JP6795124B2 - 接合構造、接合方法及び自動車用部材 - Google Patents

Description

本発明は、接合構造、接合方法及び自動車用部材に関する。
本願は、２０１８年９月２６日に日本に出願された特願２０１８−１８０１５１号及び２０１８年９月２６日に日本に出願された特願２０１８−１８０２６６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、自動車分野では、車体の組立や部品の取付けなどにスポット溶接が多用されており、高強度鋼板を含む複数枚の鋼板の接合などもスポット溶接で行われる。しかし、高強度鋼板、特に、引張強度が７８０ＭＰａ以上の鋼板を含むようなスポット溶接継手では、ナゲットの靭性が低下し、剥離方向の応力が負荷されるとナゲット端部に応力が集中するため、鋼板の引張強さが増加したにもかかわらず、十字引張強さ（ＣＴＳ）が、増加しないか、又は、減少するという問題がある。

この問題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、すなわち、被接合材である複数枚の金属板を重ね合わせ、金属板を板押えで押さえながら、パンチでリベットを打ち込み、複数枚の金属板をリベットで接合するセルフピアシングリベットを用いた技術がある。しかし、この技術では、リベットを打ち込むため、パンチと接触する金属板と反対側（ダイ側）の金属板の変形が非常に大きくなり、ダイ側の金属板で割れが発生するという問題や、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で十分な値が得られないという問題などがあった。

また、リベットのような頭部と軸部を有する接続部材を用いて金属板を接合する他の技術として、特許文献１、２に開示の技術もある。この技術では、接続部材を、重ね合わされた下側の金属板まで貫通させるのではなく、下側の金属板と接続部材を摩擦圧接して、接続部材の頭部と下側の金属板の間で、上側の金属板を固定するようにしている。

特許文献１では、アルミニウム板と鋼板のように強度の異なる２枚の板材を次のように接合する。すなわち、２枚の板材を強度の低い方の板材を上板２にして重ね合わせ、図１に示すように、上板２上に、ホルダー６で支持させて接続部材１をセットする。その上で、加圧回転部材４の先端の係合凸部５を、図２に示すように、接続部材１の頭部に形成された凹部１０に係合させ、加圧回転部材４を回転させながら、加圧回転部材４を下板３方向に移動させて、接続部材１に回転と押圧力を加え、接続部材１を上板２の内部に向けて押圧する。

接続部材１の回転により、リベットの軸部９と上板２の間に強い摩擦が生じ、接続部材１の先端部が加熱される。これにより上板２が軟化して、接続部材１が隆起部１２を形成しながら上板２内に進入し、接続部材１の先端が下板３に到達した後、接続部材１の軸部９と下板３の間で摩擦圧接のプロセスを進行させ、軸部９と下板３を摩擦圧接するとともに、頭部８で隆起部１２を押える。この結果、図３に示すように、接続部材１と下板３が摩擦圧接部１１で接合され、上板２は、接続部材の頭部８と下板３との間で固定される。

このような特許文献１の技術は、上記のリベット接合の有する問題点を解決できるものではあるが、接続部材が貫通される側の板材（上板２）に鋼よりも強度の低いアルミ系金属板などの軽金属板を用いた場合の接合技術であり、特許文献１には鋼板のみを用いた場合の接合については示されていない。

本発明者は、上板２をアルミ板から鋼板に代えて実験したところ、鋼板では高い接続部材の押し込み力が必要になり、発熱量が増加し、接続部材自体が軟化して、図４に示すように、接続部材１の先端が下板３に達するまで、接続部材１を押し込むことができなかった。

特許文献２には、図５に示すように、上板２に、接続部材の軸部９の径よりも大きな内径の貫通孔１３を予め設けておき、図６に示すように、下板３と接続部材１を摩擦溶接することにより、接続部材の頭部８（円錐形状のディスク）と下板３間で上板２を固定する技術が記載されており、接続部材先端で上板を穿孔する必要がなく、図４で示した問題がなくなり、上板が鋼板の場合でも接合を可能とする技術と考えられる。

しかし、この技術では、図１〜図３で示す技術とは異なり、貫通孔１３の内面と軸部９の間に隙間ができるか、貫通孔１３の内面と軸部９が接合されていない。このため、図７のように接続部材１の頭部８が上板２を押さえることができず、上板が固定されずに自由に回転してしまう虞がある。また、上板２の孔の直径より大きい直径の頭部８を有する接続部材１が必要であり、接続部材の製作費用が高くなる。

また、接合構造における接合状態が摩擦圧接のそれとは異なる技術であるが、特許文献３、４及び５では、摩擦攪拌プロセスを採用した接合技術が開示されている。摩擦攪拌プロセスは、例えば、摩擦熱と塑性流動により軟化した接続部材と金属板の材料同士が混ざり合うことで接合状態が得られる。

しかし、鋼部材の摩擦攪拌には、高価な超硬合金のツールが必要である。高価な超硬合金を接続部材として使用すると、接合に要するコストが非常に高くなるという問題があった。

特開２０１１−６２７４８号公報 特表２０１０−５２６６６６号公報 特開２０１１−１７３１６３号公報 特開２００７−３０１６２８号公報 特開２０１５−１３９７８８号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、複数の鋼部材を安定して接合することができる接合構造及び接合方法、並びに、この接合構造を有する自動車用部材を提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様に係る接合構造は、
重ね合わせた複数の鋼部材を、軸方向において断面が一定である軸部を有する接続部材を用いて接合した接合構造であって、
第１の鋼部材と、第１の鋼部材に重ね合わされる一又は複数の第２の鋼部材とを有し、
接続部材の軸部が第２の鋼部材を貫通し、接続部材の軸部と第２の鋼部材が摩擦圧接により接合され、
軸部と第１の鋼部材が摩擦圧接により接合され、
前記軸部と前記第２の鋼部材との境界の最大の直径をＤｍａｘ２、
前記Ｄｍａｘ２の測定位置よりも前記第２の鋼部材から離れた部位における前記軸部の最小の直径をＤｍｉｎとしたとき、
前記Ｄｍａｘ２は、前記Ｄｍｉｎの１．２０倍以上である
ことを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の接合構造では、
軸部と第１の鋼部材との境界の最大の直径をＤｍａｘ１としたとき、
Ｄｍａｘ１は、Ｄｍｉｎの０．６５倍以上であってもよい。
（３）上記（２）に記載の接合構造では、
Ｄｍａｘ１がＤｍｉｎの０．９２倍以上であってもよい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の接合構造では、
Ｄｍｉｎが３．０〜１０．０ｍｍであってもよい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の接合構造では、
第２の鋼部材の厚さの合計が１．０〜５．０ｍｍであってもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の接合構造では、
第１の鋼部材及び第２の鋼部材の引張強度が５９０ＭＰａ以上であってもよい。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の接合構造では、
接続部材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０％以上
Ｆｅ：９０％以上
であってもよい。
（８）上記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の接合構造では、
接続部材において、第１の鋼部材と摩擦圧接されていない方の軸部の端部に、さらに軸部の直径より大きい直径の頭部が設けられていてもよい。

（９）本発明の一態様に係る接合方法は、上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の接合構造を得るための接合方法であって、
第１の鋼部材と、軸部の直径の０．６０倍超１．１５倍以下の直径を有する貫通孔が形成された一又は複数の第２の鋼部材とを準備する工程と、
第１の鋼部材の接合予定箇所に貫通孔が重なるように、第１の鋼部材に、第２の鋼部材を重ね合わせる工程と、
軸部を貫通孔に挿入し、接続部材を回転させながら軸部を第１の鋼部材に押付け、軸部と貫通孔との間及び軸部と第１の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程と、
接続部材の回転を停止した状態で、軸部を第１の鋼部材に押付けて、軸部と貫通孔との間及び軸部と第１の鋼部材との間を摩擦圧接により接合する工程と、を含む
ことを特徴とする。
（１０）上記（９）に記載の接合方法では、
貫通孔の直径が軸部の直径の１．００倍超１．１５倍以下であってもよい。
（１１）本発明の一態様に係る接合方法は、上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の接合構造を得るための接合方法であって、
第１の鋼部材の接合予定箇所と第２の鋼部材の接合予定箇所とが重なるように、第１の鋼部材に、一又は複数の第２の鋼部材を重ね合わせる工程と、
少なくとも第２の鋼部材の接合予定箇所とその近傍を４００℃以上７００℃以下の予熱温度に加熱する工程と、
接続部材を回転させながら軸部を第２の鋼部材に押付け、軸部を第２の鋼部材に対して貫通させる工程と、
接続部材を回転させながら軸部を第１の鋼部材に押付け、軸部と第１の鋼部材との間及び軸部と第２の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程と、
接続部材の回転を停止した状態で、軸部を第１の鋼部材に押付けて、軸部と第１の鋼部材との間及び軸部と第２の鋼部材との間を摩擦圧接により接合する工程と、を含む
ことを特徴とする接合方法。
（１２）上記（１１）に記載の接合方法では、
予熱温度が５５０℃以上７００℃以下であってもよい。
（１３）上記（９）〜（１２）のいずれか１項に記載の接合方法では、
接続部材を回転させながら第１の鋼部材へ押付け、軸部と第１の鋼部材との間及び軸部と第２の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程において、接続部材の第１の鋼部材に対する押込み長が２．０ｍｍ以上であってもよい。
（１４）本発明の一態様に係る自動車用部材は、上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の接合構造を有する。

本発明によれば、複数の鋼部材を安定して接合することができる接合構造及び接合方法、並びに、この接合構造を有する自動車用部材を提供できる。

接続部材を用いた従来の接合技術を説明するための図であり、接合装置のホルダーに接続部材をセットした状態の断面図（ただし、加圧回転部材の係合凸部及び接続部材の凹部は外から見た正面図で示す。）である。 接続部材を用いた従来の接合技術を説明するための図であり、加圧回転部材で接続部材の上板内への押し込みを開始した状態の断面図である。 従来の接合技術による接合後の状態を示す図であり、上板にアルミニウム材を用いた例を示す図である。 従来の接合技術による接合後の状態を示す図であり、上板に鋼材を用いた例を示す図である。 接続部材を用いた従来の接合技術の他の例を説明するための図である。 従来の接合技術の他の例による接合後の状態を示す図であり、適切に接合が行われた例を示す図である。 従来の接合技術の他の例による接合後の状態を示す概略的な図である。 本実施形態に係る接合構造を説明するための概略的な断面図である。 本実施形態に係る摩擦圧接接合による接合構造を説明するための断面図である。 本実施形態に係る摩擦圧接接合による接合構造を説明するための他の断面図である。 摩擦攪拌点接合によって接合された接合構造を説明するための概略的な断面図である。 Ｄｍａｘ１を説明するための断面図である。 Ｄｍａｘ２を説明するための断面図である。 接続部材を用いた本発明の接合技術を説明するための図であり、接合装置のホルダーに接続部材をセットした状態の断面図（ただし、加圧回転部材の係合凸部及び接続部材の凹部は外から見た正面図で示す。）である。 接続部材を用いた本発明の接合技術を説明するための図であり、加圧回転部材で接続部材の第２の鋼部材の貫通孔内への挿入を開始した状態の断面図である。 本発明による接合後の状態を示す図であり、適切に接合が行われた例を示す。 本発明の接合方法で用いる加圧回転部材の加圧力と回転速度の時間パターンの一例を示す図である。 本発明による接合後の状態を示す概略的な図である。 接続部材を用いた本発明の接合技術の一例を説明するための図であり、鋼板の予熱段階の状態を示す。 接続部材を用いた本発明の接合技術の一例を説明するための図であり、鋼板の接合開始時の状態を示す。 本発明による接合後の状態の一例を示す図であり、適切に接合が行われた例を示す。 本発明による接合後の状態の一例を示す図であり、押し込み量が多い例を示す。 本発明の接合方法で用いる加圧回転部材の加圧力と回転速度の時間パターンの一例を示す図である。 タガネ試験の評価を説明するための断面図である。 タガネ試験の評価を説明するための断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、本明細書中において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。本明細書中において、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また、以下の実施形態の各要素は、それぞれの組み合わせが可能であることは自明である。

［接合構造］
次に、本発明の一実施形態に係る接合構造について説明する。

図８に示すように、本実施形態に係る接合構造は、重ね合わせた複数の鋼部材（１１０及び１２０）を、軸部１３１を有する接続部材１３０を用いて接合した接合構造１００であって、第１の鋼部材１１０と、第１の鋼部材１１０に重ね合わされる一又は複数の第２の鋼部材１２０とを有し、接続部材１３０の軸部１３１が第２の鋼部材１２０を貫通し、接続部材１３０の軸部１３１と第２の鋼部材１２０が摩擦圧接により接合され、軸部１３１と第１の鋼部材１１０が摩擦圧接により接合されていることを特徴とする。

本実施形態に係る接合構造１００では、接続部材１３０の軸部１３１と第２の鋼部材１２０が摩擦圧接により接合される。接続部材１３０の軸部１３１の少なくとも一部と第２の鋼部材１２０の少なくとも一部が接合される。

本実施形態に係る接合構造１００では、接続部材１３０の軸部１３１と第１の鋼部材１１０が摩擦圧接により接合される。接続部材１３０の軸部１３１の少なくとも一部と第１の鋼部材１１０の少なくとも一部が接合される。

本実施形態に係る接合構造１００における第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０は、それぞれが接続部材１３０と摩擦圧接によって接合されており、第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０は直接接合されない。もしくは、第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０が直接接合されている箇所があっても、後述のように、その接合により形成された界面１４０が軸部１３１近傍まで確認できる。したがって、摩擦圧接による接合は、被接合部材を塑性流動により混ぜ合わせる摩擦撹拌接合とは異なる。

本実施形態に係る接合構造１００のような摩擦圧接による接合か、摩擦攪拌接合等による接合かは、以下の手法で判別できる。

接続部材１３０、第１の鋼部材１１０及び第２の鋼部材１２０を含む接合構造１００について、接続部材１３０の軸部１３１の軸線ｃを含む断面で切断する。この切断面をナイタールによりエッチングする。エッチングされた切断面を観察したとき、接続部材１３０、第１の鋼部材１１０及び第２の鋼部材１２０の成分や組織の違いからそれぞれ腐食の程度が異なるので、接続部１３０材と第１の鋼部材１１０、及び接続部材１３０と第２の鋼部材１２０の境界については、これらの境界線を目視（拡大鏡やプロジェクターを利用した目視観察も含む。）や光学顕微鏡等によって観察することで認識できる。

ここで、接続部材１３０と第１の鋼部材１１０との境界及び接続部材１３０と第２の鋼部材１２０との境界から、第１の鋼部材１１０又は第２の鋼部材１２０側へ０．２０ｍｍ離れた位置に曲線を引いた時に、この曲線上に第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０との界面１４０が確認された場合、第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０は摩擦撹拌接合されていないと判断できると同時に、接続部材１３０と第１の鋼部材１１０および第２の鋼部材１２０とが接合されている場合、その接合方法は摩擦圧接であると判断できる。

摩擦撹拌接合による接合の場合、第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０が混ぜ合わされているため、上記の曲線上に第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０との界面は確認されない。

図９〜図１１に、上述した、０．２０ｍｍの位置に曲線を引いた例を示す。図９又は図１０は、本実施形態に係る、摩擦圧接接合による接合構造の断面図である。図９又は図１０の画像の例では、第１の鋼部材と第２の鋼部材が接続部材との摩擦圧接によって接合されている場合を示す。図９又は図１０の曲線（矢印で示された点状の曲線）上に第１の鋼部材と第２の鋼部材の界面が存在していることがわかる。

図１１の例は、本実施形態に係る接合構造１００とは異なり、第１の鋼部材４１０と第２の鋼部材４２０同士が、摩擦撹拌点接合で接合されている場合を示す。図１１の例では、第１の鋼部材４１０と第２の鋼部材４２０同士が摩擦撹拌点接合で接合されているため、上記の曲線（図１１では曲線ｄ）上に第１の鋼部材４１０と第２の鋼部材４２０の界面４４０が存在しない。なお、図１１の例では、接続部材として超硬合金製のツールを用いた場合であり、接続部材の軸部と第１の鋼部材４１０および第２の鋼部材４２０とは接合されていなかったため、接続部材１３０は取り外された状態を示している。

本実施形態に係る接合構造１００では、軸部１３１と第１の鋼部材１１０との境界の最大の直径をＤｍａｘ１、軸部１３１と第２の鋼部材１２０との境界の最大の直径をＤｍａｘ２、Ｄｍａｘ２の測定位置よりも第２の鋼部材１２０から離れた部位における軸部１３１の最小の直径をＤｍｉｎとしたとき、Ｄｍａｘ１は、Ｄｍｉｎの０．６５倍以上であり、かつＤｍａｘ２は、Ｄｍｉｎの１．２０倍以上であってもよい。この要件を満たすことで、より高い継手強度が得られる。なお、図８のように、第２の鋼部材１２０近傍の軸部１３１の直径は大きく変形しているため、原則として、その変形部を除外できる程度だけ離れた軸部１３１の最小の直径をＤｍｉｎとする。

接続部材１３０近傍における、接続部材１３０に対する第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０の境界が軸部１３１付近で不明確なため、軸部１３１と第１の鋼部材１１０の境界が不明確な場合がある。通常は、接続部材１３０の軸部１３１と第１の鋼部材１１０の境界の直径は、第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０の合わせ面付近の軸部１３１の直径が最も大きくなるため、そのような場合には、図１２に例示するように（図１２の（ａ）及び（ｂ））、第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０の合わせ面から上下に０．２ｍｍの範囲（図１２の矢印の範囲）における軸部１３１の最大の直径をＤｍａｘ１とする。

また、図１３に例示するように（図１３の（ａ）及び（ｂ））、上記境界が第２の鋼部材１２０の上面（第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０の合わせ面から、第２の鋼部材１２０側へ第２の鋼部材１２０の板厚だけ離れた面）から０．２ｍｍ以上離れて存在する場合、つまり、第２の鋼部材１２０の一部が０．２ｍｍ以上隆起している場合、０．２ｍｍ以上隆起した部分による継手強度向上代が小さいため、０．２ｍｍ以上隆起した部分（図１３の上側の点線より上側の範囲）は、Ｄｍａｘ２の測定対象外とする。つまり、Ｄｍａｘ２の測定対象範囲は、図１３の矢印の範囲とし、その範囲内での軸部１３１と第２の鋼部材１２０との境界の最大の直径をＤｍａｘ２とする。

ただし、軸部１３１と第１の鋼部材１１０とが離間し、明らかに接合していない場合、Ｄｍａｘ１はゼロ（０）とみなす。同様に、軸部１３１と第２の鋼部材１２０とが離間し、明らかに接合していない場合、Ｄｍａｘ２はゼロ（０）とみなす。なお、Ｄｍａｘ１、Ｄａｍａｘ２およびＤｍｉｎは、接続部材１３０の軸部の軸線ｃを含む断面で測定することができる。ただし、Ｄｍｉｎについては、軸部１３１の直径が予め判っている場合、断面での測定を省略し、その最小の直径をＤｍｉｎとみなしてもよい。

第２の鋼部材１２０と接続部材１３０の継手強度について、第２の鋼部材１２０と接続部材１３０間の接合面積が大きいほど、これらの部材間で継手強度が高まると考えられる。その場合の接合面積の指標がＤｍａｘ２（接合径）であり、Ｄｍａｘ２が大きい程、第２の鋼部材１２０と接続部材１３０の継手強度が高くなると言える。したがって、Ｄｍａｘ２はより大きい方が好ましい。

また、Ｄｍａｘ２が大きいということは、接続部材１３０の塑性変形が大きいことを指す。摩擦圧接を行うためには、接合される金属がお互いに十分に塑性変形することが必要である。Ｄｍａｘ２がＤｍｉｎの１．２０倍以上であれば、第２の鋼部材１２０と接続部材１３０が十分に摩擦圧接されるため、より好ましい。この接合部に荷重が負荷された場合（例えば、タガネ試験などで荷重負荷を再現できる。）、Ｄｍａｘ２が１．２０倍以上であれば、第２の鋼部材１２０と接続部材１３０の接合部の破断を抑制することができるため、より好ましい。

第１の鋼部材１１０と接続部材１３０の継手強度は、第１の鋼部材１１０と接続部材１３０との間の接合面積が大きいほど、これらの部材間で継手強度が高まると考えられる。すなわち、接合面積の指標となるがＤｍａｘ１が大きい程、第１の鋼部材１１０と接続部材１３０間の継手強度が高くなりより好ましい。Ｄｍａｘ１がＤｍｉｎの０．６５倍以上である場合、タガネ試験時に接合部は第１の鋼部材１１０のプラグ破断、部分プラグ破断、もしくは第２の鋼部材１２０で破断するため、良好な継手であると判断できる。なお、Ｄｍａｘ１がＤｍｉｎの０．７０倍以上であってもよい。これにより、より良好な継手構造が得られる。

本実施形態に係る接合構造では、Ｄｍａｘ１がＤｍｉｎの０．９２倍以上であってもよい。これにより、より高い継手強度を得ることができる。Ｄｍａｘ１の上限を特に定める必要はないが、Ｄｍａｘ１の上限は、Ｄｍｉｎの１．４０倍以下、１．３０倍以下又は１．２０倍以下としてもよい。Ｄｍａｘ２の上限を特に定める必要はないが、Ｄｍａｘ２の上限は、Ｄｍｉｎの１．６０倍以下、１．４０倍以下又は１．３０倍以下としてもよい。

本実施形態に係る接合構造では、高価な超硬合金製の接続部材を使用せず、安価な鋼材を使用するという観点から、接続部材は鋼材であることが好ましい。特に、接続部材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１０％以上
Ｆｅ：９０％以上
であってもよい。

本実施形態に係る接合構造では、第２の鋼部材１２０の厚さを特に限定する必要はないが、例えば、第２の鋼部材１２０の厚さの合計を０．６〜５．０ｍｍとしてもよい。

本実施形態に係る接合構造では、第１の鋼部材１１０及び第２の鋼部材１２０の材質や成分などを特に限定する必要はないが、例えば、第１の鋼部材１１０及び第２の鋼部材１２０の引張強度が５９０ＭＰａ以上であってもよい。第１の鋼部材１１０及び第２の鋼部材１２０の形状は板形状、つまり第１の鋼部材１１０及び第２の鋼部材１２０は鋼板であってもよい。

本実施形態に係る接合構造では、軸部１３１の直径（すなわち、Ｄｍｉｎ）を特に規定する必要はないが、例えば軸部１３１の直径を、３．０〜１０．０ｍｍとしてもよい。必要に応じ、軸部１３１の直径の下限を３．５ｍｍ又は４．０ｍｍとしてもよい。また、必要に応じ、軸部１３１の直径の上限を９．０ｍｍ、８．０ｍｍ、７．０ｍｍ又は６．０ｍｍとしてもよい。

本実施形態に係る接合構造の継手強度は接続部材１３０の直径の影響を強く受ける。したがって、第１の鋼部材１１０の厚さもしくは第２の鋼部材１２０の合計厚さのうちで、薄い方の厚さに合わせて軸部１３１の直径を選択することが好ましい。例えば、軸部１３１の直径を、
３×√（第１の鋼部材もしくは第２の鋼部材のうちで最も薄い厚さ）
以上としてもよい。また、軸部１３１は加圧時の予期せぬ座屈を防止するために、くびれ部や凹部がないことが好ましい。軸部１３１の形状は、円柱状でもよいが、第２の鋼部材１２０に対する貫通をより効果的に行うために、その先端部は、先端に近づくほど直径が小さくなる円錐形状又は多角錐形状であっても良い。また軸部１３１は、第１の鋼部材１１０側に配される直径が第２の鋼部材１２０側に配される直径以下であることが好ましい。

本実施形態に係る接合構造では、接続部材１３０において、第１の鋼部材１１０と摩擦圧接されていない方の軸部１３１と隣接した部位に、さらに軸部１３１の直径より大きい直径の頭部が設けられていてもよい。特に、頭部の直径を第２の鋼部材に形成される後述の貫通孔２２１の内径より大きくすることにより、より継手強度を高めることができる。しかし、本実施形態に係る接合構造では、第１の鋼部材１１０と第２の鋼部材１２０が、それぞれ接続部材１３０と接合されているため、接続部材の頭部は必須ではない。つまり、軸部１３１の直径より大きい直径の頭部がなくともよい。

上述した実施形態に係る接合構造は、自動車用部材として好ましく用いることができる。上述した実施形態に係る接合構造を有する自動車用部材は、高強度であるとともに、その接合部の摩擦圧接面の近傍における亀裂発生を抑制可能である。

次に、本発明の一実施形態に係る接合方法について説明する。なお、以下に説明する接合方法に係る実施形態は、上述した接合構造を得るための一例に過ぎない。

［接合方法１］
本実施形態に係る接合方法では、第１の鋼部材と、軸部の直径の０．６０倍超１．１５倍以下の直径を有する貫通孔が形成された一又は複数の第２の鋼部材とを準備する工程と、第１の鋼部材の接合予定箇所に貫通孔が重なるように、第１の鋼部材に、第２の鋼部材を重ね合わせる工程と、軸部を貫通孔に挿入し、接続部材を回転させながら軸部を第１の鋼部材に押付け、軸部と貫通孔との間及び軸部と第１の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程と、接続部材の回転を停止した状態で、軸部を第１の鋼部材に押付けて、軸部と貫通孔との間及び軸部と第１の鋼部材との間を摩擦圧接により接合する工程と、を含む。

本実施形態に係る接合方法では、図１４に概略を示すように、一方の側に、接続部材２３０の回転と送りを行うために先端に接続部材２３０との係合凸部５を有する加圧回転部材４と、該加圧回転部材４の外側に加圧回転部材と同軸に設けられた円筒状のホルダー６を配置し、他方の側に、接合しようとする第１の鋼部材２１０、第２の鋼部材２２０を加圧回転部材４に対向して支持する支持台７を有する接合装置を用いてもよい。また、以下の実施形態では、各鋼部材を、鋼板を例として説明する。

また、重ね合わせた鋼板を接続するための接続部材２３０は、例えば図１４に示すように、一般的なリベットと同様に軸部２３１と軸部２３１より大径の頭部２３２よりなり、頭部２３２に係合凸部５に嵌め合わされる凹部２３３を有してもよい。また、頭部２３２と軸部２３１の直径が等しい、すわなち、頭部２３２がない軸部２３１のみからなる接続部材を用いてもよい。この場合、軸部２３１の上端部に加圧回転部材４の係合凸部５に嵌め合わされる凹部２３３を有する。

以上のような装置を用いて次の手順で接合を行う。なお、重ね合わされた第１の鋼部材２１０、第２の鋼部材２２０について、接続部材２３０が挿入される側と反対側に位置する、ベースとなる鋼板を下板（第１の鋼部材２１０）と称し、その鋼板に重ね合わされる１枚あるいは２枚以上の鋼板を上板（第２の鋼部材２２０）と称する場合がある。ここでは、第２の鋼部材２２０が１枚の例を説明する。

ａ）接合しようとする第２の鋼部材２２０と第１の鋼部材２１０とを重ね合わせて、接合装置の支持台７上に載置する（図１４参照）。第１の鋼部材２１０と第２の鋼部材２２０の引張強度が異なる場合は、引張強度が低い方の鋼板を第２の鋼部材２２０とするのが好ましい。第２の鋼部材２２０の、接続部材２３０で接合しようとする箇所（接合予定箇所）には、予め貫通孔２２１があけられており、貫通孔２２１の中心がホルダー６の中心と一致するように鋼板をセットする。貫通孔２２１の内径（直径）は、接続部材２３０の軸部２３１の直径の０．６０倍超１．１５倍以下とする。

支持台７上に載置した第１の鋼部材２１０及び第２の鋼部材２２０をホルダー６と支持台７との間で保持させ、ホルダー６内に接続部材２３０をセットする（図１４参照）。以下、接続部材２３０として、軸部２３１と軸部２３１の片側に軸部２３１より大径の頭部２３２を有する接続部材２３０を用いる例で説明する。なお、重ね合わせる第２の鋼部材の枚数が３枚以上の場合も含め、第２の鋼部材のすべてに予め貫通孔をあけておく。

ｂ）次に、加圧回転部材４先端の係合凸部５を接続部材２３０の頭部２３２の凹部２３３に係合させ（頭部２３２がない接続部材２３０の場合は、軸部２３１の上部に加工された凹部２３３に係合させる、もしくは軸部２３１側面を油圧チャックなどで保持する）、加圧回転部材４を回転させながらホルダー６内を通して接続部材２３０先端を第２の鋼部材２２０の貫通孔２２１の入口に移動させる（図１５参照）。

ｃ）さらに加圧回転部材４で接続部材２３０に回転をかけながら押圧して、接続部材２３０を貫通孔２２１内に侵入させ、その先端部を第１の鋼部材２１０に接触させる。その際、貫通孔２２１の内径（貫通孔径）が接続部材２３０の軸部２３１の直径（軸径）よりも小さい場合は、接続部材２３０の先端が第２の鋼部材２２０に接触した後、加圧回転部材４の回転速度と接続部材２３０に対する押圧力を調整して、接続部材２３０の貫通孔２２１への侵入にともない、接続部材２３０の軸部２３１と貫通孔２２１の内壁の間に摩擦熱を発生させ、第２の鋼部材２２０の貫通孔２２１周辺の材料を流動させる。このとき、第２の鋼部材２２０の表面に隆起部２２２が形成されてもよい。

ｄ）接続部材２３０の軸部２３１先端が第１の鋼部材２１０に到達後、接続部材２３０の先端部と第１の鋼部材２１０の間にも摩擦熱を発生させる。この時、接続部材２３０の軸部２３１の先端部と第１の鋼部材２１０との間、及び接続部材２３０の軸部２３１と第２の鋼部材２２０の貫通孔２２１内壁の間で摩擦圧接ができるような温度になるように、且つ、軸部２３１の直径が増大するように、加圧回転部材４の回転速度を高め、十分な加圧力を負荷する。

貫通孔２２１の直径が軸径より大きい場合であっても、軸部２３１が第１の鋼部材２１０に押し付けられると、軸部２３１が変形し、軸部２３１の直径が増大し、軸部２３１と第２の鋼部材２２０の貫通孔２２１内壁とが接触し、摩擦熱が発生し、軸部２３１と貫通孔２２１の内壁とが部分的に摩擦圧接される。そして、貫通孔２２１の内径が軸部２３１の直径の１．１５倍以下であれば、上述の現象が起こる。

ｅ）接続部材２３０の軸部２３１と第１の鋼部材２１０、第２の鋼部材２２０の部分が十分に加熱されると、加圧回転部材４の回転を停止し、一定時間（例えば、０．５ｓｅｃ以上）加圧を保持することにより、接続部材２３０の軸部２３１と貫通孔２２１の内壁の間の少なくとも一部及び軸部２３１と第１の鋼部材２１０の間に摩擦圧接部２５０を形成して、接続部材２３０の軸部２３１と、第２の鋼部材２２０及び第１の鋼部材２１０とが接合されようにする（図１６参照）。

以上のｂ）〜ｅ）の段階の回転加工部材の回転数と加圧力の時間パターンの一例を図１７に示す。点線で示す回転速度のパターンは、図１７では、ｃ）、ｄ）間で一定となっているが、回転速度が変わるパターンを適宜採用してよい。また、実線で示す加圧力（押し込み力とも称する）は、ｅ）で高くしているが、例えば、ｃ）、ｄ）、ｅ）を一定の加圧力としてもよい。

貫通孔２２１の直径が接続部材２３０の軸部２３１の直径（軸径）よりも小さい場合の前記ｃ）の段階では、回転数は１０００ｒｐｍ（例えば、８００〜１５００ｒｐｍ）程度とし、接続部材２３０の軸部２３１の先端が第１の鋼部材２１０に到達した前記ｄ）の段階では、回転数５０００〜８０００ｒｐｍとすることが好ましい。これに対して、摩擦攪拌接合では、回転数が（接合の最終段階も含め）数百〜１５００ｒｐｍであり、この点でも摩擦圧接接合とは異なる。このため、摩擦圧接接合によって得られた接合構造を、軸部２３１の軸線ｃを含む断面で接合構造部を切断し、ナイタールでエッチングした場合、第２の鋼部材２２０と第１の鋼部材２１０との境界が、軸部２３１から０．２０ｍｍ離れた位置まで存在するようになる。

以上の結果、接続部材２３０は、軸部２３１の少なくとも一部が第２の鋼部材２２０と摩擦圧接され、軸部２３１先端が第１の鋼部材２１０と摩擦圧接される。これにより、接続部材２３０の押込み量が足りず頭部２３２と第２の鋼部材が接していない場合や、接続部材が頭部を有さない場合でも、図１８のように接続部材２３０と第２の鋼部材２２０との間が摩擦圧接部２５０で接合されているので、第２の鋼部材２２０が自由に回転することはない。

なお、特許文献１のように第２の鋼部材が軽金属の場合は、接続部材との接触部が溶融もしくは軟化して接続部材との強度差が過大となることで、第２の鋼部材に摩擦圧接部は形成されない。

第２の鋼部材２２０に開ける貫通孔２２１の直径は、接続部材２３０と第２の鋼部材２２０の間が摩擦圧接できる温度に達するよう、接続部材２３０の軸部２３１の直径（軸径）に対し、第２の鋼部材２２０の厚みや強度に応じて０．６０〜１．１５倍とすることが好ましい。０．６０倍未満であると、接続部材２３０が第２の鋼部材２２０を貫通することが困難になる虞がある。１．１５倍を超えると、接続部材２３０の外周と第２の鋼部材２２０との間が摩擦圧接することが困難となる虞がある。例えば、第２の鋼部材が複数の鋼板である場合は、第２の鋼部材全てに貫通孔をあける。

本実施形態に係る接合方法では、貫通孔２２１の直径が軸部２３１の直径の１．００倍超１．１５倍以下であってもよい。これにより、接続部材２３０の加圧力を低減でき、第２の鋼部材２２０が高強度鋼板である場合に特に好ましい。

第２の鋼部材２２０に貫通孔２２１を設けた場合、貫通孔２２１の直径が大きいほど、Ｄｍａｘ１が拡大しやすくなる。特に、接続部材２３０の直径の１．００倍超１．１５倍以下の直径を有する貫通孔２２１を設けた場合、第１の鋼部材２１０と接続部材２３０の摩擦圧接を達成した上で、安定してＤｍａｘ１をＤｍｉｎの０．６５倍以上とすることができ、タガネ試験結果でも良好な結果となる。さらに、接続部材２３０の直径の１．０５倍以上１．１５倍以下の直径を有する貫通孔２２１を設けた場合、安定してＤｍａｘ１をＤｍｉｎの０．９２倍以上とすることができ、より継手強度を高めることができる。接続部材２３０の直径と貫通孔２２１の直径との比の上限１．１５は、必要に応じて、１．１２倍又は１．０９倍としてもよい。

上記の接合方法において、軸部２３１が第２の鋼部材２２０の貫通孔２２１を貫通し、軸部２３１を第１の鋼部材２１０に押付ける際の押込み長ｌｉが、２．０ｍｍ以上であることがより好ましい。押込み長ｌｉは２．３ｍｍ以上又は２．５ｍｍ以上であることが、さらに好ましい。押込み長ｌｉをこのように設定することで、軸部２３１と第２の鋼部材２２０との境界の最大の直径Ｄｍａｘ２がＤｍｉｎの１．２０倍以上となるため、より好ましい。

なお、接続部材２３０の第１の鋼部材２１０への実押込み長を測定することは、容易ではない。そこで、本実施形態においては、接続部材２３０の軸線ｃに沿った方向における、接続部材２３０の先端部が第２の鋼部材２２０の上面に到達してからの接合終了までの接続部材２３０の移動量から、第２の鋼部材２２０の合計厚さを差し引いた値を押込み長ｌｉとする。なお、接続部材２３０の移動量は、図１４の加圧回転部材４を支持する部材等の上下方向の移動量と同じであり、容易に測定することができる。なお、この押込み長ｌｉは、推定押込み長ということもできる。

［接合方法２］
本実施形態に係る他の接合方法では、第１の鋼部材の接合予定箇所と第２の鋼部材の接合予定箇所とが重なるように、第１の鋼部材に、一又は複数の第２の鋼部材を重ね合わせる工程と、少なくとも第２の鋼部材の接合予定箇所とその近傍を４００℃以上の予熱温度に加熱する工程と、接続部材を回転させながら軸部を第２の鋼部材に押付け、軸部を第２の鋼部材に対して貫通させる工程と、接続部材を回転させながら軸部を第１の鋼部材に押付け、軸部と第１の鋼部材との間及び軸部と第２の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程と、接続部材の回転を停止した状態で、軸部を第１の鋼部材に押付けて、軸部と第１の鋼部材との間及び軸部と第２の鋼部材との間を摩擦圧接により接合する工程と、を含む。

本実施形態に係る接合方法では、上述した接合装置を用いて次の手順で接合を行う。また、基本的な構成は、上記の接合方法と同様である。

ａ）接合しようとする第２の鋼部材２２０と第１の鋼部材２１０を重ね合わせて、接続部材２３０が圧入される箇所（接合予定箇所）がホルダー６の中心となるように接合装置の支持台７上に載置し、ホルダー６と支持台７との間で保持する（図１９参照）。２枚の鋼部材の引張強度が異なる場合は、引張強度が低い方の鋼部材をホルダー６側に位置する第２の鋼部材２２０とするのが好ましい。

ｂ）次に、加熱装置１４を第２の鋼部材２２０の接合予定箇所の上に配置して、接合予定箇所及びその近傍を加熱する（図１９参照）。加熱は、接合予定箇所の表面温度が、接合開始時に４００℃以上になるように行う。図１９に、所定温度以上に加熱された範囲を加熱部１５として模式的に示す。加熱装置１４としては、例えば、環状の誘導加熱コイルが用いられる。

ｃ）第２の鋼部材２２０の表面温度が予定温度に到達したら、加熱装置１４を退避させ、ホルダー６内に接続部材２３０を適宜の手段でセットする。なお、ａ）の段階で、接続部材２３０をホルダー内の上方にセットしておいてもよい。次に、加圧回転部材４をホルダー６内を通して第２の鋼部材２２０側に移動させ、加圧回転部材４先端の係合凸部５を接続部材２３０の頭部２３２の凹部２３３に係合させる（図２０参照）。

そして、加圧回転部材４を回転させることで、接続部材２３０を回転させながら第２の鋼部材２２０に向けて加圧し、接続部材２３０の軸部２３１を第２の鋼部材２２０内に圧入して第２の鋼部材２２０を貫通させ、その先端部を第１の鋼部材２１０に接触させる。その際、接続部材２３０の先端が第２の鋼部材２２０に接触した後、加圧回転部材４の回転速度と接続部材２３０に対する加圧力を調整して、接続部材２３０の軸部２３１の第２の鋼部材２２０内への圧入にともない、軸部２３１と第２の鋼部材２２０の間に摩擦熱を発生させ、第２の鋼部材２２０の接続部材に接する部分およびその周辺の材料を流動させる。このとき、第２の鋼部材２２０の表面に隆起部２２２が形成されてもよい。

ｄ）接続部材２３０の先端が第１の鋼部材２１０に到達後、接続部材２３０先端部と第１の鋼部材２１０の間にも摩擦熱を発生させる。この時、接続部材２３０の軸部２３１先端部とそれに接する第１の鋼部材２１０の表面との間で摩擦圧接ができるような温度になるように、加圧回転部材４の加圧力と回転速度を維持する。

ｅ）接続部材２３０の軸部２３１と第１の鋼部材２１０が十分に加熱されると、加圧回転部材４の回転を停止し、一定時間（例えば、０．５ｓｅｃ以上）加圧を保持することにより、図２１又は図２２に示すように、接続部材２３０の軸部２３１と第１の鋼部材２１０の間、及び軸部２３１と第２の鋼部材２２０との間に摩擦圧接部２５０を形成して、接続部材２３０の軸部２３１と、第１の鋼部材２１０及び第２の鋼部材２２０が接合されるようにする。また、加圧回転部材４の回転中および回転を停止した後、加圧回転部材４による接続部材２３０の押し込み量（押込み長）を調整して、図２２に示すように、頭部２３２で第２の鋼部材２２０の隆起部２２２を押さえる（接続部材２３０周辺部が頭部２３２と第１の鋼部材２１０の間で十分な圧縮応力を受ける）ようにしてもよい。

以上のｃ）〜ｅ）の段階の加圧回転部材の回転速度と加圧力の時間パターンの一例を図２３に示す。点線で示す回転速度のパターンは、図２３では、ｃ）、ｄ）間で一定となっているが、回転速度が変わるパターンを適宜採用してもよい。また、実線で示す加圧力は、ｅ）で高くしているが、例えば、ｃ）、ｄ）、ｅ）を一定の加圧力としてもよい。

上記ｃ）の軸部２３１を第２の鋼部材２２０内に圧入して第２の鋼部材２２０を貫通させる段階では、回転数１０００ｒｐｍ（例えば、８００〜１５００ｒｐｍ）程度とし、上記ｄ）の段階では、回転数５０００〜８０００ｒｐｍとすることが好ましい。

以上の結果、接続部材２３０は、その軸部２３１が第２の鋼部材２２０を貫通してその底面で第１の鋼部材２１０と摩擦圧接される。さらに、軸部２３１と第２の鋼部材２２０との間も摩擦圧接される。

このように、第２の鋼部材２２０に鋼板を用いた場合でも、接続部材２３０が第２の鋼部材２２０を貫通して接続部材２３０と第１の鋼部材２１０が摩擦圧接により接合され、接続部材２３０と第２の鋼部材２２０も摩擦圧接されるので、頭部２３２を有しない接続部材２３０を用いた場合でも、第２の鋼部材２２０と第１の鋼部材２１０の接合を達成することができる。接続部材２３０が頭部２３２を有する場合は、第２の鋼部材２２０はさらに頭部２３２と第１の鋼部材２１０の間で固定され、第２の鋼部材２２０と第１の鋼部材２１０が接続部材２３０によって強固に一体化される。なお、軸部２３１の軸線ｃを含む断面で切断し、ナイタールでエッチングした場合、第２の鋼部材２２０と第１の鋼部材２１０との境界が、軸部から０．２０ｍｍ離れた位置まで存在するようになる。

（第２の鋼部材の加熱）
第２の鋼部材２２０に接続部材２３０を圧入する際に、少なくとも第２の鋼部材２２０の接合予定箇所及びその周辺を予め加熱して第２の鋼部材２２０の強度を低下させておき、接続部材２３０が変形することなく第２の鋼部材２２０を貫通できるようにする。第２の鋼部材２２０を加熱する時期は、接合装置にセットする前、あるいは、図１９により説明したように、接合装置に接合する鋼部材をセットした後のいずれでも可能である。

加熱範囲は、鋼部材全体でも、接合箇所を中心とする部分的でも可能であるが、第２の鋼部材２２０を予熱した後、加熱していない領域への熱伝導により加熱部が冷却されるので、接続部材２３０の近傍の塑性流動域だけでなく、周辺領域をも加熱することが好ましい。部分的に加熱する場合で、特に、第２の鋼部材２２０に引張強さが４００ＭＰａ以上の鋼板を用いる場合は、本発明者の実験によれば、接続部材２３０の中心に一致する第２の鋼部材２２０上の点を中心として、接続部材２３０の軸部の直径の少なくとも３倍の範囲を所望の温度に加熱することが好ましいこと、さらに好ましくは７倍の範囲以上であることを確認している。

（加熱の際の予熱温度）
第２の鋼部材２２０は、接続部材２３０を押し込むときに、接続部材２３０に接する第２の鋼部材２２０の材料が塑性流動を起こす温度以上に加熱される必要がある。本発明者の実験では、第２の鋼部材２２０の表面温度が加工直前に、４００℃以上であれば、第２の鋼部材２２０に鋼板を用いた場合でも、接続部材２３０による第２の鋼部材２２０の貫通が可能であることを確認した。実際の加熱温度は、第２の鋼部材２２０に用いる鋼板の強度、板厚や加工条件（加圧回転部材の回転速度、加圧力、押し込み速度）に応じて、４００℃以上の範囲から必要な継手強度を有する継手が得られる温度を選択する。予熱温度の上限を特に定める必要はないが、Ａｃ１温度以下とすることが好ましい。必要に応じて、予熱温度の上限を７５０℃、７００℃又は６５０℃としてもよい。

（加熱手段）
第２の鋼部材２２０を加熱するための加熱手段には、炉、ガスバーナ、電気ヒータ、誘導加熱、通電加熱、レーザなどの加熱手段を適宜用いることができる。これらの加熱手段により、少なくとも第２の鋼部材２２０の接続部材と対向する側の加熱範囲を加熱する。

本実施形態に係る接合方法では、予熱温度が５５０℃以上であってもよい。これにより、第２の鋼部材２２０がより軟化するため、接続部材２３０の加圧力を低減でき、第２の鋼部材２２０が高強度鋼板である場合に特に好ましい。

第２の鋼部材２２０を予熱した場合、上述の実施形態で説明した、Ｄｍａｘ１およびＤｍａｘ２を大きくすることができる。例えば、予熱温度を４００℃以上とした場合、Ｄｍａｘ１をＤｍｉｎの０．５０倍以上とすることができ、かつＤｍａｘ２をＤｍｉｎの１．２０以上とすることができる。予熱温度が５５０℃以上なら、より安定してＤｍａｘ１をＤｍｉｎの０．６５倍以上とすることができ、タガネ試験結果でも良好な結果となる。予熱温度が６００℃以上なら、さらに安定してＤｍａｘ１をＤｍｉｎの０．７０倍以上とすることができ、タガネ試験結果でもさらに良好な結果となる。

なお、加熱範囲である接合予定箇所とその近傍は、接続部材２３０の軸心ｃ方向に沿ってみた場合、接続部材２３０の直径＋１０ｍｍ程度の範囲としてもよい。

上記の接合方法において、軸部２３１を第２の鋼部材２２０に対して貫通させ、軸部２３１を第１の鋼部材２１０に押付ける際の押込み長ｌｉが、２．０ｍｍ以上であることがより好ましい。押込み長ｌｉは２．３ｍｍ以上又は２．５ｍｍ以上であることが、さらに好ましい。押込み長ｌｉをこのように設定することで、軸部２３１と第２の鋼部材２２０との境界の最大の直径Ｄｍａｘ２がＤｍｉｎの１．２０倍以上となるため、より好ましい。

なお、接続部材２３０の第１の鋼部材２１０への実押込み長を測定することは、容易ではない。そこで、本実施形態においては、接続部材２３０の軸線ｃに沿った方向における、接続部材２３０の先端部が第２の鋼部材２２０の上面に到達してからの接合終了までの接続部材２３０の移動量から、第２の鋼部材２２０の合計厚さを差し引いた値を押込み長ｌｉとする。なお、接続部材２３０の移動量は、図１９の加圧回転部材４を支持する部材等の上下方向の移動量と同じであり、容易に測定することができる。なお、この押込み長ｌｉは、推定押込み長ということもできる。

以下に、本発明の実施例を記載する。本実施例では、種々の鋼部材、接続部材、製造条件について検討した。

先ず、表１に示す各種試験片を準備した。表１に、各実験における、第１の鋼部材及び第２の鋼部材の強度と板厚、第２の鋼部材の枚数を示す。鋼板は成分や熱処理によって強度を調整した一般的なものを用いた。

また表１に、接続部材のＦｅ含有量（質量％）とＣ含有量（質量％）を示す。実験番号３８及び３９では、接続部材として超硬合金を用いた。超硬合金とは、硬質の金属炭化物とコバルトなどの金属を焼結した材料であり、Ｆｅの含有量は９０％未満である。本実施例では、タングステンカーバイドとコバルトからなる超硬合金を採用した。

全ての接続部材の長さは、（第２の鋼部材の厚さの合計）＋５．５ｍｍとした。

次いで、表１の各実験番号の第１の鋼部材と第２の鋼部材とを重ね合わせ、表１の各実験番号の接続部材を用いて摩擦圧接接合を行った。一部の実験例では、第２の鋼部材に貫通孔を設けて、貫通孔に接続部材が挿通されるように摩擦圧接接合を実施した。また一部の実験例では、第２の鋼部材の接合予定箇所を加熱した。

本実施例では、上記実施形態の［接合方法１］及び［接合方法２］で説明した装置を用いて摩擦圧接接合を実施した。第２の鋼部材を貫通する工程の条件は、回転数１０００ｒｐｍ、加圧力９ｋＮとした。接続部材と第１の鋼部材の摩擦圧接の条件は、回転数７０００ｒｐｍ、加圧力９ｋＮとし、押込み長は実験例毎に異なる値を用いた。なお、接続部材として超硬合金を用いた実験番号３８及び３９では、摩擦撹拌点接合の条件は、回転数１０００ｒｐｍ、押込み長１ｍｍ（第１の鋼部材上面からの押込み長）、接合時間４秒とした。また、実験番号３８及び３９で用いた接続部材の軸部は直径の変化がない円筒状のものを用いた。

表２に、接続部材の軸部の直径Ｄ、第２の鋼部材の貫通孔の径Ｄｐ、及びその比（Ｄｐ／Ｄ）、第２の鋼部材の予熱温度、並びに押込み長を示す。表２において、貫通孔を設けていない実験例及び第２の鋼部材の予熱を行っていない実験例には「−」の符号を記入した。

接続部材の軸部の直径Ｄは、軸部の軸線に沿った方向で同じであった。第２の鋼部材の貫通孔は、円形状であった。

第２の鋼部材の予熱温度は、表面の温度を熱電対によりより測定した。

上記の工程によって得られた各実験例の接合構造について、第２の鋼部材と接続部材との接合径、第１の鋼部材と接続部材との接合径を調べた。また、第２の鋼部材の固定状態及びタガネ試験の結果を評価した。

表３に、第２の鋼部材と接続部材との接合径、第１の鋼部材と接続部材との接合径、第２の鋼部材の固定状態及びタガネ試験の結果を示す。

第２の鋼部材と接続部材との接合径、及び第１の鋼部材と接続部材との接合径は、接続部材の軸線と平行な断面を観察することで計測した。具体的には、第１の鋼部材、第２の鋼部材及び接続部材を含む接合構造を、接続部材の軸線を通る平面で切断し、研磨およびナイタールによるエッチングを行った。その表面を光学顕微鏡を用いて撮影し、撮影された画像より、各接合径を算出した。

ここで、Ｄｍａｘ１、Ｄｍａｘ２及びＤｍｉｎは、上述の実施形態で説明した、図１２及び図１３に例示する手法で計算した。

表３において、第２の鋼部材と接続部材とが接合されていないか、第１の鋼部材と接続部材とが接合されていない実験例には「−」の符号を記入した。また、実験番号９及び１０では、接続部材の塑性変形が足りず、接続部材と第２の鋼部材が接合されなかった。

実験番号３８及び３９では、摩擦撹拌接合用のツールと第１の鋼部材、及びツールと第２の鋼部材は接合されていないが、ツールと第１の鋼部材が接触していた箇所の最大径をＤｍａｘ１、ツールと第２の鋼部材が接触していた箇所の最大径をＤｍａｘ２とした。

第２の鋼部材の固定状態は、第１の鋼部材と接続部材が接合されていないものや、第１の鋼部材を固定し、第２の鋼部材をペンチで保持し、第２の鋼部材が回転する方向に手で力を加えた時に回転したものや、第１の鋼部材と接続部材が剥離したものを「ｂａｄ」、回転しなかったものを「ｇｏｏｄ」とした。

タガネ試験は、第１の鋼部材と接続部材が破断するまで、もしくは、第２の接続部材が破断するまで、第１の鋼部材と第２の鋼部材の間にタガネをハンマーで差し込み評価した。第２の鋼部材と接続部材が接合されていない場合は、接続部材と第１の鋼部材が破断するまで接続部材に直接打撃を与えた。

表３の「タガネ試験結果」の評価では、図２４のように、プラグ破断（図２４の（ａ））、部分プラグ破断（図２４の（ｂ））、あるいは第２の鋼部材と接続部材界面以外が破断した実験例（図２４の（ｃ））を「ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ」とした。図２４の点線は、破断箇所を示す。図２５のように（図２５の（ａ）及び（ｂ））、少なくとも一部が接合界面ではなく、第１の鋼部材あるいは接続部材内部が破断した実験例を「ｇｏｏｄ」とした。図２５の点線は、破断箇所を示す。接合界面の全面が剥離した実験例を「ｂａｄ」とした。第１の鋼部材と接続部材とが接合されていない実験例は「−」とした。

実験番号３８及び３９は、摩擦攪拌点接合によって、接合構造が得られた比較例である。実験番号３８及び３９では、ツール（接続部材）と第１および第２の鋼部材は接合されず、第１と第２の鋼部材同士が直接接合された。そのため、断面での観察でも、ツール端から０．２０ｍｍの位置に第１の鋼部材と第２の鋼部材との界面は観察されなかった。ツール（接続部材）が変形しなかったため、表３では（Ｄｍａｘ２）／（Ｄｍｉｎ）＝１．００、（Ｄｍａｘ１）／（Ｄｍｉｎ）＝１．００と記載した。

実験番号１，５，６，９，１０，１２，１５，１６，１９，２６，２７，３１，３２，３３，３７，３８及び３９の実験例では、接続部材と第１および第２の鋼部材のどちらかが接合されなかった。

本発明は、複数の鋼部材を安定して接合することができる接合構造及び接合方法、並びに、この接合構造を有する自動車用部材を提供できるため、産業上の利用可能性が高い。

Claims (14)

1. 重ね合わせた複数の鋼部材を、軸方向において断面が一定である軸部を有する接続部材を用いて接合した接合構造であって、
   第１の鋼部材と、前記第１の鋼部材に重ね合わされる一又は複数の第２の鋼部材とを有し、
   前記接続部材の軸部が前記第２の鋼部材を貫通し、前記接続部材の前記軸部と前記第２の鋼部材が摩擦圧接により接合され、
   前記軸部と前記第１の鋼部材が摩擦圧接により接合され、
   前記軸部と前記第２の鋼部材との境界の最大の直径をＤｍａｘ２、
   前記Ｄｍａｘ２の測定位置よりも前記第２の鋼部材から離れた部位における前記軸部の最小の直径をＤｍｉｎとしたとき、
   前記Ｄｍａｘ２は、前記Ｄｍｉｎの１．２０倍以上である
   ことを特徴とする接合構造。
2. 前記軸部と前記第１の鋼部材との境界の最大の直径をＤｍａｘ１としたとき、
   前記Ｄｍａｘ１は、前記Ｄｍｉｎの０．６５倍以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
3. 前記Ｄｍａｘ１が前記Ｄｍｉｎの０．９２倍以上である
   ことを特徴とする請求項２に記載の接合構造。
4. 前記Ｄｍｉｎが３．０〜１０．０ｍｍである
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合構造。
5. 前記第２の鋼部材の厚さの合計が１．０〜５．０ｍｍである
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合構造。
6. 前記第１の鋼部材及び前記第２の鋼部材の引張強度が５９０ＭＰａ以上である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合構造。
7. 前記接続部材の化学組成が、質量％で、
   Ｃ：０．１０％以上
   Ｆｅ：９０％以上
   である
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合構造。
8. 前記接続部材において、前記第１の鋼部材と摩擦圧接されていない方の前記軸部の端部に、さらに前記軸部の直径より大きい直径の頭部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の接合構造。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の接合構造を得るための接合方法であって、
   前記第１の鋼部材と、前記軸部の直径の０．６０倍超１．１５倍以下の直径を有する貫通孔が形成された一又は複数の前記第２の鋼部材とを準備する工程と、
   前記第１の鋼部材の接合予定箇所に前記貫通孔が重なるように、前記第１の鋼部材に、前記第２の鋼部材を重ね合わせる工程と、
   前記軸部を前記貫通孔に挿入し、前記接続部材を回転させながら前記軸部を前記第１の鋼部材に押付け、前記軸部と前記貫通孔との間及び前記軸部と前記第１の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程と、
   前記接続部材の回転を停止した状態で、前記軸部を前記第１の鋼部材に押付けて、前記軸部と前記貫通孔との間及び前記軸部と前記第１の鋼部材との間を摩擦圧接により接合する工程と、を含む
   ことを特徴とする接合方法。
10. 前記貫通孔の直径が前記軸部の直径の１．００倍超１．１５倍以下である
    ことを特徴とする請求項９に記載の接合方法。
11. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の接合構造を得るための接合方法であって、
    前記第１の鋼部材の接合予定箇所と前記第２の鋼部材の接合予定箇所とが重なるように、前記第１の鋼部材に、一又は複数の前記第２の鋼部材を重ね合わせる工程と、
    少なくとも前記第２の鋼部材の前記接合予定箇所とその近傍を４００℃以上７００℃以下の予熱温度に加熱する工程と、
    前記接続部材を回転させながら前記軸部を前記第２の鋼部材に押付け、前記軸部を前記第２の鋼部材に対して貫通させる工程と、
    前記接続部材を回転させながら前記軸部を前記第１の鋼部材に押付け、前記軸部と前記第１の鋼部材との間及び前記軸部と前記第２の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程と、
    前記接続部材の回転を停止した状態で、前記軸部を前記第１の鋼部材に押付けて、前記軸部と前記第１の鋼部材との間及び前記軸部と前記第２の鋼部材との間を摩擦圧接により接合する工程と、を含む
    ことを特徴とする接合方法。
12. 前記予熱温度が５５０℃以上７００℃以下である
    ことを特徴とする請求項１１に記載の接合方法。
13. 前記接続部材を回転させながら前記第１の鋼部材へ押付け、前記軸部と前記第１の鋼部材との間及び前記軸部と前記第２の鋼部材との間に摩擦熱を生じさせる工程において、前記接続部材の前記第１の鋼部材に対する押込み長が２．０ｍｍ以上であることを特徴とする
    請求項９〜１２のいずれか１項に記載の接合方法。
14. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の接合構造を有する自動車用部材。

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