(57)【要約】      （修正有）【課題】母材や開先線が前後や左右にずれてしまう恐れを解消し、母材の軟化領域部分を引きちぎってしまう恐れを防止し、母材と充てん材が簡単に面一になる状態で接合する。【解決手段】下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）１２により前記２つの押圧部材が連結若しくは対峙してなるボビンツール１を有する摩擦攪拌接合装置において、前記両押圧部材の母材と接する摩擦入熱用摺動面の直径を異ならせるとともに、前記下側押圧部材を攪拌軸１２と連結させ、一方上側押圧部材を攪拌軸１２に対し遊嵌自在に嵌合させるとともに、上側押圧部材の回転方向を下側押圧部材に対し、逆方向に設定し、更に摩擦攪拌部位始端に、内周面に回転規制部と軸方向規制部が設けられた嵌合穴を設け、攪拌軸に前記嵌合穴に嵌着される充てん材が取り付けられた状態で、前記ボビンツール１を嵌合穴に嵌装した後、摩擦攪拌接合を開始することを特徴とする。【選択図】      図４
2004216435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材が連結若しくは対峙してなるボビンツールを有する摩擦攪拌接合装置において、
前記両押圧部材の母材と接する摩擦入熱用摺動部の熱容量を異ならせるか若しくは回転数を異ならせて構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
下側押圧部材の直径若しくは厚みを上側押圧部材のそれと異ならせて母材表裏両面より受熱する熱容量を異ならせたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
下側押圧部材と上側押圧部材の直径を異ならせて母材表裏両面を摩擦入熱させるとともに、小径側の押圧部材の外周側の母材と対面する位置に、母材押さえ機構を取り付けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
母材接合部を挟んでその上側と下側より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合装置において、
前記摩擦入熱により入熱された軟化領域部位を母材断面方向に非対称に形成して攪拌を行う手段を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材が対峙してなるボビンツールを有する摩擦攪拌接合装置において、
前記下側押圧部材を攪拌軸と連結させ、一方上側押圧部材を攪拌軸に対し遊嵌自在に嵌合させるとともに、上側押圧部材の回転方向を下側押圧部材に対し、逆方向に設定したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材が連結若しくは対峙してなるボビンツールを備えた摩擦攪拌接合装置において、
前記下側押圧材を上側押圧材より同径若しくは小径に形成するとともに、前記攪拌軸に嵌合される充てん材が、母材接合線始端側の嵌合穴の形状に合わせて下側押圧材側から上側押圧材側に向け、軸方向規制部を有して形成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
母材接合部を挟んでその上側の回転摺接運動と下側の回転摺接運動より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記摺接回転方向を下側と上側で異ならせてその摺接回転方向が、接合線開先前方側に向くように攪拌を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記母材が円筒体その他の無端状筒体であることを特徴とする請求項７記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材が連結若しくは対峙してなるボビンツールを用いて母材の接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
摩擦攪拌部位始端に、内周面に回転規制部と軸方向規制部が設けられた嵌合穴を設け、攪拌軸に前記嵌合穴に嵌着される充てん材が取り付けられた状態で、前記ボビンツールを嵌合穴に嵌装した後、摩擦攪拌接合を開始することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両、航空機、船舶、建物等の構造体を製造する際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）同士を接合する摩擦攪拌接合装置とその接合方法に係り、特にボビンツールを用いた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いる。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−ルを加工物の溶接部に挿入し、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ある。かかる摩擦溶接法は、溶接部材を固相状態で、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、熱歪みがなく溶接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−ルと溶接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。さらに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する。プローブ型工具は、ショルダ部で母材上側より摩擦熱を付与しながら、母材に侵入させたプローブ軸の機械的攪拌により、プローブ軸周囲を塑性流動化し、この状態で回転工具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ものであるが、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。この裏当金は被加工物の面板の下側に密着させて設置するものであり、大きな加圧力を必要とする。
【０００４】
かかる欠点を解消するために、図６に示すように、ボビンツール１と呼ばれる回転工具が提案されている。
かかる工具は接合する母材３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１０、１１が設けられているとともに、該上下一対のショルダ１０、１１間に攪拌軸（ピン軸）１２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、下側の融合不良が生じないのみならず、上下一対のショルダ１０、１１間で互いの反力を受けているために、裏当金が不要になる。
【０００５】
そしてこのようなボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置は種々存在し、例えば特開２００１−２８７０５３号公報（特許文献２）においては、図６に示すように、回転ツール１を用いる摩擦攪拌接合において、ツールに小径のピン部（攪拌軸）１２と、該ピン部１２を挟んでその両側にピン部１２よりも大径のショルダ部（押圧部材）１０、１１とを設け、該ショルダ部１０、１１の間隔を被接合材（母材）３Ａの厚さよりも小さくし、２つの該ショルダ部１０、１１で被接合材３Ａを挟むようにして接合する技術が開示されている。
【０００６】
又下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置も公知であり、例えば特開２０００−３３４８４号公報（特許文献３）において、コイルスプリングを用いて下面押圧部を軸方向に可変にした技術も存在する。
【０００７】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２８７０５３号公報
【特許文献３】
特開２０００−３３４８４号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながらいずれの技術も上側ショルダと下側ショルダの直径が同一で且つ同方向に回転するものであるために、次のような問題がある。
その第１はボビンツールの上下のショルダ直径が等しいことに生じる問題である。
上下のショルダ径が等しいボビンツールで摩擦入熱を行うと、入熱された軟化領域は円筒状に対称になり、この状態でボビンツールの移動中に母材厚みの変動や上下に力が加わることにより、上下のショルダ間に挟まれる母材の軟化領域部分にせん断力が働き、母材と軟化域の境界が工具回転によりせん断されやすい。
【０００９】
更に摩擦攪拌接合の当初においては、ボビンツールが挿設される穴をあける訳であるが、一般的には下側ショルダと攪拌軸をナット結合しておき、下側ショルダを取り外した状態で攪拌軸を挿設し、挿設後に下側ショルダをナット結合するわけであるが、ダブルスキンパネル（二面中空パネル）のように下側に作業者の手が入りにくい部位ではその結合がなかなか困難である。
【００１０】
このため前記穴径を下側ショルダ外径より僅かに大きくして、しかも攪拌軸に穴径と同型の円筒状の充てん材を嵌合させて前記穴を塞いだ状態で接合開始を行うことを検討したが、充てん材も穴も筒状のために、面一規制が出来ずそのため接合開始時に段差のある状態で接合する恐れがあり、高品質の接合ができにくい。
【００１１】
第２の問題は、図５（Ａ）に示すように、上側ショルダ１０と下側ショルダ１１が同方向に回転することである。
即ち、表裏のショルダ部１０、１１の間隔を被接合材（母材）３の厚さよりも小さくし、２つの上下ショルダ部１０、１１で被接合材３を挟むようにして同方向５Ａ、５Ａに回転させると、図に示すように接合線前方に位置する開先５が開いたり、又母材３、３同士を固定具５０により固定しておいても、母材３自体が矢印５１で示すように前後にずれてしまう恐れがある。
【００１２】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ボビンツールを用いて接合する場合の種々の課題を解決しようとするもので、第１の課題は上下のショルダ間に挟まれる母材の軟化領域部分がショルダとともに、そのワークの軟化領域を引きちぎってしまう恐れを防止することにある。
第２の目的は、２つの上下ショルダ部で被接合材を挟むようにして回転させた場合においても、接合線前方に位置する開先が開いたり、母材や開先線が前後や左右にずれてしまう恐れを解消することにある。
第３の目的は、摩擦攪拌接合の当初においては、ボビンツールが挿設される穴を小さくしかも母材と充てん材が簡単に面一になる状態で接合することにある。
【００１３】
【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、下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材（以下ショルダという）が連結若しくは対峙してなるボビンツールを有する摩擦攪拌接合装置において、前記両押圧部材の母材と接する摩擦入熱用摺動部の熱容量を異ならせるか若しくは回転数を異ならせて構成、例えば下側押圧部材の直径若しくは厚みを上側押圧部材のそれより異ならせて母材表裏両面より受熱する熱容量を異ならせたたことを特徴とする。
【００１４】
ショルダ面を上下（表裏）で異径若しくは回転数を異ならせる効果について図１に基づいて説明する。
図１（Ｂ）に示すように、同一回転で工具１０、１１（ショルダ）径が同じ場合発熱量は同じであるが、上側ショルダ１０は加工機主軸９０側に熱が逃げ、上側ショルダ１０への熱逃げ量が小さくこのため下側ショルダ１１の方が温度上昇し、母材３表裏両面の発熱量が異なって上昇し、結果として凹み量は上側ショルダ１０の方が小さく下側ショルダ１１の方が大きくなる傾向がある。
この接合時の凹みを例えば均一にしたい場合は図１（Ａ）に示すように、下側ショルダ１１のショルダの径を小さくして発熱量を小さくさせるか、下側ショルダ１１のショルダの長さ（厚み）を延ばして熱容量を稼ぐのがよい。逆に図４（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、下側ショルダ１１のショルダの径を大きくして母材３裏面発熱量を大きくすれば母材表面側の凹みをなくし、平坦若しくは凸状にしてもよい。なお前記作用は上側ショルダ１０の回転手段と下側ショルダ１１の回転手段を夫々独立駆動制御とし、接合時の凹みを均一にしたい場合は、下側ショルダ１１の回転数を上側ショルダ１０に対し、相対的に低くし、一方母材表面側の凹みをなくし、平坦若しくは凸状にする場合は、下側ショルダ１１の回転数を上側ショルダ１０に対し、相対的に高くすればよい。
【００１５】
請求項４記載の発明は、かかる装置前記上側よりの接合部への摩擦入熱と前記下側よりへの摩擦入熱を夫々行うとともに、該入熱された軟化領域部位を母材断面方向に非対称に形成して攪拌を行う手段を設けたことを特徴とする。
この場合は、下側ショルダ１１のショルダの径を大きくして母材３裏面発熱量を大きくすれば母材表面側の凹みをなくすことができる。
この場合にショルダは必ずしも円筒形ではなく、テーパ円若しくは逆テーパ円でもよく、要は母材に摩擦入熱するショルダ面が上下（表裏）で異径若しくは回転数が異なってもよい。
【００１６】
かかる発明によれば、ボビンツールの上下のショルダの径を異径にするか回転数を異ならせることによりワーク断面上下方向の軟化域を非対称にして接合開始時のショルダのワークの挟み付けによる軟化域でせん断力が発生してもこれを阻止する方向に力をくわえることができる。
更に本発明は、下側押圧部材と上側押圧部材の直径を異ならせて母材表裏両面を摩擦入熱させるとともに、小径側の押圧部材の外周側の母材と対面する位置に、母材押さえ機構を取り付けることにより、小径側から大径側へ向けての軟化領域のせん断力の発生を抑制できる。
【００１７】
本第２発明は、下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材が対峙してなるボビンツールを有する摩擦攪拌接合装置において、前記下側押圧部材を攪拌軸と連結させ、一方上側押圧部材を攪拌軸に対し遊嵌自在に嵌合させるとともに、上側押圧部材の回転方向を下側押圧部材に対し、逆方向に設定したことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、かかる装置発明の方法を特定したもので、母材接合部を挟んでその上側の回転摺接運動と下側の回転摺接運動より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、前記摺接回転方向を下側と上側で異ならせてその摺接回転方向が、接合線開先前方側に向くように攪拌を行うことを特徴とする。
【００１８】
かかる発明によれば、図５（Ａ）に示すように、母材３、３の左右両側（接合線と直交する方向）は固定部材５０によって拘束されている為に、ボビンツール１０、１１の回転により発生する力は、同回転方向の場合は上側ショルダ１０では５Ａの方向に、下側ショルダ１１では５Ｂの方向になるために、母材が接合線５を挟んで矢印５１の如く前後にずれる方向に働く力となる。
この状態でボビンツールで円周の接合を行うと、上側母材３の肉は肉あまり状態になるので、直径が増加する方向にふくれる。一方下側母材３は肉が足らなくなるので、摩擦入熱が十分行われずに接合線５を挟んで上側母材３と下側母材３との間で段差が出来、接合線５を挟んで上下の母材板同士の食い違い接合が出来なくなる。これに対し、逆回転方向の場合は図５（Ｂ）に示すように、上側ショルダ１０では５Ａの方向に、下側ショルダ１１では５Ｂの方向と互いに逆方向になるために、図５（Ｃ）で示すように、母材が接合線５を挟んで母材表裏両面側で前後にずれる方向がキャンセルする方向となり接合線５を挟んで上側母材３と下側母材３との間で段差が出来ず、円滑な接合が可能である。
【００１９】
又かかる発明によれば、被接合材の上側と下側から一対のショルダが挟み込んで摩擦攪拌接合する際に上側のショルダを下側及び攪拌軸との回転方向を逆回転にし且つその摺接回転方向が、接合線開先前方側に向くように攪拌することにより接合線前方の開先が狭まる方向に力が働き、更に接合位置後方でも接合線を中心に両側に力が掛かるために、接合線前方に位置する開先が開いたり、母材や開先線が前後にずれてしまう恐れを解消でき円滑な接合が可能である。
特に断面半円状の円筒状材料を軸線方向に接合する際には１８０°対称位置に互いに当接し上側に鏡板を有している場合が多いために、このずれを開放する場所がなく、このため接合中に開先のずれが生じやすいことから前記母材が円筒体その他の無端状筒体である場合にこのずれを防止するのに非常に効果的である。
【００２０】
本第３の発明は、下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材が連結若しくは対峙してなるボビンツールを用いて母材の接合を行う摩擦攪拌接合方法において、  摩擦攪拌部位始端に、内周面に回転規制部と軸方向規制部が設けられた嵌合穴を設け、攪拌軸に前記嵌合穴に嵌着される充てん材が取り付けられた状態で、前記ボビンツールを嵌合穴に嵌装した後、摩擦攪拌接合を開始することを特徴とする。
即ち、具体的な装置としては、下側押圧部材と上側押圧部材を備え、該押圧部間が固定若しくは可変の母材攪拌軸（プローブ軸）により前記２つの押圧部材が連結若しくは対峙してなるボビンツールを備えた摩擦攪拌接合装置において、前記下側押圧材を上側押圧材より小径に形成するとともに、前記攪拌軸に嵌合される充てん材が、母材接合線始端側の嵌合穴の形状に合わせて下側押圧材側から上側押圧材側に向け、軸方向規制部を有して形成されていることを特徴とする。
なお、前記回転規制部とは、例えばスプライン等の歯形形状でもよく、又は楕円等の非対称形状でもよい。
又軸方向規制部とは段差やテーパがあげられる。
かかる発明によれば、回転規制部を有するために、充てん材は軸とともに回転して軟化し、更に軸方向規制部によって充てん材と母材が常に面一で摩擦攪拌接合を開始できる。
又下側ショルダを小径にすれば、摩擦攪拌接合の当初においては、ボビンツールが挿設される穴を小さくしかも母材と充てん材が簡単に面一になる状態で高品質に接合することが出来る。
【００２１】
【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。
【００２２】
図４は、ボビンツール１を用いた本発明の実施例で、上側ショルダ１０は、ワーク（母材）３上側を倣うごとく小なる反力（荷重）を付与する第１の油圧ピストン／シリンダ６０に連結されており、一方、下側ショルダ１１は、上側ショルダ１０にワーク（母材）３を挟み下側より摩擦力を発生するために大なる反力（荷重）を付与する第２の油圧ピストン／シリンダ６２に連結されており、そしてこれらのボビンツール１は内部に組み込まれたモータ７２と反転機構８２により正逆逆方向に回転駆動される。
【００２３】
より具体的に説明するに、図中９０は加工機主軸で、回転はしない。９は前記主軸下面に取り付けられた接合機本体で、前記加工機主軸９０下面に取り付けられた円筒形状の支持外枠６４と、前記支持外枠６４の上部中心軸上にとりつけられた第１の油圧ピストン／シリンダ６０と、前記油圧ピストンに連結された上下動可能な支持軸により吊下された支持内筒６６と、前記支持内筒６６上部に内蔵された第２の油圧ピストン／シリンダ６２と、前記第２の油圧ピストン／シリンダ６２下方の支持筒内部に組み込まれたボビンツール取り付け体７０よりなり、ボビンツール取付体７０周囲にはモータ７２が環装されており、支持内筒６６に対し、ボビンツール取付体７０が回転自在に配設されている。
【００２４】
ボビンツール取付体７０は、第１の油圧ピストン／シリンダ６０の付勢変位を支持内筒６６と一体的に受圧しＺ軸方向に移動変位可能に、フランジ７１を介して回転自在に支持内筒６６内に支持されている上側ショルダ取付体８０と、上側ショルダ１０内を貫通し、ピン軸１２を介して先端に下側ショルダ１１が取り付けられている下側ショルダ取付軸７８とからなり、下側ショルダ取付軸７８と第２の油圧ピストン／シリンダ６２のピストン軸６２Ｂとはベアリング軸受７３を介して連結され、モータ７２による下側ショルダ取付軸７８の回転と無関係に支持内筒６６に上下動自在に支持されたピストン軸６２Ｂを介して第２の油圧ピストン／シリンダ６２の付勢力を受圧可能に構成されている。
又下側ショルダ取付軸７８と上側ショルダ取付体８０の嵌合部分にはモータ７２の回転力を逆転する反転機構８２が設けられ、該反転機構８２を介して下側ショルダ取付軸７８がピストン軸６２Ｂに摺動自在に連結され、これにより上側ショルダ１０側のモータ７２の回転方向と反転機構を介して下側ショルダ１１が正逆反転方向に回転可能に構成されている。
又図示はしていないが、前記反転機構８２の代わりに独立したモータを取り付け、下側ショルダ１１と上側ショルダ１０が夫々独立して回転数と回転方向が制御されるように構成してもよい。
【００２５】
又支持内筒６６下側外周と支持外枠６４下側内周との対面位置には、段差状に縮径された移動規制範囲において支持内筒６６が上下移動可能なようにリング状係合凹部８８とリング状係合凸部８９が設けられており、又本実施例の油圧ピストン／シリンダ６０、６２は、ピストン６１の上下両側に油圧６３Ａ、６３Ｂが導入されてその圧力バランスにより、ピストン軸６１Ａが上下動するように構成している。これにより倣い及び摩擦押圧力の制御の容易化を図っている。
【００２６】
かかる摩擦攪拌接合装置によれば、ボビンツール１（下側ショルダ１１と上側ショルダ１０）によりワーク（母材）３を挟持させた状態で、先ずモータ７２により上側ショルダ取付体８０とこれに反転機構８２を介して連結している下側ショルダ取付軸７８と正逆反対方向にを回転させた後、支持内筒６６を吊下し、ピストン軸６１Ａ及び支持内筒６６を介して上側ショルダ１０側に付勢される第１の油圧ピストン／シリンダ６０では、ワーク（母材）３接合面の上側にかかる上側ショルダ１０面の荷重が１０ｋｇｆになるように、不図示の油圧ポンプを駆動させる。
又同時に支持内筒６６に内蔵され、ピストン軸６２Ｂ及び下側ショルダ取付軸７８を介して下側ショルダ１１側に付勢される第２の油圧ピストン／シリンダ６２では、ワーク（母材）３接合面の下側にかかる下側ショルダ１１の荷重が２００ｋｇｆ以上になるように、不図示の油圧ポンプを駆動させる。
この際、前記ボビンツール１を回転自在に支持している接合機本体９は、支持内筒６６外周側のリング状係合凹部８８と支持外枠６４内周側のリング状係合凸部８９との間で移動規制された範囲で上下動動に支持している。
【００２７】
このように下側ショルダ１１の荷重が２００ｋｇｆ以上になるように制御し、前記上側ショルダ１０面にかかる荷重を下側ショルダ１１にかかる荷重より大幅に小にしている理由は次の通りである。
例えば母材３がスキンパネルの場合に、接合部の継ぎ手構造が突き合わせになっているために、その接合部にギャップ（隙間）が生じるが、パネル自由端の下側（中空部側）の板厚を厚くするとともに、表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツール１を用い、下側ショルダ１１にかかる荷重を大幅に大にして摩擦攪拌接合がなされることで、継ぎ手部でショルダ面との摩擦熱による入熱により下側の軟化した部分が接合ギャップ空間に進入するため外部から見える上側は凹部が発生することなく、平坦を維持でき、しかも接合後における上側加工処理が基本的に不要であり、特に車両構造体のような長尺のものについては、その作業が大幅に簡単化する。
【００２８】
そしてこのような構成を円滑に達成するには、下側ショルダ１１にかかる荷重より大幅にしながら摩擦攪拌接合を行うことにより、上側より下側が前記ギャップに軟化した下側が進入することが好ましい。
【００２９】
尚、本発明では、下側ショルダ１１と上側ショルダ１０を反転機構８２により連結して正逆回転させているが、両者を独立して回転制御可能に構成してもよい。
【００３０】
又本実施例によれば、上側ショルダ１０においては、ワーク（母材）３上側の倣いが主な作用であるために、エアシリンダの利点が有効に生かせる。即ち接合線が上下方向に大きく湾曲しているような継手においてもエアシリンダはその押圧力の変動が滑らかであって、油圧シリンダより倣いの追従性がよい。
一方円滑な摩擦入熱により、大きな押圧力を必要とする下側ショルダ１１の場合は油圧ピストン／シリンダを用いることがよい。
【００３１】
図５（Ｂ）は、図４（Ａ）のボビンツールの構成を示し、図４（Ｃ）は軟化領域を示す図である。図４（Ｂ）、（Ｃ）において、図中１０に示す上側ショルダは、ワーク（母材）３上側を倣うごとく小なる反力（荷重）を付与する第１の油圧ピストン／シリンダ６０（図３（Ａ）参照）に連結されており、その直径はｄ１である。一方、１１に示す下側ショルダは、ピン軸１２を介して上側ショルダ１０にワーク（母材）３を挟み下側より摩擦力を発生するために大なる反力（荷重）を付与する第２の油圧ピストン／シリンダ６２に連結されており、その直径はｄ２と上側ショルダ１０より大径（ｄ２＞ｄ１）に設定してある。そしてこれらのボビンツール１は内部に組み込まれたモータ７２と反転機構８２により正逆反対方向に回転駆動されることは前記したとおりである。
【００３２】
かかる実施例において、ボビンツールの下側ショルダ直径ｄ２が大きく上側ショルダ１０の直径ｄ１が小さい。この上下のショルダ径が異径のボビンツール１で摩擦入熱を行うと、入熱された軟化領域は下側の底辺がｄ２で頂面側がｄ１の円錐台状に上下に非対称（軸方向には対称で母材上面より下側面が大径な異径な軟化領域）になり、この状態でボビンツール１の移動中に母材３が上下動したり、又該ボビンツール１を支持する加工機主軸９０が上下動しても、上下のショルダ間に挟まれる母材３の軟化領域４部分が上下の移動を阻止する方向に働き、ショルダとともに、そのワークの軟化領域４に発生するせん断力を押さえることができる。
【００３３】
更に本実施例は、図５（Ｂ）に示すごとく、被接合材（母材）３の上側と下側から一対のショルダ１０、１１が挟み込んで摩擦攪拌接合する際に上側のショルダ１０を下側ショルダ１１及び攪拌軸（ピン軸）１２との回転方向を逆回転にし且つその摺接回転方向５Ａ、５Ｂが、接合線の開先５前方側に向くように攪拌することにより接合線前方の開先５が狭まる方向に力が働き、更に接合位置後方７でも接合線を中心に両側に力（→７Ａ、７Ｂ参照）が掛かるために、接合線前方に位置する開先５が開いたり、母材３や開先線５が左右にずれてしまう恐れを解消できる。
又攪拌軸（ピン軸）１２は逆ねじ（主軸の回転に対し上向きの力が加わる螺旋方向）にて構成するのがよい。
【００３４】
又上側のショルダ１０を下側ショルダ１１及び攪拌軸（ピン軸）１２との回転方向を逆回転にすると図５（Ｃ）で示すように、母材表裏両面側で接合線に沿って加わる付勢力が接合線を挟んで表裏両面で前後に逆となり、前後のずれを防止できる。
そしてこの場合、上側のショルダ１０を下側ショルダ１１の回転数を制御することで例えば入熱された軟化領域４は下側の底辺部分がふくらみ、頂面側がやせた約上向き円錐台状に上下に非対称（軸方向には対称で母材上面より下側面が大径な異径な軟化領域）になり、図５（Ｂ）と同様になる。
なお図５（Ｃ）右欄で示すように、上側のショルダ１０を下側ショルダ１１及び攪拌軸（ピン軸）１２との回転方向を逆回転にするのみならず、両者を独立したモータ９１、９２で回転制御部９３により回転制御して回転方向とあわせて回転速度を制御してもよく、これにより接合面の平坦度や凹凸の制御も容易となる。
【００３５】
特に断面半円状の円筒状材料を軸線方向に接合する際には１８０°対称位置に互いに当接しているために、この左右のずれを開放する場所がなく、このため接合中に開先５のずれが生じやすいことから前記母材３が円筒体その他の無端状筒体である場合にこのずれを防止するのに非常に効果的である。
【００３６】
更に本実施例は、図４（Ｄ）に示すように、小径側の上側ショルダ１０の外周側の母材と対面する位置に、ショルダ面に対し上方にクリアランスを持たせた円盤状の台座２１を設け、該台座の母材対面側に凹部を設け、該凹部内に皿バネ２２により上下方向に弾性力が付勢されたスラストベアリング２３を配置し、母材押さえ機構２０として機能させている。かかる構成によれば、小径の上側ショルダ１０から大径の下側ショルダ１１へ向けての軟化領域の引き剥がしも防止できるとともに、前記押さえ機構２０により母材傾きや変動があってもボビンツールをこれに追従できる。
【００３７】
さて、摩擦攪拌接合の当初においては、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ボビンツール１が挿設される穴８をあける。一般的には下側ショルダ１１と攪拌軸（ピン軸）１２をナット結合しておき、下側ショルダ１１を取り外した状態で攪拌軸（ピン軸）１２を挿設し、挿設後に下側ショルダ１１をナット結合するわけであるが、ダブルスキンパネル（二面中空パネル）のように下側に作業者の手が入りにくい部位ではその結合がなかなか困難である。
【００３８】
このため図１（Ｃ）に示すように、前記穴８径を下側ショルダ１１外径より僅かに大きくして、しかも攪拌軸（ピン軸）１２に穴８径と同型の円筒状の充てん材１５を嵌合させて前記穴８を塞いだ状態で接合開始を行うことを検討したが、充てん材１５も穴８も筒状のために、ボビンツール１を母材３の穴８に挿入する際に、母材上側より深く挿入したり若しくは浅く挿入したりして母材３と充てん材１５との面一規制が出来ずそのため接合開始時に段差のある状態で接合する恐れがあり、高品質の接合ができにくい。なお、攪拌軸（ピン軸）１２は逆ねじになっている。
【００３９】
そこで本実施例は図２（Ａ）に示すように、内周面にスプライン溝状の回転規制部１６が設けられた嵌合穴８Ａを形成し、攪拌軸（ピン軸）１２に前記嵌合穴８Ａと雄雌状に嵌着される、外周面にスプライン突起状の回転規制部１７が設けられたテーパ（円錐台）状の母材と同材質の充てん材１５Ａを取り付けた後、前記充てん材を備えたボビンツール１を嵌合穴８Ａに嵌装することにより回転規制部１６／１７同士が嵌合し、且つ軸方向規制を行うテーパ部によって充てん材１５Ａと母材嵌合穴８Ａが常に面一で嵌合する。
【００４０】
この場合に下側ショルダ１１の径ｄ２は上側ショルダ１０の径ｄ１に比較して小径であるために、摩擦攪拌接合の当初においては、ボビンツールが挿設される穴８Ａを小さくしかも母材３と充てん材１５Ａが簡単に面一になった状態で、摩擦攪拌接合を開始できる。
なお、図２（Ｂ）は前記嵌合穴８Ｂを段差を有する凸穴に、又充てん材１５Ｂをこれと同型の下凸形状にして段差を介して面一規制を行っている。
【００４１】
かかる実施例によれば、スプライン状の溝１６と突起１７が互いに嵌合して回転規制を行っているために、摩擦攪拌接合当初においても充てん材１５Ｂは攪拌軸（ピン軸）１２とともに回転して摩擦入熱により軟化し、母材３と一体化する。
【００４２】
なお、図２（Ｃ）  は、テーパ状の記嵌合穴８Ｃの頂面を上側ショルダ１０外径ｄ１より小さくしたもの、（Ｄ）は嵌合穴８Ｄを段差を有する凸穴にするとともに、その頂面を上側ショルダ１０外径ｄ１より小さくしたもので、いずれも接合により母材３が軟化接合された際に充てん材が円滑に軟化されて一体化される。
【００４３】
又、図３は、下側ショルダ１１の径ｄ２を上側ショルダ１０の径ｄ１と同径にしつつ、充てん材１５Ｅ、１５Ｆ頂面を上側ショルダ外径ｄ１より大きくして充てん材１５Ｅ、１５Ｆにより面一規制を行っているものである。なお図３（Ｂ）は、テーパ状の記嵌合穴８Ｆの頂面を上側ショルダ外径ｄ１より大きくしたもの、（Ａ）は前記嵌合穴８Ｅを段差を有する凸穴にするとともに、その頂面を上側ショルダ外径ｄ１より大きくしたもので、スプライン１６を有する充てん材１５Ｅも同径にしている。
かかる実施例によれば、図３（Ｃ）に示すように、摩擦攪拌接合の当初においては、ボビンツールが挿設される穴８Ｅ、８Ｆがボビンツールの下側ショルダ１１の径ｄ２を上側ショルダ１０の径ｄ１と同径であっても充てん材１５Ｅ、１５Ｆ頂面が拡径しているために、母材３と充てん材１５Ｅ、１５Ｆが簡単に面一になり、この状態で、摩擦攪拌接合を開始できる。いずれも接合により母材３が軟化された際に充てん材１５Ｅ、１５Ｆの外周が残るが、その部分５９は接合後に切断して除去すればよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、ボビンツールを用いて接合する場合の種々の課題を解決出来、特に上下のショルダ間に挟まれる母材の軟化領域部分がショルダとともに、そのワークの軟化領域を引きちぎってしまう恐れを防止出来る。又本発明によれば、２つの上下ショルダ部で被接合材を挟むようにして回転させた場合においても、接合線前方に位置する開先が開いたり、母材や開先線が前後若しくは左右にずれてしまう恐れや、接合不良が生じる恐れを解消出来る。
更に本発明によれば、摩擦攪拌接合の当初においては、ボビンツールが挿設される穴を小さくしかも母材と充てん材が簡単に面一になる状態で接合出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用説明図で、（Ａ）は本発明、（Ｂ）及び（Ｃ）は従来技術対応図である。
【図２】ボビンツールの下側ショルダの径ｄ２を上側ショルダの径ｄ１より小さくした摩擦攪拌接合の当初におけるボビンツール嵌合穴を用いた作用図で、（Ａ）、（Ｃ）はテーパ穴、（Ｂ）（Ｄ）は下凸穴のものを示す。
【図３】ボビンツールの下側ショルダの径ｄ２を上側ショルダの径ｄ１と同径にしてり充てん材頂面をそれより大きくした摩擦攪拌接合の当初におけるボビンツール嵌合穴を用いた作用図で、（Ｂ）はテーパ穴、（Ａ）は下凸穴のものを示す。（Ｃ）は接合後の状態を示す平面図である。
【図４】（Ａ）は、ボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置の本発明の実施例を示す全体構成図で、（Ｂ）はボビンツールの拡大図、（Ｃ）は軟化領域を示す説明図、（Ｄ）は母材押さえ機構を設けた他の実施例である。
【図５】摩擦攪拌接合状態を示し、（Ａ）は従来技術、（Ｂ）は本実施例、（Ｃ）左欄は母材表裏両面側の回転工具による付勢力を示す矢印、右欄は下側ショルダと上側ショルダを夫々独立して制御する回転制御部を備えた実施例である。
【図６】従来技術にかかるボビンツールの構成を示す。
【符号の説明】
１  ボビンツール
３  母材
４  軟化領域
５  開先
８Ａ〜８Ｅ  嵌合穴
１０  上側ショルダ
１１  下側ショルダ
１２  攪拌軸（ピン軸）
１５Ａ〜１５Ｅ  充てん材
１６／１７  回転規制部
２０  母材押さえ機構
７２  モータ
８２  反転機構
【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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