JPWO2016027650A1 - 金属接合体及び金属接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

接合面積を大きくでき高い接合強度を得られ、しかも位置決め治具を使用しなくても同軸精度が得やすい金属接合体を提供する。円筒状金属部材は、リング状金属部材（１２）の開口部（１３）の側壁面に第１テーパ部（１６）を形成し、さらに、その第１テーパ部（１６）に多段の接合面を形成し、リング状金属部材（１２）の開口部（１３）に圧入される円筒状金属部材（１１）の円筒部の先端部は、リング状金属部材（１２）の第１テーパ部（１６）と同じ面取角の第２テーパ部（１７）とを備え、円筒状金属部材（１１）の円筒部をリング状金属部材（１２）の開口部（１３）に圧入し通電して、円筒状金属部材（１１）の円筒部の側壁部と第１テーパ部（１６）の多段の接合面とを塑性流動させて、リング状金属部材（１２）と円筒状金属部材（１１）とを接合して形成される。

Description

本発明は、開口部を有した第１の金属部材と、第１の金属部材の開口部に圧入される円筒部を有した円筒状の第２の金属部材とを圧入及び通電により塑性流動させて接合した金属接合体及び金属部材の接合方法乃至は金属接合体の製造方法に関する。

リング状の金属部品と円筒状の金属部品とを接合する工法として「リングマッシュ接合」、「リングプロジェクション接合」、「エッジリングプロジェクション接合」等がある。図５は従来の接合工法の説明図であり、図５（ａ）はリングマッシュ接合工法の説明図、図５（ｂ）はリングプロジェクション接合工法の説明図、図５（ｃ）はエッジリングプロジェクション接合工法の説明図である。（リングマッシュは登録商標。）

リングマッシュ接合工法は、円筒状金属部材をリング状金属部材の開口部に圧入し通電して接合を行う固相接合である。図５（ａ）に示すように、円筒状金属部材１１の円筒部の直径は、リング状金属部材１２の開口部１３の直径よりやや大きく形成されており、円筒状金属部材１１のエッジ部にはテーパ部１４ａが設けられ、同様にリング状金属部材１２のエッジ部にもテーパ部１４ｂが設けられている。そして、円筒状金属部材１１のテーパ部１４ａとリング状金属部材１２のテーパ部１４ｂとを接触させて、円筒状金属部材１１を加圧してリング状金属部材１２の開口部１３に圧入し、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２との間に電流を流す。これにより、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２との接触部が塑性流動して接合する。

リングプロジェクション接合工法は、円筒状金属部材とリング状金属部材とのうち、一方の金属部材にプロジェクション（突起物）を設け、プロジェクションに通電して金属を溶かし接合する抵抗溶接による接合である。図５（ｂ）に示すように、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２とのうち、一方の金属部材にプロジェクション（突起物）１５を設ける。図５（ｂ）では、円筒状金属部材１１にプロジェクション１５を設けた場合を示している。そして、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２との間を加圧して電流を流し、プロジェクション１５を溶かして接合する。プロジェクション１５の目的は、金属同士の接触面積を少なくすることで電流をプロジェクション１５に集中させ、効果的に発熱させることであり、抵抗の小さい金属同士の溶接に適している。

エッジリングプロジェクション接合工法は、円筒状金属部材とリング状金属部材とのうち、一方の金属部材のエッジ部をプロジェクション（突起物）として用い、そのプロジェクションに通電して金属を溶かし接合する抵抗溶接による接合である。図５（ｃ）に示すように、円筒状金属部材１１の円筒部の直径は、リング状金属部材１２の開口部１３の直径よりやや大きく形成されており、円筒状金属部材１１のエッジ部にはテーパ部１４が設けられている。さらに、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２とのうち、一方の金属部材のエッジ部をプロジェクション１５として用いる。図５（ｃ）では、リング状金属部材１２のエッジ部をプロジェクション１５として用いた場合を示している。そして、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２との間を加圧して円筒状金属部材１１をリング状金属部材１２の開口部１３に圧入し電流を流し、プロジェクション１５を溶かして接合する。

近年、自動車の駆動系部品の金属同士の接合工法としてリングマッシュ接合が注目されており、ランニングコストやサイクルタイムなどの面で電子ビーム溶接やボルト締結に代わる工法として期待されている。リングマッシュ接合は前述したように、圧入タイプの接合工法で、リングプロジェクション接合と比べて軸方向に深い接合が可能で、さらに位置決め治具を使用しなくても同軸精度が得やすいという特徴がある。

ここで、リングマッシュ接合として、第１金属部材の内周壁部と第２金属部材の外周壁部とを段違いに形成することで、２つの接合部を離間して形成し、その間を間隙部とし、各接合部の軸方向長さ（接合長）をむやみに大きくしなくても、特に曲げに強い優れた接合構造を構築することができ、接合エネルギーの増大を回避しつつ接合強度を効果的に向上させることができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

日本国特許第５３９９２０６号公報

しかし、特許文献１のものでは、接合部が２箇所あるが１箇所あたりの接合部の接触面積を大きくすることができないので、高い接合強度を得ることが困難である。接合部の強度は接合面積に依存し、特にリングマッシュ接合のような圧入タイプの接合工法の場合、「接合面積＝接合径＊接合深さ」となり、接合深さが大きければ大きな接合強度を得ることができる。特に鋳鉄と合金鋼との接合のような異種金属同士の接合では、押し込みが深くなるにつれて未接合の部分が大きくなっていく。そのため、十分な有効接合深さを得ることが困難である。

本発明の目的は、接合面積を大きくでき高い接合強度を得られ、しかも位置決め治具を使用しなくても同軸精度が得やすい金属接合体及び金属部材の接合方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る金属接合体は、例えば、図１、図３に示す金属接合体１１、１２であって、円形の開口部１３を有し前記開口部１３の側壁面に第１のテーパ部１６を有した第１の金属部材１２と；前記開口部１３に圧入される円筒部を有し、前記円筒部の先端部に前記第１のテーパ部１６と同じ面取角の第２のテーパ部１７が形成され、前記円筒部が前記開口部１３に圧入され通電されて前記第２のテーパ部１７が前記第１のテーパ部１６と接合された第２の金属部材１１とを備え；前記第１のテーパ部１６又は前記第２のテーパ部１７に多段の接合面が形成され、前記接合は前記多段の接合面が塑性流動をすることにより行われる金属接合体である。
塑性流動は少なくとも多段の接合面に生じるが、相手側のテーパ部にも生じてよい。相手側のテーパ部に塑性流動が生じる場合は、さらに強固な接合が得られる。
本発明の第２の態様として、前記第１の金属部材１２は、前記円形の開口部１３が中央部に形成されたリング状金属部材であってもよい。

上記の課題を解決するために、本発明の第３の態様に係る金属接合体の製造方法は、例えば、図３に示すように、円形の開口部１３を有し前記開口部１３の側壁面に第１のテーパ部１６を有した第１の金属部材１２を提供する工程と；前記開口部１３に圧入される円筒部を有した第２の金属部材１１であって、前記第１のテーパ部１６と同じ面取角で前記円筒部の先端部に形成された第２のテーパ部１７とを有する第２の金属部材１１を提供する工程と；前記円筒部を前記開口部１３に圧入する工程と；前記第１の金属部材１２と前記第２の金属部材１１との間に通電して、前記第１の金属部材１２と前記第２の金属部材１１とを接合する工程とを備え；前記第１のテーパ部１６又は前記第２のテーパ部１７には多段の接合面１８が形成されており、前記接合する工程は、前記多段の接合面１８を塑性流動させる工程を含む；金属接合体の製造方法である。
本発明の第４の態様として、前記第１の金属部材１２は、前記円形の開口部１３が中央部に形成されたリング状金属部材であってもよい。

本発明によれば、開口部を有した第１の金属部材の開口部の側壁面に第１テーパ部を形成し、第１の金属部材の開口部に圧入される円筒状金属部材の円筒部の先端部は、開口部を有した第１の金属部材の第１テーパ部と同じ面取角の第２テーパ部とを備え、第1テーパ部又は第２テーパ部に多段の接合面を形成し、円筒状金属部材の円筒部を第１の金属部材の開口部に圧入し通電して、前記多段の接合面を塑性流動させて、第１の金属部材と円筒状金属部材とを接合するので、接合部は多段の接合面となることから接合面積を大きくでき高い接合強度を得られる。また、円筒状金属部材の円筒部を第１の金属部材の開口部に圧入する圧入タイプの接合工法であることから、位置決め治具を使用しなくても同軸精度が得られる。

本発明の実施形態に係る金属接合体の構成要素である円筒状金属部材及びリング状金属部材の構成図。 図１のＡ部における第１テーパ部の多段の接合面の拡大図。 本発明の実施形態に係る金属部材の接合方法の説明図。 多段の接合面により形成されていた複数段のエッジプロジェクションが塑性流動していく状態の説明図。 従来の接合工法の説明図。

この出願は、日本国で２０１４年８月１８日に出願された特願２０１４‐１６５６４８号に基づいており、その内容は本出願の内容として、その一部を形成する。本発明は以下の詳細な説明によりさらに完全に理解できるであろう。本発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明により明らかとなろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の実例は、本発明の望ましい実施の形態であり、説明の目的のためにのみ記載されているものである。この詳細な説明から、種々の変更、改変が、本発明の精神と範囲内で、当業者にとって明らかであるからである。出願人は、記載された実施の形態のいずれをも公衆に献上する意図はなく、改変、代替案のうち、特許請求の範囲内に文言上含まれないかもしれないものも、均等論下での発明の一部とする。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
本発明の実施の形態の金属接合体は、中央部に円形の開口部を有し前記開口部の側壁面に第１テーパ部を有したリング状金属部材と、前記リング状金属部材の前記第１テーパ部に形成された多段の接合面と、前記リング状金属部材の前記開口部に圧入される円筒部を有し前記円筒部の先端部に前記リング状金属部材の前記第１テーパ部と同じ面取角の第２テーパ部が形成され前記円筒部が前記リング状金属部材の前記開口部に圧入され通電されたとき前記第２テーパ部と前記リング状金属部材の前記第１テーパ部の多段の接合面とが塑性流動して接合する円筒状金属部材とを備えたことを特徴とする。
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。図１は本発明の実施形態に係る金属接合体の構成要素である円筒状金属部材及びリング状金属部材の構成図である。本発明の実施形態に係る金属接合体は、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２とからなり、円筒状金属部材１１はリング状金属部材１２の開口部１３に圧入され通電して接合が行われる。

リング状金属部材１２は、中央部に円形の開口部１３を有し、開口部１３の側壁面には第１テーパ部１６が設けられている。リング状金属部材１２の第１テーパ部１６には、多段の接合面が設けられている。第１テーパ部１６の多段の接合面については後述する。

一方、円筒状金属部材１１は、リング状金属部材１２の開口部１３に圧入される円筒部を有し、円筒部の先端部には、リング状金属部材１２の第１テーパ部１６と同じ面取角の第２テーパ部１７が形成されている。そして、円筒状金属部材１１の円筒部がリング状金属部材１２の開口部１３に圧入され通電されたとき、円筒状金属部材１１の第２テーパ部１７とリング状金属部材１２の第１テーパ部１６の多段の接合面とが塑性流動して接合する。これにより、本発明の実施形態に係る金属接合体が形成される。

図２は、図１のＡ部における第１テーパ部１６の多段の接合面の拡大図である。図２に示すように、第１テーパ部１６には階段状に複数の段が設けられ、各段のエッジ部分には同一加工にて面取りが行われ、多段の接合面１８が設けられている。図２では３段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃが設けられた場合を示しているが、それより多くしてもよいし、それより少ない２段であってもよい。このように、第１テーパ部１６には階段状に複数の段が設けられ、各段のエッジ部分には同一加工にて面取りが行われるので、リング状金属部材１２の開口部１３の深さ方向には、複数段のエッジプロジェクション１９ａ、１９ｂ、１９ｃが形成されることになる。

ここで、面取りした３段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃの長さはすべての段で同じであってもよいし、接合時に電流が集中して発熱が大きくなりがちな外側ほど長くして内側を短くしてもよい。そうした場合には、すべての段がより均等に発熱するようにできる。また、第１テーパ部１６の面取り角度θは１５°〜６０°程度とする。角度θが浅い方が接合が深くなっても接合下部の内径が小さくならない。開口部１３の内径が小さくなると接合径も小さくなり接合強度が小さくなるので、角度θを大きくしない方が好ましい。

次に、円筒状金属部材１１の第２テーパ部１７は、リング状金属部材１２の面取角度と同じ面取角度で面取される。これにより、円筒状金属部材１１がリング状金属部材１２の開口部１３に挿入されたとき、円筒状金属部材１１の外周面は、リング状金属部材１２の多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃと接触する。このように、円筒状金属部材１１の第２テーパ部１７は、リング状金属部材１２の多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃと接触するようにリング状金属部材１２の多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃと同じ面取角度で面取りが行われる。

つまり、リング状金属部材１２の多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃの面取りを同一加工で行い、リング状金属部材１２の多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃと円筒状金属部材１１の第２テーパ部１７の面取りした面との角度公差を小さくすることで、複数段のエッジプロジェクション１９ａ、１９ｂ、１９ｃと円筒状金属部材１１の面取りした面との接触状態をできるだけ均一にし、接合に重要なパラメータである加圧と接合電流とを均等に分布させる。

図３は、本発明の実施形態に係る金属部材の接合方法の説明図である。
本発明の実施の形態の金属部材の接合方法は、中央部に円形の開口部を有し前記開口部の側壁面に第１テーパ部を有したリング状金属部材と、前記リング状金属部材の前記第１テーパ部に形成された多段の接合面と、前記リング状金属部材の前記開口部に圧入される円筒部を有した円筒状金属部材と、前記リング状金属部材の前記第１テーパ部と同じ面取角で前記円筒状金属部材の前記円筒部の先端部に形成された第２テーパ部とを備え、前記円筒状金属部材の前記円筒部を前記リング状金属部材の前記開口部に圧入し通電して、前記円筒状金属部材の前記円筒部の側壁部と前記第１テーパ部の多段の接合面とを塑性流動させ、前記リング状金属部材と前記円筒状金属部材とを接合することを特徴とする。
さらに具体的には、図１に示した円筒状金属部材１１をリング状金属部材１２の開口部１３に圧入され通電して金属部材を接合し、金属接合体を得るものである。

図３（ａ）に示すように、円筒状金属部材１１の円筒部をリング状金属部材１２の開口部１３の上部に配置し、図３（ｂ）に示すように、円筒状金属部材１１の円筒部をリング状金属部材１２の開口部１３の位置まで下げて、円筒状金属部材１１の円筒部の第２テーパ部１７とリング状金属部材１２の第１テーパ部１６とを接触させる。前述したように、第１テーパ部１６と第２テーパ部１７とは面取角度が同じであるので、円筒状金属部材１１の第２テーパ部１７は、リング状金属部材１２の多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃと接触する。

図３（ｂ）の状態で、円筒状金属部材１１の円筒部を加圧するとともに、円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２との間に電流を通電する。これにより、図３（ｃ）に示すように、多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃにより形成されていた複数段のエッジプロジェクションが塑性流動していく。

図４は、多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃにより形成されていた複数段のエッジプロジェクション１９ａ、１９ｂ、１９ｃが塑性流動していく状態の説明図であり、複数段のエッジプロジェクション１９ａ、１９ｂ、１９ｃが塑性流動し、塑性流動したエッジプロジェクション１９ａ、１９ｂ、１９ｃが矢印で示すように、階段状の各段に流れ込み隙間を塞ぐ。このようにして、図３（ｄ）に示すように、リング状金属部材１２と円筒状金属部材１１とを接合し、金属接合体が得られる。

このように、本発明の実施形態に係る金属部材の接合方法は、リングマッシュ接合のように深くまで押し込む工法ではなく、押し込みはエッジプロジェクション１９ａ、１９ｂ、１９ｃを潰す程度でよいので接合時の変位が小さくすむ。前述したように、鋳鉄と合金鋼との接合のような異種金属同士の接合では、押し込みが深くなるにつれて未接合の部分が大きくなっていくが、押し込みはエッジプロジェクション１９ａ、１９ｂ、１９ｃを潰す程度でよいので、鋳鉄と合金鋼との接合のような異種金属同士の接合に適している。なお、接合深さはエッジプロジェクション１９の段数を増やすことで得られる。

また、面取りした面を利用して接合しているので位置決め治具を使用しなくても円筒状金属部材１１とリング状金属部材１２との同軸精度が得やすい。さらに、押し込み長がエッジプロジェクション１９の高さで制限されるので、接合後の高さ精度が得やすい。

このように、本発明の実施形態では、リング状金属部材１２の開口部１３の深さ方向に、多段の接合面１８ａ、１８ｂ、１８ｃを設け、多数の箇所を発熱させるので接合を効率良く行うことができる。
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、開口部を有したリング状金属部材の開口部の側壁面に第１テーパ部を形成し、さらに、その第１テーパ部に多段の接合面を形成し、リング状金属部材の開口部に圧入される円筒状金属部材の円筒部の先端部は、開口部を有したリング状金属部材の第１テーパ部と同じ面取角の第２テーパ部とを備え、円筒状金属部材の円筒部をリング状金属部材の開口部に圧入し通電して、円筒状金属部材の円筒部の側壁部と第１テーパ部の多段の接合面とを塑性流動させて、リング状金属部材と円筒状金属部材とを接合するので、接合部は多段の接合面となることから接合面積を大きくでき高い接合強度を得られる。また、円筒状金属部材の円筒部をリング状金属部材の開口部に圧入する圧入タイプの接合工法であることから、位置決め治具を使用しなくても同軸精度が得られる。
以上の実施の形態では、多段の接合面は、第１のテーパ部に形成するものとして説明したが、第１のテーパ部には形成せずに、第２のテーパ部に形成してもよい。この場合の多段の接合面とテーパ部は、多段の接合面を第１のテーパ部に形成した場合と同様に機能する。また、第１の金属部材は、円形の開口部１３が中央部に形成されたリング状金属部材１２として説明したが、他の形状、例えば矩形の金属部材であってもよく、円形の開口部１３は典型的には金属部材の中央部に形成されるが、必要に応じて中央から偏心した位置に形成されていてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本明細書中で引用する刊行物、特許出願および特許を含むすべての文献を、各文献を個々に具体的に示し、参照して組み込むのと、また、その内容のすべてをここで述べるのと同じ限度で、ここで参照して組み込む。

本発明の説明に関連して（特に以下の請求項に関連して）用いられる名詞及び同様な指示語の使用は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、単数および複数の両方に及ぶものと解釈される。語句「備える」、「有する」、「含む」および「包含する」は、特に断りのない限り、オープンエンドターム（すなわち「〜を含むが限らない」という意味）として解釈される。本明細書中の数値範囲の具陳は、本明細書中で特に指摘しない限り、単にその範囲内に該当する各値を個々に言及するための略記法としての役割を果たすことだけを意図しており、各値は、本明細書中で個々に列挙されたかのように、明細書に組み込まれる。本明細書中で説明されるすべての方法は、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、あらゆる適切な順番で行うことができる。本明細書中で使用するあらゆる例または例示的な言い回し（例えば「など」）は、特に主張しない限り、単に本発明をよりよく説明することだけを意図し、本発明の範囲に対する制限を設けるものではない。明細書中のいかなる言い回しも、請求項に記載されていない要素を、本発明の実施に不可欠であるものとして示すものとは解釈されないものとする。

本明細書中では、本発明を実施するため本発明者が知っている最良の形態を含め、本発明の好ましい実施の形態について説明している。当業者にとっては、上記説明を読めば、これらの好ましい実施の形態の変形が明らかとなろう。本発明者は、熟練者が適宜このような変形を適用することを期待しており、本明細書中で具体的に説明される以外の方法で本発明が実施されることを予定している。従って本発明は、準拠法で許されているように、本明細書に添付された請求項に記載の内容の修正および均等物をすべて含む。さらに、本明細書中で特に指摘したり、明らかに文脈と矛盾したりしない限り、すべての変形における上記要素のいずれの組合せも本発明に包含される。

１１…円筒状金属部材、１２…リング状金属部材、１３…開口部、１４…テーパ部、１５…プロジェクション、１６…第１テーパ部、１７…第２テーパ部、１８…接合面、１９…エッジプロジェクション

Claims (4)

1. 円形の開口部を有し前記開口部の側壁面に第１のテーパ部を有した第１の金属部材と；
   前記開口部に圧入される円筒部を有し、前記円筒部の先端部に前記第１のテーパ部と同じ面取角の第２のテーパ部が形成され、前記円筒部が前記開口部に圧入され通電されて前記第２のテーパ部が前記第１のテーパ部と接合された第２の金属部材とを備え；
   前記第１のテーパ部又は前記第２のテーパ部に多段の接合面が形成され、前記接合は前記多段の接合面が塑性流動をすることにより行われる；
   金属接合体。
2. 前記第１の金属部材は、前記円形の開口部が中央部に形成されたリング状金属部材である、請求項１に記載の金属接合体。
3. 円形の開口部を有し前記開口部の側壁面に第１のテーパ部を有した第１の金属部材を提供する工程と；
   前記開口部に圧入される円筒部を有した第２の金属部材であって、前記第１のテーパ部と同じ面取角で前記円筒部の先端部に形成された第２のテーパ部とを有する第２の金属部材を提供する工程と；
   前記円筒部を前記開口部に圧入する工程と；
   前記第１の金属部材と前記第２の金属部材との間に通電して、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工程とを備え；
   前記第１のテーパ部又は前記第２のテーパ部には多段の接合面が形成されており、前記接合する工程は、前記多段の接合面を塑性流動させる工程を含む；
   金属接合体の製造方法。
4. 前記第１の金属部材は、前記円形の開口部が中央部に形成されたリング状金属部材である、請求項３に記載の金属接合体の製造方法。

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