JP2003154472A

JP2003154472A - 点接合方法および点接合装置

Info

Publication number: JP2003154472A
Application number: JP2001358646A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hirano; 平野　　聡; Hisanobu Okamura; 久宣岡村; Kazutaka Okamoto; 和孝岡本; Masayuki Doi; 昌之土井; Yasuhisa Aono; 泰久青野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2003-05-27

Abstract

(57)【要約】【課題】回転ツールを使用する摩擦攪拌接合による点接
合が容易に行なえるようにする。【解決手段】回転ツール１の近傍の被接合材を被接合材
押さえ手段により押さえつけておいて摩擦攪拌接合を行
なう。被接合材押さえ手段は、回転ツールを取り囲むよ
うに設け、かつ回転ツールとは独立して回転ツールの回
転軸方向へ移動できるようにする。【効果】点接合に伴う被接合材の変形を抑えることがで
きる。また、摩擦攪拌接合による点接合において、被接
合材を固定する手間を実質的に省くことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、重ね合わされた複
数の被接合材を摩擦攪拌接合によって点接合する方法及
び接合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】重ね合せた材料を接合する方法として
は、被接合材を２つの電極ではさみ、通電することで電
気抵抗により生じる熱により材料を加熱溶融して接合す
る抵抗溶接が周知である。

【０００３】また、特開２０００−３４４０２９号公報
には、重ね合わせた２枚の被接合材を、回転ツールを用
いた摩擦攪拌接合によって接合することが記載されてい
る。

【０００４】回転ツールを用いる摩擦攪拌接合は、被接
合材よりも実質的に硬い材質の金属棒（以下、ツールと
呼ぶ）を被接合材の接合部に挿入し、このツールを回転
させながら移動することによって、ツールと被接合材と
の間で発生する摩擦熱により被接合材を軟化させ、ツー
ルの回転に伴う塑性流動現象を利用して接合するもので
ある。この摩擦攪拌接合の基本原理は、特許第２７１２
８３８号公報に記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】抵抗溶接は、被接合材
の電気抵抗を利用して加熱溶融させるため、電気抵抗が
小さい銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金を
接合する場合にはエネルギー効率が悪くなるという問題
がある。エネルギー効率の低下を補うために大型の電源
装置を用いることは、設備費の増大につながる。したが
って、抵抗溶接方法は、電気抵抗の小さい銅やアルミニ
ウムあるいはそれらの合金を接合するのには適さない。

【０００６】摩擦攪拌接合方法は、回転ツールを被接合
材に挿入した状態で接合線に沿って移動することで接合
するものである。この方法では、被接合材を強固に固定
する必要があり、通常はボルト等を使用する。このた
め、一般に被接合材の固定に多くの時間を必要とする。
また、接合線の場所が変わる毎に被接合材を固定し直す
必要がある。

【０００７】点接合は、広範囲な領域に対し、多数箇所
の接合をするのが一般的である。従って、摩擦攪拌接合
方法の場合のように、接合のたびに被接合材を固定し直
すのでは作業時間が膨大になるという問題がある。

【０００８】本発明の目的は、摩擦攪拌接合による点接
合において、被接合材の固定を容易に行なえるようにし
たものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、円柱状の回転
ツールを用いて摩擦攪拌接合により点接合する方法にお
いて、回転ツールの近傍の被接合材を被接合材押え手段
により押付けるようにしたものである。

【００１０】このために、本発明の点接合装置は、回転
ツールの外側に被接合材を押さえつける被接合材押さえ
手段を有する。

【００１１】前述したように、点接合は、複数の場所を
接合するのが一般的である。回転ツールを被接合材に押
し付けて接合する摩擦攪拌接合では、被接合材を強固に
固定しないと接合できない。また、接合時に生じる被接
合材の変形を最小限に抑えるため、被接合材を固定する
場所は可能な限り接合部に近い場所にする必要がある。
さらに、被接合材の厚みが小さいほど接合部に近付ける
必要がある。このため、事実上、被接合材の固定は各接
合部において実施することになる。本発明の方法によれ
ば、被接合材の固定と接合が一連の作業の中で行なえる
ため、見かけ上接合のみの作業時間で接合が行なえる。

【００１２】本発明においては、回転ツールを被接合材
に接触させるよりも先に被接合材押さえ手段を被接合材
に接触させるようにすることが望ましい。

【００１３】本発明者らの実験によると、被接合材の変
形は、回転ツールが被接合材に挿入される過程で生じ
る。回転ツールが被接合材に接触するよりも先に被接合
材押さえ手段が被接合材に接触するようにすることで、
被接合材の変形を抑制できる。

【００１４】点接合作業では、不特定多数の場所を接合
する場合がある。この作業を自動化するには、接合場所
をプログラム化し、ＮＣ制御等で制御する必要がある。
しかし、接合場所をプログラム化するには多くの労力を
必要とし、単発的な接合に対してプログラムを作ること
は実用的でない。不特定多数の場所を接合する場合に
は、作業者が接合部に回転ツールを直接誘導するのが理
想的である。

【００１５】ごく一般的な作業者が接合装置を手に持っ
て作業できるのは、装置重量が２０kg以下の範囲であ
る。このために、本接合装置を可般型にして、本体重量
を２０kg以下にし、作業者が接合装置を手に持って、接
合部へ自由に回転ツールを押し当てることができるよう
にすることが望ましい。

【００１６】点接合では、接合装置は固定式にし、被接
合材の方を移動させる場合もある。この場合は、単純な
接合作業の繰り返しになる。そこで、本発明の接合装
置、すなわち円柱状の回転ツールと該回転ツールを回転
させる手段と回転ツールを被接合材に押付けるために軸
方向に移動する手段及び被接合材押さえ手段を有する接
合装置を、産業用ロボットに備えつけることが望まし
い。

【００１７】このようにすれば、作業をプログラム化
し、自動化することが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】〔実施例１〕図１ないし図３は、
本発明による接合装置の接合部を示した概念図である。
本実施例の接合装置は、回転ツール１の外側に被接合材
押さえ手段が設けられている。被接合材押さえ手段は、
円筒形をしており、回転ツール１とは独立して、回転ツ
ールの回転軸方向すなわち図２に示す矢印方向へ移動で
きるようになっている。本実施例では、被接合材押さえ
手段を、被接合材押さえ部材と呼称する。回転ツール１
は、モータ等によって図１，図２の矢印で示す方向に回
転するようになっている。また、回転ツールは図３の矢
印で示す回転軸方向に移動できるようになっている。

【００１９】被接合材を接合する際の接合装置の動作に
ついて説明する。先ず、被接合材押さえ部材２が、図１
に示す状態から図２に示すように被接合材３ａ，３ｂに
押し付けられる。次に、回転ツール１を回転させながら
図３に示すように被接合材３ａ，３ｂに押し付け、回転
ツール先端の径の小さな部分を被接合材３ａ，３ｂに挿
入する。回転ツール１は、ツールの先端が被接合材３ａ
を貫通するように挿入する。被接合材３ｂの厚さのほぼ
１／２まで回転ツールの先端を挿入するのが望ましい。
回転ツール１の回転に伴い該回転ツールと被接合材との
間で発生する摩擦熱で被接合材３ａ，３ｂは軟化し、塑
性流動が生じて被接合材３ａ，３ｂは攪拌され接合され
る。本実施例では、回転ツール１が被接合材３ａに対し
垂直に当るようにした。

【００２０】比較のため、図４に示すように被接合材押
さえ部材２を具備しない接合装置で同様の実験を行なっ
た。被接合材押さえ部材２がある場合に得られた接合後
の被接合材の斜視図を図６に示し、被接合材押さえ部材
２がない場合に得られた接合後の被接合材の斜視図を図
７に示す。被接合材押さえ部材２がない場合には、被接
合材は変形してしまうが、被接合材押さえ部材２がある
場合には、被接合材は変形せずに接合前の状態を保って
いた。なお、図５，図６において、符号４，５はいずれ
も接合部を示している。

【００２１】このように、摩擦攪拌式の接合装置に被接
合材押さえ部材２を備えることにより、被接合材の変形
を抑えることが可能になる。

【００２２】尚、回転ツール１は、被接合材の材質より
も実質的に硬い材質で形成される。回転ツール１の材質
としては、代表的には金属を用いることができ、本発明
では工具鋼を熱処理した材料を使用した。硬度に加え
て、靱性，耐熱性などの要求を満たせば、セラミック
ス，表面焼き入れ部材などを用いてもよい。

【００２３】また、回転ツール１は、接合線と被接合材
の法線とを含む面内において、法線に対して接合方向後
方に予め定められた角度（向え角）だけ回転軸を傾けて
もよい。また、被接合材押さえ部材の形は、円筒形に限
らず、矩形や多角形でもよく、あるいは板状又は棒状に
して、回転ツール周囲の被接合材の複数箇所を押さえ付
けるようにしても良い。

【００２４】〔実施例２〕図７は本発明の接合装置を産
業用ロボットに組み込んだ実施例を示す。

【００２５】回転ツール１はツールヘッド６に取り付け
られており、主軸回転モータ７により駆動され回転す
る。ロボットは、アーム８ａと８ｂを有し、両者は連結
ピン９ｂにより連結されている。摩擦攪拌式の接合装置
は、連結ピン９ｃによりアーム８ｂに取り付けられてい
る。アーム８ａは、支持台１０に連結ピン９ａにより取
り付けられている。支持台１０は、旋回テーブル１１に
設置され、旋回テーブル１１は装置架台１２に設置され
ている。

【００２６】図示されていないが、本装置はＮＣ制御装
置により動作する。この構成により、作業をプログラム
化し、自動化することで、多くの被接合材の同一の場所
を接合することが可能になる。

【００２７】〔実施例３〕図８は可般型接合装置の実施
例を示した概略図である。

【００２８】可般型装置本体１３に被接合材押さえ部材
を備えたツールヘッド６が取り付けられている。起動ス
イッチ１４を入れると回転ツールが回転する仕組みにな
っている。

【００２９】図９は可般型接合装置のヘッド部の断面図
である。ツールヘッド６を被接合材に押し当て、ツール
ヘッド６を被接合材に強く押し付けると、ばね１５が縮
み、回転ツール１が被接合材に挿入される構造となって
いる。

【００３０】本可般型接合装置は全体重量を約１０kgに
することが可能であり、手に持って接合することが可能
である。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、回転ツールを使用する
摩擦攪拌接合により、重ね合わされた複数の被接合材を
点接合する方法において、被接合材を固定する手間を実
質的に省くことができる。また、本発明の接合装置は、
回転ツールの外側に、該回転ツールの周囲の被接合材を
押さえつける被接合材押さえ手段を備えた簡易な構成で
あるので、被接合材押さえ手段により被接合材を押さえ
つけ、次いで回転ツールを被接合材に押し込むことを一
連の動作の中で行なうことが可能である。

【００３２】また、本発明の接合装置を産業用ロボット
に備えることにより、作業をプログラム化し、自動化す
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す接合装置の接合部近傍の
概念図。

【図２】被接合材押さえ部材を被接合材に押し付けた状
態を示す概念図。

【図３】回転ツールを被接合材に挿入した状態を示す概
念図。

【図４】被接合材押え部材を有しない接合装置の接合部
近傍の概念図。

【図５】本発明の実施例によって得られた被接合材の接
合後の斜視図。

【図６】被接合材押さえ部材を有しない接合装置で接合
した被接合材の接合後斜視図。

【図７】本発明の接合装置を産業用ロボットに組み込ん
だ例を示す概略図。

【図８】本発明の実施例を示す可般型接合装置の概略
図。

【図９】本発明の実施例を示す可般型接合装置のヘッド
部の断面図。

【符号の説明】

１…回転ツール、２…被接合材押さえ部材、３ａ，３ｂ
…被接合材、４，５…接合部、６…ツールヘッド、７…
主軸回転モータ、８ａ，８ｂ…アーム、９ａ，９ｂ，９
ｃ…連結ピン、１０…支持台、１１…旋回テーブル、１
２…装置架台、１３…可般型接合装置本体、１４…起動
スイッチ、１５…ばね。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本和孝茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者土井昌之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者青野泰久茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 BG03 CA02 CA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重ね合わせた複数の被接合材を点接合する
方法において、前記被接合材の一方の側に円柱状の回転
ツールを回転させながら押し付けて少なくとも重ね合わ
せ部まで該回転ツールの先端を挿入し、該回転ツールの
近傍の前記被接合材を該回転ツールがある方向から被接
合材押さえ手段によって押さえつけて点接合を行なうよ
うにしたことを特徴とする点接合方法。
【請求項２】請求項１において、前記被接合材押さえ手
段によって前記被接合材を押さえつけたのち、該回転ツ
ールを該被接合材に押しつけることを特徴とする点接合
方法。
【請求項３】円柱状の回転ツールを有し、該回転ツール
の回転により被接合材との間で生ずる摩擦熱を利用して
重ね合わされた複数の被接合材の点接合を行なう点接合
装置において、前記回転ツールの近傍の前記被接合材を
押さえる被接合材押さえ手段を備えたことを特徴とする
点接合装置。
【請求項４】請求項３に記載の点接合装置において、前
記被接合材押さえ手段を前記回転ツールとは独立して該
回転ツールの回転軸方向に移動可能にしたことを特徴と
する点接合装置。
【請求項５】請求項３に記載の点接合装置において、前
記被接合材押さえ手段を、前記回転ツールが被接合材に
接触するよりも先に被接合材に接触するように構成した
ことを特徴とする点接合装置。
【請求項６】円柱状の回転ツールと該回転ツールの回転
手段及び該回転ツールを回転軸方向に移動して被接合材
に押付ける手段とを有する点接合装置において、該回転
ツールの近傍の被接合材を押さえつける被接合材押さえ
手段を有し、これら全体を産業用ロボットに備えたこと
を特徴とする点接合装置。