摩擦接合装置の回転ツール
【課題】異種の金属板同士の接合を安定して行なうことのできる回転ツールを提供すること。
【解決手段】第１金属板Ｗ１と、第１金属板より融点の高い第２金属板Ｗ２とを重ね、第１金属板Ｗ１側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツール４において、先端面４ｄが凹状に形成された略円柱状の本体部４ａと、本体部４ａの先端面中央に設けられ、本体部４ａよりも小径の略円柱状のピン部４ｂと、を備え、本体部４ａの先端外縁４ｃが形成する面から突出するピン部４ｂの長さＡ及び先端面４ｄの形状を、第１金属板Ｗ１の厚みに応じて設定した。
【解決手段】第１金属板Ｗ１と、第１金属板より融点の高い第２金属板Ｗ２とを重ね、第１金属板Ｗ１側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツール４において、先端面４ｄが凹状に形成された略円柱状の本体部４ａと、本体部４ａの先端面中央に設けられ、本体部４ａよりも小径の略円柱状のピン部４ｂと、を備え、本体部４ａの先端外縁４ｃが形成する面から突出するピン部４ｂの長さＡ及び先端面４ｄの形状を、第１金属板Ｗ１の厚みに応じて設定した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の金属板を接合する摩擦接合装置に用いられる回転ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、重ねられた複数の被接合材を回転ツールの回転によって接合する摩擦接合装置が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−４８０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の摩擦接合装置は、アルミニウムなどの融点のほぼ等しい軽金属同士を接合する際には有効であるが、例えばアルミニウム材と鋼材といった融点の異なる金属同士の接合においては、その摩擦接合方法をそのまま採用すると問題が生じていた。
【０００４】
即ち、アルミニウムなどの融点のほぼ等しい軽金属同士を接合する際には、回転ツールの先端部分が、２層目の金属材まで達しても問題がないが、例えばアルミニウム材と鋼材といった融点の異なる金属同士の接合においては、回転ツールの先端部分が鋼材に達してしまい、鋼材が水などに触れる状態になると、電位差により耐食性が著しく低下してしまうと言う問題があった。ところが、従来は、回転ツールの先端形状と、被結合材の形状との関係について十分な考察が為されておらず、回転ツールの先端形状は必ずしも最適な形状とはなっていなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、異種の金属板同士の接合を安定して行なうことのできる回転ツールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明にあっては、第１金属板と、該第１金属板より融点の高い第２金属板とを重ね、前記第１金属板側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツールにおいて、
略円柱状の本体部と、前記本体部の先端面中央に設けられ、前記本体部よりも小径の略円柱状のピン部と、を備え、
前記本体部の先端面から前記回転ツールの回転軸心方向に突出する前記ピン部の長さを、前記第１金属板の板厚より短く設定し、
前記本体部の先端面に、接合時に前記第１金属板の材料を充填するための環状の凹部を形成したことを特徴とする。
【０００７】
これにより、ピン部の長さが第１金属板の厚みよりも短く設定するので、ピン部の先端が、第２金属板に当接することなく、前記凹部に前記第１金属板の材料を充填させることができる。結果として、接合後の表面に第２金属板を露出させることなく第１金属板と第２金属板とを点接合することができ、電位差による耐食性の低下を防止しつつ安定した接合品質を確保することができる。
【０００８】
前記凹部はすり鉢状に形成されており、その傾斜角は、前記第１金属板の厚みに応じて設定されることを特徴とする。このように、すり鉢状の凹部の傾斜角を第１金属板の厚みに応じて設定すれば、凹部内に軟化した第１金属板を確実に充填させることができ、接合時のバリの生成を抑えつつ、摩擦による塑性流動を促進でき、安定した接合強度を得ることができる。
【０００９】
前記摩擦接合装置は、前記回転ツールの回転による摩擦熱で前記第１金属板を軟化し、塑性流動させて、前記第１金属板と前記第２金属板との合わせ面を固相接合することを特徴とする。これによれば、異種の金属板同士を十分な強度で接合することが可能となる。
【００１０】
前記本体部の先端外縁から前記回転ツールの軸心方向に突出する前記ピン部の長さをＡとし、
前記本体部の先端外縁の外径をＢとし、
前記ピン部の外径をＣとし、
前記先端面の凹部の傾斜角をαとし、
前記第１金属板の厚みをＴとした場合に、
０．２≦Ａ≦Ｔ−（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２−０．２（単位はｍｍ）
となるようにそれぞれの寸法を決定したことを特徴とする。このように回転ツールの各寸法を決定すれば、回転ツールの旋回を安定させつつ、接合面に第２金属板が露出することによる耐食性の低下を防止することができる。
【００１１】
前記第１金属板がアルミニウム合金材料、前記第２金属板が鋼材料であることを特徴とする。これによれば、従来は困難であったアルミニウム合金材と鋼材との接合を十分な強度で行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、異種の金属板同士の接合を安定して行なうことのできる回転ツールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の全体構成を示す図である。この摩擦接合装置１００は、自動車ボディ等に用いられる複数の被接合材を点接合するために用いられる。この摩擦接合装置を用いれば、例えば、被接合材としてアルミニウム合金板と鋼板とを接合することができる。摩擦接合装置１００は、接合ガン１と、接合ガン１を所望の位置及び角度に移動するロボット２と、接合ガン１及びロボット２を制御する制御部３とを備えている。ロボット２としては、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットが用いられる。
【００１５】
接合ガン１は接合用工具として、回転ツール４と、受け具５とを備えている。回転ツール４は、押圧手段としての不図示の加圧軸モータにより加圧のために昇降移動されると共に、回転駆動手段としての不図示の回転軸モータにより回転される。回転軸モータとしては、インダクションモータやサーボモータが用いることができ、加圧軸モータとしては、サーボモータを用いることができる。受け具５は、Ｌ字状のアームの先端に回転ツール４に対向して配置されている。尚、回転ツール４及び受け具５は、接合ガン１に対して着脱可能な構成となっている。
【００１６】
なお、制御部３は、ロボット２の六軸と、接合ガン１における回転ツール４の回転数及び押圧力を制御可能な構成となっている。つまり、制御部３は、加圧軸モータ及び回転軸モータを制御する。
【００１７】
図２Ａは、回転ツール４の先端部の構成について説明するための図である。回転ツール４は、先端面が凹状に形成された略円柱状の本体部４ａと、本体部の先端面中央に設けられ、前記本体部よりも小径の略円柱状のピン部４ｂとを一体的に有している。ピン部４ｂは、回転ツールのセンタリング（位置決め機能、位置ずれ防止機能）を適格に行なうために設けられている。ピン部４ｂの先端は、本体部４ａの先端面から回転ツールの回転軸心Ｘ方向に突出しており、ピン部４ｂの軸心は本体部４ａの軸心に合致している。
【００１８】
この回転ツールは、異種材料、特に融点（軟質性）が異なる材料として、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを接合するためのものである。そのため、ピン部４ｂの突出長さは、同種の材料（例えばアルミニウム材同士）を接合するための回転ツールに比べて短く設定されている。これは、ピン部４ｂを長くして下方の鋼板Ｗ２に突き当たると、鋼板Ｗ２の表面に予め形成されためっき層８がはがれ、鋼板Ｗ２の表面が水などに触れることになり腐食が起こりやすくなるからである。
【００１９】
めっき層８は、鋼板Ｗ２の表面に酸化膜が生成されることを防止するために形成されているものであり、例えば亜鉛や亜鉛合金などからなる。具体的には、例えば、板厚0.7〜2.0mmの5000系アルミ合金板または6000系アルミ合金板に対して、亜鉛めっき付着量９０ｇ／m2板厚1〜1.2mmの亜鉛めっき鋼板を接合することができる。
【００２０】
なお、図２（ａ）ではピン部４ｂの先端は平坦面に形成されているが、これに限定されるものではなく、曲面形状を為していてもよいし、或いは、円錐形状を為していても良い。
【００２１】
一方、本体部の先端面には、本体部４ａの先端外周に存在するショルダー部４ｃからピン部４ｂの外周面に向けて、接合時に前記第１金属板の材料を充填するための環状の凹部４ｄが形成されている。摩擦熱で軟化したアルミニウム板Ｗ１は、その凹部４ｄに充填されるため、回転ツール４の外側に流動するＷ１の量が少なくなり、バリの発生を抑えることができる。また、凹部４ｄに充填されたアルミニウム板Ｗ１は回転ツールの回転方向軸心Ｘ方向に大きく塑性流動することができ、回転ツール４の先端面に凹部４ｄが形成されない場合に比べ接合強度が高くなる。
【００２２】
図において本体部４ａの先端面から回転ツールの軸心方向に突出するピン部４ｂの長さＡ１は、第１金属板であるアルミニウム板Ｗ１の厚みＴよりも小さく設定されている。このように、ピン部４ｂの長さＡ１を第１金属板の厚みより小さくに設定すれば、接合面に第２金属板を露出させることなく第１金属板と第２金属板とを点接合することができ、電位差による耐食性の低下を防止しつつ安定した接合品質を確保することができる。
【００２３】
本体部４ａの凹部４ｄは、図のようにすり鉢状に形成されているが、本体部４ａの凹部４ｄの傾斜角αは、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴに応じて設定される。具体的には、軟化したアルミニウム板Ｗ１をバリとして排出しにくくし、十分な加圧力を発生させるため、傾斜角αを０°よりも大きい値とする。更に、傾斜角αは、ピン部４ｂで押しのけたアルミニウム板Ｗ１が回転ツール４の凹部４ｄに充填される角度以下とする。つまり、凹部４ａの傾斜角αが所定値以上になると、回転させた回転ツール４でアルミニウム板Ｗ１を押圧する際に、凹部４ｄ内にアルミニウム板Ｗ１の充填されないスペースが形成されてしまう。この所定値は、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴによってきまり、傾斜角αをそのような所定値より小さい値としなければならない。
【００２４】
このように、すり鉢状の凹部４ｄの傾斜角αをアルミニウム板Ｗ１の厚みＴに応じて設定すれば、凹部４ｄ内に軟化したアルミニウム板Ｗ１を確実に充填させることができ、接合時のバリの生成を抑えつつ、摩擦による塑性流動を促進でき、安定した接合強度を得ることができる。
【００２５】
また、本体部の先端外縁のショルダー部４ｃから回転ツールの軸心Ｘ方向に突出するピン部４ｂの長さＡと、ショルダー部４ｃの外径Ｂと、ピン部４ｂの外径Ｃと、傾斜角をαと、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴとが、以下の関係を満たすように、回転ツール４の寸法が決定されている。
【００２６】
０．２≦Ａ≦Ｔ−（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２−０．２（単位はｍｍ）…（１）
ここで、ピン長さＡを０．２ｍｍよりも大きくしたのは、接合中の回転ツール４の旋回中心を安定させるためである。また、上記式において右側の項で０．２を減算したのは、凹部４ｄの最深部（ピン部４ｂの根元）にアルミニウム板Ｗ１が充填された押し込み状態において、ピン部４ｂの先端と鋼板Ｗ２の上面との間に必ず０．２ｍｍの余裕を持たせるためである。上記式（１）を変形し、回転ツール４の寸法とアルミニウム板Ｗ１の寸法とを分けて書くと、以下のようになる。
【００２７】
Ａ＋（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２＋０．２≦Ｔ…（２）
ここで右側の項は、ピン部４ｂの根元からの長さに０．２ｍｍを加えたものであり、その値が、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴよりも少なくなるように設定されている。
【００２８】
このように回転ツールの各寸法を決定すれば、回転ツールの旋回を安定させつつ、接合後の表面に鋼板Ｗ２が露出することによる耐食性の低下を防止することができる。
【００２９】
また、更に、以下の式を満たすようにショルダー部４ｃの外径Ｂと、ピン部４ｂの外径Ｃとが設定されている。
【００３０】
０．２×Ｂ≦Ｃ≦０．５×Ｂ…（３）
このように回転ツールの各寸法を決定すれば、アルミニウム板Ｗ１に接触した際のピン部４ｂの折損を防止でき、かつ回転ツール４の回転による摩擦熱を十分に生じさせることができる。
【００３１】
なお、図２Ａでは、本体部４ａの先端面４ｄは、すり鉢状としたが、これに限定されるものではなく、環状の凹部であれば、さまざまな形状が考えられる。例えば、断面が曲線を為すようなお椀状であってもよい。また、凹部の内部やショルダー部４ｃの外縁に、アルミニウム板Ｗ１の表面と平行な平面が形成されていても良い。
【００３２】
図３は、制御部３による回転ツール４の押圧力及び回転数の制御について説明する図である。
【００３３】
まず、回転ツール４を下降させてアルミニウム板Ｗ１に当接させ、回転ツールのピン部４ｂと受け具５とにより金属板であるアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とが把持された状態で、回転ツール４の押圧力をＮ１（例えば０．９８〜３．４３ｋＮ）に、回転数をＰ１（例えば３０００〜３５００ｒｐｍ）に維持する。これにより、アルミニウム板Ｗ１の表面に、回転ツール４の回転による発熱（摩擦熱）を生じさせる。このようなアルミニウム板Ｗ１に対する加熱により、アルミニウム板Ｗ１が軟化し、ピン部４ｂによるセンタリングを確実に行なうことができ、回転ルーツ４の旋回中心が決まる。
【００３４】
次に、回転開始から所定時間後に回転ツール４の押圧力をＮ２（例えば２．４５〜５．８８ｋＮ）まで増加させる。Ｎ２に押圧力を増加することで、回転ツール４は、軟化したアルミニウム板Ｗ１内に侵入する。ただし、この時ピン部４ｂが鋼板Ｗ２に当接しないようにＮ２が定められている。これにより、図２Ｂに示すように、回転ツール４と接触圧力の高い部分のアルミニウムが塑性流動し、これに伴って、熱を受けて軟化した亜鉛めっき８が拡散され、回転ツール４の外周側へ排出される。同時にアルミニウム板Ｗ１の鋼板Ｗ２側表面の酸化膜も破壊され、アルミニウム板Ｗ１の新生面と鋼板Ｗ２の新生面とが直接接触し、固相接合が生じる。
【００３５】
この時、回転数が高いと、アルミニウム板Ｗ１の塑性流動が極めて回転ツール４に近い範囲のみで行なわれる結果となり、固相接合がうまく行なわれない場合がある。そのため、ここでは、回転数をＰ２（例えば１５００〜２５００ｒｐｍ）まで低下させ、比較的ゆっくりした回転で、大きく塑性流動を生じさせる。
【００３６】
図４（ａ）〜（ｃ）は、ピン長さＡを様々に変えた場合の、本体部４ａの先端面形状とピン部４ｂの形状との関係及び許容範囲を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は、ショルダー径Ｂを１０ｍｍとし、ピン径Ｃを２ｍｍとした場合に、長さＡが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．８ｍｍのピン部４ｂを持つ３種類の回転ツール４の傾斜角αを１°から９°まで２°ずつ増加させて、ピン先端から付け根までの距離（ピン部４ｂ全体の長さ）に０．２ｍｍを加えた値がどのように変化するかを示したグラフである。即ち、全部で１５種類の回転ツール４を想定してピン部４ｂ全体の長さに０．２ｍｍを加えた値をプロットしたものである。
【００３７】
上述した式（２）で示したように、ピン先端から付け根までの距離（ピン部４ｂ全体の長さ）に０．２ｍｍを加えた値は、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴよりも小さくなければならない。したがって、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴが０．８ｍｍの場合、図４（ａ）に示すように、想定した１５種類の回転ツール４のうち、ピン部４ｂの長さＡが０．３ｍｍであって、傾斜角αが１°または３°のものであれば、問題なく接合を行なえることが分かる。即ち、厚み０．８ｍｍ程度の薄板接合の場合、ピン長さ、傾斜角とも、限られた範囲でしか設定できない。特に傾斜角αが大きい３°の方がバリ発生を抑制し、塑性流動を促進する上で好ましい。
【００３８】
一方、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴが１．４ｍｍの場合、図４（ｂ）に示すように、想定した１５種類の回転ツール４のうち、ピン部４ｂの長さＡが０．８ｍｍであって、傾斜角αが７°または９°のものを除けば、問題なく接合を行なえることが分かる。即ち、厚み１．４ｍｍ程度の厚板接合の場合、ピン長さ、傾斜角とも、広い範囲で設定可能である。ただし、傾斜角が小さいとバリが発生しやすく強度の低下を招くため、厚板接合では薄板接合に比べ、傾斜角が大きくなることが望ましい。
【００３９】
図４（ｃ）は、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：５ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．２ｍｍの回転ツール４と、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：２ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．５ｍｍの回転ツール４と、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：２ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．８ｍｍの回転ツール４と、を想定している。そして、厚み２．０ｍｍの厚板接合の場合に、これらの３種類の回転ツール４について、どの程度まで傾斜角αを大きくできるかを示している。
【００４０】
図４（ｃ）に示すように、ピン部４ｂの長さが小さいほど、ピン径Ｃが大きいほど、傾斜角αを大きくすることができ、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：５ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．２ｍｍの回転ツール４であれば、約３３°まで傾斜角を大きくしても、２ｍｍの厚板接合の場合には問題にならないことが分かる。
【００４１】
以上説明したとおり、本実施形態では、第１金属板Ｗ１と、第１金属板より融点の高い第２金属板Ｗ２とを重ね、第１金属板Ｗ１側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツール４において、略円柱状の本体部４ａと、本体部４ａの先端面中央に設けられ、本体部４ａよりも小径の略円柱状のピン部４ｂと、を備え、本体部４ａの先端面から回転ツールの軸心方向に突出するピン部４ｂの長さＡ１を、第１金属板Ｗ１の板厚Ｔより短く設定し、本体部４ａの先端面に、接合時に第１金属板Ｗ１を充填するための環状の凹部４ｂを形成した。
【００４２】
これにより、接合後の表面に第２金属板Ｗ２を露出させることなく第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２とを点接合することができ、電位差による耐食性の低下を防止しつつ安定した接合品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の概略構成を示す図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る回転ツールの概略構成を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態に係る回転ツールを回転しながら押し込んだ接合状態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る押圧力制御及び回転数制御を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態の係る回転ツールの最適形状について説明するグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１００ 摩擦接合装置
１ 接合ガン
２ ロボット
３ 制御部
４ 回転ツール
５ 受け具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の金属板を接合する摩擦接合装置に用いられる回転ツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、重ねられた複数の被接合材を回転ツールの回転によって接合する摩擦接合装置が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−４８０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の摩擦接合装置は、アルミニウムなどの融点のほぼ等しい軽金属同士を接合する際には有効であるが、例えばアルミニウム材と鋼材といった融点の異なる金属同士の接合においては、その摩擦接合方法をそのまま採用すると問題が生じていた。
【０００４】
即ち、アルミニウムなどの融点のほぼ等しい軽金属同士を接合する際には、回転ツールの先端部分が、２層目の金属材まで達しても問題がないが、例えばアルミニウム材と鋼材といった融点の異なる金属同士の接合においては、回転ツールの先端部分が鋼材に達してしまい、鋼材が水などに触れる状態になると、電位差により耐食性が著しく低下してしまうと言う問題があった。ところが、従来は、回転ツールの先端形状と、被結合材の形状との関係について十分な考察が為されておらず、回転ツールの先端形状は必ずしも最適な形状とはなっていなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、異種の金属板同士の接合を安定して行なうことのできる回転ツールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明にあっては、第１金属板と、該第１金属板より融点の高い第２金属板とを重ね、前記第１金属板側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツールにおいて、
略円柱状の本体部と、前記本体部の先端面中央に設けられ、前記本体部よりも小径の略円柱状のピン部と、を備え、
前記本体部の先端面から前記回転ツールの回転軸心方向に突出する前記ピン部の長さを、前記第１金属板の板厚より短く設定し、
前記本体部の先端面に、接合時に前記第１金属板の材料を充填するための環状の凹部を形成したことを特徴とする。
【０００７】
これにより、ピン部の長さが第１金属板の厚みよりも短く設定するので、ピン部の先端が、第２金属板に当接することなく、前記凹部に前記第１金属板の材料を充填させることができる。結果として、接合後の表面に第２金属板を露出させることなく第１金属板と第２金属板とを点接合することができ、電位差による耐食性の低下を防止しつつ安定した接合品質を確保することができる。
【０００８】
前記凹部はすり鉢状に形成されており、その傾斜角は、前記第１金属板の厚みに応じて設定されることを特徴とする。このように、すり鉢状の凹部の傾斜角を第１金属板の厚みに応じて設定すれば、凹部内に軟化した第１金属板を確実に充填させることができ、接合時のバリの生成を抑えつつ、摩擦による塑性流動を促進でき、安定した接合強度を得ることができる。
【０００９】
前記摩擦接合装置は、前記回転ツールの回転による摩擦熱で前記第１金属板を軟化し、塑性流動させて、前記第１金属板と前記第２金属板との合わせ面を固相接合することを特徴とする。これによれば、異種の金属板同士を十分な強度で接合することが可能となる。
【００１０】
前記本体部の先端外縁から前記回転ツールの軸心方向に突出する前記ピン部の長さをＡとし、
前記本体部の先端外縁の外径をＢとし、
前記ピン部の外径をＣとし、
前記先端面の凹部の傾斜角をαとし、
前記第１金属板の厚みをＴとした場合に、
０．２≦Ａ≦Ｔ−（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２−０．２（単位はｍｍ）
となるようにそれぞれの寸法を決定したことを特徴とする。このように回転ツールの各寸法を決定すれば、回転ツールの旋回を安定させつつ、接合面に第２金属板が露出することによる耐食性の低下を防止することができる。
【００１１】
前記第１金属板がアルミニウム合金材料、前記第２金属板が鋼材料であることを特徴とする。これによれば、従来は困難であったアルミニウム合金材と鋼材との接合を十分な強度で行なうことが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、異種の金属板同士の接合を安定して行なうことのできる回転ツールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の全体構成を示す図である。この摩擦接合装置１００は、自動車ボディ等に用いられる複数の被接合材を点接合するために用いられる。この摩擦接合装置を用いれば、例えば、被接合材としてアルミニウム合金板と鋼板とを接合することができる。摩擦接合装置１００は、接合ガン１と、接合ガン１を所望の位置及び角度に移動するロボット２と、接合ガン１及びロボット２を制御する制御部３とを備えている。ロボット２としては、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットが用いられる。
【００１５】
接合ガン１は接合用工具として、回転ツール４と、受け具５とを備えている。回転ツール４は、押圧手段としての不図示の加圧軸モータにより加圧のために昇降移動されると共に、回転駆動手段としての不図示の回転軸モータにより回転される。回転軸モータとしては、インダクションモータやサーボモータが用いることができ、加圧軸モータとしては、サーボモータを用いることができる。受け具５は、Ｌ字状のアームの先端に回転ツール４に対向して配置されている。尚、回転ツール４及び受け具５は、接合ガン１に対して着脱可能な構成となっている。
【００１６】
なお、制御部３は、ロボット２の六軸と、接合ガン１における回転ツール４の回転数及び押圧力を制御可能な構成となっている。つまり、制御部３は、加圧軸モータ及び回転軸モータを制御する。
【００１７】
図２Ａは、回転ツール４の先端部の構成について説明するための図である。回転ツール４は、先端面が凹状に形成された略円柱状の本体部４ａと、本体部の先端面中央に設けられ、前記本体部よりも小径の略円柱状のピン部４ｂとを一体的に有している。ピン部４ｂは、回転ツールのセンタリング（位置決め機能、位置ずれ防止機能）を適格に行なうために設けられている。ピン部４ｂの先端は、本体部４ａの先端面から回転ツールの回転軸心Ｘ方向に突出しており、ピン部４ｂの軸心は本体部４ａの軸心に合致している。
【００１８】
この回転ツールは、異種材料、特に融点（軟質性）が異なる材料として、アルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とを接合するためのものである。そのため、ピン部４ｂの突出長さは、同種の材料（例えばアルミニウム材同士）を接合するための回転ツールに比べて短く設定されている。これは、ピン部４ｂを長くして下方の鋼板Ｗ２に突き当たると、鋼板Ｗ２の表面に予め形成されためっき層８がはがれ、鋼板Ｗ２の表面が水などに触れることになり腐食が起こりやすくなるからである。
【００１９】
めっき層８は、鋼板Ｗ２の表面に酸化膜が生成されることを防止するために形成されているものであり、例えば亜鉛や亜鉛合金などからなる。具体的には、例えば、板厚0.7〜2.0mmの5000系アルミ合金板または6000系アルミ合金板に対して、亜鉛めっき付着量９０ｇ／m2板厚1〜1.2mmの亜鉛めっき鋼板を接合することができる。
【００２０】
なお、図２（ａ）ではピン部４ｂの先端は平坦面に形成されているが、これに限定されるものではなく、曲面形状を為していてもよいし、或いは、円錐形状を為していても良い。
【００２１】
一方、本体部の先端面には、本体部４ａの先端外周に存在するショルダー部４ｃからピン部４ｂの外周面に向けて、接合時に前記第１金属板の材料を充填するための環状の凹部４ｄが形成されている。摩擦熱で軟化したアルミニウム板Ｗ１は、その凹部４ｄに充填されるため、回転ツール４の外側に流動するＷ１の量が少なくなり、バリの発生を抑えることができる。また、凹部４ｄに充填されたアルミニウム板Ｗ１は回転ツールの回転方向軸心Ｘ方向に大きく塑性流動することができ、回転ツール４の先端面に凹部４ｄが形成されない場合に比べ接合強度が高くなる。
【００２２】
図において本体部４ａの先端面から回転ツールの軸心方向に突出するピン部４ｂの長さＡ１は、第１金属板であるアルミニウム板Ｗ１の厚みＴよりも小さく設定されている。このように、ピン部４ｂの長さＡ１を第１金属板の厚みより小さくに設定すれば、接合面に第２金属板を露出させることなく第１金属板と第２金属板とを点接合することができ、電位差による耐食性の低下を防止しつつ安定した接合品質を確保することができる。
【００２３】
本体部４ａの凹部４ｄは、図のようにすり鉢状に形成されているが、本体部４ａの凹部４ｄの傾斜角αは、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴに応じて設定される。具体的には、軟化したアルミニウム板Ｗ１をバリとして排出しにくくし、十分な加圧力を発生させるため、傾斜角αを０°よりも大きい値とする。更に、傾斜角αは、ピン部４ｂで押しのけたアルミニウム板Ｗ１が回転ツール４の凹部４ｄに充填される角度以下とする。つまり、凹部４ａの傾斜角αが所定値以上になると、回転させた回転ツール４でアルミニウム板Ｗ１を押圧する際に、凹部４ｄ内にアルミニウム板Ｗ１の充填されないスペースが形成されてしまう。この所定値は、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴによってきまり、傾斜角αをそのような所定値より小さい値としなければならない。
【００２４】
このように、すり鉢状の凹部４ｄの傾斜角αをアルミニウム板Ｗ１の厚みＴに応じて設定すれば、凹部４ｄ内に軟化したアルミニウム板Ｗ１を確実に充填させることができ、接合時のバリの生成を抑えつつ、摩擦による塑性流動を促進でき、安定した接合強度を得ることができる。
【００２５】
また、本体部の先端外縁のショルダー部４ｃから回転ツールの軸心Ｘ方向に突出するピン部４ｂの長さＡと、ショルダー部４ｃの外径Ｂと、ピン部４ｂの外径Ｃと、傾斜角をαと、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴとが、以下の関係を満たすように、回転ツール４の寸法が決定されている。
【００２６】
０．２≦Ａ≦Ｔ−（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２−０．２（単位はｍｍ）…（１）
ここで、ピン長さＡを０．２ｍｍよりも大きくしたのは、接合中の回転ツール４の旋回中心を安定させるためである。また、上記式において右側の項で０．２を減算したのは、凹部４ｄの最深部（ピン部４ｂの根元）にアルミニウム板Ｗ１が充填された押し込み状態において、ピン部４ｂの先端と鋼板Ｗ２の上面との間に必ず０．２ｍｍの余裕を持たせるためである。上記式（１）を変形し、回転ツール４の寸法とアルミニウム板Ｗ１の寸法とを分けて書くと、以下のようになる。
【００２７】
Ａ＋（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２＋０．２≦Ｔ…（２）
ここで右側の項は、ピン部４ｂの根元からの長さに０．２ｍｍを加えたものであり、その値が、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴよりも少なくなるように設定されている。
【００２８】
このように回転ツールの各寸法を決定すれば、回転ツールの旋回を安定させつつ、接合後の表面に鋼板Ｗ２が露出することによる耐食性の低下を防止することができる。
【００２９】
また、更に、以下の式を満たすようにショルダー部４ｃの外径Ｂと、ピン部４ｂの外径Ｃとが設定されている。
【００３０】
０．２×Ｂ≦Ｃ≦０．５×Ｂ…（３）
このように回転ツールの各寸法を決定すれば、アルミニウム板Ｗ１に接触した際のピン部４ｂの折損を防止でき、かつ回転ツール４の回転による摩擦熱を十分に生じさせることができる。
【００３１】
なお、図２Ａでは、本体部４ａの先端面４ｄは、すり鉢状としたが、これに限定されるものではなく、環状の凹部であれば、さまざまな形状が考えられる。例えば、断面が曲線を為すようなお椀状であってもよい。また、凹部の内部やショルダー部４ｃの外縁に、アルミニウム板Ｗ１の表面と平行な平面が形成されていても良い。
【００３２】
図３は、制御部３による回転ツール４の押圧力及び回転数の制御について説明する図である。
【００３３】
まず、回転ツール４を下降させてアルミニウム板Ｗ１に当接させ、回転ツールのピン部４ｂと受け具５とにより金属板であるアルミニウム板Ｗ１と鋼板Ｗ２とが把持された状態で、回転ツール４の押圧力をＮ１（例えば０．９８〜３．４３ｋＮ）に、回転数をＰ１（例えば３０００〜３５００ｒｐｍ）に維持する。これにより、アルミニウム板Ｗ１の表面に、回転ツール４の回転による発熱（摩擦熱）を生じさせる。このようなアルミニウム板Ｗ１に対する加熱により、アルミニウム板Ｗ１が軟化し、ピン部４ｂによるセンタリングを確実に行なうことができ、回転ルーツ４の旋回中心が決まる。
【００３４】
次に、回転開始から所定時間後に回転ツール４の押圧力をＮ２（例えば２．４５〜５．８８ｋＮ）まで増加させる。Ｎ２に押圧力を増加することで、回転ツール４は、軟化したアルミニウム板Ｗ１内に侵入する。ただし、この時ピン部４ｂが鋼板Ｗ２に当接しないようにＮ２が定められている。これにより、図２Ｂに示すように、回転ツール４と接触圧力の高い部分のアルミニウムが塑性流動し、これに伴って、熱を受けて軟化した亜鉛めっき８が拡散され、回転ツール４の外周側へ排出される。同時にアルミニウム板Ｗ１の鋼板Ｗ２側表面の酸化膜も破壊され、アルミニウム板Ｗ１の新生面と鋼板Ｗ２の新生面とが直接接触し、固相接合が生じる。
【００３５】
この時、回転数が高いと、アルミニウム板Ｗ１の塑性流動が極めて回転ツール４に近い範囲のみで行なわれる結果となり、固相接合がうまく行なわれない場合がある。そのため、ここでは、回転数をＰ２（例えば１５００〜２５００ｒｐｍ）まで低下させ、比較的ゆっくりした回転で、大きく塑性流動を生じさせる。
【００３６】
図４（ａ）〜（ｃ）は、ピン長さＡを様々に変えた場合の、本体部４ａの先端面形状とピン部４ｂの形状との関係及び許容範囲を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は、ショルダー径Ｂを１０ｍｍとし、ピン径Ｃを２ｍｍとした場合に、長さＡが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．８ｍｍのピン部４ｂを持つ３種類の回転ツール４の傾斜角αを１°から９°まで２°ずつ増加させて、ピン先端から付け根までの距離（ピン部４ｂ全体の長さ）に０．２ｍｍを加えた値がどのように変化するかを示したグラフである。即ち、全部で１５種類の回転ツール４を想定してピン部４ｂ全体の長さに０．２ｍｍを加えた値をプロットしたものである。
【００３７】
上述した式（２）で示したように、ピン先端から付け根までの距離（ピン部４ｂ全体の長さ）に０．２ｍｍを加えた値は、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴよりも小さくなければならない。したがって、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴが０．８ｍｍの場合、図４（ａ）に示すように、想定した１５種類の回転ツール４のうち、ピン部４ｂの長さＡが０．３ｍｍであって、傾斜角αが１°または３°のものであれば、問題なく接合を行なえることが分かる。即ち、厚み０．８ｍｍ程度の薄板接合の場合、ピン長さ、傾斜角とも、限られた範囲でしか設定できない。特に傾斜角αが大きい３°の方がバリ発生を抑制し、塑性流動を促進する上で好ましい。
【００３８】
一方、アルミニウム板Ｗ１の厚みＴが１．４ｍｍの場合、図４（ｂ）に示すように、想定した１５種類の回転ツール４のうち、ピン部４ｂの長さＡが０．８ｍｍであって、傾斜角αが７°または９°のものを除けば、問題なく接合を行なえることが分かる。即ち、厚み１．４ｍｍ程度の厚板接合の場合、ピン長さ、傾斜角とも、広い範囲で設定可能である。ただし、傾斜角が小さいとバリが発生しやすく強度の低下を招くため、厚板接合では薄板接合に比べ、傾斜角が大きくなることが望ましい。
【００３９】
図４（ｃ）は、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：５ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．２ｍｍの回転ツール４と、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：２ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．５ｍｍの回転ツール４と、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：２ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．８ｍｍの回転ツール４と、を想定している。そして、厚み２．０ｍｍの厚板接合の場合に、これらの３種類の回転ツール４について、どの程度まで傾斜角αを大きくできるかを示している。
【００４０】
図４（ｃ）に示すように、ピン部４ｂの長さが小さいほど、ピン径Ｃが大きいほど、傾斜角αを大きくすることができ、ショルダー径Ｂ：１０ｍｍ、ピン径Ｃ：５ｍｍ、ピン部４ｂ長さＡ：０．２ｍｍの回転ツール４であれば、約３３°まで傾斜角を大きくしても、２ｍｍの厚板接合の場合には問題にならないことが分かる。
【００４１】
以上説明したとおり、本実施形態では、第１金属板Ｗ１と、第１金属板より融点の高い第２金属板Ｗ２とを重ね、第１金属板Ｗ１側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツール４において、略円柱状の本体部４ａと、本体部４ａの先端面中央に設けられ、本体部４ａよりも小径の略円柱状のピン部４ｂと、を備え、本体部４ａの先端面から回転ツールの軸心方向に突出するピン部４ｂの長さＡ１を、第１金属板Ｗ１の板厚Ｔより短く設定し、本体部４ａの先端面に、接合時に第１金属板Ｗ１を充填するための環状の凹部４ｂを形成した。
【００４２】
これにより、接合後の表面に第２金属板Ｗ２を露出させることなく第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２とを点接合することができ、電位差による耐食性の低下を防止しつつ安定した接合品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦接合装置の概略構成を示す図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係る回転ツールの概略構成を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態に係る回転ツールを回転しながら押し込んだ接合状態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る押圧力制御及び回転数制御を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態の係る回転ツールの最適形状について説明するグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１００ 摩擦接合装置
１ 接合ガン
２ ロボット
３ 制御部
４ 回転ツール
５ 受け具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属板と、該第１金属板より融点の高い第２金属板とを重ね、前記第１金属板側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツールにおいて、
略円柱状の本体部と、
前記本体部の先端面中央に設けられ、前記本体部よりも小径の略円柱状のピン部と、
を備え、
前記本体部の先端面から前記回転ツールの回転軸心方向に突出する前記ピン部の長さを、前記第１金属板の板厚より短く設定し、
前記本体部の先端面に、接合時に前記第１金属板の材料を充填するための環状の凹部を形成したことを特徴とする摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項２】
前記凹部はすり鉢状に形成されており、その傾斜角は、前記第１金属板の厚みに応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項３】
前記摩擦接合装置は、前記回転ツールの回転による摩擦熱で前記第１金属板を軟化し、塑性流動させて、前記第１金属板と前記第２金属板との合わせ面を固相接合することを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項４】
前記本体部の先端外縁から前記回転ツールの軸心方向に突出する前記ピン部の長さをＡとし、
前記本体部の先端外縁の外径をＢとし、
前記ピン部の外径をＣとし、
前記先端面の凹部の傾斜角をαとし、
前記第１金属板の厚みをＴとした場合に、
０．２≦Ａ≦Ｔ−（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２−０．２（単位はｍｍ）
となるようにそれぞれの寸法を決定したことを特徴とする請求項２に記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項５】
前記第１金属板がアルミニウム合金材料、前記第２金属板が鋼材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項１】
第１金属板と、該第１金属板より融点の高い第２金属板とを重ね、前記第１金属板側から点接合するための摩擦接合装置に用いられる回転ツールにおいて、
略円柱状の本体部と、
前記本体部の先端面中央に設けられ、前記本体部よりも小径の略円柱状のピン部と、
を備え、
前記本体部の先端面から前記回転ツールの回転軸心方向に突出する前記ピン部の長さを、前記第１金属板の板厚より短く設定し、
前記本体部の先端面に、接合時に前記第１金属板の材料を充填するための環状の凹部を形成したことを特徴とする摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項２】
前記凹部はすり鉢状に形成されており、その傾斜角は、前記第１金属板の厚みに応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項３】
前記摩擦接合装置は、前記回転ツールの回転による摩擦熱で前記第１金属板を軟化し、塑性流動させて、前記第１金属板と前記第２金属板との合わせ面を固相接合することを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項４】
前記本体部の先端外縁から前記回転ツールの軸心方向に突出する前記ピン部の長さをＡとし、
前記本体部の先端外縁の外径をＢとし、
前記ピン部の外径をＣとし、
前記先端面の凹部の傾斜角をαとし、
前記第１金属板の厚みをＴとした場合に、
０．２≦Ａ≦Ｔ−（（Ｂ−Ｃ）×ｔａｎα）／２−０．２（単位はｍｍ）
となるようにそれぞれの寸法を決定したことを特徴とする請求項２に記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【請求項５】
前記第１金属板がアルミニウム合金材料、前記第２金属板が鋼材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の摩擦接合装置の回転ツール。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１０２８０５（Ｐ２００６−１０２８０５Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９６６３６（Ｐ２００４−２９６６３６）
【出願日】平成１６年１０月８日（２００４．１０．８）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月８日（２００４．１０．８）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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