(57)【要約】【課題】接合する部材と干渉することを回避することが可能であり、部材の肉厚を減少させることを回避することも可能である摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】摩擦撹拌接合装置１０は、互いに連結された第１アーム１２及び第２アーム１４と、第１アーム１２を回動させるロッド１６と、該ロッド１６を下降・上昇動作させるためのロッド変位モータ１８と、第２アーム１４の先端部に配設された摩擦撹拌接合用工具２０と、摩擦撹拌接合用工具２０を回転動作させるための工具回転モータ２２とを有する。この摩擦撹拌接合装置１０においては、摩擦撹拌接合用工具２０が、ロッド変位モータ１８及び工具回転モータ２２から離間した位置に配設される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
連結点で互いに連結された第１アーム及び第２アームと、
前進動作して前記第１アームの一端部を押圧することにより前記連結点を支点として該第１アームを前記第２アームに接近する方向に回動させる一方、後退動作して前記第１アームの一端部を引っ張ることにより前記連結点を支点として該第１アームを前記第２アームから離間する方向に回動させるロッドと、
前記ロッドを前進動作又は後退動作させるためのロッド付勢手段と、
前記第１アーム又は前記第２アームのいずれか一方の先端部に配設された摩擦撹拌接合用工具と、
前記摩擦撹拌接合用工具を回転動作させるための工具回転動作手段と、
を有し、
前記ロッド付勢手段及び前記工具回転動作手段が前記第１アーム又は前記第２アームの他端部に配設されていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記ロッド付勢手段が、ボールねじと、前記ボールねじを回転動作させるボールねじ回転手段とを有し、且つ前記工具回転動作手段と前記ボールねじ回転手段とが同一軸線上に配置されていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、前記工具回転手段は、タイミングベルトを介して前記摩擦撹拌接合用工具を回転動作させることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の部材が積層されて形成された積層部を接合するための摩擦撹拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材同士を積層させ、その積層部を接合する方法としては、スポット溶接が一般的であるが、近年、摩擦撹拌接合によって接合することが提案されている。そのように一部分を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものが挙げられる。
【０００３】
図５に概略を示すこの種の摩擦撹拌接合装置１は、摩擦撹拌接合用工具２を回転動作させる回転動作用モータ（図示せず）と、該摩擦撹拌接合用工具２を図５における上下方向に直進的に変位させる変位モータ（図示せず）とを有する。なお、回転動作用モータはケーシング３内に収容されており、変位モータはサブケーシング４内に収容されている。すなわち、摩擦撹拌接合装置１においては、摩擦撹拌接合用工具２及び回転動作用モータが同一軸線上に配置されている。
【０００４】
この摩擦撹拌接合装置１で摩擦撹拌接合を行うに際しては、下方に配置された受部５に積層部６を載置し、回転動作する摩擦撹拌接合用工具２を前記変位モータの作用下に積層部６に指向して下降動作させ、最終的に該摩擦撹拌接合用工具のプローブを積層部６に埋没させる。この埋没に伴って、積層部６の肉が撹拌される。換言すれば、肉が塑性流動される。
【０００５】
【特許文献１】特許第３４２９４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、摩擦撹拌接合用工具２及び回転動作用モータを同一軸線上に配置した場合、積層する部材が図５に実線Ｌ１で示したような形状であれば摩擦撹拌接合を容易に実施することができる。しかしながら、部材が仮想線Ｌ２や仮想線Ｌ３で示すような形状を有している場合、該部材がケーシング３等に干渉するため、接合しようとする積層部６を摩擦撹拌接合用工具２の下方に配置することが困難となるという不具合が生じる。
【０００７】
また、積層された部材同士の間に間隙が残留した状態であると、摩擦撹拌接合を行う際、図６に示すように、摩擦撹拌接合用工具２の角部が押圧して摺接する上側のワークＷの肉厚が小さくなり、場合によっては孔部が形成されてしまう。このため、上側のワークＷの強度が低下するという不具合が惹起される。
【０００８】
さらに、この場合、積層部６を載置する受部５が平坦であるため、該積層部６の上端面側からプローブ７が埋没されて肉が塑性流動を起こしても、その肉が下端面側から突出することはできない。すなわち、プローブ７を埋没させても肉が流動し難いので、プローブ７を埋没させた分の肉が上端面側にバリとして流出することになる。従って、バリを切削する仕上げ工程が必要となるとともに、プローブ７を埋没させた箇所の肉厚が小さくなるので、積層部６の接合強度が十分でなくなるという不具合を招く。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、接合する部材と干渉することを回避することが可能であり、しかも、部材の肉厚を減少させることを回避することも可能であり、また、接合強度が優れた積層部が得られる摩擦撹拌接合装置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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
連結点で互いに連結された第１アーム及び第２アームと、
前進動作して前記第１アームの一端部を押圧することにより前記連結点を支点として該第１アームを前記第２アームに接近する方向に回動させる一方、後退動作して前記第１アームの一端部を引っ張ることにより前記連結点を支点として該第１アームを前記第２アームから離間する方向に回動させるロッドと、
前記ロッドを前進動作又は後退動作させるためのロッド付勢手段と、
前記第１アーム又は前記第２アームのいずれか一方の先端部に配設された摩擦撹拌接合用工具と、
前記摩擦撹拌接合用工具を回転動作させるための工具回転動作手段と、
を有し、
前記ロッド付勢手段及び前記工具回転動作手段が前記第１アーム又は前記第２アームの他端部に配設されていることを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明においては、摩擦撹拌接合用工具がロッド付勢手段及び工具回転動作手段から離間した位置に配設され、従って、ロッド付勢手段及び工具回転動作手段と同一軸線上に配設されていない。このような構成とすることにより、摩擦撹拌接合装置の長手方向の寸法が小さくなる。このため、ワークが摩擦撹拌接合装置に干渉することを回避することができる。換言すれば、摩擦撹拌接合を施すことができるワークの種類が増大する。
【００１２】
前記ロッド付勢手段は、例えば、ボールねじと、該ボールねじを回転動作させるボールねじ回転手段とを含むようにして構成することができる。この場合、工具回転手段とボールねじ回転手段とが同一軸線上に配置されていることが好ましい。これにより、摩擦撹拌接合用工具を容易に回転動作させることができるようになるからである。
【００１３】
なお、この場合、工具回転手段がタイミングベルトを介して摩擦撹拌接合用工具を回転動作させるようにすればよい。このように構成することにより、工具回転手段から離間した摩擦撹拌接合用工具を容易に回転動作させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、摩擦撹拌接合用工具が工具回転動作手段から離間した位置に配設されるので、積層されたワークの形状に関わらず、該ワークと摩擦撹拌接合装置とが干渉することを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体縦断面図を図１に示す。この摩擦撹拌接合装置１０は、互いに連結された第１アーム１２及び第２アーム１４と、このうちの第１アーム１２を回動させるロッド１６と、該ロッド１６を図１の下方に前進動作（下降動作）又は上方に後退動作（上昇動作）させるためのロッド変位モータ１８と、第２アーム１４の先端部に配設された摩擦撹拌接合用工具２０と、摩擦撹拌接合用工具２０を回転動作させるための工具回転モータ２２とを有する。
【００１７】
後述する第１アーム１２と第２アーム１４との連結部は、図示しない多関節ロボットのアーム２４の先端に連結されている。すなわち、この摩擦撹拌接合装置１０は、前記多関節ロボットに取り付けられて使用される。なお、図１においては、ロッド１６が上昇して第１アーム１２が第２アーム１４から離間している状態を示している。
【００１８】
第２アーム１４に比して長尺な第１アーム１２の図１における左端部には、図２に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを積層して形成された積層部２６を載置するための載置部材２８が位置決め固定されている。そして、この載置部材２８の上端面略中央部には、中空円筒体形状の凹部３０が設けられている。
【００１９】
第１アーム１２の図１における右端部には、ロッド１６を係止するためのロッド受３２が軸３４を介して連結されている。このロッド受３２には、第２アーム１４に臨む端部に開口部３６が設けられており、該開口部３６の内壁に設けられた段部３８には、ロッド１６の先端部を係止するための係止用ラバー４０が貼付されている。
【００２０】
また、第１アーム１２において、第２アーム１４側に臨む上端面には、第１連結タブ部４２が突出形成されている。一方、第２アーム１４における第１アーム１２側に臨む下端面には第２連結タブ部４４が設けられており、これら第１連結タブ部４２及び第２連結タブ部４４の各貫通孔に連結軸４６が通されることによって、第１アーム１２と第２アーム１４とが開閉自在に連結されている。
【００２１】
第２アーム１４の左端部における第１アーム１２を臨む側の端面に設置された摩擦撹拌接合用工具２０は、図２に示すように、回転体４８と、該回転体４８の先端に設けられてねじ部５０を有するプローブ５２とを具備し、このうち、回転体４８はスピンドル５４に連結されている。また、プローブ５２としては、その直径が凹部３０の開口径に比して小さいものが選定される。
【００２２】
摩擦撹拌接合用工具２０の周囲には、その下端面で積層部２６を押圧する押圧部材５６が配置されている。換言すれば、摩擦撹拌接合用工具２０は、押圧部材５６によって囲繞されている。勿論、押圧部材５６の下端面には貫通孔５８が設けられており、摩擦撹拌接合用工具２０のプローブ５２は、この貫通孔５８から突出する。
【００２３】
押圧部材５６の先端部の直径は、必要以上に広範囲に積層部２６を押圧して上側の第２ワークＷ２に設けられた湾曲部Ｒや屈曲部等を平坦にすることを回避するべく、中腹部に比して小さく設定されている。すなわち、押圧部材５６には、小径部６０と大径部６２とが設けられている。
【００２４】
大径部６２の上端部には、該上端部が直径外方向に指向して屈曲されることによって環状段部６４が設けられている。この環状段部６４は、コイルスプリング６６を収容するスプリングカバー６８の下端部に設けられた環状堰止部７０によって堰止され、これにより、押圧部材５６のスプリングカバー６８からの抜け止めがなされている。
【００２５】
スピンドル５４は、スピンドルカバー７２に収容されている。このスピンドルカバー７２の上端部には、該スピンドルカバー７２の長手方向（鉛直方向）から水平方向に指向して屈曲形成された環状連結代７４が設けられており、該環状連結代７４は、図示しないボルトによってスプリングカバー６８の側周壁に連結固定されている。
【００２６】
スピンドルカバー７２とスピンドル５４との間にはベアリング７６が介装されており、このベアリング７６が存在することによって、スピンドルカバー７２やスプリングカバー６８が回転動作することが防止される。なお、図２中、参照符号７８は、ブッシュを示す。
【００２７】
前記コイルスプリング６６の下端部は押圧部材５６における環状段部６４の上端面に着座し、一方、上端部はスピンドルカバー７２における環状連結代７４の下端面に着座している。従って、押圧部材５６は、コイルスプリング６６によって第１アーム１２側に指向して弾発付勢されている。なお、上記したように、押圧部材５６の環状段部６４がスプリングカバー６８の環状堰止部７０で堰止されることによって、押圧部材５６のスプリングカバー６８からの抜け止めがなされている。
【００２８】
スピンドル５４は、該スピンドル５４に比して大径な回転軸８０に連結されている。また、この回転軸８０の側周壁には、タイミングベルト８２が巻回された小プーリ８４が嵌合されている。
【００２９】
なお、回転軸８０は、第２アーム１４の左端部に設けられた貫通孔８６に挿入されている。回転軸８０と第２アーム１４との間にはベアリング８８が介装されており、このため、回転軸８０の回転動作が第２アーム１４によって妨げられることはない。
【００３０】
図１に示すように、前記ロッド１６の下端部は、側周部が膨出したリング状ラバー９０の貫通孔に通されている。このリング状ラバー９０が前記ロッド受３２の係止用ラバー４０に摩擦力をもって係止されることにより、ロッド１６の下端部がロッド受３２に係合されている。また、ロッド１６の側周壁には、ベアリング９２を滑動させるための段部９４が設けられている。
【００３１】
第２アーム１４の右端部には、連結アーム９６を介してケーシング９８が連結されている。前記ロッド１６の上端部は、このケーシング９８内に挿入されている。なお、ケーシング９８とロッド１６の上端部との間には、リニアロータリブッシュ１００とベアリング１０２とが介装されており、このうち、リニアロータリブッシュ１００の下端部には大プーリ１０４が連結されている。前記タイミングベルト８２は、この大プーリ１０４に巻回されている。
【００３２】
リニアロータリブッシュ１００の上端面は前記工具回転モータ２２に連結されており、従って、該工具回転モータ２２が回転付勢されることに伴って、大プーリ１０４とともに回転動作する。
【００３３】
中空円柱体であるロッド１６は、ケーシング９８の内部でボールねじ１０６が回転動作することに伴って下降・上昇動作する。すなわち、ボールねじ１０６にはねじ用ナット１０８のねじ部１０９が通されており、該ねじ用ナット１０８の連結代１１０がロッド１６の上端部に連結されている。このため、ボールねじ１０６が回転動作してねじ用ナット１０８のねじ部１０９が下降・上昇動作することによって、該ねじ用ナット１０８の連結代１１０に連結されたロッド１６が下降・上昇動作する。
【００３４】
ボールねじ１０６は、その上端部が前記ロッド変位モータ１８に連結されており、該ロッド変位モータ１８が回転付勢されることに追従して回転動作する。
【００３５】
本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００３６】
多関節ロボットは、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが積層された積層部２６まで摩擦撹拌接合装置１０を移動させ、該積層部２６を、載置部材２８と摩擦撹拌接合用工具２０のプローブ５２との間に配置させる。この際、摩擦撹拌接合用工具２０が、工具回転モータ２２及びロッド変位モータ１８から離間して配置されているので、図３に仮想線で示すような形状のワークを接合する場合であっても、該ワークが摩擦撹拌接合装置１０に干渉することがない。このように、摩擦撹拌接合用工具２０を、工具回転モータ２２及びロッド変位モータ１８の軸線から離間して配設することにより、摩擦撹拌接合するワークの形状の自由度が増加する。換言すれば、ワークの形状に関わりなく摩擦撹拌接合を実施することができるようになる。
【００３７】
なお、この場合、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２としては、ＪＩＳ記号の数字が５０００番台であるいわゆる５０００系のアルミニウムからなるものが選定される。
【００３８】
次に、ロッド変位モータ１８が回転付勢され、これによりボールねじ１０６が回転動作する。この回転動作に伴ってねじ用ナット１０８が下降動作し、その結果、該ねじ用ナット１０８に連結されたロッド１６が下降動作する。これに追従して、ロッド１６の下端部に係合されたロッド受３２が該ロッド１６に押圧されて下降動作することによって、第１アーム１２が回転軸８０を支点として回動動作し、第２アーム１４に指向して接近する。最終的に、積層部２６は、図２及び図３に示すように、載置部材２８と押圧部材５６とで挟持され、この際に載置部材２８の凹部３０を覆う。なお、ロッド１６が下降動作する際、ベアリング９２は、該ロッド１６の側周壁に設けられた段部９４を滑動する。
【００３９】
ロッド１６の下降動作がさらに続行されると、積層部２６によって押圧部材５６が押圧される。これによりコイルスプリング６６（図２参照）が収縮されて押圧部材５６が上昇動作し、その結果、摩擦撹拌接合用工具２０のプローブ５２が押圧部材５６の貫通孔に到達する。
【００４０】
次に、工具回転モータ２２（図１参照）が回転付勢され、これにより、該工具回転モータ２２に連結されているリニアロータリブッシュ１００が回転動作することに追従して大プーリ１０４が回転動作し、結局、該大プーリ１０４に巻回されたタイミングベルト８２を介して小プーリ８４（図２参照）、回転軸８０、スピンドル５４及び摩擦撹拌接合用工具２０が回転動作する。
【００４１】
回転動作する摩擦撹拌接合用工具２０のプローブ５２が積層部２６の上端面に摺接することにより、該積層部２６に摩擦熱が発生する。このため、積層部２６におけるプローブ５２の当接箇所及びその近傍が軟化し、図３及び図４に示すように、プローブ５２が積層部２６に埋没する。その結果、積層部２６の肉が凹部３０に流入する。上記したように、凹部３０の水平断面の直径がプローブ５２の直径に比して大きいため、この流入は容易に進行する。
【００４２】
軟化した積層部２６の肉は、プローブ５２によって撹拌（塑性流動）される。この際、上記したように、積層部２６において、プローブ５２が埋没した分の肉が凹部３０に塑性流動するので、肉がプローブ５２の埋没箇所から隆起することがない。従って、バリが形成されることがない。このように、載置部材２８に凹部３０を設けることにより、バリを形成することなく積層部２６を摩擦撹拌接合することができる。このため、積層部２６の肉厚が小さくなることがないので、該積層部２６の接合強度が大きくなる。
【００４３】
しかも、この場合、図４に示すように、押圧部材５６の下端面で積層部２６を広範囲にわたって押圧しているので、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間の間隙が圧潰される。すなわち、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間に間隙が形成されないので、回転動作する摩擦撹拌接合用工具２０の回転体４８の角部が上側の第２ワークＷ２に摺接し難い。これにより、第２ワークＷ２に孔が形成されることを回避することができる。
【００４４】
このようにして摩擦撹拌接合が営まれると同時に、プローブ５２の埋没に伴って、第２ワークＷ２における第１ワークＷ１に臨む面に突出部１１２が形成されるとともに、第１ワークＷ１における第２ワークＷ２に臨む面に陥没部１１４が形成され、該陥没部１１４に前記突出部１１２が嵌合する。なお、陥没部１１４の下端部は、肉の塑性流動が行われない非撹拌部（塑性変形部）である。すなわち、塑性変形によって凹部３０に対応する形状に成形された陥没部１１４に突出部１１２が嵌合され、これによりいわゆるかしめ状態が設けられる。このように第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とでかしめ状態が形成されることによっても、積層部２６の接合強度が向上する。
【００４５】
撹拌を開始してプローブ５２が埋没した後、工具回転モータ２２を滅勢することによってプローブ５２の回転動作を停止し、これにより肉の塑性流動を停止させる。次に、変位モータを上記とは逆方向に回転付勢して、ボールねじ１０６を逆回転動作させる。これによりねじ用ナット１０８、ひいてはロッド１６が下降動作し、その結果、該ロッド１６によって第２アーム１４が押圧され、最終的に、該第２アーム１４が回転軸８０を支点として第１アーム１２から離間する方向に回動動作する。また、押圧部材５６がコイルスプリング６６によって第１アーム１２側に弾発付勢され、元の位置に復帰する。
【００４６】
この間に積層部２６の肉が冷却固化され、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが一体的に固相接合されるに至る。このようにして接合された積層部２６における第１ワークＷ１側には、凹部３０に流入した肉が冷却固化することに伴って突出形成された円柱体形状の凸部が存在する。すなわち、この場合、該凸部の外径は、凹部３０の直径と略同一となる。
【００４７】
なお、上記した実施の形態においては、２個のワークを摩擦撹拌接合する場合を例示して説明したが、積層されるワークの個数は２個に限定されるものではなく、３個以上のワークを積層するようにしてもよい。
【００４８】
また、凹部３０の全空間に積層部２６の肉が充填される必要は特にない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体縦断面図である。
【図２】図１の摩擦撹拌接合装置の要部拡大概略縦断面図である。
【図３】図１の摩擦撹拌接合装置が閉じて積層部が挟持された状態を示す概略全体縦断面図である。
【図４】摩擦撹拌接合用工具が回転して積層部が摩擦撹拌接合される状態を示す要部拡大概略縦断面図である。
【図５】従来技術に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体側面図である。
【図６】図５の摩擦撹拌接合装置の要部拡大概略平面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…摩擦撹拌接合装置              １２、１４…アーム
１６…ロッド                        １８…ロッド変位モータ
２０…摩擦撹拌接合用工具            ２２…工具回転モータ
２６…積層部                        ２８…載置部材
３０…凹部                          ３２…ロッド受
４０…係止用ラバー                  ４２、４４…連結タブ部
４６…連結軸                        ５２…プローブ
５６…押圧部材                      ６６…コイルスプリング
８２…タイミングベルト              ８４、１０４…プーリ
９０…リング状ラバー                １００…リニアロータリブッシュ
１０６…ボールねじ                  １０８…ねじ用ナット
Ｗ１、Ｗ２…ワーク
【図１】
2006015350.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006015350.tif 000005
【図４】
2006015350.tif 000006
【図５】
2006015350.tif 000007
【図６】
2006015350.tif 000008