JP4511526B2 - 摩擦攪拌スポット接合方法および接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸対称形状をした接合ツールを回転させながら被接合物に押し付け、接合ツールと被接合物との間で生ずる摩擦熱と塑性流動を利用して接合を行う接合方法と接合装置に関する。本発明は、重ね合わされた複数の金属部材をスポット接合するのに適する。

被接合物の材質よりも硬い材質の金属棒（以下、接合ツールと呼ぶ）を被接合物の接合しようとする部分に挿入し、接合ツールを回転させながら移動することによって、接合ツールと被接合物との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法（以下、ＦＳＷと呼ぶ）が知られており、例えば特許文献１に記載されている。ＦＳＷは、接合ツールと被接合物との摩擦熱により被接合物を軟化させ、接合ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用して接合する方法であり、被接合物を溶かして溶接する方法、例えばアーク溶接方法などとは異なる原理に基づいている。

ＦＳＷの原理を応用したスポット接合方法も知られており、例えば特許文献２および３に記載されている。

特許第２７１２８３８号公報（ＷＯ９３／１０９３５） 特許第３４００４０９号公報 特許第３４２９４７５号公報

接合ツールのピン部を被接合物に挿入したままで、被接合物の接合線に沿って移動させて連続的に接合する通常のＦＳＷ施工方法は、形状が複雑な被接合物には適用しにくい。なぜならば、被接合物が曲面形状を有していた場合、被接合物の接合線の全域にわたって裏当て部材を密着させるのは容易でない。被接合物中へのピン挿入深さを一定に保たったまま接合ツールを移動させるのも難しい。小さな裏当て部材を用い、接合ツールの移動に合わせて裏当て部材を移動させていく方法も考えられるが、裏当て部材を被接合物に押し付けるための器具も一緒に移動させなければならないので、適用できる範囲が限られる。

ＦＳＷでスポット接合する方法は、金属結合される領域が接合ツールのピン部の近傍だけになり、金属結合される領域が小さく、接合強度が低いという課題がある。

本発明の目的は、複雑な形状の被接合物に対しても適用が容易であり、従来のＦＳＷスポット接合方法よりも金属結合領域を大きくでき、接合強度を高めることができるようにした摩擦攪拌スポット接合方法および接合装置を提供することにある。

本発明の摩擦攪拌スポット接合方法は、接合ツールを被接合物に挿入した状態で接合ツールの回転軸を傾斜させて前記接合ツールの先端部分を移動させるとともに、接合ツールとして、先端に突出するピンを持たない軸対称形状をした接合ツールを用いる。

また、本発明の接合装置は、接合ツールをその回転軸方向に移動させるための接合ツール駆動装置と、接合ツールの回転軸を傾斜させる接合ツール回転軸変換装置とを備え、接合ツール駆動装置が、接合ツールを保持する接合ヘッドを前記接合ツールの回転軸方向へ移動する接合ヘッド上下移動モータと、そのモータの回転力をボールねじに伝えるベルトと、ボールねじの回転にともなって移動する接合ヘッドを案内するガイド支柱とを具備する。

本発明の接合方法は、接合ツールを接合線に沿って連続的に移動することをしないので、接合ツールを連続的に移動する通常のＦＳＷ施工方法に比べて裏当て部材の押し付けが容易であり、曲面形状をした被接合物の接合に適する。また、従来のスポット接合に比べて、金属結合される領域を広くすることができ、接合強度を高めることができる。

本発明の一実施例による接合装置の構造を示した概略図。 接合ヘッドの下降に伴う接合ヘッドの動作を示した模式図。 ピン部を有するタイプの接合ツールの外観を示す概略図。 ピン部がないタイプの接合ツールの外観を示す概略図。 ピン部を有する接合ツールを用いて従来の方法によりスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。 本発明の比較例であり、ピン部のない接合ツールを用いてスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。 ピン部を有する接合ツールを用いて本発明の方法によりスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。 ピン部がない接合ツールを用いて本発明の方法によりスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。 金属結合している領域の面積をタイプＡの値を基準にして指数で整理した結果を示す図。 本発明の他の実施例による接合装置の構造を示した概略図。

符号の説明

１…接合ツール、２…接合ツール回転モータ、３…フレーム、４…被接合物、５…ハンマ、６…ストッパ、７…ばね、８…ガイド支柱、９…接合ヘッド上下移動モータ、１０…被接合物押さえ、１１…ばね、１２…ベルト、１３…接合ヘッドスイング軸、１４…接合ヘッド、１５…接合ヘッドベースプレート、１６…ピン部、１７…金属結合領域、１８…エアシリンダ、１９…ロッド、２０…アーム、２１…被接合物支持具。

本発明の実施形態について、図面を用いて詳しく述べる。なお、以下に示す本発明の接合装置は、ロボットアームに取り付けて使用することができる。

図１は本発明の一実施例による接合装置の構造を示した概略図である。接合装置の大きさは、高さが約１０００ｍｍ、幅が約６００ｍｍ、厚み（紙面に垂直な方向）が約３００ｍｍである。符号の１は接合ツール、２は接合ツール回転モータ３はフレーム、４は被接合物、５はハンマ、６はストッパ、７はばね、８はガイド支柱、９は接合ヘッド上下移動モータ１０は被接合物押さえ、１１はばね、１２はベルト、１３は接合ヘッドスイング軸、１４は接合ヘッド、１５は接合ヘッドベースプレート、２１は被接合物支持具である。

接合ヘッド１４は接合ツール１、接合ツール回転モータ２、被接合物押さえ１０および接合ヘッドベースプレート１５等によって構成されており、ガイド支柱８に沿って図示の上下方向すなわち接合ツール回転軸方向へ移動できるようになっている。接合ヘッド１４の接合ツール回転軸方向への移動は、接合ヘッド上下移動モータ９の回転力がベルト１２を介して図示されていないボールねじに伝達され、ボールねじの回転に伴って接合ヘッド１４がガイド支柱８に沿って上下移動することにより行われる。すなわち、本実施例の接合装置において、接合ツール駆動装置は、接合ヘッド上下移動モータ９と、そのモータの回転力を図示しないボールねじに伝えるベルト１２と、前記ボールねじの回転にともなって移動する接合ヘッドを案内するガイド支柱８とから構成されている。

接合ヘッド１４は接合ヘッドスイング軸１３を支点にして接合ツール回転軸を図１に示す矢印２２の方向へ傾斜できるように構成されている。但し、ばね７が接合ツール回転モータ２と接合ヘッドベースプレート１５を連結しており、外力が作用しない限り接合ヘッド１４は回転運動しないようになっている。

被接合物押さえ１０の下端は接合ツール１の下端よりも被接合物４に近い距離に位置している。このため、被接合物押さえ１０の下端は接合ヘッド１４が下降した際に最初に被接合物４に接触する。被接合物押さえ１０は、ばね１１を介して接合ヘッドベースプレート１５に取り付けられているため、被接合物に被接合物押さえ１０が接触後、更に接合ヘッド１４が下降しても、被接合物押さえ１０はばねの伸縮により被接合物４に弾性接触した状態を保持する。これにより、被接合物押さえ１０は被接合物４を傷付けることなく、所定の力で被接合物４を押さえるように作用する。

図２は接合ヘッドの下降に伴う接合ヘッドの動作を模式的に示した図である。接合ツール１が被接合物４に所定の深さまで押し込まれたときに、ハンマ５の下端がストッパ６に接触する。この状態から更に接合ヘッド１４が下降すると、接合ヘッド１４は接合ヘッドスイング軸１３を支点として回転運動し、接ツールの回転軸が被接合物４に対して垂直の状態から、若干、傾斜した状態になる。その結果、接合ツール１の先端部分は図２の右図に点線で示してある状態から実線で示した状態に移動する。接合ツールの先端部分の移動は、大まかには被接合物押さえ１０の被接合物４への接触、接合ツール１の被接合物４中への押し込み、接合ヘッドスイング軸１３を支点とする接合ツール回転軸の傾斜、接合ツール先端部分のスイングという動作になる。本実施例では、接合ヘッドスイング軸１３と、ハンマ５と、ストッパ６によって接合ツール回転軸変換装置が構成されている。

このように、図１の構造の接合装置によると、接合ヘッド１４の上下方向のみの駆動力で、接合ツール１の被接合物４への押し付けと、接合ツール１の水平方向への移動の両方が行えることになる。なお、本発明の接合方法及び接合装置は、ピン部を有する接合ツールとピン部を有しない接合ツールのいずれを用いて実施しても良い。

図１に示す構造の接合装置を用いて接合実験を行った。表１に実験条件を示す。接合ツールはピン部があるものとないものとの２種類とし、接合ツールを水平方向に移動しない場合と移動した場合の２種類の組み合わせで合計４種類の実験を行った。

表１のタイプＡは従来技術による接合に相当する。タイプＢは比較例であり、タイプＣとＤは本発明の接合技術に相当する。タイプＡとＣでは、図３に示すように、先端にピン部１６を有する接合ツール１を使用した。タイプＡとＣの接合ツールの寸法は、径の大きい部分の直径が８ｍｍ、ピン部１６の直径が３ｍｍである。タイプＢとＤでは、図４に示すようにピン部を有しない接合ツール１を使用した。接合ツールの径は８ｍｍである。なお、タイプＣとＤにおいて、接合ツールの水平方向の移動距離は３ｍｍとなるように設定した。被接合物は厚み１ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６１１１−Ｏ材）とし、２枚重ねられている。接合ツールの回転数は３５００ｒｐｍとし、接合ツールの被接合物への挿入速度は１００ｍｍ／分とした。

図５〜図８に接合後の被接合物の断面を観察したときの模式図を示す。断面観察により被接合物４ａ、４ｂが金属結合していると判定できる金属結合領域１７の大きさを求めた。金属結合領域１７の大きさをタイプＡの値を基準に指数で整理した結果を図９に示す。タイプＡおよびＣのように、ピン部を有する接合ツールを使用した場合には、接合ツールを抜き取った後に穴が残るため、この部分が有効な接合領域とならず、金属結合領域１７は中空円盤状の形状となる。これに対し、タイプＢおよびＤのように、ピン部のない接合ツールを使用した場合には、接合ツールを抜き取った後には穴が残らないため、金属結合領域１７は穴の無い円盤状の形状になる。

タイプＡとＣを比較した場合、接合ツールの先端部分を被接合物４ａ、４ｂに対して水平方向に移動させて図７のようにすることで金属結合領域１７は増加する。このように、金属結合領域１７が増加することにより、接合強度が増加する。ちなみに、図５のタイプＡは接合強度が９０ｋｇｆ、図７のタイプＣは接合強度が１２５ｋｇｆであった。

ピン部がない接合ツールを用いたタイプＢとタイプＤを比較した場合でも、図６と図８を比較することにより明らかなように、接合ツールの先端部分をスイングさせた方が、金属結合領域１７の面積を大きくすることができ、接合強度を高めることができる。

なお、本実施例では、接合ツール回転モータ２に、モータにスピンドルが一体構造物として組み込まれた、ビルトインモータなどと呼ばれているモータを使用して、接合ヘッド１４を小型化しているが、これ以外にインダクションモータ、サーボモータなどを用いてもよい。

図１０は本発明による接合装置の他の実施例を示したものである。本実施例の接合装置は、接合ツール回転軸変換装置がエアシリンダ１８とロッド１９とアーム２０により構成され、接合ヘッドスイング軸１３を支点として回転し、接合ヘッドに取り付けられた接合ツールの先端部分が図１０の矢印２３で示す方向にスイングするように構成されている。これ以外の構成は図１の接合装置と同様である。図１０に示す接合装置において、エアシリンダ１８によってロッド１９を伸縮させると、アーム２０が接合ヘッドスイング軸１３を支点として回転運動をする。このアームの回転運動に連動して、接合ヘッド１４が回転運動し、接合ツールの先端部分が移動する。本実施例の接合装置によれば、ロッド１９の移動方向、移動量により接合ヘッド１４の回転方向と回転角を任意に変更することが可能となる。接合ツールのスイングのタイミング及びスイング量はあらかじめプログラミングしておくことにより自動制御を行うことが可能である。なお、図１の接合装置の場合には、被接合物中へ挿入されている接合ツールが一方向にだけ移動可能であるが、図１０の接合装置の場合には接合ツールが左右の両方向へ移動可能であり、接合ツール先端部分の移動幅を大きくできるという効果がある。

本実施例では、ロッド１９の移動はエアシリンダの圧縮空気を駆動力としたが、ロッド１９の駆動力に油圧を使用してもよい。また、ロッド１９を、サーボモータを駆動力として移動させると、移動量を精密に制御できる。

更に、図示していないが接合ヘッド１４の回転運動の方向を図１０の紙面に垂直な方向とすることで、接合部の寸法や形状に起因する制約に対し、順応性を増加させることが可能になる。

本発明は、金属部材をスポット接合するのに適用することができる。

Claims (2)

1. 軸対称形状をした接合ツールを回転させながら、被接合物の接合しようとする部分に押し込み、摩擦熱で前記接合ツールの近傍の被接合物を加熱、軟化させて被接合物を接合部で一体化させる摩擦攪拌スポット接合装置において、前記接合ツールをその回転軸方向に移動させるための接合ツール駆動装置と、前記接合ツールの回転軸を傾斜させる接合ツール回転軸変換装置とを備え、前記接合ツール回転軸変換装置が、前記接合ツールの回転軸方向の一点を支点とする接合ヘッドスイング軸に一端が連結されたハンマと、前記接合ヘッドが下降してきたときに前記ハンマの他端が衝突するストッパとを具備し、前記ハンマが前記ストッパに衝突した状態から前記接合ヘッドが更に下降したときに前記接合ヘッドスイング軸を支点として前記接合ヘッドに保持された接合ツールの先端部分がスイングするように構成されていることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。
2. 第１項記載の摩擦攪拌スポット接合装置において、
   前記接合ツール駆動装置が、前記接合ツールを保持する接合ヘッドを前記接合ツールの回転軸方向へ移動する接合ヘッド上下移動モータと、そのモータの回転力をボールねじに伝えるベルトと、前記ボールねじの回転にともなって移動する前記接合ヘッドを案内するガイド支柱とを具備することを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

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