JP4661367B2 - Friction spot welding method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、回転ツールを用いて、第1金属部材と該第1金属部材よりも融点が高い第2金属部材とを摩擦点接合する摩擦点接合方法及びその装置に関する技術分野に属する。 The present invention belongs to a technical field related to a friction point joining method and apparatus for friction spot joining a first metal member and a second metal member having a melting point higher than that of the first metal member using a rotary tool.
近年、自動車のボディ等においては、軽量化等を目的として、アルミニウム合金材料等が多く採用されるようになり、それに伴い、例えばアルミニウム合金材料からなる部材と鉄や鋼材料等からなる部材とを接合する機会が多くなってきている。このような異種金属材料からなる部材同士を溶接で接合することは困難であるため、通常は、リベット接合が行われるが、このリベット接合ではコストが高くなる。 2. Description of the Related Art In recent years, aluminum alloy materials and the like have come to be widely used in automobile bodies and the like for the purpose of weight reduction, for example, and members made of aluminum alloy materials and members made of iron or steel materials, for example. Opportunities to join are increasing. Since it is difficult to join such members made of different metal materials by welding, rivet joining is usually performed, but this rivet joining increases the cost.
そこで、異種金属材料からなる部材同士を低コストで接合可能な方法として、摩擦点接合方法が用いられている。この方法は、例えば特許文献1に示されているように、アルミニウム合金材料等からなる第1金属部材と、この第1金属部材よりも融点が高い鋼材料等からなる第2金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第1金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第1金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第1金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、両金属部材を融点以下の温度で固相接合(溶融を伴わない固相状態のままの接合)するものである。
ところで、上記の摩擦点接合方法においては、両部材の接合境界面に存在するメッキ層(鋼材料では防錆対策として亜鉛メッキ層が形成されている)を接合部から排出したり、酸化皮膜を破壊したりして、両金属部材の新生面を露出させることが、高い接合強度を確保する点で有利であり、そのためには、回転ツールを押し込んだ第1金属部材を十分に軟化させ塑性流動させる必要がある。 By the way, in the above-mentioned friction point joining method, the plating layer (zinc plating layer is formed as a rust prevention measure in steel materials) existing at the joining boundary surface of both members is discharged from the joint, or the oxide film is removed. It is advantageous to ensure the high joint strength by breaking or exposing the new surfaces of both metal members. For this purpose, the first metal member into which the rotary tool is pushed is sufficiently softened and plastically flowed. There is a need.
この点に関して、本発明者らは、回転ツールを第1金属部材に対し押圧する工程を、第1金属部材に対する加圧力(押圧力)の観点から複数の工程に分けることが好ましいことを見出した。すなわち、回転ツールを、ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第1金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を、供給電流や電圧により変更可能な押圧用モータを設けておき、最初の第1押圧工程では、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、比較的低い加圧力で回転ツールを第1金属部材に対し押圧させる。これは、いきなり高い加圧力を第1金属部材に作用させると、未だ軟化していない第1金属部材が剪断破壊する可能性が高いからであり、この第1押圧工程では、低い加圧力で第1金属部材を十分に軟化させるようにする。そして、第1金属部材が十分に軟化した後に、次の第2押圧工程において、高い加圧力を第1金属部材に作用させて塑性流動を促進させるようにする。このようにすれば、第1金属部材が剪断破壊することなく、塑性流動が良好に行われて、高い接合強度が得られるようになる。 In this regard, the present inventors have found that the step of pressing the rotary tool against the first metal member is preferably divided into a plurality of steps from the viewpoint of the pressing force (pressing force) on the first metal member. . In other words, the rotary tool is moved forward and backward in the axial direction of the rotary tool with respect to the workpiece and pressed against the first metal member, and the pressing force at the time of pressing can be changed by a supply current or voltage. A motor is provided, and in the first first pressing step, the rotating tool is pressed against the first metal member with a relatively low pressure by the pressing motor while rotating the rotating tool around the axis of the rotating tool. Let This is because if a sudden high pressure is applied to the first metal member, there is a high possibility that the first metal member that has not yet been softened will be sheared and destroyed. (1) The metal member is sufficiently softened. Then, after the first metal member is sufficiently softened, in the next second pressing step, a high pressure is applied to the first metal member to promote plastic flow. If it does in this way, a plastic flow will be performed satisfactorily and a high joint strength will be obtained, without the 1st metal member carrying out shear fracture.
上記のように、第1押圧工程における加圧力は、第1金属部材を剪断破壊せずに十分に軟化させる程度の低い値に設定することが好ましいが、この加圧力が低すぎると不具合が生じる場合がある。すなわち、上記回転ツールを移動させる機構内で生じる摩擦抵抗値、つまり回転ツールの移動抵抗値は安定しておらず、特に可動部と固定部との間の隙間量やグリス等の影響によってばらつく。このため、第1押圧工程において、上記低い加圧力になるように押圧用モータの電流等を制御しても、上記移動抵抗値の大きさによって、その加圧力が第1金属部材に実際に作用するまでの時間がばらついてしまう。この結果、上記低い加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第1金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとすると、その加圧力で第1金属部材に対し実際に押圧する時間は、上記所定時間に対してかなりばらつき、所定時間に対しかなり短くなった場合には、第1金属部材が十分に軟化されずに、第2押圧工程で剪断破壊する可能性が高くなり、また、たとえ剪断破壊しなくても、接合強度がばらついてしまう。一方、上記所定時間を長くすれば、上記加圧力での実際の押圧時間が所定時間に対してかなりばらついたとしても、第1金属部材が十分に軟化されるので、剪断破壊や接合強度のばらつきをある程度抑えることは可能となるが、自動車の製造工場等においては、限られた時間内に接合完了させることが要求されており、上記所定時間を長くするようなことは到底困難である。 As described above, the pressing force in the first pressing step is preferably set to a low value that allows the first metal member to be sufficiently softened without shear fracture. However, if this pressing force is too low, problems occur. There is a case. That is, the frictional resistance value generated in the mechanism for moving the rotating tool, that is, the moving resistance value of the rotating tool is not stable, and varies depending on the influence of the gap amount, grease, etc. between the movable part and the fixed part. For this reason, in the first pressing step, even if the current of the pressing motor is controlled so as to achieve the low pressing force, the pressing force actually acts on the first metal member depending on the magnitude of the movement resistance value. Time to do will vary. As a result, if the pressing motor is controlled to press the rotary tool against the first metal member for a predetermined time with the low pressure, the pressure is actually pressed against the first metal member with the pressure. When the time to do varies considerably with respect to the predetermined time, and when it becomes considerably short with respect to the predetermined time, the first metal member is not sufficiently softened, and there is a high possibility of shear fracture in the second pressing step. In addition, even if shear failure is not caused, the bonding strength varies. On the other hand, if the predetermined time is lengthened, the first metal member is sufficiently softened even if the actual pressing time with the applied pressure varies considerably with respect to the predetermined time. However, in automobile manufacturing factories and the like, it is required to complete joining within a limited time, and it is extremely difficult to lengthen the predetermined time.
本発明は、斯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、上記のように回転ツールを第1金属部材に対し押圧する工程を、第1金属部材に対する加圧力の観点から複数の工程に分けて摩擦点接合を行う場合に、最初の第1押圧工程における加圧力を適切に設定することによって、出来る限り早く接合を行えるようにするとともに、安定した高い接合強度が得られるようにすることにある。 This invention is made | formed in view of such a point, The place made into the objective is the viewpoint of the pressurization force with respect to a 1st metal member as mentioned above, the process which presses a rotary tool with respect to a 1st metal member. When performing friction point welding by dividing into a plurality of processes, by appropriately setting the applied pressure in the first first pressing process, the welding can be performed as soon as possible, and a stable high bonding strength can be obtained. Is to be able to.
上記の目的を達成するために、この発明では、第1押圧工程における第1金属部材に対する第1加圧力を、回転ツールの移動抵抗値よりも大きくするとともに、上記第1押圧工程を、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、押圧用モータにより、上記第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、上記第1金属部材に対し押圧接触させる工程とし、上記第1加圧力を、2.45kN以上3.43kN以下に設定し、上記所定回転数を、1500rpm以上3500rpm以下に設定し、上記所定時間を、0.2秒以上2.0秒以下に設定するようにした。 To achieve the above object, in the present invention, a first pressure against first metal member in the first pressing step, so as to be larger than the moving resistance of the rotating tool, the first pressing step, the rotating While the tool is rotated around the axis of the rotary tool at a predetermined rotational speed, the shoulder portion and the pin portion of the rotary tool are moved between the first metal for a predetermined time by the pressing motor with the first pressurizing force. In the step of pressing and contacting the member, the first pressure is set to 2.45 kN or more and 3.43 kN or less, the predetermined rotation speed is set to 1500 rpm or more and 3500 rpm or less, and the predetermined time is set to 0.2. It was set to be not less than 2 seconds and not more than 2.0 seconds .
具体的には、請求項1の発明では、第1金属部材と該第1金属部材よりも融点が高い第2金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第1金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第1金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第1金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合方法を対象とする。 Specifically, according to the first aspect of the present invention, the shaft of the rotary tool that rotates about the axis with respect to the workpiece in which the first metal member and the second metal member having a melting point higher than that of the first metal member are overlapped. By pushing the distal end, which is one end in the central direction, from the side of the first metal member, and softening and plastically flowing the first metal member by frictional heat generated by the rotation of the rotary tool and the pressing operation against the first metal member. The present invention is directed to a friction spot joining method in which both the metal members are friction spot joined.
そして、予め、上記回転ツールの先端部を、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成しておくとともに、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第1金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータを設けておき、上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第1金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、上記初期移動工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に対し押圧接触させる第1押圧工程と、上記第1押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力よりも大きい第2加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に押し込む第2押圧工程とを含み、上記第1押圧工程は、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、上記第1金属部材に対し押圧接触させる工程であり、上記第1加圧力は、2.45kN以上3.43kN以下に設定され、上記所定回転数は、1500rpm以上3500rpm以下に設定され、上記所定時間は、0.2秒以上2.0秒以下に設定されているものとする。 And, in advance, the tip portion of the rotary tool is a shoulder portion facing the workpiece, and a pin portion that is located on the axis of the rotary tool and projects from the shoulder portion to the workpiece side with a smaller diameter than the shoulder portion. And an annular recess provided in the shoulder portion around the pin portion, and the rotary tool is moved forward and backward in the axial direction of the rotary tool with respect to the workpiece and the first metal An initial pressing motor is provided that can press the member and change the pressing force at the time of pressing, and the rotating motor moves the rotating tool to an initial position that is close to the first metal member. After the moving step and the initial moving step, the rotating tool rotates around the axis of the rotating tool, and the rotation in the initial moving step is performed by the pressing motor. A first pressing step in which the shoulder portion and the pin portion of the rotating tool are pressed against the first metal member with a first pressing force larger than the movement resistance value of the tool, and the rotation after the first pressing step. While the tool is rotated about the axis of the rotary tool, the shoulder portion and the pin portion of the rotary tool are attached to the first metal member by the pressing motor with a second pressing force larger than the first pressing force. look including a second pressing step of pushing, the first pressing step, while the rotating tool is rotated at a predetermined rotational speed about the axis of the rotary tool, by the pressing motor, in the first pressure, A step of pressing and contacting a shoulder portion and a pin portion of the rotary tool with respect to the first metal member for a predetermined time, wherein the first pressing force is set to 2.45 kN or more and 3.43 kN or less, The predetermined speed is Is set below 1500rpm above 3500 rpm, the predetermined time is assumed to be set to 2.0 seconds or less 0.2 seconds or more.
上記の構成により、初期移動工程において、回転ツールが第1金属部材の近接位置である初期位置に移動し、その後、第1押圧工程において、回転ツールが回転しながら、押圧用モータにより、回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、回転ツールのショルダ部及びピン部が第1金属部材に対し押圧され、これにより、第1金属部材が軟化する。その後、第2押圧工程において、回転ツールが回転しながら、押圧用モータにより、第1加圧力よりも大きい第2加圧力で、回転ツールのショルダ部及びピン部が第1金属部材に押し込まれ、これにより、第1金属部材が塑性流動して、両金属部材が摩擦点接合される。ここで、上記第1押圧工程における第1加圧力が、回転ツールの移動抵抗値よりも大きいので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第1押圧工程開始直後に、第1加圧力で回転ツールのショルダ部及びピン部が第1金属部材に対し押圧されることとなる。これにより、第1加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第1金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとしても、第1加圧力が第1金属部材に実際に作用する時間は所定時間と略同じになり、安定する。この結果、上記所定時間を長くしなくても、第1金属部材が十分に軟化され、第2押圧工程において、第1金属部材の塑性流動が良好にかつ安定的に行われる。しかも、回転ツールの先端部が、ショルダ部とピン部と環状凹部とで構成されているので、第2押圧工程で塑性流動する第1金属部材が、回転ツールに対向する部分から外側へ流出することが抑制されるとともに、回転ツールによる加圧力が、回転ツールに対向する部分に集中する。したがって、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が得られるようになる。 With the above configuration, in the initial movement step, the rotary tool moves to the initial position that is the proximity position of the first metal member. After that, in the first pressing step, the rotary tool is rotated by the pressing motor while rotating. The shoulder portion and the pin portion of the rotary tool are pressed against the first metal member with a first pressurizing force larger than the movement resistance value of the first metal member, thereby softening the first metal member. Thereafter, in the second pressing step, the shoulder portion and the pin portion of the rotating tool are pushed into the first metal member by the pressing motor while the rotating tool rotates with a second pressing force larger than the first pressing force, Thereby, a 1st metal member carries out plastic flow, and both metal members are friction point joined. Here, since the first pressing force in the first pressing step is larger than the movement resistance value of the rotating tool, the first pressing step rotates immediately after the first pressing step regardless of the magnitude of the movement resistance value. The shoulder part and the pin part of the tool are pressed against the first metal member. Thereby, even if the pressing motor is controlled to press the rotary tool against the first metal member for a predetermined time with the first pressing force, the first pressing force is actually applied to the first metal member. The operating time is substantially the same as the predetermined time and is stable. As a result, even if the predetermined time is not lengthened, the first metal member is sufficiently softened, and the plastic flow of the first metal member is satisfactorily and stably performed in the second pressing step. And since the front-end | tip part of a rotary tool is comprised by the shoulder part, the pin part, and the cyclic | annular recessed part, the 1st metal member which plastically flows at a 2nd press process flows out from the part facing a rotary tool to the outside. The pressure applied by the rotating tool is concentrated on the portion facing the rotating tool. Therefore, the bonding can be performed as soon as possible, and a stable high bonding strength can be obtained.
ここで、第1加圧力が大きくなりすぎると、第1金属部材が剪断破壊する可能性があるが、第1加圧力、回転ツールの回転数及び第1金属部材に対する押圧時間である所定時間を、この発明の範囲内にそれぞれ設定することで、第1金属部材を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができるようになり、これにより、安定した高い接合強度が確実に得られるようになる。Here, if the first pressurizing force becomes too large, the first metal member may be sheared and destroyed. However, the predetermined time which is the first pressurizing force, the rotational speed of the rotary tool, and the pressing time with respect to the first metal member is set. By setting each within the scope of the present invention, the first metal member can be favorably softened without being sheared and broken, so that a stable and high joint strength can be reliably obtained. become.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、第2押圧工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、第2加圧力よりも小さい第3加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第1金属部材に対し押圧接触させる第3押圧工程を更に含むものとする。 According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, after the second pressing step, a third pressing force smaller than the second pressurizing force is applied by the pressing motor while rotating the rotary tool around the axis of the rotating tool. The pressure tool further includes a third pressing step in which the shoulder portion and the pin portion of the rotary tool are pressed against the first metal member with pressure.
こうすることで、回転ツールが第1金属部材に対し深く入り込み過ぎることが抑制されて、第1金属部材が過度に薄くなって引きちぎれるのを防止することができるとともに、回転ツールが第1金属部材に対し、該第1金属部材が薄くなりすぎない程度に押し込まれた位置で押圧し続けることで、良好な塑性流動が長時間に亘って得られるようになり、接合強度をより一層安定させることができる。 By doing so, it is possible to prevent the rotary tool from entering too deeply into the first metal member, and it is possible to prevent the first metal member from being excessively thin and torn, and the rotary tool can be By continuing to press against the member at a position where the first metal member is not pushed too thin, a good plastic flow can be obtained over a long period of time, thereby further stabilizing the bonding strength. be able to.
請求項3の発明では、請求項1又は2の発明において、第1金属部材は、アルミニウム合金材料からなり、第2金属部材は、鋼材料からなり、上記両金属部材の合わせ面部同士を、摩擦点接合によって固相接合するようにする。
In the invention of claim 3, in the invention of
このことで、接合強度が高くて自動車等に用いることが可能な接合金属部材が低コストで容易に得られる。 This makes it possible to easily obtain a bonded metal member that has a high bonding strength and can be used for an automobile or the like at a low cost.
請求項4の発明は、第1金属部材と該第1金属部材よりも融点が高い第2金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第1金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第1金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第1金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合装置の発明である。 According to a fourth aspect of the present invention, at one end in the axial direction of the rotary tool that rotates about the axis with respect to a workpiece in which the first metal member and the second metal member having a higher melting point than the first metal member are overlapped. By pushing a certain tip from the side of the first metal member and softening and plastically flowing the first metal member by frictional heat generated by the rotation of the rotary tool and the pressing operation against the first metal member, both the metal members It is invention of the friction point joining apparatus which carries out friction point joining.
そして、この発明では、上記回転ツールの先端部は、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成されており、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させる回転駆動手段と、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第1金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータと、上記回転駆動手段及び押圧用モータを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第1金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、上記初期移動工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に対し押圧接触させる第1押圧工程と、上記第1押圧工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力よりも大きい第2加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に押し込む第2押圧工程とを実行するように構成されており、上記第1押圧工程は、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、上記第1金属部材に対し押圧接触させる工程であり、上記第1加圧力は、2.45kN以上3.43kN以下に設定され、上記所定回転数は、1500rpm以上3500rpm以下に設定され、上記所定時間は、0.2秒以上2.0秒以下に設定されているものとする。 And in this invention, the front-end | tip part of the said rotary tool is located on the axial center of the said rotary tool and the shoulder part which opposes the said workpiece | work, and protrudes from the shoulder part to the workpiece | work side by a smaller diameter than a shoulder part. A rotation drive means configured to rotate the rotation tool around the axis of the rotation tool, and the rotation tool. A pressing motor capable of moving forward and backward in the axial direction of the rotary tool with respect to the workpiece and pressing the first metal member and changing a pressing force at the time of pressing; and the rotation driving means and the pressing motor. An initial movement step of moving the rotary tool to an initial position that is a proximity position of the first metal member by the pressing motor; After the initial movement step, the rotation tool rotates the rotation tool around the axis of the rotation tool, and the pressing motor causes the first movement resistance value to be larger than the movement resistance value of the rotation tool in the initial movement step. A first pressing step in which a shoulder portion and a pin portion of the rotating tool are pressed against the first metal member with a pressing force, and after the first pressing step, the rotating tool is used to attach the rotating tool to the rotating tool. A second pressing step of pressing the shoulder portion and the pin portion of the rotating tool into the first metal member with the second pressing force larger than the first pressing force by the pressing motor while rotating around the axis; It is configured to perform the above first pressing step, while the rotating tool is rotated at a predetermined rotational speed about the axis of the rotary tool, in the pressing motor In this step, the shoulder portion and the pin portion of the rotating tool are pressed against the first metal member for a predetermined time with the first pressure force, and the first pressure force is 2.45 kN or more. It is set to 3.43 kN or less, the predetermined rotation speed is set to 1500 rpm or more and 3500 rpm or less, and the predetermined time is set to 0.2 second or more and 2.0 seconds or less .
この発明により、請求項1の発明と同様の作用効果が得られる。 According to the present invention, the same effect as that attained by the 1st aspect can be attained.
以上説明したように、本発明の摩擦点接合方法及び装置によると、押圧用モータにより、回転ツールを初期位置に移動させる初期移動工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第1金属部材に対し押圧接触させる第1押圧工程と、この第1押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力よりも大きい第2加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第1金属部材に押し込む第2押圧工程とを行うようにするとともに、上記第1押圧工程を、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、上記第1金属部材に対し押圧接触させる工程とし、上記第1加圧力を、2.45kN以上3.43kN以下に設定し、上記所定回転数を、1500rpm以上3500rpm以下に設定し、上記所定時間を、0.2秒以上2.0秒以下に設定したことにより、第1加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第1金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとしても、第1加圧力が第1金属部材に実際に作用する時間は所定時間と略同じになり、所定時間を長くしなくても、第1金属部材が十分に軟化され、第2押圧工程において、第1金属部材の塑性流動が良好にかつ安定的に行われ、この結果、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が得られる。また、第1金属部材を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができるようになり、これにより、安定した高い接合強度が確実に得られるようになる。 As described above, according to the friction point joining method and apparatus of the present invention, the rotating tool is rotated around the axis of the rotating tool after the initial moving step of moving the rotating tool to the initial position by the pressing motor. A first pressing step in which the shoulder portion and the pin portion of the rotary tool are pressed and contacted with the first metal member by the pressing motor with a first pressurizing force larger than the movement resistance value of the rotary tool in the initial movement step. After the first pressing step, the rotating tool shoulder is rotated with the second pressing force larger than the first pressing force by the pressing motor while rotating the rotating tool around the axis of the rotating tool. given the parts and pin together to perform a second pressing step of pushing the first metal member, said first pressing step, the rotating tool about the axis of the rotary tool A process of pressing and contacting the shoulder part and the pin part of the rotating tool with respect to the first metal member for a predetermined time with the first pressurizing force by the pressing motor while rotating at a rotation number, The first applied pressure was set to 2.45 kN or more and 3.43 kN or less, the predetermined rotation speed was set to 1500 rpm or more and 3500 rpm or less, and the predetermined time was set to 0.2 seconds or more and 2.0 seconds or less . Thus, even if the pressing motor is controlled to press the rotary tool against the first metal member for a predetermined time with the first pressing force, the first pressing force is actually applied to the first metal member. The working time is substantially the same as the predetermined time, and even if the predetermined time is not lengthened, the first metal member is sufficiently softened, and the plastic flow of the first metal member is good and stable in the second pressing step. As a result, It is possible to perform fast bonding unless coming, stable and high bonding strength can be obtained. Further, the first metal member can be softened satisfactorily without being sheared and broken, so that a stable and high bonding strength can be reliably obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る摩擦点接合装置1の概略構成を示す。この摩擦点接合装置1は、後述の如く、第1金属部材W1(図7参照)と、該第1金属部材W1よりも融点が高い第2金属部材W2(図7参照)とを摩擦点接合するものであって、主たる構成要素として、接合ガン10と、該接合ガン10を手首に備えるロボット40とを含んでいる。このロボット40としては、汎用される6軸垂直多関節型ロボットが好適に用いられる。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a friction
本実施形態では、上記第1及び第2金属部材W1,W2は、自動車のボディを構成する部材であり、第1金属部材W1はアルミニウム合金材料(アルミニウム合金板)からなり、第2金属部材W2は鋼材料(鋼板)からなるが、これに限るものではない。尚、第2金属部材W1の表面には、防錆対策として亜鉛メッキ層Z(図8参照)が施されている。 In the present embodiment, the first and second metal members W1 and W2 are members constituting the body of the automobile. The first metal member W1 is made of an aluminum alloy material (aluminum alloy plate), and the second metal member W2 is used. Is made of a steel material (steel plate), but is not limited thereto. The surface of the second metal member W1 is provided with a galvanized layer Z (see FIG. 8) as a rust prevention measure.
図2及び図3に拡大して示すように、上記接合ガン10は、上記ロボット40への取付ボックス11と、この取付ボックス11の下面から下方に延びるL字状のアーム12と、このアーム12の上方で上記取付ボックス11の側面に取り付けられた本体ケース13と、押圧用モータ14と、回転用モータ15とを有している。上記本体ケース13の下端部には、一対の接合用工具の一方である回転ツール16が設けられている一方、上記アーム12の先端部には、上記回転ツール16と該回転ツール16の軸心X方向(上下方向)に対向して、接合用工具の他方である受け具17が設けられている。この受け具17は、上記第1金属部材W1と第2金属部材W2とを重ね合わせたワークの第2金属部材W2に当接して該ワークを受け、このワークに対し、後述の如く、軸心X回りに回転する回転ツール16の軸心X方向一端部である先端部(下端部)が、第1金属部材W1の側から押し込まれるようになっている。
2 and 3, the joining
上記本体ケース13の内部には、図4に示すように、互いに平行に上下方向に延びるネジ軸(昇降軸)24及びスプライン軸(回転軸)25がそれぞれの軸心回りに回転自在に設けられている。これら両軸24,25の上端部は、上蓋部材21を貫通して上部カバー22内に至り、ここで両軸24,25に従動プーリ26,27がそれぞれ組み付けられている。上記上蓋部材21及び上部カバー22は、図3及び図5に示すように、本体ケース13の上部から該本体ケース13の側方に張り出しており、上蓋部材21の該張出し部の下面に押圧用モータ14及び回転用モータ15が固定されている。これら両モータ14,15の出力軸14a,15aの先端部(上端部)は、上蓋部材21を貫通して上部カバー22内に至り、ここで両出力軸14a,15aに駆動プーリ14b,15bがそれぞれ組み付けられている。そして、上記各駆動プーリ14b,15bと従動プーリ26,27との間には、駆動伝達用のベルト28,29がそれぞれ巻き掛けられており、押圧用モータ14の回転により、ネジ軸24が図5のA方向又はB方向に回転駆動され、回転用モータ15の回転により、スプライン軸25が図5のC方向に回転駆動されるようになっている。
As shown in FIG. 4, a screw shaft (elevating shaft) 24 and a spline shaft (rotating shaft) 25 extending in the vertical direction in parallel with each other are provided in the
図4に戻り、上記ネジ軸24のネジ部24aには、昇降ブロック31が螺合されており、スプライン軸25のスプライン部25aには、回転筒体35がスプライン結合されている。この回転筒体35は、上記昇降ブロック31に結合部材32を介して一体結合された昇降筒体33の内部に回転自在に設けられている。上記ネジ軸24、昇降筒体33及び回転筒体35は、互いに同心状に配置されている。尚、以下、上記昇降ブロック31、結合部材32及び昇降筒体33の一体物を昇降体30という。
Returning to FIG. 4, the elevating
上記本体ケース13の下面には、円筒状の下方突出部13aが形成されており、この下方突出部13aの下端部には下部カバー23が設けられている。上記昇降筒体33及び回転筒体35の下端部は、この下部カバー23を貫通して下方に突出している。そして、内側にある回転筒体35の方が、外側にある昇降筒体33よりも長く下方に突出して、その回転筒体35の下端部に取付部材36が固着されている。この取付部材36に対し上記回転ツール16の先端部と反対側の端部である基端部が着脱自在(交換自在)に取り付けられている。この取り付けられた回転ツール16の軸心Xは、上記スプライン軸25の軸心の延長線上にある。尚、下部カバー23と昇降筒体33の下端部との間には、昇降筒体33の外表面を本体ケース13の外部の汚染等から保護する伸縮自在の蛇腹部材34が配設されている。
A cylindrical downward projecting
上記の構成により、押圧用モータ14の回転によりネジ軸24が図5のA方向に回転駆動されたときには、昇降体30がネジ部24aとの螺合によって下降し、昇降体30における昇降筒体33に内装された回転筒体35及び該回転筒体35の下端部に取付部材36を介して取り付けられた回転ツール16が一緒に下降する。逆に、押圧用モータ14の回転によりネジ軸24が図5のB方向に回転駆動されたときには、昇降体30がネジ部24aとの螺合によって上昇し、回転筒体35及び回転ツール16が一緒に上昇する。このことで、押圧用モータ14は、回転ツール16を、後述の如く回転ツール16と受け具17との間に位置するワークに対して、該回転ツール16の軸心X方向に進退移動させるように構成されていることになる。また、押圧用モータ14は、回転ツール16を上記ワークの第1金属部材W1に対し押圧させるように構成されているとともに、該押圧時の加圧力を、押圧用モータ14へ供給する電流により変更することができるようになっている。
With the above configuration, when the
また、回転用モータ15の回転によりスプライン軸25が図5のC方向に回転駆動されたときには、上記のような昇降体30の動きとは無関係に、回転筒体35がスプライン部25aとのスプライン結合によってスプライン軸25と同じC方向に回転し、回転筒体35に取り付けられた回転ツール16も、該回転ツール16の軸心X回りにスプライン軸25と同じC方向に回転する。このことで、回転用モータ15は、回転ツール16を該回転ツール16の軸心X回りに回転させる回転駆動手段を構成する。また、回転用モータ15は、回転ツール16の軸心X回りの回転数を、回転用モータ15へ供給する電流により変更することができるようになっている。
When the
尚、上記押圧用モータ14としては、回転角の制御及び検知が容易なサーボモータが好ましく、回転用モータ15としては、同じく回転角の制御及び検知が容易なサーボモータ、又は回転速度の制御が容易なインダクションモータが好ましい。
The
図6に回転ツール16の先端部を拡大して示す。この回転ツール16の先端部は、円柱状の胴体部16aの下端面(その輪郭は円形である)とされた、上記ワーク(第1金属部材W1)と対向するショルダ部16bと、該回転ツール16の軸心X上に位置しかつ該ショルダ部16bからショルダ部16bよりも小径で上記ワークの側(下側)に所定長さhだけ突出するピン部16cと、該ピン部16c周囲における上記ショルダ部16bに設けられた環状凹部16dとで構成されている。本実施形態では、この環状凹部16dの底面が、径方向外側に向かって凹み量が小さくなるように傾斜しており、環状凹部16dは、回転ツール16の軸心Xを中心とする円錐形状に凹んでいる。この回転ツール16の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部16bの直径が10mm、ピン部16cの直径が2mm、ピン部16cの突出長さhが0.3mm〜0.35mm、環状凹部16dの底面のショルダ部16bに対する傾斜角θが5°〜7°とされる。
FIG. 6 shows an enlarged front end portion of the
図1に示すように、ロボット40は、ハーネス51を介して制御盤50と接続されている。また、接合ガン10は、ハーネス52,54,55及び中継器53を介して制御盤50と接続されている。そして、この制御盤50内に内蔵された制御ユニット50aによって、上記押圧用モータ14及び回転用モータ15の回転駆動(モータへ供給する電流値)が制御されるようになっている。このことで、制御ユニット50aは、押圧用モータ14及び回転用モータ15を制御する制御手段を構成する。
As shown in FIG. 1, the
上記摩擦点接合装置1により、第1金属部材W1と第2金属部材W2とを摩擦点接合するには、先ず、図7に例示するように、第1金属部材W1を上板とし、第2金属部材W2を下板として重ね合わせたワークを、図示しない把持手段によって把持して固定する。続いて、ロボット40の作動により、接合ガン10を、上記ワークにおいて接合しようとする複数の接合部Pの1つに近接させ、回転ツール16が1つの接合部Pの上方に位置し、受け具17がその接合部Pの下方に位置するようにする。次いで、接合ガン10全体を上方に移動させて、受け具17を第2金属部材W2の下面に当接させる。
In order to perform friction point joining of the first metal member W1 and the second metal member W2 by the friction
そして、上記受け具17が第2金属部材W2の下面に当接した状態で、押圧用モータ14により、ネジ軸24を図5のA方向に回転駆動させることで、回転ツール16を、ワークに向かって上方から該回転ツール16の軸心X方向(下側)に移動させて、第1金属部材W1の近接位置である初期位置に移動させる(初期移動工程)。この初期位置は、回転ツール16のピン部16cの先端が第1金属部材W1の上面に対し僅かに離れるような位置である。この初期移動工程では、回転用モータ15により回転ツール16を該回転ツール16の軸心X回りに回転させるようにしてもよく、回転させないようにしてもよいが、本実施形態では、次の第1押圧工程へ直ぐに移行できるように、第1押圧工程と同じ回転数(第1回転数)で回転させるようにしておく。
Then, with the receiving
続いて、図8に示すように、回転用モータ15により回転ツール16を該回転ツール16の軸心X回りに第1回転数で回転させながら、押圧用モータ14により、上記初期移動工程における回転ツール16の移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、回転ツール16のショルダ部16b及びピン部16cを、第1所定時間の間、第1金属部材W1に対し押圧接触させる(第1押圧工程)。
Subsequently, as shown in FIG. 8, the
尚、回転ツール16の第1金属部材W1に対する加圧力は、押圧用モータ14へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット50aは、押圧用モータ14へ供給する電流を、上記第1押圧工程では、上記第1所定時間の間、上記第1加圧力に対応する電流値になるように制御する。また、回転ツール16の回転数は、回転用モータ15へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット50aは、回転用モータ15へ供給する電流を、上記第1押圧工程(及び初期移動工程)では、上記第1回転数に対応する電流値になるように制御する。
The pressure applied to the first metal member W1 of the
上記移動抵抗値は、上記ネジ軸24や昇降体30等によって構成された、昇降筒体33(回転ツール16)を移動させる機構内で生じる摩擦抵抗により決まるものであるが、この摩擦抵抗値は安定しておらず、特に可動部と固定部との間の隙間量やグリス等の影響によってばらつく。このため、上記第1加圧力が移動抵抗値以下であると、移動抵抗値の大きさによって、第1金属部材W1に第1加圧力が実際に作用するまでの時間がばらつき、第1金属部材W1に対し第1加圧力で実際に押圧する時間は、上記第1所定時間に対してかなりばらつくことになる。しかし、本実施形態では、第1加圧力を上記移動抵抗値よりも大きく設定しているので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第1押圧工程開始直後に、第1加圧力で回転ツール16のショルダ部16b及びピン部16cが第1金属部材W1に対し押圧されることとなり、第1加圧力が第1金属部材W1に実際に作用する時間は上記第1所定時間と略同じになり、安定する。
The moving resistance value is determined by the frictional resistance generated in the mechanism that moves the lifting cylinder 33 (rotary tool 16), which is constituted by the
上記第1加圧力は、上記移動抵抗値のばらつき範囲の最大値よりも大きくて、2.45kN以上3.43kN以下に設定する。また、上記第1回転数は、1500rpm以上3500rpm以下に設定する。さらに、上記第1所定時間は、0.2秒以上2.0秒以下に設定する。これら第1加圧力、第1回転数及び第1所定時間は、回転ツール16が第1金属部材W1に対し、環状凹部16dの底面の一部(深さが深い軸心X側の部分)が第1金属部材W1に接触しないで、ショルダ部16bの周縁部及びピン部16cが第1金属部材W1に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定する。
The first pressure is greater than the maximum value of the variation range of the moving resistance, to set the inclusive 2.45kN 3.43kN. Further, the first rotational speed, to set below 1500rpm than 3500 rpm. Further, the first predetermined time, to set to 2.0 seconds or less 0.2 seconds or more. With respect to the first pressurizing force, the first rotation speed, and the first predetermined time, the
上記第1押圧工程においては、ショルダ部16bの周縁部及びピン部16cが回転ツール16の軸心X回りに回転しながら第1金属部材W1に対し押圧接触されることで、その2箇所の接触部位で摩擦熱が生じ、この摩擦熱は、ワークにおける該2箇所の接触部位の間の部分(環状凹部16dの底面が接触していない部分)、延いては接合部P全体に速やかに拡散され、第1金属部材W1におけるショルダ部16bに対向する部分(接合部P)全体が良好に軟化する。また、第2金属部材W1の表面に施されている亜鉛メッキ層Zも、接合部Pにおいて軟化する。このように、上記第1加圧力、第1回転数及び第1所定時間を、上記好ましい範囲に設定することで、第1金属部材W1を剪断破壊させることなく良好に軟化させることができるようになる。
In the first pressing step, the peripheral portion of the
次いで、図9に示すように、回転用モータ15により回転ツール16を該回転ツール16の軸心X回りに第2回転数で回転させながら、押圧用モータ14により、上記第1加圧力よりも大きい第2加圧力で、回転ツール16のショルダ部16b及びピン部16cを、第2所定時間の間、第1金属部材W1に押し込む(第2押圧工程)。この第2押圧工程では、加圧力が大きくなることで、回転ツール16のショルダ部16b及びピン部16cが第1金属部材W1に対し徐々に深く入り込み、環状凹部16dの底面全体、つまりピン部16c及び環状凹部16dを含むショルダ部16b全体が第1金属部材W1に接触する。これに伴い、第1金属部材W1の軟化に加えて塑性流動(符号Q参照)が行われる。この塑性流動は、ショルダ部16bに環状凹部16dが設けられている(特に環状凹部16dが円錐形状をなしている)ことから、塑性流動する第1金属部材W1が、上下方向に流動して、回転ツール16の直下部分(接合部P)から外側へ流出することが抑制される。また、環状凹部16dにより、第2加圧力が接合部Pに集中して、第1金属部材W1の塑性流動が促進される。さらに、上記両金属部材W1,W2の接合境界面において、上記軟化した亜鉛メッキ層Zが接合部Pから押し出されることで、第2金属部材W2の新生面が露出するとともに、図示しないが、空気中の酸素により第1金属部材W1の表面に形成されている酸化被膜が接合部Pにおいて破壊されることで、第1金属部材W1の新生面が露出する。
Next, as shown in FIG. 9, while the
上記第2加圧力は、3.92kN以上5.88kN以下に設定することが好ましい。また、上記第2回転数は、2000rpm以上3000回転未満に設定することが好ましい。さらに、上記第2所定時間は、1.0秒以上2.0秒以下に設定することが好ましい。これら第2加圧力、第2回転数及び第2所定時間は、回転ツール16が第1金属部材W1に対し所定の挿入位置よりも深く押し込まれないようにそれぞれ設定する。この所定の挿入位置は、該挿入位置よりも回転ツール16が深く入り込むと第1金属部材W1が過度に薄くなって引きちぎれるような位置である。
The second applied pressure is preferably set to 3.92 kN or more and 5.88 kN or less. The second rotation speed is preferably set to 2000 rpm or more and less than 3000 rotations. Further, the second predetermined time is preferably set to 1.0 second or more and 2.0 seconds or less. The second applied pressure, the second rotation speed, and the second predetermined time are set so that the
上記第2押圧工程の終了により、接合部Pでの接合を終了するようにしてもよいが、本実施形態では、上記第2押圧工程後に、図10に示すように、回転用モータ15により回転ツール16を該回転ツール16の軸心X回りに第3回転数で回転させながら、押圧用モータ14により、第2加圧力よりも小さい第3加圧力で、回転ツール16のショルダ部16b及びピン部16cを、第3所定時間の間、第1金属部材W1に対し押圧接触させる(第3押圧工程)。この第3押圧工程では、加圧力を第2押圧工程よりも小さくすることで、回転ツール16が第1金属部材W1に対し上記所定の挿入位置よりも深く押し込まれず、第2押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けることとなる。これにより、第1金属部材W1が過度に薄くなって引きちぎれるようなことがなくなるとともに、第2押圧工程時と同じ程度の温度が維持されて、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。この第3押圧工程の終了により、1つの接合部Pでの接合が終了することになる。
The end of the second pressing step may end the joining at the joint P, but in this embodiment, after the second pressing step, as shown in FIG. While rotating the
上記第3加圧力は、上記第1加圧力よりも小さくて、0.49kN以上1.47kN以下に設定することが好ましい。また、上記第3回転数は、1500rpm以上3500回転以下に設定することが好ましい。さらに、上記第3所定時間は、0.5秒以上2.5秒以下に設定することが好ましい。これら第3加圧力、第3回転数及び第3所定時間は、回転ツール16が第1金属部材W1に対し、第2押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けかつ第1金属部材W1の塑性流動が生じるようにそれぞれ設定する。
The third pressure is preferably set to be 0.49 kN or more and 1.47 kN or less than the first pressure. The third rotation speed is preferably set to 1500 rpm or more and 3500 rotations or less. Furthermore, it is preferable that the third predetermined time is set to 0.5 seconds or more and 2.5 seconds or less. The third pressing force, the third rotation speed, and the third predetermined time continue to press the
上記第3押圧工程においては、回転ツール16で押し出された金属材料がバリRとなって第1金属部材W1の表面に隆起するとともに、亜鉛メッキ層Zが更に接合部Pから押し出され、また酸化皮膜が更に破壊されて、両金属部材W1,W2の新生面の露出範囲が拡大する(図10中、×印で表示した範囲)。この結果、両金属部材の合わせ面部同士が、摩擦点接合によって固相接合され、その接合強度は安定的に高くなる。
In the third pressing step, the metal material extruded by the
尚、亜鉛メッキ層Zにおける接合部Pの近傍部分には、第1金属部材W1の金属と、亜鉛メッキ層Zの金属との金属混合物層Yが生成される。 In the vicinity of the joint P in the galvanized layer Z, a metal mixture layer Y of the metal of the first metal member W1 and the metal of the galvanized layer Z is generated.
上記1つの接合部Pでの接合が終了すると、押圧用モータ14により、ネジ軸24を図5のB方向に回転駆動させることで、回転ツール16を上昇させるとともに、接合ガン10全体を下方に移動させかつ次の接合部Pの位置へと水平移動させ、しかる後、上記と同様の動作を繰り返して次の接合部Pでの接合を行い、こうして、複数の接合部Pにおいて摩擦点接合(固相接合)を行う。
When the joining at the one joining portion P is completed, the
上記摩擦点接合が完了した後の接合部Pにおいては、図11に示すように、ワーク(第1金属部材W1)の表面に、ショルダ部16b及びピン部16cの痕が残り、ショルダ部16bの周囲には、バリRが生じている。
In the joint P after the completion of the friction spot welding, as shown in FIG. 11, the marks of the
ここで、上記第1押圧工程において、第1加圧力、第1回転数及び第1所定時間を種々変更して、第1金属部材W1を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができるか否かを調べる軟化試験を行った。 Here, in the first pressing step, the first pressurizing force, the first rotation speed, and the first predetermined time can be variously changed to favorably soften the first metal member W1 without causing shear fracture. A softening test was conducted to check whether or not.
第1金属部材W1を、板厚1.4mmの6000系アルミニウム合金板(Cuを含有していないもの)とし、第2金属部材W2を、板厚1.0mmの鋼板(亜鉛メッキしたもの)とした場合の上記軟化試験の結果を図12(a)〜(c)に示す。また、第1金属部材W1を、Cuを1%弱含有した6000系アルミニウム合金板に変更した場合の上記軟化試験の結果を図13(a)〜(c)に示す。 The first metal member W1 is a 6000 series aluminum alloy plate (not containing Cu) having a thickness of 1.4 mm, and the second metal member W2 is a steel plate (galvanized) having a thickness of 1.0 mm; The results of the above softening test are shown in FIGS. 12 (a) to 12 (c). Moreover, the result of the said softening test at the time of changing the 1st metal member W1 to the 6000 series aluminum alloy plate which contained Cu less than 1% is shown to Fig.13 (a)-(c).
同図中、○印は、第1金属部材W1が剪断破壊せずに良好に軟化した場合を示し、×印は、第1金属部材W1が剪断破壊して内部に欠陥が生じたり回転ツール16に凝着したりした場合か、又は、摩擦熱が不足して軟化が不十分である場合を示す。そして、各加圧力毎の第1所定時間と第1回転数との関係のグラフおいて、○印が存在する範囲を「適正領域」とし、剪断破壊による×印が存在する範囲を「剪断破壊領域」とし、軟化不十分による×印が存在する範囲を「余熱不足領域」としている。尚、上記軟化試験において、図8に示すように、回転ツール16の環状凹部16dの一部が第1金属部材W1に接触していない状態、つまりショルダ部16bの周縁部及びピン部16cが第1金属部材W1に接触している状態にあれば、第1金属部材W1が剪断破壊せずに良好に軟化しているといえ、この後の第2押圧工程でも第1金属部材W1が剪断破壊することはない。また、ピン部16c及び環状凹部16dを含むショルダ部16b全体が第1金属部材W1に接触した場合には、第1金属部材W1が剪断破壊する。さらに、ピン部16cしか第1金属部材W1に接触していない状態にあれば、軟化が不十分であるといえ、この後の第2押圧工程で第1金属部材W1が剪断破壊することになる。
In the figure, a circle mark indicates a case where the first metal member W1 is softened well without shear fracture, and a cross mark indicates that the first metal member W1 is shear broken to cause an internal defect or the
上記軟化試験の結果、第1加圧力は、2.45kN以上3.43kN以下に設定するのがよく、第1回転数は、1500rpm以上3500rpm以下に設定するのがよく、第1所定時間は、0.2秒以上2.0秒以下に設定するのがよいことが判る。但し、第1金属部材W1の材料に応じて、第1加圧力、第1回転数及び第1所定時間の組み合わせとしては、上記「適正領域」内に入るようにする必要がある。 As a result of the softening test, the first applied pressure is preferably set to 2.45 kN or more and 3.43 kN or less, the first rotational speed is preferably set to 1500 rpm or more and 3500 rpm or less, and the first predetermined time is It turns out that it is good to set it to 0.2 second or more and 2.0 second or less. However, depending on the material of the first metal member W1, the combination of the first pressure, the first rotation speed, and the first predetermined time needs to fall within the “appropriate region”.
次に、上記実施形態で説明した接合方法で第1金属部材W1と第2金属部材W2とを摩擦点接合した場合の接合強度を調べた。 Next, the bonding strength when the first metal member W1 and the second metal member W2 were friction point bonded by the bonding method described in the above embodiment was examined.
すなわち、先ず、板厚1.4mmの6000系アルミニウム合金板(Cuを含有していないもの)からなる第1金属部材W1と、板厚1.0mmの鋼板(亜鉛メッキしたもの)からなる第2金属部材W2とを、図14に示すように、十字形状に重ね合わせてクランプした状態で、十字中央の接合部Pの位置で摩擦点接合を行った。このときの接合条件として、表1に示すように、No.1〜No.6の6通りとした。 That is, first, a first metal member W1 made of a 6000 series aluminum alloy plate (not containing Cu) with a plate thickness of 1.4 mm and a second metal plate made of a steel plate (galvanized) with a plate thickness of 1.0 mm. As shown in FIG. 14, the metal member W2 was subjected to friction point bonding at the position of the joint P at the center of the cross in a state where the metal member W2 was overlapped and clamped in a cross shape. As joining conditions at this time, as shown in Table 1, No. 1-No. 6 to 6 ways.
次いで、上記各接合条件で摩擦点接合したものに対して剥離強度を測定するための引張試験を行った。具体的には、第1金属部材W1を上方向矢印M1の向きに引っ張り、第2金属部材W2を下方向矢印M2の向きに引っ張って、両金属部材W1,W2が剥離したときの引張力(剥離強度)を調べた。この剥離強度の測定結果を表1に併せて示す。 Next, a tensile test for measuring the peel strength was performed on those subjected to the friction spot bonding under the above-mentioned respective bonding conditions. Specifically, the first metal member W1 is pulled in the direction of the upward arrow M1, the second metal member W2 is pulled in the direction of the downward arrow M2, and the tensile force (when the metal members W1, W2 are separated from each other) The peel strength was examined. The measurement results of the peel strength are also shown in Table 1.
上記測定結果より、No.1〜No.3のものと、No.4〜No.6のものとでは、剥離強度に差が生じているが、これは、主として第2加圧力の相違によるものであり、第2加圧力が大きい方(No.1〜No.3)が、塑性流動を十分に促進されて剥離強度、つまり接合強度が高くなったと考えられる。また、第2及び第3押圧工程での接合条件が同じであれば、第1押圧工程の接合条件を上記「適正領域」内で変更しても、接合強度は安定している。これは、第1押圧工程で第1金属部材W1が良好に軟化したからであると考えられる。 From the above measurement results, No. 1-No. 3 and no. 4-No. The difference in the peel strength is different from that of No. 6, but this is mainly due to the difference in the second pressing force, and the one with the larger second pressing force (No. 1 to No. 3) is more plastic. It is considered that the flow strength was sufficiently promoted to increase the peel strength, that is, the bonding strength. Moreover, if the joining conditions in the second and third pressing steps are the same, the joining strength is stable even if the joining conditions in the first pressing step are changed within the “appropriate region”. This is thought to be because the first metal member W1 was softened well in the first pressing step.
したがって、本実施形態では、押圧用モータ14により回転ツール16を初期位置に移動させる初期移動工程後に、回転用モータ15により回転ツール16を該回転ツール16の軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータ14により、上記初期移動工程における回転ツール16の移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、該回転ツール16のショルダ部16b及びピン部16cを第1金属部材W1に対し押圧接触させるようにしたので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第1押圧工程開始直後に、第1加圧力で回転ツール16のショルダ部16b(周縁部)及びピン部16cが第1金属部材W1に対し押圧されることとなる。これにより、第1加圧力が第1金属部材W1に実際に作用する時間は第1所定時間と略同じになり、安定する。この結果、第1所定時間を長くしなくても、第1金属部材W1が十分に軟化され、第2押圧工程において、第1金属部材W1の塑性流動が良好にかつ安定的に行われる。一方、上記第1加圧力が大きくなりすぎると、第1金属部材W1が剪断破壊する可能性があるが、本実施形態では、第1加圧力を、2.45kN以上3.43kN以下に設定するとともに、第1金属部材W1の材料に応じて、第1加圧力、第1回転数及び第1所定時間を、回転ツール16が第1金属部材W1に対し、環状凹部16dの底面の一部が第1金属部材W1に接触しないで、ショルダ部16bの周縁部及びピン部16cが第1金属部材W1に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定することで、第1金属部材W1を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができる。しかも、回転ツール16の先端部における環状凹部16dにより、第2押圧工程で塑性流動する第1金属部材W1が、回転ツール16の直下部分から外側へ流出することが抑制されるとともに、第2加圧力が、回転ツール16の直下部分に集中する。この結果、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が確実に得られるようになる。
Therefore, in the present embodiment, after the initial movement step in which the
また、本実施形態では、第2押圧工程後に、回転用モータ15により回転ツール16を該回転ツール16の軸心回りに回転させながら、押圧用モータ14により、第2加圧力よりも小さい第3加圧力で、回転ツール16のショルダ部16b及びピン部16cを第1金属部材W1に対し押圧接触させるようにしたので、回転ツール16が第1金属部材W1に対し所定の挿入位置よりも深く入り込まないようにして、第1金属部材W1が過度に薄くなって引きちぎれるのを防止することができるとともに、良好な塑性流動が長時間に亘って得られるようになり、接合強度をより一層安定させることができる。
Further, in the present embodiment, after the second pressing step, the rotating
本発明は、回転ツールを用いて、第1金属部材と該第1金属部材よりも融点が高い第2金属部材とを摩擦点接合する摩擦点接合方法及びその装置に有用であり、特に、回転ツールを第1金属部材に対し押圧する工程を、第1金属部材に対する加圧力の観点から複数の工程に分ける場合に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a friction point joining method and apparatus for friction spot joining of a first metal member and a second metal member having a melting point higher than that of the first metal member using a rotary tool. This is useful when the step of pressing the tool against the first metal member is divided into a plurality of steps from the viewpoint of the pressure applied to the first metal member.
1 摩擦点接合装置
10 接合ガン
14 押圧用モータ
15 回転用モータ(回転駆動手段)
16 回転ツール
16b ショルダ部
16c ピン部
16d 環状凹部
50a 制御ユニット(制御手段)
W1 第1金属部材
W2 第2金属部材
X 回転ツールの軸心
DESCRIPTION OF
16
W1 1st metal member W2 2nd metal member X The axis of the rotary tool
Claims (4)
予め、上記回転ツールの先端部を、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成しておくとともに、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第1金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータを設けておき、
上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第1金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、
上記初期移動工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に対し押圧接触させる第1押圧工程と、
上記第1押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力よりも大きい第2加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に押し込む第2押圧工程とを含み、
上記第1押圧工程は、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、上記第1金属部材に対し押圧接触させる工程であり、
上記第1加圧力は、2.45kN以上3.43kN以下に設定され、
上記所定回転数は、1500rpm以上3500rpm以下に設定され、
上記所定時間は、0.2秒以上2.0秒以下に設定されていることを特徴とする摩擦点接合方法。 The tip of the first metal member and the second metal member having a melting point higher than that of the first metal member are overlapped with each other, and the tip portion that is one end in the axial direction of the rotary tool that rotates about the axis is disposed on the first metal. Friction point at which the two metal members are friction point joined by being pushed in from the side of the member and softening and plastically flowing the first metal member by frictional heat generated by rotation of the rotary tool and pressing operation on the first metal member A joining method,
In advance, a shoulder portion facing the workpiece, a tip portion of the rotating tool, a pin portion that is located on the axis of the rotating tool and projects from the shoulder portion to the workpiece side with a smaller diameter than the shoulder portion, And an annular recess provided in the shoulder portion around the pin portion, and the rotary tool is moved forward and backward in the axial direction of the rotary tool with respect to the workpiece and is moved to the first metal member. A pressing motor that can be pressed and can change the pressing force at the time of pressing is provided,
An initial moving step of moving the rotary tool to an initial position which is a proximity position of the first metal member by the pressing motor;
After the initial movement step, while rotating the rotary tool around the axis of the rotary tool, the pressing motor causes the pressing tool to have a first pressure greater than the movement resistance value of the rotary tool in the initial movement step. A first pressing step of pressing and contacting a shoulder portion and a pin portion of the rotary tool against the first metal member;
After the first pressing step, while rotating the rotary tool around the axis of the rotary tool, the shoulder portion of the rotary tool with the second pressing force larger than the first pressing force is applied by the pressing motor. the pin portion seen including a second pressing step of pushing the first metal member above,
In the first pressing step, the shoulder portion and the pin portion of the rotating tool are moved by the pressing motor with the first pressing force while rotating the rotating tool around the axis of the rotating tool at a predetermined rotation speed. , A step of pressing and contacting the first metal member for a predetermined time,
The first pressing force is set to 2.45 kN or more and 3.43 kN or less,
The predetermined rotational speed is set to 1500 rpm or more and 3500 rpm or less,
The said predetermined time is set to 0.2 second or more and 2.0 second or less, The friction point joining method characterized by the above-mentioned .
第2押圧工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、第2加圧力よりも小さい第3加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第1金属部材に対し押圧接触させる第3押圧工程を更に含むことを特徴とする摩擦点接合方法。 In the friction point joining method according to claim 1 ,
After the second pressing step, the shoulder portion and the pin portion of the rotating tool are moved to the first position with a third pressing force smaller than the second pressing force by the pressing motor while rotating the rotating tool around the axis of the rotating tool. A friction point joining method, further comprising a third pressing step of pressing and contacting one metal member.
第1金属部材は、アルミニウム合金材料からなり、
第2金属部材は、鋼材料からなり、
上記両金属部材の合わせ面部同士を、摩擦点接合によって固相接合することを特徴とする摩擦点接合方法。 In the friction point joining method according to claim 1 or 2 ,
The first metal member is made of an aluminum alloy material,
The second metal member is made of a steel material,
A friction point joining method, wherein the mating surface portions of the two metal members are solid-phase joined by friction spot joining.
上記回転ツールの先端部は、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成されており、
上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させる回転駆動手段と、
上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第1金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータと、
上記回転駆動手段及び押圧用モータを制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第1金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、
上記初期移動工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に対し押圧接触させる第1押圧工程と、
上記第1押圧工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力よりも大きい第2加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第1金属部材に押し込む第2押圧工程と
を実行するように構成されており、
上記第1押圧工程は、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第1加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、上記第1金属部材に対し押圧接触させる工程であり、
上記第1加圧力は、2.45kN以上3.43kN以下に設定され、
上記所定回転数は、1500rpm以上3500rpm以下に設定され、
上記所定時間は、0.2秒以上2.0秒以下に設定されていることを特徴とする摩擦点接合装置。 The tip of the first metal member and the second metal member having a melting point higher than that of the first metal member are overlapped with each other, and the tip portion that is one end in the axial direction of the rotary tool that rotates about the axis is disposed on the first metal. Friction point at which the two metal members are friction point joined by being pushed in from the side of the member and softening and plastically flowing the first metal member by frictional heat generated by rotation of the rotary tool and pressing operation on the first metal member A joining device,
The tip of the rotary tool has a shoulder portion facing the workpiece, a pin portion located on the axis of the rotary tool and projecting from the shoulder portion to the workpiece side with a smaller diameter than the shoulder portion, and the pin It is composed of an annular recess provided in the shoulder part around the part,
Rotation driving means for rotating the rotary tool around the axis of the rotary tool;
A pressing motor capable of changing the applied pressure at the time of pressing while causing the rotating tool to move forward and backward in the axial direction of the rotating tool with respect to the work and pressing the first metal member;
Control means for controlling the rotation driving means and the pressing motor,
The control means includes
An initial moving step of moving the rotary tool to an initial position which is a proximity position of the first metal member by the pressing motor;
After the initial movement step, the rotation tool rotates the rotation tool around the axis of the rotation tool, and the pressing motor causes a first resistance greater than the movement resistance value of the rotation tool in the initial movement step. A first pressing step of pressing and contacting a shoulder portion and a pin portion of the rotary tool against the first metal member with a pressing force;
After the first pressing step, the rotating tool rotates the rotating tool around the axis of the rotating tool, and the rotating motor rotates the rotating tool with a second pressing force larger than the first pressing force. And a second pressing step of pressing the shoulder portion and the pin portion of the tool into the first metal member .
In the first pressing step, the shoulder portion and the pin portion of the rotating tool are moved by the pressing motor with the first pressing force while rotating the rotating tool around the axis of the rotating tool at a predetermined rotation speed. , A step of pressing and contacting the first metal member for a predetermined time,
The first pressing force is set to 2.45 kN or more and 3.43 kN or less,
The predetermined rotational speed is set to 1500 rpm or more and 3500 rpm or less,
The friction point joining apparatus , wherein the predetermined time is set to 0.2 seconds or more and 2.0 seconds or less .
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