摩擦点接合方法
【課題】 異種金属でなる金属板材どうしを摩擦点接合法にて接合するに際して、比較的簡単な構成で、融点が低い方の金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該金属板材に貫通孔があけられしまうことを防止できるようにする。
【解決手段】 先端にピン部１３を有する回転工具１０を用いて異種金属板どうしを摩擦点接合するに際して、鋼板Ｓを受承する受承面２１にピン部１３の先端よりも外径寸法が大きい凹部２２を備えた受け具２０でアルミニウム合金板を重ね合わせた鋼板を受けると共に、回転工具を回転させながらアルミニウム合金板側から押し込むことにより、鋼板の前記凹部に対応する部分を当該凹部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱でアルミニウム合金板を軟化せしめて塑性流動させ、鋼板とアルミニウム合金板とを接合することで、押し込まれたピン部に対応した凹部Ｓｃが鋼板に形成されることを特徴とする。
【解決手段】 先端にピン部１３を有する回転工具１０を用いて異種金属板どうしを摩擦点接合するに際して、鋼板Ｓを受承する受承面２１にピン部１３の先端よりも外径寸法が大きい凹部２２を備えた受け具２０でアルミニウム合金板を重ね合わせた鋼板を受けると共に、回転工具を回転させながらアルミニウム合金板側から押し込むことにより、鋼板の前記凹部に対応する部分を当該凹部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱でアルミニウム合金板を軟化せしめて塑性流動させ、鋼板とアルミニウム合金板とを接合することで、押し込まれたピン部に対応した凹部Ｓｃが鋼板に形成されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、異種金属でなる金属板材どうしの点接合に適用し得る摩擦点接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２枚の金属板材を点接合する方法として、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム（Ｍｇ）或いはその合金等の軽金属を対象に、重ね合わせた２枚の金属板材の一方側からピン部を有する回転工具を回転させながら押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で金属板材を軟化せしめ塑性流動させることにより、両金属板材どうしを接合する摩擦点接合方法が知られている。
【０００３】
また、かかる摩擦点接合法を適用して、鋼板とアルミニウム合金板などの異種金属板どうしを接合する方法も公知である（例えば特許文献１参照）。
このような異種金属板どうしを摩擦点接合で接合する場合、融点が低い方の金属板（前記の例ではアルミニウム合金板）側から回転工具が押し込まれるが、前記特許文献１では、より高い接合強度を得るために、ピン部の先端が両金属板の接合界面付近に至るまで回転工具を押し込んだ状態で接合を行うことが提案されている。
【０００４】
尚、異種金属板どうしを接合する場合、両金属間の電位差による腐食の発生を防止することを主目的として、電位が低いほうの金属板の表面に防食層を形成することが一般に行われている。例えば、前述のアルミニウム合金板と鋼板の組み合わせの場合には、鋼板の表面に防食性の金属メッキ等が施される。しかしながら、このような防食層が介在した状態で前述の摩擦点接合を行った場合、両金属板の母相どうしが直接に接触することが妨げられる関係上、軟化・塑性流動による両者間の確実な固相接合が阻害され、高い接合強度を得ることが難しいという問題が生じる。
【０００５】
かかる問題に関連して、本願出願人は、特願２００３−２７４９８３号において、回転工具の押し込みによる加圧力と摩擦熱および塑性流動により、防食層を両金属板の接合面の周囲に押し出すことで、両金属板の母相どうしを直接に接触させ、両者どうしを固相接合させて高い接合強度を得るようにした接合方法を提案した。
【特許文献１】特開２００３−１７０２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述のように、より高い接合強度を得るためには、ピン部の先端が両金属板の接合部の界面近くに至るまで回転工具を押し込むことが好ましいのであるが、ピン部の先端が受け具側の融点が高い方の金属板の表面にまで達し、押し込み側の融点が低い方の金属板に貫通孔があいてしまうと、その貫通孔部分に水など溜まり易いこともあり、その部分から腐食が生じるという問題がある。特に、回転工具が押し込まれる融点が低い方の金属板の板厚が薄い場合には、回転工具の最大押し込み深さを受け具側の融点が高い方の金属板の表面近傍で制御することは、実際上難しい。このため、押し込み深さが不足して所要の接合強度が得られないか、或いは、押し込み深さが過剰となって押し込み側の融点が低い方の金属板に貫通孔があいてしまい、耐食性が損なわれる場合が生じるという問題があった。
【０００７】
この発明は、かかる技術的課題に鑑みてなされたもので、異種金属でなる金属板材どうしを摩擦点接合法にて接合するに際して、比較的簡単な構成で、融点が低い方の金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該金属板材に貫通孔があけられしまうことを防止できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本願請求項１の発明（第１の発明）に係る摩擦点接合方法は、融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、前記第１金属板材を受承する受承部に、前記ピン部先端よりも外径寸法が大きい変形許容部を備えた受け具を用意するステップと、前記受け具で前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込むステップと、を備え、前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記変形許容部に対応する部分を当該変形許容部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合することで、前記押し込まれたピン部に対応した凹部が前記第１金属板に形成される、ことを特徴としたものである。
【０００９】
また、本願請求項２の発明（第２の発明）は、前記第１の発明において、前記変形許容部が、前記ピン部先端の外径寸法よりもサイズが大きい凹部であることを特徴としたものである。
【００１０】
本願請求項３の発明（第３の発明）に係る摩擦点接合方法は、融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、前記第１金属板材の前記ピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部を形成するステップと、前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受け具で受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から前記第１金属板材の凹部に向けて押し込むステップと、を備え、前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記凹部に前記第２金属板材の材料を充填し、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する、ことを特徴としたものである。
【００１１】
また、本願請求項４の発明（第４の発明）は、前記第３の発明において、前記受け具は、前記第１金属板材の前記凹部より外側の接合部分に対応する部分を受承する受承部を備えていることを特徴としたものである。
【００１２】
更に、本願請求項５の発明（第５の発明）は、前記第１又は第３の発明において、前記第１金属板材が鋼板であり、前記第２金属板材がアルミニウム合金板であることを特徴としたものである。
【００１３】
また更に、本願請求項６の発明（第６の発明）は、前記第５の発明において、前記鋼板の表面には、防食メッキ層が形成されていることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本願の第１の発明によれば、融点が高い方の第１金属板材を受ける受け具の第１金属板材を受承する受承部に、前記ピン部先端よりも外径寸法が大きい変形許容部が備えられており、回転工具を回転させながら融点が低い方の第２金属板材側から押し込んだ際には、回転工具のピン部の押し込みにより、第１金属板材の変形許容部に対応する部分は当該変形許容部側に変位させられる。その状態で、回転工具の押し込みにより発生した摩擦熱で第２金属板材が軟化し塑性流動させられることで、第１金属板材と第２金属板材とが接合される。このとき、第１金属板材には押し込まれたピン部に対応した凹部が形成される。
このように、第１金属板材は、押し込まれる回転工具のピン部に対応する部分が受け具の変形許容部で変位するので、前記ピン部の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部が第２金属板材を貫通して第１金属板材の表面に接触することを、比較的容易に防止できる。つまり、第１金属板材を受ける受け具の受承部に変形許容部を設けるだけの比較的簡単な構成で、第２金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該第２金属板材に貫通孔があけられてしまうことを防止し、貫通孔の形成によって第１金属板材に腐食が生じやすくなることを防止できる。
【００１５】
また、本願の第２の発明によれば、基本的には前記第１の発明と同様の作用効果を奏することができる。特に、前記変形許容部が前記ピン部先端の外径寸法よりも開口サイズが大きい凹部であるので、第１金属板材の変形許容部に対応する部分をより確実に当該変形許容部側に変位させることができる。また、受け具の受承部に容易に変形許容部を設けることができる。
【００１６】
本願の第３の発明によれば、融点が高い方の第１金属板材のピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部が形成されており、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら融点が低い方の第２金属板材側から前記第１金属板材の凹部に向けて押し込むことで、第１金属板材の前記凹部に第２金属板材の材料が充填され、回転工具の押し込みにより発生した摩擦熱で第２金属板材が軟化し塑性流動させられることで、第１金属板材と第２金属板材とが接合される。
このように、第２金属板材の材料は、第１金属板材のピン部の押し込み位置に対応した部位に形成された前記凹部に充填されるので、前記ピン部の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部が第２金属板材を貫通して第１金属板材の表面に接触することを、比較的容易に防止できる。つまり、第１金属板材に凹部を設けるだけの比較的簡単な構成で、第２金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該第２金属板材に貫通孔があけられてしまうことを防止し、貫通孔の形成によって第１金属板材に腐食が生じやすくなることを防止できる。
【００１７】
また、本願の第４の発明によれば、基本的には前記第３の発明と同様の作用効果を奏することができる。特に、前記受け具は、第１金属板材の前記凹部より外側の接合部分に対応する部分を受承する受承部を備えていることにより、ピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部が設けられた前記第１金属板材を、容易かつ確実に受けることができる。
【００１８】
更に、本願の第５の発明によれば、具体的には、融点が高い方の第１金属板材が鋼板で、融点が低い方の第２金属板材がアルミニウム合金板であり、かかる組み合わせの金属板材どうしの摩擦点接合において、基本的には前記第１又は第３の発明と同様の作用効果を奏することができ、両者の電位差による腐食の発生を有効に抑制することができる。
【００１９】
また更に、本願の第６の発明によれば、前記鋼板の表面には防食メッキ層が形成されている場合についても、回転工具の押し込みによる加圧力と摩擦熱および塑性流動により、防食メッキ層を両金属板の接合面の周囲に押し出すことで、両金属板の母相どうしを直接に接触させ、両者どうしを固相接合させて所要の接合強度を得ることが可能で、基本的には前記第５の発明と同様の作用効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。この図に示すように、前記接合ガンＧは、接合用の工具として回転工具１０と受け具２０とを備えている。前記回転工具１０は、その回転中心軸が接合ガンＧの接合軸Ｌｇと一致するように配設されており、ガン本体１に固定された加圧軸モータ６により前記接合軸Ｌｇに沿って昇降させられ、且つ、回転軸モータ７により接合軸Ｌｇと一致した中心軸回りに回転させられるようになっている。前記回転軸モータ７としては、例えばインダクションモータやサーボモータを好適に用いることができ、また、加圧軸モータ６としては、例えばサーボモータを好適に用いることができる。
【００２１】
前記受け具２０は、回転工具１０に対向して配置されるもので、この配置状態は、ガン本体１の下部に位置する略Ｌ字形状のアーム２の先端に受け具２０を取り付けることにより保持されている。この受け具２０及び前記回転工具１０は共に、接合ガンＧに対して着脱することができるように取り付けられている。
尚、以上のような接合ガンＧは、例えばロボット装置のアーム若しくは手首などに取り付けて、例えば自動車の車体等に用いられるアルミニウム合金板と鋼板とを重ね合わせた状態で点接合する接合工程などで用いることができる。
【００２２】
図２は、前記接合ガンＧを用いて摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。本実施形態では、異種金属でなる金属板材である鋼板Ｓとアルミニウム合金板Ａとが接合される。特に、鋼板Ｓの接合側の表面には、防食性の金属メッキとして亜鉛メッキが施されている。従って、アルミニウム合金板Ａの母相と鋼板Ｓの母相の間には亜鉛メッキ層Ｍが介在することになる。尚、前記鋼板Ｓ及びアルミニウム合金板Ａが、本願請求項に記載した「融点が高い方の第１金属板材」及び「融点が低い方の第２金属板材」にそれぞれ相当している。
本実施形態では、例えば、鋼板Ｓの板厚を０．７ｍｍ，アルミニウム合金板Ａの板厚を１．２ｍｍとし、また、鋼板Ｓ表面の亜鉛メッキ（メッキ層Ｍ）の片面目付量を３０〜６０ｇ／ｍ２とした。
【００２３】
図３は、前記接合ガンＧに取り付けられた回転工具１０及び受け具２０の要部を拡大して、前記金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
回転工具１０は、略円柱状の本体部１１と、該本体部１１の先端部における中心から突出する円柱状のピン部１３とを備えている。このピン部１３の回転中心軸は本体部１１の回転中心軸と一致しており、両中心軸は接合ガンＧの接合軸Ｌｇと一致するものである。つまり、前記ピン部１３は、回転工具１０のセンタリング機能を有しているといえる。
【００２４】
また、本体部１１の先端面には、径方向における内方に向かって深くなる凹部１２が形成されている。本体部１１の先端側にこのような凹部１２を設けたことにより、回転工具１０を金属板材に押し込んだ際に、回転工具１０の回転による摩擦熱で軟化し塑性流動する金属板材の材料が外周側に流動して逃げることを抑制し、回転工具１０の加圧力を金属板材に対してより有効に作用させることができる。
【００２５】
本実施形態では、受け具２０の鋼板Ｓを受承する受承面２１（つまり、上端面）が平坦ではなく、この受承面２１に、回転工具１０のピン部１３の先端よりも外径寸法が大きい変形許容部２２が設けられている。この変形許容部２２は、回転工具１０が押し込まれた際に鋼板Ｓの受承面２１側への変位若しくは変形を許容するもので、受承面２１のピン部１３に対向する部位に設けられており、具体的には、受承面２１に開口する凹部２２として形成されている。この凹部２２の開口サイズは、より好ましくは、ピン部１３の先端の外径寸法よりも大きく設定されている。
【００２６】
このような変形許容部が設けられていない従来方法では、例えば図１２〜図１４に示すように、受け具６０の受承面６１は平坦であり、この平坦な受承面６１で鋼板Ｓ及びアルミニウム合金板Ａを順に受承した状態で、回転工具１０を回転させながらアルミニウム合金板Ａ側から押し込むことによって摩擦点接合を行うのであるが、このとき、より高い接合強度を得るために、ピン部１３の先端が両金属板Ａ，Ｓの接合部の界面近くに至るまで回転工具を押し込もうとした場合、ピン部１３の先端が受け具６０側の鋼板Ｓの表面にまで達し（図１３参照）、押し込み側のアルミニウム合金板Ａに鋼板Ｓの母相にまで至る貫通孔Ａｈがあいてしまうことがある。このような貫通孔Ａｈが形成されると、その孔Ａｈに水など溜まり易いこともあり、その部分Ａｈから腐食が生じるという問題がある。
【００２７】
特に、回転工具１０が押し込まれるアルミニウム合金板Ａの板厚が薄い場合（例えば、１ｍｍ程度以下の場合）には、回転工具１０の最大押し込み深さを受け具６０側の鋼板Ｓの表面近傍で制御することは、実際上難しい。このため、ピン部１３の押し込み深さが不足して所要の接合強度が得られないか、或いは、押し込み深さが過剰となって押し込み側の融点が低い方のアルミニウム合金板Ｓ及び亜鉛メッキ層Ｍに貫通孔Ａｈがあいてしまい、耐食性が損なわれる場合が生じることになる。
【００２８】
本実施形態では、前述のように、受け具２０の受承面２１に変形許容部としての凹部２２を設けたことにより、回転工具１０の押し込み深さを確保し、且つ、これが押し込まれる側のアルミニウム合金板Ａに貫通孔があけられしまうことを回避するようにしている。
【００２９】
以下、本実施形態における摩擦点接合について説明する。
図４〜図８は、図３の状態から引き続いて行われる一連の接合工程を示す部分断面説明図である。
まず、図３に示された状態から、図４に示すように、受け具２０の受承面２１で鋼板Ｓ及びアルミニウム合金板Ａを順に受承させるとともに、回転工具１０を回転させながらアルミニウム合金板Ａ側に（つまり、加圧方向に）前進させる。図４に示すように、回転工具１０のピン部１３がアルミニウム合金板Ａの表面に当接し、その押し込みが開始されることにより、ピン部１３の先端を中心にした一定範囲の領域Ｎが、ピン部１３の回転による摩擦熱の作用で軟化し始める。この状態では、受け具２０の凹部２２側への鋼板Ｓの変位はまだ生じていない。
【００３０】
図４の状態から回転工具１０がアルミニウム合金板Ａ内への押し込みが始まると、図５に示すように、本体部１１の先端の外周部でアルミニウム合金板Ａが表面側から剪断され、また、摩擦熱の作用による軟化の領域Ｎ（図４参照）が更に広がるとともに温度も上昇し、亜鉛メッキ層Ｍの拡散が始まり、また、摩擦熱で軟化したアルミニウム合金板Ａの材料が塑性流動し始める。更に、ピン部１３の押し込みにより、鋼板Ｓの受け具２０の前記凹部２２に対応する部分が当該凹部２２側に変位若しくは変形し始める。
【００３１】
このように、鋼板Ｓは、押し込まれる回転工具１０のピン部１３に対応する部分が、受け具２０の凹部２２で変位若しくは変形するので、ピン部１３の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部１３がアルミニウム合金板Ａを貫通して鋼板Ｓの表面に接触することを、比較的容易に防止できる。
【００３２】
尚、アルミニウム合金板Ａの表面には、通常雰囲気下で生成されるアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）の被膜が一般に形成されるが、このアルミニウム酸化被膜Ａｌ２Ｏ３は、比較的脆いので、アルミニウム合金板Ａの材料の塑性流動によって比較的容易に細かく破壊され、アルミニウム合金板Ｓの表面には、新生面（酸化被膜に覆われずアルミニウム合金自体からなる面）が表れる。従って、このアルミニウム酸化被膜Ａｌ２Ｏ３が接合面に存在して接合強度に悪影響を及ぼすことはまずない。
【００３３】
図５の状態から回転工具１０が更に押し込まれると、鋼板Ｓの表面の亜鉛メッキ層Ｍは、その一部はアルミニウム合金板Ａ側に取り込まれるものの、その大部分は、図６において符号Ｍｊで示すように、回転工具１０の押し込みによる加圧力と摩擦熱および塑性流動により、両金属板Ａ，Ｓの接合面の周囲に押し出される。これにより、両金属板Ａ，Ｓの母相どうしが直接に接触し、両者どうしが固相接合されて所要の接合強度を得ることができるようになる。
【００３４】
また、亜鉛メッキ層Ｍの接合面周囲に押し出された部分Ｍｊの直ぐ内側の領域、つまり、回転工具１０の本体部１１の外周部に略対応する領域には、図７に示されるように、亜鉛メッキ層Ｍが若干残存して、亜鉛−アルミニウム−鉄化合物の金属間化合物Ｍｃが生成される場合があるが、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｓとは、前記金属間化合物Ｍｃを介して接合される。つまり、かかる金属間化合物Ｍｃも、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｓの固相接合に寄与するものである。尚、このような金属メッキ層を介した状態下での固相接合の態様は、前述の特願２００３−２７４９８３号で開示されたものと同様である。
【００３５】
このように、上記接合方法においては、回転工具１０の押し込みによってアルミニウム合金板Ａの酸化被膜Ａｌ２Ｏ３が破壊されてアルミニウム合金の新生面が形成され、その直後に（極めて短時間内に）、回転工具１０の押し込みに基づく加圧力，摩擦熱および塑性流動によって亜鉛メッキ層Ｍが接合面から周囲に押し出されて、アルミニウム合金板Ｓと鋼板Ｓの母相どうしが直接に接触することになる。この状態下で摩擦接合が行われることにより、その接合部に酸化被膜やメッキ層Ｍを介在させないようにして、両者の直接的な固相接合の状態で接合することができ、その接合強度を高めることができる。
【００３６】
この後、設定時間が経過すると、図８に示すように、回転工具１０と受け具２０とは、両金属板Ａ，Ｓから離間させられ、次の接合処理まで離間位置で待機するようになっている。
尚、この結果、鋼板Ｓの接合面には、押し込まれたピン部に対応した凹部Ｓｃが形成され、また、その反接合面側（受け具２０で受承された側）には、回転工具１０のピン部１３に対応して受け具２０の受承面２１に形成された凹部２２に対応した凸部Ｓｄが形成されることになる。
【００３７】
以上、説明したように、本実施形態によれば、回転工具１０を押し込んだ際に、鋼板Ｓは、押し込まれる回転工具１０のピン部１３に対応する部分が、受け具２０の凹部２２で変位若しくは変形するので、ピン部１３の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部１３がアルミニウム合金板Ａを貫通して鋼板Ｓの表面に接触することを、比較的容易に防止できる。
すなわち、鋼板Ｓを受ける受け具２０の受承面２１に変形許容部としての凹部２２を設けるだけの比較的簡単な構成で、アルミニウム合金板Ｓへの回転工具１０の所要の押し込み深さを確保し、且つ、当該アルミニウム合金板Ｓに貫通孔があけられてしまうことを回避し、貫通孔の形成によって鋼板Ｓに腐食が生じやすくなることを防止できるのである。
【００３８】
特に、本実施形態では、融点が高い方の金属板材が鋼板Ｓで、融点が低い方の金属板材がアルミニウム合金板Ａであり、かかる組み合わせの金属板材Ａ，Ａどうしの摩擦点接合において、両者Ａ，Ｓの電位差による腐食の発生を有効に抑制することができる。
【００３９】
また、前記変形許容部としての凹部２２がピン部１３先端の外径寸法よりも開口サイズが大きい凹部２２であることにより、鋼板Ｓの凹部２２に対応する部分をより確実に当該凹部２２側に変位させることができる。また、受け具２０の受承面２１に容易に変形許容部を設ける際には、機械加工等の簡単な手段で設けることができる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。尚、以下の説明において、前述の第１の実施形態における場合と、同様の構成を備え同様の作用をなすものについては、同一の符号を付し、それ以上の説明は省略する。
図９は、第２の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる鋼板およびそのプレス型を概略的に示す説明図である。この図に示すように、この第２の実施形態では、融点が高い方の鋼板Ｓ自体に、回転工具１０のピン部１３の押し込み位置に対応した部位に凹部Ｔｃが形成されている。また、鋼板Ｓの反対側の面には、前記凹部Ｔｃに対応した凸部Ｔｄが形成される。このような凹部Ｔｃは、該凹部Ｔｃに対応した凸部３１ｄ及び凹所３２ｃをそれぞれ備えた一対のプレス型３１及び３２を用いてプレス加工をおこなうことにより、容易に形成することができる。
【００４１】
図１０は、第２の実施形態に係る摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。
この図に示すように、鋼板Ｔは前記プレス加工の後に、凹部Ｔｃを形成した側に亜鉛メッキが施され、この亜鉛メッキ層Ｍで覆われた側がアルミニウム合金板Ａと対面するようにして、両金属板材Ａ，Ｓが重ね合わされる。つまり、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｔとは、亜鉛メッキ層Ｍが介在した状態で重ね合わされる。
【００４２】
図１１は、回転工具及び受け具の要部を拡大して、第２の実施形態に係る前記金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
この図に示されるように、受け具４０の受承面４１には、鋼板Ｔの前記凸部Ｔｄに対応した部位に、該凸部Ｔｄを収容し得る凹所４２が形成されている。従って、鋼板Ｔの前記凹部Ｔｃに対応した凸部Ｔｄより外側の領域は、前記凹所４２より外側の受承面４１で確実に受承される。この凹所４２は、回転工具１０のピン部１３に対向した部位に設けられている。従って、鋼板Ｔの凹部Ｔｃは、ピン部１３の押し込み位置に対応した箇所に位置することになる。すなわち、受け具４０に前記凹所４２を設けたことにより、ピン部１３の押し込み位置に対応した部位に凹部Ｔｃが設けられた鋼板Ｔを、容易かつ確実に受けることができる。
【００４３】
この図１１の状態から、受け具４０の受承面４１で鋼板Ｔ及びアルミニウム合金板Ａを順に受承させるとともに、回転工具１０を回転させながらアルミニウム合金板Ａ側に（つまり、加圧方向に）前進させて、第１の実施形態における場合と同様の工程で（図４〜図８参照）摩擦点接合が行われる。
このとき、ピン部１３を有する回転工具１０を回転させながら融点が低い方のアルミニウム合金板Ｓ側から鋼板Ｔの前記凹部Ｔｃに向けて押し込むことにより、鋼板Ｔの前記凹部Ｔｃにアルミニウム合金板Ａの材料が充填され、回転工具１０の押し込みにより発生した摩擦熱でアルミニウム合金板Ａの材料が軟化し塑性流動させられることで、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｔとが接合される。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、アルミニウム合金板Ａの材料は、鋼板Ｔのピン部１３の押し込み位置に対応した部位に形成された前記凹部Ｔｃに充填されるので、ピン部１３の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部１３がアルミニウム合金板Ａを貫通して鋼板Ｔの表面に接触することを、比較的容易に防止できる。つまり、鋼板Ｔに凹部Ｔｃを設けるだけの比較的簡単な構成で、アルミニウム合金板Ａへの回転工具１０の所要の押し込み深さを確保し、且つ、当該アルミニウム合金板Ａに貫通孔があけられてしまうことを回避し、貫通孔の形成によって鋼板Ｔに腐食が生じやすくなることを防止できる。
【００４５】
尚、以上の実施形態は、融点が高い方の金属板材を鋼板とし、融点が低い方の金属板材をアルミニウム合金板としたものであったが、金属板材の組み合わせとしてはかかるものに限定されるものではない。また、融点が高い方の鋼板に施すメッキは亜鉛メッキであったが、かかるメッキに限定されるものではなく、他の種々の金属メッキが適用できる。
また、以上の実施形態では、全体が板状である金属板材どうしを接合する場合についてのものであったが、本発明は、かかる場合に限定されるものではなく、接合されるべき部材は、その接合部が板状であれば足り、必ずしも全体の形状が板状であることを求められるものではない。
【００４６】
このように、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や修正を行うことができるものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、異種金属でなる金属板材どうしを摩擦点接合法にて接合するに際して、比較的簡単な構成で、融点が低い方の金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該金属板材に貫通孔があけられしまうことを防止できるようにするものであり、例えば、自動車の車体部材で異種材料の組み合わせのものどうしを接合する場合などに、有効に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。
【図２】前記接合ガンを用いて摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。
【図３】前記接合ガンに取り付けられた回転工具及び受け具の要部を拡大して、前記金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
【図４】前記第１の実施形態に係る摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図５】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図６】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図７】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図８】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる鋼板およびそのプレス型を概略的に示す説明図である。
【図１０】前記第２の実施形態に係る摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。
【図１１】回転工具及び受け具の要部を拡大して、前記第２の実施形態に係る金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
【図１２】回転工具及び受け具の要部を拡大して、従来例に係る金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
【図１３】前記従来例に係る摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図１４】前記従来例に係る摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 回転工具
１３ ピン部
２０，４０ 受け具
２１，４１ 受承面
２２ 凹部
４２ 凹所
Ａ アルミニウム合金板
Ｍ 亜鉛メッキ層
Ｓ，Ｔ 鋼板
Ｔｃ （鋼板の）凹部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、異種金属でなる金属板材どうしの点接合に適用し得る摩擦点接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２枚の金属板材を点接合する方法として、アルミニウム（Ａｌ）やマグネシウム（Ｍｇ）或いはその合金等の軽金属を対象に、重ね合わせた２枚の金属板材の一方側からピン部を有する回転工具を回転させながら押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で金属板材を軟化せしめ塑性流動させることにより、両金属板材どうしを接合する摩擦点接合方法が知られている。
【０００３】
また、かかる摩擦点接合法を適用して、鋼板とアルミニウム合金板などの異種金属板どうしを接合する方法も公知である（例えば特許文献１参照）。
このような異種金属板どうしを摩擦点接合で接合する場合、融点が低い方の金属板（前記の例ではアルミニウム合金板）側から回転工具が押し込まれるが、前記特許文献１では、より高い接合強度を得るために、ピン部の先端が両金属板の接合界面付近に至るまで回転工具を押し込んだ状態で接合を行うことが提案されている。
【０００４】
尚、異種金属板どうしを接合する場合、両金属間の電位差による腐食の発生を防止することを主目的として、電位が低いほうの金属板の表面に防食層を形成することが一般に行われている。例えば、前述のアルミニウム合金板と鋼板の組み合わせの場合には、鋼板の表面に防食性の金属メッキ等が施される。しかしながら、このような防食層が介在した状態で前述の摩擦点接合を行った場合、両金属板の母相どうしが直接に接触することが妨げられる関係上、軟化・塑性流動による両者間の確実な固相接合が阻害され、高い接合強度を得ることが難しいという問題が生じる。
【０００５】
かかる問題に関連して、本願出願人は、特願２００３−２７４９８３号において、回転工具の押し込みによる加圧力と摩擦熱および塑性流動により、防食層を両金属板の接合面の周囲に押し出すことで、両金属板の母相どうしを直接に接触させ、両者どうしを固相接合させて高い接合強度を得るようにした接合方法を提案した。
【特許文献１】特開２００３−１７０２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述のように、より高い接合強度を得るためには、ピン部の先端が両金属板の接合部の界面近くに至るまで回転工具を押し込むことが好ましいのであるが、ピン部の先端が受け具側の融点が高い方の金属板の表面にまで達し、押し込み側の融点が低い方の金属板に貫通孔があいてしまうと、その貫通孔部分に水など溜まり易いこともあり、その部分から腐食が生じるという問題がある。特に、回転工具が押し込まれる融点が低い方の金属板の板厚が薄い場合には、回転工具の最大押し込み深さを受け具側の融点が高い方の金属板の表面近傍で制御することは、実際上難しい。このため、押し込み深さが不足して所要の接合強度が得られないか、或いは、押し込み深さが過剰となって押し込み側の融点が低い方の金属板に貫通孔があいてしまい、耐食性が損なわれる場合が生じるという問題があった。
【０００７】
この発明は、かかる技術的課題に鑑みてなされたもので、異種金属でなる金属板材どうしを摩擦点接合法にて接合するに際して、比較的簡単な構成で、融点が低い方の金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該金属板材に貫通孔があけられしまうことを防止できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本願請求項１の発明（第１の発明）に係る摩擦点接合方法は、融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、前記第１金属板材を受承する受承部に、前記ピン部先端よりも外径寸法が大きい変形許容部を備えた受け具を用意するステップと、前記受け具で前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込むステップと、を備え、前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記変形許容部に対応する部分を当該変形許容部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合することで、前記押し込まれたピン部に対応した凹部が前記第１金属板に形成される、ことを特徴としたものである。
【０００９】
また、本願請求項２の発明（第２の発明）は、前記第１の発明において、前記変形許容部が、前記ピン部先端の外径寸法よりもサイズが大きい凹部であることを特徴としたものである。
【００１０】
本願請求項３の発明（第３の発明）に係る摩擦点接合方法は、融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、前記第１金属板材の前記ピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部を形成するステップと、前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受け具で受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から前記第１金属板材の凹部に向けて押し込むステップと、を備え、前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記凹部に前記第２金属板材の材料を充填し、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する、ことを特徴としたものである。
【００１１】
また、本願請求項４の発明（第４の発明）は、前記第３の発明において、前記受け具は、前記第１金属板材の前記凹部より外側の接合部分に対応する部分を受承する受承部を備えていることを特徴としたものである。
【００１２】
更に、本願請求項５の発明（第５の発明）は、前記第１又は第３の発明において、前記第１金属板材が鋼板であり、前記第２金属板材がアルミニウム合金板であることを特徴としたものである。
【００１３】
また更に、本願請求項６の発明（第６の発明）は、前記第５の発明において、前記鋼板の表面には、防食メッキ層が形成されていることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本願の第１の発明によれば、融点が高い方の第１金属板材を受ける受け具の第１金属板材を受承する受承部に、前記ピン部先端よりも外径寸法が大きい変形許容部が備えられており、回転工具を回転させながら融点が低い方の第２金属板材側から押し込んだ際には、回転工具のピン部の押し込みにより、第１金属板材の変形許容部に対応する部分は当該変形許容部側に変位させられる。その状態で、回転工具の押し込みにより発生した摩擦熱で第２金属板材が軟化し塑性流動させられることで、第１金属板材と第２金属板材とが接合される。このとき、第１金属板材には押し込まれたピン部に対応した凹部が形成される。
このように、第１金属板材は、押し込まれる回転工具のピン部に対応する部分が受け具の変形許容部で変位するので、前記ピン部の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部が第２金属板材を貫通して第１金属板材の表面に接触することを、比較的容易に防止できる。つまり、第１金属板材を受ける受け具の受承部に変形許容部を設けるだけの比較的簡単な構成で、第２金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該第２金属板材に貫通孔があけられてしまうことを防止し、貫通孔の形成によって第１金属板材に腐食が生じやすくなることを防止できる。
【００１５】
また、本願の第２の発明によれば、基本的には前記第１の発明と同様の作用効果を奏することができる。特に、前記変形許容部が前記ピン部先端の外径寸法よりも開口サイズが大きい凹部であるので、第１金属板材の変形許容部に対応する部分をより確実に当該変形許容部側に変位させることができる。また、受け具の受承部に容易に変形許容部を設けることができる。
【００１６】
本願の第３の発明によれば、融点が高い方の第１金属板材のピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部が形成されており、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら融点が低い方の第２金属板材側から前記第１金属板材の凹部に向けて押し込むことで、第１金属板材の前記凹部に第２金属板材の材料が充填され、回転工具の押し込みにより発生した摩擦熱で第２金属板材が軟化し塑性流動させられることで、第１金属板材と第２金属板材とが接合される。
このように、第２金属板材の材料は、第１金属板材のピン部の押し込み位置に対応した部位に形成された前記凹部に充填されるので、前記ピン部の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部が第２金属板材を貫通して第１金属板材の表面に接触することを、比較的容易に防止できる。つまり、第１金属板材に凹部を設けるだけの比較的簡単な構成で、第２金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該第２金属板材に貫通孔があけられてしまうことを防止し、貫通孔の形成によって第１金属板材に腐食が生じやすくなることを防止できる。
【００１７】
また、本願の第４の発明によれば、基本的には前記第３の発明と同様の作用効果を奏することができる。特に、前記受け具は、第１金属板材の前記凹部より外側の接合部分に対応する部分を受承する受承部を備えていることにより、ピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部が設けられた前記第１金属板材を、容易かつ確実に受けることができる。
【００１８】
更に、本願の第５の発明によれば、具体的には、融点が高い方の第１金属板材が鋼板で、融点が低い方の第２金属板材がアルミニウム合金板であり、かかる組み合わせの金属板材どうしの摩擦点接合において、基本的には前記第１又は第３の発明と同様の作用効果を奏することができ、両者の電位差による腐食の発生を有効に抑制することができる。
【００１９】
また更に、本願の第６の発明によれば、前記鋼板の表面には防食メッキ層が形成されている場合についても、回転工具の押し込みによる加圧力と摩擦熱および塑性流動により、防食メッキ層を両金属板の接合面の周囲に押し出すことで、両金属板の母相どうしを直接に接触させ、両者どうしを固相接合させて所要の接合強度を得ることが可能で、基本的には前記第５の発明と同様の作用効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。この図に示すように、前記接合ガンＧは、接合用の工具として回転工具１０と受け具２０とを備えている。前記回転工具１０は、その回転中心軸が接合ガンＧの接合軸Ｌｇと一致するように配設されており、ガン本体１に固定された加圧軸モータ６により前記接合軸Ｌｇに沿って昇降させられ、且つ、回転軸モータ７により接合軸Ｌｇと一致した中心軸回りに回転させられるようになっている。前記回転軸モータ７としては、例えばインダクションモータやサーボモータを好適に用いることができ、また、加圧軸モータ６としては、例えばサーボモータを好適に用いることができる。
【００２１】
前記受け具２０は、回転工具１０に対向して配置されるもので、この配置状態は、ガン本体１の下部に位置する略Ｌ字形状のアーム２の先端に受け具２０を取り付けることにより保持されている。この受け具２０及び前記回転工具１０は共に、接合ガンＧに対して着脱することができるように取り付けられている。
尚、以上のような接合ガンＧは、例えばロボット装置のアーム若しくは手首などに取り付けて、例えば自動車の車体等に用いられるアルミニウム合金板と鋼板とを重ね合わせた状態で点接合する接合工程などで用いることができる。
【００２２】
図２は、前記接合ガンＧを用いて摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。本実施形態では、異種金属でなる金属板材である鋼板Ｓとアルミニウム合金板Ａとが接合される。特に、鋼板Ｓの接合側の表面には、防食性の金属メッキとして亜鉛メッキが施されている。従って、アルミニウム合金板Ａの母相と鋼板Ｓの母相の間には亜鉛メッキ層Ｍが介在することになる。尚、前記鋼板Ｓ及びアルミニウム合金板Ａが、本願請求項に記載した「融点が高い方の第１金属板材」及び「融点が低い方の第２金属板材」にそれぞれ相当している。
本実施形態では、例えば、鋼板Ｓの板厚を０．７ｍｍ，アルミニウム合金板Ａの板厚を１．２ｍｍとし、また、鋼板Ｓ表面の亜鉛メッキ（メッキ層Ｍ）の片面目付量を３０〜６０ｇ／ｍ２とした。
【００２３】
図３は、前記接合ガンＧに取り付けられた回転工具１０及び受け具２０の要部を拡大して、前記金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
回転工具１０は、略円柱状の本体部１１と、該本体部１１の先端部における中心から突出する円柱状のピン部１３とを備えている。このピン部１３の回転中心軸は本体部１１の回転中心軸と一致しており、両中心軸は接合ガンＧの接合軸Ｌｇと一致するものである。つまり、前記ピン部１３は、回転工具１０のセンタリング機能を有しているといえる。
【００２４】
また、本体部１１の先端面には、径方向における内方に向かって深くなる凹部１２が形成されている。本体部１１の先端側にこのような凹部１２を設けたことにより、回転工具１０を金属板材に押し込んだ際に、回転工具１０の回転による摩擦熱で軟化し塑性流動する金属板材の材料が外周側に流動して逃げることを抑制し、回転工具１０の加圧力を金属板材に対してより有効に作用させることができる。
【００２５】
本実施形態では、受け具２０の鋼板Ｓを受承する受承面２１（つまり、上端面）が平坦ではなく、この受承面２１に、回転工具１０のピン部１３の先端よりも外径寸法が大きい変形許容部２２が設けられている。この変形許容部２２は、回転工具１０が押し込まれた際に鋼板Ｓの受承面２１側への変位若しくは変形を許容するもので、受承面２１のピン部１３に対向する部位に設けられており、具体的には、受承面２１に開口する凹部２２として形成されている。この凹部２２の開口サイズは、より好ましくは、ピン部１３の先端の外径寸法よりも大きく設定されている。
【００２６】
このような変形許容部が設けられていない従来方法では、例えば図１２〜図１４に示すように、受け具６０の受承面６１は平坦であり、この平坦な受承面６１で鋼板Ｓ及びアルミニウム合金板Ａを順に受承した状態で、回転工具１０を回転させながらアルミニウム合金板Ａ側から押し込むことによって摩擦点接合を行うのであるが、このとき、より高い接合強度を得るために、ピン部１３の先端が両金属板Ａ，Ｓの接合部の界面近くに至るまで回転工具を押し込もうとした場合、ピン部１３の先端が受け具６０側の鋼板Ｓの表面にまで達し（図１３参照）、押し込み側のアルミニウム合金板Ａに鋼板Ｓの母相にまで至る貫通孔Ａｈがあいてしまうことがある。このような貫通孔Ａｈが形成されると、その孔Ａｈに水など溜まり易いこともあり、その部分Ａｈから腐食が生じるという問題がある。
【００２７】
特に、回転工具１０が押し込まれるアルミニウム合金板Ａの板厚が薄い場合（例えば、１ｍｍ程度以下の場合）には、回転工具１０の最大押し込み深さを受け具６０側の鋼板Ｓの表面近傍で制御することは、実際上難しい。このため、ピン部１３の押し込み深さが不足して所要の接合強度が得られないか、或いは、押し込み深さが過剰となって押し込み側の融点が低い方のアルミニウム合金板Ｓ及び亜鉛メッキ層Ｍに貫通孔Ａｈがあいてしまい、耐食性が損なわれる場合が生じることになる。
【００２８】
本実施形態では、前述のように、受け具２０の受承面２１に変形許容部としての凹部２２を設けたことにより、回転工具１０の押し込み深さを確保し、且つ、これが押し込まれる側のアルミニウム合金板Ａに貫通孔があけられしまうことを回避するようにしている。
【００２９】
以下、本実施形態における摩擦点接合について説明する。
図４〜図８は、図３の状態から引き続いて行われる一連の接合工程を示す部分断面説明図である。
まず、図３に示された状態から、図４に示すように、受け具２０の受承面２１で鋼板Ｓ及びアルミニウム合金板Ａを順に受承させるとともに、回転工具１０を回転させながらアルミニウム合金板Ａ側に（つまり、加圧方向に）前進させる。図４に示すように、回転工具１０のピン部１３がアルミニウム合金板Ａの表面に当接し、その押し込みが開始されることにより、ピン部１３の先端を中心にした一定範囲の領域Ｎが、ピン部１３の回転による摩擦熱の作用で軟化し始める。この状態では、受け具２０の凹部２２側への鋼板Ｓの変位はまだ生じていない。
【００３０】
図４の状態から回転工具１０がアルミニウム合金板Ａ内への押し込みが始まると、図５に示すように、本体部１１の先端の外周部でアルミニウム合金板Ａが表面側から剪断され、また、摩擦熱の作用による軟化の領域Ｎ（図４参照）が更に広がるとともに温度も上昇し、亜鉛メッキ層Ｍの拡散が始まり、また、摩擦熱で軟化したアルミニウム合金板Ａの材料が塑性流動し始める。更に、ピン部１３の押し込みにより、鋼板Ｓの受け具２０の前記凹部２２に対応する部分が当該凹部２２側に変位若しくは変形し始める。
【００３１】
このように、鋼板Ｓは、押し込まれる回転工具１０のピン部１３に対応する部分が、受け具２０の凹部２２で変位若しくは変形するので、ピン部１３の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部１３がアルミニウム合金板Ａを貫通して鋼板Ｓの表面に接触することを、比較的容易に防止できる。
【００３２】
尚、アルミニウム合金板Ａの表面には、通常雰囲気下で生成されるアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）の被膜が一般に形成されるが、このアルミニウム酸化被膜Ａｌ２Ｏ３は、比較的脆いので、アルミニウム合金板Ａの材料の塑性流動によって比較的容易に細かく破壊され、アルミニウム合金板Ｓの表面には、新生面（酸化被膜に覆われずアルミニウム合金自体からなる面）が表れる。従って、このアルミニウム酸化被膜Ａｌ２Ｏ３が接合面に存在して接合強度に悪影響を及ぼすことはまずない。
【００３３】
図５の状態から回転工具１０が更に押し込まれると、鋼板Ｓの表面の亜鉛メッキ層Ｍは、その一部はアルミニウム合金板Ａ側に取り込まれるものの、その大部分は、図６において符号Ｍｊで示すように、回転工具１０の押し込みによる加圧力と摩擦熱および塑性流動により、両金属板Ａ，Ｓの接合面の周囲に押し出される。これにより、両金属板Ａ，Ｓの母相どうしが直接に接触し、両者どうしが固相接合されて所要の接合強度を得ることができるようになる。
【００３４】
また、亜鉛メッキ層Ｍの接合面周囲に押し出された部分Ｍｊの直ぐ内側の領域、つまり、回転工具１０の本体部１１の外周部に略対応する領域には、図７に示されるように、亜鉛メッキ層Ｍが若干残存して、亜鉛−アルミニウム−鉄化合物の金属間化合物Ｍｃが生成される場合があるが、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｓとは、前記金属間化合物Ｍｃを介して接合される。つまり、かかる金属間化合物Ｍｃも、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｓの固相接合に寄与するものである。尚、このような金属メッキ層を介した状態下での固相接合の態様は、前述の特願２００３−２７４９８３号で開示されたものと同様である。
【００３５】
このように、上記接合方法においては、回転工具１０の押し込みによってアルミニウム合金板Ａの酸化被膜Ａｌ２Ｏ３が破壊されてアルミニウム合金の新生面が形成され、その直後に（極めて短時間内に）、回転工具１０の押し込みに基づく加圧力，摩擦熱および塑性流動によって亜鉛メッキ層Ｍが接合面から周囲に押し出されて、アルミニウム合金板Ｓと鋼板Ｓの母相どうしが直接に接触することになる。この状態下で摩擦接合が行われることにより、その接合部に酸化被膜やメッキ層Ｍを介在させないようにして、両者の直接的な固相接合の状態で接合することができ、その接合強度を高めることができる。
【００３６】
この後、設定時間が経過すると、図８に示すように、回転工具１０と受け具２０とは、両金属板Ａ，Ｓから離間させられ、次の接合処理まで離間位置で待機するようになっている。
尚、この結果、鋼板Ｓの接合面には、押し込まれたピン部に対応した凹部Ｓｃが形成され、また、その反接合面側（受け具２０で受承された側）には、回転工具１０のピン部１３に対応して受け具２０の受承面２１に形成された凹部２２に対応した凸部Ｓｄが形成されることになる。
【００３７】
以上、説明したように、本実施形態によれば、回転工具１０を押し込んだ際に、鋼板Ｓは、押し込まれる回転工具１０のピン部１３に対応する部分が、受け具２０の凹部２２で変位若しくは変形するので、ピン部１３の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部１３がアルミニウム合金板Ａを貫通して鋼板Ｓの表面に接触することを、比較的容易に防止できる。
すなわち、鋼板Ｓを受ける受け具２０の受承面２１に変形許容部としての凹部２２を設けるだけの比較的簡単な構成で、アルミニウム合金板Ｓへの回転工具１０の所要の押し込み深さを確保し、且つ、当該アルミニウム合金板Ｓに貫通孔があけられてしまうことを回避し、貫通孔の形成によって鋼板Ｓに腐食が生じやすくなることを防止できるのである。
【００３８】
特に、本実施形態では、融点が高い方の金属板材が鋼板Ｓで、融点が低い方の金属板材がアルミニウム合金板Ａであり、かかる組み合わせの金属板材Ａ，Ａどうしの摩擦点接合において、両者Ａ，Ｓの電位差による腐食の発生を有効に抑制することができる。
【００３９】
また、前記変形許容部としての凹部２２がピン部１３先端の外径寸法よりも開口サイズが大きい凹部２２であることにより、鋼板Ｓの凹部２２に対応する部分をより確実に当該凹部２２側に変位させることができる。また、受け具２０の受承面２１に容易に変形許容部を設ける際には、機械加工等の簡単な手段で設けることができる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。尚、以下の説明において、前述の第１の実施形態における場合と、同様の構成を備え同様の作用をなすものについては、同一の符号を付し、それ以上の説明は省略する。
図９は、第２の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる鋼板およびそのプレス型を概略的に示す説明図である。この図に示すように、この第２の実施形態では、融点が高い方の鋼板Ｓ自体に、回転工具１０のピン部１３の押し込み位置に対応した部位に凹部Ｔｃが形成されている。また、鋼板Ｓの反対側の面には、前記凹部Ｔｃに対応した凸部Ｔｄが形成される。このような凹部Ｔｃは、該凹部Ｔｃに対応した凸部３１ｄ及び凹所３２ｃをそれぞれ備えた一対のプレス型３１及び３２を用いてプレス加工をおこなうことにより、容易に形成することができる。
【００４１】
図１０は、第２の実施形態に係る摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。
この図に示すように、鋼板Ｔは前記プレス加工の後に、凹部Ｔｃを形成した側に亜鉛メッキが施され、この亜鉛メッキ層Ｍで覆われた側がアルミニウム合金板Ａと対面するようにして、両金属板材Ａ，Ｓが重ね合わされる。つまり、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｔとは、亜鉛メッキ層Ｍが介在した状態で重ね合わされる。
【００４２】
図１１は、回転工具及び受け具の要部を拡大して、第２の実施形態に係る前記金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
この図に示されるように、受け具４０の受承面４１には、鋼板Ｔの前記凸部Ｔｄに対応した部位に、該凸部Ｔｄを収容し得る凹所４２が形成されている。従って、鋼板Ｔの前記凹部Ｔｃに対応した凸部Ｔｄより外側の領域は、前記凹所４２より外側の受承面４１で確実に受承される。この凹所４２は、回転工具１０のピン部１３に対向した部位に設けられている。従って、鋼板Ｔの凹部Ｔｃは、ピン部１３の押し込み位置に対応した箇所に位置することになる。すなわち、受け具４０に前記凹所４２を設けたことにより、ピン部１３の押し込み位置に対応した部位に凹部Ｔｃが設けられた鋼板Ｔを、容易かつ確実に受けることができる。
【００４３】
この図１１の状態から、受け具４０の受承面４１で鋼板Ｔ及びアルミニウム合金板Ａを順に受承させるとともに、回転工具１０を回転させながらアルミニウム合金板Ａ側に（つまり、加圧方向に）前進させて、第１の実施形態における場合と同様の工程で（図４〜図８参照）摩擦点接合が行われる。
このとき、ピン部１３を有する回転工具１０を回転させながら融点が低い方のアルミニウム合金板Ｓ側から鋼板Ｔの前記凹部Ｔｃに向けて押し込むことにより、鋼板Ｔの前記凹部Ｔｃにアルミニウム合金板Ａの材料が充填され、回転工具１０の押し込みにより発生した摩擦熱でアルミニウム合金板Ａの材料が軟化し塑性流動させられることで、アルミニウム合金板Ａと鋼板Ｔとが接合される。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、アルミニウム合金板Ａの材料は、鋼板Ｔのピン部１３の押し込み位置に対応した部位に形成された前記凹部Ｔｃに充填されるので、ピン部１３の押し込み位置や深さが多少変動しても、当該ピン部１３がアルミニウム合金板Ａを貫通して鋼板Ｔの表面に接触することを、比較的容易に防止できる。つまり、鋼板Ｔに凹部Ｔｃを設けるだけの比較的簡単な構成で、アルミニウム合金板Ａへの回転工具１０の所要の押し込み深さを確保し、且つ、当該アルミニウム合金板Ａに貫通孔があけられてしまうことを回避し、貫通孔の形成によって鋼板Ｔに腐食が生じやすくなることを防止できる。
【００４５】
尚、以上の実施形態は、融点が高い方の金属板材を鋼板とし、融点が低い方の金属板材をアルミニウム合金板としたものであったが、金属板材の組み合わせとしてはかかるものに限定されるものではない。また、融点が高い方の鋼板に施すメッキは亜鉛メッキであったが、かかるメッキに限定されるものではなく、他の種々の金属メッキが適用できる。
また、以上の実施形態では、全体が板状である金属板材どうしを接合する場合についてのものであったが、本発明は、かかる場合に限定されるものではなく、接合されるべき部材は、その接合部が板状であれば足り、必ずしも全体の形状が板状であることを求められるものではない。
【００４６】
このように、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や修正を行うことができるものであることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、異種金属でなる金属板材どうしを摩擦点接合法にて接合するに際して、比較的簡単な構成で、融点が低い方の金属板材への回転工具の押し込み深さを確保し、且つ、当該金属板材に貫通孔があけられしまうことを防止できるようにするものであり、例えば、自動車の車体部材で異種材料の組み合わせのものどうしを接合する場合などに、有効に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。
【図２】前記接合ガンを用いて摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。
【図３】前記接合ガンに取り付けられた回転工具及び受け具の要部を拡大して、前記金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
【図４】前記第１の実施形態に係る摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図５】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図６】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図７】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図８】前記摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る摩擦点接合に用いられる鋼板およびそのプレス型を概略的に示す説明図である。
【図１０】前記第２の実施形態に係る摩擦点接合法により接合される金属板材の組み合わせを示す断面説明図である。
【図１１】回転工具及び受け具の要部を拡大して、前記第２の実施形態に係る金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
【図１２】回転工具及び受け具の要部を拡大して、従来例に係る金属板材の組み合わせと共に示した部分断面説明図である。
【図１３】前記従来例に係る摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【図１４】前記従来例に係る摩擦点接合の一連の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 回転工具
１３ ピン部
２０，４０ 受け具
２１，４１ 受承面
２２ 凹部
４２ 凹所
Ａ アルミニウム合金板
Ｍ 亜鉛メッキ層
Ｓ，Ｔ 鋼板
Ｔｃ （鋼板の）凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、
前記第１金属板材を受承する受承部に、前記ピン部先端よりも外径寸法が大きい変形許容部を備えた受け具を用意するステップと、
前記受け具で前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込むステップと、を備え、
前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記変形許容部に対応する部分を当該変形許容部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合することで、前記押し込まれたピン部に対応した凹部が前記第１金属板に形成される、
ことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項２】
前記変形許容部が、前記ピン部先端の外径寸法よりもサイズが大きい凹部であることを特徴とする請求項１記載の摩擦点接合方法。
【請求項３】
融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、
前記第１金属板材の前記ピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部を形成するステップと、
前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受け具で受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から前記第１金属板材の凹部に向けて押し込むステップと、を備え、
前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記凹部に前記第２金属板材の材料を充填し、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する、
ことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項４】
前記受け具は、前記第１金属板材の前記凹部より外側の接合部分に対応する部分を受承する受承部を備えていることを特徴とする請求項３記載の摩擦点接合方法。
【請求項５】
前記第１金属板材が鋼板であり、前記第２金属板材がアルミニウム合金板であることを特徴とする請求項１又は３に記載の摩擦点接合方法。
【請求項６】
前記鋼板の表面には、防食メッキ層が形成されていることを特徴とする請求項５記載の摩擦点接合方法。
【請求項１】
融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、
前記第１金属板材を受承する受承部に、前記ピン部先端よりも外径寸法が大きい変形許容部を備えた受け具を用意するステップと、
前記受け具で前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込むステップと、を備え、
前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記変形許容部に対応する部分を当該変形許容部側に変位させた状態で、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合することで、前記押し込まれたピン部に対応した凹部が前記第１金属板に形成される、
ことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項２】
前記変形許容部が、前記ピン部先端の外径寸法よりもサイズが大きい凹部であることを特徴とする請求項１記載の摩擦点接合方法。
【請求項３】
融点が比較的高い第１金属板材と融点が比較的低い第２金属板材とを重ね合わせ、先端にピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から押し込み、この回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させることにより、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する摩擦点接合方法において、
前記第１金属板材の前記ピン部の押し込み位置に対応した部位に凹部を形成するステップと、
前記第２金属板材と重ね合わせた前記第１金属板材を受け具で受けると共に、前記ピン部を有する回転工具を回転させながら前記第２金属板材側から前記第１金属板材の凹部に向けて押し込むステップと、を備え、
前記ピン部の押し込みにより、前記第１金属板材の前記凹部に前記第２金属板材の材料を充填し、発生した摩擦熱で前記第２金属板材を軟化せしめて塑性流動させ、前記第１金属板材と第２金属板材とを接合する、
ことを特徴とする摩擦点接合方法。
【請求項４】
前記受け具は、前記第１金属板材の前記凹部より外側の接合部分に対応する部分を受承する受承部を備えていることを特徴とする請求項３記載の摩擦点接合方法。
【請求項５】
前記第１金属板材が鋼板であり、前記第２金属板材がアルミニウム合金板であることを特徴とする請求項１又は３に記載の摩擦点接合方法。
【請求項６】
前記鋼板の表面には、防食メッキ層が形成されていることを特徴とする請求項５記載の摩擦点接合方法。
【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２００６−９５５８５（Ｐ２００６−９５５８５Ａ）
【公開日】平成１８年４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２８７１７７（Ｐ２００４−２８７１７７）
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【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４月１３日（２００６．４．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３０日（２００４．９．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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