摩擦点接合装置
【課題】
異種金属材料同士を重ね合せて摩擦点接合する場合に回転ツールによる金属部材の引きちぎり現象を防止することを課題とする。
【解決手段】
融点が相対的に低い第１金属部材と融点が相対的に高い第２金属部材とを重ね合せ、第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する場合に、接合終了時の接合部において回転ツールの環状の窪みが形成されたショルダ部の周縁部で加圧されていた第１金属部材の部分をせん断するのに必要なトルク、及び該せん断トルクより小さい値の閾値Ｂを算出しておき、接合中に回転ツールの回転軸トルクＡが上記閾値Ｂよりも小さくなるように回転ツールの回転軸トルクＡを制御する。
異種金属材料同士を重ね合せて摩擦点接合する場合に回転ツールによる金属部材の引きちぎり現象を防止することを課題とする。
【解決手段】
融点が相対的に低い第１金属部材と融点が相対的に高い第２金属部材とを重ね合せ、第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する場合に、接合終了時の接合部において回転ツールの環状の窪みが形成されたショルダ部の周縁部で加圧されていた第１金属部材の部分をせん断するのに必要なトルク、及び該せん断トルクより小さい値の閾値Ｂを算出しておき、接合中に回転ツールの回転軸トルクＡが上記閾値Ｂよりも小さくなるように回転ツールの回転軸トルクＡを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦点接合、特に異種の金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の軽量化を図る１つの方策として、自動車のボディ等にアルミニウムやアルミニウム合金（以下総じて単に「アルミ」ということがある）で作製された部材が多く採用されるようになっており、それに伴い、例えばアルミと鉄又はアルミと鋼といった異種の金属部材同士を接合する機会が多くなって、その場合に、異種の金属部材同士を接合する手段として、摩擦点接合が知られている。この摩擦点接合は、例えばアルミニウム合金等の第１金属部材と、該第１金属部材よりも融点の高い例えば鋼等の第２金属部材とを重ね合せてワークとし、このワークに融点の低いほうの第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで、該回転ツールの回転動作と加圧動作とによって発生する摩擦熱により第１金属部材を軟化させ、そののち塑性流動させて、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。
【０００３】
この点に関し、特許文献１には、例えばアルミとアルミといった同種の金属部材を側縁部同士突き合せて回転ツールで摩擦連続接合する場合に、回転ツールを回転軸心回りに回転させる主軸モータの負荷率（主軸モータを流れる電流値）が所定の範囲内におさまるように金属部材への回転ツールの挿入深さを制御して、回転ツールの仕事量（発熱量や攪拌度合い）を安定化させることで、接合状態の安定化を図る技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８０３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えばアルミと鋼といった融点の異なる異種の金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する場合は、例えば空気中の酸素により金属部材の表面に生成している酸化皮膜を接合部において破壊する等して、両金属部材の新生面を露出させることが、固相接合の接合強度を確保するために重要である。そして、そのためには、回転ツールを押し込む側のアルミ部材を十分に軟化させ塑性流動させることが必要となる。しかし、アルミの塑性流動を促進させようとして、アルミがまだ十分軟化していない前に回転ツールをアルミ部材に過度に強く押し込むと、回転ツールのショルダ部（金属部材と当接して金属部材を加圧する部分）と下板である鋼部材との間で挟まれたアルミ部材の残りの厚み（残厚）が過度に薄くなり、その過度に薄くなったアルミのせん断トルク（残厚に対応して設定される）よりも、アルミを塑性流動させようとする回転ツールの回転駆動トルクのほうが大きくなったときには、まだ軟化が不十分で塑性流動性に欠けるアルミ部材を回転ツールで引きちぎってしまうという現象が生じることが見出された。
【０００６】
特に、アルミと鋼といった異種金属部材同士の接合では、塑性流動するアルミが回転ツールの直下から外方へ流出するのを抑制して回転ツールによる加圧力を回転ツールの直下に集中させるために、回転ツールのショルダ部を回転軸心を中心とする環状の窪みが形成された形状（例えば円錐形状や曲面形状等）とすることがあり、そのような場合は、回転ツールのショルダ部の周縁部が鋭角となることに加えて、そのショルダ部の周縁部で加圧される金属部材の部分は、他の部分よりも早いタイミングで残厚が薄くなるから、上記ショルダ部の周縁部で加圧される金属部材の部分において、引きちぎり現象が起こり易い傾向がある。そして、その結果、引きちぎられたアルミが回転ツールのショルダ部に凝着し、ワーク側の接合部においてアルミ部材の欠損が発生して、摩擦点接合の接合強度低下の問題を招いてしまうのである。
【０００７】
本発明は、異種金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する場合における上記のような不具合に対処するもので、回転ツールによる金属部材の引きちぎり現象を防止し、もって摩擦点接合の接合強度低下の問題を解消することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが第１金属部材の残厚に対応させて設定されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中の接合部において上記回転ツールのショルダ部の周縁部で加圧されている第１金属部材の部分をせん断するのに要するトルクを算出するせん断トルク算出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが上記せん断トルク算出手段で算出されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
次に、請求項３に記載の発明は、上記請求項１又は２に記載の発明において、トルク制御手段は、移動手段を制御することにより回転ツールの加圧力を制御して回転ツールの回転駆動トルクを制御することを特徴とする。
【００１１】
そして、請求項４に記載の発明は、上記請求項１から３のいずれかに記載の発明において、第１金属部材はアルミニウム合金であり、第２金属部材は鋼であって、両金属部材を固相状態で接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
まず、請求項１に記載の発明によれば、異種の金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する場合において、回転ツールによる接合中に、該回転ツールの回転駆動トルクが第１金属部材の残厚に対応させて設定されるせん断トルクよりも小さくなるように、該回転ツールの回転駆動トルクを制御するようにしたから、接合中に、回転ツールの回転駆動トルクが、第１金属部材の残厚が例えば最も薄くなる接合終了時のせん断トルク（この接合終了時のせん断トルクは他の条件が同じとして接合中のせん断トルクよりも小さな値となる）を超えることがなくなり、したがって、接合中に回転ツールで第１金属部材を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部における第１金属部材欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００１３】
これに対し、請求項２に記載の発明によれば、回転ツールによる接合中に、該回転ツールのショルダ部の周縁部で加圧されている第１金属部材の部分をせん断するのに必要なトルクを算出し、そして、同じく回転ツールによる接合中に、該回転ツールの回転駆動トルクが上記算出したせん断トルクよりも小さくなるように該回転ツールの回転駆動トルクを制御するようにしたから、上記請求項１に記載の発明と同様、接合中に、回転ツールの回転駆動トルクが、その時点で算出されたせん断トルクを超えることがなくなり、したがって、接合中に回転ツールで第１金属部材を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部における第１金属部材欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００１４】
加えて、この請求項２に記載の発明によれば、接合中に回転ツールで第１金属部材を引きちぎってしまわない範囲内でできるだけ大きなトルクで回転ツールを回転駆動できるから、第１金属部材の軟化及び塑性流動の促進の効果が徒に大きく損なわれることもない。
【００１５】
その場合に、請求項３に記載の発明によれば、回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段を制御することによって回転ツールの加圧力を制御し、その結果、回転ツールの回転駆動トルクを制御するようにしたから、応答性よくかつ簡便に回転ツールの回転駆動トルクを制御することが可能となる。
【００１６】
そして、請求項４に記載の発明によれば、アルミニウム合金部材と鋼部材とを重ね合せたワークにアルミニウム合金部材の側から回転ツールを押し込んでアルミニウム合金部材を軟化及び塑性流動させて両金属部材を固相状態で摩擦点接合する装置において、上記請求項１から３のいずれかに記載の発明で奏される作用効果と同様の作用効果が奏されることとなる。以下、本発明の最良の実施形態を通して、本発明をさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本実施形態に係る摩擦点接合装置１の概略側面図である。この摩擦点接合装置１は、例えば自動車のボディ等に採用されるアルミ部材同士の接合、又はアルミ部材と鋼部材との接合に用いられるもので、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。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ましく使用可能である。
【００１８】
図２及び図３に拡大して示すように、接合ガン１０は、ロボット４０への取付ボックス１１と、該取付ボックス１１の下面から下方に延びるＬ字状のアーム１２と、該アーム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、加圧用モータ１４と、回転用モータ１５とを有し、本体ケース１３の下端部に接合用工具１８の一方である回転ツール１６が具備されている。一方、上記回転ツール１６の直下で該回転ツール１６と対向して上記アーム１２の先端に接合用工具１８の他方である受け具１７が具備されている。
【００１９】
図４にさらに拡大して示すように、本体ケース１３の内部には、上下に平行に延びるネジ軸（昇降軸）２４とスプライン軸（回転軸）２５とがそれぞれ回転自在に備えられている。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、ここで従動プーリ２６，２７が組み付けられている。一方、図５に示すように、上蓋部材２１は、本体ケース１３の上部から本体ケース１３の側方に張り出しており（図３参照）、この張出部に加圧用モータ１４及び回転用モータ１５が固定されている。その場合に、両モータ１４，１５の出力軸１４ａ，１５ａ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、ここで駆動プーリ１４ｂ，１５ｂが組み付けられている。そして、各駆動プーリ１４ｂ，１５ｂと従動プーリ２６，２７との間にそれぞれ動力伝達用のベルト２８，２９が巻き掛けられて、加圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のａ，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。
【００２０】
図４に戻り、ネジ軸２４の螺子部２４ａに昇降ブロック３１が螺合されており、スプライン軸２５のスプライン部２５ａに回転筒体３５がスプライン結合されている。回転筒体３５は、上記昇降ブロック３１に結合部材３２を介して一体に結合された昇降筒体３３の内部に回転自在に備えられている。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、該下方突出部１３ａの下端部には下部カバー２３が備えられて、昇降筒体３３及び回転筒体３５の下端部は上記下部カバー２３を超えて下方に突出している。その場合に、内側の回転筒体３５のほうが外側の昇降筒体３３よりも長く下方に突出し、該回転筒体３５の先端部に取付部材３６が固着されて、該取付部材３６に回転ツール１６が着脱自在（交換自在）に取り付けられている。なお、下部カバー２３と昇降筒体３３の下端部との間に、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が備えられている。
【００２１】
以上により、加圧用モータ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は、昇降体３０（昇降ブロック３１と結合部材３２と昇降筒体３３の一体物をいう）が螺子部２４ａとの螺合によって下降し、昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び回転ツール１６も一緒に下降する。逆に、加圧用モータ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は、昇降体３０が螺子部２４ａとの螺合によって上昇し、昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び回転ツール１６も一緒に上昇する。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同方向ｃに回転し、回転筒体３５に取り付けられた回転ツール１６も一緒に同方向ｃに回転する。図１〜図３には、そのときの回転ツール１６の回転軸心を符号Ｘで示してある。
【００２２】
ここで、加圧用モータ（特許請求の範囲の「移動手段」）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使用可能であり、回転用モータ（特許請求の範囲の「回転手段」）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あるい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く使用可能である。
【００２３】
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は、特に、異種の金属部材（例えばアルミと鋼等）の接合に好適なように設計されており、円柱状の胴体部１６ａの下端面（その輪郭は円形である）が、金属部材と当接して該金属部材を加圧するショルダ部１６ｂとされている。その場合に、ショルダ部１６ｂは、平坦ではなく、所定角度（θ）傾斜して、回転軸心Ｘを中心とする円錐形状に窪んだ形状（特許請求の範囲の「回転軸心を中心とする環状の窪みが形成された」形状の１例：この他、回転軸心Ｘ側に向かって深くなるように傾斜した曲面形状等でもよい）とされている。そして、該ショルダ部１６ｂの中心に円柱状のピン部１６ｃが立設され、該ピン部１６ｃはショルダ部１６ｂの下端部つまりショルダ部１６ｂの周縁部よりも所定長さ（ｈ）だけ下方に突出している。ここで、回転ツール１６の具体的寸法としては、例えば、後述するように（図１４及び図１５参照）、ショルダ部１６ｂの直径が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径が２ｍｍ、ショルダ部１６ｂの傾斜角（θ）が５°〜７°、ピン部１６ｃの突出長さ（ｈ）が０．３５ｍｍ又は０．３ｍｍ等とされる。
【００２４】
図１に示したように、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、加圧用モータ１４及び回転用モータ１５の回転駆動が制御盤５０に内蔵された制御ユニット５０ａ（図１２参照）によって開始、制御又は停止される。
【００２５】
図７に例示するように、本実施形態においては、融点の相対的に低い第１金属部材Ｗ１（例えばアルミ板材）を上板とし、融点の相対的に高い第２金属部材Ｗ２（例えば鋼板材）を下板として重ね合せたワークを図示しない適宜手段によって把持して固定する。次に、このワークに向かって接合ガン１０がロボット４０によって近接されて、回転ツール１６がワークの上方に、受け具１７がワークの下方に位置して接合ガン１０が停止する。そして、まず、接合ガン１０全体が上動することにより、受け具が第２金属部材Ｗ２の下面に当接する。そして、この状態でワークに向かって上方から、つまり第１金属部材Ｗ１の側から、回転ツール１６を回転させながら下降させて押し込み、この回転ツール１６の回転動作と加圧動作とによって発生する摩擦熱で第１金属部材Ｗ１を軟化させ、そののち塑性流動させて、両金属部材Ｗ１，Ｗ２を固相接合する。
【００２６】
このとき、１つの接合部Ｐでの接合が終了すると、回転ツール１６を上昇させ、接合ガン１０全体を下動させ、かつ所定距離だけ水平移動させた後、再び接合ガン１０全体を上動させ、かつ回転ツール１６を下降させて接合を行い、これを繰り返すことにより、第１・第２金属部材Ｗ１，Ｗ２を複数の接合部Ｐ…Ｐで摩擦点接合することができる。
【００２７】
さらに詳しく説明すると、図８に示すように、摩擦点接合動作の初期、つまり回転ツール１６が下降してピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１に接触したときは、その接触部位で摩擦熱Ｈが発生し、周囲に拡散していく。第１金属部材Ｗ１、及び第２金属部材Ｗ２の酸化防止のために第２金属部材Ｗ２の表面に施されている亜鉛メッキ層Ｚは、上記摩擦熱Ｈによって接合部Ｐにおいて軟化し始める。
【００２８】
次に、図９に示すように、摩擦点接合動作の中期、つまり回転ツール１６がさらに下降してショルダ部１６ｂの先端が第１金属部材Ｗ１に突入したときは、ピン部１６ｃの回転及び加圧に加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、第１金属部材Ｗ１は十分に軟化して塑性流動し始める（符号Ａ）。しかも、このとき、回転ツール１６のショルダ部１６ｂが、回転軸心Ｘを中心とする円錐形状に窪んだ形状、すなわち回転軸心Ｘを中心とする環状の窪みが形成された形状とされているから、塑性流動する第１金属部材Ｗ１は、回転ツール１６の直下から外方へ流出するのが抑制され、その結果、回転ツール１６による加圧力が回転ツール１６の直下に集中して、第１金属部材Ｗ１の塑性流動が促進される。
【００２９】
また、回転ツール１６による加圧及び第１金属部材Ｗ１の塑性流動によって、軟化した亜鉛メッキ層Ｚが接合部Ｐから押し出され、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面（第２金属部材Ｗ２の上面）において第２金属部材Ｗ２の新生面が露出すると共に、図示しないが、空気中の酸素により第１金属部材Ｗ１の表面に生成している酸化皮膜が接合部Ｐにおいて破壊され、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面（第１金属部材Ｗ２の下面）において第１金属部材Ｗ１の新生面が露出する。
【００３０】
そして、図１０に示すように、摩擦点接合動作の後期、つまり回転ツール１６がさらに下降してショルダ部１６ｂが第１金属部材Ｗ１に深く突入したときは、回転ツール１６で押し出された金属材料がバリＢとなってワークの表面に隆起すると共に、亜鉛メッキ層Ｚがより一層接合部Ｐから押し出され、また酸化皮膜がより一層破壊されて、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の新生面の露出範囲が拡大する（図中×で表示した範囲）。その結果、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の摩擦点接合（固相接合）の接合強度の向上が図られる。
【００３１】
なお、亜鉛メッキ層Ｚの１部に（符号Ｙ）、第１金属部材Ｗから由来した金属と、亜鉛メッキ層Ｚから由来した金属との金属混合物が生成する。
【００３２】
以上により、図１１に示すように、接合終了後に回転ツール１６を上昇させた後の接合部Ｐにおいては、ワークの表面に、バリＢで囲まれた状態で、ショルダ部１６ｂの痕とピン部１６ｃの痕とが残る。ただし、その場合に、ピン部１６ｃの先端が上板である第１金属部材Ｗ１を突き抜けて下板である第２金属部材Ｗ２に突き当たらないように、回転ツール１６の寸法や板組みＷ１，Ｗ２に応じて、接合条件が調整されている（図１４及び図１５参照）。さもないと、第１金属部材Ｗ１にピン部１６ｃで孔が開いてしまい、接合強度不足あるいは電気腐食等の不具合が生じてしまうからである。
【００３３】
なお、上記例では、第２金属部材Ｗ２に酸化防止用の亜鉛メッキ層Ｚを形成したものを用いたが、これに代えて、亜鉛メッキ層を形成することなく、第２金属部材Ｗ２に生成した酸化皮膜を予め研摩・研削等により除去した後に、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを固相接合するようにしてもよい。
【００３４】
次に、本発明の特徴部分を説明する。図１２は、本実施形態に係る摩擦点接合装置１の制御システム図である。制御盤５０に制御ユニット５０ａが内蔵されており、この制御ユニット５０ａは、加圧用モータ１４から昇降軸２４の回転角（ω）信号を入力し、加圧用モータ１４へ加圧制御信号を出力する。また、回転用モータ１５から負荷電流（Ｉ）信号、つまり回転軸２５の回転駆動トルク（Ａ）信号を入力し、回転用モータ１５へ回転制御信号を出力する。加えて、制御ユニット５０ａは、例えば制御盤５０に具備された入力装置５０ｂから次に説明する各種設定値を入力する。
【００３５】
ここで、加圧用モータ１４の回転角（ω）を制御することにより回転ツール１６の加圧力を変更することができ、回転用モータ１５の回転速度を制御することにより回転ツール１６の回転数を変更することができることはいうまでもない。
【００３６】
図１３は、上記制御ユニット（特許請求の範囲の「トルク検出手段」、「せん断トルク算出手段」及び「トルク制御手段」）５０ａが行う摩擦点接合動作の第１例を示すフローチャートである。すなわち、制御ユニット５０ａは、ステップＳ１で、各種設定値を初期入力する。ここで、初期入力する設定値としては、回転ツール１６の型番（回転ツール１６の寸法、形状、材質等）、アルミ板材Ｗ１の種類（アルミ板材Ｗ１の材質、厚さ、表面状態、メッキの有無等）、及び接合条件（回転ツール１６の加圧力、回転数、接合時間等）に加えて、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔが含まれる。ここで、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔは、図１１に示したように、接合終了時の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていたアルミ板材Ｗ１の部分の残厚であり（この接合終了時の残厚は接合中のいかなる残厚よりも小さな値となる）、その値は予め実験により求めておくことができる。
【００３７】
そして、この場合、各種設定値の初期入力は、摩擦点接合を開始する前に、作業者が上記入力装置５０ｂを用いて手動で入力してもよいし、あるいは予め各種設定値を制御ユニット５０ａの記録装置（メモリ等：図示せず）に登録しておいて、摩擦点接合の開始時に設定値を指定して上記記録装置から呼び出すようにしてもよい。
【００３８】
次いで、ステップＳ２で、上記各種設定値に基いて、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦを算出する（「せん断トルク算出手段」としての動作）。ここで、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦは、図１１に示したように、接合終了時の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていたアルミ板材Ｗ１の部分のせん断トルクであり（この接合終了時のせん断トルクは接合中のいかなるせん断トルクよりも小さな値となる）、その値はショルダ部１６ｂの直径や上記接合部Ｐのアルミ残厚Ｔ等から求められる。
【００３９】
次いで、ステップＳ３で、上記せん断トルクＦ及び所定の安全率に基いて、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクの閾値Ｂを算出する。ここで、安全率は、閾値Ｂの値をせん断トルクＦの値よりも小さくするように働く係数である。
【００４０】
次いで、ステップＳ４で、接合動作を開始する。つまり、回転ツール１６を回転させながら下降を開始する。
【００４１】
次いで、ステップＳ５で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入したか否かを判定する。つまり、前述の図９のように、小径のピン部１６ｃに加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が可能な状態になったか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ５の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ６に進む。
【００４２】
なお、このステップＳ５の判定を行うには、ワークの高さ位置（ｚ軸座標）と、回転ツール１６の高さ位置（ｚ軸座標）とを知る必要があるが、前者は、第１金属部材Ｗ１の厚みと第２金属部材Ｗ２の厚みとから既知であり、また後者は、ｚ軸座標の基準点に対する加圧用モータ１４の回転角（ω）と回転ツール１６の寸法とから検出できる。
【００４３】
次いで、ステップＳ６で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入した後、所定時間ｔが経過したか否かを判定する。つまり、前述の図９のように、小径のピン部１６ｃに加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が開始したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ６の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ７に進む。
【００４４】
次いで、ステップＳ７で、回転用モータ１５の負荷電流Ｉに基いて、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを算出する（「トルク検出手段」としての動作）。
【００４５】
次いで、ステップＳ８で、回転軸２５トルクＡが、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂよりも小さいか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、そのままステップＳ９に進み、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ１０を経由してステップＳ９に進む。
【００４６】
回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいと判定されたステップＳ９では、接合終了か否かを判定する。つまり、接合条件のうちの接合時間（図１４及び図１５参照）が経過したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、エンドとなり、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ７に戻る。
【００４７】
一方、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも大きいと判定されたステップＳ１０では、加圧用モータ１４を制御して回転ツール１６の加圧力を所定量Δだけ減少する（「トルク制御手段」としての動作）。つまり、移動手段である加圧用モータ１４を制御することで（この場合は図５におけるｂ方向に回転させることで）、回転ツール１６の加圧力を制御し（この場合は減少させ）、その結果、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを制御する（この場合は減少させる）のである。
【００４８】
図１４及び図１５は、上記図１３の摩擦点接合動作第１例に従って行ったテスト１及びテスト２における具体的な各種設定値をまとめたものである。まず、板組みについてみると、図１４のテスト１及び図１５のテスト２共に、第１金属部材である上板Ｗ１を６０００系のアルミニウム合金板とし、第２金属部材である下板Ｗ２を亜鉛メッキ鋼鈑とした。ただし、上板Ｗ１の厚みについては、テスト１では１．４ｍｍ、テスト２では０．７ｍｍと異ならせた。また、下板Ｗ２の厚みについても、テスト１では１．０ｍｍ、テスト２では１．２ｍｍと異ならせた。
【００４９】
次に、回転ツール１６の寸法についてみると、回転ツール１６を押し込む側のアルミ板材Ｗ１が相対的に厚い（１．４ｍｍ）テスト１では、ピン部１６ｃの突出長さ（ｈ）が０．３５ｍｍと相対的に長い回転ツール１６を用い、アルミ板材Ｗ１が相対的に薄い（０．７ｍｍ）テスト２では、ピン部１６ｃの突出長さ（ｈ）が０．３ｍｍと相対的に短い回転ツール１６を用いた。その他の仕様は同じである。
【００５０】
そして、接合条件として２段加圧を採用した。つまり、接合動作中、常に同じ加圧力及び同じ回転数で回転ツール１６を操作するのではなく、第１段（ピン部１６ｃがワークに接触してからショルダ部１６ｂがワークに接触するまでの期間）は、相対的に低い加圧力（図例では１．４７ｋＮ）かつ高い回転数（同３，５００ｒｐｍ）で回転ツール１６をワークに押し込み（テスト１では接合時間は１．０秒、テスト２では１．５秒）、そして第２段（ショルダ部１６ｂがワークに接触してからショルダ部１６ｂが所定の深さまでワークに突入するまでの期間）は、相対的に高い加圧力（テスト１では３．９２ｋＮ、テスト２では２．４５ｋＮ）かつ低い回転数（テスト１では２，５００ｒｐｍ、テスト２では２，８００ｒｐｍ）で回転ツール１６をワークに押し込む（テスト１では接合時間は１．５４秒、テスト２では３．２４秒）ようにしたのである。
【００５１】
図１６及び図１７は、上記摩擦点接合テスト１及びテスト２における回転軸２５トルクＡの変化を示すタイムチャートである。時間軸の「０」が第１段の開始時刻、つまりピン部１６ｃの先端がワークに初めて接触した時刻である。
【００５２】
テスト１では第１段の接合時間が１．０秒であるから、時間軸の「１」が、またテスト２では第１段の接合時間が１．５秒であるから、時間軸の「１．５」が、それぞれ、第１段の終了時刻かつ第２段の開始時刻、つまりショルダ部１６ｂの先端（より詳しくは、ショルダ部１６ｂの周縁部の先端）がワークに初めて接触した時刻となる（図１３のステップＳ５でＹＥＳと判定される時刻）。
【００５３】
そして、上記時刻から所定時間ｔが経過した以降は、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの図１３のステップＳ８の判定を行うのであるが、テスト１及びテスト２共に、上記所定時間ｔは０．５秒とした。つまり、ショルダ部１６ｂがワークへ突入してから０．５秒が経過するまでには第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が開始するとの前提である。
【００５４】
そして、テスト１では第２段の接合時間が１．５４秒であるから、時間軸の「２．５４」が、またテスト２では第２段の接合時間が３．２４秒であるから、時間軸の「４．７４」が、それぞれ、第２段の終了時刻、つまり接合終了時刻となる（図１３のステップＳ９でＹＥＳと判定される時刻）。そして、この接合終了時刻まで継続して図１３のステップＳ７の回転軸２５トルクＡの算出、ステップＳ８の回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの判定、及びステップＳ１０の加圧用モータ１４の制御が繰り返し行われることとなる。
【００５５】
そして、テスト１及びテスト２共に、第２段の開始初期には回転軸２５トルクＡが上昇している。これは、まだ軟化が不十分で硬い状態の第１金属部材Ｗ１に回転ツール１６のショルダ部１６ｂを第２段の高い加圧力で押し込んで突入させたからである。しかしながら、時間の経過に伴い、第１金属部材Ｗ１は軟化が進み、柔らかくなって、ついには塑性流動し始める。図中「接合良好」と表示した実線で、所定時間ｔが経過するまでに、回転軸２５トルクＡが急減して、閾値Ｂよりも小さくなっているのは、そのためである（この場合、図１３のステップＳ８でＮＯと判定されることは１度もない）。つまり、ショルダ部１６ｂがワークへ突入してから０．５秒が経過するまでには第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が開始するという前述の前提通りに図１３の摩擦点接合が推移したのである。この場合、第１金属部材（アルミ板材）Ｗ１は、接合部Ｐにおいて回転ツール１６（特にショルダ部１６ｂの鋭角な周縁部）で引きちぎられることがなく、したがって、接合部Ｐにおいて第１金属部材Ｗ１の欠損が発生して摩擦点接合の接合強度が低下するというような問題は生じない。
【００５６】
これに対し、図１６及び図１７で「接合不良」と表示した破線のように、所定時間ｔが経過した後も、回転軸２５トルクＡが下がりきらず、長時間に亘って閾値Ｂよりも大きい状態に維持される場合がある。これは、何等かの理由で、ショルダ部１６ｂの突入後も、第１金属部材Ｗ１の軟化が進まず、第１金属部材Ｗ１が硬く塑性流動性に欠けたままになったからである。このような場合は、上記「接合良好」の場合とは逆に、第１金属部材（アルミ板材）Ｗ１は、接合部Ｐにおいて回転ツール１６（特にショルダ部１６ｂの鋭角な周縁部）で引きちぎられ、したがって、接合部Ｐにおいて第１金属部材Ｗ１の欠損が発生して摩擦点接合の接合強度が低下するという問題が生じる。
【００５７】
そこで、テスト１及びテスト２共に、判定開始時刻から接合終了時刻まで、継続して、図１３のステップＳ７の算出、ステップＳ８の判定、及びステップＳ１０の制御を繰り返し行うことにより、図１６及び図１７で「トルク制御」と表示した鎖線のように、判定開始時刻（所定時間ｔが経過した時刻）においてもまだ大きい値に留まっていた回転軸２５トルクＡを、判定開始後に、速やかに、閾値Ｂよりも小さい状態に低下させることができたのである。もちろん、この場合の回転軸２５トルクＡの低下速度はステップＳ１０の減少所定量Δに依存する。
【００５８】
このように、図１３のステップＳ２で、接合終了時の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていた第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに必要なトルクＦを算出しておき、さらに、ステップＳ３で、上記せん断トルクＦと安全率とから、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクの閾値Ｂを算出しておき、そして、回転ツール１６による接合中に、ステップＳ８及びステップＳ１０で、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクが上記算出した閾値Ｂよりも小さくなるように、加圧用モータ１４を制御して回転ツール１６の加圧力を所定量Δだけ減少するようにしたから、接合中に、回転ツール１６の回転駆動トルクが、第１金属部材Ｗ１の残厚Ｔ（図１１参照）が最も薄くなる接合終了時のせん断トルク（この接合終了時のせん断トルクは他の条件が同じとして接合中のせん断トルクよりも小さな値となる）を超えることがなく、したがって、接合中に回転ツール１６で第１金属部材Ｗ１を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部Ｐにおける第１金属部材Ｗ１欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００５９】
しかも、その場合に、図１３のステップＳ１０で、回転ツール１６を回転軸心Ｘ方向に進退移動させる移動手段（加圧用モータ１４）を制御することによって回転ツール１６の加圧力を制御し、その結果、回転ツール１６の回転駆動トルクを制御するようにしたから、応答性よくかつ簡便に回転ツール１６の回転駆動トルクを制御することが可能となる。
【００６０】
なお、図１６及び図１７において、閾値Ｂが時間軸の「０」（第１段の開始時刻）よりも前から発生しているのは、図１３のステップＳ４の接合動作開始の前に、ステップＳ１〜Ｓ３で、閾値Ｂがすでに算出されていることを表している（ステップＳ４の接合動作開始の時刻でさえ時間軸の「０」より前にある）。
【００６１】
次に、図１８は、上記制御ユニット５０ａが行う摩擦点接合動作の第２例を示すフローチャートである。この接合動作第２例と先の図１３の第１例との違いは、第１例では、接合終了時の接合部Ｐにおいて回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていた第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに要するトルクＦ及び閾値Ｂを、接合動作開始（ステップＳ４）の前に予め算出しておいた（ステップＳ１〜Ｓ３）のに対し、この第２例では、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されている第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに必要なトルクＦ及び閾値Ｂを、接合動作中に毎回算出する（ステップＳ２６〜Ｓ２８）点である。
【００６２】
すなわち、制御ユニット５０ａは、ステップＳ２１で、各種設定値を初期入力する。ここで、初期入力する設定値としては、回転ツール１６の型番（回転ツール１６の寸法、形状、材質等）、アルミ板材Ｗ１の種類（アルミ板材Ｗ１の材質、厚さ、表面状態、メッキの有無等）、及び接合条件（回転ツール１６の加圧力、回転数、接合時間等）が含まれる。図１３の第１例と異なり、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔは含まれない。
【００６３】
次いで、ステップＳ２２で、接合動作を開始する。
【００６４】
次いで、ステップＳ２３で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ２３の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ２４に進む。
【００６５】
次いで、ステップＳ２４で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入した後、所定時間ｔが経過したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ２４の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ２５に進む。
【００６６】
次いで、ステップＳ２５で、回転用モータ１５の負荷電流Ｉに基いて、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを算出する（「トルク検出手段」としての動作）。
【００６７】
次いで、ステップＳ２６で、回転ツール１６の沈み込み深さに基いて、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔを検出する。つまり、ワークの高さ位置（ｚ軸座標）と回転ツール１６の高さ位置（ｚ軸座標）とから、接合中において、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部でいま現に加圧されている第１金属部材Ｗ１の部分の残厚Ｔを算出するのである（この接合中の残厚は接合終了時の残厚よりも大きな値となる）。
【００６８】
なお、このステップＳ２６の検出を行うには、ワークの高さ位置（ｚ軸座標）と、回転ツール１６の高さ位置（ｚ軸座標）とを知る必要があるが、前者は、第１金属部材Ｗ１の厚みと第２金属部材Ｗ２の厚みとから既知であり、また後者は、ｚ軸座標の基準点に対する加圧用モータ１４の回転角（ω）と回転ツール１６の寸法とから検出できる。
【００６９】
次いで、ステップＳ２７で、上記各種設定値（ステップＳ２１で初期入力されたもの）及びアルミ残厚Ｔ（ステップＳ２６で検出されたもの）に基いて、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦを算出する（「せん断トルク算出手段」としての動作）。ここで、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦは、接合中の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部でいま現に加圧されているアルミ板材Ｗ１の部分のせん断トルクであり（この接合中のせん断トルクは接合終了時のせん断トルクよりも大きな値となる）、その値はショルダ部１６ｂの直径や上記接合部Ｐのアルミ残厚Ｔ等から求められる。
【００７０】
次いで、ステップＳ２８で、上記せん断トルクＦ及び所定の安全率に基いて、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクの閾値Ｂを算出する。
【００７１】
次いで、ステップＳ２９で、回転軸２５トルクＡが、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂよりも小さいか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、そのままステップＳ３０に進み、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ３１を経由してステップＳ３０に進む。
【００７２】
回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいと判定されたステップＳ３０では、接合終了か否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、エンドとなり、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ２５に戻る。
【００７３】
一方、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも大きいと判定されたステップＳ３１では、加圧用モータ１４を制御して回転ツール１６の加圧力を所定量Δだけ減少する（「トルク制御手段」としての動作）。つまり、移動手段である加圧用モータ１４を制御することで（この場合は図５におけるｂ方向に回転させることで）、回転ツール１６の加圧力を制御し（この場合は減少させ）、その結果、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを制御する（この場合は減少させる）のである。
【００７４】
図１９は、上記摩擦点接合動作の第２例における回転軸２５トルクＡの変化を示すタイムチャートである。先の第１例と同様、時間軸の「０」が第１段の開始時刻で、第２段の開始時刻から所定時間ｔが経過したときに、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの図１８のステップＳ２９の判定が開始される。そして、上記閾値Ｂは、上記判定開始時刻（所定時間ｔが経過した時刻）より以降で発生する。ここで、上記閾値Ｂが時間の経過に伴い減少していくのは、回転ツール１６の第２段の高い加圧力によってアルミ残厚Ｔが次第に薄くなっていくからである。
【００７５】
このように、判定開始時刻から接合終了時刻まで、継続して、図１８のステップＳ２５の回転軸２５トルクＡの算出、ステップＳ２６のアルミ残厚Ｔの検出、ステップＳ２７のせん断トルクＦの算出、ステップＳ２８の閾値Ｂの算出、ステップＳ２９の回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの判定、及びステップ３１の加圧用モータ１４の制御を繰り返し行うことにより、図１９で「トルク制御」と表示した鎖線のように、判定開始時刻においてもまだ大きい値に留まっていた回転軸２５トルクＡを、判定開始後に、速やかに、閾値Ｂよりも小さい状態に低下させることができた。ただし、図例では、前述したように閾値Ｂが時間の経過に伴い減少することに起因して、接合終了時刻までに、途中で、回転軸２５トルクＡをもう１度低下させている。
【００７６】
すなわち、この摩擦点接合動作第２例では、回転ツール１６による接合中に（ステップＳ２２以降に）、該回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されている第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに必要なトルクＦ及び閾値Ｂを算出し（ステップＳ２７〜Ｓ２８）、そして、同じく回転ツール１６による接合中に（ステップＳ２２以降に）、該回転ツール１６の回転駆動トルクが上記算出したせん断トルクＦないし閾値Ｂよりも小さくなるように該回転ツール１６の回転駆動トルクを制御するようにしたから（ステップＳ２９，Ｓ３１）、先の第１例と同様、接合中に、回転ツール１６の回転駆動トルクが、その時点で算出されたせん断トルクＦないし閾値Ｂ（ここで前述したように閾値Ｂは安全率によってせん断トルクＦより小さい値に算出されている）を超えることがなく、したがって、接合中に回転ツール１６で第１金属部材Ｗ１を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部Ｐにおける第１金属部材Ｗ１欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００７７】
加えて、この第２例では、接合中に回転ツール１６で第１金属部材Ｗ１を引きちぎってしまわない範囲内でできるだけ大きなトルクで回転ツール１６を回転駆動できるから、第１金属部材Ｗ１の軟化及び塑性流動の促進の効果が徒に大きく損なわれることもない。つまり、図１９の「トルク制御」の鎖線の変化において、閾値Ｂが時間の経過に伴い減少することに起因して接合終了時刻までに途中で回転軸２５トルクＡをもう１度低下させていると前述したのは、この表れであって、判定開始初期においては回転ツール１６の回転駆動トルクの下げ幅が第１例に比べて少なくて済んでいるのである。
【００７８】
換言すれば、この第２例では、閾値Ｂは、判定開始初期においては比較的大きい値に算出されるので（アルミ残厚Ｔが比較的大きいから）、回転ツール１６の回転駆動トルクも比較的大きくできるのである。これに対し、第１例では、閾値Ｂは、判定開始初期から比較的小さい値に算出されるので（アルミ残厚Ｔが接合終了時のアルミ残厚であって小さいから）、回転ツール１６の回転駆動トルクも比較的小さくしなければならないのである。
【００７９】
なお、上記実施形態は、本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、なお種々の修正・変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、摩擦点接合装置１は、接合ガン１０をロボット４０の手首に備える構成であったが、これに代えて、例えば接合ガン１０をフレームで下垂状態に支持し、かつ接合ガン１０をレールに沿って水平移動自在として、この接合ガン１０の動きで複数の接合部Ｐ…Ｐでの摩擦点接合が可能な構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明によれば、異種金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合をする場合に、回転ツールによる金属部材の引きちぎり現象を防止することができ、その結果、摩擦点接合の接合強度低下の問題を解消することができる。本発明は、回転ツールを高回転・高圧力で接合部に押し込む方式の摩擦点接合の技術分野において幅広い産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態に係る摩擦点接合装置の概略側面図である。
【図２】上記摩擦点接合装置における接合ガン周辺の拡大側面図である。
【図３】同じく上記摩擦点接合装置における接合ガン周辺の拡大正面図である。
【図４】図２と同方向からの上記接合ガンの本体ケースの内部構成を示す拡大断面図である。
【図５】図４のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【図６】上記摩擦点接合装置に採用される回転ツールの先端構造を示す拡大図である。
【図７】上記摩擦点接合装置の回転ツールと受け具とにより重ね合せた２枚の金属部材を複数の接合部で摩擦点接合する動作を示す斜視図である。
【図８】上記摩擦点接合装置の回転ツールを押し込んで重ね合せた２枚の金属部材を摩擦点接合する動作の初期を示す拡大断面図である。
【図９】同じく摩擦点接合する動作の中期を示す拡大断面図である。
【図１０】同じく摩擦点接合する動作の終期を示す拡大断面図である。
【図１１】上記摩擦点接合の接合部を示す拡大断面図である。
【図１２】上記摩擦点接合装置の制御システム図である。
【図１３】図１２の制御システム図に表れる制御ユニットが行う摩擦点接合動作の第１例を示すフローチャートである。
【図１４】上記摩擦点接合装置を用いて行う摩擦点接合テスト１の接合条件、ツール寸法及び板組みを示すテーブルである。
【図１５】同じく摩擦点接合テスト２の接合条件、ツール寸法及び板組みを示すテーブルである。
【図１６】上記摩擦点接合テスト１における回転軸トルクの変化を示すタイムチャートである。
【図１７】同じく摩擦点接合テスト２における回転軸トルクの変化を示すタイムチャートである。
【図１８】図１２の制御システム図に表れる制御ユニットが行う摩擦点接合動作の第２例を示すフローチャートである。
【図１９】上記摩擦点接合動作の第２例における回転軸トルクの変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１ 摩擦点接合装置
１０ 接合ガン
１４ 加圧用モータ（移動手段）
１５ 回転用モータ（回転手段）
１６ 回転ツール
１６ｂ ショルダ部
１６ｃ ピン部
１７ 受け具
２４ ネジ軸（昇降軸）
２５ スプライン軸（回転軸）
４０ ロボット
５０ 制御盤
５０ａ 制御ユニット（トルク検出手段、せん断トルク算出手段、トルク制御手段）
Ｐ 接合部
Ｔ 残厚
Ｗ１ 第１金属部材
Ｗ２ 第２金属部材
Ｘ 回転軸心
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦点接合、特に異種の金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の軽量化を図る１つの方策として、自動車のボディ等にアルミニウムやアルミニウム合金（以下総じて単に「アルミ」ということがある）で作製された部材が多く採用されるようになっており、それに伴い、例えばアルミと鉄又はアルミと鋼といった異種の金属部材同士を接合する機会が多くなって、その場合に、異種の金属部材同士を接合する手段として、摩擦点接合が知られている。この摩擦点接合は、例えばアルミニウム合金等の第１金属部材と、該第１金属部材よりも融点の高い例えば鋼等の第２金属部材とを重ね合せてワークとし、このワークに融点の低いほうの第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで、該回転ツールの回転動作と加圧動作とによって発生する摩擦熱により第１金属部材を軟化させ、そののち塑性流動させて、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。
【０００３】
この点に関し、特許文献１には、例えばアルミとアルミといった同種の金属部材を側縁部同士突き合せて回転ツールで摩擦連続接合する場合に、回転ツールを回転軸心回りに回転させる主軸モータの負荷率（主軸モータを流れる電流値）が所定の範囲内におさまるように金属部材への回転ツールの挿入深さを制御して、回転ツールの仕事量（発熱量や攪拌度合い）を安定化させることで、接合状態の安定化を図る技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８０３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えばアルミと鋼といった融点の異なる異種の金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する場合は、例えば空気中の酸素により金属部材の表面に生成している酸化皮膜を接合部において破壊する等して、両金属部材の新生面を露出させることが、固相接合の接合強度を確保するために重要である。そして、そのためには、回転ツールを押し込む側のアルミ部材を十分に軟化させ塑性流動させることが必要となる。しかし、アルミの塑性流動を促進させようとして、アルミがまだ十分軟化していない前に回転ツールをアルミ部材に過度に強く押し込むと、回転ツールのショルダ部（金属部材と当接して金属部材を加圧する部分）と下板である鋼部材との間で挟まれたアルミ部材の残りの厚み（残厚）が過度に薄くなり、その過度に薄くなったアルミのせん断トルク（残厚に対応して設定される）よりも、アルミを塑性流動させようとする回転ツールの回転駆動トルクのほうが大きくなったときには、まだ軟化が不十分で塑性流動性に欠けるアルミ部材を回転ツールで引きちぎってしまうという現象が生じることが見出された。
【０００６】
特に、アルミと鋼といった異種金属部材同士の接合では、塑性流動するアルミが回転ツールの直下から外方へ流出するのを抑制して回転ツールによる加圧力を回転ツールの直下に集中させるために、回転ツールのショルダ部を回転軸心を中心とする環状の窪みが形成された形状（例えば円錐形状や曲面形状等）とすることがあり、そのような場合は、回転ツールのショルダ部の周縁部が鋭角となることに加えて、そのショルダ部の周縁部で加圧される金属部材の部分は、他の部分よりも早いタイミングで残厚が薄くなるから、上記ショルダ部の周縁部で加圧される金属部材の部分において、引きちぎり現象が起こり易い傾向がある。そして、その結果、引きちぎられたアルミが回転ツールのショルダ部に凝着し、ワーク側の接合部においてアルミ部材の欠損が発生して、摩擦点接合の接合強度低下の問題を招いてしまうのである。
【０００７】
本発明は、異種金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する場合における上記のような不具合に対処するもので、回転ツールによる金属部材の引きちぎり現象を防止し、もって摩擦点接合の接合強度低下の問題を解消することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが第１金属部材の残厚に対応させて設定されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中の接合部において上記回転ツールのショルダ部の周縁部で加圧されている第１金属部材の部分をせん断するのに要するトルクを算出するせん断トルク算出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが上記せん断トルク算出手段で算出されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
次に、請求項３に記載の発明は、上記請求項１又は２に記載の発明において、トルク制御手段は、移動手段を制御することにより回転ツールの加圧力を制御して回転ツールの回転駆動トルクを制御することを特徴とする。
【００１１】
そして、請求項４に記載の発明は、上記請求項１から３のいずれかに記載の発明において、第１金属部材はアルミニウム合金であり、第２金属部材は鋼であって、両金属部材を固相状態で接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
まず、請求項１に記載の発明によれば、異種の金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合する場合において、回転ツールによる接合中に、該回転ツールの回転駆動トルクが第１金属部材の残厚に対応させて設定されるせん断トルクよりも小さくなるように、該回転ツールの回転駆動トルクを制御するようにしたから、接合中に、回転ツールの回転駆動トルクが、第１金属部材の残厚が例えば最も薄くなる接合終了時のせん断トルク（この接合終了時のせん断トルクは他の条件が同じとして接合中のせん断トルクよりも小さな値となる）を超えることがなくなり、したがって、接合中に回転ツールで第１金属部材を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部における第１金属部材欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００１３】
これに対し、請求項２に記載の発明によれば、回転ツールによる接合中に、該回転ツールのショルダ部の周縁部で加圧されている第１金属部材の部分をせん断するのに必要なトルクを算出し、そして、同じく回転ツールによる接合中に、該回転ツールの回転駆動トルクが上記算出したせん断トルクよりも小さくなるように該回転ツールの回転駆動トルクを制御するようにしたから、上記請求項１に記載の発明と同様、接合中に、回転ツールの回転駆動トルクが、その時点で算出されたせん断トルクを超えることがなくなり、したがって、接合中に回転ツールで第１金属部材を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部における第１金属部材欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００１４】
加えて、この請求項２に記載の発明によれば、接合中に回転ツールで第１金属部材を引きちぎってしまわない範囲内でできるだけ大きなトルクで回転ツールを回転駆動できるから、第１金属部材の軟化及び塑性流動の促進の効果が徒に大きく損なわれることもない。
【００１５】
その場合に、請求項３に記載の発明によれば、回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段を制御することによって回転ツールの加圧力を制御し、その結果、回転ツールの回転駆動トルクを制御するようにしたから、応答性よくかつ簡便に回転ツールの回転駆動トルクを制御することが可能となる。
【００１６】
そして、請求項４に記載の発明によれば、アルミニウム合金部材と鋼部材とを重ね合せたワークにアルミニウム合金部材の側から回転ツールを押し込んでアルミニウム合金部材を軟化及び塑性流動させて両金属部材を固相状態で摩擦点接合する装置において、上記請求項１から３のいずれかに記載の発明で奏される作用効果と同様の作用効果が奏されることとなる。以下、本発明の最良の実施形態を通して、本発明をさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本実施形態に係る摩擦点接合装置１の概略側面図である。この摩擦点接合装置１は、例えば自動車のボディ等に採用されるアルミ部材同士の接合、又はアルミ部材と鋼部材との接合に用いられるもので、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。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ましく使用可能である。
【００１８】
図２及び図３に拡大して示すように、接合ガン１０は、ロボット４０への取付ボックス１１と、該取付ボックス１１の下面から下方に延びるＬ字状のアーム１２と、該アーム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、加圧用モータ１４と、回転用モータ１５とを有し、本体ケース１３の下端部に接合用工具１８の一方である回転ツール１６が具備されている。一方、上記回転ツール１６の直下で該回転ツール１６と対向して上記アーム１２の先端に接合用工具１８の他方である受け具１７が具備されている。
【００１９】
図４にさらに拡大して示すように、本体ケース１３の内部には、上下に平行に延びるネジ軸（昇降軸）２４とスプライン軸（回転軸）２５とがそれぞれ回転自在に備えられている。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、ここで従動プーリ２６，２７が組み付けられている。一方、図５に示すように、上蓋部材２１は、本体ケース１３の上部から本体ケース１３の側方に張り出しており（図３参照）、この張出部に加圧用モータ１４及び回転用モータ１５が固定されている。その場合に、両モータ１４，１５の出力軸１４ａ，１５ａ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、ここで駆動プーリ１４ｂ，１５ｂが組み付けられている。そして、各駆動プーリ１４ｂ，１５ｂと従動プーリ２６，２７との間にそれぞれ動力伝達用のベルト２８，２９が巻き掛けられて、加圧用モータ１４の回転によりネジ軸２４が図５のａ，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。
【００２０】
図４に戻り、ネジ軸２４の螺子部２４ａに昇降ブロック３１が螺合されており、スプライン軸２５のスプライン部２５ａに回転筒体３５がスプライン結合されている。回転筒体３５は、上記昇降ブロック３１に結合部材３２を介して一体に結合された昇降筒体３３の内部に回転自在に備えられている。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、該下方突出部１３ａの下端部には下部カバー２３が備えられて、昇降筒体３３及び回転筒体３５の下端部は上記下部カバー２３を超えて下方に突出している。その場合に、内側の回転筒体３５のほうが外側の昇降筒体３３よりも長く下方に突出し、該回転筒体３５の先端部に取付部材３６が固着されて、該取付部材３６に回転ツール１６が着脱自在（交換自在）に取り付けられている。なお、下部カバー２３と昇降筒体３３の下端部との間に、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が備えられている。
【００２１】
以上により、加圧用モータ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は、昇降体３０（昇降ブロック３１と結合部材３２と昇降筒体３３の一体物をいう）が螺子部２４ａとの螺合によって下降し、昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び回転ツール１６も一緒に下降する。逆に、加圧用モータ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は、昇降体３０が螺子部２４ａとの螺合によって上昇し、昇降筒体３３に内装された回転筒体３５及び回転ツール１６も一緒に上昇する。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同方向ｃに回転し、回転筒体３５に取り付けられた回転ツール１６も一緒に同方向ｃに回転する。図１〜図３には、そのときの回転ツール１６の回転軸心を符号Ｘで示してある。
【００２２】
ここで、加圧用モータ（特許請求の範囲の「移動手段」）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使用可能であり、回転用モータ（特許請求の範囲の「回転手段」）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あるい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く使用可能である。
【００２３】
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は、特に、異種の金属部材（例えばアルミと鋼等）の接合に好適なように設計されており、円柱状の胴体部１６ａの下端面（その輪郭は円形である）が、金属部材と当接して該金属部材を加圧するショルダ部１６ｂとされている。その場合に、ショルダ部１６ｂは、平坦ではなく、所定角度（θ）傾斜して、回転軸心Ｘを中心とする円錐形状に窪んだ形状（特許請求の範囲の「回転軸心を中心とする環状の窪みが形成された」形状の１例：この他、回転軸心Ｘ側に向かって深くなるように傾斜した曲面形状等でもよい）とされている。そして、該ショルダ部１６ｂの中心に円柱状のピン部１６ｃが立設され、該ピン部１６ｃはショルダ部１６ｂの下端部つまりショルダ部１６ｂの周縁部よりも所定長さ（ｈ）だけ下方に突出している。ここで、回転ツール１６の具体的寸法としては、例えば、後述するように（図１４及び図１５参照）、ショルダ部１６ｂの直径が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径が２ｍｍ、ショルダ部１６ｂの傾斜角（θ）が５°〜７°、ピン部１６ｃの突出長さ（ｈ）が０．３５ｍｍ又は０．３ｍｍ等とされる。
【００２４】
図１に示したように、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、加圧用モータ１４及び回転用モータ１５の回転駆動が制御盤５０に内蔵された制御ユニット５０ａ（図１２参照）によって開始、制御又は停止される。
【００２５】
図７に例示するように、本実施形態においては、融点の相対的に低い第１金属部材Ｗ１（例えばアルミ板材）を上板とし、融点の相対的に高い第２金属部材Ｗ２（例えば鋼板材）を下板として重ね合せたワークを図示しない適宜手段によって把持して固定する。次に、このワークに向かって接合ガン１０がロボット４０によって近接されて、回転ツール１６がワークの上方に、受け具１７がワークの下方に位置して接合ガン１０が停止する。そして、まず、接合ガン１０全体が上動することにより、受け具が第２金属部材Ｗ２の下面に当接する。そして、この状態でワークに向かって上方から、つまり第１金属部材Ｗ１の側から、回転ツール１６を回転させながら下降させて押し込み、この回転ツール１６の回転動作と加圧動作とによって発生する摩擦熱で第１金属部材Ｗ１を軟化させ、そののち塑性流動させて、両金属部材Ｗ１，Ｗ２を固相接合する。
【００２６】
このとき、１つの接合部Ｐでの接合が終了すると、回転ツール１６を上昇させ、接合ガン１０全体を下動させ、かつ所定距離だけ水平移動させた後、再び接合ガン１０全体を上動させ、かつ回転ツール１６を下降させて接合を行い、これを繰り返すことにより、第１・第２金属部材Ｗ１，Ｗ２を複数の接合部Ｐ…Ｐで摩擦点接合することができる。
【００２７】
さらに詳しく説明すると、図８に示すように、摩擦点接合動作の初期、つまり回転ツール１６が下降してピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１に接触したときは、その接触部位で摩擦熱Ｈが発生し、周囲に拡散していく。第１金属部材Ｗ１、及び第２金属部材Ｗ２の酸化防止のために第２金属部材Ｗ２の表面に施されている亜鉛メッキ層Ｚは、上記摩擦熱Ｈによって接合部Ｐにおいて軟化し始める。
【００２８】
次に、図９に示すように、摩擦点接合動作の中期、つまり回転ツール１６がさらに下降してショルダ部１６ｂの先端が第１金属部材Ｗ１に突入したときは、ピン部１６ｃの回転及び加圧に加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、第１金属部材Ｗ１は十分に軟化して塑性流動し始める（符号Ａ）。しかも、このとき、回転ツール１６のショルダ部１６ｂが、回転軸心Ｘを中心とする円錐形状に窪んだ形状、すなわち回転軸心Ｘを中心とする環状の窪みが形成された形状とされているから、塑性流動する第１金属部材Ｗ１は、回転ツール１６の直下から外方へ流出するのが抑制され、その結果、回転ツール１６による加圧力が回転ツール１６の直下に集中して、第１金属部材Ｗ１の塑性流動が促進される。
【００２９】
また、回転ツール１６による加圧及び第１金属部材Ｗ１の塑性流動によって、軟化した亜鉛メッキ層Ｚが接合部Ｐから押し出され、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面（第２金属部材Ｗ２の上面）において第２金属部材Ｗ２の新生面が露出すると共に、図示しないが、空気中の酸素により第１金属部材Ｗ１の表面に生成している酸化皮膜が接合部Ｐにおいて破壊され、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の接合境界面（第１金属部材Ｗ２の下面）において第１金属部材Ｗ１の新生面が露出する。
【００３０】
そして、図１０に示すように、摩擦点接合動作の後期、つまり回転ツール１６がさらに下降してショルダ部１６ｂが第１金属部材Ｗ１に深く突入したときは、回転ツール１６で押し出された金属材料がバリＢとなってワークの表面に隆起すると共に、亜鉛メッキ層Ｚがより一層接合部Ｐから押し出され、また酸化皮膜がより一層破壊されて、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の新生面の露出範囲が拡大する（図中×で表示した範囲）。その結果、両金属部材Ｗ１，Ｗ２の摩擦点接合（固相接合）の接合強度の向上が図られる。
【００３１】
なお、亜鉛メッキ層Ｚの１部に（符号Ｙ）、第１金属部材Ｗから由来した金属と、亜鉛メッキ層Ｚから由来した金属との金属混合物が生成する。
【００３２】
以上により、図１１に示すように、接合終了後に回転ツール１６を上昇させた後の接合部Ｐにおいては、ワークの表面に、バリＢで囲まれた状態で、ショルダ部１６ｂの痕とピン部１６ｃの痕とが残る。ただし、その場合に、ピン部１６ｃの先端が上板である第１金属部材Ｗ１を突き抜けて下板である第２金属部材Ｗ２に突き当たらないように、回転ツール１６の寸法や板組みＷ１，Ｗ２に応じて、接合条件が調整されている（図１４及び図１５参照）。さもないと、第１金属部材Ｗ１にピン部１６ｃで孔が開いてしまい、接合強度不足あるいは電気腐食等の不具合が生じてしまうからである。
【００３３】
なお、上記例では、第２金属部材Ｗ２に酸化防止用の亜鉛メッキ層Ｚを形成したものを用いたが、これに代えて、亜鉛メッキ層を形成することなく、第２金属部材Ｗ２に生成した酸化皮膜を予め研摩・研削等により除去した後に、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを固相接合するようにしてもよい。
【００３４】
次に、本発明の特徴部分を説明する。図１２は、本実施形態に係る摩擦点接合装置１の制御システム図である。制御盤５０に制御ユニット５０ａが内蔵されており、この制御ユニット５０ａは、加圧用モータ１４から昇降軸２４の回転角（ω）信号を入力し、加圧用モータ１４へ加圧制御信号を出力する。また、回転用モータ１５から負荷電流（Ｉ）信号、つまり回転軸２５の回転駆動トルク（Ａ）信号を入力し、回転用モータ１５へ回転制御信号を出力する。加えて、制御ユニット５０ａは、例えば制御盤５０に具備された入力装置５０ｂから次に説明する各種設定値を入力する。
【００３５】
ここで、加圧用モータ１４の回転角（ω）を制御することにより回転ツール１６の加圧力を変更することができ、回転用モータ１５の回転速度を制御することにより回転ツール１６の回転数を変更することができることはいうまでもない。
【００３６】
図１３は、上記制御ユニット（特許請求の範囲の「トルク検出手段」、「せん断トルク算出手段」及び「トルク制御手段」）５０ａが行う摩擦点接合動作の第１例を示すフローチャートである。すなわち、制御ユニット５０ａは、ステップＳ１で、各種設定値を初期入力する。ここで、初期入力する設定値としては、回転ツール１６の型番（回転ツール１６の寸法、形状、材質等）、アルミ板材Ｗ１の種類（アルミ板材Ｗ１の材質、厚さ、表面状態、メッキの有無等）、及び接合条件（回転ツール１６の加圧力、回転数、接合時間等）に加えて、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔが含まれる。ここで、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔは、図１１に示したように、接合終了時の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていたアルミ板材Ｗ１の部分の残厚であり（この接合終了時の残厚は接合中のいかなる残厚よりも小さな値となる）、その値は予め実験により求めておくことができる。
【００３７】
そして、この場合、各種設定値の初期入力は、摩擦点接合を開始する前に、作業者が上記入力装置５０ｂを用いて手動で入力してもよいし、あるいは予め各種設定値を制御ユニット５０ａの記録装置（メモリ等：図示せず）に登録しておいて、摩擦点接合の開始時に設定値を指定して上記記録装置から呼び出すようにしてもよい。
【００３８】
次いで、ステップＳ２で、上記各種設定値に基いて、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦを算出する（「せん断トルク算出手段」としての動作）。ここで、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦは、図１１に示したように、接合終了時の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていたアルミ板材Ｗ１の部分のせん断トルクであり（この接合終了時のせん断トルクは接合中のいかなるせん断トルクよりも小さな値となる）、その値はショルダ部１６ｂの直径や上記接合部Ｐのアルミ残厚Ｔ等から求められる。
【００３９】
次いで、ステップＳ３で、上記せん断トルクＦ及び所定の安全率に基いて、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクの閾値Ｂを算出する。ここで、安全率は、閾値Ｂの値をせん断トルクＦの値よりも小さくするように働く係数である。
【００４０】
次いで、ステップＳ４で、接合動作を開始する。つまり、回転ツール１６を回転させながら下降を開始する。
【００４１】
次いで、ステップＳ５で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入したか否かを判定する。つまり、前述の図９のように、小径のピン部１６ｃに加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が可能な状態になったか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ５の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ６に進む。
【００４２】
なお、このステップＳ５の判定を行うには、ワークの高さ位置（ｚ軸座標）と、回転ツール１６の高さ位置（ｚ軸座標）とを知る必要があるが、前者は、第１金属部材Ｗ１の厚みと第２金属部材Ｗ２の厚みとから既知であり、また後者は、ｚ軸座標の基準点に対する加圧用モータ１４の回転角（ω）と回転ツール１６の寸法とから検出できる。
【００４３】
次いで、ステップＳ６で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入した後、所定時間ｔが経過したか否かを判定する。つまり、前述の図９のように、小径のピン部１６ｃに加えて、大径のショルダ部１６ｂの回転及び加圧により、より大量の摩擦熱Ｈが発生し、第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が開始したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ６の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ７に進む。
【００４４】
次いで、ステップＳ７で、回転用モータ１５の負荷電流Ｉに基いて、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを算出する（「トルク検出手段」としての動作）。
【００４５】
次いで、ステップＳ８で、回転軸２５トルクＡが、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂよりも小さいか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、そのままステップＳ９に進み、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ１０を経由してステップＳ９に進む。
【００４６】
回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいと判定されたステップＳ９では、接合終了か否かを判定する。つまり、接合条件のうちの接合時間（図１４及び図１５参照）が経過したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、エンドとなり、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ７に戻る。
【００４７】
一方、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも大きいと判定されたステップＳ１０では、加圧用モータ１４を制御して回転ツール１６の加圧力を所定量Δだけ減少する（「トルク制御手段」としての動作）。つまり、移動手段である加圧用モータ１４を制御することで（この場合は図５におけるｂ方向に回転させることで）、回転ツール１６の加圧力を制御し（この場合は減少させ）、その結果、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを制御する（この場合は減少させる）のである。
【００４８】
図１４及び図１５は、上記図１３の摩擦点接合動作第１例に従って行ったテスト１及びテスト２における具体的な各種設定値をまとめたものである。まず、板組みについてみると、図１４のテスト１及び図１５のテスト２共に、第１金属部材である上板Ｗ１を６０００系のアルミニウム合金板とし、第２金属部材である下板Ｗ２を亜鉛メッキ鋼鈑とした。ただし、上板Ｗ１の厚みについては、テスト１では１．４ｍｍ、テスト２では０．７ｍｍと異ならせた。また、下板Ｗ２の厚みについても、テスト１では１．０ｍｍ、テスト２では１．２ｍｍと異ならせた。
【００４９】
次に、回転ツール１６の寸法についてみると、回転ツール１６を押し込む側のアルミ板材Ｗ１が相対的に厚い（１．４ｍｍ）テスト１では、ピン部１６ｃの突出長さ（ｈ）が０．３５ｍｍと相対的に長い回転ツール１６を用い、アルミ板材Ｗ１が相対的に薄い（０．７ｍｍ）テスト２では、ピン部１６ｃの突出長さ（ｈ）が０．３ｍｍと相対的に短い回転ツール１６を用いた。その他の仕様は同じである。
【００５０】
そして、接合条件として２段加圧を採用した。つまり、接合動作中、常に同じ加圧力及び同じ回転数で回転ツール１６を操作するのではなく、第１段（ピン部１６ｃがワークに接触してからショルダ部１６ｂがワークに接触するまでの期間）は、相対的に低い加圧力（図例では１．４７ｋＮ）かつ高い回転数（同３，５００ｒｐｍ）で回転ツール１６をワークに押し込み（テスト１では接合時間は１．０秒、テスト２では１．５秒）、そして第２段（ショルダ部１６ｂがワークに接触してからショルダ部１６ｂが所定の深さまでワークに突入するまでの期間）は、相対的に高い加圧力（テスト１では３．９２ｋＮ、テスト２では２．４５ｋＮ）かつ低い回転数（テスト１では２，５００ｒｐｍ、テスト２では２，８００ｒｐｍ）で回転ツール１６をワークに押し込む（テスト１では接合時間は１．５４秒、テスト２では３．２４秒）ようにしたのである。
【００５１】
図１６及び図１７は、上記摩擦点接合テスト１及びテスト２における回転軸２５トルクＡの変化を示すタイムチャートである。時間軸の「０」が第１段の開始時刻、つまりピン部１６ｃの先端がワークに初めて接触した時刻である。
【００５２】
テスト１では第１段の接合時間が１．０秒であるから、時間軸の「１」が、またテスト２では第１段の接合時間が１．５秒であるから、時間軸の「１．５」が、それぞれ、第１段の終了時刻かつ第２段の開始時刻、つまりショルダ部１６ｂの先端（より詳しくは、ショルダ部１６ｂの周縁部の先端）がワークに初めて接触した時刻となる（図１３のステップＳ５でＹＥＳと判定される時刻）。
【００５３】
そして、上記時刻から所定時間ｔが経過した以降は、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの図１３のステップＳ８の判定を行うのであるが、テスト１及びテスト２共に、上記所定時間ｔは０．５秒とした。つまり、ショルダ部１６ｂがワークへ突入してから０．５秒が経過するまでには第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が開始するとの前提である。
【００５４】
そして、テスト１では第２段の接合時間が１．５４秒であるから、時間軸の「２．５４」が、またテスト２では第２段の接合時間が３．２４秒であるから、時間軸の「４．７４」が、それぞれ、第２段の終了時刻、つまり接合終了時刻となる（図１３のステップＳ９でＹＥＳと判定される時刻）。そして、この接合終了時刻まで継続して図１３のステップＳ７の回転軸２５トルクＡの算出、ステップＳ８の回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの判定、及びステップＳ１０の加圧用モータ１４の制御が繰り返し行われることとなる。
【００５５】
そして、テスト１及びテスト２共に、第２段の開始初期には回転軸２５トルクＡが上昇している。これは、まだ軟化が不十分で硬い状態の第１金属部材Ｗ１に回転ツール１６のショルダ部１６ｂを第２段の高い加圧力で押し込んで突入させたからである。しかしながら、時間の経過に伴い、第１金属部材Ｗ１は軟化が進み、柔らかくなって、ついには塑性流動し始める。図中「接合良好」と表示した実線で、所定時間ｔが経過するまでに、回転軸２５トルクＡが急減して、閾値Ｂよりも小さくなっているのは、そのためである（この場合、図１３のステップＳ８でＮＯと判定されることは１度もない）。つまり、ショルダ部１６ｂがワークへ突入してから０．５秒が経過するまでには第１金属部材Ｗ１が十分に軟化して塑性流動が開始するという前述の前提通りに図１３の摩擦点接合が推移したのである。この場合、第１金属部材（アルミ板材）Ｗ１は、接合部Ｐにおいて回転ツール１６（特にショルダ部１６ｂの鋭角な周縁部）で引きちぎられることがなく、したがって、接合部Ｐにおいて第１金属部材Ｗ１の欠損が発生して摩擦点接合の接合強度が低下するというような問題は生じない。
【００５６】
これに対し、図１６及び図１７で「接合不良」と表示した破線のように、所定時間ｔが経過した後も、回転軸２５トルクＡが下がりきらず、長時間に亘って閾値Ｂよりも大きい状態に維持される場合がある。これは、何等かの理由で、ショルダ部１６ｂの突入後も、第１金属部材Ｗ１の軟化が進まず、第１金属部材Ｗ１が硬く塑性流動性に欠けたままになったからである。このような場合は、上記「接合良好」の場合とは逆に、第１金属部材（アルミ板材）Ｗ１は、接合部Ｐにおいて回転ツール１６（特にショルダ部１６ｂの鋭角な周縁部）で引きちぎられ、したがって、接合部Ｐにおいて第１金属部材Ｗ１の欠損が発生して摩擦点接合の接合強度が低下するという問題が生じる。
【００５７】
そこで、テスト１及びテスト２共に、判定開始時刻から接合終了時刻まで、継続して、図１３のステップＳ７の算出、ステップＳ８の判定、及びステップＳ１０の制御を繰り返し行うことにより、図１６及び図１７で「トルク制御」と表示した鎖線のように、判定開始時刻（所定時間ｔが経過した時刻）においてもまだ大きい値に留まっていた回転軸２５トルクＡを、判定開始後に、速やかに、閾値Ｂよりも小さい状態に低下させることができたのである。もちろん、この場合の回転軸２５トルクＡの低下速度はステップＳ１０の減少所定量Δに依存する。
【００５８】
このように、図１３のステップＳ２で、接合終了時の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていた第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに必要なトルクＦを算出しておき、さらに、ステップＳ３で、上記せん断トルクＦと安全率とから、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクの閾値Ｂを算出しておき、そして、回転ツール１６による接合中に、ステップＳ８及びステップＳ１０で、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクが上記算出した閾値Ｂよりも小さくなるように、加圧用モータ１４を制御して回転ツール１６の加圧力を所定量Δだけ減少するようにしたから、接合中に、回転ツール１６の回転駆動トルクが、第１金属部材Ｗ１の残厚Ｔ（図１１参照）が最も薄くなる接合終了時のせん断トルク（この接合終了時のせん断トルクは他の条件が同じとして接合中のせん断トルクよりも小さな値となる）を超えることがなく、したがって、接合中に回転ツール１６で第１金属部材Ｗ１を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部Ｐにおける第１金属部材Ｗ１欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００５９】
しかも、その場合に、図１３のステップＳ１０で、回転ツール１６を回転軸心Ｘ方向に進退移動させる移動手段（加圧用モータ１４）を制御することによって回転ツール１６の加圧力を制御し、その結果、回転ツール１６の回転駆動トルクを制御するようにしたから、応答性よくかつ簡便に回転ツール１６の回転駆動トルクを制御することが可能となる。
【００６０】
なお、図１６及び図１７において、閾値Ｂが時間軸の「０」（第１段の開始時刻）よりも前から発生しているのは、図１３のステップＳ４の接合動作開始の前に、ステップＳ１〜Ｓ３で、閾値Ｂがすでに算出されていることを表している（ステップＳ４の接合動作開始の時刻でさえ時間軸の「０」より前にある）。
【００６１】
次に、図１８は、上記制御ユニット５０ａが行う摩擦点接合動作の第２例を示すフローチャートである。この接合動作第２例と先の図１３の第１例との違いは、第１例では、接合終了時の接合部Ｐにおいて回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されていた第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに要するトルクＦ及び閾値Ｂを、接合動作開始（ステップＳ４）の前に予め算出しておいた（ステップＳ１〜Ｓ３）のに対し、この第２例では、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されている第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに必要なトルクＦ及び閾値Ｂを、接合動作中に毎回算出する（ステップＳ２６〜Ｓ２８）点である。
【００６２】
すなわち、制御ユニット５０ａは、ステップＳ２１で、各種設定値を初期入力する。ここで、初期入力する設定値としては、回転ツール１６の型番（回転ツール１６の寸法、形状、材質等）、アルミ板材Ｗ１の種類（アルミ板材Ｗ１の材質、厚さ、表面状態、メッキの有無等）、及び接合条件（回転ツール１６の加圧力、回転数、接合時間等）が含まれる。図１３の第１例と異なり、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔは含まれない。
【００６３】
次いで、ステップＳ２２で、接合動作を開始する。
【００６４】
次いで、ステップＳ２３で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ２３の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ２４に進む。
【００６５】
次いで、ステップＳ２４で、回転ツール１６のショルダ部１６ｂがアルミ板材Ｗ１に突入した後、所定時間ｔが経過したか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されるまでこのステップＳ２４の判定を繰り返し行い、ＹＥＳと判定された時点で、ステップＳ２５に進む。
【００６６】
次いで、ステップＳ２５で、回転用モータ１５の負荷電流Ｉに基いて、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを算出する（「トルク検出手段」としての動作）。
【００６７】
次いで、ステップＳ２６で、回転ツール１６の沈み込み深さに基いて、接合部Ｐのアルミ残厚Ｔを検出する。つまり、ワークの高さ位置（ｚ軸座標）と回転ツール１６の高さ位置（ｚ軸座標）とから、接合中において、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部でいま現に加圧されている第１金属部材Ｗ１の部分の残厚Ｔを算出するのである（この接合中の残厚は接合終了時の残厚よりも大きな値となる）。
【００６８】
なお、このステップＳ２６の検出を行うには、ワークの高さ位置（ｚ軸座標）と、回転ツール１６の高さ位置（ｚ軸座標）とを知る必要があるが、前者は、第１金属部材Ｗ１の厚みと第２金属部材Ｗ２の厚みとから既知であり、また後者は、ｚ軸座標の基準点に対する加圧用モータ１４の回転角（ω）と回転ツール１６の寸法とから検出できる。
【００６９】
次いで、ステップＳ２７で、上記各種設定値（ステップＳ２１で初期入力されたもの）及びアルミ残厚Ｔ（ステップＳ２６で検出されたもの）に基いて、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦを算出する（「せん断トルク算出手段」としての動作）。ここで、アルミ板材Ｗ１のせん断トルクＦは、接合中の接合部Ｐにおいて、回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部でいま現に加圧されているアルミ板材Ｗ１の部分のせん断トルクであり（この接合中のせん断トルクは接合終了時のせん断トルクよりも大きな値となる）、その値はショルダ部１６ｂの直径や上記接合部Ｐのアルミ残厚Ｔ等から求められる。
【００７０】
次いで、ステップＳ２８で、上記せん断トルクＦ及び所定の安全率に基いて、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクの閾値Ｂを算出する。
【００７１】
次いで、ステップＳ２９で、回転軸２５トルクＡが、回転軸２５トルクＡの閾値Ｂよりも小さいか否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、そのままステップＳ３０に進み、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ３１を経由してステップＳ３０に進む。
【００７２】
回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいと判定されたステップＳ３０では、接合終了か否かを判定する。その結果、ＹＥＳと判定されたときは、エンドとなり、ＮＯと判定されたときは、ステップＳ２５に戻る。
【００７３】
一方、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも大きいと判定されたステップＳ３１では、加圧用モータ１４を制御して回転ツール１６の加圧力を所定量Δだけ減少する（「トルク制御手段」としての動作）。つまり、移動手段である加圧用モータ１４を制御することで（この場合は図５におけるｂ方向に回転させることで）、回転ツール１６の加圧力を制御し（この場合は減少させ）、その結果、回転軸２５トルクＡ、つまり回転ツール１６の回転駆動トルクを制御する（この場合は減少させる）のである。
【００７４】
図１９は、上記摩擦点接合動作の第２例における回転軸２５トルクＡの変化を示すタイムチャートである。先の第１例と同様、時間軸の「０」が第１段の開始時刻で、第２段の開始時刻から所定時間ｔが経過したときに、回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの図１８のステップＳ２９の判定が開始される。そして、上記閾値Ｂは、上記判定開始時刻（所定時間ｔが経過した時刻）より以降で発生する。ここで、上記閾値Ｂが時間の経過に伴い減少していくのは、回転ツール１６の第２段の高い加圧力によってアルミ残厚Ｔが次第に薄くなっていくからである。
【００７５】
このように、判定開始時刻から接合終了時刻まで、継続して、図１８のステップＳ２５の回転軸２５トルクＡの算出、ステップＳ２６のアルミ残厚Ｔの検出、ステップＳ２７のせん断トルクＦの算出、ステップＳ２８の閾値Ｂの算出、ステップＳ２９の回転軸２５トルクＡが閾値Ｂよりも小さいか否かの判定、及びステップ３１の加圧用モータ１４の制御を繰り返し行うことにより、図１９で「トルク制御」と表示した鎖線のように、判定開始時刻においてもまだ大きい値に留まっていた回転軸２５トルクＡを、判定開始後に、速やかに、閾値Ｂよりも小さい状態に低下させることができた。ただし、図例では、前述したように閾値Ｂが時間の経過に伴い減少することに起因して、接合終了時刻までに、途中で、回転軸２５トルクＡをもう１度低下させている。
【００７６】
すなわち、この摩擦点接合動作第２例では、回転ツール１６による接合中に（ステップＳ２２以降に）、該回転ツール１６のショルダ部１６ｂの周縁部で加圧されている第１金属部材Ｗ１の部分をせん断するのに必要なトルクＦ及び閾値Ｂを算出し（ステップＳ２７〜Ｓ２８）、そして、同じく回転ツール１６による接合中に（ステップＳ２２以降に）、該回転ツール１６の回転駆動トルクが上記算出したせん断トルクＦないし閾値Ｂよりも小さくなるように該回転ツール１６の回転駆動トルクを制御するようにしたから（ステップＳ２９，Ｓ３１）、先の第１例と同様、接合中に、回転ツール１６の回転駆動トルクが、その時点で算出されたせん断トルクＦないし閾値Ｂ（ここで前述したように閾値Ｂは安全率によってせん断トルクＦより小さい値に算出されている）を超えることがなく、したがって、接合中に回転ツール１６で第１金属部材Ｗ１を引きちぎってしまうという現象が確実に防止されて、接合部Ｐにおける第１金属部材Ｗ１欠損の問題、及び摩擦点接合の接合強度低下の問題が解消される。
【００７７】
加えて、この第２例では、接合中に回転ツール１６で第１金属部材Ｗ１を引きちぎってしまわない範囲内でできるだけ大きなトルクで回転ツール１６を回転駆動できるから、第１金属部材Ｗ１の軟化及び塑性流動の促進の効果が徒に大きく損なわれることもない。つまり、図１９の「トルク制御」の鎖線の変化において、閾値Ｂが時間の経過に伴い減少することに起因して接合終了時刻までに途中で回転軸２５トルクＡをもう１度低下させていると前述したのは、この表れであって、判定開始初期においては回転ツール１６の回転駆動トルクの下げ幅が第１例に比べて少なくて済んでいるのである。
【００７８】
換言すれば、この第２例では、閾値Ｂは、判定開始初期においては比較的大きい値に算出されるので（アルミ残厚Ｔが比較的大きいから）、回転ツール１６の回転駆動トルクも比較的大きくできるのである。これに対し、第１例では、閾値Ｂは、判定開始初期から比較的小さい値に算出されるので（アルミ残厚Ｔが接合終了時のアルミ残厚であって小さいから）、回転ツール１６の回転駆動トルクも比較的小さくしなければならないのである。
【００７９】
なお、上記実施形態は、本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、なお種々の修正・変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、摩擦点接合装置１は、接合ガン１０をロボット４０の手首に備える構成であったが、これに代えて、例えば接合ガン１０をフレームで下垂状態に支持し、かつ接合ガン１０をレールに沿って水平移動自在として、この接合ガン１０の動きで複数の接合部Ｐ…Ｐでの摩擦点接合が可能な構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明によれば、異種金属部材同士を重ね合せて摩擦点接合をする場合に、回転ツールによる金属部材の引きちぎり現象を防止することができ、その結果、摩擦点接合の接合強度低下の問題を解消することができる。本発明は、回転ツールを高回転・高圧力で接合部に押し込む方式の摩擦点接合の技術分野において幅広い産業上の利用可能性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態に係る摩擦点接合装置の概略側面図である。
【図２】上記摩擦点接合装置における接合ガン周辺の拡大側面図である。
【図３】同じく上記摩擦点接合装置における接合ガン周辺の拡大正面図である。
【図４】図２と同方向からの上記接合ガンの本体ケースの内部構成を示す拡大断面図である。
【図５】図４のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【図６】上記摩擦点接合装置に採用される回転ツールの先端構造を示す拡大図である。
【図７】上記摩擦点接合装置の回転ツールと受け具とにより重ね合せた２枚の金属部材を複数の接合部で摩擦点接合する動作を示す斜視図である。
【図８】上記摩擦点接合装置の回転ツールを押し込んで重ね合せた２枚の金属部材を摩擦点接合する動作の初期を示す拡大断面図である。
【図９】同じく摩擦点接合する動作の中期を示す拡大断面図である。
【図１０】同じく摩擦点接合する動作の終期を示す拡大断面図である。
【図１１】上記摩擦点接合の接合部を示す拡大断面図である。
【図１２】上記摩擦点接合装置の制御システム図である。
【図１３】図１２の制御システム図に表れる制御ユニットが行う摩擦点接合動作の第１例を示すフローチャートである。
【図１４】上記摩擦点接合装置を用いて行う摩擦点接合テスト１の接合条件、ツール寸法及び板組みを示すテーブルである。
【図１５】同じく摩擦点接合テスト２の接合条件、ツール寸法及び板組みを示すテーブルである。
【図１６】上記摩擦点接合テスト１における回転軸トルクの変化を示すタイムチャートである。
【図１７】同じく摩擦点接合テスト２における回転軸トルクの変化を示すタイムチャートである。
【図１８】図１２の制御システム図に表れる制御ユニットが行う摩擦点接合動作の第２例を示すフローチャートである。
【図１９】上記摩擦点接合動作の第２例における回転軸トルクの変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００８２】
１ 摩擦点接合装置
１０ 接合ガン
１４ 加圧用モータ（移動手段）
１５ 回転用モータ（回転手段）
１６ 回転ツール
１６ｂ ショルダ部
１６ｃ ピン部
１７ 受け具
２４ ネジ軸（昇降軸）
２５ スプライン軸（回転軸）
４０ ロボット
５０ 制御盤
５０ａ 制御ユニット（トルク検出手段、せん断トルク算出手段、トルク制御手段）
Ｐ 接合部
Ｔ 残厚
Ｗ１ 第１金属部材
Ｗ２ 第２金属部材
Ｘ 回転軸心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが第１金属部材の残厚に対応させて設定されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする摩擦点接合装置。
【請求項２】
第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中の接合部において上記回転ツールのショルダ部の周縁部で加圧されている第１金属部材の部分をせん断するのに要するトルクを算出するせん断トルク算出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが上記せん断トルク算出手段で算出されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする摩擦点接合装置。
【請求項３】
トルク制御手段は、移動手段を制御することにより回転ツールの加圧力を制御して回転ツールの回転駆動トルクを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦点接合装置。
【請求項４】
第１金属部材はアルミニウム合金であり、第２金属部材は鋼であって、両金属部材を固相状態で接合することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摩擦点接合装置。
【請求項１】
第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが第１金属部材の残厚に対応させて設定されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする摩擦点接合装置。
【請求項２】
第１金属部材と該第１金属部材より融点の高い第２金属部材とを重ね合せたワークに第１金属部材の側から回転ツールを押し込んで該回転ツールの回転動作及び加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て両金属部材を摩擦点接合する装置であって、回転ツールは、回転軸心を中心とする環状の窪みが形成されたショルダ部と、回転軸心上に位置して上記ショルダ部からワークの側に突出しているピン部とを有していると共に、上記回転ツールを回転軸心回りに回転させる回転手段と、上記回転ツールを回転軸心方向に進退移動させる移動手段と、上記回転手段による回転ツールの回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、上記回転ツールによる接合中の接合部において上記回転ツールのショルダ部の周縁部で加圧されている第１金属部材の部分をせん断するのに要するトルクを算出するせん断トルク算出手段と、上記回転ツールによる接合中に上記トルク検出手段で検出される回転ツールの回転駆動トルクが上記せん断トルク算出手段で算出されるせん断トルクよりも小さくなるように回転ツールの回転駆動トルクを制御するトルク制御手段とを備えていることを特徴とする摩擦点接合装置。
【請求項３】
トルク制御手段は、移動手段を制御することにより回転ツールの加圧力を制御して回転ツールの回転駆動トルクを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦点接合装置。
【請求項４】
第１金属部材はアルミニウム合金であり、第２金属部材は鋼であって、両金属部材を固相状態で接合することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摩擦点接合装置。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００６−１５９２１７（Ｐ２００６−１５９２１７Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５０７００（Ｐ２００４−３５０７００）
【出願日】平成１６年１２月３日（２００４．１２．３）
【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６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月３日（２００４．１２．３）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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