JP2008168335A

JP2008168335A - 部材接合方法及び構造

Info

Publication number: JP2008168335A
Application number: JP2007016944A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukuda; 浩史福田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】形材の補強に適した部材接合方法及び構造を提供する。
【解決手段】主部材６の第１の個所８ａと第２の個所８ｂに穿設した各孔９ａ，９ｂに補助部材７を、その先端部分が第２の個所８ｂを突き抜け且つ基端部分のストッパ１０が第１の個所８ａに当接するように差し込む。接合ツール５を回転させながら補助部材７の先端に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した補助部材７の材料を変形させつつ、第２の個所８ｂの孔９ａから主部材６内方側へと押し込み、この後、接合ツール５を主部材６から引き離して、主部材６の第２の個所８ｂを挟む補助部材７の塑性流動部位を硬化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は部材接合方法及び構造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。

また、アルミニウム合金を素材とした中空押し出し形材を二つ並べたうえ、この形材を摩擦撹拌接合によって一体化して構造体を製作する手法も既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−１３６３６５号公報特開２００２−１３７０７１号公報

二つの面板の間をリブによって接続した断面を呈する形材は、面板とリブの共同によりこれら単体を上回る剛性を発揮するが、時として形材の剛性を局所的に強めることが要求される。

この場合、二つの面板の間にリブを追加するという手立てが考えられるが、リブは形材の全長にわたって存在するため、結果的に形材の重量が増えてしまうし、コストアップにもなる。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、形材の補強に適した部材接合方法及び構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、主部材の第１の個所とそれに向き合う第２の個所のそれぞれに孔を正対するように穿設し、これらの孔に基端部分にストッパを有する補助部材を、その先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つストッパが第１の個所に当接するように差し込み、接合ツールを回転させながら補助部材の先端に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した補助部材の材料で主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟み、この後、接合ツールを主部材から引き離して、補助部材の塑性流動部位を硬化させる。

請求項２に記載の発明では、第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパとを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作った構成を採る。

請求項３に記載の発明では、第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌してストッパ及び主部材の第１の個所に挟まれる付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作った構成を採る。

請求項４に記載の発明では、第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所、及び付加部材を部材厚み方向に挟むように形作った構成を採る。

請求項５に記載の発明では、第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作り、付加部材に同化させた構成を採る。

請求項６に記載の発明では、第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌してストッパ及び主部材の第１の個所に挟まれる第１の付加部材と、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する第２の付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所、及び第２の付加部材を部材厚み方向に挟むように形作った構成を採る。

請求項７に記載の発明では、第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌してストッパ及び主部材の第１の個所に挟まれる第１の付加部材と、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する第２の付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作り、第２の付加部材に同化させた構成を採る。

請求項８に記載の発明では、補助部材のストッパに機械要素を設けた構成を採る。

本発明の部材接合方法及び構造によれば、下記のような優れた効果を奏し得る。

（１）請求項１〜請求項８に記載の発明のいずれにおいても、主部材の第１の個所に補助部材のストッパを当接させ、摩擦熱と塑性流動により補助部材の先端部分を、主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作るので、主部材の剛性が局所的に高まり、しかも主部材の重量増加を抑えることができる。

（２）請求項２〜請求項７に記載の発明のいずれにおいても、主部材の剛性向上と同時に付加部材の取り付けが完了するので、部材組付工程が減ることになる。

（３）請求項８に記載の発明においては、主部材の剛性向上と同時に機械要素の取り付けが完了するので、部材組付工程が減ることになる。

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構造の第１の例であり、凹部１を有する裏当て部材２と、短円柱状のピン部３を円柱状のショルダ部４の先端面に同軸に連ねた接合ツール５とを用いて、矩形断面の中空形材である主部材６に、丸棒状の補助部材７を接合する。

補助部材７は、その基端部分にフランジ状のストッパ１０を有し、当該ストッパ１０には、機械要素としてねじ軸１１が設けてある。

また、ねじ軸１１に代えて、ねじ穴やピン状の突起などの機械要素をストッパ１０に設けるようにしてもよいし、機械要素を必要としない場合は、ストッパ１０のみとする。

補助部材７は、アルミニウム合金を素材とし、主部材６と裏当て部材２と接合ツール５は、アルミニウム合金よりも硬く且つ軟化温度が高い鋼を素材としている。

主部材６の第１の個所８ａとそれに向き合う第２の個所８ｂのそれぞれに孔９ａ，９ｂを穿設し、凹部１にねじ軸１１が入るようにストッパ１０を裏当て部材２で受け、ストッパ１０が第１の個所８ａに当接し且つ第２の個所８ｂの孔９ｂに補助部材７の先端部分が入るように主部材６を配置したうえ、接合ツール５を補助部材７の先端部分に相対させる（図１（ａ）参照）。

孔９ａ，９ｂの形状は、補助部材７が丸棒状であれば、ドリルで穿設した丸孔でよく、補助部材７が角棒状、もしくは板状である場合には、それに見合った形の孔９ａ，９ｂを機械加工などで各個所８ａ，８ｂに穿設することになる。

接合ツール５を回転させながら、ピン部３を補助部材７の先端に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部３が徐々にめり込む。

やがて、接合ツール５のショルダ部４の端面が補助部材７の先端に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化した補助部材７の先端部分に由来する材料が、第２の個所８ｂの孔９ｂから主部材６内方側へと押し込まれる（図１（ｂ）参照）。

回転している接合ツール５のピン部３を丸棒状の補助部材７の先端部分に押し付けると、初めのうちは補助部材７も周方向へ回ることがある。

この補助部材７の回動は材料の軟化に伴って収まるが、クランプのような機械的手段を用いて補助部材７の回動を抑えるという手法も採れる。

接合ツール５の押圧力は、補助部材７を介して裏当て部材２に伝わるので、主部材６の第１の個所８ａと第２の個所８ｂの間にある第３の個所８ｃや第４の個所８ｄには座屈変形が生じない。

この後、接合ツール５を補助部材７から引き離して、主部材６の第２の個所８ｂを孔９ｂの周囲において部材厚み方向に挟んでいる補助部材７の塑性流動部位を硬化させ、補助部材７の基端部分を裏当て部材２から取り外す（図１（ｃ）参照）。

すなわち、主部材６の第１の個所８ａに補助部材７のストッパ１０を当接させ、塑性流動させた補助部材７の先端部分で、主部材６の第２の個所８ｂを挟むので、主部材６の剛性が局所的に高まり、これと同時にねじ軸１１の装着も完了するため、部材組付工程が減ることになる。

また、接合ツール５のピン部３がめり込んだあとに形作られた補助部材７の先端部分の穴１３は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

図２は本発明の部材接合構造の第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、補助部材７の基端部分に付加部材１４を外嵌させておき、ストッパ１０と主部材６の第１の個所８ａとで付加部材１４を挟む。

付加部材１４に用いる素材には特に制約はなく、アルミニウム合金、鋼、あるいはそれ以外のものであってもよい。

凹部１にねじ軸１１が入るようにストッパ１０を裏当て部材２で受け、補助部材７の基端部分に付加部材１４を外嵌させ、当該付加部材１４が第１の個所８ａに当接し且つ第２の個所８ｂの孔９ｂに補助部材７の先端部分が入るように主部材６を配置したうえ、接合ツール５を補助部材７の先端部分に相対させ、接合ツール５を回転させながら、ピン部３を補助部材７の先端に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部３が徐々にめり込む。

やがて、接合ツール５のショルダ部４の端面が補助部材７の先端に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化した補助部材７の先端部分に由来する材料が、第２の個所８ｂの孔９ｂから主部材６内方側へと押し込まれる（図２（ａ）参照）。

この後、接合ツール５を補助部材７から引き離して、主部材６の第２の個所８ｂを孔９ｂの周囲において部材厚み方向に挟んでいる補助部材７の塑性流動部位を硬化させ、補助部材７の基端部分を裏当て部材２から取り外す（図２（ｂ）参照）。

すなわち、主部材６の第１の個所８ａに補助部材７のストッパ１０を当接させ、塑性流動させた補助部材７の先端部分で、主部材６の第２の個所８ｂを挟むので、主部材６の剛性が局所的に高まり、これと同時にねじ軸１１や付加部材１４の装着も完了するため、部材組付工程が減ることになる。

図３は本発明の部材接合構造の第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、凹部１にねじ軸１１が入るようにストッパ１０を裏当て部材２で受け、ストッパ１０が第１の個所８ａに当接し且つ第２の個所８ｂの孔９ｂに補助部材７の先端部分が入るように主部材６を配置する。

更に、補助部材７の先端部分に鋼を素材とする付加部材１５を外嵌させて、当該付加部材１５を主部材６の第２の個所８ｂに載せ、接合ツール５を補助部材７の先端部分に相対させ、接合ツール５を回転させながら、ピン部３を補助部材７の先端に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部３が徐々にめり込む。

やがて、接合ツール５のショルダ部４の端面が補助部材７の先端に押し付けられ、摩擦熱と塑性流動により軟化した補助部材７の先端部分に由来する材料が、第２の個所８ｂの孔９ｂから主部材６内方側へと押し込まれる（図３（ａ）参照）。

この後、接合ツール５を補助部材７から引き離して、付加部材１５が補助部材７に外嵌しているところ、並びに主部材６の第２の個所８ｂを孔９ｂの周囲において部材厚み方向に挟んでいる補助部材７の塑性流動部位を硬化させ、補助部材７の基端部分を裏当て部材２から取り外す（図３（ｂ）参照）。

すなわち、主部材６の第１の個所８ａに補助部材７のストッパ１０を当接させ、塑性流動させた補助部材７の先端部分で、主部材６の第２の個所８ｂと付加部材１５を挟むので、主部材６の剛性が局所的に高まり、これと同時にねじ軸１１や付加部材１５の装着も完了するため、部材組付工程が減ることになる。

図４は本発明の部材接合構造の第４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。

更に、補助部材７の先端部分にアルミニウム合金を素材とする付加部材１６を外嵌させて、当該付加部材１６を主部材６の第２の個所８ｂに載せ、接合ツール５を補助部材７の先端部分に相対させ、接合ツール５を回転させながら、ピン部３を補助部材７の先端に押し付けると、摩擦熱と塑性流動により軟化したこの部位にピン部３が徐々にめり込む。

やがて、接合ツール５のショルダ部４の端面が、補助部材７の先端と付加部材１６に押し付けられ、当該付加部材１６も摩擦熱と塑性流動により軟化して、接合ツール５のピン部３の周囲に、付加部材１６と補助部材７の基端部分に由来する材料の同化層１７が軟化した状態で生じる（図４（ａ）参照）。

この後、接合ツール５を補助部材７、及び付加部材１６から引き離して、塑性流動部位である同化層１７を硬化させる（図４（ｂ）参照）。

すなわち、主部材６の第１の個所８ａに補助部材７のストッパ１０を当接させ、同化層１７で主部材６の第２の個所８ｂを挟むので、主部材６の剛性が局所的に高まり、これと同時にねじ軸１１や付加部材１６の装着も完了するため、部材組付工程が減ることになる。

また、接合ツール５のピン部３がめり込んだあとに形作られた補助部材７の先端部分の穴１８は、雌ねじ加工を施せば別部材のボルト締結に利用できる。

図５は本発明の部材接合構造の第５の例であり、図中、図２、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、補助部材７のストッパ１０と主部材６の第１の個所８ａで付加部材１４を挟んだうえ、同じ主部材６の第２の個所８ｂと別の付加部材１５を塑性流動させた補助部材７で挟むので、主部材６の剛性が局所的に高まり、これと同時に付加部材１４，１５やねじ軸１１の装着も完了するため、部材組付工程が減ることになる。

図６は本発明の部材接合構造の第６の例であり、図中、図２、図４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、補助部材７のストッパ１０と主部材６の第１の個所８ａで付加部材１４を挟んだうえ、同じ主部材６の第２の個所８ｂを別の付加部材１６と補助部材７に由来する同化層１７で挟むので、主部材６の剛性が局所的に高まり、これと同時に付加部材１４，１６やねじ軸１１の装着も完了するため、部材組付工程が減ることになる。

なお、本発明の部材接合方法及び構造は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、ピン部がない単なる円柱状の接合ツールを用いるようにすること、その他、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及び構造は、様々な部品の接合組付工程に適用できる。

本発明の部材接合構造の第１の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第２の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第３の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第４の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第５の例の施工手順を示す概念図である。本発明の部材接合構造の第６の例の施工手順を示す概念図である。

符号の説明

５接合ツール
６主部材
７補助部材
８ａ第１の個所
８ｂ第２の個所
９ａ孔
９ｂ孔
１０ストッパ
１１ねじ軸（機械要素）
１４付加部材（第１の付加部材）
１５付加部材（第２の付加部材）
１６付加部材（第２の付加部材）

Claims

主部材の第１の個所とそれに向き合う第２の個所のそれぞれに孔を正対するように穿設し、これらの孔に基端部分にストッパを有する補助部材を、その先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つストッパが第１の個所に当接するように差し込み、接合ツールを回転させながら補助部材の先端に押し付け、摩擦熱と塑性流動により軟化した補助部材の材料で主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟み、この後、接合ツールを主部材から引き離して、補助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。
第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパとを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作ったことを特徴とする部材接合構造。
第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌してストッパ及び主部材の第１の個所に挟まれる付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作ったことを特徴とする部材接合構造。
第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所、及び付加部材を部材厚み方向に挟むように形作ったことを特徴とする部材接合構造。
第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作り、付加部材に同化させたことを特徴とする部材接合構造。
第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌してストッパ及び主部材の第１の個所に挟まれる第１の付加部材と、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する第２の付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所、及び第２の付加部材を部材厚み方向に挟むように形作ったことを特徴とする部材接合構造。
第１の個所と第２の個所のそれぞれに正対する孔が穿設してある主部材と、先端部分が主部材の第２の個所の孔に入り且つ基端部分が主部材の第１の個所の孔に入った補助部材と、主部材の第１の個所に第２の個所の真反対から当接し得るように補助部材の基端部分に設けたストッパと、前記補助部材に外嵌してストッパ及び主部材の第１の個所に挟まれる第１の付加部材と、前記補助部材に外嵌して主部材の第２の個所に当接する第２の付加部材とを備え、補助部材の先端部分を、摩擦熱と塑性流動により前記主部材の第２の個所を部材厚み方向に挟むように形作り、第２の付加部材に同化させたことを特徴とする部材接合構造。
補助部材のストッパに機械要素を設けた請求項２乃至請求項７に記載の部材接合構造。