(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合材を突き合わせた状態で保持するテーブルと、
回転しながら上記被接合材の突き合わせ部分に沿って相対的に移動し、上記突き合わせ部分の両側の上記被接合材を摩擦撹拌接合する回転工具と、
を備えた摩擦撹拌接合装置であって、
上記テーブルが少なくとも三つ以上の被接合材を突き合わせた状態で保持可能に構成され、
上記回転工具が、上記各被接合材の間に形成された複数の突き合わせ部分に沿ってそれぞれ回転しながら相対移動するように複数並列に設けられ、アーム状の支持部材によって片持ち支持されると共に、上記テーブルが、上記支持部材と対向する範囲よりも広い幅に渡って上記被接合材を保持可能に構成されたことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
上記各回転工具に対して、その回転工具を回転させる回転駆動手段がそれぞれ設けられ、
上記各回転工具が、上記各回転駆動手段が互いに干渉しないように千鳥状に設けられたことを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項３】
上記回転工具が、上記各被接合材の上記突き合わせ部分に沿った長手方向のみならず、幅方向へも相対的に移動可能に構成された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装置。
【請求項４】
上記テーブルが、そのテーブルよりも上記長手方向に長い被接合材を保持可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
上記回転工具の上記被接合材に対する傾斜を変更可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに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、複数の被接合材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護或いは省エネルギの観点から、自動車の排出する窒素酸化物や二酸化炭素の抑制、燃費の向上が切望されている。これらを達成するための最も有効な方法の一つとして、自動車の軽量化、すなわち軽量材料の使用が考えられる。そこで、自動車のボディや部品を構成する材料を、鋼鉄からアルミニウム合金へ転換することが検討されている。アルミニウム合金は、軽量であることは勿論のこと、断面形状の最適化により剛性を高めることができる。また、平滑性も優れており、車両或いは船舶等の運輸用機器の構成部材として適している。
【０００３】
しかしながら、アルミニウム合金は、鋼鉄のような圧延板としてではなく、押出形材として提供される場合が多い。押出形材はダイスを介して押し出されるため、形材の幅に限度がある。このため、アルミニウム合金を用いて幅の広い成形体や大きな構造物を形成する場合は、押出形材同士をアーク溶接（ＭＩＧまたはＴＩＧ）によって接合するのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、アーク溶接を行うと溶接部が変形し、流麗な表面形状が阻害される。このため、外観を重視する部位では、溶接時に形成される余盛りの削除が必要となる。また、アーク溶接を行うと、溶接部外側の溶接熱影響部（ＨＡＺ）が５００℃近くまでゆっくりと加熱されるので、大きな析出物が生じて強度が低下する。このため、溶接部では予め厚肉に形成して強度を補償する必要があり、軽量化の効果が充分に発揮されない。また、アーク溶接では特有のブローホールや凝固割れ等の欠陥が生じる場合もあり、この場合、その手直しに溶接部をはつり再溶接を行う。この場合、多大な工数を要すると共に溶接部の外観が汚くなる。
【０００５】
入熱が少なく軟化や歪みの程度が軽い接合方法として、近年、摩擦撹拌接合が考えられている（例えば、特許２７１２８３８号）。この方法は、鋼鉄等の硬質の裏当ての上にアルミニウム合金等の軟質素材（被接合材）を突き合わせて拘束し、その突き合わせ部分に沿って硬質の回転工具を高速回転させながら移動させる方法である。この方法は、接合部が溶融しないのが特徴で、撹拌部外側の熱影響部の温度もそれ程上昇しない。
【０００６】
しかしながら、上記特許には回転工具の形状等が示されているのみで、その摩擦撹拌接合を実施する装置の構成については具体的に開示されていない。また、この摩擦撹拌接合によっても、多数の被接合材を接合して大きな成形体を得ようとする場合、次のような課題が生じる。
【０００７】
すなわち、多数の被接合材を接合して大きな成形体を得る場合、摩擦撹拌接合を何度も繰り返す必要が生じる。摩擦撹拌接合によっても若干の歪みが生じるので、これを何回も繰り返す間に歪みが累積して被接合材の突き合わせ部分が変形し、接合不良が発生する可能性がある。また、上記歪みの累積により、得られた成形体全体に比較的大きな歪みが生じる可能性もある。
【０００８】
そこで、本発明は、多数（少なくとも三つ以上）の被接合材を摩擦撹拌接合する場合でも、接合不良の発生や接合後の成形体における歪みの発生を良好に抑制することのできる摩擦撹拌接合装置を提供することを目的としてなされた。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の発明は、
複数の被接合材を突き合わせた状態で保持するテーブルと、
回転しながら上記被接合材の突き合わせ部分に沿って相対的に移動し、上記突き合わせ部分の両側の上記被接合材を摩擦撹拌接合する回転工具と、
を備えた摩擦撹拌接合装置であって、
上記テーブルが少なくとも三つ以上の被接合材を突き合わせた状態で保持可能に構成され、
上記回転工具が、上記各被接合材の間に形成された複数の突き合わせ部分に沿ってそれぞれ回転しながら相対移動するように複数並列に設けられ、アーム状の支持部材によって片持ち支持されると共に、上記テーブルが、上記支持部材と対向する範囲よりも広い幅に渡って上記被接合材を保持可能に構成されたことを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明では、テーブルは少なくとも三つ以上の被接合材を突き合わせた状態で保持することができ、各回転工具は、各被接合材の間に形成された二つ以上の突き合わせ部分に沿ってそれぞれ回転しながら相対移動する。すると、各突き合わせ部分に沿って、その両側の被接合材が同時に摩擦撹拌接合される。すなわち、本発明では、少なくとも三つ以上の被接合材を同時に摩擦撹拌接合することができ、前述のような歪みの累積を抑制することができる。
【００１１】
従って、本発明では、多数（少なくとも三つ以上）の被接合材を摩擦撹拌接合する場合でも、接合不良の発生や接合後の成形体における歪みの発生を良好に抑制することができる。
しかも、本発明では、各回転工具がアーム状の支持部材によって片持ち支持されているので、被接合材の一部を支持部材がない側にはみ出して配設することが可能となる。また、本発明のテーブルは、上記支持部材と対向する範囲よりも広い幅に渡って被接合材を保持することができる。このため、被接合材を支持部材と対向する範囲よりも広い幅に渡って突き合わせた場合にも、一回目の摩擦撹拌接合によって接合された部分を上記範囲の外側に配設して二回目の摩擦撹拌接合を行うことにより、回転工具が配設される範囲に比べて幅の広い成形体を容易に得ることができる。従って、本発明では、上記効果に加えて、回転工具を予め広い幅に渡って配設しておかなくても幅の広い成形体を容易に得ることができるといった効果が生じる。よって、幅の広い成形体を得るための摩擦撹拌接合装置の製造コストを、良好に低減することができる。
なお、上記テーブルは、治具等の拘束手段によって被接合材を突き合わせて拘束するものであってもよく、互いに突き合わせた状態で溶接等によって仮固定された被接合材を位置がずれない程度に保持するものであってもよい。前者の場合、摩擦撹拌接合に要する作業工程を減らして作業性を一層向上させると共に、前述のような溶接による悪影響を一層良好に排除することができ、後者の場合、装置の構成を一層簡略化してその製造コストを一層低減することができる。
また、本発明では、テーブル自体を支持部材と対向する範囲よりも広い幅に渡って構成してもよく、テーブルをそのテーブルよりも広い幅に渡って突き合わされた被接合材が保持できるように構成してもよい。後者の場合、装置を一層小型化することができ、幅の広い成形体を製造しない時点における装置の専有空間を小さくすることができる。また、後者の場合、上記テーブルは、幅方向に延長されることによって上記被接合材を突き合わせて拘束する幅方向延長支持機構を備えたものであってもよく、溶接等によって自身よりも広い幅に仮固定された被接合材を位置がずれない程度に保持するものであってもよい。これらの場合、前者では作業性を一層向上させると共に溶接による悪影響を一層良好に排除することができ、後者の場合、装置の構成を一層簡略化して製造コストを一層低減することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、
上記各回転工具に対して、その回転工具を回転させる回転駆動手段がそれぞれ設けられ、
上記各回転工具が、上記各回転駆動手段が互いに干渉しないように千鳥状に設けられたことを特徴としている。
【００１３】
本発明では、上記複数の回転工具をそれぞれ回転させる回転駆動手段が、互いに干渉しないように千鳥状に配設されている。このため、回転駆動手段を回転工具毎に設け、その回転駆動手段として比較的大型のものを使用しても、回転工具の上記突き合わせ方向の間隔（上記被接合材の幅に相当）は比較的狭くすることができる。従って、本発明では、比較的幅の狭い被接合材を摩擦撹拌接合する場合にも、回転駆動手段の大きさを自由に選択可能として、回転工具に必要とされる充分なトルク等を与えることができるといった効果が生じる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の構成に加え、
上記回転工具が、上記各被接合材の上記突き合わせ部分に沿った長手方向のみならず、幅方向へも相対的に移動可能に構成されたことを特徴としている。
本発明では、回転工具が被接合材の幅方向へも相対的に移動するので、上記突き合わせ部分が直線状でない場合にも被接合材を良好に接合することができる。従って、本発明では、請求項１または２記載の発明の効果に加えて、接合可能な被接合材の形態を一層広げることができるといった効果が生じる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、
上記テーブルが、そのテーブルよりも上記長手方向に長い被接合材を保持可能に構成されたことを特徴としている。
【００１９】
本発明では、テーブルがそのテーブルよりも長手方向に長い被接合材を保持可能に構成されており、被接合材を上記長手方向にずらして保持し直すことにより、突き合わせ部分全体に渡って回転工具を移動させることができる。このため、テーブルよりも長い成形体を容易に得ることができる。従って、本発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、テーブルを予め長く構成しておかなくても長い成形体を容易に得ることができるといった効果が生じる。よって、装置を一層小型化することができ、長い成形体を製造しない時点における装置の専有空間を小さくすることができる。なお、本発明において、上記テーブルが、上記長手方向に延長されることによって上記被接合材を支持する長手方向延長支持機構を備えた場合、上記被接合材を一層安定して保持して摩擦撹拌接合を一層確実に行うことができる。
【００２０】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の構成に加え、
上記回転工具の上記被接合材に対する傾斜を変更可能に構成されたことを特徴としている。
本発明では、回転工具の被接合材に対する傾斜を変更することができる。このため、被接合材の突き合わせ部分近傍が傾斜または段差を有している場合にも、その傾斜または段差に応じて回転工具を傾斜させ、良好に摩擦撹拌接合を行うことができる。また、一般的にも、回転工具を前傾させることにより摩擦撹拌接合が行い易くなる。従って、本発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、接合可能な被接合材の形態を一層広げると共に、摩擦撹拌接合を一層確実かつ容易に行うことができるといった効果が生じる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。図１は、本発明が適用された摩擦撹拌接合装置１の構成を表す斜視図である。図１に示すように、摩擦撹拌接合装置１は、アルミニウム合金の押出形材等からなる被接合材としての複数のワーク９１を突き合わせた状態で保持するテーブル３と、そのワーク９１を摩擦撹拌接合する三つのヘッド５，７，９とを備えている。
【００２２】
ヘッド５，７，９は、それぞれ、ワーク９１の突き合わせ部分９３に沿って回転しながら移動する回転工具１１と、その回転工具１１を回転させる回転駆動手段としてのモータ１３とを備えており、各モータ１３は、アーム状の支持部材１５によって片持ち支持されている。また、テーブル３は、図示しないテーブル駆動機構によって図１の矢印Ａ方向にチェーン駆動される。
【００２３】
図２は、回転工具１１の構成を表す側面図である。図２に示すように、回転工具１１は、大径の肩部１１ａと、その肩部１１ａの下端から突出した小径の柱１１ｂとから構成され、モータ１３から駆動力を伝達されて柱１１ｂの中心軸回りに回転すると共に、テーブル３の上記移動により突き合わせ部分９３に沿って移動する。すると、突き合わせ部分９３には、図１に示すように、両側のワーク９１を構成する金属が柱１１ｂによって撹拌された撹拌部９５が形成され、ワーク９１同士が接合される。また、摩擦撹拌接合装置１は、図１に例示するように、テーブル３に少なくとも三つ以上（図１では四つ）のワーク９１を突き合わせた状態で保持することができ、各回転工具１１は、各突き合わせ部分９３に沿ってそれぞれ回転しながら移動する。すると、突き合わせ部分９３（合計３本）に沿ってその両側のワーク９１（合計四つ）が同時に摩擦撹拌接合される。
【００２４】
このように、摩擦撹拌接合装置１では、多数のワーク９１を同時に摩擦撹拌接合することができ、次のように接合不良の発生や接合後の成形体における歪みの発生を良好に抑制することができる。すなわち、多数のワーク９１を接合して大きな成形体を得るために摩擦撹拌接合を何度も繰り返すと、摩擦撹拌接合によって生じる若干の歪みが累積してワーク９１の突き合わせ部分９３が徐々に変形し、接合不良が発生する可能性がある。また、上記歪みの累積により、得られた成形体全体に比較的大きな歪みが生じる可能性もある。これに対して、摩擦撹拌接合装置１では、多数のワーク９１を同時に摩擦撹拌接合することができるので、前述のような歪みの累積を抑制し、接合不良の発生や接合後の成形体における歪みの発生を良好に抑制することができる。
【００２５】
なお、テーブル３は、治具等の拘束手段によってワーク９１を突き合わせて拘束するものであってもよく、互いに突き合わせた状態で溶接等によって仮固定されたワーク９１を位置がずれない程度に保持するものであってもよい。前者の場合、摩擦撹拌接合に要する作業工程を減らして作業性を一層向上させると共に、溶接によってワーク９１の表面形状が阻害されたり強度が低下したりするのを一層良好に防止することができる。また、後者の場合、装置の構成を一層簡略化してその製造コストを一層低減することができる。
【００２６】
また、前述のように、摩擦撹拌接合装置１では各ヘッド５，７，９がアーム状の支持部材１５によって図１の右側から片持ち支持されているので、ワーク９１の一部をテーブル３の左側にはみ出して配設することが可能となる。そこで、テーブル３をこのようにはみ出した状態でワーク９１を支持できるように構成すれば、次のように幅の広い成形体を容易に得ることができる。
【００２７】
例えば、多数のワーク９１をテーブル３よりも広い幅に渡って突き合わせ、溶接等によって仮固定すれば、その仮固定後のワーク９１の左端はテーブル３からはみ出す。また、そのはみ出した部分にはワーク９１同士の突き合わせ部分９３も存在する。この状態で、前述のような摩擦撹拌接合を行い、テーブル３上に配設されて支持部材１５とも対向する範囲内の突き合わせ部分９３を、先ず接合する。続いて、この一回目の摩擦撹拌接合によって接合された部分を上記範囲の外側に配設して二回目の摩擦撹拌接合を行うことにより、ヘッド５，７，９が配設される範囲に比べて幅の広い成形体を容易に得ることができる。このため、ヘッド５等を広い幅に渡って多数配設しておかなくても幅の広い成形体が製造でき、幅の広い成形体を得るための装置の製造コストを良好に低減することができる。
【００２８】
なお、テーブル３自体を支持部材１５と対向する範囲よりも広い幅に渡って構成しても、同様に少ないヘッド数で幅の広い成形体を得ることができ、装置の製造コストを良好に低減することができる。但し、前述のように比較的小さいテーブル３を使用する場合、装置を一層小型化することができ、幅の広い成形体を製造しない時点における装置の専有空間を小さくすることができる。
【００２９】
また、テーブル３を広い幅に構成する代わりに、図３（Ａ）に示すように、テーブル３の側面から必要量だけ引き出すことのできる幅方向延長支持機構としての補助テーブル３１を設けてもよい。この場合は、補助テーブル３１をテーブル３に収納することにより、幅の広い成形体を製造しない時点における装置の専有空間を小さくすることができる。また、図３（Ａ）に示すテーブル３及び補助テーブル３１では、その上面に設けられた治具３３によってワーク９１を突き合わせて拘束している。このため、前述のように、摩擦撹拌接合に要する作業工程を減らして作業性を一層向上させると共に、溶接によってワーク９１の表面形状が阻害されたり強度が低下したりするのを一層良好に防止することができる。
【００３０】
また、補助テーブル３１の先端は、図３（Ｂ）に示すように、ローラ３５を介してレール３７に沿って移動可能に支承してもよい。この場合、補助テーブル３１の先端が撓むのを防止して、テーブル３からはみ出したワーク９１を一層安定して保持することができる。従って、摩擦撹拌接合が一層確実に実行できる。
【００３１】
更に、テーブル３からはみ出すワーク９１を摩擦撹拌接合する形態としては、それが長手方向にはみ出す場合にも上記幅方向と同様に各種形態が考えられる。例えば、テーブル３がそのテーブル３よりも長手方向に長いワーク９１を保持可能に構成されている場合、ワーク９１をその長手方向にずらして保持し直すことにより、突き合わせ部分９３全体に渡って回転工具１１を移動させることができる。このため、テーブル３よりも長い成形体を容易に得ることができる。この場合も、テーブル３を予め長く構成しておかなくても長い成形体が容易に得られるので、装置を一層小型化することができ、長い成形体を製造しない時点における装置の専有空間を小さくすることができる。
【００３２】
なお、テーブル３が、前述の補助テーブル３１と同様に長手方向に延長されることによってワーク９１を支持する長手方向延長支持機構を備えた場合、ワーク９１を一層安定して保持して摩擦撹拌接合を一層確実に行うことができる。
また、本発明は上記実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内において種々の形態で実施できることはいうまでもない。例えば、図４に示す摩擦撹拌接合装置５０のように、テーブル３を移動不能に固定すると共に、レール５３に沿って矢印Ｂ方向へ移動するアーチ状の支持部材５５によってヘッド５，７，９を支持してもよい。この場合、テーブル３から幅方向にはみ出すワーク９１の摩擦撹拌接合は困難になるが、突き合わせ部分９３に沿った回転工具１１の移動速度を各ヘッド５，７，９で一層均一にし、摩擦撹拌接合を一層確実に行うことができる。なお、摩擦撹拌接合装置５０では、摩擦撹拌接合装置１と同様に構成した部分に図４で同一の符号を使用して詳細な説明を省略した。
【００３３】
また、幅が一層狭いワーク９１を、幅方向に一層多数突き合わせた場合、ヘッド５等は次のように配設するのが望ましい。例えば、図５に示すように、ヘッド５，７，９が配設された範囲内に更に二つのヘッド６，８を設け、図１に示したものより狭い（約２／３の）幅Ｗを有する六つのワーク９１を摩擦撹拌接合する場合、ヘッド６をヘッド５，７の間の後方に、ヘッド８をヘッド７，９の間の後方に、それぞれ配設するとよい。なお、図５では、各ヘッド５〜９における回転工具１１，柱１１ｂ，及びモータ１３の位置関係を明示するため、それらを全て実線で表した。このように構成することにより、ヘッド５〜９が互い違いに配設され、各ヘッド５〜９のモータ１３が互いに干渉しないようになる。
【００３４】
このため、前述のようにモータ１３を回転工具１１毎に設け、そのモータ１３として比較的大型のものを使用しても、回転工具１１の幅方向の間隔は比較的狭くすることができる。従って、比較的幅の狭いワーク９１を摩擦撹拌接合する場合にもモータ１３の大きさを自由に選択可能として、回転工具１１に必要とされる充分なトルク等を与えることができる。なお、各回転工具１１をチェーン等で接続して一つのモータ１３によって駆動してもよく、この場合、回転工具１１を前述のように互い違いに配設する必要は少なくなる。但し、前述のように回転工具１１毎にモータ１３を設けた場合、摩擦撹拌接合に必要とされるトルク等を一層確実に得ることができる。
【００３５】
また、本発明では、回転工具１１のワーク９１等対する傾斜を変更可能に構成してもよい。この種の構成としては、装置の停止中に調整ネジ等によって傾斜を変更するものや、装置の駆動中、すなわち摩擦撹拌接合の実行中にモータ等によって傾斜を変更するもの等が考えられる。この場合、ワークの突き合わせ部分９３等の近傍が傾斜または段差を有している場合にも、その傾斜または段差に応じて回転工具１１を傾斜させ、良好に摩擦撹拌接合を行うことができる。
【００３６】
例えば、図６に例示するように、ワーク９１の上面に他のワーク９７を立設する場合、その突き合わせ部分９９には、両側から斜め４５°の角度で回転工具１１を挿入して摩擦撹拌接合を行うのが望ましい。このため、前述のように回転工具１１の傾斜を変更可能に構成した場合、このような成形体の摩擦撹拌接合を一層確実に行うことができる。なお、図６に例示したような接合を行う場合、ワーク９１にワーク９７をアーク溶接等によって適当間隔毎で仮固定した後に摩擦撹拌接合を行ってもよく、ワーク９１，９７の長手方向両端を治具等で固定して摩擦撹拌接合を行ってもよい。また、一般的にも、回転工具１１を前傾させることにより摩擦撹拌接合が行い易くなる。従って、回転工具１１の傾斜を変更可能に構成した場合、接合可能なワーク９１等の形態を一層広げると共に、摩擦撹拌接合を一層確実かつ容易に行うことができる。
【００３７】
更に、回転工具１１は、ワーク９１等の上記突き合わせ部分９３等に沿った長手方向のみならず、幅方向へも相対的に移動可能に構成してもよい。このような構成は、例えば、支持部材１５または５５の上部に水平方向に周回可能なチェーンを設け、そのチェーンにヘッド５，７，９を固定することによって容易に実現できる。この場合、突き合わせ部分９３等が直線状でない場合にもワーク９１等を良好に接合することができ、接合可能なワーク９１等の形態を一層広げることができる。また更に、本発明は、アルミニウム合金の押出形材の他、各種被接合材を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置の分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が適用された摩擦撹拌接合装置の構成を表す斜視図である。
【図２】  その摩擦撹拌接合装置の回転工具の構成を表す側面図である。
【図３】  その摩擦撹拌接合装置の幅方向延長支持機構を表す正面図である。
【図４】  その摩擦撹拌接合装置の変形例の構成を表す斜視図である。
【図５】  各摩擦撹拌接合装置のヘッド増設時の構成を表す説明図である。
【図６】  上記回転工具を傾斜させることによる効果を表す説明図である。
【符号の説明】
１，５０…摩擦撹拌接合装置    ３…テーブル    ５，６，７，８，９…ヘッド
１１…回転工具          １３…モータ          １５，５５…支持部材
３１…補助テーブル    ９１，９７…ワーク    ９３，９９…突き合わせ部分
【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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