(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに結合される金属製の第１部材及び第２部材に対して、第１部材に丸穴を形成し、第２部材にこの丸穴へ嵌合する円形断面部を形成するとともに、第１部材の前記丸穴に第２部材の前記円形断面部を嵌合し、第１部材及び第２部材の嵌合部に第１部材と第２部材が嵌合方向と直交する横断面にて円形をなして接触する接触部を形成するとともにこれら両部材を摩擦撹拌接合により結合する方法において、前記第１部材の表面で前記丸穴と重なる位置に平面状をなすガイド面を設け、このガイド面上で摩擦撹拌用回転工具を摺動させながら移動させるとともに、
前記ガイド面と直交し前記第２部材の円形断面部の外周に接する垂直接線の方向に前記摩擦撹拌用回転工具の摩擦撹拌をおこなう軸部であるプローブの回転軸線の方向を一致させ、かつプローブが前記接触部の一部に重なるようにして摩擦撹拌接合することを特徴とする金属製部材の結合方法。
【請求項２】
前記摩擦撹拌用回転工具を、前記第２部材の前記円形断面部における中心軸線と直交する横断方向へ移動させることを特徴とする請求項１に記載した金属製部材の結合方法。
【請求項３】
前記第２部材はパイプ部材とこのパイプの中空部に嵌合された中実の補強ピースからなり、この補強ピースは摩擦撹拌される部分に設けられることを特徴とする請求項２に記載した金属製部材の結合方法。
【請求項４】
前記第２部材の円形断面部の中心軸線と平行する方向に沿って前記摩擦撹拌用回転工具を移動させることを特徴とする請求項１に記載した金属製部材の結合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アルミ等の金属製２部材を嵌合し、この嵌合部を摩擦撹拌接合にて容易かつ確実に結合する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属製の２部材を嵌合して結合する場合、嵌合部を溶接することが行われているが、溶接による結合は熱影響が残るので溶接部位の選定が困難であったり、作業に熟練を求められる場合がある。特に、アルミ材料の溶接は困難であり、作業性の向上が望まれている。そこでこのような溶接に代わる方法として摩擦撹拌接合が提唱されるようになった。なお、本願発明においてアルミとは種々の公知アルミ合金材料を含むものとする。
【０００３】
図１１は、このような摩擦撹拌接合の一例として特開平１１−１９０３７５号に示される方法であり、第１部材１に形成された丸穴状の嵌合穴２に、丸棒状の第２部材３の端部を嵌合し、第１部材１の半径方向外方から高速回転する摩擦撹拌用回転工具５の先端に形成された小径のプローブ６を挿入し、この状態で第１部材１及び第２部材３を一体回転させることにより、第１部材１と第２部材３の接合部４に沿う部分を摩擦撹拌接合にて接合するようになっている。符号７は摩擦撹拌用回転工具の肩部である。
【０００４】
図１２は、特開平１１−２０４３５号に示される例であり、アルミ押出部材から構成されたリング状をなす第１部材１の外周部に半径方向外方へ突出する連結部８を設け、ここに断面四辺形状の嵌合穴２を形成し、この嵌合穴２へアルミ製角パイプ状をなす第２部材３の一端部を嵌合し、上記摩擦撹拌用回転工具５により摩擦撹拌接合を行う。このとき、摩擦撹拌用回転工具５も、連結部８の外表面に形成された平面９上を移動するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、摩擦撹拌接合は相接する２部材の各材料を、摩擦撹拌接合用回転工具で軟化させ、接合部４を挟んで両側の材料を撹拌混合させることにより結合するものである。したがって、十分な結合強度を得るには相接する２材料を十分に撹拌混合させなければならない。また摩擦撹拌接合作業中に軟化した材料が溢れ出さないよう、摩擦撹拌用回転工具５の肩部７で接合部を押さえ込むことによりシールする必要がある。
【０００６】
そこで前記従来例を検討すると、前記図１１の方法ではプローブ６と接合部４の関係がほぼ一定であるため、撹拌混合が効率的でなく、十分な結合強度を得ることができない。また、肩部７を円形断面をなす第１部材１の外周部へ当接させるため、肩部７で曲面を押さえてシールすることになり、この状態では軟化材料の溢れ出しを防ぐことが難しく、確実にシールするためには厳しい工程管理が必要になる。
【０００７】
一方、図１２に示す例では、肩部７を平面９へ当接するので、軟化材料の溢れ出しを防ぐことはできるが、プローブ６の回転面と接合部４が平行であるから、プローブ６と接合部４の関係がやはり一定であり、殆ど撹拌混合を期待できない。したがってこの例も十分な結合強度を得られない。そこで本願発明は、これらの問題点を解決し、容易かつ確実な摩擦撹拌接合を実現させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本願発明に係る金属製部材の結合方法は、互いに結合される金属製の第１部材及び第２部材に対して、第１部材に丸穴を形成し、第２部材にこの丸穴へ嵌合する円形断面部を形成するとともに、第１部材の前記丸穴に第２部材の前記円形断面部を嵌合し、第１部材及び第２部材の嵌合部に第１部材と第２部材が嵌合方向と直交する横断面にて円形をなして接触する接触部を形成するとともにこれら両部材を摩擦撹拌接合により結合する方法において、前記第１部材の表面で前記丸穴と重なる位置に平面状をなすガイド面を設け、このガイド面上で摩擦撹拌用回転工具を摺動させながら移動させるとともに、
前記ガイド面と直交し前記第２部材の円形断面部の外周に接する垂直接線の方向に前記摩擦撹拌用回転工具の摩擦撹拌をおこなう軸部であるプローブの回転軸線の方向を一致させ、かつプローブが前記接触部の一部に重なるようにして摩擦撹拌接合することを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本願発明によれば、第１部材の表面で丸穴と重なる位置に平面状をなすガイド面を形成したので、摩擦撹拌用回転工具をこのガイド面に沿って、移動させることができ、その結果、軟化材料の溢れ出しを防いで製造を容易にすることができる。しかも摩擦撹拌用回転工具の挿入部はガイド面と直交する方向へ挿入されるため、摩擦撹拌用回転工具の回転軸線は、ガイド面と直交しかつ接触部に接する接線（以下、ガイド面と直交する接触部の接線又は垂直接線という）と平行になるとともに、第１部材と第２部材の接触部は円形断面をなすので、断面において摩擦撹拌用回転工具の挿入部に対して接触部が円弧状に交わり、摩擦撹拌用回転工具の軸線方向へ第１部材と第２部材が不均一に分布することになる。このため、摩擦撹拌用回転工具の挿入部を接合部にて回転させると、接触部を挟んで相接するとともに摩擦撹拌用回転工具の軸線方向へ不均一に分布する２部材の各材料が、高速回転する摩擦撹拌用回転工具の挿入部により軟化して十分に撹拌混合し、強固でかつ十分な結合力の得られる摩擦撹拌接合となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて自動車のサスペンション用リンクアームとして構成された実施例を説明する。図１〜４は第１実施例に係り、図１は摩擦撹拌接合方法を示す図３の１−１線に沿う断面図、図２は第１部材と第２部材との嵌合部を示す分解図、図３は摩擦撹拌接合後の結合状態を示す図、図４は製品全体を示す図である。
【００１１】
まず、図４において、このリンクアームは、アーム部１０とその両端に結合されるブッシュ取付部２０を備え、それぞれはアルミ製であり、接合ライン３０において摩擦撹拌接合されている。アーム部１０は、全体が中実の丸棒状をなし、その両端はブッシュ取付部２０の連結部２１に形成された丸穴２２へ嵌合する嵌合部１１をなし、本願発明の第２部材に相当する。
【００１２】
ブッシュ取付部２０は、図示省略のブッシュを嵌合するリング部２３を備え、その外周部に連結部２１が半径外方へ一体に突出形成されている。このブッシュ取付部２０は、リング部２３の中心軸線方向と平行に押し出す押出成形により得られたアルミ押出部材を、適当間隔で押出方向と直交方向へカットすることにより容易に得られる。このカット面は平面状のガイド面２４をなす。
【００１３】
この場合、アルミ押出部材をカットした後、機械加工により丸穴２２を嵌合部１１の外周とほぼ等しい内径に穿設する。なお、ブッシュ取付部２０は必ずしもアルミ押出部材から形成されるものでなく鋳造や鍛造等適宜方法により成形可能である。
【００１４】
これらアーム部１０とブッシュ取付部２０を結合するには、まず、図２に示すようにアーム部１０の嵌合部１１を連結部２１の丸穴２２へ嵌合する。このとき、第１部材であるブッシュ取付部２０の丸穴２２へ嵌合する第２部材であるアーム部１０の嵌合部１１の外周は図１に示すように丸穴２２の内面と円形断面をなして接触する接触部３１を形成する。
続いて図１に示すように高速回転する摩擦撹拌用回転工具４０を用いてガイド面２４側から摩擦撹拌接合する。
【００１５】
摩擦撹拌用回転工具４０は、大径部４１と、その先端側に形成された摩擦撹拌をおこなう軸部である小径のプローブ４２及び大径部４１からプローブ４２へ変化する部分に形成される肩部４３を備える。大径部４１とプローブ４２は同軸であり、その回転軸線Ｃをガイド面２４と直交する嵌合部１１の垂直方向接線ＬＶと一致させて、連結部２１側へ押しつけることにより、プローブ４２は連結部２１の一部を軟化させて連結部２１内へ挿入され、やがて嵌合部１１と連結部２１の接触部３１に達すると、嵌合部１１の一部も軟化させる。
【００１６】
この状態で挿入を続けると、ガイド面２４が水平方向接線ＬＨと平行であり、かつ接触部３１が断面円形であるから、プローブ４２の軸線方向にて連結部２１と嵌合部１１の各材料分布が不均一に変化し、その結果、プローブ４２と接触部３１の関係、すなわち、高さや接触量が変化するため、接触部３１を挟んで位置していた連結部２１と嵌合部１１の各軟化材料が十分に撹拌混合され、プローブ４２の周囲に撹拌混合部３２が形成される。
やがて肩部４３がガイド面２４へ当接すると、この状態で図１の矢示方向すなわち嵌合部１１の中心軸線と直交する横断方向へ肩部４３をガイド面２４上で摺動させながら移動させる。
【００１７】
この移動において、良好な撹拌混合が継続されるとともに、肩部４３はガイド面２４と密着できるため、軟化材料の溢れ出すおそれもなく、製造が容易になる。
しかも、ガイド面２４が嵌合部１１の水平方向接線ＬＨと平行であるから、プローブ４２の軸線方向及び移動方向を含む断面内において、ガイド面２４に案内されて移動するプローブ４２に対してやはり接合部３１が高さ変化して交わるため、プローブ４２の軸線方向における連結部２１と嵌合部１１の各軟化材料の撹拌混合を促進しする。
またこのプローブの軸線方向における撹拌混合は、プローブの軸線方向において接合する２部材の各材料分布が均一になる従来方法では期待できないような程度に十分なものとなる。
【００１８】
したがって、図３に結合状態を示すように、丸棒状のアーム部１０を連結部２１へ嵌合し、この嵌合部を摩擦撹拌接合するとき、強固かつ確実に十分な強度で結合でき、作業も容易にできる。また、従来のように全周を結合する必要がないので効率的に作業できる。しかも、溶接による結合は熱影響が残らず作業にそれほど熟練を求められないのでアルミ部材の接合に好適である。そのうえ、この方法によればアルミ製のサスペンションリンクアームを容易かつ確実に製造できる。
【００１９】
次に、第２実施例を説明する。図５は結合状態を示す図、図６は図５の６−６−線相当部断面図である。なお摩擦撹拌用回転工具４０の移動方向以外は前第１実施例と同様の構成であるので前実施例と共通部は同一符号を使用する（以下同じ））。
【００２０】
この例では、接合ライン３０を接触部３１に沿って、アーム部１０の中心から軸線ＣＡと平行に形成され、ガイド面２４上から見て嵌合部１１の左右両側に沿ってアーム部１０の長手方向へ左右一対の直線状に形成されている（以下、この方向を長手方向という）。
【００２１】
この接合ライン３０は、図６に示すように、摩擦撹拌用回転工具４０の中心軸線Ｃを嵌合部１１の左右の垂直方向接線ＬＶと一致するようにガイド面２４上から連結部２１へ挿入し、接合部３１に沿って前記アーム部１０の中心軸線と平行に長手方向へ移動させることにより形成される。このようにすると、前記第１実施例と同様に十分な撹拌混合効果を期待できるとともに、目的とする結合力の程度に応じて接合ライン３０の長さを自由に調整できるので、接合部形成の自由度が大きくなる。
【００２２】
次に、第３実施例を説明する。図７は結合状態を示す図、図８は図７の８−８線に沿う断面図、図９は図７の９−９線に沿う断面図である。この実施例ではアーム部１０がパイプ状をなす点で前各実施例と相違する。このようにアーム部１０をパイプ状にしたままであると、連結部２１と結合する嵌合部１１側の肉が少なすぎる。そこで、嵌合部１１相当部にアーム部１０の内径と同程度の外径を有する中実の別体補強ピース５０を嵌合し、第１実施例同様の方法で摩擦撹拌接合する。
【００２３】
これにより、図８及び図９に示すように、補強ピース５０と嵌合部１１との接触部５１も円形断面になるので、連結部２１、嵌合部１１及び補強ピース５０の各材料は、十分に撹拌混合される。したがってアーム部１０がパイプ状であっても強固な摩擦撹拌接合が可能になる。
【００２４】
次に、第４実施例を説明する。図１０は連結部２１が半円形断面図をなし、曲面部２５の一部に形成された平面状部分がガイド面２４をなしている。このガイド面２４を利用して第１実施例同様に摩擦撹拌接合する。このようにしても第１実施例同様に結合できるとともに、連結部２１が曲面であっても摩擦撹拌接合可能になる。
【００２５】
また、ガイド面２４の大きさは、摩擦撹拌用回転工具４０の移動量を確保できれば足り、連結部２１は断面半円形ばかりでなく、例えば１／４円弧相当部を切り欠いてガイド面２４を形成したようなものでもよい。
【００２６】
なお、本願発明は上記各実施例に限定されず、本願発明の原理内において種々に応用や変形が可能である。例えば、本願発明の適用対象となる製品は、サスペンション用の各種リンクアームが可能である。このときブッシュ取付部２０は嵌合部１１のいずれか一端部に設けただけのものでもよい。また、両端にブッシュ取付部２０を設ける場合、図４に示すように、ブッシュ取付部２０を同方向、すなわち双方のブッシュ取付部２０の中心軸線を同方向にするばかりでなく、９０°違いにすることもできる。
【００２７】
この場合、いずれか一方のブッシュ取付部２０とアーム部１０を一体にアルミ押出部材とし、他のブッシュ取付部２０もアルミ押出部材とすれば全てをアルミ押出部材として構成でき、製造効率が著しく向上する。さらに、アーム部１０とブッシュ取付部２０はいずれか一方がアルミ製であれば足り、他方は例えば鉄等の異種金属でもよい。このようにすればアルミ製と異種金属との結合を容易・確実にできる。また、アルミ以外の金属間における接合にも当然適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施例（図１〜４）に係る図３の１−１線に沿う断面図
【図２】  第１部材と第２部材との嵌合部を示す分解図
【図３】  摩擦撹拌接合後の結合状態を示す図
【図４】  製品全体を示す図
【図５】  第２実施例に係る図３と同様の図
【図６】  図５の６−６線に沿う断面図
【図７】  第３実施例（図７〜９）に係る図３と同様の図
【図８】  図７の８−８線に沿う断面図
【図９】  図７の９−９線に沿う断面図
【図１０】第４実施例に係る図１と同様部位の断面図
【図１１】従来例の断面図
【図１２】他の従来例の断面図
【符号の説明】
１０：アーム部、１１：嵌合部、２０：ブッシュ取付部、２１：連結部、２２：丸穴、２４：ガイド面、３０：接合ライン、３１：接触部、３２：撹拌混合部、４０：摩擦撹拌接合用工具、４２：プローブ、４３：肩部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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