JP4867538B2

JP4867538B2 - 摩擦接合方法

Info

Publication number: JP4867538B2
Application number: JP2006252316A
Authority: JP
Inventors: 俊行玄道
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008073694A

Description

本発明は、摩擦接合方法に関するものである。

従来から、例えば重ね合わせた複数の鋼製部材の被接合部など、複数の鋼製部材の被接合部を接合する方法として、その被接合部を銅電極で挟んで通電することによって発生した抵抗発熱でその被接合部を接合する抵抗スポット溶接方法が知られている。

だが、この方法では、銅電極の内部に冷却水が存在するので、銅電極がその被接合部の冷却体として作用し、このため、その冷却速度が極めて速くなり、ナゲットが冷却時にマルテンサイト組織になってその硬さが上昇するとともにその延性が低下し、その接合強度、特に、剥離強度が低下してしまう。

一方、近年、複数の鋼製部材の被接合部を接合する方法として、摩擦接合方法が提案されている。この方法では、重ね合わせた複数の鋼製部材の被接合部を接合する場合、この重ね合わせた複数の鋼製部材の被接合部に回転ツールを回転させながら押圧することによって発生した摩擦熱でその被接合部を塑性流動させることによりその被接合部を固相状態で摩擦点接合するようになっている。例えば、特許文献１のものでは、重ね合わせた複数の鋼製部材の被接合部にレーザ光を照射した後、その被接合部に回転ツールを回転させながら押圧することによって発生した摩擦熱でその被接合部を塑性流動させることによりその被接合部を摩擦点接合するようになっている。ここで、鋼製部材の被接合部にレーザ光を照射するのは、回転ツールが磨耗するのを抑制するためである。

上記摩擦接合方法では、上記被接合部の冷却速度が抵抗スポット溶接方法よりも遅いので、ナゲットが冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制し、その接合強度、特に、剥離強度を向上させることができる。

以下、上記について図５を参照しながら説明する。

図５は、軟鋼板及び高張力鋼板の連続冷却変態（以下、ＣＣＴという）曲線と抵抗スポット溶接により接合された２枚の鋼板の被接合部の冷却曲線の一例との関係を示す図である。図５では、冷却時間（対数目盛り）を横軸に、温度を縦軸にとり、軟鋼板及び高張力鋼板のＣＣＴ曲線Ｌ１，Ｌ２、並びに抵抗スポット溶接により接合された２枚の鋼板の被接合部の冷却曲線Ｓが示されている。

図５に示すように、高張力鋼板のマルテンサイト変態開始温度Ｔ２は、軟鋼板のマルテンサイト変態開始温度Ｔ１よりも低く、高張力鋼板の冷却時間ｔ２は、軟鋼板の冷却時間ｔ１よりも長くなっている。

そして、軟鋼板同士及び高張力鋼板同士を抵抗スポット溶接により接合した場合、図５の冷却曲線Ｓに示すように、その被接合部は冷却時にマルテンサイト組織になる。

これに対し、鋼板同士を摩擦接合した場合、上述のように、その被接合部の冷却速度が抵抗スポット溶接よりも遅いので、ナゲットが冷却時にマルテンサイト組織になることが抑制される。
特開２００６−２１２１７号公報

しかし、上記摩擦接合方法では、鋼製部材として軟鋼製部材を用意すると、この軟鋼製部材の冷却時間ｔ１が比較的短いので、その被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制することができるものの、鋼製部材として高張力鋼製部材を準備すると、この高張力鋼製部材の冷却時間ｔ２が比較的長いので、その被接合部は冷却時にマルテンサイト組織になりやすく、その接合強度、特に、剥離強度が低下するおそれがある。

以下、上記について図６を参照しながら説明する。

図６（ａ）は、摩擦接合により接合された２枚の軟鋼板の被接合部の硬さを示す図であり、図６（ｂ）は、摩擦接合により接合された２枚の高張力鋼板の被接合部の硬さを示す図である。図６（ａ）及び（ｂ）では、硬さ測定位置を横軸に、０．３ｋｇの押付け荷重によるビッカース硬さを縦軸にとり、上板の硬さを◆印で、下板の硬さを□印で示している。

図６（ａ）に示すように、軟鋼板同士を摩擦接合した場合、上板及び下板ともに、母材の硬さが約１００Ｈｖであるのに対し、被接合部の硬さが約２００Ｈｖであり、その硬さの上昇量は比較的小さい。

一方、図６（ｂ）に示すように、高張力鋼板同士を摩擦接合した場合、上板及び下板ともに、母材の硬さが約２６０Ｈｖであるのに対し、被接合部の硬さが約４５０Ｈｖであり、その硬さの上昇量は非常に大きい。これは、その被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になったためと考えられる。

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、摩擦接合方法において、複数の鋼製部材の被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制し、その接合強度を向上させることにある。

第１の発明は、複数の鋼製部材の被接合部に回転ツールを回転させながら押圧することによって発生した摩擦熱で上記被接合部を塑性流動させることにより該被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦接合方法であって、上記被接合部は、上記複数の鋼製部材の界面を含む、該界面近傍の領域であり、上記摩擦熱で、上記被接合部の温度をＡ３変態点以上にし且つ該被接合部を塑性流動させる工程と、接合条件を調整することにより上記被接合部の温度をＡ１変態点以下にする温度調整工程と、上記被接合部の温度がＡ１変態点以下の状態で、上記回転ツールを上記被接合部から引き抜く工程とを備えたことを特徴とするものである。

これにより、接合条件を調整することにより複数の鋼製部材の被接合部の温度をＡ１変態点以下にし、その被接合部の温度がＡ１変態点以下の状態で、回転ツールをその被接合部から引き抜くので、その被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制することができる。このため、その延性を高めることができ、その接合強度、特に、剥離強度を向上させることができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記複数の鋼製部材を重ね合わせ、該重ね合わせた複数の鋼製部材の被接合部を摩擦点接合することを特徴とするものである。

これにより、摩擦点接合された、重ね合わせた複数の鋼製部材の被接合部の接合強度を向上させることができる。

第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、上記被接合部の温度を検出する温度検出手段を用意し、上記温度調整工程では、上記被接合部の温度を上記温度検出手段で検出しながら上記接合条件を調整することを特徴とするものである。

これにより、複数の鋼製部材の被接合部の温度を温度検出手段で検出しながら接合条件を調整することによりその被接合部の温度をＡ１変態点以下にするので、その被接合部の温度を確実にＡ１変態点以下にすることができる。

第４の発明は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、上記温度調整工程では、上記接合条件として上記回転ツールの回転数及び押圧力の少なくとも一方を調整することを特徴とするものである。

これにより、接合条件として回転ツールの回転数及び押圧力の少なくとも一方を調整するので、複数の鋼製部材の被接合部の温度を簡単な方法でＡ１変態点以下にすることができる。

第５の発明は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、上記複数の鋼製部材の少なくとも１つとして、鋼の焼入れ性を向上させる焼入れ元素を含有する高張力鋼製部材を用意することを特徴とするものである。

これにより、本発明によると、被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になりやすい、焼入れ元素を含有する高張力鋼製部材の被接合部が、冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制することができる。このため、その延性を高めることができ、その接合強度、特に、剥離強度を向上させることができる。つまり、本発明を、焼入れ元素を含有する高張力鋼製部材の被接合部の摩擦接合に適用すると、その作用効果を効果的に発揮することができる。

本発明によれば、接合条件を調整することにより複数の鋼製部材の被接合部の温度をＡ１変態点以下にし、その被接合部の温度がＡ１変態点以下の状態で、回転ツールをその被接合部から引き抜くので、その被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制することができ、このため、その延性を高めることができ、その接合強度、特に、剥離強度を向上させることができる。

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。

図１は、本発明の実施形態に係る接合ガン１の概略構成図である。図１に示すように、この接合ガン１は、摩擦点接合装置としての接合ユニット２と、把持フレーム３とを備えている。そして、例えば、図示しないロボットの手首に把持フレーム３を取り付け、自動車の車体に用いられるワークＷの複数の鋼製部材Ｗ１，Ｗ２（図３参照）を少なくとも部分的に厚み方向に重ねた状態で接合ユニット２により点状に固相状態で接合するものである。本実施形態では、複数の鋼製部材Ｗ１，Ｗ２は、１枚の第１鋼板Ｗ１と、１枚の第２鋼板Ｗ２とである。これらの第１及び第２鋼板Ｗ１，Ｗ２は、それぞれ、鋼の焼入れ性を向上させる焼入れ元素、例えばＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒなどを多く含有する、引張り強度が３４０ＭＰａ以上の高張力鋼板である。

以下、図２を参照しながら、鋼製部材について説明する。図２は、Ｆｅ−Ｃ系状態図である。図２に示すように、鋼製部材とは、炭素濃度が２．１％以下の、鉄と炭素の合金をいう。鋼製部材の炭素濃度が０．８％以下では、金属組織がオーステナイトに変態するＡ３変態点はＡ１変態点（共析温度）よりも高くなっているが、炭素濃度が０．８％〜２．１％の範囲では、Ａ１変態点及びＡ３変態点は同じになっている。鋼製部材の炭素濃度が０．８％以下では、鋼製部材の温度がＡ３変態点以上その融点以下になると、鋼製部材はすべてオーステナイト組織になるが、鋼製部材の炭素濃度が０．８％〜２．１％の範囲では、鋼製部材の温度がＡ３変態点以上ＡＣＭ変態点以下になると、鋼製部材の一部はオーステナイト組織になる一方、その温度がＡＣＭ変態点以上その融点以下になると、鋼製部材はすべてオーステナイト組織になる。

図１に示すように、上記接合ユニット２は、装置本体４と、押圧軸モータ５と、回転軸モータ６とを備えている。この装置本体４の下側には、回転ツール７が取り付けられている。この回転ツール７は、円柱状のショルダー部７ａと、このショルダー部７ａの底面の中心から下側に突出する、直径がショルダー部７ａ部の直径よりも小さい円柱状のピン部７ｂとを有している。回転ツール７は、回転軸モータ６によって回転軸心Ｘ回りに回転されると共に、押圧軸モータ５によって回転軸心Ｘ方向に昇降されるように構成されている。押圧軸モータ５及び回転軸モータ６は、これらをコントロールする制御盤（図示せず）に接続されている。

上記把持フレーム３の側面視Ｌ字状のアーム３ａの先端には、円柱状の受け部材８が取り付けられている。そして、回転ツール７と受け部材８とにより、ワークＷの被接合部を挟み込むようにしている。また、受け部材８内には、ワークＷの被接合部の温度を検出する温度センサ９（温度検出手段に相当）が設けられている。この温度センサ９は、上記制御盤に接続されている。

−接合ガンによるワークの摩擦点接合工程−
以下、図３及び図４のフローチャートを参照しながら、接合ガン１によるワークＷの摩擦点接合工程について説明する。

まず、接合される第１鋼板Ｗ１及び第２鋼板Ｗ２の材質・板厚・Ａ１変態点・Ａ３変態点などに基づき、接合条件を設定する。この接合条件として、回転ツール７の目標回転数・押圧力・最大押込み量などが設定される。

次に、図３（ａ）に示すように、第２鋼板Ｗ２及び第１鋼板Ｗ１をその順に重ね合わせてワークＷとし、ワークＷの被接合部を受け部材８で受ける。

次に、回転軸モータ６（図１参照）を駆動すると、回転ツール７が回転軸心Ｘ（図１参照）回りに回転する（ステップＳ２）。

回転ツール７の回転数が目標回転数に到達した後、回転ツール７を回転させながら、押圧軸モータ５（図１参照）を駆動すると、回転ツール７が下降する。

このようにして、押圧軸モータ５を駆動してピン部７ｂがワークＷの表面に当接するまで回転ツール７を下降させる。これにより、回転ツール７と受け部材８とでワークＷの被接合部を挟み込むと共に、このワークＷの被接合部を回転軸心Ｘ方向（図３で下方向）に加圧する（ステップＳ３）。こうして、回転ツール７と第１鋼板Ｗ１の表面との摩擦によって摩擦熱を発生させる。この摩擦熱は、第１鋼板Ｗ１から第２鋼板Ｗ２へ伝達され、第２鋼板Ｗ２も軟化する。

そして、図３（ｂ）に示すように、回転ツール７の回転及び押圧を継続させる。これにより、第１及び第２鋼板Ｗ１，Ｗ２に塑性流動を発生させる（ステップＳ４）。

次に、ワークＷの被接合部の温度を温度センサ９で測定する（ステップＳ５）。そして、その測定された温度がＡ３変態点（図４参照）以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。なお、ワークＷの被接合部の温度をＡ３変態点以上にすると、鋼板Ｗ１，Ｗ２の界面が消失するので、その接合強度を向上させることができる。また、鋼板Ｗ１，Ｗ２の炭素濃度が０．８％〜２．１％の範囲の場合、ワークＷの被接合部をすべてオーステナイト組織にするため、ステップＳ６では、その測定された温度がＡＣＭ変態点（図４参照）以上であるか否かを判定するのが望ましい。

その測定された温度がＡ３変態点以上であると判定すると、接合条件を調整する（ステップＳ７）。本実施形態では、この接合条件として回転ツール７の回転数及び押圧力を調整する。具体的には、回転ツール７の回転数及び押圧力を今よりも小さくする。但し、回転ツール７の回転数及び押圧力が０にならないようになっている。

一方、Ａ３変態点よりも小さい温度であると判定すると、ステップＳ４〜Ｓ６を繰り返す。

接合条件を調整した後、ワークＷの被接合部の温度を温度センサ９で測定する（ステップＳ８）。そして、その測定された温度がＡ１変態点（図２参照）以下であるか否かを判定する（ステップＳ９）。

その測定された温度がＡ１変態点以下であると判定すると、図３（ｄ）に示すように、ワークＷの被接合部の温度をＡ１変態点以下で且つＡ１変態点近傍の状態で、回転ツール７を回転させたまま、押圧軸モータ５を逆転させて回転ツール７を上昇させ、回転ツール７をワークＷ内から引き抜く（ステップＳ１０）。但し、ワークＷの被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを確実に抑制するためには、ワークＷの被接合部の温度をＡ１変態点以下で且つ６００度以上の状態で、回転ツール７を引き抜くのが望ましい。それから、受け部材８をワークＷから離す（ステップＳ１１）。なお、ワークＷの被接合部の温度がＡ３変態点以上の状態で、回転ツール７をワークＷ内から引き抜くと、その被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になりやすい。

一方、Ａ１変態点よりも大きい温度であると判定すると、ステップＳ７〜Ｓ９を繰り返す。

回転ツール７をワークＷ内から引き抜くと、ワークＷは冷却されて硬化し、ワークＷの接合が完了する（ステップＳ１２）。

−効果−
以上により、本実施形態によれば、接合条件を調整することにより複数の鋼製部材Ｗ１，Ｗ２の被接合部の温度をＡ１変態点以下にし、その被接合部の温度がＡ１変態点以下の状態で、回転ツール７をその被接合部から引き抜くので、その被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制することができる。このため、その延性を高めることができ、その接合強度、特に、剥離強度を向上させることができる。

また、摩擦点接合された、重ね合わせた複数の鋼製部材Ｗ１，Ｗ２の被接合部の接合強度を向上させることができる。

また、複数の鋼製部材Ｗ１，Ｗ２の被接合部の温度を温度センサ９で検出しながら接合条件を調整することによりその被接合部の温度をＡ１変態点以下にするので、その被接合部の温度を確実にＡ１変態点以下にすることができる。

また、接合条件として回転ツール７の回転数及び押圧力を調整するので、複数の鋼製部材Ｗ１，Ｗ２の被接合部の温度を簡単な方法でＡ１変態点以下にすることができる。

また、本発明によると、被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になりやすい、焼入れ元素を含有する高張力鋼製部材Ｗ１，Ｗ２の被接合部が、冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制することができる。このため、その延性を高めることができ、その接合強度、特に、剥離強度を向上させることができる。つまり、本発明を、焼入れ元素を含有する高張力鋼製部材Ｗ１，Ｗ２の被接合部の摩擦接合に適用すると、その作用効果を効果的に発揮することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、本発明に係る摩擦接合方法を、重ね合わせた複数の鋼製部材Ｗ１，Ｗ２の被接合部を摩擦点接合するのに用いているが、これに限らず、例えば、複数の鋼製部材の被接合部をつき合わせ接合するのに用いても良い。

また、上記実施形態では、ワークＷを１枚の第１鋼板Ｗ１と１枚の第２鋼板Ｗ２とで構成しているが、３枚以上の鋼板で構成しても良い。

また、上記実施形態では、ワークＷを焼入れ元素を含有する２枚の高張力鋼板で構成しているが、これに限らず、例えば、焼入れ元素の含有量の少ない２枚の高張力鋼板で構成したり、焼入れ元素を含有する１枚の高張力鋼板と１枚の軟鋼板とで構成したりしても良い。なお、ワークＷを、例えば、焼入れ元素を含有する１枚の高張力鋼板と１枚の軟鋼板とで構成する場合など、材質が互いに異なる２枚の鋼板で構成する場合、ステップＳ６では、各鋼板の被接合部の温度がＡ３変態点以上であるか否かを判定する必要がある。

また、上記実施形態では、温度検出手段としての温度センサ９を受け部材８内に設けているが、ワークＷの被接合部の温度を検出できる限り、温度検出手段は如何なるものでも良く、また、何処に設けても良い。

また、上記実施形態では、回転ツール７の回転数及び押圧力を調整することにより、ワークＷの被接合部の温度をＡ１変態点以下にしているが、これに限らず、回転ツール７の回転数及び押圧力の一方を調整したり、回転ツール７の回転数及び押圧力以外の接合条件を調整したりすることにより、Ａ１変態点以下にしても良い。

また、上記実施形態では、回転ツール７の回転数及び押圧力を調整することにより、ワークＷの被接合部の温度をＡ１変態点以下にしているが、回転ツール７の回転数及び押圧力を調整するのに加えて、その被接合部をエア冷却することにより、Ａ１変態点以下にしても良い。

本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明に係る摩擦接合方法は、複数の鋼製部材の被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制し、その接合強度を向上させるための用途等に適用できる。

本発明の実施形態に係る接合ガンの概略構成図である。Ｆｅ−Ｃ系状態図である。接合ガンによるワークの摩擦点接合工程を示す図であり、（ａ）は、回転ツールの押圧開始時の図であり、（ｂ）は、回転ツールを２枚目の鋼板まで押し込んだ時の図であり、（ｃ）は、回転ツールの回転数を調整した時の図であり、（ｄ）は、回転ツールをワーク内から引き抜いた時の図である。図である。接合ガンによるワークの摩擦点接合工程のフローチャートである。従来の、軟鋼板及び高張力鋼板のＣＣＴ曲線と抵抗スポット溶接により接合された２枚の鋼板の被接合部の冷却曲線の一例との関係を示す図である。従来の、摩擦接合により接合された２枚の鋼板の被接合部の硬さを示す図であり、（ａ）は、軟鋼板同士の被接合部の硬さを示す図であり、（ｂ）は、高張力鋼板同士の被接合部の硬さを示す図である。

１接合ガン
２接合ユニット
３把持フレーム
４装置本体
５押圧軸モータ
６回転軸モータ
７回転ツール
７ａショルダー部
７ｂピン部
８受け部材
９温度センサ（温度検出手段）
Ｗワーク
Ｗ１第１鋼板
Ｗ２第２鋼板

Claims

複数の鋼製部材の被接合部に回転ツールを回転させながら押圧することによって発生した摩擦熱で上記被接合部を塑性流動させることにより該被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦接合方法であって、
上記被接合部は、上記複数の鋼製部材の界面を含む、該界面近傍の領域であり、
上記摩擦熱で、上記被接合部の温度をＡ３変態点以上にし且つ該被接合部を塑性流動させる工程と、
接合条件を調整することにより上記被接合部の温度をＡ１変態点以下にする温度調整工程と、
上記被接合部の温度がＡ１変態点以下の状態で、上記回転ツールを上記被接合部から引き抜く工程とを備えたことを特徴とする摩擦接合方法。
請求項１記載の摩擦接合方法において、
上記複数の鋼製部材を重ね合わせ、該重ね合わせた複数の鋼製部材の被接合部を摩擦点接合することを特徴とする摩擦接合方法。
請求項１又は２記載の摩擦接合方法において、
上記被接合部の温度を検出する温度検出手段を用意し、
上記温度調整工程では、上記被接合部の温度を上記温度検出手段で検出しながら上記接合条件を調整することを特徴とする摩擦接合方法。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦接合方法において、
上記温度調整工程では、上記接合条件として上記回転ツールの回転数及び押圧力の少なくとも一方を調整することを特徴とする摩擦接合方法。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の摩擦接合方法において、
上記複数の鋼製部材の少なくとも１つとして、鋼の焼入れ性を向上させる焼入れ元素を含有する高張力鋼製部材を用意することを特徴とする摩擦接合方法。