JP2021186817A - 構造部材の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造部材同士を高精度に接合させることが可能な構造部材の接合方法を提供する。【解決手段】構造部材の接合方法は、サイドメンバ１０の被接合面４１に摩擦撹拌加工を施すことにより、被接合面４１にフランジ４３を成形するフランジ成形工程と、サイドメンバ１０に対してクロスメンバ２０を、摩擦撹拌加工によって被接合面４１に形成された改質部４５に対向させながらフランジ４３に当接させて位置決めする位置決め工程と、フランジ４３を接合材としてサイドメンバ１０に対してクロスメンバ２０を接合させる接合工程と、を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、構造部材の接合方法に関する。

近年、電力により駆動する車両（電気自動車、ハイブリッド自動車等を含む）の開発が、進展している。このような車両に搭載する電池システムは、一般的に、多数のバッテリー（電池、電池セル）を所定のフレーム等により構成した部材に収納した構成を有している。

特許文献１は、車両水平方向に並んで配置され、車体下部の骨格の一部を構成する複数の車体骨格部材と、各々が複数の電池セルを含んで構成されると共に、各々が複数の車体骨格部材間に直接又は別部材を介して挟まることで車体に拘束された複数の電池スタックと、を備えた電池搭載構造を開示している。

特許文献２は、トレイベースプレートと、トレイベースプレートの周囲に配置された取付ビームとを含み、動力バッテリーを搭載可能な自動車トレイコンポーネントであって、トレイベースプレートが、上プレート部、中プレート部、及び下プレート部を含み、冷却空洞が、上プレート部と中プレート部との間に配置され、緩衝空洞が、中プレート部と下プレート部との間に配置される構成を開示している。

特開２０１８−２０２９４６号公報 特表２０１９−５３１９５５号公報

ところで、特許文献１，２に記載のバッテリーを収容する構造体は、押出材や板材などの構造部材同士を高い精度で接合して作製することが望まれるが、現状の技術においては、構造部材自体の歪み等により、高い精度での接合が困難であった。

そこで本発明は、構造部材同士を高精度に接合させることが可能な構造部材の接合方法を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
第一の構造部材の被接合面に摩擦撹拌加工を施すことにより、前記被接合面にフランジを成形するフランジ成形工程と、
前記第一の構造部材に対して第二の構造部材を、前記摩擦撹拌加工によって前記被接合面に形成された改質部に対向させながら少なくとも一部を前記フランジに当接させて位置決めする位置決め工程と、
前記フランジを接合材として前記第一の構造部材に対して前記第二の構造部材を接合させる接合工程と、
を含む、
構造部材の接合方法。

本発明の構造部材の接合方法によれば、構造部材同士を高精度に接合させることができる。

本発明の実施形態に係る接合方法で作製されるバッテリートレイの斜視図である。 バッテリートレイを構成するフレーム組立体及びフロアパネルの斜視図である。 フレーム組立体を構成するサイドメンバとクロスメンバとの接合方法における治具配置工程を説明する斜視図である。 サイドメンバに対するクロスメンバの接合方法における各工程を説明する図であって、（Ａ）はフランジ成形工程を示すサイドメンバの平面図、（Ｂ）は位置決め工程を示すクロスメンバを断面視したサイドメンバの平面図、（Ｃ）は接合工程を示すクロスメンバを断面視したサイドメンバの平面図である。 サイドメンバに対するクロスメンバの接合方法における各工程を説明する図であって、（Ａ）は図４の（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図、（Ｂ）は図４の（Ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）は図４の（Ｃ）におけるＣ−Ｃ断面図である。 サイドメンバの被接合面に対するクロスメンバの端部の位置決め状態を示す位置決め箇所の断面図である。 サイドメンバの被接合面に対するクロスメンバの端部の位置決め状態を示す位置決め箇所の断面図である。 フランジ成形工程に用いられる摩擦撹拌加工装置を示す斜視図である。 摩擦撹拌加工装置の先端側から視た斜視図である。 摩擦撹拌加工装置の軸方向に沿う断面図である。 フレーム組立体とフロアパネルとの接合方法における治具配置工程を説明する斜視図である。 フレーム組立体に対するフロアパネルの接合方法における各工程を説明する図であって、（Ａ）はフランジ成形工程を示すフレーム組立体の断面図、（Ｂ）は位置決め工程を示すフレーム組立体及びフロアパネルの位置決め箇所の断面図、（Ｃ）は接合工程を示すフレーム組立体及びフロアパネルの接合箇所の断面図である。 フレーム組立体に対するフロアパネルの他の接合例を説明する図であって、（Ａ）はフランジ成形工程を示すフレーム組立体の断面図、（Ｂ）は位置決め工程を示すフレーム組立体及びフロアパネルの位置決め箇所の断面図、（Ｃ）は接合工程を示すフレーム組立体及びフロアパネルの接合箇所の断面図である。 フレーム組立体に対するフロアパネルの他の接合例を説明する図であって、（Ａ）はフランジ成形工程を示すフレーム組立体の断面図、（Ｂ）は位置決め工程を示すフレーム組立体及びフロアパネルの位置決め箇所の断面図、（Ｃ）は接合工程を示すフレーム組立体及びフロアパネルの接合箇所の断面図である。 参考例１を説明するサイドメンバに対するクロスメンバの位置決め箇所の断面図である。 参考例２を説明するフレーム組立体に対するフロアパネルの位置決め箇所の断面図である。 サイドメンバに対する摩擦撹拌加工のパターンを示す図であって、（Ａ）〜（Ｋ）は、それぞれ摩擦撹拌加工を施したサイドメンバの概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る接合方法で作製されるバッテリートレイの斜視図である。図２は、バッテリートレイを構成するフレーム組立体及びフロアパネルの斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る構造部材の接合方法は、例えば、車載用のバッテリートレイ１などの構造体を作製する際に採用される。バッテリートレイ１は、複数のバッテリーを収納可能であって、電力により駆動する車両（電気自動車、ハイブリッド自動車等を含む）の車体フロアの下側に配置されて車体に固定される。

バッテリートレイ１は、外枠を形成するフレーム組立体３と、底面を形成するフロアパネル５とを備えている。バッテリートレイ１は、フロアパネル５を下側に配置した状態で車体に取り付けられる。バッテリートレイ１には、フロアパネル５の奥側であって、フレーム組立体３で取り囲まれた空間に、複数のバッテリー（図示略）が収納される。

フレーム組立体３は、サイドメンバ（構造部材）１０と、クロスメンバ（構造部材）２０とを備えている。サイドメンバ１０は、互いに間隔をあけて平行に配置されている。クロスメンバ２０は、その両端が、それぞれのサイドメンバ１０の一側面に接合されている。

サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０は、押出成形により成形された部材である。具体的には、サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０は、厚みが２〜５ｍｍ程度の矩形の中空断面を有するアルミニウムまたはアルミニウム合金を素材とした中空押出形材から構成される。これらのサイドメンバ１０及びクロスメンバ２０の中空断面内部には縦リブが形成されていても良い。

サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０として使用されるアルミニウム合金の種類は、強度が優れて、より薄肉化が可能である点で、ＪＩＳ乃至ＡＡで言う５０００系、６０００系、７０００系などのアルミ合金が適用される。これらアルミニウム合金の中空押出形材は、鋳造（ＤＣ鋳造法や連続鋳造法）、均質化熱処理、熱間押出、溶体化および焼入れ処理、必要により人工時効処理、などの調質処理を適宜組み合わせて製造される。サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０は、アルミニウム合金による押出成形により製造することにより、軽量化を図ることができる。

フロアパネル５は、バッテリートレイ１の底面を構成する部材であり、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から形成された板材である。フロアパネル５は、その周縁部が、フレーム組立体３を構成するサイドメンバ１０の側面及び外側に配置されたクロスメンバ２０の側面に接合されている。

次に、本実施形態に係る構造部材の接合方法について説明する。
まず、サイドメンバ１０にクロスメンバ２０を接合させる場合について説明する。
図３は、フレーム組立体を構成するサイドメンバとクロスメンバとの接合方法における治具配置工程を説明する斜視図である。図４及び図５は、サイドメンバに対するクロスメンバの接合方法における各工程を説明する図である。図６及び図７は、サイドメンバの被接合面に対するクロスメンバの端部の位置決め状態を示す位置決め箇所の断面図である。

（治具配置工程）
図３に示すように、サイドメンバ１０を治具３０に配置させる。この治具３０は、例えば、ステンレス等によって形成されたもので、平板部３１と、平板部３１の両側部に設けられた側壁部３３とを有している。サイドメンバ１１は、治具３０の両側壁部３３に沿うように配置させる。

（フランジ成形工程）
図４の（Ａ）及び図５の（Ａ）に示すように、サイドメンバ１０におけるクロスメンバ２０を接合する一側面を被接合面４１とし、この被接合面４１にフランジ４３を成形する。このフランジ４３は、サイドメンバ１０の被接合面４１におけるクロスメンバ２０を接合させる接合位置に摩擦撹拌加工工具１００を用いて摩擦攪拌プロセス（ＦＳＰ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）による摩擦撹拌加工を施すことによって成形する。具体的には、サイドメンバ１０の被接合面４１におけるクロスメンバ２０の接合位置に沿って摩擦撹拌加工工具１００を回転させながら移動させることによって摩擦撹拌加工する。すると、サイドメンバ１０の被接合面４１には、摩擦撹拌加工工具１００によって摩擦撹拌されて塑性流動が生じて改質部４５が形成されるとともに、移動する摩擦撹拌加工工具１００のリトリーティングサイドに、サイドメンバ１０の塑性流動物が隆起したフランジ４３が形成される。

（位置決め工程）
図４の（Ｂ）及び図５の（Ｂ）に示すように、フランジ４３を成形したサイドメンバ１０の被接合面４１に、クロスメンバ２０の端部４７を位置決めする。具体的には、図６に示すように、クロスメンバ２０の端部４７をサイドメンバ１０の被接合面４１に宛がい、クロスメンバ２０の端部４７における外周面にフランジ４３を当接させる。このようにすると、クロスメンバ２０は、その端面が被接合面４１に形成された改質部４５に対向されるとともに、フランジ４３によってサイドメンバ１０の被接合面４１に位置決めされる。このときクロスメンバ２０の端面を改質部４５に当接させる。なお、フランジ４３は、被接合面４１から突出している。したがって、図７に示すように、クロスメンバ２０の端面が改質部４５から僅かに離間していても、外周面にフランジ４３が当接されることで位置決めされる。

（接合工程）
図４の（Ｃ）及び図５の（Ｃ）に示すように、サイドメンバ１０の被接合面４１とクロスメンバ２０の端部４７との隅部を接合させる。すると、サイドメンバ１０の被接合面４１とクロスメンバ２０の端部４７との隅部に接合部４９が形成され、サイドメンバ１０に対してクロスメンバ２０が強固に接合される。

この接合は、例えば、ミグ、ティグあるいはレーザなどによる溶接で接合してもよく、または、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）によって接合してもよい。溶接によって接合させる場合、フランジ４３は、溶加材となり、摩擦撹拌接合によって接合させる場合、フランジ４３は、塑性流動物となる。つまり、いずれの接合の場合においても、フランジ４３は、接合部４９を形成する接合材として用いられることとなる。

ここで、フランジ４３の成形に好適な摩擦撹拌加工工具１００について説明する。
図８は、摩擦撹拌加工工具によってフランジを成形している状態を示す斜視図である。図９は、摩擦撹拌加工工具の斜視図である。図１０は、摩擦撹拌加工工具の軸方向に沿う断面図である。

図８〜図１０に示すように、摩擦撹拌加工工具１００は、図示しない摩擦撹拌加工装置に装着されて用いられる。摩擦撹拌加工工具１００は、回転ツール１１１と、当接ブロック１３１とを備えている。

回転ツール１１１は、棒状に形成されており、一方向である回転方向αに回転される。回転ツール１１１は、本体部１１３と、この本体部１１３の先端に形成された小径のピン部１１５とを有している。このピン部１１５には、その外周に、螺旋状突起１１７が形成されている。

また、回転ツール１１１は、小径のピン部１１５の根元部分にショルダ部１２１を有している。ショルダ部１２１は、本体部１１３よりも小径に形成され、ピン部１１５よりも大径に形成されている。ショルダ部１２１は、ピン部１１５との間の面が、ピン部１１５から径方向外方へ向かって次第に先端側へ傾斜されている。これにより、このショルダ部１２１には、ピン部１１５の根元部分に、凹みが形成され、この凹みが保持凹部１２３とされている。

当接ブロック１３１は、略立方体形状に形成されている。この当接ブロック１３１は、表裏に貫通する挿通孔１３３を有している。この挿通孔１３３には、当接ブロック１３１の上方側から回転ツール１１１が挿し込まれる。挿通孔１３３には、下縁に、内周方向へ環状に張り出す環状係止部１３５が形成されている。この環状係止部１３５は、その内径が、回転ツール１１１のショルダ部１２１の外径よりも僅かに大きくされている。

当接ブロック１３１は、その下面が当接面１４１とされており、この当接面１４１は、被接合面４１に対する加工時に、被接合面４１に当接される。当接ブロック１３１には、当接面１４１に、一つのフランジ成形溝１４３が形成されている。このフランジ成形溝１４３は、直線状に形成されている。このフランジ成形溝１４３は、一端が挿通孔１３３の周方向の一か所に連通され、他端が当接ブロック１３１の一側面に達している。このフランジ成形溝１４３は、回転ツール１１１の回転方向αの前方側へ向かう接線方向に延在されている。そして、このフランジ成形溝１４３が挿通孔１３３に連通されることにより、環状係止部１３５には、その周方向の一か所に切欠き部１３７が形成されている。

この当接ブロック１３１の挿通孔１３３に、その上方から挿し込まれた回転ツール１１１は、ショルダ部１２１が環状係止部１３５の内周側に通され、本体部１１３とショルダ部１２１との段部が環状係止部１３５に係止される。これにより、回転ツール１１１は、当接ブロック１３１の当接面１４１からピン部１１５及びショルダ部１２１の一部が突出された状態に配置される。この当接ブロック１３１は、図示しない固定手段によって摩擦撹拌加工装置に固定される。これにより、摩擦撹拌加工工具１００は、固定された当接ブロック１３１に対して回転ツール１１１だけが回転方向αに回転される。

この摩擦撹拌加工工具１００によって、被接合面４１にフランジ４３を成形するには、まず、フランジ成形溝１４３の延在方向が回転方向αの前方側へ向かう接線方向となるように回転ツール１１１を回転させる。次に、摩擦撹拌加工工具１００をサイドメンバ１０の被接合面４１へ向かって移動させ、回転させた回転ツール１１１を被接合面４１に押圧する。これにより、回転ツール１１１のピン部１１５を被接合面４１に食い込ませ、さらに、当接ブロック１３１の当接面１４１を被接合面４１に当接させる。

この状態において、サイドメンバ１０に対して摩擦撹拌加工工具１００を、フランジ成形溝１４３の延在方向と反対方向へ移動させる。すると、サイドメンバ１０の被接合面４１には、摩擦撹拌加工工具１００によって摩擦撹拌されて塑性流動が生じて改質部４５が形成されるとともに、移動する摩擦撹拌加工工具１００のリトリーティングサイドに、サイドメンバ１０の塑性流動物が隆起したフランジ４３が形成される。

この摩擦撹拌加工工具１００を用いれば、例えば、サイドメンバ１０の側面からなる被接合面４１の中央部分の任意の位置において、位置決め用として好適な形状のフランジ４３を容易に成形することができる。したがって、被接合面４１に成形したフランジ４３にクロスメンバ２０の端部を位置決めして接合させて作製するフレーム組立体３等の構造体の設計の自由度を高めることができる。

また、回転ツール１１１には、ピン部１１５の外周に螺旋状突起１１７が形成されている。したがって、螺旋状突起１１７によって塑性流動物をより良好に流動させることができ、フランジ成形溝１４３においてフランジ４３をより円滑に成形させることができる。

しかも、回転ツール１１１は、ショルダ部１２１に、塑性流動物を保持する保持凹部１２３を有している。これにより、ピン部１１５によって塑性流動されたサイドメンバ１０の塑性流動物がショルダ部１２１の保持凹部１２３で一旦保持されてフランジ成形溝１４３へ送り出される。したがって、フランジ成形溝１４３へ塑性流動物を安定的に送り出すことができ、長手方向に均一な形状のフランジ４３をサイドメンバ１０の被接合面４１に成形することができる。

次に、フレーム組立体３にフロアパネル５を接合させる場合について説明する。
図１１は、フレーム組立体とフロアパネルとの接合方法における治具配置工程を説明する斜視図である。図１２は、フレーム組立体に対するフロアパネルの接合方法における各工程を説明する図である。

（治具配置工程）
図１１に示すように、サイドメンバ１０にクロスメンバ２０を接合させたフレーム組立体３を治具３０に配置させる。なお、フレーム組立体３の作製に引き続いてフロアパネル５を接合させる場合は、フレーム組立体３は治具３０に配置されていることとなる。

（フランジ成形工程）
図１２の（Ａ）に示すように、フレーム組立体３を構成するサイドメンバ１０及びクロスメンバ２０からなる外枠部分の側面を被接合面５１とし、この被接合面５１におけるフロアパネル５を接合させる接合位置に、摩擦撹拌加工工具１００を用いて摩擦撹拌加工を施すことによってフランジ５３を成形する。フレーム組立体３における接合位置は、このフレーム組立体３のサイドメンバ１０及びクロスメンバ２０からなる外枠部分における内縁部分となる。つまり、この外枠部分における内縁部分に沿って摩擦撹拌加工工具１００を回転させながら移動させることによって摩擦撹拌加工する。すると、フレーム組立体３の被接合面５１には、摩擦撹拌加工工具１００によって摩擦撹拌されて塑性流動が生じて改質部５５が形成されるとともに、移動する摩擦撹拌加工工具１００のリトリーティングサイドに、フレーム組立体３の塑性流動物が隆起したフランジ５３が成形される。このとき、摩擦撹拌加工工具１００が押し当てられて加圧される位置には、フレーム組立体３を構成するサイドメンバ１０またはクロスメンバ２０の内側の側壁５２が配置されることとなる。したがって、摩擦撹拌加工工具１００からの押圧力が側壁５２によって受け止められ、加圧による被接合面５１の変形が抑制される。なお、サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０の中空断面内部に縦リブが形成されている場合は、その上部に改質部５５を形成するとともに、移動する摩擦撹拌加工工具１００のリトリーティングサイドに、フランジ５３を成形しても良い。このときも、前述した回転ツール１１１と当接ブロック１３１とを有する摩擦撹拌加工工具１００を用いるのが好ましい。

（位置決め工程）
図１２の（Ｂ）に示すように、フランジ５３を成形したフレーム組立体３の被接合面５１にフロアパネル５の縁部５７を位置決めする。具体的には、フレーム組立体３にフロアパネル５を重ね合わせ、フロアパネル５の縁部５７をフレーム組立体３の被接合面５１に宛がってフランジ５３に当接させる。このようにすると、フロアパネル５は、その縁部５７が被接合面５１に形成された改質部５５に対向されるとともに、フランジ５３によってフレーム組立体３の被接合面５１に位置決めされる。

（接合工程）
図１２の（Ｃ）に示すように、フレーム組立体３の被接合面５１とフロアパネル５の縁部５７との隅部を接合させる。すると、フレーム組立体３の被接合面５１とフロアパネル５の縁部５７との隅部に接合部５９が形成され、フレーム組立体３に対してフロアパネル５が強固に接合される。

この接合も、例えば、ミグ、ティグあるいはレーザなどによる溶接で接合してもよく、または、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）によって接合してもよい。溶接によって接合させる場合、フランジ５３は、溶加材となり、摩擦撹拌接合によって接合させる場合、フランジ５３は、塑性流動物となる。つまり、いずれの接合の場合においても、フランジ５３は、接合部５９を形成する接合材として用いられることとなる。なお、図１２の（Ｃ）では、溶接によって接合した場合の断面形状を示している。

次に、フレーム組立体３の外枠部分にフロアパネル５を接合させる他の例を説明する。
図１３及び図１４は、フレーム組立体に対するフロアパネルの他の接合例をそれぞれ説明する工程図である。

（フレーム組立体３の外枠部分における外縁部分を接合位置とする場合）
図１３の（Ａ）に示すように、治具３０に配置させたフレーム組立体３の外枠部分の側面からなる被接合面５１に摩擦撹拌加工工具１００を回転させながら押し当てて移動させる。これにより、外枠部分の外縁に沿ってフランジ５３を成形させる（フランジ成形工程）。このとき、摩擦撹拌加工工具１００が押し当てられて加圧される外枠部分の外縁位置には、フレーム組立体３を構成するサイドメンバ１０またはクロスメンバ２０の外側の側壁５２が配置されることとなる。したがって、摩擦撹拌加工工具１００からの押圧力が側壁５２によって受け止められ、加圧による被接合面５１の変形が抑制される。

その後、図１３の（Ｂ）に示すように、フレーム組立体３にフロアパネル５を重ね合わせ、フロアパネル５の縁部５７をフレーム組立体３の被接合面５１に宛がってフランジ５３に当接させる（位置決め工程）。そして、図１３の（Ｃ）に示すように、フレーム組立体３の被接合面５１とフロアパネル５の縁部５７との隅部を接合させる（接合工程）。

（サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０の中空断面内部に縦リブを有する場合）
図１４の（Ａ）に示すように、治具３０に配置させたフレーム組立体３の外枠部分の側面からなる被接合面５１に摩擦撹拌加工工具１００を回転させながら押し当てて移動させる。これにより、外枠部分の内縁と外縁との間にフランジ５３を成形させる（フランジ成形工程）。このとき、摩擦撹拌加工工具１００が押し当てられて加圧される内縁と外縁との間の中間位置には、サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０の中空断面内部に設けられた縦リブ５４が配置されることとなる。したがって、摩擦撹拌加工工具１００からの押圧力が縦リブ５４によって受け止められ、加圧による被接合面５１の変形が抑制される。このとき、少なくとも改質部５５の一部が縦リブ５４の上部に形成されるように摩擦撹拌加工工具１００の少なくとも一部が縦リブ５４の上部にかかるように配置されていれば良い。なお、改質部５５を形成する摩擦撹拌加工工具１００は、縦リブ５４の上部における縦リブ５４の全幅に配置されているのが好ましく、中心位置が縦リブ５４の幅方向の中央に配置されているのがより好ましい。

その後、図１４の（Ｂ）に示すように、フレーム組立体３にフロアパネル５を重ね合わせ、フロアパネル５の縁部５７をフレーム組立体３の被接合面５１に宛がってフランジ５３に当接させる（位置決め工程）。そして、図１４の（Ｃ）に示すように、フレーム組立体３の被接合面５１とフロアパネル５の縁部５７との隅部を接合させる（接合工程）。

ここで、参考例について説明する。
図１５は、参考例１を説明するサイドメンバに対するクロスメンバの位置決め箇所の断面図である。図１６は、参考例２を説明するフレーム組立体に対するフロアパネルの位置決め箇所の断面図である。

図１５に示すように、この参考例１では、サイドメンバ１０の被接合面４１に溝部６１を形成し、この溝部６１にクロスメンバ２０の端部４７を配置させる。そして、このクロスメンバ２０の端部４７における外周面を溝部６１の外側の内面に当接させて位置決めする。

図１６に示すように、この参考例２では、フレーム組立体３の被接合面５１に切欠き部６５を形成し、この切欠き部６５にフロアパネル５の縁部５７を配置させる。そして、このフロアパネル５の縁部５７を切欠き部６５の段差部分に当接させて位置決めする。

これらの参考例１，２では、いずれも被接合面４１，５１に対して切削加工によって溝部６１及び切欠き部６５を形成する。このため、被接合面４１，５１の肉厚が薄くなり、強度低下を招いてしまう。また、肉厚が薄くなることによる強度低下を抑えるためには、サイドメンバ１０及びクロスメンバ２０の肉厚を予め厚くしておかなければならず、重量が嵩んでしまう。しかも、これらの参考例１，２では、接合工程で溶接によって接合させる際に、溶加材が必要となり、コストアップを招いてしまう。

以上、説明したよう、本実施形態に係る構造部材の接合方法によれば、サイドメンバ１０及びフレーム組立体３からなる第一の構造部材の被接合面４１，５１に摩擦撹拌加工によって成形したフランジ４３，５３に、クロスメンバ２０及びフロアパネル５からなる第二の構造体を当接させて位置決めして接合する。これにより、第一の構造部材及び第二の構造部材を高い精度で接合し、フレーム組立体３やバッテリートレイ１などの構造体を作製することができる。

また、参考例１，２のように、切削加工によって被接合面４１，５１に位置決め用の溝部６１や切欠き部６５を形成する場合と比べ、被接合面４１，５１が薄肉化されて強度低下を招くようなことなく接合させることができる。

しかも、摩擦撹拌加工によって形成される被接合面４１，５１の改質部４５，５５は靭性が高められる。したがって、この改質部４５，５５にクロスメンバ２０やフロアパネル５を対向させて接合させることにより、衝撃が付与された際のダメージを抑制できる。これにより、耐衝撃性にすぐれた構造体を作製することができる。

さらに、サイドメンバ１０及びフレーム組立体３からなる第一の構造部材を治具３０に装着した状態で、被接合面４１，５１に摩擦撹拌加工工具１００によってフランジ４３，５３を成形するので、第一の構造部材に捻じれや歪みがあったとしても、高精度にフランジ４３，５３を成形してクロスメンバ２０及びフロアパネル５からなる第二の構造部材との接合精度を高めることができる。

また、接合工程において、サイドメンバ１０及びフレーム組立体３からなる第一の構造部材とクロスメンバ２０及びフロアパネル５からなる第二の構造部材とを溶接して接合させる場合では、位置決め用のフランジ４３，５３を溶加材として溶接することができる。したがって、別個の溶加材を用いずに容易にかつ低コストで溶接することができる。

さらに、接合工程において、サイドメンバ１０及びフレーム組立体３からなる第一の構造部材とクロスメンバ２０及びフロアパネル５からなる第二の構造部材とを摩擦撹拌接合させる場合では、位置決め用のフランジ４３，５３が塑性流動物となって良好に接合される。しかも、フランジ成形工程と接合工程とを摩擦撹拌加工で行うことができるので、摩擦撹拌加工工具を交換するだけでフランジ成形工程及び接合工程の作業を同一設備によって容易に行うことができる。

なお、上記実施形態では、サイドメンバ１０に対してクロスメンバ２０を接合させる際に、サイドメンバ１０の側面における幅方向にわたって矩形状に摩擦撹拌加工を行ってフランジ４３を形成したが、摩擦撹拌加工は、接合するクロスメンバ２０の断面形状等に応じたパターンで加工される。

次に、サイドメンバ１０にフランジ４３を成形する際の摩擦撹拌加工のパターンについて説明する。
図１７は、サイドメンバに対する摩擦撹拌加工のパターンを示す図である。

図１７の（Ａ）は、サイドメンバ１０の幅寸法よりも小さい幅寸法を有する矩形状のクロスメンバ２０を接合させる場合のパターンであり、この場合、サイドメンバ１０の幅寸法よりも小さい矩形状のパターンで摩擦撹拌加工を行う。

図１７の（Ｂ）は、中央に板部を有する断面形状のクロスメンバ２０を接合させる際のパターンであり、この場合、クロスメンバ２０の断面形状に合わせて中央部分にも線状のフランジ３４及び改質部４５を有する日形のパターンで摩擦撹拌加工を行う。

図１７の（Ｃ）は、サイドメンバ１０に対してクロスメンバ２０を、例えば、傾き角度４５度で傾けて接合させる場合のパターンであり、この場合、サイドメンバ１０には、菱形のパターンで摩擦撹拌加工を行う。

図１７の（Ｄ）は、Ｕ字状の断面形状のクロスメンバ２０を接合させる際のパターンであり、この場合、クロスメンバ２０の断面形状に合わせてＵ字状のパターンで摩擦撹拌加工を行う。

図１７の（Ｅ）は、サイドメンバ１０の幅寸法よりも小さい幅寸法を有し、かつ、Ｕ字状の断面形状を有するクロスメンバ２０を接合させる際のパターンであり、この場合、クロスメンバ２０の断面形状に合わせて幅寸法の小さいＵ字状のパターンで摩擦撹拌加工を行う。なお、この場合、断面矩形状のクロスメンバ２０の端部をＵ字状のパターンで形成したフランジ３４によって部分的に位置決めしてもよい。

図１７の（Ｆ）は、サイドメンバ１０の幅方向及び長手方向に、互いに平行に摩擦撹拌加工を行うパターンである。この場合、摩擦撹拌加工工具１００の向きを変えながら連続して加工する場合と比べ、矩形状部分の角部を直角にすることができる。

図１７の（Ｇ）は、サイドメンバ１０に対して矩形状のクロスメンバ２０の角部を配置させる４箇所に摩擦撹拌加工を行うパターンである。このように、クロスメンバ２０の端部４７を部分的に位置決めしてもよい。

図１７の（Ｈ）は、サイドメンバ１０の長さ方向に間隔をあけて互いに平行に摩擦撹拌加工を行うパターンである。この場合、クロスメンバ２０の端部４７における両側部を位置決めすることができる。

図１７の（Ｉ）は、サイドメンバ１０の幅方向に間隔をあけて互いに平行に摩擦撹拌加工を行うパターンである。この場合、クロスメンバ２０の端部４７における上下部分を位置決めすることができる。

図１７の（Ｊ）は、円形状のクロスメンバ２０を接合させる際のパターンであり、この場合、クロスメンバ２０の断面形状に合わせて円形状のパターンで摩擦撹拌加工を行う。

図１７の（Ｋ）は、円形状のクロスメンバ２０を接合させる際のパターンであり、クロスメンバ２０の端部４７の一部に沿う円弧状に摩擦撹拌加工を行う。この場合、円形状のクロスメンバ２０を部分的に位置決めする。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 第一の構造部材の被接合面に摩擦撹拌加工を施すことにより、前記被接合面にフランジを成形するフランジ成形工程と、
前記第一の構造部材に対して第二の構造部材を、前記摩擦撹拌加工によって前記被接合面に形成された改質部に対向させながら少なくとも一部を前記フランジに当接させて位置決めする位置決め工程と、
前記フランジを接合材として前記第一の構造部材に対して前記第二の構造部材を接合させる接合工程と、
を含む、構造部材の接合方法。

この構造部材の接合方法によれば、第一の構造部材の被接合面に成形したフランジに第二の構造部材を当接させて位置決めして接合するので、第一の構造部材及び第二の構造部材を高い精度で接合して構造体を作製することができる。
また、切削加工によって第一の構造部材の被接合面に、第二の構造部材を嵌め込んで位置決めさせる位置決め用の溝部や切欠き部を形成する場合と比べ、被接合面が薄肉化されて強度低下を招くようなことなく接合させることができる。
しかも、摩擦撹拌加工によって形成される第一の構造部材の被接合面の改質部は靭性が高められる。したがって、この改質部に第二の構造部材を対向させて接合させることにより、第一の構造部材と第二の構造部材との間に衝撃が付与された際のダメージを抑制できる。これにより、耐衝撃性にすぐれた構造体を作製することができる。

（２） 前記フランジ成形工程において、予め前記第一の構造部材を治具に装着させておく、（１）に記載の構造部材の接合方法。

この構造部材の接合方法によれば、第一の構造部材を治具に装着した状態で、この第一の構造部材の被接合面に摩擦撹拌加工工具によってフランジを成形するので、第一の構造部材に捻じれや歪みがあったとしても、高精度にフランジを成形して第二の構造部材との接合精度を高めることができる。

（３） 前記接合工程において、前記第一の構造部材と前記第二の構造部材とを溶接して接合させる、（１）または（２）に記載の構造部材の接合方法。

この構造部材の接合方法によれば、第一の構造部材と第二の構造部材とを溶接によって高精度に接合させることができる。このとき、位置決め用のフランジを溶加材として溶接することができるので、別個の溶加材を用いずに容易にかつ低コストで溶接することができる。

（４） 前記接合工程において、前記第一の構造部材と前記第二の構造部材とを摩擦撹拌接合させる、（１）または（２）に記載の構造部材の接合方法。

この構造部材の接合方法によれば、第一の構造部材と第二の構造部材とを摩擦撹拌によって高精度に接合させることができる。このとき、位置決め用のフランジが塑性流動物となって良好に接合される。また、フランジ成形工程と接合工程とを摩擦撹拌加工で行うことができるので、摩擦撹拌加工工具を交換するだけでフランジ成形工程及び接合工程の作業を同一設備によって容易に行うことができる。

（５） 前記第一の構造部材及び前記第二の構造部材は、それぞれ押出材であり、
前記押出材からなる前記第一の構造部材の側面を前記被接合面として前記フランジを成形し、前記押出材からなる前記第二の構造部材の端部を前記フランジに当接させて位置決めして接合させる、（１）〜（４）のいずれか一つに記載の構造部材の接合方法。

この構造部材の接合方法によれば、押出材からなる第一の構造部材の側面に押出材からなる第二の構造部材の端部を接合し、例えば、バッテリートレイを構成する外枠などの構造体を容易にかつ高精度に作製することができる。

（６） 前記第一の構造部材は、押出材であり、前記第二の構造部材は、面板であり、
前記押出材からなる前記第一の構造部材の側面を前記被接合面として前記フランジを成形し、前記面板からなる前記第二の構造部材の縁部を前記フランジに当接させて位置決めして接合させる、（１）〜（４）のいずれか一つに記載の構造部材の接合方法。

この構造部材の接合方法によれば、押出材からなる第一の構造部材の側面に面板からなる第二の構造部材の縁部を接合し、例えば、外枠にパネルが接合されたバッテリートレイなどの構造体を容易にかつ高精度に作製することができる。

（７） 前記フランジ成形工程において前記被接合面に前記フランジを成形する摩擦撹拌加工工具は、
前記被接合面に押圧されて前記被接合面に沿って移動されることにより、移動方向に沿って前記第一の構造部材を摩擦撹拌させる回転ツールと、
前記回転ツールが挿通される挿通孔を有し、前記被接合面に当接されて前記回転ツールとともに前記移動方向に移動される当接ブロックと、
を備え、
前記回転ツールは、
先端に設けられた小径のピン部と、
前記ピン部の根元に設けられ、前記ピン部によって摩擦撹拌されて塑性流動する前記被接合面から生じた塑性流動物を外周側へ送り出すショルダ部と、
を有し、
前記当接ブロックは、
前記被接合面に当接される当接面と、
前記当接面に形成され、前記挿通孔の周方向の一か所に連通して前記回転ツールの回転方向前方側へ向かう接線方向に延在する一つのフランジ成形溝と、
を有する、（１）〜（６）のいずれか一つに記載の構造部材の接合方法。

この構造部材の接合方法によれば、摩擦撹拌加工工具の当接ブロックの当接面を被接合面に当接させ、回転させた回転ツールを被接合面に押圧してピン部を食い込ませる。そして、被接合面に対して摩擦撹拌加工工具を、フランジ成形溝の延在方向と反対方向へ移動させる。これにより、被接合面の中央部分の任意の位置において、位置決め用として好適な形状のフランジを容易に成形することができる。したがって、被接合面に成形したフランジに第二の構造部材を位置決めして接合させて作製する構造体の設計の自由度を高めることができる。

３ フレーム組立体（第一の構造部材）
５ フロアパネル（第二の構造部材）
１０ サイドメンバ（第一の構造部材）
２０ クロスメンバ（第二の構造部材）
３０ 治具
４１，５１ 被接合面
４３，５３ フランジ
４５，５５ 改質部
１００ 摩擦撹拌加工工具
１１１ 回転ツール
１１５ ピン部
１２１ ショルダ部
１３１ 当接ブロック
１３３ 挿通孔
１４１ 当接面
１４３ フランジ成形溝
α 回転方向
Ｘ 移動方向

Claims (7)

1. 第一の構造部材の被接合面に摩擦撹拌加工を施すことにより、前記被接合面にフランジを成形するフランジ成形工程と、
   前記第一の構造部材に対して第二の構造部材を、前記摩擦撹拌加工によって前記被接合面に形成された改質部に対向させながら少なくとも一部を前記フランジに当接させて位置決めする位置決め工程と、
   前記フランジを接合材として前記第一の構造部材に対して前記第二の構造部材を接合させる接合工程と、
   を含む、
   構造部材の接合方法。
2. 前記フランジ成形工程において、予め前記第一の構造部材を治具に装着させておく、
   請求項１に記載の構造部材の接合方法。
3. 前記接合工程において、前記第一の構造部材と前記第二の構造部材とを溶接して接合させる、
   請求項１または請求項２に記載の構造部材の接合方法。
4. 前記接合工程において、前記第一の構造部材と前記第二の構造部材とを摩擦撹拌接合させる、
   請求項１または請求項２に記載の構造部材の接合方法。
5. 前記第一の構造部材及び前記第二の構造部材は、それぞれ押出材であり、
   前記押出材からなる前記第一の構造部材の側面を前記被接合面として前記フランジを成形し、前記押出材からなる前記第二の構造部材の端部を前記フランジに当接させて位置決めして接合させる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造部材の接合方法。
6. 前記第一の構造部材は、押出材であり、前記第二の構造部材は、面板であり、
   前記押出材からなる前記第一の構造部材の側面を前記被接合面として前記フランジを成形し、前記面板からなる前記第二の構造部材の縁部を前記フランジに当接させて位置決めして接合させる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造部材の接合方法。
7. 前記フランジ成形工程において前記被接合面に前記フランジを成形する摩擦撹拌加工工具は、
   前記被接合面に押圧されて前記被接合面に沿って移動されることにより、移動方向に沿って前記第一の構造部材を摩擦撹拌させる回転ツールと、
   前記回転ツールが挿通される挿通孔を有し、前記被接合面に当接されて前記回転ツールとともに前記移動方向に移動される当接ブロックと、
   を備え、
   前記回転ツールは、
   先端に設けられた小径のピン部と、
   前記ピン部の根元に設けられ、前記ピン部によって摩擦撹拌されて塑性流動する前記被接合面から生じた塑性流動物を外周側へ送り出すショルダ部と、
   を有し、
   前記当接ブロックは、
   前記被接合面に当接される当接面と、
   前記当接面に形成され、前記挿通孔の周方向の一か所に連通して前記回転ツールの回転方向前方側へ向かう接線方向に延在する一つのフランジ成形溝と、
   を有する、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造部材の接合方法。

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