JP2006061921A - 摩擦点接合方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、異種材からなる第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転子を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う方法及びその装置において、第２金属部材が外部に露出することを確実に回避し、よって、異種金属同士の接合であっても電気腐食の問題が発生しない摩擦点接合を行う方法及びその装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 回転子２を回転させながら接合中心線Ｘに沿ってアルミニウム合金板Ｗ１に進入させ、ショルダー部２ｂが該アルミニウム合金板Ｗ１に接触するとき、ピン部材２１を回転子２の内部に後退させる。
【選択図】 図４

Description

本発明は異種金属材料の接合方法、特に、回転子による摩擦熱を利用して金属材料を軟化させ、攪拌し、塑性流動を生じさせることで接合を行う摩擦点接合の方法及び装置に属する。

近年、自動車の車体の軽量化の流れから、鉄系材料に代わりアルミニウム合金の接合のニーズが高まっている。アルミニウムの接合を行う場合、最も多く使用される接合方法として抵抗接合を利用した接合がある。しかし、この方法では、アルミニウムは電気導率が比較的大きいため抵抗による発熱が小さく、また、アルミニウムは熱伝導率が大きいため溶接熱の逸散が生じ易く、溶接が困難となる。さらに抵抗溶接は、金属材料に瞬間的に大電流を流すことで瞬時に溶融させた後、急激に冷却させるため、割れ等の溶接欠陥が生じ易く、熱歪による変形が大きく、その上、溶接部の機械的性質が劣化する等の数々の問題がある。

これらの問題を解決してアルミニウム合金の接合を行う方法として摩擦点接合がある。この摩擦点接合は、一般に、底面が平らなショルダー部にピンの突起を備える回転子を回転させながら金属材料に接触させて摩擦熱を発生させ、接合部を含む領域をピンによる攪拌で塑性流動を生じさせることで接合を行う。すなわち、この接合方法は金属材料の溶融を伴わない固相接合の一種であり、通常の抵抗溶接に見られるような溶融、凝固による材質的劣化が無く、かつ変形が極めて少なく高速接合でき、作業環境がクリーンである等の多くの長所がある。さらに、他の溶接、例えば、レーザ溶接や電子ビーム溶接等が高価な設備機器を必要とするのに対し、摩擦点接合は設備が簡単でコストパフォーマンスやエネルギー効率においても優れている。

しかし、摩擦点接合において、摩擦熱で金属材料を軟化させて攪拌した後、回転子を金属材料から退避させたときには同時にピンも後退することになるので、金属材料にピンの形状の穴が残る。この様な穴が形成されると、穴に応力が集中するため、接合強度が低下し、破損しやすくなる。また、外観が悪化して商品価値が低下する等の問題がある。

そこで、接合終了後にピンだけを先に回転子内に後退させた後に、穴を含む領域を再加圧することで穴を母材で埋めて穴の生成を抑制する方法が考えられる。しかし、この方法では接合が終了した後にピンを回転子内部に後退させ、その後に再加圧を行うから、接合に要する時間が長くなり、また、ピンを後退させている間に母材が冷却されて硬化するため、その後に再加圧を行っても充分に穴を埋めることができない場合があった。

このような問題に鑑み、短時間で穴を埋めて金属材料を接合することが可能な摩擦点接合として、特許文献１に開示されているような摩擦点接合装置を用いた接合方法が知られている。この摩擦点接合装置では、接合終了後に回転子の先端で金属材料を加圧している状態でピンを後退させるため、ピンを後退させることで生じる穴に周囲の軟化した母材が硬化することなく流れ込み、穴を確実に埋めることが可能となる。

特開２００２−１９２３５８号公報

ところが、上記方法は、ピンを、重ね合わせた金属部材のうちの上側の第１金属部材を貫通させて下側の第２金属部材にまで到達させているので、穴が良好に埋まらずに第２金属部材が外部に露出した場合に、第２金属部材が第１金属部材とイオン化傾向の異なる例えば鋼などの異種金属であったときは、電気腐食の問題が生じ、金属部材に大きな損傷が発生する。

そこで、本発明は、異種材からなる第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転子を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う方法及びその装置において、第２金属部材が外部に露出することを確実に回避し、よって、異種金属同士の接合であっても電気腐食の問題が発生しない摩擦点接合を行う方法及びその装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、異種材からなる第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う方法であって、上記回転加圧手段として、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材とショルダー部とを有するものを用い、かつ、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段を用いて、重ね合わせた金属部材を第２金属部材の側から上記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を第１金属部材の側から回転させながら押し込み、ショルダー部が第１金属部材に突入した状態で上記ピン部材が第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて両金属部材間の重ね合せ部を固相接合することを特徴とする。

そして、本願の請求項２に記載の発明は、隣接する複数の第１金属部材と該第１金属部材と異種材でなる１つの第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う方法であって、上記回転加圧手段として、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材と径が相異なる複数のショルダー部とを有するものを用い、かつ、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段を用いて、重ね合わせた金属部材を第２金属部材の側から上記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を隣接する複数の第１金属部材の側から回転させながら押し込み、小径の第１ショルダー部が第２金属部材に隣接する第１金属部材に突入した状態で、上記ピン部材が同第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて第１金属部材と第２金属部材との重ね合せ部を固相接合すると共に、隣接する複数の第1金属部材の重ね合せ部を接合することを特徴とする。

次に、本願の請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、第１金属部材はアルミニウム合金板であり、第２金属部材は金属メッキ層が施された鋼板であると共に、接合時に、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作により発生する摩擦熱を用いて金属メッキ材料を軟化させ、加圧動作により接合部位から外側に押し出した後で、第１金属部材と第２金属部材とを固相接合することを特徴とする。

また、本願の請求項４に記載の発明は、異種材からなる第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う装置であって、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材とショルダー部とを有する回転加圧手段と、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段と、上記ピン部材を回転加圧手段の先端部から進退移動させるピン移動手段と、重ね合わされた金属部材を第２金属部材の側から上記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を第１金属部材の側から回転させながら押し込み、ショルダー部が第１金属部材に突入した状態で上記ピン部材が第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて両金属部材間の重ね合せ部を固相接合するように回転加圧手段及びピン移動手段を制御する駆動制御手段とを備えていることを特徴とする。

そして、本願の請求項５に記載の発明は、隣接する複数の第１金属部材と１つの第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う摩擦点接合装置であって、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材と径が相異なる複数のショルダー部とを有する回転加圧手段と、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段と、上記ピン部材を回転加圧手段の先端部から進退移動させるピン移動手段と、重ね合わせた金属部材を第２金属部材の側から上記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を隣接する複数の第１金属部材の側から回転させながら押し込み、小径の第１ショルダー部が第２金属部材に隣接する第１金属部材に突入した状態で、上記ピン部材が同第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて第１金属部材と第２金属部材との重ね合せ部を固相接合すると共に、隣接する複数の第1金属部材の重ね合せ部を接合するように回転加圧手段及びピン移動手段を制御する駆動制御手段とを備えていることを特徴とする。

次に、本願の請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、回転加圧手段の先端のショルダー部が、中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることを特徴とする。

そして、本願の請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、回転加圧手段の先端の第１ショルダー部が、中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることを特徴とする。

以上の様に構成したことにより、まず、請求項１に記載の発明によれば、第１金属部材を突き抜けて、ピン部材が第２金属部材に達する前に該ピン部材を後退させることで、ピン部材が第２金属部材にまで達し第２金属部材が外部に露出することにより電気腐食の問題が生じる事態が回避されると共に、ピン部材を回転子内部に後退させた後のショルダー部による加圧動作で安定した接合面を得ることが可能となる。

そして、請求項２に記載の発明によれば、隣接する複数の第１金属部材と１つの第２金属部材とを重ね合わせた３枚以上の金属材料の接合においても、ピン部材が第２金属部材に達する前に該ピン部材を後退させることで、ピン部材が第２金属部材にまで達し第２金属部材が外部に露出することにより電気腐食の問題が生じる事態が回避されると共に、第１ショルダー部による加圧動作で安定した接合面を得ることが可能となる。

次に、請求項３に記載の発明によれば、第１金属部材にアルミニウム合金板を用い、第２金属部材に金属メッキ層として例えば腐食防止用の亜鉛メッキ層が施された鋼板を用いて摩擦点接合を行う場合において、亜鉛はアルミニウムよりも融点が低く、回転子の回転動作により生じる摩擦熱で軟化され、塑性流動が生じ、加圧動作により軟化した亜鉛メッキ層がショルダー部周囲の外側に押し出されるため、間に亜鉛メッキ層を挟むことなくアルミニウム合金板と鋼板との固相接合を確実に行うことが可能となる。

そして、請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様に、第１金属部材を突き抜けて、ピン部材が第２金属部材に達する前にピン部材を後退させることで、ピン部材が第２金属部材にまで達し第２金属部材が外部に露出することにより電気腐食の問題が生じる事態が回避されると共に、ショルダー部による加圧動作で安定した接合面を得ることが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明と同様に、隣接する複数の第１金属部材と１つの第２金属部材とを重ね合わせた３枚以上の金属材料の接合においても、第１金属部材を突き抜けて、ピン部材が第２金属部材に達する前にピン部材を後退させることで、ピン部材が第２金属部材にまで達し第２金属部材が外部に露出することにより電気腐食の問題が生じる事態が回避されると共に、第１ショルダー部による加圧動作で安定した接合面を得ることが可能となる。

次に、請求項６に記載の発明によれば、ショルダー部が、中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることで、回転子の内部に軟化させられた第１金属部材を塑性流動させるスペースを設け、ショルダー部近傍の金属部材を外側に押し出さず内部に閉じ込めて圧力の媒体とするので、接合時に第２金属部材にまで圧力を伝え、回転子による加圧動作を確実に行うことが可能となる。

そして、請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の発明と同様に、第１ショルダー部が、中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることで、回転子の内部に軟化させられた第１金属部材を塑性流動させるスペースを設け、第１ショルダー部近傍の金属部材を外側に押し出さず内部に閉じ込めて圧力の媒体とするので、接合時に第２金属部材にまで圧力を伝え、回転子による加圧動作を確実に行うことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面に基いて説明する。

まず、本発明に係る方法を実施する具体的な接合装置の構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る接合装置のシステム構成を示しており、この接合装置は、被接合部材としてのワークＷの接合を行うために用いられるもので、該ワークＷとして、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のアルミニウム板（一方の金属部材）Ｗ１と亜鉛メッキ層Ｚ１が施された鋼板（他方の金属部材）Ｗ２とを重ね合わせた状態で接合するために用いられる。

本実施形態では、本発明に係る摩擦点接合装置は図１に示す接合ガン１に適用され、該接合ガン１はロボットアーム１００の先端に取り付けられている。

該ロボットアーム１００は、接合ガン１を、上記アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合位置に位置付ける機能を有している。

上記接合ガン１は、図１に示すように、上記アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを接合するべく、接合用工具として、回転子２と受け具３とを備えている。

回転子２は工具鋼からなり、接合材が軟化する温度でも充分な強度が確保されるようになっている。また、該回転子２は、接合中心線Ｘ上に配設されており、回転軸モータＭ１により該接合中心線Ｘを中心として回転されることになっている。すなわち、上記回転子２は、筒状の旋回軸４の取り付けフランジ５に固定されている。

接合ガン１の本体にベアリング６を介して回転可能に支持された筒状の駆動軸７の上端は第１プーリ８が取り付けられており、下端は上記旋回軸４の穴部に挿入されてボールスプラインにより該旋回軸４とスプライン結合されている。

一方、上記回転軸モータＭ１の回転軸に第２プーリ９が取り付けられ、該第２プーリ９により駆動される歯付きベルト１０を介して上記第１プーリ８が駆動され、駆動軸７及び旋回軸４を介して回転子２が回転する。

さらに、上記回転子２は、加圧手段としての加圧軸モータＭ２によって、加圧のために上記接合中心線Ｘに沿って昇降動されるように構成されている。すなわち、接合ガン１の本体に回転可能に配置されたネジ軸１１に螺合して上昇する昇降部材１２に筒状の昇降筒体１３を設け、該昇降筒体１３の下端側はブッシュ１４を介して接合ガン１の本体に昇降可能に支持されている。

昇降筒体１３の内部には、ベアリング１５を介して上記旋回軸４が回転可能に支持されている。

一方、上記加圧軸モータＭ２の回転軸に第３プーリ１６が取り付けられ、該第３プーリ１６で駆動される歯付きベルト１７を介して上記ネジ軸１１に取り付けられた第４プーリ１８が駆動され、ネジ軸１１の回転により昇降部材１２及び昇降筒体１３が昇降し、ベアリング１５を介して旋回軸４が昇降して回転子２が接合中心線Ｘ上を昇降する。

可動ピン１９は上端にジョイント２０と下端にピン部材２１とを備えており、回転子２の中心を貫く穴部に挿入され、該回転子２とスプライン結合されている。そして、上記可動ピン１９の上端は上記ジョイント２０を介して操作軸２２に連結されており、該操作軸２２は駆動軸７内側の穴部に挿入されて該駆動軸７とスプライン結合されている。

このため、駆動軸７の回転により回転子２と可動ピン１９とは一体的に回転する。

また、上記操作軸２２の上端はベアリング２３を介して棒部材２４に連結されている。さらに、上記棒部材２４に備えられたラック２５はピニオン２６と噛合っており、ピンシフト用リニアモータＭ３を作動させて、歯車２７を回転させることで該ピニオン２６とラック２５とを介して可動ピン１９を昇降させる。

上記回転軸モータＭ１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、上記加圧軸モータＭ２としては、サーボモータを用いることができる。

そして、受け具３は、上記回転子２に対向配置されており、この位置状態は、略Ｌ字状のアーム４０を利用し、その先端に受け具３を取り付けることにより保持されている。尚、回転子２及び受け具３は、接合ガン１に対して着脱可能に取り付けられている。

また、回転軸モータＭ１と加圧軸モータＭ２とピンシフト用リニアモータＭ３とに制御信号を出力するコントローラ５０と、回転子２が接合中心線Ｘに沿って昇降移動する際に該回転子２の位置を把握するためのエンコーダ２８と、回転子２の下端、すなわちピン部材２１が始めてアルミニウム合金板Ｗ１に接触した瞬間を検知するタッチセンサ２９と、コントローラ５０からの出力信号を受けてロボットアーム１００の駆動制御を行うロボットアームアクチュエータ３０とが上記接合装置に設けられており、回転子２の回転動作と加圧動作、及び可動ピン１９の回転子内部への後退動作の各動作の制御システムを形成している。

次に、回転子２と受け具３とについて、図２に基いて説明する。回転子２は、本体部２ａと、センタリング（位置決め機能、位置ずれ防止機能）を主目的とした可動ピン１９とを一体的に有している。本体部２ａは、略円柱状に形成され、その配置は、その軸心が上記接合中心線Ｘに合致するように設定されている。この回転子２の先端のショルダー部２ｂは、可動ピン１９側に向かって傾斜した円錐状の凹所を形成しており、該凹所は回転子２の径方向内方に向かうに従って深くなっている。可動ピン１９は、その軸心が回転子２の軸心（接合中心線Ｘ）に合致するように配置されつつ、回転子２よりも小径となるようにしてピン部材２１が該回転子２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。この場合、この先端面の形状は、より好ましくは、曲率半径４０ｍｍ程度の曲面形状がよく、これにより、回転子２の回転時に求心力が発生して押し込みがスムーズとなる。勿論この他に、この回転子２の別の態様として、全体的に円柱状とされてその先端面が平坦なもの、全体的に円柱状とすると共に、その先端面の周縁部付近をやや丸みを持たせたようなもの、上記実施形態に係るものにおいて、回転子２の先端面を外に向けてやや膨らませたような形状のものを用いてもよい。

尚、本発明を具体化する上では、このショルダー部２ｂに形成された凹所（凹部）の形状としては、上述のように径方向内方に向かうに従って深くなっている形状がより好ましい。すなわち、本発明においては、後述するように回転子２は、その加圧時に、本発明の目的で形成した酸化防止用の金属膜を軟化させて、外周方向へ押し出す役目を同時に果たすものであるが、上述の形状の凹所（凹部）がこの機能を達成する上でより好ましい。つまり、この形状の方が、摩擦熱で軟化して塑性流動する金属部材（例えばアルミニウム部材）の金属材料が回転子外周に流動して逃げるのを可及的に抑制することができるので、回転子の加圧力を有効に酸化防止用の金属膜に作用させ、そして外周に押し出すことができるためである。

受け具３は、上記回転子２と略同径とされた略円柱状に形成されており、その先端面は平坦面に形成されている。

次に、上記接合装置を用いて、ワークＷの接合方法について具体的に説明する。
［接合動作第１例］
まず、第１接合動作例として、アルミニウム合金板と酸化防止用の亜鉛メッキ層が施された鋼板との摩擦点接合を行う場合について説明する。

図２に示すように、アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合前において、ピン部材２１を先端部から突出させた状態で、回転子２が回転軸モータＭ１で回転しながら接合中心線Ｘ方向に沿って加圧軸モータＭ２及びピンシフト用リニアモータＭ３で上側からアルミニウム合金板Ｗ１に接近しており、そして受け具３は回転せずに同軸方向の下側から亜鉛メッキ層Ｚ１が施された鋼板Ｗ２に接近している。

そして、図３に示すように、ピン部材２１と受け具３とがそれぞれ、アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とに同時に接触したとき、ピン部材２１の回転動作で生じる摩擦熱によりアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１とが軟化し始め、軟化領域Ｓが生じる。この瞬間をアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２との接合開始のポイントとして、後述のピン部材２１を時間設定により回転子２の内部に後退させる場合と、位置設定により後退させる場合との２つの場合における設定の基準とする。

次に、図４に示すように、引き続き回転子２を回転させた状態でピン部材２１を接合中心線Ｘに沿ってアルミニウム合金板Ｗ１内部に進入させ、かつ、受け具３による鋼板Ｗ２の軸方向下側からの支持を行うと、ショルダー部２ｂがアルミニウム合金板Ｗ１に接触するようになる。このとき、ピン部材２１の回転動作により生じる摩擦熱だけでなく、ピン部材２１よりもアルミニウム合金板Ｗ１との接触面積が広いショルダー部２ｂが接触することで生じる摩擦熱も加えられるため、アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１の軟化領域Ｓが拡大し、アルミニウム合金板Ｗ１がショルダー部２ｂの回転動作により剪断され、該ショルダー部２ｂの周囲のアルミニウム部材が盛り上がってバリＢが生じる。

なお、この動作例では、上記ショルダー部２ｂがアルミニウム合金板Ｗ１に接触する位置に到達するとき、ピン部材２１を回転子２の内部に後退させる。

ピン部材２１を回転子２の内部に後退させるタイミングの設定方法は、上述したように、時間設定による方法と位置設定による方法との２つの方法がある。

まず、時間設定によりピン部材２１を回転子２の内部に後退させるタイミングを定める方法について図１の制御システム図を用いて説明する。

回転子２と受け具３とが、それぞれアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とに同時に接触したとき、タッチセンサ２９からの検出信号がコントローラ５０に入力され、該検出信号が入力された時点からの経過時間がコントローラ５０に内蔵されたタイマー３１で計測される。そして、回転軸モータＭ１の制御信号がコントローラ５０から出力される。該回転軸モータＭ１の駆動による回転子２の回転数は、再びコントローラ５０にフィードバックされて、タイマー３１による計時開始の時点からの経過時間にパラメータ変換される。そして、該タイマー３１による計時時間が設定時間になったときに、ピンシフト用リニアモータＭ３の回転駆動により、ピン部材２１を回転子２の内部に後退させるようにロボットに制御させる。この設定時間は、予め実験的に求めておき、ロボットにインプットしておく。

次に、位置設定によりピン部材２１を回転子２の内部に後退させるタイミングを定める方法について図１の制御システム図を用いて説明する。

回転子２と受け具３とが、それぞれアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とに同時に接触するときのピン部材２１の位置を原点と定め、このとき、エンコーダ２８からの入力信号がコントロールユニット５０に入力され、加圧軸モータＭ２への制御信号が出力される。ピン部材２１が原点の位置にある時点から現時点までの加圧軸モータＭ２の回転変位量が、回転子２が原点から接合中心線Ｘに沿って移動する距離にパラメータ変換されてから、エンコーダ２８にフィードバックされる。この動作を繰り返すことでショルダー部２ｂがアルミニウム合金板Ｗ１に接触するまでの間の回転子２の接合中心線Ｘ上における位置が絶えず把握される。

ピン部材２１が設定した位置、すなわちショルダー部２ｂがアルミニウム合金板Ｗ１に接触するときのピン部材２１の位置に到達したとき、ピン部材２１を回転子２の内部に後退させるようにロボットに制御させる。この設定した位置は、予め実験的に求めておき、パラメータ設定してロボットにインプットしておく。

以上のように、アルミニウム合金板Ｗ１を突き抜けて、ピン部材２１が鋼板Ｗ２に達する前に該ピン部材２１を後退させることで、ピン部材２１が鋼板Ｗ２にまで達し該鋼板Ｗ２が外部に露出することにより、電気腐食の問題が生じる事態が回避されると共に、その後のショルダー部２ｂによる加圧動作で安定した接合面を得ることが可能となる。

また、ショルダー部２ｂが、回転子２の中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることで、回転子２の内部に軟化させられたアルミニウム合金板Ｗ１を塑性流動させるスペースを設け、ショルダー部２ｂ近傍のアルミニウム合金板Ｗ１を外側に押し出さず内部に閉じ込めて圧力の媒体とするので、接合時に鋼板Ｗ２にまで圧力を伝え、回転子２による加圧動作を確実に行うことが可能となる。

次に、図５に示すように、ピン部材２１を回転子２の内部に完全に後退させた後、回転子２を回転させながらアルミニウム合金板Ｗ１のさらに内部に進入させると、鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１はアルミニウムよりも融点が低いので、回転子２の回転動作により生じる摩擦熱で軟化される。亜鉛メッキ層Ｚ１は塑性流動が生じ、回転子２の加圧動作により軟化した膜Ｚ２のほとんどがショルダー部２ｂの外側に押し出されると共に一部がアルミニウム合金材料中に取り込まれることで、間に亜鉛メッキ層Ｚ１を挟むことなくアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを固相接合することが可能となる。

次に、図６に示すように、回転子２がアルミニウム合金板Ｗ１に最も深く沈みこんだ状態では、回転子２の加圧動作により、鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１が回転子２の周囲の外側に押し出されているため、この時点でアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２との固相接合が確実に行われている。なお、このとき、回転子２の回転動作によりショルダー部２ｂの周囲に押し出された軟化した亜鉛メッキ層Ｚ１の膜Ｚ２の中にはアルミニウムと亜鉛との金属間化合物Ｙが生成している。

そして、図７に示すように、接合終了後は回転子２と受け具３とをそれぞれ接合中心線Ｘに沿ってアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とから退避させる。このとき、回転子２の回転動作を停止してからアルミニウム合金板Ｗ１から退避させると、冷却して硬化したアルミニウムが回転子２に付着し、接合が終了したワークＷを回転子２を退避させるときにまとめて持ち上げてしまう恐れがあるため、回転子２を回転させながらワークＷから退避させる。

また、ワークＷの接合面は全面が固相接合しているため、接合面が多く、鉄とアルミニウムとが原子レベルで一体となっているため、抵抗溶接と比較して接合強度が大きくなっている。
［接合動作第２例］
次に、第２接合動作例として、隣接する２つのアルミニウム合金板と腐食防止用の亜鉛メッキ層が施された１つの鋼板との摩擦点接合を行う場合について説明する。

図８に示すように、第１アルミニウム合金板Ｗ１と第２アルミニウム合金板Ｗ３と鋼板Ｗ２との接合前において、ピン部材２１を回転子２の先端部から突出させた状態で、回転子２が回転しながら接合軸方向の上側から第１アルミニウム合金板Ｗ１に接近しており、そして受け具３は回転せずに同軸方向の下側から亜鉛メッキ層Ｚ１が施された鋼板Ｗ２に接近している。

そして、図９に示すように、ピン部材２１と受け具３とがそれぞれ、第１アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とに同時に接触するとき、ピン部材２１の回転動作で生じる摩擦熱により第１アルミニウム合金板Ｗ１と第２アルミニウム合金板Ｗ３と鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１とが軟化し始め、軟化領域Ｓが生じる。この瞬間を第１アルミニウム合金板Ｗ１と第２アルミニウム合金板Ｗ３と鋼板Ｗ２との接合開始のポイントとして、第１の実施形態と同様にピン部材２１を時間設定により回転子２の内部に後退させる場合と、位置設定により後退させる場合との２つの場合における設定の基準とする。

次に、図１０に示すように、引き続き回転子２を回転させた状態でピン部材２１を接合中心線Ｘに沿って第１アルミニウム合金板Ｗ１内部に進入させ、かつ、受け具３による鋼板Ｗ２の軸方向下側からの支持を行うと、ショルダー部２ｂが第１アルミニウム合金板Ｗ１に接触するようになる。このとき、ピン部材２１の回転動作により生じる摩擦熱だけでなく、ピン部材２１よりも第１アルミニウム合金板Ｗ１との接触面積が広いショルダー部２ｂが接触することで生じる摩擦熱も加えられるため、第１アルミニウム合金板Ｗ１と第２アルミニウム合金板Ｗ３と鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１の軟化領域Ｓが拡大し、第１アルミニウム合金板Ｗ１がショルダー部２ｂの回転動作により剪断され、該ショルダー部２ｂの周囲のアルミニウム部材が盛り上がってバリＢが生じる。

なお、この接合動作例ではショルダー部２ｂが第２アルミニウム合金板Ｗ３に接触する位置に達するとき、ピン部材２１を回転子２の内部に後退させる。

ピン部材２１を回転子２の内部に後退させるタイミングの設定方法は、上述したように、時間設定による方法と位置設定による方法との２つの方法がある。ただし、第１の動作例と同様の設定方法であるため説明は省略する。

第１アルミニウム合金板Ｗ１を突き抜けて、ピン部材２１が鋼板Ｗ２に達する前に該ピン部材２１を後退させることで、ピン部材２１が鋼板Ｗ２にまで達し該鋼板Ｗ２が外部に露出することにより、電気腐食の問題が生じる事態が回避されると共に、その後のショルダー部２ｂによる加圧動作で安定した接合面を得ることが可能となる。

また、ショルダー部２ｂが、回転子２の中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることで、回転子２の内部に軟化させられた第１アルミニウム合金板Ｗ１及び第２アルミニウム合金板Ｗ３を塑性流動させるスペースを設け、ショルダー部２ｂ近傍の第１アルミニウム合金板Ｗ１及び第２アルミニウム合金板Ｗ３を外側に押し出さず内部に閉じ込めて圧力の媒体とするので、接合時に鋼板Ｗ２にまで圧力を伝え、回転子２による加圧動作を確実に行うことが可能となる。

次に、図１１に示すように、ピン部材２１を回転子２の内部に完全に後退させた後、回転子２を回転させながら第２アルミニウム合金板Ｗ３のさらに内部に進入させると、鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１はアルミニウムよりも融点が低いので、回転子２の回転動作により生じる摩擦熱で軟化される。亜鉛メッキ層Ｚ１は塑性流動が生じ、回転子２の加圧動作により軟化した膜Ｚ２のほとんどがショルダー部２ｂの外側に押し出されると共に一部がアルミニウム合金材料中に取り込まれることで、間に亜鉛メッキ層Ｚ１を挟むことなく第１アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを固相接合することが可能となる。

そして、隣接する第１アルミニウム合金板Ｗ１と第２アルミニウム合金板Ｗ３において、回転子２の回転動作により接合部付近が剪断されて盛り上がり、バリが生じ、該バリが回転により成長して両アルミニウム合金板間で互いに食い込み合うことで接合される。

次に、図１２に示すように、回転子２が第１アルミニウム合金板Ｗ１及び第２アルミニウム合金板Ｗ３に最も深く沈みこんだ状態では、回転子２の加圧動作により、鋼板Ｗ２に施された亜鉛メッキ層Ｚ１が回転子２の周囲の外側に押し出されているため、この時点で第１アルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２との固相接合及び第１アルミニウム合金板Ｗ１と第２アルミニウム合金板Ｗ３の接合が確実に行われている。なお、このとき、回転子２の回転動作によりショルダー部２ｂの周囲に押し出された軟化した亜鉛メッキ層Ｚ１の膜Ｚ２の中にはアルミニウムと亜鉛との金属間化合物Ｙが生成している。

そして、図１３に示すように、接合終了後は回転子２と受け具３とをそれぞれ接合中心線Ｘに沿ってアルミニウム合金板Ｗ１と鋼板Ｗ２とから退避させる。このとき、回転子２の回転動作を停止してからアルミニウム合金板Ｗ１から退避させると、冷却して硬化したアルミニウムが回転子２に付着し、接合が終了した両金属板を回転子２を退避させるときにまとめて持ち上げてしまう恐れがあるため、回転子１を回転させながらワークＷから退避させる。

また、ワークＷの接合面は全面が固相接合しているため、接合面が多く、鉄とアルミニウムとが原子レベルで一体となっているため、抵抗溶接と比較して接合強度が大きくなっている。また、第１アルミニウム合金板Ｗ１と第２アルミニウム合金板Ｗ３の接合面も、回転子２の回転動作により剪断されて盛り上がった部分同士が互いに食い込み合っているため、接合強度が大きく容易には離れない。

また、ショルダー部２ｂが第２アルミニウム合金板Ｗ３に接するときに、ピン部材２１を回転子２の内部に後退させてあるため、接合終了後に鋼板Ｗ２が外部に露出することで、該鋼板Ｗ２に電気腐食の問題が生じる事態が確実に回避される。

以上のように、本発明によれば、本発明は、異種材からなる第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転子を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う方法及びその装置において、第２金属部材が外部に露出することを確実に回避し、そして、異種金属同士の接合であっても電気腐食の問題が発生しない摩擦点接合を行うことが可能となり、異種金属材料の接合方法、特に、回転子による摩擦熱を利用して金属材料を軟化させ、攪拌し、塑性流動を生じさせることで接合を行う摩擦点接合の方法及びその装置の技術分野に広く好適である。

本発明の実施形態に係る接合装置のシステム図である。 第１の接合動作例の接合前の動作側面図である。 第１の接合動作例の接合開始時の動作側面図である。 第１の接合動作例の接合中の動作側面図である。 第１の接合動作例のピンを回転子内部に後退させる瞬間の動作側面図である。 第１の接合動作例の回転子が最も深く沈みこんだ瞬間の動作側面図である。 第１の接合動作例の接合終了後の動作側面図である。 第２の接合動作例の接合前の動作側面図である。 第２の接合動作例の接合開始時の動作側面図である。 第２の接合動作例の接合中の動作側面図である。 第２の接合動作例のピンを回転子内部に後退させる瞬間の動作側面図である。 第２の接合動作例の回転子が最も深く沈みこんだ瞬間の動作側面図である。 第２の接合動作例の接合終了後の動作側面図である。

符号の説明

２ 回転子(回転加圧手段)
２ａ 回転子本体
２ｂ ショルダー部
３ 受け具(受け手段)
１９ 可動ピン
２１ ピン部材
Ｗ１ 第１アルミニウム合金板
Ｗ２ 鋼板
Ｗ３ 第２アルミニウム合金板
Ｚ１ 亜鉛メッキ層
Ｍ１ 回転軸モータ
Ｍ２ 加圧軸モータ
Ｍ３ ピンシフト用リニアモータ(ピン移動手段)
５０ コントロールユニット(駆動制御手段)

Claims (7)

1. 異種材からなる第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う方法であって、上記回転加圧手段として、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材とショルダー部とを有するものを用い、かつ、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段を用いて、重ね合わせた金属部材を第２金属部材の側から前記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を第１金属部材の側から回転させながら押し込み、ショルダー部が第１金属部材に突入した状態で上記ピン部材が第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて両金属部材間の重ね合せ部を固相接合することを特徴とする摩擦点接合方法。
2. 隣接する複数の第１金属部材と該第１金属部材と異種材でなる１つの第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う方法であって、上記回転加圧手段として、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材と径が相異なる複数のショルダー部とを有するものを用い、かつ、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段を用いて、重ね合わせた金属部材を第２金属部材の側から上記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を隣接する複数の第１金属部材の側から回転させながら押し込み、小径の第１ショルダー部が第２金属部材に隣接する第１金属部材に突入した状態で、上記ピン部材が同第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて第１金属部材と第２金属部材との重ね合せ部を固相接合すると共に、隣接する複数の第1金属部材の重ね合せ部を接合することを特徴とする摩擦点接合方法。
3. 第１金属部材はアルミニウム合金板であり、第２金属部材は金属メッキ層が施された鋼板であると共に、接合時に、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作により発生する摩擦熱を用いて金属メッキ材料を軟化させ、加圧動作により接合部位から外側に押し出した後で、第１金属部材と第２金属部材とを固相接合することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の摩擦点接合方法。
4. 異種材からなる第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う装置であって、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材とショルダー部とを有する回転加圧手段と、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段と、上記ピン部材を回転加圧手段の先端部から進退移動させるピン移動手段と、重ね合わされた金属部材を第２金属部材の側から上記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を第１金属部材の側から回転させながら押し込み、ショルダー部が第１金属部材に突入した状態で上記ピン部材が第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて両金属部材間の重ね合せ部を固相接合するように回転加圧手段及びピン移動手段を制御する駆動制御手段とを備えていることを特徴とする摩擦点接合装置。
5. 隣接する複数の第１金属部材と１つの第２金属部材とを重ね合わせて回転加圧手段を回転させながら押圧することにより摩擦点接合を行う摩擦点接合装置であって、先端部に対して相対的に進退可能であるピン部材と径が相異なる複数のショルダー部とを有する回転加圧手段と、該回転加圧手段と同軸状に対向配置された受け手段と、上記ピン部材を回転加圧手段の先端部から進退移動させるピン移動手段と、重ね合わせた金属部材を第２金属部材の側から上記受け手段で支持すると共に、上記ピン部材を先端部から突出させた状態で上記回転加圧手段を隣接する複数の第１金属部材の側から回転させながら押し込み、小径の第１ショルダー部が第２金属部材に隣接する第１金属部材に突入した状態で、上記ピン部材が同第１金属部材を突き抜けて第２金属部材に達する前に、ピン部材を後退させ、その後も、回転加圧手段の回転動作及び加圧動作を継続させて発生する摩擦熱を用いて第１金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて第１金属部材と第２金属部材との重ね合せ部を固相接合すると共に、隣接する複数の第1金属部材の重ね合せ部を接合するように回転加圧手段及びピン移動手段を制御する駆動制御手段とを備えていることを特徴とする摩擦点接合装置。
6. 回転加圧手段の先端のショルダー部が、中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の摩擦点接合装置。
7. 回転加圧手段の先端の第１ショルダー部が、中央に向けて円錐状に傾斜した凹部に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦点接合装置。
   

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