JP6554029B2 - 摩擦撹拌点接合装置及び摩擦撹拌点接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌点接合装置及び摩擦撹拌点接合方法に関する。

従来、一対の板材を互いに接合する方法として、摩擦撹拌点接合法（Friction Spot Joining）が知られている。この方法で一対の板材を接合する場合には、例えば特許文献１に開示されるように、重ね合わされた一対の板材に摩擦撹拌点接合装置のツールを回転させながら押し込み、接合完了後に引き抜く。これにより、一対の板材は、摩擦撹拌点接合される。

特許第３４７１３３８号公報

ところで、一対の板材を摩擦撹拌点接合する場合において、接合点数の増加に伴ってツールの表面状態が変化したり、板材の表面状態が各接合位置で異なるためにツールと板材との摩擦係数が変動すると、板材へのツールの押込み時間やツールによる板材の攪拌状態が変化して接合品質にばらつきを生じたり、ツールが過熱されることによりツールが過度に摩耗してツールの寿命が短縮したりすることがある。

そこで本発明は、一対の板材を摩擦撹拌点接合する場合において、ツールや板材の状態が変化しても、接合品質のばらつきやツールの過熱を抑制することにより、オペレータが接合装置を調整する負担を軽減しながら、接合品質を安定化させると共にツールの長寿命化を図れるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、一対の板材を摩擦撹拌点接合する摩擦撹拌点接合装置であって、ツールを前記板材に向けて進退させる進退駆動器と、前記ツールを回転させる回転駆動器と、前記進退駆動器及び前記回転駆動器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記ツールを回転させた状態で前記ツールに前記板材を加圧させて前記ツールを前記板材に押し込む接合制御と、前記接合制御中の前記回転駆動器の電流値及び前記接合制御中の駆動時間を用いて算出される積算値が目標値に達したと判定されると、前記ツールを前記板材から離間させる離間制御と、を実行する。

上記構成によれば、前記電流値及び前記駆動時間を用いて算出される前記積算値が目標値に達したと判定されると、ツールが板材から離間されるので、各接合位置において、ツールに板材を加圧させてツールを板材に押し込み始めてからツールを板材から離間させるまでの間にツールから板材に投入される入熱量が均一化され、ツールで板材を摩擦撹拌する撹拌度合のばらつきが抑えられる。これにより、一対の板材を摩擦撹拌点接合する際にツールや板材の状態が変化しても、板材へのツールの押込み時間やツールによる板材の攪拌状態が変化して接合品質にばらつきを生じたり、ツールが過熱されることによりツールが過度に摩耗してツールの寿命が短縮したりするのを防止できる。よって、オペレータが、このような接合品質のばらつきやツールの過熱を抑制するために接合装置を調整する負担を軽減しながら、接合品質を安定化できると共にツールの長寿命化を図れる。

前記制御器は、前記電流値と前記駆動時間と前記接合制御中の前記ツールの回転数との積を用いて前記積算値を算出してもよい。これにより、例えば、接合制御時のツールの回転数を増大させた場合には、前記駆動時間が短縮されて各接合位置でツールから板材に投入される入熱量が均一化され、ツールが過熱されるのを抑制できる。

前記制御器は、前記接合制御中に前記板材に押し込む前記ツールの温度に応じて前記目標値を変更してもよい。これにより、各接合位置で板材にツールを押し込むツールの温度が異なっていても、目標値を変更することで接合中及び接合後のツールの温度を更に安定させることができる。

本発明の一態様は、一対の板材を摩擦撹拌点接合する方法であって、回転駆動器により回転させたツールに前記板材を加圧させて前記ツールを前記板材に押し込む接合工程と、前記接合工程中の前記回転駆動器の電流値及び前記接合工程中の前記回転駆動器の駆動時間を用いた積算値を算出する積算値算出工程と、前記積算値が目標値に達したと判定されると、前記ツールを前記板材から離間させる離間工程と、を備える。

本発明によれば、一対の板材を摩擦撹拌点接合する場合において、ツールや板材の状態が変化しても、接合品質のばらつきやツールの過熱を抑制することにより、オペレータが接合装置を調整する負担を軽減しながら、接合品質を安定化させると共にツールの長寿命化を図れる。

実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置の機能ブロック図である。 図１の摩擦撹拌点接合装置が備える接合ユニットの側面図である。 図１の摩擦撹拌点接合装置の動作フローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は図１の摩擦撹拌点接合装置を用いた摩擦撹拌点接合の各工程を説明する断面図である。 ツールの回転数とツール回転用モータの電流値との各時間変化を示す図である。 変形例の摩擦撹拌点接合装置が備える接合ユニットの側面図である。 比較例のツールの温度とピン部の径との各変化を示す図である。 比較例の接合強度と残存板厚との各変化を示す図である。 実施例のツールの温度とピン部の径との各変化を示す図である。 実施例の接合強度と残存板厚との各変化を示す図である。

（実施形態）
以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置１（以下、接合装置１と称する。）の機能ブロック図である。図２は、図１の接合装置１が備える接合ユニット２の側面図である。図１及び２に示すように、接合装置１は、接合ユニット２、多関節ロボット３、及び制御装置４を備える。接合ユニット２は、フレーム部５、ユニット本体部６、及び裏当部７を有する。

フレーム部５は、一例として、側面視においてＣ字状又は逆Ｃ字状の外観形状を有し、ユニット本体部６と裏当部７とに接続されると共に、多関節ロボット３に支持される。ユニット本体部６は、回転軸部９、ツール１１、ツール移動用モータＭ１（進退駆動器）、及びツール回転用モータＭ２（回転駆動器）を有する。回転軸部９は、ユニット本体部６の筐体から裏当部７に向けて延び、裏当部７に接近又は離間可能に設けられる。ユニット本体部６の筐体から遠位に位置する回転軸部９の軸方向一端には、ホルダが設けられ、ツール１１を着脱可能に保持している。

ツール１１は、ツール本体部１１ａ、ピン部１１ｂ、及びショルダー部１１ｃを有し、板材Ｗ２の板材Ｗ１とは反対側の面に接触又は離間可能に設けられる。ピン部１１ｂは、ツール本体部１１ａから裏当部７に向けて突出し、ショルダー部１１ｃに囲まれている。ピン部１１ｂの周面は、一例として平坦であるが、螺子切りが形成されていてもよい。

各モータＭ１，Ｍ２は、ユニット本体部６の筐体に内蔵される。ツール移動用モータＭ１が駆動されると、回転軸部９の軸方向に、回転軸部９及びツール１１が、板材Ｗ１，Ｗ２に向けて進退される。また、ツール回転用モータＭ２が駆動されると、回転軸部９及びツール１１が、回転軸部９の軸線周りに回転される。各モータＭ１，Ｍ２の各駆動は、制御装置４に制御される。

裏当部７は、板材Ｗ１，Ｗ２を挟んでツール１１と向き合うように配置され、一例としてフレーム部５からユニット本体部６に向かって延びる円筒状の外観形状を有し、板材Ｗ１を下方から支持する。フレーム部５から遠位に位置する裏当部７の軸方向一端の先端部は、板材Ｗ１の板材Ｗ２とは反対側の面に接触する。

多関節ロボット３は、ロボット用モータＭ３を有し、接合ユニット２を所定位置に移動させる。ロボット用モータＭ３の駆動は、制御装置４により制御される。ロボット用モータＭ３は、複数のモータを含んでいてもよい。

制御装置４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、接合ユニット２と多関節ロボット３との各動作を制御する。制御装置４は、入力器１２及び制御器１３を有する。入力器１２は、オペレータが入力する情報を受け付ける。前記ＲＯＭには、所定の制御プログラムが格納される。前記ＲＡＭは、入力器１２を介して入力される設定情報を記憶可能に構成される。前記設定情報には、例えば、板材Ｗ１，Ｗ２の各板厚値の情報と、板材Ｗ１，Ｗ２の各接合位置の情報とが含まれる。

制御器１３は、前記制御プログラムに基づいて、各モータＭ１〜Ｍ３を制御する。また、制御器１３は、前記制御プログラムに基づいて、後述するように積算値Ｐを算出し、積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達したか否かの判定等を行う。

次に、接合装置１を用いて、鋼からなる板材Ｗ１，Ｗ２を複数の接合位置で連続して摩擦撹拌点接合する方法を例示する。図３は、図１の接合装置１の動作フローチャートである。図３に示すように、接合装置１と板材Ｗ１，Ｗ２とを位置合わせする工程（ステップＳ１）、ツール１１で板材Ｗ１，Ｗ２を加圧する工程（ステップＳ２）、制御器１３が、電流値が閾値Ｉ_０に達したか否かを判定する工程（ステップＳ３）、制御器１３が、接合制御中に積算値Ｐの算出を開始する工程（ステップＳ４）、制御器１３が、接合制御中の積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達したか否かを判定する工程（ステップＳ５）、ツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２から離間させる離間工程（ステップＳ６）、及び制御器１３が、全ての接合位置で点接合が完了したか否かを判定する工程（ステップＳ７）が順に行われ、板材Ｗ１，Ｗ２に残余の接合位置がある場合には、ステップＳ１が再び行われる。

図４の（ａ）〜（ｃ）は、図１の接合装置１を用いた摩擦撹拌点接合の各工程を説明する断面図である。図５は、ツール１１の回転数とツール回転用モータＭ２の電流値との各時間変化を示す図である。図５では、ツール１１の回転数の時間変化を曲線Ｌ１で示し、ツール回転用モータＭ２の電流値の時間変化を曲線Ｌ２で示している。曲線Ｌ１に示すように、ツール１１が板材Ｗ２に接触するとき（時刻ｔ１）から接合制御が完了するとき（時刻ｔ３）までのツール１１の回転数は、略一定値となるように初期設定されているが、これに限定されない。また、板材Ｗ１，Ｗ２の材料は、鋼以外の材料（例えば、アルミニウム等）でもよい。また、接合する板材の枚数は、２枚のみに限定されず、３枚以上でもよい。

最初にオペレータは、入力器１２を介して前記設定情報を接合装置１に入力し、板材Ｗ１，Ｗ２を重ねた状態で所定の治具に保持させる。そして、図４（ａ）に示すように、制御器１３は、接合ユニット２を１の接合位置に対応する位置まで移動させ、板材Ｗ２側にツール１１、板材Ｗ１側に裏当部７がそれぞれ配置されるように、裏当部７の先端部で板材Ｗ１を支持させる（ステップＳ１）。

次いで図４（ｂ）に示すように、制御器１３は、各モータＭ１，Ｍ２を制御することにより、ツール１１を回転させた状態でツール１１に板材Ｗ１，Ｗ２を加圧させてツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２に押し込んで摩擦撹拌する接合制御を実行する。図５に示すように、ここでは、時刻ｔ０にツール１１を回転開始させるように、制御器１３がツール回転用モータＭ２を制御する。また、時刻ｔ１に回転中のツール１１を板材Ｗ２に接触させてピン部１１ｂの先端部で板材Ｗ１，Ｗ２を加圧させることで接合制御を開始するように、制御器１３が各モータＭ１，Ｍ２を制御する（ステップＳ２）。時刻ｔ２にピン部１１ｂが板材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれて、ツール１１が回転しながら板材Ｗ１，Ｗ２を加圧することにより、ツール１１と板材Ｗ１，Ｗ２との間で摩擦熱が生じ、ツール１１から板材Ｗ１，Ｗ２に入熱される。これにより、ツール回転用モータＭ２により回転させたツール１１に板材Ｗ１，Ｗ２を加圧させてツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２に押し込む接合工程が行われ、板材Ｗ１，Ｗ２が摩擦撹拌点接合される。

制御器１３は、ツール回転用モータＭ２の回転軸を回転させるために必要な電流値（以下、単にツール回転用モータＭ２の電流値と称する。）が閾値Ｉ_０に達したか否かを判定する（ステップＳ３）。ここでは閾値Ｉ_０は、ピン部１１ｂが板材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれるとき（時刻ｔ２）のツール回転用モータＭ２の電流値に相当するように予め設定される。ステップＳ３において、制御器１３は、ツール回転用モータＭ２の電流値が閾値Ｉ_０に達したと判定した場合、接合制御中のツール回転用モータＭ２の電流値と接合制御中のツール回転用モータＭ２の駆動時間とを用いた積算値Ｐの算出を開始する（ステップＳ４）。これにより、接合制御中に制御器１３が積算値Ｐを算出する積算値算出工程が行われる。

積算値Ｐは、一例として、接合制御中のツール回転用モータＭ２の電流値と接合制御中のツール回転用モータＭ２の駆動時間と接合制御中のツール１１回転数との積を用いて算出される。ここでは、積算値Ｐは、閾値Ｉ_０に達した以後のツール回転用モータＭ２の電流値Ｉ_Ｍから一定値Ｉ_Ｎを差し引いた差分電流値Ｉ_Ｄ（Ｉ_Ｍ−Ｉ_Ｎ＝Ｉ_Ｄ）と、電流値Ｉが閾値Ｉ_０に達した以後のツール回転用モータＭ２の駆動時間ΔＴと、電流値Ｉが閾値Ｉ_０に達した以後のツール１１の回転数Ｎとの積の値として算出される（Ｉ_Ｄ×ΔＴ×Ｎ＝Ｐ）。一定値Ｉ_Ｎは、ここでは閾値Ｉ_０に設定されている。

図５に示すように、この場合、ツール回転用モータＭ２の電流値と接合制御の経過時間（駆動時間）との関係を表すグラフでは、差分電流値Ｉ_Ｄと駆動時間ΔＴとの積は、ツール回転用モータＭ２の電流値が閾値Ｉ_０を超える範囲で曲線Ｌ２に規定される面積Ｓで表され、積算値Ｐは、面積Ｓと回転数Ｎとの積の値で表される（Ｓ×Ｎ＝Ｐ）。なお、一定値Ｉ_Ｎは、閾値Ｉ_０以外でもよく、０でもよい。積算値Ｐは、接合制御中にツール１１から板材Ｗ１，Ｗ２に投入される入熱量と共に増大する。

また、ツール移動用モータＭ１の回転数を検出するエンコーダを接合装置１に設け、制御器１３が、ツール移動用モータＭ１の回転数によりツール１１の位置情報を取得してもよい。この場合、制御器１３は、ステップＳ３で、接合制御中にツール１１が板材Ｗ２に押し込まれ始めるときのツール１１の位置情報を前記エンコーダにより検知したか否かを判定し、前記位置情報を検知したと判定した場合に、ステップＳ４で、積算値Ｐの積算を開始してもよい。

また、ステップＳ３を省略し、制御器１３が、ツール１１と板材Ｗ２との接触以後のツール回転用モータＭ２の電流値と前記接触以後のツール回転用モータＭ２の駆動時間と前記接触以後のツール１１の回転数との積の値として積算値Ｐを算出してもよい。この場合、例えば、ツール１１の加圧力を検出する荷重検出部を裏当部７等に設け、この荷重検出部の出力信号を制御器１３に入力することで、制御器１３は、ツール１１が板材Ｗ２に接触するタイミングを検知できる。

制御器１３は、接合制御中の積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達したか否かを判定する（ステップＳ５）。制御器１３は、ステップＳ５において、積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達した（時刻ｔ３参照）と判定した場合、接合制御を完了し、図４（ｃ）に示すように、モータＭ１を制御して、ツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２から離間させる離間制御を実行する（ステップＳ６）。これにより、前記離間工程が行われる。

目標値Ｐ_Targetは、適宜設定が可能である。接合制御中のツール回転用モータＭ２の電流の閾値Ｉ_０、接合制御中のツール１１の回転数、及び接合制御中のツール１１の加圧力は、ツール１１の表面の材料、ツール１１の表面や内部の各種特性（摩擦係数や熱伝導率等）、ツール１１の寸法や形状、及び板材Ｗ１，Ｗ２の材料や寸法等に応じて設定される。従って、例えば事前の実験によって、板材Ｗ１、Ｗ２がツール１１で適切に点接合されるツール回転用モータＭ２の電流の閾値Ｉ_０、ツール１１の回転数、及びツール１１の加圧力を初期設定して、目標値Ｐ_Targetを設定することが望ましい。

なお、板材Ｗ１，Ｗ２の各板厚方向でのツール１１の板材Ｗ１，Ｗ２に対する最終到達位置を初期設定し、前記荷重検出部を用いて、ツール１１が板材Ｗ２に接触してから前記最終到達位置に到達するまでのツール回転用モータＭ２の電流値とツール回転用モータＭ２の駆動時間とツール１１回転数との積の値を計算することにより、目標値Ｐ_Targetを設定してもよい。

また、例えば、制御装置４と有線又は無線で通信可能に接続された外部制御装置が、積算値Ｐを積算してもよい。また、ステップＳ５では、例えば、接合制御中の積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達したか否かを前記外部制御装置が判定してもよい。この場合、ステップＳ５において、前記外部制御装置は、接合制御中の積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達したと判定した場合、制御器１３に離間制御を実行させることができる。

制御器１３は、１の接合位置で離間制御が完了すると、全ての接合位置で板材Ｗ１，Ｗ２の点接合が完了したか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７において、板材Ｗ１，Ｗ２の全ての接合位置での点接合が未だ完了していないと制御器１３が判定した場合、次の接合位置にツール１１が移動するように制御器１３がロボット用モータＭ３を制御することで、ステップＳ１が再び行われる。ステップＳ７において、板材Ｗ１，Ｗ２の全ての接合位置での点接合が完了したと制御器１３が判定した場合、図３に示す動作フローが終了する。

以上に説明したように、接合装置１では、接合制御中の積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達したと判定されると、ツール１１が板材Ｗ１，Ｗ２から離間されるので、各接合位置において、ツール１１に板材Ｗ１，Ｗ２を加圧させ始め或いはツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２に押し込み始めてから、ツール１１が板材Ｗ１，Ｗ２から離間されるまでの間に、ツール１１から板材Ｗ１，Ｗ２に投入される入熱量が均一化され、板材Ｗ１，Ｗ２がツール１１で摩擦撹拌される撹拌度合のばらつきが抑えられる。これにより、板材Ｗ１，Ｗ２を摩擦撹拌点接合する際に、ツール１１の表面状態の変化やツール１１と板材Ｗ１，Ｗ２との摩擦係数の変動により、板材Ｗ１，Ｗ２へのツール１１の押込み時間やツール１１による板材Ｗ１，Ｗ２の攪拌状態が変化して接合品質（例えば、板材Ｗ１，Ｗ２の接合部の外観品質や、板材Ｗ１，Ｗ２の各接合位置に形成されたピン穴の内部に残存する部分の板厚（以下、残存板厚と称する。）や、接合強度等）にばらつきを生じたり、ツール１１が過熱されることによりツール１１が過度に摩耗してツール１１の寿命が短縮したりするのを防止できる。よって、オペレータが接合品質のばらつきやツール１１の寿命の短縮を防止するために接合装置１を調整する負担を軽減しながら、接合品質を安定化できると共にツール１１の長寿命化を図れる。

また、板材Ｗ１，Ｗ２がツール１１で摩擦撹拌される撹拌度合のばらつきが抑えられるので、例えば、板材Ｗ１，Ｗ２を複数の接合位置で連続して摩擦撹拌接合する場合でも、高温に加熱されて板材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれ易くなったツール１１が次の接合位置で板材Ｗ１，Ｗ２に過度に押し込まれるのを防止でき、接合品質のばらつきを抑えて接合品質を安定化できると共に、ツール１１が過熱されて摩耗するのを防止してツール１１の長寿命化を図れる。

ここで、ツール１１で板材Ｗ１，Ｗ２を摩擦撹拌して接合する時間を予め一律に初期設定して、単に前記時間が終了したと制御器が判定したときに接合工程を終了する場合には、ツール１１によって適切な摩擦攪拌や接合が出来ていなくても、接合工程が終了される可能性がある。また、板材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれるピン部１１ｂの板材Ｗ１，Ｗ２に対する最終到達位置を予め一律に初期設定して、単にピン部１１ｂが最終到達位置に到達したと制御器が判定したときに接合工程を終了する場合には、例えば、ピン部１１ｂが摩耗や損傷を生じたことにより適切な摩擦撹拌や接合が出来ていなくても、接合工程が終了される可能性がある。

これに対して接合装置１では、各接合位置において、モータＭ２の電流値の閾値Ｉ_０をピン部１１ｂが板材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれるときの電流値に相当するように予め設定し、接合制御中の積算値Ｐが目標値Ｐ_Targetに達したか否かを制御器１３が判定することで、板材Ｗ１，Ｗ２が規定値以上のツール回転用モータＭ２のトルクでツール１１により適切に摩擦撹拌されているか否かを確認でき、板材Ｗ１，Ｗ２を接合しながら接合品質を管理できる。

また、積算値Ｐを、接合制御中のツール回転用モータＭ２の電流値と、接合制御中のツール回転用モータＭ２の駆動時間と、接合制御中のツール１１の回転数Ｎとの積を用いて算出することにより、例えば、接合制御でのツール１１の回転数Ｎを増大させた場合には、接合制御中のツール回転用モータＭ２の駆動時間が短縮されて各接合位置でツール１１から板材Ｗ１，Ｗ２に投入される入熱量が均一化されるので、ツール１１が過熱されるのを抑制できる。

なお、例えば、前記エンコーダを接合装置１に設け、各接合位置で、接合制御中にツール１１に板材Ｗ１，Ｗ２を加圧させてツール１１を板材Ｗ１、Ｗ２に押し込むときのツール移動用モータＭ１の回転数が一定になるように、制御器１３がツール移動用モータＭ１を更に制御してもよい。これにより、板材Ｗ１，Ｗ２の各接合位置での残存板厚を更に均一化し、板材Ｗ１，Ｗ２の接合品質を高めることができる。

以下、変形例について、実施形態との差異を中心に説明する。

（変形例）
図６は、変形例の接合装置１が備える接合ユニット２の側面図である。この変形例の接合装置１は、ツール１１の温度（ここではピン部１１ｂの先端部付近の表面温度）を測定可能な温度計３０を備える。温度計３０は、一例として放射温度計であり、接合ユニット２のフレーム部５に固定されている。温度計３０の測定値は、制御器１３に監視されている。

この変形例の接合装置１では、制御器１３は、接合制御中に板材Ｗ１，Ｗ２に押し込むツール１１の温度に応じて目標値Ｐ_Targetを変更する。具体的に制御器１３は、各接合位置での接合制御中にツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２に押し込む直前に、温度計３０で測定したピン部１１ｂの表面温度に応じて目標値Ｐ_Targetを変更する。具体的に制御器１３は、各接合位置での接合制御中にツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２に押し込む直前に、温度計３０で測定したピン部１１ｂの表面温度が閾値Ｔ_１よりも高い場合には、目標値Ｐ_Targetを元の設定値よりも小さい値（例えば、元の設定値の７０％以上９０％以下の範囲の値）に設定し、閾値Ｔ_２よりも低い場合には、目標値Ｐ_Targetを元の設定値よりも大きい値（例えば、元の設定値の１１０％以上１３０％以下の範囲の値）に設定する。閾値Ｔ_１、Ｔ_２は、適宜設定できる。事前の実験によって、閾値Ｔ_１は、例えば、板材Ｗ１，Ｗ２の残存板厚が所定の第１板厚値未満となるときのピン部１１ｂの表面温度に設定でき、閾値Ｔ_２は、例えば、板材Ｗ１，Ｗ２の残存板厚が所定の第２板厚値を超えるときのピン部１１ｂの表面温度に設定できる。

このように、接合制御中に板材Ｗ１，Ｗ２に押し込む直前のツール１１の温度に応じて目標値Ｐ_Targetを変更することで、各接合位置でツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２に押し込む直前のツール１１の温度が異なっていても、接合中および接合後のツール１１の温度を更に安定させることができる。

別の変形例の接合装置１では、積算値Ｐは、接合制御中のツール回転用モータＭ２の電流値と接合制御中のツール回転用モータＭ２の駆動時間との積の値で算出される。積算値Ｐは、一例として、差分電流値Ｉ_Ｄと駆動時間ΔＴとの積の値で算出される（Ｉ_Ｄ×ΔＴ＝Ｐ）。この変形例では、積算値Ｐは、図５の面積Ｓで表される。

このように積算値Ｐを算出することで、積算値Ｐの算出方法を簡略化でき、制御器１３の演算の負荷を軽減できる。この変形例の接合装置１は、例えば、接合制御中のツール１１の回転数Ｎが一定に設定される場合等、回転数Ｎが、ツール１１から板材Ｗ１，Ｗ２に投入される入熱量の変化に影響を比較的与えにくい場合において、特に良好に用いることができる。

（確認試験）
実施例及び比較例の各接合装置を用いて、板材Ｗ１，Ｗ２を複数の接合位置で連続して摩擦撹拌点接合したときのツール１１の温度、ピン部１１ｂの径、板材Ｗ１，Ｗ２の接合強度、及び板材Ｗ１，Ｗ２の残存板厚の各変化を調べた。

実施例の接合装置では、ピン部１１ｂに被膜部を形成したツール１１で板材Ｗ１、Ｗ２が適切に点接合されるように、ツール回転用モータＭ２の電流の閾値Ｉ_０、ツール１１の回転数、及びツール１１の加圧力を初期設定した。積算値Ｐ及び目標値Ｐ_Targetは、閾値Ｉ_０に達した以後のツール回転用モータＭ２の電流値及び前記電流値が閾値Ｉ_０に達した以後のツール回転用モータＭ２の駆動時間の積の値に設定した。比較例の接合装置では、実施例と同様のツール１１を用い、実施例と同様に、ツール１１の回転数、ツール１１の加圧力、及びツール１１に板材Ｗ１，Ｗ２を加圧させ始めてからツール１１を板材Ｗ１，Ｗ２から離間させるまでの時間（以下、接合時間と称する。）を初期設定した。板材Ｗ１，Ｗ２の接合強度は、ＪＩＳ Ｚ ３１４０規格に規定されるせん断引張強度試験により測定した。ツール１１の温度は、放射温度計で測定した。

図７は、比較例のツール１１の温度とピン部１１ｂの径との各変化を示す図である。図８は、比較例の接合強度と残存板厚との各変化を示す図である。図７及び８では、各接合位置でのツール１１の温度、ピン部１１ｂの径、板材Ｗ１，Ｗ２の接合強度、及び板材Ｗ１，Ｗ２の残存板厚の各値を相対値で表示している。

図７及び８に示すように、比較例のツール１１の温度及び板材Ｗ１，Ｗ２の接合強度は、試験開始から接合スポット数が１００を超える付近までの間に急激に増大した後、減少し、接合スポット数が１０００を超える付近から概ね緩やかに増大することが確認された。また、比較例のピン部１１ｂの径は、試験開始から接合スポット数が１００を超える付近までの間に増大し、その後に減少することが確認された。また、比較例の残存板厚は、試験開始から接合スポット数が１００を超える付近までの間に急激に減少した後、増大し、接合スポット数が１０００を超える付近から減少することが確認された。

このような試験結果が得られた理由の一つとして、比較例では、ツール１１の状態が変化しているにもかかわらず、各接合位置で、同じ接合時間で摩擦撹拌点接合を実施したことが原因と考えられる。具体的には、試験開始から接合スポット数が１００を超える付近までの間では、ツール１１の過熱による熱膨張とツール１１の慣らしとツール１１の摩擦係数の増大とが進行し、その後、接合スポット数が１０００までの間は、ツール１１の摩擦係数の減少が進行し、接合スポット数が１０００を超える付近から、ピン部１１ｂに形成された被覆部が剥離してピン部１１ｂの摩耗が進行し、ピン部１１ｂが板材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれ易くなったことが考えられる。

図９は、実施例のツール１１の温度とピン部１１ｂの径との各変化を示す図である。図１０は、実施例の接合強度と残存板厚との各変化を示す図である。図９及び１０では、図７及び８と同様に、ツール１１の温度、ピン部１１ｂの径、板材Ｗ１，Ｗ２の接合強度、及び板材Ｗ１，Ｗ２の残存板厚の各変化を示している。図９及び１０に示すように、実施例では、当該試験範囲において、ツール１１の温度、ピン部１１ｂの径、接合強度、及び残存板厚のいずれもが、比較例に比べて安定していることが確認された。

このような試験結果が得られた理由の一つとして、実施例では、試験開始後にツール１１の熱膨張、慣らし及び摩耗係数の増大等がある程度生じても、各接合位置でツール１１が板材Ｗ１，Ｗ２に押し込まれ始めてからツール１１から板材Ｗ１，Ｗ２に投入される入熱量が均一化されたために、ツール１１で板材Ｗ１，Ｗ２を摩擦撹拌する撹拌度合のばらつきが抑えられて板材Ｗ１，Ｗ２の接合状態が安定し、ツール１１の温度及び板材Ｗ１，Ｗ２の残存板厚が均一化されたことが考えられる。

また試験結果から、実施例では、複数の接合位置で板材Ｗ１，Ｗ２を連続的に摩擦撹拌点接合する際、オペレータが接合装置を調整する手間を軽減して、接合品質を安定化できると共にツール１１の長寿命化を図れることが分かった。

Ｐ 積算値
Ｐ_Target 目標値
Ｍ１ ツール移動用モータ（進退駆動器）
Ｍ２ ツール回転用モータ（回転駆動器）
Ｗ１，Ｗ２ 板材
１ 接合装置
１１ ツール
１３ 制御器

Claims (4)

1. 一対の板材を摩擦撹拌点接合する摩擦撹拌点接合装置であって、
   ツールを前記板材に向けて進退させる進退駆動器と、
   前記ツールを回転させる回転駆動器と、
   前記進退駆動器及び前記回転駆動器を制御する制御器と、を備え、
   前記制御器は、
   前記ツールを回転させた状態で前記ツールに前記板材を加圧させて前記ツールを前記板材に押し込む接合制御と、
   前記接合制御中の前記回転駆動器の電流値及び前記接合制御中の駆動時間を用いて算出される積算値が目標値に達したと判定されると、前記ツールを前記板材から離間させる離間制御と、を実行する、摩擦撹拌点接合装置。
2. 前記制御器は、前記電流値と前記駆動時間と前記接合制御中の前記ツールの回転数との積を用いて前記積算値を算出する、請求項１に記載の摩擦撹拌点接合装置。
3. 前記制御器は、前記接合制御中に前記板材に押し込む前記ツールの温度に応じて前記目標値を変更する、請求項１又は２に記載の摩擦撹拌点接合装置。
4. 一対の板材を摩擦撹拌点接合する方法であって、
   回転駆動器により回転させたツールに前記板材を加圧させて前記ツールを前記板材に押し込む接合工程と、
   前記接合工程中の前記回転駆動器の電流値及び前記接合工程中の前記回転駆動器の駆動時間を用いた積算値を算出する積算値算出工程と、
   前記積算値が目標値に達したと判定されると、前記ツールを前記板材から離間させる離間工程と、を備える、摩擦撹拌点接合方法。
   

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