摩擦点接合方法及びその装置
【課題】 回転ツール１６を第１金属部材Ｗ１に対し押圧する工程を、第１金属部材Ｗ１に対する加圧力の観点から複数の工程に分けて摩擦点接合を行う場合に、出来る限り早く接合を行えるようにするとともに、安定した高い接合強度が得られるようにする。
【解決手段】 押圧用モータにより回転ツール１６を初期位置に移動させる初期移動工程後における最初の第１押圧工程において、回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における回転ツール１６の移動抵抗値よりも大きい加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる。
【解決手段】 押圧用モータにより回転ツール１６を初期位置に移動させる初期移動工程後における最初の第１押圧工程において、回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における回転ツール１６の移動抵抗値よりも大きい加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転ツールを用いて、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを摩擦点接合する摩擦点接合方法及びその装置に関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車のボディ等においては、軽量化等を目的として、アルミニウム合金材料等が多く採用されるようになり、それに伴い、例えばアルミニウム合金材料からなる部材と鉄や鋼材料等からなる部材とを接合する機会が多くなってきている。このような異種金属材料からなる部材同士を溶接で接合することは困難であるため、通常は、リベット接合が行われるが、このリベット接合ではコストが高くなる。
【０００３】
そこで、異種金属材料からなる部材同士を低コストで接合可能な方法として、摩擦点接合方法が用いられている。この方法は、例えば特許文献１に示されているように、アルミニウム合金材料等からなる第１金属部材と、この第１金属部材よりも融点が高い鋼材料等からなる第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、両金属部材を融点以下の温度で固相接合（溶融を伴わない固相状態のままの接合）するものである。
【特許文献１】特開２００５−３４８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の摩擦点接合方法においては、両部材の接合境界面に存在するメッキ層（鋼材料では防錆対策として亜鉛メッキ層が形成されている）を接合部から排出したり、酸化皮膜を破壊したりして、両金属部材の新生面を露出させることが、高い接合強度を確保する点で有利であり、そのためには、回転ツールを押し込んだ第１金属部材を十分に軟化させ塑性流動させる必要がある。
【０００５】
この点に関して、本発明者らは、回転ツールを第１金属部材に対し押圧する工程を、第１金属部材に対する加圧力（押圧力）の観点から複数の工程に分けることが好ましいことを見出した。すなわち、回転ツールを、ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を、供給電流や電圧により変更可能な押圧用モータを設けておき、最初の第１押圧工程では、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、比較的低い加圧力で回転ツールを第１金属部材に対し押圧させる。これは、いきなり高い加圧力を第１金属部材に作用させると、未だ軟化していない第１金属部材が剪断破壊する可能性が高いからであり、この第１押圧工程では、低い加圧力で第１金属部材を十分に軟化させるようにする。そして、第１金属部材が十分に軟化した後に、次の第２押圧工程において、高い加圧力を第１金属部材に作用させて塑性流動を促進させるようにする。このようにすれば、第１金属部材が剪断破壊することなく、塑性流動が良好に行われて、高い接合強度が得られるようになる。
【０００６】
上記のように、第１押圧工程における加圧力は、第１金属部材を剪断破壊せずに十分に軟化させる程度の低い値に設定することが好ましいが、この加圧力が低すぎると不具合が生じる場合がある。すなわち、上記回転ツールを移動させる機構内で生じる摩擦抵抗値、つまり回転ツールの移動抵抗値は安定しておらず、特に可動部と固定部との間の隙間量やグリス等の影響によってばらつく。このため、第１押圧工程において、上記低い加圧力になるように押圧用モータの電流等を制御しても、上記移動抵抗値の大きさによって、その加圧力が第１金属部材に実際に作用するまでの時間がばらついてしまう。この結果、上記低い加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとすると、その加圧力で第１金属部材に対し実際に押圧する時間は、上記所定時間に対してかなりばらつき、所定時間に対しかなり短くなった場合には、第１金属部材が十分に軟化されずに、第２押圧工程で剪断破壊する可能性が高くなり、また、たとえ剪断破壊しなくても、接合強度がばらついてしまう。一方、上記所定時間を長くすれば、上記加圧力での実際の押圧時間が所定時間に対してかなりばらついたとしても、第１金属部材が十分に軟化されるので、剪断破壊や接合強度のばらつきをある程度抑えることは可能となるが、自動車の製造工場等においては、限られた時間内に接合完了させることが要求されており、上記所定時間を長くするようなことは到底困難である。
【０００７】
本発明は、斯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、上記のように回転ツールを第１金属部材に対し押圧する工程を、第１金属部材に対する加圧力の観点から複数の工程に分けて摩擦点接合を行う場合に、最初の第１押圧工程における加圧力を適切に設定することによって、出来る限り早く接合を行えるようにするとともに、安定した高い接合強度が得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、この発明では、第１押圧工程における第１金属部材に対する加圧力を、回転ツールの移動抵抗値よりも大きくするようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合方法を対象とする。
【００１０】
そして、予め、上記回転ツールの先端部を、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成しておくとともに、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータを設けておき、上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、上記初期移動工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、上記第１押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを含むものとする。
【００１１】
上記の構成により、初期移動工程において、回転ツールが第１金属部材の近接位置である初期位置に移動し、その後、第１押圧工程において、回転ツールが回転しながら、押圧用モータにより、回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転ツールのショルダ部及びピン部が第１金属部材に対し押圧され、これにより、第１金属部材が軟化する。その後、第２押圧工程において、回転ツールが回転しながら、押圧用モータにより、第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転ツールのショルダ部及びピン部が第１金属部材に押し込まれ、これにより、第１金属部材が塑性流動して、両金属部材が摩擦点接合される。ここで、上記第１押圧工程における第１加圧力が、回転ツールの移動抵抗値よりも大きいので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第１押圧工程開始直後に、第１加圧力で回転ツールのショルダ部及びピン部が第１金属部材に対し押圧されることとなる。これにより、第１加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとしても、第１加圧力が第１金属部材に実際に作用する時間は所定時間と略同じになり、安定する。この結果、上記所定時間を長くしなくても、第１金属部材が十分に軟化され、第２押圧工程において、第１金属部材の塑性流動が良好にかつ安定的に行われる。しかも、回転ツールの先端部が、ショルダ部とピン部と環状凹部とで構成されているので、第２押圧工程で塑性流動する第１金属部材が、回転ツールに対向する部分から外側へ流出することが抑制されるとともに、回転ツールによる加圧力が、回転ツールに対向する部分に集中する。したがって、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が得られるようになる。
【００１２】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、第１押圧工程は、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、押圧用モータにより、第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧接触させる工程であり、上記第１加圧力は、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定され、上記所定回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定され、上記所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定されているものとする。
【００１３】
すなわち、第１加圧力が大きくなりすぎると、第１金属部材が剪断破壊する可能性があるが、第１加圧力、回転ツールの回転数及び第１金属部材に対する押圧時間である所定時間を、この発明の範囲内にそれぞれ設定することで、第１金属部材を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができるようになり、これにより、安定した高い接合強度が確実に得られるようになる。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、第２押圧工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に対し押圧接触させる第３押圧工程を更に含むものとする。
【００１５】
こうすることで、回転ツールが第１金属部材に対し深く入り込み過ぎることが抑制されて、第１金属部材が過度に薄くなって引きちぎれるのを防止することができるとともに、回転ツールが第１金属部材に対し、該第１金属部材が薄くなりすぎない程度に押し込まれた位置で押圧し続けることで、良好な塑性流動が長時間に亘って得られるようになり、接合強度をより一層安定させることができる。
【００１６】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、第１金属部材は、アルミニウム合金材料からなり、第２金属部材は、鋼材料からなり、上記両金属部材の合わせ面部同士を、摩擦点接合によって固相接合するようにする。
【００１７】
このことで、接合強度が高くて自動車等に用いることが可能な接合金属部材が低コストで容易に得られる。
【００１８】
請求項５の発明は、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合装置の発明である。
【００１９】
そして、この発明では、上記回転ツールの先端部は、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成されており、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させる回転駆動手段と、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータと、上記回転駆動手段及び押圧用モータを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、上記初期移動工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、上記第１押圧工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを実行するように構成されているものとする。
【００２０】
この発明により、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明の摩擦点接合方法及び装置によると、押圧用モータにより、回転ツールを初期位置に移動させる初期移動工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、この第１押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを行うようにしたことにより、第１加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとしても、第１加圧力が第１金属部材に実際に作用する時間は所定時間と略同じになり、所定時間を長くしなくても、第１金属部材が十分に軟化され、第２押圧工程において、第１金属部材の塑性流動が良好にかつ安定的に行われ、この結果、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦点接合装置１の概略構成を示す。この摩擦点接合装置１は、後述の如く、第１金属部材Ｗ１（図７参照）と、該第１金属部材Ｗ１よりも融点が高い第２金属部材Ｗ２（図７参照）とを摩擦点接合するものであって、主たる構成要素として、接合ガン１０と、該接合ガン１０を手首に備えるロボット４０とを含んでいる。このロボット４０としては、汎用される６軸垂直多関節型ロボットが好適に用いられる。
【００２４】
本実施形態では、上記第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２は、自動車のボディを構成する部材であり、第１金属部材Ｗ１はアルミニウム合金材料（アルミニウム合金板）からなり、第２金属部材Ｗ２は鋼材料（鋼板）からなるが、これに限るものではない。尚、第２金属部材Ｗ１の表面には、防錆対策として亜鉛メッキ層Ｚ（図８参照）が施されている。
【００２５】
図２及び図３に拡大して示すように、上記接合ガン１０は、上記ロボット４０への取付ボックス１１と、この取付ボックス１１の下面から下方に延びるＬ字状のアーム１２と、このアーム１２の上方で上記取付ボックス１１の側面に取り付けられた本体ケース１３と、押圧用モータ１４と、回転用モータ１５とを有している。上記本体ケース１３の下端部には、一対の接合用工具の一方である回転ツール１６が設けられている一方、上記アーム１２の先端部には、上記回転ツール１６と該回転ツール１６の軸心Ｘ方向（上下方向）に対向して、接合用工具の他方である受け具１７が設けられている。この受け具１７は、上記第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを重ね合わせたワークの第２金属部材Ｗ２に当接して該ワークを受け、このワークに対し、後述の如く、軸心Ｘ回りに回転する回転ツール１６の軸心Ｘ方向一端部である先端部（下端部）が、第１金属部材Ｗ１の側から押し込まれるようになっている。
【００２６】
上記本体ケース１３の内部には、図４に示すように、互いに平行に上下方向に延びるネジ軸（昇降軸）２４及びスプライン軸（回転軸）２５がそれぞれの軸心回りに回転自在に設けられている。これら両軸２４，２５の上端部は、上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内に至り、ここで両軸２４，２５に従動プーリ２６，２７がそれぞれ組み付けられている。上記上蓋部材２１及び上部カバー２２は、図３及び図５に示すように、本体ケース１３の上部から該本体ケース１３の側方に張り出しており、上蓋部材２１の該張出し部の下面に押圧用モータ１４及び回転用モータ１５が固定されている。これら両モータ１４，１５の出力軸１４ａ，１５ａの先端部（上端部）は、上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内に至り、ここで両出力軸１４ａ，１５ａに駆動プーリ１４ｂ，１５ｂがそれぞれ組み付けられている。そして、上記各駆動プーリ１４ｂ，１５ｂと従動プーリ２６，２７との間には、駆動伝達用のベルト２８，２９がそれぞれ巻き掛けられており、押圧用モータ１４の回転により、ネジ軸２４が図５のＡ方向又はＢ方向に回転駆動され、回転用モータ１５の回転により、スプライン軸２５が図５のＣ方向に回転駆動されるようになっている。
【００２７】
図４に戻り、上記ネジ軸２４のネジ部２４ａには、昇降ブロック３１が螺合されており、スプライン軸２５のスプライン部２５ａには、回転筒体３５がスプライン結合されている。この回転筒体３５は、上記昇降ブロック３１に結合部材３２を介して一体結合された昇降筒体３３の内部に回転自在に設けられている。上記ネジ軸２４、昇降筒体３３及び回転筒体３５は、互いに同心状に配置されている。尚、以下、上記昇降ブロック３１、結合部材３２及び昇降筒体３３の一体物を昇降体３０という。
【００２８】
上記本体ケース１３の下面には、円筒状の下方突出部１３ａが形成されており、この下方突出部１３ａの下端部には下部カバー２３が設けられている。上記昇降筒体３３及び回転筒体３５の下端部は、この下部カバー２３を貫通して下方に突出している。そして、内側にある回転筒体３５の方が、外側にある昇降筒体３３よりも長く下方に突出して、その回転筒体３５の下端部に取付部材３６が固着されている。この取付部材３６に対し上記回転ツール１６の先端部と反対側の端部である基端部が着脱自在（交換自在）に取り付けられている。この取り付けられた回転ツール１６の軸心Ｘは、上記スプライン軸２５の軸心の延長線上にある。尚、下部カバー２３と昇降筒体３３の下端部との間には、昇降筒体３３の外表面を本体ケース１３の外部の汚染等から保護する伸縮自在の蛇腹部材３４が配設されている。
【００２９】
上記の構成により、押圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のＡ方向に回転駆動されたときには、昇降体３０がネジ部２４ａとの螺合によって下降し、昇降体３０における昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び該回転筒体３５の下端部に取付部材３６を介して取り付けられた回転ツール１６が一緒に下降する。逆に、押圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のＢ方向に回転駆動されたときには、昇降体３０がネジ部２４ａとの螺合によって上昇し、回転筒体３５及び回転ツール１６が一緒に上昇する。このことで、押圧用モータ１４は、回転ツール１６を、後述の如く回転ツール１６と受け具１７との間に位置するワークに対して、該回転ツール１６の軸心Ｘ方向に進退移動させるように構成されていることになる。また、押圧用モータ１４は、回転ツール１６を上記ワークの第１金属部材Ｗ１に対し押圧させるように構成されているとともに、該押圧時の加圧力を、押圧用モータ１４へ供給する電流により変更することができるようになっている。
【００３０】
また、回転用モータ１５の回転によりスプライン軸２５が図５のＣ方向に回転駆動されたときには、上記のような昇降体３０の動きとは無関係に、回転筒体３５がスプライン部２５ａとのスプライン結合によってスプライン軸２５と同じＣ方向に回転し、回転筒体３５に取り付けられた回転ツール１６も、該回転ツール１６の軸心Ｘ回りにスプライン軸２５と同じＣ方向に回転する。このことで、回転用モータ１５は、回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに回転させる回転駆動手段を構成する。また、回転用モータ１５は、回転ツール１６の軸心Ｘ回りの回転数を、回転用モータ１５へ供給する電流により変更することができるようになっている。
【００３１】
尚、上記押圧用モータ１４としては、回転角の制御及び検知が容易なサーボモータが好ましく、回転用モータ１５としては、同じく回転角の制御及び検知が容易なサーボモータ、又は回転速度の制御が容易なインダクションモータが好ましい。
【００３２】
図６に回転ツール１６の先端部を拡大して示す。この回転ツール１６の先端部は、円柱状の胴体部１６ａの下端面（その輪郭は円形である）とされた、上記ワーク（第１金属部材Ｗ１）と対向するショルダ部１６ｂと、該回転ツール１６の軸心Ｘ上に位置しかつ該ショルダ部１６ｂからショルダ部１６ｂよりも小径で上記ワークの側（下側）に所定長さｈだけ突出するピン部１６ｃと、該ピン部１６ｃ周囲における上記ショルダ部１６ｂに設けられた環状凹部１６ｄとで構成されている。本実施形態では、この環状凹部１６ｄの底面が、径方向外側に向かって凹み量が小さくなるように傾斜しており、環状凹部１６ｄは、回転ツール１６の軸心Ｘを中心とする円錐形状に凹んでいる。この回転ツール１６の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部１６ｂの直径が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径が２ｍｍ、ピン部１６ｃの突出長さｈが０．３ｍｍ〜０．３５ｍｍ、環状凹部１６ｄの底面のショルダ部１６ｂに対する傾斜角θが５°〜７°とされる。
【００３３】
図１に示すように、ロボット４０は、ハーネス５１を介して制御盤５０と接続されている。また、接合ガン１０は、ハーネス５２，５４，５５及び中継器５３を介して制御盤５０と接続されている。そして、この制御盤５０内に内蔵された制御ユニット５０ａによって、上記押圧用モータ１４及び回転用モータ１５の回転駆動（モータへ供給する電流値）が制御されるようになっている。このことで、制御ユニット５０ａは、押圧用モータ１４及び回転用モータ１５を制御する制御手段を構成する。
【００３４】
上記摩擦点接合装置１により、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを摩擦点接合するには、先ず、図７に例示するように、第１金属部材Ｗ１を上板とし、第２金属部材Ｗ２を下板として重ね合わせたワークを、図示しない把持手段によって把持して固定する。続いて、ロボット４０の作動により、接合ガン１０を、上記ワークにおいて接合しようとする複数の接合部Ｐの１つに近接させ、回転ツール１６が１つの接合部Ｐの上方に位置し、受け具１７がその接合部Ｐの下方に位置するようにする。次いで、接合ガン１０全体を上方に移動させて、受け具１７を第２金属部材Ｗ２の下面に当接させる。
【００３５】
そして、上記受け具１７が第２金属部材Ｗ２の下面に当接した状態で、押圧用モータ１４により、ネジ軸２４を図５のＡ方向に回転駆動させることで、回転ツール１６を、ワークに向かって上方から該回転ツール１６の軸心Ｘ方向（下側）に移動させて、第１金属部材Ｗ１の近接位置である初期位置に移動させる（初期移動工程）。この初期位置は、回転ツール１６のピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１の上面に対し僅かに離れるような位置である。この初期移動工程では、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに回転させるようにしてもよく、回転させないようにしてもよいが、本実施形態では、次の第１押圧工程へ直ぐに移行できるように、第１押圧工程と同じ回転数（第１回転数）で回転させるようにしておく。
【００３６】
続いて、図８に示すように、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに第１回転数で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記初期移動工程における回転ツール１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第１所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる（第１押圧工程）。
【００３７】
尚、回転ツール１６の第１金属部材Ｗ１に対する加圧力は、押圧用モータ１４へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット５０ａは、押圧用モータ１４へ供給する電流を、上記第１押圧工程では、上記第１所定時間の間、上記第１加圧力に対応する電流値になるように制御する。また、回転ツール１６の回転数は、回転用モータ１５へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット５０ａは、回転用モータ１５へ供給する電流を、上記第１押圧工程（及び初期移動工程）では、上記第１回転数に対応する電流値になるように制御する。
【００３８】
上記移動抵抗値は、上記ネジ軸２４や昇降体３０等によって構成された、昇降筒体３３（回転ツール１６）を移動させる機構内で生じる摩擦抵抗により決まるものであるが、この摩擦抵抗値は安定しておらず、特に可動部と固定部との間の隙間量やグリス等の影響によってばらつく。このため、上記第１加圧力が移動抵抗値以下であると、移動抵抗値の大きさによって、第１金属部材Ｗ１に第１加圧力が実際に作用するまでの時間がばらつき、第１金属部材Ｗ１に対し第１加圧力で実際に押圧する時間は、上記第１所定時間に対してかなりばらつくことになる。しかし、本実施形態では、第１加圧力を上記移動抵抗値よりも大きく設定しているので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第１押圧工程開始直後に、第１加圧力で回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に対し押圧されることとなり、第１加圧力が第１金属部材Ｗ１に実際に作用する時間は上記第１所定時間と略同じになり、安定する。
【００３９】
上記第１加圧力は、上記移動抵抗値のばらつき範囲の最大値よりも大きくて、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第１回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定することが好ましい。さらに、上記第１所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定することが好ましい。これら第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間は、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部（深さが深い軸心Ｘ側の部分）が第１金属部材Ｗ１に接触しないで、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定する。
【００４０】
上記第１押圧工程においては、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが回転ツール１６の軸心Ｘ回りに回転しながら第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触されることで、その２箇所の接触部位で摩擦熱が生じ、この摩擦熱は、ワークにおける該２箇所の接触部位の間の部分（環状凹部１６ｄの底面が接触していない部分）、延いては接合部Ｐ全体に速やかに拡散され、第１金属部材Ｗ１におけるショルダ部１６ｂに対向する部分（接合部Ｐ）全体が良好に軟化する。また、第２金属部材Ｗ１の表面に施されている亜鉛メッキ層Ｚも、接合部Ｐにおいて軟化する。このように、上記第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間を、上記好ましい範囲に設定することで、第１金属部材Ｗ１を剪断破壊させることなく良好に軟化させることができるようになる。
【００４１】
次いで、図９に示すように、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに第２回転数で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第２所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に押し込む（第２押圧工程）。この第２押圧工程では、加圧力が大きくなることで、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に対し徐々に深く入り込み、環状凹部１６ｄの底面全体、つまりピン部１６ｃ及び環状凹部１６ｄを含むショルダ部１６ｂ全体が第１金属部材Ｗ１に接触する。これに伴い、第１金属部材Ｗ１の軟化に加えて塑性流動（符号Ｑ参照）が行われる。この塑性流動は、ショルダ部１６ｂに環状凹部１６ｄが設けられている（特に環状凹部１６ｄが円錐形状をなしている）ことから、塑性流動する第１金属部材Ｗ１が、上下方向に流動して、回転ツール１６の直下部分（接合部Ｐ）から外側へ流出することが抑制される。また、環状凹部１６ｄにより、第２加圧力が接合部Ｐに集中して、第１金属部材Ｗ１の塑性流動が促進される。さらに、上記両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面において、上記軟化した亜鉛メッキ層Ｚが接合部Ｐから押し出されることで、第２金属部材Ｗ２の新生面が露出するとともに、図示しないが、空気中の酸素により第１金属部材Ｗ１の表面に形成されている酸化被膜が接合部Ｐにおいて破壊されることで、第１金属部材Ｗ１の新生面が露出する。
【００４２】
上記第２加圧力は、３．９２ｋＮ以上５．８８ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第２回転数は、２０００ｒｐｍ以上３０００回転未満に設定することが好ましい。さらに、上記第２所定時間は、１．０秒以上２．０秒以下に設定することが好ましい。これら第２加圧力、第２回転数及び第２所定時間は、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し所定の挿入位置よりも深く押し込まれないようにそれぞれ設定する。この所定の挿入位置は、該挿入位置よりも回転ツール１６が深く入り込むと第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎれるような位置である。
【００４３】
上記第２押圧工程の終了により、接合部Ｐでの接合を終了するようにしてもよいが、本実施形態では、上記第２押圧工程後に、図１０に示すように、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに第３回転数で回転させながら、押圧用モータ１４により、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第３所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる（第３押圧工程）。この第３押圧工程では、加圧力を第２押圧工程よりも小さくすることで、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し上記所定の挿入位置よりも深く押し込まれず、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けることとなる。これにより、第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎれるようなことがなくなるとともに、第２押圧工程時と同じ程度の温度が維持されて、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。この第３押圧工程の終了により、１つの接合部Ｐでの接合が終了することになる。
【００４４】
上記第３加圧力は、上記第１加圧力よりも小さくて、０．４９ｋＮ以上１．４７ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第３回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００回転以下に設定することが好ましい。さらに、上記第３所定時間は、０．５秒以上２．５秒以下に設定することが好ましい。これら第３加圧力、第３回転数及び第３所定時間は、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けかつ第１金属部材Ｗ１の塑性流動が生じるようにそれぞれ設定する。
【００４５】
上記第３押圧工程においては、回転ツール１６で押し出された金属材料がバリＲとなって第１金属部材Ｗ１の表面に隆起するとともに、亜鉛メッキ層Ｚが更に接合部Ｐから押し出され、また酸化皮膜が更に破壊されて、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の新生面の露出範囲が拡大する（図１０中、×印で表示した範囲）。この結果、両金属部材の合わせ面部同士が、摩擦点接合によって固相接合され、その接合強度は安定的に高くなる。
【００４６】
尚、亜鉛メッキ層Ｚにおける接合部Ｐの近傍部分には、第１金属部材Ｗ１の金属と、亜鉛メッキ層Ｚの金属との金属混合物層Ｙが生成される。
【００４７】
上記１つの接合部Ｐでの接合が終了すると、押圧用モータ１４により、ネジ軸２４を図５のＢ方向に回転駆動させることで、回転ツール１６を上昇させるとともに、接合ガン１０全体を下方に移動させかつ次の接合部Ｐの位置へと水平移動させ、しかる後、上記と同様の動作を繰り返して次の接合部Ｐでの接合を行い、こうして、複数の接合部Ｐにおいて摩擦点接合（固相接合）を行う。
【００４８】
上記摩擦点接合が完了した後の接合部Ｐにおいては、図１１に示すように、ワーク（第１金属部材Ｗ１）の表面に、ショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃの痕が残り、ショルダ部１６ｂの周囲には、バリＲが生じている。
【００４９】
ここで、上記第１押圧工程において、第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間を種々変更して、第１金属部材Ｗ１を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができるか否かを調べる軟化試験を行った。
【００５０】
第１金属部材Ｗ１を、板厚１．４ｍｍの６０００系アルミニウム合金板（Ｃｕを含有していないもの）とし、第２金属部材Ｗ２を、板厚１．０ｍｍの鋼板（亜鉛メッキしたもの）とした場合の上記軟化試験の結果を図１２（ａ）〜（ｃ）に示す。また、第１金属部材Ｗ１を、Ｃｕを１％弱含有した６０００系アルミニウム合金板に変更した場合の上記軟化試験の結果を図１３（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００５１】
同図中、○印は、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊せずに良好に軟化した場合を示し、×印は、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊して内部に欠陥が生じたり回転ツール１６に凝着したりした場合か、又は、摩擦熱が不足して軟化が不十分である場合を示す。そして、各加圧力毎の第１所定時間と第１回転数との関係のグラフおいて、○印が存在する範囲を「適正領域」とし、剪断破壊による×印が存在する範囲を「剪断破壊領域」とし、軟化不十分による×印が存在する範囲を「余熱不足領域」としている。尚、上記軟化試験において、図８に示すように、回転ツール１６の環状凹部１６ｄの一部が第１金属部材Ｗ１に接触していない状態、つまりショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に接触している状態にあれば、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊せずに良好に軟化しているといえ、この後の第２押圧工程でも第１金属部材Ｗ１が剪断破壊することはない。また、ピン部１６ｃ及び環状凹部１６ｄを含むショルダ部１６ｂ全体が第１金属部材Ｗ１に接触した場合には、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊する。さらに、ピン部１６ｃしか第１金属部材Ｗ１に接触していない状態にあれば、軟化が不十分であるといえ、この後の第２押圧工程で第１金属部材Ｗ１が剪断破壊することになる。
【００５２】
上記軟化試験の結果、第１加圧力は、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定するのがよく、第１回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定するのがよく、第１所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定するのがよいことが判る。但し、第１金属部材Ｗ１の材料に応じて、第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間の組み合わせとしては、上記「適正領域」内に入るようにする必要がある。
【００５３】
次に、上記実施形態で説明した接合方法で第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを摩擦点接合した場合の接合強度を調べた。
【００５４】
すなわち、先ず、板厚１．４ｍｍの６０００系アルミニウム合金板（Ｃｕを含有していないもの）からなる第１金属部材Ｗ１と、板厚１．０ｍｍの鋼板（亜鉛メッキしたもの）からなる第２金属部材Ｗ２とを、図１４に示すように、十字形状に重ね合わせてクランプした状態で、十字中央の接合部Ｐの位置で摩擦点接合を行った。このときの接合条件として、表１に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の６通りとした。
【００５５】
【表１】
【００５６】
次いで、上記各接合条件で摩擦点接合したものに対して剥離強度を測定するための引張試験を行った。具体的には、第１金属部材Ｗ１を上方向矢印Ｍ１の向きに引っ張り、第２金属部材Ｗ２を下方向矢印Ｍ２の向きに引っ張って、両金属部材Ｗ１，Ｗ２が剥離したときの引張力（剥離強度）を調べた。この剥離強度の測定結果を表１に併せて示す。
【００５７】
上記測定結果より、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３のものと、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６のものとでは、剥離強度に差が生じているが、これは、主として第２加圧力の相違によるものであり、第２加圧力が大きい方（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）が、塑性流動を十分に促進されて剥離強度、つまり接合強度が高くなったと考えられる。また、第２及び第３押圧工程での接合条件が同じであれば、第１押圧工程の接合条件を上記「適正領域」内で変更しても、接合強度は安定している。これは、第１押圧工程で第１金属部材Ｗ１が良好に軟化したからであると考えられる。
【００５８】
したがって、本実施形態では、押圧用モータ１４により回転ツール１６を初期位置に移動させる初期移動工程後に、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータ１４により、上記初期移動工程における回転ツール１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させるようにしたので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第１押圧工程開始直後に、第１加圧力で回転ツール１６のショルダ部１６ｂ（周縁部）及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に対し押圧されることとなる。これにより、第１加圧力が第１金属部材Ｗ１に実際に作用する時間は第１所定時間と略同じになり、安定する。この結果、第１所定時間を長くしなくても、第１金属部材Ｗ１が十分に軟化され、第２押圧工程において、第１金属部材Ｗ１の塑性流動が良好にかつ安定的に行われる。一方、上記第１加圧力が大きくなりすぎると、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊する可能性があるが、本実施形態では、第１加圧力を、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定するとともに、第１金属部材Ｗ１の材料に応じて、第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間を、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部が第１金属部材Ｗ１に接触しないで、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定することで、第１金属部材Ｗ１を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができる。しかも、回転ツール１６の先端部における環状凹部１６ｄにより、第２押圧工程で塑性流動する第１金属部材Ｗ１が、回転ツール１６の直下部分から外側へ流出することが抑制されるとともに、第２加圧力が、回転ツール１６の直下部分に集中する。この結果、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が確実に得られるようになる。
【００５９】
また、本実施形態では、第２押圧工程後に、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心回りに回転させながら、押圧用モータ１４により、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させるようにしたので、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し所定の挿入位置よりも深く入り込まないようにして、第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎれるのを防止することができるとともに、良好な塑性流動が長時間に亘って得られるようになり、接合強度をより一層安定させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、回転ツールを用いて、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを摩擦点接合する摩擦点接合方法及びその装置に有用であり、特に、回転ツールを第１金属部材に対し押圧する工程を、第１金属部材に対する加圧力の観点から複数の工程に分ける場合に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦点接合装置の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１の摩擦点接合装置の接合ガンを拡大して示す側面図である。
【図３】図１の摩擦点接合装置の接合ガンを拡大して示す正面図である。
【図４】接合ガンの本体ケースの内部構成を示す断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】回転ツールの先端部を示す部分断面図である。
【図７】第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転ツールにより摩擦点接合する様子を示す概略斜視図である。
【図８】第１押圧工程で回転ツールが第１金属部材に対し押圧している状態を示す断面図である。
【図９】第２押圧工程で回転ツールが第１金属部材に対し押圧している状態を示す断面図である。
【図１０】第３押圧工程で回転ツールが第１金属部材に対し押圧している状態を示す断面図である。
【図１１】摩擦点接合が完了した後の接合部の状態を示す断面図である。
【図１２】第１金属部材がＣｕを含有していない６０００系アルミニウム合金板である場合の軟化試験の結果を示す図である。
【図１３】第１金属部材がＣｕを含有した６０００系アルミニウム合金板である場合の軟化試験の結果を示す図である。
【図１４】第１金属部材と第２金属部材とを十字形状に重ね合わせて摩擦点接合を行ったものに対して剥離強度を測定するための引張試験を行っている状態を示す斜視図ある。
【符号の説明】
【００６２】
１ 摩擦点接合装置
１０ 接合ガン
１４ 押圧用モータ
１５ 回転用モータ（回転駆動手段）
１６ 回転ツール
１６ｂ ショルダ部
１６ｃ ピン部
１６ｄ 環状凹部
５０ａ 制御ユニット（制御手段）
Ｗ１ 第１金属部材
Ｗ２ 第２金属部材
Ｘ 回転ツールの軸心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転ツールを用いて、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを摩擦点接合する摩擦点接合方法及びその装置に関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車のボディ等においては、軽量化等を目的として、アルミニウム合金材料等が多く採用されるようになり、それに伴い、例えばアルミニウム合金材料からなる部材と鉄や鋼材料等からなる部材とを接合する機会が多くなってきている。このような異種金属材料からなる部材同士を溶接で接合することは困難であるため、通常は、リベット接合が行われるが、このリベット接合ではコストが高くなる。
【０００３】
そこで、異種金属材料からなる部材同士を低コストで接合可能な方法として、摩擦点接合方法が用いられている。この方法は、例えば特許文献１に示されているように、アルミニウム合金材料等からなる第１金属部材と、この第１金属部材よりも融点が高い鋼材料等からなる第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、両金属部材を融点以下の温度で固相接合（溶融を伴わない固相状態のままの接合）するものである。
【特許文献１】特開２００５−３４８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記の摩擦点接合方法においては、両部材の接合境界面に存在するメッキ層（鋼材料では防錆対策として亜鉛メッキ層が形成されている）を接合部から排出したり、酸化皮膜を破壊したりして、両金属部材の新生面を露出させることが、高い接合強度を確保する点で有利であり、そのためには、回転ツールを押し込んだ第１金属部材を十分に軟化させ塑性流動させる必要がある。
【０００５】
この点に関して、本発明者らは、回転ツールを第１金属部材に対し押圧する工程を、第１金属部材に対する加圧力（押圧力）の観点から複数の工程に分けることが好ましいことを見出した。すなわち、回転ツールを、ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を、供給電流や電圧により変更可能な押圧用モータを設けておき、最初の第１押圧工程では、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、比較的低い加圧力で回転ツールを第１金属部材に対し押圧させる。これは、いきなり高い加圧力を第１金属部材に作用させると、未だ軟化していない第１金属部材が剪断破壊する可能性が高いからであり、この第１押圧工程では、低い加圧力で第１金属部材を十分に軟化させるようにする。そして、第１金属部材が十分に軟化した後に、次の第２押圧工程において、高い加圧力を第１金属部材に作用させて塑性流動を促進させるようにする。このようにすれば、第１金属部材が剪断破壊することなく、塑性流動が良好に行われて、高い接合強度が得られるようになる。
【０００６】
上記のように、第１押圧工程における加圧力は、第１金属部材を剪断破壊せずに十分に軟化させる程度の低い値に設定することが好ましいが、この加圧力が低すぎると不具合が生じる場合がある。すなわち、上記回転ツールを移動させる機構内で生じる摩擦抵抗値、つまり回転ツールの移動抵抗値は安定しておらず、特に可動部と固定部との間の隙間量やグリス等の影響によってばらつく。このため、第１押圧工程において、上記低い加圧力になるように押圧用モータの電流等を制御しても、上記移動抵抗値の大きさによって、その加圧力が第１金属部材に実際に作用するまでの時間がばらついてしまう。この結果、上記低い加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとすると、その加圧力で第１金属部材に対し実際に押圧する時間は、上記所定時間に対してかなりばらつき、所定時間に対しかなり短くなった場合には、第１金属部材が十分に軟化されずに、第２押圧工程で剪断破壊する可能性が高くなり、また、たとえ剪断破壊しなくても、接合強度がばらついてしまう。一方、上記所定時間を長くすれば、上記加圧力での実際の押圧時間が所定時間に対してかなりばらついたとしても、第１金属部材が十分に軟化されるので、剪断破壊や接合強度のばらつきをある程度抑えることは可能となるが、自動車の製造工場等においては、限られた時間内に接合完了させることが要求されており、上記所定時間を長くするようなことは到底困難である。
【０００７】
本発明は、斯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、上記のように回転ツールを第１金属部材に対し押圧する工程を、第１金属部材に対する加圧力の観点から複数の工程に分けて摩擦点接合を行う場合に、最初の第１押圧工程における加圧力を適切に設定することによって、出来る限り早く接合を行えるようにするとともに、安定した高い接合強度が得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、この発明では、第１押圧工程における第１金属部材に対する加圧力を、回転ツールの移動抵抗値よりも大きくするようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合方法を対象とする。
【００１０】
そして、予め、上記回転ツールの先端部を、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成しておくとともに、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータを設けておき、上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、上記初期移動工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、上記第１押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを含むものとする。
【００１１】
上記の構成により、初期移動工程において、回転ツールが第１金属部材の近接位置である初期位置に移動し、その後、第１押圧工程において、回転ツールが回転しながら、押圧用モータにより、回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転ツールのショルダ部及びピン部が第１金属部材に対し押圧され、これにより、第１金属部材が軟化する。その後、第２押圧工程において、回転ツールが回転しながら、押圧用モータにより、第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転ツールのショルダ部及びピン部が第１金属部材に押し込まれ、これにより、第１金属部材が塑性流動して、両金属部材が摩擦点接合される。ここで、上記第１押圧工程における第１加圧力が、回転ツールの移動抵抗値よりも大きいので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第１押圧工程開始直後に、第１加圧力で回転ツールのショルダ部及びピン部が第１金属部材に対し押圧されることとなる。これにより、第１加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとしても、第１加圧力が第１金属部材に実際に作用する時間は所定時間と略同じになり、安定する。この結果、上記所定時間を長くしなくても、第１金属部材が十分に軟化され、第２押圧工程において、第１金属部材の塑性流動が良好にかつ安定的に行われる。しかも、回転ツールの先端部が、ショルダ部とピン部と環状凹部とで構成されているので、第２押圧工程で塑性流動する第１金属部材が、回転ツールに対向する部分から外側へ流出することが抑制されるとともに、回転ツールによる加圧力が、回転ツールに対向する部分に集中する。したがって、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が得られるようになる。
【００１２】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、第１押圧工程は、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、押圧用モータにより、第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧接触させる工程であり、上記第１加圧力は、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定され、上記所定回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定され、上記所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定されているものとする。
【００１３】
すなわち、第１加圧力が大きくなりすぎると、第１金属部材が剪断破壊する可能性があるが、第１加圧力、回転ツールの回転数及び第１金属部材に対する押圧時間である所定時間を、この発明の範囲内にそれぞれ設定することで、第１金属部材を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができるようになり、これにより、安定した高い接合強度が確実に得られるようになる。
【００１４】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、第２押圧工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に対し押圧接触させる第３押圧工程を更に含むものとする。
【００１５】
こうすることで、回転ツールが第１金属部材に対し深く入り込み過ぎることが抑制されて、第１金属部材が過度に薄くなって引きちぎれるのを防止することができるとともに、回転ツールが第１金属部材に対し、該第１金属部材が薄くなりすぎない程度に押し込まれた位置で押圧し続けることで、良好な塑性流動が長時間に亘って得られるようになり、接合強度をより一層安定させることができる。
【００１６】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、第１金属部材は、アルミニウム合金材料からなり、第２金属部材は、鋼材料からなり、上記両金属部材の合わせ面部同士を、摩擦点接合によって固相接合するようにする。
【００１７】
このことで、接合強度が高くて自動車等に用いることが可能な接合金属部材が低コストで容易に得られる。
【００１８】
請求項５の発明は、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合装置の発明である。
【００１９】
そして、この発明では、上記回転ツールの先端部は、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成されており、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させる回転駆動手段と、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータと、上記回転駆動手段及び押圧用モータを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、上記初期移動工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、上記第１押圧工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを実行するように構成されているものとする。
【００２０】
この発明により、請求項１の発明と同様の作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明の摩擦点接合方法及び装置によると、押圧用モータにより、回転ツールを初期位置に移動させる初期移動工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、この第１押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを行うようにしたことにより、第１加圧力で回転ツールを、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧するように押圧用モータを制御していたとしても、第１加圧力が第１金属部材に実際に作用する時間は所定時間と略同じになり、所定時間を長くしなくても、第１金属部材が十分に軟化され、第２押圧工程において、第１金属部材の塑性流動が良好にかつ安定的に行われ、この結果、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る摩擦点接合装置１の概略構成を示す。この摩擦点接合装置１は、後述の如く、第１金属部材Ｗ１（図７参照）と、該第１金属部材Ｗ１よりも融点が高い第２金属部材Ｗ２（図７参照）とを摩擦点接合するものであって、主たる構成要素として、接合ガン１０と、該接合ガン１０を手首に備えるロボット４０とを含んでいる。このロボット４０としては、汎用される６軸垂直多関節型ロボットが好適に用いられる。
【００２４】
本実施形態では、上記第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２は、自動車のボディを構成する部材であり、第１金属部材Ｗ１はアルミニウム合金材料（アルミニウム合金板）からなり、第２金属部材Ｗ２は鋼材料（鋼板）からなるが、これに限るものではない。尚、第２金属部材Ｗ１の表面には、防錆対策として亜鉛メッキ層Ｚ（図８参照）が施されている。
【００２５】
図２及び図３に拡大して示すように、上記接合ガン１０は、上記ロボット４０への取付ボックス１１と、この取付ボックス１１の下面から下方に延びるＬ字状のアーム１２と、このアーム１２の上方で上記取付ボックス１１の側面に取り付けられた本体ケース１３と、押圧用モータ１４と、回転用モータ１５とを有している。上記本体ケース１３の下端部には、一対の接合用工具の一方である回転ツール１６が設けられている一方、上記アーム１２の先端部には、上記回転ツール１６と該回転ツール１６の軸心Ｘ方向（上下方向）に対向して、接合用工具の他方である受け具１７が設けられている。この受け具１７は、上記第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを重ね合わせたワークの第２金属部材Ｗ２に当接して該ワークを受け、このワークに対し、後述の如く、軸心Ｘ回りに回転する回転ツール１６の軸心Ｘ方向一端部である先端部（下端部）が、第１金属部材Ｗ１の側から押し込まれるようになっている。
【００２６】
上記本体ケース１３の内部には、図４に示すように、互いに平行に上下方向に延びるネジ軸（昇降軸）２４及びスプライン軸（回転軸）２５がそれぞれの軸心回りに回転自在に設けられている。これら両軸２４，２５の上端部は、上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内に至り、ここで両軸２４，２５に従動プーリ２６，２７がそれぞれ組み付けられている。上記上蓋部材２１及び上部カバー２２は、図３及び図５に示すように、本体ケース１３の上部から該本体ケース１３の側方に張り出しており、上蓋部材２１の該張出し部の下面に押圧用モータ１４及び回転用モータ１５が固定されている。これら両モータ１４，１５の出力軸１４ａ，１５ａの先端部（上端部）は、上蓋部材２１を貫通して上部カバー２２内に至り、ここで両出力軸１４ａ，１５ａに駆動プーリ１４ｂ，１５ｂがそれぞれ組み付けられている。そして、上記各駆動プーリ１４ｂ，１５ｂと従動プーリ２６，２７との間には、駆動伝達用のベルト２８，２９がそれぞれ巻き掛けられており、押圧用モータ１４の回転により、ネジ軸２４が図５のＡ方向又はＢ方向に回転駆動され、回転用モータ１５の回転により、スプライン軸２５が図５のＣ方向に回転駆動されるようになっている。
【００２７】
図４に戻り、上記ネジ軸２４のネジ部２４ａには、昇降ブロック３１が螺合されており、スプライン軸２５のスプライン部２５ａには、回転筒体３５がスプライン結合されている。この回転筒体３５は、上記昇降ブロック３１に結合部材３２を介して一体結合された昇降筒体３３の内部に回転自在に設けられている。上記ネジ軸２４、昇降筒体３３及び回転筒体３５は、互いに同心状に配置されている。尚、以下、上記昇降ブロック３１、結合部材３２及び昇降筒体３３の一体物を昇降体３０という。
【００２８】
上記本体ケース１３の下面には、円筒状の下方突出部１３ａが形成されており、この下方突出部１３ａの下端部には下部カバー２３が設けられている。上記昇降筒体３３及び回転筒体３５の下端部は、この下部カバー２３を貫通して下方に突出している。そして、内側にある回転筒体３５の方が、外側にある昇降筒体３３よりも長く下方に突出して、その回転筒体３５の下端部に取付部材３６が固着されている。この取付部材３６に対し上記回転ツール１６の先端部と反対側の端部である基端部が着脱自在（交換自在）に取り付けられている。この取り付けられた回転ツール１６の軸心Ｘは、上記スプライン軸２５の軸心の延長線上にある。尚、下部カバー２３と昇降筒体３３の下端部との間には、昇降筒体３３の外表面を本体ケース１３の外部の汚染等から保護する伸縮自在の蛇腹部材３４が配設されている。
【００２９】
上記の構成により、押圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のＡ方向に回転駆動されたときには、昇降体３０がネジ部２４ａとの螺合によって下降し、昇降体３０における昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び該回転筒体３５の下端部に取付部材３６を介して取り付けられた回転ツール１６が一緒に下降する。逆に、押圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のＢ方向に回転駆動されたときには、昇降体３０がネジ部２４ａとの螺合によって上昇し、回転筒体３５及び回転ツール１６が一緒に上昇する。このことで、押圧用モータ１４は、回転ツール１６を、後述の如く回転ツール１６と受け具１７との間に位置するワークに対して、該回転ツール１６の軸心Ｘ方向に進退移動させるように構成されていることになる。また、押圧用モータ１４は、回転ツール１６を上記ワークの第１金属部材Ｗ１に対し押圧させるように構成されているとともに、該押圧時の加圧力を、押圧用モータ１４へ供給する電流により変更することができるようになっている。
【００３０】
また、回転用モータ１５の回転によりスプライン軸２５が図５のＣ方向に回転駆動されたときには、上記のような昇降体３０の動きとは無関係に、回転筒体３５がスプライン部２５ａとのスプライン結合によってスプライン軸２５と同じＣ方向に回転し、回転筒体３５に取り付けられた回転ツール１６も、該回転ツール１６の軸心Ｘ回りにスプライン軸２５と同じＣ方向に回転する。このことで、回転用モータ１５は、回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに回転させる回転駆動手段を構成する。また、回転用モータ１５は、回転ツール１６の軸心Ｘ回りの回転数を、回転用モータ１５へ供給する電流により変更することができるようになっている。
【００３１】
尚、上記押圧用モータ１４としては、回転角の制御及び検知が容易なサーボモータが好ましく、回転用モータ１５としては、同じく回転角の制御及び検知が容易なサーボモータ、又は回転速度の制御が容易なインダクションモータが好ましい。
【００３２】
図６に回転ツール１６の先端部を拡大して示す。この回転ツール１６の先端部は、円柱状の胴体部１６ａの下端面（その輪郭は円形である）とされた、上記ワーク（第１金属部材Ｗ１）と対向するショルダ部１６ｂと、該回転ツール１６の軸心Ｘ上に位置しかつ該ショルダ部１６ｂからショルダ部１６ｂよりも小径で上記ワークの側（下側）に所定長さｈだけ突出するピン部１６ｃと、該ピン部１６ｃ周囲における上記ショルダ部１６ｂに設けられた環状凹部１６ｄとで構成されている。本実施形態では、この環状凹部１６ｄの底面が、径方向外側に向かって凹み量が小さくなるように傾斜しており、環状凹部１６ｄは、回転ツール１６の軸心Ｘを中心とする円錐形状に凹んでいる。この回転ツール１６の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部１６ｂの直径が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径が２ｍｍ、ピン部１６ｃの突出長さｈが０．３ｍｍ〜０．３５ｍｍ、環状凹部１６ｄの底面のショルダ部１６ｂに対する傾斜角θが５°〜７°とされる。
【００３３】
図１に示すように、ロボット４０は、ハーネス５１を介して制御盤５０と接続されている。また、接合ガン１０は、ハーネス５２，５４，５５及び中継器５３を介して制御盤５０と接続されている。そして、この制御盤５０内に内蔵された制御ユニット５０ａによって、上記押圧用モータ１４及び回転用モータ１５の回転駆動（モータへ供給する電流値）が制御されるようになっている。このことで、制御ユニット５０ａは、押圧用モータ１４及び回転用モータ１５を制御する制御手段を構成する。
【００３４】
上記摩擦点接合装置１により、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを摩擦点接合するには、先ず、図７に例示するように、第１金属部材Ｗ１を上板とし、第２金属部材Ｗ２を下板として重ね合わせたワークを、図示しない把持手段によって把持して固定する。続いて、ロボット４０の作動により、接合ガン１０を、上記ワークにおいて接合しようとする複数の接合部Ｐの１つに近接させ、回転ツール１６が１つの接合部Ｐの上方に位置し、受け具１７がその接合部Ｐの下方に位置するようにする。次いで、接合ガン１０全体を上方に移動させて、受け具１７を第２金属部材Ｗ２の下面に当接させる。
【００３５】
そして、上記受け具１７が第２金属部材Ｗ２の下面に当接した状態で、押圧用モータ１４により、ネジ軸２４を図５のＡ方向に回転駆動させることで、回転ツール１６を、ワークに向かって上方から該回転ツール１６の軸心Ｘ方向（下側）に移動させて、第１金属部材Ｗ１の近接位置である初期位置に移動させる（初期移動工程）。この初期位置は、回転ツール１６のピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１の上面に対し僅かに離れるような位置である。この初期移動工程では、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに回転させるようにしてもよく、回転させないようにしてもよいが、本実施形態では、次の第１押圧工程へ直ぐに移行できるように、第１押圧工程と同じ回転数（第１回転数）で回転させるようにしておく。
【００３６】
続いて、図８に示すように、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに第１回転数で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記初期移動工程における回転ツール１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第１所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる（第１押圧工程）。
【００３７】
尚、回転ツール１６の第１金属部材Ｗ１に対する加圧力は、押圧用モータ１４へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット５０ａは、押圧用モータ１４へ供給する電流を、上記第１押圧工程では、上記第１所定時間の間、上記第１加圧力に対応する電流値になるように制御する。また、回転ツール１６の回転数は、回転用モータ１５へ供給する電流値によって決まるため、上記制御ユニット５０ａは、回転用モータ１５へ供給する電流を、上記第１押圧工程（及び初期移動工程）では、上記第１回転数に対応する電流値になるように制御する。
【００３８】
上記移動抵抗値は、上記ネジ軸２４や昇降体３０等によって構成された、昇降筒体３３（回転ツール１６）を移動させる機構内で生じる摩擦抵抗により決まるものであるが、この摩擦抵抗値は安定しておらず、特に可動部と固定部との間の隙間量やグリス等の影響によってばらつく。このため、上記第１加圧力が移動抵抗値以下であると、移動抵抗値の大きさによって、第１金属部材Ｗ１に第１加圧力が実際に作用するまでの時間がばらつき、第１金属部材Ｗ１に対し第１加圧力で実際に押圧する時間は、上記第１所定時間に対してかなりばらつくことになる。しかし、本実施形態では、第１加圧力を上記移動抵抗値よりも大きく設定しているので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第１押圧工程開始直後に、第１加圧力で回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に対し押圧されることとなり、第１加圧力が第１金属部材Ｗ１に実際に作用する時間は上記第１所定時間と略同じになり、安定する。
【００３９】
上記第１加圧力は、上記移動抵抗値のばらつき範囲の最大値よりも大きくて、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第１回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定することが好ましい。さらに、上記第１所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定することが好ましい。これら第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間は、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部（深さが深い軸心Ｘ側の部分）が第１金属部材Ｗ１に接触しないで、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定する。
【００４０】
上記第１押圧工程においては、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが回転ツール１６の軸心Ｘ回りに回転しながら第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触されることで、その２箇所の接触部位で摩擦熱が生じ、この摩擦熱は、ワークにおける該２箇所の接触部位の間の部分（環状凹部１６ｄの底面が接触していない部分）、延いては接合部Ｐ全体に速やかに拡散され、第１金属部材Ｗ１におけるショルダ部１６ｂに対向する部分（接合部Ｐ）全体が良好に軟化する。また、第２金属部材Ｗ１の表面に施されている亜鉛メッキ層Ｚも、接合部Ｐにおいて軟化する。このように、上記第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間を、上記好ましい範囲に設定することで、第１金属部材Ｗ１を剪断破壊させることなく良好に軟化させることができるようになる。
【００４１】
次いで、図９に示すように、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに第２回転数で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第２所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に押し込む（第２押圧工程）。この第２押圧工程では、加圧力が大きくなることで、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に対し徐々に深く入り込み、環状凹部１６ｄの底面全体、つまりピン部１６ｃ及び環状凹部１６ｄを含むショルダ部１６ｂ全体が第１金属部材Ｗ１に接触する。これに伴い、第１金属部材Ｗ１の軟化に加えて塑性流動（符号Ｑ参照）が行われる。この塑性流動は、ショルダ部１６ｂに環状凹部１６ｄが設けられている（特に環状凹部１６ｄが円錐形状をなしている）ことから、塑性流動する第１金属部材Ｗ１が、上下方向に流動して、回転ツール１６の直下部分（接合部Ｐ）から外側へ流出することが抑制される。また、環状凹部１６ｄにより、第２加圧力が接合部Ｐに集中して、第１金属部材Ｗ１の塑性流動が促進される。さらに、上記両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面において、上記軟化した亜鉛メッキ層Ｚが接合部Ｐから押し出されることで、第２金属部材Ｗ２の新生面が露出するとともに、図示しないが、空気中の酸素により第１金属部材Ｗ１の表面に形成されている酸化被膜が接合部Ｐにおいて破壊されることで、第１金属部材Ｗ１の新生面が露出する。
【００４２】
上記第２加圧力は、３．９２ｋＮ以上５．８８ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第２回転数は、２０００ｒｐｍ以上３０００回転未満に設定することが好ましい。さらに、上記第２所定時間は、１．０秒以上２．０秒以下に設定することが好ましい。これら第２加圧力、第２回転数及び第２所定時間は、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し所定の挿入位置よりも深く押し込まれないようにそれぞれ設定する。この所定の挿入位置は、該挿入位置よりも回転ツール１６が深く入り込むと第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎれるような位置である。
【００４３】
上記第２押圧工程の終了により、接合部Ｐでの接合を終了するようにしてもよいが、本実施形態では、上記第２押圧工程後に、図１０に示すように、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心Ｘ回りに第３回転数で回転させながら、押圧用モータ１４により、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第３所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる（第３押圧工程）。この第３押圧工程では、加圧力を第２押圧工程よりも小さくすることで、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し上記所定の挿入位置よりも深く押し込まれず、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けることとなる。これにより、第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎれるようなことがなくなるとともに、第２押圧工程時と同じ程度の温度が維持されて、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。この第３押圧工程の終了により、１つの接合部Ｐでの接合が終了することになる。
【００４４】
上記第３加圧力は、上記第１加圧力よりも小さくて、０．４９ｋＮ以上１．４７ｋＮ以下に設定することが好ましい。また、上記第３回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００回転以下に設定することが好ましい。さらに、上記第３所定時間は、０．５秒以上２．５秒以下に設定することが好ましい。これら第３加圧力、第３回転数及び第３所定時間は、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けかつ第１金属部材Ｗ１の塑性流動が生じるようにそれぞれ設定する。
【００４５】
上記第３押圧工程においては、回転ツール１６で押し出された金属材料がバリＲとなって第１金属部材Ｗ１の表面に隆起するとともに、亜鉛メッキ層Ｚが更に接合部Ｐから押し出され、また酸化皮膜が更に破壊されて、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の新生面の露出範囲が拡大する（図１０中、×印で表示した範囲）。この結果、両金属部材の合わせ面部同士が、摩擦点接合によって固相接合され、その接合強度は安定的に高くなる。
【００４６】
尚、亜鉛メッキ層Ｚにおける接合部Ｐの近傍部分には、第１金属部材Ｗ１の金属と、亜鉛メッキ層Ｚの金属との金属混合物層Ｙが生成される。
【００４７】
上記１つの接合部Ｐでの接合が終了すると、押圧用モータ１４により、ネジ軸２４を図５のＢ方向に回転駆動させることで、回転ツール１６を上昇させるとともに、接合ガン１０全体を下方に移動させかつ次の接合部Ｐの位置へと水平移動させ、しかる後、上記と同様の動作を繰り返して次の接合部Ｐでの接合を行い、こうして、複数の接合部Ｐにおいて摩擦点接合（固相接合）を行う。
【００４８】
上記摩擦点接合が完了した後の接合部Ｐにおいては、図１１に示すように、ワーク（第１金属部材Ｗ１）の表面に、ショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃの痕が残り、ショルダ部１６ｂの周囲には、バリＲが生じている。
【００４９】
ここで、上記第１押圧工程において、第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間を種々変更して、第１金属部材Ｗ１を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができるか否かを調べる軟化試験を行った。
【００５０】
第１金属部材Ｗ１を、板厚１．４ｍｍの６０００系アルミニウム合金板（Ｃｕを含有していないもの）とし、第２金属部材Ｗ２を、板厚１．０ｍｍの鋼板（亜鉛メッキしたもの）とした場合の上記軟化試験の結果を図１２（ａ）〜（ｃ）に示す。また、第１金属部材Ｗ１を、Ｃｕを１％弱含有した６０００系アルミニウム合金板に変更した場合の上記軟化試験の結果を図１３（ａ）〜（ｃ）に示す。
【００５１】
同図中、○印は、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊せずに良好に軟化した場合を示し、×印は、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊して内部に欠陥が生じたり回転ツール１６に凝着したりした場合か、又は、摩擦熱が不足して軟化が不十分である場合を示す。そして、各加圧力毎の第１所定時間と第１回転数との関係のグラフおいて、○印が存在する範囲を「適正領域」とし、剪断破壊による×印が存在する範囲を「剪断破壊領域」とし、軟化不十分による×印が存在する範囲を「余熱不足領域」としている。尚、上記軟化試験において、図８に示すように、回転ツール１６の環状凹部１６ｄの一部が第１金属部材Ｗ１に接触していない状態、つまりショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に接触している状態にあれば、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊せずに良好に軟化しているといえ、この後の第２押圧工程でも第１金属部材Ｗ１が剪断破壊することはない。また、ピン部１６ｃ及び環状凹部１６ｄを含むショルダ部１６ｂ全体が第１金属部材Ｗ１に接触した場合には、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊する。さらに、ピン部１６ｃしか第１金属部材Ｗ１に接触していない状態にあれば、軟化が不十分であるといえ、この後の第２押圧工程で第１金属部材Ｗ１が剪断破壊することになる。
【００５２】
上記軟化試験の結果、第１加圧力は、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定するのがよく、第１回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定するのがよく、第１所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定するのがよいことが判る。但し、第１金属部材Ｗ１の材料に応じて、第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間の組み合わせとしては、上記「適正領域」内に入るようにする必要がある。
【００５３】
次に、上記実施形態で説明した接合方法で第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを摩擦点接合した場合の接合強度を調べた。
【００５４】
すなわち、先ず、板厚１．４ｍｍの６０００系アルミニウム合金板（Ｃｕを含有していないもの）からなる第１金属部材Ｗ１と、板厚１．０ｍｍの鋼板（亜鉛メッキしたもの）からなる第２金属部材Ｗ２とを、図１４に示すように、十字形状に重ね合わせてクランプした状態で、十字中央の接合部Ｐの位置で摩擦点接合を行った。このときの接合条件として、表１に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の６通りとした。
【００５５】
【表１】
【００５６】
次いで、上記各接合条件で摩擦点接合したものに対して剥離強度を測定するための引張試験を行った。具体的には、第１金属部材Ｗ１を上方向矢印Ｍ１の向きに引っ張り、第２金属部材Ｗ２を下方向矢印Ｍ２の向きに引っ張って、両金属部材Ｗ１，Ｗ２が剥離したときの引張力（剥離強度）を調べた。この剥離強度の測定結果を表１に併せて示す。
【００５７】
上記測定結果より、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３のものと、Ｎｏ．４〜Ｎｏ．６のものとでは、剥離強度に差が生じているが、これは、主として第２加圧力の相違によるものであり、第２加圧力が大きい方（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）が、塑性流動を十分に促進されて剥離強度、つまり接合強度が高くなったと考えられる。また、第２及び第３押圧工程での接合条件が同じであれば、第１押圧工程の接合条件を上記「適正領域」内で変更しても、接合強度は安定している。これは、第１押圧工程で第１金属部材Ｗ１が良好に軟化したからであると考えられる。
【００５８】
したがって、本実施形態では、押圧用モータ１４により回転ツール１６を初期位置に移動させる初期移動工程後に、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータ１４により、上記初期移動工程における回転ツール１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させるようにしたので、移動抵抗値の大きさに関係なく、第１押圧工程開始直後に、第１加圧力で回転ツール１６のショルダ部１６ｂ（周縁部）及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に対し押圧されることとなる。これにより、第１加圧力が第１金属部材Ｗ１に実際に作用する時間は第１所定時間と略同じになり、安定する。この結果、第１所定時間を長くしなくても、第１金属部材Ｗ１が十分に軟化され、第２押圧工程において、第１金属部材Ｗ１の塑性流動が良好にかつ安定的に行われる。一方、上記第１加圧力が大きくなりすぎると、第１金属部材Ｗ１が剪断破壊する可能性があるが、本実施形態では、第１加圧力を、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定するとともに、第１金属部材Ｗ１の材料に応じて、第１加圧力、第１回転数及び第１所定時間を、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部が第１金属部材Ｗ１に接触しないで、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定することで、第１金属部材Ｗ１を、剪断破壊させることなく、良好に軟化させることができる。しかも、回転ツール１６の先端部における環状凹部１６ｄにより、第２押圧工程で塑性流動する第１金属部材Ｗ１が、回転ツール１６の直下部分から外側へ流出することが抑制されるとともに、第２加圧力が、回転ツール１６の直下部分に集中する。この結果、出来る限り早く接合を行うことができるとともに、安定した高い接合強度が確実に得られるようになる。
【００５９】
また、本実施形態では、第２押圧工程後に、回転用モータ１５により回転ツール１６を該回転ツール１６の軸心回りに回転させながら、押圧用モータ１４により、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させるようにしたので、回転ツール１６が第１金属部材Ｗ１に対し所定の挿入位置よりも深く入り込まないようにして、第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎれるのを防止することができるとともに、良好な塑性流動が長時間に亘って得られるようになり、接合強度をより一層安定させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、回転ツールを用いて、第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを摩擦点接合する摩擦点接合方法及びその装置に有用であり、特に、回転ツールを第１金属部材に対し押圧する工程を、第１金属部材に対する加圧力の観点から複数の工程に分ける場合に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る摩擦点接合装置の概略構成を示す側面図である。
【図２】図１の摩擦点接合装置の接合ガンを拡大して示す側面図である。
【図３】図１の摩擦点接合装置の接合ガンを拡大して示す正面図である。
【図４】接合ガンの本体ケースの内部構成を示す断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】回転ツールの先端部を示す部分断面図である。
【図７】第１金属部材と第２金属部材とを重ね合わせて回転ツールにより摩擦点接合する様子を示す概略斜視図である。
【図８】第１押圧工程で回転ツールが第１金属部材に対し押圧している状態を示す断面図である。
【図９】第２押圧工程で回転ツールが第１金属部材に対し押圧している状態を示す断面図である。
【図１０】第３押圧工程で回転ツールが第１金属部材に対し押圧している状態を示す断面図である。
【図１１】摩擦点接合が完了した後の接合部の状態を示す断面図である。
【図１２】第１金属部材がＣｕを含有していない６０００系アルミニウム合金板である場合の軟化試験の結果を示す図である。
【図１３】第１金属部材がＣｕを含有した６０００系アルミニウム合金板である場合の軟化試験の結果を示す図である。
【図１４】第１金属部材と第２金属部材とを十字形状に重ね合わせて摩擦点接合を行ったものに対して剥離強度を測定するための引張試験を行っている状態を示す斜視図ある。
【符号の説明】
【００６２】
１ 摩擦点接合装置
１０ 接合ガン
１４ 押圧用モータ
１５ 回転用モータ（回転駆動手段）
１６ 回転ツール
１６ｂ ショルダ部
１６ｃ ピン部
１６ｄ 環状凹部
５０ａ 制御ユニット（制御手段）
Ｗ１ 第１金属部材
Ｗ２ 第２金属部材
Ｘ 回転ツールの軸心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合方法であって、
予め、上記回転ツールの先端部を、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成しておくとともに、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータを設けておき、
上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、
上記初期移動工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、
上記第１押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを含むことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦点接合方法において、
第１押圧工程は、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、押圧用モータにより、第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧接触させる工程であり、
上記第１加圧力は、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定され、
上記所定回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定され、
上記所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定されていることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の摩擦点接合方法において、
第２押圧工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に対し押圧接触させる第３押圧工程を更に含むことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦点接合方法において、
第１金属部材は、アルミニウム合金材料からなり、
第２金属部材は、鋼材料からなり、
上記両金属部材の合わせ面部同士を、摩擦点接合によって固相接合することを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項５】
第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合装置であって、
上記回転ツールの先端部は、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成されており、
上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させる回転駆動手段と、
上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータと、
上記回転駆動手段及び押圧用モータを制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、
上記初期移動工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、
上記第１押圧工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程と
を実行するように構成されていることを特徴とする摩擦点接合装置。
【請求項１】
第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合方法であって、
予め、上記回転ツールの先端部を、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成しておくとともに、上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータを設けておき、
上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、
上記初期移動工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、
上記第１押圧工程後に、上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程とを含むことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦点接合方法において、
第１押圧工程は、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに所定回転数で回転させながら、押圧用モータにより、第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を、所定時間の間、第１金属部材に対し押圧接触させる工程であり、
上記第１加圧力は、２．４５ｋＮ以上３．４３ｋＮ以下に設定され、
上記所定回転数は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定され、
上記所定時間は、０．２秒以上２．０秒以下に設定されていることを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の摩擦点接合方法において、
第２押圧工程後に、回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、押圧用モータにより、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を第１金属部材に対し押圧接触させる第３押圧工程を更に含むことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦点接合方法において、
第１金属部材は、アルミニウム合金材料からなり、
第２金属部材は、鋼材料からなり、
上記両金属部材の合わせ面部同士を、摩擦点接合によって固相接合することを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項５】
第１金属部材と該第１金属部材よりも融点が高い第２金属部材とを重ね合わせたワークに対し、軸心回りに回転する回転ツールの軸心方向一端部である先端部を第１金属部材の側から押し込んで、該回転ツールの回転及び第１金属部材に対する押圧動作により発生する摩擦熱で第１金属部材を軟化及び塑性流動させることによって、上記両金属部材を摩擦点接合する摩擦点接合装置であって、
上記回転ツールの先端部は、上記ワークと対向するショルダ部と、該回転ツールの軸心上に位置しかつ該ショルダ部からショルダ部よりも小径でワークの側に突出するピン部と、該ピン部周囲における上記ショルダ部に設けられた環状凹部とで構成されており、
上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させる回転駆動手段と、
上記回転ツールを、上記ワークに対して該回転ツールの軸心方向に進退移動させかつ上記第１金属部材に対し押圧させるとともに該押圧時の加圧力を変更可能な押圧用モータと、
上記回転駆動手段及び押圧用モータを制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記押圧用モータにより、上記回転ツールを上記第１金属部材の近接位置である初期位置に移動させる初期移動工程と、
上記初期移動工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記初期移動工程における上記回転ツールの移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に対し押圧接触させる第１押圧工程と、
上記第１押圧工程後に、上記回転駆動手段により上記回転ツールを該回転ツールの軸心回りに回転させながら、上記押圧用モータにより、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、該回転ツールのショルダ部及びピン部を上記第１金属部材に押し込む第２押圧工程と
を実行するように構成されていることを特徴とする摩擦点接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００６−３２６６６４（Ｐ２００６−３２６６６４Ａ）
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５６８８０（Ｐ２００５−１５６８８０）
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【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１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３０日（２００５．５．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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