JP6969888B2 - 摩擦撹拌点接合装置の裏当て部材、摩擦撹拌点接合装置及び摩擦撹拌点接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌点接合装置の裏当て部材、摩擦撹拌点接合装置、摩擦撹拌点接合方法及び継手構造に関する。

自動車や航空機や鉄道車両等の組立工程において、複数の板材を互いに重ねて摩擦撹拌点接合（ＦＳＪ）により接合して継手構造を製作することがある。例えば、特許文献１では、各板材の重ね合わせ部を裏面側から裏当て部材により支持し、突起部（圧入ピン）を有するツールを各板材の重ね合わせ部に表面側から回転させながら押し込むことで、重ね合わせ部を摩擦熱で軟化させて撹拌し、その後にツールを引き抜いて冷却することで板材同士を接合させる。

特開２００１−３２１９６７号公報

摩擦撹拌点接合により形成された継手構造には、使用状況に応じて高い継手強度が求められる場合がある。継手強度を高める手段として、撹拌力の高い複雑形状のツールや大径のツールを用いて接合径を増加させる方法が知られている。しかし、複雑形状のツールを用いると、ツールの摩耗が顕著になり、ツール寿命が低下するという問題がある。また、大径のツールを用いると、ツール加圧力の増加に伴って装置の大型化が必要になったり、接合時間が長くなって生産タクトタイムが増加してしまうという問題がある。

そこで本発明は、ツール寿命の低下や接合工程の長時間化を防止しながらも、摩擦撹拌点接合の継手強度を向上させることを目的とする。

本発明の一態様に係る摩擦撹拌点接合装置の裏当て部材は、複数の板材の重ね合わせ部に対し、ショルダ部と前記ショルダ部から突出するピン部とを有するツールを回転させながら押し込んで摩擦撹拌点接合を行う摩擦撹拌点接合装置に用いられ、前記ツールとは反対側から前記重ね合わせ部の裏面を支持する裏当て部材であって、前記重ね合わせ部の前記裏面に当接する支持面を備え、前記支持面は、前記ショルダ部との間で前記重ね合わせ部を挟むベース面と、前記ベース面よりも前記重ね合わせ部側に突出し、前記ピン部との間で前記重ね合わせ部を挟む凸面とを有する。

前記構成によれば、複数の板材の重ね合わせ部のうちツールのピン部と裏当て部材の凸面との間に挟まれる部分が薄くなり、接合径が増大するため、継手強度が向上する。しかも、ツールのピン部の突出長さを長くする必要がなく、ツール加圧力又は接合時間を増加させずに済むため、ツール寿命の低下や作業時間の増加を防止できる。

前記凸面は、前記ベース面の法線に対して前記凸面の径方向外方に向けて斜めに傾斜した法線を有する側周面を含んでもよい。

前記構成によれば、重ね合わせ部の裏面に形成される凹部は、傾斜した法線を有する側周面（例えば、テーパ面、湾曲面等）を含む形状となるため、摩擦撹拌による塑性流動域が、重ね合わせ部の裏面から板材同士の境界面に向けて徐々に拡径するように傾斜しやすい。よって、摩擦撹拌による塑性流動域が、板材同士の境界付近において集中的に大径化され、接合径を効果的に増大できる。

前記凸面は、前記ピン部の先端面と平行な先端面を含んでもよい。

前記構成によれば、重ね合わせ部のうちツールのピン部と裏当て部材の凸面の先端面とで挟まれる部分が均一に薄肉化され、摩擦撹拌による摩擦エネルギーの径方向外方への拡がりが促進されるため、接合径を効果的に増大できる。

本発明の一態様に係る摩擦撹拌点接合装置は、前記した裏当て部材と、前記複数の板材の前記重ね合わせ部と前記ツールとを互いに相対変位させる変位駆動器と、前記ツールを回転させる回転駆動器と、前記重ね合わせ部に前記ツールを回転させた状態で押し込んで摩擦撹拌点接合をするように前記変位駆動器及び前記回転駆動器を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記重ね合わせ部を前記ショルダ部と前記ベース面との間及び前記ピン部と前記凸面との間で挟み、前記凸面により前記重ね合わせ部の前記裏面に凹部を形成するように前記変位駆動器を制御する。

本発明の一態様に係る摩擦撹拌点接合方法は、複数の板材の重ね合わせ部に対し、ショルダ部と前記ショルダ部から突出するピン部とを有するツールを回転させながら押し込んで点接合を行う摩擦撹拌点接合方法であって、ベース面及び前記ベース面よりも前記重ね合わせ部側に突出した凸面を含む支持面を有する裏当て部材の前記支持面により、前記ツールとは反対側から前記重ね合わせ部の裏面を支持する工程と、前記重ね合わせ部にツールを回転させた状態で押し込むことで、前記重ね合わせ部を前記ショルダ部と前記ベース面との間及び前記ピン部と前記凸面との間で挟み、前記凸面により前記重ね合わせ部の前記裏面に塑性流動域よりも小径の凹部を形成するように摩擦撹拌点接合する工程と、を備える。

前記凹部は、前記板材の境界面の法線に対して前記凹部の径方向外方に向けて斜めに傾斜した法線を有する側周面を含んでもよい。

前記凹部は、前記重ね合わせ部において前記ピン部により形成された窪み部の底面と平行な底面を含んでもよい。

本発明の一態様に係る継手構造は、複数の板材を互いに重ね合わせて摩擦撹拌点接合してなる継手構造であって、前記複数の板材の重ね合わせ部に形成された摩擦撹拌点接合部を備え、前記摩擦撹拌点接合部は、一方面側において前記複数の板材にわたって形成され、接合径よりも小径な窪み部と、他方面側において前記複数の板材のうち前記他方面側の板材に前記窪み部に対向して形成され、接合径よりも小径な凹部とを有する。

本発明によれば、ツール寿命の低下や接合工程の長時間化を防止しながらも、摩擦撹拌点接合の継手強度を向上させることができる。

実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置の構成図である。 （Ａ）は図１に示す裏当て部材の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示す裏当て部材の側面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は図１に示す摩擦撹拌点接合装置による接合手順を説明する断面図である。 図１に示す摩擦撹拌点接合装置（裏当て部材：凸面）により接合された継手構造の継手強度と、従来の摩擦撹拌点接合装置（裏当て部材：平面）により接合された継手構造の継手強度とを対比した実験結果を示すグラフである。 凸面を有する裏当て部材の先端径と継手強度との関係を示す実験結果のグラフである。 凸面を有する裏当て部材のテーパ角と継手強度との関係を示す実験結果のグラフである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置１の構成図である。図１に示すように、ワークＷは、互いに重ね合わせられた一対の板材Ｗ１，Ｗ２であり、例えば鋼材からなる。摩擦撹拌点接合装置１は、一対の板材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部Ｗａを点接合する。摩擦撹拌点接合装置１は、基体２と、基体２に取り付けられた可動体３と、可動体３からワークＷに向けて突出したツール保持体４とを備える。可動体３は、ツール保持体４の軸線に沿ってスライド変位可能に基体２に取り付けられる。ツール保持体４は、その軸線回りに回転可能に構成され、ツール保持体４の先端部には、ツール１１が着脱可能に取り付けられる。

ツール１１は、ワークＷに対向して平坦な環状面を有するショルダ部１１ａと、ショルダ部１１ａの内径側に連続してショルダ部１１ａの中心からワークＷに向けて突出した円柱状のピン部１１ｂとを有する（図３（Ａ）参照）。なお、ピン部１１ｂの側周面は、僅かに先細り状になっている。基体２には、略Ｌ字状に湾曲した湾曲フレーム５が固定される。湾曲フレーム５は、その先端部がツール１１に対向する位置まで延びる。湾曲フレーム５の先端部には、ツール１１とは反対側がからワークＷの重ね合わせ部Ｗａの裏面を支持する裏当て部材６が設けられる。

基体２には、ツール保持体４の軸線方向に可動体３をスライド変位させる直動駆動器７が設けられる。直動駆動器７は、可動体３をスライド変位させることでツール１１をワークＷに対して進退変位させる。可動体３には、ツール保持体４をその軸線回りに回転させる回転駆動器８が設けられる。回転駆動器８は、ツール保持体４を回転させることでツール１１を回転させる。基体２には、多関節ロボット９が取り付けられる。多関節ロボット９は、基体２を変位させることでワークＷに対してツール１１を所望の位置へ変位させる。即ち、直動駆動器７及び多関節ロボット９が、ワークＷとツール１１とを互いに相対変位させる変位駆動器１０の役目を果たす。

摩擦撹拌点接合装置１は、直動駆動器７、回転駆動器８及び多関節ロボット９を制御するコントローラ１２を備える。コントローラ１２は、１つの制御ユニットに機能が集約されたものとしてもよいし、複数の制御ユニットに機能が分散された構成としてもよい。コントローラ１２は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有する。コントローラ１２は、図示しない入力装置（例えば、コンピュータ又はティーチングペンダント等）からＩ／Ｏインターフェースを介して入力された指令に応答し、不揮発性メモリに保存された制御プログラムに基づいてプロセッサが揮発性メモリを用いて演算し、Ｉ／Ｏインターフェースを介して回転駆動器８及び変位駆動器１０と通信する。摩擦撹拌点接合装置１は、コントローラ１２に回転駆動器８及び変位駆動器１０を制御させることで、一対の板材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部Ｗａにツール１１を回転させた状態で押し込み、重ね合わせ部Ｗａのうち摩擦熱で軟化した部分を撹拌して塑性流動させ、摩擦撹拌点接合を行う。

図２（Ａ）は、図１に示す裏当て部材６の斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す裏当て部材６の側面図である。図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、裏当て部材６は、ワークＷの重ね合わせ部Ｗａの裏面に当接する支持面２０を備える。支持面２０は、ワークＷに対向して平坦な環状面を有するベース面２１と、ベース面２１の内径側に連続してベース面２１の中心からワークＷの重ね合わせ部Ｗａ側に向けて突出した凸面２２とを有する。ベース面２１は、ツール１１のショルダ部１１ａ（図３（Ａ））に対向する。凸面２２は、ツール１１のピン部１１ｂ（図３（Ａ））に対向する。即ち、凸面２２は、ツール１１のショルダ部１１ａよりも小径である。凸面２２は、例えば滑面である。

裏当て部材６の凸面２２の高さ（突出量）は、ツール１１のピン部１１ｂの高さ（突出量）よりも小さい。裏当て部材６の凸面２２の高さは、裏当て部材６が当接する板材Ｗｂの厚みよりも小さい。凸面２２は、台形状の縦断面を有する。凸面２２の側周面２２ａは、ベース面２１の法線に対して凸面２２の径方向外方に向けて斜めに傾斜した法線を有する。本実施形態では、凸面２２の側周面２２ａは、先細り状の円錐形状を有する。即ち、側周面２２ａは、ベース面２１に対してテーパ角θをもって傾斜している。凸面２２の先端面２２ｂは、平坦面である。先端面２２ｂは、所定の先端径Ｄ１を有する円形状である。先端面２２ｂは、ワークＷの重ね合わせ部Ｗａの裏面と平行であり、ツール１１のピン部１１ｂの先端面と平行である。

図３（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示す摩擦撹拌点接合装置１による接合手順を説明する断面図である。図３（Ａ）に示すように、摩擦撹拌点接合の開始時には、一対の板材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部Ｗａの裏面に裏当て部材６の支持面２０の凸面２２を当接させる。その際、裏当て部材６の支持面２０のベース面２１は重ね合わせ部Ｗａから離間している。そして、コントローラ１２は、ツール１１を回転させるように回転駆動器８を制御する。その状態で、コントローラ１２は、平面視において（重ね合わせ部Ｗａの法線方向から見て）、ツール１１のピン部１１ｂの中心が裏当て部材６の凸面２２の中心に合致する位置にてピン部１１ｂが重ね合わせ部Ｗａに押し込まれるように直動駆動器７を制御する。

そうすると、図３（Ｂ）に示すように、ツール１１の回転力及び加圧力により、ワークＷの重ね合わせ部Ｗａが摩擦熱により軟化し、その軟化部分が撹拌されて塑性流動する。摩擦撹拌点接合中には、重ね合わせ部Ｗａの塑性流動域Ｆにおいて、ツール１１のピン部１１ｂと裏当て部材６の凸面２２との間で挟まれる中央部分Ｆａと、ツール１１のショルダ部１１ａと裏当て部材６のベース面２１との間で挟まれる外周部分Ｆｂとが生じる。即ち、裏当て部材６の凸面２２が重ね合わせ部Ｗａの裏面に塑性流動域Ｆよりも小径の凹部を形成するように塑性流動域Ｆに押し込まれ、裏当て部材６のベース面２１が重ね合わせ部Ｗａの裏面に当接する。

その際、重ね合わせ部Ｗａの塑性流動域Ｆのうちツール１１のピン部１１ｂと裏当て部材６の凸面２２との間に挟まれる中央部分Ｆａが薄くなり、塑性流動域Ｆの径が増大する。しかも、裏当て部材６の凸面２２の側周面２２ａがテーパ面であるため、摩擦撹拌による塑性流動域Ｆが、重ね合わせ部Ｗａの裏面から板材Ｗａ，Ｗｂ同士の境界面に向けて徐々に拡径するように傾斜しやすい。よって、摩擦撹拌による塑性流動域Ｆが、板材Ｗａ，Ｗｂ同士の境界付近において集中的に大径化される。更に、裏当て部材６の凸面２２の先端面が平坦面であり、塑性流動域Ｆのうちツール１１のピン部１１ｂと裏当て部材６の凸面２２の先端面とで挟まれる中央部分Ｆａが均一に薄肉化されるので、摩擦撹拌による摩擦エネルギーの径方向外方への拡がりが促進される。

次いで、図３（Ｃ）に示すように、コントローラ１２がツール１１を重ね合わせ部Ｗａから引き抜くように直動駆動器７を制御する。そうすると、重ね合わせ部Ｗａの塑性流動域Ｆが冷却されて硬化し、摩擦撹拌点接合部３０が形成された継手構造Ｗ’が完成する。具体的には、継手構造Ｗ’の摩擦撹拌点接合部３０には、一方面側において各板材Ｗ１，Ｗ２にわたって形成され、接合径Ｄ２よりも小径な窪み部３０ａと、他方面側において各板材Ｗ１，Ｗ２のうち他方面側の板材Ｗｂに窪み部３０ａに対向して形成され、接合径Ｄ２よりも小径な凹部３０ｂとが形成される。凹部３０ｂは、各板材Ｗ１，Ｗ２の境界面の法線に対して凹部３０ｂの径方向外方に向けて斜めに傾斜した法線を有する側周面３０ｂａ（テーパ状の側周面）と、窪み部３０ａの底面３０ａａと平行な底面３０ｂｂとを有する。なお、接合径Ｄ２は、各板材Ｗ１，Ｗ２の境界面上における板材Ｗ１，Ｗ２同士の接合領域の直径である。

以上に説明した態様によれば、各板材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部Ｗａのうちツール１１のピン部１１ｂと裏当て部材６の凸面２２との間に挟まれる部分が薄くなり、接合径Ｄ２が増大するため、継手強度が向上する。しかも、ツール１１のピン部１１ｂの突出長さを長くする必要がなく、ツール１１の加圧力又は接合時間を増加させずに済むため、ツール１１の寿命の低下や作業時間の増加を防止できる。また、裏当て部材６の凸面２２の側周面２２ａがテーパ状であるため、摩擦撹拌による塑性流動域Ｆが、板材Ｗ１，Ｗ２同士の境界付近において集中的に大径化され、接合径Ｄ２を効果的に増大できる。また、裏当て部材６の凸面２２の先端面２２ｂが平坦であるため、塑性流動域Ｆの中央部分Ｆａが均一に薄肉化され、摩擦エネルギーの径方向外方への拡がりが促進されるため、接合径Ｄ２を効果的に増大できる。

図４は、図１に示す摩擦撹拌点接合装置１（裏当て部材：凸面）により接合された継手構造の継手強度と、従来の摩擦撹拌点接合装置（裏当て部材：平面）により接合された継手構造の継手強度とを対比した実験結果を示すグラフである。なお、接合対象の板材には、９８０ＭＰａ級鋼板（１．２ｍｍｔ）を用いた。ツールのピン部の突出長さは、２．４ｍｍとし、ツールのピン部の先端径は５ｍｍとした。実施形態の摩擦撹拌点接合装置１では、裏当て部材６の凸面２２の先端径Ｄ１は５ｍｍとした。裏当て部材６の凸面２２の側周面２２ａのテーパ角は２６．６°とした。従来の摩擦撹拌点接合装置は、裏当て部材の支持面を平面（凸面なし）としたものであり、その他の接合条件は、実施形態の摩擦撹拌点接合装置１も従来の摩擦撹拌点接合装置も互いに同じである。図４に示すように、せん断強度及び剥離強度の両方において、実施形態の摩擦撹拌点接合装置１を用いて接合された継手構造（図３（Ｃ）参照）の方が、従来の摩擦撹拌点接合装置を用いて接合された継手構造よりも継手強度が高くなることが確認された。

図５は、凸面２２を有する裏当て部材６の先端径Ｄ１と継手強度（せん断強度）との関係を示す実験結果のグラフである。裏当て部材６には、凸面２２の先端径Ｄ１が、３ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ及び９ｍｍの５種類のものを用意した。ツール１１のピン部１１ｂの先端径は、５ｍｍで一定とした。即ち、ツール１１のピン部１１ｂの先端径に対する裏当て部材６の凸面２２の先端径Ｄ１の比が、０．６、１．０、１．２、１．４及び１．８の５種類である。他の接合条件は、全て同じである。図５に示すように、従来の裏当て部材の支持面が平面である場合には、継手強度（せん断強度）が１２．７ｋＮであったが、凸型の裏当て部材６を用いた場合には、前記５種類の何れにおいても従来よりも高い継手強度が得られた。即ち、［裏当て部材の凸面の先端径］／［ツールのピン部の先端径］の比が、０．６以上１．８以下のときに継手強度の向上が確認された。

図６は、凸面２２を有する裏当て部材６のテーパ角θと継手強度（せん断強度）との関係を示す実験結果のグラフである。裏当て部材６には、凸面２２の側周面２２ａのテーパ角θが、０．０°、１４．０°、２６．６°、４５．０°及び６８．２°の５種類のものを用意した。なお、テーパ角θが０．０°のものは、従来の平坦な支持面を有する裏当て部材（テーパ無し）のことである。他の接合条件は、全て同じである。図６に示すように、凸面２２の側周面２２ａがテーパ状である何れの裏当て部材６においても、従来に比べて高い継手強度（せん断強度）が得られた。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、裏当て部材６の凸面２２の側周面２２ａは、縦断面視において直線状に先細る形状ではなく円弧状に先細る形状であってもよい。裏当て部材６の凸面２２の先端面２２ｂは、非平坦面でもよく、例えば、凸面２２の突出する向きに凸な円弧面でもよい。裏当て部材６の凸面２２全体が円弧状でもよい。

１ 摩擦撹拌点接合装置
６ 裏当て部材
１１ ツール
１１ａ ショルダ部
１１ｂ ピン部
２０ 支持面
２１ ベース面
２２ 凸面
２２ａ 側周面
２２ｂ 先端面
３０ 摩擦撹拌点接合部
３０ａ 窪み部
３０ｂ 凹部
Ｄ１ 先端径
Ｄ２ 接合径
Ｗ ワーク
Ｗ１，Ｗ２ 板材
Ｗａ 重ね合わせ部
Ｗ’ 継手構造

Claims (5)

1. 複数の板材の重ね合わせ部に対し、ショルダ部と前記ショルダ部から突出するピン部とを有するツールを回転させながら押し込んで摩擦撹拌点接合を行う摩擦撹拌点接合装置に用いられ、前記ツールとは反対側から前記重ね合わせ部の裏面を支持する裏当て部材であって、
   前記重ね合わせ部の前記裏面に当接する支持面を備え、
   前記支持面は、前記ショルダ部との間で前記重ね合わせ部を挟むベース面と、前記ベース面よりも前記重ね合わせ部側に突出し、前記ピン部との間で前記重ね合わせ部を挟む凸面とを有し、
   前記凸面は、平坦面である先端面と、前記ベース面の法線に対して前記凸面の径方向外方に向けて斜めに傾斜した法線を有する側周面と、を含む、摩擦撹拌点接合装置の裏当て部材。
2. 前記凸面は、前記ピン部の先端面と平行な先端面を含む、請求項１に記載の摩擦撹拌点接合装置の裏当て部材。
3. 請求項１又は２に記載の裏当て部材と、
   前記複数の板材の前記重ね合わせ部と前記ツールとを互いに相対変位させる変位駆動器と、
   前記ツールを回転させる回転駆動器と、
   前記重ね合わせ部に前記ツールを回転させた状態で押し込んで摩擦撹拌点接合をするように前記変位駆動器及び前記回転駆動器を制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記重ね合わせ部を前記ショルダ部と前記ベース面との間及び前記ピン部と前記凸面との間で挟み、前記凸面により前記重ね合わせ部の前記裏面に凹部を形成するように前記変位駆動器を制御する、摩擦撹拌点接合装置。
4. 複数の板材の重ね合わせ部に対し、ショルダ部と前記ショルダ部から突出するピン部とを有するツールを回転させながら押し込んで点接合を行う摩擦撹拌点接合方法であって、
   ベース面及び前記ベース面よりも前記重ね合わせ部側に突出した凸面であって、平坦面である先端面と、前記ベース面の法線に対して前記凸面の径方向外方に向けて斜めに傾斜した法線を有する側周面と、を有する凸面、を含む支持面を有する裏当て部材の前記支持面により、前記ツールとは反対側から前記重ね合わせ部の裏面を支持する工程と、
   前記重ね合わせ部にツールを回転させた状態で押し込むことで、前記重ね合わせ部を前記ショルダ部と前記ベース面との間及び前記ピン部と前記凸面との間で挟み、前記凸面により前記重ね合わせ部の前記裏面に塑性流動域よりも小径の凹部を形成するように摩擦撹拌点接合する工程と、を備える、摩擦撹拌点接合方法。
5. 前記凹部は、前記重ね合わせ部において前記ピン部により形成された窪み部の底面と平行な底面を含む、請求項４に記載の摩擦撹拌点接合方法。

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