【手続補正書】
【提出日】平成17年9月12日(2005.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材15、16を突合わせて固定する架台14と、回転体13の先端部に設けられ前記被接合部材15、16と接触するプローブ52とを備え、前記回転体13を回転させて前記プローブ52を前記被接合部材15、16の接合線17又はその近傍に前記回転体13のショルダ51の端面53が接触するまで挿入し、前記プローブ52および前記ショルダ51との接触部を摩擦熱にて軟化させ、前記被接合部材15、16を撹拌することにより塑性流動を起こし、前記プローブ52を挿入状態で前記接合線17に沿って相対的に移動させて前記被接合部材15、16を接合する摩擦撹拌接合装置において、前記架台14は、前記接合線17を一定温度に保つ第１の冷却手段が設けられ、前記回転体13の前段に前記回転体13を駆動するツールヘッド12を設け、前記ツールヘッド12は、３次元方向に移動可能な走行体11に設けられ、かつ、前記ツールヘッド12を冷却する第２の冷却手段１８を具えたことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
前記第１の冷却手段は、前記架台14の内部に設けたパイプ19に冷媒20を通すようにし、前記第２の冷却手段18は、パイプ42に冷媒43を供給しシャフト32と前記スラスト軸受33と前記ラジアル軸受34に直接または間接的に吹きつけることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
前記ツールヘッド12は、前記回転体13を回転させるサーボモータ31と、前記サーボモータ31と前記回転体13を連結するシャフト32と、前記シャフト32を支持するスラスト軸受33およびラジアル軸受34とを同軸上に具えた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。
【請求項４】
前記プローブ52は、硬度・融点・耐摩耗性の特性が前記被接合部材15、16の特性より高い工具鋼または耐熱性のステンレス鋼からなり、かつ前記プローブ52の長さが前記被接合部材15、16の板厚よりも短い寸法であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
前記走行体11は垂直多関節型マニピュレータ、水平多関節型マニピュレータ、極座標マニピュレータまたは平行リンク型マニピュレータのいずれかであることを特徴とする請求項1から４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
被接合部材15、16を突合わせて固定する架台14と、回転体13の先端部に設けられ前記被接合部材15、16と接触するプローブ52とを備え、前記回転体13を回転させて前記プローブ52を前記被接合部材15、16の接合線17又はその近傍に前記回転体13のショルダ51の端面53が接触するまで挿入し、前記プローブ52および前記ショルダ51の端面53との接触部を摩擦熱にて軟化させ、前記被接合部材15、16を撹拌することにより塑性流動を起こし、前記プローブ52を挿入状態で前記接合線17に沿って相対的に移動させて前記被接合部材15、16を接合する摩擦撹拌接合装置において、前記ショルダ51の端面53に外周部から中心に向かう螺旋状の突起55を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
前記螺旋状の突起55に代えて外周部から中心に向かう螺旋状の溝56を設けたことを特徴とする請求項６記載の摩擦攪拌接合装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
【従来の技術】
従来、摩擦撹拌接合は円筒形のツールをその中心軸円周方向に回転させながら、被接合部材15、16の接合線に沿って圧着、移動させ、その際にツールと母材間に生ずる摩擦熱と塑性流動を利用して、被接合材を接合するものがある(たとえば、特許第2712838、特許第2792233号)。図８は、このような従来の摩擦撹拌装置の構成を示す模式図である。図において、13は回転する摩擦撹拌接合用の回転体、15および16は接合される被接合部材、17は被接合部材15、16を突合わせた際の接合線である。接合線17には接合後に接合金属も形成される。61は回転体13の移動方向を示す矢印61である。回転体13は回転しながら、端面を突き合わせた被接合部材15、16の接合線17表面側に挿入され、摩擦熱と塑性流動を発生しながら図８中の矢印61の方向に接合金属を形成しながら移動する。したがって、被接合部材15、16の接合線17部分の空隙を満たし、被接合部材15、16を接合できる。また、この摩擦攪拌接合手法にあっては、安定した継手特性が得られ難く、実用化には殆ど至っていないのが、現状である。因みに、上述のような摩擦攪拌接合によれば、接合部の裏・表面は略平坦となるはずであるが、実際には、少しの条件のずれ、例えばプローブ型回転工具におけるプローブの差し込み深さや、接合されるべき材料の寸法精度等の如何により、突き合わせ接合面に、バリが突出して形成されるようになる。また、材料の寸法精度や拘束状態にバラツキがある場合には、接合面に凹凸が生じたり、ルート部にトンネル状の融合不良が発生する等して、静的及び疲労強度に少なからぬ影響をもたらし、健全な接合部の形成を困難としている。更には、接合強度の低下や外観の悪化等の問題も惹起している。このような問題に対して、特開平11-10363にプローブ型回転工具の改良が提案されている。図９に示すようにプローブ52を設けた回転体13のショルダ51の端面53に周溝を設けている。被接合部位の表面（突き合わせ接合部における表面）に接するロッド状のショルダ51の端面53において、所定の周溝が、プローブ52の周りに形成されているところから、高速回転するプローブ52による攪拌作用にて塑性流動する材料（以降、塑性流動体という）が、このような周溝の存在によって、ショルダ51の端面53が接する接合領域内に効果的に押さえ込まれ、以てそのような塑性流動体が、ショルダ51の端面53の外側にバリとして排出されるのを抑制して欠陥を解消している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の摩擦撹拌接合装置は、つぎの構成にしている。
（１）被接合部材15、16を突合わせて固定する架台14と、回転体13の先端部に設けられ前記被接合部材15、16と接触するプローブ52とを備え、前記回転体13を回転させて前記プローブ52を前記被接合部材15、16の接合線17又はその近傍にショルダ51が接触するまで挿入し、前記プローブ52および前記ショルダ51との接触部を摩擦熱にて軟化させ、前記被接合部材15、16を撹拌することにより塑性流動を起こし、前記プローブ52を挿入状態で前記接合線17に沿って相対的に移動させて前記被接合部材15、16を接合する摩擦撹拌接合装置において、前記架台14は、前記接合線17を一定温度に保つ第１の冷却手段が設けられ、前記回転体13の前段に前記回転体13を駆動するツールヘッド12を設け、前記ツールヘッド12は、３次元方向に移動可能な走行体11に設けられ、かつ、前記ツールヘッド12を冷却する第２の冷却手段１８を具えている。
本装置によれば、架台に第１の冷却手段を設けて一定温度以下に保つようにしたので、被接合部材の接合線に形成された接合金属を適正に冷却できるため、接合金属の内部応力が小さくなり、したがって、接合部の凝固割れと架台自体の熱変形および被接合部材の熱変形を防止できる。また、回転体の前段に軸受とシャフトをもつツールヘッドをもうけたので、回転体が回転中心軸からぶれることがなく保持されるため、プローブを接合線上に正確に移動することができる。
（２）前記第１の冷却手段は、前記架台14の内部に設けたパイプ19に冷媒20を通すようにし、前記第２の冷却手段18は、パイプ42に冷媒43を供給しシャフト32と前記スラスト軸受33と前記ラジアル軸受34に直接または間接的に吹きつけるようにしたものである。
本装置によれば、スラスト軸受３３とラジアル軸受３４を設定温度に冷却するので、摩擦撹拌接合中の温度伝播による軸受の昇温を防止できる。このため、高温焼きつきがなく長時間の連続運転が可能になる。
（３）前記ツールヘッド12は、前記回転体13を回転させるサーボモータ31と、前記サーボモータ31と前記回転体13を連結するシャフト32と、前記シャフト32を支持するスラスト軸受33およびラジアル軸受34とを同軸上に具えたものである。
本装置によれば、回転体と連結するシャフト32をスラスト軸受33およびラジアル軸受34とを同軸上に具えて剛性を増したので、回転体が回転中心軸からぶれることなく安定に保持される。
（４）前記プローブ52は、硬度・融点・耐摩耗性の特性が前記被接合部材15、16の特性より高い工具鋼または耐熱性のステンレス鋼からなり、かつ前記プローブ52の長さが前記被接合部材15、16の板厚よりも短い寸法にしたものである。本装置によれば、プローブの材質を特性の高い工具鋼または耐熱性のステンレス鋼としたので、プローブが軟化することがなく被接合部材の正確な接合線が得られる。また、プローブの長さを被接合部材の板厚よりも短い寸法にしたので、プローブと架台との接触がなく、プローブ52の先端と架台との焼付きを防止することができる。
（５）前記走行体11は垂直多関節型マニピュレータ、水平多関節型マニピュレータ、極座標マニピュレータまたは平行リンク型マニピュレータのいずれかにしたものである。本装置によれば、走行体11が正確な位置決めができるため、正確な接合線をももつ被接合部材が得られる。
(6) 被接合部材15、16を突合わせて固定する架台14と、回転体13の先端部に設けられ前記被接合部材15、16と接触するプローブ52とを備え、前記回転体13を回転させて前記プローブ52を前記被接合部材15、16の接合線17又はその近傍に前記回転体13のショルダ51の端面53が接触するまで挿入し、前記プローブ52および前記端面53との接触部を摩擦熱にて軟化させ、前記被接合部材15、16を撹拌することにより塑性流動を起こし、前記プローブ52を挿入状態で前記接合線17に沿って相対的に移動させて前記被接合部材15、16を接合する摩擦撹拌接合装置において、前記ショルダ51の端面53に外周部から中心に向かう螺旋状の突起または溝を設けたものである。本回転体のショルダによれば、端面53に螺旋状の突起または溝が設けてあるので、被接合部材15,16との接触面積が確保される。このため、塑性加工に十分な摩擦熱が発生して塑性流動がスムーズに行われる。また、外周部から中心に向かう螺旋状としたので、塑性流動体が接合領域の内側に向かって塑性流動が促進されて、端面53の外周部の外側にバリとして排出されるのを抑制または阻止できる。そして、塑性流動が不十分な場合や接合部における材料不足に基づく欠陥を解消できる。