(57)【要約】【課題】接合後に被接合物の反りを低減する摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】摩擦撹拌時における被接合物の接合ツール側の表面部３７と反対側の表面部３８との温度差を抑える加熱手段３６を含む。加熱手段３６によって、被接合物２１の受け台側の表面部３８を加熱し、熱膨張によって生じる接合ツール側の表面部３７と、反対側の表面部３８とのひずみの差を少なくすることができる。したがって接合後に、被接合物２１に残留ひずみが残る場合であっても、接合ツール側の表面部３７と反対側の表面部３８との残留ひずみの差を小さくすることができる。これによって接合ツール側の表面部３７と反対側の表面部３８とでその収縮量の差が小さくすることができ、接合後に生じる被接合物の反りを低減することができる。【選択図】      図１
2004174507.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、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
接合ツールを基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを基準軸線に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
摩擦撹拌時における被接合物の接合ツール側の表面部と反対側の表面部との温度差を抑える熱処理をする熱処理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、その予め定める接合位置において、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
接合ツールを基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを基準軸線に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
各被接合部材を、前記接合位置の近傍で仮止めする仮止め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】
前記仮止め手段は、被接合物を挟んで配置される２つの電極端子を、相互に近接および離反変位自在に保持する電極端子保持部と、
各電極端子間に電圧を印加する電源部と、
各電極端子が近接および離反するように、電極端子保持部を変位駆動する電極端子駆動部とを有することを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合装置。
【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、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
摩擦撹拌時における被接合物の接合ツール側の表面部と反対側の表面部との温度差を抑える熱処理をしながら、回転する接合ツールを被接合物に没入させ、被接合物を軟化させて流動させる摩擦撹拌工程を含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【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、その予め定める接合位置において、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合位置の近傍における各被接合部材を互いに仮止めする仮止工程と、
各被接合部材を仮止めした後、接合ツールを回転させながら被接合物に没入し、被接合物を軟化させて流動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。
【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。なお、被接合物が被接合部材を含む状態は、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１８は、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。従来の技術の摩擦撹拌接合方法は、重ね合わされる複数の被接合部材１ａ，１ｂを接合ツール２によって接合する。図１８（１）に示すように、接合ツール２は、その軸線Ｌ１まわりに回転しながら、その軸線Ｌ１に沿って移動し、複数の被接合部材１ａ，１ｂが重ね合されて設けられる被接合物１に没入する。接合ツール２は、摩擦熱によって被接合物１を流動化させて固相撹拌して、被接合部材１ａ，１ｂを非溶融の状態で接合する（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
回転する接合ツール２は、接合ツール側の表面部６から被接合物１に没入する。被接合物１は、接合ツール２が没入することによって、接合ツール側の表面部６側から加熱されるため、被接合物１の接合ツール側の表面部６は、反対側の表面部７よりも高温となる。このため、被接合物１は、接合ツール側の表面部６と反対側の表面部７とで温度差が生じる。
【０００５】
被接合物１の接合ツール側の表面部６は、温度が上昇すると、反対側の表面部７よりも熱膨張し、被接合物１は、接合ツール２に向かって凸に反って変形しようとする。
【０００６】
たとえば、図１８（２）に２点差線で示すように、接合ツール側の一方の被接合部材１ａは、その接合ツール側の表面領域４が、反対側の表面領域５よりも熱膨張し、接合ツール２に向かって凸に反って変形しようとする。被接合部材１ａは、接合ツール２によって押し付けられて、保持装置および接合ツール２によって拘束される。図１８（２）に実線で示すように、接合時には、被接合部材１ａは、熱膨張による変形が保持装置および接合ツール２によって阻止されることによって内部応力が生じ、内部応力が生じた状態で他方の接合部材１ｂに接合される。
【０００７】
図１９は、被接合部材１ａのひずみを示すグラフである。図１９では縦軸に被接合物１の内部応力を示し、横軸に被接合部材１ａのひずみを示す。接合ツール２から摩擦熱が与えられることによって、被接合部材１ａは熱膨張する。被接合部材１ａは、変形が制限されているので、熱膨張を抑える力である圧縮力が内部応力として生じる。被接合部材１ａは加熱されるとともに熱膨張するので、加熱されるとともに被接合部材１ａの内部応力も増加する。
【０００８】
加熱される量が多い場合、被接合部材１ａの内部応力は、被接合部材１ａの降伏応力を超える場合がある。このとき、被接合部材１ａのひずみΔ１が弾性範囲内を超える。この場合、被接合部材１ａの温度が常温に戻っても、被接合部材１ａには残留ひずみΔ２が残る。これによって接合後の被接合部材１ａは、接合前に比べて圧縮力が与えられた方向に縮小する。
【０００９】
被接合部材１ａの接合ツール側の表面領域４は反対側の表面領域５より高温となるので、接合ツール側の表面領域４は、反対側の表面領域５よりも大きい圧縮力が内部応力として生じる。したがって、接合ツール側の表面領域４は、反対側の表面領域５よりも縮小する。接合後に被接合部材１ａが冷えたとしても、被接合部材１ａに残留ひずみΔ２が残る場合には、接合ツール側の表面領域４が、反対側の表面領域５に比べてより縮小する。
【００１０】
これによって図１８（３）に示すように、一方の被接合部材１ａは、接合ツール側の表面領域４が反対側の表面領域５よりも縮小変形し、接合ツール２に対して反対側に向かう方向に凸に反って変形する。また、このような変形は、一方の被接合部材１ａだけでなく、他方の被接合部材１ｂでも上述と同様に変形する。また、複数の被接合部材１ａ，１ｂが重ね合わされた被接合物１においても上述と同様に反って変形する。
【００１１】
接合ツール２が没入されることによって、接合ツール２が没入した被接合物１の接合部分８で、一方の被接合部材１ａと他方の被接合部材１ｂとが互いに接合される。しかし、接合後に一方の被接合部材１ａが反って変形することによって、被接合物１の接合部分８に隣接する隣接部分９では、一方の被接合部材１ａと残他方の被接合部材１ｂとの間に隙間Ｃが生じる。
【００１２】
被接合物１の隣接部分９で、再び各被接合部材１ａ，１ｂを接合する場合に、一方の被接合部材１ａと他方の被接合部材１ｂとの間に隙間Ｃが形成された状態で接合ツール２が被接合物１に没入すると、流動化した材料が被接合物１に形成される隙間Ｃに流れてしまうため、被接合物１の固相撹拌が不十分となって接合異常が生じるおそれがある。
【００１３】
以上のように、従来の技術では、接合後に被接合物１、特に接合ツール側の一方の被接合部材１ａが反ってしまう。接合後に被接合物１が反ることによって、美観が低下し、接合品質が低下するという問題がある。また、一方の被接合部材１ａが他方の被接合部材１ｂに対して反った状態の被接合物１に、ふたたび接合ツールを没入して、各被接合部材１ａ，１ｂの接合を行うと接合異常が生じるという問題がある。
【００１４】
したがって、本発明の目的は、接合後に被接合物の反りを低減する摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供することである。
【００１５】
また本発明の他の目的は、被接合物を構成する複数の被接合部材のうち、一方の被接合部材と他方の被接合部材との隙間を低減する摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供することである。
【００１６】
【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、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
接合ツールを基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを基準軸線に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
摩擦撹拌時における被接合物の接合ツール側の表面部と反対側の表面部との温度差を抑える熱処理をする熱処理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。
【００１７】
本発明に従えば、熱処理手段によって、被接合物の接合ツール側の表面部と反対側の表面部との温度差を抑えるように被接合物を熱処理することで、熱膨張によって生じる接合ツール側の表面部と、反対側の表面部との熱ひずみの差を少なくすることができる。したがって接合後に、被接合物に残留ひずみが残る場合であっても、接合ツール側の表面部と反対側の表面部との残留ひずみの差を小さくすることができ、接合後に生じる被接合物の反りを低減することができる。
【００１８】
また、被接合物を構成する各被接合部材においても、同様に反りを低減することができる。したがって、一方の被接合部材における他方の被接合部材に対する反りを低減することができ、反りによって生じる一方の被接合部材と他方の被接合部材との間の隙間を無くすことができる。
【００１９】
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、その予め定める接合位置において、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
接合ツールを基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
接合ツールを基準軸線に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
各被接合部材を、前記接合位置の近傍で仮止めする仮止め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。
【００２０】
本発明に従えば、仮止め手段によって接合位置の近傍を仮止めして各被接合部材の変形を拘束した状態で、接合位置で各被接合部材を接合する。残留ひずみによって接合後に被接合部材が互いに反ろうとしても、接合位置の近傍が予め仮止めされているので、被接合部材が互いに反ることを防止することができる。したがって、一方の被接合部材における他方の被接合部材に対する反りをなくすことができ、反りによって生じる一方の被接合部材と他方の被接合部材との間の隙間を無くすことができる。
【００２１】
また、本発明は、前記仮止め手段は、被接合物を挟んで配置される２つの電極端子を、相互に近接および離反変位自在に保持する電極端子保持部と、
各電極端子間に電圧を印加する電源部と、
各電極端子が近接および離反するように、電極端子保持部を変位駆動する電極端子駆動部とを有することを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、各電極端子によって被接合物を挟んだ状態で、各電極端子間に電圧を印加すると、電極端子によって挟まれた被接合物間に電流が流れ、被接合物が溶融する温度まで発熱する。このようにして被接合物を溶融させることで、溶融した被接合部材を混ぜ合わせて仮止めすることができる。仮止めするために印加する電圧は、各被接合部材を完全に接合するために必要な電圧よりも小さいものでよいため、発熱量は少なくてすみ、被接合物には、仮止め時に著しく温度が上昇することがなく、熱ひずみを低減することができる。したがって、被接合物に反りが生じることを低減して各被接合部材を互いに仮止めすることができる。
【００２３】
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、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
摩擦撹拌時における被接合物の接合ツール側の表面部と反対側の表面部との温度差を抑える熱処理をしながら、回転する接合ツールを被接合物に没入させ、被接合物を軟化させて流動させる摩擦撹拌工程を含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００２４】
本発明に従えば、接合ツール没入時における被接合物の接合ツール側の表面部と反対側の表面部との温度差を抑えた状態で、接合ツールを被接合物に没入させることで、被接合物の接合ツール側の表面部と反対側の表面部との熱膨張によるひずみの差を少なくすることができる。したがって、被接合物に残留ひずみが残る場合であっても、接合ツール側の表面部と反対側の表面部との残留ひずみの差を小さくすることができ、接合後に被接合物の反りを低減することができる。
【００２５】
また、被接合物を構成する各被接合部材においても、同様に反りを低減することができる。したがって、一方の被接合部材における他方の被接合部材に対する反りを低減することができ、反りによって生じる一方の被接合部材と他方の被接合部材との間の隙間を無くすことができる。
【００２６】
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、その予め定める接合位置において、接合ツールを軸線まわりに回転させながら没入させて固相撹拌し、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合位置の近傍における各被接合部材を互いに仮止めする仮止工程と、
各被接合部材を仮止めした後、接合ツールを回転させながら被接合物に没入し、被接合物を軟化させて流動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。
【００２７】
本発明に従えば、接合位置の近傍を仮止めする仮止め工程の後、撹拌工程を行って、接合位置で各被接合部材を接合することで、各被接合部材の変形を拘束した状態で接合することができる。残留ひずみによって接合後に被接合部材が互いに反ろうとしても、接合位置の近傍が仮止めされているので、被接合部材が互いに反ることを防止することができる。したがって、一方の被接合部材における他方の被接合部材に対する反りをなくすことができ、反りによって生じる一方の被接合部材と他方の被接合部材との間の隙間を無くすことができる。
【００２８】
【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の一部を拡大して示す断面図であり、図２は、摩擦撹拌接合装置４０を示す斜視図である。本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置４０は、たとえば、重ね合わされて設けられる複数の被接合部材２１ａ，２１ｂを摩擦撹拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：略称ＦＳＷ）するために用いられる。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、特に１つの被接合物２１に対してスポット接合を複数回連続して行う連続施工に好適に用いられる。
【００２９】
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Ｌ１まわりに回転させながら被接合物２１に没入させる。摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０を回転させながら被接合物２１に没入することによって、摩擦熱によって被接合物２１を軟化する。
【００３０】
摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０によって流動化した部分を撹拌することによって、流動化した各被接合部材２１ａ，２１ｂを互いに混ぜ合わせる。摩擦撹拌接合装置４０は、流動化した部分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を離脱させることによって、流動化した部分が固まり、各被接合部材２１ａ，２１ｂが接合される。
【００３１】
摩擦撹拌接合装置４０によって、接合される被接合部材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り、自動車ボディ、意匠構造物およびその他重ね合わせ接合物の製造に用いられる。
【００３２】
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から軸線方向一方Ａ１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２３は、軸線方向一方Ａ１側端面となるショルダ面２７を有し、ショルダ面２７は、軸線Ｌ１に対して垂直に形成される。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、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。
【００３３】
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、ツール保持部４１に装着される接合ツール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を有し、受け面３２は、接合時に被接合物２１に当接する。
【００３４】
受け台３０には、電熱線３１が内蔵される。電熱線３１は、電流が流れることによって発熱する。電熱線３１によって加熱された受け台３０は、受け面３２に当接する被接合物２１に熱を伝える。すなわち、受け台３０は、電熱線３１によって、受け面３２に当接する被接合物２１を加熱する。受け台３０は、電熱線３１が発熱することによって溶融することがない耐熱性材料から成り、たとえば、受け台３０は、セラミックから成る。
【００３５】
電熱線３１は、軸線Ｌ１を含む一仮想面で受け台３０を切断した場合に、軸線Ｌ１に垂直な方向に並ぶ複数の加熱部分３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを備える。本実施の形態では、図１に示すように、電熱線３１は、４つの加熱部分３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが軸線Ｌ１に垂直な方向に並ぶ。たとえば、互いに半径が異なり、略リング状に形成される複数の電熱線３１が軸線Ｌ１を中心として同心円状に配置されることによって、複数の加熱部分を形成してもよい。また、１つの電熱線３１が軸線Ｌ１を中心として螺旋状に延びて複数の加熱部分を形成してもよい。
【００３６】
４つの加熱部分のうち、２つの加熱部分３１ｂ、３１ｃは、ピン部２３に対向する位置に配置され、他の２つの加熱部分３１ａ，３１ｄは、ショルダ面２７に対向する位置に配置される。電熱線３１は、発熱温度を調整可能に制御されていてもよく、加熱部分３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄごとに発熱温度を異ならせてもよい。
【００３７】
摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０が装着され、接合ツール２０をその軸線Ｌ１まわりに回転駆動および軸線Ｌ１に沿って変位駆動する。摩擦撹拌接合装置４０は、予め定める基準軸線に接合ツール２０の軸線Ｌ１が一致するように装着される。摩擦撹拌接合装置４０の基準軸線に、接合ツール２０の軸線Ｌ１が一致するので、以後、摩擦撹拌接合装置４０の基準軸線を接合ツール２０の軸線と同じ参照符号「Ｌ１」を付する。
【００３８】
図２に示すように、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を基準軸線Ｌ１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を基準軸線Ｌ１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。
【００３９】
基準軸線方向は、基準軸線Ｌ１を含む仮想面において、基準軸線Ｌ１に平行な直線が延びる方向である。摩擦撹拌接合装置４０の基準軸線方向に、接合ツール２０の軸線方向Ａが一致するので、以後、接合ツール２０の軸線方向Ａと同じ参照符号「Ａ」を付する。
【００４０】
ツール保持部４１は、接合ツール２０の軸線方向他方Ａ２側端部を挟持して、接合ツール２０を着脱可能に保持する。ツール保持具４１は、予め定める基準軸線Ｌ１まわりに回転自在にかつ基準軸線Ｌ１に沿って移動自在に設けられる。ツール保持具４１が基準軸線Ｌ１に沿って変位駆動されると、ツール保持具４１に保持される接合ツール２０は、基準軸線Ｌ１に沿って移動する。ツール保持具４１が基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動されると、ツール保持具４１に保持される接合ツール２０は、基準軸線Ｌ１まわりに回転する。
【００４１】
ツール回転駆動手段４２は、ツール保持具４１を基準軸線Ｌ１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を基準軸線Ｌ１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。
【００４２】
ツール変位駆動手段４３は、基準軸線方向Ａに変位自在に構成される可動部（図示せず）と、可動部を基準軸線方向Ａに変位自在に支持する支持部４９と、可動部を基準軸線方向Ａに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。たとえば、支持部４９は、可動部を支持するガイドレールによって実現される。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。
【００４３】
ツール変位駆動手段４３の可動部には、ツール回転駆動手段４２が固定される。また、ツール変位駆動手段４３の支持部４９は、基台４６に固定される。ツール変位モータ５０を駆動することによって、可動部とともにツール回転駆動手段４２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。
【００４４】
受け台形成部４４は、略Ｌ字状に形成される。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、基準軸線方向Ａ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の基準軸線方向一端部５１ａに連なり、ツール保持具４１に向かって基準軸線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。
【００４５】
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に向かって基準軸線Ｌ１に沿って突出する。受け台３０は、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。
【００４６】
さらに、摩擦撹拌接合装置４０は、摩擦撹拌時における被接合物２１の接合ツール側の表面部３７と反対側の表面部３８との温度差を抑える熱処理をする熱処理手段を有する。以後、接合ツールと反対側の表面部３８は、受け台側の表面部３８と呼ぶことがある。熱処理手段は、被接合物２１を接合ツールと反対側から加熱する加熱手段３６であって、上述した電熱線３１と、該電熱線３１に電流を流す電流供給部３４とを含む。受け台３０に設けられる電熱線３１は、電流供給部３４から電流が供給されて発熱する。
【００４７】
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可動部（図示せず）と、可動部を基準軸線方向Ａに変位自在に支持する支持部５３と、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と同一の構成を有し、説明を省略する。
【００４８】
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、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。
【００４９】
基台４６には、上述するようにツール変位駆動手段４３の支持部４９および受け台駆動手段４５の支持部５３が固定される。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、接合が行われる被接合物２１の接合位置に変位駆動される。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と一体的に移動して、摩擦撹拌接合装置が移動する。
【００５０】
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２１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。
【００５１】
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加熱手段３６を制御する。加熱手段３６は、制御手段６３によって被接合物２１を加熱するタイミングが制御される。
【００５２】
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（４）の順に動作が進行する。図４は、受け台３０の加熱と接合ツール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）に電熱線３１による加熱開始および加熱終了時を示し、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。
【００５３】
ステップａ０で、接合ツール２０をツール保持具４１に装着させるとともに被接合物２１が予め定める保持位置に保持させる。次に、ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置４０を変位移動させ、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を配置する。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。
【００５４】
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を軸線方向他方Ａ２に沿って移動させて、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。具体的には、受け台３０の受け面３２が受け台側の被接合部材２１ｂに当接する。被接合物２１に当接した受け台３０は、被接合物２１を接合ツール２０と反対側から支持する。
【００５５】
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。たとえば摩擦撹拌接合装置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。
【００５６】
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を基準軸線Ｌ１まわりに回転させる。また、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。これによって接合ツール２０が、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。
【００５７】
被接合物２１に向かって移動する接合ツール２０は、図４のＴ２時刻で、図３（２）に示すようにピン部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。
【００５８】
接合ツール２０を被接合物２１に没入させていくと、図４に示すＴ３時刻で、接合ツール２０は、本体部２２のショルダ面２７が被接合物２１に当接する。このとき、接合状態検出手段３５が接合ツール２０の本体部２２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。制御手段６３は、当該信号を受け取ると、ステップａ３に進む。
【００５９】
ステップａ３では、制御手段６３は、加熱手段３６を制御して電流供給部３４を制御して電熱線３１に電流を与える。電熱線３１は、電流供給部３４から電流が与えられることによって発熱する。これによって受け台３０は、接合ツール２０と反対側から被接合物２１を加熱する。ステップａ３にあって、制御手段６３は、接合ツール２０の被接合物２１への没入を継続させる。
【００６０】
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（３）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を被接合物２１に没入させるとともに受け台側から被接合物２１を加熱する。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の設定時間に達すると、ステップａ４に進む。
【００６１】
ステップａ４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。
【００６２】
このとき受け台側から被接合物２１を加熱することによって、被接合物２１の接合ツール側の表面部３７と受け台側の表面部３８との温度差を少なくすることができる。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ａ５に進む。
【００６３】
ステップａ５では、図４のＴ５時刻で、制御手段６３は、接合ツール２０を軸線方向他方Ａ２に移動させて、図３（４）に示すように、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、接合ツール２０の回転を停止し、ステップａ６に進む。ステップａ６では制御手段６３は、動作を終了する。
【００６４】
ステップａ２〜ａ５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〜ａ５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。
【００６５】
加熱手段３６は、被接合物２１における基準軸線Ｌ１に平行な方向の温度分布を一様にするように被接合物２１を加熱する。たとえば、加熱手段３６は、被接合物２１のうち、最も接合ツール側の一方の被接合部材２１ａの接合ツール側の表面領域２５に接合ツール２０から与えられる加熱量に対して等しいまたは近い熱量を、接合ツール２０と反対側の表面領域２６に与える。以後、接合ツール２０と反対側の表面領域２６を受け台３０側の表面領域２６と呼ぶことがある。
【００６６】
加熱手段３６によって被接合物２１を加熱する温度は、被接合物２１の固相流動を促す温度であって、被接合物２１が溶融する温度以下となるように設定されることが好ましい。
【００６７】
以上のように、本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置４０によれば、接合ツール２０を被接合物２１に没入して、摩擦熱によって接合ツール側の表面部分３７を加熱する。接合ツール２０のショルダ部２７が被接合物２１に当接してから、接合ツール２０が被接合物２１から離脱するまでの間、接合ツール２０と反対側の表面部分３８から被接合物２１を加熱することにより接合ツール２０によって加熱される接合ツール側の表面部分３７と、加熱手段３６によって加熱される受け台側の表面部分３８との温度差を低減することができる。
【００６８】
これによって、接合ツール側の表面部３７と受け台側の表面部３８との熱膨張量を近づけることができる。言換えると、接合ツール側の表面部３７と受け台側の表面部３８とのひずみ量の差を少なくすることができる。接合後に、被接合物２１に残留ひずみが残る場合であっても、接合ツール側の表面部３７と受け台側の表面部３８との残留ひずみの差を小さくすることができ、各表面部３７、３８の収縮量の差を小さくすることができ、被接合物２１の収縮量の差によって生じる被接合物２１の反りを低減することができる。
【００６９】
また、接合状態検出手段３５が、被接合物２１に没入する接合ツール２０の状態を検出し、制御手段６３に与える。制御手段６３は、接合状態検出手段３５から与えられる接合状態に基づいて、加熱手段３６の加熱開始および加熱終了を制御する。これによって、被接合物２１を最適に加熱することができ、接合時における作業室の温度、被接合物２１の厚さ、被接合物２１の材質などに応じて、加熱開始および加熱終了のタイミングを設定する必要がなく、利便性を向上することができる。また、加熱開始および加熱終了を手動で行う場合に比べて、被接合物２１の接合品質のばらつきをなくし、接合品質をさらに向上することができる。
【００７０】
さらに、被接合部材２１ａ，２１ｂも同様に接合後の反りを低減することができる。たとえば、接合ツール側の一方の被接合部材２１ａにおいて、接合ツール側の表面領域２５と受け台側の表面領域２６との温度差を抑えるように、電熱線３１によって受け台側の表面領域２６を加熱する。これによって接合後に一方の被接合部材２１ａに生じる反りを低減することができるため、一方の被接合部材２１ａの反りに起因して生じる一方の被接合部材２１ａと残余の被接合部材２１ｂとの隙間を小さくまたは無くすことができ、接合品質をさらに向上することができる。
【００７１】
１つの被接合物２１に対して複数の箇所を連続してスポット接合する場合には、上述したように各被接合部材間の隙間が無いまたは小さい状態で接合することができるので、隙間に流動化した材料が流れ出ることを防止し、被接合物２１を十分に撹拌することができ、接合強度の低下を防ぎ、確実に各被接合部材２１ａ，２１ｂを接合することができる。
【００７２】
また、被接合物２１を受け台側から加熱することによって、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、施工時間を短縮することができる。また、被接合物２１を加熱することによって、撹拌される撹拌領域を増やすことができ、接合強度を向上させることができる。
【００７３】
また、接合ツール２０のショルダ面２７の面積以上に受け面３２が形成されることによって、接合ツール側の表面部３７に対向する反対側の表面部３８を十分に加熱することができ、接合ツール側の表面部３７と反対側の表面部３８との温度差をより小さくすることができる。
【００７４】
接合ツール２０は、本体部２２のショルダ面２７が被接合物２１に当接すると、ピン部２２が当接する場合に比べて被接合物２０に当接する面積が増加し、摩擦熱が増大する。制御手段６３は、図５に示すステップａ３で、本体部２２のショルダ面２７が当接してから、被接合物２１を加熱するように加熱手段３６を制御する。これによって接合ツール２０によって接合ツール側の表面部３７が加熱されるタイミングと、受け台３０によって受け台側の表面部３８を加熱するタイミングを合わせることができ、接合ツール側の表面部３７と受け台側の表面部３８との温度差をより小さくすることができる。また、接合条件に応じて、加熱開始および加熱終了のタイミングを変更してもよい。たとえば、ピン部２２の端面２４が被接合物２１に当接したときから被接合物２１を加熱してもよい。
【００７５】
また、電熱線３１による被接合物２１の加熱量を時間経過とともに変化させてもよく、これによって時間が経過しても、接合ツール側の表面部３７の温度と、反対側の表面部３８の温度差を小さくすることができる。摩擦撹拌接合装置４０は、電熱線３１の発熱温度を検出する温度検出手段を備えていてもよい。温度検出手段から与えられる電熱線３１の温度に基づいて、制御手段６３が加熱手段３６を制御し、電熱線３１の発熱温度を予め定める温度に制御する。発熱温度は、たとえば実験などによって求めた最適な温度に設定される。
【００７６】
温度制御として、時間経過とともに被接合物２１を加熱する電熱線３１の発熱温度を高くすることによって、被接合物２１の接合ツール側の表面部３７の温度上昇に追従して、受け台側の表面部３８の温度を上昇させることができる。これによってより確実に接合ツール側の表面部３７と反対側の表面部３８との温度差を小さくすることができる。
【００７７】
電熱線３１の複数の加熱部分３１ａ〜３１ｄの発熱温度を変化させてもよい。たとえば、複数の電熱線３１が基準軸線Ｌ１を中心とする同心円状に複数形成される場合、基準軸線Ｌ１に対して半径方向近傍における電熱線３１の加熱部分３１ｂ，３１ｃの発熱温度を高くして、基準軸線Ｌ１に対して半径方向に遠方の加熱部分３１ａ，３１ｄの発熱温度を低くしてもよい。
【００７８】
接合ツール側の表面部３７は、接合ツール２０が没入する部分の温度が高く、接合ツール２０から遠ざかるにつれて温度が低くなる。基準軸線Ｌ１から遠ざかるにつれて電熱線３１の発熱温度を低くすることによって、接合ツール側の表面部３７と受け台側の表面部３８の温度との温度差をより小さくすることができ、被接合物２１に生じる反りをより確実に低減することができる。これによって、一方の被接合部材２１ａの接合ツール側の表面領域２５と受け台側の表面領域２６との温度差をより小さくして、一方の被接合部材２１ａに生じる反りをより確実に低減することができる。
【００７９】
また、接合ツール２０の没入状況に応じて、電熱線３１の各加熱部分３１ａ〜３１ｄを段階的に加熱してもよい。ピン部２３の端面２４が被接合物２１に当接して、本体部２２のショルダ面２７が被接合物２１に当接するまで、すなわち、図４に示すＴ２時刻からＴ３時刻まで、ピン部２３の端面２４に対向する電熱線３１の加熱部分３１ｂ，３１ｃを発熱させてもよい。また、ショルダ面２７が被接合物２１に当接してから接合ツール２０が被接合物２１から離脱するまで、すなわち、図４に示すＴ３時刻からＴ５時刻まで、ピン部２３の端面２２および本体部２２のショルダ面２７に対向する電熱線３１の加熱部分３１ａ〜３１ｄを発熱させてもよい。このとき接合ツール２０の没入状態は、接合状態検出手段３５によって検出され、接合状態検出手段３５から接合ツール２０の没入状態を示す信号を取得した制御手段６３が加熱手段３６を制御する。
【００８０】
摩擦撹拌接合装置４０を支持するロボットアーム２９が多関節ロボットである場合は、ロボットアーム２９によって、摩擦撹拌接合装置４０の基準軸線Ｌ１が鉛直方向以外に位置するように姿勢を調整されてもよい。言換えると接合ツール２０は、鉛直方向と交差する方向に移動されて被接合物２１に没入してもよい。
【００８１】
図６は、水平方向と平行に基準軸線Ｌ１が位置決めされた摩擦撹拌接合装置４０の一部を拡大して示す断面図である。図６に示すように摩擦撹拌接合装置４０は、基準軸線Ｌ１が水平方向と平行に位置決めされた状態で、水平方向に重ね合わされる被接合部材２１ａ，２１ｂを接合してもよい。図６に示す場合であっても、上述した動作を摩擦撹拌接合装置４０が行うことによって、接合後に生じる被接合物２１の反りを低減することができる。
【００８２】
図７は、図１に対して受け台３０と接合ツール２０との位置が逆転した場合を示す断面図である。図１示す摩擦撹拌接合装置４０に対して、接合ツール２０と受け台３０との位置が入れ替わってもよい。この場合であっても上述した動作を摩擦撹拌接合装置４０が行うことによって、接合後に生じる被接合物２１の反りを低減することができる。
【００８３】
基準軸線Ｌ１は、鉛直方向に延びなくてもよい。たとえば、鉛直方向に交差する方向に延びてもよく、接合ツール２０および受け台３０のいずれが下方に配置されてもよい。接合ツール２０が移動する方向は特に限定されず、受け台３０に向かう方向に進行して被接合物２１に没入すればよい。
【００８４】
図８は、本発明の他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置６０の一部を拡大して示す断面図である。摩擦撹拌接合装置６０は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０とほぼ同様の構成を示す。摩擦撹拌接合装置４０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。摩擦撹拌接合装置６０は、電熱線３１に換えて誘導コイル３３が受け台３０に内蔵される。その他の構成については、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成を示す。
【００８５】
電流供給部３４は、交流電流を誘導コイル３３に与える。交流電流が誘導コイル３３に流れることによって、誘導コイル３３に交番磁界が生じる。これによって被接合物２１には、うず電流が流れ、被接合物２１自身が発熱する。摩擦撹拌接合装置６０は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の動作を行うことによって、摩擦撹拌接合装置２０と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
さらに、電磁誘導によって被接合物２１自身を発熱させるので、受け台３０と被接合物２１とが非接触の状態であっても被接合物２１を発熱させることができ、被接合物２１の各被接合部材２１ａ，２１ｂの接触状態にかかわらずに、被接合物２１を安定して加熱することができる。
【００８７】
また、誘導コイル３３に供給する交流電流の周波数を調整することによって、加熱深さ、すなわち受け台３０から被接合物２１の発熱部分までの距離を調整することができる。これによって各被接合部材２１ａ，２１ｂの厚さおよび材質などに応じて、被接合物２１を発熱させることができ、最適な被接合部材２１ａ，２１ｂの温度分布を得ることができる。たとえば、接合ツール側の一方の被接合部材２１ａにおいて、受け台側の表面領域２６を予め定める温度に加熱することができ、一方の被接合部材２１ａの接合ツール側の表面領域２５と受け台側の表面領域２６との温度差を確実に小さくすることができる。
【００８８】
受け台３０を非磁性体とすれば、受け台３０が発熱することがなく、無駄な加熱を防ぐことができる。また、熱伝達によって熱が被接合材２１ａに伝わる場合に比べて、被接合物２１自体を発熱させることができ、加熱効率を高くすることができる。さらに、受け台３０の周囲が高温になることがない。誘導コイル３２も上述する電熱線３１と同様に複数の加熱部分を有してもよい。また、加熱手段３６として電熱線３１および誘導コイル３２の例示について説明したが、他の加熱方法によって被接合物２１の受け台側の表面部分３７または各被接合部材２１ａの受け台側の表面領域２６を加熱してもよい。
【００８９】
図９は、本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置７０の一部を拡大して示す断面図である。摩擦撹拌接合装置７０は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０とほぼ同様の構成を示し、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。
【００９０】
摩擦撹拌接合装置７０は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０が備える加熱手段に変えて、被接合物２１を冷却する冷却手段７１を備える。冷却手段７１は、被接合物２１の接合ツール側の表面部３７と受け台側の表面部３８との温度差を低減するために設けられる。摩擦撹拌接合装置７０の冷却手段以外の構成については、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成を示す。
【００９１】
冷却手段７１は、液化窒素などの冷却媒体７４を被接合物２１に噴出する冷却媒体噴出部７３と、冷却媒体７４を冷却媒体噴出手段７３に供給する冷却媒体供給部７２とを含む。冷却手段７１は、被接合物２１の温度差を抑える熱処理手段となる。
【００９２】
冷却媒体噴出部７３は、受け台３０に臨む噴出口７５が形成される。本実施の形態では噴出口７５は、複数設けられる。噴出口７５が複数設けられる場合、各噴出口７５は、基準軸線Ｌ１に沿って延びる一仮想平面に対して、互いに対称に配置される。噴出口７５から冷却媒体７４が噴出されることによって、被接合物２１は、接合ツール側の表面部３７が受け台側の表面部３８よりも冷却される。これによって、接合ツール側の表面部３７が受け台側の表面部３８に比べて収縮する。
【００９３】
たとえば、被接合物２１のうち、接合ツール側の一方の被接合部材２１ａは、冷却手段７１によって部分的に収縮し、図９の２点鎖線で示すように、受け台３０に向かって凸に反る。各噴出口７５が基準軸線Ｌ１に沿って延びる一仮想平面に対して互いに対称に設けられるので、一方の被接合部材２１ａは、接合ツール２０が没入される接合位置７６を頂点として反る。すなわち、一方の被接合物２１ａのうち接合位置７６が、最も基準軸線方向一方Ａ１側に位置するように変形する。摩擦撹拌接合装置７０は、このように被接合物２１を受け台３０に向かって凸に反らせた状態で、接合ツール２０を被接合物２１に没入させる。
【００９４】
図１０は、冷却手段７１による被接合物２１の冷却と接合ツール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り、図１１は、摩擦撹拌接合装置７０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。図１０および図１１を参照して、摩擦撹拌接合装置７０の動作を説明する。
【００９５】
ステップｂ０では、図５に示すステップａ０と同様に、摩擦撹拌接合における準備が行なわれ、準備が完了するとステップｂ１に進み、制御手段６３が動作を開始する。ステップｂ１では、まず図５に示すステップａ１と同様に、制御手段６３が受け台３０を受け台側の被接合部材２１ｂに当接させる。受け台３０が被接合部材２１ｂに当接したことを制御手段６３が判断すると、図１０のＴ１時刻に達し、ステップｂ２に進む。
【００９６】
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、ツール保持具４１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるとともにツール保持具４１を基準軸線方向一方Ａ１に沿って移動させる。また制御手段６３が冷却手段７１を制御して、接合ツール側から冷却媒体７４を被接合物２１に吹き付ける。これによって被接合物２１、特に一方の被接合物２１ａが受け台３０に向けて凸に反るとともに、接合ツール２０が、その軸線Ｌ１まわりに回転しながら、軸線Ｌ１に沿って受け台３０に向かって移動する。
【００９７】
被接合物２１に向かって移動する接合ツール２０は、図１０のＴ２時刻に達し、ピン部２３の端面２４が最初に被接合物２１に当接する。この状態でさらに接合ツール２０が受け台３０に向かって移動する。接合ツール２０は、被接合物２１に没入する。制御手段６３が、接合ツール２０を被接合物２１に没入させていくと、図１０に示すＴ３時刻で、本体部２２のショルダ面２７が被接合物２１に当接する。
【００９８】
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、ツール保持具４１を軸線方向一方Ａ１に加圧し、接合ツール２０を被接合物２１に没入させるとともに冷却手段７１によって一方の被接合部材２１ａを接合ツール側から冷却する。制御手段６３は、図１０のＴ４時刻に示すように、予め定める第１の設定時間に達すると、ステップｂ３に進む。
【００９９】
ステップｂ３では、図１０のＴ４時刻で、接合ツール２０の没入を停止し、予め定める第２の設定時間が経過するまで軸線Ｌ１まわりに回転する。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。このとき冷却手段７１によって一方の被接合部材２１ａが冷却されるので、一方の被接合部材２１ａの接合ツール側の表面領域２５と受け台側の表面領域２６との温度差が少なくなる。これによって一方の被接合部材２１ａの反りを低減することができる。制御手段６３は、予め定める第２の設定時間である図１０のＴ５時刻に達すると、ステップｂ４に進む。
【０１００】
ステップｂ４では、制御手段６３が、接合ツール２０を軸線方向他方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。また、制御手段６３は、冷却手段７１を制御し、冷却媒体７４の吹き付けを停止する。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１０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、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では動作を終了する。
【０１０１】
このように摩擦撹拌接合を良好に行う温度範囲の冷却媒体７４が被接合物２１に吹き付けられることによって、被接合物の流動化を阻害することなく被接合物２１、特に一方の被接合部材２１ａを予め受け台３０に向かって凸に反らせることができる。
【０１０２】
以上のように摩擦撹拌接合装置７０によれば、被接合物２１の接合位置７６を頂点として受け台３０に向かって凸に予め反らせることによって、一方の被接合物２１ａの接合位置を、他方の被接合部材２１ｂに当接させ、互いに被接合部材２１ａ，２１ｂが当接する位置に接合ツール２０を没入させることができる。これによって各被接合部材２１ａ，２１ｂの接合位置において、隙間が無い状態で摩擦撹拌接合を行うことができ、接合品質を向上することができる。
【０１０３】
また、一方の被接合部材２１ａの接合ツール側の表面領域３７を冷却することによって、一方の被接合物２１ａの接合ツール側の表面領域３７と反対側の表面領域３８との温度差を少なくすることができ、一方の被接合部材２１ａの反りを低減することができる。
【０１０４】
また、接合ツール２０によって摩擦熱が与えられると一方の被接合部材２１ａは、接合ツール側の表面領域２５が受け台側の表面領域２６よりも膨張し、受け台３０に向かって凸に反った状態から、接合ツール２０に向かって凸に反ろうとする。一方の被接合部材２１ａは、接合ツール２０に向かって凸に反る方向には拘束されておらず、一方の被接合部材２１ａの熱膨張による変形を許容することができる。これによって一方の被接合部材２１ａに生じる内部応力を低減し、残留ひずみを低減することができる。
【０１０５】
また、接合後に被接合物２１の温度が常温になると、収縮していた一方の被接合部材２１ａが膨張して、いわゆるスプリングバックによって反った状態からもとの状態に戻る。これによって接合後には、一方の被接合部材２１ａと残余の被接合部材２１ｂとの間に隙間が形成されることがなく、接合品質を向上することができる。
【０１０６】
上述した記載は、一方の被接合部材２１ａの接合ツール側の表面領域２５と反対側の表面領域２６に注目したが、各被接合部材２１ａ，２１ｂが重ね合わされて設けられる被接合物２１であっても、同様に残留ひずみを低減することができる。すなわち被接合物２１の接合ツール側部分２５と反対側の部分２６との温度差をなくして、被接合物２１の残留ひずみを低減することができる。これによって被接合物２１自体が反ることもまた防止することができる。
【０１０７】
図１２は、本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置１００を示す斜視図である。摩擦撹拌接合装置１００は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成を有する。上述する摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成については説明を省略し、同一の参照符号を付する。
【０１０８】
摩擦撹拌接合装置１００は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様のツール保持具４１、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３および受け台形成部４４を含む。摩擦撹拌接合装置１００は、接合ツール２０を被接合物２１に回転させながら没入させて、被接合物２１を摩擦撹拌する。接合ツール２０は、その軸線Ｌ１が予め定める第１の基準軸線Ｌ２に一致するようにツール保持具４１に保持される。
【０１０９】
摩擦撹拌接合装置１００は、保持する接合ツール２０を、予め定める第１の基準軸線Ｌ２まわりに回転させるとともに第１の基準軸線Ｌ２に沿って移動させる。第１の基準軸線Ｌ２は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０の基準軸線Ｌ１を意味する。
【０１１０】
摩擦撹拌接合装置１００は、被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めする凹所形成手段１０２と、被接合物２１を両側から挟持する挟持手段１０３とをさらに有する。摩擦撹拌接合装置１００の制御手段１２４は、ツール回転駆動手段４２およびツール変位駆動手段４３を制御するとともに、凹所形成手段１０２および挟持手段１０３を制御する。
【０１１１】
凹所形成手段１０２は、被接合物２１を棒状の端子である押圧端子１０５によって被接合物２１を押圧する。これによって位置決め凹所となる圧痕を被接合物２１に形成する。押圧端子１０５は、予め定める第２の基準軸線Ｌ３に沿って押圧端子１０５を変位移動させて、被接合物２１を押圧する。
【０１１２】
また、挟持手段１０３は、予め定める第３の基準軸線Ｌ４に沿って変位自在に設けられる挟持体１０４と、挟持体１０４を第３の基準軸線Ｌ４に沿って変位駆動するための挟持体変位駆動モータ１０５と、挟持体変位駆動モータ１０５と基台４６とを固定する支持部１０６とを有する。挟持体変位駆動モータ１０５によって、挟持体１０４が予め定める第３の基準軸線Ｌ４に変位駆動されて、後述する第１受け台１１１ａと挟持体１０４とによって協働して被接合物２１を挟持する。挟持体変位駆動モータ１０５は、たとえばリニアモータによって実現される。
【０１１３】
上述する第１、第２および第３の基準軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、互いに平行に延びる。本実施の形態では、予め定める仮想一平面に各基準軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が含まれる。第３の基準軸線Ｌ４は、摩擦撹拌接合装置１００のほぼ中央に配置され、第３の基準軸線Ｌ４の両側にそれぞれ第１の基準軸線Ｌ２および第２の基準軸線Ｌ３が位置する。また、第１の基準軸線Ｌ２と第２の基準軸線Ｌ３との間隔Ｄ１０は、接合すべき複数の接合個所が複数ある場合、その間隔Ｄ１１と等しく設定されることが好ましい。
【０１１４】
凹所形成手段１０２は、押圧端子１０５が着脱可能に装着され、予め定める第２の基準軸線Ｌ３に沿って変位自在に形成される押圧端子保持具１０７と、押圧端子保持具１０７を第２の基準軸線Ｌ３に変位自在に支持する支持部１０８と、押圧端子保持具１０７を第２の基準軸線Ｌ３に沿って変位駆動するための端子変位モータ１０９とを含んで構成される。凹所形成手段１０２は、ツール変位駆動手段４３と同様の構成を示し、具体的な説明は省略する。
【０１１５】
受け台形成部４４は、略Ｌ字状に延びる。受け台形成部４４は、第３の基準軸線Ｌ４と間隔をあけて第３の基準軸線Ｌ４に略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の一端部５１ａに連なり、第３の基準軸線Ｌ４に向かって、第３の基準軸線Ｌ４に略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。
【０１１６】
受け台形成部第１部分５１の他端部５１ｂは、基台４６に連結される。また受け台形成部第２部分５２の、受け台形成部第１部分５１が連なる反対側の端部には、受け台１１１が設けられる。受け台１１１は、ツール保持具４１、挟持体１０４および押圧端子１０５に対向する位置に配置される。
【０１１７】
受け台１１１は、ツール保持具４１および挟持体１０４に対向する第１受け台１１１ａと、押圧端子１０５に対向する第２受け台１１１ｂとを含む。第１受け台１１１ａおよび第２受け台１１１ｂは、板上に形成される。第１受け台１１１ａは、少なくとも第１の基準軸線Ｌ２に沿って延びる仮想線が挿通する接合ツール受け部１１２ｂと、第３の基準軸線Ｌ４に沿って延びる仮想線が挿通する挟持体受け部１１２ｃとを有する。第１受け台１１１ａは、受け台形成部第２部分５２から第１の基準軸線Ｌ２に向けて突出する。
【０１１８】
本実施の形態では、第３の基準軸線Ｌ４に沿って延びる仮想線は、第１受け台１１１ａを挿通するとともに受け台形成部第２部分５２を挿通する。すなわち、挟持体１０４に対向して、第１受け台１１１ａおよび受け台形成部第２部分５２が位置する。したがって、挟持体１０４と第１受け台１１１ａとによって被接合物２１を挟持したとしても、受け台形成部第２部分５２は、挟持体１０４からモーメント力を受けることがない。
【０１１９】
第２受け台１１１ｂは、少なくとも第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が挿通する押圧端子受け部１１２ｂを有する。第２受け台１１１ｂは、受け台形成部第２部分５２から第２の基準軸線Ｌ３に向けて突出する。第２受け台１１１ｂは、押圧端子保持具１０７に対して、第１受け台１１１ａよりも第２の基準軸線Ｌ３に離れた位置に設けられる。第２受け台１１１ｂは、押圧端子保持具１０７に向けて突出する棒状の支持端子１１３が設けられる。支持端子１１３は、押圧端子保持具１０７に保持される押圧端子１０５と同軸に配置される。支持端子１１３の押圧端子保持具１０７側の端面１１４と第１受け台１１１ａのツール保持具側の端面１１５とは、面一に形成される。
【０１２０】
基台４６には、ツール変位駆動手段４３の支持部４９と、凹所形成手段１０２の支持部１０８と、挟持手段１０３の支持部１０６とを固定する固定部材１１６が設けられる。固定部材１１６は、板状に形成され、各基準軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を含む仮想一平面に対して平行でかつ、各基準軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に垂直に延びる。固定部材１１６は、その中央部分１１７で基台２６に連結される。
【０１２１】
挟持手段１０３の支持部１０６は、固定部材１１６の中央部分１１７に固定される。またツール変位駆動手段４３の支持部４９は、固定部材１１６の中央部分１１７から各軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４にともに垂直な方向の一方側に固定される。凹所形成手段１０２の支持部１０８は、固定部材１１６の中央部分１１７から各軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に垂直な方向の他方側に固定される。
【０１２２】
本実施の形態では、押圧端子保持部１０７および第２受け台１１１ｂは、各端子をそれぞれ保持する電極端子保持部となる。また押圧端子保持具１０７を変位駆動する端子変位モータ１０９は、端子を相互に近接および離反変位駆動し、各端子によって被接合物２１を挟んで、位置決め凹所となる圧痕を形成する圧痕形成部となる。摩擦撹拌接合装置は、端子間に電圧を印加する電圧印加手段１２３となる電源部をさらに有する。
【０１２３】
凹所形成手段１０２と第２受け台１１１ｂと電源部とを含んで、抵抗スポット溶接によって各被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めする仮止め手段と成る。すなわち、押圧端子１０５および支持端子１１３は、電極端子によって実現される。電源部は、各被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めするための電圧を印加するだけでよく、被接合部材を２１ａ，２１ｂを確実に接合するための電圧より小さい電圧を各端子間１０５，１１３に印加する。
【０１２４】
図１３は、摩擦撹拌接合装置１００の電気的構成を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置１００の制御手段１２４は、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３、挟持手段１０３、凹所形成手段１０２および電圧印加部１２３を制御する。
【０１２５】
具体的には、制御手段１２４は、ロボットアーム２９を駆動するロボットアーム駆動手段５８から信号を受け取り、摩擦撹拌接合装置の移動位置を知る。また、制御手段１２４は、ツール回転駆動手段４２にツール保持具４１の回転駆動および回転停止を示す信号を与える。また、制御手段１２４は、ツール変位駆動手段４３にツール保持具４１の変位駆動および変位停止を示す信号を与える。
【０１２６】
また、制御手段１２４は、挟持手段１０３に挟持体１０４の変位駆動を示す信号を与える。また、制御手段１２４は、凹所形成手段１０２に押圧端子１０７の変位駆動を示す信号を与える。さらに、制御手段１２４は、電圧印加手段１２３に端子間に電圧を印加させる信号を与える。
【０１２７】
図１４は、摩擦撹拌接合装置１００の動作の要部を説明するための断面図である。摩擦撹拌接合装置１００は、図１４（１）に示すように、まず、２つの電極端子である押圧端子１０５と支持端子１１４とによって被接合物２１を両側から挟んで、被接合物２１に圧痕による位置決め凹所１１９を形成する圧痕形成工程を行う。
【０１２８】
次に、被接合物２１を挟んだ状態で、各端子１０５，１１３間に電圧を印加して、各被接合部材２１ａ，２１ｂを部分的に溶融させて仮止めする仮止工程を行う。次に、図１４（２）に示すように、各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止された被接合物２１の位置決め凹所１１９に、回転する接合ツール２０の先端部１０１ａを嵌り込ませ、その状態で、図１４（３）に示すように、接合ツール２０を回転させながら被接合物２１に没入し、被接合物２１を軟化させて、被接合物２１を流動撹拌する撹拌工程を行う。
【０１２９】
押圧端子１０５の先端部１０５ａは、軸線に沿って突出し、軸線上に頂点１０５ｂを有する先鋭形状に形成され、押圧端子１０５の先端部１０５ａは、たとえば、円錐形状に形成される。押圧端子１０５ａが被接合物２１を加圧することによって、被接合物２１が変形し、被接合物２１に圧痕が形成される。この圧痕が位置決め凹所１１９となる。
【０１３０】
押圧端子１０５の先端部１０５ａの直径Ｄ１は、接合ツール２０のピン部１２１の直径Ｄ３よりも大きく形成され、接合ツール２０の本体部１２０の直径Ｄ４よりも小さく形成される。これによって、円錐形状に形成される位置決め凹所１１９の直径Ｄ２は、接合ツール２０のピン部１２１の直径Ｄ３よりも大きくかつ、接合ツール２０の本体部１２０の直径Ｄ４よりも小さく形成することができる。
【０１３１】
位置決め凹所１１９を、接合ツール２０が没入すべき被接合物２１の接合位置に形成することによって、接合ツール２０が接合すべき接合位置からずれることを防止することができる。また接合位置にある各被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めした状態で接合ツール２０を没入することができるので、被接合部材２１ａ，２１ｂ同士がずれて接合されること、被接合部材２１ａ，２１ｂに隙間がある状態で接合されることを無くすことができ、接合不良を防止することができる。
【０１３２】
位置決め凹所１１９の直径Ｄ２がピン部１２１の直径Ｄ３よりも大きく形成されることによって、ピン部１２１が先細形状でない場合であっても、位置決め凹所１１９にピン部１２１の先端を導くことができ、接合ツール２０の軸線を位置決め凹所１１９の軸線と一致させることができる。位置決め凹所１１９の直径Ｄ２が本体部１２０の直径Ｄ４より小さく形成することによって、接合後の被接合物２１に位置決め凹所１１９が残ることを防止することができる。
【０１３３】
図１５は、摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の制御手段１２４の動作を示すフローチャートである。図１６および図１７は、摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の動作を説明するための断面図である。動作は、図１６（１）〜図１６（５）の順で進行し、さらに図１７（１）〜図１７（５）の順で動作が進行する。なお、図１６および図１７には、理解を容易にするために被接合物２１に形成される位置決め凹所１１９を省略して示す。また、制御手段１２４が、ロボットアーム２９を含めて制御した場合について説明する。
【０１３４】
ステップｃ０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と、ステップｃ１に進み、制御手段１２４が動作を開始する。
【０１３５】
ステップｃ１では、制御手段１２４は、ロボットアーム２９を動作させて、摩擦撹拌接合装置１００を変位駆動させる。図１６（１）に示すように、第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第１の接合位置Ｐ１を挿通するように、摩擦撹拌接合装置１００を移動させる。このとき、被接合物２１の厚み方向一方側に接合ツール２０、挟持体１０４および押圧端子１０５を配置し、被接合物２１の厚み方向他方側に受け台１１１を配置する。さらに、制御手段１２４が、ロボットアーム２９を駆動させて、第１受け台１１１ａおよび支持端子１１３を被接合物２１の厚み方向他方側面１２２に当接させると、ステップｃ２に進む。
【０１３６】
ステップｃ２では、図１６（２）に示すように、制御手段１２４は、挟持手段１０３を制御して、挟持体１０４を被接合物２１に向かって第３の基準軸線Ｌ４に沿って移動させる。挟持体１０４は、被接合物２１を押圧し、第１受け台１１１ａと協働して被接合物２１を挟持する。制御手段１２４は、被接合物２１の挟持が完了すると、ステップｃ３に進む。
【０１３７】
ステップｃ３では、制御手段１２４が凹所形成手段１０２を制御して、押圧端子１０５を第２の基準軸線Ｌ３に沿って移動させる。押圧端子１０５が基準軸線Ｌ３に沿って移動し、被接合物２１を押圧することによって、第１の接合位置Ｐ１に位置決め凹所１１９を形成する。
【０１３８】
押圧端子１０５と支持端子１１３とによって、被接合物２１を挟持した状態で、制御手段１２４が、電圧印加手段１２３を制御し、押圧端子１０５と支持端子１１３との間に電圧を印加する。これによって、被接合物２１に電流が流れ、押圧端子１０５と支持端子１１３との間の領域が発熱する。図１６（３）に示すように、被接合物２１は、発熱することによって部分的に溶融し、各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止めされる。すなわち第１の接合位置Ｐ１における各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止めされる。
【０１３９】
被接合物２１に位置決め凹所１１９を形成するとともに、各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止めすると、制御手段１２４は、ステップｃ４に進む。
【０１４０】
ステップｃ４では、制御手段１２４は、被接合物２１との挟持状態を解除する。具体的には、挟持手段１０３を制御して挟持体１０４を被接合物２１から離反させ、凹所形成手段１０２を制御して押圧端子１０５を被接合物２１から離反させる。制御手段１２４は、挟持体１０４、押圧端子１０５、第１受け台１１１ａ，支持端子１１３を被接合物２１から離反させて挟持状態を解除するとステップｃ５に進む。
【０１４１】
ステップｃ５では、制御手段１２４は、ロボットアーム２９を動作させて、摩擦撹拌接合装置１００を変位駆動させる。図１６（４）に示すように、第１の基準軸線Ｌ２に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第１の接合位置Ｐ１を挿通するように、摩擦撹拌接合装置１００を移動させる。本実施の形態では、さらに、第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第２の接合位置Ｐ２を挿通する。
【０１４２】
このとき、被接合物２１の厚み方向一方側に接合ツール２０、挟持体１０４および押圧端子１０５が配置され、被接合物２１の厚み方向他方側に受け台１１１が配置される。さらに、制御手段１２４が、ロボットアーム２９を駆動させて、第１受け台１１１ａおよび支持端子１１３を被接合物２１の他方側面１２２に当接させると、ステップｃ６に進む。
【０１４３】
ステップｃ６では、図１６（４）に示すように、制御手段１２４は、挟持手段１０３を制御して、挟持体１０４を被接合物２１に向かって第３の基準軸線Ｌ４に沿って移動させる。挟持体１０４は、被接合物２１を押圧し、第１受け台１１１ａと協働して被接合物２１を挟持する。制御手段１２４は、被接合物２１の挟持が完了すると、ステップｃ７に進む。
【０１４４】
ステップｃ７では、設定される接合位置のうち、第１の基準軸線に沿って配置される接合位置が、最後の接合位置であるか否かを判断する。最後の接合位置でないと判断し、接合を継続することを判断すると、ステップｃ８に進む。
【０１４５】
ステップｃ８では、ステップｃ３と同様に制御手段１２４が動作し、被接合物２１の第２の接合位置Ｐ２に位置決め凹所１１９を形成するとともに、第２の接合位置Ｐ２の各被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めする。
【０１４６】
制御手段１２４は、接合ツール２０を回転および変位駆動させて摩擦撹拌接合を行う。回転させた接合ツール２０を、第１の基準軸線Ｌ２に沿って被接合物２１に向かって移動させる。第１の基準軸線Ｌ２に沿う被接合物２１の部分には、第１の接合位置Ｐ１が設けられ、第１の接合位置Ｐ１は、位置決め凹所１１９が形成されている。これによって接合ツール２０は、その先端部が位置決め凹所１１９に嵌り込み、第１の接合位置Ｐ１からずれることなく、被接合物２１に没入する。図１６（５）に示すように、接合ツール２０は、被接合物２１を固相撹拌して重なり合う２つの被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。制御手段１２４は、撹拌が完了すると被接合物２１から接合ツール２０を離脱させる。このように摩擦撹拌接合が完了したと判断すると、ステップｃ９に進む。
【０１４７】
ステップｃ９では、制御手段１２４は、被接合物２１との挟持状態を解除する。具体的には、挟持手段１０３を制御して挟持体１０４を被接合物２１から離反させる。また、図１７（１）に示すように、凹所形成手段１０２を制御して押圧端子１０５を被接合物２１から離反させる。さらに、受け台１１１ａおよび支持端子１１３を被接合物２１から離反させて挟持状態を解除するとステップｃ５に戻る。
【０１４８】
ステップｃ５に進むにあたって、第１および第２の基準軸線Ｌ２、Ｌ３に沿って延びる仮想線が挿通する位置を一つずらす。たとえば図１７（２）に示すように、第１の基準軸線Ｌ２に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第２の接合位置Ｐ２を挿通し、第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第３の接合位置Ｐ３を挿通する位置に摩擦撹拌接合装置を移動させ、再びステップｃ６に進む。
【０１４９】
このように接合位置を順次ずらし、最後の１つの接合位置に達するまで、ステップｃ５〜ステップｃ９を繰り返す。たとえば図１７（３）に示すように、制御手段が挟持体１０４によって被接合物２１を挟持する。挟持が完了すると、図１７（４）に示すように、接合すべき第３の接合位置Ｐ３に位置決め凹所１１９を形成するとともに、第３の接合位置Ｐ３を仮止めする。また、第２の接合位置Ｐ２を摩擦撹拌接合する。これによって図１７（５）に示すように、第２の接合位置Ｐ２が接合され、第３の接合位置Ｐ３について接合凹所１１９および仮止めされる。
【０１５０】
ステップｃ７で最後の接合位置であると判断されると、ステップｃ１０に進む。ステップｃ１０では、位置決め凹所１１９の形成および仮止めすることなく、最後の接合位置に摩擦撹拌接合を行い、ステップｃ１１に進む。ステップｃ１１では、ステップｃ４と同様に、挟持状態を解除し、ステップｃ１２に進む。ステップｃ１２では、ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置を初期位置に移動させ、ステップｃ１３に進み、制御手段１２４の動作を終了する。
【０１５１】
以上のように、上述する摩擦撹拌接合装置１００によれば、接合すべき接合位置の近傍を予め仮止めした状態で、接合すべき接合位置の各被接合部材２１ａ，２１ｂを接合する。したがって、接合後に各被接合部材２１ａ，２１ｂが互いに反ろうとしても、接合位置の近傍が仮止めされているので、被接合部材２１ａ，２１ｂの反りを低減することができる。このように被接合部材２１ａ，２１ｂの反りを低減することによって、接合品質を向上することができる。
【０１５２】
上述したように複数箇所を連続して接合する場合であっても、接合ツール側の被接合部材２１ａと残余の被接合部材２１ｂとの隙間がないかまたは小さい状態で、各被接合部材２１ａ，２１ｂを接合することができる。これによって隙間に流動化した材料が流れることを防止して、流動化した被接合物２１を十分に撹拌して接合品質を向上することができる。
【０１５３】
また、押圧端子１０５および支持端子１１３によって被接合物を挟んだ状態で、各端子間に電圧を印加する。これによって端子間によって挟まれた被接合物間に電流が流れ、被接合物２１が溶融する温度まで発熱する。このようにして被接合物２１を溶融させることで、各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせて仮止めすることができる。
【０１５４】
電圧印加手段１２３である電源部によって、仮止めするために各端子間に印加する電圧は、各被接合部材２１ａ，２１ｂを完全に接合するために印加する電圧よりも小さくてよい。このため被接合物２１には、仮止め時に著しく温度が上昇することがなく、熱ひずみを低減することができる。したがって仮止め時に被接合物２１に反りが生じることを低減して被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めすることができる。
【０１５５】
また、凹所形成手段１０２は、被接合物２１に位置決め凹所１１９を形成する。この位置決め凹所１１９に接合ツール２０の先端を嵌め込み、接合ツール２０を被接合物２１に没入する。これによって接合ツール２０の先端が位置決め凹所１１９から抜出ることを防止して、接合ツール２０を被接合物２１に没入させることができる。たとえば、被接合物２１の接触面３９が軸線Ｌ１に対して垂直でない場合、また、接触面３９に微小な凹凸が形成される場合であっても、位置決め凹所１１９が形成されることによって、接合ツール２０を確実に没入すべき接合位置に没入させることができる。
【０１５６】
位置決め凹所１１９は、被接合物１０１が没入されるときの第１の基準軸線Ｌ２と一致する中心軸線を有して形成されるので、接合ツール２０が没入すべき接合位置からずれることを防止し、没入すべき接合位置に接合ツール２０を正確に没入させることができる。接合位置に正確に接合ツール２０を没入することによって、接合跡の位置ずれをなくして接合後の被接合物２１の美観を向上するとともに、接合すべき位置に確実に接合ツールが没入することで接合強度を向上することができる。
【０１５７】
さらに、本実施の形態では、第１の基準軸線Ｌ２と第２の基準軸線Ｌ３とに互いに直交する方向の間隔Ｄ１０が、接合位置の間隔Ｄ１１に設定されるので、接合すべき位置の接合と、次に接合すべき位置における位置決め凹所形成と仮止めとを、摩擦撹拌接合装置を移動させずに行うことができる。これによって接合時間を短縮することができる。たとえば、第１の基準軸線Ｌ２と第２の基準軸線Ｌ３との間隔を、接合すべき複数の接合箇所の間隔Ｄ１１に応じて、変更可能にする間隔変更手段を基台４６に設けてもよく、接合すべき複数の接合箇所の間隔が異なる場合であっても、連続して接合することができる。
【０１５８】
また上述する構成は、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。また本発明では、接合ツールは、ツール保持具に着脱可能に装着されるとしたが、摩擦撹拌接合装置にツール保持具が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。
【０１５９】
【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、被接合物を熱処理して、接合ツール側の表面部と反対側の表面部との収縮量の差を小さくすることができ、被接合物の反りに起因する寸法誤差をなくすことができるとともに美観を向上することができる。
【０１６０】
また、被接合物を構成する各被接合部材においても、反りを低減することができる。したがって、一方の被接合部材における他方の被接合部材に対する反りを低減することができる。たとえば、１つの被接合物に対して、複数箇所を連続して接合する場合であっても、一方の被接合部材と他方の被接合部材との隙間がないまたは小さい状態で、各被接合部材を接合することができる。これによって隙間に流動化した材料が流れることを防止して、流動化した被接合物を十分に撹拌して接合品質を向上することができる。
【０１６１】
請求項２記載の本発明によれば、各被接合部材が接合される接合位置の近傍を仮止めした状態で、接合位置で各被接合部材を接合する。接合後に被接合部材が互いに反ろうとしても、接合位置の近傍が仮止めされているので、被接合部材の反りを低減することができる。このように被接合部材の反りを低減することによって、接合品質を向上することができる。
【０１６２】
たとえば、１つの被接合物に対して、複数箇所を連続して接合する場合であっても、一方の被接合部材と他方の被接合部材との隙間がないかまたは小さい状態で、各被接合部材を接合することができる。これによって隙間に流動化した材料が流れることを防止して、流動化した被接合物を十分に撹拌して接合品質を向上することができる。
【０１６３】
請求項３記載の本発明によれば、各電極端子によって被接合物を挟んだ状態で、各電極端子間に電圧を印加する。電極端子によって挟まれた被接合物間に電流が流れ、被接合物が溶融する温度まで発熱する。このようにして被接合物を溶融させることで、各被接合部材を混ぜ合わせて仮止めすることができる。電源部は、仮止めするための電圧を印加するだけでよく、被接合物には、仮止め時に著しく温度が上昇することがなく、熱ひずみを低減することができる。これによって、仮止め時に被接合物に反りが生じることを低減して被接合部材を仮止めすることができる。
【０１６４】
請求項４記載の本発明によれば、熱処理しながら接合ツールを没入する摩擦撹拌工程を行うことで、接合ツール側の表面部と反対側の表面部との収縮量の差を小さくすることができ、接合後に生じる被接合物の反りを低減し、被接合物の反りに起因する寸法誤差をなくすことができる。また、美観を向上することができ、接合品質を向上することができる。
【０１６５】
また、被接合物を構成する各被接合部材においても、反りを低減することができる。したがって、一方の被接合部材における他方の被接合部材に対する反りを低減することができる。これによって一方の被接合部材と他方の被接合部材との間に形成される隙間を小さくまたは無くすことができる。
【０１６６】
請求項５記載の本発明によれば、接合位置の近傍を仮止めする仮止め工程の後、撹拌工程を行って、接合位置で各被接合部材を接合する。接合後に被接合部材が互いに反ろうとしても、接合位置の近傍が仮止めされているので、被接合部材の反りを低減することができる。このように被接合部材の反りを低減することによって、接合品質を向上することができる。
【０１６７】
また１つの被接合物に対して、複数箇所を連続して接合する場合であっても、一方の被接合部材と他方の被接合部材との隙間がないかまたは小さい状態で、各被接合部材を接合することができる。これによって隙間に流動化した材料が流れることを防止して、流動化した被接合物を十分に撹拌して接合品質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の一部を拡大して示す断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置４０を示す斜視図である。
【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】受け台３０の加熱と接合ツール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】水平方向と平行に基準軸線Ｌ１が位置決めされた摩擦撹拌接合装置４０の一部を拡大して示す断面図である。
【図７】図１に対して受け台３０と接合ツール２０との位置が逆転した場合を示す断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置７０の一部を拡大して示す断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置７０によって接合ツール２０と被接合物２１とを回転接触させた状態を拡大して示す断面図である。
【図１０】冷却手段７１による被接合物２１の冷却と接合ツール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１１】摩擦撹拌接合装置７０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置１００を示す斜視図である。
【図１３】摩擦撹拌接合装置１００の電気的構成を示すブロック図である。
【図１４】摩擦撹拌接合装置１００の動作の要部を説明するための断面図である。
【図１５】摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の制御手段１２４の動作を示すフローチャートである。
【図１６】摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の動作を説明するための断面図である。
【図１７】摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の動作を説明するための断面図である。
【図１８】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１９】被接合部材１ａのひずみを示すグラフである。
【符号の説明】
２０  接合ツール
２１  被接合物
２１ａ，２１ｂ  被接合部材
２５  一方の接合部材の接合ツール側の表面領域
２６  一方の接合部材の接合ツールと反対側の表面領域
３０  受け台
３１  電熱線
３３  誘導コイル
３４  電源供給部
３５  接行状態検出手段
３６  加熱手段
３７  被接合物の接合ツール側の表面部
３８  被接合物の接合ツールと反対側の表面部
６３  制御手段
４０，６０，７０，１００  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  ツール状態検出手段
６２  突起駆動手段
７１  冷却手段
１０２  凹所形成手段
１２３  電圧印加手段
１０５  押圧端子
１１３  支持端子
【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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