JP4478940B2

JP4478940B2 - 摩擦接合装置

Info

Publication number: JP4478940B2
Application number: JP2004288419A
Authority: JP
Inventors: 俊行玄道; 勝也西口; 元康麻川; 士嘉村上
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006102748A

Description

本発明は、金属部材を接合するために用いられる摩擦接合装置に関する。

従来から、重ねられた複数の被接合材を回転ツールの回転によって接合する摩擦接合装置が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−４８０８２号公報

しかし、従来の摩擦接合装置は、アルミニウムなどの融点のほぼ等しい軽金属同士を接合する際には有効であるが、例えばアルミニウム材と鋼材といった融点の異なる金属同士の接合においては、その摩擦接合方法をそのまま採用すると問題が生じていた。

即ち、異種の金属材料同士では、回転ツールが最初に当接する第１金属部材のみを摩擦攪拌するが、第１金属材料の温度が低く、軟化が不十分な状態で回転ツールの押圧力を一気に高めてしまうと、第１金属部材が剪断を起こしたり、回転ツールの旋回中心が決まらずに第１金属部材の表面で回転ツールが滑りを起こしたりすることがあった。一方で、第１金属部材の温度が上がりすぎると、回転ツールに対する凝着が生じ、やはり第１金属部材が剪断されることがあった。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、異種の金属材料同士の接合を安定して行なうことのできる摩擦接合装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る装置は、
第１金属部材と、該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ねて点接合する摩擦接合装置において、
回転ツールと、前記回転ツールを回転させる回転駆動手段と、前記回転ツールを回転軸心方向に移動させ、前記第１金属部材を押圧する押圧手段と、前記押圧手段による前記第１金属部材に対する押圧力を段階的に増加させる圧力制御手段と、前記圧力制御手段による制御と連動して前記第１金属部材の接合部分の温度を制御する温度制御手段と、を備え、前記回転ツールの回転による摩擦熱で前記第１金属部材を軟化し、塑性流動させて、前記第１金属部材と前記第２金属部材との合わせ面を固相接合することを特徴とする。このような構成によれば、第１金属部材の温度を調整できるため、第１金属材料の温度が低いことによって生じる剪断や滑り、または、第１金属部材の温度が高いことによって生じる、凝着や剪断を防止することができる。

前記圧力制御手段は、前記押圧力を、前記回転ツールの回転開始から所定時間までは予め定めた第１の押圧力に制御し、前記所定時間後は前記第１の押圧力よりも増加した予め定めた第２の押圧力に制御し、前記温度制御手段は、前記押圧力が前記第１の押圧力に制御されている場合は前記第１金属部材の接合部分を加熱し、前記押圧力が前記第２の押圧力に制御されている場合は前記第１金属部材の接合部分を冷却することを特徴とする。この構成によれば、押圧力が低く、第１金属部材の表面付近で回転ツールが回転し、第１金属部材に対して摩擦熱を与えている状態で、第１金属部材の接合部分を加熱することにより、第１金属部材の軟化を早め、接合の安定化及び接合時間の短縮化を図ることができる。一方、押圧力が高く、第１金属部材内部に回転ツールが押し込まれた状態では、その接合部分を冷却し凝着を回避して、やはり接合の安定化を図ることができる。

前記温度制御手段は、前記第１金属部材の接合部分の温度を計測する計測手段を含み、該計測手段からの検出信号により前記第１金属部材の接合部分の温度を調整することを特徴とする。これによれば、実際の接合部分の温度に応じて、適格に温度制御を行なうことができ、より接合の安定化を図ることができる。

前記温度制御手段は、前記接合部分の温度を予測する温度予測手段を有し、該温度予測手段からの信号により前記接合部分の温度を調整することを特徴とする。これによれば、予測した温度に応じて迅速に温度制御を行なうことができ、より接合時間の短縮化を図ることができる。

前記回転ツールは、中央にピン部を有し、該ピン部周りのショルダー部に環状の凹部を有することを特徴とする。この構成によれば、環状の凹部をショルダー部に形成した回転ツールで段階的に押圧力を増加して第１金属部材と第２金属部材とを接合することになる。このように回転ツールのショルダー部に環状の凹部を形成したことにより、ピン部の摩擦熱によって軟化された第１金属部材が塑性流動の段階でその凹部内にとどまり、接合部の外方に排出されるのを防止できるため、押圧力を段階的に増加させても第１金属部材を確実に加圧することができる。また、環状の凹部内にとどまった第１金属部材が回転ツールに対して凝着を起こしやすいが、温度制御手段で温度を制御することにより、そのような凝着を回避することができる。

前記第１金属部材がアルミニウム合金材料、前記第２金属部材が鋼材料であることを特徴とする。これによれば、アルミニウム材と鋼材との接合を安定して行なうことができる。

前記圧力制御手段による段階的な押圧力の増加に応じて、前記回転駆動手段の回転数を段階的に減少させる回転数制御手段を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、異種の金属材料同士の接合を安定して行なうことのできる摩擦接合装置を提供することができる。

以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の全体構成を示す図である。この摩擦接合装置１００は、自動車ボディ等に用いられる複数の被接合材を点接合するために用いられる。この摩擦接合装置を用いれば、例えば、被接合材としてのアルミニウム合金板同士や、アルミニウム合金板と鋼板とを接合することができる。摩擦接合装置１００は、接合ガン１と、接合ガン１を所望の位置及び角度に移動するロボット２と、接合ガン１及びロボット２を制御する制御部３とを備えている。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。

接合ガン１は接合用工具として、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、押圧手段としての不図示の加圧軸モータにより加圧のために昇降移動されると共に、回転駆動手段としての不図示の回転軸モータにより回転される。回転軸モータとしては、インダクションモータやサーボモータが用いることができ、加圧軸モータとしては、サーボモータを用いることができる。受け具５は、Ｌ字状のアームの先端に回転ツール４に対向して配置されている。尚、回転ツール４及び受け具５は、接合ガン１に対して着脱可能な構成となっている。

また、回転ツール４は、電波出力部を備えた熱電対３０を内蔵しており、この熱電対３０で計測された温度は、電波によってインターロック部２０にとばされる。これにより接合部分の温度をリアルタイムで測定することができる。

また、接合ガン１には、送風ノズル１０と、送風コントローラ１５が設けられており、ポンプ４０から供給されたエアーを被接合材に対して吹き付けることが可能な構成となっている。送風コントローラ１５にはソレノイドバルブと電磁スイッチが内蔵されており、インターロック部２０から入力した信号に応じて、送風のＯＮ／ＯＦＦの切替え、及び温風／冷風の切替を行なうことができる。すなわち、これらの送風ノズル１０、送風コントローラ１５、インターロック部２０、及び熱電対３０が全体として、接合部分の温度を制御する温度制御手段として機能する。

なお、制御部３は、ロボット２の六軸と、接合ガン１における回転ツール４の回転数及び押圧力を制御可能な構成となっている。つまり、制御部３は、加圧軸モータを制御する圧力制御手段及び、回転軸モータを制御する回転数制御手段として機能する。

図２は、回転ツール４の先端部の構成について説明するための図である。
回転ツール４は、本体部４ａと、センタリング（位置決め機能、位置ずれ防止機能）を主目的としたピン部４ｂとを一体的に有している。本体部４ａは、略円柱状に形成され、その先端に本体部４ａよりも小径の円柱状のピン部４ｂが形成されている。ピン部４ｂの先端面は、本体部４ａ先端面から突出しており、ピン部４ｂの軸心は本体部４ａの軸心に合致している。

この回転ツールは、異種材料、特に融点（軟質性）が異なる材料として、アルミニウム材Ｗ１と鋼材Ｗ２とを接合するためのものである。そのため、ピン部４ｂの突出長さは、同種の材料（例えばアルミニウム材同士）を接合するための回転ツールに比べて短く形成されている。これは、ピン部４ｂを長くして下方の鋼材Ｗ２に突き当たると、鋼材Ｗ２の表面に予め形成されためっき層８がはがれ、鋼材Ｗ２の表面が水などに触れることになり腐食が起こりやすくなるからである。めっき層８は、鋼材Ｗ２の表面に酸化膜が生成されることを防止するために形成されているものであり、例えば亜鉛や亜鉛合金などからなる。具体的には、例えば、板厚0.7〜2.0mmの5000系アルミ合金板または6000系アルミ合金板に対して、亜鉛めっき付着量９０ｇ／m²の板厚1〜1.2mmの亜鉛めっき鋼板を接合することができる。

なお、図２ではピン部４ｂの先端面は平坦面に形成されているが、これに限定されるものではなく、曲面形状を為していてもよいし、或いは、円錐形状を為していても良い。

一方、本体部４ａの先端外周に存在するショルダー部４ｃからピン部４ｂの外周面に向けてテーパ４ｄが形成されている。これにより、ショルダー部４ｃとピン部４ｂの根元との間には環状の凹部が形成される。摩擦熱で軟化したアルミニウム材Ｗ１は、その凹み部分に入るため、回転ツール４の外側に流動するＷ１の量が少なくなり、接合強度が高くなる。

図３は、制御部３による回転ツール４の押圧力及び回転数の変化並びに温度制御について説明する図である。

まず、回転ツール４を下降させてアルミニウム材Ｗ１に当接させ、回転ツールのピン部４ｂと受け具５とにより金属材料であるアルミニウム材Ｗ１と鋼材Ｗ２とが把持された状態で、回転ツール４の押圧力をＮ１（例えば０．９８〜３．４３ｋＮ）に、回転数をＰ１（例えば３０００〜３５００ｒｐｍ）に維持する。これにより、アルミニウム材Ｗ１の表面に、回転ツール４の回転による発熱（摩擦熱）を生じさせる。この時、同時に、加熱風をアルミニウム材Ｗ１に対して吹き付け、接合部分の温度上昇を促進させるようにインターロック部２０が送風コントローラ１５を制御する。加熱風は、熱電対３０で計測した温度がＴ１（例えば１００℃〜２５０℃）になるまで連続的に吹き付ける。送風コントローラ１５に内蔵されたソレノイドバルブの開度は、接合部の温度に応じて制御し、温度がＴ１に近づくにつれて開度を小さく、すなわち風量を少なくする。このようなアルミニウム材Ｗ１に対する加熱により、アルミニウム材Ｗ１が軟化し、ピン部４ｂによるセンタリングを確実に行なうことができ、回転ルーツ４の旋回中心が決まる。

次に、回転開始から所定時間後に回転ツール４の押圧力をＮ２（例えば２．４５〜５．８８ｋＮ）まで増加させる。Ｎ２に押圧力を増加することで、回転ツール４は、軟化したアルミニウム材Ｗ１内に侵入する。ただし、この時ピン部４ｂが鋼材Ｗ２に当接しないようにＮ２が定められている。これにより、回転ツール４と接触圧力の高い部分のアルミニウムが塑性流動し、これに伴って、熱を受けて軟化した亜鉛めっき８が拡散され、回転ツール４の外周側へ排出される。同時にアルミニウム材Ｗ１の鋼材Ｗ２側表面の酸化膜も破壊され、アルミニウム材Ｗ１の新生面と鋼材Ｗ２の新生面とが直接接触し、固相接合が生じる。

この時、回転数が高いと、アルミニウム材Ｗ１の塑性流動が極めて回転ツール４に近い範囲のみで行なわれる結果となり、固相接合がうまく行なわれない場合がある。そのため、ここでは、回転数をＰ２（例えば１５００〜２５００ｒｐｍ）まで低下させ、比較的ゆっくりした回転で、大きく塑性流動を生じさせる。

また、温度が高すぎると、アルミニウム材Ｗ１が軟化しすぎてしまい、押圧力Ｎ２によって、回転ツール４がアルミニウム材Ｗ１内部に侵入しすぎてしまう。その結果、アルミニウム材の板厚が少なくなり、回転ツール４への凝着により容易にアルミニウム材Ｗ１が剪断されてしまう。回転ツール４の先端に環状の凹部が存在する場合には、回転ツール４がアルミニウム材Ｗ１を把持することになり、そのような剪断が特に顕著になる。

そこで、温度上昇を抑制するため、押圧力を高くした状態では冷却風をアルミニウム材Ｗ１に吹き付けるように、インターロック部２０が送風コントローラ１５を制御する。送風コントローラ１５に内蔵されたソレノイドバルブの開度は、接合部の温度に応じて制御し、温度がＴ２（例えば３００℃〜４５０℃）以上になれば送風を開始し、Ｔ２との差が大きいほど開度を大きく、すなわち風量を多くする。

なお、インターロック部２０は、制御部３からの押圧力制御信号を入力して、押圧力の変化に連動させて、加熱風／冷却風の切替や風量の調整を行なっても良いし、熱電対３０で計測した温度や予測した温度に基づいて、独自に（押圧力の変化とは連動させずに）加熱風／冷却風の切替や風量の調整を行なっても良い。一方、制御部３０は、インターロック部２０から入力した温度に応じて低押圧から高押圧への切替を行なっても良い。

図４は、温度測定値をフィードバックする場合の送風制御処理について示すフローチャートである。まず、ステップＳ４０１で接合条件を入力する。接合条件とは、打点ピッチ、材質、板厚、押圧力、回転数、などである。次にステップＳ４０２において回転ツール４の回転を開始する。更にステップＳ４０３において回転ツール４による押圧を開始する。次に、ステップＳ４０４に進み、熱電対３０で接合部分の温度を測定する。測定された温度データは、インターロック部２０に送られ、図３に示したような風量グラフを参照して、風量が算出される。そして、ステップＳ４０５において、接合部の温度に応じてソレノイドバルブの開度を変更し加熱風を噴射する。次に、ステップＳ４０６において、回転ツール４の押圧力を変更する。そして、ステップＳ４０７において接合部分の温度測定を続け、ステップＳ４０８において接合部の温度に応じてソレノイドバルブの開度を変更し冷却風を噴射する。そして、ステップＳ４０９に進み、回転ツール４による押圧を完了して、回転ツール４を開放する。このように実際の接合部分の温度に応じて、適格に温度制御を行なうことができ、より接合の安定化を図ることができる。

図５は、接合部の温度を予測する場合の送風制御処理について示すフローチャートである。

まず、ステップＳ５０１では、接合条件として、打点ピッチ、材質、板厚、押圧力、温度データ、回転数などを入力する。更に、ここでは室温及び打点順序を接合条件として入力する。これらの接合条件は、制御部３に設けられた接合部温度予測データベース５００に蓄積される。

次に、ステップＳ５０２において回転ツール４の回転を開始する。そしてステップＳ５０３において、温度予測データに基づいて接合部に加熱風を噴射する。例えば、室温が低い場合や、打点順序が若く、打点を開始してからあまり時間が経過していない場合などは、接合部の温度が低いと予測されるため、回転ツール４による押圧を開始する前に予め加熱風を噴射しておく。

次に、ステップＳ５０４において回転ツール４の押圧を開始する。そして、Ｓ５０５に進んで回転ツール４の押圧力を増加させる。次に、ステップＳ５０６に進んで、押圧力の増加後経過した時間や室温や打点順序などの温度予測データに基づいて接合部に冷却風を噴射する。そして、ステップＳ５０７に進み、回転ツール４による押圧を完了して、回転ツール４を開放する。このように予測した温度に応じて温度制御を行なえば、より接合時間の短縮化を図ることができる。

なお、図４及び図５では、温度の実測値を用いる場合と予測データを用いる場合とに分けて説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、適宜これらを組み合わせて、加熱風及び冷却風の噴射制御を行なっても良い。例えば、ステップＳ５０３において温度予測データに基づいて接合部に加熱風を噴射した後、ステップＳ５０４で回転ツール４の押圧を開始し、その後、ステップＳ４０４、Ｓ４０５にあるように、測定した温度に基づいて加熱風の噴射を行なっても良い。

以上説明したとおり、本実施形態では、第１金属部材Ｗ１と、第１金属部材Ｗ１より融点の高い第２金属部材Ｗ２とを重ねて点接合する摩擦接合装置において、回転ツール４と、回転ツール４を回転させる回転軸モータと、回転ツール４を回転軸心方向に移動させ、第１金属部材Ｗ１を押圧する加圧軸モータと、第１金属部材Ｗ１に対する押圧力を段階的に増加させる制御部３と、制御部３による制御と連動して第１金属部材の接合部分の温度を制御するインターロック部２０等と、を備え、回転ツール４の回転による摩擦熱で第１金属部材を軟化し、塑性流動させて、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との合わせ面を固相接合することを特徴とする。このような構成によれば、第１金属部材Ｗ１の温度を調整できるため、第１金属材料Ｗ１の温度が低いことによって生じる剪断や滑り、または、第１金属部材Ｗ１の温度が高いことによって生じる、凝着や剪断を防止することができる。

送風コントローラ１５は、押圧力が低い状態では第１金属部材Ｗ１の接合部分を加熱し、押圧力が高い状態では第１金属部材Ｗ１の接合部分を冷却することを特徴とする。この構成によれば、押圧力が低く、第１金属部材Ｗ１の表面付近で回転ツール４が回転し、第１金属部材Ｗ１に対して摩擦熱を与えている状態で、第１金属部材Ｗ１の接合部分を加熱することにより、第１金属部材Ｗ１の軟化を早め、接合の安定化及び接合時間の短縮化を図ることができる。一方、押圧力が高く、第１金属部材Ｗ１内部に回転ツール４が押し込まれた状態では、その接合部分を冷却し凝着を回避して、やはり接合の安定化を図ることができる。

本装置は第１金属部材Ｗ１の接合部分の温度を計測する熱電対３０を備え、熱電対３０からの検出信号により第１金属部材Ｗ１の接合部分の温度を調整することを特徴とする。これによれば、実際の接合部分の温度に応じて、適格に温度制御を行なうことができ、より接合の安定化を図ることができる。

本装置は、接合部分の温度を予測する温度予測手段としての予測データベースをインターロック部２０内に有し、予測データベースからの信号により接合部分の温度を調整することを特徴とする。これによれば、予測した温度に応じて迅速に温度制御を行なうことができ、より接合時間の短縮化を図ることができる。

回転ツール４は、中央にピン部４ｂを有し、ピン部周りのショルダー部に環状の凹部を有することを特徴とする。この構成によれば、環状の凹部をショルダー部に形成した回転ツールで段階的に押圧力を増加して第１金属部材と第２金属部材とを接合することになる。このように回転ツールのショルダー部に環状の凹部を形成したことにより、ピン部の摩擦熱によって軟化された第１金属部材が塑性流動の段階でその凹部内にとどまり、接合部の外方に排出されるのを防止できるため、押圧力を段階的に増加させても第１金属部材を確実に加圧することができる。また、環状の凹部内にとどまった第１金属部材が回転ツールに対して凝着を起こしやすいが、温度制御手段で温度を制御することにより、そのような凝着を回避することができる。

第１金属部材Ｗ１がアルミニウム合金材料、第２金属部材Ｗ２が鋼材料であることを特徴とする。これによれば、アルミニウム材と鋼材との接合を安定して行なうことができる。

段階的な押圧力の増加に応じて、回転ツール４の回転数を段階的に減少させることを特徴とする。これによれば、より効率的に第１金属部材Ｗ１の温度上昇を促進することができる。

本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る回転ツールの概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る押圧力制御及び温度制御を説明する図である。本発明の実施形態に係る温度制御方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る温度制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１００摩擦接合装置
１接合ガン
２ロボット
３制御部
４回転ツール
５受け具

Claims

第１金属部材と、該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ねて点接合する摩擦接合装置において、
回転ツールと、
前記回転ツールを回転させる回転駆動手段と、
前記回転ツールを回転軸心方向に移動させ、前記第１金属部材を押圧する押圧手段と、
前記押圧手段による前記第１金属部材に対する押圧力を段階的に増加させる圧力制御手段と、
前記圧力制御手段による制御と連動して前記第１金属部材の接合部分の温度を制御する温度制御手段と、
を備え、前記回転ツールの回転による摩擦熱で前記第１金属部材を軟化し、塑性流動させて、前記第１金属部材と前記第２金属部材との合わせ面を固相接合することを特徴とする摩擦接合装置。
前記圧力制御手段は、前記押圧力を、前記回転ツールの回転開始から所定時間までは予め定めた第１の押圧力に制御し、前記所定時間後は前記第１の押圧力よりも増加した予め定めた第２の押圧力に制御し、
前記温度制御手段は、前記押圧力が前記第１の押圧力に制御されている場合は前記第１金属部材の接合部分を加熱し、前記押圧力が前記第２の押圧力に制御されている場合は前記第１金属部材の接合部分を冷却することを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合装置。
前記温度制御手段は、前記第１金属部材の接合部分の温度を計測する計測手段を含み、該計測手段からの検出信号により前記第１金属部材の接合部分の温度を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦接合装置。
前記温度制御手段は、前記接合部分の温度を予測する温度予測手段を有し、該温度予測手段からの信号により前記接合部分の温度を調整することを特徴とする請求項１、２または３に記載の摩擦接合装置。
前記回転ツールは、中央にピン部を有し、該ピン部周りのショルダー部に環状の凹部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の摩擦接合装置。
前記第１金属部材がアルミニウム合金材料、前記第２金属部材が鋼材料であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の摩擦接合装置。
前記圧力制御手段による段階的な押圧力の増加に応じて、前記回転駆動手段の回転数を段階的に減少させる回転数制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の摩擦接合装置。