【手続補正書】
【提出日】平成28年6月14日(2016.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材の被接合部に対し、前記被接合部を挟んで一方側に配置される第１回転ツールと、
前記被接合部を挟んで他方側に配置され、前記第１回転ツールに対向して設けられる第２回転ツールと、を備え、
前記第１回転ツールは、
前記被接合部の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体と、
前記第１ツール本体から前記第２回転ツールに向かって突出する第１プローブと、
前記第１プローブから前記第２回転ツールに向かって突出する突起部と、を有し、
前記第２回転ツールは、
前記被接合部の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、
前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出する第２プローブと、
前記第２プローブに設けられ、前記第１回転ツールの前記突起部を収容可能な突起収容部と、を有することを特徴とする摩擦撹拌工具。
【請求項２】
前記部材は、金属材であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項３】
前記突起部の突出方向における長さは、前記第１プローブ及び前記突起部を合わせた突出方向における長さに比して、５０％以下となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項４】
前記突起部の回転直径は、前記第２プローブの前記第１回転ツール側の回転直径に対し、４０％から８０％までの間の直径となってい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工具。
【請求項５】
前記突起部と、前記突起部が収容される前記突起収容部の内面との間には、非接触状態となる所定の隙間が設けられてい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工具。
【請求項６】
前記突起収容部は、前記第２回転ツールの回転軸に直交する面で切った断面が円形となっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項７】
前記突起部は、前記第１回転ツールの回転軸に直交する面で切った断面が多角形となっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項８】
前記被接合部の厚さが、予め想定される最大厚さである場合、
前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記被接合部の溶接時において、前記突起収容部に前記突起部の少なくとも一部を収容した状態で回転させられることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項９】
前記被接合部の一方側の面に直交する方向と前記第１回転ツールの回転軸とがなす角度、及び前記被接合部の他方側の面に直交する方向と前記第２回転ツールの回転軸とがなす角度は、０°から３°の間の角度であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１０】
前記突起部は、前記第１プローブに対し、着脱自在に固定されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１１】
前記第１プローブは、前記突起部を固定する固定穴をさらに有し、
前記突起部は、前記固定穴の外側に突出し、前記第１プローブに接触するフランジ部を有することを特徴とする請求項１０に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１２】
前記突起部は、前記第２プローブよりも硬度の低い材料を用いて構成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１３】
前記突起部は、前記被接合部の厚さに応じて突出方向の長さが異なるものが複数種用意されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１４】
前記第１回転ツールは、
前記第１回転ツールの回転軸に沿って、前記第１プローブに貫通形成される第１挿通穴と、
前記第１挿通穴の内部を移動可能な突起ピンと、を有し、
前記突起部は、前記第１挿通穴から突出する前記突起ピンの一部であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１５】
前記突起収容部は、前記第２回転ツールの回転軸に沿って、前記第２プローブに貫通形成され、前記突起ピンの一部が挿入される第２挿通穴であることを特徴とする請求項１４に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１６】
前記第２回転ツールは、
前記第２挿通穴の内部を移動可能な押出しピンを、さらに有することを特徴とする請求項１５に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１７】
前記突起ピンと前記第１挿通穴とは、スプラインで結合されていることを特徴とする請求項１４から１６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１８】
前記突起ピンは、前記第１挿通穴に対して回転自在に挿通されていることを特徴とする請求項１４から１６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項１９】
前記突起ピンと前記第１挿通穴との隙間は、前記突起ピンの前記第２回転ツール側となる先端側が狭く、前記突起ピンの後端側が広いことを特徴とする請求項１４から１８のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項２０】
前記被接合部は、一対の板状の前記部材を突き合わせることで形成される開先部であることを特徴とする請求項２から１９のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具と、
前記摩擦撹拌工具の前記第１回転ツールの前記第１ショルダ部を前記被接合部の一方側の面に押し当てた状態で、前記第１回転ツールを回転させる第１押圧回転機構と、
前記摩擦撹拌工具の前記第２回転ツールの前記第２ショルダ部を前記被接合部の他方側の面に押し当てた状態で、前記第２回転ツールを回転させる第２押圧回転機構と、
前記部材に対し、前記第１回転ツールを前記部材の前記被接合部に沿って移動させる第１移動機構と、
前記部材に対し、前記第２回転ツールを前記部材の前記被接合部に沿って移動させる第２移動機構と、
前記第１押圧回転機構、前記第２押圧回転機構、前記第１移動機構及び前記第２移動機構を制御する制御部と、を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２２】
前記第１移動機構及び前記第２移動機構は、前記部材の前記被接合部に沿って前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを同期して移動させることを特徴とする請求項２１に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２３】
前記摩擦撹拌工具の負荷を検出する工具負荷検出器を、さらに備え、
前記制御部は、前記工具負荷検出器の検出結果に基づいて、前記摩擦撹拌工具の負荷が小さくなるように、前記第１押圧回転機構、前記第２押圧回転機構、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項２１または２２に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２４】
前記工具負荷検出器は、前記第１移動機構の動力源に加わる負荷を検出する第１動力負荷検出器と、前記第２移動機構の動力源に加わる負荷を検出する第２動力負荷検出器と、を有し、
前記制御部は、前記第１動力負荷検出器により検出された負荷と、前記第２動力負荷検出器により検出された負荷との差分が小さくなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２５】
前記工具負荷検出器は、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールの少なくとも一方の回転軸の歪みを検出する歪み検出器を有し、
前記制御部は、前記歪み検出器により検出された歪みが小さくなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２６】
前記工具負荷検出器は、前記摩擦撹拌工具の作動音を検出する作動音検出器を有し、
前記制御部は、前記作動音検出器により検出された作動音が小さくなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２７】
前記工具負荷検出器は、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールの少なくとも一方の振動を検出する振動検出器を有し、
前記制御部は、前記振動検出器により検出された振動モードが、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールの少なくとも一方に負荷が加わったときの負荷振動モードである場合、前記負荷振動モード以外の振動モードとなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２３に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２８】
請求項１から２０のいずれか１項に記載の摩擦撹拌工具を用いて、前記部材の前記被接合部を溶接する摩擦撹拌接合方法であって、
接合開始点に予め貫通形成された貫通穴に対し、前記貫通穴の一方側から前記第１回転ツールを挿入し、前記貫通穴の他方側から前記第２回転ツールを挿入すると共に、前記第１回転ツールの前記突起部を、前記第２回転ツールの前記突起収容部に収容させ、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとを回転させる回転工程と、
前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとの差し込み位置を相対的に調整する位置調整工程と、
前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを前記部材の前記被接合部に沿って前記接合開始点から接合終了点まで移動させる移動工程と、
前記接合終了点において、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを回転させた状態で、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを前記被接合部から引き抜く引抜工程と、を備えることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２９】
前記移動工程では、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとの位置を相対的に調整していることを特徴とする請求項２８に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３０】
前記貫通穴は、一方側の前記第１回転ツールと前記貫通穴との隙間と、他方側の前記第２回転ツールと前記貫通穴との隙間とが異なるような内径となっていることを特徴とする請求項２８または２９に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３１】
前記接合開始点及び前記接合終了点の少なくとも一方は、前記部材に取り付けられたタブ板上となっていることを特徴とする請求項２８から３０のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】摩擦撹拌工具、摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合に用いられる摩擦撹拌工具、摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属板の接合部にその表面側及び裏面側から挿入される上下の回転ツールを用い、上下の回転ツールにより摩擦撹拌して金属板を接合する摩擦撹拌接合装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この摩擦撹拌接合装置において、上下の回転ツールは、円筒形のツール本体と、ツール本体の先端部に取り付けられたプローブとを有している。そして、ツール本体の先端部におけるプローブの取り付け部の周辺にショルダ部が形成されている。摩擦撹拌接合装置は、上下の回転ツールのプローブの先端間に所定の隙間を与えた状態で摩擦撹拌接合を行っている。
【０００３】
また、金属板の接合部の表面側及び裏面側に相対向するように配置される第１及び第２の回転ツールを用い、第１及び第２の回転ツールにより摩擦撹拌して金属板を接合する摩擦撹拌接合装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この摩擦撹拌接合装置において、第１及び第２の回転ツールの一方は、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、ツール本体から突出して形成されたプローブ（突起部）とを有し、他方は、ショルダ部を先端部分に形成したツール本体と、プローブの先端部を収納する凹み部とを有している。摩擦撹拌接合装置は、一方の回転ツールの突起部を、他方の回転ツールの凹み部に挿入した状態で摩擦撹拌接合を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８３８３８５号公報
【特許文献２】特許第４８３８３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の摩擦撹拌接合装置は、上下の回転ツールのプローブの先端間に所定の隙間が与えられる。このため、金属板の板厚が厚くなると、材料規格で許容される公差の絶対値が大きくなるため、隙間が大きくなってしまい、キッシングボンドと呼ばれる接合欠陥部（未接合部）が発生する可能性がある。特に、２０００系や７０００系のアルミ二ウム合金のような接合温度での流動特性が悪い材料では、許容できる隙間の量が小さく、このような欠陥が発生しやすい。さらに、接合後の金属板を塑性加工する場合には、接合欠陥部を起因とする亀裂等の破損が発生する可能性がある。
【０００６】
また、特許文献２に記載の摩擦撹拌接合装置は、プローブが金属板の厚さ方向に亘って設けられている。このため、金属板の板厚が厚くなると、プローブの長さを長くする必要がある。プローブの長さを長くすると、プローブに加わる曲げモーメントが大きくなるため、工具への負荷が大きくなってしまい、工具の破損につながる可能性も高い。また、工具に加わる負荷に耐え得る構成とすると、プローブの径を大きくする必要があるため、回転ツールを大きなものとしなければならず、これに伴って、工具を駆動する軸やモータ等の装置構成を大きくすることになってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、金属材の接合部における厚さが変化しても、工具に加わる負荷を抑制しつつ、接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる摩擦撹拌工具、摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の摩擦撹拌工具は、部材の被接合部に対し、前記被接合部を挟んで一方側に配置される第１回転ツールと、前記被接合部を挟んで他方側に配置され、前記第１回転ツールに対向して設けられる第２回転ツールと、を備え、前記第１回転ツールは、前記被接合部の一方側の面と接する第１ショルダ部を有する第１ツール本体と、前記第１ツール本体から前記第２回転ツールに向かって突出する第１プローブと、前記第１プローブから前記第２回転ツールに向かって突出する突起部と、を有し、前記第２回転ツールは、前記被接合部の他方側の面と接する第２ショルダ部を有する第２ツール本体と、前記第２ツール本体から前記第１回転ツールに向かって突出する第２プローブと、前記第２プローブに設けられ、前記第１回転ツールの前記突起部を収容可能な突起収容部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、前記部材は、金属材であることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、第１回転ツールの突起部を、第２回転ツールの突起収容部に収容させ、第１回転ツール及び第２回転ツールを回転させて、金属材（部材）の被接合部の両側から入熱を行いながら、被接合部を摩擦撹拌接合することができる。このため、金属材の被接合部の厚みが厚くなっても、突起収容部に対する突起部の収容深さ（挿入深さ）を適宜変更することで、第１プローブ、第２プローブ及び突起部により、被接合部の厚みに亘って摩擦撹拌することができる。これにより、第１プローブと第２プローブとの間に所定の隙間が形成されることがないため、接合欠陥部の発生を抑制することができる。また、金属材の被接合部の厚みが厚くなっても、突起収容部に対する突起部の収容深さを変更すればよいため、第１プローブ及び第２プローブの突出方向における長さを変える必要がないことから、工具への負荷の増大を抑制することができる。以上から、金属材の被接合部における厚さが変化しても、工具に加わる負荷を抑制しつつ、被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。なお、第１回転ツール及び第２回転ツールは、その回転方向及び回転速度が任意となっている。
【００１１】
また、前記突起部の突出方向における長さは、前記第１プローブ及び前記突起部を合わせた突出方向における長さに比して、５０％以下となっていることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、突起部の長さを、第１プローブの長さよりも短くすることができるため、突起部に加わる曲げモーメントを小さくできることから、突起部への負荷を抑制することができる。
【００１３】
また、前記突起部の回転直径は、前記第２プローブの前記第１回転ツール側の回転直径に対し、４０％から８０％までの間の直径となっていることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、第２プローブに突起収容部を設けることで、第２プローブの第１プローブ側に形成される突起収容部の周囲の壁体の厚さを、第２プローブの回転直径の１０％から３０％の厚さとすることができる。例えば、突起部の回転直径が第２プローブの第１回転ツール側の回転直径に対して８０％である場合、突起部が収容される突起収容部の周囲の壁体の厚さを、第２プローブの回転直径の１０％の厚さとすることができる。また、例えば、突起部の回転直径が第２プローブの第１回転ツール側の回転直径に対して４０％である場合、突起部が収容される突起収容部の周囲の壁体の厚さを、第２プローブの回転直径の３０％の厚さとすることができる。このため、第２プローブの第１プローブ側に形成される突起収容部の周囲の壁体の厚さを確保することができる。これにより、突起部が突起収容部の内面に接触した場合であっても、第２プローブの第１プローブ側に形成される突起収容部の周囲の壁体の剛性を、突起部と突起収容部の内面との接触に耐え得る剛性にすることができる。
【００１５】
また、前記突起部と、前記突起部が収容される前記突起収容部の内面との間には、非接触状態となる所定の隙間が設けられていることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、突起部と突起収容部の内面とを非接触状態とすることができるため、接触による第１回転ツール及び第２回転ツールへの負荷を低減することができる。
【００１７】
また、前記突起収容部は、前記第２回転ツールの回転軸に直交する面で切った断面が円形となっていることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、突起収容部の断面を円形にすることで、突起収容部を回転させた場合であっても、突起収容部の形状が変わらないことから、突起部の形状に対して柔軟に対応することができ、これにより、第１回転ツールと第２回転ツールの回転に差が生じた場合でも、突起部との接触を生じ難くすることができる。
【００１９】
また、前記突起部は、前記第１回転ツールの回転軸に直交する面で切った断面が多角形となっていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、突起部の断面を多角形にすることで、摩擦により軟化する被接合部を、突起部により好適に撹拌することができる。
【００２１】
また、前記被接合部の厚さが、予め想定される最大厚さである場合、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールは、前記被接合部の溶接時において、前記突起収容部に前記突起部の少なくとも一部を収容した状態で回転させられることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、被接合部が想定される最大厚さであっても、突起収容部に突起部を収容した状態で、第１回転ツール及び第２回転ツールを回転させることができるため、２つの回転ツール間に隙間ができることがない。
【００２３】
また、前記被接合部の一方側の面に直交する方向と前記第１回転ツールの回転軸とがなす角度、及び前記被接合部の他方側の面に直交する方向と前記第２回転ツールの回転軸とがなす角度は、０°から３°の間の角度であることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、上記の角度が０°である場合には、被接合部の一方側の面に対し、第１回転ツールの回転軸を直交させることができ、同様に、被接合部の他方側の面に対し、第２回転ツールの回転軸を直交させることができる。このため、被接合部の両面に対して第１ショルダ部及び第２ショルダ部を平行に接触させることができることから、各ショルダ部による被接合部への入熱を効率良く行うことができる。また、上記の角度が０°よりも大きい場合には、接合部の両面に対して第１回転ツールの回転軸及び第２回転ツールの回転軸を傾けることができるため、各ショルダ部のショルダ面が被接合部の表面（接触面）に対して傾斜を持った形で当たることになり、被接合部を積極的に撹拌することができる。
【００２５】
また、前記突起部は、前記第１プローブに対し、着脱自在に固定されることが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、突起部を交換することが可能となるため、突起部が損傷した場合には、新たな突起部に取り替えることができる。また、被接合部の厚みに応じて、適切な長さとなる突起部を選定して装着することが可能となる。
【００２７】
また、前記第１プローブは、前記突起部を固定する固定穴をさらに有し、前記突起部は、前記固定穴の外側に突出し、前記第１プローブに接触するフランジ部を有することが好ましい。
【００２８】
この構成によれば、固定穴に突起部を固定した状態において、摩擦により軟化した被接合部の金属が、固定穴と突起部との隙間へ侵入することを、フランジ部によって抑制することができる。これにより、固定穴と突起部とが金属により固着することを抑制することができる。
【００２９】
また、前記突起部は、前記第２プローブよりも硬度の低い材料を用いて構成されることが好ましい。
【００３０】
この構成によれば、第２プローブの突起収容部に突起部が接触した場合、交換可能な突起部によって、第２プローブへの接触による衝撃を吸収することができる。
【００３１】
また、前記突起部は、前記被接合部の厚さに応じて突出方向の長さが異なるものが複数種用意されていることが好ましい。
【００３２】
この構成によれば、被接合部の厚さに適した突出方向の長さとなる突起部を選定して、第１プローブの固定穴に取り付けることができる。このため、被接合部の厚さに適した突起部を用いることで、摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【００３３】
また、前記第１回転ツールは、前記第１回転ツールの回転軸に沿って、前記第１プローブに貫通形成される第１挿通穴と、前記第１挿通穴の内部を移動可能な突起ピンと、を有し、前記突起部は、前記第１挿通穴から突出する前記突起ピンの一部であることが好ましい。
【００３４】
この構成によれば、突起ピンを第１挿通穴の内部で移動させて、突起収容部に突起ピンを収容させることができる。このため、接合部の厚さが変わった場合、第１挿通穴に対する突起ピンの突出量を変更するだけで、接合部の厚さに適した突起部の長さに簡単に変更することができる。なお、突起ピンの回転は、第１回転ツールまたは第２回転ツールの回転速度及び回転方向に従ってもよいし、独立していてもよく、特に限定されない。
【００３５】
また、前記突起収容部は、前記第２回転ツールの回転軸に沿って、前記第２プローブに貫通形成され、前記突起ピンの一部が挿入される第２挿通穴であることが好ましい。
【００３６】
この構成によれば、突起ピンを第２挿通穴に挿入することができるため、突起ピンの第２挿通穴に対する挿入深さを適切な深さにすることができる。この場合、突起ピンは、第１挿通穴と第２挿通穴とに挿入されることから、第１回転ツールの回転軸と第２回転ツールの回転軸とは同軸となるため、被接合部に対して第１回転ツール及び第２回転ツールを傾けずに摩擦撹拌接合が行われる。また、第２挿通穴に対する突起ピンの挿入深さが深ければ、第１回転ツールの回転軸と第２回転ツールの回転軸との芯合わせを精度良く行うことができる。一方で、第２挿通穴に対する突起ピンの挿入深さが浅ければ、突起ピンが僅かに傾いた場合であっても、第２挿通穴の内部で突起ピンの傾きを許容できるため、突起ピンへの負荷を抑制することができる。
【００３７】
また、前記第２回転ツールは、前記第２挿通穴の内部を移動可能な押出しピンを、さらに有することが好ましい。
【００３８】
この構成によれば、溶接後において、摩擦により軟化した被接合部の一部が第２挿通穴に侵入する場合であっても、押出しピンにより、第２挿通穴に侵入した被接合部の軟化した金属を接合完了とともに押し出して、第２挿通穴の外部に排出することができる。このため、第２挿通穴の内部において、侵入した被接合部が固着することを抑制することができる。
【００３９】
また、前記突起ピンと前記第１挿通穴とは、スプラインで結合されていることが好ましい。
【００４０】
この構成によれば、第１挿通穴に対する突起ピンの移動を許容する一方で、突起ピンの回転を第１回転ツールの回転と同期させることができる。
【００４１】
また、前記突起ピンは、前記第１挿通穴に対して回転自在に挿通されていることが好ましい。
【００４２】
この構成によれば、第１回転ツールに同期させることなく、突起ピンを独立して回転させることができる。このため、各ショルダ部の入熱と突起部による撹拌とを独立に制御することができるため、突起ピンの回転を金属材の被接合部のすべての領域において摩擦撹拌接合に適した回転にすることができる。
【００４３】
また、前記突起ピンと前記第１挿通穴との隙間は、前記突起ピンの前記第２回転ツール側となる先端側が狭く、前記突起ピンの後端側が広いことが好ましい。
【００４４】
この構成によれば、突起ピンの先端側において、第１挿通穴との隙間が狭くなっているため、突起ピンの先端側における位置決めを精度良く行うことが可能となる。一方で、突起ピンの後端側において、第１挿通穴との隙間が広くなっているため、突起ピンの変形を許容することができ、突起ピンへの負荷を抑制することができる。
【００４５】
また、前記被接合部は、一対の板状の前記部材を突き合わせることで形成される開先部であることが好ましい。
【００４６】
この構成によれば、突き合わせた一対の板状の部材を摩擦撹拌接合することができる。
【００４７】
本発明の摩擦撹拌接合装置は、上記の摩擦撹拌工具と、前記摩擦撹拌工具の前記第１回転ツールの前記第１ショルダ部を前記被接合部の一方側の面に押し当てた状態で、前記第１回転ツールを回転させる第１押圧回転機構と、前記摩擦撹拌工具の前記第２回転ツールの前記第２ショルダ部を前記被接合部の他方側の面に押し当てた状態で、前記第２回転ツールを回転させる第２押圧回転機構と、前記部材に対し、前記第１回転ツールを前記部材の前記被接合部に沿って移動させる第１移動機構と、前記部材に対し、前記第２回転ツールを前記部材の前記被接合部に沿って移動させる第２移動機構と、前記第１押圧回転機構、前記第２押圧回転機構、前記第１移動機構及び前記第２移動機構を制御する制御部と、を備える。
【００４８】
この構成によれば、上記の摩擦撹拌工具を用いることで、部材の被接合部における厚さが変化しても、工具に加わる負荷を抑制しつつ、被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【００４９】
また、前記第１移動機構及び前記第２移動機構は、前記部材の前記被接合部に沿って前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを同期して移動させることが好ましい。
【００５０】
この構成によれば、第１回転ツール及び第２回転ツールの移動を同期させることができるため、移動によって第１回転ツールと第２回転ツールとが位置ずれすることを抑制することができ、摩擦撹拌工具の突起部と突起収納部との接触を抑制することができる。
【００５１】
また、前記摩擦撹拌工具の負荷を検出する工具負荷検出器を、さらに備え、前記制御部は、前記工具負荷検出器の検出結果に基づいて、前記摩擦撹拌工具の負荷が小さくなるように、前記第１押圧回転機構、前記第２押圧回転機構、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも１つを制御することが好ましい。
【００５２】
この構成によれば、制御部は、摩擦撹拌工具に負荷が加わる場合、摩擦撹拌工具の負荷が小さくなるように、前記第１押圧回転機構、前記第２押圧回転機構、第１移動機構及び第２移動機構の少なくとも一方を制御することで、摩擦撹拌工具への負荷を抑制することができ、摩擦撹拌工具の突起部と突起収納部との接触を抑制することができる。
【００５３】
また、前記工具負荷検出器は、前記第１移動機構の動力源に加わる負荷を検出する第１動力負荷検出器と、前記第２移動機構の動力源に加わる負荷を検出する第２動力負荷検出器と、を有し、前記制御部は、前記第１動力負荷検出器により検出された負荷と、前記第２動力負荷検出器により検出された負荷との差分が小さくなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することが好ましい。
【００５４】
この構成によれば、制御部は、第１移動機構及び第２移動機構の動力源に加わる負荷の差分が小さくなるように、第１移動機構及び第２移動機構の少なくとも一方を制御することで、摩擦撹拌工具への負荷を抑制することができ、摩擦撹拌工具の突起部と突起収納部との接触を抑制することができる。
【００５５】
また、前記工具負荷検出器は、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールの少なくとも一方の回転軸の歪みを検出する歪み検出器を有し、前記制御部は、前記歪み検出器により検出された歪みが小さくなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することが好ましい。
【００５６】
この構成によれば、制御部は、第１回転ツール及び第２回転ツールの少なくとも一方の回転軸の歪みが小さくなるように、第１移動機構及び第２移動機構の少なくとも一方を制御することで、摩擦撹拌工具への負荷を抑制することができ、摩擦撹拌工具の突起部と突起収納部との接触を抑制することができる。
【００５７】
また、前記工具負荷検出器は、前記摩擦撹拌工具の作動音を検出する作動音検出器を有し、前記制御部は、前記作動音検出器により検出された作動音が小さくなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することが好ましい。
【００５８】
この構成によれば、制御部は、摩擦撹拌工具の作動音が小さくなるように、第１移動機構及び第２移動機構の少なくとも一方を制御することで、摩擦撹拌工具への負荷を抑制することができ、摩擦撹拌工具の突起部と突起収納部との接触を抑制することができる。
【００５９】
また、前記工具負荷検出器は、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールの少なくとも一方の振動を検出する振動検出器を有し、前記制御部は、前記振動検出器により検出された振動モードが、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールの少なくとも一方に負荷が加わったときの負荷振動モードである場合、前記負荷振動モード以外の振動モードとなるように、前記第１移動機構及び前記第２移動機構の少なくとも一方を制御することが好ましい。
【００６０】
この構成によれば、制御部は、負荷振動モード以外の振動モードとなるように、第１移動機構及び第２移動機構の少なくとも一方を制御することで、摩擦撹拌工具への負荷を抑制することができ、摩擦撹拌工具の突起部と突起収納部との接触を抑制することができる。
【００６１】
本発明の摩擦撹拌接合方法は、上記の摩擦撹拌工具を用いて、前記部材の前記被接合部を溶接する摩擦撹拌接合方法であって、接合開始点に予め貫通形成された貫通穴に対し、前記貫通穴の一方側から前記第１回転ツールを挿入し、前記貫通穴の他方側から前記第２回転ツールを挿入すると共に、前記第１回転ツールの前記突起部を、前記第２回転ツールの前記突起収容部に収容させ、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとを回転させる回転工程と、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとの差し込み位置を相対的に調整する位置調整工程と、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを前記部材の前記被接合部に沿って前記接合開始点から接合終了点まで移動させる移動工程と、前記接合終了点において、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを回転させた状態で、前記第１回転ツール及び前記第２回転ツールを前記被接合部から引き抜く引抜工程と、を備えることを特徴とする。
【００６２】
この構成によれば、上記の摩擦撹拌工具を用いることで、部材の被接合部における厚さが変化しても、工具に加わる負荷を抑制しつつ、接合開始点から接合終了点まで被接合部の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【００６３】
また、前記移動工程では、前記第１回転ツールと前記第２回転ツールとの位置を相対的に調整していることが好ましい。
【００６４】
この構成によれば、位置調整工程だけでなく、移動工程でも、第１回転ツールと第２回転ツールとの相対的な位置を調整することができるため、第１回転ツールと第２回転ツールとの接触を抑制することができ、摩擦撹拌工具に加わる負荷を抑制することができる。
【００６５】
また、前記貫通穴は、一方側の前記第１回転ツールと前記貫通穴との隙間と、他方側の前記第２回転ツールと前記貫通穴との隙間とが異なるような内径となっていることが好ましい。
【００６６】
この構成によれば、隙間の広い側の回転ツールを先に挿入して回転ツールのショルダ部のショルダ面で穴をふさいだ後、反対側の回転ツールで穴の側壁を削り、それを反対側の回転ツールと貫通穴との隙間に充てんすることで、接合開始部の貫通穴の隙間を減らすことができ、貫通穴への金属材の充填率を高めることができるため、接合開始部の欠陥やへこみの発生を抑制できる。
【００６７】
また、前記接合開始点及び前記接合終了点の少なくとも一方は、前記部材に取り付けられたタブ板上となっていることが好ましい。
【００６８】
この構成によれば、接合開始点に形成される貫通穴、及び接合終了点において第１回転ツール及び第２回転ツールを引き抜くことにより形成される穴が、部材上に形成されることなく、タブ板上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、実施例１に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。
【図２】図２は、実施例１に係る摩擦撹拌工具に関する説明図である。
【図３】図３は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。
【図４】図４は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。
【図５】図５は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。
【図６】図６は、突起部及び突起収容部の形状の一例を示す平面図である。
【図７】図７は、摩擦撹拌接合前の金属板の一例を示す説明図である。
【図８】図８は、実施例１に係る摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【図９】図９は、実施例１の変形例に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。
【図１０】図１０は、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。
【図１１】図１１は、実施例２に係る摩擦撹拌工具を部分的に拡大した説明図である。
【図１２】図１２は、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。
【図１３】図１３は、実施例３の変形例に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００７０】
以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００７１】
図１は、実施例１に係る摩擦撹拌接合装置を模式的に表した概略構成図である。図２は、実施例１に係る摩擦撹拌工具に関する説明図である。図３から図５は、第１ショルダ部の形状の一例を示す平面図である。図６は、突起部及び突起収容部の形状の一例を示す平面図である。図７は、摩擦撹拌接合前の金属板の一例を示す説明図である。図８は、実施例１に係る摩擦撹拌接合方法のフローチャートである。
【００７２】
実施例１の摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５を突き合わせることで形成される開先部６を、開先部６の表裏に配置される一対の回転ツール２１，２２を用いて摩擦撹拌することにより、一対の金属板５を接合する、いわゆる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）を行う装置である。先ず、図１及び図７を参照し、接合対象となる一対の金属板５について説明する。なお、実施例１では、接合対象となる部材として一対の金属板５を例示したが、部材は、金属材以外を用いたものであってもよく、特に限定されない。
【００７３】
金属板５は、例えば、アルミニウム合金を用いて構成されており、一辺が２ｍ以上となる大型の長方形状の板材となっている。また、金属板５は、その厚みが１５ｍｍ以上となっている。図１に示すように、一対の金属板５は、端面を突き合わせることで、Ｉ形の開先部６が形成される。このため、開先部６は、図７に示すように、所定の方向に直線状に延びて形成される。また、この一対の金属板５には、直線状に延びる開先部６の両側に、タブ板７がそれぞれ取り付けられている。開先部６の両側の一対のタブ板７は、一対の金属板５に仮溶接等により取り付けられることで、一対の金属板５の相互の位置を固定する。このとき、摩擦撹拌接合における接合開始点は、一方のタブ板７上となっており、接合終了点は、他方のタブ板７上となっている。このため、摩擦撹拌接合は、一方のタブ板７から開先部６を通って他方のタブ板７へ向かって行われる。なお、詳細は後述するが、一方のタブ板７上の接合開始点には、あらかじめ一対の回転ツール２１，２２が挿入される貫通穴８が貫通形成されている。
【００７４】
なお、実施例１の摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５を突き合わせた開先部６に対して、摩擦撹拌接合を行うが、この構成に限定されず、例えば、重ね合わせた複数の金属板５に対して、摩擦撹拌接合を行ってもよい。
【００７５】
ここで、摩擦撹拌接合により接合された一対の金属板５は、大型の金属板として取り扱われ、後工程において、塑性加工が行われる。このため、摩擦撹拌接合により接合された一対の金属板５の被接合部（開先部６）に、接合欠陥部（キッシングボンド）が形成されると、接合欠陥部を起因とする亀裂、割れ等の破損が生じる可能性があることから、実施例１の摩擦撹拌装置１では、接合欠陥部の形成を抑制すべく、下記する構成となっている。
【００７６】
図１を参照して、摩擦撹拌接合装置１について説明する。図１に示す摩擦撹拌接合装置１は、開先部６の厚み方向の両側から摩擦撹拌接合を行っている。摩擦撹拌接合装置１は、摩擦撹拌工具１０と、第１押圧回転機構１１と、第２押圧回転機構１２と、第１移動機構１３と、第２移動機構１４と、支持治具１５と、工具負荷検出器１６と、制御部２０とを備えている。この摩擦撹拌接合装置１は、一対の金属板５の位置を固定した状態で、摩擦撹拌工具１０を開先部６に沿って移動させながら、摩擦撹拌接合を行っている。
【００７７】
摩擦撹拌工具１０は、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを有している。第１回転ツール２１は、開先部６を挟んで、厚さ方向の一方側（表面側：図１の上側）に配置されている。第１回転ツール２１は、第１回転軸Ｉ１を中心に回転すると共に、開先部６の表面に押圧される。第２回転ツール２２は、開先部６を挟んで、厚さ方向の他方側（裏面側：図１の下側）に配置されている。第２回転ツール２２は、第２回転軸Ｉ２を中心に回転すると共に、開先部６の裏面に押圧される。そして、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とは、厚さ方向において対向するように配置され、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向は、相互に逆方向となっている。また、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１と第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２とは、同軸となっている。このため、第１回転軸Ｉ１及び第２回転軸Ｉ２は、開先部６の表面及び裏面に対して、直交している。
【００７８】
なお、実施例１では、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向が、相互に逆方向となるようにしたが、この構成に限定されない。第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、摩擦撹拌接合に適していれば、いずれの回転方向であってもよく、また、いずれの回転速度であってもよい。
【００７９】
第１回転ツール２１は、第１ツール本体３１と、第１プローブ３２と、突起部３３と、を有している。第１ツール本体３１は、第２回転ツール２２側となる先端側に、第１ショルダ部３５が形成されている。第１ショルダ部３５は、その先端側の面が、開先部６の一方側（表面側：図１の上側）の表面と接する円形の第１ショルダ面３５ａとなっている。第１回転ツール２１は、第１ショルダ部３５の第１ショルダ面３５ａを開先部６の表面に接触させた状態で回転することで、開先部６に対して摩擦による熱を与え、熱を与えることで軟化した開先部６の金属を撹拌する。第１プローブ３２の長さは、一般的には開先部６の最小板厚の半分よりもわずかに短い。
【００８０】
ここで、第１ショルダ部３５は、図３から図５に示す形状となっており、実施例１では、いずれの形状であってもよい。第１ショルダ部３５は、第１ショルダ面３５ａから第１ツール本体３１側に溝形状の凹部３６が形成されている。この凹部３６は、第１ショルダ部３５と金属板５とを擦ることで軟化した金属が、第１ショルダ部３５の中心側へ向かうような形状となっている。
【００８１】
具体的に、図３に示す凹部３６は、１本で構成されており、１本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａにおいて、外側から内側に向かう渦巻状（スクロール形状）に配置されている。図４に示す凹部３６は、２本で構成されており、２本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａにおいて、１８０°位相が異なる位置に設けられ、外側から内側に向かう渦巻状に配置されている。図５に示す凹部３６は、複数本で構成されており、複数本の凹部３６は、第１ショルダ面３５ａの周方向に所定の間隔を空けて設けられると共に、外側から内側に向かって直線状に配置されている。
【００８２】
再び、図１を参照して、第１プローブ３２は、第１ツール本体３１の第１ショルダ面３５ａから先端側に突出して設けられている。第１プローブ３２は、軟化した開先部６の内部に没する配置となり、第１ツール本体３１と一体となって回転するように、第１ツール本体３１に固定されている。この第１プローブ３２は、後端側の直径が太く、また、先端側に向かうにつれて直径が細くなるテーパ形状に形成されている。第１プローブ３２は、その先端側の面が、円形の先端面３２ａとなっている。また、第１プローブ３２の外周面には、軟化した開先部６の金属を撹拌するための溝が形成されている。
【００８３】
突起部３３は、第１プローブ３２の先端面３２ａから先端側に突出して設けられている。突出部３３は、第１プローブ３２と同様に、軟化した開先部６の内部に没する配置となり、第１ツール本体３１及び第１プローブ３２と一体となって回転するように、第１プローブ３２と一体となっている。ここで、突起部３３は、第１回転軸Ｉ１に直交する面で切った断面が多角形となっている。突起部３３は、例えば、図６に示すように、断面が正六角形となっている。なお、実施例１では、突起部３３の断面を正六角形としたが、正三角形または正方形であってもよい。
【００８４】
また、図２に示すように、突起部３３は、突出方向における長さ、つまり、第１回転軸Ｉ１の軸方向における長さｌが、第１プローブ３２及び突起部３３を合わせた軸方向における長さＬに比して、５０％以下となっている。つまり、突起部３３の軸方向における長さｌは、第１プローブ３２の軸方向における長さ以下となっている。
【００８５】
再び、図１を参照して、第２回転ツール２２は、第２ツール本体４１と、第２プローブ４２と、突起収容部４３と、を有している。第２ツール本体４１は、第１回転ツール２１側となる先端側に、第２ショルダ部４５が形成されている。第２ショルダ部４５は、第１ショルダ部３５と同様に構成されており、その先端側の面が、開先部６の他方側（裏面側：図１の下側）の裏面と接する円形の第２ショルダ面４５ａとなっている。第２回転ツール２２は、第２ショルダ部４５の第２ショルダ面４５ａを開先部６の裏面に接触させた状態で回転することで、開先部６に対して摩擦による熱を与え、熱を与えることで軟化した開先部６の金属を撹拌する。第２プローブ４２の長さは、一般的には開先部６の最小板厚の半分よりもわずかに短い。
【００８６】
ここで、第２ショルダ部４５は、第１ショルダ部３５と同様の凹部３６が設けられている。なお、凹部３６については、第１ショルダ部３５と同様であるため、説明を省略する。
【００８７】
第２プローブ４２は、第２ツール本体４１の第２ショルダ面４５ａから先端側に突出して設けられている。第２プローブ４２は、第１プローブ３２と同様に、軟化した開先部６の内部に没する配置となり、第２ツール本体４１と一体となって回転するように、第２ツール本体４１に固定されている。この第２プローブ４２も、後端側の直径が太く、また、先端側に向かうにつれて直径が細くなるテーパ形状に形成されている。第２プローブ４２は、その先端側の面が、円環状の先端面４２ａとなっている（図６参照）。また、第２プローブ４２の外周面には、軟化した開先部６の金属を撹拌するための溝が形成されている。
【００８８】
突起収容部４３は、第２プローブ４２の先端面４２ａから後端側に没入して設けられている。突起収容部４３は、例えば、図６に示すように、第２回転軸Ｉ２に直交する面で切った断面が円形となっており、第２回転軸Ｉ２を中心軸とする中空円柱形状に形成されている。突起収容部４３は、第１回転ツール２１の突起部３３が、第２回転軸Ｉ２の軸方向に挿入されることで、突起部３３の一部を収容可能となっている。つまり、突起収容部４３の内径は、突起部３３の回転直径よりも大きな径となっている。
【００８９】
ここで、図２に示すように、突起部３３の回転直径ｒは、第２プローブ４２の円環状の先端面４２ａの外側の直径（回転直径）Ｒに対し、４０％から８０％までの間の回転直径となっている。これにより、円環状の先端面４２ａにおける内側の直径から外側の直径までの径方向の長さは、直径Ｒの１０％から３０％の長さとすることができる。つまり、例えば、突起部３３の回転直径ｒが第２プローブ４２の回転直径Ｒに対し、８０％の回転直径である場合、環状の先端面４２ａにおける内側の直径から外側の直径までの径方向の長さは、回転直径Ｒの１０％の長さとなる。また、例えば、突起部３３の回転直径ｒが第２プローブ４２の回転直径Ｒに対し、４０％の回転直径である場合、環状の先端面４２ａにおける内側の直径から外側の直径までの径方向の長さは、回転直径Ｒの３０％の長さとなる。よって、第２プローブ４２の外周面と突起収容部４３の内周面との間の厚さを、突起部３３の接触による負荷に耐え得る厚さとして確保することができる。
【００９０】
また、図６に示すように、突起部３３及び突起収容部４３は、突起部３３と、突起部３３が収容される突起収容部４３の内周面との間に所定の隙間が設けられるように形成されており、所定の隙間を設けることで、突起部３３と突起収容部４３とを非接触状態としている。
【００９１】
ところで、突起部３３及び突起収容部４３は、予め想定される開先部６の最大厚さに応じて設計される。つまり、開先部６の厚さが最大厚さである場合、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、開先部６の溶接時において、突起収容部４３に突起部３３の少なくとも先端部を収容した状態となるように設計される。
【００９２】
再び、図１を参照して、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２について説明する。第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１に連結されており、制御部２０によって制御されている。第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１を開先部６へ向けて移動させると共に、第１回転ツール２１を回転させる。このため、第１押圧回転機構１１は、第１回転ツール２１の第１ショルダ部３５の第１ショルダ面３５ａを、開先部６の表面に押し当てた状態で、第１回転ツール２１を回転させる。
【００９３】
第２押圧回転機構１２は、第１押圧回転機構１１と同様に構成され、第２回転ツール２２に連結されており、制御部２０によって制御されている。第２押圧回転機構１２は、第２回転ツール２２を開先部６へ向けて移動させると共に、第２回転ツール２２を回転させる。このため、第２押圧回転機構１２は、第２回転ツール２２の第２ショルダ部４５の第２ショルダ面４５ａを、開先部６の裏面に押し当てた状態で、第２回転ツール２２を回転させる。
【００９４】
第１移動機構１３は、第１回転ツール２１に連結されており、制御部２０によって制御されている。第１移動機構１３は、図示しない第１モータを動力源として、第１回転ツール２１を、所定の方向に直線状に延びる開先部６に沿って移動させている。なお、この第１モータは、後述する工具負荷検出器１６に接続されている。
【００９５】
第２移動機構１４は、第１移動機構１３と同様に構成され、第２回転ツール２２に連結されており、制御部２０によって制御されている。第２移動機構１４は、図示しない第２モータを動力源として、第２回転ツール２２を、所定の方向に直線状に延びる開先部６に沿って移動させている。なお、この第２モータも、後述する工具負荷検出器１６に接続されている。
【００９６】
この第１移動機構１３及び第２移動機構１４は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を同期させながら移動させている。
【００９７】
支持治具１５は、一対の金属板５をそれぞれ支持する一対の治具であり、開先部６を挟んで、一対の金属板５の裏面にそれぞれ設けられている。一対の支持治具１５は、その上部に一対の金属板５が載置されることで、一対の金属板５をそれぞれ支持する。
【００９８】
工具負荷検出器１６は、第１移動機構１３の第１モータに加わる負荷を検出する第１モータ負荷検出器５１と、第２移動機構１４の第２モータに加わる負荷を検出する第２モータ負荷検出器５２と、を有している。第１モータ負荷検出器５１は、制御部２０に接続され、制御部２０へ向けて、第１モータに加わる負荷を出力する。第２モータ負荷検出器５２は、制御部２０に接続され、制御部２０へ向けて、第２モータに加わる負荷を出力する。
【００９９】
制御部２０は、第１押圧回転機構１１、第２押圧回転機構１２、第１移動機構１３及び第２移動機構１４が接続され、各機構１１，１２，１３，１４をそれぞれ制御する。また、制御部２０は、第１モータ負荷検出器５１及び第２モータ負荷検出器５２が接続され、各検出器５１，５２の検出結果に基づいて、各機構１１，１２，１３，１４をそれぞれ制御する。
【０１００】
具体的に、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との間に挟まれる開先部６に対する荷重が所定の荷重となるように、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を開先部６へ向けて移動させる。また、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の回転方向が相互に逆方向となるように、また、所定の回転速度となるように、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転させる。
【０１０１】
また、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が開先部６に沿って同期して移動するように制御する。ここで、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を同期させながら移動させる場合、開先部６が延びる所定の方向において、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の相対位置がずれることで、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が接触するなど、大きな負荷が加わる可能性がある。このとき、制御部２０は、第１モータ負荷検出器５１及び第２モータ負荷検出器５２の検出結果に基づいて、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御することで、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の相対位置を調整する。具体的に、制御部２０は、第１モータ負荷検出器５１により検出された第１モータの負荷と、第２モータ負荷検出器５２により検出された第２モータの負荷との差分を導出する。制御部２０は、導出した差分から、第１移動機構１３の負荷が第２移動機構１４の負荷よりも大きいと判断すれば、突起部３３と突起収容部４３とが接触しつつ、第１回転ツール２１が第２回転ツール２２を引っ張っていると判断する。そして、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４の少なくとも一方を制御して、第１回転ツール２１を第２回転ツール２２よりも所定時間だけ移動速度を相対的に遅くして、突起部３３と突起収容部４３とを非接触状態とする。一方で、制御部２０は、導出した差分から、第２移動機構１４の負荷が第１移動機構１３の負荷よりも大きいと判断すれば、突起部３３と突起収容部４３とが接触しつつ、第２回転ツール２２が第１回転ツール２１を引っ張っていると判断する。そして、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４の少なくとも一方を制御して、第２回転ツール２２を第１回転ツール２１よりも所定時間だけ移動速度を相対的に遅くして、突起部３３と突起収容部４３とを非接触状態とする。
【０１０２】
次に、図８を参照して、上記の摩擦撹拌接合装置１を用いた摩擦撹拌接合方法について説明する。なお、摩擦撹拌接合される一対の金属板５は、予め図７に示す状態となっている。つまり、一対の金属板５は、端面を突き合わせて開先部６を形成した状態で、一対のタブ板７により仮接合（仮付け）された状態となっている。このとき、一方のタブ板７上の接合開始点には、貫通穴８が形成されている。この貫通穴８は、一方側（開先部６の表面側）の第１回転ツール２１（の第１プローブ３２）と貫通穴８との隙間と、他方側（開先部６の裏面側）の第２回転ツール２２（の第２プローブ４２）と貫通穴８との隙間とが異なるような内径となっている。つまり、各プローブ３２，４２の形状が同じ場合、貫通穴８の一方側の内径は、貫通穴８の他方側の内径に比して小さな内径となっていたり、貫通穴８の他方側の内径は、貫通穴８の一方側の内径に比して小さな内径となっていたりする。
【０１０３】
摩擦撹拌接合を行う場合、先ず、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、接合開始点に予め貫通形成された貫通穴８に対し、貫通穴８の表面側から第１回転ツール２１を挿入し、貫通穴８の裏面側から第２回転ツール２２を挿入する。このとき、制御部２０は、第１回転ツール２１の突起部３３を、第２回転ツール２２の突起収容部４３に収容させる。この時点において、摩擦撹拌工具１０と金属板５（二形成される貫通穴８）との間には、隙間が存在する。そして、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とを回転させる（ステップＳ１：回転工程）。
【０１０４】
続いて、制御部２０は、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との差し込み位置を相対的に調整する（ステップＳ２：位置調整工程）。具体的に、制御部２０は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の位置を制御しながら、開先部６に対して与えられる荷重が所定の荷重となるように、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御する。
【０１０５】
この後、制御部２０は、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を、一方のタブ板７上の接合開始点から、開先部６を通って、他方のタブ板７上の接合終了点まで移動させる（ステップＳ３：移動工程）。これにより、一対の金属板５の開先部６は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２によって摩擦撹拌接合される。なお、この移動工程Ｓ３では、上記したように、制御部２０が、第１移動機構１３及び第２移動機構１４を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の移動速度を調整することにより、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とが非接触状態となるように相対位置を調整している。
【０１０６】
そして、制御部２０は、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２が接合終了点に達すると、第１押圧回転機構１１及び第２押圧回転機構１２を制御して、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転させながら、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を、他方のタブ板７から引き抜く（ステップＳ４：引抜工程）。
【０１０７】
以上のように、実施例１の構成によれば、第１回転ツール２１の突起部３３を、第２回転ツール２２の突起収容部４３に収容させ、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転させて、一対の金属板５の開先部６の表裏両面に入熱を行いながら、開先部６を摩擦撹拌接合することができる。このため、開先部６の厚みが厚くなっても、突起収容部４３に対する突起部３３の収容深さ（挿入深さ）を適宜変更することで、開先部６の厚みに亘って、第１プローブ３２、第２プローブ４２及び突起部３３を配置し、摩擦撹拌することができる。これにより、実施例１では、第１プローブ３２と第２プローブ４２との間に所定の隙間が形成されることがないため、開先部６における接合欠陥部の発生を抑制することができる。また、開先部６の厚みが厚くなっても、突起収容部４３に対する突起部３３の収容深さを変更すればよいため、第１プローブ３２及び第２プローブ４２の軸方向（突出方向）における長さを変える必要がないことから、摩擦撹拌工具１０への負荷の増大を抑制することができる。また、第１プローブ３２及び第２プローブ４２の軸方向（突出方向）における長さは、特許文献２に記載されているプローブの約半分の長さにすることが可能であり、各プローブ３２，４２に加わる負荷を大幅に減らすことが可能である。以上から、開先部６における厚さが変化しても、摩擦撹拌工具１０に加わる負荷を抑制しつつ、開先部６の摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【０１０８】
また、実施例１の構成によれば、突起部３３の長さを、第１プローブ３２の長さよりも短くすることができるため、突起部３３に加わる曲げモーメントを小さくできることから、突起部３３への負荷を抑制することができる。
【０１０９】
また、実施例１の構成によれば、第２プローブ４２の円環状の先端面４２ａにおける内側の直径から外側の直径までの径方向の長さを、直径Ｒの１０％から３０％の長さとすることができる。よって、第２プローブ４２の外周面と突起収容部４３の内周面との間の厚さを、突起部３３の接触による負荷に耐え得る剛性にすることができる。
【０１１０】
また、実施例１の構成によれば、突起部３３と突起収容部４３の内周面とを非接触状態とすることができるため、接触による第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２への負荷を低減することができる。
【０１１１】
また、実施例１の構成によれば、突起収容部４３の断面を円形にすることができるため、突起収容部４３を回転させた場合であっても、突起収容部４３の形状が変わらないことから、突起部３３の形状に対して柔軟に対応することができ、これにより、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２の回転に差が生じた場合でも、突起部３３との接触を生じ難くすることができる。
【０１１２】
また、実施例１の構成によれば、突起部３３の断面を多角形にすることができるため、摩擦により軟化する開先部６の金属を、突起部３３により好適に撹拌することができる。
【０１１３】
また、実施例１の構成によれば、開先部６が予め想定される最大厚さであっても、突起収容部４３に突起部３３を収容した状態で、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を回転させることができる。
【０１１４】
また、実施例１の構成によれば、開先部６の表面に対し第１回転軸Ｉ１を直交させることができ、また、開先部６の裏面に対し第２回転軸Ｉ２を直交させることができる。このため、開先部６の表裏両面に対して、第１ショルダ部３５の第１ショルダ面３５ａ及び第２ショルダ部４５の第２ショルダ面４５ａを面接触させることができる。よって、開先部６に対し、第１ショルダ部３５及び第２ショルダ部４５からの入熱を効率良く行うことができる。特に、第１ショルダ部３５及び第２ショルダ部４５に凹部３６を設けることで、開先部６に材料を供給して欠陥の発生しにくい接合を行うことができる。
【０１１５】
また、実施例１の構成によれば、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の移動を同期させることができるため、移動によって第１回転ツール２１と第２回転ツール２２とが位置ずれすることを抑制することができる。
【０１１６】
また、実施例１の構成によれば、制御部２０は、摩擦撹拌工具１０に負荷が加わる場合、第１モータ負荷検出器５１及び第２モータ負荷検出器５２に基づいて、第１移動機構１３の第１モータ及び第２移動機構１４の第２モータに加わる負荷の差分が小さくなるように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４の少なくとも一方を制御することで、摩擦撹拌工具１０への負荷を抑制することができる。
【０１１７】
また、実施例１の構成によれば、位置調整工程Ｓ２だけでなく、移動工程Ｓ３でも、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との相対的な位置を調整することができるため、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との接触を抑制することができ、摩擦回転工具１０に加わる負荷を抑制することができる。
【０１１８】
また、実施例１の構成によれば、貫通穴８の一方側の内径または他方側の内径を小さくすることができるため、貫通穴８への金属材の充填率を高めることができるため、摩擦によって軟化する貫通穴８周りの金属のへこみを抑制することができる。
【０１１９】
また、実施例１の構成によれば、接合開始点に形成される貫通穴８、及び接合終了点において第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を引き抜くことにより形成される穴が、一対の金属板５上に形成されることなく、タブ板７上に形成することができる。
【０１２０】
なお、実施例１では、第１ショルダ部３５に凹部３６を設けたが、省いた構成であってもよい。
【０１２１】
また、実施例１では、突起部３３の断面を多角形としたが、円形としてもよい。この場合、突起部３３と突起収容部４３との間の隙間を、より短いものとすることができる。
【０１２２】
また、実施例１では、工具負荷検出器１６として、第１モータ負荷検出器５１及び第２モータ負荷検出器５２を用いて、摩擦撹拌工具１０の負荷を検出したが、この構成に限定されない。工具負荷検出器１６として、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１及び第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２の少なくとも一方の歪みを検出する歪みゲージ（歪み検出器）を用いて、摩擦撹拌工具１０の負荷を検出してもよい。この構成によれば、制御部２０は、歪みゲージの検出結果に基づいて、第１回転軸Ｉ２及び第２回転軸Ｉ２の少なくとも一方の歪みが小さくなるように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４の少なくとも一方を制御することで、突起部３３と突起収容部４３の内周面とを非接触状態にすることができ、摩擦撹拌工具１０への負荷を抑制することができる。
【０１２３】
同様に、工具負荷検出器１６として、摩擦撹拌工具１０の作動音を検出する作動音検出器を用いて、摩擦撹拌工具１０の負荷を検出してもよい。この構成によれば、制御部２０は、作動音検出器の検出結果に基づいて、摩擦撹拌工具１０の作動音が小さくなるように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４の少なくとも一方を制御することで、突起部３３と突起収容部４３の内周面とを非接触状態にすることができ、摩擦撹拌工具１０への負荷を抑制することができる。
【０１２４】
同様に、工具負荷検出器１６として、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の少なくとも一方の振動を検出する振動検出器を用いて、摩擦撹拌工具１０の負荷を検出してもよい。この構成によれば、制御部２０は、振動検出器により検出された振動モードが、第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２の少なくとも一方に負荷が加わったときの負荷振動モードであるか否かを判定し、負荷振動モードである場合、負荷振動モード以外の振動モードとなるように、第１移動機構１３及び第２移動機構１４の少なくとも一方を制御することで、突起部３３と突起収容部４３の内周面とを非接触状態にすることができ、摩擦撹拌工具１０への負荷を抑制することができる。
【０１２５】
また、実施例１では、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とを同軸上としたが、図９に示す変形例としてもよい。図９は、実施例１の変形例に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。図９に示すように、変形例の第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２は、開先部６の表面及び裏面に対し傾けて配置されている。具体的に、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１は、開先部６の表面に対し直交する第１直交軸Ｊ１に対して、所定の角度θ１だけ傾けて配置されている。同様に、第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２は、開先部６の裏面に対し直交する第２直交軸Ｊ２に対して、所定の角度θ２だけ傾けて配置されている。ここで、角度θ１及び角度θ２は、０°より大きく３°以下となっている。なお、角度θ１及び角度θ２が０°の場合は、実施例１で説明したように、第１回転軸Ｉ１及び第２回転軸Ｉ２が同軸となる場合である。
【０１２６】
以上のように、変形例の構成によれば、開先部６の表裏両面に対して、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１及び第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２を傾けることができるため、各ショルダ部３５，４５の各ショルダ面３５ａ，４５ａが開先部６の表裏両面に対して、傾斜を持った形で当たることから、開先部６を積極的に撹拌することができる。
【実施例２】
【０１２７】
次に、図１０及び図１１を参照して、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００について説明する。図１０は、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図であり、図１１は、実施例２に係る摩擦撹拌工具を部分的に拡大した説明図である。なお、実施例２では、重複した記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明すると共に、実施例１と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００は、実施例１の摩擦撹拌接合装置１の突起部３３が着脱可能な構成となっている。以下、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００について説明する。
【０１２８】
図１０に示すように、実施例２に係る摩擦撹拌接合装置１００において、摩擦撹拌工具１０は、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との位置が、実施例１の配置と逆となっている。第１回転ツール２１は、第１ツール本体３１と、第１プローブ１０２と、突起部１０３とを有している。第１ツール本体３１は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。
【０１２９】
第１プローブ１０２は、第１ツール本体３１の第１ショルダ面３５ａから先端側に突出して設けられており、先端側へ向かって細径となるテーパ形状に形成されている。第１プローブ１０２は、その先端面１０２ａから後端側に没入する固定穴１０５が設けられている。このため、第１プローブ１０２は、その先端面１０２ａが、円環状の面となっている。
【０１３０】
図１０及び図１１に示すように、固定穴１０５は、突起部１０３を固定するための穴となっている。固定穴１０５は、第１回転軸Ｉ１に直交する面で切った断面が円形となっており、第１回転軸Ｉ１を中心軸とする中空円柱形状に形成されている。また、固定穴１０５は、その内周面に雌ねじのねじ溝が形成されるねじ穴となっている。このため、固定穴には、後述する雄ねじのねじ溝が形成される突起部１０３が締結される。固定穴１０５の先端側の縁部には、固定穴１０５よりも大きな径となるフランジ収容部１０６が形成されている。フランジ収容部１０６は、中空円板形状に形成され、突起部１０３に設けられるフランジ部１１３を収容する。
【０１３１】
突起部１０３は、先端側の突起本体１１１と、後端側のねじ部１１２と、突起本体１１１とねじ部１１２との間に設けられるフランジ部１１３とを有している。突起本体１１１は、固定穴１０５から突出（露出）する部位であり、実施例１と同様に、第１回転軸Ｉ１に直交する面で切った断面が多角形となっている。ねじ部１１２は、固定穴１０５の内部に収容される部位であり、第１回転軸Ｉ１に直交する面で切った断面が円形となり、その外周面に雄ねじのねじ溝が形成されている。フランジ部１１３は、突起本体１１１及びねじ部１１２よりも大きな径となっており、ねじ部１１２の径方向外側に突出し、周方向に沿って円環状に形成されている。
【０１３２】
上記の突起部１０３を固定穴１０５に締結すると、ねじ部１１２は、固定穴１０５に収容され、フランジ部１１３は、フランジ収容部１０６に収容される。このとき、フランジ部１１３は、第１回転軸Ｉ１の軸方向において、フランジ収容部１０６の底面に接触する。このため、フランジ部１１３は、軟化した開先部６の金属が、固定穴１０５とねじ部１１２との間に形成される隙間に侵入することを抑制することができる。
【０１３３】
また、突起部１０３は、第２プローブ４２よりも硬度の低い材料を用いて構成されている。このため、突起収容部４３が形成される第２プローブ４２の先端部の剛性は、突起収容部４３に収容される突起部１０３の剛性よりも高くなることから、突起収容部４３と突起部１０３とが接触した場合であっても、突起収容部４３への負荷が軽減される。
【０１３４】
このように構成された突起部１０３は、開先部６の厚さに応じて、第１回転軸Ｉ１の軸方向における長さの異なる突起本体１１１が複数種用意されている。つまり、開先部６の厚さが厚いときは、突起本体１１１の長さが長い突起部１０３が用いられ、開先部６の厚さが薄いときは、突起本体１１１の長さが短い突起部１０３が用いられる。
【０１３５】
以上のように、実施例２の構成によれば、突起部１０３を、第１プローブ１０２に対し、着脱自在に固定することができるため、突起部１０３を交換することができる。このため、突起部１０３が損傷した場合には、新たな突起部１０３に取り替えることができる。また、開先部６の厚みに応じて、適切な長さとなる突起部１０３を選定して、第１プローブ３２に装着することが可能となる。
【０１３６】
また、実施例２の構成によれば、突起部１０３にフランジ部１１３を設けることができるため、固定穴１０５に突起部１０３を固定した状態において、摩擦により軟化した開先部６の金属が、固定穴１０５とねじ部１１２との隙間へ侵入することを、フランジ部１１３によって抑制することができる。これにより、固定穴１０５と突起部１０３とが固着することを抑制することができる。
【０１３７】
また、実施例２の構成によれば、突起部１０３を、第２プローブ４２よりも硬度の低い材料を用いて構成することができるため、第２プローブ４２の突起収容部４３に突起部１０３が接触した場合であっても、交換可能な突起部１０３によって、第２プローブ４２への接触による衝撃を吸収することができる。
【０１３８】
また、実施例２の構成によれば、開先部６の厚さに適した突起部１０３を選定して、第１プローブ１０２の固定穴１０５に取り付けることができる。このため、開先部６の厚さに適した突起部１０３を用いることで、摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。
【実施例３】
【０１３９】
次に、図１２を参照して、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１２０について説明する。図１２は、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。なお、実施例３でも、重複した記載を避けるべく、実施例１及び２と異なる部分について説明すると共に、実施例１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１２０は、第１回転ツール２１の内部を移動可能な突起ピンが設けられる構成となっている。以下、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１２０について説明する。
【０１４０】
図１２に示すように、実施例３に係る摩擦撹拌接合装置１２０において、摩擦撹拌工具１０は、第１回転ツール２１と第２回転ツール２２との位置が、実施例１の配置と逆となっている。第１回転ツール２１は、第１ツール本体３１と、第１プローブ１３２と、突起ピン１３３とを有している。第１ツール本体３１は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。
【０１４１】
第１プローブ１３２は、第１ツール本体３１の第１ショルダ面３５ａから先端側に突出して設けられており、先端側へ向かって細径となるテーパ形状に形成されている。第１プローブ１３２は、その先端面１３２ａから後端側に貫通形成される第１挿通穴１４１が設けられている。このため、第１プローブ１３２は、その先端面１３２ａが、円環状の面となっている。
【０１４２】
第１挿通穴１４１は、突起ピン１３３を挿通するための穴となっている。第１挿通穴１４１は、第１プローブ１３２から第１ツール本体３１に亘って貫通形成されている。第１挿通穴１４１は、第１回転軸Ｉ１に直交する面で切った断面が円形となっており、第１回転軸Ｉ１を中心軸とする中空円柱形状に形成されている。
【０１４３】
突起ピン１３３は、第１回転ツール２１の第１挿通穴１４１に回転自在に挿通され、第１回転軸Ｉ１の軸方向に移動自在となっている。突起ピン１３３は、断面が円形となる円柱形状に形成されている。突起ピン１３３は、先端側の部位が第１挿通穴１４１から突出することで、突起部として機能する。なお、突起ピン１３３は、円柱形状に形成したが、例えば、先端部の断面を多角形とし、後端部の断面を円形としてもよく、先端部の形状と後端部の形状とが異なる形状であってもよい。また、この突起ピン１３３は、第１ツール本体３１及び第１プローブ１３２とは、独立して回転可能となっている。
【０１４４】
ここで、突起ピン１３３と第１挿通穴１４１との間の隙間は、突起ピン１３３の先端側が狭く、突起ピン１３３の後端側が広くなっている。このため、第１回転軸Ｉ１に直交する面内において、突起ピン１３３の先端側は、第１挿通穴１４１に対し精度良く位置決めされる。一方で、第１回転軸Ｉ１に直交する面内において、突起ピン１３３の後端側は、移動が許容される。
【０１４５】
この突起ピン１３３には、第１挿通穴１４１内を軸方向に移動させると共に、突起ピン１３３を回転させる軸移動回転機構１４５が接続されている。軸移動回転機構１４５は、制御部２０に接続され、制御部２０によって軸移動回転機構１４５が制御されることで、突起ピン１３３の軸方向への移動と回転とが制御される。
【０１４６】
第２回転ツール２２は、第２ツール本体４１と、第２プローブ４２と、突起収容部としての第２挿通穴１４２と、を有している。第２ツール本体４１及び第２プローブ４２は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。
【０１４７】
第２挿通穴１４２は、第２プローブ４２の先端面４２ａから後端側に貫通形成されている。第２挿通穴１４２は、突起ピン１３３の先端部を収容するための穴となっている。第２挿通穴１４２は、第２プローブ４２から第２ツール本体４１に亘って貫通形成されている。第２挿通穴１４２は、第２回転軸Ｉ２に直交する面で切った断面が円形となっており、第２回転軸Ｉ２を中心軸とする中空円柱形状に形成されている。このとき、突起ピン１３３は、第１挿通穴１４１と第２挿通穴１４２とに挿入されることから、第１回転軸Ｉ１と第２回転軸Ｉ２とが同軸となる。このため、実施例３では、開先部６の表裏両面に対して第１回転軸Ｉ１及び第２回転軸Ｉ２を傾けることなく、摩擦撹拌接合が行われる。
【０１４８】
上記のように構成された摩擦撹拌接合装置１２０を用いて摩擦撹拌接合を行う場合、回転工程Ｓ１では、貫通穴８の表裏面側から第１回転ツール２１及び第２回転ツール２２を挿入した後、第１挿通穴１４１に収容された突起ピン１３３を、軸移動回転機構１４５により先端側に移動させ、第２挿通穴１４１に挿入する。この時点において、摩擦撹拌工具１０と金属板５（二形成される貫通穴８）との間には、隙間が存在する。この後、第１回転ツール２１、第２回転ツール２２及び突起ピン１３３を回転させる。このとき、突起ピン１３３の回転は、第１プローブ１３２の先端と第２プローブ４２の先端との隙間に応じて、適宜変化させてもよい。つまり、隙間が広ければ、突起ピン１３３の回転数を増大させる一方で、隙間が狭ければ、突起ピン１３３の回転数を減少させてもよい。
【０１４９】
以上のように、実施例３の構成によれば、突起ピン１３３を第１挿通穴１４１の内部で移動させて、第２挿通穴１４２に突起ピン１３３の先端部を収容させることができる。このため、開先部６の厚さが変わった場合、第１挿通穴１４１に対する突起ピン１３３の突出量を変更するだけで、開先部６の厚さに適した長さに簡単に変更することができる。
【０１５０】
また、実施例３の構成によれば、突起ピン１３３を第２挿通穴１４２に挿入することができるため、突起ピン１３３の第２挿通穴１４２に対する挿入深さを適切な深さにすることができる。例えば、第２挿通穴１４２に対する突起ピン１３３の挿入深さを深くすることで、第１回転ツール２１の第１回転軸Ｉ１と第２回転ツール２２の第２回転軸Ｉ２との芯合わせを精度良く行うことができる。一方で、第２挿通穴１４２に対する突起ピン１３３の挿入深さを浅くすることで、突起ピン１３３が僅かに傾いた場合であっても、第２挿通穴１４２の内部で突起ピン１３３の傾きを許容できるため、突起ピン１３３への負荷を抑制することができる。
【０１５１】
また、実施例３の構成によれば、突起ピン１３３の先端側において、第１挿通穴１４１との隙間が狭くなっているため、突起ピン１３３の先端側における位置決めを精度良く行うことが可能となる。一方で、突起ピン１３３の後端側において、第１挿通穴１４１との隙間が広くなっているため、突起ピン１３３の偏芯等による変形を許容することができ、突起ピン１３３への負荷を抑制することができる。
【０１５２】
なお、実施例３では、第１挿通穴１４１に挿通された突起ピン１３３は、第１挿通穴１４１に対し回転自在となっていたが、この構成に限定されない。突起ピン１３３と第１挿通穴１４１とをスプラインで結合し、突起ピン１３３の軸方向への移動を許容する一方で、突起ピン１３３の回転方向への移動を不能としてもよい。この構成によれば、突起ピン１３３の回転を、第１回転ツール２１の回転と同期させることができる。
【０１５３】
また、実施例３の構成に、突起ピン１３３に加わる負荷を検出するピン負荷検出器をさらに設け、突起ピン１３３を第２貫通穴１４２に出し入れする際の負荷が小さくなるように、制御部２０が軸移動回転機構１４５を制御してもよい。つまり、制御部２０は、ピン負荷検出器により検出した負荷が大きい場合、第１移動機構１３または第２移動機構１４の少なくとも一方を制御して、突起ピン１３３への負荷が小さくなるように、上下の回転ツール２１，２２の相対位置を移動させる。
【０１５４】
また、実施例３の摩擦撹拌接合装置１２０を、図１３に示す変形例としてもよい。図１３は、実施例３の変形例に係る摩擦撹拌接合装置の一部を模式的に表した概略構成図である。図１３に示すように、第２回転ツール２２は、第２挿通穴１４２の内部を移動可能な押出しピン１４６をさらに有している。この押出しピン１４６は、摩擦撹拌溶接後において、第２挿通穴１４２内に侵入する軟化した開先部６の金属を押し出すために使用される。
【０１５５】
押出しピン１４６は、第２挿通穴１４２内において、第２回転軸Ｉ２の軸方向に移動可能となっている。押出しピン１４６は、断面が円形となる円柱形状に形成されている。押出しピン１４６は、先端側の部位が第２挿通穴１４２から突出する。この押出しピン１４６には、第２挿通穴１４２内を軸方向に移動させる軸移動機構１４７が接続されている。軸移動機構１４７は、制御部２０に接続され、制御部２０によって軸移動機構１４７が制御されることで、押出しピン１４６の軸方向への移動が制御される。
【０１５６】
以上のように、変形例の構成によれば、摩擦撹拌接合後において、摩擦により軟化した開先部６の金属が第２挿通穴１４２に侵入する場合であっても、接合終了時に押出しピン１４６により軟化した金属を押し出して、第２挿通穴１４２の外部に排出することができる。このため、第２挿通穴１４２の内部において、接合完了後、摩擦撹拌工具１０の温度が低下した際に軟化した金属が固着することを抑制することができる。
【０１５７】
また、実施例２及び３の摩擦撹拌接合装置１００，１２０において、接合前もしくは接合中に開先部６の厚みを計測する厚さ計測器をさらに備えてもよい。制御部２０は、厚さ計測器により検出した計測結果に基づいて、突起部１０３の長さ、または突起ピン１３３の突出量を選定してもよい。この構成によれば、開先部６の厚さに適した突起部１０３を用いたり、開先部６の厚さに適した突起ピン１３３の突出量にしたりすることができる。特に、実施例３においては、接合中に開先部６の厚みの計測できる機能を有することで、突起ピン１３３の突出量を制御して、突出量を好適にして摩擦撹拌工具１０の負荷を低減することができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１  摩擦撹拌接合装置
５  金属板
６  開先部
７  タブ板
８  貫通穴
１０  摩擦撹拌工具
１１  第１押圧回転機構
１２  第２押圧回転機構
１３  第１移動機構
１４  第２移動機構
１５  支持治具
１６  工具負荷検出器
２０  制御部
２１  第１回転ツール
２２  第２回転ツール
３１  第１ツール本体
３２  第１プローブ
３３  突起部
３５  第１ショルダ部
４１  第２ツール本体
４２  第２プローブ
４３  突起収容部
４５  第２ショルダ部
５１  第１モータ負荷検出器
５２  第２モータ負荷検出器
１００  摩擦撹拌接合装置（実施例２）
１０２  第１プローブ（実施例２）
１０３  突起部（実施例２）
１０５  固定穴
１０６  フランジ収容部
１１１  突起本体
１１２  ねじ部
１１３  フランジ部
１２０  摩擦撹拌接合装置（実施例３）
１３２  第１プローブ（実施例３）
１３３  突起ピン
１４１  第１挿通穴
１４２  第２挿通穴
１４５  軸移動回転機構
１４６  押出しピン
１４７  軸移動機構
Ｉ１  第１回転軸
Ｉ２  第２回転軸