JP5206465B2 - 金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、端面同士が互いに突き合わされた一対の金属部材を互いに接合するために用いられる金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置に関するものである。

従来から金属部材の接合方法については、接合部に外部から摩擦熱を与え、それにより接合部付近の金属を塑性流動させて部材同士を接合する、いわゆる摩擦接合が知られている。
この摩擦接合は、溶接と異なり金属の溶融を伴わないため、加熱による周囲への熱影響や接合部の欠陥といった問題がない優れた接合部を得ることができる。このため、特に接合端面に複雑な加工（例えば、合決り（あいじゃくり）等）を施すことなく、接合後の材料厚や表面形状を均一及び平滑に保つことができる、いわゆる「突合せ接合」に適している。

この摩擦接合には、摩擦熱を与えて金属部材を塑性流動させるための接合ツールが不可欠であり、特許文献１及び特許文献２にそれぞれ記載されているように、様々な形状のものが提案されている。

特開２００６−３４１２７９号公報 特開２００３−２３０９６８号公報

上記の突合せ接合においては、金属部材の塑性流動が接合部を乗越えて行われる、いわゆる「練混ぜ」現象の発生が要求される。
例えば、特許文献１の図２及び図３に記載されている円板状の接合ツールを回転させつつ金属部材の表面に押し込み、この接合ツールの周面を金属部材の突合せ部に沿って移動させるという技術を流用して突合せ接合を行うと、金属が塑性流動する方向と突合せ部が延在する方向とが略一致したものになり、突合せ部と交差する方向には金属の塑性流動が生じ難い。このため、一対の金属部材間に素材同士の十分な行き来（練混ぜ）が発生せず、十分な接合強度が安定的に得られないという問題がある。

また特許文献１の図１に記載されている円筒状の接合ツールを回転させつつ金属部材の表面に押し込み、この接合ツールの端面を金属部材の突合せ部に沿って移動させるという技術を流用して突合せ接合を行うと、確かに素材同士の十分な行き来（練混ぜ）が発生するものの、摩擦熱を与えるのに必要なツール周速を得るためには、ツール端面の直径を大きくとる必要がある。このため、接合部の表面積が大きくなると共に、大きなバリが発生するといった外観上の問題だけではなく、接合速度の低下といった問題も生じてしまう。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであって、バリの少ない優れた外観を有する接合部と高い接合速度を得ることができ、かつ優れた接合強度を実現できる金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係る金属部材の接合方法は、端面同士が突き合わされた一対の金属部材を接合するために用いられる金属部材の接合方法であって、外周面に円軌跡に沿って延在するツール面が形成された円板状の接合ツールを、前記ツール面の曲率中心点を通過する回転軸心を中心として回転させつつ、一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域に圧接させて、前記ツール面を前記圧接領域に押し込む加圧工程と、前記接合ツールを前記突合せ部に沿って相対移動させる移動工程と、前記ツール面を前記回転軸心と平行又は略平行な振幅方向に沿って振動させる加振工程と、を併行して行い、前記加圧工程及び前記加振工程では、前記回転軸心に対して前記ツール面の曲率中心線が所定の傾斜角θだけ傾くように前記接合ツールを支持しつつ、前記接合ツールを回転させることを特徴とする。

上記請求項１に係る金属部材の接合方法では、外周面に円軌跡に沿って延在するツール面が形成された円板状の接合ツールを、ツール面の曲率中心点を通過する回転軸心を中心として回転させつつ、一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域に圧接させて、ツール面を圧接領域に押し込む加圧工程と、接合ツールを突合せ部に沿って相対移動させる移動工程と、ツール面を回転軸心と平行又は略平行な振幅方向に沿って振動させる加振工程と、を併行して行う。

これにより、接合ツールのツール面と一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域との間に摩擦熱が発生して突合せ部付近が高温に加熱されると共に、回転及び振動するツール面からの摩擦力により突合せ部付近には高温状態となった金属材料の塑性流動が発生する。
このとき、ツール面が、その速度成分として回転方向の成分及び回転軸心と平行又は略平行な振幅方向に沿った成分をそれぞれ有することから、金属材料の塑性流動をツール面の接線方向に沿って発生させることができると共に、突合せ部と交差する振幅方向にも金属材料の塑性流動を効率的に生じさせることができるので、一対の金属部材における端面（被接合端面）間で金属材料同士の十分な行き来（練混ぜ）を発生させることができる。

この結果、請求項１に係る金属部材の接合方法によれば、一対の金属部材における端面同士を突合せつつ、この突合せ部を接合部として一対の金属部材を十分に高い強度で安定的に接合できる。
また請求項１に係る金属部材の接合方法では、一対の金属部材を接合する際に、金属部材の溶融が生じないため、高温加熱による接合部周囲への熱影響や金属の再凝固に伴う接合部の欠陥発生の問題が発生せず、かつ接合ツールの金属部材への押し込み量を適正に制御することにより、金属部材の接合部周辺に生じるバリを少ないものにできる。

また本発明の請求項２に係る金属部材の接合方法は、請求項１記載の金属部材の接合方法において、前記傾斜角θは、０．２５°以上、０．７５°以下に設定されることを特徴とする。

また本発明の請求項３に係る金属部材の接合装置は、端面同士が突き合わされた一対の金属部材を互いに接合するために用いられる金属部材の接合装置であって、外周面に円軌跡に沿って延在するツール面が形成された円板状の接合ツールと、前記接合ツールに連結され、前記ツール面の曲率中心点を通過する回転軸心を中心として前記接合ツールを回転させる支持回転部と、前記接合ツールの回転時に、前記ツール面を一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域に圧接させて、前記ツール面を前記圧接領域に押し込みつつ、前記接合ツールを前記突合せ部に沿って相対移動させる加圧移動部と、前記突合せ部に沿って相対移動する前記接合ツールの接合面を、前記回転軸心と平行又は略平行な振幅方向に沿って振動させる振動発生部と、有し、前記振動発生部を前記支持回転部により構成し、該支持回転部は、前記回転軸心に対して前記ツール面の曲率中心線が所定の傾斜角θだけ傾くように前記接合ツールを支持しつつ、該接合ツールを回転させることを特徴とする。

上記請求項３に係る金属部材の接合装置では、接合ツールが回転軸心を中心として回転している時に、加圧移動部が、ツール面を一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域に圧接させて、ツール面を圧接領域に押し込みつつ、接合ツールを前記突合せ部に沿って相対移動させると共に、振動発生部が突合せ部に沿って相対移動する接合ツールの接合面を振幅方向に沿って振動させる。

これにより、接合ツールのツール面と一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域との間に摩擦熱が発生して突合せ部付近が高温に加熱されると共に、回転及び振動するツール面からの摩擦力により突合せ部付近には高温状態となった金属材料の塑性流動が発生する。
このとき、ツール面が、その速度成分として回転方向の速度成分及び回転軸心と平行又は略平行な振幅方向に沿った振動成分をそれぞれ有することから、金属材料の塑性流動をツール面の接線方向に沿って発生させることができると共に、突合せ部と交差する振幅方向にも金属材料の塑性流動を効率的に生じさせることができるので、一対の金属部材間で金属材料同士の十分な行き来（練混ぜ）を発生させることができる。

この結果、請求項３に係る金属部材の接合装置によれば、一対の金属部材における端面同士を突合せつつ、この突合せ部を接合部として一対の金属部材を十分に高い強度で安定的に接合できる。
また請求項３に係る金属部材の接合装置では、接合ツールにより一対の金属部材を接合する際に、金属部材の溶融が生じないため、高温加熱による接合部周囲への熱影響や金属の再凝固に伴う接合部の欠陥発生の問題が発生せず、かつ接合ツールの金属部材への押し込み量を適正に制御することにより、金属部材の接合部周辺に生じるバリを少ないものにできる。

また本発明の請求項４に係る金属部材の接合装置は、請求項３記載の金属部材の接合装置において、前記傾斜角θは、０．２５°以上、０．７５°以下に設定されることを特徴とする。

以上説明したように、本発明に係る金属部材の接合方法及び金属部材の接合装置によれば、バリの少ない優れた外観を有する接合部と高い接合速度を得ることができ、かつ優れた接合強度を実現できる。

本発明の第１実施形態に係る金属部材の接合装置における接合ツールの構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る金属部材の接合装置における接合ツールの構成を示す正面図である。 本発明の第１実施形態に係る金属部材の接合装置の構成を模式的に示す一部をブロック図として正面図である。 本発明の第２実施形態に係る金属部材の接合装置における接合ツール及び振動発生機構の構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る金属部材の接合装置における接合ツールの変形例の構成を示す正面図である。 （Ａ）は本発明に係る金属部材の接合方法により接合された一対の金属部材における突合せ部のミクロ組織を示す写真、（Ｂ）は比較例に係る金属部材の接合方法により接合された一対の金属部材における突合せ部のミクロ組織を示す写真である。

以下、本発明の実施形態に係る金属部材の接合装置及び、この金属部材の接合装置で行われる金属部材の接合方法について図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
（接合装置の構成）
図１及び図２には、本発明の第１実施形態に係る金属部材の接合装置における接合ツールが示され、図３には、本実施形態に係る金属部材の接合装置が示されている。この金属部材の接合装置（以下、単に「接合装置」という。）１０は、一対の金属部材１２、１４を接合（摩擦接合）するためのものである。ここで、金属部材１２、１４は、それぞれアルミニウム又はアルミ合金を素材として矩形（本実施形態では長方形）の薄板状に形成されている。

接合装置１０には、図３に示すように、その下端側にベースフレーム１６が設けられると共に、このベースフレーム１６上に肉厚プレート状に形成された定盤１８が配置されている。定盤１８の上面は平面状の載置面１９とされており、この載置面１９上には一対の金属部材１２、１４が載置される。このとき、一対の金属部材１２、１４は、その長手方向に沿った被接合端面５０、５２同士が突き合わされ、密着するように配置される。ここで、定盤１８は、銅、鉄、アルミニウム又は、それらに合金成分を適宜添加した合金により形成されている。

接合装置１０には、定盤１８の上方に接合ツール２０が配置されている。図１に示すように、接合ツール２０は厚さが一定の円板状に形成されており、金属部材１２、１４よりも硬質且つ高融点の炭素鋼、工具鋼等の金属材料により形成されている。接合ツール２０には、その外周面に円軌跡に沿って延在する環状のツール面２２が形成されている。ここで、接合ツール２０には、図２に示すように、ツール面２２について直線状の曲率中心線Ｃ_Cを考えることができる。この曲率中心線Ｃ_Cからツール面２２における任意の点までの曲率半径は一定になっている。

接合ツール２０には、その中心部に回転軸２４が連結されている。本実施形態では、接合ツール２０及び回転軸２４が一体的に形成されており、これらの接合ツール２０及び回転軸２４は、例えば、金属材料を研削加工することにより製造されている。回転軸２４は、後述するメインモータ４２に同軸的に連結され、このメインモータ４２からのトルクにより接合ツール２０と一体となって回転する。従って、回転軸２４の軸心は、回転軸２４及び接合ツール２０が回転する際の回転軸心Ｃ_Rとなる。回転軸２４は、その回転軸心Ｃ_Rが接合ツール２０における曲率中心線Ｃ_Cに対して傾斜角θだけ傾くように、接合ツール２０に連結されている。

ここで、回転軸心Ｃ_Rは、接合ツール２０における厚さ方向の中心位置である曲率中心点Ｐ_Cで曲率中心線Ｃ_Cと交差している。これにより、回転軸２４及び接合ツール２０が回転軸心Ｃ_Rを中心として回転すると、ツール面２２には、図２の実線及び２点鎖線で示すように、曲率中心点Ｐ_Cを中心とする揺動方向に沿った往復運動（振動）が発生する。この振動の振幅は傾斜角θ及びツール面２２の曲率半径に対応するものになり、また振動の周期は接合ツール２０の回転周期と一致する。

なお、図２では、接合ツール２０の振動状態を明瞭に示すために、図上の傾斜角θが実装置における傾斜角θに対して拡大されて示されている。本実施形態に係る接合装置１０（実装置）では、前記傾斜角θが０．２５°以上、０．７５°以下の範囲で適宜設定される。そして、傾斜角θが０．２５°〜０．７５°程度の微小値であることから、ツール面２２の振幅方向ＡＤは、近似的には回転軸心Ｃ_Rと平行な軸線方向と一致するものと見做すことができる。

図３に示すように、接合装置１０には、ベースフレーム１６上にリニアアクチュエータ２６が配置されると共に、リニアアクチュエータ２６上にシリンダ装置２８が配置されている。リニアアクチュエータ２６は、ガイドベース５６及び、このガイドベース５６上に配置されるスライダ３０を備えている。ガイドベース５６は、図３の紙面奥行方向（この方向を「Ｘ軸方向」とする。図１参照）に沿って細長いブロック状に形成されており、その頂面中央部には、Ｘ軸方向に沿って延在する溝部５７が形成されている。またガイドベース５６の上端面には、一対の直動軸受５８を介してプレート状のスライダ３０がＸ軸方向に沿ってスライド可能に配置されている。

ガイドベース５６にはサーボモータ３２が配置されており、このサーボモータ３２の出力軸（図示省略）には、ボールスクリュー３４が同軸的に連結されている。一方、スライダ３０の下面側にはボールナット３６が固定されており、このボールナット３６の内周側には、ボールスクリュー３４が回動可能に捩じ込まれている。これにより、サーボモータ３２からのトルクによりボールスクリュー３４が回転すると、ボールナット３６及びスライダ３０が、Ｘ軸方向に沿ってボールスクリュー３４の回転方向に対応する側（＋側又は-側）へ、回転量に比例する距離だけ移動する。

スライダ３０上には、図３に示すように、シリンダ装置２８が固定されている。シリンダ装置２８は、サーボモータ（図示省略）からのトルクにより駆動する電動型のものとして構成されており、本体部３８及びプランジャ４０を備えている。プランジャ４０は、本体部３８により装置の高さ方向（この方向を「Ｚ軸方向」とする。）に沿って伸縮可能に支持されている。シリンダ装置２８では、サーボモータの回転運動をプランジャ４０の直線運動に変換することにより、プランジャ４０をＺ軸方向に沿って伸縮させる。なお、本実施形態では、Ｘ軸方向及びＺ軸方向と直交する装置の幅方向をＹ軸方向（図３参照）として以下の説明を行う。

接合装置１０は、接合ツール２０にトルク伝達可能に連結されるメインモータ４２を備えている。メインモータ４２の出力軸４３は、カップリング４４、４６を介して接合ツール２０の回転軸２４と同軸的に連結されている。またメインモータ４２には、プランジャ４０を介してシリンダ装置２８が連結されている。これにより、メインモータ４２及び接合ツール２０は、シリンダ装置２８によりＺ軸方向に沿って移動（昇降）可能に支持される。

従って、接合装置１０では、リニアアクチュエータ２６により接合ツール２０がＸ軸方向へ移動可能に支持されると共に、シリンダ装置２８により接合ツールがＺ軸方向へ移動可能に支持される。ここで、リニアアクチュエータ２６及びシリンダ装置２８は、本発明に係る加圧移動部を構成している。またリニアアクチュエータ２６及びシリンダ装置２８により支持されたメインモータ４２は、本発明に係る支持回転部を構成している。

なお、図３は、接合装置１０の概略構成を模式的に示したものにすぎず、実際の接合装置１０では、接合作業時に金属部材１２、１４からの反力により接合ツール２０及び回転軸２４が変位しないように、高剛性を有する支持機構やガイド機構により接合ツール２０及び回転軸２４がそれぞれ支持される。また本実施形態では、接合ツール２０をリニアアクチュエータ２６及びシリンダ装置２８によりＸ軸方向及びＺ軸方向へ移動可能としたが、接合ツール２０を固定した状態としつつ、定盤１８に２次元のリニアアクチュエータを連結し、このリニアアクチュエータにより定盤１８をＸ軸方向及びＺ軸方向へ移動させるようにしても良い。

図３に示すように、接合装置１０は、メインモータ４２、リニアアクチュエータ２６及びシリンダ装置２８をそれぞれ制御する制御部４８を備えており、この制御部４８は、リニアアクチュエータ２６、シリンダ装置２８及びメインモータ４２をそれぞれ制御する。
（金属部材の接合方法）
次に、上記のように構成された接合装置１０を用いて一対の金属部材１２、１４を接合する方法（金属部材の接合方法）について説明する。接合装置１０を用いて一対の金属部材１２、１４を接合する際には、作業者は、図３に示すように、一対の金属部材１２、１４を定盤１８の載置面１９上に載置し、この載置面１９上で一対の金属部材１２、１４における被接合端面５０、５２同士を突合わせる。このとき、接合ツール２０は、シリンダ装置２８により載置面１９から上方へ離間した待機位置に保持されている。

作業者は、一対の被接合端面５０、５２の突合せ部５４がＸ軸方向と平行に延在し、かつ突合せ部５４が接合ツール２０の真下に位置するようにＸ軸方向に対する傾き及び、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿った位置をそれぞれ調整する。このとき、金属部材１２、１４は、その突合せ部５４がＹ軸方向に沿って接合ツール２０の曲率中心点Ｐ_C（図２参照）と実質的に一致するように位置調整される。傾き及び位置調整の完了後、一対の金属部材１２、１４は、定盤１８に設けられた拘束機構（図示省略）によりＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った移動が拘束される。

作業者は、金属部材１２、１４を載置面１９上に拘束した後、接合装置１０の操作部（図示省略）を操作することにより、リニアアクチュエータ２６により接合ツール２０をＸ軸方向に沿って所定の接合準備位置へ移動させる。この接合準備位置にある接合ツール２０は、ツール面２２の下端部をＸ軸方向に沿って突合せ部５４の外側に位置させる。
制御部４８には、金属部材１２、１４の厚さＴ（図２参照）、金属部材１２、１４に対する接合ツール２０（ツール面２２）の押込み量Ｄ（図２参照）、接合ツール２０の回転速度Ｎ、接合ツール２０のＸ軸方向に沿った移動速度Ｖ、金属部材１２、１４の長さを含む接合条件が予め設定されており、制御部４８は、前記接合条件に従って接合装置１０の動作を制御する。なお、接合ツール２０の押込み量Ｄについては、図２に示すように、接合ツール２０の位相によって変化することから、押込み量の最大値と最小値との平均値が接合条件である押込み量Ｄとして設定される。

接合ツール２０の位置調整完了後、作業者は操作部を介して制御部４８に接合開始指令を入力する。この接合開始指令を受けた制御部４８は、メインモータ４２を回転開始させると共に、予め設定されている回転速度Ｎに制御する。これにより、接合ツール２０のツール面２２は、回転軸心Ｃ_Rと略平行な振幅方向ＡＤに沿って振動し、その振動周期は接合ツール２０の回転周期と一致するものとなる。

その後、制御部４８は、シリンダ装置２８により接合ツール２０をＺ軸方向に沿って押込み量Ｄに対応する位置へ移動させる。このとき、制御部４８は、ツール面２２の下端が載置面１９に対して距離（Ｔ−Ｄ）だけ上方に位置するように、接合ツール２０をＺ軸方向に沿って移動させる。
制御部４８は、接合ツール２０をＺ軸方向に沿って所定の位置へ移動させた後、接合ツール２０をリニアアクチュエータ２６によりＸ軸方向に沿って金属部材１２、１４（突合せ部５４）の外側から金属部材１２、１４上へ移動開始させる。このとき、制御部４８は、接合ツール２０が移動速度Ｖで移動するようにリニアアクチュエータ２６を制御する。

接合装置１０では、ツール面２２が載置面１９に対して距離（Ｔ−Ｄ）だけ上方に位置していることから、リニアアクチュエータ２６によりＸ軸方向へ移動するツール面２２が金属部材１２、１４に接した際に、ツール面２２が金属部材１２、１４の上面よりも所定の深さＤ（平均値）だけ下方に位置する。これにより、ツール面２２は、金属部材１２、１４上面における突合せ部５４を中心とする領域（圧接領域）に圧接し、この圧接領域に押込み量Ｄだけ押込まれた状態（食込んだ状態）となり、この状態のままＸ軸方向の＋側へ直線移動する。

このとき、接合ツール２０は、図１に示すように、ツール面２２の線速度の方向がＸ軸方向の-側と一致するような回転方向（順方向）へ回転する。またツール面２２の線速度は、リニアアクチュエータ２６による接合ツール２０の移動速度に対して十分に大きなものになっており、これにより、ツール面２２は、近似的には、圧接領域に対してツール面２２の線速度と等速度で空転しつつ、Ｘ軸方向に沿って移動していると見做すことができる。なお、接合ツール２０の回転方向は、本実施形態の方向（順方向）とは反対の方向（対向方向）としても良い。

制御部４８は、接合ツール２０のツール面２２がＸ軸方向に沿って金属部材１２、１４（突合せ部５４）を横断し、金属部材１２、１４から離間すると、メインモータ４２を回転停止させると共に、シリンダ装置２８により接合ツール２０を上方へ移動させ、定盤１８上方で停止させる。これにより、金属部材１２、１４の接合作業が完了する。
本実施形態に係る接合装置１０では、上記のように順方向へ回転する接合ツール２０のツール面２２を所定の押込み量Ｄだけ圧接領域に押込んだ状態としつつ、この接合ツール２０をＸ軸方向に沿って直線移動させる。これにより、ツール面２２と金属部材１２、１４における圧接領域との間に摩擦熱が発生して、圧接領域の中央に位置する突合せ部５４付近が高温に加熱されると共に、回転及び振動するツール面２２からの摩擦力により突合せ部５４付近には高温状態となった金属材料（本実施形態では、アルミニウム又はアルミ合金）の塑性流動が発生する。

このとき、ツール面２２が、その速度成分として回転方向及び回転軸心Ｃ_Rと略平行な振幅方向ＡＤにそれぞれ沿った成分を有することから、金属材料の塑性流動をツール面２２の接線方向（Ｘ軸方向）に沿って発生させることができると共に、突合せ部５４と交差する振幅方向ＡＤにも金属材料の塑性流動を効率的に生じさせることができるので、一対の金属部材１２、１４における被接合端面５０、５２間で金属材料同士の十分な行き来（練混ぜ）を発生させることができる。

この結果、本実施形態に係る接合装置１０によれば、一対の金属部材１２、１４における被接合端面５０、５２同士を突合せつつ、この突合せ部５４を接合部として一対の金属部材１２、１４を十分に高い強度で安定的に接合できる。
なお、一対の金属部材１２、１４を接合するとは、一方の金属部材１２に他方の金属部材１４を接合することを意味しており、金属部材１２の個数又は金属部材１４の個数については複数個であっても良い。すなわち、１個の金属部材１２に複数の金属部材１４を接合し、あるいは１個の金属部材１４に複数の金属部材１２を接合することも可能であり、また接合済みの一対の金属部材１２、１４に更に他の金属部材を接合することも可能であることは言うまでもない。

〔第２実施形態〕
図４には、本発明の第２実施形態に係る金属部材の接合装置における接合ツール及び振動発生機構が示されている。この接合装置６０が第１実施形態に係る接合装置１０と異なる点は、回転軸２４の回転軸心Ｃ_Rが接合ツール２０における曲率中心線Ｃ_Cと一致している点、複数の軸受６２によりメインモータ４２及び接合ツール２０が軸線方向に沿ってスライド可能に支持されている点及び、メインモータ４２及び接合ツール２０に振動を発生させる振動発生機構６４を備えている点である。

すなわち、接合装置６０では、回転軸２４の回転軸心Ｃ_Rが接合ツール２０における曲率中心線Ｃ_Cと一致していることから、回転軸心Ｃ_Rを中心として接合ツール２０が回転しても、ツール面２２には振幅方向ＡＤに沿った振動が発生しない。このため、接合装置６０には、金属部材１２、１４の接合時に、軸線方向に沿ってスライド可能に支持されたメインモータ４２及び接合ツール２０に振動を発生させる振動発生機構６４が設けられている。

軸受６２は、それぞれメインモータ４２の出力軸４３及び接合ツール２０の回転軸２４をそれぞれ軸線方向に沿ってスライド可能に支持すると共に、回転可能に支持している。すなわち、軸受６２は、メインモータ４２及び接合ツール２０を軸線方向へ移動可能に支持するフローティング構造を構成している。
振動発生機構６４は、メインモータ４２とベースフレーム１６側との間に介装された圧縮スプリング等の付勢部材６６を備えている。これにより、メインモータ４２及び接合ツール２０は、軸線方向に沿って弾性的に支持されつつ、後述する振動発生機構６４のバイブレータ６８側へ付勢される。また振動発生機構６４は、回転軸２４の先端部とベースフレーム１６側との間に介装されたバイブレータ６８を備えており、このバイブレータ６８は、金属部材１２、１４の接合時に、回転軸２４を介してメインモータ４２及び接合ツール２０に軸線方向に沿った往復荷重（振動）を伝達する。ここで、バイブレータ６８としては、例えば、公知の回転式バイブレータやピストン式バイブレータを用いることができ、好ましくは振動の振幅及び周期が調整可能なバイブレータが用いられる。

接合装置６０では、第１実施形態に係る接合装置１０と同様に、金属部材１２、１４の接合時に、バイブレータ６８により回転軸２４に振動を伝達し、メインモータ４２及び接合ツール２０を軸線方向に沿って振動させることにより、接合ツール２０のツール面２２を軸線方向と平行な振幅方向ＡＤに沿って振動させることができる。
従って、第２の実施形態に係る接合装置６０でも、金属部材１２、１４の接合時に、回転する接合ツール２０のツール面２２を所定の押込み量Ｄだけ圧接領域に押込んだ状態としつつ、この接合ツール２０をＸ軸方向に沿って直線移動させると共に、バイブレータ６８によりツール面２２を振動させる。これにより、ツール面２２と金属部材１２、１４における圧接領域との間に摩擦熱が発生して、圧接領域の中央に位置する突合せ部５４付近が高温に加熱されると共に、回転及び振動するツール面２２からの摩擦力により突合せ部５４付近には高温状態となった金属材料（アルミニウム又はアルミ合金）の塑性流動が発生する。

このとき、ツール面２２が、その速度成分として回転方向及び軸線方向と平行な振幅方向ＡＤに沿った成分を有することから、金属材料の塑性流動をツール面２２の接線方向（Ｘ軸方向）に沿って発生させることができると共に、突合せ部５４と交差する振幅方向ＡＤにも金属材料の塑性流動を効率的に生じさせることができるので、一対の金属部材１２、１４における被接合端面５０、５２間で金属材料同士の十分な行き来（練混ぜ）を発生させて、一対の金属部材１２、１４を十分に高い強度で安定的に接合できる。

また本実施形態に係る接合装置６０では、バイブレータ６８により接合ツール２０（ツール面２２）を振動させていることから、第１実施形態に係る接合装置１０のように、ツール面２２の曲率中心線Ｃ_Cを回転軸２４の回転軸心Ｃ_Rを傾けてツール面２２に振動を発生させる場合と比較し、金属部材１２の材質や形状（主として厚さ）等に応じて振動の振幅及び周波数を変更する必要がある場合に、ツール面２２の振動の振幅及び周波数をそれぞれ調整することが容易になる。

なお、第１及び第２実施形態に係る接合装置１０、７０では、接合ツール２０における側端面とツール面２２とが約９０°で交差し、これらの境界部７０（図１参照）が先鋭なエッジ状に形成されていたが、金属部材１２表面が硬質である場合や表面に凹凸がある場合には、ツール面２２と共に振動する境界部７０が金属部材１２の表面に引っ掛かり、金属部材１２、１４又は接合ツール２０に大きな荷重が作用するおそれがある。これを防止するため、接合装置１０、６０では、図５に示すように、側端面とツール面２２との境界部７２がＲ加工されたものや、面取加工された接合ツール２０を用いても良い。

また、以上説明した接合装置１０、７０では、接合ツール２０としてツール面２２の軸線方向に沿った断面が平面（直線）により形成されているものを用いているが、接合ツール２０としては、ツール面の断面形状が凸の円弧状に湾曲したものを用いても良い。また、ツール面２２又は円弧状に湾曲したツール面には、周方向に沿って延在する凹状の溝部又は凸状の突起部を形成するようにしても良い。このようにツール面に溝部又は凸状の突起部を形成することにより、被接合端面５０、５２間での金属材料同士の十分な行き来（練混ぜ）を更に効率的に発生できる。

接合装置１０、７０では、接合ツール２０として回転軸２４が一体的に形成されたものを用いているが、接合ツール２０としては、回転軸２４が別体に設けられたものを用いても良い。この場合には、例えば、回転軸２４の先端部に接合ツール２０に対する連結軸を設けると共に、接合ツール２０の中心部に傾斜角θに対応する傾きを有する連結穴を穿設し、連結軸を連結穴に挿入して回転軸２４を接合ツール２０にトルク伝達可能に連結する。この際、一方の端面が傾斜角θに対応する傾斜面とされた一対のスペーサを、接合ツール２０を挟むように配置することにより、回転軸２４と接合ツール２０との間に隙間が生じないようにする。このように、回転軸２４と接合ツール２０とを別体に形成することにより、接合時に要求される傾斜角θが変化した場合でも、回転軸２４に対して接合ツール２０及びスペーサを交換するだけで、簡単に接合ツール２０の傾斜角θを変えることができる。

また、本発明の第1実施形態及び第２実施形態では、金属部材１２、１４における突合せ部５４がＸ軸方向に沿って直線的に延在する場合についてのみ説明したが、突合せ部５４が湾曲している形状である場合、突合せ部５４が一箇所ないし複数箇所で屈曲している形状である場合、及び突合せ部５４が湾曲形状と屈曲形状との複合形状である場合でも、接合装置１０、６０に一次元のリニアアクチュエータ２６に代えて二次元のリニアアクチュエータを配置し、この二次元のリニアアクチュエータにより接合ツール２０を突合せ部５４に沿うように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って移動させれば、金属部材１２、１４を接合できるようになる。

また、本発明の第1実施形態及び第２実施形態では、それぞれ平板状に形成された２枚の金属部材１２、１４を接合する場合についてのみ説明したが、２枚の金属部材１２、１４がそれぞれ湾曲している場合であっても、２枚の金属部材１２、１４の被接合端面５０、５２同士を突合せることが可能ならば、定盤１８として湾曲した載置面を有するものを用い、この載置面を金属部材１２、１４の裏面に密着させつつ、一次元のリニアアクチュエータ２６（又は二次元のリニアアクチュエータ）及びシリンダ装置２８により接合ツール２０を突合せ部５４に沿うように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に沿って移動させれば、湾曲した金属部材１２、１４も接合できるようになる。

次に、本発明の第１実施形態に係る接合装置１０により２個の金属部材１２、１４を接合した実験結果を実施例として説明する。この実施例では、金属部材１２、１４として、１０００系アルミニウムを素材として厚さが２ｍｍの薄板状に形成されたものを用いた。
先ず、実験１として、金属部材１２、１４の接合強度に影響を与えると考えられる複数の因子（ツール形状及び接合条件）を抽出し、各ツール形状及び接合条件（水準）をそれぞれ段階的に変化させつつ、接合装置１０により金属部材１２、１４の接合を行い、金属部材１２、１４間の接合強度（破断荷重）を測定した。そして、それにより得られた接合強度を品質工学的に解析して、金属部材１２、１４に対する最適な接合条件（初期値）を求めた。その結果を下記〔表１〕に記載する。

上記〔表１〕における、ツール径ＤＭは接合ツール２０の直径、ツール幅Ｂはツール面２２の軸線方向に沿った寸法であり、移動速度Ｖは接合ツール２０のＸ軸方向に沿った移動速度、周速ＰＶはツール面２２の周速、回転速度ＲＶは接合ツール２０の１分間当たりの回転数である。

次の実験２では、〔表１〕に示された傾斜角θ（＝０．５°）を中心値とし、傾斜角θを０．２５°単位で段階的に変化させた接合条件で、金属部材１２、１４の接合を行った。その結果を下記〔表２〕に記載する。

上記〔表２〕における判定の欄にて、「○」の評価は１３５（Ｎ／ｍｍ）を超える破断荷重が得られた場合、「△」の評価は１３０（Ｎ／ｍｍ）以上、１３５（Ｎ／ｍｍ）以下の破断荷重が得られた場合、×の評価は破断荷重が１３０（Ｎ／ｍｍ）未満である場合をそれぞれ示している。

次の実験３では、〔表１〕に示されたツール径Ｒ（＝１０５ｍｍ）を中心値とし、ツール径ＤＭを２２．５ｍｍ単位で段階的に変化させた条件で、金属部材１２、１４の接合を行った。その結果を下記〔表３〕に記載する。

上記〔表３〕における判定の欄にて、「○」の評価は、〔表２〕の場合と同様に、１３５（Ｎ／ｍｍ）を超える破断荷重が得られた場合を示しているが、実験３では全てのツール径ＤＭ（６０ｍｍ〜１５０ｍｍ、２２．５ｍｍピッチ）にて、○の評価が得られた。

図６（Ａ）の断面写真には、上記〔表１〕に示される条件にて接合装置１０により接合された金属部材１２、１４の突合せ部５４のミクロ組織が示され、また図６（Ｂ）の断面写真には、上記〔表１〕に示される条件のうち、傾斜角θだけを０°に置換えた条件にて接合装置１０により接合した金属部材１２、１４の突合せ部５４のミクロ組織が比較例として示されている。

図６（Ａ）から明らかなように、金属部材１２、１４が〔表１〕に示される条件にて接合された場合には、金属部材１２、１４における被接合端面５０、５２間に存在していた境界の一部が完全に消失すると共に、残存する境界でも被接合端面５０、５２間に十分に高い密着性が得られていることが解る。
一方、図６（Ｂ）から明らかなように、〔表１〕に示される条件のうち、傾斜角θだけを０°に置き換えた条件で、金属部材１２、１４が接合された場合には
、被接合端面５０、５２全体に境界が残存したままになっており、被接合端面５０、５２間における一部（表面側）に微小な隙間が残存していることが解る。

１０ 接合装置
１２、１４ 金属部材
１６ ベースフレーム
１８ 定盤
１９ 載置面
２０ 接合ツール
２２ ツール面
２４ 回転軸
２６ リニアアクチュエータ
２８ シリンダ装置
３０ スライダ
３２ サーボモータ
３４ ボールスクリュー
３６ ボールナット
３８ 本体部
４０ プランジャ
４２ メインモータ
４３ 出力軸
４４、４６ カップリング
４８ 制御部
５０ 被接合端面
５４ 突合せ部
５６ ガイドベース
５７ 溝部
５８ 直動軸受
６０ 接合装置
６０ 接合装置
６２ 軸受
６６ 付勢部材
６８ バイブレータ
７０ 境界部
７２ 境界部
ＡＤ 振幅方向
Ｃ_C 曲率中心線
Ｃ_R 回転軸心
Ｄ 押込み量
θ 傾斜角

Claims (4)

1. 端面同士が突き合わされた一対の金属部材を接合するために用いられる金属部材の接合方法であって、
   外周面に円軌跡に沿って延在するツール面が形成された円板状の接合ツールを、前記ツール面の曲率中心点を通過する回転軸心を中心として回転させつつ、一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域に圧接させて、前記ツール面を前記圧接領域に押し込む加圧工程と、
   前記接合ツールを前記突合せ部に沿って相対移動させる移動工程と、
   前記ツール面を前記回転軸心と平行又は略平行な振幅方向に沿って振動させる加振工程と、を併行して行い、前記加圧工程及び前記加振工程では、前記回転軸心に対して前記ツール面の曲率中心線が所定の傾斜角θだけ傾くように前記接合ツールを支持しつつ、前記接合ツールを回転させることを特徴とする金属部材の接合方法。
2. 前記傾斜角θは、０．２５°以上、０．７５°以下に設定されることを特徴とする請求項１記載の金属部材の接合方法。
3. 端面同士が突き合わされた複数の金属部材を接合するために用いられる金属部材の接合装置であって、
   外周面に円軌跡に沿って延在するツール面が形成された円板状の接合ツールと、
   前記接合ツールに連結され、前記ツール面の曲率中心点を通過する回転軸心を中心として前記接合ツールを回転させる支持回転部と、
   前記接合ツールの回転時に、前記ツール面を一対の金属部材表面の突合せ部を含む圧接領域に圧接させて、前記ツール面を前記圧接領域に押し込みつつ、前記接合ツールを前記突合せ部に沿って相対移動させる加圧移動部と、
   前記突合せ部に沿って相対移動する前記接合ツールの接合面を、前記回転軸心と平行又は略平行な振幅方向に沿って振動させる振動発生部と、を有し、
   前記振動発生部を前記支持回転部により構成し、該支持回転部は、前記回転軸心に対して前記ツール面の曲率中心線が所定の傾斜角θだけ傾くように前記接合ツールを支持しつつ、該接合ツールを回転させることを特徴とする金属部材の接合装置。
4. 前記傾斜角θは、０．２５°以上、０．７５°以下に設定されることを特徴とする請求項３記載の金属部材の接合装置。

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