JP6882581B1

JP6882581B1 - 接合物品の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP6882581B1
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Inventors: 利彦林
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Publication date: 2021-06-02
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Abstract

【課題】曲げ応力に対する強度が高い接合物品を得るための、接合物品の製造方法及び製造装置を提供すること。【解決手段】本発明の接合物品１の製造方法は、第１及び第２の開口部１２、１３を備える第１の金属部材１０を提供する工程Ｓ１０１と；第１及び第２の外周壁部２４、２５を備える第２の金属部材２０を提供する工程Ｓ１０１と；第１及び第２の金属部材１０、２０を相対移動させて、第１の内周壁部１４と第１の外周壁部２４とからなる第１の接合部４と第２の内周壁部１５と第２の外周壁部２５とからなる第２の接合部５のうちのいずれか一方の接合部を接触させ、他方の接合部を所定間隔で離間させる工程Ｓ１０３と；第１及び第２の金属部材１０、２０間の通電を開始する工程１０４と；他方の接合部の内周壁部と外周壁部とを接触させる工程Ｓ１０５と；相対移動と通電とにより、第１の接合部４及び第２の接合部５の接合を行う工程Ｓ１０６と；を含む。【選択図】図４

Description

本発明は２つの金属部材を接合してなる接合物品の製造方法及び製造装置に関する。

自動車のクラッチ部品やディファレンシャルギヤといった複数の金属部材を接合してなる部品を製造する際の製造手法として、一方の部材に設けられた開口部に他方の部材を圧入しつつ通電することにより、発生したジュール熱で両部材を軟化させ塑性流動させることで固相接合する、いわゆるリングマッシュ（登録商標）の接合手法（以下、単に「リングマッシュ接合」という。）が知られている。このリングマッシュ接合は、アーク溶接等の溶接手法と比較すると、金属部材の溶融による炭化物の偏析や、熱に起因する凝固割れといった問題が発生することがなく、接合に要する時間も短時間で済むといった特徴がある。

例えば、下記特許文献１には、円形又は四角形状の空部を有する一方の被溶接物と、シャフト形状であってこの空部に溶接される他方の被溶接物とを、上述したリングマッシュ接合により溶接する、接合物品の製造方法が記載されている。

特開２００４−０１７０４８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された接合物品においては、接合箇所が円環状の１箇所のみであることから、接合物品にスラスト方向への曲げ応力が発生した場合、この１箇所の接合箇所にその応力が集中し損傷する恐れがある。このような曲げ応力は、特許文献１に記載された接合物品の他方の被溶接物のように、被溶接物の少なくとも一方が長尺な場合に生じ易い。

本発明は、上述した課題に鑑み、曲げ応力に対する強度が高い接合物品を得るための、接合物品の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る接合物品１の製造方法は、例えば図１乃至５に示すように、第１の開口部１２と前記第１の開口部１２より径の大きい第２の開口部１３とを備える第１の金属部材１０を提供する工程Ｓ１０１と；前記第１の開口部１２を囲む第１の内周壁部１４に接触可能な第１の外周壁部２４と、前記第２の開口部１３を囲む第２の内周壁部１５に接触可能な第２の外周壁部２５とを備える第２の金属部材２０を提供する工程Ｓ１０１と；前記第１の金属部材１０の前記第１の開口部１２及び前記第２の開口部１３の内部に前記第２の金属部材２０を挿入する方向に前記第１の金属部材１０と前記第２の金属部材２０とを相対移動させて、前記第１の内周壁部１４と前記第１の外周壁部２４とからなる第１の接合部４と前記第２の内周壁部１５と前記第２の外周壁部２５とからなる第２の接合部５のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ、他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる工程Ｓ１０３と；前記第１の金属部材１０と前記第２の金属部材２０との間の通電を開始する工程１０４と；前記第１の金属部材１０と前記第２の金属部材２０との前記相対移動を継続し、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる工程Ｓ１０５と；前記相対移動と前記通電とにより、前記第１の接合部の接合と前記第２の接合部の接合とを行う工程Ｓ１０６と；を含むものである。

このように構成すると、２つの金属部材が２つの接合箇所で接合されることになり、接合箇所が１つのみのものに比べてその強度を高めることができる。また、一連の工程で２つの接合箇所を接合するに際し、接合を開始するタイミングを積極的に異ならせることにより、両接合部の変位量を異ならせることができ、接合時に金属部材からスパッタ（チリ）が生じることを抑えることができる。

本発明の第２の態様に係る接合物品１の製造方法は、例えば図４に示すように、上記本発明の第１の態様に係る接合物品１の製造方法において、前記接合は、固相接合によるものである。

このように構成すると、接合手法として固相接合、すなわち金属部材の溶融を実質的に伴わない接合手法を採用することにより、アーク溶接等の周知の接合手法に比べて、接合に要するエネルギーを少なくすることができる。

本発明の第３の態様に係る接合物品１の製造方法は、例えば図４及び図６に示すように、上記本発明の第１又は２の態様に係る接合物品１の製造方法において、前記一方の接合部のラップ代Ｌ１、Ｌ４が前記他方の接合部のラップ代Ｌ２、Ｌ３より大きいものである。

このように構成すると、先に被接合面が接触して接合が開始される一方の接合部のラップ代を、後に接合が開始される他方の接合部のラップ代より大きくすることで、各接合部の接合強度を調整することができる。また、後に接合が開始される他方の接合部のラップ代を相対的に小さくしたことで、この部分が接合される際に先に接合が開始される一方の接合部に必要以上に大きなジュール熱が生じてスパッタが発生することも抑制できる。したがって、製造された接合物品における両接合部が、共に良好な接合状態となる。

本発明の第４の態様に係る接合物品１の製造方法は、例えば図４に示すように、上記本発明の第１乃至３の態様に係る接合物品１の製造方法において、前記一方の接合部は、前記他方の接合部よりも、前記挿入する方向に直交する方向における内側に位置するものである。

このように構成すると、後に接合が開始される他方の接合部をそれより先に接合が開始される一方の接合部よりも外側に配することで、部材に通電を行った際に生じるいわゆる表皮効果を利用し、両接合部に電流が流れる状態となった際に他方の接合部側により多くの電流を流すことができるようになる。したがって、他方の接合部を短時間で軟化温度以上とすることができると共に、一方の接合部に過剰なエネルギーが供給されることを抑制できるようになり、製造された接合物品における両接合部が、共に良好な接合状態とすることができるようになる。

本発明の第５の態様に係る接合物品１の製造装置３０は、例えば図３に示すように、第１の開口部１２と前記第１の開口部１２より径の大きい第２の開口部１３とを含む第１の金属部材１０が固定される第１の電極３１と；前記第１の開口部１２を囲む第１の内周壁部１４に接触可能な第１の外周壁部２４と、前記第２の開口部１３を囲む第２の内周壁部１５に接触可能な第２の外周壁部２５とを含む第２の金属部材２０が固定される第２の電極３２と；前記第１の電極３１と第２の電極３２との間に電流を供給する通電装置３４と；前記第１の電極３１と前記第２の電極３２とを相対移動させる加圧装置３５と；を含み、前記加圧装置３５は、前記第１の金属部材１０の前記第１の開口部１２及び前記第２の開口部１３の内部に前記第２の金属部材２０を挿入する方向Ｐに前記第１の電極３１に固定された前記第１の金属部材１０と前記第２の電極３２に固定された前記第２の金属部材２０とを相対移動させて、前記第１の内周壁部１４と前記第１の外周壁部２４とからなる第１の接合部４と前記第２の内周壁部１５と前記第２の外周壁部２５とからなる第２の接合部５のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ且つ他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる第１の状態と、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる第２の状態とを経て前記第１の金属部材１０と前記第２の金属部材２０とを接合するものであり、前記通電装置３４は、前記第１の状態となったタイミングで、前記第１の電極３１に固定された前記第１の金属部材１０と前記第２の電極３２に固定された前記第２の金属部材２０との間への前記電流の供給を開始するものである。

このように構成すると、２つの金属部材が２つの接合箇所で接合されることになり、接合箇所が１つのみのものに比べてその強度を高めることができる。また、一連の工程で２つの接合箇所を接合するに際し、接合を開始するタイミングを積極的に異ならせることにより、両接合部の変位量を異ならせることができ、接合時に金属部材からスパッタが生じることを抑えることができる。

上述した構成により、本発明の接合物品の製造方法及び製造装置によって、曲げ応力に対する強度が高い接合物品を得ることができるようになる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る第１の金属部材を示す概略説明図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る第２の金属部材を示す概略断面図である。図３は、本発明の一実施の形態に係る接合物品の製造装置に第１及び第２の金属部材を取り付けた状態を示す模式図である。図４は、本発明の一実施の形態に係る接合物品の製造方法の各工程における第１及び第２の金属部材の要部の状態を模式的に示した説明図である。図５は、本発明の一実施の形態に係る接合物品の製造方法を示すフローチャートである。図６は、本発明の他の実施の形態に係る接合物品の製造方法の各工程における第１及び第２の金属部材の要部の状態を模式的に示した説明図である。図７は、本発明の他の実施の形態に係る接合物品の製造方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための各実施の形態について説明する。なお、以下では本発明の目的を達成するための説明に必要な範囲を模式的に示し、本発明の該当部分の説明に必要な範囲を主に説明することとし、説明を省略する箇所については公知技術によるものとする。

図１は、本発明の一実施の形態に係る第１の金属部材１０を示す概略説明図であって、図１（ａ）は概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。また、図２は、本発明の一実施の形態に係る第２の金属部材２０を示す概略断面図である。本実施の形態に係る接合物品１の製造方法においては、図１及び図２に示すように、第１の金属部材１０と第２の金属部材２０とをリングマッシュ接合することにより、接合物品１（図３等参照。）を製造するものである。本実施の形態においては、接合物品としてクラッチ部品を、第１の金属部材１０としてクラッチ部品のギヤを、第２の金属部材２０としてクラッチ部品のシャフトをそれぞれ例示して説明を行う。なお、本実施の形態において製造される接合物品１としてはクラッチ部品に限定されず、ディファレンシャル機構等の金属部材同士を接合して形成される種々の部品に適用可能である。

第１の金属部材１０は、図１に示すように、例えば炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の金属材料で形成された略円盤状のギヤ部材である。この第１金属部材１０の中央部には、円盤状の第１金属部材１０をその軸方向（肉厚方向）に貫通する円形の開口１１が形成されている。開口１１は、後述する第２の金属部材２０が挿入される穴であって、第１の開口部１２と第２の開口部１３とが、軸方向に連なるように同軸で配されて構成される。すなわち、この開口１１は途中でその内径が変化する円形の貫通穴である。

第１の開口部１２は、第１の金属部材１０の軸方向に対して垂直な一面１０Ａから軸方向に延在するように形成された、その内径をｄ１とする所定高さの円柱状開口である。また、第２の開口部１３は、第１の金属部材１０の軸方向に対して垂直な他面１０Ｂから軸方向に延在するように形成された、その内径をｄ２としその高さをＨ１とする円柱状開口である。この第２の開口部１３の内径ｄ２は第１の開口部１２の内径ｄ１よりも大きく、この第２の開口部１３と第１の開口部１２とは、その端面同士が段部１６を介して連通している。第１の開口部１２を画定する第１の内周壁部１４のうち、段部１６と連なる部分には、面取１４Ｃが形成されており、第２の開口部１３を画定する第２の内周壁部１５のうち、第１の金属部材１０の他面１０Ｂと連なる部分には、同じく面取１５Ｃが形成されている。図１に示すように、第１の内周壁部１４の面取１４Ｃは、第２の内周壁部１５の面取１５Ｃに比して大きい。なお、本実施の形態の開口１１は、円形の内周面を有する２つの開口部１２、１３が同軸上に連なった形状のものとして説示したが、各開口部１２、１３の形状は円形に限定されず、例えば多角形状や楕円形状の内周面を有していてもよい。その場合には、後述する第２の金属部材２０の形状も、この開口１１の形状に合わせて変更される。

第２の金属部材２０は、図２に示すように、例えば炭素鋼、合金鋼、鋳鉄等の金属材料で形成された、軸方向に比較的長尺な略中実丸棒状のシャフト部材である。この長尺な第２の金属部材２０の軸方向の両端部２０Ａ、２０Ｂのうちの一方の端部２０Ａが、第１の金属部材１０の開口１１に挿入される部分となる。一方の端部２０Ａは、大径部２３と、大径部２３に連なる小径部２２とで構成されている。なお、第１の金属部材１０と第２の金属部材２０とは同一の金属材料から構成されていてもよいし、異なる金属材料から構成されていてもよい。

小径部２２は、その外径をＤ１としその高さをＨ２とする円柱状の突起を構成している。また、大径部２３は、小径部２２と段部２６を介して連なり、その外径をＤ２とする円柱状の部分である。この大径部２３の外径Ｄ２は、小径部２２の外径Ｄ１よりも大きい。小径部２２を画定する第１の外周壁部２４のうち、一方の端部２０Ａの先端面に連なる部分には、面取２４Ｃが形成されており、大径部２３を画定する第２の外周壁部２５のうち、段部２６と連なる部分には、同じく面取２５Ｃが形成されている。図２に示すように、第１の外周壁部２４の面取２４Ｃは、第２の外周壁部２５の面取２５Ｃに比して大きい。なお、上述した小径部２２の高さＨ２は、第１の金属部材１０の第２の開口部１３の高さＨ１よりも長くなるように設定されている。これらの高さＨ１、Ｈ２の相対的な長さは、後述する接合工程における各接合箇所の接合開始タイミングに基づいて設定されるものである。また、第１の金属部材１０及び第２の金属部材２０の各所に設けられた面取１４Ｃ、１５Ｃ、２４Ｃ、２５Ｃは、後述する接合工程において互いに当接することで、両金属部材の相対的な位置合わせを行うように機能するものである。

図３は、本発明の一実施の形態に係る接合物品１の製造装置に第１及び第２の金属部材１０、２０を取り付けた状態を示す模式図である。本実施の形態に係る接合物品１の製造装置３０は、図３に示すように、第１の金属部材１０が固定される第１の電極３１と、第２の金属部材２０が固定される第２の電極３２と、第１及び第２の金属部材１０、２０間に電流を供給するための通電装置３４と、第１及び第２の金属部材１０、２０を互いに近接する方向に相対的に動作させるための加圧装置３５とを少なくとも含む。また、この接合物品１の製造装置３０は、図示しない処理チャンバ内に収容されて周囲環境が調整されている。

第１の電極３１は、第１の金属部材１０を固定する任意の固定構造を備えた少なくとも一部が導電材料からなるものである。同様に、第２の電極３２は、第２の金属部材２０を固定する任意の固定構造を備えた少なくとも一部が導電材料からなるものである。これら第１及び第２の電極３１、３２は、通電装置３４に電気的に接続されることで、第１及び第２の金属部材１０、２０間に電流を供給するための電極を構成している。なお、図３に示す第１の電極３１及び第２の電極３２は、その全体が導電材料で構成され電極として機能するものを例示しているが、固定される各金属部材１０、２０への電流の供給が可能なものであれば、部分的に絶縁体等で構成されているものであってもよい。

通電装置３４は、例えば、商用電源等からなる外付けの交流電源３３から供給される交流電流を所望のパルス状電流に変換すると共に、両電極３１、３２間への通電タイミングを制御可能なスイッチング装置を含むものである。このような構成からなる通電装置３４を動作させることにより、第１の電極３１に固定された第１の金属部材１０と第２の電極３２に固定された第２の金属部材２０との間にパルス状電流を供給し、両金属部材の接触部分を抵抗溶接することができる。ここで供給されるパルス状電流は、典型的には単一のパルス状電流である。そしてこのパルス状電流は、例えば数万から数十万アンペアの電流ピーク値を有し、パルス幅は１０ミリ秒〜１００ミリ秒である。このパルス状電流により、両金属部材間の接合を確実に行うことができる。なお、通電装置３４の具体的な構成としては、周知のインバータやコンデンサ等を含むスイッチング回路や半導体スイッチ等を採用することができるが、第１の金属部材１０と第２の金属部材２０とを接合するために必要な電流を第１の電極３１と、第２の電極３２との間に供給できるものであれば周知の構造でよいため、その詳細な説明はここでは省略する。

加圧装置３５は、例えば、第２の電極３２に連結され、第２の電極３２と共にこの第２の電極３２に固定された第２の金属部材２０を動作させる作動機構であって、具体的には、周知の空圧式あるいは油圧式のピストン・シリンダ機構を採用することができる。この加圧装置３５を動作させることにより、第２の金属部材２０の一方の端部２０Ａを第１の金属部材１０の開口１１内に挿入することができる。なお、本実施の形態の加圧装置３５は第１及び第２の金属部材１０、２０を相対移動させるための装置の一例であって、具体的な構造や動作対象となる金属部材は上述のものに限定されない。

上述した構成を備える接合物品の製造装置３０を用いて接合物品１を製造する際には、図３に示すように、第１の金属部材１０は第１の電極３１に、第２の金属部材２０は第２の電極３２にそれぞれ固定する。そして、加圧装置３５及び通電装置３４を動作させてリングマッシュ接合を行う。製造された接合物品１は、第１の内周壁部１４と第１の外周壁部２４とで構成される第１の接合部４と、第２の内周壁部１５と第２の外周壁部２５とからなる第２の接合部５の２箇所で接合されて形成されるものである。一連の接合工程については後述する。

ここで、本実施の形態に係る接合物品１の製造方法で採用されているリングマッシュ接合の概要について、簡単に説明する。リングマッシュ接合とは、上記特許文献１にも示されているように、開口を有する一方の金属部材の開口の内周壁部と、一方の金属部材の開口に挿入される他方の金属部材の挿入側の外周壁部とを接合する接合手法を指すものである。リングマッシュ接合で接合される金属部材においては、一方の金属部材の開口の内周壁部の内径に対し、他方の金属部材の挿入側の外周壁部の外径が僅かに大きく形成されており、結果として、これらの内周面と外周面との間には所定長さを有する円環状の重なり代（以下、これを「ラップ代」という。）が形成されている。そして、一方の金属部材の開口に他方の金属部材の端部を挿入する方向に加圧すると共に両金属部材の間に通電を行うことで、両金属部材の接触面、すなわち一方の金属部材の内周壁部と他方の金属部材の外周壁部とが塑性流動され、接合部を構成する。この際、好ましくは、通電により生じるジュール熱によって両金属部材は融点温度より低く且つ軟化温度以上に加熱される。これにより、（一時的に、あるいは部分的に溶融することはあるものの）両金属部材の被接合面は実質的に溶融することなく固相面同士で接合される、いわゆる固相接合がなされるものである。このようなリングマッシュ接合においては、供給される電流がパルス状電流であり、且つその供給時間も、アーク溶接のように比較的長期間にわたって大電流を供給するものに比べると短いことから、一連の接合に要するエネルギー量が比較的少ないという利点がある。

本実施の形態においても、上述したリングマッシュ接合を採用していることから、図１、図２及び後述する図４（ａ）に示すように、第１の金属部材１０の第１の内周壁部１４の内径ｄ１は、第２の金属部材２０の第１の外周壁部２４の外径Ｄ１よりも僅かに小さくなっており、この部分が第１の接合部４におけるラップ代Ｌ１を規定している。同様に、第１の金属部材１０の第２の内周壁部１５の内径ｄ２は、第２の金属部材２０の第２の外周壁部２５の外径Ｄ２よりも僅かに小さくなっており、この部分が第２の接合部５におけるラップ代Ｌ２を規定している。これらのラップ代Ｌ１、Ｌ２の長さは、例えば０．１〜０．５ｍｍとすることができる。ただし、本実施の形態においては、第１の接合部４のラップ代Ｌ１は第２の接合部５のラップ代Ｌ２よりも大きくなるよう設定されている。

図４は、本発明の一実施の形態に係る接合物品の製造方法の各工程における第１及び第２の金属部材の要部の状態を模式的に示した説明図である。また、図５は、本発明の一実施の形態に係る接合物品の製造方法を示すフローチャートである。以下に本実施の形態に係る接合物品の製造方法について、主に図４及び図５を参酌して説明を行う。先ず、ステップＳ１０１において、図４（ａ）に示すように、接合物品１を構成する第１の金属部材１０と第２の金属部材２０とを提供する。ここで提供される第１の金属部材１０及び第２の金属部材２０の詳細については、既に図１及び図２等を参照して説明した通りである。提供された第１の金属部材１０と第２の金属部材２０とは、それぞれ図３に示す製造装置３０の第１の電極３１と第２の電極３２に取り付けられあるいは支持される。

次に、ステップＳ１０２において、加圧装置３５を作動して、第２の電極３２に固定された第２の金属部材２０の、その一方の端部２０Ａが第１の金属部材１０の開口１１内に挿入する方向（図４（ｂ）に示す矢印Ｐ方向）への移動を開始する。この移動は、一連の接合工程が終了するまで継続される。

上述した移動が継続し、第１の接合部４を構成する第１の金属部材１０の第１の内周壁部１４と第２の金属部材２０の第１の外周壁部２４とが接触する第１の状態となると（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、図４（ｂ）に示すように、第１の金属部材１０と第２の金属部材２０とは、第１の内周壁部１４の面取１４Ｃと第１の外周壁部２４の面取２４Ｃとが当接することにより、電気的に接続した状態となる。そこで、次にステップＳ１０４において、交流電源３３に接続された通電装置３４を作動して、第１の電極３１と第２の電極３２との間にパルス状電流を供給する。この通電により、図４（ｂ）に示す電流Ｅが、第１の金属部材１０と第２の金属部材２０との間を当接した面取１４Ｃ、２４Ｃ部分を介して流れる。

このステップＳ１０４の際、第１の接合部４を構成する第１の内周壁部１４と第１の外周壁部２４とは接触している反面、第２の接合部５を構成する第２の内周壁部１５と第２の外周壁部２５とは所定距離Ｇ１だけ離間した状態にあることは、特に留意すべき事項である。これにより、この時点では第１の接合部４を構成する部分にのみ加圧装置３５による加圧力と電流に起因するジュール熱が生じ、第２の接合部５の接合は開始されない。このように２つの接合箇所の接合タイミングを意図的に変えているのは、仮に第１の接合部４と第２の接合部５の接合タイミングを同時に開始した場合、２つの接合箇所は当然その位置や接触面積等が異なるため、それぞれの接合箇所に生じる（単位体積当たりの）エネルギーが一様とはならず、より多くのエネルギーが供給された接合箇所においてスパッタ（チリ）が生じる可能性があるためである。本発明においては、このようなスパッタの発生を抑制することを目的として、２つの接合部の接合タイミングを意図的に異ならせ、主に両接合部に供給されるエネルギー量を調整している。なお、第２の内周壁部１５と第２の外周壁部２５との間の隙間の距離Ｇ１は、例えば０．５〜１．５ｍｍ程度とすることができる。

上述した接合部に供給されるエネルギーの調整に関連して、本実施の形態に係る第１の接合部４のラップ代Ｌ１は、第２の接合部５のラップ代Ｌ２よりも大きくすることが好ましい。これは、先に接合が開始される第１の接合部４の部分は、接合物品１における接合部分の強度を担保する部分となるため、高い接合強度が要求される一方、後に接合が開始される第２の接合部５の部分は、スラスト方向への曲げ応力が生じた際の強度補強を目的としているため、要求される接合強度が比較的低いためである。加えて、第２の接合部５のラップ代Ｌ２を必要以上に（例えば第１の接合部４のラップ代Ｌ１と同程度まで）大きくしてしまうと、この部分の接合に大きな加圧力や通電量が必要となり、当該部分の接合時において、先に接合が開始される第１の接合部４側に必要以上のジュール熱が生じ、スパッタが発生する恐れがあるためでもある。

図５の説明に戻ると、ステップＳ１０４において電極間への通電が開始された上で、加圧装置３５による第２の金属部材２０の移動が継続されると、第１の金属部材１０の第１の開口部１２内に、第２の金属部材２０の小径部２２が押し込まれるように加圧され且つ両金属部材間にはパルス状電流が供給されることから、第１の内周壁部１４と第１の外周壁部２４の接触面にこの加圧力と電流が集中する。そして、この接触面及びその付近は、供給された電流により生じるジュール熱により加熱されることで軟化され、加圧力によって両接触面が塑性流動しつつ固相面同士の接合が進行する。このとき、通電装置３４は、電流により発生するジュール熱が、第１の金属部材１０と第２の金属部材２０とを軟化温度以上且つ融点温度より低い温度に加熱するよう、その電流値を制御すると好ましい。

また、このように第１の接合部４の接合が進行しつつ、加圧装置３５の移動が継続され、ステップＳ１０５において、第１の金属部材１０の第２の内周壁部１５と第２の金属部材２０の第２の外周壁部２５とが接触する第２の状態となると、図４（ｃ）に示すように、第２の内周壁部１５と第２の外周壁部２５との接触部分、詳しくは第２の内周壁部１５の面取１５Ｃと第２の外周壁部２５の面取２５Ｃの接触面にも、電流Ｅが流れるようになる。

このステップＳ１０５において、第２の接合部５を構成する第２の内周壁部１５と第２の外周壁部２５とが、第１の接合部４を構成する第１の内周壁部１４と第１の外周壁部２４よりも外側に位置することは、特に留意すべき事項である。一般に、部材に交流電流を供給した場合に部材の外側の電流密度が部材の内側の電流密度よりも高くなる傾向がある（いわゆる、表皮効果）ことが知られている。したがって、本実施の形態のように、後に接合が開始される接合部を外側に配することで、第１及び第２の接合部４、５が両方接触した状態で電流が供給されると、第２の接合部５側に電流が多く流れることになり、第２の接合部５側にエネルギーを比較的多く供給することができる。このように、後に接合が開始される接合部へのエネルギー供給を円滑に行うことができれば、一連の接合工程が終了した後の第１の接合部４の接合状態と第２の接合部５の接合状態とが合わせやすくなり、また、第１の接合部４側で生じ易いスパッタを効果的に抑えることができる。

上記のように第２の内周壁部１５の面取１５Ｃと第２の外周壁部２５の面取２５Ｃの接触面にも電流が流れている状態で、加圧装置３５による第２の金属部材２０の移動が継続されると、第１の金属部材１０の第２の開口部１３内に、第２の金属部材２０の大径部２３が押し込まれるように加圧されることから、第２の内周壁部１５と第２の外周壁部２５の接触面にもこの加圧力と電流が供給される。したがって、この接触面及びその付近も、第１の接合部４の接触面及びその付近と同様に、供給された電流により生じるジュール熱により加熱されることで軟化され、加圧力によって塑性流動しつつ固相面同士の接合が進行する。

上述した第１の接合部４及び第２の接合部５の接合が進行した状態で、加圧装置３５による移動がさらに進行し、各接合部４、５の挿入方向における接合部分の長さ（接合長）ｈ１、ｈ２が所望の長さに至ると、両接合部４、５の接合の完了を判断し（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、一連の接合工程を完了する。なお、本実施の形態に係る接合物品１の製造方法においては、接合を完了する各接合部４、５の接合長を比較的短い長さに設定することができる。具体的には、例えば第１の接合部４の接合長ｈ１を２．５〜３．５ｍｍ、第２の接合部５の接合長ｈ２を１．０〜２．０ｍｍとすることができる。これは、上述の接合工程を経て製造された接合物品１は、接合箇所が２箇所存在していることから、その強度を向上させるために各接合箇所の接合長を長くとる必要がないためである。したがって、本実施の形態に係る接合物品１の製造方法においては、その接合作業を短時間で且つ省エネルギーで実現することができる。また、両接合長ｈ１、ｈ２の差分の長さは、第２の開口部１３の高さＨ１と小径部２２の高さＨ２の差分に等しい。したがって、これらの高さＨ１、Ｈ２を調整することにより、接合長ｈ１、ｈ２を調整することが可能である。

以上説明した通り、本実施の形態に係る接合物品の製造方法及び製造装置においては、第１及び第２の接合部４、５という２つの接合箇所にて金属部材同士が接合されるため、接合箇所が１つのみである場合に比べて曲げ応力に対する強度が高い接合物品を製造することができるようになる。

加えて、本実施の形態においては、上述した通り、ラップ代Ｌ１、Ｌ２の大きさや第２の接合部５の位置を調整することで、第１及び第２の接合部４、５を接合する際の、各接合部に要求される接合強度やそれぞれの接合部に供給されるエネルギー量を調整している。したがって、一連の接合工程が終了した際の両接合部４、５の接合状態を、簡単な調整でいずれも良好な状態とすることができる。

＜他の実施の形態＞
上述した一実施の形態においては、接合開始の順番として、第１の接合部４を先に開始させ、その後に第２の接合部５を開始させる場合について説示したが、本発明はこれに限定されない。そこで、以下には本発明の他の実施の形態として、接合開始の順番を変更した態様について説明を行う。なお、以下に示す他の実施の態様においては、接合物品１’の基本的な構成は上述した一実施の形態において説明した接合物品１と同様である。したがって、一実施の形態のものと共通する構成については同様の符号にダッシュを付したものを用いると共にその具体的な説明は省略し、異なる構成についてのみ説明を行うものとする。

図６は、本発明の他の実施の形態に係る接合物品の製造方法の各工程における第１及び第２の金属部材の要部の状態を模式的に示した説明図である。また、図７は、本発明の他の実施の形態に係る接合物品の製造方法を示すフローチャートである。本実施の形態に係る接合物品１’は、図６に示すように、第２の開口部１３’の高さＨ３が、小径部２２’の高さＨ４よりも長く設定されていると共に、第１の接合部４’のラップ代Ｌ３が第２の接合部５’のラップ代Ｌ４よりも小さく設定されている点以外は、上述した接合物品１と同様である。本実施の形態においては、上述したように第２の開口部１３’の高さＨ３が小径部２２’の高さＨ４よりも長いため、接合工程を実行した際、外側に位置する第２の接合部５’が内側に位置する第１の接合部４’よりも先に接触することとなる。

以下に本実施の形態に係る接合物品の製造方法について、主に図６及び図７を参酌して説明を行う。先ず、ステップＳ１０１において、図６（ａ）に示すように、接合物品１を構成する第１の金属部材１０’と第２の金属部材２０’とを提供する。次に、ステップＳ１０２において、加圧装置３５を作動して、第２の電極３２に固定された第２の金属部材２０’の移動を開始する。

上述した移動が継続し、図６（ｂ）に示すように、第２の接合部５’を構成する第１の金属部材１０’の第２の内周壁部１５’と第２の金属部材２０’の第２の外周壁部２５’とが接触する第１の状態となると（ステップＳ１０３ＡでＹｅｓ）、次にステップＳ１０４において、交流電源３３に接続された通電装置３４を作動して、第１の電極３１と第２の電極３２との間にパルス状電流を供給する。この通電により、図６（ｂ）に示す電流Ｅが、第１の金属部材１０’と第２の金属部材２０’との間を当接した面取１５’Ｃ、２５’Ｃ部分を介して流れる。このステップＳ１０４の際、第２の接合部５’を構成する第２の内周壁部１５’の面取１５’Ｃと第２の外周壁部２５’とは接触している反面、第１の接合部４’を構成する第１の内周壁部１４’と第１の外周壁部２４’とは所定距離Ｇ２だけ離間した状態にある。これにより、この時点では第２の接合部５’を構成する部分にのみ加圧装置３５による加圧力と通電装置３４から供給される電流に起因するジュール熱が生じ、第１の接合部４’の接合は開始されない。なお、第１の内周壁部１４’と第１の外周壁部２４’との間の隙間の距離Ｇ２は、上述した距離Ｇ１と同様に例えば０．５〜１．５ｍｍ程度とすることができる。

ステップＳ１０４において電極間への通電が開始された上で、加圧装置３５による第２の金属部材２０’の移動が継続されると、第１の金属部材１０’の第２の開口部１３’内に、第２の金属部材２０’の大径部２３’が押し込まれるように加圧され且つ両金属部材間にはパルス状電流が供給されることから、第２の内周壁部１５’と第２の外周壁部２５’の接触面にこの加圧力と電流が集中する。そして、この接触面及びその付近は、供給された電流により生じるジュール熱により加熱されることで軟化され、加圧力によって塑性流動しつつ固相面同士の接合が進行する。このように第２の接合部５’の接合が進行しつつ、加圧装置３５の移動が継続され、ステップＳ１０５Ａにおいて、第１の金属部材１０’の第１の内周壁部１４’と第２の金属部材２０’の第１の外周壁部２４’とが接触する第２の状態となると、図６（ｃ）に示すように、第１の内周壁部１４’と第１の外周壁部２４’との接触部分にも電流Ｅが流れるようになる。

第１の内周壁部１４’の面取１４’Ｃと第１の外周壁部２４’の面取２４’Ｃの接触面にも電流が流れている状態で、加圧装置３５による第２の金属部材２０’の移動が継続されると、第１の金属部材１０’の第１の開口部１２’内に、第２の金属部材２０’の小径部２２’が押し込まれるように加圧されることから、第１の内周壁部１４’と第１の外周壁部２４’の接触面にもこの加圧力と電流が供給される。したがって、この接触面及びその付近も、第２の接合部５’の接触面及びその付近と同様に、供給された電流により生じるジュール熱により加熱されることで軟化され、加圧力によって塑性流動しつつ固相面同士の接合が進行する。

上述した第１の接合部４’及び第２の接合部５’の接合が進行した状態で、加圧装置３５による移動がさらに進行し、各接合部４’、５’の挿入方向における接合部分の長さ（接合長）ｈ３、ｈ４が所望の長さに至ると、両接合部４’、５’の接合が完了したと判断し（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、一連の接合工程を完了する。なお、接合を完了する各接合部の接合長としては、例えば第１の接合部４’の接合長ｈ３を１．０〜２．０ｍｍ、第２の接合部５’の接合長ｈ４を２．５〜３．５ｍｍとすることができる。

上述した他の実施の形態においても、第１及び第２の接合部４’、５’という２つの接合箇所にて金属部材同士が接合されるため、接合箇所が１つのみである場合に比べて曲げ応力に対する強度が高い接合物品を製造することができるようになる。また、両接合部４’、５’それぞれのラップ代Ｌ３、Ｌ４を調整することにより、各接合部４’、５’に要求される接合強度を調整することができるため、一連の接合工程が終了した際の両接合部４’、５’の接合状態を、簡単な調整でいずれも良好な状態とすることができる。

更に、上述した２つの実施の形態においては、いずれも第１の接合部４、４’のラップ代Ｌ１、Ｌ３と第２の接合部５、５’のラップ代Ｌ２、Ｌ４を異なる大きさに設定しているが、両ラップ代を同一の大きさとすることも可能である。また、上述した各実施の形態においては、接合手法として固相接合、詳しくはリングマッシュ接合を採用した場合について説明したが、これに代えて、例えば溶融を伴う抵抗溶接等の他の接合方法を採用することも可能である。

本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。そして、それらはすべて、本発明の技術思想に含まれるものである。

１、１’ 接合物品
４、４’ 第１の接合部
５、５’ 第２の接合部
１０、１０’ 第１の金属部材
１０Ａ、１０Ｂ面
１１開口
１２第１の開口部
１３第２の開口部
１４、１４’ 第１の内周壁部
１４Ｃ、１４’Ｃ第１の内周壁部の面取
１５、１５’ 第２の内周壁部
１５Ｃ、１５’Ｃ第２の内周壁部の面取
１６段部
２０、２０’ 第２の金属部材
２０Ａ、２０Ｂ端部
２２小径部
２３大径部
２４、２４’ 第１の外周壁部
２４Ｃ第１の外周壁部の面取
２５、２５’ 第２の外周壁部
２５Ｃ第２の外周壁部の面取
２６段部
３０製造装置
３１第１の電極
３２第２の電極
３３交流電源
３４通電装置
３５加圧装置
ｄ１、ｄ２、Ｄ１、Ｄ２径
Ｌ１〜Ｌ４ラップ代
ｈ１〜ｈ４接合長
Ｅ電流

Claims

第１の開口部と前記第１の開口部より径の大きい第２の開口部とを備える第１の金属部材を提供する工程と；
前記第１の開口部を囲む第１の内周壁部に接触可能な第１の外周壁部と、前記第２の開口部を囲む第２の内周壁部に接触可能な第２の外周壁部とを備える第２の金属部材を提供する工程と；
前記第１の金属部材の前記第１の開口部及び前記第２の開口部の内部に前記第２の金属部材を挿入する方向に前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを相対移動させて、前記第１の内周壁部と前記第１の外周壁部とからなる第１の接合部と前記第２の内周壁部と前記第２の外周壁部とからなる第２の接合部のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ、他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる工程と；
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間の通電を開始する工程と；
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との前記相対移動を継続し、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる工程と；
前記相対移動と前記通電とにより、前記第１の接合部の固相接合と前記第２の接合部の固相接合とを行う工程と；を備える、
接合物品の製造方法。
第１の開口部と前記第１の開口部より径の大きい第２の開口部とを備える第１の金属部材を提供する工程と；
前記第１の開口部を囲む第１の内周壁部に接触可能な第１の外周壁部と、前記第２の開口部を囲む第２の内周壁部に接触可能な第２の外周壁部とを備える第２の金属部材を提供する工程と；
前記第１の金属部材の前記第１の開口部及び前記第２の開口部の内部に前記第２の金属部材を挿入する方向に前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを相対移動させて、前記第１の内周壁部と前記第１の外周壁部とからなる第１の接合部と前記第２の内周壁部と前記第２の外周壁部とからなる第２の接合部のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ、他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる工程と；
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間の通電を開始する工程と；
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との前記相対移動を継続し、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる工程と；
前記相対移動と前記通電とにより、前記第１の接合部の接合と前記第２の接合部の接合とを行う工程と；を備え、
前記一方の接合部のラップ代が前記他方の接合部のラップ代より大きい、
接合物品の製造方法。
第１の開口部と前記第１の開口部より径の大きい第２の開口部とを備える第１の金属部材を提供する工程と；
前記第１の開口部を囲む第１の内周壁部に接触可能な第１の外周壁部と、前記第２の開口部を囲む第２の内周壁部に接触可能な第２の外周壁部とを備える第２の金属部材を提供する工程と；
前記第１の金属部材の前記第１の開口部及び前記第２の開口部の内部に前記第２の金属部材を挿入する方向に前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを相対移動させて、前記第１の内周壁部と前記第１の外周壁部とからなる第１の接合部と前記第２の内周壁部と前記第２の外周壁部とからなる第２の接合部のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ、他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる工程と；
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間の通電を開始する工程と；
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との前記相対移動を継続し、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる工程と；
前記相対移動と前記通電とにより、前記第１の接合部の接合と前記第２の接合部の接合とを行う工程と；を備え、
前記一方の接合部は、前記他方の接合部よりも、前記挿入する方向に直交する方向における内側に位置する、
接合物品の製造方法。
第１の開口部と前記第１の開口部より径の大きい第２の開口部とを備える第１の金属部材が固定される第１の電極と；
前記第１の開口部を囲む第１の内周壁部に接触可能な第１の外周壁部と、前記第２の開口部を囲む第２の内周壁部に接触可能な第２の外周壁部とを備える第２の金属部材が固定される第２の電極と；
前記第１の電極と第２の電極との間に電流を供給する通電装置と；
前記第１の電極と前記第２の電極とを相対移動させる加圧装置と；を備え、
前記加圧装置は、前記第１の金属部材の前記第１の開口部及び前記第２の開口部の内部に前記第２の金属部材を挿入する方向に前記第１の電極に固定された前記第１の金属部材と前記第２の電極に固定された前記第２の金属部材とを相対移動させて、前記第１の内周壁部と前記第１の外周壁部とからなる第１の接合部と前記第２の内周壁部と前記第２の外周壁部とからなる第２の接合部のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ且つ他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる第１の状態と、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる第２の状態とを経て前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを接合するものであり、
前記通電装置は、前記第１の状態となったタイミングで、前記第１の電極に固定された前記第１の金属部材と前記第２の電極に固定された前記第２の金属部材との間への前記電流の供給を開始し、
前記相対移動と前記電流とにより、前記第１の接合部の固相接合と前記第２の接合部の固相接合とが行われる、
接合物品の製造装置。
第１の開口部と前記第１の開口部より径の大きい第２の開口部とを備える第１の金属部材が固定される第１の電極と；
前記第１の開口部を囲む第１の内周壁部に接触可能な第１の外周壁部と、前記第２の開口部を囲む第２の内周壁部に接触可能な第２の外周壁部とを備える第２の金属部材が固定される第２の電極と；
前記第１の電極と第２の電極との間に電流を供給する通電装置と；
前記第１の電極と前記第２の電極とを相対移動させる加圧装置と；を備え、
前記加圧装置は、前記第１の金属部材の前記第１の開口部及び前記第２の開口部の内部に前記第２の金属部材を挿入する方向に前記第１の電極に固定された前記第１の金属部材と前記第２の電極に固定された前記第２の金属部材とを相対移動させて、前記第１の内周壁部と前記第１の外周壁部とからなる第１の接合部と前記第２の内周壁部と前記第２の外周壁部とからなる第２の接合部のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ且つ他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる第１の状態と、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる第２の状態とを経て前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを接合するものであり、
前記通電装置は、前記第１の状態となったタイミングで、前記第１の電極に固定された前記第１の金属部材と前記第２の電極に固定された前記第２の金属部材との間への前記電流の供給を開始し、
前記一方の接合部のラップ代が前記他方の接合部のラップ代より大きい、
接合物品の製造装置。
第１の開口部と前記第１の開口部より径の大きい第２の開口部とを備える第１の金属部材が固定される第１の電極と；
前記第１の開口部を囲む第１の内周壁部に接触可能な第１の外周壁部と、前記第２の開口部を囲む第２の内周壁部に接触可能な第２の外周壁部とを備える第２の金属部材が固定される第２の電極と；
前記第１の電極と第２の電極との間に電流を供給する通電装置と；
前記第１の電極と前記第２の電極とを相対移動させる加圧装置と；を備え、
前記加圧装置は、前記第１の金属部材の前記第１の開口部及び前記第２の開口部の内部に前記第２の金属部材を挿入する方向に前記第１の電極に固定された前記第１の金属部材と前記第２の電極に固定された前記第２の金属部材とを相対移動させて、前記第１の内周壁部と前記第１の外周壁部とからなる第１の接合部と前記第２の内周壁部と前記第２の外周壁部とからなる第２の接合部のうちのいずれか一方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させ且つ他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを所定間隔で離間させる第１の状態と、前記他方の接合部の前記内周壁部と前記外周壁部とを接触させる第２の状態とを経て前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを接合するものであり、
前記通電装置は、前記第１の状態となったタイミングで、前記第１の電極に固定された前記第１の金属部材と前記第２の電極に固定された前記第２の金属部材との間への前記電流の供給を開始し、
前記一方の接合部は、前記他方の接合部よりも、前記挿入する方向に直交する方向における内側に位置する、
接合物品の製造装置。