(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に攪拌用突部が突設された接合工具を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ、一対の被接合部材の端縁が互いに突き合わされた接合ラインＷ上に該攪拌用突部を押圧し、摩擦熱で該被接合部材を軟化させて該攪拌用突部を没入させるとともに、該接合ラインＷに沿って該接合工具を相対移動させることにより、該一対の被接合部材の端縁近傍を該攪拌用突部で攪拌して混ぜ合わせて一体的に接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記一対の被接合部材は、互いに硬さが異なる異種金属にて構成されており、
前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、前記一対の被接合部材と同一平面内において該接合ラインＷに対して交差するＸ方向荷重Ｆｘが予め定められた目標荷重となるように、該接合工具の該Ｘ方向の位置を調整しながら前記接合ラインＷに沿って相対移動させる
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記接合ラインＷを基準とする前記接合工具のＸ方向位置Ｌｘと、該接合工具に作用する前記Ｘ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データ、および適切な接合状態が得られる前記Ｘ方向位置Ｌｘとして設定された最適工具位置ｌｘｂｅｓｔが予め記憶されたデータ記憶手段を備えており、
前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、実際のＸ方向荷重Ｆｘを検出する荷重検出工程と、
前記荷重特性データに基づいて前記Ｘ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを算出する位置算出工程と、
該Ｘ方向位置Ｌｘと前記最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを算出する位置偏差算出工程と、
を有し、該位置偏差Ｍｘだけ前記接合工具の前記Ｘ方向位置Ｌｘを変位させる
ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
先端に攪拌用突部が突設された接合工具を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ、一対の被接合部材の端縁が互いに突き合わされた接合ラインＷ上に該攪拌用突部を押圧し、摩擦熱で該被接合部材を軟化させて該攪拌用突部を没入させるとともに、該接合ラインＷに沿って該接合工具を相対移動させることにより、該一対の被接合部材の端縁近傍を該攪拌用突部で攪拌して混ぜ合わせて一体的に接合する摩擦攪拌接合装置において、
前記一対の被接合部材は、互いに硬さが異なる異種金属にて構成されており、
前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、前記一対の被接合部材と同一平面内において該接合ラインＷに対して交差するＸ方向荷重Ｆｘを検出する荷重検出手段と、
該荷重検出手段によって検出された前記Ｘ方向荷重Ｆｘが予め定められた目標荷重となるように、前記接合工具の前記Ｘ方向の位置を調整するＸ方向位置調整手段と、
を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記接合ラインＷを基準とする前記接合工具のＸ方向位置Ｌｘと、該接合工具に作用する前記Ｘ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データ、および適切な接合状態が得られる前記Ｘ方向位置Ｌｘとして設定された最適工具位置ｌｘｂｅｓｔが予め記憶されたデータ記憶手段を備えており、
前記Ｘ方向位置調整手段は、
前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、前記荷重検出手段によって検出された実際のＸ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを前記荷重特性データに基づいて算出する位置算出手段と、
該Ｘ方向位置Ｌｘと前記最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを算出する位置偏差算出手段と、
を有し、該位置偏差Ｍｘだけ前記接合工具の前記Ｘ方向位置Ｌｘを変位させる
ことを特徴とする請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させながら実際の接合条件に従って摩擦攪拌接合する際に、前記接合ラインＷを基準とする前記接合工具のＸ方向位置Ｌｘを変化させるとともに、該接合工具に作用する前記Ｘ方向荷重Ｆｘを検出して、該Ｘ方向位置Ｌｘと該Ｘ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データを取得するデータ取得手段を有する
ことを特徴とする請求項３または４に記載の摩擦攪拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦攪拌接合方法に係り、特に、硬さが異なる異種金属材料の端縁を突き合わせて摩擦攪拌接合する際に所定の接合品質が安定して得られるようにする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
先端に攪拌用突部が突設された接合工具を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ、一対の被接合部材の端縁が互いに突き合わされた接合ラインＷ上にその攪拌用突部を押圧し、摩擦熱でその被接合部材を軟化させて攪拌用突部を没入させるとともに、その接合ラインＷに沿ってその接合工具を相対移動させることにより、その一対の被接合部材の端縁近傍をその攪拌用突部で攪拌して混ぜ合わせて一体的に接合する摩擦攪拌接合方法（ＦＳＷ：Friction Stir Welding ）が、アルミニウム合金などの金属板材の接合方法として提案されている（特許文献１参照）。具体的には、鉄道車両や自動車などの車体を構成している金属板の接合などに利用されており、金属を融点温度以下で軟化させて混ぜ合わせることにより接合するため、レーザー溶接やスポット溶接のように金属を溶かして接合する場合に比較して加工温度が低く、変形や歪が小さい等の利点がある。
【０００３】
図７は、このような摩擦攪拌接合方法の一例を説明する図で、(a) は一対の被接合部材３０、３２の端縁を突き合わせて接合工具１０により摩擦攪拌接合する際の斜視図、(b) は(a) におけるVIIB−VIIB断面の拡大図である。接合工具１０は、円柱形状の軸部１２と、その軸部１２の先端中央部に軸部１２と同心に突設された小径の攪拌用突部１４とを一体に備えている。攪拌用突部１４は、略円柱形状（図では先端側程やや小径のテーパ形状）を成しており、その外周面には、例えば工具回転方向と逆ねじれのおねじ等の凹凸が設けられているとともに、先端面（突部先端面）１８は部分球面形状を成している。また、軸部１２の先端面であって攪拌用突部１４よりも外周側に位置する円環状部分には、その外周縁から攪拌用突部１４に向かうに従って徐々に深くなる凹所２０が設けられている。
【０００４】
一対の被接合部材３０、３２は、その端縁が互いに接するように突き合わされる状態で平坦な支持台３４上に位置決めして載置されており、その突き合わされた端縁部分すなわち接合すべき接合ラインＷが前記接合工具１０によって摩擦攪拌接合される。すなわち、接合工具１０が軸心Ｓの右まわりに回転駆動されつつ接合ラインＷ上に押圧されると、摩擦熱で被接合部材３０、３２の端縁近傍が軟化させられ、攪拌用突部１４がその軟化部分３６内に没入させられることにより、軟化部分３６がその攪拌用突部１４により攪拌されて混ぜ合わされる。そして、その状態で接合工具１０が矢印Ａで示すように接合ラインＷに沿って相対移動させられると、軟化部分３６がその接合ラインＷに沿って連続的に移動し、移動元の軟化部分３６が順次冷却硬化させられることにより、両被接合部材３０、３２が接合ラインＷの全長に亘って順次一体的に接合される。図７(a) の符号３８は、軟化部分３６が冷却硬化した攪拌接合部である。
【特許文献１】特開２００１−１９８６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような摩擦攪拌接合方法は、従来、一対の被接合部材が同一の金属材料の板材にて構成されている場合に用いられていたが、硬さが異なる異種金属から成る一対の被接合部材を接合しようとすると、工具の軸心Ｓと接合ラインＷとの位置関係により、接合強度やビード外観等の接合品質が大きく変化するという問題を見い出した。すなわち、本発明者等の実験、研究によれば、図８の(a) 〜(c) に示すように、一対の被接合部材３０、３２が同一の金属材料（例えばアルミニウム合金）の場合には、接合工具１０の軸心Ｓが接合ラインＷの左右にずれても摩擦攪拌接合が可能で、且つ接合強度やビード外観等の接合品質に関して略同じ品質が安定して得られるのに対し、図８の(d) 〜(f) に示すように異種金属の場合、すなわち一方の被接合部材３０が鉄鋼材料で他方の被接合部材３２がアルミニウム合金の場合には、接合工具１０の軸心Ｓと接合ラインＷとの位置関係により、攪拌用突部１４の摩耗で接合部に空隙（巣）が生じたり接合強度が低下したりするなどして接合品質が大きく変化し、実質的に接合不可となる場合があった。具体的には、図８の(e) に示すように、攪拌用突部１４が被接合部材（鉄鋼材料）３０側へ少しだけ侵入するように接合工具１０の軸心Ｓが接合ラインＷよりも被接合部材（アルミニウム合金）３２側へずれている場合には接合可能であるが、(d) や(f) のように攪拌用突部１４の被接合部材（鉄鋼材料）３０側への侵入寸法が大きくなると、接合工具１０に大きな偏荷重が生じるようになって攪拌用突部１４の摩耗が激しくなり、前記攪拌接合部３８に空隙が生じるなどして接合品質が大きく損なわれる。
【０００６】
したがって、一対の被接合部材３０、３２が異種金属の場合には、図８の(e) に示すように、硬質の被接合部材（鉄鋼材料）３０に対する攪拌用突部１４の侵入寸法が小さくなるように接合工具１０の軸心Ｓを接合ラインＷよりも反対側、すなわち被接合部材（アルミニウム合金）３２側へずらして摩擦攪拌接合を行うようにすれば良いが、実際の被接合部材３０、３２の端縁すなわち接合ラインＷは必ずしも設計通りでなく誤差を有するとともに、その接合ラインＷを検出して接合工具１０の位置をコントロールすることは困難であるため、略一定の接合品質を安定して得ることは難しい。なお、図８の(a) 〜(f) は、何れも図７の(b) に対応する断面図であるが、特に軸心Ｓと接合ラインＷとの位置関係を説明するためのもので、前記軟化部分３６の図示を省略するとともに各部の形状を単純化した概略図である。
【０００７】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、硬さが異なる異種金属材料の端縁を突き合わせて摩擦攪拌接合する際に、接合部分の寸法誤差に拘らず接合強度やビード外観等に関する所定の接合品質が安定して得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するために、第１発明は、先端に攪拌用突部が突設された接合工具を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ、一対の被接合部材の端縁が互いに突き合わされた接合ラインＷ上にその攪拌用突部を押圧し、摩擦熱でその被接合部材を軟化させてその攪拌用突部を没入させるとともに、その接合ラインＷに沿ってその接合工具を相対移動させることにより、その一対の被接合部材の端縁近傍をその攪拌用突部で攪拌して混ぜ合わせて一体的に接合する摩擦攪拌接合方法において、(a) 前記一対の被接合部材は、互いに硬さが異なる異種金属にて構成されており、(b) 前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、前記一対の被接合部材と同一平面内においてその接合ラインＷに対して交差するＸ方向荷重Ｆｘが予め定められた目標荷重となるように、その接合工具のそのＸ方向の位置を調整しながら前記接合ラインＷに沿って相対移動させることを特徴とする。
【０００９】
第２発明は、第１発明の摩擦攪拌接合方法において、(a) 前記接合ラインＷを基準とする前記接合工具のＸ方向位置Ｌｘと、その接合工具に作用する前記Ｘ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データ、および適切な接合状態が得られる前記Ｘ方向位置Ｌｘとして設定された最適工具位置ｌｘｂｅｓｔが予め記憶されたデータ記憶手段を備えており、(b) 前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、実際のＸ方向荷重Ｆｘを検出する荷重検出工程と、(c) 前記荷重特性データに基づいて前記Ｘ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを算出する位置算出工程と、(d) そのＸ方向位置Ｌｘと前記最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを算出する位置偏差算出工程と、を有し、(e) その位置偏差Ｍｘだけ前記接合工具の前記Ｘ方向位置Ｌｘを変位させることを特徴とする。
【００１０】
第３発明は、先端に攪拌用突部が突設された接合工具を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ、一対の被接合部材の端縁が互いに突き合わされた接合ラインＷ上にその攪拌用突部を押圧し、摩擦熱でその被接合部材を軟化させてその攪拌用突部を没入させるとともに、その接合ラインＷに沿ってその接合工具を相対移動させることにより、その一対の被接合部材の端縁近傍をその攪拌用突部で攪拌して混ぜ合わせて一体的に接合する摩擦攪拌接合装置において、(a) 前記一対の被接合部材は、互いに硬さが異なる異種金属にて構成されており、(b) 前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、前記一対の被接合部材と同一平面内においてその接合ラインＷに対して交差するＸ方向荷重Ｆｘを検出する荷重検出手段と、(c) その荷重検出手段によって検出された前記Ｘ方向荷重Ｆｘが予め定められた目標荷重となるように、前記接合工具の前記Ｘ方向の位置を調整するＸ方向位置調整手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
第４発明は、第３発明の摩擦攪拌接合装置において、(a) 前記接合ラインＷを基準とする前記接合工具のＸ方向位置Ｌｘと、その接合工具に作用する前記Ｘ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データ、および適切な接合状態が得られる前記Ｘ方向位置Ｌｘとして設定された最適工具位置ｌｘｂｅｓｔが予め記憶されたデータ記憶手段を備えており、(b) 前記Ｘ方向位置調整手段は、(b-1) 前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、前記荷重検出手段によって検出された実際のＸ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを前記荷重特性データに基づいて算出する位置算出手段と、(b-2) そのＸ方向位置Ｌｘと前記最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを算出する位置偏差算出手段と、を有し、(b-3) その位置偏差Ｍｘだけ前記接合工具の前記Ｘ方向位置Ｌｘを変位させることを特徴とする。
【００１２】
第５発明は、第３発明または第４発明の摩擦攪拌接合装置において、前記接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させながら実際の接合条件に従って摩擦攪拌接合する際に、前記接合ラインＷを基準とする前記接合工具のＸ方向位置Ｌｘを変化させるとともに、その接合工具に作用する前記Ｘ方向荷重Ｆｘを検出して、それ等のＸ方向位置ＬｘとＸ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データを取得するデータ取得手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１発明の摩擦攪拌接合方法によれば、接合工具を接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、その接合ラインＷに対して交差するＸ方向荷重Ｆｘが予め定められた目標荷重となるように、その接合工具のＸ方向の位置を調整しながら接合ラインＷに沿って相対移動させるため、一対の被接合部材の材質（硬さ等）の相違や接合ラインＷが表す接合部分の寸法誤差に拘らず、目標荷重に応じた優れた接合品質が安定して得られるようになる。すなわち、接合工具の軸心Ｓと接合ラインＷとの位置関係に応じてＸ方向荷重Ｆｘは変化し、Ｘ方向荷重Ｆｘが略一定であれば接合工具の軸心Ｓと接合ラインＷとの位置関係も略一定に維持され、略一定の接合品質が安定して得られるようになるのである。特に、Ｘ方向荷重Ｆｘは、実際の接合ラインＷすなわち一対の被接合部材の突合せ位置を検出する場合に比較して、簡単に且つ高い精度で検出することができるため、優れた接合品質が安定して得られる摩擦攪拌接合を簡便に実施することができる。
【００１４】
また、このようにＸ方向荷重Ｆｘが目標荷重となるようにＸ方向の位置が調整されることから、Ｘ方向荷重Ｆｘが目標荷重を大きく上回って過大になることが防止され、偏荷重による攪拌用突部の摩耗が抑制されて接合工具の寿命が向上する。
【００１５】
第２発明では、接合工具を前記接合ラインＷに沿って相対移動させて摩擦攪拌接合を行う際に実際のＸ方向荷重Ｆｘを検出し、予め設定された荷重特性データに基づいてそのＸ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを算出するとともに、そのＸ方向位置Ｌｘと予め定められた最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを求め、その位置偏差Ｍｘだけ接合工具のＸ方向位置Ｌｘを変位させるため、例えばＸ方向荷重Ｆｘが目標荷重と一致するようにＸ方向位置Ｌｘをフィードバック制御する場合に比較して、そのＸ方向位置Ｌｘが最適工具位置ｌｘｂｅｓｔへ速やかに変位させられ、接合工具が最適工具位置ｌｘｂｅｓｔに良好に保持されるようになって、接合品質が一層安定する。
【００１６】
なお、上記最適工具位置ｌｘｂｅｓｔはＸ方向荷重Ｆｘの目標荷重に対応するもので、接合工具のＸ方向位置Ｌｘを最適工具位置ｌｘｂｅｓｔへ変位させる制御は、Ｘ方向荷重Ｆｘが目標荷重となるようにＸ方向位置Ｌｘを調整することと実質的に同じである。言い換えれば、接合工具のＸ方向位置ＬｘとＸ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データにおいて、最適工具位置ｌｘｂｅｓｔに対応するＸ方向荷重Ｆｘが目標荷重である。
【００１７】
第３発明の摩擦攪拌接合装置は、第１発明の摩擦攪拌接合方法を好適に実施できる装置に関するもので、実質的に第１発明と同様の作用効果が得られる。第４発明は、第２発明の摩擦攪拌接合方法を好適に実施できる装置に関するもので、実質的に第２発明と同様の作用効果が得られる。
【００１８】
第５発明は、接合ラインＷを基準とする接合工具のＸ方向位置Ｌｘを変化させるとともに、その接合工具に作用するＸ方向荷重Ｆｘを検出して、それ等のＸ方向位置ＬｘとＸ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データを取得するデータ取得手段を備えているため、被接合部材の材質が異なるなど種々の接合条件で摩擦攪拌接合を行う場合でも、実際の接合条件で予備的に摩擦攪拌接合を行うことにより、実際の接合条件に応じた荷重特性データを簡単に取得できるとともに、接合ラインＷ上の各部の接合品質を調べることにより、最良の接合品質が得られる前記目標荷重や最適工具位置ｌｘｂｅｓｔなどを容易に設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の摩擦攪拌接合方法および摩擦攪拌接合装置は、一対の被接合部材として例えばアルミニウム合金と鉄鋼材料とを摩擦攪拌接合する場合に好適に用いられるが、他の異種金属を接合する場合にも同様に適用され得る。接合工具の材質としては、被接合部材よりも高硬度で耐熱性に優れた材料を採用する必要があり、超硬合金が好適に用いられるが、被接合部材の材質に応じて適宜定められる。
【００２０】
接合工具としては、例えば前記図７の接合工具１０のように、先端側程やや小径のテーパ形状乃至は円柱形状の攪拌用突部を有し、その攪拌用突部の外周面には、例えば工具回転方向と逆ねじれのおねじ等の凹凸が設けられるとともに、攪拌用突部の先端面は部分球面形状を成しており、且つ軸部の先端面であって攪拌用突部よりも外周側に位置する円環状部分には、その外周縁から攪拌用突部に向かうに従って徐々に深くなる凹所が設けられているものが好適に用いられるが、角柱形状の攪拌用突部を採用したりおねじ以外の凹凸を設けたり軸部の先端面（攪拌用突部の外周側）を平坦面としたりしても良いなど、種々の態様が可能である。
【００２１】
一対の被接合部材の端縁が突き合わされた接合ラインＷは、その接合ラインＷに沿って接合工具を相対移動させる関係で一直線であることが望ましく、例えばその一直線に対して直角となる方向がＸ方向とされるが、複数の直線を接続した折れ線状や連続的に湾曲した曲線状等の接合ラインＷ、すなわち端縁形状を採用することもできる。折れ線状の場合は、例えば複数の直線部分に分割してそれぞれＸ方向や目標荷重、最適工具位置ｌｘｂｅｓｔ等を別個に設定すれば良く、曲線状の場合は、例えばその曲線に沿って接合工具の移動経路を多数の直線部分に分割し、その直線部分毎にＸ方向や目標荷重、最適工具位置ｌｘｂｅｓｔ等を別個に設定すれば良いなど、種々の態様が可能である。なお、Ｘ方向荷重ＦｘやＸ方向位置ＬｘのＸ方向は、接合ラインＷに対して直角な方向が望ましいが、直角以外の所定の角度で交差する方向をＸ方向とすることもできる。
【００２２】
第２発明、第４発明では、予め設定された荷重特性データに基づいて実際のＸ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを算出するとともに、そのＸ方向位置Ｌｘと予め定められた最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを求め、その位置偏差Ｍｘだけ接合工具のＸ方向位置Ｌｘを変位させるが、第１発明や第３発明の実施に際しては、Ｘ方向荷重Ｆｘが目標荷重と一致するように、それ等の偏差に応じてＸ方向位置Ｌｘをフィードバック制御するようにしても良いなど、種々の態様が可能である。接合ラインＷに沿う接合工具の相対移動を、予め定められた移動経路データに従ってＮＣ制御等により制御する場合、その移動経路データそのものや学習補正値を上記位置偏差Ｍｘ等によって書き換えることもできるなど、周知の学習制御を採用することも可能である。
【００２３】
第５発明のデータ取得手段は、例えば接合ラインＷが一直線の場合、攪拌用突部がその一直線の接合ラインＷを跨いで一方から他方へ移動するように、その接合ラインＷに対して小さな所定の角度（例えば１０°以下）で交差するように定められた一直線のデータ取得ラインに沿って接合工具を相対移動させることにより、接合ラインＷに沿って摩擦攪拌接合する際の実際の接合条件と略同じ条件で、接合ラインＷを基準とする接合工具のＸ方向位置Ｌｘを連続的に変化させて荷重特性データを簡便に取得することができる。但し、Ｘ方向位置Ｌｘを段階的に変化させたり、そのＸ方向位置Ｌｘが異なる複数の摩擦攪拌接合を別々に実施したりして、そのＸ方向位置ＬｘとＸ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データを取得するとともに、攪拌接合部の接合状態を調べて目標荷重を定めることもできるなど、種々の態様が可能である。
【００２４】
一対の被接合部材の接合ラインＷに沿って摩擦攪拌接合する際の接合工具の回転方向および相対移動方向は、本発明者等の実験によれば硬質側の被接合部材に対してアップカットで攪拌するように設定することが望ましい。例えば、前記図７に示すように接合工具１０を上方から見て軸心Ｓの右まわりに回転駆動しつつ矢印Ａで示すように向こう側へ移動させて摩擦攪拌接合する場合、左側の被接合部材３０を鉄鋼材料等の比較的硬質の金属材料とし、右側の被接合部材３２をアルミニウム合金等の比較的軟質の金属材料とするのである。但し、回転速度や移動速度（送り速度）、両被接合部材の材質等の接合条件によっては、硬質側の被接合部材をダウンカットで攪拌するようにして摩擦攪拌接合を行うことも可能である。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例である摩擦攪拌接合装置４０により前記接合工具１０を用いて一対の被接合部材４２、４４を摩擦攪拌接合する際の概略斜視図で、前記図７の従来例と同様にして摩擦攪拌接合を行うものであるが、一方の被接合部材４０は鉄鋼材料等の比較的硬質の金属材料であるのに対し、他方の被接合部材４２はアルミニウム合金等の比較的軟質の金属材料である。接合工具１０は、電動モータ等の回転駆動装置５０により軸心Ｏまわりに回転駆動されるとともに、三次元移動装置５２によりＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向へ予め定められた移動経路データに従って移動させられるようになっており、電子制御装置５４によるＮＣ制御で前記攪拌用突部１４が所定寸法だけ被接合部材４２、４４内に没入させられた状態で、矢印Ａで示すように接合ラインＷに沿って移動させられる。
【００２６】
接合ラインＷは略一直線で、一対の被接合部材４２、４４は、支持台３４上に略水平、すなわち三次元移動装置５２のＺ軸方向に対して略垂直となる姿勢で載置され、且つ接合ラインＷがＹ軸方向と略一致する姿勢に位置決めされており、接合工具１０の移動方向である前記矢印ＡはＹ軸方向と略一致する。また、接合工具１０の回転方向および移動方向Ａは、硬質側の被接合部材４２に対してアップカットで攪拌するように定められ、接合工具１０は、上方から見て軸心Ｓの右まわりに回転駆動されるとともに、図の右奥方向へ接合ラインＷに沿って移動させられる。接合工具１０は、硬質側の被接合部材４２よりも高硬度で且つ耐熱性に優れた材料製で、本実施例ではＫ種の超硬合金にて構成されている。
【００２７】
一方、本実施例の摩擦攪拌接合装置４０は、接合工具１０の攪拌用突部１４を被接合部材４２、４４内に没入させ、移動方向Ａへ移動させて接合ラインＷに沿って摩擦攪拌接合を行う際に、接合ラインＷに対して略直角なＸ軸方向に作用するＸ方向荷重Ｆｘを検出する動力計等の荷重センサ５６を備えており、そのＸ方向荷重Ｆｘを表す信号を前記電子制御装置５４に供給する。この荷重センサ５６は荷重検出手段に相当する。
【００２８】
電子制御装置５４は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えた所謂マイクロコンピュータを含んで構成されており、ＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って所定の信号処理を行うことにより、図２のブロック線図に示す各機能を実行する。図２において、三次元位置制御手段６６は、前記接合ラインＷに沿って摩擦攪拌接合を行うために予め設定された移動経路データに従って前記接合工具１０をＮＣ制御により移動させるもので、Ｘ方向位置補正手段６４は、前記荷重センサ５６から供給される実際のＸ方向荷重Ｆｘと、データ記憶手段６０に予め記憶された荷重特性データおよび最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとに基づいて、接合工具１０の実際のＸ方向位置Ｌｘがその最適工具位置ｌｘｂｅｓｔと略一致するように、上記三次元位置制御手段６６によって制御されるＸ方向位置Ｌｘを補正する。このＸ方向位置補正手段６４はＸ方向位置調整手段に相当する。
【００２９】
上記荷重特性データは、図３の(a) に示すように接合工具１０のＸ方向位置ＬｘとＸ方向荷重Ｆｘとの関係で、データ取得手段６２により予め取得されて、ＲＡＭ等にて構成されるデータ記憶手段６０に記憶されている。データ取得手段６２は、例えば図３の(b) に示すように、接合工具１０の攪拌用突部１４が一直線の接合ラインＷを跨いで一方から他方へ移動するように、その接合ラインＷに対して小さな所定の角度（例えば１０°以下）で交差するように定められた一直線のデータ取得ラインＷｄに沿って接合工具１０を移動させながら、回転速度ｎや移動速度ｆ等の接合条件を実際に摩擦攪拌接合する時と同じ条件として事前（予備的）に摩擦攪拌接合を行い、前記荷重センサ５６によって検出されるＸ方向荷重Ｆｘを連続的に読み込むことにより、上記荷重特性データを取得する。Ｘ方向位置Ｌｘは、接合ラインＷを基準とする接合工具１０のＸ軸方向の位置で、本実施例では攪拌用突部１４が硬質の被接合部材４２側へ侵入する侵入寸法であり、接合工具１０がデータ取得ラインＷｄに沿って直線移動させられることにより連続的に変化させられる。この荷重特性データは、データマップや演算式等によりデータ記憶手段６０に記憶される。
【００３０】
また、上記データ記憶手段６０に予め記憶される最適工具位置ｌｘｂｅｓｔは、最良の接合品質が得られるＸ方向位置Ｌｘで、上記データ取得手段６２によって荷重特性データを取得する際にデータ取得ラインＷｄに沿って摩擦攪拌接合された攪拌接合部３８の複数箇所の接合状態、例えば接合強度や空隙の有無、ビード形状などを調べることにより、最良の接合品質が得られる最適ポイントＱを求め、その最適ポイントＱのＸ方向位置Ｌｘを最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとして作業者により入力設定される。因みに、図４に示すように一方の被接合部材４２が鉄鋼材料「Ｓ４５Ｃ」（ＪＩＳ記号）で、他方の被接合部材４４がアルミニウム合金「Ａ６０６３」（ＪＩＳ記号）で、それ等の板厚ｂが６ｍｍの場合に、以下の接合条件で摩擦攪拌接合を行う場合の最適工具位置ｌｘｂｅｓｔは約０．１ｍｍで、攪拌用突部１４が０．１ｍｍだけ鉄鋼材料の被接合部材４２側へ侵入した状態、言い換えれば残りの３．９ｍｍがアルミニウム合金の被接合部材４４側に位置する状態で摩擦攪拌接合する場合に、最良の接合品質が得られた。また、その最適工具位置ｌｘｂｅｓｔ≒０．１ｍｍで摩擦攪拌接合する際のＸ方向荷重Ｆｘ、すなわち最適荷重ｆｘｂｅｓｔ（図３(a) 参照）は約２０ＭＰａであった。
（接合条件）
・攪拌用突部１４の径寸法φ：４ｍｍ
・攪拌用突部１４の没入寸法ａ：４ｍｍ
・接合工具１０の回転速度ｎ：４０００ｒｐｍ
・接合工具１０の移動速度ｆ：１０００ｍｍ／ｍｉｎ
【００３１】
一方、前記Ｘ方向位置補正手段６４は、上記データ取得手段６２によって荷重特性データが取得されてデータ記憶手段６０に記憶されるとともに、上記最適工具位置ｌｘｂｅｓｔが設定された後に、実際に接合工具１０を軸心Ｓまわりに回転駆動しつつ攪拌用突部１４を接合ラインＷ上において被接合部材４２、４４内に没入させ、接合ラインＷに沿って移動させて摩擦攪拌接合する際に、図５に示すフローチャートに従って信号処理を行う。このフローチャートのステップＳ１は荷重検出工程に相当し、ステップＳ２は位置算出工程に相当し、ステップＳ３は位置偏差算出工程に相当する。また、ステップＳ２は位置算出手段として機能し、ステップＳ３は位置偏差算出手段として機能する。
【００３２】
図５のステップＳ１では、前記荷重センサ５６からＸ方向荷重Ｆｘを表す信号を読み込み、ステップＳ２では、Ｘ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘをデータ記憶手段６０に記憶された荷重特性データから算出する。図６は、この荷重特性データの一例で、前記図３(a) と同じものであり、実際のＸ方向荷重ＦｘがＦｘｒの場合、実線で示す荷重特性データに基づいてＸ方向位置ＬｘとしてＬｘｒが算出される。続くステップＳ３では、データ記憶手段６０に予め記憶された前記最適工具位置ｌｘｂｅｓｔと上記Ｘ方向位置Ｌｘ（＝Ｌｘｒ）との差である位置偏差Ｍｘを算出し、ステップＳ４で、その位置偏差ＭｘだけＸ方向位置Ｌｘを変更する指令を前記三次元位置制御装置６６に出力する。これにより、接合工具１０のＸ方向位置Ｌｘが位置偏差Ｍｘ分だけ変位させられ、最適工具位置ｌｘｂｅｓｔと一致させられ、前記最適荷重ｆｘｂｅｓｔで摩擦攪拌接合が行われるようになる。この最適荷重ｆｘｂｅｓｔは目標荷重に相当する。
【００３３】
このように、本実施例の摩擦攪拌接合装置４０によれば、接合工具１０を接合ラインＷに沿って移動させて摩擦攪拌接合を行う際に、その接合ラインＷに対して略直角なＸ方向荷重Ｆｘが予め定められた目標荷重（最適荷重ｆｘｂｅｓｔ）となるように、その接合工具１０のＸ方向位置Ｌｘを調整しながら接合ラインＷに沿って移動させるため、一対の被接合部材４２、４４の材質（硬さ等）の相違や接合ラインＷが表す接合部分の寸法誤差に拘らず、目標荷重に応じた優れた接合品質が安定して得られるようになる。特に、Ｘ方向荷重Ｆｘは、実際の接合ラインＷすなわち被接合部材４２、４４の突合せ位置を検出する場合に比較して、簡単に且つ高い精度で検出することができるため、優れた接合品質が安定して得られる摩擦攪拌接合を簡便に実施することができる。
【００３４】
また、このようにＸ方向荷重Ｆｘが目標荷重（最適荷重ｆｘｂｅｓｔ）となるようにＸ方向位置Ｌｘが調整されることから、Ｘ方向荷重Ｆｘが目標荷重（最適荷重ｆｘｂｅｓｔ）を大きく上回って過大になることが防止され、偏荷重による攪拌用突部１４の摩耗が抑制されて接合工具１０の寿命が向上する。
【００３５】
また、本実施例では、接合工具１０を接合ラインＷに沿って移動させて摩擦攪拌接合を行う際に実際のＸ方向荷重Ｆｘを検出し、予め設定された荷重特性データに基づいてそのＸ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを算出するとともに、そのＸ方向位置Ｌｘと予め定められた最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを求め、その位置偏差Ｍｘだけ接合工具１０のＸ方向位置Ｌｘを変位させるため、例えばＸ方向荷重Ｆｘが目標荷重（最適荷重ｆｘｂｅｓｔ）と一致するようにＸ方向位置Ｌｘをフィードバック制御する場合に比較して、そのＸ方向位置Ｌｘが最適工具位置ｌｘｂｅｓｔへ速やかに変位させられ、接合工具１０が最適工具位置ｌｘｂｅｓｔに良好に保持されるようになって、接合品質が一層安定する。
【００３６】
また、本実施例では、接合ラインＷを基準とする接合工具１０のＸ方向位置Ｌｘを連続的に変化させるとともに、その接合工具１０に作用するＸ方向荷重Ｆｘを連続的に検出して、それ等のＸ方向位置ＬｘとＸ方向荷重Ｆｘとの関係を表す荷重特性データを取得するデータ取得手段６２を備えているため、被接合部材４２、４４の材質が異なるなど種々の接合条件で摩擦攪拌接合を行う場合でも、実際の接合条件で例えば図３の(b) に示すデータ取得ラインＷｄに沿って予備的に摩擦攪拌接合を行うことにより、実際の接合条件に応じた荷重特性データを簡単に取得できるとともに、接合ラインＷ上の各部の接合品質を調べて最適ポイントＱを求めることにより、その荷重特性データから最良の接合品質が得られる最適工具位置ｌｘｂｅｓｔを求めて容易に設定することができる。
【００３７】
なお、上記実施例では実際のＸ方向荷重Ｆｘを検出し、予め設定された荷重特性データに基づいてそのＸ方向荷重Ｆｘに対応するＸ方向位置Ｌｘを算出するとともに、そのＸ方向位置Ｌｘと予め定められた最適工具位置ｌｘｂｅｓｔとの位置偏差Ｍｘを求め、その位置偏差Ｍｘだけ接合工具１０のＸ方向位置Ｌｘを変位させるようになっていたが、前記最適荷重ｆｘｂｅｓｔを目標荷重として、Ｘ方向荷重Ｆｘがその目標荷重（最適荷重ｆｘｂｅｓｔ）と一致するように、それ等の荷重の偏差に応じてＸ方向位置Ｌｘをフィードバック制御するようにしても良い。この場合は、最良の接合品質が得られる最適荷重ｆｘｂｅｓｔが分かれば良いため、前記荷重特性データや最適工具位置ｌｘｂｅｓｔは必ずしも必要ない。
【００３８】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明方法に従って異種金属材料から成る一対の被接合部材を摩擦攪拌接合する際の要部を説明する概略斜視図である。
【図２】図１の電子制御装置が備えている機能を説明するブロック線図である。
【図３】図２のデータ記憶手段に記憶されている荷重特性データを説明する図で、(a) は荷重特性データの一例を示す図、(b) は荷重特性データの取得方法を説明する図である。
【図４】図３の(b) のデータ取得方法に従って実際に荷重特性データを取得した際の各部の寸法や接合条件等を具体的に説明する図である。
【図５】図２のＸ方向位置補正手段の機能を具体的に説明するフローチャートである。
【図６】図５のステップＳ２で荷重特性データを用いてＸ方向荷重ＦｘからＸ方向位置Ｌｘを算出する際の手順を説明する図である。
【図７】摩擦攪拌接合を説明する図で、(a) は概略斜視図、(b) は(a) におけるVIIB−VIIB断面の拡大図である。
【図８】図７の摩擦攪拌接合で一対の被接合部材を接合する際の接合ラインＷと工具の軸心Ｓとの位置関係、および被接合部材の材質をそれぞれ変更し、摩擦攪拌接合の可否を調べた結果を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０：接合工具    １４：攪拌用突部    ４０：摩擦攪拌接合装置    ４２、４４：被接合部材    ５６：荷重センサ（荷重検出手段）    ６０：データ記憶手段    ６２：データ取得手段    ６４：Ｘ方向位置補正手段（Ｘ方向位置調整手段）    Ｓ：工具の軸心    Ｗ：接合ライン    Ｌｘ：Ｘ方向位置    Ｆｘ：Ｘ方向荷重    ｆｘｂｅｓｔ：最適荷重（目標荷重）    ｌｘｂｅｓｔ：最適工具位置    ステップＳ１：荷重検出工程    ステップＳ２：位置算出工程、位置算出手段    ステップＳ３：位置偏差算出工程、位置偏差算出手段
【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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