JP3270758B2

JP3270758B2 - 軸体と板体との圧入接合構造

Info

Publication number: JP3270758B2
Application number: JP2000175386A
Authority: JP
Inventors: 明野末; 和愛原田
Original assignee: Ohashi Technica Inc
Current assignee: Ohashi Technica Inc
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2002-04-02
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP2001353628A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属製要素部品を
構成する軸体と板体との圧入接合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車等に使用される金属製要素
部品を製造する場合、通常、アーク溶接等により部材同
士を接合している。これは、例えばプレートに軸体を接
合する場合には、プレートに設けた孔に軸体を嵌め込
み、アーク溶接等により溶加材を用いて軸体との嵌め合
せ部位の全周又は局部的に溶接を行うものである。ま
た、抵抗溶接法として、スポット溶接法、プロジェクシ
ョン溶接法による接合、或いはかしめ加工により部材同
士を接合する方法も行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記接合方法
によれば、アーク溶接の溶接熱による熱変形等により、
プレート、軸体等の母材の熱的劣化や、寸法歪みが発生
して精度への影響が避けられないという問題がある。こ
の場合には、溶接後に後加工を加えて製品の精度を高
め、また溶接部分の不要な溶加材を削除するなど、溶接
後の仕上げ加工に多くの手間と費用を要するといった問
題がある。

【０００４】また、上記抵抗溶接法は重ね抵抗溶接法が
主力であり、いずれも接合部にナゲットと呼ばれる溶融
組織を形成することで接合している。この重ね抵抗溶接
法では、溶接を強くするためにはナゲットの数を増やす
しかなく、結果として接合母材の熱的劣化や、寸法精度
への影響が避けられないという問題がある。また、溶融
溶接の場合は接合強度は高いが、母材の熱影響が広範囲
の為、熱的劣化や寸法精度への影響が大きく、後加工等
を要し、費用がかかるという問題があった。

【０００５】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、仕上精度が良く、強度的にも優れ、経済効果
も高い軸体と板体との圧入接合構造を提供することを目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の技術的課題を解決
するため、本発明に係る軸体と板体との圧入接合構造
は、図１に示すように、板面から一定方向に内壁面部が
形成された孔部２を有する板体１と、上記孔部２との間
に所定の圧入代が設けられ、軸方向に向かう接合面部が
周囲方向に複数形成される軸体３とを用い、上記板体１
の孔部２内に上記軸体３を所定の圧力で押圧するととも
に、両者間に電気抵抗熱を発生させ、圧入により上記軸
体３の接合面部が、上記孔部２の内壁面部との間に接合
界面を形成しつつ、軸体３が孔部２内を移動し、この軸
体３を板体１の孔部２に接合したことである。

【０００７】上記接合面部の形成に際しては、上記軸体
３に、軸体３の軸方向に向かう複数の凸条を設けるか、
又は、上記孔部２の内壁面部に、内壁面部の表裏方向に
向かう複数の凸条を設けるか等により、この凸条の突出
した表面部によって両者が接合する接合面部を形成する
ことができる。

【０００８】また、本発明に係る圧入接合構造は、上記
板体１の孔部２の断面形状を円形とする一方、上記軸体
３の外壁面部に、上記孔部２と接する複数の凸状部を軸
方向に形成したことである。

【０００９】また、本発明に係る圧入接合構造は、上記
軸体３の外周の断面形状を円形とする一方、上記孔部２
の内壁面部に、上記軸体３と接する複数の凸状部をこの
孔部２の表裏方向に形成したことである。

【００１０】また、板体の板厚が１ｍｍから５ｍｍ程度
の範囲とし、孔部と軸体との間に径に対して０．３ｍｍ
から０．７ｍｍの範囲の圧入代を設け、さらに上記接合
を固相状態の溶接としたことである。また、上記に加え
て、上記接合面部を２箇所から６箇所設けたことであ
る。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態を
図面に基づいて説明する。この実施の形態に係る圧入接
合方法では、図１に示す冶具を用いてプレート１に軸体
３を接合する。この冶具は、クローム銅製の下型１２
と、下部に円柱状の穴部１３が設けられたクローム銅製
の上型１４とを有する。この下型１２と上型１４とは、
それぞれ電極１５，１６としても機能する。

【００１５】上記上型１４には、軸体３が下部の接合部
３ａを残した状態で上記穴部１３内に嵌入され、軸体３
の側壁面部３ｂと穴部１３の側壁部１３ａとは通電のた
め密着している。このように軸体３の側壁面部３ｂに電
極１６を設ける構成としたのは、軸体３の上面部に電極
を設けたのでは、軸体３の上部から下部にかけての軸体
３自体の抵抗が通電に影響するので、これを排除して通
電を良好にするためである。勿論、軸体３に電極を設け
る形態は、上記以外の方法、例えば軸体３の筒内の下端
部近くまで電極を突入する等、の方法であってもよく、
要は軸体３の接合部３ａの上方近傍の側壁面部３ｂに電
極を設けることである。

【００１６】そして、上型１４には図示しないプレス機
構が設けられ、所定の加圧力とともに上型１４を降下す
る。この冶具を用いて、ワークとして、板面に孔部２を
有するプレート１に、筒状の軸体３を接合する。

【００１７】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）はワークを示した
ものである。同図（ａ）に示すように、上記プレート１
は所定の厚さ（Ｐ）を有し、このプレート１に設けられ
た孔部２は、断面が直径φ１の円形であり、プレート１
の板面から垂直方向に孔部２の内壁面部２ａが形成され
ている。また、上記軸体３は同図（ｂ）（ｃ）に示すよ
うに、所定の肉厚の筒部４を有する円筒形状であり、そ
の側壁面部の外周形状は、直径φ２の円形形状のもの
を、直交線上に位置する４箇所の部位を平面状２１に削
除し、その他の４箇所の部位に直径φ２の円弧状の凸状
部２２を形成したものである。この軸体３の先端部に
は、稜部を削り取ってテーパ面部２３が形成されてい
る。

【００１８】図２（ｃ）に示すように、上記軸体３の外
周の円形部の直径φ２は、プレート１の孔部２の直径φ
１より僅かに大きく、この差（φ２−φ１）が圧入代と
なる。そして軸体３の４箇所の凸状部２２が、プレート
１の孔部２と接して接合面部を形成する。図３（ａ）
（ｂ）（ｃ）は、他の形態の軸体２５を示したものであ
る。この軸体２５は、棒状（中実）であり、その外周形
状は上記軸体３と同様である。

【００１９】上記軸体３，２５は、棒状（中実）でも、
筒状（中空）であっても、接合状態に差異はない。軸体
としては、プレート１の孔部２と接する部位の形状が断
面一定のストレートな形態のものが好適であるが、孔部
２を移動する際に一様な圧入代が確保できる形状であれ
ばよい。

【００２０】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、他のワークを
示したものである。このワークは、外周断面が円形の軸
体３２と、これを接合するプレート３１である。同図
（ａ）に示すように、プレート３１は所定の厚さ（Ｐ）
を有し、プレート３１の板面から垂直に孔部３４の壁面
が形成されている。同図（ｂ）（ｃ）に示すように、軸
体３２の断面外周の直径はφ３で、所定の肉厚の筒部３
３を有する円筒形状であり、先端部にはテーパ面部２３
が設けられている。

【００２１】プレート３１の孔部３４には、直交線上の
４箇所に直径φ４の円弧部３５（中心同一）が形成さ
れ、これら各円弧部３５の間には、直径φ５の円弧部３
６（中心同一）が中心向に凸状に、かつ孔部３４の表裏
方向に突条に形成されている。ここで、上記各径につい
ては、φ４＞φ３＞φ５の関係を有し、圧入代（φ３−
φ５）が設けられる。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、他の
形態の軸体３８を示したものである。この軸体３８は、
棒状（中実）であり、その外周形状は上記軸体３２と同
様である。

【００２２】この実施の形態ではワークとして、上記プ
レート１を用い、その孔部２の直径はφ１（＝１７．３
ｍｍ）、上記軸体３の直径はφ２（＝１７．５ｍｍ）と
し、圧入代（φ２−φ１）は０．２ｍｍとした。この圧
入代は、０．２ｍｍから１．０ｍｍの範囲内が適当であ
る。圧入代がこの範囲より少ないと、接合強度が充分得
られなくなり、また大きいと圧入が正常に行われなく、
接合面の歪みが大きくなって仕上りにむらができる。

【００２３】一方、プレート１は板厚をＰ（＝３．２ｍ
ｍ）とした。この板厚Ｐは、最低１ｍｍ程度はないと、
通常のプロジェクション溶接と同様な、溶融した接合部
が形成され、圧入の効果が表れない。また、板厚Ｐが厚
いと加圧通電設備の能力の限界の問題が生じるが、５ｍ
ｍ程度までであれば問題はない。また、プレート１及び
軸体３には炭素鋼を用い、各材料の規格は、プレート１
がＳＰＣＨＣ、軸体３がＳ２０Ｃである。なお、他の材
料として、プレートにＳＰＣＣを、また軸体にＳ１０〜
２０Ｃ、ＳＷＣＣＨ１０Ｋ、ＳＴＫＭ１１Ａ等を用いる
ことができる。この圧入接合形態においては、低炭素鋼
と低炭素鋼、低炭素鋼と高炭素鋼及び高炭素鋼と高炭素
鋼のいずれの組み合わせも可能である。

【００２４】実施条件として、印加電圧・電流は、６５
ＫＶＡ、２２．０００Ａとしたが、これは５０ＫＶＡか
ら１２０ＫＶＡの範囲が好適である。加圧力は０．４Ｍ
Ｐａ（→４００Ｋｇｆから４５０Ｋｇｆの範囲）とし
た。この加圧力は、後述する図７に示されるように、母
材の応力（ここでは軸体３がプレート１の孔部２に突入
することを妨げる抵抗力）よりも低い圧力としている。
したがって、この加圧力が、母材の軟化により低下した
応力を上回った時点から、圧入が開始されることにな
る。なお、圧入嵌合い部は、機械加工等により、酸化
膜、ボンデ膜、油性膜等の接合を阻害する要因となる表
層部を除去しておく。

【００２５】この実施の形態においては、上記プレート
１と軸体３とは４箇所の凸状部２２で接する、４つの接
合面部を有する形態である。この凸状部２２の数、及び
プレート１の孔部２と軸体３の接合面部（凸状部２２が
該当）の全周囲に対する割合は、この接合部に集中する
電流量及び接合強度とのバランスをとって決められる。

【００２６】凸状部２２の数は、接合部が小径（直径６
ｍｍ以下程度）のものでは、２箇所から３箇所程度が望
ましく、この個数であれば圧入代の確保にも支障はな
い。これ以上の径のものでは４箇所が好適であるが、６
箇所程度までは可能である。接合部の数をこれ以上に多
くすると、強度の確保、及び圧入代の確保等の考慮が必
要となる。また、接合面部の全周囲に対する割合は、３
０％から５０％が好適である。この接触の割合が３０％
を下回ると接合強度が低下し、また５０％を越えると電
流密度がおちて電流が集中しなくなり、電気抵抗熱が弱
くなって接合が不安定になる。

【００２７】さて、接合に際しては図１に示すように、
ワークとして上記下型１２の上面に上記プレート１を載
置するとともに位置を決める。次いで、軸体３を穴部１
３に嵌入した上型１４を軸体３とともに降下させる。こ
のとき、軸体３先端のテーパ面部２３を孔部２に突入さ
せることで、孔部２に対する軸体３の位置関係が正確に
定まる。そして、上型１４を一定の加圧力を付勢して押
圧し、同時に、軸体３とプレート１間に通電すると、電
気抵抗熱の発生とともに軸体３の圧入が開始され、軸体
３の接合部３ａがプレート１の孔部２内を降下移動し、
軸体３の先端部がプレート１の裏面部に到達する。この
ような製造工程により、軸体３とプレート１からなる圧
入接合構造の部材が得られる。

【００２８】図６は、上記接合の過程を説明したもので
ある。図６は、軸体３がプレート１の孔部２に接する
直前、図６は、軸体３の先端部のテーパ面部２３が孔
部２に突入した状態を示す。そして一定の加圧力、一定
の降下速度で圧入接合が行われ、瞬時に接合部が発熱さ
れ短時間で軸体３の先端部はプレート１の下面部に至り
接合を完了する（図６）。このとき、軸体３とプレー
ト１の孔部２との間には固相溶接の接合界面３１が形成
される。

【００２９】固相溶接においては、その接合面に清浄な
表面状態が得られていることが、接合の良否を左右す
る。この実施の形態に係る接合方法によれば、上記接合
界面３１には軸体３とプレート１の孔部２との各壁面同
士の間に滑り方向の動きが生まれ、これにより表面の不
純物質層が削られて表面が清浄化される。

【００３０】図７は、上記接合の過程を、抵抗熱による
接合部の温度推移に対する加圧力及び、母材接合部の応
力の変化で捉えたものである。ここで、縦軸には、接合
部の温度と、接合部の母材応力、横軸には接合プロセス
の時間軸をとっている。まず、時間軸に沿って説明する
と、スタート時点では、接合部の温度は常温のままであ
り、母材（プレート１及び軸体３）の硬さも素材の硬さ
そのままである為、加圧力に対し充分な応力を保ってい
る。したがって、この時点では、加圧されているものの
軸体３はプレート１の孔部２の上部に位置したままであ
る。

【００３１】時間の経過とともに通電による抵抗熱によ
り接合面部が昇温し、それに伴って接合面部の軟化が始
まる。接合面部の軟化によって応力が低下し、加圧力を
克服する点が同図の圧入スタートの時点であり、軸体３
が孔部２内の降下移動を開始する。このスタート時点で
接合面部の温度は最高点に達していると考えられる。こ
の最高点の温度は、推測の域をでないが、接合面部の組
織を観察した結果よりすれば、再結晶温度（６００℃）
以上で、かつ溶融点未満であると判断される。

【００３２】その後、圧入が進むにつれて、接合面部の
接合面積が増加し、反対に断面積差が減少するので電流
密度が下がり、結果的に抵抗熱の発生が減少し、接合面
部の温度は低下する。このように、母材としての軸体３
がプレート１の孔部２を移動し、軸体３の先端部がプレ
ート１の裏面部に到達して接合過程を終了する。以上
の、加圧及び通電の開始、圧入スタート、圧入の完了ま
での全プロセスが、１秒に満たない短時間の間に行われ
る。そして、圧入の完了時点では、接合部の母材の硬さ
が回復して強固に接合する。

【００３３】上記実施の形態に係る圧入接合方法による
接合の後、ワークを観察した結果、接合部には、スポ
ット溶接に見られるような広範囲の溶融した組織は観察
されない、接合部の周囲の熱影響範囲（硬度変化範
囲）が比較的狭い、接合部の周囲の熱影響部では、フ
ェライトが成長せず、不規則で粒状の組織が観察され
た、等の事項が確認できた。

【００３４】上記観察結果より、母材が再結晶温度以上
に昇温後、急冷したことが推測でき、また、圧入の直後
は接合面部が狭いことから電流が集中して組織の表層部
が軟化或いは限られた薄層だけが溶融するものの、接合
状態は、圧入による塑性変形（熱塑性）を伴った固相溶
接に至ったものといえる。これは、上記加圧力を、母材
の応力（常温状態）よりも低く設定し、母材（軸体３と
プレート１との接合面部）が軟化したときの応力（加熱
状態）の低下により、加圧力がこれを上回った時点で圧
入が開始される、という接合過程、において特に生じた
特徴的な接合状態である。

【００３５】したがって上記実施の形態に係る圧入接合
方法は、従来の重ね溶接とは異なり、接合部に溶融凝固
層が殆ど存在しないことから、固相溶接（一般に固相溶
接法とは、溶接面を全然溶融することなく溶接するか、
あるいは極めて限られた薄層だけ溶融して溶接するのが
特徴；現代溶接技術大系／産報出版より）あるいは固
相溶接に近い接合方法である。これは、スポット溶接
や、シーム溶接等のナゲットを形成する抵抗溶接法より
も、フラッシュ溶接や、アクセプト溶接のように接合界
面では全く溶融しないか、溶接部に溶融凝固層が極めて
僅かしか存在しない溶接法により近い形態である。

【００３６】特に、上記圧入接合方法で重要な点は、圧
入の工程において、圧入というプロセスの効果として、
接合界面には滑り方向の動きが生まれ、これにより表面
の不純物質層が削り取られ、かつ除去されるという作用
が得られることにある。この作用により、固相溶接に必
須の清浄な接合表面が形成されて、両者の接合が強固に
行われるものであり、この接合方法における特徴的な作
用効果といえる。

【００３７】図８（ａ）（ｂ）は、この実施の形態に係
る接合部の機械的強度を示したものである。同図（ａ）
に示す破壊トルクは、実験サンプルとしての軸体の外形
部を固定し、プレートの孔部２の中心から４０．７ｍｍ
の位置にアムスラーで静荷重を加え、その破壊トルクを
測定した結果である。

【００３８】実験結果によれば、同図に示すように、圧
入代が大きくなるに伴って接合強度が増加するが、圧入
代が０．３ｍｍを越えると強度の増加が緩やかとなる。
これから、接合強度及び圧入代の歪みの影響による仕上
り具合等を考慮すれば、上記圧入代の範囲は、０．３ｍ
ｍから０．７ｍｍまでの範囲がより好適といえる。な
お、接合部の母材の理論強度は３６９Ｎｍのため、適切
な圧入代を有するサンプルでは、その接合強度は理論強
度の８０％以上を維持していることになる。

【００３９】同図（ｂ）に示す抜け荷重は、実験サンプ
ルのプレートを固定し、圧入方向と反対方向から、軸体
の端面にアムスラーで静荷重を加え、軸体がプレートか
ら剥離して抜ける荷重（接合部の破壊荷重）を測定した
結果である。ここで、上記データの荷重が３０００Ｋｇ
を越えると母材（プレート）が座屈を起こしてしまうこ
とを考慮すれば、実際の抜け強度はさらに高いものと考
えられる。以上の実験結果からすれば、この実施の形態
に係る圧入接合方法によれば、母材強度に匹敵する程度
の接合強度が得られることになる。

【００４０】上記圧入接合方法は、自動車の要素部品等
の製造に用いることができ、例えばオートマチックトラ
ンスミッションのコントロールレバーコンポーネント
や、マニュアルトランスミッションのシフトレバーコン
ポーネント等、プレート部に軸体を接合した形態の部品
の製造に好適である。

【００４１】従って上記実施の形態に係る圧入接合方法
によれば、母材に与える熱影響範囲が少ないことから、
高精度な接合が確保され、加えて後加工が殆ど不要なも
のとなる等の効果がある。このため、板体と軸体の各単
品精度を向上することでそのまま完成品の精度を高める
ことができ、部品の直角度、同軸度、穴ピッチなどの溶
接後の精度変化を修正することなくそのまま完成品とし
て扱える。

【００４２】このように上記圧入溶接方法は、母材の熱
的劣化が極めて限定的な範囲の為、溶接後の歪取りや、
応力除去の熱処理が不要であり、また、寸法精度に与え
る影響が殆ど無いため、溶接後の仕上げ加工が不要であ
り、加工費用が大幅に削減できる。また、この溶接の接
合強度についても、全周囲の溶接に匹敵する強度が確保
でき、カシメ等の接合方法と異なり、溶接後の熱処理も
可能であり、高炭素鋼の溶接も可能であり、さらに、費
用も安価である。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る軸体
と板体との圧入接合構造によれば、孔部を有する板体
と、孔部との間に所定の圧入代が設けられ、複数の接合
面部が形成される軸体とを用い、電気抵抗熱の発生と圧
入により軸体が孔部内を移動し、軸体を板体の孔部に接
合する構造としたから、接合界面が清浄化されて接合が
良好に行われ、これにより強度的に優れ、また仕上り精
度が良いことから、後加工の必要がなく経済的にも優れ
るという効果を奏する。

【００４４】また、本発明に係る圧入接合構造によれ
ば、板体の孔部の断面形状を円形とする一方、軸体の外
壁面部に、孔部と接する複数の凸状部を軸方向に形成し
たことから、簡易な構成で製造が容易であるとともに、
強度的に優れ、仕上り精度が良いという効果がある。

【００４５】また、本発明に係る圧入接合構造は、軸体
の外周の断面形状を円形とする一方、孔部の内壁面部
に、軸体と接する複数の凸状部をこの孔部の表裏方向に
形成したことから、上記と同様製造容易で、強度的に優
れ、仕上り精度が良いという効果がある。

【００４６】さらに、径に対して０．３ｍｍから０．７
ｍｍの範囲の圧入代を設けたことから、高い接合強度が
得られるという効果がある。また、接合を固相状態の溶
接としたことから、接合部の熱的劣化がなく、仕上り精
度が良く後加工の必要がない、という効果がある。

【００４７】

【００４８】

【００４９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る圧入接合構造及び圧
入接合方法の説明図である。

【図２】実施の形態に係るワークを示す図である。

【図３】実施の形態に係る他のワークを示す図である。

【図４】実施の形態に係る他の形態のワークを示す図で
ある。

【図５】実施の形態に係る他の形態の他のワークを示す
図である。

【図６】本発明の実施の形態に係る接合過程を説明した
図である。

【図７】本発明の実施の形態に係り、接合の過程を、温
度推移に対する加圧力及び応力の変化で捉えた説明図で
ある。

【図８】本発明の実施の形態に係り、接合部の機械的強
度について、（ａ）は破壊トルクを、（ｂ）は抜け荷重
を示す図である。

【符号の説明】

１板体（プレート）２孔部３軸体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平９−317552（ＪＰ，Ａ) 特開平９−225648（ＪＰ，Ａ) 特開2001−65522（ＪＰ，Ａ) 特開平６−23560（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23P 19/00 - 21/00 B23K 11/00 - 11/04 B23P 11/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】板面から垂直方向に内壁面部が形成され
た孔部を有し、板厚が１ｍｍから５ｍｍ程度の範囲の板
体と、上記孔部との間に、軸方向に向かう接合面部が周囲方向
に複数形成される軸体とを用い、上記孔部又は軸体の外周のうちの一方の断面形状を円形
とし、これらの間に径に対して０．３ｍｍから０．７ｍ
ｍの範囲の圧入代を設け、上記板体の孔部内に上記軸体を板面に対して垂直な方向
から所定の圧力で押圧するとともに、両者間に電気抵抗
熱を発生させ、圧入により上記軸体の接合面部が上記孔
部の内壁面部との間に接合界面を形成しつつ、軸体が孔
部内を移動し、この軸体を板体の孔部に接合し、かつこ
の接合を固相状態の溶接としたことを特徴とする軸体と
板体との圧入接合構造。
【請求項２】上記接合面部を２箇所から６箇所設けた
ことを特徴とする請求項１に記載の軸体と板体との圧入
接合構造。