JP2023013803A - 摩擦攪拌接合及び抵抗溶接のための接合装置及び接合方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置及び接合方法であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置及び接合方法を提供する。【解決手段】各層が互いに接合されるべき積層体2は、順に重ねられた第1部材3、中間部材4、及び第2部材5を含む。接合装置1は、積層体2を第1部材3の側から支持するアンビル11と、積層体2に第2部材5の側から突入する回転可能なプローブ12と、アンビル11及びプローブ12間に電流を流す電源15とを備える。プローブ12を回転させながら積層体2に突入させるとともに、アンビル11とプローブ12との間に電流を流すことにより、第1部材3と中間部材4とが互いに抵抗溶接され、第2部材5と中間部材4とが互いに摩擦攪拌接合される。【選択図】図1
Description
本発明は、摩擦攪拌接合及び抵抗溶接のための接合装置及び接合方法に関する。
複数の金属の板材を互いに接合する方法であって、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制されて、大気の質に関する環境上の悪影響を低減する(SDGs11.6)方法として、抵抗溶接や摩擦攪拌接合が挙げられる。更に、摩擦攪拌接合は、消費電力が一般的な溶接方法に比べて少なく、製造時のエネルギー効率の改善に貢献する(SDG7.3)。
抵抗溶接により異種材を含む3枚以上の金属板材を互いに接合する場合、電食防止のため接着剤を使用する。このため、接着剤由来の欠陥が発生して、安定的に接合強度を得ることができず、必要な強度を得るためにはリベットを併用する必要がある。摩擦攪拌接合により異種材を含む3枚以上の金属の板材、例えば、1枚のアルミニウム合金板材と、2枚の鋼(鉄合金)板材を互いに接合する場合、攪拌範囲を拡げられないため、第1及び第2層(Al-Fe)間は接合できるが、第2及び第3層(Fe-Fe)間は接合が困難である。このように、1つの接合方法で、異種材を含む3枚以上の金属板材を互いに接合することは困難である。
互いに異なる接合方法を組み合わせて、異種材を含む3以上の金属部材を互いに接合する方法として、特許文献1には、アルミ材と、鋼材と、アルミ材層及び鋼材層を含むグラッド材(異種材料を1枚の板に圧延させた複合材)との接合方法が記載されている。特許文献1には、アルミ材とグラッド材のアルミ材層とを摩擦攪拌接合によって互いに接合し、摩擦攪拌接合によって生じた摩擦熱を利用して鋼材とグラッド材の鋼材層とを熱硬化性の接着剤で互いに接合する実施形態や、鋼材とグラッド材の鋼材層とを抵抗溶接で互いに接合し、抵抗溶接によって生じた熱を利用してアルミ材とグラッド材のアルミ材層とを熱硬化性の接着剤で互いに接合する実施形態が記載されている。しかし、この方法は、グラッド材を使用するため、汎用性に欠ける。特許文献2には、互いに突き合わされた2つの部材を摩擦攪拌線接合によって互いに接合した後、この接合部に対して他の部材を溶融溶接又は抵抗溶接することが記載されている。
異種材を含む3以上の金属部材を互いに接合するために2種類以上の接合方法を組み合わせる必要があるが、従来の方法では、接合回数が増え、2種類以上の接合設備を用意し、製造ラインを長くする必要があり、設備投資を増やさざるを得なかった。
本発明は、以上の背景に鑑み、大気の質に関する環境上の悪影響の低減(SDGs11.6)、及び/又は、製造時のエネルギー効率の改善への貢献(SDG7.3)に資する摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置及び接合方法であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置及び接合方法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のある態様は、それぞれ導電性を有し、かつ、所定の主面に沿って延在する第1部材(3)、中間部材(4)及び第2部材(5)をこの順に重ね合わせたように含む積層体(2)に於いて、各部材(3,45,5)を互いに接合するための接合装置(1,51)であって、前記積層体(2)の前記第1部材(3)側の面をなす第1面(6)を支持するべき、少なくとも部分的に導電性を有するアンビル(11)と、前記アンビル(11)に対応する位置で、前記積層体(2)の前記第2部材(5)側の面をなす第2面(7)に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第2部材(5)に対して進退可能であり、少なくとも部分的に導電性を有するプローブ(12、41,52)と、前記プローブ(12,41,52)を、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構(14,54)と、前記積層体(2)を介して前記アンビル(11)と前記プローブ(12,52)との間に電流を流すべく、前記アンビル(11)及び前記プローブ(12,41,52)に電気的に接続された電源(15)と、前記駆動機構(14)及び前記電源(15)の作動を制御する制御装置(16)と、を備える、前記第1部材(3)と前記中間部材(4)を互いに抵抗溶接し、かつ前記第2部材(5)と前記中間部材(4)を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置(1,51)である。
この態様によれば、摩擦攪拌接合のために使用するアンビル及びプローブが、抵抗溶接のための電極を兼ねているため、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。さらに、この態様は、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制された抵抗溶接と、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制されるとともに消費電力が一般的な溶接方法に比べて少ない摩擦攪拌接合によって積層体を接合するため、大気の質に関する環境上の悪影響を低減し(SDGs11.6)、製造時のエネルギー効率の改善に貢献する(SDG7.3)。
上記の態様において、前記プローブ(12,41)が挿通された貫通孔(20,20a)と、前記第2面(7)に押圧されるべきショルダ当接面(24,24a)と、前記第2面(7)に対して対向するべき底面(26,26a)を画定するように前記ショルダ当接面(24,24a)に対して凹み、前記プローブ(12,41)の一部を受容する凹部(25,25a)とを含むショルダ部材(13,13a,44)を更に備えても良い。
この態様によれば、摩擦攪拌接合によって、第2部材に突入するフックが中間部材に形成されるため、接合が強固になる。
上記の態様において、前記ショルダ部材(13)は少なくとも部分的に導電性を有し、前記プローブ(41)は、前記電源(15)が電気的に接続された部位から前記第2面(7)に対向するべき先端まで延在するプローブ導電部(42)と、前記貫通孔(20)の内周面と前記プローブ導電部(42)との間を絶縁するべく前記プローブ導電部(42)の外周面に沿って設けられたプローブ絶縁部(43)とを含んでも良い。
この態様によれば、プローブ絶縁部によってプローブからショルダ部材への通電が抑制又は防止されるため、第2部材の溶融が防止されて接合品質の安定及び向上を図れ、設備の電気的な安全性を高めることもできる。
上記の態様において、前記ショルダ部材(44)は、部分的に導電性を有するとともに、前記ショルダ当接面(24)及び前記貫通孔(20)の内周面に設けられたショルダ部材絶縁部(46)を含んでも良い。
この態様によれば、ショルダ部材絶縁部によってショルダ部材への通電が抑制又は防止されるため、第2部材の溶融が防止されて接合品質の安定及び向上を図れ、設備の電気的な安全性を高めることもできる。
上記の態様において、前記摩擦攪拌接合は、摩擦攪拌点接合であり、前記ショルダ当接面(24)は、前記プローブ(12,41)を中心とする環状をなしても良い。
この態様によれば、環状をなすショルダ当接面によって、接合部の見栄えが良くなる。
上記の態様において、前記摩擦攪拌接合は、摩擦攪拌線接合であり、前記凹部(25a)は、前記プローブ(12,41)の前記主面に沿った進行方向の後方に開口していても良い。
この態様によれば、プローブの突入により盛り上がった第2部材に於ける変形部分がショルダ部材にぶつからないように、ショルダ部材を進行させることができ、摩擦撹拌線接合を行うことができる。
本発明のある態様は、上記の態様の接合装置(1,51)を用いて前記積層体(2)の各部材(3,4,5)を互いに接合する接合方法であって、前記アンビル(11)に前記積層体(2)の前記第1面(6)を支持させるステップと、前記駆動機構(14,54)を作動させて、前記プローブ(12,41,52)を、前記軸線回りに回転させながら前記第2面(7)から前記積層体(2)に突入させるステップと、前記プローブ(12,41,52)の先端が前記中間部材(4)に達した後に、前記電源(15)によって前記プローブ(12,41,52)及び前記アンビル(11)間に電流を流して前記第1部材(3)と前記中間部材(4)とを互いに抵抗溶接するステップと、前記プローブ(12,41,52)を前記積層体(2)から引き抜くステップとを備え、前記第1部材(3)及び前記中間部材(4)が、互いに同種材であり、前記第2部材(5)とは異種材であり、前記第1部材(3)及び前記中間部材(4)の素材が、第2部材(5)の素材よりも、高強度であり、かつ高い電気抵抗性を有する、接合方法である。ここで、同種材とは、主成分が互いに共通の合金材を意味し、異種材とは、主成分が互いに異なる合金材を意味する。
この態様によれば、摩擦攪拌接合のために使用するアンビル及びプローブが、抵抗溶接のための電極を兼ねているため、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。また、第2部材と中間部材との間に脆弱な金属間化合物が発生して接合強度が低下することを抑制できる。
上記の態様において、前記抵抗溶接するステップ及び前記引き抜くステップは、前記プローブ(12,41,52)を前記軸線回りに回転させながら実施されても良い。
この態様によれば、プローブの回転による摩擦熱が抵抗溶接に寄与するため、エネルギー消費量を低減できるとともに、熱によって溶融した部分の急冷が抑制されてナゲットの靭性の低下が抑制される。
以上の態様によれば、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置及び接合方法であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置及び接合方法を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る接合装置1と、接合装置1によって接合される積層体2の接合途中の状態とを示す軸線を含む面の断面図である。以下、軸線が、上下方向に延在する場合を例に説明するが、軸線が上下方向に対して傾いていてもよく、横方向に延在していてもよく、上下が逆であってもよい。
積層体2は、それぞれ導電性を有し、かつ、軸線に直交する主面に沿って延在する第1部材3、中間部材4及び第2部材5をこの順に重ね合わせたように含む。軸線は主面に対して、直交していることに代えて、90度以外の角度で交差していてもよい。積層体2は、第1部材3側の面(下面)をなす第1面6と、第2部材側の面(上面)をなす第2面7とを有する。第1部材3、中間部材4及び第2部材5は、板形状をなす。第1部材3の下側に、第1部材3と同種材である他の1以上の板材が重ねられていてもよい。
第1部材3及び中間部材4は互いに同種材であり、第2部材5は第1部材3及び中間部材4とは異種材である。第1部材3及び中間部材4の素材は、第2部材5の素材よりも高強度であり、かつ高い電気抵抗性を有する。例えば、第1部材3及び中間部材4が鉄合金(鋼材)であり、第2部材5がアルミニウム合金であってもよく、第1部材3及び中間部材4が鉄合金であり、第2部材5がマグネシウム合金であってもよく、第1部材3及び中間部材4がチタン合金であり、第2部材5がアルミニウム合金であってもよく、第1部材3及び中間部材4がチタン合金であり、第2部材5がマグネシウム合金であってもよく、第1部材3及び中間部材4が鉄合金であり、第2部材5が銅合金であってもよく、第1部材3及び中間部材4がチタン合金であり、第2部材5が銅合金であってもよく、又は、第1部材3及び中間部材4がアルミニウム合金であり、第2部材5が銅合金であってもよい。
接合装置1は、積層体2の第1面6を支持するべきアンビル11と、アンビル11の上方に配置されたプローブ12と、アンビル11の上方に配置されてプローブ12を外囲するショルダ部材13と、アンビル11、プローブ12及びショルダ部材13を駆動する駆動機構14と、積層体2を挟むプローブ12及びアンビル11間に電流を流す電源15と、駆動機構14及び電源15の作動を制御する制御装置16とを備える。
アンビル11は、導電性を有し、積層体2の第1面6に当接するアンビル当接面17を有する。
プローブ12は回転子18の一部であり、回転子18の全体は、軸線回りに回転対称形をなし、一体となって軸線回りに回転可能である。プローブ12は、軸線に沿って延在しており、好ましくは、回転子18の上部19に比べて細い円柱形状をなす。プローブ12の先端(下端)は、積層体2に突入できるように自由端となっている。プローブ12は、例えば、銅合金(クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等)、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。
図1及び図3(A)に示すように、ショルダ部材13は、軸線回りに回転対称形をなすことが好ましい。ショルダ部材13は、貫通孔20を有するプローブ支持部21と、プローブ支持部21から径方向の外方に延出するフランジ22と、プローブ支持部21の下面から下方に延出して、下方から見て円環形状をなす側壁部23とを含む。貫通孔20の中心軸線は軸線に一致する。貫通孔20にはプローブ12が挿通されている。貫通孔20の上部は、プローブ12を挿通する際にプローブ12をガイドするように、上方に向かうにつれて拡径されている。貫通孔20の下部の内径はプローブ12の外径よりもわずかに大きく、プローブ12が軸線回りに回転する際に、貫通孔20の内周面が、プローブ12の外周面に摺接して、プローブ12を支持する。側壁部23の内径はプローブ12の外径よりも大きく、側壁部23の内周面は、プローブ12の外周面から離間している。側壁部23の内周面は、下方に向かうにつれて径方向の外方に向かうように傾斜していることが好ましいが、軸線方向に平行であってもよい。側壁部23の下面は、積層体2の第2面7に当接するショルダ当接面24をなしている。ショルダ部材13の下面には、凹部25が設けられている。凹部25は、ショルダ当接面24に対して凹んで積層体2の第2面7に対向する底面26と、側壁部23の内周面とによって画定され、プローブ12の下部を受容する。底面26は、プローブ支持部21の下面をなす。ショルダ部材13は、例えば、鋼、セラミック、又は超硬合金等を素材とする。
図1に示すように、駆動機構14は、アンビル11を移動させるアンビル駆動機構27と、プローブ12を含む回転子18を軸線回りに回転させる回転駆動機構28と、プローブ12を軸線に沿って進退させる進退駆動機構29と、ショルダ部材13を移動させるショルダ駆動機構30とを含む。
電源15は、第1端子31及び第2端子32に電気的に接続されている。第1端子31は、アンビル11に電気的に接続されており、第2端子32は、回転子18に電気的に接続されている。アンビル11及び回転子18が部分的に導電性を含まない領域を有する場合であっても、アンビル11に於ける第1端子31が電気的に接続された箇所からアンビル当接面17までは導電性を有し、回転子18に於ける第2端子32が電気的に接続された箇所からプローブ12の先端までは導電性を有する。
図2(C)は、プローブ12の先端を第2面7から積層体2に突入させ、電源15(図1参照)によってプローブ12から積層体2を介してアンビル11に電流を流した時の電流の流れを示す。ドットパターンで示した矢印がプローブ12の突入方向を示し、黒く細い矢印がプローブ12の回転方向を示し、黒く太い矢印が電流の方向を示す。電流を流すことにより、第1部材3及び中間部材4の間にナゲット33(接合される部材が抵抗溶接により溶融凝固した部分)が形成され、第1部材3及び中間部材4が互いに接合される。しかし、電流は、プローブ12からアンビル11にまっすぐに向かうだけでなく、プローブ12からショルダ部材13にも流れ、抵抗溶接を実施する上でのエネルギー効率が悪化する。そこで、図2(A)又は図2(B)に示すように、プローブ12又はショルダ部材13に部分的に絶縁性を持たせることが好ましい。
図2(A)及び図2(B)の変形例の説明において、第1実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。図2(A)に示す変形例では、プローブ41は、軸線に沿って延在して円柱形状をなし導電性を有するプローブ導電部42と、プローブ導電部42の外周面に沿って設けられた絶縁性のプローブ絶縁部43とを含む。プローブ導電部42の下面はプローブ絶縁部43に覆われていない。プローブ41に於いてショルダ部材13の貫通孔20の内周面に摺接するのはプローブ絶縁部43である。プローブ絶縁部43が、貫通孔20の内周面に摺接することに代えて、プローブ絶縁部43の外周面に沿って、耐摩耗性が高く、かつプローブ絶縁部43によってプローブ導電部42から絶縁された層(図示せず)を設け、この層が貫通孔20の内周面に摺接してもよい。プローブ絶縁部43によって、プローブ41からショルダ部材13に向かって電流が流れることを防止できる。
図2(B)に示す変形例では、ショルダ部材44は、プローブ支持部21と、フランジ22(図1参照)と、側壁部23とを含み、導電性を有するショルダ部材本体45と、ショルダ当接面24及び貫通孔20の内周面に於けるプローブ12に摺接する領域に沿って設けられた絶縁性を有するショルダ部材絶縁部46とを含む。ショルダ部材絶縁部46は、更に側壁部23の内周面に沿って設けられることが好ましい。ショルダ部材絶縁部46によって、電流がプローブ12及び積層体2からショルダ部材44に流れることを防止又は抑制できる。
上記の2つの変形例に於いて、プローブ導電部42及びショルダ部材本体45は、例えば、銅合金(クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等)、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。プローブ絶縁部43及びショルダ部材絶縁部46は、例えば、絶縁性のセラミック、ベークライト(フェノール樹脂)、又はマイカ等を素材とする。
上記の接合装置1に於ける摩擦攪拌接合は、摩擦撹拌点接合であり、ショルダ当接面24が環状をなすことにより接合部の見栄えが良くなっている。一方、ショルダ部材13を図3(B)に示す形状に変更することにより、摩擦撹拌線接合とすることができる。図3(B)に示すショルダ部材13aに於いて、図3(A)に示すショルダ部材13と類似する構成は、同一の符号に添え字「a」を付し、共通する部分の説明を省略し、相違点のみを説明する。
図3(B)に示すショルダ部材13aは、貫通孔20aを有するプローブ支持部21aと、フランジ22aと、下面にショルダ当接部24aが形成された側壁部23aとを含む。ショルダ部材13aを第2面7に押圧しながら第2面7に沿って進行させた時に、プローブ12が突入されることによって上方に盛り上がった第2部材5が引っ掛からないように、ショルダ部材13aの進行方向の後方には、側壁部23aが設けられておらず、凹部25aに於ける進行方向の後方は開口している。したがって、側壁部23aは、下方から見てコ字形状をなしている。コ字形状に代えて、側壁部23aは、進行方向に平行な1対の壁によって構成されてもよい(図示せず)。
図4を参照して、接合装置1を用いた積層体2の接合方法を説明する。
図4(A)に示すように、作業員は、各層がまだ接合されていない状態の積層体2をアンビル11と、プローブ12及びショルダ部材13との間に配置する。作業員は、制御装置16(図1参照)が駆動機構14(図1参照)を介してアンビル11、ショルダ部材13及びプローブ12を動かして、摩擦撹拌点接合及び抵抗スポット接合が実施されるように、接合装置1を設定操作する。
図4(B)に示すように、アンビル11が積層体2の第1面6を上方に向かって押圧し、ショルダ部材13が積層体2の第2面7を下方に向かって押圧する。積層体2がアンビル11及びショルダ部材13によって加圧された状態で、プローブ12が軸線回りに回転しながら、第2面7の側から積層体2に向かって進行する。
図4(C)に示すように、プローブ12の先端が第2部材5に突入する。第2部材5は変形し、プローブ12によって押しのけられた部分に相当する量が、ショルダ部材13の凹部25に受容される。プローブ12の近傍では、プローブ12の回転による摩擦熱によって第2部材5が塑性流動して、上方から見て円環形状又は円形状の流動領域が形成される。プローブ12の先端が中間部材4に達した後、制御装置16(図1参照)は、プローブ12とアンビル11との間に電流を流す。プローブ12の先端の位置は、プローブ12の挿入深さや、プローブ12の積層体2への突入圧力(突入負荷)、又は、プローブ12の回転負荷等によって管理する。
図4(D)に示すように、プローブ12とアンビル11との間に電流が流れた状態で、プローブ12が回転しながら更に下方に進行し、プローブ12の先端が中間部材4に突入する。プローブ12とアンビル11との間に電流が流れると、第1部材3及び中間部材4の抵抗発熱と、プローブ12の回転による摩擦熱とによって、第1部材3及び中間部材4に溶融部34が形成される。また、プローブ12の近傍では、第2部材5だけでなく中間部材4も塑性流動する。このため、中間部材4に於けるプローブ12によって押しのけられた部分が、プローブ12の側面に沿って第2部材5に向かって突入する。この時、プローブ12から遠ざかるにつれて温度が下がって流動性が低くなるため、中間部材4に於ける第2部材5に突入した部分は、径方向の外側に向かって押し出される。このため、中間部材4のプローブ12の近傍において、上端に向かうにつれて径方向の外方に向かうフック35が形成される。
図4(E)に示すように、制御装置16(図1参照)はプローブ12とアンビル11との間に電流を流すことを止め、プローブ12が回転しながら軸線に沿って後退する。更に、アンビル11及びショルダ部材13が、積層体2に対する加圧を停止し、積層体2から離間する。電流が停止し、プローブ12が離れることによって、溶融部34(図4(D)参照)が凝固してナゲット33が形成されて第1部材3及び中間部材4が互いに接合される。また、プローブ12の回転によって塑性流動した第2部材5及び中間部材4により、フック35が形成されるため、第2部材5及び中間部材4が互いに接合される。
第1実施形態の作用効果について説明する。
摩擦攪拌接合のために使用するアンビル11及びプローブ12が、抵抗スポット溶接のための電極を兼ねているため、互いに別個の摩擦攪拌接合装置と抵抗スポット溶接装置とを用意する場合に比べて、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗スポット溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。
仮に、異種材を抵抗溶接すると脆弱な金属間化合物が発生し、接合強度が低下するおそれがある。本実施形態では、互いに異種材である第2部材5と中間部材4との間は摩擦攪拌接合によって接合されるため、金属間化合物によって接合強度が低下することを防止できる。
電流を流すことによって生じる抵抗発熱だけでなく、プローブ12の回転による摩擦熱が第1部材3及び中間部材4の溶融に寄与するため、抵抗溶接のためのエネルギー消費量を低減できる。また、溶融部34が急冷されるとナゲット33の靭性が低下するところ、本実施形態では、電流を流すことを停止した後、プローブ12を回転させながら積層体2から引き抜くため、溶融部34にプローブ12の回転による摩擦熱が伝わり、溶融部34の急冷が抑制され、ナゲット33の靭性の低下が抑制される。
図2(A)又は(B)に示すように、プローブ絶縁部43又はショルダ部材絶縁部46を含む変形例では、ショルダ部材13への通電が抑制又は防止されて通電経路が限定される。このため、第2部材5の内部に電流がほぼ流れず、第2部材5の溶融が防止され、接合品質の安定及び向上を図れる。また、設備の電気的な安全性を高めることもできる。
図5は、第2実施形態に係る接合装置51を示す。第1実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。第2実施形態に係る接合装置51は、アンビル11と、プローブ52を含む回転子53と、アンビル駆動機構27、回転駆動機構28及び進退駆動機構29を含む駆動機構54と、と、進退駆動機構29及び電源15の作動を制御する制御装置16とを備える。
回転子53は全体として軸線回りに回転する。回転子53は、軸線を中心とする概ね円柱形状をなす本体部55と、本体部55の下面から軸線に沿って下方に延出するプローブ52とを含む。回転子53は、導電性を有する。プローブ52は、外周面にねじ溝を有することが好ましい。本体部55の下面は、径方向の外縁からプローブ52が延出する中央部分に向かうにつれて上方に向かうように凹んだショルダ56を形成している。プローブ52は、例えば、銅合金(クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等)、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。
第2実施形態に係る接合装置51を用いて積層体2の各層を互いに接合する方法は、ショルダ部材13(図1参照)を用いないことを除いて、第1実施形態と同様である。回転子53の凹んだショルダ56が、第1実施形態のショルダ部材13の凹部25(図1参照)と同様に、プローブ52が突入することにより押し出された第2部材5の一部を受容する。
以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。第2部材と中間部材との接合は、スポット溶接以外の抵抗溶接でもよい。図4(B)に示すショルダ部材を適用した変形例に、図3(A)及び/又は(B)に示す絶縁部を適用してもよい。電流は、アンビルからプローブに向かって流れてもよい。
1,51:接合装置
2 :積層体
3 :第1部材
4 :中間部材
5 :第2部材
6 :第1面
7 :第2面
11 :アンビル
12,41,52:プローブ
13,13a,44:ショルダ部材
14,54:駆動機構
15 :電源
16 :制御装置
20 :貫通孔
24 :ショルダ当接面
25 :凹部
42 :プローブ導電部
43 :プローブ絶縁部
46 :ショルダ部材絶縁部
2 :積層体
3 :第1部材
4 :中間部材
5 :第2部材
6 :第1面
7 :第2面
11 :アンビル
12,41,52:プローブ
13,13a,44:ショルダ部材
14,54:駆動機構
15 :電源
16 :制御装置
20 :貫通孔
24 :ショルダ当接面
25 :凹部
42 :プローブ導電部
43 :プローブ絶縁部
46 :ショルダ部材絶縁部
Claims (8)
- それぞれ導電性を有し、かつ、所定の主面に沿って延在する第1部材、中間部材及び第2部材をこの順に重ね合わせたように含む積層体に於いて、各部材を互いに接合するための接合装置であって、
前記積層体の前記第1部材側の面をなす第1面を支持するべき、少なくとも部分的に導電性を有するアンビルと、
前記アンビルに対応する位置で、前記積層体の前記第2部材側の面をなす第2面に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第2部材に対して進退可能であり、少なくとも部分的に導電性を有するプローブと、
前記プローブを、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構と、
前記積層体を介して前記アンビルと前記プローブとの間に電流を流すべく、前記アンビル及び前記プローブに電気的に接続された電源と、
前記駆動機構及び前記電源の作動を制御する制御装置と、
を備える、前記第1部材と前記中間部材を互いに抵抗溶接し、かつ前記第2部材と前記中間部材を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置。 - 前記プローブが挿通された貫通孔と、前記第2面に押圧されるべきショルダ当接面と、前記第2面に対して対向するべき底面を画定するように前記ショルダ当接面に対して凹み、前記プローブの一部を受容する凹部とを含むショルダ部材を更に備える、請求項1に記載の接合装置。
- 前記ショルダ部材は少なくとも部分的に導電性を有し、
前記プローブは、前記電源が電気的に接続された部位から前記第2面に対向するべき先端まで延在するプローブ導電部と、前記貫通孔の内周面と前記プローブ導電部との間を絶縁するべく前記プローブ導電部の外周面に沿って設けられたプローブ絶縁部とを含む、請求項2に記載の接合装置。 - 前記ショルダ部材は、部分的に導電性を有するとともに、前記ショルダ当接面及び前記貫通孔の内周面に設けられたショルダ部材絶縁部を含む、請求項2又は3に記載の接合装置。
- 前記摩擦攪拌接合は、摩擦攪拌点接合であり、
前記ショルダ当接面は、前記プローブを中心とする環状をなす、請求項2~4の何れか1項に記載の接合装置。 - 前記摩擦攪拌接合は、摩擦攪拌線接合であり、
前記凹部は、前記プローブの前記主面に沿った進行方向の後方に開口している、請求項2~4の何れか1項に記載の接合装置。 - 請求項1~6の何れか1項に記載の接合装置を用いて前記積層体の各部材を互いに接合する接合方法であって、
前記アンビルに前記積層体の前記第1面を支持させるステップと、
前記駆動機構を作動させて、前記プローブを、前記軸線回りに回転させながら前記第2面から前記積層体に突入させるステップと、
前記プローブの先端が前記中間部材に達した後に、前記電源によって前記プローブ及び前記アンビル間に電流を流して前記第1部材と前記中間部材とを互いに抵抗溶接するステップと、
前記プローブを前記積層体から引き抜くステップと
を備え、
前記第1部材及び前記中間部材が、互いに同種材であり、前記第2部材とは異種材であり、
前記第1部材及び前記中間部材の素材が、前記第2部材の素材よりも、高強度であり、かつ高い電気抵抗性を有する、接合方法。 - 前記抵抗溶接するステップ及び前記引き抜くステップは、前記プローブを前記軸線回りに回転させながら実施される、請求項7に記載の接合方法。
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