(57)【要約】【課題】本発明は複数の加工物を効率良く、また、予定した品質を保ちながら精度良く接合するために、加工物の接合部を加熱しプローブを挿入して回転することよって加工物を攪拌接合することを目的としたものである。【解決手段】先端が加工物に挿入されるプローブ１を、ショルダ２と分離して駆動手段４により回転駆動する。プローブ１は下部ベアリング５及び上部ベアリング６により支持されて、ショルダ２の内部に格納されている。ショルダ２の回転は拘束されているが、ショルダ回転手段を設け、回転させることも可能である。プローブ１はショルダ内に押板９で上下動が拘束されている。ショルダ２の下部外面には加熱ヒータ３が巻かれている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の加工物を接合するために、前記加工物の接合部に挿入すると共に回転し前記加工物を攪拌接合する前記加工物より硬い材質のプローブと、前記加工物の外面にあって前記プローブが攪拌する前記加工物の被攪拌部材を案内する加工物より硬い材質のショルダと、を有する攪拌接合工具にあって、前記プローブの任意の回転速度において前記加工物の前記接合部を加熱する少なくとも前記プローブ又は前記ショルダのいずれか一に設けられた加熱手段と、前記加熱手段が加熱する前記加工物の加熱状態を検知し加熱状態信号を出力する加熱状態検出手段と、前記加熱手段が加熱する加熱温度を前記加熱状態信号により制御する加熱温度制御手段とを備えたことを特徴とする攪拌接合工具。
【請求項２】
前記加熱手段が少なくとも電気ヒータ又は誘導加熱コイルのいずれか一であることを特徴とする請求項１に記載の攪拌接合工具。
【請求項３】
前記プローブを回転させるプローブ回転手段を備え、前記ショルダの回転が拘束されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の攪拌接合工具。
【請求項４】
前記プローブを回転させるプローブ回転手段と、前記ショルダを回転させるショルダ回転手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれか一に記載の攪拌接合工具。
【請求項５】
前記加熱状態検出手段が、前記加熱手段によって加熱される少なくとも前記加工物又は前記プローブ又は前記ショルダのいずれか一の温度を計測し温度信号を発信する温度計測手段であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の攪拌接合工具。
【請求項６】
前記加熱状態検出手段が、前記加熱手段によって加熱される少なくとも前記プローブ又は前記ショルダのいずれか一の回転トルクを計測しトルク信号を発信するトルク計測手段であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の攪拌接合工具。
【請求項７】
前記加熱状態検出手段が、前記プローブによって攪拌接合された前記加工物の表面状態を監視する光学的監視手段であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の攪拌接合工具。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一の攪拌接合工具を用いて、予め加熱された前記プローブ又は前記ショルダにより前記加工物の接合部を加熱する工程と、加熱された前記接合部を前記プローブにより攪拌する工程と、攪拌した前記接合部を前記ショルダにより案内する工程とにより、前記プローブ及び前記ショルダを移動させながら加工物を攪拌接合することを特徴とする接合加工物の生産方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の加工物を効率良く、また、精度良く接合するために、加工物の接合部を加熱しプローブを挿入して回転することよって加工物を攪拌接合する攪拌接合工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の技術に係る摩擦攪拌接合方法の概念図である。図６は、従来の技術に係るアルミニウム系押出形材の摩擦攪拌接合方法で使用する各部材寸法を説明するための断面図である。図７は、従来の技術に係る集積配管プレートの製造方法の説明図であって、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。
【０００３】
図５に示すように、摩擦攪拌接合方法は、二つの加工物５１Ａ，５１Ｂの材質よりも硬い材質のプローブ５３とショルダ５４とが一体で構成されるツールを加工物５１Ａ，５１Ｂの接合部５２に挿入し、このツールを加工物５１Ａ，５１Ｂに押付ながら矢印５６の方向に回転させるとともに、矢印５５の方向に移動することによって、ツールと接合材との間で発生する摩擦熱により接合する方法である（例えば、特許文献１参照。）。つまり、ツールと接合材との摩擦熱による塑性流動現象を利用したものであって、他の溶接のように加工物を溶融して溶接するものではない。
【０００４】
さらに、この摩擦攪拌接合方法は、従来の摩擦溶接方法のように加工物同士を摩擦してお互いの摩擦熱により接合する方法とは異なり、接合材を接合線方向、つまり、長手方向に連続的に溶接できる特徴がある。
【０００５】
図６は、上下の板の厚みがｔで、押出形材垂直高さＨのアルミニウム系押出形材（以下単に押出形材という）６１ａと６１ｂの、最小厚み部の厚みがｗ２のそれぞれのリブ６１ａｒと６１ｂｒの外面同士を突合わせ・接触させて、突合わせ部６２を形成する場合を示す。凹面または平面の円形底面６３ｂの中央部から下方へ突出する直径ｄのプローブ６４を備えた下端部の直径Ｄのショルダ６３の、プローブ６４を突合わせ部６２の押出形材６１ａと６１ｂの上部の中に回転させつつ押し込み、ショルダ６３の凹面または平面の円形底面６３ｂを突合わせ部６２近傍の押出形材６１ａ、６１ｂの上面６１ａｆ、６１ｂｆを押圧力Ｆで押圧しながら、ショルダ６３を回転しつつ突合わせライン（押出形材６１ａ、６１ｂの長手方向）に沿って移動させることにより、突合わせ部６２の押出形材６１ａと６１ｂの上部が摩擦攪拌接合される。
【０００６】
ｗ１はプローブ６４の外面と押出形材６１ａ、６１ｂのリブ６１ａｒ、６１ｂｒのリブ内周面との間の最短距離を示し、０．６ｍｍ以上、好ましくは１．２ｍｍ以上の寸法を要する。また、ｗ２は、押圧力Ｆにより部材が耐えられるように座屈限界厚さを計算して決定される（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
このように、接合部にリブの板がある場合は、プローブの押圧力による座屈強度でリブの板厚が決められ、更に、プローブとリブ内周面との間には最短距離が必要であり、接合工具の仕様によりリブの板厚が決められている。
【０００８】
また、図７は加工途中の状態を示しており、集積配管プレートの製造においては、摩擦攪拌接合のためにショルダ７５の先端に設けたプローブ７５ａを、接合を行う始点に位置し、回転を開始すると共に軸方向に加圧して、一体化に適した高さ方向位置までプレート７３に挿入する。プローブ７５ａの回転を開始することにより摩擦熱を発生させ、且つ、図７（ａ）に矢印Ｙで示すように流体流路用溝７８の外周に倣ってプローブ７５ａを移動させて、流体流路用溝７８の全周を巡るようにプレート７２，７３の接合面７２ａ，７３ｂを溶接する（例えば、特許文献３参照。）。
【０００９】
（Ｉ）部分は溶接によってプレート７２，７３が一体化された部分を示し、（ＩＩ）  部分はこれから溶接してプレート７２，７３を一体化する予定の部分を示している。
【００１０】
なお、摩擦攪拌接合の開始点位置にプローブ７５ａの挿入用の穴を予め加工しておくことによって、プレート７３へのプローブ７５ａの挿入を容易にすることもできるが、この穴は必要条件ではない。また、プレート７３に限らず、プレート７２にプローブ７５ａを挿入して、プレート７２側から接合してもよい。
【００１１】
流体流路用溝７８の全周を巡るように（勿論、前述のとおり各流体流路用溝７８に対して個別にその全周を巡るように溶接する場合に限らず、隣り合う溶接開先用溝７８同士の間で１本の溶接線（溶接線共用部）を共用する場合も含む）、プレート７２，７３の接合面７２ａ，７３ｂを溶接してプレート７２，７３を接合することにより、プレートを接着剤で接合する場合に比べて、プレート接合部の耐久性が向上すると共に強固な溶接構造となるため耐圧性も向上している。
【００１２】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報（第１２図）
【特許文献２】
特開平１１−２２６７５５号公報（第１図）
【特許文献３】
特開２００２−３７２１９８号公報（第２図及び第３図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示すように、従来の摩擦攪拌接合方法は、いずれも摩擦熱を利用するため、プローブとショルダを接合材に押しつけて回転させる必要があり、ツールの剛性を押付荷重に耐えるよう強固に構成すると共に摩擦を保持したままツールを回転させるための動力を要し、さらに、接合材に対しても、ツールからの押付力に対抗して接合材を保持する補強手段が必要であった。
【００１４】
そのため、プローブの径が接合材の攪拌に必要な寸法以上になり、中空材等で接合部下部に骨材がある場合に、骨材の板厚をプローブの径以上にしなければならないという制限があった。即ち、プローブの径に合わせて骨材を選択しなければならなかった。同様に、集積配管プレートの製造においては、隣り合う配管の距離をプローブの径より小さくすることができないため、集積度がプローブの径により決定されるという制限があった。
【００１５】
また、接合速度が、ツールによる摩擦熱が発生するまでの時間の都合により決定され、接合速度に制限があった。
【００１６】
本発明は、上記問題を解決することを課題としたものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、複数の加工物を接合するために、前記加工物の接合部に挿入すると共に回転し前記加工物を攪拌接合する前記加工物より硬い材質のプローブと、前記加工物の外面にあって前記プローブが攪拌する前記加工物の被攪拌部材を案内する加工物より硬い材質のショルダと、を有する攪拌接合工具にあって、前記プローブの任意の回転速度において前記加工物の前記接合部を加熱する少なくとも前記プローブ又は前記ショルダのいずれか一に設けられた加熱手段と、前記加熱手段が加熱する前記加工物の加熱状態を検知し加熱状態信号を出力する加熱状態検出手段と、前記加熱手段が加熱する加熱温度を前記加熱状態信号により制御する加熱温度制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
従来の摩擦攪拌接合においては、プローブとショルダが一体となって回転し、加工物との摩擦熱により加工物を攪拌接合するため、プローブの直径は強度上５ｍｍ以上必要であり、接合線は幅１０ｍｍ程度が最小であった。しかしながら、プローブとショルダとを分離し、補助的にプローブ又はショルダを摩擦熱ではなく加熱手段により所定の温度まで加熱することにより、塑性している加工物を攪拌するに要するだけの強度がプローブにあれば接合でき、プローブの直径を５ｍｍよりさらに小さくし、合わせて接合幅を幅１０ｍｍより小さくすることができる。集積配管プレート等を車輛・航空機等の輸送手段に搭載する場合において、余分な接合部を小さくして平面積及び重量を減らすことは特に大きな効果がある。
【００１９】
このため、摩擦熱を発生させる代わりに、プローブ又はショルダに加熱手段を設け、プローブの任意の回転速度において（例えばプローブが停止している状態においても）プローブ又はショルダを通して加工物を加熱することにより、プローブ及びショルダを強く加工物に押しつける押圧手段を省略するか押圧手段の所要力を減らし、さらに、押圧に対抗するためのプローブ及びショルダの部材寸法も小さくすることができる。摩擦熱は完全になくす必要はなく、補助的に加熱手段を用いて押圧手段の所要力を減らしても、本発明の技術的範囲であることは言うまでもない。
【００２０】
また、従来、加工物に押圧する押圧力とプローブの回転数で摩擦攪拌接合を制御していたが、押圧力による制御ができなくなったため、別の制御手段が必要となる。このため、押圧力の検知手段に替え加熱状態検出手段を設け、さらに、加熱状態検出手段の出力する信号により加工物を加熱する加熱温度を制御する加熱温度制御手段を設けた。
【００２１】
上記構成により、プローブ及びショルダの寸法を小さくすることができ、それに伴って、加工物を効率良く、また、精度良く接合することができる。
【００２２】
また、上記課題を解決するために、本発明は、請求項１の発明において、前記加熱手段が少なくとも電気ヒータ又は誘導加熱コイルのいずれか一であることを特徴とする。
【００２３】
上記構成によれば、プローブ又はショルダを効率良く、電気的に加熱することができる。また、加熱には火炎トーチ又は温風装置或いは熱流体による加熱も利用できる。
【００２４】
また、上記課題を解決するために、本発明は、請求項１又は２の発明において、前記プローブを回転させるプローブ回転手段を備え、前記ショルダの回転が拘束されていることを特徴とする。
【００２５】
また、上記課題を解決するために、本発明は、請求項１又は２の発明において、前記プローブを回転させるプローブ回転手段と、前記ショルダを回転させるショルダ回転手段とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
従来、摩擦攪拌接合の場合は、プローブと加工物との摩擦により加工物を加熱させるため、プローブの周りの温度が一番高く、プローブを離れるに従って、温度が低下する傾向があった。しかしながら、加工物を加熱手段で加熱した場合は、摩擦熱による加熱に比較し、プローブとショルダの加熱も同時に行われるため、温度分布が広い範囲で高温になり、加工物の接合部は摩擦攪拌接合と異なった温度分布の挙動を示す。
【００２７】
そのため、プローブとショルダの回転を分離し、プローブは加工物の攪拌に適した回転速度を、ショルダは加工物の整形に適した回転速度をそれぞれ設定することが好ましい。接合の条件によっては、ショルダが回転せず拘束されていることが好ましい場合もある。
【００２８】
また、上記課題を解決するために、本発明は、請求項１乃至４のいずれか一の発明において、前記加熱状態検出手段が、前記加熱手段によって加熱される少なくとも前記加工物又は前記プローブ又は前記ショルダのいずれか一の温度を計測し温度信号を発信する温度計測手段であることを特徴とする。
【００２９】
攪拌接合が良好に行われているかを制御するためには、加工物とプローブとの接触部の温度を検知し、最適温度に制御することが好ましいが、加工物又はプローブ又はショルダのいずれか一の温度を計測し、加工物とプローブとの接触部の温度を推測することができる。
【００３０】
上記構成によれば、前記温度計測手段により発信される温度信号により、加熱手段を制御して加工物とプローブとの接触部の温度を最適に保持することができる。温度計測手段は熱電対を利用したものが扱いやすくて便利である。
【００３１】
また、上記課題を解決するために、本発明は、請求項１乃至４のいずれか一の発明において、前記加熱状態検出手段が、前記加熱手段によって加熱される少なくとも前記プローブ又は前記ショルダのいずれか一の回転トルクを計測しトルク信号を発信するトルク計測手段であることを特徴とする。
【００３２】
攪拌接合が良好に行われているかを制御するためには、加工物とプローブとの接触部の温度を検知し、最適温度に制御することが好ましいが、少なくとも前記プローブ又は前記ショルダのいずれか一の回転トルクを計測し、加工物とプローブとの接触部の温度を推測することができる。温度が低い場合は回転トルクが大きくなり、温度が高い場合は回転トルクが小さくなる傾向がある。
【００３３】
上記構成によれば、前記トルク計測手段により発信されるトルク信号により、加熱手段を制御して加工物とプローブとの接触部の温度を最適に保持することができる。回転トルクはプローブ回転手段又はショルダ回転手段の電流値を計測することによっても計算できる。
【００３４】
また、上記課題を解決するために、本発明は、請求項１乃至４のいずれか一の発明において、前記加熱状態検出手段が、前記プローブによって攪拌接合された前記加工物の表面状態を監視する光学的監視手段であることを特徴とする。
【００３５】
攪拌接合が良好に行われているかを制御するためには、加工物とプローブとの接触部の温度を検知し、最適温度に制御することが好ましいが、プローブによって攪拌接合された前記加工物の表面状態を監視することにより、接合部の良否を判別して、前記光学的監視手段により発信される信号により、加熱手段を制御して加工物とプローブとの接触部の温度を最適に保持することができる。光学的監視手段としてはＣＣＤカメラ等の撮像装置が使用される。
【００３６】
また、上記課題を解決するために、本発明の接合加工物の生産方法は、請求項１乃至７のいずれか一の攪拌接合工具を用いて、請求項１乃至７のいずれか一の攪拌接合工具を用いて、予め加熱された前記プローブ又は前記ショルダにより前記加工物の接合部を加熱する工程と、加熱された前記接合部を前記プローブにより攪拌する工程と、攪拌した前記接合部を前記ショルダにより案内する工程とにより、前記プローブ及び前記ショルダを移動させながら加工物を攪拌接合することを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に従って詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るプローブ及びショルダ部の概念断面図を示す。図２は本発明の第１の実施の形態に係る熱電対を用いた制御概念図を示す。図３は本発明の第２の実施の形態に係る電動トルクを用いた制御概念図を示す。図４は本発明の第３の実施の形態に係る撮像装置を用いた制御概念図を示す。なお、図１乃至図４において、同じ構成の部分には同一の符号を付し、それらについての重複する説明は省略する。
【００３８】
（本発明の第１の実施の形態）
図１において、先端が加工物に挿入されるプローブ１は、ショルダ２と分離して駆動手段４により回転駆動され、図示Ｒの方向に回転される。プローブ１は下部ベアリング５及び上部ベアリング６により支持されて、ショルダ２の内部に格納されている。ショルダ２の回転は拘束されているが、ショルダ回転手段を設け、回転させることも可能である。ショルダ２内の下部ベアリング５及び上部ベアリング６に付いては当業者であれば容易に設置可能であり詳細の説明を省略する。プローブ１はショルダ内に押板９で上下動が拘束されている。ショルダ２の下部外面には加熱ヒータ３が巻かれている。下部ベアリング５と上部ベアリング６との間には空間を設け、ショルダ２に設けられた冷媒入口７より冷媒を投入して当該部を冷却し、加熱された冷媒を冷媒出口８より排出する。
【００３９】
また、加熱ヒータ３の代わりに誘導加熱コイルを使用することもできる。加熱ヒータ３又は誘導加熱コイルは、プローブ１とショルダ２の間に設置スペースを設け、プローブ１を加熱するように備えても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。更に、加熱には火炎トーチ又は温風装置或いは熱流体による加熱も利用できる。
【００４０】
プローブ１先端は加熱ヒータ３により加熱されたショルダ２を通して例えばアルミニウム合金における熱可撓性の融解点付近の約２００℃乃至融点以下の約６００℃に加熱され、回転しながら加工物に挿入される。加熱温度は、好ましくは２５０−５００℃、更に好ましくは３００−４５０℃の範囲で制御されるのが適当である。予め、プローブの挿入箇所を他の加熱手段で加熱をしておいても本発明の技術的範囲であることは言うまでもない。
【００４１】
また、加工物を加熱手段で加熱した場合は、摩擦攪拌接合のように摩擦熱による加熱に比較し、プローブとショルダの加熱も同時に行われるため、温度分布が広い範囲で高温になり、加工物の接合部は摩擦攪拌接合と異なった温度分布を示す。そのため、プローブとショルダの回転を分離し、プローブは加工物の攪拌に適した回転速度で回転し、ショルダは案内の役目をするため静止しておくこともできる。さらに、ショルダは加工物の整形に適した回転速度を設定することが好ましく、接合の条件によっては、ショルダがショルダ回転手段を有し、プローブと異なった回転速度を持つことも本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。
【００４２】
図２において、１１はショルダ２内に設置され、ショルダ２の温度を計測する熱電対を示す。熱電対１１はショルダ２の加工物に近い部分の温度を計測し、信号は温度発信機１２で処理され加熱ヒータ３を制御する加熱コントローラ１３に送られる。加熱コントローラ１３は該信号に基き、加熱ヒータの電源を断続又は電流を増減してショルダ２の温度を所定の値に制御する。このようにして、加工物の接合部の接合状態を制御することができる。
【００４３】
（本発明の第２の実施の形態）
プローブ１、ショルダ２及び加熱ヒータ３の構成に付いては本発明の第１の実施の形態と同様である。
【００４４】
図３において、プローブ１の駆動手段４を構成する図示しない電動モータの駆動電流を検知して、プローブ１の回転時に付加される駆動トルクを算出し、その算出値を信号として加熱コントローラ１３に送り、加熱コントローラ１３は該信号に基き、加熱ヒータの電源を断続又は電流を増減して電動トルクを所定の値に制御する。このようにして、加工物の接合部の接合状態を制御することができる。
【００４５】
（本発明の第３の実施の形態）
プローブ１、ショルダ２及び加熱ヒータ３の構成に付いては本発明の第１の実施の形態と同様である。
【００４６】
図４において、加工物２０の内部に挿入されたプローブ１は図示Ｄ方向に移動しながら接合部２１を形成していく。接合部２１が形成されたショルダ２を離れる直後の位置で接合部２１の表面をＣＣＤカメラ１４にて撮像し、その画像を加熱コントローラに信号として送る。加熱コントローラでは該信号を画像解析し、接合部２１の接合状態の良否を加熱状態と共に判断し、加熱ヒータの電源を断続又は電流を増減して画像状態を最適の状態に制御する。このようにして、加工物の接合部の接合状態を制御することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、プローブ又はショルダの寸法を小さくすることができ、それに伴って、加工物を効率良く、また、精度良く接合することができる。即ち、加工物の形状に合わせて、最適なプローブの径を設定できる。また、集積配管プレートの製造においては、隣り合う配管の距離を小さくすることができ、集積度を向上させ、集積配管の重量及び容積が減少する。
【００４８】
また、加工物の接合速度が、ツールによる摩擦熱が発生するまでの時間の都合により決定されるため接合速度に制限があるが、ショルダ又はプローブを加熱手段で加熱することにより、接合速度が速くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の態様に係るプローブ及びショルダ部の概念断面図。
【図２】本発明の第１の実施の態様に係る熱電対を用いた制御概念図。
【図３】本発明の第２の実施の態様に係る電動トルクを用いた制御概念図。
【図４】本発明の第３の実施の態様に係る撮像装置を用いた制御概念図。
【図５】従来の技術に係る摩擦攪拌接合方法の概念図。
【図６】従来の技術に係るアルミニウム系押出形材の摩擦攪拌接合方法で使用する各部材寸法を説明するための断面図。
【図７】従来の技術に係る集積配管プレートの製造方法の説明図であって、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図。
【符号の説明】
１  プローブ
２  ショルダ
３  加熱ヒータ
４  駆動手段
１１  熱電対
１３  加熱コントローラ
１４  ＣＣＤカメラ
【図１】
2004358513.tif 000003
【図２】
2004358513.tif 000004
【図３】
2004358513.tif 000005
【図４】
2004358513.tif 000006
【図５】
2004358513.tif 000007
【図６】
2004358513.tif 000008
【図７】
2004358513.tif 000009