JP4536992B2

JP4536992B2 - スポット接合方法

Info

Publication number: JP4536992B2
Application number: JP2002078662A
Authority: JP
Inventors: 雄三加納; 雅之犬塚; 康雅中島; 政一郎山下; 保栄長尾; 智伸岩下
Original assignee: Mazda Motor Corp; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Mazda Motor Corp; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2020-05-08
Also published as: JP2002336977A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金などをスポット的に接合するスポット接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、アルミニウム合金などの板材をスポット的に接合する方法としては、抵抗スポット溶接法、またはリベットによる機械的締結法などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
抵抗スポット溶接法では接合時に大容量の電源を必要とすること、溶接電極は汚染や損耗が生じ寿命が短いこと、溶接電力以外に、水やエアなどのユーティリティを必要とすることなど、ランニングコスト面および品質管理面での課題が存在する。
【０００４】
また、抵抗スポット溶接法では、接合部に圧痕が残るため、自動車用外板などに適用する際にはその外観が問題となる。
【０００５】
とくに、アルミニウム合金の抵抗スポット接合時には、電極消耗が激しいため、連続打点性能に乏しく、また通電時に、近接する溶接打点に電流が流れる分流現象が生じるため、溶接打点を近接できないといった問題を有する。このように溶接打点を近接させることができないと、規定された必要な強度が得られないといった問題を有する。
【０００６】
また、リベット打ちの場合には、消耗材であるリベット材を多数必要とするといった問題を有する。
【０００７】
本発明の目的は、品質管理が容易となり、ランニングコストが向上し、接合部に圧痕などが残らないスポット接合方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、先端部の中央が盛り上がるように形成されたピンが軸線に沿って突出する接合ツールを有し、
重ねられた被接合物の所定の接合点に、ピンをサーボモータでピンの軸線方向に移動して押圧しながら接合ツールをその軸線まわりにサーボモータまたはインダクションモータによって回転させ、摩擦熱でピン周囲の被接合物を加熱、軟化させてピンを挿入し、回転するピンで接合点付近の被接合物を攪拌し、被接合物を接合点で一体化させてスポット接合するスポット接合方法である。
【０００９】
また本発明は、接合ツールは、
短柱状のショルダー部を有し、
このショルダー部の端面からピンが同軸に突出し、
前記端面は、軸線に垂直な平坦な面であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に従えば、たとえば２枚の被接合物を重ねて配置し、接合ツールを高速で回転させながら、被接合材の重畳部の接合点に先端のピンを押しつける。すると摩擦熱で接合点が加熱、軟化し、ピンが接合点に挿入される。さらに回転させることによって、ピン周囲の母材が塑性流動を起こして攪拌され、２枚の被接合物が接合点で一体化する。その後接合ツールを引き抜くことによって、軟化した被接合物が硬化し、２枚の被接合物は接合点でスポット的に接合される。
【００１１】
このようにして、本発明に従えば、接合ツールを回転させて摩擦熱によって接合するので、抵抗スポット溶接に比べて、大幅に小容量の電力でスポット接合することができる。また、電力以外のユーティリティは不用であり、また接合ツールは汚染や損耗が生じないため、メンテナンスフリーで長時間使用可能なので、ランニングコストは低減され管理も容易となる。また、リベット打ちによる機械的締結法と異なり、締結材によるコスト、重量増加も招かない。ピン２１の先端部３７の中央は、盛り上がるように形成されるので、被接合物に押圧されるとき、接合点の加熱、軟化が容易に可能になり、接合が容易となる。
【００１２】
また本発明に従えば、ピン２１が短柱状ショルダー部２０に同軸に突出しており、これによってショルダー部２０の端面２２，２２ａによってもまた、被接合材との摩擦熱を発生し、スポット接合が確実になる。
【００１３】
本発明に従えば、ショルダー部２０の端面２２ａは、後述の図２（ｂ）のように、軸線Ｌに垂直であり、被接合物との摩擦接触を確実にし、接合を確実にし、しかも後述の図４に示されるように接合部分３２を大きくして、接合強度を高めることができる。
【００１８】
また本発明は、前記端面２２ａとピン２１とが連なる部分２６は、垂直であることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、ショルダー部２０の外周面２５と前記端面２２，２２ａとが連なる角部２３は、円弧状に滑らかに形成されることを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、角部２３を円弧状に滑らかに形成し、摩擦熱の発生を容易にするとともに、本件接合ツールの強度の向上を図ることができる。
【００２２】
また本発明は、ショルダー部２０の基端部は、円錐状に先細となった接合ツール先端部３６に連なることを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、円錐状に先細となった接合ツール先端部分３６に、後述の図２（ａ）および図２（ｂ）の上端部である基端部が連なり、接合ツール先端部分３６からショルダー部２０に、できるだけ大きなトルクを伝達することができる。
【００２４】
また本発明は、ピン先端にねじが形成されることを特徴とする。
本発明に従えば、本件接合ツールを回転しながら、ピンを被接合物に挿入しやすくなる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態であるスポット接合装置１を示す断面図である。スポット接合装置１は、たとえば２枚のアルミニウム合金板などのワークを重ね継手で接合する場合に用いられ、接合ツール２と、インダクションモータ３と、サーボモータ４と、リニアガイド６と、受け部材７と、フレーム９とを含んで構成される。
【００２６】
接合ツール２は、軸受け１１によって軸線Ｌ１まわりに回転自在に軸支され、この接合ツール２は、インダクションモータ３によって軸線Ｌ１まわりに高速で回転駆動する。インダクションモータ３は、リニアガイド６によって、接合ツール２の軸線Ｌ１に沿って上下に変位自在にフレーム９に取付けられる。
【００２７】
リニアガイド６は、フレーム９に取付けられ、接合ツール２の軸線Ｌ１に平行に延びるガイドレール１５と、ガイドレール１５に変位自在に装着されるガイド部材１６とを有し、インダクションモータ３および接合ツール２を軸支する軸受け１１が、リニアガイド６のガイド部材１６に取付けられる。これによって、接合ツール２は、インダクションモータ３とともに軸線Ｌ１に沿って上下に変位することができる。
【００２８】
フレーム９にはサーボモータ４およびボールねじ５が取付けられ、サーボモータ４は、ベルト１２を介してボールねじ５のねじ軸１３を回転駆動する。ねじ軸１３は、接合ツール２の軸線Ｌ１に平行に配置され、ねじ軸１３に螺合するナット１４は、ねじ軸１３の回転に従って上下に移動する。このナット１４は、リニアガイド６のガイド部材１６に取付けられる。従って、サーボモータ４でボールねじ５のねじ軸１３を回転駆動することによって、接合ツール２を、インダクションモータ３とともに、軸線Ｌ１に沿って上下に変位駆動することができる。
【００２９】
フレーム９の下部は、Ｌ字状に屈曲し、先端部に受け部材７が取付けられる。受け部材７は、接合ツール２に対向して配置される柱状の部材であって、接合ツール２の軸線Ｌ１と同軸に配置される。この受け部材７の平坦な上面は、接合ツール２の先端に臨み、スポット接合するとき、被接合物を乗載し、接合ツール２の押圧力を受ける受け面８として機能する。
【００３０】
図２は、接合ツール２の先端部の２種類の形状を示す図である。接合ツール２の先端側の部分３６は、円錐状に先細となり、その先端に短柱状のショルダー部２０が形成され、このショルダー部２０の端面である下面２２の中央から、すなわち同軸に軸線Ｌ１に沿って突出して円柱状ピン２１が形成される。
【００３１】
ショルダー部２０の形状は、図２(ａ)に示す曲面タイプと（ｂ）に示す平面タイプの２種類ある。図２(ａ)の曲面タイプは、ショルダー部２０の下面２２が、中央が上方に、すなわちショルダー部２０の軸線方向内方に凹むように逆円錐状に形成され、最も凹んだ中央部からピン２１が軸線Ｌ１に沿って下方に突出する。また、ショルダー部２０の外周面２５から下面２２にわたる角部２３は円弧状に滑らかに連なり、また、下面２２とピン２１とが連なる部分２４も円弧状に滑らかに連なるように形成される。また、ピン２１の先端部３７は、皿状に中央がわずかに盛り上がるように形成される。
【００３２】
図２（ｂ）の平面タイプは、ショルダー部２０の下面２２ａは、軸線Ｌ１に垂直な平坦な面となり、この中央からピン２１が下方に突出する。また、外周面２５から下面２２ａに連なる角部２３は、図２（ａ）と同様に、円弧状に滑らかに連なるが、下面２２ａとピン２１とが連なる部分２６は、垂直に連なる。また、ピン２１の先端部３７は、図２（ａ）と同様に、皿状に中央がわずかに盛り上がる。
【００３３】
ショルダー部２０の外径Ｄ１は、たとえば５〜２０ｍｍであり、ピン２１の外径Ｄ２は２〜７ｍｍであり、ピン長さＨは、１〜３ｍｍとする。また接合ツール２は、被溶接物であるアルミニウム合金より硬い工具鋼から形成される。
【００３４】
図３は、本発明のスポット接合方法を示す図である。本実施形態では、２枚のアルミニウム合金板であるワーク３０，３１を重ね継手するものとする。
【００３５】
まず、２枚のワーク３０，３１の接合点Ｐが、受け部材７の受け面８上で、軸線Ｌ１に一致するように配置する。そして、インダクションモータ３によって接合ツール２を、たとえば１０００〜３０００ｒｐｍ程度の高速で回転駆動させる。
【００３６】
次に、サーボモータ４によって接合ツール２を回転させながら軸線Ｌ１に沿って接合ツール２を降下させる。接合ツール２のピン２１がワーク３０に達すると、回転するピン２１とワーク３０との摩擦によって、ワーク３０が加熱されて軟化し、ピン２１が挿入される。ピン２１が挿入されると、ショルダー部２０の下面２２，２２ａもワーク３０に接触し、この下面２２，２２ａによる摩擦によって接合点Ｐ近傍がさらに加熱される。このようにして、摩擦熱で加熱、軟化したワーク３０にピン２１が挿入された状態で回転することによって塑性流動が誘起され、回転するピン２１によって接合点Ｐ近傍が攪拌される。
【００３７】
なお、接合ツール２の押圧力は、本実施形態では３００ｋｇｆとする。また、この押圧力は、受け部材７で受け止められる。
【００３８】
このようにして、ピン２１の先端がワーク３０と３１との接合面を超え、ワーク３１の裏面の手前まで挿入された状態で、接合ツール２を攪拌させることによって、図３（１）に示すように、接合点Ｐ付近に攪拌された塑性流動域が形成され、ワーク３０，３１が接合点Ｐで一体となる。
【００３９】
所定の接合時間攪拌後、図３（２）に示すように、接合ツール２を引き抜く。攪拌する接合時間は、たとえば１〜１０秒程度である。ピン２１を引き抜くと、塑性流動していた母材が硬化し、接合点Ｐでワーク３０，３１が接合される。
【００４０】
図４は、接合後のワーク３０，３１の接合点の断面を示す図である。この図に示すように、ピン２１が挿入された側の表面にはピン２１およびショルダー２０を挿入した凹所が形成され、この凹所の周囲の接合部分３２が塑性流動してワーク３０と３１とが一体になっている。また、ピン２１が挿入されない裏側は平滑な面を保っていることが分かる。なお、図４の例では、曲面タイプのショルダーを用いた。
【００４１】
次に、本発明のスポット接合方法の試験結果を図５に示す。この試験では、アルミニウム合金製自動車部材の重ね接合を想定し、図５の試験は、ボンネットのヘム（縁）部の接合の試験結果である。この試験では、０．９５ｍｍ厚のアルミニウム合金板のアウター材と、０．９ｍｍ厚のアルミニウム合金板の下材とを接合し、要求接合強度は０．５ｋＮ以上である。
【００４２】
この試験では、２．１ｍｍφのピン２１を用い、負荷荷重は３００ｋｇｆで一定とし、回転数は１５００ｒｐｍ，２０００ｒｐｍ，２５００ｒｐｍの３種類で、曲面タイプおよび平面タイプの接合ツールを、接合時間１．０〜３．５ｓの範囲で行った。その結果、図５に示すように、全ての試験において、せん断荷重が、要求接合強度を大きく上回り、また、せん断強度のばらつきが少ない良好な結果が得られた。
【００４３】
また、スポット接合方法では、前述したように、ツール挿入とは反対側の面には、凹所が形成されず、平滑な面が得られるので、外観を損なうことなくスポット接合することができる。
【００４４】
また、被接合物はアルミニウム合金の接合に限らず、たとえばステンレス鋼板の接合にも適用可能であり、また、同種の被接合物の接合に限らず、異種材料同士の接合も可能である。
【００４５】
本発明のスポット接合方法は、上述したように、平板で、同種のアルミニウム合金であるワークを重ね合わせて接合する場合が好ましいが、このような場合に限らず、たとえば３枚以上のワークを重ね合わせて接合してもよく、また異種材料を重ね合わせて接合してもよく、さらには、３次元形状に成形された複数の材料を組み合わせ、重ね合わされた面を接合するときに、本発明のスポット接合方法を適用してもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、接合ツールの回転用モータは、インダクションモータを用いたが、本発明はこれに限らず、サーボモータであってもよい。サーボモータを用いて回転させることによって、接合ツールの回転速度を高精度に制御することが可能である。
【００４７】
また、本発明のスポット接合方法では、従来の抵抗スポット溶接法のように、電流を流す必要がないので、被接合物が金属でなくともよく、合成樹脂製の被接合物同士の接合や、また、金属板の外表面に合成樹脂製の化粧シートが貼られた被接合物の接合も可能である。
【００４８】
このような本発明のスポット接合装置は、スポット接合ガンとして用い、たとえばバランサによって移動可能に支持し、作業者が、ガンを持ってスポット接合作業を行う。また、たとえば多関節型ロボットの手首にガンを装備し、教示したプログラムに従って、設定した接合点を順次スポット接合するように構成してもよい。
【００４９】
また、接合ツールの他の形態として、ピン先端にねじを形成するように構成してもよい。これによって、回転しながらピンを被接合物に挿入しやすくなる。
【００５０】
本発明のスポット接合方法は、アルミニウム合金製の自動車用部材の接合だけに限らず、たとえばアルミニウム合金製鉄道車両、またはアルミニウム筐体の接合に用いることができる。
【００５１】
本発明は、下記の実施の形態が可能である。
（１）先端部に軸線に沿ってピンが突出する接合ツールを有し、重ねられた被接合物の所定の接合点に、ピンを押圧しながら接合ツールをその軸線まわりに回転させ、摩擦熱でピン周囲の被接合物を加熱、軟化させてピンを挿入し、回転するピンで接合点付近の被接合物を攪拌し、被接合物を接合点で一体化させた後、接合ツールを軸線に沿って引き抜くことによって、被接合物を接合点でスポット接合することを特徴とするスポット接合方法。
【００５２】
本発明に従えば、たとえば２枚の被接合物を重ねて配置し、接合ツールを高速で回転させながら、被接合材の重畳部の接合点に先端のピンを押しつける。すると摩擦熱で接合点が加熱、軟化し、ピンが接合点に挿入される。さらに回転させることによって、ピン周囲の母材が塑性流動を起こして攪拌され、２枚の被接合物が接合点で一体化する。その後接合ツールを引き抜くことによって、軟化した被接合物が硬化し、２枚の被接合物は接合点でスポット的に接合される。
【００５３】
このようにして、本発明にスポット接合方法は、接合ツールを回転させて摩擦熱によって接合するので、抵抗スポット溶接に比べて、大幅に小容量の電力でスポット接合することができる。また、電力以外のユーティリティは不用であり、また接合ツールは汚染や損耗が生じないため、メンテナンスフリーで長時間使用可能なので、ランニングコストは低減され管理も容易となる。また、リベット打ちによる機械的締結法と異なり、締結材によるコスト、重量増加も招かない。
【００５４】
（２）前記接合ツールの先端に対向する位置に、平坦な受け面を有する受け部材を有し、受け面上に被接合物を重ねて配置し、接合ツールを被接合物に押しつけるときの押圧力を、前記受け部材によって受けることを特徴とするスポット接合方法。
【００５５】
スポット接合は、受け部材上に、たとえが２枚の被接合物を重ねて配置し、その上から接合ツールを回転させながら押しつけて接合する。被接合物の一表面側は、前記受け部材の平坦な受け部に支持され、その反対側からスポット接合されるので、スポット接合された側は、ピンが挿入された穴が形成されるが、受け部材に支持される側は、平坦な受け面に押しつけられるだけであるので、平滑な面が得られる。これによって、接合後、そのまま外板として適用することが可能となる。
【００５６】
（３）先端部に、軸線に沿って突出するピンを有する接合ツールと、接合ツールをその軸線まわりに回転させる回転用モータと、接合ツールをその軸線方向に移動させる移動用モータとを有し、回転用モータで接合ツールを回転させながら、移動用モータで接合ツールをその軸線方向に移動させ、重ねられた被接合物の所定の接合点に、ピンを押しつけ、摩擦熱でピン周囲の被接合物を加熱、軟化させてピンを挿入し、回転するピンで接合点付近の被接合物を攪拌し、被接合物を接合点で一体化させた後、移動用モータで接合ツールを軸線に沿って引き抜くことによって、被接合物を接合点でスポット接合することを特徴とするスポット接合装置。
【００５７】
本発明に従えば、回転用モータで接合ツールを回転させながら、移動用モータで接合ツールを軸線に沿って移動させることによって、前述したように、摩擦熱によって塑性流動を起こし、複数の被接合物を接合点でスポット的に接合することができる。
【００５８】
（４）前記回転用モータは、インダクションモータもしくはサーボモータであり、前記移動用モータは、サーボモータであることを特徴とするスポット接合装置。
【００５９】
本発明に従えば、回転用モータにインダクションモータもしくはサーボモータを用いることによって、接合ツールを高速で回転駆動することができる。また、移動用モータにサーボモータを用いることによって、たとえば接合深さを高精度に制御することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明では、接合ツールを回転させて摩擦熱によって接合するので、従来の抵抗スポット溶接に比べて、大幅に小容量の電力でスポット接合することができる。また、電力以外のユーティリティは不用であり、また接合ツールは汚染や損耗が生じないため、メンテナンスフリーで長時間使用可能なので、ランニングコストは低減され管理も容易となる。また、リベット打ちによる機械的締結法と異なり、締結材によるコスト、重量増加も招かない。
【００６１】
また、接合ツールが挿入される側とは反対側の面は、平滑な面が得られ、これによって、接合後、そのまま外板として適用することが可能となる。
【００６２】
特に本発明によれば、ピン２１の先端部３７の中央は、盛り上がるように形成される。さらにこのピン２１に、ショルダー部２０の端面２２，２２ａが同軸に連なる。
【００６３】
ショルダー部２０の外周面２５と端面２２，２２ａとが連なる角部２３は、円弧状に滑らかに形成され、強度の向上が図られる。
【００６４】
円錐状先細の接合ツール先端部分３６に、ショルダー部２０が連なり、したがって大きな回転トルクを、ショルダー部２０、したがってピン２１に伝達することができる。
【００６５】
さらに本発明によれば、ピン先端に、ねじを形成し、回転しながらピンを被接合物に挿入しやすくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態のスポット接合装置１を示す断面図である。
【図２】接合ツール先端の２種類の形状を示す図である。
【図３】スポット接合方法を示す図である。
【図４】接合後のワーク３０，３１の断面図である。
【図５】本発明のスポット接合方法の試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１スポット接合装置
２接合ツール
３インダクションモータ
４サーボモータ
７受け部材
８受け面
２０ショルダー部
２１ピン
２２，２２ａ端面
２４，２６部分
２５外周面
３６接合ツール先端部分

Claims

先端部の中央が盛り上がるように形成されたピンが軸線に沿って突出する接合ツールを有し、
重ねられた被接合物の所定の接合点に、ピンをサーボモータでピンの軸線方向に移動して押圧しながら接合ツールをその軸線まわりにサーボモータまたはインダクションモータによって回転させ、摩擦熱でピン周囲の被接合物を加熱、軟化させてピンを挿入し、回転するピンで接合点付近の被接合物を攪拌し、被接合物を接合点で一体化させてスポット接合するスポット接合方法。
接合ツールは、
短柱状のショルダー部を有し、
このショルダー部の端面からピンが同軸に突出し、
前記端面は、軸線に垂直な平坦な面であることを特徴とする請求項１記載のスポット接合方法。
前記端面とピンとが連なる部分は、垂直であることを特徴とする請求項２記載のスポット接合方法。
ショルダー部の外周面と前記端面とが連なる角部は、円弧状に滑らかに形成されることを特徴とする請求項２記載のスポット接合方法。
ショルダー部の基端部は、円錐状に先細となった接合ツール先端部に連なることを特徴とする請求項１〜４のうちの１つに記載のスポット接合方法。
ピン先端にねじが形成されることを特徴とする請求項１〜５のうちの１つに記載のスポット接合方法。