特許 7503263 冷間鍛造接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-12

(45)【発行日】2024-06-20

(54)【発明の名称】冷間鍛造接合方法

(51)【国際特許分類】

   B21D 39/03 20060101AFI20240613BHJP

【ＦＩ】

B21D39/03 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020086240

(22)【出願日】2020-05-15

(65)【公開番号】P2021178357

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2022-10-07

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ２０１９年度塑性加工春季講演会予稿集、第１４１、１４２頁、（一社）日本塑性加工学会

(73)【特許権者】

【識別番号】500433225

【氏名又は名称】学校法人中部大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石川 孝司

(72)【発明者】

【氏名】西井 清明

(72)【発明者】

【氏名】大坪 秀正

(72)【発明者】

【氏名】柴田 健司

【審査官】永井 友子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０３７７１２１６（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００９－０６６６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２０８２２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２１Ｄ ３９／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の金属板材（３１、３２）が重ね合わされた被接合部材（３０）を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法であって、
前記被接合部材（３０）の圧力作動面（３０ａ）を押圧するパンチ（１２）、前記被接合部材が設置されるとともに、前記パンチに対向する部位にダイス開口部（１４ａ）が形成されているダイス（１４）、前記ダイス開口部に対して移動可能に配置され、前記被接合部材のうち前記圧力作動面の反対側の背面（３０ｂ）に背圧を付与する背圧パンチ（１８）、および、前記背圧を調整する背圧調整部（２０、２２、２４）を備える接合装置（１０）に対して、前記被接合部材を設置することと、
前記被接合部材の前記背面に対して前記背圧パンチによって前記背圧を付与しながら、前記被接合部材の前記圧力作動面を前記パンチによって押圧することと、を含み、
前記押圧することにおいては、
前記被接合部材のうち前記パンチに押圧された部分が塑性変形することによって、前記圧力作動面に凹部（３１１）が形成されるとともに、前記背面に凸部（３１２）が形成され、
前記背圧調整部によって、前記パンチの押圧開始時から前記パンチの押圧終了時までの加工期間の後半での前記背圧の最大値は、前記加工期間の前半での前記背圧の最大値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、前記パンチによる押圧力と前記背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の前記金属板材が固相接合される、冷間鍛造接合方法。

【請求項2】

複数の金属板材（３１、３２）が重ね合わされた被接合部材（３０）を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法であって、
前記被接合部材（３０）の圧力作動面（３０ａ）を押圧するパンチ（１２）、前記被接合部材が設置されるとともに、前記パンチに対向する部位にダイス開口部（１４ａ）が形成されているダイス（１４）、前記ダイス開口部に対して移動可能に配置され、前記被接合部材のうち前記圧力作動面の反対側の背面（３０ｂ）に背圧を付与する背圧パンチ（１８）、および、前記背圧を調整する背圧調整部（２０、２２、２４）を備える接合装置（１０）に対して、前記被接合部材を設置することと、
前記被接合部材の前記背面に対して前記背圧パンチによって前記背圧を付与しながら、前記被接合部材の前記圧力作動面を前記パンチによって押圧することと、を含み、
前記押圧することにおいては、
前記被接合部材のうち前記パンチに押圧された部分が塑性変形することによって、前記圧力作動面に凹部（３１１）が形成されるとともに、前記背面に凸部（３１２）が形成され、
前記背圧調整部によって、前記パンチの押圧開始時から前記パンチの押圧終了時までの加工期間の後半での前記背圧の平均値は、前記加工期間の前半での前記背圧の平均値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、前記パンチによる押圧力と前記背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の前記金属板材が固相接合される、冷間鍛造接合方法。

【請求項3】

前記背圧パンチとして、前記背圧パンチの先端面（１８ａ）のうち前記パンチの先端面（１２ａ）に対して前記パンチの軸線方向で対向する部位の少なくとも一部が、丸みを帯びた凸形状であるものが用いられる、請求項１または２に記載の冷間鍛造接合方法。

【請求項4】

複数の金属板材（３１、３２）が重ね合わされた被接合部材（３０）を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法であって、
前記被接合部材（３０）の圧力作動面（３０ａ）を押圧するパンチ（１２）、前記被接合部材が設置されるとともに、前記パンチに対向する部位にダイス開口部（１４ａ）が形成されているダイス（１４）、前記ダイス開口部に対して移動可能に配置され、前記被接合部材のうち前記圧力作動面の反対側の背面（３０ｂ）に背圧を付与する背圧パンチ（１８）、および、前記背圧を調整する背圧調整部（２０、２２、２４）を備える接合装置（１０）に対して、前記被接合部材を設置することと、
前記被接合部材の前記背面に対して前記背圧パンチによって前記背圧を付与しながら、前記被接合部材の前記圧力作動面を前記パンチによって押圧することと、を含み、
前記押圧することにおいては、
前記被接合部材のうち前記パンチに押圧された部分が塑性変形することによって、前記圧力作動面に凹部（３１１）が形成されるとともに、前記背面に凸部（３１２）が形成され、
前記背圧パンチとして、前記背圧パンチの先端面（１８ａ）のうち前記パンチの先端面（１２ａ）に対して前記パンチの軸線方向で対向する部位の少なくとも一部が、丸みを帯びた凸形状であるものが用いられ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、前記パンチによる押圧力と前記背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の前記金属板材が固相接合される、冷間鍛造接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷間鍛造による接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、冷間鍛造による接合方法が開示されている。この接合方法では、複数の金属板材が重ね合わされた被接合部材をパンチで押圧する冷間鍛造が行われる。被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、被接合部材のうちパンチによって押圧される圧力作動面に凹部が形成されるとともに、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面に凸部が形成される。被接合部材の塑性変形によって、複数の金属板材の表面に、酸化膜および汚染膜に覆われていない活性新生面が出現する。出現した活性新生面同士が押し付けられて密着することで、複数の金属板材が固相接合により接合される。

【0003】

この接合方法では、接合強度を高めるために、被接合部材の背面に背当部材が当てられた状態で、被接合部材の圧力作動面がパンチによって押圧される。パンチによる押圧によって、被接合部材とともに、背当部材が塑性変形する。被接合部材の背面に背当部材から背圧が付与される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６１１７４１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記した従来技術の接合方法では、背当部材が塑性変形する。このため、加工のたびに背当部材を交換する必要がある。これが、生産性向上の妨げになる。

【0006】

そこで、本発明者は、この課題を解決するために、背圧パンチで背圧を付与する冷間鍛造による接合方法を検討した。この背圧パンチは、被接合部材が設置されるダイスのダイス開口部に対して移動可能に配置される。この背圧パンチは、被接合部材の圧力作動面がパンチによって押圧されたときに、パンチの押圧方向と同じ方向に移動する。このため、背圧パンチは、パンチの押圧力で変形しない。よって、加工のたびに背圧パンチを交換する必要が無い。そして、背圧パンチで一定の背圧を付与しながら、接合したところ、良好な接合が得られた。

【0007】

しかし、本発明者が検討した接合方法の実用化のためには、接合強度を増加させることが求められる。

【0008】

本発明は上記点に鑑みて、背圧パンチで背圧を付与しつつ、パンチで押圧力を付与する冷間鍛造によって、被接合部材を接合する方法であって、接合強度を増加させることができる冷間鍛造接合方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、
複数の金属板材（３１、３２）が重ね合わされた被接合部材（３０）を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法は、
被接合部材（３０）の圧力作動面（３０ａ）を押圧するパンチ（１２）、被接合部材が設置されるとともに、パンチに対向する部位にダイス開口部（１４ａ）が形成されているダイス（１４）、ダイス開口部に対して移動可能に配置され、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面（３０ｂ）に背圧を付与する背圧パンチ（１８）、および、背圧を調整する背圧調整部（２０、２２、２４）を備える接合装置（１０）に対して、被接合部材を設置することと、
被接合部材の背面に対して背圧パンチによって背圧を付与しながら、被接合部材の圧力作動面をパンチによって押圧することと、を含み、
押圧することにおいては、
被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、圧力作動面に凹部（３１１）が形成されるとともに、背面に凸部（３１２）が形成され、
背圧調整部によって、パンチの押圧開始時からパンチの押圧終了時までの加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、パンチによる押圧力と背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の金属板材が固相接合される。

【0010】

これによれば、背圧調整部によって、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。このため、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の前半での背圧の最大値以下の小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の後半での背圧の最大値と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。

【0011】

また、請求項２に記載の発明によれば、
複数の金属板材（３１、３２）が重ね合わされた被接合部材（３０）を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法は、
被接合部材（３０）の圧力作動面（３０ａ）を押圧するパンチ（１２）、被接合部材が設置されるとともに、パンチに対向する部位にダイス開口部（１４ａ）が形成されているダイス（１４）、ダイス開口部に対して移動可能に配置され、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面（３０ｂ）に背圧を付与する背圧パンチ（１８）、および、背圧を調整する背圧調整部（２０、２２、２４）を備える接合装置（１０）に対して、被接合部材を設置することと、
被接合部材の背面に対して背圧パンチによって背圧を付与しながら、被接合部材の圧力作動面をパンチによって押圧することと、を含み、
押圧することにおいては、
被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、圧力作動面に凹部（３１１）が形成されるとともに、背面に凸部（３１２）が形成され、
背圧調整部によって、パンチの押圧開始時からパンチの押圧終了時までの加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、パンチによる押圧力と背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の金属板材が固相接合される。

【0012】

これによれば、背圧調整部によって、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。このため、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の前半のいずれかのときの背圧と同じ小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本発明の加工期間の後半のいずれかのときの背圧と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。

【0013】

また、請求項４に記載の発明によれば、
複数の金属板材（３１、３２）が重ね合わされた被接合部材（３０）を冷間鍛造によって接合する冷間鍛造接合方法は、
被接合部材（３０）の圧力作動面（３０ａ）を押圧するパンチ（１２）、被接合部材が設置されるとともに、パンチに対向する部位にダイス開口部（１４ａ）が形成されているダイス（１４）、ダイス開口部に対して移動可能に配置され、被接合部材のうち圧力作動面の反対側の背面（３０ｂ）に背圧を付与する背圧パンチ（１８）、および、背圧を調整する背圧調整部（２０、２２、２４）を備える接合装置（１０）に対して、被接合部材を設置することと、
被接合部材の背面に対して背圧パンチによって背圧を付与しながら、被接合部材の圧力作動面をパンチによって押圧することと、を含み、
押圧することにおいては、
被接合部材のうちパンチに押圧された部分が塑性変形することによって、圧力作動面に凹部（３１１）が形成されるとともに、背面に凸部（３１２）が形成され、
背圧パンチとして、背圧パンチの先端面（１８ａ）のうちパンチの先端面（１２ａ）に対してパンチの軸線方向で対向する部位の少なくとも一部が、丸みを帯びた凸形状であるものが用いられ、
該塑性変形による複数の前記金属板材の表面の面積拡大によって該表面に出現した活性新生面同士が、パンチによる押圧力と背圧パンチによる背圧とによって、押し付けられて密着することにより、複数の金属板材が固相接合される。

【0014】

これによれば、背圧パンチの先端面の全体が平坦である場合と比較して、被接合部材のうちパンチの軸線方向でパンチと対向する部分における表面拡大比を増加でき、活性新生面を増加させることができる。また、背圧パンチの先端面の全体が平坦である場合と比較して、被接合部材のうち当該部分における接合界面の面圧を増加でき、活性新生面同士の結合を促進させることができる。これらの結果、接合強度を増加させることができる。

【0015】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態における接合装置の模式的断面図である。

【図2】図１の接合装置の上面図である。

【図3】図１の接合装置を用いて被接合部材を接合するときの接合装置の拡大断面図である。

【図4】図１の接合装置を用いて被接合部材を接合するときの背圧の変化を示すグラフである。

【図5】第２実施形態における接合装置の模式的断面図である。

【図6】第３実施形態における接合装置の模式的断面図である。

【図7】第３実施形態における背圧の変化を示すグラフである。

【図8】第４実施形態における背圧パンチの断面図である。

【図9】第４実施形態における接合装置の拡大断面図である。

【図10】第４実施形態の接合装置を用いて金属板材同士を接合したときの接合界面の面圧の分布を示すグラフである。

【図11】第４実施形態の接合装置を用いて金属板材同士を接合したときの表面拡大比の分布を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0018】

（第１実施形態）
本実施形態の接合方法は、被接合部材である複数の金属板材を冷間鍛造によって接合する方法である。冷間鍛造は、常温環境下で金属部材に圧力を加えて、金属板材を塑性変形させる加工方法である。

【0019】

まず、本実施形態の接合方法に用いる接合装置について説明する。図１に示すように、接合装置１０は、パンチ１２と、ダイス１４と、押さえ治具１６と、背圧パンチ１８と、ばね２０と、を備える。図１は、接合装置１０に対して被接合部材３０が設置された状態を示している。

【0020】

パンチ１２は、図示しない駆動装置から押される力によって、被接合部材３０のパンチ１２側の面である圧力作動面３０ａを押圧する雄型である。パンチ１２は、図１、２に示すように、円柱状のピンである。パンチ１２の被接合部材３０側の先端面１２ａは、平坦である。駆動装置として、一般的なプレス加工に用いられるプレス機、例えば、サーボプレス機、他の機械式プレス機、液圧式プレス機を用いることができる。

【0021】

ダイス１４は、パンチ１２に対応する雌型である。ダイス１４の表面に被接合部材３０が設置される。すなわち、ダイス１４は、被接合部材３０に対してパンチ１２側の反対側に配置される。ダイス１４のうちパンチ１２の軸線方向でパンチ１２に対向する部位には、ダイス開口部１４ａが形成されている。ダイス開口部１４ａは、加工時に被接合部材３０に形成される凸部が侵入する部分である。ダイス開口部１４ａの開口形状は、円である。ダイス開口部１４ａの直径は、パンチ１２の直径よりも大きい。すなわち、ダイス開口部１４ａの最大開口幅は、パンチ１２の最大幅よりも大きい。

【0022】

押さえ治具１６は、ばね１７から付与される力によって被接合部材３０を押さえる。押さえ治具１６は、被接合部材３０をダイス１４に固定するとともに、加工時の被接合部材３０のパンチ１２側の表面の変形を抑制する。図１、２に示すように、押さえ治具１６は、円柱状のブロックである。押さえ治具１６の中央部には、パンチ１２が移動する治具開口部１６ａが形成されている。押さえ治具１６として、一般的なプレス加工に用いられるものと同じ治具を用いることができる。

【0023】

背圧パンチ１８は、被接合部材３０に対してパンチ１２側の反対側に配置される。背圧パンチ１８は、ばね２０から押される力によって、被接合部材３０に背圧を付与する。背圧は、被接合部材３０のパンチ１２側とは反対側の面である背面３０ｂに作用する圧力である。すなわち、背圧パンチ１８は、被接合部材３０の背面３０ｂを押圧する。背圧パンチ１８は、パンチ１２の駆動装置に、直接駆動されない。

【0024】

背圧パンチ１８は、円柱状のピンである。背圧パンチ１８は、ダイス開口部１４ａに対して移動可能に配置される。背圧パンチ１８は、ダイス開口部１４ａを背圧パンチ１８の軸方向に移動する。背圧パンチ１８は、背圧パンチ１８の軸心とパンチ１２の軸心とが一致するように配置される。背圧パンチ１８の直径は、パンチ１２の直径よりも大きい。すなわち、図１に示すように、背圧パンチ１８の軸心とパンチ１２の軸心とを含む平面で切断した接合装置１０の断面において、背圧パンチ１８の幅は、パンチ１２の幅よりも大きい。また、背圧パンチ１８の被接合部材３０側の先端面１８ａは、平坦である。

【0025】

ばね２０は、背圧パンチ１８から被接合部材３０に付与する背圧を調整する背圧調整部である。ばね２０の一端側は、背圧パンチ１８に接続されている。ばね２０の他端側は、図示しない固定部に固定されている。後述の通り、パンチ１２からの押圧によって被接合部材３０が変形することで、背圧パンチ１８がばね２０を収縮させる方向に移動する。背圧パンチ１８の移動によって、ばね２０が収縮すると、ばね２０を収縮させる荷重に対する反力が生じる。この反力が、背圧として背圧パンチ１８から被接合部材３０に付与される。このとき、背圧パンチ１８の移動量が増加するにつれて、ばね２０の収縮量が増加し、反力が増加する。このように、ばね２０は、背圧パンチ１８の移動量の増加に伴って、背圧を増加させる。

【0026】

被接合部材３０は、重ね合わされた第１金属板材３１と第２金属板材３２である。第１金属板材３１と第２金属板材３２とのそれぞれは、少なくとも接合箇所が板状である。すなわち、第１金属板材３１と第２金属板材３２とのそれぞれは、接合箇所のみが板状であっても、全体が板状であってもよい。

【0027】

また、第１金属板材３１の硬度は、第２金属板材３２の硬度よりも高い。なお、第１金属板材３１の硬度と、第２金属板材３２の硬度とが同じであってもよい。

【0028】

第１金属板材３１と第２金属板材３２とは、種類が異なる金属材料である異種金属材料で構成される。異種金属材料は、金属材料の成分として含まれる元素の少なくとも一部が異なる材料、金属材料の成分として含まれる元素のすべてが同じ場合でも、それらの組成が異なる材料である。主要成分として含まれる元素が同じ合金であっても、組成が異なる合金同士は、異種金属材料である。金属材料としては、Ａｌ系金属、鉄系金属、Ｃｕ系金属、Ｔｉ系金属、Ｍｇ系金属等が挙げられる。異種金属材料の組み合わせとしては、例えば、Ａｌ系金属と鉄系金属との組み合わせ、Ｃｕ系金属とＡｌ系金属との組み合わせ等が挙げられる。なお、Ａｌ系金属には、純アルミニウム、アルミニウム合金が含まれる。鉄系金属には、純鉄、鋼に代表される鉄合金が含まれる。Ｃｕ系金属には、純銅、銅合金が含まれる。Ｔｉ系金属には、純チタン、チタン合金が含まれる。Ｍｇ系金属には、マグネシウム合金が含まれる。また、第１金属板材３１と第２金属板材３２とは、同種金属材料で構成されてもよい。

【0029】

次に、接合装置１０を用いた被接合部材３０の接合方法および接合メカニズムについて説明する。まず、図１に示すように、接合装置１０に対して被接合部材３０が設置される。このとき、硬度が高い第１金属板材３１側がパンチ１２側となるように、被接合部材３０がダイス１４の上に設置される。

【0030】

続いて、被接合部材３０の上側から押さえ治具１６によって被接合部材３０が押さえられる。これにより、ダイス１４と押さえ治具１６との間に被接合部材３０が固定される。このとき、背圧パンチ１８は、被接合部材３０に当たっており、ばね２０から加えられる力によって、被接合部材３０を押している状態である。すなわち、背圧パンチ１８は、被接合部材３０の背面３０ｂに対して背圧を付与している状態である。なお、被接合部材３０の設置と、押さえ治具１６による被接合部材３０の押さえとが、同時に行われてもよい。

【0031】

続いて、この状態で、治具開口部１６ａを被接合部材３０に向かってパンチ１２が移動する。さらに、図３に示すように、押圧開始時の位置から押圧終了時の位置まで、パンチ１２が移動する。図３の左側部分は、パンチ１２の押圧開始時の被接合部材３０の状態を示している。図３の右側部分は、パンチ１２の押圧終了時の被接合部材３０の状態を示している。押圧開始時の位置は、パンチ１２による被接合部材３０の押圧が開始されるときのパンチ１２の位置であり、パンチ１２が被接合部材３０に接する位置である。押圧終了時の位置は、パンチ１２による被接合部材３０の押圧が終了されるときのパンチ１２の位置である。これにより、背圧パンチ１８が被接合部材３０の背面３０ｂに対して背圧を付与しながら、パンチ１２が被接合部材３０の圧力作動面３０ａを押圧する。

【0032】

パンチ１２によって被接合部材３０が押圧されると、図３の右側部分に示すように、被接合部材３０のうちパンチ１２に押された部分が塑性変形する。具体的には、第１金属板材３１のうちパンチ１２に対向する部分が、パンチ１２によって第２金属板材３２側に押されることで、第１金属板材３１のパンチ１２側に凹部３１１が形成される。第１金属板材３１の第２金属板材３２側に凸部３１２が形成される。この凸部３１２によって第２金属板材３２が押されることで、第２金属板材３２の第１金属板材３１側に凹部３２１が形成される。第２金属板材３２のパンチ１２側とは反対側に凸部３２２が形成される。

【0033】

このように、塑性変形によって、被接合部材３０のパンチ側に凹部３１１が形成され、被接合部材３０のパンチ１２側の反対側に凸部３２２が形成される。被接合部材３０の凸部３２２は、ダイス開口部１４ａ内に位置する。

【0034】

被接合部材３０の凸部３２２が形成される過程において、背圧パンチ１８が凸部３２２に押されることで、背圧パンチ１８は、ダイス開口部１４ａをパンチ１２の移動方向（すなわち、パンチ１２の押圧方向）と同じ方向に移動する。すなわち、背圧パンチ１８は、ダイス開口部１４ａを、ばね２０を収縮させる方向に移動する。このとき、背圧パンチ１８の移動量の増加に伴って、ばね２０の収縮量が増加し、ばね２０を収縮させる荷重に対する反力が増加する。このため、被接合部材３０に対するパンチ１２による押圧開始時から被接合部材３０に対するパンチ１２による押圧終了時までの加工期間の全期間において、図４に示すように、背圧パンチ１８の移動量が増加するにつれて、背圧パンチ１８が被接合部材３０に付与する背圧が増加する。

【0035】

このように、本実施形態の接合方法は、背圧パンチ１８で背圧を付与しつつ、パンチ１２で押圧力を付与する冷間鍛造によって、被接合部材３０を接合する。この冷間鍛造によって被接合部材３０が塑性変形する過程で、第１金属板材３１と第２金属板材３２とのそれぞれの表面の面積が拡大する。これにより、第１金属板材３１と第２金属板材３２とのそれぞれの表面に存在する酸化膜および汚染膜が破壊される。第１金属板材３１と第２金属板材３２とのそれぞれの表面に、酸化膜および汚染膜に覆われていない活性新生面が出現する。さらに、パンチ１２による押圧力と背圧パンチ１８による背圧とによって、活性新生面同士が押し付けられて密着する。これにより、固相結合が生じ、金属的結合が実現される。すなわち、第１金属板材３１と第２金属板材３２とが固相接合される。

【0036】

加工期間の前半では、図３の左側部分に示される矢印Ｐ１のように、小さな背圧が付与される。加工期間の前半は、加工期間のうち加工期間の中間時点よりも前の期間である。加工期間の前半には、押圧開始時が含まれる。パンチ１２の押圧が開始すると、被接合部材３０の変形が開始する。したがって、押圧開始時は、被接合部材３０の変形開始時に対応する。パンチ１２の押圧時に被接合部材３０に背圧が付与されない場合、被接合部材３０が破断する。そこで、加工期間の前半の背圧は、パンチ１２の押圧によって被接合部材３０が破断せず、被接合部材３０の塑性変形が可能な程度の背圧とされる。これにより、塑性変形による接合箇所の表面の面積の拡大が促進される。

【0037】

また、加工期間の後半では、図３の右側部分に示される矢印Ｐ２のように、加工期間の前半での背圧よりも大きな背圧が付与される。加工期間の後半は、加工期間のうち加工期間の中間時点よりも後の期間である。加工期間の後半には、押圧終了時が含まれる。パンチ１２の押圧が終了すると、被接合部材３０の変形が終了する。したがって、押圧終了時は、被接合部材３０の変形終了時に対応する。

【0038】

図４に示すように、加工期間の後半での背圧は、加工期間の後半内のいずれの時点においても、加工期間の前半内のいずれの時点における背圧よりも大きな背圧とされる。このようにして、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。また、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。このため、加工期間の後半では、加工期間の前半よりも接合界面の面圧が増加し、活性新生面同士を押し付け合う力が増加する。

【0039】

なお、本実施形態では、加工期間の前半での背圧の最大値と加工期間の後半での背圧の最大値とのそれぞれが、所望の大きさとなるように、所定のばね定数を持つばね２０が選択される。換言すると、加工期間の前半での背圧の平均値と加工期間の後半での背圧の平均値とのそれぞれが、所望の大きさとなるように、所定のばね定数を持つばね２０が選択される。

【0040】

以上の説明の通り、本実施形態によれば、被接合部材３０の圧力作動面３０ａへのパンチ１２の押圧時に、背圧パンチ１８によって被接合部材３０の背面３０ｂに背圧が付与される。背圧パンチ１８は、パンチ１２の押圧力によってダイス開口部１４ａを移動する。このため、背圧パンチ１８は、パンチ１２の押圧力で変形しない。よって、加工のたびに、背圧パンチ１８を交換する必要が無く、生産性が高い。

【0041】

さらに、本実施形態によれば、ばね２０によって、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。これにより、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の前半での背圧の最大値以下の小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の後半での背圧の最大値と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。

【0042】

換言すると、本実施形態によれば、ばね２０によって、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。これにより、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の前半のいずれかのときの背圧と同じ小さな背圧で一定とする場合と比較して、活性新生面同士を押しつけ合う力を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。また、加工期間の全期間での背圧の大きさを、本実施形態の加工期間の後半のいずれかのときの背圧と同じ大きな背圧で一定とする場合と比較して、塑性変形量を増加させることでき、活性新生面の面積を増加させることができる。このため、接合強度を増加させることができる。

【0043】

なお、本実施形態では、加工期間の後半での背圧は、加工期間の後半内のいずれの時点においても、加工期間の前半内のいずれの時点における背圧よりも大きな背圧とされる。しかしながら、加工期間の後半での背圧の最大値が、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくなっていれば、加工期間の後半での背圧が一時的に、加工期間の前半内のいずれかの時点における背圧よりも小さくなってもよい。また、加工期間の後半での背圧の平均値が、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくなっていれば、加工期間の後半での背圧が一時的に、加工期間の前半内のいずれかの時点における背圧よりも小さくなってもよい。

【0044】

（第２実施形態）
図５に示すように、本実施形態は、接合装置１０が背圧調整部としてエアシリンダ２２を備える点で、第１実施形態と異なる。エアシリンダ２２は、内部に空気が充填された容器２２１と、容器２２１の内部に配置されたピストン２２２とを有する。ピストン２２２は、容器２２１の内部の容積を変更する。ピストン２２２は、背圧パンチ１８と連動する。

【0045】

パンチ１２の押圧によって被接合部材３０を介して背圧パンチ１８が移動する。この背圧パンチ１８の移動によって、エアシリンダ２２に充填されている空気が圧縮される。空気が圧縮されることで、空気を圧縮する荷重に対する反力が発生する。背圧パンチ１８の移動量が増加するにつれて、エアシリンダ２２に充填されている空気の圧縮量が増加し、反力が増加する。この反力が、背圧として背圧パンチ１８から被接合部材３０に付与される。このように、エアシリンダ２２は、背圧パンチ１８の移動量の増加に伴って、背圧を増加させる。

【0046】

接合装置１０の他の構成および接合方法は、第１実施形態と同じである。このため、第１実施形態と同じ効果が得られる。なお、本実施形態では、背圧調整部として、空気が容器２２１の内部に充填されたエアシリンダ２２が用いられている。しかし、背圧調整部として、空気以外の気体が容器２２１の内部に充填されたガスシリンダが用いられてもよい。

【0047】

（第３実施形態）
図６に示すように、本実施形態は、接合装置１０が背圧調整部としてサーボモータ２４を備える点で、第１実施形態と異なる。サーボモータ２４は、背圧パンチ１８を駆動する電動モータである。サーボモータ２４は、背圧パンチ１８から被接合部材３０の背面３０ｂに付与する背圧を段階的および連続的に増加させることができる。接合装置１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。

【0048】

本実施形態の接合方法では、パンチ１２による押圧開始時から押圧終了時までの期間において、サーボモータ２４によって、図７に示すように、背圧を制御する。具体的には、
押圧開始時では、第１実施形態と同様に、背圧は小さな値とされる。押圧開始時からある時点まで、塑性変形を促進させるために、背圧は徐々に上昇する。その後、ある時点で、背圧は急上昇し、ある時点から押圧終了時まで、背圧が大きな値で一定とされる。

【0049】

このように、本実施形態の接合方法では、サーボモータ２４によって、背圧が段階的に上昇されることで、図７に示すように、加工期間の後半での背圧の最大値が、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。換言すると、加工期間の後半での背圧の平均値が、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。接合方法のうち背圧の調整以外の部分については、第１実施形態と同じである。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同じ効果が得られる。

【0050】

なお、本実施形態では、加工期間の中間時点よりも後の時点で、背圧が急上昇される。しかしながら、加工期間の後半での背圧の最大値が、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくなっていれば、中間時点よりも前の時点で、背圧が急上昇されてもよい。また、加工期間の後半での背圧の平均値が、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくなっていれば、中間時点よりも前の時点で、背圧が急上昇されてもよい。

【0051】

（第４実施形態）
図８に示すように、本実施形態は、背圧パンチ１８の先端面１８ａの形状が、第１実施形態と異なる。先端面１８ａは、パンチ１２に対向する領域が盛り上がる凸形状である。より具体的には、先端面１８ａは、凸部１８ｂと、凸部１８ｂの周囲に位置する平坦部１８ｃとを有する。凸部１８ｂは、凸球面である。平坦部１８ｃは、平坦面である。

【0052】

図９に示すように、凸部１８ｂは、先端面１８ａのうちパンチ１２の軸線方向でパンチ１２の先端面１２ａに対向する部位の全部に位置する。先端面１８ａのうちパンチ１２の軸線方向でパンチ１２の先端面１２ａに対向する部位とは、パンチ１２の先端面１２ａをパンチ１２の軸線方向で背圧パンチ１８の先端面１８ａに投影したときに、投影したパンチ１２の先端面１２ａの全部と一致する部位である。このように、本実施形態では、先端面１８ａのうちパンチ１２の軸線方向でパンチ１２の先端面１２ａに対向する部位の全部が凸形状である。

【0053】

この背圧パンチ１８を用いて、図９に示すように、第１実施形態と同様に、冷間鍛造による接合が行われる。先端面１８ａの形状以外の接合装置１０の構成および接合方法については、第１実施形態と同じである。図９の左側部分は、押圧開始時の接合部位の断面図を示している。図９の右側部分は、押圧終了時の接合部位の断面図を示している。

【0054】

本実施形態によれば、被接合部材３０のうちパンチ１２と背圧パンチ１８の凸部１８ｂとの間に挟まれる部分に、パンチ１２からの押圧力が集中する。このため、図９の右側部分に示されるように、背圧パンチ１８の先端面１８ａが平坦である場合と比較して、当該部分での材料流動が大きくなり、当該部分が薄くなる。

【0055】

また、図１０中の実線で示すように、図１０中の破線で示す、背圧パンチ１８の先端面１８ａが平坦である場合と比較して、当該部分での接合界面の面圧が増加する。図１０の縦軸は、押圧終了時の接合界面の面圧を示している。図１０の横軸は、図９中の矢印で示すように、背圧パンチ１８の径方向における中心位置からの距離ｒを示している。

【0056】

また、図１１中の実線で示すように、図１１中の破線で示す、背圧パンチ１８の先端面１８ａが平坦である場合と比較して、当該部分での第１金属板材３１と第２金属板材３２のそれぞれの表面拡大比が増加する。図１１の縦軸は、押圧終了時の第１金属板材３１と第２金属板材３２の一方の表面拡大比を示している。図１１の横軸は、図９中の矢印で示すように、背圧パンチ１８の径方向における中心位置からの距離ｒを示している。

【0057】

以上の説明のように、本実施形態によれば、背圧パンチ１８の先端面１８ａのうちパンチ１２の先端面１２ａと対向する部位が凸形状である背圧パンチ１８が用いられる。このため、背圧パンチ１８の先端面１８ａの全体が平坦である場合と比較して、被接合部材３０のうちパンチ１２の軸線方向でパンチ１２と対向する部分における表面拡大比を増加でき、活性新生面を増加させることができる。また、背圧パンチ１８の先端面１８ａの全体が平坦である場合と比較して、被接合部材３０のうち当該部分における接合界面の面圧を増加でき、活性新生面同士の結合を促進させることができる。これらの結果、接合強度を増加させることができる。

【0058】

なお、本実施形態では、背圧パンチ１８の先端面１８ａのうちパンチ１２の先端面１２ａと対向する部位の全部が凸形状である。しかしながら、背圧パンチ１８の先端面１８ａのうちパンチ１２の先端面１２ａと対向する部位の一部が凸形状であってもよい。

【0059】

また、本実施形態では、背圧パンチ１８の先端面１８ａのうちパンチ１２の先端面１２ａと対向する部位のみが凸形状である。しかしながら、背圧パンチ１８の先端面１８ａの全部が凸形状であってもよい。

【0060】

また、本実施形態では、凸部１８ｂは、凸球面である。しかしながら、凸部１８ｂは、球面以外の曲面である凸曲面であってもよい。すなわち、背圧パンチ１８の先端面１８ａのうちパンチ１２の先端面１２ａと対向する部位の少なくとも一部は、丸みを帯びた凸形状であればよい。

【0061】

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、加工期間の後半での背圧の最大値は、加工期間の前半での背圧の最大値よりも大きくされる。換言すると、加工期間の後半での背圧の平均値は、加工期間の前半での背圧の平均値よりも大きくされる。しかしながら、加工期間の全期間で、背圧が一定の大きさにされてもよい。この場合であっても、本実施形態の効果が得られる。

【0062】

（他の実施形態）
（１）背圧調整部として、上記した各実施形態とは異なるものを用いることができる。例えば、背圧パンチ１８がパンチ１２の押圧方向と同じ方向に移動するとき、背圧パンチ１８の位置を固定する固定部材に背圧パンチ１８が到達するまでは、油圧式の背圧付与部によって、背圧パンチ１８から被接合部材３０に対して一定の背圧が付与される。そして、固定部材に背圧パンチ１８が到達した後は、パンチ１２の押圧力に対する反力によって、背圧が付与される。これにより、加工期間の後半の背圧の最大値が、加工期間の前半の背圧の最大値よりも大きくされてもよい。換言すると、加工期間の後半の背圧の平均値が、加工期間の前半の背圧の平均値よりも大きくされてもよい。この場合、油圧式の背圧付与部と、固定部材とが、背圧調整部を構成する。

【0063】

（２）上記した各実施形態では、パンチ１２と背圧パンチ１８とのそれぞれは、柱状のピンであり、被接合部材３０を点状に押す形状である。しかしながら、パンチ１２と背圧パンチ１８とのそれぞれは、他の形状であってもよい。例えば、パンチ１２と背圧パンチ１８とのそれぞれは、被接合部材３０を線状に押す形状であってもよい。また、パンチ１２と背圧パンチ１８とのそれぞれは、被接合部材３０を周方向に連続する環状に押す形状であってもよい。

【0064】

（３）上記した各実施形態では、被接合部材３０は、２つの金属板材である。しかしながら、被接合部材３０は、３つ以上の金属板材であってもよい。

【0065】

（４）本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0066】

１０ 接合装置
１２ パンチ
１４ ダイス
１８ 背圧パンチ
２０ ばね
２２ エアシリンダ
２４ サーボモータ
３０ 被接合部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】