(57)【要約】【課題】接合したい部材の衝合部に工具を回転させながら押し付けて発生する摩擦熱で接合部材を塑性流動化させて接合処理を行なうにあたり、接合したい部材の衝合部上に残留している異物と衝合部の凹凸を区別し、異物は工具で跳ね除けてそのまま接合を継続し、装置が停止しないようにする。【解決手段】接合工具２の先行位置に設けた位置センサ６からの計測結果が許容範囲外となった場合には接合工具２の制御位置を保持させたまま接合処理を継続し、位置センサ６の計測結果が許容範囲外であることが所望回数継続した場合には接合処理を停止させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合したい部材の衝合部に工具を回転させながら押し付けて発生する摩擦熱で該接合したい部材を塑性流動化させて接合処理を行なう摩擦攪拌接合方法において、
該工具の先行位置に設けた接合したい部材の表面位置を計測する位置センサからの計測結果が許容範囲外となった場合には該工具の制御位置を保持させたまま接合処理を継続し、該位置センサの計測結果が許容範囲外であることが所望回数継続した場合には該接合処理を停止させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
上記請求項１において、該位置センサからの計測結果が許容範囲内である場合には該工具の位置制御を行なうことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
接合したい部材の衝合部に工具を回転させながら押し付けて発生する摩擦熱で該接合したい部材を塑性流動化させて接合処理を行なう摩擦攪拌接合装置において、
該工具の先行位置に接合したい部材の表面位置を計測する位置センサを設け、該位置センサからの計測結果が許容範囲外となった場合には該工具の制御位置を保持させたまま接合処理を継続し、該位置センサの計測結果が許容範囲外であることが所望回数継続した場合には該接合処理を停止させる制御手段を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
上記請求項３において、該衝合部に該工具を回転させながら押し付け該衝合部に沿って該工具と該位置センサを一緒に移動させるＮＣ機械が該制御手段の指令に基づいて動作するようになされていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
上記請求項３において、該位置センサは接合したい部材の表面位置までの距離を計測するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合したい部材の衝合部に工具を回転させながら押し付けて発生する摩擦熱で、接合したい部材を塑性流動化させて固相での接合処理を行なう摩擦攪拌接合方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合は、突き合せたり重ね合せたりした２つの接合したい部材（以下、接合部材と略記）の接合個所（衝合部）に、接合部材より硬くて溶融温度の高い材料で製作した専用の工具（接合工具）を、回転させながら押し付けることによって発生する摩擦熱で接合部材を塑性流動化させ、接合工具を接合部材の中に接合深さまで挿入した後、衝合部に沿って回転させながら移動させて接合部材を接合する技術である（下記の特許文献１参照）。
【０００３】
接合部材は摩擦攪拌接合を行なう上で加工精度が低いので、接合工具を衝合部に沿って正確に移動させ、かつ接合部材上面の凹凸に合せて正確に移動させ、接合深さが一定になるように位置制御をしなければ、接合部に欠陥が発生したり接合深さにバラツキができたりして、接合部の強度が著しく低下してしまう。
【０００４】
摩擦攪拌接合を行なうためには接合工具と接合部材の高さ違いおよび衝合部とのズレ量を少なくするための位置制御技術を示すものとして、特許文献２などがある。
【０００５】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１３７０７０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位置制御技術は、衝合部が水平に湾曲していたり凹んでいたりしている場合には接合深さを保持する上で都合のよいものであるが、衝合部上に異物が載っているような場合には、位置センサは異物表面を接合部材の表面位置と認識して、位置制御系では接合工具を異物に合せて引き上げるので、接合深さは浅くなって充分な接合強度を得られなくなるという問題があった。
【０００７】
また、異物に合せて接合工具の位置制御を頻繁に行なうと、接合している個所の温度と粘度を一定に維持できなくなり、安定した摩擦攪拌接合と接合部の品質安定を図ることも困難になる。
【０００８】
それゆえ本発明の目的は、衝合部上に異物が載っている場合でも所望の接合深さを維持できる摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の目的は、衝合部上に異物が載っている場合でも接合処理を中断することがなく安定した接合処理を維持し高品品質の接合部を得ることができる摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明摩擦攪拌接合方法の特徴とするところは、接合工具の先行位置に設けた接合したい部材の表面位置を計測する位置センサからの計測結果が許容範囲外となった場合には接合工具の制御位置を保持させたまま接合処理を継続し、位置センサの計測結果が許容範囲外であることが所望回数継続した場合には接合処理を停止させることにある。
【００１１】
また、上記の課題を解決する本発明摩擦攪拌接合装置の特徴とするところは、接合工具の先行位置に接合したい部材の表面位置を計測する位置センサを設け、この位置センサからの計測結果が許容範囲外となった場合には接合工具の制御位置を保持させたまま接合処理を継続し、位置センサの計測結果が許容範囲外であることが所望回数継続した場合には接合処理を停止させる制御手段を設けたことにある。
【００１２】
本発明は、接合部材上に乗っている異物は接合工具の回転で跳ね飛ばすことができること、および異物は接合部材での加工精度から許容される凹凸よりも大きいことが殆どで位置センサの計測結果から異物を判断することができることを見出したことに基づくものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明になる摩擦攪拌接合方法を行なう本発明装置の概略構成を示している。
【００１４】
図１において、１ａ，１ｂは衝合部１ｃで接合をしたい接合部材で、図示を省略した保持テーブル上に着脱可能に固定してある。２は接合工具、３は接合工具２をトルクモータの主軸に設けたアタッチメント４で保持しθ方向の回転を与えるとともにＺ軸方向に位置制御を行なうＺ軸テーブルを内蔵した工具保持ヘッド、５は工具保持ヘッド３をＹ軸方向に移動し接合工具２の位置制御を行なうＹ軸テーブルである。Ｙ軸テーブル５は図示していないＸ軸テーブルでＸ軸方向に移動するようになっていて、ＸＹ両テーブルの所望方向への移動により、接合工具２は衝合部１ｃが延びるＸＹ各方向に自由に位置制御できる。６は工具保持ヘッド３にアタッチメント７でθ方向に回転し得るように固定した光学式の位置センサで、接合工具２の進行方向に先行して接合部材１ａ，１ｂの表面までの垂直距離により接合部材１ａ，１ｂの表面位置を計測し、衝合部１ｃの凹凸を観測するためのものである。８は接合工具２の回転数やＸＹＺ各方向への移動を制御するＮＣ装置（ＮＣ機械）、９は位置センサ６の計測結果からＮＣ装置８に動作指令を出すパソコンで構成した制御装置（制御手段）、１０は制御装置９のモニタ画面、１１はモニタ画面１０の表示を見ながら作業者が接合に関する各種データを入力するキーボードである。
【００１５】
制御装置９は、位置センサ６が衝合部１ｃを観測する結果に基づいて接合工具２をＸＹ各方向へ位置制御するソフトプログラムの他に衝合部１ｃ上に異物１２が載っている場合に異物１２であると認識して異物除去の処理を行なうソフトプログラムとこれらプログラムで得た判断結果とキーボード１１から入力された各種データとでＮＣ装置８が所望の接合処理を行なうための指令データを作る変換プログラムとモニタ画面１０で所望の表示をするためのソフトプログラムなどを有し、それらの処理に用いたデータを記憶しておく記憶部やデータの入出力処理を行なう入出力部などを備えている。
【００１６】
ＮＣ装置８はＸＹ各テーブル５や工具保持ヘッド３に制御信号を送るだけでなくこれらの動作状態を管理しており、管理状態は制御装置９に送って、制御装置９から管理状態に基づく指令を得るようになっている。
【００１７】
動作状態の管理に当たっては、接合工具２を回転させるトルクモータの駆動電力から計る接合工具２と接合部材１ａ，１ｂとの間に生じている摩擦力，ＸＹＺ各テーブルのエンコーダから得る接合工具２の位置データと工具保持ヘッド３がＺ軸方向への位置移動をして接合工具２を接合部材１ａ，１ｂに押し込んでいるトルクモータの駆動電力から計る押圧力，などに関する信号を入手している。接合工具２が回転して接合部材１ａ，１ｂとの間に生じている摩擦熱は、接合工具２が接合した直後の接合部１ｄの温度を計測することで入手できる。
【００１８】
接合部１ｄの温度は接合部１ｄにおける接合強度を確保する上で重要であり、温度が変動したら接合工具２の回転数や押し込み力あるいは接合部材１ａ，１ｂとの相対移動速度を制御し、できるだけ温度を一定に維持するようにする。
【００１９】
これらの諸データは接合部材１ａ，１ｂの材質や衝合部の形状や接合深さなどに応じて、予め設計値をキーボードを介して制御装置９に初期設定しておき、制御装置９は各部から送られてくる信号と設計値を比較して、摩擦攪拌接合における全ての制御を行なうようになっている。
【００２０】
以下に摩擦攪拌接合を行なうための本発明になる異物検知を含めた接合工具の位置制御について説明する。
【００２１】
先ず、図２により接合工具２が摩擦攪拌接合を行なうために位置センサ６で接合部材１ａ，１ｂの表面を計測する状況を説明する。
【００２２】
図２（ａ），（ｂ）は位置センサ６で得た接合部材１ａ，１ｂにおける表面の高さを図１のＹ方向位置とＸ方向位置で示している。接合部材１ａ，１ｂの表面は突出していてその突出部で衝合しており、位置センサ６はこの突出部を含んで１段低い領域まで、表面位置を観測している。表面位置は前以て分かっているから、この段差は表面形状と判断し、異物とは認知しないようにしてある。また、衝合部では加工精度に基づく隙間があれば、突然表面位置が低くなるが、段差部から衝合部までの距離も加工精度に基づく許容範囲が前以て分かっているから、隙間が存在していると判断するようにしてある。
【００２３】
初期設定された接合部材１ａ，１ｂにおける表面の高さは設定値Ｚ０で示し、異物１２の高さをΔＺで示している。工具直径は接合工具２の直径で、図１に示すように衝合部１ｃに沿ったＸ軸方向に接合工具２が移動し、異物１２は衝合部１ｃ上で工具直径の範囲にあると仮定する。
【００２４】
位置センサ６はＹ軸方向に高速に表面の高さを計測しつつ、接合工具２とともにゆっくりＸ軸方向に移動していく。この場合、位置センサ６による計測は、Ｘ軸方向に所望の間隔（例えば、３ｍｍの間隔）を置いて計測をする。位置センサ６の計測結果が接合部材１ａ，１ｂに加工精度から許容された範囲の凹凸（例えば、０．５ｍｍ）内であれば、位置センサ６が計測した位置に接合工具が位置するときに、接合工具２は計測結果に合せて工具保持ヘッド３に内蔵のＺ軸テーブルで上下方向に位置制御が行なわれる。殆どの場合、異物１２は高さΔＺが接合部材１ａ，１ｂに加工精度から許容された凹凸の範囲（許容範囲）よりも大きい。
【００２５】
次ぎに図３により、接合工具２の位置制御について説明する。
先ず、ステップ（以下、Ｓと略記）１００で既に説明した接合処理に必要な各種データの初期設定をモニタ画面１０の表示を参照しつつキーボード１１から行なう。その後、Ｓ２００でＸＹＺ各軸テーブルにより位置センサ６を接合工具２による摩擦攪拌接合の始点（開始位置）に移動させる。
【００２６】
そして、Ｓ３００で位置センサ６による計測を行ない、Ｓ４００で計測結果から得た接合部材１ａ，１ｂにおける表面の凹凸が許容範囲内かどうか判断する。
【００２７】
接合部材１ａ，１ｂにおける表面の凹凸が０．３ｍｍであれば、許容範囲の０．５ｍｍ内であるので、Ｓ５００に進んで、位置調節の指令値を作り、接合工具２が表面凹凸０．３ｍｍを計測した位置センサ６の位置に達したときに位置制御ができるようにしておき、Ｓ６００でその指令値に従った位置制御をして接合処理を行なう。そしてＳ７００で計測位置が接合処理の終点に到っているか判断して、到っていなければ，Ｓ３００に戻って、以上の処理を繰り返す。
【００２８】
Ｓ４００で接合部材１ａ，１ｂにおける表面の凹凸が１．３ｍｍであれば、許容範囲（０．５ｍｍ）内ではないので、Ｓ８００に進んで許容範囲（０．５ｍｍ）を越えた回数を確認する。越えた回数が所望回数（例えば４回目）以内であれば、異物であると予想してそのままＳ６００に進んで接合処理を続けるようにする。これは、１．５ｍｍの計測をしたものが異物であれば、異物は接合部材１ａ，１ｂ上に載っているだけで接合工具２が当接したときに接合工具２によって跳ね飛ばしたり押し除けることができ、Ｓ７００からＳ３００に戻って再び計測をした場合、異物１２が排除されて無ければ、位置センサ６は接合部材１ａ，１ｂの表面位置を計測することになり、徒に位置制御をしなくてもよいからである。
【００２９】
しかしながら、Ｓ７００からＳ３００に戻って再び計測をした場合、許容範囲（０．５ｍｍ）を越えた回数が５回も重なれば、その長さは計測間隔４回分（３ｍｍ×４）は越えた大きさを持っており、異物１２と予想してしまうのはあまりに大きいので、Ｓ９００に進んで一旦装置を止めて、作業者が接合部材１ａ，１ｂ上を確認し、原因となっている案件を手作業で除去し、再開の修正処理をしてからＳ６００に進んで、以上の処理を繰り返す。
【００３０】
Ｓ７００で計測位置が接合の終点であれば、接合工具２が終点にきた時期を見計らって終了とする。
【００３１】
なお、Ｓ８００からＳ９００に進んで装置を停止させる場合、非常灯を点灯させたり警報を発したりするようにしておけば、作業者は装置から離れて他の作業に従事することができる。
【００３２】
また、図２（ａ）に工具直径で示す設定値から接合工具２の接合範囲から横に外れた位置に異物１２があることも確認でき、そのようなときは接合工具２は異物１２に接触しないし、接合そのものの障害にもならないので、Ｓ４００の判断は接合工具２の接合範囲内に異物１２が存在している場合に限るようにしても良い。
【００３３】
さらに、衝合部１ｃのＹ方向での隙間は加工精度の許容範囲内にあることが殆どであるが、位置センサ６による計測の結果、設定値Ｚ０を持たないＹ方向での幅が衝合部１ｃのＹ方向での隙間に関する加工精度許容範囲外であれば、そのような個所について接合処理をすると、周辺の接合部材が塑性流動で隙間を埋める結果、接合部１ｄの表面位置が下がってしまい、所望の接合強度を得られないことがあるので、そのような時も異物１２は存在していないがＳ８００からＳ９００に進むようにしておくと良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、衝合部上に異物が載っている場合でも所望の接合深さを維持できる。
【００３５】
さらに本発明によれば衝合部上に異物が載っている場合でも接合処理を中断することがなく安定した接合処理を維持し高品品質の接合部を得ることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる摩擦攪拌接合を行なう摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す図である。
【図２】位置センサで計測した接合部材の表面位置を示す図である。
【図３】図１に示した摩擦攪拌接合装置において行なう接合工具位置制御のフロー図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…接合部材
１ｃ…衝合部
１ｄ…接合部
２…接合工具
５…Ｙ軸テーブル
６…  位置センサ
８…ＮＣ装置
９…制御装置
１０…モニタ画面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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