(57)【要約】      （修正有）【課題】サイクルタイムを増加させることなく始端部に生じる欠陥を確実に抑制することができる摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法を提供する。【解決手段】摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法は、以下の手順で行われる。先ず、ショルダとショルダから突出するピンとを有するツールを回転させた状態で接合対象物に対して保持位置まで挿入する（Ｓ２）。その後、接合対象物に挿入されたツールの挿入位置（保持位置）において、ツールを回転した状態で所定期間保持する（Ｓ３）。そして、所定期間保持後に、ツールをピン３８の突出方向に狙い挿入位置まで移動させる（Ｓ４）。その後、狙い挿入位置まで移動したツールと接合対象物とを相対的に移動させる（Ｓ５）。なお、保持位置及び狙い挿入位置は、接合対象物の材質に基づいて決められる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ショルダと前記ショルダから突出するピンとを有するツールを回転させた状態で接合対象物に挿入する挿入ステップと、
前記接合対象物に挿入された前記ツールの挿入位置において、前記ツールを回転した状態で所定期間保持する保持ステップと、
前記所定期間経過後に、前記ツールを前記ピンの突出方向に移動させる加圧ステップと、を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法において、
前記加圧ステップにおいて、前記ツールは、前記ピンの突出方向に予め定められた規定量移動することを特徴とする摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法において、
前記加圧ステップで移動した前記ツールと前記接合対象物とを相対的に移動させる接合ステップをさらに備え、
前記所定期間は、当該所定期間保持された後の前記ツールに生じる負荷が、前記接合ステップ中の前記ツールに生じる負荷以下となるような期間に設定されていることを特徴とする摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショルダとピンとを有するツールを回転した状態で接合対象物に挿入した後、ツールと接合対象物とを相対的に移動させることにより接合対象物を接合する摩擦撹拌接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）の接合方法では、回転するツールを接合対象物に挿入した後にそのツールを回転した状態で一定の時間保持することが一般的に行われる（特許文献１参照）。これは、ツールと接合対象物との間に生じる摩擦熱を高め、接合に必要な接合対象物の軟化を促すためである。また、ツールの保持は、接合対象物を軟化させることでツールへの負荷を低減し、ツールの破損の可能性を低減するためにも必要な動作である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−０８０３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
摩擦撹拌接合では、接合対象物として低硬度材料（例えば、ＨＲＢ３０以下の材料）を利用することがある。このような低硬度材料を特許文献１の方法で接合した場合、ツールの保持中又はツールの保持後の接合対象物とツールとの相対移動時（ツールの初期移動時）に軟化した材料がバリとして外部に排出されることがある。そのため、ツールに生じる負荷が不足して（接合に必要な材料量を確保できなくなり）ツールの挿入位置（始端部）に欠陥が発生することがある。
【０００５】
この欠陥の発生を抑制するための対策としては、幾つかの方法が考えられる。例えば、ツールの保持時間を短縮することにより、一定時間保持した後のツールに生じる負荷（初期荷重）の低下を抑える方法があるが、特定の低硬度材料に対しては効果がない。また、ツールのショルダ径を拡大することによりバリを押さえ込む方法もあるが、製品使用上十分なショルダ径を確保できないこともある。さらに、軟化した材料の排出を抑えるために、ツールの初期移動時の速度を十分に低下させる方法を利用した場合には、サイクルタイムが増加して生産性が低下するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、サイクルタイムが増加することなく始端部に生じる欠陥を確実に抑制することができる摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法は、ショルダと前記ショルダから突出するピンとを有するツールを回転させた状態で接合対象物に挿入する挿入ステップと、前記接合対象物に挿入された前記ツールの挿入位置において、前記ツールを回転した状態で所定期間保持する保持ステップと、前記所定期間経過後に、前記ツールを前記ピンの突出方向に移動させる加圧ステップと、を備えることにより、上述した課題を解決する。
【０００８】
本発明の摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法によれば、加圧ステップにおいてツールをピンの突出方向に移動させているので、ツールの保持によって軟化した材料と未だ軟化していない材料とが一緒に撹拌される。これにより、ツールに生じる負荷が保持ステップで落ち込んでも加圧ステップにて補うことができる。言い換えれば、ツールの保持による接合対象物の必要以上の軟化による排出を抑制することができる。よって、ツールの初期移動時の速度を低下させる必要がないので、サイクルタイムが増加することもない。従って、サイクルタイムを増加させることなく始端部に生じる欠陥を確実に抑制することができる。
【０００９】
加圧ステップにおけるツールの移動動作は、種々の方法で行うことができる。例えば、ツールに生じる負荷を検出する負荷検出ステップを設けておき、その負荷検出ステップで検出された負荷が狙いの負荷になるようにツールを移動させることも可能である。この方法では、加圧ステップ中に生じる材料の軟化などを考慮して、検出された負荷が狙い負荷まで上昇しないことがないように制御することが好ましい。また、別の方法として、前記加圧ステップにおいて、前記ツールは、前記ピンの突出方向に予め定められた規定量移動してもよい。この形態によれば、加圧ステップ中に生じる材料の軟化などを考慮することなくツールを移動させればよいので、ツールの移動制御を簡易に行うことができる。
【００１０】
本発明の初期荷重制御方法の一形態において、前記加圧ステップで移動した前記ツールと前記接合対象物とを相対的に移動させる接合ステップをさらに備え、前記所定期間は、当該所定期間保持された後の前記ツールに生じる負荷が、前記接合ステップ中の前記ツールに生じる負荷以下となるような期間に設定されてもよい。この形態によれば、ツールに生じる初期荷重が接合ステップ中のツールに生じる負荷以下になるので、加圧ステップにおいてツールに生じる負荷が必要以上に高くならない。これにより、ツールが破損することを防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明の摩擦撹拌接合の初期荷重制御方法によれば、保持ステップ後の加圧ステップにおいてツールをピンの突出方向に移動させているので、ツールの保持後に軟化した材料と未だ軟化していない材料とが一緒に撹拌される。これにより、サイクルタイムを増加させることなく始端部の欠陥を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る挿入方法を適用した摩擦撹拌接合装置の要部を示す図である。
【図２】保持位置及び狙い挿入位置を説明するための図である。
【図３】本発明に係る制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】ツールに生じる負荷と時間との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る初期荷重制御方法を摩擦撹拌接合装置に適用した実施の形態例を図１〜図４を参照しながら説明する。
【００１４】
先ず、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１０（接合装置と記す）は、ショルダとショルダから突出するピンとを有するツールを回転させた状態で接合対象物と離れた位置からピンの突出方向（接合対象物の板厚方向）に移動させてツールを接合対象物に挿入し、挿入完了後にツールを接合対象物に押し付けた状態で接合対象物と相対的に移動させることにより、接合対象物を接合することを行う。
【００１５】
そして、本形態の接合装置１０は、図１に示すように、テーブル１２と、装置本体１４と、第１駆動モータ１６と、制御部１８と、情報入力部２０とを有する。
【００１６】
テーブル１２の上面には接合対象物２２が配置される。接合対象物２２としては、アルミニウム合金等の低硬度材料が利用される。なお、低硬度材料としては、例えばロックウェル硬さがＨＲＢ３０以下の材料が用いられる。
【００１７】
装置本体１４は、第１駆動モータ１６によってテーブル１２の上面に対して平行移動する。装置本体１４は、ヘッド部２４と、ヘッド移動機構２６と、第２駆動モータ２８と、負荷検出部３０とを備えている。ヘッド部２４は、接合対象物２２との間に摩擦熱を生じさせることができる。ヘッド部２４には、ツール３２と、主軸モータ３４とが設けられている。ツール３２は、主軸モータ３４によって回転され、回転した状態で接合対象物２２に挿入される。また、ツール３２は、円柱状に形成されたショルダ３６と、ショルダ３６から突出するピン３８とを有する。
【００１８】
ヘッド移動機構２６は、第２駆動モータ２８によってピン３８の突出方向にヘッド部２４を移動する。ヘッド移動機構２６としては、例えば、送りネジ機構を用いることができる。
【００１９】
負荷検出部３０は、主軸モータ３４に生じる負荷に対応した信号を出力する。負荷検出部３０は、電流センサ４０と、変換部４２と、Ａ／Ｄコンバータ４４を備えている。電流センサ４０は、主軸モータ３４に流れるアナログ電流を検出する。変換部４２は、電流センサ４０で検出されたアナログ電流（検出電流）をアナログ電圧（検出電圧）に変換する。Ａ／Ｄコンバータ４４は、変換部４２にて変換された検出電圧をデジタル電圧（検出データ）に変換する。通常、検出データは主軸モータ３４に生じる負荷に比例する。そのため、負荷検出部３０は、検出データに基づいて主軸モータ３４に生じる負荷を推定することができる。
【００２０】
制御部１８は、第１駆動モータ１６、第２駆動モータ２８及び主軸モータ３４を制御する。
【００２１】
制御部１８は、記憶部４６と、挿入制御部４８と、接合制御部５０とを有する。
【００２２】
記憶部４６には、第１判定負荷取得マップデータと、第２判定負荷取得マップデータとが記憶されている。
【００２３】
第１判定負荷取得マップデータは、第１判定負荷Ｖｍ１と接合対象物２２の材質との関係を予め記述したマップデータが利用される。第１判定負荷Ｖｍ１は、保持位置（図２において実線で示されたツール３２の位置）のツール３２に生じる負荷に対応するデータが設定されている。ツール３２の保持位置は、ツール３２の狙い挿入位置（図２において二点鎖線で示されたツール３２の位置）よりも幾らか浅い位置に設定されている。なお、ツール３２の保持位置及び狙い挿入位置は、接合対象物２２の材質に基づいて定められる。詳しくは、ツール３２の保持位置及び狙い挿入位置は、特定の材質の接合対象物２２に対して任意の保持位置及び狙い挿入位置で接合試験を行い、良好な接合品質を得ることができた保持位置及び狙い挿入位置が選定される。
【００２４】
第２判定負荷取得マップデータは、第２判定負荷Ｖｍ２と接合対象物２２の材質との関係を予め記述したマップデータが利用される。第２判定負荷Ｖｍ２は、接合負荷でもあるため、狙い挿入位置まで挿入されたツール３２と接合対象物２２とを相対的に移動させている時のツール３２に生じる負荷に対応するデータが用いられる。
【００２５】
挿入制御部４８は、回転するツール３２を接合対象物２２に挿入する。挿入制御部４８は、第１挿入制御部５２と、保持制御部５４と、第２挿入制御部５６とを有する。
【００２６】
第１挿入制御部５２は、保持位置までツール３２を挿入する。ツール３２が保持位置まで達したか否かの判断は、負荷検出部３０からの出力信号を参照して取得される負荷（検出負荷）Ｖａと第１判定負荷Ｖｍ１とに基づいて挿入制御部４８が行う。具体的には、検出負荷Ｖａが第１判定負荷Ｖｍ１に達した時に、挿入制御部４８はツール３２が保持位置まで挿入されたと判断し、検出負荷Ｖａが第１判定負荷Ｖｍ１に達していない時に、挿入制御部４８はツール３２が保持位置まで挿入されていないと判断する。保持制御部５４は、ツール３２の保持位置において、ツール３２を回転した状態で所定の保持期間保持する。所定の保持期間は、検出負荷Ｖａと第２判定負荷Ｖｍ２とに基づいて定められる。詳しくは、ツール３２がその保持位置に達した時からＶａ≦Ｖｍ２の不等式が成立する時までの期間が保持期間として定められている。なお、上記不等式は、Ｖａ≦０．８Ｖｍ２が好ましい。第２挿入制御部５６は、保持位置から狙い挿入位置までツール３２を挿入する。ツール３２が狙い挿入位置まで達したか否かの判断は、検出負荷Ｖａと第２判定負荷Ｖｍ２とに基づいて挿入制御部４８が行う。具体的には、検出負荷Ｖａが第２判定負荷Ｖｍ２に達した時に、挿入制御部４８はツール３２が狙い挿入位置まで挿入されたと判断し、検出負荷Ｖａが第２判定負荷Ｖｍ２に達していない時に、挿入制御部４８はツール３２が狙い挿入位置まで挿入されていないと判断する。
【００２７】
接合制御部５０は、狙い挿入位置まで挿入されたツール３２をテーブル１２の上面に対して平行移動する。
【００２８】
情報入力部２０は、本発明の摩擦撹拌接合に必要な情報をオペレータが入力するためのインターフェースである。情報入力部２０に入力された情報は、制御部１８に伝達される。情報入力部２０に入力される情報としては、接合対象物２２の材質情報などがある。
【００２９】
次に、本形態の摩擦撹拌接合における初期荷重制御方法について図３の制御ルーチンのフローチャートも参照しながら説明する。
【００３０】
先ず、ステップＳ１において、制御部１８は、オペレータが情報入力部２０に入力したツール挿入開始情報に基づいてツール３２が回転するように主軸モータ３４を制御する。
【００３１】
その後、ステップＳ２において、第１挿入制御部は５２、ツール３２が保持位置まで挿入されるように第２駆動モータ２８を制御する。このとき、電流センサ４０は主軸モータ３４に流れるアナログ電流を検出する。そして、検出電流に基づいて検出負荷Ｖａが求められる。また、ツール３２が保持位置に達したか否かは、検出負荷Ｖａと第１判定負荷Ｖｍ１とに基づいて判断される。第１判定負荷Ｖｍ１は、オペレータが情報入力部２０に入力した材質情報と第１判定負荷取得マップデータとに基づいて取得される。
【００３２】
その後、ステップＳ３において、保持制御部は５４、保持位置において、ツール３２が回転した状態で所定の保持期間保持されるように第２駆動モータ２８を制御する。所定の保持期間は、検出負荷Ｖａと第２判定負荷Ｖｍ２とに基づいて定められる。第２判定負荷Ｖｍ２は、オペレータが情報入力部２０に入力した材質情報と第２判定負荷取得マップデータとに基づいて取得される。
【００３３】
その後、ステップＳ４において、第２挿入制御部５６は、保持位置から狙い挿入位置までツール３２が挿入されるように第２駆動モータ２８を制御する。ツール３２が狙い挿入位置に達したか否かは、検出負荷Ｖａと第２判定負荷Ｖｍ２とに基づいて判断される。
【００３４】
その後、ステップＳ５において、接合制御部５０は、ツール３２を接合対象物２２と相対的に移動するように第１駆動モータ１６を制御する。
【００３５】
その後、ステップＳ６において、制御部１８は、狙い挿入位置においてツール３２が保持されるように第２駆動モータ２８を制御する。
【００３６】
その後、ステップＳ７において、制御部１８は、ツール３２が接合対象物２２から抜き出されるように第２駆動モータ２８を制御する。
【００３７】
その後、ステップＳ８において、制御部１８は、ツール３２の回転が停止されるように主軸モータ３４を制御する。この処理の終了後、制御ルーチンは終了する。
【００３８】
以上の形態においては、ステップＳ２の処理が挿入ステップに、ステップＳ３の処理が保持ステップに、ステップＳ４の処理が加圧ステップに、ステップＳ５及びステップＳ６の処理が接合ステップにそれぞれ相当する。
【００３９】
本形態の制御ルーチンでは、ツール３２を所定の保持期間保持した後に、ツール３２を狙い挿入位置まで挿入しているので、ツール３２の保持によって軟化した材料と未だ軟化していない材料とが一緒に撹拌される。これにより、ツール３２の保持期間にツール３２に生じる負荷が落ち込んでも補うことができる。言い換えれば、ツール３２の保持による接合対象物２２の必要以上の軟化による排出を抑制することができる。よって、ツール３２の初期移動時の速度を低下させる必要がないので、サイクルタイムが増加することもない。従って、サイクルタイムを増加させることなく始端部に生じる欠陥を確実に抑制することができる。
【００４０】
また、本形態では、所定の保持期間保持した後のツール３２に生じる負荷（初期荷重）が狙い挿入位置まで挿入されたツール３２と接合対象物２２とを相対的に移動させる時に生じる負荷以下になるので、保持位置から狙い挿入位置までツール３２を挿入した時にツール３２に生じる負荷が必要以上に高くなることがない。これにより、ツール３２が破損することを防止することができる。
【００４１】
本形態が上述した効果を有することは、図４からも理解することができる。図４において、実線Ａは時間に対するツール３２に生じる負荷の変化を、一点鎖線Ｂは時間に対するツール３２の挿入量の変化をそれぞれ示している。また、Ｖｍ１は保持位置に達した時のツール３２に生じる負荷を、Ｖｍ２はツール３２と接合対象物２２とが相対移動している時のツール３２に生じる負荷を、Ｖｍ０はＶｍ２の８０％の負荷を、Ｔ１とＴ２との間の期間は保持期間をそれぞれ示している。ツール３２を接合対象物２２に挿入するとツール３２に生じる負荷Ｖａが負荷Ｖｍ１まで高まる。そして、ツール３２に生じる負荷Ｖａが負荷Ｖｍ０（Ｖｍ０＝０．８Ｖｍ２）に達するまでツール３２を保持した後に、狙い挿入位置までツール３２を挿入することにより、ツール３２に生じる負荷Ｖａが接合負荷Ｖｍ２付近まで高まる。これにより、ツール３２の初期荷重が必要以上に低下しないので、始端部に欠陥が生じることを防止が防止される。また、ツール３２が破損することを防止することができる。
【００４２】
（変形例）
次に、上述した形態の変形例について述べる。上述した形態では、第２挿入制御部５６が保持位置から狙い挿入位置までツール３２を挿入する時に、ツール３２が狙い挿入位置に達したか否かの判断を検出負荷Ｖａと第２判定負荷Ｖｍ２に基づいて挿入制御部４８が行っている。これに対し、この変形例では、第２挿入制御部５６は、ピン３８の突出方向に予め定められた規定挿入量ツール３２を移動する。規定挿入量は、規定挿入量と接合対象物２２の材質との関係を記載した規定挿入量取得マップデータが用いられる。規定挿入量取得マップデータは記憶部４６に記憶される。
【００４３】
この変形例によれば、保持位置から狙い挿入位置までツール３２を挿入している時に生じる材料の軟化を考慮することなくツール３２を規定挿入量だけ移動させればよいので、ツール３２の移動の制御を簡易に行うことができる。
【００４４】
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。ツールに生じる負荷の検出方法は、主軸モータに流れるアナログ電流から推定する方法に限らない。例えば、ツールに生じる負荷は、ヘッド部のたわみ量とヘッド部のバネ定数とに基づいて推定してもよい。なお、ヘッド部のたわみ量は、ヘッド部のピンの突出方向への移動量を測定する測定手段を利用して検出すればよい。これにより、主軸モータに流れるアナログ電流を検出することが難しい場合にも対応することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…摩擦撹拌接合装置
１４…装置本体
１６…第１駆動モータ
１８…制御部
２２…接合対象物
２８…第２駆動モータ
３２…ツール
３６…ショルダ
３８…ピン
４６…記憶部
５０…接合制御部
５２…第１挿入制御部
５４…保持制御部
５６…第２挿入制御部
【図１】
2010214416.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010214416.tif 000006