(57)【要約】      （修正有）【課題】接合された被接合物の強度および各被接合部材の接合強度を向上することができる摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】ツール保持具を角変位軸線まわりに角変位駆動するツール角変位駆動手段を含む。接合ツール２０によって被接合物２１を十分に撹拌した後、ツール保持具を角変位軸線まわりに角変位させた状態で、ツール保持具を被接合物２１から離反させる。これによって一方の被接合部材２１ａの接合部分のうち、力を伝達する伝達領域１２３と、力を伝達しない非伝達領域１２４とで形状を異ならせることができる。これによって被接合物２１の強度を向上させることができる。また接合ツール２０を被接合物に没入させた状態で、首振りさせることによって撹拌領域２１ｃを増やすことができ、被接合部材の接合強度を向上することができる。【選択図】      図９
2004174508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
接合ツールを前記軸線と交差する角変位軸線まわりに角変位駆動するツール角変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
第１の接合ツールを予め定める第１の基準軸線まわりに回転駆動するとともに、第１の接合ツールに対向して設けられる第２の接合ツールを、予め定める第２の基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
第１の接合ツールを第１の基準軸線方向に沿って変位駆動するとともに、第２の接合ツールを第２の基準軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
被接合物に没入される撹拌部の外形形状を拡大および縮小自在である接合ツールと、
接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
接合ツールの撹拌部の外形形状を拡大および縮小する撹拌部拡大縮小手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項４】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に対して、軸線まわりに回転しながら被接合物に撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部の外形形状が拡大および縮小可能に形成されることを特徴とする接合ツール。
【請求項５】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部の表面部分が、被接合物に対する摩擦係数が高い材料によって形成されることを特徴とする接合ツール。
【請求項６】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部の表面部分が、凹凸形状に形成されることを特徴とする接合ツール。
【請求項７】
撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に接触する接触端面が形成される没入防止部が、撹拌部の半径方向外方に設けられることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の接合ツール。
【請求項８】
撹拌部が被接合物に没入されることによって、被接合物が半径方向外方に押出されて隆起した部分を除去する隆起除去部が設けられることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の接合ツール。
【請求項９】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に接触する端面が形成される没入防止部が、撹拌部の半径方向外方に設けられることを特徴とする接合ツール。
【請求項１０】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部が被接合物に没入されることによって、被接合物が半径方向外方に押出されて隆起した部分を除去する隆起除去部が設けられることを特徴とする接合ツール。
【請求項１１】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールを被接合物に没入させた状態で、その軸線まわりに回転させて、被接合物を撹拌する撹拌工程と、
接合ツールの軸線を被接合物の表面に対して垂直な位置から傾斜させた状態で、接合ツールを被接合物から離脱させる離脱工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１２】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールを被接合物に没入させた状態で、軸線まわりに回転させるとともに、軸線と交差する角変位軸線まわりに揺動的に角変位させる撹拌工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項１３】
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、没入される撹拌部の外形形状が拡大および縮小自在である接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
撹拌部の外径形状を縮小させた状態で、撹拌部を被接合物に没入し、被接合物を撹拌する撹拌工程と、
撹拌工程の後に、被接合物から離脱する方向に接合ツールを変位駆動して、接合ツールと被接合物との間に隙間を形成し、撹拌部の外径形状を拡大して、撹拌した被接合物を前記隙間に流し込む撹拌領域移動工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物を部分的に固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法に関する。また、摩擦撹拌接合するために被接合物に没入される接合ツールに関する。なお、被接合部材を含んで設けられる状態は、複数の被接合部材が重ね合わされる場合および突き合わされる場合を含む。
【０００２】
【従来の技術】
図３９は、従来の技術の摩擦撹拌接合を説明するための断面図である。摩擦撹拌接合は、接合ツール２によって複数の被接合部材１ａ，１ｂを接合する。接合ツール２は、本体部３と、本体部３から突出するピン部４とを有する。
【０００３】
従来の技術の摩擦撹拌接合は、図３９（１）に示すように、接合ツール２を予め定める基準軸線Ｌ１まわりに回転させながら、基準軸線Ｌ１に沿って移動させる。次に、図３９（２）に示すように、接合ツール２を基準軸線Ｌ１に沿って被接合物１に没入し、摩擦熱によって被接合物１を軟化および流動化させる。被接合物１には、流動化して撹拌された撹拌領域１ｃが生じる。また、複数の被接合部材１ａ，１ｂは、互いに隣接する隣接部分５ａ，５ｂが流動化して、境界がなくなり互いに混ざり合う。
【０００４】
接合ツール２が接合物１から離脱すると、被接合物１は、冷えて撹拌領域１ｃが固まる。図３９（３）に示すように、各被接合部材１ａ，１ｂが互いに混ざり合った撹拌領域１ｃが固まることによって、各被接合部材１ａ，１ｂを非溶融の状態で接合することができる（たとえば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４０は、図３９に示される摩擦撹拌接合された被接合物１を拡大して示す断面図である。先行技術では、接合ツール２の本体部３とピン部４とが一体的に回転しながら、被接合部材１ａ，１ｂに没入する。複数の被接合部材１ａ，１ｂのうち、接合ツール側の被接合部材１ａは、ピン部４とともに本体部３が被接合物１へ没入することによって、接合部分６が陥没し、接合跡が形成される。
【０００７】
このように、被接合部材１ａが陥没すると、当該被接合部材１ａの接合部分６が薄くなる。言換えると、一方の被接合部材１ａのうち、接合部分６のツール没入方向の寸法である厚み寸法Ｄ１が小さくなる。この結果、被接合物の強度が低下するという問題がある。
【０００８】
特に、厚み寸法Ｄ１が小さくなると、接合された複数の被接合部材１ａ，１ｂが互いに離れる力に対する強度、すなわち、せん断強度が小さくなる。たとえば、２つの被接合部材１ａ，１ｂが重ねられて設けられる重ね継手を、先行技術の摩擦撹拌接合によって接合した場合、せん断力を繰り返し与える疲労試験を行うと、一方の被接合部材１ａのうち、厚み寸法Ｄ１が小さくなる部分で被接合物１が破断してしまう。
【０００９】
また、被接合物１に生じる撹拌領域１ｃが少ない場合、複数の被接合部材１ａ，１ｂが混ざり合う領域が少なくなる。これによって、撹拌領域１ｃのうち、各被接合部材１ａ，１ｂの境界の延びる方向に沿う幅寸法Ｄ２が小さくなる。幅寸法Ｄ２が小さい場合には、各被接合部材１ａ，１ｂの接合強度が低下する。
【００１０】
また、被接合物１には、本体部３が没入されて、流動化した被接合物１が本体部３の半径方向外方に押出されて隆起した隆起部分７、いわゆるバリが形成される場合がある。隆起部分７が形成されることによって、美観が低下するとともに、隆起部分７を除去するための仕上げ工程を必要とする。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、接合された被接合物の強度および各被接合部材の接合強度を向上することができる摩擦撹拌接合装置、接合ツールおよび摩擦撹拌接合方法を提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、隆起部分を除去して美観を向上することができる接合ツールを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
接合ツールを前記軸線と交差する角変位軸線まわりに角変位駆動するツール角変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１４】
本発明に従えば、接合ツールによって被接合物を十分に撹拌した後、接合ツールを角変位軸線まわりに角変位し、接合ツールの軸線を被接合物の表面に対して傾斜させた状態で、接合ツールを被接合物から離反する方向に移動させる。これによって、被接合物のうち、接合ツールを傾斜させた側の傾斜部分と、接合ツールを傾斜させた側と反対方向の対向傾斜部分との接合後に形成される接合部分の形状を異ならせることができ、傾斜部分と対向傾斜部分とで耐え得る強度を変化させることができる。接合後の被接合物に与えられる力のうち、一方から受ける力が残余の方向から受ける力に比べて大きい場合、上述したように傾斜部分と対向傾斜部分とで接合跡の形状を異ならせることによって、一方から受ける大きい力に耐え得る強度を被接合物に持たせることができる。
【００１５】
たとえば、接合ツールが円柱状の本体部と、本体部から突出する円柱状のピン部とを備える場合、接合ツールを傾斜させることによって、被接合物の傾斜部分と対向傾斜部分とにおいて、本体部が被接合物に没入する量を異ならせることができる。これによって、被接合物のうち、大きい力が一方から与えられるであろう部分における本体部の没入量を、小さくすることができるため、被接合物の強度、特にせん断強度を向上することができる。
【００１６】
また、本発明の摩擦撹拌接合装置は、軸線まわりに回転する接合ツールを被接合物に没入させた状態で、接合ツールを角変位軸線まわりに揺動的に複数回角変位させることができる。接合ツールの被接合物に没入した部分を角変位させることによって、被接合物の撹拌領域の容積を増やすことができるため、各被接合部材の境界に沿って延びる撹拌領域の接合幅寸法を大きくすることができ、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【００１７】
また、接合ツールを揺動的に複数回角変位させることで、接合ツールを被接合物に対して深く没入させることなく、撹拌領域の容積を増やすことができ、接合部分における厚み寸法が小さくなることを防いで、被接合物の強度を向上することができる。
【００１８】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
第１の接合ツールを予め定める第１の基準軸線まわりに回転駆動するとともに、第１の接合ツールに対向して設けられる第２の接合ツールを、予め定める第２の基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
第１の接合ツールを第１の基準軸線方向に沿って変位駆動するとともに、第２の接合ツールを第２の基準軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１９】
本発明に従えば、被接合物の一方側に第１の接合ツールを配置させて、被接合物の他方側に第２の接合ツールを配置させる。被接合物の一方側から第１の接合ツールを、回転させながら被接合物に没入し、被接合物の他方側から第２の接合ツールを、回転させながら被接合物に没入することにより、各接合ツールによって被接合物の両側に摩擦熱を発生させて、被接合物を流動化させて撹拌する。
【００２０】
このように被接合物の両側から各接合ツールを没入することによって、片側から１つの接合ツールを没入する場合に比べて、単位時間あたり被接合物に発生する摩擦熱を多くして、流動化する被接合物を増加させることができる。また、被接合物の撹拌をより確実に行うことができるとともに、被接合物の撹拌領域の容積を増やして、撹拌領域の接合幅寸法を大きくすることができ、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【００２１】
さらに、単位時間あたり被接合物に発生する摩擦熱を多くすることによって、接合ツールを被接合物に深く没入させることなく、撹拌領域の容積を増やすことができる。したがって、接合部分における厚み寸法が小さくなることを防ぎ、被接合物の強度を向上することができる。
【００２２】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
被接合物に没入される撹拌部の外形形状を拡大および縮小自在である接合ツールと、
接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
接合ツールの撹拌部の外形形状を拡大および縮小する撹拌部拡大縮小手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００２３】
本発明に従えば、接合ツールの撹拌部の外形形状を縮小させた状態で、被接合物を撹拌する。被接合物を撹拌した状態で、接合ツールを被接合物から離脱する方向に移動させると、接合ツールと被接合物とに隙間が形成される。この状態で撹拌部の外形形状を拡大させると、撹拌部に臨む流動化した被接合物を、接合ツールと被接合物との隙間に押出すことができ、隙間を埋めることができる。このように接合ツールと被接合物との隙間に流動化した被接合物を移動させることによって、撹拌領域の形状を変更することができる。これによって、接合部分の厚み寸法を大きくすることができ、被接合物の強度を向上させることができる。また、撹拌領域の接合幅寸法を大きくすることができ、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【００２４】
たとえば、接合ツールが円柱状の本体部と、本体部から突出する円柱状のピン部とを備える場合、ピン部を拡大させることによって、接合ツールと被接合物との間の隙間に流動化した被接合物を流し込むことができ、被接合物に形成される凹所を埋めることができる。このように被接合物の厚み寸法を大きくすることで、被接合物の強度を向上することができる。
【００２５】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に対して、軸線まわりに回転しながら被接合物に撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部の外形形状が拡大および縮小可能に形成されることを特徴とする接合ツールである。
【００２６】
本発明に従えば、撹拌部の外形形状が縮小された状態で、被接合物が撹拌されて、被接合物から離脱する方向に移動させると、接合ツールと被接合物とに隙間が形成される。この状態で撹拌部の外形形状が拡大されると、撹拌部に臨む流動化した被接合物を、接合ツールと被接合物との隙間に押出すことができ、隙間を埋めることができる。このように接合ツールと被接合物との隙間に流動化した被接合物を移動させることによって、撹拌領域の形状を変更することができる。たとえば、接合部分の厚み寸法が大きくなるように、流動化した被接合物を移動させることで、被接合物の強度を向上させることができる。また、撹拌領域の接合幅寸法が大きくなるように、流動化した被接合物を移動させることで、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【００２７】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部の表面部分が、被接合物に対する摩擦係数が高い材料によって形成されることを特徴とする接合ツールである。
【００２８】
本発明に従えば、接合ツールと被接合物との摩擦係数が高くなるため、接合ツールと被接合物との間に生じる摩擦熱を大きくすることができ撹拌領域を増大させることができる。これによって、撹拌領域の接合幅寸法を大きくして、各被接合部材の接合強度を向上することができる。また、接合ツールと被接合部材とで摩擦係数が大きいので、流動化した被接合物は、接合ツールとともに回転させようとする力が働き、被接合物の固相撹拌をより確実にかつ短時間で行うことができる。
【００２９】
また、摩擦力を大きくすることによって、接合ツールを被接合物に押圧する押圧力が小さくても必要な摩擦熱を得ることができ、接合ツールが被接合物に没入する没入量を小さくすることができ、被接合物の強度を向上することができる。
【００３０】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部の表面部分が、凹凸形状に形成されることを特徴とする接合ツールである。
【００３１】
本発明に従えば、接合ツールと被接合物との摩擦係数が高くなるため、接合ツールと被接合物との間に生じる摩擦熱が高くなり、撹拌領域を増大させることができる。これによって、撹拌領域の接合幅寸法を大きくして、各被接合部材の接合強度を向上することができる。また、接合ツールと被接合部材とで摩擦係数が大きいので、流動化した被接合物は、接合ツールとともに回転させようとする力が働き、被接合物の固相撹拌をより確実にかつ短時間で行うことができる。
【００３２】
また、摩擦力を大きくすることによって、接合ツールを被接合物に押圧する押圧力が小さくても必要な摩擦熱を得ることができ、接合ツールが被接合物に没入する没入量を小さくすることができ、被接合物の強度を向上することができる。
【００３３】
また、本発明は、撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に接触する接触端面が形成される没入防止部が、撹拌部の半径方向外方に設けられることを特徴とする。
【００３４】
本発明に従えば、撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に没入防止部の接触端面が接触して、接合ツールが被接合物に没入する方向に加圧されても接合ツールが没入するために必要な力が増大するため、被接合物に接合ツールが必要以上に没入して、接合部分の厚み寸法が小さくなることを防ぎ、被接合物の接合強度が低下することを防止することができる。
【００３５】
また、本発明は、撹拌部が被接合物に没入されることによって、被接合物が半径方向外方に押出されて隆起した部分を除去する隆起除去部が設けられることを特徴とする。
【００３６】
本発明に従えば、隆起除去部が被接合物の隆起した部分を除去するため、被接合物の美観を向上することができるとともに、隆起部分を除去するための仕上げ工程を必要とすることがなく、利便性を向上することができる。
【００３７】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に接触する端面が形成される没入防止部が、撹拌部の半径方向外方に設けられることを特徴とする接合ツールである。
【００３８】
本発明に従えば、没入防止部が設けられることによって、撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に没入防止部の端面が接触して、接合ツールが没入するために必要な力が増大する。これによって、被接合物に接合ツールが必要以上に没入して、接合部分の厚み寸法が小さくなることを防止することができるようになるため、被接合物の接合強度が低下することを防止することができる。
【００３９】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、軸線まわりに回転しながら撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部が被接合物に没入されることによって、被接合物が半径方向外方に押出されて隆起した部分を除去する隆起除去部が設けられることを特徴とする接合ツールである。
【００４０】
本発明に従えば、隆起除去部が設けられることによって、被接合物の隆起した部分を除去することができるため、被接合物の美観を向上することができるとともに、隆起部分を除去するための仕上げ工程を必要とすることがなく、利便性を向上することができる。
【００４１】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールを被接合物に没入させた状態で、その軸線まわりに回転させて、被接合物を撹拌する撹拌工程と、
接合ツールの軸線を被接合物の表面に対して垂直な位置から傾斜させた状態で、接合ツールを被接合物から離脱させる離脱工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００４２】
本発明に従えば、接合ツールによって被接合物を十分に撹拌した後、接合ツールを角変位軸線まわりに角変位し、接合ツールの軸線を被接合物の表面に対して傾斜させた状態で、接合ツールを被接合物から離反する方向に移動させる。被接合物のうち、接合ツールを傾斜させた側の傾斜部分と、接合ツールを傾斜させた側と反対方向の対向傾斜部分との接合後に形成される接合跡の形状を異ならせることができ、傾斜部分と対向傾斜部分とで耐え得る強度を変化させることができる。被接合物に与えられる力のうち、一方から受ける力が残余の方向から受ける力に比べて大きい場合、上述したように接合ツールを傾斜部分と対向傾斜部分とで接合跡の形状を異ならせることによって、一方から受ける大きい力に耐え得る強度を被接合物に持たせることができる。これによって被接合物のうち、大きい力が与えられるであろう接合部分の厚みが小さくなることを防ぐことができるため、被接合物の強度、特にせん断強度を向上することができる。
【００４３】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールを被接合物に没入させた状態で、軸線まわりに回転させるとともに、軸線と交差する角変位軸線まわりに揺動的に角変位させる撹拌工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００４４】
本発明に従えば、軸線まわりに回転する接合ツールを被接合物に没入させた状態で、接合ツールを角変位軸線まわりに揺動的に角変位させることで、被接合物の撹拌領域の容積を増やすことができ、撹拌領域の接合幅寸法を大きくして、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【００４５】
また、接合ツールを揺動的に角変位させることで、接合ツールを被接合物に対して深く没入させることなく、撹拌領域の容積を増やすことができる。したがって、接合部分における厚み寸法が小さくなることを防いで、被接合物の強度を向上することができる。
【００４６】
また、本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に、没入される撹拌部の外形形状が拡大および縮小自在である接合ツールをその軸線まわりに回転させながら没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
撹拌部の外径形状を縮小させた状態で、撹拌部を被接合物に没入し、被接合物を撹拌する撹拌工程と、
撹拌工程の後に、被接合物から離脱する方向に接合ツールを変位駆動して、接合ツールと被接合物との間に隙間を形成し、撹拌部の外径形状を拡大して、撹拌した被接合物を前記隙間に流し込む撹拌領域移動工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００４７】
本発明に従えば、撹拌部の外形形状が縮小された状態で、被接合物が撹拌されて、被接合物から離脱する方向に移動されると、接合ツールと被接合物とに隙間が形成される。この状態で撹拌部の外形形状が拡大されると、撹拌部に臨む流動化した被接合物を、接合ツールと被接合物との隙間に押出すことができ、隙間を埋めることができる。このように接合ツールと被接合物との隙間に流動化した被接合物を移動させることによって、撹拌領域の形状を変更することができる。たとえば、接合部分の厚み寸法が大きくなるように、流動化した被接合物を移動させることで、被接合物の強度を向上させることができる。また、撹拌領域の接合幅寸法が大きくなるように、流動化した被接合物を移動させることで、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置４０を示す斜視図である。図２は、被接合物２１に没入する接合ツール２０を拡大して示す断面図である。本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置４０は、たとえば、複数の被接合部材２１ａ，２１ｂが重ね合わされて設けられる被接合物２１に接合ツール２０を没入させて、各被接合部材２１ａ，２１ｂを摩擦撹拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ
Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：略称ＦＳＷ）する。摩擦撹拌接合装置４０は、被接合部材２１ａ，２１ｂを局所的に接合するスポット接合に用いられる。
【００４９】
摩擦撹拌接合装置４０は、略円柱状の接合ツール２０が装着される。摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０をその軸線まわりに回転させながら被接合物２１に没入させる。被接合物２１と接合ツール２０とが回転接触することで、被接合物２１は、加熱されて部分的に軟化および流動化する。
【００５０】
接合ツール２０は、被接合物２１に没入した状態で回転することで、被接合物２１の流動化した部分を撹拌する。被接合物２１には、流動化した部分が撹拌される撹拌領域２１ｃが生じる。流動化した各被接合部材２１ａ，２１ｂは、撹拌されることによって、互いに混ぜ合わされる。摩擦撹拌接合装置４０は、被接合物２１を十分に撹拌した後、接合ツール２０を被接合物２１から離脱させる。接合ツール２０が被接合物２１から離脱すると、各被接合部材２１ａ，２１ｂの互いに混ざり合った部分が固まり、各被接合部材２１ａ，２１ｂが接合される。
【００５１】
摩擦撹拌接合装置４０によって、接合される複数の被接合部材２１ａ，２１ｂは、たとえば、プレス成形されるアルミ製の薄厚材である。摩擦撹拌接合は、たとえば、自動車ボディ、意匠構造物およびその他の重ね合わせ接合物の製造に用いられる。
【００５２】
図２に示すように、接合ツール２０は、略円柱状に形成される本体部２２と、本体部２２から接合ツール２０の軸線方向一方に突出し、略円柱状に形成されるピン部２３とを有する。本体部２２のうち、接合ツール２０の軸線方向一方側端部となるショルダ部分２２ａには、接合ツール２０の軸線に対して垂直なショルダ面２７が形成される。
【００５３】
ピン部２３は、ショルダ面２７から垂直に突出する。本体部２２とピン部２３とは、同軸に形成される。ピン部２３の外径は、本体部２２の外径よりも小さく形成される。摩擦撹拌接合にあたって、ピン部２３およびショルダ部分２２ａが、被接合物２１に没入する。
【００５４】
摩擦撹拌接合にあたって、接合ツール２０と対向する位置には、受け台３０が設けられる。受け台３０は、接合ツール２０と反対側から被接合物２１を支持する。受け台３０は、円柱状に形成され、接合ツール２０と同軸に形成される。受け台３０は、接合ツール２０のショルダ面２７の面積以上に形成される受け面３２が形成される。受け面３２は、接合時に被接合物２１に当接する。
【００５５】
摩擦撹拌接合装置４０は、予め定める基準軸線Ｌ１と、角変位軸線Ｌ２とが設定される。基準軸線Ｌ１は、摩擦撹拌接合装置４０に対して基準となる軸線であって、摩擦撹拌接合装置４０の予め定める位置に固定して設けられる。角変位軸線Ｌ２は、基準軸線Ｌ１に交差し、基準軸線Ｌ１に対して垂直に延びて設けられる。
【００５６】
図１に示すように、摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０を着脱可能に保持するツール保持具４１を備える。ツール保持具４１は、接合ツール２０を同軸に保持して回転軸線Ｌ３まわりに回転可能に設けられ、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位可能に設けられる。また、ツール保持具４１の回転軸線Ｌ３は、基準軸線Ｌ１に一致する角変位状態が存在する。
【００５７】
したがって、ツール保持具４１に保持された接合ツール２０は、回転軸線Ｌ３まわりに回転し、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する。角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する接合ツール２０は、その軸線が基準軸線Ｌ１と一致する角変位状態が存在する。
【００５８】
摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０が装着されるツール保持具４１と、ツール保持具４１を予め定める回転軸線Ｌ３まわりに回転駆動するツール回転駆動手段４２と、ツール保持具４１を回転軸線Ｌ３に沿って変位駆動するツール変位駆動手段４３と、ツール保持具４１に対して反対側から被接合物２１を支持する受け台３０を有する受け台形成部４４と、受け台形成部４４を予め定める基準軸線方向に変位駆動する受け台駆動手段４５と、ロボットアーム２９に連結される基台４６とを含んで構成される。また、摩擦撹拌接合装置４０は、ツール保持具４１を角変位軸線Ｌ２まわりに角変位駆動するツール角変位駆動手段３１を含んで構成される。
【００５９】
ツール保持具４１は、接合ツール２０の軸線方向他方側の端部を挟持して、接合ツール２０を着脱可能に保持する。ツール回転駆動手段４２は、ツール保持具４１を回転軸線Ｌ３まわりに回転自在に支持するツール回転用軸受４７と、ツール保持具４１を回転軸線Ｌ３まわりに回転させるためのツール回転モータ４８と、ツール回転モータ４８からの回転力をツール保持具４１に伝達する伝達部（図示せず）とを有する。たとえば、ツール回転モータ４８は、サーボモータによって実現され、予め定められる回転速度で回転するために、ツール回転モータ４８に流れる電流がフィードバック制御される。
【００６０】
ツール変位駆動手段４３は、直線状にスライド変位自在に構成される直線可動部（図示せず）と、直線可動部を直線状にスライド変位自在に支持する直線支持部４９と、直線可動部を直線状にスライド変位駆動するためのツール変位モータ５０と、ツール変位モータ５０からの回転力を直線状にスライド変位する直進力に変換して直線可動部に伝達する伝達部（図示せず）とを有する。たとえば、直線支持部４９は、直線可動部を支持するガイドレールによって実現され、直線可動部は、ガイドレールの伸延方向に沿って移動するスライダによって実現される。
【００６１】
たとえば、ツール変位モータ５０は、サーボモータによって実現され、予め定められる回転速度で回転するためにツール変位モータ５０に流れる電流がフィードバック制御される。伝達部は、ツール変位モータ５０の回転力をねじまたは歯車などを用いて直進力に変換する。ツール変位駆動手段４３は、リニアモータによって実現されてもよい。
【００６２】
ツール変位駆動手段４３の直線可動部には、ツール回転駆動手段４２が固定される。またツール回転駆動手段４２に支持されるツール保持具４１の回転軸線Ｌ３と、直線可動部の移動方向とが平行となるように、ツール回転駆動手段４２およびツール変位駆動手段４３が配置される。直線可動部を駆動することによって、ツール保持具４１を回転軸線Ｌ３に沿って、移動させることができる。
【００６３】
ツール角変位駆動手段３１は、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位自在に構成される円弧可動部（図示せず）と、円弧可動部を角変位軸線Ｌ２まわりに角変位可能に支持する円弧支持部３３と、円弧可動部を角変位軸線Ｌ２まわりに角変位駆動するツール変位モータ３４と、ツール角変位モータ３４からの回転力を角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する力に変換して円弧可動部に伝達する伝達部（図示せず）とを有する。
【００６４】
円弧可動部は、円弧支持部３３に支持されて角変位軸線Ｌ２を中心とする円弧に沿って変位自在である。たとえば、円弧支持部３３は、円弧状に延びるガイドレールによって実現され、円弧可動部は、ガイドレールの伸延方向に沿って移動するスライダによって実現される。ツール角変位モータ３４は、サーボモータによって実現される。伝達部は、ツール角変位モータ３４の回転力をねじまたは歯車などを用いて角変位軸線Ｌ２まわりに角変位する力に変換する。
【００６５】
ツール角変位駆動手段３１の円弧可動部には、ツール変位駆動手段４３の直線支持部４９が固定される。また円弧可動部と角変位軸線Ｌ２とを結ぶ直線と、ツール保持具４１の回転軸線Ｌ３とが平行となるように、ツール変位駆動手段４３およびツール角変位駆動手段３１の配置位置が決定される。ツール角変位駆動手段３１の円弧可動部を駆動することによって、ツール保持具４１を、角変位軸線Ｌ２まわりに角変位駆動することができる。
【００６６】
受け台形成部４４は、基準軸線Ｌ１に対して半径方向に間隔をあけて、基準軸線Ｌ１と平行に延びる受け台形成部第１部分５１と、受け台形成部第１部分５１の基準軸線方向Ａ一端部５１ａに連なり、ツール保持具４１に向かって突出し、基準軸線Ｌ１に垂直な方向に延びる受け台形成部第２部分５２とを有する。基準軸線方向Ａは、基準軸線Ｌ１が延びる方向である。
【００６７】
受け台形成部第２部分５２には、上述した受け台３０が設けられる。受け台３０は、受け台形成部第２部分５２からツール保持具４１に向かって突出し、基準軸線Ｌ１に同軸な略円柱状に形成される。受け台３０は、ツール保持具４１に対向する位置に配置される。
【００６８】
受け台駆動手段４５は、基準軸線方向Ａに変位自在に構成される受け台可動部（図示せず）と、受け台可動部を基準軸線方向Ａに変位自在に支持する受け台支持部５３と、受け台可動部を基準軸線方向Ａに変位駆動するための受け台変位モータ５４と、受け台変位モータ５４からの回転力を基準軸線方向Ａの直進力に変換して可動部に伝達する伝達部（図示せず）とを有する。受け台駆動手段４５は、ツール変位駆動手段４３と同様の構成を有し、説明を省略する。
【００６９】
受け台駆動手段４５の可動部には、受け台形成部第１部分５１の基準軸線方向Ａ他端部５１ｂが固定される。受け台駆動手段４５の支持部５３は、基台４６に固定される。受け台変位モータ５４を回転させることによって、受け台可動部とともに受け台形成部４４を基台４６に対して基準軸線方向Ａに変位駆動することができる。
【００７０】
基台４６には、ツール角変位駆動手段３１の円弧支持部３３と、受け台駆動手段４５の受け台支持部５３とが固定される。ツール角変位駆動手段３１の円弧支持部３３は、円弧状に延びて形成され、その周方向中央部付近で基台４６に固定される。円弧可動部が円弧支持部３３の周方向中央部に角変位した場合には、円弧可動部に連結されるツール保持具４１の回転軸線Ｌ３と基準軸線Ｌ１とが一致する。
【００７１】
この角変位位置では、直線支持部４９が円弧支持部３３に配置される位置と、円弧支持部３３が基台４６に固定されている部分とが近接しており、他の角変位位置に比べて、基準軸線方向Ａに与えられる外力に対する強度が高くなる。言換えると、基準軸線Ｌ１と回転軸線Ｌ３とが一致する角変位位置では、基準軸線方向Ａに与えられる外力に対する強度が高くなる。
【００７２】
基台４６は、ロボットアーム２９の先端部と連結される。基台４６は、ロボットアーム２９によって変位駆動されて、接合が行われる被接合物２１の接合位置に移動する。基台４６が移動すると、基台４６に固定される各手段もまた基台４６と一体的に移動する。
【００７３】
摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０の被接合物２１に対する没入状態を検出する接合状態検出手段３５を備える。接合状態検出手段３５は、たとえば画像センサによって実現される。この場合、接合ツール２０の被接合物２１への没入状態を監視することによって、接合ツール２０の被接合物２１への接合状態を検出することができる。ツール回転モータ４８またはツール変位モータ５０の回転速度がフィードバック制御される場合、いずれか一方のモータ４８，５０に与えられるフィードバック電流を検出することによって、接合ツール２０の被接合物２１への没入状態を検出することができる。また、近接センサまたは接触センサなどの各種センサによっても接合ツール２０の接合状態を検出してもよい。接合状態検出手段３５は、検出した接合ツール２０の没入状態を、制御手段６３に与える。
【００７４】
摩擦撹拌接合装置４０は、各手段を制御する制御手段６３を有する。制御手段６３は、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３および受け台駆動手段４５を制御する。さらに、制御手段６３は、接合状態検出手段３５から接合ツール２０の接合状態を取得し、取得した接合状態に基づいてツール角変位駆動手段３１を制御する。
【００７５】
図３は、摩擦撹拌接合装置４０の動作を説明するための断面図であり、図３（１）〜図３（３）の順に動作が進行する。図４は、ツール保持具４１の角変位動作と接合ツール２０の位置との時間的関係を示すタイミングチャートである。図４（１）にツール保持具４１の角変位動作の開始および終了タイミングを示し、図４（２）に接合ツールの変位位置を示す。図５は、摩擦撹拌接合装置４０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。図３〜図５を参照して、摩擦撹拌接合装置４０の動作を説明する。
【００７６】
ステップａ０で、接合ツール２０がツール保持具４１に装着されるとともに被接合物２１が予め定める保持位置に保持される。次に、ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置４０が変位駆動される。変位駆動された摩擦撹拌接合装置４０は、被接合物２１の両側にそれぞれ接合ツール２０および受け台３０が配置される。このような摩擦撹拌接合における準備が完了するとステップａ１に進み、制御手段６３が動作を開始する。
【００７７】
ステップａ１では、制御手段６３が、受け台駆動手段４５を制御し、受け台形成部４４を基準軸線方向他方Ａ２に移動させて、受け台３０を被接合物２１に向けて移動させる。受け台３０は、図４のＴ１時刻で、接合ツール２０と反対側から被接合物２１に当接する。受け台３０の受け面３２は、受け台側の被接合部材２１ｂに当接し、被接合物２１を接合ツール２０と反対側から支持する。
【００７８】
制御手段６３は、受け台３０が被接合物２１に当接したか否かを判断する。摩擦撹拌接合装置４０は、受け台３０が被接合物２１に当接したことを検出する受け台位置検出手段を備える。受け台位置検出手段は、受け台変位モータ５４のフィードバック電流を検出することによって、受け台３０が被接合物２１に当接したことを判断する。また、受け台位置検出手段は、当接状態検出手段と同様に、各種センサによって実現されてもよい。制御手段６３は、受け台３０が被接合物２１に当接したこと示す信号を、受け台位置検出手段から受け取ると、ステップａ２に進む。
【００７９】
ステップａ２では、制御手段６３が、ツール回転駆動手段４２を制御し、ツール保持具４１の回転軸線Ｌ３を基準軸線Ｌ１に一致させた状態で、ツール保持具４１を回転軸線Ｌ３まわりに回転させる。基準軸線Ｌ１は、被接合物２１の接合ツール側の面に垂直に設定される。制御手段６３が、ツール変位駆動手段４３を制御し、ツール保持具４１を基準軸線Ｌ１に沿って移動させる。接合ツール２０は、図３（１）に示すように、回転しながら受け台３０に向かって基準軸線方向一方Ａ１に移動する。
【００８０】
接合ツール２０は、図４のＴ２時刻で、ピン部２３の端面２４が最初に被接合物２１に当接する。制御手段６３は、ピン部２３の端面２４が被接合物２１に当接しても、接合ツール２０を受け台３０に向かってさらに移動させる。すなわち、接合ツール２０を受け台３０に向かって押圧し、接合ツール２０を被接合物２１に没入させる。
【００８１】
図４に示すＴ３時刻で、接合ツール２０は、ショルダ部分２２ａのショルダ面２７が被接合物２１に当接する。ショルダ面２７が被接合物２１に当接すると、接合状態検出手段３５が接合ツール２０のショルダ部分２２ａが被接合物２１に当接したことを示す信号を制御手段６３に与える。
【００８２】
制御手段６３は、予め定める第１の設定時間が経過するまで、図３（２）に示すように、ツール保持具４１を基準軸線方向一方Ａ１に加圧し、接合ツール２０のショルダ部分２２ａを被接合物２１に没入させる。制御手段６３は、図４のＴ４時刻に示すように、予め定める第１の設定時間または予め定める没入状態に達すると、ステップａ３に進む。
【００８３】
予め定める没入状態に達したか否かは、接合状態検出手段３５によって検出してもよい。この場合、接合状態検出手段３５は、接合ツール２０のショルダ部分２２ａが被接合物２１に予め定める量、没入したことを示す信号を制御手段６３に与える。制御手段６３は、この信号を受けて予め定める没入状態に達したことを判断する。
【００８４】
ステップａ３では、図４のＴ４時刻で、制御手段６３が、接合ツール２０の没入を停止させ、予め定める第２の設定時間が経過するまで接合ツール２０を回転軸線Ｌ３まわりに回転させる。これによって、軟化した被接合物２１を十分に流動化し、流動化した被接合物２１を撹拌して各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。
【００８５】
このとき制御手段６３は、図３（３）に示すように、ツール保持具４１を角変位軸線Ｌ２まわりに揺動的に角変位させる。具体的には、ツール保持具４１の回転軸線Ｌ３を、基準軸線Ｌ１と一致する位置を中心として、両方向に複数回揺動的に角変位させる。これによって、接合ツール２０を被接合物に４０にさらに没入させることなく、ピン部２３とショルダ部分２２ａから成る撹拌部６２を被接合物２１内で変位させることができる。制御手段６３は、図４のＴ５時刻に示すように、予め定める第２の設定時間に達すると、ステップａ４に進む。
【００８６】
ステップａ４では、図４のＴ５時刻で、制御手段６３は、ツール保持具４１の回転軸線Ｌ３を基準軸線Ｌ１と一致する位置に角変位させ、角変位軸線Ｌ２まわりに揺動的に角変位することを停止する。次に、ツール保持具４１を基準軸線方向他方Ａ２に移動させて、被接合物２１から接合ツール２０を離脱させる。制御手段６３は、接合ツール２０を予め定める初期位置に移動させて、図４のＴ６時刻に示すように、予め定める第３の設定時間に達すると、ツール保持具４１の回転を停止し、ステップａ５に進む。ステップａ５では制御手段６３は、動作を終了する。
【００８７】
ステップａ２およびａ３における接合ツール２０の回転速度は、ツール回転駆動手段４２によって、予め定める速度で回転される。予め定める回転速度は、ステップａ２およびａ３において一定であってもよく、時間経過とともに変化してもよい。同様に接合ツール２０が被接合物２１に当接してから予め定める第１の設定時間に達するまでに、接合ツール２０にツール変位駆動手段４３から与える加圧力は、予め定める加圧力が与えられる。予め定める加圧力は、一定であってもよく、時間経過とともに変化してもよい。
【００８８】
図６は、本実施の一形態の摩擦撹拌接合装置４０を用い、ツール保持具４１を角変位軸線Ｌ２まわりに変位させて接合した被接合物２１を示す断面図である。図７は、ツール保持具４１を角変位させずに接合した比較例の被接合物２１を示す断面図である。
【００８９】
本発明の摩擦撹拌接合装置４０を用いて、ツール保持具４１を揺動的に角変位させて被接合物２１を固相撹拌した場合、図６に示すように、接合ツール２０のピン部２３が角変位され、流動化する被接合物２１が増加する。ツール保持具４１を角変位させずに接合した図７に示す比較例と比べて、本発明の場合には、被接合物２１の撹拌領域２１ｃを増加させることができる。
【００９０】
撹拌領域２１ｃを増加させることによって、図７の比較例における各被接合部材１ａ，１ｂの境界の延びる方向に沿う幅寸法Ｄ４よりも、本発明における各被接合部材１ａ，１ｂの境界の延びる方向に沿う幅寸法Ｄ３を大きくすることができる。この幅寸法Ｄ３が大きくなるほど、各被接合部材２１ａ，２１ｂの混ざり合う接合部分を多くすることができる。したがって、本発明によれば、幅寸法Ｄ３を大きくして、各被接合部材２１ａ，２１ｂの接合強度を向上させることができる。
【００９１】
また、本実施の形態では、接合ツール２０の被接合物２１への没入を停止したステップａ３の状態にあって、角変位軸線Ｌ２は、接合ツールのピン部２３とショルダ部分２２ａとの境界部分２５を挿通するように設定される。ステップａ３において、ピン部２３とショルダ部分２２ａとの境界部分２５を中心として、接合ツール２０が角変位する。これによって、接合後に被接合物２１に形成される接合跡２６は、ピン部２３の先端が没入した領域２８ｂの内径Ｄ６よりも、ピン部２３とショルダ部２２ａの境界部分２５が没入した領域２８ａの内径Ｄ５を小さくすることができる。これによって、ピン部２３が没入したことによる接合跡２６の開口の寸法Ｄ５を、図７に示す比較例における接合跡２６の開口の寸法Ｄ７と等しくすることができる。
【００９２】
以上のように、本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置４０によれば、接合ツール２０によって被接合物４０を十分に撹拌した状態で、ツール角変位駆動手段３１によって、接合ツール２０を角変位軸線Ｌ２まわりに揺動的に角変位、すなわち首振りさせることができる。これによって、被接合物２１の撹拌領域２１ｃの容積を増やすことができ、各被接合部材２１ａ，２１ｂの境界に沿って延びる撹拌領域２１ｃの幅寸法Ｄ３を大きくして各被接合部材２１ａ，２１ｂの接合強度を向上することができる。
【００９３】
また、接合ツール２０を揺動的に角変位させることで、接合ツール２０を被接合物２１に対して深く没入させることなく、撹拌領域２１ｃの容積を増やすことができる。したがって、接合ツール２０を深く没入させて撹拌領域２１ｃを増やす場合に比べて、接合部分における厚み寸法を大きくすることができる。
【００９４】
また、接合ツール２０を角変位させることによって、接合ツール２０を基準軸線Ｌ１に対して垂直に変位させる場合に比べて、ロボットアームに与えられる力を小さくすることができる。また、受け台３０は、接合ツール２０が角変位している場合であっても、被接合物２１を支持することができ、接合品質を良好に保つことができる。
【００９５】
また、ツール保持具４１の角変位駆動をステップａ３の接合ツール２０の没入を停止した状態で行うことによって、十分に被接合物２１を流動化させた状態で接合ツール２０を変位させることができる。これによってツール保持具４１を角変位させるときに被接合物２１から与えられる反力を小さくすることができる。また、摩擦撹拌接合装置４０は、ツール保持具４１の回転軸線Ｌ３と基準軸線Ｌ１とを一致させた状態で、基準軸線方向Ａに与えられる外力に対する強度が高くなるように構成され、接合ツール２０を基準軸線Ｌ１に沿って被接合物２１に確実に没入させることができる。
【００９６】
図８は、摩擦撹拌接合装置４０の他の動作を示す断面図である。図８（１）〜図８（３）の順に動作が進行する。摩擦撹拌接合装置４０は、図３〜図５に示す動作に換えて、図８に示す動作を行ってもよい。摩擦撹拌接合装置４０は、図８（１）に示すように、基準軸線Ｌ１に対して回転軸線Ｌ３を角変位軸線Ｌ２まわりに予め定める第１の角度θ１角変位させた状態で、接合ツール２０を被接合物２１に没入させる。また摩擦撹拌接合装置４０は、図８（３）に示すように、基準線Ｌ１に対して回転軸線Ｌ３を角変位軸線Ｌ２まわりに予め定める第２の角度θ２角変位させた状態で、接合ツール２０を被接合物２１から離脱させる。摩擦撹拌接合装置４０の動作のうち、接合ツール２０の被接合物２１に対する没入および離脱以外の動作は、上述した図３〜図５に示す動作と同様である。
【００９７】
たとえば、基準軸線Ｌ１に対して予め定める第１の角度θ１に傾けた状態で接合ツール２０を被接合物２１に没入し、基準軸線Ｌ１に対して予め定める第１の角度θ１とは異なる第２の角度θ２に傾けた状態で接合ツール２０を離脱することによって、図３〜図５に示す動作と同様の効果を得ることができる。さらに、接合ツール２０が被接合物２１に没入しているときに、接合ツール２０を揺動的に角変位することによって、より撹拌領域２１ｃを増加させることができる。
【００９８】
図９は、摩擦撹拌接合装置４０のさらに他の動作を説明するための断面図である。摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０を被接合物２１に没入させた状態で、回転軸線Ｌ３まわりに回転させて、被接合物２１を撹拌する。次に、摩擦撹拌接合装置４０は、回転軸線Ｌ３を被接合物２１の表面に対して垂直な位置から予め定める角度θ３傾斜させた状態で、接合ツール２０を被接合物２１から離脱させる。
【００９９】
被接合物２１には、力が伝わる方向が予め定められている場合がある。たとえば、被接合物２１は、重ね継手いわゆるラップ継手として設けられ、２つの被接合部材２１ａ，２１ｂが同方向に延び、一方の被接合部材２１ａの一端部１２１ａと、他方の被接合部材２１ｂの一端部１２１ｂとが重ね合わされる。
【０１００】
この場合、一方の被接合部材２１ａから他方の被接合部材２１ｂに力が伝わる。図９に示すように、まず矢符Ｃ１で示すように、一方の被接合部材２１ａの他端部１２２ａから一方の被接合部材２１ａの一端部１２１ａに力が伝わる。次に、矢符Ｃ２で示すように、一方の被接合部材２１ａの一端部１２１ａから他方の被接合部材２１ｂの一端部１２１ａに力が伝わる。次に、矢符Ｃ３で示すように、他方の被接合部材２１ｂの一端部１２１ａから他方の被接合物２１ａの他端部１２２ｂに力が伝わる。
【０１０１】
このように力が継手内を伝わる経路が予め規定されている場合、摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール側の一方の被接合部材２１ａの接合部分のうち、力が伝わる経路側の領域であって、力を伝達する伝達領域１２３の厚み寸法Ｄ８が、伝達領域１２３と反対側の領域であって、力を伝達しない非伝達領域１２４の厚み寸法Ｄ９に比べて大きくなるように接合ツール２０を傾斜させて離脱させる。ここで厚み寸法は、ツール没入方向の寸法である。
【０１０２】
図１０は、摩擦撹拌接合装置４０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。制御手段６３が、接合ツール２０を傾斜させて離脱させる動作は、図５に示す動作と類似している。
【０１０３】
制御手段６３は、ステップｂ０およびステップｂ１で、図５に示すステップａ０およびステップａ１と同様の動作を行い、ステップｂ２に進む。ステップｂ２では、制御手段６３が、ツール回転駆動手段４２およびツール変位駆動手段４３を制御し、回転軸線Ｌ３と基準軸線Ｌ１とが一致した状態で、ツール保持具４１を回転させながら回転軸線Ｌ３に沿って移動させる。
【０１０４】
接合ツール２０は、ピン部２３の端面２４が最初に被接合物２１に当接する。制御手段６３は、ピン部２３の端面２４が被接合物２１に当接しても、接合ツール２０を受け台３０に向かってさらに移動させる。すなわち、接合ツール２０を受け台３０に向かって押圧し、接合ツール２０を被接合物２１に没入させる。
【０１０５】
接合ツール２０を被接合物２１に没入させていくと、接合ツール２０は、ショルダ部分２２ａのショルダ面２７が被接合物２１に当接する。ショルダ面２７が被接合物２１に当接すると、接合状態検出手段３５が接合ツール２０のショルダ部分２２ａが被接合物２１に当接したことを示す信号を制御手段６３に与え、ステップｂ３に進む。
【０１０６】
ステップｂ３では、制御手段６３が、接合ツール２０の没入を停止させ、予め定める第１の設定時間が経過するまで接合ツール２０を回転軸線Ｌ３まわりに回転させる。これによって軟化した被接合物２１を十分に流動化して撹拌して各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。制御手段６３は、予め定める第１の設定時間に達すると、ステップｂ４に進む。
【０１０７】
ステップｂ４では、制御手段６３がツール角変位駆動手段３１によって、接合ツール２０を傾斜させる。具体的には、基準軸線Ｌ３から見て、一方の被接合部材２１ａに力が伝わる経路側にピン部２３の先端が向かうように、接合ツール２０を基準軸線Ｌ１に対して予め定める角度θ３に達するまで傾斜させる。
【０１０８】
また、制御手段６３は、予め定める第２の設定時間が経過するまで、ツール保持具４１を基準軸線方向一方Ａ１に加圧し、接合ツール２０のショルダ部分２２ａを被接合物２１に没入させる。制御手段６３は、予め定める第２の設定時間または予め定める没入状態に達すると、ステップｂ５に進む。
【０１０９】
ステップｂ５では、制御手段６３は、ツール変位駆動手段４３を動作させ、接合ツール２０を傾斜させた状態で、被接合物２１から接合ツール２０を離脱させる。被接合物２１から接合ツール２０を離脱させると、制御手段６３は、接合ツール２０を予め定める初期位置に移動させて、予め定める第３の設定時間に達すると、接合ツール２０の回転を停止し、ステップｂ６に進む。ステップｂ６では制御手段６３は、動作を終了する。
【０１１０】
以上のように摩擦撹拌接合装置４０が動作することによって、接合ツール２０を傾斜させない場合に比べて伝達領域１２３の厚み寸法Ｄ８を大きくすることができる。これによって伝達領域１２３で耐え得る強度を向上させることができ、被接合物２１の強度、特にせん断強度を向上することができる。
【０１１１】
また、接合ツール離脱時に接合ツール２０を傾斜させて、伝達領域１２３の厚み寸法を大きくすればよく、予め接合ツール２０を傾斜させて被接合物２１に没入させてもよい。また、離脱時に伝達領域１２３の厚み寸法Ｄ８を大きくすることが可能ならば、接合ツール２０を没入させた状態で、接合ツール２０を角変位軸線Ｌ２まわりに揺動的に角変位させた後、接合ツールを予め定める角度θ３に傾斜させて離脱させてもよい。このように接合ツール２０を角変位軸線Ｌ２まわりに角変位させる動作は、上述する摩擦撹拌接合装置４０を用いるほか、摩擦撹拌接合装置４０を支持するロボット２９を角変位させて実現させてもよい。
【０１１２】
図１１は、本発明のさらに他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置６０の電気的構成を示すブロック図である。図１２は、被接合物２１に没入する接合ツール７０を拡大して示す断面図である。摩擦撹拌接合装置６０は、接合ツール７０が装着され、この接合ツール７０は、被接合物２１に没入される撹拌部の外径形状を拡大および縮小自在である。
【０１１３】
接合ツール７０は、図１２に示すように、円柱状に形成される本体部７２と、本体部７２から接合ツール７０の軸線方向一方に突出し、略円柱状に形成されるピン部７３とを有する。本体部７２のうち、接合ツール７０の軸線方向一方側端部となるショルダ部分７２ａには、本体部７２の軸線と垂直なショルダ面７７が形成される。
【０１１４】
ピン部７３は、ショルダ面２７から垂直に突出する。本体部７２とピン部７３とは、同軸に形成される。ピン部７３の外径は、本体部７２の外径よりも小さく形成される。摩擦撹拌接合にあたって、ショルダ部分７２ａおよびピン部７３が、被接合物２１に没入し、被接合物２１を撹拌する撹拌部６２となる。
【０１１５】
ピン部７３には、撹拌片６４が内蔵される。撹拌片６４は、ピン部７３に対して、没入および突出自在に形成される。ピン部７３に没入した状態の撹拌片６４がピン部７３から突出することによって、撹拌部６２の外径形状が拡大する。ピン部７３から突出した状態の撹拌片６４がピン部７３に没入することによって、撹拌部６２の外径形状が縮小する。
【０１１６】
摩擦撹拌接合装置６０は、図１に示す摩擦撹拌接合装置４０とほぼ同様の構成を示し、ツール保持具４１と、ツール回転駆動手段４２と、ツール変位駆動手段４３と、受け台形成部４４と、受け台駆動手段４５と、ロボットアーム２９に連結される基台４６と、接合状態検出手段３５と、制御手段６３とを含んで構成される。摩擦撹拌接合装置６０は、上述する接合ツール７０が装着され、撹拌部８０の外径形状を拡大および縮小する撹拌部拡大縮小手段６１を有する。図１に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１１７】
制御手段６３は、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３および受け台駆動手段４５を制御する。さらに、制御手段６３は、接合状態検出手段３５から接合ツール２０の接合状態を取得し、取得した接合状態に基づいて撹拌部拡大縮小手段６１を制御する。
【０１１８】
図１３は、接合ツール７０を拡大して示す断面図である。なお、接合ツール７０の軸線が延びる方向であるツール軸線方向Ｅのうち、一方Ｅ１は接合ツール７０が被接合物２１に没入する方向であり、他方Ｅ２は、接合ツール７０が被接合物２１から離脱する方向である。また、接合ツール７０の軸線であるツール軸線Ｌ４は、接合ツール７０の中心を長手方向に延びる。
【０１１９】
接合ツール７０は、ピン部７３の内部に先細部７５を有する。先細部７５は、ピン部７３に対して、ツール軸線方向Ｅに変位自在に設けられる。この先細部７５は、ツール軸線方向一方Ｅ１に向かうにつれて先細な形状に形成される。先細部７５は、ツール軸線Ｌ４上に配置される。
【０１２０】
接合ツール７０は、本体部７２およびピン部７３をツール軸線Ｌ４に沿って挿通して延びる挿通孔７９が形成される挿通孔形成部８０と、挿通孔７９のうち、ツール軸線方向他方Ｅ２に連なり、ツール軸線Ｌ４に垂直な一垂直方向Ｃに延びて本体部７２を貫通する貫通孔８１が形成される貫通孔形成部８２とを有する。接合ツール７０は、挿通孔７９に配置され、ツール軸線方向一方Ｅ１側端部に先細部７５が形成される棒状の先細部形成部材８３と、貫通孔８１に配置される第１突出部材８４と、貫通孔８１に配置される第２突出部材８５とを有する。接合ツール７０は、第１ばね力発生部８８と、第２ばね力発生部８９とを有する。第１ばね力発生部８８は、貫通孔８１に配置され、第１突出部材８４と第２突出部材８５とを連結して、第１突出部材８４および第２突出部材８５に互いに離反する方向のばね力を与える。第２ばね力発生手段８９は、先細部形成部材８３を貫通孔８１に向かって移動させるばね力を与える。
【０１２１】
挿通孔７９および貫通孔８１が形成されることによって、接合ツール７０は、略Ｔ字状の空間が形成される。挿通孔７９は、貫通孔８１の一垂直方向Ｃの中央からツール軸線方向一方Ｅ１に延びる。なお、一垂直方向Ｃは、貫通孔８１が延びる方向であって、ツール軸線Ｌ４と交差するとともにツール軸線Ｌ４に対して垂直に延びる。また、貫通孔８１中央から貫通孔８１の一方の開口８６に向かう方向を一垂直方向一方Ｃ１とし、貫通孔中央８１から貫通孔８１の他方の開口８７に向かう方向を一垂直方向他方Ｃ２とする。
【０１２２】
先細部形成部材８３は、本体部７２に対してまわり止めされ、本体部７２と同方向に回転する。先細部形成部材８３は、軸線方向一方Ｅ１側先端に先細部７５が形成される先細部分８３ａと、先細部分８３ａの軸線方向他方Ｅ２に連なり、本体部７２に対してまわり止めされるまわり止め部分８３ｂと、まわり止め部分８３ｂの軸線方向他方Ｅ２に連なって延びる軸部分８３ｃとを有する。
【０１２３】
まわり止め部分８３ｂは、たとえば４角柱に形成される。まわり止め部分８３ｂの外径は、先端部分８３ａの外径よりも大きく形成される。軸部分８３ｃの外径は、まわり止め部分８３ｂの外径よりも小さく形成される。これら先端部分８３ａ、まわり止め部分８３ｂおよび軸部分８３ｃは、ともに同軸に形成される。先細部形成部材８３の軸線は、ツール軸線Ｌ４と一致する。
【０１２４】
挿通孔形成部８０は、第１挿通孔部分８０ａ、第２挿通孔部分８０ｂおよび第３挿通孔部分８０ｃが形成される。第１挿通孔部分８０ａは、先細部形成部材８３の先端部分８３ａが挿通し、先端部分８３ａの外径寸法とほぼ同じ内径寸法を有する第１挿通孔領域７９ａが形成される。第２挿通孔部分８０ｂは、先細部形成部材８３のまわり止め部分８３ｂが挿通し、４角柱形状に形成される第２挿通孔領域７９ｂが形成される。第３挿通孔部分８０ｃは、先細部形成部材８３の軸部分８３ｃが挿通し、軸部分８３ｃの外径寸法とほぼ同じ内径寸法を有する第３挿通孔領域７９ｃが形成される。この第１、第２および第３挿通孔領域７９ａ，７９ｂ，７９ｃは、互いに連なり１つの挿通孔７９となる。挿通孔形成部８０と先細部形成部材８３とは、隙間が形成されることによって、軸線方向Ｅに移動可能に形成される。
【０１２５】
たとえば本体部７２は、２つに分割して製作され、先端部形成部材８３を挿通孔７９に収容した状態で、２つに分割した状態から１つに組立てられる。このとき本体部７２は、溶接またはボルト止めなどによって先端部形成部材８３を収容した状態で組立てられる。
【０１２６】
図１４は、図１３のＳ１４−Ｓ１４の切断面線から見た断面図である。先細部形成部材８３のまわり止め部分８３ｂは、４角柱に形成される。接合ツール回転時には、まわり止め部分８３ｂと第２挿通孔部分８０ｂとが当接する。これによって挿通孔形成部８０と先細部形成部材８３とが相対的にツール軸線Ｌ４まわりに回転することが阻止され、挿通孔形成部８０と先細部形成部材８３とが一体的に回転する。
【０１２７】
図１３に示すように、第２ばね力発生手段８９は、先細部形成部材８３を軸線方向他方Ｅ２に移動させるばね力を発生する。たとえば、第２ばね力発生手段８９は、引張りコイルばねによって実現される。引張りコイルばねの伸縮方向一端部は、まわり止め部分８３ｂの軸線方向他方Ｅ２側端部に固定される。引張りコイルばねの伸縮方向他端部は、第３挿通孔部分８０ｃの軸線方向一方Ｅ１側端部に固定される。
【０１２８】
引張りコイルばねによって先細部形成部材８３は、第３挿通孔部分８０ｃに向かう第２ばね力Ｆ４が与えられる。軸部分８３ｃの軸線方向他方Ｅ２側端部は、第３挿通孔部分８０ｃを挿通し、第２突出部材８５に当接する。
【０１２９】
第１突出部材８４および第２突出部材８５とは、第１ばね力発生手段８８によって連結される。第１ばね力発生手段８８は、圧縮コイルばねによって実現される。圧縮コイルばねは、第１突出部材８４および第２突出部材８５をツール軸線Ｌ４に対して垂直な一垂直方向Ｃに互いに離反させる力Ｆ５ａ，Ｆ５ｂを各突出部材８４，８５に与える。
【０１３０】
摩擦撹拌接合装置６０は、ツール軸線方向Ｅに移動自在に形成される可動リング９０と、可動リング９０をツール軸線方向Ｅに変位駆動する可動リング駆動手段９２とを有する。可動リング９０および可動リング駆動手段９２は、撹拌部６２の外径形状を拡大および縮小する撹拌部拡大縮小手段６１を構成する。可動リング９０および可動リング駆動手段９２は、たとえば、ツール保持具４１を支持する部分に設けられる。可動リング駆動手段９２は、たとえば、サーボモータによって実現される。
【０１３１】
可動リング９０は、本体部７２と間隔をあけて、本体部７２をツール軸線Ｌ４まわりに一周するリング状に形成される。可動リング９０の内周部分は、少なくとも貫通孔８１の各開口８６，８７に臨んで設けられる。この内周部分には、各開口８６，８７に臨む傾斜面９１を有する。傾斜面９１は、ツール軸線方向一方Ｅ１側に向かうにつれて貫通孔８１の各開口８６，８７から離反する方向に傾斜する。
【０１３２】
第１突出部材８４および第２突出部材８５は、第１ばね力発生手段によってばね力Ｆ５ａ，Ｆ５ｂが与えられて、部分的に接合ツール７０の本体部７２から突出して、可動リング９０の傾斜面９１に当接する。傾斜面９１と各突出部材８４，８５とは、少なくともいずれか一方にベアリングなどによってその摩擦抵抗を小さくする摩擦抵抗低減部が形成されることが好ましい。これによって、各突出部材８４，８５が傾斜面９１に接触移動したときに、発熱および磨耗することが防止される。
【０１３３】
可動リング９０がツール軸線方向他方Ｅ２側に変位駆動されることによって、傾斜面９１と本体部７２とのツール軸線Ｌ４半径方向間隔が広まる。この場合、第１突出部材８４および第２突出部材８５は、ばね力によって、本体部７２の中心から外方に向かって一垂直方向Ｃに変位し、本体部７２から突出する突出部分８４ａ，８５ａが増える。逆に可動リング９０が軸線方向一方Ｅ１側に変位駆動されることによって、傾斜面と本体部７２とのツール軸線Ｌ４半径方向間隔が狭まる。これによって第１突出部材８４および第２突出部材８５は、本体部７２の外方から中心に向かって一垂直方向Ｃに変位し、本体部７２から突出する突出部分８４ａ，８５ａが少なくなる。
【０１３４】
図１５は、図１３のＳ１５−Ｓ１５切断面線から見た断面図である。第２突出部材８５が第１突出部材８４よりも長く形成される。第１突出部材８４は、貫通孔８１の一方の開口８６から本体部７２の半径方向に突出し、本体部７２の軸線を通過しない長さ寸法で板状に形成される。第２突出部材８５は、貫通孔８１の他方の開口８７から本体部７２の半径方向に突出するとともに、本体部７２の軸線を通過する長さ寸法で板状に形成される。
【０１３５】
第２突出部材８５には、嵌合部９５を含む。嵌合部９５には、ツール軸線方向Ｅに挿通する嵌合孔９３が形成される。嵌合部９５は、先細部形成部材８３の軸部分８３ｃの外径よりも大きい内径を有し、軸部分８３ｃが嵌合可能に形成される。嵌合部９５は、第２突出部材８５が一垂直方向Ｃ２に変位した場合に、嵌合孔９３がツール軸線Ｌ４と同軸になるように第２突出部材８５に形成される。
【０１３６】
嵌合孔９３に臨む嵌合部９５の周面９４は、ツール軸線方向一方側Ｅ１に向かうにつれて内周が拡径するように傾斜して形成される。言換えると、嵌合孔９３は、軸線方向一方Ｅ１に向かうにつれて拡径する円錐または円錐台形状に形成される。
【０１３７】
可動リング駆動手段９２によって、可動リング９０が軸線方向他方Ｅ２に変位駆動されると、第１ばね力発生手段８８によって与えられるばね力によって、第１突出部材８４および第２突出部材８５が互いに離反する方向に変位し、接合ツール７０の本体部７２から一垂直方向Ｃに突出する突出量が増える。第１突出部材８４は、一垂直方向一方Ｃ１に変位する。第２突出部材８５は、一垂直方向他方Ｃ２に変位する。
【０１３８】
第２突出部材８５が一垂直方向他方Ｃ２に変位することによって、ツール軸線Ｌ４位置よりも一垂直方向一方Ｃ１にある嵌合部９５が、一垂直方向他方Ｃ２に移動する。これによって、嵌合孔９３がツール軸線Ｌ４位置に移動する。先細部形成部材８３は、第２ばね力発生手段８９によって軸線方向他方Ｅ２に向かう力を与えられているので、嵌合孔９３がツール軸線Ｌ４位置に移動すると、先細部形成部材８３の軸部分８３ｃが嵌合部９５に嵌合し、先細部形成部材８３が軸線方向他方Ｅ２に変位する。
【０１３９】
先細部形成部材８３の軸部分８３ｃが嵌合部９５に嵌合した状態から、可動リング９０を軸線方向一方Ｅ１に変位させることによって、第２突出部材８５と可動リング９０の当接面９１とを当接させる。さらに、可動リング９０が軸線方向一方Ｅ１に変位させることによって、第２突出部材８５を一垂直方向一方Ｃ１に変位させることができる。
【０１４０】
第２突出部材８５を一垂直方向一方Ｃ１に変位させることによって、嵌合部９５も一垂直方向一方Ｃ１に変位する。これによって、先細部形成部材８３の軸部分８３ｃは、嵌合部９５の周面９４に当接する。嵌合部９５の周面９４に当接した軸部分８３ｃは、嵌合部９５がさらに一垂直方向一方Ｃ１に移動することによって、周面９４の一垂直方向他方Ｃ２の面に沿って移動し、軸部分８３ｃがツール軸線方向一方Ｅ１に案内され、先細部形成部材８３がツール軸線方向一方Ｅ１に変位する。
【０１４１】
図１６は、先細部７５をツール軸線方向他方Ｅ２に移動させた場合を示す断面図であり、図１７は、図１６のＳ１７−Ｓ１７切断面線から見た断面図である。図１８は、先細部７５をツール軸線方向一方Ｅ１に移動させた場合を示す断面図であり、図１９は、図１８のＳ１９−Ｓ１９切断面線から見た断面図である。
【０１４２】
接合ツール７０は、２つの撹拌片６４と、撹拌片６４にばね力を与える撹拌片ばね力発生手段６５とを有する。各撹拌片６４は、ツール軸線Ｌ４を挟んで両側に配置されて、ピン部７３に内蔵される。各撹拌片６４は、ツール軸線Ｌ４に垂直な方向に変位自在に設けられ、互いに近接および離反する方向に移動する。撹拌片ばね力発生手段６５は、各撹拌片６４を互いに近接する方向にばね力を与える。撹拌片ばね力発生手段６５は、たとえば、板ばねによって実現され、板ばねが、一方の撹拌片６４と他方の撹拌片６４とを連結する。
【０１４３】
各撹拌片６４は、互いに近接する方向に移動してピン部７３の内部に没入可能である。各撹拌片６４は、互いに離反する方向に移動してピン部７３から突出する。各撹拌片６４は、ツール軸線Ｌ４に関して対称に配置される。各撹拌片６４には、互いに対向する対向面６６が形成される。各対向面６６のツール軸線Ｌ４に垂直な方向の間隔は、ツール軸線方向一方Ｅ１に向かうにつれて短くなる。すなわち各対向面６６の少なくとも一方が、ツール軸線方向一方Ｅ１に向かうにつれて、ツール軸線Ｌ４に向かって傾斜する。
【０１４４】
各撹拌片６４の間には、先細部７５が嵌り込む。先細部７５は、軸線方向一方Ｅ１に向かうにつれて、ツール軸線Ｌ４に近づく傾斜面６７を有する。先細部７５の傾斜面６７は、ツール軸線Ｌ４を挟んで両側に設けられ、各傾斜面６７が、撹拌片６４の対向面６６にそれぞれ当接する。
【０１４５】
先細部７５が軸線方向一方Ｅ１に向かって変位すると、先細部７５が対向面６６を摺動して、撹拌片６４をツール軸線Ｌ４から遠ざかる方向に押出す。これによって撹拌片６４がピン部７３から突出する。先細部７５が軸線方向他方Ｅ２に向かって変位すると、撹拌片ばね力発生手段６５が撹拌片６４をツール軸線Ｌ４に向かう力を与えて、撹拌片６４がピン部７３に没入する。上述した可動リング駆動手段９２によって、先細部７５をツール軸線方向Ｅに変位駆動することによって、撹拌部６２の外径形状を拡大および縮小することができる。
【０１４６】
図２０は、摩擦撹拌接合装置６０の動作を説明するための断面図であり、図２０（１）〜図２０（４）の順に動作が進行する。図２１は、摩擦撹拌接合装置６０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。制御手段６３が、接合ツール２０を傾斜させて離脱させる動作は、図５に示す動作と類似している。
【０１４７】
制御手段６３は、図５に示すステップａ０，ａ１，ａ２と同様の動作を、ステップｃ０，ｃ１，ｃ２で行う。ステップｃ２において、制御手段６３は、図２０（１）に示すように、接合ツール７０を基準軸線Ｌ１まわりに回転させながら基準軸線Ｌ１に沿って被接合物２１に没入させる。制御手段６３は、予め定める第１の設定時間または予め定める没入状態に達すると、ステップｃ３に進む。
【０１４８】
ステップｃ３では、制御手段６３が、図２０（２）に示すように、接合ツール７０の没入を停止させ、予め定める第２の設定時間が経過するまで接合ツール７０を基準軸線Ｌ１まわりに回転させる。これによって、軟化した被接合物２１を十分に流動化して撹拌して、各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。制御手段６３は、予め定める第２の設定時間に達すると、ステップｃ４に進む。
【０１４９】
ステップｃ４では、制御手段６３は、ツール変位駆動手段４２を動作させ、接合ツール７０を軸線方向他方Ａ２に予め定める量移動させる。予め定められる量移動した接合ツール７０は、ピン部７３が部分的に被接合物２１に没入した状態を保つ。接合ツール７０が軸線方向他方Ａ２に移動することによって、接合ツール７０と被接合物２１との間に隙間６８が生じる。
【０１５０】
次に、制御手段６３は、撹拌部拡大縮小手段６１を制御して、ピン部７３から撹拌片６４を突出させる。制御手段６３は、図２０（３）に示すように、撹拌片６４を突出させた状態で、接合ツール７０を回転させることによって流動化した被接合物２１を押出す。これによって、流動化した被接合物２１は、接合ツール７０と被接合物２１との間に生じた隙間６８に流れ込む。撹拌片６４を突出させた状態で、接合ツール７０を回転させ、予め定める時間に達すると制御手段６３は、ステップｃ５に進む。
【０１５１】
ステップｃ５では、制御手段６３は、図５に示すステップａ４と同様に動作を行い、図２０（４）に示すように、被接合物２１から離脱する。接合ツール７０が予め定める位置に達すると、制御手段６３は、ステップｃ６に進み動作を終了する。
【０１５２】
以上のように摩擦撹拌接合装置６０によれば、接合ツール７０の撹拌部６２の外形形状を縮小させた状態で、被接合物２１を十分に撹拌した後、被接合物２１から離脱する方向であって、軸線方向他方Ａ２に移動させる。この状態で撹拌部６２の外形形状を拡大させて、撹拌部６２に臨む流動化した被接合物２１を、接合ツール７０と被接合物２１との隙間６８に向かって押出す。このように接合ツール７０と被接合物２１との隙間６８に流動化した被接合物２１を移動させることによって、撹拌領域２１ｃの形状を変更することができる。たとえば、基準軸線Ｌ１から遠ざかるように流動化した被接合物２１を移動させて、接合部分の厚み寸法Ｄ２０を大きくすることができ、被接合物２１の強度を向上させることができる。また、流動化した被接合物２１を被接合部材の境界部分に向けて移動させて、各被接合部材２１ａ，２１ｂの境界に沿って延びる撹拌領域２１ｃの接合幅寸法を大きくすることができ、各被接合部材２１ａ，２１ｂの接合強度を向上することができる。
【０１５３】
図２２は、本発明のさらに他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置２００を示す斜視図である。摩擦撹拌接合装置２００は、２つの接合ツール２２０ａ，２２０ｂが装着される。摩擦撹拌接合装置２００は、被接合物２１の厚み方向一方から第１の接合ツール２２０ａを没入させ、被接合物２１の厚み方向他方から第２の接合ツール２２０ｂを没入させる。したがって被接合物２１の両側から被接合物２１を加熱する。
【０１５４】
摩擦撹拌接合装置２００は、第１の接合ツール２２０ａが装着される第１のツール保持具２４１ａと、第２の接合ツール２２０ｂが装着される第２のツール保持具２４１ｂとを有する。第１のツール保持具２４１ａは、第１の基準軸線Ｌ１０ａまわりに回転自在にかつ第１の基準軸線１０ａに沿って変位自在に設けられる。第２のツール保持具２４１ｂは、第２の基準軸線Ｌ１０ｂまわりに回転自在にかつ第２の基準軸線に沿って変位自在に設けられ、第１の接合ツール２４１ａに対向させて第２の接合ツール２４１ｂが装着される。
【０１５５】
第１および第２の基準軸線Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂは、互いに平行に延び、かつ一致または近接した位置に設定される。本実施の形態では、第１の基準軸線Ｌ１０ａおよび第２の基準軸線Ｌ１０ｂは、一致する。
【０１５６】
摩擦撹拌接合装置２００は、各ツール保持具２４１ａ，２４１ｂをそれぞれ各基準軸線Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂまわりに回転駆動する各ツール回転駆動手段２４２ａ，２４２ｂと、各ツール保持具２４１ａ，２４１ｂをそれぞれ各基準軸線Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂに沿って変位駆動する各ツール変位駆動手段２４３ａ，２４３ｂと、ロボットアーム２９に連結される基台２４６と、接合状態検出手段３５とを備える。
【０１５７】
摩擦撹拌接合装置２００の各手段の具体的な構成については、図１に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成であり、説明を省略する。また、一対のツール保持具２４１ａ，２４１ｂ、ツール回転駆動手段２４２ａ，２４２ｂおよびツール変位駆動手段２４３ａ，２４３ｂは、それぞれ同じ構造である。
【０１５８】
摩擦撹拌接合装置２００は、図１に示す摩擦撹拌接合装置４０におけるツール保持具４１、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３に対応する位置に、第１のツール保持具２４１ａ、第１のツール回転駆動手段２４２ａおよび第１のツール変位駆動手段２４３ａが設けられる。第２のツール保持具２４１ｂ、第２のツール回転駆動手段２４２ｂおよび第２のツール変位駆動手段２４３ｂは、第１および第２の基準軸線Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂに交差し、第１および第２の基準軸線Ｌ１０ａ、Ｌ１０ｂに垂直な対称線Ｌ１１に関して、第１のツール保持具２４１ａ、第１のツール回転駆動手段２４２ａおよび第１のツール変位駆動手段２４３ａに対称に設けられる。言換えると、受け台３０にかえて、第２のツール保持具２４１ｂ、第２のツール回転駆動手段２４２ｂおよび第２のツール変位駆動手段２４３ｂが設けられる。基台２４６は、略Ｃ字状に形成される。第１のツール保持具２４１ａは、基台２４６の周方向一端部２４６ａに設けられ、第２のツール保持具２４１ｂは、基台２４６の周方向他端部２４６ｂに設けられる。
【０１５９】
図２３は、被接合物２１に没入する各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを拡大して示す断面図である。摩擦撹拌接合装置２００が装着される各接合ツール２２０ａ，２２０ｂは、図２に示す接合ツール２０と同様の形状を示す。各接合ツール２２０ａ，２２０ｂは、本体部２２２ａ，２２２ｂと、本体部２２２ａ，２２２ｂから突出するピン部２２３ａ，２２３ｂとをそれぞれ有する。
【０１６０】
図２４は、摩擦撹拌接合装置２００の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。ステップｄ０で、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂが各ツール保持具２４１ａ，２４１ｂに装着されるとともに被接合物２１が予め定める保持位置に保持される。次に、ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置２００が変位移動される。変位移動された摩擦撹拌接合装置２００は、被接合物２１の一方側に第１の接合ツール２２０ａが配置され、被接合物２１の他方側に第２の接合ツール２２０ｂが配置される。このような摩擦撹拌接合における準備が完了するとステップｄ１に進み、制御手段６３が動作を開始する。
【０１６１】
ステップｄ１では、制御手段６３が、各ツール変位駆動手段２４３ａ，３４３ｂを制御し、各ツール保持具２４１ａ，２４１ｂを被接合物２１に向けて各基準軸線Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂに沿って変位移動させる。また制御手段６３は、各ツール角変位駆動手段２４２ａ，２４２ｂを制御し、各ツール保持具２４１ａ，２４１ｂを各基準軸線Ｌ１０ａ，Ｌ１０ｂまわりに回転させる。これによって、各接合ツール２２２０ａ，２２０ｂが、回転しながら互いに近接する方向に移動する。
【０１６２】
各ピン部２２３ａ，２２３ｂの端面が、被接合物２１の両側にそれぞれ当接する。制御手段６３は、各ピン部２２３ａ，２２３ｂの端面が被接合物２１に当接しても、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを互いに近接する方向にさらに移動させる。各接合ツール２２０ａ，２２０ｂは、協働して被接合物２１を両側から押圧し、被接合物２１に没入する。
【０１６３】
各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを被接合物２１に没入させていくと、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂは、そのショルダ部分２２２ａ，２２２ｂの各ショルダ面が被接合物２１に当接して、接合状態検出手段３５が、接合ツール２０のショルダ部分２２ａが被接合物２１に当接したことを示す信号を制御手段６３に与える。
【０１６４】
制御手段６３は、予め定める第１の設定時間が経過するまで、各ツール保持具２４１ａ，２４１ｂを基準軸線方向に加圧し、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂのショルダ部分２２２ａ，２２２ｂを被接合物２１に没入させる。制御手段６３は、予め定める第１の設定時間または予め定める没入状態に達すると、ステップｄ２に進む。
【０１６５】
予め定める没入状態に達したか否かは、接合状態検出手段３５によって検出してもよい。この場合、接合状態検出手段３５は、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂの各ショルダ部分２２２ａ，２２２ｂが被接合物２１に予め定める量、没入したことを示す信号を制御手段６３に与える。制御手段６３は、この信号を受けて予め定める没入状態に達したことを判断する。
【０１６６】
ステップｄ２では、制御手段６３が、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂの没入を停止させ、予め定める第２の設定時間が経過するまで接合ツール２０を回転させる。これによって、軟化した被接合物２１を十分に流動化して撹拌して各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。被接合物２１は、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂによって両側から加熱されるので、撹拌領域２１ｃを増やすことができる。制御手段６３は、予め定める第２の設定時間に達すると、ステップｄ３に進む。
【０１６７】
ステップｄ３では、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを互いに離反する方向に移動させて、被接合物２１から各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを離脱させる。制御手段６３は、接合ツール２０を予め定める初期位置に移動させて、予め定める第３の設定時間に達すると、接合ツール２２０ａ，２２０ｂの回転を停止し、ステップｄ４に進む。ステップｄ４では制御手段６３は、動作を終了する。
【０１６８】
以上のように、本発明の摩擦撹拌接合装置２００に従えば、被接合物２１を両側から加熱することができ、撹拌領域２１ｃを増加させることができる。また、片側から１つの接合ツールを没入する場合に比べて、少なくともいずれか一方の接合ツール２２０ａのピン部２２３ａが被接合物２１に没入する没入量を少なくして、十分な撹拌量を得ることができる。
【０１６９】
たとえば、図２３に示すように、第１のピン部２２３ａの軸線方向寸法Ｄ１０は、第１の接合ツール２２３ａ側の被接合部材２１ａの厚み寸法Ｄ１２よりも小さく設定する。また、第２のピン部２２３ｂの軸線方向寸法Ｄ１１は、第２の接合ツール２２３ｂ側の被接合部材２１ｂの厚み寸法Ｄ１３よりも小さく設定する。このように２つの被接合部材２１ａ，２１ｂの境界までピン部２２３ａ，２２３ｂの各端面が達していなくても十分に被接合物２１を撹拌させることができる。
【０１７０】
このように少なくともいずれか一方のピン部が没入する量を少なくすることができるので、接合後に形成される接合跡の深さＤ１０，Ｄ１１を小さくすることができる。これによって、被接合物２１の強度を向上させることができる。
【０１７１】
また、被接合物２１は、接合後に流動化した部分が隆起し、被接合物２１にいわゆるバリが生じる。被接合物２１を両側から接合ツール２２０ａ，２２０ｂを没入することによって、片側から接合ツールを没入する場合に比べてバリを少なくすることができる。また、撹拌領域２１ｃを増加させることができるので、各被接合部材２１ａ，２１ｂの接合強度を向上させることができる。
【０１７２】
また、被接合物２１に与える加熱量を増やすことができるので、被接合物２１の軟化および流動化を促進することができ、短時間で接合ツール２０を被接合物内に没入させることができる。これによって施工時間を短縮することができる。
【０１７３】
図２５は、他の形態の各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを拡大して示す断面図である。各接合ツール２２０ａ，２２０ｂのピン部２２３ａ，２２３ｂの軸線方向寸法Ｄ１０，Ｄ１１が異なってもよい。また、各接合ツール２２０ａ，２２０ｂの回転方向は、互いに同方向であっても反対方向であってもよい。各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを互いに反対方向に回転させることによって、被接合物２１をより確実に撹拌することができる。
【０１７４】
図２６は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール３２０を示す正面図である。接合ツール３２０は、上述した接合ツール２０，７０に対して撹拌部の表面部分が、被接合物に対する摩擦係数が高い材料によって形成される。たとえば接合ツール３２０は、ピン部３２３の表面に窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）からなる薄膜材料およびこれらを少なくとも１つ含む混合薄膜材料がコーティングされ、表面に硬質薄膜３０１が形成される。これらの硬質薄膜３０１は、たとえば物理蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略称、ＰＶＤ）または化学蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、略称、ＣＶＤ）によって、上述した薄膜材料または混合薄膜材料をピン部３２３にコーティングする。
【０１７５】
また、薄膜３０１は、セラミックス成分を含む硬質粒子と、炭化チタン（ＴｉＣ）成分を含む金属結合相とを含んで成る焼結複合材料、いわゆるＴｉＣサーメット（ＣＥＲＭＥＴ）をピン部３２３に粉末焼結または溶射して、硬質薄膜３０１を形成してもよい。
【０１７６】
このような硬質材料３０１がピン部３２３にコーティングされる接合ツール３２０を用いることによって、ピン部３２３と被接合物２１との摩擦抵抗を大きくすることができる。これによってピン部３２３が被接合物２１に没入させた場合に、被接合物２１に与えられる熱量を大きくして、流動化をさらに促進することができる。また、流動化した被接合物２１の撹拌を効率的に行うことができる。さらに、接合ツール３２０を被接合物２１に押し付ける加圧力が小さい場合であっても、被接合物２１を加熱することができるので、接合ツール３２０の本体部３２２が被接合物２１に没入する量を小さくすることができる。また、従来よりも被接合物２１に与える熱量を大きくすることができるので、被接合物２１の板厚が厚い場合であっても摩擦撹拌接合することができる。
【０１７７】
図２７は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール４２０を示す斜視図である。接合ツール４２０は、上述した接合ツール３２０に対して硬質薄膜４０１がコーティングされる部分が異なる。接合ツール４２０は、ショルダ部分４２２ａのショルダ面４２７に硬質薄膜４０１が形成される。このように、ショルダ面４２７に硬質薄膜４０１が形成される場合であっても、ショルダ部４２７が被接合物２１に接触することによって、図２６と同様の効果を得ることができる。
【０１７８】
図２８は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール５２０を示す斜視図であり、図２９は、接合ツール５２０を示す平面図である。接合ツール５２０は、上述した接合ツール２０，７０に対して、本体部５２２から突出する略円筒状のピン部５２３の形状が異なる。ピン部５２３は、その表面部分がスリット、粒状突起などによって凹凸形状に形成される。ピン部５２３が凹凸形状に形成されることによって、ピン部５２３の被接合物２１に対する摩擦係数を高くすることができる。これによって図２６と同様の効果を得ることができる。また、凹凸形状は、ピン部５２３の周方向に凹凸が形成され、軸線方向に延びることが好ましく、これによってピン部５２３を回転させた場合に流動化した被接合物２１をより撹拌させることこができる。
【０１７９】
図３０は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール６２０を示す斜視図であり、図３１は、接合ツール６２０を示す平面図である。接合ツール６２０は、上述した接合ツール２０，７０に対して、ショルダ面６７７から突出する突部６０１が設けられる。このようにショルダ面６７７から突出する突部６０１が接合ツール６２０に設けられることによって、接合ツール２０の被接合物に対する摩擦抵抗力を高めることができ、図２７に示す接合ツールと同様の効果を得ることができる。
【０１８０】
上記に記載したように図２６〜図３０に示す接合ツールは、上述した各摩擦撹拌接合装置４０，６０，２００に装着することができる。このように被接合物２１に対する摩擦抵抗力を高くした接合ツールを用いることによって、さらに撹拌領域２１ｃを増やすことができる。また、接合ツール３２０，４２０，５２０，６２０を被接合物２１に押し付ける加圧力を小さくすることができ、被接合物２１に接合ツール３２０，４２０，５２０，６２０が没入する量を小さくすることができる。これによって被接合物２１の強度を向上することができ、また被接合部材２１ａ，２１ｂの接合強度を高めることができる。
【０１８１】
図３２は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール７２０を示す斜視図である。接合ツール７２０は、略円柱状に形成される本体部７２２と、本体部７２２から接合ツール７２０の軸線方向Ｌ４一方に突出し、略円柱状に形成されるピン部７２３とを有する。本体部７２２のうち、接合ツール７２０の軸線方向Ｌ４一方側端部となるショルダ部分７２２ａには、接合ツール７２０の軸線Ｌ４と垂直なショルダ面７２７が形成される。
【０１８２】
ピン部７２３は、ショルダ面７２７から垂直に突出する。本体部７２２とピン部７２３とは、同軸に形成される。ピン部７２３の外径は、本体部７２２の外径よりも小さく形成される。ショルダ部分７２２ａおよびピン部７２３は、摩擦撹拌接合にあたって被接合物２１に没入する撹拌部となる。これによってピン部７２３だけが被接合物２１に没入される場合に比べて、加熱量を高めることができる。
【０１８３】
接合ツール７２０の本体部７２２には、ショルダ部分７２２に連なる部分に、没入防止部７０１が形成される。没入防止部７０１は、ショルダ面７２７の周縁に連なり、接合ツールの軸線Ｌ４から遠ざかる方向に延びる当接面７０２を有する。当接面７０２は、ツール軸線Ｌ４を一周するリング状に形成され、ツール軸線Ｌ４を含む切断面線で切断した場合に、ツール軸線Ｌ４に対して予め定める角度α１で傾斜する。当接面７０２は、ツール軸線Ｌ４から遠ざかるとともに、ピン部７２３から遠ざかる方向、すなわち軸線方向Ｌ４他方に傾斜する。
【０１８４】
接合ツール７２０が被接合物２１に没入されて、ショルダ部分７２２ａが被接合物２１に没入した状態で、さらに接合ツール７２０が被接合物２１に没入しようとすると、当接面７０２が被接合物２１に当接する。これによって接合ツール７２０の更なる没入にともなって、当接面７０２が被接合物２１に当接する領域が増加する。このように接合ツール７２０の没入にともなって、被接合物２１と接合ツール７２０とが当接する面積が増加することで、接合ツール７２０の没入を阻止する力が増加する。たとえば、被接合物２１の重ね合わせ不良によって、接合ツール７２０の没入速度が早まっても、当接面７０２が被接合物２１に当接することによって、接合ツール７２０が必要以上に没入することを防止することができる。これによって被接合物２１に形成される接合跡の深さが深くなりすぎることを防止することができ、被接合物２１の強度を向上することができる。また、当接面７０２が傾斜して設けられることによって、接合後に被接合物２１に生じるバリを抑えることができる。
【０１８５】
図３３は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール８２０を示す斜視図である。接合ツール８２０は、没入防止部８０１の形状が異なる以外は、図３２に示す接合ツール７２０と同様に形成される。没入防止部８０１は、ショルダ面８２７よりもツール軸線方向他方側に設けられる当接面８０２が形成される。接合ツール８２０の本体部８２２は、ショルダ面８２７と当接面８０２とが段状に形成される。当接面８０２は、ツール軸線Ｌ４を中心とするリング状に形成され、ツール軸線Ｌ４に対して垂直に設けられる。
【０１８６】
接合ツール８２０が被接合物２１に没入されて、ショルダ部分８２２ａが被接合物２１に没入した状態で、さらに接合ツール８２０が被接合物２１に没入すると、当接面８０２が被接合物２１に当接する。これによって被接合物２１と接合ツール８２０とが当接する面積が急激に増加して、接合ツール８２０の没入を阻止する力が増加するため、被接合物２１に形成される接合跡の深さが深くなりすぎることを防止することができ、被接合物２１の強度を向上することができる。
【０１８７】
図３４は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール９２０を示す斜視図である。接合ツール９２０は、没入防止部８０１の形状が異なる以外は、図３２に示す接合ツール７２０と同様に形成される。没入防止部９０１は、ショルダ面８２７よりもツール軸線方向他方側に設けられる当接面９０２が形成される。当接面９０２は、ツール軸線Ｌ４を一周するリング状に形成され、ツール軸線Ｌ４を含む切断面線で切断した場合に、ツール軸線Ｌ４に対して予め定める角度α２で傾斜する。当接面９０２は、ツール軸線Ｌ４から遠ざかるとともに、ピン部７２３から遠ざかる方向、すなわち軸線方向Ｌ４他方に傾斜する。このような形状であっても、図３２および図３３と同様の効果を得ることができる。また、ショルダ面９２７と当接面９０２の段差を調整することによって、接合ツール９２０の没入量を調整することができる。
【０１８８】
このように図３２〜図３４に示す接合ツール７２０，８２０，９２０は、上述した各摩擦撹拌接合装置４０、６０，１００に装着することができる。このように被接合物２１に対する必要以上の没入を阻止する接合ツール７２０，８２０，９２０を用いることによって、接合後に被接合物２１に形成される接合跡の深さを小さくすることができる。これによって被接合物２１の強度を向上することができ、また被接合物２１の接合強度を高めることができる。また、接合跡の深さを小さくすることによって、接合後の被接合物２１の美観を向上することができる。
【０１８９】
図３５は、本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール９５０を示す断面図である。接合ツール９５０は、図１に示す接合ツール２０と同様の構成を示しさらに、隆起除去部９５１を備える。図１に示す接合ツールと同様の構成については、同様の参照符号を付し、説明を省略する。隆起除去部９５１は、撹拌部６２が被接合物２１に没入されることによって、被接合物２１が半径方向外方に押出されて隆起した隆起部分９５２を除去する。
【０１９０】
隆起除去部９５１は、円筒状に形成され、本体部２３を一周する。隆起除去部９５１は、接合ツール９５０の軸線と同軸に配置される。また、隆起除去部９５１のツール軸線方向一方の端面である除去面９５３は、基準軸線Ｌ１に対して垂直に形成される。
【０１９１】
隆起除去部９５１は、被接合物２１よりも硬い材質によって実現され、隆起した部分９５２に接触することによって、隆起部分９５２を除去する。たとえば隆起除去部９５１の被接合物２１に当接する除去面９５３は、隆起部９５２を切削除去するための刃が設けられる。
【０１９２】
隆起除去部９５１は、本体部２２と一体的に回転可能に設けられ、本体部２２に対してツール軸線方向に変位自在に設けられる。摩擦撹拌接合装置のツール保持具４１は、接合ツール９５０を保持する。摩擦撹拌接合装置は、本体部２２に対して隆起除去部９５１をツール軸線方向に変位駆動する隆起除去部変位駆動手段をさらに備える。
【０１９３】
図３６は、接合ツール９５０が装着される摩擦撹拌接合装置の動作を説明するための断面図である。摩擦撹拌接合装置は、隆起除去部９５１が被接合物２１に接触しない位置に変位駆動させた状態で、接合ツール９５０の撹拌部６２を被接合物２１に没入する。接合ツール９５０を回転させることによって、被接合物２１を固相撹拌し、各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。
【０１９４】
摩擦撹拌接合装置は、十分に被接合物２１を流動化すると、図３６に示すように、接合ツール９５０を被接合物２１から離反させるとともに、隆起除去部９５１を被接合物２１に回転接触させる。隆起除去部９５１は、被接合物２１に形成される隆起部分９５２に除去面９５３が回転接触し、隆起部分９５２を除去する。このように隆起部分９５２を除去することによって、被接合物の美観を向上することができる。
【０１９５】
図３７は、接合ツール９５０を示す断面図であり、図３８は、図３７とはツール軸線Ｌ４まわりに９０度回転した断面から見た断面図である。接合ツール９５０は、ツール軸線に同軸に配置されツール軸線に沿って変位自在な変位部材９５５と、変位部材９５５と隆起除去部９５１とを連結する連結部９５４とを有する。
【０１９６】
接合ツール９５０の本体部２２は、内部に空間９５６が形成される。この空間９５６に変位部材９５５が配置される。変位部材９５５は、ツール軸線Ｌ４に沿って延び、ツール軸線Ｌ４に沿って変位可能に設けられている。変位部材９５５は、本体部２２に対してまわり止めされている。連結部９５４は、変位部材９５５のツール軸線一方側端部に連なり、変位部材９５５とともにツール軸線に沿って変位自在に設けられる。連結部９５４は、本体部２２外部にある隆起除去部９５１に連なる。
【０１９７】
変位部材９５５が隆起除去部変位駆動手段によって変位駆動されることによって、隆起除去部９５１をツール軸線に沿って変位駆動させることができる。変位部材９５５と隆起除去部変位駆動手段とについては、図１３に示す構造と同様の構成によって実現することができる。すなわち図１３に示す先細部形成部材８３にかえて変位部材９５５を設け、図１３に示す可動リング９０および可動リング駆動手段９２によって隆起除去部変位駆動手段を構成することができる。その他接合ツール９５０の構成については、図１３に示す接合ツール７０と同様の構成によって実現することができる。
【０１９８】
上述した摩擦撹拌接合装置および接合ツールの構成は、本発明の実施の形態の一例示であって、発明の範囲内において、構成を変更することができる。摩擦撹拌接合は、重ね合わされた被接合部材２１ａ，２１ｂをスポット接合するとしたが、被接合物２は、被接合部材２１ａ，２１ｂが突き合わされた状態で接合してもよい。また、被接合部材２１ａ，２１ｂの材質についても、アルミ合金以外の材料であってもよい。また、上述した各実施形態を併用して用いてもよい。また、制御手段６３によって摩擦撹拌接合動作を制御したが、動作の一部分を手動で制御してもよい。また、上述した各摩擦撹拌接合装置４０，６０，２００と接合ツール２０，７０，３２０，４３０，５２０，６２０，７２０，８２０，９２０，９５０をそれぞれ併用して用いることによって、さらに確実に被接合物２１の強度および被接合部材の接合強度を高めることができる。また、被接合物２１に形成される隆起部９５２を除去して被接合物２１の美観を向上することができる。さらに、本発明では、接合ツールは、ツール保持具４１に着脱可能に装着されることとしたが、摩擦撹拌接合装置がツール保持具４１を備えない場合であってもよい。すなわち接合ツールは、ツール回転駆動手段に一体的に固定されてもよい。
【０１９９】
また従来の技術の場合では、各被接合部材２１ａ，２１ｂが混ぜ合わされる部分がピン部の周囲に限られてしまい、必要な強度を得るためには、ピン部の形状および回転速度、押し付け力、施工時間などの接合条件を変更する必要がある。しかし、上述するように本発明に従えば、１つの接合ツールを用いて、撹拌領域２１ｃを増やし、接合後の被接合物２１に任意の強度を与えることができる。
【０２００】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の本発明によれば、接合ツールによって被接合物を十分に撹拌した後、接合ツールを角変位軸線まわりに角変位させた状態で、接合ツールを被接合物から離反する方向に移動させることにより、接合ツールの軸線を被接合物の表面に対して傾斜させた状態で、被接合物から離脱させることができる。
【０２０１】
これによって被接合物のうち、接合ツールを傾斜させた側の傾斜部分と、接合ツールを傾斜させた側と反対方向の対向傾斜部分との接合後に形成される接合部分の形状を異ならせることができるため傾斜部分と対向傾斜部分とで耐え得る強度を変化させることができる。傾斜部分と対向傾斜部分とで接合跡の形状を異ならせることによって、一方から受ける大きい力に耐え得る強度を被接合物に持たせることができ、被接合物の強度、特にせん断強度を向上することができる。
【０２０２】
また、軸線まわりに回転する接合ツールを被接合物に没入させた状態で、ツール角変位駆動手段によって、接合ツールを角変位軸線まわりに揺動的に角変位させることで、被接合物の撹拌領域の容積を増やして撹拌領域の接合幅寸法を大きくすることができ、各被接合部材の接合強度を向上することができる。また、接合ツールを被接合物に対して深く没入させることなく、撹拌領域の容積を増やすことができ、厚み寸法が小さくなることを防止し、被接合物の強度を向上することができる。
【０２０３】
請求項２記載の本発明によれば、被接合物の一方側に第１の接合ツールを配置させて、被接合物の他方側に第２の接合ツールを配置させて、被接合物を両側から同時に摩擦撹拌接合を行うことができる。両側から各接合ツールを没入することによって、片側から１つの接合ツールを没入する場合に比べて、単位時間あたり被接合物に発生する摩擦熱を多くして、流動化する被接合物を増加させることができる。また流動化した被接合物の撹拌をより確実に行うことができ、被接合物の撹拌領域の容積を増やすことができる。
【０２０４】
また、単位時間あたり被接合物に発生する摩擦熱を多くすることによって、接合ツールが被接合物に深く没入させることなく、接合部分における厚み寸法が小さくなることを防止することができ、被接合物の強度を向上することができる。
【０２０５】
請求項３記載の本発明によれば、接合ツールと被接合物との隙間に流動化した被接合物を移動させることによって、撹拌領域の形状を変更することができる。たとえば、流動化した被接合物を移動させることによって、接合部分の厚み寸法を大きくすることができ、被接合物の強度を向上させることができる。また、各被接合部材の境界に沿って延びる撹拌領域の接合幅寸法を大きくすることができ、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【０２０６】
請求項４記載の本発明によれば、接合ツールと被接合物との隙間に流動化した被接合物を移動させることによって、撹拌領域の形状を変更することができる。たとえば、流動化した被接合物を移動させることによって被接合物の強度を向上させることができる。また、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【０２０７】
請求項５記載の本発明によれば、被接合物に対する摩擦係数が高い材料によって形成されることによって、接合ツールと被接合物との摩擦係数が高くなり、接合ツールと被接合物との間に生じる摩擦熱を大きくすることができる。これによって被接合物の流動化を促進させ、撹拌領域を増大させることでき、各被接合部材の接合強度を向上することができる。さらに、接合ツールと被接合部材とで摩擦係数が大きいので、被接合部材の撹拌をより確実にかつ短時間で行うことができる。
【０２０８】
また、摩擦力を大きくすることによって、接合ツールを被接合物に押圧する押圧力を小さくしても必要な摩擦熱を得ることができ、接合ツールが被接合物に没入する没入量を小さくして被接合物の強度を向上することができる。
【０２０９】
請求項６記載の本発明によれば、撹拌部の表面部分が凹凸形状に形成されることによって、接合ツールと被接合物との摩擦係数が高くなる。これによって摩擦係数が高くなることで、接合ツールと被接合物との間に生じる摩擦熱が高くなり、摩擦撹拌領域を増大させることができ、各被接合部材の接合強度を向上することができる。さらに、接合ツールと被接合部材とで摩擦係数が大きいので、流動化した被接合物は、接合ツールとともに回転させようとする力が働き、被接合部材の撹拌をより確実にかつ短時間で行うことができる。
【０２１０】
また、摩擦力を大きくすることによって、接合ツールを被接合物に押圧する押圧力を小さくしても必要な摩擦熱を得ることができ、接合ツールが被接合物に没入する没入量を小さくして、被接合物の強度を向上することができる。
【０２１１】
請求項７記載の本発明によれば没入防止部が設けられることによって、撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に接触端面を接触させることができるため、被接合物に接合ツールが必要以上に没入して、接合部分の厚み寸法が小さくなることを防止することができ、その結果被接合物の接合強度が低下することを防止することができる。
【０２１２】
請求項８記載の本発明によれば、隆起除去部が設けられることによって、被接合物の隆起した部分を除去することができるため、被接合物の美観を向上することができるとともに、隆起部分を除去するための仕上げ工程を必要とすることがなく、利便性を向上することができる。
【０２１３】
請求項９記載の本発明によれば、没入防止部が設けられることによって、撹拌部が被接合物に没入された状態で、被接合物に没入防止部の端面を接触させることができるため、被接合物に接合ツールが必要以上に没入して、接合部分の厚み寸法が小さくなることを防止することができ、その結果被接合物の接合強度が低下することを防止することができる。
【０２１４】
請求項１０記載の本発明によれば、隆起除去部が設けられることによって、被接合物の隆起した部分を除去することができるため、被接合物の美観を向上することができるとともに、隆起部分を除去するための仕上げ工程を必要とすることがなく、利便性を向上することができる。
【０２１５】
請求項１１記載の本発明によれば、接合ツールによって被接合物を十分に撹拌した後、接合ツールを角変位軸線まわりに角変位させた状態で、接合ツールを被接合物から離反する方向に移動させることによって接合ツールは、その軸線を被接合物の表面に対して傾斜させた状態で、被接合物から離脱させることができる。
【０２１６】
これによって、被接合物のうち、接合ツールを傾斜させた側の傾斜部分と、接合ツールを傾斜させた側と反対方向の対向傾斜部分との接合後に形成される接合跡の形状を異ならせることができるため傾斜部分と対向傾斜部分とで耐え得る強度を変化させることができる。被接合物に与えられる力のうち、一方から受ける力が残余の方向から受ける力に比べて大きい場合、上述したように接合ツールを傾斜部分と対向傾斜部分とで接合跡の形状を異ならせることによって、一方から受ける大きい力に耐え得る強度を被接合物に持たせることができる。
【０２１７】
請求項１２記載の本発明によれば、回転軸線まわりに回転する接合ツールを被接合物に没入させた状態で、接合ツールを角変位軸線まわりに揺動的に角変位させる。このように接合ツールの被接合物に没入した部分を被接合物に対して角変位させることにより、被接合物の撹拌領域の容積を増やすことができるため、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【０２１８】
また、接合ツールを被接合物に対して深く没入させることなく、撹拌領域の容積を増やすことができる。したがって、接合部分における厚み寸法が小さくなることを防ぐことができ、被接合物の強度を向上することができる。
【０２１９】
請求項１３記載の本発明によれば、撹拌部に臨む流動化した被接合物を、接合ツールと被接合物との隙間に押出すことができ、隙間を埋めることができる。接合ツールと被接合物との隙間に流動化した被接合物を移動させることによって、撹拌領域の形状を変更することができる。たとえば、接合部分の厚み寸法が大きくなるように、流動化した被接合物を移動させることで、被接合物の強度を向上させることができる。また、撹拌領域の接合幅寸法が大きくなるように、流動化した被接合物を移動させることで、各被接合部材の接合強度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置４０を示す斜視図である。
【図２】被接合物２１に没入する接合ツール２０を拡大して示す断面図である。
【図３】摩擦撹拌接合装置４０の動作を説明するための断面図である。
【図４】ツール保持具４１の角変位動作と接合ツール２０の位置との時間的関係を示すタイミングチャートである。
【図５】摩擦撹拌接合装置４０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。
【図６】本実施の一形態の摩擦撹拌接合装置４０を用いて接合された被接合物２１を示す断面図である。
【図７】ツール保持具４１を角変位させずに接合された比較例の被接合物２１を示す断面図である。
【図８】摩擦撹拌接合装置４０の他の動作を示す断面図である。
【図９】摩擦撹拌接合装置４０のさらに他の動作を説明するための断面図である。
【図１０】摩擦撹拌接合装置４０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明のさらに他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置６０の電気的構成を示すブロック図である。
【図１２】被接合物２１に没入する接合ツール７０を拡大して示す断面図である。
【図１３】接合ツール７０を拡大して示す断面図である。
【図１４】図１３のＳ１４−Ｓ１４の切断面線から見た断面図である。
【図１５】図１３のＳ１５−Ｓ１５切断面線から見た断面図である。
【図１６】先細部７５をツール軸線方向他方Ｅ２に移動させた場合を示す断面図である。
【図１７】図１６のＳ１７−Ｓ１７切断面線から見た断面図である。
【図１８】先細部７５をツール軸線方向一方Ｅ１に移動させた場合を示す断面図である。
【図１９】図１８のＳ１９−Ｓ１９切断面線から見た断面図である。
【図２０】摩擦撹拌接合装置６０の動作を説明するための断面図である。
【図２１】摩擦撹拌接合装置６０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。
【図２２】本発明のさらに他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置２００を示す斜視図である。
【図２３】被接合物２１に没入する各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを拡大して示す断面図である。
【図２４】摩擦撹拌接合装置２００の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。
【図２５】他の形態の各接合ツール２２０ａ，２２０ｂを拡大して示す断面図である。
【図２６】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール３２０を示す正面図である。
【図２７】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール４２０を示す斜視図である。
【図２８】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール５２０を示す斜視図である。
【図２９】接合ツール５２０を示す平面図である。
【図３０】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール６２０を示す斜視図である。
【図３１】接合ツール６２０を示す平面図である。
【図３２】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール７２０を示す斜視図である。
【図３３】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール８２０を示す斜視図である。
【図３４】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール９２０を示す斜視図である。
【図３５】本発明のさらに他の実施の形態である接合ツール９５０を示す断面図である。
【図３６】接合ツール９５０が装着される摩擦撹拌接合装置の動作を説明するための断面図である。
【図３７】接合ツール９５０を示す断面図である。
【図３８】図３７とはツール軸線Ｌ４まわりに９０度回転した断面から見た断面図である。
【図３９】従来の技術の摩擦撹拌接合を説明するために接合ツール２と被接合物１とを示す断面図である。
【図４０】図３９に示される摩擦撹拌接合された被接合物１の拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
２１  被接合物
２２  本体部
２２ａ  ショルダ部分
２３  ピン部
２７  ショルダ面
２９  ロボット
３０  受け台
３１  ツール角変位駆動手段
３５  接合状態検出手段
４０，６０，２００  摩擦撹拌接合装置
４１  ツール保持具
４２  ツール回転駆動手段
４３  ツール変位駆動手段
６１  撹拌部拡大縮小手段
６３  制御手段
２０，７０，３２０，４３０，５２０，６２０，７２０，８２０，９２０，９５０  接合ツール
Ｌ１  基準軸線
Ｌ２  角変位軸線
Ｌ３  回転軸線
Ｌ４  ツール軸線
Ｌ１０ａ  第１の基準軸線
Ｌ１０ｂ  第２の基準軸線
【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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【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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