JP2005021948A - 摩擦スポット接合方法およびその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】摩擦スポット接合方法において、板材自体の強度をあまり低下させることなく接合強度を向上させるとともに、接合時の板材の曲がりを防止し、さらに、接合開始時の回転ツールの旋回安定性を向上させることにより、接合強度のばらつきを低減する。
【解決手段】接合軸Ｘ（軸線）を中心として回転する回転ツール４と、該回転ツール４の先端面４２と形状及び面積が略同等の先端面５２を有する固定ツール５とをそれらの先端面４２，５２同士が対向するように配置する。そして、複数の板材からなるワークＷの接合位置（接合部位）が前記接合軸Ｘ上に位置するように、前記回転ツール４の先端面４２と固定ツール５の先端面５２との間に前記ワークＷを配置する。前記固定ツール５の先端面５２には前記接合軸Ｘに沿って突出するピン５３（ピン部）を設ける。
【選択図】 図４
【解決手段】接合軸Ｘ（軸線）を中心として回転する回転ツール４と、該回転ツール４の先端面４２と形状及び面積が略同等の先端面５２を有する固定ツール５とをそれらの先端面４２，５２同士が対向するように配置する。そして、複数の板材からなるワークＷの接合位置（接合部位）が前記接合軸Ｘ上に位置するように、前記回転ツール４の先端面４２と固定ツール５の先端面５２との間に前記ワークＷを配置する。前記固定ツール５の先端面５２には前記接合軸Ｘに沿って突出するピン５３（ピン部）を設ける。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の板材を重ね合わせて、その接合部位の材料を塑性流動させて接合するスポット接合方法及びそのための接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、板材のスポット接合方法としては、抵抗溶接法やリベットによる機械的締結法等が知られている。
【０００３】
しかし、抵抗溶接法には、接合時に大容量の電源が必要であること、溶接電極は汚染や損耗により寿命が短いこと、電極の冷却のために冷却水の供給設備が必要であること等、ランニングコストや品質管理の面での課題があり、リベットによる機械的締結方法には、リベット材が多数必要であることや、そのリベットにより接合物の重量の増加を招くこと等の課題がある。
【０００４】
これに対し、近年、接合物の重量増加を招くことなく、安価なランニングコストで接合する方法として、摩擦スポット接合法が提案されている（例えば、後述する引用文献１、２を参照）。この方法は、先端面から突出するピンを備えた回転ツールと、複数の板材からなるワークを支持する受け具（固定ツール）とを用いて、前記回転ツールの回転により板材内に塑性流動を生じさせることによって接合を行うものである。
【０００５】
具体的には、前記回転ツールと受け具とで前記ワークの接合部位を挟み込むとともに、前記回転ツールを回転させながらその回転軸の方向に押圧することにより、ピンを前記ワーク内に圧入する。そして、回転ツールの回転により発生した摩擦熱によって接合部位の材料を軟化させて、該回転ツールを前記ワーク内にさらに圧入するとともに、該ワークの板材の境界付近で材料に塑性流動を発生させる。
【０００６】
前記回転ツールによって前記境界付近の材料を十分に塑性流動させた後、該回転ツールを板材から引き抜き、軟化した材料を硬化させる。こうして、複数の板材を点状に接合することができる。
【０００７】
摩擦スポット接合法を用いた例としては、例えば、特許文献１に示すように、先端面が平らな固定ツールで複数の板材を支持し、先端面にピンを備えた回転ツールを回転させながら板材内に圧入することにより複数の板材の境界付近で塑性流動を生じさせる方法や、特許文献２に示すように、接合時間を短縮するために、固定ツールの先端を先細りのテーパ形状にすることにより板材との接触面積を減らし、前記回転ツールの回転により生じる摩擦熱の放熱を抑えるような構成としたものがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９２４７９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような摩擦スポット接合法では、十分な接合強度を得るためには接合部位における板材の境界付近で十分に塑性流動を生じさせるのが好ましい。そのためには、回転ツールのピンを板材内へ深く圧入する必要があるが、その場合には、ピンだけでなく前記回転ツールの先端面も一緒に材料内に圧入することになるため、該回転ツールの先端面によって板材に大きな穴が形成され、このことにより、板材自体の強度低下を招いてしまう。
【００１０】
また、特許文献１に示すような従来の摩擦スポット接合法では、回転ツールの板材への圧入開始時に、該回転ツールの回転によって板材が微妙に移動してしまい、該回転ツールの旋回安定性が損なわれる可能性がある。これにより、接合後の接合部位の見栄えが悪くなるばかりか、十分に板材を軟化させることができないため接合強度のばらつきが発生しやすくなり、さらには回転ツールを損傷させるなどの問題が生じる可能性がある。
【００１１】
さらに、特許文献２のように、受け具の先端に先細りのテーパ形状を設けた場合には、接合時に板材を支持する受け具と該板材との接触面積が、回転ツールの先端面と板材との接触面積に比べて小さくなるため、該回転ツールを板材に押圧すると該板材が受け具側に曲がる可能性がある。
【００１２】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摩擦スポット接合方法において、板材自体の強度をあまり低下させることなく接合強度を向上させるとともに、接合時の板材の曲がりを防止し、さらに、接合開始時の回転ツールの旋回安定性を向上させることにより、接合強度のばらつきを低減することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の解決手段では、回転ツールの先端面に対向する固定ツールの先端面にもピン部を設けて、前記回転ツールのピン部を板材の接合部位に圧入するときに、その反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、材料を回転ツール側に押し込むようにした。
【００１４】
具体的には、請求項１の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法を対象とする。
【００１５】
そして、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、前記回転ツールのピン部を前記板材の接合部位に圧入するときに、この接合部位に反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、当該固定ツールの先端面により板材を支持するものとする。
【００１６】
この方法によれば、固定ツールと回転ツールとの間に複数の板材を挟んで、該回転ツールを回転させながらそのピン部を板材に圧入することにより、回転による摩擦熱で材料を軟化させて、塑性流動を生じさせる。このときに、前記固定ツールの先端に設けたピン部が前記軟化された材料を回転ツール側へ押し込むことで、該回転ツールの先端面を板材内に深く圧入することなく、接合部位における複数の板材の境界付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。このことにより、接合部位における板材自体の強度低下を防ぎながら、前記接合部位における板材の境界付近での塑性流動を促進して、該境界付近での接合強度を向上させることができる。
【００１７】
また、回転ツールの回転による摩擦熱で軟化した材料を固定ツールのピン部で回転ツール側に押し込むことにより、前記軟化した材料を回転ツールの近傍に移動させることができるため、該回転ツールの回転による塑性流動を効率良く生じさせることができ、接合時間を短縮することができる。
【００１８】
また、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面で板材を支持するようにしたため、該固定ツールと板材との接触面積を十分に大きくして、該板材が固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００１９】
さらに、回転ツールのピン部を板材へ圧入するときに、該回転ツールを板材に押圧することによって該板材が固定ツール側に押され、該固定ツールのピン部が前記板材に食い込むことになるため、板材が固定ツールに対して滑るのを防止して、回転ツールの回転を安定させることができる。
【００２０】
請求項２の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法を対象とする。
【００２１】
そして、前記複数の板材のうち、前記固定ツール側に配置する板材以外の少なくとも一枚の板材には、前記接合部位を貫通する貫通孔を形成しておき、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、前記回転ツールのピン部を前記板材の接合部位に圧入するときに、この接合部位に反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、該固定ツール側の板材の一部を前記貫通孔へ押し込むとともに、当該固定ツールの先端面により板材を支持するものとする。
【００２２】
この方法によれば、摩擦スポット接合方法において、固定ツールの先端面にピン部を設けるとともに、固定ツール側の板材を除いた少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設け、回転ツールにより軟化させた材料を該回転ツール側から貫通孔内に押し込むとともに、固定ツールのピン部によって該固定ツール側からも材料を前記貫通孔内に押し込むことで、回転ツールを板材に深く圧入することなく、前記貫通孔近傍の板材の境界で十分な塑性流動を生じさせることが可能になり、３枚以上の複数の板材を接合する場合や厚い板材を接合する場合でも板材自体の強度をあまり低下させることなく、接合強度を向上させることができる。
【００２３】
また、固定ツール側を除く少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設けたことで、該貫通孔内に回転ツールが進入しやすくなり、該回転ツールを複数の板材の境界付近で十分な塑性流動が生じる深さまでより早く圧入することができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００２４】
また、請求項１の発明と同様に、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面が板材を支持するようにしたため、該板材が前記固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００２５】
さらに、固定ツール側の板材を除いた少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設けることにより、該貫通孔がない場合に比べて前記固定ツール側の板材を容易に該貫通孔側へ変形させることができるため、回転ツールの板材への圧入開始時には、前記固定ツールのピン部が板材に容易に食い込むことができ、回転ツールの回転を安定させることができる。
【００２６】
請求項３の発明では、請求項１または２のいずれか一つの発明において、固定ツールの先端面は、回転ツールの先端面と形状及び面積が略同等であるものとする。これにより、板材を固定ツールの先端面で支持している状態で回転ツールを板材に押圧した場合には、前記固定ツールと板材との接触部分が、前記回転ツールと該板材との接触部分の形状や面積にほぼ等しくなるため、該板材が前記固定ツール側や回転ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００２７】
請求項４の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを備え、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合するようにした摩擦スポット接合装置を対象とする。そして、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部が設けられているものとする。この摩擦スポット接合装置を用いれば、請求項１または２の各発明の摩擦スポット方法を実行して、それらの発明の作用及び効果を得ることができる。
【００２８】
請求項５の発明では、請求項４の発明において、固定ツールのピン部が、回転ツールの軸線と同軸の円柱状であるものとする。こうすれば、回転ツールの回転によって軟化された材料を固定ツールの円柱状のピン部により効果的に回転ツール側に押し込むことができるため、該回転ツールによる塑性流動を複数の板材の境界付近で効率良く生じさせることが可能になり、接合強度を一層向上させることができる。
【００２９】
請求項６の発明では、請求項４または５のいずれか一つの発明において、固定ツールの先端面は、回転ツールの先端面と形状及び面積が略同等であるものとする。このことにより、板材が固定ツール側及び回転ツール側のいずれにも曲がらないという請求項３の発明の作用効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００３１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る摩擦スポット接合装置Ａの概略構成を示しており、この接合装置Ａは、例えば自動車のボディ等に用いられるアルミニウム合金等の複数の板材を、厚み方向に重ねた状態で点状に接合するためのものである。
【００３２】
前記摩擦スポット接合装置Ａは、複数の板材を厚み方向に重ねたワークの接合を行う接合ガン１を備えており、この接合ガン１は、ロボット２の手首に取り付けられている。このことにより、前記接合ガン１は、図示しない治具に固定された前記ワークの接合位置（接合部位）にロボット２によって位置付けられ、該ワークの接合を行うようになっている。
【００３３】
前記ロボット２には、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットを用いることができる。このロボット２は、ハーネス３１により制御盤３と接続されている。また、前記接合ガン１も、前記ロボット２に設けられた中継ボックス３４を介して、ハーネス３２，３３により前記制御盤３と接続されている。該制御盤３は、前記ロボット２の６軸及び、詳しくは後述するが、前記接合ガン１に設けられた２つのモータ１１，１２の２軸の合計８軸を同期制御するように構成されている。
【００３４】
前記接合ガン１は、図２に示すように、略円柱状の回転ツール４と固定ツール５とからなる接合ツール６を備えており、該回転ツール４と固定ツール５とによりワークＷの接合位置を挟み込むようになっている。なお、前記回転ツール４及び固定ツール５は、前記接合ガン１に対してそれぞれ着脱可能に取り付けられている。
【００３５】
前記回転ツール４は、２つの板材Ｗ１，Ｗ２を、その厚み方向に重ねたワークＷの重ね面Ｓ１に対して直交する接合軸Ｘ（軸線）上に配設されていて、回転軸モータ１１によって、この接合軸Ｘ回りに回転するように構成されている。また、前記回転ツール４は、押圧軸モータ１２によって、前記接合軸Ｘに沿って昇降するように構成されている。前記回転軸モータ１１には、インダクションモータやサーボモータ等を用い、前記押圧軸モータ１２には、サーボモータを用いるのが好ましい。
【００３６】
一方、前記固定ツール５は、略Ｌ字状のアーム１３の先端に取り付けられていて、ワークＷを挟んで前記回転ツール４と相対向するように前記接合軸Ｘ上に配設されている。
【００３７】
次に、前記回転ツール４及び固定ツール５の先端部分の形状について、図３を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
前記回転ツール４は、円柱状の本体部４１と、この本体部４１の先端面４２から前記接合軸Ｘに沿って突出する円柱状のピン４３（ピン部）とにより構成されている。そして、図示はしないが、このピン４３の周面には、逆ねじが設けられており、該ピン４３が前記ワークＷ内に沈み込んだ状態で回転することにより、該ピン４３周辺の材料を掻き混ぜるようになっている。
【００３９】
一方、前記固定ツール５は、前記回転ツール４の本体部４１の先端面４２と形状及び面積が略同等の先端面５２を有する円柱状の本体部５１と、該本体部５１の先端面５２から前記接合軸Ｘに沿って突出する円柱状のピン５３（ピン部）とにより構成されている。このピン５３の断面は、前記回転ツール４のピン４３の断面と形状及び面積が略同等である一方、該ピン５３の長さは、前記回転ツールのピン４３よりも短くなっている。
【００４０】
次に、前記摩擦スポット接合装置ＡによるワークＷの接合方法について説明すると、まず、図示省略の治具によってワークＷを固定し、接合ガン１を、ロボット２によって前記ワークＷの接合位置に配置させる。詳しくは、接合軸Ｘ上にワークＷの接合位置がくるように、接合ガン１の回転ツール４及び固定ツール５の間にワークＷを配置する。そして、前記固定ツール５の先端を、ワークＷの下面に当接させる。
【００４１】
その後、後述するように、前記接合ガン１によってワークＷの接合を行い、その接合位置でのワークＷの接合が完了した後、前記接合ガン１をロボット２によって次の接合位置に移動させる。このようにして、ワークＷの所定の位置での接合を順次行う。なお、ワークＷを接合するときには、接合ガン１のアーム１３にたわみが生じるため、ロボット２の制御によって、このアーム１３に取り付けられた固定ツール５の先端位置の補正を行う。こうした位置補正は、従来から行われている制御ロジックを適用すればよい（例えば溶接ガンを用いた抵抗溶接の際に行われている制御ロジックなど）。
【００４２】
次に、前記接合ガン１によるワークＷの接合手順について、図４を参照しながら詳細に説明する。なお、図４は、図３に示す接合ツール６によってワークＷを接合する様子を示したものであり、同一の部材については同一の符号を付している。
【００４３】
まず、図４（ａ）に示すように、接合ガン１の回転軸モータ１１により、回転ツール４を接合軸Ｘまわりに回転させる。そして、前記回転ツール４の回転数が目標回転数に到達した後、該回転ツール４を回転させながら、押圧軸モータ１２によってワークＷの表面に当接するまで該回転ツール４を下降させる。これにより、前記回転ツール４と固定ツール５とで前記ワークＷを挟み込むとともに、このワークＷを接合軸Ｘ方向（図４で下方向）に押圧する。こうして、前記回転ツール４のピン４３を前記ワークＷ内に圧入する。
【００４４】
ここで、前記回転ツール４をワークＷに押圧することにより、該ワークＷが前記固定ツール５側に押されるため、前記固定ツール５の先端に設けたピン５３が前記ワークＷ内に圧入することになる。このことにより、前記回転ツール４がワークＷ内にまだ十分に沈み込んでいない「回転ツールの板材への圧入開始時」の状態でも、該ワークＷが前記回転ツール４の回転に伴い滑らないようにすることができる。すなわち、前記固定ツール５のピン５３を前記ワークＷ内に食い込ませることにより前記回転ツール４の回転軸がずれないようにすることができるため、該回転ツール４をより安定した状態で回転させることができる。このことにより、前記ワークＷや回転ツール４が損傷しないようにすることができるとともに、前記回転ツール４とワークＷとの摩擦熱を十分に発生させることが可能になり、接合強度のばらつきを低減することができる。
【００４５】
次に、前記回転ツール４を回転させた状態で、さらにワークＷへ押圧する。このことにより、前記回転ツール４のピン４３がワークＷを切削し、発熱するとともに、該ピン４３がワークＷ内に沈み込んだ後には、前記回転ツール４の先端面４２とワークＷの表面との摩擦によって摩擦熱を生じる。
【００４６】
このとき、前記固定ツール５は、ピン５３がワークＷの下面に食い込んだ状態のため、該固定ツール５とワークＷとの接触面積は、ピン５３のない場合に比べて小さくなり、固定ツール５を介して放熱される放熱量も小さくなる。その結果、ワークＷの接合位置の近傍は比較的早期に軟化されるため、前記回転ツール４のピン４３は、該軟化したワークＷ内により早く沈み込むことができる。
【００４７】
また、前記回転ツール４の回転により生じた摩擦熱は、前記ワークＷの板材Ｗ１からＷ２へ伝達され、該板材Ｗ２も軟化するため、固定ツール５のピン５３は、前記回転ツール４のワークＷへの押圧力に応じて該ワークＷ内に圧入され、前記軟化した板材Ｗ２を前記回転ツール４側へ押し込むことになる。
【００４８】
そして、図４（ｂ）に示すように、前記回転ツール４のピン４３及び固定ツールのピン５３をワークＷ内に圧入した状態で、この回転ツール４の回転及び押圧を継続させる。これにより、前記ワークＷ内の材料を掻き混ぜて塑性流動を生じさせる。
【００４９】
このように、前記固定ツール５のピン５３がワークＷの軟化した材料を回転ツール４側に押し込んだ状態で、該回転ツールの回転によって材料の塑性流動を生じさせるようにしたため、該回転ツール４のピン４３をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、すなわち図４（ｃ）に示すように該回転ツール４の先端面４２をワーク内に深く沈み込ませることなく、該回転ツール４のピン４３によって接合位置の材料を十分に掻き混ぜることが可能になる。
【００５０】
そして、前記回転ツール４の回転及び押圧を継続させることにより、ワークＷ内の塑性流動範囲（図に点状で示した範囲）を拡大させる。
【００５１】
このとき、前記回転ツール４の先端は、ワークＷの板材の境界Ｓ１付近まで沈み込んでおり、該境界の界面を上下方向に大きく又は緻密にねじるように、材料に塑性流動を生じさせている。また、前記回転ツール４の先端面４２は、ワークＷの表面に当接しており、この先端面４２とワークＷの表面との接触面積がピン４３と該ワークＷとの接触面積に比べて大きくなるため、発熱量は接合初期よりも増大し、ワークＷ内の塑性流動範囲を短時間で拡大させることができる。
【００５２】
一方、前記固定ツール５は、前述のとおり前記回転ツール４のワークＷへの押圧力により該固定ツール５のピン５３が前記ワークＷ内に沈み込んだ後、前記固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することになる。そのため、前記固定ツール５の先端面５２と前記ワークＷとの接触面は、前記回転ツール４のワークＷに対する接触面（回転ツール４の先端面４２）の形状及び面積と略同等になる。つまり、前記回転ツール４のワークＷへの押圧力を前記固定ツール５の先端面５２で受けることになるため、該ワークＷの前記固定ツール側５への変形を抑えることができる。なお、この実施形態では固定ツール５を固定しているが、固定ツール５を接合軸Ｘ方向にワークＷに押圧するようにした場合でも、上述のように前記回転ツール４及び固定ツール５のワークＷに対する接触面を略同等にすることにより、前記ワークＷの回転ツール４側への変形を抑えることができる。
【００５３】
このようにして、ワークＷ内の塑性流動を所定時間継続させた後、回転ツール４を回転させたまま、押圧軸モータ１２によってこの回転ツール４を上昇させ、該回転ツール４をワークＷ内から引き抜く。このとき、同時に固定ツール５もワークＷ内から引き抜く。
【００５４】
その後、ワークＷは急激に冷却されて硬化し、ワークＷの接合が完了する。
【００５５】
このように、実施形態１に係る接合方法によれば、固定された固定ツール５の先端面５２から突出するようにピン５３を設けるとともに、回転ツール４を回転させながらワークＷに押圧することにより、回転ツール４の回転による摩擦熱で軟化したワークＷを前記ピン５３によって該回転ツール４側に押し込むことができる。このことにより、前記回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、すなわち前記回転ツール４の先端面４２をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、接合位置におけるワークＷ内、特に板材Ｗ１，Ｗ２の重ね面Ｓ１付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。したがって、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷ（板材Ｗ１）に深く圧入されることによる接合部位の板厚の減少を防止ることができるため、板材自体の強度を低下させることなく、重ね面Ｓ１付近で十分な接合強度を得ることができる。
【００５６】
また、軟化した材料を固定ツール５により回転ツール４側へ押し込むようにしたため、該軟化した材料を回転ツール４のより近傍に移動させることができ、該回転ツール４によって効率良く塑性流動を生じさせることができる。このことにより、接合時間を短縮することができる。
【００５７】
なお、前記固定ツール５のピン５３の形状は、前記回転ツール４の円柱状のピン４３と形状や面積が略同等の断面を有するものに限らない。以下に、ピン５３に他の形状を適用した場合の例について説明する。
【００５８】
図５に、前記ピン５３が回転ツール４のピン４３とは断面の大きさが異なる円柱状の場合を示す。図５（ａ）は、前記ピン５３が回転ツール４のピン４３よりも大きい場合を示している。この場合には、材料を前記回転ツール４側に押し込む面積が大きくなるため、より広い範囲の材料を該回転ツール４で掻き混ぜることが可能になる。すなわち、より広い範囲での接合を行うことができるため、ワークＷの接合強度を向上させることができる。なお、このピン形状では、前記ピン５３に図３のピン形状と同じ力が加わった場合に、該ピン５３の先端の圧力が図３のものに比べて小さくなるため、ワークＷの固定ツール５側の板材Ｗ２が薄板で軟質材の場合に用いると効果的である。
【００５９】
前記図５の（ｂ）は、固定ツール５のピン５３の断面が回転ツール４のピン４３よりも小さい場合を示している。このピン形状では、図３のピン形状と同じ力が加わった場合には、ワークＷに対するピン５３の先端の圧力が大きくなるため、該ピン５３がワークＷに圧入されやすくなり、該ピン５３のワークＷに対する押し込み速度を速くすることができる。このことにより、回転ツール４側に材料をより速く押し込むことができるようになるため、接合を短時間で行うことができる。なお、このピン形状では、ピン先端の圧力を大きくすることができるため、ワークＷの固定ツール５側の板材Ｗ２が硬質材の場合に用いると効果的である。
【００６０】
次に、回転ツール４の旋回安定性をさらに向上させるために、固定ツール５のピン５３を円柱状以外の形状にした場合を図６に示す。図６（ａ）は、前記ピン５３が半球状の場合を示しており、このピン形状では、先端が平面の円柱状の場合に比べてワークＷ内へ押し込まれやすい形状になっているため、前記回転ツール４の旋回安定性をより向上させることができる。また、ワークＷ内へ押し込まれやすい半球状の形状にすることにより、該ワークＷに対する押し込み速度を速くすることができる。
【００６１】
前記図６の（ｂ）は、前記ピン５３が円錐状の場合を示しており、この形状では、前述の半球状の場合（図６（ａ））よりもさらにワークＷ内に押し込み易い形状になっているため、前記回転ツール４の旋回安定性を一層向上させることができるとともに、ワークＷに対する押し込み速度もさらに向上させることができる。
【００６２】
なお、上記のようなピン形状の中から前記ピン５３にどの形状を用いるかは、ワークＷの板材の厚みや材質、要求される接合時間や接合強度等の条件を考慮して決める。
【００６３】
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係る接合手順を示し、この実施形態２の接合ツール６は実施形態１のもの（図４参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態２では、３枚の板材Ｗ１０，Ｗ１１，Ｗ１２を厚み方向に重ね、その中間板Ｗ１１に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００６４】
前記ワークＷは、図７（ａ）に示すように比較的薄い板Ｗ１０，Ｗ１２の間に比較的厚い板Ｗ１１を挟んだ構成になっており、その厚板Ｗ１１には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ１０が設けられている。なお、この貫通孔Ｈ１０は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有している。
【００６５】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００６６】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により薄板Ｗ１０が軟化する。さらに前記回転ツール４を前記ワークＷに押圧することにより、図７（ｂ）に示すように、前記軟化した薄板Ｗ１０の一部が該回転ツール４のピン４３によって厚い板Ｗ１１の貫通孔Ｈ１０内に押し込まれる。
【００６７】
一方、前記回転ツール４の回転により発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の薄板Ｗ１０だけでなく、厚い板Ｗ１１を介して固定ツール５側の薄板Ｗ１２まで伝達され、該薄板Ｗ１２も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４のワークＷへの押圧に伴い該ワークＷが固定ツール５側に押されるため、該固定ツール５が前記ワークＷの薄板Ｗ１２を貫通孔Ｈ１０内に押し込むことになる。
【００６８】
そして、前記回転ツール４は回転しながらワークＷの貫通孔Ｈ１０内に圧入されることにより、該貫通孔Ｈ１０内に押し込まれた材料を掻き混ぜて塑性流動を生じさせる。さらに、前記回転ツール４のピン４３が前記貫通孔Ｈ１０に挿入された状態では、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷの表面との間で摩擦を生じるため、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ１０周辺の材料を軟化させる。この軟化した材料も、前記回転ツール４の先端面４２及びピン４３により前記貫通孔Ｈ１０内に押し込まれ、該回転ツール４の回転により掻き混ぜられる。このことにより、図７（ｃ）に示すように、貫通孔Ｈ１０内及びその周辺で材料の塑性流動を生じさせることができるため、該貫通孔Ｈ１０近傍の重ね面Ｓ１０，Ｓ１１でも材料の塑性流動を生じさせることができる。
【００６９】
こうして、厚板Ｗ１１、薄板Ｗ１０，Ｗ１２の３枚の板材からなるワークＷをスポット接合することができる。
【００７０】
この実施形態２に係る接合方法では、固定ツール５の先端にピン５３を設けるとともに、ワークＷに貫通孔Ｈ１０を設け、回転ツール４の回転による摩擦熱で軟化した材料を回転ツール４及び固定ツール５で前記貫通孔Ｈ１０内に押し込むようにしたため、該貫通孔Ｈ１０内の各板材の重ね面Ｓ１０，Ｓ１１付近で十分な塑性流動を生じさせることができ、３枚の板材からなるワークでも十分な接合強度を得ることができる。また、回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、塑性流動を生じさせることができるため、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷ内に深く圧入されることによる板材の厚みの減少を防ぐことができ、板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００７１】
そして、前記貫通孔Ｈ１０を設けることにより、回転ツール４をワークＷ内により早く沈み込ませることができるとともに、貫通孔Ｈ１０内に軟化した材料を押し込むことにより、回転ツール４の周辺にワークＷの材料を集めることができるため、該回転ツール４による塑性流動をより早く且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００７２】
また、前記実施形態１と同様に、前記固定ツール５のピン５３がワークＷに圧入された状態では、該固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することができ、該先端面５２とワークＷとの接触面は前記回転ツール４の先端面４２と前記ワークＷとの接触面と形状及び面積が略同等になるため、該ワークＷが固定ツール５側に曲がらないようにすることができる。
【００７３】
さらに、ワークＷに貫通孔Ｈ１０を設けることにより、回転ツール４の該ワークＷへの圧入開始時には、固定ツール５のピン５３がワークＷに容易に食い込んで、前記回転ツール４の回転軸を安定させることができる。
【００７４】
（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３に係る接合手順を示し、この実施形態３の接合ツール６も前記実施形態１、２のもの（図４、図７参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態３では、３枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１，Ｗ２２を厚み方向に重ねるとともに、回転ツール４側に配設された板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００７５】
前記ワークＷは、図８（ａ）に示すように回転ツール４側から比較的厚い板Ｗ２０、比較的薄い板Ｗ２１，Ｗ２２の順に厚み方向に重ねられており、該厚板Ｗ２０及び薄板Ｗ２１には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１が設けられている。なお、これらの貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有しているものの、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１の孔径は前記回転ツール４の沈み込み量に関係するため、前記ワークＷの各板材の厚みや材質等を考慮してそれらの孔径を決定する。
【００７６】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００７７】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４のピン４３は貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に挿入されるとともに、該回転ツール４の先端面４２とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１周辺の厚板Ｗ２０が軟化する。さらに回転ツール４をワークＷに押圧することにより、図８（ｂ）に示すように、前記軟化した厚板Ｗ２０の一部が該回転ツール４の先端面４２により貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込まれる。
【００７８】
一方、前記回転ツール４の先端面４２とワークＷとの間で発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の厚板Ｗ２０だけでなく、薄板Ｗ２１を介して固定ツール５側の薄板Ｗ２２まで伝達され、該薄板Ｗ２２も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４をワークＷへ押圧することにより、ワークＷが固定ツール５側に押され、該固定ツール５が前記ワークＷの薄板Ｗ２２の一部を貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込む。
【００７９】
そして、前記回転ツール４を回転させながらワークＷの貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に圧入することにより、図８（ｃ）に示すように、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込まれた材料を掻き混ぜ、塑性流動を生じさせる。このことにより、貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１近傍の重ね面Ｓ２０，Ｓ２１で塑性流動を生じさせることができるため、３枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１，Ｗ２２からなるワークＷを接合することができる。
【００８０】
この実施形態３に係る接合方法では、固定ツール５側以外の２枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１を設けるとともに、軟化した板材を回転ツール４及び固定ツール５により前記貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込むようにしたため、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内の各板材の重ね面付近で十分な塑性流動を生じさせることができ、３枚の板材からなるワークでも十分な接合強度を得ることができる。また、必要以上に回転ツール４をワークＷ内に沈み込ませることなく、塑性流動を生じさせることができるため、板材の厚み減少による板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００８１】
そして、固定ツール５側以外の２枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１を設けることにより、前記実施形態２に比べて回転ツール４をワークＷ内により一層早く沈み込ませることができるため、該回転ツール４による塑性流動をさらに早く且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００８２】
また、前記実施形態１及び２と同様に、前記固定ツール５のピン５３がワークＷに圧入された状態では、該固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することができるため、該ワークＷが固定ツール５側に曲がらないようにすることができる。
【００８３】
（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４に係る接合手順を示し、この実施形態４の接合ツール６もまた実施形態１〜３のもの（図４等参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態４では、２枚の板材Ｗ３０，Ｗ３１を厚み方向に重ねるとともに、回転ツール４側に配設された板材Ｗ３０に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００８４】
前記ワークＷは、図９（ａ）に示すように回転ツール４側から比較的厚い板Ｗ３０、比較的薄い板Ｗ３１の順に厚み方向に重ねられており、その厚板Ｗ３０には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ３０が設けられている。なお、この貫通孔Ｈ３０は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有している。
【００８５】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００８６】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４のピン４３は貫通孔Ｈ３０内に挿入されるとともに、該回転ツール４の先端面４２とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ３０周辺の厚板Ｗ３０が軟化する。さらに回転ツール４をワークＷに押圧することにより、図９（ｂ）に示すように、前記軟化した厚板Ｗ３０の一部が該回転ツール４の先端面４２により貫通孔Ｈ３０内に押し込まれる。
【００８７】
一方、前記回転ツール４の回転により発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の厚板Ｗ３０だけでなく、固定ツール５側の薄板Ｗ３１まで伝達され、該薄板Ｗ３１も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４をワークＷへ押圧することにより、ワークＷが固定ツール５側に押され、該固定ツール５が前記ワークワークＷの薄板Ｗ３１の一部を貫通孔Ｈ３０内に押し込む。
【００８８】
そして、前記回転ツール４は回転しながらワークＷの貫通孔Ｈ３０内に圧入されるため、図９（ｃ）に示すように、該貫通孔Ｈ３０内に押し込まれた材料を掻き混ぜ、塑性流動を生じさせる。このことにより、貫通孔Ｈ３０近傍の重ね面Ｓ３０で塑性流動が生じるため、２枚の板材Ｗ３０，Ｗ３１からなるワークＷを接合することができる。
【００８９】
この実施形態４に係る接合方法では、回転ツール４側の板材Ｗ３０に貫通孔Ｈ３０を設けることにより、該貫通孔Ｈ３０のない場合に比べて回転ツール４をワークＷ内により早く沈み込ませることができるとともに、前記回転ツール４のピン４３の先端が比較的短時間で薄板Ｗ３１の表面に接触することになるため、前記ピン４３の先端と薄板Ｗ３１の表面との摩擦によって生じた摩擦熱によっても該薄板Ｗ３１を軟化させることができる。そして、固定ツール５によって前記貫通孔Ｈ３０内に軟化した板材を押し込むことにより、前記回転ツール４の周辺に軟化した材料を集めることができる。これらのことにより、該回転ツール４による塑性流動をより早く、且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００９０】
さらに、ワークＷに貫通孔Ｈ３０を設けるとともに、軟化した板材を回転ツール４及び固定ツール５により前記貫通孔Ｈ３０内に押し込むようにしたため、回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、該貫通孔Ｈ３０内の板材の重ね面付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。したがって、十分な接合強度を得ることができるとともに、板材の厚み減少による板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００９１】
（実施形態５）
実施形態５は、接合装置の構成が前記実施形態１〜４とは異なる実施形態である。具体的には、図１０に示すように、実施形態５に係る接合装置Ｂでは、ロボット２の手首に、ワークＷを保持するハンドリングツール７が設けられており、接合ガン１は、前記ロボット２とは別に設置された架台８に取り付けられている。
【００９２】
上記ロボット２は、分岐ボックス３５を介してハーネス３１により制御盤３に接続されている。また、接合ガン１は、ハーネス３３により互いに接続された中継ボックス３４を介して、上記分岐ボックス３５及び制御盤３に対しハーネス３２，３６により接続されている。
【００９３】
この接合装置ＢによってワークＷの接合を行う場合は、ハンドリングツール７でワークＷを保持し、この保持したワークＷの接合位置を、前記ロボット２によって、定置された接合ガン１の回転ツール４及び固定ツール５の間に位置づける。そして、上記接合ガン１によって、前述したようなワークＷの接合を行う。
【００９４】
（実施形態６）
図１１に示す実施形態６は、回転軸モータ１１、押圧軸モータ１２及び回転ツール４等を備えた接合ユニット８を定置式手動接合装置Ｃに適用したものである。この接合装置Ｃでは、下部取付部材７５に固定ツール５が固定されるとともに、該固定ツール５のピン５３の軸線Ｘの延長線上で、上部取付部材７６に前記接合ユニット８が固定されている。
【００９５】
この接合装置Ｃでは、前記回転ツール４と固定ツール５との間にワークの接合位置がくるように該ワークの位置を調整し、起動スイッチ７７を押してワークの接合を行う。
【００９６】
（実施形態７）
図１２に示す実施形態７は、複数の接合ユニット８を用いた定置式自動接合装置Ｄを示したものである。この接合装置Ｄでは、複数箇所の接合が同時にできるように、下部取付部材７５に複数の固定ツール５が設けられ、該固定ツール５に対応して、上部取付部材７６（図示は省略）に接合ユニット８が取り付けられている。
【００９７】
この接合装置Ｄでは、接合する板材Ｗ１，Ｗ２を、作業者やロボット等により装置内の位置決めユニット（図示は省略）にセットし、その後、前記接合ユニット８と固定ツール５とにより板材Ｗ１，Ｗ２の接合を行う。なお、装置内に固定された接合ユニット８に移動機構を設け、各接合部を移動させながら接合を行ってもよい。
【００９８】
（実施形態８）
図１３に示す実施形態８は、接合ガン１を、移動レール７８からバランサー７９、吊り金具８０を介して吊り下げた手動式のものである。この接合ガン１は、バランサー７９と吊り金具８０とによって任意の姿勢をとることができるため、作業者は、接合ガン１を把持して、位置決め具（図示は省略）内にセットされたワークに対して、作業を行いやすい姿勢でワークの接合を行うことができる。
【００９９】
なお、前記接合ガン１には接合装置の電源のＯＮ／ＯＦＦを行う起動スイッチ８１が設けられており、前記接合ガン１と制御盤３との間は制御ハーネス８２で接続されている。
【０１００】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記各実施形態では、２枚または３枚の板材を重ねたワークをスポット接合するようにしているが、これに限らず、例えば４枚以上の板材を重ね合わせたワークを接合するようにしてもよい。
【０１０１】
前記各実施形態では、受け具を固定しているが、これに限らず、例えばモータ等により受け具をワークに対して接合軸Ｘ方向に押圧するようにしてもよい。
【０１０２】
また、前記実施形態２〜４では、ワークＷにそれぞれ設けた貫通孔Ｈ１０，Ｈ２０，Ｈ２１，Ｈ３０を回転ツール４のピン４３よりも大きい断面にしているが、これに限らず、該ピン４３と同等若しくはそれよりも小さい断面にしてもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明に係る摩擦スポット接合方法によると、回転ツールのピン部と対向するように固定ツールの先端にもピン部を設け、このピン部により軟化した板材の一部を回転ツール側へ押し込むことにより、該回転ツールを板材に深く圧入することなく、板材の境界付近で材料の十分な塑性流動を生じさせることができるため、板材自体の強度を低下させることなく、接合強度を向上させることができ、しかも、接合時間を短縮することができる。また、スポット接合の開始時には、前記固定ツールのピン部を板材に食い込ませて、回転ツールの回転軸を安定させることができる一方、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面で板材を支持することで、該板材が前記固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【０１０４】
請求項２記載の発明によると、前記請求項１の発明と同様に、固定ツールの先端面にピン部を設けるとともに、該固定ツール側の板材以外の少なくとも一枚の板材に貫通孔を設けて、軟化した材料を該回転ツール及び固定ツールのピン部によりそれぞれ貫通孔内に押し込むことにより、３枚以上の複数の板材を接合する場合や厚い板材を接合する場合でも前記請求項１の発明と同様の効果を得ることができ、さらに、接合時間を大幅に短縮することができる。
【０１０５】
請求項３記載の発明によると、複数の板材を形状及び面積が略同等の２つのツール先端面により挟むことで、板材がいずれのツールの側にも曲がらないようにすることができる。
【０１０６】
請求項４記載の発明に係る摩擦スポット接合装置によると、前記請求項１または２の発明の方法を実行して、その効果を得ることができる。
【０１０７】
請求項５記載の発明によると、固定ツールの先端面に設けた円柱状のピン部により、材料を効率良く回転ツール側に押し込んで、接合強度を一層向上させることができる。
【０１０８】
請求項６記載の発明によると、請求項３の発明と同じ効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る接合装置の概略構成を示す図である。
【図２】接合ガンの概略構成を示す図である。
【図３】接合ツールの先端部分を示す図である。
【図４】図３の接合ツールによるワークの接合の様子を示す図である。
【図５】回転ツールのピンの断面と大きさが異なる固定ツールのピン形状を示す図である。
【図６】円柱状以外の固定ツールのピン形状を示す図である。
【図７】実施形態２に係る図４相当図である。
【図８】実施形態３に係る図４相当図である。
【図９】実施形態４に係る図４相当図である。
【図１０】実施形態５に係る図１相当図である。
【図１１】実施形態６に係る図１相当図である。
【図１２】実施形態７に係る図１相当図である。
【図１３】実施形態８に係る図１相当図である。
【符号の説明】
Ａ 摩擦スポット接合装置
４ 回転ツール
５ 固定ツール
４２ 回転ツールの先端面（先端面）
４３ 回転ツールのピン（ピン部）
５２ 固定ツールの先端面（先端面）
５３ 固定ツールのピン（ピン部）
Ｘ 接合軸（軸線）
Ｗ ワーク（重ね合わせた複数の板材）
Ｈ１０，Ｈ２０，Ｈ２１，Ｈ３０ 貫通孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の板材を重ね合わせて、その接合部位の材料を塑性流動させて接合するスポット接合方法及びそのための接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、板材のスポット接合方法としては、抵抗溶接法やリベットによる機械的締結法等が知られている。
【０００３】
しかし、抵抗溶接法には、接合時に大容量の電源が必要であること、溶接電極は汚染や損耗により寿命が短いこと、電極の冷却のために冷却水の供給設備が必要であること等、ランニングコストや品質管理の面での課題があり、リベットによる機械的締結方法には、リベット材が多数必要であることや、そのリベットにより接合物の重量の増加を招くこと等の課題がある。
【０００４】
これに対し、近年、接合物の重量増加を招くことなく、安価なランニングコストで接合する方法として、摩擦スポット接合法が提案されている（例えば、後述する引用文献１、２を参照）。この方法は、先端面から突出するピンを備えた回転ツールと、複数の板材からなるワークを支持する受け具（固定ツール）とを用いて、前記回転ツールの回転により板材内に塑性流動を生じさせることによって接合を行うものである。
【０００５】
具体的には、前記回転ツールと受け具とで前記ワークの接合部位を挟み込むとともに、前記回転ツールを回転させながらその回転軸の方向に押圧することにより、ピンを前記ワーク内に圧入する。そして、回転ツールの回転により発生した摩擦熱によって接合部位の材料を軟化させて、該回転ツールを前記ワーク内にさらに圧入するとともに、該ワークの板材の境界付近で材料に塑性流動を発生させる。
【０００６】
前記回転ツールによって前記境界付近の材料を十分に塑性流動させた後、該回転ツールを板材から引き抜き、軟化した材料を硬化させる。こうして、複数の板材を点状に接合することができる。
【０００７】
摩擦スポット接合法を用いた例としては、例えば、特許文献１に示すように、先端面が平らな固定ツールで複数の板材を支持し、先端面にピンを備えた回転ツールを回転させながら板材内に圧入することにより複数の板材の境界付近で塑性流動を生じさせる方法や、特許文献２に示すように、接合時間を短縮するために、固定ツールの先端を先細りのテーパ形状にすることにより板材との接触面積を減らし、前記回転ツールの回転により生じる摩擦熱の放熱を抑えるような構成としたものがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２９２４７９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような摩擦スポット接合法では、十分な接合強度を得るためには接合部位における板材の境界付近で十分に塑性流動を生じさせるのが好ましい。そのためには、回転ツールのピンを板材内へ深く圧入する必要があるが、その場合には、ピンだけでなく前記回転ツールの先端面も一緒に材料内に圧入することになるため、該回転ツールの先端面によって板材に大きな穴が形成され、このことにより、板材自体の強度低下を招いてしまう。
【００１０】
また、特許文献１に示すような従来の摩擦スポット接合法では、回転ツールの板材への圧入開始時に、該回転ツールの回転によって板材が微妙に移動してしまい、該回転ツールの旋回安定性が損なわれる可能性がある。これにより、接合後の接合部位の見栄えが悪くなるばかりか、十分に板材を軟化させることができないため接合強度のばらつきが発生しやすくなり、さらには回転ツールを損傷させるなどの問題が生じる可能性がある。
【００１１】
さらに、特許文献２のように、受け具の先端に先細りのテーパ形状を設けた場合には、接合時に板材を支持する受け具と該板材との接触面積が、回転ツールの先端面と板材との接触面積に比べて小さくなるため、該回転ツールを板材に押圧すると該板材が受け具側に曲がる可能性がある。
【００１２】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、摩擦スポット接合方法において、板材自体の強度をあまり低下させることなく接合強度を向上させるとともに、接合時の板材の曲がりを防止し、さらに、接合開始時の回転ツールの旋回安定性を向上させることにより、接合強度のばらつきを低減することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の解決手段では、回転ツールの先端面に対向する固定ツールの先端面にもピン部を設けて、前記回転ツールのピン部を板材の接合部位に圧入するときに、その反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、材料を回転ツール側に押し込むようにした。
【００１４】
具体的には、請求項１の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法を対象とする。
【００１５】
そして、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、前記回転ツールのピン部を前記板材の接合部位に圧入するときに、この接合部位に反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、当該固定ツールの先端面により板材を支持するものとする。
【００１６】
この方法によれば、固定ツールと回転ツールとの間に複数の板材を挟んで、該回転ツールを回転させながらそのピン部を板材に圧入することにより、回転による摩擦熱で材料を軟化させて、塑性流動を生じさせる。このときに、前記固定ツールの先端に設けたピン部が前記軟化された材料を回転ツール側へ押し込むことで、該回転ツールの先端面を板材内に深く圧入することなく、接合部位における複数の板材の境界付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。このことにより、接合部位における板材自体の強度低下を防ぎながら、前記接合部位における板材の境界付近での塑性流動を促進して、該境界付近での接合強度を向上させることができる。
【００１７】
また、回転ツールの回転による摩擦熱で軟化した材料を固定ツールのピン部で回転ツール側に押し込むことにより、前記軟化した材料を回転ツールの近傍に移動させることができるため、該回転ツールの回転による塑性流動を効率良く生じさせることができ、接合時間を短縮することができる。
【００１８】
また、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面で板材を支持するようにしたため、該固定ツールと板材との接触面積を十分に大きくして、該板材が固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００１９】
さらに、回転ツールのピン部を板材へ圧入するときに、該回転ツールを板材に押圧することによって該板材が固定ツール側に押され、該固定ツールのピン部が前記板材に食い込むことになるため、板材が固定ツールに対して滑るのを防止して、回転ツールの回転を安定させることができる。
【００２０】
請求項２の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法を対象とする。
【００２１】
そして、前記複数の板材のうち、前記固定ツール側に配置する板材以外の少なくとも一枚の板材には、前記接合部位を貫通する貫通孔を形成しておき、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、前記回転ツールのピン部を前記板材の接合部位に圧入するときに、この接合部位に反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、該固定ツール側の板材の一部を前記貫通孔へ押し込むとともに、当該固定ツールの先端面により板材を支持するものとする。
【００２２】
この方法によれば、摩擦スポット接合方法において、固定ツールの先端面にピン部を設けるとともに、固定ツール側の板材を除いた少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設け、回転ツールにより軟化させた材料を該回転ツール側から貫通孔内に押し込むとともに、固定ツールのピン部によって該固定ツール側からも材料を前記貫通孔内に押し込むことで、回転ツールを板材に深く圧入することなく、前記貫通孔近傍の板材の境界で十分な塑性流動を生じさせることが可能になり、３枚以上の複数の板材を接合する場合や厚い板材を接合する場合でも板材自体の強度をあまり低下させることなく、接合強度を向上させることができる。
【００２３】
また、固定ツール側を除く少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設けたことで、該貫通孔内に回転ツールが進入しやすくなり、該回転ツールを複数の板材の境界付近で十分な塑性流動が生じる深さまでより早く圧入することができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００２４】
また、請求項１の発明と同様に、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面が板材を支持するようにしたため、該板材が前記固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００２５】
さらに、固定ツール側の板材を除いた少なくとも一枚の板材の接合部位に貫通孔を設けることにより、該貫通孔がない場合に比べて前記固定ツール側の板材を容易に該貫通孔側へ変形させることができるため、回転ツールの板材への圧入開始時には、前記固定ツールのピン部が板材に容易に食い込むことができ、回転ツールの回転を安定させることができる。
【００２６】
請求項３の発明では、請求項１または２のいずれか一つの発明において、固定ツールの先端面は、回転ツールの先端面と形状及び面積が略同等であるものとする。これにより、板材を固定ツールの先端面で支持している状態で回転ツールを板材に押圧した場合には、前記固定ツールと板材との接触部分が、前記回転ツールと該板材との接触部分の形状や面積にほぼ等しくなるため、該板材が前記固定ツール側や回転ツール側に曲がらないようにすることができる。
【００２７】
請求項４の発明では、軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを備え、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合するようにした摩擦スポット接合装置を対象とする。そして、前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部が設けられているものとする。この摩擦スポット接合装置を用いれば、請求項１または２の各発明の摩擦スポット方法を実行して、それらの発明の作用及び効果を得ることができる。
【００２８】
請求項５の発明では、請求項４の発明において、固定ツールのピン部が、回転ツールの軸線と同軸の円柱状であるものとする。こうすれば、回転ツールの回転によって軟化された材料を固定ツールの円柱状のピン部により効果的に回転ツール側に押し込むことができるため、該回転ツールによる塑性流動を複数の板材の境界付近で効率良く生じさせることが可能になり、接合強度を一層向上させることができる。
【００２９】
請求項６の発明では、請求項４または５のいずれか一つの発明において、固定ツールの先端面は、回転ツールの先端面と形状及び面積が略同等であるものとする。このことにより、板材が固定ツール側及び回転ツール側のいずれにも曲がらないという請求項３の発明の作用効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００３１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る摩擦スポット接合装置Ａの概略構成を示しており、この接合装置Ａは、例えば自動車のボディ等に用いられるアルミニウム合金等の複数の板材を、厚み方向に重ねた状態で点状に接合するためのものである。
【００３２】
前記摩擦スポット接合装置Ａは、複数の板材を厚み方向に重ねたワークの接合を行う接合ガン１を備えており、この接合ガン１は、ロボット２の手首に取り付けられている。このことにより、前記接合ガン１は、図示しない治具に固定された前記ワークの接合位置（接合部位）にロボット２によって位置付けられ、該ワークの接合を行うようになっている。
【００３３】
前記ロボット２には、例えば汎用の６軸垂直多関節型ロボットを用いることができる。このロボット２は、ハーネス３１により制御盤３と接続されている。また、前記接合ガン１も、前記ロボット２に設けられた中継ボックス３４を介して、ハーネス３２，３３により前記制御盤３と接続されている。該制御盤３は、前記ロボット２の６軸及び、詳しくは後述するが、前記接合ガン１に設けられた２つのモータ１１，１２の２軸の合計８軸を同期制御するように構成されている。
【００３４】
前記接合ガン１は、図２に示すように、略円柱状の回転ツール４と固定ツール５とからなる接合ツール６を備えており、該回転ツール４と固定ツール５とによりワークＷの接合位置を挟み込むようになっている。なお、前記回転ツール４及び固定ツール５は、前記接合ガン１に対してそれぞれ着脱可能に取り付けられている。
【００３５】
前記回転ツール４は、２つの板材Ｗ１，Ｗ２を、その厚み方向に重ねたワークＷの重ね面Ｓ１に対して直交する接合軸Ｘ（軸線）上に配設されていて、回転軸モータ１１によって、この接合軸Ｘ回りに回転するように構成されている。また、前記回転ツール４は、押圧軸モータ１２によって、前記接合軸Ｘに沿って昇降するように構成されている。前記回転軸モータ１１には、インダクションモータやサーボモータ等を用い、前記押圧軸モータ１２には、サーボモータを用いるのが好ましい。
【００３６】
一方、前記固定ツール５は、略Ｌ字状のアーム１３の先端に取り付けられていて、ワークＷを挟んで前記回転ツール４と相対向するように前記接合軸Ｘ上に配設されている。
【００３７】
次に、前記回転ツール４及び固定ツール５の先端部分の形状について、図３を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
前記回転ツール４は、円柱状の本体部４１と、この本体部４１の先端面４２から前記接合軸Ｘに沿って突出する円柱状のピン４３（ピン部）とにより構成されている。そして、図示はしないが、このピン４３の周面には、逆ねじが設けられており、該ピン４３が前記ワークＷ内に沈み込んだ状態で回転することにより、該ピン４３周辺の材料を掻き混ぜるようになっている。
【００３９】
一方、前記固定ツール５は、前記回転ツール４の本体部４１の先端面４２と形状及び面積が略同等の先端面５２を有する円柱状の本体部５１と、該本体部５１の先端面５２から前記接合軸Ｘに沿って突出する円柱状のピン５３（ピン部）とにより構成されている。このピン５３の断面は、前記回転ツール４のピン４３の断面と形状及び面積が略同等である一方、該ピン５３の長さは、前記回転ツールのピン４３よりも短くなっている。
【００４０】
次に、前記摩擦スポット接合装置ＡによるワークＷの接合方法について説明すると、まず、図示省略の治具によってワークＷを固定し、接合ガン１を、ロボット２によって前記ワークＷの接合位置に配置させる。詳しくは、接合軸Ｘ上にワークＷの接合位置がくるように、接合ガン１の回転ツール４及び固定ツール５の間にワークＷを配置する。そして、前記固定ツール５の先端を、ワークＷの下面に当接させる。
【００４１】
その後、後述するように、前記接合ガン１によってワークＷの接合を行い、その接合位置でのワークＷの接合が完了した後、前記接合ガン１をロボット２によって次の接合位置に移動させる。このようにして、ワークＷの所定の位置での接合を順次行う。なお、ワークＷを接合するときには、接合ガン１のアーム１３にたわみが生じるため、ロボット２の制御によって、このアーム１３に取り付けられた固定ツール５の先端位置の補正を行う。こうした位置補正は、従来から行われている制御ロジックを適用すればよい（例えば溶接ガンを用いた抵抗溶接の際に行われている制御ロジックなど）。
【００４２】
次に、前記接合ガン１によるワークＷの接合手順について、図４を参照しながら詳細に説明する。なお、図４は、図３に示す接合ツール６によってワークＷを接合する様子を示したものであり、同一の部材については同一の符号を付している。
【００４３】
まず、図４（ａ）に示すように、接合ガン１の回転軸モータ１１により、回転ツール４を接合軸Ｘまわりに回転させる。そして、前記回転ツール４の回転数が目標回転数に到達した後、該回転ツール４を回転させながら、押圧軸モータ１２によってワークＷの表面に当接するまで該回転ツール４を下降させる。これにより、前記回転ツール４と固定ツール５とで前記ワークＷを挟み込むとともに、このワークＷを接合軸Ｘ方向（図４で下方向）に押圧する。こうして、前記回転ツール４のピン４３を前記ワークＷ内に圧入する。
【００４４】
ここで、前記回転ツール４をワークＷに押圧することにより、該ワークＷが前記固定ツール５側に押されるため、前記固定ツール５の先端に設けたピン５３が前記ワークＷ内に圧入することになる。このことにより、前記回転ツール４がワークＷ内にまだ十分に沈み込んでいない「回転ツールの板材への圧入開始時」の状態でも、該ワークＷが前記回転ツール４の回転に伴い滑らないようにすることができる。すなわち、前記固定ツール５のピン５３を前記ワークＷ内に食い込ませることにより前記回転ツール４の回転軸がずれないようにすることができるため、該回転ツール４をより安定した状態で回転させることができる。このことにより、前記ワークＷや回転ツール４が損傷しないようにすることができるとともに、前記回転ツール４とワークＷとの摩擦熱を十分に発生させることが可能になり、接合強度のばらつきを低減することができる。
【００４５】
次に、前記回転ツール４を回転させた状態で、さらにワークＷへ押圧する。このことにより、前記回転ツール４のピン４３がワークＷを切削し、発熱するとともに、該ピン４３がワークＷ内に沈み込んだ後には、前記回転ツール４の先端面４２とワークＷの表面との摩擦によって摩擦熱を生じる。
【００４６】
このとき、前記固定ツール５は、ピン５３がワークＷの下面に食い込んだ状態のため、該固定ツール５とワークＷとの接触面積は、ピン５３のない場合に比べて小さくなり、固定ツール５を介して放熱される放熱量も小さくなる。その結果、ワークＷの接合位置の近傍は比較的早期に軟化されるため、前記回転ツール４のピン４３は、該軟化したワークＷ内により早く沈み込むことができる。
【００４７】
また、前記回転ツール４の回転により生じた摩擦熱は、前記ワークＷの板材Ｗ１からＷ２へ伝達され、該板材Ｗ２も軟化するため、固定ツール５のピン５３は、前記回転ツール４のワークＷへの押圧力に応じて該ワークＷ内に圧入され、前記軟化した板材Ｗ２を前記回転ツール４側へ押し込むことになる。
【００４８】
そして、図４（ｂ）に示すように、前記回転ツール４のピン４３及び固定ツールのピン５３をワークＷ内に圧入した状態で、この回転ツール４の回転及び押圧を継続させる。これにより、前記ワークＷ内の材料を掻き混ぜて塑性流動を生じさせる。
【００４９】
このように、前記固定ツール５のピン５３がワークＷの軟化した材料を回転ツール４側に押し込んだ状態で、該回転ツールの回転によって材料の塑性流動を生じさせるようにしたため、該回転ツール４のピン４３をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、すなわち図４（ｃ）に示すように該回転ツール４の先端面４２をワーク内に深く沈み込ませることなく、該回転ツール４のピン４３によって接合位置の材料を十分に掻き混ぜることが可能になる。
【００５０】
そして、前記回転ツール４の回転及び押圧を継続させることにより、ワークＷ内の塑性流動範囲（図に点状で示した範囲）を拡大させる。
【００５１】
このとき、前記回転ツール４の先端は、ワークＷの板材の境界Ｓ１付近まで沈み込んでおり、該境界の界面を上下方向に大きく又は緻密にねじるように、材料に塑性流動を生じさせている。また、前記回転ツール４の先端面４２は、ワークＷの表面に当接しており、この先端面４２とワークＷの表面との接触面積がピン４３と該ワークＷとの接触面積に比べて大きくなるため、発熱量は接合初期よりも増大し、ワークＷ内の塑性流動範囲を短時間で拡大させることができる。
【００５２】
一方、前記固定ツール５は、前述のとおり前記回転ツール４のワークＷへの押圧力により該固定ツール５のピン５３が前記ワークＷ内に沈み込んだ後、前記固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することになる。そのため、前記固定ツール５の先端面５２と前記ワークＷとの接触面は、前記回転ツール４のワークＷに対する接触面（回転ツール４の先端面４２）の形状及び面積と略同等になる。つまり、前記回転ツール４のワークＷへの押圧力を前記固定ツール５の先端面５２で受けることになるため、該ワークＷの前記固定ツール側５への変形を抑えることができる。なお、この実施形態では固定ツール５を固定しているが、固定ツール５を接合軸Ｘ方向にワークＷに押圧するようにした場合でも、上述のように前記回転ツール４及び固定ツール５のワークＷに対する接触面を略同等にすることにより、前記ワークＷの回転ツール４側への変形を抑えることができる。
【００５３】
このようにして、ワークＷ内の塑性流動を所定時間継続させた後、回転ツール４を回転させたまま、押圧軸モータ１２によってこの回転ツール４を上昇させ、該回転ツール４をワークＷ内から引き抜く。このとき、同時に固定ツール５もワークＷ内から引き抜く。
【００５４】
その後、ワークＷは急激に冷却されて硬化し、ワークＷの接合が完了する。
【００５５】
このように、実施形態１に係る接合方法によれば、固定された固定ツール５の先端面５２から突出するようにピン５３を設けるとともに、回転ツール４を回転させながらワークＷに押圧することにより、回転ツール４の回転による摩擦熱で軟化したワークＷを前記ピン５３によって該回転ツール４側に押し込むことができる。このことにより、前記回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、すなわち前記回転ツール４の先端面４２をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、接合位置におけるワークＷ内、特に板材Ｗ１，Ｗ２の重ね面Ｓ１付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。したがって、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷ（板材Ｗ１）に深く圧入されることによる接合部位の板厚の減少を防止ることができるため、板材自体の強度を低下させることなく、重ね面Ｓ１付近で十分な接合強度を得ることができる。
【００５６】
また、軟化した材料を固定ツール５により回転ツール４側へ押し込むようにしたため、該軟化した材料を回転ツール４のより近傍に移動させることができ、該回転ツール４によって効率良く塑性流動を生じさせることができる。このことにより、接合時間を短縮することができる。
【００５７】
なお、前記固定ツール５のピン５３の形状は、前記回転ツール４の円柱状のピン４３と形状や面積が略同等の断面を有するものに限らない。以下に、ピン５３に他の形状を適用した場合の例について説明する。
【００５８】
図５に、前記ピン５３が回転ツール４のピン４３とは断面の大きさが異なる円柱状の場合を示す。図５（ａ）は、前記ピン５３が回転ツール４のピン４３よりも大きい場合を示している。この場合には、材料を前記回転ツール４側に押し込む面積が大きくなるため、より広い範囲の材料を該回転ツール４で掻き混ぜることが可能になる。すなわち、より広い範囲での接合を行うことができるため、ワークＷの接合強度を向上させることができる。なお、このピン形状では、前記ピン５３に図３のピン形状と同じ力が加わった場合に、該ピン５３の先端の圧力が図３のものに比べて小さくなるため、ワークＷの固定ツール５側の板材Ｗ２が薄板で軟質材の場合に用いると効果的である。
【００５９】
前記図５の（ｂ）は、固定ツール５のピン５３の断面が回転ツール４のピン４３よりも小さい場合を示している。このピン形状では、図３のピン形状と同じ力が加わった場合には、ワークＷに対するピン５３の先端の圧力が大きくなるため、該ピン５３がワークＷに圧入されやすくなり、該ピン５３のワークＷに対する押し込み速度を速くすることができる。このことにより、回転ツール４側に材料をより速く押し込むことができるようになるため、接合を短時間で行うことができる。なお、このピン形状では、ピン先端の圧力を大きくすることができるため、ワークＷの固定ツール５側の板材Ｗ２が硬質材の場合に用いると効果的である。
【００６０】
次に、回転ツール４の旋回安定性をさらに向上させるために、固定ツール５のピン５３を円柱状以外の形状にした場合を図６に示す。図６（ａ）は、前記ピン５３が半球状の場合を示しており、このピン形状では、先端が平面の円柱状の場合に比べてワークＷ内へ押し込まれやすい形状になっているため、前記回転ツール４の旋回安定性をより向上させることができる。また、ワークＷ内へ押し込まれやすい半球状の形状にすることにより、該ワークＷに対する押し込み速度を速くすることができる。
【００６１】
前記図６の（ｂ）は、前記ピン５３が円錐状の場合を示しており、この形状では、前述の半球状の場合（図６（ａ））よりもさらにワークＷ内に押し込み易い形状になっているため、前記回転ツール４の旋回安定性を一層向上させることができるとともに、ワークＷに対する押し込み速度もさらに向上させることができる。
【００６２】
なお、上記のようなピン形状の中から前記ピン５３にどの形状を用いるかは、ワークＷの板材の厚みや材質、要求される接合時間や接合強度等の条件を考慮して決める。
【００６３】
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係る接合手順を示し、この実施形態２の接合ツール６は実施形態１のもの（図４参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態２では、３枚の板材Ｗ１０，Ｗ１１，Ｗ１２を厚み方向に重ね、その中間板Ｗ１１に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００６４】
前記ワークＷは、図７（ａ）に示すように比較的薄い板Ｗ１０，Ｗ１２の間に比較的厚い板Ｗ１１を挟んだ構成になっており、その厚板Ｗ１１には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ１０が設けられている。なお、この貫通孔Ｈ１０は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有している。
【００６５】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００６６】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により薄板Ｗ１０が軟化する。さらに前記回転ツール４を前記ワークＷに押圧することにより、図７（ｂ）に示すように、前記軟化した薄板Ｗ１０の一部が該回転ツール４のピン４３によって厚い板Ｗ１１の貫通孔Ｈ１０内に押し込まれる。
【００６７】
一方、前記回転ツール４の回転により発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の薄板Ｗ１０だけでなく、厚い板Ｗ１１を介して固定ツール５側の薄板Ｗ１２まで伝達され、該薄板Ｗ１２も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４のワークＷへの押圧に伴い該ワークＷが固定ツール５側に押されるため、該固定ツール５が前記ワークＷの薄板Ｗ１２を貫通孔Ｈ１０内に押し込むことになる。
【００６８】
そして、前記回転ツール４は回転しながらワークＷの貫通孔Ｈ１０内に圧入されることにより、該貫通孔Ｈ１０内に押し込まれた材料を掻き混ぜて塑性流動を生じさせる。さらに、前記回転ツール４のピン４３が前記貫通孔Ｈ１０に挿入された状態では、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷの表面との間で摩擦を生じるため、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ１０周辺の材料を軟化させる。この軟化した材料も、前記回転ツール４の先端面４２及びピン４３により前記貫通孔Ｈ１０内に押し込まれ、該回転ツール４の回転により掻き混ぜられる。このことにより、図７（ｃ）に示すように、貫通孔Ｈ１０内及びその周辺で材料の塑性流動を生じさせることができるため、該貫通孔Ｈ１０近傍の重ね面Ｓ１０，Ｓ１１でも材料の塑性流動を生じさせることができる。
【００６９】
こうして、厚板Ｗ１１、薄板Ｗ１０，Ｗ１２の３枚の板材からなるワークＷをスポット接合することができる。
【００７０】
この実施形態２に係る接合方法では、固定ツール５の先端にピン５３を設けるとともに、ワークＷに貫通孔Ｈ１０を設け、回転ツール４の回転による摩擦熱で軟化した材料を回転ツール４及び固定ツール５で前記貫通孔Ｈ１０内に押し込むようにしたため、該貫通孔Ｈ１０内の各板材の重ね面Ｓ１０，Ｓ１１付近で十分な塑性流動を生じさせることができ、３枚の板材からなるワークでも十分な接合強度を得ることができる。また、回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、塑性流動を生じさせることができるため、前記回転ツール４の先端面４２がワークＷ内に深く圧入されることによる板材の厚みの減少を防ぐことができ、板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００７１】
そして、前記貫通孔Ｈ１０を設けることにより、回転ツール４をワークＷ内により早く沈み込ませることができるとともに、貫通孔Ｈ１０内に軟化した材料を押し込むことにより、回転ツール４の周辺にワークＷの材料を集めることができるため、該回転ツール４による塑性流動をより早く且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００７２】
また、前記実施形態１と同様に、前記固定ツール５のピン５３がワークＷに圧入された状態では、該固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することができ、該先端面５２とワークＷとの接触面は前記回転ツール４の先端面４２と前記ワークＷとの接触面と形状及び面積が略同等になるため、該ワークＷが固定ツール５側に曲がらないようにすることができる。
【００７３】
さらに、ワークＷに貫通孔Ｈ１０を設けることにより、回転ツール４の該ワークＷへの圧入開始時には、固定ツール５のピン５３がワークＷに容易に食い込んで、前記回転ツール４の回転軸を安定させることができる。
【００７４】
（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３に係る接合手順を示し、この実施形態３の接合ツール６も前記実施形態１、２のもの（図４、図７参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態３では、３枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１，Ｗ２２を厚み方向に重ねるとともに、回転ツール４側に配設された板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００７５】
前記ワークＷは、図８（ａ）に示すように回転ツール４側から比較的厚い板Ｗ２０、比較的薄い板Ｗ２１，Ｗ２２の順に厚み方向に重ねられており、該厚板Ｗ２０及び薄板Ｗ２１には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１が設けられている。なお、これらの貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有しているものの、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１の孔径は前記回転ツール４の沈み込み量に関係するため、前記ワークＷの各板材の厚みや材質等を考慮してそれらの孔径を決定する。
【００７６】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００７７】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４のピン４３は貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に挿入されるとともに、該回転ツール４の先端面４２とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１周辺の厚板Ｗ２０が軟化する。さらに回転ツール４をワークＷに押圧することにより、図８（ｂ）に示すように、前記軟化した厚板Ｗ２０の一部が該回転ツール４の先端面４２により貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込まれる。
【００７８】
一方、前記回転ツール４の先端面４２とワークＷとの間で発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の厚板Ｗ２０だけでなく、薄板Ｗ２１を介して固定ツール５側の薄板Ｗ２２まで伝達され、該薄板Ｗ２２も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４をワークＷへ押圧することにより、ワークＷが固定ツール５側に押され、該固定ツール５が前記ワークＷの薄板Ｗ２２の一部を貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込む。
【００７９】
そして、前記回転ツール４を回転させながらワークＷの貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に圧入することにより、図８（ｃ）に示すように、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込まれた材料を掻き混ぜ、塑性流動を生じさせる。このことにより、貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１近傍の重ね面Ｓ２０，Ｓ２１で塑性流動を生じさせることができるため、３枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１，Ｗ２２からなるワークＷを接合することができる。
【００８０】
この実施形態３に係る接合方法では、固定ツール５側以外の２枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１を設けるとともに、軟化した板材を回転ツール４及び固定ツール５により前記貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内に押し込むようにしたため、該貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１内の各板材の重ね面付近で十分な塑性流動を生じさせることができ、３枚の板材からなるワークでも十分な接合強度を得ることができる。また、必要以上に回転ツール４をワークＷ内に沈み込ませることなく、塑性流動を生じさせることができるため、板材の厚み減少による板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００８１】
そして、固定ツール５側以外の２枚の板材Ｗ２０，Ｗ２１に貫通孔Ｈ２０，Ｈ２１を設けることにより、前記実施形態２に比べて回転ツール４をワークＷ内により一層早く沈み込ませることができるため、該回転ツール４による塑性流動をさらに早く且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００８２】
また、前記実施形態１及び２と同様に、前記固定ツール５のピン５３がワークＷに圧入された状態では、該固定ツール５の先端面５２で前記ワークＷを支持することができるため、該ワークＷが固定ツール５側に曲がらないようにすることができる。
【００８３】
（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４に係る接合手順を示し、この実施形態４の接合ツール６もまた実施形態１〜３のもの（図４等参照）と同じ構成であり、接合するワークが一部異なるだけなので、以下、同一の部分には同一の符号を付し異なる部分だけを説明する。すなわち、この実施形態４では、２枚の板材Ｗ３０，Ｗ３１を厚み方向に重ねるとともに、回転ツール４側に配設された板材Ｗ３０に貫通孔を設けたワークＷの接合手順について説明する。
【００８４】
前記ワークＷは、図９（ａ）に示すように回転ツール４側から比較的厚い板Ｗ３０、比較的薄い板Ｗ３１の順に厚み方向に重ねられており、その厚板Ｗ３０には、接合軸Ｘに沿って貫通孔Ｈ３０が設けられている。なお、この貫通孔Ｈ３０は、上述した回転ツール４のピン４３よりも大きい断面を有している。
【００８５】
以下に、接合ツール６によって前記ワークＷを接合する手順を説明する。
【００８６】
まず、このワークＷに回転ツール４を回転させながら押圧すると、該回転ツール４のピン４３は貫通孔Ｈ３０内に挿入されるとともに、該回転ツール４の先端面４２とワークＷ表面との間で摩擦が生じ、その摩擦熱により前記貫通孔Ｈ３０周辺の厚板Ｗ３０が軟化する。さらに回転ツール４をワークＷに押圧することにより、図９（ｂ）に示すように、前記軟化した厚板Ｗ３０の一部が該回転ツール４の先端面４２により貫通孔Ｈ３０内に押し込まれる。
【００８７】
一方、前記回転ツール４の回転により発生する摩擦熱は、該回転ツール４側の厚板Ｗ３０だけでなく、固定ツール５側の薄板Ｗ３１まで伝達され、該薄板Ｗ３１も軟化させる。この状態で、前記回転ツール４をワークＷへ押圧することにより、ワークＷが固定ツール５側に押され、該固定ツール５が前記ワークワークＷの薄板Ｗ３１の一部を貫通孔Ｈ３０内に押し込む。
【００８８】
そして、前記回転ツール４は回転しながらワークＷの貫通孔Ｈ３０内に圧入されるため、図９（ｃ）に示すように、該貫通孔Ｈ３０内に押し込まれた材料を掻き混ぜ、塑性流動を生じさせる。このことにより、貫通孔Ｈ３０近傍の重ね面Ｓ３０で塑性流動が生じるため、２枚の板材Ｗ３０，Ｗ３１からなるワークＷを接合することができる。
【００８９】
この実施形態４に係る接合方法では、回転ツール４側の板材Ｗ３０に貫通孔Ｈ３０を設けることにより、該貫通孔Ｈ３０のない場合に比べて回転ツール４をワークＷ内により早く沈み込ませることができるとともに、前記回転ツール４のピン４３の先端が比較的短時間で薄板Ｗ３１の表面に接触することになるため、前記ピン４３の先端と薄板Ｗ３１の表面との摩擦によって生じた摩擦熱によっても該薄板Ｗ３１を軟化させることができる。そして、固定ツール５によって前記貫通孔Ｈ３０内に軟化した板材を押し込むことにより、前記回転ツール４の周辺に軟化した材料を集めることができる。これらのことにより、該回転ツール４による塑性流動をより早く、且つ効率よく行うことができ、接合時間を大幅に短縮することができる。
【００９０】
さらに、ワークＷに貫通孔Ｈ３０を設けるとともに、軟化した板材を回転ツール４及び固定ツール５により前記貫通孔Ｈ３０内に押し込むようにしたため、回転ツール４をワークＷ内に深く沈み込ませることなく、該貫通孔Ｈ３０内の板材の重ね面付近で十分な塑性流動を生じさせることができる。したがって、十分な接合強度を得ることができるとともに、板材の厚み減少による板材自体の強度低下を防ぐことができる。
【００９１】
（実施形態５）
実施形態５は、接合装置の構成が前記実施形態１〜４とは異なる実施形態である。具体的には、図１０に示すように、実施形態５に係る接合装置Ｂでは、ロボット２の手首に、ワークＷを保持するハンドリングツール７が設けられており、接合ガン１は、前記ロボット２とは別に設置された架台８に取り付けられている。
【００９２】
上記ロボット２は、分岐ボックス３５を介してハーネス３１により制御盤３に接続されている。また、接合ガン１は、ハーネス３３により互いに接続された中継ボックス３４を介して、上記分岐ボックス３５及び制御盤３に対しハーネス３２，３６により接続されている。
【００９３】
この接合装置ＢによってワークＷの接合を行う場合は、ハンドリングツール７でワークＷを保持し、この保持したワークＷの接合位置を、前記ロボット２によって、定置された接合ガン１の回転ツール４及び固定ツール５の間に位置づける。そして、上記接合ガン１によって、前述したようなワークＷの接合を行う。
【００９４】
（実施形態６）
図１１に示す実施形態６は、回転軸モータ１１、押圧軸モータ１２及び回転ツール４等を備えた接合ユニット８を定置式手動接合装置Ｃに適用したものである。この接合装置Ｃでは、下部取付部材７５に固定ツール５が固定されるとともに、該固定ツール５のピン５３の軸線Ｘの延長線上で、上部取付部材７６に前記接合ユニット８が固定されている。
【００９５】
この接合装置Ｃでは、前記回転ツール４と固定ツール５との間にワークの接合位置がくるように該ワークの位置を調整し、起動スイッチ７７を押してワークの接合を行う。
【００９６】
（実施形態７）
図１２に示す実施形態７は、複数の接合ユニット８を用いた定置式自動接合装置Ｄを示したものである。この接合装置Ｄでは、複数箇所の接合が同時にできるように、下部取付部材７５に複数の固定ツール５が設けられ、該固定ツール５に対応して、上部取付部材７６（図示は省略）に接合ユニット８が取り付けられている。
【００９７】
この接合装置Ｄでは、接合する板材Ｗ１，Ｗ２を、作業者やロボット等により装置内の位置決めユニット（図示は省略）にセットし、その後、前記接合ユニット８と固定ツール５とにより板材Ｗ１，Ｗ２の接合を行う。なお、装置内に固定された接合ユニット８に移動機構を設け、各接合部を移動させながら接合を行ってもよい。
【００９８】
（実施形態８）
図１３に示す実施形態８は、接合ガン１を、移動レール７８からバランサー７９、吊り金具８０を介して吊り下げた手動式のものである。この接合ガン１は、バランサー７９と吊り金具８０とによって任意の姿勢をとることができるため、作業者は、接合ガン１を把持して、位置決め具（図示は省略）内にセットされたワークに対して、作業を行いやすい姿勢でワークの接合を行うことができる。
【００９９】
なお、前記接合ガン１には接合装置の電源のＯＮ／ＯＦＦを行う起動スイッチ８１が設けられており、前記接合ガン１と制御盤３との間は制御ハーネス８２で接続されている。
【０１００】
（他の実施形態）
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記各実施形態では、２枚または３枚の板材を重ねたワークをスポット接合するようにしているが、これに限らず、例えば４枚以上の板材を重ね合わせたワークを接合するようにしてもよい。
【０１０１】
前記各実施形態では、受け具を固定しているが、これに限らず、例えばモータ等により受け具をワークに対して接合軸Ｘ方向に押圧するようにしてもよい。
【０１０２】
また、前記実施形態２〜４では、ワークＷにそれぞれ設けた貫通孔Ｈ１０，Ｈ２０，Ｈ２１，Ｈ３０を回転ツール４のピン４３よりも大きい断面にしているが、これに限らず、該ピン４３と同等若しくはそれよりも小さい断面にしてもよい。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明に係る摩擦スポット接合方法によると、回転ツールのピン部と対向するように固定ツールの先端にもピン部を設け、このピン部により軟化した板材の一部を回転ツール側へ押し込むことにより、該回転ツールを板材に深く圧入することなく、板材の境界付近で材料の十分な塑性流動を生じさせることができるため、板材自体の強度を低下させることなく、接合強度を向上させることができ、しかも、接合時間を短縮することができる。また、スポット接合の開始時には、前記固定ツールのピン部を板材に食い込ませて、回転ツールの回転軸を安定させることができる一方、固定ツールのピン部が接合部位に進入した状態では、該固定ツールの先端面で板材を支持することで、該板材が前記固定ツール側に曲がらないようにすることができる。
【０１０４】
請求項２記載の発明によると、前記請求項１の発明と同様に、固定ツールの先端面にピン部を設けるとともに、該固定ツール側の板材以外の少なくとも一枚の板材に貫通孔を設けて、軟化した材料を該回転ツール及び固定ツールのピン部によりそれぞれ貫通孔内に押し込むことにより、３枚以上の複数の板材を接合する場合や厚い板材を接合する場合でも前記請求項１の発明と同様の効果を得ることができ、さらに、接合時間を大幅に短縮することができる。
【０１０５】
請求項３記載の発明によると、複数の板材を形状及び面積が略同等の２つのツール先端面により挟むことで、板材がいずれのツールの側にも曲がらないようにすることができる。
【０１０６】
請求項４記載の発明に係る摩擦スポット接合装置によると、前記請求項１または２の発明の方法を実行して、その効果を得ることができる。
【０１０７】
請求項５記載の発明によると、固定ツールの先端面に設けた円柱状のピン部により、材料を効率良く回転ツール側に押し込んで、接合強度を一層向上させることができる。
【０１０８】
請求項６記載の発明によると、請求項３の発明と同じ効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る接合装置の概略構成を示す図である。
【図２】接合ガンの概略構成を示す図である。
【図３】接合ツールの先端部分を示す図である。
【図４】図３の接合ツールによるワークの接合の様子を示す図である。
【図５】回転ツールのピンの断面と大きさが異なる固定ツールのピン形状を示す図である。
【図６】円柱状以外の固定ツールのピン形状を示す図である。
【図７】実施形態２に係る図４相当図である。
【図８】実施形態３に係る図４相当図である。
【図９】実施形態４に係る図４相当図である。
【図１０】実施形態５に係る図１相当図である。
【図１１】実施形態６に係る図１相当図である。
【図１２】実施形態７に係る図１相当図である。
【図１３】実施形態８に係る図１相当図である。
【符号の説明】
Ａ 摩擦スポット接合装置
４ 回転ツール
５ 固定ツール
４２ 回転ツールの先端面（先端面）
４３ 回転ツールのピン（ピン部）
５２ 固定ツールの先端面（先端面）
５３ 固定ツールのピン（ピン部）
Ｘ 接合軸（軸線）
Ｗ ワーク（重ね合わせた複数の板材）
Ｈ１０，Ｈ２０，Ｈ２１，Ｈ３０ 貫通孔
Claims (6)
- 軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法において、
前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、
前記回転ツールのピン部を前記板材の接合部位に圧入するときに、この接合部位に反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、当該固定ツールの先端面により板材を支持するようにしたことを特徴とする摩擦スポット接合方法。 - 軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを用い、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合する摩擦スポット接合方法において、
前記複数の板材のうち、前記固定ツール側に配置する板材以外の少なくとも一枚の板材には、前記接合部位を貫通する貫通孔を形成しておき、
前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部を設け、
前記回転ツールのピン部を前記板材の接合部位に圧入するときに、この接合部位に反対側から前記固定ツールのピン部を進入させて、該固定ツール側の板材の一部を前記貫通孔へ押し込むとともに、当該固定ツールの先端面により板材を支持するようにしたことを特徴とする摩擦スポット接合方法。 - 請求項１または２のいずれかの摩擦スポット接合方法において、
固定ツールの先端面は、回転ツールの先端面と形状及び面積が略同等であることを特徴とする摩擦スポット接合方法 - 軸線に沿って先端面から突出するピン部を備えた回転ツールと、該回転ツールと先端面同士が対向するように配置された固定ツールとを備え、重ね合わせた複数の板材の接合部位を前記回転ツール及び固定ツールにより挟むとともに、該回転ツールを回転させながら前記軸線の方向に押圧し、前記ピン部を板材の接合部位内に圧入することにより、当該接合部位にて材料の塑性流動を生じさせてスポット接合するようにした摩擦スポット接合装置において、
前記固定ツールの先端面には、前記軸線に沿って突出するようにピン部が設けられていることを特徴とする摩擦スポット接合装置。 - 請求項４の摩擦スポット接合装置において、
固定ツールのピン部が、回転ツールの軸線と同軸の円柱状であることを特徴とする摩擦スポット接合装置。 - 請求項４または５のいずれかの摩擦スポット接合装置において、
前記固定ツールの先端面は、前記回転ツールの先端面と形状及び面積が略同等であることを特徴とする摩擦スポット接合装置。
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