(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材１、２の接合部１３に回転する回転子６０の先端から突出しているプローブ６２を挿入し、前記プローブ６２との接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、前記プローブ６２を挿入状態で前記接合部１３に沿って相対的に移動させることにより前記被接合部材１、２を接合する際、接合時に前記プローブ６２の移動方向の前方部分を加熱しながら移動する加熱熱源を有する摩擦攪拌接合法の加熱装置において、
前記加熱熱源は前記接合部１３上を移動する前記プローブ６２の前方および後方に前記プローブ６２と同時に移動する誘導加熱熱源４、８と、前記誘導加熱熱源４、８に電力を供給する電源１２と、前記接合部１３の温度を設定する温度設定手段４０とを具備し、前記誘導加熱熱源４、８と前記被接合部材１、２の間に空隙を設け、接合時において前記電源１２により前記誘導加熱熱源４、８が前記温度設定手段により設定された前記設定温度に加熱され、前記プローブ６２の前記移動方向の前方部分の所定の間隔を介した前記接合部１３を前記誘導加熱熱源４により前記温度設定手段により設定された第１の設定温度で加熱し、前記プローブ６２の前記移動方向の後方部分の所定の間隔を介した前記接合部１３を前記誘導加熱熱源８により前記温度設定手段により設定された第2の設定温度で加熱することを特徴とする摩擦撹拌接合法の加熱装置。
【請求項２】
前記プローブ６２の移動方向に所定の間隔を介して配置された前記誘導加熱熱源４、８の前記移動方向と直角方向の幅は、前記プローブ６２の直径より大きいことを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合法の加熱装置。
【請求項３】
前記プローブ６２の移動方向の前方に所定の間隔を介して非接触温度センサ６を、後方に所定の間隔を介して非接触温度センサ９をそれぞれ配置し、前記非接触温度センサ６、９が計測した前記接合部１３の温度情報をフィードバック機構７、１１にフィードバックし、前記温度設定手段４０により予め設定された設定温度４１になるように前記電源１２に供給される電力を調整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法の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は摩擦撹拌接合法の加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、摩擦撹拌接合における接合を促進させる加熱装置として、円筒形のツールをその中心軸円周方向に回転させながら被接合材接合線に沿って圧着、移動させ、その際にツールと母材間に生ずる摩擦熱の発生を促すためにレーザやガス炎を利用したものがある（たとえば、特許第2712838号、特許第3081808号）。第１の従来例として、レーザ光を用いた加熱装置について述べる。図７は、この従来の摩擦撹拌装置の加熱装置構成を示す模式図である。図において、１、２は、同一平面内において幅方向の一端面を突合わせ状態に配置されたアルミニウム等の金属からなる２枚の板状被接合部材であり、この突合わせ部を接合部１３とするものである。３は接合装置であり、径大の円柱状回転子６０の端部軸線上に径小のピン状プローブ６２が突出して一体に設けられたものであり、回転子６０を高速回転させることによりプローブ６２を高速回転させるものである。なお、プローブ６２及び回転子６０は、被接合部材１、２よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えうる耐熱材料によって形成されている。６３は加熱装置であって、ＣＯ2レーザやＹＡＧレーザ等の各種レーザ光６４を熱源として両被接合部材１、２を加熱するものである。この加熱装置６３は、レーザ光６４を出すレーザ発振器（図示せず）と、該発振器から出たレーザ光を集光したり、加熱すべき箇所にレーザ光６４の照準を合わせたりする光学系（図示せず）とを備えている。そして、レーザ光６４が照射される略円筒状のレーザノズル部６５は、プローブ６２の移動方向前方の近傍部位に配置されると共に、プローブ６２の動きに連動し、接合部１３におけるレーザ照射位置が常にプローブ６２の移動方向前方に位置する。レーザ光６４の照射幅は、回転子６０先端の平坦状ショルダ６１の径と略同一寸法に設定されており、接合部１３のうちプローブ６２近傍の部分だけを加熱して、この部分及びその周辺の温度を上昇させる。上記の摩擦撹拌接合法の加熱装置の動作について説明する。加熱装置６３のレーザ発振器を作動させてノズル部６５からレーザ光６４を照射させると共に、接合装置の回転子６０を回転させてこれと一体回転するプローブ６２を接合部１３又はその近傍に接触させる。そして、その摩擦熱により接触部分を軟化可塑化させ、更にプローブ６２を押し付けてプローブ６２を被接合部材１、２の厚さ方向内部に挿入していく。プローブ６２の挿入状態で、回転子６０のショルダ６１を被接合部材１、２の表面に圧着させる。ショルダ６１の当接により、接合開始時あるいは接合途中の軟化部分の素材の飛散を防止し得て均一な接合状態を実現し得ると共に、被接合部材１、２とショルダ６１との摺動による摩擦熱を生ぜしめて、プローブ６２との接触部あるいはその近傍の軟化を促進し、さらに被接合部材１、２表面の凹凸形成を防止する。プローブ６２の挿入後、接合部１３に沿って回転子６０を移動させる。すると、これに連動して加熱装置６３のノズル部６５が接合部１３に沿って移動し、これに伴いレーザ照射位置も移動する。プローブ６２及び回転子６０の回転により、プローブ６２との接触部分周辺において、被接合部材１、２が摩擦熱によって軟化し且つ撹拌される。そして、プローブ６２の移動によって、軟化撹拌部分がプローブ６２の進行圧力を受けてプローブ６２の通過溝を埋めるようにプローブ６２の進行方向後方へと回り込む態様で塑性流動したのち、摩擦熱を急速に失って急冷固化される。図７に示した加熱装置６３を用いた摩擦撹拌接合では、レーザ光６４の照射によって接合部が加熱され、プローブ６２及びショルダ６１との接触部を迅速に軟化させ、プローブ６２による接合を容易とすることを狙いとしている。第２の従来例としてガス炎を用いた加熱装置について述べる。図８は、加熱装置にガス炎を用いた摩擦撹拌接合法を示す模式図である。酸素アセチレン、酸素プロパン、酸素天然ガス等の各種ガス炎７０を熱源として両被接合部材１、２を加熱するものである。この加熱装置７２も同様に、ガス炎７０が噴射される略円筒状のガスノズル部７１は、プローブ６２の移動方向前方の近傍部位に配置されると共に、プローブ６２の動きと連動するものとなされ、接合部１３におけるガス炎７０噴射位置が常に接合装置の移動方向前方に位置するものとなされている。また、ガス炎７０の噴射幅は、被接合部材１、２の表面にぶつかってその先端部が広がった状態になったときに回転子６０のショルダ６１の径と略同一寸法になるように設定されており、接合部１３のうちプローブ近傍の部分だけを加熱して、この部分及びその周辺の温度を上昇させるものとなされている。上記の摩擦撹拌接合法の加熱装置の動作について説明する。加熱装置７２のガスノズル部７１からガス炎７０を噴射させると共に、接合装置３の回転子６０を回転させてこれと一体回転するプローブ６２を接合部１３に挿入し、プローブ挿入状態のまま突合せ部に沿ってプローブ６２を被接合部材１、２に対し相対的に移動させることにより被接合部材１、２が接合される。図８に示した加熱装置７２を用いた摩擦撹拌接合では、ガス炎７０の熱によって接合部が加熱され、プローブ６２及びショルダ６１との接触部を迅速に軟化させ、プローブ６２による接合を容易とすることを狙いとしている。このように、従来の摩擦擦撹拌接合では施工を行う際に、摩擦熱のみでは被接合部材に対する昇温速度が遅いため、補助熱源としてレーザ光６４あるいはガス炎７０を用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら従来の摩擦擦撹拌接合で補助熱源としてレーザ光６４あるいはガス炎７０を用いる手法は、接合後の被接合部材の冷却速度を制御する機構を持たないため、冷却時に被接合部材の接合部に生ずる、被接合部材の内部応力による被接合部材の接合部分の凝固割れの発生を回避することができなかった。また、レーザは熱源の照射半径が極めて小さいため、接合線上に照射する際の位置ずれ誤差の裕度が狭く、被接合部材の微小な変形等により接合線１３への焦点が定まらない場合、余熱温度にばらつきが出る。また、ガス炎は被接合部材に対する熱源の照射半径が大きいため、被接合部材の接合線１３上に照射できる位置ずれ誤差の裕度は広いが、投入熱量の管理が難しく、加熱時にガス炎７０は被接合部材の接合部以外の範囲も加熱し軟化させる。摩擦撹拌接合では被接合部材を溶融させず接合するため欠陥が少なく非接合部材の軟化範囲も狭いために強度の低下が少ない長所がある。この接合法の処理時間短縮を目的として予備加熱、処理後の品質向上を目的として後加熱が検討されている。その加熱法としてはレーザとガスバーナがある。摩擦撹拌接合の長所を維持するために必要なことは、接合部の極近傍のみを加熱できることと冷却速度の制御性があることである。前者は被接合部材の軟化を防ぐためで、後者は接合部前方の加熱時の急速加熱による処理時間短縮を目的としている。接合部後方加熱冷却は熱処理（脆化の防止、強度向上、歪取り）の目的で冷却条件を変える必要がある。誘導加熱は一般に用いられており加熱冷却速度の制御性が良くて材料の形状の影響がなく、簡単な装置で使用できるという特徴がある。しかし、接合部だけの加熱には不利で、また、アルミニウムのような非磁性で導電率の高い材料には適用が難しい。
そこで、本発明は、摩擦撹拌接合を開始するまでの時間を短縮し、加熱範囲及び加熱温度の制御性の向上、材質に拠らず、接合部位の割れを防止できる摩擦撹拌接合の加熱装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明は、被接合部材の接触部の接触抵抗による誘導加熱を用いて局部加熱を行うもので、詳しくはつぎの構成によるものである。
(1) 請求項１記載の摩擦撹拌接合法の加熱装置は、被接合部材１、２の接合部１３又はその近傍に回転する回転子６０の先端から突出しているプローブ６２を挿入し、前記プローブ６２との接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、前記プローブ６２を挿入状態で前記接合部１３に沿って相対的に移動させることにより前記被接合部材１、２を接合する際、接合時に前記プローブ６２の移動方向の前方部分を加熱しながら移動する加熱熱源を有する摩擦攪拌接合法の加熱装置において、前記加熱熱源は前記接合部１３上を移動する前記プローブ６２の前方および後方に前記プローブ６２と同時に移動する誘導加熱熱源４、８と、前記誘導加熱熱源４、８に電力を供給する電源１２と、前記接合部１３の温度を設定する温度設定手段４０とを具備し、前記誘導加熱熱源４、８と前記被接合部材１、２の間に空隙を設け、接合時において前記電源１２により前記誘導加熱熱源４、８が前記温度設定手段により設定された前記設定温度に加熱され、前記プローブ６２の前記移動方向の前方部分の所定の間隔を介した前記接合部１３を前記誘導加熱熱源４により前記温度設定手段により設定された第１の設定温度で加熱し、前記プローブ６２の前記移動方向の後方部分の所定の間隔を介した前記接合部１３を前記誘導加熱熱源８により前記温度設定手段により設定された第2の設定温度で加熱する構成である。本摩擦撹拌接合法の加熱装置によれば、移動方向前方の加熱により被接合部材１、２が摩擦撹拌接合可能な状態に軟化するため、加熱時間が短縮でき、加熱範囲及び加熱温度の制御性が向上する。また、移動方向後方の加熱により接合後の冷却時間を制御することで接合部位の割れを防止することができる。
(2)請求項２記載の摩擦撹拌接合法の加熱装置は、前記誘導加熱熱源４、８の前記移動方向と直角方向の幅は、前記プローブ６２の直径より大きくしたものである。請求項２記載の摩擦撹拌接合法の加熱装置によれば、誘導加熱熱源４、８の大きさをショルダ６１と同一の幅としたので、プローブ６２によって接合される接合部１３のみに加熱を限定できる。このため、接合部１３以外が加熱されることなく被接合部材１、２の熱影響を最小限に押さえ、高品質な接合が可能となる。
(3)請求項３記載の摩擦撹拌接合法の加熱装置は、前記プローブ６２の移動方向の前方に非接触温度センサ６を、後方に非接触温度センサ９をそれぞれ配置し、前記非接触温度センサ６、９が計測した前記接合部１３の温度情報をフィードバック機構７、１１にフィードバックし、前記温度設定手段４０により予め設定された設定温度４１になるように前記電源１２に供給される電力を調整するようにしたものである。請求項３記載の摩擦撹拌接合法の加熱装置によれば、誘導加熱熱源４、８による接合物の過剰加熱を防止し被接合材１、２の変形を防止することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１〜図３に示す。図１は、摩擦撹拌接合法の加熱装置を示す斜視図、図２は図１における部分側面図、図３は加熱温度設定パネルである。図において、３は加熱装置、４、８は誘導加熱熱源、１２は電源、４０は加熱温度設定パネル、４１は設定温度表示、４２は設定温度調整ボタンである。その他の符号は、従来例で述べたものと同じであるため省略する。
誘導加熱熱源４、８は、被接合部材１、２の表面から少なくとも１ｍｍの空隙をもって図示しない保持治具に接合装置３とともに固定されている。設定温度は１００℃〜３００℃の範囲とし、加熱温度設定パネル４０で設定される。
つぎに、本装置の動作について述べる。
図４は本発明の加熱装置を示すブロック図である。被接合部材１、２の接合線１３上に配置された誘導加熱熱源４は温度設定手段４０の設定温度調整ボタン４２で設定された設定温度４１に応じて誘導加熱熱源４を駆動する電源１２に加熱量の増減信号を送り、電源１２は誘導加熱熱源４を駆動し、誘導加熱熱源４は電磁気を照射し、接合線１３近傍の被接合部材１、２を誘導加熱し、設定温度４１に近づける。特に接合部１３は被接合部材１、２の接触抵抗発熱により局部的な発熱点を生ずる。誘導加熱熱源４によって加熱された被接合部材１、２は回転しているプローブ６２とショルダ６１の接合線１３への圧着によりさらに摩擦熱を生じるが、被接合部材１、２は設定温度４１に到達しているためプローブ６２とショルダ６１の摩擦熱がもたらす塑性流動状態に短時間で達することが可能になり、摩擦撹拌接合が短時間で完了する。接合が完了後、プローブ６２の後方に設置された誘導加熱熱源８は設定温度４１に応じて誘導加熱熱源８を駆動する電源１２に加熱量の増減信号を送り、電源１２は誘導加熱熱源８を駆動し、誘導加熱熱源８は電磁気を被接合部材１、２と接合部１３に照射し、被接合部材１、２と特に接合部１３を誘導加熱する。
摩擦撹拌接合において被接合部材１、２が摩擦撹拌接合可能な状態に軟化するための時間短縮および加熱範囲及び加熱温度の制御の裕度を増加し、接合後の冷却時間を制御することで接合部１３の急冷による割れを防止することができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図５に示す。図５は、摩擦撹拌接合法の加熱装置の示す構成図である。図において、６、９は非接触温度センサ、７はフィードバック機構、８は誘導加熱熱源、１１はフィードバック機構である。
プローブ６２とショルダ６１により摩擦撹拌接合される直前の接合部１３の温度を計測する非接触温度センサ６、プローブ６２とショルダ６１により摩擦撹拌接合された直後の接合部１３の温度を計測する非接触温度センサ９、各非接触式温度センサ６、９からのフィードバック情報を処理する図６に示すフィードバック機構７、１１を具備し、非接触温度センサ６はプローブ６２の移動方向前方、非接触温度センサ９はプローブ６２の移動方向後方に配置し、接合時において誘導加熱熱源４、８は、非接触温度センサ６、９が計測した接合部１３の温度をもとに電源１２に内蔵された温度設定手段４０により予め設定された設定温度４１になるようにフィードバック機構７、１１により誘導加熱熱源４、８へ電源１２により供給される電力を制御し、被接合部材１、２と接合部１３への加熱量を調整することで、プローブ６２とショルダ６１により摩擦撹拌接合される直前の接合部１３の温度およびプローブ６２とショルダ６１により摩擦撹拌接合された直後の接合部１３の温度を非接触温度センサ６、９により計測し、非接触温度センサ６、９からの温度情報をフィードバック機構７、１１によりフィードバック制御し、設定温度４１に加熱量を調整する。
本実施例により、誘導加熱熱源４、８による接合物の過剰加熱を防止し被接合材１、２の変形を防止することができる。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の摩擦撹拌接合法の加熱装置によれば、つぎの効果がある。
（１）接合部上を移動するプローブの前後に同時に移動する誘導加熱熱源と、接合部の温度を設定する温度設定手段とを具備し、誘導加熱熱源と被接合部材の間に空隙を設け、接合時において電源により誘導加熱熱源が温度設定手段により設定された設定温度に加熱され、プローブの移動方向の前方部分の接合部を誘導加熱熱源により加熱し、プローブの移動方向の後方部分の接合部を誘導加熱熱源により加熱する構成にしたので、移動方向前方の加熱により被接合部材が摩擦撹拌接合可能な状態に軟化するため、加熱時間の短縮と加熱範囲及び              加熱温度の制御の裕度を増加させた。また、移動方向後方の加熱により接合後の冷却時間を制御することで接合部位の割れを防止することができる。
(2)誘導加熱熱源の移動方向と直角方向の幅は、プローブの直径より大きくしたので、プローブによって接合される接合部のみに加熱を限定できる。このため、接合部以外が加熱されることなく被接合部材の熱影響を最小限に押さえ、高品質な接合が可能となる。
(3)プローブの移動方向の前方に非接触温度センサを、後方に非接触温度センサをそれぞれ配置し、非接触温度センサが計測した接合部の温度情報をフィードバック機構にフィードバックし、温度設定手段により予め設定された設定温度になるように電源に供給される電力を調整するようにしたので、誘導加熱熱源による接合物の過剰加熱を防止し被接合材の変形を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における摩擦撹拌接合の加熱方法の構成を示す模式図
【図２】図１における被接合部材の分側面図
【図３】図１における加熱温度設定パネルの正面図
本発明の実施の形態におけるの誘導加熱源の位置関係を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態を示すブロック図
実施の形態における摩擦撹拌接合の加熱方法の構成を示す加熱方法の構成を示す模式図
【図５】本発明の第２の実施形態の加熱温度設定パネルの模式図
【図６】本発明の第２の実施形態を示すブロック図
【図７】従来の摩擦撹拌接合法の加熱装置を示す模式図
【図８】従来の他の摩擦撹拌接合法の加熱装置を示す模式図
【符号の説明】
１、２：被接合部材
３  ：接合装置
４  ：誘導加熱熱源
６、９：非接触温度センサ
７  ：フィードバック機構
８  ：誘導加熱熱源
１１：フィードバック機構
１２：電源
４０：加熱温度設定パネル
４１：設定温度表示
４２：設定温度調整ボタン
６０：回転子
６１：ショルダ
６２：プローブ
６３、７２：加熱装置
６４：レーザ光
６５：レーザノズル部
７０：ガス炎
７１：ガスノズル部
【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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