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JP7661085B2 - Joined structure and joining method - Google Patents

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JP7661085B2
JP7661085B2 JP2021057683A JP2021057683A JP7661085B2 JP 7661085 B2 JP7661085 B2 JP 7661085B2 JP 2021057683 A JP2021057683 A JP 2021057683A JP 2021057683 A JP2021057683 A JP 2021057683A JP 7661085 B2 JP7661085 B2 JP 7661085B2
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Description

本発明は、摩擦撹拌部を介して接合される第1部材および第2部材における前記摩擦撹拌部に前記第1部材側から圧入される締結体、並びに当該締結体を用いた接合構造体および接合方法に関する。 The present invention relates to a fastener that is pressed into a friction stir portion of a first member and a second member that are joined through the friction stir portion from the first member side, and a joining structure and joining method that use the fastener.

航空機、鉄道車両、または自動車などの構造物の製造時に、金属または樹脂等からなる二以上の部材を重ね合わせて接合する作業が必要になる場合がある。この接合の一方法として、リベット(締結体)を用いた接合が知られている。 When manufacturing structures such as aircraft, railway cars, or automobiles, it may be necessary to overlap and join two or more members made of metal, resin, etc. One method of joining such structures is known to be the use of rivets (fasteners).

例えば、下記特許文献1には、リベットと熱溶融とを併用した方法で二以上の樹脂部材を接合することが開示されている。具体的に、特許文献1では、熱可塑性の2つの樹脂部材を上下に重ねるとともに両者の間に導電性の金属板を配置するステップと、配置された金属板を通電、加熱することにより各樹脂部材と金属板とを融着させるステップと、上側の樹脂部材と金属板とを貫通するようにリベットを打設(圧入)するステップとを含む方法により、前記両樹脂部材が接合される。 For example, the following Patent Document 1 discloses joining two or more resin members using a method that combines riveting and thermal melting. Specifically, in Patent Document 1, the two resin members are joined by a method that includes the steps of stacking two thermoplastic resin members one above the other and placing a conductive metal plate between them, passing electricity through and heating the placed metal plate to fuse the resin members and the metal plate, and driving (pressing) a rivet so that it penetrates the upper resin member and the metal plate.

特開2013-002505号公報JP 2013-002505 A

前記特許文献1の接合方法は、樹脂部材の間に導電性の金属板を別途配置する必要があるため、重量および製造コストの増大を招き易いという問題がある。そこで、当該問題を解決し得る代替の方法として、摩擦撹拌接合を採用することが提案される。なお、摩擦撹拌接合とは、回転ツールを接合対象に圧入する摩擦撹拌により二以上の部材を接合する方法のことである。この摩擦撹拌接合とリベットとを併用した接合方法によれば、導電性金属板が必須要素でなくなるため、重量および製造コストを抑制することが可能になる。 The joining method of Patent Document 1 requires the separate placement of a conductive metal plate between the resin members, which can lead to an increase in weight and manufacturing costs. Therefore, the adoption of friction stir welding is proposed as an alternative method that can solve this problem. Friction stir welding is a method of joining two or more members by friction stirring, in which a rotating tool is pressed into the objects to be joined. This joining method that combines friction stir welding and rivets makes it possible to reduce weight and manufacturing costs because a conductive metal plate is no longer an essential element.

上述した接合方法による場合、リベットは、摩擦撹拌された領域である摩擦撹拌部に圧入されることになる。ただしこの場合、圧入時にリベットの先端部が期待通りに拡径せず、求められる接合強度が得られない可能性がある。 When using the joining method described above, the rivet is pressed into the friction stir portion, which is the area that has been frictionally stirred. However, in this case, the tip of the rivet does not expand as expected when pressed in, and there is a possibility that the required joining strength will not be obtained.

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、摩擦撹拌部への圧入時に所望の形状に容易に変形可能な締結体を提供し、もって当該締結体を用いた接合構造体の接合強度を向上させることを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a fastener that can be easily deformed into a desired shape when pressed into a friction stir part, thereby improving the joining strength of a joining structure using the fastener.

前記課題を解決するためのものとして、本発明の一局面に係る接合構造体は、厚さ方向に重ねられた第1部材および第2部材と、前記第1部材と前記第2部材との重なり部に前記第1部材側からの回転ツールの圧入により形成される摩擦撹拌部前記摩擦撹拌部に前記第1部材側から圧入される締結体とを備え前記締結体は、前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と、前記頭部から前記第2部材側に延びる筒状の軸部とを備え、前記軸部は、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を有し、前記摩擦撹拌部における前記表面と反対側の面である底面は、前記第2部材の厚さ方向の途中の位置に形成され、前記軸部の先端部は、前記摩擦撹拌部の外側まで突出し、前記第2部材内に配置されるものである。 In order to solve the above problem, one aspect of the present invention provides a joint structure comprising a first member and a second member stacked in the thickness direction, a friction stir portion formed in the overlapping portion between the first member and the second member by pressing a rotary tool from the first member side, and a fastener pressed into the friction stir portion from the first member side, the fastener comprising a head disposed on the surface of the friction stir portion and a cylindrical shank extending from the head toward the second member, the shank having a promoting portion that promotes expansion of the diameter of a tip of the shank when pressed in, a bottom surface which is the surface of the friction stir portion opposite to the surface is formed at a position midway in the thickness direction of the second member, and the tip of the shank protrudes to the outside of the friction stir portion and is disposed within the second member .

本発明の他の局面に係る接合方法は、第1部材と第2部材との重なり部に形成される摩擦撹拌部に前記第1部材側から圧入される締結体として、前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と当該頭部から前記第2部材側に延びる筒状の軸部とを含むものを用意するとともに、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を前記軸部に形成する準備ステップと、前記第1部材と前記第2部材との重なり部に前記第1部材側から回転ツールを圧入する摩擦撹拌を行うことにより前記重なり部に前記摩擦撹拌部を形成する摩擦撹拌ステップと、前記第1部材側から前記摩擦撹拌部に前記締結体を圧入する締結ステップと、前記締結体の圧入前の寸法と、前記摩擦撹拌ステップでの摩擦撹拌深さと、前記締結ステップ後における前記摩擦撹拌部の上面からの前記頭部の突出量とに基づいて、前記締結ステップ後の前記軸部の先端径を推定し、推定した当該先端径が所定の閾値よりも大きい場合に良好な接合が行われたと判定する判定ステップとを含むものである。 A joining method according to another aspect of the present invention includes the steps of: preparing a fastener to be pressed into a friction stir portion formed at an overlapping portion between a first member and a second member from the first member side, the fastener including a head disposed on a surface of the friction stir portion and a cylindrical shank extending from the head toward the second member, and forming a promoting portion on the shank to promote diameter expansion of a tip portion of the shank during pressing; a friction stirring step of performing friction stirring by pressing a rotary tool into the overlapping portion between the first member and the second member from the first member side to form the friction stir portion in the overlapping portion; a fastening step of pressing the fastener into the friction stir portion from the first member side ; and a determination step of estimating a tip diameter of the shank after the fastening step based on a dimension of the fastener before pressing in, a friction stirring depth in the friction stirring step, and an amount of protrusion of the head from an upper surface of the friction stir portion after the fastening step, and determining that a good join has been performed if the estimated tip diameter is greater than a predetermined threshold value .

以上説明したように、本発明によれば、摩擦撹拌部への圧入時に所望の形状に容易に変形可能な締結体を提供することができ、当該締結体を用いた接合構造体の接合強度を向上させることができる。 As described above, the present invention provides a fastener that can be easily deformed into a desired shape when pressed into a friction stir part, and can improve the joining strength of a joining structure using the fastener.

本発明の一実施形態に係るリベットを単体で示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a single rivet according to an embodiment of the present invention. 前記リベットを接合対象に打設(圧入)した状態を示す図であり、当該リベットの打設により得られる接合構造体の構造を示す断面図である。FIG. 2 is a diagram showing the state in which the rivet has been driven (press-fitted) into the objects to be joined, and is a cross-sectional view showing the structure of a joined structure obtained by driving the rivet. 前記接合構造体の製造時に使用される摩擦撹拌接合装置の全体構成を示す模式図である。2 is a schematic diagram showing an overall configuration of a friction stir welding apparatus used in manufacturing the welded structure. FIG. 前記接合構造体を製造する第1の過程(準備工程)を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing a first process (preparation step) for manufacturing the joined structure. FIG. 前記接合構造体を製造する第2の過程(位置決め工程)を示す断面図である。5 is a cross-sectional view showing a second process (positioning step) of manufacturing the joined structure. FIG. 前記接合構造体を製造する第3の過程(摩擦撹拌工程)を示す断面図である。11 is a cross-sectional view showing a third process (friction stirring step) of manufacturing the joined structure. FIG. 前記接合構造体を製造する第4の過程(打設工程)を示す断面図である。A cross-sectional view showing the fourth process (casting process) of manufacturing the joint structure. 接合品質の合否を判定する手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing a procedure for determining whether or not the joining quality is acceptable. 前記実施形態の変形例を示す図1相当図である。FIG. 2 is a view corresponding to FIG. 1 and showing a modified example of the embodiment.

[リベットの構造]
図1は、本発明の一実施形態に係るリベット1を単体で示す断面図である。本図に示すように、リベット1は、円板状の頭部11と、頭部11から同心状に延びる円筒状の軸部12とを備えた締結体である。リベット1は、本実施形態では、下穴をもたない材料に非貫通で打設されるセルフピアスリベットである。なお、以下では、リベット1の軸方向のうち頭部11の側を「上」、軸部12の側を「下」というが、これは説明の便宜のためであり、リベット1の使用姿勢を限定する趣旨ではない。
[Rivet structure]
Fig. 1 is a cross-sectional view showing a rivet 1 according to one embodiment of the present invention. As shown in this figure, the rivet 1 is a fastener including a disk-shaped head 11 and a cylindrical shank 12 extending concentrically from the head 11. In this embodiment, the rivet 1 is a self-pierce rivet that is driven without penetrating into a material that does not have a pilot hole. In the following, the head 11 side of the rivet 1 in the axial direction will be referred to as "upper" and the shank 12 side as "lower", but this is for convenience of explanation and is not intended to limit the position in which the rivet 1 is used.

頭部11は、軸部12の上端の開口を閉塞する中実の円板状に形成されている。頭部11の外径をR1、軸部12の外径をR2とすると、外径R1は外径R2よりも大きい値に設定される。これにより、頭部11は、軸部12の上端に対し径方向外側に突出する部分を有する円板状に形成される。 The head 11 is formed in a solid disk shape that closes the opening at the upper end of the shaft portion 12. If the outer diameter of the head 11 is R1 and the outer diameter of the shaft portion 12 is R2, the outer diameter R1 is set to a value larger than the outer diameter R2. As a result, the head 11 is formed in a disk shape that has a portion that protrudes radially outward from the upper end of the shaft portion 12.

軸部12は、頭部11と同一の軸心に沿って上下方向に延びるように形成されている。軸部12は、頭部11よりも小さい一定の外径をもってストレート状に延びる円筒体であり、頭部11と反対側(下端側)に開放された中空部を内部に有している。軸部12および頭部11を含んだリベット1の軸方向の全体長さ(全長)をLとすると、この全長Lは、頭部11の厚さ(軸方向長さ)よりも十分に大きい値に設定される。 The shank 12 is formed to extend vertically along the same axis as the head 11. The shank 12 is a cylinder that extends in a straight line with a constant outer diameter smaller than the head 11, and has a hollow portion inside that is open on the opposite side (lower end side) of the head 11. If the overall axial length (total length) of the rivet 1 including the shank 12 and head 11 is L, this total length L is set to a value sufficiently larger than the thickness (axial length) of the head 11.

軸部12における頭部11と反対側の端部(下端部)つまり先端部12aは、先鋭状に形成されている。すなわち、軸部12の先端部12aは、先端側ほど(頭部11から遠ざかるほど)内径が大きくなるテーパ状の内周面12sを有している。当該内周面12sを含む先端部12aは、軸部12の先端(下端)の開口縁でもある。 The end (lower end) of the shaft 12 opposite the head 11, i.e., the tip 12a, is formed in a sharp point. That is, the tip 12a of the shaft 12 has a tapered inner circumferential surface 12s whose inner diameter increases toward the tip (the further away from the head 11). The tip 12a, including the inner circumferential surface 12s, is also the opening edge of the tip (lower end) of the shaft 12.

軸部12の外周面における軸方向(上下方向)の途中部には、凹溝15が形成されている。凹溝15は、軸部12の外周壁を局所的に減肉して得られる溝であり、断面視でU字状またはV字状等の所定の凹形状を有している。凹溝15は、軸部12の外周面において周方向に連続して延びるように形成されている。凹溝15の溝中心から軸部12の最先端位置12tまでの軸方向の距離をGとすると、この距離Gは、後述するリベット1の打設時に拡径する軸部12の拡径後の形状を左右するパラメータとなる。 A groove 15 is formed in the middle of the outer peripheral surface of the shank 12 in the axial direction (vertical direction). The groove 15 is a groove obtained by locally reducing the thickness of the outer peripheral wall of the shank 12, and has a predetermined concave shape such as a U-shape or V-shape in cross section. The groove 15 is formed so as to extend continuously in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the shank 12. If the axial distance from the groove center of the groove 15 to the tip end position 12t of the shank 12 is G, this distance G is a parameter that determines the shape of the shank 12 after it is expanded when the rivet 1 is driven, as described below.

リベット1の材質は、接合対象に打設可能な強度を有するものであればよく、適宜の材料から選択可能である。例えば、チタンや高張力鋼等の金属材、もしくは熱可塑性樹脂や熱可塑性複合材等の樹脂材を、リベット1の材質として用いることができる。なお、本実施形態のように繊維強化樹脂材の接合のためにチタン製のリベット1を用いる場合は、例えばTi-6AL-4V等のチタン合金製のリベットが好適である。 The material of the rivet 1 may be any suitable material as long as it has the strength to be able to be driven into the objects to be joined. For example, the material of the rivet 1 may be a metal material such as titanium or high tensile steel, or a resin material such as a thermoplastic resin or a thermoplastic composite material. When using a titanium rivet 1 to join fiber reinforced resin materials as in this embodiment, a rivet made of a titanium alloy such as Ti-6AL-4V is preferable.

[接合構造体の構造]
図2は、リベット1を接合対象に打設(圧入)した状態を示す図であり、当該リベット1の打設により得られる接合構造体30の構造を示す断面図である。本図に示すように、接合構造体30は、互いに重なり合った第1部材41および第2部材42と、両部材41,42の重なり部45に形成された摩擦撹拌部50と、摩擦撹拌部50に打設された上述のリベット1とを備える。接合構造体30は、例えば、航空機、鉄道車両、または自動車などの構造物に使用され得る。
[Structure of joint structure]
2 is a diagram showing the state in which the rivet 1 has been driven (press-fitted) into the objects to be joined, and is a cross-sectional view showing the structure of a joint structure 30 obtained by driving the rivet 1. As shown in this figure, the joint structure 30 includes a first member 41 and a second member 42 that overlap each other, a friction stir portion 50 formed in an overlapping portion 45 of both members 41, 42, and the above-mentioned rivet 1 driven into the friction stir portion 50. The joint structure 30 can be used in structures such as aircraft, railway vehicles, and automobiles, for example.

第1部材41および第2部材42は、いずれも板状の部材であり、第1部材41が上に(第2部材42が下に)なる姿勢で互いに上下方向に重なり合っている。重なり合った第1部材41および第2部材42は、摩擦撹拌部50が形成される予定の位置に重なり部45を形成する。 The first member 41 and the second member 42 are both plate-shaped members, and are stacked one on top of the other in the vertical direction with the first member 41 on top (and the second member 42 on the bottom). The stacked first member 41 and second member 42 form an overlapping portion 45 at the position where the friction stirring portion 50 is to be formed.

第1部材41および第2部材42は、いずれも熱可塑性複合材により構成されている。具体的に、第1部材41および第2部材42は、熱可塑性樹脂からなる基材と当該基材に含浸された多数の強化繊維とを含む繊維強化熱可塑性樹脂により構成されている。第2部材42の厚さは、第1部材41の厚さと同一でもよいし、異なっていてもよい。 The first member 41 and the second member 42 are both made of a thermoplastic composite material. Specifically, the first member 41 and the second member 42 are made of a fiber-reinforced thermoplastic resin that includes a base material made of a thermoplastic resin and a large number of reinforcing fibers impregnated into the base material. The thickness of the second member 42 may be the same as or different from the thickness of the first member 41.

第1部材41および第2部材42の基材として用いることが可能な熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリアミド(PA)、ポリスチレン(PS)、ポリアリールエーテルケトン(PEAK)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ABS樹脂、熱可塑性のエポキシ樹脂などを例示することができる。また、当該基材に含浸される強化繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維、もしくは有機繊維を例示することができる。 Examples of thermoplastic resins that can be used as the base material of the first member 41 and the second member 42 include polypropylene (PP), polyethylene (PE), polyamide (PA), polystyrene (PS), polyaryletherketone (PEAK), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), ABS resin, and thermoplastic epoxy resin. Examples of reinforcing fibers that are impregnated into the base material include carbon fibers, glass fibers, ceramic fibers, metal fibers, and organic fibers.

摩擦撹拌部50は、重なり部45において摩擦撹拌された材料が硬化することで形成された接合部である。摩擦撹拌部50は、後述する回転ツール101が圧入された領域に対応する円柱状に形成される。すなわち、摩擦撹拌部50は、円形の上面50aおよび底面50bと、円筒状の側周面50cとを有する。上面50aは、第1部材41の上面41aと略面一になる高さ位置に形成される。底面50bは、摩擦撹拌部50とその下側の非摩擦撹拌部(母材領域)との境界に相当する位置に形成される。側周面50cは、摩擦撹拌部50とその外周側の非摩擦撹拌部(母材領域)との境界に相当する位置に形成される。摩擦撹拌部50は、必ずしも下側の第2部材42まで達している必要はないが、本実施形態では、摩擦撹拌部50が第2部材42まで達するように、その深さが第1部材41の厚さよりも大きい値に設定されている。 The friction stir portion 50 is a joint formed by hardening the frictionally stirred material in the overlapping portion 45. The friction stir portion 50 is formed in a cylindrical shape corresponding to the region where the rotary tool 101 described later is pressed in. That is, the friction stir portion 50 has a circular upper surface 50a and a bottom surface 50b, and a cylindrical side surface 50c. The upper surface 50a is formed at a height position that is approximately flush with the upper surface 41a of the first member 41. The bottom surface 50b is formed at a position corresponding to the boundary between the friction stir portion 50 and the non-frictionally stirred portion (base material region) below it. The side surface 50c is formed at a position corresponding to the boundary between the friction stir portion 50 and the non-frictionally stirred portion (base material region) on the outer periphery side. The friction stir portion 50 does not necessarily need to reach the second member 42 below, but in this embodiment, the depth of the friction stir portion 50 is set to a value greater than the thickness of the first member 41 so that the friction stir portion 50 reaches the second member 42.

リベット1は、第1部材41と第2部材42とを機械的に接合するように摩擦撹拌部50に打設(圧入)される。すなわち、リベット1は、後述する回転ツール101による重なり部45の摩擦撹拌後に、当該重なり部45(摩擦撹拌部50)に打設されることにより、第1部材41と第2部材42とを機械的に接合する。この打設後の状態において、リベット1の頭部11は、摩擦撹拌部50の上面50a(表面)に当接する。また、前記打設により、リベット1の軸部12は、その先端部12aの外径が拡大した先拡がり状の形状に変化する。具体的に、前記打設後の軸部12は、第1部材41を貫通しかつ第2部材42の厚さ方向の途中まで延びるように配置され、かつ、先端側ほど(頭部11から遠ざかるほど)外径が拡大するように形成される。この状態における軸部12の先端部12aは、摩擦撹拌部50の外側まで突出し、第1部材41と第2部材42とを締結するインターロック部として機能する。すなわち、第1部材41と第2部材42とは、摩擦撹拌部50の外側まで突出する先端部12aからなるインターロック部と、摩擦撹拌部50の上面50aに配置される頭部11との間に挟まれることにより、互いに固定される。 The rivet 1 is driven (pressed) into the friction stir portion 50 so as to mechanically join the first member 41 and the second member 42. That is, after friction stirring of the overlapping portion 45 by the rotary tool 101 described later, the rivet 1 is driven into the overlapping portion 45 (friction stir portion 50) to mechanically join the first member 41 and the second member 42. In this driven state, the head 11 of the rivet 1 abuts against the upper surface 50a (surface) of the friction stir portion 50. In addition, the driving causes the shaft portion 12 of the rivet 1 to change into a flared shape with the outer diameter of the tip portion 12a being enlarged. Specifically, the shaft portion 12 after the driving is disposed so as to penetrate the first member 41 and extend halfway in the thickness direction of the second member 42, and is formed so that the outer diameter is enlarged toward the tip side (the further away from the head 11). In this state, the tip 12a of the shaft 12 protrudes to the outside of the friction stirring part 50 and functions as an interlock part that fastens the first member 41 and the second member 42. That is, the first member 41 and the second member 42 are fixed to each other by being sandwiched between the interlock part consisting of the tip 12a that protrudes to the outside of the friction stirring part 50 and the head 11 that is placed on the upper surface 50a of the friction stirring part 50.

[摩擦撹拌接合装置]
上述したリベット1および摩擦撹拌部50を含む接合構造体30は、図3に示される摩擦撹拌接合装置Mを用いて製造される。本図に示すように、摩擦撹拌接合装置Mは、複動式の回転ツール101と、回転ツール101を回転および昇降駆動するツール駆動部102と、ツール駆動部102の動作を制御するコントローラCとを含む。なお、図3には「上」「下」の方向表示を付しているが、これは説明の便宜のためであり、実際の回転ツール101の使用姿勢を限定する趣旨ではない。
[Friction stir welding device]
The welded structure 30 including the above-mentioned rivet 1 and friction stir part 50 is manufactured using a friction stir welding apparatus M shown in Fig. 3. As shown in this figure, the friction stir welding apparatus M includes a double-acting rotary tool 101, a tool driving part 102 that drives the rotary tool 101 to rotate and raise and lower, and a controller C that controls the operation of the tool driving part 102. Note that although Fig. 3 shows directional indications of "up" and "down", this is for the convenience of explanation and is not intended to limit the actual use posture of the rotary tool 101.

回転ツール101は、図略のツール固定部によって支持される。このツール固定部は、例えば多関節ロボットの先端部とすることができる。回転ツール101の下端面に対向して、バックアップ部材115が配置されている。回転ツール101とバックアップ部材115との間には、接合対象である第1部材41および第2部材42が配置される。 The rotating tool 101 is supported by a tool fixing part (not shown). This tool fixing part can be, for example, the tip of an articulated robot. A backup member 115 is disposed opposite the lower end surface of the rotating tool 101. A first member 41 and a second member 42, which are to be joined, are disposed between the rotating tool 101 and the backup member 115.

回転ツール101は、ピン部材111と、ショルダ部材112と、クランプ部材113と、スプリング114とを備える。ピン部材111は円柱状に形成された部材であり、その軸線が上下方向に延びるように配置されている。ピン部材111は、前記軸線を回転軸Rとして回転することが可能であり、かつ、回転軸Rに沿って上下方向に昇降(進退移動)することが可能である。 The rotating tool 101 includes a pin member 111, a shoulder member 112, a clamp member 113, and a spring 114. The pin member 111 is a member formed in a cylindrical shape and is arranged so that its axis extends in the vertical direction. The pin member 111 can rotate about the axis R, and can move up and down (advance and retreat) in the vertical direction along the rotation axis R.

ショルダ部材112は、ピン部材111の外周を覆うように配置されている。すなわち、ショルダ部材112は、ピン部材111が内挿される中空部を備えた円筒状の部材である。ショルダ部材112の軸線は、ピン部材111の軸線(回転軸R)と同軸上にある。ショルダ部材112は、ピン部材111と同一の回転軸R回りに回転し、かつ回転軸Rに沿って上下方向に昇降(進退移動)することが可能である。このように、ショルダ部材112とその中空部に内挿されたピン部材111とは、いずれも回転軸R回りに回転しかつ当該回転軸Rに沿って相対移動することが可能である。すなわち、ピン部材111およびショルダ部材112は、回転軸Rに沿って同時に昇降するだけでなく、一方が下降し他方が上昇するという独立移動が可能である。 The shoulder member 112 is disposed so as to cover the outer periphery of the pin member 111. That is, the shoulder member 112 is a cylindrical member having a hollow portion into which the pin member 111 is inserted. The axis of the shoulder member 112 is coaxial with the axis of the pin member 111 (rotation axis R). The shoulder member 112 rotates around the same rotation axis R as the pin member 111, and can move up and down (advance and retreat) along the rotation axis R. In this way, both the shoulder member 112 and the pin member 111 inserted in its hollow portion can rotate around the rotation axis R and move relatively along the rotation axis R. That is, the pin member 111 and the shoulder member 112 can not only simultaneously move up and down along the rotation axis R, but can also move independently, with one descending and the other ascending.

クランプ部材113は、ショルダ部材112の外周を覆うように配置されている。すなわち、クランプ部材113は、ショルダ部材112が内挿される中空部を備えた円筒状の部材である。クランプ部材113の軸線も、回転軸Rと同軸上にある。クランプ部材113は、軸回りに回転はしないが、回転軸Rに沿って上下方向に昇降(進退)することが可能である。クランプ部材113は、ピン部材111またはショルダ部材112が摩擦撹拌を行う際に、これらの外周を囲う役目を果たす。クランプ部材113の囲いによって、摩擦撹拌材料を四散させず、摩擦撹拌部を平滑に仕上げることができる。 The clamp member 113 is disposed so as to cover the outer periphery of the shoulder member 112. In other words, the clamp member 113 is a cylindrical member with a hollow portion into which the shoulder member 112 is inserted. The axis of the clamp member 113 is also coaxial with the rotation axis R. The clamp member 113 does not rotate around its axis, but can move up and down (advance and retreat) along the rotation axis R. The clamp member 113 serves to surround the outer periphery of the pin member 111 or the shoulder member 112 when they perform friction stirring. The enclosure of the clamp member 113 prevents the friction stirring material from scattering, and allows the friction stirring portion to be finished smoothly.

スプリング114は、クランプ部材113の上端側に取り付けられ、クランプ部材113を接合対象に向かう方向(下方)に付勢している。クランプ部材113は、スプリング114を介して、前記ツール固定部に取り付けられている。 The spring 114 is attached to the upper end side of the clamp member 113 and biases the clamp member 113 in a direction (downward) toward the joining object. The clamp member 113 is attached to the tool fixing portion via the spring 114.

バックアップ部材115は、接合対象の下面に当接する上面(支持面)を備える。すなわち、バックアップ部材115は、ピン部材111またはショルダ部材112が接合対象に圧入される際に、当該接合対象を支持する裏当て部材である。スプリング114で付勢されたクランプ部材113は、接合対象をバックアップ部材115に押し当てる。 The backup member 115 has an upper surface (support surface) that abuts against the lower surface of the joining object. In other words, the backup member 115 is a backing member that supports the joining object when the pin member 111 or the shoulder member 112 is pressed into the joining object. The clamp member 113, biased by the spring 114, presses the joining object against the backup member 115.

ツール駆動部102は、回転駆動部121、ピン駆動部122、ショルダ駆動部123およびクランプ駆動部124を含む。回転駆動部121は、ピン部材111およびショルダ部材112を回転軸R回りに回転駆動する機構である。ピン駆動部122は、回転軸Rに沿ってピン部材111を進退移動(昇降)させる機構である。ピン駆動部122は、ピン部材111の接合対象への圧入並びに接合対象からの退避を行うように、ピン部材111を駆動する。ショルダ駆動部123は、回転軸Rに沿ってショルダ部材112を進退移動させる機構であって、ショルダ部材112の接合対象への圧入並びに退避を行わせる。クランプ駆動部124は、回転軸Rに沿ってクランプ部材113を進退移動させる機構である。クランプ駆動部124は、クランプ部材113を接合対象に向けて移動させ、接合対象をバックアップ部材115に押圧させる。この際、スプリング114の付勢力が作用する。各駆動部121~124は、それぞれサーボモータおよび伝達ギア等を含み、当該サーボモータの回転に応じてそれぞれの駆動対象に所望の動作を行わせる。 The tool driving unit 102 includes a rotation driving unit 121, a pin driving unit 122, a shoulder driving unit 123, and a clamp driving unit 124. The rotation driving unit 121 is a mechanism that rotates the pin member 111 and the shoulder member 112 around the rotation axis R. The pin driving unit 122 is a mechanism that moves the pin member 111 forward and backward (raising and lowering) along the rotation axis R. The pin driving unit 122 drives the pin member 111 so as to press the pin member 111 into the joining object and to retract it from the joining object. The shoulder driving unit 123 is a mechanism that moves the shoulder member 112 forward and backward along the rotation axis R, and presses the shoulder member 112 into the joining object and retracts it. The clamp driving unit 124 is a mechanism that moves the clamp member 113 forward and backward along the rotation axis R. The clamp driver 124 moves the clamp member 113 toward the joining object, pressing the joining object against the backup member 115. At this time, the biasing force of the spring 114 acts. Each of the drivers 121 to 124 includes a servo motor, a transmission gear, etc., and causes the respective driven objects to perform the desired operation in response to the rotation of the servo motor.

コントローラCは、マイクロコンピュータ等からなり、所定の制御プログラムを実行することでツール駆動部102の各部の動作を制御する。具体的に、コントローラCは、回転駆動部121を制御して、ピン部材111およびショルダ部材112に所要の回転動作を行わせる。また、コントローラCは、ピン駆動部122、ショルダ駆動部123、およびクランプ駆動部124を制御して、ピン部材111、ショルダ部材112、およびクランプ部材113に所要の進退移動動作を行わせる。 The controller C is composed of a microcomputer or the like, and controls the operation of each part of the tool driving unit 102 by executing a predetermined control program. Specifically, the controller C controls the rotation driving unit 121 to cause the pin member 111 and the shoulder member 112 to perform the required rotational operation. The controller C also controls the pin driving unit 122, the shoulder driving unit 123, and the clamp driving unit 124 to cause the pin member 111, the shoulder member 112, and the clamp member 113 to perform the required forward and backward movement operation.

以上のような構造の摩擦撹拌接合装置Mは、通常、二以上の部材を摩擦撹拌接合により接合するために使用される。この摩擦撹拌接合装置Mを用いた摩擦撹拌接合は、ショルダ先行プロセスによる接合方法と、ピン先行プロセスによる接合方法とに大別することができる。 The friction stir welding apparatus M having the above-mentioned structure is usually used to join two or more members by friction stir welding. Friction stir welding using this friction stir welding apparatus M can be broadly divided into a shoulder-first process joining method and a pin-first process joining method.

ショルダ先行プロセスによる接合方法では、前記二以上の部材の重なり部に対し回転ツール101のショルダ部材112を先行して圧入させて摩擦撹拌を行うとともに、ピン部材111を前記重なり部から退避させる。その後、ショルダ部材112を退避(上昇)させつつピン部材111を下降させることにより、前記重なり部の上面を平滑化する。これに対し、ピン先行プロセスによる接合方法では、前記重なり部に対し回転ツール101のピン部材111を先行して圧入させて摩擦撹拌を行うとともに、ショルダ部材112を前記重なり部から退避させる。その後、ピン部材111を退避(上昇)させつつショルダ部材112を下降させることにより、前記重なり部の上面を平滑化する。 In a joining method using the shoulder-first process, the shoulder member 112 of the rotating tool 101 is pressed into the overlapping portion of the two or more components first to perform friction stirring, and the pin member 111 is withdrawn from the overlapping portion. The pin member 111 is then lowered while the shoulder member 112 is withdrawn (raised) to smooth the upper surface of the overlapping portion. In contrast, in a joining method using the pin-first process, the pin member 111 of the rotating tool 101 is pressed into the overlapping portion first to perform friction stirring, and the shoulder member 112 is withdrawn from the overlapping portion. The shoulder member 112 is then lowered while the pin member 111 is withdrawn (raised) to smooth the upper surface of the overlapping portion.

[接合方法]
次に、上述した摩擦撹拌接合装置Mを用いて第1部材41および第2部材42を接合する方法について詳しく説明する。本実施形態において第1部材41および第2部材42を接合する際には、リベット1の打設と摩擦撹拌接合とを組み合わせたリベット併用摩擦撹拌接合が用いられる。リベット併用摩擦撹拌接合は、接合手段としてリベットが追加される点で通常の摩擦撹拌接合とは異なるが、本実施形態では上述したショルダ先行プロセスを応用することにより、図3に示した摩擦撹拌接合装置Mのみを用いて(リベット1を打設するための別の装置を追加することなく)リベット併用摩擦撹拌接合を実現することが可能である。すなわち、第1部材41および第2部材42の接合時には、両者の重なり部45に対し回転ツール101のショルダ部材112が圧入されて摩擦撹拌が実行されるとともに、当該摩擦撹拌後の重なり部45(摩擦撹拌部50)にピン部材111を用いてリベット1が打設される。これにより、第1部材41と第2部材42とが接合されてなる接合構造体30が製造される。詳しくは、第1・第2部材41,42の接合方法には、下記の4つの工程P1~P4が含まれる。
[Joining method]
Next, a method for joining the first member 41 and the second member 42 using the above-mentioned friction stir welding apparatus M will be described in detail. In this embodiment, when joining the first member 41 and the second member 42, riveted friction stir welding, which combines the driving of the rivet 1 and friction stir welding, is used. The riveted friction stir welding differs from normal friction stir welding in that a rivet is added as a joining means, but in this embodiment, by applying the above-mentioned shoulder-first process, it is possible to realize riveted friction stir welding using only the friction stir welding apparatus M shown in FIG. 3 (without adding another device for driving the rivet 1). That is, when joining the first member 41 and the second member 42, the shoulder member 112 of the rotary tool 101 is pressed into the overlapping portion 45 of both members to perform friction stirring, and the rivet 1 is driven into the overlapping portion 45 (friction stirring portion 50) after the friction stirring using the pin member 111. As a result, a joining structure 30 in which the first member 41 and the second member 42 are joined is manufactured. Specifically, the method for joining the first and second members 41, 42 includes the following four steps P1 to P4.

工程P1は、図4に示すように、リベット1を回転ツール101に装着する準備工程である。この準備工程P1において回転ツール101に装着されるリベット1は、重なり部45に打設される前のリベット1であり、その軸部12は未だ拡径していない。すなわち、準備工程P1で用いられるリベット1は、頭部11と、当該頭部11からストレート状に延びる円筒形の軸部12とを備えている。 As shown in FIG. 4, process P1 is a preparation process in which the rivet 1 is attached to the rotary tool 101. The rivet 1 attached to the rotary tool 101 in this preparation process P1 is the rivet 1 before it is driven into the overlapping portion 45, and the shank 12 has not yet been expanded in diameter. In other words, the rivet 1 used in preparation process P1 has a head 11 and a cylindrical shank 12 that extends in a straight line from the head 11.

リベット1を回転ツール101に装着するため、コントローラC(図3)は、ピン駆動部122を駆動してピン部材111を上昇させ、ショルダ部材112の内部にリベット1の収容空間Vを創出する。すなわち、コントローラCは、ピン部材111の先端(下端)111aを、リベット1の全長L(図1)以上のストロークだけショルダ部材112の先端(下端)112aに対し上昇させることにより、ショルダ部材112の下端開口に連なる収容空間Vを形成する。この収容空間Vにリベット1を収容可能とするため、リベット1としては、ショルダ部材112の内径よりもわずかに小さい外径を有するものが選択される。 To attach the rivet 1 to the rotary tool 101, the controller C (Fig. 3) drives the pin driver 122 to raise the pin member 111 and create an accommodation space V for the rivet 1 inside the shoulder member 112. That is, the controller C raises the tip (lower end) 111a of the pin member 111 relative to the tip (lower end) 112a of the shoulder member 112 by a stroke equal to or greater than the overall length L (Fig. 1) of the rivet 1, thereby forming an accommodation space V that is connected to the lower end opening of the shoulder member 112. To enable the rivet 1 to be accommodated in this accommodation space V, a rivet 1 having an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the shoulder member 112 is selected.

工程P2は、図5に示すように、第1部材41と第2部材42とが上から順に重ねられた重なり部45に対し、リベット1が装着された回転ツール101を位置決めする位置決め工程である。この位置決め工程P2において、コントローラCは、バックアップ部材115上に支持された重なり部45の中心に回転ツール101の回転軸R(図3)が一致するように位置決めした上で、ショルダ部材112およびクランプ部材113の各先端112a,113aが第1部材41の上面41aに当接するようにショルダ駆動部123およびクランプ駆動部124を制御する。また、コントローラCは、ピン部材111の先端111aと第1部材41の上面41aとの間にリベット1が収容されるように、ピン部材111とショルダ部材112との軸方向の相対位置関係(ピン先端111aがショルダ先端112aに対し所定量上方に退避した状態)を保持する。 As shown in FIG. 5, step P2 is a positioning step in which the rotary tool 101 with the rivet 1 attached is positioned with respect to the overlapping portion 45 in which the first member 41 and the second member 42 are overlapped from above. In this positioning step P2, the controller C positions the rotary tool 101 so that the rotation axis R (FIG. 3) coincides with the center of the overlapping portion 45 supported on the backup member 115, and then controls the shoulder drive unit 123 and the clamp drive unit 124 so that the tips 112a, 113a of the shoulder member 112 and the clamp member 113 abut against the upper surface 41a of the first member 41. The controller C also maintains the relative axial positional relationship between the pin member 111 and the shoulder member 112 (the pin tip 111a is retracted a predetermined amount above the shoulder tip 112a) so that the rivet 1 is accommodated between the tip 111a of the pin member 111 and the upper surface 41a of the first member 41.

工程P3は、図6に示すように、ショルダ部材112を回転させつつ圧入する摩擦撹拌工程である。この摩擦撹拌工程P3において、コントローラCは、回転駆動部121を制御してピン部材111およびショルダ部材112を高速回転させつつ、ショルダ駆動部123を制御してショルダ部材112を下降させ、当該ショルダ部材112を重なり部45に圧入する。また、コントローラCは、ピン駆動部122を制御してピン部材111を上昇させる。この動作により、重なり部45が摩擦撹拌されて、材料の軟化および塑性流動が生じ、軟化した材料Q1がショルダ部材112の圧入領域から溢れ出す。溢れ出した軟化材料Q1は、ピン部材111の上昇(退避)により生じたショルダ部材112内の中空空間に逃がされる(矢印b1参照)。なお、摩擦撹拌工程P3の開始時において、既に収容空間V(図4)が形成されるほどピン部材111は上方に退避しているので、前記のピン部材111の退避動作は省いてもよい。 As shown in FIG. 6, process P3 is a friction stirring process in which the shoulder member 112 is pressed in while being rotated. In this friction stirring process P3, the controller C controls the rotation drive unit 121 to rotate the pin member 111 and the shoulder member 112 at high speed, while controlling the shoulder drive unit 123 to lower the shoulder member 112 and press the shoulder member 112 into the overlapping portion 45. The controller C also controls the pin drive unit 122 to raise the pin member 111. This operation frictionally stirs the overlapping portion 45, causing softening and plastic flow of the material, and the softened material Q1 overflows from the press-in area of the shoulder member 112. The overflowing softened material Q1 is released into the hollow space in the shoulder member 112 created by the rise (retraction) of the pin member 111 (see arrow b1). At the start of the friction stirring process P3, the pin members 111 have already been retracted upward to the extent that the storage space V (FIG. 4) is formed, so the retraction operation of the pin members 111 may be omitted.

ショルダ部材112の圧入深さをh1とすると、この圧入深さh1は、ショルダ部材112が少なくとも上側の第1部材41を貫通するような値に設定される。本実施形態では、ショルダ部材112が上側の第1部材41を貫通しかつ下側の第2部材42を貫通しないような値に圧入深さh1を設定した例が示される。言い換えると、本実施形態における圧入深さh1は、第1部材41の厚さt1よりも大きく、かつ、当該厚さt1と第2部材42の厚さt2との合計(t1+t2)よりも小さい値に設定されている。 If the press-in depth of the shoulder member 112 is h1, this press-in depth h1 is set to a value such that the shoulder member 112 penetrates at least the upper first member 41. In this embodiment, an example is shown in which the press-in depth h1 is set to a value such that the shoulder member 112 penetrates the upper first member 41 but does not penetrate the lower second member 42. In other words, the press-in depth h1 in this embodiment is set to a value that is greater than the thickness t1 of the first member 41 and smaller than the sum (t1 + t2) of the thickness t1 and the thickness t2 of the second member 42.

本実施形態において、第1部材41および第2部材42は熱可塑性複合材であるから、前記摩擦撹拌により軟化した材料Q1には強化繊維が含まれている。ただし、この軟化材料Q1中の強化繊維は、摩擦撹拌によって細かく切断されている。このことは、後続するリベット1の打設を容易とする。 In this embodiment, the first member 41 and the second member 42 are thermoplastic composite materials, so the material Q1 softened by the friction stirring contains reinforcing fibers. However, the reinforcing fibers in this softened material Q1 are cut into small pieces by the friction stirring. This makes it easier to install the rivet 1 in the following process.

工程P4は、図7(a)(b)に示すように、リベット1を重なり部45に打設する打設工程である。この打設工程P4において、コントローラCは、回転駆動部121を制御してピン部材111およびショルダ部材112を高速回転させつつ、ショルダ駆動部123を制御してショルダ部材112を上昇させる。また、このショルダ部材112の上昇に続けて、コントローラCは、ピン駆動部122を制御してピン部材111を下降させる。この動作により、重なり部45に円柱状の摩擦撹拌部50が形成されるとともに、この摩擦撹拌部50を含む領域にリベット1が打設される。以下、摩擦撹拌部50の形成およびリベット1の打設について詳しく説明する。 As shown in Fig. 7(a) and (b), process P4 is a driving process in which the rivet 1 is driven into the overlapping portion 45. In this driving process P4, the controller C controls the rotation drive unit 121 to rotate the pin member 111 and the shoulder member 112 at high speed, while controlling the shoulder drive unit 123 to raise the shoulder member 112. Following the raising of the shoulder member 112, the controller C controls the pin drive unit 122 to lower the pin member 111. This operation forms a cylindrical friction stir portion 50 in the overlapping portion 45, and the rivet 1 is driven into the area including the friction stir portion 50. The formation of the friction stir portion 50 and the driving of the rivet 1 are described in detail below.

まず、打設工程P4による摩擦撹拌部50の形成について説明する。打設工程P4では、ショルダ部材112が上昇しかつピン部材111が下降することにより、前記中空空間に逃がされていた軟化材料Q1(図6)が、ショルダ部材112が圧入されていた領域へと移動し、材料の埋め戻しが行われる。埋め戻された材料は、前記中空空間に存在していた材料と共に、重なり部45に摩擦撹拌部50を形成する。摩擦撹拌部50は、重なり部45において摩擦撹拌を経験した材料により構成され、ショルダ部材112の外径ds(図7(b))に略一致する外径Srと、ショルダ部材112の圧入深さh1(図6)に略一致する高さSdとを有した円柱状に形成される。すなわち、摩擦撹拌部50は、高さSd(≒h1)の円筒形の側周面50cと、外径Sr(≒ds)の円形の上面50aおよび底面50bとを有する。摩擦撹拌部50では材料が軟化している一方で、摩擦撹拌部50の周囲の母材領域では、第1部材41および第2部材42の本来の硬度が維持され、強化繊維による補強構造も維持されている。 First, the formation of the friction stir portion 50 by the casting process P4 will be described. In the casting process P4, the shoulder member 112 rises and the pin member 111 descends, so that the softened material Q1 (FIG. 6) that has escaped into the hollow space moves to the area where the shoulder member 112 was pressed in, and the material is backfilled. The backfilled material forms the friction stir portion 50 in the overlapping portion 45 together with the material that was in the hollow space. The friction stir portion 50 is made of the material that has experienced friction stirring in the overlapping portion 45, and is formed into a cylindrical shape having an outer diameter Sr that is approximately equal to the outer diameter ds (FIG. 7(b)) of the shoulder member 112 and a height Sd that is approximately equal to the press-in depth h1 (FIG. 6) of the shoulder member 112. That is, the friction stir part 50 has a cylindrical side surface 50c with a height Sd (≒h1) and a circular top surface 50a and bottom surface 50b with an outer diameter Sr (≒ds). While the material is softened in the friction stir part 50, the original hardness of the first member 41 and the second member 42 is maintained in the base material region around the friction stir part 50, and the reinforcement structure by the reinforcing fibers is also maintained.

次に、打設工程P4によるリベット1の打設について説明する。打設工程P4では、ピン部材111の下降に応じてリベット1が下方に押圧され、押圧されたリベット1が重なり部45に押し込まれる。言い換えると、打設工程P4では、回転ツール101に備わる既存の部品(ピン部材111)を用いてリベット1が打設される。このため、本実施形態では、リベット1を打設する工具を別途準備することなく、リベット1および摩擦撹拌部50の組合せからなる接合部を重なり部45に形成することが可能である。 Next, the driving of the rivet 1 in the driving process P4 will be described. In the driving process P4, the rivet 1 is pressed downward as the pin member 111 descends, and the pressed rivet 1 is forced into the overlapping portion 45. In other words, in the driving process P4, the rivet 1 is driven using an existing part (pin member 111) provided in the rotating tool 101. Therefore, in this embodiment, it is possible to form a joint consisting of a combination of the rivet 1 and the friction stir portion 50 in the overlapping portion 45 without separately preparing a tool for driving the rivet 1.

具体的に、打設工程P4では、ピン駆動部122がピン部材111を下降させてリベット1の頭部11に押圧力を与え、リベット1を重なり部45へ押し込む(図7(a)参照)。リベット1は、ピン部材111の先端111aに頭部11の頂面が対向するように、予め収容空間V(図4)に装填されている。したがって、ピン部材111が下降すると、リベット1も下降し、その軸部12が先端側から摩擦撹拌部50の内部へ進入してゆく。このようなリベット1の進入(ピン部材111の押下)が進行すると、やがて軸部12の先端部12aが摩擦撹拌部50の底面50bに到達する。 Specifically, in the driving step P4, the pin driver 122 lowers the pin member 111 to apply a pressing force to the head 11 of the rivet 1, forcing the rivet 1 into the overlapping portion 45 (see FIG. 7(a)). The rivet 1 is pre-loaded in the storage space V (FIG. 4) so that the top surface of the head 11 faces the tip 111a of the pin member 111. Therefore, when the pin member 111 descends, the rivet 1 also descends, and its shank 12 advances from the tip side into the interior of the friction stirring portion 50. As the rivet 1 advances in this way (pushing down the pin member 111), the tip 12a of the shank 12 eventually reaches the bottom surface 50b of the friction stirring portion 50.

ここで、底面50bよりも下方の領域は未軟化の母材領域であるから、先端部12aが底面50bに到達すると、軸部12に作用する軸方向の抵抗力が増大する。したがって、少なくとも先端部12aが底面50bに到達した状態において、軸部12には、その先端部12aを拡径させる力が作用する。このような拡径力の発生は、先端部12aに形成されたテーパ状の内周面12sによって助長される。すなわち、先端部12aが底面50bに到達することによる抵抗力の増大と、先端部12aの内周面12sのテーパ形状との相乗効果により、軸部12の先端部12aを拡径させる大きな力が作用する。この拡径力を受けた軸部12は、その外周面に形成された凹溝15を起点に座屈変形し、これによって図7(b)に示すように、軸部12が先拡がり状に変形して、先端部12aの外径が拡大する。言い換えると、凹溝15は、軸部12の圧入時(リベット1の打設時)に当該軸部12の先端部12aが拡径するのを促進する促進部として機能する。 Here, since the region below the bottom surface 50b is an unsoftened base material region, when the tip portion 12a reaches the bottom surface 50b, the axial resistance acting on the shaft portion 12 increases. Therefore, at least when the tip portion 12a reaches the bottom surface 50b, a force acts on the shaft portion 12 to expand the diameter of the tip portion 12a. The generation of such an expanding force is promoted by the tapered inner peripheral surface 12s formed on the tip portion 12a. That is, due to the synergistic effect of the increase in resistance caused by the tip portion 12a reaching the bottom surface 50b and the tapered shape of the inner peripheral surface 12s of the tip portion 12a, a large force acts to expand the diameter of the tip portion 12a of the shaft portion 12. The shaft portion 12 subjected to this expanding force buckles and deforms starting from the groove 15 formed on its outer peripheral surface, and as a result, as shown in FIG. 7(b), the shaft portion 12 is deformed in a flared shape, and the outer diameter of the tip portion 12a is expanded. In other words, the groove 15 functions as a promoter that promotes the expansion of the tip 12a of the shank 12 when the shank 12 is pressed in (when the rivet 1 is driven).

図7(b)は、リベット1の頭部11が重なり部45の上面(摩擦撹拌部50の上面50a)に到達した状態、つまりリベット1の打設が完了した状態を示している。本図に示すように、リベット1の打設完了時、その軸部12の先端部12aは、摩擦撹拌部50の底面50bを越えてその下方の前記母材領域へ圧入されるだけでなく、摩擦撹拌部50の側周面50cを越えてその外側の母材領域へも圧入されるようになる。このように摩擦撹拌部50の外側に圧入された先端部12aは、第1部材41と第2部材42とを引き剥がす力に抗するアンカー効果を発揮する。すなわち、先端部12aは、第1部材41と第2部材42とを締結するインターロック部として機能する。 7(b) shows the state where the head 11 of the rivet 1 has reached the upper surface of the overlapping portion 45 (upper surface 50a of the friction stirring portion 50), i.e., the state where the driving of the rivet 1 has been completed. As shown in this figure, when the driving of the rivet 1 is completed, the tip 12a of the shaft 12 of the rivet 1 not only passes over the bottom surface 50b of the friction stirring portion 50 and is pressed into the base material area below it, but also passes over the side surface 50c of the friction stirring portion 50 and is pressed into the base material area on the outside. The tip 12a thus pressed into the outside of the friction stirring portion 50 exerts an anchor effect against the force that pulls the first member 41 and the second member 42 apart. In other words, the tip 12a functions as an interlocking portion that fastens the first member 41 and the second member 42 together.

以上の工程P1~P4により、重なり部45に摩擦撹拌部50が形成されかつリベット1が打設される。リベット1および摩擦撹拌部50の組合せは、第1部材41と第2部材42とを重なり部45において比較的強固に接合する。 By carrying out the above steps P1 to P4, the friction stir portion 50 is formed in the overlapping portion 45 and the rivet 1 is driven. The combination of the rivet 1 and the friction stir portion 50 relatively firmly joins the first member 41 and the second member 42 at the overlapping portion 45.

[合否判定]
次に、上述した接合方法による第1・第2部材41,42の接合時にリベット1が適切に打設されたか否かを確認する方法、つまりリベット1による接合品質の合否を判定する方法について説明する。図8は、この合否判定の具体的手順を示すフローチャートである。本図に示す制御は、図4~図7に示したリベット併用摩擦撹拌接合の本制御と並行してコントローラCにより実行される。図8の制御がスタートすると、コントローラCは、リベット1の各部の寸法を取得する(ステップS1)。具体的に、コントローラCは、図1に示したリベット1の全長L、軸部12の外径R2、および凹溝15の軸方向位置を表す距離Gを、それぞれ取得する。これらの寸法は、コントローラCに内蔵された記憶部に予め格納されている。
[Pass/Fail Judgment]
Next, a method for checking whether the rivet 1 has been properly placed when joining the first and second members 41, 42 by the joining method described above, that is, a method for judging the pass/fail of the joining quality by the rivet 1, will be described. FIG. 8 is a flow chart showing a specific procedure for this pass/fail judgment. The control shown in this figure is executed by the controller C in parallel with the main control of the riveting-assisted friction stir welding shown in FIGS. 4 to 7. When the control in FIG. 8 starts, the controller C acquires the dimensions of each part of the rivet 1 (step S1). Specifically, the controller C acquires the total length L of the rivet 1 shown in FIG. 1, the outer diameter R2 of the shank 12, and the distance G representing the axial position of the recessed groove 15. These dimensions are stored in advance in a memory unit built into the controller C.

次いで、コントローラCは、回転ツール101を重なり部45に圧入する摩擦撹拌を実行する(ステップS2)。すなわち、コントローラCは、ショルダ部材112を高速回転させつつ重なり部45に圧入し(図6参照)、その後ショルダ部材112を上昇(退避)させることにより、重なり部45に摩擦撹拌部50(図7(a))を形成する。 Next, the controller C performs friction stirring by pressing the rotating tool 101 into the overlapping portion 45 (step S2). That is, the controller C presses the shoulder member 112 into the overlapping portion 45 while rotating it at high speed (see FIG. 6), and then raises (retreats) the shoulder member 112 to form the friction stirring portion 50 (FIG. 7(a)) in the overlapping portion 45.

次いで、コントローラCは、摩擦撹拌部50の外径Sr(図7(b))を取得する(ステップS3)。以下、摩擦撹拌部50の外径Srのことを摩擦撹拌径Srと略称する。摩擦撹拌径Srは、ショルダ部材112の外径dsに略一致する値として予め前記記憶部に記憶されている。 Next, the controller C acquires the outer diameter Sr of the friction stirring unit 50 (FIG. 7(b)) (step S3). Hereinafter, the outer diameter Sr of the friction stirring unit 50 is abbreviated as the friction stirring diameter Sr. The friction stirring diameter Sr is stored in advance in the storage unit as a value that is approximately equal to the outer diameter ds of the shoulder member 112.

次いで、コントローラCは、摩擦撹拌部50の高さSdを算出する(ステップS4)。以下、摩擦撹拌部50の高さSdのことを摩擦撹拌深さSdと略称する。摩擦撹拌深さSdは、例えば、ショルダ駆動部123のサーボモータに内蔵されるエンコーダからの出力値に基づき算出することができる。すなわち、コントローラCは、摩擦撹拌を開始したときのショルダ部材112の軸値(上下方向の座標)と、摩擦撹拌中にショルダ部材112が最も下降したときの軸値とを前記エンコーダの出力値からそれぞれ特定し、特定した両軸値の差分、つまりショルダ部材112の重なり部45への圧入深さを、摩擦撹拌深さSdとして算出する。 Next, the controller C calculates the height Sd of the friction stirring portion 50 (step S4). Hereinafter, the height Sd of the friction stirring portion 50 is abbreviated as the friction stirring depth Sd. The friction stirring depth Sd can be calculated, for example, based on the output value from an encoder built into the servo motor of the shoulder drive unit 123. That is, the controller C identifies the axial value (vertical coordinate) of the shoulder member 112 when friction stirring is started and the axial value when the shoulder member 112 is at its lowest point during friction stirring from the output value of the encoder, and calculates the difference between the identified axial values, that is, the press-in depth of the shoulder member 112 into the overlapping portion 45, as the friction stirring depth Sd.

次いで、コントローラCは、摩擦撹拌部50にリベット1を打設する(ステップS5)。すなわち、コントローラCは、ピン部材111を下降させてリベット1を押し下げることにより、リベット1の軸部12を摩擦撹拌部50に圧入する(図7(b)参照)。 Next, the controller C drives the rivet 1 into the friction stirring part 50 (step S5). That is, the controller C lowers the pin member 111 to press down the rivet 1, thereby pressing the shaft 12 of the rivet 1 into the friction stirring part 50 (see FIG. 7(b)).

次いで、コントローラCは、摩擦撹拌部50の上面50aからの頭部11の突出量Hを算出する(ステップS6)。例えば、コントローラCは、ピン駆動部122およびショルダ駆動部123に内蔵されるエンコーダからの出力値から、ピン部材111の下降が完了した図7(b)の時点におけるピン部材111の軸値とショルダ部材112の軸値とをそれぞれ特定し、特定した両軸値の差分を頭部11の突出量Hとして算出する。 Next, the controller C calculates the amount of protrusion H of the head 11 from the upper surface 50a of the friction stirring unit 50 (step S6). For example, the controller C determines the axial value of the pin member 111 and the axial value of the shoulder member 112 at the time when the descent of the pin member 111 is completed (FIG. 7(b)) from the output values from the encoders built into the pin driving unit 122 and the shoulder driving unit 123, and calculates the difference between the determined axial values as the amount of protrusion H of the head 11.

次いで、コントローラCは、軸部12の先端部12aの外径である先端径Rdを推定する(ステップS7)。具体的に、コントローラCは、前記ステップS1で取得されたリベット1の寸法(リベット1の全長L、軸部12の外径R2、凹溝15の軸方向位置を表す距離G)と、前記ステップS4で算出された摩擦撹拌深さSdと、前記ステップS6で算出された頭部11の突出量Hとに基づいて、軸部12の先端径Rdを推定する。すなわち、リベット1の打設後の軸部12の先端径Rdは、軸部12が摩擦撹拌部50に圧入される過程で生じる当該軸部12の拡径、特に当該軸部12が凹溝15を起点に座屈することで生じる拡径がもたらす寸法であるから、このような先端径Rdは、リベット1の大きさ(全長Lおよび外径R2)と、凹溝15の軸方向位置(距離G)と、摩擦撹拌深さSdとによってそれぞれ変化する。また、頭部11の突出量Hは、リベット1が適切に打設されたか否かによって変化し、打設が不十分な場合には突出量Hが頭部11の厚さよりも大きくなる。不十分な打設はやはり上述の先端径Rdを狂わせるので、その意味において先端径Rdは突出量Hによっても変化する。以上の事情から、ステップS7では、上述の各パラメータL,R2,G,Sd,Hに基づき先端径Rdが推定される。この推定にあたっては、例えば、実験等により予め定められたモデル演算式を用いることができる。 Next, the controller C estimates the tip diameter Rd, which is the outer diameter of the tip 12a of the shank 12 (step S7). Specifically, the controller C estimates the tip diameter Rd of the shank 12 based on the dimensions of the rivet 1 acquired in step S1 (the total length L of the rivet 1, the outer diameter R2 of the shank 12, and the distance G representing the axial position of the groove 15), the friction stir depth Sd calculated in step S4, and the protrusion amount H of the head 11 calculated in step S6. That is, the tip diameter Rd of the shank 12 after the rivet 1 is driven is a dimension caused by the expansion of the shank 12 that occurs in the process of the shank 12 being pressed into the friction stir part 50, particularly the expansion caused by the shank 12 buckling from the groove 15, so such tip diameter Rd varies depending on the size of the rivet 1 (total length L and outer diameter R2), the axial position of the groove 15 (distance G), and the friction stir depth Sd. Furthermore, the amount of protrusion H of the head 11 varies depending on whether the rivet 1 is properly driven, and if the rivet is not driven properly, the amount of protrusion H will be greater than the thickness of the head 11. Insufficient driving will also distort the tip diameter Rd described above, so in that sense the tip diameter Rd also varies depending on the amount of protrusion H. For these reasons, in step S7, the tip diameter Rd is estimated based on the parameters L, R2, G, Sd, and H described above. For this estimation, for example, a model calculation formula previously determined by experiments or the like can be used.

次いで、コントローラCは、前記ステップS7で推定された軸部12の先端径Rdが、前記ステップS3で取得された摩擦撹拌径Srよりも大きいか否かを判定する(ステップS8)。 Next, the controller C determines whether the tip diameter Rd of the shaft portion 12 estimated in step S7 is greater than the friction stirring diameter Sr obtained in step S3 (step S8).

前記ステップS8でYESと判定されて先端径Rdが摩擦撹拌径Srよりも大きいことが確認された場合、コントローラCは、リベット1の打設(圧入)が適切に行われたものと判定し、その判定(OK判定)の結果を作業者に提供するなどの所定の処理を行う(ステップS9)。すなわち、先端径Rdが摩擦撹拌径Srよりも大きいということ(Rd>Sr)は、軸部12の先端部12aが摩擦撹拌部50の外側の母材領域まで食い込んでいること、つまりインターロック部が適切に形成されたことを意味する。このようなインターロック部の形成は、リベット1による接合品質が良好であることを示唆している。そこで、コントローラCは、ステップS9においてOK判定を提示する。 If the answer to step S8 is YES and it is confirmed that the tip diameter Rd is larger than the friction stir diameter Sr, the controller C judges that the rivet 1 has been properly driven (pressed in) and performs a predetermined process, such as providing the operator with the result of this judgment (OK judgment) (step S9). In other words, the tip diameter Rd being larger than the friction stir diameter Sr (Rd>Sr) means that the tip 12a of the shaft 12 has penetrated into the base material region outside the friction stir portion 50, that is, the interlock portion has been properly formed. The formation of such an interlock portion suggests that the joining quality of the rivet 1 is good. Therefore, the controller C presents an OK judgment in step S9.

一方、前記ステップS8でNOと判定されて先端径Rdが摩擦撹拌径Sr以下であることが確認された場合、コントローラCは、リベット1の打設(圧入)が適切に行われなかったものと判定し、その判定(NG判定)の結果を作業者に提供するなどの所定の処理を行う(ステップS10)。すなわち、先端径Rdが摩擦撹拌径Sr以下ということ(Rd≦Sr)は、軸部12の先端部12aが摩擦撹拌部50の外側の母材領域まで食い込んでいないこと、つまりインターロック部の形成が未達であることを意味する。このようなインターロック部の非形成は、リベット1による接合品質が不良であることを示唆している。そこで、コントローラCは、ステップS10においてNG判定を提示する。 On the other hand, if the result of step S8 is NO and it is confirmed that the tip diameter Rd is equal to or less than the friction stir diameter Sr, the controller C determines that the rivet 1 was not properly driven (pressed in) and performs a predetermined process, such as providing the result of this determination (NG determination) to the worker (step S10). In other words, the tip diameter Rd being equal to or less than the friction stir diameter Sr (Rd≦Sr) means that the tip 12a of the shaft 12 has not penetrated into the base material region outside the friction stir portion 50, that is, the formation of the interlock portion has not been achieved. Such non-formation of the interlock portion suggests that the joining quality of the rivet 1 is poor. Therefore, the controller C presents an NG determination in step S10.

[作用効果]
以上説明したように、本実施形態では、第1部材41と第2部材42との接合時に、両者の重なり部45が回転ツール101により摩擦撹拌されるとともに、それによって形成された摩擦撹拌部50に対しさらにリベット1が圧入されるので、摩擦撹拌部50とリベット1との組合せにより、第1部材41と第2部材42とを十分な強度で接合することができる。
[Action and Effect]
As described above, in this embodiment, when the first member 41 and the second member 42 are joined, the overlapping portion 45 of both members is friction-stirred by the rotating tool 101, and the rivet 1 is further pressed into the friction-stirring portion 50 formed thereby. Therefore, the combination of the friction-stirring portion 50 and the rivet 1 can join the first member 41 and the second member 42 with sufficient strength.

特に、本実施形態において用いられるリベット1は、周方向に延びる凹溝15が外周面に形成された軸部12を含むので、当該リベット1の摩擦撹拌部50への圧入時に、凹溝15を起点に軸部12を座屈させて当該軸部12の先端部12aを容易に拡径させることができる。これにより、摩擦撹拌部50の外側の母材領域まで軸部12の先端部12aが食い込んだ状態を高い確率で得ることができ、当該母材領域に食い込んだ先端部12aからなるインターロック部の機能により第1部材41と第2部材42とを機械的に適切に接合することができる。このことは、摩擦撹拌部50による接合との組合せにより、第1部材41と第2部材42とを十分な強度で接合することを可能にし、接合品質を向上させることができる。 In particular, the rivet 1 used in this embodiment includes a shaft portion 12 having a circumferentially extending groove 15 formed on the outer circumferential surface, so that when the rivet 1 is pressed into the friction stir portion 50, the shaft portion 12 can be buckled starting from the groove 15, and the tip portion 12a of the shaft portion 12 can be easily enlarged in diameter. This makes it possible to obtain a state in which the tip portion 12a of the shaft portion 12 is embedded into the base material region outside the friction stir portion 50 with a high probability, and the first member 41 and the second member 42 can be mechanically and appropriately joined by the function of the interlock portion consisting of the tip portion 12a embedded in the base material region. This, in combination with the joining by the friction stir portion 50, makes it possible to join the first member 41 and the second member 42 with sufficient strength, improving the joining quality.

ここで、本実施形態では、軸部12の拡径を促進するための手段(促進部)として、軸部12の外周壁が局所的に減肉されてなる凹溝15が用いられるため、この凹溝15の深さによってはリベット1自体の耐荷重が有意に低下するおそれがある。すなわち、凹溝15の深さをむやみに大きくすると、前記インターロック部は確実に得られたとしても、接合強度の向上代が限定的になるおそれがある。このことから、凹溝15の深さは、前記インターロック部の形成に必要な程度に前記拡径を促進する効果が得られる範囲においてできるだけ小さくすることが望ましい。言い換えると、凹溝15の深さは、軸部12の拡径促進とリベット1の耐荷重(もしくは接合強度)とを良好にバランスし得る値に決定することが望ましい。 In this embodiment, the groove 15 formed by locally thinning the outer wall of the shank 12 is used as a means (promotion portion) for promoting the expansion of the shank 12, and depending on the depth of the groove 15, the load-bearing capacity of the rivet 1 itself may be significantly reduced. In other words, if the depth of the groove 15 is made too large, even if the interlock portion is reliably obtained, the improvement in the joint strength may be limited. For this reason, it is desirable to make the depth of the groove 15 as small as possible within a range that can achieve the effect of promoting the expansion to the extent necessary for the formation of the interlock portion. In other words, it is desirable to determine the depth of the groove 15 to a value that can achieve a good balance between the promotion of the expansion of the shank 12 and the load-bearing capacity (or joint strength) of the rivet 1.

また、本実施形態では、軸部12の先端部12aにテーパ状の(先端側ほど内径が大きくなる)内周面12sが形成されるので、リベット1の圧入時に軸部12に作用する抵抗力を、テーパ状の内周面12sを介して拡径力に変換することができる。このことは、上述した凹溝15の作用との相乗効果により、先端部12aの拡径を十分に促進することにつながる。これにより、前記インターロック部が形成される確率をより高めることができ、接合品質を十分に向上させることができる。 In addition, in this embodiment, a tapered inner circumferential surface 12s (with the inner diameter increasing toward the tip) is formed at the tip 12a of the shank 12, so that the resistance force acting on the shank 12 when the rivet 1 is pressed in can be converted into an expansion force via the tapered inner circumferential surface 12s. This, in combination with the action of the groove 15 described above, sufficiently promotes the expansion of the tip 12a. This further increases the probability that the interlock portion is formed, and sufficiently improves the joining quality.

また、本実施形態では、リベット1の圧入前の各寸法(図1のL,R2,G)と、摩擦撹拌部50の深さである摩擦撹拌深さSdと、摩擦撹拌部50の上面50aに対するリベット1の頭部11の突出量Hとに基づいて、圧入後の軸部12の先端径Rdが推定されるとともに、推定された先端径Rdと所定の閾値(ここでは摩擦撹拌部50の外径である摩擦撹拌径Sr)との比較に基づいて接合品質の合否が判定される。このような構成によれば、特殊な検査装置(例えばX線やサーモグラフィ等を用いた検査装置)を必要としない簡便な方法で、リベット1による接合品質を保障することができる。 In addition, in this embodiment, the tip diameter Rd of the shank 12 after pressing is estimated based on the dimensions of the rivet 1 before pressing (L, R2, G in FIG. 1), the friction stir depth Sd, which is the depth of the friction stir portion 50, and the protrusion amount H of the head 11 of the rivet 1 relative to the upper surface 50a of the friction stir portion 50, and the quality of the joint is judged to be acceptable or unacceptable based on a comparison between the estimated tip diameter Rd and a predetermined threshold value (here, the friction stir diameter Sr, which is the outer diameter of the friction stir portion 50). With this configuration, the quality of the joint by the rivet 1 can be guaranteed by a simple method that does not require special inspection equipment (e.g., inspection equipment using X-rays or thermography).

特に、本実施形態では、軸部12の先端径Rdを推定するための寸法パラメータの1つとして、凹溝15の軸方向の位置を表す距離G(図1)が用いられるので、凹溝15を起点に軸部12が座屈する現象を考慮した適切な先端径Rdの推定値を得ることができ、当該先端径Rdの推定精度を高めることができる。 In particular, in this embodiment, the distance G (FIG. 1) representing the axial position of the groove 15 is used as one of the dimensional parameters for estimating the tip diameter Rd of the shaft portion 12, so that an appropriate estimate of the tip diameter Rd can be obtained that takes into account the phenomenon in which the shaft portion 12 buckles starting from the groove 15, thereby improving the accuracy of the estimation of the tip diameter Rd.

[変形例]
前記実施形態では、リベット1の軸部12の先端部12aが拡径するのを促進する手段つまり促進部として、軸部12の外周面に凹溝15を形成したが、促進部は、先端部12aの拡径を促進し得るものであればよく、凹溝15に限定されない。例えば、図9に示すように、内周壁および外周壁の双方を減肉させてなる減肉部65を軸部12の途中部に設け、当該減肉部65を促進部として機能させることも可能である。また、図示を省略するが、軸部12を軸方向に並ぶ第1部分と第2部分とに2分割し、当該第1部分および第2部分を相対的に強度の低い溶着金属等を用いて同軸に接合するようにしてもよい。このようにすれば、前記第1部分と前記第2部分との接合部(溶着部)を促進部として機能させることができる。
[Modification]
In the above embodiment, the groove 15 is formed on the outer peripheral surface of the shank 12 as a means for promoting the expansion of the tip 12a of the shank 1 of the rivet 1, that is, as a promoting portion. However, the promoting portion is not limited to the groove 15 as long as it can promote the expansion of the tip 12a. For example, as shown in FIG. 9, a thinned portion 65 formed by thinning both the inner peripheral wall and the outer peripheral wall can be provided in the middle of the shank 12, and the thinned portion 65 can function as a promoting portion. In addition, although not shown, the shank 12 can be divided into a first portion and a second portion arranged in the axial direction, and the first portion and the second portion can be coaxially joined using a relatively low-strength weld metal or the like. In this way, the joint (welded portion) between the first portion and the second portion can function as a promoting portion.

前記実施形態では、第1部材41と第2部材42とを直接重ね合わせて接合したが、第1部材41と第2部材42との間に一以上の他の部材を介在させた状態で第1部材41と第2部材42とを接合してもよい。 In the above embodiment, the first member 41 and the second member 42 are directly overlapped and joined, but the first member 41 and the second member 42 may be joined with one or more other members interposed between them.

前記実施形態では、第1部材41および第2部材42の双方を、熱可塑性樹脂製の基材と当該基材に含浸された多数の強化繊維とを含む熱可塑性複合材によって構成したが、第1部材41および第2部材42の材質は互いに異なるものであってもよい。例えば、第1部材41および第2部材42の一方が熱可塑性樹脂の成形体で、他方が繊維強化複合材の成形体であってもよい。あるいは、第1部材41および第2部材42の一方が金属の成形体で、他方がこれとは異質の金属または熱可塑性樹脂の成形体であってもよい。 In the above embodiment, both the first member 41 and the second member 42 are made of a thermoplastic composite material including a thermoplastic resin base material and a large number of reinforcing fibers impregnated into the base material, but the materials of the first member 41 and the second member 42 may be different from each other. For example, one of the first member 41 and the second member 42 may be a molded body of thermoplastic resin, and the other may be a molded body of fiber-reinforced composite material. Alternatively, one of the first member 41 and the second member 42 may be a molded body of metal, and the other may be a molded body of a different metal or thermoplastic resin.

[まとめ]
上述した実施形態およびその変形例には主に以下の発明が含まれている。
[summary]
The above-described embodiment and its modified examples mainly include the following inventions.

本発明の一局面に係る締結体は、第1部材と第2部材との重なり部に前記第1部材側からの回転ツールの圧入により形成される摩擦撹拌部に、前記第1部材側から圧入される締結体であって、前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と、前記頭部から前記第2部材側に延びる筒状の軸部とを備え、前記軸部は、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を有するものである。 The fastener according to one aspect of the present invention is a fastener that is pressed from the first member into a friction stir section formed by pressing a rotary tool into an overlapping portion between a first member and a second member from the first member side, and has a head that is disposed on the surface of the friction stir section and a cylindrical shaft that extends from the head toward the second member, and the shaft has a promoting portion that promotes the expansion of the tip of the shaft when pressed in.

本発明によれば、締結体を摩擦撹拌部に圧入する際に、締結体の軸部を促進部を起点に座屈させて当該軸部の先端部を容易に拡径させることができる。これにより、摩擦撹拌部の外側の母材領域まで軸部の先端部が食い込んだ状態を高い確率で得ることができ、当該母材領域に食い込んだ先端部からなるインターロック部の機能により接合対象を機械的に適切に接合することができる。このことは、摩擦撹拌部による接合との組合せにより、接合対象を十分な強度で接合することを可能にし、接合品質を向上させることができる。 According to the present invention, when the fastener is pressed into the friction stir section, the shaft of the fastener can be buckled starting from the promotion section, and the tip of the shaft can be easily expanded in diameter. This makes it highly likely that the tip of the shaft will penetrate into the base material region outside the friction stir section, and the interlock section, which is made up of the tip that penetrates into the base material region, can mechanically join the objects to be joined properly. In combination with joining using the friction stir section, this makes it possible to join the objects to be joined with sufficient strength, improving the joining quality.

前記促進部は、例えば、前記軸部の外周面に形成された周方向に延びる凹溝とすることができる。 The promotion portion can be, for example, a circumferentially extending groove formed on the outer circumferential surface of the shaft portion.

この構成によれば、軸部の外周面に凹溝を設けるだけの簡単な構成で、軸部の先端部の拡径を促進することができる。また、凹溝の深さを調整することにより、軸部の拡径促進と締結体の耐荷重(もしくは接合強度)とを良好にバランスさせることができる。 This configuration makes it possible to promote radial expansion of the tip of the shaft with a simple configuration that only requires providing a groove on the outer peripheral surface of the shaft. In addition, by adjusting the depth of the groove, it is possible to achieve a good balance between promoting radial expansion of the shaft and the load capacity (or joint strength) of the fastener.

好ましくは、前記軸部の先端部は、先端側ほど内径が拡大するテーパ状の内周面を有する。 Preferably, the tip of the shaft has a tapered inner circumferential surface whose inner diameter increases toward the tip.

この構成によれば、締結体の圧入時にその軸部に作用する抵抗力が、テーパ状の内周面を介して拡径力に変換されるので、上述した促進部の作用との相乗効果により、先端部の拡径を十分に促進することができる。これにより、前記インターロック部が形成される確率をより高めることができ、接合品質を十分に向上させることができる。 With this configuration, the resistance force acting on the shaft when the fastener is pressed in is converted into an expansion force via the tapered inner circumferential surface, and the synergistic effect with the action of the promotion part described above can sufficiently promote the expansion of the tip. This can further increase the probability of the interlock part being formed, and can sufficiently improve the joining quality.

本発明の他の局面に係る接合構造体は、前記第1部材および前記第2部材と、前記第1部材と前記第2部材との重なり部に形成された前記摩擦撹拌部と、前記摩擦撹拌部に圧入された前記締結体とを備えるものである。 A joint structure according to another aspect of the present invention includes the first member, the second member, the friction stir portion formed at the overlapping portion between the first member and the second member, and the fastener pressed into the friction stir portion.

本発明の接合構造体は、前記締結体と前記摩擦撹拌部との組合せに基づく十分な接合強度を有する。 The joint structure of the present invention has sufficient joint strength based on the combination of the fastener and the friction stir part.

本発明のさらに他の局面に係る接合方法は、前記締結体を用いて前記第1部材と前記第2部材とを接合する方法であって、前記第1部材と前記第2部材との重なり部に前記第1部材側から前記回転ツールを圧入する摩擦撹拌を行うことにより前記重なり部に前記摩擦撹拌部を形成する摩擦撹拌ステップと、前記第1部材側から前記摩擦撹拌部に前記締結体を圧入する締結ステップとを含むものである。 The joining method according to yet another aspect of the present invention is a method for joining the first member and the second member using the fastener, and includes a friction stirring step of forming the friction stir portion in the overlapping portion between the first member and the second member by performing friction stirring by pressing the rotating tool into the overlapping portion between the first member and the second member from the first member side, and a fastening step of pressing the fastener into the friction stir portion from the first member side.

本発明の接合方法によれば、前記締結体と前記摩擦撹拌部との組合せに基づく十分な接合強度をもった接合構造体を得ることができる。 The joining method of the present invention makes it possible to obtain a joining structure with sufficient joining strength based on the combination of the fastener and the friction stir part.

前記接合方法は、好ましくは、前記締結体の圧入前の寸法と、前記摩擦撹拌ステップでの摩擦撹拌深さと、前記締結ステップ後における前記摩擦撹拌部の上面からの前記頭部の突出量とに基づいて、前記締結ステップ後の前記軸部の先端径を推定し、推定した当該先端径が所定の閾値よりも大きい場合に良好な接合が行われたと判定する判定ステップをさらに含む。 The joining method preferably further includes a determination step of estimating the tip diameter of the shaft portion after the fastening step based on the dimensions of the fastener before pressing, the friction stirring depth in the friction stirring step, and the amount of protrusion of the head from the upper surface of the friction stirring part after the fastening step, and determining that a good join has been achieved if the estimated tip diameter is greater than a predetermined threshold value.

この構成によれば、特殊な検査装置(例えばX線やサーモグラフィ等を用いた検査装置)を必要としない簡便な方法で、締結体による接合品質を保障することができる。 This configuration makes it possible to ensure the quality of the joint produced by the fastener using a simple method that does not require special inspection equipment (e.g., inspection equipment using X-rays or thermography, etc.).

前記圧入前の寸法には、例えば、前記締結体の軸方向長さと、前記軸部の外径と、前記促進部の軸方向の位置を表す距離とが含まれ得る。 The dimensions before press-fitting may include, for example, the axial length of the fastener, the outer diameter of the shaft portion, and a distance representing the axial position of the promotion portion.

この構成によれば、促進部を起点に軸部が座屈する現象を考慮した適切な先端径の推定値を得ることができ、当該先端径の推定精度を高めることができる。 This configuration makes it possible to obtain an appropriate tip diameter estimate that takes into account the phenomenon in which the shaft portion buckles starting from the promotion portion, thereby improving the accuracy of the tip diameter estimate.

1 :リベット(締結体)
11 :頭部
12 :軸部
12a :(軸部の)先端部
12s :(テーパ状の)内周面
15 :凹溝(促進部)
30 :接合構造体
41 :第1部材
42 :第2部材
45 :重なり部
50 :摩擦撹拌部
50a :(摩擦撹拌部の)上面
65 :減肉部(促進部)
L :(リベットの)全長
R2 :(軸部の)外径
G :(凹溝の軸方向の位置を表す)距離
H :(頭部の)突出量
Sd :摩擦撹拌深さ
Sr :摩擦撹拌径(閾値)
Rd :(軸部の)先端径
1: Rivet (fastener)
11: Head portion 12: Shaft portion 12a: Tip portion (of shaft portion) 12s: (Tapered) inner peripheral surface 15: Groove (promotion portion)
30: Joint structure 41: First member 42: Second member 45: Overlap portion 50: Friction stir portion 50a: Upper surface (of friction stir portion) 65: Thinning portion (promotion portion)
L: total length (of rivet) R2: outer diameter (of shaft) G: distance (representing axial position of groove) H: protrusion (of head) Sd: friction stirring depth Sr: friction stirring diameter (threshold)
Rd: Tip diameter (of shaft)

Claims (5)

厚さ方向に重ねられた第1部材および第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との重なり部に前記第1部材側からの回転ツールの圧入により形成される摩擦撹拌部
前記摩擦撹拌部に前記第1部材側から圧入される締結体とを備え
前記締結体は、
前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と、
前記頭部から前記第2部材側に延びる筒状の軸部とを備え、
前記軸部は、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を有し、
前記摩擦撹拌部における前記表面と反対側の面である底面は、前記第2部材の厚さ方向の途中の位置に形成され、
前記軸部の先端部は、前記摩擦撹拌部の外側まで突出し、前記第2部材内に配置される接合構造体
a first member and a second member stacked in a thickness direction;
a friction stir portion formed by pressing a rotary tool into an overlapping portion between the first member and the second member from the first member side;
a fastening body press -fitted into the friction stir portion from the first member side,
The fastening body is
A head portion disposed on the surface of the friction stir part;
a cylindrical shaft portion extending from the head portion toward the second member,
The shaft portion has a promoting portion that promotes expansion of a diameter of a tip portion of the shaft portion during press-fitting,
A bottom surface, which is a surface opposite to the front surface of the friction stirring portion, is formed at a position midway in the thickness direction of the second member,
A welded structure, wherein a tip portion of the shaft portion protrudes to the outside of the friction stir portion and is disposed within the second member .
請求項1に記載の接合構造体において、
前記促進部は、前記軸部の外周面に形成された周方向に延びる凹溝である、接合構造体
The joint structure according to claim 1 ,
A joint structure, wherein the promotion portion is a circumferentially extending groove formed on the outer circumferential surface of the shaft portion.
請求項1または2に記載の接合構造体において、
前記軸部の先端部は、先端側ほど内径が拡大するテーパ状の内周面を有する、接合構造体
The joined structure according to claim 1 or 2,
A joint structure, wherein the tip of the shaft portion has a tapered inner circumferential surface whose inner diameter increases toward the tip.
第1部材と第2部材との重なり部に形成される摩擦撹拌部に前記第1部材側から圧入される締結体として、前記摩擦撹拌部の表面に配置される頭部と当該頭部から前記第2部材側に延びる筒状の軸部とを含むものを用意するとともに、圧入時に当該軸部の先端部が拡径するのを促進する促進部を前記軸部に形成する準備ステップと
前記第1部材と前記第2部材との重なり部に前記第1部材側から回転ツールを圧入する摩擦撹拌を行うことにより前記重なり部に前記摩擦撹拌部を形成する摩擦撹拌ステップと、
前記第1部材側から前記摩擦撹拌部に前記締結体を圧入する締結ステップと
前記締結体の圧入前の寸法と、前記摩擦撹拌ステップでの摩擦撹拌深さと、前記締結ステップ後における前記摩擦撹拌部の表面からの前記頭部の突出量とに基づいて、前記締結ステップ後の前記軸部の先端径を推定し、推定した当該先端径が所定の閾値よりも大きい場合に良好な接合が行われたと判定する判定ステップとを含む、接合方法。
a preparation step of preparing a fastener to be press-fitted from the first member side into a friction stir portion formed at an overlapping portion between a first member and a second member, the fastener including a head portion disposed on a surface of the friction stir portion and a cylindrical shank portion extending from the head portion toward the second member, and forming a promotion portion on the shank portion that promotes the expansion of the diameter of a tip portion of the shank portion during press-fitting;
a friction stirring step of performing friction stirring by pressing a rotary tool into an overlapping portion between the first member and the second member from the first member side to form the friction stir portion in the overlapping portion;
a fastening step of press-fitting the fastening body into the friction stir portion from the first member side ;
a determination step of estimating a tip diameter of the shaft portion after the fastening step based on the dimensions of the fastener before pressing, the friction stirring depth in the friction stirring step, and the amount of protrusion of the head from the surface of the friction stirring part after the fastening step, and determining that a good join has been performed if the estimated tip diameter is larger than a predetermined threshold .
請求項に記載の接合方法において、
前記圧入前の寸法には、前記締結体の軸方向長さと、前記軸部の外径と、前記促進部の軸方向の位置を表す距離とが含まれる、接合方法。
The joining method according to claim 4 ,
A joining method, wherein the dimensions before press-fitting include an axial length of the fastener, an outer diameter of the shaft portion, and a distance representing the axial position of the promotion portion.
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