JP4517760B2

JP4517760B2 - 摩擦点接合方法及びその装置

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Publication number: JP4517760B2
Application number: JP2004222262A
Authority: JP
Inventors: 健治高瀬; 浩二郎山下; 昭男橘; 俊行玄道
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: JP2006035295A

Description

本発明は、少なくとも３枚の金属板部材を積み重ねて回転ツールで摩擦点接合する摩擦点接合方法及びその装置に関するものである。

従来より、先端の突出部と、該突出部よりも径の大きい第１ショルダー部と、該第１ショルダー部よりも径が大きい第２ショルダー部とを有する回転ツールを用い、該回転ツールに対向して受け具を配置し、上記金属板部材を受け具で受けると共に、上記回転ツールを回転させた状態で押圧して上記突出部及び第１ショルダー部を押し込み、さらに回転ツールを押し込むことによって、上記第２ショルダー部で上記金属板部材を押圧し、該金属板部材の接合部位を摩擦熱で軟化させ、塑性流動させて接合する摩擦点接合方法は知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２９２４７９号公報

しかしながら、従来の摩擦点接合方法では、突出部の先端面と、第２ショルダー部の先端面との距離が固定されているため、同じ摩擦点接合の工程内に異なる板厚で構成された３枚の板組があると、突出部が回転ツールから３枚目の金属板部材の領域に到達する前に第２ショルダー部が１枚目の金属板部材に当接してしまい、２枚目と３枚目の金属板部材にまで必要な摩擦熱が入力できず、金属板部材が互いに十分に接合されない場合がある。

このような場合に、回転ツールをさらに押し込んで突出部を３枚目の金属板部材にまで到達させて必要な摩擦熱を加えようとすると、第２ショルダー部がさらに１枚目の金属板部材に食い込んで、必要以上に摩擦熱が入力されて、熱ひずみが生じる。すると、回転ツールの周囲の金属板部材が反って金属板部材間に隙間が発生し、適切な摩擦点接合が行えなくなる。

一方、各金属板部材に適切な熱を加えて摩擦点接合を行うための別の手段として、回転ツールを板厚の構成に合わせて交換する方法がある。しかし、回転ツールを金属板部材の構成に合わせて交換することは、その分工程の数が増え、摩擦点接合に要する時間が増加するという問題がある。

本発明は、かかる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、回転ツールの第２ショルダー部の当接タイミングに工夫を加えることで、金属板部材に摩擦熱を段階的に入力して安定した品質の摩擦点接合を行えるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、回転ツールの第２ショルダー部を第１ショルダー部に対し、その回転軸心方向に相対移動可能にした。

具体的には、第１の発明では、少なくとも３枚の金属板部材を積み重ねて回転ツールで摩擦点接合する方法を対象とする。

そして、先端の突出部と、該突出部よりも径の大きい第１ショルダー部と、該第１ショルダー部よりも径が大きく回転軸心方向に相対移動可能に配置された第２ショルダー部とを有する回転ツールを用意し、この回転ツールに対向して配置された受け具を用意し、上記金属板部材を、上記受け具で受けると共に、回転する上記回転ツールで押圧して上記突出部及び第１ショルダー部を押し込み、上記突出部が最も回転ツールに遠い金属板部材の領域に達した瞬間に、上記第２ショルダー部の相対移動を開始し、該相対移動によって金属板部材を押圧し、上記金属板部材の接合部位を摩擦熱で軟化させ、塑性流動させて接合する構成とする。

上記の構成によると、同じ摩擦点接合の工程内に異なる板厚の板組がある場合でも、回転ツールを板厚の構成に合わせて交換することなく、第２ショルダー部を相対移動させれば、板厚の構成に合わせた適切な摩擦熱の入力が行える。すなわち、突出部が最も回転ツールに遠い金属板部材の領域に達した瞬間に、上記第２ショルダー部の相対移動を開始し、該相対移動によって最も回転ツールに近い金属板部材に近づき、該金属板部材に当接して押圧しているので、この最も近い金属板部材に必要以上に摩擦熱が入力されることなく、板厚に応じた適切な摩擦熱が入力される。したがって、新たに回転ツールを交換する工程を必要とせず、摩擦点接合に要する時間が増加することはない。

第２の発明では、少なくとも３枚の金属板部材を積み重ねて回転ツールで該金属板部材の接合部位を摩擦熱で軟化させ、塑性流動させて接合する摩擦点接合装置を対象とする。

そして、先端の突出部と、該突出部よりも径の大きい第１ショルダー部と、該第１ショルダー部よりも径が大きく該第１ショルダー部に対して回転軸心方向に相対移動可能に配置された第２ショルダー部とを有する回転ツールと、この回転ツールに対向して配置された受け具と、上記回転ツールを回転させる回転手段と、上記回転ツールの突出部及び第１ショルダー部を上記金属板部材に押圧する押圧手段と、上記第２ショルダー部を相対移動させて金属板部材を押圧する移動手段と、上記突出部が最も回転ツールに遠い金属板部材の領域に達した瞬間に、上記移動手段による上記第２ショルダー部の相対移動を開始し、該相対移動によって金属板部材を押圧させる制御手段とを備えている。

上記の構成によると、制御手段は、突出部が最も回転ツールに遠い金属板部材の領域に達した瞬間に、上記第２ショルダー部の相対移動を開始し、該相対移動によって最も回転ツールに近い金属板部材に近づき、該金属板部材に当接して押圧するので、同じ摩擦点接合の工程内に異なる板厚の板組がある場合でも、回転ツールを板厚の構成に合わせて交換することなく、第２ショルダー部を相対移動させれば、板厚の構成に合わせた摩擦熱の入力が行える。したがって、最も近い金属板部材に必要以上に摩擦熱が入力されることなく、板厚に応じた適切な摩擦熱が入力されるので、新たに回転ツールを交換する工程を必要とせず、摩擦点接合に要する時間が増加することはない。

以上説明したように、上記第１及び第２の発明によれば、突出部が最も回転ツールに遠い金属板部材の領域に達した瞬間に、第２ショルダー部の相対移動を開始し、この相対移動によって金属板部材を押圧している。このため、回転ツールを板厚の構成に合わせて交換しなくても、段階的に各金属板部材に摩擦熱を入力することができるので、効率的に摩擦点接合を行えると共に、安定した接合品質が得られる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

−摩擦点接合装置の構成−
図１は、本発明の実施形態にかかる摩擦点接合装置１の概略構成を示している。この摩擦点接合装置１は、例えば、自動車のボディなどに用いられるアルミニウム合金などの軽金属からなる複数の金属板部材を厚み方向に積み重ねた状態で点状に接合するものに構成されている。

上記接合装置は、ワークＷの接合を行う接合ガン２を備えている。ワークＷは、３枚の第１〜第３金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３からなる（図２に示す）。上記接合ガン２は、ロボット３のアーム３ａに取り付けられ、図示省略の治具に固定されたワークＷの接合位置にロボット３によって位置付けられて、ワークＷの接合を行うようになっている。

上記ロボット３として、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３は、ロボット用ハーネス４により、制御手段としての制御盤５と接続されている。また、上記接合ガン２も、ロボット３に設けた中継ボックス６を介して接合ガン用ハーネス７により上記制御盤５と接続されている。

図２に示すように、上記接合ガン２は、回転ツール１０及び受け具２０を備えている。

上記回転ツール１０は、積み重ねた金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の重ね面Ｓ１，Ｓ２に対して直行する接合軸Ｘ上の上側に配設されている。図３に示すように、回転ツール１０は、先端の突出部１１と、該突出部１１よりも径の大きい第１ショルダー部１２と、該第１ショルダー部１２よりも径が大きく回転軸心方向に相対移動可能に配置された第２ショルダー部１３とを有している。さらに、この第２ショルダー部１３を該第２ショルダー部１３よりも外形の大きい取付部９が覆っている。取付部９には、中央に空洞部９ａのあるフランジ部９ｂが設けられている。

上記受け具２０は、略Ｌ字状のガンアーム８の先端に取り付けられている。このことで、上記回転ツール１０と受け具２０とが対向するように配置されている。

上記受け具２０は、円柱形状を有し、その先端面は、上記回転ツール１０の第２ショルダー部１３の先端面と同等か、又はそれよりも大きい外径を有している。

上記突出部１１と第１ショルダー部１２と第２ショルダー部１３とは、共に同軸に接合軸Ｘ上に延びるように突設されている。この突出部１１の外径は、例えば、２〜５ｍｍとする。

次に上記接合ガン２の内部の機構について、簡単に説明する。上記回転ツール１０は、回転手段としての回転軸モータ１４によって、接合軸Ｘ回り（例えば、図２で左回り）に回転するように構成されている。すなわち、上記回転ツール１０は、筒状の旋回軸１５の取付フランジ１５ａに固定されている。この旋回軸１５の上端はボールスプライン４０に固定されている。このボールスプライン４０とスプライン結合され、かつガン本体４１にベアリング４２を介して回転可能に支持された筒状の旋回駆動源軸４３の上端には、第１プーリ１６が取り付けられている。一方、上記回転軸モータ１４の回転軸に第２プーリ１７が取り付けられ、この第２プーリ１７に駆動される歯付きベルト１８を介して第１プーリ１６が駆動され、旋回駆動源軸４３、ボールスプライン４０及び旋回軸１５を介して、回転ツール１０が回転する。さらに、回転ツール１０は、押圧手段としての押圧軸モータ４４によって、接合軸Ｘ上を昇降するように構成されている。すなわち、ガン本体４１に回転可能に配置されたボールネジ４５に螺合して昇降する昇降部材４６に筒状の昇降筒体４７を設け、この昇降筒体４７の下端側はガン本体４１に昇降可能に支持されている。昇降筒体４７の内部には、ベアリング４８を介して上記ボールスプライン４０及び旋回軸１５が回転可能に支持されている。一方、押圧軸モータ４４の回転軸に第３プーリ４９が取り付けられ、この第３プーリ４９で駆動される歯付きベルト５０を介してボールネジ４５に取り付けられた第４プーリ５１が駆動され、ボールネジ４５の回転により昇降部材４６及び昇降筒体４７が昇降し、ベアリング４８を介してボールスプライン４０及び旋回軸１５が昇降して回転ツール１０が接合軸Ｘ上を昇降することとなる。上記回転軸モータ１４としては、インダクションモータやサーボモータを用いることができ、上記押圧軸モータ４４として、サーボモータを用いることができる。

次に上記回転ツール１０の第２ショルダー部１３を相対移動させる移動手段２１の構造について説明する。図３及び図４に拡大して示すように、上記回転ツール１０の取付部９のフランジ部９ｂが上記旋回軸１５の取付フランジ１５ａに図示しないボルトなどにより、回転不能に取り付けられている。また、取付部９の内面には、上記第１ショルダー部１２の基端部が固定されている。上記取付部９と第１ショルダー部１２との間に、上記第２ショルダー部１３が挿入されている。

上記第１ショルダー部１２は、内部が中空の有底円筒状に形成され、第１ショルダー部１２の先端面（底面）に上記突出部１１が突設されている。第１ショルダー部１２の側面には、接合軸Ｘに平行な一対の長孔１２ａが形成されている。

上記第２ショルダー部１３は、円筒状に形成され、その内面には、接合軸Ｘに直交する矩形状の板部材２２が固定されている。この板部材２２に円柱状の接合部２３が結合されている。接合部２３は、上記取付部９の空洞部９ａ内に配置された円柱状のジョイント部２４と棒部材２５によって結合されている。

上記第１ショルダー部１２の長孔１２ａに上記第２ショルダー部１３の板部材２２が挿入されている。すなわち、第２ショルダー部１３は、第１ショルダー部１２及び取付部９対して接合軸Ｘの延びる方向に相対移動可能に配置されている。

上記第２ショルダー部１３のジョイント部２４は、上記取付フランジ１５ａ及び旋回駆動源軸４３の貫通孔に挿入された長尺の推進軸２６の先端部にジョイントされている。この推進軸２６は、リニアモータ２７の推進軸であって、リニアモータ２７を駆動することで、この推進軸２６に結合された第２ショルダー部１３が第１ショルダー部１２及び取付部９対して接合軸Ｘの延びる方向に相対移動する。上記リニアモータ２７は、上記第１プーリ１６上方の接合ガン２の上側ケーシング２８内に設けられている。

上記制御盤５は、ロボット３の６軸と、上記接合ガン２に設けた回転軸モータ１４、押圧軸モータ４４及び移動手段２１のリニアモータ２７の合計９軸を同期制御するように構成されている。この制御盤５が、ロボット３を制御して受け具２０で積み重ねた金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を支持させると共に、接合ガン２を制御して、突出部１１が第３金属板部材Ｗ３の領域に達した瞬間に、上記移動手段２１によって上記第２ショルダー部１３を相対移動させ、上記金属板部材Ｗ１に押し込む。そして、回転ツール１０の摩擦熱によって金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を軟化させ、接合部位を塑性流動させて接合するように制御する。

−ワークＷの接合方法１（モニタリングによる方法）−
次に本発明の実施形態にかかる摩擦点接合装置１によるワークＷの接合方法１について説明する。

（１）まず、摩擦点接合装置１の初期状態について説明する。

図示省略の治具によってワークＷを固定する。第２ショルダー部１３の先端面を、接合材料である３枚重ねの金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３のうち、第１金属板部材Ｗ１の厚さｔ１と第２金属板部材Ｗ２の厚さｔ２との和Ｌ１（Ｌ１＝ｔ１＋ｔ２）の略１．５倍以上の長さをあけて、第１ショルダー部１２の先端面よりも、回転ツール１０の基端側に位置付ける。ロボット３は、原点位置にあり、接合ガン２は、開放端の位置（すなわち、図１に示すように、回転ツール１０が受け具２０から最も離れた状態）にある。

（２）次に、ロボット３のティーチング作業について説明する。

まず、加圧力、回転数、時間などの接合パラメータを入力する。

次いで、押圧軸モータ４４による回転ツール１０の位置モニタリングのための原点位置を教示する。すなわち、図６に示すように、回転ツール１０と受け具２０とで金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を挟み込んだ状態を教示する。そのときの回転ツール１０の位置に対応した押圧軸モータ４４のエンコーダ値を０とする。

次いで、第２ショルダー部１３を出すタイミングを、回転ツール１０が加圧方向に原点から所定の距離だけ進んだ位置と定義して、ティーチングにてその距離Ｌ１をパラメータとして入力する。

次いで、第２ショルダー部１３の最終到達位置は、その先端面が突出部１１の先端を基点として上記距離Ｌ１の８０〜１００％の位置ほど、回転ツール１０の基端側にあるものと定義し、その距離Ｌ２をパラメータとして入力する（０．８Ｌ１≦Ｌ２≦１．０Ｌ１）。

（３）次に、ロボット３及び接合ガン２の動作について説明する。

まず、ロボット３が原点から動作を開始する。また、制御盤５にて回転ツール１０の位置をモニタリングしておく。

次に、ロボット３によって接合ガン２を加圧ポイントの１つ前の教示ポイントに位置付ける。具体的には、図５に示すように、接合ガン２の回転ツール１０と受け具２０との間にワークＷを位置させると共に、接合軸Ｘ上にワークＷの接合部位を位置させる。

次に、図６に示すように、受け具２０で上記積み重ねた金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を受けると同時に回転軸モータ１４によって回転ツール１０をその接合軸Ｘ回りに回転させながら、押圧軸モータ４４によって回転ツール１０の突出部１１を上記第１金属板部材Ｗ１に押し込む。このことで、金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を回転ツール１０と受け具２０との間で狭持する。

次いで、回転ツール１０の加圧を開始する。これにより、突出部１１が第１金属板部材Ｗ１内に沈み込む。

次いで、図７に示すように、回転ツール１０をさらに押し込んで、突出部１１が第２金属板部材Ｗ２の領域まで沈み込み、第１ショルダー部１２の先端も第１金属板部材Ｗ１内に沈み込む。

次に、図８に示すように、回転ツール１０が原点からティーチングした所定の位置を通過した（Ｌ１の長さまで進んだ）ときに、リニアモータ２７に指令を出して第２ショルダー部１３を下降させる。

次に、図９に示すように、第２ショルダー部１３をリニアモータ２７によってワークＷ内部に向かって最終到達位置（突出部１１の先端からＬ２の位置）まで移動させ、この状態で回転ツール１０の摩擦熱によって接合部位を軟化させる。

このことで、ワークＷ内で塑性流動が発生し、回転ツール１０によって、第１金属板部材Ｗ１と第２金属板部材Ｗ２との間の界面Ｓ１を突出部１１が貫通した状態で第１凹部３１が形成される。第１凹部３１の外側において、全周にわたり第２金属板部材Ｗ２が第１板材Ｗ１側に盛り上がった環状の第１盛上り部３３が形成される。また、突出部１１によって、第２金属板部材Ｗ２と第３金属板部材Ｗ３との間に連続した界面Ｓ２を残して第２凹部３２が形成される。第２凹部３２の外側において、全周にわたり第３金属板部材Ｗ３が第２金属板部材Ｗ２側に盛り上がった環状の第２盛上り部３４が形成される。

次いで、接合時間があらかじめティーチングした時間に達したときに、開放動作に切り換える。具体的には、押圧軸モータ４４によって、回転ツール１０を後退させて回転ツール１０を回転させたままワークＷから引き抜く。このことで、ワークＷは、急激に冷却されて硬化し、接合される。

次に、接合位置からあらかじめ設定された所定の距離だけ離れた状態で回転ツール１０の回転を停止し、回転ツール１０の第２ショルダー部１３を元の位置に戻す。

次いで、接合ガン２をティーチングした開放ポイントに位置付ける。

そして、接合ガン２が次の教示ポイントに移動し、ワークＷの接合が繰り返される。

−ワークＷの接合方法２（時間設定による方法）−
次に上記ワークＷの接合方法１とは異なる接合方法について説明する。上記接合方法１がモニタリングによる接合方法であるのに対し、この接合方法２は、時間設定による接合方法である。

（１）まず、初期状態については、上記接合方法１と同じとする。

（２）次に、ロボット３のティーチング作業については、概ね上記接合方法１と同じであるが、自動運転時に、回転ツール１０が教示した加圧ポイントに達した瞬間を時間の基準として、そこから所定の時間Ｔ１が経過したときに第２ショルダー部１３を出すようにする。すなわち、回転ツール１０と受け具２０とで金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を挟み込んだときからの経過時間Ｔ１をパラメータとして入力する。

まず、ロボット３が原点から動作を開始する。

次に、ロボット３によって、接合ガン２を、その接合軸ＸをワークＷの接合方向に一致させた状態で加圧ポイントの１つ前の教示ポイントに位置付ける。

次に、上記接合方法１と同様に、同じタイミングで受け具２０と回転ツール１０とを金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３に当接させ、金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を狭持する。

次いで、回転ツール１０の加圧を開始する。このことで、突出部１１が第１金属板部材Ｗ１内に沈み込む。

次いで、回転ツール１０をさらに押し込んで、突出部１１が第２金属板部材Ｗ２の領域まで沈み込む。

次に、回転ツール１０が加圧開始（第１金属板部材Ｗ１への当接）からティーチングした所定の時間Ｔ１が経過したときに、リニアモータ２７に指令を出して第２ショルダー部１３を下降させる。

次に、第２ショルダー部１３をリニアモータ２７によってワークＷ内部に向かって最終到達位置（突出部１１の先端からＬ２の位置）まで移動させ、この状態で回転ツール１０の摩擦熱によって接合部位を軟化させる。この移動距離については、第２ショルダー部１３の下降開始から所定の時間が経過した後としてもよく、所定の距離Ｌ２進んだことをリニアモータ２７のエンコーダ値から検出するようにしてもよい。

その後の動作については、上記接合方法１と同じであるため、省略する。

−実施形態の効果−
したがって、本発明の実施形態にかかる摩擦点接合方法及びその装置によると、突出部１１が第３金属板部材Ｗ３の領域に達した瞬間に、第２ショルダー部１３の相対移動を開始し、この相対移動によって金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を押圧している。このため、回転ツール１０を板厚の構成に合わせて交換しなくても、段階的に各金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３に摩擦熱を入力することができるので、効率的に摩擦点接合を行うことができると共に、安定した接合品質が得られる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、ワークＷは、３枚積み重ねた金属板部材Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３よりなるものとしたが、４枚以上の金属板部材からなるものとしてもよい。この場合には、第２ショルダー部１３をさらに２段に分割してそれぞれを第１ショルダー部１２に対して回転軸心方向に相対移動可能に配置すればよい。

以上説明したように、本発明は、自動車のボディなどに用いられる複数の金属板部材を積み重ねた状態で点状に接合する摩擦点接合方法及びその装置について有用である。

本発明の実施形態にかかる摩擦点接合装置の概略説明図である。接合ガンの側面図である。回転ツールを拡大して示す側面断面図である。回転ツールを分解して２方向から示す側面断面図である。接合前の工程を示すワークの接合部位近傍の拡大側面図である。接合開始時の工程を示す図５相当図である。第１ショルダー部の下降する工程を示す図５相当図である。第２ショルダー部の下降開始時の工程を示す図５相当図である。接合完了状態を示す図５相当図である。

１摩擦点接合装置
５制御盤（制御手段）
１０回転ツール
１１突出部
１２第１ショルダー部
１３第２ショルダー部
１４回転軸モータ（回転手段）
２０受け具
２１移動手段
４４押圧軸モータ（押圧手段）
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３金属板部材

Claims

少なくとも３枚の金属板部材を積み重ねて回転ツールで摩擦点接合する方法であって、先端の突出部と、該突出部よりも径の大きい第１ショルダー部と、該第１ショルダー部よりも径が大きく回転軸心方向に相対移動可能に配置された第２ショルダー部とを有する回転ツールを用意し、
上記回転ツールに対向して配置された受け具を用意し、
上記金属板部材を、上記受け具で受けると共に、回転する上記回転ツールで押圧して上記突出部及び第１ショルダー部を押し込み、
上記突出部が最も回転ツールに遠い金属板部材の領域に達した瞬間に、上記第２ショルダー部の相対移動を開始し、該相対移動によって金属板部材を押圧し、
上記金属板部材の接合部位を摩擦熱で軟化させ、塑性流動させて接合する
ことを特徴とする摩擦点接合方法。
少なくとも３枚の金属板部材を積み重ねて回転ツールで該金属板部材の接合部位を摩擦熱で軟化させ、塑性流動させて接合する摩擦点接合装置であって、
先端の突出部と、該突出部よりも径の大きい第１ショルダー部と、該第１ショルダー部よりも径が大きく該第１ショルダー部に対して回転軸心方向に相対移動可能に配置された第２ショルダー部とを有する回転ツールと、
上記回転ツールに対向して配置された受け具と、
上記回転ツールを回転させる回転手段と、
上記回転ツールの突出部及び第１ショルダー部を上記金属板部材に押圧する押圧手段と、
上記第２ショルダー部を相対移動させて金属板部材を押圧する移動手段と、
上記突出部が最も回転ツールに遠い金属板部材の領域に達した瞬間に、上記移動手段による上記第２ショルダー部の相対移動を開始し、該相対移動によって金属板部材を押圧させる制御手段とを備えている
ことを特徴とする摩擦点接合装置。