JP6477880B2 - 機械的接合装置及び機械的接合方法 - Google Patents

Description

本開示は、機械的接合装置に関し、特に、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を１枚以上含む複数枚の金属板を接合する機械的接合装置に関するものである。

近年、自動車分野では、低燃費化やＣＯ₂排出量の削減のため、車体を軽量にしつつ、衝突安全性の向上のため、車体部材を高強度にすることが求められている。これらの要求を満たすためには、車体や部品などに高強度鋼板を使用することが有効である。そのため、高強度鋼板に対する需要が高まっている。車体や部品などに高強度鋼板を使用するためには、高強度鋼板と他の金属板とを接合する必要があるが、この接合において、以下のような問題がある。

従来、車体の組立や部品の取付けなどは、主として、スポット溶接で行われており、高強度鋼板を含む複数枚の金属板の接合も、スポット溶接で行われる。このような、複数枚の金属板を重ね合わせて、スポット溶接して形成した継手において、引張強度は重要な特性である。引張強度には、せん断方向に引張荷重を負荷して測定する引張せん断強度（ＴＳＳ）と、剥離方向に引張荷重を負荷して測定する十字引張強度（ＣＴＳ）とがある。

２７０〜６００ＭＰａの引張強度を有する複数枚の鋼板により形成されるスポット溶接継手のＣＴＳは、鋼板の強度の増加に伴い増加する。したがって、２７０〜６００ＭＰａの引張強度を有する鋼板により形成されるスポット溶接継手では、継手強度に関する問題は生じ難い。

しかし、７８０ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼板を１枚以上含む複数枚の金属板により形成されるスポット溶接継手では、鋼板の引張強度が増加しても、ＣＴＳが、増加しないか、又は減少する。これは、変形能の低下により溶接部への応力集中が高まること及び合金元素を多く含有することに起因して、溶接部に焼きが入ること及び凝固偏析により、溶接部の靱性が低下することが、その理由である。

このため、７８０ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼板を１枚以上含む複数枚の金属板の接合において、ＣＴＳを向上させる技術が求められている。それを解決する技術の一つとして、母材を溶融させることなく機械的に接合する技術がある。具体的には、被接合材である複数枚の金属板同士を重ね合わせ、パンチの外周を金属板のはね上がりを防止する板押えで押さえながら、パンチでリベットを打ち込み、複数枚の金属板同士を機械的に接合する技術がある。

しかしながら、この技術では、リベットを打ち込むため、ダイ側の金属板の変形が非常に大きくなり、延性不足又は変形局所化により、ダイ側の金属板で割れが発生するという問題、せん断方向及び剥離方向に引張応力がかかった場合、リベットが抜けて破壊が生じ、せん断方向及び剥離方向の引張強度について十分な値が得られないという問題、並びに同じリベット打ち込み方式の高強度鋼板の継手及び軟鋼板の継手について、両者の疲労強度を比べると、ほとんど差がないという問題があった。

このような問題を解決する技術として、特許文献１には、重ね合わせた引張強度が４３０〜１０００ＭＰａの高強度鋼板に、リベットを打ち込んで貫通させ、貫通させたリベットの先端を変形させて、機械的に接合して、引張特性と疲労特性に優れた高強度鋼板を得る接合技術が開示されている。

特許文献１に開示の技術は、複数枚の鋼板を接合する技術として有効であり、引張強度が６１９ＭＰａまでの高強度鋼板に対して検討されている。しかしながら、特許文献１では、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を含む複数枚の鋼板に対して、上記技術の適用は検討されていなかった。

また、非特許文献１には、高強度鋼板とアルミニウム合金板との接合において、リベットを打ち込んで機械的に接合する際に、引張強度が５９０ＭＰａ程度の高強度鋼板を含む複数枚の金属板までは、欠陥なく接合できるが、引張強度が９８０ＭＰａの高強度鋼板を含む複数枚の金属板では、リベットが高強度鋼板を貫通できないと記載されている。

このように金属板にリベットを打ち込んで機械的に接合する技術では、通常、接合前に被接合材に穴加工はせず、リベット自身で被接合材を打ち抜く必要があり、強度の高い鋼板、例えば、７８０ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼板を１枚以上含む複数枚の金属板にリベットを打ち込んで機械的に接合することは、困難とされていた。

これに対して、特許文献２には、高強度を有する又は高加工硬化された接合薄板を、リベットを用いて接合する方法において、接合プロセスの開始またはその直前に、押さえ付け部材及びダイス、又は押さえ付け部材及びダイスのそばに配置された構成要素、若しくは前に配置された構成要素によって、接合薄板の局所的かつ時間的に制限された加熱を、電気的な抵抗加熱によって行う機械的接合方法が開示されている。

特開２０００−２０２５６３号公報 特表２００４−５１６１４０号公報 特開２００７−２５４７７５号公報

ふぇらむ，Ｖｏｌ．１６（２０１１）Ｎｏ．９，ｐ．３２−３８

特許文献２では、高強度を有する又は高加工硬化された鋼板に適用できる技術とされている。しかしながら、特許文献２に開示の技術を用いて、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を１枚以上含む複数枚の金属板をリベットで接合し、得られた接合継手の継手強度試験を実施すると、リベットを含む周辺が破損することがあった。

本開示は、上記の従来技術の現状に鑑みて、引張強度が大きい高強度鋼板を１枚以上含む複数枚の金属板をリベット接合する場合でも、得られる接合継手のリベットを含む周辺の破損を低減できる機械的接合装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決する方法について鋭意検討した。７８０ＭＰａ以上の引張強度を有する鋼板（以下、「高強度鋼板」ともいう）を１枚以上含む重ね合わせた複数枚の金属板（以下、「板組」ともいう）と、高強度でない汎用品のリベットとを接合すると、強度の低いリベットに応力が集中して、リベットを含む周辺の破損が生じることを知見した。

そこで、本発明者らは、リベットの強度を高くする手段について検討した。その結果、リベットを打ち込むパンチとダイとを電極体材料から構成し、板組に打ち込んだ後のリベットに電流を流して通電加熱して、リベットを熱処理することで、リベットの強度が高くなり、リベットを含む周辺の破損が低減することを見出した。

本開示の機械的接合装置及び機械的接合方法は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）複数枚の金属板にパンチによりリベットを打ち込む機械的接合装置であって、
パンチ及びダイと、
板押えと、
第１の電源装置と、
第２の電源装置と、
冷却装置と、
を備え、
前記パンチ及びダイは、重ね合わせた複数枚の金属板を間に挟むことができるように、対向して配置され、
前記板押えは、前記パンチを内部に挿入可能な筒状体であり、前記板押えの一方の端部を、前記複数枚の金属板の前記パンチ側の金属板に接触させて、前記複数枚の金属板を押し付け可能且つ通電加熱可能な電極体材料で構成され、
前記パンチは、リベットを打ち込み可能且つ通電加熱可能な電極体材料で構成され、
前記ダイは、前記複数枚の金属板を支持可能且つ前記リベットを通電加熱可能な電極体材料で構成され、
前記第１の電源装置は、前記パンチにより前記リベットを打ち込む前に、前記複数枚の金属板の温度を上げるように、前記板押え及び前記ダイを通電するように構成され、
前記第２の電源装置は、前記パンチにより前記リベットを打ち込んだ後に前記リベットを通電して熱処理するように、前記パンチ及び前記ダイを通電するように構成され、
前記冷却装置は、前記パンチに接続されており、前記リベットの熱処理後に前記リベットを冷却するように構成されている、
機械的接合装置。
（２）前記冷却装置がさらに、前記リベットの打ち込み開始から打ち込み終了までの間、前記リベットを冷却するように構成されている、前記（１）に記載の機械的接合装置。
（３）前記ダイのうち、少なくとも前記複数枚の金属板を間に挟んで前記リベットと対向する部分の材質が工具鋼であり、前記工具鋼の外周部分の材質が銅又は銅合金である、前記（１）または（２）に記載の機械的接合装置。
（４）複数枚の金属板にパンチによりリベットを打ち込む機械的接合方法であって、
複数枚の金属板を準備すること、
対向して配置されたパンチ及びダイの間に、前記複数枚の金属板を重ね合わせて配置すること、
前記パンチを内部に挿入可能な筒状体である板押えの一方の端部を、前記複数枚の金属板の前記パンチ側の金属板に押し付けること、
前記板押えにより押さえられた前記複数枚の金属板に、前記パンチによりリベットを打ち込むこと、
前記リベットの打ち込み前に、前記複数枚の金属板の温度を上げるように、前記板押え及び前記ダイを介して、前記複数枚の金属板への通電加熱を行うこと、並びに
前記パンチにより前記リベットを打ち込んだ後に、前記パンチ及び前記ダイを介して前記リベットを通電加熱し、次いで前記リベットを冷却すること、
を含む、機械的接合方法。
（５）前記リベットの打ち込み開始から打ち込み終了までの間、前記パンチを介して前記リベットを冷却することをさらに含む、前記（４）に記載の機械的接合方法。
（６）前記ダイのうち、少なくとも前記複数枚の金属板を間に挟んで前記リベットと対向する部分の材質が工具鋼であり、前記工具鋼の外周部分の材質が銅又は銅合金である、前記（４）または（５）に記載の機械的接合方法。

本開示の機械的接合装置及び機械的接合方法によれば、複数枚の金属板にリベットを打ち込んだ後に、リベットが熱処理されて高強度になるため、接合継手のリベットを含む周辺の破損を低減することができる。

図１は、機械的接合の形態を表す断面模式図である。図１（ａ）は、リベットの打ち込み前に板組の通電加熱を行っている状態を表す断面模式図であり、図１（ｂ）は、リベットの打ち込み後にリベットを通電加熱している状態を表す断面模式図である。 図２は、ダイの一部に工具鋼を用いた場合の機械的接合の形態を表す断面模式図である。図２（ａ）は、ダイの一部に工具鋼を用いた場合に、リベットの打ち込み前に板組を通電加熱している状態を表す断面模式図であり、図２（ｂ）は、ダイの一部に工具鋼を用いた場合に、リベットの打ち込み後にリベットを通電加熱している状態を表す断面模式図である。

本発明者らは、リベット接合して得られた接合継手の継手強度試験において、リベットを含む周辺に生じる破損について調査した。その結果、リベットを含む周辺の破損は、高強度鋼板を含む板組と、高強度でない汎用品のリベットとを接合するときに生じることを知見した。これは、強度の低いリベットに応力が集中し、リベット接合して得られた接合継手が破損するものであると考えた。

そこで、本発明者らは、リベットの強度を高くする手段について検討した。リベットの強度を高くする方法としては、成分組成を調整し、焼入れなどの熱処理を施す技術が知られている（特許文献３）。しかし、この技術では、リベットの成分組成が制限され、熱処理のための熱処理炉が必要となり、コストの上昇を生じる。更に、熱処理炉での熱処理工程が必要となり、リベットの生産時間の増加を招く問題があった。

そのため、熱処理炉を用いることなく、機械的接合装置でリベットの熱処理を実現する手段を検討したところ、リベットを打ち込むパンチ及びダイを電極体材料で構成し、板組に打ち込んだ後のリベットに電流を流して通電加熱して、リベットを熱処理することに着想した。つまり、鋼材製の汎用品のリベットをオーステナイト域になる温度まで加熱し、冷却してマルテンサイト組織にして、リベットを高強度化することを着想した。

本開示は、複数枚の金属板にパンチによりリベットを打ち込む機械的接合装置であって、
パンチ及びダイと、
板押えと、
第１の電源装置と、
第２の電源装置と、
冷却装置と、
を備え、
前記パンチ及びダイは、重ね合わせた複数枚の金属板を間に挟むことができるように、対向して配置され、
前記板押えは、前記パンチを内部に挿入可能な筒状体であり、前記板押えの一方の端部を、前記複数枚の金属板の前記パンチ側の金属板に接触させて、前記複数枚の金属板を押し付け可能且つ通電加熱可能な電極体材料で構成され、
前記パンチは、リベットを打ち込み可能且つ通電加熱可能な電極体材料で構成され、
前記ダイは、前記複数枚の金属板を支持可能且つ前記リベットを通電加熱可能な電極体材料で構成され、
前記第１の電源装置は、前記パンチにより前記リベットを打ち込む前に、前記複数枚の金属板の温度を上げるように、前記板押え及び前記ダイを通電するように構成され、
前記第２の電源装置は、前記パンチにより前記リベットを打ち込んだ後に前記リベットを通電して熱処理するように、前記パンチ及び前記ダイを通電するように構成され、
前記冷却装置は、前記パンチに接続されており、前記リベットの熱処理後に前記リベットを冷却するように構成されている、
機械的接合装置を対象とする。

以下、図面を参照しながら、本開示の機械的接合装置（以下、「接合装置」ともいう）について、説明する。説明の便宜上、パンチ側を上側、ダイ側を下側として、パンチ側の金属板を上側金属板、ダイ側の金属板を下側金属板というが、接合装置は、固定することができればよく、縦置き、横置き等の方向は問わない。

（実施形態１）
図１に、本開示の機械的接合装置を用いた機械的接合の形態を表す断面模式図を示す。図１（ａ）は、リベットの打ち込み前に板組を通電加熱している状態を表す断面模式図であり、図１（ｂ）は、リベットの打ち込み後にリベットを通電加熱している状態を表す断面模式図である。

図１（ａ）に示すように、機械的接合装置１においては、上側金属板２及び下側金属板３が重ねられた板組４を間に挟むことができるように、対向してパンチ５及びダイ６が配置されている。パンチ５の外周に、板押え７が配置される。

機械的接合装置１は、パンチ５によりリベット８を打ち込む前に、板組４の温度を上げるように、板押え７とダイ６とを通電する第１の電源装置（図示せず）及び、パンチ５により打ち込まれたリベット８が熱処理されるように、パンチ５とダイ６とを通電する第２の電源装置（図示せず）を備える。

リベット８を打ち込む前とは、パンチ５により打ち込まれるリベット８が板組４のパンチ側の金属板と接触する前を意味する。

リベット８を打ち込む前に板組４の温度を上げることによって、金属板が軟化してリベット８の打ち込みが容易となり、特に板組４が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を含む場合でも、金属板の割れ、リベット破損、及びリベット未貫通を生じることなく接合継手を得ることができる。

第１の電源装置は、板押え７及びダイ６に接続され、板組４を通電加熱するように構成されている。第１の電源装置は、板押え７及びダイ６に通電する電気量（電流値及び通電時間）を制御する第１の制御装置（図示せず）を備え、板組４を所望の温度に加熱することができる。

第１の制御装置は、リベット８の打ち込み前に板組４を昇温するように板押え７及びダイ６を通電し、さらにリベット８の打ち込み終了まで、板組４を所定の温度に加熱するように、板押え７及びダイ６を通電することを制御する。

板組４の通電加熱は、リベット８の打ち込み前に開始し、リベット８の打ち込み終了後も継続し、その後停止してもよいが、好ましくは、リベット８の打ち込み終了と実質的に同時に停止する。

リベット８の打ち込み終了とは、パンチの打ち込み方向への移動が実質的に停止した時点をいい、パンチの位置を検知して検出することができる。パンチの位置の検知方法は特に限定されるものではなく、例えば、非接触式のレーザ変位計やパンチを押し込むボールねじの回転数から位置を検知する装置を用いて行うことができる。

板組４の加熱温度は、板組の延性が向上して、鋼板等の金属板の割れ、リベット破損、及びリベット未貫通を抑制しつつ、リベットを打ち込むことができる温度範囲であればよい。すなわち、板組４の加熱温度の下限は、金属板の割れ、リベット破損、及びリベット未貫通を抑制できる温度とすればよい。板組４の加熱温度の上限は、板組４のうち最も融点が低い金属板の融点未満の温度にすればよい。

板組４の加熱温度の下限は、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは６００℃以上である。板組４の加熱温度の上限は、好ましくは９００℃以下、より好ましくは８００℃以下である。打ち込み開始時点で上記温度範囲より低くてもよいが、好ましくは打ち込み終了までに上記温度範囲に加熱され、より好ましくは、打ち込み開始より前または打ち込み開始時点で板組４は上記温度範囲に加熱され、打ち込み終了まで板組４の温度は上記温度範囲に維持される。板組４の温度の測定個所は、板押え７に囲まれた領域内にある上側金属板の表面のリベット打ち込み位置である。上側金属板の表面温度は、例えば、熱電対を用いて測定することができる。上側金属板の表面温度測定は、リベットを準備する前に、事前に行ってもよい。事前に上側金属板の表面温度測定を行う場合、パンチにリベットを保持させて打ち込む際に、温度測定を省くことができる。

板組４を通電加熱する電流値は、板組４を上記温度範囲内に加熱するように、第１の制御装置で制御することができる。第１の制御装置は、板組４を流れる電流値を、例えば８〜１４ＫＡまたは１０〜１２ｋＡに制御することができる。

第２の電源装置は、パンチ５及びダイ６に接続され、パンチ５によりリベット８を打ち込んだ後に、パンチ５及びダイ６を介してリベット８を通電して熱処理するように構成されている。第２の電源装置は、パンチ５及びダイ６に通電する電気量（電流値及び通電時間）を制御する第２の制御装置（図示せず）を備え、リベット８を所望の温度に加熱することができる。

機械的接合装置１は、冷却装置（図示せず）を備えている。冷却装置は、パンチ５に接続されており、パンチ５を介して、リベットの熱処理後にリベットを冷却するように構成されている。

第２の電源装置及び冷却装置を用いて、リベット８の打ち込み終了後に、リベットをオーステナイト域に加熱する熱処理を行い、次いで冷却することができる。これにより、リベット８がマルテンサイト組織を有することができ、リベット８の強度向上を図ることができる。

リベット８の熱処理における加熱温度は、リベット８をオーステナイト域まで加熱することができるものであれば特に限定されないが、好ましくはＡ３点〜リベットの融点未満の温度に加熱する。リベット８の最高温度までの加熱における電流値及び時間は、例えば、電流値は８〜１０ｋＡ、時間は０．１〜１．０秒であることができる。

リベット８の通電加熱は、リベット８の打ち込み終了と同時にまたはリベット８の打ち込み終了から所定時間経過後に開始することができる。第２の制御装置が、リベット８の打ち込み終了と同時にまたはリベット８の打ち込み終了から所定時間経過後に、リベット８の通電加熱を行うように、第２の電源装置を制御することができる。

冷却装置は、パンチ５を介してリベット８を冷却することができるものであれば特に限定されないが、パンチ５は、その内部に冷却管９を有してもよい。図１（ａ）に、パンチ５の内部に配置され、冷却装置に接続された冷却管９を例示する。

冷却管９は、例えば矢印で示す方向に、冷媒を供給することができる管である。リベット８が接触するパンチ５の端部とは反対側の他端部側に、冷却管９に接続される冷却装置が設けられ得る。冷却管９の材質は、冷媒を内部に流通させて、パンチ５を介してリベットを冷却することができるものであれば特に限定されないが、例えば銅または銅合金であることができる。この場合、パンチ５を熱伝導率の高い銅又は銅合金とすることが好ましい。

冷媒は、特に限定されるものでなく、公知の冷媒液または冷媒ガスとすることができるが、経済面及び扱い易さなど考慮して、水が好ましい。

パンチ５の内部に冷却管９を設けずに、リベット８が接触するパンチ５の端部とは反対側の他端部に接するように冷却装置を配置し、パンチ５を冷却し、パンチ５の熱伝導により、リベット８を冷却してもよい。この場合も、パンチ５を熱伝導率の高い銅又は銅合金とすることが好ましい。

冷却装置は制御装置を備えており、制御装置は、冷却温度及び冷却速度並びに冷却開始及び終了のタイミングを制御することができる。

リベット８をオーステナイト域に加熱した後の冷却条件は、マルテンサイト組織が得られる範囲であれば特に限定されないが、冷却装置に備えられた制御装置は、リベット８をオーステナイト域に加熱した後に、好ましくは１０℃／秒以上の冷却速度で、リベット材のマルテンサイト変態終了温度以下、一般には約２００℃以下までリベット８を冷却するように、冷却装置を制御することができる。

第１の電源装置及び第２の電源装置は、特に限定されるものでなく、従来用いられている電源、例えば直流電源装置又は交流電源装置であることができる。

第１の制御装置、第２の制御装置、及び冷却装置に備えられた制御装置は、特に限定されるものでなく、公知の温度調節器を含むことができる。

第１の制御装置は、板組４の温度を計測する温度計を含む温度調節器を用いて、板押え７とダイ６とを通電する電気量を制御することができる。板組４の金属板の組合せに応じて所定の温度になる電流値と時間との関係を予め求めておき、第１の制御装置が、当該電流値及び時間となるように第１の電源装置を制御してもよい。

第２の制御装置は、リベット８の温度を計測する温度計を含む温度調節器を用いて、パンチ５とダイ６とを通電する電気量を制御することができる。リベット８が所定の温度になる電流値と時間との関係を予め求めておき、第２の制御装置が、当該電流値及び時間となるように第２の電源装置を制御してもよい。

冷却装置に備えられた制御装置は、温度調節器を用いて、リベット８の冷却速度及び冷却温度を制御することができる。

第１の電源装置及び第２の電源装置は、別々の電源装置でもよく、一体の電源装置でもよく、または第１の電源装置が第２の電源装置の機能をも有してもよい。

第１の電源装置及び第２の電源装置が一体の電源装置である場合、または第１の電源装置が第２の電源装置の機能をも有する場合、当該電源装置は、板押え７及びダイ６と、パンチ５及びダイ６との両方に接続される。

パンチ５は棒状であることができ、パンチ５の長手方向に垂直方向の断面形状は、特に限定されるものではなく、円状、楕円状、矩形状などであることができる。パンチ５は、長さ方向に異なる断面形状を有してもよい。

パンチ５は、リベット８を打ち込むことができ且つ通電加熱することができる機械的強度及び電気伝導率を有する電極体材料で構成されるものではあれば、その材質は特に限定されず、所望の材料から選択することができる。パンチ５は、好ましくは、ビッカース硬度Ｈｖが３００〜５１０であり、電気電導率が高い銅又は銅合金から構成される。

ダイ６は、複数枚の金属板を支持することができ且つ板組４及びリベット８を通電加熱することができる機械的強度及び電気伝導率を有する電極体材料で構成されるものではあれば、その材質は特に限定されず、所望の材料から選択することができる。ダイ６は、好ましくは、銅又は銅合金である。

パンチ５の外周に、板押え７が配置される。板押え７は、一方の端部を板組４のパンチ５側の金属板に接触して板組４をダイ６に押し付けることができる部材であり、パンチ５の長手軸に沿って、相対的に移動することができる。板押え７の形状は、パンチ４が内部に挿入される円筒などの筒状体である。

板押え７は、ダイ６に複数枚の金属板を押し付けることができ且つ通電加熱することができる機械的強度及び電気伝導率を有する電極体材料で構成されるものではあれば、その材質は特に限定されず、所望の材料から選択することができる。板押え７は、好ましくは銅又は銅合金である。

パンチ５、ダイ６、板押え７、及び冷却管９を構成する材料として用いられ得る銅合金は、好ましくはクロム銅またはアルミナ分散銅である。クロム銅合金の組成は、好ましくは０．４〜１．６％Ｃｒ−Ｃｕ、より好ましくは０．８〜１．２％Ｃｒ−Ｃｕ、例えば１．０％Ｃｒ−Ｃｕであり、アルミナ分散銅合金の組成は、好ましくは０．２〜１．０％Ａｌ_２Ｏ_３―Ｃｕ、より好ましくは０．３〜０．７％Ａｌ_２Ｏ_３―Ｃｕ、例えば０．５％Ａｌ_２Ｏ_３―Ｃｕである。

パンチ５の先端には、リベット８が配置される。このリベット８は、パンチ５により板組４に打ち込まれるものであり、汎用品のリベットでよく、フルチューブラリベットなどを用いることができる。リベット８の材質は、板組４に打ち込んで接合可能且つ打ち込み後の熱処理及び冷却によりマルテンサイト組織を得ることができるものであれば特に限定されるものでなく、例えば機械構造用鋼、高硬度鋼等であることができる。

打ち込み前において、リベット８は、パンチ５に支持された状態または適宜の支持部材により支持された状態で、板組４の上方に配置され得る。

パンチ５をリベット８または適宜の支持部材に指示させる方法は特に限定されないが、例えば、機械的に保持してもよく、パンチ５及び支持部材を、磁力を有する材料で構成して、リベット８を磁気的に付着させて保持してもよい。

パンチ５と対向して配置されるダイ６は、打ち込むリベット８の脚部の形状及び大きさに応じた皿状又は凹状の押付け拘束面１２を有し、その中央部に略円錐台形状の突出部１３を有してもよい。突出部１３の頂部は、ダイ６の上面よりもわずかに低くてもよい。突出部１３の根元部側は、押付け拘束面１２の底面に連続するように滑らかな円弧状面を有してもよい。

本開示の装置を用いてリベットを打ち込まれる板組４は、２枚の上側金属板２と下側金属板３とで構成されてもよく、３枚以上の複数の金属板を含んでもよい。金属板は、少なくとも一部に板状部を有し、板状部が互いに積み重ね可能な部分を有するものであればよく、全体が板状でなくてもよい。また、板組４は、別々の金属板から構成されるものに限定されず、１枚の金属板を管状などの所定の形状に成形したものを重ね合わせたものでもよい。

複数の金属板は、同一種類の金属板であってもよいし、異なる種類の金属板であってもよい。金属板は、高強度を有する金属板であることができ、鋼板、アルミニウム板、マグネシウム等であることができる。鋼板は、好ましくは高強度鋼板、より好ましくは７８０ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度鋼板であることができる。複数の金属板は、鋼板を１枚以上含んでもよく、７８０ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度鋼板を１枚以上含んでもよい。例えば、板組４は、板組４の全ての金属板を鋼板とする板組、上側金属板又は下側金属板を高強度鋼板とし、他の金属板を引張強度が７８０ＭＰａ未満の鋼板とする板組、上側金属板をアルミニウム板とし、下側金属板を高強度鋼板とする板組、又は板組４の全ての金属板をアルミニウム板とする板組でもよい。本開示の装置を用いれば、７８０ＭＰａ以上の引張強度を有する高強度鋼板を少なくとも１枚以上含む板組も良好に接合することができる。

金属板の厚さは、特に限定されるものでなく、例えば０．５〜３.０ｍｍとすることができる。また、板組の厚さも、特に限定されるものでなく、例えば１．０〜６．０ｍｍとすることができる。また、めっきの有無、成分組成なども、特に限定されるものでない。

図１には、板押え７からダイ６に向かう電流の流れを点線矢印で例示しているが、板組４を通電加熱できればよく、ダイ６から板押え７に向かう電流の流れとしてもよい。また、パンチ５からダイ６に向かう電流の流れを実線矢印で例示しているが、リベット８を通電加熱できればよく、ダイ６からパンチ５に向かう電流の流れとしてもよい。図２においても同様である。

（実施形態２）
図１を参照しながら、好ましい実施形態である実施形態２を説明する。

冷却装置はまた、好ましくは、パンチ５を介して、リベットの打ち込み開始から打ち込み終了までの間、リベットを冷却するように構成されている。板組４の通電加熱を行いつつ、パンチ５に接続された冷却装置でリベット８を冷却しながら、パンチ５でリベット８を打ち込んで板組４を接合することができる。

板押え７とダイ６との間で板組４を通電加熱しながらリベット８を打ち込む際に、パンチ５を介してリベット８を冷却することで、板組４の熱によるリベット８の軟化を抑制することができ、より安定してリベット接合を行うことができる。リベット８を冷却することによって、特に、リベット８を打ち込む際の板組４の温度が高い場合にも、リベット８の軟化を抑制して、リベット８が未貫通となることを防止して、より安定して接合を行うことができる。

リベット８の冷却は、リベット８の打ち込み開始から打ち込み終了までの間に行えばよい。すなわち、リベット８の冷却は、リベット８の打ち込み前から開始してもよく、打ち込み開始と同時に開始してもよいが、好ましくはリベット８の冷却は、打ち込み前から開始する。リベット８の冷却は、打ち込み終了と同時に終了してもよく、打ち込み終了後も継続して行ってもよいが、好ましくは打ち込み終了と実質的に同時に終了する。

冷却装置に備えられた制御装置は、冷却温度並びに冷却開始及び終了のタイミングを制御することができる。制御装置は、好ましくは打ち込み終了時点において、より好ましくは打ち込み開始から打ち込み終了まで、リベット８の温度が、好ましくは３〜５０℃、より好ましくは５〜３０℃となるように、冷却装置を制御することができる。リベット８の温度は、例えば、実際に接合を行う前に、事前にリベットの温度測定用の予備試験を行い、熱電対を用いてリベットの温度を測定しておくことができる。

リベット８の熱処理を行う間、パンチ５を介したリベット８の冷却を継続してもよいが、好ましくは冷却装置の冷却量を低減させ、より好ましくは冷却装置を停止する。

（実施形態３）
図２を参照しながら、好ましい実施形態である実施形態３を説明する。図２に、ダイの一部に工具鋼を備える機械的接合装置を用いた機械的接合の形態を表す断面模式図を示す。図２（ａ）は、ダイの一部に工具鋼を用いた場合に、リベットの打ち込み前に板組を通電加熱している状態を表す断面模式図であり、図２（ｂ）は、ダイの一部に工具鋼を用いた場合に、リベットの打ち込み後にリベットを通電加熱している状態を表す断面模式図である。図２の機械的接合装置は、ダイ６が工具鋼製のダイ６ａと銅又は銅合金製のダイ６ｂで構成されること以外は、図１の機械的接合装置と同様の構成を有する。

ダイの変形を抑制するためには、ダイのうち、板組４を間に挟んでリベットと対向する部分（リベット８が打ち込まれる部分の下方部分）の強度を強くすることが効果的である。そのため、図２に示すように、ダイ６のうち、リベット８が打ち込まれることで変形し得る下側金属板３を拘束する部分を工具鋼製のダイ６ａとすることで、ダイ６の強度を大きくすることができ、ダイ６の変形を抑制できる。

板組にリベットを打ち込むときに、板押えとダイとの間で通電すると、又は打ち込んだリベットの熱処理をするときにパンチとダイとの間で通電すると、ダイは加熱される。このとき、ダイの材質が全て工具鋼であると、ダイが軟化しやすい。そのため、好ましくは、工具鋼製のダイ６ａの外周部分を、電流を流れ易くする観点から、銅又は銅合金で構成する。

工具鋼製のダイ６ａの外周部分を取り囲むように、電気抵抗の低い銅又は銅合金製のダイ６ｂを配置することによって、板押え７とダイ６との間で通電するときに、又はパンチ５とダイ６との間で通電するときに、電流が電気抵抗の低い外周部分に優先的に流れるので、工具鋼製のダイ６ａが加熱され難くなり、軟化を防止することができる。

ダイ６の一部を工具鋼で構成する場合、ダイ６のうち、少なくとも板組４を間に挟んでリベット８と対向する部分を工具鋼で構成すればよいが、板組４を間に挟んで板押え７と対向する部分の一部も工具鋼で構成してもよい。ただし、ダイ６のうち、銅又は銅合金で構成される部分の割合が少なくなるにつれて、電流が工具鋼を流れて工具鋼が軟化しやすくなるため、板押え７とダイ６との間又はパンチ５とダイ６との間の通電量に応じて、工具鋼で構成される部分と銅又は銅合金で構成される部分との割合を調整することができる。

本開示はまた、複数枚の金属板にパンチによりリベットを打ち込む機械的接合方法であって、
複数枚の金属板を準備すること、
対向して配置されたパンチ及びダイの間に、前記複数枚の金属板を重ね合わせて配置すること、
前記パンチを内部に挿入可能な筒状体である板押えの一方の端部を、前記複数枚の金属板の前記パンチ側の金属板に押し付けること、
前記板押えにより押さえられた前記複数枚の金属板に、前記パンチによりリベットを打ち込むこと、
前記リベットの打ち込み前に、前記複数枚の金属板の温度を上げるように、前記板押え及び前記ダイを介して、前記複数枚の金属板への通電加熱を行うこと、並びに
前記パンチにより前記リベットを打ち込んだ後に、前記パンチ及び前記ダイを介して前記リベットを通電加熱し、次いで前記リベットを冷却すること、
を含む、機械的接合方法を対象とする。

本開示の接合方法について、図１を参照しながら説明する。

複数枚の金属板の板組４を準備する。板組４は、引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を少なくとも１枚含んでもよく、引張強度が７８０ＭＰａ未満の金属板のみを含んでもよい。

板組４をダイ６の上に載置し、筒状体である板押え７の一方の端部を、板組４のパンチ５側の金属板に押し付け、板押え７により押さえられた板組４に、パンチ５によりリベット８を打ち込む。

リベットの打ち込み前に、板組４の温度を上げるように、板押え７及びダイ６を介して、板組４への通電加熱を開始し、リベット８の打ち込み終了まで板組４を通電加熱する。

リベットの打ち込み後、パンチ及びダイを介して、リベットを通電してオーステナイト域になる温度まで加熱し、次いで冷却してマルテンサイト組織にして、リベットを高強度化する。

好ましくは、リベット８の打ち込み開始から打ち込み終了までの間、パンチ５を介してリベット８を冷却する。

好ましくは、ダイのうち、少なくとも複数枚の金属板を間に挟んでリベットと対向する部分の材質が工具鋼であり、工具鋼の外周部分の材質が銅又は銅合金である。

本開示の接合方法の構成について、上記機械的接合装置にて説明した構成を適用することができる。

（実施例１）
図１に示す機械的接合装置１を用いて、板組にリベットを用いた機械的接合を行い、接合継手の継手強度試験を行った。

引張強度が７８０ＭＰａ以上の高強度鋼板として９８０ＭＰａの引張強度を有する厚み１．２ｍｍの鋼板を上側金属板とし、引張強度が７８０ＭＰａ未満の鋼板として４４０ＭＰａの引張強度を有する厚み１．６ｍｍの鋼板を上側金属板とする板組４を準備した。

図１（ａ）に示すように、板組４を銅製のダイ６の上に載置し、銅製の板押え７で板組４を押さえて密着させた。高硬度鋼製で直径６ｍｍのフルチューブラリベットを用意してパンチ５に保持させた。

板押え７及びダイ６に、温度調節器を備えた第１の電源装置を用いて１０ｋＡの電流を１秒間流し、７５０℃に到達したところで、１．０％Ｃｒ−Ｃｕ製のパンチ５でリベット８を打ち込んで接合を行った。

打ち込み終了後、リベット８の冷却及び板組４の加熱を停止し、パンチ５及びダイ６に、温度調節器を備えた第２の電源装置を用いて８ｋＡの電流を０．５秒間流し、リベット８がオーステナイト域の９００℃になるまで加熱し、次いで３０℃／秒の冷却速度で１５０℃まで、温度調節器を備えた冷却装置を用いて急冷した。

熱処理後のリベットを調査したところ、マルテンサイト組織を有していることが確認できた。そして、接合継手の継手強度試験を実施したところ、リベットを熱処理しない場合に比べて、リベットを含む周辺の破損が低減したことが分かった。

（実施例２）
温度調節器を備えた冷却装置に接続され図１に示す冷却管９を内部に備えたパンチ５を用いて、パンチ５を介してリベット８を３０℃に冷却しながら、パンチ５でリベット８を打ち込んだこと、及び板組４を７８０℃まで加熱したこと以外は、実施例１と同様の条件で接合試験を行った。リベット破損を生じることなく、板組の接合を行うことができた。

（実施例３）
図２に示す機械的接合装置１を用いて、板組４を間に挟んでリベット８と対向する部分を工具鋼製のダイ６ａとし、ダイ６ａの外周部分に銅製のダイ６ｂを配置したこと以外は、実施例１と同様の条件で接合試験を行った。ダイ６の変形を抑制することができ、且つ金属板の割れ、リベット破損、及びリベット未貫通を生じることなく、板組の接合を行うことができた。

１ 機械的接合装置
２ 上側金属板
３ 下側金属板
４ 板組
５ パンチ
５ａ パンチの大径部
５ｂ パンチの小径部
６ ダイ
６ａ 工具鋼製のダイ
６ｂ 銅又は銅合金製のダイ
７ 板押え
８ リベット
９ 冷却管
１０ 貫通孔
１１ 絶縁層
１２ 押付け拘束面
１３ 突出部
１４ 可動板
１５ ホルダ
１６ 圧縮コイルバネ
１７ 保持板
１８ 樹脂成形体
１９ ガイドボルト

Claims (6)

1. 複数枚の金属板にパンチによりリベットを打ち込む機械的接合装置であって、
   パンチ及びダイと、
   板押えと、
   第１の電源装置と、
   第２の電源装置と、
   冷却装置と、
   を備え、
   前記パンチ及びダイは、重ね合わせた複数枚の金属板を間に挟むことができるように、対向して配置され、
   前記板押えは、前記パンチを内部に挿入可能な筒状体であり、前記板押えの一方の端部を、前記複数枚の金属板の前記パンチ側の金属板に接触させて、前記複数枚の金属板を押し付け可能且つ通電加熱可能な電極体材料で構成され、
   前記パンチは、リベットを打ち込み可能且つ通電加熱可能な電極体材料で構成され、
   前記ダイは、前記複数枚の金属板を支持可能且つ前記リベットを通電加熱可能な電極体材料で構成され、
   前記第１の電源装置は、前記パンチにより前記リベットを打ち込む前に、前記複数枚の金属板の温度を上げるように、前記板押え及び前記ダイを通電するように構成され、
   前記第２の電源装置は、前記パンチにより前記リベットを打ち込んだ後に前記リベットを通電して熱処理するように、前記パンチ及び前記ダイを通電するように構成され、
   前記冷却装置は、前記パンチに接続されており、前記リベットの熱処理後に前記リベットを冷却するように構成されている、
   機械的接合装置。
2. 前記冷却装置がさらに、前記リベットの打ち込み開始から打ち込み終了までの間、前記リベットを冷却するように構成されている、請求項１に記載の機械的接合装置。
3. 前記ダイのうち、少なくとも前記複数枚の金属板を間に挟んで前記リベットと対向する部分の材質が工具鋼であり、前記工具鋼の外周部分の材質が銅又は銅合金である、請求項１または２に記載の機械的接合装置。
4. 複数枚の金属板にパンチによりリベットを打ち込む機械的接合方法であって、
   複数枚の金属板を準備すること、
   対向して配置されたパンチ及びダイの間に、前記複数枚の金属板を重ね合わせて配置すること、
   前記パンチを内部に挿入可能な筒状体である板押えの一方の端部を、前記複数枚の金属板の前記パンチ側の金属板に押し付けること、
   前記板押えにより押さえられた前記複数枚の金属板に、前記パンチによりリベットを打ち込むこと、
   前記リベットの打ち込み前に、前記複数枚の金属板の温度を上げるように、前記板押え及び前記ダイを介して、前記複数枚の金属板への通電加熱を行うこと、並びに
   前記パンチにより前記リベットを打ち込んだ後に、前記パンチ及び前記ダイを介して前記リベットを通電加熱し、次いで前記リベットを冷却すること、
   を含む、機械的接合方法。
5. 前記リベットの打ち込み開始から打ち込み終了までの間、前記パンチを介して前記リベットを冷却することをさらに含む、請求項４に記載の機械的接合方法。
6. 前記ダイのうち、少なくとも前記複数枚の金属板を間に挟んで前記リベットと対向する部分の材質が工具鋼であり、前記工具鋼の外周部分の材質が銅又は銅合金である、請求項４または５に記載の機械的接合方法。

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