(57)【要約】【課題】  接合ツ―ルとピンの回転による摩擦熱で複数枚の重ね金属板からなる被接合物を軟化，撹拌して接合する摩擦撹拌スポット接合で、各金属板間の接合不良，強度不足がない確実な接合がなされ、そしてピン孔の埋め合わせや表面の比較的な平坦化ができる摩擦撹拌スポット接合方法及び装置を提供する。【解決手段】  接合ツ―ル１の先端側に出没自在に配置されたピン２の形状が少なくとも１つの段差部４を有する先細ピンを使用し、回転する接合ツ―ルのショルダ面５を被接合物の上面に当接させた状態でピンを押圧回転させて被接合物を軟化，撹拌しながら重積金属板内に侵入させ、ピンの先端側の段差部がピンの先端から数えて一番目の金属板６内には侵入せず二番目の金属板５内に位置し、以下，段差部を順次上位金属板内にそれぞれ１つづつ位置させるようにピンが出没制御される方法及び装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合ツ―ルとピンの回転による摩擦熱で複数枚の重ね金属板からなる被接合物を軟化，撹拌して接合する摩擦撹拌スポット接合方法において、接合ツ―ルの先端側に出没自在に配置されたピンの形状が少なくとも１つの段差部を有する先細ピンを使用し、前記回転する接合ツ―ルのショルダ面を被接合物の上面に当接させた状態でピンを押圧回転させて被接合物を軟化，撹拌しながら重積金属板内に侵入させ、ピンの先端側の段差部がピンの先端から数えて一番目の金属板内には侵入せず二番目の金属板内に位置し、以下，段差部を順次上位金属板内にそれぞれ１つづつ位置させるようにピンが出没制御されることを特徴とする摩擦撹拌スポット接合方法。
【請求項２】
接合ツ―ルとピンの回転による摩擦熱で複数枚の重ね金属板からなる被接合物を軟化，撹拌して接合する摩擦撹拌スポット接合装置において、接合ツ―ルとピンが同時回転する機構と、接合ツ―ルに対してピンをその軸線方向に移動させる機構とを備え、接合ツ―ルの先端側のショルダ面に対して出没自在に配置されたピンの形状が少なくとも１つの段差部を有する先細ピンであり、該ピンが重ね金属板の枚数に対応して出没制御され得るようにしたことを特徴とする摩擦撹拌スポット接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合ツ―ルとピンの回転による摩擦熱で複数板の重ね金属板からなる例えばアルミニウム及びその合金のような被接合物を軟化，撹拌して接合する摩擦撹拌スポット接合方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来，接合ツ―ルである治具本体とピンである軸部の回転による摩擦熱で２枚の金属板からなる被接合物を軟化，撹拌して接合する摩擦撹拌スポット接合方法及び装置で、接合ツ―ルの先端側に出没自在に配置されたピンの形状が円柱状のものを使用し、前記回転する接合ツ―ルのショルダ面を被接合物の上面に当接させた状態でピンを押圧回転させて被接合物を軟化，撹拌しながら重積金属板内に侵入させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、回転ツ―ルに複数段の段差部を形成し、複数枚の重ね金属板からなる被接合物の最下位の金属板を除いて各金属板内に１つの段差部を位置させて回転ツ―ルの回転により被接合物を軟化，撹拌して接合するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３ー３０５５７６号公報
【特許文献２】特開２００２ー２９２４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来の技術において、前者では、ピンの形状が単純な円柱状であることから、圧入ピンによる撹拌によって盛上部をショルダ面で押圧することによって撹拌部を拡大することは可能であり、２枚重ね金属板の接合には有効であるが、例えば３枚重ね金属板の接合では、最上位金属板とその下位の金属板間には前記ショルダ面とピンとによる押圧力と撹拌力により最上位金属板での摩擦熱の発生と下位金属板に向かって金属組織の流動が起きるが、中間金属板と最下位の金属板には圧入ピンでのみの周囲に発生する摩擦熱と撹拌力だけである。そのため中間金属板と最下位の金属板の接合面には中間金属板から最下位金属板に向かっての金属組織の流動が起きにくい。さらにアルミ板の場合，金属板表面に存在する酸化被膜が残ったまま接合されてしまうことがある。これらの原因から、この従来の方法及び装置では、最上位金属板とそのすぐ下位の金属板間以外の金属板間の接合不良，強度不足が発生しやすく、３枚以上の重積金属板の接合にはその適用が不向きである、という問題がある。
【０００６】
また、上記従来の技術において、後者では、複数枚の重ね金属板からなる被接合物の最下位の金属板を除いて各金属板内に１つの段差部を位置させたので、複数枚の重ね金属板の接合には適用できるものであるが、前者のようなピンが出没するショルダ面が存在しないことから最上位金属板の表面を常時押圧することはできないばかりか板厚の違いに回転ツ―ルが最適に対応することができず、また、同数の重積金属板においても各金属板の材質に相違がある場合には軟化撹拌された金属組織の流動に格差が生じて確実な接合ができず、さらに回転ツ―ルを引き抜いた跡の孔の埋め合わせや表面の平坦化ができにくい、という問題がある。
【０００７】
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、接合ツ―ルとピンの回転による摩擦熱で複数枚の重ね金属板からなる被接合物を軟化，撹拌して接合する摩擦撹拌スポット接合で、各金属板間の接合不良，強度不足がない確実な接合がなされ、そしてピン孔の埋め合わせや表面の比較的な平坦化ができる摩擦撹拌スポット接合方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明における摩擦撹拌スポット接合方法は、接合ツ―ルの先端側に出没自在に配置されたピンの形状が少なくとも１つの段差部を有する先細ピンを使用し、回転する接合ツ―ルのショルダ面を被接合物の上面に当接させた状態でピンを押圧回転させて被接合物を軟化，撹拌しながら重積金属板内に侵入させ、ピンの先端側の段差部がピンの先端から数えて一番目の金属板内には侵入せず二番目の金属板内に位置し、以下，段差部を順次上位金属板内にそれぞれ１つづつ位置させるようにピンが出没制御されることを特徴とする、ものである。
【０００９】
また、本発明における摩擦撹拌スポット接合装置は、接合ツ―ルとピンが同時回転する機構と、接合ツ―ルに対してピンをその軸線方向に移動させる機構とを備え、接合ツ―ルの先端側のショルダ面に対して出没自在に配置されたピンの形状が少なくとも１つの段差部を有する先細ピンであり、該ピンが重ね金属板の枚数に対応して出没制御され得るようにしたことを特徴とする、ものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る摩擦撹拌スポット接合方法では、接合ツ―ルのショルダ面或は各段差部毎に上金属板から下金属板に向かって押圧することになるので、ショルダ面と各段差部の直下の金属組織は、ピンの回転力と前記押圧による押圧力の合成力によって斜め下方外側に向かう力を受け組織が流動して一体化され接合される。また、各接合部材の重ね合わせ両面に形成されている酸化皮膜も微細に粉砕して軟化し金属中に分散させ接合面とその近傍の組織を均一化する。さらに，各金属板間直上で各段差部により押圧撹拌するので板の剛性があり、しかも金属板間にそりのある被接合物の場合であっても上側の金属板が軟化し密着するのである。しかも、被接合物の上面に当接しているショルダ面に対してピンの段差部の位置がピンの突出量の調整によって変動され得るので、金属板の厚さや材質の変化にそれぞれ対応でき、更にピンの引き抜き時に回転するショルダ面が被接合物の上面を常時押圧していることにより、ピンの引き抜きに伴いピン孔の跡を埋め合わせ最終的には被接合物の上面も平坦化できるものである。
【００１１】
また、本発明に係る摩擦撹拌スポット接合装置では、複数板の重ね金属板からなる被接合物がそれぞれ確実に密着接合され、１つのピンにより複数種の重ね枚数の被接合物に対応できる汎用の摩擦撹拌スポット接合装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る摩擦撹拌スポット接合方法では、接合ツ―ルの先端側に出没自在に配置されたピンの形状が少なくとも１つの段差部を有する先細ピンを使用し、前記回転する接合ツ―ルのショルダ面を被接合物の上面に当接させた状態でピンを押圧回転させて被接合物を軟化，撹拌しながら重積金属板内に侵入させ、ピンの先端側の段差部がピンの先端から数えて一番目の金属板内には侵入せず二番目の金属板内に位置し、以下，段差部を順次上位金属板内にそれぞれ１つづつ位置させるようにピンが出没制御される、構成としている。
【００１３】
また、本発明に係る摩擦撹拌スポット接合装置では、接合ツ―ルとピンが同時回転する機構と、接合ツ―ルに対してピンをその軸線方向に移動させる機構とを備え、接合ツ―ルの先端側のショルダ面に対して出没自在に配置されたピンの形状が少なくとも１つの段差部を有する先細ピンであり、該ピンが重ね金属板の枚数に対応して出没制御され得るようにした、構成としている。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明に係る摩擦撹拌スポット接合方法を２枚の重ね金属板からなるアルミニウム合金材の被接合物の接合に実施した要部の断面図、また、図２は本発明に係る摩擦撹拌スポット接合方法を３枚の重ね金属板からなるアルミニウム合金材の被接合物の接合に実施した要部の断面図、図３は本発明に係る摩擦撹拌スポット接合方法を実施するのに適した装置の全体概略説明図、図４は接合ツ―ル及びピンの駆動系の説明図である。
【００１５】
図１において、１は摩擦撹拌スポット接合用の接合ツ―ルであり、該接合ツ―ル１の先端側にはピン２が出没自在に配置されている。
【００１６】
前記ピン２は、最先端ピン部３と１つの段差部４とを備えた先細ピンに構成され、該ピン２の根元側は前記接合ツ―ル１内に位置していて、前記段差部４は接合ツ―ル１の先端側のショルダ面５よりも突出可能となっている。
【００１７】
６，７，は２枚の重ね金属板からなるアルミニウム合金材の被接合物であって、６は一番目の金属板で下位に重積されており、７はニ番目の金属板で上位に重積されている。
【００１８】
なお、８は前記接合ツ―ル１に対向して配置され前記被接合物が載置される受枠であり、９は撹拌部を示すものである。
【００１９】
図２は、図１に示した接合ツ―ル１及びピン２を３枚の重ね金属板からなるアルミニウム合金材の被接合物の接合に適用したものであり、最下位の金属板６と最上位の金属板７との間に中間の金属板１０が位置して重積されている。
【００２０】
前記接合ツ―ル１及びピン２の駆動系は例えば図３に示す通りであり、ロボットの手首またはスタンドに設けられた駆動ユニット本体３０には加圧用モ―タ３１が固着されており、該加圧用モ―タ３１の出力軸に接続された加圧部材３２によりピン抜き用モ―タ３３と撹拌用モ―タ３４が同時に前後進され、これによって撹拌用モ―タ３４に取り付けられた接合ツ―ル１とピン２は同時に前後進される。
【００２１】
また、ピン２は、前記ピン抜き用モ―タ３３の出力軸に接続されたピン抜き用ロッド３５側に接続されており、該ピン抜き用ロッド３５の前後進によりピン２は接合ツ―ル１に対して摺動しながら前後進する。
【００２２】
図４において、ピン２の先端側の最先端ピン部３は接合ツ―ル１の先端のショルダ面５に対して出没自在に配置され、該ピン２は接合ツ―ル１の中心軸線方向に穿設した孔１１内を前後進するようになされている。また該ピン２の後端側はピン保持部材１２に螺着されている。
【００２３】
前記ピン保持部材１２の後端側はベアリング装置２１を介して前記ピン抜き用ロッド３５に接続されている。
【００２４】
１３は撹拌用モ―タ３４の出力軸１４と前記ピン保持部材１２との間に配置された接合ツ―ルホルダであり、この接合ツ―ルホルダ１３はコレット１５を介して接合ツ―ル７の後半の拡径部１６を一体的に保持するものである。そして、１７は前記コレット１５を締め付けるナットであり、このナット１７をねじ込むことにより接合ツ―ルホルダ１３と接合ツ―ル７とはコレット１５により確実に一体化されるものである。
【００２５】
また、接合ツ―ルホルダ１３と前記ピン保持部材１２との間にはすべりキ―１８が配置されており、このすべりキ―１８によりピン保持部材１２は撹拌用モ―タ３４の出力軸１４からの回転力によって回転すると共に前記ピン抜き用ロッド３５によって前後進の動作を行うことが可能となる。
【００２６】
前記接合ツ―ル１は前半の細径部１９と前記後半の拡径部１６とで構成され、この接合ツ―ル１の前端面には前述の如くショルダ面５が形成され、細径部１９の中心軸線方向には前記孔１１が形成され、この孔１１内に前記ピン２が挿通されており、前記拡径部１６は後端が開放した中空室２０を有しており、この中空室２０内にピン２の後部とピン保持部材１２の前部が収納されていてピン２がピン保持部材１２に螺着されている。
【００２７】
以上のような摩擦撹拌スポット接合装置において、撹拌用モ―タ３４と加圧用モ―タ３１とが駆動され、加圧用モ―タ３１によりピン抜き用モ―タ３３と撹拌用モ―タ３４は同時に被接合物の接合点に向けて前進すると共に、撹拌用モ―タ３４により接合ツ―ル１とピン２は共に回転する。この時，ピン２の先端は接合ツ―ル１のショルダ面５と同一面上に位置した状態となっている。
【００２８】
加圧用モ―タ３１により接合ツ―ル１のショルダ面５が被接合物の最上位の金属板７の上面に当接した時点で、加圧用モ―タ３１の駆動を停止することにより加圧用モ―タ３１によるピン２及び接合ツ―ル１の前進は停止されるが、ピン２及び接合ツ―ル１は撹拌用モ―タ３４により回転状態を継続している。
【００２９】
そこで、ピン抜き用モ―タ３３が駆動されて、ピン抜き用ロッド３５及びピン保持部材１２を介してピン２は回転しながら前進して被接合物内に侵入する。
【００３０】
そして、ピン２が所定の位置に達すると、ピン抜き用モ―タ３３の駆動を停止するが、接合ツ―ル１のショルダ面５及びピン２の回転により該ショルダ面５及びピン２は、被接合物と摩擦して被接合物の一部を溶解させこれを撹拌し、この溶解物が被接合物のスポット接合を行うものとなる。
【００３１】
上記の接合動作が行われると、ピン抜き用モ―タ３３が逆転駆動されて、ピン２は被接合物の接合点から引き抜かれて接合ツ―ル１のショルダ面５と同一レベル或はそれより更に孔１１内に引き抜かれる。この間も撹拌用モ―タ３４は駆動されているので、回転する接合ツ―ル１のショルダ面５は被接合物の接合点の表面を平らにするように動作する。
【００３２】
なお、接合ツ―ル１のショルダ面５に対するピン２の出没は、加圧用モ―タ３１や撹拌用モ―タ３４の駆動とは関係なく独自にピン抜き用モ―タ３３を駆動させることにより任意にできるものであるから、接合点の溶解物の状況に応じて必要時に作動させるとよい。
【００３３】
ところで、本発明に係る摩擦撹拌スポット接合では、図１に示すような２枚の金属板６，７を接合するのに、ピン２は１つの段差部４を有する先細ピンが使用される。
【００３４】
そして、２枚の金属板６，７を接合する場合、接合ツ―ル１のショルダ面５は被接合物で上位の金属板７の上面に位置しており、ピン２の段差部４は前記ショルダ面５と同一レベルか金属板７の板厚によっては多少金属板７の内部に侵入した状態にあって下位の金属板６内には段差部はなく、細径の先端ピン部３のみが下位の金属板６内に侵入している。
【００３５】
したがって、図示の状態で接合ツ―ル１とピン２が回転状態にあり、ショルダ面５と段差部４により上金属板７から下金属板６に向かって押圧力も働くことになるので、ショルダ面５と段差部４の直下の金属組織は、ピン２の回転力と前記押圧力の合成力によって斜め下方外側に向かう力を受け組織が流動して一体化され接合される。また、金属板６，７の重ね合わせ両面に形成されている酸化皮膜も微細に粉砕して軟化し金属中に分散させ接合面とその近傍の組織を均一化する。さらに、金属板間にそりのある被接合物の場合であっても金属板７が軟化し密着するのである。しかも、被接合物の上面に当接しているショルダ面５に対してピン２の段差部４の位置がピン２の突出量の調整によって変動され得るので、金属板７の厚さや材質の変化にそれぞれ対応でき、更にピン２の引き抜き時に回転するショルダ面５が金属板７の上面を常時押圧していることにより、ピン２の引き抜きに伴いピン孔の跡を埋め合わせ最終的には金属板７の上面も平坦化できるものである。
【００３６】
また、図２に示すような３枚の金属板６，１０，７を接合するのにも、ピン２は前記のものと同一の１つの段差部４を有する先細ピンが使用される。
【００３７】
この場合，接合ツ―ル１のショルダ面５は被接合物で上位の金属板７の上面に位置しており、ピン２の段差部４は中間の金属板１０内に位置しており、金属板７又は１０の板厚によっては多少金属板１０の内部でその侵入量が調整された状態にあって下位の金属板６内には段差部はなく、細径の先端ピン部３のみが下位の金属板６内に侵入している。
【００３８】
したがって、上位の金属板７は接合ツ―ル１のショルダ面５によって、中間の金属板１０はピン２の段差部４によって、それぞれ下位金属板に向かって押圧力も働くことになるので、前記２枚の金属板の接合と実質的に同一の作用効果を期待することができる。
【００３９】
また、１つの段差部４を有するピン２が２枚或は３枚の金属板の接合に適用され得て汎用のピン２となる。
【実施例２】
【００４０】
図５は本発明に係る摩擦撹拌スポット接合方法を４枚の重ね金属板からなるアルミニウム合金材の被接合物の接合に実施した要部の断面図である。
【００４１】
この実施例では、４枚の金属板７，１０，２２，６を接合するのに段差部が２個形成されたピン２が適用される。即ち，ピン２は、最先端ピン部３と段差部４と２３とを備えた先細ピンに構成され、該ピン２の根元側は接合ツ―ル１内に位置していて、前記段差部４，２３は接合ツ―ル１の先端側のショルダ面５よりも突出可能となっている。なお、８，９は先の実施例と同様に被接合物が載置される受枠と撹拌部である。
【００４２】
そして、被接合物の接合時には、接合ツ―ル１のショルダ面５は被接合物で最上位の金属板７の上面に位置しており、ピン２の段差部４は中間の金属板１０内に位置しており、ピン２の段差部２３は中間の金属板２２内に位置しており、ピン２は金属板７，１０又は２２の板厚によっては多少金属板２２の内部でその侵入量が調整された状態にあって最下位の金属板６内には段差部はなく、細径の先端ピン部３のみが下位の金属板６内に侵入している。
【００４３】
また、この実施例における作用，効果も先の実施例におけるものと実質的に相違はない。
【００４４】
なお、以上の説明で、接合ツ―ル１に対するピン２の出没にピン抜き用モ―タ３３を用いたが、この出没には例えば弾性体とエアシリンダによるような普通に知られている機械的な手段を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は本発明を実施するのに適した接合ツ―ルとピンを２枚の金属板に適用した説明図である。
【図２】図２は本発明を実施するのに適した接合ツ―ルとピンを３枚の金属板に適用した説明図である。
【図３】図３は本発明を実施するのに適した摩擦撹拌スポット接合装置の全体の概略構成図である。
【図４】図４は本発明を実施するのに適した接合ツ―ルとピンの駆動機構の構成図である。
【図５】図５は本発明を実施するのに適した接合ツ―ルとピンを４枚の金属板に適用した説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１                    接合ツ―ル
２                    ピン
３                    最先端部のピン部
４，２３              段差部
５                    接合ツ―ルのショルダ面
６，７，１０，２２    金属板
３１                  加圧用モ―タ（接合ツ―ルとピンの同時移動用）
３３                  ピン抜き用モ―タ（ピンの移動用）
３４                  撹拌用モ―タ（接合ツ―ルとピンの同時回転用）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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