(57)【要約】【課題】金属部材同士、金属部材と樹脂部材、樹脂部材同士などからなる異種部材同士を接合するに当たり、バリの発生を確実に抑制することのできる接合方法を提供する。【解決手段】貫通孔１ｃに突起２ｃを挿通させて第２部材２を第１部材１の下面１ｂに配置すると共に、クランプ部材５４の内部と第１部材１の貫通孔１ｃとが連通するようにクランプ部材５４を第１部材１の上面１ａと当接させて配置し、クランプ部材５４内で回転工具部５１を第２部材２の突起２ｃへ向かって移動させ、その回転工具部５１をその突起２ｃと衝接させてその突起２ｃを変形させ、その突起２ｃの上端部に第２部材２を第１部材１に係止するアンカー部２ｈａを形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方面から他方面に向かって貫通孔が形成された第１部材と、前記貫通孔に挿通される突起を有する第２部材と、を接合する接合方法であって、
前記貫通孔の孔径よりも大きな内径を有する筒状部と該筒状部の内部に摺動自在に配置される可動部とを用意する準備工程と、
前記貫通孔に前記突起を挿通させて前記第２部材を前記第１部材の一方面に配置すると共に、前記筒状部の内部と前記貫通孔とが連通するように該筒状部を前記第１部材の他方面と当接させて配置する配置工程と、
前記筒状部内で前記可動部を前記突起へ向かって移動させ、該可動部を該突起と衝接させて該突起を変形させて前記第２部材を前記第１部材に係止するアンカー部を形成するアンカー部形成工程と、を含む接合方法。
【請求項２】
前記可動部が前記筒状部内で軸線周りで回転自在となっており、
前記アンカー部形成工程において、前記筒状部内で前記可動部を軸線周りで回転させながら前記突起へ向かって移動させて該可動部を該突起と衝接させる、請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記アンカー部形成工程において、前記筒状部内で前記可動部を前記第１部材の他方面と離間する位置まで移動させ、前記第１部材の他方面上および／または前記貫通孔内で前記アンカー部を形成する、請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記アンカー部形成工程において、前記筒状部内で前記可動部を前記第１部材の他方面と当接する位置まで移動させ、前記貫通孔内で前記アンカー部を形成する、請求項１または２に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は接合方法に関し、たとえば、金属部材同士、金属部材と樹脂部材、樹脂部材同士などからなる異種部材同士を接合する接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば金属部材と樹脂部材などからなる異種部材同士を接合する方法として、接着剤を用いた方法（たとえば、特許文献１）やリベットやネジ等の締結部材を用いた方法が知られている。しかしながら、前者の方法は、接着剤の硬化に時間を要するといった問題や、接着剤の経年劣化等によって接着力が低下し得るといった問題を有している。また、後者の方法は、リベットやネジ等によって製品重量が増加するといった問題や、リベットやネジ等の締結に時間や工数を要するといった問題を有している。
【０００３】
このような問題に対し、接着剤や締結部材等を使用せず、たとえば超音波振動などによって接合対象となる部材の一部を変形させることで、金属部材と樹脂部材などからなる異種部材同士を接合する従来技術が知られている。
【０００４】
このような従来の接合方法では、図４で示すように、貫通孔Ａａが形成された金属部材Ａと、該金属部材Ａの貫通孔Ａａに挿通される突起Ｂａが形成された樹脂部材Ｂと、所定形状の窪みが形成された超音波フォーンＣとを用意し、樹脂部材Ｂの突起Ｂａを金属部材Ａの貫通孔Ａａに挿通させて樹脂部材Ｂ上に金属部材Ａを載置し、超音波フォーンＣの窪みを金属部材Ａの貫通孔Ａａに挿通された樹脂部材Ｂの突起Ｂａの上端部と接触させながら当該超音波フォーンＣを金属部材Ａ側から樹脂部材Ｂへ向かって移動させ、超音波フォーンＣの超音波振動により樹脂部材Ｂの突起Ｂａを溶融させて変形させ、その樹脂部材Ｂの突起Ｂａの上端部に樹脂部材Ｂを金属部材Ａに係止するアンカー部Ｈａを有する頭部Ｈを形成して、金属部材と樹脂部材とを接合する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１７３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の接合方法では、超音波フォーンＣを金属部材Ａ側から樹脂部材Ｂへ向かって移動させながら樹脂部材Ｂの突起Ｂａを溶融させて変形させるため、変形後の樹脂部材Ｂの突起Ｂａの一部が超音波フォーンＣと金属部材Ａとの間に入り込み、樹脂部材Ｂに形成された頭部Ｈの外縁、より具体的には、樹脂部材Ｂに形成された頭部Ｈの外縁のうち超音波フォーンＣと金属部材Ａとの間の箇所でバリが発生し、そのバリ取り作業に時間や費用を要するといった問題があった。
【０００７】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、たとえば、金属部材同士、金属部材と樹脂部材、樹脂部材同士などからなる異種部材同士を接合するに当たり、バリの発生を確実に抑制することのできる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】
【０００８】
前記目的を達成すべく、本発明による接合方法は、一方面から他方面に向かって貫通孔が形成された第１部材と、前記貫通孔に挿通される突起を有する第２部材と、を接合する接合方法であって、前記貫通孔の孔径よりも大きな内径を有する筒状部と該筒状部の内部に摺動自在に配置される可動部とを用意する準備工程と、前記貫通孔に前記突起を挿通させて前記第２部材を前記第１部材の一方面に配置すると共に、前記筒状部の内部と前記貫通孔とが連通するように該筒状部を前記第１部材の他方面と当接させて配置する配置工程と、前記筒状部内で前記可動部を前記突起へ向かって移動させ、該可動部を該突起と衝接させて該突起を変形させて前記第２部材を前記第１部材に係止するアンカー部を形成するアンカー部形成工程と、を含む方法である。
【０００９】
上記する接合方法によれば、第１部材の貫通孔に第２部材の突起を挿通させて第２部材を第１部材の一方面に配置すると共に、筒状部の内部と貫通孔とが連通するようにその筒状部を第１部材の他方面と当接させて配置し、筒状部内で可動部を突起へ向かって移動させ、その可動部を突起と衝接させてその突起を変形させ、その突起に第２部材を第１部材に係止するアンカー部を形成することにより、筒状部を第１部材の他方面と当接させた状態で、筒状部と可動部と第１部材とによって画成される閉空間内で前記突起に前記アンカー部を形成できるため、第２部材の突起に形成されるアンカー部の外縁におけるバリの発生を確実に抑止しながら、第１部材と第２部材とを接合することができる。
【００１０】
また、上記する接合方法の好ましい実施の形態は、前記可動部が前記筒状部内で軸線周りで回転自在となっており、前記アンカー部形成工程において、前記筒状部内で前記可動部を軸線周りで回転させながら前記突起へ向かって移動させて該可動部を該突起と衝接させる方法である。
【００１１】
上記する接合方法によれば、前記アンカー部形成工程において、筒状部内で可動部を軸線周りで回転させながら突起へ向かって移動させてその可動部を第２部材の突起と衝接させることにより、その突起を比較的容易に変形させてその突起に前記アンカー部を形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上の説明から理解できるように、本発明の接合方法によれば、金属部材同士、金属部材と樹脂部材、樹脂部材同士などからなる異種部材同士を接合するに当たり、第１部材の貫通孔に第２部材の突起を挿通させて第２部材を第１部材の一方面に配置すると共に、筒状部の内部と貫通孔とが連通するようにその筒状部を第１部材の他方面と当接させて配置し、筒状部内で可動部を突起へ向かって移動させ、その可動部を突起と衝接させてその突起を変形させて第２部材を第１部材に係止するアンカー部を形成することで、アンカー部におけるバリの発生を確実に抑制でき、バリ取り作業に要する時間や費用を確実に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の接合方法の実施の形態を説明した縦断面図であり、（ａ）はその配置工程を説明した図であり、（ｂ）はそのアンカー部形成工程を説明した図であり、（ｃ）はその取外し工程を説明した図である。
【図２】図１で示す接合方法の変形形態を説明した縦断面図であり、（ａ）はその配置工程を説明した図であり、（ｂ）はそのアンカー部形成工程を説明した図であり、（ｃ）はその取外し工程を説明した図である。
【図３】図１で示す第２部材が繊維強化樹脂部材である場合の内部構造を模式的に示した縦断面図である。
【図４】従来の接合方法を説明した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の接合方法の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の接合方法の実施の形態を説明した縦断面図であり、図１（ａ）はその配置工程を説明した図であり、図１（ｂ）はその頭部形成工程を説明した図であり、図１（ｃ）はその取外し工程を説明した図である。
【００１６】
＜本発明の接合方法の実施の形態で用いる摩擦接合装置＞
本発明の実施の形態に係る接合方法は、摩擦撹拌接合装置の代表的な一例としての単動式摩擦撹拌接合装置を用いて実施される。そのため、まず、本実施の形態に係る接合方法で用いられる単動式摩擦撹拌接合装置（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）の代表的な一例について、図１（ａ）を参照して概説する。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る接合方法で用いられるＦＳＷ装置５０は、主に、回転工具部（可動部）５１、クランプ部材（筒状部）５４、裏当て部材５５、図１（ａ）には示されていないが、これらを支持する支持部材、回転工具部５１を駆動する駆動機構等を備えている。クランプ部材５４は、スプリング５３を介して不図示の支持部材に固定されている。
【００１８】
回転工具部（可動部）５１は、略円柱形状を呈し、不図示の駆動機構により軸線（回転軸）Ｘｒ周りに回転するとともに、破線矢印Ｐ１方向すなわち軸線Ｘｒ方向（図１（ａ）中では上下方向）に沿ってクランプ部材５４に対して相対的に摺動自在に構成されている。
【００１９】
クランプ部材（筒状部）５４は、回転工具部５１の外側に設けられ、中空を有する略円筒形状を呈し、その中空内に前記回転工具部５１が内挿されている。このクランプ部材５４は、加工材（第１部材１と第２部材２）を一方面（図１（ａ）中では第１部材１の上面１ａ）から押圧するように、スプリング５３を介して不図示の支持部材に支持されている。したがって、クランプ部材５４は、加工材側に付勢された状態で、破線矢印Ｐ２方向すなわち軸線Ｘｒ方向に移動自在に構成されている。
【００２０】
上記構成の回転工具部５１およびクランプ部材５４は、それぞれ当接面５１ａ、５４ａを備え、これらの当接面５１ａ、５４ａが、不図示の駆動機構により軸線Ｘｒ方向に移動して加工材の一方面（図１（ａ）中ではそれぞれ、第２部材２の突起２ｃの上面２ｃａおよび第１部材１の上面１ａ）に当接するようになっている。
【００２１】
また、裏当て部材５５は、クランプ部材５４や回転工具部５１に対向する位置に設けられ、加工材の他方面（図１（ａ）中では第２部材２の下面２ｂ）に当接するようになっている。
【００２２】
なお、本実施の形態における単動式摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）装置５０の具体的な構成は、前述した構成に限定されず、たとえば、ＦＳＷ装置５０の構成上で裏当て部材５５を省略してもよいし、前述したＦＳＷ装置５０では説明していない他の部材等を備えていてもよい。
【００２３】
＜摩擦接合装置を用いた接合方法＞
次に、本実施の形態に係るＦＳＷ装置５０を用いた接合方法について、図１を参照して概説する。この実施の形態では、金属部材、樹脂部材、木材などからなる略平板状の第１部材１と、第１部材１の形成素材よりも溶融温度の低い素材を含む金属部材や樹脂部材などからなる略平板状の第２部材２と、を接合する方法について具体的に説明する。
【００２４】
本実施の形態に係る接合方法は、主に、準備工程と、配置工程と、アンカー部形成工程と、取外し工程とを含んでいる。
【００２５】
まず、準備工程では、一方面（図１中では下面）１ｂから他方面（図１中では上面）１ａに向かって直線状の貫通孔１ｃが形成された第１部材１と、第１部材１の貫通孔１ｃに挿通される突起２ｃがその上面２ａに一体に形成された第２部材２と、上述したＦＳＷ装置５０と、を用意する。
【００２６】
ここで、第１部材１の貫通孔１ｃおよび第２部材２の突起２ｃは、断面略円形状を呈しており、ＦＳＷ装置５０のクランプ部材５４は、前記第１部材１の貫通孔１ｃの孔径よりも大きな内径を有している。また、第２部材２の突起２ｃは、その上下方向（軸線Ｘｒ方向）の高さが第１部材１の上下方向の厚さよりも大きく形成されると共に、その体積が第１部材１の貫通孔１ｃの体積よりも大きく形成されている。
【００２７】
次に、配置工程では、図１（ａ）で示すように、第１部材１の貫通孔１ｃに第２部材２の突起２ｃを挿通させ且つ第１部材１の下面１ｂと第２部材２の上面２ａとが当接するように、第１部材１の下面１ｂに第２部材２を配置する。また、第１部材１の貫通孔１ｃを覆うように、すなわち、クランプ部材５４の内部と第１部材１の貫通孔１ｃとが連通するように、クランプ部材５４の当接面５４ａを第１部材１の上面１ａと当接させて第１部材１の上面１ａにＦＳＷ装置５０のクランプ部材５４を配置する。なお、第２部材２の下面２ｂ側にはＦＳＷ装置５０の裏当て部材５５を配置し、クランプ部材５４と裏当て部材５５とによって第１部材１および第２部材２を挟持する。
【００２８】
次に、アンカー部形成工程では、図１（ｂ）で示すように、クランプ部材５４内で回転工具部５１を軸線Ｘｒ周りに回転させながらその回転工具部５１を軸線Ｘｒ方向に沿って下方へ移動させ、その回転工具部５１の当接面５１ａを第１部材１の貫通孔１ｃから突出した突起２ｃの上面２ｃａと衝接させる。これにより、回転工具部５１の当接面５１ａと突起２ｃの上面２ｃａとの間で生じる摩擦熱を利用して当該突起２ｃが軟化もしくは溶融されて変形される。回転工具部５１を第１部材１の上面１ａから所定の距離だけ離間する位置まで移動させると、第２部材２の突起２ｃの上端部に、第２部材２を第１部材１に係止するアンカー部２ｈａを有する頭部２ｈが形成される。なお、この頭部２ｈのアンカー部２ｈａは、第１部材１の貫通孔１ｃの上方かつ周囲に向かって拡がるように第１部材１の上面１ａ上に形成され、頭部２ｈは、第１部材１の貫通孔１ｃよりも大きい外形を有することとなる。
【００２９】
そして、取外し工程では、図１（ｃ）で示すように、回転工具部５１の回転を停止し、軟化もしくは溶融された第２部材の突起２ｃを硬化させた後、第１部材１および第２部材２からＦＳＷ装置５０を取り外す。これにより、第２部材２の突起２ｃが変形されてなる頭部２ｈ、より具体的にはその頭部２ｈの外周側に第１部材１の上面１ａ上で形成されるアンカー部２ｈａを介して、第１部材１および第２部材２が一体に接合されることとなる。
【００３０】
このように、本実施の形態の接合方法によれば、第１部材１の貫通孔１ｃに第２部材２の突起２ｃを挿通させて第２部材２を第１部材１の下面１ｂ側に配置すると共に、クランプ部材５４の内部と第１部材１の貫通孔１ｃとが連通するようにクランプ部材５４の当接面５４ａを第１部材１の上面１ａと当接させて第１部材１の上面１ｃ側にＦＳＷ装置５０の回転工具部５１およびクランプ部材５４を配置し、ＦＳＷ装置５０のクランプ部材５４内で回転工具部５１を第２部材２の突起２ｃへ向かって移動させ、その回転工具部５１をその突起２ｃと衝接させてその突起２ｃを変形させ、その突起２ｃの上端部に第２部材２を第１部材１に係止するアンカー部２ｈａを形成することにより、ＦＳＷ装置５０のクランプ部材５４を第１部材１の上面１ａと当接させた状態で、クランプ部材５４と該クランプ部材５４の内部を摺動する回転工具部５１と第１部材１とによって画成される閉空間内で前記突起２ｃにアンカー部２ｈａを形成することができる。そのため、第２部材２のアンカー部２ｈａにおけるバリの発生を抑制しながら、異種部材からなる第１部材１と第２部材２とを精緻に接合することができる。
【００３１】
なお、上記した実施の形態では、略平板状の第１部材１と略平板状の第２部材２とを接合する方法について説明したが、接合対象となる各部材の形状は適宜に設定することができることは勿論である。
【００３２】
また、第１部材１に設けられた貫通孔１ｃや第２部材２に設けられた突起２ｃの形状（縦断面形状や横断面形状）は、第１部材１と第２部材２との接合強度等に応じて適宜に設計することができる。たとえば、上記した実施の形態では、第１部材１に設けられた貫通孔１ｃおよび第２部材２に設けられた突起２ｃの横断面形状を略円形状としたが、略楕円形状や略長穴形状、四角形状などの多角形状等であってもよいことは勿論である。また、上記した実施の形態では、第１部材１に設けられた貫通孔１ｃおよび第２部材２に設けられた突起２ｃが上下方向（軸線Ｘｒ方向、第１部材１および第２部材２の厚さ方向）に沿って直線状を呈しているが、図２（ａ）〜（ｃ）で示すように、たとえば第１部材１'の貫通孔１ｃ'を、下面１ｂ'から上面'１ａに向かって連続的もしくは段階的に縮径して形成していてもよい。また、その場合には、たとえば図２（ｂ）で示すように、回転工具部５１を第１部材１'の上面１ａ'と当接する位置まで移動させ、第２部材２'の突起２ｃ'を変形させて、第１部材１'の貫通孔１ｃ'内で第２部材２'を第１部材１'に係止するアンカー部２ｈａ'を形成してもよいし、上記した実施の形態と同様に、第１部材１'の上面１ａ'上でも第２部材２'を第１部材１'に係止するアンカー部を形成してもよい。
【００３３】
また、上記した実施の形態では、第２部材２の突起２ｃの上下方向の高さが第１部材１の上下方向の厚さよりも大きく形成され、第１部材１の下面１ｂに第２部材２を配置した際に第１部材１の貫通孔１ｃから突起２ｃの上面２ｃａが突出する形態について説明したが、第２部材２の突起２ｃを変形させた際にその突起２ｃに第２部材２を第１部材１に係止するアンカー部２ｈａが形成されれば、第１部材１の下面１ｂに第２部材２を配置した際に第２部材２の突起２ｃの上面２ｃａが第１部材１の貫通孔１ｃから突出していなくてもよいことは勿論である。
【００３４】
また、上記した実施の形態に係る接合方法は、接合対象となる部材の種類に特に限定されないが、突起２ｃを有する第２部材２が、第１部材１の形成素材よりも溶融温度の低い樹脂（マトリックス樹脂）内に強化用の繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂部材からなる場合、図３で示すように、第２部材２の突起２ｃの内部（図３中の領域Ｒ１）や第２部材２の上面２ａと第１部材１の下面１ｂとの当接面（界面）近傍（図３中の領域Ｒ２）で、第２部材２に含有される繊維材がその当接面に略直交する方向へ配向されることとなるため、第１部材１と第２部材２の接合強度を十分に確保し得ると考えられる。
【００３５】
なお、第２部材が繊維強化樹脂部材からなる場合、第２部材を構成する樹脂（マトリックス樹脂）は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれであってもよく、熱硬化性樹脂としては、たとえば、エポキシ樹脂やフェノール樹脂、メラミン樹脂などを挙げることができ、熱可塑性樹脂としては、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、メタクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド、熱可塑性エポキシ樹脂などのいずれか一種もしくは二種以上の混合材を挙げることができる。また、前記熱可塑性樹脂を主成分とする共重合体やグラフト樹脂やブレンド樹脂、たとえばエチレン−塩化ビニル共重合体、酢酸ビニル−エチレン共重合体、酢酸ビニル−塩化ビニル共重合体、ウレタン−塩化ビニル共重合体、アクリル酸変性ポリプロピレン、マレイン酸変性ポリエチレンなどを導入することもできる。
【００３６】
また、第２部材を構成する強化用の繊維材としては、たとえば、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステル、セルロースなどの有機繊維のいずれか一種もしくは二種以上の混合材を挙げることができる。
【００３７】
また、上記した実施の形態では、射出成形やプレス成形などによって突起２ｃが第２部材２に一体に形成されている形態について説明したが、たとえばアンカー部形成工程等において突起２ｃと第２部材２の平板状部分が一体的に接合されれば、突起２ｃは第２部材２と別体に形成してもよい。
【００３８】
また、上記した実施の形態では、第１部材１と第２部材２とを接合するために摩擦撹拌接合装置を使用したが、第２部材２の突起２ｃを軟化もしくは溶融させて所望の形状に変形させることができれば、如何なる装置を使用してもよい。たとえば、摩擦熱に代えて、超音波振動による発熱や予め加熱された熱板等を利用して第２部材２の突起２ｃを軟化もしくは溶融させてもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態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ける設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…第１部材、１ａ…第１部材の他方面（上面）、１ｂ…第１部材の一方面（下面）、１ｃ…第１部材の貫通孔、２…第２部材、２ａ…第２部材の上面、２ｂ…第２部材の上面、２ｃ…第２部材の突起、２ｃａ…第２部材の突起の上面、２ｈ…第２部材の頭部、２ｈａ…第２部材の頭部のアンカー部、５０…単動式摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）装置、５１…回転工具部、５３…スプリング、５４…クランプ部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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