(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転する回転子と被接合物とを相互に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法において、
回転子と被接合物との摩擦撹拌状態を検出し、この検出結果に基づいて、摩擦撹拌動作が進行するにつれて、回転子と被接合物との押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
ショルダ部と、ショルダ部から被接合物に向って突出したピンとを有して高速回転する回転子を、被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法において、
回転子と被接合物との摩擦撹拌状態を検出し、この検出結果に基づいて、ピンのみが被接合物に押圧接触している状態に比べて、ショルダ部が被接合物に押圧接触している状態では、回転子の回転速度を、低くし、または回転子と被接合物との押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
高速回転する回転子と被接合物とを相互に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法において、
被接合物は、複数枚重ねられており、回転子が最上部の被接合物の表面または、重ねられた表面の境界付近を押圧接触したことを検出し、この検出結果に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて、回転子の回転速度、または回転子と被接合物との押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
摩擦攪拌接合は、スポット接合であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
高速回転する回転子を被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置において、
回転子を、その軸線まわりに回転速度可変に駆動する回転駆動手段と、
回転子を、その軸線方向に移動する直進駆動手段と、
回転子と被接合物との押圧接触している状態を検出する検出手段と、
検出手段の出力に応答し、前記出力に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて、直進駆動手段による押圧力を低下する制御手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
ショルダ部と、ショルダ部から被接合物に向って突出したピンとを有して高速回転する回転子を、被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置において、
回転子を、その軸線まわりに回転速度可変に駆動する回転駆動手段と、
回転子を、その軸線方向に移動する直進駆動手段と、
回転子と被接合物との押圧接触している状態を検出する検出手段と、
検出手段の出力に応答し、前記出力に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて、回転駆動手段による回転速度、または直進駆動手段による押圧力を低下する制御手段とを含み、検出手段は、
ピンのみが被接合物に押圧接触している第１状態と、
ショルダ部が被接合物に押圧接触している第２状態とを検出し、
制御手段は、
第１状態に比べて第２状態では、前記回転速度を、低くし、または前記押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
回転駆動手段は、回転駆動用モータを含み、
検出手段は、回転駆動用モータの負荷電流を検出するセンサと、
センサの出力に応答し、検出された負荷電流が予め定める電流値以上であるか、または時間変化率が予め定める時間変化率以上であるかをレベル弁別するレベル弁別手段と、
レベル弁別手段の出力に応答し、検出された負荷電流が予め定める電流値以上であるとき、または時間変化率が予め定める時間変化率以上であるとき、第１状態から第２状態に、変化する変化手段とを含むことを特徴とする請求項６記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項８】
検出手段は、
（ａ）第１状態と第２状態とを、
回転子の直進駆動手段による移動量によって、または
回転子と被接合物とのテレビカメラによる画像によって、検出するセンサと、
（ｂ）センサの出力に応答し、第１状態から第２状態に変化する変化手段とを含むことを特徴とする請求項６記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項９】
検出手段は、
回転子の直進駆動手段による時間経過を計測する時間計測手段と、
時間計測手段の出力に応答し、第１状態から第２状態に変化する変化手段とを含むことを特徴とする請求項６記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項１０】
高速回転する回転子を被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置において、
回転子を、その軸線まわりに回転速度可変に駆動する回転駆動手段と、
回転子を、その軸線方向に移動する直進駆動手段と、
被接合物は、複数枚重ねられており、回転子が、最上部の被接合物の表面または、重ねられた被接合物の境界付近を押圧接触した状態を検出する検出手段と、
検出手段の出力に応答し、前記出力に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて回転駆動手段による回転速度、または直進駆動手段による押圧力を低下する制御手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１１】
摩擦攪拌接合は、スポット接合であることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合によって被接合物を、たとえばスポット接合などする摩擦撹拌接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先行技術では、回転子の回転速度と被接合物に向って移動する移動速度とを、被接合物の摩擦熱による軟化部分の撹拌に適した低い予め定める値に設定した状態を保ったままで、常に動作させる。したがって摩擦接合の開始から終了までの期間は、不所望に長くなってしまう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、摩擦撹拌接合の施工時間を短縮することができるようにした摩擦撹拌接合方法および装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高速回転する回転子と被接合物とを相互に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法において、
回転子と被接合物との摩擦撹拌状態を検出し、この検出結果に基づいて、摩擦撹拌動作が進行するにつれて、回転子と被接合物との押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
本発明に従えば、回転子と被接合物との押圧接触中に、押圧力を変化させ、被接合物のたとえばスポット接合などの摩擦接合に必要な時間を短縮することができる。押圧力、さらには回転子の被接合物への直進移動の速度を、回転子と被接合物との摩擦熱のために高くして、短時間に被接合物を部分的に軟化し、その後、押圧力、さらには直進移動の速度を低下して軟化部分の撹拌のために最適な値とする。回転速度と押圧力との両者を、押圧接触中に、変化するようにしてもよい。本発明の実施の他の形態では、回転子には、ピンが設けられていなくてもよい。
【０００５】
また本発明は、ショルダ部と、ショルダ部から被接合物に向って突出したピンとを有して高速回転する回転子を、被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法において、
回転子と被接合物との摩擦撹拌状態を検出し、この検出結果に基づいて、ピンのみが被接合物に押圧接触している状態に比べて、ショルダ部が被接合物に押圧接触している状態では、回転子の回転速度を、低くし、または回転子と被接合物との押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
本発明に従えば、回転子は、ショルダ部とピンとを有し、ピンのみが被接合物に接触している第１の状態では、回転子の回転速度を高くし、または押圧力を高くして、短時間に摩擦熱を発生して、被接合物の部分的な軟化を促進する。これによってピンが被接合物に入り込んでショルダ部が被接合物に接触した第２の状態では、被接合物の軟化部分の撹拌のために最適な回転速度となるように、または最適な押圧力となるように、これらの回転速度または押圧力のいずれか少なくとも一方を低下する。これによって回転速度または押圧力を変化しない場合に比べて、摩擦接合強度を維持したうえで、施工時間を短縮することができる。
回転子のピンは、直円柱状であってもよいが、円筒状であってもよい。ピンの基端部が連なるショルダ部を有する先端部は、たとえばピンと同軸の直円柱状であってもよく、または逆円錐台状であってもよい。さらにこの回転子と同軸にガイド孔が形成され、このガイド孔に金属材を供給してピンの先端から送出し、送出された金属材もまた回転による摩擦熱で軟化させ、接合終了時における凹所が形成されることを防止することもできる。
【０００６】
また本発明は、高速回転する回転子と被接合物とを相互に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合方法において、
被接合物は、複数枚重ねられており、回転子が最上部の被接合物の表面または、重ねられた表面の境界付近を押圧接触したことを検出し、この検出結果に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて、回転子の回転速度、または回転子と被接合物との押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法である。
本発明に従えば、複数枚の被接合物が重ねられた場合には、最上部の被接合物の表面または、重ねられた被接合物の境界付近を回転子が押圧接触したときに、回転速度または押圧力を変化させる。これによって回転子の接触状態に応じて、最適な回転速度および押圧力を調整することができ、摩擦接合に必要な時間を短縮するとともに接合される被接合物の品質を維持または向上させることができる。
【０００７】
また本発明は、摩擦攪拌接合は、スポット接合であることを特徴とする。
【０００８】
本発明に従えば、上述するように１つの箇所の接合に必要な時間を短縮することができるので、スポット接合によって複数箇所を連続して順に接合する場合には、連続して接合する箇所が増加すればするほど、作業時間を短縮することができる。したがって本発明は、特にスポット接合に良好に用いることができる。
【０００９】
また本発明は、高速回転する回転子を被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置において、
回転子を、その軸線まわりに回転速度可変に駆動する回転駆動手段と、
回転子を、その軸線方向に移動する直進駆動手段と、
回転子と被接合物との押圧接触している状態を検出する検出手段と、
検出手段の出力に応答し、前記出力に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて、直進駆動手段による押圧力を低下する制御手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１０】
本発明に従えば、検出手段の出力に応答して、回転子と被接合物との押圧接触中に、直進駆動手段によって回転子と被接合物との押圧力を変化させることで、被接合物のたとえばスポット接合などの摩擦接合に必要な時間を短縮することができる。まず、押圧力、さらには回転子の被接合物への直進移動の速度を、回転子と被接合物との摩擦熱のために高くして、短時間に被接合物を部分的に軟化し、その後、押圧力、さらには直進移動の速度を低下して軟化部分の撹拌のために最適な値とする。回転速度と押圧力との両者を、押圧接触中に、変化するようにしてもよい。本発明の実施の他の形態では、回転子には、ピンが設けられていなくてもよい。
【００１１】
また本発明は、ショルダ部と、ショルダ部から被接合物に向って突出したピンとを有して高速回転する回転子を、被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置において、
回転子を、その軸線まわりに回転速度可変に駆動する回転駆動手段と、
回転子を、その軸線方向に移動する直進駆動手段と、
回転子と被接合物との押圧接触している状態を検出する検出手段と、
検出手段の出力に応答し、前記出力に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて、回転駆動手段による回転速度、または直進駆動手段による押圧力を低下する制御手段とを含み、検出手段は、
ピンのみが被接合物に押圧接触している第１状態と、
ショルダ部が被接合物に押圧接触している第２状態とを検出し、
制御手段は、
第１状態に比べて第２状態では、前記回転速度を、低くし、または前記押圧力を、低くすることを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１２】
本発明に従えば、第１の状態では、回転駆動手段によって回転子の回転速度を高くし、または直進駆動手段によって押圧力を高くして、短時間に摩擦熱を発生して、被接合物の部分的な軟化を促進する。次に、第２の状態では、被接合物の軟化部分の撹拌のために最適な回転速度となるように、または最適な押圧力となるように、直進駆動手段または回転駆動手段を制御して、回転速度または押圧力のいずれか少なくとも一方を低下する。これによって回転速度または押圧力を変化しない場合に比べて、摩擦接合強度を維持したうえで、施工時間を短縮することができる。
【００１３】
また本発明は、回転駆動手段は、回転駆動用モータを含み、
検出手段は、回転駆動用モータの負荷電流を検出するセンサと、
センサの出力に応答し、検出された負荷電流が予め定める電流値以上であるか、または時間変化率が予め定める時間変化率以上であるかをレベル弁別するレベル弁別手段と、
レベル弁別手段の出力に応答し、検出された負荷電流が予め定める電流値以上であるとき、または時間変化率が予め定める時間変化率以上であるとき、第１状態から第２状態に、変化する変化手段とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、センサによって、回転駆動用モータの負荷電流、したがって出力トルクを検出し、その出力トルクに対応する負荷電流が予め定める電流値以上であり、またはその負荷電流の時間変化率が予め定める時間変化率以上であることを、レベル弁別手段によってレベル弁別し、これによってショルダ部が被接合物に接触したことを検出し、回転子の回転速度または押圧力を変化手段によって変化し、自動的な摩擦撹拌接合を、迅速に行うことができるようになる。
【００１５】
また本発明は、検出手段は、
（ａ）第１状態と第２状態とを、
回転子の直進駆動手段による移動量によって、または
回転子と被接合物とのテレビカメラによる画像によって、検出するセンサと、
（ｂ）センサの出力に応答し、第１状態から第２状態に変化する変化手段とを含むことを特徴とする。
また本発明は、検出手段は、
回転子の直進駆動手段による時間経過を計測する時間計測手段と、
時間計測手段の出力に応答し、第１状態から第２状態に変化する変化手段とを含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、検出手段はまた、テレビカメラによって回転子と被接合物との接合状態を撮像し、その画像処理を行ってもよく、あるいはまたタイマなどの時間計測手段を用い、ショルダ部が被接合物に接触したことを検出するようにしてもよい。
【００１７】
また本発明は、高速回転する回転子を被接合物に押圧し、回転子と被接合物との摩擦熱によって、被接合物を部分的に軟化させ、軟化部分を撹拌して被接合物を接合する摩擦撹拌接合装置において、
回転子を、その軸線まわりに回転速度可変に駆動する回転駆動手段と、
回転子を、その軸線方向に移動する直進駆動手段と、
被接合物は、複数枚重ねられており、回転子が、最上部の被接合物の表面または、重ねられた被接合物の境界付近を押圧接触した状態を検出する検出手段と、
検出手段の出力に応答し、前記出力に基づいて摩擦撹拌動作が進行するにつれて回転駆動手段による回転速度、または直進駆動手段による押圧力を低下する制御手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１８】
本発明に従えば、複数枚の被接合物が重ねられた場合には、最上部の被接合物の表面または、重ねられた被接合物の境界付近を回転子が押圧接触したときに、回転駆動手段または直進駆動手段によって、回転速度または押圧力を変化させる。これによって回転子の接触状態に応じて、最適な回転速度および押圧力を調整することができ、摩擦接合に必要な時間を短縮するとともに接合される被接合物の品質を維持または向上させることができる。
【００１９】
また本発明は、摩擦攪拌接合は、スポット接合であることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、上述するように１つの箇所の接合に必要な時間を短縮することができるので、スポット接合によって複数箇所を連続して順に接合する場合には、連続して接合する箇所が増加すればするほど、作業時間を短縮することができる。したがって本発明は、特にスポット接合に良好に用いることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合の状態を示す簡略化した断面図である。回転子２１が回転駆動され、図１の上下に重ね合わされた金属製被接合物２２，２３が摩擦撹拌接合されてスポット接合される。スポット接合は、回転子２１の軸線に垂直方向に進行することなくその軸線に沿って移動して、被接合物を接合する。
【００２２】
図２は、本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置２４の簡略化した断面図である。被接合物２２，２３は、定盤２５に乗載されて固定される。この定盤２５と固定的に設けられる装置本体２６には、回転駆動手段２７が設けられ、この回転駆動手段２７によって回転子２１は、その鉛直軸線２８まわりに回転駆動される。回転子２１は、直進駆動手段２９によって軸線２８に沿って図２の上下に直進移動可能である。
【００２３】
図３は、図２に示される摩擦撹拌接合装置２４の電気的構成を示すブロック図である。回転駆動手段２７は、回転駆動用モータ３１を備え、また直進駆動手段２９は、直進駆動用モータ３２を備える。マイクロコンピユータなどによって実現される処理回路３３には、回転駆動用モータ３１の負荷電流を検出する検出手段３４からの出力が与えられる。
【００２４】
再び図１を参照して、回転子２１は、被接合物２２，２３に向けて突出した直円柱状のピン３６と、このピン３６の基端部が一体的に設けられる先端部３７とを有する。ピン３６と先端部３７とは、軸線２８上に各軸線を有する。先端部３７は、直円柱状である。この先端部３７のピン３６に臨む図１の下方の端面は、ショルダ部３８を形成する。
【００２５】
図４は、図１〜図３に示される摩擦撹拌接合装置２４の動作を説明するためのタイムミングチャートである。被接合物２２，２３の摩擦撹拌接合にあたって、図４の時刻ｔ１以前では、回転子２１の上下方向の位置は、図４（１）に示されるとおりであり、このとき前述の図１（１）に示されるように回転子２１は被接合物２２，２３の上方にある。回転駆動用モータ３１の検出手段３４によって検出される負荷電流は、図４（２）に示されるとおりであって、比較的低い値である。この負荷電流は、回転駆動用モータ３１の出力トルクに対応する。回転駆動用モータ３１、したがって回転子２１の回転速度は、図４（３）に示されるとおりであり、時刻ｔ１では、回転が停止している。直進駆動用モータ３２を備える直進駆動手段２９によって、回転子２１と被接合物２２，２３との相互間に、図４（４）に示される加圧力が作用される。
【００２６】
図５は図３に示される処理回路３３の動作を説明するためのフローチャートである。図５のステップａ１において、図４の時刻ｔ１では、回転駆動用モータ３１を含む回転駆動手段２７によって回転子２１をその軸線２８まわりに回転駆動することを、図１（１）の休止位置の状態から開始し、このとき回転速度Ｖ１は比較的高い値である。直進駆動手段２９によって回転子２１を被接合物２２，２３に向けて直進移動して下降してゆく。
【００２７】
図５のステップａ２では、検出手段３４によって検出される図４（２）の負荷電流、したがって回転駆動用モータ３１の出力トルクＴが、予め定める値Ｔｐを超える値であるか（Ｔ＞Ｔｐ）が、判断される。図４の時刻ｔ２において図１（２）に示されるように回転子２１のピン３６が被接合物２２の表面に接触したとき、回転駆動用モータ３１の負荷電流に対応する出力トルクＴが、予め定める負荷電流の値に対応する出力トルクＴｐを超える。これによってピン３６が最上部の被接合物２２の表面に接触したことが、ステップａ３において判断される。時刻ｔ１〜ｔ２の期間はＷ０で示される。
【００２８】
直進駆動手段２９によって、回転子２１がさらに直進移動されてゆき、ステップａ４では、検出手段３４によって検出される回転駆動用モータ３１の負荷電流に対応する出力トルクＴが、予め定める負荷電流に対応する出力トルクＴｓを超えたかどうか（Ｔ＞Ｔｓ、ただしＴｓ＞Ｔｐ）が判断される。図４の時刻ｔ３において回転子２１のショルダ部３８が最上部の被接合物２２の表面に接触すると、検出手段３４によって検出される回転駆動用モータ３１の負荷電流は、予め定める出力トルクＴｓに対応する負荷電流値を超える。このことがステップａ４で判断されると、次のステップａ５では、ショルダ部３８が被接合物２２の表面に接触したことが判断される。時刻ｔ２〜ｔ３の期間はＷ１で示される。
【００２９】
そこでステップａ６では、時刻ｔ３以降において、図４（３）に示されるように回転駆動用モータ３１による回転子２１の回転速度を、回転子２１と被接合物２２，２３との摩擦撹拌によって生じた摩擦熱で軟化した部分が撹拌されて接合されるのに適した回転速度Ｖ２（ただしＶ１＞Ｖ２）に変更して設定する。直進駆動手段２９の直進駆動用モータ３２は、時刻ｔ３以降、停止し、または駆動され、回転子２１と被接合物２２，２３との押圧力Ｐ２は、時刻ｔ２〜ｔ３における押圧力Ｐ１未満の適切な値に設定される（Ｐ１＞Ｐ２）。
【００３０】
図５のステップａ７では、時刻ｔ３以降の撹拌の施工時間が、予め定める値Ｗ２に到達することが判断されると、その時刻ｔ４において、直進駆動用モータ３２を逆方向に回転し、図４（１）に示されるように回転子２１を図１（５）に示されるように被接合物２２，２３から離間して上昇させる。この回転子引抜き時には、回転子２１は前のステップの回転速度、すなわち接合されるのに適した回転送度Ｖ２で回転する。こうして時刻ｔ５において、回転子２１は時刻ｔ１以前と同様な休止位置に到達したとき、ステップａ８では、時刻ｔ１からの期間Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３にわたる時刻ｔ５までの摩擦撹拌接合の全ての施工を終了する。
【００３１】
図６は、本件発明者の実験結果を示すグラフである。図６の実験が行われた条件は、表１に示すとおりである。
【００３２】
【表１】
0003546043.tif 000002
【００３３】
図６において、参照符４１は、本件発明者の実験結果を示し、参照符４２は従来からの施工例である比較例１を示す。図６に示される実施例１によれば、ピン３６が被接合物２２に接触（ｔ２）してからショルダ部３８が被接合物２２に接触する（ｔ３）までのピン貫入時間Ｗ１を短縮することができるとともに、摩擦接合強度である引張せん断強度を比較例１と同じにできることが本件発明者によって確認された。すなわち本発明によればピン貫入時間Ｗ１を短くすることによって接合動作時間（Ｗ１＋Ｗ２）ならびに摩擦接合に係る施工時間（Ｗ０＋Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）を短縮することができるとともに、摩擦接合強度が充分に維持することができることが確認された。表１に示すように、本発明の実施例は、１回の接合動作時間は、比較例に比べて１．５秒短縮することが確認された。したがって連続して複数箇所にスポット接合が行われる場合には、接合箇所の増加とともに、施工時間をより短縮することができ、スポット接合に特に良好に用いることができる。
【００３４】
図７は、本発明の実施の他の形態の簡略化した側面図である。この実施の形態では、前述の図１〜図６に関連して前述した摩擦撹拌接合装置２４は、複数（たとえば６）軸の産業用ロボット１の手首２に連結され、この摩擦撹拌接合装置２４を、ロボット１によって、希望する接合位置にもたらし、その手首２の位置を一時的に固定したままで、前述の図１〜図７に関連して述べたように、摩擦撹拌接合動作を行う。このロボット１のアームおよび手首２の動作は、図３に示される入力手段３の操作によって教示し、この教示内容をメモリ４にストアしておき、そのメモリ４のストア内容を読出すことによって、再生動作することができる。
【００３５】
図８は、本発明の実施の他の形態の処理回路３３の動作を説明するためのフローチャートである。上述した摩擦攪拌接合装置２４は、ショルダ部３８が被接合物２２の最上部の表面に接触したことを検出し、回転子２１の回転速度および押圧力を変更したが、他の状態を検出して回転子２１の回転速度および押圧力を変更してもよく、被接合物が複数枚重ねられる場合、回転子２１が被接合物の境界付近を押圧したとき、回転速度および押圧力を変更してもよい。たとえば、重ねられた２枚の被接合物のうち、上板２２と下板２３の境界付近にピン３６が到達したときに回転子２１の回転速度および押圧力が変更される。
【００３６】
図８に示す本発明の実施の他の形態の処理回路３３の動作は、図５に示す動作と類似しており、同様のステップについては、説明を省略する。図８のステップｂ１では、休止位置の状態から回転子２１が回転するとともに、被接合物に向けて直進移動し、ステップｂ２〜ステップｂ３では、図５のステップａ１〜ステップａ３と同一の動作が行われる。ステップｂ４では、直進駆動手段２９によって回転子２１がさらに直進移動され、上板２２の表面からピン３６の先端面までの距離である押込量Ｌが上板２２の板厚相当の距離Ｌｓを超える値であるか（Ｌ＞Ｌｓ）が判断される。押込量Ｌは、ステップｂ２でピン３６が上板２２の表面に接触したと判断されたときから、回転子２１の移動量を検出することによって得られる。この移動量は、たとえば測距センサを用いて、または直進駆動用モータの制御信号に基づいて求められる。このように押込量Ｌが上板２２の板厚相当の距離Ｌｓを超えたとステップｂ４で判断されると、次のステップｂ５では、ピン３６が上板２２を貫通し、ピン３６が下板２３に接触したことが判断される。
【００３７】
そこでステップｂ６では、回転子２１の回転速度および押圧力が図５のステップａ６と同様に前のステップｂ５までの回転速度Ｖ１および押圧力Ｐ１よりも低い回転速度Ｖ２および押圧力Ｐ２に変更して設定される。以降のステップｂ７〜ステップｂ８は、図５のステップａ７〜ステップａ８と同様に動作される。
【００３８】
上述したように、ツールの先端であるピン３６が上板２２と下板２３との境界付近に到達したときに回転子２１の回転速度および押圧力を変更しても図５に示す動作と同様に、施工時間を短縮することができるとともに、接合された被接合物の引張せん断強度が、充分に維持される。
【００３９】
前述の実施の形態では、検出手段３４は回転駆動用モータ３１の負荷電流を検出し、こうして検出された負荷電流が、図４（２）に示されるように出力トルクＴｐ，Ｔｓにそれぞれ対応する電流値によって、図５のステップａ２，ａ４でレベル弁別するように構成されたけれども、本発明の実施の他の形態では、検出手段３４によって検出される負荷電流が電流の時間変化率が、時刻ｔ２の前後および時刻ｔ３の前後で変化することに基づいて、予め定める各時間変化率以上であるかどうかを判断してレベル弁別するように構成してもよい。本発明の実施のさらに他の形態では、前述の検出手段３４に代えて、回転子２１の直進駆動手段２９による移動量を移動量検出手段７によって検出し、時刻ｔ２，ｔ３の各状態を検出するようにしてもよい。移動量検出手段７は、たとえば直進駆動用モータ３２の移動量を表す信号を検出し、移動量を判断してもよい。
【００４０】
さらに本発明の実施の他の形態では検出手段３４に代えて、回転子２１と被接合物２２，２３とをテレビカメラ８によって撮像して検出し、その画像処理によって、回転子２１と被接合物２２，２３との時刻ｔ２，ｔ３の各状態を検出するようにしてもよい。さらに本発明の実施の他の形態では、検出手段３４に代えて、タイマである時間計測手段９が設けられ、これによって回転子２１の直進駆動手段２９による時刻ｔ１からの各時間経過を計測し、時刻ｔ２，ｔ３の各状態を検出するようにしてもよい。
【００４１】
また本発明の実施の形態では、回転子２１の回転速度および押圧力を２段階に変化させたが、多段階たとえば３段階に変化させてもよい。第１段階としてショルダ部３８が被接合物２２に当接するまで、回転子２１の条件として高回転速度でかつ高押圧力に設定され、第２段階としてショルダ部３８が被接合物２２に当接したときに、被接合物２２への進行を一次停止した状態で高回転速度で回転子２１が回転し、予め定められる時間が経過した後第３段階に進み、第３段階として第１および第２段階よりも回転子２１の条件として低回転速度でかつ低押圧力に設定してもよい。第２段階でショルダ部３８が被接合物２２に当接した状態で進行せずに回転することによって摩擦熱による軟化部分を増加させてより良好な攪拌接合を行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、回転子と被接合物との押圧接触中に、押圧力、したがって移動速度を変化させ、摩擦撹拌接合動作が進行するにつれて、回転子と被接合物との押圧力を低くするようにしたので、摩擦撹拌接合に必要な時間を短縮し、迅速な摩擦撹拌接合を行うことができるようになる。
また本発明によれば、第１の状態では、回転子の回転速度を高くし、または押圧力を高くして、短時間に摩擦熱を発生して、被接合物の部分的な軟化を促進する。次に、第２の状態では、被接合物の軟化部分の撹拌のために最適な回転速度となるように、または最適な押圧力となるように、これらの回転速度または押圧力のいずれか少なくとも一方を低下する。これによって回転速度または押圧力を変化しない場合に比べて、摩擦接合強度を維持したうえで、ピン貫入時間を短縮することができる。
また本発明によれば、最上部の被接合物の表面または、重ねられた被接合物の境界付近を回転子が押圧接触したときに、回転速度または押圧力を変化させる。これによって回転子の接触状態に応じて、最適な回転速度および押圧力を調整することができ、摩擦接合に必要な時間を短縮するとともに接合される被接合物の品質を維持または向上させることができる。
また本発明によれば、上述するように１つの箇所の接合に必要な時間を短縮することができるので、スポット接合によって複数箇所を連続して順に接合する場合には、連続して接合する箇所が増加すればするほど、作業時間を短縮することができる。
また本発明によれば、直進駆動手段によって、回転子と被接合物との押圧接触中に、押圧力を変化させ、摩擦撹拌接合動作が進行するにつれて、回転子と被接合物との押圧力を低くするようにしたので、摩擦撹拌接合に必要な時間を短縮し、迅速な摩擦撹拌接合を行うことができる。
また本発明によれば、第１の状態では、回転駆動手段によって回転子の回転速度を高くし、または直進駆動手段によって押圧力を高くして、短時間に摩擦熱を発生して、被接合物の部分的な軟化を促進する。次に、第２の状態では、被接合物の軟化部分の撹拌のために最適な回転速度となるように、または最適な押圧力となるように、回転駆動手段または直進駆動手段によって、これらの回転速度または押圧力のいずれか少なくとも一方を低下する。これによって回転速度または押圧力を変化しない場合に比べて、摩擦接合強度を維持したうえで、ピン貫入時間を短縮することができる。
【００４３】
また本発明によれば、検出手段によって回転駆動用モータの負荷電流、したがって出力トルクの値、その時間変化率を検出してもよく、テレビカメラによって回転子と被接合物とを撮像して画像処理を行ってもよく、さらにまたタイマなどの時間計測手段によって回転子の直進移動量を検出してもよい。このような検出手段を用いることで、回転速度および押圧力の少なくともいずれか一方の変化を、自動的に行うことかできるようになる。これによって被接合物の材質、板厚などの変化に応じて手動で回転速度および押圧力を切換える必要がない。
また本発明によれば、複数枚の被接合物が重ねられた場合には、最上部の被接合物の表面または、重ねられた被接合物の境界付近を回転子が押圧接触したときに、回転速度または押圧力を変化させる。これによって回転子の接触状態に応じて、最適な回転速度および押圧力を調整することができ、摩擦接合に必要な時間を短縮するとともに接合される被接合物の品質を維持または向上させることができる。
また本発明によれば、上述するように１つの箇所の接合に必要な時間を短縮することができるので、スポット接合によって複数箇所を連続して順に接合する場合には、連続して接合する箇所が増加すればするほど、作業時間を短縮することができる。したがって本発明は、特にスポット接合に良好に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合の状態を示す簡略化した断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置２４の簡略化した断面図である。
【図３】図２に示される摩擦撹拌接合装置２４の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】図１〜図３に示される摩擦撹拌接合装置２４の動作を説明するためのタイムミングチャートである。
【図５】図３に示される処理回路３３の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】本件発明者の実験結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の他の形態の簡略化した側面図である。
【図８】本発明の実施の他の形態の処理回路３３の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１  産業用ロボット
２  手首
３  入力手段
４  メモリ
７  移動量検出手段
８  テレビカメラ
９  時間計測手段
２１  回転子
２２，２３  被接合物
２４  摩擦撹拌接合装置
２５  定盤
２６  装置本体
２７  回転駆動手段
２８  軸線
２９  直進駆動手段
３１  回転駆動用モータ
３３  処理回路
３４  検出手段
３６  ピン
３７  先端部
３８  ショルダ部
ｔ１〜ｔ５  時刻
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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