JP3400992B2 - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合によ
って、ワークをスポット的に接合する摩擦攪拌接合装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１７は、摩擦攪拌接合装置１を示す図
である。スポット接合装置１は、先端にショルダー部４
を介してピン３が突出する回転子２を用い、２枚のワー
クＷ１，Ｗ２をスポット接合する装置である。図１７に
示すように、２枚のワークＷ１，Ｗ２は、裏当て材５上
に配置され、回転子２を高速で回転させながら下降さ
せ、回転子２先端をワークＷ１，Ｗ２の接合点に押圧す
る。すると、回転による摩擦によって押圧部が軟化し、
ピン３が挿入される。さらに回転することによって、挿
入されたピン３およびショルダー部４で接合点近傍が攪
拌され、塑性流動を起こす。所定時間攪拌後、回転子を
上昇させると、接合点で２枚のワークが接合され、スポ
ット接合される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような摩擦攪拌接
合のスポット接合においては、 ピン３およびショルダー部４とワークＷ１，Ｗ２との
摩擦接触により、母材（ワーク）が飛び散り、ショルダ
ー部４によって押圧されるワークＷ１のショルダー押圧
部６が薄くなる。このように接合前の母材の量より少な
くなる分、強度の低下を招いていた。 で飛び散らなかった分も、ワークＷ１のショルダー
部周囲に流動、移動し、その部分は厚くなるが、ワーク
Ｗ１のショルダー押圧部６は薄くなり、厚さにアンバラ
ンスが生じ、やはり、これも強度の低下を招いていた。 接合後は、ピン３の跡が空洞として残り、これも強度
の低下を招くとともに、美観上、好ましくない。といっ
た問題を有していた。

【０００４】本発明の目的は、スポット接合後に、接合
部が薄くなることを防ぎ、強度を向上させることができ
る摩擦攪拌接合装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、高速回転する回転子を回転軸線方向に降下させ、回
転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被
接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪
拌して被接合物をスポット接合する摩擦攪拌接合装置に
おいて、付加材料片を回転子先端に供給する付加材料供
給手段を有し、付加材料供給手段によって付加材料片を
供給し、回転子が降下して供給された付加材料片に回転
子先端が当接し、回転子と付加材料片とがともに降下
し、被接合物の接合点に付加材料片を一体化させて接合
することを特徴とする摩擦攪拌接合装置である。

【０００６】本発明に従えば、スポット接合時に、付加
材料片を回転子先端と被接合物との間に供給し、回転子
を降下させると、回転子先端に付加材料片が当接し、回
転子とともに付加材料片がともに下降する。回転子先端
と付加材料とが被接合物に押し付けられると、回転子の
高速回転による摩擦熱で、被接合物とともに付加材料片
が軟化し、塑性流動する母材と一体となる。このように
して、付加材料片が母材と一体となり、接合点に付加さ
れることによって、回転子を引き抜いた後の接合部が薄
くなることが防がれる。

【０００７】図１を参照して、本発明の特徴についてさ
らに詳細に説明する。スポット接合したとき、ワークの
ショルダー押圧部Ｓにおいて、深さｗの凹部が生じると
する。本発明では、図２に示すように、ピン付近に厚さ
がｗの付加材料片を付加してスポット接合することによ
り、凹部を無くすことができる。言い換えれば、厚さＡ
の母材がスポット接合することにより、Ａ−ｗになる
時、初めの母材の厚さを等価的にＡ＋ｗとしておけば、
スポット接合後のショルダー押圧部Ｓの厚さはＡを維持
するとの考えである。

【０００８】このように、本発明では、部材の飛び散り
分を付加材料片で補充するとともに、それ以上に接合部
の母材の量を増量することができる。これによって強度
向上を図ることができる。

【０００９】なお、付加材料片の厚さと径（大きさ）に
よって、付加材料片を付加しない場合に比べて、ピン部
の孔の相対的な深さは変わらないので、絶対的な深さを
維持したい場合、ピンの長さを付加材料片の大きさに応
じて長くすればよい。

【００１０】請求項２記載の本発明の前記回転子は、先
端部中央部に、回転軸線を中心として突出するピンを有
し、前記付加材料片には、回転子先端のピンが挿通する
貫通孔が形成され、付加材料片は、回転子先端部に供給
された後、回転子が降下して前記貫通孔にピンが挿通さ
れることを特徴とする。

【００１１】本発明に従えば、付加材料片は中央に貫通
孔を有し、この貫通孔にピンを挿入して接合するので、
接合中に付加材料片が移動したり、回転によって飛ばさ
れたりするといったことが防がれる。

【００１２】請求項３記載の本発明の前記回転子は、先
端部中央に、回転軸線を中心として筒状に突出するリン
グ部を有し、前記付加材料片は、回転子先端部に供給さ
れた後、回転子が降下して前記リング部内部に挿入され
ることを特徴とする。

【００１３】本発明に従えば、先端部がリング状である
ので、先端部の被接合物への接触面積を増大させ、摩擦
熱を効率よく発生させることが可能となり、接合効率が
向上する。このようなリング部に、付加材料片を挿入し
て接合するので、接合中に付加材料片が移動したり、回
転によって飛ばされたりするといったことが防がれる。
このように、リング状のピンと組合すことにより、より
一層の効果が発揮される。

【００１４】請求項４記載の本発明の前記付加材料供給
手段は、複数の付加材料片が連結された状態で付加材料
片を供給し、回転子先端に付加材料片が供給された後、
回転子が下降したとき、前記付加材料片が、付加材料供
給手段から離脱することを特徴とする。

【００１５】本発明に従えば、付加材料片は、たとえば
ワイヤによって連結された状態で、付加材料供給手段か
ら供給され、回転子先端に供給される。供給された付加
材料片が回転子とともに回転するとワイヤから分断さ
れ、この分断された付加材料片のみが母材と一体とな
る。このようにして、連続して付加材料片を供給するこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】つぎに本発明について説明する。
図３は、本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の一形態であ
るスポット接合装置１０の構造を示す図である。スポッ
ト接合装置１０は、たとえば６軸垂直多関節型ロボット
３の手先１９に取り付けられ、自動車のボディなどのス
ポット接合に用いるスポットガンとして用いられる。

【００１７】スポット接合装置１０は、ロボットアーム
の手先１９に取り付けられるガンアーム１６、回転子１
１、回転押圧機構１５、付加材料供給装置（図３では図
示せず）とを有する。ガンアーム１６は略Ｌ字状であ
り、上部に回転押圧機構１５を有する。回転押圧機構１
５は、回転子１１を保持し、回転子１１を回転軸線Ｌま
わりに高速回転させるとともに、回転軸線Ｌに沿って回
転子１１を昇降させ、押圧力を発生させる。

【００１８】回転子１１は、柱状であり、先端にショル
ダー部２６を介してピン１８が、回転子１１の軸線Ｌに
沿って突出する。

【００１９】ガンアーム１６の先端下部には、回転子１
１の下端に臨んで裏当て材１７が配置される。アルミニ
ウム合金板などの２枚のワークは、この裏当て材１７上
に重ねて配置され、回転子１１で押圧されることによっ
て、スポットで重ね継ぎ手される。付加材料供給装置
は、ガンアーム１６に取り付けられ、接合時に付加材料
片を供給する。付加材料片は、ワークと同一の材料であ
るアルミニウム合金とする。

【００２０】つぎに、図４を参照して、円柱状のピン１
８を有する回転子１１のスポット接合方法について説明
する。 （１）初期状態では、回転子１１は、接合する２枚のワ
ークＷ１，Ｗ２の接合点の上方に配置される。つぎに、
回転子１１を高速、たとえば２０００〜２５００rpmで
回転させる。 （２）つぎに、回転子１１を降下させて回転子先端に付
加材料片３０を装着する。装着方法については後述す
る。 （３）付加材料片３０がワークＷ１に接触するまで回転
子１１を下降させる。 （４）さらに回転子１１を下降させて所定押圧力たとえ
ば１００ｋｇ／ｃｍ²で接合する。ここで、付加材料片
３０が母材と軟化、攪拌され、母材と一体接合される。 （５）回転子１１を上昇させて初期状態に戻す。

【００２１】図５は、このようにスポット接合された接
合部の断面図である。この図に示すように、付加材料片
３０が付加されることで、ワークＷ１のショルダー押圧
部に、付加材料片３０が一体に接合され、付加材料分だ
け増量される。

【００２２】図６は、リング形のピン３５を有する回転
子３７を示す断面図である。リング形のピン３７は、回
転子３５の先端から、回転軸線Ｌに沿って突出する筒状
のピンである。このように筒状とすることで、円柱状の
ピンより攪拌効率が向上する。

【００２３】このリング形のピンの場合にも、図６に示
すように、回転子先端に付加材料片３６を装着してスポ
ット接合する。付加材料片３６は、リング形ピン３５の
内径と同程度の外径を有する円筒形である。このように
付加材料片３６装着した状態で、図４で説明した方法と
同様にスポット接合することによって、接合後の凹所を
低減することができる。

【００２４】図７は、付加材料片３６を用いてリング形
ピン３５で接合した状態を示す断面図である。付加材料
片３６を用いない場合には、リング形ピン３５の底部３
７で押圧された部分のワークＷ１が凹所となるが、付加
材料片３６を用いることで、図７に示すように、リング
形ピン３５の底部３７によって押圧される部分が増量さ
れ、凹所となることが防がれる。また、この増量した分
が周囲に流れ、ショルダー部３８で押圧される部分３９
も増量され、凹所となることが防がれる。

【００２５】つぎに、図８を参照してピン可動形の回転
子４０を用いたスポット接合方法について説明する。ピ
ン可動形の回転子４０は、回転子４０の回転軸線Ｌに沿
ってピン挿通孔が貫通して形成され、このピン挿通孔に
棒状のピン４１が挿通される。ピン４１の先端は、ショ
ルダー部４２の下端面から突出し、ピン４１は回転軸線
に沿って移動可能に設けられる。以下に、図８（１）〜
（６）を参照してピン可動型の回転子４０のスポット接
合方法について説明する。 （１）初期状態では、回転子４０は、ワークＷ１Ｗ２の
接合点上方に、回転状態で配置される。このとき、ピン
４１はショルダー部４２の下端面から突出している。 （２）回転子先端に付加材料片４３を装着する。 （３）、付加材料片４３がワークＷ１に接触するまで回
転子４０を回転軸線に沿って下降させる。 （４）さらに回転子を下降させ、回転子先端で所定の押
圧力で押圧して接合する。ここで、付加材料片４３が母
材と軟化、攪拌され、母材と一体接合される。 （５）ショルダー部４２による押圧状態でピン４１のみ
を上昇させて引き抜く。 （６）回転子４０を上昇させて初期状態に戻るようにす
る。

【００２６】図９は、このようにスポット接合された状
態を示す断面図である。この図に示すように、付加材料
片４３は、接合部全体に行き渡り、接合部全体が均一に
増量される。

【００２７】図１０は、リング形ピン可動型回転子５０
を用いたスポット接合方法を説明する図である。リング
形ピン可動型回転子５０は、リング形ピン５２を有し、
リング形ピンの内径と同径の孔が、回転軸線Ｌに沿って
貫通して形成される。この孔に、リング形ピンの内径と
同径の外径を有する棒状のピン内軸５１が、回転軸線に
沿って移動可能に挿通される。つぎに、図１０（１）〜
（６）を参照して、このリング形ピン可動型回転子５０
を用いたスポット接合方法について説明する。 （１）初期状態では、ピン内軸５１の先端は、ショルダ
ー部５３の端面と同じ高さ位置に配置され、この状態
で、接合点の上方で回転した状態で配置される。 （２）つぎに、リング形ピン５２に、円筒状の付加材料
片５４を装着する。 （３）ピン内軸５２先端もしくは付加材料片５４がワー
クＷ１に接触するまで回転子５０を下降させる。 （４）さらに回転子５０を下降させ、回転子先端の所定
押圧力でスポット接合する。ここで、付加材料片５４が
母材と軟化、攪拌され、母材と一体接合される。このと
き、ピン内軸５４先端は、ワークＷ１の表面とほぼ同じ
高さの位置にある。 （５）ピン内軸５４は押圧状態で、リング形ピン５２お
よびショルダー部５３を引き抜く。 （６）回転子５０を上昇させて初期状態へ戻すようにす
る。

【００２８】図１１は、リング形ピン可動型回転子５０
を用いて接合した接合部の断面図である。図から分かる
ように、付加材料片５４が接合部全体に行き渡り、接合
部でほぼ均一に増量される。

【００２９】図１２は、スポット接合装置１０の正面図
である。この図を参照して、付加材料供給装置６０につ
いて説明する。付加材料片３０は複数が連結されて供給
される。図１３（１）は、連結された付加材料片３０の
正面図であり、図１３（２）は平面図である。付加材料
片３０は、円板状で、中央に、回転子１１のピン１８が
挿通するピン孔６４が形成される。複数の付加材料片３
０は、キャリア６３によって一列に連結される。さらに
詳しく説明すると、キャリア６３はワイヤからなり、２
本のワイヤ６１ａ，６１ｂ間に複数の付加材料片５０が
一列に配置され、付加材料片５０とワイヤ６１ａ、６１
ｂとはそれぞれ連結ワイヤ６２ａ，６２ｂで連結され、
隣接する付加材料片３０同士は、連結ワイヤ６２ｃで連
結される。つまり、１つの付加材料片３０は、４ヵ所で
ワイヤに連結される。これによって、付加材料片３０が
安定して保持される。

【００３０】図１２に示すように、付加材料供給手段６
０は、供給リール６５と巻き取りリール６６とを有す
る。供給リール６５は、回転子１１の昇降経路に関して
一方側に配置され、巻き取りリール６６は他方側に配置
される。キャリア６３に保持された複数の付加材料片３
０は、供給リール６５に巻回されており、他端が巻き取
りリール６６に連結されている。そして、リール６５，
６６間の張架部分が、回転子１１と裏当て材１７の間に
配置される。

【００３１】つぎに、図１４を参照して、付加材料片３
０の供給方法について説明する。 まず、図１４（１）に示すように、キャリア６３上の
付加材料片３０が、回転子１１のピン１８の真下に来る
ようにセットする。このとき、付加材料片３０の上下の
位置は、ワークＷ１とピン１８先端との間にある。スポ
ット接合ガン１０を、所定のスポット接合点まで、ある
いは所定のスポット接合点から移動させる時のワークと
の干渉をなくすために、付加材料片３０とワークＷ１と
は距離をｄ１、またワークＷ２とガンアーム１６の裏当
て材１７とは距離をｄ２として、各々隙間を設けてい
る。 回転子１１を下降させると同時に、裏当て材１７がワ
ークＷ２に当接するまでガンアーム１６を上昇させる。 回転子１１を下降させると、付加材料片３０のピン孔
６４に、回転子１１のピン１８が挿入される。付加材料
片３０のピン孔６４は、回転子１１のピン１８の外径よ
りも若干大きくしてあるので、ピン１８が付加材料片３
０に嵌まっても、付加材料片３０はまだ回転しない。 さらに回転子を下降させると、付加材料片３０も下降
する。そして、図１４（２）に示すように、ピン１８が
付加材料片３０を介在してワークＷ１に当接し、押圧力
が発生して初めて付加材料片３０も回転し始め、キャリ
ア６３から外れる。ここで、付加材料片３０とワークＷ
１との摩擦力が大きいときは、付加材料片３０は回転せ
ず、ワークＷ１と一体になって軟化する。付加材料片３
０がキャリア６３から外れる寸前のキャリア６３の沈み
量（伸び量）ｄ３は、ｄ３＝ｄ１＋ｄ２である。また、
このように沈んでキャリア６３が案内されるので、キャ
リア６３を案内するローラを設けてもよい。 そのまま所定の押圧力で押圧しながら回転して接合す
る。 図１４（３）に示すように回転子１１を元の位置に戻
す 付加材料供給手段６０の巻き取りリール６６でキャリ
ア６３を所定量巻取り、次の付加材料片３０が、回転子
１１の真下に来るようにセットし、に戻る。

【００３２】このようにして、順次付加材料３０を供給
しながらスポット接合する。において、付加材料片３
０はキャリア６３から分離するが、この離脱のパターン
について説明する。

【００３３】まず、ピン１８の外径と、付加材料片３０
のピン孔６４の内径との関係において、付加材料片３０
の内径の方が大きく、付加材料片３０が回転せず、ピン
１８が空回りする場合で、回転子１１の下降距離が大き
い場合には、キャリア６３が耐え切れず、付加材料片３
０がワークＷ１に当接する前に付加材料片３０がキャリ
ア６３から離脱する。この場合、付加材料片３０が離脱
しても、付加材料片３０は、ピン１８とワークＷ１との
間から飛んでしまわないように設定される。

【００３４】上記した条件と同じで、回転子１１の下降
距離が小さい場合には、付加材料片３０がワークＷ１に
当接するまでは、ピン１８が空回りしており、付加材料
片３０がショルダー部２６により押圧されてから付加材
料片３０が回転して離脱する場合と、回転せずそのまま
軟化してキャリア６３が外れる場合とがある。

【００３５】つぎに、ピン１８の外径と、付加材料片３
０のピン孔６４の内径との関係において、ピン１８が比
較的きつく嵌まる程度に同径の場合においては、付加材
料片３０がワークＷ１に当接するかしない如何にかかわ
らず、ピン１８が付加材料片３０に挿入されつつ、付加
材料片３０はピン１８に嵌まり込み、付加材料片３０が
回転してキャリア６３から離脱する。

【００３６】上述した実施形態の付加材料供給手段６０
では、付加材料片３０を一方向に平面的に布設されたも
のを用いたが、図１５（１）（２）に示す付加材料供給
手段７０に示すように、付加材料片３０を縦方向に積み
重ねたものから、一個ずつ回転子先端に供給するように
してもよい。

【００３７】付加材料供給手段７０は、付加材料片３０
を複数個積み上げたカートリッジ７１と、付加材料片３
０を回転子１１先端に供給するサーバ７２とから構成さ
れる。カートリッジ７１は、回転子１１の隣で回転子１
１の回転軸線に平行に付加材料片３０が積み上げられ
る。サーバ７２は、カートリッジ７１の下で、カートリ
ッジ７１に垂直に横に伸び、先端に付加材料片３０が一
個嵌まりこむ凹所７３を有する。凹所７３の深さは、付
加材料片３０の厚みと同じである。この凹所７３が、カ
ートリッジ７１の下と、回転子１１の下との間にわたっ
て横方向に移動可能に設けられる。

【００３８】付加材料片３０を供給するには、まずサー
バ７２の凹所７３がカートリッジ７１の真下となるよう
にサーバ７２を後退させる。すると、カートリッジ７１
が押し下げられ、カートリッジ７１の最下端の付加材料
片３０が凹所７３に嵌まりこむ。つぎに、凹所７３に嵌
まり込んだ付加材料片３０が回転子１１の真下に来るま
でサーバ７２を押し出す。これと共に、回転子１１を下
降させる。すると、回転子先端のピン１８が、付加材料
片３０のピン孔６４に嵌まり込んで回転子先端に装着さ
れる。

【００３９】このとき、ピン１８は図１６に示すように
基端部側が大径となるようにわずかにテーパとすること
で、ピン１８が付加材料片３０のピン孔６４に挿入され
たとき、ピン１８に付加材料片３０が確実に保持され
る。このようにしてピン１８に付加材料片３０が装着さ
れた後、サーバ７２が引き込み、回転子１１はそのまま
下降する。このようにして、付加材料片３０が供給され
てスポット接合される。

【００４０】以上の付加材料供給方法は、リング形ピン
での付加材料片３６の場合も同様に実施することができ
る。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、スポット
接合時に、付加材料片を回転子先端に供給することで、
付加材料片が母材と一体となる。これによって、回転子
を引き抜いた後の接合部が薄くなることが防がれ、強度
が低下することが防がれる。

【００４２】また本発明によれば、付加材料片は中央に
貫通孔を有し、この貫通孔にピンを挿入して接合するの
で、接合中に付加材料片が移動したり、回転によって飛
ばされたりするといったことが防がれる。

【００４３】また本発明によれば、先端部がリング状で
あるので、先端部の被接合物への接触面積を増大させ、
摩擦熱を効率よく発生させることが可能となり、接合効
率が向上する。このようなリング部に、付加材料片を挿
入して接合するので、接合中に付加材料片が移動した
り、回転によって飛ばされたりするといったことが防が
れる。このように、リング状のピンと組合わすことによ
り、より一層の効果が発揮される。

【００４４】また本発明によれば、付加材料片は、たと
えばワイヤによって連結された状態で、付加材料供給手
段から供給され、回転子先端に供給される。供給された
付加材料片が回転子とともに回転するとワイヤから分断
され、この分断された付加材料片のみが母材と一体とな
る。このようにして、連続して効率よく付加材料片を供
給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常のスポット接合による接合部を示す断面図
である。

【図２】本発明の概念を説明する図である。

【図３】本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の一形態であ
るスポット接合装置１０の構造を示す図である。

【図４】円柱状のピン１８を有する回転子１１のスポッ
ト接合方法について説明する図である。

【図５】図４に示す接合方法でスポット接合された接合
部の断面図である。

【図６】リング形のピン３５を有する回転子３７を示す
断面図である。

【図７】付加材料片３６を用いてリング形ピン３５で接
合した状態を示す断面図である。

【図８】ピン可動形の回転子４０を用いたスポット接合
方法について説明する図である。

【図９】図８の方法でスポット接合された状態を示す断
面図である。

【図１０】リング形ピン可動型回転子５０を用いたスポ
ット接合方法を説明する図である。

【図１１】リング形ピン可動型回転子５０を用いて接合
した接合部の断面図である。

【図１２】スポット接合装置１０の正面図である。

【図１３】（１）連結される付加材料片３０の正面図で
あり、（２）付加材料片３０の平面図である。

【図１４】付加材料片３０の供給方法について説明する
図である。

【図１５】付加材料供給手段７０を示す図である。

【図１６】テーパのついたピン１８を示す図である。

【図１７】従来の摩擦攪拌接合によるスポット接合の接
合部を示す図である。

【符号の説明】

１０ スポット接合装置 １５ 回転押圧機構 １１ 回転子 １７ 裏当て材 １８ ピン ２６ ショルダー部 ３０ 付加材料片 ６０，７０ 付加材料供給手段

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速回転する回転子を回転軸線方向に降
   下させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端
   部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟
   化させ、攪拌して被接合物をスポット接合する摩擦攪拌
   接合装置において、 付加材料片を回転子先端に供給する付加材料供給手段を
   有し、付加材料供給手段によって付加材料片を供給し、
   回転子が降下して供給された付加材料片に回転子先端が
   当接し、回転子と付加材料片とがともに降下し、被接合
   物の接合点に付加材料片を一体化させて接合することを
   特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 【請求項２】 前記回転子は、先端部中央部に、回転軸
   線を中心として突出するピンを有し、 前記付加材料片には、回転子先端のピンが挿通する貫通
   孔が形成され、付加材料片は、回転子先端部に供給され
   た後、回転子が降下して前記貫通孔にピンが挿通される
   ことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 【請求項３】 前記回転子は、先端部中央に、回転軸線
   を中心として筒状に突出するリング部を有し、 前記付加材料片は、回転子先端部に供給された後、回転
   子が降下して前記リング部内部に挿入されることを特徴
   とする請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 【請求項４】 前記付加材料供給手段は、複数の付加材
   料片が連結された状態で付加材料片を供給し、回転子先
   端に付加材料片が供給された後、回転子が下降したと
   き、前記付加材料片が、付加材料供給手段から離脱する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の
   摩擦攪拌接合装置。