JP2006102749A

JP2006102749A - 摩擦接合方法および摩擦接合装置

Info

Publication number: JP2006102749A
Application number: JP2004288420A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Gendo; 俊行玄道; Katsuya Nishiguchi; 勝也西口; Kenji Takase; 健治高瀬
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP4491782B2

Abstract

【課題】特別な治具を用いることなく、間隙のある複数の被接合材を十分な強度で接合させること。
【解決手段】非回転状態の回転ツール４によって被接合材Ｗ１を押圧し、間隙をつぶす（４０２）。そして、その後、回転状態の回転ツール４の先端部を被接合材Ｗ１に押圧し、回転ツール４の回転による摩擦熱で被接合材Ｗ１を軟化し、塑性流動させて重ねられた被接合材Ｗ１及び被接合材Ｗ２を点接合する（４０３または４０５）。
【選択図】図４

Description

本発明は、金属部材を接合するために用いられる摩擦接合方法および摩擦接合装置に関する。

従来から、重ねられた複数の被接合材を回転ツールの回転によって接合する摩擦接合方法が知られている（特許文献１参照）。この種の摩擦接合方法においては、接合開始前に回転ツールの回転を開始し、回転状態のツールを被接合材に押圧することで接合が行なわれていた。しかし、この方法では、接合すべき複数の被接合材の間に間隙が存在する場合に、図６に示すように、最初に当接する被接合材（図中上側）の板厚が減少してしまい、十分な接合強度が得られないという問題が生じていた。特に、アルミと鉄などの異種材料の接合においては、強度が低下するのみならず、アルミ板の引きちぎり減少を発生させることがあった。これに対し、回転ツールを当接させる前に特別な治具を用いて被接合材を変形させ、被接合材間の間隙を無くした後、回転ツールを当接させる方法も知られている（特許文献２参照）。
特開２００３−４８０８２号公報特開２００２−１２００７６号公報

しかし、従来のような、特別な治具で被接合材を変形させる方法では、装置の大型化を招いていた。また、そのような治具を用いるためには、接合点の周囲に十分なスペースが必要になるため、利用できる接合箇所に制約が生じていた。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、特別な治具を用いることなく、間隙のある複数の被接合材を十分な強度で接合させることにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る方法は、重ねられた複数の被接合材を、非回転状態の回転ツールと、該回転ツールと対向させて配置した受け具とで挟んで加圧する加圧工程と、前記加圧工程の後、回転状態の前記回転ツールの先端部を前記被接合材に押圧し、前記回転ツールの回転による摩擦熱で被接合材を軟化し、塑性流動させて重ねられた複数の被接合材を点接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。これにより、接合間に非回転状態の回転ツールと受け具とで、被接合材を挟んで加圧するため、間隙が低減した状態で接合工程に進むことができ、間隙が無い場合と同様に、安定した接合強度を得ることができる。また、回転ツールによって加圧するので、特別な治具を設ける必要が無く、装置の全体構成を簡略化、小型化することができ、接合点に関する制約もない。

前記接合工程は、前記加圧工程において前記回転ツールの先端部が前記被接合材に当接した状態で、前記回転ツールの回転を開始することを特徴とする。このように、加圧状態で回転ツールの回転を開始させるため、より間隙を低減でき、短い接合時間で十分な接合強度を得ることができる。

前記接合工程は、前記加圧工程の後、前記回転ツールを一旦前記被接合材から離した状態で、前記回転ツールの回転を開始することを特徴とする。このように、被接合材から離した状態で回転ツールの回転を開始するので、回転ツールにおける回転負荷を低減することができ、回転ツールの耐久性の低下を防止できる。

上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、
回転ツールと、前記回転ツールと対向する位置に配置された受け具と、を備え、
前記回転ツールの回転による摩擦熱で被接合材を軟化し、塑性流動させて重ねられた複数の被接合材を点接合する摩擦接合装置であって、
重ねられた複数の被接合材を、非回転状態の前記回転ツールと前記受け具とで挟んで加圧した後、回転状態の前記回転ツールの先端部を前記被接合材に押圧するように前記回転ツールを制御する制御手段を更に備えることを特徴とする。このような装置によっても、上記と同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、特別な治具を用いることなく、間隙のある複数の被接合材を十分な強度で接合させることができる。

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の全体構成を示す図である。この摩擦接合装置１００は、自動車ボディ等に用いられる複数の被接合材を点接合するために用いられる。この摩擦接合装置を用いれば、例えば、被接合材としてのアルミニウム合金板同士や、アルミニウム合金板と鋼板とを接合することができる。摩擦接合装置１００は、接合ガン１と、接合ガン１を所望の位置及び角度に移動するロボット２と、接合ガン１及びロボット２を制御する制御部３とを備えている。ロボット２としては、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットが用いられる。

図２は、接合ガン１の詳細な構成を示す図である。図２に示すように、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、加圧軸モータ１２により加圧のために昇降移動されると共に、回転軸モータ１１により回転される。回転軸モータ１１としては、インダクションモータやサーボモータが用いることができ、加圧軸モータ１２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、Ｌ字状のアーム１３の先端に回転ツール４に対向して配置されている。尚、回転ツール４及び受け具５は、接合ガン１に対して着脱可能な構成となっている。

図３は、回転ツール４の先端部の構成について説明するための図である。回転ツール４は、本体部４ａと、センタリング（位置決め機能、位置ずれ防止機能）を主目的としたピン部４ｂとを一体的に有している。本体部４ａは、略円柱状に形成され、その先端に本体部４ａよりも小径の円柱状のピン部４ｂが形成されている。ピン部４ｂの先端面は、本体部４ａ先端面から突出しており、ピン部４ｂの軸心は本体部４ａの軸心に合致している。図３ではピン部４ｂの先端面は平坦面に形成されているが、これに限定されるものではなく、曲面形状を為していてもよいし、或いは、円錐形状を為していても良い。また、本体部４ａの先端外周に存在するショルダー部４ｃからピン部４ｂの外周面に向けてテーパ４ｄが形成されている。これにより、ショルダー部４ｃとピン部４ｂの根元との間には凹みが形成される。これにより、摩擦熱で軟化した被接合材Ｗ１は、その凹み部分に入るため、回転ツール４の外側に流動する被接合材Ｗ１の量が少なくなり、接合強度が高くなる。

図４は、制御部３による回転ツール４の制御方法について説明するための図である。まず、図４の４０１に示すように、被接合材Ｗ１及び被接合Ｗ２を挟むように、回転ツール４及び受け具５をセットする。接合前の被接合材Ｗ１と被接合材Ｗ２との間には間隙が存在している。

次に、４０２に示すように、回転ツール４の加圧を開始する。これにより、回転ツール４のピン部４ｂが上側の被接合材Ｗ１に当接する。そして、回転ツール４と受け具５とで挟まれることにより、被接合材Ｗ１が下方に変形し間隙がつぶされる。この際、回転ツール４は非回転状態であって、被接合材Ｗ１が局所的に軟化することはない。なお、上記加圧時の被接合材の変形は、被接合材Ｗ２を変形させてもよく、また両被接合材Ｗ１、Ｗ２を変形させても良い。

このような加圧工程の後、回転状態の回転ツール４の先端部を被接合材Ｗ１に押圧し、回転ツール４の回転による摩擦熱で被接合材Ｗ１を軟化し、ピン部４ｂを被接合材Ｗ２まで押し込み、回転と押圧によりピン部４ｂの周り及びショルダー部４ｃの凹み部分で材料に塑性流動を生じさせて重ねられた被接合材Ｗ１及び被接合材Ｗ２を点接合する。

具体的には、２通りの方法が考えられる。一方は、４０３に示すように、加圧工程において回転ツール４のピン部４ｂが被接合材Ｗ１に当接した状態で、回転ツール４の回転を開始し、回転ツール４の回転による摩擦熱で被接合材Ｗ１を軟化し、塑性流動させて重ねられた被接合材Ｗ１及び被接合材Ｗ２を点接合する。他方は、４０４に示すように、加圧工程の後、回転ツール４を一旦被接合材Ｗ１から離した状態で、回転ツール４の回転を開始し、４０５に示すように回転ツール４を回転させながら、再度、被接合材Ｗ１と被接合Ｗ２を加圧する。そして、回転ツール４の回転による摩擦熱で被接合材Ｗ１を軟化し、塑性流動させて重ねられた被接合材Ｗ１及び被接合材Ｗ２を点接合する。

何れの方法においても、結果として、４０６に示すように、板厚の減少が少なくなり、接合強度が増すことになる。図５は、接合強度（剪断強度）の違いを示す図である。５０１は、図４の４０４、４０６に示したように、一旦被接合材を開放した後、回転ツール４を回転させながら再度被接合材を押圧する方法を採用した場合の強度である。５０２は、図６に示したように、押圧工程を経ずに、初めから回転状態の回転ツール４を被接合材に押圧する方法を採用した場合の強度である。図５に示すように、押圧工程を経ることにより、剪断強度が約１．５倍となった。なお、この時のテスト条件は下記の通りである。
１．被接合材Ｗ１（上板）：６０００系アルミニウム合金、板圧は１ｍｍ
２．被接合材Ｗ２（下板）：６０００系アルミニウム合金、板圧は２ｍｍ
３．回転ツール：平坦形状のショルダー部の系８ｍｍ、ピン部系２ｍｍ、ピン部長さ１．２ｍｍ、ｓ都合時の加圧力４．４１ｋＮ、回転数３０００ｒｐｍ、加圧保持時間０．８秒、
４．回転ツールの初期加圧力：０．９８ｋＮ
このように、本実施形態に示す摩擦整合装置によれば、特別な治具を用いることなく、間隙のある複数の被接合材を十分な強度で接合させることができる。

本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る接合ガンの概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転ツールの構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転ツールの制御方法を示す図である。本発明の実施形態に係る回転ツールの制御方法による強度の向上を示す図である。従来の回転ツールの制御方法を示す図である。

符号の説明

１００摩擦接合装置
１接合ガン
２ロボット
３制御部
４回転ツール
５受け具

Claims

重ねられた複数の被接合材を、非回転状態の回転ツールと、該回転ツールと対向させて配置した受け具とで挟んで加圧する加圧工程と、
前記加圧工程の後、回転状態の前記回転ツールの先端部を前記被接合材に押圧し、前記回転ツールの回転による摩擦熱で被接合材を軟化し、塑性流動させて重ねられた複数の被接合材を点接合する接合工程と、
を含むことを特徴とする摩擦接合方法。
前記接合工程は、前記加圧工程において前記回転ツールの先端部が前記被接合材に当接した状態で、前記回転ツールの回転を開始することを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合方法。
前記接合工程は、前記加圧工程の後、前記回転ツールを一旦前記被接合材から離した状態で、前記回転ツールの回転を開始することを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合方法。
回転ツールと、
前記回転ツールと対向する位置に配置された受け具と、
を備え、
前記回転ツールの回転による摩擦熱で被接合材を軟化し、塑性流動させて重ねられた複数の被接合材を点接合する摩擦接合装置であって、
重ねられた複数の被接合材を、非回転状態の前記回転ツールと前記受け具とで挟んで加圧した後、回転状態の前記回転ツールの先端部を前記被接合材に押圧するように前記回転ツールを制御する制御手段を更に備えることを特徴とする摩擦接合装置。