JP2023013802A - 摩擦攪拌接合及び抵抗溶接のための接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置を提供する。【解決手段】積層体２は、第１部材３、中間部材４、第２部材５を含む。接合装置１は、積層体２を第１部材３の側から支持するアンビル１１と、積層体２に第２部材５の側から突入する回転可能なプローブ１２と、プローブ１２を外囲するショルダ部材１３とを備え、アンビル１１とプローブ１２又はショルダ部材１３との間に電流を流すことができる。アンビル１１に於ける積層体２を支持する面は、絶縁性の領域１１３と導電性の領域１１４とを含む。プローブ１２を回転させながら積層体２に突入させるとともに、アンビル１１とプローブ１２又はショルダ部材１３との間に電流を流すことにより、第１部材３と中間部材４とが互いに抵抗溶接され、第２部材５と中間部材４とが互いに摩擦攪拌接合される。【選択図】図１３

Description

本発明は、摩擦攪拌接合及び抵抗溶接のための接合装置に関する。

複数の金属の板材を互いに接合する方法であって、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制されて、大気の質に関する環境上の悪影響を低減する（ＳＤＧｓ１１．６）方法として、抵抗溶接や摩擦攪拌接合が挙げられる。更に、摩擦攪拌接合は、消費電力が一般的な溶接方法に比べて少なく、製造時のエネルギー効率の改善に貢献する（ＳＤＧ７．３）。

抵抗溶接により異種材を含む３枚以上の金属板材を互いに接合する場合、電食防止のため接着剤を使用する。このため、接着剤由来の欠陥が発生して、安定的に接合強度を得ることができず、必要な強度を得るためにはリベットを併用する必要がある。摩擦攪拌接合により異種材を含む３枚以上の金属の板材、例えば、１枚のアルミニウム合金板材と、２枚の鋼（鉄合金）板材を互いに接合する場合、攪拌範囲を拡げられないため、第１及び第２層（Ａｌ－Ｆｅ）間は接合できるが、第２及び第３層（Ｆｅ－Ｆｅ）間は接合が困難である。このように、１つの接合方法で、異種材を含む３枚以上の金属板材を互いに接合することは困難である。

互いに異なる接合方法を組み合わせて、異種材を含む３以上の金属部材を互いに接合する方法として、特許文献１には、アルミ材と、鋼材と、アルミ材層及び鋼材層を含むグラッド材（異種材料を１枚の板に圧延させた複合材）との接合方法が記載されている。特許文献１には、アルミ材とグラッド材のアルミ材層とを摩擦攪拌接合によって互いに接合し、摩擦攪拌接合によって生じた摩擦熱を利用して鋼材とグラッド材の鋼材層とを熱硬化性の接着剤で互いに接合する実施形態や、鋼材とグラッド材の鋼材層とを抵抗溶接で互いに接合し、抵抗溶接によって生じた熱を利用してアルミ材とグラッド材のアルミ材層とを熱硬化性の接着剤で互いに接合する実施形態が記載されている。しかし、この方法は、グラッド材を使用するため、汎用性に欠ける。特許文献２には、互いに突き合わされた２つの部材を摩擦攪拌線接合によって互いに接合した後、この接合部に対して他の部材を溶融溶接又は抵抗溶接することが記載されている。

特開２００５－１１１４８９号公報 特開２００７－２３７２５３号公報

異種材を含む３以上の金属部材を互いに接合するために２種類以上の接合方法を組み合わせる必要があるが、従来の方法では、接合回数が増え、２種類以上の接合設備を用意し、製造ラインを長くする必要があり、設備投資を増やさざるを得なかった。

本発明は、以上の背景に鑑み、大気の質に関する環境上の悪影響の低減（ＳＤＧｓ１１．６）、及び／又は、製造時のエネルギー効率の改善への貢献（ＳＤＧ７．３）に資する摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明のある態様は、それぞれ導電性を有し、かつ、所定の主面に沿って延在する第１部材（３）、中間部材（４）及び第２部材（５）をこの順に重ね合わせたように含む積層体（２）に於いて、各部材を互いに接合するための接合装置（１，５１）であって、前記積層体（２）の前記第１部材側の面をなす第１面（６）を支持するべきアンビル当接面（１１２，１２２）を含み、前記アンビル当接面（１１２，１２２）が絶縁性の領域（１１３，１２３）及び導電性の領域（１１４，１２４）を含む、アンビル（１１１，１２１）と、前記アンビル（１１１，１２１）に対応する位置で、前記積層体（２）の前記第２部材側の面をなす第２面（７）に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第２部材（５）に対して進退可能であり、少なくとも部分的に導電性を有するプローブ（１２，４１，５２）と、前記プローブ（１２，４１，５２）を、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構（１４，５４）と、前記積層体（２）を介して前記アンビル（１１１，１２１）と前記プローブ（１２，４１，５２）との間に電流を流すべく、前記アンビル（１１１，１２１）及び前記プローブ（１２，４１，５２）に電気的に接続された電源（１５）と、前記駆動機構（１４，５４）及び前記電源（１５）の作動を制御する制御装置（１６）と、を備える、前記第１部材（３）と前記中間部材（４）を互いに抵抗溶接し、かつ前記第２部材（５）と前記中間部材（４）を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置（１，５１）である。

この態様によれば、摩擦攪拌接合のために使用するアンビル及びプローブが、抵抗溶接のための電極を兼ねているため、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。更に、この態様は、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制された抵抗溶接と、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制されるとともに消費電力が一般的な溶接方法に比べて少ない摩擦攪拌接合によって積層体を接合するため、大気の質に関する環境上の悪影響を低減し（ＳＤＧｓ１１．６）、製造時のエネルギー効率の改善に貢献する（ＳＤＧ７．３）。

上記課題を解決するために本発明のある態様は、それぞれ導電性を有し、かつ、所定の主面に沿って延在する第１部材（３）、中間部材（４）及び第２部材（５）をこの順に重ね合わせたように含む積層体（２）に於いて、各部材を互いに接合するための接合装置（１０１）であって、前記積層体（２）の前記第１部材側の面をなす第１面（６）を支持するべきアンビル当接面（１１２，１２２）を含み、前記アンビル当接面（１１２，１２２）が絶縁性の領域（１１３，１２３）及び導電性の領域（１１４，１２４）を含む、アンビル（１１１，１２１）と、前記アンビル（１１１，１２１）に対応する位置で、前記積層体（２）の前記第２部材（５）側の面をなす第２面（７）に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第２部材（５）に向かって進退可能なプローブ（１２，４１）と、前記プローブ（１２，４１）が挿通された貫通孔（２０，２０ａ）と、前記第２面（７）に押圧されるべきショルダ当接面（２４，２４ａ）とを含み、少なくとも部分的に導電性を有するショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）と、前記プローブ（１２，４１）を、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構（１４）と、前記積層体（２）を介して前記アンビル（１１１，１２１）と前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）との間に電流を流すべく、前記アンビル（１１１，１２１）及び前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）に電気的に接続された電源（１５）と、前記駆動機構（１４）及び前記電源（１５）の作動を制御する制御装置（１６）と、を備える、前記第１部材（３）と前記中間部材（４）を互いに抵抗溶接し、かつ前記第２部材（５）と前記中間部材（４）を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置（１０１）である。

この態様によれば、摩擦攪拌接合のために使用するアンビル及びショルダ部材が、抵抗溶接のための電極を兼ねているため、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。更に、この態様は、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制された抵抗溶接と、一般的な溶接方法よりもガスの発生が抑制されるとともに消費電力が一般的な溶接方法に比べて少ない摩擦攪拌接合によって積層体を接合するため、大気の質に関する環境上の悪影響を低減し（ＳＤＧｓ１１．６）、製造時のエネルギー効率の改善に貢献する（ＳＤＧ７．３）。

上記の態様において、前記ショルダ部材（１３，１３ａ，６１，６４，６８）は、前記第２面（７）に対して対向するべき底面（２６，２６ａ）を画定するように前記ショルダ当接面（２４，２４ａ）に対して凹み、前記プローブ（１２，４１）の一部を受容する凹部（２５，２５ａ）を含んでも良い。

この態様によれば、凹部が存在することによってショルダ当接面が径方向の外側に配置されることになり、ナゲットも径方向の外側に形成されるため、抵抗溶接を広い領域に渡って行うことができ、接合強度を高めることができる。

上記の態様において、前記アンビル当接面（１１２）に於いて、前記絶縁性の領域（１１３）が、前記軸線の延長線に交差するように配置されても良い。

この態様によれば、絶縁性の領域が中央に配置されることによって、ナゲットが径方向の外側に形成されるため、接合強度が上がり、接合部に加わる応力が分散する。

上記の態様において、前記アンビル当接面（１１２）に於いて、前記導電性の領域（１１４）が、前記絶縁性の領域（１１３）を外囲する環状に配置されても良い。

この態様によれば、導電性の領域が環状であることによって、ナゲットが環状に形成されるため、接合強度が上がり、接合部に加わる応力が分散する。

上記の態様において、前記アンビル当接面（１２２）に於いて、前記導電性の領域（１２４）が、前記絶縁性の領域（１２３）によって複数の孤立した領域に分割されていても良い。

この態様によれば、導電性の領域が複数の孤立した領域に分割されていることによって、ナゲットが複数の孤立した領域に形成されるため、接合部に加わる応力が分散する。

以上の態様によれば、摩擦攪拌接合と抵抗溶接とを組み合わせた接合装置及び接合方法であって、装置の大型化や加工時間の増大が低減された接合装置及を提供することができる。

第１実施形態に係る接合装置を示す縦断面図 第１実施形態に係る接合装置の絶縁に関する変形例を示す縦断面図 第１実施形態に係る接合装置のショルダ部材を示す図（Ａ：第１実施形態、Ｂ：変形例、上図：下図のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図、下図：底面図） 第１実施形態に係る接合装置を用いた接合方法の説明図 第２実施形態に係る接合装置を示す縦断面図 第３実施形態に係る接合装置を示す縦断面図 第３実施形態に係る接合装置のプローブに関する変形例を示す縦断面図 第３実施形態に係る接合装置のショルダ部材の絶縁部の変形例を示す図 第３実施形態に係る接合装置のアンビルの変形例を示す図 第３実施形態に係る接合装置を用いた接合方法の説明図 第３実施形態に係る接合装置を用いた接合方法の変形例の説明図 第１～第３実施形態に係る接合装置のアンビルの変形例を示す平面図 第１及び第３実施形態に係る接合装置のアンビルの変形例を示す縦断面図（Ａ：第１実施形態の変形例、Ｂ：第３実施形態の変形例） 第１～第３実施形態に係る接合装置のアンビルの他の変形例を示す図（Ａ：アンビルの平面図、Ｂ：抵抗溶接の接合部の横断面図）

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る接合装置１と、接合装置１によって接合される積層体２の接合途中の状態とを示す軸線を含む面の断面図である。以下、軸線が、上下方向に延在する場合を例に説明するが、軸線が上下方向に対して傾いていてもよく、横方向に延在していてもよく、上下が逆であってもよい。

積層体２は、それぞれ導電性を有し、かつ、軸線に直交する主面に沿って延在する第１部材３、中間部材４及び第２部材５をこの順に重ね合わせたように含む。軸線は主面に対して、直交していることに代えて、９０度以外の角度で交差していてもよい。積層体２は、第１部材３側の面（下面）をなす第１面６と、第２部材側の面（上面）をなす第２面７とを有する。第１部材３、中間部材４及び第２部材５は、板形状をなす。第１部材３の下側に、第１部材３と同種材である他の１以上の板材が重ねられていてもよい。

第１部材３及び中間部材４は互いに同種材であり、第２部材５は第１部材３及び中間部材４とは異種材である。第１部材３及び中間部材４の素材は、第２部材５の素材よりも高強度であり、かつ高い電気抵抗性を有する。例えば、第１部材３及び中間部材４が鉄合金（鋼材）であり、第２部材５がアルミニウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４が鉄合金であり、第２部材５がマグネシウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４がチタン合金であり、第２部材５がアルミニウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４がチタン合金であり、第２部材５がマグネシウム合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４が鉄合金であり、第２部材５が銅合金であってもよく、第１部材３及び中間部材４がチタン合金であり、第２部材５が銅合金であってもよく、又は、第１部材３及び中間部材４がアルミニウム合金であり、第２部材５が銅合金であってもよい。

接合装置１は、積層体２の第１面６を支持するべきアンビル１１と、アンビル１１の上方に配置されたプローブ１２と、アンビル１１の上方に配置されてプローブ１２を外囲するショルダ部材１３と、アンビル１１、プローブ１２及びショルダ部材１３を駆動する駆動機構１４と、積層体２を挟むプローブ１２及びアンビル１１間に電流を流す電源１５と、駆動機構１４及び電源１５の作動を制御する制御装置１６とを備える。

アンビル１１は、導電性を有し、積層体２の第１面６に当接するアンビル当接面１７を有する。

プローブ１２は回転子１８の一部であり、回転子１８の全体は、軸線回りに回転対称形をなし、一体となって軸線回りに回転可能である。プローブ１２は、軸線に沿って延在しており、好ましくは、回転子１８の上部１９に比べて細い円柱形状をなす。プローブ１２の先端（下端）は、積層体２に突入できるように自由端となっている。プローブ１２は、例えば、銅合金（クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等）、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。

図１及び図３（Ａ）に示すように、ショルダ部材１３は、軸線回りに回転対称形をなすことが好ましい。ショルダ部材１３は、貫通孔２０を有するプローブ支持部２１と、プローブ支持部２１から径方向の外方に延出するフランジ２２と、プローブ支持部２１の下面から下方に延出して、下方から見て円環形状をなす側壁部２３とを含む。貫通孔２０の中心軸線は軸線に一致する。貫通孔２０にはプローブ１２が挿通されている。貫通孔２０の上部は、プローブ１２を挿通する際にプローブ１２をガイドするように、上方に向かうにつれて拡径されている。貫通孔２０の下部の内径はプローブ１２の外径よりもわずかに大きく、プローブ１２が軸線回りに回転する際に、貫通孔２０の内周面が、プローブ１２の外周面に摺接して、プローブ１２を支持する。側壁部２３の内径はプローブ１２の外径よりも大きく、側壁部２３の内周面は、プローブ１２の外周面から離間している。側壁部２３の内周面は、下方に向かうにつれて径方向の外方に向かうように傾斜していることが好ましいが、軸線方向に平行であってもよい。側壁部２３の下面は、積層体２の第２面７に当接するショルダ当接面２４をなしている。ショルダ部材１３の下面には、凹部２５が設けられている。凹部２５は、ショルダ当接面２４に対して凹んで積層体２の第２面７に対向する底面２６と、側壁部２３の内周面とによって画定され、プローブ１２の下部を受容する。底面２６は、プローブ支持部２１の下面をなす。ショルダ部材１３は、例えば、鋼、セラミック、又は超硬合金等を素材とする。

図１に示すように、駆動機構１４は、アンビル１１を移動させるアンビル駆動機構２７と、プローブ１２を含む回転子１８を軸線回りに回転させる回転駆動機構２８と、プローブ１２を軸線に沿って進退させる進退駆動機構２９と、ショルダ部材１３を移動させるショルダ駆動機構３０とを含む。

電源１５は、第１端子３１及び第２端子３２に電気的に接続されている。第１端子３１は、アンビル１１に電気的に接続されており、第２端子３２は、回転子１８に電気的に接続されている。アンビル１１及び回転子１８が部分的に導電性を含まない領域を有する場合であっても、アンビル１１に於ける第１端子３１が電気的に接続された箇所からアンビル当接面１７までは導電性を有し、回転子１８に於ける第２端子３２が電気的に接続された箇所からプローブ１２の先端までは導電性を有する。

図２（Ｃ）は、プローブ１２の先端を第２面７から積層体２に突入させ、電源１５（図１参照）によってプローブ１２から積層体２を介してアンビル１１に電流を流した時の電流の流れを示す。ドットパターンで示した矢印がプローブ１２の突入方向を示し、黒く細い矢印がプローブ１２の回転方向を示し、黒く太い矢印が電流の方向を示す。電流を流すことにより、第１部材３及び中間部材４の間にナゲット３３（接合される部材が抵抗溶接により溶融凝固した部分）が形成され、第１部材３及び中間部材４が互いに接合される。しかし、電流は、プローブ１２からアンビル１１にまっすぐに向かうだけでなく、プローブ１２からショルダ部材１３にも流れ、抵抗溶接を実施する上でのエネルギー効率が悪化する。そこで、図２（Ａ）又は図２（Ｂ）に示すように、プローブ１２又はショルダ部材１３に部分的に絶縁性を持たせることが好ましい。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）の変形例の説明において、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。図２（Ａ）に示す変形例では、プローブ４１は、軸線に沿って延在して円柱形状をなし導電性を有するプローブ導電部４２と、プローブ導電部４２の外周面に沿って設けられた絶縁性のプローブ絶縁部４３とを含む。プローブ導電部４２の下面はプローブ絶縁部４３に覆われていない。プローブ４１に於いてショルダ部材１３の貫通孔２０の内周面に摺接するのはプローブ絶縁部４３である。プローブ絶縁部４３が、貫通孔２０の内周面に摺接することに代えて、プローブ絶縁部４３の外周面に沿って、耐摩耗性が高く、かつプローブ絶縁部４３によってプローブ導電部４２から絶縁された層（図示せず）を設け、この層が貫通孔２０の内周面に摺接してもよい。プローブ絶縁部４３によって、プローブ４１からショルダ部材１３に向かって電流が流れることを防止できる。

図２（Ｂ）に示す変形例では、ショルダ部材４４は、プローブ支持部２１と、フランジ２２（図１参照）と、側壁部２３とを含み、導電性を有するショルダ部材本体４５と、ショルダ当接面２４及び貫通孔２０の内周面に於けるプローブ１２に摺接する領域に沿って設けられた絶縁性を有するショルダ部材絶縁部４６とを含む。ショルダ部材絶縁部４６は、更に側壁部２３の内周面に沿って設けられることが好ましい。ショルダ部材絶縁部４６によって、電流がプローブ１２及び積層体２からショルダ部材４４に流れることを防止又は抑制できる。

上記の２つの変形例に於いて、プローブ導電部４２及びショルダ部材本体４５は、例えば、銅合金（クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等）、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。プローブ絶縁部４３及びショルダ部材絶縁部４６は、例えば、絶縁性のセラミック、ベークライト（フェノール樹脂）、又はマイカ等を素材とする。

上記の接合装置１に於ける摩擦攪拌接合は、摩擦撹拌点接合であり、ショルダ当接面２４が環状をなすことにより接合部の見栄えが良くなっている。一方、ショルダ部材１３を図３（Ｂ）に示す形状に変更することにより、摩擦撹拌線接合とすることができる。図３（Ｂ）に示すショルダ部材１３ａに於いて、図３（Ａ）に示すショルダ部材１３と類似する構成は、同一の符号に添え字「ａ」を付し、共通する部分の説明を省略し、相違点のみを説明する。

図３（Ｂ）に示すショルダ部材１３ａは、貫通孔２０ａを有するプローブ支持部２１ａと、フランジ２２ａと、下面にショルダ当接部２４ａが形成された側壁部２３ａとを含む。ショルダ部材１３ａを第２面７に押圧しながら第２面７に沿って進行させた時に、プローブ１２が突入されることによって上方に盛り上がった第２部材５が引っ掛からないように、ショルダ部材１３ａの進行方向の後方には、側壁部２３ａが設けられておらず、凹部２５ａに於ける進行方向の後方は開口している。したがって、側壁部２３ａは、下方から見てコ字形状をなしている。コ字形状に代えて、側壁部２３ａは、進行方向に平行な１対の壁によって構成されてもよい（図示せず）。

図４を参照して、接合装置１を用いた積層体２の接合方法を説明する。

図４（Ａ）に示すように、作業員は、各層がまだ接合されていない状態の積層体２をアンビル１１と、プローブ１２及びショルダ部材１３との間に配置する。作業員は、制御装置１６（図１参照）が駆動機構１４（図１参照）を介してアンビル１１、ショルダ部材１３及びプローブ１２を動かして、摩擦撹拌点接合及び抵抗スポット接合が実施されるように、接合装置１を設定操作する。

図４（Ｂ）に示すように、アンビル１１が積層体２の第１面６を上方に向かって押圧し、ショルダ部材１３が積層体２の第２面７を下方に向かって押圧する。積層体２がアンビル１１及びショルダ部材１３によって加圧された状態で、プローブ１２が軸線回りに回転しながら、第２面７の側から積層体２に向かって進行する。

図４（Ｃ）に示すように、プローブ１２の先端が第２部材５に突入する。第２部材５は変形し、プローブ１２によって押しのけられた部分に相当する量が、ショルダ部材１３の凹部２５に受容される。プローブ１２の近傍では、プローブ１２の回転による摩擦熱によって第２部材５が塑性流動して、上方から見て円環形状又は円形状の流動領域が形成される。プローブ１２の先端が中間部材４に達した後、制御装置１６（図１参照）は、プローブ１２とアンビル１１との間に電流を流す。プローブ１２の先端の位置は、プローブ１２の挿入深さや、プローブ１２の積層体２への突入圧力（突入負荷）、又は、プローブ１２の回転負荷等によって管理する。

図４（Ｄ）に示すように、プローブ１２とアンビル１１との間に電流が流れた状態で、プローブ１２が回転しながら更に下方に進行し、プローブ１２の先端が中間部材４に突入する。プローブ１２とアンビル１１との間に電流が流れると、第１部材３及び中間部材４の抵抗発熱と、プローブ１２の回転による摩擦熱とによって、第１部材３及び中間部材４に溶融部３４が形成される。また、プローブ１２の近傍では、第２部材５だけでなく中間部材４も塑性流動する。このため、中間部材４に於けるプローブ１２によって押しのけられた部分が、プローブ１２の側面に沿って第２部材５に向かって突入する。この時、プローブ１２から遠ざかるにつれて温度が下がって流動性が低くなるため、中間部材４に於ける第２部材５に突入した部分は、径方向の外側に向かって押し出される。このため、中間部材４のプローブ１２の近傍において、上端に向かうにつれて径方向の外方に向かうフック３５が形成される。

図４（Ｅ）に示すように、制御装置１６（図１参照）はプローブ１２とアンビル１１との間に電流を流すことを止め、プローブ１２が回転しながら軸線に沿って後退する。更に、アンビル１１及びショルダ部材１３が、積層体２に対する加圧を停止し、積層体２から離間する。電流が停止し、プローブ１２が離れることによって、溶融部３４（図４（Ｄ）参照）が凝固してナゲット３３が形成されて第１部材３及び中間部材４が互いに接合される。また、プローブ１２の回転によって塑性流動した第２部材５及び中間部材４によりフック３５が形成されるため、第２部材５及び中間部材４が互いに接合される。

第１実施形態の作用効果について説明する。

摩擦攪拌接合のために使用するアンビル１１及びプローブ１２が、抵抗スポット溶接のための電極を兼ねているため、互いに別個の摩擦攪拌接合装置と抵抗スポット溶接装置とを用意する場合に比べて、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗スポット溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。

仮に、異種材を抵抗溶接すると脆弱な金属間化合物が発生し、接合強度が低下するおそれがある。本実施形態では、互いに異種材である第２部材５と中間部材４との間は摩擦攪拌接合によって接合されるため、金属間化合物によって接合強度が低下することを防止できる。

電流を流すことによって生じる抵抗発熱だけでなく、プローブ１２の回転による摩擦熱が第１部材３及び中間部材４の溶融に寄与するため、抵抗溶接のためのエネルギー消費量を低減できる。また、溶融部３４が急冷されるとナゲット３３の靭性が低下するところ、本実施形態では、電流を流すことを停止した後、プローブ１２を回転させながら積層体２から引き抜くため、溶融部３４にプローブ１２の回転による摩擦熱が伝わり、溶融部３４の急冷が抑制され、ナゲット３３の靭性の低下が抑制される。

図２（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、プローブ絶縁部４３又はショルダ部材絶縁部４６を含む変形例では、ショルダ部材１３への通電が抑制又は防止されて通電経路が限定される。このため、第２部材５の内部に電流がほぼ流れず、第２部材５の溶融が防止され、接合品質の安定及び向上を図れる。また、設備の電気的な安全性を高めることもできる。

図５は、第２実施形態に係る接合装置５１を示す。第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。第２実施形態に係る接合装置５１は、アンビル１１と、プローブ５２を含む回転子５３と、アンビル駆動機構２７、回転駆動機構２８及び進退駆動機構２９を含む駆動機構５４と、と、進退駆動機構２９及び電源１５の作動を制御する制御装置１６とを備える。

回転子５３は全体として軸線回りに回転する。回転子５３は、軸線を中心とする概ね円柱形状をなす本体部５５と、本体部５５の下面から軸線に沿って下方に延出するプローブ５２とを含む。回転子５３は、導電性を有する。プローブ５２は、外周面にねじ溝を有することが好ましい。本体部５５の下面は、径方向の外縁からプローブ５２が延出する中央部分に向かうにつれて上方に向かうように凹んだショルダ５６を形成している。プローブ５２は、例えば、銅合金（クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等）、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。

第２実施形態に係る接合装置５１を用いて積層体２の各層を互いに接合する方法は、ショルダ部材１３（図１参照）を用いないことを除いて、第１実施形態と同様である。回転子５３の凹んだショルダ５６が、第１実施形態のショルダ部材１３の凹部２５（図１参照）と同様に、プローブ５２が突入することにより押し出された第２部材５の一部を受容する。

図６～図１１を参照して、第３実施形態について説明する。第１実施形態と共通する構成については、共通の符号を付し、説明を省略する。図６は、第３実施形態に係る接合装置１０１と、接合装置１０１によって接合される積層体２の接合途中の状態とを示す軸線を含む面の断面図である。第１実施形態では、電源１５がアンビル１１とプローブ１２とに電気的に接続されている（図１参照）のに対して、第３実施形態では、電源１５がアンビル１１とショルダ部材１３とに電気的に接続されている。

電源１５は、第１端子３１及び第２端子３２に電気的に接続されている。第１端子３１は、アンビル１１に電気的に接続されており、第２端子３２は、ショルダ部材１３に電気的に接続されている。アンビル１１及びショルダ部材１３が部分的に導電性を含まない領域を有する場合であっても、アンビル１１に於ける第１端子３１が電気的に接続された箇所からアンビル当接面１７までは導電性を有し、ショルダ部材１３に於ける第２端子３２が電気的に接続された箇所からショルダ当接面２４までは導電性を有する。

図７は、プローブ１２の変形例を示す。この変形例の説明において、上記第３実施形態と同様の構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。図７に示す変形例では、プローブ４１は、軸線に沿って延在して円柱形状をなし導電性を有するプローブ導電部４２と、プローブ導電部４２の外周面に沿って設けられた絶縁性のプローブ絶縁部４３とを含む。プローブ４１に於いてショルダ部材１３の貫通孔２０の内周面に摺接するのはプローブ絶縁部４３である。プローブ絶縁部４３によって、ショルダ部材１３からプローブ４１に向かって電流が流れることを防止できる。このため、抵抗溶接を実施する上でのエネルギー効率の悪化を防止できる。

図８（Ａ）は、図６に示したのと同じショルダ部材１３を示す。図８（Ｂ）～図８（Ｄ）は、その変形例を示す。図８（Ａ）に示すショルダ部材１３は、全体に導電性を有する。図８（Ｂ）に示すショルダ部材６１は、第２端子３２の接続箇所からショルダ当接面２４に至るショルダ部材導電部６２と、貫通孔２０の内周面に於けるプローブ１２に摺接する部分を含む領域に設けられたショルダ部材絶縁部６３とを含む。図８（Ｃ）に示すショルダ部材６４は、貫通孔２０の内周面を含んで導電性を有する内層６５と、第２端子３２が接続されるとともにショルダ当接面２４を含んで導電性を有する外層６６と、内層６５及び外層６６の間に配置され、内層６５及び外層６６間を絶縁するショルダ部材絶縁部６７とを含む。図８（Ｄ）に示すショルダ部材６８は、貫通孔２０の内周面を含んで導電性を有する内層６５と、第２端子３２が接続されるとともにショルダ当接面２４に於ける外側の部分を含んで導電性を有する外層６９と、内層６５及び外層６９の間に配置され、ショルダ当接面２４に於ける内側の部分を含み、内層６５及び外層６９間を絶縁するショルダ部材絶縁部７０とを含む。図８（Ｂ）～図８（Ｄ）に示すショルダ部材６１，６４，６８では、ショルダ部材絶縁部６３，６７，７０によって、ショルダ部材６１，６４，６８からプローブ１２（図６参照）に電流が流れることが防止される。

図７及び図８に示す変形例に於いて、プローブ導電部４２、ショルダ部材導電部６２、内層６５及び外層６６，６９は、例えば、銅合金（クロム銅、アルミナ分散銅、タングステン銅合金等）、導電性セラミック、又は超硬合金等を素材とする。プローブ絶縁部４３及びショルダ部材絶縁部６３，６７，７０は、例えば、絶縁性のセラミック、ベークライト（フェノール樹脂）、又はマイカ等を素材とする。

上記の接合装置１０１に於ける摩擦攪拌接合は、摩擦撹拌点接合である。第１実施形態の変形例に係る図３（Ｂ）に示すショルダ部材１３ａを第３実施形態の接合装置１０１に適用することにより、摩擦撹拌線接合を実施できる。

図９は、アンビル１１の構成によって変化する電流の流れを示す。積層体２に重ねて示した矢印が電流の流れを示す。図９（Ａ）に示すアンビル１１の輪郭は、軸線方向から見て、プローブ１２の輪郭に一致するか、それよりも径方向の外側に位置し、かつ、ショルダ当接面２４の内輪郭よりも内側に位置する。アンビル１１は、積層体２との接触面積が比較的小さいため、アンビル１１から積層体２への加圧が安定する。図９（Ｂ）に示すアンビル１１ｂの輪郭は、ショルダ当接面２４の内輪郭に一致するか、それよりも径方向の外側に位置し、かつ、ショルダ当接面２４の外輪郭に一致するか、それよりも径方向の内側に位置する。アンビル１１ｂは、図９（Ａ）に示す例に比べて、積層体２との接触面積が比較的大きく、電流が径方向の外側を流れるため、ナゲット３３（図６参照）が径方向に拡大される。図９（Ｃ）に示すアンビル１１ｃは、図９（Ｂ）に示すアンビル１１ｂと略同じ大きさを有するが、軸線に交差する中心部７１が、中心部７１を外囲する外周部７２に比べて剛性の高い材料によって形成されている。このため、アンビル１１ｃを積層体２に押圧した時のアンビル１１ｃの変形が抑制される。軸線方向から見て中心部７１の輪郭をショルダ当接面２４の内輪郭よりも大きくしてもよく、この場合、積層体２の変形が抑制される。図９（Ｄ）に示すアンビル１１ｄは、図９（Ｂ）に示すアンビル１１ｂと略同じ大きさを有するが、軸線に交差する中心部７１が、中心部７１を外囲する外周部７２に比べて剛性の低い材料によって形成される。アンビル１１ｄは、積層体２に押圧される時、密着性を担保するために外周部７２が加圧される。このため、電流は、ショルダ部材１３から外周部７２に向かって流れる。アンビル１１，１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、軸線方向から見て円形であることが好ましい。

図１０を参照して、接合装置１０１を用いた積層体２の接合方法を説明する。

図１０（Ａ）に示すように、作業員は、各層がまだ接合されていない状態の積層体２をアンビル１１と、プローブ１２及びショルダ部材１３との間に配置する。作業員は、制御装置１６（図１参照）が駆動機構１４（図１参照）を介してアンビル１１、ショルダ部材１３及びプローブ１２を動かして、摩擦撹拌点接合及び抵抗スポット接合が実施されるように、接合装置１０１を設定操作する。

図１０（Ｂ）に示すように、アンビル１１が積層体２の第１面６を上方に向かって押圧し、ショルダ部材１３が積層体２の第２面７を下方に向かって押圧する。積層体２がアンビル１１及びショルダ部材１３によって加圧された状態で、プローブ１２が軸線回りに回転しながら、第２面７の側から積層体２に向かって進行する。

図１０（Ｃ）に示すように、プローブ１２の先端が第２部材５に突入する。第２部材５は変形し、プローブ１２によって押しのけられた部分に相当する量が、ショルダ部材１３の凹部２５に受容される。プローブ１２の近傍では、プローブ１２の回転による摩擦熱によって第２部材５が塑性流動して、上方から見て円環形状又は円形状の流動領域が形成される。プローブ１２の先端が中間部材４に達した後、制御装置１６（図６参照）は、ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流を流す。プローブ１２の先端の位置は、プローブ１２の挿入深さや、プローブ１２の積層体２への突入圧力（突入負荷）、又は、プローブ１２の回転負荷等によって管理する。

図１０（Ｄ）に示すように、ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流が流れた状態で、プローブ１２が回転しながら更に下方に進行し、プローブ１２の先端が中間部材４に突入する。ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流が流れると、第１部材３及び中間部材４の抵抗発熱と、プローブ１２の回転による摩擦熱とによって、第１部材３及び中間部材４に溶融部３４が形成される。また、プローブ１２の近傍では、第２部材５だけでなく中間部材４も塑性流動する。このため、中間部材４に於けるプローブ１２によって押しのけられた部分が、プローブ１２の側面に沿って第２部材５に向かって突入する。この時、プローブ１２から遠ざかるにつれて温度が下がって流動性が低くなるため、中間部材４に於ける第２部材５に突入した部分は、径方向の外側に向かって押し出される。このため、中間部材４のプローブ１２の近傍において、上端に向かうにつれて径方向の外方に向かうフック３５が形成される。

図１０（Ｅ）に示すように、制御装置１６（図６参照）はショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流を流すことを止め、プローブ１２が回転しながら軸線に沿って後退する。更に、アンビル１１及びショルダ部材１３が、積層体２に対する加圧を停止し、積層体２から離間する。電流が停止し、プローブ１２が離れることによって、溶融部３４（図１０（Ｄ）参照）が凝固してナゲット３３が形成されて第１部材３及び中間部材４が互いに接合される。また、プローブ１２の回転によって塑性流動した第２部材５及び中間部材４によりフック３５が形成されるため、第２部材５及び中間部材４が互いに接合される。

図１１を参照して、ショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流を流し始める時点を変更した場合について説明する。図１１（Ａ）に示すように、プローブ１２の先端が積層体２の第２面７に到達する前に、又は到達すると同時に電流を流し始めると、通電による抵抗発熱によって積層体２の幅広い範囲（第２部材５に於けるプローブ１２とショルダ当接面２４との間の表面等）が軟化するので、プローブ１２の積層体２への突入が容易になり、突入速度を高速化できる。プローブ１２の先端が積層体２の中間部材４に到達する前に、電流を流し始めた場合も同様である。図１１（Ｂ）に示すように、プローブ１２の先端が、第２部材５と中間部材４との境界面に達した時に電流を流し始めると、通電により、フック３５（図１参照）の生成起点のプローブ１２の外周面からショルダ当接面２４に向かって第２部材５が軟化し、フック３５の先端を外側に誘導できる。更に、中間部材４もアンビル１１の直上で集中的に軟化するため、フック３５の生成が促進され、第１部材３と中間部材４との界面への材料の流入を抑制できる。図１１（Ｃ）に示すように、プローブ１２の先端が、第２部材５と中間部材４との境界面を越えた後に電流を流し始めた場合も、図１１（Ｂ）に示す場合と同様の作用効果を奏する。

第３実施形態の作用効果について説明する。

摩擦攪拌接合のために使用するアンビル１１及びプローブ１２が、抵抗スポット溶接のための電極を兼ねているため、互いに別個の摩擦攪拌接合装置と抵抗スポット溶接装置とを用意する場合に比べて、装置の大型化及び増加や、製造ラインの長大化を抑制でき、設備投資を抑制できる。また、摩擦攪拌接合と抵抗スポット溶接とを同時に実施できるため、加工時間の増大を抑制できる。

仮に、異種材を抵抗溶接すると脆弱な金属間化合物が発生し、接合強度が低下するおそれがある。本実施形態では、互いに異種材である第２部材５と中間部材４との間は摩擦攪拌接合によって接合されるため、金属間化合物によって接合強度が低下することを防止できる。

電流を流すことによって生じる抵抗発熱だけでなく、プローブ１２の回転による摩擦熱が第１部材３及び中間部材４の溶融に寄与するため、抵抗溶接のためのエネルギー消費量を低減できる。また、溶融部３４が急冷されるとナゲット３３の靭性が低下するところ、本実施形態では、電流を流すことを停止した後、プローブ１２を回転させながら積層体２から引き抜くため、溶融部３４にプローブ１２の回転による摩擦熱が伝わり、溶融部３４の急冷が抑制され、ナゲット３３の靭性の低下が抑制される。

図７又は図８に示すように、プローブ絶縁部４３又はショルダ部材絶縁部６３，６７，７０を含む変形例では、プローブ１２への通電が抑制又は防止されて通電経路が限定される。このため、設備の電気的な安全性を高めることができる。また、図８（Ｃ）及び図８（Ｄ）に示すショルダ部材６４，６８では、貫通孔２０に於けるプローブ１２に摺接する部分に導電性の材料を使用してもよい。このため、この部分に耐摩耗性の高い材料を配置でき、ショルダ部材６４，６８の耐久性が向上する。

上述の第１～第３実施形態及びその変形例に於いて、アンビル１１（図１等参照）を、図１２又は図１４に示すアンビル１１１，１２１に変更してもよい。

図１２及び図１３に示すアンビル１１１は、円柱形状をなし、積層体２の第１面６を支持するアンビル当接面１１２を含む。アンビル当接面１１２は、プローブ１２の軸線の延長線に交差するように配置された円形状の絶縁性の領域１１３と、絶縁性の領域１１３を外囲するように配置された円環形状の導電性の領域１１４とを含む。絶縁性の領域１１３の直径は２ｍｍ以上であることが好ましい。導電性の領域１１４の形状は、環形状であれば円環形状でなくともよく、絶縁性の領域１１３の形状は環形状の導電性の領域の内部に配置された形状であれば円形状でなくともよい。アンビル１１１に於ける、導電性の領域１１４から第１端子３１（図１参照）が接続された箇所に至る部分は導電性を有する。

図１３に示すように、電流は、プローブ１２（Ａ図）又はショルダ部材１３（Ｂ図）からアンビル１１１の導電性の領域１１４に流れる。このため、ナゲット１１５も円環形状に形成される。接合面積が互いに等しいならば、円環形状のナゲット１１５は、円形状のナゲット３３（図２参照）に比べて、外径が大きいため接合強度、特に剥離方向の荷重に対する接合強度が高まる。また、円形状の絶縁性の領域１１３と円環形状の導電性の領域１１４とを含むアンビル１１１は、図１４（Ａ）に示すアンビル１２１に比べて安価に製造することができる。図１３（Ｂ）に示すようにアンビル１１とショルダ部材１３との間に電流を流す態様では、図１３（Ａ）に示すようにアンビル１１とプローブ１２との間に電流を流す態様に比べて、電流の経路が径方向の外側になり、形成されるナゲット１１５の外径が大きくなるため、接合強度が高まる。

図１４（Ａ）に示すアンビル１２１は、積層体２の第１面６（図１３参照）を支持するアンビル当接面１２２を含む。アンビル当接面１２２は、十字形状の絶縁性の領域１２３と、絶縁性の領域１２３によって分割されて互いに孤立した４つの導電性の領域１２４とを含む。絶縁性の領域１２３の十字形状の中心は、プローブ１２の軸線の延長線上にある。絶縁性の領域１２３は、導電性の領域１２４を複数に分割すれば十字形状でなくともよい。例えば、絶縁性の領域１２３は、中心から放射状に延びる複数の帯によって構成されてもよく、縦方向及び横方向に延在する複数の帯によって構成されてもよい。

電流は、プローブ１２又はショルダ部材１３からアンビル１１１の導電性の領域１１４に流れる。十字形状の絶縁性の領域１２３を有するアンビル１２１を用いると、互いに孤立した４つの導電性の領域１２４に向かって電流が分割されて流れる。このため、図１４（Ｂ）に示すように、４つの互いに孤立した島状のナゲット１２５が形成される。ナゲット１２５が島状に分散して形成されるため、接合部に係る応力を分散して受けることができる。また、絶縁性の領域１２３がない場合に比べて、電流密度が上がるため、第１部材３及び中間部材４が溶融しやすくなり、ナゲット１２５が生成されやすい。

以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。第２部材と中間部材との接合は、スポット溶接以外の抵抗溶接でもよい。図４（Ｂ）に示すショルダ部材を適用した変形例に、図３（Ａ）及び／又は（Ｂ）に示す絶縁部を適用してもよい。電流は、アンビルからショルダ部材に向かって流れてもよい。図１０（Ｄ）のショルダ部材１３とアンビル１１との間に電流が流れるタイミングをプローブ１２が第１部材３に到達する時または到達した後としてもよく、これにより、リング状のナゲット３３を安定的に生成でき、接合強度を向上できる。

１，５１，１０１：接合装置
２ ：積層体
３ ：第１部材
４ ：中間部材
５ ：第２部材
６ ：第１面
７ ：第２面
１１，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１１，１２１：アンビル
１２，４１，５２：プローブ
１３，１３ａ，４４，６１，６４，６８：ショルダ部材
１４，５４：駆動機構
１５ ：電源
１６ ：制御装置
１７，１１２，１２２：アンビル当接面
２０ ：貫通孔
２４，２４ａ：ショルダ当接面
２５，２５ａ：凹部
１１３，１２３：絶縁性の領域
１１４，１２４：導電性の領域

Claims (6)

1. それぞれ導電性を有し、かつ、所定の主面に沿って延在する第１部材、中間部材及び第２部材をこの順に重ね合わせたように含む積層体に於いて、各部材を互いに接合するための接合装置であって、
   前記積層体の前記第１部材側の面をなす第１面を支持するべきアンビル当接面を含み、前記アンビル当接面が絶縁性の領域及び導電性の領域を含む、アンビルと、
   前記アンビルに対応する位置で、前記積層体の前記第２部材側の面をなす第２面に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第２部材に対して進退可能であり、少なくとも部分的に導電性を有するプローブと、
   前記プローブを、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構と、
   前記積層体を介して前記アンビルと前記プローブとの間に電流を流すべく、前記アンビル及び前記プローブに電気的に接続された電源と、
   前記駆動機構及び前記電源の作動を制御する制御装置と、
   を備える、前記第１部材と前記中間部材を互いに抵抗溶接し、かつ前記第２部材と前記中間部材を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置。
2. それぞれ導電性を有し、かつ所定の主面に沿って延在する第１部材、中間部材及び第２部材を、この順に重ね合わせたように含む積層体に於いて、各部材を互いに接合するための接合装置であって、
   前記積層体の前記第１部材側の面をなす第１面を支持するべきアンビル当接面を含み、前記アンビル当接面が絶縁性の領域及び導電性の領域を含む、アンビルと、
   前記アンビルに対応する位置で、前記積層体の前記第２部材側の面をなす第２面に対向するべく、前記主面に交差する方向に延在する軸線回りに回転可能に、かつ前記軸線に沿って前記第２部材に向かって進退可能なプローブと、
   前記プローブが挿通された貫通孔と、前記第２面に押圧されるべきショルダ当接面とを含み、少なくとも部分的に導電性を有するショルダ部材と、
   前記プローブを、前記軸線回りに回転させ、前記軸線に沿って進退させる駆動機構と、
   前記積層体を介して前記アンビルと前記ショルダ部材との間に電流を流すべく、前記アンビル及び前記ショルダ部材に電気的に接続された電源と、
   前記駆動機構及び前記電源の作動を制御する制御装置と、
   を備える、前記第１部材と前記中間部材を互いに抵抗溶接し、かつ前記第２部材と前記中間部材を互いに摩擦攪拌接合するための接合装置。
3. 前記ショルダ部材は、前記第２面に対して対向するべき底面を画定するように前記ショルダ当接面に対して凹み、前記プローブの一部を受容する凹部を含む、請求項２に記載の接合装置。
4. 前記アンビル当接面に於いて、前記絶縁性の領域が、前記軸線の延長線に交差するように配置された、請求項１～３の何れか１項に記載の接合装置。
5. 前記導電性の領域が、前記絶縁性の領域を外囲する環状に配置された、請求項４に記載の接合装置。
6. 前記アンビル当接面に於いて、前記導電性の領域が、前記絶縁性の領域によって複数の孤立した領域に分割されている、請求項１～４の何れか１項に記載の接合装置。

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