(57)【要約】      （修正有）【課題】被接合部材に対する接合ツール先端部の深さ方向の位置を摩擦撹拌接合開始から終了まで変動させず、接合部の深さを一定にする。【解決手段】装置本体と、制御装置と、上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるスイング機構部と、ホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、制御装置は前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいた第１の接合モードと、前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基いた第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含む。【選択図】図１
2019171436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、
装置本体と、
前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、
上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるスイング機構部と、
回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、
前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、
前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、
前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、
前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記第１の接合モード及び前記第２の接合モードのいずれかのモードにより前記接合ツールの接合条件と、前記スイング機構部のスイング制御条件と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定す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に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記第１の接合モードにより被接合部材の摩擦撹拌接合を開始し、所定の時間経過後に、前記第２の接合モードに切り換えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、前記第１の保持位置決定信号と、前記第２の保持位置決定信号と、を記憶する記憶部を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、摩擦撹拌接合開始後の経過時間に応じて決定した前記接合ツールの保持位置を前記記憶部に予め記憶させ、当該記憶した保持位置に基づき前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
請求項５に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、予め記憶した複数の保持位置決定信号から摩擦撹拌接合開始時からの経過時間に応じて前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記スイング機構部のスイング距離に応じて決定した保持位置を前記記憶部に予め記憶させ、当該記憶した保持位置に基づき前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項８】
請求項７に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、予め記憶した複数の保持位置決定信号から摩擦撹拌接合開始時からの前記スイング機構部のスイング距離に応じて前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項９】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記スイング機構部のスイング角度に応じて決定した保持位置を前記記憶部に予め記憶させ、当該記憶した保持位置に基づき前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、予め記憶した複数の保持位置決定信号から摩擦撹拌接合開始時からの前記スイング機構部のスイング角度に応じて前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１１】
被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、
複数の関節を有し、三次元空間を自在に移動可能な多軸ロボットアームと、
前記多軸ロボットアームの先端に接続されるＣ型フレームと、
上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるスイング機構部と、
回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、
前記ホルダ部に保持される接合ツールと、
前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を備え、
前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、
前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、
前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記第１の接合モード及び前記第２の接合モードのいずれかのモードにより前記接合ツールの接合条件と、前記スイング機構部のスイング制御条件と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１３】
被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、
（ａ）制御部の指令により接合ツールを被接合部材の接合部の所定の位置へ挿入するステップと、
（ｂ）前記制御部の指令により前記被接合部材に対する前記接合ツールの高さを制御しながら前記接合部に沿って前記接合ツールをスイングさせ前記接合部を摩擦撹拌接合するステップと、
（ｃ）前記制御部の指令により前記接合ツールのスイング量が所定の位置に達した時点で前記接合ツールを前記接合部から引き抜くステップと、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
前記（ｂ）ステップにおいて、摩擦撹拌接合開始時からの経過時間、前記接合ツールのスイング距離、前記接合ツールのスイング角度のいずれかに応じて予め決定した前記接合ツールの保持位置に基づき、前記接合ツールの高さを制御することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
前記被接合部材の接合部に対し、前記（ａ）ステップから（ｃ）ステップまでを断続的に繰り返すスポット接合であることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置と摩擦撹拌接合方法に係り、特に、薄板の被接合部材の接合に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
円柱状の接合ツールを回転させて発生する摩擦熱で被接合材料を軟化させ、その部分を撹拌することで被接合材料同士を接合する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）は、材料以外の素材を用いないため、疲労強度が高く、材料も溶融しないことから溶接変形（ひずみ）の少ない接合が可能であり、航空機や自動車のボディなど、幅広い分野での応用が期待されている。
【０００３】
とりわけ、燃費を向上して二酸化炭素の排出量を低減するため車体重量の低減を目指している自動車産業にとっては、例えばフレーム材である鉄鋼とアルミニウム（ＡＬ）などの異材からなる複合材の摩擦撹拌接合は重要な課題となっている。
【０００４】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「接合ヘッドに保持された接合ツールをスイングしてスポット的に摩擦撹拌接合する技術」が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５１１５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、高接合品質を保持して、ＦＳＷ装置により被接合部材を接合するには、接合ヘッド（接合ツールホルダ部）に保持された接合ツールの先端部を所望の位置に精度良く配置して撹拌接合することが必要である。つまり、接合ツールの先端部（接合ピン）の位置が変動しては高接合品質を保持できない。
【０００７】
しかしながら、例えば、上記特許文献１のような従来の摩擦撹拌接合では、接合ヘッド（接合ツールホルダ部）の保持位置を固定しながらスイング軸を支点としてスイングさせるため、接合ツールの先端部（接合ピン）が円弧を描くこととなり、接合ツールの先端部（接合ピン）の位置が変動してしまい、高接合品質を保持することができない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、被接合部材に対する接合ツール先端部の深さ方向（Ｚ方向）の位置を摩擦撹拌接合開始から摩擦撹拌接合終了まで変動させず、接合部の深さを一定に保持可能な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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、装置本体と、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるスイング機構部と、回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、複数の関節を有し、三次元空間を自在に移動可能な多軸ロボットアームと、前記多軸ロボットアームの先端に接続されるＣ型フレームと、上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるスイング機構部と、回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を備え、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、（ａ）制御部の指令により接合ツールを被接合部材の接合部の所定の位置へ挿入するステップと、（ｂ）前記制御部の指令により前記被接合部材に対する前記接合ツールの高さを制御しながら前記接合部に沿って前記接合ツールをスイングさせ前記接合部を摩擦撹拌接合するステップと、（ｃ）前記制御部の指令により前記接合ツールのスイング量が所定の位置に達した時点で前記接合ツールを前記接合部から引き抜くステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被接合部材に対する接合ツール先端部の深さ方向（Ｚ方向）の位置を摩擦撹拌接合開始から摩擦撹拌接合終了まで変動させず、接合部の深さを一定に保持可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を実現することができる。
【００１３】
これにより、例えば、鉄鋼製のフレーム材と薄板のアルミニウム材からなる複合材を摩擦撹拌接合する際の接合部の接合信頼性が向上する。
【００１４】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の動作（作用）を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の接合パラメータを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。
【図５Ａ】本発明による摩擦撹拌接合の様子を模式的に示す図である。
【図５Ｂ】従来の摩擦撹拌接合の様子を模式的に示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。
【図７Ａ】本発明による摩擦撹拌接合の様子を模式的に示す図である。
【図７Ｂ】従来の摩擦撹拌接合の課題を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００１７】
先ず、図５Ｂを参照して、上述した従来の摩擦撹拌接合の問題点について詳しく説明する。図５Ｂは従来の摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合の様子を模式的に示す図である。
【００１８】
従来の摩擦撹拌接合装置では、図５Ｂに示すように、
（１）装置本体２に固定されたスイング機構部４の回動機構部６を中心点として、当該中心点（回動機構部６）から接合ツール部７の先端部までの長さをｒとして、
（２）接合ツール部７の先端部が鉛直下方の状態（下死点）にある時の中心線と接合ツール部７の先端部とを結ぶ直線との交点に生じる角度をθとすると、
（３）摩擦撹拌接合する時には、接合ツール部７の先端部は、摩擦撹拌接合開始から摩擦撹拌接合終了までｒを半径として２θ分の円弧を描くこととなる。
【００１９】
当該円弧の中で、接合ツール部７の先端部が下死点にあるとき、摩擦撹拌接合開始点と摩擦撹拌接合終了点とを結ぶ直線と接合ツール部７の先端部との間には、ｒ（１−ｃｏｓθ）分の偏差が生じる。その結果、接合点（接合面）が曲線（曲面）となり、接合品質に影響する。特に、被接合部材が薄板（薄肉）である場合、被接合部材の板厚が偏差ｒ（１−ｃｏｓθ）よりも薄くなると接合部が被接合部材を突き抜けて、下地へ影響が出る恐れがある。
【００２０】
次に、図１から図５Ａを参照して、実施例１の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法について説明する。図１は本実施例の摩擦撹拌接合装置１の全体概要を示し、図２はその動作（作用）を概念的に示している。図３は摩擦撹拌接合装置１の制御に必要な接合条件（接合パラメータ）を示している。図４は本実施例の摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。また、図５Ａは本実施例の摩擦撹拌接合装置１による摩擦撹拌接合の様子を模式的に示しており、従来の摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合の様子を示す図５Ｂに対応する図である。
【００２１】
図１に示すように、摩擦撹拌接合装置１は主要な構成として、装置本体２、上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続されるスイング機構部４、回動機構部６を介してスイング機構部４に接続されるホルダ部（接合ヘッド）５、ホルダ部（接合ヘッド）５により保持される接合ツール部７を備えている。上下動駆動機構部３には、図１に例示するように、例えばボールスクリューなどが用いられる。接合ツール部７はショルダ８及び接合ピン９で構成され、ショルダ８を介して接合ピン９がホルダ部（接合ヘッド）５に保持される。
【００２２】
この接合ピン９が被接合部材１０の突き合せ部に挿入され、高速回転することで接合ピン９と被接合部材１０の間に摩擦熱が発生し、摩擦熱により被接合部材１０内で塑性流動が生じ、接合部が撹拌される。接合ピン９が移動すると撹拌部（接合部）が冷却されて、被接合部材同士が接合される。
【００２３】
装置本体２には、摩擦撹拌接合装置１の動作を制御する制御部（制御装置）１１が設置されている。制御部（制御装置）１１は、接合ツール部７による接合条件を決定する接合条件信号やスイング機構部４を制御するスイング制御信号、上下動駆動機構部３による接合ツール部７の高さ方向（Ｚ方向）の保持位置（接合ピン９の挿入量）を決定する保持位置決定信号などの接合パラメータ（ＦＳＷ接合条件）を記憶する記憶部（図示せず）を備えている。
【００２４】
次に、図２及び図３を用いて、摩擦撹拌接合装置１の動作（作用）を説明する。図２は図１におけるホルダ部（接合ヘッド）５の動きを概念的に示しており、横軸は図１のＸ方向を示し、縦軸はＺ方向（高さ方向）を示している。従来の摩擦撹拌接合装置では、上記特許文献１のように、摩擦撹拌接合開始点（ｔｓ）から摩擦撹拌接合終了点（ｔｅ）までホルダ部（接合ヘッド）５のＺ方向（高さ方向）の位置は一定に保持される。（図２の上から２番目の線）この時、接合ツール部７の先端部（接合ピン９）は図２の最も下の線に示すような軌跡を描いてスイング動作する。その結果、被接合部材の接合点（接合面）は曲線（曲面）となる。
【００２５】
一方、本実施例の摩擦撹拌接合装置１では、摩擦撹拌接合開始点（ｔｓ）から所定の間隔毎にホルダ部（接合ヘッド）５のＺ方向（高さ方向）の位置を補正しながらホルダ部（接合ヘッド）５をＸ方向へスイング（移動）させる。（図２の最も上の線）ここでは、摩擦撹拌接合開始点（ｔｓ）からｔ１，ｔ２，ｔ３と、一定の経過時間毎に補正する例を示す。（ここで、例えば、開始点ｔＳにおける接合モードは第１の接合モード、ｔ１における接合モードは第２の接合モード、ｔ２における接合モードは第３の接合モード、ｔ３における接合モードは第４の接合モードとなる。）これにより、接合ツール部７の先端部（接合ピン９）は図２の下から２番目の線に示すような軌跡を描いてスイング動作する。その結果、被接合部材の接合点（接合面）は水平となる。
【００２６】
なお、図２に示す摩擦撹拌接合装置１の動作では、被接合部材の接合点（接合面）が水平になるように制御する例を示しているが、摩擦撹拌接合開始点（ｔｓ）から摩擦撹拌接合終了点（ｔｅ）の間の一度の接合動作（一接合パス：pass）において、複数の接合モードを含むように接合ツール部７の動作を制御することで、接合開始から接合終了までの間の被接合部材の接合点（接合面）の位置を任意に制御することができる。
【００２７】
従って、所望の接合界面が上下に変化する曲線（曲面）のような場合でも、接合界面の上下位置の変化に合わせて接合ツール部７のＺ方向（高さ方向）の位置を制御することができ、高精度で信頼性の高い接合界面を得ることができる。
【００２８】
つまり、接合界面の高さ（深さ）が一定でなく変化する場合などには、図５Ｂに示すような従来の接合開始時の接合ツール部の位置と接合終了時の接合ツール部の位置だけで接合界面の位置を決定するのではなく、接合界面の上下位置の変化を捉えて（変化に合わせて）接合ツール部７を制御する。
【００２９】
上記で説明した図２に示す動作（作用）は、材質や形状（大きさ，長さ）、板厚などの被接合部材１０の状態に応じて制御部（制御装置）１１の記憶部に予め記憶（登録）した図３に示す接合パラメータに基づいて制御部（制御装置）１１により摩擦撹拌接合装置１の動作を制御することで行う。
【００３０】
ＦＳＷ接合条件（接合パラメータ）としては、図３に示すように、接合ツールの回転数（Ｎ）、接合ツールの挿入量（Ｚ１）、すなわちホルダ部（接合ヘッド）５のＺ方向（高さ方向）の位置、接合ツールのスイング量（Ｌ，Ｔ，θ）、接合ツールのスイング速度（Ｖ）、接合ツールの挿入速度（Ｖｐ）、接合部への接合ツール挿入後の保持時間（Ｔｈ）などが挙げられる。
【００３１】
なお、摩擦撹拌接合装置１の制御は、図３に示すＦＳＷ接合条件（接合パラメータ）に限定されるものではなく、これら以外の接合パラメータを含んでいてもよい。また、図２では摩擦撹拌接合開始点（ｔｓ）からの経過時間（Ｔ）に応じてホルダ部（接合ヘッド）５のＺ方向（高さ方向）の位置を補正する例を示したが、例えば、図３に示す接合パラメータのうち、接合ツール部（スイング機構部４）のスイング距離（Ｌ）やスイング角度（θ）、スイング角速度に応じてホルダ部（接合ヘッド）５のＺ方向（高さ方向）の位置を補正してもよい。
【００３２】
また、ホルダ部（接合ヘッド）５のＺ方向（高さ方向）の位置補正は、制御部（制御装置）１１の記憶部に予め記憶（登録）した複数の保持位置決定信号から被接合部材の状態や摩擦撹拌接合開始点（ｔｓ）からの経過時間（Ｔ）、接合ツール部（スイング機構部４）のスイング距離（Ｌ）、スイング角度（θ）、スイング角速度に応じて選択することで行ってもよい。
【００３３】
図４を用いて、上記で説明した本実施例の摩擦撹拌接合装置による代表的な摩擦撹拌接合方法を説明する。
【００３４】
先ず、制御部（制御装置）１１の指令により、接合ツール部７を被接合部材１０の接合部（被接合部材同士の突き合せ部）の所定の位置へ挿入する。（ステップＳ１）
次に、制御部（制御装置）１１の指令により、接合ツール部７の高さ（Ｚ方向の位置）を制御しながら、被接合部材１０の接合部に沿って接合ツール部７をスイング（移動）させ、接合部を摩擦撹拌接合する。（ステップＳ２）
続いて、制御部（制御装置）１１の指令により、接合ツール部７のスイング量（Ｘ方向の移動量）が所定の値（位置）に達した時点で接合ツール部７を被接合部材１０の接合部から引き抜いて、摩擦撹拌接合処理を終了する。（ステップＳ３）
以上説明したように、本実施例の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法によれば、被接合部材に対する接合ツール先端部の深さ方向（Ｚ方向）の位置を摩擦撹拌接合開始から摩擦撹拌接合終了まで変動させず、接合部の深さを一定に制御することができる。
【００３５】
これにより、例えば、鉄鋼製のフレーム材と薄板のアルミニウム材からなる複合材を摩擦撹拌接合する際に、下地である鉄鋼製のフレーム材に影響を及ぼさずに、上層（表層）のアルミニウム材を精度よく摩擦撹拌接合することができ、接合部の接合信頼性が向上する。
【００３６】
また、例えば、下地（下層）が樹脂製の部材で、上層が鉄鋼材やアルミニウム材などの金属材である異材からなる複合部材を摩擦撹拌接合する場合（加熱溶着による金属−樹脂接合の場合）には、樹脂製部材と金属材との接合界面の温度が一定になるように接合ツール部の挿入深さを制御することもできる。
【実施例２】
【００３７】
図６から図７Ｂを参照して、実施例２の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法について説明する。図６は本実施例の摩擦撹拌接合装置２１の全体概要を示し、図７Ａは摩擦撹拌接合装置２１による摩擦撹拌接合の様子を模式的に示している。図７Ｂは従来の摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合の様子を示す図であり、図７Ａと対比して説明するために示している。
【００３８】
図６に示すように、摩擦撹拌接合装置２１は主要な構成として、多軸ロボット２２、Ｃ型フレーム２３、昇降装置である上下動駆動機構部（ボールスクリュー）２４を介してＣ型フレーム２３と接続されるスイング機構部２５、回動機構部２７を介してスイング機構部２５と接続されるホルダ部（接合ヘッド）２６、ホルダ部（接合ヘッド）２６により保持される接合ツール部２８を備えている。接合ツール部２８はショルダ２９及び接合ピン３０で構成され、ショルダ２９を介して接合ピン３０がホルダ部（接合ヘッド）２６に保持される。
【００３９】
多軸ロボット２２は、一般的にロボットアームと呼ばれる垂直多関節ロボットであり、多関節構造とサーボモーターによって三次元空間を自在に動作（移動）することができる。関節の数（軸数）によって可動範囲が変化するが、ここでは台座部２２ａ上に下腕部２２ｂ、上腕部２２ｃ、手首部２２ｄを有する三軸タイプのロボットアームの例を示す。多軸ロボット２２の白丸部分が関節である。
【００４０】
なお、摩擦撹拌接合装置２１はサーボアンプや基板などが収納された制御装置（図示せず）を備えており、この制御装置からの指令（プログラム信号）により多軸ロボット２２の動きを総合的にコントロールする。
【００４１】
多軸ロボット２２の手首部２２ｄの先端には、略Ｃ型形状（または略コの字形状）のＣ型フレーム２３が関節を介して回動可能に接続されている。Ｃ型フレーム２３は、手首部２２ｄの先端に接続されてＣ型フレーム２３自体を多軸ロボット２２に保持する保持部（立上部）２３ａ、保持部２３ａの一方の端部に接続されて上下動駆動機構部（ボールスクリュー）２４を介してスイング機構部２５を保持するスイング機構保持部２３ｂ、保持部（立上部）２３ａの他方の端部に接続されて接合ツール部２８からの押圧力を受け止める押圧力受け部２３ｃから構成されている。
【００４２】
なお、図６では保持部（立上部）２３ａ、スイング機構保持部２３ｂ、押圧力受け部２３ｃが一体物としてＣ型フレーム２３を構成する例を示しているが、各部位がそれぞれ別体として形成され、それらを組み合せることでＣ型フレーム２３を構成する例も含んでいる。
【００４３】
スイング機構部２５は、上下動駆動機構部（ボールスクリュー）２４を介してスイング機構保持部２３ｂに接続されており、スイング機構保持部２３ｂに対して上下方向（ここでは、図６のＺ方向）に動作する。
【００４４】
ホルダ部（接合ヘッド）２６は、回動機構部２７を介してスイング機構部２５と接続されており、スイング機構部２５に対して前後方向（ここでは、図６のＸ方向）にスイング動作する。
【００４５】
接合ツール部２８は、ショルダ２９、接合ピン３０で構成され、接合ピン３０を高速回転させながら被接合部材に所定の深さまで挿入し、接合部（接合線）に沿って移動させることで摩擦撹拌接合を行う。
【００４６】
以上のように、本実施例の摩擦撹拌接合装置２１は、実施例１と同様に、上下動駆動機構部２４及びスイング機構部２５、回動機構部２７を介してホルダ部（接合ヘッド）２６及び接合ツール部２８をＣ型フレーム２３（装置本体）に接続しており、摩擦撹拌接合する際に、接合ツール部２８の先端部（接合ピン３０）を図６のＸ方向へスイング動作させると共に、Ｚ方向（高さ方向）の位置を制御することができる。
【００４７】
図７Ａは本実施例の摩擦撹拌接合装置２１により、鉄鋼材（フレーム材）３２とアルミニウム（ＡＬ）３２の複合材を断続的にスポット接合する際の様子を模式的に示している。図７Ａに示すように、摩擦撹拌接合装置２１により被接合部材を接合する際、ホルダ部（接合ヘッド）２６のスイング動作の支点となる回動機構部２７の高さ（Ｚ方向の位置；図７ＡのＺａ，Ｚｂ，Ｚｃ）を上下動駆動機構部２４により制御する。
【００４８】
これにより、接合点（接合面）を一定の深さ（水平）に制御することができる。図７Ａの例では、鉄鋼材（フレーム材）３２とアルミニウム（ＡＬ）３２の境界面に沿って摩擦撹拌接合が可能になる。
【００４９】
従来の摩擦撹拌接合装置では、スイング機構部２５及び回動機構部２７のみの動作であるため、図７Ｂに示すように、被接合部材を接合する際、ホルダ部（接合ヘッド）２６のスイング動作の支点となる回動機構部２７の高さ（Ｚ方向の位置；図７ＢのＺａ，Ｚｂ，Ｚｃ）は一定であるため、接合点（接合面）が曲線（曲面）となり、下地の鉄鋼材（フレーム材）３２にまで到達し、接合部の信頼性が低下する恐れがある。一方、本実施例の摩擦撹拌接合装置２１では、図７Ａに示すように、接合点（接合面）を一定の深さ（水平）に制御することができ、接合部の接合品質を確保することができる。
【００５０】
また、本実施例では、上下動駆動機構部２４及びスイング機構部２５、回動機構部２７を介してホルダ部（接合ヘッド）２６及び接合ツール部２８をＣ型フレーム２３に接続しており、なおかつ、Ｃ型フレーム２３を多軸ロボットアーム２２により保持しているため、接合点（接合面）を三次元空間において自在に移動することができる。これにより、自動車のボディのように立体的に配置され、曲面を含む複雑な形状の被接合部材の摩擦撹拌接合を精度よく行うことができる。
【００５１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００５２】
また、本発明は以下の特徴も有している。
【００５３】
［付記］装置本体と、前記装置本体の上下動駆動機構部に備わるスイング機構部にホルダ部を備え、ホルダ部に保持される接合ツール部と、から構成される摩擦撹拌接合装置を用いる摩擦撹拌接合方法であって、前記上下動駆動機構部の第１の保持位置を決定する第１の保持位置決定値と、接合開始後の経過時間に応じて決定する複数の第２の保持位置決定値と、接合ツール部に対する接合条件と、スイング機構部を制御するスイング制御条件と、を装置本体に記憶するステップと、前記第１の保持位置決定値に基づき摩擦撹拌接合を開始する時の前記上下動駆動機構部の保持位置を決定するとともに、接合条件に基づき摩擦撹拌接合を開始するステップと、スイング制御条件に基づきスイング機構をスイングしながら、摩擦撹拌接合を開始後所定の時間が経過したときに該経過時間に応じた第２の保持位置決定値に基づき前記上下動駆動機構部の保持位置を変えて接合条件に基づき摩擦撹拌接合を繰り返すステップと、を備える。
【符号の説明】
【００５４】
１…摩擦撹拌接合装置、２…装置本体、３…上下動駆動機構部（ボールスクリュー）、４…スイング機構部、５…ホルダ部（接合ヘッド）、６…回動機構部、７…接合ツール部、８…ショルダ、９…接合ピン、１０…被接合部材、１１…制御部（制御装置）、２１…摩擦撹拌接合装置、２２…多軸ロボット、２２ａ…台座部、２２ｂ…下腕部、２２ｃ…上腕部、２２ｄ…手首部、２３…Ｃ型フレーム、２３ａ…保持部（立上部）、２３ｂ…スイング機構保持部、２３ｃ…押圧力受け部、２４…上下動駆動機構部（ボールスクリュー）、２５…スイング機構部、２６…ホルダ部（接合ヘッド）、２７…回動機構部、２８…接合ツール部、２９…ショルダ、３０…接合ピン、３１…アルミニウム（ＡＬ）、３２…鉄鋼材（フレーム材）。
【図１】
2019171436.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
2019171436.tif 000007
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年7月12日(2018.7.12)
【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】
被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、
装置本体と、
前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、
上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるスイング機構部と、
回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、
前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、
前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、
前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて接合部の深さを一定に制御するように前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、
前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記第１の接合モード及び前記第２の接合モードのいずれかのモードにより前記接合ツールの接合条件と、前記スイング機構部のスイング制御条件と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定す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に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記第１の接合モードにより被接合部材の摩擦撹拌接合を開始し、所定の時間経過後に、前記第２の接合モードに切り換えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、前記第１の保持位置決定信号と、前記第２の保持位置決定信号と、を記憶する記憶部を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、摩擦撹拌接合開始後の経過時間に応じて決定した前記接合ツールの保持位置を前記記憶部に予め記憶させ、当該記憶した保持位置に基づき前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
請求項５に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、予め記憶した複数の保持位置決定信号から摩擦撹拌接合開始時からの経過時間に応じて前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項７】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記スイング機構部のスイング距離に応じて決定した保持位置を前記記憶部に予め記憶させ、当該記憶した保持位置に基づき前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項８】
請求項７に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、予め記憶した複数の保持位置決定信号から摩擦撹拌接合開始時からの前記スイング機構部のスイング距離に応じて前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項９】
請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記スイング機構部のスイング角度に応じて決定した保持位置を前記記憶部に予め記憶させ、当該記憶した保持位置に基づき前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、予め記憶した複数の保持位置決定信号から摩擦撹拌接合開始時からの前記スイング機構部のスイング角度に応じて前記第２の保持位置決定信号を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１１】
被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、
複数の関節を有し、三次元空間を自在に移動可能な多軸ロボットアームと、
前記多軸ロボットアームの先端に接続されるＣ型フレームと、
上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるスイング機構部と、
回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、
前記ホルダ部に保持される接合ツールと、
前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を備え、
前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、
前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて接合部の深さを一定に制御するように前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、
前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の摩擦撹拌接合装置であって、
前記制御装置は、前記第１の接合モード及び前記第２の接合モードのいずれかのモードにより前記接合ツールの接合条件と、前記スイング機構部のスイング制御条件と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項１３】
被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、
（ａ）制御部の指令により接合ツールを被接合部材の接合部の所定の位置へ挿入するステップと、
（ｂ）前記制御部の指令により接合部の深さを一定に制御するように前記被接合部材に対する前記接合ツールの高さを制御しながら前記接合部に沿って前記接合ツールをスイングさせ前記接合部を摩擦撹拌接合するステップと、
（ｃ）前記制御部の指令により前記接合ツールのスイング量が所定の位置に達した時点で前記接合ツールを前記接合部から引き抜くステップと、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
前記（ｂ）ステップにおいて、摩擦撹拌接合開始時からの経過時間、前記接合ツールのスイング距離、前記接合ツールのスイング角度のいずれかに応じて予め決定した前記接合ツールの保持位置に基づき、前記接合ツールの高さを制御することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
前記被接合部材の接合部に対し、前記（ａ）ステップから（ｃ）ステップまでを断続的に繰り返すスポット接合であることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、装置本体と、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、上下動駆動機構部を介して前記装置本体に接続されるスイング機構部と、回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、を備え、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて接合部の深さを一定に制御するように前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記摩擦撹拌接合装置の動作を制御する制御装置と、複数の関節を有し、三次元空間を自在に移動可能な多軸ロボットアームと、前記多軸ロボットアームの先端に接続されるＣ型フレームと、上下動駆動機構部を介して前記Ｃ型フレームの一端に接続されるスイング機構部と、回動機構部を介して前記スイング機構部に接続されるホルダ部と、前記ホルダ部に保持される接合ツールと、前記Ｃ型フレームの他端に接続され、前記接合ツールからの押圧力を受け止める押圧力受け部と、を備え、前記制御装置は、前記接合ツールの接合条件を決定する接合条件信号と、前記スイング機構部を制御するスイング制御信号と、前記上下動駆動機構部による前記接合ツールの保持位置を決定する第１の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第１の接合モードと、前記接合条件信号と、前記スイング制御信号と、被接合部材の状態に応じて接合部の深さを一定に制御するように前記第１の保持位置決定信号を補正した第２の保持位置決定信号と、に基づいて摩擦撹拌接合する第２の接合モードと、を有し、前記接合ツールの前記被接合部材への挿入から引き抜きまでの一接合パスに、前記第１の接合モードと前記第２の接合モードを含むことを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、（ａ）制御部の指令により接合ツールを被接合部材の接合部の所定の位置へ挿入するステップと、（ｂ）前記制御部の指令により接合部の深さを一定に制御するように前記被接合部材に対する前記接合ツールの高さを制御しながら前記接合部に沿って前記接合ツールをスイングさせ前記接合部を摩擦撹拌接合するステップと、（ｃ）前記制御部の指令により前記接合ツールのスイング量が所定の位置に達した時点で前記接合ツールを前記接合部から引き抜くステップと、を有することを特徴とする。