JP2016124002A - 摩擦点接合装置および摩擦点接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄとの摩擦点接合を高い接合強度を持つものとすることができる摩擦点接合装置および摩擦点接合方法を提供する。【解決手段】摩擦点接合装置Ａは、回転ツール３８と、回転ツールを回転させる加圧用サーボモータ３２と、回転ツールの温度を測定するツール温度測定器４０と、アルミニウム材もしくは亜鉛メッキ鋼板の温度を測定する材料温度測定器４１と、アルミニウム材もしくは亜鉛メッキ鋼板の温度情報および回転ツールの温度情報を考慮してサーボモータにフィードバック制御をかけるフィードバック装置（制御部Ｂ）とを備える。フィードバック装置（制御部Ｂ）により回転ツール３８の位置制御を精緻に行うとともに、材料温度測定器４１の温度情報により、接合境界面の温度を３２０℃〜３５０℃に維持して摩擦点接合を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板とを摩擦点接合するための摩擦点接合装置および摩擦点接合方法に関する。

従来から、アルミニウム材と鋼板の積層体に、回転ツールを用いて局部的に摩擦熱を発生させて材料に塑性流動を生じさせ、摩擦点接合することが行われている。摩擦点接合において、材料が塑性流動する温度が高い場合（例えば鋼板の場合、１０００〜１２００℃）、接合境界面に酸化金属化合物が生成される。酸化金属化合物はその材料特性上非常にもろいために、接合境界面に存在すると接合強度が極度に低下する。

酸化金属化合物が生成しない加工条件、あるいは生成しても強度に影響を与えない程度に極めて薄く（１０μｍ以下）抑えるような加工条件は存在するが、回転ツールと接合境界面との位置関係などにおいて精緻なコントロールが必要であり、実際に部品として大量生産する装置としては実用化していない。

高い接合強度が得られる摩擦点接合方法として、特許文献１には、アルミニウム材と鋼板を摩擦点接合する方法であって、鋼製部材の接合面側に亜鉛メッキを施した後、合金化処理してＺｎ−Ｆｅ合金メッキ層を形成し、そのＺｎ−Ｆｅ合金メッキ層の表面をレーザー加熱により平滑化した後、Ｚｎ−Ｆｅ合金メッキ層にアルミニウム製部材を重ね合わせ、回転ツールを回転させながらアルミニウム製部材の接合部に押圧することにより、アルミニウム製部材と鋼製部材の接合部を点接合する方法が記載されている。この方法では、Ｚｎ−Ｆｅ合金メッキ層のＺｎがアルミニウム製部材内に拡散してＺｎ拡散層が形成されると共に、アルミニウム製部材のＡｌがＺｎ−Ｆｅ合金メッキ層内に拡散してＡｌ−Ｆｅ中間層が形成され、この中間層を介してアルミニウム製部材と鋼製部材の接合部が点接合されることで、接合強度が高まるとともに接合時間も短縮できると記載されている。

特開２００９−１０６９９８号公報

特許文献１に記載される摩擦点接合方法では、アルミニウム材と鋼板との接合境界面にＡｌ−Ｆｅ中間層を形成させることで高い接合強度が得られるようにしており、回転ツールと接合境界面との位置関係をコントロールする制御精度は、ある程度は緩和されるものと期待される。しかし、処理の過程で、Ｚｎ−Ｆｅ合金メッキ層を形成する処理とその表面をレーザー加熱により溶融平滑化する処理が必要とされており、その分、装置としては複雑化しコストアップになるのが避けられない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされてものであり、アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板との摩擦点接合を、Ｚｎ−Ｆｅ合金メッキ層を形成してその表面をレーザー加熱により溶融平滑化する処理をすることなく、接合強度の高いものとすることができ、そのために装置としても全体として簡素化することのできる摩擦点接合装置、および摩擦点接合方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく多くの実験研究を行うことにより、アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板とを摩擦点接合するに際して、アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板との接合境界面温度を所要温度にまで上昇させ、それにより亜鉛メッキ鋼板の亜鉛メッキ層を溶融液相化した場合、表面をレーザー加熱により溶融平滑化する処理を行わなくても、液相化と同時に、母材であるアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板双方の表面に存在する酸化膜が破壊され、亜鉛メッキ層が流動するときに、双方の酸化膜が拡散して接合境界面が新生面となること、そして、新生面となることで、接合境界面に薄い金属間化合物（Ｆｅ−Ａｌ）が生成されながら接合するようになり、高い接合強度が得られることを知見した。また、上記のような処理を行うためには、摩擦点接合装置において、回転ツールの先端位置とアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の接合境界面との距離を所要距離範囲内に正確に制御すること、および、接合境界面の温度を所要温度範囲に制御することが必須であることも知見した。

本発明は、上記した本発明者が得た知見に基づいており、積層したアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板のアルミニウム材側に回転ツールを押し当ててアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板とを接合する摩擦点接合装置であって、回転ツールと、前記回転ツールを回転させるサーボモータと、前記回転ツールの温度を測定するためのツール温度測定器と、アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の接合部の温度を測定するための材料温度測定器と、前記ツール温度測定器および材料温度測定器の温度情報に基づき前記サーボモータにフィードバック制御をかけるフィードバック装置と、を有することを特徴とする。

本発明による摩擦点接合装置では、積層体の接合部の温度情報および回転ツールの温度情報に基づきサーボモータにフィードバック制御をかけるフィードバック装置を備えることで、回転ツールの先端とアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の接合部との距離を所要範囲内に制御すること、および、接合部の温度を所要温度範囲に制御することを確実に実施できるようになり、本発明による摩擦点接合装置を用いてアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板とを摩擦点接合することにより、高い接合強度を持つ摩擦点接合品を得ることができる。フィードバックをかける対象はサーボモータの回転数、加圧力、加工時間などが挙げられる。

接合部の温度が３２０〜３５０℃になるよう入熱量を設定し、設定した入熱量になるようなサーボモータの回転数、加圧力、加工時間で加工を行う。接合部の温度は直接測定することはできないが、アルミ板の熱伝達率が高いため、回転ツールがアルミ板と接する位置およびその近傍の温度を測ることで、接合部の温度が目標温度になっているか推測する。目標温度に対し測定した温度が高すぎる場合、低すぎる場合はフィードバック制御を行い、接合部の温度が目標温度となるように諸条件を変更する。

本発明による摩擦点接合する方法は、アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の積層体のアルミニウム材側に回転ツールを押し当ててアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板とを摩擦点接合する方法であって、アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の接合部の温度を３２０℃〜３５０℃の範囲にすることで接合部を新生面とし、接合部にＦｅとＡｌの金属間化合物を生成しながら摩擦点接合することを特徴とする。上記の摩擦点接合する方法において、亜鉛メッキ鋼板表面と回転ツール先端の距離をアルミニウム材側に０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲に維持した状態で摩擦点接合を行うことが推奨される。

本発明による摩擦点接合する方法を用いることにより、高い接合強度を持つアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板との摩擦点接合品を得ることができる。

本発明によれば、高い接合強度を持つアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板との摩擦点接合品を製造することのできる、新規な摩擦点接合装置および摩擦点接合方法が提供される。

本発明による摩擦点接合装置を説明する概略図。 亜鉛メッキ鋼板の亜鉛メッキ層が溶融して液相化し流動した状態を示すＥＰＭＡ分析結果の図（写真）。 母材表面の酸化膜が破壊され酸化被膜が拡散した状態を示すＥＰＭＡ分析結果の図（写真）。 接合境界面のＥＰＭＡ分析結果を示す図（写真）。 加工条件を変えた場合でのＥＰＭＡ分析結果を示す図（写真）。ここでは、亜鉛メッキ層の溶融が生じていない。 加工条件を変えた場合でのＥＰＭＡ分析結果を示す図（写真）。ここでは、接合境界面に酸化被膜が残っている。

以下、実施の形態に基づき、本発明をより詳細に説明する。図１は、本発明による摩擦点接合装置の一例を示している。

図示の摩擦点接合装置Ａは、例えば、図示しない６軸垂直多関節ロボットなどのロボットアームの先端部に装備されるものであり、制御部Ｂをさらに備える。摩擦点接合装置Ａはアーム１０を有し、その下端側に受け具２０が、上端側に駆動部３０が装着されている。受け具２０とアーム１０との間にはロードセル２１が設置されており、ロードセル２１によって受け具２０に作用する実加圧力が計測され、計測値は制御部Ｂに送られる。摩擦点接合を行うに当たっては、受け具２０の上端側に、摩擦点接合しようとするアルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの積層体Ｅが、亜鉛メッキ鋼板Ｄ側を受け具２０側として配置される。

駆動部３０は、エンコーダー３１を備えた加圧用サーボモータ３２、および加工時間測定タイマ３３を有する。加圧用サーボモータ３２には、０．０１ｍｍ単位での制御が可能なものを用いる。加圧用サーボモータ３２の回転軸３４は、適宜の動力伝達機構３５を介して、回転ツール駆動軸３６に駆動連結している。回転ツール駆動軸３６は、加圧用サーボモータ３２の正逆回転に応じて、回転しながら上下方向に移動する作動軸３７を内装しており、加圧用サーボモータ３２の回転に応じて、前記作動軸３７は一方向の回転を伴う下降移動と逆方向の回転を伴う上昇移動とを繰り返す。

前記回転ツール駆動軸３６および作動軸３７は、その中心軸線が前記受け具２０の中心軸線と一致するようにして、また、作動軸３７の下端と前記受け具２０の上端との間に所定距離が確保されるようにして、前記受け具２０に対向した位置に取り付けられている。そして、前記作動軸３７の下端には、適宜の連結手段を介して、回転ツール３８が着脱自在に接続される。

前記作動軸３７の回転時間は加工時間測定タイマ３３によって計測され、計測値は制御部Ｂに送られる。また、加工時での作動軸３７の加工距離、すなわち回転ツール３８の移動距離（押し込み量）はエンコーダー３１によって監視され、エンコーダー３１の位置情報は制御部Ｂに送られる。

摩擦点接合装置Ａは、さらに、作動軸３７に取り付けられた回転ツール３８の温度を測定するための、例えばレーザー式放射温度センサーのような非接触型のツール温度測定器４０を適数個だけ備えたツール温度測定機能を持つ。図示の例では、回転ツール３８の軸心線に沿ってほぼ等間隔に３個のツール温度測定器４０が設けられており、回転ツール３８の上位部、中間部、先端部（下端部）の３か所の温度を測定できるようになっている。各ツール温度測定器４０の温度情報は制御部Ｂに送られる。なお、ツール温度測定器４０は、１個でもよく、２個あるいは４個以上であってもよい。

摩擦点接合装置Ａは、さらに、例えばレーザー式放射温度センサーのような非接触型の材料温度測定器４１を備える。材料温度測定器４１は、アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの接合部の温度を測定するためものであり、実際には、回転ツール３８の先端がアルミニウム材Ｃと接触する位置あるいはその近傍位置の材料温度を測定できる位置に配置される。材料温度測定器４１の温度情報は制御部Ｂに送られる。

制御部Ｂは、上記したロードセル２１、エンコーダー３１、加工時間測定タイマ３３、ツール温度測定器４０、および材料温度測定器４１からの信号を受信して、必要な補正値を算出し出力する機能を備えた装置であり、演算後の補正値は加圧用サーボモータ３２にフィードバックされて、回転ツール３８の位置制御を行う。なお、このようなフィードバック機能を備え、フィードバック情報によって制御対象物の位置制御を行うことのできる制御部自体は従来知られたものであってよく、制御部Ｂの詳細な説明は省略する。

次に、上記の摩擦点接合装置Ａの作動を説明する。摩擦点接合処理の開始に当たり、図示しない６軸垂直多関節ロボットは、アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの積層体Ｅにおける摩擦点接合しようとする位置に摩擦点接合装置Ａを移動させる。そして、アルミニウム材Ｃ側に回転ツール３８が位置するようにして、受け具２０と回転ツール３８との間に積層体Ｅを挟持した姿勢とする。

制御部Ｂは、加圧用サーボモータ３２を作動して回転ツール駆動軸３６を駆動し、その作動軸３７に正の回転を与える。それにより、作動軸３７はアルミニウム材Ｃに向けて下降し、その先端に装着された回転ツール３８も同期回転しながら下降して、その先端がアルミニウム材Ｃに衝接する。この移動は、エンコーダー３１によって監視されている。

回転ツール３８が回転しながらさらに下降することで、前記積層体Ｅにおける、回転ツール３８の先端が接している部位近傍は次第に加圧されるとともに加熱される。加圧によりアーム１０にたわみが生じるので、正確な位置制御のためには、このたわみを補正する必要がある。そのために、摩擦点接合装置Ａは、加圧力に対するアーム１０のたわみ量を実験的に求めたたわみ補正線図を予め備えている。処理中に、制御部Ｂには、受け具２０とアーム１０との間に配置したロードセル２１からの加圧力に係る信号が送られる。制御部Ｂは、実際の加圧力をたわみ補正線図に当てはめ、たわんだ量分を加圧用サーボモータ３２側にフィードバックする。それにより、回転ツール３８はその分だけさらに押し込まれるように制御される。

回転ツール３８がアルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの積層体Ｅを加圧しながら下降していくときに、回転ツール３８自体も、積層体Ｅとの摩擦熱により加熱されて熱膨張する。正確な位置制御のためには、この熱膨張分も補正が必要となる。この補正のために、前記したツール温度測定器４０が測定する回転ツール３８の上下３か所の温度信号が制御部Ｂに送られる。制御部Ｂは、３か所それぞれの温度に線膨張係数をあてはめて回転ツール３８の伸びを算出して加圧用サーボモータ３２側にフィードバックし、伸び分を押し込み量から差し引くように作動する。

上記のように位置制御することにより、摩擦点接合装置Ａは、回転ツール３８の先端の挿入位置の精度を±０．１ｍｍで実施することができる。そして、実際の摩擦点接合処理においては、好ましくは、回転ツール３８の先端位置が、積層体Ｅのアルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄとの境界面より、アルミニウム材Ｃ側に０．１〜０．３ｍｍの範囲となるように制御される。

回転ツール３８の先端が、万が一、積層体Ｅの亜鉛メッキ鋼板Ｄの表面にまで達してしまった場合、製品不良となる。それを回避するために、摩擦点接合装置Ａには、好ましくは、緊急停止機能が備えられる。この緊急停止機能は、回転ツール３８の先端が亜鉛メッキ鋼板Ｄに接触した瞬間に荷重が急激に上昇する現象を利用するものであり、そのときのロードセル２１の計測値を用いて摩擦点接合装置Ａを停止させる機能を備える。

本発明による摩擦点接合装置Ａおよび摩擦点接合方法が、所期の目的を達成するためには、亜鉛メッキ鋼板Ｄの亜鉛メッキ層が溶融し、かつアルミニウム材Ｃが適度に塑性流動する温度（なお、この温度は本発明者らの実験により３２０℃〜３５０℃であることがわかっている）となる制御をすることが必要となる。そのために、摩擦点接合装置Ａは、材料温度測定器４１を備えた材料温度監視機能を備える。材料温度、すなわちアルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの積層体Ｅにおける回転ツール３８の先端と接している箇所の温度は、材料の材質、回転ツール３８の先端形状、加工条件によって変化する。そのために、制御部Ｂは、前記材料温度測定器４１からの温度信号を受信して、アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの接合部の温度（それは、積層体Ｅにおける回転ツール３８の先端と接している箇所の温度とほぼ一致する）を常時監視する。そして。温度上昇が不足していると判断した場合には、制御部Ｂは、前記加工時間測定タイマ３３を制御して、加工時間（すなわち、予め設定された回転ツール３８の先端の挿入位置での停止時間）を延長し、また、逆に温度上昇が予定より早い場合には、加工時間を短くし加工を終了するフィードバック制御を行う。

材料温度は加工時間と相関があるため、本発明による摩擦点接合装置Ａにおいて、制御部Ｂは、温度監視と同時に加工時間も監視することが推奨される。そして、加工時間が短い場合は接合不良が生じていること、長い場合は母材に何らかの異常があることが推定されるので、本発明による摩擦点接合装置Ａにおいて、加工時間異常の場合には、摩擦点接合装置Ａを停止させる機能を制御部Ｂに備えることがより好ましい。なお、従来のこの種の摩擦点接合装置では、普通、加工条件は実験的に求め、加圧力、回転ツールの回転数、回転ツールの挿入位置を設定し、加工中のトルク、加工時間は成り行きにまかしているのが一般的である。

本発明による摩擦点接合装置Ａを用い、アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄとの接合部である境界面温度を３２０℃〜３５０℃の温度範囲となるように維持して摩擦点接合することで、摩擦熱のみで亜鉛メッキ鋼板Ｄの亜鉛メッキ層を溶融液相化する。そして、同時に生じるアルミニウム材Ｃの塑性流動とともに、溶融液相化した亜鉛メッキ層は、回転ツール３８の外側に押し出される。それにより、アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの双方の表面に形成されている酸化膜が破壊され拡散し、接合部は新生面同士の接合部となる。また、接合部には金属間化合物（Ｆｅ−Ａｌ）が形成される。それにより、高い接合強度が確保される。

ちなみに、従来の工法でのように、摩擦熱のみで亜鉛の融点４２０℃付近までアルミニウム材料の温度を上昇させると、アルミニウムの変形抵抗が小さくなりすぎて、材料流動が生じない現象が起こる。その場合、アルミニウムが流動せず、それに伴い亜鉛も流動しなくなって、その場に滞留してしまうので、本発明による方法のように、アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの双方の表面酸化膜が外側に流動させるという現象が生じない。結果として、新生面同士での接合という現象も生じない。そのために、高い接合強度が得られない。

次に、本発明者が、図１に基づき説明した摩擦点接合装置Ａを用いて実際に行った摩擦点接合処理について説明する。アルミニウム材Ｃとして６０００系、板厚１．０ｍｍを用い、亜鉛メッキ鋼板Ｄとして引張強度２８０ＭＰａ級、板厚０．８ｍｍの合金化溶融亜鉛メッキ鋼板を用いた。処理は、加圧力：３０００Ｎ、回転ツール３８の回転数：２０００ｒｐｍ、加工時間：１．５〜２．０ｓｅｃで行い、回転ツール３８の先端位置が、アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの境界接合面より、アルミニウム材Ｃ側に０．１〜０．３ｍｍの範囲となるように制御した。

回転ツール３８の回転に伴う摩擦熱によりアルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの境界温度が３２０℃〜３５０℃となると、亜鉛メッキ鋼板Ｄの亜鉛メッキ層が溶融して液相化し流動した。その状態のＥＰＭＡ分析結果を図２に示した。そして、液相化と同時に、母材（アルミニウム材Ｃと亜鉛メッキ鋼板Ｄの双方）表面の酸化膜が破壊され、アルミニウムの塑性流動とともに亜鉛メッキ層が拡散する際に、双方の酸化被膜が拡散し、界面が新生面となった。その状態のＥＰＭＡ分析結果を図３に示した。図４に接合境界面のＥＰＭＡ分析結果を示すように、界面が新生面となることで、界面に薄い金属化合物（Ｆｅ−Ａｌ）が生成されながら接合するようになり、このときに、接合強度を低下させる酸化化合物が生成されないために、強固な接合強度が得られた。

比較として、加工条件を変えて処理を行った。その結果を図５および図６に示した。図５は、加工条件を加工時間を１．０ｓｅｃ以内とした場合であり、発熱量が不足しているため、図５のＥＰＭＡ分析結果に示すように、この条件では亜鉛メッキ層の溶融がないことから、高い接合強度は得られなかった。図６は、加工条件をツール挿入位置が＋０．４ｍｍの位置とした場合であり、発熱した熱が亜鉛メッキ層まで届かず、図６のＥＰＭＡ分析結果に示すように、この条件では接合境界面に酸化被膜が残ったままであり、十分な接合状態が得られなかった。

Ａ…摩擦点接合装置、Ｂ…制御部、Ｃ…アルミニウム材、Ｄ…亜鉛メッキ鋼板、Ｅ…アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の積層体、１０…アーム、２０…受け具、３０…駆動部、２１…ロードセル、３１…エンコーダー、３２…加圧用サーボモータ、３３…加工時間測定タイマ、３４…加圧用サーボモータの回転軸、３５…動力伝達機構、３６…回転ツール駆動軸、３７…作動軸、３８…回転ツール、４０…ツール温度測定器、４１…材料温度測定器。

Claims (3)

1. 積層したアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板のアルミニウム材側に回転ツールを押し当ててアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板とを接合する摩擦点接合装置であって、
   回転ツールと、
   前記回転ツールを回転させるサーボモータと、
   前記回転ツールの温度を測定するためのツール温度測定器と、
   アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の接合部の温度を測定するための材料温度測定器と、
   前記ツール温度測定器および材料温度測定器の温度情報に基づき前記サーボモータにフィードバック制御をかけるフィードバック装置と、
   を有することを特徴とする摩擦点接合装置。
2. アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の積層体のアルミニウム材側に回転ツールを押し当ててアルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板とを摩擦点接合する方法であって、
   アルミニウム材と亜鉛メッキ鋼板の接合部の温度を３２０℃〜３５０℃の範囲にすることで接合部を新生面とし、接合部にＦｅとＡｌの金属間化合物を生成しながら摩擦点接合することを特徴とする摩擦点接合方法。
3. 請求項２に記載の摩擦点接合方法であって、接合部における亜鉛メッキ鋼板表面と回転ツール先端の距離をアルミニウム材側に０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲に維持した状態で摩擦点接合を行うことを特徴とする摩擦点接合方法。

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