JP7353329B2 - 摩擦攪拌接合及び抵抗溶接のための接合装置及び接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合及び抵抗溶接のための接合装置及び接合方法に関する。

複数の金属の板材を互いに接合する方法であって、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制されて、大気の質に関する環境上の悪影響を低減する（ＳＤＧｓ１１．６）方法として、抵抗溶接や摩擦攪拌接合が挙げられる。更に、摩擦攪拌接合は、消費電力が一般的な溶接方法に比べて少なく、製造時のエネルギー効率の改善に貢献する（ＳＤＧ７．３）。

抵抗溶接により異種材を含む３枚以上の金属板材を互いに接合する場合、電食防止のため接着剤を使用する。このため、接着剤由来の欠陥が発生して、安定的に接合強度を得ることができず、必要な強度を得るためにはリベットを併用する必要がある。摩擦攪拌接合により異種材を含む３枚以上の金属の板材、例えば、１枚のアルミニウム合金板材と、２枚の鋼（鉄合金）板材を互いに接合する場合、攪拌範囲を拡げられないため、第１及び第２層（Ａｌ－Ｆｅ）間は接合できるが、第２及び第３層（Ｆｅ－Ｆｅ）間は接合が困難である。このように、１つの接合方法で、異種材を含む３枚以上の金属板材を互いに接合することは困難である。

互いに異なる接合方法を組み合わせて、異種材を含む３以上の金属部材を互いに接合する方法として、特許文献１には、アルミ材と、鋼材と、アルミ材層及び鋼材層を含むグラッド材（異種材料を１枚の板に圧延させた複合材）との接合方法が記載されている。特許文献１には、アルミ材とグラッド材のアルミ材層とを摩擦攪拌接合によって互いに接合し、摩擦攪拌接合によって生じた摩擦熱を利用して鋼材とグラッド材の鋼材層とを熱硬化性の接着剤で互いに接合する実施形態や、鋼材とグラッド材の鋼材層とを抵抗溶接で互いに接合し、抵抗溶接によって生じた熱を利用してアルミ材とグラッド材のアルミ材層とを熱硬化性の接着剤で互いに接合する実施形態が記載されている。しかし、この方法は、グラッド材を使用するため、汎用性に欠ける。特許文献２には、互いに突き合わされた２つの部材を摩擦攪拌線接合によって互いに接合した後、この接合部に対して他の部材を溶融溶接又は抵抗溶接することが記載されている。

特開２００５－１１１４８９号公報 特開２００７－２３７２５３号公報

異種材を含む３以上の金属部材を互いに接合するために２種類以上の接合方法を組み合わせる必要があるが、従来の方法では、接合回数が増え、２種類以上の接合設備を用意し、製造ラインを長くする必要があり、設備投資を増やさざるを得なかった。

本発明は、以上の背景に鑑み、大気の質に関する環境上の悪影響の低減（ＳＤＧｓ１１．６）、及び／又は、製造時のエネルギー効率の改善への貢献（ＳＤＧ７．３）に資する摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置及び接合方法であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置及び接合方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明のある態様は、それぞれ、導電性を有し、かつ所定の主面に沿って延在する第１部材（３）、中間部材（４）及び第２部材（５）を、この順に重ね合わせたように含む積層体（２）に於いて、各部材（３，４，５）を互いに接合するための接合装置（１）であって、前記積層体（２）の前記第１部材（３）側の面をなす第１面（６）を支持するべき、少なくとも部分的に導電性を有するアンビル（１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と、前記アンビル（１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）に対応する位置で、前記積層体（２）の前記第２部材（５）側の面をなす第２面（７）に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第２部材（５）に向かって進退可能なプローブ（１２、４１）と、前記プローブ（１２，４１）が挿通された貫通孔（２０，２０ａ）と、前記第２面（７）に押圧されるべきショルダ当接面（２４，２４ａ）とを含むショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）と、前記プローブ（１２，４１）を、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構（１４）と、前記積層体（２）を介して前記アンビル（１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）と前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）との間に電流を流すべく、前記アンビル（１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）及び前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）に電気的に接続された電源（１５）と、前記駆動機構（１４）及び前記電源（１５）の作動を制御する制御装置（１６）と、を備える、前記第１部材（３）と前記中間部材（４）を互いに抵抗溶接し、かつ前記第２部材（５）と前記中間部材（４）を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置（１）である。

この態様によれば、摩擦攪拌接合のために使用するアンビル及びショルダ部材が、抵抗溶接のための電極を兼ねているため、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。更に、この態様は、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制された抵抗溶接と、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制されるとともに消費電力が一般的な溶接方法に比べて少ない摩擦攪拌接合によって積層体を接合するため、大気の質に関する環境上の悪影響を低減し（ＳＤＧｓ１１．６）、製造時のエネルギー効率の改善に貢献する（ＳＤＧ７．３）。

上記の態様において、前記プローブ（４１）は、前記軸線回りの外周面に設けられたプローブ絶縁部（４３）を含んでも良い。

この態様によれば、プローブ絶縁部によってショルダ部材からプローブへの通電が防止されるため、接合品質の安定を図れるとともに、設備の電気的な安全性を高めることができる。

上記の態様において、前記ショルダ部材（６１）は、前記電源（１５）との電気的接続箇所から前記ショルダ当接面（２４）に至るショルダ部材導電部（６２）と、前記貫通孔２０の内周面に設けられたショルダ部材絶縁部（６３）とを含んでも良い。

この態様によれば、ショルダ部材絶縁部によってショルダ部材からプローブへの通電が防止されるため、接合品質の安定を図れるとともに、設備の電気的な安全性を高めることができる。

上記の態様において、前記ショルダ部材（６４，６８）は、前記貫通孔（２０）の内周面を含んで導電性を有する内層（６５）と、前記ショルダ当接面（２４）の少なくとも一部を含んで導電性を有する外層（６６，６９）と、前記内層（６５）及び前記外層（６６，６９）間を絶縁するショルダ部材絶縁部（６７，７０）とを含み、前記電源（１５）は前記ショルダ部材（６４，６８）の前記外層（６６，６９）に電気的に接続されても良い。

この態様によれば、ショルダ部材絶縁部によってショルダ部材からプローブへの通電が防止されるため、接合品質の安定を図れるとともに、設備の電気的な安全性を高めることができる。また、内層を耐摩耗性の高い材料で形成することができる。

上記の態様において、前記アンビル（１１）は、前記積層体（２）の前記第１面（６）に当接するべきアンビル当接面（１７）を含み、前記軸線の延在方向から見て、前記アンビル当接面（１７）の輪郭は、前記ショルダ当接面（２４）の内輪郭よりも外側に位置しても良い。

この態様によれば、通電経路が径方向の外側に拡がるため、ナゲットを径方向の外側に広げることができ、第１部材３と中間部材４との互いの接合が強固になる。

本発明のある態様は、上記態様の接合装置（１）を用いて前記積層体（２）の各部材（３，４，５）を互いに接合する接合方法であって、前記アンビル（１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）を前記積層体（２）の前記第１面（６）に当接させ、前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）を前記積層体（２）の前記第２面（７）に当接させるステップと、前記駆動機構（１４）を作動させて、前記プローブ（１２，４１）を前記軸線回りに回転させながら前記第２面（７）から前記積層体（２）に突入させて引き抜くことにより、前記第２部材（５）と前記中間部材（４）とを互いに摩擦攪拌接合するとともに、前記電源（１５）によって前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）及び前記アンビル（１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）間に電流を流して前記第１部材（３）と前記中間部材（４）とを互いに抵抗溶接する接合ステップとを備え、前記第１部材（３）及び前記中間部材（４）が、互いに同種材であり、前記第２部材（５）とは異種材であり、前記第１部材（３）及び前記中間部材（４）の素材が、前記第２部材（５）の素材よりも、高強度であり、かつ高い電気抵抗性を有する、接合方法である。ここで、同種材とは、主成分が互いに共通の合金材を意味し、異種材とは、主成分が互いに異なる合金材を意味する。

この態様によれば、摩擦攪拌接合のために使用するアンビル及びショルダ部材が、抵抗溶接のための電極を兼ねているため、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。また、第２部材と中間部材との間に脆弱な金属間化合物が発生して接合強度が低下することを抑制できる。

上記の態様において、前記接合するステップは、前記プローブ（１２，４１）の先端が前記中間部材（４）に到達する前に、前記電源（１５）によって前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）及び前記アンビル（１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）間に電流を流し始めることを含んでも良い。

この態様によれば、電流によって積層体が幅広い範囲で軟化するため、プローブ１２の積層体への突入が容易となり、突入速度を高速化することができる。

上記の態様において、前記接合するステップは、前記プローブ（１２，４１）の先端が前記中間部材（４）に到達すると同時に又は到達した後に、前記電源（１５）によって前記ショルダ部材及び前記アンビル間に電流を流し始めることを含む。

この態様によれば、通電によって、フックの生成起点となるプローブの外周面からショルダ当接部に向かって第２部材が軟化するため、フックの先端を径方向の外側に誘導できる。更に、中間部材もアンビルの直上で集中的に軟化するため、フックの生成が促進される。

上記の態様において、前記接合するステップは、前記プローブ（１２，４１）の先端が前記第１部材（３）に到達すると同時に又は到達した後に、前記電源（１５）によって前記ショルダ部材及び前記アンビル間に電流を流し始めることを含む。

この態様によれば、通電によって、リング状のナゲット３３を安定的に生成でき、接合強度を向上できる。

以上の態様によれば、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置及び接合方法であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置及び接合方法を提供することができる。

実施形態に係る接合装置を示す縦断面図 実施形態に係る接合装置のプローブに関する変形例を示す縦断面図 実施形態に係る接合装置のショルダ部材の絶縁部の変形例を示す図 実施形態に係る接合装置のショルダ部材の凹部の変形例を示す図 実施形態に係る接合装置のアンビルの変形例を示す図 実施形態に係る接合装置を用いた接合方法の説明図 実施形態に係る接合装置を用いた接合方法の変形例の説明図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る接合装置１と、接合装置１によって接合される積層体２の接合途中の状態とを示す軸線を含む面の断面図である。以下、軸線が、上下方向に延在する場合を例に説明するが、軸線が上下方向に対して傾いていてもよく、横方向に延在していてもよく、上下が逆であってもよい。

積層体２は、それぞれ導電性を有し、かつ、軸線に直交する主面に沿って延在する第１部材３、中間部材４及び第２部材５をこの順に重ね合わせたように含む。軸線は主面に対して、直交していることに代えて、９０度以外の角度で交差していてもよい。積層体２は、第１部材３側の面（下面）をなす第１面６と、第２部材側の面（上面）をなす第２面７とを有する。第１部材３、中間部材４及び第２部材５は、板形状をなす。第１部材３の下側に、第１部材３と同種材である他の１以上の板材が重ねられていてもよい。

第１部材３及び中間部材４は互いに同種材であり、第２部材５は第１部材３及び中間部材４とは異種材である。第１部材３及び中間部材４の素材は、第２部材５の素材よりも高強度であり、かつ高い電気抵抗性を有する。例えば、第１部材３及び中間部材４が鉄合金（鋼材）であり、第２部材５がアルミニウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４が鉄合金であり、第２部材５がマグネシウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４がチタン合金であり、第２部材５がアルミニウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４がチタン合金であり、第２部材５がマグネシウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４が鉄合金であり、第２部材５が銅合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４がチタン合金であり、第２部材５が銅合金であってもよく、又は、第１部材３及び中間部材４がアルミニウム合金であり、第２部材５が銅合金であってもよい。

接合装置１は、積層体２の第１面６を支持するべきアンビル１１と、アンビル１１の上方に配置されたプローブ１２と、アンビル１１の上方に配置されてプローブ１２を外囲するショルダ部材１３と、アンビル１１、プローブ１２及びショルダ部材１３を駆動する駆動機構１４と、積層体２を挟むショルダ部材１３及びアンビル１１間に電流を流す電源１５と、駆動機構１４及び電源１５の作動を制御する制御装置１６とを備える。

アンビル１１は、導電性を有し、積層体２の第１面６に当接するアンビル当接面１７を有する。

プローブ１２は回転子１８の一部であり、回転子１８の全体は、軸線回りに回転対称形をなし、一体となって軸線回りに回転可能である。プローブ１２は、軸線に沿って延在しており、好ましくは、回転子１８の上部１９に比べて細い円柱形状をなす。プローブ１２の先端（下端）は、積層体２に突入できるように自由端となっている。プローブ１２は、例えば、鋼、セラミック、又は超硬合金等を素材とする。

図１に示すように、ショルダ部材１３は、軸線回りに回転対称形をなすことが好ましい。ショルダ部材１３は、貫通孔２０を有するプローブ支持部２１と、プローブ支持部２１から径方向の外方に延出するフランジ２２と、プローブ支持部２１の下面から下方に延出して、下方から見て円環形状をなす側壁部２３とを含む。貫通孔２０の中心軸線は軸線に一致する。貫通孔２０にはプローブ１２が挿通されている。貫通孔２０の上部は、プローブ１２を挿通する際にプローブ１２をガイドするように、上方に向かうにつれて拡径されている。貫通孔２０の下部の内径はプローブ１２の外径よりもわずかに大きく、プローブ１２が軸線回りに回転する際に、貫通孔２０の内周面が、プローブ１２の外周面に摺接して、プローブ１２を支持する。側壁部２３の内径はプローブ１２の外径よりも大きく、側壁部２３の内周面は、プローブ１２の外周面から離間している。側壁部２３の内周面は、下方に向かうにつれて径方向の外方に向かうように傾斜していることが好ましいが、軸線方向に平行であってもよい。側壁部２３の下面は、積層体２の第２面７に当接するショルダ当接面２４をなしている。ショルダ部材１３の下面には、凹部２５が設けられている。凹部２５は、ショルダ当接面２４に対して凹んで積層体２の第２面７に対向する底面２６と、側壁部２３の内周面とによって画定され、プローブ１２の下部を受容する。底面２６は、プローブ支持部２１の下面をなす。ショルダ部材１３は、例えば、銅合金（クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等）、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。

図１に示すように、駆動機構１４は、アンビル１１を移動させるアンビル駆動機構２７と、プローブ１２を含む回転子１８を軸線回りに回転させる回転駆動機構２８と、プローブ１２を軸線に沿って進退させる進退駆動機構２９と、ショルダ部材１３を移動させるショルダ駆動機構３０とを含む。

電源１５は、第１端子３１及び第２端子３２に電気的に接続されている。第１端子３１は、アンビル１１に電気的に接続されており、第２端子３２は、ショルダ部材１３に電気的に接続されている。アンビル１１及びショルダ部材１３が部分的に導電性を含まない領域を有する場合であっても、アンビル１１に於ける第１端子３１が電気的に接続された箇所からアンビル当接面１７までは導電性を有し、ショルダ部材１３に於ける第２端子３２が電気的に接続された箇所からショルダ当接面２４までは導電性を有する。

図２は、プローブ１２の変形例を示す。この変形例の説明において、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。図２に示す変形例では、プローブ４１は、軸線に沿って延在して円柱形状をなし導電性を有するプローブ導電部４２と、プローブ導電部４２の外周面に沿って設けられた絶縁性のプローブ絶縁部４３とを含む。プローブ４１に於いてショルダ部材１３の貫通孔２０の内周面に摺接するのはプローブ絶縁部４３である。プローブ絶縁部４３によって、ショルダ部材１３からプローブ４１に向かって電流が流れることを防止できる。このため、抵抗溶接を実施する上でのエネルギー効率の悪化を防止できる。

図３（Ａ）は、図１に示したのと同じショルダ部材１３を示す。図３（Ｂ）～図３（Ｄ）は、その変形例を示す。図３（Ａ）に示すショルダ部材１３は、全体に導電性を有する。図３（Ｂ）に示すショルダ部材６１は、第２端子３２の接続箇所からショルダ当接面２４に至るショルダ部材導電部６２と、貫通孔２０の内周面に於けるプローブ１２に摺接する部分を含む領域に設けられたショルダ部材絶縁部６３とを含む。図３（Ｃ）に示すショルダ部材６４は、貫通孔２０の内周面を含んで導電性を有する内層６５と、第２端子３２が接続されるとともにショルダ当接面２４を含んで導電性を有する外層６６と、内層６５及び外層６６の間に配置され、内層６５及び外層６６間を絶縁するショルダ部材絶縁部６７とを含む。図３（Ｄ）に示すショルダ部材６８は、貫通孔２０の内周面を含んで導電性を有する内層６５と、第２端子３２が接続されるとともにショルダ当接面２４に於ける外側の部分を含んで導電性を有する外層６９と、内層６５及び外層６９の間に配置され、ショルダ当接面２４に於ける内側の部分を含み、内層６５及び外層６９間を絶縁するショルダ部材絶縁部７０とを含む。図３（Ｂ）～図３（Ｄ）に示すショルダ部材６１，６４，６８では、ショルダ部材絶縁部６３，６７，７０によって、ショルダ部材６１，６４，６８からプローブ１２（図１参照）に電流が流れることが防止される。

図２及び図３に示す変形例に於いて、プローブ導電部４２、ショルダ部材導電部６２、内層６５及び外層６６，６９は、例えば、銅合金（クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等）、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。プローブ絶縁部４３及びショルダ部材絶縁部６３，６７，７０は、例えば、絶縁性のセラミック、ベークライト（フェノール樹脂）、又はマイカ等を素材とする。

上記の接合装置１に於ける摩擦攪拌接合は、摩擦撹拌点接合であり、ショルダ当接面２４が環状をなすことにより接合部の見栄えが良くなっている。一方、ショルダ部材１３を図４（Ｂ）に示す形状に変更することにより、摩擦撹拌線接合とすることができる。図４（Ｂ）に示すショルダ部材１３ａに於いて、図４（Ａ）に示すショルダ部材１３と類似する構成は、同一の符号に添え字「ａ」を付し、共通する部分の説明を省略し、相違点のみを説明する。

図４（Ｂ）に示すショルダ部材１３ａは、貫通孔２０ａを有するプローブ支持部２１ａと、フランジ２２ａと、下面にショルダ当接部２４ａが形成された側壁部２３ａとを含む。ショルダ部材１３ａを第２面７に押圧しながら第２面７に沿って進行させた時に、プローブ１２が突入されることによって上方に盛り上がった第２部材５が引っ掛からないように、ショルダ部材１３ａの進行方向の後方には、側壁部２３ａが設けられておらず、凹部２５ａに於ける進行方向の後方は開口している。したがって、側壁部２３ａは、下方から見てコ字形状をなしている。コ字形状に代えて、側壁部２３ａは、進行方向に平行な１対の壁によって構成されてもよい（図示せず）。

図５は、アンビル１１の構成によって変化する電流の流れを示す。積層体２に重ねて示した矢印が電流の流れを示す。図５（Ａ）に示すアンビル１１の輪郭は、軸線方向から見て、プローブ１２の輪郭に一致するか、それよりも径方向の外側に位置し、かつ、ショルダ当接面２４の内輪郭よりも内側に位置する。アンビル１１は、積層体２との接触面積が比較的小さいため、アンビル１１から積層体２への加圧が安定する。図５（Ｂ）に示すアンビル１１ｂの輪郭は、ショルダ当接面２４の内輪郭に一致するか、それよりも径方向の外側に位置し、かつ、ショルダ当接面２４の外輪郭に一致するか、それよりも径方向の内側に位置する。アンビル１１ｂは、図５（Ａ）に示す例に比べて、積層体２との接触面積が比較的大きく、電流が径方向の外側を流れるため、ナゲット３３（図１参照）が径方向に拡大される。図５（Ｃ）に示すアンビル１１ｃは、図５（Ｂ）に示すアンビル１１ｂと略同じ大きさを有するが、軸線に交差する中心部７１が、中心部７１を外囲する外周部７２に比べて剛性の高い材料によって形成されている。このため、アンビル１１ｃを積層体２に押圧した時のアンビル１１ｃの変形が抑制される。軸線方向から見て中心部７１の輪郭をショルダ当接面２４の内輪郭よりも大きくしてもよく、この場合、積層体２の変形が抑制される。図５（Ｄ）に示すアンビル１１ｄは、図５（Ｂ）に示すアンビル１１ｂと略同じ大きさを有するが、軸線に交差する中心部７１が、中心部７１を外囲する外周部７２に比べて剛性の低い材料によって形成される。アンビル１１ｄは、積層体２に押圧される時、密着性を担保するために外周部７２が加圧される。このため、電流は、ショルダ部材１３から外周部７２に向かって流れる。アンビル１１，１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、軸線方向から見て円形であることが好ましい。

図６を参照して、接合装置１を用いた積層体２の接合方法を説明する。

図６（Ａ）に示すように、作業員は、各層がまだ接合されていない状態の積層体２をアンビル１１と、プローブ１２及びショルダ部材１３との間に配置する。作業員は、制御装置１６（図１参照）が駆動機構１４（図１参照）を介してアンビル１１、ショルダ部材１３及びプローブ１２を動かして、摩擦撹拌点接合及び抵抗スポット接合が実施されるように、接合装置１を設定操作する。

図６（Ｂ）に示すように、アンビル１１が積層体２の第１面６を上方に向かって押圧し、ショルダ部材１３が積層体２の第２面７を下方に向かって押圧する。積層体２がアンビル１１及びショルダ部材１３によって加圧された状態で、プローブ１２が軸線回りに回転しながら、第２面７の側から積層体２に向かって進行する。

図６（Ｃ）に示すように、プローブ１２の先端が第２部材５に突入する。第２部材５は変形し、プローブ１２によって押しのけられた部分に相当する量が、ショルダ部材１３の凹部２５に受容される。プローブ１２の近傍では、プローブ１２の回転による摩擦熱によって第２部材５が塑性流動して、上方から見て円環形状又は円形状の流動領域が形成される。プローブ１２の先端が中間部材４に達した後、制御装置１６（図１参照）は、ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流を流す。プローブ１２の先端の位置は、プローブ１２の挿入深さや、プローブ１２の積層体２への突入圧力（突入負荷）、又は、プローブ１２の回転負荷等によって管理する。

図６（Ｄ）に示すように、ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流が流れた状態で、プローブ１２が回転しながら更に下方に進行し、プローブ１２の先端が中間部材４に突入する。ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流が流れると、第１部材３及び中間部材４の抵抗発熱と、プローブ１２の回転による摩擦熱とによって、第１部材３及び中間部材４に溶融部３４が形成される。また、プローブ１２の近傍では、第２部材５だけでなく中間部材４も塑性流動する。このため、中間部材４に於けるプローブ１２によって押しのけられた部分が、プローブ１２の側面に沿って第２部材５に向かって突入する。この時、プローブ１２から遠ざかるにつれて温度が下がって流動性が低くなるため、中間部材４に於ける第２部材５に突入した部分は、径方向の外側に向かって押し出される。このため、中間部材４のプローブ１２の近傍において、上端に向かうにつれて径方向の外方に向かうフック３５が形成される。

図６（Ｅ）に示すように、制御装置１６（図１参照）はショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流を流すことを止め、プローブ１２が回転しながら軸線に沿って後退する。更に、アンビル１１及びショルダ部材１３が、積層体２に対する加圧を停止し、積層体２から離間する。電流が停止し、プローブ１２が離れることによって、溶融部３４（図６（Ｄ）参照）が凝固してナゲット３３が形成されて第１部材３及び中間部材４が互いに接合される。また、プローブ１２の回転によって塑性流動した第２部材５及び中間部材４によりフック３５が形成されるため、第２部材５及び中間部材４が互いに接合される。

図７を参照して、ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流を流し始める時点を変更した場合について説明する。図７（Ａ）に示すように、プローブ１２の先端が積層体２の第２面７に到達する前に、又は到達すると同時に電流を流し始めると、通電による抵抗発熱によって積層体２の幅広い範囲（第２部材５に於けるプローブ１２とショルダ当接面２４との間の表面等）が軟化するので、プローブ１２の積層体２への突入が容易になり、突入速度を高速化できる。プローブ１２の先端が積層体２の中間部材４に到達する前に、電流を流し始めた場合も同様である。図７（Ｂ）に示すように、プローブ１２の先端が、第２部材５と中間部材４との境界面に達した時に電流を流し始めると、通電により、フック３５（図１参照）の生成起点のプローブ１２の外周面からショルダ当接面２４に向かって第２部材５が軟化し、フック３５の先端を外側に誘導できる。更に、中間部材４もアンビル１１の直上で集中的に軟化するため、フック３５の生成が促進され、第１部材３と中間部材４との界面への材料の流入を抑制できる。図７（Ｃ）に示すように、プローブ１２の先端が、第２部材５と中間部材４との境界面を越えた後に電流を流し始めた場合も、図７（Ｂ）に示す場合と同様の作用効果を奏する。

上記実施形態の作用効果について説明する。

摩擦攪拌接合のために使用するアンビル１１及びプローブ１２が、抵抗スポット溶接のための電極を兼ねているため、互いに別個の摩擦攪拌接合装置と抵抗スポット溶接装置とを用意する場合に比べて、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗スポット溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。

仮に、異種材を抵抗溶接すると脆弱な金属間化合物が発生し、接合強度が低下するおそれがある。本実施形態では、互いに異種材である第２部材５と中間部材４との間は摩擦攪拌接合によって接合されるため、金属間化合物によって接合強度が低下することを防止できる。

電流を流すことによって生じる抵抗発熱だけでなく、プローブ１２の回転による摩擦熱が第１部材３及び中間部材４の溶融に寄与するため、抵抗溶接のためのエネルギー消費量を低減できる。また、溶融部３４が急冷されるとナゲット３３の靭性が低下するところ、本実施形態では、電流を流すことを停止した後、プローブ１２を回転させながら積層体２から引き抜くため、溶融部３４にプローブ１２の回転による摩擦熱が伝わり、溶融部３４の急冷が抑制され、ナゲット３３の靭性の低下が抑制される。

図２又は図３に示すように、プローブ絶縁部４３又はショルダ部材絶縁部６３，６７，７０を含む変形例では、プローブ１２への通電が抑制又は防止されて通電経路が限定される。このため、設備の電気的な安全性を高めることができる。また、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示すショルダ部材６４，６８では、貫通孔２０に於けるプローブ１２に摺接する部分に導電性の材料を使用してもよい。このため、この部分に耐摩耗性の高い材料を配置でき、ショルダ部材６４，６８の耐久性が向上する。

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。第２部材と中間部材との接合は、スポット溶接以外の抵抗溶接でもよい。図５（Ｂ）に示すショルダ部材を適用した変形例に、図２及び／又は図３に示す絶縁部を適用してもよい。電流は、アンビルからショルダ部材に向かって流れてもよい。図６（Ｄ）のショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流が流れるタイミングをプローブ１２が第１部材３に到達する時または到達した後としてもよく、これにより、リング状のナゲット３３を安定的に生成でき、接合強度を向上できる。

１ ：接合装置
２ ：積層体
３ ：第１部材
４ ：中間部材
５ ：第２部材
６ ：第１面
７ ：第２面
１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：アンビル
１２，４１：プローブ
１３，１３ａ，６１，６４，６８：ショルダ部材
１４ ：駆動機構
１５ ：電源
１６ ：制御装置
２０ ：貫通孔
２４，２４ａ：ショルダ当接面
２５，２５ａ：凹部
４２ ：プローブ導電部
４３ ：プローブ絶縁部
６３，６７，７０：ショルダ部材絶縁部

Claims (9)

1. それぞれ、導電性を有し、かつ所定の主面に沿って延在する第１部材、中間部材及び第２部材を、この順に重ね合わせたように含む積層体に於いて、各部材を互いに接合するための接合装置であって、
   前記積層体の前記第１部材側の面をなす第１面を支持するべき、少なくとも部分的に導電性を有するアンビルと、
   前記アンビルに対応する位置で、前記積層体の前記第２部材側の面をなす第２面に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第２部材に向かって進退可能なプローブと、
   前記プローブが挿通された貫通孔と、前記第２面に押圧されるべきショルダ当接面とを含むショルダ部材と、
   前記プローブを、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構と、
   前記積層体を介して前記アンビルと前記ショルダ部材との間に電流を流すべく、前記アンビル及び前記ショルダ部材に電気的に接続された電源と、
   前記駆動機構及び前記電源の作動を制御する制御装置と、
   を備える、前記第１部材と前記中間部材を互いに抵抗溶接し、かつ前記第２部材と前記中間部材を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置。
2. 前記プローブは、前記軸線回りの外周面に設けられたプローブ絶縁部を含む、請求項１に記載の接合装置。
3. 前記ショルダ部材は、前記電源との電気的接続箇所から前記ショルダ当接面に至るショルダ部材導電部と、前記貫通孔の内周面に設けられたショルダ部材絶縁部とを含む、請求項１又は２に記載の接合装置。
4. 前記ショルダ部材は、前記貫通孔の内周面を含んで導電性を有する内層と、前記ショルダ当接面の少なくとも一部を含んで導電性を有する外層と、前記内層及び前記外層間を絶縁するショルダ部材絶縁部とを含み、
   前記電源は前記ショルダ部材の前記外層に電気的に接続された、請求項１又は２に記載の接合装置。
5. 前記アンビルは、前記積層体の前記第１面に当接するべきアンビル当接面を含み、
   前記軸線の延在方向から見て、前記アンビル当接面の輪郭は、前記ショルダ当接面の内輪郭よりも外側に位置する、請求項１～４の何れか１項に記載の接合装置。
6. 請求項１～５の何れか１項に記載の接合装置を用いて前記積層体の各部材を互いに接合する接合方法であって、
   前記アンビルを前記積層体の前記第１面に当接させ、前記ショルダ部材を前記積層体の前記第２面に当接させるステップと、
   前記駆動機構を作動させて、前記プローブを前記軸線回りに回転させながら前記第２面から前記積層体に突入させて引き抜くことにより、前記第２部材と前記中間部材とを互いに摩擦攪拌接合するとともに、前記電源によって前記ショルダ部材及び前記アンビル間に電流を流して前記第１部材と前記中間部材とを互いに抵抗溶接する接合ステップと
   を備え、
   前記第１部材及び前記中間部材が、互いに同種材であり、前記第２部材とは異種材であり、
   前記第１部材及び前記中間部材の素材が、前記第２部材の素材よりも、高強度であり、かつ高い電気抵抗性を有する、接合方法。
7. 前記接合するステップは、前記プローブの先端が前記中間部材に到達する前に、前記電源によって前記ショルダ部材及び前記アンビル間に電流を流し始めることを含む、請求項６に記載の接合方法。
8. 前記接合するステップは、前記プローブの先端が前記中間部材に到達すると同時に又は到達した後に、前記電源によって前記ショルダ部材及び前記アンビル間に電流を流し始めることを含む、請求項６に記載の接合方法。
9. 前記接合するステップは、前記プローブの先端が前記第１部材に到達すると同時に又は到達した後に、前記電源によって前記ショルダ部材及び前記アンビル間に電流を流し始めることを含む、請求項６に記載の接合方法。

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