JP4732559B2

JP4732559B2 - 接合継手の製造方法

Info

Publication number: JP4732559B2
Application number: JP2000017349A
Authority: JP
Inventors: 武典橋本
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001205475A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、摩擦撹拌接合により接合された接合継手であって、疲労強度に優れた接合継手の製造方法に関し、この製造方法により得られた接合継手は、例えば、自動車のサスペンションアーム等の構造部材として好適に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
２個の金属製接合部材を接合一体化する摩擦撹拌接合は、固相接合の一種であるため、熱歪みによる変形や割れを生じ難いという利点を有し、近年、溶融溶接（例えばＭＩＧ、ＴＩＧ、レーザ溶接）やロウ付けに代わる新しい接合手段として用いられてきている。
【０００３】
図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ摩擦撹拌接合により接合された接合継手（J4）（J5）（J6）の断面を示している。これらの図において、（Ｗ）は各接合継手（J4）（J5）（J6）の接合部を示している。
【０００４】
同図（ａ）では、接合継手（J4）は、２個の板状の接合部材（110）（120）の端面同士を突き合わせてこの突合せ部（Ｂ）をその表面から摩擦撹拌接合により接合することにより得られたものである。同図（ａ）において、（130）は帯板状の裏当て材である。この裏当て材（130）は、摩擦撹拌接合時に発生した摩擦熱により軟化した軟化部を突合せ部（Ｂ）の裏面から受けるためのものであって、突合せ部（Ｂ）の裏面に該突合せ部（Ｂ）に沿って面接触状態に当接している。そしてこの状態で、裏当て材（130）の一部が突合せ部（Ｂ）に摩擦撹拌接合により接合され、両接合部材（110）（120）と裏当て材（130）が一体化されている。
【０００５】
同図（ｂ）では、接合継手（J5）は、２個の断面Ｌ字状の接合部材（140）（150）における一方の板状部（141）（151）の端面同士を、他方の板状部（142）（152）同士が重合せ状になるように突き合わせて、この突合せ部（Ｂ）をその表面から摩擦撹拌接合により接合することにより得られたものである。
【０００６】
同図（ｃ）では、接合継手（J6）は、断面円形のパイプ材からなる第１接合部材（160）の端面と、断面円形の円柱状の接合部材（170）の端面とを突き合わせて、この突合せ部（Ｂ）を摩擦撹拌接合により接合することにより得られたものである。前記第２接合部材（170）の端面の中央部には、嵌合凸部（171）が軸線上に一体に設けられている。この嵌合凸部（171）は、摩擦撹拌接合の際に摩擦撹拌接合用の接合工具（図示せず）の接合ヘッドの押付け圧を受けて第１接合部材（160）の端部が変形してしまうことを防止するためのもので、両者の突合せ状態において、この嵌合凸部（171）は第１接合部材（160）の一端開口部（161）内にぴったりとあるいは若干きつく嵌合され、これにより第１接合部材（160）の端部の変形を阻止している。そしてこの嵌合状態で、突合せ部（Ｂ）が全周に亘って接合されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記３個の接合継手（J4）（J5）（J6）は、いずれも接合部（Ｗ）にルート部（Ｒ）を有するものであるから、接合部（Ｗ）に繰返し応力が生じたときに、このルート部（Ｒ）から亀裂（Ｃ）が発生する、いわゆるルート割れの虞があり、このため、ルート部（Ｒ）からの亀裂（Ｃ）が生じないよう、接合作業の際に接合条件を厳密に調節しなければならなかったし、更には接合操作をゆっくりと慎重に行わなければならなかったので、接合作業能率が悪かった。
【０００８】
この発明は、上記のような技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な方法で疲労強度に優れた接合継手を得ることのできる疲労強度に優れた接合継手の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る疲労強度に優れた接合継手の製造方法は、接合部材を摩擦撹拌接合により接合したのち、接合部に予め引張力を付与することを特徴としている。
【００１０】
すなわち、本発明者は、鋭意研究調査した結果、接合部材を摩擦撹拌接合により接合してなる接合継手の接合部に、引張力を付与することにより、該接合継手の疲労強度が向上することを見出した。
【００１１】
この理由は次のように推測される。つまり、接合部に予め引張力を付与することにより、亀裂の先端が丸みを帯びた形状になって亀裂が進展し難くなる結果、疲労強度が向上すると思われる。あるいはまた、接合部に付与した引張力を解除する際に生じた圧縮応力が接合部に残留し、この残留圧縮応力が亀裂の進展を妨げるように作用する結果、疲労強度が向上すると思われる。いずれにしても、この発明によれば、接合部に予め引張力を付与することにより、疲労強度が向上し、もって疲労強度に優れた接合継手を得ることができるようになる。
【００１２】
また、この発明において、前記引張力は、前記接合部に生じる引張応力の値が接合部の耐力の５０〜９０％の範囲内となる大きさであることが望ましい。
【００１３】
この理由は次の通りである。すなわち、接合部に生じる引張応力の値が接合部の耐力の５０％未満となる大きさである場合には、亀裂の進展阻止作用が少なすぎて、疲労強度を大幅に向上させることが困難になる。一方、引張応力の値が接合部の耐力の９０％を超える大きさである場合には、接合部に付与する引張力によって該接合部に新たに亀裂が生じる虞がある。したがって、前記引張力は、接合部に生じる引張応力の値が接合部の耐力の５０〜９０％の範囲内となる大きさであることが望ましい。特に、前記引張力は、接合部に生じる引張応力の値が接合部の耐力の６０〜８０％の範囲内となる大きさであることが、接合継手の疲労強度を大幅に向上させることができるようになる点で、望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
図１において、（J1）はこの発明の第１実施形態で供される接合継手である。この接合継手（J1）は、断面円形のアルミニウム合金製パイプ材からなる第１接合部材（10）の端面と、断面円形の円柱状のアルミニウム合金製第２接合部材（20）の端面とを突き合わせてこの突合せ部（Ｂ）を摩擦撹拌接合によって接合（接合部Ｗ）することにより両接合部材（10）（20）を接合一体化したものである。したがって、この接合継手（J1）は、突合せ接合継手の範疇に入るものである。
【００１６】
まず、この接合継手（J1）の構成を、図３を参照して接合方法と共に説明する。
【００１７】
前記第２接合部材（20）の外径寸法は、前記第１接合部材（10）の外径寸法と同寸に設定されている。また、第２接合部材（20）の端面の中央部には、断面円形の嵌合凸部（21）が軸線上に一体に設けられている。この嵌合凸部（21）の径は、前記第１接合部材（10）の内径寸法と略同寸に設定されている。そして、第１接合部材（10）の端面と第２接合部材（20）の端面とが、互いに軸線同士を一致させて突き合わされている。この突合せ状態において、前記嵌合凸部（21）は第１接合部材（10）の一端開口部（11）内にぴったりとあるいは若干きつく嵌合されており、これにより第１接合部材（10）の端部が嵌合凸部（21）で支持補強されている。さらに、第１接合部材（10）の外周面と第２接合部材（20）の外周面とは、面一に連なっている。
【００１８】
同図において、（80）は摩擦撹拌接合用の接合工具であって、径大の円柱状回転子（81）と、該回転子（81）の端面（81a）軸線上に突設された径小のピン状プローブ（82）とからなる接合ヘッド（83）を備えている。
【００１９】
この接合工具（80）を用い、回転子（81）を回転させてプローブ（82）を回転させながら、該プローブ（82）を突合せ部（Ｂ）に外周面から挿入するとともに、回転子（81）の端面（81a）を突合せ部（Ｂ）の外周面に押し付ける。このとき、第１接合部材（10）の一端開口部（11）内には、上述したように嵌合凸部（21）が嵌合されて該第１接合部材（10）の端部が支持補強されているから、このような接合ヘッド（83）の押付け圧を受けても第１接合部材（10）の端部が変形する虞はない。この状態で、プローブ（82）を突合せ部（Ｂ）に沿って接合部材（10）（20）の周方向に移動させ、あるいは接合ヘッド（83）の位置を固定しておいて突合せ部（Ｂ）が順次プローブ（82）を通過するように両接合部材（10）（20）をその軸線を中心に回転させる。これにより突合せ部（Ｂ）が全周に亘って接合され、もって両接合部材（10）（20）が接合一体化される。
【００２０】
こうして得られた接合継手（J1）においては、第１接合部材（10）の端部と嵌合凸部（21）との界面がルート部（Ｒ）となる。また、接合部（Ｗ）は、突合せ部（Ｂ）に全周に亘って形成されており、且つ突合せ部（Ｂ）の表面から第１接合部材（10）の端部の内周面に及ぶ深さ領域まで形成されている。
【００２１】
この実施形態では、上記の接合継手（J1）の接合部（Ｗ）に予め引張力を付与することにする。
【００２２】
まず、引張試験機等の市販されている荷重付与装置（図示せず）を用い、該荷重付与装置に備えられた掴み部で接合継手（J1）の一端部と他端部とを掴み、すなわち第１接合部材（10）と第２接合部材（20）とを掴み、両接合部材（10）（20）を端面同士を突き合わせた方向とは互いに反対方向に軸線に沿うように引っ張る（引張方向イ）ことにより、接合継手（J1）の接合部（Ｗ）に引張力を付与する。これにより、該接合継手（J1）の接合部（Ｗ）に引張応力が均一に生じる。ここで、接合継手（J1）の接合部（Ｗ）に該接合部の耐力の５０〜９０％の範囲内の大きさの引張応力が生じるように、接合部（Ｗ）に引張力を付与することが望ましい。特に、接合継手（J1）の接合部（Ｗ）に該接合部の耐力の６０〜８０％の範囲内の大きさの引張応力が生じるように、接合部（Ｗ）に引張力を付与することが望ましい。なお、この実施形態の接合継手（J1）は、上述したようにアルミニウム合金製の第１及び第２接合部材（10）（20）が接合一体化されたものからなるので、その接合部（Ｗ）は、降伏点が明瞭に現れない。したがって、この実施形態の接合継手（J1）では、接合部（Ｗ）の耐力として、０．２％の永久伸びを生じる応力の値（いわゆる、σ_0.2）が用いられることになる。
【００２３】
このように接合部（Ｗ）に引張力を付与した後、引張力を解除する。このとき、引張力を付与した直後に引張力を解除しても良いし、少しの時間（望ましくは０〜１秒間）維持してから引張力を解除しても良い。
【００２４】
以上の引張力付与−解除工程を少なくとも１回行うことにより、接合継手（J1）の疲労強度が向上し、もって疲労強度に優れた接合継手を得ることができるようになる。
【００２５】
図４（ａ）において、（J2）はこの発明の第２実施形態で供される接合継手である。この接合継手（J2）は、上記従来例の図５（ａ）に示した接合継手（J4）と同じ構成のもので、この構成を簡単に説明すると、２個の板状の接合部材（30）（40）の端面同士を突き合わせてこの突合せ部（Ｂ）をその表面から摩擦撹拌接合により接合することにより得られたものである。（50）は帯板状の裏当て材である。
【００２６】
この接合継手（J2）の場合には、接合継手（J2）の接合部（Ｗ）に引張力を付与することにより、疲労強度に優れた接合継手を得ることができる。
【００２７】
図４（ｂ）において、（J3）はこの発明の第３実施形態で供される接合継手である。この接合継手（J3）は、上記従来例の図５（ｂ）に示した接合継手（J5）と同じ構成のもので、この構成を簡単に説明すると、２個の断面Ｌ字状の接合部材（60）（70）における一方の板状部（61）（71）の端面同士を、他方の板状部（62）（72）同士が重合せ状になるように突き合わせて、この突合せ部（Ｂ）をその表面から摩擦撹拌接合により接合することにより得られたものである。
【００２８】
この接合継手（J3）の場合にも、接合継手（J3）の接合部（Ｗ）に引張力を付与することにより、疲労強度に優れた接合継手を得ることができる。
【００２９】
以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明に係る製造方法に供される接合継手は、上記実施形態のものに限定されず、例えばＴ継手（図示せず）やフレア継手（図示せず）であっても良い。
【００３０】
【評価例】
次に、この発明の具体的評価例を示す。この評価例では、図１に示した上記第１実施形態の接合継手（J1）の接合部（Ｗ）に引張力を付与することにより、疲労強度に優れた接合継手を製造することとした。
【００３１】
以下に示す各実施例１〜５及び比較例１において、使用した第１接合部材（10）は、いずれも外径２２ｍｍ、肉厚４ｍｍのアルミニウム合金製のものである。一方、第２接合部材（20）は、第１接合部材（10）と同じくアルミニウム合金製であって、その外径寸法は第１接合部材（10）の外径寸法と同寸であり、また嵌合凸部（21）の径は第１接合部材（10）の内径寸法と略同寸で、この嵌合凸部（21）が第１接合部材（10）の一端開口部（11）内にぴったりと嵌合されている。他の構成は、上記第１実施形態のものと同一である。
【００３２】
＜実施例１＞
実施例１では、接合部に接合部の耐力の５０％の引張応力が生じるように接合部に引張力を１回付与した。
【００３３】
＜実施例２＞
実施例２では、接合部に接合部の耐力の６０％の引張応力が生じるように、接合部に引張力を１回付与した。
【００３４】
＜実施例３＞
実施例３では、接合部に接合部の耐力の７０％の引張応力が生じるように、接合部に引張力を１回付与した。
【００３５】
＜実施例４＞
実施例４では、接合部に接合部の耐力の８０％の引張応力が生じるように、接合部に引張力を１回付与した。
【００３６】
＜実施例５＞
実施例５では、接合部に接合部の耐力の９０％の引張応力が生じるように、接合部に引張力を１回付与した。
【００３７】
＜比較例１＞
比較例１では、接合部に引張力を付与しなかった。
【００３８】
以上の実施例１〜５及び比較例１の接合継手の疲労寿命をそれぞれ評価した。その結果を表１に示す。同表において、疲労寿命Ｎ^*の値は、各疲労寿命を比較例１の接合継手の疲労寿命で割った値を示している。
【００３９】
【表１】

なお、疲労寿命の試験は、接合継手の接合部に両振り応力が生じるように接合継手に繰返し荷重を加えることにより、遂行した。その条件は次の通りである。
＜疲労寿命の試験条件＞
・繰返し荷重Ｐ＝±１４．７ｋＮ
・最小最大応力比Ｒ＝−１
表１に示すように、実施例１〜５によれば、接合継手の疲労寿命が長くなることが分かった。したがって、接合部に接合部の耐力の５０〜９０％の範囲内の引張応力が生じるように接合部に引張力を付与することにより、接合継手の疲労寿命が長くなること、つまり接合継手の疲労強度が向上することを確認し得た。特に、同表に示すように実施例２〜４によれば、接合継手の疲労寿命が格段に長くなることが分かった。したがって、接合部に接合部の耐力の６０〜８０％の範囲内の引張応力が生じるように接合部に引張力を付与することにより、接合継手の疲労寿命が格段に長くなること、つまり接合継手の疲労強度がより一層向上することを確認し得た。
【００４０】
【発明の効果】
上述の次第で、この発明によれば、接合部材を摩擦撹拌接合により接合したのち、接合部に予め引張力を付与することにより、接合継手の疲労強度を向上させることができるから、疲労強度に優れた接合継手を簡単な方法で得ることができる。したがって、この発明に係る製造方法により得られた接合継手は、高い疲労強度が要求される構造部材（例えば、自動車のサスペンションアーム）に特に好適に用いることができる。
【００４１】
また、前記引張力は、前記接合部に生じる引張応力の値が接合部の耐力の５０〜９０％の範囲内の大きさである場合には、接合継手の疲労強度を確実に且つ大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はこの発明の第１実施形態に供される接合継手の斜視図、（ｂ）は同接合継手の断面図である。
【図２】同接合継手の接合部に引張力を付与する途中の状態の断面図である。
【図３】（ａ）は同接合継手を接合途中の状態で示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】（ａ）はこの発明の第２実施形態に供される接合継手の断面図、（ｂ）はこの発明の第３実施形態に供される接合継手の断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ従来の接合継手の欠点を説明するために用いられた接合継手の断面図である。
【符号の説明】
J1、J2、J3…接合継手
10、20、30、40、60、70…接合部材
Ｗ…接合部
Ｂ…突合せ部

Claims

端面同士が突き合わされた２個の接合部材の突合せ部を摩擦撹拌接合により接合したのち、前記両接合部材を、接合継手の疲労強度を向上させるために端面同士を突き合わせた方向とは互いに反対方向に引っ張ることにより接合部に引張力を付与し、その後、引張力の付与を解除することを特徴とする接合継手の製造方法。
前記両接合部材はいずれもアルミニウム合金製であり、
前記引張力は、前記接合部に生じる引張応力の値が接合部の０．２％耐力の５０〜９０％の範囲内となる大きさである請求項１記載の接合継手の製造方法。