JP2007283324A - 接合方法及び接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属めっきが施された金属部材と他の金属部材とを摩擦接合方法により接合するに際し、金属めっきの種類に応じてより高い接合強度を得ること。
【解決手段】接合箇所に金属めっきが施された第１金属部材と前記第１金属部材よりも融点が低い第２金属部材とを互いに重ね合わせ後、前記第２金属部材に回転ツールを回転させながら押し込むことにより、前記第２金属部材を摩擦熱で軟化させて塑性流動を生じさせ、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを固相接合する接合方法において、予め前記金属めっきを加熱し、前記金属めっきの温度が少なくともその固相線温度を超えたことを条件に前記回転ツールを前記第２金属部材に押し込むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は異種金属材料の固相接合技術に関するものである。

金属部材間の接合方法として、摩擦熱を利用した摩擦接合方法が提案されている（特許文献１及び２）。摩擦接合方法は接合する金属部材を互いに重ね合わせ、一方の金属部材側から回転ツールを押し込むものである。回転ツールを押し込むことにより、その金属部材が摩擦熱で軟化し、塑性流動を生じて、接合対象である金属部材間が固相接合するものである。

この摩擦接合方法は、異種金属部材間の接合に有利である。すなわち、アーク溶接等の金属部材の溶融を伴う接合方法では、融点や熱伝導率等の物理特性が異なる異種金属部材間を均一に溶融することが困難であり、また、異種金属部材間に、強度が脆い金属間化合物が生じるため、十分な強度が得られない。これに対し、摩擦接合方法では金属間化合物の生成が抑制され、より高い接合強度が得られる。特許文献１にはこのような摩擦接合方法において、回転ツールの磨耗を防止するために、回転ツールが当接する金属部材を予め加熱して軟化させる方法が開示されている。

一方、一般に金属部材の表面には酸化被膜が存在する。摩擦接合方法においては金属部材の新生面同士が接触することでより高い接合強度が得られるため、酸化被膜が存在すると新生面同士が接触せず、金属部材間の接合強度を低下させる原因となる。ここで、接合される２つの金属部材のうち、回転ツールが押し込まれる一方の金属部材の酸化被膜は当該金属部材の塑性流動により破壊される。しかし、回転ツールが押し込まれない他方の金属部材の酸化被膜は残ってしまう。このため、特許文献２には酸化被膜の生成を妨げる金属めっきを予め金属部材の表面に形成しておくことが開示されている。この金属めっきは回転ツールの加圧力により接合箇所から排出されるか、或いは、回転ツールが押し込まれる金属部材中に取り込まれるため、金属部材の新生面同士を接触させることが可能である。

特開２００６−２１２１７号公報 特開２００５−３４８７９号公報

特許文献２のように金属めっきが施された金属部材と、他の金属部材とを摩擦接合方法により接合する場合には、回転ツールの加圧により、金属めっきが接合界面からより効果的に排出され、新生面同士がより広範囲で接触することが望ましい。しかし、金属めっきにはその物理特性が異なる複数種類のものが存在しており、金属めっきの種類により接合界面から排出される度合いも異なる。

従って、本発明の目的は、金属めっきが施された金属部材と他の金属部材とを摩擦接合方法により接合するに際し、金属めっきの種類に応じてより高い接合強度を得ることにある。

本発明によれば、接合箇所に金属めっきが施された第１金属部材と前記第１金属部材よりも融点が低い第２金属部材とを互いに重ね合わせ後、前記第２金属部材に回転ツールを回転させながら押し込むことにより、前記第２金属部材を摩擦熱で軟化させて塑性流動を生じさせ、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを固相接合する接合方法において、予め前記金属めっきを加熱し、前記金属めっきの温度が少なくともその固相線温度を超えたことを条件に前記回転ツールを前記第２金属部材に押し込むことを特徴とする接合方法が提供される。

この接合方法によれば、前記金属めっきの温度が少なくともその固相線温度を超えたことを条件に前記回転ツールが前記第２金属部材に押し込まれる。固相線温度を超えた前記金属めっきは、液相状態又は液相と固相との混合状態となり、この状態にて前記回転ツールを前記第２金属部材に押し込むことにより、前記金属めっきの接合界面からの排出が促進される。よって、前記第１及び第２金属部材の新生面同士がより広範囲で接触し、接合強度を高められ、前記金属めっきの種類に応じて高い接合強度が得られる。

また、本発明においては、前記金属めっきを、前記回転ツールと対向して配置され、前記第１金属部材に当接する受け部材に設けた熱源により加熱する構成を採用できる。この構成によれば、前記金属めっきの加熱に際し、相対的に低融点である前記第２金属部材への加熱の影響を抑制できる。

また、本発明においては、前記第１金属部材が、前記金属めっきとして防錆めっきが施された鋼板であり、前記第２金属部材がアルミニウム合金板である構成を採用できる。本発明は、接合強度の点で鋼板とアルミニウム合金板との接合に好適である。また、酸化防止のために予め防錆めっきが施された鋼板の接合に好適である。

また、本発明によれば、接合箇所に金属めっきが施された第１金属部材と前記第１金属部材よりも融点が低い第２金属部材とを互いに重ね合わせ後、前記第２金属部材に回転ツールを回転させながら押し込むことにより、前記第２金属部材を摩擦熱で軟化させて塑性流動を生じさせ、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを固相接合する接合装置において、前記回転ツールを駆動する駆動手段と、前記回転ツールに対向して配置され、前記第１金属部材に当接する受け部材と、前記金属めっきを加熱する加熱手段と、を備え、前記駆動手段は、前記金属めっきの温度が少なくともその固相線温度を超えたことを条件に前記回転ツールを前記第２金属部材に押し込むことを特徴とする接合装置が提供される。

この接合装置も上述した接合方法と同様の効果が得られる。

以上述べた通り、本発明によれば、金属めっきが施された金属部材と他の金属部材とを摩擦接合方法により接合するに際し、金属めっきの種類に応じてより高い接合強度を得ることにある。

図１は本発明の一実施形態に係る接合装置Ａの概略構成図である。接合装置Ａは例えば自動車のボディを構成する金属材料間の複数箇所を点接合する装置であり、接合ユニット１０と、ロボット２０と、制御盤３０と、を備える。ロボット２０は汎用的な６軸垂直多関節型ロボットであり、接合ユニット１０を３次元的に移動させ、接合ユニット１０と接合部位との位置合わせを行なうロボットである。制御盤３０は不図示のホストコンピュータと通信可能に接続され、ホストコンピュータからの指示により接合ユニット１０及びロボット２０を制御する。

次に接合ユニット１０の構成を説明する。図２（ａ）は接合ユニット１０の正面図及び部分断面拡大図、図２（ｂ）は接合ユニット１０の左側面図である。接合ユニット１０は、ロボット２０に連結されるフレーム部１１と、フレーム部１１に支持された駆動ユニット１２と、を備える。

駆動ユニット１２は、回転ツール１３と、回転ツール１３を支持するチャック部１４と、チャック部１４と共に回転ツール１３を回転させる駆動源となるモータ１５ａと、チャック部１４と共に回転ツール１３を昇降する駆動源となるモータ１５ｂと、駆動機構が内蔵された駆動機構収容部１６と、を備える。駆動機構収納部１６内にはベルト伝動機構等の公知の駆動機構が内蔵されており、モータ１５ａの回転力をチャック部１４に伝達して回転ツール１３を軸線ａ回りに回転させる。また、駆動機構収納部１６内にはベルト伝動機構及びボールネジ機構等の公知の駆動機構により、モータ１５ｂの回転力を上下方向に変換してチャック部１４に伝達し、回転ツール１３を軸線ａ方向に昇降させる。このような駆動機構、モータ１５ａ及び１５ｂは回転ツール１３を駆動する駆動手段として機能する。

回転ツール１３は軸線ａと同心の円柱状をなし、その先端のショルダ部１３ａには突起（ピン部１３ｂ）が設けられている。回転ツール１３は種々の構成のものが採用可能であり、ショルダ部１３ａはピン部１３ｂ回りに軸線ａ方向に深くなる傾斜面として形成したものが好ましい。フレーム部１１には、回転ツール１３と対向して受け部材１７が配設されている。本実施形態の場合、受け部材１７は軸線ａと同心の円柱状をなしているが、種々の構成のものが採用可能である。受け部材１７の内部には熱源１７ａと、温度センサ１７ｂとが配設されている。熱源１７ａは例えば電磁波加熱装置、特に、高周波誘導加熱デバイスであるが種々の熱源が採用できる。温度センサ１７ｂは例えば熱電対であるが、温度を検知するセンサであればその構成は問われない。

次に、接合ユニット１０による異種金属部材の点接合の原理について図３を参照して説明する。本実施形態は、接合箇所に金属めっきが施された第１金属部材と、第１金属部材よりも融点が低い第２金属部材とを互いに重ね合わせて接合するものである。

第１金属部材は例えば鋼板であり、第２金属部材は例えばアルミニウム合金板である。鋼板には一般に、合金化処理溶融亜鉛めっき（Ｆｅ−Ｚｎ２元系めっき等）や電気合金亜鉛めっき等の防錆用の金属めっきがその表面に施されている。この金属めっきは鋼板の表面に酸化被膜が形成されることを防止する点で上記の通り摩擦接合においても有利に働く。しかし、接合界面に金属めっきが残存すると接合強度が低下する。接合界面から金属めっきが効果的に排出されるためには、金属めっきが軟化していることが望ましい。しかし、摩擦接合時の摩擦熱が低いと金属めっきが軟化せず、金属めっきが効果的に排出されない。そこで、本実施形態では金属めっきを予め加熱する。

図３（ａ）は接合ユニット１０が接合箇所に位置している状態を示す。接合対象となる第１金属部材１にはその表面に金属めっき１ａが施されており、接合箇所も金属めっき１ａに覆われている。第１金属部材１と第２金属部材２とは互いに重ね合わされて、回転ツール１３と受け部材１７との間に配設され、受け部材１７は第１金属部材１に当接している。

次に、図３（ｂ）に示すように熱源１７ａを作動させて金属めっき１ａを加熱する。熱源１７ａからの熱は受け部材１７及び第１金属部材１を伝播して第１金属部材１及び第２金属部材２との界面に存在する金属めっき１ａを加熱する。なお、同図の例では回転ツール１３が第２金属部材２から離間しているが、回転ツール１３を第２金属部材２に当接させて、第１金属部材１及び第２金属部材２を回転ツール１３と受け部材１７とで挟持させてもよい。但し、この段階では回転ツール１３を第２金属部材２に押し込むことはしない。

次に、図３（ｃ）に示すように回転ツール１３を回転させて第２金属部材２に回転ツール１３を押し込む。押し込むタイミングは、金属めっき１ａの温度が少なくともその固相線温度を超えたことを条件とする。固相線温度はその金属めっきの組成により決定される。図４はＮｉ−Ｚｎ２元系状態図であり、太線が固相線である。金属めっき１ａとして、例えば、電気合金亜鉛めっき（Ｚｎ−１０重量％Ｎｉ）が採用されている場合、図４の状態図からその固相線温度は約４９０度である。

本実施形態の場合、金属めっき１ａの温度を検出するために温度センサ１７ｂが設けられている。温度センサ１７ｂは受け部材１７の表面（第１金属部材１との当接面）近傍に配設されており、金属めっき１ａの温度を直接検出することはできないが、第１金属部材１及び受け部材１７を介して金属めっき１ａの温度を間接的に検出する。従って、回転ツール１３を押し込むタイミングは、ある程度の余裕を見て、温度センサ１７ｂの検出結果が固相線温度から一定温度高い温度を検出した時点に設定することが好ましい。一方、熱源１７ａによる熱は第２金属部材２にも伝播するところ、第２金属部材２はその融点に達すると塑性流動を生じなくなってしまう。

従って、温度センサ１７ｂの検出結果により予想される金属めっき１ａの温度が、その固相線温度を越え、かつ、第２金属部材２の融点温度未満の間のいずれかの温度において回転ツール１３を押し込むタイミングを設定することが好ましい。例えば、第２金属部材２がアルミニウム合金板であり、金属めっき１ａが電気合金亜鉛めっき（Ｚｎ−１０重量％Ｎｉ）である場合、金属めっき１ａの温度が約４９０度（固相線温度）を超えて、６６０度（アルミニウム合金の融点）未満の範囲内で、回転ツール１３を押し込むタイミングを設定することが望ましく、温度センサ１７ｂの検知結果で言えば、余裕を見て、５００度〜６００度の範囲のいずれかの温度を契機として回転ツール１３を押し込むことが望ましい。

図３に戻り、図３（ｃ）に示すように回転ツール１３を回転させて第２金属部材２に回転ツール１３を押し込むと、第２金属部材２が摩擦熱で軟化し、塑性流動が生じる。回転ツール１３の押し込み量により、摩擦熱の伝播範囲が広がり、図３（ｄ）に示すように第１金属部材１と第２金属部材２との界面付近においても第２金属部材２の塑性流動が生じる。

この時、予め加熱されてその固相線温度を超えている金属めっき１ａは、液相状態又は液相と固相との混合状態となり、軟化した状態にある。このため、第２金属部材２の塑性流動により金属めっき１ａが接合界面から排出されることが促進される。また、第２金属部材２の表面に酸化被膜が存在している場合にも第２金属部材２の塑性流動により破壊され、接合界面から排出されることが促進される。こうして接合界面において、第１金属部材１と第２金属部材との双方の新生面同士が接触し、回転ツール１３の加圧力により両者が固相接合されることになる。

なお、回転ツール１３の押し込みの間、熱源１７による加熱は継続することを基本とするが、回転ツール１３の押し込みが短時間で終了し、加熱を継続しなくても金属めっき１ａの温度がその固相線温度を超えた状態が維持される場合には、熱源１７による加熱を接合完了前に終了してもよい。

次に、制御盤３０による接合ユニット１０及びロボット２０の制御例について説明する。図５は１単位の点接合処理に関する制御盤３０が実行する処理を示すフローチャートである。Ｓ１では制御データの設定を行なう。ここでは、不図示のホストコンピュータの指令により、これから接合する接合部位の３次元座標データ、回転ツール１３の駆動条件（回転数、押し込み量、押し込み時間等）、金属めっき１ａの加熱温度、等が設定される。

Ｓ２ではロボット２０を制御して、Ｓ１で設定された接合部位に接合ユニット１０を移動させる。移動後、Ｓ３では熱源１７ａを作動して金属めっき１ａの加熱を開始する。Ｓ４では温度センサ１７ａの検出結果を取得して、当該検出結果がＳ１で設定した加熱温度を超えているか否かを判定する。この加熱温度は上記の通り、金属めっき１ａの固相線温度よりも高い温度である。該当する場合はＳ５へ進み、そうでない場合は待ちとなる。なお、本実施形態では温度センサ１７ａの検出結果を利用しているが、例えば、加熱時間により金属めっき１ａがその固相線温度を越えているかを判断するようにしてもよい。つまり、加熱時間により金属めっき１ａの温度を推定して制御するような構成も採用可能である。

Ｓ５では回転ツール１３の回転及び第２金属部材２への押し込みを開始する。Ｓ１で設定した回転ツール１３の駆動条件を満たすとＳ６へ進み、回転ツール１３を第２金属部材２から退避させ、また、熱源１７ａの作動を停止する。以上により一単位の処理が終了し、次の接合部位について同様の処理を繰り返すことになる。なお、複数の接合部位を連続して接合する場合であって、接合条件が同じ場合は熱源１７ａを連続して作動させておいてもよい。

＜他の実施形態＞
上記実施形態では熱源１７ａを受け部材１７に内蔵する構成としたが、これに限られず、金属めっき１ａを加熱する手段は種々の手段を採用できる。例えば、図６に示すように熱源１７ａに代えてレーザ照射装置１７ａ’を設け、レーザの照射による加熱を行なってもよい。なお、第１金属部材１と第２金属部材２の接合界面に存する金属めっき１ａの加熱は、通常、第１金属部材１か第２金属部材２を介して間接的に行なうことになる。この場合、図２の例や図６の例のように、相対的に融点が高い第１金属部材１側から行なうことが好ましい。こうすることで第２金属部材２をその融点付近まで誤って加熱する場合を避けることができる。

また、上記実施形態では金属めっき１ａとしてＮｉ−Ｚｎ２元系めっきを用いた場合について説明したが、これに限られず、合金化処理溶融亜鉛めっきとしてＺｎ−Ｆｅ１０重量％２元系めっきを用いることも勿論可能であり、その固相線温度は約５３０度であるので、この場合は金属めっき１ａをこの固相線温度以上に加熱すればよい。

本発明の一実施形態に係る接合装置Ａの概略構成図である。 （ａ）は接合ユニット１０の正面図及び部分断面拡大図、（ｂ）は接合ユニット１０の左側面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は接合ユニット１０の動作説明図である。 Ｎｉ−Ｚｎ２元系状態図である。 制御盤３０が実行する処理を示すフローチャートである。 接合ユニット１０の他の例を示す図である。

符号の説明

Ａ 接合装置
１ 第１金属部材
１ａ 金属めっき
２ 第２金属部材
１０ 接合ユニット
１３ 回転ツール
１７ 受け部材
１７ａ 熱源
２０ ロボット
３０ 制御盤３０

Claims (4)

1. 接合箇所に金属めっきが施された第１金属部材と前記第１金属部材よりも融点が低い第２金属部材とを互いに重ね合わせ後、前記第２金属部材に回転ツールを回転させながら押し込むことにより、前記第２金属部材を摩擦熱で軟化させて塑性流動を生じさせ、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを固相接合する接合方法において、
   予め前記金属めっきを加熱し、
   前記金属めっきの温度が少なくともその固相線温度を超えたことを条件に前記回転ツールを前記第２金属部材に押し込むことを特徴とする接合方法。
2. 前記金属めっきを、
   前記回転ツールと対向して配置され、前記第１金属部材に当接する受け部材に設けた熱源により加熱することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第１金属部材が、前記金属めっきとして防錆めっきが施された鋼板であり、
   前記第２金属部材がアルミニウム合金板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
4. 接合箇所に金属めっきが施された第１金属部材と前記第１金属部材よりも融点が低い第２金属部材とを互いに重ね合わせ後、前記第２金属部材に回転ツールを回転させながら押し込むことにより、前記第２金属部材を摩擦熱で軟化させて塑性流動を生じさせ、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを固相接合する接合装置において、
   前記回転ツールを駆動する駆動手段と、
   前記回転ツールに対向して配置され、前記第１金属部材に当接する受け部材と、
   前記金属めっきを加熱する加熱手段と、
   を備え、
   前記駆動手段は、
   前記金属めっきの温度が少なくともその固相線温度を超えたことを条件に前記回転ツールを前記第２金属部材に押し込むことを特徴とする接合装置。

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