JP2005161382A - 金属部材のスポット接合方法およびその装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】
この発明は、金属部材のスポット接合方法およびその装置において、異種の金属材料を摩擦攪拌接合するにあたり、回転ツールのピンの長さが短くても、接合時の接合位置を安定させ、回転ツールへのアルミニウムの凝着現象を防ぎ、接合表面の外観の悪化を防止し、充分な接合強度を確保することができる接合方法およびその装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
ステップＳ５で、回転ツール４の加圧力が第一加圧力で維持される。すなわち、この加圧の第一段階でこの第一加圧力を維持することで、アルミニウム板Ｗ１表面に、回転ツール４の回転による相対的なすべりによる発熱（摩擦熱）Ｈを生じさせ、その発熱によって、アルミニウム板Ｗ１を軟化させる。この軟化により、ピン部４ｂによるセンタリングが確実に行われ、回転ツール４の旋回中心が決まる。
【選択図】 図６

Description

この発明は、金属部材のスポット接合方法およびその装置に関する。具体的には、異種金属を接合するため摩擦接合方法によって行なわれる金属部材のスポット接合方法およびその装置に関する。

近年、車体の軽量化などの要求により、アルミニウムなどの軽金属で車体を製造することが多くなってきている。しかし、これらアルミニウムなどの軽金属は、電気抵抗溶接による接合が困難なため接合方法が限定され、生産コストが増加するという問題があった。

そこで、特許文献１に記載されるような摩擦攪拌接合装置が提案されている。
この特許文献１に記載された摩擦攪拌接合装置は、先端にピンを有する回転子を、高速で回転させながらワーク（アルミニウム板）に押圧し、そのワーク（アルミニウム板）を軟化、攪拌させることでスポット接合を行うものである。

このような摩擦攪拌接合装置を用いることで、既存のスポット抵抗溶接の設備を流用することができるため、生産コストの増加を抑えることができる。

なお、この特許文献１には、量産設備での実用性を考慮して、回転スピードや加圧力を変化させることが開示されている。

特開２００３−１１７６６８号公報。

ところで、軽量化を図るためアルミニウム材等で車体を製造することが有効であるが、ある程度の強度が要求される部位には、強度やコストの面から鋼材等が用いられる。

このように車体において部分的にアルミニウム材を用いる場合には、アルミニウム材と鋼材という異種の金属部材を接合する必要がある。

このとき、両者の接合方法として、上述の摩擦攪拌接合装置による接合が考えられるが、異種の金属部材の場合、特にアルミニウム材と鋼材という融点の異なる金属部材の場合、両者を攪拌することが困難であるため、そのまま適用することはできない。

そこで、アルミニウム材と鋼材との間で、アルミニウム材のみを摩擦攪拌して、鋼材の新生面とアルミニウム材の新生面とを所謂固相接合により接合する方法が考えられる。

ここで、固相接合とは、固体材料を溶融することなく固相のまま接合することで、その接合部付近では原子の移動（拡散）が生じ、接合材料の原子が混ざり合って接合される接合方法のことである。

もっとも、単にそのままの素材を接合しても、鋼材の表面には酸化膜が存在するため、固相結合の接合強度を上げることは難しい。

そこで、本出願人は、先に、酸化膜を除去することで固相接合の結合強度を高める方法等について出願した（特願２００３−２７４９８３号公報）。

この出願では、予め鋼材の表面に亜鉛めっき層を形成することで鋼材表面に酸化膜が生成されるのを抑え、接合時にその亜鉛めっき層を回転ツールの摩擦攪拌で接合面の周囲に押出すことにより、新生面同士を接触させ、固相接合の接合強度を高める方法を提案している。

この出願により、異種金属の固相接合による接合強度を上げることが可能となった。

しかしながら、この結合方法を採用するにあたり、別の問題が生じる。
それは、この方法によるとアルミニウム材のみを摩擦攪拌するため、回転ツールのピンの長さを鋼材まで挿入しないように短く設定する必要があるが、このように回転ツールのピンの長さが短くなると、回転ツールの旋回中心が決まらず、接合時に接合位置が安定しないという問題である。

このように、接合時に接合位置が安定しないと、接合作業を適切に行うことができず、回転ツールにアルミニウムが凝着したり、接合表面の外観が悪化したり、充分な接合強度が得られないという問題が生じる。

そこで、この発明は、金属部材のスポット接合方法およびその装置において、異種の金属材料を摩擦攪拌接合するにあたり、回転ツールのピンの長さが短くても、接合時の接合位置を安定させ、回転ツールへのアルミニウムの凝着現象を防ぎ、接合表面の外観の悪化を防止し、充分な接合強度を確保することができる接合方法およびその装置を提供することを目的とする。

この発明による金属部材のスポット接合方法は、第一金属部材と、該第一金属部材より融点の高い第二金属部材を重ね合わせ、中央にピン部を有する回転ツールを回転させ摩擦熱によりスポット溶接する金属部材のスポット接合方法であって、前記回転ツールを、第一金属部材側から回転させながら回転軸芯方向に移動させ、加圧力を段階的に増加させながら、合わせ面付近まで押込み、摩擦熱により第一金属部材を塑性流動させて、両金属部材の合わせ面を接合する方法である。

上記構成によれば、回転ツールは、加圧力を段階的に増加させながら、合わせ面付近まで押込まれ、摩擦熱により第一金属部材を塑性流動させて、第一金属部材と第二金属部材を接合することになる。
すなわち、接合の初期段階では、加圧力を低くして第一金属部材を摩擦熱により軟化させて回転ツールの旋回中心を安定させ、接合の後期段階では、加圧力を高めることにより、第一金属部材を塑性流動させて両金属部材を接合するのである。

なお、この加圧力の段階的な増加は、二段階に限定されるものではなく、三段階以上であってもよい。また、加圧力の差も、接合の初期段階が低く設定してあれば、特に限定されるものではない。

この発明の一実施態様においては、前記回転ツールは、ピン部周りのショルダー部に環状の凹部を形成した方法である。

上記構成によれば、環状の凹部をショルダー部に形成した回転ツールで、段階的に加圧力を増加して、第一金属部材と第二金属部材とを接合することになる。
このように回転ツールのショルダー部に環状の凹部を形成したことにより、ピン部の摩擦熱によって軟化された第一金属部材が、塑性流動の段階でその凹部内に留まり、接合部の外方に排出されるの防止できるため、加圧力を段階的に増加させても、第一金属部材を確実に加圧することができる。よって、第一金属部材と第二金属部材を確実に接合することができる。

この発明の一実施態様においては、前記環状の凹部は、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角を備える方法である。

上記構成によれば、環状の凹部は、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角を備えるため、塑性流動を起こす第一金属部材が、加圧されればされるほど、回転ツールの中央に集められることになり、第一金属部材に対する加圧力を確実に高めることができる。よって、第一金属部材と第二金属部材をより確実に接合することができる。

この発明の一実施態様においては、前記回転ツールの加圧力を二段階に増加させて、該回転ツールを前記合わせ面付近まで押込む方法である。

上記構成によれば、加圧力の増加を二段階にしたことにより、第一段階を第一金属部材の摩擦熱による軟化段階、第二段階を第一金属部材の塑性流動段階として明確にできる。このため、第一段階でツールの位置決めを行い、第二段階で第一金属部材と第二金属部材の接合を行うということが明確にできる。よって、第一金属部材と第二金属部材の接合を安定して行うことができる。

この発明の一実施態様においては、前記第一金属部材がアルミニウム部材で、前記第二金属部材が鋼部材であり、両金属部材の合わせ面を固相状態で接合する方法である。

上記構成によれば、具体的な金属部材であるアルミニウム部材と鋼部材とを固相状態で接合する。すなわち、固相接合によって行われるアルミニウム部材と鋼部材の接合においても、接合位置を安定させることができる。よって、ピン部を短くせざるを得ないアルミニウム部材と鋼部材の固相接合を、安定して行うことができる。

この発明による金属部材のスポット接合装置は、第一金属部材と、該第一金属部材より融点の高い第二金属部材を重ね合わせ、中央にピン部を有する回転ツールを回転させ摩擦熱によりスポット溶接する金属部材のスポット接合装置であって、接合時に回転ツールを回転させる回転駆動手段と、接合時に回転ツールを回転軸芯方向に移動させ加圧力を付与する加圧駆動手段と、該加圧駆動手段の加圧力を段階的に増加させ、回転ツールを合わせ面付近まで押し込む加圧力制御手段とを備えるものである。

上記構成によれば、回転駆動手段と加圧駆動手段で、回転ツールに回転力と加圧力を付与し、加圧力制御手段で加圧駆動手段の加圧力を段階的に増加させることで、回転ツールを合わせ面付近まで押し込むことになる。
このように回転ツールの加圧力を段階的に増加させることにより、接合の初期段階では、加圧力を低くして第一金属部材を摩擦熱により軟化させて、回転ツールの旋回中心を安定させ、接合の後期段階では、加圧力を高めることにより、第一金属部材を塑性流動させて両金属部材を接合することができる。

この発明の一実施態様においては、前記回転ツールは、ピン部周りのショルダー部に環状の凹部を形成したものである。

上記構成によれば、環状の凹部をショルダー部に形成した回転ツールで、段階的に加圧力を増加して、第一金属部材と第二金属部材とを接合することになる。

このように回転ツールのショルダー部に環状の凹部を形成したことにより、ピン部の摩擦熱によって軟化された第一金属部材が、塑性流動の段階でその凹部内に留まり、接合部の外方に排出されるの防止できるため、加圧力を段階的に増加させても、第一金属部材を確実に加圧することができる。よって、第一金属部材と第二金属部材を確実に接合することができる。

この発明の一実施態様においては、前記環状の凹部は、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角を備えるものである。

上記構成によれば、環状の凹部は、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角を備えるため、塑性流動を起こす第一金属部材が、加圧されればされるほど、ツール中央側に集められることになり、第一金属部材に対する加圧力を確実に高めることができる。よって、第一金属部材と第二金属部材をより確実に接合することができる。

この発明によれば、回転ツールの加圧力を段階的に増加させることにより、接合の初期段階では、加圧力を低くして第一金属部材を摩擦熱により軟化させて、回転ツールの旋回中心を安定させ、接合の後期段階では、加圧力を高めることにより、第一金属部材を塑性流動させて第一金属部材と第二金属部材とを接合することができる。

このように、接合の初期段階に加圧力を抑え回転ツールの旋回中心を安定させることで、回転ツールのピンの長さが短くても、接合時の接合位置を安定させることができる。よって、この発明によれば、金属部材のスポット接合方法およびその装置において、異種の金属材料を摩擦攪拌接合するにあたり、回転ツールのピンの長さが短くても、接合時の接合位置を安定させ、回転ツールへのアルミニウムの凝着現象を防ぎ、接合表面の外観の悪化を防止し、充分な接合強度を確保することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施形態を詳述する。
図１は、本実施形態に係る接合装置の概略構成を示しており、この接合装置Ａは、例えば自動車ボディ等に用いられるアルミニウム合金等からなるアルミニウム板Ｗ１（ＪＩＳ６０００系アルミニウム板）と鋼板Ｗ２（亜鉛めっき鋼板）とを金属部材として、その両板面を重ねた状態で接合するために用いられる。

この接合装置Ａは、ロボット２と、そのロボットの手首に取付けられる接合ガン１と、これらを制御する制御盤３とを具備する。

前述のロボット２として、汎用の六軸垂直多関節型ロボットが用いられる。このロボット２は、接合ガン１を、前記アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合位置に位置づける機能を有している。

前記接合ガン１は、図２に示すように、前記アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを接合すべく、接合用工具６として、回転ツール４と、受け具５とを備えている。

回転ツール４は、接合軸Ｘ上に配設されており、加圧軸モータ１１により加圧のために該接合軸Ｘに沿って昇降動されると共に、回転軸モータ１２により接合軸Ｘを中心として回転される。回転軸モータ１２としては、インダクションモータやサーボモータを用いることができる。また加圧軸モータ１１としては、サーボモータを用いることができる。

受け具５は、前述の回転ツール４に対向して配置されており、この位置状態は、略Ｌ字状のアーム１３を利用し、その先端に受け具５を取付けることにより保持されている。なお、回転ツール４と受け具５は、共に接合ガン１に対して着脱可能に取付けられている。

接合ガン１における回転ツール４と受け具５とについて、図３〜図５に基づいて具体的に説明する。

回転ツール４は、本体部４ａと、センタリング（位置決め機能、位置ズレ防止機能）を主目的としたピン部４ｂとを具備する。

本体部４ａは、略円柱状に形成され、その配置は、その軸心が前記接合軸Ｘに合致するように設定されている。この本体部４ａの先端面（ショルダー部）４ｃには、全体的にやや浅めの凹部４ｄを形成しており、その凹部４ｄは本体部の径内方に向かうに従って深くなるように傾斜している。

ピン部４ｂは、その軸心が本体部の軸心（接合軸Ｘ）に合致するように配置されつつ、本体部の直径よりも小径となるようにして該本体部４ａの先端面から突出されており、その先端面は平坦面に形成されている。

具体的には、図５に示すように、本体部４ａの直径であるショルダー径ｄ１は１０．６ｍｍに設定され、ピン部４ｂの径ｄ２は２．４ｍｍ、ピン部４ｂの長さ（突出長さ）ｈは０．８ｍｍ、凹部４ｄの傾斜角αは５°に設定されている。

受け具５は、前記回転ツールにおける本体部４ａと略同径とされた略円柱状に形成されており、その先端面５ａは平坦面に形成されている。

このように、回転ツール４と受け具５を構成して、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の一部を重合させた状態で、その接合位置７をスポット接合するように構成している（図３参照）。

前述の制御盤３は、図１に示すように、前記ロボット２にハーネス３１を介して接続されると共に、前記接合ガン１にハーネス３２、中継ボックス３４、ハーネス３３を介して接続されている。この制御盤３は、ロボット２の六軸と接合ガン１における回転軸モータ１２及び加圧軸モータ１１の二軸の合計八軸を同期制御するように構成されている。

次に、この接合装置Ａを用いる金属部材の接合方法について、図６のフローチャートにより具体的に説明する。この接合方法は、接合すべき金属部材として、異種材料、特に軟質性が相対的に異なるものに対して適用できることになっており、本実施形態においては、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２が接合すべき金属材料とされている。

この鋼板Ｗ２には、接合すべき接合面において、予め、酸化膜の生成を防止する亜鉛めっき層８（亜鉛合金めっきも含む）が形成され（図４参照）、一方アルミニウム板Ｗ１には、なんら酸化防止膜の生成処理は施されておらず、アルミニウム板の接合面には、通常雰囲気下で生成される酸化膜が形成されている。

まず、ステップＳ１で、接合すべきアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とが、所定の状態で、所定位置に固定される。これは、ロボット２の作業領域における所定位置に固定される治具（図示せず）に、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とをセットすることにより行われる。このセットにおいて、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合すべき部分が互いに重ねた状態とされ、その両者の接合すべき箇所において、前述の亜鉛めっき層８が介在されることになる。

次に、ステップＳ２で、接合ガン１をロボット２によって移動させて、その接合軸Ｘ上に前述のアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合位置７をセットする。すなわち、接合ガン１を受け具５が鋼板Ｗ２に対向するように配置させつつ、その受け具５と回転ツール４との間に金属部材の接合位置７を位置させるように移動して、その接合ガン１の接合軸Ｘ上に金属部材の接合位置７を位置させる。そして、この後、接合ガン１を上方向に移動して受け具５の先端面を鋼板Ｗ２に当接させる。

次に、ステップＳ３で、回転ツール４を回転軸モータ１２により回転させる。この回転数は、約３５００ｒｐｍに設定されている。

次に、ステップＳ４で、回転状態の回転ツール４が加圧軸モータ１１により下降してアルミニウム板Ｗ１当接し、回転ツール４のピン部４ｂと受け具５とにより、金属部材であるアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２が把持される。すなわち、回転ツール４のピン部４ｂが先ず、アルミニウム板Ｗ１に当接して位置決めがなされる。

次に、ステップＳ５で、回転ツール４の加圧力が第一加圧力で維持される。すなわち、この加圧の第一段階でこの第一加圧力を維持することで、アルミニウム板Ｗ１表面に、回転ツール４の回転による相対的なすべりによる発熱（摩擦熱）Ｈを生じさせ、その発熱によって、アルミニウム板Ｗ１を軟化させる（図８参照）。

この軟化により、ピン部４ｂによるセンタリングが確実に行われ、回転ツール４の旋回中心が決まる。

次に、ステップＳ６で、回転ツール４の加圧力を第二加圧力まで増加させる。この第二加圧力まで加圧力を増加することで、回転ツール４は、軟化したアルミニウム板Ｗ１内に侵入することになる。これに伴い、回転ツール４と接触圧力の高い部分のアルミニウムが該回転ツール４の回転によりせん断され、このせん断された部分へ、摩擦熱Ｈを受けて軟化した亜鉛めっき（亜鉛めっき層８）が拡散される（図９参照）。

また、この回転ツール４の加圧力により、アルミニウム板Ｗ１は塑性変形し、せん断部分は外周へ広がる。同時にアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２との界面に残った亜鉛めっき層８も外周へ排出される。このとき、アルミニウム板Ｗ１表面の酸化膜も上記塑性変形（塑性流動）に基づき破壊され、これにより、アルミニウム板Ｗ１には、新生面（酸化膜に覆われずアルミニウム自体からなる面）が露出する。

次に、ステップＳ７で、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とが固相接合する。すなわち、鋼板Ｗ２表面の亜鉛めっき層８は、一部がアルミニウム中に取り込まれ、残りが外周に排出されるが、これにより、亜鉛めっき層８がなくなった範囲では、酸化膜が破壊され、新生面の露出したアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の新生面とが直接に接触（接合）することになる。また、亜鉛めっき層８が残存する外周部では、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とは、亜鉛−アルミ−鉄化合物９を介して接合することになる（図１０参照）。

次に、ステップＳ８で、回転ツール４を金属部材から退避させて、この金属部材の接合作業は終了する。

この接合方法における、加圧力の変化およびその変化によって生じる接合断面の変化について、図７〜図１０に基づき説明する。図７は回転ツール４の発生する加圧力の時間変化を表したグラフ、図８〜図１０は、図７の（ａ）〜（ｃ）点に該当する接合位置の接合断面を示した図である。

図７のグラフから分かるように、加圧力は二段階に変化しており、その初期段階では１００ｋｇｆ程度の加圧力に保持させるが、後期段階では３００ｋｇｆ程度まで増加している。前述のフローチャートでいうと、１００ｋｇｆ程度の加圧力に保持された状態がステップＳ５に該当し、３００ｋｇｆ程度まで増加した状態がステップＳ６に該当する。

この図７の（ａ）の接合断面を、図８に示めす。この段階は、回転ツール４の先端（ピン部４ｂ）が、アルミニウム板Ｗ１に接触した段階であり（ステップＳ４参照）、その先端のみの接触で、金属部材の側に摩擦熱Ｈが生じ、アルミニウム板Ｗ１と亜鉛めっき層８が軟化する。

この軟化状態から第一加圧力を維持することで、ピン部４ｂが短くても、回転ツール４の位置決めが確実に行われる。

図９は、図７の（ｂ）の接合断面である。この段階では、回転ツール４が第二加圧力を受けてアルミニウム板Ｗ１内に侵入し、アルミニウム板Ｗ１が塑性流動を開始した段階であり（ステップＳ６参照）、アルミニウムのせん断が生じて、亜鉛めっき層８の拡散も生じる。

この第二加圧力を受け回転ツール４が侵入することで、アルミニウムの新生面が露出する。

図１０は、図７の（ｃ）の接合断面である。この段階では、回転ツール４がさらにアルミニウム板Ｗ１内の合わせ面１０付近まで侵入し、アルミニウムと鋼の新生面同士が接触する段階であり（ステップＳ７参照）、この段階において、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の強固な固相接合が行われる。

なお、アルミニウム板Ｗ１の表面に形成されているのは、回転ツール４の侵入によって押し出されたアルミニウムのバリＷ１ａである。

以上の接合方法によって生じた、接合位置の接合スポットの外観を示した図が、図１１（ａ）である。この接合方法によらずに、従来どおり一気に加圧力を加える接合方法で接合した場合の接合スポットの外観図（ｂ）と比較すると、この接合方法による外観が明らかに良いことが分かる。

すなわち、（ａ）の場合には、略円形のスポット凹部が形成されているのに対し、（ｂ）の場合には、接合初期の回転ツール４の位置決めが充分なされないため、綺麗な円形のスポット凹部と形成することができない。

この（ｂ）のような外観状態となると、商品性も悪化し、また接合強度も充分に確保することができない。さらに回転ツール４の先端にもアルミニウムが凝着するため、生産性も悪化するという問題がある。

これに対し、本実施態様の接合方法によれば、回転ツール４の位置決めを確実に行うことができるため、（ａ）のような外観が得られ、こうした問題を解消することができる。

次に、このような二段階の加圧力変化による接合方法において、どのような加圧形態が最適なのかを検討するために行った実験データについて、図１２のデータ表に基づいて説明する。なお、この実験の回転ツール４は、前述の条件のもの（ショルダー径ｄ１は１０．６ｍｍ、ピン部の径ｄ２は２．４ｍｍ、ピン部の長さｈは０．８ｍｍ、凹部の傾斜角αは５°）を用いた。また、単位は、回転数がｒｐｍ、加圧力がｋＮ、加圧時間がｓ、である。

まず、金属部材は、上板を１．０ｍｍのアルミニウム板Ｗ１、下板を１．０ｍｍの亜鉛めっき鋼板Ｗ２とし、接合条件を１１通りに変化させて接合を行った。
この実験データからは、１番目と２番目のように、１段目を高い加圧力として、２段目を低い加圧力とすると、接合を充分に行うことができず、回転ツール４にアルミニウムが凝着してしまうことが分かる。

これは、上板のアルミニウムが十分に軟化する前に高い加圧力を加えたため、アルミニウムが塑性流動できず、回転ツール４によって引きちぎられたためと考えられる。

また、この実験データからは、加圧力を１段目は低くし、２段目は高くすれば、加圧時間をどのように変化させても、良好な接合が得られることが分かる。

これは、こうした接合方法において、加圧力変化の要因が最も接合状態に影響を及ぼすものであることを示している。

なお、１番目と２番目の違いとして１段目の回転数の違いがある。この回転数の高い２番目の方で、一応の接合ができたのは、摩擦熱の発熱量を高くできたため、アルミニウムの軟化が早く行われ、アルミニウムの塑性流動が僅かに行われたためと考えられる。

また、次に図１３のデータ表は、金属部材の板厚を減少させた場合の実験データを現したデータ表である。金属部材の板厚は、上板であるアルミニウム板Ｗ１が０．８ｍｍ、下板である亜鉛めっき鋼板Ｗ２が０．８ｍｍである。なお、回転ツール４も、板厚の減少に合わせて、ピン部４ｂの長さを０．５ｍｍに変更している。

この実験データでは、回転ツール４の加圧力を三段階に変化させている。これは、金属部材の板厚を減少すると、アルミニウムが回転ツール４に凝着しやすくなり、適正に接合ができなくなることに起因している。

すなわち、アルミニウムの凝着を回避するためは、初期の加圧力を低くする必要があるが（実験データでは０．４９ｋＮ）、アルミニウムに塑性流動を生じさせてアルミニウム表面の酸化膜を破壊するためには、ある程度の加圧力（実験データでは０．９８ｋＮ）が必要となる。しかし、この加圧力変化が一気に行われると、アルミニウムの塑性流動が急激に行われ、適切な接合を行うことができない。そこで、アルミニウムの塑性流動が緩やかに行われるように、初期の加圧力と塑性流動をさせる加圧力との間に、加圧力変化の橋渡しを行う加圧力調整段（２段目）を設けているのである。

このように、加圧力調整段を設けたことにより、板厚の小さいものでも、確実に固相接合による接合ができる。

次に、以上のように構成した本実施態様の作用及び効果について詳述する。

このように、本実施態様の金属部材のスポット接合方法は、アルミニウム板Ｗ１と、該アルミニウム板Ｗ１より融点の高い鋼板Ｗ２を重ね合わせ、中央にピン部４ｂを有する回転ツール４を回転させ摩擦熱Ｈによりスポット溶接する金属部材のスポット接合方法であって、前記回転ツール４を、アルミニウム板Ｗ１側から回転させながら回転軸芯方向に移動させ、加圧力を段階的に増加させながら、合わせ面１０付近まで押込み、摩擦熱Ｈによりアルミニウム板Ｗ１を塑性流動させて、両金属部材１、Ｗ２の合わせ面１０を接合する方法である。

上記構成によれば、回転ツール４は、加圧力を段階的に増加させながら、合わせ面１０付近まで押込まれ、摩擦熱Ｈによりアルミニウム板Ｗ１を塑性流動させて、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２を接合することになる。

すなわち、接合の初期段階では、加圧力を低くしてアルミニウム板Ｗ１を摩擦熱Ｈにより軟化させて、回転ツール４の旋回中心を安定させ、接合の後期段階では、加圧力を高めることにより、アルミニウム板Ｗ１を塑性流動させて両金属部材１、Ｗ２を接合するのである。

このように、接合の初期段階に加圧力を抑え回転ツールの旋回中心を安定させることで、回転ツール４のピン部４ｂの長さが短くても、接合時の接合位置を安定させることができる。よって、この実施形態によれば、金属部材のスポット接合方法において、異種の金属材料を摩擦攪拌接合するにあたり、回転ツール４のピン部４ｂの長さが短くても、接合時の接合位置を安定させ、回転ツール４へのアルミニウムの凝着現象を防ぎ、接合表面の外観の悪化を防止し、充分な接合強度を確保することができるのである。

なお、この加圧力の段階的な増加は、二段階に限定されるものではなく、三段階以上であってもよい。また、加圧力の差も接合の初期段階が低く設定してあれば、特に限定されるものではない。

また、接合される金属部材も、アルミニウムと鋼に限定されるものではなく、マグネシウム合金と鋼など、融点が大きく異なるものであればよい。

また、この実施態様では、前記回転ツール４は、ピン部４ｂ周りのショルダー部４ｃに環状の凹部４ｄを形成した方法である。

上記構成によれば、環状の凹部４ｄをショルダー部４ｃに形成した回転ツール４で、段階的に加圧力を増加して、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを接合することになる。

このように回転ツール４のショルダー部４ｃに環状の凹部４ｄを形成したことにより、ピン部４ｂの摩擦熱によって軟化されたアルミニウム板Ｗ１が、塑性流動の段階でその凹部４ｄ内に留まり、接合部の外方に排出されるの防止できるため、加圧力を段階的に増加させても、アルミニウム板Ｗ１を確実に加圧することができる。よって、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２を確実に接合することができる。

また、この実施態様では、前記環状の凹部４ｄは、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角αを備える方法である。

上記構成によれば、塑性流動を起こすアルミニウム板Ｗ１が、加圧されればされるほど、回転ツール４の中央側に集められることになり、アルミニウム板Ｗ１に対する加圧力を確実に高めることができる。よって、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２をより確実に接合することができる。

また、この実施態様では、前記回転ツール４の加圧力を二段階に増加させて、該回転ツール４を前記合わせ面１０付近まで押込む方法である。

上記構成によれば、加圧力の増加を二段階にしたことにより、第一段階をアルミニウム板Ｗ１の摩擦熱による軟化段階、第二段階をアルミニウム板Ｗ１の塑性流動段階として明確にできる。このため、第一段階で回転ツール４の位置決めを行い、第二段階でアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の接合を行うことができる。よって、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の接合を安定して行うことができる。

また、この実施態様では、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の合わせ面１０を固相状態で接合する方法である。

上記構成によれば、ピン部４ｂを短くして行うアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２の固相接合を、確実に安定して行うことができる。

また、この実施態様の金属部材のスポット接合装置Ａは、アルミニウム板Ｗ１と、該アルミニウム板Ｗ１より融点の高い鋼板Ｗ２を重ね合わせ、中央にピン部４ｂを有する回転ツール４を回転させ摩擦熱によりスポット溶接する金属部材のスポット接合装置であって、接合時に回転ツール４を回転させる回転軸モータ１２と、接合時に回転ツール４を回転軸芯方向に移動させ加圧力を付与する加圧軸モータ１１と、該加圧軸モータ１１の加圧力を段階的に増加させ、回転ツール４を合わせ面１０付近まで、アルミニウム板Ｗ１に押し込む加圧力制御手段（制御盤３）とを備えるものである。

上記構成によれば、回転軸モータ１２と加圧軸モータ１１で、回転ツール４に回転力と加圧力を付与し、加圧力制御手段（制御盤３）で加圧軸モータ１１の加圧力を段階的に増加させることで、回転ツール４を合わせ面１０付近までアルミニウム板Ｗ１に押し込むことになる。

このように回転ツール４の加圧力を段階的に増加させることにより、接合の初期段階では、加圧力を低くしてアルミニウム板Ｗ１を摩擦熱により軟化させて、回転ツール４の旋回中心を安定させ、接合の後期段階では、加圧力を高めることにより、アルミニウム板Ｗ１を塑性流動させて両金属部材を接合することができる。

これにより、この実施形態の金属部材のスポット接合装置Ａでは、異種の金属材料を摩擦攪拌接合するにあたり、回転ツール４のピン部４ｂの長さが短くても、接合時の接合位置を安定させ、回転ツール４へのアルミニウムの凝着現象を防ぎ、接合表面の外観の悪化を防止し、充分な接合強度を確保することができる
また、この実施態様では、前記回転ツール４は、ピン部４ｄ周りのショルダー部４ｃに環状の凹部４ｄを形成したものである。

上記構成によれば、環状の凹部４ｄをショルダー部４ｃに形成した回転ツール４で、段階的に加圧力を増加して、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを接合することになる。

このように回転ツール４のショルダー部４ｃに環状の凹部４ｄを形成したことにより、ピン部４ｂの摩擦熱によって軟化されたアルミニウム板Ｗ１が、塑性流動の段階でその凹部４ｄ内に留まり、接合部の外方に排出されるの防止できるため、加圧力を段階的に増加させても、アルミニウム板Ｗ１を確実に加圧することができる。よって、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２を確実に接合することができる。

また、この実施態様では、前記環状の凹部４ｄは、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角αを備えるものである。

上記構成によれば、環状の凹部４ｄは、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角αを備えるため、塑性流動を起こすアルミニウム板Ｗ１が、加圧されればされるほど、回転ツール４の中央側に集められることになり、アルミニウム板Ｗ１に対する加圧力を確実に高めることができる。よって、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２をより確実に接合することができる。

以上、この発明の構成と、前述の実施態様との対応において、発明の第一金属部材は、実施態様のアルミニウム板Ｗ１に対応し、
以下同様に、
第二金属部材は、鋼板Ｗ２に対応し、
回転駆動手段は、回転軸モータ１２に対応し、
加圧駆動手段は、加圧軸モータ１１に対応対応するも、
この発明は、前述の実施態様の構成のみに限定されるものではない。

実施形態に係る接合装置の概略構成図。 実施形態に係る接合ガンの概略構成図。 接合用工具と金属部材を示した斜視図。 接合用工具と金属部材を示した断面図。 回転ツールの先端部の詳細図。 接合ステップを示したフローチャート。 回転ツールの発生する加圧力の時間変化を示したグラフ。 図７の（ａ）点での接合断面図。 図７の（ｂ）点での接合断面図。 図７の（ｃ）点での接合断面図。 （ａ）実施形態での接合スポットの外観図、（ｂ）従来の接合スポットの外観図。 二段階の加圧力変化の実験データを示すデータ表。 三段階の加圧力変化の実験データを示すデータ表。

符号の説明

Ｗ１…アルミニウム板（第一金属部材）
Ｗ２…鋼板（第二金属部材）
３…制御盤（加圧力制御手段）
４…回転ツール
１１…加圧軸モータ（加圧駆動手段）
１２…回転軸モータ（回転駆動手段）

Claims (8)

1. 第一金属部材と、該第一金属部材より融点の高い第二金属部材を重ね合わせ、中央にピン部を有する回転ツールを回転させ摩擦熱によりスポット溶接する金属部材のスポット接合方法であって、
   前記回転ツールを、第一金属部材側から回転させながら回転軸芯方向に移動させ、加圧力を段階的に増加させながら、合わせ面付近まで押込み、摩擦熱により第一金属部材を塑性流動させて、両金属部材の合わせ面を接合する
   金属部材のスポット接合方法。
2. 前記回転ツールは、ピン部周りのショルダー部に環状の凹部を形成した
   請求項１記載の金属部材のスポット接合方法。
3. 前記環状の凹部は、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角を備える
   請求項２記載の金属部材のスポット接合方法。
4. 前記回転ツールの加圧力を二段階に増加させて、該回転ツールを前記合わせ面付近まで押込む
   請求項１〜３記載の金属部材のスポット接合方法。
5. 前記第一金属部材がアルミニウム部材で、前記第二金属部材が鋼部材であり、両金属部材の合わせ面を固相状態で接合する
   請求項１〜４記載の金属部材のスポット接合方法。
6. 第一金属部材と、該第一金属部材より融点の高い第二金属部材を重ね合わせ、中央にピン部を有する回転ツールを回転させ摩擦熱によりスポット溶接する金属部材のスポット接合装置であって、
   接合時に回転ツールを回転させる回転駆動手段と、
   接合時に回転ツールを回転軸芯方向に移動させ加圧力を付与する加圧駆動手段と、
   該加圧駆動手段の加圧力を段階的に増加させ、回転ツールを合わせ面付近まで押し込む加圧力制御手段とを備える
   金属部材のスポット接合装置。
7. 前記回転ツールは、ピン部周りのショルダー部に環状の凹部を形成した
   請求項６記載の金属部材のスポット接合装置。
8. 前記環状の凹部は、径内方側に向かうに従って深くなるように傾斜した傾斜角を備える
   請求項７記載の金属部材のスポット接合装置。
   

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