(57)【要約】 【課題】  接合ツールの磨耗を低減することができるスポット接合用摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】  被接合物３に形成される被接合部分３ａに接合ツール４を没入させる前に、被接合部分３ａにレーザ光を照射させて、被接合部分３ａを軟化温度に達するまで加熱させる。これによってツール没入直後の摩擦接触によってする被接合部分３ａの加熱を、レーザ光による加熱で置き換えることができる。接合ツール４が被接合部分３ａに接触する段階では、既に被接合部分３ａは高温に加熱されて軟化している。したがって被接合部分から接合ツール４に与えられる抵抗力および衝撃力を小さくすることができる。このようにして接合ツール４、特に先端のピン部６にとって磨耗損失の点で最も過酷な接合初期の摩擦発熱過程をレーザ加熱で置き換えることで、接合ツール４に生じる磨耗を低減することができる。【選択図】      図１
2006021217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める回転軸線を有し、回転軸線と同軸に接合ツールを保持するツール保持部と、
ツール保持部を回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
ツール保持部を回転軸線に沿って変位駆動する直進駆動手段と、
ツール保持部を支持する基体と、
集光したレーザ光を照射するレーザ光発生手段と、
回転駆動手段、直進駆動手段およびレーザ光発生手段を制御して、被接合物に形成される被接合部分に接合ツールを没入させる前に、被接合部分にレーザ光を照射させて、被接合部分を被接合物の融点温度未満でかつ接合ツールに対して被接合部分が相対的に軟化する軟化温度に達するまで加熱させる制御手段とを備えることを特徴とするスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
略円柱状に形成される本体部と、本体部に対して同軸に形成されて本体部から軸線方向一方に突出し、本体部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される接合ツールを没入させて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合装置であって、
被接合部分の表面のうち、レーザ光発生手段によってレーザ光が照射される照射領域は、被接合部分の表面にピン部が接触するピン部接触領域を含み、被接合部分の表面に本体部が接触する本体部接触領域に含まれることを特徴とする請求項１記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
レーザ光発生手段は、
基体に連結されて集光したレーザ光を被接合部分に照射する集光ヘッドと、
基体とは異なる位置に設けられて、レーザ光を発生するレーザ発振器と、
可撓性を有し、レーザ発振器で発生されたレーザ光を集光ヘッドに導光する光ファイバケーブルとを含むことを特徴とする請求項１または２記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
前記集光ヘッドは、集光ヘッドの光学系における焦点距離を調整可能に構成されることを特徴とする請求項３記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
レーザ光発生手段は、レーザ光の照射エネルギーを変更可能であって、
制御手段は、予め定められる接合条件に基づいてレーザ光発生手段を制御し、被接合部分に照射されるレーザ光の照射エネルギーを調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
レーザ光発生手段は、レーザ光が照射された被接合部分の引張り強さが１００ＭＰａ以下となるように、被接合部分をレーザ光によって加熱することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
レーザ光発生手段は、レーザ光が照射された被接合部分のブリネル硬さが２０ＨＢ以下となるように、被接合部分をレーザ光によって加熱することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項８】
被接合物は、炭素鋼、ステンレス鋼およびニッケル合金のいずれか１つからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置と、
前記スポット接合用摩擦撹拌接合装置を任意の位置および姿勢に変位駆動する基体駆動装置とを備えることを特徴とするスポット接合用摩擦撹拌接合システム。
【請求項１０】
複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合方法であって、
被接合物に形成される被接合部分に集光したレーザ光を照射させて、被接合部分を被接合物の融点温度以下でかつ接合ツールに対して被接合物が相対的に軟化する軟化温度に加熱するレーザ光照射工程と、
被接合部分が予め定める軟化温度に達した後、レーザ光の照射を停止して、被接合部分に接合ツールを回転させながら没入させるツール没入工程と、
接合ツールによって発生する摩擦熱によって各被接合部材を流動化させて撹拌した後、被接合部分から接合ツールを脱出させるツール脱出工程とを含むことを特徴とするスポット接合用摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の被接合部材をスポット接合する装置として、スポット接合用摩擦撹拌接合装置がある（たとえば特許文献１参照）。この装置は、被接合部材が重ね合わされる被接合物の一方側に接合ツールを配置する。次に接合ツールを、回転させながら被接合物の被接合部分に押付け、被接合部分に没入させる。接合ツールは、先端部に形成されるピン部と被接合部分の表面とが接触し、ピン部と被接合部分との間に生じる摩擦熱によって、被接合部分が軟化する。接合ツールは、各被接合部材を非溶融の状態で流動化し、流動化した部分を撹拌して各被接合部材を接合する。
【０００３】
被接合物が軟質でかつ低融点材料の場合、たとえばアルミニウム合金やマグネシウム合金の場合、被接合物は３００℃程度の比較的低温度で十分に軟化する。この場合、被接合部分から接合ツールに大きな抵抗が与えられることなく、接合ツールを被接合部分に没入させることができる。このとき接合ツールと被接合部分とは、大きな強度差がある。したがって接合ツールを没入するツール没入工程で、接合ツールの磨耗は極めて少ない。
【０００４】
また突き合わされた２つの被接合部材を、それらの境界となる接合線に沿って、連続接合する装置として、連続接合用摩擦撹拌接合装置がある（たとえば特許文献２参照）。この接合装置は、アルミ合金から成る被接合物に接合ツールを没入させた状態で、接合線に沿って接合ツールを移動させて各被接合部材を接合する。このとき被接合物のうちで、接合ツールの移動方向前方となる部分を、レーザ光によって１００℃〜３００℃に予備加熱する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３１４９８３号公報
【特許文献２】特許第３０８１８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１８は、アルミ合金と、炭素鋼と、接合ツールに用いられる材料との強度の温度変化を示すグラフである。上述した２つの従来技術の摩擦撹拌接合装置は、アルミ合金やマグネシウムなどの融点温度の低い材料から成る被接合部材を接合するのに用いられる。図１８に示すように、アルミ合金は、２００℃以上に加熱されると強度が低下する。これに対して炭素鋼は、８００℃以上に加熱されるまで、ほとんど軟化せず高い強度を維持する。また炭素鋼は、アルミ合金に比べて強度が高い。
【０００７】
すなわち炭素鋼から成る被接合物は、低温では大きな塑性変形抵抗を有する。したがって炭素鋼から成る被接合物の被接合部分に接合ツールを没入させようとすると、被接合物が加熱されて軟化するまでに時間がかかり、硬い状態の被接合部分に接合ツールが長時間摩擦接触する。これによって被接合物から接合ツールに大きな抵抗力が与えられることになる。さらに工具鋼から成る接合ツールと、炭素鋼から成る被接合部材との強度とは大きな差がない。したがって被接合物が炭素鋼から成る場合には、被接合物がアルミ合金から成る場合に比べて、接合ツールの損傷が著しくなる。
【０００８】
仮に接合ツールとして、低温から高温にかけて高い強度を有する非金属性材料、たとえばボロン窒化物などのセラミックスから成る非金属製の材料を用いたとしても、炭素鋼から成る被接合部分を接合する場合には、実際には接合ツールを頻繁に交換する必要がある。また非金属性材料から成る接合ツールは、工具鋼から成る接合ツールに比べてはるかに高価である。したがって非金属製材料から成る接合ツールを用いたとしても、材料費および施工能率の面で許容されない規模のコストアップに繋がってしまう。
【０００９】
またこのような問題は、炭素鋼以外、ステンレス鋼およびニッケル鋼などの高強度でかつ融点温度が高い材料から被接合物が構成される場合も同様に生じる。被接合物に形成される複数の被接合部分を順番にスポット接合する場合には、スポット接合のたびに、加熱前の硬い状態の被接合物に接合ツールを摩擦接触させる必要がある。これによって接合ツールの磨耗がさらに顕著となる。
【００１０】
したがって本発明の目的は、接合ツールの磨耗を低減することができるスポット接合用摩擦撹拌接合装置を提供することである。特に、被接合物の融点温度が高い場合であっても、また接合ツールと被接合物との強度差が小さい場合であっても、接合ツールの磨耗を低減することができるスポット接合用摩擦撹拌接合装置を提供することである。
【００１１】
特許文献２に開示される摩擦撹拌接合装置では、低融点材料であるアルミ合金から成る２つの被接合部材を連続接合することが開示されている。言い換えると、融点温度が高い材料から成る被接合物についてスポット接合することについては、開示も示唆もされていない。すなわち本発明の目的に比べて、対象とする被接合物と接合方法とが異なる。
【００１２】
この特許文献２に開示される摩擦撹拌接合装置では、レーザ光を照射した状態で接合線に沿ってレーザヘッドが移動するので、レーザ光によって加熱される領域が増えてしまい、被接合部材に生じる熱ひずみを成長させてしまうという問題がある。また接合ツールの没入を開始する位置と、レーザ光を照射する位置とが異なっているので、接合ツールを被接合物に没入するときには被接合物が予熱されておらず、接合ツール先端部の磨耗を解消することができない。またレーザ光によって被接合物を予熱したとしても、１００℃〜３００℃に被接合物を予熱するだけなので、炭素鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼のような高融点材料によって被接合物が成る場合には、被接合物を十分に軟化させる前に、接合ツールが被接合物に没入してしまい、やはりピン部分の磨耗を低減することができない。
【００１３】
スポット接合では、接合ツールの没入および脱出が頻繁に繰返されて、複数の被接合部分を順番に接合する場合が多い。したがって接合ツールの先端部の消耗が激しくなる。特許文献２は、没入した状態の接合ツールを移動させて接合する連続接合について記載されており、スポット接合における接合ツールの磨耗を防ぐ方法について記載されていない。それどころか接合ツールの没入中もレーザ光によって被接合物を加熱しているので、被接合物の温度が過剰に上昇してしまい、被接合物に熱ひずみが生じて接合品質が低下してしまう。
【００１４】
したがって特許文献２に開示される技術を用いて、スポット接合用の摩擦撹拌接合装置を構成したとしても、被接合物の融点温度が高い場合または接合ツールと被接合物との強度差が小さい場合に、接合ツールの磨耗を低減するという本発明の目的を達成することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める回転軸線を有し、回転軸線と同軸に接合ツールを保持するツール保持部と、
ツール保持部を回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
ツール保持部を回転軸線に沿って変位駆動する直進駆動手段と、
ツール保持部を支持する基体と、
集光したレーザ光を照射するレーザ光発生手段と、
回転駆動手段、直進駆動手段およびレーザ光発生手段を制御して、被接合物に形成される被接合部分に接合ツールを没入させる前に、被接合部分にレーザ光を照射させて、被接合部分を被接合物の融点温度未満でかつ接合ツールに対して被接合部分が相対的に軟化する軟化温度に達するまで加熱させる制御手段とを備えることを特徴とするスポット接合用摩擦撹拌接合装置である。
【００１６】
また本発明は、略円柱状に形成される本体部と、本体部に対して同軸に形成されて本体部から軸線方向一方に突出し、本体部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される接合ツールを没入させて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合装置であって、
被接合部分の表面のうち、レーザ光発生手段によってレーザ光が照射される照射領域は、被接合部分の表面にピン部が接触するピン部接触領域を含み、被接合部分の表面に本体部が接触する本体部接触領域に含まれることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、レーザ光発生手段は、基体に連結されて集光したレーザ光を被接合部分に照射する集光ヘッドと、
基体とは異なる位置に設けられて、レーザ光を発生するレーザ発振器と、
可撓性を有し、レーザ発振器で発生されたレーザ光を集光ヘッドに導光する光ファイバケーブルとを含むことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記集光ヘッドは、集光ヘッドの光学系における焦点距離を調整可能に構成されることを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、レーザ光発生手段は、レーザ光の照射エネルギーを変更可能であって、
制御手段は、予め定められる接合条件に基づいてレーザ光発生手段を制御し、被接合部分に照射されるレーザ光の照射エネルギーを調整することを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、レーザ光発生手段は、レーザ光が照射された被接合部分の引張り強さが１００ＭＰａ以下、言い換えると１０ｋｇｆ／ｍｍ２以下となるように、被接合部分をレーザ光によって加熱することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、レーザ光発生手段は、レーザ光が照射された被接合部分のブリネル硬さが２０ＨＢとなるように、被接合部分をレーザ光によって加熱することを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、被接合物は、炭素鋼、ステンレス鋼およびニッケル合金のいずれか１つからなることを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、請求項１〜８のいずれか１つに記載のスポット接合用摩擦撹拌接合装置と、
前記スポット接合用摩擦撹拌接合装置を任意の位置および姿勢に変位駆動する基体駆動装置とを備えることを特徴とするスポット接合用摩擦撹拌接合システムである。
【００２４】
また本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物に、回転する接合ツールを没入させて各被接合部材をスポット接合する摩擦撹拌接合方法であって、
被接合物に形成される被接合部分に集光したレーザ光を照射させて、被接合部分を被接合物の融点温度以下でかつ接合ツールに対して被接合物が相対的に軟化する軟化温度に加熱するレーザ光照射工程と、
被接合部分が予め定める軟化温度に達した後、レーザ光の照射を停止して、被接合部分に接合ツールを回転させながら没入させるツール没入工程と、
接合ツールによって発生する摩擦熱によって各被接合部材を流動化させて撹拌した後、被接合部分から接合ツールを脱出させるツール脱出工程とを含むことを特徴とするスポット接合用摩擦撹拌接合方法である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、レーザ光発生手段によって集光したレーザ光を被接合部分に照射して、被接合部分を加熱し、被接合部分を軟化させる。次に回転駆動手段および直進駆動手段によって、ツール保持部に装着された接合ツールを移動させて、被接合部分に接合ツールを回転接触させる。接合ツールは、レーザ光によって既に軟化された被接合部分に没入する。被接合部分に没入した接合ツールは、摩擦熱によって被接合部分を流動化し、流動化した被接合部分を撹拌することで、各被接合部材の境界部分が混ざり合う。この後、接合ツールを被接合物から脱出させた後、被接合部分の温度が低下することによって、各被接合部材を接合することができる。
【００２６】
本発明では、接合ツールを被接合部分に没入させる前に、レーザ光によって被接合部分を局所的に加熱する。したがって、従来においてツール没入直後の摩擦接触によって行っていた被接合部分の加熱を、レーザ光による加熱に置き換えることができる。接合ツールが被接合部分に接触する段階では、既に被接合部分は高温に加熱されて軟化している。したがってツール没入直後に被接合部分から接合ツールに与えられる抵抗力および衝撃力を小さくすることができる。
【００２７】
このように接合ツール、特に先端部にとって磨耗損失の点で最も過酷な接合初期の摩擦発熱過程をレーザ加熱で置き換えることで、接合ツールに生じる磨耗を低減することができ、接合ツールの寿命を延ばすことができる。また接合ツールを没入させるたびに、軟化した状態の被接合部分に接合ツールの先端部を摩擦接触させることができ、複数の被接合部分を順番にスポット接合する場合においても、接合ツールの先端部の磨耗を好適に低減することができる。
【００２８】
接合ツールの寿命を延ばすことで、接合ツールを頻繁に交換する必要がなく、生産効率を向上することができる。また強度の高い材料を用いて接合ツールを実現する必要がなく、接合ツールを実現する材料の選択肢を増やすことができる。これによって工具鋼などの安価な材料を用いて接合ツールを実現することができる。
【００２９】
さらに集光したレーザ光によって被接合部分を加熱することによって、被接合部分における入熱量の制御を容易に行うことができる。すなわち被接合部分を局所的に短時間で加熱することができ、被接合部分以外の残余の部分に熱が伝わる前に、被接合部分を所定の軟化温度に加熱することができる。また接合ツールを没入する直前に被接合部分を予熱することによって、レーザ光によって発生した熱が分散する前に接合ツールを被接合部分に没入させることができ、レーザ光による予熱温度を過剰に高くする必要がない。またレーザ光を用いて加熱することによって、非接触で短時間に加熱することができ、他の加熱手段に比べて取扱いを容易にすることができる。
【００３０】
また予熱する温度を融点温度以上にすると、熱ひずみの影響が大きく、接合品質が低下するが、本発明のようにレーザ光によって加熱する温度を融点温度未満とすることによって、摩擦撹拌接合の特徴である熱ひずみを抑える効果を維持することができる。
【００３１】
また本発明によれば、接合ツールは、被接合物に没入するにあたって、まずピン部が被接合部分に摩擦接触して没入し、次に本体部の端面が被接合部分に摩擦接触する。本発明では被接合部分の表面領域のうち、レーザ光の照射領域がピン部接触領域を含むことによって、被接合部分のうち、少なくともピン部が接触する部分を確実に軟化することができる。これによって接合ツールのピン部は、被接合部分からの抵抗力をほとんど受けることない。したがって接合ツールのうち、消耗しやすいピン部の磨耗を抑えることができる。
【００３２】
また被接合部分に照射されるレーザ光の照射領域が、被接合部分の表面に本体部が接触する本体部接触領域に含まれるように調整されることによって、被接合部分から離れた部分の温度が上昇することを防ぎ、被接合物に生じる熱ひずみの影響を抑えることができる。なお、レーザ光の照射領域は、前記ピン部接触領域を含んで、可及的にその面積が小さいことが好ましい。その理由は、照射領域の面積を可及的に小さくすることによって、単位面積あたりに照射されるエネルギーを高くすることができ、より短時間に被接合部分を所定の軟化温度に加熱することができるからである。
【００３３】
また本発明によれば、基体とは別体に設けられるレーザ発振器で発生したレーザ光を、光ファイバによって集光ヘッドに導き、基体に連結される集光ヘッドからレーザ光を被接合部分に向けて照射する。基体が予め定める被接合部分に向かって移動すると、基体とともに接合ツールおよび集光ヘッドが移動し、基体の移動先で摩擦撹拌接合することができる。基体とレーザ発振器とを別体に設けることによって、基体にレーザ発振器を搭載する必要がなく、基体の大形化および重量化を防ぐことができる。
【００３４】
また基体の移動に応じて光ファイバが変形することによって、レーザ発振器と集光ヘッドとの間のレーザ光の光路を確保することができ、レーザ発振器と集光ヘッドとの間のレーザ光の光路調整を不要とすることができる。たとえばファイバ導光が可能な波長域を持つレーザ光を発光可能なレーザ装置として、半導体レーザ装置またはＹＡＧ（Yttrium
Aluminum Garnet）レーザ装置を用いることができる。
【００３５】
また本発明によれば、レーザ光は、その光軸に沿って集光ヘッドから焦点位置に向かうにつれて集光する。集光ヘッドの光学系の焦点距離を調整することによって、被接合部分に照射されるレーザ光の照射領域の大きさを変更することができる。したがって接合条件、たとえば、被接合部材の材質、接合ツールのピン形状が変更された場合でも、変化した接合条件に応じて照射領域の大きさを調整することができる。また照射領域の大きさを変更するために、焦点距離の異なる集光ヘッドに取替えたり、集光ヘッドの取付位置を変更したりする必要がなく、利便性を向上することができる。
【００３６】
また本発明によれば、制御手段が接合条件に基づいてレーザ光の照射エネルギーを調整することによって、スポット接合のたびにレーザ光の照射エネルギーを変更することができる。照射エネルギーの調整は、たとえばレーザ光の単位時間当たりのパワー、照射時間、照射領域の大きさおよび照射位置のうちの少なくともいずれか１つを調整することによって行われる。
【００３７】
これによってスポット接合を行うにあたって、被接合物の材質および板厚などの接合条件が異なる場合であっても、接合条件に応じた照射エネルギーを被接合部分に与えることができ、好適に摩擦撹拌接合することができる。たとえば接合ツールの磨耗を防いだうえで、接合品質を向上して短時間で摩擦撹拌接合を行うことができる。
【００３８】
また本発明によれば、レーザ光発生手段によって軟化された被接合部分は、その引張り強さの値が、１００ＭＰａ以下、言い換えると１０ｋｇｆ／ｍｍ２以下となる。このように被接合部分３ａを軟化することによって、被接合物が高強度高融点材料から成る場合であっても、接合ツールの先端部に大きな抵抗を与えることなく、接合ツールを被接合物中に容易に没入させることができる。
【００３９】
また本発明によれば、レーザ光発生手段によって軟化された被接合部分は、そのブリネル硬さの値が、２０ＨＢ以下となる。このように被接合部分を軟化することによって、被接合物が高強度高融点材料から成る場合であっても、接合ツールの先端部に大きな抵抗を与えることなく、接合ツールを被接合物中に容易に没入させることができる。
【００４０】
また本発明によれば、被接合物が炭素鋼、ステンレス鋼およびニッケル合金のいずれか１つからなる。このように被接合物が、高強度でかつ高融点材料である場合であっても、上述したように被接合部分をレーザ光によって、ツール没入前に軟化させることによって、接合ツールの先端部に与えられる衝撃および接合ツールの先端部に生じる磨耗を防いで、摩擦撹拌接合を行うことができる。これによって接合ツールの磨耗を減らすことができ、接合ツールの寿命を長くすることができる。言い換えると高硬度な材質から成る接合ツールを用いる必要がなく、安価な材料によって接合ツールを実現することができる。
【００４１】
また本発明によれば、基体駆動装置が摩擦撹拌接合装置を任意の位置および任意の姿勢に変位駆動することによって、任意の位置に設定される被接合部分で、スポット接合を行うことができる。複数の被接合部分が、３次元的に点在する場合であっても、容易にスポット接合することができる。たとえば基体駆動装置は、６軸多関節ロボットによって実現される。
【００４２】
また本発明によれば、レーザ光照射工程で、被接合部分に集光したレーザ光を照射させて、被接合部分を加熱する。被接合部分が予め定める軟化温度に達すると、レーザ光の照射を停止する。レーザ光照射工程の後でツール没入工程に進む。ツール没入工程では、接合ツールを回転させながら被接合物に没入させる。そして接合ツールによって発生する摩擦熱によって各被接合部材を流動化させて撹拌した後、ツール脱出工程に進む。ツール脱出工程では、被接合物から接合ツールを脱出させる。
【００４３】
本発明では、接合ツールを被接合部分に没入させる前に、レーザ光によって被接合部分を局所的に加熱する。これによって次工程で、接合ツールを被接合部分に没入させるにあたって、接合ツールに被接合部分から与えられる抵抗力を小さくすることができ、接合ツールの先端部に生じる磨耗を防いで摩擦撹拌接合を行うことができ、接合ツールの寿命を延ばすことができる。
【００４４】
これによって接合ツールを頻繁に交換する必要がなく、生産効率を向上することができる。また強度の高い材料を用いて接合ツールを実現する必要がなく、接合ツールを実現する材料の選択肢を増やすことができる。これによって工具鋼などの安価な材料を用いて接合ツールを実現することができる。さらに被接合部分以外の残余の部分に熱が伝わることを防ぐことができ、摩擦撹拌接合によって生じる熱ひずみを抑えることができ、接合品質の低下を防ぐことができる。
【００４５】
さらに集光したレーザ光によって被接合部分を加熱することによって、被接合部分における入熱量の制御を容易に行うことができる。すなわち被接合部分を局所的に短時間に加熱することができ、被接合部分以外の残余の部分に熱が伝わる前に、被接合部分を所定の軟化温度に加熱することができる。また予熱する温度を融点温度以上にすると、熱ひずみの影響が大きく、接合品質が低下するが、本発明のようにレーザ光によって加熱する温度を融点温度未満とすることによって、摩擦撹拌接合の特徴である熱ひずみを抑える効果を維持することができ、接合後の被接合物の品質低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
図１は、本発明の実施の第１形態である摩擦撹拌接合装置５０の一部を拡大して示す斜視図である。摩擦撹拌接合装置５０（以下、単に接合装置５０と称する）は、被接合物３として構成される複数の被接合部材１，２を摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding ：略称ＦＳＷ）する。接合装置５０は、被接合物３に複数点在する被接合部分を順次接合する。すなわち接合装置５０は、摩擦撹拌接合によるスポット接合、いわゆるＦＳＪ（
Friction Spot Joining）接合を行う。
【００４７】
接合装置５０は、円柱状の接合ツール４を用いて摩擦撹拌接合を行う。接合ツール４は、円柱状に形成される本体部５と、本体部５から軸線方向一方Ａ１に突出し、略円筒状に形成されるピン部６とが形成される。本体部５は、軸線方向一方Ａ１側端面となるショルダ面７を有する。ショルダ面７は、接合ツール４の軸線Ｌ１に対して略垂直に形成される。本体部５とピン部６とは、同軸に形成され、ピン部６の外径は、本体部５の外径よりも小さく形成される。ピン部６は、接合ツールの先端部となる。ピン部６は、被接合物３に没入しやすくするために軸線方向一方Ａ１に向かうにつれて先細となる凸形状に形成されることが好ましい。
【００４８】
接合装置５０は、各接合部材１，２を接合するために、接合ツール４をその軸線Ｌ１まわりに回転させながら、接合ツール４の軸線方向一方Ａ１側部分を被接合物３の被接合部分３ａに押付ける。これによって接合ツール４のピン部６が被接合部分３ａに摩擦接触する。接合ツール４は、摩擦熱によって、被接合部分３ａを流動化させて流動化した部分を撹拌する。接合ツール４が被接合部分３ａに没入することで、ピン部６が各接合部材１，２の境界部分を通過する。
【００４９】
接合ツール４によって流動化した各被接合部材１，２が互いに混ぜ合わされる。この後、接合ツール４が被接合部分３ａから離脱して、流動化した被接合部分３ａが固まることによって、各被接合部材１，２を接合することができる。接合装置５０は、１つ被接合部分においてスポット接合を終えると、次の被接合部分３ａに接合ツール４を移動させて、次のスポット接合を行う。このようにしてスポット接合を連続施工する。
【００５０】
本実施の形態の接合装置５０は、被接合物３の被接合部分３ａに集光したレーザ光を照射するレーザ集光ヘッド１００が設けられる。レーザ集光ヘッド１００は、レーザ光を照射することによって、被接合物３の被接合部分３ａを加熱する。具体的には、レーザ集光ヘッド１００は、被接合部分３ａを、被接合物３の融点温度未満でかつ、接合ツール４に対して被接合部分３ａが相対的に軟化する軟化温度に達するまで加熱する。
【００５１】
被接合物３は、互いに並んだ複数の被接合部材１，２によって構成される。被接合物３を構成する各被接合部材１，２のうちの少なくともいずれかは、たとえば炭素鋼、ステンレス鋼またはニッケル合金などの高強度高融点材料から成る。被接合物３は、予め定める被接合物保持装置に保持される。
【００５２】
高強度高融点材料とは、高温に加熱されるまでほとんど軟化せず、常温では接合ツール４を構成する材料との強度差が小さい材料である。予備加熱を行わずに摩擦撹拌接合した場合において接合ツール没入過程における初期段階時の温度、たとえば４００℃に、被接合物となりうる材料を加熱したときの強度が４００ＭＰａ（４０ｋｇｆ／ｍｍ２）以上および硬さが８０ＨＢ以上の少なくともいずれか一方の条件または両方の条件を満たす材料である。被接合物の温度とその色とには対応関係があるので、初期段階地の温度は、３００℃〜４００℃に加熱された被接合物の色、いわゆるテンパー色に基づいて推定することができる。
【００５３】
なお、本発明において強度は、ＪＩＳ（日本工業規格）２２０１Ｚに規定される引張試験によって決定され、試験片が切れるまでに現れる最大応力をいう。また硬さは、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｂ７７２４、Ｚ２２４３に規定されるブリネル硬さ試験によって決定され、鋼球を材料に一定圧力で押込んだときのくぼみの大きさに基づいて決定される。たとえば接合ツール没入過程における初期段階の温度は、ショルダ面７が被接合部分３ａに接触するときの被接合部分３ａの温度となる。
【００５４】
また高強度高融点材料は、接合ツール４と被接合物３との相対的な強度または硬さによって決定されてもよい。この場合、前記初期段階の温度、たとえば４００℃に接合ツール４を構成する材料を加熱したときの強度となるツール強度Ｐ１から、被接合物となりうる材料を加熱したときの強度となる接合物強度Ｐ２を減算した強度（Ｐ１−Ｐ２）が、４００ＭＰａ（４０ｋｇｆ／ｍｍ２）未満となるような被接合物３の材料を高強度高融点材料とする。たとえばツール強度Ｐ１は、５００ＭＰａ（５０ｋｇｆ／ｍｍ２）であり、低融点軟質材料であるアルミ合金の強度は、約１００ＭＰａ（約１０ｋｇｆ／ｍｍ２）である。したがってアルミ合金よりも強度の高い材料が、高強度高融点材料となる。
【００５５】
または前記初期段階の温度、たとえば４００℃に接合ツール４を構成する材料を加熱したときの硬さとなるツール硬さＨ１から、被接合物となりうる材料を加熱したときの硬さとなる被接合物硬さＨ２を減算した硬さ（Ｈ１−Ｈ２）が、８０ＨＢ以下となるような被接合物３の材料を高強度高融点材料とする。
【００５６】
レーザ光は、単一波長で位相差のない光である。したがって加熱源としてレーザ光を用いることによって、被接合物３のうちの一部分に集光して、極めて高い密度のエネルギーを与えることができる。これによって被接合物３のうち、接合ツール４が接触する被接合部分３ａについて限定的に短時間で軟化温度に加熱することができる。これによって被接合物３全体が加熱されることによる熱の影響を少なくすることができ、熱による変形を抑えることができる。
【００５７】
また電子ビームおよびイオンビームなどを加熱源とすると、真空チャンバを必要とするので、被接合物３の形状や寸法が制限される。これに対してレーザ光を用いることによって装置が大形になることを防ぐことができるので、接合可能な被接合物３の形状および寸法の自由度を広げることができる。本実施の形態では、接合ツール４を被接合部分３ａに接触させるに先立って、被接合部分３ａへのレーザ光が照射される。
【００５８】
レーザ光によって被接合部分３ａを軟化する軟化温度は、被接合物３の温度強度特性によって決定され、予め定める温度範囲に決定される。たとえば軟化温度は、被接合物３の引張り強さの値が１００ＭＰａ（１０ｋｇｆ／ｍｍ２）以下となる温度に設定される。または軟化温度は、被接合物３のブリネル硬さの値が２０ＨＢ以下となる温度に設定される。たとえば炭素鋼では、金属結晶組織がオーステナイトに変態する温度範囲であって、８００℃以上で１５００℃以下に設定される。またオーステナイト系ステンレス鋼では、１０００℃以上で１５００℃以下に設定される。また軟化温度に達したときの被接合物３の強度がアルミ合金の強度以下および被接合物３の硬さがアルミ合金の硬さ以下の少なくともいずれか一方となるような温度に設定されてもよい。
【００５９】
また軟化温度は、接合ツール４と被接合物３との相対的な強度または硬さによって決定されてもよい。この場合、たとえば常温において接合ツール４を構成する材料を加熱したときの強度となるツール強度Ｐ３から、被接合物３を構成する材料を軟化温度まで加熱したときの強度となる接合物強度Ｐ４を減算した強度（Ｐ３−Ｐ４）が、４００ＭＰａ（４０ｋｇｆ／ｍｍ２）以上となるような温度に設定されてもよい。またたとえば常温において接合ツール４を構成する材料を加熱したときの硬さとなるツール硬さＨ３から、被接合物３を構成する材料を軟化温度まで加熱したときの硬さとなる接合物硬さＨ４を減算した硬さ（Ｈ３−Ｈ４）が、８０ＨＢ以上となるような温度に設定されてもよい。なお、軟化温度は、接合後の被接合物３の熱ひずみの影響を押さえるために被接合物の融点温度未満に設定される。
【００６０】
図２は、摩擦撹拌接合装置５０を簡略化して示す正面図である。本発明の摩擦撹拌接合装置５０（以下、接合装置５０と称する。）は、多関節ロボット６３に保持され、接合ツール４を用いて重ねあわされた複数の被接合部材１，２を互いに接合する。多関節ロボット１７は、３次元的に任意の位置および姿勢に接合装置５０を移動させる。
【００６１】
接合装置５０は、前述した接合ツール４が装着される。接合装置５０は、予め設定される基準軸線を有する。接合ツール４は、その軸線Ｌ１が前記基準軸線に一致するように、接合装置５０に装着される。このとき、接合ツール４の軸線Ｌ１と接合装置５０の基準軸線とは、同軸となる。したがって接合装置５０の基準軸線を、接合ツール４の軸線と同じ参照符号Ｌ１で示す。
【００６２】
また基準軸線Ｌ１に沿う基準方向と接合ツール４の軸線方向Ａとは、一致する。したがって基準方向を、接合ツール４の軸線方向と同じ参照符号Ａで示す。なお、基準方向一方Ａ１は、接合装置５０に装着される接合ツール４が被接合物３に向かう方向であり、基準方向他方Ａ２は、軸線方向一方Ａ１に対して向きが逆となる方向である。
【００６３】
接合装置５０は、ツール保持部５１と、回転駆動手段５２と、直進駆動手段５３と、受け台５４と、基体５５とを含んで構成される。ツール保持部５１は、接合ツール４を着脱可能に保持する。ツール保持部５１は、基準軸線Ｌ１まわりに回転可能でかつ基準軸線Ｌ１に沿って直線変位可能に基体５５に支持される。
【００６４】
回転駆動手段５２は、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。直進駆動手段５３は、ツール保持部５１を基準方向Ａに直進駆動する。具体的には、各駆動手段５２，５３は、サーボモータを含んで実現される。各サーボモータは、動力伝達機構を介して、動力をツール保持部５１にそれぞれ伝達する。これによってツール保持部５１は、回転および直線変位する。回転駆動手段５２および直進駆動手段５３の詳細については、後述する。
【００６５】
各サーボモータは、予め定めるトルクおよび回転量で回転するように、与えられる付与電流に基づいてフィードバック制御される。各駆動手段５２，５３は、各サーボモータに付与される付与電流を検出する付与電流検出手段がそれぞれ設けられる。また各駆動手段５２，５３は、各サーボモータの回転量を検出するエンコーダがそれぞれ設けられる。
【００６６】
回転駆動手段５２に対応するエンコーダは、接合ツール４の回転速度を検出する回転速度検出手段となる。また回転駆動手段５２に対応する付与電流検出手段は、接合ツール４の回転方向のトルクを検出する負荷トルク検出手段となる。直進駆動手段５３に対応するエンコーダは、接合ツール４の基準方向Ａの位置を検出するツール位置検出手段となる。また直進駆動手段５３に対応する付与電流検出手段は、接合ツール４が被接合物３を加圧する力を検出する加圧力検出手段となる。
【００６７】
受け台５４は、ツール保持部５１に対して基準方向Ａに関して対向する位置に設けられる。受け台５４は、基体５５に固定される。受け台５４は、摩擦撹拌接合にあたって、接合ツール４と反対側から被接合物３を支持する。基体５５は、ロボットアーム６３の先端部に連結され、ツール保持部５１、各駆動手段５２，５３および受け台５４を直接または間接的に支持する。ロボットアーム６３は、６軸多関節ロボットに代表されるロボットによって実現される。
【００６８】
基体５５は、ロボットアーム６３によって任意の位置および姿勢に変位駆動される。また基体５５は、いわゆるＣガンであって、略Ｃ字状に形成される。受け台５４は、Ｃ字状に形成される基体５５の周方向一端部５５ａに設けられる。またツール保持部５１は、Ｃ字状に形成される基体５５の周方向他端部５５ｂに設けられる。
【００６９】
上述したレーザ集光ヘッド１００は、基体５５に連結される。基体５５は、レーザ集光ヘッド１００を支持する支持部１１０が設けられ、支持部１１０を介してレーザ集光ヘッド１００を保持する。レーザ集光ヘッド１００は、レーザ発振器から与えられたレーザ光を集光して、被接合物３の接合部分３ａに照射する。集光ヘッド１００は、可撓性を有する光ファイバ１０１を介して、レーザ発振器１０２によって発生されたレーザ光が与えられる。なお、集光ヘッド１００と、光ファイバケーブル１０１と、レーザ発振器とを含んで、レーザ装置を構成する。
【００７０】
図３は、接合装置５０の構成を示すブロック図である。接合装置５０は、回転駆動手段５２、直進駆動手段５３およびレーザ装置１０３を制御する制御手段６５を含む。制御手段６５は、たとえばロボットコントローラによって兼用される。ロボットコントローラは、接合装置５０を保持する多関節ロボットの各アームを駆動するロボットアーム駆動手段６７を制御する。
【００７１】
制御手段６５は、ツール位置検出手段７０、加圧力検出手段７１、回転速度検出手段７２および負荷トルク検出手段７３から検出結果を示す信号が与えられる。制御手段６５は、各検出手段７０〜７３から与えられる信号に基づいて、直進駆動手段５３および回転駆動手段５２を制御する。制御手段６５が、各駆動手段５２，５３を制御することによって、目的とする回転速度および加圧力で、接合ツール４を被接合物３に没入させることができる。本実施の形態では、接合ツール４が被接合部分３ａに没入している間の加圧力および回転数が一定になるように制御する。
【００７２】
また制御手段６５は、レーザ装置１０３を制御する。これによって制御手段６５は、目的とするタイミングで、レーザ光照射状態とレーザ光非照射状態とを切換えることができる。レーザ装置１０３は、被接合部分３ａに照射されるレーザ光の照射エネルギーを変更可能に構成される。この場合、制御手段６５は、目的とする照射エネルギーでレーザ光を照射するように、レーザ装置１０３を制御する。
【００７３】
制御手段６５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などによって実現される演算処理回路と、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などによって実現される記憶回路とを有する。記憶回路には、接合装置５０の動作に関する動作プログラムが記憶されている。また記録回路には、被接合部分３ａの位置および基体５５を移動する移動経路などを示す移動情報が記憶される。移動情報および動作プログラムは、図視しない入力手段によって与えられる。
【００７４】
制御手段６５の演算処理回路が、記憶回路から動作プログラムを読み出し、その動作プログラムを実行する。これによって制御手段６５は、動作プログラムに従って、各駆動手段５２，５３、レーザ装置１０３およびアーム駆動手段６７を制御することができる。
【００７５】
接合装置５０は、接合条件と接合動作パラメータ値とが対応づけて記憶される動作条件テーブル１０４を有してもよい。動作条件テーブル１０４は、被接合物３の材質、各被接合部材１，２の板厚、接合ツール４の種類などの接合条件と、接合条件に応じた最適な動作量を表わす接合動作パラメータ値とが対応して記憶される。動作条件テーブル１０４は、制御手段６５が読み取り可能に構成される。たとえば動作条件テーブル１０４は、制御手段６５が読み取り可能な記録媒体である。また動作条件テーブル１０４は、制御手段６５に内蔵される記憶回路によって実現されてもよい。
【００７６】
動作条件テーブル１０４に記憶される接合動作パラメータ値は、たとえば接合ツール４の回転数、被接合部分３ａへの没入量、没入時間、加圧力、レーザ照射パワーおよびレーザ照射時間などであって、予め接合条件毎に最適な値が記憶される。制御手段６５は、動作条件テーブル１０４を参照して、与えられる接合条件に応じた動作パラメータ値を抽出し、抽出した動作パラメータ値に基づいて、各駆動手段５２，５３、レーザ装置１０３を制御してもよい。
【００７７】
図４は、接合装置５０の受け台付近を拡大して示す正面図である。集光ヘッド１００は、受け台５４に近接した位置に配置され、受け台５４に対して基準方向他方Ａ２に間隔を開けて配置される。受け台５４が被接合物３を支持した状態で、集光ヘッド１００は、被接合物３を挟んで受け台５４と反対側に配置される。すなわちツール保持部５１に装着される接合ツール４と同じ側に配置される。
【００７８】
集光ヘッド１００は、略円筒形状に形成される。集光ヘッド１００の軸線は、基準軸線Ｌ１に対して傾斜して配置される。集光ヘッド１００は、接合ツール４が被接合部分３ａに没入するときに、接合ツール１が移動するツール動作領域からはずれた位置に配置される。これによって接合ツール４の移動動作の妨げに成ることなく、接合ツール４側の表面にレーザ光を照射することができる。集光ヘッド１００は、支持部１１０に装着された状態で、基体５５に対する配置位置が調整可能に構成される。本実施の形態では、集光ヘッド１００から照射されるレーザ光の光軸Ｌ２は、被接合物３の表面で接合ツール４の軸線Ｌ１と一致するように調整される。
【００７９】
集光ヘッド１００は、レンズなどの複数の光学部品を内蔵する。この複数の光学部品によって集光ヘッド１００には、集光光学系となる光学部品群が構成される。光ファイバ１０１から導光されたレーザ光は、光学部品群を通過することによって、レーザ光を集光して、被接合部分３ａに向けて照射させることができる。光学部品群における焦点位置１０４は、集光ヘッド１００よりも基準方向一方Ａ１であって、被接合部分３ａよりも基準方向他方Ａ２に設定される。
【００８０】
レーザ光は、その光軸Ｌ２に沿って集光ヘッド１００から焦点位置１０４に向かうにつれて集光し、焦点位置１０４から光軸Ｌ２に沿って集光ヘッド１００から被接合部分３ａに向かうにつれて拡散する。焦点位置１０４が集光ヘッド１００寄りに設定されると、スポット径が広がった状態のレーザ光が被接合部分３ａに照射されて、レーザ光が被接部分３ａに照射される照射領域が大きくなる。焦点位置１０４が被接合部分３ａ寄りに設定されると、レーザ光が狭まった状態のレーザ光が被接合部分３ａに照射されて、レーザ光が被接合部分３ａに照射される照射領域が小さくなる。焦点位置１０４が最適に設定されることによって、被接合部分３ａに照射されるレーザ光の照射面積を所望の大きさに設定することができる。
【００８１】
本実施の形態では、光学部品群のうちの少なくとも１つとなる可動光学部品を、手動または自動で移動可能に構成される。これによって光学部品群における焦点距離を調整して焦点位置１０４を変更することができる。したがって集光ヘッド１００の光学部品群の焦点位置１０４を調整することで、接合条件に応じて、被接合部分３ａに照射されるレーザ光の照射領域の大きさを変更することができる。これによって各被接合物３の材質および接合ツール４のピン形状が変更された場合でも、変化した接合条件に応じて照射領域の大きさを調整することができる。集光ヘッド１００の焦点位置１０４を調整することが可能であると、焦点距離の異なる集光ヘッドに取替えたり、集光ヘッドの取付位置を変更したりする必要がなく、利便性を向上することができる。
【００８２】
可動光学部品を自動で移動させる場合、集光ヘッド１００は、可動光学部品を変位移動する光学部品駆動手段を備える。この場合、制御手段６５は、光学部品駆動手段を制御する。
【００８３】
図５は、レーザ装置１０３の構成を示すブロック図である。上述したようにレーザ装置１０３は、集光ヘッド１００と、光ファイバケーブル１０１と、レーザ発振器１０２とを含んで構成される。レーザ発振器１０２は、レーザ光を発生させるレーザ光発生源となる。レーザ光は、集光することによってエネルギー密度を非常に高く設定でき、被接合部分３ａの表面を短時間で能率的に加熱することができる。またそのパワー、照射位置、照射面積をそれぞれ非常に精度良く制御することができる。また小形で取扱いが容易である。したがってバーナー加熱装置、加熱コイルおよびプラズマ照射装置などの他の加熱源に比べて、スポット接合における被接合部分３ａの局所的な加熱に好適に用いることができる。
【００８４】
レーザ発振器１０２は、出力が１．０ｋＷ以上、言い換えると約１０５Ｗ／ｃｍ２以上の高出力のものが好ましい。また、レーザ導光可能な波長域のレーザ光を発生可能であることが好ましい。なお、ファイバ導光可能なレーザ光の波長は、０．３２５μｍ以上でかつ１．０６μｍ以下である。
【００８５】
たとえばレーザ発振器１０２として、半導体レーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、ファイバーレーザ発振器またはＣｏ２レーザ発振器を用いることができる。レーザ発振器１０２は、レーザ溶接に用いられるレーザ発振器を用いて実現することができる。
【００８６】
本実施の形態では、半導体レーザ発振器１０２が用いられる。半導体レーザ発振器１０２は、電源装置１０５から与えられた電力を、レーザ発生用の半導体に供給する。これによってレーザ発生用の半導体は、レーザ光を誘導放出する。なお、半導体レーザ発振器１０２によって発生されたレーザ光の波長は、ファイバ導光可能な波長範囲内となる。半導体レーザ装置は、ガスレーザ発振器に比べて、小形に構成することができ、光効率でかつランニングコストを低減して、メンテナンスにかかる手間を少なくすることができる。
【００８７】
本実施の形態のレーザ発振器１０２は、光路を開閉可能なシャッター部材と、シャッター部材を変位駆動するシャッター動作手段とを備える。たとえばシャッター動作手段は、モータによって実現される。これによって制御手段６５は、シャッター部材を変位駆動することができる。シャッター動作手段が、シャッター部材を変位駆動して、レーザ光の光路を開くことによって、集光ヘッド１００へのレーザ光を供給することができる。またシャッター駆動手段が、シャッター部材を変位駆動して、レーザ光の光路を遮ることによって、集光ヘッド１００へのレーザ光の供給を停止することができる。
【００８８】
シャッター動作手段は、上述した制御手段６５によって制御される。制御手段６５が、シャッター動作手段を制御することによって、被接合部分３ａにレーザ光を照射するレーザ光照射状態と、被接合部分３ａへのレーザ光照射を停止するレーザ光非照射状態とのいずれかに切換えることができる。
【００８９】
また本実施の形態のレーザ発振器１０２は、目的とする照射エネルギーのレーザ光を発生させることができる。レーザ発振器１０２は、発振出力調整手段が設けられ、発振出力調整手段によって、発生するレーザ光の単位時間あたりのパワーを変更することができる。制御手段６５は、発振出力調整手段を制御することによって、被接合部分３ａに照射するレーザ光のパワーを変更することができる。
【００９０】
図６は、レーザ光が被接合部分３ａに照射された照射領域１０９を説明するための断面図である。図７は、本体部５とピン部６とが被接合部分３ａに接触する領域１１５，１１６を説明するための図である。図６について、理解を容易にするために被接合部分３ａにレーザ光が照射されて加熱された領域１１１を黒色に色分けして示す。図７について、レーザ光が被接合部分３ａに照射された接合領域１０９を黒色に色分けした領域で示す。また被接合部分３ａの表面にピン部６が接触するピン部接触領域１１６を破線によってハッチングした領域で示す。また被接合部分３ａの表面に本体部５が接触する本体部接触領域１１５を実線によってハッチングした領域で示す。
【００９１】
集光ヘッド１００の取付位置および焦点位置が調整されて、レーザ光の照射領域１０９は、ピン部接触領域１１６を含み、本体部接触領域１１５に含まれるように調整される。すなわちピン部接触領域１１６以上の大きさでかつ、本体部接触領域１１５以下の大きさに調整される。照射領域１０９がピン部接触領域１１６を含むことで、接合ツール没入段階において、ピン部６を被接合部分３ａのうちで軟化した部分に確実に接触させることができ、スポット接合において磨耗しやすいピン部６の損耗を低減することができる。また照射領域１０９を本体部接触領域１１５よりも小さくすることで、被接合部分３ａから離れた部分の温度が上昇することを防ぎ、被接合物３に生じる熱ひずみの影響を抑えることができる。これによって摩擦撹拌接合の特徴である接合後の被接合物３に生じる熱ひずみが少ないという効果を維持することができる。
【００９２】
たとえば接合ツール４の軸線Ｌ１とレーザ光の光軸Ｌ２とが、被接合部分３ａの表面で交差するように調整され、レーザ光の光軸Ｌ２に垂直な仮想面におけるレーザ光のスポット径が円形である場合、図７に示すように照射領域１０９は、接合ツールＬ１を中心とする楕円形状に形成される。この場合、照射領域１０９は、上述したようにピン部接触領域１１６を含み、本体部接触領域１１５に含まれる。具体的には、楕円に形成される照射領域１０９の長軸の長さＢ１は、本体部５の直径Ｂ２よりも小さく設定される。また照射領域１０９の短軸の長さＢ３は、ピン部６の直径Ｂ４よりも大きく設定される。
【００９３】
図８は、スポット径の形状が円形でない第１の場合の、本体部５とピン部６とが被接合部分３ａに接触する領域１１５，１１６を説明するための図である。レーザ光の光軸Ｌ２に垂直な仮想平面におけるレーザ光のスポット径が円形でない場合、図８に示すように照射領域１０９が接合ツール４の軸線Ｌ１を中心とする矩形形状となる場合がある。
【００９４】
この場合であっても、照射領域１０９は、上述したようにピン部接触領域１１６を含み、本体部接触領域１１５に含まれる。具体的には、矩形に形成される照射領域１０９の長辺の長さＣ１は、本体部５の直径Ｃ２よりも小さく設定される。また照射領域１０９の短辺の長さＣ３は、ピン部６の直径Ｃ４よりも大きく設定される。このように照射領域１０９が多角形形状に形成される場合には、その内接円直径がピン部６の直径以上に設定され、その外接円直径が本体部５の直径以下に設定される。なお多角形形状に形成される照射領域１０９において、内接円直径が本体部５の直径以下に設定されることがさらに好ましい。
【００９５】
図９は、スポット径の形状が円形でない第２の場合の、本体部５とピン部６とが被接合部分３ａに接触する領域１１５，１１６を説明するための図である。レーザ光の光軸Ｌ２に垂直な仮想平面におけるレーザ光のスポット径が円形でなく楕円となる場合、図９に示すように照射領域１０９が接合ツール４の軸線Ｌ１を中心とする円形となる場合がある。
【００９６】
この場合であっても照射領域１０９は、上述したようにピン部接触領域１１６を含み、本体部接触領域１１５に含まれる。具体的には、円形に形成される照射領域１０９の直径の長さＤ１は、本体部５の直径Ｃ２よりも小さく設定され、ピン部６の直径Ｄ３よりも大きく設定される。このように照射領域１０９が接合ツールの軸線Ｌ１を中心とする円形に設定されることが好ましい。これによって接合ツールの軸線Ｌ１まわりに偏りなく加熱することができ、被接合部分３ａから接合ツール４に与えられる抵抗力を均一にすることができる。たとえば集光ヘッド１００の光学部品群によって照射領域１０９が円形となるように調整可能であることが好ましい。
【００９７】
照射領域１０９を円形に形成することによって、照射領域をピン部６とほぼ同じ大きさにすることができ、照射領域１０９の面積を可及的に小さくことができる。このようにレーザ光の照射領域１０９は、その面積が小さいほうが単位面積あたりに照射されるレーザ光の照射エネルギーを大きくすることができる。したがってより短時間に被接合部分３ａを所定の軟化温度に加熱することができる。
【００９８】
本実施の形態では、本体部５の直径であるショルダ径Ｄｓは１０ｍｍに設定され、ピン部６の直径であるピン径Ｄｐは３ｍｍに設定される。照射領域１０９が円形に形成される場合、照射領域１０９の直径Ｄ１は、５ｍｍに設定される。なお、本体部５の直径は、ショルダ面７の直径と一致する。このように照射領域１０９の直径Ｄ１は、ピン径の直径Ｄｐの半分を超えて、ショルダ径の直径Ｄｓ未満に形成される。すなわち０．５Ｄｐ＜Ｄ１＜Ｄｓとなる。前式において、Ｄ１は、照射領域１０９の直径であり、Ｄｐは、ピン径の直径であり、Ｄｓは、ショルダ径の直径である。
【００９９】
図１０は、単一スポット接合動作における制御手段６５の手順を示すフローチャートである。また図１１および図１２は、単一スポット接合動作を説明するための断面図であり、図１１（１）〜図１１（３）、図１２（１）〜図１２（３）の順番に動作が行われる。以下に１つの被接合部分３ａについてスポット接合する場合の制御手段６５の動作を説明する。
【０１００】
制御手段６５は、ステップａ０で、被接合部分３ａの位置を示す移動情報が教示されるとともに、ツール保持部５１に接合ツール４が装着されて接合準備が完了したうえで、作業者などによって接合開始命令が与えられると、ステップａ１に進み、制御手段６５は、接合動作を開始する。
【０１０１】
ステップａ１では、制御手段６５は、ロボットアーム駆動手段６７に動作指令を与え、基体５５を予め定める被接合部分３ａに近接した教示位置に移動させる。教示位置に基体５５が配置されると、図１１（１）に示すように接合ツール４は、接合待機位置に配置され、被接合物３に設定される被接合部分３ａに対して基準方向Ａに間隔を開けて配置される。また教示位置に基体５５が配置されると、受け台５４は、接合ツール４と反対側から被接合物３に当接する。接合ツール４を接合待機位置に移動させると、ステップａ２に進む。
【０１０２】
ステップａ２では、制御手段６５は、レーザ装置１０３に動作指令を与え、集光ヘッド１００から集光したレーザ光を被接合部分３ａに照射する。レーザ光の照射が開始されると、ステップａ３に進む。ステップａ３では、制御手段６５は、回転駆動手段５２を制御して、ツール保持部５１を回転させる。これによって図１１（２）に示すように、ツール保持部５１とともに接合ツールが回転し、予め定める回転速度に達すると、ステップａ４に進む。
【０１０３】
ステップａ４では、制御手段６５は、直進駆動手段５３を制御し、ツール保持部５１を基準方向一方Ａ１に移動させる。これによって図１１（３）に示すように、接合ツール４が、軸線Ｌ１まわりに回転しながら被接合物３に近接する方向Ａ１に移動する。ステップａ３およびステップａ４では、レーザ装置１０３によるレーザ光照射状態が継続されることによって、被接合部分３ａは加熱される。このように接合ツール４の移動を開始するとステップａ５に進む。
【０１０４】
ステップａ５では、制御手段６５は、被接合部分３ａが予め定める軟化温度に達したことを判断すると、レーザ装置１０３を制御してレーザ光の照射を停止する。軟化温度は、被接合部分３ａが溶融する溶融温度未満であって、被接合部分３ａが接合ツール４に対して軟化する温度である。
【０１０５】
たとえば制御手段６５は、ステップａ２でレーザ光の照射を開始してから、予め設定される軟化温度到達時間が経過すると、被接合部材３ａが軟化温度に達したことを判断する。たとえば被接合物３が炭素鋼から成り、２つの被接合部材１，２によって構成され、一方の被接合部材１の厚さが１．０ｍｍ、他方の被接合部材２の厚さが１．４ｍｍである場合、軟化温度は、８００℃に設定され、軟化温度到達時間は、２．０秒に設定される。なお、軟化温度は、ピン部が没入する直前の温度となる。
【０１０６】
レーザ光の照射を停止した後も、接合ツール４は被接合物３に近接移動する。そして図１２（１）に示すように、接合ツール４は、レーザ光によって軟化した被接合部分３ａに回転しながら没入する。接合ツール４は、被接合部分３ａに没入した後、図１２（２）に示すように回転しながら基準方向一方Ａ１にさらに進行する。これによって接合ツール４は、被接合部分３ａに摺動し、いわゆる摩擦撹拌を行い、ステップａ６に進む。具体的には、接合ツール４のピン部６が被接合部分３ａに完全に没入すると、ショルダ面７が被接合部分３ａに接し、接合ツール４の下降を停止する。このときも接合ツール４は回転を続けているので、ショルダ面７およびピン部６と被接合部分３ａとの摩擦熱によって、軟化した各被接合部材１，２が接合ツール４に引きずられて、塑性流動によって撹拌され、ピン部６の周囲において各被接合部分１，２が混ぜ合わされて一体化する。ステップａ６では、制御手段６５は、予め定める終了条件を満たすと、ステップａ７に進む。
【０１０７】
予め定める終了条件は、たとえば接合ツール４の接合動作を開始してから、予め定める接合時間が経過したか否かによって設定される。この場合、制御手段６５は、接合動作を開始してから、接合ツール４が各被接合部分１，２を充分に撹拌したであろう接合時間が経過すると、ステップａ７に進む。
【０１０８】
また予め定める終了条件は、たとえば接合ツール４が被接合物３に予め定める没入量だけ没入したか否かによって設定されてもよい。この場合、制御手段６５は、ツール位置検出手段７０から与えられる検出結果に基づいて、予め定める没入量没入したことを判断すると、ステップａ７に進む。なお、制御手段６５は、他の終了条件に基づいて、摩擦撹拌の終了を判断してもよい。
【０１０９】
ステップａ７では、制御手段６５は、直進駆動手段５３を制御し、ツール保持部５１を基準方向他方Ａ２に移動させる。これによって図１２（３）に示すように、接合ツール４が被接合物３から離反する方向Ａ２に移動する。そして接合ツール４を接合待機位置に移動させると、ステップａ８に進む。ステップａ８では、制御手段６５は、回転駆動手段５２を制御して接合ツール５１の回転を停止し、接合ツール５１の回転が停止すると接合動作を終了する。なお、ステップａ４におけるレーザ光の照射停止した後に、接合ツール４を被接合部分３ａに没入させればよく、ステップａ２、ステップａ３およびステップａ４の順番が入れ替わってもよい。
【０１１０】
このようにして１つの被接合部分３ａにおけるスポット接合動作が行われる。接合ツールの回転速度、被接合部分３ａに対する加圧力、レーザ光の照射領域、レーザ光の単位時間あたりのパワーおよびレーザ光の照射時間などの接合動作パラメータ値は、予め実験などによって求められた最適な動作量に設定される。
【０１１１】
たとえば、厚み方向に重ね合わされた２つの炭素鋼製被接合部材１，２を接合する場合、一方の被接合部材の板厚が１．０ｍｍ、他方の被接合部材の板厚が１．４ｍｍの場合であって、本体部５の直径が１５ｍｍ、ピン部６の直径が６ｍｍの接合ツール４を用いる場合、接合ツールの回転数が３０００ｒｐｍ、没入後の接合ツール加圧力が５５ＭＰａ（５５０ｋｇｆ／ｃｍ２）、円形のレーザ照射領域の直径が８．０ｍｍ、レーザ照射パワーが１．０ｋＷ、照射時間が３．０秒に設定される。なお、接合ツール加圧力は、３０ＭＰａ（３００ｋｇｆ／ｃｍ２）であってもよい。
【０１１２】
同じ接合条件で複数の被接合部分３ａを順番に接合する場合、上述した動作量を設定した状態で、制御手段６５は、上述したステップａ１〜ａ８を繰返してスポット接合を繰返す。なお、加熱して軟化された被接合部分３ａに接合ツール４を没入することによって、軟化せずに接合ツール４を没入する場合に比べて、短時間で接合ツール４を所定の没入量まで到達させることができる。これによって結果的に接合時間を短縮することができる。
【０１１３】
図１３は、図１０に示すフローチャートにおける接合ツールの動作と、レーザ照射状態との時間変化を示すタイミングチャートである。
【０１１４】
基台５５が被接合部分３ａに近接した教示位置に移動した準備位置到達時刻Ｔ０から予め定める第１時間Ｗ１が経過して第１時刻Ｔ１に達すると、制御手段６５は、レーザ光を被接合部分３ａに照射する。被接合部分３ａは、第１時刻Ｔ１からレーザ光によって加熱される。第１時刻Ｔ１から予め定める軟化到達時間Ｗ３が経過すると第４時刻Ｔ４に達し、被接合部分３ａは軟化温度に達する。制御手段６５は、第４時刻Ｔ４に達すると、レーザ光の照射を停止する。
【０１１５】
また準備位置到達時刻Ｔ０から予め定める第２時間Ｗ２が経過して第２時刻Ｔ２に達すると、制御手段６５は、接合ツール４の回転を開始する。第２時刻Ｔ２から予め定める回転開始時間Ｗ４が経過すると第３時刻Ｔ３に達し、接合ツール４は所定没入回転数に達する。制御手段６５は、第３時刻Ｔ３以降、接合ツール４が所定回転数で回転するように回転駆動手段５２をする。
【０１１６】
第３時刻Ｔ３に達すると、制御手段６５は、接合ツール４を基準方向一方Ａ１へ移動開始する。これによって接合ツール４は、被接合物３に近接する方向に移動する。第３時刻Ｔ４から予め定める第５時間Ｗ５が経過すると第５時刻Ｔ５に達し、接合ツール４は被接合部分３ａに接触する。なお上述したレーザ光の照射を停止する第４時刻Ｔ４は、第５時刻よりも前の時間に設定される。言い換えると第４時刻Ｔ４から予め定める加熱停止経過時間Ｐ２が経過してから第５時刻Ｔ５に達する。
【０１１７】
接合ツール４が被接合部分３ａに没入した第５時刻Ｔ５から予め定める第６時間Ｗ６経過して第６時刻Ｔ６に達すると、接合ツール４のピン部６が各被接合部材１，２の境界を通過するとともに、流動化した各被接合部材１，２は十分に撹拌される。第６時刻Ｔ６に達すると、制御手段６５は、接合ツール４を基準方向一方Ａ２へ移動開始する。これによって接合ツール４は、被接合物３から離脱する方向に移動する。第６時刻Ｔ６から予め定める第７時間Ｗ７が経過して第７時刻Ｔ７に達すると、接合ツール４が被接合物３から離脱する。
【０１１８】
また第７時刻Ｔ７から予め定める第８時間Ｗ８が経過して第８時刻Ｔ８に達すると、制御手段６５は、接合ツール４の回転を停止する。また前記第６時刻Ｔ６から予め定める第９時間Ｗ９が経過して第９時刻Ｔ９に達すると、制御手段６５は、接合ツール４の移動を停止する。
【０１１９】
接合ツール４は没入する直前まで、レーザ光を照射していることが好ましい。たとえば接合ツール４の移動によって、接合ツール４がレーザ光の照射光路に進入して、レーザ光の照射が妨げられる時刻が第４時刻Ｔ４に設定される。これによって加熱停止経過時間Ｐ２を短くすることができるとともに、接合ツール４がレーザ光によって加熱されることを防ぐことができる。
【０１２０】
この場合、レーザ光を照射してから被接合部分３ａが軟化温度に達するまでの軟化温度達成時間Ｐ１が設定されると、第４時刻Ｔ４で被接合部分３ａが軟化温度に達するように、第４時刻Ｔ４から逆算して第１時刻Ｔ１が設定される。したがって第１時刻Ｔ１は、第４時刻Ｔ４から軟化温度達成時間Ｐ１だけ過去にさかのぼった時刻に設定される。これによってレーザ光が接合ツール４に照射されることなく、レーザ照射タイミングを決定することができる。またレーザ光の照射開始時刻である第１時刻Ｔ１を可及的に遅くすることができる。
【０１２１】
なお、レーザ光の照射を開始する第１時刻Ｔ１は、接合ツール１の回転を開始する第２時刻Ｔ２および接合ツール２の直進移動を開始する第３時刻Ｔ３にかかわらずに設定可能である。また軟化温度達成時間Ｐ１が短い場合には、接合ツール４の回転および直進移動の少なくともいずれか一方を開始した後に、レーザ光の照射を開始してもよい。これによってレーザ光を照射しない場合に比べて、接合時間が延長することなく、短時間で摩擦撹拌接合を行うことができる。
【０１２２】
以上のように本実施の形態の摩擦撹拌接合装置５０によれば、被接合部分３ａにレーザ光を照射させて、被接合部分３ａが軟化する軟化温度に達するまで加熱する。そして軟化温度に達した後、接合ツール４を被接合部分３ａに没入させる。これによってピン部６と被接合物が摩擦接触する前の段階で、既に被接合部分３ａを軟化することができ、接合ツール４に被接合部分３ａからの抵抗力がほとんど与えられることなく、接合ツール４を被接合部分３ａに容易に没入させることができる。したがって接合ツール４、特にその先端のピン部６に生じる磨耗を低減することができる。
【０１２３】
このように接合ツール４の磨耗を防ぐことによって、接合ツール４の寿命を延ばすことができる。したがって接合ツール４を頻繁に交換する必要がなく、生産効率を向上することができる。また強度の高い材料を用いて接合ツール４を実現する必要がなく、接合ツール４を実現する材料の選択肢を増やすことができる。これによって工具鋼などの安価な材料を用いて接合ツール４を実現することができる。
【０１２４】
各被接合部材１，２が炭素鋼、ニッケル合金などの高強度材料から成る場合であっても、接合ツール４の損耗を軽減することができる。また接合ツール４を被接合部分３ａに没入させるたびに、軟化した状態の被接合部分３ａに接合ツール４のピン部６を摩擦接触させることができ、複数の被接合部分３ａを順番にスポット接合する場合においても、接合ツール４のピン部６の磨耗を好適に低減することができる。また被接合部分３ａをツール没入前に加熱することによって、短時間に所望とする没入量まで接合ツール４を没入させることができ、接合時間を短縮することができる。
【０１２５】
また加熱手段としてレーザ光を用いることによって、接合ツール４のピン部６が被接合部分３ａに接触するピン部接触領域１１６とその直近に限られた領域のみをごく短期間で、効率よくかつ非接触で加熱できる。これによって他の加熱手段に比べて取り扱いやすい。また被接合部分３ａを溶融させる必要がないので、レーザ光の出力として、おおむね１ｋＷ以下でよい。
【０１２６】
図６に示すように、接合ツールの軸線Ｌ１とレーザ光の光軸Ｌ２とが被接合部分３ａの表面で一致するように調整されることによって、接合ツール４の先端が正確な位置からずれて回転し、いわゆるふれまわりを生じたとしても、軟化した被接合部分３ａにピン部６をはまり込ませることができ、被接合部分３ａから接合位置がずれることを防止することができる。これによって被接合物３に等間隔に離れて被接合部分３ａが設けられる場合、各接合位置の間隔のずれを少なくすることができる。これによって接合後の被接合物３の美観を向上するとともに、接合強度がばらつくことを防ぐことができる。
【０１２７】
さらに集光したレーザ光によって被接合部分３ａを加熱することによって、被接合部分３ａにおける入熱量の制御を容易に行うことができる。すなわち被接合部分３ａについて局所的に加熱することができ、被接合部分３ａ以外の残余の部分に熱が伝わる前に、被接合部分３ａを所定の軟化温度に加熱することができる。また接合ツール４を没入する直前に被接合部分３ａを予熱することによって、レーザ光によって発生した熱が分散する前に接合ツール４を被接合部分３ａに没入させることができ、レーザ光による予熱温度を過剰に高くする必要がない。
【０１２８】
また予熱する温度を融点温度以上にすると、熱ひずみの影響が大きく、接合品質が低下するが、レーザ光によって被接合部分３ａを加熱する温度を融点温度未満とすることによって、摩擦撹拌接合の特徴である熱ひずみを抑える効果を維持することができ、接合後の被接合物３の接合品質を維持することができる。またレーザ光を用いて加熱することによって、非接触で短時間に加熱することができるとともに、他の加熱手段に比べて取扱いを容易にすることができる。
【０１２９】
また本実施の形態では、被接合部分３ａが軟化温度に達すると、レーザ光の照射を停止する。これによって被接合部分３ａの過剰な加熱を防いで、被接合部分以外の残余の部分に熱が伝わることを防ぐことができる。さらに接合ツール４が移動したときに、接合ツール４がレーザ光の照射光路に進入して、レーザ光の照射が妨げられる時刻以前にレーザ光の照射を停止することによって、接合ツール４が没入する直前まで、レーザ光を被接合部分３ａに照射することができるとともに、接合ツール４がレーザ光によって加熱されることを防ぐことができる。接合ツール４が没入する直前に被接合部分３ａが軟化温度に達することによって、被接合部分３ａ以外の部分に熱が拡散することを防いで、熱ひずみの影響を少なくすることができる。
【０１３０】
基体５５は、接合ツール４を搭載しているために被接合部分３ａに向かって移動する移動する必要がある。本実施の形態では、レーザ発振器１０２と基体５５とが別体に設けられる。したがってレーザ発振器１０２を基体５５に搭載する必要がないので、基体５５を小形にするとともに、基台を移動させるために必要な動力を低減することができる。またレーザ光は、可撓性を有する光ファイバ１０１を介してレーザ発振器１０２から集光ヘッド１００に導かれる。光ファイバ１０１は、変形することによって集光ヘッド１００と光ファイバ１０１との光路を確保することができる。したがって基体５５がレーザ発振器１０２に対して変位したとしても、レーザ発振器１０２から集光ヘッド１００にレーザ光を確実に供給することができる。
【０１３１】
また集光ヘッド１００は、その光学系の焦点位置１０４を調整することによって、被接合部分３ａに照射されるレーザ光の照射領域１０９の大きさを変更することができる。したがって接合条件、たとえば、被接合部材の材質、接合ツールのピン形状が変更された場合でも、変化した接合条件に応じて照射領域１０９の大きさを調整することができる。これによって照射領域１０９の大きさを変更するために、焦点位置１０４の異なる集光ヘッド１００に取替えたり、集光ヘッド１００の取付位置を変更したりする必要がなく、利便性を向上することができる。
【０１３２】
さらに種々のレーザ装置の中から半導体レーザ装置を用いてレーザ発振器を実現することによって、摩擦撹拌接合装置５０を小形化できるとともにメンテナンス性の向上を図ることができる。また本実施の形態では、シャッター部材を変位移動させることによってレーザ光の照射状態および非照射状態とを切換える。すなわちレーザ発振器によってレーザの発振を維持した状態で、光路を遮ることによって照射状態を切換える。したがって照射状態と非照射状態とを短時間で切換えることができるとともに、切換後のレーザ光の状態が不安定となることを防ぐことができる。したがって複数の被接合部分３ａを順番に接合する場合であっても、レーザ光の照射状態を安定化することができ、接合品質を一定に保つことができる。
【０１３３】
また基体５５と集光ヘッド１００とを連結する支持部１１０は、ダンパ性およびばね性を有して形成されることが好ましい。これによって基体５５が急発進および急停止したときに、その衝撃および振動が集光ヘッド１００に伝わることを防ぐことができる。また仮に振動が集光ヘッド１００に伝わっても、その振動を素早く減衰させることができる。これによってレーザ光の照射領域が振動することを防ぐとともに、集光ヘッド１００に内蔵される光学部品群の互いの位置がずれることを防ぐことができる。また集光ヘッド１００と基体５５とが一体に設けられるので、集光ヘッド１００を支持するロボットと、接合ツールを支持するロボットとの２つのロボットを必要とすることなく、１台のロボットで摩擦撹拌接合を行うことができる。
【０１３４】
図１４は、複数スポット接合動作における制御手段６５の手順を示すフローチャートである。複数の被接合部分３ａに順番にスポット接合する場合、スポット接合毎に接合条件、たとえば各被接合部材１，２の板厚、材質などが異なる場合がある。このような場合であっても、予め記憶される動作条件テーブルを参照して、スポット接合毎に動作パラメータ値を変更することによって、スポット接合を良好に行うことができる。以下に接合条件が異なる複数の被接合部分３ａについて順番にスポット接合する場合の制御手段６５の動作を説明する。
【０１３５】
制御手段６５は、ステップｂ０で、各被接合部分３ａの位置と、各被接合部分３ａを順に移動する基体５５の移動経路を含む移動情報が教示されて制御手段６５の記憶回路に記憶するとともに、ツール保持部５１に接合ツール４が装着されて接合準備が完了したうえで、作業者などによって接合開始命令が与えられると、ステップｂ１に進み、制御手段６５は、接合動作を開始する。
【０１３６】
ステップｂ１では、上述したステップａ１と同様に、制御手段６５は、基体５５を予め定める被接合部分３ａに近接した教示位置に移動させ、ステップｂ２に進む。ステップｂ２では、制御手段６５は、与えられる教示情報に基づいて次に接合すべき被接合部分３ａの接合条件を抽出し、動作条件テーブルを参照して前記接合条件に応じた動作パラメータ値を読出す。ステップｂ２において、次に接合すべき被接合部分３ａに対応する動作パラメータ値を読み出すと、ステップｂ３に進む。
【０１３７】
制御手段６５は、ステップｂ３〜ステップｂ８の動作を順に行う。なお、ステップｂ３〜ステップｂ８の動作は、上述したステップａ２〜ａ７にそれぞれ対応する。制御手段６５は、ステップｂ２で読出した動作パラメータ値、たとえば接合ツール４の回転数、被接合物への没入量、没入接合、加圧力、レーザ照射パワーおよびレーザ照射時間に基づいて、接合ツール４および集光ヘッド１００が動作するように制御する。
【０１３８】
ステップｂ８において、制御手段６５は、接合ツール２１を接合待機位置に移動させると、回転駆動手段５２を制御して接合ツール５１の回転を停止し、ステップｂ９に進む。ステップｂ９では、制御手段６５は、教示情報に基づいて、次に接合すべき被接合部分３ａが存在するか否かを判断する。接合すべき被接合部分３ａが存在する場合には、ステップｂ１に進み、次に接合すべき被接合部分３ａに近接した位置に基体５５を移動させる。
【０１３９】
またステップｂ９で、制御手段が接合すべき被接合部分３ａをすべて接合したと判断すると、ステップｂ１０に進む。ステップｂ１０では、制御手段６５は、回転駆動手段５２を制御して接合ツール５１の回転を停止し、接合ツール５１の回転が停止すると接合動作を終了する。
【０１４０】
このように摩擦撹拌接合装置５０が、動作条件テーブル１０４を有して接合条件に応じた動作パラメータ値を読出し、パラメータ値に基づいて動作パラメータ値を変更することによって、接合条件が異なる複数の被接合部分３ａを順番に接合することができる。したがって接合ツール４の磨耗を防ぐとともに、接合品質を向上して短時間で摩擦撹拌接合を行うことができる。
【０１４１】
制御手段６５は、接合条件に基づいてレーザ光の照射エネルギーを調整することによって、スポット接合のたびにレーザ光の照射エネルギーを変更することができる。たとえば被接合部分３ａの材料が高融点材料である場合または被接合部分３ａの板厚が大きい場合には、被接合部分３ａを加熱する温度を高める。具体的には、レーザ光のパワーを大きくしたり、照射時間を長くしたりする。
【０１４２】
また被接合部分３ａの材料が低融点材料である場合または被接合部分３ａの板厚が小さい場合には、被接合部分３ａを加熱する温度を低める。具体的には、レーザ光のパワーを小さくしたり、照射時間を短くしたりする。これによって過不足なく被接合部分３ａを加熱することができ、接合ツール４の磨耗を防止するとともに、被接合物３の熱ひずみを抑えることができる。レーザ光のパワーは、レーザ光を被接合部分３ａに照射中に変更してもよい。
【０１４３】
また制御手段６５が、集光ヘッド１００の焦点距離を変更可能である場合には接合条件に応じて照射領域１０９の大きさを変更してもよい。たとえば被接合物１０９の材料、板厚、接合ツールのピン形状が変更された場合に、変更された接合条件に応じて照射領域の大きさを調整することができる。なお、動作条件テーブルには、接合条件と動作条件パラメータ値とが表形式で記憶されるほかに、接合条件と動作条件パラメータ値とを対応づける関係式が記憶されてもよい。
【０１４４】
図１５は、接合ツールの動作と、レーザ照射状態との時間変化の変形例を示すタイミングチャートである。図１５に示す変形例のタイミングチャートは、図１３に示すタイミングチャートと類似しており同様の構成については、説明を省略する。図１３に示すタイミングチャートでは、接合ツール４が所定回転数に達した第３時刻Ｔ３が経過すると、接合ツール４の没入を開始するとしたが、制御手段６５は、接合ツール４の回転にかかわらずに接合ツール４の没入を開始してもよい。この場合、準備位置到達時刻Ｔ０から予め定める第１時間Ｗ１が経過して第１時刻Ｔ１に達すると、準備位置到達時刻Ｔ０から予め定める第２時間Ｗ２が経過して第２時刻Ｔ２に達すると、制御手段６５は、接合ツール４の回転を開始する。また準備位置到達時刻Ｔ０から予め定める第１０時刻Ｔ１０が経過して第３時刻Ｔ３に達すると、制御手段６５は、接合ツール４を基準方向一方Ａ１へ移動開始する。また制御手段６５は、レーザ光を被接合部分３ａに照射する。なお、第１時間Ｗ１、第３時間Ｗ２および第１０時間Ｗ１０は、それぞれ無関係に設定される。
【０１４５】
図１５では、第３時刻Ｔ３が経過した後、第１時刻Ｔ１および第２時刻Ｔ２に達する。すなわち準備位置到達時刻Ｔ０に達してから、接合ツール４を移動させた後、接合ツール４が被接合部分３ａに没入するまでにレーザ光の照射と接合ツールの回転を開始する。軟化温度達成時間Ｐ１が短い場合には、接合ツールを移動させてから、レーザ光の照射を開始しても、接合ツール４の移動によってレーザ光の照射が妨げられる時刻に達する前に被接合部分３ａを軟化させることができる。このような場合には上述したように接合ツール４の移動を開始した後で、接合ツール４の回転を開始してもよい。これによってレーザ光を照射しない場合に比べて、接合時間が延長することなく短時間で摩擦撹拌接合を行うことができる。
【０１４６】
また接合ツール４が被接合部分３ａに没入する段階では、被接合部分が十分に軟化しているので、接合ツール４の回転数が予め定める所定回転数に到達する前であっても、好適に摩擦撹拌接合を行うことができる。これによって接合ツール４の回転数が所定の回転数に達する前に、接合ツール４の没入を開始することができるので、さらに短時間で摩擦撹拌接合を行うことができる。
【０１４７】
また被接合部分３ａが軟化しているので、接合ツール４が被接合部分３ａに没入したあとで接合ツール４の回転を開始してもよい。この場合、接合ツール４がぶれることなく被接合部分３ａに没入させることができ、接合部分３ａに接合ツール４を正確に接合することができる。
【０１４８】
図１６は、接合装置５０の一部を拡大して示す断面図である。ツール保持部５１は、接合ツール４を着脱可能に保持する。ツール保持部５１は、基準軸線Ｌ１まわりに回転自在に設けられるとともに、基準軸線Ｌ１に沿って移動自在に設けられる。ツール保持部５１は、後述する可動部５９の把持部分５９ａに回転自在に支持される。
【０１４９】
ツール保持部５１は、略円筒状に設けられ、基準軸線Ｌ１に同軸に設けられる。ツール保持部５１は、外周部に基準方向Ａに平行な方向に延びる外スプライン４７が形成される。したがってツール保持部５１は、スプライン軸として形成される。またツール保持部５１は、その基準方向一方Ａ１側の端部４８で、接合ツール４の軸線方向他方Ａ２側の端部４９を把持する。これによって接合ツール４は、ツール保持部５１とともに変位移動および回転移動する。
【０１５０】
回転駆動手段５２は、回転支持部５６と、回転モータ５７と、回転用伝達部５８とを有する。回転モータ５７は、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるための駆動源である。回転モータ５７は、サーボモータによって実現される。回転モータ５７は、予め定める回転速度で回転するために、与えられる電流がフィードバック制御される。
【０１５１】
回転用伝達部５８は、ツール保持部５１の外スプライン４７が嵌り込むスプライン受け４６が設けられる。スプライン受け４６は、ツール保持部５１の基準方向Ａへの移動を許容した状態で、ツール保持部５１と一体的に回転する。また回転用伝達部５８は、回転モータ５７からの回転力をスプライン受け４６に伝達するベルト回転伝達機構４５を有する。
【０１５２】
回転モータ５７が回転すると、回転用伝達部５８によって回転力が伝達され、スプライン受け４６が基準軸線Ｌ１まわりに回転する。スプライン受け４８は、ツール保持部５１の外スプライン４７と嵌合しているので、スプライン受け４８とともにツール保持部５１および接合ツール４が回転する。
【０１５３】
直進駆動手段５３は、可動部５９と、変位支持部６０と、変位モータ６１と、移動用伝達部６２とを有する。支持部６０は、可動部５９を基準方向Ａに変位自在に支持する。変位モータ６１は、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるための駆動源である。変位モータ６１は、サーボモータによって実現される。変位モータ６１は、予め定める回転速度で回転するために、与えられる電流がフィードバック制御される。
【０１５４】
移動用伝達部６２は、基準軸線Ｌ１に同軸に延びるボールねじ軸４４が設けられる。ボールねじ軸４４は、可動部５８に設けられるボールねじ受け部分５９ｄに螺合して、ボールねじ機構を実現する。また移動用伝達部６２は、変位モータ６１からの回転力をボールねじ軸４４に伝達するベルト回転伝達機構４５を有する。
【０１５５】
可動部５９は、把持部分５９ａと、案内部分５９ｂと、前記ボールねじ受け部分５９ｄと、連結部分５９ｃとを含んで構成される。把持部分５９ａは、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転可能に支持する。案内部分５９ｂは、支持部６０に案内されて、基準方向Ａ以外の方向への変位が阻止される。たとえば支持部６０と案内部分５８とは、いずれか一方がレールであって、いずれか他方がレールに嵌合するスライドレールとであり、これらレールとスライドレールとで、スライド移動機構を実現する。また連結部分５８ｃは、案内部分５８ｂと、把持部分５８ａと、ボールねじ受け部分５９ｄとを一体に連結する。
【０１５６】
変位モータ６１が回転すると、変位用伝達部６２によって回転力が伝達され、ボールねじ軸４４が基準軸線Ｌ１まわりに回転する。ボールねじ軸４４は、可動部５９のボールねじ受け部分５９ｄと螺合しており、ボールねじ軸４４の回転とともに可動部５９が基準方向Ａに移動する。ツール保持部５１は、可動部５９に支持されているので、可動部５９とともに基準方向Ｌ１に移動する。
【０１５７】
このような構成によって、接合装置５０は、各モータを駆動することによって、装着される接合ツール４を回転駆動するとともに、基準方向Ａに変位駆動することができる。接合装置５０は、ボールねじ機構によって、変位モータ６１からの回転力を、接合ツール４を変位駆動する直進力に変換することによって、接合ツール４が被接合物から瞬間的に大きな反力を受けても、変位モータ６１に反力が伝達することが防止される。
【０１５８】
また前述した接合装置５０の構成は、発明の実施の一形態である。したがって接合ツール４を回転駆動および変位駆動であれば、他の構成によって実現されてもよい。
【０１５９】
図１７は、本発明の実施の第２形態である摩擦撹拌接合装置２５０の一部を拡大して示す斜視図である。第２の形態の摩擦撹拌接合装置２５０（以下単に、接合装置２５０と称する）は、第１形態の接合装置５０と類似した構成を示す。具体的には、第２の形態の接合装置２５０は、レーザ光を照射する照射孔が接合ツール４に形成されてもよい。すなわち接合ツール４がレーザヘッドを兼用する。この他の構成については第１形態の接合ツール５０と同様である。
【０１６０】
接合ツール４には、その軸線Ｌ１に沿ってレーザ光が通過可能なツール側透過部２５１が形成される。ツール側透過部２５１は、軸線Ｌ１に沿って貫通する貫通孔が形成されてもよく、軸線Ｌ１に沿って貫通する貫通孔に光透過性を有する透明材料が充填されて形成されてもよい。ツール保持部５１は、接合ツールを回転可能に保持するとともに、接合ツール４のツール側透過部２５１にレーザ光を導光可能に構成される。
【０１６１】
たとえばツール保持部５１と光ファイバ１０１とがカップリングなどによって結合されることによって、回転するツール保持部５１に光ファイバ１０１を連結することができる。これによって光ファイバ１０１を介してレーザ光をツール保持部５１に導くことができる。ツール保持部５１に導かれたレーザ光は、接合ツール４の先端部から被接合部分３ａに照射される。
【０１６２】
これによって被接合部分３ａを接合前に加熱することができ、第１実施形態の接合装置５０と同様の効果を得ることができる。また第１実施形態のように接合ツール４に対して別途集光ヘッド１００を設ける必要がないので、狭い空間に被接合部分３ａが設けられる場合であっても、摩擦撹拌接合を行うことができる。さらにレーザ照射領域と接合ツールの軸線とがずれを防ぐことができる。
【０１６３】
また第１および第２実施形態において、レーザ光を照射する受側照射孔が受け台５４に形成されてもよい。この場合、受け台５４には、接合装置の基準軸線Ｌ１に沿ってレーザ光が通過可能な透過部２５２が形成される。透過部２５２は、軸線Ｌ１に沿って貫通する貫通孔が形成されてもよく、軸線Ｌ１に沿って貫通する貫通孔に光透過性を有する透明材料が充填されて形成されてもよい。受け台５４は、光ファイバ１０１が結合される。これによって光ファイバ１０１を介してレーザ光を受け台５４に導くことができる。これによって光ファイバ１０１を受け台５４に当接する被接合部分３ａに照射することができる。このようにして受け台５４からもレーザ光を照射することによって、被接合物３の被接合部分３ａの厚み方向両側部分をレーザ光によって加熱することができる。したがって、より短時間に被接合部分３ａを軟化することができる。
【０１６４】
以上のような摩擦撹拌接合装置５０，２５０は、発明の例示に過ぎず、発明の範囲内で構成を変更することができる。たとえば接合ツール４を回転および直進移動する機構については、他の構成を用いて実現してもよい。また上述した被接合物の材料名は、一例示であって他の材料を用いても同様の効果を得ることができる。また被接合物３が光強度高融点材料でない場合であっても、接合ツール４の磨耗を低減するという効果を達成することができる。またレーザ照射パワー、レーザ照射時間などの各接合に関する数値は、一例示であって上述した数値に限定されない。また基体５５は、ロボットに搭載されてスポット接合用摩擦撹拌接合システムを構成するが、基体５５はロボットに搭載されなくてもよく、スポット接合可能な構成であればよい。またレーザ装置として半導体レーザ装置を用いた場合について説明したが、集光可能なレーザであれば他のレーザ装置を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明の実施の第１形態である摩擦撹拌接合装置５０の一部を拡大して示す斜視図である。
【図２】摩擦撹拌接合装置５０を簡略化して示す正面図である。
【図３】接合装置５０の構成を示すブロック図である。
【図４】接合装置５０の受け台付近を拡大して示す正面図である。
【図５】レーザ装置１０３の構成を示すブロック図である。
【図６】レーザ光が被接合部分３ａに照射された照射領域１０９を説明するための断面図である。
【図７】本体部５とピン部６とが被接合部分３ａに接触する領域１１５，１１６を説明するための図である。
【図８】スポット径の形状が円形でない第１の場合の、本体部５とピン部６とが被接合部分３ａに接触する領域１１５，１１６を説明するための図である。
【図９】スポット径の形状が円形でない第２の場合の、本体部５とピン部６とが被接合部分３ａに接触する領域１１５，１１６を説明するための図である。
【図１０】単一スポット接合動作における制御手段６５の手順を示すフローチャートである。
【図１１】単一スポット接合動作を説明するための断面図である。
【図１２】単一スポット接合動作を説明するための断面図である。
【図１３】図１０に示すフローチャートにおける接合ツールの動作と、レーザ照射状態との時間変化を示すタイミングチャートである
【図１４】複数スポット接合動作における制御手段６５の手順を示すフローチャートである。
【図１５】接合ツールの動作と、レーザ照射状態との時間変化の変形例を示すタイミングチャートである。
【図１６】接合装置５０の一部を拡大して示す断面図である。
【図１７】本発明の実施の第２形態である摩擦撹拌接合装置２５０の一部を拡大して示す斜視図である。
【図１８】アルミ合金と、炭素鋼と、接合ツールに用いられる材料との強度の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１６６】
１，２  被接合部材
３  被接合物
３ａ  被接合部分
４  接合ツール
５  本体部
６  ピン部
５０，２５０  摩擦撹拌接合装置
５１  ツール保持部
５２  回転駆動手段
５３  直進駆動手段
５５  基体
６３  多関節ロボット
６５  制御手段
１００  集光ヘッド
１０１  光ファイバケーブル
１０２  レーザ発振器
１０３  レーザ装置
１０９  レーザ照射領域
１１５  本体部接触領域
１１６  ピン部接触領域
【図１】
2006021217.tif 000003
【図２】
2006021217.tif 000004
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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