JP3709972B2

JP3709972B2 - アルミニウム合金の点接合方法および装置

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Publication number: JP3709972B2
Application number: JP2000075666A
Authority: JP
Inventors: 正樹熊谷; 直田中
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: JP2001259863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金の点溶接方法および装置、特に、各種輸送機材の軽量化に際して、部材にアルミニウム及びその合金を使用する場合、アルミニウム及びその合金部材を接合するためのアルミニウム合金の点接合方法および装置に関する。ここで、アルミニウム合金部材は代表的には板材、形材をいうが、これら以外でもよく、点接合は板材相互の接合、板材と形材の接合等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境の保護、省エネルギーの観点から、各種機材の軽量化、特に自動車など輸送機器の部材の軽量化が要請され、外装材（パネル材）、その他の部材について、従来の鋼材からアルミニウム及びその合金素材への転換が積極的に検討されている。この場合、従来の鋼材との比較において、アルミニウム合金材には種々の特性が要求されるが、このうち、アルミニウム合金材を互いに接合する方式も重要な課題の一つであり、アルミニウム合金材をパネル材として使用する自動車ボディの構造については、板プレス品を抵抗スポット溶接（点溶接）により接合するモノコック構造が主流となっている。
【０００３】
これまで、アルミニウム合金材に対する抵抗スポット溶接においては、鋼材に対するスポット溶接に使用されるクロム銅電極やジルコニウムクロム銅電極によるスポット溶接方式が流用されているが、アルミニウム合金材は、鋼材よりも導電率及び熱伝導度が高いので、スポット溶接の際、大電流での短時間通電が必要であり、このため、アルミニウム合金材の溶接においては、鋼材の溶接よりも電極の損耗が激しく、長期にわたり正常なナゲットを形成することが困難であるという問題がある。
【０００４】
このようなことから、セルフピアシングリベットによるアルミニウム合金材の接合が試みられている。この接合方法は、重ね合わせた複数のアルミニウム合金材に、鋼製のリベットを打ち込む機械的接合の一種であり、抵抗スポット溶接より継ぎ手部分の品質が安定しているという利点があるが、第３部材として高価なリベットを必要とするという難点があり、工具の摩耗状態によっては接合不良が生じ可能性もある。
【０００５】
近年、入熱が少なく、軟化や歪みの程度が少ないアルミニウム合金材の突合わせ接合方法として摩擦攪拌接合が提案されている。（特許第２７１２８３８号）この方式は、硬質な材料で作られた裏当ての上に、アルミニウム合金材等の軟質材を突合わせて拘束し、軟質材より硬質な摩擦接合工具の圧入ピンを突合わせ部に高速回転させながら圧入、移動させて、軟質材同士を摩擦接合するものであり、接合部分が溶融しないのが特徴となっている。
【０００６】
アルミニウム合金材同士の接合に上記の摩擦接合方法を適用した場合、抵抗スポット溶接やリベットによる接合よりも、継ぎ手品質が良く、良好な接合状態を安定して保持できることが期待できるが、これまでこの摩擦接合方式をスポット溶接に適用し得るかどうかについては明らかにされていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、アルミニウム合金材の接合における上記従来の問題点を解消するために、摩擦接合方式を利用したスポット溶接方法について試験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、摩擦接合工具の圧入ピンを圧入し、これを移動させることなく、良好な接合状態を安定して保持することができ、接合部分に圧入ピンの圧入穴が残らないアルミニウム合金の点接合方法および装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の請求項１によるアルミニウム合金の点接合方法は、複数の重ね合わせたアルミニウム合金材を点接合する方法であって、複数の重ね合わせたアルミニウム合金材に対して、該アルミニウム合金材より硬質な摩擦接合工具の圧入ピンを回転させながら圧入して攪拌する工程と、圧入ピンを除去する工程と、該除去する工程の開始後、圧入ピンによる圧入穴に、圧入ピンの圧入に伴って外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を前記摩擦接合工具により押圧して流動させる埋入工程とからなることを特徴とする。
【０００９】
請求項２によるアルミニウム合金の点接合方法は、請求項１において、前記埋入工程は、外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、三重構造の摩擦接合工具における圧入ピンと外部リングとの間に予め封じ込めておき、圧入穴からの圧入ピンの除去工程の開始以後、前記摩擦接合工具の中間リングをアルミニウム合金材面に押圧し、圧入穴にアルミニウム合金溢出部を流動させることを特徴とする。
【００１０】
請求項３によるアルミニウム合金の点接合方法は、請求項１において、前記埋入工程は、外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、前記複数のアルミニウム合金材の表裏面に当てた双方の二重構造の摩擦接合工具における一方の圧入ピン及び押圧リングとの間に予め封じ込めておき、前記圧入穴からの他方の圧入ピンの除去工程の開始以後、一方の圧入ピンをアルミニウム合金材面まで押し戻し、前記圧入穴にアルミニウム合金溢出部を流動させることを特徴とする。
【００１１】
請求項４によるアルミニウム合金の点接合装置は、複数の重ね合わせたアルミニウム合金材を点接合する装置であって、アルミニウム合金材に対して回転しながら圧入するための圧入ピンと、該圧入ピンが回転、摺動可能に嵌合する中間リングと、該中間リングが回転、摺動可能に嵌合する外部リングからなる三重構造の摩擦接合工具をそなえ、該三重構造の摩擦接合工具を前記複数の重ね合わせたアルミニウム合金材の一側に配設してなり、中間リングを上昇させて、圧入ピンの圧入に伴って外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、圧入ピンと外部リングとの間に予め封じ込めておき、圧入ピンによる圧入穴からの圧入ピンの除去工程の開始以後、中間リングをアルミニウム合金材面に押圧し、圧入穴に前記アルミニウム合金溢出部を流動させるようにすることを特徴とする。
【００１２】
請求項５によるアルミニウム合金の点接合装置は、複数の重ね合わせたアルミニウム合金材を点接合する装置であって、アルミニウム合金材に対して回転しながら圧入するための圧入ピンと、該圧入ピンが回転、摺動可能に嵌合する押圧リングからなる二重構造の摩擦接合工具をそなえ、該二重構造の摩擦接合工具を前記複数の重ね合わせたアルミニウム合金材の表裏面に配設してなり、一方の圧入ピンの圧入に伴って外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、前記複数のアルミニウム合金材に対して前記一方の圧入ピンとは反対側に位置する他方の圧入ピン及び押圧リングとの間に予め封じ込めておき、圧入ピンによる圧入穴からの一方の圧入ピンの除去工程の開始以後、他方の圧入ピンをアルミニウム合金材面まで押し戻し、前記圧入穴にアルミニウム合金溢出部を流動させるようにすることを特徴とするアルミニウム合金の点接合装置。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳述する。これらは本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、本発明はこれらの形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１〜５は、本発明によりアルミニウム合金板材を点接合する場合の実施形態を説明する断面図である。本発明のアルミニウム合金の点接合方法は、まず、複数のアルミニウム合金板１を重ね合わせる。図１では、２枚のアルミニウム合金板１ａ、１ｂを重ね合わせている。次に、これら全てのアルミニウム合金板１に対して、圧入可能な長さの圧入ピン２を有する摩擦接合工具３を図２に示すように回転させながら圧入する。この圧入ピン２は、回転円柱体４に一体に取り付けられ、これら圧入ピン２及び回転円柱体４はアルミニウム合金板１の硬度より硬く耐熱性のある材質により構成されている。
【００１５】
圧入ピン２がアルミニウム合金板１に圧入され攪拌されると、圧入穴５が形成された分だけ、外方にアルミニウム合金溢出部６が溢れ出ると共に、攪拌部７が形成される。摩擦接合は、図３に示すように、圧入ピン２の先端部がアルミニウム合金板１ｂまで圧入されるとともに回転円柱体４下端の肩部で攪拌部７を押圧することにより行われるが、そのまま圧入ピン２を圧入穴５から引き抜くと、図４に示すように、摩擦接合部分に圧入穴５が空いたままとなり強度的に問題となり、外観的にも好ましくない場合があるため、本発明においては、圧入穴５を、圧入ピンの圧入に伴って外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部で埋め込む段階を必須とする。圧入穴５の埋め込み段階は、熱及び機械的手段の複合方式で行われる。
【００１６】
好ましい圧入穴の埋め込み段階は、圧入ピン２の除去工程と、該除去工程の開始以後、圧入ピン２の圧入攪拌の際に圧入穴５から外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部６を圧入穴５に流動させる埋入工程とからなる。すなわち、除去工程は図４に示す工程、埋入工程は図５に示す工程であり、圧入穴５周辺にあるアルミニウム合金溢出部６を圧入穴５に戻すものである。
【００１７】
次に、図６〜７により、前記埋入工程の他の実施形態について説明する。図１〜３までの工程は同様にして行われるが、三重構造の摩擦接合工具３ａを使用する点で異なる。この場合、摩擦接合工具３ａは、圧入ピン２ａが中間リング１０の摺動孔１１に回転自在且つ軸方向移動自在に嵌合し、更に中間リング１０が外部リング１２の摺動孔１３に回転自在かつ軸方向移動自在に嵌合してなり、圧入ピン２ａ及び中間リング１０は別々に回転できるようになっている。従って、アルミニウム合金板１に裏当て材１４を当てる一方、外部リング１２をアルミニウム合金板１ａに当接させた状態で、図１〜３までの工程を経るが、図３における工程で圧入穴５の外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部６を、中間リング１０で押圧はせず僅かに上昇させて圧入ピン２ａと外部リング１２との間に封じ込め、圧入穴５から圧入ピン２ａの上昇開始以後、中間リング１０を回転させながらアルミニウム合金板１ａ面に押圧して行き、圧入穴５内にアルミニウム合金溢出部６を埋め込めば、図７に示すような点摩擦接合部が形成される。
【００１８】
図８〜９により、前記埋入工程の更に他の実施形態について説明する。図１〜３までの工程は同様にして行われるが、二重構造の摩擦接合工具２０ａ、２０ｂからなる２台一組の摩擦接合工具２０を使用する点で異なる。この場合、摩擦接合工具２０ａ、２０ｂは、上記摩擦接合工具３ａから外部リング１２を外した構造のものである。すなわち、圧入ピン２１が押圧リング２２の摺動孔２３に回転自在且つ軸方向移動自在に嵌合してなり、圧入ピン２１及び押圧リング２２は別々に回転できるようになっている。従って、アルミニウム合金板１ｂに、裏当て材として摩擦接合工具２０ｂを当て、図１〜３までの工程を経るが、図３の過程で圧入穴５の外方へ溢れ出るアルミニウム合金溢出部６を、圧入ピン２１ｂを僅かに下降させて摩擦接合工具２０ｂの圧入ピン２１ｂ及び押圧リング２２ｂとの間に封じ込め、圧入穴５から摩擦接合工具２０ａの圧入ピン２１ａの上昇開始以後、圧入ピン２１ｂを回転させながらアルミニウム合金板１ｂ面まで押し戻して行き、圧入穴５内にアルミニウム合金溢出部６を埋め込めば、図９に示すような点摩擦接合部が形成される。
【００１９】
以下、本発明の効果を確認するための実施例について説明する。
実施例１
図６に示すように、アルミニウム合金板（材質：５１８２、調質：Ｏ材、厚さ：１ｍｍ）を２枚重ね合わせ、裏側から鋼製裏当てを当てがい、表側から三重構造の複動型摩擦接合工具を回転させながらアルミニウム合金板表面に当接し、圧入ピンを突出させてアルミニウム合金板に差し込み、回転数１０００ｒｐｍで攪拌した。
【００２０】
初期の圧入ピンの差し込み長さは、板表面から１．２ｍｍとし、中間リングを板表面から０．５ｍｍ窪ませ、その状態で１秒間待った後、圧入ピンを抜きながら中間リングを板表面に押し付けて点接合を行った。使用した複動型摩擦接合工具は、圧入ピンの直径が４ｍｍ、中間リングの直径が８ｍｍ、外部リングの直径が２０ｍｍのものである。
【００２１】
得られた点接合部は、表面が０．１ｍｍ以内に窪んでいただけで圧入穴が残る等の外見上の欠陥は無く、径５ｍｍのナゲット（攪拌部）が形成された。この継ぎ手部分の剪断引張試験の結果は、同一径のナゲットを有する抵抗スポット溶接継ぎ手の１２０％以上の強度を維持していた。
【００２２】
実施例２
図８に示すように、アルミニウム合金板（材質：６１１１、調質：Ｔ４、厚さ：０．８ｍｍ）を２枚重ね合わせ、接合部近傍を位置決め治具で挟み固定し、表裏面から、二重構造の複動型摩擦接合工具（圧入ピン直径：４ｍｍ、押圧リング直径：８ｍｍ）をそれぞれ回転させながら２枚重ねの板に当接し、表面側の複動型摩擦接合工具の圧入ピンを１ｍｍ突出させてアルミニウム合金板に差し込み、回転数１５００ｒｐｍで攪拌した。
【００２３】
同時に、裏面側の複動型摩擦接合工具の圧入ピンを初期に１ｍｍ窪ませ、表面側の複動型摩擦接合工具の圧入ピンを板表面から０．１ｍｍの深さになるまで引き抜き、裏面側の複動型摩擦接合工具の圧入ピンを板表面から０．１ｍｍの深さになるまで押し込み、点接合した。
【００２４】
得られた点接合部は、外見上の欠陥が無く、且つ接合部に圧入穴を残すことなく、径４．６ｍｍのナゲットが形成された。この継ぎ手部分の剪断引張試験の結果は、同一径のナゲットを有する抵抗スポット溶接継ぎ手の１５０％以上の強度を維持していた。
【００２５】
【発明の効果】
以上のとおり、請求項１の発明によれば、接合過程で生じた圧入穴をアルミニウム合金溢出部で埋め込むため、接合界面が連続した接合状態が得られ、継ぎ手品質が良く疲労強度に優れた点接合部を得ることが出来る。また、同じく接合過程で圧入穴から溢れ出たアルミニウム合金溢出部を摩擦接合工具で押圧して圧入穴に流動させて埋め込むため、上記効果に加えて、接合過程で生じる圧入穴周辺の膨らみを防止出来、良好な表面状態の点接合部が得られる。
【００２６】
請求項２、４の発明によれば、接合過程で圧入穴から溢れ出るアルミニウム合金溢出部の流動エリアを予め規制しておき、接合過程で生じた圧入穴から圧入ピンを引き抜くと共に圧入穴にアルミニウム合金溢出部を流動させて埋め込むから、上記効果に加えて、接合と圧入穴の埋入とを連続して行うことが出来るため高効率であり、また、アルミニウム合金溢出部の流動エリアを規制してあるから、良好な表面状態の点接合部が得られ、更に裏当て治具の構造も単純化することが出来る。
【００２７】
請求項３、５の発明によれば、接合過程で圧入穴から溢れ出ようとするアルミニウム合金溢出部の流動エリアを、圧入穴の反対面となるなるように予め規制しておき、接合過程で生じた圧入穴から圧入ピンを引き抜くと共に、反対面の圧入ピンを押圧して圧入穴に反対面にあるアルミニウム合金流出物を流動させて埋め込むから、上記効果に加えて、接合と圧入穴の埋入とを連続して行うことが出来るため高効率であり、また、表裏面にわたる接合部が形成され、安定したナゲット径が得られて、接合強度が高く且つ良好な表裏面状態の点接合部が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の点接合方法の実施形態を説明するための断面図（第１工程）である。
【図２】本発明の点接合方法の実施形態を説明するための断面図（第２工程）である。
【図３】本発明の点接合方法の実施形態を説明するための断面図（第３工程）である。
【図４】本発明の点接合方法の実施形態を説明するための断面図（第４工程）である。
【図５】本発明の点接合方法の実施形態を説明するための断面図（第５工程）である。
【図６】本発明の点接合方法の他の実施形態を説明するための断面図である。
【図７】図６に示す点接合方法による接合後の状態を示す断面図である。
【図８】本発明の点接合方法のさらに他の実施形態を説明するための断面図である。
【図９】図８に示す点接合方法による接合後の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂアルミニウム合金板
２、２ａ、２１、２１ａ、２１ｂ圧入ピン
３、３ａ、２０、２０ａ、２０ｂ摩擦接合工具
４回転円柱体
５圧入穴
６アルミニウム合金溢出部
７攪拌部
１０中間リング
１１、１３、２３摺動孔
１２外部リング
１４裏当て材
２２、２２ａ、２２ｂ押圧リング

Claims

複数の重ね合わせたアルミニウム合金材を点接合する方法であって、複数の重ね合わせたアルミニウム合金材に対して、該アルミニウム合金材より硬質な摩擦接合工具の圧入ピンを回転させながら圧入して攪拌する工程と、圧入ピンを除去する工程と、該除去する工程の開始後、圧入ピンによる圧入穴に、圧入ピンの圧入に伴って外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を前記摩擦接合工具により押圧して流動させる埋入工程とからなることを特徴とするアルミニウム合金の点接合方法。
前記埋入工程は、外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、三重構造の摩擦接合工具における圧入ピンと外部リングとの間に予め封じ込めておき、圧入穴からの圧入ピンの除去工程の開始以後、前記摩擦接合工具の中間リングをアルミニウム合金材面に押圧し、圧入穴にアルミニウム合金溢出部を流動させることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金の点接合方法。
前記埋入工程は、外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、前記複数のアルミニウム合金材の表裏面に当てた双方の二重構造の摩擦接合工具における一方の圧入ピン及び押圧リングとの間に予め封じ込めておき、前記圧入穴からの他方の圧入ピンの除去工程の開始以後、一方の圧入ピンをアルミニウム合金材面まで押し戻し、前記圧入穴にアルミニウム合金溢出部を流動させることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金の点接合方法。
複数の重ね合わせたアルミニウム合金材を点接合する装置であって、アルミニウム合金材に対して回転しながら圧入するための圧入ピンと、該圧入ピンが回転、摺動可能に嵌合する中間リングと、該中間リングが回転、摺動可能に嵌合する外部リングからなる三重構造の摩擦接合工具をそなえ、該三重構造の摩擦接合工具を前記複数の重ね合わせたアルミニウム合金材の一側に配設してなり、中間リングを上昇させて、圧入ピンの圧入に伴って外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、圧入ピンと外部リングとの間に予め封じ込めておき、圧入ピンによる圧入穴からの圧入ピンの除去工程の開始以後、中間リングをアルミニウム合金材面に押圧し、圧入穴に前記アルミニウム合金溢出部を流動させるようにすることを特徴とするアルミニウム合金の点接合装置。
複数の重ね合わせたアルミニウム合金材を点接合する装置であって、アルミニウム合金材に対して回転しながら圧入するための圧入ピンと、該圧入ピンが回転、摺動可能に嵌合する押圧リングからなる二重構造の摩擦接合工具をそなえ、該二重構造の摩擦接合工具を前記複数の重ね合わせたアルミニウム合金材の表裏面に配設してなり、一方の圧入ピンの圧入に伴って外方へ溢れ出たアルミニウム合金溢出部を、前記複数のアルミニウム合金材に対して前記一方の圧入ピンとは反対側に位置する他方の圧入ピン及び押圧リングとの間に予め封じ込めておき、圧入ピンによる圧入穴からの一方の圧入ピンの除去工程の開始以後、他方の圧入ピンをアルミニウム合金材面まで押し戻し、前記圧入穴にアルミニウム合金溢出部を流動させるようにすることを特徴とするアルミニウム合金の点接合装置。