JP2003245783A - スポット接合ツール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数の金属製の被接合材を摩擦攪拌スポット接
合する際に、ショルダー部の直径の増大、これに伴う押
圧力の増大を押さえるとともに、接合継手強度の低下を
防止するスポット接合ツールを提供する。 【解決手段】被接合材２，３の接合点に、押圧かつ回転
しながら前記中央ピン１２を進入し、主として前記ショ
ルダー部１３と被接合材２との摩擦により接合部４に熱
を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被
接合材２，３を塑性流動化し、これを前記中央ピン１２
で攪拌することにより接合する。中央ピン１２は、中央
ピン１２が進入する側の被接合材２の厚さと略同等な長
さを有し、ショルダー部１３は上部に向かって直径が徐
々に増加する形状を有することで、熱源となるショルダ
ー部１３を接合部４に接近させる。

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
数の金属板をスポット的に接合していくスポット接合に
おいて使用されるスポット接合ツールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アルミニウム合金等の金属板
をスポット的に接合する方法として、抵抗スポット溶接
による接合、リベットやネジによる機械的接合が知られ
ている。さらに、最近では、例えば特開２００１−３１
４９８２号公報に記載されるように、複数の重ね合わさ
れた金属板からなる被接合材に、軸線に沿って突出する
中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され、前記中央ピ
ンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前
記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合
わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転し
ながら前記中央ピンを進入し、主としてショルダー部と
被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するととも
に、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動
化させ、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合
するスポット接合ツールを用いて被接合材同士を接合す
る摩擦攪拌スポット接合方法が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たアルミニウム合金等の金属板をスポット的に接合する
方法には、次のような欠点がある。

【０００４】前記抵抗スポット溶接による接合では大容
量の電力を必要とし溶接電極の消耗が激しい等の問題が
あり、リベットやネジによる機械的接合では接合部材を
多数必要とする問題がある。

【０００５】また、従来の摩擦攪拌スポット接合方法で
は、スポット接合ツールは、本体胴部の下部外周から小
径の中央ピンに至るショルダー部の形状として、平面タ
イプのものや、逆テーパー状のものを備えるものがあ
る。いずれの接合ツールの場合も、塑性流動化した被接
合材を攪拌する機能を有する中央ピンは、被接合材を貫
通しないように被接合材の重ね合わせ厚さの和よりやや
短いが、上側の被接合材の上面から下側の被接合材の下
面付近まで延びる長さであり、かつ直径は一定である。
また、塑性流動化を生じさせる熱源となるショルダー部
は、被接合材同士が接する接合部から中央ピンが進入す
る側の被接合材の板厚を隔てた部分で摩擦熱を発生させ
ており、この板厚の隔たりが熱の拡散を生じ加熱効率を
減じる一因となっている。そのため、必要な加熱量を確
保するには摩擦面積の増加を目的に熱源となるショルダ
ー部の外径を大きくする必要がある。

【０００６】すなわち、この種のスポット接合継手で
は、被接合材同士のナゲットと呼ばれる接合部の面積が
大きいほど接合強度は増加する傾向にある。従って、接
合強度の向上を行うには接合部面積の増大を目的に、シ
ョルダー部の外径を大きくする必要があるが、被接合材
同士の接合部と非接合部の境界となるナゲット端と呼ば
れる接合部外縁部は被接合材同士が股さき状の形状とな
るため、外部から荷重が負荷された場合には、この部分
で応力集中が生じやすく、亀裂発生の起点となるおそれ
がある。

【０００７】また、前記ショルダー部の外径を大きくす
ると、密なスポット間隔が得られず、総合的な継手強度
の向上が望めなくなるとともに、接合時の接合ツールに
負荷する押圧力も増加するおそれがある。それに加え
て、ショルダー部での被接合材表面は摩擦のために削ら
れ、この部分での被接合材の肉厚は母材厚さよりも薄く
なる傾向にある。

【０００８】このようなスポット接合継手に過度な外力
が負荷された場合には、前述したようにナゲット端が亀
裂の起点となり、その上側の薄肉部に向かって亀裂が進
行し、破壊を生じる。また、薄肉部が過度に薄い場合に
は、この部分から亀裂を生じて破壊する場合もある。

【０００９】さらに、これらの点について、図４（ａ）
（ｂ）に基づいて詳述する。このスポット接合ツール１
０１Ａ，１０１Ｂは、図示しない駆動手段により、上下
方向（図（ａ）（ｂ）の矢印Ｔ方向）に移動自在であ
り、かつ回転自在（図４（ａ）（ｂ）の矢印Ｒ方向）に
構成されている。

【００１０】このスポット接合ツール１０１Ａ，１０１
Ｂを用いてスポット接合する場合には、例えば重ね合わ
せた２枚の被接合材２，３の所定の接合位置（接合点）
に、接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを回転させながら下
降させる（ここで、被接合材２，３はアルミ板でも銅板
でも鉄板でもよい）。前記接合ツール１０１Ａ，１０１
Ｂの中央ピン１２’，１２”が下降すると、先ず、上側
に載置された被接合材２の上面に中央ピン１２’，１
２”が当接し、その後ショルダー部１３’、１３”が当
接する。ショルダー部１３’，１３”と被接合材２との
接触面で摩擦熱が生じ、接合部４’，４”近傍に熱を供
給することにより、ショルダー部１３’、１３”及び接
合部４’，４”近傍の被接合材２，３が塑性流動化する
ので、中央ピン１２’，１２”でこれを攪拌することに
より接合部４’，４”を形成する。その後、接合ツール
１０１Ａ，１０１Ｂを抜き、接合部４’，４”が冷却硬
化すれば接合は完了する。

【００１１】このような従来のスポット接合ツール１０
１Ａ，１０１Ｂはいずれも塑性流動化した被接合材２，
３を攪拌する機能を有する中央ピン１２’，１２”は、
下側の被接合材３を貫通しないように被接合材２，３の
重ね合わせ厚さよりやや短いが、上側の被接合材２の上
面から下側の被接合材３の下面付近まで延びる長さであ
り、かつそれらの直径ｄ，ｄ’は一定である。一方、塑
性流動化を生じさせる熱源となるショルダー部１３’，
１３”は被接合材２，３同士が接する接合部４’，４”
から接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂが進入する上側の被
接合材２の板厚Ｌ０を隔てた部分で摩擦熱を発生させて
いるが、中央ピン１２’、１２”が前述したような長さ
を有することから、前記摩擦熱の発生部分と接合部
４’，４”とが被接合材２の板厚Ｌ０に相当する距離だ
け離れることになり、熱の拡散を生じて加熱効率を減じ
る一因となっている。そこで、必要な加熱量を確保する
には、前述したように、摩擦面積の増加を目的にショル
ダー部１３’、１３”の外径Ｄ，Ｄ’を大きくする必要
がある。

【００１２】しかしながら、前記ショルダー部１３’，
１３”は、それぞれ、図４（ａ）に示す略水平面形状ま
たは図４（ｂ）に示す逆テーパー面形状であり、スポッ
ト接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを押し込んだ際に、流
動化状態の被接合材は中央ピン１２’，１２”およびシ
ョルダー部１３’，１３”により押し退けられる。そし
て、スポット接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを引き抜い
た後、流動化状態の被接合材が硬化すると、上部に載置
された被接合材２の接合部上面の形状は、窪みを生じて
おり、肉厚が接合部４’，４”の外縁部近傍で一部薄く
形成された断面となっている。このように、接合部
４’，４”の大きさを示す直径Ｃ２，Ｃ２’の先端部
（ナゲット端）での上部被接合材２の板厚Ｌ２，Ｌ２’
は元の板厚Ｌ０より薄くなっているので、被接合材２，
３同士を引き離す外力が加えられると、接合部４’，
４”の外縁（ナゲット端）から当該薄肉部に向け又は該
薄肉部から亀裂Ｋ、Ｋ’が生じ、接合部４’，４”が孤
立し被接合材２，３同士を接合する役目を果さなくな
り、結果として接合力の低下につながる。

【００１３】本発明の目的は、複数の金属製の被接合材
を摩擦攪拌スポット接合する際に、ショルダー部の直径
の増大、これに伴う押圧力の増大を押さえるとともに、
接合継手強度の低下を防止するスポット接合ツールを提
供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに請求項１に係る発明は、軸線に沿って突出する中央
ピンと、該中央ピンの上側に連接され前記中央ピンより
大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央
ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合わされ
た金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら
前記中央ピンを進入し、主として前記ショルダー部と被
接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、
この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化
し、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合する
スポット接合ツールであって、前記中央ピンは、前記中
央ピンが貫通して進入する単数又は複数の被接合材の厚
さに相当する長さより若干長い長さを有するものであ
り、前記ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から
前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形
状であることを特徴としている。ここで、「前記中央ピ
ンは、前記中央ピンが貫通して進入する単数又は複数の
被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有す
る」とは、被接合材が２枚の場合には、中央ピンが上側
の被接合材のみを貫通するので、上側の被接合材の厚さ
に相当する長さより若干長い長さを有するという意味で
あり、被接合材が３枚の場合には、３枚のうち上側に位
置する２枚のみを中央ピンが貫通するので、上側の２枚
の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有
するという意味である。つまり、被接合材の枚数にかか
わらず、最も下側に位置する被接合材を除いた残りの被
接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有する
という意味である。また、「若干長い長さ」とは、被接
合材が２枚の場合には中央ピンが下側の被接合材に、被
接合材が３枚の場合には最も下側（上から３枚目）の被
接合部材に、塑性流動化した被接合材を攪拌するのを損
なわない程度に進入できる長さがあればよいという意味
である。

【００１５】上記の構成を有する請求項１に係る発明に
よれば、前記中央ピンが、前記中央ピンが貫通して進入
する単数又は複数の被接合材の厚さに相当する長さより
若干長い長さを有するものに過ぎないので、摩擦熱を発
生するショルダー部を、従来の被接合材上面よりも、被
接合材同士が接合される接合部に接近させることができ
る。そのために、加熱効率が向上し、塑性流動領域を増
やして前記接合部の外縁直径（ナゲット径）の増大が図
れる。このことから、継手強度の増加に寄与する。そし
て、従来と同様な継手強度を確保するものとすると、シ
ョルダー部の面積と接合ツールに負荷される押圧力を小
さくすることができる。

【００１６】また、ショルダー部は、前記中央ピンの上
端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に
増加する形状としているので、ショルダー部によって案
内されて塑性流動材料が板厚方向へ流れ込みやすくな
り、この点からも継手強度の増加を図りやすくなる。

【００１７】請求項２に係る発明は、前記ショルダー部
に塑性流動化した被接合材を収納するポケット部を形成
し、前記ポケット部は、前記接合部の外縁直径（ナゲッ
ト径）よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが
被接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられ
る被接合材の容量以上の容積を有し、前記接合部外縁か
ら中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が母材（中
央ピンが進入する側の被接合材）板厚以上であることが
望ましい。

【００１８】上記の構成を有する請求項２に係る発明に
よれば、ポケット部を利用して、塑性流動化して押し退
けられる被接合材を収納し貯留することが可能となり、
ショルダー部での被接合材表面の摩擦による肉厚の減少
が防止される。よって、硬化後の被接合材の肉厚の減少
を防止すると共に、従来の接合継手に比べ強度が向上す
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るスポット接合
ツールの実施の形態について、図１〜図３に基づいて説
明する。

【００２０】図１及び図２は本発明に係るスポット接合
ツールとこれが適用されるスポット接合部の断面図であ
る。本発明にいうスポット接合とは、まず、金属製の板
材である被接合材２，３を重ね合わせて、例えば台座５
に載置し、スポット接合ツール１を押圧しつつ高速回転
させながら被接合材２，３の接合点に適用してスポット
接合するものである。

【００２１】このスポット接合に用いるスポット接合ツ
ール１は、例えば図１（ａ）に示すように、軸線に沿っ
て突出する中央ピン１２と、この中央ピン１２の上側に
連接され前記中央ピン１２より大径の本体胴部１１と、
この本体胴部１１の下部外周から中央ピン１２に至るシ
ョルダー部１３を有する。そして、主として前記ショル
ダー部１３と被接合材２，３との摩擦により接合部４に
熱（摩擦熱）を供給する。この熱により接合部４近傍の
被接合材２，３を塑性流動化し、これを中央ピン１２で
攪拌混合し、その後に、前記接合ツール１を引き抜い
て、硬化させて接合する。このように、スポット接合ツ
ール１を引き抜いて硬化させた後に接合部４が形成され
る。被接合材２と被接合材３とは、所定ピッチで形成さ
れた接合部４により断続的に接合された構造となる。

【００２２】前記中央ピン１２は、前記中央ピン１２が
進入する側の被接合材２の厚さと略同等な長さを有す
る。なお、本例では、被接合材２，３が２枚であるの
で、前記中央ピン１２が貫通して進入する単数又は複数
の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有
するようにして、ショルダー部１３を接合部４に接近さ
せるために、前記中央ピン１２が進入する側の被接合材
２の厚さと略同等な長さを有するようにしているのであ
る。

【００２３】前記摩擦熱の発生源となるショルダー部１
３は、中央ピン１２の位置から中央ピン１２の上方に向
かって直径が徐々に増加するように形成されている。こ
のようなショルダー部１３を形成することにより被接合
材２，３同士が接合される接合部４に前記ショルダー部
１３を接近させることができ、加熱効率が向上する。そ
のために、従来と同様な継手強度を確保する際には、シ
ョルダー部１３の面積（外縁直径）と接合ツール１に負
荷される押圧力を小さくすることが可能となる。

【００２４】前記スポット接合ツール１を被接合材２，
３に押し込む量は、被接合部材２，３同士の重ね合わせ
部より下方で、下側にセットされた被接合材３を突き抜
けない位置までである。よって、下側の被接合材３の表
面（底面）３ａは綺麗な面を保ち、製品の外表面として
利用可能な面となる。

【００２５】なお、摩擦面積を増加させる必要がある場
合には、図１（ｂ）に示す接合ツール１Ａのように、前
記ショルダー部１３Ａを本体胴部１１Ａに接するところ
で水平（水平部分１３ａ）に延長すればよい。また、前
記ショルダー部１３，１３Ａは、図１（ａ）や図１
（ｂ）に示すように、上方に向かって直線的に直径が増
大する円錐形状とする必要はなく、図１（ｃ）（ｄ）に
示す接合ツール１Ｂ，１Ｄのように、ショルダー部１３
Ｂ，１３Ｄを、上方に向かって曲線的に直径が徐々に増
大する断面曲線形状とすることもできる。

【００２６】また、図２に示す接合ツール１Ｃのよう
に、ショルダー部１３Ｃに、塑性流動化した被接合材
２，３を収納するポケット部１０を形成することができ
る。このポケット部１０の直径Ｂは、接合部４の外縁直
径（ナゲット径）Ｃ１よりも大きく、かつ接合部４外縁
からポケット部１０で形成される中央ピン進入側の被接
合材２上面に至る距離（最短距離）Ｃ３が被接合材２
（母材）の板厚Ｌ０以上となるように設定されている。
このようにすれば、例えば図１（ｂ）に示すように本体
胴部１１に連接するところで水平方向に延長し、摩擦面
積を増加させるショルダー部とする必要がある場合にお
いて、前記水平方向に拡がるショルダー部１３Ｃでの被
接合材表面での摩擦による肉厚減少部分に、塑性流動化
した被接合材が流れ込みやすくなることから、特に板厚
に寄与し、肉厚の減少を防止することができ、継手強度
の向上に効果がある。

【００２７】前記ショルダー部１３Ｃに形成するポケッ
ト部１０の容積は、中央ピン１２が被接合材２に進入す
る際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量
以上であるように形成する必要がある。

【００２８】このようにポケット部１０を設ければ、シ
ョルダー部１３Ｃでの被接合材２表面での摩擦による肉
厚減少部分に対し、塑性流動化して押し退けられる被接
合材を確実に収納し貯留することができることから、硬
化後の被接合材の肉厚減少を防止することができる。

【００２９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、中央ピ
ンを、前記中央ピンが貫通して進入する単数又は複数の
被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有す
るものとし、摩擦熱を発生させるショルダー部を、前記
中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって
直径が徐々に増加するようにしたので、ショルダー部
を、被接合材同士が接合される接合部に接近させ、加熱
効率を向上させて塑性流動領域を増やすことができる。
これにより、前記接合部の外縁直径（ナゲット径）の増
大を図り、継手強度の増加に寄与できる。また、ショル
ダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの
上方に向かって直径が徐々に増加する形状としているの
で、ショルダー部によって案内されて塑性流動材料が板
厚方向へ流れ込みやすくなり、この点からも継手強度の
増加を図る上で有利となる。

【００３０】請求項２に係る発明によれば、前記ショル
ダー部に、ポケット部（接合部の外縁直径（ナゲット
径）よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被
接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる
被接合材の容量以上の容積を有する）を形成し、接合部
外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が母
材板厚以上となるようにしているので、塑性流動化して
押し退けられる被接合材を収納し貯留することが可能と
なり、ショルダー部での被接合材表面の摩擦による肉厚
減少（硬化後の被接合材肉厚の減少）を防止し、従来の
接合継手に比べ強度が向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスポット接合ツールが適用される
スポット接合ツールと接合部の断面図であり、（ａ）は
ショルダー部が上方に向かって直線的に径が増大する円
錐形状のスポット接合ツールの例を示し、（ｂ）はショ
ルダー部の外縁部に水平部を設けたスポット接合ツール
の例を示し、（ｃ）（ｄ）はショルダー部が上方に向か
って曲線状に径が増大するスポット接合ツールの例を示
す。

【図２】本発明に係るスポット接合ツールが適用され、
ショルダー部の一部にポケット部を形成したスポット接
合ツールと接合部の断面図である。

【図３】従来のスポット接合ツールと接合部の断面図で
あり、（ａ）はショルダー部が平坦なスポット接合ツー
ルの例を示し、（ｂ）はショルダー部が逆テーパー状の
スポット接合ツールの例を示す。

【符号の説明】

１，１Ａ〜１Ｄ スポット接合ツール ２ 被接合材 ３ 被接合材 ４ 接合部 １０ ポケット部 １１ 本体胴部 １２ 中央ピン １３，１３Ａ〜１３Ｄ ショルダー部 Ｂ ポケット部の外径 Ｃ１，Ｃ２ 接合部の直径（ナゲット径） Ｃ３ 接合部外縁（ナゲット端）からポケット部で形成
される中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離 Ｄ ショルダー部の直径（外径） ｄ 中央ピンの直径

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 政一郎 兵庫県神戸市兵庫区和田山通２丁目１番18 号 川崎重工業株式会社兵庫工場内 (72)発明者 川崎 卓巳 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 CA01 EC03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸線に沿って突出する中央ピンと、該中
   央ピンの上側に連接され前記中央ピンより大径の本体胴
   部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るシ
   ョルダー部とを有し、複数の重ね合わされた金属製の被
   接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピン
   を進入し、主として前記ショルダー部と被接合材との摩
   擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により
   前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化し、これを前記
   中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツ
   ールであって、 前記中央ピンは、前記中央ピンが貫通して進入する単数
   又は複数の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い
   長さを有するものであり、 前記ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記
   中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状で
   あることを特徴とするスポット接合ツール。
2. 【請求項２】 前記ショルダー部に塑性流動化した被接
   合材を収納するポケット部を形成し、 前記ポケット部は、前記接合部の外縁直径（ナゲット
   径）よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被
   接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる
   被接合材の容量以上の容積を有し、 前記接合部外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至
   る距離が母材板厚以上であることを特徴とする請求項１
   に記載のスポット接合ツール。