JP4441284B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、被接合物を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置に関する。

溶接装置は、被接合物の継ぎ手部分を溶融することによって、２つの被接合部材を接合する。これに対して、摩擦撹拌接合装置は、接合ツールによる摩擦熱によって、被接合物の継ぎ手部分を固相撹拌することによって、２つの被接合部材を接合する。摩擦撹拌接合装置は、溶接装置に比べて、被接合物に与える熱量が少なく、接合後の被接合物に生じるひずみが小さい。また摩擦撹拌接合装置は、接合ツールによって被接合物を押圧するので、被接合物から反力が与えられる。

第１の従来の技術として、マグネットを用いて被接合物に走行レールを固定し、走行レールに沿って溶接装置を移動させて、２つの被接合部材を接合する方法がある（たとえば特許文献１参照）。この場合、被接合物がアルミ合金であると走行レールを被接合物に確実に固定することができない。したがって溶接装置に代えて摩擦撹拌接合装置を走行レールに沿って移動させる場合には、被接合物から与えられる反力によって走行レールがずれるおそれがある。

また、走行レールと被接合物とを仮溶接して、走行レールを被接合物に強固に固定した場合には、被接合物から与えられる反力によって、走行レール付近の被接合物が変形するおそれがある。

図２０は、第２の従来技術の摩擦撹拌接合装置１を示す斜視図である。第２の従来の摩擦撹拌接合装置１は、ＦＳＷヘッド２と、テーブル３とを有する。ＦＳＷヘッド２は、接合ツール４を装着し、接合ツール４を予め定める基準軸線Ｌ１まわりに回転するとともに、接合ツール４を基準軸線Ｌ１に沿って移動させる。テーブル３は、２つの被接合部材５，６を突合わせて、被接合物９として保持する。

テーブル３は、被接合物９を保持するワーク保持部７と、基台部８と、テーブル駆動手段（図示せず）とを有する。ワーク保持部７は、基台部８に対して変位可能に設けられる。テーブル駆動手段は、ワーク保持部７を被接合物９の接合線１０に平行に走行させる。ＦＳＷヘッド２は、コラム部１２によってテーブル３の基台部８に固定される。コラム部１２は、水平方向に延びてＦＳＷヘッド２を片持ち支持する。

図２１および図２２は、第３の従来技術の摩擦撹拌接合装置１３，１５を示す斜視図である。第３の従来技術の摩擦撹拌接合装置１３，１５は、ＦＳＷヘッド２を支持する支持部１６と、支持部１６を変位駆動するヘッド駆動手段１４とを有する。支持部１６は、水平方向に延びてＦＳＷヘッド２を片持ちまたは両持ち支持する。ヘッド駆動手段１４は、被接合物９の接合線１０に平行に支持部１６を移動させる（たとえば特許文献２参照）。

特開平１０−２４３７０号公報 特開２００２−１６００７７号公報

上述した第２の従来技術では、テーブル駆動手段は、被接合物全体に対応する移動量分だけワーク保持部７を搬送する必要がある。また第３の従来技術では、ヘッド駆動手段１４は、被接合物全体に対応する移動量分だけ支持部１６を搬送する必要がある。またヘッド駆動手段１４は、被接合物９の水平方向外方で支持部１６を担持する必要がある。したがって被接合物９が大型かつ大重量となると、従来技術の摩擦撹拌接合装置１，１３，１５では、テーブル駆動手段またはヘッド駆動手段もまた大型化する。

たとえば複数の被接合部材を接合して鉄道車両の側構体を構成する場合には、第２の摩擦撹拌接合装置１では、側構体全体を保持するテーブル３と、テーブル３に保持される側構体を移動可能な大型のテーブル駆動手段が必要となる。また第３の摩擦撹拌接合装置１３，１５では、側構体全体を保持するテーブル３と、側構体を広い範囲にわたって移動可能なヘッド駆動手段１４が必要となる。

このように第２および第３の従来技術では、被接合物９の大型化にともなって摩擦撹拌接合装置１，１３，１５の設備コストおよび設置スペースが大きくなる。また、摩擦撹拌接合装置１，１３，１５が大型化すると、摩擦撹拌接合に要求される接合ツールの位置決め精度を広い空間において確保する必要がある。また大型化によって装置自体の自重が大きくなるので、駆動手段の強度を大きくする必要がある。これによって摩擦撹拌接合装置の製造および導入に費やす設備投資コストが必然的に巨額となる。また１つの摩擦撹拌接合装置では、異なる形状の被接合物に対して柔軟に対応することが困難である。

したがって本発明の目的は、被接合物の大きさにかかわらずに、小型化が可能な摩擦撹拌接合装置を提供することである。

本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを圧入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める基準軸線を有し、基準軸線と同軸に接合ツールを保持するツール保持部と、
ツール保持部を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
ツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する圧入駆動手段と、
被接合物を保持する支持体と、
支持体に着脱可能に装着され、基準軸線と交差する走行方向に案内可能にツール保持部を搭載する搭載体と、
前記支持体と前記搭載体とを着脱可能に締結するねじ部材とを備え、
前記搭載体には、前記支持体に装着されるための装着部が形成され、
前記装着部には、前記ねじ部材を挿通可能な挿通孔が、前記基準軸線および前記走行方向にともに垂直な方向に延びて形成されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。

本発明に従えば、支持体が被接合物を保持した状態で、被接合物に予め設定される接合領域に対応する位置に搭載体が搬送される。搭載体は、その位置で支持体に装着される。そしてツール保持部を基準軸線方向に回転させるとともに基準軸線方向に移動させる。

これによってツール保持部に装着される接合ツールが、回転しながら被接合物に圧入する。接合ツールは、被接合物に摩擦熱を与えることによって、各被接合部材を摩擦撹拌接合する。このとき、ツール保持部を走行方向に案内することによって、被接合部材を連続接合またはスポット接合することができる。

接合ツールを被接合物に圧入するとき、被接合物は、接合ツールから基準軸線方向に押圧される。この押圧力は、被接合物を保持する支持体に伝わる。またツール保持部は、被接合物から基準軸線方向に接合反力が与えられる。この反力は、ツール保持部から搭載体に伝わり、さらに搭載体が装着される支持体に伝わる。

被接合物から支持体に伝わる押圧力と、搭載体から支持体に伝わる接合反力とは、互いにつりあう。これによって走行レールと被接合物を直接固定した場合に比べて、被接合物に生じる変形を防ぐことができる。
また、ねじ部材を用いることによって、マグネットおよび真空吸着などに比べて、強固に支持体と搭載体とを結合することができる。またガタをなくした状態で、支持体と搭載体とを接合することができる。これによって接合時に、被接合物から搭載体に反力が与えられても、搭載体の変位を阻止して摩擦撹拌接合を継続することができる。
搭載体の装着部には、基準軸線および走行方向にともに垂直な方向に延びる挿通孔が形成されるので、被接合物を保持した支持体に対して搭載体をねじ部材によって締結する際に、基準軸線および走行方向にともに垂直な方向に沿って、支持体に対する搭載体の位置を微調整することができ、接合線と接合ツールの移動経路とが一致するように容易に調整することができる。

また本発明では、被接合物に予め設定される接合領域を、接合ツールが移動可能となるように搭載体を形成するだけでよく、それ以上大型化する必要がない。たとえば、１つの被接合物に接合領域が散在する場合も、接合領域毎に接合動作を行うことで、搭載体を可及的に小型化することができる。したがって被接合物全体にわたって接合ツールを移動可能な構成にする必要がなく、摩擦撹拌接合装置を可及的に小型化することができる。

本発明は、支持体は、接合ツールの反対側から被接合物に当接することを特徴とする。
本発明に従えば、被接合物を接合ツールと支持体とによって挟持した状態で、摩擦撹拌接合することができる。したがって接合ツールから与えられる押圧力によって、被接合物が変形することを防ぐことができる。

本発明は、支持体に搭載体を装着した状態で、搭載体は、走行方向両端部が支持体に支持されることを特徴とする。

本発明に従えば、搭載体の走行方向両端部が支持体に支持されることによって、安定してツール保持部を走行方向に案内することができる。

本発明は、支持体に搭載体を装着した状態で、支持体に対する搭載体の変位を阻止する変位阻止手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明に従えば、接合時に支持体に対して搭載体が変位することが阻止される。これによって被接合物と搭載体とが接合時にずれることを防ぐことができる。

本発明は、変位阻止手段は、支持体および搭載体のいずれか一方に設けられ、凹所が形成される係止部と、
支持体および搭載体のいずれか他方に設けられ、前記係止部に嵌合する嵌合部とを含み、係止部に嵌合部が嵌合することによって、支持体に対する搭載体の、基準軸線方向の変位を阻止することを特徴とする。

本発明に従えば、接合時には、搭載体は、被接合物から離反する基準軸線方向に、被接合物から反力が与えられる。係止部に嵌合部が嵌合することで、搭載体が基準軸線方向に変位することを防いで、摩擦撹拌接合することができる。また、構造的に搭載体と支持体とを結合することによって、接合現場における搭載体と支持体との装着動作を短時間で行うことができる。

本発明は、ツール保持部を前記走行方向に変位駆動する走行駆動手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明に従えば、走行駆動手段によって、ツール保持部を走行方向に移動させる。これによって被接合部材を走行方向に沿って、連続接合することができる。また走行方向に沿う複数の箇所で、スポット接合することができる。これによって手動で、走行方向にツール保持部を移動させる必要がなく、利便性を向上することができる。

本発明は、搭載体は、支持体に装着される本体部と、ツール保持部を案内する案内部とを有し、案内部は、本体部に対して位置調整可能に設けられることを特徴とする。

本発明に従えば、搭載体が支持体に装着された状態で、ツール保持部の移動経路を調整することができる。

本発明は、支持体は、複数の保持体を同時に保持可能に形成されることを特徴とする。
本発明に従えば、被接合物と支持体とを位置合せした状態で、支持体に複数の搭載体を保持することができるので、搭載体ごとに支持体が設けられる場合に比べて、被接合物と支持体との位置合わせにかかる手間を低減することができる。また複数の搭載体を１つの支持体によって固定することによって、接合時に複数の搭載体が互いにずれることを防ぐことができる。

本発明は、被接合物を連続接合することを特徴とする。
本発明に従えば、接合ツールを、被接合物に圧入させた状態で、走行方向に移動させることによって、被接合物を連続接合することができる。

本発明は、被接合物をスポット接合することを特徴とする。
本発明に従えば、被接合物に摩擦撹拌接合した後、接合ツールを被接合物から離脱して走行方向に移動させて、再び被接合物に圧入することによって、走行方向に沿う複数の箇所で、被接合物をスポット接合することができる。

本発明によれば、被接合物に予め設定される接合領域に基づいて、搭載体を形成可能である。これによって第３の従来技術のように、ツール保持部を被接合物全体にわたって移動可能な構成とする必要がない。言換えると、摩擦撹拌接合装置の大きさは、被接合物全体の大きさにかかわらず、被接合物の接合領域の大きさに基づいて設計可能である。したがって被接合物が大型化する場合でも、摩擦撹拌接合装置を可及的に小型化することができる。

これによって摩擦撹拌接合装置の設備コストおよび設置スペースを低減することができる。また被接合物の接合領域が同じであれば、被接合物の形状およびサイズが異なる場合であっても、１つの摩擦撹拌接合装置で対応可能であり、被接合物の変化に対して柔軟に対応することができる。
また、ねじ部材を用いることによって、マグネットおよび真空吸着などに比べて、強固に支持体と搭載体とを結合することができる。またガタをなくした状態で、支持体と搭載体とを接合することができる。これによって接合時に、搭載体が被接合物から反力が与えられても、搭載体の変位を阻止して摩擦撹拌接合を継続することができる。
また、搭載体の装着部には、基準軸線および走行方向にともに垂直な方向に延びる挿通孔が形成されるので、被接合物を保持した支持体に対して搭載体をねじ部材によって締結する際に、基準軸線および走行方向にともに垂直な方向に沿って、支持体に対する搭載体の位置を微調整することができ、接合線と接合ツールの移動経路とが一致するように容易に調整することができる。

また本発明によれば、支持体が被接合物を接合ツールと反対側から支持する部材、いわゆる裏当て部材となる。これによって接合時に被接合物が変形することを防ぎ、接合品質を向上することができる。なお、支持体は、被接合物に対して部分的に当接しても、被接合物に対して全面的に当接してもよい。被接合部材を連続接合する場合、支持体は、各被接合部材の境界部分にそれぞれ当接することが好ましい。

また本発明によれば、搭載体の走行方向両端部が支持体に支持されることによって、安定してツール保持部を走行方向に移動させることができる。

また本発明によれば、変位阻止手段によって、搭載体が支持体に対して変位することが阻止される。これによって被接合物から搭載体に反力が与えられても、搭載体が被接合物に対してずれることを防ぐことができ、接合品質の低下を防ぐことができる。

また本発明によれば、搭載体と支持体とのいずれか一方に形成される係止部に、搭載体と支持体とのいずれか他方に形成される嵌合部が嵌合する。このように変位阻止手段が、搭載体と支持体との一部に設けられる構造によって実現されることによって、簡単な構成でかつ確実に搭載体の変位を阻止することができる。

また本発明によれば、走行駆動手段によって、ツール保持部を走行方向に移動させる。これによって被接合部材を走行方向に沿って、連続接合することができる。また走行方向に沿う複数の箇所で、スポット接合することができる。これによって手動で、走行方向にツール保持部を移動させる必要がなく、利便性を向上することができる。

また本発明によれば、搭載体が支持体に搭載された状態で、ツール保持部の移動経路を調整することができる。これによって搭載体の本体部が、被接合物の接合領域に対してずれて支持体に装着される場合であっても、案内部を位置調整することによって、接合ツールを接合線に沿って正確に移動させることができる。これによって接合品質を向上することができる。また被接合物の形状にかかわらず、さらに柔軟に摩擦撹拌接合を行うことができる。

また本発明によれば、被接合物と支持体とを位置合せした状態で、支持体に複数の搭載体を保持することで、被接合物と支持体との位置合わせにかかる手間を低減することができる。また接合時に複数の搭載体が互いにずれることを防ぐことができる。

また本発明によれば、接合ツールを、被接合物に圧入させた状態で、走行方向に移動させることによって、被接合物を連続接合することができる。

また本発明によれば、接合物に摩擦撹拌接合した後、接合ツールを被接合物から離脱して被接合物の表面に沿う方向に移動させて、再び被接合物に圧入することによって、走行方向に沿う複数の箇所で、被接合物をスポット接合することができる。

図１は、本発明の第１実施形態である摩擦撹拌接合装置２０を示す斜視図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ切断面線で切断した摩擦撹拌接合装置２０を示す断面図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ切断面線で切断した摩擦撹拌接合装置２０を示す断面図である。

摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）装置２０は、２つの被接合部材２１，２２が突合わされて並んで成る被接合物２３を接合する。被接合物２３は、２つの被接合部材２１，２２が突合わされる部分に継ぎ手部分が形成される。接合装置２０は、継ぎ手部分に沿って接合ツール２４を移動させて、各被接合部材２１，２２を連続接合する。継ぎ手部分は、各被接合部材２１，２２の境界線である接合線が表面に形成される。接合線は、たとえば直線状に延びる。

摩擦撹拌接合装置２０は、円筒状の接合ツール２４を装着し、接合ツール２４を用いて摩擦撹拌接合を行う。接合ツール２４は、略円柱状に形成される本体部２５と、本体部２５から軸線方向一方Ａ１に突出し、略円柱状に形成されるピン部２６とを有する。本体部２５は、軸線方向一方Ａ１側端面となるショルダ面を有する。ショルダ面は、接合ツール２４の軸線Ｌ１に対して略垂直に形成される。ピン部２６は、ショルダ面から垂直に突出する。本体部２５とピン部２６とは、同軸に形成され、ピン部２６の外径は、本体部２５の外径よりも小さく形成される。

回転しながら接合ツール２４が被接合物２３に圧入することによって、被接合物２３は、接合ツール２４との摩擦熱によって部分的に流動化し、流動化した部分２７が固相撹拌される。被接合物２３のうち流動化した部分２７が互いに混ぜ合わされる。この後、流動化した部分２７が固まることによって、各被接合部材２１，２２が接合される。被接合部材２１，２２は、たとえばアルミ合金から成る。

図２に示すように、接合装置２０は、ＦＳＷヘッド３９と、走行駆動手段３４と、支持体３５と、搭載体３６と、制御手段３７とを含んで構成される。ＦＳＷヘッド３９は、接合ツール２４を着脱自在に装着する。ＦＳＷヘッドは、装着した接合ツール２４を予め定める基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動するとともに、基準軸線Ｌ１に沿って変位駆動する。

なお、基準軸線Ｌ１は、ＦＳＷヘッド３９に予め定められる軸線であり、接合ツール２４がＦＳＷヘッド３９に装着された場合に接合ツール２４と同軸となる軸線である。したがってＦＳＷヘッド３９に装着される接合ツール２４は、その軸線まわりに回転するとともに、その軸線に沿って移動する。

本発明において、基準軸線Ｌ１に沿って延びる方向を基準軸線方向Ａと称する。また基準軸線方向Ａと直交する一方向を走行方向Ｘと称し、走行方向Ｘおよび基準軸線方向Ａにともに垂直な方向を交差方向Ｙと称する。接合時には、走行方向Ｘは、被接合物２３の接合線２９に対して平行に延び、接合線２９に対して基準軸線方向Ａに並ぶ。また、走行方向Ｘと交差方向Ｙとは、被接合物２３の表面に沿う方向となる。

支持体３５は、被接合物２３を保持する。搭載体３６は、支持体３５に着脱可能に装着される。搭載体３６は、ＦＳＷヘッド３９を搭載する。支持体３５が被接合物２３を保持した状態で、搭載体３６が支持体３５に装着された場合、ＦＳＷヘッド３９は、基準軸線方向一方Ａ１から被接合物２３に臨む。

ＦＳＷヘッド３９は、基準軸線方向一方Ａ１に接合ツール２４を変位移動させることによって、接合ツール２４を被接合物２３に圧入させる。またＦＳＷヘッド３９は、走行方向Ｘに移動可能に設けられ、走行駆動手段３４は、ＦＳＷヘッド３９を走行方向Ｘに変位駆動する。これによって接合時に、ＦＳＷヘッド３９を、走行方向Ｘ、すなわち接合線２９に沿って移動させることができる。

支持体３５は、被接合物２３の基準軸線方向一方Ａ１側表面に当接し、被接合物２３を保持する。支持体３５は、被接合物２３のうち接合線２９近傍の領域に当接する。すなわち支持体３５は、接合ツール２４と反対側から被接合物２３に当接する裏当て部材となる。

支持体３５には、被接合物２３を着脱自在に保持するための保持手段４３が設けられる。保持手段４３は、たとえば支持体３５に形成されるねじ孔と、ねじ孔に螺合するワーク保持用押さえボルト４４と、当接片４６とを含むクランプ構造によって実現される。当接片４６は、被接合物２３を押さえるために設けられ、貫通孔４５が形成される。ワーク保持用ボルト４４の軸部分は、当接片４６の貫通孔４５を挿通して、支持体３５のねじ孔に螺合する。当接片４６は、ワーク保持用ボルト４４のナット部分と、支持体３５とによって挟持されてボルト締結される。

支持体３５が被接合物２３を保持する状態にあっては、被接合物２３の基準軸線方向一方Ａ１表面が支持体２５に当接し、被接合物２３の基準軸線方向他方Ａ２表面の一部が当接片４６に当接する。当接片４６は、保持用押さえボルト４４によって被接合物２３を基準軸線方向一方Ａ１に押圧する。これによって支持体３５は、保持体４３と協働して被接合物２３を基準軸線方向Ａ両側から挟持して、被接合物２３を保持する。

なお、支持体３５は、着脱可能に被接合物２３を保持できる構成であればよい。したがって保持体４３は、上述した構成以外であってもよい。たとえば支持体３５は、スプリングによるばね力、電磁石による磁力、真空吸着による吸着力、または圧力源からの圧力などを利用して被接合物２３を保持してもよい。

支持体３５は、走行方向中間部分で被接合物２３と当接する。言換えると、支持体３５は、被接合物２３に当接する当接部分５５と、当接部分５５から走行方向両側に延びる非当接部分が形成される。さらに言換えると支持体３５は、被接合物２３の接合部分よりも走行方向Ｘに大きく形成される。支持体３５のうち、走行方向両端部には、搭載体３６を装着するための係止部４７がそれぞれ設けられる。各係止部４７ａ，４７ｂは、支持体３５の当接部分５５よりも走行方向Ｘ両側にそれぞれ設けられる。本実施の形態では、各係止部４７ａ，４７ｂは、凹所を有して略Ｕ字状に形成される。

具体的には、第１の係止部４７ａは、走行方向一方側部分５２ａと、走行方向一方側部分５２ａから厚み方向一方Ａ１に突出する突出部分４９ａと、突出部分４９ａの厚み方向一方側端部から走行方向他方Ａ２に延びる折返し部分５０ａとによって実現される。同様に、第２の係止部４７ｂは、走行方向他方側部分５２ｂと、走行方向他方側部分５２ｂから厚み方向一方Ａ１に突出する突出部分４９ｂと、その突出部分４９ｂの厚み方向一方側端部から走行方向一方Ａ１に延びる折返し部分５０ｂとによって実現される。

搭載体３６は、支持体３５が被接合物２３を保持した状態で、支持体３５に装着可能に設けられる。搭載体３６は、支持体３５に装着された状態で、走行方向Ｘすなわち被接合物２３の接合線２９に沿って延びる。搭載体３６は、走行方向Ｘ両端部に、支持体３５に装着されるための嵌合部４８ａ，４８ｂがそれぞれ形成される。各嵌合部４８ａ，４８ｂは、各係止部４７ａ，４７ｂに形成される凹所に配置されて、各係止部４７ａ，４７ｂにそれぞれ嵌合する。これによって支持体３５に装着される搭載体３６は、基準軸線方向Ａに変位することが阻止される。また係合部４７に嵌合部４８が緩やかに嵌合することによって、搭載体３６と支持体３６との装着および装着解除を短時間で行うことができる。

また嵌合部４８ａ，４８ｂと係止部４７ａ，４７ｂとは、搭載体装着用押さえボルト５１によって、ボルト締結される。具体的には、各嵌合部４８ａ，４８ｂは、搭載体装着用押さえボルト５１が貫通する挿通孔５９がそれぞれ形成される。各嵌合部４８ａ，４８ｂの挿通孔５９は、搭載体装着用押さえボルト５１の軸部分よりも大きくそれぞれ形成される。これによって搭載体３６は、支持体３５に対する位置を微調整することができる。

本実施の形態では、挿通孔５９は、交差方向Ｙに延びる。各係止部４７ａ，４７ｂの走行方向両端部分５２ａ，５２ｂは、搭載体装着用押さえボルト５１が螺合するねじ孔がそれぞれ形成される。各嵌合部４８ａ，４８ｂが各係止部４７ａ，４７ｂに嵌合した状態で、搭載体装着用押さえボルト５１が各嵌合部４８ａ，４８ｂの挿通孔５９を挿通し、係止部４７ａ，４７ｂのねじ孔に螺合する。これによって嵌合部４８ａ，４８ｂは、搭載体装着用押さえボルト５１のナット部分と、各係止部４７ａ，４７ｂの走行方向両端部分５２ａ，５２ｂとによって、挟持されてボルト締結される。

このように係止部４７、嵌合部４８および搭載体装着用押さえボルト５１は、搭載体３６と支持体３５との相対変位を阻止する変位阻止手段となる。なお、変位阻止手段は、支持体３５と搭載体３６とを一体に固定可能な構成であればよい。たとえば、エアシリンダによって、搭載体３６と支持体３５とを挟持して搭載体３６と支持体３５とを固定してもよい。また変位阻止手段は、エアシリンダ以外にスプリングによるばね力、電磁石による磁力、真空吸着による吸着力、圧力源からの圧力、錘による重力などを利用して搭載体３６と支持体３５とを一体に保持してもよい。なお、磁力を用いる場合には、支持体３５と搭載体３６との両方に磁性材料を用いることによって、被接合物２３がアルミ合金である場合でも、搭載体３６と支持体とを強固に結合することができる。

搭載体３６の走行方向中間部５３と、支持体３５の走行方向中間部５５との間には、被接合物２３が収容される収容空間５６が形成される。すなわち搭載体３６の中間部５３と被接合物２３とは、基準軸線方向Ａに間隔を開けて形成される。具体的には、搭載体３６の嵌合部４８ａと搭載体３６の中間部５３とは、２つの屈曲部５４ａ，５４ｂによってそれぞれ連なる。第１屈曲部５４ａは、第１嵌合部４８ａから厚み方向他方Ａ２に突出し、搭載体３６の中間部５３に連なる。第２屈曲部５４ｂは、第２嵌合部４８ｂから厚み方向他方Ａ２に突出し、搭載体３６の中間部５３に連なる。搭載体３６は、走行方向Ｘ両端部が支持体３５に支持される。

搭載体３６の中間部５３には、走行方向Ｘに沿って延びる長孔５４が形成される。この長孔５４は、搭載体３６の中間部５３を基準軸線方向Ａに貫通する。長孔５４が走行方向Ｘに延びる長さは、被接合物２３の接合線２９の長さ以上に形成される。長孔５４には、ＦＳＷヘッド３９が部分的に挿通する。ＦＳＷヘッド３９は、スライド体４０によって支持される。スライド体４０は、搭載体３６に搭載される。

図３に示すように、スライド体４０は、走行方向Ｘに移動可能に搭載体３６に案内される。具体的には、スライド体４０は、搭載体３６に形成されるレール部５６に嵌り込む。スライド体４０は、レール部５６を基準軸線方向両側から挟んだ状態で嵌り込む。すなわちスライド体４０は、レール部５６に対する基準軸線方向Ａへの変位が阻止される。レール部５６は、走行方向Ｘに沿って延び、スライド体４０の走行方向Ｘ以外への移動を阻止する。これによってＦＳＷヘッド３９は、スライド体４０とともに、走行方向Ｘに移動可能に形成される。

本実施の形態では、レール部５６は、前記長孔５４の両側に並ぶ。スライド体４０は、長孔５４をまたいで２つのレール部５６にそれぞれ嵌り込む。各レール部５６は、スライド体４０の両端をそれぞれ支持する。これによってスライド体４０は、ＦＳＷヘッド４０を交差方向Ｙ両側から支持することができる。

スライド体４０は、走行駆動手段３４によって走行方向Ｘに変位駆動される。走行駆動手段３４は、たとえば搭載体３６に設けられる走行用モータ８０と、回転力伝達手段と、ねじ軸８１と、軸支持部８２，８３とを含む。ねじ軸８１は、走行方向Ｘに延び、スライド体４０の螺合部８４に螺合する。ねじ軸８１は、軸支持部８２，８３によって回転可能に支持される。走行用モータ８０は、回転力伝達手段によって、その回転力をねじ軸８１に伝達し、ねじ軸８１を回転駆動する。スライド体４０は、レール部５６によって、ねじ軸８１まわりに回転することが阻止されており、ねじ軸８１が回転することによって、走行方向Ｘにスライド変位する。また、ねじ軸８１とスライド体４０の螺合部８４とによって、ボールねじが構成されることが好ましい。

なお、走行駆動手段３４は、ラックとピニオンとを含む機構によって実現されてもよい。またたとえばスライド体４０に搭載されるアクチュエータによって、スライド体４０を自走させてもよい。このアクチュエータは、電動モータ、油圧シリンダ、エアシリンダなどを用いることができる。またスライド体４０をウインチまたはチェーンを用いて牽引させてもよい。

搭載体３６には、リミットスイッチ５７が設けられる。リミットスイッチ５７は、長孔５４の走行方向一端部または走行方向他端部付近にそれぞれ設けられる。スライド体４０がレール部５６の走行方向Ｘ両端部に達すると、リミットスイッチ５７と接触し、リミットスイッチ５７は、制御手段３７にスライド体到達指令を与える。また搭載体３６は、クレーンまたはフォークリフトなどの搬送手段によって、係止されるフック部分が形成されることが好ましい。これによって搬送手段によって、被接合物２３に予め設定される接合領域に搭載体３６を搬送しやすくすることができる。

ＦＳＷヘッド３９は、ツール保持部３１と、回転駆動手段３２と、圧入駆動手段３３とを含む。ツール保持部３１は、接合ツール２４を着脱可能に保持する。ＦＳＷヘッド３９は、ツール保持部３１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるとともに、ツール保持部３１を基準軸線方向Ａに変位駆動する。

回転駆動手段３２は、ツール保持部３１を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。また回転駆動手段３２は、ツール保持部３１を支持し、ツール保持部３１とともに基準軸線方向Ａに変位可能に設けられる。回転駆動手段３２は、ツール保持部３１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるための動力を発生する。回転駆動手段３２は、たとえば誘導モータまたはサーボモータによって実現される。回転駆動手段３２は、制御手段３７によって制御される。この場合、制御手段３７は、モータに供給される電流を調整する。

圧入駆動手段３３は、ツール保持部３１を基準軸線方向Ａに変位駆動する。圧入駆動手段３３は、変位動力発生源を備える。変位動力発生源は、ツール保持部３１を基準軸線方向Ａに変位させるための動力を発生する。変位駆動力発生源は、圧力シリンダによって実現され、本実施の形態では、復動式エアシリンダによって実現される。この場合、制御手段３７は、エアシリンダに供給される圧縮空気の供給径路および供給状態を調整する。

図４は、制御手段３７の電気的構成を示すブロック図である。制御手段３７は、回転駆動手段３２、圧入駆動手段３３および走行駆動手段３４を制御対象として制御する。制御手段３７は、記憶部６０と、入力部６１と、出力部６２と、演算部６３とを含む。記憶部６０は、演算部６３が実行するための演算プログラムおよび演算時に算出されるデータを一時的に記憶する。入力部６１は、作業者などから摩擦撹拌接合に関する接合条件および制御開始命令および制御終了命令が入力される。演算部６３は、記憶部６０に記憶される演算プログラムを読出し、その演算プログラムを実行することによって、摩擦撹拌接合手順に従って、各制御対象３２，３３，３４の制御量を演算する。出力部６２は、演算部６３によって算出された制御量に対応する動力を各制御対象３２〜３４に与える。

演算手段３７は、ロボットコントローラによって実現される。たとえば入力部６０は、キーボードおよびマウスなどで実現される。また出力部６２は、アンプなどで実現される。また記憶部６０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only
memory）などの記憶回路によって実現され、演算部６３は、マイクロコンピュータなどによって実現される演算回路、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現される。

図５は、制御手段３７の動作手順を示すフローチャートであり、図６は、摩擦撹拌接合装置の接合動作を示す断面図である。ステップａ０では、被接合物２３が支持体３５に保持されるとともに、搭載体３６が支持体３５に装着されて、接合準備が完了する。また制御手段３７は、接合条件が入力された状態で待機する。制御手段３７は、入力部６１から接合開始指令が与えられたことを判断すると、ステップａ１に進み、動作を開始する。

ステップａ１では、制御手段３７は、回転指令を回転駆動手段３２に与える。これによってツール保持部３１とともに接合ツール２４が回転し、ステップａ２に進む。ステップａ２では、制御手段３７は、ツール保持部３１の回転速度が接合条件として設定される設定回転速度に達したことを判定する。たとえば電動モータにエンコーダが設けられる場合、エンコーダから電動モータの出力軸の角度位置を取得し、その角度位置に基づいて、ツール保持部３１の回転速度が設定回転速度に達したかどうかを判定する。また制御手段３７は、回転指令を与えてから設定回転速度に達するまでに必要な時間をカウントし、その時間を超えると、設定回転速度に達したことを判定してもよい。このようにサーボモータの回転速度が設定回転速度に達すると、ステップａ３に進む。

ステップａ３では、制御手段３７は、圧入指令を圧入駆動手段３３に与える。これによって図６（１）に示すように、ツール保持部３１とともに接合ツール２４が、設定回転速度で回転しながら被接合物２３に向かって移動する。接合ツール２４は、ピン部２６が被接合物２３に当接し、さらに被接合物２３に圧入する。次に、図６（２）に示すように、ショルダ面３０が被接合物２３に当接し、ステップａ４に進む。

ステップａ４では、制御手段３７は、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したかどうかを判定する。電動モータの回転速度がフィードバック制御される場合、電動モータに流れる電流は、接合ツール２４が被接合物２３に与えるトルクに応じて変化する。したがって電動モータに流れる電流を検出して、その電流が予め定めるしきい値を越えると、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したことを判定する。

また制御手段３７は、圧入指令を与えてからショルダ面３０が被接合物２３に当接するまでに必要な時間をカウントし、その時間を超えると、ショルダ面３０が被接合物２３に達したことを判定してもよい。また接合装置２０が、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したか否かを検出するセンサを有する場合には、そのセンサから与えられる検出結果に基づいて、ショルダ面３０が被接合物２３に達したことを判定してもよい。このように制御手段３７が、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したことを判定すると、ステップａ５に進む。

ステップａ５では、制御手段３７は、圧入停止指令を圧入駆動手段３３に与える。これによって、接合ツール２４は、被接合物２３への圧入の進行を停止する。このとき、接合ツール２４は、摩擦熱によって被接合物２３の継ぎ手部分を流動化し、流動化した部分を撹拌する。圧入停止指令を与えてから予め定める時間が経過し、被接合物２３を部分的に十分に流動化させると、制御手段３７は、走行指令を走行駆動手段３４に与える。これによって接合ツール２４は、図６（３）に示すように、回転しながら接合線２９に沿う走行方向Ｘに移動し、ステップａ６に進む。

ステップａ６では、制御手段３７は、接合ツール２４が走行を開始してから、接合条件として設定される設定走行距離分移動したことを判定する。たとえばリミットスイッチ５７からスライド体到達指令が与えられると、接合ツール２４が設定走行距離分移動したことを判定する。また制御手段３７は、接合時間または接合距離が予め定めるしきい値に達したことを判定して、設定走行距離に達したことを判断してもよい。このように接合ツール２４が設定走行距離分移動したことを判定すると、ステップａ７に進む。

ステップａ７では、制御手段３７は、走行停止指令を走行制御手段３４に与える。これによってツール保持部３１が停止する。ツール保持部３１が停止すると、ステップａ８に進む。ステップａ８では、制御手段３７は、引抜き指令を圧入駆動手段３３に与える。これによって、図６（４）に示すように、接合ツール２４を、被接合物２３から引抜き、ステップａ９に進む。ステップａ９では、制御手段３７は、回転停止指令を回転駆動手段３２に与える。これによって接合ツール２４の回転が停止し、ステップａ１０に進む。ステップａ１０では、摩擦撹拌接合における制御手段３７の動作が完了する。

このように制御手段３７が動作することによって、回転する接合ツール２４を被接合物２３に圧入した状態で、被接合物２３の接合線２９に沿って接合ツール２４を移動させて、被接合部材２１，２２を接合することができる。

なお、連続摩擦撹拌接合を行う場合には、接合ツールを圧入した接合開始位置と、接合ツールを離脱させた接合終了位置とは、接合ムラが生じる場合がある。この場合、接合ムラを見越した接合ムラ形成部分を設けることが好ましい。たとえば各被接合部材２１，２２に、接合線２９の延長線上両側に接合ムラ形成部分を予め設ける。そして一方の接合ムラ形成部分に接合ツール２４を圧入し、接合線２９に沿って移動させ、他方の接合ムラ形成部分から接合ツール２４を離脱させる。この場合、接合ムラ形成部分には接合ムラが生じる。この接合ムラ形成部分を接合後に切除することによって、接合ムラのない被接合物２３を形成することができる。このように被接合物２３に接合ムラ形成部分を予め余分に形成しておくことによって、摩擦撹拌接合装置による接合ムラをなくすことができる。

図７は、鉄道車両の側構体７０を示す平面図である。側構体７０は、略長方形板状に形成される。側構体７０は、厚み方向に挿通する窓空間７１と、厚み方向に挿通するドア空間７２とが形成される。鉄道車両形成後には、窓空間７１には、ガラスが嵌め込まれ、ドア空間７２にはドアが収容される。

側構体７０は、複数の被接合部材７３ａ〜７３ｈが接合されて板状に構成される。この場合、複数の被接合部材７３ａ〜７３ｈは、側構体７０の長手方向および幅方向に並ぶ。側構体７０を形成するために複数の被接合部材７３ａ〜７３ｈを接合する場合、その各接合線２９ａ〜２９ｊは、側構体７０のうち任意の方向でかつ任意の長さに延びる。本実施の形態では、各接合線２９ａ〜２９ｊは、側構体７０の長手方向および側構体７０の幅方向のいずれかに延びる。また各接合線２９ａ〜２９ｊの長さは、側構体７０の長手方向寸法および幅方向寸法よりも短い。

図８は、側構体７０を形成する手順を示すフローチャートである。また図９は、側構体７０の形成手順を説明するために摩擦撹拌接合装置を示す斜視図であり、図１０は、側構体７０の形成手順を説明するために摩擦撹拌接合装置を示す平面図である。まず作業者は、側構体７０を構成するために必要な各被接合部材７３ａ〜７３ｈを準備して、各被接合部材７３ａ〜７３ｈを接合可能な状態となると、ステップｂ１に進み、側構体７０の形成動作を開始する。

ステップｂ１では、支持体３５を予め定める位置に配置し、ステップｂ２に進む。ステップｂ２では、図９（１）に示すように、２つの被接合部材２１，２２を被接合物２３として支持体３５に保持させる。具体的には、接合すべき２つの被接合部材２１，２２を側構体７０の一部となるように、各被接合部材２１，２２を突合わせて支持体３５に配置する。このとき、被接合物２３の接合線２９が支持体３５に設定される走行方向Ｘに沿って延びるように、各被接合部材２１，２２を配置する。また被接合部材２１，２２のうち、少なくとも接合線２９付近の部分を支持体３５にそれぞれ当接させる。

なお、被接合物２３のうち１つの接合領域のみを接合する場合には、支持体３５は、被接合物全体を支持する必要がない。この場合、支持体２３上に被接合物２３の接合領域が対向するように、支持体３５または被接合物２３の位置を調整する。また被接合物２３のうち複数の接合領域を接合する場合には、接合領域に応じて支持体３５を予め配置しておくか、複数の接合領域を含む適当な大きさの支持体２３を用いる。

次に、保持手段４３と支持体３５とによって被接合物２３を挟持させて、支持体３５に被接合物２３を保持させる。このとき必要に応じて、クランプ、バイスまたは専用の治具などによって被接合部材２１，２２を仮接合した状態で、被接合物２３を支持体３５に保持させてもよい。被接合物２３の保持が完了すると、ステップｂ３に進む。

ステップｂ３では、各被接合部材をアーク溶接などによって仮接合する。仮接合が完了すると、ステップｂ４に進む。なお、ステップｂ３における仮接合は、支持体３５による被接合物２３の保持が十分であるなら省略可能である。

ステップｂ４では、クレーンまたはフォークリフトなどの搬送装置によって搭載体３６を搬送し、支持体３５に搭載体３６を装着させる。具体的には、搭載体３６の各嵌合部４８ａ，４８ｂを、支持体３５の各係止部４７ａ，４７ｂにそれぞれ嵌合する。また搭載体装着用押さえボルト５１によって、搭載体３６を支持体３５にボルト締結する。このとき搭載体３６は、接合線２９に対する位置が調整された状態で、装着されることが好ましい。このように搭載体３６を支持体２５に装着すると、ステップｂ５に進む。

ステップｂ５では、ツール保持部３１を予め定める接合開始位置に移動させた後、摩擦撹拌接合装置２０を用いて、上述したステップａ１〜ａ１０の動作を行う。これによって被接合部材２１，２２を摩擦撹拌接合する。摩擦撹拌接合が完了するとステップｂ６に進む。ステップｂ６では、支持体３５から搭載体３６を取外し、ステップｂ７に進む。ステップｂ７では、側構体７０として全ての被接合部材７３ａ〜７３ｈを接合したか否かを判断する。全ての被接合部材７３ａ〜７３ｈを接合していない場合には、ステップｂ１に戻り、接合していない被接合部材を接合する。たとえば図１０に示すように、第１の被接合部材７３ａと第２の被接合部材７３ｃとを接合した後、次に第２の被接合部材７３ｃと第３の被接合部材７３ｆを接合する。このようにして側構体７０として構成される全ての被接合部材７３ａ〜７３ｈを接合する。ステップｂ７において、全ての被接合部材７３ａ〜７３ｊを接合した場合には、ステップｂ８に進み、側構体７０の形成動作を完了する。

なお、鉄道車両用の側構体７０に形成される窓空間７１およびドア空間７２のように、被接合物２３に厚み方向に挿通する空間に、係合部４７および嵌合部４８を配置することによって、被接合物２３の内部の接合領域も、本発明の摩擦撹拌接合装置２０を用いて接合することができる。

また、上述した接合動作では連続接合について説明したが、スポット接合についても同様に行うことができる。この場合、接合ツール２４を被接合物２３に圧入させて被接合物２３を摩擦撹拌接合し、次に被接合物２３から離脱した後、走行方向Ｘに移動し、再び接合ツール２４を被接合物２３に圧入させる動作を繰り返すことによって、走行方向Ｘに沿って複数の箇所で、被接合物をスポット接合することができる。このような動作は、制御手段３７によって実行される。

以上のように、本実施の形態によれば、被接合物２３に予め設定される接合領域に基づいて、搭載体３６を形成することができる。これによってツール保持部３１を被接合物全体にわたって移動可能な構成とする必要がない。言換えると、摩擦撹拌接合装置２０の大きさは、被接合物全体の大きさにかかわらず、被接合物２３の接合領域の大きさに基づいて決定される。したがって被接合物２３が大型化しても、摩擦撹拌接合装置３０の大型化を防ぐことができる。

これによって摩擦撹拌接合装置２０の設備コストおよび設置スペースを低減することができる。ＦＳＷヘッド３９を広範囲に移動させる必要がないので、ＦＳＷヘッド３９の支持部分の強度を大きくする必要がない。また要求される位置決め精度で接合ツール２４を移動させることが容易となる。

また被接合物２３の接合領域が同じであれば、被接合物２３の形状およびサイズが異なる場合であっても、１つの摩擦撹拌接合装置２０で対応可能であり、被接合物２３の変化に対して柔軟に対応することができる。なお、被接合物２３の接合領域に基づいて搭載体３６が形成されるので、上述した鉄道車両の側構体７０のように、被接合物２３のうち接合領域が部分的に散在して形成される場合、厚み方向に挿通する空間が形成される場合、接合線２９が長手方向以外に延びる場合、接合線２９の長さが短い場合の少なくとも１つの場合に、特に好適に用いることができる。またスポット接合の場合には、接合線２９に代えて接合領域が、上述する条件となる場合に好適に用いることができる。

また支持体３５が裏当て部材となる。これによって接合時に被接合物２３が変形することを防ぎ、接合品質を向上することができる。なお、支持体３５は、被接合物２３に対して部分的に当接しても、被接合物２３に対して全面的に当接してもよい。また、被接合部材２３を連続接合する場合、支持体３５は、各被接合部材２１，２２の境界部分にそれぞれ当接することが好ましい。

また、嵌合部４８が係止部４７に嵌合することによって、搭載体３６が支持体３５に対して変位することが阻止される。これによって被接合物２３から搭載体３６に反力が与えられても、搭載体３６が被接合物２３に対してずれることを防ぐことができ、接合品質の低下を防ぐことができる。また搭載体３６の変位を阻止するために、搭載体３６と支持体３５との構造を工夫することによって変位阻止手段を実現することによって、簡単な構成でかつ確実に搭載体３６の変位を阻止することができる。また搭載体３６と支持体３５との装着および装着解除を短時間で行うことができる。

さらに、搭載体装着用押さえボルト５１を用いて、搭載体３６と支持体３５とをボルト締結することによって、マグネットおよび真空吸着などに比べて、支持体３５と搭載体３６とを強固に結合することができる。またガタをなくした状態で、支持体３５と搭載体３６とを接合することができる。これによって接合時に、搭載体３６が被接合物２３から反力が与えられても、搭載体３６の変位を阻止して摩擦撹拌接合を継続することができる。

また搭載体３６は、支持体３５に対して交差方向Ｙに微調整可能に形成される。これによって接合線２９と接合ツール２４の移動経路とが一致するように調整することができる。また、複数の搭載体装着用押さえボルト５１によって、搭載体３６をボルト締結することが好ましい。これによって接合時に、搭載体３６が角変位することを阻止することができる。

図１１は、第１実施形態の変形例であって、一部を拡大して示す断面図である。係合部４７に形成される凹所の基準軸線方向寸法Ｈ１は、嵌合部４８の基準軸線方向寸法Ｈ２よりも大きく形成されてもよい。この場合、嵌合部４８が係合部４７に嵌合した状態で、嵌合部４８と係合部４７との間に形成される隙間を塞ぐスペーサ５８が設けられる。これによって図１１（１）に示すように、搭載体３６が、がたつくことを防ぐことができる。

またスペーサ５８、搭載体装着用押さえボルト５１を変更することによって、搭載体３６を支持体３５から離反した任意の位置で保持することができる。また当接片４６を変更することによって、基準軸線方向寸法が変更した場合であっても保持することができる。したがって図１１（２）に示すように、スペーサ５８、搭載体装着用押さえボルト５１および当接片４６を変更することによって、被接合物２３の厚み方向寸法が異なる場合であっても、同じ摩擦撹拌接合装置を用いることができる。これによって、さらに柔軟な対応が可能となる。

図１２は第１実施形態の他の接合動作例を示す平面図であり、図１３は第１実施形態の他の接合動作例を示す断面図である。本発明の摩擦撹拌接合装置２０は、従来技術の摩擦撹拌接合装置に比べて小型化に形成することができ、製造コストを大幅に低することができる。したがって摩擦撹拌接合装置２０を複数台準備することができる。

図１２に示すように、摩擦撹拌接合装置２０は、接合領域が複数ある場合には、被接合物２３を予め仮止めしておくことによって、複数並列に動作させることができる。これによって、短時間に３つ以上の被接合部材を接合することができ、さらに接合時間を短縮することができる。

また図１３に示すように、被接合物２３に厚み方向に突出するリブ４００が形成される場合、従来技術では、ＦＳＷヘッドがリブ４００に当接することを防ぐために、ＦＳＷヘッドを基準軸線方向Ａに大きく動作させる機構を追加する必要があり、構造が複雑となる。これに対して、本発明の摩擦撹拌接合装置２０では、小型に形成されるのでリブ４００を避けることができ、各被接合部材２１，２２を容易に接合することができる。

また摩擦撹拌接合装置２０は、接合動作が終了した後に自動的に停止するように、制御手段３７によって構成されることが好ましい。これによって一人の作業者が複数の摩擦撹拌接合装置２０を複数同時に取り扱うことができ、省人化を図ることができる。

図１４は、第１実施形態の他の接合動作例の変形例を示す断面図である。図１３に示す支持体３５は、搭載体３６ごとに設けられたが、図１４に示すように、１つの幅広の支持体３５に、複数の搭載体３６をそれぞれ載せてもよい。これによって、複数の支持体３５を設ける必要がないので、支持体３５と被接合物２３との位置合わせにかかる手間を低減することができる。また複数の搭載体３６を１つの支持体３５によって固定することによって、接合時に複数の搭載体３６が互いにずれることを防ぐことができる。

図１５は、本発明の第２実施形態である摩擦撹拌接合装置１２０を示す斜視図である。摩擦撹拌接合装置１２０は、第１実施形態に比べて支持体１３５の構成が異なり、その他の構成については、第１実施形態の摩擦撹拌接合装置２０と同様である。したがって同様の構成については、説明を省略し、同様の参照符号を付する。

支持体１３５は、板状に形成され、被接合物２３を支持する。支持体１３５は、走行方向Ｘおよび交差方向Ｙに並ぶ複数のねじ孔１００が形成される。支持体１３５は、被接合物２３を支持する裏当て部材となる。

図１６は、被接合物２３を支持体１３５に支持する保持体１４３を示す断面図である。保持手段１４３は、支持体１３５に形成されるねじ孔１００に螺合するワーク保持用押さえボルト１４４と、当接片１４６と、位置調整プレート１０１とを含むクランプ構造によって実現される。当接片１４６は、被接合物２３を押さえるために設けられ、貫通孔１４５が形成される。ワーク用位置調整プレート１０１は、被接合物２３の基準軸線寸法とほぼ等しく設定される。また、ワーク用位置調整プレート１０１は、被接合物２３に近接して支持体１３５に配置される。ワーク用位置調整プレートは、ハイトアジャストスペーサと称される場合もある。

ワーク保持用ボルト１４４の軸部分は、当接片１４６の貫通孔１４５を挿通して、支持体１３５のねじ孔１００に螺合する。当接片１４６は、被接合物２３とワーク用位置調整プレート１０１とにわたって当接する。当接片１４６は、ワーク保持用ボルト４４のナット部分によって、支持体１３５に向かう方向に押付けられる。これによって当接片１４６は、被接合物２３と位置調整プレート支持体３５とを支持体１３５に押付け、被接合物２３を保持することができる。なお、ワーク用位置調整プレート１０１が設けられることによって、当接片１４６と支持体１３５とによって被接合物２３を安定して挟持することができる。

図１７は、支持体１３５と搭載体３６との装着状態を示す断面図である。搭載体３６は、搭載体装着用押さえボルト５１によって支持体１３５にボルト締結される。装着用押さえボルト５１の軸部分は、搭載体３６の挿通孔５９を挿通して、支持体１３５のねじ孔１００に螺合する。搭載体３６は、ワーク保持用ボルト４４のナット部分によって、支持体１３５に向かう方向に押付けられる。これによって搭載体３６が、支持体１３５に装着される。なお図１７に示すように、搭載体３６の一部が被接合物に当接して、搭載体３６の挟持が不安定となる場合には、搭載体装着用位置調整プレート１０２が、支持体１３５と搭載体との間に設けられてもよい。これによって、搭載体３６を安定して挟持することができる。

図１８は、側構体７０の形成手順を説明するために摩擦撹拌接合装置を示す平面図である。支持体１３５を大型に形成することによって、接合動作毎に、支持体１３５を移動させる必要がない。これによって３つ以上の被接合部材を接合して被接合物を形成する場合に、接合作業に費やす時間を短縮することができる。

以上のように、本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。またねじ孔１００が走行方向Ｘおよび交差方向Ｙに複数並んで設けられるので、任意の位置で被接合物２３を支持体１３５に保持させることができる。また任意の位置で搭載体３６を支持体１３５に装着させることができる。これによって支持体１３５の配置位置を細かく調整する必要がなく、さらに短縮することができる。

図１９は、本発明の第３実施形態の形態である摩擦撹拌接合装置２２０を示す断面図である。摩擦撹拌接合装置２２０は、第１実施形態または第２実施形態の摩擦撹拌接合装置２０，１２０に比べて搭載体２３５の構成が異なり、その他の構成については、第１実施形態または第２実施形態の摩擦撹拌接合装置２０，１２０と同様である。したがって同様の構成については、説明を省略し、同様の参照符号を付する。

搭載体２３６は、支持体３５に装着される本体部２００と、ＦＳＷヘッド３９を案内する案内部２０１とを有する。案内部２０１は、本体部２００に対して位置調整可能に設けられる。本実施の形態では、案内部２０１は、本体部２００に対して交差方向Ｙに変位可能に形成される。具体的には、案内部２０１は、一対のレール部５６を有する。レール部５６は、走行方向Ｘに延び、交差方向Ｙに予め定める距離離れて設けられる。案内部２０１は、各レール部５６をともに支持するレール支持部分２０４が形成される。レール支持部分２０４は、本体部２００に対してスライド可能に設けられる。レール部５６は、接合すべき接合領域の長さにほぼ等しく設定される。これによって搭載体３６を小型化することができる。

本体部２００は、位置調整用ねじ部材２０３が螺合するねじ支持部２０２が設けられる。位置調整用ねじ部材２０３は、外ねじが形成されるねじ軸である。ねじ部材２０３は、ねじ支持部２０２を螺進することによって、ねじ支持部２０２から突出可能に形成される。ねじ支持部２０２は、レール支持部分２０４の交差方向Ｙ両側にそれぞれ設けられ、ねじ孔が交差方向Ｙに延びる。ねじ部材２０３は、ねじ支持部２０２に螺着した状態で螺進することによって、先端部がレール支持部分２０４に当接する。ねじ部材２０３がレール支持部分２０４に当接した状態で、さらに螺進することによって、レール支持部分２０４を交差方向Ｙにスライド移動させることができる。ねじ支持部２０２が交差方向Ｙ両側に形成されることによって、交差方向Ｙの任意の位置にレール支持部分２０４を移動させることができる。さらにねじ支持部２０２が走行方向Ｘに並ぶことによって、本体部２００に対して案内部２０１を基準軸線Ｌ１まわりに角変位させることができる。これによって支持体と被接合物の接合線２９とがずれていた場合であっても、案内部２０１を位置調整することによって、接合ツール２４を接合線２９に沿って移動させることができる。このように位置調整用ねじ部材２０３は、本体部２００と案内部２０１との位置を調整する位置調整手段となる。位置調整手段は、案内部２０１の位置を調整可能であるとともに、調整した位置に案内部２０１を保持する。

以上のように本発明の第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また搭載体３６が支持体３５に搭載された状態で、ＦＳＷヘッド３９の移動経路を調整することができる。たとえば搭載体３６の本体部２００が、被接合物２３の接合領域に対してずれて支持体３５に装着される場合であっても、案内部２０１を位置調整することによって、接合ツール２４を接合線２９に沿って正確に移動させることができる。

また、搭載体３６を支持体２５に搭載するだけでは、接合線２９に沿って接合ツール２４を移動することができない場合であっても、案内部２０１を位置調整することによって、被接合物２３の形状にかかわらず接合することができ、さらに柔軟に摩擦撹拌接合を行うことができる。

上述した本発明の実施の形態は、本発明の例示に過ぎず発明の範囲内で構成を変更することができる。本実施の形態では、２つの被接合部材を連続接合する場合を説明した。これに対し、２つの被接合部材をスポット接合する場合も本発明に含まれる。また本実施の形態では、機械的な嵌め合わせと、ボルト締結とを併用して、搭載体３６と支持体３５とを固定したが、他の結合方法を用いて、搭載体３６と支持体３５とを固定してもよい。

またＦＳＷヘッドが案内されるレールは直線であるとしたが、接合線が曲線の場合には、その曲線に沿ってレールが湾曲してもよい。これによって接合線が湾曲している場合であっても、被接合部材２１，２２を接合可能である。またレールは、一対設けられてＦＳＷヘッド３９を両持ち支持するとしたが、１つのレールによってＦＳＷヘッド３９を片持ち支持してもよい。また接合すべき被接合物２３は、アルミ合金以外の材料であってもよい。また鉄道車両の側構体７０以外であってもよい。

本発明の第１実施形態である摩擦撹拌接合装置２０を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ切断面線で切断した摩擦撹拌接合装置２０を示す断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ切断面線で切断した摩擦撹拌接合装置２０を示す断面図である。 制御手段３７の電気的構成を示すブロック図である。 制御手段３７の動作手順を示すフローチャートである。 摩擦撹拌接合装置の接合動作を示す断面図である。 鉄道車両の側構体７０を示す平面図である。 側構体７０を形成する手順を示すフローチャートである。 側構体７０の形成手順を説明するために摩擦撹拌接合装置を示す斜視図である。 側構体７０の形成手順を説明するために摩擦撹拌接合装置を示す平面図である。 第１実施形態の変形例の摩擦撹拌接合装置２０を拡大して示す断面図である。 第１実施形態の他の接合動作例を示す平面図である。 第１実施形態の他の接合動作例を示す断面図である。 第１実施形態の他の接合動作例の変形例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態である摩擦撹拌接合装置１２０を示す斜視図である。 被接合物２３を支持体１３５に支持する保持体１４３を示す断面図である。 支持体１３５と搭載体３６との装着状態を示す断面図である。 側構体７０の形成手順を説明するために摩擦撹拌接合装置を示す平面図である。 本発明の第３実施形態の形態である摩擦撹拌接合装置２２０を示す断面図である。 第２の従来技術の摩擦撹拌接合装置１を示す斜視図である。

第３の従来技術の摩擦撹拌接合装置１３を示す斜視図である。 第３の従来技術の摩擦撹拌接合装置１５を示す斜視図である。

符号の説明

２０，１２０，２２０ 摩擦撹拌接合装置
２１，２２ 被接合部材
２３ 被接合物
２４ 接合ツール
３１ ツール保持部
３２ 回転駆動手段
３３ 圧入駆動手段
３４ 走行駆動手段
３５ 支持体
３６ 搭載体
４７ 係合部
４８ 嵌合部
５１ 搭載体装着用押さえボルト
２００ 本体部
２０１ 案内部

Claims (10)

1. 複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを圧入させて各被接合部材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置であって、
   予め定める基準軸線を有し、基準軸線と同軸に接合ツールを保持するツール保持部と、
   ツール保持部を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
   ツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する圧入駆動手段と、
   被接合物を保持する支持体と、
   支持体に着脱可能に装着され、基準軸線と交差する走行方向に案内可能にツール保持部を搭載する搭載体と、
   前記支持体と前記搭載体とを着脱可能に締結するねじ部材とを備え、
   前記搭載体には、前記支持体に装着されるための装着部が形成され、
   前記装着部には、前記ねじ部材を挿通可能な挿通孔が、前記基準軸線および前記走行方向にともに垂直な方向に延びて形成されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 支持体は、接合ツールの反対側から被接合物に当接することを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 支持体に搭載体を装着した状態で、搭載体は、走行方向両端部が支持体に支持されることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 支持体に搭載体を装着した状態で、支持体に対する搭載体の変位を阻止する変位阻止手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 変位阻止手段は、支持体および搭載体のいずれか一方に設けられ、凹所が形成される係止部と、
   支持体および搭載体のいずれか他方に設けられ、前記係止部に嵌合する嵌合部とを含み、係止部に嵌合部が嵌合することによって、支持体に対する搭載体の、基準軸線方向の変位を阻止することを特徴とする請求項４記載の摩擦撹拌接合装置。
6. ツール保持部を前記走行方向に変位駆動する走行駆動手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 搭載体は、支持体に装着される本体部と、ツール保持部を案内する案内部とを有し、案内部は、本体部に対して位置調整可能に設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 支持体は、複数の搭載体を同時に保持可能に形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
9. 被接合物を連続接合することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
10. 被接合物をスポット接合することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。

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