特開 2024-110471 摩擦攪拌点接合装置

(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】P2024110471

(43)【公開日】2024-08-16

(54)【発明の名称】摩擦攪拌点接合装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20240808BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 344

B23K20/12 340

B23K20/12 364

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023015018

(22)【出願日】2023-02-03

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮脇 章嘉

(72)【発明者】

【氏名】栗原 大知

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA02

4E167AA06

4E167BG06

4E167BG25

4E167BG26

(57)【要約】

【課題】摩擦攪拌接合後の被接合材料を塗装しようとするときに、余分な製造コストを削減することができる摩擦攪拌点接合装置を提供する。
【解決手段】板状の第１材料と、第１材料の対向面に当接するように配置された第２材料とを含む複数の材料を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌点接合装置１である。この装置は、中心軸線Ｃ周りに回転可能なプローブ２を備え、プローブ２は、円柱状のショルダー部３の底面４から中心軸線Ｃ上に沿って突出するピン部５と、ショルダー部３から突出し、中心軸線Ｃから距離が一定の円周面１２と、円周面１２に連続して設けられ、円周面１２よりも外側に離間した離間面１３と、が設けられた内壁面１１と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の第１材料と、前記第１材料の対向面に当接するように配置された第２材料とを含む複数の材料を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌点接合装置であって、
中心軸線周りに回転可能なプローブを備え、
前記プローブは、
円柱状のショルダー部の底面から前記中心軸線上に沿って突出するピン部と、
前記ショルダー部から突出し、前記中心軸線から距離が一定の円周面と、前記円周面に連続して設けられ、前記円周面よりも外側に離間した離間面と、が設けられた内壁面と、
を有することを特徴とする摩擦攪拌点接合装置。

【請求項2】

前記内壁面の下端部は、前記ピン部が前記複数の材料に対して目標深さまで圧入されたときに前記第１材料の表面に接することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。

【請求項3】

前記プローブの挿入方向から視た前記内壁面の形状は多角形形状であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。

【請求項4】

前記プローブの挿入方向から視た前記内壁面における前記円周面の範囲は前記離間面の範囲より広いことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。

【請求項5】

前記円周面と前記離間面との境界部分のうち、少なくとも前記プローブの回転方向の後方側に位置する境界部分は径断面形状が鋭角をなしていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦攪拌点接合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、円柱状の本体軸部と、本体軸部の一側の端部に形成されるショルダー面と、ショルダー面に突設され、ショルダー面よりも小径のピン部と、を備え、少なくとも上板と下板を含む複数の板状素材を積層してなる被接合物の点接合に用いる摩擦攪拌接合ツールであって、本体軸部の外周面から半径方向外側に向けて突設する浮き上がり防止部を備える構成が開示されている。

【0003】

かかる技術では、浮き上がり防止部の下面部には、本体軸部から半径方向外側に向かって空隙部が形成されている。この空隙部は本体軸部の外周面から浮き上がり防止部の外周縁部までの間に形成されていて、接合時に接合部近傍で生じるバリを入り込ませるための空間となっている。そして、バリが突出できる空間を確保することによって、バリが浮き上がり防止部に接触して溶着しないようにするとともに、接合部近傍の塑性流動が阻害されないようにする役割を果たしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０－２３０６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、特許文献１の技術によっても、空隙部でバリが突出できる空間を確保することで、先端部が外側に拡がるようにバリが形成される（特許文献１の図８の符号９等参照）。そのため、各材料を摩擦攪拌接合で点接合した後に当該材料を電着塗装しようとする場合に、当該バリ部分に塗装不良が生じやすい。そのため、当該塗装不良を抑制するためには、摩擦攪拌接合工程後に、当該バリを除去する工程を設けなければならず、余分な工程を行うことによる製造コストの増大が生じていた。

【0006】

そこで、本願発明は、摩擦攪拌接合後の被接合材料を塗装しようとするときに、余分な製造コストを削減することができる摩擦攪拌点接合装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、板状の第１材料と、前記第１材料の対向面に当接するように配置された第２材料とを含む複数の材料を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌点接合装置であって、中心軸線周りに回転可能なプローブを備え、前記プローブは、円柱状のショルダー部の底面から前記中心軸線上に沿って突出するピン部と、前記ショルダー部から突出し、前記中心軸線から距離が一定の円周面と、前記円周面に連続して設けられ、前記円周面よりも外側に離間した離間面と、が設けられた内壁面と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、摩擦攪拌接合後の被接合材料を塗装しようとするときに、余分な製造コストを削減することができる摩擦攪拌点接合装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態１に係る摩擦攪拌点接合装置を圧入側から視た平面図である。

【図2】実施形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の圧入側から視た斜視図である。

【図3】実施形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作を経時的に説明する縦断面図である。

【図4】実施形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作を経時的に説明する縦断面図である。

【図5】実施形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作を経時的に説明する縦断面図である。

【図6】実施形態１に係る摩擦攪拌接合後の被接合材の縦断面図である。

【図7】実施形態１に係る摩擦攪拌接合後の被接合材の平面図である。

【図8】実施形態２に係る摩擦攪拌点接合装置を圧入側から視た平面図である。

【図9】実施形態２に係る摩擦攪拌点接合装置の圧入側から視た斜視図である。

【図10】実施形態３に係る摩擦攪拌点接合装置を圧入側から視た平面図である。

【図11】実施形態３に係る摩擦攪拌点接合装置の圧入側から視た斜視図である。

【図12】実施形態３における摩擦攪拌接合中の被接合材の縦断面図である。

【図13】図１２のＡ－Ａ切断断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態を複数例説明する。
［実施形態１］
各実施形態にかかる摩擦攪拌点接合装置は、板状の第１材料と、第１材料の対向面に当接するように配置された第２材料とを含む複数の材料（被接合材）を摩擦攪拌接合により点接合するための装置である。

【0011】

図１は、実施形態１に係る摩擦攪拌点接合装置を圧入側から視た平面図である。図２は、同摩擦攪拌点接合装置の圧入側から視た斜視図である。
この摩擦攪拌点接合装置１は、中心軸線Ｃ周りに回転可能なプローブ２を備えている。図１、図２は、このプローブ２の圧入側（先端側）のみを示している。プローブ２の基端側は、図示しないロボットアーム等に支持されていて、被接合材の所望の位置（第１材料と第２材料とが重ねられている部分の任意の箇所）を摩擦攪拌接合により点接合できる構成としている。

【0012】

プローブ２の先端側は円柱状のショルダー部３を備えている。ショルダー部３の底面４には、中心軸線Ｃを軸芯とし、中心軸線Ｃに沿って圧入側（先端側）に突出する円柱状のピン部５が設けられている。そして、底面４のピン部５の周囲にはプローブ２の基端側に窪んだ凹部６が形成されている。凹部６の外周部には、圧入側（先端側）に突出する突出部７が形成されている。

【0013】

突出部７の内周面である内壁面１１は、ショルダー部３から圧入側（先端側）に突出していて、その周方向に、中心軸線Ｃからの距離が一定の面である円周面１２と、円周面１２に連続して設けられ円周面１２よりも外側に離間した面である離間面１３と、が交互に出現するようにそれぞれ設けられている。円周面１２は、図１において中心軸線Ｃを中心として破線で示す仮想的な円１８の円弧の一部をプローブ２の長さ方向に連続させた面である。しかし、本実施形態１では、円周面１２は、円１８にほぼ接しているだけのごく狭い面であり、ほぼ直線的な面となっている。そして、プローブ２の挿入方向から視た内壁面１１の形状は多角形形状である。図１、図２の例では、これは四角形形状であるが、三角形形状でも五角形形状でもよい。そのため、内壁面１１は、離間面１３の最も外側に離間した部分である角部１４を備えている。

【0014】

次に、摩擦攪拌点接合装置１の動作について説明する。図３～図５は、この順番で経時的に摩擦攪拌点接合装置１の動作を説明する縦断面図である。図３において、摩擦攪拌点接合装置１による接合の対象となる被接合材１０１は、板状の第１材料１０２と、第１材料１０２の対向面１０３に当接するように配置された第２材料１０４とを含む複数の材料からなる。本例では、被接合材１０１は、第２材料１０４の対向面１０５に当接するように配置された第３材料１０６も備えている。もちろん、被接合材１０１は、第１材料１０２と第２材料１０４だけでもよいし、さらに第４材料があってもよい。被接合材１０１の各材料のそれぞれは、例えばアルミニウム、鉄等の金属材料であることが一般的である。

【0015】

まず、前記したロボットアーム等により、プローブ２（ショルダ部３もピン部５も一体に回転）を操作して、プローブ２の先端部を被接合材１０１に押し当て、プローブ２を回転させる。これにより、被接合材１０１におけるピン部５の周囲で塑性流動が生じ、被接合材１０１内にピン部５が圧入される。
次に、図４に示すように、図３の段階よりも被接合材１０１の奥深くピン部５を圧入する。これにより、被接合材１０１のピン部５を圧入した部分の周囲からバリ１１１が先端部ほど外側に拡がるように形成されていく。

【0016】

次に、図５に示すように、図４の段階よりも被接合材１０１の奥深くピン部５を圧入する。このとき、第１材料１０２、第２材料１０４、第３材料１０６の材料が同じ場合は塑性流動されて練り混ぜ合わされる。
この際、ピン部５と内壁面１１との間で、バリ１１１がピン部５、内壁面１１よりも外側に張り出すのを制限することが可能となる。つまり、円周面１２により、バリ１１１の外周部を円環面状に成形しつつ、離間面１３を設けることにより、円周面１２とバリ１１１との摩擦発熱によるバリ１１１の塑性流動を抑制することができ、内壁面１１の下端部を超えてバリ１１１が外側に流出することを抑制することができる。

【0017】

そして、内壁面１１の下端部（突出部７の先端部）は、ピン部５が被接合材１０１に対して目標深さまで圧入されたときに、第１材料１０２の表面に接する。ピン部５が被接合材１０１に対して目標深さまで圧入されたか否かは、プローブ２の先端部の現在位置の検出や被接合材１０１表面のセンシング等により実現できるので、ピン部５が被接合材１０１に対して目標深さまで圧入されたときには、内壁面１１の下端部（突出部７の先端部）は第１材料１０２の表面に接するようにプローブ２は設計されている。

【0018】

以上のような工程を経て被接合材１０１は摩擦攪拌接合される。図６は、この摩擦攪拌接合後の被接合材の縦断面図であり、図７は、同平面図である。被接合材１０１からは摩擦攪拌接合後にピン部５が引き抜かれて、孔１２１が残る。この孔１２１の内周部は摩擦攪拌接合作業中には加熱攪拌していたが、当該作業の終了後には冷却固化して第１材料１０２、第２材料１０４、第３材料１０６が接合される。孔１２１の外表面周囲には円環状の突起部１２２が形成される。突起部１２２は前記のバリ１１１が成形されたものであり、その縦方向の断面形状はほぼ矩形状である。

【0019】

このように、被接合材１０１の摩擦攪拌接合後には、先端部が外周側に反ったようなバリ１１１が残ることはなく、断面形状が矩形状である突起部１２２が残る。そのため、摩擦攪拌接合工程後に突起部１２２を除去しないまま、被接合材１０１を電着塗装しても、突起部１２２の周囲に塗装不良が生じにくい。そのため、擦攪拌接合工程後に突起部１２２を除去する工程を設けなくても被接合材１０１を適切に電着塗装できるので、摩擦攪拌接合後の被接合材１０１を塗装しようとするときに、余分な製造コストを削減することができる。

【0020】

また、内壁面１１の下端部は、ピン部５が被接合材１０１に対して目標深さまで圧入されたときに第１材料１０２の表面に接する。そのため、内壁面１１の下端部が被接合材１０１の表面に接することにより、切削により除去されたバリ１１１が内壁面１１の外に出ることを抑制することができ、バリ１１１の除去作業を軽減できる。
さらに、内壁面１１は、プローブ２の先端側から視たら多角形形状をしている。すなわち、内壁面１１はシンプルな形状である。そのため、プローブ２の製造工程における内壁面１１の加工性は良好で、製造コストを低減することができる。

【0021】

［実施形態２］
以下に説明する各実施形態において、その前に説明する実施形態と同様の部材等は、当該実施形態と同様の符号を用いて詳細な説明は省略する。

【0022】

図８は、実施形態２に係る摩擦攪拌点接合装置を圧入側から視た平面図である。図９は、同摩擦攪拌点接合装置の圧入側から視た斜視図である。
本実施形態２に係る摩擦攪拌点接合装置１Ａが実施形態１に係る摩擦攪拌点接合装置１と異なるのは次の点である。すなわち、プローブ２の挿入方向から視た内壁面１１における円周面１２の範囲は、離間面１３の範囲より広いことである。実施形態１では、円周面１２の範囲が狭いために円周面１２はほぼ直線的な面であったが、本実施形態２では、円周面１２は仮想的な円１８の円弧形状の面をなしている。そのため、実施形態１とは異なり、実施形態２では、プローブ２の挿入方向から視た内壁面１１の形状は単純な多角形形状をなしてはおらず、もう少し複雑な形状である。

【0023】

このように、プローブ２の挿入方向から視た内壁面１１における円周面１２の範囲は、離間面１３の範囲より広いことにより、本実施形態２では次のような実施形態１では奏し得ない作用効果を奏する。すなわち、摩擦攪拌接合時に円周面１２は中心軸線Ｃから一定距離の面であって、前記のバリ１１１を成形するだけなので、円周面１２にとってバリ１１１は過度に大きな抵抗とはならない。そして、内壁面１１には、その円周面１２の範囲が広い。一方、離間面１３は前記のバリ１１１を成形または切削するので、離間面１３にとってバリ１１１は、ある程度の大きな抵抗とはなるが、その離間面１３の範囲は狭い。
また、円周面１２とバリとの摩擦発熱により加熱されたバリが離間面１３により冷却される時間が短くなるため、成形または切削する際にかかる抵抗が小さくなる。
そのため、摩擦攪拌接合時におけるプローブ２の回転の際のトルクの変動は抑制することができる。よって、プローブ２の小型化や長寿命化が可能となる。

【0024】

［実施形態３］
図１０は、実施形態３に係る摩擦攪拌点接合装置を圧入側から視た平面図である。図１１は、同摩擦攪拌点接合装置の圧入側から視た斜視図である。
本実施形態３に係る摩擦攪拌点接合装置１Ｂが実施形態２に係る摩擦攪拌点接合装置１Ａと異なるのは次の点である。すなわち、円周面１２と離間面１３との境界部分のうち、少なくともプローブ２の回転方向（矢印４３方向）の後方側に位置する境界部分（境界部分４１）は径断面形状が鋭角θをなしていることである。

【0025】

図１２は、本実施形態３における摩擦攪拌接合中の被接合材の縦断面図であり、図１３は、図１２のＡ－Ａ切断断面図である。摩擦攪拌接合中で成形途上の前記の突起部１２２には、図１３に示すように、成形途上の突起部１２２からはみ出したはみ出し部１２２ａが生じ得る。しかし、プローブ２の回転方向の後方側に位置する境界部分４１は径断面形状で円周面１２と離間面１３とが鋭角θをなしている。すなわち、当該境界部分４１は鋭利である。そのため、はみ出し部１２２ａも鋭利な境界部分４１により、確実に切り取られる。そのため、突起部１２２の外周部にバリが残りにくく、プローブ２にかかる負荷を軽減できる。また、突起部１２２をきれいな円環形状に成形できるので、その後の電着塗装の不良も更に生じにくい。

【0026】

以上、各実施形態について説明したが、各実施形態は本発明の一例構成例に過ぎないのは言うまでもなく、本発明は、これら以外にも様々な形態で実施することができる。

【符号の説明】

【0027】

１，１Ａ，１Ｂ 摩擦攪拌点接合装置
２ プローブ
３ ショルダー部
４ 底面
５ ピン部
１１ 内壁面
１２ 円周面
１３ 離間面
４１ 境界部分
４２ 先端
１０１ 被接合材
１０２ 第１材料
１０４ 第２材料
Ｃ 中心軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】