JP2007090393A - 摩擦点接合方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転工具まわりや受け具まわりが大径化することのない簡単な構造でありながら、回転工具の回転振れを効果的に抑制することができる摩擦点接合を行う。
【解決手段】複数の金属部材６３，６４を重ね合わせてスポット接合させる摩擦点接合であって、回転工具１６と、回転工具１６の回転軸線Ｘ上に回転工具１６に対向して配置された受け具１７と、回転工具１６を回転させながら押圧方向へ移動させる駆動手段とを有する接合装置を備え、金属部材６３，６４の接合位置における、接合時に受け具１７が配置される側に、回転軸線Ｘと直交する方向への受け具１７の動きを抑制する規制部９２を備えた保持部材９０を配置し、接合装置を移動手段で接合位置に移動させ、受け具１７が規制部９２による規制を受ける状態としつつ、駆動手段で回転工具１６を回転させながら金属部材６３，６４に押圧し、これらをスポット接合させる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、複数の金属部材を重ね合わせ、回転工具を用いて当該金属部材同士を摩擦熱でスポット接合させる摩擦点接合方法およびその装置に関する。

近年、自動車のボディ等においては、軽量化等を目的として、アルミニウム合金材料等
が多く採用されるようになり、それに伴い、例えばアルミニウム合金材料からなる部材同士を接合させたり、アルミニウム合金材料からなる部材と鉄や鋼材料等からなる部材とを接合させたりする機会が多くなってきている。このような接合を溶接で行うことは困難であるため、通常はリベット接合が行われるが、このリベット接合ではコストが高くなる。

そこで、このような接合を低コストで行うのに好適な方法として、摩擦点接合が知られている。この方法は、複数の金属部材を重ね合わせ、回転工具を回転させながら押圧し、摩擦熱で上記金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて当該金属部材同士をスポット接合させるものである。この接合は、ワーク（接合対象の金属部材）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。

例えば特許文献１には、亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム板とを摩擦点接合させる方法および装置が示されている。この装置は、回転工具と、該回転工具の回転軸線上に該回転工具に対向して配置された受け具と、上記回転工具を回転させながら押圧方向へ移動させる駆動手段とを有する接合装置を備えている。

ところで、摩擦点接合において、回転工具の先端面（ショルダ部）とワークとが接触するとき、接触抵抗の急激な上昇により、回転工具が、その回転軸線に垂直な方向に激しく揺さぶられて回転振れを起こし易い。このような回転振れを抑制するために、通常、ショルダ部には、ショルダ部の外径よりも小径の小突起（ピン部）が設けられる。接合時には、まずピン部が小さな接触抵抗でワークに接触し、位置決めを行う（アンカー機能）。このアンカー機能によって回転振れが抑制される。

しかしこのアンカー機能を以ってしても回転振れを完全になくすことは困難で、ある程度の回転振れが起こることは避けられない。ところが、この回転振れを一因として、ショルダ部にワークの一部が凝着（付着）してしまうことがある。このような凝着が起こると、上記アンカー機能が低下し、回転振れを助長してしまう。こうして回転振れの増大と凝着の増進とが互いに助長しあうという悪循環に陥り、結果的に大きな回転振れに至る場合がある。大きな回転振れは、接合品質を低下させたり、回転工具やその駆動機構、或いは周囲の治具等に損傷を与えたりする虞があるので望ましくない。

上記のような事態を避けるには、回転工具の回転振れをさらに抑制し、ショルダ部への最初の凝着を起こり難くすることが効果的である。特許文献２には、回転工具の周囲にバネや押圧部材からなる固定装置を設けて回転振れ（特許文献２に記載の横ブレに相当する）を抑制するようにした摩擦点接合装置が示されている。

この固定装置の押圧部材は、円柱状の回転工具の外側に同軸に設けられた略円筒形の部材であり、軸受を介して回転工具の回転軸線に垂直な方向の動きを抑制する。そして接合時には回転工具よりも先にワークに接触し、バネの付勢力によってワークに押圧される。このようにすると、ワークと押圧部材とが一時的に一体化するので、回転工具のワークに対する回転軸線に垂直な方向の動きが軸受を介して規制される。すなわち回転振れが抑制される。
特開２００５−３４８７９号公報 特開２００３−２０５３７４号公報

しかしながら、特許文献２に示されるような固定装置は、バネや軸受等、比較的複雑な構造となることが避けられない。また必然的に、回転工具を包含して大径化するので、狭い場所での接合には不向きである。実際の接合においては、ワークを固定する治具の隙間を通して回転工具をワークに接近させなければならないケースがあり、回転工具まわりが大径化することは望ましくない。

本発明は、上記のような事情に鑑み、回転工具まわりや受け具まわりが大径化することのない簡単な構造でありながら、回転工具の回転振れを効果的に抑制することができる摩擦点接合方法およびその装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に係る発明は、複数の金属部材を重ね合わせ、回転工具を回転させながら押圧し、摩擦熱で上記金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて当該金属部材同士をスポット接合させる摩擦点接合方法であって、上記回転工具と、該回転工具の回転軸線上に該回転工具に対向して配置された受け具と、上記回転工具を回転させながら押圧方向へ移動させる駆動手段とを有する接合装置を備え、上記金属部材の接合位置における、接合時に上記受け具が配置される側に、上記回転軸線と直交する方向への上記受け具の動きを抑制する規制部を備えた保持部材を配置し、上記接合装置を移動手段で上記接合位置に移動させ、上記受け具が上記規制部による規制を受ける状態としつつ、上記駆動手段で上記回転工具を回転させながら上記金属部材に押圧し、該金属部材をスポット接合させることを特徴とする。

また請求項２に係る発明は、複数の金属部材を重ね合わせ、回転工具を回転させながら押圧し、摩擦熱で上記金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて当該金属部材同士をスポット接合させる摩擦点接合装置であって、上記回転工具と、該回転工具の回転軸線上に該回転工具に対向して配置された受け具と、上記回転工具を回転させながら押圧方向へ移動させる駆動手段とを有する接合装置と、上記金属部材の接合位置における、接合時に上記受け具が配置される側に設けられ、接合時に、上記回転軸線と直交する方向への上記受け具の動きを抑制する規制部を有する保持部材と、上記接合装置を上記接合位置に移動させる移動手段とを備え、上記移動手段によって上記受け具が上記規制部による規制を受ける状態としつつ、上記駆動手段で上記回転工具を回転させながら上記金属部材に押圧し、該金属部材をスポット接合させることを特徴とする。

また請求項３に係る発明は、請求項２記載の摩擦点接合装置において、上記規制部は、上記受け具を僅かな隙間をもって挿入し得る形状の、上記保持部材に設けられた挿入孔であることを特徴とする。

また請求項４に係る発明は、請求項２または３記載の摩擦点接合装置において、上記保持部材は、上記接合位置を含む領域で上記金属部材と面接触する治具に対して固設され、接合時、上記規制部に規制された受け具の先端部が、上記治具を介して上記金属部材に当接することを特徴とする。

また請求項５に係る発明は、請求項２乃至４の何れか１項に記載の摩擦点接合装置において、上記移動手段はロボットであることを特徴とする。

請求項１の発明によると、以下説明するように、回転工具まわりや受け具まわりが大径化することのない簡単な構造でありながら、回転工具の回転振れを効果的に抑制することができる。

本発明の構成によると、回転工具や駆動手段が接合装置に設けられているので、回転工具が回転振れを起こすと、接合装置も全体的に振動する。この振動は接合装置に設けられた受け具にも伝達される。つまり回転工具が回転振れを起こすと、受け具も回転工具の回転軸線と直交する方向の振動（振れ）起こる。本発明では、この受け具の振れが保持部材の規制部によって抑制される。すると、その反作用によって回転工具の回転振れも抑制されるのである。

受け具は回転させる必要のない部材なので、この振れを抑制するために軸受は不要である。また本来、回転工具がワークに接触する前に、予め反対側からワークに接触させておくという使い方をするため、あらためてこれをワークに押圧させるためのバネ等も不要である。また、保持部材はワークの側に設けられるので、回転工具や受け具に、何ら付加的な部材を設ける必要がない。従ってこれらが大型化、大径化することがない。

以上のことから明らかなように、回転工具まわりや受け具まわりが大径化することのない簡単な構造でありながら、回転工具の回転振れを効果的に抑制することができるのである。

回転振れを抑制することによって、ショルダ部へのワークの凝着が起こり難くなる。従って、回転振れが助長されて増大し、接合品質が低下したり、回転工具やその駆動機構、或いは周囲の治具等に損傷を与えたりする事態を可及的に回避することができる。

また簡単な構造で回転振れを抑制することができるので、装置の小型化、低コスト化が図られる。特にワークを固定する治具の隙間を通して回転工具や受け具をワークに接近させなければならないようなケースにも容易に対応することができる。

請求項２の発明によると、当該摩擦点接合装置は、請求項１について記した効果と同様の効果を奏する。

請求項３の発明によると、挿入孔という格段に簡単な構造によって規制部を構成することができる。

請求項４の発明によると、受け具がワークに直接当接することによって生じる問題、例えば受け具による圧痕がワークに付くことや、ワークに亜鉛メッキが施されている場合に、その亜鉛メッキが受け具に付着すること等、を確実に回避することができる。

請求項５発明によると、移動の自由度が高いロボットを移動手段とすることにより、接合をより円滑かつ効率的に行わせることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、本発明に係る摩擦点接合装置１について説明する。

図１は摩擦点接合装置１の概略構成図である。この摩擦点接合装置１は、主たる構成要素として、接合ガン１０（接合装置）と、該接合ガン１０を手首に備えるロボット４０（移動手段）とを含んでいる。このロボット４０としては、汎用される６軸垂直多関節型ロボットが好適に用いられる。

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。制御盤５０内には制御ユニット５０ａが内蔵されており、ロボット４０を制御して、接合ガン１０が予め設定された所定の位置や傾きとなるように動作させる。また制御ユニット５０ａは、接合ガン１０に搭載された、後述する押圧用モータ１４および回転用モータ１５（図２参照）を制御して、回転工具１６および受け具１７からなる接合用工具１８に、予め設定された所定の動作を行わせる。

図２は接合ガン１０の正面図であり、図３は接合ガン１０の側面図である。これらの図に示すように、接合ガン１０は、ロボット４０への取付ボックス１１と、この取付ボックス１１の下面から下方に延びるＬ字状のアーム１２と、このアーム１２の上方で取付ボックス１１の側面に取り付けられた本体ケース１３と、ハーネス５４に接続された押圧用モータ１４と、ハーネス５５に接続された回転用モータ１５とを有している。

本体ケース１３の下端部には、接合用工具１８の一方である回転工具１６が設けられている。一方、アーム１２の先端部には、回転工具１６と該回転工具１６の回転軸線Ｘ方向に対向して、接合用工具１８の他方である受け具１７が設けられている。

摩擦点接合は、この回転工具１６と受け具１７とでワーク（重ね合わせた複数の金属部材）を挟むようにして行われる。詳しくは、ワークの一方の面（必要に応じて治具を介しても良い）を受け具１７の先端に当接させて受け、ワークの他方の面に対し、後述の如く、回転軸線Ｘ回りに回転する回転工具１６の先端部を押圧することによって摩擦点接合が行われるように構成されている。

図４は、本体ケース１３の内部構造を示す断面図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。本体ケース１３の内部には、互いに平行に上下方向に延びるネジ軸（昇降軸）２４及びスプライン軸（回転軸）２５がそれぞれの軸心回りに回転自在に設けられている。これら両軸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、ここで両軸２４，２５に従動プーリ２６，２７がそれぞれ組み付けられている。上蓋部材２１及び上部カバー２２は、図５に示すように、本体ケース１３の上部から該本体ケース１３の側方に張り出しており、上蓋部材２１の該張出し部の下面に押圧用モータ１４及び回転用モータ１５が固定されている。これら両モータ１４，１５の出力軸１４ａ，１５ａの先端部（上端部）は、上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内に至り、ここで両出力軸１４ａ，１５ａに駆動プーリ１４ｂ，１５ｂがそれぞれ組み付けられている。そして、上記各駆動プーリ１４ｂ，１５ｂと従動プーリ２６，２７との間には、駆動伝達用のベルト２８，２９がそれぞれ巻き掛けられており、押圧用モータ１４の回転により、ネジ軸２４が図５のＡ方向（ｄｏｗｎ方向）又はＢ方向（ｕｐ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ようになっている。

図４に戻って説明を続ける。ネジ軸２４のネジ部２４ａには、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には、回転筒体３５がスプライン結合されている。この回転筒体３５は、昇降ブロック３１に結合部材３２を介して一体結合された昇降筒体３３の内部に回転自在に設けられている。スプライン軸２５、昇降筒体３３及び回転筒体３５は、互いに同心状に配置されている。なお、以下、昇降ブロック３１、結合部材３２及び昇降筒体３３の一体物を昇降体３０という。

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、この下方突出部１３ａの下端部には下部カバー２３が設けられている。上記昇降筒体３３及び回転筒体３５の下端部は、この下部カバー２３を貫通して下方に突出している。そして、内側にある回転筒体３５の方が、外側にある昇降筒体３３よりも長く下方に突出して、その回転筒体３５の下端部に取付部材３６が固着されている。この取付部材３６に対し回転ツール１６の先端部と反対側の端部である基端部が着脱自在（交換自在）に取り付けられている。この取り付けられた回転工具１６の回転軸線Ｘは、上記スプライン軸２５の軸心の延長線上にある。なお、下部カバー２３と昇降筒体３３の下端部との間には、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が配設されている。

なお、スプライン軸２５と上蓋部材２１との間には軸受２５ｂが、昇降筒体３３と回転筒体３５との間には軸受３５ａが、昇降筒体３３と取付部材３６との間には軸受３３ａが、それぞれ設けられている。

また、押圧用モータ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、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、又は回転速度の制御が容易なインダクションモー夕が好ましい。これら押圧用モータ１４および回転用モータ１５は、回転工具１６を回転させながらワークに押圧する駆動手段を構成している。

図６は回転工具１６の先端部の拡大図である。この回転工具１６の先端部は、円柱状の胴体部１６ａの下端面（その輪郭は円形である）とされた、ワークと対向するショルダ部１６ｂと、回転工具１６の回転軸線Ｘ上に位置し、かつショルダ部１６ｂから該ショルダ部１６ｂの外径よりも小径でワークに対向する側に所定長さｈだけ突出するピン部１６ｃと、該ピン部１６ｃの周囲におけるショルダ部１６ｂに設けられた環状凹部１６ｄとで構成されている。当実施形態では、この環状凹部１６ｄの底面が、径方向外側に向かって凹み量が小さくなるように傾斜しており、環状凹部１６ｄは、回転工具１６の回転軸線Ｘを中心とする円錐形状に凹んでいる。この回転工具１６の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径Ｄ２が２ｍｍ，ピン部１６ｃの突出長さｈが０．３ｍｍ〜０．３５ｍｍ、環状凹部１６ｄの底面のショルダ部１６ｂに対する傾斜角θが５°〜７゜とされる。

但し、回転工具１６の最適形状は一義的に決定されるものではなく、ワークの材質、厚さ、重ね合わせるワークの枚数等、用途に応じて異なる。従って、用途別に好適な複数種類の回転工具１６を準備しておき、用途に応じて適宜交換して用いるようにするのが望ましい。図６に示すような環状凹部１６ｄを有する回転工具１６の形状は、特に融点の異なる異種の金属部材を接合する際に用いると好適である。

次に、摩擦点接合装置１の摩擦点接合時の動作について説明する。

まず、回転工具１６の昇降動作および回転動作について説明する。なお、回転工具１６の回転軸線Ｘの向きは、ロボット４０によって自在に変化させることができるが、説明の都合上、回転工具１６を受け具１７に接近させる方向の動作を下降、受け具１７から遠ざける方向の動作を上昇と言う。

押圧用モータ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には、昇降体３０がネジ部２４ａとの螺合によって下降し、昇降体３０における昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び該回転筒体３５の下端部に取付部材３６を介して取り付けられた回転工具１６が一緒に下降する。逆に、押圧用モータ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には、昇降体３０がネジ部２４ａとの螺合によって上昇し、回転筒体３５及び回転工具１６が一緒に上昇する。このことで、押圧用モータ１４は、回転工具１６を、後述の如く回転工具１６と受け具１７との間に位置するワークに対して、該回転工具１６の回転軸線Ｘ方向に進退移動させるように構成されていることになる。また、押圧用モータ１４は、回転工具１６を上記ワークに対し押圧させるように構成されているとともに、該押圧時の加圧力を、押圧用モータ１４へ供給する電流により変更することができるようになっている。

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には、上記のような昇降体３０の動きとは独立して、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スプライン軸２５と同じＣ方向に回転し、回転筒体３５に取り付けられた回転工具１６も、該回転工具１６の回転軸線Ｘ回りにスプライン軸２５と同じＣ方向に回転する。また、回転用モータ１５は、回転工具１６の回転軸線Ｘ回りの回転速度を、回転用モータ１５へ供給する電流により変更することができるようになっている。

次に、上記回転工具１６の昇降動作を伴うワークの接合動作について説明する。

図７は、本発明に係る方法で摩擦点接合を行う自動車ボディの構成部材の使用状態を示したものである。この自動車ボディの構成部材は、自動車のトランクリッド６０のレインフォースメント６３と、該トランクリッド６０にヒンジ７０（図８参照）を取り付けるためのボルトリテーナ６４とである。これらの部材６３，６４は、アウタパネル６１とインナパネル６２とを周縁部でヘミング加工して結合した袋構造のトランクリッド６０のコーナ内部に左右一対配置されている。ここで、レインフォースメント６３は、６０００系のアルミニウム合金（厚み１．４ｍｍ）で作製されており、ボルトリテーナ６４は、亜鉛メッキされた鋼鈑（厚み１．０ｍｍ）で作製されている。

一般的に、摩擦点接合は複数の金属部材（２枚の場合は第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２）からなるワークを接合するものである。第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２の材質は同種でも異種でも良い。当実施形態は異種の場合にあたり、レインフォースメント６３（アルミニウム合金）が第１金属部材Ｗ１に相当し、とボルトリテーナ６４（亜鉛メッキ鋼板）が第２金属部材Ｗ２に相当する。

図８に示すように、トランクリッド６０のコーナ内部において、レインフォースメント６３がインナパネル６２に適宜手段で固着されている。そして、このレインフォースメント６３に重ね合せてボルトリテーナ６４が摩擦点接合されている（接合部Ｐは２箇所）。このボルトリテーナ６４に溶接等で結合されたボルト６５，６５の螺子部がインナパネル６２から外方に突出し、このボルト６５，６５の螺子部にヒンジ７０を通して該ヒンジ７０をナット６６，６６で締め付け固定される。ここで、レインフォースメント６３とボルトリテーナ６４との摩擦点接合は、ヒンジ７０をトランクリッド６０に組み付けるまでの期間中、ボルトリテーナ６４をトランクリッド６０に仮止めするためのものである。

その場合に、接合部Ｐは、レインフォースメント６３と、ボルトリテーナ６４とに形成した凹部の底部６３ａ，６４ａに設けられている。これらの凹部は、レインフォースメント６３の剛性確保のため、あるいは摩擦点接合で生成するバリＲ（図１５参照）の逃がし部を作るために設けられたもので、図７に明らかなように、正対視で円形に仕上げられている。

以下、レインフォースメント６３とボルトリテーナ６４とを重ね合せて摩擦点接合する摩擦点接合方法について説明する。

図９は、ワークであるレインフォースメント６３とボルトリテーナ６４とを摩擦点接合装置１の治具８０（詳しくは第１治具８１〜第６治具８６）に固定し、摩擦点接合を行っている状態の途中図である。すなわち、２箇所ある接合部Ｐのうち、１箇所目（図示の状態で左側）が完了し、２箇所目（同右側）を行う直前の状態である。

なお図９では、回転工具１６が上、受け具１７が下に配置されるようなレイアウトとなっているが、この配置を上下逆転させ、受け具１７が上、回転工具１６が下となるようなレイアウトとしても良い。

また図９では、レインフォースメント６３の底部６３ａとボルトリテーナ６４の底部６４ａとは、予め微小な隙間Ｓ（０．３〜０．６ｍｍ程度）をもって離間するようにセットされている。これは、摩擦点接合後の接合部Ｐの周囲に、ある程度大きな隙間を形成し、後の電着塗装工程（詳細は省略する）において塗料溶液の浸入を容易にするためである。このような特別な事情のない一般的な場合には、底部６３ａと底部６４ａとを密着させてセットすれば良い。

レインフォースメント６３とボルトリテーナ６４を所定のセット位置に固定する治具８０は、ボルトリテーナ６４側の第１治具８１，第２治具８２，第３治具８３と、レインフォースメント６３側の第４治具８４，第５治具８５，第６治具８６からなる。ボルトリテーナ６４側の第２治具８２は、ボルトリテーナ６４の基部６４ｂを支持する。第３治具８３はボルトリテーナ６４の底部６４ａを支持する。そして第１治具８１は最下段に設けられ、第２治具８２と第３治具８３とを全体的に支持する。

一方、レインフォースメント６３側の第４治具８４は、レインフォースメント６３の基部６３ｂを支持する。基部６３ｂには８４ａが設けられ、この孔部８４ａにボルト６５のねじ部を通すことによりワークの位置決めがなされる。第５治具８５は、レインフォースメント６３の底部６３ａを支持するが、底部６３ａには２箇所の接合部Ｐがあるため、その間の部分を支持する。この支持は、摩擦点接合を行ったとき、各接合部Ｐの間の部分が底部６４ａから離れる方向に浮き上がってしまうことを防ぐために行われる。第５治具８５の詳細構造については後述する。第６治具８６は最上段に設けられ、第４治具８４と第５治具８５とを全体的に支持する。

第１治具８１のさらに下方には、平板状の保持部材９０が設けられている。保持部材９０はワークを固定する治具ではなく、摩擦点接合時に受け具１７の振れ（回転工具１６の回転軸線Ｘと直交する方向の動き）を抑制するための部材である。保持部材９０の、各接合部Ｐに対応する位置に、挿入孔９２（規制部）が設けられている。挿入孔９２は、受け具１７を円滑に挿脱させ得る範囲で可及的に受け具１７の外径に近い径（例えば（受け具１７の外径）＋０．２ｍｍ）で穿設された貫通孔である。

各治具８０および保持部材９０は、油圧シリンダ等を用いたクランプ機構や固定ボルト等（各図は省略する）によって、互いに強固に固定されている。

図１０は、第５治具８５を斜め下方から見た斜視図である。他の第１，第２，第３，第４，第６治具８１，８２，８３，８４，８６は略平板状であるのに対し、第５治具８５は狭い箇所を支持する治具であるため、比較的複雑な形状となっている。第５治具８５は最上段の基部８５ａ，中断の中段部８５ｂおよび最下段の先端部８５ｃからなる３段構造になっている。

基部８５ａは平板状で、四隅にボルト穴８５ｅが設けられている。このボルト穴８５ｅに挿通される図外のボルトによって第５治具８５が第６治具８６に固定される。

中段部８５ｂは、基部８５ａのボルト穴８５ｅ以外の部分を突設させたような円板状となっている。そして、基部８５ａと中段部８５ｂとを貫通する孔部８５ｄが設けられている。孔部８５ｄの断面形状は、平面視で２箇所ある接合部Ｐを包含する長円形である。また回転工具１６が何れの接合部Ｐに対応する位置にあるときも回転工具１６に接触しない大きさとなっている（回転工具１６が一方の接合部Ｐに対応する位置にある状態を二点鎖線で示す）。

先端部８５ｃは、中段部８５ｂから突設される壁状の部材である。その先端部がレインフォースメント６３の底部６３ａにおける、各接合部Ｐの間の部分を直接押さえ、摩擦点接合時の浮き上がりを防止する。先端部８５ｃは、長円形の孔部８５ｄの直線部分同士を差し渡すように設けられており、回転工具１６が何れの接合部Ｐに対応する位置にあるときも回転工具１６に接触しないようになっている。

以上の構造によって、第５治具８５は、接合部Ｐにおける回転工具１６の動作に影響を与えることなく、２箇所の接合部Ｐの間という狭い部分を好適に支持することができる。

また回転工具１６は、接合部Ｐで降下する際、第５治具８５の孔部８５ｄを通され、かつ先端部８５ｃに干渉しないように通される。つまり第５治具８５の中段部８５ｂと先端部８５ｃとの間の狭い箇所を通される。

次に、接合部Ｐにおける摩擦点接合時の動作について説明する。図９を参照して、接合部Ｐにおいて摩擦点接合を行うにあたり、まずロボット４０の作動により、接合ガン１０を接合部Ｐに近接させ、回転工具１６が接合部Ｐのレインフォースメント６３側に位置し、受け具１７がその接合部Ｐのボルトリテーナ６４側に位置するようにする。次いで、接合ガン１０全体をボルトリテーナ６４側に移動させる。つまり受け具１７をボルトリテーナ６４に接近させる。

ボルトリテーナ６４側には、第３治具８３、第１治具８１および保持部材９０が設けられているが、受け具１７をボルトリテーナ６４側に接近させると、受け具１７は挿入孔９２に嵌入し、その先端部１７ａが治具８０（詳しくは第１治具８１）の下面に当接した位置で止まる。次にその状態で、押圧用モータ１４および回転用モータ１５により、回転工具１６を回転させつつレインフォースメント６３に接近させ、図１１（ａ）に示すように押圧して摩擦点接合させる。この摩擦点接合の工程は、詳しくは初期移動工程、第１押圧工程、第２押圧工程、第３押圧工程を順に行うように設定されている。以下、これらの工程について詳述する。

まず初期移動工程では、回転工具１６を降下させてレインフォースメント６３の近接位置である初期位置に移動させる。この初期位置は、回転工具１６のピン部１６ｃの先端がレインフォースメント６３に対し僅かに離れるような位置である。この初期移動工程では、回転工具１６を回転させるようにしても、回転させないようにしても良いが、当実施形態では、次の第１押圧工程へ直ぐに移行できるように、続く第１押圧工程と同じ回転速度（第１回転速度）で回転させるようにしておく。

続く第１押圧工程では、図１２に示すように、回転工具１６を第１回転速度で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記初期移動工程における回転工具１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第１所定時間の間、レインフォースメント６３に対し押圧接触させる。図の右半分はレインフォースメント６３とボルトリテーナ６４との間に隙間Ｓを設けた場合、左半分は隙間Ｓを設けず、両者を密着させた場合を示す。

なお、回転工具１６のレインフォースメント６３に対する加圧力は、押圧用モータ１４へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット５０ａは、押圧用モータ１４へ供給する電流を、上記第１押圧工程では、上記第１所定時間の間、上記第１加圧力に対応する電流値になるように制御する。また、回転工具１６の回転速度は、回転用モータ１５へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット５０ａは、回転用モータ１５へ供給する電流を、上記第１押圧工程（及び初期移動工程）では、上記第１回転速度に対応する電流値になるように制御する。

上記移動抵抗値は、上記ネジ軸２４や昇降体３０等によって構成された、昇降筒体３３（回転工具１６）を移動させる機構内で生じる摩擦抵抗により決まるものであるが、この摩擦抵抗値は安定しておらず、特に可動部と固定部との間の隙間量やグリス等の影響によってばらつく。このため、上記第１加圧力が移動抵抗値以下であると、移動抵抗値の大きさによって、レインフォースメント６３に第１加圧力が実際に作用するまでの時間がばらつき、レインフォースメント６３に対し第１加圧力で実際に押圧する時間は、上記第１所定時間に対してかなりばらつくことになる。しかし当実施形態では、第１加圧力を上記移動抵抗値よりも大きく設定しているので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第１押圧工程開始直後に、第１加圧力で回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃがレインフォースメント６３に対し押圧されることとなり、第１加圧力がレインフォースメント６３に実際に作用する時間は上記第１所定時間と略同じになり、安定する。

上記第１加圧力は、上記移動抵抗値のばらつき範囲の最大値よりも大きくて、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第１回転速度は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定することが好ましい。さらに、上記第１所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定することが好ましい。これら第１加圧力、第１回転速度及び第１所定時間は、回転工具１６がレインフォースメント６３に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部（深さが深い回転軸線Ｘ側の部分）がレインフォースメント６３に接触しないで、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃがレインフォースメント６３に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定する。

上記第１押圧工程においては、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが回転ツール１６の回転軸線Ｘ回りに回転しながらレインフォースメント６３に対し押圧接触されることで、その２箇所の接触部位で摩擦熱が生じ、この摩擦熱は、ワークにおける該２箇所の接触部位の間の部分（環状凹部１６ｄの底面が接触していない部分）、延いては接合部Ｐ全体に速やかに拡散され、レインフォースメント６３におけるショルダ部１６ｂに対向する部分（接合部Ｐ）全体が良好に軟化する。また、ボルトリテーナ６４の表面に施されている亜鉛メッキ層Ｚも、接合部Ｐにおいて軟化する。このように、上記第１加圧力、第１回転速度及び第１所定時間を、上記好ましい範囲に設定することで、レインフォースメント６３を剪断破壊させることなく良好に軟化させることができるようになる。

またこの第１押圧工程の初期段階において、ショルダ部１６ｂよりも所定長さｈだけ突出したピン部１６ｃが、ショルダ部１６ｂよりも先にレインフォースメント６３に当接する。このように細い径のピン部１６ｃを最初に当接させることにより、小さな摩擦抵抗で回転工具１６の位置決めが良好になされ、回転軸線Ｘに垂直な方向の回転振れが抑制される（アンカー機能）。

続く第２押圧工程では、図１３に示すように、回転用モータ１５により、回転工具１６を第２回転速度で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第２所定時間の間、レインフォースメント６３に押し込む。

この第２押圧工程では、加圧力が大きくなることで、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃがレインフォースメント６３に対し徐々に深く入り込み、環状凹部１６ｄの底面全体、つまりピン部１６ｃ及び環状凹部１６ｄを含むショルダ部１６ｂ全体がレインフォースメント６３に接触する。これに伴い、レインフォースメント６３の軟化に加えて塑性流動が行われる（図では模式的に破線で塑性流動Ｑを示す）。ここで、レインフォースメント６３とボルトリテーナ６４との間に隙間Ｓを設けた場合、塑性流動Ｑによって、レインフォースメント６３がボルトリテーナ６４側に押し出され、両者が密着する。

また塑性流動Ｑにおいて、ショルダ部１６ｂに環状凹部１６ｄが設けられている（特に環状凹部１６ｄが円錐形状をなしている）ことから、塑性流動するレインフォースメント６３が、図の上下方向に流動して、回転工具１６の直下部分（接合部Ｐ）から外側へ流出することが抑制される。また、環状凹部１６ｄにより、第２加圧力が接合部Ｐに集中して、レインフォースメント６３の塑性流動Ｑが促進される。さらに、レインフォースメント６３とボルトリテーナ６４との接合境界面において、上記軟化した亜鉛メッキ層Ｚが接合部Ｐから押し出されることで、ボルトリテーナ６４の新生面が露出するとともに、図示しないが、空気中の酸素によりレインフォースメント６３の表面に形成されている酸化被膜が接合部Ｐにおいて破壊されることで、レインフォースメント６３の新生面が露出する。

上記第２加圧力は、３．９２ｋＮ以上５．８８ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第２回転速度は、２０００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ未満に設定することが好ましい。さらに、上記第２所定時間は、１．０秒以上２．０秒以下に設定することが好ましい。これら第２加圧力、第２回転速度及び第２所定時間は、回転工具１６がレインフォースメント６３に対し所定の挿入位置よりも深く押し込まれないようにそれぞれ設定する。この所定の挿入位置は、該挿入位置よりも回転工具１６が深く入り込むとレインフォースメント６３が過度に薄くなって引きちぎられるような位置である。

ところで、上記第１押圧工程の後半から第２押圧工程の前半にかけて、ショルダ部１６ｂとレインフォースメント６３とが接触するとき、接触抵抗の急激な上昇により、ピン部１６ｃのアンカー機能を以ってしてもある程度の大きさの回転振れが起こる場合がある。そして、この回転振れを一因として、ショルダ部１６ｂ（特に環状凹部１６ｄが形成されているもの）にワークの一部が凝着（付着）してしまうことがある。このような凝着が起こると、上記アンカー機能が低下し、回転振れを助長してしまう。こうして回転振れの増大と凝着の増進とが互いに助長しあうという悪循環に陥り、結果的に大きな回転振れに至る場合がある。大きな回転振れは、接合品質を低下させたり、回転工具１６やその駆動機構（例えば図４に示す軸受２５ｂ、軸受３５ａ、軸受３３ａなど）、或いは治具８０等に損傷を与えたりする虞がある。

そこで当実施形態では、以下説明するように、保持部材９０および挿入孔９２（規制部）によって回転工具１６の回転振れを効果的に抑制している。

回転工具１６および駆動手段（押圧用モータ１４や回転用モータ１５）は、図２に示すように接合ガン１０（接合装置）に搭載されている。従って回転工具１６が回転振れを起こすと接合ガン１０も全体的に振動する。この振動はＬ字状のアーム１２を介して受け具１７にも伝達される。つまり受け具１７の動きが特に規制されていない場合、回転工具１６が回転振れを起こすと、受け具１７も振れ（回転軸線Ｘと直交する方向の振動）を起こす。

ところが当実施形態では図１１（ａ）に示すように、受け具１７が保持部材９０の挿入孔９２に嵌入され、その振れが抑制されている。この抑制の反作用によって接合ガン１０全体の振動が抑制され、回転工具１６の回転振れも抑制されるのである。回転振れを抑制することによって、ショルダ部１６ｂへのワークの凝着が起こり難くなる。従って、回転振れが助長されて増大し、接合品質が低下したり、回転工具１６やその駆動機構、或いは治具８０等に損傷を与えたりする事態を可及的に回避することができる。

しかも、受け具１７の振れを抑制する手段が、平板状の保持部材９０に挿入孔９２を穿設しただけという極めて簡単な構造である。従って、バネや軸受等を用いて回転工具１６の回転振れ自体を抑制しようとする従来構造に比べ、大幅な装置の小型化、低コスト化が図られる。特に回転工具１６が大径化しないので、当実施形態のように回転工具１６を第５治具８５の中段部８５ｂと先端部８５ｃとの間という狭い箇所を通して接合部Ｐに接近させなければならない場合に極めて有利である。また受け具１７が大径化することもないので、特に図示しないが、受け具１７を狭い治具間を通すレイアウトを採る場合にも同様に有利であることは明らかである。

こうして効果的に回転振れが抑制された状態で第２押圧工程が完了する。この第２押圧工程の完了により、接合部Ｐでの接合を終了するようにしてもよいが、当実施形態では、さらに第３押圧工程を行うようにしている。

第３押圧工程では、図１４に示すように、回転用モータ１５により回転ツール１６を第３回転速度で回転させながら、押圧用モータ１４により、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第３所定時間の間、レインフォースメント６３に対し押圧接触させる。

この第３押圧工程では、加圧力を第２押圧工程よりも小さくすることで、回転工具１６がレインフォースメント６３に対し上記所定の挿入位置よりも深く押し込まれず、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けることとなる。これにより、レインフォースメント６３が過度に薄くなって引きちぎれるようなことがなくなるとともに、第２押圧工程時と同じ程度の温度が維持されて、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。この第３押圧工程の終了により、１つの接合部Ｐでの接合が終了することになる。

上記第３加圧力は、上記第１加圧力よりも小さくて、０．４９ｋＮ以上１．４７ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第３回転速度は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定することが好ましい。さらに、上記第３所定時間は、０．５秒以上２．５秒以下に設定することが好ましい。これら第３加圧力、第３回転速度及び第３所定時間は、回転ツール１６がレインフォースメント６３に対し、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けかつレインフォースメント６３の塑性流動が生じるようにそれぞれ設定する。

上記第３押圧工程においては、回転工具１６で押し出された金属材料がバリＲとなってレインフォースメント６３の表面に隆起するとともに、亜鉛メッキ層Ｚが更に接合部Ｐから押し出され、また酸化皮膜が更に破壊されて、レインフォースメント６３およびボルトリテーナ６４の各新生面の露出範囲が拡大する（図１４中、×印で表示した範囲）。この結果、レインフォースメント６３とボルトリテーナ６４の合わせ面部同士が、摩擦点接合によって固相接合され、その接合強度は安定的に高くなる。

なお、亜鉛メッキ層Ｚにおける接合部Ｐの近傍部分には、レインフォースメント６３を構成する金属（アルミニウム合金）と、亜鉛メッキ層Ｚを構成する金属との金属混合物層Ｙが生成される。

接合部Ｐでの接合が終了すると、押圧用モータ１４により、ネジ軸２４を図５のＢ方向に回転駆動させることで、図１１（ｂ）に示すように、回転工具１６を上昇させるとともに、接合ガン１０全体を回転工具１６の下降方向に移動させることにより受け具１７を挿入孔９２から抜出させる。摩擦点接合が完了した後の接合部Ｐにおいては、図１５に示すように、レインフォースメント６３の表面に、ショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃの痕が残り、ショルダ部１６ｂの周囲には、バリＲが生じている。

接合部Ｐでの摩擦点接合が完了すると、制御ユニット５０ａはロボット４０によって接合ガン１０を待機状態とする。或いは次の接合部Ｐがある場合、接合ガン１０をその接合部Ｐへと移動させ、上記と同様の摩擦点接合を繰り返し行わせる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲内で適宜変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明をレインフォースメント６３（アルミニウム合金）とボルトリテーナ６４（亜鉛メッキ鋼板）との摩擦点接合に適用した場合について説明しているが、他の部材の摩擦点接合に適用しても良い。その際、その材質も特に限定するものではなく、同種の材質からなる部材の接合であっても、異種の材質からなる部材の接合であっても良い。また枚数も２枚に限定するものではなく、３枚以上の部材を同時に接合するものであっても良い。

また回転工具１６のショルダ部１６ｂの形状は、環状凹部１６ｄが形成されたものである必要はない。環状凹部１６ｄが形成されたものは凝着が起こり易い傾向にあるので、本発明の効果を顕著に奏するが、それ以外の形状、例えばショルダ部１６ｂが回転軸線Ｘに垂直な平坦面である場合にも、回転振れの抑制に関する本発明の効果を奏することができる。

当実施形態では、受け具１７の振れを抑制する規制部として、保持部材９０に設けられた挿入孔９２を用いているが、必ずしもこのような構造に限定するものではなく、他の構造の規制部によって受け具１７の振れを抑制するようにしても良い。例えば、受け具１７の側面を取り囲んでその振れを抑制するように細い柱状体を複数本配設したものであっても良い。

当実施形態では、受け具１７の先端部１７ａが治具８０を介してワークに当接するようにしている。その介在する治具の枚数は、当実施形態では２枚（第１治具８１と第３治具８３）であるが、これを１枚または３枚以上としても良い。また治具を介さず、受け具１７が直接ワークに当接するようにしても良い。治具を介在させることによって、受け具１７がワークに直接当接することによって起こる問題を確実に回避することができる。例えば当実施形態の場合、摩擦点接合時の熱と加圧力とによって受け具１７にボルトリテーナ６４の亜鉛メッキ層Ｚが付着することが避けられる。また、ワークの受け具１７に当接する面が自動車パネルの外表面である場合に、受け具１７によって付着する僅かな圧痕によって商品性が低下することも避けられる。

保持部材９０を治具８０と一体化させても良い。例えば上記実施形態では、第１治具８１と保持部材９０とを一体に成形しても良い。第１治具８１と保持部材９０とを別部材にすることにより、設計変更等によって接合部Ｐの位置が変化したり、接合部Ｐの位置が異なる多品種の製造を行ったりする場合に、挿入孔９２の位置を適宜変更した保持部材９０に交換するだけで柔軟に対応できるという利点がある。

回転工具１６或いは接合ガン１０は、ロボット４０に搭載されていなくても良い。但し回転工具１６や接合ガン１０をロボット４０に搭載した場合は、その移動自由度の高さを利用し、狭い場所での接合でも容易に行わせることができるという利点がある。

回転工具１６の形状（各部寸法）や受け具１７と挿入孔９２との隙間、或いは加圧力等の各種パラメータは、用途や各種条件に応じて適宜変更しても良い。

本発明の実施形態に係る摩擦点接合装置の概略構成図である。 図１に示す接合ガンの正面図である。 図１に示す接合ガンの側面図である。 図１に示す本体ケースの内部構造を示す断面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 図１に示す回転工具の先端部の拡大図である。 本発明の実施形態に係るワークであって、自動車のトランクリッドのヒンジ取り付け部をインナパネル側から示す一部切り欠きを有する部分図である。 図７のVIII−VIII線断面図であって、（ａ）はトランクリッドにヒンジを取り付ける前の状態を示す分解断面図、（ｂ）はその組立状態を示す断面図である。 上記摩擦点接合装置を用いて本発明の方法により上記トランクリッドのレインフォースメントとボルトリテーナとを摩擦点接合する動作の途中状態を示す断面図である。 上記摩擦点接合装置および方法で使用する治具の１つを示す斜視図である。 図９に示す途中状態後の動作を示す図であり、（ａ）は摩擦点接合中の状態を示す断面図、（ｂ）は摩擦点接合直後の状態を示す断面図である。 図１１（ａ）の状態を詳細に示す図であり、摩擦点接合における第１押圧工程の説明図である。 上記第１押圧工程に続く第２押圧工程の説明図である。 上記第２押圧工程に続く第３押圧工程の説明図である。 上記第３押圧工程後、摩擦点接合が完了した状態を示す図である。

符号の説明

１０ 接合ガン（接合装置）
１４ 押圧用モータ（駆動手段）
１５ 回転用モータ（駆動手段）
１６ 回転工具
１７ 受け具
１７ａ （受け具の）先端部
４０ ロボット（移動手段）
６３ レインフォースメント（金属部材）
６４ ボルトリテーナ（金属部材）
８０ （金属部材と面接触する）治具
９０ 保持部材
９２ 挿入孔（規制部）
Ｘ （回転工具の）回転軸線

Claims (5)

1. 複数の金属部材を重ね合わせ、回転工具を回転させながら押圧し、摩擦熱で上記金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて当該金属部材同士をスポット接合させる摩擦点接合方法であって、
   上記回転工具と、該回転工具の回転軸線上に該回転工具に対向して配置された受け具と、上記回転工具を回転させながら押圧方向へ移動させる駆動手段とを有する接合装置を備え、
   上記金属部材の接合位置における、接合時に上記受け具が配置される側に、上記回転軸線と直交する方向への上記受け具の動きを抑制する規制部を備えた保持部材を配置し、
   上記接合装置を移動手段で上記接合位置に移動させ、
   上記受け具が上記規制部による規制を受ける状態としつつ、上記駆動手段で上記回転工具を回転させながら上記金属部材に押圧し、該金属部材をスポット接合させることを特徴とする摩擦点接合方法。
2. 複数の金属部材を重ね合わせ、回転工具を回転させながら押圧し、摩擦熱で上記金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて当該金属部材同士をスポット接合させる摩擦点接合装置であって、
   上記回転工具と、該回転工具の回転軸線上に該回転工具に対向して配置された受け具と、上記回転工具を回転させながら押圧方向へ移動させる駆動手段とを有する接合装置と、
   上記金属部材の接合位置における、接合時に上記受け具が配置される側に設けられ、接合時に、上記回転軸線と直交する方向への上記受け具の動きを抑制する規制部を有する保持部材と、
   上記接合装置を上記接合位置に移動させる移動手段とを備え、
   上記移動手段によって上記受け具が上記規制部による規制を受ける状態としつつ、上記駆動手段で上記回転工具を回転させながら上記金属部材に押圧し、該金属部材をスポット接合させることを特徴とする摩擦点接合装置。
3. 上記規制部は、上記受け具を僅かな隙間をもって挿入し得る形状の、上記保持部材に設けられた挿入孔であることを特徴とする請求項２記載の摩擦点接合装置。
4. 上記保持部材は、上記接合位置を含む領域で上記金属部材と面接触する治具に対して固設され、
   接合時、上記規制部に規制された受け具の先端部が、上記治具を介して上記金属部材に当接することを特徴とする請求項２または３記載の摩擦点接合装置。
5. 上記移動手段はロボットであることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の摩擦点接合装置。

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