(57)【要約】【目的】ショットピーニングで塑性流動Ｆを起こさせ、被接合材１０／相手材２０の界面を接合する。【構成】塑性材料でできた被接合材１０の表面に、窪み１１，環状隆起１３，複数突起１４等の位置決め部を設ける。位置決め部で区画される内部空間に相手材２０の下部を配置し、接合個所の被接合材表面をショットピーニングするとき、ショット３１の激突で導入される衝撃エネルギーによって被接合材１０を塑性流動し接合界面Ｂが形成される。被接合材１０の表面に設けた複数の位置決め部それぞれに相手材２０を配置して被接合材表面をショットピーニングするとき、一回のショットピーニングで複数の相手材２０が被接合材１０に接合される。【効果】複数の相手材２０を一回のショットピーニングで被接合材１０に接合でき、従来のカシメを凌駕する接合強度が得られる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塑性材料でできた被接合材の表面に相手材を確保固定する位置決め部を設け、該位置決め部で区画される内部空間に相手材の下部を配置し、接合個所の被接合材表面にショットを激突させるショットピーニングによって被接合材を塑性流動させて被接合材／相手材の隙間を充填することを特徴とする塑性材料の接合方法。
【請求項２】
位置決め部が相手材の下部を収容する窪み，環状隆起又は複数突起である請求項１記載の接合方法。
【請求項３】
被接合材表面に設けた複数の位置決め部それぞれに相手材を配置し、一回のショットピーニングで複数の相手材を被接合材に接合する請求項１記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、塑性変形が可能な金属又はプラスチック等の非金属に同種又は異種材料を組み合わせ、ショットピーニングにより接合界面に生じた塑性流動を利用して接合する方法に関する。
【０００２】
【従来技術及び問題点】
溶接法では、金属材料を所定温度に加熱して接合界面の相互拡散を促進させることにより、金属材料を相互に結合している。強固な接合界面を得る上で相互拡散を十分進行させる必要があるが、被溶接材の種類によっては拡散が十分に進行しない。拡散した場合でも、脆弱な金属間化合物が接合界面に形成されることもある。拡散反応に必要な加熱は、被溶接材の熱変形や熱影響部の材質劣化の原因になりやすい。熱伝導性の良好なＣｕ，Ａｌ等を被溶接材に使用する場合、接合界面に加えた熱が母材に拡散してしまい、接合に必要な相互拡散を起こす程度に接合界面を昇温できないことも欠点である。
【０００３】
溶接法を適用できない被接合材にあっては、カシメ，接着等の接合法が採用されている。カシメによる接合では、機械的圧力を被接合材に加えて塑性流動を生起させ、相手材と機械的に噛み合った接合部を形成している。塑性流動の生起に高圧力の付加が必要であり、圧力付加に起因する被接合材の変形防止を図るため接合部，或いは製品形状の設計に制約が加わる。接着剤を用いた接合では、接着強度や接合部の耐熱性が不足する場合が多い。
溶接，カシメ，接着何れでも、接合個所が個別に接合されることから製品形状の大型化，複雑化に伴って接合工程数が増加し、作業性を低下させる。また、接合個所を個別に接合する方式のため、一つの接合個所を接合したときに生じる歪み，応力が他の接合個所に影響し、次の接合工程における位置決め精度が低下しやすい。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、被溶接材に対して相手材の位置関係を固定した状態で接合個所をショットピーニングし、ショットピーニングで生じた塑性流動により被接合材に相手材を接合することを目的とする。
【０００５】
本発明の接合方法は、その目的を達成するため、塑性材料でできた被接合材の表面に相手材を確保固定する位置決め部を設け、該位置決め部で区画される内部空間に相手材の下部を配置し、接合個所の被接合材表面にショットを激突させるショットピーニングによって被接合材を塑性流動させて被接合材／相手材の隙間を充填することを特徴とする。
位置決め部は、相手材の下部を収容する窪み，環状隆起，複数突起等として形成される。被接合材表面に設けた複数の位置決め部それぞれに相手材を配置して被接合材表面をショットピーニングするとき、一回のショットピーニングで複数の相手材が被接合材に接合される。
【０００６】
【作用及び実施の形態】
塑性材料の表面に硬質のショットを激突させるとき、ショットの衝撃エネルギーによって材料表面が塑性変形又は塑性流動する。粗面化や表面仕上げではショットピーニングによる塑性変形又は塑性流動を利用して塑性材料を所定の表面状態に調整又は改質しており、亀裂発生表面の補修にショットピーニングを使用することも報告されている（特開２００２−１７０８２３号公報）。しかし、ショットピーニングで生じる塑性変形や塑性流動を接合に利用する例は未だ報告されていない。
【０００７】
ところで、被接合材に対する相手材の位置関係を適正に固定するとき、被接合材に相手材を接合することに十分な塑性変形，塑性流動がショットピーニング時に生じる。本発明は、該知見をベースに完成されたものであり、ショットピーニング時の塑性変形，塑性流動によって複数の接合個所の同時接合を可能にしている。
被接合材１０には、相手材２０を所定の位置関係で固定確保するため相手材２０の下端２１を収容する窪み１１等の位置決め部が形成されている（図１ａ）。窪み１１の内壁１２と相手材２０の側壁２２との間には、クリアランスを付けておく。十分な塑性変形，塑性流動が期待される条件下では、円筒状又は角柱状内部空間をもつ窪み１１に球形や円錐形，角錐形の相手材２０を配置しても良い。
【０００８】
硬質のショット３１を被接合材１０／相手材２０の接合個所に激突させると、衝撃エネルギーＥを受けた被接合材１０の接合界面近傍に塑性流動Ｆが生じる（図１ｂ）。塑性流動Ｆにより、被接合材１０の材料が自由状態にある被接合材１０／相手材２０の隙間に流れ込む。このとき、相手材２０もショット３１の激突によって活性化された新生面になっているので、隙間に流入した被接合材１０の材料と十分に反応し、被接合材１０／相手材２０の間に良好な接合界面Ｂが形成される（図１ｃ）。
【０００９】
被接合材１０としては、塑性変形，塑性流動が生じる材料である限り材質に特段の制約を受けず、種々の金属，プラスチック等を使用できる。被接合材１０に形成される窪み１１に代え、被接合材１０の表面から起立する環状隆起１３（図２ａ）や複数の突起１４（図２ｂ）で相手材２０を位置決めする方式も採用できる。図示の平板に代え、円筒状，ディスク状，帯状等、任意形状の被接合材１０も使用できる
【００１０】
相手材２０には、塑性変形，塑性流動が生じる材料は勿論、セラミック，木材，コンクリート等、塑性変形，塑性流動のない材料も使用可能である。ただし、窪み１１，環状隆起１３，突起１４等で区画される空間部に下端２１が配置されるように、相手材２０の下部を予め加工しておくことが好ましい。
相手材２０に使用される円柱状パイプ２５や角柱状パイプ２６は、窪み１１，環状隆起１３，突起１４等で区画される空間部に下端２１が配置された状態で被接合材１０から起立される。或いは、窪み１１，環状隆起１３，突起１４等で区画される長尺空間に側面一部を配置した横置きパイプ２７を被接合材１０に載置しても良い。更には、被接合材１０に載置した網状体２８も相手材２０として使用可能である（図３）。
【００１１】
ショットピーニングには、超硬材料，工具鋼，硬質セラミック粒子等から作られた硬質のショット３１が使用される。ショット３１の硬度や粒径は、被接合材１０，相手材２０の組合せに応じて適宜選定される。たとえば、軸受鋼，炭素鋼等の接合には鋳鋼製ショット、バネ鋼，ステンレス鋼等の接合には超硬合金製ショット、アルミニウム合金，マグネシウム合金等の接合にはステンレス鋼製ショット、銅合金等の接合にはガラス製ショットが使用される。比較的柔らかいプラスチック等を接合する場合、より低硬度のショットを使用できる。
【００１２】
ショットピーニングで生じる塑性流動Ｆにより高強度の接合界面Ｂを形成するため、大きな衝撃エネルギーを加えて十分な塑性流動Ｆを生起させることが好ましい。具体的には、軸バネ鋼／ステンレス鋼の接合では衝撃エネルギーを単位面積当り４００ｋＪ／ｍ２以上，軸受鋼／炭素鋼の接合では単位面積当り３００ｋＪ／ｍ２以上，炭素鋼／プラスチックの接合では単位面積当り１８０ｋＪ／ｍ２以上，セラミック／アルミニウム合金の接合では単位面積当り８０ｋＪ／ｍ２以上に設定する。必要とする衝撃エネルギーは、被接合材１０に衝突するショット３１の投射速度によって管理できる。
【００１３】
接合界面Ｂの形成は、被接合材１０，相手材２０の接合個所を加熱し、或いはショット３１を加熱することによっても促進される。被接合材１０，相手材２０，ショット３１の加熱は、接合界面Ｂの形成に必要な衝撃エネルギーを軽減し、ピーニング条件を緩和させる上でも有利である。たとえば、非加熱のショット３１を用いたショットピーニングによる軸受鋼／炭素鋼の接合では単位面積当り３００ｋＪ／ｍ２以上の衝撃エネルギーを必要とするが、ショット３１を２００℃以上に加熱すると必要衝撃エネルギーの下限を１８０ｋＪ／ｍ２まで下げることができる。
【００１４】
衝撃エネルギーで生起される塑性流動Ｆによって被接合材１０，相手材２０を接合する方式では、ショット３１が衝突する部分で接合界面Ｂの形成に必要な塑性流動Ｆが生じる。したがって、複数の相手材（２５〜２８）を被接合材１０の所定位置に配置した後、被接合材１０をショットピーニングすると、何れの相手材（２５〜２８）が配置された個所でも塑性流動Ｆが生じ、複数の相手材（２５〜２８）が同時に被接合材１０に接合される。
【００１５】
被接合材１０に投射されるショット３１は、接合界面Ｂを形成させる接合個所に限らず、接合個所近傍にある被接合材１０の表面にも激突する。ショット３１の激突によって、被接合材１０の表面一部が梨地処理された状態になる。梨地面を積極的に利用したい場合には接合個所近傍の被接合材１０をショット３１の激突に曝してもよいが、平滑表面が要求される製品形態では接合個所近傍にある被接合材１０の表面部分を予めマスキングすることが好ましい。
【００１６】
【実施例】
炭素鋼Ｓ５０Ｃ製で板厚１０ｍｍの鋼板を被接合材１０に使用し、内径１０．２ｍｍの窪み１１を被接合材１０の表面に形成した。窪み１１は、塑性流動Ｆで生じた接合界面Ｂの強度に及ぼす影響を調査するため６〜９ｍｍの範囲で深さを変化させた。なお、形成された接合界面Ｂの接合強度を測定するため、ピン挿入孔１５を窪み１１の底面に裏面側から開口させた（図４）。
相手材２０には、軸受鋼ＳＵＪ２製で直径１０ｍｍの鋼球を使用した。
【００１７】
相手材２０を被接合材１０の窪み１１に収め、３００℃に加熱保持した粒径１．０ｍｍの鋳鋼製ショット３１を投射速度８０ｍ／秒で被接合材１０の接合個所に激突させた。ショット３１の激突を１０秒間継続した後、接合個所が常温に降温するまで放置した。この条件下で接合個所に加えられた衝撃エネルギーは、単位面積当り３２０ｋＪ／ｍ２と計算される。
【００１８】
常温まで冷却した接合体では、人力では脱落しない程度の接合強度で相手材２０が被接合材１０に接合していた。そこで、被接合材１０の裏面から押出ピン１６をピン挿入孔１５に挿し込み、被接合材１０から相手材２０が分離するまで押出ピン１６による押圧力Ｐを相手材２０に加えた。
接合界面Ｂの破壊に要した押圧力Ｐは、表１に示すように窪み１１が深いほど大きな値であったが、８ｍｍ以上でほぼ一定になっていた。何れの深さでもカシメによる接合と比較して十分に高い接合強度で相手材２０が被接合材１０に接合されていることが判る。表１の結果は、窪み１１の深さを適正に設定することにより、要求強度をもつ接合体製品が得られることを意味する。
【００１９】
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【００２０】
また、接合体の被接合材１０と相手材２０との位置関係を測定したところ、ショットピーニング前後で変化していなかった。位置関係の無変化は、ショットピーニング時の衝撃エネルギーで相手材２０が位置ズレせず、高い一精度で被接合材１０に接合されたことを示す。複数の相手材２０を被接合材１０に配置してショットピーニングした場合でも、個々の相手材２０は高い接合強度，位置精度で被接合材１０に接合されていた。
更に、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼板／ＳＵＪ２軸受鋼，Ａ２０１７アルミニウム合金／ＳＵＰバネ鋼，Ａ２０１７アルミニウム合金／アルミナ，ポリカーボネート／アルミナ，ポリカーボネート／ＳＵＪ２軸受鋼の組合せでも、同様なショットピーニングによって接合強度の高い接合界面Ｂが形成された。
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、相手材２０を所定位置に確保固定する窪み１１，環状隆起１３，複数突起１４を被接合材１０の表面に形成し、窪み１１，環状隆起１３，複数突起１４で区画される内部空間に相手材２０を位置決めした状態で接合個所にある被接合材１０をショットピーニングするとき、ショット３１の衝撃エネルギーによって塑性流動Ｆが生起され、被接合材１０／相手材２０の界面が強固に接合される。この方式は、複数の相手材２０を一回のショットピーニングで被接合材１０に接合できるため、溶接，カシメ，接着よりも作業効率が格段に高くなる。形成された接合界面Ｂも、カシメ接合部に比較して十分に高い強度をもつ。
【図面の簡単な説明】
【図１】ショットピーニングで相手材が被接合材に接合される過程の説明図
【図２】被接合材に形成される相手材位置決め用の環状隆起（ａ），複数突起（ｂ）
【図３】複数の相手材が被接合材に接合された接合体製品
【図４】形成された接合界面の接合強度を測定する説明図
【符号の説明】
１０：被接合材    １１：窪み    １２：内壁    １３：環状隆起    １４：突起    １５：ピン挿入孔    １６：押出ピン
２０：相手材    ２１：下端    ２２：側壁    ２５：円柱状パイプ    ２６：角柱状パイプ    ２７：横置きパイプ    ２８：網状体
３１：ショット
Ｅ：衝撃エネルギー    Ｆ：塑性流動    Ｂ：接合界面    Ｐ：接合界面の破壊に要する押圧力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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