JP5840161B2 - 異種材接合体の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、炭素鋼材とアルミニウム材とからなる異種材同士を摩擦撹拌接合により接合する異種材接合体の接合方法に関する。

例えば、特許文献１には、炭素鋼材とアルミニウム材とからなる異種材同士を摩擦撹拌接合した異種材接合体が開示されている。この異種材接合体では、接合プローブにより接合される接合部を基準として、塑性流動部の巻き上げ高さが小さい領域の接合部をアルミニウム材の一方側に位置させ、塑性流動部の巻き上げ高さが大きい領域の接合部をアルミニウム材の他方側に位置させることが記載されている。

国際公開第２０１１／１２５３７６号

ところで、例えば、相互に対向し略平行に延在する複数のフランジ部を有し、各フランジ部間に膨出部が設けられている異種材のフランジ部同士を摩擦撹拌接合によって接合する場合、摩擦撹拌接合部位における膨出部側の接合強度を強化する必要がある。摩擦撹拌接合部位において、膨出部側は、膨出部の反対側と比較してより一層の剛性・強度が要求されるからである。また、膨出部を間にして略平行に延在する各フランジ部を摩擦撹拌接合するときの摩擦撹拌接合作業の時間を短縮することが希求されている。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、摩擦撹拌接合部位における膨出部側の接合強度を強化すると共に、膨出部を間にしてその両側にそれぞれ配置された各フランジ部を効率的に摩擦撹拌接合することが可能な異種材接合体の接合方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、鉄製板材の板状部に対して、１つの面が開口部を有し、前記開口部の周縁に複数のフランジ部を有し、前記複数のフランジ部の中には互いに対向して略平行に延在する一対のフランジ部が含まれ、前記略平行に延在する一対のフランジ部間に膨出部を有するアルミニウム製部材を重ね合わせ、前記フランジ部で摩擦撹拌接合により接合される異種材接合体の接合方法であって、前記鉄製部材に対して前記アルミニウム製部材を重ね合わせる工程と、接合プローブを所定方向に回転させ前記アルミニウム製部材側から前記接合プローブを前記フランジ部に挿入する工程と、前記接合プローブを前記略平行に延在するフランジ部の一方に沿って所定方向に移動させる工程と、前記接合プローブを、前記膨張部を跨いでそのまま前記略平行に延在するフランジ部の他方に挿入すると共に、前記接合プローブの回転方向を同一方向に保持したまま、前記フランジ部の他方に沿って前記所定方向と反対側の方向に移動させる工程と、を有し、前記接合プローブが前記所定方向及び前記所定方向と反対側の方向に移動する際、前記接合プローブの移動方向と前記接合プローブの回転方向とが反対となる後退側は、前記接合プローブの移動方向と前記接合プローブの回転方向とが一致する前進側よりも、前記膨出部に近接していることを特徴とする。

本発明によれば、膨出部を間にして略平行に配置された一対のフランジ部に対しプローブを所定方向に移動させた後、膨出部を跨いだ所定方向と反対側の方向に折り返して往復させると共に、プローブの移動方向とプローブの回転方向とが反対となる後退側を、接合プローブの移動方向と接合プローブの回転方向とが一致する前進側よりも、膨出部に近接するように設定することで、プローブの回転方向を変更することがなく膨出部に近接する後退側のフランジ部を、膨出部から離間する前進側のフランジ部と比較してその剛性・強度を増大させることができる。

また、本発明は、前記接合プローブを３軸直交座標系に沿って移動可能なロボットのアームに取り付ける工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、摩擦撹拌接合するときにプローブの動作を容易とすることができ、膨出部を間にして略平行に配置された複数のフランジ部を効率的に摩擦撹拌接合することができる。

さらに、本発明は、前記鉄製板材と前記アルミニウム製部材は、それぞれ平面視して略コ字を呈し、前記鉄製板材と前記アルミニウム製部材とが摩擦撹拌接合されることで、井桁状の自動車用サスペンション支持部材が構成されることを特徴とする。

本発明によれば、井桁状の自動車サスペンション支持部材の製造を容易にする
ことができる。
さらにまた、本発明は、前記ロボットが、摩擦攪拌接合される被溶接対象物を
間にして対向配置される一対のロボットであることを特徴とする。本発明によれ
ば、対向配置された一対のロボットが向かい合った状態で、被溶接対象物に対し
摩擦攪拌接合作業を遂行することができる。

本発明では、摩擦撹拌接合部位における膨出部側の接合強度を強化すると共に、膨出部を間にしてその両側にそれぞれ配置された各フランジ部を効率的に摩擦撹拌接合することが可能な異種材接合体の接合方法を得ることができる。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を実施する摩擦撹拌接合装置を含む摩擦撹拌接合システムの平面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の側面図である。 （ａ）は、摩擦撹拌接合装置の部分拡大側面図、（ｂ）は、Ａ−Ａ線に沿った断面図である。 （ａ）は、図２に示す摩擦撹拌接合装置を構成する装着治具、駆動機構及び補助支持機構のみを示す拡大図、（ｂ）は、（ａ）をＺ軸の負方向にみた平面図、（ｃ）は、（ａ）をＺ軸の正方向にみた底面図である。 （ａ）は、図４（ａ）をＸ軸の正方向にみた正面図、（ｂ）は、図４（ａ）をＸ軸の負方向にみた背面図である。 （ａ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図、（ｃ）は、図４（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図、（ｄ）は、図４（ａ）のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。 摩擦撹拌接合によって製造されたサブフレーム構造体の分解斜視図である。 サブフレーム構造体において、前部サブフレームと後部サブフレームとの重畳部位の縦断面図である。 摩擦撹拌接合するときのプローブの接合方向及び接合順序を示す平面図である。 （ａ）は、右リヤサイド部及び右サイドメンバのフランジ部同士をプローブで矢印Ｒ１方向に沿って摩擦撹拌接合する状態を示す一部破断斜視図、（ｂ）は、左リヤサイド部及び左サイドメンバのフランジ部同士をプローブで矢印Ｌ２方向に沿って摩擦撹拌接合する状態を示す一部破断斜視図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を実施する摩擦撹拌接合装置を含む摩擦撹拌接合システムの平面図、図２は、図１の摩擦撹拌接合装置の側面図、図３（ａ）は、摩擦撹拌接合装置の部分拡大側面図、図３（ｂ）は、Ａ−Ａ線に沿った断面図、図４（ａ）は、図２に示す摩擦撹拌接合装置を構成する装着治具、駆動機構及び補助支持機構のみを示す拡大図、図４（ｂ）は、図４（ａ）をＺ軸の負方向にみた平面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）をＺ軸の正方向にみた底面図、図５（ａ）は、図４（ａ）をＸ軸の正方向にみた正面図、図５（ｂ）は、図４（ａ）をＸ軸の負方向にみた背面図、図６（ａ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図、図６（ｃ）は、図４（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図、図６（ｄ）は、図４（ａ）のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。なお、図２〜図６の各図中において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、３軸直交座標系を示している。また、Ｘ軸及びＹ軸が成す平面は、水平面に平行な平面であり、Ｚ軸の正方向は、上方向である。

図１に示されるように、摩擦撹拌接合システム１は、摩擦撹拌接合される接合対象であるワークＷを間にして相互に対向して配置された一対の摩擦撹拌接合装置２、２を備えて構成されている。この一対の摩擦撹拌接合装置２、２は、それぞれ同一構成からなるため、一方の摩擦撹拌接合装置２を詳細に説明して他方の摩擦撹拌接合装置２の説明を省略する。

図２に示されるように、摩擦撹拌接合装置２は、異種材同士が重ね合わされて構成され摩擦撹拌接合される被溶接対象物（以下、ワークＷという）と、ワークＷを載置すべく床Ｆに固設された載置台１０と、載置台１０の上方で載置台１０に対向して配置自在な変位検出装置２０と、変位検出装置２０が装着されて載置台１０の上方で載置台１０に対向して配置自在な接合ツール３０と、載置台１０の下方で載置台１０の下面に当接するように配置自在な補助支持機構４０と、接合ツール３０及び補助支持機構４０を装着治具１５２で保持して床Ｆに固設されたロボット５０と、を備える。ここで、摩擦撹拌接合時に装着治具１５２が変形すると、それに装着された接合ツール３０が変位する。なお、図２中では、載置台１０の一部を省略し簡略化して示している。

載置台１０は、ワークＷをその載置部１０ａ上に載置する載置治具１２と、載置治具１２上に配設されてワークＷを装脱自在に固定するストッパ１４とを備える。載置治具１２上におけるワークＷの位置は、ストッパ１４でワークＷの一部を保持することにより、正確に維持される。なお、ストッパ１４を駆動する駆動源としては、図示しないモータやエアシリンダ等が例示される。勿論、ストッパ１４を手動で駆動してもよい。なお、ワークＷについては、後記で詳細に説明する。

変位検出装置２０は、典型的には接触式の変位検出装置であり、一対の変位センサ２２と、変位検出時の変位センサ２２の各々に対応して規準位置を与える一対の典型的には金属製の規準部材２８と、を備える。各々の変位センサ２２は、センサ本体２４と、センサ本体２４に連絡する接触子２６ａ及び接触子２６ａを挿通してその端部以外を覆うベローズ２６ｂを有する可動部２６と、を備える。かかる接触子２６ａは、図示しないコイルスプリング等の付勢部材により、センサ本体２４に対して下方に向けて付勢された付勢力を与えられて、センサ本体２４に装着されている。各々の変位センサ２２は、それらの接触子２６ａの下端部が対応する規準部材２８の上面に当接した状態で、かかる接触子２６ａが規準部材２８によりセンサ本体２４内に付勢力に抗して押し込まれながら上方に移動される際の移動量や、かかる接触子２６ａが、規準部材２８から遠ざかろうとしてセンサ本体２４から付勢力で押し戻されながら下方に移動される際の移動量に応じて、装着治具１５２の変形に起因する接合ツール３０のプローブ３２の変位を検出自在である。

接合ツール３０は、典型的には上下方向に延在する鉄材等の金属製の円柱部材であって、Ｚ軸と平行な中心軸Ｚの周りに回転自在であると共に上下移動自在であるプローブ（接合プローブ）３２と、プローブ３２を保持するホルダ３４と、ホルダ３４に保持されたプローブ３２を上下移動させると共に、プローブ３２を中心軸Ｚの周りに回転させる駆動機構３８と、を備える。また、駆動機構３８は、その筐体３８ａ内に、図示しないモータやシャフト等を内蔵している。また、プローブ３２の中心軸Ｚの方向が、摩擦撹拌接合時にプローブ３２が回転してワークＷを押圧する押圧方向である。

なお、プローブ３２を有する接合ツール３０を、３軸直交座標系に沿って移動可能なロボット５０のアーム５４の先端に取り付けることで、摩擦撹拌接合するときにプローブ３２の動作を容易とすることができる。この結果、後記するワークＷの膨出部２４２（図８参照）を間にして略平行に配置された一対のフランジ部２４０（図８参照）を効率的に摩擦撹拌接合することができる。

筐体３８ａは、各種構成部品を支持しながら装着治具１５２に固定されるフレーム部材としても機能し、その構造の一例として中空直方体状の形状を有する。かかる筐体３８ａにおけるＹ軸の正方向側の縦壁面及びＹ軸の負方向側の縦壁面には、各々、変位センサ２２が、固定部材２４ａを介してセンサ本体２４の部分で固定されている。かかる両縦壁面は、プローブ３２の中心軸Ｚについて対称の位置にあるため、一対の変位センサ２２、又はそれらの接触子２６ａは、プローブ３２の中心軸Ｚについて互いに軸対称の位置に配設されていると共に、各々の接触子２６ａは、Ｙ軸の方向にみて、プローブ３２の中心軸Ｚと一致する移動軸に沿って上下方向に移動自在である。よって、変位検出装置２０は、精度良く、装着治具１５２の変形に起因するプローブ３２の変位を検出することができる。

接合ツール３０において、駆動機構３８がプローブ３２を保持するホルダ３４を下方に移動させた場合、プローブ３２の下部は、ワークＷに圧入されていき、ワークＷにおいて、上層のアルミニウム材を貫通して下層の鉄製材に進入する位置まで到達自在である。

補助支持機構４０は、載置治具１２とは反対側で載置部１０ａの下面に当接する典型的には鉄材等の金属製のボール部材である補助支持部材４２と、補助支持部材４２をその中心位置を不動にしながら回転自在に保持するホルダ４４と、を備える。かかる補助支持機構４０においては、補助支持部材４２がワークＷを挟んでプローブ３２の下端部と対向した状態で、補助支持部材４２が、その上部の１点で載置台１０の載置部１０ａの下面に当接しながら載置台１０を補助的に支持している。

ロボット５０は、接合ツール３０と、載置台１０の載置治具１２上に固定された被溶接対象であるワークＷと、を相対移動自在な移動機構であり、典型的には産業用ロボットである。具体的には、ロボット５０は、側面視して二股形状を呈した金属製で接合ツール３０及び補助支持機構４０に対応して装着される上方装着部１５２ａ及び下方装着部１５２ｂを有する典型的には鋼材の削り出し品である装着治具１５２と、装着治具１５２を装着して典型的には多関節を有するマニピュレータであるアーム５４と、アーム５４を移動させる図示しない駆動機構、演算処理装置及びメモリ等を内蔵するロボット本体５６と、を備える。

装着治具１５２の上方装着部１５２ａには、接合ツール３０の駆動機構３８の筐体３８ａが装着されて固定され、一方、装着治具１５２の下方装着部１５２ｂには、補助支持機構４０のホルダ４４が装着されて固定される。アーム５４の一端の支持部１５４ａには、装着治具１５２の上方装着部１５２ａ及び下方装着部１５２ｂ間の結合部における固定部１５２ｃが締結手段を介して固定されて装着され、アーム５４の他端にはロボット本体５６が連絡する。ロボット本体５６の駆動機構が動作することによりアーム５４が移動し、アーム５４の移動に対応して、接合ツール３０と補助支持機構４０との相対的な位置関係を維持しながら、上下左右等の多自由度でもって接合ツール３０及び補助支持機構４０が移動自在である。

ここで、ロボット本体５６の駆動機構がアーム５４を移動させて、装着治具１５２の上方装着部１５２ａに装着された接合ツール３０のプローブ３２を、ワークＷに押圧する摩擦撹拌接合時において、装着治具１５２、特に接合ツール３０とアーム５４とを接続する上方装着部１５２ａの剛性は、アーム５４の剛性よりも低く設定されている。よって、このような場合には、かかる上方装着部１５２ａの部分のみが、摩擦撹拌接合時に変形する変形部となる。換言すると、このように摩擦撹拌接合時に変形する特定の変形部を設けることで、摩擦撹拌接合時には、実質的にその変形部の変形のみを考慮してプローブ３２の変形を検出すれば足りることになる。

装着治具１５２の固定部１５２ｃにおけるＹ軸の正方向側の縦壁面（Ｘ−Ｚ平面に平行な面）及びＹ軸の負方向側の縦壁面（Ｘ−Ｚ平面に平行な面）には、各々、規準部材２８の第１端部２８ａが締結等により固定されている。摩擦撹拌接合装置２による摩擦撹拌接合時においては、かかる装着治具１５２における固定部１５２ｃで固定された部分の剛性は、アーム５４の剛性と等しく設定されている。各々の規準部材２８は、さらに、第２端部２８ｂと、第１端部２８ａ及び第２端部２８ｂ間を延在してこれらを結ぶ延在部２８ｃと有し、筐体３８ａ及び装着治具１５２双方のＹ軸の正方向側及び負方向側に対応して配設される。詳細には、Ｙ軸の正方向側に設けられた規準部材２８においては、第２端部２８ｂ上に固設された受け部材２８ｄの上面に、Ｙ軸の正方向側に設けられた変位センサ２２の接触子２６ａの下端部が当接自在であり、延在部２８ｃは、装着治具１５２のＹ軸の正方向側の縦壁面から離間してそれに拘束されない状態で延在している。同様に、Ｙ軸の負方向側に設けられた規準部材２８においては、第２端部２８ｂ上に固設された受け部材２８ｄの上面に、Ｙ軸の負方向側に設けられた変位センサ２２の接触子２６ａの下端部が当接自在であり、延在部２８ｃは、装着治具１５２のＹ軸の負方向側の縦壁面から離間してそれに拘束されない状態で延在している。つまり、共にＹ軸の正方向側に設けられた変位センサ２２及び規準部材２８、並びに、共にＹ軸の負方向側に設けられた変位センサ２２及び規準部材２８は、各々対応して組を成し、変位検出装置２０は、２箇所の変位を検出自在である。また、各々の規準部材２８の延在部２８ｃ間を、充分な剛性や強度を有する典型的には金属製の連結部材（図示せず）で連結すると、規準部材２８同士の連結強度が増して規準部材２８全体の強度や剛性が向上するため好ましい。

摩擦撹拌接合装置２の該当する各種構成要素は、コントローラＣから送出される制御信号を受けて適宜制御され、ワークＷに摩擦撹拌接合を為すように動作するものである。具体的には、コントローラＣは、ワークＷに対して接合ツール３０を下降させてプローブ３２をワークＷに圧入させると共に回転させることにより、プローブ３２でワークＷに摩擦熱を発生させながら撹拌すると共に、各々の変位センサ２２の接触子２６ａが対応する規準部材２８に当接しながら移動する移動量を検出しながら、ロボット５０のアーム５４でプローブ３２とワークＷとを相対移動して、ワークＷを所定の接合線に沿って摩擦撹拌接合する制御を行う。ここで、各々の接触子２６ａは、Ｙ軸の方向からみて、プローブ３２の中心軸Ｚと一致する移動軸に沿って上下方向に移動自在であるため、かかる接触子２６ａは、摩擦撹拌接合時に規準部材２８に当接しながら上下方向に移動し、その結果、装着治具１５２の変形、特に上方装着部１５２ａの変形に起因するプローブ３２の上下方向の変位が精度良く検出され得ると共に、各々の接触子２６ａ及び対応する受け部材２８ｄは、プローブ３２の中心軸Ｚについて互いに軸対称の位置に配設されるものでもあるため、かかるプローブ３２の上下方向の変位を、それに近接した２箇所の変位検出箇所でもって、より算出処理がし易い態様で得ることができる。なお、コントローラＣは、図示しない演算処理装置やメモリ等を内蔵し、メモリには、摩擦撹拌接合を実行するための制御プログラムや所定の加工方向に関するデータ等が記憶される。

上方装着部１５２ａにおけるＹ軸の正方向側の縦壁面１５２ｄ及びＹ軸の負方向側の縦壁面１５２ｄには、それらの周縁部を壁面部として残した態様で、それらを各々切削にて陥設した上方凹部１５２ｅが設けられている。上方装着部１５２ａの強度・剛性を不要に低減しない範囲内でそれの軽量化が図られている。

併せて、下方装着部１５２ｂにおけるＹ軸の正方向側の縦壁面１５２ｆ及びＹ軸方向の負方向側の縦壁面１５２ｆには、それらの周縁部を壁面部として残した態様で、それらを各々切削にて陥設した第１下方凹部１５２ｇ、第２下方凹部１５２ｈ及び第３下方凹部１５２ｉが上方から下方に向かって順次設けられている。下方装着部１５２ｂの強度・剛性を不要に低減しない範囲内でそれの軽量化が図られている。

下方装着部１５２ｂの強度・剛性を不要に低減しないようにするために、下方装着部１５２ｂのＹ軸の正方向側における第１下方凹部１５２ｇと第２下方凹部１５２ｈとの間には、Ｙ軸の正方向側の縦壁面１５２ｆと面一の高さを有する第１リブ１５２ｊが設けられると共に、下方装着部１５２ｂのＹ軸の負方向側における第１下方凹部１５２ｇと第２下方凹部１５２ｈとの間には、Ｙ軸の負方向側の縦壁面１５２ｆと面一の高さを有する第１リブ１５２ｊが設けられている。また、同様に、下方装着部１５２ｂのＹ軸の正方向側における第２下方凹部１５２ｈと第３下方凹部１５２ｉとの間には、Ｙ軸の正方向側の縦壁面１５２ｆと面一の高さを有する第２リブ１５２ｋが設けられると共に、下方装着部１５２ｂのＹ軸の負方向側における第２下方凹部１５２ｈと第３下方凹部１５２ｉとの間には、Ｙ軸の負方向側の縦壁面１５２ｆと面一の高さを有する第２リブ１５２ｋが設けられている。

また、下方装着部１５２ｂにおけるＸ軸の正方向側の周縁部は、単一円弧状の形状を有し、且つ、下方装着部１５２ｂにおけるＸ軸の負方向側の周縁部は、交差する２つの直線部が不要な角部を呈さないように円弧部で接続された滑らかな形状を有することにより、下方装着部１５２ｂに不要な応力集中が発生することを抑制している。かかる場合、下方装着部１５２ｂの強度バランスを不要に崩さないように、第１リブ１５２ｊ及び第２リブ１５２ｉは、下方装着部１５２ｂにおけるＸ軸の正方向側の周端部に付与された単一円弧状の形状の径方向に延在している。また、下方装着部１５２ｂにおけるＸ軸の負方向側の周端部は、単一円弧状の形状を有して、下方装着部１５２ｂに不要な応力集中が発生することを抑制している。

さらに、上方装着部１５２ａから固定部１５２ｃにかけては、補強部材１７０が設けられている。かかる補強部材１７０は、接合ツール３０と固定部１５２ｃとの間において、装着治具１５２のＹ軸の負方向側の縦壁面（Ｘ−Ｚ平面に平行な面）からＹ軸の負方向側に突設するように固設され、本体部１７０ａ及び本体部１７０ａから下方に延在する拡張部１７０ｂを有する

すなわち、補強部材１７０の本体部１７０ａは、上方装着部１５２ａのＹ軸の負方向側の縦壁面１５２ｄからＹ軸の負方向側に突設しながら、高応力部である上方装着部１５２ａの前下端Ｑ（Ｘ−Ｚ平面に垂直に延在する）を、上方装着部１５２ａのＹ軸の負方向側の縦壁面１５２ｄにおいて上下にわたって跨るような上下方向の長さを有する。また、補強部材１７０の本体部１７０ａは、上方装着部１５２ａのＸ軸の負方向側の周縁部からＸ軸方向の正方向側に向けて延在して、上方装着部１５２ａの応力を緩和する。

また、補強部材１７０の拡張部１７０ｂは、上方装着部１５２ａのＹ軸の負方向側の縦壁面１５２ｄからＹ軸の負方向側に突設しながら、高剛性部である固定部１５２に進入するように、本体部１７０ａから下方に延在して、上方装着部１５２ａの応力を緩和する。

ここで、ワークＷについて図７及び図８を用いて説明する。図７は、摩擦撹拌接合によって製造されたサブフレーム構造体の分解斜視図、図８は、サブフレーム構造体において、前部サブフレームと後部サブフレームとの重畳部位の縦断面図である。
ワークＷは、鉄鋼製の前部サブフレーム（鉄製板材）２１２と、アルミニウム製の後部サブフレーム（アルミニウム製部材）２１４とからなり（図７参照）、鉄製部材とアルミニウム製部材とが重ね合わせて構成される。このワークＷが摩擦撹拌接合されることによって、井桁状の自動車用サスペンション支持部材であるサブフレーム構造体（異種材接合体）２１０が製造される。

サブフレーム構造体２１０は、車体前部に配置され図示しない車体部材（骨格部材）に対して固定されるように設けられ、又は、図示しないフローティング機構によってフローティング可能に支持されるように設けられる。サブフレーム構造体２１０が図示しないフローティング機構によって支持される場合、車体から伝達される振動を好適に吸収することができる利点がある。

サブフレーム構造体２１０は、図７に示されるように、車両前後方向で二つに分割され、平面視して略コ字状からなる鉄鋼製の前部サブフレーム（鉄製板材）２１２と、平面視して略コ字状からなるアルミニウム製の後部サブフレーム（アルミニウム製部材）２１４とから構成されている。前部サブフレーム２１２は、例えば、図示しない鉄鋼製板材をプレス成形することによって形成されたプレス成形体からなり、後部サブフレーム２１４は、例えば、図示しない金型（ダイカスト機）のキャビティ内で溶融したアルミニウム合金（アルミニウム）を固化させるダイカスト成形によって形成されたダイカスト成形体からなる。

なお、図７〜図９の各図中において、「前」、「後」は、車両前後方向における車両の前側及び後側をそれぞれ示し、「左」、「右」は、車幅方向における車両の左側及び右側をそれぞれ示している。

図７に示されるように、前部サブフレーム２１２は、マウント部（台座）２１６に装着される図示しないフロントエンジンマウントを介して図示しないエンジンの車両前側を支持し、車幅方向に沿って延在するフロントクロスメンバ２２０と、フロントクロスメンバ２２０の軸方向に沿った両端部に結合され、フロントクロスメンバ２２０から車両後方に向かって略平行に延在する一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂとを有する。

なお、フロントクロスメンバ２２０と一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂとを、例えば、鋳造成形又は鍛造成形等によって一体成形してもよいし、又は、フロントクロスメンバ２２０の軸方向に沿った両端部に、一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの前端部を溶接で接合するようにしてもよい。

フロントクロスメンバ２２０は、鉄鋼製部材からなる中空部材によって形成される。また、一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの軸方向に沿った中央部（中間部）２２４ｂより前側の前方部２２４ａは、鉄鋼製部材からなる中空部材で形成される。さらに、一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの軸方向に沿った中央部２２４ｂ、及び、中央部２２４ｂより後側の後方部２２４ｃは、前方部２２４ａと比較して薄肉に形成された薄板部（板状部）２２６が形成される。

この場合、一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの薄板部２２６は、従来の左右サイドメンバと比較して、後方側に向かって所定長だけ延出（伸長）して形成されている。また、一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの中央部２２４ｂ及び薄板部２２６は、図８に示されるように、１枚の薄板で縦断面が略ハット状に形成され、左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂ（但し、図８中では、右サイドメンバ２２２ｂの図示を省略）の左右両側で、軸方向に沿って延在するフランジ部２２８が形成される。

一対の左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの軸方向に沿った中央部２２４ｂには、ボルト２３０が挿通されるボルト挿通孔２３２が形成される。この場合、図８に示されるように、一対のボルト２３０を、左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂのボルト挿通孔２３２に沿って下側から貫通させ、前記ボルト２３０のねじ部２３０ａを後部サブフレーム２１４の前端部に設けられた有底のねじ穴２３４に締結することができる。この結果、前部サブフレーム２１２と後部サブフレーム２１４とは、車幅方向に沿った左右両側の位置で、一対のボルト２３０によって固定される。

後部サブフレーム２１４は、図示しないリヤエンジンマウントを介して、エンジンの車両後方側を支持し車幅方向に沿って延在するリヤメンバからなる。前記リヤメンバは、左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの中央部２２４ｂ及び中央部２２４ｂよりも後側の薄板部２２６の上面にそれぞれ重ね合わせられ、前記左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの上面の一部を被覆（重畳）する一対の左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂと、一対の左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂを連結するリヤクロス部２３８とから構成される。リヤメンバは、例えば、アルミニウム、マグネシウムやこれらの合金等からなる軽金属製部材によって形成されることが好ましい。

左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂの両側部には一対のフランジ部２４０が設けられ、一対のフランジ部２４０は、左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂの軸方向に沿った一端部から他端部まで延在するように形成される。左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂにおいて、一方のフランジ部２４０と他方のフランジ部２４０との間には、上方に向かって膨出する膨出部２４２が設けられる。両側の一対のフランジ部２４０の間に膨出部２４２が設けられることで、左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂの車両前方側に開口部２４３が形成される。一対のフランジ部２４０は、この開口部２４３の周縁に設けられる。また、左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂにおいて、一対のフランジ部２４０は、互いに対向して略平行に延在するように設けられ、膨出部２４２は、略平行に延在する一対のフランジ部２４０の間に形成される。

この場合、左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂの左右両側にそれぞれ設けられたフランジ部２２８が下側に位置し、左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂの左右両側にそれぞれ設けられたフランジ部２４０が上側に位置し、それぞれ重畳された状態で摩擦攪拌接合によって一体的に接合されることにより、閉断面２４４が形成される（図８参照）。

また、左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂとリヤメンバの左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂとは、中央部に設けられたボルト挿通孔２３２を挿通させたボルト２３０が左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂ側に設けられたねじ穴２３４に螺入されて、閉断面２４４を貫通して締結される。

前記閉断面２４４内には、ボルト２３０の外周面を囲繞する円筒体からなり、ボルト２３０を締結したときに左右サイドメンバ２２２ａ、２２２ｂと左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂとの接合強度を補強するカラー部材２４６が設けられる。ボルト締結部位は、摩擦攪拌接合によって前部サブフレーム２１２と後部サブフレーム２１４とが接合されていない非接合部位に位置し、溶接することができない非接合部位をボルト締結によって補強することができる。この結果、鉄鋼製の前部サブフレーム２１２とアルミニウム製の後部サブフレーム２１４とを相互に摩擦撹拌接合した場合であっても、非接合部位であるボルト締結部位との協働作用によって所望の剛性・強度を確保することができる。

従って、前部サブフレーム２１２と後部サブフレーム２１４とは、その重畳部位における各フランジ部２２８、２４０を摩擦攪拌接合することによって強固に固定（接合）されると共に、摩擦攪拌接合されていない非溶接部位で前部サブフレーム２１２と後部サブフレーム２１４とをボルト２３０で締結することによって、サブフレーム構造体２１０の全体において、より一層剛性・強度を増大させることができる。

本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を実施する摩擦撹拌接合装置２は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。

鉄鋼製部材で形成された前部サブフレーム２１２側のフランジ部２２８と、アルミニウム製部材で形成された後部サブフレーム２１４側のフランジ部２４０とを上下に重ね合わせた重畳部位を、摩擦攪拌接合で一体的に接合する工程について説明する。

先ず、摩擦撹拌接合方法の一連の工程を開始する前に、その準備作業としてロボット５０においては、装着治具１５２の上方装着部１５２ａにプローブ３２を有する接合ツール３０を装着して固定し、且つ、装着治具１５２の下方装着部１５２ｂに補助支持機構４０を装着して固定する。

次に、前部サブフレーム２１２を載置台１０上にセットした後、図示しないシール材塗布機構によって前部サブフレーム２１２の上面に図示しないシール材（例えば、常乾型シール材）を塗布する。シール材が塗布された前部サブフレーム２１２の上面（中央部２２４ｂよりも後側の薄板部２２６）に対して後部サブフレーム２１４を位置決めして重ね合わせた後、この上下方向に重畳された前部サブフレーム２１２及び後部サブフレーム２１４の一部をストッパ１４でクランプする。

続いて、接合ツール３０を用いて、前部サブフレーム２１２のフランジ部２２８と後部サブフレーム２１４のフランジ部２４０とを摩擦攪拌接合する。

図９は、摩擦撹拌接合するときのプローブの接合方向及び接合順序を示す平面図、図１０（ａ）は、右リヤサイド部及び右サイドメンバのフランジ部同士をプローブで矢印Ｒ１方向に沿って摩擦撹拌接合する状態を示す一部破断斜視図、図１０（ｂ）は、左リヤサイド部及び左サイドメンバのフランジ部同士をプローブで矢印Ｌ２方向に沿って摩擦撹拌接合する状態を示す一部破断斜視図である。なお、図９において、複数の網状部分は、プローブによる摩擦撹拌接合部位を示している。

一側に配置された摩擦撹拌接合装置２により、後部サブフレーム２１４の右リヤサイド部２３６ｂのフランジ部２４０と、前部サイドフレーム２１２の右サイドメンバ２２２ｂの薄板部２２６のフランジ部２２８とがそれぞれ摩擦撹拌接合される。

すなわち、一側に配置された摩擦撹拌接合装置２では、駆動機構３８を介してプローブ３２を平面視して時計回り方向（図１０（ａ）中の矢印方向）に回転させた状態において、アルミニウム製部材である後部サブフレーム２１４側からプローブ３２をフランジ部２４０に挿入し、車両後方側で内側のフランジ部２４０、２２８同士から摩擦撹拌接合が開始される。ロボット５０のアーム５４の動作によって矢印Ｒ１方向→矢印Ｒ２方向（所定方向）に沿ってプローブ３２を順次移動させて摩擦撹拌接合を遂行する。

プローブ３２が矢印Ｒ２方向の終点に到達したとき、ロボット５０のアーム５４を変位させプローブ３２が膨出部２４２を矢印Ｒ３方向に跨いで外側のフランジ部２４０に挿入すると共に、プローブ３２を前記矢印Ｒ１及びＲ２方向と反対側の方向である矢印Ｒ４方向→矢印Ｒ５方向→矢印Ｒ６方向に沿って順次移動させて摩擦撹拌接合を遂行する。

同時又は略同時に、他側に配置された摩擦撹拌接合装置２により、後部サブフレーム２１４の左リヤサイド部２３６ａのフランジ部２４０と、前部サイドフレーム２１２の左サイドメンバ２２２ａの薄板部２２６のフランジ部２２８とがそれぞれ摩擦撹拌接合される。

すなわち、他側に配置された摩擦撹拌接合装置２では、駆動機構３８を介してプローブ３２を平面視して時計回り方向（図１０（ｂ）中の矢印方向）に回転させた状態において、アルミニウム製部材である後部サブフレーム２１４側からプローブ３２をフランジ部２４０に挿入し、車両前方側で内側のフランジ部２４０、２２８同士から摩擦撹拌接合が開始される。ロボット５０のアーム５４の動作によって矢印Ｌ１方向→矢印Ｌ２方向（所定方向）に沿ってプローブ３２を順次移動させて摩擦撹拌接合を遂行する。

プローブ３２が矢印Ｌ２方向の終点に到達したとき、ロボット５０のアーム５４を変位させプローブ３２が膨出部２４２を矢印Ｌ３方向に跨いで外側のフランジ部２４０に挿入すると共に、プローブ３２を前記矢印Ｌ１及びＬ２方向と反対側の方向である矢印Ｌ４方向→矢印Ｌ５方向→矢印Ｌ６方向に沿って順次移動させて摩擦撹拌接合を遂行する。

このように、本実施形態では、膨出部２４２を間にして略平行に配置された一対のフランジ部２４０に対して接合ツール３０のプローブ３２を往復動作させることにより、プローブ３２の回転方向を同一方向に保持したまま略平行に配置された一対のフランジ部２４０を効率的に摩擦撹拌接合することができる。

また、本実施形態では、一対の左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂの左右それぞれの側から摩擦撹拌接合することができるため、プローブ３２の移動方向とプローブ３２の回転方向とが反対となっている後退側（Retreating side）を、より一層剛性・強度が要求される膨出部２４２側のフランジ部２４０とすることができる（図１０（ａ）、（ｂ）参照）。換言すると、膨出部２４２側のフランジ部２４２を後退側（Retreating side）とすることで、膨出部２４２を有しない反対側と比較して膨出部２４２側のフランジ部２４０の剛性・強度をより増大させることができる。このため、本実施形態では、サブフレーム構造体２１０としてバランスよく所望の剛性・強度を確保することができる。一般的に、プローブ３２の移動方向とプローブ３２の回転方向とが一致する前進側（Advancing side）と比較して、後退側（Retreating side）がプローブ３２による塑性流動域を増大させることができるからである。

さらに、本実施形態では、プローブ３２の回転方向を変更することがなくプローブ３２の移動方向を所定方向（矢印Ｒ１方向→矢印Ｒ２方向、矢印Ｌ１方向→矢印Ｌ２方向）から膨出部２４２を跨いで反対側の方向（矢印Ｒ４方向→矢印Ｒ５方向→矢印Ｒ６方向、矢印Ｌ４方向→矢印Ｌ５方向→矢印Ｌ６方向）にそのまま折り返して往復動作させることで、サブフレーム構造体２１０の内側のフランジ部２４０及び外側のフランジ部２４０もそれぞれ後退側（Retreating side）として容易に摩擦撹拌接合することができる。

さらにまた、本実施形態では、図９中の網状部分で示される複数の摩擦撹拌接合部位が、線対称な位置に配置されることで、いわゆるＣ型形状を有する接合ツール３０を用いた場合であっても相互に干渉することがなく、一対の左右リヤサイド部２３６ａ、２３６ｂを同時又は略同時に摩擦撹拌接合することができる。この結果、摩擦撹拌接合の作業時間を短縮して効率化を図ることができる。

なお、本実施形態では、一側及び他側にそれぞれ配置された２つの摩擦撹拌接合装置２によって、サブフレーム構造体２１０の内側を摩擦撹拌接合の開始部位（矢印Ｒ１、矢印Ｌ１参照）としているが、これに限定されるものではなく、サブフレーム構造体２１０の外側を摩擦撹拌接合の開始部位としてもよい。例えば、一側の摩擦撹拌接合装置２のプローブ３２の移動方向を、矢印Ｒ１→矢印Ｒ２→矢印Ｒ３→矢印Ｒ４→矢印Ｒ５→矢印Ｒ６として前記と同様であるが、他側の摩擦撹拌接合装置２のプローブ３２を、矢印Ｌ４→矢印Ｌ５→矢印Ｌ６に沿って順次移動した後、膨出部２４２をそのまま跨いで反対側の矢印Ｌ１→矢印Ｌ２に沿って順次往復移動して摩擦撹拌接合するようにしてもよい。

さらにまた、本実施形態では、サブフレーム構造体２１０の接合部位に適用することで、井桁状の自動車サスペンション支持部材の製造を容易にすることができるが、例えば、膨出部２４２を間にして略平行な複数のフランジ部２４０が延在する車両以外の異種材接合体の接合部位にも適用することができる。

３２ プローブ
５０ ロボット
５４ アーム
２１０ サブフレーム構造体（異種接合体、自動車用サスペンション支持部材）
２１２ 前部サブフレーム（鉄製板材）
２１４ 後部サブフレーム（アルミニウム製部材）
２２２ａ、２２２ｂ 左右サイドメンバ（鉄製板材）
２２６ 薄板部（板状部）
２４０ フランジ部
２４２ 膨出部
２４３ 開口部

Claims (4)

1. 鉄製板材の板状部に対して、１つの面が開口部を有し、前記開口部の周縁に複数のフランジ部を有し、前記複数のフランジ部の中には互いに対向して略平行に延在する一対のフランジ部が含まれ、前記略平行に延在する一対のフランジ部間に膨出部を有するアルミニウム製部材を重ね合わせ、前記フランジ部で摩擦撹拌接合により接合される異種材接合体の接合方法であって、
   前記鉄製部材に対して前記アルミニウム製部材を重ね合わせる工程と、
   接合プローブを所定方向に回転させ前記アルミニウム製部材側から前記接合プローブを前記フランジ部に挿入する工程と、
   前記接合プローブを前記略平行に延在するフランジ部の一方に沿って所定方向に移動させる工程と、
   前記接合プローブを、前記膨張部を跨いでそのまま前記略平行に延在するフランジ部の他方に挿入すると共に、前記接合プローブの回転方向を同一方向に保持したまま、前記フランジ部の他方に沿って前記所定方向と反対側の方向に移動させる工程と、
   を有し、
   前記接合プローブが前記所定方向及び前記所定方向と反対側の方向に移動する際、前記接合プローブの移動方向と前記接合プローブの回転方向とが反対となる後退側は、前記接合プローブの移動方向と前記接合プローブの回転方向とが一致する前進側よりも、前記膨出部に近接していることを特徴とする異種材接合体の接合方法。
2. 請求項１記載の異種材接合体の接合方法において、
   前記接合プローブを３軸直交座標系に沿って移動可能なロボットのアームにそれぞれ取り付ける工程と、
   を有することを特徴とする異種材接合体の接合方法。
3. 請求項１記載の異種材接合体の接合方法において、
   前記鉄製部材と前記アルミニウム製部材は、それぞれ平面視して略コ字を呈し、
   前記鉄製部材と前記アルミニウム製部材とが摩擦撹拌接合されることで、井桁状の自動車用サスペンション支持部材が構成されることを特徴とする異種材接合体の接合方法。
4. 請求項２記載の異種材接合体の接合方法において、
   前記ロボットは、摩擦撹拌接合される被溶接対象物を間にして対向配置される一対のロボットであることを特徴とする異種材接合体の接合方法。

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