(57)【要約】      （修正有）【課題】母材をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に母材の接合部位の形状や母材内部の状態にあわせて母材の攪拌領域を任意の領域に拡大し得、これにより接合部位の形状に合わせて該摩擦攪拌接合の柔軟性と円滑化を計る。【解決手段】裏面押圧部材１１と表面押圧部材１０を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により連結若しくは対峙されてなるボビンツール１１を有する摩擦攪拌接合装置において、前記両押圧部材の心軸上に位置する攪拌軸１２Ａの駆動軸線に対し、前記母材攪拌軸の軸線が変向若しくは変位させて配設され、該母材攪拌軸の回転運動が母材接合中心垂直線を中心として周回する公転運動をなすように前記母材攪拌軸が、母材の攪拌性向上部位と対応させて母材接合中心垂直線若しくは駆動軸線より遠ざかる方向に傾斜、折曲若しくは湾曲させている。【選択図】      図１
2004202536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面押圧部材と表面押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により連結若しくは対峙されてなるボビンツールを有する摩擦攪拌接合装置において、
前記両押圧部材の心軸上に位置する攪拌軸の駆動軸線に対し、前記母材攪拌軸の軸線が変向若しくは変位させて配設され、該母材攪拌軸の回転運動が母材接合中心垂直線を中心として周回する公転運動をなすように構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記攪拌軸の駆動軸が母材接合垂直線に沿って形成されており、該駆動軸の直径を母材攪拌軸の公転軌跡の最大直径より大に構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
請求項１若しくは２記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記母材攪拌軸が、母材の攪拌性向上部位と対応させて母材接合中心垂直線若しくは駆動軸線より遠ざかる方向に傾斜、折曲若しくは湾曲させていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
請求項１、２、若しくは３記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記母材攪拌軸を傾斜、折曲若しくは湾曲させてなる軸線が、母材接合中心垂直線若しくは駆動軸線と交差して配設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】
前記裏面押圧部材若しくは前記表面押圧部材の少なくとも１つにヒータを内蔵するか若しくは接合移動線の前方に予熱手段が内蔵されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記表面側よりの接合部への摩擦入熱と前記裏面側よりのへの摩擦入熱とともに、該入熱された接合部位が母材攪拌軸の回転駆動軸線を中心とする公転運動により機械攪拌され、該公転軌跡の最も大きい直径部位を、母材の攪拌性向上部位と対応させて攪拌を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記摩擦攪拌部位が前もって予熱若しくは摩擦付与熱と別異の熱エネルギにより加熱されている状態で攪拌されていることを特徴とする請求項６記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
請求項６若しくは７記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記母材表裏両面を摺動する裏面押圧部材と表面押圧部材とにより母材表裏両面側を面規制させた状態で、母材攪拌軸の公転運動を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
請求項６、７、若しくは８記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記裏面側若しくは表面側を塑性流動可能な温度域に達するまでの間に摩擦熱以外の熱付与手段で予熱して接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両、航空機、船舶、建物等の構造体を製造する際に用いるシングルスキンやダブルスキンパネル（二面中空パネル）同士を接合する摩擦攪拌接合装置とその製造方法に係り、特にボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置とその接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特表平７−５０５０９０号公報（特許文献１）には、摩擦攪拌による固相接合方法として長尺材同士の新規な接合方法が開示されており、かかる接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の溶接部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法で、かかる摩擦溶接法は、溶接部材を固相状態で、回転ツ−ルを回転させながら移動させつつ軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく溶接方向に対して実質的に無限に長い長尺材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転ツ−ルと溶接部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ない、などの多くの利点がある。
【０００３】
次に摩擦撹拌接合に使用される回転工具について説明する。摩擦撹拌接合は前記特許文献１に開示されているように、ブローブ型とボビンツール型の回転工具が存在し、プローブ型工具は、ショルダ部で母材表面より摩擦熱を付与しながら、母材に侵入させたプローブ軸の機械的攪拌により、プローブ軸周囲が塑性流動化し、この状態で回転工具を接合線に沿って移動させることにより、接合線周囲が塑性流動しつつ接合線に沿って２つの素材が圧力を受けながら撹拌混練され、プローブの後方側に移行する。この結果塑性流動した素材は後方側で摩擦熱を失って急速に冷却固化するので両パネル板は素材同士が混じり合って完全に一体化した状態で接合されるものであるが、かかる接合方法では接合時に摩擦熱を発生させるために、回転工具を接合線側に押しつける必要があり、従ってこの反力に対処するために、裏当金が使用されている。この裏当金は被加工物の面板の裏面に密着させて設置するものであり、大きな加圧力を必要とする。
【０００４】
かかる欠点を解消するために、図６に示すように、ボビンツール１と呼ばれる回転工具が提案されている。
かかる工具は図６に示すように接合する金属板の表裏両面を挟持するように一定間隔を設けた一対のショルダ１０、１１が設けられているとともに、該上下一対のショルダ１０、１１間に攪拌軸１２が設けられているので、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、裏面側の融合不良が生じないのみならず、上下一対のショルダ１０、１１間で互いの反力を受けているために、裏当金が不要になる。
【０００５】
そしてこのようなボビンツールを用いた先行技術は種々存在し、例えば特開２００２−２６３８６３号公報（特許文献２）において、バリや内部欠陥などが生じにくい接合部を容易に形成できる摩擦攪拌接合用ツールが提案されており、かかる技術は図７に示すように、円柱状のツール本体４０と、このツール本体４０の底面の中心付近から垂下する攪拌ピン４２と、この攪拌ピン４２の先端に配置される裏当て部４１と、を備え、上記ツール本体４０の底面および上記裏当て部４１における上記ツール本体４０の底面と対向する上面には、その周縁と上記攪拌ピン４２との間に渦巻き形凸条４３がそれぞれ配置されていると共に、上記ツール本体４０の底面には、リング状凸部４４が形成されているものである。
そしてかかる装置によれば、ツール本体および裏当て部の渦巻き形凸条４３が、被接合部材間に攪拌ピンと共に挿入され且つ攪拌ピン４２の近傍に押込み力が付加されるので、被接合部材間の接合部に内部欠陥が生じるのを防止できる。
【０００６】
しかしながらかかる従来技術は、母材上面若しくは下面よりの摩擦入熱は渦巻き状凸条４３によって増加するために、バリ取りには優れているが、攪拌ピン４２の軸が母材表面に対し、垂直であるために、ピン軸周囲に位置する攪拌領域が必然的に小さく、接合ギャップ（隙間）が斜めになっていたり、鍵型になっていた場合に従来のボビンツールでは、その全域を攪拌して接合することが出来なかった
更に、ボビンツール１０を用いて接合部を接合する際、その接合部に挿入する攪拌軸にねじを位置させて摩擦攪拌接合を行う技術も特開２００２−８６２８１号公報（特許文献３）に開示されているが、かかる技術もねじの部分だけ攪拌量が増大するのみで、特段に攪拌幅が増えるわけではない。
【０００７】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２６３８６３号公報
【特許文献３】
特開２００２−８６２８１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、母材をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に母材の接合部位の形状や母材内部の状態にあわせて母材の攪拌領域を任意の領域に拡大し得、これにより接合部位の形状に合わせて該摩擦攪拌接合の柔軟性と円滑化を計ることのできる摩擦撹拌接合装置とその接合方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、裏面押圧部材と表面押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により連結若しくは対峙されてなるボビンツールを有する摩擦攪拌接合装置において、前記両押圧部材の心軸上に位置する母材接合中心垂直線に対し、前記母材攪拌軸の軸線が変向若しくは変位させて配設され、該母材攪拌軸の回転運動が母材接合中心垂直線を中心として周回する公転運動をなすように構成したことを特徴とする。
【００１０】
そしてかかる発明を実施する方法発明として、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、前記表面側よりの接合部への摩擦入熱と前記裏面側よりのへの摩擦入熱とともに、該入熱された接合部位が母材攪拌軸の回転駆動軸線を中心とする公転運動により機械攪拌され、該公転軌跡の最も大きい直径部位を、母材の攪拌性を向上させた部位と対応させて攪拌を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明を具体的に説明する。
摩擦攪拌接合を行う場合に、母材間の接合ギャップは、必ずしも母材表面に対し垂直ではなく、図１〜図３に示すように接合ギャップが傾斜若しくは屈曲していたり、鍵形状若しくは矩形状になっている場合がある。
このような場合に攪拌軸が公転運動をする基準中心（太陽の位置）はあくまでも駆動軸の中心、即ち前記両押圧部材の心軸上に位置する母材接合中心垂直線でる。
このように構成することにより、公転運動の中心となるのは駆動軸線Ｃであって従って前記母材攪拌軸の軸線が変向若しくは変位させて配設されている場合であっても、回転トルクが非対称になることなく、正規の回転運動で回転できる。従ってかかる発明によれば、従来技術のように攪拌領域が駆動軸と一致する母材接合中心垂直線周囲に限定されることなく、図１〜図３に示すように接合ギャップが傾斜していたり、鍵形状若しくは矩形状になっている場合においてもその接合領域のほとんどカバーするように公転運動によって攪拌領域を設定でき、確実な内部攪拌と接合面積が広がり強固で且つ確実な攪拌接合が可能となる。
【００１２】
更に本発明は、前記攪拌軸の駆動軸が母材接合垂直線に沿って形成されており、該駆動軸の直径を母材攪拌軸の公転軌跡の最大直径より大に構成したことを特徴とする。
【００１３】
すなわち、回転駆動時に、駆動軸にかかるせん断応力（ねじれトルクも含む）は（ｒ／ｋ）２  の変数であるために、駆動軸直径ｋが公転軌跡の最大直径ｒより小さい場合はせん断応力（ねじれトルクも含む）が無用に増加し、駆動軸の破断やクラックの発生につながるが、駆動軸直径ｋが公転軌跡の最大直径ｒより大きい場合は負荷側である公転軌跡にかかるせん断応力（ねじれトルクも含む）は駆動軸トルクより大きくなることはなく、摩擦攪拌接合のような粘性の高い塑性流動によっても駆動軸の破断やクラックの発生が生じることがないとともに、回転変動の抑制につながり、一層均一な塑性流動が可能となり、接合品質の向上にもつながる。
【００１４】
又ブローブ型の工具の場合は、母材表面側を面規制する片面母材面規制であるために、攪拌軸が非対称の状態で公転運動を行うと、攪拌軸側の回転負荷変動によりショルダ面が母材表面から浮き上がるようにばたついてしまうが、本発明は、前記母材表裏両面を摺動する裏面押圧部材と表面押圧部材とにより母材表裏両面側を面規制させた状態で、母材攪拌軸の公転運動を行うために、このようなばたつきを防止でき、円滑に攪拌軸が上下両面規制された状態で、公転運動による母材攪拌を行うことが出来る。
【００１５】
そしてこのように公転運動をさせる場合は例えば、母材の攪拌性を向上させた部位が対応する攪拌軸の部位が、駆動軸線から半径方向に遠ざかるように攪拌軸を傾斜、折曲若しくは湾曲させて構成する。即ち言い換えれば、前記母材攪拌軸が、母材の攪拌性を向上させた部位と対応させて母材接合中心垂直線若しくは駆動軸線より遠ざかる方向に傾斜、折曲若しくは湾曲させていることを特徴とする。
【００１６】
かかる構成によれば単なる攪拌軸の機械的形状変化により広範囲にわたる攪拌領域を設定でき、確実な内部攪拌と接合面積が広がり、強固で且つ確実な攪拌接合が可能となる。
【００１７】
更に本発明は、前記母材攪拌軸を傾斜、折曲若しくは湾曲させてなる軸線が、母材接合中心垂直線若しくは駆動軸線と交差して配設されていることを特徴とする。
【００１８】
かかる発明によれば、例え回転駆動軸が非対称であっても回転駆動軸の両側に攪拌軸の公転部位が位置しているために、せん断応力（ねじれトルクも含む）を左右両側でうち消す方向に働きその分軸破断の恐れを防止できるとともに、回転変動の抑制につながる。
【００１９】
しかしながら、例えば母材がアルミの場合に４００〜５７０℃前後の軟化（餅のような）状態での温度域で、攪拌軸が回転してくれれば本発明の効果は極めて優れた効果を達成するが、実際の摩擦攪拌接合は一般的に、摩擦入熱を加える前記裏面／表面押圧部材と攪拌軸が同期して回転するものであるために、言い換えれば４００℃以下の未だ固体状態にある接合区域を軸回転ではなく、公転運動をさせねばならない。このことは攪拌軸に強い衝撃荷重や大きなせん断トルクを加えることになる。
【００２０】
そこで本発明の好ましい実施例によれば、前記裏面押圧部材若しくは前記表面押圧部材の少なくとも１つにヒータを内蔵するか若しくは接合移動線の前方に予熱手段が内蔵されていることを特徴とし、言い換えれば摩擦攪拌接合方法において、前記摩擦攪拌部位が前もって予熱若しくは摩擦付与熱と別異の熱エネルギにより加熱されている状態で攪拌されていることを特徴とする。
【００２１】
かかる発明によれば、前記裏面側若しくは表面側を塑性流動可能な温度域に達するまでの間に摩擦熱以外の熱付与手段で予熱することにより攪拌軸を軸回転ではなく駆動軸を中心として周回するような公転運動をさせても攪拌軸に強い衝撃荷重やせん断トルクを加えることなく、円滑に摩擦攪拌接合を行うことができる。
勿論これらを組み合わせて前記塑性流動可能な温度域に達するまでの間に摩擦入熱と摩擦熱以外の熱付与手段の両者で予熱した後、軟化温度域までの立ち上げを早くしてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置のボビンツール部の具体的構成を示し、図中４は接合されるワーク（母材）で、例えばシングルスキンパネル同士を突き合わせて接合する構成をとっている。
母材４の自由端２の接合部は図１（Ｂ）に示すようにＬ字型となっており、このため接合部２１は矩形状に嵌合している。このように構成するのは接合面が垂直面の場合に比較して接合ギャップを少なくすることと、表裏両面側に接合部の矩形部２１Ａ、２１Ｂで位置規制されるために、母材４同士の上下の面一が容易に出るためである。
【００２４】
しかしながらこのような嵌合構成をとると、上側の接合線２１Ａ、２１Ｂに対し、下側接合線が左右にずれてしまい、攪拌軸が垂直の軸回転では上下のすべての接合部２１領域をカバーできるだけの攪拌領域を得ることが出来ない。
そこで図１（Ａ）に示すように、攪拌軸１２Ａを下側に拡径したテーパ状の攪拌領域３を得るために、上側円筒ショルダ（上側押圧部材）１０の下面軸心位置（回転駆動軸線と一致）より斜めに傾斜させて（所定角度で）延在させ下側円筒ショルダ（下側押圧部材）１１の軸心から外れた上面に連設している。そしてその傾斜角度はテーパ状攪拌領域３にあわせて所定角度傾斜して設定している。
【００２５】
そしてかかるボビンツ−ル型の回転工具１はシャンク部１３によりチャッキングされ、該シャンク部１３は更に機械主軸１４に上部テーパシャンク部を連結して一体的に主軸１４に挟持され、該回転工具１に回転駆動力を付与する主軸１４若しくはチャック部の直径ｋは母材攪拌軸１２Ａの公転軌跡の最大直径ｒより大に構成する。
【００２６】
かかる構成によれば、主軸１４の駆動軸線Ｃ／Ｃと母材４の上側接合線２１Ａを合致させた状態で、主軸１４を回転させて接合を行うことにより、前記母材４表裏両面を摺動する裏面ショルダ１０と表面ショルダ１１とにより母材４表裏両面側を面規制させた状態で、言い換えれば攪拌軸１２Ａの上下両面規制された状態で、公転運動による母材４の攪拌を行うことが出来、この結果攪拌軸１２Ａが駆動軸線Ｃを中心として下広がりのテーパ状に公転運動をしてテーパ状攪拌領域３が形成され、上下のＬ型接合線２１Ａ、２１Ｂを含むすべての領域が確実に接合される。
【００２７】
図２は本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置のボビンツール部の具体的構成を示し、図中４は接合されるワーク（母材）で、例えばシングルスキンパネル同士を突き合わせて接合する構成をとっている。
母材４の自由端の接合部２２は図２（Ｂ）に示すようにその中段位置２２Ｂの垂直線が回転駆動軸線Ｃ／Ｃ上に一致する階段状型となっており、このため接合部位２２Ａ／２２Ｂ／２２Ｃは２段階の矩形状に嵌合しているが、このような嵌合構成をとると、中段の接合線２２Ｂに対し、下側と上側の夫々の接合線２２Ａ、２２Ｃが左右にずれてしまい、攪拌軸が垂直の軸回転では上中下のすべての領域をカバーできるだけの攪拌領域を得ることが出来ない。
【００２８】
そこで図２（Ａ）に示すように、上側と下側に夫々拡径した鼓状の攪拌領域３を得るために、攪拌軸１２Ｂの中央位置の中心を駆動軸線Ｃ／Ｃ（ショルダ中心線）にあわせて、その位置より「く」の字状に折り曲げて上側円筒ショルダ１０の下面右側と下側円筒ショルダ１１上面右側の夫々斜めに傾斜させて延在させて軸心から外れた面に連設している。そしてその傾斜角度は鼓状攪拌領域３にあわせて所定角度傾斜して設定している。
【００２９】
そしてかかるボビンツ−ル型の回転工具１はシャンク部１３によりチャッキングされ、該シャンク部１３は更に機械主軸１４に上部テーパシャンク部を連結して一体的に主軸２に挟持され、該回転工具１に回転駆動力を付与する主軸１４若しくはチャック部の直径ｋは母材攪拌軸１２Ｂの公転軌跡の最大直径ｒより大に構成する。
【００３０】
そしてかかる構成によれば、主軸の駆動軸線Ｃ／Ｃと中段接合線２２Ｂを合致させた状態で、主軸１４を回転させて接合を行うことにより、裏面ショルダ１０と表面ショルダ１１とにより攪拌軸１２Ｂの上下両面が規制された状態で、公転運動による母材攪拌を行うことが出来、この結果攪拌軸１２Ｂが駆動軸線Ｃ／Ｃを中心として上下下広がりの鼓状に公転運動をして鼓状攪拌領域３が形成され、中段２２Ｂより上下の左右にずれた接合線２２Ａ、２２Ｃを含むすべての領域が確実に接合される。
【００３１】
図３は本発明の第３実施例にかかる摩擦接合装置のボビンツール部の具体的構成を示し、図中４は接合されるワーク（母材）で、例えばシングルスキンパネル同士を突き合わせて接合する構成をとっている点は前記実施例と同様である。
母材４の自由端の接合部２３は図３（Ｂ）に示すようにその母材４中央位置が回転駆動軸線Ｃ／Ｃ上から最も遠ざかるように「く」形状に凹凸嵌合した構造となっており、このような嵌合構成をとると、前記２つの実施例と同様に上下の面一での位置あわせが容易になるとともに、嵌合部が楔状（くの字状）であるために、２つのパネル同士を面板方向に接近するだけで、簡単に面一状態での接合が容易である。
【００３２】
そこで図３（Ａ）に示すように、上側と下側より中央側に膨出させた球状の攪拌領域３を得るために、攪拌軸１２Ｃの軸線に上側円筒ショルダ１０の下面中心と下側円筒ショルダ１１下面中心をあわせて、且つ該攪拌軸１２Ｃ中央位置の中心を駆動軸線Ｃ／Ｃより最も遠ざかる方向に「く」の字状に折り曲げた折曲攪拌軸１２Ｃを設けて、その傾斜角度は球状攪拌領域にあわせて所定角度傾斜して設定している。
そして、該回転工具１に回転駆動力を付与する主軸１４若しくはチャック部の直径ｋは母材攪拌軸１２Ｃの公転軌跡の最大直径ｒより大に構成する。
【００３３】
かかる構成によれば、主軸１４の駆動軸線と、裏面ショルダ１１と表面ショルダ１０中心線を合致させた状態で、主軸１４を回転させて接合を行うことにより、裏面ショルダ１１と表面ショルダ１０とにより攪拌軸１２Ｃの上下両面が規制された状態で、公転運動による母材攪拌を行うことが出来、この結果攪拌軸１２Ｃが駆動軸線を中心として中央に広がりの球状に公転運動をして球状攪拌領域が形成され、中段より上下の左右にずれた接合線を含むすべての領域が確実に接合される。
【００３４】
さて、本実施例によれば、前記したように、例えば母材がアルミの場合に４００〜５７０℃前後の軟化（餅のような）状態での温度域で、攪拌軸１２Ａ〜１２Ｃが回転してくれれば本発明の効果は極めて優れた効果を達成するが、実際の摩擦攪拌接合は一般的に、摩擦入熱を加える前記裏面／表面ショルダ１０、１１と攪拌軸１２Ａ〜１２Ｃが同期して回転するものであるために、言い換えれば常温の固体状態にある接合区域を軸回転ではなく、公転運動をさせねばならない。このことは攪拌軸に強い衝撃荷重や大きなせん断トルクを加えることになる。
【００３５】
そこで本実施例によれば、前記接合移動線の前方に予熱手段を配設して前記課題の解決を図っている。
図４は接合線上の前方位置で母材上下に配した高周波誘導加熱装置３１と前記摩擦攪拌接合による接合後、該接合位置後方の熱的影響残存位置を冷却する後冷却段３２を備えた本発明の実施構成図である。
【００３６】
予備加熱装置３１は上下に設けた一対の円盤３１ａ間に磁束棒３１ｂを配設し、その周囲にコイル３１ｃを巻回して高周波加熱コイルを生成する。
高周波誘導加熱は、母材４に磁束が貫通し、電磁誘導により渦電流がながれ、その電流と金属自身の抵抗によりジュール熱が発生し、その温度は３００℃以上に急速加熱され、従って熱温度と範囲は、その磁界の強さ及び交番周期、即ち出力／周波数によって容易に制御可能であり、しかも自己加熱であるために、急速加熱が可能でしかも制御性がよい。従ってアルミの軟化点温度以下２００〜４００℃、好ましくは３００〜４００℃の温度に制御でき、結果として高周波加熱後の軟化状態に近い温度域で摩擦攪拌接合が出来、公転運動の攪拌軸に強い衝撃荷重や大きなせん断トルクを加えることなく回転工具１の寿命を長くすることができる。
【００３７】
又前記回転工具のショルダ１０、１１の外周には直流端子３３ａがショルダの周面に摺動するごとく位置固定され、制御装置３５により制御された直流電源３３が印加されるように構成されている。この結果直流電源３３の電圧印加により、攪拌軸１２Ａ〜１２Ｃが変形抵抗となって電気接触抵抗による塑性流動が促進される。
そしてこの抵抗加熱の温度は制御装置３５より接合位置直前温度Ｔ２及び直後の温度Ｔ１を取り込んで接合位置の温度が、軟化最適温度４５０〜５６０℃、好ましくは４６０〜４８０℃の温度になるように直流電圧を制御でき、これにより前記攪拌軸１２Ａ〜１２Ｃの公転運動とともに、電気接触抵抗による塑性流動化が促進され回転工具１の寿命を長くすることができる。
【００３８】
更に本実施例では、前記摩擦攪拌接合による接合後、該接合位置後方の熱的影響残存位置を冷却する冷却装置３２を設ける。
これにより攪拌接合接合された部分の冷却固化が速やかに行われ、熱変形や残留応力の発生がない良好な接合状態の接合品が得られる。
又前記冷却装置３２は、冷媒が循環する円筒状冷却体を用いてもよく、又冷却した非酸化性ガスを前記被加工物表面に噴射させるようにしてもよく、更に、前記液体冷媒噴射手段を用いてもよく、更には潜熱冷却手段を用いてもよく、いずれも接合位置直後の温度Ｔ１を取り込んだ制御装置５よりの信号にもとづいて冷媒制御回路３４で冷媒量の制御が行われる。
これにより、接合位置、その接合方向後方の温度検知信号、接合速度、若しくは接合距離に応じて冷媒の潤滑量を制御することで、接合部は熱変形や残留応力の発生がなく、熱歪みの小さく良好な接合状態の接合品が得られる。
【００３９】
図５は、接合位置上の摩擦攪拌熱以外の加熱手段と、前記摩擦攪拌接合による接合後、該接合位置後方の熱的影響残存位置を冷却する手段を備え、これらの制御を行う本発明の第２制御構成図である。
本実施例は、図１〜３に示した回転工具１内に加熱手段、本実施例では、表面と裏面のショルダ１０、１１にヒータ８０を内蔵して接合位置直前の温度検知センサＴ２よりの信号を取り込んで、接合位置直前の温度が軟化点より相当低い場合は、ヒータ制御回路３８にてヒータ８０に通電して加熱制御を行っている。接合位置直前の温度検知センサＴ２信号に応じて前記ヒータ８０の電圧を制御回路３８で制御しての加熱量を制御することにより、回転工具１が２００〜４００℃で回転させて、攪拌軸１２Ａ〜１２Ｃを軸回転ではなく主軸１４（図１〜図３）を中心として周回するような公転運動をさせても攪拌軸に強い衝撃荷重やせん断トルクを加えることなく、円滑に摩擦攪拌接合を行うことができる。
勿論これらを組み合わせて前記塑性流動可能な温度域に達するまでの間に摩擦入熱と摩擦熱以外の熱付与手段の両者で予熱した後、軟化温度域までの立ち上げを早くしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、母材をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に母材の接合部位の形状や母材内部の状態にあわせて母材の攪拌領域を任意の領域に拡大し得、これにより接合部位の形状に合わせて該摩擦攪拌接合の柔軟性と円滑化を計ることができる。
特に車両、航空機、船舶建物等の大型構造体を製造する際の側構体、床構体、屋根構体等の広幅パネル体の製造に用いるスキンパネル同士をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に接合部が確実に接合され、接合ギャップに接合漏れのないしかもその接合部の表面が平坦な平面状の接合面を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置のボビンツール部の具体的構成を示し、（Ａ）はボビンツールを、（Ｂ）は母材接合部と攪拌領域を示す。
【図２】本発明の第２実施例にかかる摩擦接合装置のボビンツール部の具体的構成を示し、（Ａ）はボビンツールを、（Ｂ）は母材接合部と攪拌領域を示す。
【図３】本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置のボビンツール部の具体的構成を示し、（Ａ）はボビンツールを、（Ｂ）は母材接合部と攪拌領域を示す。
【図４】本発明の実施例に係るボビンツールを用いて接合線上の前方位置で高周波誘導加熱等の自己加熱による入熱手段であり、接合位置上で回転工具小径部より母材側に印加される電気抵抗加熱及び前記摩擦攪拌接合による接合後、該接合位置後方の熱的影響残存位置を冷却する手段を含む本発明の制御構成図である。
【図５】本発明の実施例に係るボビンツールを用いて接合位置上の摩擦攪拌熱以外の加熱手段と、前記摩擦攪拌接合による接合後、該接合位置後方の熱的影響残存位置を冷却する手段を含み、これらの制御を行う本発明の第２制御構成図である。表裏両面側の押し付け力若しくはショルダの回転速度を独立して制御可能に構成した摩擦攪拌接合装置の第３例を示す全体概略図である。
【図６】従来技術に係る摩擦撹拌接合のボビンツールの基本構成図である。
【図７】他の従来技術に係るボビンツールの構成図である。
【符号の説明】
１１    ボビンツール
１１  裏面側ショルダ
１０  表面側ショルダ
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ    攪拌軸
１３、１４    回転駆動部
【図１】
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【図２】
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【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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