JP2003062681A

JP2003062681A - 摩擦攪拌接合装置

Info

Publication number: JP2003062681A
Application number: JP2001256950A
Authority: JP
Inventors: Koji Doi; 幸治土肥
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2001-08-27
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2021-08-27
Also published as: JP3400993B2

Abstract

(57)【要約】【課題】凹所や空洞を形成することなく接合すること
ができる摩擦攪拌接合装置を提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合装置１は、回転子２とサー
ボモータ４とを有し、回転子２は、回転子保持部材３と
回転子本体９とから構成される。回転子保持部材３に
は、タイミングベルト２４を介してサーボモータ４から
回転力が伝達される。回転子２には、軸線Ｌに沿ってガ
イド孔１７が形成され、このガイド孔１７には棒状の金
属材８が挿入される。上方に設けられる送り出し手段２
３から金属材８が押し込まれ、ピン７の先端から金属材
８が送出される。接合時に、送出された金属材８が、回
転子２の回転による摩擦熱で軟化，攪拌され、母材と一
体となって接合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転による摩擦熱
で被接合物を軟化、攪拌して接合する摩擦攪拌接合装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、典型的な従来の摩擦攪拌接合
装置５０を示す斜視図である。摩擦攪拌接合装置では、
円柱状の先端５１の中央からピン５２が突出する回転子
５３を有し、この回転子５３を、高速で回転させながら
ワーク５４に挿入して接合する。高速回転する回転子５
３のピン５２をワーク５４に押し付けると、摩擦熱でワ
ークが軟化し、さらに押圧すると軟化したワークにピン
が挿入されるとともに、回転するピンでピン周囲の母材
が塑性流動を起こし、攪拌される。

【０００３】２枚のワーク５４ａ，５４ｂを連続的に突
合せ接合する場合には、突合せた２枚のワーク５４ａ，
５４ｂの突合せ部に回転するピン５２を挿入し、突合せ
部に沿って回転子を移動させる。すると、ピンが通過し
た部分の塑性流動部が硬化し、２枚のワーク５４ａ，５
４ｂが突合せ接合されることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】回転子先端は、円柱状
の端面中央からピン５２が突出しており、接合時には、
円柱端面がワーク表面に押圧された状態でピン５２が挿
入される。このワークに押圧される円柱端面部を、以
下、ショルダー部と称する。

【０００５】回転子５３が、上から見て時計回りに回転
しながら移動する場合、進行方向に向かって回転子左側
の部分の材料が、押圧されるショルダー部によって、回
転子右側に塑性流動する傾向があるので、接合されたワ
ークにおいて、接合線左側の部分に欠陥（小さな空洞）
ができやすい。

【０００６】また、ピン部およびショルダー部から母材
が飛び散ったり、ショルダー部の周囲に盛り上がる様に
塑性流動したり、ワーク継ぎ目に大きな隙間があると、
それが母材によって埋められた分だけ、接合部位が凹に
なる（アンダーカット）。このような隙間などが過大な
場合、アンダーカットに加えて接合部位に空洞ができ
る。

【０００７】このような空洞やアンダーカットを生じさ
せない様にするために、接合部の隙間の管理を厳密に行
い、その隙間を極力小さくする必要があるといった問題
があった。また、凹部が生じると、見栄えが悪くなり、
製品として無塗装にできず、塗装する場合、パテの量が
多くなるといった問題があった。

【０００８】このような凹部が生じない様にするため
に、接合部の厚さ方向に突出する凸部（厚肉部）を、接
合部長手方向に沿って設け、凸部側もしくは凸部とは反
対側から回転子を挿入して接合する方法が提案されてい
る。つまり、接合部において、母材が流出した分、ある
いは接合部の隙間の体積分の材料を凸部から補填するこ
とによって、接合部が凹になったり、空洞ができたりす
るのを防止しようとするものである。

【０００９】しかし、これらの方法においては、接合部位に凸部を設けること自体が、工作上、材料の
コストアップにつながる。上記補填量に余裕を持たすために、回転子のショルダ
ー部の径より凸部の幅の方を大にせざるを得ず、接合後
において、凸部の一部が残り、その部分を切削する必要
がある。隙間の幅が、接合部位の長さ方向に応じて変動した場
合、接合面が一定の高さとならないといった問題があっ
た。

【００１０】また、このような凹所を防止する他の先行
技術として、ＷＯ９６／３８２５６がある。この先行技
術では、図１４に示すように、ワークとほぼ同質のアル
ミ材をピンの中心から送出するものである。しかしなが
ら、この方法では、回転子内の空洞の一部にあらかじめアルミ材を充填し
ておくことそのアルミ材は、あらかじめ熱せられたものである
か、別途加熱（ｂ）する物であることこのアルミ材の送出駆動力は、スプリングワッシャー
（ａ）（ｂ）か、螺旋型回転錐（オーガー）（ｃ）によ
るアルミ材は、すべて送出すれば、それで終了となって
しまう（限度がある）。

【００１１】このように、図１４に示す先行技術には問
題点がある。また、別の先行技術として、特開平１１―
１５６５６１があるが、この先行技術は、ピンを引き抜
いた後に発生した孔を埋めるために、ピン径に相当する
穴埋め材を、接合後に供給するものであって、接合中に
発生する空洞や凹所を防ぐことはできない。

【００１２】本発明の目的は、ワーク側を予め加工する
ことなく、接合部において、凹部が形成されない摩擦攪
拌接合装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、高速回転する回転子の先端部を被接合物に押圧し、
前記先端部と前記被接合物との接触部を、回転による摩
擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌
接合装置において、回転子先端部から、金属材を断続的
に送り出す送り出し手段を有し、接合時に、回転子先端
から送り出された金属材も摩擦熱で軟化させ、攪拌して
被接合物に一体化させることを特徴とする摩擦攪拌接合
装置である。

【００１４】本発明に従えば、回転子を高速回転させて
被接合材に押し付けることによって、被接合材が軟化、
攪拌して接合される。ここで、本発明では、接合時に回
転子先端から金属材が断続的に送り出される。送り出さ
れた金属材も、高速回転する回転子による摩擦熱によっ
て軟化し、軟化した被接合材とともに攪拌され、これら
が硬化して被接合物が接合される。このようにして、接
合時に、回転子先端から金属材が供給されるので、接合
時に形成される凹所、および接合終了点において形成さ
れる凹所を防止することができる。また、金属材を供給
して凹所を埋めるので、ワーク側を予め凸に形成する必
要がない。また、送出された金属材は、回転による摩擦
熱で軟化させるので、図１４の先行技術のように予め加
熱する必要がなく、加熱手段などを設ける必要がない。

【００１５】請求項２記載の本発明の前記摩擦攪拌接合
装置は、スポット接合を行い、前記送り出し手段は、接
合点一箇所のスポット接合においては、金属材を連続的
に送り出すことを特徴とする。

【００１６】本発明に従えば、金属材は断続的に供給さ
れるので、とくにスポット接合において好適である。た
だし、接合点一箇所のスポット接合においては、金属材
は連続的に送り出される。

【００１７】請求項３記載の本発明の前記金属材は、被
接合物とほぼ同質で、同程度の硬度を有するアルミニウ
ム合金材であることを特徴とする。

【００１８】本発明に従えば、接合時に供給する金属材
が、被接合物とほぼ同質で、ほぼ同程度の硬度を有する
アルミニウム合金とすることで、被接合物と容易に一体
となり、十分な接合強度が得られる。

【００１９】請求項４記載の本発明の前記金属材は、予
め所定の長さに切断された棒状の金属材であり、前記送
り出し手段は、金属材の後端部を押し込んで、回転子先
端から金属材を送り出すことを特徴とする。

【００２０】本発明に従えば、予め所定の長さに切断さ
れた棒状の金属材を用いることで、所定の量を正確に供
給することができる。したがって、とくにスポット接合
に用いる場合に好適である。また、金属材を後から押し
込んで供給するので、大きな押圧力で金属材を確実に供
給することができる。

【００２１】請求項５記載の本発明の前記回転子には、
回転軸線に沿って貫通し、棒状の金属材を案内するガイ
ド孔が形成され、前記棒状の金属材を、回転子後部の貫
通孔に一本ずつ供給する供給手段を有し、前記送り出し
手段は、回転子後部に供給された金属材を、一本ずつ押
し込むことを特徴とする。

【００２２】本発明に従えば、棒状の金属材を一本ずつ
回転子に供給し、押し込んで供給するので、連続して効
率よく金属材を供給できる。

【００２３】請求項６記載の本発明は、回転子の後端部
に挿入される棒状の金属材を外囲し、棒状の金属材が座
屈するのを防止する座屈防止手段であって、コイル状に
巻かれて形成される一対のコイル部材が組み合わされ、
中心に前記棒状の金属材が挿入され、コイル部材が互い
に反対方向に回転して伸縮する座屈防止手段を有するこ
とを特徴とする。

【００２４】棒状の金属材は、長手方向に強い圧縮負荷
がかかると座屈する場合がある。また、回転子は先端を
被接合物に押し付けるために、軸線方向に直進移動す
る。この点に鑑み、本発明では伸縮可能な座屈防止手段
を備える。座屈防止手段は、一対のコイルが組み合わせ
てなり、中心に棒状の金属材が挿入され、この挿入され
た金属材を補強（ガイド）して座屈を防止する。また、
一対のコイルが組み合わされて構成されるので、これら
が互いに反対方向に回転することで、座屈防止手段が伸
縮する。つまり、軸線方向に移動する回転子の移動を許
容することが可能である。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は本発明の実施の一形
態の摩擦攪拌接合装置１の構成を示す図であり、図１
（ｂ）は、摩擦攪拌接合装置１の先端部の拡大図であ
る。摩擦攪拌接合装置１は、回転子２、回転駆動源であ
るサーボモータ４、電磁ブレーキ５、金属材８を送り出
す送り出し手段２３、およびこれらを支持する支持部材
（図示略）を有し、回転子２は、回転子本体９と、回転
子本体９を保持する回転子保持部材３とから構成され
る。回転子本体９は略円柱状であり、中心軸線が回転軸
線Ｌとなり、先端側が先細りに形成され、先端部に回転
軸線Ｌと同軸の円柱部６が形成され、この円柱部の下端
面（ショルダー部）６ａから軸線Ｌに沿ってピン７が突
出する。回転子本体９および回転子保持部材３には、回
転軸線Ｌに沿って貫通し、金属材８をガイドするガイド
孔１７が形成される。ガイド孔１７は、ピン７の先端で
開口し、送り出し手段２３から送り出された金属材８
は、ピン先端から送出される。

【００２６】回転子２を回転軸線Ｌまわりに高速で回転
させるとともに、回転軸線Ｌに沿って前進させる。する
と、被接合物であるワークに先端のピン７が押し付けら
れ、摩擦熱によってワークが軟化し、ピン７がワークに
挿入され、さらに回転するピン７によって攪拌され、塑
性流動が生じる。さらに円柱部６の下端面６ａがワーク
に押し付けられ、この下端面６ａにおいても摩擦熱が発
生し攪拌される。これとともに、送り出し手段２３によ
って金属材８をピン先端から送出する。すると、送出さ
れた金属材８も、ピン７の回転による摩擦熱で軟化して
塑性流動が生じ、同様に塑性流動を生じたワークととも
に攪拌され一体となる。

【００２７】このように攪拌した後、スポット接合の場
合は、そのまま軸線Ｌに沿って回転子２を上昇させてピ
ンを引き抜く。連続または断続接合の場合は、回転軸線
Ｌに垂直な方向に任意の長さ分、回転子２とワークとを
相対移動させて連続的に接合し、その後回転子２を上昇
させてピン７を引き抜く。ピンを引き抜いたとき、従来
では、ピン孔が形成されていたが、本発明では、金属材
８を供給することで、ピン孔を埋めるだけの金属材を供
給することができ、これによって、ピン孔を形成するこ
となく、摩擦攪拌接合することができる。また、接合中
にも、金属材を供給することで、アンダーカットや空洞
が形成されることが防がれる。このようにして、凹所を
形成することなく、２枚以上のワークを接合することが
できる。送り出す金属材８は、ワークとほぼ同質で同程
度の硬度の金属材料であり、本実施形態ではワークおよ
び金属材は、同質のアルミニウム合金とする。

【００２８】回転子保持部材３は、回転子２の回転軸線
Ｌを共通に有する円柱状であり、下端部に回転子本体９
が挿入され、回転軸線Ｌまわりの回転および回転軸線Ｌ
方向の移動が阻止された状態で、回転子本体９を保持す
る。回転子保持部材３の外周部には、回転軸線Ｌに平行
に複数のスプライン１０が形成されており、このスプラ
イン１０が嵌まり込む環状の３個のスプライン受け１
１，１２，１３が、各軸受け１４，１５，１６によって
回転軸線Ｌまわりに回転可能に支持されている。各軸受
け１４，１５，１６は、それぞれ支持部材に固定されて
おり、このような構成によって、回転子保持部材３は、
回転軸線Ｌまわりに回転可能に、かつ回転軸線方向Ｌ方
向に移動可能に支持部材に支持される。

【００２９】サーボモータ４も、支持部材に固定されて
おり、出力軸２０が回転子２の回転軸線Ｌに平行に配置
され、軸受け２１によって回転自在に支持部材に支持さ
れ、出力軸２０の先端部に有歯ベルト車２３が取り付け
られる。また、前記３個のスプライン受けの内の中央の
スプライン受け１２には、外周に有歯ベルト車が形成さ
れ、この有歯ベルト車からサーボモータ４の有歯ベルト
車２３にわたってタイミングベルト２４が巻き掛けられ
る。このような構成によって、サーボモータ４を回転駆
動することによって、回転子２を回転軸線Ｌまわりに回
転駆動することができる。

【００３０】回転子保持部材３の上方には、ねじ軸３０
が、軸受け３１によって回転軸線Ｌまわりに回転自在に
支持部材に支持される。このねじ軸３０は、回転子２を
直進駆動し、回転子２に対して相対的に直進移動する直
進移動部材として機能する。また、回転子保持部材３の
上端部には、回転軸線Ｌを中心とし、前記ねじ軸３０に
螺合するボールねじであるナット部材３２が固定され
る。ねじ軸３０は、棒状であり、中央部にフランジ３３
が形成され、このフランジ３３よりも下方側に外ねじが
形成され、フランジ３３の上に軸受け３１が配置され
る。この軸受け３１は、ラジアル軸受けおよびスラスト
軸受けであり、フランジ３３からのスラスト方向の押圧
力を受ける。この軸受け３１の上方に電磁ブレーキ５が
設けられる。電磁ブレーキ５は、支持部材に固定され、
電流が印加されて励磁されることによって、ねじ軸３０
にブレーキをかけ、ねじ軸３０の回転軸線Ｌまわりの回
転を制動する。

【００３１】したがって、電磁ブレーキをオフした状態
で、サーボモータ４を正転（上方からみて時計回り）さ
せると、ねじ軸３０とともに回転子保持部材３が回転軸
線Ｌまわりに回転する。ねじ軸３０は右ねじであり、回
転子保持部材３を時計回りに回転させた状態で、電磁ブ
レーキ５をオンし、ねじ軸３０の回転を停止させると、
回転子保持部材３に固定されるナット部材３２がねじ軸
３０まわりに回転し、ナット部材３２および回転子保持
部材３が回転軸線Ｌ方向に前進（下降）する。回転子保
持部材３は、サーボモータ４からの回転力が伝達され、
かつスプラインによって回転軸線Ｌ方向の移動が許容さ
れているので、回転子２は回転しながら直進移動するこ
とができる。また、サーボモータ４の回転方向を逆転さ
せると、回転子２は逆方向に回転しながら上昇する。ま
た、回転子保持部材３が上昇したときにねじ軸３０の下
端部が回転子保持部材３の上端面に衝突しないように、
ナット部材３２は、図１（ａ）に示すように、回転子保
持部材３の上端面から離反した位置に固定される。

【００３２】電磁ブレーキ５の上方には、送り出し手段
２３が設けられる。図２は、送り出し手段２３を示す拡
大図である。電磁ブレーキ５は、ねじ軸３０を保持し、
このねじ軸３０には、軸線に沿って貫通し、金属材８が
挿通する挿通孔２９が形成される。

【００３３】送り出し手段２３は、ねじ軸３０の上端か
ら挿通孔２９に円柱棒状の金属材８を断続的に送り出
し、金属材８を供給する供給手段６１と、供給された金
属材８を押し出すプッシャ６０とから構成される。

【００３４】供給手段６１は、棒状の金属材複数を並べ
て保持しテープ状にして供給する。詳しくは、テープ状
にした複数の金属材８を、巻き出しロール６２と巻き取
りロール６３とで巻き取り、巻き出しロール６２と巻き
取りロール６３との間で張架される部分が、ねじ軸３０
の上となるように配置する。そして、並列される棒状の
金属材８が、順次挿通孔２９の上に配置されるように、
巻き取りロール６３で断続的に巻き取る。これに同期し
て、挿通孔２９上に配置された金属材８をプッシャ６０
で押し込んでいく。

【００３５】プッシャ６０は、プッシャ本体６６、ナッ
ト部材６５およびサーボモータ６７を有する。プッシャ
本体６０は、下半分が、円柱棒状の金属材８と同径の押
し出し軸６６ａとなり、上半分が、外ねじが形成される
基部６６ｂとなる。プッシャ本体６０は、回り止め６９
で回転軸線Ｌ回りの回転が阻止され、かつ回転軸線Ｌ方
向に移動可能に設けられる。プッシャ本体６６の基部６
６ｂに、ナット部材６５が螺合し、このナット部材６５
は支持部材に回転自在に支持される。サーボモータ６７
は、タイミングベルト６８を介してナット部材６５を回
転駆動させることで、プッシャ本体６６を軸線Ｌ方向に
昇降させることができる。

【００３６】このようにして、金属材８の供給に同期し
てプッシャ本体６６を昇降させることで、供給された金
属材８を挿通孔２９に押し込み、金属材８を断続的に送
り出すことができる。

【００３７】なお、プッシャ６０はこのようなねじを用
いた機構に限らず、油圧や空圧を用いて昇降する機構で
あってもよい。

【００３８】図３は、金属材８の送り出し方法を説明す
る図であり、図４は、そのときのプッシャ本体６６の位
置、プッシャ本体６６の速度、およびプッシャ６０の押
圧力を示すグラフである。これらを参照して、金属材８
の送り出しについて説明する。なお、ねじ軸３０の挿通
孔２９の最上部に既に挿入された金属材をＡ０とし、そ
の次に供給される金属材をＡ１とする。プッシャ本体６６の押し出し軸６６ａが、予め距離Ｌ
だけねじ軸３０の上方に退避している。距離Ｌは、金属
材８の長さより長いものとする。この状態で、金属材Ａ
１が、ねじ軸３０の挿通孔２９と押し出し軸６６ｂとの
間に供給される。そして、プッシャ本体６６を下降させ
る。このとき、プッシャ本体６６は一定速度で下降し、
押圧力はほぼ０で一定である。プッシャ本体６６が距離Ｌ進むと、金属材Ａ１が全て
挿通孔２９に挿入される。さらにプッシャ本体６６を距離Ｌ進め、押圧すると、
その下にある金属材Ａ０が押し込まれ、回転子先端から
金属材８が送り出される。このとき、プッシャ本体６６
の移動速度は、金属材Ａ１を挿入するときよりも遅い一
定速度である。また、押圧力は、金属材Ａ１を挿入する
ときよりも大きい一定の押圧力となる。金属材８の送出後、プッシャ本体６６を２Ｌ上昇させ
る。このときのプッシャ本体６６の上昇速度は、金属材
Ａ１を挿入するときよりも速い一定速度である。また、
押圧力はほぼ０で一定である。こうしての状態にもど
る。以上の〜を繰り返すことで、断続的に金属材８
を送り出すことができる。

【００３９】図５は、ねじ軸３０の下端部付近を拡大し
て示す断面図である。回転子２は、軸線方向に直線移動
するのに対し、送り出し手段２３、電磁ブレーキ５、ね
じ軸３０は支持部材に支持され、直線移動する回転子２
に対して固定位置に配置される。つまり、ねじ軸３０と
回転子２とは相対的に直進移動する。そのため、ねじ軸
３０の下端部と回転子２の上端面２ａとの間で、金属材
８が露出する部分が出てくる。

【００４０】金属材８は、プッシャ６０によって大きな
力で押し出されるで、軸方向に大きな圧縮荷重が作用す
る。したがって、金属材８が外部で露出する部分で、最
も座屈しやすくなる。そこで、ここに、金属材８を外囲
して座屈を防止し、さらにねじ軸３０と回転子２の上端
面２ａとの間の変化を許容する座屈防止手段７０が設け
られる。

【００４１】図６は、座屈防止手段７０の構造を説明す
る図である。座屈防止手段７０は、高剛性の一対のコイ
ル７１と７２とが組み合わされて構成される。これらの
コイル７１，７２は、互いに嵌まり合うように組み合わ
されることで、円筒体となる。逆にいえば、円筒体から
２つのコイルを切り出したとすると、一方がコイル７１
となり、他方がコイル７２となる。

【００４２】このように組み合わされたコイル７１，７
２は、互いに反対方向に回転させると、コイル７１と７
２との噛合い量が少なくなって伸張する。逆方向に回転
させると、コイル７１と７２の噛合い量が増加して収縮
する。

【００４３】ねじ軸３０の下端部に凹所７３が形成さ
れ、この凹所７３から回転子２の上端面２ａにわたって
上記座屈防止手段７０が配置される。ねじ軸３０に挿通
される金属材８は、ねじ軸３０の下端部から座屈防止手
段７０に挿入され、回転子２の上端面２ａで開口するガ
イド孔１７に導かれる。

【００４４】固定位置にあるねじ軸３０に対して回転子
２が回転することで、回転子２は昇降する。また、コイ
ル７１，７２の螺旋の傾きは、ねじ軸３０のねじ部の傾
きと同じとして、ねじ軸３０による直進量と座屈防止手
段７０の伸縮量を同じとする。

【００４５】したがって、座屈防止手段７０の上側のコ
イル７１をねじ軸３０側に固定し、下側のコイル７２を
回転子２側に固定すると、回転子２の回転による回転子
の昇降に追従して、座屈防止手段７０が同じ長さだけ伸
縮する。このようにして、回転子２上端面２ａとねじ軸
３０の下端部との間の距離の変化に追従して座屈防止手
段７０が伸縮する。このとき、高剛性のコイル７１，７
２によって常に金属材８を外囲しているので、金属材８
が座屈するといったことが防がれる。

【００４６】このような高剛性のコイル７１，７２の組
合せでなく、伸縮するスプリングを使用する方法も考え
られるが、座屈防止手段７０の方が堅固にできるととも
に、スプリングのように、伸縮したとき内径が変化する
ことがないので、金属材８の外径との隙間を極力少なく
することができる。また、隙間があっても螺旋状（半径
方向に平面的でない）なので、これによっても座屈しに
くい構造となる。

【００４７】また、金属材８が自転しない場合を考える
と、回転子２が上からみて時計方向に回転する場合は、
コイル７１，７２は上から見て右ねじ方向の方が送出し
やすく望ましい。

【００４８】つぎに、接合時の押圧力設定方法について
説明する。サーボモータ４は、回転速度が一定になるよ
うにフィードバック制御されており、検出した回転速度
が設定される値よりも遅い場合は、回転速度が上昇する
ように電流値を上げ、設定値より速い場合は回転速度を
下げるように電流値を下げる。つまり、回転子先端でワ
ークを押圧し、サーボモータ４の回転トルクが増大して
回転速度が遅くなるとサーボモータ４に供給される電流
が上昇し、回転トルクが低下するとサーボモータ４に供
給される電流が減少する。したがって、サーボモータ４
の電流値を検出することで、サーボモータ４の回転トル
クを検出することができる。したがって、所定の押圧力
に対応するサーボモータ４の電流値を予め設定してお
き、検出した電流値が設定した値になったとき、電磁ブ
レーキ５をオフにするように制御することで、押圧力を
設定する。

【００４９】つぎに、図７に示すタイムチャートを参照
して、押圧力設定方法を適用した連続接合作業時の摩擦
攪拌接合装置１の制御方法について説明する。なお、図
７では上から、押圧力、回転子位置、電磁ブレーキ、サ
ーボモータの回転方向、サーボモータトルク、回転子２
の水平位置を示すタイムチャートを示す。

【００５０】初期状態では回転子２は、回転子保持部
材３が上昇した位置である原位置にあり、サーボモータ
４は逆転（反時計回り）しているものとする。つまり、
前回の接合作業が終了し、回転子２を逆転させながら上
昇して原位置に復帰した状態にあるものとする。このと
き、電磁ブレーキ５は、オフ状態にあり、励磁されてい
ない。つまり、ねじ軸３０の回転は拘束されておらず、
回転子保持部材３とともに回転し、回転子２の直進移動
は停止している。

【００５１】サーボモータ４が回転していないときのサ
ーボモータトルクは０であり、正転している場合は＋と
し、逆転している場合は−とする。の状態では、回転
子２はワークを押圧しておらず、押圧力は０（無負荷）
であるが、逆転しているので、サーボモータトルクは−
となる。

【００５２】接合の準備として、サーボモータ４を正
転（時計回り）させる。すると、サーボモータトルクは
＋となる。このとき、ねじ軸３０もナット部材３２とと
もに時計回りに回転している。

【００５３】電磁ブレーキ５をオンすると、ねじ軸３
０の回転が拘束され、ナット部材３２がねじ軸３０に対
して時計回りに回転し、回転子保持部材３および回転子
２が時計回りに回転しながら下降し始める。また、サー
ボモータトルクは、回転子保持部材３および回転子２の
直進移動分だけ増加する。なお、このときの電磁ブレー
キ４のブレーキトルクは、所定の押圧力が十分発生する
程度に設定しておく。

【００５４】回転子２がワークに当接すると、回転子
２の下降が停止し押圧力が発生する。また、これによっ
てサーボモータトルクも増大する。サーボモータトルク
が、所定の押圧力に対応する値に達すると、電磁ブレー
キ５をオフにする。これによって、ワークは所定の押圧
力で押圧されることとなる。そして、回転子２の水平位
置を、接合開始点から接合終了点への相対移動を開始す
るとともに、ピン先端から金属材を送出する。

【００５５】ピン先端では摩擦熱によって母材が高温で
軟化しており、送出された金属材も高温になり、図８に
示すように、軟化して母材中に挿入される。そして、回
転子２とワークとの相対運動があるため、軟化して挿入
された金属材が母材の中に順次取り込まれることにな
る。この結果として、接合部での金属材の分量を補った
り、増やしたりすることができる。

【００５６】回転子２の水平位置が接合終了点に到達す
ると、金属材の送出を停止する。なお、このときのサー
ボモータトルクは、回転子先端とワークとの摩擦による
負荷と、回転子２の押圧力に抗するねじ軸３０のフラン
ジ３３に作用する負荷である。

【００５７】押圧後、サーボモータ４を逆転（反時計
回り）させるとともに、電磁ブレーキ５をオンにする。
すると、ねじ軸３０が拘束され、ナット部材３２がねじ
軸３０に対して反時計回りに回転し、回転子２が上昇す
る。なお、このときのサーボモータトルクは、回転子２
を引き上げるときの負荷であるので、のときよりもや
や下がる。

【００５８】そして、回転子２が原位置まで上昇する
と、電磁ブレーキ５をオフにして停止させる。原位置か
らワーク押圧位置までの移動量は、予め設定されている
ので、サーボモータ４の逆転以降、前記移動量に対応す
る回転量だけサーボモータ４を回転させた時点で、電磁
ブレーキ５をオフする。これによって、回転子２は原位
置に復帰する。

【００５９】回転子が原位置に戻った状態で、接合作
業の１サイクルが終了する。この状態は、上記したの
状態と同じである。

【００６０】なお、本実施例においては金属材８の供給
は断続的に行われるので、金属材が供給されないとき
は、回転子２の横移動を停止したり、さらに回転の低減
も含めて調整すると良い。

【００６１】上記した接合方法では、における押圧時
の押圧力は一定となるように制御したが、押圧力を段階
的に、または無段階に増大させるように制御してもよ
い。たとえば、でサーボモータトルクが所定の第１の
値に達した時点で一旦、電磁ブレーキをオフにして所定
時間押圧し、その後、再度電磁ブレーキ５をオンにし、
サーボモータトルクが前記第１の値よりも大きい第２の
値に達した時点で電磁ブレーキ５をオフにし、また所定
時間押圧する。このようにして、段階的に押圧力を増大
させることができる。

【００６２】また、この時、電磁ブレーキ５をオンにす
ると同時に、サーボモータ４を逆転させることとによ
り、押圧力を減少させることができる。

【００６３】なお、本実施形態では、接合開始点から接
合終了点まで回転子先端をワークに挿入したまま移動さ
せて連続的に接合する場合を示したが、図９（ａ）に示
すように、ワークの異なる接合部位で、回転子先端の挿
入、引き抜きを繰り返し、断続的にワークを接合しても
よく、また図９（ｂ）に示すように、ワークの各接合点
で、ピンの挿入および引き抜きを行い、ワークをスポッ
ト的に接合するようにしてもよい。本発明では、金属材
８を断続的に送り出すので、このようにスポット接合す
る場合にとくに好適である。なお、この場合、一回のス
ポット接合においては、金属材は連続的に送り出され
る。また、一回のスポット接合ごとに一本の金属材８を
送り出しても良く、一本の金属材８を複数回のスポット
接合に用いてもよい。

【００６４】また、本実施形態では、図７のタイムチャ
ートのにおいて、金属材８の送出停止と回転子上昇
（引き抜き）とを同時としたが、ピン７の長さに見あう
時間分、金属材８の送出停止を遅らせてもよい。すなわ
ち、図１０に示すように、ピン７がワークの中にある間
は、金属材８を引き続き送出するようにして、ピン７を
引き抜いた後が空洞にならず、金属材８で覆っている状
態にするためである。これは、連続接合の場合に限ら
ず、図９（ａ）に示す断続的に接合する場合の各終了
点、および図９（ｂ）に示すスポット接合する各接合点
においても、回転子２の引き抜き時に金属材８を送出す
るようにしてもよい。

【００６５】なお、本実施例では、金属材８が分断され
ているので、全体あるいは部分的に回転子２と共まわり
する。

【００６６】本実施例では、金属材としては、カートリ
ッジ式に予め所定長に切断されたものを用い、プッシャ
６０により送出する様にしたが、金属線材をロール巻に
したものを用意し、その都度所定長に切断して、フレー
ム上でガイドに挿入して、プッシャ６０で送出する様に
してもよい。

【００６７】つぎに、金属材８をアルミニウムとした場
合の実施例について説明する。摩擦熱によって生じる接
合部の最高温度は、通常４５０℃（５００℃に達する場
合もある）である（軽金属溶接 Vol.37 No.9 p13）。ま
たアルミニウムの常温を２０℃とする。

【００６８】ここで、母材Ａの中に物体Ｂが押し込まれ
るための法線応力Ｆ（Kg／ｍｍ²）は、母材Ａの降伏応
力をＹ（Kg／ｍｍ²）とすると（図１１参照）、Ｆ＝２．８２Ｙであり（日刊工業新聞社金属材料学ｐ２２０）、ア
ルミニウムの場合、常温でＹ＝１２．３であり（同ｐ
２２１）６６０℃の融点では、Ｙ＝０である。

【００６９】ここで、温度と降伏応力がほぼ反比例する
とし、余裕率を２倍にとると、４５０℃の摩擦攪拌時の
降伏応力は、Ｙ_at450℃＝１２．３×（６６０−４５０）／（６６０
―２０）×２＝８．０７したがって、４５０℃時にＢが押し込められるときの
法線応力Fは、Ｆ_at450℃＝２．８２×Ｙ_at450℃＝２２．８（Kg／ｍｍ
²）となる。

【００７０】温度と降伏応力との関係を示す文献は少な
いが、JIS試験方法における耐力が降伏応力と比例関係
にあると考えられる。耐力については、図１２のグラフ
（軽金属協会編アルミニウムハンドブックｐ４２）
に示すように、ほとんど全ての種類のアルミニウム合金
について、温度が３５０℃以上では、耐力が５０N／ｍ
ｍ²（５．１Kg／ｍｍ²）となっており、摩擦攪拌接合の
最高温度の４５０℃では、それ以下と考えられ、結果的
に、ほぼ反比例するとしたことは正しいと考えられる。

【００７１】一方送出するアルミ線材を１．６ｍｍφと
すると、断面積は２．０１ｍｍ²となる。したがって、
法線応力×断面積として、２２．８×２．０１＝４５．８（Kg） …（１）となり、４５．８Kg以上の力でアルミ線材を駆動供給す
ればよい。

【００７２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、接合時
に、回転子先端から金属材が供給されるので、接合時に
形成される凹所、および接合終了点において形成される
凹所を防止することができる。さらに、接合部におい
て、金属材の分量を逆に増やすことも可能になるので、
余盛などを形成でき、さらなる強度向上を図ることがで
きる。

【００７３】また、金属材を供給して凹所を埋めるの
で、ワーク側を予め凸に形成する必要がない。また、送
出された金属材は、回転による摩擦熱で軟化させるの
で、図１４の先行技術のように予め加熱する必要がな
く、加熱手段などを設ける必要がない。

【００７４】また本発明によれば、金属材は断続的に供
給されるが、接合点一箇所のスポット接合においては、
金属材は連続的に送り出されるので、とくにスポット接
合において好適である。

【００７５】また本発明によれば、接合時に供給する金
属材が、被接合物とほぼ同質で、ほぼ同程度の硬度を有
するアルミニウム合金とすることで、被接合物と容易に
一体となり、十分な接合強度が得られる。

【００７６】また本発明によれば、予め所定の長さに切
断された棒状の金属材を用いることで、所定の量を正確
に供給することができる。したがって、とくにスポット
接合に用いる場合に好適である。また、金属材を後から
押し込んで供給するので、大きな押圧力で金属材を確実
に供給することができる。

【００７７】また本発明によれば、棒状の金属材を一本
ずつ回転子に供給し、押し込んで供給するので、連続し
て効率よく金属材を供給できる。

【００７８】また本発明によれば、伸縮し、金属材を外
囲する座屈防止手段が設けられるので、回転子の移動を
許容するとともに、金属材の座屈を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態である摩擦攪拌接合装置
１を示す正面図である。

【図２】送り出し手段２３の拡大図である。

【図３】金属材８の送り出し方法を説明する図である。

【図４】プッシャ本体６６の位置、プッシャ本体６６の
速度、およびプッシャ６０の押圧力を示すグラフであ
る。

【図５】座屈防止手段７０近傍の拡大図である。

【図６】座屈防止手段７０の構造を示す斜視図である。

【図７】摩擦攪拌接合装置１の制御方法を示すタイムチ
ャートである。

【図８】接合時の回転子２先端を示す図である。

【図９】断続的に接合する方法を説明する図である。

【図１０】回転子２の引き抜き時の金属材８の送出を示
す図である。

【図１１】母材Ａと物体Ｂとの関係を示す図である。

【図１２】アルミニウムの耐力と温度との関係を示すグ
ラフである。

【図１３】典型的な従来の摩擦攪拌接合装置５０を示す
斜視図である。

【図１４】先行技術の摩擦攪拌接合装置を示す図であ
る。

【符号の説明】

１摩擦攪拌接合装置２回転子３回転子保持部材４サーボモータ８金属材９回転子本体３０ねじ軸３２ナット部材２３送り出し手段６０プッシャ６１供給手段７０座屈防止手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速回転する回転子の先端部を被接合物
に押圧し、前記先端部と前記被接合物との接触部を、回
転による摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合す
る摩擦攪拌接合装置において、回転子先端部から、金属材を断続的に送り出す送り出し
手段を有し、接合時に、回転子先端から送り出された金
属材も摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物に一体化さ
せることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】前記摩擦攪拌接合装置は、スポット接合
を行い、前記送り出し手段は、接合点一箇所のスポット
接合においては、金属材を連続的に送り出すことを特徴
とする請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】前記金属材は、被接合物とほぼ同質で、
同程度の硬度を有するアルミニウム合金材であることを
特徴とする請求項１または２記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】前記金属材は、予め所定の長さに切断さ
れた棒状の金属材であり、前記送り出し手段は、金属材
の後端部を押し込んで、回転子先端から金属材を送り出
すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載
の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】前記回転子には、回転軸線に沿って貫通
し、棒状の金属材を案内するガイド孔が形成され、前記棒状の金属材を、回転子後部の貫通孔に一本ずつ供
給する供給手段を有し、前記送り出し手段は、回転子後部に供給された金属材
を、一本ずつ押し込むことを特徴とする請求項４記載の
摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】回転子の後端部に挿入される棒状の金属
材を外囲し、棒状の金属材が座屈するのを防止する座屈
防止手段であって、コイル状に巻かれて形成される一対のコイル部材が組み
合わされ、中心に前記棒状の金属材が挿入され、コイル
部材が互いに反対方向に回転して伸縮する座屈防止手段
を有することを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合
装置。