JP2005224846A - 摩擦点接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２を重ね合わせて、両板材Ｗ１，Ｗ２を塑性流動させて接合する摩擦点接合構造において、接合品質を安定させると共に、その接合強度を向上させる。
【解決手段】回転ツール４と受け部材５とを用い、第１板材Ｗ１を第２板材Ｗ２側に押圧して回転するピン部４２によって第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との連続した界面Ｓ２を残して凹部６１を形成する。このとき、第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２を塑性流動させて凹部６１の外側に第２板材Ｗ２が第１板材Ｗ１側に盛り上がった環状の盛上り部６３を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の板材を重ね合わせて、板材を塑性流動させて接合する摩擦点接合構造に関する。

従来より、特にアルミニウム材等の軽金属は鋼材に比べ電気を通し易く、熱を伝え安いことから、鋼材に比べてアーク溶接などの溶融接合に不向きであることが知られている。

そこで、先端にピン部を有し、かつその基端側にピン部より大径のショルダ部が形成された回転ツールと、該回転ツールに対して回転軸の軸線方向に対向するように配置された受け部材とを備えた摩擦点接合装置を用い、この摩擦点接合装置により、重ね合わせた第１及び第２板材を上記回転ツール及び受け部材により挟むと共に、該回転ツールを回転させながら上記ピン部を第１板材及び第２板材に向かって圧入し、かつ上記ショルダ部で第１板材を上記軸線の方向に押圧することにより、摩擦により板材を一部溶融させて点接合する摩擦点接合構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２９２４７９号公報

しかしながら、従来の摩擦点接合構造では、板材の板厚及び材質などに合わせて、回転ツールの加圧力、回転数及び接合時間を細かく調節しなければならず、この調節が非常に困難なため、接合品質のバラツキが大きくなるという問題ある。また、摩擦により板材を溶融させて点接合しているため、接合時間をある程度必要とする。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、２枚の板材の接合構造の構成に工夫を加えることにより、安定した接合品質で、かつ接合強度が高い接合構造を得ようとすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、機械的接合により板材を接合するようにした。

具体的には、第１の発明では、先端にピン部を有し、かつその基端側にピン部より大径のショルダ部が形成された回転ツールと、該回転ツールに対して回転軸の軸線方向に対向するように配置された受け部材とを用い、重ね合わせた第１及び第２板材を上記回転ツール及び受け部材により挟むと共に、該回転ツールを回転させながら上記ピン部を第１板材に向かって圧入し、かつ上記ショルダ部で第１板材を上記軸線の方向に押圧することにより、第１及び第２板材の両者に塑性流動を生じさせて点接合した摩擦点接合構造を対象とする。

そして、上記第１板材と第２板材との連続した界面を存在させた状態で上記ピン部による凹部が形成され、上記凹部の外側において、全周にわたり第２板材が第１板材側に盛り上がった環状の盛上り部を形成して第１及び第２板材が接合されている構成とする。

上記の構成によると、第１板材と第２板材との間には連続した界面が存在しているので、上記回転ツールと受け部材とで挟まれた第１及び第２板材が、回転するショルダ部とピン部とで生じる摩擦熱で軟化されるときに、互いに溶融しない固相のまま、押圧された第２板材が第１板材側に塑性流動し、凹部の外側に環状の盛上り部を形成しながら機械的接合されている。この盛上り部の機械的接合の大きさによって接合強度が左右されるが、その大きさは、回転ツールの加圧力、回転数及び接合時間等の接合条件を変えることで容易に調整できるため、目標とする接合強度を安定して得ることができる。

また、凹部底面の第１部材と第２部材との間には、連続した界面が残されているので、界面が途切れているような場合に比べて応力集中が発生し難く、亀裂の発生を防いで剪断破断強度を大きくすることができる。さらに、凹部を形成する壁面に第２板材が露出していないため、第２板材が耐食性に劣る材質であっても第１板材が耐食性のあるものであれば、接合部位の耐食性を確保できると共に、同じ材質が連続して表面に存在するため、表面処理、塗装などにおける品質管理が容易である。

第２の発明では、上記環状の盛上り部には、その外側に突出する突出部が形成されている。この構成によると、突出部において、第２板材が盛上り部の外側に向かって第１板材に食い込んでいるので、そのアンカー効果により、第１板材を第２板材から引き離そうとする剥離方向の荷重に対する強度も向上される。

第３の発明では、上記第１及び第２板材は軽金属よりなるものとする。この構成によると、アルミニウム、マグネシウムなどの比重の小さい軽金属は、比較的低温で固相状態での塑性流動が発生し易いので、本発明の作用効果が顕著に発揮される。

以上説明したように、上記第１の発明の摩擦点接合構造によると、回転ツールと受け部材とで第１及び第２板材を押圧してピン部による凹部を形成するときに、第１及び第２板材の連続した界面を残して第２板材が第１板材側に盛り上がった環状の盛上り部を形成している。この盛上り部の機械的接合の大きさは、接合条件を変えることで容易に調整可能であるため、目標とする接合強度を安定して得ることができる。さらに、上記界面の存在により、剪断破断強度が大きくなると共に、表面処理、塗装などにおける品質管理が容易となる。

上記第２の発明によると、環状の盛上り部の外側に突出部を形成したことにより、接合部位の剥離方向の荷重に対する強度も向上される。

上記第３の発明によると、第１及び第２板材を軽金属よりなるものとしたので、固相状態での塑性流動が発生し易く、本発明の作用効果が顕著に発揮される。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

−摩擦点接合装置の構成−
図１は、本発明の実施形態にかかる摩擦点接合装置（全体は図示せず）に設置された接合ガン１を示す。この接合ガン１は、例えば、ロボットの手首に取り付けられ、自動車のボディ等に用いられるアルミニウム合金、マグネシウム合金、亜鉛合金等の軽金属よりなる複数の板材を厚み方向に重ねた状態で点状に接合して、摩擦接合構造を形成するものである。この接合ガン１は、回転ツール４と受け部材５とからなる接合ツール６を備えており、この回転ツール４と受け部材５とによりワークＷの接合部位を挟み込むようになっている。

図２に模式的に示すように、上記回転ツール４は、先端部４１に円柱状のピン部４２を有し、かつピン部４２の基端側にピン部４２より大径のショルダ部４３が形成されている。

上記回転ツール４は、第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２を、その厚み方向に重ねたワークＷの重ね面Ｓ１に対して直交する回転軸Ｘ（軸線）上に配設されていて、回転軸モータ１１によって、この回転軸Ｘ回りに回転するように構成されている。また、上記回転ツール４は、押圧軸モータ１２によって、上記回転軸Ｘ上を昇降するように構成されている。この第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２は、同じ材質であっても異なる材質であってもよく、軽金属であればその組み合わせは自由である。

上記受け部材５は、上記回転ツール４の先端部４１の先端面と形状及び面積が略同等もしくはそれよりも大きい先端面５２を有する円柱状の本体部５１により構成されている。また、受け部材５は、略Ｌ字状のアーム１３の先端に取り付けられていて、ワークＷを挟んで上記回転ツール４と相対向するように上記回転軸Ｘ上に配設されている。

−ワークの接合手順−
図２に示すように、接合ガン１の回転軸モータ１１により、回転ツール４を回転軸Ｘ回りに回転させる。そして、上記回転ツール４の回転数が目標回転数に到達した後、該回転ツール４を回転させながら、押圧軸モータ１２によってワークＷ（第１板材Ｗ１）の表面に当接するまで該回転ツール４を下降させる。これにより、上記回転ツール４と受け部材５とで上記ワークＷを挟み込むと共に、このワークＷを回転軸Ｘ方向（図２で下方向）に押圧する。こうして、上記回転ツール４のピン部４２を上記ワークＷ内に圧入する。一方、上記受け部材５がその先端面５２で上記ワークＷを支持する。このことで、上記回転ツール４のワークＷへの押圧力が上記受け部材５の先端面５２で支持され、該ワークＷの上記受け部材５側への変形を抑えることができる。

次に、上記回転ツール４を回転させた状態で、さらにワークＷへ押圧する。このことにより、上記回転ツール４のピン部４２が第１板材Ｗ１に押し込まれ、発熱するとともに、該ピン部４２が第１板材Ｗ１内に沈み込んだ後には、上記回転ツール４のショルダ部４３と第１板材Ｗ１の表面との摩擦によって摩擦熱を生じる。この摩擦熱は、第１板材Ｗ１から第２板材Ｗ２へ伝達され、該第２板材Ｗ２も軟化する。

そして、上記回転ツール４の回転及び押圧を継続させる。これにより、上記第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２に塑性流動を生じさせる。該回転ツール４の回転及び押圧を継続させることにより、ワークＷ内の塑性流動範囲を拡大させる。

さらに、上記ピン部４２とショルダ部４３とが回転しながら第１板材Ｗ１を第２板材Ｗ２側に押圧することで、該ピン部４２及びショルダ部４３がワークＷ内に沈み込み、ピン部４２によって、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との連続した界面Ｓ２を残して凹部６１が形成される。このとき、第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２が固相のままで塑性流動し、回転ツール４と受け部材５とによって押圧された第２板材Ｗ２は内部圧力の小さい凹部６１の側壁面よりも径方向外側の第１板材Ｗ１側に流動する。このことで、回転軸Ｘを中心とする環状の盛上り部６３が凹部６１を囲むように第１板材Ｗ１側に形成される。この環状の盛上り部６３の外側には、径方向外側へ向かって突出する突出部６４が形成される。この第２板材Ｗ２よりなる突出部６４が第１板材Ｗ１に食い込んだ形で接合されている。

このようにして、ワークＷ内の塑性流動を所定時間継続させた後、回転ツール４を回転させたまま、押圧軸モータ１２によってこの回転ツール４を上昇させ、該回転ツール４をワークＷ内から引き抜く。

その後、ワークＷは急激に冷却されて硬化し、ワークＷの接合が完了する。

−実施形態の効果−
上記実施形態にかかる摩擦点接合構造によると、回転ツール４と受け部材５とで第１板材Ｗ１を第２板材Ｗ２側に押圧してピン部４２によって、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との連続した界面Ｓ２を残して凹部６１を形成するときに、第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２が塑性流動して第２板材Ｗ２が第１板材Ｗ１側に盛り上がった環状の盛上り部６３を形成している。この盛上り部６３の機械的接合の大きさによって接合強度が左右されるが、この機械的接合の大きさは、回転ツール４の加圧力、回転数及び接合時間等の接合条件を変えることで容易に調整できるため、目標とする接合強度を安定して得ることができる。さらに、上記界面Ｓ２の存在により、剪断破断強度が大きくなると共に、表面処理、塗装などにおける品質管理が容易となる。

また、盛上り部６３の外側に突出部６４を形成したことにより、この突出部６４のアンカー効果で接合部位の剥離方向の荷重に対する強度も向上される。

さらに、第１及び第２板材Ｗ１，Ｗ２を軽金属よりなるものとしたので、固相状態での塑性流動が発生し易く、本実施形態の作用効果が顕著に発揮される。

−実施形態の変形例−
上記実施形態では、受け部材５を固定しているが、受け部材５を回転軸Ｘに沿って移動可能としてもよい。また、受け部材５を回転ツール４の先端部４１の先端面と形状及び面積が略同等もしくはそれよりも大きい先端面５２を有する円柱状の本体部５１により構成したが、例えば、平板よりなるものとしてもよい。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。

（実施例１）
ワークＷとして、第１板材Ｗ１については板厚１mmの６０００系アルミニウム合金を使用し、第２板材Ｗ２については板厚１mmの３０００系アルミニウム合金を使用した。そして、上記摩擦点接合装置を使用して回転ツール４の加圧力、回転数及び回転ツール４を押し込んだ後の接合時間を変化させてワークＷを接合した。

具体的には、ショルダ部４３の直径が８mmの回転ツール４を用い、その加圧力を３．４２kN、回転数を２５００rpm とし、各接合時間を０．１秒毎に変化させて同じワークＷの異なる位置に複数の接合部位を設けた。そして、その接合状態を調べるためにワークＷの各接合時間毎の接合部位を切断して、その断面を観察した。さらに、異なる位置の各接合時間毎の接合部位について引張剪断強度を計測した。

図３に接合時間毎の破断径Ｒ及び引張剪断強度の移り変わりを調べた結果を示す。図４は、接合時間が０．４秒のときの接合部位を示す断面図であり、図５は、接合時間が０．７秒のときの接合部位を示す断面図である。破断径Ｒは、おおよそ盛上り部６３の最大径に相当し、第１板材Ｗ１と第２板材Ｗ２とが重ね面Ｓ１において機械的接合されている有効径に相当する。すなわち、図６に拡大して示すように、破断径Ｒの範囲内では、第１板材Ｗ１と第２板材Ｗ２とが隙間なく機械的に接合されている。一方、図には表れていないが、破断径Ｒよりも外側においては、第１板材Ｗ１と第２板材Ｗ２との間に微少な隙間が見られた。

図４及び図５を比較してもわかるように、接合時間を大きくすることで、盛上り部６３が成長し、破断径Ｒが大きくなることがわかった。すなわち、図３に示すように、接合時間をある程度長くすることで、破断径Ｒが大きくなり、それに伴って引張剪断強度の大きくなることがわかった。図６に拡大詳示するように、接合時間が０．７秒のときには、盛上り部６３に突出部６４が形成され、さらに引張剪断強度が大きくなっている。但し、接合時間を一定時間（本実施例では０．８秒）よりも長くすると、界面Ｓ２の第１板材Ｗ１の厚さが薄くなり過ぎるなどにより、逆に引張剪断強度が小さくなることがわかった。

図３に示す領域Ｂは、引張剪断試験での平面視の破断面の形状がボタン状（環状）になる領域を示し、この領域において最も良好な接合強度が得られた。領域Ａは、引張剪断試験での平面視の破断部の形状が途切れて環状とならない領域を示し、この領域Ａでは、領域Ｂに比較して接合強度は低下しているものの、０．４秒の接合時間では図４のように盛上り部６３が形成され、引張剪断強度が向上する。

このように、機械的接合の大きさ、すなわち破断径Ｒの大きさは、回転ツール４の加圧力、回転数及び接合時間等の接合条件を変えることで容易に調整できるため、目標とする接合強度を安定して得ることができることがわかった。

（実施例２）
ワークＷとして、第１板材Ｗ１については板厚１mmの６０００系アルミニウム合金を使用し、第２板材Ｗ２については板厚２mmの５０００系アルミニウム合金を使用した。そして、上記摩擦点接合装置を使用して回転ツール４の加圧力を３．９２kN、回転数を３５００rpm とし、接合時間を０．８秒としてワークＷを接合した。そのときの接合部位の拡大断面図を図７に示す。実施例２にかかる摩擦点接合構造においても、盛上り部６３が良好に形成されていることがわかる。図８に示すように、凹部６１の底部（図７のＣ部）を拡大すると、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との連続した界面Ｓ２が形成されていることがわかった。

以上説明したように、本発明は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、亜鉛合金等の２枚の板材を重ね合わせて、その接合部位の材料を塑性流動させて接合する摩擦点接合構造について有用である。

接合ガンを示す側面図である。 本発明の実施形態にかかる摩擦点接合構造を拡大して示す断面図である。 実施例１にかかる摩擦点接合構造における接合時間毎の破断径及び引張剪断強度の移り変わりを示すグラフ図である。 接合時間が０．４秒のときの接合部位を示す断面図である。 接合時間が０．７秒のときの図４相当図である。 図５の盛上り部を拡大して示す断面図である。 実施例２にかかる摩擦点接合構造の接合部位を示す断面図である。 図７のＣ部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

４ 回転ツール
５ 受け部材
４２ ピン部
４３ ショルダ部
６１ 凹部
６３ 盛上り部
６４ 突出部
Ｘ 回転軸
Ｓ２ 界面
Ｗ１ 第１板材
Ｗ２ 第２板材

Claims (3)

1. 先端にピン部を有し、かつその基端側にピン部より大径のショルダ部が形成された回転ツールと、該回転ツールに対して回転軸の軸線方向に対向するように配置された受け部材とを用い、
   重ね合わせた第１及び第２板材を上記回転ツール及び受け部材により挟むと共に、該回転ツールを回転させながら上記ピン部を第１板材に向かって圧入し、かつ上記ショルダ部で第１板材を上記軸線の方向に押圧することにより、第１及び第２板材の両者に塑性流動を生じさせて点接合した摩擦点接合構造であって、
   上記第１板材と第２板材との連続した界面を存在させた状態で上記ピン部による凹部が形成され、
   上記凹部の外側において、全周にわたり第２板材が第１板材側に盛り上がった環状の盛上り部を形成して第１及び第２板材が接合されていることを特徴とする摩擦点接合構造。
2. 請求項１の摩擦点接合構造において、
   上記環状の盛上り部には、その外側に突出する突出部が形成されていることを特徴とする摩擦点接合構造。
3. 請求項１又は２の摩擦点接合構造において、
   上記第１及び第２板材は軽金属よりなることを特徴とする摩擦点接合構造。

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