(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の接合部を回転工具で加熱・撹拌し、非溶融のまま接合する摩擦撹拌接合装置において、
前記回転工具は、前記被加工物の表裏両面を挟持するように接触する一対の本体と、
前記一対の本体それぞれの前記被加工物に接触する面に形成され摩擦熱により加熱するショルダー部と、
前記一対の本体を貫通する連結ピンとを備え、
前記一対の本体及び前記連結ピンが一体となって回転して前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転させるとともに、
前記回転工具の下方には、前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転軸方向に移動可能とし、かつ、前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転可能に支持して前記被加工物方向へ押し付ける加圧手段を設けたことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項２】
前記加圧手段が加圧力検出手段を備えている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】
前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転可能に支持する支持手段が冷却手段を備えてい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装置。
【請求項４】
所定位置に固定した状態で回転する前記回転工具に対し、前記被加工物を移動させて接合することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
被加工物の接合部を回転工具で加熱・撹拌し、非溶融のまま接合させる摩擦撹拌接合方法において、
前記回転工具が前記被加工物の表裏両面を挟持するように接触して摩擦熱により加熱するショルダー部を設け、
前記ショルダー部の被加工物裏面側を、前記回転工具の下方に設けた加圧手段を用いて前記被加工物の裏面に所定圧力で押し付けて加圧しながら接合させることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項６】
前記回転工具を所定位置に固定した状態で回転させるとともに、前記被加工物を移動させて接合することを特徴とする請求項５記載の摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被接合材料どうしの突き合わせ面に塑性流動を生じさせて接合一体化する摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属材の溶接やロウ付けに代わる新しい接合手段として、摩擦撹拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＦＳＷ）法が登場している。この摩擦撹拌接合法は、たとえば特表平７−５０５０９０号公報に開示されているように、金属の被加工物よりも硬い材質のプローブ（棒状突起物）を回転させながら被加工物に摺接させた際に、この摺接部分で発生する摩擦熱と圧力とによって被加工物の素材が塑性流動化するため、該プローブが被加工物中に埋入し、かつ、この埋入状態のまま被加工物中を移動可能になることを利用したものである。このような摩擦撹拌接合法は、たとえばアルミニウム及びアルミニウム合金等の比較的柔らかい金属の接合法として利用されている。
【０００３】
以下、従来の摩擦撹拌接合方法を図面に基づいて簡単に説明する。なお、図３は摩擦撹拌接合の実施状態を示す斜視図、図４は摩擦撹拌接合のメカニズムを示す説明図である。
たとえば図３に示すように、被加工物である金属板１，２の接合面どうしを突き合わせた接合線３に回転工具４から突出するプローブ５を回転させながら差し込むと、ショルダー部６との摩擦発熱で金属板１，２の素材が軟化する。このため、プローブ５を接合線３に位置合わせして接合部に差し込むことができ、こうして埋入状態としたプローブ５を固定された金属材料１，２の接合線３に沿って相対移動させると、プローブ５の周辺には軟化域７（図４参照）が生じる。
【０００４】
軟化域７では、プローブ５の前方側で塑性流動した両金属板１，２の素材が圧力を受けながら撹拌混練され、プローブ５の後方側へ漸次移行する。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硬化するので、両金属板１，２は素材どうしが混じり合って完全に一体化した状態で接合される。
なお、プローブ５に回転方向に対する逆ねじ５ａを設けることにより、図４に矢印で示すような下向きの塑性流動が生じるので、表面より低い温度となりがちな裏面側に素材のない空間（巣）等の欠陥や融合不良を生じにくくなる。
【０００５】
この場合、金属素材が塑性流動する温度は融点よりもかなり低く、接合は固相接合の範疇に入り、接合過程を通して金属材への入熱量は溶接やロウ付けに比較して極めて少なく、かつ凝固収縮に伴う応力の発生もないから、接合部近傍の熱歪みによる変形や割れを生じにくいという利点がある。
【０００６】
また、上述した摩擦撹拌接合方法においては、接合時に摩擦熱を発生させるため回転工具４を金属板１，２へ押し付ける必要があり、従って、その反力に対処するため裏当て金８が使用されている。この裏当て金８は、接合する金属板１，２の裏面に密着させて設置するものであり、回転工具４側から作用するたとえば８０００〜１８０００Ｎ程度、あるいはそれ以上となる大きな加圧力の反力を受ける。
【０００７】
また、図５に示したボビンツールと呼ばれる回転工具４Ａには、接合する金属板１，２の表裏両面を挟持するようにして一定の間隔を設けた一対のショルダー部６ａ，６ｂが設けられている。この場合、上下一対のショルダー部６ａ，６ｂ間にプローブ５が設けられているので、接合部の両面において摩擦発熱させることができ、裏面側の融合不良が生じにくい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によれば、接合時の加圧反力を受けるため、接合する金属板１，２の裏側に裏当て金８を密着させて設置する必要がある。このため、摩擦撹拌接合を接合線３が長い部品に適用する場合には、接合線３に沿って回転工具４が移動する距離をカバーできるような大きな裏当て金８を設置する必要がある。なお、回転工具３を押圧して圧力をかけないと、接合部分に融合不良や素材のない空間ができるおそれがあって好ましくない。
【０００９】
また、金属板を接合して円筒形状にする場合、円筒の内側に大きな裏当て金８を設置する必要がある。特に、出入口の狭い容器のような円筒形状では、反力に耐えるため大型化する裏当て金８のような治具を内部に設置することができず、従って、摩擦撹拌接合を採用できないのが実状である。
さらに、接合する金属板１，２に板厚変動があると、回転工具による加圧が不均一となるため、軟化域７の塑性流動が不十分となって裏面側に融合不良を作りやすいという問題を有している。なお、上述した従来のボビンツール４Ａは、上下のショルダー部６ａ，６ｂが軸方向に固定されて一定間隔のため、板厚変動には対応できないものであった。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、裏当て金を使用しなくても融合不良のない良好な接合が可能となる摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置は、被加工物の接合部を回転工具で加熱・撹拌し、非溶融のまま接合する摩擦撹拌接合装置において、前記回転工具は、前記被加工物の表裏両面を挟持するように接触する一対の本体と、前記一対の本体それぞれの前記被加工物に接触する面に形成され摩擦熱により加熱するショルダー部と、前記一対の本体を貫通する連結ピンとを備え、前記一対の本体及び前記連結ピンが一体となって回転して前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転させるとともに、前記回転工具の下方には、前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転軸方向に移動可能とし、かつ、前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転可能に支持して前記被加工物方向へ押し付ける加圧手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
このような摩擦撹拌接合装置によれば、このような構成としたことで、加圧手段によって押し付けられたショルダー部の被加工物裏面側が被加工物の裏面に密着して裏当て金として機能する。また、ショルダー部によって裏面からの加熱も可能となるため、入熱効率を向上させることができる。さらに、ショルダー部の裏面側が回転軸方向に移動可能なため、板厚変動にも対応することができる。
【００１３】
請求項１記載の摩擦撹拌接合装置においては、前記加圧手段が加圧力検出手段を備えていることが好ましく、これにより、加圧手段による加圧力をフィードバック制御することができる。
【００１４】
請求項１または２記載の摩擦撹拌接合装置においては、前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転可能に支持する支持手段が冷却手段を備えていることが好ましく、これにより、加圧手段の押し付けを受けて前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転可能に支持する部材の温度上昇を抑制することができる。
【００１５】
請求項１から３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置においては、所定位置に固定した状態で回転する前記回転工具に対し、前記被加工物を移動させて接合することが好ましく、特に、大きな裏当て金が必要となる被加工物を接合する場合ほど有効である。
【００１６】
請求項５記載の摩擦撹拌接合方法は、被加工物の接合部を回転工具で加熱・撹拌し、非溶融のまま接合させる摩擦撹拌接合方法において、前記回転工具が前記被加工物の表裏両面を挟持するように接触して摩擦熱により加熱するショルダー部を設け、前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転軸方向へ移動可能に取り付け、前記被加工物の裏面に所定圧力で押し付けて加圧しながら接合させることを特徴とするものである。
【００１７】
このような摩擦撹拌接合方法によれば、回転工具が被加工物の表裏両面を挟持するように接触して摩擦熱により加熱するショルダー部を設け、前記ショルダー部の被加工物裏面側を、前記回転上具の下方に設けた加圧手段を用いて前記被加工物の裏面に所定圧力で押し付けて加圧しながら接合させるので、ショルダー部の被加工物裏面側が被加工物の裏面に密着して裏当て金として機能する。この場合、所定圧力を維持するため、加圧力検出手段を設けて加圧力の検出値をフィードバック制御することが好ましい。
【００１８】
請求項５記載の摩擦撹拌接合方法においては、前記回転工具を所定位置に固定した状態で回転させるとともに、前記被加工物を移動させて接合することが好ましく、特に、大きな裏当て金が必要となる被加工物を接合する場合ほど有効である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、摩擦撹拌接合装置の要部構成を示す断面図である。被加工物である金属板１，２の接合線は、回転工具のボビンツール４０が被加工物の表面を加圧した状態で回転しながら相対移動することによって接合させる。
【００２０】
ボビンツール４０は、たとえば図２に示すように、円筒状の本体４１と、本体４１に下端面に形成された表面側ショルダー部４２と、本体４１とは別体の裏面側ショルダー部４３を備えた下部本体４４と、被加工物の金属より固い材質のプローブ部４５ａを備えている連結ピン４５とを具備して構成される。
【００２１】
本体４１の上部は、図示省略の駆動源（電動モータ等）に連結されて回転し、さらに、図示省略の上部加圧手段によって被加工物の表面に向けて押し付ける加圧力を受けている。一方、下部本体４４は、裏面側ショルダー部４３が上述した表面側ショルダー部４２と対向するように配置して、下方から本体４１へ貫通するよう矢印方向へ挿入された連結ピン４５により一体化される。
従って、下部本体４４は、連結ピン４５に沿って軸方向の移動が可能となる。なお、下部本体４４の下面には、六角穴４４ａが設けられ、その周辺下面は加圧面４４ｂとなる。
【００２２】
連結ピン４５の上端部側は、所定位置において固定ピン４６により本体４１に固定される。また、連結ピン４５の下端部には六角形状のボルト頭部４５ｂが設けられており、このボルト頭部４５ｂは下部本体４４の六角穴４４ａに収納される。
この結果、本体４１の回転は固定ピン４６を介して連結ピン４５に伝達され、さらに、連結ピン４５のボルト頭部４５ｂから六角穴４４ａを介して下部本体４４に伝達されるので、本体４１、下部本体４４及び連結ピン４５を具備して構成されるボビンツール４０は、同一回転数で一体となって回転することとなる。
なお、連結ピン４５のボルト頭部４５ｂと六角穴４４ａによる回転力の伝達構造に代えて、たとえば軸方向へ自由に移動できるスプライン結合を採用してもよい。
【００２３】
連結ピン４５に設けられた逆ねじ等のプローブ部４５ａは、表面側ショルダー部４２及び裏面側ショルダー部４３の間に挟持される被加工物の板厚をカバーできるように設けられている。従って、汎用性を広げるためには、連結ピン４５の軸方向に長いプローブ部４５ａを設けて広範囲の板厚に対応できるようにしておくのが好ましい。
【００２４】
上述したボビンツール４０の下部本体４４は、ベアリング等の支持部材５０により回転可能に支持されている。さらに、支持部材５０の下方には、下部本体４４を被加工物の裏面側へ向けて押し付ける加圧手段６０が設けられている。
なお、支持部材５０及び加圧手段６０は、図中に想像線で示すフレーム部材の適所に適当な手段をもって固定されている。
【００２５】
支持部材５０は、回転軸としても機能する連結ピン４５の軸心方向の荷重を受ける第１ベアリング５１と、下部本体４４の外周面を支持する第２ベアリング５２とを具備している。また、上述した第１及び第２ベアリング５１，５２の周囲には、冷却手段として冷却室５３ａ，５３ｂ，５３ｃが設けられている。これらの冷却室５３ａ，５３ｂ，５３ｃは、冷却水導入管５４から導入されて排水管５５から流出する冷却水等の媒体が流通することにより、ベアリング摺動部で発生する熱を奪って温度上昇を抑制することができる。冷却水導入管５４及び排水管５５は、適所に上下動を吸収するフレキシブル管を設けておく。
なお、第１ベアリング５１及び第２ベアリング５２については、たとえば流体ベアリングを採用してもよく、この場合、冷却手段を省略することもできる。
【００２６】
加圧手段６０としては、たとえば油圧シリンダ６１が使用される。この油圧シリンダ６１は、ピストンロッド６２を上向きに突出させて先端部６３が下部本体４４の加圧面４４ｂを押し上げるように設置されている。図示の例では、先端部６３の上端部に第１ベアリング５１が設置されている。
また、油圧シリンダ６０の下方には加圧力検出手段としてロードセル７０が設けられている。このロードセル７０は、加圧手段６０の加圧力を検出し、加圧力を所定値に維持するようフィードバック制御するためのセンサである。
【００２７】
以下、本発明の摩擦撹拌接合方法について、上述した構成の摩擦撹拌接合装置の作用と共に説明する。
本発明の摩擦撹拌接合方法では、被加工物となる金属板１，２の接合面を合わせた接合線に沿って、被加工物側を固定設置されている摩擦撹拌接合装置に対して相対的に移動させる。なお、被加工物の金属板１，２は、それぞれが公知の送り装置に固定されている。
【００２８】
ボビンツール４０は、被加工物の端部外側から接合を開始する場合、予め下部本体４４を本体４１に取り付けておく。この後、第２ベアリング５２で下部本体４４の外周面を回転可能に支持し、さらに、ピストン６１の先端部６３に取り付けられた第１ベアリング５１を加圧面４４ｂに当接させる。そして、表面側ショルダー部４２を被加工物の表面に押し付けるとともに、ピストン６１を作動させて裏面側ショルダー部４３を被加工物の裏面に押し付け、被加工物の端部を両ショルダー部４２，４３間の前進側に挟持させる。なお、この挟持状態では、連結ピン４５のプローブ部４５ａが、少なくとも被加工物の板厚部分と一致するように設定される。
【００２９】
この状態からボビンツール４０を回転させて接合を開始すると、ボビンツール４０が被加工物に加圧（押圧）されながら回転し、プローブ部４５ａ及び両ショルダー部４２，４３との間に発生する摩擦熱で金属板１，２の素材が軟化する。このため、被加工物を固定した送り装置を作動させると、プローブ部４５ａは接合部に沿って素材内に埋入される。そして、さらに被加工物を相対移動させることで軟化域７（図４参照）が生じ、プローブ部４５ａの前方側で塑性流動した素材は両ショルダー部４２，４３から圧力を受けながら撹拌混錬され、プローブ部４５ａの後方側へ漸次移行する。
【００３０】
この結果、塑性流動した素材は、摩擦熱のないプローブ部４５ａの後方側で急速に冷却硬化するので、金属板１，２は素材どうしが混じり合った状態で完全に接合される。
この時、被加工物となる金属板１，２の接合部は、表裏両面でショルダー部４２，４３の加圧を受けて摩擦熱により加熱されている。このため、裏面側ショルダー部４３が被加工物の裏面側を加圧しているので、従来装置で必要だった裏当て金は不要となる。また、被加工物の表裏においは、従来の片側加熱と比較して温度差がなくなり、入熱効率も向上する。
【００３１】
従って、裏当て金を使用しなくても接合部における素材混合や素材分布は均一となり、特に、従来の片側加熱で問題となっていた裏面の融合不良はできず、接合部の内部品質を向上させることができる。すなわち、安定して信頼性の高い接合が可能となる。
【００３２】
また、固定式のボビンツール４Ａ（図５参照）とは異なり、裏面側ショルダー部４３を形成してある下部本体４４が回転軸方向に移動可能な構成としたため、被加工物に板厚変動があっても追従して加圧することができる。
この時、ロードセル７０が加圧力を検出しているので、たとえば板厚変動があって加圧力も変動した場合には、この検出値を用いて以下に説明するようにフィードバック制御する。
【００３３】
たとえば板厚が薄くなって加圧力が低下した場合には、油圧シリンダ６１への給油量を増してピストンロッド６２を押し上げ、所定の加圧力を維持するように操作する。この結果、下部本体４４が押し上げられて連結ピン４５に沿って移動するので、裏面側ショルダー部４３は、所定の加圧力を保って被加工物への密着を維持することができる。
【００３４】
反対に、板厚が厚くなって加圧力が上昇した場合には、油圧シリンダ６１の油量を減らしてピストンロッド６２を低下させ、所定の加圧力を維持するように操作する。この結果、下部本体４４及びピストンロッド６２が板厚増加分だけ下方へ移動し、裏面側ショルダー部４３は、所定の加圧力を保って被加工物への密着を維持することができる。
【００３５】
このようにして油圧シリンダ６１の加圧力をフィードバック制御することにより、被加工物の板厚変動にも対応できるようになるので、これによっても内部品質を向上させ、安定して信頼性の高い接合が可能となる。
なお、上述した裏面側ショルダー部４３のフィードバック制御に加えて、本体４１の加圧力についても、たとえばレーザ計測等によりこれから接合する部分の表面高さ変動を検知し、この結果に基づいて本体４１を上下方向に移動させるという公知の習い制御を併用してもよく、これにより、接合部の内部品質をより一層安定させて信頼性を向上させることができる。
【００３６】
ところで、上述した実施形態では、通常の摩擦撹拌接合においは、温度上昇が問題となる第１及び第２ベアリング５１，５２の冷却を目的として冷却水を導入する冷却手段を設けていたが、加圧力や回転速度、ベアリング自体の材質や種類等の条件によっては冷却手段を必要としない場合もありうる。
また、加圧力検出手段として設けたロードセル７０についても、被加工物の板厚変動がないか極めて小さい場合など、油圧シリンダ６１の油圧を一定に保持できる場合は設けないことも可能である。
【００３７】
そして、上述した摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法では、被加工物側を移動させるものとして説明したが、被加工物側を固定して接合装置を移動させることも可能である。しかし、大きな加圧力を与える油圧シリンダ６１等の加圧手段６０を備えている摩擦撹拌装置側を移動させる場合と比較すれば、被加工物側を移動させて接合すると、操作が容易で装置構成も簡単になるため好ましい。
【００３８】
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００３９】
【発明の効果】
上述した本発明の摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法によれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載した本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、このような構成としたことで、加圧手段によって押し付けられたショルダー部の被加工物裏面側が被加工物の裏面に密着して裏当て金として機能する。このため従来の裏当て金が不要となり、被加工物を移動させるようにすれば、回転工具の下部本体を駆動させて回転及び加圧する機構があればよい。
【００４０】
また、ショルダー部によって被加工部の裏面からも加熱も可能となるため、表裏両面からの加熱によって入熱効率が向上し、軟化域の温度差を小さくすることができる。従って、接合部全体が均一に融合し、温度差を原因とする融合不良がなくなるので、接合部の内部品質を向上させることができる。このため、被加工物の送り速度を上げて摩擦撹拌接合を高速化し、作業時間を短縮することも可能となる。
【００４１】
さらに、ショルダー部の裏面側が回転軸方向に移動可能なため、被加工物に板厚変動があっても対応することができ、所定の加圧力を維持して接合部の内部品質を改善する効果もある。特に、前記加圧手段が加圧力検出手段を備えている場合には、加圧手段により検出した加圧力をフィードバック制御して所定値に維持することができるので、接合部の内部品質が安定してより一層信頼性の高い接合が可能となる。
また、前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転可能に支持する支持手段が冷却手段を備えているので、加圧手段の押し付けを受けながら前記ショルダー部の被加工物裏面側を回転可能に支持するベアリング等の部材が温度上昇するのを抑制し、装置の耐久性や信頼性を向上させることができる。
【００４２】
請求項５記載の摩擦撹拌接合方法によれば、回転工具が前記被加工物の表裏両面を挟持するように接触して摩擦熱により加熱するショルダー部を設け、前記ショルダー部の被加工物裏面側を、前記回転工具の下方に設けた加圧手段を用いて前記被加工物の裏面に所定圧力で押し付けて加圧しながら接合させるので、ショルダー部の被加工物裏面側が被加工物の裏面に密着して裏当て金として機能し、回転工具を所定位置に固定した状態で回転させるとともに、前記被加工物を移動させて接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す要部断面図である。
【図２】  図１のボビンツール構造を示す斜視図である。
【図３】  摩擦撹拌接合の実施状態を示す斜視図である。
【図４】  摩擦撹拌接合のメカニズムを示す説明図である。
【図５】  従来のボビンツール（回転工具）を示す正面図である。
【符号の説明】
１，２    金属板（被加工物）
３    接合線
４０    ボビンツール（回転工具）
４１    本体
４２    表面側ショルダー部
４３    裏面側ショルダー部
４４    下部本体
４４ａ    六角穴
４４ｂ    加圧面
４５    連結ピン
４５ａ    プローブ部
４５ｂ    ボルト頭部
４６    固定ピン
５０    支持部材
５１    第１ベアリング
５２    第２ベアリング
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ    冷却室
６０    加圧手段
６１    油圧シリンダ
６２    ピストンロッド
６３    先端部
７０    ロードセル（加圧力検出手段）
【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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