JP6615087B2 - 摩擦圧接接合体 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦圧接接合方法に関し、特にシャフト体とフランジ体との接合方法及びそれにより得られる摩擦圧接接合体に係る。

２つの部材を相対摩擦回転させることで摩擦熱を発生させる摩擦工程の後に回転を停止し相互に加圧するアプセット工程からなる摩擦圧接接合方法は公知である。
例えば特許文献１，２には、シャフト部とプーリー部とを摩擦圧接接合するに当たり、軟化した軽合金の一部を充填する周溝部を設けたり、内周面と外周面との間に空間を設ける技術を開示する。
しかし、これらの摩擦圧接方法は、軟化，溶融した金属を溝部や空間に流し込むものであり、シャフト部とプーリー部との２つの金属間化合物の厚い層が形成されるものであり、接合強度が不充分となる恐れがあった。

日本国特開２００４−１３８２０９号公報 日本国特許第４０５９６５０号公報

本発明は、接合強度に優れ、生産性の高い摩擦圧接接合体及びそれを製造するための摩擦圧接接合方法の提供を目的とする。

本発明に係る摩擦圧接接合体は、シャフト体の外周面とフランジ体に設けた孔の内周面とが摩擦圧接接合方法による接合層で接合してあり、前記接合層の厚みが０．３μｍ以上で１μｍ以下の均一層であることを特徴とする。
このような接合体は強度に優れ、自動車部品に適用でき、軽量化を図るのに有効で信頼性が高い。
また、本発明に係る摩擦圧接接合方法は、シャフト体とフランジ体との接合方法であって、シャフト体は外周部に円錐台状の接合テーパー部を有し、フランジ体は内周面が円筒状の接合孔を有し、前記接合テーパー部の最小外径Ｌ_ＭＩＮ，最大外径Ｌ_ＭＡＸに対して、前記接合孔の内径がＬ_ＭＩＮ＋（Ｌ_ＭＡＸ−Ｌ_ＭＩＮ）×２／３以下であり、前記シャフト体の接合テーパー部をフランジ体の接合孔に摩擦接触させた状態に押し込み、相対回転させ、その後に相対回転を停止しシャフト体をフランジ体に向けてさらに押し込み、摩擦圧接させることを特徴とする。
ここで、シャフト体とは棒状の部材をいい、フランジ体とはシャフト体につば状に接合する部材をいう。
フランジ体の接合孔の内径をシャフト部の接合テーパー部のＬ_ＭＩＮ＋（Ｌ_ＭＡＸ−Ｌ _ＭＩＮ）×２／３以下に設定したのは、シャフト部の接合テーパー部をフランジ体の接合孔に挿入したプリセット状態で、接合孔の接触端部がテーパー部の内周面に接触する位置を最大径側よりにならないようにするためである。
この状態でシャフト体をフランジ体に向けて押し込み摩擦接触させながら相対的に回転させると摩擦熱で接触孔の接触端部が軟化し、シャフト体の押し込み方向とこのシャフト体の反押し込み方向の両方に向けて塑性流動させながら摩擦工程及びアップセット工程を経て相互に接合されることになるが、その流動層の厚みが均一になる。
ここで摩擦工程とは、相互の摩擦により摩擦熱を発生させる工程をいい、アップセット工程とは相対回転を止め、加圧する工程をいう。
シャフト体の接合テーパー部は、最大外径側と最小外径側とでは周速が異なる。
また、シャフト体とフランジ体との材質において、例えばシャフト体が鉄材であり、フランジ体がアルミ材である組合せの場合にフランジ体の方が流動性が高い。
このような組合せの場合に、アプセット工程におけるアルミ側の流れが均一になるように、接合孔の内径は前記接合テーパー部の最小外径Ｌ_ＭＩＮ，最大外径Ｌ_ＭＡＸに対して、Ｌ_ＭＩＮ＋（Ｌ_ＭＡＸ−Ｌ_ＭＩＮ）×１／４以下であるように設定するのが好ましい。

本発明に係る摩擦圧接接合体及びその接合方法においては、シャフト体に従来技術のような溝加工が不要でかつ、フランジ体の接合孔は、円筒状に加工するだけで従来のようなテーパー加工が不要であることから、加工費の低減が可能である。
また、接合層の厚みが０．３μｍ以上で、１μｍ以内の概ね均一な層となり、シャフト体とフランジ体との接合面に形成された金属間化合物層や拡散層からなる接合層の強度が強い。

本発明に係るシャフト体とフランジ体の構造例を示す。（ａ）は全体図、（ｂ）は接触端部付近の拡大図を示す。 接合後の断面模式図を示す。 比較例に示した接合形状を示し、（ａ）は比較例１，（ｂ）は比較例２を示す。 接合層の厚みの測定位置を示す。 評価結果を示す。 第２の接合例を示す。（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はシャフト体とフランジ体との組合せ例を示す。 評価結果を示す。

１ シャフト体
１ａ 接合テーパー部
２ フランジ体
２ａ 接合孔
２ｂ 接触端部
３ 接合層

本発明に係る摩擦圧接接合体及びその接合方法を以下説明するが、本発明は本実施例に限定されない。
図１に示すようにシャフト体１は、第１シャフト部Ｓ_１とこれにより径の大きい第２シャフト部Ｓ_２との間に円錐台状の接合テーパー部１ａを形成してある。
この接合テーパー部の傾斜角θを接合角と表現する。
フランジ体２は、厚みｔ_１方向に孔明した円筒状の内径Ｄ_１からなる接合孔２ａを形成する。
シャフト体１は、棒状であり、フランジ体は板状であればその形状に制限はない。
フランジ体２の厚みｔ_１は、接合テーパー部の幅Ｌと同等又は接合テーパー部の幅Ｌの方が厚みｔ_１よりも少し大きい。
本発明において接合角θは、２０〜６０°の範囲がよく、好ましくは３０〜４５°の範囲である。
その範囲にて、図１（ｂ）に示すように接合孔２ａの接触端部２ｂが接合テーパー部の中央部付近に当接するように接合孔の内径Ｄ_１と第１シャフト部の外径Ｓ_１を設定する。
より具体的には、接合テーパー部１ａの最小径Ｌ_ＭＩＮ，最大径Ｌ_ＭＡＸとの間を３等分し、Ｌ_２／３以下の最小外径側に接触端部２ｂが位置するようにする。
このようにプリセットし、シャフト体１をフランジ体２側に所定の力で押し込み、相互回転させることで摩擦熱を発生させる摩擦熱により接触端部が軟化すると回転を停止、直にシャフト体１の押し込み力をアップさせ、アップセットする。
このように設定し、摩擦圧接接合すると図２に示すようにフランジ体の接合孔２ａの接触端部２ｂがシャフト体１のフランジ体２への押し込みにより、接合孔の材料が押し込み方向とその反対方向の両方に向かって塑性流動し、シャフト体１の接合テーパー部１ａに沿った接合層３が均一に形成される。

シャフト体の第１シャフト部のシャフト径Ｓ_１（ｍｍ）と接合孔の内径Ｄ_１（ｍｍ）との関係を図５の表に示すように設定し、接合角θを３０，４５°にて摩擦圧接接合した。
なお、フランジ体の肉厚（厚み）ｔ_１＝５ｍｍとした。
（１）シャフト体の材質：Ｓ４５Ｃ材
（２）フランジ体の材質：アルミニウム合金ＡＣ４Ｃ−Ｔ６材とした。
実施例１，２は、図１に示すように接触端部２ｂがＬ_２／３以下の範囲になり、比較例１，２は接触端部２ｂの位置が図３（ａ）比較例１，（ｂ）比較例２の状態になるものである。
摩擦工程は、押し込み力（押付力）２５ｋＮ，回転数１２００ｒｐｍ，摩擦時間０．６秒であり、アップセット工程は押し込み力（押付力）６５ｋＮ，アップセット時間５秒とした。
測定した接合層３の厚みは、図４に示すａ，ｂ，ｃの３点である。
フランジ体とシャフト体の接合部の剪断荷重を測定したところ、実施例１，２は２６．３ｋＮ，３０．８ｋＮと高い値であった。
これに対して、比較例１，２は２０ｋＮ以下の低い値であった。
これは、実施例１，２はａ，ｂ，ｃ部位の接合層の厚みが０．３μｍから１μｍ以下の範囲で均一であったのに対して、比較例はいずれも不均一であったためと思われる。
部分的に薄い部位や接合層が形成されていない部位があり、バラツキが大きかったためと思われる。
本発明においてシャフト体とフランジ体とは同質の材料でもよい。
また、異質の材料からなる場合は例えばシャフトが鉄材、フランジ体がアルミ材等フランジ体の方がシャフト体より塑性流動性に優れる組み合せがよい。

シャフト体が鉄材でフランジ体がアルミ材である組合せにて接合形態をさらに検討したので、以下説明する。
図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にそれぞれシャフト体１とフランジ体２の組合せを示し、（Ａ），（Ｂ）は右側に接触端部２ｂ付近の拡大図を示す。
シャフト体のシャフトＳ_３の外径は、（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）いずれも３５ｍｍで、フランジ体２の厚みは（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）いずれも５ｍｍである。
フランジ体２の接合孔内径Ｄ_２は、（Ａ）＝２６．０ｍｍ，（Ｂ）＝２８．０ｍｍ，（Ｃ）＝２４．０ｍｍであり、（Ｃ）はシャフト体２の端面の中央部に凹部を形成し、（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にて接合面積が概ね同一になるように調整した。
（Ａ）は、フランジ体２の接触端部２ｂの位置が接合テーパー部の最小外径側から厚みの１／４以下に位置し、（Ｂ）は接触端部２ｂの位置がテーパー面の略中央に位置する。
摩擦工程は加圧力：２０ＫＮとし、アプセット工程は加圧力：５５ＫＮ，加圧保持時間：５５ｓｅｃとした。
摩擦工程における回転数と摩擦時間を図７の表に示すように条件設定し、得られた接合体の評価結果を同図７に示す。
界面近傍温度は、接合端部付近の温度を計測した。
静ねじりトルクは、フランジ体とシャフト体との相対的な破壊トルク、剥離強さはフランジ体からシャフト体を上方に引き抜く力をいう。
最大反応層の厚さは、金属間化合物及び拡散層の厚みを顕微鏡にて測定した。
この結果から実施例３〜５は、回転数２０００ｒｐｍ，摩擦時間０．２〜０．８ｓｅｃの間で安定した反応層（接合層）を形成し、静ねじりトルク，剥離強さの値も高く安定した。
これに対して参考例２は、２０００ｒｐｍ，摩擦時間０．２ｓｅｃで、実施例３と同じ条件でありながら、反応層（接合層）の厚みが１．２μｍと１．０μｍ以上になっているので、接合強度が低下している。
これは、（Ａ）の場合に接触端部２ｂの位置が接合テーパー部の最小外径側１／４以下であり、（Ｂ）はその位置がテーパー面の中央部付近であることから、摩擦工程におけるシャフト体の回転数が２０００ｒｐｍと比較的高速であっても周速は（Ｂ）よりも（Ａ）の方が遅く、摩擦面が高温になり過ぎることがなかったものと界面近傍温度の測定結果から推定される。
このこと及び比較例３，４からも接合層が１μｍを超え、厚くなり過ぎても逆に接合強度が低下することが分かる。
また、図７の表の実施例３〜５と参考例２，３を比較すると、フランジ体の方がシャフト体よりも流動性の高い材質の場合には、接合孔の内径は前記接合テーパー部の最小外径Ｌ_ＭＩＮ，最大外径Ｌ_ＭＡＸに対して、Ｌ_ＭＩＮ＋（Ｌ_ＭＡＸ−Ｌ_ＭＩＮ）×１／４以下にすることで、即ちフランジ体の接触端部２ｂの位置が接合するためのテーパー面の小径側から軸方向１／４以下にした方が、高速度，短時間で接合できるとともに接合可能な条件範囲が広い。
本実施例では、フランジ体の接合孔の内周面が円筒状であったが、接触端部の位置がテーパー面の所定の位置になるものであれば、必ずしも円筒状に限定されるものではない。

本発明は、シャフト体と接合孔を有する板状、又はつば状のフランジ体との組合せであれば強度に優れた摩擦圧接接合体が得られるので、車両部品，機械部品等、広い分野の要素部材として利用できる。

Claims (2)

1. シャフト体の外周面とフランジ体に設けた孔の内周面とが摩擦圧接接合方法による接合層で接合してあり、
   前記接合層の厚みが０．３μｍ以上で１μｍ以下の均一層であることを特徴とする摩擦圧接接合体。
2. 前記シャフト体とフランジ体との接合体が自動車用部品であることを特徴とする請求項１記載の摩擦圧接接合体。

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