(57)【要約】 【課題】強度のばらつきが小さく、かつ、強度を正確に把握することが可能な摩擦圧接部品および摩擦圧接方法を提供することを課題とする。【解決手段】第一部材１０と第二部材２０とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品において、第一部材１０側に形成されたバリ１１ａ，１１ｂによる切欠きを、第二部材２０側に形成されたバリ２１ａ，２１ｂによる切欠きよりも小さくする。また、第一部材１０の円筒部１１と第二部材２０の円筒部２１とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品においては、第一部材１０の内空側に形成されるバリ１１ａによる切欠きを、第二部材２０の内空側に形成されるバリ２１ａによる切欠きよりも小さくする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一部材と第二部材とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品であって、
前記第一部材側に形成されたバリによる切欠きが、前記第二部材側に形成されたバリによる切欠きよりも小さいことを特徴とする摩擦圧接部品。
【請求項２】
第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品であって、
前記第一部材の円筒部の内周側に形成されたバリによる切欠きが、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されたバリによる切欠きよりも小さいことを特徴とする摩擦圧接部品。
【請求項３】
摩擦圧接前における前記第一部材の円筒部の肉厚が、摩擦圧接前における前記第二部材の円筒部の肉厚よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の摩擦圧接部品。
【請求項４】
前記第一部材の円筒部の外径が、前記第二部材の円筒部の外径と等しいことを特徴とする請求項３に記載の摩擦圧接部品。
【請求項５】
前記第一部材および前記第二部材が、ＪＩＳ規格のアルミニウム合金６０６１−Ｔ６からなり、接合界面よりも前記第一部材側の形状係数が、２．０以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦圧接部品。
【請求項６】
前記第一部材側に形成されたバリのバリ底角度が、鋭角になっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦圧接部品。
【請求項７】
摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の面積が、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦圧接部品。
【請求項８】
摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の断面二次モーメントが、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の断面二次モーメントよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦圧接部品。
【請求項９】
前記第一部材の強度が、前記第二部材の強度よりも低いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の摩擦圧接部品。
【請求項１０】
第一部材と第二部材とを摩擦圧接する方法であって、
前記第一部材と前記第二部材とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の突合面側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１１】
第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接する方法であって、
前記第一部材の円筒部と前記第二部材の円筒部とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすることを特徴とする摩擦圧接方法。
【請求項１２】
摩擦圧接前における前記第一部材の円筒部の肉厚を、摩擦圧接前における前記第二部材の円筒部の肉厚よりも小さくしておくことで、前記第一部材を先に流動化させることを特徴とする請求項１１に記載の摩擦圧接方法。
【請求項１３】
前記第一部材を前記第二部材よりも高温にすることで、前記第一部材を先に流動化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の摩擦圧接方法。
【請求項１４】
摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の面積を、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の面積よりも小さくしておくことで、前記第一部材を先に流動化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の摩擦圧接方法。
【請求項１５】
摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の断面二次モーメントを、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の断面二次モーメントよりも小さくしておくことで、前記第一部材を先に流動化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の摩擦圧接部品。
【請求項１６】
前記第二部材よりも強度の低い材料で、前記第一部材を形成しておくことで、前記第一部材を先に流動化させることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦圧接部品および摩擦圧接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アッパリンク、ロアリンク、ラジアスロッドなどサスペンションを構成する棒状部品（以下、「サスペンション部品」という。）には、鉄鋼材料が用いられていたが、車両の軽量化という観点から、近年では、アルミニウム合金材料が用いられることも多く、例えば特許文献１には、アルミニウム合金製のパイプ状部材の両端にアルミニウム合金製のエンド部材を摩擦圧接してなるサスペンション部品が開示されている。
【０００３】
なお、摩擦圧接は、固相接合の一種であることから、溶融溶接に見られる欠陥が発生せず、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接のような特殊な技能を必要とせずに種々の部材を一定の品質で接合できることから、広範な分野で使用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５６５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パイプ状部材とエンド部材とを摩擦圧接により接合すると、摩擦熱により軟化した部位がバリとなって排出されるが、このバリを切除せずに残置する場合には、バリが切欠き（断面変化部）となってこの部位に応力が集中し、当該部位における強度（静的強度や疲労強度など）が低下してしまうので、バリによる強度の低下を見込んだうえでサスペンション部品の設計を行う必要がある。
【０００６】
ところで、バリを含む部位の強度（すなわち、応力集中の度合い）は、バリ形状（バリによる切欠きの形状）に依存していて、バリ形状にばらつきがあると、バリを含む部位の強度にもばらつきが生じてしまう。バリを含む部位における強度のばらつきを小さくすることができれば、サスペンション部品の破壊モードや耐久性をより一層正確に把握することが可能となるので、サスペンション部品の設計の合理化を図ることが可能になるが、パイプ状部材およびエンド部材の材料強度、寸法公差、摩擦圧接条件などの僅かな差異によっても、バリ形状にばらつきが発生してしまうので、実際には非常に困難である。
【０００７】
なお、前記した問題は、パイプ状部材とエンド部材とを摩擦圧接してなるサスペンション部品に限らず、第一部材と第二部材とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品にも共通して当てはまる問題である。
【０００８】
このような観点から、本発明は、バリ形状にばらつきが生じたとしても摩擦圧接部の強度のばらつきが小さく、かつ、強度を正確に把握することが可能な摩擦圧接部品および摩擦圧接方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決する本発明に係る摩擦圧接部品は、第一部材と第二部材とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品であって、前記第一部材側に形成されたバリによる切欠きが、前記第二部材側に形成されたバリによる切欠きよりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
要するに、本発明は、第二部材側に形成されるバリよりも急峻なバリを第一部材側に形成することで、接合界面よりも第一部材側の形状係数（応力集中係数）を第二部材側の形状係数よりも大きくするところに特徴がある。すなわち、第一部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度を、第二部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくして、第一部材側の断面変化を第二部材側の断面変化よりも急峻にするところに特徴がある。このようにすると、第一部材側のバリ部分における応力の集中度合いが、第二部材側のバリ部分における応力の集中度合いよりも常に高くなるので、接合部での応力集中は、第一部材側のみを考慮して設計すればよい。これにより、摩擦圧接部品の設計を合理化することが可能となる。
【００１１】
第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品においては、前記第一部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくするとよい。
【００１２】
また、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品においては、前記第一部材の円筒部の外径を、前記第二部材の円筒部の外径と等しくするとよい。このようにすると、第一部材の内空側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度が、常に第二部材の内空側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくなるので、破壊モードの特定が容易となる。また、第一部材の円筒部の外周面と第二部材の円筒部の外周面とに段差がなくなるので、外周側に形成されたバリを切除する作業を容易に行うことが可能となる。
【００１３】
前記第一部材および前記第二部材が、ＪＩＳ規格のアルミニウム合金６０６１−Ｔ６からなる場合には、接合界面よりも前記第一部材側の形状係数を、２．０以上にすることが望ましい。このようにすると、切欠き係数（応力集中がない場合の疲労強度／応力集中がある場合の疲労強度）のばらつきが小さくなるので、第一部材の破壊強度（すなわち、摩擦圧接部品の破壊強度）をより一層的確に把握することが可能となる。なお、前記第一部材側の形状係数を２．０以上にするためには、例えば、前記第一部材側に形成されたバリのバリ底角度を、鋭角にすればよい。
【００１４】
本発明においては、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の面積を、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の面積よりも小さくするか、あるいは、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の断面二次モーメントを、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の断面二次モーメントよりも小さくするとよい。また、第一部材と第二部材とが強度差（特に高温強度差）を示す異種金属からなる場合や、同種の金属からなる場合であっても製造工程の差異により明らかな強度差（特に高温強度差）を示すような場合などにおいては、前記第一部材の強度を、前記第二部材の強度よりも低くするとよい。このようにすると、第一部材側に形成されたバリによる切欠きを、簡単かつ確実に、第二部材側に形成されたバリによる切欠きよりも小さくすることが可能となる。すなわち、第一部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度を、簡単かつ確実に、第二部材側に形成されたバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。
【００１５】
なお、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品においては、摩擦圧接前における前記第一部材の円筒部の肉厚を、摩擦圧接前における前記第二部材の円筒部の肉厚よりも小さくすると、第一部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度を、簡単かつ確実に、第二部材側に形成されたバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。
【００１６】
前記した課題を解決する本発明に係る摩擦圧接方法は、第一部材と第二部材とを摩擦圧接する方法であって、前記第一部材と前記第二部材とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の突合面側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすることを特徴とする。
【００１７】
このような摩擦圧接方法によれば、強度のばらつきが小さく、かつ、強度の大きさを正確に把握することが可能な摩擦圧接部品を得ることが可能となる。すなわち、この摩擦圧接方法により得られた摩擦圧接部品では、第一部材側のバリ部分における応力の集中度合いが、第二部材側のバリ部分における応力の集中度合いよりも常に高くなるので、接合部での応力集中は、第一部材側のみを考慮するだけでよい。
【００１８】
なお、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接する場合には、前記第一部材の円筒部と前記第二部材の円筒部とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすればよい。
【００１９】
第一部材を先に流動化させるには、例えば、前記第一部材を前記第二部材よりも高温にすればよい。また、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の面積を、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の面積よりも小さくしておくか、あるいは、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の断面二次モーメントを、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の断面二次モーメントよりも小さくしておくことでも、第一部材を先に流動化させることができる。さらに、第一部材と第二部材とが強度差（特に高温強度差）を示す異種金属からなる場合や、同種の金属からなる場合であっても製造工程の差異により明らかな強度差（特に高温強度差）を示すような場合などにおいては、前記第二部材よりも強度の低い材料で前記第一部材を形成すれば、第一部材を先に流動化させることができる。
【００２０】
なお、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接する場合においては、摩擦圧接前における前記第一部材の円筒部の肉厚を、摩擦圧接前における前記第二部材の円筒部の肉厚よりも小さくしておくことで、前記第一部材を先に流動化させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る摩擦圧接部品によれば、強度のばらつきが小さく、かつ、強度を正確に把握することが可能となる。また、本発明に係る摩擦圧接方法によれば、強度のばらつきが小さく、かつ、強度を正確に把握することが可能な摩擦圧接部品を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を実施するための最良の形態を、添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、摩擦圧接部品がサスペンション部品の一種であるサスペンションロッドである場合を例示するが、本発明に係る摩擦圧接部品の用途を限定する趣旨ではない。
【００２３】
図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る摩擦圧接部品１は、パイプ状部材である第一部材１０の両端にエンド部材である第二部材２０，２０を摩擦圧接してなるものである。なお、二つの第二部材２０，２０の主要な構成は同様であるので、以下の説明においては、一方（図１において右側）の第二部材２０についてのみ説明を行い、他方の第二部材２０については、その詳細な説明を省略する。
【００２４】
第一部材１０は、図１の（ｂ）に示すように、円管状を呈するアルミニウム合金製の押出形材からなり、本体部１２と、この本体部１２の両端部の各々に形成された円筒部１１とを備えている。摩擦圧接前における円筒部１１は、押出方向に断面変化のない円筒状を呈している。本体部１２も押出方向に断面変化のない円筒状を呈していて、円筒部１１と同じ断面形状を備えている。
【００２５】
第二部材２０は、それぞれ、アルミニウム合金製の押出形材を利用して形成されたものであり、円筒部２１と断面変化部２２とを備えている。摩擦圧接前における円筒部２１は、断面変化のない円筒状を呈している。円筒部２１は、第二部材２０となる押出形材の一部に切削加工や穴あけ加工を施すことにより円筒状に成形される。
【００２６】
なお、アルミニウム合金の種類に特に制限はないが、摩擦圧接部品１をサスペンション部品として用いる場合には、Ｔ６処理をしたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ規格の６０００系アルミニウム合金であって溶体化処理後に焼入れ処理をし、その後に人工時効処理をしたもの）であることが望ましい。特に、Ｔ６処理をしたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ規格のアルミニウム合金６０６１−Ｔ６）であれば、強度が高く（０．２％耐力が２４５ＭＰａ以上）、耐久性（応力腐食割れ性や耐候性など）も高いので、より一層望ましい。また、第一部材１０および第二部材２０は、押出形材である必要はなく、鋳造品（ダイカストを含む）であっても差し支えない。ちなみに、鋳造品からなる第一部材１０および第二部材２０を用いてサスペンション部品を構成する場合には、ＡＣ４Ｃ系合金やＡＤＣ３系合金を用いることが望ましい。
【００２７】
本実施形態においては、摩擦圧接前における第一部材１０の円筒部１１の肉厚ｔ１が、摩擦圧接前における第二部材２０の円筒部２１の肉厚ｔ２よりも小さくなっている。また、第一部材１０の円筒部１１の外径が、第二部材２０の円筒部２１の外径と等しくなっている。すなわち、本実施形態においては、摩擦圧接前における第一部材１０の突合面（円筒部１１の端面）１１ｃの面積が、摩擦圧接前における第二部材２０の突合面（円筒部２１の端面）２１ｃの面積よりも小さく、かつ、第一部材１０の突合面１１ｃの断面二次モーメントが、第二部材２０の突合面２１ｃの断面二次モーメントよりも小さくなっている。換言すれば、摩擦圧接時には第一部材１０の円筒部１１の先端部は、第二部材２０の円筒部２１の先端部よりも変形し易くなっている。
【００２８】
ここで、第一部材１０と第二部材２０とを摩擦圧接する方法（すなわち、摩擦圧接部品１の製造方法）を説明する。本実施形態に係る摩擦圧接方法は、準備過程と摩擦過程とアプセット過程とを含んでいる。
【００２９】
準備過程では、第一部材１０を図示せぬ摩擦圧接装置のクランプで把持するとともに、第二部材２０を、その円筒部２１の中心軸線が第一部材１０の円筒部１１の中心軸線と同軸となるように図示せぬ摩擦圧接装置の主軸のチャックで把持する。
【００３０】
摩擦過程では、第一部材１０と第二部材２０とを相対回転させつつ、第二部材２０を第一部材１０に向かって前進させて第一部材１０の円筒部１１の突合面１１ｃと第二部材２０の円筒部２１の突合面２１ｃとを突き合せ、突合面１１ｃ，２１ｃに摩擦圧力を付与する。相対回転数、摩擦圧力、摩擦寄り代、摩擦寄り速度などは、第一部材１０，２０の材質や円筒部１１，２１の寸法・形状を考慮しつつ適宜設定すればよい。
【００３１】
円筒部１１，２１を相対回転させつつ突合面１１ｃ，２１ｃに圧力を付与すると、摩擦熱によって突合面１１ｃ，２１ｃの周囲に母材よりも軟らかい軟化部が形成され、軟化部の流動性が高まると、円筒部１１，２１の内外へ押し出されてバリが形成され始める。本実施形態では、第一部材１０の突合面１１ｃの面積が第二部材２０の突合面２１ｃの面積よりも小さくなっており、第一部材１０と第二部材２０とが同じ材質なので、第一部材１０の円筒部１１に発生する応力の方が第二部材２０の円筒部２１に発生する応力よりも大きく、かつ、第一部材１０の方が第二部材２０より断面積が小さいために熱伝導による熱拡散が小さく高温となるために変形抵抗が小さい。したがって、第一部材１０の円筒部１１が先に流動化することになる。すなわち、摩擦圧力によって第一部材１０の円筒部１１の先端部が第二部材よりも先に変形（塑性流動化）を開始し、その結果、接合界面Ｊよりも第一部材１０側にあるバリによる切欠き（断面変化）が第二部材２０側にあるバリによる切欠き（断面変化）よりも急峻なものになる。なお、摩擦圧接前の円筒部１１，２１の突合面１１ｃ，２１ｃに存在している酸化皮膜や付着物などは、バリとともに排出されることになる。
【００３２】
アプセット過程は、アプセット圧力を付与する過程であり、摩擦過程の終了後または終了直前に実施される。すなわち、円筒部１１，２１の突合面１１ｃ，２１ｃに付与する圧力を摩擦圧力よりも増加させ、所定のアプセット圧力に達したら、このアプセット圧力を所定時間保持して円筒部１１，２１を圧着する。アプセット圧力を付与すると、摩擦過程に引き続き、摩擦過程で形成された軟化部が円筒部１１，２１の内外へ押し出され、その結果、図１の（ａ）に示すように、バリが成長するとともに、酸化皮膜等のない接合界面Ｊが形成される。
【００３３】
このような過程を経て形成された接合部の形態を、図２を参照してより詳細に説明する。前記したように、第一部材１０の円筒部１１の方が第二部材２０の円筒部２１よりも変形し易いので、第一部材１０側に形成されたバリ１１ａ，１１ｂによる切欠きが、第二部材２０側に形成されたバリ２１ａ，２１ｂによる切欠きよりも小さくなる。すなわち、円筒部１１の内周側（内空側）に形成されるバリ１１ａのバリ底角度θ１ａが、円筒部２１の内周側に形成されたバリ２１ａのバリ底角度θ２ａよりも小さくなり、バリ１１ａのバリ底半径Ｒ１ａが、バリ２１ａのバリ底半径Ｒ２ａよりも小さくなる。同様に、円筒部１１の外周側に形成されるバリ１１ｂのバリ底角度θ１ｂが、円筒部２１の外周側に形成されたバリ２１ｂのバリ底角度θ２ｂよりも小さくな り、バリ１１ｂのバリ底半径Ｒ１ｂが、バリ２１ｂのバリ底半径Ｒ２ｂよりも小さくなる。
【００３４】
なお、バリ底半径Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ａ，Ｒ２ｂとは、バリ１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂの立ち上がり部分の断面形状を、肉厚変化点Ｐ１，Ｐ２，Ｑ１，Ｑ２を通る円弧で近似したときの最小半径を意味し、バリ底角度θ１ａ，θ１ｂ，θ２ａ，θ２ｂとは、前記した円弧とバリ１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂの輪郭線との接点（もしくは交点）における前記円弧に対する接線Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂと、円筒部１１，２１の中心軸線に平行な直線であって肉厚変化点Ｐ１，Ｐ２，Ｑ１，Ｑ２を通る直線Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ，Ｔ２ａ，Ｔ２ｂとがなす角度を意味する。
【００３５】
また、本実施形態においては、第一部材１０側に形成されたバリ１１ａ，１１ｂのバリ底角度θ１ａ，θ１ｂが、鋭角（π／２（rad）未満）になっている。
【００３６】
なお、摩擦熱によって形成された軟化部は、円筒部１１，２１の内周側よりも外周側へ押し出され易い傾向にあることから、円筒部１１，２１の内周側に形成されるバリ１１ａ，２１ａの容積は、外周側に形成されるバリ１１ｂ，２１ｂの容積よりも小さくなり、その結果、円筒部１１の内周側の肉厚変化点Ｐ１は、外周側の肉厚変化点Ｑ１よりも接合界面Ｊに近くなり、円筒部２１の内周側の肉厚変化点Ｐ２は、外周側の肉厚変化点Ｑ２よりも接合界面Ｊに近くなる。
【００３７】
ところで、圧接時の摩擦熱によって、母材の強度と異なる強度・材質を有する熱影響部（ＨＡＺ＝Heat Affected Zone）が接合界面Ｊの周辺に不可避的に発生するが、強度の変質度合いは、接合界面Ｊに近づくに従って大きくなる傾向にある。なお、熱影響部Ｈの強度は、第一部材１０および第二部材２０が熱処理型合金（ＪＩＳ規格の２０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金）、ＪＩＳ規格の６０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）、ＪＩＳ規格の７０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金））からなる場合には、母材よりも小さくなり、非熱処理型合金（ＪＩＳ規格の１０００系アルミニウム合金（純アルミニウム系）、ＪＩＳ規格の３０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｎ系合金）、ＪＩＳ規格の５０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ系合金））からなる場合には、母材よりも大きくなる。したがって、例えば、第一部材１０および第二部材２０が熱処理型合金からなる場合には、外周側の肉厚変化点Ｑ１，Ｑ２での強度よりも円筒部１１，２１の内周側の肉厚変化点Ｐ１，Ｐ２での強度の方が小さくなる。
【００３８】
また、本実施形態に係る摩擦圧接部品１においては、その第一部材１０側に急峻なバリ１１ａ，１１ｂが形成されていることで、接合界面Ｊよりも前記第一部材１０側の形状係数αが、１．５以上になっている。
【００３９】
形状係数αは、応力集中係数ともいい、肉厚変化点Ｐ１を含む断面等における最大応力をσｍａｘ、平均応力をσｎとすると、次式により定義される。
α＝σｍａｘ／σｎ
【００４０】
なお、図３の（ａ）および（ｂ）に示す幅広の帯板１０１と幅狭の帯板１０２の突合せ溶接継手が引張力Ｆを受ける場合の形状係数α０は、次式により算出できることが知られている。
【００４１】
【数１】
2008055486.tif 000003
【００４２】
接合界面Ｊよりも第一部材１０側のバリによる切欠きの断面形状は、図３に示す突合せ溶接継手の形状に近似しているので、接合界面Ｊよりも第一部材１０側の形状係数αは、次式により算出することができる。
【００４３】
【数２】
2008055486.tif 000004
【００４４】
上式から分かるように、形状係数αは、バリ底角度θ１ａ，θ１ｂが小さくなるほど大きくなり、バリ底半径Ｒ１ａ，Ｒ１ｂが小さくなるほど大きくなり、接合界面Ｊにおける肉厚ｔＪが大きくなるほど大きくなる。なお、参考として、形状係数αが四捨五入をして２．０となる諸元の例を表１に示す。
【００４５】
【表１】
2008055486.tif 000005
【００４６】
耐久性能の指標となる切欠き係数β（＝（応力集中がない場合の疲労強度）／（応力集中がある場合の疲労強度）は、応力集中が大きくなるほど、すなわち、形状係数αが大きくなるほど大きくなる傾向にあるが、図４に示すように、切欠き係数βの変化率Δβは、形状係数αが大きくなるに従って小さくなる傾向にある。また、形状係数αの変化率Δαと切欠き係数βの変化率Δβとの比（＝Δβ／Δα）は、１以下である。なお、図４に示すグラフは、図３に示す突合せ溶接継手の材質がＪＩＳ規格のアルミニウム合金６０６１−Ｔ６（ＪＩＳ規格の６０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）であって溶体化処理後に焼入れ処理をし、その後に人工時効処理をしたもの）である場合のものである。
【００４７】
ところで、第一部材１０および第二部材２０の公差、温度の変化、摩擦圧接条件の僅かな差異によってバリによる切欠きの形状が微妙に変化するので、摩擦圧接部品１ごとに形状係数αがばらつくことになるが、第一部材１０および第二部材２０がＪＩＳ規格のアルミニウム合金６０６１−Ｔ６からなる場合には、形状係数αを２．０以上としておけば、形状係数αのばらつきが切欠き係数βに及ぼす影響が小さいものとなる。すなわち、接合界面Ｊよりも第一部材１０側の形状係数αが２．０以上となるように摩擦圧接をすれば、切欠き係数βの変化率Δβが小さくなるので、摩擦圧接条件等に誤差等が生じたとしても接合部における破壊強度（疲労強度）のばらつきを小さくすることが可能となり、また、接合部の破壊強度の大きさを正確に把握することが可能となる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係る摩擦圧接部品１においては、第一部材１０側のバリ１１ａ，１１ｂによる切欠き部分における応力の集中度合いが、第二部材２０側のバリ部分２１ａ，２１ｂによる切欠き部分における応力の集中度合いよりも常に高くなるので、接合部での応力集中は、第一部材１０側のみを考慮するだけでよい。すなわち、摩擦圧接部品１によれば、その強度のばらつきを小さくすることが可能となり、加えて、強度の大きさも正確に把握することが可能となるので、摩擦圧接部品の設計を合理化することが可能となる。
【００４９】
ちなみに、第一部材１０および第二部材２０が熱処理合金からなる場合には、接合界面Ｊに近づくに従って強度が低下するので、円筒部１１，２１の内周側の肉厚変化点Ｐ１，Ｐ２での強度は、外周側の肉厚変化点Ｑ１，Ｑ２での強度よりも小さくなる。つまり、想定外の荷重が作用する場合には、円筒部１１，２１の内周側から破壊が進行する可能性が高い。特に本実施形態では、第一部材１０の円筒部１１の内周側に形成されるバリ１１ａによる切欠きが第二部材１０の円筒部２１の内周側に形成されるバリ２１ａによる切欠きよりも急峻であることから、想定外の荷重が作用する場合には、バリ１１ａの立ち上がり部分の切欠き（すなわち、第一部材１０の円筒部１１の内周側の肉厚変化点Ｐ１近傍）から破壊が進行する可能性が高い。このように、円筒部１１の内周側に形成されるバリ１１ａのバリ底角度θ１ａやバリ底半径Ｒ１ａを、円筒部２１の内周側に形成されるバリ２１ａのバリ底角度θ２ａやバリ底半径Ｒ２ａよりも小さくしておけば、破壊モードの特定が容易となる。
【００５０】
なお、円筒部１１の外径と円筒部２１の外径とを等しくしなくとも、円筒部１１の内空側に形成されるバリ底角度θ１ａやバリ底半径Ｒ１ａを、円筒部２１の内周側に形成されるバリ底角度θ２a やバリ底半径Ｒ２ａよりも小さくすることはできるが、本実施形態の如く円筒部１１，２１の外径を等しくして内周面に段差を設けておけば、円筒部１１の内周側に形成されるバリ底角度θ１ａやバリ底半径Ｒ１ａが、円筒部２１の内周側に形成されるバリ底角度θ２aやバリ底半径Ｒ２ａよりも小さくなり易くなる。また、円筒部１１の外径と円筒部２１の外径とを等しくすると、第一部材の円筒部の外周面と第二部材の円筒部の外周面とに段差がなくなるので、外周側に形成されたバリ１１ｂ，２１ｂを切除する作業を容易に行うことが可能となる。
【００５１】
また、図５に示すように、接合部の外周側に形成されたバリ１１ｂ，２１ｂについては、接合部の外周面を滑らかにするために切除される場合があるが、円筒部１１の内周側に形成されるバリ底角度θ１ａやバリ底半径Ｒ１ａを、円筒部２１の内周側に形成されるバリ底角度θ２ａやバリ底半径Ｒ２ａよりも小さくしておけば、バリ１１ｂ，２１ｂの切除後においても、破壊モードの特定が容易となる。
【００５２】
また、本実施形態においては、第一部材１０および第二部材２０をＪＩＳ規格のアルミニウム合金６０６１−Ｔ６で形成するとともに、接合界面Ｊよりも第一部材１０側の形状係数αを２．０以上としたので、切欠き係数βにばらつきがなくなる。つまり、摩擦圧接部品１の破壊強度をより的確に把握することが可能となる。
【００５３】
なお、前記した実施形態では、摩擦圧接前における第一部材１０の円筒部１１の肉厚ｔ１を、第二部材２０の円筒部２１の肉厚ｔ２よりも小さくすることで、摩擦圧接前における第一部材１０の突合面１１ｃの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材２０の突合面２１ｃの面積および断面二次モーメントよりも小さくしたが、例えば、図６の（ａ）に示すように、摩擦圧接前における第一部材１０の円筒部１１の先端部に段差を付けて薄肉部１３を形成することで、摩擦圧接前における第一部材１０の突合面１１ｃの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材２０の突合面２１ｃの面積および断面二次モーメントよりも小さくしてもよい。この場合、第一部材１０の円筒部１１の肉厚ｔ１と第二部材２０の円筒部２１の肉厚ｔ２とを同一にしてもよい。
【００５４】
このようにしても、摩擦圧接時に、第一部材１０の円筒部１１が先に流動化することになるので、図示は省略するが、第一部材１０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材２０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。また、第一部材１０の円筒部１１に薄肉部１３を形成すれば、第二部材２０の円筒部２１を全長に亘って厚肉にする必要がなくなるので、摩擦圧接部品１の重量が必要以上に増加することがない。
【００５５】
また、図６の（ｂ）に示すように、摩擦圧接前における第二部材２０の円筒部２１の先端部に段差を付けて厚肉部２３を形成することで、摩擦圧接前における第一部材１０の突合面１１ｃの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材２０の突合面２１ｃの面積および断面二次モーメントよりも小さくしてもよい。この場合、第一部材１０の円筒部１１の肉厚ｔ１と第二部材２０の円筒部２１の肉厚ｔ２とを同一にしてもよい。
【００５６】
このようにしても、摩擦圧接時に、第一部材１０の円筒部１１が先に流動化することになるので、図示は省略するが、第一部材１０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材２０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。また、第二部材２０の円筒部２１に厚肉部２３を形成すれば、第二部材２０の円筒部２１を全長に亘って厚肉にする必要がなくなるので、摩擦圧接部品１の重量が必要以上に増加することがない。
【００５７】
また、図６の（ｃ）に示すように、摩擦圧接前における第一部材１０の円筒部１１の先端部に先細りの傾斜部１４を形成することで、摩擦圧接前における第一部材１０の突合面１１ｃの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材２０の突合面２１ｃの面積および断面二次モーメントよりも小さくしてもよい。この場合においては、第一部材１０の円筒部１１の肉厚ｔ１と第二部材２０の円筒部２１の肉厚ｔ２とを同一にしてもよい。
【００５８】
このようにしても、摩擦圧接時に、第一部材１０の円筒部１１が先に流動化することになるので、図示は省略するが、第一部材１０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材２０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。また、第一部材の円筒部１１の先端部に傾斜部１４を形成すれば、第二部材２０の円筒部２１を全長に亘って厚肉にする必要がなくなるので、摩擦圧接部品１の重量が必要以上に増加することがない。
【００５９】
また、前記した実施形態では、第一部材１０と第二部材２０の材質を同質とし、第一部材１０の突合面１１ｃの面積を第二部材２０の突合面２１ｃの面積よりも小さくすることで、第一部材１０の円筒部１１を先に流動化させたが、第二部材２０よりも強度（特に高温強度）の小さい異種金属で第一部材１０を形成すれば、突合面１１ｃ，２１ｃの面積が同一であっても、第一部材１０の円筒部１１を先に流動化させることが可能となる。つまり、第二部材２０よりも強度（特に高温強度）の小さい異種金属で第一部材１０を形成することでも、図示は省略するが、第一部材１０側に形成されるバリのバリ底角度を第二部材２０側に形成されるバリのバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。具体的には、例えば、第一部材１０をアルミニウム合金製とするとともに、第二部材２０をアルミニウム合金よりも高温強度の大きい銅合金製とすれば、突合面１１ｃ，２１ｃの面積が同一であっても、第一部材１０の円筒部１１を先に流動化させることが可能となる。
【００６０】
なお、第一部材１０と第二部材２０とが同種の金属からなる場合であっても、金属の製造工程の差異によって明らかな強度差（特に高温強度差）がある場合には、第一部材１０の円筒部１１を先に流動化させることが可能となる。具体的には、例えば、第一部材１０を２０００系アルミニウム合金（熱処理型合金であるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金（ジェラルミンなど））製や４０００系アルミニウム合金（非熱処理型合金であるＡｌ−Ｓｉ系合金）製とするとともに、第二部材２０を２０００系や４０００系のアルミニウム合金よりも高温強度の大きい６０００系のアルミニウム合金製とすれば、突合面１１ｃ，２１ｃの面積が同一であっても、第一部材１０の円筒部１１を先に流動化させることが可能となるので、図示は省略するが、第一部材１０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材２０側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。
【００６１】
また、第一部材１０を第二部材２０よりも高温にすることでも、第一部材１０を先に流動化させることが可能となる。例えば、第一部材１０と第二部材２０とが同じ材質で、かつ、突合面１１ｃ，２１ｃの面積が同一である場合であっても、摩擦過程において、第一部材１０を第二部材２０よりも高温にすれば、第一部材１０を先に流動化させることが可能となり、ひいては、図示は省略するが、第一部材１０側に形成されるバリのバリ底角度を第二部材２０側に形成されたバリのバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。第一部材１０を第二部材２０よりも高温にするには、例えば、摩擦過程中に、第二部材２０を空冷又は水冷するか、あるいは、第一部材１０をチャックしている治具を断熱して第一部材１０から治具への熱伝達を防止するか、当該治具を電熱線やバーナー等で加熱すればよい。
【００６２】
また、前記した実施形態においては、中空な円筒部１１，２１の端面を突合面１１ｃ，２１ｃとした場合を例示したが、例えば、図７の（ａ）に示すように、第二部材２０に中実な柱部２５を設け、その端面を突合面２５ｃとしてもよい。第一部材１０と第二部材２０とが同じ材質であれば、第一部材１０の円筒部１１の先端部が第二部材２０の柱部２５よりも先に流動化することになるので、図示は省略するが、円筒部１１に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径は、柱部２５の外周側に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくなる。
【００６３】
また、図７の（ｂ）に示すように、第二部材２０だけでなく、第一部材１０にも中実な柱部１５を設け、その端面を突合面１５ｃとしてもよい。なお、第一部材１０と第二部材２０とが同じ材質である場合には、第一部材１０の柱部１５を第二部材２０の柱部２５よりも小径にする（すなわち、突合面１５ｃの面積を突合面２５ｃの面積よりも小さくする）。このようにすると、第一部材１０の柱部１５の先端部が第二部材２０の柱２５よりも先に座屈して流動化することになるので、図示は省略するが、柱部１５に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径は、柱部２５の外周側に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る摩擦圧接部品を示す断面図、（ｂ）は摩擦圧接前における第一部材および第二部材を示す断面図である。
【図２】図１の（ａ）のＸ部分の拡大図である。
【図３】形状係数の算定式を説明するための模式図である。
【図４】形状係数と切欠き係数の関係の一例を示すグラフである。
【図５】外周側のバリを切除した状態を示す拡大断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は摩擦圧接前における第一部材および第二部材の変形例を示す断面図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は摩擦圧接前における第一部材および第二部材の他の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１    摩擦圧接部品
１０    第一部材
１１    円筒部
１１ａ，１１ｂ  バリ
１１ｃ    突合面
２０    第二部材
２１    円筒部
２１ａ，２１ｂ  バリ
２１ｃ    突合面
Ｊ    接合界面
【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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