JP2006224180A - スポット摩擦撹拌接合方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦撹拌に際して生じる接合界面の捲上現象を効果的に抑制することにより接合強度の向上を図る。
【解決手段】受台１１上に重ね合せて載置した２枚の板材Ｗ１，Ｗ２に対し、回転工具４を軸Ｏを中心に回転させながら押付けてその先端のピン３を押込み、その時発生する摩擦熱により材料を軟化、撹拌して接合部５を形成し、スポット的に板材同士を接合するスポット摩擦撹拌接合方法において、前記受台１１の受圧面１２に、前記回転工具４の軸Ｏと同心となるように凹部１１を形成し、前記ピン３の押込みに応じて板材Ｗ１，Ｗ２の一部を凹部１１内に膨出変形させて、ピン３の周りの撹拌層７を板厚方向に拡大し、これに応じて撹拌層７の周りの軟化層８内の未接合の接合界面Ｓ´を沈下させて、接合部分Ｐを厚くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦熱を利用して板材をスポット的に重ね合せ接合するスポット摩擦撹拌接合方法に係り、特にアルミニウム系材料の重ね合せ接合に向けて好適なスポット摩擦撹拌接合方法とその装置とに関する。

近年、自動車部品のアルミ化が進む中、アルミニウム系材料の板材（パネル）を重ね合せ接合することが多くなってきている。しかるに、アルミニウム系材料は電気伝導が良好であるため、その重ね合せ接合に汎用の抵抗スポット溶接を利用すると大電流が必要になり、エネルギー損失が著しく増大する。

そこで最近、抵抗スポット溶接に代わるものとしてスポット摩擦撹拌接合が注目され、その利用が図られている。図５、６は、従来一般に行われているスポット摩擦撹拌接合の実施形態を示したもので、平板状の受台１上に重ね合せて載置した複数枚（ここでは、２枚）の板材Ｗ１、Ｗ２に対し、先端部にショルダー部２を介してピン３を有する回転工具４をその軸Ｏを中心に回転させながら押付けて前記ピン３を押込み、その時発生する摩擦熱により材料を軟化、撹拌し、両板材Ｗ１、Ｗ２の合せ面Ｓを貫く接合部５を形成して両者を接合する。なお、回転工具４のピン３の押込みにより生じた余剰な材料は、ショルダー部２の周りにバリ６として溢出する。また、ピン３としては、撹拌を促進するため、図示のように表面にねじ部３ａを有するねじ付きピンを用いることもあるが、この場合は、ねじ部３ａのねじ向きと逆方向に回転工具４を回転させる。

ところで、上記した摩擦撹拌接合による接合部５を詳細に観察すると、図６に示されるように、両板材Ｗ１、Ｗ２の材料が混じり合った中心側の撹拌層７とその周りの軟化層８との２層になっており、その軟化層７には、材料の種類、組み合せによっては両板材Ｗ１、Ｗ２の接合界面Ｓ´が未接合の状態で残存する場合がある。しかるに、回転工具４の加圧、回転を継続している最中は、前記撹拌層７内でピン３に沿う下降流と軟化層７に沿う上昇流とを含む対流が生じており（矢印で示す）、この対流によって前記接合界面Ｓ´が上方へ移動する現象（捲上現象）が起こる。そして、このような捲上現象が起こると、回転工具４のショルダー部２の外周縁に接する部位と前記接合界面Ｓ´の先端（内縁）との間隔で規定される最小接合部分Ｐが薄くなり、接合強度の低下を招く虞れがある。

なお、例えば、特許文献１に記載のものでは、接合強度の向上を目的に、回転工具のピンの押込みにより生じた溢出材（上記したバリ６に相当）を再び摩擦撹拌してピンの抜け跡に埋め戻すことを行っているが、この場合は、工具を二重、三重構造として複動させる必要があるため、装置自体が複雑大掛かりとなり、設備コストの増大はもとよりメンテナンスコストの増大が避けられないようになる。また、溢出材を再摩擦撹拌する余分な工程が必要になるため、接合を終えるまでに時間がかかり、その分、生産性が犠牲になる。
特開２００１−２５９８６３号公報

本発明は、上記した技術的背景に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、接合界面の捲上現象を効果的に抑制することにより接合強度の向上を図り、もって複雑大がかりな装置の使用や余分な工程の追加を不要とするスポット摩擦撹拌接合方法とその装置とを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、受台上に重ね合せて載置した複数枚の板材に対し、回転工具を軸中心に回転させながら押付けてその先端のピンを押込み、その時発生する摩擦熱により材料を軟化、撹拌してスポット的に板材同士を接合するスポット摩擦撹拌接合方法において、前記受台の受圧面に、前記回転工具の軸と同心となるように前記ピンより大径をなす凹部を形成し、前記ピンの押込みに応じて板材の一部を前記凹部内に膨出変形させることを特徴とする。このように行うスポット摩擦撹拌接合方法においては、回転工具のピンの押込みに応じて板材の一部を受台の凹部内に膨出変形させることで、回転工具の周りに形成される撹拌層が板厚方向（押込み方向）へ拡大し、これに伴って撹拌層の周りの軟化層内の接合界面が沈下し、結果として十分な接合部分が得られるようになる。

本方法において、上記受台に形成する凹部の容積は、回転工具の押込み体積と略同等に設定するのが望ましい。このように体積を設定した場合は、回転工具のピンの押込みにより生じた余剰な材料が前記凹部内に逃げるので、ショルダー部の周りに余分なバリが形成されることがなくなる。

本方法において、上記受台に形成する凹部は、その底面を別体の底板の上面に設定し、回転工具のピンの押込みに応じて該底板を後退させるようにしてもよい。このように底板を可変とした場合は、ピンの押込みに応じて徐々に底板が後退するので、板材が急激に凹部内に膨出変形することはなく、結果として回転工具による摩擦撹拌が安定的に進行する。

本方法において、上記回転工具のピンは平滑であっても、ねじ付きとしてもよいが、ねじ付きとする場合は、前記ピンのねじ向きと逆向きに回転工具を回転させながら該ピンを押込むようにする。

本方法において、上記板材の種類は任意であるが、アルミニウム系材料を選択した場合に、より接合強度の向上効果が発揮される。

上記課題を解決するため、本発明に係るスポット摩擦撹拌接合装置は、複数枚の板材が重ね合せて載置される受台と、先端部にショルダー部を介してピンを設けた回転工具とを備え、前記受台上の板材に対し、前記回転工具を軸中心に回転させながら接近させて前記ピンを押込む摩擦撹拌接合装置において、前記受台の受圧面に、前記回転工具の軸と同心となるように前記ピンより大径をなす凹部を形成したことを特徴とする。

本装置において、上記受台に形成する凹部の容積は、回転工具の押込み体積と略同等に設定するのが望ましい。また、この受台に形成する凹部は、その底面を別体の底板の上面に設定し、回転工具のピンの押込みに応じて該底板を後退させて凹部の容積を拡大するようにしてもよい。

本発明に係るスポット摩擦撹拌接合方法および装置によれば、軟化層内の接合界面の捲上現象を抑制することが期待できるので、接合肉厚は十分となり、所望の接合強度を安定して確保できる可能性がある。また、受台に凹部を形成するだけなので、装置の大がかりな改造や余分な工程の追加を必要とせず、設備コスト面はもとより生産性の面でも極めて有利となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明の第１の実施形態を示したものである。なお、本第１の実施形態は、アルミニウム系材料からなる２枚の板材Ｗ１、Ｗ２を重ね合せて摩擦撹拌接合するもので、ここで用いる回転工具４には何らの変更を加えていないので、図５、６に示した部分と同一部分には同一符号を付すこととする。本第１の実施形態においては、前記２枚の板材Ｗ１、Ｗ２が重ね合せて載置される受台１０の載置面（受圧面）１２に、回転工具４の軸Ｏと同心となるように凹部１１を形成している。この凹部１１は、中央の平坦面１３ａの周りに円錐面１３ｂを配した皿状の底面１３を有している。この凹部１１において、その底面１３の平坦面１３ａで規定される最小径は回転工具４のピン３の直径（ピン径）よりも大径（望ましくは１.５倍以上）となっており、また、その円錐面１３ｂの一端で規定される最大径はショルダー部２の直径（ショルダー径）よりも大径となっている。この凹部１１はまた、板材Ｗ１、Ｗ２に対する回転工具４のピン３の押込み体積と同等の容積となるようにその全体大きさが設定されている。

スポット摩擦撹拌接合の手順は、従来（図５、６）と全く変わるところがなく、受台１０上に重ね合せて載置した２枚の板材Ｗ１、Ｗ２に対し、回転工具４を、その軸Ｏを中心にピン３のねじ部３ａのねじ向きと逆方向に回転させながら押付けて該ピン３を押込む。すると、このピン３の回転および押込みにより、該ピン３とその周りの材料との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱により材料が軟化して攪拌され、これによって両板材Ｗ１、Ｗ２の合せ面Ｓを貫く接合部５が形成される。しかして、前記ピン３の回転および押込み中、押込み方向の板材Ｗ１、Ｗ２の一部が受台１０の凹部１１内に膨出変形する。これによりピン３の周りに形成される撹拌層７が押込み方向（板厚方向）へ拡大し、これに伴って撹拌層７の周りの軟化層８内の接合界面Ｓ´が沈下する。この結果、回転工具４のショルダー部２の外周縁に接する部位と前記接合界面Ｓ´の先端（内縁）との間隔で規定される最小接合肉厚ｔは十分な厚さとなり、接合部５に所望の強度が確保される。なお、回転工具４は、そのショルダー部２が撹拌層７の上面に接触する押込み端で数秒間回転を維持するので、この間、撹拌層７内の対流（矢印で示す）の影響で、接合界面Ｓ´がわずか上昇する（捲上げられる）。しかし、その捲上げの程度は小さく、板材Ｗ１、Ｗ２の合せ面Ｓより上位レベルに接合界面Ｓ´が上昇する程度を少なくでき、したがって前記最小接合肉厚ｔは、強度確保に必要な厚さを維持する可能性がある。

本第１の実施形態においては特に、受台１０に形成する凹部１１の最小径を回転工具４のピン径よりも大径にかつその最大径をショルダー径より大径に設定しているので、上記回転工具４のピン３の押込みに応じて、板材Ｗ１、Ｗ２が凹部１１内に容易に膨出変形し、これによって軟化層８の接合界面Ｓ´の沈下が促進される。また、この受台１０に形成する凹部１１の容積は、回転工具４の押込み体積と略同等に設定されているので、回転工具４のピン３の押込み（一部、ショルダー部２の押込みも含む）により生じた余剰な材料が前記凹部１１内に逃げ、この結果、ショルダー部２の周りに余分なバリ６（図６）が形成されることも少なくなる。

図３および図４は、本発明の第２の実施形態を示したものである。本第２の実施形態はの特徴とするところは、上記第１の実施形態における受台１０に代えて可動式の受台２０を用いた点にある。すなわち、この受台２０は、有底筒状をなす本体２１と、該本体２１の内部に上下動可能に納められた底板２２と、本体２１内に配置され、常時は底板２２を上方へ付勢する圧縮ばね２３とから概略構成されている。なお、回転工具４には何らの変更を加えていないので、第１の実施形態で用いた符号をそのまま用いている。

本第２の実施形態において、上記受台２０を構成する本体２１の内底面および底板２２の下面には、それぞれボス部２１ａ、２２ａが突設されている。底板２２は、そのボス部２２ａを本体２１側のボス部２１ａに当接させた位置が下降端となっており、その下降端で、本体２１内の上部側には所定の大きさの容積（最大容積）を有する凹部２４が形成される（図４）。この凹部２４の直径（口径）は、回転工具４のショルダー径よりも大径となっており、また、その最大容積は、板材Ｗ１、Ｗ２に対する回転工具４のピン３の押込み体積と同等かそれより大きくなっている。一方、圧縮ばね２３のばね力は、回転工具４の押込力（加圧力）よりも小さくなっており、したがって、底板２２は回転工具４の押込力を受けて下降（後退）する。

本第２の実施形態におけるスポット摩擦撹拌接合の手順は、第１の実施形態（図１、２）と全く変わるところがなく、受台２０上に重ね合せて載置した２枚の板材Ｗ１、Ｗ２に対し、回転工具４を、その軸Ｏを中心にピン３のねじ部３ａのねじ向きと逆方向に回転させながら押付けて該ピン３を押込むと、該ピン３とその周りの材料との間に摩擦熱が発生し、この摩擦熱により材料が軟化して攪拌され、両板材Ｗ１、Ｗ２の合せ面Ｓを貫く接合部５が形成される。しかして、前記ピン３の回転および押込みに応じて、板材Ｗ１、Ｗ２の一部が、受台２０の底板２２を押下げながら凹部２４内に膨出変形し、これによりピン３の周りに形成される撹拌層７が板厚方向へ拡大し、これに伴って撹拌層７の周りの軟化層８内の接合界面Ｓ´が沈下し、この結果、第１の実施形態と同様に最小接合部分Ｐは十分な厚さとなり、接合部５に所望の強度が確保される。

本第２の実施形態においては、上記回転工具４のピン３の回転および押込み中、受台２０の底板２２に圧縮ばね２３のばね力が作用していることから、ピン３の押込みに応じて底板２２が徐々に下降する。これにより板材Ｗ１、Ｗ２は急激に凹部２４内に膨出変形することはなく、この結果、回転工具４による摩擦撹拌が安定的に進行する。本第２の実施形態においてはまた、受台２０に形成される凹部２４の口径がショルダー径より大径になっているので、回転工具４のピン３の押込みに応じて、板材Ｗ１、Ｗ２が凹部２４内に容易に膨出変形し、これによって軟化層８の接合界面Ｓ´の沈下が促進される。さらに、前記凹部２４の容積が回転工具４の押込み体積より大きくなっているので、ショルダー部２の周りに余分なバリ６（図６）が形成されることもない。

なお、上記第２の実施形態においては、受台２０を構成する底板２２を圧縮ばね２３に支持させるようにしたが、この底板２２を支持する手段は任意であり、例えば、所定のクッション圧を発生するシリンダに支持させても、あるいは回転工具４と同期して昇降する同期手段に支持させるようにしてもよい。

また、上記各実施形態においては、アルミニウム系材料からなる板材Ｗ１、Ｗ２を対象としたが、本発明は、アルミニウム系材料以外にも、マグネシウム系材料、銅系材料、鉄系材料等を対象にし得ることはもちろんである。ただし、回転工具４および受台１０、２０としては、対象とする材料よりも硬質の材料を選択することは当然である。

さらに、上記各実施形態における回転工具４および受台１０、２０は、抵抗スポット溶接ガンと同様の形態で多関節ロボットのアームに持たせることができる。このように多関節ロボットに持たせた場合は、従来の抵抗スポット溶接と同様の態様で、摩擦撹拌接合を行うことができる。

本発明の第１の実施形態としての摩擦攪拌接合の準備段階を模式的に示す断面図である。 本第１の実施形態としての摩擦攪拌接合の最終段階を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施形態としての摩擦攪拌接合の準備段階を模式的に示す断面図である。 本第２の実施形態としての摩擦攪拌接合の最終段階を模式的に示す断面図である。 従来の摩擦攪拌接合の準備段階を模式的に示す断面図である。 従来の摩擦攪拌接合の最終段階を模式的に示す断面図である。

符号の説明

２ ショルダー部
３ ピン
４ 回転工具
５ 接合部
６ バリ
７ 撹拌層
８ 軟化層
１０、２０ 受台
１１、２４ 受台の凹部
１２ 受圧面
２１ 本体
２２ 底板
２３ 圧縮ばね
Ｗ１，Ｗ２ 板材

Claims (8)

1. 受台上に重ね合せて載置した複数枚の板材に対し、回転工具を軸中心に回転させながら押付けてその先端のピンを押込み、その時発生する摩擦熱により材料を軟化、撹拌してスポット的に板材同士を接合するスポット摩擦撹拌接合方法において、前記受台の受圧面に、前記回転工具の軸と同心となるように前記ピンより大径をなす凹部を形成し、前記ピンの押込みに応じて板材の一部を前記凹部内に膨出変形させることを特徴とするスポット摩擦撹拌接合方法。
2. 受台に形成する凹部の容積を、回転工具の押込み体積と略同等に設定することを特徴とする請求項１に記載のスポット摩擦撹拌接合方法。
3. 受台に形成する凹部の底面を別体の底板の上面に設定し、回転工具のピンの押込みに応じて該底板を後退させることを特徴とする請求項１または２に記載のスポット摩擦撹拌接合方法。
4. 回転工具のピンをねじ付きとして、回転工具を、前記ピンのねじ向きと逆向きに回転させながら該ピンを押込むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のスポット摩擦撹拌接合方法。
5. 板材が、アルミニウム系材料からなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のスポット摩擦撹拌接合方法。
6. 複数枚の板材が重ね合せて載置される受台と、先端部にショルダー部を介してピンを設けた回転工具とを備え、前記受台上の板材に対し、前記回転工具を軸中心に回転させながら押付けて前記ピンを押込むスポット摩擦撹拌接合装置において、前記受台の受圧面に、前記回転工具の軸と同心となるように前記ピンより大径をなす凹部を形成したことを特徴とするスポット摩擦撹拌接合装置。
7. 受台に形成する凹部の容積を、回転工具の押込み体積と略同等に設定したことを特徴とする請求項６に記載のスポット摩擦撹拌接合装置。
8. 受台に形成する凹部の底面が、別体の底板の上面に設定されており、該底板は、回転工具のピンの押込みに応じて後退することを特徴とする請求項６または７に記載のスポット摩擦撹拌接合装置。
   
   

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