JP4496953B2

JP4496953B2 - 接合方法及び接合装置

Info

Publication number: JP4496953B2
Application number: JP2004373030A
Authority: JP
Inventors: 信弥奥村; 晃橋本
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: CN1792533A; CN100528449C; JP2006175497A

Description

本発明は、金属材同士の接合方法及び同装置に関するものであり、特に、開口部を有する第１被接合材と第２被接合材とを所定の重ね合わせ代を有して重ね合わせた状態で加圧しつつ通電することにより接合を行う、所謂リングマッシュ接合の接合方法及び同装置に関するものである。

従来から、二つの金属材の端部を重ね合わせて、この部分を加圧しつつ通電することで接合する、所謂マッシュシーム接合は一般に知られている。さらに、このマッシュシーム接合を改良した技術として、特許文献１に示されるような、所謂リングマッシュ接合と呼ばれる技術も知られている。このリングマッシュ接合は、円形等の開口部を有する第１被接合材と、その開口部より僅かに大きい外形部を有する第２被接合材とを接合するにあたり、上記開口部の周辺に所定の重ね合わせ代を設定した状態で、第１被接合材に第２被接合材を重ね合わせ、両者を加圧しつつ接合用電流を通電することで、瞬時に接合を行うものである。このリングマッシュ接合によると、瞬時に接合が行われるため、接合時間及び通電量を大幅に削減でき、生産性を向上することができる。

また、被接合材が高炭素鋼である場合に、接合用電流の通電によるリングマッシュ接合を行うと、接合部が焼き入れされた状態となって靭性が低下し、クラックが生じ易くなる。このような場合に、接合部の靭性を高めるため、接合後に、接合部に焼戻し用電流を流して焼戻しを行うことも特許文献１に記載されている。
特開２００４−１７０４８号公報

上記リングマッシュ接合では、両被接合材を重ね合わせて加圧しつつ通電することにより、第１被接合材の開口部に第２被接合材が押し込まれて接合されるが、この場合に、接合寸法精度を高めるには被接合材の押し込み端の位置決めを正しく行うことが要求される。また、接合が達成されてからも接合部が両電極に挟み付けられた状態で接合部に集中的に電流が流れる状態が持続すると、この部分に過大電流が生じ、この過大電流によりスパッタリングが生じて接合部付近の表面状態が悪化し、接合品質を低下させる。

このため、接合時における押し込み端の位置決め、及び過大電流防止のための対策が望まれる。

また、上記特許文献１では、リングマッシュ接合で高炭素鋼を接合する場合に焼戻しを行うことは示されているが、その焼戻しのための装置について具体的に示されていない。なお、リングマッシュ接合と焼戻しとをそれぞれに適した処理条件で行うため、接合用の電極と焼戻し用の電極とを別個に用意し、ワーク（被接合材）を接合用の電極にセットしてリングマッシュ接合を行った後、この電極からワークを取外して焼戻し用の電極へセットし、焼戻しを行うようにすることが考えられるが、電極へのワークの着脱を２回行う必要があり、作業性が悪い。

本発明は上記の事情に鑑み、リングマッシュ接合による接合時に押し込み端の位置決めを正しく行うことができるとともに、接合部に過大電流が生じることを防止して、接合品質を高めることができ、かつ、接合と同一電極を用いて接合後の焼戻しも効果的に行うことができる接合方法及び同装置を提供するものである。

本発明の接合方法は、開口部を有する第１被接合材と、上記開口部の周辺に対し所定の重ね合わせ代を有して、第１被接合材に重ね合わせた第２被接合材とを、上下一対の電極で加圧した状態で、接合用電流を流すことにより、第１被接合材の開口部に第２被接合材を押し込んで両被接合材を接合し、さらにその接合部に焼戻し用電流を流す接合方法であって、一方の被接合材の接合部位近傍に下部電極を当接させ、他方の被接合材の接合部位近傍に上部電極を当接させて、該両電極で両被接合材を加圧しつつ接合用電流を流すことにより、両被接合材を相対移動させて接合する時に、下部電極に隣接させた導電性位置決め部材を上記他方の被接合材に当接させることにより、両被接合材の相対移動方向の位置決めを行うとともに接合用電流をリークさせ、次に、上記導電性位置決め部材を上記他方の被接合材から離間させた後、両電極を介して上記両被接合材の接合部に焼戻し用電流を流すことを特徴とするものである。

この方法によると、リングマッシュ接合による接合時に、導電性位置決め部材により両被接合材の相対移動方向の位置決めがなされ、つまり、第１被接合材の開口部に第２被接合材が押し込まれて接合されるときに押し込み端位置が正しく規定されることにより、接合寸法精度が向上される。それとともに、上記押し込み端位置に達して接合が達成されたときに導電性位置決め部材が上記他方の被接合材に当接することにより、接合用電流がリークし、過大電流を生じることが防止され、接合品質が向上される。

さらに、接合後は、接合時と同じ下部、上部電極が用いられて焼戻し用電流が流されることにより焼戻しが行われる。この場合に、上記導電性位置決め部材が上記他方の被接合材から離間することにより、導電性位置決め部材が焼戻し電流をリークしてしまうようなことがなく、焼戻しが良好に行われる。

また、本発明の接合装置は、開口部を有する第１被接合材と、上記開口部の周辺に対し所定の重ね合わせ代を有して、第１被接合材に重ね合わせた第２被接合材とを、上下一対の電極で加圧した状態で接合用電流を流すことにより、第１被接合材の開口部に第２被接合材を押し込んで両被接合材を接合し、さらにその接合部に焼戻し用電流を流すようにした接合装置であって、一方の被接合材の接合部位近傍に当接する下部電極と、上記下部電極に対して接近離間可能で、かつ、上記一方の被接合材に重ね合わせた他方の被接合材の接合部位近傍に当接可能な上部電極と、接合時に上記両電極間に接合用電流を流し、接合後に上記両電極を介して上記両被接合材の接合部に焼戻し電流を流す通電制御手段と、接合時に、下部電極に隣接する接合位置に配置されて、両被接合材が相対移動するに伴い上記他方の被接合材に当接することにより上記両被接合材の相対移動方向の位置決めを行うとともに接合用電流をリークさせる導電性位置決め部材と、接合後において上記両被接合材の接合部に焼戻し電流が流されるときに上記導電性位置決め部材を上記他方の被接合材から離間した離間位置に移動させる駆動手段とを備えたことを特徴とするものである。

この装置によると、上記接合方法が効果的に実行される。

この装置において、上記一方の被接合材が上記第２被接合材、上記他方の被接合材が上記第１被接合材であり、上記導電性位置決め部材は上記下部電極を囲う形状で複数に分割され、その分割された各部分が下部電極に隣接する接合位置と径方向外方に離れた離間位置とにわたって移動可能となっていることが好ましい。

このようにすると、導電性位置決め部材を接合位置と離間位置とに移動させる構造が簡単なものとなる。

以上のように、本発明は、リングマッシュ接合による接合時に押し込み端が正しく位置決めされるとともに、過大電流を生じることが防止されて、接合寸法精度及び接合品質が向上され、さらに、同一電極を用いて簡単な構造によりながら接合後に焼戻しを効率良く、かつ効果的に行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本実施形態の接合装置１の全体を概略的に示している。この接合装置１は、所謂リングマッシュ接合を行うものであり、設置台２上に、装置前部で上下方向に延びる左右一対のフレーム体３と、装置内部に設けられた接合台４と、その接合台４上で左右方向に延びるスライドレール５と、スライドレール５上でそれぞれ左右に移動する二つの下部電極６，６と、その上方に設けられ上下方向に移動可能な上部電極７と、その上部電極７に対して加圧力を付与する加圧シリンダ８と、上記上部電極に対して電流を送る配線ケーブル９と、上記下部電極６の周囲に配置される押込み位置決め電極（導電性位置決め部材）１０と、この押込み位置決め電極１０を下部電極６に対して移動させるアクチュエータ１１（図２）と、接合装置１の操作を行う操作盤１２とを備えている。

なお、下部電極６は一つだけであってもよいが、図１に示す例では、作業性向上のため二つの下部電極６，６を交互に使用できるようにしている。すなわち、左右何れか一方の下部電極６を用い、これに後述のワーク２１，２２をセットしておいてその下部電極６を中央に位置させた状態で、その下部電極６と上部電極７とを用いて後に詳述する接合とその後の焼戻しの処理を行う一方、その処理中に他方の下部電極６から処理後のワーク２１，２２の取り外し及び新たなワーク２１，２２のセットを行うようにして、交互に各下部電極６，６を用いるようにしている。

図２は本実施形態の接合装置１の要部の構造を示す断面図であり、また、図３は要部（ただし上部電極７よりも下側の部分）の平面図である。これらの図に示すように、下部電極６及び上部電極７は共に円筒形状の導電体で形成されており、下部電極６の上方に上部電極７が位置する状態で、上部電極７が下降、上昇することにより下部電極６に対して接近、離間するようになっている。

上記電極６，７により接合される両ワークのうちの第１ワーク（第１被接合材）２１は、例えば自動変速機部品である円筒状のクラッチハブであって、その一端部内周側にフランジ部２１ａを備え、このフランジ部２１ａの内側に開口部を有している。また、第２ワーク（第２被接合材）２２は、例えば自動変速機部品である筒状のスリーブであって、その一端部外周側にフランジ部２２ａを備え、予めフランジ部２２ａの外形が第１ワーク２１のフランジ部２１ａの内周よりも若干大きく形成されている。

これらのワークの少なくとも一方は高炭素鋼で形成され、例えば第２ワーク２２は０．３５重量％程度の炭素を含有する鋼、第１ワーク２１は０．１０重量％程度の炭素を含有する鋼からなっている。

上記第１ワーク２１のフランジ部２１ａの内周端と第２ワーク２２のフランジ部２２ａの外周端とが接合部位とされる。そして、接合に際しては、下部電極６の上面に第２ワーク２２のフランジ部２２ａが載置されるとともに、上記接合部位に所定の重ね合わせ代を有して第２ワーク２２に第１ワーク２１が重ね合わされた状態で、両ワーク２１，２２が下部電極６上にセットされる。

このように下部電極６上に両ワーク２１，２２がセットされた状態で、下部電極６の上面が第２ワーク２２の接合部位近傍に当接し、また、上部電極７が下降したときに、上部電極７の下面が第１ワーク２１の接合部位近傍に当接するように構成されている。

また、上記押込み位置決め電極１０は、クロム銅、ベリリウム銅等の導電体からなり、下部電極６を囲う円筒状で、かつ、下部電極６に対して径方向外方の離間位置へ移動し得るように複数に分割されて形成され、本実施形態では半筒状の二つの部分１０ａ，１０ｂに分割されている。

この押込み位置決め電極１０は、接合時には内周面及び下面が下部電極６に接する状態となる接合位置とされ、この状態において、押込み位置決め電極１０の上面は下部電極６の上面より僅かだけ上方に位置し、第１ワーク２１のフランジ部２１ａに対面するようになっている。

この押込み位置決め電極１０の各部分１０ａ，１０ｂは、それぞれ、駆動手段としてのアクチュエータ１１，１１に接続されている。本実施形態においてアクチュエータ１１は、エアシリンダからなり、シリンダ本体から出没可能なロッド１１ａの先端に絶縁用兼フローティング支持用のラバー１５を介して上記各部分１０ａ，１０ｂが取付けられている。

また、上記下部電極６の内周面には、第２ワーク２２の位置決めを行う位置決め部１６が設けられている。

本実施形態の接合装置にはさらに、下部及び上部の電極６，７に対する通電回路１７と、制御装置１８とが設けられている。上記制御装置１８は、接合時に上記両電極６，７間に接合用電流を流し、接合後に上記両電極６，７を介して上記両ワーク２１，２２の接合部に焼戻し電流を流すように、上記通電回路１７を介して両電極６，７に対する通電を制御する通電制御手段として機能する。さらに制御装置１８は、アクチュエータ１１による押込み位置決め電極１０の駆動の制御も行い、接合後において上記両ワーク２１，２２の接合部に焼戻し電流が流されるときには上記押込み位置決め電極１０をワーク２１から離間した離間位置（図８、図９参照）に移動させるようになっている。

次に、本実施形態の接合装置を用いた接合方法を、図４のフローチャートと、図５〜図９の動作の各過程を示す断面図とに基づいて説明する。

図４のフローチャートが開始される前の準備段階での作業者による作業としては、先ず下部電極６に第２ワーク２２がセットされ、さらにこの第２ワーク２２上に第１ワーク２１がセットされる。この場合、第２ワーク２２に対して第１ワーク２１は、開口部周辺に所定の重ね合わせ代を有する状態で重ね合わせられる。

このような準備作業の後、操作盤１２に設けられている起動スイッチが作業者によって押されると、図４中のステップＳ１で起動スイッチＯＮの信号が入力され、それに続いてステップＳ２で加圧シリンダ８の駆動により上部電極７が降下する。そして、ステップＳ３で、図５に示すように上部電極７がワーク２１の接合部位近傍に押付けられて加圧が行われ、さらにステップＳ４で接合通電が行われ、接合用電流が両電極６，７間のワーク２１，２２の接合部位に流される。

このように、所定の重ね合わせ代を有する状態で重ね合わせられたワーク２１，２２が加圧されつつ接合用電流が流されることにより、第１ワーク２１の開口部に第２ワーク２２が押し込められ、マッシュ接合される。つまり、第２ワーク２２のフランジ部２２ａの外周端と第１ワーク２１のフランジ部２１ａの内周端との間には溶融に近い軟化が生じ、両者の間で互いに新生面が露出して拡散接合が行われることとなる。

この接合時に、図６に示すように、第１ワーク２１が上部電極７で押し下げられて、両ワーク２１，２２が相対移動し、適正な接合状態に達すると、下部電極６に隣接して位置する押込み位置決め電極１０の上面に第１ワーク２１が当接する。これにより、両ワーク２１，２２の相対移動方向の位置決めがなされるとともに、接合用電流が第１ワーク２１から押込み位置決め電極１０へリークされ、両ワーク２１，２２の接合部に流れる電流が減少する。このため、接合部に過大電流が流れることが避けられ、過大電流に起因したスパッタリングの発生等による接合品質の悪化が防止される。

接合が終ると、次にステップＳ５で電極加圧がＯＦＦとされ、つまり、図７のように上部電極７が上昇してワーク２１，２２から離間する。さらに、ステップＳ６で、図８に示すように押込み位置決め電極１０がワーク２１から離れて径方向外方の離間位置へ後退するように、アクチュエータ１１が駆動される。

次に、ステップＳ７で電極加圧がＯＮとされ、つまり、図９のように、押込み位置決め電極１０は離間位置とされたままで、上部電極７が降下してワーク２１、２２に押し当る。さらにステップＳ８でテンパリング（焼戻し）通電が行われ、焼戻し用電流が両電極６，７間のワーク２１，２２の接合部に流される。

このテンパリング通電が所定時間行われて焼戻しが完了すると、ステップＳ９で電極加圧がＯＦＦとされ、ステップＳ１０で上部電極７が上昇するとともに、ステップＳ１１で、押込み位置決め電極１０が下部電極６に隣接する位置まで前進するように、アクチュエータ１１が駆動される。このようにして接合装置１の各部が接合前の状態に戻される。

そして、上記ステップＳ１〜Ｓ１１の一連の処理が済めば、作業者によりワーク２１，２２が下部電極から取外される。

以上のような接合方法によると、両ワーク２１，２２が所定の重ね合わせ代を有して重ね合わされた状態で、下部電極６と上部電極７とで両ワーク２１，２２が加圧されつつ接合用電流が両ワーク２１，２２の接合部位に流されることにより、瞬時に第２ワーク２２が第１ワーク２１の開口部に押し込められて接合される。

この場合に、接合達成時の適正位置まで両ワーク２１，２２が相対移動したときに第１ワーク２１が押し込み位置決め電極１０に当接することにより、両ワーク２１，２２の相対移動方向の位置決めがなされて、接合寸法精度が向上されるとともに、電流が押し込み位置決め電極１０を通してリークされる。このため、接合部付近に過大電流が流れることが避けられ、過大電流によるスパッタリングが防止されて、接合品質が向上される。

また、接合後は、押し込み位置決め電極１０が第１ワーク２１から離間し、この状態で下部電極６及び上部電極７により焼戻し用電流が接合部に流されることにより焼戻しが行われる。これにより、高炭素鋼からなるワーク２１，２２の接合部の靭性が高められる。

そして、接合時と同一の電極６，７が用いられて焼戻しが行われ、ワーク２１，２２を電極にセットしたままで接合と焼戻しの両処理を行うことができるので、接合と焼戻しとを別個の電極を用いて行うような場合と比べ、作業性を向上することができる。しかも、上記押し込み位置決め電極１０は、接合時に接合位置とされて、接合達成時に電流をリークすることで過大電流が生じることを避け、一方、焼戻し時には離間位置とされるため、焼戻し電流が押し込み位置決め電極１０にリークしてしまうようなことがない。こうして、接合及び焼戻しがそれぞれ良好に行われることとなる。

なお、本発明の接合方法及び同装置は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、第２ワーク２２の接合部位近傍に下部電極６が当接し、
このワーク２２の上に第１ワーク２１が重ね合わされ、この第１ワーク２１の接合部位近傍に上部電極７が当接可能となっているが、これとはワークの上下配置を逆にして、開口部を有する第１ワークに下部電極が当接し、第１ワーク上の第２ワークが重ね合わされ、この第２ワークの接合部位近傍に上部電極が当接可能となるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、押し込み位置決め電極１０が複数に分割され、その分割された各部分が下部電極６に対して径方向外方の離間位置へ移動し得るようになっているが、他の方向、例えば上下方向や斜め方向等に押し込み位置決め電極を移動させるようにしてもよい。

ただし、上記実施形態のように押し込み位置決め電極１０を構成しておく方が、押し込み位置決め電極１０を移動させるための機構等がシンプルになる。

本発明の一実施形態による接合装置全体の概略正面図である。接合装置の要部の構造を示す断面図である。接合装置の要部（ただし上部電極よりも下側の部分）の平面図である。接合及び焼戻しの処理を示すフローチャートである。接合時において電極により加圧を開始する段階での装置要部の状態を示す半断面図である。接合が達成された段階での装置要部の状態を示す半断面図である。接合後に電極による加圧がＯＦＦとされた段階での装置要部の状態を示す半断面図である。接合後に押し込み位置決め電極が離間位置に移動した段階での装置要部の状態を示す半断面図である。焼戻しの段階での装置要部の状態を示す半断面図である。

符号の説明

１接合装置
６下部電極
７上部電極
１０押し込み位置決め電極（導電性位置決め部材）
１１アクチュエータ（駆動手段）
１７通電回路
１８制御装置（通電制御手段）
２１第１ワーク（第１被接合材）
２２第２ワーク（第２被接合材）

Claims

開口部を有する第１被接合材と、上記開口部の周辺に対し所定の重ね合わせ代を有して、第１被接合材に重ね合わせた第２被接合材とを、上下一対の電極で加圧した状態で、接合用電流を流すことにより、第１被接合材の開口部に第２被接合材を押し込んで両被接合材を接合し、さらにその接合部に焼戻し用電流を流す接合方法であって、
一方の被接合材の接合部位近傍に下部電極を当接させ、他方の被接合材の接合部位近傍に上部電極を当接させて、該両電極で両被接合材を加圧しつつ接合用電流を流すことにより、両被接合材を相対移動させて接合する時に、下部電極に隣接させた導電性位置決め部材を上記他方の被接合材に当接させることにより、両被接合材の相対移動方向の位置決めを行うとともに接合用電流をリークさせ、
次に、上記導電性位置決め部材を上記他方の被接合材から離間させた後、両電極を介して上記両被接合材の接合部に焼戻し用電流を流すことを特徴とする接合方法。
開口部を有する第１被接合材と、上記開口部の周辺に対し所定の重ね合わせ代を有して、第１被接合材に重ね合わせた第２被接合材とを、上下一対の電極で加圧した状態で、接合用電流を流すことにより、第１被接合材の開口部に第２被接合材を押し込んで両被接合材を接合し、さらにその接合部に焼戻し用電流を流すようにした接合装置であって、
一方の被接合材の接合部位近傍に当接する下部電極と、
上記下部電極に対して接近離間可能で、かつ、上記一方の被接合材に重ね合わせた他方の被接合材の接合部位近傍に当接可能な上部電極と、
接合時に上記両電極間に接合用電流を流し、接合後に上記両電極を介して上記両被接合材の接合部に焼戻し電流を流す通電制御手段と、
接合時に、下部電極に隣接する接合位置に配置されて、両被接合材が相対移動するに伴い上記他方の被接合材に当接することにより上記両被接合材の相対移動方向の位置決めを行うとともに接合用電流をリークさせる導電性位置決め部材と、
接合後において上記両被接合材の接合部に焼戻し電流が流されるときに上記導電性位置決め部材を上記他方の被接合材から離間した離間位置に移動させる駆動手段とを備えたことを特徴とする接合装置。
上記一方の被接合材が上記第２被接合材、上記他方の被接合材が上記第１被接合材であり、上記導電性位置決め部材は上記下部電極を囲う形状で複数に分割され、その分割された各部分が下部電極に隣接する接合位置と径方向外方に離れた離間位置とにわたって移動可能となっていることを特徴とする請求項２記載の接合装置。