JP2008055430A - 摩擦点接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦点接合装置において、簡単な構成で、接合時の応力による変形を抑制しながら凹部底壁を高品質に接合する。
【解決手段】第２金属部材Ｗ２を受けて位置決めする受け治具７１と、第１金属部材Ｗ１の凹部の底壁６７ａの隣接する接合位置Ｐの間を上方から押圧する押圧位置Ａと接合位置Ｐから退避する退避位置Ｂとに移動する押圧治具７２と、押圧治具７２を押圧位置Ａと退避位置Ｂとに移動させる移動機構７３と、押圧治具７２で隣接する接合位置Ｐの間を押圧した状態で、回転工具１６を回転させながら第１金属部材Ｗ１に上方から押圧する駆動手段とを設ける。共に凹部を有する第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを該凹部が重なり合うように重ね、回転工具１６の回転及び押圧により、第１金属部材Ｗ１の凹部の底壁６７ａの一部を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２を複数箇所でスポット接合する。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数の金属部材を複数箇所でスポット接合する摩擦点接合装置に関するものである。

近年、自動車のボディ等において、軽量化等を目的として、アルミニウム合金材料等が多く採用されている。これに伴って、例えばアルミニウム合金材料からなる部材同士を接合させたり、アルミニウム合金材料からなる部材と鉄や鋼材料等からなる部材とを接合させたりする機会が多くなっている。

このような接合を行うものとして、摩擦点接合装置が知られている。この摩擦点接合装置により、複数の金属部材を重ね合わせ、回転工具を回転させながら押圧し、摩擦熱でこれら金属部材を軟化させ、塑性流動を生じさせて金属部材同士がスポット接合される。このとき、接合対象の金属部材は、融点以下の温度で固相接合（溶融を伴わない固相状態のままの接合）される。

例えば、特許文献１では、摩擦撹拌接合によるスポット接合装置において、回転工具回りに接合時に接合点周りを押圧する環状の押圧手段を装着したものが開示されている。
特開２００２−１２００７６号公報

しかしながら、上記従来の摩擦点接合装置では、押圧手段を装着することで、回転工具周りが大型化し、接合位置付近の形状に凹部や凸部が存在する場合には、凹部や凸部の形状によっては押圧手段で確実に押圧させることが困難であり、接合位置の制約を受けるという問題がある。

本発明は、かかる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、簡単な構成で、接合時の応力による変形を抑制しながら凹部底壁を高品質に接合することにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、第１金属部材の凹部底壁の隣接する接合位置間を押圧治具で押圧するようにした。

具体的には、第１の発明では、共に凹部を有する第１金属部材と第２金属部材とを該凹部が重なり合うように重ね、回転工具の回転及び押圧により、第１金属部材の凹部底壁の一部を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて第１及び第２金属部材を複数箇所でスポット接合する摩擦点接合装置を対象とする。

そして、上記摩擦点接合装置は、上記重ね合わされた第１及び第２金属部材の第２金属部材側を受けて位置決めする受け治具と、
上記第１金属部材の凹部底壁の隣接する接合位置の間を上方から押圧する押圧位置と接合位置から退避する退避位置とに移動する押圧治具と、
上記押圧治具を上記押圧位置と退避位置とに移動させる移動機構と、
上記押圧治具で隣接する接合位置の間を押圧した状態で、回転工具を回転させながら第１金属部材側に上方から押圧する駆動手段とを備えている。

上記の構成によると、凹部が重なり合うように第１及び第２金属部材を重ね、その第１金属部材の凹部底壁における隣接する接合位置の間を押圧治具によって上方から押圧するので、押圧治具で第１金属部材側を押圧させたまま、回転工具を接合位置にアクセスさせて１つの接合位置を接合後、押圧治具による押圧箇所を跨いで他の接合位置の接合が行われる。このため、回転工具周りが大型化せず、接合位置付近の形状に凹部が存在する場合であっても、押圧治具によって第１金属部材側が確実に押圧されるので、接合位置の制約を受けることはない。このとき、接合位置外周は、凹部の底壁と側壁との間のコーナー部により剛性が保たれているので、隣接する接合位置の間を押圧治具によって上方から押圧するだけでも、接合時の応力変形が抑制される。

第２の発明では、上記押圧治具は、中央に配置された押圧部と、該押圧部を跨ぐように配置され、上記回転工具の先端を挿通させる複数の回転工具挿通用孔とを備えている。

上記の構成によると、押圧治具中央の押圧部で凹部底壁を押し付けた状態で、上方から一方の回転工具挿通用孔を通過した回転工具の先端で第１金属部材を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて第１及び第２金属部材がスポット接合された後、押圧部を跨いで他方の回転工具挿通用孔を通過した回転工具の先端で他の接合位置の接合が行われる。

第３の発明では、上記移動機構は、押圧治具を支持し押圧位置と退避位置とに回動させる回動アームと、該回動アームを回動させる駆動シリンダとを備えている。

上記の構成によると、押圧治具を押圧位置と退避位置とに回動させる回動アームを駆動シリンダで駆動させる簡単な構成であるため、従来のような昇降式の駆動方式に比べて回転工具周辺のスペースをとらない。このため、回転工具の接合時の干渉が回避されると共に、第１及び第２金属部材の受け治具へのセットも容易である。

第４の発明では、上記回転工具と、該回転工具と対向して配置された受け具と、上記駆動手段とを装着した接合ガンを備え、
上記受け治具を該受け治具を支持するベース部材に固定し、上記接合ガンを接合位置に移動させ、該受け具を受け治具又はベース部材の裏面側に当接させ、回転工具を回転させながら上記第１金属部材側に押圧し、第１及び第２金属部材を各接合位置でスポット接合する移動手段を備えている。

上記の構成によると、接合時に接合ガンの受け具をベース部材下方の空間に挿入して受け治具又はベース部材の裏面側に当接すればよいので、ベース部材下方の空間を大きくする必要がない。このため、受け治具の支持剛性を高いものにすることができるので、接合品質が安定する。

第５の発明では、上記第１金属部材は、アルミニウム合金板であり、
上記第２金属部材は、鋼板であり、
上記第１及び第２金属部材を固相状態でスポット接合するように構成されている。

上記の構成によると、空気中の酸素により第２金属部材の表面に形成されている酸化皮膜が接合位置において破壊されることで、第２金属部材の新生面が露出し、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材の合わせ面部同士が、摩擦点接合によって固相接合されるので、その接合強度は安定的に高くなる。

第６の発明では、上記第２金属部材の表面は、メッキ加工されている。

上記の構成によると、接合中に、摩擦熱により、第２金属部材表面のメッキ材料が摩擦熱により溶融して第１金属部材に混じり合うと共に、メッキ層が剥がれて第１金属部材と第２金属部材とが確実に圧着される。

第７の発明によると、受け治具は、上記第２金属部材の凹部底壁全体を支持するように構成されている。

上記の構成によると、受け治具が第２金属部材の凹部底壁全体を支持しているので、凹部底壁の一部のみを支持するような場合に比べて第２金属部材表面のメッキが剥がれて受け治具に付着することはない。このため、第２金属部材表面の腐食が回避されると共に、受け治具の表面にメッキ付着による凹凸が形成されないので、第１及び第２金属部材が確実に受け治具に支持される。

以上説明したように、本発明によれば、第１金属部材の凹部底壁の隣接する接合位置間を押圧治具で確実に押圧するようにしたことにより、簡単な構成で、接合時の応力による変形を抑制しながら凹部底壁を高品質に接合することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−摩擦点接合装置の構成−
図１は摩擦点接合装置１の概略構成図である。この摩擦点接合装置１は、主たる構成要素として、接合ガン１０と、該接合ガン１０を手首に備える、移動手段としてのロボット４０とを含んでいる。このロボット４０としては、例えば、汎用される６軸垂直多関節型ロボットが好適に用いられる。

ロボット４０は、ハーネス５１を介して制御盤５０と接続されている。また、接合ガン１０は、ハーネス５２，５４，５５及び中継器５３を介して制御盤５０と接続されている。制御盤５０内には制御ユニット５０ａが内蔵されている。この制御ユニット５０ａがロボット４０を制御して、予め設定された所定の位置や傾きとなるように接合ガン１０を動作させるようになっている。また、制御ユニット５０ａは、接合ガン１０に搭載された、後述する押圧用モータ１４及び回転用モータ１５（図２参照）を制御して、回転工具１６及び受け具１７からなる接合用工具１８に、予め設定された所定の動作を行わせるように構成されている。

図２に示すように、接合ガン１０は、ロボット４０への取付ボックス１１と、この取付ボックス１１の下面から下方に延びるＬ字状のアーム１２と、このアーム１２の上方で取付ボックス１１の側面に取り付けられた本体ケース１３と、ハーネス５４に接続された押圧用モータ１４と、ハーネス５５に接続された回転用モータ１５とを有している。

本体ケース１３の下端部には、接合用工具１８の一方である回転工具１６が設けられている。一方、アーム１２の先端部には、回転工具１６と該回転工具１６の回転軸線Ｘ方向に対向して、接合用工具１８の他方である受け具１７が設けられている。

詳しくは図示しないが、本体ケース１３の内部には、互いに平行に上下方向に延びるネジ軸及びスプライン軸がそれぞれの軸心回りに回転自在に設けられている。押圧用モータ１４の回転により、ネジ軸が回転駆動され、回転用モータ１５の回転により、スプライン軸が回転駆動されるようになっている。ネジ軸に螺合されたブロックには、昇降筒体が一体結合され、スプライン軸には、回転筒体がスプライン結合されている（共に図示せず）。この回転筒体は、昇降筒体の内部に回転自在に設けられている。スプライン軸、昇降筒体及び回転筒体は、互いに同心状に配置されている。

本体ケース１３の下面には、円筒状の下方突出部１３ａが形成されている。上記昇降筒体及び回転筒体の下端部は、下方に突出している。そして、内側にある回転筒体の方が、外側にある昇降筒体よりも長く下方に突出して、その回転筒体の下端部に取付部材３６が固着されている。この取付部材３６に対し回転工具１６の先端部と反対側の端部である基端部が着脱自在（交換自在）に取り付けられている。この取り付けられた回転工具１６の回転軸線Ｘは、上記スプライン軸の軸心の延長線上にある。なお、下部カバー２３と昇降筒体の下端部との間は、昇降筒体の外表面を本体ケース１３の外部の汚染等から保護する伸縮自在の蛇腹部材３４で被われている。

これら押圧用モータ１４及び回転用モータ１５は、回転工具１６を回転させながらワークＷに押圧する駆動手段を構成している。

図３は、回転工具１６の先端部の拡大図である。この回転工具１６の先端部は、円柱状の胴体部１６ａの下端面（その輪郭は円形である）とされた、ワークＷと対向するショルダ部１６ｂと、回転工具１６の回転軸線Ｘ上に位置し、かつショルダ部１６ｂから該ショルダ部１６ｂの外径よりも小径でワークＷに対向する側に所定長さｈだけ突出するピン部１６ｃと、該ピン部１６ｃの周囲におけるショルダ部１６ｂに設けられた環状凹部１６ｄとで構成されている。本実施形態では、この環状凹部１６ｄの底面が、径方向外側に向かって凹み量が小さくなるように傾斜している。この環状凹部１６ｄは、回転工具１６の回転軸線Ｘを中心とする円錐形状に凹んでいる。回転工具１６の具体的寸法としては、例えば、ショルダ部１６ｂの直径Ｄ１が１０ｍｍ、ピン部１６ｃの直径Ｄ２が２ｍｍ，ピン部１６ｃの突出長さｈが０．３ｍｍ〜０．３５ｍｍ、環状凹部１６ｄの底面のショルダ部１６ｂに対する傾斜角θが５°〜７゜となっている。

但し、回転工具１６の最適形状は一義的に決定されるものではなく、ワークＷの材質、厚さ、重ね合わせるワークＷの枚数等、用途に応じて異なる。したがって、用途別に好適な複数種類の回転工具１６を準備しておき、用途に応じて適宜交換して用いるようにするのが望ましい。図３に示すような環状凹部１６ｄを有する回転工具１６の形状は、特に融点の異なる異種の金属部材を接合する際に用いると好適である。

図４乃至図６に示すように、一般的に、摩擦点接合は複数の金属部材（２枚の場合は第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２）からなるワークＷを接合する。つまり、摩擦点接合は、この回転工具１６と受け具１７とで重ね合わせたワークＷを挟むようにして行われる。本実施形態では、図６に示すように、摩擦点接合装置１は、共に凹部６７，６８を有する第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２とを該凹部６７，６８が重なり合うように重ねた状態で狭持するようになっている。そして、回転工具１６の回転及び押圧により、第１金属部材Ｗ１の凹部６７の底壁６７ａの一部を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２を複数箇所でスポット接合するように構成されている。

ここで、本実施形態のワークＷについて説明する。図８は、ワークＷとしての自動車ボディの構成部材の使用状態を示す。この自動車ボディの構成部材は、自動車のトランクリッド６０のレインフォースメント（第１金属部材Ｗ１）と、このトランクリッド６０にヒンジ７０（図９に示す）を取り付けるためのボルトリテーナ（第２金属部材Ｗ２）とである。これらの部材Ｗ１，Ｗ２は、アウタパネル６１とインナパネル６２とを周縁部でヘミング加工して結合した袋構造のトランクリッド６０のコーナー内部に左右一対配置されている。例えば、第１金属部材Ｗ１は、６０００系のアルミニウム合金（厚み１．４ｍｍ）で作製されており、第２金属部材Ｗ２は、亜鉛メッキされた鋼鈑（厚み１．０ｍｍ）で作製されている。第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２の材質は同種でも異種でもよい。

図９に示すように、トランクリッド６０のコーナー内部において、第１金属部材Ｗ１がインナパネル６２に適宜手段で固着されている。そして、この第１金属部材Ｗ１に重ね合わせて第２金属部材Ｗ２が摩擦点接合されている（接合位置Ｐは２箇所）。この第２金属部材Ｗ２に溶接等で結合されたボルト６５のネジ部がインナパネル６２から外方に突出し、このボルト６５のネジ部にヒンジ７０を通して該ヒンジ７０をナット６６で締め付け固定される。ここで、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との摩擦点接合は、ヒンジ７０をトランクリッド６０に組み付けるまでの間、第２金属部材Ｗ２をトランクリッド６０に仮止めするためのものである。

その場合に、接合位置Ｐは、第１金属部材Ｗ１と、第２金属部材Ｗ２とに形成した凹部６７，６８の底壁６７ａ，６８ａに設けられている。これらの凹部６７，６８は、第１金属部材Ｗ１の剛性確保のため、或いは摩擦点接合で生成するバリＲ（図１４参照）の逃がし部を作るために設けられたもので、図８に明らかなように、正対視で円形に仕上げられている。

図４に示すように、摩擦点接合装置１は、重ね合わされた第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２の第２金属部材Ｗ２側を受けて位置決めする受け治具７１を備えている。具体的には、受け治具７１は、上記第２金属部材Ｗ２の凹部６８の底壁６８ａ全体を支持するように、該底壁６８ａの底面よりも大きなブロック状のもので構成されている。

摩擦点接合装置１は、上記第１金属部材Ｗ１の凹部６７の底壁６７ａの隣接する接合位置Ｐの間を上方から押圧する押圧位置Ａと接合位置Ｐから退避する退避位置Ｂとに移動する押圧治具７２を備えている。

図７は、押圧治具７２を斜め下方から見た斜視図である。押圧治具７２は最上段の基部７２ａ，中断の中段部７２ｂ及び最下段の押圧部７２ｃからなる３段構造になっている。

基部７２ａは平板状で、四隅にボルト穴７２ｅが設けられている。このボルト穴７２ｅに挿通される図外のボルトによって押圧治具７２が後述する回動アーム７８の先端に固定されるようになっている。

中段部７２ｂは、基部７２ａのボルト穴７２ｅよりも内側部分を突設させたような円板状となっている。そして、基部７２ａと中段部７２ｂとを貫通する孔部７２ｄが設けられている。孔部７２ｄの断面形状は、平面視で２箇所ある接合位置Ｐを包含する長円形である。

押圧部７２ｃは、中段部７２ｂから突設される壁状の部材である。その先端部がレインフォースメント（第１金属部材Ｗ１）の底壁６７ａにおける、各接合位置Ｐの間の部分を直接押さえ、摩擦点接合時の浮き上がりを防止するようになっている。押圧部７２ｃは、長円形の孔部７２ｄの直線部分同士を差し渡すように設けられている。このことで、押圧部７２ｃが、回転工具１６の先端を挿通させる一対の回転工具挿通用孔７２ｆを跨ぐように設けられ、回転工具１６がいずれの接合位置Ｐに対応する位置にあるときも回転工具１６に接触しないようになっている（回転工具１６が一方の接合位置Ｐに対応する位置にある状態を二点鎖線で示す）。

以上の構造によって、押圧治具７２は、接合位置Ｐにおける回転工具１６の動作に影響を与えることなく、２箇所の接合位置Ｐの間という狭い部分を好適に支持することができる。

また、回転工具１６は、接合位置Ｐで降下する際、押圧治具７２の孔部７２ｄを通され、かつ押圧部７２ｃに干渉しないように通されて回転工具挿通用孔７２ｆを通過するように構成されている。

図４に示すように、摩擦点接合装置１は、上記押圧治具７２を上記押圧位置Ａと退避位置Ｂとに移動させる移動機構７３を備えている。この移動機構７３は、４本の脚部７４と、該脚部７４に支持された矩形板状のベース部材７５とを備えた作業台７６に取り付けられている。すなわち、作業台７６の側面には、正面視台形の移動機構取付部７６ａが形成されている。この移動機構取付部７６ａには、押圧治具７２を支持し押圧位置Ａと退避位置Ｂとに回動させる回動アーム７８と、該回動アーム７８を回動させる駆動シリンダ７９とが揺動可能に取り付けられている。つまり、回動アーム７８は、中間部に支持部７８ａが垂直に突設され、該支持部７８ａの先端が上記移動機構取付部７６ａに回動可能に取り付けられている。回動アーム７８の後端側には、上記駆動シリンダ７９のシリンダロッド７９ａの先端が回動可能に連結されている。駆動シリンダ７９のシリンダ本体７９ｂの先端の上側角部が上記移動機構取付部７６ａに回動可能に取り付けられている。このような構成であるため、従来のような昇降式の駆動方式に比べて回転工具１６周辺のスペースをとらず、回転工具１６の接合時の干渉が回避でき、第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２の受け治具７１へのセットも容易にできるようになっている。

上記作業台７６は、ターンテーブル７７上に載置されている。ターンテーブル７７を回転させることで、ロボット４０の真下に作業台７６が来るようにすれば、ロボット４０でワークＷを移動させる必要はない。

上記受け治具７１は、平坦なベース部材７５の上面に固定されている。ロボット４０によって、接合ガン１０を接合位置Ｐに移動させ、受け具１７をベース部材７５の裏面側に当接させ、回転工具１６を回転させながら上記第１金属部材Ｗ１に押圧し、第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２を各接合位置Ｐでスポット接合するように構成されている。

−摩擦点接合装置の動作−
次に、摩擦点接合装置１の摩擦点接合時の動作について説明する。

図５に示すように、まず、手作業により、作業台７６のベース部材７５上に凹部６７，６８が重なり合うように重ねた状態のワークＷを位置合わせしながら設置する。すなわち、ベース部材７５表面に設けられた基準ピン７５ａと、組付ミス防止用凸部７５ｂに合わせてワークＷを位置決めする。すると、図６に示すように、第２金属部材Ｗ２に結合したボルト６５の頭部が受け治具７１に設けたボルト収納部７１ａに収納されて位置決めされる。このように、受け治具７１が凹部６７の底壁６７ａ全体を支持しているので、凹部６７の底壁６７ａの一部のみを支持するような場合に比べて第２金属部材Ｗ２表面のメッキが剥がれて受け治具７１に付着しにくい。このため、第２金属部材Ｗ２表面の腐食が回避されると共に、受け治具７１の表面にメッキ付着による凹凸が形成されないので、第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２が確実に受け治具７１に支持される。

次いで、図４に示すように、駆動シリンダ７９のシリンダロッド７９ａを伸ばして退避位置Ｂにある回動アーム７８を回動させて押圧位置Ａとし、押圧治具７２の押圧部７２ｃによって、第１金属部材Ｗ１の凹部６７の底壁６７ａの隣接する接合位置Ｐの間を上方から押圧する。この支持により、摩擦点接合を行ったとき、各接合位置Ｐの間の部分が受け治具７１の表面から離れる方向に浮き上がってしまうことが防止される。

次いで、ターンテーブル７７を回転させて作業台７６に載置されたワークＷをロボット４０の位置に移動させる。

次に、接合位置Ｐにおける摩擦点接合時の動作について説明する。接合位置Ｐにおいて摩擦点接合を行うにあたり、図１０に示すように、まずロボット４０の作動により、接合ガン１０を接合位置Ｐに近接させ、回転工具１６が接合位置Ｐの第１金属部材Ｗ１側に位置し、受け具１７が受け治具７１の真下のベース部材７５裏面側に位置するようにする。

次いで、接合ガン１０全体をベース部材７５裏面側に移動させる。つまり受け具１７をベース部材７５裏面に接近させる。受け具１７の先端部１７ａがベース部材７５裏面に当接した位置で止める。このように、接合時に接合ガン１０の受け具１７をベース部材７５の裏面側に当接させる構成であるため、受け具１７をベース部材７５下方の空間に挿入すればよいだけなので、該空間を大きくする必要がなく、受け治具７１の支持剛性を高いものにすることができる。このため、接合品質が安定する。

次に、その状態で、押圧用モータ１４及び回転用モータ１５により、回転工具１６を回転させつつ第１金属部材Ｗ１に接近させ、図１０（ａ）に示すように押圧して摩擦点接合させる。この摩擦点接合の工程は、詳しくは初期移動工程、第１押圧工程、第２押圧工程、第３押圧工程を順に行うように設定されている。以下、これらの工程について詳述する。

まず、初期移動工程では、回転工具１６を降下させて第１金属部材Ｗ１の近接位置である初期位置に移動させる。この初期位置は、回転工具１６のピン部１６ｃの先端が第１金属部材Ｗ１に対し僅かに離れるような位置である。この初期移動工程では、回転工具１６を回転させるようにしても、回転させないようにしてもよいが、本実施形態では、次の第１押圧工程へ直ぐに移行できるように、続く第１押圧工程と同じ回転速度（第１回転速度）で回転させるようにしておく。

続く第１押圧工程では、図１１に示すように、回転工具１６を第１回転速度で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記初期移動工程における回転工具１６の移動抵抗値よりも大きい第１加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第１所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる。図の右半分は第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との間に隙間Ｓを設けた場合、左半分は隙間Ｓを設けず、両者を密着させた場合を示す。

上記第１加圧力、第１回転速度及び第１所定時間は、回転工具１６が第１金属部材Ｗ１に対し、環状凹部１６ｄの底面の一部（深さが深い回転軸線Ｘ側の部分）が第１金属部材Ｗ１に接触しないで、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に接触する程度に押し込まれるようにそれぞれ設定する。

上記第１押圧工程においては、ショルダ部１６ｂの周縁部及びピン部１６ｃが回転工具１６の回転軸線Ｘ回りに回転しながら第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触されることで、その２箇所の接触部位で摩擦熱が生じ、この摩擦熱は、ワークＷにおける該２箇所の接触部位の間の部分（環状凹部１６ｄの底面が接触していない部分）、延いては接合位置Ｐ全体に速やかに拡散され、第１金属部材Ｗ１におけるショルダ部１６ｂに対向する部分（接合位置Ｐ）全体が良好に軟化する。また、第２金属部材Ｗ２の表面に施されている亜鉛メッキ層Ｚも、接合位置Ｐにおいて軟化する。このように、上記第１加圧力、第１回転速度及び第１所定時間を、上記好ましい範囲に設定することで、第１金属部材Ｗ１を剪断破壊させることなく良好に軟化させることができるようになる。

また、この第１押圧工程の初期段階において、ショルダ部１６ｂよりも所定長さｈだけ突出したピン部１６ｃが、ショルダ部１６ｂよりも先に第１金属部材Ｗ１に当接する。このように細い径のピン部１６ｃを最初に当接させることにより、小さな摩擦抵抗で回転工具１６の位置決めが良好になされ、回転軸線Ｘに垂直な方向の回転振れが抑制される（アンカー機能）。

続く第２押圧工程では、図１２に示すように、回転用モータ１５により、回転工具１６を第２回転速度で回転させながら、押圧用モータ１４により、上記第１加圧力よりも大きい第２加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第２所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に押し込む。

この第２押圧工程では、加圧力が大きくなることで、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃが第１金属部材Ｗ１に対し徐々に深く入り込み、環状凹部１６ｄの底面全体、つまりピン部１６ｃ及び環状凹部１６ｄを含むショルダ部１６ｂ全体が第１金属部材Ｗ１に接触する。これに伴い、第１金属部材Ｗ１の軟化に加えて塑性流動が行われる（図では模式的に破線で塑性流動Ｑを示す）。ここで、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との間に隙間Ｓを設けた場合、塑性流動Ｑによって、第１金属部材Ｗ１が第２金属部材Ｗ２側に押し出され、両者が密着する。

また、塑性流動Ｑにおいて、ショルダ部１６ｂに環状凹部１６ｄが設けられている（特に環状凹部１６ｄが円錐形状をなしている）ことから、塑性流動する第１金属部材Ｗ１が、図の上下方向に流動して、回転工具１６の直下部分（接合位置Ｐ）から外側へ流出することが抑制される。また、環状凹部１６ｄにより、第２加圧力が接合位置Ｐに集中して、第１金属部材Ｗ１の塑性流動Ｑが促進される。さらに、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２との接合境界面において、上記軟化した亜鉛メッキ層Ｚが接合位置Ｐから押し出されることで、第２金属部材Ｗ２の新生面が露出するとともに、図示しないが、空気中の酸素により第１金属部材Ｗ１の表面に形成されている酸化皮膜が接合位置Ｐにおいて破壊されることで、第１金属部材Ｗ１の新生面が露出する。

上記第２加圧力、第２回転速度及び第２所定時間は、回転工具１６が第１金属部材Ｗ１に対し所定の挿入位置よりも深く押し込まれないようにそれぞれ設定する。この所定の挿入位置は、該挿入位置よりも回転工具１６が深く入り込むと第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎられるような位置である。

こうして第２押圧工程が完了する。この第２押圧工程の完了により、接合位置Ｐでの接合を終了するようにしてもよいが、本実施形態では、さらに第３押圧工程を行うようにしている。

第３押圧工程では、図１３に示すように、回転用モータ１５により回転工具１６を第３回転速度で回転させながら、押圧用モータ１４により、第２加圧力よりも小さい第３加圧力で、回転工具１６のショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃを、第３所定時間の間、第１金属部材Ｗ１に対し押圧接触させる。

この第３押圧工程では、加圧力を第２押圧工程よりも小さくすることで、回転工具１６が第１金属部材Ｗ１に対し上記所定の挿入位置よりも深く押し込まれず、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けることとなる。これにより、第１金属部材Ｗ１が過度に薄くなって引きちぎれるようなことがなくなるとともに、第２押圧工程時と同じ程度の温度が維持されて、良好な塑性流動が長時間に亘って行われる。この第３押圧工程の終了により、１つの接合位置Ｐでの接合が終了することになる。

上記第３加圧力、第３回転速度及び第３所定時間は、回転工具１６が第１金属部材Ｗ１に対し、第２押圧工程が終了したときの位置で押圧し続けかつ第１金属部材Ｗ１の塑性流動が生じるようにそれぞれ設定する。

上記第３押圧工程においては、回転工具１６で押し出された金属材料がバリＲとなって第１金属部材Ｗ１の表面に隆起するとともに、亜鉛メッキ層Ｚがさらに接合位置Ｐから押し出され、また第１金属部材Ｗ１及び第２金属部材Ｗ２の酸化皮膜がさらに破壊されて、第１金属部材Ｗ１及び第２金属部材Ｗ２の各新生面の露出範囲が拡大する（図１３中、×印で表示した範囲）。この結果、第１金属部材Ｗ１と第２金属部材Ｗ２の合わせ面部同士が、摩擦点接合によって固相接合され、その接合強度は安定的に高くなる。

なお、亜鉛メッキ層Ｚにおける接合位置Ｐの近傍部分には、第１金属部材Ｗ１を構成する金属（アルミニウム合金）と、亜鉛メッキ層Ｚを構成する金属との金属混合物層Ｙが生成される。

接合位置Ｐでの接合が終了すると、押圧用モータ１４により、ネジ軸を回転駆動させることで、図１０（ｂ）に示すように、回転工具１６を上昇させるとともに、接合ガン１０全体を回転工具１６の下降方向に移動させることにより受け具１７をベース部材７５から離す。摩擦点接合が完了した後の接合位置Ｐにおいては、図１４に示すように、第１金属部材Ｗ１の表面に、ショルダ部１６ｂ及びピン部１６ｃの痕が残り、ショルダ部１６ｂの周囲には、バリＲが生じている。

第１及び第２金属部材Ｗ１，Ｗ２の１つの接合位置Ｐでのがスポット接合された後、押圧部７２ｃを跨いで他の接合位置Ｐの接合が行われる。そして、摩擦点接合が完了すると、制御ユニット５０ａはロボット４０によって接合ガン１０を待機状態とする。或いは次の接合位置Ｐがある場合、接合ガン１０をその接合位置Ｐへと移動させ、上記と同様の摩擦点接合を繰り返し行わせる。

このように、押圧治具７２によって第１金属部材Ｗ１の凹部６７の底壁６７ａの隣接する接合位置Ｐの間を上方から押圧するので、押圧治具７２で第１金属部材Ｗ１を押圧させたまま、回転工具１６を接合位置Ｐにアクセスさせて１つの接合位置Ｐを接合後、押圧治具７２による押圧位置Ａを跨いで他の接合位置Ｐの接合が行われる。このため、回転工具１６周りが大型化せず、接合付近の形状に凹部６７，６８が存在する場合であっても、押圧治具７２によって第１金属部材Ｗ１が確実に押圧されるので、接合位置Ｐの制約を受けることはない。このとき、接合位置Ｐ外周は、剛性の高い凹部６７，６８の底壁６７ａ，６８ａと側壁６７ｂ，６８ｂとの間のコーナー部６７ｃ，６８ｃ（図９に示す）の剛性により、接合時の応力変形が抑制される。

−実施形態の効果−
以上説明したように、本実施形態によれば、第１金属部材Ｗ１の凹部６７の底壁６７ａの隣接する接合位置Ｐ間を押圧治具７２で確実に押圧するようにしたことにより、簡単な構成で、接合時の応力による変形を抑制しながら凹部６７，６８の底壁６７ａ，６８ａを高品質に接合することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、本発明を第１金属部材Ｗ１（アルミニウム合金）と第２金属部材Ｗ２（亜鉛メッキ鋼板）との摩擦点接合に適用した場合について説明しているが、他の部材の摩擦点接合に適用してもよい。その際、その材質も特に限定するものではなく、同種の材質からなる部材の接合であっても、異種の材質からなる部材の接合であってもよい。また枚数も２枚に限定するものではなく、３枚以上の部材を同時に接合するものであってもよい。

また、回転工具挿通用孔７２ｆは、押圧部７２ｃを跨ぐように一対設けているが、二対以上設けてもよい。

本実施形態では、受け具１７の先端部１７ａが受け治具７１及びベース部材７５を介してワークＷに当接するようにしている。しかし、ベース部材７５に開口を設け、受け治具７１に受け具１７の先端部１７ａを当接させてもよい。また治具を介さず、受け具１７が直接ワークＷに当接するようにしてもよい。治具を介在させることによって、受け具１７がワークＷに直接当接することによって起こる問題を確実に回避することができる。例えば本実施形態の場合、摩擦点接合時の熱と加圧力とによって受け具１７に第２金属部材Ｗ２の亜鉛メッキ層Ｚが付着することが避けられる。また、ワークＷの受け具１７に当接する面が自動車パネルの外表面である場合に、受け具１７によって付着する僅かな圧痕によって商品性が低下することも避けられる。

回転工具１６或いは接合ガン１０は、ロボット４０に搭載されていなくてもよい。但し回転工具１６や接合ガン１０をロボット４０に搭載した場合は、その移動自由度の高さを利用し、狭い場所での接合でも容易に行わせることができるという利点がある。

また回転工具１６のショルダ部１６ｂの形状は、環状凹部１６ｄが形成されたものである必要はない。

回転工具１６の形状（各部寸法）や加圧力等の各種パラメータは、用途や各種条件に応じて適宜変更してもよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本発明の実施形態に係る摩擦点接合装置の概略構成図である。 図１に示す接合ガンの正面図である。 図１に示す回転工具の先端部を拡大して示す部分断面図である。 摩擦点接合装置の主要な部分を示す正面図である。 摩擦点接合装置の主要な部分を示す平面図である。 押圧治具がワークを押圧する様子を拡大して示す正面図である。 押圧治具を下側から見た斜視図である。 本発明の実施形態に係るワークであって、自動車のトランクリッドのヒンジ取り付け部を一部切り欠いてインナパネル側から見た平面図である。 図８のIX−IX線断面図であって、（ａ）はトランクリッドにヒンジを取り付ける前の状態を示す分解断面図、（ｂ）はその組立状態を示す断面図である。 （ａ）は摩擦点接合中の状態を示す断面図、（ｂ）は摩擦点接合直後の状態を示す断面図である。 図１０（ａ）の状態を詳細に示す断面図であり、摩擦点接合における第１押圧工程の説明図である。 上記第１押圧工程に続く第２押圧工程の説明図である。 上記第２押圧工程に続く第３押圧工程の説明図である。 上記第３押圧工程後、摩擦点接合が完了した状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 摩擦点接合装置
１０ 接合ガン
１４ 押圧用モータ（駆動手段）
１５ 回転用モータ（駆動手段）
１６ 回転工具
１７ 受け具
６７，６８ 凹部
６７ａ，６８ａ 底壁
７１ 受け治具
７２ 押圧治具
７２ｃ 押圧部
７２ｆ 回転工具挿通用孔
７３ 移動機構
７５ ベース部材
７８ 回動アーム
７９ 駆動シリンダ
Ｗ１ 第１金属部材
Ｗ２ 第２金属部材

Claims (7)

1. 共に凹部を有する第１金属部材と第２金属部材とを該凹部が重なり合うように重ね、回転工具の回転及び押圧により、第１金属部材の凹部底壁の一部を摩擦熱で軟化させ塑性流動させて第１及び第２金属部材を複数箇所でスポット接合する摩擦点接合装置であって、
   上記重ね合わされた第１及び第２金属部材の第２金属部材側を受けて位置決めする受け治具と、
   上記第１金属部材の凹部底壁の隣接する接合位置の間を上方から押圧する押圧位置と接合位置から退避する退避位置とに移動する押圧治具と、
   上記押圧治具を上記押圧位置と退避位置とに移動させる移動機構と、
   上記押圧治具で隣接する接合位置の間を押圧した状態で、回転工具を回転させながら第１金属部材側に上方から押圧する駆動手段とを備えている
   ことを特徴とする摩擦点接合装置。
2. 請求項１に記載の摩擦点接合装置において、
   上記押圧治具は、中央に配置された押圧部と、該押圧部を跨ぐように配置され、上記回転工具の先端を挿通させる複数の回転工具挿通用孔とを備えている
   ことを特徴とする摩擦点接合装置。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦点接合装置において、
   上記移動機構は、押圧治具を支持し押圧位置と退避位置とに回動させる回動アームと、該回動アームを回動させる駆動シリンダとを備えている
   ことを特徴とする摩擦点接合装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の摩擦点接合装置において、
   上記回転工具と、該回転工具と対向して配置された受け具と、上記駆動手段とを装着した接合ガンを備え、
   上記受け治具を該受け治具を支持するベース部材に固定し、上記接合ガンを接合位置に移動させ、該受け具を受け治具又はベース部材の裏面側に当接させ、回転工具を回転させながら上記第１金属部材側に押圧し、第１及び第２金属部材を各接合位置でスポット接合する移動手段を備えている
   ことを特徴とする摩擦点接合装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の摩擦点接合装置において、
   上記第１金属部材は、アルミニウム合金板であり、
   上記第２金属部材は、鋼板であり、
   上記第１及び第２金属部材を固相状態でスポット接合するように構成されている
   ことを特徴とする摩擦点接合装置。
6. 請求項５に記載の摩擦点接合装置において、
   上記第２金属部材の表面は、メッキ加工されている
   ことを特徴とする摩擦点接合装置。
7. 請求項６に記載の摩擦点接合装置において、
   上記受け治具は、上記第２金属部材の凹部底壁全体を支持するように構成されている
   ことを特徴とする摩擦点接合装置。