(57)【要約】【課題】ツールの回転駆動装置や移動駆動装置に通常備えられているセンサを用いてツールの先端温度を推定し、接合条件を逐次最適値に補正して安定した接合品質を得ることができる摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】摩擦攪拌接合装置１は、高速回転による摩擦熱でワークＷ１、Ｗ２を軟化させワークＷ１、Ｗ２を攪拌するためのツール２と、ツール２を回転軸回りに回転させるための回転駆動装置３１と、ツール２を回転軸方向に移動させるための移動駆動装置４１と、回転駆動装置３１と移動駆動装置４１との動作を制御するための制御部７とを備え、制御部７は、回転駆動装置３１の回転トルクを測定する回転トルクセンサ３３または移動駆動装置４１によるツール２の押し込み量を測定する押し込み量センサ４２から送信されてくる測定値に基づいてツール２の先端温度を推定して接合条件の補正を行う。【選択図】図３
2006187778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転による摩擦熱でワークを軟化させワークを攪拌するためのツールと、
前記ツールを回転軸回りに回転させるための回転駆動装置と、
前記ツールを回転軸方向に移動させるための移動駆動装置と、
前記回転駆動装置と前記移動駆動装置との動作を制御するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサまたは前記移動駆動装置による前記ツールの押し込み量を測定する押し込み量センサから送信されてくる測定値に基づいて前記ツールの先端温度を推定して接合条件の補正を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前記ツールは、その先端部にピンが突設され、前記ピンの外周部分がショルダ部とされていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記ショルダ部がワークに当接した後、前記回転トルクセンサによる回転トルクの測定値が減少し始めた時点で前記ツールの先端温度が攪拌温度に達したと判断して前記ツールの先端温度を推定することを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記ショルダ部がワークに当接した後、前記押し込み量センサによる前記ツールの押し込み量の測定値が増加し始めた時点で前記ツールの先端温度が攪拌温度に達したと判断して前記ツールの先端温度を推定することを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置を用いて、ツールの高速回転による摩擦熱でワークを軟化し攪拌して接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記ツールを回転軸回りに回転させるための回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサまたは前記ツールを回転軸方向に移動させるための移動駆動装置のツール押し込み量を測定する押し込み量センサから送信されてくる測定値に基づいて前記ツールの先端温度を推定して接合条件の補正を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法に係り、特に、接合条件を自動的に補正可能な摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アルミニウムやマグネシウム、鉄等の種々の金属材料や樹脂材料等よりなる被接合部材（以下、ワークという。）を接合する方法として、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ツール１００を高速回転させながらワークＷ１、Ｗ２に圧入し、摩擦熱により軟化したワークＷ１、Ｗ２の接合点Ｐの近傍を攪拌して塑性流動を生じさせてワークＷ１、Ｗ２同士を冶金的に融点以下の温度で一体化させて接合する摩擦攪拌接合法が注目され、種々の摩擦攪拌接合装置が開発されている。
【０００３】
摩擦攪拌接合、特に点接合においては、一般に、ワークの種類や板厚、板組み等によって加圧力や接合時間、ツール回転数等の最適な接合条件が決定され、この所与の接合条件に基づいて接合が行われる。しかし、例えば、連続打点、すなわち連続的に点接合を行う場合、一旦決定された最適な接合条件に基づいて接合を行っても安定した接合品質が得られなくなることがある。
【０００４】
すなわち、例えば、最初のうちは図８（Ｃ）に示したように的確な接合が行われていても、連続打点でツール先端部の温度が上昇すると、図９に示すように次第にツール１００のワークＷ１、Ｗ２へのツール押し込み量が増大してワークの接合点Ｐ付近に深い凹みが生じて板厚が減少し、或いはツール１００の先端部に設けられたピン１０１がワークＷ１、Ｗ２を貫通して接合点Ｐに穴が生じる。このような板厚減少が生じるような場合には、塑性流動により攪拌されるワークの領域が安定せず、接合強度等が均等にならずに接合不良が生じる。
【０００５】
このように、最適な接合条件は、前記ツール温度のほか、接合時のワークの温度や装置内あるいは作業室内の温度、接合環境等の変化により変化する。そのため、安定した接合を継続して行うためには、接合条件をそれらの要因にあわせて最適値になるように補正していくことが必要となる。
【０００６】
このような観点から、例えば、レーザ変位計等を用いてツールとワークとの距離を測定し、ツールの押し込み量を制御する摩擦攪拌接合装置が知られている（特許文献１参照）。また、接合時のツールとワークの相対的位置を補正する補正機構を備えた両者の間に備えた摩擦攪拌接合装置も開発されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−２２６７５８号公報
【特許文献２】特開２００４−１３６３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これらの摩擦攪拌接合装置は、摩擦攪拌接合装置に通常必要とされるツールやツールを回転させるための回転駆動装置、ツールをワーク方向に移動させるための移動駆動装置等の部材のほかに、レーザ変位計や補正機構等の装置を必要とするため、摩擦攪拌接合装置のコストの上昇を招くという問題があった。
【０００８】
また、前述したように特に連続打点では、ツールの先端部の温度上昇により接合不良が生じ易くなるため、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置では、ツール先端部のピンの温度を検出する検出機構を装備し、ピンの温度に応じて接合条件を変更することが提案されている。具体的にどのようにして温度検出を行うかは明確ではないが、ピンやツールの温度をリアルタイムで計測することは、実際上困難である。
【０００９】
そこで、本発明は、ツールの回転駆動装置や移動駆動装置に通常備えられているセンサを用いてツールの先端温度を推定し、接合条件を逐次最適値に補正して安定した接合品質を得ることができる摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合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】
【００１０】
前記の問題を解決するために、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置は、
高速回転による摩擦熱でワークを軟化させワークを攪拌するためのツールと、
前記ツールを回転軸回りに回転させるための回転駆動装置と、
前記ツールを回転軸方向に移動させるための移動駆動装置と、
前記回転駆動装置と前記移動駆動装置との動作を制御するための制御部とを備え、
前記制御部は、前記回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサまたは前記移動駆動装置による前記ツールの押し込み量を測定する押し込み量センサから送信されてくる測定値に基づいて前記ツールの先端温度を推定して接合条件の補正を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合装置の制御部は、回転駆動装置を駆動させてツールを回転させ、移動駆動装置の駆動によりツールをワークに押圧させる。制御部は、回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサの測定値を監視し、或いは移動駆動装置に取り付けられた押し込み量センサの測定値に基づいてワークへのツールの押し込み量を監視して、ワークが攪拌温度に達すると回転トルクや押し込み量が変化することを利用して、ワークが攪拌温度に達したことを認識する。さらに、ツールのワークへの当接から攪拌温度に達するまでの時間がツールの先端温度に依存することを利用してツールの先端温度を推定し、それに基づいて現在進行中の接合についての接合条件をリアルタイムに補正するとともに、次の打点についての接合条件を補正する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記ツールは、その先端部にピンが突設され、前記ピンの外周部分がショルダ部とされていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、接合において、ツールのピンがワークに圧入されてワークの内部が加熱されるとともに、ショルダ部がワーク表面に当接されて高速回転することで接合領域が広がる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記制御部は、前記ショルダ部がワークに当接した後、前記回転トルクセンサによる回転トルクの測定値が減少し始めた時点で前記ツールの先端温度が攪拌温度に達したと判断して前記ツールの先端温度を推定することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、制御部は、ツールのショルダ部がワークに当接したことを回転トルクセンサによる回転トルクの測定値がほぼ一定になったことから認識し、その後、回転トルクの測定値が減少し始めた時点でワークが攪拌温度に達したことを認識してツールの先端温度を推定する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記制御部は、前記ショルダ部がワークに当接した後、前記押し込み量センサによる前記ツールの押し込み量の測定値が増加し始めた時点で前記ツールの先端温度が攪拌温度に達したと判断して前記ツールの先端温度を推定することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、制御部は、ツールのショルダ部がワークに当接したことを押し込み量センサによるツールの押し込み量の測定値がほぼ一定になったことから認識し、その後、押し込み量の測定値が増加し始めた時点でワークが攪拌温度に達したことを認識してツールの先端温度を推定する。
【００１８】
請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法は、
前記請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置を用いて、ツールの高速回転による摩擦熱でワークを軟化し攪拌して接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記ツールを回転軸回りに回転させるための回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサまたは前記ツールを回転軸方向に移動させるための移動駆動装置のツール押し込み量を測定する押し込み量センサから送信されてくる測定値に基づいて前記ツールの先端温度を推定して接合条件の補正を行うことを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、回転駆動装置を駆動させてツールを回転させ、移動駆動装置の駆動によりツールをワークに押圧させ、ワークが攪拌温度に達すると回転トルクや押し込み量が変化することを利用して、回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサの測定値或いは移動駆動装置に取り付けられた押し込み量センサの測定値に基づいてワークが攪拌温度に達したことを認識する。さらに、ツールのワークへの当接から攪拌温度に達するまでの時間がツールの先端温度に依存することを利用してツールの先端温度を推定し、それに基づいて現在進行中の接合についての接合条件をリアルタイムに補正するとともに、次の打点についての接合条件を補正する。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、摩擦攪拌接合装置の制御部は、回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサの測定値を監視し、或いは移動駆動装置に取り付けられた押し込み量センサの測定値に基づいてワークへのツールの押し込み量を監視して、ワークが攪拌温度に達すると回転トルクや押し込み量が変化することを利用して、ワークが攪拌温度に達したことを認識し、さらに、ツールのワークへの当接から攪拌温度に達するまでの時間がツールの先端温度に依存することを利用してツールの先端温度を推定し、それに基づいて現在進行中の接合についての接合条件をリアルタイムに補正するとともに、次の打点についての接合条件を補正する。
【００２１】
そのため、例えば、連続打点を行うワークの接合において、各打点ごとに接合条件を最適値に補正することが可能となるとともに、連続打点によってツールの先端温度が次第に上昇しても、接合条件が適切に補正されるため、ツールの押し込み量が大きくなり過ぎて板厚減少が生じて接合不良が発生することを有効に防止し、接合強度等をほぼ一定に保つことができ、安定した接合品質を得ることができる。
【００２２】
また、回転トルクセンサや押し込み量センサとして、回転駆動装置としての回転駆動モータや移動駆動装置としてのサーボモータ等に通常備えられているセンサやタコジェネレータ、エンコーダ等を用いることができるため、従来の摩擦攪拌接合装置のようにレーザ変位計や補正機構等の装置を新たに取り付ける必要がなく、摩擦攪拌接合装置を安価に製造することが可能となる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、接合において、ツールのピンがワークに圧入されてワークの内部が加熱されるとともに、ショルダ部がワーク表面に当接されて高速回転することで接合領域が広がる。そのため、請求項１に記載の発明の効果に加え、ワークの比較的広範囲を内部まで塑性流動させ攪拌して強固な接合を得ることができるというピン付きツールの特性を発揮させることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、制御部は、ツールのショルダ部がワークに当接したことを回転トルクセンサによる回転トルクの測定値がほぼ一定になったことから認識し、その後、回転トルクの測定値が減少し始めた時点でワークが攪拌温度に達したことを認識してツールの先端温度を推定して接合条件の補正を行う。そのため、前記請求項２に記載の発明の効果に加え、ワークが攪拌温度に達したか否かをリアルタイムで判断することが可能となり、現在進行中の接合についての接合条件をリアルタイムにかつ的確に補正することができる。また、ワークが攪拌温度に達するまでの時間を正確に計測することが可能となるため、ツールの先端温度をより正確に推定することができ、請求項１に記載の発明の効果をより効果的に発揮させることが可能となる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、制御部は、ツールのショルダ部がワークに当接したことを押し込み量センサによるツールの押し込み量の測定値がほぼ一定になったことから認識し、その後、押し込み量の測定値が増加し始めた時点でワークが攪拌温度に達したことを認識してツールの先端温度を推定して接合条件の補正を行う。そのため、前記請求項２に記載の発明の効果に加え、ワークが攪拌温度に達したか否かをリアルタイムで判断することが可能となり、現在進行中の接合についての接合条件をリアルタイムにかつ的確に補正することができる。また、ワークが攪拌温度に達するまでの時間を正確に計測することが可能となるため、ツールの先端温度をより正確に推定することができ、請求項１に記載の発明の効果をより効果的に発揮させることが可能となる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、回転駆動装置を駆動させてツールを回転させ、移動駆動装置の駆動によりツールをワークに押圧させ、ワークが攪拌温度に達すると回転トルクや押し込み量が変化することを利用して、回転駆動装置の回転トルクを測定する回転トルクセンサの測定値或いは移動駆動装置に取り付けられた押し込み量センサの測定値に基づいてワークが攪拌温度に達したことを認識する。さらに、ツールのワークへの当接から攪拌温度に達するまでの時間がツールの先端温度に依存することを利用してツールの先端温度を推定し、それに基づいて現在進行中の接合についての接合条件をリアルタイムに補正するとともに、次の打点についての接合条件を補正する。
【００２７】
そのため、例えば、連続打点を行うワークの接合において、各打点ごとに接合条件を最適値に補正することが可能となるとともに、連続打点によってツールの先端温度が次第に上昇しても、接合条件が適切に補正されるため、ツールの押し込み量が大きくなり過ぎて板厚減少が生じて接合不良が発生することを有効に防止し、接合強度等をほぼ一定に保つことができ、安定した接合品質を得ることができる。
【００２８】
また、回転トルクセンサや押し込み量センサとして、回転駆動装置としての回転駆動モータや移動駆動装置としてのサーボモータ等に通常備えられているセンサやタコジェネレータ、エンコーダ等を用いることができるため、従来のようにレーザ変位計や補正機構等の装置を新たに取り付ける必要がなく、コストをかけずに安定した接合品質を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置を示す側面図である。摩擦攪拌接合装置１は、主に、ツール２と、回転駆動部３と、移動駆動部４とを備えており、さらに、本実施形態の摩擦攪拌接合装置１は、ツール２の押圧に抗してワークＷ１、Ｗ２を裏面側から支持するためのワーク受け部５と、ワーク受け部５を位置固定するガンアーム部６とを備えている。
【００３１】
なお、本実施形態では、０．７〜０．８ｍｍの板厚のアルミニウムを２枚重ね合わせて摩擦攪拌接合装置１により連続打点を行う場合について述べるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３２】
図２は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置のツールを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。本実施形態のツール２は、高速回転して摩擦熱によりワークＷ１、Ｗ２を軟化させワークＷ１、Ｗ２を攪拌する円柱形状の回転子とされており、本実施形態のツール２の先端面中央部には、ツール２と同軸に外周に螺旋状の突起等を有しかつツール２より小径の円柱形状のピン２１が一体的に突設されている。ピン２１の長さ等は、接合されるワークの厚さ等により適宜選択され、ツール２ごと取り替え可能とされている。
【００３３】
ツール２の先端面であってピン２１の外周部分には、先端面の外周縁部から中心のピン２１に向かうに従ってツールの内部に入り込むように、すなわち、対向するワークから遠ざかるように傾斜するショルダ部２２が設けられている。ショルダ部２２は、摩擦熱により塑性流動を生じたワークを収容するための溜まり部となっている。
【００３４】
ツール２は、図１に示すように、スピンドル２３に固定されており、スピンドル２３を介して回転駆動部３に連結されている。
【００３５】
回転駆動部３には、回転駆動装置としての回転駆動モータ３１が出力軸３２を前記ワーク受け部５に向けるように配設されている。回転駆動モータ３１の出力軸３２の先端部分には、前記スピンドル２３が連結されており、回転駆動モータ３１の回転駆動により、スピンドル２３を介してツール２が図２（Ｂ）に示した回転軸Ｌ回りに高速回転されるようになっている。
【００３６】
本実施形態の回転駆動モータ３１には、回転駆動モータ３１の回転トルクを測定する図示しない回転トルクセンサが取り付けられており、回転トルクセンサは、回転駆動モータ３１の回転トルクの測定値を摩擦攪拌接合装置１の図示しない制御部に常時送信するようになっている。なお、回転トルクセンサは、特別に設計されたものを用いてもよいが、モータに取り付けられている、或いはモータに取り付け可能な通常のセンサで十分有効に機能を発揮し得る。
【００３７】
回転駆動部３には、ツール２を回転軸Ｌ方向に移動させるための移動駆動部４が併設されている。移動駆動部４に内蔵された移動駆動装置としてのサーボモータ４１は、その回転駆動により回転駆動部３の前記回転駆動モータ３１をツール２の回転軸Ｌ方向に移動させ、回転駆動モータ３１の移動に伴ってツール２を回転軸Ｌ方向に移動させてツール２をワークＷ１、Ｗ２に押し付けるようになっている。
【００３８】
本実施形態のサーボモータ４１には、サーボモータ４１の回動駆動による前記回転駆動モータ３１の移動量、すなわち、ワークＷ１、Ｗ２に対するツール２の押し込み量を測定する図示しない押し込み量センサが取り付けられており、押し込み量センサは、ツール２の押し込み量を摩擦攪拌接合装置１の制御部に常時送信するようになっている。
【００３９】
なお、押し込み量センサは、特別に設計されたものを用いてもよいが、サーボモータに通常備えられているフィードバック制御用のタコジェネレータやエンコーダ等を本発明の押し込み量センサとして使用することができる。その場合、タコジェネレータやエンコーダからはモータの回転数や位置の測定値が出力されるが、本実施形態の制御部は、それらの測定値をツール２の押し込み量に変換して用いるように構成されている。押し込み量としてモータの回転数や位置の測定値をそのまま使用するように構成することも可能である。
【００４０】
図３は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の制御部の構成を示すブロック図である。制御部７は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等がＢＵＳにより接続されて構成されたコンピュータより構成されている。
【００４１】
制御部７には、加圧力や接合時間、ツール回転数等の接合条件やワークの材質や板厚等を入力するための入力手段７１とそれらを記憶するためのメモリ７２が接続されている。入力手段７１には、キーボードやマウス等のほか、ＣＤ等の記憶媒体からそれらの情報を読み込む場合のドライバや、ＬＡＮ等で接続された外部装置から情報が送信される場合にはその外部装置も含まれる。
【００４２】
制御部７には、前述した回転駆動装置としての回転駆動モータ３１やそれに取り付けられた回転トルクセンサ３３、および移動駆動装置としてのサーボモータ４１やそれに取り付けられた押し込み量センサ４２が接続されており、制御部７は、回転トルクセンサ３３や押し込み量センサ４２から測定値を受信し、回転駆動モータ３１およびサーボモータ４１の動作を制御するようになっている。
【００４３】
ここで、回転駆動モータ３１の回転トルクと接合点付近のワークの温度との関係、および攪拌温度に達するまでの時間とツール２の先端温度と関係について述べる。
【００４４】
図４は、発明者らが行った重ね合わせたアルミニウム（融点６６０．４℃、１枚の板厚約０．８ｍｍ）に対する連続打点の実験における回転駆動モータの回転トルクと接合点付近のワークの温度との関係を示すグラフである。
【００４５】
この実験では、まず、ツール２の回転開始から約０．４秒後にツール２のピン２１がワークに当接され、その後ピン２１がワークに圧入されるに従って回転駆動モータ３１に加わる回転トルクが急激に増加する。回転トルクが若干減少した後、ピン２１がさらにワークに押し込まれて回転トルクが再び急激に増加する。その間、接合点近傍のワークの温度が上昇する。
【００４６】
そして、ツール２のショルダ部２２がワークに当接した時点から回転トルクはほぼ一定の値となる。この間もワークの温度は上昇し続ける。回転開始から約２．８秒後あたりから回転駆動モータ３１に加わる回転トルクが多少減少し始め、ワークの温度が攪拌温度、すなわちワークが塑性流動を始める温度である３５０℃程度に達した約３．０秒後の時点から回転トルクが急激に減少し始める。
【００４７】
この回転トルクとワークの温度との関係は、板厚を変えたりワークの材質等を変えた実験でも大略同様の傾向を示すことが分かっている。すなわち、ワークの攪拌温度に達すると回転駆動モータ３１の回転トルクが急激に減少する。ただし、攪拌温度等は異なる温度になる。なお、図中の４．０秒以後における回転トルクの急激な減少は、ツール２がワークから離れたことを示している。
【００４８】
また、図５は、図４と同じ実験においてツールがワークに当接してからワークが攪拌温度に達するまでの時間Ｔ（図４参照）とツールの先端温度との関係を示すグラフである。ツールの先端温度はワークに当接される直前に測定した温度である。
【００４９】
図５に示すように、ツール２の先端温度、すなわち、本実施形態の場合はツール２のピン２１およびショルダ部２２の温度が常温から２００℃程度までは、攪拌温度に達するまでの時間Ｔはほぼ一定値となるが、ツール２の先端温度が高温になるに従って、前記時間Ｔが短くなっていくことが分かる。つまり、前記時間Ｔを計測することで図５のグラフに基づいてツール２の先端温度を推定することができる。
【００５０】
本実施形態の制御部７は、入力手段７１から入力されメモリ７２に記憶されている接合条件に基づいて摩擦攪拌接合を行うようになっているが、前記知見に基づいて、現在進行中の接合についての接合条件のリアルタイムの補正と、次打点についての接合条件の補正とを行うように構成されている。
【００５１】
制御部７は、まず、現在進行中の接合について、回転駆動モータ３１の回転トルクセンサ３３から送信されてくる測定値を監視し或いはサーボモータ４１の押し込み量センサ４２から送信されてくるツール２の移動量の測定値を監視して、ツール２のショルダ部２２がワークに当接したことを認識し、ショルダ部２２がワークに当接した後、回転トルクセンサ３３の測定値が減少し始めた時点でワークの温度が攪拌温度に達したと判断するようになっている。
【００５２】
制御部７は、ワークが攪拌温度に達したと判断すると、ツール２の先端温度が攪拌温度に達するまでの時間Ｔに対応する温度になっていると推定して、接合条件として設定された接合時間が到来していなくても接合時間を補正して接合時間が到来したものとして、ツール２を所定量だけ押し込んで図８（Ｂ）に示したような最適な接合状態にして、サーボモータ４１を反転させてツール２をワークから引き抜くように構成されている。
【００５３】
制御部７は、このようにして打点中に接合条件のリアルタイムの補正を行うようになっている。なお、制御部７は、補正を行うと同時に攪拌温度に達するまでの時間Ｔをメモリ７２に記憶させるようになっている。
【００５４】
続いて、制御部７は、前記時間Ｔから図５に基づいて推定されるツール２の先端温度から、次打点位置までの移動でツール２が自然冷却される分を差し引いて、次打点でワークに当接される際のツール２の先端温度を推定し、それに基づいて、加圧力や接合時間、ツール回転数を適宜減少させたり短縮させる等の次打点についての接合条件の補正を行うようになっている。制御部７は、補正した接合条件をメモリ７２に記憶するようになっている。
【００５５】
なお、制御部７は、次打点位置までの移動でツール２が十分に冷却されるような場合には接合条件の補正を行わないようになっており、また、連続打点作業の終了や中断等があった場合には、一旦補正された接合条件を初期値に戻す等の補正を適宜行うように構成されている。
【００５６】
次に、この摩擦攪拌接合装置１を用いた摩擦攪拌接合方法について説明する。図６は、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の処理手順を示すフローチャートである。
【００５７】
本実施形態の摩擦攪拌接合方法においては、まず、接合されるワークの材質や板厚等から加圧力や接合時間、ツール回転数等の接合条件が入力手段７１から入力され、メモリ７２に記憶されて設定される（ステップＳ１）。その際、その接合に適する長さのピン２１を備えたツール２が摩擦攪拌接合装置１のスピンドル２３に固定される。
【００５８】
摩擦攪拌接合装置１の制御部７は、接合開始の入力があると（ステップＳ２）、メモリ７２に記憶された接合条件に基づいて回転駆動モータ３１を起動して回転数を調整し、サーボモータ４１を回動駆動してツール２をワークＷ１、Ｗ２に圧入させる。
【００５９】
制御部７は、回転駆動モータ３１の回転トルクセンサ３３から送信されてくる測定値を監視し、図４に示したように回転トルクがほぼ一定になったことを確認してツール２のショルダ部２２がワークに当接したことを認識する（ステップＳ３）。或いはピン２１の長さが分かっているからサーボモータ４１の押し込み量センサ４２から送信されてくるツール２の移動量の測定値を監視してピン２１の長さ分だけ押し込んだ時点でツール２のショルダ部２２がワークに当接したことを認識する。
【００６０】
そして、接合条件中の接合時間が到来すると（ステップＳ４）、ツール２を所定量だけ押し込んで最適な接合状態にした後、サーボモータ４１を反転させてツール２をワークから引き抜いて接合を完了する（ステップＳ８）。
【００６１】
一方、制御部７は、回転トルクセンサ３３の測定値に基づいて、接合時間が到来していない段階で回転駆動モータ３１の回転トルクが減少し始めたと判断すると（ステップＳ５）、ツール２の先端温度がツール２のワーク当接後攪拌温度に達するまでの時間Ｔに対応する温度になっていると推定する（ステップＳ６）。
【００６２】
そして、接合時間を補正して接合時間が到来したものとして接合時間のリアルタイムの補正を行い（ステップＳ７）、ツール２を所定量だけ押し込んで最適な接合状態にした後、サーボモータ４１を反転させてツール２をワークから引き抜いて接合を完了する（ステップＳ８）。制御部７は、その際の前記時間Ｔをメモリ７２に記憶させる。
【００６３】
制御部７は、続いて、前記時間Ｔから図５に基づいて推定されるツール２の先端温度から、次打点位置までの移動でツール２が自然冷却される分を差し引いて、次打点でワークに当接される際のツール２の先端温度を推定し、それに基づいて、加圧力や接合時間、ツール回転数を減少させたり短縮させる等の次打点についての接合条件の補正を行う（ステップＳ９）。制御部７は、補正した接合条件をメモリ７２に記憶させる。
【００６４】
制御部７は、接合時間のリアルタイムの補正が行われた場合でも、作業計画から、次打点位置までの移動でツール２が十分に冷却されると判断される場合には接合条件の補正を行わない。また、今回の打点で接合時間のリアルタイムの補正が行われなかった場合でも、以前の打点の際に接合条件が補正されていて、連続打点作業の終了や中断等があったためにツール２が十分に冷却されるような場合には、一旦補正された接合条件を初期値に戻す等の補正を行う。制御部７は、以上の処理手順を繰り返して連続打点を行う。
【００６５】
以上のように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法によれば、ツール２がワークに当接してから攪拌温度に達するまでの時間Ｔを回転駆動モータ３１に取り付けられた回転トルクセンサ３３の測定値に基づいて計測し、その時間Ｔからツール２の先端温度を推定して、接合時間をリアルタイムに補正し、或いは次打点についての接合条件の補正を行う。
【００６６】
そのため、各打点ごとに接合条件を最適値に補正することが可能となり、また、連続打点でツール２の先端温度が次第に上昇しても、接合条件が適切に補正されるため、ツール２の押し込み量が大き過ぎてワークに凹みができたり貫通穴が生じたりする板厚減少による接合不良の発生を防止し、接合強度等をほぼ一定の値に保つことができ、安定した接合品質を得ることができる。
【００６７】
また、回転トルクセンサ３３や押し込み量センサ４２として、回転駆動装置としての回転駆動モータ３１に取り付けられているセンサ或いは回転駆動モータ３１に容易に取り付け可能な通常のセンサや、移動駆動装置としてのサーボモータ４１に通常備えられているフィードバック制御用のタコジェネレータやエンコーダ等を用いることができるため、従来の摩擦攪拌接合装置のようにレーザ変位計や補正機構等の装置を新たに取り付ける必要がなく、摩擦攪拌接合装置を安価に製造することが可能となる。
【００６８】
なお、本実施形態では、摩擦攪拌接合装置１の制御部７が、図４に示したような回転駆動モータ３１の回転トルクの特性を利用して、ワークが攪拌温度に達したことを認識し、或いはツール２のワークへの当接から攪拌温度に達するまでの時間Ｔを計測する場合について述べた。
【００６９】
しかし、発明者らの実験によれば、ツール２を移動させるためのサーボモータ４１の押し込み量センサ４２から送信されてくるツール２の押し込み量を監視することによっても同様にワークが攪拌温度に達したことを認識し、或いはツール２のワークへの当接から攪拌温度に達するまでの時間Ｔを計測することができることが分かっている。
【００７０】
図７は、図４に示した実験と同じ条件で行った実験におけるツールの押し込み量と接合点付近のワークの温度との関係を示すグラフである。
【００７１】
この実験では、ツール２のピン２１がワークに押し込まれると、ワークの温度が上昇し始め、ツール２のショルダ部２２がワークに当接すると、ツール２を加圧しても押し込み量はほぼ一定の状態が続く。この間もワークの温度は上昇し続ける。そして、ワークの温度が攪拌温度（３５０℃程度）に達すると、ツール２のワークへの押し込み量が増加し始める。つまり、ツール２のショルダ部２２がワークに当接した後の押し込み量センサ４２による測定値を監視し、押し込み量が増加し始めた時点をとらえることで、ワークが攪拌温度に達したことを認識し、前記時間Ｔを計測することができる。
【００７２】
従って、摩擦攪拌接合装置１の制御部７を、前記のように回転トルクセンサ３３の測定値を監視する代わりに押し込み量センサ４２の測定値を監視し、ツール２のショルダ部２２がワークに当接した後、押し込み量センサ４２の測定値が増加し始めた時点でワークの温度が攪拌温度に達したと判断するように構成すれば、本実施形態と同様に、接合時間のリアルタイムの補正を行うことができ、次打点についての接合条件の補正を行うことが可能となる。そして、本実施形態の効果を同様に発揮させることができる。
【００７３】
また、図６にフローチャートを示した本実施形態の摩擦攪拌接合方法において、回転トルクが減少したか否か（ステップＳ５）を判断する代わりに、押し込み量が増加したか否かを判断するようにすることで、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００７４】
なお、本実施形態では、先端面にピン２１が突設されたツール２の場合について述べたが、例えば、ピン２１が形成されていないツール２についても同様に構成することが可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００７５】
また、本実施形態では、接合時間のリアルタイムの補正において、接合時間の補正のみを行う場合について述べたが、接合時間の補正と同時に加圧力やツール回転数等の補正を行うことも可能であり適宜行われる。
【００７６】
さらに、本実施形態では、回転駆動モータ３１の回転トルクやサーボモータ４１の押し込み量の測定値をそのまま用いる場合について述べたが、それらの測定値を単位時間あたりの値等の使用し易い数値に変換して用いるように構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置を示す側面図である。
【図２】本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置のツールを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図３】本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の制御部の構成を示すブロック図である。
【図４】連続打点の実験における回転駆動モータの回転トルクと接合点付近のワークの温度との関係を示すグラフである。
【図５】図４の実験においてツールのワークへの当接から攪拌温度に達するまでの時間とツールの先端温度との関係を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】図４の同じ実験条件でのツールの押し込み量と接合点付近のワークの温度との関係を示すグラフである。
【図８】摩擦攪拌接合装置のツールがワークを接合する原理を説明する図である。
【図９】ツールが大きく押し込まれて板厚が減少した接合領域を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１  摩擦攪拌接合装置
２  ツール
２１  ピン
２２  ショルダ部
３１  回転駆動モータ
３３  回転トルクセンサ
４１  サーボモータ
４２  押し込み量センサ
７  制御部
Ｗ１、Ｗ２  ワーク
【図１】
2006187778.tif 000003
【図２】
2006187778.tif 000004
【図３】
2006187778.tif 000005
【図４】
2006187778.tif 000006
【図５】
2006187778.tif 000007
【図６】
2006187778.tif 000008
【図７】
2006187778.tif 000009
【図８】
2006187778.tif 000010
【図９】
2006187778.tif 000011