特開 2021-146367 接合装置及び接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-146367(P2021-146367A)

(43)【公開日】2021年9月27日

(54)【発明の名称】接合装置及び接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20210830BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2020-48366(P2020-48366)

(22)【出願日】2020年3月18日

(71)【出願人】

【識別番号】000236920

【氏名又は名称】富山県

(71)【出願人】

【識別番号】520095980

【氏名又は名称】株式会社ＷＩＳＥ企画

(71)【出願人】

【識別番号】518360139

【氏名又は名称】株式会社スフィンクス・テクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100114074

【弁理士】

【氏名又は名称】大谷 嘉一

(72)【発明者】

【氏名】柿内 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】榎本 正敏

(72)【発明者】

【氏名】石橋 大輔

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA02

4E167AA06

4E167AA08

4E167BF06

4E167BF10

4E167DA14

4E167DC05

(57)【要約】

【課題】特にスタッド材を被接合材に接合する接合品質の高く、小型化を図るのに有効な接合装置及びそれを用いた接合方法の提供を目的とする。
【解決手段】スタッド材を被接合材に接合するための接合装置であって、前記スタッド材を保持するためのチャックと、前記チャックに前記スタッド材を保持した状態で回転制御するためのスピンドルを有し、前記スタッド材と前記被接合材との一方又は両方の接合部を加熱するための加熱手段を有し、前記加熱手段は高周波が印加されるコイルと、前記コイルの外周に沿って配設した磁性体ガイドからなり、前記回転制御されたスタッド材を前記被接合材に向けて押圧制御する押圧手段と、前記スタッド材の回転を停止し、前記被接合材に向けてアップセット加圧制御する加圧手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スタッド材を被接合材に接合するための接合装置であって、
前記スタッド材を保持するためのチャックと、前記チャックに前記スタッド材を保持した状態で回転制御するためのスピンドルを有し、
前記スタッド材と前記被接合材との一方又は両方の接合部を加熱するための加熱手段を有し、
前記加熱手段は高周波が印加されるコイルと、前記コイルの外周に沿って配設した磁性体ガイドからなり、
前記回転制御されたスタッド材を前記被接合材に向けて押圧制御する押圧手段と、
前記スタッド材の回転を停止し、前記被接合材に向けてアップセット加圧制御する加圧手段と、を有することを特徴とする接合装置。

【請求項2】

前記加熱手段を構成するコイルは単巻コイルであり、
前記磁性体ガイドは磁界の磁束分布を調整するための内周面に沿った上下の一方又は両方に斜面部を有することを特徴とする請求項１に記載の接合装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の接合装置を用いた接合方法であって、
前記加熱手段にて、前記スタッド材と前記被接合材との一方又は両方の接合部を加熱する工程と、
前記スタッド材を前記被接合材の接合面に向けて回転押圧する工程と、
次にスタッド材の回転を停止し、アップセット加圧する工程と、を有することを特徴とする接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被接合材にスタッド材を接合するための装置及び方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、橋梁の金属性床板やトンネル内装板、高速道路の案内板等の製造課程において、スタッドボルト等のスタッド材の接合方法としてアークスタッド溶接法が用いられていた。
アークスタッド溶接法では、アーク放電によってスタッド材と被接合材との間に溶融物から成る溶融池を形成した状態でこのスタッド材を被接合材に加圧して接合している。
しかし、このような接合法では作業者による加圧力のばらつきが生じやすく、スタッド材に傾きが生じやすい。
また、アーク放電が不安定であるとともに、溶接面の油・埃等の付着や酸化物の残存等により溶接部の品質および接合強度のばらつきが大きくなり易く、接合不良や強度不足といった問題が発生する恐れがあった。

【0003】

特許文献１には、スタッド溶接工程後に、溶接ピン（スタッド材）と被接合材との間に引張力を作用させつつ検査電流を通電することで溶接不良が発生した溶接ピンを検出する検査工程を含むスタッド溶接方法を開示する。
しかし、同公報に開示する技術は、溶接不良の溶接ピンを検出することができるが、溶接ピンと被接合材との接合不良や強度不足の問題を解決するわけではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９−１０７６７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上述した接合不良や強度不足に関する問題を解決するためになされたもので、特にスタッド材を被接合材に接合する接合品質の高く、小型化を図るのに有効な接合装置及びそれを用いた接合方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る接合装置は、スタッド材を被接合材に接合するための接合装置であって、前記スタッド材を保持するためのチャックと、前記チャックに前記スタッド材を保持した状態で回転制御するためのスピンドルを有し、前記スタッド材と前記被接合材との一方又は両方の接合部を加熱するための加熱手段を有し、前記加熱手段は高周波が印加されるコイルと、前記コイルの外周に沿って配設した磁性体ガイドからなり、前記回転制御されたスタッド材を前記被接合材に向けて押圧制御する押圧手段と、前記スタッド材の回転を停止し、前記被接合材に向けてアップセット加圧制御する加圧手段と、を有することを特徴とする。
ここでチャックは、例えば、圧力、油圧、空圧、電磁力等により締め付け力が調整されたコレットチャックを用いてもよい。

【0007】

コイルに高周波電流を通電するとコイルのまわりに磁界が発生する。
この場合に磁界中に生起される磁束はコイルの内周部のみならず外周部にも発生することになる。
スタッド材をコイルの内側に配置し、被接合材に接合する場合にはコイルの内側を集中的に加熱することが好ましいが、上記のようにコイルの外周部に発生した磁界は接合部の加熱には寄与しないことになる。
そこで本発明は、コイルの外周側に磁性体ガイドを配設することで磁束をコイルの内側の接合部に集中させたことに特徴がある。
これにより、接合部の加熱時の温度上昇が加速され、従来よりも小さい加圧力でしかも短い時間で接合できる。
また、スタッド材を回転させて被接合材に押圧することで、押圧面の摩擦にて加熱が促進されるとともに、摩擦による回転力にて接合面に有していた酸化物や油等の汚染物質が除去されることになり、接合品質が向上する。

【0008】

本発明において、加熱手段を構成するコイルは単巻コイルであってもよく、前記磁性体ガイドは磁界の磁束分布を調整するための内周面に沿った上下の一方又は両方に斜面部を有するものであってもよい。
コイルの外周側に磁性体ガイドを配設することで、コイルの内側に磁束を集中させることができるため、コイルの巻数を増やして磁界を強くする必要がない。
また、磁性体ガイドの内周面に有する斜面部の角度を調整することで、磁界の磁束分布を調整でき、コイルの内側に配置するスタッド材の直径の大きさや材質に合わせて磁束の集中を調整することができる。
これによりスタッド材と被接合材は同じ材質の金属の場合のみならず、スタッド材と被接合材とが異なる材質からなる金属であってもよい。
スタッド材と被接合材とが異なる金属の場合には透磁率あるいは導電率が異なるが、磁性体ガイドの有する斜面部の角度を調整することにより、スタッド材と被接合材との接合部のうち透磁率の大きいあるいは熱伝導率の小さい金属側へ磁束を集中させ、スタッド材と被接合材との接合部を効率よく加熱できる。

【0009】

本発明に係る接合方法は、前記加熱手段にて、前記スタッド材と前記被接合材との一方又は両方の接合部を加熱する工程と、前記スタッド材を前記被接合材の接合面に向けて回転押圧する工程と、次にスタッド材の回転を停止し、アップセット加圧する工程と、を有することを特徴とする。
これにより、スタッド材の回転及び回転停止後にアップセット加圧することでスタッド材が被接合材に接合される。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る接合装置及びそれを用いた接合方法にあっては、コイルの外周側に磁性体ガイドを配設することで磁束をコイルの内側の接合部に集中させ、接合部の加熱温度の上昇を加速させるとともに最高到達温度を上昇させるため、加熱時間を短縮してスタッド材を被接合材に接合できる。
また、以下の点において接合品質が向上する。
（１）磁束を接合部に集中させることで被接合材の表面への熱拡散を抑制し、熱影響による接合部近傍の軟化領域を縮小させて接合不良を抑制し接合品質を向上する。
（２）スタッド材を回転させて被接合材に押圧することで、摩擦による回転力にて接合面に有していた酸化物や油等の汚染物質を除去し接合品質を向上する。
（３）アップセット加圧力が装置によって管理されることで、加圧力のばらつきを解消し接合品質を向上する。
さらに、本発明による加熱及び摩擦により、軟化した接合部を小さなアップセット加圧力で接合することができるため、接合装置の小型化が期待できる。
本発明は、アークスタッド溶接法に代わり、接合品質が高く効率的に複数のスタッド材を連続的に被接合材に接合することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係る接合装置を構成するコイルと磁性体ガイドの位置例を示す。

【図2】磁性体ガイドの例を示す。

【図3】本発明に係る接合装置の構成例を示す。

【図4】本発明に係る接合方法例をフローチャートで示す。

【図5】本実験におけるスタッド材、被接合材、コイル及び磁性体ガイドの位置関係を示す。

【図6】本実験の加熱による接合部の温度分布図を示し、（ａ）は磁性体ガイド無しの条件下、（ｂ）は磁性体ガイド配設有りの条件下での結果を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本実施例においてスタッド材１は、図１に示すような棒状部材を用いた例として説明するが、本発明に係るスタッド材１は、ピンやボルト等であってもよい。
また、本発明に係る被接合材２の形状は、平板やＩビームのフランジ面あるいはウエブ面、立方体の各面並びに曲率半径１０ｍ以上の円筒面あるいは球面でも、押出形材の平面状部分、溶接あるいはボルト等で締結された部材の平面状部分等でもよい。
スタッド材１及び被接合材２は、例えば、鉄、鉄鋼、アルミニウム、銅等の各種金属材料であってよく、スタッド材１及び被接合材２はともに同じ材質の金属であっても、一方が異なる材質からなる異材接合であってもよい。

【0013】

本発明に係る接合装置例を図１から図３に基づいて説明する。
本実施例である接合装置１０は、単巻のコイル１２ａと、コイル１２ａの外周に沿って配設した磁性体ガイド１２ｂとを有する。
便宜上、コイル１２ａ、磁性体ガイド１２ｂを併せて加熱手段１２と称する。
図１に示すように、磁性体ガイド１２ｂはコイル１２ａの外周に沿って配設するが、コイル１２ａの外周の全部に沿って配設しても、一部のみに沿って配設してもよい。
また、図２に示すように、磁性体ガイド１２ｂは磁界の磁束分布を調整するために内周面に沿って上下に斜面部Ａ、Ｂを有するものであってもよい。
磁性体ガイド１２ｂは、必要に応じて斜面部Ａ又は斜面部Ｂのみを有するものであってもよく、斜面部Ａ、Ｂのそれぞれの角度はスタッド材１と被接合材２の材質や大きさ、厚み等によって決定するのが好ましい。

【0014】

図３に示した実施例の接合装置１０は、接合装置本体１１の先端に、スタッド材１を保持するためのチャック１３と、チャック１３を回転制御するためのスピンドル１４を有する他に、スピンドル１４により回転制御されたスタッド材１を被接合材２に向けて押圧制御する押圧手段１５と、スタッド材１の回転を停止した後被接合材２に向けてアップセット加圧制御する加圧手段１６とを有する。
上記構成品の全ては、コントローラ１７に内蔵された制御管理ユニット１７ａによって総合的に制御管理され、コントローラ１７には、他にコイル１２ａに高周波を印加するＩＨ電源１７ｂと、冷却ユニット１７ｃが内蔵されている。
本実施例である接合装置１０は、スタッド材１の接合位置を制御しやすいように接合装置本体１１として多関節ロボットアームを用いた例を挙げた。
接合装置本体１１は、スタッド材の位置決めが可能であればハンディタイプ等であってもよい。
なお、コントローラ１７は、接合装置本体１１と別のハウジングに収容されていてもよいし、接合装置本体１１と同じハウジングに収容されて接合装置１０が１つのユニットとして形成されていてもよい。

【0015】

図３に示した実施例では、Ｚ軸方向の位置をボールネジ等でサーボ制御された押圧手段１５にてスタッド材１と被接合材２との間の押圧力を制御している。
これに対して、多関節ロボットアームにてＺ軸方向の位置制御を分担させた場合には押圧手段１５を省略することもできる。
また、加熱手段１２はスタッド材１との相対的位置が一定になるように多関節ロボットの先端アーム側に固定されていてもよく、コイル１２ａ及び磁性体ガイド１２ｂの中心や高さが調整できるように独立した位置制御手段を有していてもよい。
なお、図３に示した実施例では、高周波の印加を制御する出力制御手段１２ｃは加熱手段１２に連結しているが、出力制御手段１２ｃはコントローラ１７に内蔵されていてもよい。

【0016】

上記構成例の接合装置１０を用いた接合方法例を図４に示したフローチャートとともに説明する。
まず、スタッド材１をチャック１３にチャックし（Ｓ１）、コイル１２ａ及び磁性体ガイド１２ｂの被接合材２に対するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の位置決めをする（Ｓ２）。
図３に示すようなＸＹテーブル３に被接合材２を載置して、ＸＹテーブル３の可動によりＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を決めてもよい。
これによりＸ軸方向及びＹ軸方向の位置決めが容易となり、幅の広い被接合材２に対しても複数のスタッド材１を被接合材２に連続的に接合し易くなる。
ここで、加熱手段１２がロボットの先端アーム側に固定されている場合には、スタッド材１のチャック動作に連動して、スタッド材１に対する加熱手段１２の位置が定まるので、加熱手段のみを独立して位置制御する機構を省くことができる。

【0017】

次に、スタッド材１先端のＺ軸方向の位置決めをし（Ｓ３）、出力制御手段１２ｃによって高周波の印加を制御しながらコイル１２ａに高周波を印加し、スタッド材１と被接合材２との一方又は両方の接合部を加熱する（Ｓ４）。
コイル１２ａ及び磁性体ガイド１２ｂの中心や高さを調整する独立した位置制御手段を有していてもよい。
なお、スタッド材１の長さが異なっても、コレットチャック等のチャック１３のチャック深さで調整することで、上記位置制御手段を省くこともできる。
具体的に説明すると、チャック１３の先端部からスタッド材１の先端までの距離が同じになるように、スタッド材１の先端から所定の高さに鍔部等の挿入規制部を設けて、この挿入規制部がチャック１３の先端に当接するようにすると、長さが異なるスタッド材１であってもスタッド材１の先端の高さが同じになる。
なお、接合部の加熱は、スタッド材１と被接合材２とが異なる金属の場合には透磁率の大きいあるいは熱伝導率の小さい金属側を、同じ金属の場合には被接合材２のみあるいはスタッド材１と被接合材２の両方の接合部を加熱するのが好ましい。

【0018】

所定時間あるいは所定温度に達するまで加熱手段１２によって接合部を加熱しながら、又はその後に、押圧手段１５によって、スピンドル１４により回転させたスタッド材１を被接合材２に回転押圧する（Ｓ５）。
その後、スピンドル１４の回転を停止し（Ｓ６）、加圧手段１６により直ちにスタッド材１を被接合材２にアップセット加圧する（Ｓ７）。
スタッド材１と被接合材２とが異なる金属の場合には、加圧後に直ちに接合部を冷却してもよい。
ここで、コイル１２ａは、上記回転押圧やアップセット加圧の障害とならないために、単巻コイルであることが好ましい。
単巻コイルはＺ軸方向の厚みをほとんど有しないため、スタッド材１の外側にコイル１２ａを配置したままで上記回転押圧やアップセット加圧が可能となる。
なお、コイル１２ａの外周に沿って配設する磁性体ガイド１２ｂは、コイル１２ａの厚みとほぼ同一であることが好ましい。
最後にスタッド材１をチャック１１から開放し（Ｓ８）、次のスタッド材１がある場合は上記操作を繰り返し、ない場合には接合操作を終了する。

【0019】

図６は、加熱による接合部の温度上昇について、磁性体ガイド１２ｂの有無による違いを示す温度分布図である。
図６（ａ）は磁性体ガイド１２ｂを配設しないコイル１２ａに高周波を印加した結果を、（ｂ）は磁性体ガイド１２ｂを配設したコイル１２ａに高周波を印加した結果を示す。
本実験は、図５に示す位置関係で実施され、スタッド材１は、直径１６ｍｍ、長さ５０ｍｍの一般構造用圧延鋼材であるＳＳ４００（ＪＩＳ規格）を材質とし、厚さ２０ｍｍの被接合材２は同じくＳＳ４００を材質とした。
また、直径３ｍｍ、内径２０ｍｍの銅を材質とする図１に示すような形状のコイル１２ａに高周波を印加している。
磁性体ガイド１２ｂについては、汎用材ＭＢ３を材質とし、図２に示すような形状で、Ｃ及びＤが３ｍｍ、Ｅが５ｍｍの磁性体ガイド１２ｂを用いた。

【0020】

結果から、図６（ａ）と比較して、図６（ｂ）では接合部近傍がより高温で加熱されており、温度上昇が加速したことが分かる。
また、図６（ａ）のＡ点が８０ｍＴ／７２０℃、Ｂ点が７５０ｍＴ／８９０℃であったのに対し、磁性体ガイド１２ｂを配設した場合である図６（ｂ）のＡ点が１００ｍＴ／８９０℃、Ｂ点が９００ｍＴ／１１２０℃であったことからも同様である。
本実験において、接合部を８００℃に加熱するのに、図６（ａ）の条件ではおよそ６０秒〜９０秒の加熱時間が必要であったのに対して、図６（ｂ）の条件であればおよそ１５秒に加熱時間を短縮できた。

【産業上の利用可能性】

【0021】

本発明の方法により、各種金属製の板や柱に多種多様な金属製スタッド材を接合することができ、例えば、高速道路の案内板や橋げた等の製造に応用することができる。
このような技術によって、安全安心なインフラ整備が可能となる。

【符号の説明】

【0022】

１ スタッド材
２ 被接合材
３ ＸＹテーブル
１０ 接合装置
１１ 接合装置本体
１２ 加熱手段
１２ａ コイル
１２ｂ 磁性体ガイド
１２ｃ 出力制御手段
１３ チャック
１４ スピンドル
１５ 押圧手段
１６ 加圧手段
１７ コントローラ
１７ａ 制御管理ユニット
１７ｂ ＩＨ電源
１７ｃ 冷却ユニット
Ａ 斜面部
Ｂ 斜面部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】