JP2007301628A - 部材接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦撹拌接合の手法によって異種材接合を行なえるようにする。
【解決手段】同材質の第１、第２の被接合部材１，２を重ね合わせ、連結部材として使うボルト３を回転させながら、その軸部４先端を第１の被接合部材１に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト３の軸部４を、第１の被接合部材１を突き抜けるようにめり込ませ、更に、ボルト３の軸部４先端を第２の被接合部材２に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト３の軸部４をめり込ませ、摩擦熱と塑性流動により軟化した第１、第２の被接合部材１，２に由来する材料を混ぜ合わせ、この後、ボルト３の動きを止めて第１、第２の被接合部材１，２の塑性変形部位である同化層８を硬化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は部材接合方法に関するものである。

接合すべき部材を溶融させずに相互に接続する方法として摩擦撹拌接合がある（例えば、特許文献１参照）。

この技法では、被接合部材を重ね合わせた被接合物を、裏当て部材である支持ツールに載せたうえ、被接合物に接合ツールを回転させながら押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した材料を撹拌して同化させる。

次いで、接合ツールを被接合物から離して材料が同化した部位を硬化させ、被接合部材を相互に接合する。

接合ツールは、円柱状のショルダ部と、当該ショルダ部に同軸に連なり且つツール先端へ向けて突出する短円筒状でショルダ部よりも外径が小さいピン部とを備えている。
特開２００４−１３６３６５号公報

摩擦撹拌接合は、接合ツールに消耗が生じにくく且つ溶加材などの副資材も特に必要としないが、引用文献１の手法では、アルミニウム合金と鋼のような異種材の接合には対応できない。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、摩擦撹拌接合の手法によって異種材接合を行なえるようにすることを目的としている。

上記目的を達成するため本発明は、
軸部の基端部分に頭部を形作った連結部材を使う部材接合方法であって、第１、第２の被接合部材を重ね合わせ、これら被接合部材の素材よりも硬く且つ軟化温度が高い材料を用いた連結部材を回転させながら、その軸部先端を第１の被接合部材に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位に連結部材の軸部を、第１の被接合部材を突き抜けるようにめり込ませ、更に、連結部材の軸部先端を第２の被接合部材に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位に連結部材の軸部をめり込ませ、摩擦熱と塑性流動により軟化した第１、第２の被接合部材に由来する材料を混ぜ合わせ、この後、連結部材の動きを止めて第１、第２の被接合部材の塑性流動部位を硬化させる。

すなわち、回転している連結部材の軸部を、摩擦撹拌接合の手法によって第１の被接合部材と第２の被接合部材に順にめり込ませ、この連結部材の仲介によって第１、第２の被接合部材を接合する。

より具体的には、連結部材の頭部が第１の被接合部材に接する位置まで、軸部先端を第２の被接合部材にめり込ませる。

また、連結部材としてボルトを使うようにする。

更に、連結部材の軸部の軸線方向長さを、第１、第２の被接合部材の厚みの合計を上回るように設定しておき、連結部材の軸部が第２の被接合部材を突き抜けるようにする。

本発明は、軸部の基端部分に頭部を形作った連結部材を使う部材接合方法であって、連結部材の頭部よりも内径が小さい孔を穿設した第１の被接合部材を、連結部材と同材質の第２の被接合部材に重ね合わせたうえ、第２の被接合部材の素材よりも硬く且つ軟化温度が高い材料を用いた連結部材を回転させながら、その軸部先端を第１の被接合部材の孔から第２の被接合部材に向けて押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位に連結部材の軸部をめり込ませつつ、軸部先端の軟化を図って、連結部材及び第２の被接合部材に由来する材料を混ぜ合わせ、また、連結部材の頭部を第１の被接合部材に接しさせ、この後、連結部材の動きを止めて連結部材と第２の被接合部材の塑性流動部位を硬化させる。

すなわち、回転している連結部材の軸部を、第１の被接合部材の孔に入れたうえ、摩擦撹拌接合の手法によって第２の被接合部材にめり込ませ、この連結部材の仲介によって第１、第２の被接合部材を接合する。

また、連結部材の軸部に比べて内径が小さい孔を穿設した第２の被接合部材を用い、第１、第２の被接合部材を孔が同軸に位置するように重ね合わせる。

より具体的には、連結部材の頭部が第１の被接合部材に接して軟化するまで、連結部材を回転させながら、第２の被接合部材に向けて押し付ける。

本発明の部材接合方法によれば、下記のような優れた効果を奏し得る。

（１）請求項１〜４の発明では、回転している連結部材の軸部を摩擦撹拌接合の手法によって、第１の被接合部材と第２の被接合部材に順にめり込ませるので、第１、第２の被接合部材が異種材であっても、両部材を効率よく且つ確実に接続することができる。

（２）連結部材に広く市販されている規格品のボルトを用いれば、部材接合に際してのコスト低減を図れる。

（３）連結部材の軸部の軸線方向長さを、第１、第２の被接合部材の厚みの合計を上回るように設定しておけば、第２の被接合部材を突き抜けた連結部材の軸部を、第１、第２の被接合部材への他の部材の締結に利用できる。

（４）請求項５〜７の発明では、回転している連結部材の軸部を、第１の被接合部材の孔に入れたうえ、摩擦撹拌接合の手法によって第２の被接合部材にめり込ませるので、第１、第２の被接合部材が異種材であっても、両部材を効率よく且つ確実に接続することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の部材接合方法の第１の例であり、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２を接合するのに際しては、ボルト３と、当該ボルト３の軸部４が第１の被接合部材１に正対するようにその頭部５を保持した状態で回転しながら第１の被接合部材１に対して近接し得るツール６と、第２の被接合部材２が載る裏当て部材７を用いる。

第１の被接合部材１と第２の被接合部材２は、アルミニウム合金を素材とし、ボルト３は、鋼を素材としている。

ボルト３の軸部４の長さＬ１は、第１の被接合部材１の厚みｔ１を上回り、当該第１の被接合部材１の厚みｔ１と第２の被接合部材２の厚みｔ２の合計を下回るように設定してある。

ツール６がボルト３の頭部５を保持する手段は、吸引ポンプによる減圧吸着、電磁石による電磁吸着、あるいはクランプ機構による把持のいずれであってもよい。

まず、裏当て部材７に載せた第２の被接合部材２に第１の被接合部材１を重ね合わせ、ボルト３の頭部５を保持した状態のツール６を、ボルト３の軸部４が第１の被接合部材１に正対するように、裏当て部材７の上方に位置させる（図１（ａ）参照）。

次に、ツール６を回転させながら下降させると、ボルト３の軸部４が第１の被接合部材１に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト３の軸部４が徐々にめり込む（図１（ｂ）参照）。

引き続き、ツール６を回転させながら下降させると、ボルト３の軸部４は第１の被接合部材１を突き抜け、今度は第２の被接合部材２に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト３の軸部４が徐々にめり込む（図１（ｃ）参照）。

これによって、ボルト３の軸部４の周囲に、第１、第２の被接合部材１，２に由来する材料の同化層８が軟化した状態で生じる。

ボルト３の頭部５が第１の被接合部材１に接し、更に、当該第１の被接合部材１に多少沈み込んだならば、ツール６の回転と下降を止めて、塑性流動部位である同化層８を硬化させ、ツール６をボルト３の頭部５から引き離し、第２の被接合部材２から裏当て部材７を取り外す（図１（ｄ）参照）。

すなわち、ボルト３の軸部４の回りに行き渡った第１、第２の被接合部材１，２に由来する材料の同化層８が硬化して、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２が互いに密着した状態で強固に接合される。

図２は本発明の部材接合方法の第２の例であり、図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２を接合するのに際して、ボルト９と、第２の被接合部材２が載る裏当て部材１０と、前述したツール６を用いる。

ボルト９は鋼を素材とし、その軸部１１の長さＬ２は、第１の被接合部材１の厚みｔ１と第２の被接合部材２の厚みｔ２の合計を上回るように設定してあり、更に、ボルト９の頭部１２は、ツール６で保持されるように形作ってある。

裏当て部材１０は、その上端から下方へ延びる凹部１３を有している。

凹部１３の内径と深さは、第１、第２の被接合部材１，２をボルト９の軸部１１が突き抜けた際に、当該軸部１１が余裕をもって挿入できるように設定してある。

まず、裏当て部材１０に載せた第２の被接合部材２に第１の被接合部材１を重ね合わせ、ボルト９の頭部１２を保持した状態のツール６を、ボルト９の軸部１１が第１の被接合部材１に正対するように、裏当て部材１０の凹部１３の真上に位置させる。

ツール６を回転させながら下降させると、ボルト９の軸部１１が第１の被接合部材１に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト９の軸部１１が徐々にめり込み、ツール６の下降に伴ってボルト９の軸部１１は第１の被接合部材１を突き抜け、今度は第２の被接合部材２に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト９の軸部１１が徐々にめり込み、当該軸部１１の周囲に第１、第２の被接合部材１，２に由来する材料の同化層８が軟化した状態で生じる（図２（ａ）参照）。

ボルト９の軸部１１が第２の被接合部材２を突き抜けて、裏当て部材１０の凹部１３に入り、第１の被接合部材１にボルト９の頭部１２が接し、更に、当該第１の被接合部材１に多少沈み込んだならば、ツール６の回転と下降を止めて、塑性流動部位である同化層８を硬化させる。

すなわち、ボルト９の軸部１１の回りの同化層８が硬化することにより、第１の被接合部材１と第２の被接合部材２が互いに密着した状態で強固に接合される。

この後、ツール６をボルト９の頭部１２から引き離し、第２の被接合部材２から裏当て部材１０を取り外し、第２の被接合部材２からはみ出した同化層８を、ワイヤブラシなどの研掃手段によって取り除く（図２（ｂ）参照）。

第２の被接合部材２を突き抜けたボルト９の軸部１１は、第１、第２の被接合部材１，２への他の部材の締結に利用できる。

図３は本発明の部材接合方法の第３の例であり、図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、第１の被接合部材１４と第２の被接合部材２を接合するのに際して、ボルト１５と、前述したツール６及び裏当て部材７を用いる。

第１の被接合部材１４は、鋼を素材とし、ボルト１５は、第２の被接合部材２の素材に比べて硬く且つ軟化温度が高いアルミニウム合金を素材としている。

第１の被接合部材１４には、ボルト１５の軸部１６が挿入可能な孔１７が穿設してある。

ボルト１５の軸部１６の長さＬ３は、第１の被接合部材１４の厚みｔ３を上回るように設定してあり、ボルト１５の頭部１８は、ツール６で保持されるように形作ってある。

まず、裏当て部材７に載せた第２の被接合部材２に第１の被接合部材１４を重ね合わせ、ボルト１５の頭部１８を保持した状態のツール６を、ボルト１５の軸部１６が第１の被接合部材１に正対して孔１７に同軸となるように位置させる（図３（ａ）参照）。

次に、ツール６を回転させながら下降させると、第１の被接合部材１４の孔１７に入ったボルト１５の軸部１６が第２の被接合部材２に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト１５の軸部１６が徐々にめり込むとともに、当該軸部１６も軟化傾向を呈し、第２の被接合部材２とボルト１５の軸部１６に由来する材料の同化層８が軟化した状態で生じる（図３（ｂ）参照）。

ボルト１５の頭部１８が第１の被接合部材１４に接すると、摩擦熱と塑性流動によって軟化したボルト１５の頭部１８が押し潰され、当該頭部１８に由来する材料が孔１７を中心に第１の被接合部材１４の表面に拡がるとともに、孔１７内にも入り込む（図３（ｃ）参照）。

このような状態になったならば、ツール６の回転と下降を止めて、先に述べた同化層８とボルト１５の頭部１８の塑性流動部位を硬化させる。

すなわち、第２の被接合部材２及びボルト１５の軸部１６に由来する材料の同化層８が硬化することにより、第１の被接合部材１４と第２の被接合部材２が互いに密着した状態で強固に接合される。

また、孔１７の内周に溝を形作っておくと、第１の被接合部材１４に対してボルト１５がより強固に係合することになる。

これとは別に、孔１７の内径をボルト１５の軸部１６に対して小さく設定し、孔１７の内周面に軸部１６が積極的に触れるようにすれば、当該軸部１６の軟化を促進させることができる。

この後、ツール６をボルト１５の頭部１８から引き離し、第２の被接合部材２から裏当て部材７を取り外す（図３（ｄ）参照）。

図４は本発明の部材接合方法の第４の例であり、図中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

この例では、まず、ボルト１５の軸部１６に比べて内径が小さい孔１９を第２の被接合部材２に穿設し、裏当て部材７に載せた第２の被接合部材の孔１９に対して孔１７が同軸に位置するように、第１の被接合部材１４を重ね合わせ、ボルト１５の頭部１８を保持した状態のツール６を、ボルト１５の軸部１６が第１の被接合部材１に正対して孔１７に同軸となるように位置させる（図４（ａ）参照）。

次に、ツール６を回転させながら下降させると、第１の被接合部材１４の孔１７に入ったボルト１５の軸部１６が、第２の被接合部材２の孔１９の周縁に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にボルト１５の軸部１６が徐々にめり込むとともに、当該軸部１６も軟化傾向を呈し、第２の被接合部材２とボルト１５の軸部１６に由来する材料の同化層８が軟化した状態で生じる（図４（ｂ）参照）。

ボルト１５の頭部１８が第１の被接合部材１４に接すると、摩擦熱と塑性流動によって軟化したボルト１５の頭部１８が押し潰され、当該頭部１８に由来する材料が孔１７を中心に第１の被接合部材１４の表面に拡がるとともに、孔１７内にも入り込む（図４（ｃ）参照）。

このような状態になったならば、ツール６の回転と下降を止めて、先に述べた同化層８とボルト１５の頭部１８の塑性流動部位を硬化させる。

すなわち、第２の被接合部材２及びボルト１５の軸部１６に由来する材料の同化層８が硬化することにより、第１の被接合部材１４と第２の被接合部材２が互いに密着した状態で強固に接合される。

この後、ツール６をボルト１５の頭部１８から引き離し、第２の被接合部材２から裏当て部材７を取り外す（図４（ｄ）参照）。

なお、本発明の部材接合方法は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の部材接合方法は、様々な部品の組付工程に適用できる。

本発明の部材接合方法の第１の例の施工手順を示す概念図である。 本発明の部材接合方法の第２の例の施工手順を示す概念図である。 本発明の部材接合方法の第３の例の施工手順を示す概念図である。 本発明の部材接合方法の第４の例の施工手順を示す概念図である。

符号の説明

１ 第１の被接合部材
２ 第２の被接合部材
３ ボルト（連結部材）
４ 軸部
５ 頭部
９ ボルト（連結部材）
１１ 軸部
１４ 第１の被接合部材
１５ ボルト（連結部材）
１６ 軸部
１７ 孔
１８ 頭部
１９ 孔

Claims (7)

1. 軸部の基端部分に頭部を形作った連結部材を使う部材接合方法であって、第１、第２の被接合部材を重ね合わせ、これら被接合部材の素材よりも硬く且つ軟化温度が高い材料を用いた連結部材を回転させながら、その軸部先端を第１の被接合部材に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位に連結部材の軸部を、第１の被接合部材を突き抜けるようにめり込ませ、更に、連結部材の軸部先端を第２の被接合部材に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位に連結部材の軸部をめり込ませ、摩擦熱と塑性流動により軟化した第１、第２の被接合部材に由来する材料を混ぜ合わせ、この後、連結部材の動きを止めて第１、第２の被接合部材の塑性流動部位を硬化させることを特徴とする部材接合方法。
2. 連結部材の頭部が第１の被接合部材に接する位置まで、軸部先端を第２の被接合部材にめり込ませる請求項１に記載の部材接合方法。
3. 連結部材としてボルトを使う請求項１、あるいは請求項２のいずれかに記載の部材接合方法。
4. 連結部材の軸部の軸線方向長さを、第１、第２の被接合部材の厚みの合計を上回るように設定しておき、連結部材の軸部が第２の被接合部材を突き抜けるようにする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の部材接合方法。
5. 軸部の基端部分に頭部を形作った連結部材を使う部材接合方法であって、連結部材の頭部よりも内径が小さい孔を穿設した第１の被接合部材を、連結部材と同材質の第２の被接合部材に重ね合わせたうえ、第２の被接合部材の素材よりも硬く且つ軟化温度が高い材料を用いた連結部材を回転させながら、その軸部先端を第１の被接合部材の孔から第２の被接合部材に向けて押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位に連結部材の軸部をめり込ませつつ、軸部先端の軟化を図って、連結部材及び第２の被接合部材に由来する材料を混ぜ合わせ、また、連結部材の頭部を第１の被接合部材に接しさせ、この後、連結部材の動きを止めて連結部材と第２の被接合部材の塑性流動部位を硬化させることを特徴とする部材接合方法。
6. 連結部材の軸部に比べて内径が小さい孔を穿設した第２の被接合部材を用い、第１、第２の被接合部材を孔が同軸に位置するように重ね合わせる請求項５に記載の部材接合方法。
7. 連結部材の頭部が第１の被接合部材に接して軟化するまで、連結部材を回転させながら、第２の被接合部材に向けて押し付ける請求項５、あるいは請求項６に記載の部材接合方法。

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