元件、摩擦元件接合方法及摩擦元件接合接头的制造方法与流程

本发明涉及被称为few(friction element welding：摩擦元件焊接)的摩擦元件接合，尤其涉及适合作为将两张以上的钢板(例如普通钢板、高张力钢板等)、轻金属板(例如铝板、铝合金板、铜板等)等金属板重叠而进行接合的摩擦元件接合用的元件以及使用该元件的摩擦元件接合方法以及摩擦元件接合接头的制造方法。

背景技术：

1、近年来，在各种各样的领域中进行着用于应对全球变暖等环境问题的研究。在汽车产业中，正在开发削减燃料消耗量(所谓的燃料经济性提高)进而降低co2排出量的技术。例如，将内燃机和电动马达并用的技术(所谓的混合动力)、或采用被称为超高强度钢的高强度钢板来降低钢板的使用量，并使车身轻量化而谋求燃料经济性提高，并且提高驾驶员、同乘者的安全性的技术被实用化。

2、而且，为了实现车身的进一步的轻量化，也研究了采用轻金属材料(例如铝合金板、铜板等)来代替一部分钢材的技术。为了在生产线上批量生产这样的车身，例如需要将构成车身的骨架的钢制的框架与轻金属制的部件牢固地接合的技术。

3、以往，由于在车身使用了钢板(钢材)，因此例如利用了电弧焊接、电阻点焊等通用的熔融焊接法。但是，在上述那样的钢材与轻金属材料的接合中，无法采用该通用的熔融焊接法。例如，若想要通过熔融焊接法将高强度钢板与铝合金板接合，则生成fe与al的金属间化合物，其结果是，产生接合部显著脆化这样的问题。

4、因此，研究了不使钢板和轻金属板熔融而进行接合的技术。作为其代表性的例子，例如在非专利文献1中公开了使用金属制的接合部件(以下称为元件)进行摩擦元件接合的技术。该技术通过将金属板重叠而制成板组，使元件高速旋转，且对元件施加加压力而使其进入板组(以下，称为压入)来进行接合。

5、而且，例如在专利文献1中公开了摩擦焊接连接用的连接要素(元件)。该元件(连接要素)具备圆柱形的心轴、安装于该心轴的凸缘盘、以及从心轴的远离凸缘盘的一侧的实质上平坦的端面作为定心部而突出的销，心轴包围定心部，具有收容从定心部挤出的软化的材料的凹部、销为圆柱状或圆锥状是优选的。根据专利文献1所记载的元件，在将元件向板组压入时，首先销的顶点与板组抵接而保持在该位置，并且以高速旋转，由此能够在规定的位置集中产生摩擦热。

6、现有技术文献

7、专利文献

8、专利文献1：日本特表2013-527804号公报

9、非专利文献

10、非专利文献1：jamie d.skovron，brandt j.ruszkiewicz，and laine mears：“investigation of the cleaning and welding steps from the friction elementwelding process”asme 2017 12th international manufacturing science andengineering conference collocated with the jsme/asme 2017 6th internationalconference on materials and processing，june 4-8，2017，los angeles，calfornia，usa.

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、然而，在上述的现有技术中，发现产生了如下问题：在使销的顶点与上板抵接并使元件高速旋转而产生摩擦热的阶段，销的中心轴的位置容易大幅变动，摩擦热分散而不集中于上板的规定位置，因此上板不容易软化，其结果是，元件的心轴不贯通上板，贯通能力不足，板组的接合变得困难。特别是应用于不仅在下板而且在上板也配置有钢板的板组的情况下，该现象被显著地观察到。

3、本发明的目的在于消除上述现有技术的问题点，提供适合作为将2张以上的金属板重叠而成的板组的摩擦元件接合用的元件。

4、用于解决课题的技术方案

5、本发明人为了实现上述目的，对能够应用于在下板和上板这双方配置有金属板的由2张金属板构成的板组的摩擦元件接合的元件进行了深入研究。

6、由2张金属板构成的板组的上板是在将元件的心轴压入于板组之前，首先供销的顶点抵接的一侧的金属板。为了对这样的板组实施摩擦元件接合，需要使销的顶点抵接的位置不变动地使元件以高速旋转，使摩擦热集中于规定的位置。因此，本发明人进行了如下实验：使元件的销的顶点与上板的规定的位置抵接，详细地观察使元件以高速旋转时的状态。

7、其结果是，以高速旋转的销的顶点与上板抵接，随着进一步压入，与压入于上板的内部的销的体积相当的量的金属板(上板)被削出。发现如果能够将该被削出的金属板(切屑)顺畅地排出，则销能够在将其顶点保持在规定的位置的状态下压入于上板，心轴的下端面与上板抵接。而且，之后，如果元件能够在不使位置变动的情况下以高速继续旋转，则产生的摩擦热集中，摩擦热集中的该位置软化而容易产生塑性流动。进而发现了，如果能够将软化而变得能够流动的金属(即上板)顺畅地排出，则能够使心轴压入于上板并进一步贯通。

8、即，得到如下见解：通过对元件的前端形状进行研究，即使在2张或3张以上的金属板的板组中，也能够进行摩擦元件接合。特别是，在以上板为钢板的2张或3张以上的金属板的板组中，通过采用上述的前端形状，容易贯通。

9、即，发现了，如果是构成元件的销将从上板切削出的切削屑排出，并且形成用于排出因上板的塑性流动而产生的可流动的金属(以下，称为流动金属)的槽(以下，称为流动金属排出槽)的心轴，则能够通过摩擦元件接合可靠地接合由2张金属板构成的板组。

10、进而想到了，若将心轴的下端面设为呈顶角αm的圆锥状的面，并在该呈圆锥状的面配置用于排出切削屑等的槽(切削屑排出槽)、或者进一步配置切削刃，则能够更顺畅地进行组合了各种钢板的板组的摩擦元件接合。

11、本发明是基于这样的见解进一步进行研究而完成的。即，本发明的主旨如下。

12、[1]一种元件，该元件通过一边旋转一边向将2张以上的金属板重叠而成的板组压入来进行所述板组的摩擦元件接合，其中，

13、所述元件具备：圆柱形状的心轴，在所述摩擦元件接合中向所述板组压入；圆板状的凸缘盘，配置于该心轴的上端面；及顶角α的圆锥形状的销，以中心轴与所述心轴的中心轴一致的方式配置于所述心轴的下端面，并且在所述心轴的所述下端面的除了所述销之外的平坦的区域以涡旋状或放射线状形成有多个流动金属排出槽。

14、[2]一种元件，该元件通过一边旋转一边向将2张以上的金属板重叠而成的板组压入来进行所述板组的摩擦元件接合，其中，

15、所述元件具备：圆柱形状的心轴，在所述摩擦元件接合中向所述板组压入；及圆板状的凸缘盘，配置于该心轴的上端面，进而将所述心轴的下端面设为呈顶角αm的圆锥状的面，并且在该呈圆锥状的面上从顶点以曲线状或放射线状形成有一对以上的切削屑排出槽，或者进一步形成有多个切削刃。

16、[3]在[1]中记载的元件中，从凸缘盘的外周部的最下端到销的顶点为止的与所述中心轴平行的方向的距离l(mm)满足下述式(1)，该式(1)记作：

17、(ttotal-tbottom)+0.02mm≤l≤(ttotal-tbottom)+4mm…(1)

18、其中，ttotal：板组的总厚(mm)，tbottom：板组的下板的板厚(mm)

19、[4]在[2]中记载的元件中，从凸缘盘的外周部的最下端到心轴的下端面的顶点为止的与中心轴平行的方向的距离l(mm)满足下述式(1)，该式(1)记作：

20、(ttotal-tbottom)+0.02mm≤l≤(ttotal-tbottom)+4mm…(1)

21、其中，ttotal：板组的总厚(mm)，tbottom：板组的下板的板厚(mm)

22、[5]在[1]～[4]中任一项中记载的元件中，元件至少在外表面的一部分形成有由耐磨损性材料构成的涂覆膜。

23、[6]一种摩擦元件接合方法，所述摩擦元件接合方法使用[1]～[5]中任一项中记载的元件，通过使元件一边旋转一边向将2张以上的金属板重叠而成的板组压入来进行板组的接合。

24、[7]在[6]中记载的摩擦元件接合方法中，将2张以上的金属板重叠而成的板组是在下板及上板这双方配置有钢板的板组。

25、[8]一种摩擦元件接合接头的制造方法，所述摩擦元件接合接头的制造方法使用[1]～[5]中任一项中记载的元件，使元件一边旋转一边向将2张以上的金属板重叠而成的板组压入，进行板组的接合而形成摩擦元件接合接头。

26、[9]在[8]中记载的摩擦元件接合接头的制造方法中，将2张以上的金属板重叠而成的板组是在下板及上板这双方配置有钢板的板组。

27、发明效果

28、根据本发明，无论金属板的种类如何，不仅能够对将2张金属板作为下板以及上板重叠而成的板组实施摩擦元件接合，而且也能够对将3张以上的钢板重叠而成的板组、或者对将2张钢板作为下板以及上板并在其中间夹持1张以上的轻金属板的板组实施摩擦元件接合，在产业上起到显著的效果。