JP7327678B2 - 摩擦接合用エレメント - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦接合用エレメントに関する。本発明は、上板に高強度鋼板を用いた２枚以上の金属板で構成される板組に該摩擦接合用エレメントを高速回転させながら圧入し、摩擦接合によって該板組を接合するものである。
近年の自動車産業では、車体軽量化による環境負荷低減と安全性の両立を目的として、超ハイテンと呼ばれる高強度鋼板の採用が進んでおり、今後更なる高強度および高加工性の鋼板の開発が期待されている。しかしながら、鋼板の高強度化および高加工性化とともに、抵抗スポット溶接などの溶融接合では凝固組織の脆化に起因する継手強度の低下が課題となっている。そのため、高強度鋼板を非溶融で接合可能な接合技術が注目されている。
非溶融での接合技術として、例えば、エレメントを高速で回転させながら板組に圧入し、接合する、ＦＥＷ（Friction Element Welding：摩擦エレメント接合）の適用が、参考文献１に記載のように検討されている。そのエレメントとして、例えば特許文献１に開示される方法などが提案されている。
[参考文献１]Jamie D. Skovron, Brandt J. Ruszkiewicz, and LaineMears,”INVESTIGATION OF THE CLEANING AND WELDING STEPS FROM THE FRICTIONELEMENT WELDING PROCESS” (ASME 2017 12th International Manufacturing Scienceand Engineering Conference collocated with the JSME/ASME 2017 6th InternationalConference on Materials and Processing 、June 4-8, 2017 Los Angeles, California, USA)
特許文献１に開示される技術は、接合要素（エレメント）のマンドレル部先端が、摩擦溶接により下板と接続し、接合プロセスにおいて塑性変形して押し出された上板材料をエレメント頭部のカラーが押えることにより、板組の接合を達成するというものである。
特許文献１に開示される技術は、接合要素（エレメント）のマンドレル部先端が、摩擦溶接により下板と接続し、接合プロセスにおいて塑性変形して押し出された上板材料をエレメント頭部のカラーが押えることにより、板組の接合を達成するというものである。
特許文献１には、例えば、板組を構成する上板にアルミニウム板を用い、下板に鋼板を用いることが記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、上板に鋼板を適用した場合、上板の塑性変形が不十分なため、接合要素（エレメント）のカラーと上板が接触せず、エレメントが上板を十分に固定することができない。その結果、板組の接合を達成することが困難な場合があった。
本発明は、上記課題を解決するものであって、上板に高強度鋼板を適用した２枚以上の金属板を重ね合わせた板組の機械的接合が可能な、摩擦接合用エレメントを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意検討した。その結果、摩擦接合用エレメントの側面形状を工夫することにより、２枚以上の金属板を重ねわせた板組、特に、超ハイテンを含む鋼板（高強度鋼板）を上板に用いた２枚以上の金属板で構成される板組であっても、機械的接合による接合が可能となる知見を得た。
具体的には、摩擦接合用エレメントのマンドレル側面にネジ山を設けることで、摩擦接合用エレメントと上板を噛合わせることができる。これにより、板組の上板に高強度鋼板を用いる場合であっても摩擦接合用エレメントが上板を十分に固定でき、上記板組の機械的接合による接合を可能とする。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を重ねて完成されたものであり、本発明の要旨は次の通りである。
［１］ 上板に高強度鋼板を用いた２枚以上の金属板を重ね合わせた板組を、機械的接合する摩擦接合用エレメントであって、
前記摩擦接合用エレメントは、前記板組の全板厚以下の長さに調整された全長を有するマンドレルと、該マンドレルの上部にカラーを備え、
前記マンドレルの頭部側の側面にネジ山を有する、摩擦接合用エレメント。
［２］ 前記ネジ山は、ネジ山の表面にコーティング層を有する、［１］に記載の摩擦接合用エレメント。
［３］ 前記マンドレルの側面領域には２列以上２０列以下の前記ネジ山を設け、隣り合う前記ネジ山間の距離を１００～１０００μｍの範囲とする、［１］または［２］に記載の摩擦接合用エレメント。
［１］ 上板に高強度鋼板を用いた２枚以上の金属板を重ね合わせた板組を、機械的接合する摩擦接合用エレメントであって、
前記摩擦接合用エレメントは、前記板組の全板厚以下の長さに調整された全長を有するマンドレルと、該マンドレルの上部にカラーを備え、
前記マンドレルの頭部側の側面にネジ山を有する、摩擦接合用エレメント。
［２］ 前記ネジ山は、ネジ山の表面にコーティング層を有する、［１］に記載の摩擦接合用エレメント。
［３］ 前記マンドレルの側面領域には２列以上２０列以下の前記ネジ山を設け、隣り合う前記ネジ山間の距離を１００～１０００μｍの範囲とする、［１］または［２］に記載の摩擦接合用エレメント。
本発明によれば、本発明の摩擦接合用エレメントと板組をネジ締めにより固定することで、上板に高強度鋼板を用いた２枚以上の金属板で構成される板組であっても、機械的接合による接合を達成できる。これにより、良好な継手性能を有する、機械接合継手を提供することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明の技術思想について説明する。
図１および図３は、２枚の金属板で構成される板組がエレメントによって接合された状態を示す概要図である。図３には従来のエレメントを示しており、従来のエレメントはマンドレル側面にネジ山を有していない。一方、図１には本発明の摩擦接合用エレメント（以下、「エレメント」と称する場合もある。）を示しており、本発明の摩擦接合用エレメントはマンドレル側面にネジ山を有する。なお、図１および図３において、共通する構成要素には同じ符号を付している。ここでは、図１および図３において、符号１がエレメント、符号２がマンドレル、符号３がカラー、符号５がネジ山、符号６が板組、符号７が上板、符号８が下板、符号９がエレメントと下板との接合部界面、である。
図１および図３には、２枚の板状部品（上板７、下板８）からなる板組６とエレメント１とが接合された状態を示す。上板７は、板組６を構成する一番上に積層された金属板であり、下板８は、板組６を構成する一番下に積層された金属板である。上板７は、超ハイテンを含む高強度鋼板である。本発明において「高強度」とは、引張強度が５９０ＭＰａ以上であることを指す。鋼板の引張強度は、好ましくは９８０ＭＰａ以上とし、好ましくは１４７０ＭＰａ以下とする。
図１および図３に示すように、板組６をエレメント１で接合するためには、まず、接合装置（図示せず）によってエレメント１が回転しながら板状部品の上板７に接触し、加圧力を加えてエレメント１を上板７に押し込む。これにより、板状部品の上板７が摩擦熱により可塑化し、マンドレル２が板状部品の上板７内へ進入する。エレメント１は板状部品の上板７を貫通し、板状部品の下板８に接触した後、エレメント１と下板８において摩擦接合のプロセスが開始される。
この際、図３に示す従来のエレメント１の場合、エレメント１によって上板７および下板８の接合が達成されてはいるが、接合部分の断面を観察すると、エレメント１のカラー３部と上板７の間に隙間があり、接合状態が不十分である。これは、鋼板などの金属板がアルミニウムなどの軽金属板に比べ塑性変形しにくく、エレメントのカラー部と上板の間に塑性変形した金属が十分に充填されないことによる。
これに対し、図１に示す本発明のエレメント１の場合、マンドレル２の側面にマンドレルの長さ方向に連続して形成されたネジ山５が設けられている。これにより、マンドレル２が板状部品の上板７へ進入することに合わせてネジ山５と板状部品の上板７が噛み合い、板状部品の上板７をマンドレル２に固定する。その結果、上板７の塑性変形が十分となるため、エレメント１のカラー３と上板７とが接触する。
また、マンドレル２が板状部品の上板７を貫通して下板８内へ進入し、マンドレル２の先端が摩擦接合によって下板８と接続し、かつ、接合プロセスで塑性変形し押し出された上板７の材料がマンドレル２の上部に設けたカラー３で押えられる。その結果、エレメント１によって板状部品の上板７および板状部品の下板８の機械的接合を達成することができる。本発明のエレメントにおける接合部分の断面を観察すると、図１に示すように、上板７とネジ山５が相互にかみ合った状態となっており、上板７が高強度鋼板であっても健全な接合状が得られている。
次に、図２を参照し、本発明のエレメントについて説明する。
本発明のエレメントは、上板に高強度鋼板を用いた２枚以上の金属板を重ね合わせた板組を、機械的接合するものである。
図２は、本発明のエレメントの一実施形態を説明する概要図である。図２に示すように、本発明のエレメント１は、マンドレル２とカラー３を有し、該マンドレル２の側面にネジ山５を設ける。ネジ山５は、マンドレルの長さ方向に対して、複数のネジ山が連続して形成される。エレメント１は、高速で回転させながら板組に圧入し、板組と接続するためのものである。上述のように、エレメント１は、板組の上板とはマンドレル側面に設けたネジ山で接合され、板組の下板とはマンドレル先端で摩擦接合される。
図２は、本発明のエレメントの一実施形態を説明する概要図である。図２に示すように、本発明のエレメント１は、マンドレル２とカラー３を有し、該マンドレル２の側面にネジ山５を設ける。ネジ山５は、マンドレルの長さ方向に対して、複数のネジ山が連続して形成される。エレメント１は、高速で回転させながら板組に圧入し、板組と接続するためのものである。上述のように、エレメント１は、板組の上板とはマンドレル側面に設けたネジ山で接合され、板組の下板とはマンドレル先端で摩擦接合される。
マンドレル２は、エレメント１の軸心に設けられ、円柱状に形成される。マンドレル２の先端は、例えば、平坦状、先端部分が突出するように傾斜を持たせたテーパ状、切削刃を有するドリル形状、などの形状に形成される。
マンドレル２の全長Ｌは、板組の全板厚の長さ（板組６の全板厚の合計値）以下の長さに調整される。具体的には、マンドレル２の全長の上限値は、板組６の全板厚の長さと同一とするか、あるいは、板組６の全板厚から、板組において最下層（一番下）に配置される金属板（例えば、図１に示す例では下板８）の板厚を除いた値とする。マンドレル２の全長Ｌは、マンドレル先端と下板８とで摩擦接合が可能な長さであればよい。
マンドレル２の全長Ｌ（ｍｍ）は、１０ｍｍ以下とすることが好ましく、好ましくは８ｍｍ以下とすることがより好ましい。マンドレル２の全長Ｌは、１ｍｍ以上とすることが好ましい。
マンドレル２の全長Ｌ（ｍｍ）は、１０ｍｍ以下とすることが好ましく、好ましくは８ｍｍ以下とすることがより好ましい。マンドレル２の全長Ｌは、１ｍｍ以上とすることが好ましい。
マンドレル２の側面には、ネジ山５が設けられる。ネジ山５は、マンドレル２の頭部側（上部側）（すなわち、エレメント１の頭部側）の側面に設けられる。図２に示す例では、マンドレル２の頭部側付近に３列のネジ山を設けている。なお、本発明では、マンドレル２の側面にネジ山５を設けることが重要である。これにより、上述の通り、ネジ山５と板状部品の上板７が噛み合うことによって上板７をマンドレル２に固定できる効果を得る。そのため、この効果が得られれば、ネジ山形状はいかなる形状でも良い。板組６を構成する金属板の材質や強度、板組を構成する金属板の合計枚数などを考慮し、ネジ山の数は適宜調整することができる。
また、ネジ山５の表面には、コーティング処理を施すことによって、コーティング層を設けることが可能である。これにより、板状部品の上板７内の進入中に生じるネジ山５の損耗を抑制することができる。その結果、エレメント１と板状部品の上板７を、より一層強固に噛合わせることができる。
上記コーティング層は、耐摩耗性材料として所望の性能を有していればよく、特に規定しない。例えば、ＷＣ、ＴｉＮ、その他セラミックス、耐熱コーティング層、窒化等の硬化処理によるコーティング層が挙げられる。また、コーティング層の厚さも、所望の性能に合わせて、適宜調整することができる。
カラー３は、マンドレル２の上部、すなわちエレメント１の頭部に設けられる。これにより、接合プロセスの塑性流動によって押し出された上板７の材料をカラー３で抑えることができる。具体的には、カラー３の形状として、例えば、ウェハーまたはトラスなどの形状に形成することが挙げられる。
上記構成を有する本発明のエレメント１は、例えば図１に示すように、回転しながら板組６に押し込まれる際に生じる摩擦熱によって金属板（上板７、下板８）を可塑化させる。これにより、板組６の上板７とマンドレル２の側面に設けたネジ山５とが相互にかみ合った状態となって固定されるとともに、板組６の下板８がマンドレル２の先端と摩擦接合されるため、機械的接合による接合を達成できる。本発明のエレメント１によれば、板状部品（上板７、下板８）の固定を強固にする効果が得られる。
なお、図１に示す例では、２枚の金属板から構成される板組６を示しているが、３枚以上の金属板から構成される板組であっても良い。２枚以上の金属板から構成される板組６における最上層の上板７は、超ハイテンを含む鋼板（高強度鋼板）とする。
なお、図１に示す例では、２枚の金属板から構成される板組６を示しているが、３枚以上の金属板から構成される板組であっても良い。２枚以上の金属板から構成される板組６における最上層の上板７は、超ハイテンを含む鋼板（高強度鋼板）とする。
次に、本発明のエレメント１の一実施形態について、詳細に説明する。
〔ネジ山〕
上述したように、本発明では、マンドレル２の側面にネジ山５を設けることが重要である。ネジ山５は、以下の形状とすることが好ましい。
〔ネジ山〕
上述したように、本発明では、マンドレル２の側面にネジ山５を設けることが重要である。ネジ山５は、以下の形状とすることが好ましい。
ネジ山５は、マンドレル２の長さ方向に対して、マンドレル２の側面領域に設けることが好ましい。これにより、上板７の金属板とねじ山５とで噛み込み部を形成することができる。また、ネジ山５の数は、上記側面領域に２～２０列の範囲内で設けること好ましい。これにより、上記噛み込み部を形成することができる。ネジ山５の数は、好ましくは３列以上であり、好ましくは１０列以下とする。
隣り合うネジ山５間の距離（ピッチ）は、１００～１０００μｍの範囲とすることが好ましい。ここで「隣り合うネジ山間の距離」とは、マンドレル２の長さ方向に対して隣り合うネジ山の頂点間の距離を指す。該距離が１００μｍ未満ではネジ山間への板材の噛み込みが困難となり、その結果、金属板（上板７）との噛み込み部を得られない。一方、該距離が１０００μｍ超えでは、上記噛み込み部でのエレメントと金属板（上板７）との接触面積が小さくなり、その結果、上述の効果を得られない。隣り合うネジ山５間の距離は、好ましくは１００～５００μｍの範囲とする。
ネジ山５の傾斜角度θ1は、１０～１８０°とすることが好ましい。ここで「ネジ山の傾斜角度θ1」とは、ネジ山頂点の角度を指す。該傾斜角度θ1が１０°未満ではネジ山の幅が細くなり、その結果、本発明の目的を得られない。一方、該傾斜角度θ1が１８０°超えでは、ネジ山が無いか、または、山谷が反転することとなる。該傾斜角度θ1は、好ましくは３０°以上とし、好ましくは９０°以下とする。
〔マンドレル〕
マンドレル２の先端は、上述の形状に形成される。図２に示す例では、上記の先端部分が突出するテーパ状である。該テーパ状の角度θ2は１２０～１８０°とすることが好ましい。
マンドレル２の先端は、上述の形状に形成される。図２に示す例では、上記の先端部分が突出するテーパ状である。該テーパ状の角度θ2は１２０～１８０°とすることが好ましい。
〔カラー〕
上述のように、カラー３は、接合プロセスの塑性流動によって押し出された上板７の材料を抑える働きをする。このような作用を得るため、カラー３は塑性流動後の金属を格納する空間を設けつつ、かつ、カラー３によって上板７を押え付ける必要がある。そのため、図２に示すように、傘状の形状に形成することが好ましい。
上述のように、カラー３は、接合プロセスの塑性流動によって押し出された上板７の材料を抑える働きをする。このような作用を得るため、カラー３は塑性流動後の金属を格納する空間を設けつつ、かつ、カラー３によって上板７を押え付ける必要がある。そのため、図２に示すように、傘状の形状に形成することが好ましい。
〔コーティング層〕
コーティング層の厚さは、１～１００μｍとすることが好ましい。該厚さが１μｍ未満の場合、摩耗によりコーティング層が消滅し、その結果、コーティングの効果が得られない恐れがある。一方、該厚さが１００μｍ超えの場合、コストの観点から現実的ではない。
コーティング層の厚さは、より好ましくは２μｍ以上であり、より好ましくは１０μｍ以下である。
コーティング層の厚さは、１～１００μｍとすることが好ましい。該厚さが１μｍ未満の場合、摩耗によりコーティング層が消滅し、その結果、コーティングの効果が得られない恐れがある。一方、該厚さが１００μｍ超えの場合、コストの観点から現実的ではない。
コーティング層の厚さは、より好ましくは２μｍ以上であり、より好ましくは１０μｍ以下である。
以下、本発明の更なる理解のために、実施例を用いて説明する。なお、以下の実施例は本発明を限定するものではなく、本発明の要旨を満足する限りいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
供試材は、上板に５９０ＭＰａ級ハイテン、９８０ＭＰａ級ハイテン、１４７０ＭＰａ級ハイテンおよびＡ５０５２アルミニウム合金を用い、下板に１１８０ＭＰａ級ハイテンおよび１４７０ＭＰａ級ハイテンを用いた。また３枚板組の場合には、中板に９８０ＭＰａ級ハイテン、１４７０ＭＰａ級ハイテンおよびＡ５０５２アルミニウム合金を用いた。
ここで、「５９０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が５９０ＭＰａとし、「９８０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が９８０ＭＰａとし、「１１８０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が１１８０ＭＰａとし、「１４７０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が１４７０ＭＰａとした。各供試材の板厚ｈ（ｍｍ）は、表１－１および表１－２に示す厚さとした。本実施例では、表１－１および表１－２に示す板組を用いた。
ここで、「５９０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が５９０ＭＰａとし、「９８０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が９８０ＭＰａとし、「１１８０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が１１８０ＭＰａとし、「１４７０ＭＰａ級」とは引張強度の下限が１４７０ＭＰａとした。各供試材の板厚ｈ（ｍｍ）は、表１－１および表１－２に示す厚さとした。本実施例では、表１－１および表１－２に示す板組を用いた。
上記板組を接合するためのエレメントは、表２に示す２種類を準備した。１つは、図１に示す、マンドレル２の側面にネジ山を設けたエレメント（本発明のエレメント）とした。もう１つは、図３に示す、マンドレルの側面にネジ山を設けないエレメント（従来のエレメント）とした。なお、図１に示すマンドレル２の先端は、テーパ状の角度θ2が１２０～１８０°の範囲内となるように適宜設定した（図２を参照）。また、表２に示す「耐熱膜」とは、耐熱皮膜をＰＶＤ処理により形成したコーティング層とした。
上記板組の接合方法は、「フリクション・エレメント・ウェルディング（Friction Element Welding）（ＦＥＷ）」として知られている接合方法（例えば、US3,477,115の特許公報を参照）を用いて、接合を行った。接合条件は、表２に示す条件とした。
接合後に得られた継手（機械接合継手）を用いて、以下に示す方法で継手の外観観察および引張強度試験を行った。得られた結果を用いて、以下の基準で接合状態を評価した。
＜外観観察＞
外観観察は、得られた継手を目視で観察して行った。さらに接合部分中央で断面出しを行い、断面の観察を行った。継手の外観の評価は、エレメントが上板を貫通し、かつ下板と摩擦接合されている場合に、継手外観は「良好」と評価し、符号「○」を付与した。それ以外の場合は、継手外観は「不良」と評価し、符号「×」を付与した。得られた結果を表２に示した。
外観観察は、得られた継手を目視で観察して行った。さらに接合部分中央で断面出しを行い、断面の観察を行った。継手の外観の評価は、エレメントが上板を貫通し、かつ下板と摩擦接合されている場合に、継手外観は「良好」と評価し、符号「○」を付与した。それ以外の場合は、継手外観は「不良」と評価し、符号「×」を付与した。得られた結果を表２に示した。
＜引張強度試験＞
引張強度試験は、得られた継手を用いて、十字引張試験（ＪＩＳＺ３１３７）を行った。十字引張試験は、上記の外観観察において継手外観が良好と評価されたものを対象とした。得られた継手強度（ｋＮ）を表２に示した。
引張強度試験は、得られた継手を用いて、十字引張試験（ＪＩＳＺ３１３７）を行った。十字引張試験は、上記の外観観察において継手外観が良好と評価されたものを対象とした。得られた継手強度（ｋＮ）を表２に示した。
＜接合状態の評価＞
上述の結果を用いて、以下の基準で接合状態を評価した。
継手の外観評価が「○」で、かつ継手強度が「６ｋＮ以上」の場合を「Ａ」と評価した。継手の外観評価が「○」で、かつ継手強度が「３ｋＮ以上６ｋＮ未満」の場合を「Ｂ」と評価した。継手の外観評価が「○」で、かつ継手強度が「３ｋＮ未満」の場合を「Ｃ」と評価した。継手の外観評価が「×」の場合は、「Ｄ」と評価した。得られた接合状態の評価結果を表２に示した。
上述の結果を用いて、以下の基準で接合状態を評価した。
継手の外観評価が「○」で、かつ継手強度が「６ｋＮ以上」の場合を「Ａ」と評価した。継手の外観評価が「○」で、かつ継手強度が「３ｋＮ以上６ｋＮ未満」の場合を「Ｂ」と評価した。継手の外観評価が「○」で、かつ継手強度が「３ｋＮ未満」の場合を「Ｃ」と評価した。継手の外観評価が「×」の場合は、「Ｄ」と評価した。得られた接合状態の評価結果を表２に示した。
本発明のエレメントを用いて接合を行った場合、上記接合状態の評価はＡ～Ｃのいずれかであり、機械的接合による接合を達成できた。また、得られる継手（ただし、表２中のＮｏ．１２、１６を除く）は、良好な継手性能を有することが分かった。一方、従来のエレメントを用いて接合を行った場合、全てにおいて上記接合状態の評価がＤであり、機械的接合による接合を達成できていなかった。
表２に示すように、本発明例はいずれも、接合状態が接合良好で、かつ２．６ｋＮ以上の継手強度を有していた。ただし、Ｎｏ．１２、１６の継手（比較例）は、継手の外観評価が良好「〇」であったが、上板がアルミニウム合金板であるため、上板貫入中のエレメントの摩耗が著しく、十分な接合径を確保できず、その結果、継手強度が１．５ｋＮに低下していた。本発明の範囲を外れる比較例では、接合状態が不良（表２中の継手外観が符号「×」）であった。
１ エレメント
２ マンドレル
３ カラー
５ ネジ山
６ 板組
７ 上板
８ 下板
９ エレメントと下板の接合部界面
２ マンドレル
３ カラー
５ ネジ山
６ 板組
７ 上板
８ 下板
９ エレメントと下板の接合部界面
Claims (2)
- 上板に高強度鋼板を用いた２枚以上の金属板を重ね合わせた板組を、機械的接合する摩擦接合用エレメントであって、
前記摩擦接合用エレメントは、前記板組の全板厚以下の長さに調整された全長を有するマンドレルと、該マンドレルの上部にカラーを備え、
前記マンドレルの頭部側の側面で、かつマンドレルの長さ方向に対して、連続して形成されたネジ山を有し、
前記マンドレルの側面領域には２列以上２０列以下の前記ネジ山を設け、かつ、隣り合う前記ネジ山間の距離を１００～１０００μｍの範囲とし、かつ、前記ネジ山の傾斜角度を１０～１８０°とする、摩擦接合用エレメント。 - 前記ネジ山は、ネジ山の表面にコーティング層を有する、請求項１に記載の摩擦接合用エレメント。
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