WO2007108208A1 - 材料の接合方法 - Google Patents

Abstract

　設計上の制約となるような突起物の張り出し及び緩みや脱落等の心配がなくて済み、薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避でき、作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる材料の接合方法を提供する。 　材料１，２を互いの接合孔が合致するように重ね合わせ、この接合孔に嵌装した接合補助材料３に接合ツール８を回転しながら押し付け、その摩擦熱により接合補助材料３を固相状態のまま軟化させて接合ツール８を没入し、これにより接合補助材料３を接合孔に緊密に内嵌せしめ且つその接合補助材料３に各材料１，２との機械的な係合部（山部５’とフランジ部６’，６”）を形成せしめ、各材料１，２同士を接合補助材料３を介して接合する。

Description

明 細 書

材料の接合方法

技術分野

[0001 ] 本発明は、 材料の接合方法に関するものである。

背景技術

[0002] 近年、 自動車業界においては、 燃費向上等を目指した車両の軽量化を図る 観点からアルミ材等の軽量素材が積極的に採用されており、 これによリアル ミ材と鉄材等といった溶接が困難な異種材料同士の接合技術に関する重要性 が高まってきているが、 従来、 この種の溶接が困難な異種材料同士の接合に 関しては、 ポルトによる締結、 メカニカルクリンチによる接合、 接着剤によ る接着等の手段が用いられている。

[0003] 尚、 後述する本発明の材料の接合方法に関連する先行技術文献情報として は下記の特許文献 1等がある。

特許文献 1 ：特開 2 0 0 4 _ 1 3 6 3 6 5号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかしながら、 例えば、 ポルトによる締結を採用した場合には、 接合すベ き材料の表裏面にポルトやナツ卜が突起物として張り出すため、 これらの突 起物の占有スペースを設計上で確保しなければならないという制約があリ、 しかも、 ポルトによる締結では緩みや脱落等の心配もあり、 また、 メカ二力 ルクリンチによる接合を採用した場合には、 薄板同士の接合が中心となる上 、 材料に熱を加えずに加圧のみで接合を行うことになるため、 割れや変形等 の品質欠陥が発生し易いという問題があった。

[0005] 更に、 接着剤による接着を採用した場合には、 作業性や作業環境が悪いと いう問題に加え、 リサイクル時における接着剤の材料からの分離が困難であ るためにリサイクル性が悪いという問題があつた。

[0006] 本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、 設計上の制約となるような突 起物の張り出し及び緩みや脱落等の心配がなくて済み、 薄板から厚板まで広 範な範囲で接合が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避すること ができ、 作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合 を行うことができる材料の接合方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明は、 接合孔を有する複数の材料を互いの接合孔が合致するように重 ね合わせ、 その合致させた接合孔に接合補助材料を嵌装し、 該接合補助材料 に対し各材料の重ね方向の一方の側から接合ツールを回転しながら押し付け 、 その摩擦熱によリ接合補助材料を固相状態のまま軟化させて該接合補助材 料に接合ツールを没入し、 これにより接合補助材料を接合孔に緊密に内嵌せ しめ且つその接合補助材料に各材料との機械的な係合部を形成せしめて前記 接合ツールを引き抜き、 前記係合部を硬化させることで各材料同士を接合補 助材料を介して接合することを特徴とする材料の接合方法、 に係るものであ る。

[0008] 而して、 このようにすれば、 接合孔に緊密に内嵌した接合補助材料が各材 料との間に成す機械的な係合部によって、 抜け止めや回り止めの効果が奏さ れて各材料同士が接合補助材料を介して強固に接合されることになる。

[0009] この際、 ポル卜締結の場合におけるポル卜やナツ卜の如き大きな突起物が 張り出すことがないため、 この種の突起物の占有スペースを確保するといつ た設計上の制約がかからなくて済み、 しかも、 接合補助材料が接合孔に対し 緊密に内嵌することになるので、 ポル卜締結を採用した場合のような緩みや 脱落等の心配もなくなる。

[0010] また、 各材料の接合孔に嵌装した接合補助材料を介して各材料同士を接合 しているので、 薄板から厚板まで広範な範囲で各材料同士を接合することが 可能となり、 しかも、 接合補助材料に対し接合ツールにより摩擦熱を与えて 軟化させた上で無理な加圧力をかけることなく接合しているので、 割れや変 形等の品質欠陥の発生を未然に回避することが可能となる。

[001 1 ] 更に、 接着剤のような介在物無しで各材料同士を係合部を介して機械的に 接合するので、 接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化を招か なくても済み、 しかも、 リサイクル時における分離作業が容易なリサイクル 性に優れた接合が実現されることになる。

[0012] また、 本発明をより具体的に実施するに際しては、 接合孔の内側面に予め 形成しておいた溝部と嵌合して接合補助材料側に形成される山部を係合部と したり、 接合補助材料の軸心方向の両端部に形成されて各材料を重ね方向に 挾圧保持するフランジ部を係合部とし、 各フランジ部のうちの少なくとも何 れか一方を接合ツールの没入時に形成して係合部として完成せしめるように しても良い。

[0013] 更に、 本発明においては、 各材料の少なくとも何れかを接合補助材料と同 種材料とし、 その同種材料とした材料と接合補助材料との境界部分を接合ッ ールの回転により撹拌して摩擦撹拌接合部とすることが可能である。

[0014] また、 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した 一点に接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行うようにしても良く、 或 いは、 各材料に接合孔をスリット状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に 接合ツールを移動させて連続接合を行うようにしても良い。

発明の効果

[0015] 上記した本発明の材料の接合方法によれば、 ポル卜締結の場合におけるポ ルトゃナツ卜の如き大きな突起物の張り出しがないことから設計上の制約を 大幅に緩和することができると共に、 ポル卜締結の場合の如き緩みや脱落等 の心配も解消することができ、 しかも、 薄板から厚板まで広範な範囲で接合 が可能で且つ割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、 更には 、 作業性や作業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行う ことができる等種々の優れた効果を奏し得る。

図面の簡単な説明

[0016] [図 1 ]本発明の一実施例を示す断面図である。

[図 2]図 1の接合ツールを回転しながら下降した状態を示す断面図である。

[図 3]図 2の接合ツールを更に下降させた状態を示す断面図である。 [図 4]図 3の状態から接合ツールを引き上げた状態を示す断面図である。

[図 5]上端部にフランジ部を備えた接合補助材料を採用した例を示す断面図で める。

符号の説明

[0017] 1 材料

1 a 接合孔

2 材料

2 a 接合孔

3 接合補助材料

5 溝部

5 ' 山部 （係合部）

6 ' フランジ部 （係合部）

6 " フランジ部 （係合部）

8 接合ツール

1 0 摩擦撹拌接合部

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

[0019] 図 1〜図 4は本発明の一実施例を示すもので、 本実施例においては、 相互 に重ね合わせた鉄製の材料 1とアルミ製の材料 2をスポッ卜接合する場合を 例示しており、 図 1に示す如く、 各材料 1， 2の夫々には、 その厚さ方向に 貫通する接合孔 1 a， 2 aがスポッ卜状に穿設され、 該接合孔 1 a， 2 aが 互いに合致するように重ね合わされており、 その合致させた接合孔 1 a， 2 a内にアルミ製の接合補助材料 3が嵌装されていると共に、 その重ね合わせ た各材料 1， 2の下側には裏当て部材 4が配置されている。

[0020] ここで、 上段の材料 1における接合孔 1 aの内周面には、 ネジ加工により 螺旋状の溝部 5が形成されており、 また、 前記裏当て部材 4の上面には、 前 記材料 1， 2の接合孔 1 a， 2 aと対峙し且つ該接合孔 1 a， 2 aより大き な平面断面を有する凹部 6が形成されている。 [0021 ] 更に、 前記各材料 1， 2の上側には、 接合孔 1 a， 2 a内に挿入可能なピ ン部 7を下端に有する円柱状の接合ツール 8が前記接合孔 1 a， 2 aと同心 状に配置されておリ、 図示しない接合装置によリ回転可能且つ昇降可能に支 持されるようになっている。

[0022] そして、 このように重ね合わせた材料 1， 2を接合ツール 8により接合す るにあたり、 図 2に示す如く、 接合ツール 8を回転しながら下降して接合孔 1 a , 2 a内の接合補助材料 3に押し付けると、 該接合補助材料 3と接合ッ ール 8との間に生じた摩擦熱で前記接合補助材料 3が固相状態のまま軟化し て該接合補助材料 3に接合ツール 8のピン部 7が没入していくことになる。

[0023] 次いで、 図 3に示す状態まで接合ツール 8を下降させると、 摩擦熱で軟化 した接合補助材料 3が塑性流動により接合孔 1 a， 2 aに対し緊密に内嵌し て前記溝部 5と嵌合する螺旋状 （ネジ山状） の山部 5 ' が形成されると共に 、 裏当て部材 4の凹部 6と嵌合することで接合補助材料 3の下端部に接合孔 1 a , 2 aより平面断面の大きなフランジ部 6 ' が形成され、 更には、 接合 ツール 8のピン部 7の基端側周囲のショルダ一部 9と材料 1の上面との間の 隙間に張り出すことで接合補助材料 3の上端部に接合孔 1 a， 2 aより平面 断面の大きなフランジ部 6 " が形成され、 これら山部 5 ' とフランジ部 6 ' ， 6 " とが各材料 1， 2側との機械的な係合部を成すことになる。

[0024] しかも、 特に本実施例においては、 下段の材料 2を接合補助材料 3と同種 材料としているので、 接合ツール 8のピン部 7を回転しながら接合補助材料 3に没入させた際に、 その同種材料とした材料 2と接合補助材料 3との境界 部分が接合ツール 8の回転によリ撹拌されて摩擦撹拌接合部 1 0が形成され ることになる。

[0025] 然る後、 図 4に示す如く、 接合ツール 8を上方へ引き抜いて山部 5 ' 及び フランジ部 6 ' ， 6 " と摩擦撹拌接合部 1 0とを夫々硬化させると、 接合補 助材料 3が各材料 1， 2側との間に成す山部 5 ' 及びフランジ部 6 ' ， 6 " によって、 抜け止めや回り止めの効果が奏されて各材料 1， 2同士が接合補 助材料 3を介して強固に接合されることになリ、 更には、 材料 2と接合補助 材料 3との間に摩擦撹拌接合部 1 0が形成されることでも一層強固な接合が 図られることになる。

[0026] また、 鉄製の材料 1とアルミ製の接合補助材料 3との間には、 摩擦熱によ リ固相状態のまま軟化した接合補助材料 3が材料 1に密着されて融点以下の 温度条件で加圧されることにより、 その接合面間に生じる原子の拡散で鉄製 の材料 1とアルミ製の接合補助材料 3とが拡散接合される効果も付与される ことになる。

[0027] 事実、 本発明者による引張り剪断強度の検証実験では、 上段を S S 4 0 0 の鉄材から成る 5 mm厚の材料 1とし、 下段を 6 0 0 0系のアルミ材から成 るつ mm厚の材料 2とし、 接合補助材料 3を材料 2と同種材料の 6 0 0 0系 のアルミ材とした場合に、 8 . 7 5 k Nもの良好な引張り剪断強度が得られ ることが確認された。

[0028] 更に、 本実施例においては、 各材料 1， 2が強固に接合されるに際し、 ポ ルト締結の場合におけるポルトやナツ卜の如き大きな突起物が張り出すこと がないため、 この種の突起物の占有スペースを確保するといつた設計上の制 約がかからなくて済み、 しかも、 接合補助材料 3が接合孔 1 a， 2 aに対し 緊密に内嵌することになるので、 ポル卜締結を採用した場合のような緩みや 脱落等の心配もなくなる。

[0029] 尚、 ここに図示している例では、 各材料 1， 2の上下面に各フランジ部 6 ， ， 6 " が僅かに張り出すことになるが、 これら各フランジ部 6 ' ， 6 " を 形成するにあたっては、 材料 1の上面側及び材料 2の下面側に、 接合孔 1 a ， 2 aと連続し且つ該接合孔 1 a， 2 aより大きな平面断面を有する凹部を 座ぐリ加工しておくことで、 これら上下の座ぐリ加工した凹部にフランジ部 6 ' ， 6 " が嵌合形成されるようにしても良く、 このようにすれば、 材料 1 ， 2の最終的な上下面の形状がフラッ卜なものとなる。

[0030] また、 本実施例では、 各材料 1， 2の接合孔 1 a， 2 aに嵌装した接合補 助材料 3を介して各材料 1， 2同士を接合しているので、 薄板から厚板まで 広範な範囲で各材料 1， 2同士を接合することが可能となり、 しかも、 接合 補助材料 3に対し接合ツール 8により摩擦熱を与えて軟化させた上で無理な 加圧力をかけることなく接合しているので、 割れや変形等の品質欠陥の発生 を未然に回避することが可能となる。

[0031 ] 更に、 接着剤のような介在物無しで各材料 1， 2同士を係合部を介して機 械的に接合するので、 接着剤を用いた場合のような作業性や作業環境の悪化 を招かなくても済み、 しかも、 リサイクル時における分離作業が容易なリサ ィクル性に優れた接合が実現されることになる。

[0032] 従って、 上記実施例によれば、 ポルト締結の場合におけるポルトやナツ卜 の如き大きな突起物の張り出しがないことから設計上の制約を大幅に緩和す ることができると共に、 ポル卜締結の場合の如き緩みや脱落等の心配も解消 することができ、 しかも、 薄板から厚板まで広範な範囲で接合が可能で且つ 割れや変形等の品質欠陥の発生を回避することができ、 更には、 作業性や作 業環境を良好に維持したままリサイクル性に優れた接合を行うことができる

[0033] 尚、 以上に説明した実施例においては、 接合孔 1 aの内周面に螺旋状の溝 部 5をネジ加工した場合を例示したが、 この溝部 5は必ずしも螺旋状に形成 することに限定されるものではなく、 例えば、 リング状の溝部 5とスプライ ン状の溝部 5との組み合わせ （螺旋状の溝部 5とスプライン状の溝部 5との 組み合わせでも可） によリフランジ部 6 ' ， 6 " 無しでも抜け止めや回り止 めの効果が得られるようにすることが可能であり、 また、 各材料 1， 2と接 合補助材料 3とを異種材料として相互間に摩擦撹拌接合部 1 0が形成されな いものとすることも可能である。

[0034] 更に、 前述の実施例では、 接合補助材料 3の軸心方向の両端部に形成され て各材料 1， 2を重ね方向に挾圧保持するフランジ部 6 ' ， 6 " を係合部と し、 これら各フランジ部 6 ' ， 6 " を接合ツール 8の没入時に同時に形成す るようにしているが、 図 5に示す如く、 予め上端部にフランジ部 6 " を備え た接合補助材料 3を採用し、 接合ツール 8の没入時に下端部のフランジ部 6 " のみを裏当て部材 4の凹部 6により形成して係合部として完成させるよう にしても良い。

[0035] 尚、 このように予め上端部にフランジ部 6 " を備えた接合補助材料 3を採 用すれば、 該接合補助材料 3の接合孔 1 a， 2 aへの設置作業を接合装置の セッ卜前に手動にて容易に行うことが可能となり、 接合補助材料 3を接合孔 1 a , 2 aへ設置するためのフィーダ等の装置が不要となる。

[0036] また、 前述の実施例では、 材料 1， 2に対し接合孔 1 a， 2 aをスポッ卜 状に穿設しておき、 該接合孔 1 a， 2 aに対応した一点に接合ツール 8を位 置決めしてスポット接合を行う場合で説明したが、 接合孔 1 a， 2 aをスリ ッ卜状に穿設しておき、 該接合孔 1 a， 2 aの長手方向に接合ツール 8を移 動させて連続接合を行うようにすることも可能である。

[0037] 尚、 本発明の材料の接合方法は、 上述の実施例にのみ限定されるものでは なく、 各材料は必ずしも異種材料でなくても良く、 各材料が同種材料であつ ても同様の接合方法を適用し得ること、 更に、 各材料や接合補助材料には金 属材料以外に高分子材料等を適宜に採用し得ること、 また、 接合補助材料に は接合ツールの没入を案内するガイド孔が軸心部分に予め穿設されていても 良いこと、 更に、 接合孔の断面形状は図示の如き矩形状に限定されるもので はなく、 強度向上を図るベく接合面積が大きくとれるような各種の異形断面 の形状を適宜に採用し得ること、 その他、 本発明の要旨を逸脱しない範囲内 において種々変更を加え得ることは勿論である。

Claims

請求の範囲

[1] 接合孔を有する複数の材料を互いの接合孔が合致するように重ね合わせ、 その合致させた接合孔に接合補助材料を嵌装し、 該接合補助材料に対し各材 料の重ね方向の一方の側から接合ツールを回転しながら押し付け、 その摩擦 熱により接合補助材料を固相状態のまま軟化させて該接合補助材料に接合ッ ールを没入し、 これにより接合補助材料を接合孔に緊密に内嵌せしめ且つそ の接合補助材料に各材料との機械的な係合部を形成せしめて前記接合ツール を引き抜き、 前記係合部を硬化させることで各材料同士を接合補助材料を介 して接合する材料の接合方法。

[2] 接合孔の内側面に予め形成しておいた溝部と嵌合して接合補助材料側に形 成される山部を係合部とする請求項 1に記載の材料の接合方法。

[3] 接合補助材料の軸心方向の両端部に形成されて各材料を重ね方向に挾圧保 持するフランジ部を係合部とし、 各フランジ部のうちの少なくとも何れか一 方を接合ツールの没入時に形成して係合部として完成せしめる請求項 1に記 載の材料の接合方法。

[4] 接合補助材料の軸心方向の両端部に形成されて各材料を重ね方向に挾圧保 持するフランジ部を係合部とし、 各フランジ部のうちの少なくとも何れか一 方を接合ツールの没入時に形成して係合部として完成せしめる請求項 2に記 載の材料の接合方法。

[5] 各材料の少なくとも何れかを接合補助材料と同種材料とし、 その同種材料 とした材料と接合補助材料との境界部分を接合ツールの回転によリ撹拌して 摩擦撹拌接合部とする請求項 1に記載の材料の接合方法。

[6] 各材料の少なくとも何れかを接合補助材料と同種材料とし、 その同種材料 とした材料と接合補助材料との境界部分を接合ツールの回転によリ撹拌して 摩擦撹拌接合部とする請求項 2に記載の材料の接合方法。

[7] 各材料の少なくとも何れかを接合補助材料と同種材料とし、 その同種材料 とした材料と接合補助材料との境界部分を接合ツールの回転によリ撹拌して 摩擦撹拌接合部とする請求項 3に記載の材料の接合方法。

[8] 各材料の少なくとも何れかを接合補助材料と同種材料とし、 その同種材料 とした材料と接合補助材料との境界部分を接合ツールの回転によリ撹拌して 摩擦撹拌接合部とする請求項 4に記載の材料の接合方法。

[9] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 1に記載の材料の接合 方法。

[10] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 2に記載の材料の接合 方法。

[11 ] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 3に記載の材料の接合 方法。

[12] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 4に記載の材料の接合 方法。

[13] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 5に記載の材料の接合 方法。

[14] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 6に記載の材料の接合 方法。

[15] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 7に記載の材料の接合 方法。

[16] 各材料に接合孔をスポッ卜状に穿設しておき、 該接合孔に対応した一点に 接合ツールを位置決めしてスポッ卜接合を行う請求項 8に記載の材料の接合 方法。

[17] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 1に記載の材料の接合方法。

[18] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 2に記載の材料の接合方法。

[19] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 3に記載の材料の接合方法。

[20] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 4に記載の材料の接合方法。

[21 ] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 5に記載の材料の接合方法。

[22] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 6に記載の材料の接合方法。

[23] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 7に記載の材料の接合方法。

[24] 各材料に接合孔をスリッ卜状に穿設しておき、 該接合孔の長手方向に接合 ツールを移動させて連続接合を行う請求項 8に記載の材料の接合方法。