(57)【要約】    【課題】  中空部が屈曲又は湾曲しており、接合線が直線でない閉断面部材の製造にも適用することができ、且つ中子を容易に取り出すことができる摩擦撹拌接合方法及び閉断面部材を提供する。    【解決手段】  被接合部材２及び３を相互に対向させ、その端面同士を突合せる。次に、中空部１０に、一方の端面に凸部５ａが形成された中子５及び一方の端面に凹部６ａが形成された中子６を、夫々、突合せ面４に沿って挿入し、凹部６ａに凸部５ａを嵌合させることにより、中子５及び６を連設した状態で被接合部材２及び３の内面における突合せ部に接触するように配置する。そして、被接合部材２及び３の突合せ部に、その外面側から接合ツール１のピン部１ａを進入させ、接合ツール１を回転させながらピン１ａを突合せ面４に沿って移動させることにより、被接合材２及び３を接合する。その後、中空部１０から中子５及び６を取り出す。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材同士を非直線接合線で接合して中空部を備えた閉断面部材を得る摩擦撹拌接合方法において、前記被接合部材の端面を突合せると共に筒状の被接合部材の内部に複数個の中子を連設した状態で前記被接合部材の内面における突合せ部に接触するように配置する工程と、前記被接合部材の突合せ部にその外面側から回転駆動された接合ツールのピン部を進入させ、前記接合ツールを回転させながら前記ピン部を前記突合せ面に沿って移動させることにより、前記突合せ部同士を接合する工程と、前記中子を取り出す工程と、を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
相互に隣接する中子は、一の中子における他の中子側の面に凹部が形成され、他の中子の一の中子側の面に凸部が形成されており、前記凸部が前記凹部に嵌合されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
相互に隣接する中子は、連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
前記被接合部材は、アルミニウム又はアルミニウム合金材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
前記被接合部材は、プレス成形により形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法により接合されたことを特徴とする閉断面部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈曲又は湾曲している非接合部材同士を非直線接合線で接合する摩擦撹拌接合方法及びこの摩擦撹拌接合方法で接合された閉断面部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
擦撹拌接合方法は、接合ツールに設けられたピン部を、金属材料等からなり相互に突合された１対の被接合部材の突合せ部に押し込み、接合ツールを回転させながら突合せ面に沿って移動させることにより、被接合部材同士を接合する方法である。通常、接合ツールのピン部は、被接合部材よりも硬質な材料で形成されており、被接合部材に押し込まれたピン部の周囲は、ピン部の回転による摩擦熱によって加熱され、塑性流動が生じる。このため、接合ツールを接合方向に移動させると、ピン部の前方の材料が組成流動しながらピン部の後方に移動して接合組織が形成される。この摩擦撹拌接合方法は、接合時に生じる歪みが小さいため接合部の残留応力が少なく、接合強度が大きい継手が得られ、更に、溶接割れを生じやすい材料、鋳物、複合材料及び異種材質等の接合が可能であるため、種々の材料の接合に使用されており、特に、アルミニウム材及びアルミニウム合金材に好適な接合方法として、種々の用途に適用されている。
【０００３】
しかしながら、摩擦撹拌接合は、ツールのピン部を被接合部材に挿入して撹拌するため、被接合部材に強い押当て力がかかる。このため、従来、摩擦撹拌接合によって管状部材等のように中空部を備えた閉断面構造の部材を製造する場合には、被接合部材の撓みを防止するために、被接合部材の内部に中受け材を配置している（例えば、特許文献１及び２参照。）。図７は従来の摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。図７に示すように、従来の摩擦撹拌接合方法においては、断面がコ字状の１対の被接合部材１０１及び１０２を対向させてその端部同士を突合せた後、その内部に突合せ面１０３ａ及び１０３ｂに沿って中受け材１０４配置し、この状態で接合ツール１０５により摩擦撹拌接合している。この中受け材１０４は、接合後に必ず取り外されるが、その形状及び長さによっては、取り出し難いことがある。
【０００４】
そこで、特許文献２においては、中受け材を容易に取り出すために、ラック及びピニオンを使用した中空材の製造方法が開示されている。図８（ａ）は特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法を示す斜視図であり、図８（ｂ）は接合後に中子を取り出す方法を示す斜視図である。図８（ａ）に示すように、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法においては、先ず、被接合部材１０１及び１０２を突合せ、その内部に、突合せ面１０３ａ及び１０３ｂに沿って、夫々当て材１１４ａ及び１１４ｂを配置する。次に、当て材１１４ａと当て材１１４ｂとの間に、側面に長さ方向に沿ってラック１１１ａが形成されている棒状の受け材１１１を配置し、この受け材１１１により当て材１１４ａ及び１１４ｂを当接支持する。そして、この状態で、接合ツール１０５により摩擦撹拌接合し、突合せ面１０３ａ及び１０３ｂを夫々接合する。その後、図８（ｂ）に示すように、受け材１１１のラック１１１ａにピニオン１１２を噛合させ、ピニオン１１２を回転駆動することにより、当て材１１４ａ及び１１４ｂを取り出している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３７６２１号公報
【特許文献２】特開２０００−３１７６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。前述の特許文献１及び２に記載の摩擦撹拌接合方法は、中空部が一方向に延び、接合線が直線である場合にしか適用できず、例えば、これらの方法を、車両用構造部材、自動車用構造部材及び容器等のように形状が複雑で、中空部が屈曲又は湾曲し、接合線が直線ではない部材の製造に適用した場合、中受け材が脱着できないという問題点がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、中空部が屈曲又は湾曲しており、接合線が直線でない閉断面部材の製造にも適用することができ、且つ中子を容易に取り出すことができる摩擦撹拌接合方法及び閉断面部材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】
【０００８】
本願第１発明に係る摩擦撹拌接合方法は、被接合部材同士を非直線接合線で接合して中空部を備えた閉断面部材を得る摩擦撹拌接合方法において、前記被接合部材の端面を突合せると共に筒状の被接合部材の内部に複数個の中子を連設した状態で前記被接合部材の内面における突合せ部に接触するように配置する工程と、前記被接合部材の突合せ部にその外面側から回転駆動された接合ツールのピン部を進入させ、前記接合ツールを回転させながら前記ピン部を前記突合せ面に沿って移動させることにより、前記突合せ部同士を接合する工程と、前記中子を取り出す工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、突合された筒状の被接合部材の内部に複数個の中子を連設した状態で配置しているため、接合線が直線でない場合でも、中子同士の連設部で屈曲させることにより、接合線に沿って中子を配置することができる。これにより、屈曲又は湾曲している被接合部材同士も、撓みを発生させることなく、摩擦撹拌接合することができる。また、各中子は、閉断面部材の中空部が屈曲又は湾曲していても、その両端部から容易に取り出すことができる。
【００１０】
相互に隣接する中子は、一の中子における他の中子側の面に凹部が形成され、他の中子の一の中子側の面に凸部が形成されており、前記凸部が前記凹部に嵌合されていてもよい。これにより、中子の位置決めが容易になり、複数個の中子を容易に連設することができる。
【００１１】
また、相互に隣接する中子は、連結されていてもよい。これにより、閉断面部材の一方の端部から一度に全ての中子を取り出すことができるため、取り出し作業を簡素化することができる。
【００１２】
更に、前記被接合部材は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金材である。更にまた、前記被接合部材は、プレス成形により形成されたものでもよい。
【００１３】
本願第２発明に係る閉断面部材は、前述の摩擦撹拌接合方法により接合されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、突合された筒状の被接合部材の内部に複数個の連設した中子を配置しているため、被接合部材の内部に形成される中空部が屈曲又は湾曲し、その接合線が直線でない場合でも、中子同士の連設部で屈曲させることにより、接合線に沿って中子を配置することができ、被接合部材同士の接合時に被接合部材が変形してしまうことがない。また、接合後に各中子を容易に取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態の摩擦撹拌接合方法について説明する。図１は本実施形態の摩擦撹拌接合方法を示す斜視図である。また、図２（ａ）は図１に示すＡ−Ａ線による断面図であり、図２（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ線による断面図である。更に、図３は本実施形態の摩擦撹拌接合方法で使用する中子を示す断面図である。図１、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、先ず、アルミニウム材又はアルミニウム合金材等の金属材料をプレス成形することにより形成され、長手方向に垂直な断面がコ字状である被接合部材２及び３を相互に対向させ、その端面同士を突合せる。この被接合部材２及び３は、中央部分が屈曲しており、被接合部材２及び３を接合する際の接合線も直線ではなく、屈曲している。また、被接合部材２及び３により構成される構造体の内部、即ち、中空部１０は、高さｈは一定であるが、幅ｗは、両端部よりも中央部の方が広くなっており、また、一方の端部よりも他方の端部の方が広くなっている。このように、中空部１０は、幅ｗが一定ではない。
【００１６】
次に、中空部１０に、長手方向の一方の端面に凸部（ほぞ）５ａが形成された中子５、及び長手方向の一方の端面に凸部５ａが嵌合する凹部（ほぞ穴）６ａが形成された中子６を夫々挿入した後、中子５の端面と中子６の他面とを突合せて、凹部６ａに凸部６ａを嵌合させるか、又は、凹部６ａに凸部６ａを嵌合させた状態で中子５及び６を挿入することにより、図３に示すように、中子５及び６を連設した状態で、被接合部材２及び３の内面における突合せ部に接触するように配置する。
【００１７】
この中子５及び６は、例えば、鋼材、銅又は銅合金材等により形成されている。また、図２（ａ）に示すように、中子５及び６は、例えば、幅が中空部１０の高さｈと略等しい板状部材であり、その幅方向の端面が被接合部材２及び３の内面における突合せ部に接触するように配置されている。更に、図２（ｂ）に示すように、中子５及び６における嵌合部は、突合せ面４の屈曲部と整合しており、中子５及び６における凸部５ａ及び凹部５ａが形成されている面は、中子５及び６がその嵌合部において突合せ面４と同じ方向に屈曲するように傾斜している。なお、中子５及び６の厚さは、接合ツール１の本体（ショルダー部）の直径よりも厚く、且つ、中空部１０に挿入可能な厚さであればよく、中子５の厚さと中子６の厚さとが相互に異なっていてもよい。
【００１８】
次に、被接合部材２及び３の突合せ部に接合ツール１のピン部１ａを接触させ、接合ツール１を回転させながら突合せ部に向かって押圧することにより、ピン部１ａを突合せ部に進入させる。そして、接合ツール１を回転させながら、ピン部１ａを突合せ面４に沿って移動させる。このとき、被接合部材２及び３中に進入しているピン部１ａの周囲は、摩擦熱により加熱されて塑性流動が生じ、ピン部１ａを突合せ面４に沿って移動させることにより、ピン部１ａの前方の材料が塑性流動しながらこれらの後方に移動して接合組織が形成される。これにより、被接合部材２と被接合部材３とが接合され、中空部１０を備えた閉断面構造の屈曲部材が作製される。その後、この屈曲部材の一方の端部から中子５を取り出し、他方の端部から中子６を取り出すか、又は、一方の端部若しくは他方の端部から中子５及び６を１個ずつ取り出す。
【００１９】
本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、中空部１０に、中子５及び６を連設した状態で配置しているため、被接合部材２及び３のように、接合線が直線でない被溶接材を接合する場合でも、連設部（嵌合部）で屈曲させることにより、突合せ面４沿って中子５及び６を配置することができる。その結果、接合時の押当て力による被接合部材２及び３の撓みを防止することができるため、被接合部材２及び３を変形させることなく、摩擦撹拌接合することができる。また、これらの連設された中子５及び６は、凹部６ａと凸部５ａとが嵌合しているだけなので、容易に分割することができる。その結果、接合後に、中子５及び６を、夫々、接合体（屈曲部材）の両端部から容易に取り出すことができる。
【００２０】
なお、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、中子５に形成された凸部５ａを中子６に形成された凹部６ａに嵌合させているが、更に、中子５と中子６とを連結してもよい。図４（ａ）は本実施形態の摩擦撹拌接合方法で使用する他の中子を示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の中子を連結した状態を示す断面図である。中子５と中子６とを連結する方法としては、例えば、図４（ａ）に示すように、中子５に設けられた凸部に孔５ｂを設けると共に、中子６における孔５ｂと整合する位置に、孔５ｂと直径が等しい孔６ｂ及び６ｃを夫々同軸状に設ける。そして、図４（ｂ）に示すように、中子６の凹部６ａに中子５の凸部６ａを嵌合させ、その嵌合部に形成される孔６ｂ、孔５ｂ及び孔６ｃからなる貫通孔に、ピン又はボルト等を挿入し、中子５と中子６とを回転可能に連結する。これにより、接合体（屈曲部材）の一方の端部から全ての中子を、１回の作業で容易に取り出すことができる。
【００２１】
また、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、中子５に凸部５ａを形成し、中子６に凹部６ａを形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、中子５にだぼ（小突起）を形成し、中子６にだぼ穴を形成し、だぼをだぼ穴に嵌合させることにより中子５及び６を連設してもよい。更に、中子５及び６における突合せ面にほぞ、だぼ及びこれらが嵌合する穴等は形成せず、相がきつぎにより中子５及び６を連設してもよい。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施形態の摩擦撹拌接合方法について説明する。前述の第１の実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、中空部１０の高さｈが一定である屈曲部材を作製しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、接合体が中空部を備えた閉断面構造の部材であればよく、種々の形状の被接合部材の接合に適用することができる。図５は本実施形態の摩擦撹拌接合方法を示す斜視図であり、図６は図５に示すＣ−Ｃ線による断面図である。図５及び図６に示すように、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、先ず、アルミニウム材又はアルミニウム合金材等の金属材料をプレス成形することにより形成され、長手方向に垂直な断面がコ字状である被接合部材１２及び１３を相互に対向させ、その端面同士を突合せる。
【００２３】
本実施形態の摩擦撹拌接合における被接合部材１２及び１３は、中央部分が屈曲しており、被接合部材１２及び１３を接合する際の接合線も直線ではなく、屈曲している。また、被接合部材１２及び１３により構成される構造体の内部、即ち、中空部２０は、例えば、幅ｗが、両端部よりも中央部の方が広く、また、一方の端部よりも他方の端部の方が広くなっている。更に、中空部２０の高さｈは、一方の端部から他方の端部に向かって高くなっている。このように、中空部２０は、幅ｗ及び高さｈが一定ではない。
【００２４】
次に、この中空部２０に、被接合部材１２及び１３により構成される構造体の一方の端部から、長手方向の一方の端面に凸部（ほぞ）１５ａが形成された中子１５を、また、他方の端部から、長手方向の一方の端面に凸部１５ａが嵌合する凹部（ほぞ穴）１６ａが形成された中子１６を、夫々、凸部１５ａ及び凹部１６ａが形成されている側から挿入する。そして、中子１５の端面と中子１６の端面とを突合せ、凹部１６ａに凸部１５ａを嵌合させる。このようにして、中空部２０に、突合せ面１４に沿って、複数個の中子を連設した状態で配置する。
【００２５】
図６に示すように、この中子１５及び１６は、その幅が中空部２０の高さｈと略等しくなるように、一方向に向かって変化している板状部材である。具体的には、中子１５は、凸部１５ａが形成されている側の端部に近付くに従い幅が広くなっており、中子１６は、凹部１６ａが形成されている側の端部に近付くに従い幅が狭くなっている。そして、中子１５及び１６は、その幅方向の端面が夫々被接合部材１２及び１３の内面における突合せ部分に接触するように配置されている。
【００２６】
更に、本実施形態の摩擦撹拌接合方法においても、前述の第１の実施形態と同様に、中子１５及び１６における嵌合部は、突合せ面１４の屈曲部と整合しており、中子１５及び１６における凸部１５ａ及び凹部１５ａが形成されている端面は、中子１５及び１６がその嵌合部において突合せ面１４と同じ方向に屈曲するように傾斜している。
【００２７】
次に、前述の第１の実施形態の摩擦撹拌接合方法と同様の方法で、接合ツール１により、被接合部材１２及び被接合部材１３を接合し、中空部２０を備えた閉断面構造の屈曲部材とする。その後、この屈曲部材の一方の端部から中子１５を取り出すと共に、他方の端部から中子１６を取り出す。
【００２８】
本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、中空部２０に、連設した状態で中子１５及び１６を配置しているため、被接合部材１２及び１３のように、接合線が直線でない被接合部材を接合する場合でも、連設部（嵌合部）で屈曲させることにより、突合せ面１４に沿って中子１５及び１６を配置することができる。これにより、接合時の押当て力による被接合部材１２及び１３の撓みを防止することができるため、被接合部材１２及び１３を変形させることなく、その突合せ部を摩擦撹拌接合することができる。また、本実施形態の摩擦撹拌接合方法において使用している中子１５及び１６は、その幅と中空部２０の高さｈが略等しくなるように、幅が一方の端部から他方の端部に向かって広くなっているため、中空部の高さｈが一定でない場合にも適用することができる。更に、これらの連設された中子１５及び１６は、凹部１６ａと凸部１５ａとが嵌合しているだけなので、容易に分割することができる。その結果、接合後に、中子１５及び１６を、夫々、接合体（屈曲部材）の両端部から容易に取り出すことができる。
【００２９】
なお、前述の第１及び第２の実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、被接合部材の内面における突合せ部に接触するように、２個の中子を連設しているが、本発明はこれに限定されるものではなく被接合部材の内部に配置する中子の個数は、被接合部材の形状に応じて適宜選択することができ、３個以上の中子を連設してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、車両用構造部材、自動車用構造部材及び容器等のように形状が複雑で、接合線が直線ではない部材の製造に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態の摩擦撹拌接合方法を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示すＡ−Ａ線による断面図であり、（ｂ）はＢ−Ｂ線による断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の摩擦撹拌接合方法で使用する中子を示す断面図である。
【図４】（ａ）本発明の第１の実施形態の摩擦撹拌接合方法で使用する他の中子を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の中子を連結した状態を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の摩擦撹拌接合方法を示す斜視図である。
【図６】図５に示すＣ−Ｃ線による断面図である。
【図７】従来の摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。
【図８】（ａ）は特許文献２に記載の摩擦撹拌接合方法を示す斜視図であり、（ｂ）は接合後に中子を取り出す方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１、１０５；接合ツール
１ａ；ピン部
２、３、１２、１３、１０１、１０２；被接合部材
４、１４、１０３ａ、１０３ｂ；突合せ面
５、６、１５、１６；中子
５ａ、１５ａ；凸部（ほぞ）
６ａ、１６ａ；凹部（ほぞ穴）
５ｂ、６ｂ、６ｃ；孔
１０、２０；中空部
１０４；中受け材
１１１；受け材
１１１ａ；ラック
１１２；ピニオン
１１４ａ、１１４ｂ；当て材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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