WO2022202788A1 - エレメント、摩擦エレメント接合方法および摩擦エレメント接合継手の製造方法 - Google Patents

エレメント、摩擦エレメント接合方法および摩擦エレメント接合継手の製造方法 Download PDF

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尚晃 宗村
泰明 沖田
広志 松田
善明 村上
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Ｊｆｅスチール株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to friction element welding called FEW (Friction Element Welding), and particularly metal plates such as steel plates (for example, ordinary steel plates, high-tensile steel plates, etc.) and light metal plates (for example, aluminum plates, aluminum alloy plates, copper plates, etc.).
  • FEW Frition Element Welding
  • metal plates such as steel plates (for example, ordinary steel plates, high-tensile steel plates, etc.) and light metal plates (for example, aluminum plates, aluminum alloy plates, copper plates, etc.).
  • the present invention relates to an element suitable for friction element joining in which two or more of the above are overlapped and joined, a friction element joining method using the same, and a method of manufacturing a friction element joined joint.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique of performing frictional element joining using metal joining parts (hereinafter referred to as elements).
  • elements metal joining parts
  • metal plates are superimposed to form a plate assembly, and the elements are rotated at high speed and pressurized to force the elements to enter the plate assembly (hereinafter referred to as press-fitting) for joining.
  • Patent Document 1 discloses a connecting element for friction welding connection.
  • the element comprises a cylindrical mandrel, a collar attached to the mandrel and a pin projecting as a centering part from the substantially flat end face of the mandrel facing away from the collar. It is preferred that the mandrel surround the centering portion and have a recess for receiving softened material extruded from the centering portion, and that the pin be cylindrical or conical.
  • the apex of the pin when the element is press-fitted into the plate assembly, the apex of the pin first contacts the plate assembly and rotates at high speed while being held in that position, thereby dissipating a predetermined amount of frictional heat. It is said that it can be generated by concentrating on the position of
  • the position of the central axis of the pin tends to fluctuate greatly during the stage of generating frictional heat by rotating the element at high speed while bringing the apex of the pin into contact with the upper plate, and the frictional heat is generated. Because it is dispersed and not concentrated in a predetermined position on the upper plate, the upper plate does not soften easily, and as a result, the mandrel of the element does not penetrate the upper plate, and the penetration capability is insufficient, making it difficult to join the plate assembly. I have found that there is a problem. In particular, this phenomenon is conspicuous when it is applied to a set of plates in which steel plates are arranged not only on the lower plate but also on the upper plate.
  • An object of the present invention is to solve the above-described problems of the conventional technology and to provide an element suitable for friction element joining of a plate assembly in which two or more metal plates are superimposed.
  • the present inventors diligently studied elements that can be applied to friction element joining of a set of two metal plates in which metal plates are arranged on both the lower plate and the upper plate.
  • the upper plate of the plate assembly consisting of two metal plates is the metal plate on the side that the apex of the pin first contacts before the mandrel of the element is press-fitted into the plate assembly.
  • the apex of the pin rotating at high speed abuts against the upper plate, and as the pin is further pressed into the upper plate, an amount of metal plate (upper plate) corresponding to the volume of the pin press-fitted inside the upper plate is shaved off.
  • the machined metal plate (shavings) can be discharged smoothly, the pin can be press-fitted into the upper plate while the pin is held at a predetermined position, and the lower end face of the mandrel contacts the upper plate.
  • the element can continue to rotate at high speed without changing its position, the generated frictional heat is concentrated, and the position where the frictional heat is concentrated is softened and plastic flow is likely to occur.
  • the softened and flowable metal that is, the upper plate
  • the mandrel can be press-fitted into the upper plate and penetrated therethrough.
  • a groove for discharging chips that have been cut from the upper plate by the pins that constitute the element, and for discharging metal that can flow due to plastic flow of the upper plate (hereinafter referred to as "fluid metal”)
  • fluid metal a groove for discharging chips that have been cut from the upper plate by the pins that constitute the element, and for discharging metal that can flow due to plastic flow of the upper plate
  • the lower end surface of the mandrel is a conical surface having an apex angle ⁇ m, and a groove for discharging cutting chips (cutting waste discharge groove) or a cutting edge is provided on the conical surface. Therefore, the inventors realized that it is possible to more smoothly perform friction element joining of a plate assembly in which various steel plates are combined.
  • the present invention was completed based on these findings and further studies. That is, the gist of the present invention is as follows. [1] An element for performing frictional element joining of a plate set in which two or more metal plates are superimposed and press-fitted into the plate set while being rotated, A cylindrical mandrel to be press-fitted into the plate assembly in the friction element joining, a disk-shaped collar disposed on the upper end surface of the mandrel, and a lower end surface of the mandrel having a central axis that coincides with the central axis of the mandrel.
  • An element for performing frictional element joining of a plate set in which two or more metal plates are superimposed and press-fitted into the plate set while being rotated A cylindrical mandrel to be press-fitted into the plate set in the friction element joining, a disk-shaped collar disposed on the upper end surface of the mandrel, and a lower end surface of the mandrel having a conical shape with an apex angle ⁇ m.
  • T TOTAL - T BOTTOM total thickness of board assembly (mm)
  • T BOTTOM board thickness of lower board of board assembly (mm)
  • T TOTAL total thickness of board assembly (mm)
  • T BOTTOM board thickness of lower board of board assembly (mm)
  • friction element joining can be applied to a plate set in which two metal plates are superimposed as a lower plate and an upper plate. Frictional element joining can also be applied to a plate assembly in which steel plates are superimposed, or a plate assembly in which two steel plates are used as a lower plate and an upper plate, and one or more light metal plates are sandwiched between them. Effective.
  • FIG. 4 is an explanatory view schematically showing another example of the element of the present invention, (a) being a side view of a mandrel and (b) being a plan view of the mandrel.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of a plate assembly that is joined using the elements shown in FIG. It is a stack of boards. 1.
  • It is sectional drawing which shows typically the example which joins a board group using the element shown in FIG. 1, (a) is an example before press-fitting an element, (b) is an example after press-fitting an element.
  • the element 1 of the present invention comprises a cylindrical mandrel 2 which is press-fitted into the plate assembly when performing friction element joining of the plate assembly, and one end surface of the mandrel 2 (hereinafter referred to as the upper end surface). ) and a conical pin 4 disposed on the other end face (hereinafter referred to as the lower end face) of the mandrel 2 .
  • the diameter of the collar 3 is larger than the diameter of the mandrel 2, and the outer peripheral portion of the collar 3 is arranged to protrude from the outer periphery of the mandrel 2.
  • the outer peripheral portion of the collar 3 is preferably formed so as to be inclined or curved downward.
  • the diameter of the bottom surface of the pin 4 (the surface in contact with the lower end surface of the mandrel 2) is smaller than the diameter of the mandrel 2. Also, the pin 4 is arranged so that its central axis (that is, the center of the bottom surface) coincides with the central axis of the mandrel 2 . Therefore, the lower end surface of the mandrel 2 excluding the pin 4 becomes a flat area (portion).
  • a fluidized metal discharge groove 5 is formed in a spiral or radial shape in a flat area (site) adjacent to the pin 4 .
  • the number of fluidized metal discharge grooves 5 is preferably two or more.
  • the number of fluidized metal discharge grooves 5 is preferably 10 or less. It is more preferable to set the number to 6 or less.
  • the width W (mm) of the fluidized metal discharge groove 5 is preferably 0.01 mm or more. More preferably, the width W of the fluidized metal discharge groove 5 is 0.5 mm or more.
  • the width W of the fluidized metal discharge groove 5 is 3 mm or less. More preferably, the width W of the fluidized metal discharge groove 5 is 1 mm or less.
  • the depth U of the fluidized metal discharge groove 5 is preferably 0.01 mm or more. More preferably, the depth U of the fluidized metal discharge groove 5 is 0.5 mm or more.
  • the depth U of the fluidized metal discharge groove 5 is preferably 3 mm or less. More preferably, the depth U of the fluidized metal discharge groove 5 is 2 mm or less.
  • the number, width W, and depth U of the fluidized metal discharge grooves 5 in this way, it is possible to press-fit the element 1 into the plate group while smoothly discharging chips and fluidized metal. .
  • the area of the portion forming the flowing metal discharge groove 5 that is, the area of the flat region of the lower end surface of the mandrel 2 excluding the pin 4
  • the press-fitting of the element 1 is hindered. Therefore, the area of the bottom surface of the pin 4 is adjusted by specifying the apex angle ⁇ and the height H of the pin 4 .
  • the apex angle ⁇ of the pin 4 is 30° or more. It is more preferable that the apex angle ⁇ of the pin 4 is 120° or more.
  • the apex angle ⁇ of the pin 4 is preferably in the range of less than 180°. The apex angle ⁇ of the pin 4 is more preferably 160° or less.
  • the height H of the pin 4 is preferably 0.01 mm or more. More preferably, the height H of the pin 4 is 0.1 mm or more.
  • the height H of the pin 4 is 3 mm or less. More preferably, the height H of the pin 4 is 1 mm or less.
  • the friction element joining can be performed efficiently by increasing the wear resistance of the pin 4 and the mandrel 2. Therefore, at least the outer surface of the pin 4 and the lower end surface of the mandrel 2 are preferably coated with a wear-resistant material.
  • the wear-resistant material may have desired performance, and is not particularly specified, but may be subjected to hardening treatment such as WC, TiN, other ceramics, heat-resistant steel, nitriding, and the like.
  • the element 1 shown in FIG. 2 has the form of a twist drill for metalworking, in which a pair of cutting edges formed by the tip angle of a mandrel 2 has a ridgeline shape curved from the tip toward the outer peripheral edge. , at the lower end of the mandrel 2 . That is, the lower end face is a conical surface with a vertex angle of ⁇ m, and one or more pairs of chip discharge grooves 11 are arranged in a curved line from the apex on the conical surface. A cutting edge 10 is formed adjacent to the groove 11 .
  • the conical surface may be provided with only the chip discharge groove 11 and the cutting edge 10 may not be formed.
  • the chip discharge groove 11 may be arranged radially from the vertex instead of curved. As shown in FIG. 2(b), the cutting edge 10 may be curved, but a straight line is more advantageous for adjustment of the cutting edge.
  • the apex angle ⁇ m is preferably 30° or more.
  • the apex angle ⁇ m is more preferably 120° or more.
  • the apex angle ⁇ m is preferably in the range of less than 180°.
  • the apex angle ⁇ m is more preferably 160° or less.
  • FIG. 3(a) is a cross-sectional view of a plate set in which two metal plates are superimposed
  • FIG. 3(b) is a cross-sectional view of a plate set in which three metal plates are superimposed.
  • the element 1 uses the example shown in FIG. In FIG. 3, illustration of the fluidized metal discharge groove 5, the cutting edge 10, and the chip discharge groove 11 of the element 1 is omitted.
  • the plate set 6 shown in FIG. 3(a) is a plate set 6 in which two metal plates consisting of an upper plate 7 and a lower plate 8 are superimposed.
  • the plate set 6 shown in FIG. 3B is a plate set 6 made up of a total of three metal plates in which one metal plate is sandwiched between the upper plate 7 and the lower plate 8 .
  • the present invention can also be applied to a plate set (not shown) composed of a total of four or more metal plates in which two or more metal plates are sandwiched between the upper plate 7 and the lower plate 8 .
  • the pin 4 and the mandrel 2, or the mandrel 2 are softened by frictional heat to cause plastic flow, and are then discharged through the fluidized metal discharge groove 5 or the chip discharge groove 11. Therefore, if the distance L is too small (for example, distance L ⁇ (T TOTAL ⁇ T BOTTOM )+0.02 mm), the problem arises that the lower plate 8 cannot be reached.
  • the distance L (mm) from the bottom edge of the outer circumference of the collar 3 to the top of the pin 4 is the total thickness T TOTAL (mm) of the plate set 6 and the plate thickness T BOTTOM (mm) of the lower plate 8. It is preferable to use a mandrel set at a difference of (T TOTAL ⁇ T BOTTOM )+0.02 mm or more.
  • the above distance L (mm) shall be the difference between the total thickness T TOTAL (mm) of the plate group 6 and the plate thickness T BOTTOM (mm) of the lower plate 8 (T TOTAL - T BOTTOM ) + 0.2 mm or more.
  • the distance L is the length in the direction parallel to the central axis of the mandrel 2 . This allows the pin 4 to reach the lower plate 8 by press-fitting the element 1 from above the upper plate 7 in frictional element joining. On the other hand, if the distance L is too large, the mandrel 2 deforms (for example, bends, twists, or buckles) above the top plate 7 (that is, before it is pressed into the top plate 7) when the element 1 is press-fitted.
  • the distance L (mm) preferably satisfies (T TOTAL ⁇ T BOTTOM )+4 mm or less.
  • the distance L (mm) is more preferably (T TOTAL ⁇ T BOTTOM )+2 mm or less, more preferably (T TOTAL ⁇ T BOTTOM )+1.5 mm or less. Note that the distance L (mm) in the direction parallel to the central axis from the lowest end of the outer peripheral portion of the collar to the vertex of the lower end surface of the mandrel shown in FIG. is preferred.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a case where the plate assembly 6 is joined using the element 1 (see FIG. 3(a)).
  • FIG. 4(b) shows the state after the element 1 is press-fitted into the plate group 6.
  • illustration of the fluidized metal discharge groove 5 of the element 1, the cutting edge 10, the chip discharge groove 11, and the rotary pressure machine for pressing the element 1 into the plate assembly 6 is omitted.
  • the element 1 When the element 1 is press-fitted into the plate set 6, the element 1 rotating at high speed descends from above the upper plate 7, and the top of the pin 4 comes into contact with the upper plate 7 (see FIG. 4(a)). At this time, the central axis of the pin 4 (that is, the central axis of the mandrel 2) is perpendicular to the upper plate 7. As shown in FIG. As the element 1 continues to descend while rotating at high speed, the pin 4 is gradually press-fitted into the upper plate 7 from the top, and the central axis of the pin 4 is held at a predetermined position as the rotation axis of the element 1.
  • the upper plate 7 discharged from the fluidized metal discharge groove 5 and the chip discharge groove 11 moves upward along the side surface of the mandrel 2 .
  • the reason for this is that the lower plate 8 is arranged below and hinders movement.
  • the top plate 7 is constrained by the outer circumference of the collar 3 after it has moved and protruded into the free space above, and is thus fixed to the element 1 . That is, when the element 1 of the present invention is used for friction element joining of a plate assembly 6 in which two metal plates are superimposed as shown in FIG. Joined at face 9 , top plate 7 is fixed to mandrel 2 and collar 3 .
  • the type of metal plates to be superimposed as the plate set 6 is not particularly limited. Frictional heat is generated and the joint surfaces 9 are firmly joined.
  • the element 1 of the present invention has the fluidized metal discharge groove 5 and the chip discharge groove 11, chip chips and softened top plate 7 can be discharged smoothly. Therefore, friction element joining of the plate set 6 in which steel plates are arranged not only on the lower plate 8 but also on the upper plate 7 can be performed without any trouble, and a friction element joined joint in which the plate set 6 is firmly joined can be obtained.
  • the element targeted by the present invention is a plate assembly consisting of two metal plates in which a steel plate is arranged as a lower plate and a light metal plate is arranged as an upper plate, or a plate assembly in which both the lower plate and the upper plate are both steel plates, Alternatively, it can also be applied to friction element joining of a plate set consisting of three or more metal plates in which one or more light metal plates are sandwiched between a steel plate as a lower plate and a light metal plate as an upper plate without any problem, resulting in poor joining. can be obtained.
  • Example 1 A plate set in which two metal plates (an upper plate and a lower plate) are superimposed is joined by friction element joining to prepare two friction element joined joints each.
  • the element 1 used has the shape shown in FIG. 1, has an apex angle ⁇ of 140°, and has two flowing metal discharge grooves 5 arranged in a spiral.
  • Mandrel 2 had a diameter of 4.55 mm.
  • Table 1 shows the combination of the upper plate and the lower plate
  • Table 2 shows the rotational speed (rpm) and applied pressure (kN) of the element used when joining the friction elements.
  • rpm rotational speed
  • KN applied pressure
  • the joints evaluated as good ( ⁇ ) in the joint state were subjected to a cross tension test specified in JIS Z 3137 to investigate the strength of the joints.
  • the strength was evaluated as A when the strength was 6.0 kN or more, B when the strength was 3.0 kN or more and less than 6.0 kN, and C when the strength was less than 3.0 kN.
  • the joint state was good, and when both the upper plate and the lower plate were steel plates, the joint strength was 2.8 kN or more.
  • joint No. In No. 12 the joint state is good "O", but since the upper plate is an aluminum alloy plate, the strength of the base material is lower than when the upper plate is a steel plate, and the strength as a joint joint is 1.0 kN. It is speculated that the value was relatively low.
  • the bonding state was poor "x".
  • Example 2 Two metal plates (upper plate and lower plate) shown in Table 1 were superimposed on each other and joined by friction element joining to prepare two friction element joints.
  • the element 1 used was the element 1 having the shape shown in FIG.
  • the element has an apex angle ⁇ m of 140° and a mandrel having two cutting blades 10 and a pair of chip discharge grooves 11 arranged in a curved line from the apex on the conical bottom surface.
  • Mandrel 2 had a diameter of 4.55 mm.
  • Table 3 shows the rotational speed (rpm) and applied pressure (kN) of the element used when joining the friction elements. For comparison, frictional element joining was also performed using the element 1 without the chip discharge groove 11 and the cutting edge 10 .
  • Example 1 Regarding the obtained friction element welded joint, the cross section of the welded portion was visually observed in the same manner as in Example 1, and the welded state of the plate assembly was evaluated in the same manner as in Example 1.
  • the bonding state was good, and when both the upper and lower plates were steel plates, they had a tensile strength of 2.1 kN or more.
  • joint No. In No. 25 the joint state is good "O", but since the upper plate is an aluminum alloy plate, the wear of the element during penetration into the upper plate is remarkable, and a sufficient joint diameter cannot be secured, and the joint strength is 1. It was 5 kN, which was a lower value than the above.
  • the bonding state was poor "x".

Landscapes

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Abstract

摩擦エレメント接合用のエレメントを提供することを目的とする。 ２枚以上の金属板からなる板組に摩擦エレメント接合を施すに当たり、板組に圧入する円柱形のマンドレルと、そのマンドレルの上端面に配設した円板状のカラーと、マンドレルの下端面に延設される円錐形のピンとを備え、ピンを除くマンドレルの下端面の平坦な領域に流動金属排出溝を渦状に複数本配設したエレメントを用いる。 なお、円柱形状のマンドレルと、そのマンドレルの下端面を頂角αｍの円錐状を呈する面とし、かつ該円錐状を呈する面に、切削屑排出溝を頂点から曲線状に一対以上、あるいはさらに切削刃を複数本形成したエレメントとしてもよい。

Description

エレメント、摩擦エレメント接合方法および摩擦エレメント接合継手の製造方法
　本発明は、ＦＥＷ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｗｅｌｄｉｎｇ）と呼ばれる摩擦エレメント接合に係り、とくに、鋼板（たとえば普通鋼板、高張力鋼板等）や軽金属板（たとえばアルミニウム板、アルミニウム合金板、銅板等）などの金属板を２枚以上重ね合わせて接合する摩擦エレメント接合用として好適なエレメントおよびそれを用いた摩擦エレメント接合方法ならびに摩擦エレメント接合継手の製造方法に関するものである。
　近年、地球の温暖化等の環境問題に対処するための研究が、様々な分野で進められている。自動車産業においては、燃料消費量の削減（いわゆる燃費向上）、ひいてはＣＯ２排出量の低減技術が開発されている。たとえば、内燃機関と電動モーターを併用する技術（いわゆるハイブリッド）や、超ハイテンと呼ばれる高強度鋼板を採用して鋼板の使用量を低減し車体を軽量化して燃費向上を図るとともに、運転者や同乗者の安全性を高める技術が実用化されている。
　さらに、車体の一層の軽量化を達成するために、一部の鋼材に代えて軽金属材料（たとえばアルミニウム合金板、銅板等）を採用する技術も検討されている。そのような車体を製造ラインで量産するためには、たとえば、車体の骨格をなす鋼製のフレームと軽金属製の部材とを強固に接合する技術が必要とされている。
　従来は、車体に鋼板（鋼材）を使用していたため、たとえばアーク溶接、抵抗スポット溶接等の汎用的な溶融溶接法が利用されてきた。しかし、上記したような鋼材と軽金属材との接合では、この汎用的な溶融溶接法は採用できない。たとえば、高強度鋼板とアルミニウム合金板とを溶融溶接法で接合しようとすると、ＦｅとＡｌの金属間化合物が生成し、その結果、接合部が著しく脆化するという問題が発生する。
　そのため、鋼板と軽金属板を溶融させずに接合する技術が検討されている。その代表的な例として、例えば非特許文献１に、金属製の接合部品（以下、エレメントという）を用いて摩擦エレメント接合を行なう技術が開示されている。この技術は、金属板を重ね合わせて板組とし、エレメントを高速で回転させ、かつエレメントに加圧力を加えて板組に進入（以下、圧入という）させることによって接合するものである。
　そして、例えば、特許文献１には、摩擦溶接接続用の接続要素（エレメント）が開示されている。そのエレメント（接続要素）は、円柱形のマンドレルと、そのマンドレルに取付けられたカラーと、マンドレルの、カラーから離れた側の実質的に平坦な端面から心出し部として突き出したピンと、を備えたものであり、マンドレルが心出し部を囲み、心出し部から押し出された軟化した材料を収容する凹部を有することや、ピンが円柱状、あるいは円錐状であることが好ましいとしている。特許文献１に記載されたエレメントによれば、エレメントを板組に圧入する際に、まずピンの頂点が板組に当接してその位置に保持されつつ高速で回転することによって、摩擦熱を所定の位置に集中して発生させることができる、としている。
特表２０１３－５２７８０４号公報
Ｊａｍｉｅ　Ｄ.　Ｓｋｏｖｒｏｎ、　Ｂｒａｎｄｔ　Ｊ.　Ｒｕｓｚｋｉｅｗｉｃｚ、ａｎｄ　Ｌａｉｎｅ　Ｍｅａｒｓ："ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＬＥＡＮＩＮＧ　ＡＮＤ　ＷＥＬＤＩＮＧ　ＳＴＥＰＳ　ＦＲＯＭ　ＴＨＥ　ＦＲＩＣＴＩＯＮ　ＥＬＥＭＥＮＴ　ＷＥＬＤＩＮＧ　ＰＲＯＣＥＳＳ　"ＡＳＭＥ　２０１７　１２ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｏｌｌｏｃａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＪＳＭＥ／ＡＳＭＥ　２０１７　６ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｊｕｎｅ　４－８、２０１７、Ｌｏｓ　Ａｎｇｅｌｅｓ、Ｃａｌｆｏｒｎｉａ、ＵＳＡ.
　しかしながら、上記した従来の技術では、ピンの頂点を上板に当接させながらエレメントを高速で回転させて摩擦熱を発生させる段階で、ピンの中心軸の位置が大きく変動し易く、摩擦熱が分散し上板の所定の位置に集中しないため、上板は容易に軟化せず、その結果、エレメントのマンドレルが上板を貫通せず、貫通能力が不足し板組の接合が困難になるという問題が生じることを知見した。特に、下板のみならず上板にも鋼板が配置された板組に適用した場合にその現象は顕著に見られる。
　本発明は、上記した従来の技術の問題点を解消し、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組の摩擦エレメント接合用として好適なエレメントを提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記した目的を達成するために、下板と上板の両方に金属板を配置した２枚の金属板からなる板組の摩擦エレメント接合に適用できるエレメントについて鋭意検討した。
　２枚の金属板からなる板組の上板は、エレメントのマンドレルを板組に圧入する前に、まず、ピンの頂点が当接する側の金属板である。このような板組に、摩擦エレメント接合を施すためには、ピンの頂点が当接する位置を変動させずにエレメントを高速で回転させて、摩擦熱を所定の位置に集中させる必要がある。そこで、本発明者らは、エレメントのピンの頂点を上板の所定の位置に当接させ、エレメントを高速で回転させたときの状態を詳細に観察する実験を行なった。
　その結果、高速で回転するピンの頂点が上板に当接し、さらに圧入していくにつれて、上板の内部に圧入されたピンの体積に相当する量の金属板（上板）が削り出される。その削り出された金属板（削り屑）を円滑に排出できれば、ピンがその頂点を所定の位置に保持したまま上板に圧入でき、マンドレルの下端面が上板に当接することを見出した。そして、その後も、エレメントが位置を変動することなく高速で回転し続けることができれば、発生した摩擦熱が集中し、摩擦熱が集中したその位置が軟化して塑性流動を生じ易くなる。さらに、軟化して流動可能となった金属（すなわち上板）を円滑に排出できれば、マンドレルを上板に圧入させ、さらに貫通させることが可能であることを見出した。
　すなわち、エレメントの先端形状に工夫を加えることにより、２枚または３枚以上の金属板の板組においても、摩擦エレメント接合が可能となる知見を得た。特に、上板を鋼板とする２枚または３枚以上の金属板の板組においては、上記の先端形状を採用することにより、貫通させ易くなる。
　つまり、エレメントを構成するピンが上板から削り出した切削屑を排出し、かつ上板の塑性流動に起因して生じる流動可能な金属（以下、流動金属という）を排出するための溝（以下、流動金属排出溝という）を形成したマンドレルとすれば、摩擦エレメント接合によって２枚の金属板からなる板組を確実に接合できることを知見した。
　さらに、マンドレルの下端面を、頂角αｍの円錐状を呈する面とし、該円錐状を呈する面に切削屑等を排出するための溝（切削屑排出溝）、あるいはさらに切削刃を配設すれば、様々な鋼板を組み合わせた板組の摩擦エレメント接合をさらに円滑に行なうことが可能であることに想到した。
　本発明は、このような知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち本発明の要旨はつぎのとおりである。
［１］　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に回転させながら圧入することによって前記板組の摩擦エレメント接合を行なうエレメントであって、
前記摩擦エレメント接合において前記板組に圧入する円柱形状のマンドレルと、該マンドレルの上端面に配設される円板状のカラーと、前記マンドレルの下端面に、中心軸が前記マンドレルの中心軸と一致するように配設される頂角αの円錐形状のピンとを備え、かつ前記マンドレルの前記下端面の前記ピンを除く平坦な領域に、流動金属排出溝を渦状または放射線状に複数本形成してなるエレメント。
［２］　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に回転させながら圧入することによって前記板組の摩擦エレメント接合を行なうエレメントであって、
前記摩擦エレメント接合において前記板組に圧入する円柱形状のマンドレルと、該マンドレルの上端面に配設される円板状のカラーと、を備え、さらに前記マンドレルの下端面を頂角αｍの円錐状を呈する面とし、かつ該円錐状を呈する面に、切削屑排出溝を頂点から曲線状または放射線状に一対以上、あるいはさらに切削刃を複数本形成してなるエレメント。
［３］　カラーの外周部の最下端からピンの頂点までの前記中心軸に平行な方向の距離Ｌ（ｍｍ）が、下記（１）式を満たす［１］に記載のエレメント。
　　　　　　　　　　　　　　　　記
（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．０２ｍｍ≦Ｌ≦（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋４ｍｍ・・・（１）
ここで、ＴＴＯＴＡＬ：板組の全厚（ｍｍ）、ＴＢＯＴＴＯＭ：板組の下板の板厚（ｍｍ）
［４］　カラーの外周部の最下端からマンドレルの下端面の頂点までの中心軸に平行な方向の距離Ｌ（ｍｍ）が、下記（１）式を満たす［２］に記載のエレメント。
　　　　　　　　　　　　　　　　記
（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．０２ｍｍ≦Ｌ≦（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋４ｍｍ・・・（１）
ここで、ＴＴＯＴＡＬ：板組の全厚（ｍｍ）、ＴＢＯＴＴＯＭ：板組の下板の板厚（ｍｍ）
［５］　エレメントが、少なくとも外表面の一部に耐摩耗性材料からなるコーティング被膜を形成してなる［１］～［４］のいずれかに記載のエレメント。
［６］　［１］～［５］のいずれかに記載のエレメントを用いて、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組にエレメントを回転させながら圧入することによって板組の接合を行なう摩擦エレメント接合方法。
［７］　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組が、下板および上板の両方に鋼板を配置した板組である［６］に記載の摩擦エレメント接合方法。
［８］　［１］～［５］のいずれかに記載のエレメントを用いて、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組にエレメントを回転させながら圧入し板組の接合を行ない摩擦エレメント接合継手とする摩擦エレメント接合継手の製造方法。
［９］　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組が、下板および上板の両方に鋼板を配置した板組である［８］に記載の摩擦エレメント接合継手の製造方法。
　本発明によれば、金属板の種類によらず、２枚の金属板を下板ならびに上板として重ね合わせた板組に摩擦エレメント接合を施すことが可能となるだけでなく、３枚以上の鋼板を重ね合わせた板組、あるいは２枚の鋼板を下板ならびに上板としてその中間に１枚以上の軽金属板を挟持した板組にも摩擦エレメント接合を施すことが可能となり、産業上格段の効果を奏する。
本発明エレメントの一例を模式的に示す説明図であり、（ａ）はマンドレルの断面図、（ｂ）はマンドレルの平面図である。 本発明のエレメントの他の一例を模式的に示す説明図であり、（ａ）はマンドレルの側面図、（ｂ）はマンドレルの平面図である。 図１に示すエレメントを用いて接合する板組の例を模式的に示す断面図であり、（ａ）は２枚の金属板を重ね合わせた板組、（ｂ）は３枚の金属板を重ね合わせた板組である。 図１に示すエレメントを用いて板組を接合する例を模式的に示す断面図であり、（ａ）はエレメントを圧入する前の例、（ｂ）はエレメントを圧入した後の例である。
　まず、本発明のエレメント１は、図１に示すように、板組の摩擦エレメント接合を行なう際に板組に圧入する円柱形のマンドレル２と、マンドレル２の一方の端面（以下、上端面という）に配設される円板形のカラー３と、マンドレル２の他方の端面（以下、下端面という）に配設される円錐形のピン４とを有する。
　カラー３の直径はマンドレル２の直径よりも大きく、カラー３の外周部はマンドレル２の外周から周囲に張り出して配設される。なお、カラー３の外周部は下方へ傾斜あるいは湾曲して形成されることが好ましい。
　ピン４の底面（マンドレル２の下端面に当接する面）の直径はマンドレル２の直径よりも小さい。かつ、ピン４は、その中心軸（すなわち底面の中心）がマンドレル２の中心軸と一致するように配設する。したがって、ピン４を除くマンドレル２の下端面は、平坦な領域（部位）となる。そのピン４に隣接する平坦な領域（部位）に、流動金属排出溝５を渦状または放射線状に形成する。
　流動金属排出溝５の本数が少なすぎると、エレメント１を高速で回転させながら板組に圧入することによって生じる切削屑や流動金属を円滑に排出できないこともある。したがって、流動金属排出溝５の本数は、２本以上とすることが好ましい。一方で、流動金属排出溝５の本数が多すぎると、エレメント１の圧入で生じる摩擦熱を十分に得ることができない場合がある。したがって、流動金属排出溝５の本数は、１０本以下とすることが好ましい。６本以下とすることがより好ましい。
　また、流動金属排出溝５の幅Ｗ（ｍｍ）が小さすぎると、エレメント１を板組に圧入することによって生じる切削屑や流動金属を円滑に排出できないこともある。したがって、流動金属排出溝５の幅Ｗは、０．０１ｍｍ以上とすることが好ましい。流動金属排出溝５の幅Ｗは０．５ｍｍ以上とすることがより好ましい。一方、流動金属排出溝５の幅Ｗが大きすぎると、エレメント１を板組に圧入することによって生じる摩擦熱を十分に得ることができない場合がある。したがって、流動金属排出溝５の幅Ｗは、３ｍｍ以下とすることが好ましい。流動金属排出溝５の幅Ｗは、１ｍｍ以下とすることがより好ましい。
　また、流動金属排出溝５の深さＵ（ｍｍ）が小さすぎると、エレメント１を板組に圧入することによって生じる切削屑や流動金属を円滑に排出できない。したがって、流動金属排出溝５の深さＵは、０．０１ｍｍ以上とすることが好ましい。流動金属排出溝５の深さＵは０．５ｍｍ以上とすることがより好ましい。一方、流動金属排出溝５の深さＵが大きすぎると、エレメント１を板組に圧入することによってマンドレル２が変形しやすくなる。したがって、流動金属排出溝５の深さＵは、３ｍｍ以下とすることが好ましい。流動金属排出溝５の深さＵは２ｍｍ以下とすることがより好ましい。
　このように流動金属排出溝５の本数、幅Ｗ、深さＵを好適な範囲に調整することによって、切削屑や流動金属を円滑に排出しながら、エレメント１を板組に圧入することができる。ただし、流動金属排出溝５を形成する部位の面積（すなわちピン４を除くマンドレル２の下端面の平坦な領域の面積）が過小である場合は、エレメント１の圧入に支障をきたす。そこで、ピン４の頂角αと高さＨを規定することによって、ピン４の底面の面積を調整する。
　ピン４の頂角αが小さすぎると、エレメント１を板組に圧入する際にピン４が損傷しやすくなって、ピン４の中心軸の位置が変動しやすくなる。したがって、ピン４の頂角αは、３０°以上とすることが好ましい。ピン４の頂角αは１２０°以上とすることがより好ましい。一方、ピン４の頂角αが大きすぎると、ピン４を除くマンドレル２の下端面の面積が過小となって、流動金属排出溝５の総延長が不足するので、切削屑や流動金属を円滑に排出できない場合がある。したがって、ピン４の頂角αは、１８０°未満の範囲とすることが好ましい。ピン４の頂角αは１６０°以下とすることがより好ましい。
　また、ピン４の高さＨ（ｍｍ）が小さすぎると、エレメント１を板組に圧入する際にピン４が深く圧入できないため、ピン４の中心軸の位置が変動しやすくなる。したがってピン４の高さＨは、０．０１ｍｍ以上とすることが好ましい。ピン４の高さＨは、０．１ｍｍ以上とすることがより好ましい。一方、ピン４の高さＨが大きすぎると、ピン４を除くマンドレル２の下端面の面積が過小となって、流動金属排出溝５の総延長が不足するので、削り屑や流動金属を円滑に排出できない場合がある。したがってピン４の高さＨは、３ｍｍ以下とすることが好ましい。ピン４の高さＨは１ｍｍ以下とすることがより好ましい。
　なお、このようなエレメント１を用いて摩擦エレメント接合を行なうにあたって、ピン４とマンドレル２の耐摩耗性を高めることによって、摩擦エレメント接合を効率良く行なうことができる。そこで、少なくともピン４の外表面およびマンドレル２の下端面には、耐摩耗性材料からなるコーティング被膜を形成することが好ましい。耐摩耗性材料は所望の性能を有していればよく、特に規定しないが、ＷＣ、ＴｉＮ、その他セラミックス、耐熱鋼、窒化等の硬化処理を施してもよい。
　次に、本発明のエレメント１の他の実施形態を図２に示す。図２に示すエレメント１は、マンドレル２の先端角により形成された一対の切り刃が、先端部から外周端に向けて曲線状とした稜線形状の、金属加工用のツイストドリルの形態を呈して、マンドレル２の下端部に有するものである。すなわち、下端面を頂角αｍの円錐状を呈する面とし、その円錐状を呈する面に、切削屑排出溝１１を、頂点から曲線状に一対以上配設したものであり、さらに、切削屑排出溝１１に隣接して切削刃１０を形成している。本発明では、円錐状を呈する面には、切削屑排出溝１１のみを配設して、切削刃１０はとくに形成しなくてもよい。
　なお、切削屑排出溝１１は、曲線状に代えて、頂点から放射線状に配設してもよい。また、図２（ｂ）に示すように、切削刃１０は曲線としてもよいが、直線とする方が切削刃の調整のうえで有利となる。
　マンドレル２の下端面の円錐状を呈する面の頂角αｍが小さすぎると、エレメント１を板組に圧入する際にマンドレル２が損傷しやすくなり、マンドレル２の中心軸の位置が変動しやすくなる。したがって、頂角αｍは、３０°以上とすることが好ましい。頂角αｍは、１２０°以上とすることがより好ましい。一方、頂角αｍが大きすぎると、マンドレル２の下端面の円錐状を呈する面の面積が過小となって、切削屑排出溝１１の総延長が不足し、切削屑や流動金属を円滑に排出できなくなる。したがって、頂角αｍは、１８０°未満の範囲とすることが好ましい。頂角αｍは、１６０°以下とすることがより好ましい。
　また、図２に示すエレメント１においても、マンドレル２の下端面には、図１に示すエレメント１と同様に、耐摩耗性材料からなるコーティング被膜を形成することが好ましい。
　次に、図３を参照して板組とエレメントの関係について説明する。図３（ａ）は２枚の金属板を重ね合わせた板組の断面図、図３（ｂ）は３枚の金属板を重ね合わせた板組の断面図である。なお、エレメント１は図１に示す例を用いている。図３では、エレメント１の流動金属排出溝５、切削刃１０、切削屑排出溝１１の図示を省略する。
　図３（ａ）に示す板組６は、上板７と下板８からなる２枚の金属板を重ね合わせた板組６である。図３（ｂ）に示す板組６は、上板７と下板８の間に金属板を１枚挟持した合計３枚の金属板からなる板組６である。なお本発明は、上板７と下板８の間に２枚以上の金属板を挟持した合計４枚以上の金属板からなる板組（図示省略）にも適用できる。
　本発明のエレメント１を用いて、図３に示す板組６の摩擦エレメント接合を行なうためには、マンドレル２が上板７を貫通して、さらに下板８に到達する必要がある。しかし、エレメント１は、圧入される過程でピン４とマンドレル２、あるいはマンドレル２が摩擦熱で軟化して塑性流動を起こし、さらに流動金属排出溝５、あるいは切削屑排出溝１１を通って排出されるので、距離Ｌが過小（たとえば、距離Ｌ＜（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．０２ｍｍ）である場合は、下板８に到達できないという問題が生じる。そこで、カラー３の外周部の最下端からピン４の頂点までの距離Ｌ（ｍｍ）を、板組６の全厚ＴＴＯＴＡＬ（ｍｍ）と、下板８の板厚ＴＢＯＴＴＯＭ（ｍｍ）との差（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．０２ｍｍ以上に設定したマンドレルを使用することが好ましい。上記の距離Ｌ（ｍｍ）は、板組６の全厚ＴＴＯＴＡＬ（ｍｍ）と、下板８の板厚ＴＢＯＴＴＯＭ（ｍｍ）との差（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．２ｍｍ以上とすることがより好ましく、板組６の全厚ＴＴＯＴＡＬ（ｍｍ）と、下板８の板厚ＴＢＯＴＴＯＭ（ｍｍ）との差（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．５ｍｍ以上とすることがさらに好ましい。ここで、距離Ｌはマンドレル２の中心軸に平行な方向の長さである。これにより、摩擦エレメント接合においてエレメント１を上板７の上方から圧入して、ピン４を下板８に到達させることができる。一方、距離Ｌが過大である場合は、エレメント１を圧入する際に、上板７の上方（すなわち上板７に圧入する前）でマンドレル２が変形（たとえば曲り、捩じれ、座屈等）しやすくなり、その結果、圧入できないという問題が生じる。したがって距離Ｌ（ｍｍ）は、（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋４ｍｍ以下、を満たすことが好ましい。距離Ｌ（ｍｍ）は、（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋２ｍｍ以下とすることがより好ましく、（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋１．５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。なお、図２で示している、カラーの外周部の最下端からマンドレルの下端面の頂点までの中心軸に平行な方向の距離Ｌ（ｍｍ）についても上述している距離Ｌの範囲とすることが好ましい。
　次に、図４を参照して、エレメント１を用いて摩擦エレメント接合を行なう手順について説明する。なお、エレメント１は図１に示す例を用いている。図４は、エレメント１を用いて板組６を接合する場合（図３（ａ）参照）を模式的に示す断面図であり、図４（ａ）はエレメント１を板組６に圧入する前の状態、図４（ｂ）はエレメント１を板組６に圧入した後の状態を示す。なお図４では、エレメント１の流動金属排出溝５、切削刃１０、切削屑排出溝１１、およびエレメント１を板組６に圧入させるための回転加圧機は図示を省略する。
　エレメント１を板組６に圧入するにあたって、高速で回転するエレメント１が上板７の上方から下降して、ピン４の頂点が上板７に当接する（図４（ａ）参照）。この時、ピン４の中心軸（すなわちマンドレル２の中心軸）は上板７に対して垂直とする。そしてエレメント１が高速で回転しながら下降を続けることによって、ピン４が頂点から次第に上板７に圧入していき、ピン４の中心軸がエレメント１の回転軸として所定の位置に保持される。引き続きエレメント１が高速で回転しながら下降することによって、マンドレル２の下端面が上板７に当接するまで、ピン４の圧入に起因する切削屑が発生する。その切削屑は、エレメント１の回転に伴って、流動金属排出溝５を通ってマンドレル２の側面側に排出される。
　さらに、エレメント１が高速で回転しながら下降を続けることによって、マンドレル２の下端面と上板７との摩擦熱、およびエレメント１の側面と上板７との摩擦熱が発生するとともに、加熱された上板７が軟化して塑性流動が生じる。そして、軟化した上板７が流動金属排出溝５を通って、マンドレル２の側面側に排出される。このようにしてエレメント１の圧入が可能となり、マンドレル２が下板８に到達して、下板８の表層部にも塑性流動が生じる（図４（ｂ）参照）。
　ただし、摩擦熱によってマンドレル２も軟化するのは避けられないので、マンドレル２が下板８に到達した時には、ピン４および流動金属排出溝５は崩壊して、圧入開始前の形状（図１、２参照）を留めていない。しかし軟化した上板７、下板８、マンドレル２が、圧入の停止によって、互いに融着し、さらに凝固して、下板８とマンドレル２の接合面９が形成される。
　マンドレル２を圧入する過程で、流動金属排出溝５や切削屑排出溝１１から排出された上板７は、マンドレル２の側面に沿って上方へ移動する。その理由は、下方には下板８が配置されており、移動が阻害されるからである。こうして上板７は、上方の自由空間に移動して突出した後、カラー３の外周部で拘束され、その結果、エレメント１に固定される。つまり、図３（ａ）に示すような２枚の金属板を重ね合わせた板組６の摩擦エレメント接合を、本発明のエレメント１を用いて行なった場合は、下板８とマンドレル２が接合面９で接合し、上板７がマンドレル２およびカラー３に固定される。
　図３（ｂ）に示すような３枚の金属板を重ね合わせた板組６の摩擦エレメント接合を行なう場合、あるいは４枚以上の金属板を重ね合わせた板組の摩擦エレメント接合を行なう場合も同様に、下板８とマンドレル２が接合面９で接合し、上板７と他の金属板がマンドレル２およびカラー３に固定される。
　本発明のエレメント１を用いて摩擦エレメント接合を行なうにあたって、板組６として重ね合わせる金属板の種類は特に限定しないが、下板８として鋼板を配置すれば、下板８とマンドレル２によって十分な摩擦熱が発生し、接合面９が強固に接合する。
　また、本発明のエレメント１は、流動金属排出溝５や切削屑排出溝１１を有するので、上板７の切削屑や軟化した上板７を円滑に排出できる。したがって、下板８のみならず上板７にも鋼板を配置した板組６の摩擦エレメント接合も支障なく行なうことができ、板組６を強固に接合した摩擦エレメント接合継手を得ることができる。
　なお、本発明が目的とするエレメントは、下板として鋼板を配置し、上板に軽金属板を配置した２枚の金属板からなる板組、あるいは下板、上板ともに鋼板からなる板組、あるいは下板としての鋼板と上板としての軽金属板との間にさらに１枚以上の軽金属板を挟持した３枚以上の金属板からなる板組の摩擦エレメント接合にも支障なく適用でき、接合不良の発生を抑制する効果が得られる。さらに、このような板組に、本発明のエレメントを適用して摩擦エレメント接合を行なう場合には、上板が軟質であるから、ピンがその中心軸を所定の位置に保持したまま上板に進入していき、さらにマンドレルによって摩擦熱が集中して発生し、その位置が軟化して塑性流動を生じ易くなるうえ、しかも上板の流動金属および切削屑が、マンドレルに形成された流動金属排出溝や切削屑排出溝を通って円滑に排出されるため、接合不良の発生を抑制することが可能になるという効果もある。
　以下では、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。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。
＜実施例１＞
　２枚（上板と下板）の金属板を重ね合わせた板組の摩擦エレメント接合を行ない、摩擦エレメント接合継手を各２個作製した。なお、使用したエレメント１は、図１に示す形状のエレメント１とし、頂角αが１４０°、流動金属排出溝５が２本を渦状に配置されたエレメントとした。マンドレル２の直径は４．５５ｍｍであった。
　上板と下板の組み合わせを表１に、摩擦エレメント接合の際に用いたエレメントの回転速度（ｒｐｍ）と加圧力（ｋＮ）を表２に、それぞれ示す。なお、比較のために、流動金属排出溝５を設けないエレメント１を用いた摩擦エレメント接合も行なった。
　得られた摩擦エレメント接合継手について、接合部の断面を目視観察して、板組の接合状態を評価した。マンドレル２が上板７を貫通して下板８と接合された場合（図４（ｂ）参照）を接合良好として「〇」と評価し、マンドレル２が上板７を貫通しなかった場合や、下板８と接合されなかった場合を接合不良として「×」と評価した。
　さらに、接合状態が接合良好（〇）と評価された接合継手について、ＪＩＳ　Ｚ　３１３７に規定される十字引張試験を行ない、接合継手の強度を調査した。強度が６．０ｋＮ以上である場合をＡ、強度が３．０ｋＮ以上６．０ｋＮ未満である場合をＢ、強度が３．０ｋＮ未満である場合をＣ、と評価した。
　なお、接合状態が接合不良（×）と評価された板組については、引張試験を行なわず、Ｄと、評価した。接合継手の優劣の序列は、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄである。得られた結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　本発明例はいずれも、接合状態が接合良好で、かつ上板、下板いずれも鋼板の場合、２．８ｋＮ以上の接合継手強度を有していた。なお、継手Ｎｏ．１２は、接合状態が良好「〇」であるが、上板がアルミニウム合金板であるため、上板が鋼板の場合に比べ母材強度が低く、接合継手としての強度は１．０ｋＮと上記に比べて低い値であったものと推察される。本発明の範囲を外れる比較例では、接合状態が不良「×」であった。
＜実施例２＞
　表１に示す２枚（上板と下板）の金属板を重ね合わせた板組の摩擦エレメント接合を行ない、摩擦エレメント接合継手を各２個作製した。なお、使用したエレメント１は、図２に示す形状のエレメント１とし、カラー３の最下端部からマンドレル２の下端面の頂点までの距離Ｌが１～５ｍｍ、下端面の円錐状を呈する面の頂角αｍが１４０°、下端面の円錐状を呈する面に、切削屑排出溝１１を頂点から曲線状に一対配置し、さらに切削刃１０を２本形成したマンドレルを配置したエレメントとした。マンドレル２の直径は４．５５ｍｍであった。
　なお、摩擦エレメント接合の際に用いたエレメントの回転速度（ｒｐｍ）と加圧力（ｋＮ）を表３に示す。なお、比較のために、切削屑排出溝１１および切削刃１０を設けないエレメント１を用いた摩擦エレメント接合も行なった。
　得られた摩擦エレメント接合継手について、実施例１と同様に、接合部の断面を目視観察して、実施例１と同様に、板組の接合状態を評価した。
　また、接合状態が接合良好（〇）と評価された接合継手について、さらに、実施例１と同様に、引張試験を実施し、接合継手の引張強度を求め、実施例１と同様に、評価した。得られた結果を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　本発明例はいずれも、接合状態が接合良好で、かつ上板、下板いずれも鋼板の場合、２．１ｋＮ以上の引張強度を有していた。なお、継手Ｎｏ．２５は、接合状態が良好「〇」であるが、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、接合継手強度が１．５ｋＮと上記に比べて低い値であった。本発明の範囲を外れる比較例では、接合状態が不良「×」であった。
　１　エレメント
　２　マンドレル
　３　カラー
　４　ピン
　５　流動金属排出溝
　６　板組
　７　上板
　８　下板
　９　接合面
　１０　切削刃
　１１　切削屑排出溝（屑排出溝）
　１２　開口部

 

Claims (9)

  1. 　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に回転させながら圧入することによって前記板組の摩擦エレメント接合を行なうエレメントであって、
    前記摩擦エレメント接合において前記板組に圧入する円柱形状のマンドレルと、該マンドレルの上端面に配設される円板状のカラーと、前記マンドレルの下端面に、中心軸が前記マンドレルの中心軸と一致するように配設される頂角αの円錐形状のピンとを備え、かつ前記マンドレルの前記下端面の前記ピンを除く平坦な領域に、流動金属排出溝を渦状または放射線状に複数本形成してなるエレメント。
  2. 　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に回転させながら圧入することによって前記板組の摩擦エレメント接合を行なうエレメントであって、
    前記摩擦エレメント接合において前記板組に圧入する円柱形状のマンドレルと、該マンドレルの上端面に配設される円板状のカラーと、を備え、さらに前記マンドレルの下端面を頂角αｍの円錐状を呈する面とし、かつ該円錐状を呈する面に、切削屑排出溝を頂点から曲線状または放射線状に一対以上、あるいはさらに切削刃を複数本形成してなるエレメント。
  3. 　カラーの外周部の最下端からピンの頂点までの前記中心軸に平行な方向の距離Ｌ（ｍｍ）が、下記（１）式を満たす請求項１に記載のエレメント。
    　　　　　　　　　　　　　　　　記
    （ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．０２ｍｍ≦Ｌ≦（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋４ｍｍ・・・（１）
    ここで、ＴＴＯＴＡＬ：板組の全厚（ｍｍ）、ＴＢＯＴＴＯＭ：板組の下板の板厚（ｍｍ）
  4. 　カラーの外周部の最下端からマンドレルの下端面の頂点までの中心軸に平行な方向の距離Ｌ（ｍｍ）が、下記（１）式を満たす請求項２に記載のエレメント。
    　　　　　　　　　　　　　　　　記
    （ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋０．０２ｍｍ≦Ｌ≦（ＴＴＯＴＡＬ－ＴＢＯＴＴＯＭ）＋４ｍｍ・・・（１）
    ここで、ＴＴＯＴＡＬ：板組の全厚（ｍｍ）、ＴＢＯＴＴＯＭ：板組の下板の板厚（ｍｍ）
  5. 　エレメントが、少なくとも外表面の一部に耐摩耗性材料からなるコーティング被膜を形成してなる請求項１～４のいずれかに記載のエレメント。
  6. 　請求項１～５のいずれかに記載のエレメントを用いて、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組にエレメントを回転させながら圧入することによって板組の接合を行なう摩擦エレメント接合方法。
  7. 　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組が、下板および上板の両方に鋼板を配置した板組である請求項６に記載の摩擦エレメント接合方法。
  8. 　請求項１～５のいずれかに記載のエレメントを用いて、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組にエレメントを回転させながら圧入し板組の接合を行ない摩擦エレメント接合継手とする摩擦エレメント接合継手の製造方法。
  9. 　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組が、下板および上板の両方に鋼板を配置した板組である請求項８に記載の摩擦エレメント接合継手の製造方法。
     

     
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