(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理方法であって、
前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する工程と、
前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、算出された前記板厚減少量に基づいて接合強度の良否を判定する工程とを備えることを特徴とする摩擦撹拌を用いた加工管理方法。
【請求項２】
少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理方法であって、
前記一方の部材と前記回転ツールとの間の動摩擦係数と、接合時の前記一方の部材に対する前記回転ツールの負荷とに基づいて発熱量を演算する工程と、
前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する工程と、
予め求めた発熱量と前記部材同士の接合部面積との関係を表す式から、前記発熱量に基づいて前記接合部面積を算出し、前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、前記板厚減少量が予め設定された基準値内であるか判定し、当該基準値内であれば前記接合部面積に基づいて接合強度の良否を判定する工程とを有することを特徴とする摩擦撹拌を用いた加工管理方法。
【請求項３】
前記先端位置は、前記回転ツールを前記一方の部材に対して昇降させるためのモータのエンコーダ出力に基づいて演算されることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦撹拌を用いた加工管理方法。
【請求項４】
前記一方の部材の接合部の板厚減少量の算出は、前記一方の部材に押し込まれた前記回転ツールの前記突出部の先端と、該回転ツールに対向して配置され接合時に他方の部材を受ける固定ツールとの間の距離に基づいて総板厚減少量を算出し、該総板厚減少量に前記一方の部材の板厚減少比率を乗じることにより算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦撹拌を用いた加工管理方法。
【請求項５】
少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理装置であって、
前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する検出手段と、
前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、算出された前記板厚減少量に基づいて接合強度の良否を判定する接合状態検出手段とを具備することを特徴とする摩擦撹拌を用いた加工管理装置。
【請求項６】
少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理装置であって、
前記一方の部材と前記回転ツールとの間の動摩擦係数と、接合時の前記一方の部材に対する回転ツールの負荷とに基づいて発熱量を演算する発熱量演算手段と、
前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する検出手段と、
予め求めた発熱量と前記部材同士の接合部面積との関係を表す式から、前記発熱量に基づいて前記接合部面積を算出し、前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、前記板厚減少量が予め設定された基準値内であるか判定し、当該基準値内であれば前記接合部面積に基づいて接合強度の良否を判定する接合状態検出手段とを具備することを特徴とする摩擦撹拌を用いた加工管理装置。
【請求項７】
前記検出手段は、前記回転ツールを前記一方の部材に対して昇降させるためのモータのエンコーダ出力に基づいて前記先端位置を演算することを特徴とする請求項５又は６に記載の摩擦撹拌を用いた加工管理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳物や板材等の金属部材を摩擦により溶融及び撹拌して接合する摩擦撹拌を用いた加工管理方法、加工管理装置並びに当該方法を実行するコンピュータプログラム並びに当該コンピュータプログラムを格納した記憶媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の接合技術は、板材や予め３次元形状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等によって接合している。
【０００３】
そして、金属部材が複雑な３次元形状の場合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できるスポット溶接が用いられる。
【０００４】
また、他の接合技術として、非溶融の状態で摩擦撹拌する接合方法が特許第２７１２８３８号公報に開示されている。この接合技術は、２つの部材を突き合わせた接合面にプローブと呼ばれる突出部を回転させながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦熱により可塑化させて結合するものである。
【０００５】
また、特開平１０−１８３３１６号公報及び特開２０００−１５４２６には、シリンダヘッドのシリンダブロックに対する合わせ面などの鋳物の表面処理において、先端のショルダ部に突出部を設けた回転ツールを回転させながら圧入して、熱により非溶融の状態で撹拌する表面処理方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記非溶融状態での摩擦撹拌接合では、ツール回転数やツール押し込み量、ツール進行速度などを必要以上に高め過ぎると、接合が不完全になったり、接合部分が溶融してしまう。このため、加工時間の短縮には限界があった。
【０００７】
更に、上記従来の接合技術では、予め実験などを行うことによって、部材の厚みや材料に対して最適なツールの回転数やツールの押し込み量などの制御パラメータを求めておくので、設計変更などにより従来と異なる部材を接合するためには、再度実験などで最適な制御パラメータを求める必要がある。また、接合強度などの品質評価は、実際に接合されたサンプルを用いて引張試験などで実施されることになり、別途検査工程が必要となる。
【０００８】
従って、実際に接合が施された部材の品質評価を制御パラメータなどを用いて接合時に並行して行うことができれば、加工ごとに部材の品質評価ができて量産にも適切に対応可能となり、更に、設計変更などにより従来と異なる部材を接合する際の最適な制御パラメータの算出が容易にできることになり、不良品の発生を抑えて歩留まりの向上を図るためにも非常に有益である。
【０００９】
しかしながら、今までのところ、摩擦撹拌接合において上述のような品質を評価するシステムは、開発されていないのである。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、加工時に並行して部材の加工状態を管理でき、別途検査工程が不要となる摩擦撹拌を用いた加工管理方法、加工管理装置並びに当該方法を実行するコンピュータプログラム並びに当該コンピュータプログラムを格納した記憶媒体を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理方法であって、前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する工程と、前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、算出された前記板厚減少量に基づいて接合強度の良否を判定する工程とを備える。
また、本発明は、少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理方法であって、前記一方の部材と前記回転ツールとの間の動摩擦係数と、接合時の前記一方の部材に対する前記回転ツールの負荷とに基づいて発熱量を演算する工程と、前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する工程と、予め求めた発熱量と前記部材同士の接合部面積との関係を表す式から、前記発熱量に基づいて前記接合部面積を算出し、前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、前記板厚減少量が予め設定された基準値内であるか判定し、当該基準値内であれば前記接合部面積に基づいて接合強度の良否を判定する工程とを有する。
【００１４】
また、本発明は、少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理装置であって、前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する検出手段と、前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、算出された前記板厚減少量に基づいて接合強度の良否を判定する接合状態検出手段とを具備する。
また、本発明は、少なくとも２枚の部材を重ね合わせ、その先端部にショルダ部と該ショルダ部から突出する突出部とを有する回転ツールをその軸心まわりに回転させながら一方の部材に加圧して押し込み、摩擦により撹拌させて部材同士を局部的に接合する加工管理装置であって、前記一方の部材と前記回転ツールとの間の動摩擦係数と、接合時の前記一方の部材に対する回転ツールの負荷とに基づいて発熱量を演算する発熱量演算手段と、前記回転ツールの前記突出部の先端位置を検出する検出手段と、予め求めた発熱量と前記部材同士の接合部面積との関係を表す式から、前記発熱量に基づいて前記接合部面積を算出し、前記先端位置に基づいて、前記ショルダ部が前記一方の部材に押し込まれることにより生じた前記一方の部材の接合部の板厚減少量を算出し、前記板厚減少量が予め設定された基準値内であるか判定し、当該基準値内であれば前記接合部面積に基づいて接合強度の良否を判定する接合状態検出手段とを具備する。
【００１５】
尚、上記加工管理方法を実行するためのコンピュータプログラムや当該プログラムコードが格納された記憶媒体を、コンピュータに供給して、当該コンピュータが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して、上記加工管理処理を実行するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、接合時における一方の部材の発熱量や板厚減少量を算出し、算出された板厚減少量や発熱量から接合強度の良否を判定することにより、接合中に用いる制御パラメータを用いて部材の接合の良否を判定できるので、接合時に並行して部材の接合状態を管理でき、別途検査工程が不要となる。
【００１７】
請求項３，４，７の発明によれば、押し込み量は、回転ツールを一方の部材に対して昇降させるためのモータのエンコーダ出力に基づいて演算され、一方の部材の接合部の板厚減少量の算出は、一方の部材に押し込まれた回転ツールと、該回転ツールに対向して配置され接合時に他方の部材を受ける固定ツールとの間の距離に基づいて総板厚減少量を算出し、該総板厚減少量に一方の部材の板厚減少比率を乗じることにより算出されることにより、接合中に用いる制御パラメータを用いて部材の接合状態を管理できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
［摩擦撹拌による接合方法］
図１は、本発明に係る実施形態の摩擦撹拌による接合方法を説明する概念図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態で例示する接合方法は、例えば、アルミニウム合金などの板状の部材同士の接合に適用され、少なくとも２枚の部材を重ね合わせて、最外表面の第１部材Ｗ１に回転ツール１をその軸心まわりに回転（旋回）させながら加圧して圧入することにより、その重ね合わされた第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２間の部材組織を摩擦熱により溶融及び撹拌して接合するものである。
【００２３】
そして、第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２を回転ツール１とで挟むように、回転ツール１に対向して配置され、回転ツール１との離間距離が可変となるように固定ツール１０が設けられている。
【００２４】
回転ツール１は、部材よりも硬度の高い鋼材（超硬合金等）で形成された非摩耗型工具であるが、部材は回転ツール１より軟質の材質であれば、アルミニウム合金に限定されない。また、固定ツール１０は、例えば、鋼材や銅材などから形成される。
【００２５】
詳しくは、回転ツール１はその先端の第１ショルダ部２から突出する突出部３を備え、回転ツール１と固定ツール１０とで第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２を挟むように、設定された回転数で回転ツール１を回転させながら突出部３を所定の加圧力で第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２に圧入し、これら部材内部において突出部３が回転することによりその周辺部分の部材組織を切削して発熱させる。更に、突出部３により切削された切子が両ツール１，１０により部材内部に留められて撹拌されて周辺の部材組織や突出部３に衝突することにより発熱させ、また、第１ショルダ部２を所定の加圧力で圧入して回転させることにより発熱させて切子を溶融させ、その周辺部の部材組織の塑性流動を促進させつつ、所定の加圧力及び回転数で所定時間保持することで単位面積当たりの加圧力を高めて塑性流動容積を増加させ、回転ツール１を回転させたまま部材から抜くことで塑性流動していた部材組織が冷却されて接合される。
【００２６】
更に、この接合処理を連続して行うことで、前サイクルで突出部３の周辺部分に付着した部材組織が溶融して、次サイクルの撹拌で材料として供給される。
【００２７】
このとき、固定ツール１０の受け面１１の面積を小さくすることで加圧力を高めつつ、固定ツール１０への放熱を抑え、塑性流動容積を増加させて部材の結合力を高めている。
【００２８】
本実施形態の接合方法は、予め３次元形状にプレス成形された自動車鋼板などの重ね継ぎ手（例えば、後部ドアのアウタパネルとレインフォースメント）の局所的な接合に適している。即ち、プレス成形により部材が複雑な３次元形状を有し、回転ツール１を連続して移動できないような複数点在する接合部分に対して、本実施形態の接合方法を用いることにより局所的に接合でき、プレス成形後であっても接合可能となる。
【００２９】
この接合方法によれば、従来のスポット溶接に用いられていた溶接電流、冷却水、エアなどが一切不要になり、接合に要するエネルギ消費を大幅に低減することができる。また、上述のようなエネルギ源としての装置や設備が不要となるため、大幅な設備投資の低減を図ることができる。
【００３０】
また、従来のスポット溶接に用いる溶接ガンを流用でき、接合部材の制約、接合強度や生産効率のいずれについても従来と同等以上の能力を容易に達成することができる。
【００３１】
図２は、従来の摩擦撹拌による非溶融の接合方法を説明する概念図である。
【００３２】
図２に示す従来の接合方法は、第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２を回転ツール１と固定ツール１０’とで挟むように配置し、最外表面の第１部材Ｗ１に回転ツール１をその軸心まわりに回転させながら加圧して圧入する手順は本発明と同様であるが、その重ね合わされた第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２間の部材組織を摩擦熱により非溶融の状態で撹拌して接合する点で異なるものである。
【００３３】
ここで、非溶融で攪拌する状態とは、母材に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属組織を軟化させて攪拌することを意味する。
【００３４】
そして、従来の接合方法では、非溶融で撹拌するので、電気抵抗溶接等で発生する熱歪み等の問題を解消するというメリットがある。
【００３５】
その反面、非溶融での摩擦撹拌のために回転ツール１の回転数や加圧力をむやみに上げられないこと、固定ツール１０’における第２部材Ｗ２に当接する受け面１１’の面積が回転ツール１の先端部から突出する突出部３の面積に比べて大きいため、加圧力が受け面１１’の全面に分散されること、回転ツール１の回転による摩擦熱が受け面１１’の全面に放熱されてしまうことなどにより、接合に時間（例えば、２〜３秒）を要するというデメリットがある。
【００３６】
これに対して、本発明では、溶融状態での摩擦撹拌のために回転ツール１の回転数や加圧力を上げることができるようにし、更に、固定ツール１０における受け面１１を少なくとも回転ツール１の突出部３の断面積より小さく形成して、放熱を抑えて部材内部の蓄熱効率を高めており、これにより切子の溶融や塑性流動を促進して接合に要する時間（例えば、０．３〜０．５秒）を短縮できるというメリットがある。
【００３７】
加えて、回転ツール１の突出部３は、図３に示すように、部材の重ね合わせ枚数が多くなるほど部材の総厚が大きくなるため、重ね合わせ枚数に応じて長くしていく必要があるが、例えば、図４に示すように、２枚の重ね合わせ接合用の長さの突出部３を持つ回転ツール１を３枚の重ね合わせ接合に適用した場合、接合時間を短くすると中間部材Ｗ２と下部材Ｗ３の撹拌量が不足して強度が確保できなくなり（図４（ａ）参照）、逆に接合時間を長くすると上部材Ｗ１の板厚減少量が大きくなりすぎて上部材Ｗ１と中間部材Ｗ２との間の強度が確保できなくなり（図４（ｂ）参照）、いずれの場合でも部材の重ね合わせ枚数の少ないときに用いるツールを枚数の多い接合に用いることはできない。
【００３８】
そこで、本発明では、図５及び図６に示すように、回転ツール１の先端部から突出部３に向かって、同心で且つ少なくとも１つの段差を形成するように小径となる第２及び第３ショルダ部４，５を設けることにより、突出部３の長さは２枚の重ね合わせ用のままで、３枚以上或いは総板厚の大きいの重ね合わせ接合を可能としている。
【００３９】
また、接合時における固定ツール１０からの加圧状態を考察すると、図７に示す受け面１１がフラットのものでは、その角部１２に応力が集中して固定ツール１０の部材Ｗへの沈み込み量が増加する。このため、本発明では、図８に示すように、固定ツール１０の受け面１１を曲面状にして角部１２を滑らかに形成したことで、部材Ｗへの応力集中と沈み込みの低減を図っている。また、受け面１１を曲面状に形成することで部材Ｗに対して当接する角度が多少ずれたとしても点や線ではなく面で受けを作るように構成できるので、接合強度のバラツキを抑え、安定した接合品質を容易に確保することができる。
［接合に用いる回転ツール］
図９及び図１０は、本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用いる回転ツールの外観図である。図１１は、本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用いる固定ツールの正面図である。
【００４０】
図９に示す回転ツールは、重ね合わせ枚数が２枚程度で、総厚が比較的小さい接合に用いられるもので、円筒状の第１ショルダ部２（第１ツール部に相当する）と、この第１ショルダ部２より小径（或いは、小さい断面積）で、当該第１ショルダ２の先端部２ａから同一軸心で突出する円筒状の突出部３（第２ツール部に相当する）とを備える。
【００４１】
また、図１０に示す回転ツールは、重ね合わせ枚数が３枚以上で、総厚が大きい接合に用いられるもので、円筒状の第１ショルダ部２と、この第１ショルダ部２より小径（或いは、小さい断面積）で、当該第１ショルダ部２の先端部２ａから同一軸心で突出する円筒状の突出部３と、当該第１ショルダ部２から突出部３に向かって、同心で且つ段差を形成するように徐々に小径となる円筒状の第２及び第３ショルダ部４，５を備える。
【００４２】
図９に示す回転ツールにおいて、第１ショルダ部２の直径φは５〜１３ｍｍ程度、突出部３の直径φは２〜５ｍｍ程度に設定される。
【００４３】
図１０に示す回転ツールにおいて、第１ショルダ部２の直径φは１３〜１６ｍｍ程度、第２ショルダ部４の直径φは１０〜１３ｍｍ程度、第３ショルダ部５の直径φは５〜１０ｍｍ程度、突出部３の直径φは２〜５ｍｍ程度に設定される。
【００４４】
尚、より切削性及び撹拌性を向上させるために、突出部３の外周面に螺旋状或いは平行な溝を形成してもよい。螺旋状溝の場合には、部材内部に部材組織を押し込む方向に溝を形成すればよい。
【００４５】
図１１に示す固定ツール１０は、受け面１１から反回転ツール側になるほど断面積が拡大するようにテーパ状に形成された拡径部１３を備え、受け面１１（Ｉ部）は、突出部３との加圧作用点のずれを吸収できるようにＲ３０〜５０ｍｍ程度の曲面状に形成されている。
【００４６】
上記図１０に示すように、回転ツールを構成することで、様々な重ね合わせ枚数や総板厚の接合においてもツールを交換せずに行うことができ、従来のツール交換により発生していた接合時間のロスを削減することができる。また、使用するツールの種類も低減されるので、ツール購入／加工費や維持管理費などのコストが削減できる。
【００４７】
図１１に示すように、固定ツール１０において、受け面１１の直径φは７〜１３ｍｍ程度、拡径部１３の大径部分の直径φは１３〜１６ｍｍ程度、小径部分のの直径φは、受け面１１から拡径部１３に向かって、夫々の寸法に従ってテーパ状に拡大している。
【００４８】
図１２は、回転ツール及び当該回転ツールの取り付けブラケットを示す正面図である。
【００４９】
図１２に示すように、回転ツール１の反突出部３側の端面には先細りのテーパ穴６が形成され、そのテーパ穴６の周囲に等間隔（例えば、軸心まわりに９０°ごと）に回り止めガイド溝７が形成されている。また、取り付けブラケット２０の回転ツール１側の端面は先細りのテーパ状に形成され、そのテーパ面２１の周囲に上記回り止めガイド溝７に嵌り合う回り止めガイド２２が突設されている。
【００５０】
そして、回転ツール１のテーパ穴６と回り止めガイド溝７とが、取り付けブラケット２０のテーパ面２１と回り止めガイド２２に夫々嵌り合うことで両者が固定され、回り止めガイド溝７とガイド２２とが嵌り合うことにより互いに相対回転しないように構成される。
【００５１】
取り付けブラケット２０は、回転ツール１が固定された状態で略同径φ１３〜１６ｍｍ程度の一体的な軸状になるように形成され、その長さは接合する部材に適した長さに設定される。また、取り付けブラケット２０の反回転ツール側の端面には、直径φが１０〜１３ｍｍ程度のロボット装着部２３が延設され、このロボット装着部２３を不図示の多関節ロボットのモータ軸にホルダなどを介して取り付けることで回転ツール１と共に回転駆動される。
【００５２】
図１３は、回転ツールを固定及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【００５３】
図１３に示すように、多関節ロボット３０は、ベース３１に設けられた関節３２に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節３３でｚ軸中心に回転する第１アーム３４と、関節３５を介して第１アーム３４に連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節３６でｘ軸中心に回転する第２アーム３７と、関節３８を介して第２アーム３７に連結されてｙ軸中心に揺動する第３アーム３９とを有する。
【００５４】
第３アーム３９の先端部には、接合ガン５０が取り付けられている。この接合ガン５０には、回転ツール１が回転可能に取り付けられると共に、回転ツール１を回転駆動するモータ５１と、回転ツール１に対向するように固定ツール１０が取り付けられる。回転ツール１と固定ツール１０の間隔はアクチュエータ５２により可変となっており、接合時の部材に対する加圧力やツール回転数を制御して３枚以上の重ね合わせ接合にも適用できるように構成されている。
【００５５】
多関節ロボット３０の各アーム、モータ、アクチュエータの動作は、予めティーチングされて動力／制御ケーブル６１を介してロボット制御部６０がコントロールする。
【００５６】
図１４は、図１３に示す接合ガンの詳細図である。
【００５７】
図１４に示すように、接合ガン５０は、ガンアーム５５の下端部から横方向に延びる下端アーム５６に取り付けブラケット５７を介して固定ツール１０が取り付けられている。
【００５８】
また、ガンアーム５５の上端部には、回転ツール１を回転及び上下方向に駆動する駆動ユニット５８が取り付けられている。駆動ユニット５８は、上下駆動モータ５２を駆動源とするボールネジ機構５４により上下方向にガイドされるガイドテーブル５３を備え、ガイドテーブル５３には回転駆動モータ５１が固定されている。回転ツール１は、この回転駆動モータ５１の回転軸５１ａにホルダなどを介して取り付けられ、固定ツール１０と対向するように配置される。
【００５９】
そして、回転ツール１は、上下駆動モータ５２及びボールネジ機構５４によるガイドテーブル５３の移動により上下方向に可動し、回転駆動モータ５１により回転駆動される。
【００６０】
本実施形態では、上記接合設備（接合ガン、回転駆動モータ、上下駆動モータ、回転ツールなど）の制御パラメータから設備異常が要因となって発生する接合不具合を防止し、接合する部材の動摩擦係数や部材に与える負荷（加圧力、回転数、ツール接触径など）から発熱量を算出し、この発熱量と回転ツールの部材への押し込み量（板厚減少量）との関係から接合中に接合品質を判定するように構成され、全ての接合について非破壊にて検査が行え、製造ライン（インライン）内での品質保証の判定が可能となっている。
［接合制御］
次に、本実施形態の摩擦撹拌による接合制御方法について説明する。
【００６１】
図１５は、本実施形態の摩擦撹拌による接合制御方法を説明するフローチャートである。
【００６２】
図１５に示すように、ステップＳ１では、接合する素材の組み合わせや板厚に基づいて、回転ツールの回転数、加圧力、接合時間などの接合条件を予め実験などにより設定したデータベースから好適な接合条件を算出する。
【００６３】
ステップＳ３では、回転ツールを回転駆動を開始する。
【００６４】
ステップＳ５で回転ツールが設定された回転数に到達するのを待ち、到達したならば、ステップＳ７に進み、回転ツールを下降させて部材への加圧を開始する。ツール回転数は、回転駆動モータのエンコーダ値から算出される。また、加圧力は、上下駆動モータのフィードバック電流値から算出される。更に、予め実験などにより設定されたガンアームたわみ補正テーブルと上下駆動モータのエンコーダ値から回転ツールと固定ツールのツール間距離を算出する。
【００６５】
ステップＳ９で回転ツールが設定された加圧力に到達し、上記ツール間距離から回転ツールの突出部の部材への圧入完了を検出したならば、回転ツールのショルダ部が部材に接触した状態で回転して発熱する。
【００６６】
ステップＳ１１では、突出部３の部材に対する押し込み量を算出すると共に、ステップＳ１３で回転ツールに加わる負荷を算出する。
【００６７】
上記回転ツールの押し込み量は、上記ツール間距離から算出される。また、回転ツールに加わる負荷は、回転駆動モータのフィードバック電流値から算出される。
【００６８】
ステップＳ１５では、上記ツール間距離を監視しながら上部材の板厚減少量を算出し、所定の基準値を超えたときに接合条件（加圧力、回転数）を補正或いは変更することにより接合不具合（接合強度低下）を招くような板厚減少を低減する。また、ステップＳ１１で算出された回転ツールの押し込み量に適するように接合条件（加圧力、回転数）を補正或いは変更する。
【００６９】
ステップＳ１７では、ステップＳ１５で補正（変更）された接合条件で、ステップＳ１で設定された接合時間に到達するまでステップＳ１３〜Ｓ１７までの接合処理を保持し、この接合時間経過後に接合を完了する。
【００７０】
上記加圧力は、ツール先端での加圧力とそのときに必要な上下駆動モータの電流値の関係を予めテーブルに設定しておき、このテーブルにより加圧力補正式を算出することにより制御されている。そして、加圧時の上下駆動モータのフィードバック電流を検出し、このフィードバック電流値と加圧力補正式から加圧力が算出できる。
【００７１】
上記回転ツールのツール先端位置は、図１６に示すように、欠損確認時の基準位置における上下駆動モータのエンコーダ値と、現在回転ツールがある位置での同モータのエンコーダ値とを比較して算出される。また、ツール間距離は、図１６に示すように、予め加圧力とガンアームたわみ量の関係をテーブルに設定しておき、このテーブルからたわみ補正式を求め、接合時に発生する加圧力を上下駆動モータのフィードバック電流値とたわみ補正式により算出し、この加圧力により加圧したときのガンアームのたわみ量をたわみ補正式から算出する。そして、このガンアームたわみ量と上記回転ツールのツール先端位置の関係からツール間距離が算出される。
【００７２】
尚、上記制御において、接合時間は回転ツールに加わる負荷に応じて変更してもよい。
【００７３】
上記実施形態によれば、ツール先端位置と負荷から接合状態を検出し、この接合状態に適した接合条件（加圧力、回転数、接合時間）の制御を行うことで、接合する素材の組み合わせや板厚に適した塑性流動を発生させて接合不具合を低減し、安定した接合品質を確保できる。
［品質保証方法］
次に、本実施形態の摩擦撹拌による接合方法における品質保証方法について説明する。
【００７４】
図１６は、本実施形態の摩擦撹拌接合方法における品質保証方法を説明するフローチャートである。
【００７５】
図１６に示すように、ステップＳ２１では、実際の接合に入る前に、部材を介在させないで回転ツール１の突出部３が部材に当接する位置を算出する。
【００７６】
ステップＳ２３では、上記ステップＳ２１で算出された当接位置と予め決められた基準位置と比較して、回転ツール１における突出部３の磨耗による欠損確認を実行する。
【００７７】
基準位置は、欠損のない新品の回転ツール１を用い、この回転ツール１が固定ツール１０に接触して所定加圧力になった時の位置とする。そして、当接位置が基準位置を所定量超えたときに欠損ありと判定される。
【００７８】
ステップＳ２３で、突出部３が欠損していると判定されると、ステップＳ２５に進んで、異常としてその後のロボット動作が停止される。
【００７９】
上記ステップＳ２３の欠損確認により欠損なしと判定されると、ステップＳ２７で本プログラムを起動して、接合処理を開始する。
【００８０】
ステップＳ３１では、回転ツールの回転駆動を開始する。
【００８１】
ステップＳ３３で回転駆動モータのエンコーダ値から回転ツールが設定された回転数に到達したならば、ステップＳ３７に進み、回転ツール１を下降させて部材への加圧を開始する。また、所定時間経過しても設定された回転数に到達しないならば、ステップＳ３５で異常としてその後のロボット動作が停止される。
【００８２】
ステップＳ３９で回転ツールが設定された加圧力に到達したならば、回転ツールのショルダ部が部材に接触した状態で回転して発熱を開始し、ステップＳ４３で突出部３の部材に対するツール先端位置を算出すると共に、ステップＳ４５で回転ツールに加わる負荷を算出する。また、所定時間経過しても設定された加圧力に到達しないならば、ステップＳ４１で異常としてその後のロボット動作が停止される。
【００８３】
上記加圧力は、ツール先端での加圧力とそのときに必要な上下駆動モータの電流値の関係を予めテーブルに設定しておき、このテーブルにより加圧力補正式を算出することにより制御されている。そして、加圧時の上下駆動モータのフィードバック電流を検出し、このフィードバック電流値と加圧力補正式から加圧力が算出できる。
【００８４】
上記回転ツールのツール先端位置は、図１６に示すように、上記欠損確認時の基準位置における上下駆動モータのエンコーダ値と、現在回転ツールがある位置での同モータのエンコーダ値とを比較して算出される。また、ツール間距離は、図１６に示すように、予め加圧力とガンアームたわみ量の関係をテーブルに設定しておき、このテーブルからたわみ補正式を求め、接合時に発生する加圧力を上下駆動モータのフィードバック電流値とたわみ補正式により算出し、この加圧力により加圧したときのガンアームのたわみ量をたわみ補正式から算出する。そして、このガンアームたわみ量と上記回転ツールのツール先端位置の関係からツール間距離が算出される。
【００８５】
また、回転ツールに加わる負荷は、無負荷状態での回転駆動モータのフィードバック電流値と、回転駆動モータのエンコーダで検出される回転数の関係から各回転数ごとの基準電流を予めテーブルに設定しておき、このテーブルから基準電流算出式を求め、この基準電流算出式から求めた基準電流と、接合時の回転駆動モータのフィードバック電流値の下記の関係式１から算出される。
（式１）
接合時の負荷＝接合時の回転駆動モータのフィードバック電流値−基準電流
ステップＳ４７では、加圧による部材の板厚減少量を算出する。
【００８６】
ステップＳ４９では、上記負荷若しくは加圧力、ツール回転数、部材の表面抵抗（動摩擦係数）及びツール接触径から摩擦撹拌による発熱量を算出する。
【００８７】
ステップＳ５１では、上記板厚減少量と発熱量とを監視しながら接合品質を判定し、接合完了時に品質保証不可と判定されたならば、オペレータに接合不具合を警報して手直しを行う。上記板厚減少量は接合強度の大小を決定する要因となる。なぜならば、接合後の残存板厚の大小が接合強度に大きく影響するからである。
【００８８】
上記板厚減少量は、総板厚からツール間距離と突出部３の突出量とを引いた値が総板厚減少量となり、この総板厚減少量に板厚減少比率（上部材の板厚減少量／総板厚減少量）を乗じることにより上部材の板厚減少量を算出する。また、総板厚減少量から上部材の板厚減少量を引くことで下部材の板厚減少量を算出する（下記の関係式２〜４参照）。板厚減少比率は、予め実験などにより求めた比率を設定しておく。
（式２）
総板厚減少量＝総板厚−ツール間距離−突出部３の突出量
（式３）
上部材の板厚減少量＝総板厚減少量×板厚減少比率（上部材の板厚減少量／総板厚減少量）
（式４）
下部材の板厚減少量＝総板厚減少量−上部材の板厚減少量
図１８は加圧力と接合強度との関係を示し、接合条件Ａ，Ｂ，Ｃにおいて接合強度が下限値を超えた場合に品質保証可、下回る場合に品質保証不可と判定する。
［接合品質判定方法］
次に、上記ステップＳ５１での接合品質判定方法について説明する。
【００８９】
図１７は、本実施形態の摩擦撹拌接合方法における品質保証方法を説明するフローチャートである。
【００９０】
図１７に示すように、ステップＳ５５では、ステップＳ４９で算出された発熱量を実験などにより予め求めた発熱量と接合部面積（若しくは、直径など）の算出式に代入して接合部面積を算出する。同時に、ステップＳ５３では、ステップＳ４７で算出された板厚減少量が予め設定された基準値内であるか判定し、当該基準値内であれば、ステップＳ５７で接合部面積の強度判定を行い、基準値を超えるならば接合強度の確保が難しいとして品質保証不可と判定して、オペレータに接合不具合を警報して手直しを行う。
【００９１】
ステップＳ５７の接合部面積の強度判定では、予め記憶された接合特性ファイル（図１８参照）から接合部面積が基準値内か判定し、当該基準値内であれば品質保証可と判定して接合を完了し、基準値を超えるならば接合強度の確保が難しいとして品質保証不可と判定して、オペレータに接合不具合を警報して手直しを行う。
【００９２】
図１８からわかるように、加圧力を大きくしていくと、ある地点Ｐから接合強度が低下していく。これは、板厚減少量が大きくなって接合強度に影響を及ぼすからであり、この接合強度が低下する地点Ｐを基準値として接合条件（加圧力、回転数）が決定される。
【００９３】
上記実施形態によれば、上記接合設備（接合ガン、回転駆動モータ、上下駆動モータ、回転ツールなど）の制御パラメータから設備異常が要因となって発生する接合不具合を検出できる。また、接合する部材の動摩擦係数や部材に与える負荷（加圧力、回転数、ツール接触径など）から発熱量を算出し、この発熱量と回転ツールの部材への押し込み量（板厚減少量）との関係から接合中に接合品質を判定することにより、全ての接合について非破壊にて検査が行え、製造ライン（インライン）内での品質保証の判定が可能となる。
【００９５】
尚、図１５乃至図１７に示すフローチャートに対応する接合制御方法、接合保証方法、接合品質判定方法を実行するためのコンピュータプログラムや当該プログラムコードが格納された記憶媒体を、コンピュータに供給して、当該コンピュータが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して、上記実施形態の処理を実行するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌による接合方法を説明する概念図である。
【図２】従来の摩擦撹拌による非溶融の接合方法を説明する概念図である。
【図３】３枚の重ね合わせ接合用の長さの突出部を持つ回転ツールでの接合の様子を示す図である。
【図４】２枚の重ね合わせ接合用の長さの突出部を持つ回転ツールで３枚の重ね合わせ接合を時間を変化させて行った場合の接合の様子を示す図である。
【図５】本発明に係る実施形態の回転ツールで２枚の重ね合わせ接合を行った場合の接合の様子を示す図である。
【図６】本発明に係る実施形態の回転ツールで３枚の重ね合わせ接合を行った場合の接合の様子を示す図である。
【図７】受け面がフラットの固定ツールの加圧による部材への影響を示す図である。
【図８】受け面が曲面状の固定ツールの加圧による部材への影響を示す図である。
【図９】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用いる回転ツールの外観図である。
【図１０】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用いる回転ツールの外観図である。
【図１１】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用いる固定ツールの正面図である。
【図１２】回転ツール及び当該回転ツールの取り付けブラケットを示す正面図である。
【図１３】回転ツールを固定及び駆動する多関節ロボットの概略図である。
【図１４】図１３に示す接合ガンの詳細図である。
【図１５】本実施形態の摩擦撹拌による接合制御方法を説明するフローチャートである。
【図１６】本実施形態の摩擦撹拌接合方法における品質保証方法を説明するフローチャートである。
【図１７】本実施形態の摩擦撹拌接合方法における品質保証方法を説明するフローチャートである。
【図１８】加圧力と接合強度との関係を示す図である。
【図１９】ツール先端位置とツール間距離とガンアームたわみ量の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１  回転ツール
３  突出部
１０  固定ツール
３０  多関節ロボット
Ｗ１〜Ｗ３  部材
【図１】
0004671523.tif 000002
【図２】
0004671523.tif 000003
【図３】
0004671523.tif 000004
【図４】
0004671523.tif 000005
【図５】
0004671523.tif 000006
【図６】
0004671523.tif 000007
【図７】
0004671523.tif 000008
【図８】
0004671523.tif 000009
【図９】
0004671523.tif 000010
【図１０】
0004671523.tif 000011
【図１１】
0004671523.tif 000012
【図１２】
0004671523.tif 000013
【図１３】
0004671523.tif 000014
【図１４】
0004671523.tif 000015
【図１５】
0004671523.tif 000016
【図１６】
0004671523.tif 000017
【図１７】
0004671523.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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