摩擦点接合部の評価方法およびその装置
【課題】摩擦点接合部の接合品質を非破壊にて容易かつ高精度に評価することができる方法および装置を提供する。
【解決手段】第１金属部材１１と、第１金属部材１１より融点が高い第２金属部材１２とを重ね合わせ、回転工具１６の回転および押圧により第１金属部材１１を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて第１金属部材１１と第２金属部材１２とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する方法及び装置であって、接合部Ｐの凹部周縁部に発生するバリＲについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定し、評価対象のバリ形状を計測し、計測されたバリ形状が上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって接合部Ｐの接合良否を評価する。
【解決手段】第１金属部材１１と、第１金属部材１１より融点が高い第２金属部材１２とを重ね合わせ、回転工具１６の回転および押圧により第１金属部材１１を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて第１金属部材１１と第２金属部材１２とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する方法及び装置であって、接合部Ｐの凹部周縁部に発生するバリＲについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定し、評価対象のバリ形状を計測し、計測されたバリ形状が上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって接合部Ｐの接合良否を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ね合わせた金属部材に回転工具を押圧し、摩擦熱で軟化させ塑性流動させて接合する摩擦点接合の接合部を評価する方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の燃費改善等の目的で軽量化を図るため、自動車等のボディ材料としてアルミニウム合金材料が多用されつつある。それに伴い、例えばアルミニウム合金等からなる部材と鉄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。
【０００３】
しかし、このような異種金属材料からなる部材同士をアーク溶接などの溶融溶接で接合すると脆弱な金属間化合物が生成し、接合強度が低下する等の問題点があった。またリベット接合等の接合ではコスト高になる。
【０００４】
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、摩擦点接合と呼ばれる接合方法が注目されている。この接合方法は、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鉄材料等からなる第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工具の先端部を第１金属部材の側から押込んで、該回転工具の回転および第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金属部材を軟化およ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溶接（固相接合）するものである。
【０００５】
ところで、このような摩擦点接合を行った後、必要に応じ、例えば検査等の目的でその接合状態の良否が評価される。特許文献２には、アルミニウム合金板同士を接合する場合の評価方法が示されている。この方法は、ワークに対して回転工具の反対側に配置され回転工具の押圧力を受ける受け台に、その受圧力を検知する検知手段を設けたものである。そしてこの受圧力が均等であることをもって、回転工具の押圧力が均等に作用し、良好な接合が行われたとみなすのである。
【０００６】
その検知手段として、第１には受け台に設けられた凹部（凸部も可とされている）が挙げられている。回転工具の押圧力によって受け台に接触する金属部材が上記凹部に当接する箇所に圧痕を残す。その圧痕が均等に残っていることをもって受圧力が均等に作用したことを検知する。第２の検知手段としては受け台に設けられた圧力センサが挙げられている。
【特許文献１】特開２００５−３４８７９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３４６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２に示される評価方法は、必ずしも常に実用的な方法と言えるものではなかった。例えば受け台に当接する金属が鋼板などアルミニウム合金板よりもかなり硬度の高い材質の場合、評価に適するような圧痕が残らないし、圧力センサを用いるにしても充分な精度を期待できるものではなかった。
【０００８】
そこでそのような場合、実際にはタガネ検査や破壊計測に依存せざるを得なかった。タガネ検査は、スポット溶接において一般的に行われる非破壊検査方法であって、２枚の金属板の間にタガネを圧入して溶接ナゲット（接合部）の周縁部の直径を計測する方法である。また破壊計測は、例えば荷重試験機を用いた強度試験等である。
【０００９】
しかし、タガネ検査のような非破壊計測は摩擦点接合部の接合品質を直接評価することができなかった。また非破壊計測の場合は必然的に抜取り検査となるので、全数検査が必用な場合には採用することができない。何れにしてもこれらの方法は自動化が困難で、検査工数の増大が避けられないものであった。
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑み、摩擦点接合部の接合品質を非破壊にて容易かつ高精度に評価することができる方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための請求項１に係る発明は、第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する方法であって、上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定し、評価対象の上記バリ形状を計測し、計測されたバリ形状が上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価することを特徴とする摩擦点接合部の評価方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の摩擦点接合部の評価方法において、上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の摩擦点接合部の評価方法において、上記第１金属部材はアルミニウム合金板であり、上記第２金属部材は金属めっき層が形成された鋼板であり、上記摩擦点接合は、上記回転工具の回転および押圧により摩擦熱で軟化した金属めっき層が上記接合部から押出され、上記第１金属部材と上記第２金属部材とが固相状態で接合するものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する装置であって、上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として記憶する記憶手段と、評価対象の上記バリ形状を計測する計測手段と、計測されたバリ形状を上記許容バリ範囲と比較し、それが上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価する評価手段とを備えることを特徴とする摩擦点接合部の評価装置である。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４記載の摩擦点接合部の評価装置において、上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４または５記載の摩擦点接合部の評価装置において、上記計測手段は、上記接合部を平面視で撮像する撮像手段を備え、撮像された該接合部の平面画像に基いて上記バリ形状を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によると、以下説明するように、摩擦点接合部の接合品質を非破壊にて容易かつ高精度に評価することができる。
【００１８】
摩擦点接合を行うと、回転工具に押圧された接合部に凹部が形成される。そしてその周縁部には、回転工具に押し退けられた金属部材によってバリが形成される。本願発明者は、このバリの形状と接合部の接合品質（例えば引張剪断強度）との間に密接な関係があることを見出した。
【００１９】
そこで、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定しておき、評価対象の接合部のバリ形状がその許容バリ範囲内にあるか否かを判定すれば、容易かつ高精度に接合品質の良否を評価することができる。またこの評価方法によれば、接合部のバリ形状を計測するだけなので非破壊で行うことができ、自動化や全数検査にも容易に対応することができる。
【００２０】
なお許容バリ範囲は、数値化されたデータであっても良いし、バリ形状自体ないしはそれに画像処理を施した画像データ等であっても良い。
【００２１】
請求項２の発明によると、効果的な許容バリ範囲を設定することができる。本願発明者は、バリの平面視での径方向厚みの偏りが接合品質と特に密接な関係にあることを見出した。すなわちこの偏りが大きいと接合品質が低下するのである。そこで、例えば「バリの最大厚みと最小厚みとの比が所定の基準値（例えば２．０）以下であること」等の許容バリ範囲を設定することが効果的となる。
【００２２】
なお本発明は、他の許容バリ範囲の設定を排除する趣旨ではない。他の許容バリ範囲の設定としては、例えば「バリの最大厚みが所定の基準値以下」や「バリの最小厚みが所定の基準値以上」等が挙げられるが、それらとの併用によってより評価精度を高めるようにしても良い。
【００２３】
請求項３の発明によると、本発明の効果を一層顕著に奏することができる。本願発明者は、アルミニウム合金板と金属めっき層（例えば亜鉛めっき）が形成された鋼板との接合において、バリ形状と接合品質との間に特に密接な関係があることを見出した。
【００２４】
このような接合形態において、バリ形状と接合品質とが次のようなメカニズムで密接に関係している。アルミニウム合金板と金属めっき層が形成された鋼板とを摩擦点接合で接合する場合、通常はアルミニウム合金板の方から回転工具を押圧する。そして摩擦熱によってアルミニウム合金を軟化し塑性流動させるのであるが、その際、同時に両部材の接合界面に存在する金属めっき層をその接合界面から充分除去することが良好な接合を得るためのポイントとなる。金属めっき層が残存していると、アルミニウムと鉄との固相接合が妨げられるからである。
【００２５】
そこでバリ形状と金属めっき層の除去状況との関係を観察すると、バリが適正に形成されている場合には金属めっき層が大きく流動し、それが完全に除去されていることが見られた反面、バリが小さかったり偏ったりして適正に形成されていない場合には金属めっき層の流動が小さく、その除去が不完全であることがわかった。
【００２６】
このようにバリ形状は、接合品質に大きな影響を及ぼす金属めっき層の接合界面からの除去と密接な関係があるので、これを計測することにより精度良く接合品質を評価できるのである。
【００２７】
なおバリ形状と接合品質との関係の適用は、金属めっき層が介在する場合に限定されるものではない。例えば接合界面において何れか又は両方の金属表面に酸化皮膜が形成されているような場合においても、その酸化皮膜を充分破壊することが重要であり、その成否とバリ形状との間には密接な関係がある。
【００２８】
請求項４および請求項５の発明によると、当該摩擦点接合部の評価装置は、上記請求項１および請求項２の発明による効果と同様の効果を奏する。
【００２９】
請求項６の発明によると、接合部を撮像手段で撮像するだけで、非破壊、非接触で容易にバリ形状を計測することができる。撮像されたバリ形状は、必要に応じて許容バリ範囲との比較可能な形態に変形される（例えばノイズ除去やバリ厚みの数値化等）。許容バリ範囲がバリ形状自体の範囲を規定する画像データ等である場合には、撮像された画像と許容バリ範囲の画像データとを重合比較することにより評価を行うようにしても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。当実施形態の摩擦点接合部の評価方法およびその装置を説明するに先立ち、当実施形態に好適な摩擦点接合の概略について説明する。
【００３１】
図１は当実施形態に好適な摩擦点接合を模式的に示す斜視図である。この摩擦点接合は、第１金属部材１１と、第１金属部材１１より融点が高い第２金属部材１２とを接合するものである。第１金属部材１１としては例えばアルミニウム合金板が好適であり、第２金属部材１２としては金属めっき層（当実施形態では図３に示す亜鉛めっき層Ｚ）が形成された鋼板が好適である。なお以下第１金属部材１１と第２金属部材１２とを総称してワーク１０という。
【００３２】
まず図１に示すように第１金属部材１１と第２金属部材１２とが重ね合わされ、その重合部の第１金属部材１１側（低融点金属部材側）に接合ポイント１３が設定される。そして、略円柱状の回転工具１６が、その軸回りに回転されつつ（矢印Ａ１）、軸方向に接合ポイント１３に押圧される（矢印Ａ２）。
【００３３】
またワーク１０を挟んで回転工具１６の反対側の回転工具１６と同軸上に、回転工具１６と略同径ないしはそれより大径の受け具１７が配置される。受け具１７はワーク１０を挟んで回転工具１６に接近する方向に移動し、少なくとも回転工具１６による押圧が開始するまでにはその先端が第２金属部材１２に当接される。そして回転工具１６による押圧時、その押圧力を受ける。
【００３４】
回転工具１６や受け具１７は図外の摩擦点接合装置に装着され、その回転速度、押圧位置、加圧力、加圧時間等が適宜制御されるように構成されている。なお図１では省略しているが、予めワーク１０を固定し、また回転工具１６を押圧したときの第１金属部材１１の浮き上がりを防止するため、スペーサや浮き上がり防止板等の治具が適宜用いられる。
【００３５】
図２は回転工具１６の先端部の拡大図である。左半分は縦断面図を示す。この回転工具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、ワーク１０と対向するショルダ部１６ｂと、回転工具１６の回転軸線Ｘ上に位置し、かつショルダ部１６ｂから該ショルダ部１６ｂの外径よりも小径でワークに対向する側に所定長さｈだけ突出するピン部１６ｃと、該ピン部１６ｃの周囲におけるショルダ部１６ｂに設けられた環状凹部１６ｄとで構成されている。環状凹部１６ｄは、その底面が円錐形状に傾斜している。この回転工具１６の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径Ｄ２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（ショルダ傾斜角）θが５°〜７゜とされる。
【００３６】
但し、回転工具１６の最適形状は一義的に決定されるものではなく、ワーク１０の材質、厚さ、重ね合わせるワーク１０の枚数等、用途に応じて異なる。従って、用途別に好適な複数種類の回転工具１６を準備しておき、用途に応じて適宜交換して用いるようにするのが望ましい。図２に示すような環状凹部１６ｄを有する回転工具１６の形状は、当実施形態のように融点の異なる異種の金属部材を接合する際に用いるのに好適である。
【００３７】
次に、摩擦点接合による接合工程について説明する。摩擦点接合の工程は、詳しくは初期移動工程、第１押圧工程、第２押圧工程、第３押圧工程を順に行うように設定されている。
【００３８】
まず初期移動工程では、回転工具１６および受け具１７を図１に示すようにワーク１０の接合ポイント１３を挟む位置に移動させ、両者を接近させる（矢印Ａ２，Ａ２）。そして受け具１７を第２金属部材１２に当接させるとともに回転工具１６を初期位置に移動させる。この初期位置は、回転工具１６のピン部１６ｃの先端が第１金属部材１１に僅かに離れるような位置である。この初期移動工程では、回転工具１６を回転させるようにしても、回転させないようにしても良いが、当実施形態では、次の第１押圧工程へ直ぐに移行できるように、続く第１押圧工程と同じ回転速度（第１回転速度）で回転させるようにしておく（矢印Ａ１）。
【００３９】
続く第１押圧工程では、図３に示すように、回転工具１６を第１回転速度で回転させながら、上記初期移動工程における回転工具１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第１加圧時間の間、第１金属部材１１に対し押圧接触させる。
【００４０】
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回転速度は、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加圧時間は、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回転速度及び第１加圧時間は、回転工具１６が第１金属部材１１に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部（深さが深い回転軸線Ｘ側の部分）が第１金属部材１１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１１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。
【００４１】
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の回転軸線Ｘ回りに回転しながら第１金属部材１１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１１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１２の表面に施されている亜鉛めっき層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回転速度及び第１加圧時間を、上記好ましい範囲に設定することで、第１金属部材１１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。
【００４２】
またこの第１押圧工程の初期段階において、ショルダ部１６ｂよりも所定長さｈだけ突出したピン部１６ｃが、ショルダ部１６ｂよりも先に第１金属部材１１に当接する。このように細い径のピン部１６ｃを最初に当接させることにより、小さな摩擦抵抗で回転工具１６の位置決めが良好になされ、回転軸線Ｘに垂直な方向の回転振れが抑制される（アンカー機能）。
【００４３】
続く第２押圧工程では、図４に示すように、回転工具１６を第２回転速度で回転させながら、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第２加圧時間の間、第１金属部材１１に押し込む。
【００４４】
この第２押圧工程では、加圧力が大きくなることで、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃが第１金属部材１１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１１に接触する。これに伴い、第１金属部材１１の軟化に加えて塑性流動が行われる（図では模式的に破線で塑性流動Ｑを示す）。
【００４５】
また塑性流動Ｑにおいて、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１１が、図の上下方向に流動して、回転工具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１１の塑性流動Ｑが促進される。さらに、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合境界面において、上記軟化した亜鉛めっき層Ｚが接合部Ｐから押し出されることで、第２金属部材１２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１１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１１の新生面が露出する。
【００４６】
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回転速度は、２０００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ未満に設定することが好ましい。さらに上記第２加圧時間は、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回転速度及び第２加圧時間は、回転工具１６が第１金属部材１１に対し所定の挿入位置（押込深さ）よりも深く押し込まれないようにそれぞれ設定する。この押込深さは、それより回転工具１６が深く入り込むと第１金属部材１１が過度に薄くなって引きちぎられる虞があるような位置である。
【００４７】
この第２押圧工程の完了を以って接合工程を完了させても良いが、当実施形態では、さらに第３押圧工程を行うようにしている。第３押圧工程では、図５に示すように、回転ツール１６を第３回転速度で回転させながら、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第３加圧時間の間、第１金属部材１１に対し押圧接触させる。
【００４８】
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、回転工具１６が第１金属部材１１に対し上記押込深さよりも深く押し込まれず、第２押圧工程が完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１１が過度に薄くなって引きちぎら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。
【００４９】
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回転速度は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定することが好ましい。さらに上記第３加圧時間は、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回転速度及び第３加圧時間は、回転ツール１６が第１金属部材１１に対し、第２押圧工程が完了したときの位置で押圧し続けかつ第１金属部材１１の塑性流動が生じるようにそれぞれ設定する。
【００５０】
上記第３押圧工程においては、回転工具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１１の表面に隆起するとともに、亜鉛めっき層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、第１金属部材１１および第２金属部材１２の各新生面の露出範囲が拡大する（図５中、×印で表示した範囲）。この結果、第１金属部材１１と第２金属部材１２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。
【００５１】
なお、亜鉛めっき層Ｚにおける接合部Ｐの近傍部分には、第１金属部材１１を構成する金属（アルミニウム合金）と、亜鉛めっき層Ｚを構成する金属との金属混合物層Ｙが生成される。
【００５２】
この第３押圧工程の完了により、１つの接合部Ｐでの接合が終了することになる。接合部Ｐでの接合が終了すると、回転工具１６と受け具１７とをワーク１０から離反させる。摩擦点接合が完了した後の接合部Ｐにおいては、図６に示すように、第１金属部材１１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。適正な接合が行われたとき、このバリＲは適度な径方向厚みをもって全周に亘り均一に形成される。
【００５３】
以上の接合工程により、通常は適正な接合が行われるのであるが、何らかの原因によって不適正な接合が行われ、充分な強度が得られなくなることがある。以下に、その不具合の実態や原因について説明する。
【００５４】
本願発明者は、接合強度が不充分な接合部Ｐに一定の共通する特徴があることに着眼した。それは、バリＲの平面視での径方向厚みに偏りが見られるという特徴である。
【００５５】
図７は、上記接合工程によって得られた接合部のサンプルを示す図であって、（ａ）は適正な接合がなされた接合部（以下適正サンプルという）の平面写真であり、（ｂ）は適正な接合がなされなかった典型的な接合部（以下不具合サンプルという）の平面写真である。（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ（ａ）、（ｂ）のスケッチであり、特にバリＲの特徴に注目して描かれたものである。
【００５６】
図７（ａ）〜（ｄ）に示す接合部は、次の条件で得られたものである。
【００５７】
・ワーク１０
第１金属部材１１・・・６０００系アルミニウム合金板（厚さ１．４ｍｍ）
第２金属部材１２・・・Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板（厚さ１．０ｍｍ）
・回転工具１６の主要寸法
ショルダ径Ｄ１・・・φ１０ｍｍ
ピン径Ｄ２・・・φ２ｍｍ
・接合条件
第１、第２、第３回転速度・・・各２０００ｒｐｍ
第１、第２、第３加圧時間・・・合計５ｓ
押込深さ・・・１．２ｍｍ
【００５８】
そして得られた接合部Ｐの引張剪断強度は、図７（ａ），（ｃ）の適正サンプルが４．８ｋＮ、（ｂ），（ｄ）の不具合サンプルが０．５ｋＮ以下であった。図７（ｃ）と（ｄ）とを比較しても明らかなように、適正サンプルはバリＲの径方向厚みが全円周に亘り均等であるのに対し、不具合サンプルには大きな偏りが見られる。すなわち図７（ｄ）に示す状態で左側（エリアＥ１）ではバリＲの厚みが厚く、右側では極端に薄くなっている。
【００５９】
図８は、図７（ｄ）に示す不具合サンプルのVIII−VIII線断面図（写真）である。（ａ），（ｂ）は組成像であり、（ｃ），（ｄ）はＺｎの特性Ｘ線像である。また（ａ）、（ｃ）は図７（ｄ）に示すエリアＥ１の写真、（ｂ），（ｄ）は同エリアＥ２の写真である。
【００６０】
図８（ａ）に示すように、バリＲが厚いエリアＥ１では第１金属部材１１（グレーで示す部分）の塑性流動が大きく、大きなバリＲが形成されている。図８（ｃ）は図８（ａ）に対応する箇所のＸ線像であるが、白く示された部分がＺｎ（亜鉛）を多く含む部分、すなわち金属めっき成分の分布を示す。図の下段位置に横方向に平行に延びる２本の細い白線が、当初から第２金属部材１２に形成されている金属めっき層を示す。そして図の中央付近で縦に延びる太い白線は、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合面において軟化し、押出され、接合部Ｐの外側に移動した金属めっき成分を示す。図示のように、この金属めっき成分は上方でアーチ状に湾曲している。これは、金属めっき成分の移動がバリＲの部分にまで大きく及んでいることを示している。その一方、接合部Ｐの中心側（図８（ｃ）の右側部分）において、第１金属部材１１に当接する面の金属めっき層がほぼ完全に除去されている（細い白線が消えている）のがわかる。この部分は図５の×印に相当する部分であって、第２金属部材１２の新生面が露出し、適正な固相接合がなされていると考えられる。
【００６１】
それに対しバリＲが薄いエリアＥ２では、図８（ｂ）に示すように、第１金属部材１１の塑性流動がエリアＥ１に比べて少なく、小さなバリＲが形成されている。図８（ｄ）は図８（ｂ）に対応する箇所のＸ線像であるが、白い縦線がエリアＥ１に比べて薄く細い。またバリＲに及ぶアーチ形状も小さい。これは中央側から押出されて接合部Ｐの外側に移動した金属めっき成分が少ないことを示している。また、接合部Ｐの中心側（図８（ｄ）の左側）において、第１金属部材１１に当接する面の金属めっき層が完全に除去されておらず、残留している（細い白線が残っている）のがわかる。つまりこの部分では少なくとも第２金属部材１２に充分な新生面が露出しておらず、適正な固相接合がなされていないと考えられる。
【００６２】
ワーク１０の接合強度は、接合部Ｐにおける固相接合の面積に大きく依存する。以上の観察結果から、この不具合サンプルは、一見接合部Ｐの凹部全体で接合しているように見えるものの、適正な固相接合はエリアＥ１付近でしかなされていなかったため、接合強度（引張剪断強度）が小さかったのだと考えることができる。
【００６３】
またこのことから、固相接合の良否とバリＲの形状とは密接な関係にあることがわかる。すなわちバリＲが小さい箇所では金属めっき層の移動量が小さく、充分な固相接合が行われていない虞が大である。換言すれば、極端にバリＲの小さい箇所がなく、全体的に均一なバリＲが形成されていれば、固相接合の不充分な箇所がなく、全体として適正な接合がなされると言える。
【００６４】
次に、同じ接合条件でありながら、図７（ａ），（ｃ）に示す適正サンプルが得られる場合と同（ｂ），（ｄ）に示す不具合サンプルが得られる場合とがある原因について述べる。バリＲに偏りが発生する一義的な原因は回転工具１６の回転振れである。上記接合工程において最も回転工具１６の振れが懸念されるのは、第１押圧工程の後半から第２押圧工程の前半にかけて、ショルダ部１６ｂと第１金属部材１１とが接触するときである。このとき、接触抵抗の急激な上昇により、ピン部１６ｃのアンカー機能を以ってしてもある程度の大きさの回転振れが起こる場合がある。その対策として、回転工具１６の支持構造や受け具１７の支持構造を工夫して回転振れを抑制する方法などが考えられている。
【００６５】
しかし見落とされがちな要因として、治具の設置状態についても充分な配慮が必要である。実際の接合工程においてはワーク１０を固定するための各種治具が用いられるが、以下に示すように回転工具１６の回転振れはその治具の設置状態、例えば位置ズレによっても悪化する虞があるからである。
【００６６】
図９は、接合品質における治具の設置状態の影響をテストするための試験片５０の斜視図である。試験片５０は、実際の設備を模擬した各種治具によって支持されている。
【００６７】
試験片５０は、短冊状の板状体であるアルミニウム合金板５１（第１金属部材１１に相当）と、同じく短冊状の板状体である亜鉛めっき鋼板５２（第２金属部材１２に相当）とからなる。アルミニウム合金板５１と亜鉛めっき鋼板５２とは長手方向に一部が重合するように配置されている。その重合部の平面視略中央に接合ポイント５５が設定されている。
【００６８】
アルミニウム合金板５１と亜鉛めっき鋼板５２との重合部と非重合部との間に段差が生じるが、その段差を埋める治具としてスペーサ６１，６２（総称するときはスペーサ６０という）が配置されている。スペーサ６０は試験片５０と同様の短冊状の板状体である。スペーサ６１は亜鉛めっき鋼板５２と同じ板厚で亜鉛めっき鋼板５２を延長するように配置される。またスペーサ６２はアルミニウム合金板５１と同じ板厚でアルミニウム合金板５１を延長するように配置される。その結果、試験片５０とスペーサ６０とは全体として一塊の合成板状体を形成する。
【００６９】
その合成板状体の上に、さらなる治具として浮き上がり防止板７１が重合される。浮き上がり防止板７１は試験片５０と同様の短冊状の板状体であって、試験片５０とスペーサ６０とからなる合成板状体を平面視で略包含する長さを有する。浮き上がり防止板７１の長手方向略中央には上下に貫通する円形の開口部７３が設けられている。そのため、接合ポイント５５付近のアルミニウム合金板５１が露出している。浮き上がり防止板７１の長手方向両端付近の、少なくとも上記合成板状体が形成された箇所にクランプ位置７５が設定されている。
【００７０】
この試験片５０は、次のような手順で接合される。まずクランプ位置７５において図外のクランプによって押圧され、試験片５０、スペーサ６０および浮き上がり防止板７１が一体化した状態で固定される。その後、回転工具１６および受け具１７を用いた上記接合工程によって試験片５０の接合が行われる。
【００７１】
試験片５０等を固定するにあたり、浮き上がり防止板７１の初期位置（基準位置）は開口部７３の中心が接合ポイント５５と一致する位置である。当試験では、この浮き上がり防止板７１を所定量ずらし、開口部７３の中心と接合ポイント５５との間に意図的にズレを生じさせた。その条件における接合品質を調べることにより、治具の位置ズレの影響を検証した。試験は、条件Ａ，Ｂという２水準で行った。
【００７２】
（１）条件Ａ，Ｂに共通する条件
・試験片５０
アルミニウム合金板５１・・・６０００系アルミニウム合金板（厚さ１．４ｍｍ）
亜鉛めっき鋼板５２・・・Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板（厚さ１．０ｍｍ）
・回転工具１６の主要寸法
ショルダ径Ｄ１・・・φ１０ｍｍ
ピン径Ｄ２・・・φ２ｍｍ
ショルダ傾斜角θ・・・７度
（２−Ａ）条件Ａの接合条件
第１、第２、第３回転速度・・・各２５００ｒｐｍ
第１、第２、第３加圧力・・・順に２．４５ｋＮ，４．９０ｋＮ，０．９８ｋＮ
第１、第２、第３加圧時間・・・順に０．２ｓ，１．５４ｓ，２．４ｓ
治具のズレ量・・・０ｍｍ（基準位置），９ｍｍ
（２−Ｂ）条件Ｂの接合条件
第１、第２、第３回転速度・・・各２５００ｒｐｍ
第１、第２、第３加圧力・・・順に２．４５ｋＮ，５．３９ｋＮ，０．９８ｋＮ
第１、第２、第３加圧時間・・・順に０．２ｓ，２．０ｓ，２．４ｓ
治具のズレ量・・・０ｍｍ（基準位置），４ｍｍ，９ｍｍ
【００７３】
その結果、条件Ａ，Ｂともに、治具（浮き上がり防止板７１）が基準位置にセットされているときはバリＲの厚みの偏りが小さく、治具のずらし量を大きくするに伴ってバリＲの厚みの偏りが大きくなった。すなわち治具の設置位置ズレがバリＲの厚みの偏りと強い相関があることがわかった。
【００７４】
図１０は、条件Ａ，Ｂのそれぞれについて、接合部の引張剪断強度の測定結果を示すグラフである。横軸に治具（浮き上がり防止板７１）のズレ量（ｍｍ）、縦軸に接合部の引張剪断強度（ｋＮ）を示す。各引張剪断強度の値は、条件Ａで治具のズレ量が０ｍｍのとき３．６ｋＮ、同９ｍｍのとき１．１ｋＮ（ＮＧレベル）、条件Ｂで治具のズレ量が０ｍｍのとき４．２ｋＮ、同４ｍｍのとき３．８ｋＮ、同９ｍｍのとき１．３ｋＮ（ＮＧレベル）であった。すなわち治具の設置位置ズレが大きいほど引張剪断強度が弱くなるという強い相関があることがわかった。
【００７５】
以上の結果から、より良好な接合品質を得るには、治具の形状や配置を適正に設定するとともに、接合工程において治具の位置ズレを抑制することが効果的であると言える。
【００７６】
また以上の結果から、バリＲの偏りと接合品質（接合強度）との間に密接な関係があることがわかるが、本願発明者はこのような実験を繰返し、バリＲの形状が所定の許容バリ範囲Ｂａ内にあるとき、接合部Ｐの接合品質が満足されることを確認した。
【００７７】
許容バリ範囲Ｂａは、次の判定式１を満たすようにするのが効果的である。
【００７８】
バリ厚比Ｂｒ＜基準値Ｇ１ ・・・（判定式１）
但し、バリ厚比Ｂｒ＝(最大バリ厚Ｂｍａｘ)／(最小バリ厚Ｂｍｉｎ)
バリ厚比Ｂｒは、バリＲの平面視での径方向厚みの偏りを示す指標である。また基準値Ｇ１は、ワーク１０の材質や板厚、その他の接合条件等によって適宜設定して良い。当実施形態においては基準値Ｇ１＝２．０が適当である。
【００７９】
なお、（判定式１）を満たすことをもってバリＲが許容バリ範囲Ｂａ内にあると判定しても良いが、他の条件と複合させ、それらの全部または一部が成立することをもってバリＲが許容バリ範囲Ｂａ内にあると判定しても良い。例えば次の判定式２や判定式３を追加しても良い。
【００８０】
最大バリ厚Ｂｍａｘ＜基準値Ｇ２ ・・・（判定式２）
最小バリ厚Ｂｍｉｎ＞基準値Ｇ３ ・・・（判定式３）
基準値Ｇ２，Ｇ３は、ワーク１０の材質や板厚、その他の接合条件等によって適宜設定して良い。
【００８１】
判定式２〜３は、回転工具１６の押込深さが適正範囲内にあるか否かを評価するのにも好適である。回転工具１６の押込深さは上記第２押圧工程で設定される値であるが、何らかの要因でそれが増減する虞がある。この押込深さが浅すぎると良好な固相接合を得ることができず、深すぎると第１金属部材１１が薄くなり過ぎる虞がある。そこで、この押込深さが適正範囲内にあることを簡単に評価することができれば、その評価精度をより高めることができる。以下図１１を参照して説明するように、判定式２〜３によれば、バリＲの形状を計測することによりその評価を行うことができる。
【００８２】
図１１は、バリの厚みと回転工具１６の押込深さとの関係を示すグラフである。横軸に押込深さ（ｍｍ）、縦軸にバリの厚み（ｍｍ）を示す。なおバリの厚みは、内角９０度ごとの４つの径方向厚み（図１３に示すＢ１〜Ｂ４）の平均値で示す。また最大値と最小値とを上下限範囲として示している。回転工具１６の押込深さ以外の接合条件は同一とした。
【００８３】
図１１に示すように、押込量が０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．１５ｍｍのとき、バリの厚みはそれぞれ１．４ｍｍ、１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．０８ｍｍ（１．８〜２．２ｍｍ）であった。またバリ厚比Ｂｒはそれぞれ１．０、１．０、１．０、１．２２であった。何れも上記判定式１に照らして基準を満足しており、ＯＫレベルであった。また実際の引張剪断強度も順に３．０ｋＮ、４．６ｋＮ、４．２ｋＮ、３．８ｋＮであり、ＯＫレベルであることが確認された。
【００８４】
図１１から明らかなように、回転工具１６の押込深さが深くなるほどバリの厚みが増大しており、両者の間に密接な関係がある。この関係を利用し、バリの厚みを測定することにより、押込深さを推定することができる。そして、押込深さの上下限に対応するバリの厚みの上下限を上記基準値Ｇ２，Ｇ３とすれば、判定式２〜３を満たすことをもって回転工具１６の押込深さが適正範囲にあると評価することができる。
【００８５】
図１２は、上記摩擦点接合部の評価方法に則った摩擦点接合部の評価装置９０（以下評価装置９０と略称する）のブロック図である。評価装置９０の概略構成として、ワーク１０の接合部Ｐを平面視で撮像するカメラ９２（撮像手段）と、カメラ９２が撮像した画像を表示するモニタ９３と、上記各評価式を含む所定のプログラムを実行したり、評価装置９０全体の動作制御を行ったりするコントロールユニット９４（評価手段）と、予め入力された上記各基準値Ｇ１〜Ｇ３を記憶したり、測定結果や判定結果を保存したりするデータ記憶装置９５（記憶手段）とを含む。またカメラ９２とコントロールユニット９４とでバリＲの形状を計測する計測手段を構成する。
【００８６】
図１３は、評価装置９０の計測手段によるバリＲの計測方法を示す説明図である。カメラ９２で撮像された接合部Ｐは、コントロールユニット９４で必要な画像処理（ノイズ除去等）が行われた後、画像解析によってバリＲの形状が計測される。
【００８７】
まず、例えばピン部１６ｃの押入痕の中心が接合部Ｐの中心として決められ、中心角９０度間隔で４つの測定エリア（第１，第２，第３，第４エリアＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）が設定される。そしてそれぞれの測定エリアにおけるバリＲの径方向厚み（第１，第２，第３，第４バリ厚みＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）が測定される。またそれらの測定値のうち、最大値が最大バリ厚Ｂｍａｘ、最小値が最小バリ厚Ｂｍｉｎとされる。
【００８８】
図１４は、評価装置９０を用いた検査工程のフローチャートである。このフローチャートを参照して評価装置９０の動作と評価装置９０による検査工程の流れについて説明する。
【００８９】
まずカメラ９２により接合部Ｐの撮像がなされる（ステップＳ１）。次にコントロールユニット９４によって画像のノイズ除去がなされ（ステップＳ２）、コントラスト補正がなされる（ステップＳ３）。このように画像処理されてバリＲの形状がより鮮明にされた画像が、必要に応じてモニタ９３に表示されるようにしても良い。それによって作業者が必要に応じて容易に目視チェックを行うことができる。
【００９０】
続いてコントロールユニット９４によって、画像解析によるバリＲの形状測定が行われる（ステップＳ４）。当実施形態では、上記の手順で第１〜第４バリ厚みＢ１〜Ｂ４が測定される。次に上記判定式１〜３の演算がなされる（ステップＳ５）。具体的にはバリＲの形状測定値と、データ記憶装置９５から読込まれた基準値Ｇ１〜Ｇ３とが判定式１〜３に代入され、その成否判定がなされる。
【００９１】
続いてコントロールユニット９４によって、バリＲの形状が許容バリ範囲Ｂａ内にあるか否かの判定が行われる（ステップＳ６）。当実施形態では、上記判定式１〜３の全てが成立したとき、ステップＳ６でＹＥＳと判定される。ステップＳ６でＹＥＳのときにはモニタ９３にＯＫ判定の表示がなされ（ステップＳ７）、ＮＯのときにはＮＧ判定の表示がなされる（ステップＳ８）。何れの場合も各測定値や判定結果等がデータ記憶装置９５に保存され（ステップＳ９）、検査が終了する。
【００９２】
検査終了後は、カメラ９２またはワーク１０を移動させ、次の接合部Ｐの検査に移行する。ステップＳ６でＮＧ判定がなされた場合は次の接合部Ｐへの移行を保留するようにしても良い。
【００９３】
以上の説明から明らかなように、当実施形態の摩擦点接合部の評価方法によれば、容易かつ高精度に接合品質の良否を評価することができる。またこの評価方法によれば、接合部のバリ形状を計測するだけなので非破壊で行うことができる。従ってその評価方法が適用された評価装置９０は、自動化や全数検査にも容易に対応することができる。
【００９４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲内で適宜変更が可能である。
【００９５】
例えば上記実施形態では第１金属部材１１としてアルミニウム合金板、第２金属部材１２として亜鉛めっき鋼板が用いられた場合を示したが、必ずしもこのような組合せである必要はなく、第１金属部材１１よりも第２金属部材１２の方が高融点であるような組合せであれば他のいかなる金属部材に対しても適用可能である。例えば第１金属部材１１としてマグネシウム合金板等を用いても良い。また第２金属部材１２に施されている金属めっきは、亜鉛めっきに限定するものではない。また金属めっき層以外の表面皮膜が形成されていても良い。また積極的に形成された表面皮膜に限定するものではない。例えば、何ら表面処理を施していない鋼板の場合、通常は表面に自然に酸化皮膜が形成される。適正な固相接合を行うにはその酸化皮膜を充分破壊する必要があり、それがなされたか否かを評価する方法および装置として本発明は有効である。
【００９６】
また上記実施形態では、バリＲが許容バリ範囲Ｂａ内にあるか否かを判定するために判定式１〜３を用いたが、必ずしもこれらを全て用いる必要はなく、その一部を用いても良く、別の判定式を用いても良い。
【００９７】
また上記実施形態では測定されたバリＲの形状を第１〜第４バリ厚みＢ１〜Ｂ４として数値化し、判定式で評価するようにしたが、必ずしもそのようにする必要はなく、バリ形状自体ないしはそれに画像処理を施した画像データから直接評価するようにしても良い。例えば評価装置９０において、許容バリ範囲としての画像データを予めデータ記憶装置９５に記憶させておき、撮像された画像と許容バリ範囲の画像データとを重合比較することにより評価を行うようにしても良い。
【００９８】
撮像手段として、通常の撮像を行うカメラ９２に代えて、スリットを通したレーザー光（スリットレーザー）を斜めから接合部Ｐに照射し、その反射光を受光するものを用いても良い。この撮像手段によればバリＲを３次元で認識することができるので測定精度の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施形態に好適な摩擦点接合を模式的に示す斜視図である。
【図２】上記摩擦点接合に用いられる回転工具の先端部の拡大図である。
【図３】上記摩擦点接合の第１押圧工程の説明図である。
【図４】上記第１押圧工程に続く第２押圧工程の説明図である。
【図５】上記第２押圧工程に続く第３押圧工程の説明図である。
【図６】上記第３押圧工程後、摩擦点接合が完了した状態を示す図である。
【図７】接合部のサンプルを示す図であって、（ａ）は適正な接合がなされた接合部の平面写真であり、（ｂ）は適正な接合がなされなかった典型的な接合部の平面写真である。（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ（ａ）、（ｂ）のスケッチである。
【図８】図７（ｄ）に示す不具合サンプルのVIII−VIII線断面図である。（ａ），（ｂ）は組成像であり、（ｃ），（ｄ）はＺｎ特性のＸ線像である。また（ａ）、（ｃ）は図７（ｄ）に示すエリアＥ１の写真、（ｂ），（ｄ）は同エリアＥ２の写真である。
【図９】接合品質における治具の設置状態の影響をテストするための試験片の斜視図である。
【図１０】接合部の引張剪断強度の測定結果を示すグラフである。
【図１１】バリの厚みと回転工具の押込深さとの関係を示すグラフである。
【図１２】摩擦点接合部の評価装置のブロック図である。
【図１３】上記評価装置の計測手段によるバリの計測方法を示す説明図である。
【図１４】上記評価装置を用いた検査工程のフローチャートである。
【符号の説明】
【０１００】
１１ 第１金属部材
１２ 第２金属部材
１６ 回転工具
９０ 摩擦点接合部の評価装置
９２ カメラ（撮像手段、計測手段）
９４ コントロールユニット（計測手段、評価手段）
９５ データ記憶装置（記憶手段）
Ｂ１〜Ｂ４ 第１〜第４バリ厚み（バリの平面視での径方向厚み）
Ｂａ 許容バリ範囲
Ｐ 接合部
Ｒ バリ
Ｚ 亜鉛めっき層（金属めっき層）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ね合わせた金属部材に回転工具を押圧し、摩擦熱で軟化させ塑性流動させて接合する摩擦点接合の接合部を評価する方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の燃費改善等の目的で軽量化を図るため、自動車等のボディ材料としてアルミニウム合金材料が多用されつつある。それに伴い、例えばアルミニウム合金等からなる部材と鉄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。
【０００３】
しかし、このような異種金属材料からなる部材同士をアーク溶接などの溶融溶接で接合すると脆弱な金属間化合物が生成し、接合強度が低下する等の問題点があった。またリベット接合等の接合ではコスト高になる。
【０００４】
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、摩擦点接合と呼ばれる接合方法が注目されている。この接合方法は、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鉄材料等からなる第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工具の先端部を第１金属部材の側から押込んで、該回転工具の回転および第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金属部材を軟化およ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溶接（固相接合）するものである。
【０００５】
ところで、このような摩擦点接合を行った後、必要に応じ、例えば検査等の目的でその接合状態の良否が評価される。特許文献２には、アルミニウム合金板同士を接合する場合の評価方法が示されている。この方法は、ワークに対して回転工具の反対側に配置され回転工具の押圧力を受ける受け台に、その受圧力を検知する検知手段を設けたものである。そしてこの受圧力が均等であることをもって、回転工具の押圧力が均等に作用し、良好な接合が行われたとみなすのである。
【０００６】
その検知手段として、第１には受け台に設けられた凹部（凸部も可とされている）が挙げられている。回転工具の押圧力によって受け台に接触する金属部材が上記凹部に当接する箇所に圧痕を残す。その圧痕が均等に残っていることをもって受圧力が均等に作用したことを検知する。第２の検知手段としては受け台に設けられた圧力センサが挙げられている。
【特許文献１】特開２００５−３４８７９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３４６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２に示される評価方法は、必ずしも常に実用的な方法と言えるものではなかった。例えば受け台に当接する金属が鋼板などアルミニウム合金板よりもかなり硬度の高い材質の場合、評価に適するような圧痕が残らないし、圧力センサを用いるにしても充分な精度を期待できるものではなかった。
【０００８】
そこでそのような場合、実際にはタガネ検査や破壊計測に依存せざるを得なかった。タガネ検査は、スポット溶接において一般的に行われる非破壊検査方法であって、２枚の金属板の間にタガネを圧入して溶接ナゲット（接合部）の周縁部の直径を計測する方法である。また破壊計測は、例えば荷重試験機を用いた強度試験等である。
【０００９】
しかし、タガネ検査のような非破壊計測は摩擦点接合部の接合品質を直接評価することができなかった。また非破壊計測の場合は必然的に抜取り検査となるので、全数検査が必用な場合には採用することができない。何れにしてもこれらの方法は自動化が困難で、検査工数の増大が避けられないものであった。
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑み、摩擦点接合部の接合品質を非破壊にて容易かつ高精度に評価することができる方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための請求項１に係る発明は、第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する方法であって、上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定し、評価対象の上記バリ形状を計測し、計測されたバリ形状が上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価することを特徴とする摩擦点接合部の評価方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の摩擦点接合部の評価方法において、上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の摩擦点接合部の評価方法において、上記第１金属部材はアルミニウム合金板であり、上記第２金属部材は金属めっき層が形成された鋼板であり、上記摩擦点接合は、上記回転工具の回転および押圧により摩擦熱で軟化した金属めっき層が上記接合部から押出され、上記第１金属部材と上記第２金属部材とが固相状態で接合するものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する装置であって、上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として記憶する記憶手段と、評価対象の上記バリ形状を計測する計測手段と、計測されたバリ形状を上記許容バリ範囲と比較し、それが上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価する評価手段とを備えることを特徴とする摩擦点接合部の評価装置である。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４記載の摩擦点接合部の評価装置において、上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項４または５記載の摩擦点接合部の評価装置において、上記計測手段は、上記接合部を平面視で撮像する撮像手段を備え、撮像された該接合部の平面画像に基いて上記バリ形状を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によると、以下説明するように、摩擦点接合部の接合品質を非破壊にて容易かつ高精度に評価することができる。
【００１８】
摩擦点接合を行うと、回転工具に押圧された接合部に凹部が形成される。そしてその周縁部には、回転工具に押し退けられた金属部材によってバリが形成される。本願発明者は、このバリの形状と接合部の接合品質（例えば引張剪断強度）との間に密接な関係があることを見出した。
【００１９】
そこで、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定しておき、評価対象の接合部のバリ形状がその許容バリ範囲内にあるか否かを判定すれば、容易かつ高精度に接合品質の良否を評価することができる。またこの評価方法によれば、接合部のバリ形状を計測するだけなので非破壊で行うことができ、自動化や全数検査にも容易に対応することができる。
【００２０】
なお許容バリ範囲は、数値化されたデータであっても良いし、バリ形状自体ないしはそれに画像処理を施した画像データ等であっても良い。
【００２１】
請求項２の発明によると、効果的な許容バリ範囲を設定することができる。本願発明者は、バリの平面視での径方向厚みの偏りが接合品質と特に密接な関係にあることを見出した。すなわちこの偏りが大きいと接合品質が低下するのである。そこで、例えば「バリの最大厚みと最小厚みとの比が所定の基準値（例えば２．０）以下であること」等の許容バリ範囲を設定することが効果的となる。
【００２２】
なお本発明は、他の許容バリ範囲の設定を排除する趣旨ではない。他の許容バリ範囲の設定としては、例えば「バリの最大厚みが所定の基準値以下」や「バリの最小厚みが所定の基準値以上」等が挙げられるが、それらとの併用によってより評価精度を高めるようにしても良い。
【００２３】
請求項３の発明によると、本発明の効果を一層顕著に奏することができる。本願発明者は、アルミニウム合金板と金属めっき層（例えば亜鉛めっき）が形成された鋼板との接合において、バリ形状と接合品質との間に特に密接な関係があることを見出した。
【００２４】
このような接合形態において、バリ形状と接合品質とが次のようなメカニズムで密接に関係している。アルミニウム合金板と金属めっき層が形成された鋼板とを摩擦点接合で接合する場合、通常はアルミニウム合金板の方から回転工具を押圧する。そして摩擦熱によってアルミニウム合金を軟化し塑性流動させるのであるが、その際、同時に両部材の接合界面に存在する金属めっき層をその接合界面から充分除去することが良好な接合を得るためのポイントとなる。金属めっき層が残存していると、アルミニウムと鉄との固相接合が妨げられるからである。
【００２５】
そこでバリ形状と金属めっき層の除去状況との関係を観察すると、バリが適正に形成されている場合には金属めっき層が大きく流動し、それが完全に除去されていることが見られた反面、バリが小さかったり偏ったりして適正に形成されていない場合には金属めっき層の流動が小さく、その除去が不完全であることがわかった。
【００２６】
このようにバリ形状は、接合品質に大きな影響を及ぼす金属めっき層の接合界面からの除去と密接な関係があるので、これを計測することにより精度良く接合品質を評価できるのである。
【００２７】
なおバリ形状と接合品質との関係の適用は、金属めっき層が介在する場合に限定されるものではない。例えば接合界面において何れか又は両方の金属表面に酸化皮膜が形成されているような場合においても、その酸化皮膜を充分破壊することが重要であり、その成否とバリ形状との間には密接な関係がある。
【００２８】
請求項４および請求項５の発明によると、当該摩擦点接合部の評価装置は、上記請求項１および請求項２の発明による効果と同様の効果を奏する。
【００２９】
請求項６の発明によると、接合部を撮像手段で撮像するだけで、非破壊、非接触で容易にバリ形状を計測することができる。撮像されたバリ形状は、必要に応じて許容バリ範囲との比較可能な形態に変形される（例えばノイズ除去やバリ厚みの数値化等）。許容バリ範囲がバリ形状自体の範囲を規定する画像データ等である場合には、撮像された画像と許容バリ範囲の画像データとを重合比較することにより評価を行うようにしても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。当実施形態の摩擦点接合部の評価方法およびその装置を説明するに先立ち、当実施形態に好適な摩擦点接合の概略について説明する。
【００３１】
図１は当実施形態に好適な摩擦点接合を模式的に示す斜視図である。この摩擦点接合は、第１金属部材１１と、第１金属部材１１より融点が高い第２金属部材１２とを接合するものである。第１金属部材１１としては例えばアルミニウム合金板が好適であり、第２金属部材１２としては金属めっき層（当実施形態では図３に示す亜鉛めっき層Ｚ）が形成された鋼板が好適である。なお以下第１金属部材１１と第２金属部材１２とを総称してワーク１０という。
【００３２】
まず図１に示すように第１金属部材１１と第２金属部材１２とが重ね合わされ、その重合部の第１金属部材１１側（低融点金属部材側）に接合ポイント１３が設定される。そして、略円柱状の回転工具１６が、その軸回りに回転されつつ（矢印Ａ１）、軸方向に接合ポイント１３に押圧される（矢印Ａ２）。
【００３３】
またワーク１０を挟んで回転工具１６の反対側の回転工具１６と同軸上に、回転工具１６と略同径ないしはそれより大径の受け具１７が配置される。受け具１７はワーク１０を挟んで回転工具１６に接近する方向に移動し、少なくとも回転工具１６による押圧が開始するまでにはその先端が第２金属部材１２に当接される。そして回転工具１６による押圧時、その押圧力を受ける。
【００３４】
回転工具１６や受け具１７は図外の摩擦点接合装置に装着され、その回転速度、押圧位置、加圧力、加圧時間等が適宜制御されるように構成されている。なお図１では省略しているが、予めワーク１０を固定し、また回転工具１６を押圧したときの第１金属部材１１の浮き上がりを防止するため、スペーサや浮き上がり防止板等の治具が適宜用いられる。
【００３５】
図２は回転工具１６の先端部の拡大図である。左半分は縦断面図を示す。この回転工具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、ワーク１０と対向するショルダ部１６ｂと、回転工具１６の回転軸線Ｘ上に位置し、かつショルダ部１６ｂから該ショルダ部１６ｂの外径よりも小径でワークに対向する側に所定長さｈだけ突出するピン部１６ｃと、該ピン部１６ｃの周囲におけるショルダ部１６ｂに設けられた環状凹部１６ｄとで構成されている。環状凹部１６ｄは、その底面が円錐形状に傾斜している。この回転工具１６の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径Ｄ２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（ショルダ傾斜角）θが５°〜７゜とされる。
【００３６】
但し、回転工具１６の最適形状は一義的に決定されるものではなく、ワーク１０の材質、厚さ、重ね合わせるワーク１０の枚数等、用途に応じて異なる。従って、用途別に好適な複数種類の回転工具１６を準備しておき、用途に応じて適宜交換して用いるようにするのが望ましい。図２に示すような環状凹部１６ｄを有する回転工具１６の形状は、当実施形態のように融点の異なる異種の金属部材を接合する際に用いるのに好適である。
【００３７】
次に、摩擦点接合による接合工程について説明する。摩擦点接合の工程は、詳しくは初期移動工程、第１押圧工程、第２押圧工程、第３押圧工程を順に行うように設定されている。
【００３８】
まず初期移動工程では、回転工具１６および受け具１７を図１に示すようにワーク１０の接合ポイント１３を挟む位置に移動させ、両者を接近させる（矢印Ａ２，Ａ２）。そして受け具１７を第２金属部材１２に当接させるとともに回転工具１６を初期位置に移動させる。この初期位置は、回転工具１６のピン部１６ｃの先端が第１金属部材１１に僅かに離れるような位置である。この初期移動工程では、回転工具１６を回転させるようにしても、回転させないようにしても良いが、当実施形態では、次の第１押圧工程へ直ぐに移行できるように、続く第１押圧工程と同じ回転速度（第１回転速度）で回転させるようにしておく（矢印Ａ１）。
【００３９】
続く第１押圧工程では、図３に示すように、回転工具１６を第１回転速度で回転させながら、上記初期移動工程における回転工具１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第１加圧時間の間、第１金属部材１１に対し押圧接触させる。
【００４０】
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回転速度は、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加圧時間は、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回転速度及び第１加圧時間は、回転工具１６が第１金属部材１１に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部（深さが深い回転軸線Ｘ側の部分）が第１金属部材１１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１１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。
【００４１】
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の回転軸線Ｘ回りに回転しながら第１金属部材１１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１１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１２の表面に施されている亜鉛めっき層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回転速度及び第１加圧時間を、上記好ましい範囲に設定することで、第１金属部材１１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。
【００４２】
またこの第１押圧工程の初期段階において、ショルダ部１６ｂよりも所定長さｈだけ突出したピン部１６ｃが、ショルダ部１６ｂよりも先に第１金属部材１１に当接する。このように細い径のピン部１６ｃを最初に当接させることにより、小さな摩擦抵抗で回転工具１６の位置決めが良好になされ、回転軸線Ｘに垂直な方向の回転振れが抑制される（アンカー機能）。
【００４３】
続く第２押圧工程では、図４に示すように、回転工具１６を第２回転速度で回転させながら、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第２加圧時間の間、第１金属部材１１に押し込む。
【００４４】
この第２押圧工程では、加圧力が大きくなることで、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃが第１金属部材１１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１１に接触する。これに伴い、第１金属部材１１の軟化に加えて塑性流動が行われる（図では模式的に破線で塑性流動Ｑを示す）。
【００４５】
また塑性流動Ｑにおいて、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１１が、図の上下方向に流動して、回転工具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１１の塑性流動Ｑが促進される。さらに、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合境界面において、上記軟化した亜鉛めっき層Ｚが接合部Ｐから押し出されることで、第２金属部材１２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１１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１１の新生面が露出する。
【００４６】
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回転速度は、２０００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ未満に設定することが好ましい。さらに上記第２加圧時間は、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回転速度及び第２加圧時間は、回転工具１６が第１金属部材１１に対し所定の挿入位置（押込深さ）よりも深く押し込まれないようにそれぞれ設定する。この押込深さは、それより回転工具１６が深く入り込むと第１金属部材１１が過度に薄くなって引きちぎられる虞があるような位置である。
【００４７】
この第２押圧工程の完了を以って接合工程を完了させても良いが、当実施形態では、さらに第３押圧工程を行うようにしている。第３押圧工程では、図５に示すように、回転ツール１６を第３回転速度で回転させながら、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第３加圧時間の間、第１金属部材１１に対し押圧接触させる。
【００４８】
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、回転工具１６が第１金属部材１１に対し上記押込深さよりも深く押し込まれず、第２押圧工程が完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１１が過度に薄くなって引きちぎら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。
【００４９】
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回転速度は、１５００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定することが好ましい。さらに上記第３加圧時間は、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回転速度及び第３加圧時間は、回転ツール１６が第１金属部材１１に対し、第２押圧工程が完了したときの位置で押圧し続けかつ第１金属部材１１の塑性流動が生じるようにそれぞれ設定する。
【００５０】
上記第３押圧工程においては、回転工具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１１の表面に隆起するとともに、亜鉛めっき層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、第１金属部材１１および第２金属部材１２の各新生面の露出範囲が拡大する（図５中、×印で表示した範囲）。この結果、第１金属部材１１と第２金属部材１２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。
【００５１】
なお、亜鉛めっき層Ｚにおける接合部Ｐの近傍部分には、第１金属部材１１を構成する金属（アルミニウム合金）と、亜鉛めっき層Ｚを構成する金属との金属混合物層Ｙが生成される。
【００５２】
この第３押圧工程の完了により、１つの接合部Ｐでの接合が終了することになる。接合部Ｐでの接合が終了すると、回転工具１６と受け具１７とをワーク１０から離反させる。摩擦点接合が完了した後の接合部Ｐにおいては、図６に示すように、第１金属部材１１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。適正な接合が行われたとき、このバリＲは適度な径方向厚みをもって全周に亘り均一に形成される。
【００５３】
以上の接合工程により、通常は適正な接合が行われるのであるが、何らかの原因によって不適正な接合が行われ、充分な強度が得られなくなることがある。以下に、その不具合の実態や原因について説明する。
【００５４】
本願発明者は、接合強度が不充分な接合部Ｐに一定の共通する特徴があることに着眼した。それは、バリＲの平面視での径方向厚みに偏りが見られるという特徴である。
【００５５】
図７は、上記接合工程によって得られた接合部のサンプルを示す図であって、（ａ）は適正な接合がなされた接合部（以下適正サンプルという）の平面写真であり、（ｂ）は適正な接合がなされなかった典型的な接合部（以下不具合サンプルという）の平面写真である。（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ（ａ）、（ｂ）のスケッチであり、特にバリＲの特徴に注目して描かれたものである。
【００５６】
図７（ａ）〜（ｄ）に示す接合部は、次の条件で得られたものである。
【００５７】
・ワーク１０
第１金属部材１１・・・６０００系アルミニウム合金板（厚さ１．４ｍｍ）
第２金属部材１２・・・Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板（厚さ１．０ｍｍ）
・回転工具１６の主要寸法
ショルダ径Ｄ１・・・φ１０ｍｍ
ピン径Ｄ２・・・φ２ｍｍ
・接合条件
第１、第２、第３回転速度・・・各２０００ｒｐｍ
第１、第２、第３加圧時間・・・合計５ｓ
押込深さ・・・１．２ｍｍ
【００５８】
そして得られた接合部Ｐの引張剪断強度は、図７（ａ），（ｃ）の適正サンプルが４．８ｋＮ、（ｂ），（ｄ）の不具合サンプルが０．５ｋＮ以下であった。図７（ｃ）と（ｄ）とを比較しても明らかなように、適正サンプルはバリＲの径方向厚みが全円周に亘り均等であるのに対し、不具合サンプルには大きな偏りが見られる。すなわち図７（ｄ）に示す状態で左側（エリアＥ１）ではバリＲの厚みが厚く、右側では極端に薄くなっている。
【００５９】
図８は、図７（ｄ）に示す不具合サンプルのVIII−VIII線断面図（写真）である。（ａ），（ｂ）は組成像であり、（ｃ），（ｄ）はＺｎの特性Ｘ線像である。また（ａ）、（ｃ）は図７（ｄ）に示すエリアＥ１の写真、（ｂ），（ｄ）は同エリアＥ２の写真である。
【００６０】
図８（ａ）に示すように、バリＲが厚いエリアＥ１では第１金属部材１１（グレーで示す部分）の塑性流動が大きく、大きなバリＲが形成されている。図８（ｃ）は図８（ａ）に対応する箇所のＸ線像であるが、白く示された部分がＺｎ（亜鉛）を多く含む部分、すなわち金属めっき成分の分布を示す。図の下段位置に横方向に平行に延びる２本の細い白線が、当初から第２金属部材１２に形成されている金属めっき層を示す。そして図の中央付近で縦に延びる太い白線は、第１金属部材１１と第２金属部材１２との接合面において軟化し、押出され、接合部Ｐの外側に移動した金属めっき成分を示す。図示のように、この金属めっき成分は上方でアーチ状に湾曲している。これは、金属めっき成分の移動がバリＲの部分にまで大きく及んでいることを示している。その一方、接合部Ｐの中心側（図８（ｃ）の右側部分）において、第１金属部材１１に当接する面の金属めっき層がほぼ完全に除去されている（細い白線が消えている）のがわかる。この部分は図５の×印に相当する部分であって、第２金属部材１２の新生面が露出し、適正な固相接合がなされていると考えられる。
【００６１】
それに対しバリＲが薄いエリアＥ２では、図８（ｂ）に示すように、第１金属部材１１の塑性流動がエリアＥ１に比べて少なく、小さなバリＲが形成されている。図８（ｄ）は図８（ｂ）に対応する箇所のＸ線像であるが、白い縦線がエリアＥ１に比べて薄く細い。またバリＲに及ぶアーチ形状も小さい。これは中央側から押出されて接合部Ｐの外側に移動した金属めっき成分が少ないことを示している。また、接合部Ｐの中心側（図８（ｄ）の左側）において、第１金属部材１１に当接する面の金属めっき層が完全に除去されておらず、残留している（細い白線が残っている）のがわかる。つまりこの部分では少なくとも第２金属部材１２に充分な新生面が露出しておらず、適正な固相接合がなされていないと考えられる。
【００６２】
ワーク１０の接合強度は、接合部Ｐにおける固相接合の面積に大きく依存する。以上の観察結果から、この不具合サンプルは、一見接合部Ｐの凹部全体で接合しているように見えるものの、適正な固相接合はエリアＥ１付近でしかなされていなかったため、接合強度（引張剪断強度）が小さかったのだと考えることができる。
【００６３】
またこのことから、固相接合の良否とバリＲの形状とは密接な関係にあることがわかる。すなわちバリＲが小さい箇所では金属めっき層の移動量が小さく、充分な固相接合が行われていない虞が大である。換言すれば、極端にバリＲの小さい箇所がなく、全体的に均一なバリＲが形成されていれば、固相接合の不充分な箇所がなく、全体として適正な接合がなされると言える。
【００６４】
次に、同じ接合条件でありながら、図７（ａ），（ｃ）に示す適正サンプルが得られる場合と同（ｂ），（ｄ）に示す不具合サンプルが得られる場合とがある原因について述べる。バリＲに偏りが発生する一義的な原因は回転工具１６の回転振れである。上記接合工程において最も回転工具１６の振れが懸念されるのは、第１押圧工程の後半から第２押圧工程の前半にかけて、ショルダ部１６ｂと第１金属部材１１とが接触するときである。このとき、接触抵抗の急激な上昇により、ピン部１６ｃのアンカー機能を以ってしてもある程度の大きさの回転振れが起こる場合がある。その対策として、回転工具１６の支持構造や受け具１７の支持構造を工夫して回転振れを抑制する方法などが考えられている。
【００６５】
しかし見落とされがちな要因として、治具の設置状態についても充分な配慮が必要である。実際の接合工程においてはワーク１０を固定するための各種治具が用いられるが、以下に示すように回転工具１６の回転振れはその治具の設置状態、例えば位置ズレによっても悪化する虞があるからである。
【００６６】
図９は、接合品質における治具の設置状態の影響をテストするための試験片５０の斜視図である。試験片５０は、実際の設備を模擬した各種治具によって支持されている。
【００６７】
試験片５０は、短冊状の板状体であるアルミニウム合金板５１（第１金属部材１１に相当）と、同じく短冊状の板状体である亜鉛めっき鋼板５２（第２金属部材１２に相当）とからなる。アルミニウム合金板５１と亜鉛めっき鋼板５２とは長手方向に一部が重合するように配置されている。その重合部の平面視略中央に接合ポイント５５が設定されている。
【００６８】
アルミニウム合金板５１と亜鉛めっき鋼板５２との重合部と非重合部との間に段差が生じるが、その段差を埋める治具としてスペーサ６１，６２（総称するときはスペーサ６０という）が配置されている。スペーサ６０は試験片５０と同様の短冊状の板状体である。スペーサ６１は亜鉛めっき鋼板５２と同じ板厚で亜鉛めっき鋼板５２を延長するように配置される。またスペーサ６２はアルミニウム合金板５１と同じ板厚でアルミニウム合金板５１を延長するように配置される。その結果、試験片５０とスペーサ６０とは全体として一塊の合成板状体を形成する。
【００６９】
その合成板状体の上に、さらなる治具として浮き上がり防止板７１が重合される。浮き上がり防止板７１は試験片５０と同様の短冊状の板状体であって、試験片５０とスペーサ６０とからなる合成板状体を平面視で略包含する長さを有する。浮き上がり防止板７１の長手方向略中央には上下に貫通する円形の開口部７３が設けられている。そのため、接合ポイント５５付近のアルミニウム合金板５１が露出している。浮き上がり防止板７１の長手方向両端付近の、少なくとも上記合成板状体が形成された箇所にクランプ位置７５が設定されている。
【００７０】
この試験片５０は、次のような手順で接合される。まずクランプ位置７５において図外のクランプによって押圧され、試験片５０、スペーサ６０および浮き上がり防止板７１が一体化した状態で固定される。その後、回転工具１６および受け具１７を用いた上記接合工程によって試験片５０の接合が行われる。
【００７１】
試験片５０等を固定するにあたり、浮き上がり防止板７１の初期位置（基準位置）は開口部７３の中心が接合ポイント５５と一致する位置である。当試験では、この浮き上がり防止板７１を所定量ずらし、開口部７３の中心と接合ポイント５５との間に意図的にズレを生じさせた。その条件における接合品質を調べることにより、治具の位置ズレの影響を検証した。試験は、条件Ａ，Ｂという２水準で行った。
【００７２】
（１）条件Ａ，Ｂに共通する条件
・試験片５０
アルミニウム合金板５１・・・６０００系アルミニウム合金板（厚さ１．４ｍｍ）
亜鉛めっき鋼板５２・・・Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板（厚さ１．０ｍｍ）
・回転工具１６の主要寸法
ショルダ径Ｄ１・・・φ１０ｍｍ
ピン径Ｄ２・・・φ２ｍｍ
ショルダ傾斜角θ・・・７度
（２−Ａ）条件Ａの接合条件
第１、第２、第３回転速度・・・各２５００ｒｐｍ
第１、第２、第３加圧力・・・順に２．４５ｋＮ，４．９０ｋＮ，０．９８ｋＮ
第１、第２、第３加圧時間・・・順に０．２ｓ，１．５４ｓ，２．４ｓ
治具のズレ量・・・０ｍｍ（基準位置），９ｍｍ
（２−Ｂ）条件Ｂの接合条件
第１、第２、第３回転速度・・・各２５００ｒｐｍ
第１、第２、第３加圧力・・・順に２．４５ｋＮ，５．３９ｋＮ，０．９８ｋＮ
第１、第２、第３加圧時間・・・順に０．２ｓ，２．０ｓ，２．４ｓ
治具のズレ量・・・０ｍｍ（基準位置），４ｍｍ，９ｍｍ
【００７３】
その結果、条件Ａ，Ｂともに、治具（浮き上がり防止板７１）が基準位置にセットされているときはバリＲの厚みの偏りが小さく、治具のずらし量を大きくするに伴ってバリＲの厚みの偏りが大きくなった。すなわち治具の設置位置ズレがバリＲの厚みの偏りと強い相関があることがわかった。
【００７４】
図１０は、条件Ａ，Ｂのそれぞれについて、接合部の引張剪断強度の測定結果を示すグラフである。横軸に治具（浮き上がり防止板７１）のズレ量（ｍｍ）、縦軸に接合部の引張剪断強度（ｋＮ）を示す。各引張剪断強度の値は、条件Ａで治具のズレ量が０ｍｍのとき３．６ｋＮ、同９ｍｍのとき１．１ｋＮ（ＮＧレベル）、条件Ｂで治具のズレ量が０ｍｍのとき４．２ｋＮ、同４ｍｍのとき３．８ｋＮ、同９ｍｍのとき１．３ｋＮ（ＮＧレベル）であった。すなわち治具の設置位置ズレが大きいほど引張剪断強度が弱くなるという強い相関があることがわかった。
【００７５】
以上の結果から、より良好な接合品質を得るには、治具の形状や配置を適正に設定するとともに、接合工程において治具の位置ズレを抑制することが効果的であると言える。
【００７６】
また以上の結果から、バリＲの偏りと接合品質（接合強度）との間に密接な関係があることがわかるが、本願発明者はこのような実験を繰返し、バリＲの形状が所定の許容バリ範囲Ｂａ内にあるとき、接合部Ｐの接合品質が満足されることを確認した。
【００７７】
許容バリ範囲Ｂａは、次の判定式１を満たすようにするのが効果的である。
【００７８】
バリ厚比Ｂｒ＜基準値Ｇ１ ・・・（判定式１）
但し、バリ厚比Ｂｒ＝(最大バリ厚Ｂｍａｘ)／(最小バリ厚Ｂｍｉｎ)
バリ厚比Ｂｒは、バリＲの平面視での径方向厚みの偏りを示す指標である。また基準値Ｇ１は、ワーク１０の材質や板厚、その他の接合条件等によって適宜設定して良い。当実施形態においては基準値Ｇ１＝２．０が適当である。
【００７９】
なお、（判定式１）を満たすことをもってバリＲが許容バリ範囲Ｂａ内にあると判定しても良いが、他の条件と複合させ、それらの全部または一部が成立することをもってバリＲが許容バリ範囲Ｂａ内にあると判定しても良い。例えば次の判定式２や判定式３を追加しても良い。
【００８０】
最大バリ厚Ｂｍａｘ＜基準値Ｇ２ ・・・（判定式２）
最小バリ厚Ｂｍｉｎ＞基準値Ｇ３ ・・・（判定式３）
基準値Ｇ２，Ｇ３は、ワーク１０の材質や板厚、その他の接合条件等によって適宜設定して良い。
【００８１】
判定式２〜３は、回転工具１６の押込深さが適正範囲内にあるか否かを評価するのにも好適である。回転工具１６の押込深さは上記第２押圧工程で設定される値であるが、何らかの要因でそれが増減する虞がある。この押込深さが浅すぎると良好な固相接合を得ることができず、深すぎると第１金属部材１１が薄くなり過ぎる虞がある。そこで、この押込深さが適正範囲内にあることを簡単に評価することができれば、その評価精度をより高めることができる。以下図１１を参照して説明するように、判定式２〜３によれば、バリＲの形状を計測することによりその評価を行うことができる。
【００８２】
図１１は、バリの厚みと回転工具１６の押込深さとの関係を示すグラフである。横軸に押込深さ（ｍｍ）、縦軸にバリの厚み（ｍｍ）を示す。なおバリの厚みは、内角９０度ごとの４つの径方向厚み（図１３に示すＢ１〜Ｂ４）の平均値で示す。また最大値と最小値とを上下限範囲として示している。回転工具１６の押込深さ以外の接合条件は同一とした。
【００８３】
図１１に示すように、押込量が０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．１５ｍｍのとき、バリの厚みはそれぞれ１．４ｍｍ、１．７ｍｍ、１．９ｍｍ、２．０８ｍｍ（１．８〜２．２ｍｍ）であった。またバリ厚比Ｂｒはそれぞれ１．０、１．０、１．０、１．２２であった。何れも上記判定式１に照らして基準を満足しており、ＯＫレベルであった。また実際の引張剪断強度も順に３．０ｋＮ、４．６ｋＮ、４．２ｋＮ、３．８ｋＮであり、ＯＫレベルであることが確認された。
【００８４】
図１１から明らかなように、回転工具１６の押込深さが深くなるほどバリの厚みが増大しており、両者の間に密接な関係がある。この関係を利用し、バリの厚みを測定することにより、押込深さを推定することができる。そして、押込深さの上下限に対応するバリの厚みの上下限を上記基準値Ｇ２，Ｇ３とすれば、判定式２〜３を満たすことをもって回転工具１６の押込深さが適正範囲にあると評価することができる。
【００８５】
図１２は、上記摩擦点接合部の評価方法に則った摩擦点接合部の評価装置９０（以下評価装置９０と略称する）のブロック図である。評価装置９０の概略構成として、ワーク１０の接合部Ｐを平面視で撮像するカメラ９２（撮像手段）と、カメラ９２が撮像した画像を表示するモニタ９３と、上記各評価式を含む所定のプログラムを実行したり、評価装置９０全体の動作制御を行ったりするコントロールユニット９４（評価手段）と、予め入力された上記各基準値Ｇ１〜Ｇ３を記憶したり、測定結果や判定結果を保存したりするデータ記憶装置９５（記憶手段）とを含む。またカメラ９２とコントロールユニット９４とでバリＲの形状を計測する計測手段を構成する。
【００８６】
図１３は、評価装置９０の計測手段によるバリＲの計測方法を示す説明図である。カメラ９２で撮像された接合部Ｐは、コントロールユニット９４で必要な画像処理（ノイズ除去等）が行われた後、画像解析によってバリＲの形状が計測される。
【００８７】
まず、例えばピン部１６ｃの押入痕の中心が接合部Ｐの中心として決められ、中心角９０度間隔で４つの測定エリア（第１，第２，第３，第４エリアＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）が設定される。そしてそれぞれの測定エリアにおけるバリＲの径方向厚み（第１，第２，第３，第４バリ厚みＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）が測定される。またそれらの測定値のうち、最大値が最大バリ厚Ｂｍａｘ、最小値が最小バリ厚Ｂｍｉｎとされる。
【００８８】
図１４は、評価装置９０を用いた検査工程のフローチャートである。このフローチャートを参照して評価装置９０の動作と評価装置９０による検査工程の流れについて説明する。
【００８９】
まずカメラ９２により接合部Ｐの撮像がなされる（ステップＳ１）。次にコントロールユニット９４によって画像のノイズ除去がなされ（ステップＳ２）、コントラスト補正がなされる（ステップＳ３）。このように画像処理されてバリＲの形状がより鮮明にされた画像が、必要に応じてモニタ９３に表示されるようにしても良い。それによって作業者が必要に応じて容易に目視チェックを行うことができる。
【００９０】
続いてコントロールユニット９４によって、画像解析によるバリＲの形状測定が行われる（ステップＳ４）。当実施形態では、上記の手順で第１〜第４バリ厚みＢ１〜Ｂ４が測定される。次に上記判定式１〜３の演算がなされる（ステップＳ５）。具体的にはバリＲの形状測定値と、データ記憶装置９５から読込まれた基準値Ｇ１〜Ｇ３とが判定式１〜３に代入され、その成否判定がなされる。
【００９１】
続いてコントロールユニット９４によって、バリＲの形状が許容バリ範囲Ｂａ内にあるか否かの判定が行われる（ステップＳ６）。当実施形態では、上記判定式１〜３の全てが成立したとき、ステップＳ６でＹＥＳと判定される。ステップＳ６でＹＥＳのときにはモニタ９３にＯＫ判定の表示がなされ（ステップＳ７）、ＮＯのときにはＮＧ判定の表示がなされる（ステップＳ８）。何れの場合も各測定値や判定結果等がデータ記憶装置９５に保存され（ステップＳ９）、検査が終了する。
【００９２】
検査終了後は、カメラ９２またはワーク１０を移動させ、次の接合部Ｐの検査に移行する。ステップＳ６でＮＧ判定がなされた場合は次の接合部Ｐへの移行を保留するようにしても良い。
【００９３】
以上の説明から明らかなように、当実施形態の摩擦点接合部の評価方法によれば、容易かつ高精度に接合品質の良否を評価することができる。またこの評価方法によれば、接合部のバリ形状を計測するだけなので非破壊で行うことができる。従ってその評価方法が適用された評価装置９０は、自動化や全数検査にも容易に対応することができる。
【００９４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲内で適宜変更が可能である。
【００９５】
例えば上記実施形態では第１金属部材１１としてアルミニウム合金板、第２金属部材１２として亜鉛めっき鋼板が用いられた場合を示したが、必ずしもこのような組合せである必要はなく、第１金属部材１１よりも第２金属部材１２の方が高融点であるような組合せであれば他のいかなる金属部材に対しても適用可能である。例えば第１金属部材１１としてマグネシウム合金板等を用いても良い。また第２金属部材１２に施されている金属めっきは、亜鉛めっきに限定するものではない。また金属めっき層以外の表面皮膜が形成されていても良い。また積極的に形成された表面皮膜に限定するものではない。例えば、何ら表面処理を施していない鋼板の場合、通常は表面に自然に酸化皮膜が形成される。適正な固相接合を行うにはその酸化皮膜を充分破壊する必要があり、それがなされたか否かを評価する方法および装置として本発明は有効である。
【００９６】
また上記実施形態では、バリＲが許容バリ範囲Ｂａ内にあるか否かを判定するために判定式１〜３を用いたが、必ずしもこれらを全て用いる必要はなく、その一部を用いても良く、別の判定式を用いても良い。
【００９７】
また上記実施形態では測定されたバリＲの形状を第１〜第４バリ厚みＢ１〜Ｂ４として数値化し、判定式で評価するようにしたが、必ずしもそのようにする必要はなく、バリ形状自体ないしはそれに画像処理を施した画像データから直接評価するようにしても良い。例えば評価装置９０において、許容バリ範囲としての画像データを予めデータ記憶装置９５に記憶させておき、撮像された画像と許容バリ範囲の画像データとを重合比較することにより評価を行うようにしても良い。
【００９８】
撮像手段として、通常の撮像を行うカメラ９２に代えて、スリットを通したレーザー光（スリットレーザー）を斜めから接合部Ｐに照射し、その反射光を受光するものを用いても良い。この撮像手段によればバリＲを３次元で認識することができるので測定精度の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施形態に好適な摩擦点接合を模式的に示す斜視図である。
【図２】上記摩擦点接合に用いられる回転工具の先端部の拡大図である。
【図３】上記摩擦点接合の第１押圧工程の説明図である。
【図４】上記第１押圧工程に続く第２押圧工程の説明図である。
【図５】上記第２押圧工程に続く第３押圧工程の説明図である。
【図６】上記第３押圧工程後、摩擦点接合が完了した状態を示す図である。
【図７】接合部のサンプルを示す図であって、（ａ）は適正な接合がなされた接合部の平面写真であり、（ｂ）は適正な接合がなされなかった典型的な接合部の平面写真である。（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ（ａ）、（ｂ）のスケッチである。
【図８】図７（ｄ）に示す不具合サンプルのVIII−VIII線断面図である。（ａ），（ｂ）は組成像であり、（ｃ），（ｄ）はＺｎ特性のＸ線像である。また（ａ）、（ｃ）は図７（ｄ）に示すエリアＥ１の写真、（ｂ），（ｄ）は同エリアＥ２の写真である。
【図９】接合品質における治具の設置状態の影響をテストするための試験片の斜視図である。
【図１０】接合部の引張剪断強度の測定結果を示すグラフである。
【図１１】バリの厚みと回転工具の押込深さとの関係を示すグラフである。
【図１２】摩擦点接合部の評価装置のブロック図である。
【図１３】上記評価装置の計測手段によるバリの計測方法を示す説明図である。
【図１４】上記評価装置を用いた検査工程のフローチャートである。
【符号の説明】
【０１００】
１１ 第１金属部材
１２ 第２金属部材
１６ 回転工具
９０ 摩擦点接合部の評価装置
９２ カメラ（撮像手段、計測手段）
９４ コントロールユニット（計測手段、評価手段）
９５ データ記憶装置（記憶手段）
Ｂ１〜Ｂ４ 第１〜第４バリ厚み（バリの平面視での径方向厚み）
Ｂａ 許容バリ範囲
Ｐ 接合部
Ｒ バリ
Ｚ 亜鉛めっき層（金属めっき層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する方法であって、
上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定し、
評価対象の上記バリ形状を計測し、
計測されたバリ形状が上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価することを特徴とする摩擦点接合部の評価方法。
【請求項２】
上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする請求項１記載の摩擦点接合部の評価方法。
【請求項３】
上記第１金属部材はアルミニウム合金板であり、
上記第２金属部材は金属めっき層が形成された鋼板であり、
上記摩擦点接合は、上記回転工具の回転および押圧により摩擦熱で軟化した金属めっき層が上記接合部から押出され、上記第１金属部材と上記第２金属部材とが固相状態で接合するものであることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦点接合部の評価方法。
【請求項４】
第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する装置であって、
上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として記憶する記憶手段と、
評価対象の上記バリ形状を計測する計測手段と、
計測されたバリ形状を上記許容バリ範囲と比較し、それが上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価する評価手段とを備えることを特徴とする摩擦点接合部の評価装置。
【請求項５】
上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする請求項４記載の摩擦点接合部の評価装置。
【請求項６】
上記計測手段は、上記接合部を平面視で撮像する撮像手段を備え、撮像された該接合部の平面画像に基いて上記バリ形状を計測することを特徴とする請求項４または５記載の摩擦点接合部の評価装置。
【請求項１】
第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する方法であって、
上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として設定し、
評価対象の上記バリ形状を計測し、
計測されたバリ形状が上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価することを特徴とする摩擦点接合部の評価方法。
【請求項２】
上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする請求項１記載の摩擦点接合部の評価方法。
【請求項３】
上記第１金属部材はアルミニウム合金板であり、
上記第２金属部材は金属めっき層が形成された鋼板であり、
上記摩擦点接合は、上記回転工具の回転および押圧により摩擦熱で軟化した金属めっき層が上記接合部から押出され、上記第１金属部材と上記第２金属部材とが固相状態で接合するものであることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦点接合部の評価方法。
【請求項４】
第１金属部材と、該第１金属部材より融点が高い第２金属部材とを重ね合わせ、回転工具の回転および押圧により上記第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて上記第１金属部材と上記第２金属部材とを固相状態で接合させる摩擦点接合の接合部を評価する装置であって、
上記接合部の凹部周縁部に発生するバリについて、接合品質を満足するバリ形状の範囲を予め許容バリ範囲として記憶する記憶手段と、
評価対象の上記バリ形状を計測する計測手段と、
計測されたバリ形状を上記許容バリ範囲と比較し、それが上記許容バリ範囲内にあるか否かをもって上記接合部の接合良否を評価する評価手段とを備えることを特徴とする摩擦点接合部の評価装置。
【請求項５】
上記許容バリ範囲は、少なくとも上記バリの平面視での径方向厚みの偏りが所定の基準値以下であることを含むことを特徴とする請求項４記載の摩擦点接合部の評価装置。
【請求項６】
上記計測手段は、上記接合部を平面視で撮像する撮像手段を備え、撮像された該接合部の平面画像に基いて上記バリ形状を計測することを特徴とする請求項４または５記載の摩擦点接合部の評価装置。
【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２００８−１２６２４０（Ｐ２００８−１２６２４０Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１０５２７（Ｐ２００６−３１０５２７）
【出願日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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