JP3681156B2

JP3681156B2 - 点接合継ぎ手及び点接合方法

Info

Publication number: JP3681156B2
Application number: JP2000136943A
Authority: JP
Inventors: 正樹熊谷; 直田中
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-05-10
Also published as: JP2001321967A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点接合継ぎ手及び点接合方法、特に、各種輸送機材の軽量化に際して、部材にアルミニウム及びその合金を使用する場合における部材の接合に好適な点接合継ぎ手及び点接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保護及び省エネルギーの観点から、各種器材の軽量化、特に自動車など輸送機器部材の軽量化が要請され、外装材（パネル材）、その他の部材について、従来の鋼材からアルミニウム及びその合金素材への転換が積極的に検討され、一部実用化されている。この場合、従来の鋼材との比較において、輸送機器部材用アルミニウム合金材には種々の特性が要求されるが、このうち、アルミニウム合金材を互いに接合する方式も重要な課題の一つであり、アルミニウム合金材をパネル材として使用する自動車ボディの構造については、板プレス品を抵抗スポット溶接（点溶接）により接合するモノコック構造が主流となっている。
【０００３】
これまで、アルミニウム合金材に対する抵抗スポット溶接においては、鋼材に対する抵抗スポット溶接に使用されているクロム銅電極やジルコニウムクロム銅電極を用いるスポット溶接方式が流用されているが、アルミニウム合金材は、鋼材よりも導電率及び熱伝導度が高いので、抵抗スポット溶接の際、大電流での短時間通電が必要であり、このため、アルミニウム合金材の溶接においては、鋼材の溶接よりも電極の損耗が激しく、長期にわたり正常なナゲット形成することが困難であるという問題がある。
【０００４】
また、抵抗スポット溶接においては、引張破断時に、破断した母材の片側にもう一方の母材が円盤状に剥離する、いわゆる栓抜け破断を生じることが強度的に有利であるという特徴があるが、アルミニウム合金板材は、電極の損耗や電流の不安定さに起因してシアー破断（剪断による破断）となり易く、強度がばらつくため信頼性に問題がある。
【０００５】
このようなことから、セルフピアシングリベットによるアルミニウム合金板材の接合が試みられている。この接合方法は、重ね合わせた複数のアルミニウム合金材に、鋼製のリベットを打ち込む機械的接合の一種であり、抵抗スポット溶接より継ぎ手部分の品質が安定しているという利点があるが、第３部材として高価なリベットを必要とするという難点があり、工具の摩耗状態によっては接合不良が生じるおそれもある。
【０００６】
更に、入熱が少なく、軟化や歪みの程度が少ないアルミニウム合金材の突合わせ接合方法として、摩擦攪拌接合が提案されている（特許第２７１２８３８号）。この方式は、硬質な材料で作られた裏当ての上に、アルミニウム合金材等の軟質材を突合わせて拘束し、軟質材より硬質な摩擦接合用回転工具の圧入ピンを突合部に高速回転させながら圧入し移動して、軟質材同士を摩擦接合するものであり、接合部分が溶融しないのが特徴となっている。上記の特許公報においては、アルミニウム板材の点接合については言及していないが、アルミニウム合金板同士の点接合に上記の摩擦接合方法を適用した場合、抵抗スポット溶接やリベットによる接合よりも、継ぎ手品質が良く、良好な接合状態が安定して得られることが期待される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の摩擦接合方式によりアルミニウム合金材のスポット溶接の可能性を追求するために、摩擦接合用回転工具の形状、圧入穴の形状とメタルフローの関係等について、試験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、摩擦接合用回転工具の圧入ピンを圧入するのみで得られる接合継ぎ手であり、従来の抵抗スポット溶接より優れた継ぎ手強度を有し、強度のばらつきが小さく、良好な接合状態を安定して保持することができる点接合継ぎ手及び点接合方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の請求項１による点接合継ぎ手は、複数の重ね合わせた金属板材に対して、これらの金属板材より硬質な摩擦接合用回転工具の圧入ピンを圧入、攪拌して攪拌部を形成し、該攪拌部を圧入ピンの基部を形成する前記回転工具の肩部と該肩部と圧入ピンとの間に設けられた階段部で押圧することにより、圧入ピンによる圧入穴を形成し、該圧入穴の近傍において前記複数の重ね合わせた金属板材を接合する際に形成される点接合継ぎ手であって、圧入ピンの圧入により形成される圧入穴の周辺に前記階段部の押圧により形成された肩部より小径の段差部が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２による点接合継ぎ手は、請求項１において、前記圧入穴の周辺に設けられた段差部の径（Ｌ₁）は、圧入ピンの径（ｄ₁）の１１０％以上で肩部が前記金属板材に擦れて生じた圧痕部の径（Ｌ₂）の７０％以下の範囲（１．１×ｄ₁≦Ｌ₁≦０．７×Ｌ₂）にあり、前記段差部の深さ（Ｄ）は金属板材の厚み（Ｔ）の５０％以下の範囲（Ｄ≦０．５×Ｔ）にあることを特徴とする。
【００１０】
請求項３による点接合継ぎ手は、請求項１または２において、前記金属板材が、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄及びこれらの合金から選択される材質からなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項４による点接合方法は、複数の重ね合わせた金属板材に裏当て材を配置し、金属板材より硬質な摩擦接合用回転工具の圧入ピンを圧入して攪拌し、該攪拌部を、圧入ピンの基部を形成する前記回転工具の肩部と該肩部と圧入ピンとの間に設けられた階段部で押圧した後、圧入ピンを上方に引き上げ、圧入ピンの圧入により形成される圧入穴の周辺に階段部の押圧により形成された肩部より小径の段差部を設けることによって、前記複数の重ね合わせた金属板材の点接合継ぎ手を形成することを特徴とする。
【００１２】
請求項５による点接合方法は、請求項４において、前記金属板材が、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄及びこれらの合金から選択される材質からなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は点接合継ぎ手の参考例を示す断面図、図２は本発明の点接合継ぎ手の実施形態を示す断面図、図３及び図４は、図２の実施形態に基づく本発明の点接合継ぎ手の作製方法についての実施形態を示す断面図である。
【００１４】
参考例の点接合継ぎ手１は、図１に示すように、複数の重ね合わせた金属板材２、３に対して、これらより硬質な摩擦接合用回転工具４の圧入ピン５を圧入して攪拌し、該攪拌部６を、圧入ピン５の基部を形成する回転工具４の肩部７にて押圧することによって、圧入ピン５による圧入穴８を形成し、圧入穴８の近傍において複数の重ね合わせた金属板材２、３を接合するものである。
【００１５】
本発明の実施形態においては、図２に示すように、本発明による点接合継ぎ手１は、複数の重ね合わせた金属板材２、３に対して、これらより硬質な摩擦接合用回転工具４の圧入ピン５を圧入して攪拌し、該攪拌部６を、圧入ピン５の基部を形成する回転工具４の段差をそなえた肩部７にて押圧し、圧入ピン５の圧入と肩部７の押圧により生じる点接合継ぎ手１の圧入穴８の周辺に段差部９を形成するものである。
【００１６】
前記金属板材２、３の厚さは特に限定されないが、厚さ０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度のものが多く使用され、材質についても、摩擦接合できるものであれば、特に限定がない。例示すれば、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄から選択される１の材質及びこれらの合金材であり、これらの金属のうちの同種金属または異種金属を組合わせて点接合を行うことができる。なお、本発明は、３枚以上重ねた金属板材の点接合にも適用することができる。
【００１７】
本発明の好ましい点接合継ぎ手（図２）を形成するための摩擦接合用回転工具４は、図２に示すように、回転軸２０の一端面が肩部７となり、肩部７の軸心部に圧入ピン５が突出しており、肩部７は圧入ピン５の基部を形成している。更に、肩部７と圧入ピン５との間に階段部２１が設けられ、回転軸２０の他端面側に回転駆動機構（図示せず）が連結されている。この摩擦接合用回転工具４における回転軸２０、肩部７、階段部２１及び圧入ピン５は、金属板材２、３よりも硬質な材質にて構成されている。
【００１８】
摩擦接合用回転工具４の圧入ピン５の径（ｄ₁）、階段部２１の径（ｄ₂）及び肩部７の径（ｄ₃）の好ましい関係は、１．１×ｄ₁≦ｄ₂≦０．７ｄ₃であり、更に好ましくは、１．２×ｄ₁≦ｄ₂≦０．５ｄ₃である。また、摩擦接合用回転工具４の階段部２１の高さ（Ｈ）及び金属板材２の厚み（Ｔ）の関係は、好ましくは、Ｈ≦０．５×Ｔ、より好ましくは、Ｈ≦０．２５×Ｔである。
【００１９】
摩擦接合用回転工具４を使用する点接合継ぎ手１の形成は、以下のようにして行われる。まず、図３に示すように、複数の重ね合わせた金属板材２、３に裏当て材２２を配置し、これに金属板材２、３を拘束する。次に、金属板材２、３の厚み、材質に適する摩擦接合用回転工具４を選択し、回転軸２０を回転させ、金属板材２、３に圧入ピン５を圧入し攪拌する（図４）。
【００２０】
圧入ピン５の圧入に伴って攪拌部６が形成され且つ拡大されて、金属板材２上に攪拌部６が若干盛り上がり、更に圧入ピン５を圧入すると、図４に示すように、階段部２１が攪拌部６の盛上部２３に当たり、押圧するようになる。階段部２１が盛上部２３を押圧することによって、攪拌部６のメタルフローが矢線Ａ方向になり、攪拌部が更に拡大する（図２、図５）。圧入ピン５を、金属板材２上に肩部７が当たるまで更に圧入して圧痕部２４を形成した後、摩擦接合用回転工具４を上昇させ、点接合継ぎ手１の形成を終了する。この場合、圧入ピン５の先端を円錐形に形成したり、圧入ピン５の先端に小径の突起部を設ければ、外方へのメタルフローが促進され攪拌部を大きくするのに有利となる。また、圧入ピン５の先端を円錐形にすることは、継ぎ手形成後に回転工具４を上昇させる際の抵抗を小さくして、圧入穴周辺のバリの発生を軽減できる点でも有効である。
【００２１】
上記により得られた点接合継ぎ手１においては、図５に示すように、肩部７の階段部２１により金属板材２面に形成される段差部９の径（Ｌ₁）は、圧入ピン５の径（ｄ₁）の１１０％以上で、肩部７が金属板材２上面に擦れて生じた圧痕部２４の径（Ｌ₂）の７０％以下の範囲（１．１×ｄ₁≦Ｌ₁≦０．７Ｌ₂）にある。
【００２２】
段差部９の径（Ｌ₁）が、圧入ピン５の径（ｄ₁）の１１０％未満（１．１×ｄ₁＞Ｌ₁）では、圧入穴８側部分で破断が生じるため継ぎ手強度がばらつき、段差部９の径（Ｌ₁）が圧痕部２４の径（Ｌ₂）の７０％を越えると、段差部９側の破断強度が高くなり過ぎて、圧入穴８側で破断が生じる不都合がある。より好ましい段差部９の径（Ｌ₁）は、（１．２×ｄ₁≦Ｌ₁≦０．５Ｌ₂）の範囲である。
【００２３】
更に、点接合継ぎ手１において、段差部９の深さ（Ｄ）（図２、図５）は、最大で金属板材２の厚み（Ｔ）の５０％以下が好ましく、５０％を越えると金属板材２の窪みが大きくなり過ぎて、接合部分の断面積が低下し、段差部９側の継ぎ手強度が低くなる。段差部９の深さ（Ｄ）の最小値は金属板材２の厚さの５％程度である。
【００２４】
図６は本発明の点接合継ぎ手の他の実施形態を示すものである。この点接合継ぎ手１ａと図２〜４に示す点接合継ぎ手１との相違点は、段差部９ａが２段に形成されるよう、摩擦接合用回転工具４ａの階段部２１ａを２段に形成している点である。こうすることによって、階段部２１ａによる攪拌部６の盛上部２３に対する押圧が２段階となり、攪拌部６において、矢線Ａ方向へのメタルフローがより円滑に行われて攪拌部が拡大する結果、圧入穴８ａ側強度を向上させることができる。その他の構成、作用は図２〜４の実施形態と略同様であるから、図面に符号を付して説明を省略する。
【００２５】
以上の実施形態においては、摩擦接合用回転工具４、４ａに１段または２段以上の階段部２１、２１ａを設け、圧入穴８、８ａの周辺に、階段部２１、２１ａに対応する階段状の段差部９、９ａを形成するようにしたが、圧入穴周辺に形成する段差部としては、圧入穴の回りに形成された環状（リング状）の窪みや溝条でもよく、このような環状の窪みや溝条の形成によっても同等の効果を得ることが可能であり、本発明において、圧入穴の周辺に形成される段差部には、これらも包含される。なお、上記環状の窪みや溝条は、回転工具４の肩部７において、圧入ピン５の回りを囲むように環状の突部を設けることにより形成でき、階段部２１、２１ａを設けた肩部のみでなく、環状の突部を設けた肩部も段差をそなえた肩部と総称する。
【００２６】
段差部を設けない点接合継ぎ手の強度は、攪拌部外周から圧入穴までの距離に関係し、攪拌部が小さいと圧入穴側で破断することになる。段差部を設けた点接合継ぎ手は、前記のように、段差部の形成により攪拌部が拡大して圧入穴側の強度が高くなるから、段差部が弱め部として機能することとなり、多くの場合、段差部の端縁から破断が生じることとなる。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の効果を確認するための実施例について説明する。なお、これらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２８】
参考例１
図１に示すように、アルミニウム合金材質、ＡＡ６１１１（調質：Ｔ４、厚さ：１ｍｍ）の板を２枚重ね合わせ、裏側から鋼製裏当てを当てがって重ね合わせた板を裏当てに固定し、表側から摩擦接合用回転工具を回転させながら当て、圧入ピンを突き立て下側の板に達するまで差し込み、回転数１０００ｒｐｍで攪拌し、圧入ピンの差し込みから引き抜くまでの摩擦接合時間を３〜４秒の範囲として、点接合継ぎ手を形成した。摩擦接合用回転工具の回転軸の径は１０ｍｍとし、圧入ピンは径が３ｍｍ、長さが１．２ｍｍのものとした。
【００２９】
この点接合継ぎ手と、同じ径のナゲットが形成された抵抗スポット溶接継ぎ手について、剪断引張試験を行った結果、この点接合継ぎ手は圧入穴の内側で破断し、破断強度は抵抗スポット溶接継ぎ手の１４０％であった。
【００３０】
実施例１
図２に示すように、アルミニウム合金材質、ＡＡ６１１１（調質：Ｔ４、厚さ：１ｍｍ）の板を２枚重ね合わせ、裏側から鋼製裏当てを当てがって重ね合わせた板を裏当てに固定し、表側から肩部に段差部を設けた摩擦接合用回転工具を回転させながら当て、圧入ピンを突き立て下側の板に達するまで差し込み、回転数１０００ｒｐｍで攪拌し、圧入ピンの差し込みから引き抜くまでの摩擦接合時間を３〜４秒の範囲として、点接合継ぎ手を形成した。摩擦接合用回転工具の回転軸の径は１０ｍｍとし、回転軸の基部に径５ｍｍ、高さ０．２ｍｍの段差部を設けるとともに、段差部に径３ｍｍ、長さ１．２ｍｍの圧入ピンを設けた。
【００３１】
この点接合継ぎ手と、同じ径のナゲットが形成された抵抗スポット溶接継ぎ手について、剪断引張試験を行った結果、この点接合継ぎ手は段差部において栓抜け破断し、抵抗スポット溶接継ぎ手の１８０％の破断強度があることが認められた。更に、この点接合継ぎ手を１００個作製し、剪断引張試験を行ったところ、継ぎ手強度のばらつきは±５％の範囲内であった。
【００３２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、従来の抵抗スポット溶接継ぎ手に比べて格段に優れた継ぎ手強度を有すると共に、強度のばらつきが小さく、良好な接合状態を安定して保持することができる点接合継ぎ手を、摩擦接合用回転工具の圧入ピンを圧入するのみで得ることが可能となる。
【００３３】
即ち、階段部を設けない摩擦接合用回転工具で点接合を行うことにより形成される接合継ぎ手においては、攪拌部が小さく攪拌部外周と圧入穴との距離が小さいため、圧入穴側で破断することになるが、圧入穴部分は金属板材の陽極酸化皮膜等の影響により破断強度にばらつきが生じ易い。これに対して、階段部２１をそなえた摩擦接合用回転工具で点接合を行うことにより形成される接合継ぎ手においては、メタルフローが生じて攪拌部が拡大して圧入穴側の強度が高くなり、弱め部として機能する段差部において破断するようになるから、破断は母材部分で生じることとなる。従って、接合強度のばらつきは小さいものとなり、強度設計の上で有利となる。
【００３４】
請求項２の発明によれば、階段部の径が圧入ピンの径の１１０％以上で、圧痕部の径の７０％以下の範囲にあり、且つ階段部の深さは金属板材の厚みの５０％以下の範囲にあるから、継ぎ手強度が更に高く、且つばらつきの少ない点接合継ぎ手を更に安定して得ることが可能となる。
【００３５】
また、請求項４の発明によれば、上記の点接合継ぎ手を効率よく形成することができ、特に、輸送機器部材の接合に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】点接合継ぎ手の参考例を示す断面図である。
【図２】本発明の点接合継ぎ手の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の図２の点接合継ぎ手の作製方法の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の図２の点接合継ぎ手の作製方法の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明における図３〜４に従って成形した後の点接合継ぎ手の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の点接合継ぎ手の他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ点接合継ぎ手
２、３金属板材
４、４ａ摩擦接合用回転工具
５圧入ピン
６攪拌部
７肩部
８、８ａ圧入穴
９、９ａ段差部
２０回転軸
２１、２１ａ階段部
２２裏当て材
２３盛上部
２４圧痕部

Claims

複数の重ね合わせた金属板材に対して、これらの金属板材より硬質な摩擦接合用回転工具の圧入ピンを圧入、攪拌して攪拌部を形成し、該攪拌部を圧入ピンの基部を形成する前記回転工具の肩部と該肩部と圧入ピンとの間に設けられた階段部で押圧することにより、圧入ピンによる圧入穴を形成し、該圧入穴の近傍において前記複数の重ね合わせた金属板材を接合する際に形成される点接合継ぎ手であって、圧入ピンの圧入により形成される圧入穴の周辺に前記階段部の押圧により形成された肩部より小径の段差部が設けられていることを特徴とする点接合継ぎ手。
前記圧入穴の周辺に設けられた段差部の径（Ｌ₁）は、圧入ピンの径（ｄ₁）の１１０％以上で肩部が前記金属板材に擦れて生じた圧痕部の径（Ｌ₂）の７０％以下の範囲（１．１×ｄ₁≦Ｌ₁≦０．７×Ｌ₂）にあり、前記段差部の深さ（Ｄ）は金属板材の厚み（Ｔ）の５０％以下の範囲（Ｄ≦０．５×Ｔ）にあることを特徴とする請求項１記載の点接合継ぎ手。
前記金属板材が、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄及びこれらの合金から選択される材質からなることを特徴とする請求項１または２記載の点接合継ぎ手。
複数の重ね合わせた金属板材に裏当て材を配置し、金属板材より硬質な摩擦接合用回転工具の圧入ピンを圧入、攪拌して攪拌部を形成し、該攪拌部を、圧入ピンの基部を形成する前記回転工具の肩部と該肩部と圧入ピンとの間に設けられた階段部で押圧した後、圧入ピンを上方に引き上げ、圧入ピンの圧入により形成される圧入穴の周辺に階段部の押圧により形成された肩部より小径の段差部を設けることによって、前記複数の重ね合わせた金属板材の点接合継ぎ手を形成することを特徴とする点接合方法。
前記金属板材が、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄及びこれらの合金から選択される材質からなることを特徴とする請求項４記載の点接合方法。