JP4172343B2

JP4172343B2 - Friction spot welding method

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Publication number: JP4172343B2
Application number: JP2003191043A
Authority: JP
Inventors: 士嘉村上
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP2005021948A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の板材を重ね合わせて、その接合部位の材料を塑性流動させて接合するスポット接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、板材のスポット接合方法としては、抵抗溶接法やリベットによる機械的締結法等が知られている。
【０００３】
しかし、抵抗溶接法には、接合時に大容量の電源が必要であること、溶接電極は汚染や損耗により寿命が短いこと、電極の冷却のために冷却水の供給設備が必要であること等、ランニングコストや品質管理の面での課題があり、リベットによる機械的締結方法には、リベット材が多数必要であることや、そのリベットにより接合物の重量の増加を招くこと等の課題がある。
【０００４】
これに対し、近年、接合物の重量増加を招くことなく、安価なランニングコストで接合する方法として、摩擦スポット接合法が提案されている（例えば、後述する引用文献１、２を参照）。この方法は、先端面から突出するピンを備えた回転ツールと、複数の板材からなるワークを支持する受け具（固定ツール）とを用いて、前記回転ツールの回転により板材内に塑性流動を生じさせることによって接合を行うものである。
【０００５】
具体的には、前記回転ツールと受け具とで前記ワークの接合部位を挟み込むとともに、前記回転ツールを回転させながらその回転軸の方向に押圧することにより、ピンを前記ワーク内に圧入する。そして、回転ツールの回転により発生した摩擦熱によって接合部位の材料を軟化させて、該回転ツールを前記ワーク内にさらに圧入するとともに、該ワークの板材の境界付近で材料に塑性流動を発生させる。
【０００６】
前記回転ツールによって前記境界付近の材料を十分に塑性流動させた後、該回転ツールを板材から引き抜き、軟化した材料を硬化させる。こうして、複数の板材を点状に接合することができる。
【０００７】
摩擦スポット接合法を用いた例としては、例えば、特許文献１に示すように、先端面が平らな固定ツールで複数の板材を支持し、先端面にピンを備えた回転ツールを回転させながら板材内に圧入することにより複数の板材の境界付近で塑性流動を生じさせる方法や、特許文献２に示すように、接合時間を短縮するために、固定ツールの先端を先細りのテーパ形状にすることにより板材との接触面積を減らし、前記回転ツールの回転により生じる摩擦熱の放熱を抑えるような構成としたものがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２００２−２９２４７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような摩擦スポット接合法では、十分な接合強度を得るためには接合部位における板材の境界付近で十分に塑性流動を生じさせるのが好ましい。そのためには、回転ツールのピンを板材内へ深く圧入する必要があるが、その場合には、ピンだけでなく前記回転ツールの先端面も一緒に材料内に圧入することになるため、該回転ツールの先端面によって板材に大きな穴が形成され、このことにより、板材自体の強度低下を招いてしまう。
【００１１】
また、特許文献１に示すような従来の摩擦スポット接合法では、回転ツールの板材への圧入開始時に、該回転ツールの回転によって板材が微妙に移動してしまい、該回転ツールの旋回安定性が損なわれる可能性がある。これにより、接合後の接合部位の見栄えが悪くなるばかりか、十分に板材を軟化させることができないため接合強度のばらつきが発生しやすくなり、さらには回転ツールを損傷させるなどの問題が生じる可能性がある。
【００１２】
さらに、特許文献２のように、受け具の先端に先細りのテーパ形状を設けた場合には、接合時に板材を支持する受け具と該板材との接触面積が、回転ツールの先端面と板材との接触面積に比べて小さくなるため、該回転ツールを板材に押圧すると該板材が受け具側に曲がる可能性がある。
【００１３】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摩擦スポット接合方法において、板材自体の強度をあまり低下させることなく接合強度を向上させるとともに、接合時の板材の曲がりを防止し、さらに、接合開始時の回転ツールの旋回安定性を向上させることにより、接合強度のばらつきを低減することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の解決手段では、回転ツールの先端面に対向する固定ツールの先端面にもピン部を設けて、前記回転ツールのピン部を板材の接合部位に圧入するときに、その反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、材料を回転ツール側に押し込むようにした。
【００１５】
具体的には、請求項１の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法を対象とする。
【００１６】
そして、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、前記回転ツールのピン部を前記板材の接合部位に押圧させることにより、前記固定ツールのピン部を該固定ツール側の板材に反対側から食い込ませた状態とし、前記回転ツールの回転によって前記接合部位が軟化した状態で、前記回転ツールの押圧によって、前記固定ツールのピン部で前記板材の一部を回転ツール側へ押し込むように前記接合部位に該固定ツールのピン部を進入させて、当該固定ツールの先端面により板材を支持するものとする。
【００１７】
この方法によれば、固定ツールと回転ツールとの間に複数の板材を挟んで、該回転ツールを回転させながらそのピン部を板材に圧入することにより、回転による摩擦熱で材料を軟化させて、塑性流動を生じさせる。このときに、前記固定ツールの先端に設けたピン部が前記軟化された材料を回転ツール側へ押し込むことで、該回転ツールの先端面を板材内に深く圧入することなく、接合部位における複数の板材の境界付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。このことにより、接合部位における板材自体の強度低下を防ぎながら、前記接合部位における板材の境界付近での塑性流動を促進して、該境界付近での接合強度を向上させることができる。
【００１８】
また、回転ツールの回転による摩擦熱で軟化した材料を固定ツールのピン部で回転ツール側に押し込むことにより、前記軟化した材料を回転ツールの近傍に移動させることができるため、該回転ツールの回転による塑性流動を効率良く生じさせることができ、接合時間を短縮することができる。
【００１９】
また、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面で板材を支持するようにしたため、該固定ツールと板材との接触面積を十分に大きくして、該板材が固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００２０】
さらに、回転ツールのピン部を板材へ圧入するときに、該回転ツールを板材に押圧することによって該板材が固定ツール側に押され、該固定ツールのピン部が前記板材に食い込むことになるため、板材が固定ツールに対して滑るのを防止して、回転ツールの回転を安定させることができる。
【００２１】
請求項２の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法を対象とする。
【００２２】
そして、前記複数の板材のうち、前記固定ツール側に配置する板材以外の少なくとも一枚の板材には、前記接合部位を貫通する貫通孔を形成しておき、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、前記回転ツールを前記板材の接合部位に押圧させることにより、前記固定ツールのピン部を該固定ツール側の板材に反対側から食い込ませた状態とし、前記回転ツールの回転によって前記接合部位が軟化した状態で、前記回転ツールの押圧によって、この接合部位に前記固定ツールのピン部を進入させて、該固定ツール側の板材の一部を前記貫通孔へ押し込むとともに、当該固定ツールの先端面により板材を支持するものとする。
【００２３】
この方法によれば、摩擦スポット接合方法において、固定ツールの先端面にピン部を設けるとともに、固定ツール側の板材を除いた少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設け、回転ツールにより軟化させた材料を該回転ツール側から貫通孔内に押し込むとともに、固定ツールのピン部によって該固定ツール側からも材料を前記貫通孔内に押し込むことで、回転ツールを板材に深く圧入することなく、前記貫通孔近傍の板材の境界で十分な塑性流動を生じさせることが可能になり、３枚以上の複数の板材を接合する場合や厚い板材を接合する場合でも板材自体の強度をあまり低下させることなく、接合強度を向上させることができる。
【００２４】
また、固定ツール側を除く少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設けたことで、該貫通孔内に回転ツールが進入しやすくなり、該回転ツールを複数の板材の境界付近で十分な塑性流動が生じる深さまでより早く圧入することができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００２５】
また、請求項１の発明と同様に、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面が板材を支持するようにしたため、該板材が前記固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００２６】
さらに、固定ツール側の板材を除いた少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設けることにより、該貫通孔がない場合に比べて前記固定ツール側の板材を容易に該貫通孔側へ変形させることができるため、回転ツールの板材への圧入開始時には、前記固定ツールのピン部が板材に容易に食い込むことができ、回転ツールの回転を安定させることができる。
【００２７】
請求項３の発明では、請求項１または２のいずれか一つの発明において、固定ツールの先端面は、回転ツールの先端面と形状及び面積が略同等であるものとする。これにより、板材を固定ツールの先端面で支持している状態で回転ツールを板材に押圧した場合には、前記固定ツールと板材との接触部分が、前記回転ツールと該板材との接触部分の形状や面積にほぼ等しくなるため、該板材が前記固定ツール側や回転ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２９】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る摩擦スポット接合装置Ａの概略構成を示しており、この接合装置Ａは、例えば自動車のボディ等に用いられるアルミニウム合金等の複数の板材を、厚み方向に重ねた状態で点状に接合するためのものである。
【００３０】
前記摩擦スポット接合装置Ａは、複数の板材を厚み方向に重ねたワークの接合を行う接合ガン１を備えており、この接合ガン１は、ロボット２の手首に取り付けられている。このことにより、前記接合ガン１は、図示しない治具に固定された前記ワークの接合位置（接合部位）にロボット２によって位置付けられ、該ワークの接合を行うようになっている。
【００３１】
前記ロボット２には、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットを用いることができる。このロボット２は、ハーネス３１により制御盤３と接続されている。また、前記接合ガン１も、前記ロボット２に設けられた中継ボックス３４を介して、ハーネス３２，３３により前記制御盤３と接続されている。該制御盤３は、前記ロボット２の６軸及び、詳しくは後述するが、前記接合ガン１に設けられた２つのモータ１１，１２の２軸の合計８軸を同期制御するように構成されている。
【００３２】
前記接合ガン１は、図２に示すように、略円柱状の回転ツール４と固定ツール５とからなる接合ツール６を備えており、該回転ツール４と固定ツール５とによりワークＷの接合位置を挟み込むようになっている。なお、前記回転ツール４及び固定ツール５は、前記接合ガン１に対してそれぞれ着脱可能に取り付けられている。
【００３３】
前記回転ツール４は、２つの板材Ｗ１，Ｗ２を、その厚み方向に重ねたワークＷの重ね面Ｓ１に対して直交する接合軸Ｘ（軸線）上に配設されていて、回転軸モータ１１によって、この接合軸Ｘ回りに回転するように構成されている。また、前記回転ツール４は、押圧軸モータ１２によって、前記接合軸Ｘに沿って昇降するように構成されている。前記回転軸モータ１１には、インダクションモータやサーボモータ等を用い、前記押圧軸モータ１２には、サーボモータを用いるのが好ましい。
【００３４】
一方、前記固定ツール５は、略Ｌ字状のアーム１３の先端に取り付けられていて、ワークＷを挟んで前記回転ツール４と相対向するように前記接合軸Ｘ上に配設されている。
【００３５】
次に、前記回転ツール４及び固定ツール５の先端部分の形状について、図３を参照しながら詳細に説明する。
【００３６】
前記回転ツール４は、円柱状の本体部４１と、この本体部４１の先端面４２から前記接合軸Ｘに沿って突出する円柱状のピン４３（ピン部）とにより構成されている。そして、図示はしないが、このピン４３の周面には、逆ねじが設けられており、該ピン４３が前記ワークＷ内に沈み込んだ状態で回転することにより、該ピン４３周辺の材料を掻き混ぜるようになっている。
【００３７】
一方、前記固定ツール５は、前記回転ツール４の本体部４１の先端面４２と形状及び面積が略同等の先端面５２を有する円柱状の本体部５１と、該本体部５１の先端面５２から前記接合軸Ｘに沿って突出する円柱状のピン５３（ピン部）とにより構成されている。このピン５３の断面は、前記回転ツール４のピン４３の断面と形状及び面積が略同等である一方、該ピン５３の長さは、前記回転ツールのピン４３よりも短くなっている。
【００３８】
次に、前記摩擦スポット接合装置ＡによるワークＷの接合方法について説明すると、まず、図示省略の治具によってワークＷを固定し、接合ガン１を、ロボット２によって前記ワークＷの接合位置に配置させる。詳しくは、接合軸Ｘ上にワークＷの接合位置がくるように、接合ガン１の回転ツール４及び固定ツール５の間にワークＷを配置する。そして、前記固定ツール５の先端を、ワークＷの下面に当接させる。
【００３９】
その後、後述するように、前記接合ガン１によってワークＷの接合を行い、その接合位置でのワークＷの接合が完了した後、前記接合ガン１をロボット２によって次の接合位置に移動させる。このようにして、ワークＷの所定の位置での接合を順次行う。なお、ワークＷを接合するときには、接合ガン１のアーム１３にたわみが生じるため、ロボット２の制御によって、このアーム１３に取り付けられた固定ツール５の先端位置の補正を行う。こうした位置補正は、従来から行われている制御ロジックを適用すればよい（例えば溶接ガンを用いた抵抗溶接の際に行われている制御ロジックなど）。
【００４０】
次に、前記接合ガン１によるワークＷの接合手順について、図４を参照しながら詳細に説明する。なお、図４は、図３に示す接合ツール６によってワークＷを接合する様子を示したものであり、同一の部材については同一の符号を付している。
【００４１】
まず、図４（ａ）に示すように、接合ガン１の回転軸モータ１１により、回転ツール４を接合軸Ｘまわりに回転させる。そして、前記回転ツール４の回転数が目標回転数に到達した後、該回転ツール４を回転させながら、押圧軸モータ１２によってワークＷの表面に当接するまで該回転ツール４を下降させる。これにより、前記回転ツール４と固定ツール５とで前記ワークＷを挟み込むとともに、このワークＷを接合軸Ｘ方向（図４で下方向）に押圧する。こうして、前記回転ツール４のピン４３を前記ワークＷ内に圧入する。
【００４２】
ここで、前記回転ツール４をワークＷに押圧することにより、該ワークＷが前記固定ツール５側に押されるため、前記固定ツール５の先端に設けたピン５３が前記ワークＷ内に圧入することになる。このことにより、前記回転ツール４がワークＷ内にまだ十分に沈み込んでいない「回転ツールの板材への圧入開始時」の状態でも、該ワークＷが前記回転ツール４の回転に伴い滑らないようにすることができる。すなわち、前記固定ツール５のピン５３を前記ワークＷ内に食い込ませることにより前記回転ツール４の回転軸がずれないようにすることができるため、該回転ツール４をより安定した状態で回転させることができる。このことにより、前記ワークＷや回転ツール４が損傷しないようにすることができるとともに、前記回転ツール４とワークＷとの摩擦熱を十分に発生させることが可能になり、接合強度のばらつきを低減することができる。
【００４３】
次に、前記回転ツール４を回転させた状態で、さらにワークＷへ押圧する。このことにより、前記回転ツール４のピン４３がワークＷを切削し、発熱するとともに、該ピン４３がワークＷ内に沈み込んだ後には、前記回転ツール４の先端面４２とワークＷの表面との摩擦によって摩擦熱を生じる。
【００４４】
このとき、前記固定ツール５は、ピン５３がワークＷの下面に食い込んだ状態のため、該固定ツール５とワークＷとの接触面積は、ピン５３のない場合に比べて小さくなり、固定ツール５を介して放熱される放熱量も小さくなる。その結果、ワークＷの接合位置の近傍は比較的早期に軟化されるため、前記回転ツール４のピン４３は、該軟化したワークＷ内により早く沈み込むことができる。
【００４５】
また、前記回転ツール４の回転により生じた摩擦熱は、前記ワークＷの板材Ｗ１からＷ２へ伝達され、該板材Ｗ２も軟化するため、固定ツール５のピン５３は、前記回転ツール４のワークＷへの押圧力に応じて該ワークＷ内に圧入され、前記軟化した板材Ｗ２を前記回転ツール４側へ押し込むことになる。
【００４６】
そして、図４（ｂ）に示すように、前記回転ツール４のピン４３及び固定ツールのピン５３をワークＷ内に圧入した状態で、この回転ツール４の回転及び押圧を継続させる。これにより、前記ワークＷ内の材料を掻き混ぜて塑性流動を生じさせる。
【００４７】
このように、前記固定ツール５のピン５３がワークＷの軟化した材料を回転ツール４側に押し込んだ状態で、該回転ツールの回転によって材料の塑性流動を生じさせるようにしたため、該回転ツール４のピン４３をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、すなわち図４（ｃ）に示すように該回転ツール４の先端面４２をワーク内に深く沈み込ませることなく、該回転ツール４のピン４３によって接合位置の材料を十分に掻き混ぜることが可能になる。
【００４８】
そして、前記回転ツール４の回転及び押圧を継続させることにより、ワークＷ内の塑性流動範囲（図に点状で示した範囲）を拡大させる。
【００４９】
このとき、前記回転ツール４の先端は、ワークＷの板材の境界Ｓ１付近まで沈み込んでおり、該境界の界面を上下方向に大きく又は緻密にねじるように、材料に塑性流動を生じさせている。また、前記回転ツール４の先端面４２は、ワークＷの表面に当接しており、この先端面４２とワークＷの表面との接触面積がピン４３と該ワークＷとの接触面積に比べて大きくなるため、発熱量は接合初期よりも増大し、ワークＷ内の塑性流動範囲を短時間で拡大させることができる。
【００５０】
一方、前記固定ツール５は、前述のとおり前記回転ツール４のワークＷへの押圧力により該固定ツール５のピン５３が前記ワークＷ内に沈み込んだ後、前記固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することになる。そのため、前記固定ツール５の先端面５２と前記ワークＷとの接触面は、前記回転ツール４のワークＷに対する接触面（回転ツール４の先端面４２）の形状及び面積と略同等になる。つまり、前記回転ツール４のワークＷへの押圧力を前記固定ツール５の先端面５２で受けることになるため、該ワークＷの前記固定ツール側５への変形を抑えることができる。なお、この実施形態では固定ツール５を固定しているが、固定ツール５を接合軸Ｘ方向にワークＷに押圧するようにした場合でも、上述のように前記回転ツール４及び固定ツール５のワークＷに対する接触面を略同等にすることにより、前記ワークＷの回転ツール４側への変形を抑えることができる。
【００５１】
このようにして、ワークＷ内の塑性流動を所定時間継続させた後、回転ツール４を回転させたまま、押圧軸モータ１２によってこの回転ツール４を上昇させ、該回転ツール４をワークＷ内から引き抜く。このとき、同時に固定ツール５もワークＷ内から引き抜く。
【００５２】
その後、ワークＷは急激に冷却されて硬化し、ワークＷの接合が完了する。
【００５３】
このように、実施形態１に係る接合方法によれば、固定された固定ツール５の先端面５２から突出するようにピン５３を設けるとともに、回転ツール４を回転させながらワークＷに押圧することにより、回転ツール４の回転による摩擦熱で軟化したワークＷを前記ピン５３によって該回転ツール４側に押し込むことができる。このことにより、前記回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、すなわち前記回転ツール４の先端面４２をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、接合位置におけるワークＷ内、特に板材Ｗ１，Ｗ２の重ね面Ｓ１付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。したがって、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷ（板材Ｗ１）に深く圧入されることによる接合部位の板厚の減少を防止することができるため、板材自体の強度を低下させることなく、重ね面Ｓ１付近で十分な接合強度を得ることができる。
【００５４】
また、軟化した材料を固定ツール５により回転ツール４側へ押し込むようにしたため、該軟化した材料を回転ツール４のより近傍に移動させることができ、該回転ツール４によって効率良く塑性流動を生じさせることができる。このことにより、接合時間を短縮することができる。
【００５５】
なお、前記固定ツール５のピン５３の形状は、前記回転ツール４の円柱状のピン４３と形状や面積が略同等の断面を有するものに限らない。以下に、ピン５３に他の形状を適用した場合の例について説明する。
【００５６】
図５に、前記ピン５３が回転ツール４のピン４３とは断面の大きさが異なる円柱状の場合を示す。図５（ａ）は、前記ピン５３が回転ツール４のピン４３よりも大きい場合を示している。この場合には、材料を前記回転ツール４側に押し込む面積が大きくなるため、より広い範囲の材料を該回転ツール４で掻き混ぜることが可能になる。すなわち、より広い範囲での接合を行うことができるため、ワークＷの接合強度を向上させることができる。なお、このピン形状では、前記ピン５３に図３のピン形状と同じ力が加わった場合に、該ピン５３の先端の圧力が図３のものに比べて小さくなるため、ワークＷの固定ツール５側の板材Ｗ２が薄板で軟質材の場合に用いると効果的である。
【００５７】
前記図５の（ｂ）は、固定ツール５のピン５３の断面が回転ツール４のピン４３よりも小さい場合を示している。このピン形状では、図３のピン形状と同じ力が加わった場合には、ワークＷに対するピン５３の先端の圧力が大きくなるため、該ピン５３がワークＷに圧入されやすくなり、該ピン５３のワークＷに対する押し込み速度を速くすることができる。このことにより、回転ツール４側に材料をより速く押し込むことができるようになるため、接合を短時間で行うことができる。なお、このピン形状では、ピン先端の圧力を大きくすることができるため、ワークＷの固定ツール５側の板材Ｗ２が硬質材の場合に用いると効果的である。
【００５８】
次に、回転ツール４の旋回安定性をさらに向上させるために、固定ツール５のピン５３を円柱状以外の形状にした場合を図６に示す。図６（ａ）は、前記ピン５３が半球状の場合を示しており、このピン形状では、先端が平面の円柱状の場合に比べてワークＷ内へ押し込まれやすい形状になっているため、前記回転ツール４の旋回安定性をより向上させることができる。また、ワークＷ内へ押し込まれやすい半球状の形状にすることにより、該ワークＷに対する押し込み速度を速くすることができる。
【００５９】
前記図６の（ｂ）は、前記ピン５３が円錐状の場合を示しており、この形状では、前述の半球状の場合（図６（ａ））よりもさらにワークＷ内に押し込み易い形状になっているため、前記回転ツール４の旋回安定性を一層向上させることができるとともに、ワークＷに対する押し込み速度もさらに向上させることができる。
【００６０】
なお、上記のようなピン形状の中から前記ピン５３にどの形状を用いるかは、ワークＷの板材の厚みや材質、要求される接合時間や接合強度等の条件を考慮して決める。
【００６１】
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係る接合手順を示し、この実施形態２の接合ツール６は実施形態１のもの（図４参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態２では、３枚の板材Ｗ１０，Ｗ１１，Ｗ１２を厚み方向に重ね、その中間板Ｗ１１に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００６２】
前記ワークＷは、図７（ａ）に示すように比較的薄い板Ｗ１０，Ｗ１２の間に比較的厚い板Ｗ１１を挟んだ構成になっており、その厚板Ｗ１１には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ１０が設けられている。なお、この貫通孔Ｈ１０は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有している。
【００６３】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００６４】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により薄板Ｗ１０が軟化する。さらに前記回転ツール４を前記ワークＷに押圧することにより、図７（ｂ）に示すように、前記軟化した薄板Ｗ１０の一部が該回転ツール４のピン４３によって厚い板Ｗ１１の貫通孔Ｈ１０内に押し込まれる。
【００６５】
一方、前記回転ツール４の回転により発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の薄板Ｗ１０だけでなく、厚い板Ｗ１１を介して固定ツール５側の薄板Ｗ１２まで伝達され、該薄板Ｗ１２も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４のワークＷへの押圧に伴い該ワークＷが固定ツール５側に押されるため、該固定ツール５が前記ワークＷの薄板Ｗ１２を貫通孔Ｈ１０内に押し込むことになる。
【００６６】
そして、前記回転ツール４は回転しながらワークＷの貫通孔Ｈ１０内に圧入されることにより、該貫通孔Ｈ１０内に押し込まれた材料を掻き混ぜて塑性流動を生じさせる。さらに、前記回転ツール４のピン４３が前記貫通孔Ｈ１０に挿入された状態では、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷの表面との間で摩擦を生じるため、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ１０周辺の材料を軟化させる。この軟化した材料も、前記回転ツール４の先端面４２及びピン４３により前記貫通孔Ｈ１０内に押し込まれ、該回転ツール４の回転により掻き混ぜられる。このことにより、図７（ｃ）に示すように、貫通孔Ｈ１０内及びその周辺で材料の塑性流動を生じさせることができるため、該貫通孔Ｈ１０近傍の重ね面Ｓ１０，Ｓ１１でも材料の塑性流動を生じさせることができる。
【００６７】
こうして、厚板Ｗ１１、薄板Ｗ１０，Ｗ１２の３枚の板材からなるワークＷをスポット接合することができる。
【００６８】
この実施形態２に係る接合方法では、固定ツール５の先端にピン５３を設けるとともに、ワークＷに貫通孔Ｈ１０を設け、回転ツール４の回転による摩擦熱で軟化した材料を回転ツール４及び固定ツール５で前記貫通孔Ｈ１０内に押し込むようにしたため、該貫通孔Ｈ１０内の各板材の重ね面Ｓ１０，Ｓ１１付近で十分な塑性流動を生じさせることができ、３枚の板材からなるワークでも十分な接合強度を得ることができる。また、回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、塑性流動を生じさせることができるため、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷ内に深く圧入されることによる板材の厚みの減少を防ぐことができ、板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００６９】
そして、前記貫通孔Ｈ１０を設けることにより、回転ツール４をワークＷ内により早く沈み込ませることができるとともに、貫通孔Ｈ１０内に軟化した材料を押し込むことにより、回転ツール４の周辺にワークＷの材料を集めることができるため、該回転ツール４による塑性流動をより早く且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００７０】
また、前記実施形態１と同様に、前記固定ツール５のピン５３がワークＷに圧入された状態では、該固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することができ、該先端面５２とワークＷとの接触面は前記回転ツール４の先端面４２と前記ワークＷとの接触面と形状及び面積が略同等になるため、該ワークＷが固定ツール５側に曲がらないようにすることができる。
【００７１】
さらに、ワークＷに貫通孔Ｈ１０を設けることにより、回転ツール４の該ワークＷへの圧入開始時には、固定ツール５のピン５３がワークＷに容易に食い込んで、前記回転ツール４の回転軸を安定させることができる。
【００７２】
（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３に係る接合手順を示し、この実施形態３の接合ツール６も前記実施形態１、２のもの（図４、図７参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態３では、３枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１，Ｗ２２を厚み方向に重ねるとともに、回転ツール４側に配設された板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００７３】
前記ワークＷは、図８（ａ）に示すように回転ツール４側から比較的厚い板Ｗ２０、比較的薄い板Ｗ２１，Ｗ２２の順に厚み方向に重ねられており、該厚板Ｗ２０及び薄板Ｗ２１には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１が設けられている。なお、これらの貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有しているものの、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１の孔径は前記回転ツール４の沈み込み量に関係するため、前記ワークＷの各板材の厚みや材質等を考慮してそれらの孔径を決定する。
【００７４】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００７５】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４のピン４３は貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に挿入されるとともに、該回転ツール４の先端面４２とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１周辺の厚板Ｗ２０が軟化する。さらに回転ツール４をワークＷに押圧することにより、図８（ｂ）に示すように、前記軟化した厚板Ｗ２０の一部が該回転ツール４の先端面４２により貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込まれる。
【００７６】
一方、前記回転ツール４の先端面４２とワークＷとの間で発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の厚板Ｗ２０だけでなく、薄板Ｗ２１を介して固定ツール５側の薄板Ｗ２２まで伝達され、該薄板Ｗ２２も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４をワークＷへ押圧することにより、ワークＷが固定ツール５側に押され、該固定ツール５が前記ワークＷの薄板Ｗ２２の一部を貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込む。
【００７７】
そして、前記回転ツール４を回転させながらワークＷの貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に圧入することにより、図８（ｃ）に示すように、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込まれた材料を掻き混ぜ、塑性流動を生じさせる。このことにより、貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１近傍の重ね面Ｓ２０，Ｓ２１で塑性流動を生じさせることができるため、３枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１，Ｗ２２からなるワークＷを接合することができる。
【００７８】
この実施形態３に係る接合方法では、固定ツール５側以外の２枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１を設けるとともに、軟化した板材を回転ツール４及び固定ツール５により前記貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込むようにしたため、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内の各板材の重ね面付近で十分な塑性流動を生じさせることができ、３枚の板材からなるワークでも十分な接合強度を得ることができる。また、必要以上に回転ツール４をワークＷ内に沈み込ませることなく、塑性流動を生じさせることができるため、板材の厚み減少による板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００７９】
そして、固定ツール５側以外の２枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１を設けることにより、前記実施形態２に比べて回転ツール４をワークＷ内により一層早く沈み込ませることができるため、該回転ツール４による塑性流動をさらに早く且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００８０】
また、前記実施形態１及び２と同様に、前記固定ツール５のピン５３がワークＷに圧入された状態では、該固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することができるため、該ワークＷが固定ツール５側に曲がらないようにすることができる。
【００８１】
（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４に係る接合手順を示し、この実施形態４の接合ツール６もまた実施形態１〜３のもの（図４等参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態４では、２枚の板材Ｗ３０，Ｗ３１を厚み方向に重ねるとともに、回転ツール４側に配設された板材Ｗ３０に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００８２】
前記ワークＷは、図９（ａ）に示すように回転ツール４側から比較的厚い板Ｗ３０、比較的薄い板Ｗ３１の順に厚み方向に重ねられており、その厚板Ｗ３０には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ３０が設けられている。なお、この貫通孔Ｈ３０は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有している。
【００８３】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００８４】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４のピン４３は貫通孔Ｈ３０内に挿入されるとともに、該回転ツール４の先端面４２とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ３０周辺の厚板Ｗ３０が軟化する。さらに回転ツール４をワークＷに押圧することにより、図９（ｂ）に示すように、前記軟化した厚板Ｗ３０の一部が該回転ツール４の先端面４２により貫通孔Ｈ３０内に押し込まれる。
【００８５】
一方、前記回転ツール４の回転により発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の厚板Ｗ３０だけでなく、固定ツール５側の薄板Ｗ３１まで伝達され、該薄板Ｗ３１も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４をワークＷへ押圧することにより、ワークＷが固定ツール５側に押され、該固定ツール５が前記ワークワークＷの薄板Ｗ３１の一部を貫通孔Ｈ３０内に押し込む。
【００８６】
そして、前記回転ツール４は回転しながらワークＷの貫通孔Ｈ３０内に圧入されるため、図９（ｃ）に示すように、該貫通孔Ｈ３０内に押し込まれた材料を掻き混ぜ、塑性流動を生じさせる。このことにより、貫通孔Ｈ３０近傍の重ね面Ｓ３０で塑性流動が生じるため、２枚の板材Ｗ３０，Ｗ３１からなるワークＷを接合することができる。
【００８７】
この実施形態４に係る接合方法では、回転ツール４側の板材Ｗ３０に貫通孔Ｈ３０を設けることにより、該貫通孔Ｈ３０のない場合に比べて回転ツール４をワークＷ内により早く沈み込ませることができるとともに、前記回転ツール４のピン４３の先端が比較的短時間で薄板Ｗ３１の表面に接触することになるため、前記ピン４３の先端と薄板Ｗ３１の表面との摩擦によって生じた摩擦熱によっても該薄板Ｗ３１を軟化させることができる。そして、固定ツール５によって前記貫通孔Ｈ３０内に軟化した板材を押し込むことにより、前記回転ツール４の周辺に軟化した材料を集めることができる。これらのことにより、該回転ツール４による塑性流動をより早く、且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００８８】
さらに、ワークＷに貫通孔Ｈ３０を設けるとともに、軟化した板材を回転ツール４及び固定ツール５により前記貫通孔Ｈ３０内に押し込むようにしたため、回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、該貫通孔Ｈ３０内の板材の重ね面付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。したがって、十分な接合強度を得ることができるとともに、板材の厚み減少による板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００８９】
（実施形態５）
実施形態５は、接合装置の構成が前記実施形態１〜４とは異なる実施形態である。具体的には、図１０に示すように、実施形態５に係る接合装置Ｂでは、ロボット２の手首に、ワークＷを保持するハンドリングツール７が設けられており、接合ガン１は、前記ロボット２とは別に設置された架台８に取り付けられている。
【００９０】
上記ロボット２は、分岐ボックス３５を介してハーネス３１により制御盤３に接続されている。また、接合ガン１は、ハーネス３３により互いに接続された中継ボックス３４を介して、上記分岐ボックス３５及び制御盤３に対しハーネス３２，３６により接続されている。
【００９１】
この接合装置ＢによってワークＷの接合を行う場合は、ハンドリングツール７でワークＷを保持し、この保持したワークＷの接合位置を、前記ロボット２によって、定置された接合ガン１の回転ツール４及び固定ツール５の間に位置づける。そして、上記接合ガン１によって、前述したようなワークＷの接合を行う。
【００９２】
（実施形態６）
図１１に示す実施形態６は、回転軸モータ１１、押圧軸モータ１２及び回転ツール４等を備えた接合ユニット８を定置式手動接合装置Ｃに適用したものである。この接合装置Ｃでは、下部取付部材７５に固定ツール５が固定されるとともに、該固定ツール５のピン５３の軸線Ｘの延長線上で、上部取付部材７６に前記接合ユニット８が固定されている。
【００９３】
この接合装置Ｃでは、前記回転ツール４と固定ツール５との間にワークの接合位置がくるように該ワークの位置を調整し、起動スイッチ７７を押してワークの接合を行う。
【００９４】
（実施形態７）
図１２に示す実施形態７は、複数の接合ユニット８を用いた定置式自動接合装置Ｄを示したものである。この接合装置Ｄでは、複数箇所の接合が同時にできるように、下部取付部材７５に複数の固定ツール５が設けられ、該固定ツール５に対応して、上部取付部材７６（図示は省略）に接合ユニット８が取り付けられている。
【００９５】
この接合装置Ｄでは、接合する板材Ｗ１，Ｗ２を、作業者やロボット等により装置内の位置決めユニット（図示は省略）にセットし、その後、前記接合ユニット８と固定ツール５とにより板材Ｗ１，Ｗ２の接合を行う。なお、装置内に固定された接合ユニット８に移動機構を設け、各接合部を移動させながら接合を行ってもよい。
【００９６】
（実施形態８）
図１３に示す実施形態８は、接合ガン１を、移動レール７８からバランサー７９、吊り金具８０を介して吊り下げた手動式のものである。この接合ガン１は、バランサー７９と吊り金具８０とによって任意の姿勢をとることができるため、作業者は、接合ガン１を把持して、位置決め具（図示は省略）内にセットされたワークに対して、作業を行いやすい姿勢でワークの接合を行うことができる。
【００９７】
なお、前記接合ガン１には接合装置の電源のＯＮ／ＯＦＦを行う起動スイッチ８１が設けられており、前記接合ガン１と制御盤３との間は制御ハーネス８２で接続されている。
【００９８】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記各実施形態では、２枚または３枚の板材を重ねたワークをスポット接合するようにしているが、これに限らず、例えば４枚以上の板材を重ね合わせたワークを接合するようにしてもよい。
【００９９】
前記各実施形態では、受け具を固定しているが、これに限らず、例えばモータ等により受け具をワークに対して接合軸Ｘ方向に押圧するようにしてもよい。
【０１００】
また、前記実施形態２〜４では、ワークＷにそれぞれ設けた貫通孔Ｈ１０，Ｈ２０，Ｈ２１，Ｈ３０を回転ツール４のピン４３よりも大きい断面にしているが、これに限らず、該ピン４３と同等若しくはそれよりも小さい断面にしてもよい。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明に係る摩擦スポット接合方法によると、回転ツールのピン部と対向するように固定ツールの先端にもピン部を設け、このピン部により軟化した板材の一部を回転ツール側へ押し込むことにより、該回転ツールを板材に深く圧入することなく、板材の境界付近で材料の十分な塑性流動を生じさせることができるため、板材自体の強度を低下させることなく、接合強度を向上させることができ、しかも、接合時間を短縮することができる。また、スポット接合の開始時には、前記固定ツールのピン部を板材に食い込ませて、回転ツールの回転軸を安定させることができる一方、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面で板材を支持することで、該板材が前記固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【０１０２】
請求項２記載の発明によると、前記請求項１の発明と同様に、固定ツールの先端面にピン部を設けるとともに、該固定ツール側の板材以外の少なくとも一枚の板材に貫通孔を設けて、軟化した材料を該回転ツール及び固定ツールのピン部によりそれぞれ貫通孔内に押し込むことにより、３枚以上の複数の板材を接合する場合や厚い板材を接合する場合でも前記請求項１の発明と同様の効果を得ることができ、さらに、接合時間を大幅に短縮することができる。
【０１０３】
請求項３記載の発明によると、複数の板材を形状及び面積が略同等の２つのツール先端面により挟むことで、板材がいずれのツールの側にも曲がらないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る接合装置の概略構成を示す図である。
【図２】接合ガンの概略構成を示す図である。
【図３】接合ツールの先端部分を示す図である。
【図４】図３の接合ツールによるワークの接合の様子を示す図である。
【図５】回転ツールのピンの断面と大きさが異なる固定ツールのピン形状を示す図である。
【図６】円柱状以外の固定ツールのピン形状を示す図である。
【図７】実施形態２に係る図４相当図である。
【図８】実施形態３に係る図４相当図である。
【図９】実施形態４に係る図４相当図である。
【図１０】実施形態５に係る図１相当図である。
【図１１】実施形態６に係る図１相当図である。
【図１２】実施形態７に係る図１相当図である。
【図１３】実施形態８に係る図１相当図である。
【符号の説明】
Ａ摩擦スポット接合装置
４回転ツール
５固定ツール
４２回転ツールの先端面（先端面）
４３回転ツールのピン（ピン部）
５２固定ツールの先端面（先端面）
５３固定ツールのピン（ピン部）
Ｘ接合軸（軸線）
Ｗワーク（重ね合わせた複数の板材）
Ｈ１０，Ｈ２０，Ｈ２１，Ｈ３０貫通孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention is a spot joining method in which a plurality of plate materials are superposed and the material at the joining portion is joined by plastic flow.To the lawRelated.
[0002]
[Prior art]
  Conventionally, resistance welding methods, mechanical fastening methods using rivets, and the like are known as spot joining methods for plate materials.
[0003]
  However, the resistance welding method requires a large-capacity power supply at the time of joining, the welding electrode has a short life due to contamination and wear, a cooling water supply facility is required for cooling the electrode, etc. There are problems in terms of running cost and quality control, and the mechanical fastening method using rivets has a problem that a large number of rivet materials are required, and that the rivets cause an increase in the weight of the joint.
[0004]
  On the other hand, in recent years, a friction spot welding method has been proposed as a method of joining at a low running cost without causing an increase in the weight of the joined product (see, for example, cited documents 1 and 2 described later). This method uses a rotating tool having a pin protruding from the tip surface and a receiving tool (fixed tool) that supports a workpiece made of a plurality of plates, and causes plastic flow in the plate by rotation of the rotating tool. Joining is performed.
[0005]
  Specifically, the joint part of the workpiece is sandwiched between the rotating tool and the receiving tool, and the pin is press-fitted into the workpiece by pressing the rotating tool in the direction of the rotation axis while rotating the rotating tool. Then, the material at the joining portion is softened by the frictional heat generated by the rotation of the rotary tool, and the rotary tool is further pressed into the workpiece, and a plastic flow is generated in the material in the vicinity of the boundary of the plate material of the workpiece.
[0006]
  After the material in the vicinity of the boundary is sufficiently plastically flowed by the rotary tool, the rotary tool is pulled out from the plate material and the softened material is cured. Thus, a plurality of plate materials can be joined in the form of dots.
[0007]
  As an example using the friction spot joining method, for example, as shown in Patent Document 1, a plurality of plate materials are supported by a fixed tool having a flat tip surface, and a plate material is rotated while rotating a rotary tool having a pin on the tip surface. In order to reduce the joining time, as shown in Patent Document 2, in order to shorten the joining time as shown in Patent Document 2, the tip of the fixed tool is tapered to form a taper shape. There is a configuration in which the contact area with the plate material is reduced and the heat dissipation of frictional heat generated by the rotation of the rotary tool is suppressed.
[0008]
[Patent Document 1]
      JP 2001-314982 A
[0009]
[Patent Document 2]
      JP 2002-292479 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  By the way, in the friction spot welding method as described above, in order to obtain a sufficient bonding strength, it is preferable that the plastic flow is sufficiently generated in the vicinity of the boundary of the plate material at the bonding site. For that purpose, it is necessary to press-fit the pin of the rotary tool deeply into the plate material. In this case, not only the pin but also the tip surface of the rotary tool will be press-fitted together into the material. A large hole is formed in the plate material by the tip surface of the tool, and this causes a reduction in strength of the plate material itself.
[0011]
  Moreover, in the conventional friction spot welding method as shown in Patent Document 1, when the rotary tool starts to be pressed into the plate material, the plate material is slightly moved by the rotation of the rotary tool, and the rotation stability of the rotary tool is improved. It can be damaged. As a result, not only the appearance of the bonded part after bonding is deteriorated, but also the plate material cannot be sufficiently softened, so that the bonding strength is likely to vary, and further problems such as damage to the rotary tool may occur. There is.
[0012]
  Furthermore, as in Patent Document 2, when a tapered shape is provided at the tip of the receiving tool, the contact area between the receiving tool that supports the plate material at the time of joining and the plate material is such that the tip surface of the rotating tool and the plate material Therefore, when the rotary tool is pressed against the plate material, the plate material may be bent toward the receiving member.
[0013]
  The present invention has been made in view of such various points, and the object of the present invention is to improve the bonding strength without significantly reducing the strength of the plate material itself in the friction spot bonding method, and to improve the strength of the plate material during bonding. It is to reduce the variation in joining strength by preventing bending and further improving the turning stability of the rotating tool at the start of joining.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the solution means of the present invention, a pin portion is also provided on the distal end surface of the fixed tool facing the distal end surface of the rotating tool, and the pin portion of the rotating tool is press-fitted into the joining portion of the plate material. Occasionally, the pin portion of the fixed tool was entered from the opposite side to push the material into the rotating tool side.
[0015]
  Specifically, the invention of claim 1 uses a rotary tool having a pin portion protruding from the tip surface along the axis, and a fixed tool arranged so that the tip surface faces the rotary tool. By sandwiching the joined portions of the plurality of stacked plate members between the rotating tool and the fixed tool, pressing the rotating tool in the direction of the axis, and press-fitting the pin portion into the joined portion of the plate members In addition, the present invention is directed to a friction spot welding method in which a plastic flow of a material is caused at the joining site to perform spot welding.
[0016]
  Then, a pin portion is provided on the front end surface of the fixed tool so as to protrude along the axis, and the pin portion of the fixed tool is pressed by pressing the pin portion of the rotating tool against the joining portion of the plate material. A part of the plate material at the pin portion of the fixed tool by the pressing of the rotary tool in a state in which the plate material on the fixed tool side is bitten from the opposite side and the joint portion is softened by the rotation of the rotary tool. The pin portion of the fixed tool is caused to enter the joining portion so as to push the screw toward the rotating tool, and the plate material is supported by the tip surface of the fixed tool.
[0017]
  According to this method, a plurality of plate materials are sandwiched between a fixed tool and a rotary tool, and the pin portion is pressed into the plate material while rotating the rotary tool. Cause plastic flow. At this time, the pin portion provided at the distal end of the fixed tool pushes the softened material toward the rotating tool side, so that the distal end surface of the rotating tool is not deeply pressed into the plate material, and a plurality of portions at the joining site are pressed. Sufficient plastic flow can be generated near the boundary of the plate material. Accordingly, it is possible to promote the plastic flow in the vicinity of the boundary of the plate material in the joint portion while preventing the strength of the plate material itself in the joint portion from being lowered, and to improve the joint strength in the vicinity of the boundary.
[0018]
  In addition, since the softened material can be moved to the vicinity of the rotating tool by pushing the material softened by frictional heat generated by the rotation of the rotating tool toward the rotating tool by the pin portion of the fixed tool, the rotating tool rotates. Therefore, the plastic flow can be efficiently generated and the joining time can be shortened.
[0019]
  In addition, in the state where the pin portion of the fixed tool has entered the joining site, the plate material is supported by the tip surface of the fixed tool. Therefore, the contact area between the fixed tool and the plate material is sufficiently increased, and the plate material is It is possible to prevent bending to the fixed tool side.
[0020]
  Furthermore, when the pin portion of the rotary tool is press-fitted into the plate material, the plate material is pushed toward the fixed tool by pressing the rotary tool against the plate material, and the pin portion of the fixed tool bites into the plate material. The plate material can be prevented from sliding with respect to the fixed tool, and the rotation of the rotating tool can be stabilized.
[0021]
  In the invention of claim 2, a plurality of overlapping tools using a rotary tool having a pin portion protruding from the tip surface along the axis, and a fixed tool arranged so that the tip surface faces each other. The plate member is joined between the rotating tool and the fixed tool, and the rotating tool is pressed in the direction of the axis while rotating, and the pin portion is press-fitted into the joint portion of the plate material. The present invention is directed to a friction spot welding method in which a plastic flow of a material is generated and spot welding is performed.
[0022]
  And, among the plurality of plate members, at least one plate member other than the plate member disposed on the fixed tool side is formed with a through-hole penetrating the joint portion, and the distal end surface of the fixed tool has A state in which the pin portion is provided so as to protrude along the axis, and the rotating tool is pressed against the joining portion of the plate material so that the pin portion of the fixed tool is bitten into the plate material on the fixed tool side from the opposite side. In a state where the joint portion is softened by rotation of the rotary tool, the pin portion of the fixed tool is caused to enter the joint portion by pressing the rotary tool, and a part of the plate material on the fixed tool side is While pushing into a through-hole, a board | plate material shall be supported by the front end surface of the said fixed tool.
[0023]
  According to this method, in the friction spot welding method, the pin portion is provided on the tip surface of the fixed tool, and the through hole is provided in the bonding portion of at least one plate material excluding the plate material on the fixed tool side, and softened by the rotating tool. While pressing the material into the through hole from the rotating tool side and by pressing the material into the through hole also from the fixed tool side by the pin portion of the fixed tool, without pressing the rotary tool into the plate material deeply, It is possible to generate a sufficient plastic flow at the boundary of the plate material in the vicinity of the through hole, and the strength of the plate material itself is greatly reduced even when a plurality of three or more plate materials are bonded or when a thick plate material is bonded. In addition, the bonding strength can be improved.
[0024]
  In addition, by providing a through-hole in the joint portion of at least one plate material excluding the fixed tool side, it becomes easy for the rotary tool to enter the through-hole, and the rotary tool is sufficiently near the boundary between a plurality of plate materials. It is possible to press-fit faster to the depth at which plastic flow occurs, and the joining time can be greatly shortened.
[0025]
  Further, as in the first aspect of the invention, in the state where the pin portion of the fixed tool has entered the joining portion, the distal end surface of the fixed tool supports the plate material, so that the plate material does not bend toward the fixed tool side. Can be.
[0026]
  Furthermore, by providing a through-hole in the joining portion of at least one plate material excluding the plate material on the fixed tool side, the plate material on the fixed tool side can be easily deformed to the through-hole side compared to the case without the through-hole. Therefore, when the press-fitting of the rotary tool into the plate material is started, the pin portion of the fixed tool can easily bite into the plate material, and the rotation of the rotary tool can be stabilized.
[0027]
  In the invention of claim 3, in the invention of any one of claim 1 or 2, the tip surface of the fixed tool is substantially equivalent in shape and area to the tip surface of the rotary tool. As a result, when the rotating tool is pressed against the plate material while the plate material is supported by the distal end surface of the fixed tool, the contact portion between the fixed tool and the plate material is the contact portion between the rotating tool and the plate material. Since it is almost equal to the shape and area, the plate material can be prevented from bending to the fixed tool side or the rotating tool side..
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
  (Embodiment 1)
  FIG. 1 shows a schematic configuration of a friction spot welding apparatus A according to Embodiment 1 of the present invention. This welding apparatus A is formed of a plurality of plate materials such as an aluminum alloy used in a body of an automobile, for example, in the thickness direction. It is for joining in the shape of a point in the state where it was piled up.
[0030]
  The friction spot welding apparatus A includes a joining gun 1 that joins a workpiece in which a plurality of plate materials are stacked in the thickness direction. The joining gun 1 is attached to the wrist of the robot 2. As a result, the joining gun 1 is positioned by the robot 2 at the joining position (joining part) of the workpiece fixed to a jig (not shown) to join the workpiece.
[0031]
  As the robot 2, for example, a general-purpose 6-axis vertical articulated robot can be used. The robot 2 is connected to the control panel 3 by a harness 31. The joining gun 1 is also connected to the control panel 3 by harnesses 32 and 33 through a relay box 34 provided in the robot 2. The control panel 3 is configured so as to synchronously control a total of eight axes of the six axes of the robot 2 and two axes of two motors 11 and 12 provided in the joining gun 1 as will be described in detail later. Yes.
[0032]
  As shown in FIG. 2, the joining gun 1 includes a joining tool 6 composed of a substantially cylindrical rotating tool 4 and a fixed tool 5, and a joining position of the workpiece W by the rotating tool 4 and the fixed tool 5. Is to be inserted. The rotating tool 4 and the fixing tool 5 are detachably attached to the joining gun 1.
[0033]
  The rotary tool 4 is disposed on a joining axis X (axis line) orthogonal to the stacking surface S1 of the workpiece W obtained by stacking two plate materials W1 and W2 in the thickness direction. , And is configured to rotate about the joining axis X. The rotary tool 4 is configured to move up and down along the joint axis X by a pressing shaft motor 12. It is preferable that an induction motor, a servo motor or the like is used for the rotary shaft motor 11 and a servo motor is used for the pressing shaft motor 12.
[0034]
  On the other hand, the fixed tool 5 is attached to the tip of a substantially L-shaped arm 13 and is disposed on the joint axis X so as to face the rotating tool 4 with the workpiece W interposed therebetween.
[0035]
  Next, the shapes of the tip portions of the rotary tool 4 and the fixed tool 5 will be described in detail with reference to FIG.
[0036]
  The rotary tool 4 includes a columnar main body 41 and a columnar pin 43 (pin portion) protruding from the tip surface 42 of the main body 41 along the joining axis X. Although not shown, a reverse screw is provided on the peripheral surface of the pin 43. By rotating the pin 43 while being submerged in the work W, the material around the pin 43 is changed. It is designed to stir.
[0037]
  On the other hand, the fixed tool 5 includes a cylindrical main body 51 having a front end surface 52 having a shape and an area substantially the same as the front end surface 42 of the main body 41 of the rotary tool 4, and a front end surface 52 of the main body 51. A cylindrical pin 53 (pin portion) projecting along the joining axis X is formed. The cross section of the pin 53 is substantially the same in shape and area as the cross section of the pin 43 of the rotary tool 4, while the length of the pin 53 is shorter than the pin 43 of the rotary tool.
[0038]
  Next, a method for joining the workpiece W by the friction spot joining apparatus A will be described. First, the workpiece W is fixed by a jig (not shown), and the joining gun 1 is arranged at the joining position of the workpiece W by the robot 2. . Specifically, the workpiece W is arranged between the rotating tool 4 and the fixed tool 5 of the welding gun 1 so that the workpiece W is positioned on the welding axis X. Then, the tip of the fixed tool 5 is brought into contact with the lower surface of the workpiece W.
[0039]
  Thereafter, as will be described later, the workpiece W is bonded by the bonding gun 1, and after the bonding of the workpiece W at the bonding position is completed, the bonding gun 1 is moved to the next bonding position by the robot 2. In this way, the workpieces W are sequentially joined at predetermined positions. When the workpiece W is joined, the arm 13 of the joining gun 1 bends, so that the tip position of the fixed tool 5 attached to the arm 13 is corrected under the control of the robot 2. For such position correction, conventionally used control logic may be applied (for example, control logic performed during resistance welding using a welding gun).
[0040]
  Next, a procedure for joining the workpiece W by the joining gun 1 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4 shows a state in which the workpieces W are joined by the joining tool 6 shown in FIG. 3, and the same reference numerals are given to the same members.
[0041]
  First, as shown in FIG. 4A, the rotary tool 4 is rotated around the welding axis X by the rotary shaft motor 11 of the welding gun 1. Then, after the rotational speed of the rotary tool 4 reaches the target rotational speed, the rotary tool 4 is lowered by the pressing shaft motor 12 until it contacts the surface of the workpiece W while rotating the rotary tool 4. Accordingly, the work W is sandwiched between the rotating tool 4 and the fixed tool 5, and the work W is pressed in the joining axis X direction (downward in FIG. 4). Thus, the pin 43 of the rotary tool 4 is press-fitted into the workpiece W.
[0042]
  Here, when the rotary tool 4 is pressed against the workpiece W, the workpiece W is pressed toward the fixed tool 5, so that the pin 53 provided at the tip of the fixed tool 5 is press-fitted into the workpiece W. become. As a result, even when the rotary tool 4 has not yet fully submerged in the workpiece W “when the rotary tool 4 starts to be press-fitted into the plate”, the workpiece W does not slip as the rotary tool 4 rotates. Can be. That is, since the pin 53 of the fixed tool 5 is bitten into the workpiece W, the rotation axis of the rotary tool 4 can be prevented from shifting, and therefore the rotary tool 4 is rotated in a more stable state. Can do. As a result, the workpiece W and the rotary tool 4 can be prevented from being damaged, and the frictional heat between the rotary tool 4 and the workpiece W can be sufficiently generated, thereby reducing variations in bonding strength. can do.
[0043]
  Next, the rotary tool 4 is further pressed against the workpiece W while being rotated. As a result, the pin 43 of the rotary tool 4 cuts the workpiece W and generates heat, and after the pin 43 sinks into the workpiece W, the tip surface 42 of the rotary tool 4 and the surface of the workpiece W Friction heat generates frictional heat.
[0044]
  At this time, since the fixing tool 5 is in a state where the pin 53 has digged into the lower surface of the workpiece W, the contact area between the fixing tool 5 and the workpiece W is smaller than that without the pin 53, and the fixing tool 5 The amount of heat dissipated through the heat exchanger is also reduced. As a result, since the vicinity of the joining position of the workpiece W is softened relatively early, the pin 43 of the rotary tool 4 can sink more quickly in the softened workpiece W.
[0045]
  Further, the frictional heat generated by the rotation of the rotary tool 4 is transmitted from the plate material W1 to W2 of the workpiece W, and the plate material W2 is also softened. Therefore, the pin 53 of the fixed tool 5 is connected to the workpiece W of the rotary tool 4. The softened plate material W2 is pressed into the workpiece W in accordance with the pressing force to the rotary tool 4 side.
[0046]
  Then, as shown in FIG. 4B, the rotation tool 4 is continuously rotated and pressed in a state where the pin 43 of the rotary tool 4 and the pin 53 of the fixed tool are press-fitted into the workpiece W. Thereby, the material in the said workpiece | work W is stirred and a plastic flow is produced.
[0047]
  As described above, since the pin 53 of the fixed tool 5 pushes the softened material of the workpiece W toward the rotary tool 4, the rotation tool 4 causes plastic flow of the material. The pin 43 of the rotary tool 4 is not submerged deeply into the work W, that is, as shown in FIG. 4C, the tip surface 42 of the rotary tool 4 is not submerged deeply into the work. 43 makes it possible to sufficiently stir the material at the joining location.
[0048]
  Then, by continuing the rotation and pressing of the rotary tool 4, the plastic flow range in the workpiece W (the range indicated by the dots in the figure) is expanded.
[0049]
  At this time, the tip of the rotary tool 4 sinks to the vicinity of the boundary S1 of the plate material of the workpiece W, and a plastic flow is generated in the material so that the boundary interface is twisted large or densely in the vertical direction. . The tip surface 42 of the rotary tool 4 is in contact with the surface of the workpiece W, and the contact area between the tip surface 42 and the surface of the workpiece W is larger than the contact area between the pin 43 and the workpiece W. Therefore, the calorific value increases from the initial stage of joining, and the plastic flow range in the workpiece W can be expanded in a short time.
[0050]
  On the other hand, after the pin 53 of the fixed tool 5 sinks into the work W due to the pressing force of the rotating tool 4 to the work W as described above, The workpiece W is supported. Therefore, the contact surface between the distal end surface 52 of the fixed tool 5 and the workpiece W is substantially the same as the shape and area of the contact surface of the rotating tool 4 with respect to the workpiece W (the distal end surface 42 of the rotating tool 4). That is, since the pressing force of the rotating tool 4 to the workpiece W is received by the distal end surface 52 of the fixed tool 5, deformation of the workpiece W to the fixed tool side 5 can be suppressed. In this embodiment, the fixed tool 5 is fixed. However, even when the fixed tool 5 is pressed against the work W in the direction of the joining axis X, the work of the rotating tool 4 and the fixed tool 5 as described above. By making the contact surface with W substantially equal, deformation of the workpiece W toward the rotating tool 4 can be suppressed.
[0051]
  Thus, after the plastic flow in the workpiece W is continued for a predetermined time, the rotary tool 4 is raised by the pressing shaft motor 12 while the rotary tool 4 is rotated, and the rotary tool 4 is moved from the workpiece W. Pull out. At this time, the fixing tool 5 is also pulled out from the work W.
[0052]
  Thereafter, the workpiece W is rapidly cooled and hardened, and the joining of the workpieces W is completed.
[0053]
  As described above, according to the joining method according to the first embodiment, the pin 53 is provided so as to protrude from the distal end surface 52 of the fixed tool 5 that is fixed, and the workpiece W is pressed while rotating the rotary tool 4. The workpiece W softened by frictional heat generated by the rotation of the rotary tool 4 can be pushed into the rotary tool 4 side by the pin 53. Accordingly, the rotary tool 4 is not deeply submerged in the work W, that is, the tip surface 42 of the rotary tool 4 is not deeply submerged in the work W. Sufficient plastic flow can be generated in the vicinity of the overlapping surface S1 of W1 and W2. Therefore, since it is possible to prevent a reduction in the thickness of the joint portion due to the press-fitting of the distal end surface 42 of the rotary tool 4 into the workpiece W (plate material W1), it is possible to overlap without reducing the strength of the plate material itself. Sufficient bonding strength can be obtained in the vicinity of the surface S1.
[0054]
  Further, since the softened material is pushed into the rotating tool 4 side by the fixed tool 5, the softened material can be moved closer to the rotating tool 4, and the rotating tool 4 can efficiently generate plastic flow. be able to. As a result, the bonding time can be shortened.
[0055]
  In addition, the shape of the pin 53 of the fixed tool 5 is not limited to that having a cross-section that is substantially the same in shape and area as the cylindrical pin 43 of the rotating tool 4. Below, the example at the time of applying another shape to the pin 53 is demonstrated.
[0056]
  FIG. 5 shows a case where the pin 53 has a cylindrical shape with a cross-sectional size different from that of the pin 43 of the rotary tool 4. FIG. 5A shows a case where the pin 53 is larger than the pin 43 of the rotary tool 4. In this case, since the area into which the material is pushed into the rotating tool 4 is increased, a wider range of materials can be stirred by the rotating tool 4. That is, since bonding can be performed in a wider range, the bonding strength of the workpiece W can be improved. In this pin shape, when the same force as that of the pin shape of FIG. 3 is applied to the pin 53, the pressure at the tip of the pin 53 becomes smaller than that of FIG. It is effective when the side plate W2 is a thin plate and a soft material.
[0057]
  FIG. 5B shows a case where the cross section of the pin 53 of the fixed tool 5 is smaller than the pin 43 of the rotary tool 4. In this pin shape, when the same force as the pin shape in FIG. 3 is applied, the pressure at the tip of the pin 53 against the workpiece W increases, so that the pin 53 is easily press-fitted into the workpiece W. The pushing speed with respect to the workpiece W can be increased. As a result, the material can be pushed into the rotating tool 4 side faster, so that the joining can be performed in a short time. In this pin shape, since the pressure at the tip of the pin can be increased, it is effective to use it when the plate material W2 on the fixed tool 5 side of the workpiece W is a hard material.
[0058]
  Next, in order to further improve the turning stability of the rotary tool 4, the case where the pin 53 of the fixed tool 5 has a shape other than the columnar shape is shown in FIG. FIG. 6A shows a case where the pin 53 is hemispherical, and in this pin shape, the tip is more easily pushed into the workpiece W than in the case of a flat columnar shape. The turning stability of the rotary tool 4 can be further improved. Further, by making the hemispherical shape easy to be pushed into the workpiece W, the pushing speed with respect to the workpiece W can be increased.
[0059]
  FIG. 6B shows a case where the pin 53 has a conical shape, and in this shape, the pin 53 is more easily pushed into the workpiece W than the above-described hemispherical case (FIG. 6A). Therefore, the turning stability of the rotary tool 4 can be further improved, and the pushing speed with respect to the workpiece W can be further improved.
[0060]
  Of the pin shapes as described above, the shape to be used for the pin 53 is determined in consideration of conditions such as the thickness and material of the plate material of the workpiece W, the required bonding time and bonding strength.
[0061]
  (Embodiment 2)
  FIG. 7 shows a joining procedure according to Embodiment 2 of the present invention. The joining tool 6 of Embodiment 2 has the same configuration as that of Embodiment 1 (see FIG. 4), and the work to be joined is only partially different. Therefore, hereinafter, the same portions are denoted by the same reference numerals, and only different portions will be described. That is, in the second embodiment, a procedure for joining the workpiece W in which three plate members W10, W11, W12 are stacked in the thickness direction and a through hole is provided in the intermediate plate W11 will be described.
[0062]
  The workpiece W has a structure in which a relatively thick plate W11 is sandwiched between relatively thin plates W10 and W12 as shown in FIG. A through hole H10 is provided. The through hole H10 has a larger cross section than the pin 43 of the rotary tool 4 described above.
[0063]
  The procedure for joining the workpieces W with the joining tool 6 will be described below.
[0064]
  First, when the rotary tool 4 is pressed against the workpiece W while rotating, friction is generated between the rotary tool 4 and the surface of the workpiece W, and the thin plate W10 is softened by the frictional heat. Further, by pressing the rotary tool 4 against the workpiece W, as shown in FIG. 7B, a part of the softened thin plate W10 is placed in the through hole H10 of the thick plate W11 by the pin 43 of the rotary tool 4. Is pushed into.
[0065]
  On the other hand, the frictional heat generated by the rotation of the rotary tool 4 is transmitted not only to the thin plate W10 on the rotary tool 4 side but also to the thin plate W12 on the fixed tool 5 side through the thick plate W11, and the thin plate W12 is also softened. . In this state, since the workpiece W is pushed toward the fixed tool 5 as the rotating tool 4 is pressed against the workpiece W, the fixed tool 5 pushes the thin plate W12 of the workpiece W into the through hole H10. .
[0066]
  The rotating tool 4 is pressed into the through-hole H10 of the workpiece W while rotating, thereby agitating the material pushed into the through-hole H10 and generating a plastic flow. Further, in a state where the pin 43 of the rotary tool 4 is inserted into the through hole H10, the tip surface 42 of the rotary tool 4 generates friction with the surface of the workpiece W. Soften the material around H10. This softened material is also pushed into the through hole H10 by the tip surface 42 and the pin 43 of the rotary tool 4 and is stirred by the rotation of the rotary tool 4. As a result, as shown in FIG. 7C, the plastic flow of the material can be generated in and around the through hole H10. Therefore, the plastic flow of the material also on the overlapping surfaces S10 and S11 in the vicinity of the through hole H10. Can be generated.
[0067]
  In this way, it is possible to spot-join the workpiece W made of three plate materials, ie, the thick plate W11 and the thin plates W10 and W12.
[0068]
  In the joining method according to the second embodiment, a pin 53 is provided at the tip of the fixed tool 5 and a through hole H10 is provided in the work W, and the material softened by frictional heat generated by the rotation of the rotary tool 4 is used for the rotary tool 4 and the fixed tool. 5 is pushed into the through-hole H10, so that a sufficient plastic flow can be generated in the vicinity of the overlapping surfaces S10 and S11 of the plate members in the through-hole H10, and even a work made of three plate members is sufficient. Bonding strength can be obtained. Further, since the plastic flow can be generated without causing the rotary tool 4 to sink deeply into the work W, the thickness of the plate material due to the distal end surface 42 of the rotary tool 4 being deeply press-fitted into the work W can be increased. Reduction can be prevented, and strength reduction of the plate material itself can be prevented.
[0069]
  And by providing the said through-hole H10, while being able to sink the rotary tool 4 in the workpiece | work W earlier, pushing the softened material in the through-hole H10, the periphery of the workpiece | work W of the rotary tool 4 is provided. Since the material can be collected, the plastic flow by the rotating tool 4 can be performed more quickly and efficiently, and the joining time can be greatly shortened.
[0070]
  Similarly to the first embodiment, when the pin 53 of the fixed tool 5 is press-fitted into the work W, the work W can be supported by the front end surface 52 of the fixed tool 5. The contact surface between the workpiece W and the workpiece W is substantially the same in shape and area as the contact surface between the tip surface 42 of the rotary tool 4 and the workpiece W, so that the workpiece W is not bent toward the fixed tool 5 side. Can do.
[0071]
  Furthermore, by providing the workpiece W with the through hole H10, when the rotary tool 4 starts to be press-fitted into the workpiece W, the pin 53 of the fixed tool 5 easily bites into the workpiece W to stabilize the rotation axis of the rotary tool 4. Can be made.
[0072]
  (Embodiment 3)
  FIG. 8 shows a joining procedure according to Embodiment 3 of the present invention. The joining tool 6 of Embodiment 3 has the same configuration as that of Embodiments 1 and 2 (see FIGS. 4 and 7), and is joined. Since the work is only partially different, the same parts are denoted by the same reference numerals and only the different parts will be described below. That is, in the third embodiment, a procedure for joining the workpieces W in which three plate members W20, W21, W22 are stacked in the thickness direction and through holes are provided in the plate members W20, W21 disposed on the rotating tool 4 side will be described. To do.
[0073]
  As shown in FIG. 8A, the workpiece W is stacked in the thickness direction in the order of a relatively thick plate W20 and relatively thin plates W21 and W22 from the rotary tool 4 side, and the thick plate W20 and the thin plate W21 are overlapped with each other. Are provided with through holes H20 and H21 along the joining axis X. Although these through holes H20 and H21 have a larger cross section than the pin 43 of the rotary tool 4 described above, the diameters of the through holes H20 and H21 are related to the sinking amount of the rotary tool 4. For this reason, the hole diameters are determined in consideration of the thickness and material of each plate material of the workpiece W.
[0074]
  The procedure for joining the workpieces W with the joining tool 6 will be described below.
[0075]
  First, when the rotary tool 4 is pressed against the workpiece W while rotating, the pins 43 of the rotary tool 4 are inserted into the through holes H20 and H21, and the tip surface 42 of the rotary tool 4 and the surface of the workpiece W are aligned. Friction occurs between them, and the thick plate W20 around the through holes H20 and H21 is softened by the frictional heat. Further, by pressing the rotary tool 4 against the workpiece W, as shown in FIG. 8B, a part of the softened thick plate W20 is pushed into the through holes H20 and H21 by the tip surface 42 of the rotary tool 4. It is.
[0076]
  On the other hand, the frictional heat generated between the tip surface 42 of the rotary tool 4 and the workpiece W is transmitted not only to the thick plate W20 on the rotary tool 4 side but also to the thin plate W22 on the fixed tool 5 side through the thin plate W21. Then, the thin plate W22 is also softened. In this state, by pressing the rotary tool 4 against the workpiece W, the workpiece W is pushed to the fixed tool 5 side, and the fixed tool 5 places a part of the thin plate W22 of the workpiece W into the through holes H20 and H21. Push in.
[0077]
  Then, the material pushed into the through holes H20 and H21 is stirred as shown in FIG. 8C by press-fitting into the through holes H20 and H21 of the workpiece W while rotating the rotary tool 4. Cause plastic flow. Thus, since plastic flow can be generated at the overlapping surfaces S20, S21 in the vicinity of the through holes H20, H21, the workpiece W composed of the three plate materials W20, W21, W22 can be joined.
[0078]
  In the joining method according to the third embodiment, through-holes H20 and H21 are provided in the two plate members W20 and W21 other than the fixed tool 5 side, and the softened plate material is moved through the through-holes H20 and H20 by the rotary tool 4 and the fixed tool 5. Since it is pushed into H21, a sufficient plastic flow can be generated in the vicinity of the overlapping surface of the plate materials in the through holes H20 and H21, and a sufficient joining strength can be obtained even with a work made of three plate materials. it can. Moreover, since the plastic flow can be generated without causing the rotary tool 4 to sink into the workpiece W more than necessary, it is possible to prevent a reduction in strength of the plate material itself due to a reduction in the thickness of the plate material.
[0079]
  Then, by providing the through holes H20, H21 in the two plate members W20, W21 other than the fixed tool 5 side, the rotary tool 4 can be submerged in the workpiece W faster than in the second embodiment. The plastic flow by the rotating tool 4 can be performed more quickly and efficiently, and the joining time can be greatly shortened.
[0080]
  Similarly to the first and second embodiments, when the pin 53 of the fixed tool 5 is press-fitted into the work W, the work W can be supported by the tip surface 52 of the fixed tool 5, It is possible to prevent the workpiece W from bending toward the fixed tool 5 side.
[0081]
  (Embodiment 4)
  FIG. 9 shows a joining procedure according to Embodiment 4 of the present invention. The joining tool 6 of Embodiment 4 has the same configuration as that of Embodiments 1 to 3 (see FIG. 4 etc.), and the work to be joined is shown in FIG. Since only a part is different, the same parts are denoted by the same reference numerals and only different parts will be described below. That is, in the fourth embodiment, a procedure for joining a workpiece W in which two plate members W30 and W31 are stacked in the thickness direction and a through hole is provided in the plate member W30 disposed on the rotating tool 4 side will be described.
[0082]
  As shown in FIG. 9A, the workpiece W is stacked in the thickness direction in the order of a relatively thick plate W30 and a relatively thin plate W31 from the rotary tool 4 side. A through-hole H30 is provided along. The through hole H30 has a larger cross section than the pin 43 of the rotary tool 4 described above.
[0083]
  The procedure for joining the workpieces W with the joining tool 6 will be described below.
[0084]
  First, when the rotary tool 4 is pressed against the workpiece W while rotating, the pin 43 of the rotary tool 4 is inserted into the through hole H30 and between the tip surface 42 of the rotary tool 4 and the surface of the workpiece W. Friction occurs, and the thick plate W30 around the through hole H30 is softened by the frictional heat. Further, by pressing the rotary tool 4 against the workpiece W, a part of the softened thick plate W30 is pushed into the through hole H30 by the tip end face 42 of the rotary tool 4, as shown in FIG. 9B.
[0085]
  On the other hand, the frictional heat generated by the rotation of the rotary tool 4 is transmitted not only to the thick plate W30 on the rotary tool 4 side but also to the thin plate W31 on the fixed tool 5 side, and the thin plate W31 is also softened. In this state, when the rotary tool 4 is pressed against the workpiece W, the workpiece W is pressed toward the fixed tool 5, and the fixed tool 5 pushes a part of the thin plate W31 of the workpiece W into the through hole H30. .
[0086]
  The rotating tool 4 is pressed into the through-hole H30 of the workpiece W while rotating. Therefore, as shown in FIG. 9C, the material pushed into the through-hole H30 is agitated to cause plastic flow. Cause it to occur. As a result, plastic flow is generated on the overlapping surface S30 in the vicinity of the through hole H30, so that the workpiece W composed of the two plate members W30 and W31 can be joined.
[0087]
  In the joining method according to the fourth embodiment, by providing the through hole H30 in the plate material W30 on the rotating tool 4 side, the rotating tool 4 can be submerged in the workpiece W faster than the case without the through hole H30. In addition, since the tip of the pin 43 of the rotary tool 4 comes into contact with the surface of the thin plate W31 in a relatively short time, the frictional heat generated by the friction between the tip of the pin 43 and the surface of the thin plate W31 is also possible. The thin plate W31 can be softened. Then, the softened material can be collected around the rotating tool 4 by pushing the softened plate material into the through hole H30 by the fixing tool 5. By these things, the plastic flow by this rotary tool 4 can be performed more quickly and efficiently, and joining time can be shortened significantly.
[0088]
  Furthermore, since the workpiece W is provided with the through hole H30 and the softened plate material is pushed into the through hole H30 by the rotary tool 4 and the fixed tool 5, the rotary tool 4 is not deeply submerged in the workpiece W. Sufficient plastic flow can be generated in the vicinity of the overlapping surface of the plate materials in the through hole H30. Accordingly, sufficient bonding strength can be obtained, and strength reduction of the plate material itself due to reduction in the thickness of the plate material can be prevented.
[0089]
  (Embodiment 5)
  The fifth embodiment is an embodiment in which the configuration of the joining apparatus is different from those of the first to fourth embodiments. Specifically, as shown in FIG. 10, in the joining apparatus B according to the fifth embodiment, a handling tool 7 that holds a workpiece W is provided on the wrist of the robot 2, and the joining gun 1 is the robot 2. It is attached to a stand 8 installed separately.
[0090]
  The robot 2 is connected to the control panel 3 by a harness 31 via a branch box 35. The joining gun 1 is connected to the branch box 35 and the control panel 3 by harnesses 32 and 36 via a relay box 34 connected to each other by a harness 33.
[0091]
  When the workpiece W is to be joined by the joining device B, the workpiece W is held by the handling tool 7, and the joining position of the held workpiece W is set by the robot 2 by the rotating tool 4 of the joining gun 1 and Position between the fixed tools 5. Then, the workpiece W as described above is bonded by the bonding gun 1.
[0092]
  (Embodiment 6)
  In the sixth embodiment shown in FIG. 11, a joining unit 8 including a rotary shaft motor 11, a pressing shaft motor 12, a rotary tool 4, and the like is applied to a stationary manual joining device C. In the joining device C, the fixing tool 5 is fixed to the lower mounting member 75, and the joining unit 8 is fixed to the upper mounting member 76 on the extension line of the axis X of the pin 53 of the fixing tool 5.
[0093]
  In this joining apparatus C, the position of the work is adjusted so that the work joining position is between the rotating tool 4 and the fixed tool 5, and the start switch 77 is pressed to join the work.
[0094]
  (Embodiment 7)
  Embodiment 7 shown in FIG. 12 shows a stationary automatic joining apparatus D using a plurality of joining units 8. In this joining apparatus D, a plurality of fixing tools 5 are provided on the lower mounting member 75 so that a plurality of locations can be joined simultaneously, and the upper mounting member 76 (not shown) is joined to the fixing tool 5. A unit 8 is attached.
[0095]
  In this joining device D, the plate materials W1 and W2 to be joined are set in a positioning unit (not shown) in the device by an operator, a robot or the like, and then the plate materials W1 and W2 are joined by the joining unit 8 and the fixed tool 5. Bonding is performed. In addition, a moving mechanism may be provided in the joining unit 8 fixed in the apparatus, and joining may be performed while moving each joining portion.
[0096]
  (Embodiment 8)
  The eighth embodiment shown in FIG. 13 is a manual type in which the joining gun 1 is suspended from a moving rail 78 via a balancer 79 and a suspension fitting 80. Since this joining gun 1 can be in any posture by the balancer 79 and the suspension fitting 80, the operator holds the joining gun 1 and puts it on the workpiece set in the positioning tool (not shown). On the other hand, the workpieces can be joined in a posture that facilitates work.
[0097]
  The joining gun 1 is provided with a start switch 81 for turning on / off the power of the joining device, and the joining gun 1 and the control panel 3 are connected by a control harness 82.
[0098]
  (Other embodiments)
  In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Other various embodiment is included. That is, in each of the above-described embodiments, a workpiece in which two or three plate materials are stacked is spot-bonded. However, the present invention is not limited to this, and for example, a workpiece in which four or more plate materials are stacked is bonded. May be.
[0099]
  In each of the above embodiments, the receiver is fixed. However, the present invention is not limited to this. For example, the receiver may be pressed against the workpiece in the joining axis X direction by a motor or the like.
[0100]
  Moreover, in the said Embodiment 2-4, although the through-holes H10, H20, H21, and H30 each provided in the workpiece | work W are made into a larger cross section than the pin 43 of the rotation tool 4, it is not restricted to this, The cross section may be the same or smaller.
[0101]
【The invention's effect】
  As described above, according to the friction spot welding method according to the first aspect of the present invention, a pin portion is provided at the tip of the fixed tool so as to face the pin portion of the rotary tool, and one of the plate materials softened by the pin portion. By pushing the part to the rotating tool side, the material can be sufficiently plastic flowed near the boundary of the plate material without pressing the rotary tool into the plate material deeply, without reducing the strength of the plate material itself. The bonding strength can be improved and the bonding time can be shortened. In addition, at the start of spot welding, the pin part of the fixed tool can be bitten into the plate material to stabilize the rotating shaft of the rotary tool, while the pin part of the fixed tool enters the joint part, the fixing By supporting the plate material with the tip surface of the tool, the plate material can be prevented from bending toward the fixed tool side.
[0102]
  According to the invention of claim 2, as in the invention of claim 1, the pin portion is provided on the tip surface of the fixed tool, and the through hole is provided in at least one plate material other than the plate material on the fixed tool side. The invention of claim 1, even when a plurality of three or more plate members or a thick plate member are joined by pushing the softened material into the through-holes by the pin portions of the rotary tool and the fixed tool, respectively. Similar effects can be obtained, and the bonding time can be greatly shortened.
[0103]
  According to the third aspect of the present invention, the plurality of plate members are sandwiched between the two tool tip surfaces having substantially the same shape and area, so that the plate members can be prevented from bending to any of the tools..
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a bonding apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a bonding gun.
FIG. 3 is a view showing a tip portion of a joining tool.
4 is a diagram showing a state of workpiece joining by the joining tool of FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a pin shape of a fixed tool having a cross-section and a size different from those of the pin of the rotary tool.
FIG. 6 is a diagram showing a pin shape of a fixing tool other than a columnar shape.
FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 4 according to the second embodiment.
FIG. 8 is a view corresponding to FIG. 4 according to the third embodiment.
FIG. 9 is a view corresponding to FIG. 4 according to the fourth embodiment.
FIG. 10 is a view corresponding to FIG. 1 according to the fifth embodiment.
FIG. 11 is a view corresponding to FIG. 1 according to the sixth embodiment.
FIG. 12 is a view corresponding to FIG. 1 according to the seventh embodiment.
FIG. 13 is a view corresponding to FIG. 1 according to an eighth embodiment.
[Explanation of symbols]
A Friction spot welding device
4 Rotating tool
5 Fixing tool
42 Tip surface (tip surface) of rotating tool
43 Pin of rotating tool (pin part)
52 Tip surface (tip surface) of fixed tool
53 Pin of fixed tool (pin part)
X Joining axis (axis)
W Workpiece (Multiple plates stacked)
H10, H20, H21, H30 Through hole

Claims

Using a rotary tool having a pin portion protruding from the tip surface along the axis, and a fixed tool arranged so that the tip surface and the rotary tool face each other, the joint portions of a plurality of stacked plate members are While being sandwiched between a rotating tool and a fixed tool, while pressing the rotating tool, it is pressed in the direction of the axis, and the pin portion is press-fitted into the joining portion of the plate material, thereby causing plastic flow of the material at the joining portion. In the friction spot welding method for spot welding,
A pin portion is provided on the tip surface of the fixing tool so as to protrude along the axis,
By pressing the pin portion of the rotating tool against the joint portion of the plate material, the pin portion of the fixed tool is bitten into the plate material on the fixed tool side from the opposite side,
In a state where the joint portion is softened by the rotation of the rotary tool, a part of the plate material is pushed to the rotary tool side by a pin portion of the fixed tool by pressing the rotary tool. A friction spot joining method, wherein a pin portion is inserted to support a plate material by a tip surface of the fixed tool.

Using a rotary tool having a pin portion protruding from the tip surface along the axis, and a fixed tool arranged so that the tip surface and the rotary tool face each other, the joint portions of a plurality of stacked plate members are While being sandwiched between a rotating tool and a fixed tool, while pressing the rotating tool, it is pressed in the direction of the axis, and the pin portion is press-fitted into the joining portion of the plate material, thereby causing plastic flow of the material at the joining portion. In the friction spot welding method for spot welding,
Among the plurality of plate members, at least one plate member other than the plate member disposed on the fixed tool side is formed with a through-hole penetrating the joint portion,
A pin portion is provided on the tip surface of the fixing tool so as to protrude along the axis,
By pressing the rotating tool against the joining portion of the plate material, the pin portion of the fixed tool is in a state of biting into the plate material on the fixed tool side from the opposite side,
In a state where the joint portion is softened by rotation of the rotary tool, the pin portion of the fixed tool is caused to enter the joint portion by pressing the rotary tool, and a part of the plate material on the fixed tool side is inserted into the through hole. A friction spot welding method, wherein the plate material is supported by the front end surface of the fixed tool while being pushed into the plate.

In the friction spot joining method according to claim 1 or 2,
A friction spot welding method, wherein the tip surface of the fixed tool has substantially the same shape and area as the tip surface of the rotary tool .