(57)【要約】【課題】広範な用途に対応できる、コンパクトなマシンヘッドを有する間欠摩擦攪拌接合装置と接合方法を提供する。【解決手段】径大のショルダー部１ａと軸線方向に突出する径小のピン部１ｂとを有するツール１を備え、該ツールを回転させながら被接合材に挿入することにより接合を行う摩擦攪拌接合装置において、ツールとその移動機構及び被接合材の裏当て部材５を１つのフレーム１０の中に納めた。ツール移動装置は、ツールを回転する主軸モーター２と、ツールを回転軸方向に移動する軸方向移動装置（４，１３ａ，１３ｂ，１４）と、ツールを被接合材の接合線に沿って移動する接合方向移動装置（９，１７）を含む。本発明の装置は、被接合材の一部を把持して短い距離を接合するように構成されているので、被接合材が複雑な形状をし、また移動が困難であっても適用できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合材の裏面に裏当て部材を当て、径大のショルダー部の先端に径小のピン部を有するツールを回転させながら前記ピン部を被接合材に挿入し、前記ツールと被接合材との間で生ずる摩擦熱と塑性流動を利用して接合を行う摩擦攪拌接合方法において、前記ツールとその移動機構及び前記裏当て部材を１つのフレームの中に納め、前記裏当て部材と前記ツールとの間に被接合材を挟んで前記ツールを回転させながら前記ピン部を被接合材に挿入し、前記フレームを動かさずに前記ツールのみを被接合材の接合線方向へ移動して接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
請求項１において、前記ツールを被接合材の接合線方向へ所望の距離だけ移動させて被接合材の一部を接合したならば、前記ピン部を被接合材から引き抜き、前記フレームと被接合材の一方を移動させて再び所望の距離だけ接合し、これを繰り返すことによって被接合材を接合線方向に非連続的に接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１において、前記ツールを主軸モーターにより回転し、該主軸モーターの電流値が所定の値に到達するまで前記ピン部を被接合材に挿入することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
ショルダー部とピン部を有するツールを回転させながら前記ピン部を被接合材に挿入し、前記ツールと被接合材との間で生ずる摩擦熱と塑性流動を利用して接合を行う摩擦攪拌接合方法において、前記被接合材の接合線方向に沿って間欠的に接合していくことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
請求項１において、１回あたりの接合長さを５〜２０ｍｍとすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】
請求項４において、１回あたりの接合長さを５〜２０ｍｍとすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項７】
径大のショルダー部と軸線方向に突出する径小のピン部とを有するツールを備え、該ツールを回転させながら被接合材に挿入することにより接合を行う摩擦攪拌接合装置において、前記ツールとその移動機構及び被接合材の裏当て部材を１つのフレームの中に納めたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項８】
請求項７において、前記ツール移動機構が、前記ツールを回転する主軸モーターと、前記ツールを回転軸方向に移動する軸方向移動装置と、前記ツールを被接合材の接合線に沿って移動する接合方向移動装置を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項９】
請求項７において、前記ツールが挿入される側から被接合材を押さえる被接合材固定治具とその移動装置を、前記フレームの中に納めたことを装備したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１０】
請求項８において、前記主軸モーターはスピンドルモーター，インダクションモーターまたはサーボモーターのいずれかであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１１】
請求項８において、前記軸方向移動装置と前記接合方向移動装置による前記ツールの移動は、いずれもサーボモーターによって行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１２】
請求項９において、前記固定治具移動装置による前記固定治具の移動は、サーボモーターによって行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１３】
請求項１１において、前記軸方向移動装置と前記接合方向移動装置による前記ツールの移動は、いずれも静水圧シリンダーで行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１４】
請求項１２において、前記固定治具移動装置による前記固定治具の移動は、静水圧シリンダーで行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１５】
請求項８において、前記主軸モーターの電流値を検出する電流検出器と、該電流検出器により検出された主軸モーター電流値に応じて被接合部材への前記ツールの挿入量を決定する演算装置と、被接合部材への前記ツールの挿入量を制御する制御装置を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１６】
請求項９において、前記固定治具は被接合材の接合線に沿ってＩ型の溝を有し、前記接合方向移動装置は前記Ｉ型の溝に沿って前記ツールを移動するように構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１７】
請求項７において、前記フレームはＣ型の形状をしていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項１８】
請求項７において、前記フレームをロボットアームの先端に取り付けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ショルダー部とピン部を有するツールを回転させながら被接合材に挿入し、ツールと被接合材との間で生ずる摩擦熱と塑性流動を利用して接合を行う摩擦攪拌接合方法と接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合（以下ＦＳＷという）は、被接合材を融点以下の温度で固相接合できることが特徴の１つである。アルミニウム，銅，マグネシウム或いはそれらの合金を接合するのに適する。ＦＳＷでは、被接合材よりも硬い材質のツールが回転しながら被接合材に荷重を加えて挿入される。このため、通常の方法では、被接合材の裏面に裏当てが施される（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、被接合材の接合線に沿って連続的に接合するのではなく、点接合するスポット接合法も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２３０３２０号公報（段落００１６，図２）
【特許文献２】
特開平２００１−３１４９８２号公報（要約，図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ツールのピン部を被接合材に挿入したままで、被接合材の接合線に沿って連続的に接合する通常のＦＳＷの施工方法は、形状が複雑な被接合材には適用しにくい。なぜならば、被接合材が曲面形状を有していた場合、被接合材の接合線の全域にわたって裏当て部材を密着させるのは容易ではない。被接合材へのピン挿入深さを一定に保たったままツールを移動させるのも難しい。小さな裏当て部材を用い、ツールの移動に合わせて裏当て部材を移動させていく方法も考えられるが、裏当て部材を被接合材に押付けるための器具も一緒に移動させなければならないので、適用できる範囲が限られる。
【０００６】
ＦＳＷでスポット接合する方法は、接合強度の観点から、やはり適用範囲が制約される。
【０００７】
本発明の目的は、複雑な形状の被接合材であってもＦＳＷが適用できるようにＦＳＷ装置を改良し、また接合方法を工夫したことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、径大のショルダー部と軸線方向に突出する径小のピン部とを有するツールを備え、該ツールを回転させながら被接合材に挿入し、ツールと被接合材との間で発生する摩擦熱と塑性流動現象を利用して接合を行う摩擦攪拌接合装置において、前記ツールとその移動機構及び被接合材の裏当て部材を１つのフレームの中に納めたことにある。
【０００９】
裏当て部材を被接合材に向けて押し上げる裏当て部材移動装置を前記フレームの中に納めても良い。
【００１０】
本発明では、被接合材を裏当て部材とツールとの間に挟み、ツールを回転させながら回転軸方向に移動させてピン部を被接合材に挿入する。そして、フレームは動かさずにツールのみを被接合材の接合線に沿って移動させる。フレームの移動はないから、接合できる長さはおのずと限られる。１回あたりの接合長さはせいぜい数十ｍｍまでであろう。所望の長さ例えば数ｍｍないし数十ｍｍの長さを接合したならば、ツールを被接合材から引き抜き、被接合材を移動させるか或いはフレームを移動させて、新たに接合すべき箇所をツールの真下に持ってくる。そして、再び接合を行う。このような操作を複数回繰り返して、被接合材の接合線全域を非連続的すなわち間欠的に接合する。
【００１１】
被接合材を押さえる固定治具とその移動装置をフレームの中に納め、被接合材を裏当て部材と固定治具とにより押さえて接合を行うことは、より好ましい実施態様といえる。
【００１２】
本発明によれば、ツールとその移動装置及び裏当て部材を１つのフレームの中に納めてあるので、ＦＳＷ装置がコンパクトになる。接合線の長さが長い場合には、フレームを移動させて行くか或いは被接合材の方を移動させていけばよいので、接合するのに場所を取らない。曲面のある複雑な形状の被接合材であっても、被接合材を押さえている箇所はごく一部であるので、適用が容易である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による摩擦攪拌接合装置の構造と動作の概略を、図面を用いて説明する。図１および図２は、便宜上設定した直交座標系のＸ軸およびＹ軸方向からＣ型ヘッド１１を見た図である。また図３は、接合部近傍を拡大した斜視図である。Ｃ型ヘッド１１は、本発明のＦＳＷ装置の最小単位をなすものである。本実施例のＣ型ヘッド１１は、Ｃ型フレーム１０を有し、そこにツール１とツール移動装置、裏当て部材５とその移動装置、及び被接合材を押さえるための固定治具７とその移動装置が納められている。裏当て部材５の移動装置及び固定治具７の移動装置は、いずれも静水圧シリンダーが好ましく、本実施例では油圧シリンダー６，１８を備えている。ツール１は主軸モーター２によって回転される。ツールを回転軸方向に移動する装置は、モーター４とボールねじ１４と歯車１３ａ，１３ｂとガイド１５を有する。モーター４により歯車１３ａ，１３ｂ及びボールねじ
１４が回転し、ガイド１５に導かれてマシンヘッドケーシング１９に納められたマシンヘッド１６が上下に移動する構造となっている。マシンヘッド１６にはツールが取り付けられているので、ツール１も上下に移動する。
【００１４】
ツールを被接合材の接合線に沿って移動する接合方向移動装置は、マシンヘッド１６を移動するためのシリンダー９とガイド８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ及びストッパー１７を有する。マシンヘッド１６は、シリンダー９の駆動によりガイド
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに導かれて被接合材３ａ，３ｂの接合線に沿って移動し、ストッパー１７に接触して停止する。ストッパー１７の位置を調整することでツールの接合方向の移動量を変更することができる。
【００１５】
ＦＳＷ装置の最小単位をなすＣ型ヘッド１１は、図５に示すようにロボットアーム１２の先端に取り付けることができる。図５のロボットアーム１２は、Ａ軸，Ｂ軸及びＣ軸の関節軸と、Ｐ軸，Ｑ軸及びＲ軸の回転軸を有している。
【００１６】
ロボットアーム１２により、裏当て部材５を下側の被接合材３ｂに密着させて位置を合わせた後、油圧シリンダー６を駆動して固定治具７を移動し、被接合材３ａおよび３ｂを固定治具７と裏当て部材５によりクランプする。次にツールを主軸モーター２により回転する。回転数は被接合材の材質や形状に依存するが、およそ１０００〜３０００ｒｐｍ　程度である。次いで、モーター４を駆動してツールを下降させ、ピン部を被接合材へ所定の深さ挿入する。ツール１には、図３に示すようにショルダー部１ａとピン部１ｂが設けられている。所定の深さとは、主軸モーター２または軸方向移動用のモーター４の電流値をモニターし、所定の電流値に達した場合の深さとして制御する。つまり、主軸モーター２または軸方向移動用のモーター４の電流値が所定の値に達するまでピンを被接合材へ押し込む。被接合材へツールを挿入した状態で、シリンダー９例えば静水圧シリンダーを駆動し、所望の距離を接合したならば、モーター４によりツールを上方へ移動し、マシンヘッド１６を元の位置へ戻す。次いで、被接合材３ａ，３ｂを移動するか或いはＣ型ヘッド１１を移動して、次の接合箇所がツールの位置に来るようにする。そして、再び、同じような操作を行って、所望の距離だけ接合する。
【００１７】
本発明のＦＳＷ装置において、主軸モーターはスピンドルモーター，インダクションモーターまたはサーボモーターが好ましい。またツールを回転軸方向に上下移動するモーターは、サーボモーターが好ましい。ツールを接合線の方向へ移動する接合方向移動用シリンダーおよび固定治具を移動する静水圧シリンダーは、応答性を考慮すると油圧駆動が好ましい。
【００１８】
被接合材を押さえる固定治具７にはＩ型の溝を形成し、ツール１をこの溝内に沿って移動させるようにすると良い。固定治具７をこのような形状とすることで、被接合材３ａ，３ｂは接合部近傍で強固に固定され、変形防止に有効に作用する。いずれの機器もＣ型ヘッド１１をよりコンパクトにすることが重要である。
【００１９】
本発明のＣ型ヘッド１１を組み込んだロボット型摩擦攪拌接合装置を試作し、アルミニウムの重ね接合を実施した。図５にロボット型摩擦攪拌接合装置の概略を示す。汎用のロボットアーム１２の先端にＣ型ヘッド１１が設置されている。被接合材３ａ，３ｂはいずれも厚み１ｍｍのＡ５０８３よりなるアルミニウム材である。固定治具７を移動する油圧シリンダー６の押し付け力は２００ｋｇｆ　とした。ツール１は熱処理を施した工具鋼製で、ショルダー部１ａの直径は７ｍｍ、ピン部１ｂの直径は３ｍｍ、ピン部１ｂの長さは１．５ｍｍ　とし、ピン部１ｂにはねじ状の螺旋溝を表面に設けた。主軸モーター２には、出力４ｋＷのスピンドルモーターを使用し、回転数は１０００ｒｐｍ　とした。被接合材３ａへの回転ツール１の挿入量は１．５ｍｍ　とし、挿入速度は３０ｍｍ／とした。マシンヘッド１６を接合方向に移動するシリンダー９の駆動力は５０ｋｇｆ　に設定した。
【００２０】
このような条件で接合した被接合材の接合部の断面ミクロ組織を図６に示す。被接合材３ａおよび３ｂは無欠陥で接合された。
【００２１】
次に接合長さ（Ｌ１　）と接合間隔（Ｌ２　）を種々の値とし、接合試験を試みた。図７に示すように、試料は板厚１ｍｍ，幅７０ｍｍ，長さ１００ｍｍのＡ５０８３よりなるアルミニウム材である。重ね幅は１０ｍｍである。接合条件は、上記と同様とし、接合方向は幅方向とした。接合長さ（Ｌ１　），接合間隔（Ｌ２　），接合ビード本数，全接合長を表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
試料Ｎｏ．１はスポット接合したものであり、試料Ｎｏ．５は連続接合したものである。試料Ｎｏ．２〜５は、間欠的に接合したものであり、いずれも全接合長さは３０ｍｍである。これらの試料を長手方向にせん断試験したときのせん断荷重を図８に示す。なお縦軸は試料Ｎｏ．５の破断荷重でノーマライズした（試料Ｎｏ．５の破断荷重を１とした無次元化せん断荷重）。その結果、試料Ｎｏ．２〜４の破断荷重は、連続接合したＮｏ．５よりやや低下するものの、その９０％以上の破断荷重を示した。一方、Ｎｏ．１のスポット接合では破断荷重が極めて低くなり、接合点数が多い割には間欠接合の半分程度の強度しか得られなかった。また一部の試料についてせん断疲労試験したときのせん断荷重を図９に示す。この場合も縦軸は試料Ｎｏ．５の破断荷重でノーマライズした。間欠接合したＮｏ．３の接合部疲労強度は、連続接合したＮｏ．５に比べやや劣るものの、優れた疲労強度を示した。しかしスポット接合したＮｏ．１では、疲労強度は顕著に低下した。これらの結果から、１回あたりの接合長さは、５〜２０ｍｍの範囲が望ましい。
【００２４】
以上の実施例により、間欠的な直線接合が単純なスポット接合よりも優れていることが確認できた。本発明のＦＳＷ装置の特徴は、Ｃ型ヘッド１１に直線接合機能を全て盛込んだ点にある。これによれば、Ｃ型ヘッド１１と被接合材３ａ，３ｂの相対位置関係は不変であるにもかかわらず、所望の長さにわたって線状の接合が実現できる。１回の接合長は数十ｍｍであり連続接合よりは短くなるが、間欠的に接合することにより、接合部の強度を確保できる。複雑な形状を有する被接合材であっても、Ｃ型ヘッドの裏当て部材で挟むのは被接合材のごく一部分であるので、本発明を適用できる。また、移動するのが難しい被接合材に対しては、Ｃ型ヘッドを汎用のロボットアームの先端に取り付けて移動すれば良く、本発明によればＦＳＷの適用範囲が拡大することが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明により、ＦＳＷの適用範囲拡大を図ることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すＣ型ヘッドの正面図。
【図２】本発明の一実施例を示すＣ型ヘッドの側面図。
【図３】本発明による摩擦攪拌接合装置のツール近傍の斜視図。
【図４】本発明の摩擦攪拌接合方法を示す斜視図。
【図５】Ｃ型ヘッドを汎用ロボットアームに取り付けた摩擦攪拌接合装置の概略図。
【図６】本発明の方法により得られた接合部の断面ミクロ組織を示す写真。
【図７】本発明の実施例に用いた強度評価試験片の形状，寸法を示す斜視図。
【図８】本発明の実施例で得られた試料の無次元化せん断荷重を示す図。
【図９】本発明の実施例で得られた試料の無次元化せん断荷重とサイクルの関係図。
【符号の説明】
１…ツール、１ａ…ショルダー部、１ｂ…ピン部、２…主軸モーター、３ａ，３ｂ…被接合材、４…モーター、５…裏当て部材、６，１８…油圧シリンダー、７…固定治具、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ…ガイド、９…シリンダー、１０…Ｃ型フレーム、１１…Ｃ型ヘッド、１２…ロボットアーム、１３ａ，１３ｂ…歯車、１４…ボールねじ、１５…ガイド、１６…マシンヘッド、１７…ストッパー、１９…マシンヘッドケーシング。
【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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