JP4755887B2 - Material joining method - Google Patents
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Description
本発明は、材料の接合方法に関するものである。 The present invention relates to a method for joining materials.
近年、自動車業界においては、燃費向上等を目指した車両の軽量化を図る観点からアルミ材等の軽量素材が積極的に採用されており、これによりアルミ材と鉄材等といった溶接が困難な異種材料同士の接合技術に関する重要性が高まってきているが、従来、この種の溶接が困難な異種材料同士の接合に関しては、ボルトによる締結、メカニカルクリンチによる接合、接着剤による接着等の手段が用いられている。 In recent years, in the automobile industry, lightweight materials such as aluminum have been actively adopted from the viewpoint of reducing the weight of vehicles with the aim of improving fuel efficiency, etc., which makes it difficult to weld different materials such as aluminum and iron. The importance of joining technology has increased, but conventionally, for joining different types of materials that are difficult to weld, means such as fastening with bolts, joining with mechanical clinch, and adhesion with adhesives have been used. ing.
尚、後述する本発明の材料の接合方法に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献1等がある。
しかしながら、例えば、ボルトによる締結を採用した場合には、接合すべき材料の表裏面にボルトやナットが突起物として張り出すため、これらの突起物の占有スペースを設計上で確保しなければならないという制約があり、しかも、ボルトによる締結では緩みや脱落等の心配もあり、また、メカニカルクリンチによる接合を採用した場合には、薄板同士の接合が中心となる上、材料に熱を加えずに加圧のみで接合を行うことになるため、割れや変形等の品質欠陥が発生し易いという問題があった。 However, for example, when fastening with bolts is adopted, bolts and nuts protrude as projections on the front and back surfaces of the materials to be joined, and therefore the space occupied by these projections must be ensured by design. There are restrictions, and there are also concerns about loosening and falling off when tightening with bolts, and when joining by mechanical clinch is adopted, joining of thin plates is the center, and heat is not applied to the material. Since joining is performed only by pressure, there is a problem that quality defects such as cracks and deformation are likely to occur.
更に、接着剤による接着を採用した場合には、作業性や作業環境が悪いという問題に加え、リサイクル時における接着剤の材料からの分離が困難であるためにリサイクル性が悪いという問題があった。 Furthermore, when adhesive bonding is used, in addition to the problem of poor workability and working environment, there is a problem of poor recyclability because it is difficult to separate the adhesive from the material during recycling. .
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、設計上の制約となるような突起物の張り出し及び緩みや脱落等の心配がなくて済み、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる材料の接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and there is no need to worry about protrusions, loosening and dropping off of projections, which can be a design constraint, and bonding is possible in a wide range from thin plates to thick plates. It is another object of the present invention to provide a method for joining materials that can avoid the occurrence of quality defects such as cracks and deformation, and can perform joining with excellent recyclability while maintaining good workability and work environment. And
本発明は、接合孔が予め穿設され且つ該接合孔の内側面に溝部が予め形成してある第一材料を前記接合孔を被覆するように第二材料と第三材料とで挟み、前記接合孔内に挿入可能なピン部を有する接合ツールを前記接合孔に対応させて配置し、前記接合ツールを回転しながらピン部を第二材料に押し付け、該第二材料とピン部との間に生じた摩擦熱で前記第二材料を固相状態のまま局所的に軟化させて第一材料の接合孔へ入り込ませ且つ該接合孔に入り込ませた第二材料側に前記溝部と嵌合する山部を形成すると共に、前記ピン部を第三材料にも押し付けて該第三材料を摩擦熱により固相状態のまま局所的に軟化せしめ、前記接合孔に入り込ませた第二材料と前記第三材料との境界部分を撹拌してから前記接合ツールを引き抜き、前記境界部分を硬化させて第一材料と第二材料と第三材料を三枚重ねで接合することを特徴とする材料の接合方法、に係るものである。 According to the present invention, a first material in which a joint hole is previously drilled and a groove is formed in advance on the inner surface of the joint hole is sandwiched between the second material and the third material so as to cover the joint hole, A joining tool having a pin part that can be inserted into the joining hole is arranged in correspondence with the joining hole, and the pin part is pressed against the second material while rotating the joining tool, and the second tool is placed between the second material and the pin part. The second material is locally softened in the solid state by the frictional heat generated in the first and then enters the first material in the joint hole, and is fitted into the groove on the second material side that has entered the joint hole. the rewritable forming crest, the pin portion also pressing said third material was allowed to locally soften remain in a solid phase state by frictional heat to the third material, wherein the second material intruded into the junction hole After stirring the boundary part with the third material, the joining tool is pulled out, and the boundary part Method of bonding material, characterized by joining the first material to cure the second material and the third material in three-ply and those of the.
而して、このようにすれば、第一材料の接合孔内に入り込んで硬化した第二材料が第三材料に対し摩擦撹拌接合(Friction Stir Welding:略称FSW)されることになり、これら第二材料と第三材料との間で第一材料が強固に挾持されて第一材料と第二材料と第三材料の三枚重ねでの良好な接合が実現される。 Thus, in this way, the second material that has entered and hardened into the joint holes of the first material is subjected to friction stir welding (abbreviated as FSW) to the third material. The first material is firmly held between the two materials and the third material, and the first material, the second material, and the third material can be satisfactorily joined in a three-layered manner.
この際、第一材料の接合孔内に入り込む第二材料は、第三材料側に対して摩擦撹拌接合されるだけで、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物が張り出すことがないため、この種の突起物の占有スペースを確保するといった設計上の制約がかからなくて済み、しかも、ボルト締結を採用した場合のような緩みや脱落等の心配もなくなる。 At this time, the second material entering the first material joining hole is merely friction stir welded to the third material side, and projections such as bolts and nuts in the case of bolt fastening do not protrude. Therefore, there is no design restriction such as securing an occupied space of this kind of projection, and there is no worry of loosening or dropping off when bolt fastening is employed.
また、接合ツールのピン部により第二材料に摩擦熱を与えて軟化させた上で第一材料の接合孔に入り込ませ、その接合孔に入り込んだ第二材料と第三材料との境界部分についても摩擦熱を与えつつ軟化させて撹拌し、特に軟化させない第一材料側には無理な加圧力をかけることなく接合を完了するようにしているので、第一材料、第二材料、第三材料の板厚が比較的大きくなっても対応させることが可能で、薄板から厚板までの広範な範囲で接合が実現されることになり、しかも、割れや変形等の品質欠陥の発生が未然に回避されることにもなる。 In addition, the friction material is softened by applying frictional heat to the second material by the pin portion of the joining tool, and then the first material enters the joint hole, and the boundary portion between the second material and the third material enters the joint hole. However, the first material, the second material, and the third material are completely agitated without applying excessive pressure on the first material side that is softened and stirred while applying frictional heat. It is possible to cope with a relatively large plate thickness, and bonding will be realized in a wide range from thin plates to thick plates, and quality defects such as cracks and deformation will occur in advance. It will also be avoided.
更に、接着剤のような介在物無しで第一材料と第二材料と第三材料が強固に接合されることになるので、接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化を招かなくても済み、しかも、リサイクル時における分離作業が容易なリサイクル性に優れた接合が実現されることになる。 Furthermore, since the first material, the second material, and the third material are firmly joined without an inclusion such as an adhesive, workability and a work environment as in the case of using an adhesive are deteriorated. It is not necessary to invite them, and in addition, a joining with excellent recyclability that facilitates separation work during recycling is realized.
また、第一材料の接合孔の内側面に溝部を予め形成しておき、前記接合孔に入り込ませた第二材料側に前記溝部と嵌合する山部を形成するようにしているので、第一材料側の溝部と第二材料側の山部との嵌合により抜け止めや回り止めの効果が奏されて、第一材料と第二材料と第三材料との一層強固な接合が図られることになる。 Also, previously forming the groove on the inner surface of the joining hole of the first material, wherein since so as to form a peak portion of the groove and the fitting to the second material side which intruded into the junction hole, By fitting the groove on the first material side and the peak on the second material side, the effect of retaining and preventing rotation is achieved, and the first material, the second material, and the third material are more firmly joined. Will be.
尚、本発明において、第一材料に重ねる第二材料の板厚が薄過ぎて、接合孔に入り込ませるべき第二材料が不足する虞れがある場合には、第二材料側における第一材料の接合孔に対応する位置を部分的に板厚増加して材料不足を補うことが可能である。 In the present invention, if the plate thickness of the second material to be superimposed on the first material is too thin and there is a possibility that the second material to be inserted into the joining hole is insufficient, the first material on the second material side It is possible to compensate for the material shortage by partially increasing the thickness of the position corresponding to the joint hole.
更に、本発明の材料の接合方法は、同一材料の二股状の端部を第二材料及び第三材料として第一材料を挟むようにしても良く、このようにした場合にも第一材料と第二材料と第三材料との三枚重ねの接合が実現されることになる。 Furthermore, the material joining method of the present invention may be such that the first material is sandwiched between the second material and the third material with the bifurcated ends of the same material. Three-layer joining of the material and the third material is realized.
また、第一材料に対し接合孔をスポット状に穿設しておき、該接合孔に対応した一点に接合ツールを位置決めしてスポット接合を行うようにしても良く、或いは、第一材料に対し接合孔をスリット状に穿設しておき、該接合孔の長手方向に接合ツールを移動させて連続接合を行うようにしても良い。 Alternatively, the first material may be spot-formed with a bonding hole, and the bonding tool may be positioned at one point corresponding to the bonding hole to perform spot bonding. The joining hole may be formed in a slit shape, and continuous joining may be performed by moving the joining tool in the longitudinal direction of the joining hole.
上記した本発明の材料の接合方法によれば、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物の張り出しがないことから設計上の制約を大幅に緩和することができると共に、ボルト締結の場合の如き緩みや脱落等の心配も解消することができ、しかも、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、更には、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる等種々の優れた効果を奏し得る。 According to the above-described material joining method of the present invention, since there is no protrusion of a projection such as a bolt or a nut in the case of bolt fastening, design restrictions can be greatly eased, and in the case of bolt fastening. It is possible to eliminate worries such as loosening and falling off, and it is possible to join in a wide range from thin plates to thick plates and to avoid the occurrence of quality defects such as cracks and deformations. Various excellent effects can be achieved, such as bonding with excellent recyclability while maintaining good performance and working environment.
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1〜図4は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、鉄材の第一材料1をアルミ材の第二材料2及び第三材料3で挟んで三枚重ねでスポット接合する場合を例示している。
1 to 4 show an example of an embodiment for carrying out the present invention. In this embodiment, the
図1に示す如く、第一材料1には、その厚さ方向に貫通する接合孔4がスポット状に穿設され、該接合孔4の内周面にネジ加工による螺旋状の溝部5が形成されており、また、第三材料3の下面側(反第二材料2側)には、前記接合孔4の位置と対応するように裏当て部材6が配置されている。
As shown in FIG. 1, the
更に、前記第二材料2の上側には、第一材料1の接合孔4内に挿入可能なピン部7を下端に有する円柱状の接合ツール8が前記接合孔4と同心状に配置されており、図示しない接合装置により回転可能且つ昇降可能に支持されるようになっている。
Further, on the upper side of the
そして、このように重ね合わせた第一材料1と第二材料2と第三材料3を接合ツール8により接合するにあたっては、図1の状態から図2に示すように接合ツール8を回転しながら下降してピン部7を第二材料2に押し付け、該第二材料2と接合ツール8のピン部7との間に生じた摩擦熱で前記第二材料2を固相状態のまま局所的に軟化させて第一材料1の接合孔4へ入り込ませる。
In joining the
更に、図3に示す如く、接合ツール8をショルダー部9が第二材料2の表面に当接する位置まで下降させると、接合孔4に入り込ませた第二材料2が塑性流動及び圧入により接合孔4の全域に拡がり、接合孔4の螺旋状の溝部5と嵌合することで第二材料2側に螺旋状(ネジ山状)の山部5’が形成され、該山部5’が第一材料1側との機械的な係合を成すことになる。
Further, as shown in FIG. 3, when the
しかも、接合ツール8のピン部7を第三材料3の表面にも押し付け、該第三材料3を摩擦熱により固相状態のまま局所的に軟化せしめると、前記接合孔4に入り込ませた第二材料2と前記第三材料3との境界部分10が撹拌されることになり、然る後に、図4に示す如く、接合ツール8を上方へ引き抜いて前記山部5’及び前記境界部分10を硬化させると、第一材料1の接合孔4内に入り込んで硬化した第二材料2が第三材料3に対し摩擦撹拌接合(Friction Stir Welding:略称FSW)され、しかも、前記第二材料2が第一材料1側との間に成す山部5’により抜け止めや回り止めの効果が奏されることになる。
In addition, when the
即ち、以上に述べた如き第二材料2と第三材料3との間で第一材料1が強固に挾持された構造によれば、接合孔4の軸心方向(図4中では上下方向)に向けた第一材料1、第二材料2、第三材料3の相対変位が固定されて抜け止め効果が得られ、しかも、このように軸心方向の相対変位が固定された状態にあっては、同方向への相対変位を伴う軸心回りの回転(接合孔4の溝部5と第二材料2側の山部5’とが螺合状態にある)も不可能となって回り止め効果が得られることになり、これら第二材料2と第三材料3との間で第一材料1が強固に挾持されて第一材料1と第二材料2と第三材料3の三枚重ねでの良好な接合が実現される。
That is, according to the structure in which the
事実、本発明者による検証実験では、鋼板SS400で5mm厚の第一材料1を中板として挟み、上板にアルミ6000系で5mm厚の第二材料2を重ね、下板にアルミ6000系で4mm厚の第三材料3を重ねた場合の接合において、約12.26kNの引張り剪断強度が得られることが確認された。
In fact, in the verification experiment by the present inventor, the
尚、ここでは接合孔4の内周面に螺旋状の溝部5をネジ加工した場合を例示したが、この溝部5は必ずしも螺旋状に形成することに限定されるものではなく、例えば、リング状の溝部5とスプライン状の溝部5との組み合わせ(螺旋状の溝部5とスプライン状の溝部5との組み合わせでも可)により抜け止めや回り止めの効果が得られるようにすることが可能である。
In addition, although the case where the
更に、本形態例において、第一材料1の接合孔4内に入り込む第二材料2は、第三材料3に対して摩擦撹拌接合されるだけであり、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物が張り出すことがないため、この種の突起物の占有スペースを確保するといった設計上の制約がかからなくて済み、しかも、ボルト締結を採用した場合のような緩みや脱落等の心配もなくなる。
Further, in the present embodiment, the
また、接合ツール8のピン部7により第二材料2に摩擦熱を与えて軟化させた上で第一材料1の接合孔4に入り込ませ、その接合孔4に入り込んだ第二材料2と第三材料3との境界部分10についても摩擦熱を与えつつ軟化させて撹拌し、特に軟化させない第一材料1側には無理な加圧力をかけることなく接合を完了するようにしているので、第一材料1、第二材料2、第三材料3の板厚が比較的大きくなっても対応させることが可能で、薄板から厚板までの広範な範囲で接合が実現されることになり、しかも、割れや変形等の品質欠陥の発生が未然に回避されることにもなる。
In addition, the
尚、第一材料1に重ねる第二材料2の板厚が薄過ぎて、接合孔4に入り込ませるべき第二材料2が不足し、該第二材料2によりピン部7と接合孔4との隙間が良好に埋まりきらないような事態が生じた場合には、図5に示す如く、第一材料1の接合孔4の直上にあたる第二材料2側の表面に隆起部2aを一体的に形成したり、或いは、図示しない別の第二材料のピースを前記隆起部2aとして追加したりして部分的に板厚増加を図り、これにより材料不足を補ってピン部7と接合孔4との隙間が確実に第二材料2で埋まるようにすれば良い。
In addition, the plate | board thickness of the
この際、前記隆起部2aのサイズを接合ツール8のショルダー部9の外径D内に収めるようにすれば、該ショルダー部9により前記隆起部2aが残存することなく軟化して平坦化され、第二材料2の最終的な上面形状をフラットなものとすることが可能となる。
At this time, if the size of the raised
更に、接着剤のような介在物無しで第一材料1と第二材料2と第三材料3が強固に接合されることになるので、接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化を招かなくても済み、しかも、リサイクル時における分離作業が容易なリサイクル性に優れた接合が実現されることになる。
Furthermore, since the
従って、上記形態例によれば、ボルト締結の場合におけるボルトやナットの如き突起物の張り出しがないことから設計上の制約を大幅に緩和することができると共に、ボルト締結の場合の如き緩みや脱落等の心配も解消することができ、しかも、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、更には、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができるという優れた効果を奏することができる。 Therefore, according to the above embodiment, since there is no projection of a projection such as a bolt or a nut in the case of bolt fastening, the design restrictions can be relieved greatly, and the looseness or drop-off as in the case of bolt fastening can be achieved. In addition, it is possible to eliminate the occurrence of quality defects such as cracks and deformation, as well as workability and work environment. It is possible to achieve an excellent effect of being able to perform bonding with excellent recyclability while maintaining good.
更に、本発明の材料の接合方法は、図6に示す如く、同一材料の二股状の端部を第二材料2及び第三材料3として第一材料1を挟むようにしても良く、このようにした場合には、第一材料1の端部を第二材料2及び第三材料3の二股形状に丁度嵌まり込むような凸型に形成しておくことによって、同じ板厚のまま接続された継手構造を成すようにすることが可能である。
Further, the material joining method of the present invention may be configured such that the
また、以上に述べた各形態例においては、第一材料1に対し接合孔4をスポット状に穿設しておき、該接合孔4に対応した一点に接合ツール8を位置決めしてスポット接合を行う場合で説明したが、先の図1〜図6における接合孔4を図面に対し直角な向きに延びるスリット状に穿設しておき、該接合孔4の長手方向に接合ツール8を移動させて連続接合を行うようにすることも可能である。
In each of the embodiments described above, the
このような連続接合にあっては、接合ツール8が回転しながら移動することによって、接合始端部から接合終端部の手前までの間が、軟化した第二材料2により順次埋められていくことになり、最終的に終端部に穴が残るだけで済んで比較的美観の良い仕上がりとなる。
In such continuous joining, the joining
尚、本発明の材料の接合方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、第一材料、第二材料、第三材料は必ずしも異種材料でなくても良く、第一材料、第二材料、第三材料が同種材料であっても同様の接合方法を適用して良いこと、更に、第一材料は接合孔が穿設できるものであれば特にその材質を問わないこと、また、第二材料及び第三材料は摩擦熱で固相状態のまま局所的に軟化させられるものであれば良く、金属材料以外に高分子材料等を適宜に採用し得ること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The material joining method according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. The first material, the second material, and the third material may not necessarily be different materials. Even if the two materials and the third material are the same type of material, the same joining method may be applied, and the first material may be any material as long as the joining hole can be drilled, The second material and the third material may be any material that can be locally softened in a solid state by frictional heat, and other than the metal material, a polymer material or the like can be appropriately employed, and other aspects of the present invention. Of course, various changes can be made without departing from the scope of the invention.
1 第一材料
2 第二材料
2a 隆起部
3 第三材料
4 接合孔
5 溝部
5’ 山部
6 凹部
7 ピン部
8 接合ツール
9 ショルダー部
10 境界部分
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