JP5399206B2 - 金属部材の接合方法および金属接合体 - Google Patents

Description

本発明は、開口部が設けられた第１金属部材と、上記開口部を囲む第１金属部材の内周壁部に部分的に接触可能な外周壁部を有した第２金属部材とを、軸方向に加圧しつつ通電による抵抗発熱によって接合する方法等に関する。

従来から、いわゆるリングマッシュ接合法の一種として、下記特許文献１に示される接合方法が知られている。具体的に、下記特許文献１の方法では、中空状の第１金属部材と、第１金属部材の内径よりもわずかに大きい外径を有する第２金属部材とを軸方向に重ね合わせ、同方向に加圧力をかけた状態で溶接電流を流すことにより、上記第１金属部材の内周面と第２金属部材の外周面とを接合するようにしている。

なお、この場合において、上記第１金属部材と第２金属部材との接合の形態は、溶融接合ではなく拡散接合である。すなわち、上記両金属部材に加圧力をかけて通電することにより、接触部分の金属を軟化させて塑性流動を発生させ、金属の新生面どうしを冶金的に接合するというものである。

特開２００４−１７０４８号公報

上記特許文献１に示すようなリングマッシュ接合法によれば、例えばアーク溶接等のような一般的な溶融接合と比較して、溶融による炭化物の偏析や、熱影響による凝固割れ等が発生せず、溶接に要する時間も非常に短時間で済むといった利点がある。

ただし、上記特許文献１に開示された方法において、より接合強度を高めることを目的に、上記第１金属部材と第２金属部材との接合面積を増やしたような場合には、これに応じて加圧力および電流値を増大させる必要が生じ、設備の大型化を招いてしまうという問題がある。このため、接合に要するエネルギーをできるだけ低く抑えながら、接合強度をより向上させることが求められていた。

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、少ない接合エネルギーで高い接合強度を得ることが可能な金属部材の接合方法および金属接合体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、開口部が設けられた第１金属部材と、上記開口部を囲む第１金属部材の内周壁部に部分的に接触可能な外周壁部を有した第２金属部材とを、軸方向に加圧しつつ通電による抵抗発熱によって接合する方法であって、上記第１金属部材の内周壁部に、第１内径部と、これよりも内径の大きい第２内径部とを形成し、上記第２金属部材の外周壁部に、上記第１内径部および第２内径部よりも所定量だけ外径が大きい第１外径部および第２外径部を形成し、上記第１金属部材の第１、第２内径部に、上記第２金属部材の第１、第２外径部をそれぞれ当接させるとともに、上記第１金属部材と第２金属部材とを一対の電極を用いて軸方向に加圧しつつ通電することにより、上記両金属部材の間に、上記第１内径部と第１外径部とが接合された第１接合部と、上記第２内径部と第２外径部とが接合された第２接合部とを形成し、かつこれら両接合部の間に、金属どうしが接触しない間隙部を、所定の軸方向長さにわたって形成することを特徴とするものである（請求項１）。

本発明の接合方法では、第１金属部材の内周壁部と第２金属部材の外周壁部とを段違いに形成することで、２つの接合部を離間して形成し、その間を間隙部としたため、上記各接合部の軸方向長さ（接合長）をむやみに大きくしなくても、特に曲げに強い優れた接合構造を構築することができ、接合エネルギーの増大を回避しつつ接合強度を効果的に向上させることができるという利点がある。

本発明の接合方法において、好ましくは、上記第１金属部材と第２金属部材との接合開始時、上記第１内径部と第１外径部、第２内径部と第２外径部とを同時に当接させ、この状態で上記電極による通電を開始する（請求項２）。

このようにすれば、上記２つの接合部の品質にばらつきが生じることがなく、信頼性の高い均質な接合構造を構築できるという利点がある。

また、本発明は、開口部が設けられた第１金属部材と、上記開口部を囲む第１金属部材の内周壁部に部分的に接触可能な外周壁部を有した第２金属部材とが、軸方向の加圧力と通電による抵抗発熱とを受けて接合された金属接合体であって、上記第１金属部材の内周壁部に、第１内径部と、これよりも内径の大きい第２内径部とが形成され、上記第２金属部材の外周壁部に、接合前の時点で上記第１内径部および第２内径部よりも所定量だけ外径が大きい第１外径部および第２外径部が形成され、上記第１金属部材と第２金属部材との間に、上記第１内径部と第１外径部とが接合された第１接合部と、上記第２内径部と第２外径部とが接合された第２接合部とが形成され、かつこれら両接合部の間に、金属どうしが接触しない間隙部が、所定の軸方向長さにわたって形成されていることを特徴とするものである（請求項３）。

本発明の金属接合体では、軸方向に離間した２つの接合部が形成されることにより、特に曲げに対する剛性が効果的に向上するという利点がある。

本発明の金属接合体の用途は特に問わないが、例えば、上記第１金属部材をリングギア、上記第２金属部材をデフケースとするのが好適である(請求項４)。

この構成によれば、リングギアとデフケースとを高強度に接合でき、ディファレンシャル機構の信頼性をより高めることができるという利点がある。

以上説明したように、本発明によれば、少ない接合エネルギーで高い接合強度を得ることが可能な金属部材の接合方法および金属接合体を提供することができる。

接合対象としてのリングギアとデフケースとの分解断面図である。 上記リングギアとデフケースとを接合する際に使用される接合装置の概略構成を示す図である。 図２のＡ部拡大図である。 接合が完了した状態を示す図２相当図である。 上記リングギアに曲げモーメントが加わる状況を説明するための図である。 本発明の変形例を説明するための図である。 本発明の別の変形例を説明するための図であり、（ａ）は接合前の状態、（ｂ）は接合後の状態をそれぞれ示している。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、当実施形態における接合対象部品の構成を示す分解断面図である。本図に示すように、当実施形態では、車両用の部品であるリングギア１とデフケース１０とを、本発明の接合方法に基づき接合する。

上記デフケース１０は、ディファレンシャル機構のピニオンギアやサイドギアを収納するケースであり、本発明にかかる第２金属部材に相当する。デフケース１０の材質は鋳鉄であり、その具体例としては、ＦＣＤ４５０やＦＣＤ５５０等の球状黒鉛鋳鉄が好適である。

上記デフケース１０は、大小複数の径を有する中空多段状の部材からなり、その軸方向中間部分の外周壁部には、外径Ｙ１を有する第１外径部１１と、外径Ｙ１よりも大きい外径Ｙ２を有する第２外径部１２とが形成されている。

上記リングギア１は、トランスミッションから伝達される駆動力を受けるギア部品であり、本発明にかかる第１金属部材に相当する。リングギア１の材質はスチールであり、その具体例としては、ＳＣＲ４２０Ｈ等の浸炭焼入れ鋼が好適である。

上記リングギア１は、厚み方向に貫通する開口部２を有したリング状の部材からなり、その最外周部には、トランスミッションの出力ギアと噛合されるギア部３が形成されている。また、上記開口部２を囲むリングギア１の内周壁部には、内径Ｘ１を有する第１内径部４と、内径Ｘ１よりも大きい内径Ｘ２を有する第２内径部５とが形成されている。

上記リングギア１の内径Ｘ１，Ｘ２と、上記デフケース１０の外径Ｙ１，Ｙ２との関係は、第１外径部１１の外径Ｙ１が第１内径部４の内径Ｘ１よりもわずかに大きく、第２外径部１２の外径Ｙ２が第２内径部５の内径Ｘ２よりもわずかに大きい。なお、後述する図３に示すように、上記各外形部１１，１２と各内径部４，５との半径の差（締め代）は、ともにＳとされる。この場合、直径差は２Ｓとなるので、（第１外径部１１の外径Ｙ１）＝（第１内径部の内径Ｘ１）＋２Ｓ、（第２外径部１２の外径Ｙ２）＝（第２内径部の内径Ｘ２）＋２Ｓ という関係になる。

また、上記各外形部１１，１２と各内径部４，５の軸方向長さに関しては、図１に示すように、リングギア１の第１内径部４およびデフケース１０の第２外径部１２の軸方向長さがともにＬ１で、リングギア１の第２内径部５およびデフケース１０の第１外径部１１の軸方向長さとがともにＬ２で、かつ、Ｌ１＜Ｌ２である。

図２は、上記リングギア１とデフケース１０とを接合する際に使用される接合装置２０の概略構成を示す図である。本図に示すように、接合装置２０は、上部電極２１および下部電極２２と、各電極２１，２２を軸方向（図２では上下方向）に加圧する図外の加圧機構と、各電極２１，２２に接合用の高電流を供給する電源装置２３とを備える。このような接合装置２０を用いての接合は、リングギア１の開口部２にデフケース１０を挿入して仮固定した状態で、上記上部電極２１および下部電極２２により上記両部材１，１０を軸方向に加圧しつつ通電することで行う。なお、図２では、上部電極２１および下部電極２２を上下方向に対向配置して、その間にリングギア１およびデフケース１０を挟み込んで接合する場合を例示するが、例えば、上記両電極２１，２２を水平方向に対向配置した状態で接合することも当然に可能である。

上記リングギア１およびデフケース１０の接合の手順についてより詳しく説明する。リングギア１およびデフケース１０を接合するには、まず、リングギア１の開口部２に、デフケース１０を上から挿入する。すなわち、リングギア１を、その第１内径部４が第２内径部５よりも下にくる姿勢で下部電極２２上に設置し、このリングギア１の上方から、デフケース１０を下向きに挿入する。このとき、デフケース１０の第１外径部１１が第２外径部１２よりも下にくるようにし、第１外径部１１から先にリングギア１に挿入する。

図３は、図２のＡ部拡大図であり、上記のようなデフケース１０の挿入操作が完了した状態を示している。上述したように、上記デフケース１０の第１外径部１１および第２外径部１２の各外径Ｙ１，Ｙ２は、リングギア１の第１内径部４および第２内径部５の各内径Ｘ１，Ｘ２よりも締め代Ｓの分だけ大きいため、図３に示すように、デフケース１０がリングギア１に挿入されると、第１外径部１１の最外周部が第１内径部４に当接するとともに、第２外径部１２の最外周部が第２内径部５に当接する。このとき、リングギア１の第２内径部５の軸方向長さと、デフケース１０の第１外径部１１の軸方向長さが等しいことから（ともに図１の寸法Ｌ２）、上記第１内径部４と第１外径部１１、および第２内径部５と第２外径部１２とは、同時に当接することになる。なお、図示の例では、各内径部４，５および各外径部１１，１２の角部がそれぞれ面取りされており、この面取りされた部分どうしが互いに当接するようになっている。以上により、デフケース１０がリングギア１上に仮固定される。

上記のようにして仮固定が完了すると、次に、上部電極２１および下部電極２２によりリングギア１およびデフケース１０を上下から挟み込んで加圧するとともに、上記両電極２１，２２に接合用の電圧を印加する。具体的には、上記下部電極２２上に仮固定されたリングギア１およびデフケース１０に対し、上部電極２１を上から接近させ、その下端部をデフケース１０の第２外径部１２の部分に当接させるとともに、その状態で上記両電極２１，２２に対し所定の加圧力を接近方向（軸方向）に加える。また、これに合わせて電源装置２３を作動させることにより、上記両電極２１，２２に接合用の電圧を印加する。

上記のような電圧の印加に応じて、上記両電極２１，２２の間には、リングギア１およびデフケース１０を介して瞬時に大きな電流が流れる。このとき、リングギア１とデフケース１０とは、第１内径部４と第１外径部１１との当接部、および、第２内径部５と第２外径部１２との当接部の２箇所を介して接触しているため、上記電流は、この２箇所の当接部を通じて流れることになる。

すると、通電による抵抗発熱が発生し、上記両当接部では、金属の軟化および塑性流動が起きる。このとき、上記電極２１，２２による加圧は継続されているため、上記金属の軟化に伴い、デフケース１０がリングギア１に対し徐々に下方に押し込まれていく。これにより、デフケース１０とリングギア１との接触面積（つまり第１内径部４と第１外径部１１、第２内径部５と第２外径部１２との各接触面積）が増大し、金属が軟化する領域も増大していく。

そして、上記デフケース１０が下部電極２２に当接するまで下方に押し込まれ、図４に示すように、リングギア１の第１内径部４の内周面全体が、デフケース１０の第１外径部１１の外周面に接触し、かつデフケース１０の第２外径部１２の外周面全体が、リングギア１の第２内径部５の内周面に接触するようになった状態で、上記電極２１，２２間の通電が停止されることにより、上記各接触面の金属が再凝固し、同図に示すような２つの接合部Ｐ１，Ｐ２が形成される。

すなわち、上記第１内径部４と第１外径部１１、および第２内径部５と第２外径部１２との各接触面において、金属の軟化および塑性流動が起きることにより、酸化皮膜や異物等が除去され、この状態で通電が停止されることにより、金属の新生面どうしが冶金的に結合しつつ再凝固する。これにより、第１内径部４と第１外径部１１との間に第１接合部Ｐ１が形成されるとともに、第２内径部５と第２外径部１２との間に第２接合部Ｐ２が形成される。なお、図４において符号Ｑ１，Ｑ２はバリであり、このバリは、上記第１内径部４と第１外径部１１との間、および、第２内径部５と第２外径部１２との間から、上記締め代Ｓの分だけ外部に押し出された金属によって形成される。

以上のような工程を経ることにより、リングギア１とデフケース１０との接合が完了する。この場合に形成される第１接合部Ｐ１および第２接合部Ｐ２の間には、金属どうしが接触しない間隙部１５が存在することになる。すなわち、リングギア１の第１、第２内径部４，５、およびデフケース１０の第１、第２外径部１１，１２が、図１等に示したような寸法関係（つまり、Ｙ１（＝Ｘ１＋２Ｓ）＜Ｙ２（＝Ｘ２＋Ｓ２）、かつＬ１＜Ｌ２）であったことにより、接合後の状態において、上記第１接合部Ｐ１および第２接合部Ｐ２が径方向および軸方向にそれぞれオフセットして形成され、その結果、上記両接合部Ｐ１，Ｐ２の間に、間隙部１５が所定の軸方向長さにわたって形成される。

以上説明したように、当実施形態では、リングギア１とデフケース１０とを接合するに際して、まず、リングギア１の内周壁部に、内径Ｘ１の第１内径部４と、これより大きい内径Ｘ２の第２内径部５とを形成するとともに、デフケース１０の外周壁部に、上記内径Ｘ１，Ｘ２よりも締め代Ｓの分だけ外径が大きい（外径Ｙ１，Ｙ２の）第１外径部１１および第２外径部１２を形成するようにした。そして、上記リングギア１の第１、第２内径部４，５に、上記デフケース１０の第１、第２外径部１１，１２をそれぞれ当接させるとともに、上記リングギア１とデフケース１０とを一対の電極２１，２２を用いて軸方向に加圧しつつ通電することにより、上記両部材１，１０の間に、上記第１内径部４と第１外径部１１とが接合された第１接合部Ｐ１と、上記第２内径部５と第２外径部１２とが接合された第２接合部Ｐ２とを形成し、かつこれら両接合部Ｐ１，Ｐ２の間に、金属どうしが接触しない間隙部１５を、所定の軸方向長さにわたって形成するようにした。このような構成によれば、少ない接合エネルギーで高い接合強度が得られるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、リングギア１の内周壁部とデフケース１０の外周壁部とを段違いに形成することで、２つの接合部Ｐ１，Ｐ２を離間して形成し、その間を間隙部１５としたため、上記各接合部Ｐ１，Ｐ２の軸方向長さ（接合長）をむやみに大きくしなくても、特に曲げに強い優れた接合構造を構築することができ、接合エネルギーの増大を回避しつつ接合強度を効果的に向上させることができるという利点がある。

例えば、単に接合強度を高めるだけの目的であれば、上記実施形態のように接合部を２つ（Ｐ１，Ｐ２）に分けなくても、接合長の長い１つの接合部を形成することで接合強度を高められる。しかしながら、このようにした場合には、接合時に必要な電流値や加圧力が増大し、設備の大型化やコストアップを招いてしまう。

これに対し、上記実施形態のように、軸方向に離間した２つの接合部Ｐ１，Ｐ２を形成した場合には、例えば各接合部Ｐ１，Ｐ２を軸方向に連続させたような場合と比較して、接合部の断面係数が増大するため、特に図５に示すような曲げモーメントＭがリングギア１に作用したときに、接合部Ｐ１，Ｐ２に作用する力が軽減され、曲げ剛性がより向上する。なお、リングギア１は、そのギア部３に伝達される駆動力により様々な方向の力を受けることから、上記のような曲げ剛性の向上により、ディファレンシャル機構の信頼性をより高めることができる。

しかも、各接合部Ｐ１，Ｐ２の間に上記間隙部１５が存在することで、接合により生じるバリＱ２を間隙部１５に逃がすことができるため、例えばバリＱ２を介してリングギア１とデフケース１０とが接合されるようなことがなく、バリＱ２に起因した接合不良を効果的に防止できるという利点がある。

さらに、上記実施形態では、リングギア１とデフケース１０との接合開始時に、図２および図３に示すように、第１内径部４と第１外径部１１、第２内径部５と第２外径部１２とを同時に当接させ、この状態で通電を開始するようにしたため、上記２つの接合部Ｐ１，Ｐ２の品質にばらつきが生じることがなく、信頼性の高い均質な接合構造を構築できるという利点がある。

例えば、上記第１内径部４と第１外径部１１との当接、および、第２内径部５と第２外径部１２との当接が、極端に異なるタイミングで起きるような場合には、先に当接した方に過大な電流が流れ、金属母材が飛散するチリ（散り）と呼ばれる現象が生じる等により、接合強度が大きく低下するおそれがある。これに対し、上記実施形態では、２箇所の当接のタイミングを同時に設定することで、上記のような事態を回避して接合強度を高いレベルに維持できるという利点がある。

もちろん、多少のタイミングのずれであれば、過電流が流れる時間もわずかで済むため、品質への影響も少ないと考えられる。したがって、上記２箇所の当接のタイミングは、厳密な意味で同時でなくてもよく、多少のタイミングのずれが存在してもよい。例えば、図６に示すように、リングギア１の第２内径部５の軸方向長さと、デフケース１０の第１外径部１１の軸方向長さとを、設計上の都合等で同一寸法にできないような場合（図示の寸法差ΔＬが存在する場合）には、上記第１内径部４と第１外径部１１との当接、および、第２内径部５と第２外径部１２との当接のタイミングがずれることになるが、その場合でも、図示のように寸法差ΔＬが小さければ、当接タイミングのずれも小さく、接合は問題なく行われると考えられる。

なお、上記実施形態では、軸方向に離間した２箇所の接合部Ｐ１，Ｐ２を介してリングギア１とデフケース１０とを接合したが、接合部は２箇所でなくてもよく、３箇所もしくはそれ以上の接合部を介してリングギア１とデフケース１０とを接合してもよい。図７（ａ）（ｂ）は、接合部を３箇所（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）に設定した場合を例示したものであり、同図（ａ）は接合前の状態を、同図（ｂ）は接合後の状態をそれぞれ示している。

また、上記実施形態では、スチール製のリングギア１と鋳鉄製のデフケース１０とを接合する場合を例に挙げて説明したが、本発明の接合方法は、その他の金属製部品にも当然に適用可能であり、その材質もスチールや鋳鉄に限られない。本発明の接合方法は、金属の軟化・塑性流動により接合するものであるため、例えばアーク溶接やレーザ溶接といった溶融接合による場合よりも、材質の制約が少なく、様々な材質への適用が期待できる。

１ リングギア（第１金属部材）
２ 開口部
４ 第１内径部
５ 第２内径部
１０ デフケース（第２金属部材）
１１ 第１外径部
１２ 第２外径部
１５ 間隙部
２１ 上部電極（電極）
２２ 下部電極（電極）
Ｐ１ 第１接合部
Ｐ２ 第２接合部

Claims (4)

1. 開口部が設けられた第１金属部材と、上記開口部を囲む第１金属部材の内周壁部に部分的に接触可能な外周壁部を有した第２金属部材とを、軸方向に加圧しつつ通電による抵抗発熱によって接合する方法であって、
   上記第１金属部材の内周壁部に、第１内径部と、これよりも内径の大きい第２内径部とを形成し、
   上記第２金属部材の外周壁部に、上記第１内径部および第２内径部よりも所定量だけ外径が大きい第１外径部および第２外径部を形成し、
   上記第１金属部材の第１、第２内径部に、上記第２金属部材の第１、第２外径部をそれぞれ当接させるとともに、上記第１金属部材と第２金属部材とを一対の電極を用いて軸方向に加圧しつつ通電することにより、上記両金属部材の間に、上記第１内径部と第１外径部とが接合された第１接合部と、上記第２内径部と第２外径部とが接合された第２接合部とを形成し、かつこれら両接合部の間に、金属どうしが接触しない間隙部を、所定の軸方向長さにわたって形成することを特徴とする金属部材の接合方法。
2. 請求項１記載の金属部材の接合方法において、
   上記第１金属部材と第２金属部材との接合開始時、上記第１内径部と第１外径部、第２内径部と第２外径部とを同時に当接させ、この状態で上記電極による通電を開始することを特徴とする金属部材の接合方法。
3. 開口部が設けられた第１金属部材と、上記開口部を囲む第１金属部材の内周壁部に部分的に接触可能な外周壁部を有した第２金属部材とが、軸方向の加圧力と通電による抵抗発熱とを受けて接合された金属接合体であって、
   上記第１金属部材の内周壁部に、第１内径部と、これよりも内径の大きい第２内径部とが形成され、
   上記第２金属部材の外周壁部に、接合前の時点で上記第１内径部および第２内径部よりも所定量だけ外径が大きい第１外径部および第２外径部が形成され、
   上記第１金属部材と第２金属部材との間に、上記第１内径部と第１外径部とが接合された第１接合部と、上記第２内径部と第２外径部とが接合された第２接合部とが形成され、かつこれら両接合部の間に、金属どうしが接触しない間隙部が、所定の軸方向長さにわたって形成されていることを特徴とする金属接合体。
4. 請求項３記載の金属接合体において、
   上記第１金属部材がリングギアであり、上記第２金属部材がデフケースであることを特徴とする金属接合体。

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