(57)【要約】      （修正有）【課題】第１金属材と当該第１金属材を構成する金属よりも融点の低い金属からなる第２金属材とを重ね合わせて、それらを摩擦攪拌点接合する異種金属接合方法において、第１、第２金属材の各板厚寸法にばらつきに関係なく、第１金属材と第２金属材とを高い品質で安定して接合可能とする。【解決手段】異種金属接合方法は、準備工程と、加工工程とを含む。前記加工工程では、ピン部材６２を回転させながら第２金属材４へ向けて変位させる一方で、工具本体６１を回転させながら第２金属材４から離す向きに変位させるように駆動する。この加工工程では、ピン部材６２で第２金属材４に貫通孔４１を形成してから当該ピン部材６２の先端を第１金属材３の所定深さ位置にまで食い込ませる。【選択図】図４
2020127954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属材と当該第１金属材を構成する金属よりも融点の低い金属からなる第２金属材とを重ね合わせて、それらを摩擦攪拌点接合する異種金属接合方法であって、
回転自在かつ軸方向変位自在に支持される筒状の工具本体の内孔に回転自在かつ軸方向変位自在に挿入されるピン部材の先端面を回転させながら前記第２金属材へ向けて変位させるように駆動することにより、前記ピン部材の先端面を前記第２金属材の非重ね合わせ面の所定位置に当接させる準備工程と、
前記ピン部材の回転および変位を継続する一方で、前記工具本体を回転させながら当該工具本体の先端面を前記第２金属材から離す向きに変位させるように駆動する加工工程と、を含み、
前記加工工程では、前記ピン部材で前記第２金属材に貫通孔を形成してから当該ピン部材の先端を第１金属材の所定深さ位置にまで食い込ませる、ことを特徴とする異種金属接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異種金属接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、アルミニウム板材と鋼板とを重ね合わせ、前記アルミニウム板材側から軸回りに回転せしめられる回転工具のショルダ部材の先端に同軸的に位置せしめたプローブを回転させつつ、その先端が前記鋼板の直上の所定位置に達するように差し込み、摩擦攪拌して前記アルミニウム板材と前記鋼板とを点接合する方法に関する発明が開示されている。
【０００３】
この特許文献１では、前記プローブの先端を前記鋼板の直上の所定位置（１０μｍ以上、アルミニウム板材の厚さの２０％以下）にまで下降させて、当該位置で摩擦攪拌させて、前記プローブを上昇させる一方で前記ショルダ部材を下降させることにより、前記プローブの引き抜きによって生じるプローブ穴を材料の流動によって埋め込むことにより、前記アルミニウム板材と前記鋼板とを点接合させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６０２７９６号（特開２００６−２３９７２０号）公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、前記プローブを前記アルミニウム板材に差し込み前記鋼板に到達する手前で前記プローブを停止させるようにしているが、当該プローブの下降を停止させるタイミングについて、仮に前記プローブの下降量が所定値になった時点にすると、前記アルミニウム板材や前記鋼板の各板厚寸法にばらつきが存在している場合には、前記プローブを前記鋼板の直上の所定位置で正確に停止させることができなくなる。ここに改良の余地がある。
【０００６】
このような事情に鑑み、本発明は、異種金属接合方法において、第１、第２金属材の各板厚寸法にばらつきに関係なく、第１金属材と第２金属材とを高い品質で接合可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１金属材と当該第１金属材を構成する金属よりも融点の低い金属からなる第２金属材とを重ね合わせて、それらを摩擦攪拌点接合する異種金属接合方法であって、回転自在かつ軸方向変位自在に支持される筒状の工具本体の内孔に回転自在かつ軸方向変位自在に挿入されるピン部材を回転させながら前記第２金属材へ向けて変位させるように駆動することにより、前記ピン部材の先端面を前記第２金属材の非重ね合わせ面の所定位置に当接させる準備工程と、前記ピン部材の回転および変位を継続する一方で、前記工具本体を回転させながら当該工具本体の先端面を前記第２金属材から離す向きに変位させるように駆動する加工工程と、を含み、前記加工工程では、前記ピン部材で前記第２金属材に貫通孔を形成してから当該ピン部材の先端を第１金属材の所定深さ位置にまで食い込ませる、ことを特徴としている。
【０００８】
なお、上記加工工程では、前記第２金属材に前記重ね合わせ方向に沿う貫通孔を形成しながら、当該貫通孔の形成に伴い塑性流動する分および第１金属材への前記ピン部材の食い込みにより除去された分を前記ピン部材の外周と前記工具本体の先端面と前記工具本体を回転自在かつ軸方向変位自在に支持する支持部材の内周とで作る環状空間に集めることができる。
【０００９】
この構成によれば、第１金属材に前記ピン部材を食い込ませると、前記第１金属材の新生面が露呈されることになり、この新生面に前記塑性流動する分および前記食い込みにより除去された分が固相接合されることになるので、第１金属材と第２金属材とを高い品質で接合することが可能になる。
【００１０】
しかも、前記第１金属材と前記第２金属材とが異質金属であるから、前記加工工程において、前記ピン部材で前記第２金属材に貫通孔を形成するときの負荷と、前記ピン部材を前記第１金属材に食い込ませるときの負荷とが異なることが明らかである。
【００１１】
なお、前記負荷とは、前記ピン部材の回転方向の駆動負荷と変位方向の駆動負荷との少なくともいずれか一方のことである。この負荷の変化は、前記ピン部材を回転させるための駆動源（モータ）にかかる電流の変化量と、前記ピン部材を軸方向に変位させるための駆動源（モータ）にかかる電流の変化量との少なくともいずれか一方を監視することにより認識できる。
【００１２】
このことからすると、前記第１金属材に前記ピン部材が食い込んだことを検出した時点または当該検出時点から所定時間遅延した時点で前記ピン部材および前記工具本体の変位を停止させることができる。
【００１３】
これにより、仮に、第１、第２金属材の各板厚寸法にばらつきが存在している場合であっても、前記ピン部材および前記工具本体の変位を停止させるタイミングを簡単かつ正確に管理できるようになる。その結果、第１、第２金属材の各板厚寸法のばらつきに関係なく、第１金属材と第２金属材とを安定的に高い品質で接合することが可能になる。
【００１４】
ところで、上記異種金属接合方法は、前記加工工程において、前記ピン部材を回転させるための駆動源（モータ）にかかる電流の変化量と、前記ピン部材を軸方向に変位させるための駆動源（モータ）にかかる電流の変化量との少なくともいずれか一方が所定の閾値よりも大きくなったときに前記ピン部材および前記工具本体の変位を停止させる、構成とすることができる。
【００１５】
この構成によれば、前記ピン部材で前記第２金属材に貫通孔を形成する過程において、当該ピン部材の先端面を前記第１金属材に所定量食い込ませた位置で前記ピン部材および前記工具本体の変位を停止させることが可能になる。
【００１６】
つまり、前記ピン部材により前記第２金属材に貫通孔を形成した後で当該ピン部材が前記第１金属材に食い込むと、前記各駆動源（モータ）の負荷が前記第２金属材に貫通孔を形成していたときに比べて急増することになるとともに、当該各駆動源（モータ）にかかる電流が急増することになる。
【００１７】
これにより、前記両方の駆動源（モータ）の少なくともいずれか一方にかかる電流の変化を調べることによって前記ピン部材が第１金属材に食い込んだことを簡単かつ正確に認識することが可能になるから、前記ピン部材および前記工具本体の変位を停止するタイミングを簡単かつ正確に把握できるようになるのである。
【００１８】
このことから、仮に前記第１、第２金属材の各板厚寸法にばらつきが存在している場合においても、そのことに関係なく、前記第１金属材への前記ピン部材の食い込み量つまり第１金属材の加工量を簡単かつ正確に管理することが可能になる。
【００１９】
この他、上記異種金属接合方法は、前記加工工程において前記ピン部材を回転させるための駆動源（モータ）にかかる電流の変化量と、前記ピン部材を軸方向に変位させるための駆動源（モータ）にかかる電流の変化量との少なくともいずれか一方が所定の閾値よりも大きくなったときに前記ピン部材および前記工具本体の変位を停止してから、前記ピン部材を前記第１金属材から離すように変位させる一方で、前記工具本体を前記第１金属材へ向けて変位させる接合工程、をさらに含む。
【００２０】
この接合工程では、要するに、前記加工工程において前記環状空間に集めた前記塑性流動分および第１金属材への前記ピン部材の食い込みにより除去された分を前記貫通孔内に戻すことになり、それに伴い、当該塑性流動分である第２金属材が、前記第１金属材の食い込み部位（新生面）に固相接合されることになる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る異種金属接合方法によれば、第１、第２金属材の各板厚寸法のばらつきに関係なく、第１金属材と第２金属材とを高い品質で接合することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る異種金属接合方法を実行する接合装置の一実施形態を示す概略構成図で、第１、第２金属材をクランプした状態を示している。
【図２】図１の接合装置により実行する異種金属接合方法の概要を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図３】図２の加工工程の詳細を説明するためのフローチャートを示す図である。
【図４】加工工程の様子を示す図である。
【図５】接合工程の様子を示す図である。
【図６】ピン部材の先端（下端）の形状を示す斜視図である。
【図７】ピン部材の先端（下端）の形状の他例を示す斜視図である。
【図８】図１の接合装置を装備した多関節ロボットの外観を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１から図８に本発明の一実施形態を示している。ここで、本発明にかかる異種金属接合方法を実行するための接合装置の説明に先立ち、当該接合装置の使用例を図８に示して説明する。図８において、１は多関節ロボット、２は接合装置である。
【００２５】
図８に示すように、接合装置２は、多関節ロボット１のアーム１ａの先端に装備されている。
【００２６】
この接合装置２は、第１金属材３とそれとは異種の第２金属材４を摩擦攪拌点接合することに用いられるものであって、クランプ５、加工工具６、第１駆動部７、第２駆動部８、制御部９、等を備えている。
【００２７】
第１金属材３は、例えば鋼（鉄系金属）製の板材とされ、第２金属材４は前記鋼よりも融点の低いアルミニウム合金製の板材とされる。
【００２８】
なお、接合対象となる第１、第２金属材３，４の組み合わせは上記に限定されるものではなく、例えば鋼とマグネシウム合金等のように一方の融点と他方の融点との間に一定の開きがあれば適用可能である。
【００２９】
また、本実施形態に係る異種材接合方法は、板材同士の接合のみでなく板状の部分が設けられている種々の部材同士の接合にも適用可能である。
【００３０】
クランプ５は、多関節ロボット１のアーム１ａ先端に取り付けられており、板状の第１金属材３の上に板状の第２金属材４を重ね合わせてなるワークを当該重ね合わせ方向から挟む形態で保持する。
【００３１】
加工工具６は、工具本体（ショルダとも言う）６１と、ピン部材（プローブとも言う）６２と、を有している。
【００３２】
工具本体６１は、例えば円筒形に形成されており、クランプ５の上側部材（符号省略）にその中心軸線周りに回転自在かつ中心軸線に沿って変位自在に支持されている。このように、クランプ５の上側部材（符号省略）は、工具本体６１を回転自在かつ軸方向変位自在に支持する支持部材としても機能する。
【００３３】
ピン部材６２は、例えば円柱形状に形成されており、工具本体６１の内孔にその中心軸線周りに回転自在かつ中心軸線に沿って変位自在に挿入されている。
【００３４】
このピン部材６２の先端面（下端面）６２ａは、例えば図６に示すように平坦面とされているが、例えば図７に示すように凸条部６２ｂを設けた形状とすることができる。
【００３５】
ところで、ピン部材６２については、第１金属材３の表面に自然に形成される表面酸化膜および鋼製の第１金属材３を切削可能な超硬材料とされている。
【００３６】
第１駆動部７は、詳細に図示していないが、工具本体６１を回転させるための駆動源（モータ）および減速機等や、工具本体６１を昇降変位させるための駆動源（モータ）および動力変換機構等を有している。
【００３７】
第２駆動部８は、詳細に図示していないが、ピン部材６２を回転させるための駆動源（モータ）および減速機等や、ピン部材６２を昇降変位させるための駆動源（モータ）および動力変換機構等を有している。
【００３８】
制御部９は、接合の実行要求に応答して図２および図３に示すフローチャートに従い第１、第２駆動部８を制御することにより摩擦攪拌点接合方法を実行する。
【００３９】
この制御部９は、一般に公知のElectronic Control Unit（ＥＣＵ）と呼ばれるものであって、中央処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）、不揮発性記憶装置（Read Only Memory：ＲＯＭ）、一時記憶装置（Random Access Memory：ＲＡＭ）等を備えている。
【００４０】
前記ＲＯＭは、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。前記ＣＰＵは、前記ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。前記ＲＡＭは、前記ＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。
【００４１】
次に、上述した接合装置２による摩擦攪拌点接合方法を詳細に説明する。
【００４２】
接合装置２の制御部９は、摩擦攪拌点接合方法として、図２に示すように、ステップＳ１の準備工程と、ステップＳ２の加工工程と、ステップＳ３の接合工程と、をこの記載順に実行し、前記接合工程の後、図２に示すフローチャートを終了する。
【００４３】
具体的に、前記準備工程では、第１、第２駆動部７，８により工具本体６１およびピン部材６２の各先端面（下端面）６１ａ，６２ａを面一にして共に回転させながら下降させるように駆動することにより、前記両先端面６１ａ，６２ａを、第１金属材３の上に重ね合わせた第２金属材４の上面（非重ね合わせ面）の所定位置に当接させる。なお、前記した工具本体６１の回転の方向とピン部材６２の回転の方向とは、この実施形態において同じにしている。
【００４４】
ちなみに、ピン部材６２の各先端面（下端面）６１ａ，６２ａが第２金属材４の上面に当接すると、第２駆動部８においてピン部材６２を回転させるための前記駆動源（モータ）にかかる電流値と、第１駆動部７において工具本体６１を回転させるための前記駆動源（モータ）にかかる電流値との両方が、前記当接前の電流値よりも大きくなる。このことから、第２駆動部８においてピン部材６２を回転させるための前記駆動源（モータ）にかかる電流値と、第１駆動部７において工具本体６１を回転させるための前記駆動源（モータ）にかかる電流値との少なくともいずれか一方を監視することにより、前記当接した時点を制御部９が認識することができる。
【００４５】
また、前記加工工程では、上記準備工程においてピン部材６２の先端面（下端面）６２ａが第２金属材４の上面に当接したことを検出した後、第２駆動部８によるピン部材６２の回転および下降を継続する一方で、第１駆動部７による工具本体６１の回転を継続しながら当該工具本体６１の下降を一旦停止させてから上昇させるように駆動する。
【００４６】
これにより、第２金属材４はピン部材６２との摩擦による摩擦熱ならびにピン部材６２による攪拌作用でもって軟化し、第２金属材４が塑性流動することによって、図４に示すように、第２金属材４に貫通孔４１が形成されるとともに、前記塑性流動する分（以下、塑性流動分と言う）４２が、ピン部材６２の外周と工具本体６１の先端面（下端面）６１ａとクランプ５の上側部材（符号省略）の内周とで作る環状空間１０に集められることになる。
【００４７】
そして、前記ピン部材６２の下降は、その先端面６２ａを第１金属材３の上面から所定深さに食い込ませるまで継続させるようにし、この食い込み後に第２駆動部８によるピン部材６２の下降および第１駆動部７による工具本体６１の上昇を停止させる。
【００４８】
なお、前記食い込みは、ピン部材６２が第１金属材３を切削することによって実現することができ、当該食い込み量は、任意であるが、例えば０．１〜０．５ｍｍに設定することができる。この食い込みを行うと、第１金属材３において表面から所定深さ位置の素材が新生面３１（図４参照）として露呈されることになる。この新生面３１とは、第１金属材３の素材そのものであって、表面に酸化膜が形成されていない面のことである。
【００４９】
さらに、前記接合工程では、第２駆動部８によりピン部材６２を回転させながら上昇させる一方で、第１駆動部７により工具本体６１を回転させながら下降させる。
【００５０】
これにより、前記環状空間１０に集められた塑性流動分４２ならびに前記食い込みにより除去された分が前記貫通孔４１に戻されることになって、図５に示すように、第２金属材４の前記塑性流動分４２が第１金属材３の新生面３１（図４参照）に固相接合されることになる。図５では、前記固相接合部を太線で示し、符号４３を付している。
【００５１】
次に、上述した加工工程の詳細について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００５２】
前記準備工程から前記加工工程に移行すると、まず、ステップＳ２１において、第２駆動部８によるピン部材６２の回転および下降を継続するとともに、第１駆動部７による工具本体６１の回転を継続しながら当該工具本体６１の下降を一旦停止させてから上昇させるように駆動する。
【００５３】
そして、ステップＳ２２において、ピン部材６２の下降および工具本体６１の上昇を停止するタイミングを監視する。
【００５４】
具体的に、このステップＳ２２では、第２駆動部８においてピン部材６２を回転させるための前記駆動源（モータ）と、第２駆動部８においてピン部材６２を昇降変位させるための前記駆動源（モータ）の少なくともいずれか一方にかかる電流の変化量ΔＩが所定の閾値Ｘよりも大きくなったか否かを判定する。
【００５５】
このステップＳ２２において、ΔＩ≦Ｘであると判定した場合にはステップＳ２１に戻る。
【００５６】
一方、ステップＳ２２において、ΔＩ＞Ｘが成立したと判定した場合には、続くステップＳ２３において、第２駆動部８によりピン部材６２の下降を停止させるとともに、第１駆動部７により工具本体６１の上昇を停止させる。このステップＳ２３の後、図３に示すフローチャートを抜けて図２のステップＳ３に移行（リターン）する。
【００５７】
ところで、上記加工工程において、ピン部材６２により第２金属材４に貫通孔４１を形成した後で当該ピン部材６２が第１金属材３に食い込むと、ピン部材６２を回転させるための駆動源（モータ）の負荷とピン部材６２を昇降変位させるための前記駆動源（モータ）の負荷とが第２金属材４を加工していたときの前記各負荷に比べて急増することになり、当該各駆動源（モータ）にかかる電流の変化量が急増することになる。
【００５８】
この現象に着目し、上記ステップＳ２３において、ピン部材６２を回転させるための駆動源（モータ）にかかる電流と、ピン部材６２を昇降変位させるための前記駆動源（モータ）にかかる電流とが急増する現象の発生の有無を判定するようにしているのである。
【００５９】
このような判定の形態によれば、ピン部材６２が第１金属材３に食い込んだ初期段階においてピン部材６２の下降および工具本体６１の上昇を停止させることが可能になる。
【００６０】
このように、上記加工工程において、ピン部材６２の下降および工具本体６１の上昇を停止するタイミングを簡単かつ正確に把握できるようになるので、第１金属材３へのピン部材６２の食い込み量を所定範囲内に収めるように簡単かつ正確に管理することが可能になる。
【００６１】
ところで、上記摩擦攪拌点接合方法において、第１、第２駆動部７，８による工具本体６１およびピン部材６２の回転数および昇降速度については制御部９により予め設定された調整値に基づいて管理することができる。
【００６２】
以上説明したように本発明を適用した実施形態によれば、第１金属材３と当該第１金属材を構成する金属よりも融点の低い金属からなる第２金属材４とを高い品質で接合することが可能になる。
【００６３】
しかも、上記実施形態によれば、仮に第１、第２金属材３，４の各板厚寸法にばらつきが存在している場合であっても、そのことに関係なく、前記加工工程において第１金属材３へのピン部材６２の食い込み量つまり第１金属材３の加工量を簡単かつ正確に管理することが可能になる。その結果、第１、第２金属材３，４の各板厚寸法のばらつきに関係なく、第１金属材３と第２金属材４とを安定的に高い品質で接合することが可能になる。
【００６４】
ちなみに、図示していないが、上記第２金属材４を例えば車両におけるアルミダイキャスト製のサスペンションタワーにして、上記第１金属材３を例えば車両における鋼製のフロントサイドメンバとすることが可能である。
【００６５】
従来では、前記サスペンションタワー（アルミニウムダイキャスト製の板材）と前記フロントサイドメンバ（鋼製の板材）とを結合するにあたって、セルフピアスリベット（ＳＰＲ）が用いられているが、このような異種金属材の結合に本発明に係る異種金属接合方法を適用すれば、前記セルフピアスリベットを採用する場合に必須となる熱処理、つまり前記リベットおよび前記サスペンションタワーの結合部分の熱処理を省くことが可能になる等、コスト削減を図るうえで有利になる。
【００６６】
また、従来のように、例えば鋼（鉄系金属）製の第１金属材に、ピン部材を接触させずにアルミニウム合金製の第２金属材の塑性流動だけで前記第１金属材の新生面を露出させる場合には、前記第１金属材の表面にメッキ膜（例えばＧＡ：合金化溶融亜鉛メッキ等）を形成する必要があるが、上記実施形態の場合には、前記のようなメッキ膜を形成する必要が無い。
【００６７】
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。
【００６８】
（１）上記実施形態では、第１金属材３の上に第２金属材４を重ね合わせて、工具本体６１およびピン部材６２を回転させながら昇降変位させる形態にした例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。
【００６９】
例えば第１金属材３と第２金属材４とを左右横向きに重ね合わせて、工具本体６１およびピン部材６２を回転させながら左右方向に変位させる形態にすることが可能であり、また、その他の向きにすることが可能である。このような形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、第１金属材と当該第１金属材を構成する金属よりも融点の低い金属からなる第２金属材とを重ね合わせて、それらを摩擦攪拌点接合する異種金属接合方法に好適に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１  多関節ロボット
１ａ  アーム
２  接合装置
３  第１金属材
３１  新生面
４  第２金属材
４１  貫通孔
４２  塑性流動分
４３  固相接合部
５  クランプ
６  加工工具
６１  工具本体
６１ａ  先端面
６２  ピン部材
６２ａ  先端面
７  第１駆動部
８  第２駆動部
９  制御部
１０  環状空間
【図１】
2020127954.tif 000003
【図２】
2020127954.tif 000004
【図３】
2020127954.tif 000005
【図４】
2020127954.tif 000006
【図５】
2020127954.tif 000007
【図６】
2020127954.tif 000008
【図７】
2020127954.tif 000009
【図８】
2020127954.tif 000010