(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的結合部を有することで上方への巻き上げを防止すると共に、ショルダ部を不要にしてエネルギーロスを少なくして、短時間で接合可能な金属板の接合構造及び接合方法を提供する。【解決手段】第１金属板部材１１と、第１金属板部材１１とは異なる異種の第２金属板部材１２とを接合する金属板の接合構造であって、第１金属板部材１１及び第２金属板部材１２を重ね合わせた後に、機械加工により機械的結合部１３，１４を予め形成しておき、回転工具５１を用いて機械的結合部１３，１４を摩擦撹拌接合した金属板の接合構造。【選択図】図６
2007196255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属板部材と、該第１金属板部材とは異なる異種の第２金属板部材とを接合する金属板の接合構造であって、
前記第１金属板部材及び前記第２金属板部材を重ね合わせた後に、機械加工により機械的結合部を予め形成しておき、回転工具を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合したことを特徴とする金属板の接合構造。
【請求項２】
前記機械的結合部が、有底の筒形状に形成され、該機械的結合部内に挿入される凸部を有する回転工具と、前記機械的結合部を受ける凹部を有する回転工具受と、を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合したことを特徴とする請求項１に記載した金属板の接合構造。
【請求項３】
前記回転工具に有する前記凸部に、球面形状をなして突出した撹拌助長部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載した金属板の接合構造。
【請求項４】
前記機械的結合部が、有天の筒形状に形成され、該機械的結合部を受ける凹部を有する回転工具と、前記機械的結合部内に挿入される凸部を有する回転工具受と、を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合したことを特徴とする請求項１に記載した金属板の接合構造。
【請求項５】
第１金属板部材と、該第１金属板部材とは異なる異種の第２金属板部材とを接合する金属板の接合方法であって、
前記第１金属板部材及び前記第２金属板部材を重ね合わせた後に、機械加工により機械的結合部を予め形成しておき、回転工具を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合することを特徴とする金属板の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転工具を用いた摩擦撹拌接合法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ所謂ＦＳＷ）により接合する金属板の接合構造及び接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の金属板の接合構造として、回転ツールと受け部材とを用いて、一方の板部材を他方も板部材側に押圧して回転するピン部によって板部材間に凹部を形成して双方の板部材を接合するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１２に示すように、特許文献１に開示された金属板の接合構造は、回転工具１０１が、ピン部１０２とショルダ部１０３とを有し、第１及び第２板部材W1,W2の重ね面S1に直交する回転軸X回りに回転すると共に、回転軸X上を昇降する。また、受け部材１１０が、回転工具１０１と相対向する回転軸X上に配設されている。そして、回転工具１０１のピン部１０２が第１及び第２板部材W1,W2内に圧入され発熱すると共に、ショルダ部１０３と第１板部材W1表面との摩擦熱により第２板部材W2も軟化して、第１及び第２板部材W1,W2に塑性流動を生じさせる。これにより、第１板部材W1と第２板部材W2との連続した界面S2を残して凹部１１５が形成されると共に、突出部１１７を有する盛上り部１１６が第１板部材W1側に形成され、その後、第１及び第２板部材W1,W2が冷却されて硬化することで接合が完了する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２４８４６号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記特許文献１に開示された従来の金属板の接合構造においては、ピン部１０２の外周面部より第１板部材W1が上方へ巻き上げられると共に、ショルダ部１０３が第１板部材W1に接しているため、接合部以外の箇所も融溶されるので、エネルギーのロスとなり、また表面にバリが発生するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、機械的結合部を有することで上方への巻き上げを防止すると共に、ショルダ部を不要にしてエネルギーロスを少なくして、短時間で接合可能な金属板の接合構造及び接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１）本発明に係る金属板の接合構造は、第１金属板部材と、該第１金属板部材とは異なる異種の第２金属板部材とを接合する金属板の接合構造であって、
前記第１金属板部材及び前記第２金属板部材を重ね合わせた後に、機械加工により機械的結合部を予め形成しておき、回転工具を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合したことを特徴とする。
【０００８】
上記１）に記載の発明によれば、回転工具は、第１金属板部材と第２金属板部材との機械的結合部において摩擦撹拌接合が行われる。これにより、第１金属板部材と第２金属板部材とに相反する方向の外力が与えられたとしても、機械的結合部がその外力に耐えることができる。そして、機械的結合部は外力により破壊しないので上方への巻き上げを防止すると共に、ショルダ部を不要にしてエネルギーロスを少なくして、短時間で接合することができる。
【０００９】
２）また、本発明に係る金属板の接合構造は、上記１）に記載の金属板の接合構造において、前記機械的結合部が、有底の筒形状に形成され、該機械的結合部内に挿入される凸部を有する回転工具と、前記機械的結合部を受ける凹部を有する回転工具受と、を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合したことを特徴とする。
【００１０】
上記２）に記載の発明によれば、回転工具の凸部が機械的結合部における筒形状の有底部分を介して回転工具受に対して摩擦撹拌接合を行うことで、機械的結合部の底部に摩擦撹拌接合部が形成される。これにより、第１金属板部材と第２金属板部材とに相反する方向の外力が与えられたとしても、機械的結合部の筒形状部分がその外力を受けるために、摩擦撹拌接合部にはその外力が作用せずに、外力に耐えうる構造が得られる。
【００１１】
３）また、本発明に係る金属板の接合構造は、上記２）に記載の金属板の接合構造において、前記回転工具に有する前記凸部に、球面形状をなして突出した撹拌助長部が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記３）に記載の発明によれば、回転工具の凸部に球面形状をなす撹拌助長部が形成されることで、その撹拌助長部によって摩擦熱により軟化して塑性流動する材料が外周に向けて効率良く移動され、側部の筒形状部分が材料を受ける。これにより、材料の対流が促進されることで機械的結合部の底部を確実に接合することができる。
【００１３】
４）また、本発明に係る金属板の接合構造は、上記１）に記載の金属板の接合構造において、前記機械的結合部が、有天の筒形状に形成され、該機械的結合部を受ける凹部を有する回転工具と、前記機械的結合部内に挿入される凸部を有する回転工具受と、を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合したことを特徴とする。
【００１４】
上記４）に記載の発明によれば、回転工具の凹部が機械的結合部における筒形状の有天部分を介して回転工具受に対して摩擦撹拌接合を行うことで、機械的結合部の天部に摩擦撹拌接合部が形成される。これにより、第１金属板部材と第２金属板部材とに相反する方向の外力が与えられたとしても、機械的結合部の筒形状部分がその外力を受けるために、摩擦撹拌接合部にはその外力が作用せずに、外力に耐えうる構造が得られる。
【００１５】
５）また、本発明に係る金属板の接合方法は、第１金属板部材と、該第１金属板部材とは異なる異種の第２金属板部材とを接合する金属板の接合方法であって、
前記第１金属板部材及び前記第２金属板部材を重ね合わせた後に、機械加工により機械的結合部を予め形成しておき、回転工具を用いて該機械的結合部を摩擦撹拌接合することを特徴とする。
【００１６】
上記５）に記載の発明によれば、回転工具は、第１金属板部材と第２金属板部材との機械的結合部において摩擦撹拌接合が行われる。これにより、第１金属板部材と第２金属板部材とに相反する方向の外力に耐えることができ、機械的結合部は外力により破壊しないので、上方への巻き上げを防止すると共に、ショルダ部を不要にしてエネルギーロスを少なくして、短時間で接合することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の金属板の接合構造及び接合方法によれば、上方への巻き上げを防止すると共に、ショルダ部を不要にしてエネルギーロスを少なくして、短時間で接合できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る複数の好適な実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は本発明の金属板の接合構造の第１実施形態を用いた接合部材の外観斜視図、図２は図１に示す接合部材の上下を逆にした外観斜視図、図３は図１に示す金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第１接合行程を説明する断面図、図４は図１に示す金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第２接合行程を説明する断面図、図５は図１に示す金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第３接合行程を説明する断面図、図６は図１に示す金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第４接合行程を説明する断面図、図７は図１に示す接合部材の断面図である。
【００２０】
図１に示すように、本発明の金属板の接合構造及び接合方法の第１実施形態を用いた接合部材１０は、第１金属板部材１１と第２金属板部材１２とを接合することにより作成されている。
【００２１】
第１金属板部材１１は、各種金属材料の中でも比較的軟質の材料である、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、等を用いた軟質金属製の板部材であって、例えば１０ｍｍの厚さを有し、接合を行う所定の位置に、図１中の下方に突出した有底の円筒形状の機械的結合部１３が形成されている。
【００２２】
第２金属板部材１２は、各種金属材料の中でも比較的硬質の材料である、例えば、鋼、鉄、等の硬質金属製の板部材であって、例えば１０ｍｍの厚さを有し、接合を行う所定の位置に、図１中の下方に突出した有底の円筒形状の機械的結合部１４が形成されている。
【００２３】
第１金属板部材１１の機械的結合部１３と第２金属板部材１２の機械的結合部１４とは、摩擦撹拌接合を行う以前に両金属板部材１１，１２を上下に重ね合わせてから、プレス加工等を用いることで成形される。そのため、両機械的結合部１３，１４は、摩擦撹拌接合を行う前に、ある程度の結合力をもって組み付けられている。
【００２４】
図２に示すように、第１金属板部材１１の機械的結合部１３と第２金属板部材１２の機械的結合部１４とを挟み込むようにして摩擦撹拌接合を行うことで、機械的結合部１３，１４の底部（第１金属板部材１１の底部１５は図４に示す）１６に摩擦撹拌接合部１７が形成される。
【００２５】
次に、図３乃至図７を参照して、第１金属板部材１１と第２金属板部材１２とからなる接合部材１０を製造する接合行程について順に説明する。
【００２６】
図３に示すように、まず、第１接合行程において、母材となる第１金属板部材１１と同じく母材となる第２金属板部材１２とが重ね合わされる。
【００２７】
図４に示すように、第２接合行程において、重ね合わされた第１金属板部材１１と第２金属板部材１２との所定位置にプレス加工によって機械的結合部１３，１４が形成される。第１金属板部材１２の機械的結合部１３には、円筒形状の筒部１８の底部に円板形状の底部１５が形成される。第２金属板部材１２の機械的結合部１４には、円筒形状の筒部１９の底部に円板形状の底部１６が形成される。このとき、第１金属板部材１１の機械的結合部１３における筒部１８は、第２金属板部材１２の機械的結合部１４における筒部１９の内周部に結合され、第１金属板部材１１の機械的結合部１３における底部１５は、第２金属板部材１２の機械的結合部１４における底部１６の上面に結合される。プレス加工には、既存のプレス加工機が用いられる。
【００２８】
図５に示すように、第３接合行程において、それぞれが機械的結合部１３，１４において結合されている第１，第２金属板部材１１，１２のうちの第２金属板部材１２が回転工具受であるダイス５０上に配置され、第１金属板部材１１の上方から回転工具であるパンチ５１が進行される。ダイス５０には、その上端面に、機械的結合部１３，１４を収容する凹部５２が形成されており、パンチ５１には、機械的結合部１３，１４内に挿入される凸部５３が形成されている。また、パンチ５１の凸部５３の先端部には、球面形状をなして突出した撹拌助長部５４が形成されている。
【００２９】
そして、第３接合行程において、パンチ５１が、例えば１５００ｒｐｍの回転数で回転されながら、パンチ５１の凸部５３が機械的結合部１３，１４内に進行していくことで、凸部５３が両底部１５，１６を押圧し、その際、回転運動によって発生する摩擦熱により両底部１５，１６が加熱され、軟質金属製である第１金属板部材１１の底部１５が軟化される。
【００３０】
このとき、機械的結合部１３，１４の内周部は、深さＬ１であり、パンチ５１の凸部５３の突出長さＬ２と同一に設定されているが、パンチ５１の撹拌助長部５４が凸部５３の先端部からさらに突出しているために、撹拌助長部５４が両底部１５，１６の中央部に集中的に押圧される。これにより、軟質金属製である第１金属板部材１１の底部１５の軟化が助長され、摩擦熱により軟化して塑性流動する材料が底部１５の外周に向けて効率良く移動され、側部の筒部１８，１９が材料を受け止めることとなる。その結果、材料の対流が促進されることで機械的結合部１３，１４の底部１５，１６が確実に接合される。
【００３１】
図６に示すように、第４接合行程において、機械的結合部１３，１４の底部１５，１６が接合されたところで、パンチ５１が上昇され、第１，第２金属板部材１１，１２から離れる。そして、第１，第２金属板部材１１，１２がダイス５０から取り外されてイジェクトされる。
【００３２】
図７に示すように、イジェクトされることで、第１，第２金属板部材１１，１２における機械的結合部１３，１４の底部１５，１６に強固に接合された摩擦撹拌接合部１７をもつ接合部材１０が製造される。
【００３３】
このように製造された接合部材１０は、第１金属板部材１１に対して図７中の右方向の外力Ｆ１と、第２金属板部材に対して図７中の左方向の外力Ｆ２と、が与えられた場合、外力Ｆ１，Ｆ２に対して直交配置されている機械的結合部１３，１４の筒部１８，１９がその外力Ｆ１，Ｆ２を受けることで、その外力Ｆ１，Ｆ２が機械的結合部１３，１４の底部１５，１６に作用しないので、外力Ｆ１，Ｆ２に十分耐え得る構造となる。すなわち、筒部１８，１９が機械的な接合を司り、底部１５，１６が電気的な接合を司ることで、外力に対する耐久性と導通特性とを兼ね備えるものとなる。また、摩擦撹拌接合部１７は、材料が溶ける温度よりも低い温度で接合されるために、熱影響による歪みが少なく、欠陥を生ずることがない。
【００３４】
以上説明したように、金属板の接合構造及び接合方法の第１実施形態によれば、パンチ５１は、第１金属板部材１１と第２金属板部材１２との機械的結合部１３，１４において摩擦撹拌接合を行う。これにより、第１金属板部材１１と第２金属板部材１２とに相反する方向の外力が与えられたとしても、機械的結合部１３，１４がその外力に耐えることができる。そして、機械的結合部１３，１４は外力により破壊しないので上方への巻き上げを防止すると共に、ショルダ部を不要にしてエネルギーロスを少なくして、短時間で接合することができる。
【００３５】
また、金属板の接合構造の第１実施形態によれば、パンチ５１の凸部５３が機械的結合部１３，１４における底部１５，１６を介してダイス５０に対して摩擦撹拌接合を行うことで、機械的結合部１３，１４の底部１５，１６に摩擦撹拌接合部１７が形成される。これにより、第１金属板部材１１と第２金属板部材１２とに相反する方向の外力が与えられたとしても、機械的結合部１３，１４の筒部１８，１９がその外力を受けるために、摩擦撹拌接合部１７にはその外力が作用せずに、外力に耐えうる構造が得られる。
【００３６】
また、金属板の接合構造の第１実施形態によれば、パンチ５１の凸部５３に球面形状をなす撹拌助長部５４が形成されることで、その撹拌助長部５４によって摩擦熱により軟化して塑性流動する材料が外周に向けて効率良く移動され、側部の筒部１８，１９が材料を受け止める。これにより、材料の対流が促進されることで機械的結合部１３，１４の底部１５，１６を確実に接合することができる。
【００３７】
また、金属板の接合構造の第１実施形態によれば、パンチ５１の凸部５３に球面形状をなす撹拌助長部５４が形成されることで、凸部５３が大きな山形形状になるために、工具寿命を延長することで、多額の設備投資を不要とすることができる。
【００３８】
また、金属板の接合構造の第１実施形態によれば、万が一に、摩擦撹拌接合が過度に行われたことで、異種金属の合金層（金属間化合物）が必要以上できた場合であっても、摩擦撹拌接合部１７に外力が与えられない構造であるために、安定的な接合が創生される。
【００３９】
（第２実施形態）
次に、図８乃至図１１を参照して、本発明の金属板の接合構造及び接合方法の第２実施形態について説明する。なお、上述した金属板の接合構造の第１実施形態と重複する構成要素や機能的に同様な構成要素については、図中に同一符号あるいは相当符号を付すことによって説明を簡略化あるいは省略する。また、本実施形態の第１接合行程は図３と同一であるために図示を省略する。
【００４０】
図８は本発明の金属板の接合構造の第２実施形態を用いた接合部材の断面図、図９は図８に示す金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第２接合行程を説明する断面図、図１０は図８に示す金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第３接合行程を説明する断面図、図１１は図８に示す金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第４接合行程を説明する断面図である。
【００４１】
図８に示すように、本発明の金属板の接合構造及び接合方法の第２実施形態を用いて製造した接合部材３０は、第１金属板部材１１と第２金属板部材１２との機械的結合部１３，１４が、天部３１，３２と、筒部３３，３４と、を有し、天部３１，３２に摩擦撹拌接合部３５が形成される。
【００４２】
図９に示すように、第２接合行程において、重ね合わされた第１金属板部材１１と第２金属板部材１２との所定位置にプレス加工によって機械的結合部１３，１４が形成される。第１金属板部材１２の機械的結合部１３には、円筒形状の筒部３３の天部に円板形状の天部３１が形成される。第２金属板部材１２の機械的結合部１４には、円筒形状の筒部３４の天部に円板形状の天部３２が形成される。このとき、第１金属板部材１１の機械的結合部１３における天部３１には、天部３１の外径よりも小さい外径の凹状をなす助長部受部３６が形成されている。
【００４３】
図１０に示すように、第３接合行程において、それぞれが機械的結合部１３，１４において結合されている第１，第２金属板部材１１，１２のうちの第２金属板部材１２が回転工具受であるダイス６０上に配置され、第１金属板部材１１の上方から回転工具であるパンチ６１が進行される。ダイス６０には、その上端面に、機械的結合部１３，１４に収容される凸部６２が形成されており、パンチ６１には、機械的結合部１３，１４を収容する凹部６３が形成されている。また、パンチ６１の凹部６３の天部には、球面形状をなして内部に突出した撹拌助長部６４が形成されている。
【００４４】
そして、第３接合行程において、パンチ６１が回転されながら、パンチ６１の凹部６３が機械的結合部１３，１４に向けて進行していくことで、凹部６３が両天部３１，３２を押圧し、その際、回転運動によって発生する摩擦熱により両天部３１，３２が加熱され、軟質金属製である第１金属板部材１１の天部３１が軟化される。
【００４５】
このとき、機械的結合部１３，１４の外周部は、高さＬ３であり、パンチ６１の凹部６３の内部深さＬ４と同一に設定されているが、パンチ６１の撹拌助長部６４が凹部６３の天部から内周部に向けて突出しているために、撹拌助長部６４が両天部３１，３２の中央部において助長部受部３６に集中的に押圧される。これにより、軟質金属製である第１金属板部材１１の天部３１の軟化が助長され、摩擦熱により軟化して塑性流動する材料が助長部受部３６から天部３１の外周に向けて効率良く移動され、側部の筒部３３，３４が材料を受け止めることとなる。これにより、材料の対流が促進されることで機械的結合部１３，１４の天部３１，３２が確実に接合される。
【００４６】
図１１に示すように、第４接合行程において、機械的結合部１３，１４の天部３１，３２が接合されたところで、パンチ６１が上昇され、第１，第２金属板部材１１，１２から離れる。そして、第１，第２金属板部材１１，１２がダイス６０から取り外されてイジェクトされる。これにより、図８に示したように、第１，第２金属板部材１１，１２における機械的結合部１３，１４の天部３１，３２に強固に接合された摩擦撹拌接合部３５をもつ接合部材３０が製造される。
【００４７】
以上説明したように、金属板の接合構造及び接合方法の第２実施形態によれば、パンチ６１の凹部６３が機械的結合部１３，１４における天部３１，３２を介してダイス６０に対して摩擦撹拌接合を行うことで、機械的結合部１３，１４の天部３１，３２に摩擦撹拌接合部３５が形成される。これにより、第１金属板部材１１と第２金属板部材１２とに相反する方向の外力が与えられたとしても、機械的結合部１３，１４の筒部３３，３４がその外力を受けるために、摩擦撹拌接合部３５にはその外力が作用せずに、外力に耐えうる構造が得られる。そして、機械的結合部１３，１４は外力により破壊しないので上方への巻き上げを防止すると共に、ショルダ部を不要にしてエネルギーロスを少なくして、短時間で接合することができる。
【００４８】
また、金属板の接合構造の第２実施形態によれば、パンチ６１の凹部６３に球面形状をなす撹拌助長部６４が形成されることで、その撹拌助長部６４によって摩擦熱により軟化して塑性流動する材料が外周に向けて効率良く移動され、側部の筒部３３，３４が材料を受け止める。これにより、材料の対流が促進されることで機械的結合部の天部３１，３２を確実に接合することができる。
【００４９】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が自在である。例えば、機械的結合部の形状は、図２に示す円筒形状または図４に示す円錐台形状のいずれでも良き、プレス加工の成形性を考慮して選択すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の金属板の接合構造の第１実施形態を用いた接合部材の外観斜視図である。
【図２】図１に示した接合部材の上下を逆にした外観斜視図である。
【図３】図１に示した金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第１接合行程を説明する断面図である。
【図４】図１に示した金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第２接合行程を説明する断面図である。
【図５】図１に示した金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第３接合行程を説明する断面図である。
【図６】図１に示した金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第４接合行程を説明する断面図である。
【図７】図１に示した接合部材の断面図である。
【図８】本発明の金属板の接合構造の第２実施形態を用いた接合部材の断面図である。
【図９】図８に示した金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第２接合行程を説明する断面図である。
【図１０】図８に示した金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第３接合行程を説明する断面図である。
【図１１】図８に示した金属板の接合構造を用いた接合部材を製造する第４接合行程を説明する断面図である。
【図１２】従来の金属板の接合構造を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０，３０  接合部材
１１        第１金属板部材
１２        第２金属板部材
１３，１４  機械的結合部
５０，６０  ダイス（回転工具受）
５１，６１  パンチ（回転工具）
５２，６３  凹部
５３，６２  凸部
５４，６４  撹拌助長部
【図１】
2007196255.tif 000003
【図２】
2007196255.tif 000004
【図３】
2007196255.tif 000005
【図４】
2007196255.tif 000006
【図５】
2007196255.tif 000007
【図６】
2007196255.tif 000008
【図７】
2007196255.tif 000009
【図８】
2007196255.tif 000010
【図９】
2007196255.tif 000011
【図１０】
2007196255.tif 000012
【図１１】
2007196255.tif 000013
【図１２】
2007196255.tif 000014