(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め３次元形状に成形された複数の金属部材を部分的に重ね合わせ、
平面状の先端部の略中央に凹部が形成され、軸心周りに回転可能な円筒状の回転工具と、当該回転工具より大径の受け部材とが互いに対向するように取り付けられた多関節ロボットのアーム部により前記回転工具と前記受け部材とを前記金属部材における点在する複数の接合部分に移動させ、
前記複数の接合部分の各々において前記回転工具と前記受け部材とで前記複数の金属部材を挟み込むことで、前記回転工具を回転させながらその先端部を最外表面の金属部材の接合部分に押圧し、当該接合部分の金属組織を摩擦により前記回転工具の回転方向及び金属部材の厚さ方向に撹拌して非溶融の撹拌層を形成すると共に、当該撹拌層を前記回転工具と非接触の金属部材にまで拡大し、前記複数の金属部材をスポット接合することを特徴とする金属部材の処理方法。
【請求項２】
前記受け部材に代えて軸心周りに回転可能な回転工具を前記多関節ロボットのアームに取り付け、
２つの前記回転工具を回転させながら前記最外表面の金属部材の接合部分を押圧することを特徴とする請求項１に記載の金属部材の処理方法。
【請求項３】
前記２つの回転工具を互いに逆回転させることを特徴とする請求項２に記載の金属部材の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金製鋳物や板材等の金属部材の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の接合技術は、板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等によって接合している。
【０００３】
そして、金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できるスポット溶接が用いられる。
【０００４】
また、他の接合技術として、非溶融の状態で摩擦撹拌する接合方法が特許第２７１２８３８号公報に開示されている。この接合技術は、２つの部材を突き合わせた接合面にプローブと呼ばれる突起部を回転させながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて結合するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の接合技術では、金属部材の表面にプローブを差し込んで移動させるため、プローブの移動軌跡における始点及び終点にプローブを抜き差した溶接跡（穴）が残ってしまう。このため、溶接跡が見える部位には用いることができないという外観上の問題や、後処理で溶接跡を取り除けるように予め余肉部を形成し、この余肉部にプローブの移動始点及び終点を持ってくるという工夫が必要であったり、溶接跡が残る場合には金属部材の疲労強度が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、熱歪みや溶接跡を発生させずに、金属部材同士を強固に接合できる金属部材の処理方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明の金属部材の処理方法は、予め３次元形状に成形された複数の金属部材を部分的に重ね合わせ、平面状の先端部の略中央に凹部が形成され、軸心周りに回転可能な円筒状の回転工具と、当該回転工具より大径の受け部材とが互いに対向するように取り付けられた多関節ロボットのアーム部により前記回転工具と前記受け部材とを前記金属部材における点在する複数の接合部分に移動させ、前記複数の接合部分の各々において前記回転工具と前記受け部材とで前記複数の金属部材を挟み込むことで、前記回転工具を回転させながらその先端部を最外表面の金属部材の接合部分に押圧し、当該接合部分の金属組織を摩擦により前記回転工具の回転方向及び金属部材の厚さ方向に撹拌して非溶融の撹拌層を形成すると共に、当該撹拌層を前記回転工具と非接触の金属部材にまで拡大し、前記複数の金属部材をスポット接合する。
【０００８】
また、好ましくは、前記受け部材に代えて軸心周りに回転可能な回転工具を前記多関節ロボットのアームに取り付け、２つの前記回転工具を回転させながら前記最外表面の金属部材の接合部分を押圧する。
【０００９】
また、好ましくは、前記２つの回転工具を互いに逆回転させる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、先端部の略中央に凹部が形成された回転工具を用いて、接合部分の金属組織を摩擦により回転工具の回転方向及び金属部材の厚さ方向に撹拌して非溶融の撹拌層を形成すると共に、当該撹拌層を回転工具と非接触の金属部材にまで拡大し、複数の金属部材をスポット接合することにより、先端部が平滑な工具を用いた場合に比べて、金属組織の全てが十分に撹拌されて、接合強度が高まる。
また、多関節ロボットにより回転工具と受け部材とを金属部材における点在する複数の接合部分に移動させて接合するので、複雑な３次元形状を有し、回転工具を連続して移動できないような接合部分を局所的に接合でき、プレス成形後であっても接合可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
【００２３】
本実施形態の接合方法は、アルミニウム合金製の板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材の接合に適用され、少なくとも２枚の金属部材を重ね合わせて、最外表面の第１金属部材Ｗ１に回転工具１を押圧することにより、重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織を摩擦熱により非溶融で撹拌して接合するものである。
【００２４】
そして、非溶融で撹拌するので、電気抵抗溶接等で発生する熱歪み等の問題を解消することができる。
【００２５】
ここで、非溶融で攪拌する状態とは、母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属組織を軟化させて攪拌することを意味する。
【００２６】
図１に示すように、摩擦撹拌による接合方法は、少なくとも２枚の金属部材Ｗ１、Ｗ２を重ね合わせ、先端部３が平面状の円筒状の回転工具１を、その軸心周りに回転させながら、先端部３を最外表面の第１金属部材Ｗ１に押し付けて、第１金属部材Ｗ１、Ｗ２を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成すると共に、第２金属部材Ｗ２にまで非溶融摩擦撹拌層を拡大して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を接合する。
【００２７】
また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を挟むように回転工具１の先端部３に対向するよう受け部材４が配置されている。受け部材４の外径は、回転工具１の外径以上に設計されている。
【００２８】
回転工具１は直径φ１が１０〜１５ｍｍ程度である。回転工具１及び受け部材４は、金属部材よりも硬度の高い鋼材（超硬合金等）で形成された非摩耗型工具であるが、金属部材は回転工具１より軟質の材質であれば、アルミニウム合金に限定されない。
【００２９】
また、図３にも示すように、回転工具１は、先端部３の略中央に凹部３ａが形成されている。また、受け部材４の先端部５の略中央にも凹部５ａが形成されている。
【００３０】
尚、回転工具１の凹部３ａと受け部材４の凹部５ａとは、いずれか一方又は両方に設けることができる。
【００３１】
回転工具１は、後述する多関節ロボット１０のアームに回転可能に取り付られ、接合される金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対してスポット的に（局所的に）接合できるよう構成されている。
【００３２】
図２は、回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【００３３】
図２に示すように、多関節ロボット１０は、ベース１１に設けられた関節１２に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節１３でｚ軸中心に回転する第１アーム１４と、関節１５を介して第１アーム１４に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節１６でｘ軸中心に回転する第２アーム１７と、関節１８を介して第２アーム１７に連結されてｙ軸中心に揺動する第３アーム１９とを有する。
【００３４】
第３アーム１９は、回転工具１が回転可能に取り付けられると共に、回転工具１を回転駆動するモータ２０と、回転工具１の先端部３に対向するよう配置される受け部材４とを備える。回転工具１の先端部３と受け部材４の先端部との間隔はアクチュエータ２２により可変となっており、接合時の金属部材に対する押圧力や３枚以上重ね合わせた金属部材でも対応できるよう設計されている。
【００３５】
多関節ロボット１０の各アーム、モータ、アクチュエータの動作は、予めティーチングされて制御部３０がコントロールする。
【００３６】
回転工具１の金属部材に対する押圧力は、金属部材の総板厚や重ね合わせ枚数等に基づいて接合部分ごとに設定され、個々の金属部材の板厚が異なる場合にも適用できる。
【００３７】
また、図４に示すように、３枚以上の第１乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を接合する場合には、同一外径を有する一対の回転工具１Ａ，１Ｂで金属部材を挟み込んで接合する。この場合、図２の受け部材４に代えて回転工具１Ｂを回転可能に多関節ロボット１０に取り付けて、互いに対向する回転工具１Ａ，１Ｂの先端部３Ａ，３Ｂで第１乃至第３金属部材Ｗ１〜Ｗ３を挟み込みながら、各回転工具１Ａ，１Ｂを逆回転させる。
【００３８】
また、第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２の板厚が異なる場合でも接合可能であるが、特に、薄肉側から回転工具１を押圧させるとより撹拌しやすくなり、均一な接合処理が実現できる。
［接合時の金属組織の塑性流動］
図５は、回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。図６は、回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【００３９】
図５に示すように、先端部３が平滑な回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）、所定回転数で回転する回転工具１を第１金属部材Ｗ１に略垂直に押し当てていくと、回転工具１と第１金属部材Ｗ１との間に摩擦が生じて、その表面が軟化して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織が非溶融の状態で回転方向に撹拌されていく。そして、更に回転工具１による第１金属部材Ｗ１に対する押圧力を高めていくと、回転工具１に非接触の金属部材Ｗ２にまで非溶融の摩擦撹拌層が拡大して、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４０】
図６に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた場合（受け部材４の先端部５は、説明の便宜上平滑とする）、所定回転数で回転する回転工具１を第１金属部材Ｗ１に略垂直に押し当てていくと、回転工具１と第１金属部材Ｗ１との間に摩擦が生じて、その表面が軟化して第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２間の金属組織が非溶融の状態で回転方向に撹拌されていく。そして、更に回転工具１による第１金属部材Ｗ１に対する押圧力を高めていくと、回転工具１に非接触の第２金属部材Ｗ２にまで非溶融の摩擦撹拌層が拡大し始める。このとき、金属組織は工具１の回転方向に撹拌されると共に、凹部３ａ内で肉厚方向（金属部材の接合面と交差する方向）に撹拌されて、最終的に重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２が溶融されることなく接合される。
【００４１】
また、回転工具１の凹部３ａは撹拌される金属組織の周速が略ゼロとなる凹部内での塑性流動を促進し、受け部材４の凹部５ａを設けた場合には回転工具１に接触しない金属部材の塑性流動を促進する。
【００４２】
上述のように、回転工具１の先端部３に凹部３ａを設けた場合には、接合すべき金属組織の全てが十分に撹拌されて、接合強度が高まるのに対して、凹部３ａを設けないで平滑な場合には、金属部材の接合面と交差する方向への撹拌が不十分なため、接合強度は弱いものとなる。
［試験結果］
本実施形態の接合処理では、金属部材としてＪＩＳで規格化された６０００系鋼板（Al-Mg-Si鋼板）を一例として用いるが、５０００系鋼板（Al-Mg鋼板）や他の金属材料でも適用可能である。
【００４３】
図７は、本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度試験方法を示す図である。図８は、図７の接合強度試験方法による結果を示す図である。
【００４４】
図７の接合強度試験は、接合された第１及び第２金属部材Ｗ１、Ｗ２を互いに相反する方向に引張って、接合面が剥がれた時点での引張力を接合強度として測定している。
【００４５】
また、接合条件は、工具回転数が２０００ｒｐｍ、回転工具１の先端部３の直径がφ１０ｍｍ、押圧保持時間は０．２ｍｍ押し込み後の時間、金属部材は６０００系、板厚が１ｍｍのものを用いた。
【００４６】
図８に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた方が、先端部３が平滑な工具の場合に比べて、接合強度が高くなって要求強度を満たす。
【００４７】
また、先端部３が平滑な工具の場合では、図１３に示すように、破壊時に金属部材の接合面から剥がれる剥離破断となるのに対して、先端部３に凹部３ａが形成された工具を用いた場合には、図１１及び図１２に示すように、破壊時に接合面は剥がれずに、回転工具１の周囲に対応する部分Ｗａから破断するボタン破断となるため、接合強度が高いことがわかる。
【００４８】
更に、図１４乃至図１７に示すように、先端部３に凹部３ａが形成された工具を用いて接合した場合には、金属組織の接合界面が均一になるよう十分撹拌されて接合されるため、接合強度が高くなる。
【００４９】
また、回転工具１の金属部材に対する押圧保持時間が長いほど接合強度は高くなるが、約１０秒以上押圧保持すると、先端部３に凹部３ａが形成された回転工具１を用いた場合でも、先端部３が平滑な工具の場合でも接合強度は略同じとなる。
［金属部材形状］
本実施形態では、予め３次元形状にプレス成形された金属部材の接合に適している。即ち、図９に示す自動車の車体フレームＷ１と補強部材Ｗ２の接合のように、プレス成形により金属部材が複雑な３次元形状を有し、回転工具１を連続して移動できないような複数点在する接合部分Ｐに対して、本実施形態の接合方法を用いることにより局所的に溶接でき、プレス成形後であっても接合可能となる。
【００５０】
［変形例］
本実施形態の変形例として、金属部材の歪みを抑制するために、金属部材の接合部分を冷却しながら接合することもできる。冷却方法としては、冷却水中で接合したり、接合部分に冷却水を供給すればよい。
【００５１】
また、接合時に金属部材に発生するばりＷｂ（図１１参照）を取り除くために、図１０に示すように、回転工具１の先端近傍の側面に拡径部１ａを形成してもよい。拡径部１ａの軸心方向の位置は、金属部材に押し込まれる先端部３の押し込み量だけ上方に形成される。また、拡径部１ａを金属部材を抑えるために用いてもよい。
【００６０】
尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
【図２】  回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【図３】  金属部材の接合方法を説明する図である。
【図４】  ３枚以上の金属部材の接合方法を説明する図である。
【図５】  回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図６】  回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
【図７】  本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度試験方法を示す図である。
【図８】  図７の接合強度試験方法による結果を示す図である。
【図９】  予め３次元形状にプレス成形された金属部材として、自動車の車体フレームを接合する場合について示す図である。
【図１０】  本実施形態の回転工具の変形例として、工具の外周に拡径部を形成した回転工具を示す図である。
【図１１】  本実施形態により接合された金属部材の接合部分の金属組織を示す断面図である。
【図１２】  接合強度試験によるボタン破断時の金属部材の状態を示す図である。
【図１３】  接合強度試験による剥離破断時の金属部材の状態を示す図である。
【図１４】  図１１に対応し、本実施形態により接合された金属部材の接合部分の金属組織の断面写真を示す図である。
【図１５】  図１４のＩ部の拡大写真を示す図である。
【図１６】  図１５のＩＩ部の金属部材の金属組織の断面写真を示す図である。
【図１７】  図１６の拡大写真を示す図である。
【符号の説明】
１  回転工具
３  先端部
４  受け部材
１０  多関節ロボット
Ｗ１〜Ｗ３  金属部材
【図１】
0003867475.tif 000002
【図２】
0003867475.tif 000003
【図３】
0003867475.tif 000004
【図４】
0003867475.tif 000005
【図５】
0003867475.tif 000006
【図６】
0003867475.tif 000007
【図７】
0003867475.tif 000008
【図８】
0003867475.tif 000009
【図９】
0003867475.tif 000010
【図１０】
0003867475.tif 000011
【図１１】
0003867475.tif 000012
【図１２】
0003867475.tif 000013
【図１３】
0003867475.tif 000014
【図１４】
0003867475.tif 000015
【図１５】
0003867475.tif 000016
【図１６】
0003867475.tif 000017
【図１７】
0003867475.tif 000018