JP4453506B2 - 摩擦点接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の金属部材の点接合に適用し得る摩擦点接合方法に関する。

近年、例えば自動車等の車体構成部材に関して、車体の軽量化の要請に応える一環としてアルミニウム材の使用割合が高まっている。アルミニウム材などの低融点の材料を接合する場合には、スポット溶接等の接合に比して消費エネルギーが低い摩擦点接合が有用であることが知られている。

従来、２枚の金属板材を点接合する方法として、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム（Ｍｇ）或いはその合金等の軽金属を対象に、重ね合わせた２枚の金属板材の一方側からピン部を有する回転ツールを回転させながら押し込み、この回転ツールの押し込みによって発生した摩擦熱で金属板材を軟化せしめ塑性流動させることにより、両金属板材どうしを接合する摩擦点接合方法が知られている。

このような摩擦点接合に関して、例えば特許文献１では、アルミニウム板と鋼板とを重ねた状態で接合するに際して接合強度を向上させるために、鋼板に予め貫通孔を設け、摩擦点接合により接合する方法が提案されている。
特開２００４−１４８３２０号公報

ところが、例えば自動車の車体やドアなどのインナパネルとアウタパネルとの間にレインフォースメントを挿入して接合する場合など、３枚の金属製の板状部材を摩擦点接合により接合する場合には、回転ツールを押し込む際に回転ツールの加圧力が大きくなるため、発生する摩擦熱の発熱量が増加し、上記板状部材の接合部周りの熱歪み変形が大きくなるという問題がある。

本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、３枚の金属製の板状部材を摩擦点接合により接合する際に、接合強度を確保するとともに、摩擦熱の発熱量を抑制し、上記板状部材の接合部周りの熱歪み変形を抑制することができる摩擦点接合方法を提供することを目的とする。

このため、本願の請求項１に係る発明方法は、３枚の金属製の板状部材をそれらの各接合部で共に重ね合わせ、先端にピン部を有する回転ツールを回転させながら前記回転ツールの先端部を前記板状部材の一方向側から押し込み、この回転ツールの押し込みによって発生した摩擦熱で前記板状部材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記３枚の金属製の板状部材を接合する摩擦点接合方法において、先端にあるピン部と該ピン部よりも外径寸法が大きいショルダ部とを備えた回転ツールと、前記回転ツールに対向して配置され、受け面に突部を備えた受け具と、を用意するステップと、接合部に貫通孔が設けられた第１板状部材を用意するステップと、前記第１板状部材を中間にして第２及び第３板状部材を重ね合わせるステップと、前記第３板状部材を前記受け具で受けるステップと、前記ピン部及びショルダ部を有する回転ツールを回転させながら前記第２板状部材側から押し込み、前記ピン部を前記貫通孔に挿入するステップとを備え、前記ピン部の押し込みにより発生した摩擦熱で前記第２板状部材を軟化せしめて前記貫通孔内に塑性流動させて充填し、前記第２板状部材と前記第３板状部材とを接合するとともに、前記受け具の突部で前記第３及び第１板状部材の前記貫通孔の周りに位置する部分を前記第２板状部材側に盛り上げることにより、前記３枚の板状部材を共に接合することを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明方法は、請求項１に係る発明方法において、前記受け具の突部が前記貫通孔の周りに対応した位置に形成される環状の突部であり、前記回転ツールのショルダ部が前記突部に対応した環状の溝部を有することを特徴としたものである。

更に、本願の請求項３に係る発明方法は、請求項１又は２に係る発明方法において、前記３枚の板状部材が共に同種の材料であることを特徴としたものである。

本願の請求項１の発明方法によれば、３枚の金属製の板状部材を摩擦点接合する際に、３枚重ねに重ね合わせられた板状部材の中間に位置する第１板状部材の接合部分に貫通孔が設けられており、回転ツールを回転させながら第２板状部材側から押し込み、ピン部を前記貫通孔に挿入し、ピン部の押し込みにより発生した摩擦熱で前記第２板状部材を軟化せしめて前記貫通孔内に塑性流動させて充填するので、回転ツールを押し込む際の加圧力を低減することができ、３枚重ねの上記板状部材の接合部及びその近傍での摩擦熱の発熱量を低減することができる。そして、前記第２板状部材と前記第３板状部材とを接合するとともに、前記受け具の突部で前記第３及び第１板状部材の前記貫通孔の周りに位置する部分を前記第２板状部材側に盛り上げることによって前記３枚の板状部材を共に接合するので、接合強度を確保しつつ、上記板状部材の接合部及びその近傍での熱歪み変形を抑制することができる。

また、本願の請求項２の発明方法によれば、上記請求項１と同様の効果を得ることができる。特に、上記受け具の突部が上記貫通孔の周りに対応した位置に環状に形成され、上記回転ツールのショルダ部に上記突部に対応した環状の溝部が形成されているので、受け具の突部とショルダ部の溝部との間への板状部材の塑性流動に基づくかしめ効果の発現により、接合強度の向上を図ることができる。

また、本願の請求項３の発明方法によれば、３つの板状部材が共に同種の材料である場合において、上記請求項１又は２と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る接合装置の構成を概略的に示している。この接合装置は、例えばインナパネルとアウタパネルの間に補強部材を挿入して接合する場合など３枚の金属製の板状部材を接合するために用いられる。上記接合装置は、接合ガン１と、該接合ガン１をその手首に支持しているロボット２と、それらを制御する制御盤３と、を備えている。

上記ロボット２としては、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットが用いられる。このロボット２は、重ね合わせられた板状部材の接合部に接合ガン１を位置付ける機能を有する。

図２は、上記接合ガン１の構成を概略的に示している。図に示されるように、接合用工具６は、回転ツール４と、受け具５とを備えている。回転ツール４は、接合軸Ｘ上に配設されており、この回転ツール４は、加圧軸モータ１２により加圧のために上記接合軸Ｘに沿って昇降動される。また、上記回転ツール４は、回転軸モータ１１により接合軸Ｘを中心に回転可能である。上記回転軸モータ１１としては、例えばインダクションモータ又はサーボモータなどを使用することができる。上記加圧軸モータ１２としては、サーボモータを用いることができる。受け具５は、上記回転ツール４に対向して配置されており、上記受け具５は、アーム１３の先端に受け具５を取り付けることにより保持されている。なお、回転ツール４及び受け具５は、接合ガン１に対して着脱可能に取り付けられている。

また、上記制御盤３は、図１に示されるように、上記ロボット２にハーネス３１を介して接続されると共に、上記接合ガン１に、ハーネス３３、中継ボックス３４、ハーネス３２を介して接続されている。この制御盤３は、ロボット２の６軸と、接合ガン１における回転軸モータ１１及び加圧軸モータ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。

以下に、本発明方法について具体的にその接合工程を説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る接合用工具を模式的に示した説明図である。図に示されるように、上記回転ツール４は、ピン部４ａとショルダ部４ｂとを備えている。上記ピン部４ａは略円柱形状に形成されており、その先端部は略平面に形成されている。上記ショルダ部４ｂもまた、略円柱形状に形成されており、その直径は上記ピン部の直径より大きい直径を有している。図３に示されているように、上記ショルダ部４ｂには環状の凹部４ｃが形成されている。
一方、上記回転ツール４に対向して配置された受け具５には、図に示されるような環状の突部５ａが設けられている。

このような接合用工具を用いて３つの金属製の板状部材を接合する場合には、先ず、接合される３つの板状部材が重ね合わせられる。３つの板状部材を接合する際に、重ね合わせた板状部材の真ん中に位置する板状部材を第１板状部材Ｗ１とする。上記第１板状部材Ｗ１にはその接合部に貫通孔７が形成されている。上記第１板状部材Ｗ１に対して回転ツール４側に配置される板状部材を第２板状部材Ｗ２とし、上記第１板状部材Ｗ１に対して上記受け具５側に配置される板状部材を第３板状部材Ｗ３とする。

図３に示されるように、３つの板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３が上記のようにして重ね合わせられ、上記回転ツール４と上記受け具５とがそれらの接合部を間に挟んだ位置に位置付けられる。この状態で上記回転ツール４が、上記回転軸モータ１１により回転軸を中心として回転される。更に、上記回転ツール４及び上記受け具５は共に、加圧軸モータ１２により加圧されて上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３側に動かされる。

図４は、上記回転ツール４及び上記受け具５が加圧されて移動した状態を示した説明図である。この図に示されるように、上記回転ツール４がピン部４ａにおいて上記第２板状部材Ｗ２に当接し、上記受け具５が突部５ａにおいて上記第３板状部材Ｗ３に当接している。更に、上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を受け具５で受けた状態で、回転する上記回転ツール４が上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に対して（具体的には、第２板状部材Ｗ２に対して）加圧され押し込まれる。

このように、回転する回転ツール４が上記第２板状部材Ｗ２に押し込まれることにより、上記回転ツール４のピン部４ａと上記第２板状部材Ｗ２との間に発生する摩擦熱により、上記第２板状部材Ｗ２の接合部及びその近傍が軟化される。

第２板状部材Ｗ２の軟化した部分は、上記回転ツール４の加圧力を付与されて塑性流動させられ、第１板状部材Ｗ１に形成された貫通孔７内に押し込まれる。上記貫通孔７を設けることにより、上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の接合における回転ツール４の加圧力を低減させることができる。

このようにして上記貫通孔７が上記第２板状部材Ｗ２の材料で充填され、上記第１板状部材Ｗ１と上記第３板状部材Ｗ３とが接合される。その状態を図５に示す。この図に示されるように、上記回転ツール４が加圧されることにより上記第２板状部材Ｗ２内に押し込まれることにより、上記回転ツール４のショルダ部４ｂも上記第２板状部材Ｗ２内に押し込まれる。それにより、上記ショルダ部４ｂの外方に上記第２板状部材Ｗ２の材料の一部がばりとして押し出されている。

更に、上記回転ツール４の回転により発生する摩擦熱により、上記貫通孔７の周りに位置する上記３つの板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３が摩擦熱で軟化させられて塑性流動させられる。本実施形態では、上記受け具５に突部５ａが形成されているので、上記突部５ａ近傍に位置する上記第３板状部材Ｗ３の材料を上記回転ツール４の方へ盛り上げる。その盛り上げに伴い、上記第１板状部材Ｗ１及び第２板状部材Ｗ２の対応する部分も上記回転ツール４側に盛り上げられる。

上記回転ツール４には、上記受け具５の突部５ａに対応した部位に環状の溝部４ｃが形成されているので、この溝部４ｃと上記突部５ａとの間への塑性流動により、上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に対してかしめ作用を行うことができる。このようにして、上記３つの板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３がより強固に接合される。

このようにして上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３が共に接合された後、上記回転ツール４及び受け具５が上記第２板状部材Ｗ２及び上記第３板状部材Ｗ３から離される。その状態を図６に示す。

図７は、図６の接合部を拡大して示した拡大断面図である。この図に示されるように、回転ツール４の回転に伴って生じる摩擦熱が特に影響する領域では、上記板状部材が軟化され塑性流動により固相状態で接合されている。この固相接合の領域が、破線曲線Ｋ１にて示されている。回転ツール４のピン部４ａの先端部近傍では、上記第２板状部材Ｗ２と上記第３板状部材Ｗ３が接合されている。

また、図７において実線曲線Ｌ１，Ｌ２で示される領域では、上記受け具５の突部５ａと上記回転ツール４の溝部４ｃによりかしめ効果を発現させることができる。この領域Ｌ１，Ｌ２では、かしめ作用により上記第１板状部材Ｗ１と上記第２板状部材Ｗ２を、また、上記第１板状部材Ｗ２と上記第３板状部材Ｗ３を接合することができる。

図７では、接合部における固相接合による接合領域が破線曲線Ｋ１で示されており、かしめ作用による接合領域が実線曲線Ｌ１，Ｌ２で示されているが、その両方により囲まれる領域では、固相接合とかしめ作用による接合の両方により接合されている。

以上のように、３つの金属製の板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を重ね合わせ、回転ツール４を上記第２板状部材Ｗ２に当接させて回転させるとともに、加圧させることにより上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を接合する際に、重ね合わせられた上記板状部材のまん中に位置する第１板状部材Ｗ１に貫通孔７が設けられるので、回転ツール４の加圧力を低減させることができるとともに、回転ツール４と上記第１板状部材Ｗ１との間に発生する摩擦熱を低減することができ、接合後の上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の熱ひずみによる変形を抑制することができる。

本実施形態では、上記回転ツール４のピン部４ａは、上記第１板状部材Ｗ１に形成された貫通孔７より小さく形成されている。また、上記突部５ａは上記貫通孔７の周りに対応した位置に環状に形成されており、上記ショルダ部４ｂに形成される溝部４ｃは、上記突部５ａに対応した大きさで環状に形成されている。従って、上記板状部材Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の接合部においてそれらの塑性流動が促進され、その接合強度を有効に高めることができる。

本実施形態では、板状部材としてアルミニウム板が使用されており、この場合には、表面に強硬な酸化膜を形成しているが、この摩擦に伴う摩擦熱と回転に伴う移動により、酸化膜が破壊された状態で板状部材が接合され得るので、必要な接合強度を確保することができる。

また、３つの金属製の板状部材が共に同種の材料であるので、上記板状部材の塑性流動が促進され、その接合強度を確保するとともに、熱ひずみによる変形を抑制することができる。

このような接合は、例えば０．７〜１．５秒など非常に短時間で行うことができる。この場合において、接合品質を良好に確保するためには、各構成部品の形状や寸法を適切に設定することが必要である。かしめ効果を好適に得るためには、上記受け具５の突部５ａは、第３板状部材Ｗ３の板厚に対して、厚すぎることも薄すぎることもなく、板厚の３０％〜８０％の高さに設定することが好ましい。

また、上記回転ツール４のピン部４ａは、摩擦熱を効果的に利用して接合するために小さいことが好ましく、例えば２〜５ｍｍの直径を有するものを使用した。貫通孔７は、上記ピン部４ａが上記第１板状部材Ｗ１を効果的に押し込むために、上記ピン部４ａの直径より１〜２ｍｍ程度大きい直径を有するものを使用した。
なお、本実施形態では、例えば、加圧力としては１．４７ｋＮ〜４．９ｋＮを使用し、回転数としては１５００〜３０００ｒｐｍを用いた。

本発明の実施形態に係るもう１つの接合用工具が、模式的に図８に示されている。図８に示される回転ツール１４には、そのショルダ部１４ｂに上記実施形態のような溝部が形成されていない。この回転ツール１４に溝部が形成されていないことを除けば、前述の実施形態と同様である。

この実施形態では、図８に示されるように、貫通孔１７が設けられた第１板状部材Ｗ１１に、上記第１板状部材Ｗ１１に対して回転ツール１４側に第２板状部材Ｗ１２を、上記第１板状部材Ｗ１１に対して上記第２板状部材Ｗ１２と反対の側に第３板状部材Ｗ１３が共に重ね合わせられる。

３つの板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３を重ね合わせ、図８に示されるように、それらの接合部に上記回転ツール１４と上記受け具１５とが位置付けられる。この状態で上記回転ツール１４が、接合軸を中心として回転され、上記回転ツール１４及び上記受け具１５は共に加圧されて上記板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３側に移動させられる。

上記回転ツール１４がピン部１４ａにおいて上記第２板状部材Ｗ１２に当接し、上記受け具１５が突部１５ａにおいて上記第３板状部材Ｗ１３に当接する。当接した状態において、上記回転ツール１４は回転され、上記回転ツール１４及び上記受け具１５は共に上記板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３に対して加圧される。

このように、上記回転ツール１４が上記第２板状部材Ｗ１２に当接した状態で回転されるので、上記回転ツール１４のピン部１４ａと上記第２板状部材Ｗ１２との間に摩擦熱が発生し、上記第２板状部材Ｗ１２が軟化される。
この軟化した上記第２板状部材Ｗ１２は、上記回転ツール１４の加圧力を受けて塑性流動させられ、第１板状部材Ｗ１１に形成された貫通孔１７内に押し込まれる。

このようにして上記貫通孔１７が上記第２板状部材Ｗ１２で充填され、上記第１板状部材Ｗ１１と上記第３板状部材Ｗ１３とが接合される。その状態を図９に示す。この図に示されるように、上記回転ツール１４が加圧されることにより上記第２板状部材Ｗ１２内に押し込まれ、上記回転ツール１４のショルダ部１４ｂもまた上記第１板状部材Ｗ１１内に押し込まれる。

更に、上記回転ツール１４の回転により発生する摩擦熱により、上記貫通孔１７の周りに位置する上記３つの板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３が摩擦熱で軟化させられて塑性流動させられる。上記受け具１５に突部１５ａが形成されているので、上記突部１５ａ近傍に位置する上記第３板状部材Ｗ１３を上記回転ツール１４の方へ盛り上げ、更に上記第１板状部材Ｗ１１及び第２板状部材Ｗ１２が上記回転ツール１４側に盛り上げられる。
上記突部１５ａと上記ショルダ部１４ｂにより上記板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３に対してかしめ作用を行うことができる。このようにして、上記３つの板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３が共に接合される。

このようにして上記板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３が共に接合された後、上記回転ツール１４及び受け具１５が上記第２板状部材Ｗ１２及び上記第３板状部材Ｗ１３から離される。
図１０には、接合後における上記板状部材の接合部が示されている。この図に示されるように、回転ツール１４の回転に伴って生じる摩擦熱が特に影響する領域では、上記板状部材が軟化され塑性流動により固相状態で接合されている。この固相接合の領域が、破線曲線Ｋ２にて示されている。このようにして、回転ツールのピン部の先端部近傍では、上記第２板状部材Ｗ１２と上記第３板状部材Ｗ１３が接合されている。

また、図１０において実線曲線Ｌ３で示される領域では、上記受け具１５の突部１５ａと上記回転ツール１４のショルダ部１４ｂによりかしめ作用を得ることができる。この領域Ｌ３では、かしめ作用により上記第１板状部材Ｗ１１と上記第３板状部材Ｗ１３を接合することができる。

図１０では、各接合部において固相接合による領域が破線曲線Ｋ２で示されており、かしめ作用による接合が実線曲線Ｌ３で示されているが、その両方により囲まれる領域では、固相接合とかしめ作用による接合の両方の作用により接合されている。
上記実施形態と同様に、回転ツール１４と上記第１板状部材Ｗ１１との間に発生する摩擦熱を低減することができ、接合後の上記板状部材Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３の熱ひずみによる変形を抑制することができる。
また、この実施形態では、上記ショルダ部１４ｂが平面であるので、ピン部１４ａの押圧による塑性流動が外方へ移動し易く、より短時間で接合することが可能である。

本実施形態では、上記受け具１５に形成された突部１５ａが環状に形成されているが、このような環状ではなく、例えば円周上に等配状に離隔して配置されたものでも同様に使用することができる。
また、上記受け具１５は、上記ショルダ部１４ｂの加圧力を受けるために、ショルダ部１４ｂの外径と同じ若しくはそれ以上の外径寸法を有するように形成されることが好ましい。

また、上記実施形態では、板状部材としてアルミニウム合金材料を使用することが記述されているが、例えばマグネシウム合金材料など、他の軽合金材料においても同様に適用することができる。また、溶融しない温度で接合されるためにブローホールや溶接割れが発生しないので、鋳物部材などにも好適に適用可能である。

以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば自動車等の車体構成部材において、３つの金属製の板状部材をその各接合部において重ね合わせ、上記板状部材の重ね合わせ面に対して一方向側より回転ツールを当接させて回転させるとともに、上記板状部材を加圧させることにより上記３つの板状部材を共に接合する場合に適用可能である。

本発明に係る接合装置の概略図である。 本発明に係る接合ガンの概略図である。 本発明の実施形態に係る接合用工具を模式的に示した説明図である。 上記実施形態の接合工程を模式的に示した説明図である。 上記接合工程に続く工程を模式的に示した説明図である。 上記接合工程に続く工程を模式的に示した説明図である。 図６の接合部を拡大して示した拡大断面図である。 本発明のもう１つの実施形態に係る接合用工具を模式的に示した説明図である。 上記実施形態の接合工程を模式的に示した説明図である。 上記実施形態による接合後の接合部を示した説明図である。

符号の説明

１ 接合ガン
２ ロボット
３ 制御盤
４、１４ 回転ツール
５、１５ 受け具
７、１７ 貫通孔
１１ 回転軸モータ
１２ 加圧軸モータ
１３ アーム
３１、３２、３３ ハーネス
３４ 中継ボックス
Ｗ１、Ｗ１１ 第１板状部材
Ｗ２、Ｗ１２ 第２板状部材
Ｗ３、Ｗ１３ 第３板状部材

Claims (3)

1. ３枚の金属製の板状部材をそれらの各接合部で共に重ね合わせ、先端にピン部を有する回転ツールを回転させながら前記回転ツールの先端部を前記板状部材の一方向側から押し込み、この回転ツールの押し込みによって発生した摩擦熱で前記板状部材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記３枚の金属製の板状部材を接合する摩擦点接合方法において、
   先端にあるピン部と該ピン部よりも外径寸法が大きいショルダ部とを備えた回転ツールと、前記回転ツールに対向して配置され、受け面に突部を備えた受け具と、を用意するステップと、
   接合部に貫通孔が設けられた第１板状部材を用意するステップと、
   前記第１板状部材を中間にして第２及び第３板状部材を重ね合わせるステップと、
   前記第３板状部材を前記受け具で受けるステップと、
   前記ピン部及びショルダ部を有する回転ツールを回転させながら前記第２板状部材側から押し込み、前記ピン部を前記貫通孔に挿入するステップと、を備え、
   前記ピン部の押し込みにより発生した摩擦熱で前記第２板状部材を軟化せしめて前記貫通孔内に塑性流動させて充填し、前記第２板状部材と前記第３板状部材とを接合するとともに、前記受け具の突部で前記第３及び第１板状部材の前記貫通孔の周りに位置する部分を前記第２板状部材側に盛り上げることにより、前記３枚の板状部材を共に接合する、
   ことを特徴とする摩擦点接合方法。
2. 請求項１記載の摩擦点接合方法において、
   前記受け具の突部が、前記貫通孔の周りに対応した位置に形成される環状の突部であり、
   前記回転ツールのショルダ部が、前記突部に対応した環状の溝部を有する、ことを特徴とする摩擦点接合方法。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦点接合方法において、
   前記３枚の板状部材が共に、同種の材料であることを特徴とする摩擦点接合方法。
   

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