(57)【要約】【課題】被接合物に設定される接合位置に、接合ツールを精度よくに没入可能な摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】回転停止状態で接合ツール４を被接合物３に没入し、没入後に接合ツール４を回転させ、被接合物３を摩擦撹拌する。接合ツール４は、ふれまわることなく被接合物３に没入する。これによって接合すべき目標接合位置からずれた位置に接合ツール４が没入することを防ぐことができる。すなわち接合すべき目標接合位置に精度よく接合ツールを没入して、目標接合位置で各被接合部材１，２をずれなく接合することができる。【選択図】      図１
2004337891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合部材によって構成される被接合物を、接合ツールによって固相撹拌して、各接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールを、回転停止した状態でその軸線と一致する基準方向に沿って移動させ、被接合物に没入させる没入工程と、
没入工程後に接合ツールをその軸線まわりに回転させて、接合ツールと被接合物との摩擦熱で被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合す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２】
撹拌工程後に、接合ツールを、回転停止した状態で基準方向に沿って移動させ、被接合物から離脱させる引抜工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
各被接合部材の複数の部分を順にスポット接合することを特徴とする請求項１または２記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
複数の被接合部材によって構成される被接合物を、接合ツールによって固相撹拌して、各接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める基準軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールを保持するツール保持部と、
ツール保持部を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
ツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、
接合ツールが被接合物に没入したことを判定する没入判定手段と、
回転駆動手段および変位駆動手段を制御する制御手段とを含み、
制御手段は、各駆動手段を制御して、接合ツールを、回転停止した状態でその軸線と一致する基準方向に沿って移動させ、没入判定手段の判定結果に基づいて接合ツールが被接合物に没入したことを判断すると、接合ツールをその軸線まわりに回転させることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
回転駆動手段は、サーボモータであることを特徴とする請求項４記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の被接合部材を接合する従来技術の方法として、摩擦撹拌接合方法がある。従来の技術の摩擦撹拌接合では、被接合部材が重ね合わされる被接合物の一方側に接合ツールを配置する。次に、接合ツールを、回転させながら被接合物に押付け、被接合物に没入させる。接合ツールは、摩擦熱によって各被接合部材を非溶融の状態で部分的に流動化し、流動化した部材を撹拌して各被接合部材を接合する（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の摩擦撹拌接合方法では、接合ツールを回転させながら被接合物に没入させる。接合装置の精度および剛性が低い場合などには、接合ツールの先端は、正確な位置からずれて回転し、いわゆるふれまわりを生じる。この場合、接合ツールは、被接合物に没入すべき目標接合位置からずれて被接合物に没入してしまう。これによって接合ツールを目標接合位置に精度よく没入させることができないという問題がある。
【０００５】
また被接合部材の複数の部分を順にスポット接合する場合がある。この場合、従来技術の摩擦撹拌接合方法では、接合ツールが没入する没入位置が、目標接合位置からずれてしまう。これによって没入位置の間隔を予め定める間隔にすることができず、接合強度がばらつくという問題がある。また目標接合位置と没入位置とのずれが大きい場合には、接合強度が低下する場合がある。また没入位置が目標接合位置からずれることで、美観が低下してしまう。
【０００６】
したがって本発明の目的は、被接合物に設定される目標接合位置に接合ツールを精度よく没入可能な摩擦撹拌接合方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物を、接合ツールによって固相撹拌して、各接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールを、回転停止した状態でその軸線と一致する基準方向に沿って移動させ、被接合物に没入させる没入工程と、
没入工程後に接合ツールをその軸線まわりに回転させて、接合ツールと被接合物との摩擦熱で被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合す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。
【０００８】
本発明に従えば、回転停止状態で接合ツールを被接合物に没入し、没入後に接合ツールを回転させて、被接合物を摩擦撹拌する。接合ツールは、ふれまわることなく被接合物に没入するので、接合すべき目標接合位置からずれた位置に接合ツールが没入することを防ぐことができる。接合ツールが没入すると、被接合物の目標接合位置には、接合ツールに嵌合する凹所が形成される。接合ツールは、この凹所に嵌り込んだ状態で回転することで、目標接合位置からずれることなく、目標接合位置で各被接合部材を接合することができる。
【０００９】
また本発明は、撹拌工程後に、接合ツールを、回転停止した状態で基準方向に沿って移動させ、被接合物から離脱させる引抜工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明に従えば、没入工程および引抜工程では、接合ツールの回転を停止する。被接合物を接合するためには、撹拌工程で接合ツールを回転すればよい。本発明では、摩擦撹拌接合するために接合ツールの回転が必要な撹拌工程について接合ツールを回転させる。これによって要求される接合強度を保った状態で、接合ツールが回転する時間を短くすることができ、接合動作に費やす接合エネルギーを低減することができる。
【００１１】
また本発明は、各被接合部材の複数の部分を順にスポット接合することを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、各被接合部材の複数の部分を順にスポット接合する。接合ツールは、前述したようにふれまわることなく、目標接合位置に精度よく没入する。これによって接合ツールが没入する没入位置の間隔のばらつきを抑えることができる。したがって被接合物ごとに均一な接合強度を達成することができる。また没入位置のばらつきを防ぐことによって、美観の低下を抑えることができる。
【００１３】
また本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物を、接合ツールによって固相撹拌して、各接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める基準軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールを保持するツール保持部と、
ツール保持部を基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
ツール保持部を基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、
接合ツールが被接合物に没入したことを判定する没入判定手段と、
回転駆動手段および変位駆動手段を制御する制御手段とを含み、
制御手段は、各駆動手段を制御して、接合ツールを、回転停止した状態でその軸線と一致する基準方向に沿って移動させ、没入判定手段の判定結果に基づいて接合ツールが被接合物に没入したことを判断すると、接合ツールをその軸線まわりに回転させる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、制御手段は、回転停止状態で接合ツールを被接合物に向かって移動させる。制御手段は、没入判定手段の判定結果に基づいて、接合ツールが被接合物に没入したことを判断すると、接合ツールを回転させて、被接合物を摩擦撹拌する。接合ツールは、ふれまわることなく被接合物に没入するので、接合すべき目標接合位置からずれた位置に接合ツールが没入することを防ぐことができる。接合ツールが没入すると、被接合物の目標接合位置には、接合ツールに嵌合する凹所が形成される。接合ツールは、凹所に嵌り込んだ状態で回転することで、目標接合位置からずれることなく、目標接合位置で各被接合部材を接合することができる。
【００１５】
また本発明は、回転駆動手段は、サーボモータであることを特徴とする。
本発明に従えば、制御手段がサーボモータの回転を制御して、接合ツールの回転を制御する。サーボモータは、短時間で目標とする回転速度に到達することができる。これによって接合ツールを没入させた後に、接合ツールを回転駆動した場合であっても、要求される回転速度に短時間で到達させることができ、接合効率を向上することができる。
【００１６】
【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方法の接合手順を示す断面図であり、図１（１）〜図１（４）の順で操作が進む。摩擦撹拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：略称ＦＳＷ）は、被接合物３として構成される複数の被接合部材１，２を接合する。たとえば摩擦撹拌接合方法は、後述する摩擦撹拌接合装置５０を用いて、被接合部材１，２を局所的に接合するスポット接合に用いられる。
【００１７】
摩擦撹拌接合は、円筒状の接合ツール４を用いて行われる。接合ツール１は、略円柱状に形成される本体部５と、本体部５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６とを有する。本体部５は、軸線方向一方Ａ１側端面となるショルダ面７を有する。ショルダ面７は、接合ツール４の軸線Ｌ１に対して略垂直に形成される。ピン部６は、ショルダ面７から垂直に突出する。本体部５とピン部６とは、同軸に形成され、ピン部６の外形は、本体部５の外形よりも小さく形成される。またピン部６の先端部は、被接合物３に没入しやすくするために凸形状に形成されることが好ましい。
【００１８】
各被接合部材１，２を接合するためには、接合ツール４を没入させた状態で、回転させながら被接合物３に摺動する。これによって被接合物３は、摩擦熱によって流動化し、流動化した部分が撹拌される。被接合物３のうち流動化した各被接合部材１，２が互いに混ぜ合わされる。この後、流動化した部分が固まることによって、各被接合部材１，２が接合される。被接合部材１，２は、たとえばアルミ合金から成る。
【００１９】
図２は、摩擦撹拌接合装置５０を簡略化して示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置５０（以下単に接合装置５０と称する）は、摩擦撹拌接合を行うための装置である。摩擦撹拌接合装置５０は、たとえばプレス成形される自動車ボディ用パネルの接合などに用いられる。また摩擦撹拌接合装置５０は、被接合物３に対してスポット接合を複数回連続して行う連続施行に用いられる。
【００２０】
接合装置５０は、前述した接合ツール４が装着される。接合装置５０は、予め設定される基準軸線を有する。接合ツール４は、その軸線Ｌ１が前記基準軸線に一致するように、接合装置５０に装着される。
【００２１】
このとき、接合ツールの軸線Ｌ１と接合装置５０の基準軸線とは、同軸となる。したがって接合装置５０の基準軸線を、接合ツール４の軸線と同じ参照符号Ｌ１で示す。また基準軸線Ｌ１に沿う基準方向と接合ツール４の軸線方向Ａとは、一致する。したがって基準方向を、接合ツール４の軸線方向と同じ参照符号Ａを付する。基準方向一方Ａ１は、ツール保持部５１から受け台５４に向かう方向であり、基準方向他方Ａ２は、軸線方向一方Ａ１に対して向きが逆となる方向である。
【００２２】
接合装置５０は、ツール保持部５１と、回転駆動手段５２と、変位駆動手段５３と、受け台５４と、基台５５とを含んで構成される。ツール保持部５１は、接合ツール４を着脱可能に保持する。回転駆動手段５２は、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。変位駆動手段５３は、ツール保持部５１を基準方向Ａに変位駆動する。
【００２３】
各駆動手段５２，５３は、サーボモータを含んで実現される。サーボモータは、予め定める回転速度となるように、与えられる付与電流がフィードバック制御される。サーボモータは、短時間で目標とする回転速度にすることができ、たとえば約０．１秒で目標とする回転速度に到達することができる。
【００２４】
受け台５４は、ツール保持部５１に対して基準方向Ａに関して対向する位置に設けられて、接合ツール４と反対側から被接合物３を支持する。基台５５は、ロボットアーム６３の先端部に連結され、ツール保持部５１、各駆動手段５２，５３および受け台５４を直接または間接的に支持する。ロボットアーム６３は、６軸多関節ロボットに代表されるロボットによって実現される。
【００２５】
基台５５は、ロボットアーム６３によって変位駆動される。また基台５５は、いわゆるＣガンであって、略Ｃ字状に形成される。受け台５４は、Ｃ字状に形成される基台５５の周方向一端部５５ａに設けられる。またツール保持部５１は、Ｃ字状に形成される基台５５の周方向他端部５５ｂに設けられる。
【００２６】
接合装置５０は、接合ツール４の位置を検出するツール位置検出手段７０と、接合ツール４が被接合物３に与えるツール加圧力を検出する加圧力検出手段７１とを有する。ツール位置検出手段７０および加圧力検出手段７１は、接合ツール４が被接合物３に接触したことを検出する接触状態検出手段となる。
【００２７】
ツール位置検出手段７０は、ツール変位駆動用のサーボモータに設けられるエンコーダによって実現される。加圧力検出手段７１は、ツール変位駆動用のサーボモータのツール加圧力に比例する電流を検出する。この電流値の値に基づいて、ツール加圧力が推定される。
【００２８】
また接合装置５０は、接合ツール４の回転速度を検出する回転速度検出手段７２と、接合ツール４が回転するために必要なツール負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段７３とを有する。回転速度検出手段７２は、ツール回転駆動用のサーボモータに設けられるエンコーダによって実現される。また負荷トルク検出手段７３は、ツール回転駆動用のサーボモータのツール負荷トルクに比例する電流を検出する。この電流値に基づいて、ツール負荷トルクが推定される。
【００２９】
また接合装置５０は、制御手段６５を含む。制御手段６５は、回転駆動手段５２および変位駆動手段５３を制御する。また制御手段６５は、ツール位置検出手段７０、加圧力検出手段７１、回転速度検出手段７２および負荷トルク検出手段７３から検出結果を示す信号が与えられる。本実施の形態では、制御手段６５は、ロボットアーム６３を駆動するロボットアーム駆動手段６７を制御して、ロボットコントローラを兼用する。また制御手段６５は、接合ツール４が被接合物３に没入したことを判断する没入判定手段を兼用する。
【００３０】
図３は、摩擦撹拌接合方法の動作手順を示すフローチャートである。図１および図３を参照して、摩擦撹拌接合方法について説明する。まずステップａ０で、作業者などが、接合ツール４をツール保持部５１に装着する。また被接合物３を予め定める保持位置に保持する。このような接合準備が完了すると、ステップａ１に進み、制御手段６５が接合動作を開始する。
【００３１】
ステップａ１では、制御手段６５は、ロボットアーム駆動手段６７を制御し、ロボットアーム６３によって基台５５を予め定める接合待機位置に変位移動させる。接合待機位置に基台５５が配置されると、接合ツール４は、被接合物３に設定される目標接合位置に対して基準方向Ａに間隔を開けて配置される。また受け台５４は、接合ツール４と反対側から被接合物３に当接する。このように接合ツール４を接合待機位置に移動させると、ステップａ２に進む。
【００３２】
ステップａ２では、制御手段６５は、変位駆動手段５３を制御し、ツール保持部５１を基準方向一方Ａ１に移動させる。これによって図１（１）に示すように、接合ツール４が、被接合物３に近接する方向Ａ１に移動する。このとき、制御手段６５は、回転駆動手段５２を制御し、回転停止した状態でツール保持部５１を移動させる。接合ツール４は、受け台５４に向かって移動すると、図１（２）に示すように、被接合物３に当接して被接合物３に没入する。被接合物３に接合ツール４が没入すると、ステップａ３に進む。
【００３３】
ステップａ３では、制御手段６５は、接合ツール４が被接合物３に没入したことを判断する。制御手段６５は、接合ツール４が被接合物３に没入した後、回転駆動手段５３を制御し、ツール保持部５１を回転させる。接合ツール４は、被接合物３に没入後、図１（３）に示すように回転しながら被接合物３に摺動し、いわゆる摩擦撹拌を行い、ステップａ４に進む。
【００３４】
本実施の形態では、制御手段６５は、加圧力検出手段７１の検出結果に基づいて、ツール加圧力が予め定める加圧力よりも大きくなったことを判定すると、接合ツール４が被接合物３に接触したことを判断する。または制御手段６５は、ツール位置検出手段７０の検出結果に基づいて、ツール位置が予め定める被接合物３の表面位置に達したことを判定して、接合ツール４が被接合物３に接触したことを判断する。
【００３５】
そして制御手段６５は、接合ツール４が被接合物３に接触したことを判断してから、予め定める第１設定時間Ｗ２が経過すると、接合ツールが被接合物３に没入したことを判断し、接合ツール４の回転を開始する。
【００３６】
ステップａ４では、制御手段６５は、接合ツール４が被接合物３に当接してから、予め定める撹拌時間Ｗ１が経過したか否かを判定する。撹拌時間Ｗ１が経過すると、ステップａ５に進み、そうでないと接合ツール４による摩擦撹拌を継続する。
【００３７】
ステップａ５では、制御手段６５は、変位駆動手段５３を制御し、ツール保持部５１を基準方向他方Ａ２に移動させる。これによって図１（４）に示すように、接合ツール４が被接合物３から離反する方向Ａ２に移動する。また制御手段６５は、回転駆動手段５２を制御してツール保持部５１の回転を停止する。接合ツール４を接合待機位置に移動させるとともに、ツール保持部５１の回転を停止すると、ステップａ６に進み、制御手段６５は、接合動作を終了する。
【００３８】
接合ツール４の回転速度は、予め定める速度で回転される。予め定める回転速度は、一定であってもよく、時間経過とともに変化してもよい。また接合ツール４が被接合物３に当接してから撹拌時間Ｗ１を経過するまでに、接合ツール４は、予め定める加圧力を被接合物３に与える。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。
【００３９】
図４は、接合ツール４の位置と接合ツール４の状態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）に接合ツール４の変位位置を示し、図４（２）に接合ツール４の移動状態を示し、図４（３）に接合ツールの回転状態を示す。
【００４０】
前述したステップａ２で変位駆動手段５３が制御されると、接合ツール４は、第１時刻Ｔ１以後、時間経過とともに被接合物３に近接する方向Ａ１に移動する。接合ツール４は、第２時刻Ｔ２で、ピン部６の端面１１が被接合物３に回転停止した状態で衝突し、ピン部６の先端部が被接合物３に没入する。これによって被接合物３には、凹所が形成される。ピン部６の先端部は、この凹所に嵌合する。接合ツール４は、ピン部６の先端部が被接合物３に没入しても、さらに基準方向一方Ａ１に変位駆動される。
【００４１】
接合ツール４は、第２時刻Ｔ２から予め定める第１設定時間Ｗ２経過すると、回転開始時刻Ｔ７に達して回転を開始する。接合ツール４は、回転開始時刻Ｔ７以降、回転しながら被接合物３に没入し、第３時刻Ｔ３でショルダ面７が被接合物３に当接する。第３時刻Ｔ３以降、接合ツール４は、ほとんど基準方向一方Ａ１に移動せず、被接合物３を摩擦撹拌する。
【００４２】
具体的には、ショルダ面７が被接合物３に摺動して、被接合物３は、接合ツール４との摩擦熱によって軟化および流動化する。またピン部６の回転によって、被接合物３の流動化した部分が撹拌されて、被接合物３のうち流動化した各被接合部材１，２が互いに混ぜ合わされる。
【００４３】
接合ツール４は、第２時刻Ｔ２から、予め定める撹拌時間Ｗ１に到達するまで、被接合物３への摺動回転を継続する。撹拌時間Ｗ１に到達して第４時刻Ｔ４となると、接合ツール４は、被接合物３から離反する方向Ａ２に移動し、第５時刻Ｔ５で接合待機位置に戻る。接合ツール４が被接合物３から離脱した後、各被接合部材１，２の流動化した部分が固まることによって、各被接合部材１，２が接合される。
【００４４】
撹拌時間Ｗ１は、被接合物３が十分に流動化および撹拌する時間に設定され、たとえば１．４秒に設定される。撹拌時間Ｗ１が経過するまで、接合ツール４を回転させることによって、軟化した被接合物３を十分に流動化して撹拌して各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせることができる。
【００４５】
ツール保持部５１を回転させる回転開始時刻Ｔ７は、接合ツール４が被接合物３に当接して没入する第２時刻Ｔ２以降であればよい。本実施の形態では、第２時刻Ｔ２から予め定める第１設定時間Ｗ２経過後に接合ツール４を回転させる。また接合ツール４は、ショルダ面７が被接合物３に当接する前に回転を開始する。たとえば第１設定時間Ｗ２は０．０１秒以上でかつ０．２０秒以下に設定される。またたとえば接合ツール４が被接合物３に没入する没入速度が既知な場合、第１設定時間Ｗ２は、ピン部６の軸線方向長さ分だけ接合ツール４が没入する期間よりも短く設定される。これによって確実にショルダ面７が被接合物に当接する前に回転を開始することができる。たとえば第１設定時間Ｗ２は、接合ツール４の先端が被接合物３に０．３ｍｍ以上でかつ０．５ｍｍ以下没入する時間に設定される。
【００４６】
またツール保持部５１の回転を停止させる回転停止時刻Ｔ８は、第４時刻Ｔ４以降であればよい。また回転停止時刻Ｔ８は、好ましくは、作業が終了する第５時刻Ｔ５よりも前であることが好ましい。本実施の形態では、第４時刻Ｔ４から予め定める第２設定時間Ｗ３経過後に接合ツール４の回転を停止する。たとえば、第２設定時間Ｗ３は、０．０１秒以上でかつ０．２０秒以下に設定される。制御手段６５は、前述したように接合ツール４が動作するように、各駆動手段５２，５３を制御する。
【００４７】
図５は、本実施の形態における接合ツール４の回転速度Ｖ１および接合ツール４が被接合物３に与える加圧力Ｆ１の時間変化を示すグラフである。また図６は、比較例における接合ツール４の回転速度Ｖ２および接合ツール４が被接合物３に与える加圧力Ｆ２の時間変化を示すグラフである。
【００４８】
接合ツール４は、予め定める加圧力で被接合物３を押圧するように設定される。ただし第２時刻Ｔ２で被接合物３に当接したときには、被接合物３に与える加圧力が瞬間的に高くなる。
【００４９】
本発明の実施の形態の摩擦撹拌接合方法（以後単に本実施の形態と称する）では、接合ツール４は、回転を停止した状態で被接合物３に当接して、予め定める加圧力σ１よりも高い瞬間的な加圧力σ２を被接合物３に与える。そして被接合物３にピン部６の先端部が没入する凹所を形成する。接合ツール４は、ふれまわりしていない状態で被接合物３に没入するので、予め設定される目標接合位置に凹所を穿つことができる。凹所にピン部６が嵌合した状態で、接合ツール４は回転を開始する。
【００５０】
これに対して図６に示す比較例の摩擦撹拌接合方法（以後単に比較例と称する）では、接合ツール４は、回転した状態で被接合物３に衝突する。ピン部６の先端部は、ふれまわりした状態で被接合物４に衝突するので、接合ツール４は、予め設定される目標接合位置からずれた位置に凹所を穿つ場合がある。また被接合物３の表面が湾曲している場合には、接合ツールは、回転しながら没入することによって、目標接合位置からスライドすることがある。このような場合には、目標接合位置とは異なる位置に接合ツール４が没入してしまう。また目標接合位置に凹所を穿つための瞬間的に大きな加圧力σ２を被接合物３に与えることがない。
【００５１】
以上のように、本実施の形態の摩擦撹拌接合方法に従えば、回転停止状態で接合ツール４を被接合物３に没入させることで、目標接合位置にピン部６が嵌合する凹所をずれなく穿つことができる。そして接合ツール４は、ピン部６がその凹所に嵌合した状態で、回転して被接合物３を摩擦撹拌する。
【００５２】
このように接合ツール４は、被接合物３の目標接合位置に正確に穿たれた凹所に嵌り込んだ状態で回転する。被接合物３に穿たれた凹所は、ドリル加工におけるセンタポンチ穴の役割を果たし、接合ツール４を目標接合位置に精度よく没入させることができる。これによって目標接合位置で各被接合部材接合１，２を接合することができる。
【００５３】
たとえば被接合物３の表面が湾曲している場合であっても、接合ツール４は、凹所を穿つための瞬間的に大きな加圧力σ２を被接合物３に与えることで、凹所が目標接合位置からずれることを防ぐことができ、また凹所を深く形成することができる。これによって被接合物３が湾曲している場合であっても、接合ツール４が目標接合位置からずれることを防止することができる。
【００５４】
また接合ツール４が回転しながら被接合物３に没入する場合には、基準軸線Ｌ１と交差する方向に反力を受けて目標接合位置からずれることがある。しかし接合ツール４が回転停止した状態で被接合物３に没入することで、接合ツール４は、基準軸線Ｌ１と直交する方向に反力を受けず、基準軸線Ｌ１と直交する方向にずれることを防止することができる。
【００５５】
またピン部６の先端部が凸形状に形成されることによって、より容易に凹所を形成することができる。またピン部６が被接合物３に没入した後であってショルダ面７が当接する前に接合ツール４が回転することによって、ショルダ面７が当接してから回転開始する場合に比べて、回転開始時に与えられる抵抗を小さくすることができる。また摩擦撹拌接合にあたって、受け台５４が接合ツール４と反対側から被接合物３に当接して支持することによって、接合ツール４が大きい加圧力を瞬間的に被接合物３に与えても、被接合物３が変形することを防止することができる。
【００５６】
また被接合物３に接合ツール４を没入する没入工程においては、接合ツール４の回転を停止する。このように本実施の形態では、摩擦撹拌接合するために接合ツール４の回転が必要な撹拌工程について接合ツール４を回転させる。これによって要求される接合強度を保った状態で、接合ツールが回転する時間を短くすることができ、接合エネルギーを低減することができる。
【００５７】
またさらに接合ツール４を被接合物３から離脱させる離脱工程において、第４時刻Ｔ４から予め定める第２設定時間Ｗ３経過後に接合ツール４の回転を停止する。第４時刻Ｔ４以降となる離脱工程においても、接合ツール４の回転を停止することによって、さらに接合エネルギーを低減することができる。また第４時刻Ｔ４とともに接合ツール４の回転を停止することが好ましい。
【００５８】
また制御手段６５が、サーボモータの回転を制御して、接合ツール４の回転を制御する。サーボモータは、短時間で目標とする回転速度に到達することができる。これによって接合ツールを没入させた後に、接合ツールを回転駆動した場合であっても、要求される接合強度を達成することができる回転速度に短時間で到達させることができる。これによって接合効率を向上することができる。
【００５９】
また接合ツール４が被接合物３に与えた加圧力の変化に基づいて、接合ツール４が被接合物３に接触したか否かを判定する場合、確実に接合ツール４が接触したことを判断することができる。たとえば被接合物３の板厚にばらつきがある場合であっても接合ツール４が被接合物３に接触したことを判定できる。
【００６０】
またツール位置の変化に基づいて、接合ツール４が被接合物３に接触したか否かを判定する場合、接合ツールが予め定められる没入量に達した時に、接合ツールの回転を開始することができる。これによって接合ツール４を過不足なく被接合物３に没入させることができる。またツール位置の変化に基づくことによって、受け台側の被接合物４の表面と、接合ツール先端との距離である残板厚を把握しながら、接合ツール４を被接合物３に没入させることができる。これによって接合ツール４が被接合物４から突き抜けることを防ぎ、接合品質を向上することができる。
【００６１】
このように制御手段６５は、ツール加圧力およびツール位置の少なくともいずれかに基づいて、接合ツール４が被接合物３に接触したことを判断する。ツール加圧力およびツール位置のいずれに基づいて接合ツール４の接触状態を判断するかは、接合条件に応じて選択される。またツール加圧力およびツール位置の両方に基づいてもよく、この場合、接合ツールの接触状態をさらに精度よく判断することができる。
【００６２】
図７は、接合後に被接合物３に形成される接合跡３０ａ，３０ｂを示す斜視図である。たとえば被接合物３には、横方向Ｙ同位置で、縦方向Ｘに複数の目標接合位置が並んで設けられる。接合装置５０は、縦方向Ｘに並んだ複数の目標接合位置で各被接合部材１，２を接合する。なお縦方向Ｘおよび横方向Ｙは、基準軸線Ｌ１に垂直な方向である。縦方向Ｘおよび横方向Ｙは、互いに直交し、横方向Ｙは、基台５５に連結されるロボットアーム６３が延びる方向である。接合装置５０は、ロボットアーム６３によってそれぞれの目標接合位置に順に移動されることによって、各被接合部材１，２の複数の部分にスポット接合することができる。
【００６３】
図８は、打点間隔誤差を示す棒グラフである。図８に示す一方のグラフ棒３１に比較例の打点間隔誤差を示し、図８に示す他方のグラフ棒３２に本実施の形態の打点間隔誤差を示す。打点間隔Ｄは、図７に示すように、一方の接合跡３０ａから他方の接合跡３０ｂまでの距離である。打点間隔誤差は、理想的な打点間隔に対する実際の打点間隔Ｄの誤差を示す。
【００６４】
具体的には、理想的な打点間隔と実際の打点間隔Ｄとの差を絶対値で表わし、打点間ごとに前記絶対値を平均して求める。たとえば実験結果の一例を示すと、比較例における打点間隔誤差３１は、０．１１ｍｍであるのに対し、本実施の形態における打点間隔誤差３２は、０．０１ｍｍと非常に小さい。すなわち本実施の形態に従えば、打点間隔Ｄのずれを小さくすることができる。
【００６５】
図９は、複数のうち最初の目標接合位置で各被接合部材１，２を接合した場合、したがって一打目におけるツールぶれ量を示す棒グラフである。図９に示す一方のグラフ棒３３に比較例のツールぶれ量Ｅの最大値を示し、図９に示す他方のグラフ棒３４に本実施の形態のツールぶれ量Ｅの最大値を示す。ここでツールぶれ量Ｅは、以下の式によって表わされる。
【００６６】
【数１】
2004337891.tif 000003
【００６７】
上式において、ΔＸは、縦方向Ｘにおける目標接合位置から接合動作時の接合ツール４の位置を減算した量であり、ΔＹは、横方向Ｙにおける目標接合位置から接合動作時の接合ツール４の位置を減算した量である。
【００６８】
たとえば実験結果の一例を示すと、比較例における１打目のツールぶれ量Ｅの最大値は、０．８４ｍｍであるのに対し、本実施の形態のツールぶれ量Ｅの最大値は、０．４４ｍｍである。すなわち本実施の形態に従えば、１打目におけるツールぶれ量の最大値を小さくすることができる。
【００６９】
図１０は、複数のうち最初以外の目標接合位置で各被接合部材１，２を接合した場合、したがって二打目以降におけるツールぶれ量を示す棒グラフである。図１０に示す一方のグラフ棒３５に比較例のツールぶれ量Ｅの最大値を示し、図１０に示す他方のグラフ棒３６に本実施の形態のツールぶれ量Ｅの最大値を示す。
【００７０】
２打目以降では、以前に被接合物４に没入させた接合ツール３の影響によって被接合物３の表面が湾曲する。したがって最初の接合跡３０ａの近傍に接合ツール４を没入すると、そのツールぶれ量が１打目に比べて大きくなる。
【００７１】
たとえば実験結果の一例を示すと、２打目以降における比較例のツールぶれ量Ｅの最大値は、１．６０ｍｍであるのに対し、本実施の形態のツールぶれ量Ｅの最大値は、１．２７ｍｍである。すなわち本実施の形態に従えば、２打目以降におけるツールぶれ量も小さくすることができる。
【００７２】
図１１は、接合ツール４のツールぶれ量Ｅおよびツール位置の時間変化を示すグラフである。図１１（１）は、ツールぶれ量Ｅの時間変化を示し、図１１（２）は、接合動作における接合ツール４の横方向Ｙ位置の時間変化を示し、図１１（３）は、接合動作における接合ツール４の縦方向Ｘ位置の時間変化を示す。図１１には、理想的な接合ツール４の位置の時間変化を実線２０によって示す。また本実施の形態における接合ツール４の位置の時間変化を破線２２によって示す。また比較例おける接合ツール４の位置の時間変化を一点鎖線２１によって示す。
【００７３】
接合ツール４が最初の接合部分に没入している期間である１打目評価期間、および次の接合部分に没入している期間である２打目評価期間に注目する。図１１（１）に示すように、本実施の形態における接合ツール４のツールぶれ量Ｅは、第１打目評価期間および第２打目評価期間のほぼ全域にわたって、比較例よりも低くなる。
【００７４】
また図１１（２）に示すように、横方向Ｙ位置について、第１打目評価期間では、本実施の形態では目標接合位置とほぼ同じ位置に接合ツール４を没入させることができる。しかしながら比較例では横方向Ｙ位置について、ふれまわりながら被接合物に接触するので、目標接合位置からずれた位置に接合ツール４が没入してしまう。このような実験例では、ロボットアーム６３のＹ方向の剛性が、Ｘ方向の剛性に比べて高いので、比較例と本実施の形態との差が顕著に表れる。
【００７５】
また接合ツール４が没入することによって、２打目では、その被接合物３の表面が湾曲する。この場合、第１打目に近接した位置に第２打目として接合ツール４を没入させると、比較例では、被接合物３の湾曲に沿って接合ツール４がスライドしてしまい、目標接合位置からずれた位置に接合ツール４が没入する。しかしながら本実施では、回転していないので接合ツール４のずれ量を比較例に比べて少なくすることができる。
【００７６】
図１１（３）に示すように、縦方向Ｘ位置について、第１打目評価期間では、比較例とほぼ同様にずれてしまう場合がある。これは実験例に用いたロボットアーム６３の剛性が横方向Ｙに比べて小さいからである。しかしながら回転停止した状態で接合ツールを没入させることによって、２打目以降は、本実施の形態では、被接合物３の湾曲に沿って接合ツール４がスライドすることがなく、接合ツール４のずれ量を比較例に比べて少なくすることができる。
【００７７】
以上のように、被接合部材１，２の複数の部分に順にスポット接合する場合であっても、接合ツール４は、ふれまわることないので目標接合位置に精度よく没入させることができる。これによって図８に示すように、接合ツール４が没入する没入位置の間隔のばらつきを抑えることができる。したがって接合強度のばらつきを防いで、均一な接合強度を達成することができる。また図９および図１０に示すように、１打点目および２打点目に係らず、ツールぶれ量Ｅを小さくすることができる。これによって本実施の形態の摩擦撹拌接合は、スポット接合に好適に用いることができる。
【００７８】
また１打点目の接合跡３０ａに近接した位置に２打点目として接合ツール４を没入する場合であっても、接合ツール４のぶれ量Ｅを小さくすることができる。これによって接合強度を向上するために打点間隔Ｄを小さくしても、接合強度にばらつきが生じることを防ぎ、接合品質を向上することができる。
【００７９】
図１２は、接合装置５０の一部を拡大して示す断面図である。以下に接合装置５０の具体的な構成の一例示を説明する。ツール保持部５１は、接合ツール４を着脱可能に保持する。ツール保持部５１は、基準軸線Ｌ１まわりに回転自在に設けられるとともに、基準軸線Ｌ１に沿って移動自在に設けられる。ツール保持部５１は、後述する可動部５９の把持部分５９ａに回転自在に支持される。
【００８０】
ツール保持部５１は、略円筒状に設けられ、基準軸線Ｌ１に同軸に設けられる。ツール保持部５１は、外周部に基準方向Ａに平行な方向に延びる外スプライン４７が形成される。したがってツール保持部５１は、スプライン軸として形成される。またツール保持部５１は、その基準方向一方Ａ１側の端部４８で、接合ツール４の軸線方向他方Ａ２側の端部４９を把持する。これによって接合ツール４は、ツール保持部５１とともに変位移動および回転移動する。
【００８１】
回転駆動手段５２は、回転支持部５６と、回転モータ５７と、回転用伝達部５８とを有する。回転モータ５７は、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるための駆動源である。回転モータ５７は、サーボモータによって実現される。回転モータ５７は、予め定める回転速度で回転するために、与えられる電流がフィードバック制御される。
【００８２】
回転用伝達部５２は、ツール保持部５１の外スプライン４７が嵌り込むスプライン受け４６が設けられる。スプライン受け４６は、ツール保持部５１の基準方向Ａへの移動を許容した状態で、ツール保持部５１と一体的に回転する。また回転用伝達部５８は、回転モータ５７からの回転力をスプライン受け４６に伝達するベルト回転伝達機構４５を有する。
【００８３】
回転モータ５７が回転すると、回転用伝達部５８によって回転力が伝達され、スプライン受け４６が基準軸線Ｌ１まわりに回転する。スプライン受け４８は、ツール保持部５１の外スプライン４７と嵌合しているので、スプライン受け４８とともにツール保持部５１および接合ツール４が回転する。
【００８４】
変位駆動手段５３は、可動部５９と、変位支持部６０と、変位モータ６１と、移動用伝達部６２とを有する。支持部６０は、可動部５９を基準方向Ａに変位自在に支持する。変位モータ６１は、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるための駆動源である。変位モータ６１は、サーボモータによって実現される。変位モータ６１は、予め定める回転速度で回転するために、与えられる電流がフィードバック制御される。
【００８５】
移動用伝達部６２は、基準軸線Ｌ１に同軸に延びるボールねじ軸４４が設けられる。ボールねじ軸４４は、可動部５８に設けられるボールねじ受け部分５９ｄに螺合して、ボールねじ機構を実現する。また移動用伝達部６２は、変位モータ６１からの回転力をボールねじ軸４４に伝達するベルト回転伝達機構４５を有する。
【００８６】
可動部５９は、把持部分５９ａと、案内部分５９ｂと、前記ボールねじ受け部分５９ｄと、連結部分５９ｃとを含んで構成される。把持部分５９ａは、ツール保持部５１を基準軸線Ｌ１まわりに回転可能に支持する。案内部分５９ｂは、支持部６０に案内されて、基準方向Ａ以外の方向への変位が阻止される。たとえば支持部６０と案内部分５８とは、いずれか一方がレールであって、いずれか他方がレールに嵌合するスライドレールとであり、これらレールとスライドレールとで、スライド移動機構を実現する。また連結部分５８ｃは、案内部分５８ｂと、把持部分５８ａと、ボールねじ受け部分５９ｄとを一体に連結する。
【００８７】
変位モータ６１が回転すると、変位用伝達部６２によって回転力が伝達され、ボールねじ軸４４が基準軸線Ｌ１まわりに回転する。ボールねじ軸４４は、可動部５９のボールねじ受け部分５９ｄと螺合しており、ボールねじ軸４４の回転とともに可動部５９が基準方向Ａに移動する。ツール保持部５１は、可動部５９に支持されているので、可動部５９とともに基準方向Ｌ１に移動する。
【００８８】
このような構成によって、接合装置５０は、各モータを駆動することによって、装着される接合ツール４を回転駆動するとともに、基準方向Ａに変位駆動することができる。接合装置５０は、ボールねじ機構によって、変位モータ６１からの回転力を、接合ツール４を変位駆動する直進力に変換することによって、接合ツール４が被接合物から瞬間的に大きな反力を受けても、変位モータ６１に反力が伝達することが防止される。
【００８９】
また前述した接合装置５０の構成は、発明の実施の一形態である。したがって接合ツール４を回転駆動および変位駆動であれば、他の構成によって実現されてもよい。
【００９０】
以上のような本発明の実施の形態は、本発明の実施の一形態であって、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば加圧力検出手段７１は、ツール加圧力に比例するサーボモータの電流を検出するとしたが、他の手段であってもよい。たとえばツール加圧力を測定するロードセルであってもよい。この場合、ロードセルは、受け台５４に設けられ、予め定める加圧力よりも大きい加圧力が与えられると接合ツール４が被接合物３に接触したことを判定し、判定結果を制御手段に与える。またツール位置検出手段７０は、変位センサなどによって実現されてもよい。また制御手段６５は、ロボットコントローラと別体に設けられてもよい。この場合、ロボットコントローラから接合開始指令を受けて制御手段６５は、接合動作を開始する。また被接合部材１，２は、アルミ合金であるとしたが、接合ツールよりも軟質の材料であれば、アルミ合金に限定されない。また被接合部材は、２枚以上複数枚重ねられてもよい。
【００９１】
【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、回転停止状態で接合ツールを没入することによって、接合すべき目標接合位置に精度よく接合ツールを没入して、目標接合位置からずれることなく各被接合部材を接合することができる。これによって被接合物ごとの没入位置がばらつくことを抑え、被接合物の接合品質を均一化することができる。また目標接合位置に精度よく接合ツールを没入できるので、被接合物の美観の低下を抑えることができる。
【００９２】
また請求項２記載の本発明によれば、接合に必要な時間だけ接合ツールを回転させる。これによって要求される各被接合部材の接合強度を保つとともに、摩擦撹拌接合に必要な接合エネルギーを低減することができ、生産コストを低減することができる。特に被接合物の複数の部分を順にスポット接合する場合には、より顕著に接合エネルギーを低減することができる。
【００９３】
また請求項３記載の本発明によれば、接合ツールが没入する没入位置の間隔を予め定める間隔にすることができる。これによって被接合物ごとに接合強度にばらつきが生じることを防止して、要求される接合強度に保つことができる。また没入位置を目標接合位置にずれなく並べることで、被接合物の美観が低下することを抑えることができる。
【００９４】
また請求項４記載の本発明によれば、回転停止状態で接合ツールを没入することによって、目標接合位置に精度よく接合ツールを没入して、目標接合位置からずれることなく各被接合部材を接合することができる。これによって被接合物ごとの没入位置がばらつくことを抑え、被接合物の接合品質を均一化することができる。また目標接合位置に精度よく接合ツールを没入できるので、被接合物の美観の低下を抑えることができる。
【００９５】
また請求項５記載の本発明によれば、サーボモータを用いて接合ツールを回転駆動することによって、回転速度および回転期間を細かく制御することができる。これによって接合ツールを没入させた後に、接合ツールを回転駆動しても、接合品質が低下することを防止することができる。
【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方法の接合手順を説明するために、接合ツール４の状態を示す断面図である。
【図２】摩擦撹拌接合装置５０を簡略化して示すブロック図である。
【図３】摩擦撹拌接合方法の動作手順を示すフローチャートである。
【図４】接合ツール４の位置と接合ツール４の状態との時間的関係を示すタイミングチャートである。
【図５】本実施の形態の摩擦撹拌接合における接合ツール４の回転速度Ｖ１および加圧力Ｆ１の時間変化を示すグラフである。
【図６】比較例の摩擦撹拌接合における接合ツールの回転速度Ｖ２および加圧力Ｆ２の時間変化を示すグラフである。
【図７】接合後に被接合物３に形成される打点跡を示す斜視図である。
【図８】打点間隔誤差を示す棒グラフである。
【図９】複数のうち最初の目標接合位置で各被接合部材１，２を接合した場合におけるツールぶれ量を示す棒グラフである。
【図１０】複数のうち最初以外の目標接合位置で各被接合部材接合１，２を接合した場合におけるツールぶれ量を示す棒グラフである。
【図１１】接合ツールのツールぶれ量およびツール位置の時間変化を示すグラフである。
【図１２】接合装置５０の一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１  被接合部材
２  被接合部材
３  被接合物
４  接合ツール
５  本体部
６  ピン部
５０  摩擦撹拌接合装置
５１  ツール保持部
５２  回転駆動手段
５３  変位駆動手段
５４  受け台
５５  基台
６５  制御手段
７０  ツール位置検出手段
７１  加圧力検出手段
７２  回転速度検出手段
７３  負荷トルク検出手段
Ｌ１  接合ツールの軸線、摩擦撹拌接合装置の基準軸線
Ａ  接合ツールの軸線方向、基準方向
【図１】
2004337891.tif 000004
【図２】
2004337891.tif 000005
【図３】
2004337891.tif 000006
【図４】
2004337891.tif 000007
【図５】
2004337891.tif 000008
【図６】
2004337891.tif 000009
【図７】
2004337891.tif 000010
【図８】
2004337891.tif 000011
【図９】
2004337891.tif 000012
【図１０】
2004337891.tif 000013
【図１１】
2004337891.tif 000014
【図１２】
2004337891.tif 000015