JP6372615B2 - 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本開示は、ワーク同士の摩擦攪拌接合に用いる摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法に関する。
本願は、２０１５年５月１８日に、日本に出願された特願２０１５−１０１２１０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

摩擦攪拌接合を実施する場合に使用される摩擦攪拌接合ツール（摩擦攪拌接合用工具）としては、プローブと一体に回転する回転式ショルダを備えた形式のものと、回転するプローブと非回転の固定式ショルダとを備えた形式のものが知られている。

固定式ショルダを備える摩擦攪拌接合ツールとしては、接合すべきワーク同士の角隅部（内隅部）を摩擦攪拌接合するために、角隅部の両ワーク表面に当接する面を備える固定式ショルダを有することが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

又、固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールによる角隅部の摩擦攪拌接合を行う際に、フィラーを加えて、接合後の角隅部にフィレット（肉盛り部）を形成させるようにしたＡｄＳｔｉｒと云われる手法も、提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

日本国特開平１１−３２０１２８号公報

福田哲夫，角張隆男、「ＴＷＩの最新ＦＳＷプロセス開発状況とパテント情報」、溶接技術、産報出版株式会社、２０１１年６月、５９巻、６号、ｐ．５７−６０

ところが、固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールを用いてフィラーを加えながら行う摩擦攪拌接合は、たとえば、アルミ製のワーク同士の角隅部を接合対象とする場合、接合させる長さがメートルオーダーのように比較的長い場合は、形成されるフィレットの表面に荒れ等の欠陥が生じる場合があることが近年明らかになってきた。

本発明者等が研究した結果、このような欠陥は、摩擦攪拌接合時に、プローブにより軟化および攪拌されたワークの素材およびフィラーの素材が、固定式ショルダに付着することがあり、この付着物が、フィレットの表面を擦ることによって生じると推定された。

そこで、本開示は、固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールを用いて、フィラーを加えながらワーク同士の接合部を摩擦攪拌接合する際に、接合部に沿って形成させるフィレットの表面に欠陥が生じることを抑制できる摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る第１の態様である摩擦攪拌接合装置は、回転駆動可能なプローブの基端側の外周に固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールと、摩擦攪拌接合ツールをワーク間の接合部に対して、接合部に沿う方向に相対移動させる移動部と、移動部の制御装置と、接合部の摩擦攪拌接合時にプローブによって攪拌される攪拌領域にフィラーを供給するフィラー供給部とを備え、制御装置は、接合部の摩擦攪拌接合時に、プローブを接合部に没入させた摩擦攪拌接合ツールの固定式ショルダを、ワークの面に対し隙間を隔てた位置に保持する機能を備える。

本開示の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法によれば、固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールを用いて、フィラーを加えながらワーク同士の接合部を摩擦攪拌接合する際に、接合部に沿って形成させるフィレットの表面に欠陥が生じることを抑制できる。

摩擦攪拌接合方法を説明するための図で、摩擦攪拌接合による接合個所の概略切断側面図である。 摩擦攪拌接合方法を説明するための図で、図１ＡのＡ−Ａ方向矢視図である。 摩擦攪拌接合装置の第１実施形態を示す概略切断側面図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合装置の一部切断概略正面図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合装置で用いる摩擦攪拌接合ツールの正面拡大図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合装置で用いる摩擦攪拌接合ツールの側面拡大図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合装置で用いる摩擦攪拌接合ツールの背面拡大図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合装置におけるフィラー供給部拡大側面図である。 第１実施形態の摩擦攪拌接合装置におけるフィラー供給部の拡大側面図である図５ＡのＢ−Ｂ方向矢視図である。 摩擦攪拌接合装置の第２実施形態の、フィラー供給部の他の例を示す概要図である。 摩擦攪拌接合装置の第２実施形態の、フィラー供給部のさらに他の例を示す概要図である。 従来の摩擦攪拌接合による接合部を示す写真である。 本開示における摩擦攪拌接合による接合部を示す写真である。

本開示の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法について、図面を参照して説明する。

［摩擦攪拌接合方法］
先ず、本開示の摩擦攪拌接合方法について、図１Ａ、図１Ｂを参照して概説する。

本開示の摩擦攪拌接合方法は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、プローブ２と固定式ショルダ３を備えた形式の摩擦攪拌接合ツール１を用いる。摩擦攪拌接合を行うときには、摩擦攪拌接合ツール１は、プローブ２を回転駆動状態でワークＷ１，Ｗ２間の接合部、たとえば、図１では角隅部ｃに没入させて、プローブ２の周りにワークＷ１，Ｗ２の素材の攪拌領域ｓを形成する。このとき、固定式ショルダ３は、各ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間に隙間４を隔てて配置され、プローブ２を角隅部ｃに沿って移動させて摩擦攪拌接合が施工されている間、この隙間４は常に保持される。

更に、摩擦攪拌接合の施工中は、攪拌領域ｓにフィラー５が供給される。このフィラー５の供給量は、摩擦攪拌接合が或る単位長さ進行するときに、摩擦攪拌接合後に角隅部ｃに形成される、図１Ｂに一点鎖線で示された、同じ単位長さ当たりの、フィレット（肉盛り）６の断面形状から幾何学的に求められるフィレット６の体積より大きい。

このフィラー５の供給により、摩擦攪拌接合の施工中は、攪拌領域ｓにおいてプローブ２によりワークＷ１，Ｗ２の素材およびフィラー５の素材が軟化および攪拌され、ワークＷ１，Ｗ２の素材およびフィラー５の素材が混合された軟化物７（以下、素材軟化物７という）により、フィレット６が形成される。同時に、余剰分の素材軟化物７を、軟化した状態のまま隙間４に流入させる。これにより、摩擦攪拌接合時には、ワークＷ１，Ｗ２に対して相対移動する固定式ショルダ３と、ワークＷ１，Ｗ２の固定式ショルダ３と対向する面Ｐ１，Ｐ２との間に、素材軟化物７の層が形成される。

［第１実施形態］
図２は摩擦攪拌接合装置の第１実施形態を示す概略切断側面図、図３は一部切断概略正面図である。図４Ａ〜図４Ｃは、本実施形態における摩擦攪拌接合ツールを拡大した図であり、図４Ａは正面図、図４Ｂは切断側面図、図４Ｃは背面図である。図５Ａおよび図５Ｂは、本実施形態におけるフィラー供給部の拡大図であり、図５Ａは側面図、図５Ｂは図５ＡのＢ−Ｂ方向矢視図である。

なお、図１Ａ、図１Ｂと同じものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の摩擦攪拌接合装置８は、図２、図３に示すように、プローブ２及び固定式ショルダ３を備えた摩擦攪拌接合ツール１と、プローブ２の回転駆動装置１０を有して、摩擦攪拌接合ツール１の先端側となる第１端側に装着された主軸ユニット９と、主軸ユニット９と共に摩擦攪拌接合ツール１をワークＷ１，Ｗ２間の角隅部ｃに対して相対移動させる３軸型の門型の主軸位置決め機構（移動部）１１と、この主軸位置決め機構１１の制御装置１２と、角隅部ｃの摩擦攪拌接合時にワークＷ１，Ｗ２の素材の攪拌領域ｓにフィラー５を供給するフィラー供給部１３と、を備える。

なお、角隅部ｃの摩擦攪拌接合を行う際に、角隅部ｃに対して摩擦攪拌接合ツール１を相対的に進行させる方向（図１Ａ、図２では右方向）は、以下、摩擦攪拌接合進行方向という。

摩擦攪拌接合ツール１は、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、回転駆動可能なプローブ２と、プローブ２の基端側の外周に配置された固定式ショルダ３とを備える。

プローブ２は、軸心方向がワークＷ１，Ｗ２間の角隅部ｃの角度の二等分線に平行となる角度姿勢に配置されている。本実施形態では、角隅部ｃは直角であり、ワークＷ１，Ｗ２は、共に鉛直方向から４５度ずつ傾斜させてある。そのため、プローブ２の軸心は、ワークＷ１，Ｗ２の双方に対して４５度傾斜させて、鉛直方向に配置される。

固定式ショルダ３は、プローブ２の先端寄りに配置される端部が、角隅部ｃを挟んだ両側の各ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２に対向して配置される２つのワーク対向面１４ａ，１４ｂを備えた山形（Ｖ字形状）とされている。更に、ワーク対向面１４ａ，１４ｂにより形成される山形の頂部となる部分には、図４Ａ、図４Ｂに示すように、プローブ２よりも摩擦攪拌接合進行方向の前側に、ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間にフィラー５を挿入するための空隙１６を形成する空隙形成用切欠部１５が設けられている。なお、図４Ａでは、空隙１６は、摩擦攪拌接合進行方向の垂直な断面が直角二等辺三角形状である例を示しているが、フィラー５を挿入可能であれば、フィラー５の断面に応じた形状等、図示した形状に限られない。

一方、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、固定式ショルダ３の山形の頂部となる部分において、プローブ２よりも摩擦攪拌接合進行方向の後側には、接合後の角隅部ｃに所望の断面形状のフィレット６が形成されるように、所望の断面形状に応じた形状で切り欠いたフィレット形成用切欠部１７が設けられている。本実施形態では、フィレット６が、直角二等辺三角形の断面とされているため、フィレット形成用切欠部１７の切欠き形状もそれに応じた形状とされている。したがって、たとえば、接合後の角隅部ｃにＲ（曲面）を有する形状のフィレット６を形成する場合は、フィレット形成用切欠部１７は曲面を有するフィレット６の断面形状に応じた形状を有していればよい。

摩擦攪拌接合ツール１は、図２、図３に示すように、主軸ユニット９の先端側に取り付けられる。この状態で、固定式ショルダ３は主軸ユニット９に回転が阻止された状態で保持され、プローブ２は、回転駆動装置１０により回転駆動可能となる。

主軸位置決め機構１１は、図２及び図３に示すように、架台１８上に、接合対象となるワークＷ１，Ｗ２を載置して角隅部ｃの延びる方向に沿って移動させるためのＸ軸テーブル１９を備えている。

更に、架台１８上には、Ｘ軸テーブル１９を跨ぐ門型フレーム２０が設置され、門型フレーム２０に、主軸ユニット９の鉛直方向（Ｚ軸方向）の位置制御用のＺ軸テーブル２１が取り付けられている。Ｚ軸テーブル２１には、主軸ユニット９について、Ｘ軸テーブル１９の移動方向（以下、Ｘ軸方向という）に直角な水平方向（以下、Ｙ軸方向という）の位置制御を行うＹ軸テーブル２２が取り付けられている。Ｙ軸テーブル２２には、主軸ユニット９が、Ｘ軸テーブル１９の上方に配置された状態で取り付けられている。

Ｘ軸テーブル１９は、Ｘ軸方向に延びるように架台１８上に設けられたガイドレール２３と、水平な平板状としてガイドレール２３にガイドブロック２４を介してスライド自在に取り付けられた移動テーブル２５と、移動テーブル２５をガイドレール２３の長手方向に移動させるＸ軸方向の直動機構としてのボールねじ機構２６とを備える。

ボールねじ機構２６は、サーボモータ等の駆動モータ２７と、その出力側に取り付けられた減速機２８と、減速機２８の出力側に連結されたねじ軸２９と、ねじ軸２９に取り付けられたナット部材３０とを備える。

更に、ボールねじ機構２６は、架台１８上における移動テーブル２５との間に、ねじ軸２９がガイドレール２３と平行に延びる姿勢で設置されており、ナット部材３０が、移動テーブル２５に、取付部材３１を介して取り付けられている。

これにより、Ｘ軸テーブル１９は、ボールねじ機構２６において、駆動モータ２７によって減速機２８を介しねじ軸２９を回転駆動させ、またその回転方向を切り替えることにより、ナット部材３０と一緒に移動テーブル２５を、Ｘ軸方向に往復移動させることができる。この際、Ｘ軸テーブル１９は、駆動モータ２７の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出部によるナット部材３０や移動テーブル２５の位置検出信号を基に、移動テーブル２５の上側に載置して保持されるワークＷ１，Ｗ２の位置や移動速度を制御することができる。

移動テーブル２５の上側には、接合すべきワークＷ１とワークＷ２を、全長に亘り保持するための治具３２が設けられている。治具３２は、たとえば、図４Ａに示すように、上面側にＶ字状の溝３３を備えて、この溝３３の２つの斜面に、各ワークＷ１，Ｗ２を、一方のワークＷ１の端縁に他方のワークＷ２の端面を突き当てた姿勢で載置する。

更に、治具３２は、各斜面の上端側に、Ｘ軸方向に配列された多数の押さえ部材３４を備えており、この押さえ部材３４により各ワークＷ１，Ｗ２を溝３３の内側に押し付けて固定する。これにより、ワークＷ１，Ｗ２同士の間の角隅部ｃの位置は、治具３２によってＸ軸方向の全長に亘って保持される。

治具３２によるワークＷ１，Ｗ２の保持は、摩擦攪拌接合の際に、摩擦攪拌接合ツール１のプローブ２を角隅部ｃに没入させるためのＺ軸方向の押圧荷重、及び、角隅部ｃに没入させた状態のプローブ２を角隅部ｃの長手方向に沿って移動させるときのＸ軸方向の荷重が作用しても、ワークＷ１，Ｗ２にずれが生じないような保持力で行われる。

なお、図４Ａでは、ワークＷ１とワークＷ２の角隅部ｃが角継手の場合を例示したが、接合部となる角隅部ｃは、Ｔ字継手、重ね継手や十字継手であってもよい。これらの場合は、角隅部ｃを挟んでワークＷ１とワークＷ２の面Ｐ１，Ｐ２が共に傾斜面となるように配置されるときのワークＷ１とワークＷ２の姿勢に応じて、治具３２の形状を適宜変更すればよい。

又、治具３２は、角隅部ｃを挟んだワークＷ１の面Ｐ１とワークＷ２の面Ｐ２が、共に鉛直方向から等しい傾斜角度で傾斜した姿勢で保持されることが好ましい。しかし、ワークＷ１とワークＷ２により角隅部ｃを形成するときの継手の形状や配置によっては、治具３２は、ワークＷ１の面Ｐ１とワークＷ２の面Ｐ２が鉛直方向に対して互いに異なる傾斜角度となる状態で保持されてもよい。

Ｚ軸テーブル２１は、図２、図３に示すように、門型フレーム２０に設置された鉛直方向（Ｚ軸方向）のガイドレール３５と、Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状としてガイドレール３５にガイドブロック３６を介してスライド自在に取り付けられた移動テーブル３７と、移動テーブル３７をガイドレール３５の長手方向に移動させるＺ軸方向の直動機構としてのボールねじ機構３８とを備える。

ボールねじ機構３８は、サーボモータ等の駆動モータ３９と、その出力側に取り付けられた減速機４０と、減速機４０の出力側に連結されたねじ軸４１と、ねじ軸４１に取り付けられたナット部材４２とを備える。

更に、ボールねじ機構３８は、門型フレーム２０のＺ軸テーブル２１の設置側の面における移動テーブル３７との間に、ねじ軸４１がガイドレール３５と平行に延びる姿勢で設置されており、ナット部材４２が、移動テーブル３７に、ロードセル４４と取付部材４３を介して取り付けられている。

これにより、Ｚ軸テーブル２１は、ボールねじ機構３８において、駆動モータ３９によって減速機４０を介してねじ軸４１を回転駆動させ、またその回転方向を切り替えることにより、ナット部材４２と一緒に移動テーブル３７を、Ｚ軸方向である上下方向に往復移動させることができる。この際、Ｚ軸テーブル２１は、駆動モータ３９の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出部によるナット部材４２や移動テーブル３７の位置検出信号を基に、後述するように移動テーブル３７にＹ軸テーブル２２を介して保持される主軸ユニット９及び摩擦攪拌接合ツール１の上下方向の位置を制御することができる。

更に、Ｚ軸テーブル２１は、ロードセル４４の検出信号を基に、摩擦攪拌接合の実施時に摩擦攪拌接合ツール１に付与される角隅部ｃに向く方向の押圧荷重を検出できる。

又、図示しないが、Ｚ軸テーブル２１は、移動テーブル３７の自重、及び、移動テーブル３７と一緒に上下に移動するものの重量を支持する重力補償機構（自重補償機構、重量補償機構とも称する）を、門型フレーム２０と移動テーブル３７との間に介装してもよい。この構成によれば、ロードセル４４により、摩擦攪拌接合ツール１に付与される角隅部ｃに対する押圧荷重を直接的に検出することが可能になる。

Ｙ軸テーブル２２は、図２、図３に示すように、Ｚ軸テーブル２１の移動テーブル３７に設置したＹ軸方向のガイドレール４５と、Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状としてガイドレール４５にガイドブロック４６を介してスライド自在に取り付けられた移動テーブル４７と、移動テーブル４７をガイドレール４５の長手方向に移動させるＹ軸方向の直動機構としてのボールねじ機構４８とを備える。

ボールねじ機構４８は、サーボモータ等の駆動モータ４９と、その出力側に連結されたねじ軸５０と、ねじ軸５０に取り付けられたナット部材５１とを備える。

更に、ボールねじ機構４８は、移動テーブル３７と移動テーブル４７との間に、ねじ軸５０がガイドレール４５と平行に延びる姿勢で設置されており、ナット部材５１が、移動テーブル４７に、取付部材５２を介して取り付けられている。移動テーブル４７には、主軸ユニット９が取り付けられている。

これにより、Ｙ軸テーブル２２は、ボールねじ機構４８において、駆動モータ４９によってねじ軸５０を回転駆動させ、またその回転方向を切り替えることにより、ナット部材５１と一緒に移動テーブル４７を、Ｙ軸方向に往復移動させることができる。この際、Ｙ軸テーブル２２は、駆動モータ４９の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出部によるナット部材５１や移動テーブル４７の位置検出信号を基に、移動テーブル４７に保持された主軸ユニット９及び摩擦攪拌接合ツール１のＹ軸方向の位置を制御することができる。

主軸位置決め機構１１の制御装置１２は、Ｚ軸テーブル２１とＹ軸テーブル２２の制御により、主軸ユニット９に取り付けられた摩擦攪拌接合ツール１について、ワークＷ１，Ｗ２間の角隅部ｃが延びる方向に垂直な面内で上下方向及び水平方向の位置を制御する機能を備える。

制御装置１２は、Ｘ軸テーブル１９の制御により、移動テーブル２５上に治具３２を介して保持されたワークＷ１，Ｗ２の角隅部ｃのＸ軸方向の位置を制御する機能を備える。

又、制御装置１２は、主軸ユニット９の回転駆動装置１０の制御を介して、プローブ２の回転駆動を制御する。

摩擦攪拌接合を行うときには、制御装置１２は、先ず、図２に示すように、Ｘ軸テーブル１９の制御により、ワークＷ１，Ｗ２の角隅部ｃを、その長手方向の第１端（一端）側（図１では左端側）に設定されている摩擦攪拌接合の始端側が主軸ユニット９の下方に位置するように配置する。次に、上記の状態で、制御装置１２は、回転駆動装置１０によるプローブの回転駆動を開始し、Ｙ軸テーブル２２とＺ軸テーブル２１の制御によって、プローブ２を角隅部ｃに没入させる。次いで、制御装置１２は、Ｘ軸テーブル１９の移動テーブル２５の移動を開始して、ワークＷ１，Ｗ２間の角隅部ｃに沿ってプローブ２を相対的に移動させて、角隅部ｃの摩擦攪拌接合を実施する。その後、プローブ２が角隅部ｃの長手方向の第２端（他端）側（図１では右端側）に設定されている摩擦攪拌接合の終端側に達すると、制御装置１２は、移動テーブル２５を停止させた後、Ｚ軸テーブル２１を制御し、プローブ２を角隅部ｃより抜き出す。

更に、制御装置１２は、上記のように摩擦攪拌接合を実施する間、Ｚ軸テーブル２１の制御によって、摩擦攪拌接合ツール１の固定式ショルダ３の位置を、図１Ｂに示したように、ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間に隙間４を隔てた位置に保持する機能を備える。

この隙間４を形成した位置に固定式ショルダ３を保持するために、たとえば、制御装置１２が、Ｘ軸テーブル１９に保持されたワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２の位置の情報を基に、面Ｐ１，Ｐ２から所望の隙間４を隔てた位置を目標位置として、固定式ショルダ３の位置を制御すればよい。

又、プローブ２を角隅部ｃに没入させるときには、Ｚ軸テーブル２１によってプローブ２に付与される押圧荷重の大小に応じて、プローブ２の没入量が増減する。又、角隅部ｃにプローブ２が没入した状態では、プローブ２と固定式ショルダ３との既知の位置関係を基に、固定式ショルダ３のワーク対向面１４ａ，１４ｂとワークＷ１，Ｗ２の面との距離が分かる。したがって、制御装置１２は、角隅部ｃにプローブ２を没入させた状態でロードセル４４によって検出されるプローブ２の押圧荷重を制御することで、ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間に所望の隙間４を形成した位置に固定式ショルダ３を保持してもよい。

隙間４の寸法の下限及び上限は、プローブ２によって軟化および攪拌された素材軟化物７が、軟化状態のまま隙間４に流入し、固定式ショルダ３のワーク対向面１４ａ，１４ｂとワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間で隙間４を埋めることが可能な寸法の範囲に設定される。

すなわち、プローブ２により攪拌された素材軟化物７は流動性を有するが、あくまで固体であり、液体ではない。したがって、隙間４が小さすぎる場合は、素材軟化物が隙間４に流入するときの抵抗が大となり、この場合は、素材軟化物７は隙間４に広がることはできない。そのために、隙間４の寸法の下限は、素材軟化物７の流動性の大小に依存する。ワークＷ１，Ｗ２とフィラー５の素材がアルミニウム（アルミニウム合金）である場合は、隙間４の寸法は０．１ｍｍ以上に設定されることが好ましい。

一方、隙間４の寸法の上限は、以下のようにして定まる。

隙間４に入った素材軟化物７が流動性を有したまま隙間４全体に広がるためには、回転するプローブ２によって発生された熱（摩擦熱）が、隙間４に入った素材軟化物７全体に、軟化状態を維持できる温度条件で伝わる必要がある。

プローブ２が発生させる熱の量は、プローブ２の構造や回転数や角隅部ｃへの没入量、角隅部ｃに対する相対移動速度などの摩擦攪拌接合の施工条件に依存する。そのため、摩擦攪拌接合の施工時には、プローブ２で発生させる熱によって軟化させることが可能な素材軟化物７の量（体積）は、その素材の性質や伝熱特性などに応じて上限がある。したがって、フィレット６の形成に用いられる素材軟化物７の余剰分の素材軟化物７が流入および広がることが可能な隙間４の容積の上限も定まる。よって、その隙間４の容積の上限値を、固定式ショルダ３のワーク対向面１４ａ，１４ｂの面積で割ることにより、隙間４の寸法の上限値が定まる。

又、摩擦攪拌接合後には、隙間４に入った素材軟化物７の固化したものが、ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２から突出した状態になる。そのため、ワークＷ１，Ｗ２の種類によっては、この面Ｐ１，Ｐ２に形成される突出部分に対する応力集中の抑制が望まれる場合があり、この観点から、隙間４の寸法の上限値が設定されるようにしてもよい。

このようにして隙間４の寸法が定まると、隙間４の摩擦攪拌接合進行方向に関する単位長さ当たりの容積が決まる。したがって、前述したフィラー５の供給量は、角隅部ｃに形成されるフィレット６の単位長さ当たりの体積に、隙間４の摩擦攪拌接合進行方向に関する単位長さ当たりの容積分を足した量以上になるように設定される。

フィラー供給部１３は、たとえば、図１Ａに示したようなワイヤ状のフィラー５を、図４Ａ、図４Ｂに示した固定式ショルダ３の空隙形成用切欠部１５によりワークＷ１，Ｗ２との間に形成された空隙１６を通して、攪拌領域ｓに供給するものである。

そのために、図２に示すように、フィラー供給部１３は、主軸ユニット９の下端側（先端側）に、摩擦攪拌接合ツール１の取り付け個所よりも摩擦攪拌接合進行方向の前方となる配置で設けられたブラケット５３を備えている。

ブラケット５３の下側には、図５Ａ、図５Ｂに示すように、フィラー５を上方から押さえるローラ５４を保持したフレーム５５が配置されている。フレーム５５の上側には、上下方向に延びる複数本、たとえば、２本のガイドロッド５６が立設され、このガイドロッド５６が、ブラケット５３に設けられた上下方向のガイド孔（図示せず）に下方から挿通されて、上端側に抜け止め部材５７が取り付けられている。フレーム５５の上面とブラケット５３の下面との間のガイドロッド５６の外周には、加圧部としてのスプリング５８が嵌められている。

フィラー供給部１３は、摩擦攪拌接合時に、摩擦攪拌接合ツール１よりも摩擦攪拌接合進行方向の前側に位置する角隅部ｃに沿ってフィラー５が予め配置されている状態で、プローブ２を角隅部ｃに近接させるように主軸ユニット９を下降させると、ローラ５４がフィラー５に上方から接触する。この状態から、プローブ２が角隅部ｃに没入する位置まで主軸ユニット９を更に下方移動させると、ローラ５４のフレーム５５と、ブラケット５３との間でスプリング５８が収縮し、この収縮したスプリング５８の復元力により、ローラ５４をフィラー５に対し上方から押し付けて加圧することができる。

なお、加圧部は、スプリング５８を例示したが、ローラ５４に、フィラー５に向く方向の押し付ける力を付与できるものであればよく、ガススプリングや流体圧シリンダ等、他の任意の形式の加圧部を採用してもよく、更に、アクチュエータのような能動的に加圧力を発生する加圧部を採用してもよい。

これにより、フィラー５は角隅部ｃに固定される。この状態で、摩擦攪拌接合ツール１による角隅部ｃの摩擦攪拌接合が進行すると、フィラー５は、固定式ショルダ３の空隙形成用切欠部１５とワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間に形成された空隙１６に導かれて、攪拌領域ｓに導入されるようになる。

更に、フィラー供給部１３は、攪拌領域ｓに対して供給されるフィラー５の先端側に、供給方向とは垂直方向に少なくとも１ＭＰａ以上の圧力をかける。

本実施形態では、フィラー５は角隅部ｃに押さえつけられた状態で、摩擦攪拌接合ツール１による角隅部ｃの摩擦攪拌接合の進行に伴って、相対的に攪拌領域ｓに供給される。したがって、本実施形態では、フィラー５と角隅部ｃの両側のワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間に生じる摩擦力（最大摩擦力）は、摩擦面となる面Ｐ１およびＰ２にかかる圧力、面Ｐ１およびＰ２の面積および摩擦係数の積であると同時に、フィラー５の先端側にかかる圧力とフィラー５の断面積との積である。よって、フィラー５の先端側に、フィラー５の供給方向とは垂直方向に少なくとも１ＭＰａ以上の圧力がかかるように、フィラー５と面Ｐ１，Ｐ２との摩擦係数を考慮して、ローラ５４によりフィラー５を加圧するときの加圧力が設定される。なお、攪拌領域ｓに対して供給されるフィラー５の先端側にかける圧力の上限は、フィラー５のローラ５４によって押さえられた位置から先端までの座屈強度によって定まる。

本実施形態では、フィラー５は角隅部ｃに固定されている。このため、前述したフィラー５の供給量を得るために、フィラー５の断面積は、角隅部ｃに形成するフィレット６の断面積に、隙間４の摩擦攪拌接合進行方向に垂直な断面での断面積を足した面積以上となるように設定される。

以上より、本実施形態の摩擦攪拌接合装置８によれば、ワークＷ１，Ｗ２間の角隅部ｃに摩擦攪拌接合ツール１のプローブ２を没入させた後、プローブ２を角隅部ｃに沿わせて移動させることで、ワークＷ１，Ｗ２の角隅部ｃが摩擦攪拌接合される。

この際、摩擦攪拌接合ツール１の固定式ショルダ３は、ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２に対して非接触とされる。更に、固定式ショルダ３のワーク対向面１４ａ，１４ｂと、ワークＷ１，Ｗ２の面Ｐ１，Ｐ２との間の隙間４に、素材軟化物７が存在しているため、固定式ショルダ３に素材軟化物７の固化したものが付着して蓄積することは抑制される。又、たとえ固定式ショルダ３に、素材軟化物７の固化したものが付着したとしても、その付着物がフィレット６の表面を擦ることは防止される。

したがって、本実施形態の摩擦攪拌接合装置によれば、ワークＷ１，Ｗ２同士の接合部である角隅部ｃを、固定式ショルダ３を備えた摩擦攪拌接合ツール１を用いてフィラー５を加えながら摩擦攪拌接合する際に、角隅部ｃに形成させるフィレット６の表面に欠陥が生じることを抑制することができる。

［第２実施形態］
図６は、摩擦攪拌接合装置の第２実施形態を示すもので、図６Ａ、図６Ｂはいずれもフィラー供給部の他の例を示す概要図である。

なお、図６Ａ、図６Ｂにおいて、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

図６Ａに示すフィラー供給部１３ａは、第１実施形態のフィラー供給部１３と同様の構成において、ローラ５４に、回転駆動部としての駆動モータ５９を接続したものである。なお、図６Ａでは簡略化して示されているが実際には、駆動モータ５９とローラ５４との間には、ギアや、チェーンとスプロケット等の回転駆動力を伝達する動力伝達機構を備える。

駆動モータ５９によるローラ５４の回転駆動方向は、図６Ａにおける時計回りの方向であり、ローラ５４は、ローラ５４が上方から押し付けられているフィラー５が、摩擦攪拌接合ツール１へ向く方向へ送られるように、フィラー５に駆動力を付与する。

このフィラー供給部１３ａによれば、ローラ５４を回転駆動することによって、フィラー５を能動的に攪拌領域ｓへ供給することができる。

図６Ｂに示すフィラー供給部１３ｂは、第１実施形態のフィラー供給部１３と同様の構成において、ローラ５４よりも摩擦攪拌接合進行方向の前側に、フィラー５の送出部６０を備える。

送出部６０は、たとえば、フィラー５を挟む配置とされた一対の送り出しローラ６１と、各送り出しローラ６１を互いに対向する方向に回転駆動する図示しない回転駆動部とを備える。送り出しローラ６１によるフィラーの送り出し方向は、図６Ｂにおける左向きであり、フィラー５が、摩擦攪拌接合ツール１へ向く方向へ送られるように、送り出しローラ６１は、フィラー５に駆動力を付与する。

このフィラー供給部１３ｂによれば、送出部６０より送り出されるフィラー５を、ローラ５４によってガイドしながら能動的に攪拌領域ｓへ供給することができる。

なお、図６Ａ、図６Ｂのいずれの場合においても、フィラー供給部１３ａ，１３ｂは、攪拌領域ｓに供給されるフィラー５の先端側に、供給方向とは垂直方向に少なくとも１ＭＰａ以上の圧力をかける。

したがって、図６Ａ、図６Ｂのフィラー供給部１３ａ，１３ｂによれば、角隅部ｃに形成するフィレット６の断面積に、隙間４の摩擦攪拌接合進行方向に垂直な断面での断面積を足した値よりも断面積が小さいフィラー５を使用することが可能になる。したがって、第１実施形態のフィラー５の供給量を所定量とする場合に、第２実施形態におけるフィラー５の供給量は、上記所定量と同等又はそれ以上とすることが可能である。

図７Ａに従来の摩擦攪拌接合による接合部の写真を、図７Ｂに本開示における摩擦攪拌接合による接合部の写真を示す。図７Ａから、ワークＷ１とワークＷ２との間に隙間４が形成されていないこと又はフィラー５の供給不足により、摩擦攪拌接合による接合部に複数の欠陥が発生していることがわかる。一方、図７Ｂから、本開示における摩擦攪拌接合による接合部は、ワークＷ１とワークＷ２との間に隙間４が形成され、又フィラー５の供給量が十分であったことにより、欠陥が形成されていないことがわかる。

なお、フィラー５は、断面形状が丸いものとして示したが、角断面やその他任意の断面形状のフィラーを使用してもよい。又、フィラー５は、ワイヤ状のものとして説明したが、棒状であってもよい。

又、本開示は、上記各実施形態にのみ限定されない。第１実施形態では、フィラー供給部１３が、フィラー５を角隅部ｃに固定し、このフィラー５が、摩擦攪拌接合ツール１の進行に伴って相対的に攪拌領域ｓに供給されるものとして示したが、フィラー５が、プローブ２やプローブ２の周囲に形成されている攪拌領域ｓに存在している素材軟化物７により、摩擦攪拌接合進行方向に押し戻される現象が生じてもよい。この場合は、フィラー５が押し戻されても、フィラー５の供給量が前述した所定量となるように、角隅部ｃに形成されるフィレット６の断面積に、隙間４の摩擦攪拌接合進行方向に垂直な断面での断面積を足した面積を超える断面積のフィラー５を使用するようにすればよい。

第１実施形態では、摩擦攪拌接合の接合対象となるワークＷ１，Ｗ２が、ワークＷ１の端縁に、ワークＷ２の端面が接した状態で配置されているものとして示したが、ワークＷ１とワークＷ２との間に隙間が形成されていてもよい。この場合は、治具３２に、ワークＷ１，Ｗ２を、隙間を開けて配置した状態で保持させ、この状態で摩擦攪拌接合を実施するようにすればよい。又、この場合は、素材軟化物７がワークＷ１，Ｗ２間の隙間に入るため、この隙間に入る量を見込んだ量で、フィラーの供給量を定めればよい。

本開示の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法は、ワークＷ１，Ｗ２が、角隅部ｃが上方に開いた姿勢で配置された状態で摩擦攪拌接合する場合の例について説明したが、ワークＷ１，Ｗ２間の角隅部ｃがいかなる向きであってもよい。この場合は、ワークＷ１，Ｗ２間の角隅部ｃが延びる方向をＸ軸とし、それに垂直な面内にＹ軸とＺ軸が設定された３次元直交座標系の向きを、ワークＷ１，Ｗ２の姿勢に合わせて配置するようにすればよい。

又、本開示の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法は、第１のワークと、第１のワークの面Ｐ１に対して交わる角度姿勢で端縁と接して配置される第２のワークにより、第２のワークを挟んだ両側に形成される角隅部ｃを、第２のワークの両側にそれぞれ配置される２つの摩擦攪拌接合ツールによって摩擦攪拌接合する場合に適用してもよい。

更に、本開示の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法は、たとえば、平板状のワークの端部同士を突き合わせた接合部の摩擦攪拌接合に適用してもよい。この場合は、摩擦攪拌接合ツールとして、フラットなワーク対向面を有する固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールを使用する。この摩擦攪拌接合では、フィレット６が存在しないため、フィラー５の供給量は、各ワーク同士の突き合わせ部位に形成されている空隙の充填に必要とされる体積に、各ワークの表面に対して隙間を隔てて固定式ショルダを配置するときの隙間４を埋めるために必要とされる体積を足した量以上として設定すればよい。

ワークＷ１，Ｗ２の角隅部ｃに対し、角隅部に沿う方向に主軸ユニット９と共に摩擦攪拌接合ツール１を相対移動させるための移動部としては、主軸ユニット９を支持する門型フレーム２０を固定し、ワークＷ１，Ｗ２を移動させる形式の主軸位置決め機構１１を例示した。しかしながら、たとえば、ワークＷ１，Ｗ２を固定し、その上方を跨ぐ門型フレーム２０を移動式とするなど、図示した以外の任意の形式の移動部を採用してもよい。

その他本開示の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えてもよい。

本開示の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法によれば、固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールを用いて、ワーク同士の接合部をフィラーを加えながら摩擦攪拌接合する際に、接合部に沿って形成させるフィレットの表面に欠陥が生じることを抑制できる。

１ 摩擦攪拌接合ツール
２ プローブ
３ 固定式ショルダ
４ 隙間
５ フィラー
６ フィレット
１１ 主軸位置決め機構（移動部）
１２ 制御装置
１３ フィラー供給部
１５ 空隙形成用切欠部
１６ 空隙
１７ フィレット形成用切欠部（切欠部）
Ｗ１，Ｗ２ ワーク
Ｐ１，Ｐ２ 面
ｃ 角隅部（接合部）
ｓ 攪拌領域

Claims (10)

1. 回転駆動可能なプローブの基端側の外周に固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールと、
   前記摩擦攪拌接合ツールをワーク間の接合部に対して、該接合部に沿う方向に相対移動させる移動部と、
   前記移動部の制御装置と、
   前記接合部の摩擦攪拌接合時に前記プローブによって攪拌される攪拌領域にフィラーを供給するフィラー供給部とを備え、
   前記制御装置は、前記接合部の摩擦攪拌接合時に、前記プローブを前記接合部に没入させた前記摩擦攪拌接合ツールの前記固定式ショルダを、前記ワークの面に対し隙間を隔てた位置に保持する機能を備える摩擦攪拌接合装置。
2. 前記フィラー供給部は、前記摩擦攪拌接合ツールに対して摩擦攪拌接合進行方向の前側に配置されている請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記フィラー供給部は、前記攪拌領域に供給される前記フィラーの先端側に、供給方向とは垂直方向に少なくとも１ＭＰａ以上の圧力をかける請求項２記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記ワーク間の接合部が、角隅部であり、
   前記フィラー供給装置は、前記フィラーを、前記角隅部に形成されるフィレットの単位長さ当たりの体積に、前記隙間の摩擦攪拌接合進行方向に関する単位長さ当たりの容積分を足した量以上の供給量で供給する請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 前記ワーク間の接合部が、角隅部であり、
   前記フィラー供給装置は、前記フィラーを、前記角隅部に形成されるフィレットの単位長さ当たりの体積に、前記隙間の摩擦攪拌接合進行方向に関する単位長さ当たりの容積分を足した量以上の供給量で供給する請求項２記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 前記ワーク間の接合部が、角隅部であり、
   前記フィラー供給装置は、前記フィラーを、前記角隅部に形成されるフィレットの単位長さ当たりの体積に、前記隙間の摩擦攪拌接合進行方向に関する単位長さ当たりの容積分を足した量以上の供給量で供給する請求項３記載の摩擦攪拌接合装置。
7. 前記摩擦攪拌接合ツールの固定式ショルダは、
   前記プローブの先端寄りに配置される端部が、前記角隅部を挟んだ両ワークの面に対向して配置される２つのワーク対向面を備えた山形とされ、
   該山形の頂部におけるプローブよりも摩擦攪拌接合進行方向の前側には、前記ワークの面との間に空隙を形成する空隙形成用切欠部を備え、
   前記山形の頂部におけるプローブよりも摩擦攪拌接合進行方向の後側には、前記フィレットの断面形状に応じた切欠部を備える請求項４記載の摩擦攪拌接合装置。
8. 前記摩擦攪拌接合ツールの固定式ショルダは、
   前記プローブの先端寄りに配置される端部が、前記角隅部を挟んだ両ワークの面に対向して配置される２つのワーク対向面を備えた山形とされ、
   該山形の頂部におけるプローブよりも摩擦攪拌接合進行方向の前側には、前記ワークの面との間に空隙を形成する空隙形成用切欠部を備え、
   前記山形の頂部におけるプローブよりも摩擦攪拌接合進行方向の後側には、前記フィレットの断面形状に応じた切欠部を備える請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。
9. 前記摩擦攪拌接合ツールの固定式ショルダは、
   前記プローブの先端寄りに配置される端部が、前記角隅部を挟んだ両ワークの面に対向して配置される２つのワーク対向面を備えた山形とされ、
   該山形の頂部におけるプローブよりも摩擦攪拌接合進行方向の前側には、前記ワークの面との間に空隙を形成する空隙形成用切欠部を備え、
   前記山形の頂部におけるプローブよりも摩擦攪拌接合進行方向の後側には、前記フィレットの断面形状に応じた切欠部を備える請求項６記載の摩擦攪拌接合装置。
10. 回転駆動可能なプローブの基端側に固定式ショルダを備えた摩擦攪拌接合ツールを、ワーク間の接合部に配置して該接合部の摩擦攪拌接合を行うときに、
    前記プローブを前記接合部に没入させた前記摩擦攪拌接合ツールの前記固定式ショルダを、前記ワークの面に対し隙間を隔てた位置に保持し、
    前記プローブによって前記ワークの素材が攪拌される攪拌領域にフィラーを供給して、
    前記攪拌領域で軟化および攪拌されるワークの素材とフィラーの素材の軟化物が、前記隙間に流入する摩擦攪拌接合方法。