JP5234505B2 - 金属部材の接合方法及びその接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材の接合方法及びその接合装置に関し、特に第１，第２金属部材の軸心直交状の対向壁部同士を大電流で瞬時に拡散接合することにより溶接歪みによる品質低下を防止可能にした技術に関する。

従来、特許文献１に示されるように、変速機用のメインギヤにシンクロ用のクラッチコーンを外嵌させ、クラッチコーンの内周面を電子ビーム溶接によりメインギヤに接合する変速機用歯車の製造方法において、電子ビーム溶接の前にクラッチコーンの歯部に近い部分を電気抵抗スポット溶接によりメインギヤに接合しておく技術が実用化されている。
しかし、この製造方法では、電気抵抗溶接と電子ビーム溶接とを併用するため、２工程に分けて溶接を行う必要があるため生産能率が低下するうえ、電気抵抗溶接と電子ビーム溶接の２種類の溶接設備が必要であるため設備費が高価になる。

そこで、本願出願人は、コンデンサーに蓄積した多量の電気を瞬時に通電することで金属部材を溶接する溶接技術（マッシュ接合とも言う）により、変速機用歯車部材を製造する技術を開発した。この製造方法においては、図９，図１０に示すように、メインギヤ１００の筒部１０１にクラッチコーン１０２を外嵌可能に保持し加圧した状態において、加圧力を瞬時に増大させ且つ上部電極１０３から下部電極１０４に大電流を瞬時に通電し、電気抵抗による発熱を利用して、筒部１０１の外周面にクラッチコーン１０２の内周面を拡散接合する。
特開２００４−１１８１６号公報

前記のようにして接合した変速機用歯車においては、図１１に示すように、溶接時の熱歪みにより、メインギヤ１００の筒部１０１が内径側へ変形し、筒部１０１の端面１０１ａが軸心直交面に対して傾斜した傾斜状に変形する。そのため、筒部１０１の内周面を研磨加工により修正しなければならないため、研磨工程が増え、２０〜３０μｍもの大きな変形を研磨修正するのに多大のコストががかかる。しかも、筒部１０１の端面１０１ａを修正することなく、そのまま変速機に組み込むと、その端面部分の摩耗が進行し、ガタ付きや異音の発生原因となる。

本発明の目的は、第１，第２金属部材を大電流で瞬時に拡散接合する際に品質低下原因となるような溶接歪みの発生を防止可能な金属部材の接合方法とその接合装置を提供することである。

本発明（請求項１）の金属部材の接合方法は、円環状の第１金属部材と、この第１金属部材に外嵌される第２金属部材を電気抵抗発熱により第１金属部材に拡散接合する接合方法において、前記第１金属部材に、その軸心と直交し且つ第２金属部材に対向する第１対向面を有する第１対向壁部と、この第１対向壁部に形成された環状の第１嵌合部とを予め形成し、前記第２金属部材に、その軸心と直交し且つ前記第１対向面に対向する第２対向面を有する第２対向壁部と、この第２対向壁部に形成され且つ前記第１嵌合部に嵌合可能な環状の第２嵌合部とを予め形成し、
前記第１金属部材に第２金属部材を外嵌させ且つ第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合可能な状態に保持する第１工程と、前記第１，第２対向面が相接近するように第１、第２金属部材を加圧すると共に、第１、第２金属部材に電流を瞬間的に印加し、第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合させて第１嵌合部の内周部と外周部に第２嵌合部の内周部と外周部を夫々接合する第２工程とを備えたことを特徴としている。

本発明の上記の構成に、次のような種々の構成を採用してもよい。
（１）前記第１嵌合部が第１金属部材の軸心と同心の円筒状の第１内周面及び第１外周面を有する凹溝であり、前記第２嵌合部が第２金属部材の軸心と同心の円筒状の第２内周面及び第２外周面を有する凸部であり、接合前の状態において第１内周面は第２内周面よりも第１オーバーラップ量だけ大径に形成され且つ第１外周面は第２外周面よりも第２オーバーラップ量だけ小径に形成された（請求項２）。

（２）前記第１嵌合部が第１金属部材の軸心と同心の円筒状の第１内周面及び第１外周面を有する凸部であり、前記第２嵌合部が第２金属部材の軸心と同心の円筒状の第２内周面及び第２外周面を有する凹溝であり、接合前の状態において第１内周面は第２内周面よりも第１オーバーラップ量だけ小径に形成され且つ第１外周面は第２外周面よりも第２オーバーラップ量だけ大径に形成された（請求項３）。

（３）前記第１オーバーラップ量は第２オーバーラップ量よりも大きく設定する（請求項４）。
（４）接合状態において前記第１，第２対向面を当接させることにより、第１金属部材に対する第２金属部材の軸心方向位置を設定する（請求項５）。
（５）前記第１金属部材は、マニュアル変速機構のギヤ部材であり、第２金属部材がクラッチコーンである（請求項６）。

請求項７の金属部材の接合装置は、円環状の第１金属部材と、この第１金属部材に外嵌される第２金属部材を電気抵抗発熱により第１金属部材に拡散接合する接合装置において、前記第１金属部材に、その軸心と直交し且つ第２金属部材に対向する第１対向面を有する第１対向壁部と、この第１対向壁部に形成された環状の第１嵌合部とを予め形成し、前記第２金属部材に、その軸心と直交し且つ前記第１対向面に対向する第２対向面を有する第２対向壁部と、この第２対向壁部に形成され且つ前記第１嵌合部に嵌合可能な環状の第２嵌合部とを予め形成し、
前記第１金属部材に第２金属部材を外嵌させ且つ第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合可能な状態に保持する保持手段を設け、前記第１，第２対向面が相接近するように第１、第２金属部材を加圧すると共に、第１、第２金属部材に電流を印加し、第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合させて第１嵌合部の内周部と外周部に第２嵌合部の内周部と外周部を夫々接合する加圧通電手段を設けたことを特徴としている。

本発明（請求項１）によれば、第１金属部材にその軸心直交状の第１対向面を有する第１対向壁部に第１嵌合部を予め形成しておき、第２金属部材にその軸心直交状の第２対向面を有する第２対向壁部に第２嵌合部を予め形成しておき、第１，第２金属部材を加圧して電流を瞬間的に印加し、第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合させ、第１嵌合部の内周部と外周部に、第２嵌合部の内周部と外周部を夫々接合するため、軸心直交方向の第１，第２対向面を夫々有し且つ径方向に変形しにくい第１，第２対向壁部を接合するため、第１，第２金属部材の径方向の変形による品質低下を確実に防止することができる。そのため、溶接歪みを修正するための研磨加工を行う必要がないため、製作コストを低減できる。

請求項７の発明によれば、本発明と同様の効果を奏する接合装置が得られる。

本発明を実施するための最良の形態について実施例に基づいて説明する。

図１に示すように、接合対象の第１金属部材としてのギヤ１と、第２金属部材としてのクラッチコーン２が図示されている。ギヤ１は、自動車用の手動変速機に設けられるドリブンギヤであり、クラッチコーン２は、シンクロメッシュ（同期噛合機構）の一構成要素としてギヤ１に溶接接合される部品である。これらギヤ１とクラッチコーン２の材質としては、例えばＳＣｒ鋼等の浸炭焼入れ鋼が用いられる。

ギヤ１は、軸心Ａの方向に所定厚みのある円盤状に形成されてその外周部に歯部３ａを有する本体部３と、この本体部３の上端から軸心方向に突出する円筒状の円筒部４とを備えている。このギア１には、その本体部３と円筒部４に亙って軸心方向に貫通する挿通孔５が形成されており、変速機の組立時には、図外のメインシャフトが挿通孔５に摺動可能に、又はベアリングを介して転動可能に挿入される。

一方、クラッチコーン２は、本体部６と、この本体部６の上端から軸心Ｂの方向へ突設されたコーン部７とを有している。本体部６の外周部に歯部６ａが形成されている。コーン部７はその外周面が上端側に向かって小径化するテーパ状に形成されている。クラッチコーン２の下部２／３部分には、ギヤ１の円筒部４に遊外嵌可能な貫通孔８が形成され、クラッチコーン２の上部１／３部分には、貫通孔８よりも大径の孔９が形成されている。変速機のシンクロ動作時には、コーン部７のテーパ状の外周面が図外のシンクロリングの内周面に圧接されることにより、回転速度の同期が図られる。

前記ギヤ１の本体部３の上面部分には、その軸心Ａと直交し且つクラッチコーン２に対向する第１対向面１０ａを有する第１対向壁部１０と、この第１対向壁部１０に形成された環状の第１嵌合部１１とが予め形成されている。第１対向壁部１０は、本体部３の上面部分の内径側部分に数ｍｍ厚く形成した壁部である。第１嵌合部１１は、軸心Ａと同心の円筒状の内周面と外周面とを有する断面矩形状の凹溝からなる。

前記クラッチコーン２には、その軸心Ｂと直交し且つギヤ１の第１対向面１０ａに対向する第２対向面１２ａを有する第２対向壁部１２と、この第２対向壁部１２に形成され且つ第１嵌合部１１に嵌合可能な環状の第２嵌合部１３とが予め形成されている。第２嵌合部１３は、軸心Ｂと同心の円筒状の内周面と外周面とを有する断面矩形状の凸部からなる。第１嵌合部１１の深さは、第２嵌合部１３の突出高よりも例えば０．２〜０．４ｍｍ程度大きく形成されている。

図５に示すように、ギヤ１の円筒部４は、クラッチコーン２の貫通孔８よりも小径であり、ギヤ１の円筒部４の外周面と貫通孔８の内周面との間には、例えば約１〜２ｍｍの隙間Ｇが形成されている。これは、後述の通電時に、貫通孔８の内周面からギヤ１の円筒部４へ電流が流れないようにする為である。
また、図５に示すように、第１嵌合部１１の内径Ｄ1iは第２嵌合部Ｄ2iの内径よりも
第１オーバーラップ量Ｇｉ（例えば、０．１５ｍｍ）だけ大きく形成され、また、第１嵌合部１１の外径Ｄ1oは第２嵌合部１３の外径Ｄ2oよりも第２オーバーラップ量Ｇｏ（例えば、０．１５ｍｍ）だけ小さく形成されている。上記の第１，第２オーバーラップ量Ｇｉ，Ｇｏは、溶接接合の締め代であり、後述のように、溶接開始時に溶接電流が流れる電流通路でもある。

次に、ギヤ１とクラッチコーン２とを接合する金属部材の接合装置について説明する。 図２〜図４に示すように、この接合装置２０は、大容量のコンデンサに蓄電した多量の電気を瞬時にギヤ１とクラッチコーン２の溶接対象部に通電することにより、電気抵抗発熱によりギヤ１とクラッチコーン２を拡散接合する装置である。尚、上記の接合方法は「マッシュ接合」とも言われている。

この接合装置２０は、支持台２１と、この支持台２１の上端部中央部にボルト２２で縦向きに固定されたセンタリング部材２３と、支持台２１の上面に複数のボルト２４で固定された環状の下部電極２５と、図示外のフレームに昇降可能に支持されて支持台２１に上方から対向するスライド２６と、このスライド２６の下面に固定された上部電極２７と、この上部電極２７の下端内周部に固定された位置規制リング２８と、スライド２６を昇降駆動可能で且つスライド２６を下方へ約１０ton もの加圧力で押圧駆動可能なエアシリンダ（図示略）と、上部電極２７と下部電極２５とに接続されて約３２０ｋＡもの大電流を被接合物（ギヤ１とクラッチコーン２）に通電可能なコンデンサー内蔵の電源装置２９などを備えている。

上記のセンタリング部材２３は、その一部がギヤ１の挿通孔５に隙間なく内嵌してギヤ１を所定の位置にセンタリングするように構成してある。下部電極２５の上端にはギヤ１の下端部を面接触で受け止めて支持し且つ溶接電流を流す為の載置面２５ａが形成されている。上部電極２７はクラッチコーン２とほぼ同径の環状電極部２７ａを有し、この環状電極部２７ａの下面には、クラッチコーン２のコーン部７の上端に面接触で当接して加圧力を伝達し且つ溶接電流を流す為の当接面２７ｂが形成されている。

位置規制リング２８は、環状電極部２７ａの下端面のうちの上記当接面２７ｂの内周側部分に固定されている。この位置規制リング２８は、クラッチコーン２の軸心Ｂがギヤ１の軸心Ａと一致する同軸位置にクラッチコーン２を位置決めする為の部材であり、上部電極２７がクラッチコーン２に当接した状態において、位置規制リング２８がコーン部７の孔９に隙間なく内嵌するように構成されている。尚、クラッチコーン２の軸心Ｂをギヤ１の軸心Ａに一致させた状態において、ギヤ１の円筒部４とクラッチコーン２との間には図５に示す前記隙間Ｇが形成される。

次に、上記の接合装置２０を用いて、予め図１に示すような形状に形成されたギヤ１とクラッチコーン２を接合する金属部材の接合方法について説明する。
第１工程において、図２に示すように、ギヤ１を接合装置２０にセットし、ギヤ１を下部電極２５の載置面２５ａに搭載してギヤ１の下端面を載置面２５ａに面接触状態にすると共に、センタリング部材２３によりギヤ１をセンタリングして位置決めする。

次に、第２工程において、図３に示すように、ギヤ１の上にクラッチコーン２をセットし、クラッチコーン２をギヤ１の円筒部４に遊外嵌させ、第１嵌合部１１に第２嵌合部１３を嵌合可能に対向させ、スライド２６を下降させて上部電極２７の下端の当接面２７ｂをクラッチコーン２のテーパ部７の上端に面接触させると共に位置規制リング２８をテーパ部７に内嵌させることで、クラッチコーン２の軸心Ｂがギヤ１の軸心Ａと同軸となるようにクラッチコーン２をセンタリングして位置決めする。この状態において、スライド２６の押圧力Ｆ１（例えば、約１ton ）によりクラッチコーン２をギヤ１に押圧する。

次に、第２工程において、図４に示すように、スライド２６の押圧力Ｆ２を約８ton 程度まで瞬時に急増させてクラッチコーン２をギヤ１の方へ接近させると同時に、電源装置２９を作動させて、上部電極２７とクラッチコーン２とギヤ１と下部電極２５に瞬間的に大電流を通電する。すると、その溶接電流が第２嵌合部１３から第１嵌合部１１の内周部と外周部とに流れる時の電気抵抗発熱と、スライド２６から作用する約８ton 程度の加圧力の作用により、第２嵌合部１３が第１嵌合部１１に嵌合し、第１嵌合部１１の内周部及び外周部と、第２嵌合部１３の内周部と外周部とに塑性流動が発生して、融点以下の温度で急速な拡散接合がなされる。

その結果、図４、図６に示すように、第１嵌合部１１と第２嵌合部１３とが、内周部と外周部の２箇所で拡散接合されて一体化する。尚、第１嵌合部１１の底面と第２嵌合部１３の間の隙間には、余剰の金属がはみ出してバリ３０となる。また、ギヤ１の第１対向壁部１０の第１対向面１０ａにクラッチコーン２の第２対向壁部１２の第２対向面１２ａが面接触状態になって、ギヤ１に対するクラッチコーン２の軸方向位置が正確に定まる。

以上説明した接合装置２０と接合方法の作用、効果について説明する。
ギヤ１とクラッチコーン２を加圧して大電流を瞬間的に印加し、第１嵌合部１１に第２嵌合部１３を嵌合させ、第１嵌合部１１の内周部と外周部に、第２嵌合部１３の内周部と外周部を夫々接合するため、軸心直交方向の第１，第２対向面１０ａ，１２ａを夫々有し且つ径方向に変形しにくい第１，第２対向壁部１０，１２を接合するため、ギヤ１とクラッコーン２の径方向への変形による品質低下を確実に防止して高品質のギヤ部材を製作することができる。そのため、溶接歪みを修正するための研磨加工を行う必要がないため、製作コストを大幅に低減できる。

センタリング部材２３と位置規制リング２８を介して、ギヤ１とクラッチコーン２を同軸状に位置決めした状態で接合するため、ギヤ１とクラッチコーン２の同軸性を確保できる。尚、前記実施例において、支持台２１と、センタリング部材２３と、位置規制リング２８と、上部電極２５と、スライド２６等が「保持手段」に相当する。また、支持台２１と、下部電極２５と、上部電極２７と、スライド２６と、このスライド２６を下方へ駆動する図示外のエアシリンダと、電源装置２９等が「加圧通電手段」に相当する。

ここで、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１］前記実施例では、第１，第２嵌合部１１，１３の内径側の締め代Ｇｉと外径側の締め代Ｇｏを等しく設定したが、接合時に塑性流動する金属の量（体積）が内径側と外径側とで等しくなるように、内径側の締め代Ｇｉを外径側の締め代Ｇｏよりも大きく設定してもよい。例えば、図７に示すように、第１，第２嵌合部１１，１３の径方向の幅を大きく設定した場合など、Ｄ1i・Ｇｉ＝Ｄ1o・Ｇｏのように設定することが特に望ましい。
接合時に塑性流動する金属の量（体積）を内径側と外径側とで等しくなるように設定すれば、内径側に流れる電流と外径側に流れる電流をほぼ等しくすることができ、接合品質を高めることができるからである。

２］図７に示すように、第２嵌合部１３の内径側と外径側に、接合時の余剰の金属を逃す逃し溝１３ａ，１３ｂを形成してもよい。このような逃し溝１３ａ，１３ｂに余剰の金属を逃すことにより、第１，第２対向面１０ａ，１２ａの密着性を高めることができる。

３］前記実施例では、第１嵌合部１１を凹溝で構成し、第２嵌合部１３を凸部で構成したが、これとは逆に、図８に示すように、第１嵌合部１１Ａを凸部で構成し、第２嵌合部１３Ａを凹溝で構成してもよい。
４］前記実施例では、第１，第２嵌合部１１，１３の内周面と外周面とを軸心と同軸の円筒面に形成したが、第１，第２嵌合部１１，１３の内周面と外周面の少なくとも一方は、軸心と同軸の円筒面に近いテーパ面に形成してもよい。
その他、当業者ならば前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能である。

本発明の実施例に係るギヤとクラッチコーンの断面図である。 接合装置の支持台とセンタリング部材と下部電極とギヤの断面図である。 接合装置にギヤとクラッチコーンをセットした状態を示す断面図である。 接合装置によりギヤとクラッチコーンを接合した状態を示す断面図である。 ギヤとクラッチコーンの接合前の要部拡大断面図である。 ギヤとクラッチコーンの接合後の要部拡大断面図である。 変更例に係る図５相当図である。 別の変更例に係る図５相当図である。 従来技術の接合装置にギヤとクラッチコーンをセットした状態の断面図である。 図９のギヤとクラッチコーンを接合した状態の断面図である。 図９の接合後のギヤとクラッチコーン要部拡大断面図である。

１ ギヤ（第１金属部材）
２ クラッチコーン（第２金属部材）
１０ 第１対向壁部
１０ａ 第１対向面
１１ 第１嵌合部
１２ 第２対向壁部
１２ａ 第２対向面
１３ 第２嵌合部
２０ 接合装置
２３ センタリング部材
２８ 位置規制リング

Claims (7)

1. 円環状の第１金属部材と、この第１金属部材に外嵌される第２金属部材を電気抵抗発熱により第１金属部材に拡散接合する接合方法において、
   前記第１金属部材に、その軸心と直交し且つ第２金属部材に対向する第１対向面を有する第１対向壁部と、この第１対向壁部に形成された環状の第１嵌合部とを予め形成し、
   前記第２金属部材に、その軸心と直交し且つ前記第１対向面に対向する第２対向面を有する第２対向壁部と、この第２対向壁部に形成され且つ前記第１嵌合部に嵌合可能な環状の第２嵌合部とを予め形成し、
   前記第１金属部材に第２金属部材を外嵌させ且つ第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合可能な状態に保持する第１工程と、
   前記第１，第２対向面が相接近するように第１、第２金属部材を加圧すると共に、第１、第２金属部材に電流を瞬間的に印加し、第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合させて第１嵌合部の内周部と外周部に第２嵌合部の内周部と外周部を夫々接合する第２工程と、
   を備えたことを特徴とする金属部材の接合方法。
2. 前記第１嵌合部が第１金属部材の軸心と同心の円筒状の第１内周面及び第１外周面を有する凹溝であり、前記第２嵌合部が第２金属部材の軸心と同心の円筒状の第２内周面及び第２外周面を有する凸部であり、接合前の状態において第１内周面は第２内周面よりも第１オーバーラップ量だけ大径に形成され且つ第１外周面は第２外周面よりも第２オーバーラップ量だけ小径に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合方法。
3. 前記第１嵌合部が第１金属部材の軸心と同心の円筒状の第１内周面及び第１外周面を有する凸部であり、前記第２嵌合部が第２金属部材の軸心と同心の円筒状の第２内周面及び第２外周面を有する凹溝であり、接合前の状態において第１内周面は第２内周面よりも第１オーバーラップ量だけ小径に形成され且つ第１外周面は第２外周面よりも第２オーバーラップ量だけ大径に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合方法。
4. 前記第１オーバーラップ量は第２オーバーラップ量よりも大きく設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の金属部材の接合方法。
5. 接合状態において前記第１，第２対向面を当接させることにより、第１金属部材に対する第２金属部材の軸心方向位置を設定することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の金属部材の接合方法。
6. 前記第１金属部材は、マニュアル変速機構のギヤ部材であり、第２金属部材がクラッチコーンであることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の接合方法。
7. 円環状の第１金属部材と、この第１金属部材に外嵌される第２金属部材を電気抵抗発熱により第１金属部材に拡散接合する接合装置において、
   前記第１金属部材に、その軸心と直交し且つ第２金属部材に対向する第１対向面を有する第１対向壁部と、この第１対向壁部に形成された環状の第１嵌合部とを予め形成し、
   前記第２金属部材に、その軸心と直交し且つ前記第１対向面に対向する第２対向面を有する第２対向壁部と、この第２対向壁部に形成され且つ前記第１嵌合部に嵌合可能な環状の第２嵌合部とを予め形成し、
   前記第１金属部材に第２金属部材を外嵌させ且つ第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合可能な状態に保持する保持手段を設け、
   前記第１，第２対向面が相接近するように第１、第２金属部材を加圧すると共に、第１、第２金属部材に電流を印加し、第１嵌合部に第２嵌合部を嵌合させて第１嵌合部の内周部と外周部に第２嵌合部の内周部と外周部を夫々接合する加圧通電手段を設けた、
   ことを特徴とする金属部材の接合装置。