JP2006159275A - 摩擦接合方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、金属部材同士を重ね合せて回転ツールによる摩擦熱で塑性流動させて接合する摩擦接合方法及びその装置において、油分及び水分等の液状物質の付着により金属部材が軟化及び塑性流動する時間が不足しあるいはバラつきが生じる問題を防止し、もって摩擦接合の接合強度の不足及びバラつきの問題が発生しない摩擦接合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】 回転ツール１６が下降してピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１に接触する前に、噴射ノズル６５から噴出されるエアを第１金属部材Ｗ１の上面における接合部Ｐに向けて噴き付け、接合部Ｐに付着している油Ｏの付着量を低減する。
【選択図】 図８

Description

本発明は摩擦接合、特に、金属部材同士を重ね合せて摩擦接合する技術分野に関する。

近年、自動車の軽量化を図る１つの方策として、自動車のボディ等にアルミニウムやアルミニウム合金（以下総じて単に「アルミ」ということがある）で作製された部材が多く採用されるようになっており、それに伴い、例えばアルミとアルミ又はアルミと鋼といった同種又は異種の金属部材同士を接合する機会が多くなっている。その場合に、金属部材同士を接合する手段として、摩擦接合が知られている。この摩擦接合は、例えば、複数の金属部材を重ね合せてワークとし、このワークに一方の最外層の金属部材の側から（異種金属部材同士の接合の場合は、融点の低い方の金属部材の側から）回転ツールを押し込んで、該回転ツールの回転動作と加圧動作とによって発生する摩擦熱により上記最外層の金属部材を軟化させ、そののち塑性流動させて、複数の金属部材を融点以下の温度で固相接合（溶融を伴わない固相状態のままの接合）するものである。

この点に関し、特許文献１には、予め３次元形状にプレス成形された複数の金属部材を重ね合せて、点在する複数の接合部でスポット的に摩擦接合することにより、摩擦連続接合が困難な３次元形状の金属部材同士を、少ない設備投資で強固に接合する技術が開示されている。

特開２００１−３１４９８３号公報

ところで、上記特許文献１に開示されているように、予めプレス成形された金属部材を接合対象物とする場合、プレス成形時には金属部材が洗浄油で洗浄されるため、プレス成形後の金属部材の表面には油分が付着したまま残っており、このように油分が金属部材の表面に付着した状態で摩擦接合を行うと、回転ツールの押し込みによって発生する摩擦熱の１部が油分の気化のほうに奪われてしまい、その結果、金属部材の軟化及び塑性流動の度合いが減損されて、摩擦接合の接合強度が低下してしまうという不具合が見出された。

もっとも、接合時間を長くとることができれば、油分が気化したのち、油分のない状態で、摩擦接合を良好に行うことができるが、現実には、生産性向上のため、接合時間は数秒以内と短く、このため油分付着の影響が大きく現れるのである。しかも、油分の付着量はその都度バラつくので、摩擦接合に与える影響もバラつき、その結果、接合強度も、例えば検査合格となる場合から不合格となる場合まで予測不可能に様々にバラついてしまうという問題も随伴する。

そして、このような問題は、洗浄油のみならず、一般機械油が金属部材の表面に付着した場合や、あるいは、金属部材の表面に水分が結露して付着したような場合にも生じ得る。

本発明は、金属部材同士を重ね合せて回転ツールによる摩擦熱で塑性流動させて接合する摩擦接合方法及びその装置において、油分及び水分等の液状物質の付着により金属部材が軟化及び塑性流動する時間が不足しあるいはバラつきが生じる問題を防止し、もって摩擦接合の接合強度の不足及びバラつきの問題が発生しない摩擦接合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、複数の金属部材を重ね合せたワークに一方の外表面の金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転及び加圧動作により発生する摩擦熱で金属部材を軟化及び塑性流動させて複数の金属部材を摩擦接合する方法であって、上記ワークにおける所定の接合部に付着している液状物質の付着量低減処理を行った後、上記接合部において上記摩擦接合を行うことを特徴とする。

そして、本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、液状物質の付着量低減処理は、回転ツールを押し込む側の外表面の金属部材の外側の面の接合部に付着している油分の付着量低減処理であることを特徴とする。

また、本願の請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、摩擦接合は、摩擦点接合であることを特徴とする。

次に、本願の請求項４に記載の発明は、複数の金属部材を重ね合せたワークに一方の外表面の金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転及び加圧動作により発生する摩擦熱で金属部材を軟化及び塑性流動させて複数の金属部材を摩擦接合する装置であって、上記ワークにおける所定の接合部に付着している液状物質の付着量低減処理を行う付着量低減手段と、該付着量低減手段で液状物質の付着量低減処理を行った上記接合部において回転ツールを回転させながらワークに押し込む回転ツール作動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、請求項４に記載の発明において、付着量低減手段は、ワークの外表面にエアを噴き付けることにより、回転ツールを押し込む側の外表面の金属部材の外側の面の接合部に付着している液状物質の付着量を低減するものであることを特徴とする。

さらに、本願の請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、回転ツール作動手段は、回転ツールと、該回転ツールとの間でワークを挟持可能に配置された受け具と、上記回転ツールを回転させる回転手段と、上記回転ツールを上記受け具との間でワークを挟持又は解放するように上記受け具に対して進退移動させる移動手段とを有する接合ガンで構成されており、この接合ガンは、ロボットに備えられて、該ロボットによりワークの接合部に移動され、該接合部において摩擦接合を行うように構成されており、付着量低減手段は、上記接合ガンに具備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、金属部材同士を重ね合せて摩擦接合するに当たり、接合前に、ワークの接合部に付着している液状物質の付着量低減処理を行った後、上記接合部において上記摩擦接合を行うようにしたから、回転ツールによる摩擦熱の１部が液状物質の気化のほうに奪われて金属部材が十分軟化及び塑性流動している時間が不足し、かつバラつくことを抑制し、摩擦接合における接合強度の不足及びバラつきの発生を防止す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、液状物質の付着量低減処理は、回転ツールを押し込む側の外表面の金属部材の外側の面の接合部に付着している油分の付着量低減処理であることから、例えば、上記外表面の金属部材に隣接する金属部材に付着している油分の付着量低減処理を行う場合と比較して、回転ツールと直接接触し摩擦接合の接合強度に大きく影響を与える金属部材の外側の面の接合部に付着している油分を低減することとなり、摩擦接合における接合強度の不足及びバラつきの発生を一層効率良く防止す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、摩擦接合をスポット的に行う摩擦点接合としたから、例えば、予め３次元形状にプレス成形された金属部材同士の接合において、接合強度の不足及びバラつきの発生を防止することが可能となる。

そして、請求項４に記載の発明によれば、金属部材同士を重ね合せて摩擦接合する装置において、接合前に、ワークの接合部に付着している液状物質の付着量低減処理を行なう付着量低減手段と、該付着量低減手段で液状物質の付着量低減処理を行った後、上記接合部において摩擦接合を行う回転ツール作動手段とを備えたから、請求項１に記載の発明と同様に、回転ツールによる摩擦熱の１部が液状物質の気化のほうに奪われて金属部材が十分軟化及び塑性流動している時間が不足し、かつバラつくことが抑制され、摩擦接合における接合強度の不足及びバラつきの発生を防止す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、付着量低減手段が、ワークの表面にエアを噴き付けることにより、回転ツールを押し込む側の外表面の金属部材の外側の面の接合部に付着している液状物質の付着量低減処理を行うものとしたから、他の手段、例えば油分を拭き取る場合と比較して、短時間に、簡便かつ確実に、油分を低減することが可能となる。

そして、請求項６に記載の発明によれば、回転ツール作動手段を、回転ツール、受け具、回転手段及び移動手段を有する接合ガンで構成し、その接合ガンをロボットに備えた上で、付着量低減手段を上記接合ガンに具備したから、ロボットの制御による摩擦接合を行う際に、接合のための手段と、付着量低減処理を行うための手段とが単一の接合ガンに配置されることとなって、ワークの接合部の油分を、近距離から、確実、容易に、効率的に低減することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面に基いて説明する。

図１は、本実施形態に係る摩擦接合装置１の概略側面図である。この摩擦接合装置１は、例えば自動車のボディ等に採用されるアルミ部材同士の接合、又はアルミ部材と鋼部材との接合、特にスポット的に接合する点接合に用いられるもので、主たる構成要素として、接合ガン１０と、該接合ガン１０を手首に備えるロボット４０とを含んでいる。ロボット４０としては、汎用される６軸垂直多関節型ロボットが好ましく使用可能である。

図２及び図３に拡大して示すように、接合ガン１０は、ロボット４０への取付ボックス１１と、該取付ボックス１１の下面から下方に延びるＬ字状のアーム１２と、該アーム１２の上方で上記取付ボックス１１の側面に取り付けられた本体ケース１３と、加圧用モータ１４と、回転用モータ１５とを有し、本体ケース１３の下端部に接合用工具１８の一方である回転ツール１６が具備されている。一方、上記回転ツール１６の直下で該回転ツール１６と対向して上記アーム１２の先端に接合用工具１８の他方である受け具１７が具備されている。

図４にさらに拡大して示すように、本体ケース１３の内部には、上下に平行に延びるネジ軸（昇降軸）２４とスプライン軸（回転軸）２５とがそれぞれ回転自在に備えられている。両軸２４，２５の上端部は上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内に至り、ここで従動プーリ２６，２７が組み付けられている。一方、図５に示すように、上蓋部材２１は、本体ケース１３の上部から本体ケース１３の側方に張り出しており（図３参照）、この張出部に加圧用モータ１４及び回転用モータ１５が固定されている。その場合に、両モータ１４，１５の出力軸１４ａ，１５ａの上端部は上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内に至り、ここで駆動プーリ１４ｂ，１５ｂが組み付けられている。そして、各駆動プーリ１４ｂ，１５ｂと従動プーリ２６，２７との間にそれぞれ動力伝達用のベルト２８，２９が巻き掛けられて、加圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のａ，ｂ方向に回転駆動され、回転用モータ１５の回転によりスプライン軸２５が図５のｃ方向に回転駆動される。

図４に戻り、ネジ軸２４の螺子部２４ａに昇降ブロック３１が螺合されており、スプライン軸２５のスプライン部２５ａに回転筒体３５がスプライン結合されている。回転筒体３５は、上記昇降ブロック３１に結合部材３２を介して一体に結合された昇降筒体３３の内部に回転自在に備えられている。本体ケース１３の下面には円筒状の下方突出部１３ａが形成されており、該下方突出部１３ａの下端部には下部カバー２３が備えられて、昇降筒体３３及び回転筒体３５の下端部は上記下部カバー２３を超えて下方に突出している。その場合に、内側の回転筒体３５のほうが外側の昇降筒体３３よりも長く下方に突出し、該回転筒体３５の先端部に取付部材３６が固着されて、該取付部材３６に回転ツール１６が着脱自在（交換自在）に取り付けられている。なお、下部カバー２３と昇降筒体３３の下端部との間に、昇降筒体３３の外表面を本体ケース１３の外部の汚染等から保護する伸縮自在の蛇腹部材３４が備えられている。

以上により、加圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のａ方向に回転駆動されたときは、昇降体３０（昇降ブロック３１と結合部材３２と昇降筒体３３の一体物をいう）が螺子部２４ａとの螺合によって下降し、昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び回転ツール１６も一緒に下降する。逆に、加圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のｂ方向に回転駆動されたときは、昇降体３０が螺子部２４ａとの螺合によって上昇し、昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び回転ツール１６も一緒に上昇する。また、回転用モータ１５の回転によりスプライン軸２５が図５のｃ方向に回転駆動されたときは、上記のような昇降体３０の動きとは無関係に、回転筒体３５がスプライン部２５ａとのスプライン結合によって同方向ｃに回転し、回転筒体３５に取り付けられた回転ツール１６も一緒に同方向ｃに回転する。図１〜図３には、そのときの回転ツール１６の回転軸心を符号Ｘで示してある。

ここで、加圧用モータ１４としては、回転角の制御及び検知が容易なサーボモータが好ましく使用可能であり、回転用モータ１５としては、同じく回転角の制御及び検知が容易なサーボモータあるいは回転速度の制御が容易なインダクションモータが好ましく使用可能である。

図６に回転ツール１６の先端部を拡大して示す。この回転ツール１６は、特に、同種の金属部材（例えばアルミとアルミ等）の接合に好適なように設計されており、円柱状の胴体部１６ａの下端面（その輪郭は円形である）が、金属部材と当接して該金属部材を加圧するショルダ部１６ｂとされている。そして、該ショルダ部１６ｂの中心に円柱状のピン部１６ｃが立設され、該ピン部１６ｃはショルダ部１６ｂよりも所定長さ（ｈ）だけ下方に突出している。ここで、回転ツール１６の具体的寸法としては、ショルダ部１６ｂの直径が８ｍｍ、ピン部１６ｃの直径が３ｍｍ、ピン部１６ｃの突出長さ（ｈ）が１．２ｍｍ等とされる。

そして、図１に示したように、ロボット４０はハーネス５１を介して制御盤５０と接続されている。また、接合ガン１０はハーネス５２，５４，５５及び中継器５３を介して制御盤５０と接続されている。そして、加圧用モータ１４及び回転用モータ１５の回転駆動が制御盤５０によって開始、制御又は停止される。

そして、接合前にワークに付着している油、すなわち液状物質の付着量低減処理を行うための圧縮エアを発生させる装置として、コンプレッサ６０が空気管６２を介してロボット４０に接続されており、該コンプレッサ６０とロボット４０との間には、エアの圧力を調節するレギュレータバルブ６１が設けられている。さらに、開度を制御することで上記コンプレッサ６０から圧送されてくるエアの噴き付け時期と噴き付け量とを制御するソレノイドバルブ６４が接合ガン１０に備えられて、ハーネス６８と上記中継器５３とハーネス５２とを介して制御盤５０に接続されている。そして、該ソレノイドバルブ６４は空気管６２，６３を介して上記コンプレッサ６０と接続されており、空気管６６を介して上記コンプレッサ６０から送られてくるエアを直接ワークに向けて噴き付ける噴射ノズル６５と接続されている。また、該噴射ノズル６５は、ブラケット６７によりノズルの先端部がワークに向いた姿勢で接合ガン１０に固定されている（図２、図３参照）。

次に、図７に例示するように、本実施形態においては、第１金属部材Ｗ１（例えばアルミ板材）を上板とし、第２金属部材Ｗ２（例えば同じくアルミ板材）を下板として重ね合せたワークを図示しない適宜手段によって把持して固定する。次に、このワークに向かって接合ガン１０がロボット４０によって近接されて、回転ツール１６がワークの上方に、受け具１７がワークの下方に位置して接合ガン１０が停止する。そして、まず、接合ガン１０全体が上動することにより、受け具が第２金属部材Ｗ２の下面に当接する。そして、この状態でワークに向かって上方から、つまり第１金属部材Ｗ１の側から、回転ツール１６を回転させながら下降させて押し込み、この回転ツール１６の回転動作と加圧動作とによって発生する摩擦熱で第１金属部材Ｗ１及び第２金属部材Ｗ２を軟化させ、そののち塑性流動させて、両金属部材Ｗ１，Ｗ２を固相接合する。

このとき、１つの接合部Ｐで接合が終了すると、回転ツール１６を上昇させ、接合ガン１０全体を下動させ、かつ所定距離だけ水平移動させた後、再び接合ガン１０全体を上動させ、かつ回転ツール１６を下降させて接合を行うことにより、第１・第２金属部材Ｗ１，Ｗ２を複数の接合部Ｐ…Ｐで摩擦点接合することができる。

ここで、接合対象物である第１金属部材Ｗ１及び第２金属部材Ｗ２が、例えば予め３次元形状にプレス成形された金属部材である場合は、該金属部材Ｗ１，Ｗ２は、プレス成形時に洗浄油で洗浄されているから、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の表面には油分が付着して残った状態である。そして、この油分が付着したままの状態で接合を行うと、回転ツール１６による摩擦熱が金属部材Ｗ１，Ｗ２の軟化だけでなく油分の気化のほうにも奪われてしまい、その結果、金属部材Ｗ１，Ｗ２の軟化及び塑性流動の度合いが減損されて、接合強度が低下してしまう。また、接合は短時間で行うから、油が付着している量に依存して、金属部材Ｗ１，Ｗ２が摩擦熱により十分軟化及び塑性流動できる時間にバラつきが生じてしまい、各接合部Ｐ…Ｐ毎に接合強度にバラつきが生じる。

そこで、本実施形態では、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の表面に付着した油分、特に、回転ツール１６を押し込む側の第１金属部材Ｗ１の上面に付着した油分が最も摩擦熱を奪って気化する度合いが大きく接合強度に影響を与えるため、接合前に、上記噴射ノズル６５から噴射されるエアを第１金属部材Ｗ１の上面に噴き付けることで、該第１金属部材Ｗ１の上面に付着した油分のうち回転ツール１６との接触領域、つまり接合部Ｐに付着した油分の除去（付着量低減処理）を行う。

油分の除去は、上記噴射ノズル６５からエアを噴射させて第１金属部材Ｗ１の上面における接合部Ｐに噴き付けることで、ワークの接合部Ｐに付着している油分を除去して低減するため、例えば、布による油の拭き取り等の他の除去手段と比較して、短時間に、簡便かつ確実に、油分の付着量を低減して油分を除去することが可能となる。

また、噴射ノズル６５は、接合ガン１０に具備されており、ロボット４０の制御による接合を行う際に、接合のための手段１４〜１７と、油の付着量低減処理を行うための手段６４，６５とが単一の接合ガン１０に配置されることとなって、ワークの接合部Ｐの油分を、近距離から、確実、容易に、効率的に低減することが可能となる。

次に、摩擦点接合の手順について詳しく説明すると、まず、図８に示すように、接合動作の開始前、つまり回転ツール１６が下降してピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１に接触する前に、ソレノイド６４を所定時間開弁して、噴射ノズル６５から噴出されるエアを第１金属部材Ｗ１に対して噴き付ける。

そして、図９に示すように、エアの噴き付けが終了した時点では、第１金属部材Ｗ１の上面に付着した油分Ｏのうち回転ツール１６との接触部（接合部Ｐ）に付着している油分の付着量が低減されて除去されている。

次に、図１０に示すように、回転ツール１６が下降してピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１に接触したときは、その接触部位で摩擦熱Ｈが発生し、周囲に拡散していく。第１金属部材Ｗ１及び第２金属部材Ｗ２が、上記摩擦熱Ｈによって接合部Ｐにおいて軟化し始める。

そして、図１１に示すように、回転ツール１６がさらに下降してショルダ部１６ｂの先端が第１金属部材Ｗ１に突入したときは、ピン部１６ｃの回転及び加圧に加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、第１金属部材Ｗ１及び第２金属部材Ｗ２は十分に軟化して塑性流動し始める（符号Ａ）。

そして、図１２に示すように、回転ツール１６がさらに下降して、ピン部１６ｃが第１、第２金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面より下方に潜り、ショルダ部１６ｂが第１金属部材Ｗ１に深く突入したときは、回転ツール１６で押し出された金属材料がバリＢとなってワークの表面に隆起すると共に、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の摩擦点接合（固相接合）の接合強度が向上する。

以上により、図１３及び図１４に示すように、接合終了後に回転ツール１６を上昇させた後の接合部Ｐにおいては、ワークの表面に、バリＢで囲まれた状態で、ショルダ部１６ｂの痕１６ｂ′とピン部１６ｃの痕１６ｃ′とが残る。ここで図１３は、押圧力を３．４２ｋＮ、回転数を２５００ｒｐｍ、接合時間を０．４ｓとして接合した場合の接合部Ｐの一例を示し、図１４は、押圧力を３．４２ｋＮ、回転数を２５００ｒｐｍ、接合時間を０．７ｓとして接合した場合の接合部Ｐの一例を示している。

図１３及び図１４のいずれの場合でも、回転ツール１６のピン部１６ｃで押圧された接合部Ｐにおける第１金属部材Ｗ１は、薄くなっているものの切断したり、穴があいたりせずに繋がっている。そして、回転ツール１６を回転させながら押し込むことによって、第１、第２金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面において、また、ピン部１６ｃの痕１６ｃ′の周囲において、下板Ｗ２に隆起部分Ｒ１，Ｒ２が生じている。この隆起部分Ｒ１，Ｒ２によって、上下の金属部材Ｗ１，Ｗ２間に機械的な噛み込みが生じ、この噛み込みが両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合強度の向上に寄与している。

その場合に、接合時間が長い図１４の隆起部分Ｒ２の方が図１３の隆起部分Ｒ１よりも盛り上がりが大きく、形状も複雑化しているため、図１４に示した接合部Ｐの方が図１３の接合部Ｐよりも噛み込みの強度ひいては接合強度もより大きくなっている。

次に、図１５に示すように、異種金属部材である第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを摩擦接合した場合における接合強度の試験を、２種類の供試材について、それぞれ上板である第１金属部材Ｗ１の上面に油分が付着している場合と油分が付着していない場合とにおいて接合強度を調べた。この接合強度試験は、第１金属部材Ｗ１に６０００系アルミ合金、第２金属部材Ｗ２に亜鉛メッキ鋼板を用いて接合を行ったときの接合強度を調べるテスト１と、第１金属部材Ｗ１に銅を添加した６０００系アルミ合金、第２金属部材Ｗ２に亜鉛メッキ鋼板を用いて接合を行ったときの接合強度を調べるテスト２との２つの試験を行った。

なお、摩擦接合を行う際の接合条件は、回転ツール１６による加圧を３段階に変化させる３段階方式とした。また、この接合強度試験において、上板である第１金属部材Ｗ１の上面に付着させる油は、低粘性の金属部材洗浄用の油とした。

そして、図１６に示すように、この接合強度試験の試験方法は、十字引っ張り試験を採用した。すなわち、第１、第２金属部材Ｗ１，Ｗ２を十字形状に重ね合せてクランプした状態で、第１金属部材Ｗ１の上側から十字の中央部の接合部Ｐの位置に摩擦接合を行った後、第１金属部材Ｗ１を上方向矢印Ｙ１の向きに引っ張り、第２金属部材Ｗ２を下方向矢印Ｙ２の向きに引っ張って、両金属部材Ｗ１，Ｗ２が剥離したときの引っ張り力（剥離強度）を調べた。結果を図１７に示す。なお、この図１７に示した剥離強度の結果は、テスト１及びテスト２において上記十字引っ張り試験を３回行ったときの剥離強度の値の平均値を示している。

上記テスト１及びテスト２における剥離強度の測定結果では、図１７に示すように、テスト１及びテスト２のいずれにおいても、油分の付着がない場合の方が、油分の付着がある場合よりも剥離強度が大きかった。また、図中の縦線グラフで表される剥離強度の標準偏差σは、テスト１及びテスト２のいずれにおいても、上板である第１金属部材Ｗ１に油分が付着していない場合の方が付着している場合よりも小さい値を示していた。つまり、上板Ｗ１に油分が付着していない場合の方が、上板Ｗ１に油分が付着している場合と比較して、剥離強度、すなわち接合強度のバラつきが小さく、品質が一定していることが確認できた。

これは、上板Ｗ１に油分付着があると、回転ツール１６の押し込みによって発生する摩擦熱の１部が油分の気化のほうに奪われて、その結果、金属部材Ｗ１の軟化及び塑性流動の度合いが減損されて、摩擦接合の接合強度が低下してしまうためである。加えて、この剥離強度試験においては、接合時間は数秒以内と短くしているため、油分付着の影響が大きく現れたのである。しかも、油分の付着量のバラつきに伴って、摩擦接合に与える影響もバラつき、その結果、接合強度も、大きくバラついてしまうため、標準偏差σの値が大きくなったのである。

以上の結果から、上板である第１金属部材Ｗ１の上面に付着している油分の付着量低減処理を行った後、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合を行うようにすることで、例えばプレス成形時に用いる洗浄油が付着したまま摩擦接合を行った場合に、回転ツール１６による摩擦熱の１部が油分の気化のほうに奪われて第１金属部材Ｗ１が十分軟化及び塑性流動している時間が不足し、かつバラつくという不具合を抑制し、もって摩擦接合における接合強度の不足及びバラつきの発生を防止することが可能となる。

次に、図１８に示すように、同種の金属部材である第１金属部材（アルミ合金板）Ｗ１と第２金属部材（アルミ合金板）Ｗ２とを摩擦接合した場合における接合強度の試験を、２種類の油を用いて、それぞれ上板である第１金属部材Ｗ１の上面のみに油分が付着している場合と、下板である第２金属部材Ｗ２の上面（すなわち、第１、第２金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面）のみに油分が付着している場合と、第１金属部材Ｗ１の上面及び第２金属部材Ｗ２の上面に油分が付着している場合とにおいて行った。なお、この接合強度試験では、低粘性洗浄用油Ａと高粘性機械油Ｂの２種類の油を用いた。

図１９に示すように、この接合強度試験の試験方法は、引っ張りせん断試験を採用した。すなわち、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との一端部同士を所定の重ね代で重ね合わせてクランプした状態で、第１金属部材Ｗ１の上側から６つの接合部Ｐ１〜Ｐ６の位置に順番に摩擦接合を行った後、各接合部Ｐ１〜Ｐ６について、図１９に示すような切断線Ｖに沿って各接合部Ｐ１〜Ｐ６を切断したのち、各接合部毎に第１金属部材Ｗ１を矢印Ｚ１の向きに引っ張り、第２金属部材Ｗ２を矢印Ｚ２の向きに引っ張って、両金属部材Ｗ１，Ｗ２がせん断剥離をしたときの引っ張り力を調べた。結果を図２０のテーブル及び図２１〜図２３のグラフに示す。なお、図２１〜図２３における縦線グラフは標準偏差σを表している。

これらの結果から明らかなように、油Ａ及び油Ｂのいずれにおいても、また、油Ａ，Ｂの付着部位に関らず、油Ａ，Ｂが付着していない場合（テスト１）は、油Ａ，Ｂが付着している場合（テスト２〜７）よりも引っ張りせん断荷重が大きいことがわかる。

また、油Ａ，Ｂいずれにおいても上板Ｗ１に油Ａ，Ｂが付着している場合（テスト２，５又はテスト４，７）は、下板Ｗ２に油Ａ，Ｂが付着している場合（テスト３，６）よりも引っ張りせん断荷重が小さいことがわかる。これは、第１金属部材Ｗ１の上面に付着している油Ａ，Ｂが、第２金属部材Ｗ２の上面に付着している油Ａ，Ｂ等と比較して、摩擦接合の際に回転ツール１６と直接接触するので、該回転ツール１６により発生する摩擦熱の１部を油Ａ，Ｂの気化に奪う程度がより大きいためである。

この測定結果から、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との接合において、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合強度の低下及びバラつきに大きい影響を与えている原因の一つは、回転ツール１６を押し込む側である第１金属部材Ｗ１の上面に付着している油分（より詳しくは接合部Ｐに付着している油分）であることがわかる。したがって、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との接合を行う前に、第１金属部材Ｗ１の上面の接合部Ｐに付着している油分の付着量低減処理を行うことで、回転ツール１６による摩擦熱の１部が油分の気化のほうに奪われて金属部材Ｗ１，Ｗ２が十分軟化及び塑性流動している時間が不足し、かつバラつくことが抑制され、摩擦接合における接合強度の不足及びバラつきの発生を防止することが可能となる。

なお、以上説明した実施形態においては、１つの接合部Ｐで接合が終了すると、回転ツール１６を上昇させ、接合ガン１０全体を下動させ、かつ所定距離だけ水平移動させた後、再び接合ガン１０全体を上動させ、かつ回転ツール１６を下降させて接合を行うことにより、金属部材Ｗ１，Ｗ２を複数の接合部Ｐ…Ｐでスポット的に接合する摩擦点接合で金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合を行ったが、これに代えて、回転ツール１６を回転させながら押し込んだ状態で、上記ロボット４０の制御により該回転ツール１６を所定の接合部に沿って移動させることで、金属部材Ｗ１，Ｗ２を連続的に接合する摩擦連続接合を行っても構わない。

以上のように、本発明によれば、金属部材同士を重ね合せて回転ツールによる摩擦熱で塑性流動させて接合する摩擦接合方法及びその装置において、摩擦接合の接合強度の不足及びバラつきの問題を抑制できる。本発明は、摩擦接合、特に、金属部材同士を重ね合せて接合する摩擦接合の技術分野に広く好適である。

本発明の実施の形態に係る摩擦点接合装置の概略側面図である。 上記摩擦点接合装置における接合ガン周辺の拡大側面図である。 同じく上記摩擦点接合装置における接合ガン周辺の拡大正面図である。 図２と同方向からの上記接合ガンの本体ケースの内部構成を示す拡大断面図である。 図４のＩ−Ｉ矢視断面図である。 上記摩擦点接合装置に採用される回転ツールの先端構造を示す拡大図である。 上記摩擦点接合装置の回転ツールと受け具とにより重ね合せた２枚の金属部材を複数の接合部で摩擦点接合する動作を示す斜視図である。 上記摩擦点接合装置の回転ツールを押し込んで重ね合せた２枚の金属部材の摩擦点接合動作を行う前に噴射ノズルから噴射されるエアを上板に噴き付けて接合部に付着している油分の付着量低減処理を行い除去している状態を示す拡大断面図である。 同じく摩擦点接合動作を行う前に噴射ノズルによりエアを噴き付けて接合部に付着している油分の付着量低減処理が終了した状態を示す拡大断面図である。 上記摩擦点接合装置の回転ツールを押し込んで重ね合せた２枚の金属部材を摩擦点接合する動作の初期を示す拡大断面図である。 同じく摩擦点接合する動作の中期を示す拡大断面図である。 同じく摩擦点接合する動作の終期を示す拡大断面図である。同じく摩擦点接合する動作の終期を示す拡大断面図である。 上記摩擦点接合の接合部を示す拡大断面図である。 同じく上記摩擦点接合の接合部を示す拡大断面図である。 十字引っ張り試験における接合条件、油の種類及び供試材の種類を示した表である。 十字引っ張り試験を行っている状態を表す斜視図である。 十字引っ張り試験の測定結果を表したグラフである。 引っ張りせん断試験における接合条件、油の種類及び供試材の種類等を示した表である。 引っ張りせん断試験を説明する斜視図である。 引っ張りせん断試験の測定結果の表である。 第１金属部材の上面のみに油分が付着している場合における引っ張りせん断試験の測定結果を表したグラフである。 第２金属部材の上面のみに油分が付着している場合における引っ張りせん断試験の測定結果を表したグラフである。 第１金属部材の上面及び第２金属部材の上面に油分が付着している場合における引っ張りせん断試験の測定結果を表したグラフである。

符号の説明

１ 摩擦接合装置
１０ 接合ガン（回転ツール作動手段）
１４ 加圧用モータ（移動手段）
１５ 回転用モータ（回転手段）
１６ 回転ツール
１６ｂ ショルダ部
１６ｃ ピン部
１７ 受け具
４０ ロボット
６５ 噴射ノズル（付着量低減手段）
Ｏ 油（液状物質）
Ｐ 接合部
Ｗ１ 第１金属部材
Ｗ２ 第２金属部材

Claims (6)

1. 複数の金属部材を重ね合せたワークに一方の外表面の金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転及び加圧動作により発生する摩擦熱で金属部材を軟化及び塑性流動させて複数の金属部材を摩擦接合する方法であって、上記ワークにおける所定の接合部に付着している液状物質の付着量低減処理を行った後、上記接合部において上記摩擦接合を行うことを特徴とする摩擦接合方法。
2. 液状物質の付着量低減処理は、回転ツールを押し込む側の外表面の金属部材の外側の面の接合部に付着している油分の付着量低減処理であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合方法。
3. 摩擦接合は、摩擦点接合であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦接合方法。
4. 複数の金属部材を重ね合せたワークに一方の外表面の金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転及び加圧動作により発生する摩擦熱で金属部材を軟化及び塑性流動させて複数の金属部材を摩擦接合する装置であって、上記ワークにおける所定の接合部に付着している液状物質の付着量低減処理を行う付着量低減手段と、該付着量低減手段で液状物質の付着量低減処理を行った上記接合部において回転ツールを回転させながらワークに押し込む回転ツール作動手段とを備えていることを特徴とする摩擦接合装置。
5. 付着量低減手段は、ワークの外表面にエアを噴き付けることにより、回転ツールを押し込む側の外表面の金属部材の外側の面の接合部に付着している液状物質の付着量を低減するものであることを特徴とする請求項４に記載の摩擦接合装置。
6. 回転ツール作動手段は、回転ツールと、該回転ツールとの間でワークを挟持可能に配置された受け具と、上記回転ツールを回転させる回転手段と、上記回転ツールを上記受け具との間でワークを挟持又は解放するように上記受け具に対して進退移動させる移動手段とを有する接合ガンで構成されており、この接合ガンは、ロボットに備えられて、該ロボットによりワークの接合部に移動され、該接合部において摩擦接合を行うように構成されており、付着量低減手段は、上記接合ガンに具備されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦接合装置。
   

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