はアルミニウム又はアルミニウム合金製（ここでは、アルミニウム6000系の押出材）で、閉断面形状（ここでは、断面矩形状）に形成されて中空筒状となっている。図２では、第１金属部材２の内部空間は仕切壁２ａによって上下に２分割されている。但し、内部空間は分割されていなくてもよいし、３以上に分割されていてもよい。図１及び図２は、第１金属部材２をフロントサイドメンバとして使用する例を示している。

第１金属部材２には、板状部である長辺側側壁の一方（第１接合壁６）に、一端側から上下２列で長手方向に所定間隔を空けて複数の第１挿通孔７が形成されている。第１挿通孔７を形成する範囲は、第１接合壁６の一端から他端側に向かって所定寸法の範囲（後述する第２金属部材３の筒状部１０で丁度覆われる範囲）とされている。各第１挿通孔７は、上方列と下方列とで長手方向の位置が半ピッチずれて形成されている。

第１金属部材２は、第１接合壁６がほぼ鉛直方向に沿うように配置された状態で使用される。このため、第１接合壁６の内面には、各第１挿通孔７に対応する位置に、後述する第１接合部材４を仮止めするためのガイドリブ８がそれぞれ形成されている。各ガイドリブ８は上下一対の突条８ａからなり、第１接合部材４がそれぞれ保持される。図２の例では、突条８ａ同士は平行に延びる板状であるが、先端部分が互いに接近する方向に屈曲しているのが好ましい。これによれば、ガイドリブ８に保持する第１接合部材４の脱落を確実に防止することができる。また、突条８ａの外面には補強リブを設けて剛性を高めるようにするようにしてもよい。

第２金属部材３はハイテンション鋼のような鋼製で、本体部９と筒状部１０とを有する。筒状部１０は中空で、断面矩形状に形成され、第１金属部材２の一端部を覆うように配置される。ここでは、第２金属部材３がシャシである。

筒状部１０は、板状部である側壁（第２接合壁１１）に複数の第２挿通孔１２が形成されている。各第２挿通孔１２は、第２金属部材３で第１金属部材２の一端部を覆った取付位置で、第１挿通孔７に対応する位置にそれぞれ形成されている。

第１接合部材４は、第２金属部材３と同様に、ハイテンション鋼のような鋼製で、板状に形成されている。第１接合部材４は、第１金属部材２の一端側開口部から挿入され、ガイドリブ８に保持される。

第２接合部材５は、第２金属部材３及び第１接合部材４と同様に、ハイテンション鋼のような鋼製で、頭部１３と軸部１４とで構成されている。頭部１３は、第１挿通孔７及び第２挿通孔１２の内径寸法よりも大きく、後述するように、第１接合部材４との間に第１金属部材２及び第２金属部材３を挟持するのに十分なサイズとされている。軸部１４が第１挿通孔７及び第２挿通孔１２を挿通し、第１接合部材４に当接した状態で、頭部１３が第２金属部材３の外面に当接する。第２接合部材５の中心には貫通孔１５が形成され、全体として中空筒状となっている。

次に、前記構成からなる接合体１の接合方法について説明する。

第１金属部材２の第１接合壁６に第１挿通孔７を形成する。また、第２金属部材３の第２接合壁１１に第２挿通孔１２を形成する（第１ステップ）。第１挿通孔７と第２挿通孔１２を形成する位置は、第１金属部材２の一端部を第２金属部材３の筒状部１０で覆い、第１接合壁６と第２接合壁１１が重なり合った取付位置で、第１挿通孔７と第２挿通孔１２が互いに連通するように決められている。

第１金属部材２の第１接合壁６の内面（第２金属部材３とは反対側の面）に、第１接合部材４を配置する（第２ステップ）。第１接合部材４は、第１金属部材２の一端側から挿入し、ガイドリブ８で保持することにより脱落不能とする。

第１金属部材２の第１接合壁６と第２金属部材３の第２接合壁１１を重ね合わせた状態で、第２金属部材３の第２挿通孔１２と第１金属部材２の第１挿通孔７に第２接合部材５の軸部１４を挿通する(第３ステップ)。第２接合部材５は、軸部１４の先端が第１接合部材４に当接した時点で、頭部１３が第２金属部材３の外面に当接する。

第１接合部材４と第２接合部材５をアーク溶接、ここではエレメントアークスポット溶接（Element Arc Spot Welding:ＥＡＳＷ）により接合し、第１金属部材２と第２金属部材３を第１接合部材４と第２接合部材５で接合する（第４ステップ）。第２接合部材５は中心に貫通孔１５を形成されているので、この貫通孔１５にアーク溶接法によって溶融した溶接材料１６（図３中、２点鎖線で示す。）を鋳込む。これにより、鋼製の第２接合部材５と同材料からなる第１接合部材４とが強固に溶接される。このとき、第２接合部材５が径方向外側に膨らんで第１金属部材２と第２金属部材３に対して嵌合状態となる。このため、第１金属部材２と第２金属部材３の位置決めが強固なものとなる。また、溶接ではアルミ製の第１金属部材２は全く溶融せず、金属間化合物を生成することがない。なお、第４ステップの溶接方法の詳細については、例えば、特開2018-34164号公報に記載されたものと同様な方法により行うことができる。また、第１接合部材４と第２接合部材５はレーザ溶接により一体化するようにしてもよい。

以上のステップにより接合体１が形成される。このようにして接合体１を形成することにより、次のような効果が得られる。
（１）アーク溶接であるので、特別な設備は必要なく、第１接合部材４及び第２接合部材５も単純な構成であり、安価に製作することができる。
（２）同一材料からなる鋼製の第１接合部材４と第２接合部材５とを溶接するようにしたので、強固な接合状態を得ることができる。したがって、従来に比べて接合位置の数を減らしても十分な強度を確保することができる。また、ＥＡＳＷを利用することにより、第１金属部材２が化合物となることがなく、第１金属部材２と第２金属部材３の位置決めも強固なものとすることができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る接合方法により製造した接合体１を示す。この接合体１は、第１金属部材２と第２金属部材３を第１接合部材４と第２金属部材３の一部とで一体化したものである。第２接合部材５は備えていない。

第１接合部材４には、第１金属部材２の第１挿通孔７に対応する位置に突起１７（ダボ）が形成されている。第２金属部材３には、第１実施形態のような第２挿通孔１２は形成されていない。

前記構成の接合体１の接合方法では、第１ステップでは、第１金属部材２にのみ第１挿通孔７を形成する。第２ステップでは、第１金属部材２に第１接合部材４を配置する。このとき、突起１７を第１挿通孔７に配置することにより仮止めする。第３ステップでは、第１金属部材２の第１挿通孔７を覆うように第２金属部材３を配置する。第４ステップでは、第１接合部材４の突起１７と第２金属部材３とをスポット溶接し（溶融部分を２点鎖線で示す。）、第１金属部材２と第２金属部材３とを接合する。この場合、スポット溶接する位置は、予め第２金属部材３の外面に印を付けておくのが好ましい。なお、第４ステップでの溶接方法の詳細については、例えば、特開2018-122333号公報に記載されたものと同様な方法により行うことができる。

第２実施形態に係る接合方法により形成した接合体１によれば、第１実施形態で得られる効果に加えて、さらに第２接合部材５が不要となり、部品点数を減らして構成を簡略化し、軽量化を図ることができるという効果を得ることができる。

なお、図５に示すように、突起１７は第２金属部材３に形成するようにしてもよい。そして、突起１７を第１金属部材２の第１挿通孔７に配置し、スポット溶接するようにすればよい。これによれば、第１接合部材４の仮止めで突起１７を第１挿通孔７に配置する面倒を回避することができる。また、突起１７を形成することによりスポット溶接する位置が明確となり、別途印を付けておく必要がなくなる。また、突起１７は、第１接合部材４と第２金属部材３の両方に形成するようにしてもよい。さらに、突起１７は溶接する部分と接触するようにしておけば、より確実に接合することができる点で好ましい。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係る接合方法により製造した接合体１を示す。この接合体１は、第１金属部材２と第２金属部材３を第１接合部材４と第２接合部材５で一体化したものである。第１金属部材２及び第２金属部材３の構成は前記第１実施形態で説明したものと同様である。

第１接合部材４は、第２金属部材３と同様に、ハイテンション鋼のような鋼製で、板状に形成されている点も前記第１実施形態と同じであるが、次の点で相違する。すなわち、第１接合部材４には、第１金属部材２の第１挿通孔７及び第２金属部材３の第２挿通孔１２に対応する位置に第３連通孔１８が形成されている。そして、第１接合部材４を第１金属部材２に仮止めした状態で、内面側の各第３挿通孔に対応する位置に筒部１９が一体化されている。ここでは、筒部１９にはナットが使用され、予め第１接合部材４に溶接等によって一体化されている。

第２接合部材５は、第１実施形態と同様に、第２金属部材３及び第１接合部材４と同様な鋼製であり、頭部１３と軸部１４で構成され、中心に貫通孔１５が形成されている。但し、第１接合部材４の筒部１９をナットで構成する場合、軸部１４に雄ねじを形成してナットに螺合可能とするのが好ましい。

前記構成の接合体１の接合方法では、前記第１実施形態と同様に、第１ステップ及び第２ステップを実行する。但し、第３ステップでは、第２接合部材５の軸部１４を、第２金属部材３の第２挿通孔１２と第１金属部材２の第１挿通孔７に挿通するだけでなく、さらに筒部１９に挿通する。そして、筒部１９がナットで構成されている場合には、第２接合部材５の軸部１４を螺合させるのが好ましい。そして、第４ステップで、第１接合部材４と第２接合部材５を、前記第１実施形態と同様なＥＡＳＷで溶接する。この場合、第２接合部材５の軸部１４を第１接合部材４の筒部１９にも挿通させているので、第１接合部材４と第２接合部材５の溶接強度を、第１実施形態の場合に比べてより一層高めることができる。

第３実施形態に係る接合方法により形成した接合体１によれば、第１実施形態で得られる効果に加えてさらに次のような効果が得られる。
第２接合部材５の軸部１４を第１接合部材４の筒部１９に挿通させた状態で溶接しているので、溶接強度を第１実施形態に比べてさらに高めることができる。特に、第２接合部材５の軸部１４を第１接合部材４の筒部１９に螺合する場合、第１接合部材４と第２接合部材５によって第１金属部材２と第２金属部材３をしっかりと挟持することができるので、両者を隙間のない状態で強固に接合することができる点で好ましい。

なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

前記実施形態では、ほぼ鉛直方向に沿って配置される第１接合壁６に第１接合部材４を配置するようにしたが、この第１接合部材４を配置する側壁はこれに限らず、例えば、底壁とすることもできる。第１接合部材４を底壁に配置する場合、必ずしもガイドリブ８は必要ではない。

前記実施形態では、第１接合壁６と第２接合壁１１の間のみを接合する場合について説明したが、さらに反対側の側壁、底壁、天井壁の少なくともいずれか１つを接合するようにしてもよい。４方全ての壁を接合すれば、より接合強度を高めることができる。

前記実施形態では、第１金属部材２を断面矩形状としたが、これに限らず、三角形等の他の断面形状であってもよい。また、第１金属部材２は４つの側壁で囲まれた構造としたが、必ずしも閉断面形状となっていなくてもよく、一部が開口した略閉断面形状であっても構わない。

１…接合体
２…第１金属部材
３…第２金属部材
４…第１接合部材
５…第２接合部材
６…第１接合壁
７…第１挿通孔
８…ガイドリブ
９…本体部
１０…筒状部
１１…第２接合壁
１２…第２挿通孔
１３…頭部
１４…軸部
１５…貫通孔
１６…溶接材料
１７…突起
１８…第３連通孔
１９…筒部

Claims (10)

1. 異なる材料からなる第１金属部材と第２金属部材の板状部同士を重ね合わせて接合する方法であって、
   前記第１金属部材の板状部と前記第２金属部材の板状部に、重ね合わせた状態で互いに連通する挿通孔をそれぞれ形成する第１ステップと、
   前記第１金属部材の板状部の前記第２金属部材とは反対側に、金属材料からなる第１接合部材を配置する第２ステップと、
   前記第１金属部材と前記第２金属部材の板状部同士を重ね合わせた状態で、前記第１接合部材と同一の金属材料からなる第２接合部材を、前記挿通孔を介して前記第２金属部材側から前記第１金属部材に挿通する第３ステップと、
   前記第１接合部材と前記第２接合部材を溶接し、前記第１金属部材と前記第２金属部材を前記第１接合部材と前記第２接合部材で接合する第４ステップと、
   を含む接合方法。
2. 前記第２接合部材は、前記第２金属部材側から前記第１接合部材に至る貫通孔を有するものであり、
   前記第４ステップでは、前記貫通孔を介して前記第１接合部材と前記第２接合部材を溶接する、請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第２接合部材は前記挿通孔に挿通される突起を有するものであり、
   前記第４ステップでは、前記第１接合部材に前記突起を当接させた状態で、当接部分を溶接する、請求項１に記載の接合方法。
4. 前記第１接合部材は板状であり、
   前記第１金属部材は、前記第１接合部材を保持可能なガイドリブを備え、
   前記第２ステップでは、前記ガイドリブにより前記第１接合部材を保持する、請求項２又は３に記載の接合方法。
5. 前記第１接合部材は、前記第１金属部材に予め接合される中空筒状であり、
   前記第２接合部材は、前記第１接合部材の中心孔に挿通される軸部と、前記挿通孔の横断面形状よりも大きい頭部とを備える、請求項１に記載の接合方法。
6. 前記第１金属部材はアルミ製であり、前記第２金属部材、前記第１接合部材及び前記第２接合部材は鋼製である、請求項１から５のいずれか１項に記載の接合方法。
7. 前記第１金属部材は閉断面状に形成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の接合方法。
8. 前記第１金属部材と前記第２金属部材は車体部材である、請求項１から７のいずれか１項に記載の接合方法。
9. 前記車体部材はサイドメンバである、請求項８に記載の接合方法。
10. 異なる材料からなり、互いに重ね合わせられ、重ね合わせた状態で互いに連通する挿通孔をそれぞれ形成された板状部を有する第１金属部材及び第２金属部材と、
    前記第１金属部材の板状部の前記第２金属部材とは反対側に配置される、金属材料からなる第１接合部材と、
    前記第１接合部材と同一の金属材料からなり、前記第１金属部材と前記第２金属部材の板状部同士を重ね合わせた状態で、前記挿通孔を介して前記第２金属部材側から前記第１金属部材に挿通される第２接合部材と、
    を備え、
    前記第１接合部材と前記第２接合部材を溶接し、前記第１金属部材と前記第２金属部材を前記第１接合部材と前記第２接合部材で接合してなる、接合体。

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