(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦入熱以外の加熱手段を効果的に利用して、形態や材質等より熱が溜まり易いワーク若しくは逆に予備加熱においても熱が逃げやすいワークにおいても、高品質な接合を高能率に行うことが可能な摩擦撹拌接合装置とその接合方法を提供。【解決手段】接合部位内に侵入攪拌される小径部２２と接合面に圧接摺動される大径部２１を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具２０を用いて摩擦攪拌接合を行う装置において、接合線上の前方位置で行われる入熱が高周波誘導加熱等の自己加熱により行われる軟化点温度以下の入熱手段であり、接合位置上で摩擦入熱とともに行われる別異の入熱手段が、高周波誘導加熱等の自己加熱若しくは前記小径部より母材側に印加される電気抵抗加熱であり、更に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ことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う装置において、
接合線上の前方から接合位置までの選択した一または複数点を入熱する手段と、接合位置からその後方までの選択した一または複数点の熱的影響残存位置を冷却する手段からなることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う装置において、
前記接合線上の前方位置と、接合位置の夫々を入熱する手段を備え、少なくとも接合位置上での入熱手段が複数であり、回転工具との摩擦入熱と別異の加熱手段が存在することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記接合線上の前方位置で行われる入熱が高周波誘導加熱等の自己加熱により行われる軟化点温度以下の入熱手段であり、接合位置上で摩擦入熱とともに行われる別異の入熱手段が、高周波誘導加熱等の自己加熱若しくは前記小径部より母材側に印加される電気抵抗加熱であることを特徴とする請求項２記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う装置において、
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ことを特徴とする請求項１もしくは２記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記接合位置の前方位置を予備加熱する手段を設け、該予備加熱手段が、母材側と面接触により行われる高周波誘導加熱等の自己加熱手段であ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】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う装置において、
接合位置周囲を同心状に加熱する手段を備えてなることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う装置において、
接合位置の接合線を挟んでその両側に接触子を設け、該接触子間に位置する接合位置を加熱することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項８】
前記接触子間を高周波通電して接合位置を高周波誘導加熱等の自己加熱により加熱する手段を備えてなることを特徴とする請求項７記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項９】
前記接合位置周囲を同心状若しくは接合位置を交差する方向に加熱する手段の、接合線後方の接合後の熱的影響残存位置を冷却する手段からなることを特徴とする請求項６若しくは７記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１０】
前記加熱手段を、所定の入力信号に基づいて制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項２、３、５、６、７若しくは９記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１１】
前記冷却手段を、所定の入力信号に基づいて制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１若しくは４若しくは９記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１２】
前記入力信号が接合位置、その接合方向前方、接合方向後方の温度検知信号、接合速度、若しくは接合距離の少なくとも一である特徴とする請求項１０若しくは１１記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項１３】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う接合方法において、
接合線上の前方から接合位置までの選択した一または複数点を加熱した状態で前記回転工具により摩擦攪拌接合をした後、摩擦攪拌接合した接合部の熱的影響残存部を冷却することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１４】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う接合方法において、
接合線上の前方位置と、接合位置の夫々を入熱させるとともに、少なくとも接合位置上での入熱が、回転工具による摩擦入熱と該摩擦入熱と別異の加熱手段の複数入熱であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項１５】
前記接合線上の前方位置で行われる入熱が高周波誘導加熱等の自己加熱により行われる軟化点温度以下の母材との面接触による入熱であり、接合位置上で摩擦入熱とともに行われる別異の入熱が、高周波誘導加熱等の自己加熱若しくは電気抵抗加熱であることを特徴とする請求項１４記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１６】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う接合方法において、
前記摩擦攪拌接合を含む接合位置での接合後、該接合位置後方の熱的影響残存部を強制冷却することを特徴とする請求項１３若しくは１４記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１７】
接合線上の前方位置を予備加熱する工程、前記回転工具を含む入熱手段を用いて摩擦攪拌する工程と、接合位置後方の熱的影響残存位置を冷却する工程とからなることを特徴とする請求項１３記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１８】
前記前方位置を予備加熱が、母材側と面接触により行われる高周波誘導加熱等の自己加熱であることを特徴とする請求項１７記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１９】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う接合方法において、
回転工具により摩擦攪拌接合される接合位置周囲を同心状に加熱することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２０】
接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う接合方法において、
接合位置の接合線を挟んでその交差方向両側より摩擦攪拌接合されている接合位置加熱することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２１】
摩擦攪拌接合されている接合位置を高周波誘導加熱等の自己加熱により加熱することを特徴とする請求項１９若しくは２０記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項２２】
前記接合位置周囲を同心状若しくは接合位置を交差する方向に加熱するとともに、該接合後の熱的影響残存位置を冷却することを特徴とする請求項１９若しくは２０記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項２３】
前記接合線上の前方の予備加熱量、接合位置における摩擦攪拌以外の入熱量が接合運転経過に従って所定の入力信号に基づいて加熱制御されることを特徴とする請求項１３、１４、１５若しくは１７記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項２４】
前記接合後の熱的影響残存位置を冷却する冷却量を接合運転経過に従って所定の入力信号に基づいて冷却制御される特徴とする請求項１３、１６、１７若しくは２２記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項２５】
前記入力信号が接合位置、その接合方向前方、接合方向後方の温度検知信号、接合速度、若しくは接合距離の少なくとも一である特徴とする請求項２４記載の摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は、車両、航空機、建物等の構造体を製造する際の構体等の製造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）の摩擦攪拌接合装置とその製造方法に係り、特に回転工具の少なくとも一側を加熱しながら摩擦攪拌接合を行う、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−ルを加工物の接合部に挿入し、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、かかる摩擦接合法は、接合部材を固相状態で、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、熱歪みがなく接合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−ルと接合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２０は図７（Ａ）に示すように、ショルダ部２１とこのショルダ部２１に備えられたプローブ２２とを備えており、このショルダ部２１は円形ショルダ面を有している。そして、複数の型材を突き合わせ、若しくは嵌合された状態の接合線表面より、前記回転工具２０を回転させて、プローブ２１を被加工物の接合線に設けた不図示の孔に侵入させるとともに、複数の型材の接合線上で摺接回転する円形ショルダ面２１によって被加工物に摩擦熱が付与されるとともに、プローブ２２周囲が塑性流動化し、この状態で回転工具２０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化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２２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。
しかしながら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２０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。これに対し、ボビンツール３０と呼ばれる回転工具は図７（Ｂ）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３０Ａ、３０Ｂが設けられているとともに、該上下一対のショルダ３０Ａ、３０Ｂ間に回転軸３１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、裏面側の接合不良が生じないのみならず、上下一対のショルダ３０Ａ、３０Ｂ間で互いの反力を受けているために、前記した裏当金が不要になるというメリットがある。
【０００４】
しかしながら、いずれの回転工具も前記した構体を製造する場合のように、接合距離が長いパネルを接合する場合には、摩擦熱が分散しやすくなるため、摩擦攪拌される接合部に摩擦熱を十分に与えることができず、接合不良を招いてしまうという欠点があった。その一方で、接合部に摩擦熱を十分に与えようとして接合速度を遅くしてしまうと、作業能率の低下を招いてしまうという問題も生じる。
【０００５】
かかる欠点を解決するために、図６に示す特許第３０８１８０８号公報（特許文献２）において、アルミニウムからなる母材１０の接合部１３又はその近傍に回転するショルダ部２１の下面中心軸上より突設する小径部（プローブ）２２を挿入し、プローブ２２との接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブ２２を挿入状態で接合部１３に沿って相対的に移動させることにより母材１０を接合する摩擦撹拌接合法において、前記接合部のうちの前記プローブ２２の移動方向前方部分を外部熱源により温度が１００乃至３００℃となるように加熱しながら、前記プローブ２２を移動させることを特徴とする技術が開示されている。
１２０は加熱装置であって、レーザ光、ガス炎、ヒータ等１２１を外部熱源として母材１０を加熱しており、略円筒形のノズル部１２２は前記プローブ２２の移動方向前方の近傍部位に配置されるとともに、前記プローブ２２の動きと連動している。
【０００６】
かかる従来技術によれば、プローブ２２の到達前にプローブ２２の移動方向前方部分の温度が既に上昇していることから、この部分がプローブ２２と接触すると迅速に軟化するものとなり、接合速度を速くし得ると共に、プローブ２２の移動の際にプローブ２２が受ける抵抗力が軽減されてプローブ２２の寿命が長くなるという長所がある。
しかしながら、かかる従来技術によれば、予備加熱されるのが前方のみであるために、広幅パネルを接合する場合に、せっかく予備加熱をしても接合位置においてその周囲より熱が奪われ、必ずしも予備加熱の効果が出ない。特に前記欠点を防止するために、加熱温度を高めようとすると、予備加熱温度が３００℃を超えてしまい、熱歪みによる変形が生じてしまう。
特に前記従来技術においては、レーザ光、ガス炎というそれ自体高温な加熱源を用いるために、予備加熱温度が３００℃を超えてしまいやすい。
かかる欠点を解消する為に、前記従来技術において、レーザ光、ガス炎を用いずに、加熱ローラを用いて予備加熱を行っている。しかしながら加熱ローラでは母材１０に線接触であるために、加熱ローラからの入熱は少なく、所定の効果が出ない。
【０００７】
一方、アルミニウム合金からな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）でも母剤１０の接合長さが２５〜５０ｍと長く、このような長いものを接合しようとすると、または被加工物の剛性が高い銅又は鉄鋼を接合する場合、回転ツールと被加工物との摩擦熱が大きくなる。このため、形態や材質等より熱が溜まり易い母材１０を接合対象とするとき、接合の進行に伴って接合部位への入熱量が次第に増大することから、接合の開始部位と終了部位とで接合品位に差を生じるという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】
特許第３０８１８０８号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、摩擦入熱以外の加熱手段を効果的に利用して、形態や材質等より熱が溜まり易い母材若しくは逆に予備加熱においても熱が逃げやすい母材においても、高品質な接合を高能率に行うことが可能な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。
又本発明は長尺のスキンパネルでも接合の進行に伴って接合部位への入熱量が次第に増大することから、接合の開始部位と終了部位とで接合品位に差を生じることのない高品質な接合を高能率に行うことが可能な摩擦撹拌接合装置とその接合方法を提供することを他の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、接合部位内に侵入攪拌される小径部と接合面に圧接摺動される大径部を具えたブローブ型若しくはボビン型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う装置において、
接合線上の前方から接合位置までの選択した一または複数点を入熱する手段と、接合位置からその後方までの選択した一または複数点の熱的影響残存位置を冷却する手段からなることを特徴とする。
【００１１】
かかる発明によれば、接合線上の前方から接合位置までの選択した一または複数点を加熱した状態で前記回転工具により摩擦攪拌接合をした後、摩擦攪拌接合した接合部の熱的影響残存部を冷却することができる。
即ち本発明は接合位置の前方部を予熱する場合も、回転工具の接合面部を他の加熱手段で予熱する場合のいずれも含み、これにより回転工具のショルダが摩擦攪拌により軟化温度に達するまでが迅速化するとともに、回転工具による軟化撹拌が容易になり得て、接合速度を速くすることができる。また、この迅速軟化により、回転工具が受ける抵抗力が軽減され、回転工具の寿命を長くすることができる。
【００１２】
又予備加熱されるのが前方のみではなく、接合位置直前での加熱も可能であるために、広幅パネルを接合する場合においても、従来の前方での予備加熱のように接合位置においてその周囲より熱が奪われることなく、その直前位置での予備加熱が可能であるために、予備加熱の効果が出やすい。従って予備加熱加熱温度を軟化点以下の４００℃以下で行うことが出来、予備加熱時の熱歪みによる変形が生じ留恐れがない。
又工具の前方を接合前に加熱し、工具の後方を冷却することにより、アルミ（アルミ合金も含む）より高融点の銅又は鉄鋼を接合する場合においても、施工を容易に出来るとともに、入熱増加による変形や残留応力の増加を抑えることが出来る。この結果、接合部の迅速軟化、撹拌、冷却固化が回転工具の移動に伴って順次繰り返されていき、突合せ部において接合部は熱変形や残留応力の発生がなく、相互に一体化され順次接合されていき、熱歪みの小さく良好な接合状態の接合品が得られる。
【００１３】
又本発明は前記摩擦攪拌接合装置において、前記接合線上の前方位置と、接合位置の夫々を入熱する手段を備え、少なくとも接合位置上での入熱手段が複数であり、回転工具との摩擦入熱と別異の加熱手段が存在することを特徴とする。
即ち具体的には、前記接合線上の前方位置での予備加熱と、接合位置の夫々を入熱させるとともに、少なくとも接合位置上での入熱が、回転工具による摩擦入熱とそれ以外のたとえば電気的入熱手段が存在することである。
本発明は、接合位置での軟化点（アルミの場合４００〜４８０℃）以上の加熱を摩擦攪拌以外の入熱手段に補助させようとするものである。これにより回転工具が受ける抵抗力が軽減され、回転工具の寿命を長くすることができる。
このような場合に回転工具自体にヒータを内蔵してもよいが、このようにすると工具自体が焼き鈍しされて好ましくない場合があるのみならず、緻密な温度制御が出来にくい場合がある。
そこでヒータを回転工具と別異に構成するのが好ましい。そしてこのような構成として接合位置周囲を同心状に加熱する手段を備えてなる構成をとることも出来る。
【００１４】
このように回転工具により摩擦攪拌接合される接合位置周囲を同心状に加熱することにより、熱逃げの大きいダブルスキンにおいても円滑な入熱が確保されるとともに、同心加熱であるために、加熱機構が簡単化する。
【００１５】
又接合位置の接合線を挟んでその両側に接触子を設け、該接触子間に位置する接合位置を加熱するように構成するのもよい。
このように、接合位置の接合線を挟んでその交差方向両側より接合位置を加熱するように構成することで、接合線の直交線では加熱、接合位置の直後では冷却と、機能分離することが可能となる。
【００１６】
そして前記接合位置の前方位置を予備加熱する手段は、母材側と面接触により行われる高周波誘導加熱等の自己加熱手段で構成するのがよい。
即ち、従来技術ではレーザ光、ガス炎というそれ自体高温な加熱源を用いるために、予備加熱温度が３００℃を超えてしまいやすく、又加熱ローラを用いた予備加熱では、母材に線接触であるために、加熱ローラからの入熱量が足らなくなる恐れがあるが、前記予備加熱が高周波誘導加熱等の自己加熱により行われ且つ面接触による入熱では、軟化点以下の適切な温度を維持して十分な熱量を確保できる。
誘導加熱の加熱温度と範囲は、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。
【００１７】
又接合位置上で摩擦入熱とともに行われる別異の入熱手段は、機械的加熱より、高周波誘導加熱等の自己加熱若しくは前記小径部より母材側に印加される電気抵抗加熱であるのがよい。
このような加熱手段はレーザ光、ガス炎のように非接触の物理的加熱手段ではなく、母材に接触させた電気加熱であるために、摩擦攪拌の際に母材の厚み変動等に起因して加熱温度に変動が生じてもこれを補充することが容易となる。
【００１８】
更に本発明は、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手段を設けるのがよい。
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。
又前記冷却手段は、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い。
【００１９】
そして本発明は、前記接合位置周囲を同心状若しくは接合位置を交差する方向に加熱する手段と、その後方に設けたより接合線後方の接合後の熱的影響残存位置を冷却する手段の組み合わせで構成するのがよい事は前記した通りであるが、特に前記加熱手段を所定の入力信号に基づいて制御する制御手段を設けるのがよい。
【００２０】
かかる発明によれば、アルミニウム合金からな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）のように被加工物の接合長さが２５〜５０ｍと長いものを接合しようとすると、ギャップや厚みの変動等により、摩擦入熱量が接合方向に異なってしまう場合に、接合方向前方、接合方向後方の温度検知信号、接合速度に応じて前記加熱手段の加熱量を制御することにより、接合線に沿って均等な入熱量を負荷することが出来る。
又  、被加工物の剛性が高い銅又は鉄鋼を接合する場合、回転ツールと被加工物との摩擦熱が大きくなる。このため、形態や材質等より熱が溜まり易いワークを接合対象とするとき、接合の進行に伴って接合部位への摩擦入熱量が次第に増大することがあるが、この場合においても、接合の開始部位では加熱手段の加熱量を大きく更に接合終了部位に近づくにつれ加熱量を少なくする等のように接合距離に応じて加熱量を制御するようにしてもよい。
【００２１】
前記冷却手段においても同様で、接合位置、その接合方向前方、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。
【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。
図１は接合線上の前方位置で高周波誘導加熱手段１と、接合位置上で回転工具２０小径部２２より母材１０側に印加される電気抵抗加熱手段１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冷却段２を備えた本発明の基本構成図である。
前記回転工具２０及び前記加熱手段１及びその後方の冷却手段３を用いて摩擦撹拌接合を行う場合について説明する。
【００２３】
予備加熱手段１は上下に設けた一対の円盤１ａ間に磁束棒１ｂを配設し、その周囲にコイル１ｃを巻回して高周波加熱コイルを生成してなる。
高周波誘導加熱は、母材１０に磁束が貫通し、電磁誘導により渦電流がながれ、その電流と母材１０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。従って制御装置５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、軟化点温度以下２００〜４００℃、好ましくは３００〜４００℃の温度に制御でき、高周波加熱による変形抵抗の低減が可能である。前記予備加熱が高周波誘導加熱の円盤１ａと母材１０との面接触による入熱であるために回転工具２０が受ける抵抗力が軽減され、結果として高周波加熱による変形抵抗の低減が可能でり、回転工具２０の寿命を長くすることができる。
【００２４】
回転工具２０は、接合装置の小径部（ブローブ）２２を接合部の不図示の穴に挿入するとともに、ショルダ部２１を接合部の表面に当接回転させる。これにより、接合部とショルダ部２１のねじ部２１ａとの摺動による摩擦熱を生ぜじめて、小径部（プローブ）２２のねじ部２２ａ（図７参照）との攪拌及びその近傍の軟化を促進し、さらに接合部の凹凸形成を防止する。
そして前記ショルダ部２１を構成する回転工具２０の外周には直流端子３ａが小径部（プルーブ）２２の周面に摺動するごとく、位置固定され、制御装置５により制御された直流電源３が印加されるように構成されている。この結果直流電源３の電圧印加により、小径ブローブ２２のねじ部２２ａ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５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、これにより電気接触抵抗による塑性流動化が促進され回転工具の寿命を長くすることができる。
【００２５】
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手段を設ける。
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。
又前記冷却手段２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母材１０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い。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４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。
【００２６】
図２は接合線上の前方位置での予備加熱手段１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冷却手段２とを備え、これらの制御を行う本発明の第１制御構成図である。
本実施例においては、図１のように回転工具２０内には加熱手段を設けていない。
本実施例においては、アルミニウム押出材からなる長尺の２枚の接合部材を用い、各接合部材の幅方向の端面を突き合わせてここを接合部とした。そして、図１に示した回転工具２０の前方に高周波加熱コイルからなる加熱手段１を配置し、接合位置直前の温度検知センサＴ、接合位置直後の温度検知センサＴ１の温度検知信号、接合速度や接合距離の信号に応じて制御装置５で前記加熱コイルの高周波電圧を制御しての加熱量を制御することにより、接合位置直前で２００〜４００℃、好ましくは３００〜４００℃の温度で接合線に沿って均等な入熱量として負荷することが出来る。
接合位置では、接合位置直後の温度検知センサＴ１の温度検知信号に基づいて制御装置５にて、回転工具２０の小径部（ブローブ）２２及びショルダ部２１を回転させて、接合温度が４４０〜４８０℃の軟化点以上で溶融点以下の温度になるように回転力と押圧力を制御する。
【００２７】
接合位置後方に位置する冷却手段２では、接合位置直後の温度Ｔ１を取り込んだ制御装置５よりの信号に基づいて冷媒制御回路４で冷媒量の制御が行われ、接合後の母材１０を３００℃以下、好ましくは２６０℃前後まで低下させる。
これにより、この場合に徐々に接合温度が上昇する長尺のものの加工では、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してもよい。この結果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。このときの温度分布を図２下段の実線で示す。
一方、図２下段のグラフにおける従来例では高周波加熱コイルも冷却手段も用いずに従来の摩擦撹拌接合法に採用されるプローブ２２を用いて行った温度分布で、２つの温度分布より明らかなように、従来例では、回転工具の始端の接合初期では十分な加熱温度に達しておらず、又接合後でも予熱が残り、残留応力が発生しやすい。
従って本実施例によれば、予備加熱と冷却を円滑に行うことが出来るために、高品質な接合を高能率に行うことが可能になるとともに、長尺のスキンパネルでも接合の進行に伴って接合部位への入熱量が次第に増大することからこれに比例して予備加熱温度の低下と冷却力を高める制御を行えばの、接合の開始部位と終了部位とで接合品位に差を生じることのない高品質な接合を高能率に行うことが可能となる。
【００２８】
図３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に示した回転工具内にヒータ８０を配置し、接合位置直前の温度検知センサ信号に応じて前記ヒータの電圧を制御回路８で制御して加熱量を制御することにより、接合位置では、接合位置直後温度検知センサの温度検知信号に基づいて制御装置５にて、回転工具の小径部（ブローブ）２２及びショルダ部２１を回転させて、接合温度が４４０〜４８０℃の軟化点以上で溶融点以下の温度になるように回転力と押圧力を制御するが更に本実施例では、ショルダ部２１にヒータ８０を内蔵して接合位置直前の温度検知センサ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８にて加熱制御を行っている。
【００２９】
接合位置後方に位置する冷却手段２では、接合位置直後の温度Ｔ１を取り込んだ制御装置５よりの信号に基づいて冷媒制御回路４で冷媒量の制御が行われ、接合後の母材を３００℃以下、好ましくは２６０℃前後まで低下させる。
これにより、図３下段の実線に示すように、接合温度が上昇する長尺ものの加工においては、接合速度、若しくは接合距離に応じて接合位置でヒータの加熱量を制御すれば、良好な接合状態の接合品が得られる。
一方、点線で示す従来例では高周波加熱コイルも冷却手段を用いずに従来の摩擦撹拌接合法に採用されるプローブをもちいて行った温度分布である。
２つの温度分布より明らかなように、本実施例によれば、予備加熱と本接合位置での本加熱、接合後における冷却を円滑に行うことが出来るために、高品質な接合を高能率に行うことが可能になるとともに、長尺のスキンパネルでも接合の進行に伴って接合部位への入熱量が次第に増大することからこれに比例して予備加熱温度の低下と接合位置での補助加熱、更には接合後における冷却力を高める制御を行えば、接合の開始部位と終了部位とで接合品位に差を生じることのない高品質な接合を高能率に行うことが可能となる。
【００３０】
尚、図３に示すように、回転工具２０自体にヒータ８０を内蔵してもよいが、このようにすると回転工具２０自体が焼き鈍しされて好ましくない場合があるのみならず、緻密な温度制御が出来にくい場合がある。
そこでヒータ８０を回転工具２０と別異に構成するのが好ましい。
そしてこのような構成として接合位置周囲を同心状に加熱する手段を備えてなる構成をとることも出来る。
【００３１】
図４は接合位置周囲を同心状に加熱する高周波手段を備えた本発明の他の実施例である。
本実施例は内部にコイル１Ｃを有したリング円筒状のフェライト筒１７からなる高周波加熱体１５で、回転工具２０の胴部に隙間を介して遊嵌させている。
このように回転工具２０により摩擦攪拌接合される接合位置１３周囲にリング状高周波加熱体１５を同心状に配設して、接合位置１３周囲を加熱することにより、熱逃げの大きいダブルスキンのような母材１０においても円滑な入熱が確保されるとともに、同心加熱であるために、加熱機構が簡単化する。
【００３２】
図５は接合位置の接合線を挟んでその両側に接触子１１を設け、該接触子１１間に位置する接合位置を加熱する高周波加熱手段を備えた本発明の他の実施例であり（Ａ）は正面図、（Ｂ）は斜視図、（Ｃ）は上方から見た図である。。
そしてこのような構成として接合位置の接合線を挟んでその両側に車輪状の押さえ治具ローラからなる接触子１１を設け、該接触子間に位置する接合位置を加熱するように高周波電源１２を接続して構成するのもよい。
このように接合位置の接合線を挟んでその両側に接触子１１を設け、該接触子間に位置する接合位置を加熱するように構成する、接合線の直交線では加熱と、接合位置の直後では、冷却と機能分離することが可能となる。軟化点以下の適切な温度を維持して十分な熱量を確保できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、  摩擦入熱以外の加熱手段を効果的に利用して、形態や材質等より熱が溜まり易いワーク若しくは逆に予備加熱においても熱が逃げやすいワークにおいても、高品質な接合を高能率に行うことが出来る。
又本発明によれば、長尺のスキンパネルでも接合の進行に伴って接合部位への入熱量が次第に増大することから、接合の開始部位と終了部位とで接合品位に差を生じることのない高品質な接合を高能率に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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基本構成図である。
【図２】接合線上の前方位置での入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とを含み、これらの制御を行う本発明の第１制御構成図である。
【図３】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。
【図４】接合位置周囲を同心状に加熱する高周波手段を備えた本発明の他の実施例である。
【図５】接合位置の接合線を挟んでその両側に接触子を設け、該接触子間に位置する接合位置を加熱する高周波手段を備えた本発明の他の実施例である。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、接合位置上の摩擦攪拌熱意外の加熱手段、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基本構成図である。
【図６】従来技術にかかる摩擦攪拌接合装置の概略図である。
【図７】従来技術に係る摩擦撹拌接合のプローブツールとボビンツールの基本構成図である。
【符号の説明】
【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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