JP5204928B1 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

上部用アクチュエータ（２０Ａ）によって軸方向の位置調整が可能な上部回転体（２）と、上部回転体を貫いた回転主軸（１６）と一体に形成され、下部用アクチュエータ（２０Ｂ）によって軸方向の位置調整が可能な下部回転体（３）と、回転主軸（１６）に形成された撹拌部（４）とを備えた回転工具（１）を有し、接合端面同士を突き合わせた被接合部材（３００）の接合部（３１０）を上部回転体（２）と下部回転体（３）とで挟み込み、その接合部を撹拌部の回転による摩擦熱で撹拌させて接合するものであり、回転工具（１）に対し、上部回転体（２）及び下部回転体（３）の一方又は双方の向かい合う端部にスラスト軸受（４１，４２）を介してスライド板（５，６）が取り付けられ、接合部表面の仕上がりを良くすることを目的とした摩擦撹拌接合装置（１０）。

Description

本発明は、ボビンツール式の回転工具の上部回転体と下部回転体との位置の制御が可能なものであり、特に上部回転体や下部回転体が被接合部材に接する箇所に非回転部材を設けて接合部の仕上げ面を良くするようにした摩擦撹拌接合装置に関する。

摩擦撹拌接合では、被接合部材に対する過剰な入熱が粗悪な接合特性をもたらすことが課題となっている。そこで、下記特許文献１には、図１０に示す摩擦撹拌接合装置が提案されている。ハウジング１１０内には、スピンドル１１１が軸受１１２を介して回転自在に支持され、不図示の駆動モータに結合されている。スピンドル１１１の下端部は、ハウジング１１０に固定されたツールヘッド軸受１１３により支持されている。ホルダー内に位置するプローブ１１５はスピンドル１１１に結合され、ハウジング下部１１４の開口部１１６から突き出ている。開口部１１６には非回転のスライド部品１１８が支持され、摩擦撹拌接合時にはスライド部品１１８が回転することなく接合部表面を摺動する。

特表２００９−５３７３２５号公報 特開２００８−１４９３３１号公報

こうした従来の摩擦撹拌接合装置は、回転工具が固定ピン式であり、非回転のスライド部品１１８がスピンドル１１１とは分離している。そのため、被接合部材の表面形状に合わせて上下方向の調整が必要な場合には、ハウジング１１０全体を移動させる構造にする必要がある。また、スライド部品１１８が接合部表面を滑り、プローブ１１５のショルダ面が被接合部材へ入り込まない。そのため、接合部に隙間が生じている場合に、その隙間を埋める材料の入り込みがなく、接合不良の生じるおそれがある。

本発明は、かかる課題を解決すべく、回転体の上下動が可能なボビンツール式の回転工具を備え、接合部表面の仕上がりを良くする摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様における摩擦撹拌接合装置は、上部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な上部回転体と、前記上部回転体を貫いた回転主軸と一体に形成され、下部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な下部回転体と、前記回転主軸に形成された撹拌部とを備えた回転工具を有し、接合端面同士を突き合わせた被接合部材の接合部を前記上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その接合部を前記撹拌部の回転による摩擦熱で撹拌させて接合するものであり、前記回転工具は、前記上部回転体及び下部回転体の一方又は双方の向かい合う端部にスラスト軸受を介してスライド板が取り付けられたものであることを特徴とする。

上記摩擦撹拌接合装置は、前記上部回転体と下部回転体との荷重を検出する荷重センサと、前記上部回転体と下部回転体との位置を検出する位置センサと、前記被接合部材の位置を計測する位置センサとを備え、前記接合部を挟み込む上部回転体と下部回転体との荷重を調整する荷重制御と、前記上部回転体と下部回転体との位置を調整する位置制御とを行うコントローラを有するものであることが好ましい。

また、上記摩擦撹拌接合装置は、前記被接合部材の位置を計測する位置センサが、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサであり、前記回転工具が上部回転体にのみ前記スライド板が取り付けられたものである場合に、前記コントローラは、前記各センサからの情報を基に前記各アクチュエータを駆動し、前記上部回転体に荷重制御と位置制御を行い、前記下部回転体には荷重制御のみを行うものであることが好ましい。

また、上記摩擦撹拌接合装置は、前記被接合部材の位置を計測する位置センサが、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサと、前記被接合部材の接合部の板厚を計測する板厚センサであり、前記回転工具が下部回転体にのみ前記スライド板が取り付けられたものである場合に、前記コントローラは、前記各センサからの情報を基に前記各アクチュエータを駆動し、前記下部回転体に荷重制御と位置制御を行い、前記上部回転体には荷重制御のみを行うものであることが好ましい。

また、上記摩擦撹拌接合装置は、前記被接合部材の位置を計測する位置センサが、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサと、前記被接合部材の接合部の板厚を計測する板厚センサであり、前記回転工具が上部回転体と下部回転体に前記スライド板が取り付けられたものである場合に、前記コントローラは、前記各センサからの情報を基に前記各アクチュエータを駆動し、前記上部回転体と前記下部回転体に荷重制御と位置制御を行うものであることが好ましい。

また、上記摩擦撹拌接合装置は、前記コントローラが行う位置制御は、前記被接合部材の接合部の上下方向に前記上部回転体や下部回転体の位置が倣うようにしたものであることが好ましい。

また、上記摩擦撹拌接合装置は、前記コントローラが行う位置制御は、更に前記被接合部材の接合部へ入り込む前記上部回転体または下部回転体の位置を調整するようにしたものであることが好ましい。

本発明によれば、上部回転体および下部回転体の一方又は双方にスライド板を備える構成にしたことにより、スライド板が当たる面には接合痕を生じさせずに接合することが可能になる。そのため、接合後にグラインダなどで表面仕上げを行う必要がなくなり、ほぼそのままでも製品表面とすることができる。また、凹みも生じないため、被接合部材の接合部に予め突起を設ける必要がなくなる。こうしたことにより、加工費を安くし、作業を省くことにより製品コストを抑えることができる。

摩擦撹拌接合装置の実施形態について、その構造を概念的に示した図である。 摩擦撹拌接合装置の実施形態を示すブロック図である。 ボビンツール式の回転工具で摩擦撹拌接合した場合の接合部を示した斜視図である。 回転工具の第１タイプを示した拡大断面図である。 回転工具の第２タイプを示した拡大断面図である。 回転工具の第３タイプを示した拡大断面図である。 第１タイプの回転工具によって行った摩擦撹拌接合時の接合状態を示した斜視図である。 第３タイプの回転工具によって行った摩擦撹拌接合時の接合状態を示した斜視図である。 回転工具の上部回転体及び下部回転体について行う制御を概念的に示した図である。 従来の摩擦撹拌接合装置の一部を示した断面図である。

次に、本発明に係る摩擦撹拌接合装置の実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の摩擦撹拌接合装置についてその構造を概念的に示した図である。この図は、接合方向に対して直交する横側から見た図であり、接合を行う回転工具１は図面を左方向に移動する。また、本実施形態では、平板である被接合部材３００を２枚突き合わせて接合するが、図１には、回転工具１よりも図面奥に位置する被接合部材３００のみが示され、手前側に位置する被接合部材３００は省略している。

摩擦撹拌接合装置１０は、被接合部材３００を接合する回転工具１を備えている。その回転工具１は、上部回転体２、下部回転体３および撹拌部４によって構成されている。上部回転体２と下部回転体３は独立した上下方向の位置調整が可能であり、摩擦撹拌接合装置１０にはそのための油圧シリンダが設けられている。

上部回転体２には、上側油圧シリンダ２０Ａが構成されている。上側油圧シリンダ２０Ａは、上部回転体２がシリンダ形ロッド１１と一体になって構成され、上端にピストン１２が形成されている。上方のベース５０にはシリンダ本体１３が固定され、シリンダ形ロッド１１が摺動可能に挿入されている。摺動部にはシール処理が施され、気密な状態で挿入されている。シリンダ本体１３内は、ピストン１２によって上下に仕切られた加圧室が形成され、作動油の供給及び排出によってシリンダ形ロッド１１が伸縮し、上部回転体２の位置調整が行われる。

下部回転体３には、下側油圧シリンダ２０Ｂが構成されている。下側油圧シリンダ２０Ｂは、シリンダ形ロッド１１の内部にシリンダ部を構成する空間が形成され、回転主軸１６が挿入されている。その回転主軸１６には、下部回転体３や撹拌部４が形成されている。回転主軸１６は、同軸上に設けられたシリンダ形ロッド１１に対して摺動可能に挿入されている。摺動部にはシール処理が施され、気密な状態で挿入されている。回転主軸１６は、上端にピストン１７を有し、シリンダ形ロッド１１内にはそのピストン１７によって上下に仕切られた加圧室が形成されている。加圧室に対し作動油が供給及び排出され、回転主軸１６が伸縮し、下部回転体３の位置調整が行われる。

ところで、図１には上部回転体２と下部回転体３の位置調整のための構造のみを示しているが、摩擦撹拌接合装置１０は回転動力を伝達する構造も有している。すなわち、回転工具１は、図示しないモータからの回転出力が上部回転体２へ伝えられる。その回転は、スプライン部の形成された回転主軸１６に伝えられ、上部回転体２と下部回転体３および撹拌部４が共に回転する。

油圧シリンダ２０Ａ，２０Ｂには、油圧装置２１Ａ，２１Ｂが接続されている。油圧装置２１Ａ，２１Ｂは、共通する或いは別々に設けられた不図示の油圧ポンプやタンクが接続されている。そして、油圧シリンダ２０Ａ，２０Ｂに対して作動油の供給及び排出を行うための切換弁など、所定の流体機器を備えた油圧回路が構成されている。上部回転体２や下部回転体３は、そうした油圧装置２１Ａ，２１Ｂの駆動によって位置調整が行われる。そして位置確認のため、油圧シリンダ２０Ａ，２０Ｂにはストロークを検出する電磁式リニアセンサなどのストロークセンサ２３，２４が設けられている。

摩擦撹拌接合装置１０には更に、被接合部材である被接合部材３００の位置や、その板厚を計測するための部材計測手段が設けられている。本実施形態では、被接合部材の上面位置を計測する変位センサ２５と、被接合部材の板厚を計測する板厚センサ２９とが設けられている。図面では簡略化して示しているが、例えば、変位センサ２５は差動トランス変位センサであり、上方のベース５０に固定され、その下方には可動ロッド２７を介して接触子２６が取り付けられている。接触子２６は、コイルバネ２８によって常時下方に付勢され、摩擦撹拌時には被接合部材３００の上面に押し当てられている。

変位センサ２５は、筒状に巻回された１次コイル及び２次コイルが形成され、その内部には、可動ロッド２７と一体となって上下動する磁性体コアが挿入されている。可動ロッド２７が被接合部材３００に接する接触子２６に伴って上下するため、磁性体コアが移動することによりコイル間の相互インダクタンスが変化して電圧差が生じるようになっている。また、接触子２６には、超音波送受信素子からなる板厚センサ２９が設けられている。変位センサ２５および板厚センサ２９は、進行方向に向かって回転工具１の前方に位置し、左右の被接合部材３００に対してそれぞれに設けられている。

図２は、摩擦撹拌接合装置１０を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置１０は、油圧装置２１Ａ，２１Ｂを制御するためのコントローラ３０を有し、そのコントローラ３０には、油圧シリンダ２０Ａ，２０Ｂのストロークセンサ２３，２４や、部材計測手段３１Ｒ，３１Ｌが接続されている。コントローラ３０は、回転工具１の上部回転体２と下部回転体３との位置調整を行うための制御プログラムが格納されており、油圧シリンダ２０Ａ，２０Ｂの伸縮を制御するものである。なお、符号「Ｒ」は、進行方向に向かって右側のものを示し、「Ｌ」は同じく左側のものを示している。また、符号「Ｒ」「Ｌ」がない場合であって、左右両方に同じ構成を有するものについては左右両方のものを示すこととする。以下の説明でも同じとする。

摩擦撹拌接合装置１０は、油圧装置２１Ａ，２１Ｂを構成する油圧回路内には油圧センサが設けられている。油圧センサの検出値はコントローラ３０へと送信され、被接合部材３００を挟み込む上部回転体２及び下部回転体３の荷重が一定になるように制御が行われている。すなわち、上部回転体２から被接合部材３００の上面を下方へ加圧する力と、下部回転体３が被接合部材３００の下面を上方へ加圧する力とが、例えば共に１ｋＮの荷重値でバランスするような制御が行われる。

更に摩擦撹拌接合装置１０では、荷重制御に加えて上部回転体２及び下部回転体３の位置制御が行われる。荷重を一定に制御する場合、入熱過多となって被接合部材３００が上部回転体２や下部回転体３の荷重支持力を失うと、板厚が閾値を超えて薄くなってしまうからである。そこで、荷重制御に加えて上部回転体２及び下部回転体３の位置制御を行うことにより、熱的な特性変化が不安定になってしまっても、被接合部材３００に対して上部回転体２及び下部回転体３がある値以上に深く入り込まないようにしている。

摩擦撹拌接合装置１０が使用する回転工具１は、上部回転体２と下部回転体３が被接合部材を挟み込んで回転する、いわゆるボビンツール式の工具である。図示しないモータからの動力を上部回転体２が受けて回転し、更にその回転が回転主軸１６に伝達され、撹拌部４や下部回転体３も回転する。ここで、図３は、ボビンツール式の回転工具により摩擦撹拌接合した場合の接合部を示した斜視図である。

上部回転体２と下部回転体３のショルダ面２ａ，３ａが被接合部材３００に接して回転すると、表面には接合痕４００ができる。接合痕４００は、回転工具１が矢印Ｆ方向に進行すると、その後方に半円形の筋を連ねたような縞模様のビード部４０１が形成される。そのビード部４０１は、複数の筋が微小ではあるが凹凸をつくっている。更に左右両側には、軟化して流れた材料が上部回転体２や下部回転体３からはみ出してバリ４０２となり、バリになって流れた分だけ内側には僅かな凹み４０３ができてしまう。そのため接合後は、ビード部４０１やバリ４０２を無くして平滑な面にする必要があり、グラインダなどによる表面仕上げが行われる。その際、凹み４０３を残さずに平滑な面にするためには、予め接合部３１０を肉厚にするなどの被接合部材３００への加工も必要であった。

また、接合後の接合部３１０には、塑性流動領域内で熱機械影響部４１０が形成される。この熱機械影響部４１０は、材料が融点には達しない高温下で塑性変形して流動するため、接合に際して変形による大きな応力を受ける。撹拌部４の前方にある材料が、塑性流動して後方に流れる際、その撹拌部４を避けて左右の狭い領域を、回転工具１の送り速度よりも速い速度で通り抜けるからである。従って、熱機械影響部４１０は強度低下が生じるため、摩擦撹拌接合ではこの領域が狭くなることが望ましい。

摩擦撹拌接合装置１０は、接合痕４００ができないようにするため、また、熱機械影響部４１０の領域を狭くするため、回転工具１に特徴を有する。図４乃至図６は、回転工具１を示した３タイプの拡大断面図である。回転工具１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、被接合部材３００を直接挟み込むショルダ面に着目し、上部回転体２や下部回転体３に伴って回転しないショルダ面が形成されている。すなわち、ショルダ面が回転して接合部が発熱することにより、被接合部材３００の表面部分で材料の塑性流動が生じてしまい、接合痕４００や熱機械影響部４１０が生じる。このことから上部回転体２や下部回転体３の回転による発熱を防止することを目的とした。

図４に示す第１タイプの回転工具１Ａは、上部回転体２の下端に上部スライド板５がスラスト軸受４１を介して取り付けられている。そして、図５に示す第２タイプの回転工具１Ｂは、逆に下部回転体３の上端に下部スライド板６がスラスト軸受４２を介して取り付けられている。更に、図６に示す第３タイプの回転工具１Ｃは、両者を組み合わせたものであり、上部回転体２の下端に上部スライド板５が、下部回転体３の上端には下部スライド板６が、それぞれスラスト軸受４１，４２を介して取り付けられている。

上部回転体２及び下部回転体３は、高温になって流れる塑性流動部分の材料が逃げ出さないように押さえ込むためのものである。摩擦撹拌接合では、撹拌部４が被接合部材３００の厚さ方向に一様に作用し、特に最もエネルギを要する接触部分で熱を発生させ、これにより材料を塑性流動させて接合を可能にしている。従って、上部回転体２及び下部回転体３は非回転である構造が望ましい。

しかし、摩擦撹拌接合装置１０は、撹拌部４を備えた回転主軸１６と共に、上部回転体２と下部回転体３とが回転する構造である。また、上部回転体２と下部回転体３は、荷重制御や位置制御によって上下動する。従って、図１０に示した従来例のように、ハウジング下部１１４にスライド部品１１８を取り付けるような構成では対応できない。そこで、上部回転体２と下部回転体３による荷重制御や位置制御を可能にするとともに、被接合部材３００に接するショルダ面の回転を遮断するため、回転工具１Ａ，１Ｂ，１Ｃには上部スライド板５や下部スライド板６が設けられている。

次に、摩擦撹拌接合装置１０の作用について説明する。回転工具１は、上部回転体２と下部回転体３が接合部３１０を挟み込んで回転しながら移動する。被接合部材３００の端面同士が突き合わされた接合部３１０（図３参照）では、撹拌部４の回転により熱が発生し、その部分の材料が塑性流動することにより接合が行われる。その際、上部回転体２及び下部回転体３は、高温になって流れる材料が逃げ出さないように、接合部３１０を一定の荷重で上下方向から押さえ込んでいる。

こうした摩擦撹拌接合を図４に示す回転工具１Ａを使用した摩擦撹拌接合装置１０で行った場合、摩擦撹拌接合時に上部回転体２、下部回転体３および撹拌部４は回転するが、被接合部材３００の上面に接する上部スライド板５は非回転状態である。すなわち、上部スライド板５は、スラスト軸受４１によって上部回転体２の回転から遮断される。仮に、上部回転体２の回転によって多少の共回りはあったとしても、表面を発熱させるような回転は生じない。従って、上部スライド板５は非回転状態で接合部３１０表面を摺動する。ここで、図７は、回転工具１Ａによって行った摩擦撹拌接合時の接合状態を示した斜視図である。

回転工具１Ａによって行った摩擦撹拌接合では、接合部３１０の上面と下面とで仕上がりが異なる。回転する下部回転体３が直接接する下面側では、これまでと同様に接合痕４００（図３参照）が生じてしまう。すなわち、縞模様のビード部４０１が形成され、その幅方向両端にはバリ４０２ができ、更に材料がバリになって流れた分内側には僅かな凹み４０３ができる。

一方、接合部３１０の上面は、被接合部材３００に直接接する上部スライド板５が回転しないため熱の発生が抑えられる。従って、上部回転体２による塑性流動領域がなくなり、図示するような熱機械影響部４２０が形成される。すなわち、撹拌部４と下部回転体３の回転による発熱の塑性流動だけが生じ、図３に示す熱機械影響部４１０と比較すると、上面側への広がりがなくなり、熱機械影響部４２０の領域は狭くなる。また、接合部３１０上面は、上部スライド板５が回転せずに材料を押さえ込んでいるため、図３に示す接合痕４００のようにバリや凹みが生じない平滑な面になる。

次に、図５に示す回転工具１Ｂを使用した場合には、摩擦撹拌接合時に上部回転体２、下部回転体３および撹拌部４には回転が与えられるが、被接合部材３００下面に接する下部スライド板６が非回転状態となる。従って、下部スライド板６が前述した上部スライド板５と同様に非回転状態で接合部３１０表面を摺動し、接合後の接合部３１０の状態は、図７の場合とは上下が逆になる。すなわち、上部回転体２が回転接触する上面側では従来と同様に接合痕４００（図３参照）ができるが、下面側はバリや凹みの生じない平滑な面になる。そして、熱機械影響部の形状は、図７に示す熱機械影響部４２０の形状と上下が逆転する。

こうした回転工具１Ａや回転工具１Ｂは、人目に触れる意匠面が被接合部材３００の上下一方の面の場合に適用するのが好ましい。一方で、被接合部材３００の両面が意匠面となる場合には図６に示す回転工具１Ｃが使用される。回転工具１Ｃの場合は、摩擦撹拌接合時に上部回転体２、下部回転体３および撹拌部４には回転が与えられるが、被接合部材３００に接する上部スライド板５と下部スライド板６が非回転状態になる。すなわち、スラスト軸受４１，４２によって回転が遮断され、多少の共回りはあったとしてもほぼ回転しない状態で接合部３１０表面を摺動する。

従って、回転工具１Ｃを使用して行った摩擦撹拌接合では、接合後の接合部３１０の状態が図８に示すようなる。すなわち、上下両面に従来のような接合痕４００（図３参照）は生じない。そのため、上下両面共にバリや凹みが生じない平滑な面になる。また、熱機械影響部４３０は、撹拌部４が通過する狭い領域に止まり、上下表面側への広がりがなくなる。

続いて、上部回転体２及び下部回転体３について行う荷重制御及び位置制御について説明する。図９は、回転工具１の上部回転体２及び下部回転体３について行う制御を概念的に示した図である。特に、摩擦撹拌接合を行う回転工具１の進行方向後方から見た図を示している。また、回転工具１は、回転工具１Ａ，１Ｂ，１Ｃに相当するものであるが、上部スライド板５や下部スライド板６は図面上省略している。なお、上部スライド板５や下部スライド板６の省略については図１及び図２も同様である。

回転工具１は、回転しながら移動し、被接合部材３００の端面同士を突き合わせた接合部３１０が摩擦撹拌接合される。その際、上部回転体２と下部回転体３とが被接合部材３００の上下方向から共に一定の荷重（例えば１ｋＮ）で加圧する荷重制御が行われ、加えて上部回転体２や下部回転体３の位置制御も行われる。従って、不図示の上部スライド板５や下部スライド板６は、一体になって構成された上部回転体２や下部回転体３と共に、被接合部材３００の厚さ方向（図面の上下方向）に変位する。

回転工具１の左右に設けられた部材計測手段３１Ｒ，３１Ｌは、変位センサ２５によって左右の被接合部材３００の上面位置を計測する。ここでは分かりやすいように、変位センサ２５の計測距離をベース５０の下面からの距離ｈＲ，ｈＬとする。そして、板厚センサ２９によって、左右の被接合部材３００Ｒ，３００Ｌのそれぞれの板厚ｔＲ，ｔＬについて計測が行われる。

部材計測手段３１Ｒ，３１Ｌは、回転工具１よりも先行した位置を移動する。そのため、摩擦撹拌接合が行われる前に被接合部材３００Ｒ，３００Ｌの距離ｈＲ，ｈＬや板厚ｔＲ，ｔＬの計測が行われる。接触子２６は、被接合部材３００の上面を接触しながら移動し、被接合部材３００の上面の高さが変化すれば可動ロッド２７が上下動する。そのとき変位センサ２５では、コイル内部を磁性体コアが移動して生じる電圧差から部材上面の変位が検出される。また、板厚センサ２９では、被接合部材３００内に向けて超音波パルスが発信され、下面側で反射した反射波を受信し、その送受信に要する時間が検出される。

検出された各センサからの検出信号はコントローラ３０へ送られ、距離ｈＲ，ｈＬや板厚ｔＲ，ｔＬが算出される。具体的には、ベース５０の下面をゼロとした被接合部材３００Ｒの上面位置ｈＲおよび下面位置ｈＲ＋ｔＲと、被接合部材３００Ｌの上面位置ｈＬおよび下面位置ｈＬ＋ｔＬとが算出される。一方、油圧シリンダ２０Ａ，２０Ｂに設けられたストロークセンサ２３，２４からの検出信号がコントローラ３０に送られ、上部回転体２と下部回転体３が被接合部材３００に接するショルダ面２ａ，３ａの位置が算出される。上部スライド板５や下部スライド板６が存在する場合には、それらが被接合部材３００に接するショルダ面５ａ，６ａ（図４乃至図６参照）の位置が算出される。その際、ショルダ面２ａ，３ａ，５ａ，６ａの位置は、ベース５０の下面からの距離ｓ２，ｓ３として算出される。

上部回転体２や下部回転体３の位置制御は、接合部３１０の上下方向の変化に対して上部回転体２や下部回転体３を追随させるために行われる。例えば、被接合部材３００が数メートルから十数メートル或いはそれ以上の長尺な板材の場合、部材端部に位置する接合部には接合方向に見て上下方向に変位（うねり）が生じてしまうことがある。そうした場合に、上部回転体２や下部回転体３を接合部３１０のうねりに倣うようにした位置制御が行われる。

各センサからの検出信号により、左右の被接合部材３００Ｒ，３００Ｌについて、それぞれ上面位置がｈＲ，ｈＬ、下面の位置がｈＲ＋ｔＲ，ｈＬ＋ｔＬとして算出される。また、上部回転体２又は下部回転体３の各ショルダ面２ａ，３ａや上部スライド板５や下部スライド板６のショルダ面５ａ，６ａの位置がｓ２，ｓ３として算出される。そして、求められた値から上部回転体２や下部回転体３に対する位置制御が行われる。その際、本実施形態では、被接合部材３００の表面を滑って移動する上部スライド板５や下部スライド板６側において位置制御が行われる。

そのため、回転工具１Ａを使用した場合には、上部回転体２に荷重制御と位置制御が行われ、下部回転体３には荷重制御のみが行われる。逆に、回転工具１Ｂを使用した場合には、上部回転体２には荷重制御のみが行われ、下部回転体３には荷重制御と位置制御が行われる。そして、回転工具１Ｃを使用した場合には、上部回転体２と下部回転体３に荷重制御と位置制御が行われる。これにより、上部回転体２や下部回転体３を接合部３１０のうねりに倣うように上下させ、その位置で被接合部材３００の上下方向からほぼ一定の荷重で加圧した摩擦撹拌接合が行われる。

ところで、被接合部材３００同士を突き当てた接合部３１０は、図８に示すように隙間のないことが好ましい。しかし、被接合部材３００同士の接合距離が長くなると、加工誤差によって、図７に示すように接合部３１０に僅かな隙間が生じることがある。そうした場合には隙間を塑性流動する材料で埋める必要がある。しかし、撹拌部４が塑性流動させた材料だけでは、接合部３１０の隙間を埋められずに接合不良が生じる可能性がある。

この点、回転工具１Ａ，１Ｂは、上下の片側で上部回転体２や下部回転体３が被接合部材３００に直接当たり、回転による熱で材料を塑性流動させている。そして、上部回転体２や下部回転体３に対して荷重制御を行っているため、ショルダ面２ａ，３ａが所定量だけ上面または下面から入り込む。従って、塑性流動する上面側又は下面側の材料がショルダ面２ａ又は３ａによって接合部３１０の隙間に押し込まれ、塑性流動する上面側又は下面側からの材料によって隙間が埋められ、接合品質を安定させることができる。なお、反対の上部スライド板５や下部スライド板６の当たっている面は、前述したように平滑面に仕上げられる。

一方、回転工具１Ｃの場合には、図９に示すように接合部３１０に段差が生じていたとしても、ショルダ面５ａ，６ａを介して上下からの挟み込み、段差を修正した状態での接合が期待できる。この点は、回転工具１Ａ，１Ｂの場合も、上下片側のショルダ面５ａ，６ａが熱を発生させずに支えとなるため、ある程度同じように段差の修正が期待できる。

また、位置制御は、上部回転体２や下部回転体３のショルダ面２ａ，３ａが被接合部材３００に深く入り込み過ぎないようにすることも可能である。通常、上部回転体２や下部回転体３が被接合部材３００に対して深く入る方向に変位すると、抵抗によって反力が大きくなるため荷重値が高くなる。その場合は、荷重調整のため油圧シリンダ２０Ａ，２０Ｂが所定方向に伸縮し、入り込みや荷重上昇が抑えられる。しかし、例えば図９に示す段差の場合、当初は片当たりであるため抵抗が小さく、左右が同じ高さになっても撹拌部分が高温になって材料が柔らかくなり、抵抗が小さいまま上部回転体２や下部回転体３が深く入り込んでしまうことがある。そうした場合でも位置制御によって上部回転体２又は下部回転体３のショルダ面２ａ，３ａについて位置調整が行われる。つまり、荷重値に関係なく接合部３１０の肉厚を保った摩擦撹拌接合が行われる。

ショルダ面２ａ，３ａが接合部３１０に入り込む場合には、限界の接触深さが決められており、それによって位置制御が行われる。例えば板厚が５ｍｍである被接合部材３００に対して０．０５ｍｍが設定値として決められている。図９に示すように接合部３１０に段差が生じている場合には、上ショルダ面２ａ又は下ショルダ面３ａから遠い方の被接合部材３００の上面又は下面を基準位置とし、その基準位置から０．０５ｍｍが設定値として決定される。

例えば、図４に示す回転工具１Ａの場合には下側のショルダ面３ａのみが入り込む。その時の下面側はｇ３Ｒ＝（ｈＲ＋ｔＲ）−ｓ３とｇ３Ｌ＝（ｈＬ＋ｔＬ）−ｓ３である。接触深さｇ３Ｒ，ｇ３Ｌの値から、被接合部材３００Ｒ，３００Ｌに対してショルダ面３ａの位置がどのような状態であるかが確認できる。そのため、ショルダ面３ａが深く入り込み、設定値に達した場合には、コントローラ３０によって次のような制御が行われる。

先ず、左右の被接合部材３００Ｒ，３００Ｌの下面の位置ｈＲ＋ｔＲとｈＬ＋ｔＬが求められる。そして、図９の場合には、被接合部材３００Ｒの方がショルダ面３ａから遠い位置、つまり高い位置にあるので、被接合部材３００Ｒに対するショルダ面３ａの接触深さｇ３Ｒが設定値である０．０５ｍｍの値を超えないようにする。そのためには例えば、ショルダ面３ａの位置が設定値に達した場合に、荷重制御を中断してショルダ面３ａが基準位置へ徐々に戻る方向へ下部回転体３を変位させる。また、他の方法としては、ショルダ面３ａの位置が設定値に達した場合に荷重制御のための値を下げる。このとき、変更荷重値によって下部回転体３が受ける反力の方が大きくなり、そのことにより遠ざかる方向へと変位させる。

一方、回転工具１Ｂの場合には上面側のみが入り込む。左右の被接合部材３００Ｒ，３００Ｌの上面の位置はｈＲ，ｈＬであり、ショルダ面２ａの接触深さｇ２Ｒ，ｇ２Ｌの値は、ｇ２Ｒ＝ｓ２−ｈＲとｇ２Ｌ＝ｓ２−ｈＬである。こうした接触深さｇ２Ｒ，ｇ２Ｌの値から、被接合部材３００Ｒ，３００Ｌに対してショルダ面２ａの位置がどのような状態であるかが確認できる。そして、図９の場合には、被接合部材３００Ｌの方がショルダ面２ａから遠い位置、つまり低い位置にあるため、被接合部材３００Ｌに対するショルダ面２ａの接触深さｇ２Ｌが設定値である０．０５ｍｍの値を超えないようにする。つまり、ショルダ面２ａの位置が設定値に達した場合に、荷重制御を中断してショルダ面２ａが基準位置へ徐々に戻る方向へ上部回転体２を変位させる。または、荷重制御値を下げることで上部回転体２が受ける反力の方を大きくして遠ざかる方向へと変位させる。

以上、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１０によれば、回転工具１Ａ，１Ｂ，１Ｃのように、上部回転体２および下部回転体３の一方又は双方に上部スライド板５や下部スライド板６を備える構成にしたことにより、上部スライド板５や下部スライド板６が当たる面には接合痕４００を生じさせることなく接合することが可能になる。そのため、接合後にグラインダなどで表面仕上げを行う必要なくなり、ほぼそのままでも製品表面とすることができる。また、凹み４０３も生じないため、被接合部材３００の接合部３１０に予め突起を設けておく必要もなくなる。従って、加工費を安くし、作業を省くことにより製品コストを抑えることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。

１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ） 回転工具
２ 上部回転体
３ 下部回転体
４ 撹拌部
５ 上部スライド板
６ 下部スライド板
１０ 摩擦撹拌接合装置
１６ 回転主軸
２０Ａ，２０Ｂ 油圧シリンダ
２１Ａ，２１Ｂ 油圧装置
２５ 変位センサ
２６ 接触子
２９ 板厚センサ
３０ コントローラ
４１，４２ スラスト軸受
３００ 被接合部材
３１０ 接合部

Claims (7)

1. 上部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な上部回転体と、前記上部回転体を貫いた回転主軸と一体に形成され、下部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な下部回転体と、前記回転主軸に形成された撹拌部とを備えた回転工具を有し、接合端面同士を突き合わせた被接合部材の接合部を前記上部回転体と下部回転体とで挟み込み、その接合部を前記撹拌部の回転による摩擦熱で撹拌させて接合する摩擦撹拌接合装置において、
   前記回転工具は、前記上部回転体及び下部回転体の一方又は双方の向かい合う端部にスラスト軸受を介してスライド板が取り付けられたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 請求項１に記載する摩擦撹拌接合装置において、
   前記上部回転体と下部回転体との荷重を検出する荷重センサと、前記上部回転体と下部回転体との位置を検出する位置センサと、前記被接合部材の位置を計測する位置センサとを備え、
   前記接合部を挟み込む上部回転体と下部回転体との荷重を調整する荷重制御と、前記上部回転体と下部回転体との位置を調整する位置制御とを行うコントローラを有するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項２に記載する摩擦撹拌接合装置において、
   前記被接合部材の位置を計測する位置センサは、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサであり、
   前記回転工具が上部回転体にのみ前記スライド板が取り付けられたものである場合に、前記コントローラは、前記各センサからの情報を基に前記各アクチュエータを駆動し、前記上部回転体に荷重制御と位置制御を行い、前記下部回転体には荷重制御のみを行うものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
4. 請求項２に記載する摩擦撹拌接合装置において、
   前記被接合部材の位置を計測する位置センサは、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサと、前記被接合部材の接合部の板厚を計測する板厚センサであり、
   前記回転工具が下部回転体にのみ前記スライド板が取り付けられたものである場合に、前記コントローラは、前記各センサからの情報を基に前記各アクチュエータを駆動し、前記下部回転体に荷重制御と位置制御を行い、前記上部回転体には荷重制御のみを行うものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
5. 請求項２に記載する摩擦撹拌接合装置において、
   前記被接合部材の位置を計測する位置センサは、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサと、前記被接合部材の接合部の板厚を計測する板厚センサであり、
   前記回転工具が上部回転体と下部回転体に前記スライド板が取り付けられたものである場合に、前記コントローラは、前記各センサからの情報を基に前記各アクチュエータを駆動し、前記上部回転体と前記下部回転体に荷重制御と位置制御を行うものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載する摩擦撹拌接合装置において、
   前記コントローラが行う位置制御は、前記被接合部材の接合部の上下方向に前記上部回転体や下部回転体の位置が倣うようにしたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
7. 請求項６に記載する摩擦撹拌接合装置において、
   前記コントローラが行う位置制御は、更に前記被接合部材の接合部へ入り込む前記上部回転体または下部回転体の位置を調整するようにしたものであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。

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