JP2004141948A

JP2004141948A - 接合ツール、摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法

Info

Publication number: JP2004141948A
Application number: JP2002311507A
Authority: JP
Inventors: Hideo Ono; 尾野　英夫; Takumi Kawasaki; 川▲崎▼　卓巳; Mitsuo Fujimoto; 藤本　光生
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP4346887B2

Abstract

【課題】接合ツールが没入すべき没入位置からずれることを防止する接合ツールを提供する。
【解決手段】軸線Ｌ１まわりに回転しながら被接合物２１に没入する撹拌部２３の中央部に突起２５を有する。この突起２５が軸線Ｌ１に沿って突出し、軸線Ｌ１上に頂点２６を有する尖鋭形状に形成される。これによって接合ツール２０は、被接合物２１に没入するときに、回転軸線Ｌ１から偏心した部分が最初に被接合物２１に接触することがなく、被接合物２１から反力を受けることがない。したがって接合ツール２１が軸線Ｌ１に垂直な方向にずれることを防止することができる。すなわち接合ツール２１を没入すべき没入位置に正確に没入させることができる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物を部分的に固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法に関する。なお当接されて設けられる被接合物は、複数の被接合部材が重ね合わされる場合および突き合わされる場合を含む。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は、従来の技術の接合ツール２と被接合物１とが接触した状態を拡大して示す断面図である。接合ツール２は、摩擦撹拌接合によって重ね合わされる複数の被接合部材１ａ，１ｂを接合する。接合ツール２は、複数の被接合部材１ａ，１ｂが重ね合されて設けられる被接合物１に、軸線Ｌ１まわりに回転しながら軸線方向Ａに没入する。接合ツール２は、被接合物１を予め定める加圧力Ｆ１で押圧する。接合ツール２は、摩擦熱によって被接合物１を流動化させ、流動化した被接合物１を固相撹拌して、被接合部材１ａ，１ｂを非溶融の状態で接合する（たとえば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１９は、図１８のＳ１９−Ｓ１９切断面線から見た図である。接合ツール２を被接合物１に接触させて回転させる場合には、回転接触時に発生する摩擦力よりも大きい力を接合ツール２に与える必要がある。また接合ツール２が軸線Ｌ１から半径方向に離れた偏心位置４で被接合物１に接触する場合、回転接触時に発生する摩擦力に抗する力Ｆ２と、軸線Ｌ１から偏心位置４までの距離ｒとを乗算した値Ｆ２×ｒよりも大きいトルクを接合ツールに与える必要がある。
【０００５】
接合ツール２を摩擦力に抗する力Ｆ２で動作させると、被接合物１から摩擦力に抗する力Ｆ２の反対方向であって摩擦力に抗する力Ｆ２と同じ大きさの反力Ｆ３が、接合ツール２に作用する。
【０００６】
図１８に示すように、被接合物１の表面状態および接合ツール２の保持状態などによって、接合ツール２が最初に接触する被接合物１の接触面５と、接合ツール２の軸線Ｌ１とが垂直でない場合がある。この場合、接合ツール２は、その軸線Ｌ１上の中心位置３で接触するより先に、軸線Ｌ１から半径方向に離れた偏心位置４で被接合物１に接触する。このとき接合ツール２が被接合物１に接触する接触部分６は、軸線Ｌ１に対して非対称となる。
【０００７】
接合ツール２の接触部分６が軸線Ｌ１に対して非対称な場合には、上述したように、接合ツール２に反力Ｆ３が作用する。この反力Ｆ３は、軸線方向Ａに垂直な方向に働き、接合ツール２を動かす力となり、接合ツール２の位置決めに影響を与える。
【０００８】
接合ツール２は、たとえばロボットアームによって支持される。ロボットアームは、接合ツール２の軸線方向Ａの剛性は高いが、軸線方向Ａに垂直な方向Ｂの剛性は低い。したがって、被接合物１から反力Ｆ３が作用すると接合ツール２を支持するロボットアームがたわむ。これによって接合ツール２は、没入すべき没入位置からずれた位置に没入してしまう。
【０００９】
このように接合ツール２の軸線Ｌ１が被接合物１の表面に対して傾く場合、従来の技術では、被接合物１から反力Ｆ３が接合ツール２に与えられて、接合ツール２を没入位置に正確に没入することができないという問題がある。
【００１０】
したがって本発明の目的は、接合ツールが没入すべき没入位置からずれることを防止する接合ツール、摩擦撹拌接合装置および接合ツールを用いた摩擦撹拌接合方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に対して、その軸線まわりに回転しながら被接合物に撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部は、前記軸線に沿って突出し、前記軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成されることを特徴とする接合ツールである。
【００１２】
本発明に従えば、軸線まわりに回転しながら軸線方向に沿って移動して、撹拌部が被接合物に没入し、その撹拌部が先鋭形状に形成される。撹拌部側から被接合物に没入すると、撹拌部の頂点が最初に被接合物に接触する。この頂点は、接合ツールの軸線上に配置される。
【００１３】
これによって接合ツールは、被接合物に没入するときに、その軸線から偏心した部分が最初に被接合物に接触することがない。したがって被接合物から摩擦力に抗する力に応じた反力を受けることがない。これによって接合ツールは、軸線に垂直な方向に移動することが防止され、接合すべき接合位置からずれることが防止される。いいかえると没入すべき没入位置に正確に没入することができる。
【００１４】
また本発明は、撹拌部には、被接合物を穿孔するための穿孔刃が設けられることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、撹拌部に穿孔刃が設けられるので、短時間で撹拌部を被接合物に没入させることができる。これによって撹拌部の磨耗量を減らすことができるとともに、突起没入時の被接合物の変形を低減することができる。また穿孔刃が形成されることによって被接合物の撹拌効果を高めることができる。
【００１６】
また本発明は、撹拌部は、中央部に突起を有し、この突起が前記軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成され、
突起は、撹拌部の残余の部分に比べて出没自在に設けられることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、撹拌部の没入が完了するまでに、撹拌部の残余の部分に突起を没入することによって、突起が残余の部分から突出していた領域に流動化した被接合物が流れ込む。これによって突起による接合跡をなくすことができ、被接合物の美観を向上することができる。さらに突起が残余の部分から突出した状態で撹拌部が没入しつづけると、突起によって撹拌部が被接合物を貫通するおそれがある。しかし本発明に従えば突起を残余の部分に没入することによって、撹拌部が被接合物を貫通することを防止することができ、被接合物が貫通されることによる接合不良を防止することができる。
【００１８】
また本発明は、複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら、その接合ツールの撹拌部を被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
撹拌部に、前記軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成され、撹拌部の残余の部分に対して前記軸線方向へ突出および没入自在である突起を備える接合ツールと、
前記接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
前記接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、前記接合ツールの突起を、撹拌部の残余の部分に対して、前記軸線方向へ突出および没入変位駆動する突起駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１９】
本発明に従えば、接合ツールをその軸線まわりに回転駆動するとともに軸線方向に沿って変位駆動することによって、回転させた接合ツールを被接合物に没入する。これによって接合ツールが被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する。
【００２０】
突起駆動手段が突起を残余の部分から突出させた状態で、接合ツールの没入を開始する。これによって接合ツールは、先鋭形状に形成される突起の頂点が最初に被接合物に接触する。頂点は接合ツールの軸線上に設けられるので接合ツールは、被接合物から摩擦力に抗する反力を受けることがない。これによって接合ツールが軸線に垂直な方向にずれることを防止することができる。
【００２１】
また突起駆動手段によって、撹拌部の没入が完了するまでに、撹拌部の残余の部分に突起を没入することによって、突起が残余の部分から突出していた領域に流動化した被接合物が流れ込む。これによって突起による接合跡をなくすことができる。また突起が残余の部分から突出した状態で撹拌部が没入しつづけると撹拌部が被接合物を貫通するおそれがあるが、上述するように突起駆動手段によって突起を撹拌部の残余の部分に没入することによって、撹拌部が被接合物を貫通することを防止することができる。
【００２２】
また本発明は、複数の被接合部材が当接されて設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
前記接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、前記接合ツールが被接合物に没入されるときの接合ツールの軸線と一致する中心軸線を有し、接合ツールの先端形状に対応する形状の位置決め凹所を形成する凹所形成手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００２３】
本発明に従えば、接合ツールをその軸線まわりに回転駆動するとともに軸線方向に沿って変位駆動することによって、回転させた接合ツールを被接合物に没入する。これによって接合ツールが被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する。
【００２４】
凹所形成手段によって被接合物に位置決め凹所を形成し、接合ツールの先端を位置決め凹所に嵌め込み、接合ツールを被接合物に没入する。これによって接合ツールの先端が位置決め凹所から抜け出ることを防止して、接合ツールを被接合物に没入させることができる。これによって接合ツールが没入すべき没入位置からずれることを防止し、没入すべき没入位置に接合ツールを正確に没入させることができる。
【００２５】
また本発明は、前記凹所形成手段は、被接合物を挟んで配置される一対の電極端子の端子間に電圧を印加する電源部と、
前記一対の電極端子を近接および離反変位駆動し、各電極端子によって被接合物を挟んで、位置決め凹所となる圧痕を形成する圧痕形成部とを有することを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、接合ツールが被接合物に没入する前に、電極端子によって被接合物を両側から挟み、位置決め凹所となる圧痕を形成する。また電極端子間に電圧を印加して各被接合部材に電流を流し、被接合物を溶融して各被接合部材を仮止めする。
【００２７】
このように位置決め凹所が形成される部分に当接される各被接合部材を仮止めした状態で、接合ツールの先端を位置決め凹所に嵌め込むことによって、接合ツールの位置ずれを防止するとともに、各被接合部材がずれること、被接合部材間に隙間が形成されることをなくすことができる。これによって接合不良をさらに確実に防止し、被接合物の接合品質を向上することができる
また本発明は、複数の被接合部材が当接されて設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら、その接合ツールの撹拌部を被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
撹拌部に、軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成され、撹拌部の残余の部分に対して前記軸線方向へ突出および没入自在である突起を備える接合ツールを用い、その接合ツールの突起を撹拌部の残余の部分から突出させた状態で、接合ツールを被接合物に接触させ、
接触後に接合ツールの突起を撹拌部の残余の部分に没入させて、接合ツールを回転させながら被接合物を軟化させて流動させる撹拌させる撹拌工程を含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００２８】
本発明に従えば、突起を撹拌部の残余の部分から突出させた状態で、接合ツールの没入を開始する。これによって接合ツールは、先鋭形状に形成される突起の頂点が最初に被接合物に接触する。頂点は接合ツールの軸線上に設けられるので接合ツールは、被接合物から摩擦力に抗する反力を受けることがない。これによって接合ツールが軸線に垂直な方向にずれることを防止することができる。
【００２９】
また撹拌部の没入が完了するまでに、撹拌部の残余の部分に突起を没入することによって、突起が残余の部分から突出していた領域に流動化した被接合物が流れ込む。これによって突起による接合跡をなくすことができる。また突起が残余の部分から突出した状態で撹拌部が没入しつづけると撹拌部が被接合物を貫通するおそれがあるが、上述するように突起駆動手段によって突起を撹拌部の残余の部分に没入することによって、撹拌部が被接合物を貫通することを防止することができる。
【００３０】
また本発明は、複数の被接合部材が当接されて設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
一対の電極端子によって被接合物を両側から挟んで、被接合物に圧痕による位置決め凹所を形成する圧痕形成工程と、
被接合物を挟んだ状態で、一対の電極端子間に電圧を印加して、各被接合部材を部分的に溶融させて仮止めする仮止工程と、
各被接合部材が仮止された被接合物の位置決め凹所に接合ツールの先端部を嵌り込ませるように、接合ツールを回転させながら被接合物に没入し、被接合物を軟化させて流動させる撹拌工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００３１】
本発明に従えば、圧痕形成工程によって、被接合物に圧痕による位置決め凹所を形成し、仮止め工程によって圧痕が形成される付近における各被接合部材を部分的に溶融して仮止めする。圧痕形成工程および仮止め工程の後に、撹拌工程を行う。すなわち位置決め凹所に接合ツールの先端部を嵌り込ませて、接合ツールを回転させながら被接合物に没入して、被接合物を軟化させて流動させる。
【００３２】
接合ツールが接合すべき没入位置に位置決め凹所を形成し、この位置決め凹所に接合ツールを嵌め込んで、接合ツールを被接合物に没入することによって、接合ツールが接合すべき没入位置からずれることを防止することができる。
【００３３】
さらに電極端子によって圧痕形成と仮止めを行うことによって、圧痕が形成される付近の被接合部材を仮止めすることができ、圧痕形成および仮止めを短時間に行うことができる。また仮止め後に接合ツールを被接合物に没入することによって被接合部材がずれることおよび被接合部材間に隙間が形成することをなくし、接合不良を防止することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である接合ツール２０と被接合物２１とが接触した状態を拡大して示す断面図である。接合ツール２０は、複数の被接合部材２１ａ，２１ｂが重ね合わされて設けられる被接合物２１を摩擦撹拌接合（
Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｓｔｉｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ：略称ＦＳＷ）するために用いられ、特にスポット接合に用いられる。
【００３５】
接合ツール２０は、その軸線Ｌ１まわりに回転しながら軸線Ｌ１に沿って移動し、被接合物２１に当接する。接合ツール２０は、回転しながら被接合物２１に没入する。被接合物２１は、接合ツール２０が回転接触することで、摩擦熱が生じて軟化する。
【００３６】
被接合物２１に没入した接合ツール２０は、軟化した被接合物２１を流動化し、流動化した部分を撹拌する。これによって流動化した各被接合部材２１ａ，２１ｂが互いに混ぜ合わされる。十分に被接合物２１を撹拌した後、接合ツール２０が被接合物２１から離脱することによって、流動化した部分が固まり、各被接合部材２１ａ，２１ｂが接合される。
【００３７】
接合される被接合部材２１ａ，２１ｂは、たとえばプレス成形されるアルミ製の薄厚材である。また摩擦撹拌接合は、たとえば自動車ボディ、意匠構造物およびその他重ね合わせ接合物の製造に用いられる。
【００３８】
接合ツール２０は、略円柱状に形成される本体部２２と、本体部２２から軸線方向一方Ａ１に突出し、略円柱状に形成される撹拌部２３とを有する。撹拌部２３は、被接合物２１に没入して流動化した被接合物２１を撹拌する。
【００３９】
本体部２２は、軸線方向一方Ａ１側端面となるショルダ面２７を有し、ショルダ面２７は、軸線Ｌ１に対して垂直に形成される。撹拌部２３は、ショルダ面２７から垂直に突出する。また本体部２２と撹拌部２３とは、同軸に形成され、本体部２２の直径よりも撹拌部２３の直径が小さく形成される。
【００４０】
本発明において、被接合物２１の接合ツール側の表面と接合ツール２０の軸線Ｌ１とは、垂直に形成されなくてもよく、接合ツール２０の軸線Ｌ１に対して被接合物２１の接合ツール側の表面が傾斜している場合であっても、好適に用いることができる。
【００４１】
撹拌部２３は、円柱状に形成されるピン部２８と、ピン部２８の軸線上の中央部２４から軸線方向一方Ａ１に突出する先鋭形状の突起２５とが形成される。突起２５は、その先端部分が軸線方向一方Ａ１に向かうにつれて先細な円錐形状に形成される。また突起２５の頂点２６は、接合ツール２０の軸線Ｌ１上に配置される。したがって接合ツール２０の軸線方向一方Ａ１側先端は、突起２５の頂点２６となる。
【００４２】
また接合ツール２０は、突起２５の被接合物２１への当接を妨げる部分がなく形成される。言換えると、本体部２２およびピン部２８は、突起２５の軸線まわりに空隙１８が形成される。これによって軸線方向一方Ａ１に移動して被接合物２１に接触する接合ツール２０は、最初に突起２５の頂点２６が当接する。
【００４３】
接合にあたって、接合ツール２０と対向する位置には、受け台３０が設けられる。受け台３０は、接合ツール２０と反対側から被接合物２１を支持する。受け台３０は、接合ツール２０のショルダ面２７よりも広い面積の受け面３１を有する。また受け台３０は、ツール開口部３３が設けられる。ツール開口部３３には、受け面３１から没入するツール開口３２が形成される。ツール開口３２は、接合ツール２０の突起２５の外周径よりも大きい周径を有する。接合にあたって、ツール開口部３３は、接合ツール２０に臨み、突起２５とツール開口３２とが同軸に配置される。
【００４４】
図２は、本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置４０を示す斜視図である。摩擦撹拌接合装置４０は、図１に示す本発明の接合ツール２０が装着される。摩擦撹拌接合装置４０は、接合ツール２０が装着され、予め定める基準軸線Ｌ２まわりに回転自在にかつ基準軸線Ｌ２に沿って移動自在に設けられるツール保持具４１と、ツール保持具４１を基準軸線Ｌ２まわりに回転駆動するツール回転駆動手段４２と、ツール保持具４１を基準軸線Ｌ２に沿って変位駆動するツール変位駆動手段４３と、ツール保持具４１に対向する位置に配置され、ツール保持具４１と反対側から被接合物２１を支持する受け台３０を有する受け台形成部４４と、受け台形成部４４を基準軸線方向Ｂに変位駆動する受け台駆動手段４５と、ロボットアーム２９に連結される基台４６とを含んで構成される。基準軸線方向Ｂは、基準軸線Ｌ２を含む仮想面において、基準軸線Ｌ２に平行な直線が延びる方向である。
【００４５】
ツール保持具４１は、接合ツール２０の軸線方向他方Ａ２側端部を挟持して、接合ツール２０を着脱可能に保持する。ツール保持具４１に保持される接合ツール２０は、その軸線Ｌ１が摩擦撹拌接合装置４０の予め定める基準軸線Ｌ２と一致する。ツール保持具４１が基準軸線Ｌ２に沿って変位駆動されると、ツール保持具４１に保持される接合ツール２０は、接合ツール２０の軸線Ｌ１に沿って移動する。またツール保持具４１が基準軸線Ｌ２まわりに回転駆動されると、ツール保持具４１に保持される接合ツール２０は、接合ツール２０の軸線Ｌ１まわりに回転する。
【００４６】
ツール回転駆動手段４２は、ツール保持具４１を基準軸線Ｌ２まわりに回転自在に支持するツール回転用軸受４７と、ツール保持具４１を基準軸線Ｌ２まわりに回転させるためのツール回転モータ４８と、ツール回転モータ４８からの回転力をツール保持具４１に伝達する伝達部（図示せず）とを有する。
【００４７】
ツール変位駆動手段４３は、基準軸線方向Ｂに変位自在に構成される可動部（図示せず）と、可動部を基準軸線方向Ｂに変位自在に支持する支持部４９と、可動部を基準軸線方向Ｂに変位駆動するためのツール変位モータ５０と、ツール変位モータ５０からの回転力を基準軸線方向の直進力に変換して可動部に伝達する伝達部（図示せず）とを有する。たとえば支持部４９は、可動部を支持するガイドレールによって実現され、ツール変位モータ５０は、サーボモータによって実現される。また伝達部は、ツール変位モータ５０の回転力をねじまたは歯車を用いて直進力に変換する。またツール変位駆動手段４３は、リニアモータによって実現されてもよい。
【００４８】
ツール変位駆動手段４３の可動部には、ツール回転駆動手段４２が固定される。またツール変位駆動手段４３の支持部４９は、基台４６に固定される。ツール変位モータ５０を回転することによって、可動部とともにツール回転駆動手段４２を基台４６に対して基準軸線方向Ｂに変位駆動することができる。
【００４９】
受け台形成部４４は、略Ｌ字状に形成される。受け台形成部４４は、基準軸線Ｌ２に対して半径方向に間隔をあけて、基準軸線方向Ｂに延びる受け台形成部第１部分５１と、受け台形成部第１部分５１の基準軸線方向一端部５１ａに連なり、ツール保持具４１に向かって基準軸線Ｌ２に垂直な方向に延びる受け台形成部第２部分５２とを有する。
【００５０】
受け台形成部第２部分５２には、受け台３０が設けられる。受け台３０は、受け台形成部第２部分５２からツール保持具４１に向かって基準軸線Ｌ２に沿って突出する。受け台３０は、基準軸線Ｌ２に同軸な略円柱状に形成され、ツール保持具４１に対して間隔をあけて配置される。さらに受け台３０のツール開口部３３は、基準軸線Ｌ２に対してツール開口３２が同軸となるように形成される。
【００５１】
受け台駆動手段４５は、基準軸線方向Ｂに変位自在に構成される可動部（図示せず）と、可動部を基準軸線方向Ｂに変位自在に支持する支持部５３と、可動部を基準軸線方向Ｂ２に変位駆動するための受け台変位モータ５４と、受け台変位モータ５４からの回転力を基準軸線方向の直進力に変換して可動部に伝達する伝達部（図示せず）とを有する。受け台駆動手段４５は、ツール変位駆動手段４３と同一の構成を有し、説明を省略する。
【００５２】
受け台駆動手段４５の可動部には、受け台形成部第１部分５１の基準軸線方向他端部５１ｂが固定される。また受け台駆動手段４５の支持部５３は、基台４６に固定される。受け台変位モータ５４を回転させることによって、可動部とともに受け台形成部４４を基台４６に対して基準軸線方向Ｂに変位駆動することができる。
【００５３】
基台４６は、上述するようにツール変位駆動手段４３の支持部４９、受け台駆動手段４５の支持部５３が固定される。また基台４６は、ロボットアーム２９の先端部と連結される。基台４６は、ロボットアーム２９によって変位駆動され、接合が行われる被接合物２１の接合位置に変位駆動される。基台４６が移動すると、基台４６に固定される各手段もまた基台４６と一体的に移動して、摩擦撹拌接合装置が移動する。
【００５４】
図３は、接合ツール２０の接合状態を説明する断面図であり、図３（１）から図３（４）の順で動作が進行する。接合ツール２０がツール保持具４１に保持されて、摩擦撹拌接合のための準備が完了すると、ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置４０が被接合物２１に向かって変位駆動される。
【００５５】
摩擦撹拌接合装置２０が各被接合部材２１ａ，２１ｂを接合するための予め定める位置に移動すると、摩擦撹拌接合装置４０が摩擦撹拌接合における各動作を開始する。このとき接合ツール２０と受け台３０と間には重ね合わされた２つの被接合物２１ａ，２１ｂが配置される。
【００５６】
摩擦撹拌接合装置の制御手段が、ツール変位駆動手段４３を制御して接合ツール２０を基準軸線方向一方Ｂ１に変位駆動する。また制御手段が、受け台駆動手段４５を制御して受け台３０を基準軸線方向他方Ｂ２に変位駆動する。すなわち接合ツール２０と受け台３０とを互いに近接する方向に移動させる。これによって接合ツール２０および受け台３０によって被接合物２１を両側から挟持する。
【００５７】
接合ツール２０は、その軸線Ｌ１と摩擦撹拌接合装置の基準軸線Ｌ２とが一致するように、ツール保持具４１に保持される。したがって基準軸線方向一方Ｂ１に変位移動する接合ツール２０は、図３（１）に示すように、撹拌部２３のうちの突起２５の頂点２６が点接触または点接触に近い状態で、被接合物２１に最初に接触する。
【００５８】
接合ツール２０は、図１９に示す従来の技術のように、軸線Ｌ１と垂直な方向に力を受けることが防止される。したがって接合ツール２０を支持する摩擦撹拌接合装置４０およびロボットアーム２９が、基準軸線Ｌ２に垂直な方向にたわむことを防止することができる。接合ツール２０は、被接合物の没入すべき没入位置に正確に没入する。
【００５９】
ツール保持具４１がツール変位駆動手段４３によってさらに変位駆動されることによって、被接合物２１に接触した接合ツール２０は、受け台３０に向けて被接合物２１内にさらに没入する。接合ツール２０は、撹拌部２３のうち突起２５から被接合物２１に没入していく。
【００６０】
図３（２）に示すように、突起２５が被接合物２１に没入した後に、ピン部２８が被接合物２１に没入する。ピン部２８が没入するときには、突起２５が被接合物２１に既に没入しているので、ピン部２８が被接合物２１に接触しても、接合ツール２０が没入位置からずれることを防止することができる。このようにして接合ツール２０が時間経過とともに被接合物２１に没入し、接合ツール２０が予め定める第１の設定時間まで受け台３０に向けて没入する。
【００６１】
図３（３）に示すように、制御手段が接合開始から予め定める第１の設定時間に達したと判断すると、被接合物２１への没入を停止した状態で、予め定める第２の設定時間まで接合ツール２０を回転させる。接合ツール２０を回転させることによって、被接合物を流動化して、流動化した被接合物２１ｃを撹拌する。これによって各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。撹拌部２３は、被接合物２１に最初に当接するとともに、被接合物２１に没入した撹拌部２３が流動化した被接合物２１を撹拌する。
【００６２】
また被接合物２１への没入を停止した状態で、接合ツール２０を回転させるときには、接合ツール２０のショルダ面２７が被接合物２１に没入していることが好ましい。ショルダ面２７は、被接合物２１に対して相対的に回転変位することによって、摩擦熱を与える。このように本体部２２によって被接合物２１を発熱することによって、流動化した被接合物２１が撹拌される撹拌領域を増大させることができる。
【００６３】
また接合ツール２０を没入するにあたって、突起２５が被接合物２１から貫通した場合、受け台３０のツール開口部３３に突起２５が嵌り込む。これによって突起２５が受け台３０に当接することを防止することができ、接合ツール２０を摩擦撹拌接合が良好に行なわれる位置まで確実に没入させることができる。
【００６４】
接合ツール２０によって流動化した被接合物２１を十分に撹拌して、制御手段が、予め定める第２の設定時間に達したと判断すると、図３（４）に示すように、制御手段が、接合ツール２０を被接合物２１から離脱させる。接合ツール２０を離反させると被接合物２１が冷えて、各被接合部材２１ａ，２１ｂが流動化して混ぜ合わされた部分２１ｃが固まり、各被接合部材２１ａ，２１ｂが接合される。
【００６５】
以上のように本発明の接合ツール２０によれば、撹拌部２３に先鋭形状の突起２５が形成されることによって、接合ツール２１の軸線Ｌ１上の突起２５の頂点２６を、点接触または点接触に近い状態で、最初に被接合物２１に接触させることができる。これによって接合ツール２０は、軸線Ｌ１から偏心した部分が最初に被接合物２１に接触することがない。
【００６６】
したがって上述する従来の技術の接合ツール２のように被接合物２１から反力Ｆ３によって移動されることがない。これによって接合ツール２０が軸線Ｌ１に垂直な方向にずれることを防止することができ、没入すべき没入位置に正確に没入することができる。
【００６７】
また没入すべき没入位置に正確に接合ツール２０を没入することができるので、接合跡の位置ずれをなくすことができる。たとえば等間隔に連続して複数の接合部分を接続する場合、接合位置がばらつくことがなく、接合後の被接合物２１の美観を向上することができる。また接合すべき位置に確実に接合ツール２０が没入することによって、位置ずれによる接合強度低下を防止することができる。
【００６８】
摩擦撹拌接合では、プレス成形部材などの曲面形状を有する被接合部材２１ａ，２１ｂを接合する場合がある。この場合、基準軸線Ｌ２と接合ツール２１が最初に接触する被接合物２１の接触面３９とが、垂直でない場合がある。このような場合であっても、接合ツール２０は、先鋭形状に形成される突起２５がピン部２８から突出するので、確実に軸線Ｌ１上で最初に被接合物２１に当接させることができる。
【００６９】
また接合ツール２０は、反力によって変位することがないので、接合ツール２０を支持する摩擦撹拌接合装置およびロボットアーム２９の剛性を高くする必要がない。これによって軸線方向に垂直な方向の剛性が低い摩擦撹拌接合装置４０およびロボットアーム２９を用いて正確な位置に接合ツール２０を没入することができる。また撹拌接合装置４０およびロボットアーム２９の剛性を高くする必要がないのでそれらの構造を単純化および軽量化することができる。
【００７０】
また突起２５は、被接合物２１を切削して穿孔するための穿孔刃が形成されてもよい。穿孔刃は、たとえば突起２５の外周面に形成されるらせん状のねじれ溝が形成されるドリル部に設けられる。たとえば突起２５自体がドリル工具であってもよい。この場合、接合ツール２０は、突起２５が被接合物２１を切削して穿孔する方向に回転される。
【００７１】
突起２５に穿孔刃が形成されることよって、突起２５の頂点が当接すると、穿孔刃が被接合物２１を切削して、突起２５が被接合物２１に穿孔する。これによって短時間で突起２６を被接合物２１に没入させることができる。これによって突起２５の磨耗量を減らすことができるとともに、突起没入時の被接合物２１の変形を防止することができる。また穿孔刃が形成されることによって被接合物２１の撹拌効果を高めることができる。
【００７２】
被接合物２１へ没入した接合ツール２０は、その突起２５が被接合物２１を仮に貫通した場合であっても、突起２５が受け台３２の嵌合部３３に嵌り込む。このとき嵌合部３３に嵌り込む突起２５は、嵌合部３３との間に隙間を有する。これによって突起２５が受け台３０に接触することがなく、接合不良が生じることがない。
【００７３】
図４は、本発明の他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置６０を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置６０は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成を有する。上述する摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成については説明を省略し、同一の参照符号を付する。摩擦撹拌接合装置６０は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様のツール保持具４１、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３、受け台形成部４４および基台４６を含む。またツール保持具４１に装着される接合ツール７０は、後述するように軸線Ｌ１上に頂点７６を有する突起７５が、ピン部７８に比べて出没自在に設けられる。
【００７４】
摩擦撹拌接合装置６０は、接合ツール７０が被接合物２１に没入する状態を検出するツール状態検出手段６１と、ツール状態検出手段６１の検出結果に基づいて、接合ツール７０の突起７５をピン部７８に対して突出および没入変位駆動する突起駆動手段６２とをさらに含む。摩擦撹拌接合装置６０の制御手段６３は、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３および受け台駆動手段４５を制御するとともに、ツール状態検出手段６１および突起駆動手段６２をさらに制御する。
【００７５】
制御手段６３は、ロボットアーム２９が予め定める教示位置に達したことを示す到着信号を受けて、ツール回転駆動手段４２を制御し、ツール保持具４１を予め定める回転速度で回転駆動させる。また制御手段６３は、到着信号を受けて、ツール変位駆動手段４３を制御し、ツール保持具４１を被接合物２１に向かって変位駆動させる。制御手段６３は、突起駆動手段６２を制御し、突起７５をピン部７８から突出させた状態で、接合ツール７０を被接合物２１に当接させる。
【００７６】
また制御手段６３は、ツール状態検出手段６１から接合ツール７０が被接合物２１に没入するときの没入状態を示す没入信号が与えられる。制御手段６３は、没入信号に基づいて、突起駆動手段６２を制御し、突起７５をピン部７８に没入させる。
【００７７】
ツール状態検出手段６１は、少なくともピン部７８が被接合物２１に接触したか否かを判断する。ツール状態検出手段６１は、たとえば画像認識カメラによって実現することができる。ツール状態検出手段６１は、またツール保持具４１を回転するための制御電流またはツール保持具４１を変位駆動するための制御電流を検出することによって接合状態を判断してもよい。また接触センサ、近接センサなどの各種センサによってピン部７８が被接合物２１に接触したことを判断してもよい。
【００７８】
図５は、接合ツール７０を拡大して示す断面図である。ツール保持具４１に装着される接合ツール７０は、略円柱状に形成される本体部７２と、本体部７２から軸線方向一方Ａ１に突出し、円柱状に形成される撹拌部７３とを有する。なお軸線方向一方Ａ１は、接合ツール７０が被接合物２１に没入する方向であり、軸線方向他方Ａ２は、接合ツール７０が被接合物２１から離脱する方向である。また軸線Ｌ１は、略円筒状に形成される接合ツール７０の中心を長手方向に延びる。
【００７９】
本体部７２は、軸線方向一方Ａ１側端面となるショルダ面７７を有し、ショルダ面７７は、接合ツール７０の軸線Ｌ１と垂直に形成される。前述したように摩擦撹拌接合装置は、接合ツール７０の軸線と、被接合物２１との表面とが垂直配置されなくてもよく、接合ツール７０の軸線が被接合物２１の表面に対して傾斜していてもよい。
【００８０】
撹拌部７３は、ショルダ面７７から垂直に突出する。また本体部７２と撹拌部７３とは、同軸に形成される。また撹拌部７３の直径は、本体部７２の直径よりも小さく形成される。
【００８１】
撹拌部７３は、その中央部分７４に突起７５を有する。突起７５は、ピン部７８に対して、軸線方向一方Ａ１に突出および没入自在に設けられる。この突起７５は、接合ツール７０の軸線Ｌ１上に頂点７６を有する先鋭形状に形成される。具体的には、軸線方向一方Ａ１に向かうにつれて先細な円錐形状に形成される。突起７５の先端となる頂点７６は、軸線Ｌ１上に配置される。
【００８２】
接合ツール７０は、本体部７２および撹拌部７３を軸線Ｌ１に沿って挿通して延びて、軸線方向一方Ａ１が外部に連なる挿通孔７９が形成される挿通孔形成部８０と、挿通孔７９の軸線方向他方Ａ２に連通し、接合ツール７０の軸線Ｌ１に垂直な一垂直方向Ｃに延びて本体部７２を貫通する貫通孔８１が形成される貫通孔形成部８２とが形成される。
【００８３】
また接合ツール７０は、挿通孔７９に配置され、軸線方向一方Ａ１側端部に突起７５を有する棒状の突起形成部材８３と、貫通孔８１に配置される第１突出部材８４と、貫通孔８１に配置される第２突出部材８５とを備える。また接合ツール７０は、２つのばね力発生部８８、８９を備え、第１のばね力発生部８８は、貫通孔８１に配置され、第１突出部材８４と第２突出部材８５とを連結して、第１突出部材８４および第２突出部材８５に互いに離反する方向のばね力を与える。また第２のばね力発生部８９は、そう通行７９に配置され、突起形成部材８３を貫通孔８１に向かって移動させる方向のばね力を与える。
【００８４】
挿通孔７９および貫通孔８１によって接合ツール７０は、略Ｔ字状の空間が形成される。挿通孔７９は、貫通孔８１の一垂直方向Ｃの中央から軸線方向一方Ａ１に延びる。
【００８５】
なお一垂直方向Ｃは、貫通孔８１が延びる方向であって、軸線Ｌ１と交差するとともに軸線Ｌ１に対して垂直に延びる。また貫通孔８１中央から貫通孔８１の一方の開口８６に向かう方向を一垂直方向一方Ｃ１とし、貫通孔中央８１から貫通孔８１の他方の開口８７に向かう方向を一垂直方向他方Ｃ２とする。
【００８６】
突起７５が形成される突起形成部材８３は、本体部７２に対してまわり止めされ、本体部７２と同方向に回転する。突起形成部材８３は、軸線方向一方Ａ１側先端に突起７５が形成される先細部分８３ａと、先細部分８３ａの軸線方向他方Ａ２に連なり、本体部７２に対してまわり止めされるまわり止め部分８３ｂと、まわり止め部分８３ｂの軸線方向他方Ａ２に連なって延びる軸部分８３ｃとを有する。
【００８７】
先端部分８３ａは、円柱状に形成され、軸線方向一方Ａ１側先端が円錐形状に形成される。この円錐形状部分が突起７５となり、円錐形状部分の頂点が突起の頂点７６となる。まわり止め部分８３ｂは、たとえば４角柱に形成される。まわり止め部分８３ｂの外径は、先端部分８３ａの外径よりも大きく形成される。また軸部分８３ｃの外径は、まわり止め部分８３ｂの外径よりも小さく形成される。これら先端部分８３ａ、まわり止め部分８３ｂおよび軸部分８３ｃは、ともに同軸に形成される。突起形成部材８３の軸線は、接合ツール７０の軸線Ｌ１と一致する。
【００８８】
挿通孔形成部８０は、第１挿通孔部分８０ａ、第２挿通孔部分８０ｂおよび第３挿通孔部分８０ｃが形成される。第１挿通孔部分８０ａは、突起形成部材８３の先端部分８３ａが挿通し、先端部分８３ａの外径寸法とほぼ同じ内径寸法を有する第１挿通孔領域７９ａが形成される。また第２挿通孔部分８０ｂは、突起形成部材８３のまわり止め部分８３ｂが挿通し、４角柱形状に形成される第２挿通孔領域７９ｂが形成される。第３挿通孔部分８０ｃは、突起形成部材８３の軸部分８３ｃが挿通し、軸部分８３ｃの外径寸法とほぼ同じ内径寸法を有する第３挿通孔領域７９ｃが形成される。この第１、第２および第３挿通孔領域７９ａ，７９ｂ，７９ｃは、互いに連なり１つの挿通孔７９となる。挿通孔形成部８０と突起形成部材８３とは、隙間が形成されることによって、軸線方向Ａに移動可能に形成される。
【００８９】
たとえば本体部７２は、２つに分割して製作され、突起形成部材８３を挿通孔７９に収容した状態で、２つに分割した状態から１つに組立てられる。このとき本体部７２は、溶接またはボルト止めなどによって突起形成部材８３を収容した状態で組立てられる。
【００９０】
図６は、図５のＶＩ−ＶＩの切断面線から見た断面図である。突起形成部材８３のまわり止め部分８３ｂは、４角柱に形成される。接合ツール回転時には、まわり止め部分８３ｂと第２挿通孔部分８０ｂとが当接する。これによって挿通孔形成部８０と突起形成部材８３とが相対的に軸線Ｌ１まわりに回転することが阻止され、挿通孔形成部８０と突起形成部材８３とが一体的に回転する。
【００９１】
図５に示すように、第２ばね力発生手段８９は、突起形成部材８３を軸線方向他方Ａ２すなわち突起７５を撹拌部７３のピン部７８に没入させる方向にばね力を発生する。第２ばね力発生手段８９は、引張りコイルばねによって実現される。引張りコイルばねの伸縮方向一端部は、まわり止め部分８３ｂの軸線方向他方Ａ２側端部に固定される。また引張りコイルばねの伸縮方向他端部は、第３挿通孔部分８０ｃの軸線方向一方Ａ１側端部に固定される。
【００９２】
引張りコイルばねによって突起形成部材８３は、第３挿通孔部分８０ｃに向かう第２ばね力Ｆ４が与えられる。軸部分８３ｃの軸線方向他方Ａ２側端部は、第３挿通孔部分８０ｃを挿通し、貫通口形成部８１内に配置される第２突出部材８５に当接する。
【００９３】
第１突出部材８４および第２突出部材８５とは、第２ばね力発生手段８８によって連結される。第２ばね力発生手段８８は、圧縮コイルばねによって実現される。圧縮コイルばねは、第１突出部材８４および第２突出部材８５を軸線Ｌ１に対して垂直な一垂直方向Ｃに互いに離反させる力Ｆ５ａ，Ｆ５ｂを各突出部材８４，８５に与える。
【００９４】
また摩擦撹拌接合装置６０は、軸線方向Ａに移動自在に形成される可動リング９０と、可動リング９０を軸線方向Ａに変位駆動する可動リング駆動手段９２とを有する。可動リング９０および可動リング駆動手段９２は、突起７５を変位駆動する突起変位駆動手段となる。可動リング９０および可動リング駆動手段９２は、たとえばツール保持具４１を支持する部分に支持される。可動リング駆動手段９２は、たとえばサーボモータによって実現される。
【００９５】
可動リング９０は、本体部７２と間隔をあけて、本体部７２を軸線Ｌ１まわりに一周するリング状に形成される。可動リング９０の内周部分は、少なくとも貫通孔８１の各開口８６，８７に臨んで設けられる。この内周部分には、軸線方向一方Ａ１側に向かうにつれて貫通孔８１の各開口８６，８７から離反し、各開口８６，８７に臨む傾斜面９１を有する。
【００９６】
第１突出部材８４および第２突出部材８５は、第１ばね力発生手段によってばね力Ｆ５ａ，Ｆ５ｂが与えられて、部分的に接合ツール７０の本体部７２から突出して、可動リング９０の傾斜面９１に当接する。傾斜面９１と各突出部材８４，８５とは、少なくともいずれか一方にベアリングなどによってその摩擦抵抗を小さくする摩擦抵抗低減部が形成されることが好ましい。これによって各突出部材８４，８５が傾斜面９１に接触移動したときに、発熱および磨耗することが防止される。
【００９７】
可動リング９０が軸線方向他方Ａ２側に変位駆動されることによって、傾斜面９１と本体部７２との軸線Ｌ１半径方向間隔が広まる。この場合、第１突出部材８４および第２突出部材８５は、ばね力によって、本体部７２の中心から外方に向かって一垂直方向Ｃに変位し、本体部７２から突出する突出部分８４ａ，８５ａが増える。逆に可動リング９０が軸線方向一方Ａ１側に変位駆動されることによって、傾斜面と本体部７２との軸線Ｌ１半径方向間隔が狭まる。これによって第１突出部材８４および第２突出部材８５は、本体部７２の外方から中心に向かって一垂直方向Ｃに変位し、本体部７２から突出する突出部分８４ａ，８５ａが少なくなる。
【００９８】
図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩの切断面線から見た断面図である。第２突出部材８５のほうが第１突出部材８４よりも長く形成される。第１突出部材８４は、貫通孔８１の一方の開口８６から本体部７２の半径方向に突出し、本体部７２の軸線Ｌ１を通過しない長さ寸法で板状に形成される。また第２突出部材８５は、貫通孔８１の他方の開口８７から本体部７２の半径方向に突出するとともに、本体部７２の軸線Ｌ１を通過する長さ寸法で板状に形成される。
【００９９】
第２突出部材８５には、嵌合部９５を含む。嵌合部９５には、軸線Ｌ１方向に挿通する嵌合孔９３が形成される。嵌合部９５は、突起形成部材８３の軸部分８３ｃの外径よりも大きい内径を有し、軸部分８３ｃが嵌合可能に形成される。嵌合部９５は、第２突出部材８５が一垂直方向Ｃ２に変位した場合に、嵌合孔９３が軸線Ｌ１と同軸になるように第２突出部材８５に形成される。
【０１００】
また嵌合孔９３に臨む嵌合部９５の周面９４は、軸線方向一方側Ａ１に向かうにつれて内周が拡径するように傾斜して形成される。いいかえると嵌合孔９３は、軸線方向一方Ａ１に向かうにつれて拡径する円錐または円錐台形状に形成される。
【０１０１】
図８は、接合ツール７０を拡大して示す断面図である。可動リング駆動手段９２によって、可動リング９０が軸線方向他方Ａ２に変位駆動されると、第１ばね力発生手段８８によって与えられるばね力によって、第１突出部材８４および第２突出部材８５が互いに離反する方向に変位し、接合ツール７０の本体部７２から一垂直方向Ｃに突出する突出量が増える。第１突出部材８４は、一垂直方向一方Ｃ１に変位する。また第２突出部材８５は、一垂直方向他方Ｃ２に変位する。
【０１０２】
第２突出部材８５が一垂直方向他方Ｃ２に変位することによって、軸線Ｌ１位置よりも一垂直方向一方Ｃ１にある嵌合部９５が、一垂直方向他方Ｃ２に移動する。これによって図８に示すように、嵌合孔９３が軸線Ｌ１位置に移動する。突起形成部材８３は、第２ばね力発生手段８９によって軸線方向他方Ａ２に向かう力を与えられているので、嵌合孔９３が軸線Ｌ１位置に移動すると、突起形成部材８３の軸部分８３ｃが嵌合部９５に嵌合し、突起形成部材８３が軸線方向他方Ａ２に変位する。
【０１０３】
突起形成部材８３が軸線方向他方Ａ２に変位することによって、突起形成部材８３の先端に形成される突起７５をピン部７８に没入させることができる。また可動リング９０がリング状に形成されるので、接合ツール２１が回転している状態であっても、各突出部材８４，８５の変位を制御することができ、ピン部７８に突起７５を没入することができる。
【０１０４】
また突起７５がピン部７８に没入した状態から、可動リング９０を軸線方向一方Ａ１に変位させることによって、第２突出部材８５と可動リング９０の当接面９１とを当接させる。さらに可動リング９０が軸線方向一方Ａ１に変位させることによって、可動リング９０の当接面９１が傾斜しているので、第２突出部材８５を一垂直方向一方Ｃ１に変位させることができる。
【０１０５】
第２突出部材８５を一垂直方向一方Ｃ１に変位させることによって、嵌合部９５も一垂直方向一方Ｃ１に変位する。これによって突起形成部材８３の軸部分８３ｃは、嵌合部９５の周面９４に当接する。軸部分８３が当接する周面９４は、一垂直方向他方Ｃ２に向かうにつれて軸線方向一方Ａ１に傾斜して形成される。
【０１０６】
したがって嵌合部９５の周面９４に当接した軸部分８３ｃは、嵌合部９５がさらに一垂直方向一方Ｃ１に移動することによって、周面９４の一垂直方向他方Ｃ２の面に沿って移動し、軸部分８３ｃが軸線方向一方Ａ１に案内される。これによって突起形成部材８３は、その先端の突起７５がピン部７８から突出する。
【０１０７】
上述する機構によって、単純な構成によって接合ツール７０を回転させた状態で、突起７５のピン部７８に没入させることができる。また突起形成部材８３は、先細部分８３ａおよび軸部分８３ｃの２箇所で支持され、確実に突起７５を没入すべき没入位置に没入させることができる。
【０１０８】
図９は、摩擦撹拌接合装置６０の動作を示すタイミングチャートである。図９（１）は、本体部７２に対する可動リング９０の基準軸線Ｌ１に沿う方向の相対位置を示し、図９（２）は、本体部７２に対する突起７５と本体部７２との基準軸線Ｌ１に沿う方向の相対位置を示し、図９（３）は、本体部７２の基準軸線Ｌ１に沿う方向の位置を示す。
【０１０９】
図１０は、摩擦撹拌接合装置６０の動作を示す断面図であり、図１０（１）から図１０（３）の順に動作が進行する。また図１１は、摩擦撹拌接合装置６０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。図９〜図１１を参照して摩擦撹拌接合装置６０の動作を説明する。
【０１１０】
ステップａ０で、接合ツール７０がツール保持具４１に装着されるとともに被接合物２１が予め定める保持位置に保持される。次に、ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置６０が変位移動される。変位移動された摩擦撹拌接合装置６０は、被接合物２１の両側にそれぞれ接合ツール７０および受け台３０が配置される。このような摩擦撹拌接合における準備が完了するとステップａ１に進み、制御手段６３が動作を開始する。
【０１１１】
ステップａ１において、まず制御手段６３が受け台駆動手段４５を制御し、受け台形成部４４を軸線方向他方Ａ２に沿って被接合物２１に向けて移動させる。受け台３０は、受け台３０側の被接合部材２１ｂに当接する。たとえば制御手段６３は、受け台変位モータを制御するための制御電流を検出することによって、受け台３０が受け台３０側の被接合部材２１ｂに当接したことを判断する。
【０１１２】
受け台３０が被接合部材２１ｂに当接すると、図９のＴ１時刻に達し、制御手段６３が、ツール回転駆動手段４２およびツール変位駆動手段４３を制御する。これによってツール回転駆動手段４２は、接合ツール７０を軸線Ｌ１まわりに回転させる。またツール変位駆動手段４３は、ツール保持具４１を軸線方向Ａに沿って移動させる。このとき接合ツール７０は、突起７５が撹拌部７３のうちのピン部７８から突出した状態に制御される。
【０１１３】
被接合物２１に向かって移動する接合ツール７０は、図１０（１）に示すように、突起７５の頂点７６が最初に被接合物２１に接触する。突起７５は、接合ツール７０の軸線Ｌ１上に頂点２６を有するので、接合ツール７０は、被接合物２１から軸線Ｌ１に垂直な方向に力を受けることがない。したがって没入すべき没入位置からずれることなく、接合ツール７０を被接合物２１に没入させることができる。
【０１１４】
接合ツール７０を被接合物２１に没入させていくと、撹拌部７３のピン部７８が被接合物２１に当接する。このときツール状態検出手段６１が、制御手段６３にピン部７８が被接合物２１に当接したことを示す信号を与える。ピン部７８が被接合物２１に当接したことを制御手段６３が判断すると、図９のＴ２時刻に達し、ステップａ２に進む。
【０１１５】
ステップａ２では、制御手段６３が可動リング駆動手段９２を制御する。図９のＴ２時刻で、制御手段６３から指令を与えられた可動リング駆動手段９２は、可動リング９０を軸線方向他方Ａ２に変位駆動する。可動リング９０を軸線方向他方Ａ２に駆動させることによって、突起形成部材８３が軸線方向他方Ａ２に移動して、ピン部７８に突起７５を没入させる。
【０１１６】
ピン部７８に突起７４が没入した状態で、接合ツール７０を被接合物２１にさらに没入させる。図９に示すＴ３時刻で、接合ツール７０は、本体部７２が被接合物２１に接触し、さらに時間が経過することによって、図１０（２）に示すように、本体部７２が被接合物２１に没入する。
【０１１７】
制御手段６３は、予め定める第１の設定時間が経過するまで、ツール保持具４１を軸線方向一方Ａ１に加圧し、接合ツール７０を被接合物２１に没入させる。制御手段６３は、予め定める第１の設定時間に達すると、図９のＴ４時刻に達し、ステップａ３に進む。
【０１１８】
ステップａ３では、図９のＴ４時刻で、接合ツール７０の没入を停止し、予め定める第２の設定時間が経過するまで軸線Ｌ１まわりに回転する。これによって軟化した被接合物２１を十分に流動化し、さらに流動化した被接合物２１を撹拌して各被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。制御手段６３は、予め定める第２の設定時間に達すると、図９のＴ５時刻に達し、ステップａ４に進む。
【０１１９】
ステップａ４では、図９のＴ５時刻で、接合ツール７０を軸線方向他方Ａ２に移動させて、図１０（３）に示すように、被接合物２１から接合ツール７０を離脱させる。制御手段６３は、接合ツール７０が予め定める初期位置に移動し、図９のＴ６時刻に達すると、接合ツール７０の回転を停止するとともに突起７５を突出させ、ステップａ５に進む。ステップａ５では制御手段６３が動作を終了する。
【０１２０】
以上のように、上述する接合ツール７０を装着した摩擦撹拌接合装置６０によれば、図１に示す接合ツール２０を用いた場合と同様の効果を得ることができる。さらに摩擦撹拌接合装置６０が、撹拌部７３の没入が完了する前に、ピン部７８に突起を没入することによって、突起７５がピン部７８から突出していた領域に流動化した被接合物２０が流れ込む。これによって突起７５による接合跡をなくすことができ、接合後の被接合物２０の美観を向上することができる。
【０１２１】
さらに突起７５がピン部７８から突出した状態で撹拌部７３が没入しつづけると、突起７５によって撹拌部７３が被接合物２０を貫通するおそれがある。しかし本実施の形態に従えば、突起７５をピン部７８に没入することによって、撹拌部７３が被接合物２０を貫通することを防止することができ、被接合物２０が貫通されることによる接合不良を防止することができる。また本実施の形態では、摩擦撹拌接合装置６０を用いて、突起７５のピン部７８に対する没入を制御したが、手動で突起７５をピン部７８に没入してもよい。
【０１２２】
また接合ツール７０には、図１に示す接合ツール２０と同様に穿孔刃が形成されてもよい。また接合ツール７０は、図７に示す接合ツール７０のうち一部が着脱可能に形成されていてもよい。たとえば接合ツール７９の先端部分であって、本体部７２の先細部分８３ａとピン部７８とを含む部分が、残余の部分に着脱自在に螺着する構成であってもよい。これによってピン部７８が磨耗した場合に新しい突起形成部材８３に取替えることができる。
【０１２３】
図１２は、本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置１００を示す斜視図である。摩擦撹拌接合装置１００は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成を有する。上述する摩擦撹拌接合装置４０と同様の構成については説明を省略し、同一の参照符号を付する。
【０１２４】
摩擦撹拌接合装置１００は、図２に示す摩擦撹拌接合装置４０と同様のツール保持具４１、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３および受け台形成部４４を含む。摩擦撹拌接合装置１００は、接合ツール１０１を被接合物２１に回転させながら没入させて、被接合物２１を摩擦撹拌する。接合ツール１０１は、その軸線Ｌ１が予め定める第１の基準軸線Ｌ２に一致するようにツール保持具４１に保持する。
【０１２５】
摩擦撹拌接合装置１００は、保持する接合ツール１０１を、予め定める第１の基準軸線Ｌ２まわりに回転するとともに第１の基準軸線Ｌ２に沿って移動させる。接合ツール１０１は、略円柱状に形成される。また第１の基準軸線Ｌ２は、図４に示す摩擦撹拌接合装置６０の基準軸線Ｌ２を意味する。
【０１２６】
また、摩擦撹拌接合装置１００は、被接合物２１に位置決め凹所を形成する凹所形成手段１０２と、被接合物２１を両側から挟持する挟持手段１０３とをさらに有する。摩擦撹拌接合装置１００の制御手段１２４は、ツール回転駆動手段４２およびツール変位駆動手段４３を制御するとともに、凹所形成手段１０２および挟持手段１０３を制御する。
【０１２７】
凹所形成手段１０２は、被接合物２１を棒状の端子である押圧端子１０５によって被接合物２１を押圧する。これによって位置決め凹所となる圧痕を被接合物２１に形成する。押圧端子１０５は、予め定める第２の基準軸線方向Ｌ３に沿って押圧端子１０５を変位移動させて、被接合物２１を押圧する。
【０１２８】
また挟持手段１０３は、予め定める第３の基準軸線Ｌ４に沿って変位自在に設けられる挟持体１０４と、挟持体１０４を第３の基準軸線Ｌ４に沿って変位駆動するための挟持体変位駆動モータ１０５と、挟持体変位駆動モータ１０５と基台４６とを固定する支持部１０６とを有する。挟持体変位駆動モータ１０５によって、挟持体１０４が予め定める第３の基準軸線Ｌ４に変位駆動されて、後述する第１受け台１１１ａと挟持体１０４とによって協働して被接合物２１を挟持する。挟持体変位駆動モータ１０５は、たとえばリニアモータによって実現される。
【０１２９】
上述する第１、第２および第３の基準軸線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、互いに平行に延びる。本実施の形態では、予め定める仮想一平面に各基準軸線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が含まれる。第３の基準軸線Ｌ４は、摩擦撹拌接合装置１００のほぼ中央に配置され、第３の基準軸線Ｌ４の両側にそれぞれ第１の基準軸線Ｌ２および第２の基準軸線Ｌ３が位置する。また第１の基準軸線Ｌ２と第２の基準軸線Ｌ３との間隔Ｄ１０は、接合すべき複数の接合個所が複数ある場合、その間隔Ｄ１１と等しく設定されることが好ましい。
【０１３０】
凹所形成手段１０２は、押圧端子１０５が着脱可能に装着され、予め定める第２の基準軸線Ｌ３に沿って変位自在に形成される押圧端子保持具１０７と、押圧端子保持具１０７を第２の基準軸線Ｌ２に変位自在に支持する支持部１０８と、押圧端子保持具１０７を第２の基準軸線Ｌ２に沿って変位駆動するための端子変位モータ１０９とを含んで構成される。凹所形成手段１０２は、ツール変位駆動手段４３と同様の構成を示し、具体的な説明は省略する。
【０１３１】
受け台形成部４４は、略Ｌ字状に延びる。受け台形成部４４は、第３の基準軸線Ｌ４と間隔をあけて第３の基準軸線Ｌ４に略平行に延びる受け台形成部第１部分５１と、受け台形成部第１部分５１の一端部５１ａに連なり、第３の基準軸線Ｌ４に向かって、第３の基準軸線Ｌ４に略垂直な方向に延びる受け台形成部第２部分５２とを有する。
【０１３２】
受け台形成部第１部分５１の他端部５１ｂは、基台４６に連結される。また受け台形成部第２部分５２の、受け台形成部第１部分５１が連なる反対側の端部には、受け台１１１が設けられる。受け台１１１は、ツール保持具４１、挟持体１０４および押圧端子１０５に対向する位置に配置される。
【０１３３】
受け台１１１は、ツール保持具４１および挟持体１０４に対向する第１受け台１１１ａと、押圧端子１０５に対向する第２受け台１１１ｂとを含む。第１受け台１１１ａおよび第２受け台１１１ｂは、板上に形成される。第１受け台１１１ａは、少なくとも第１の基準軸線Ｌ２に沿って延びる仮想線が挿通する接合ツール受け部１１２ｂと、第３の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が挿通する挟持体受け部１１２ｃとを有する。また第１受け台１１１ａは、受け台形成部第２部分５２から第１の基準軸線Ｌ２に向けて突出する。
【０１３４】
本実施の形態では、第３の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線は、第１受け台１１１ａを挿通するとともに受け台形成部第２部分５２を挿通する。すなわち挟持体１０４に対向して、第１受け台１１１ａおよび受け台形成部第２部分５２が位置する。したがって挟持体１０４と第１受け台１１１ａとによって被接合物２１を挟持したとしても、受け台形成部第２部分５２は、挟持体１０４からモーメント力を受けることがない。
【０１３５】
また第２受け台１１１ｂは、少なくとも第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が挿通する押圧端子受け部１１２ｂを有する。第２受け台１１１ｂは、受け台形成部第２部分５２から第２の基準軸線Ｌ４に向けて突出する。第２受け台１１１ｂは、押圧端子保持具１０７に対して、第１受け台１１１ａよりも第２の基準軸線Ｌ２に離れた位置に設けられる。第２受け台１１１ｂは、押圧端子保持具１０７に向けて突出する棒状の支持端子１１３が設けられる。支持端子１１３は、押圧端子保持具１０７装着される押圧端子１０５と同軸に配置される。また支持端子１１３の押圧端子保持具１０７側の端面１１４と第１受け台１１１ａのツール保持具側の端面１１５とは、面一に形成される。
【０１３６】
また基台４６には、ツール変位駆動手段４３の支持部４９と、凹所形成手段１０２の支持部１０８と、挟持手段１０３の支持部１０６とを固定する固定部材１１６が設けられる。固定部材１１６は、板状に形成され、各基準軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を含む仮想一平面に対して平行でかつ、各基準軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に垂直に延びる。固定部材１１６は、その中央部分１１７で基台２６の残余の部分に連結される。
【０１３７】
固定部材１１６は、その中央部分１１７に挟持手段１０３の支持部１０６が固定され、中央部分１１７から各軸線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に垂直な方向の一方側にツール変位駆動手段４３の支持部４９が固定され、中央部分１１７から各軸線に垂直な方向の他方側に凹所形成手段１０２の支持部１０８が設けられる。
【０１３８】
また本実施の形態では、凹所形成手段１０２と第２受け台１１１ｂとによって抵抗スポット溶接が行なわれる抵抗スポット溶接手段となる。すなわち押圧端子１０５および支持端子１１３は、電極端子によって実現される。
【０１３９】
摩擦撹拌接合装置１００の押圧端子保持部１０７および第２受け台１１１ｂは、各端子をそれぞれ保持する電極端子保持部となる。また押圧端子保持具１０７を変位駆動する端子変位モータ１０９は、端子を相互に近接および離反変位駆動し、各端子によって被接合物２１を挟んで、位置決め凹所となる圧痕を形成する圧痕形成部となる。また摩擦撹拌接合装置は、端子間に電圧を印加する電圧印加手段１２３となる電源部をさらに有する。
【０１４０】
図１３は、摩擦撹拌接合装置１００の電気的構成を示すブロック図である。
摩擦撹拌接合装置１００の制御手段１２４は、ツール回転駆動手段４２、ツール変位駆動手段４３、挟持手段１０３、凹所形成手段１０２および電圧印加部１２３を制御する。
【０１４１】
具体的には、制御手段１２４は、ロボットアーム２９を駆動するロボットアーム駆動手段５８から信号を受け取り、摩擦撹拌接合装置の移動位置を知る。また制御手段１２４は、ツール回転駆動手段４２にツール保持具４１の回転駆動および回転停止を示す信号を与える。また制御手段１２４は、ツール変位駆動手段４３にツール保持具４１の変位駆動および変位停止を示す信号を与える。
【０１４２】
また制御手段１２４は、挟持手段１０３に挟持体１０４の変位駆動を示す信号を与える。また制御手段１２４は、凹所形成手段１０２に押圧端子１０７の変位駆動を示す信号を与える。また制御手段１２４は、電圧印加手段１２３に端子間に電圧を印加させる信号を与える。
【０１４３】
図１４は、摩擦撹拌接合装置１００の動作の要部を説明するための断面図である。摩擦撹拌接合装置１００は、図１４（１）に示すように、まず、２つの電極端子である押圧端子１０５と支持端子１１４とによって被接合物２１を両側から挟んで、被接合物２１に圧痕による位置決め凹所１１９を形成する圧痕形成工程を行う。
【０１４４】
次に、被接合物２１を挟んだ状態で、各端子１０５，１１３間に電圧を印加して、各被接合部材２１ａ，２１ｂを部分的に溶融させて仮止めする仮止工程を行う。次に、図１４（２）に示すように、各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止された被接合物２１の位置決め凹所１１９に回転する接合ツール１０１の先端部１０１ａを嵌り込ませる。回転する接合ツール１０１の先端部１０１ａを被接合物２１に嵌り込ませた状態で、図１４（３）に示すように、接合ツール１０１を回転させながら被接合物２１に没入し、被接合物２１を軟化させて、被接合物２１を流動撹拌する撹拌工程を行う。
【０１４５】
接合ツール１０１は、円柱状に形成される。たとえば円柱状に形成される本体部１２０と本体部１２０から軸線方向に突出するピン部１２１とが形成される。本体部１２０およびピン部１２１は、同軸に形成される。接合ツール１０１は、ピン部１２１から被接合物２１に当接する。またピン部１２１は、図１に示すように、軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成されることが好ましい。
【０１４６】
押圧端子１０５の先端部１０５ａは、軸線に沿って突出し、軸線上に頂点１０５ｂを有する先鋭形状に形成される。押圧端子１０５の先端部１０５ａは、たとえば円錐形状に形成される。押圧端子１０５ａが被接合物２１を加圧することによって、被接合物２１が変形し、被接合物２１に圧痕が形成される。この圧痕が位置決め凹所１１９となる。
【０１４７】
押圧端子１０５の先端部１０５ａの直径Ｄ１は、接合ツール１０１のピン部１２１の直径Ｄ３よりも大きく形成され、接合ツール１０１の本体部１２０の直径Ｄ４よりも小さく形成される。これによって円錐形状に形成される位置決め凹所１１９の直径Ｄ２は、接合ツール１０１のピン部１２１の直径Ｄ３よりも大きく形成され、接合ツール１０１の本体部１２０の直径Ｄ４よりも小さく形成することができる。
【０１４８】
位置決め凹所１１９を、接合ツール１０１が没入すべき没入位置に形成することによって、接合ツール１０１が接合すべき没入位置からずれることなく防止することができる。また没入位置にある各被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めした状態で接合ツール１０１を没入することができるので、被接合部材２１ａ，２１ｂ同士がずれて接合されること、被接合部材２１ａ，２１ｂに隙間がある状態で接合されることをなくすことができ、接合不良を防止することができる。
【０１４９】
また位置決め凹所１１９の直径Ｄ２がピン部１２１の直径Ｄ３よりも大きく形成されることによって、ピン部１２１が先細形状でない場合であっても、位置決め凹所１１９にピン部１２１の先端を導くことができ、接合ツール１０１の軸線を位置決め凹所１１９の軸線と一致させることができる。また位置決め凹所１１９の直径Ｄ２が本体部１２０の直径Ｄ４より小さく形成することによって、接合後の被接合物２１に位置決め凹所１１９が残ることを防止することができる。
【０１５０】
図１５は、摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の制御手段１２４の動作を示すフローチャートである。また図１６および図１７は、摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の動作を説明するための断面図である。動作は、図１６（１）〜図１６（５）の順で進行し、さらに図１７（１）〜図１７（５）の順で動作が進行する。なお図１６および図１７には、理解を容易にするために被接合物２１に形成される位置決め凹所１１９を省略して示す。また制御手段１２４が、ロボットアームを含めて制御した場合について説明する。
【０１５１】
ステップｂ０で、接合ツール１０１がツール保持具４１に装着されるとともに被接合物２１が予め定める保持位置に保持されると、ステップｂ１に進み、制御手段１２４が動作を開始する。
【０１５２】
ステップｂ１では、制御手段１２４は、ロボットアーム２９を動作させて、摩擦撹拌接合装置１００を変位駆動させる。図１６（１）に示すように、第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第１の接合位置Ｐ１を挿通するように、摩擦撹拌接合装置１００を移動させる。このとき、被接合物２１の一方側に接合ツール１０１、挟持体１０４および押圧端子１０５が配置され、被接合物２１の他方側に受け台１１１が配置される。さらに制御手段１２４が、ロボットアーム２９を駆動させて、第１受け台１１１ａおよび支持端子１１３を被接合物２１の他方側面１２２に当接させると、ステップｂ２に進む。
【０１５３】
ステップｂ２では、図１６（２）に示すように、制御手段１２４は、挟持手段１０３を制御して、挟持体１０４を被接合物２１に向かって第３の基準軸線Ｌ４に沿って移動させる。挟持体１０４は、被接合物２１を押圧し、第１受け台１１１ａと協働して被接合物２１を挟持する。制御手段１２４は、被接合物２１の挟持が完了すると、ステップｂ３に進む。
【０１５４】
ステップｂ３では、制御手段１２４が凹所形成手段１０２を制御して、押圧端子１０５を第２の基準軸線Ｌ３に沿って移動させる。押圧端子１０５が基準軸線Ｌ３に沿って移動し、被接合物２１を押圧することによって、第１の接合位置Ｐ１に位置決め凹所１１９を形成する。
【０１５５】
また押圧端子１０５と支持端子１１３とによって、被接合物２１を挟持した状態で、制御手段１２４が、電圧印加手段１２３を制御し、押圧端子１０５と支持端子１１３との間に電圧を印加する。これによって被接合物２１に電流が流れ、押圧端子１０５と支持端子１１３との間の領域が発熱する。図１６（３）に示すように、被接合物２１は、発熱することによって部分的に溶融し、各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止めされる。すなわち第１の接合位置Ｐ１における各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止めされる。
【０１５６】
被接合物２１に位置決め凹所１１９を形成するとともに、各被接合部材２１ａ，２１ｂが仮止めすると、制御手段１２４は、ステップｂ４に進む。
【０１５７】
ステップｂ４では、制御手段１２４は、被接合物２１との挟持状態を解除する。具体的には、挟持手段１０３を制御して挟持体１０４を被接合物２１から離反させる。また凹所形成手段１０２を制御して押圧端子１０５を被接合物２１から離反させる。制御手段１２４は、挟持体１０４、押圧端子１０５、第１受け台１１１ａ，支持端子１１３を被接合物２１から離反させて挟持状態を解除するとステップｂ５に進む。
【０１５８】
ステップｂ５では、制御手段１２４は、ロボットアーム２９を動作させて、摩擦撹拌接合装置１００を変位駆動させる。図１６（４）に示すように、第１の基準軸線Ｌ２に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第１の接合位置Ｐ１を挿通するように、摩擦撹拌接合装置１００を移動させる。本実施の形態では、さらに第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第２の接合位置Ｐ２を挿通する。
【０１５９】
このとき、被接合物２１の一方側に接合ツール１０１、挟持体１０４および押圧端子１０５が配置され、被接合物２１の他方側に受け台１１１が配置される。さらに制御手段１２４が、ロボットアーム２９を駆動させて、第１受け台１１１ａおよび支持端子１１３を被接合物２１の他方側面１２２に当接させると、ステップｂ６に進む。
【０１６０】
ステップｂ６では、図１６（４）に示すように、制御手段１２４は、挟持手段１０３を制御して、挟持体１０４を被接合物２１に向かって第３の基準軸線Ｌ４に沿って移動させる。挟持体１０４は、被接合物２１を押圧し、第１受け台１１１ａと協働して被接合物２１を挟持する。制御手段１２４は、被接合物２１の挟持が完了すると、ステップｂ７に進む。
【０１６１】
ステップｂ７では、設定される接合位置のうち、第１の基準軸線に沿って配置される接合位置が、最後の接合位置であるか否かを判断する。最後の接合位置でないと判断し、接合を継続することを判断すると、ステップｂ８に進む。
【０１６２】
ステップｂ８では、ステップｂ３と同様に制御手段１２４が動作し、被接合物２１の第２の接合位置Ｐ２に位置決め凹所１１９を形成するとともに、第２の接合位置Ｐ２の各被接合部材２１ａ，２１ｂを仮止めする。
【０１６３】
さらに制御手段１２４は、接合ツール１０１を回転および変位駆動させて摩擦撹拌接合を行う。回転させた接合ツール１０１を、第１の基準軸線Ｌ２に沿って被接合物２１に向かって移動させる。第１の基準軸線Ｌ２に沿う被接合物２１の部分には、第１の接合位置が設けられ、さらに第１の接合位置Ｐ１は、位置決め凹所１１９が形成されている。これによって接合ツール１０１は、その先端部が位置決め凹所１１９に嵌り込み、第１の接合位置Ｐ１からずれることなく、被接合物２１に没入する。図１６（５）に示すように、接合ツール１０１は、被接合物２１を固相撹拌して重なり合う２つの被接合部材２１ａ，２１ｂを混ぜ合わせる。制御手段１２４は、撹拌が完了すると被接合物２１から接合ツール１０１を離脱させる。このように摩擦撹拌接合が完了したと判断すると、ステップｂ９に進む。
【０１６４】
ステップｂ９では、制御手段１２４は、被接合物２１との挟持状態を解除する。具体的には、挟持手段１０３を制御して挟持体１０４を被接合物２１から離反させる。また図１７（１）に示すように、凹所形成手段１０２を制御して押圧端子１０５を被接合物２１から離反させる。さらに受け台１１１ａおよび支持端子１１３を被接合物２１から離反させて挟持状態を解除するとステップｂ５に戻る。
【０１６５】
ステップｂ５に進むにあたって、第１および第２の基準軸線Ｌ２、Ｌ３に沿って延びる仮想線が挿通する位置を一つずらす。たとえば図１７（２）に示すように、第１の基準軸線Ｌ２に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第２の接合位置Ｐ２を挿通し、第２の基準軸線Ｌ３に沿って延びる仮想線が、被接合物２１の接合すべき第３の接合位置Ｐ３を挿通する位置に摩擦撹拌接合装置を移動させ、再びステップｂ６に進む。
【０１６６】
このように接合位置を順次ずらし、最後の１つの接合位置に達するまで、ステップｂ５〜ステップｂ９を繰り返す。たとえば図１７（３）に示すように、制御手段が挟持体１０４によって被接合物２１を挟持する。挟持が完了すると、図１７（４）に示すように、接合すべき第３の接合位置Ｐ３に位置決め凹所１１９を形成するとともに、第３の接合位置Ｐ３を仮止めする。また第２の接合位置Ｐ２を摩擦撹拌接合する。これによって図１７（５）に示すように、第２の接合位置Ｐ２が接合され、第３の接合位置について接合凹所１１９および仮止めされる。
【０１６７】
ステップｂ７で最後の接合位置であると判断されると、ステップｂ１０に進む。ステップｂ１０では、位置決め凹所１１９の形成および仮止めすることなく、最後の接合位置に摩擦撹拌接合を行ない、ステップｂ１１に進む。ステップｂ１１では、ステップｂ４と同様に、挟持状態を解除し、ステップｂ１２に進む。ステップｂ１２では、ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置を初期位置に移動させ、ステップｂ１３に進み、制御手段１２４の動作を終了する。
【０１６８】
以上のように、上述する摩擦撹拌接合装置１００によれば、凹所形成手段１０２によって被接合物２１に位置決め凹所１１９を形成し、接合ツール２０の先端を位置決め凹所１１９に嵌め込み、接合ツール１０１を被接合物２０に没入する。これによって接合ツール１０１の先端が位置決め凹所１１９から抜け出ることを防止して、接合ツール１０１を被接合物２０に没入させることができる。
【０１６９】
たとえば被接合物２１の接触面３９が回転軸線Ｌ１に対して垂直でない場合、また接触面３９に微小な凹凸が形成される場合であっても、位置決め凹所１１９が形成されることによって、接合ツール１０１を確実に没入すべき没入位置に没入させることができる。
【０１７０】
位置決め凹所１１９は、被接合物１０１が没入されるときの基準軸線Ｌ１と一致する中心軸線を有して形成されるので、接合ツール１０１が没入すべき没入位置からずれることを防止し、没入すべき没入位置に接合ツール１０１を正確に没入させることができる。没入位置に正確に接合ツール１０１を没入することによって、接合跡の位置ずれをなくして接合後の被接合物２０の美観を向上するとともに、接合すべき位置に確実に接合ツールが没入することで接合強度を向上することができる。
【０１７１】
さらに押圧形成手段１０７は、押圧端子１０５と支持端子１１３が電極端子によって実現されて、端子間に電圧を印加して被接合物を仮止めする。これによって接合ツール１０１の位置ずれを防止するとともに、各被接合部材２１ａ，２１ｂがずれること、被接合部材間に隙間が形成されることをなくすことができる。端子間に印加する電圧は、被接合部材を仮止めする程度の電圧でよい。被接合物を十分に溶融するほどの電圧を印加する必要がない。これによって電圧印加による被接合物の温度上昇は低く、熱膨張によって被接合物２１が大きく変形することがない。
【０１７２】
さらに本実施の形態では、第１の基準軸線Ｌ２と第２の基準軸線Ｌ２とに互いに直交する方向の間隔Ｄ１０が、接合位置の間隔Ｄ１１に設定されるので、接合すべき位置の接合と、次に接合すべき位置における位置決め凹所形成と仮止めとを、摩擦撹拌接合装置を移動させずに行うことができる。これによって接合時間を短縮することができる。たとえば第１の基準軸線Ｌ２と第２の基準軸線Ｌ３との間隔を、接合すべき複数の接合箇所の間隔Ｄ１１に応じて、変更可能にする間隔変更手段を基台４６に設けてもよい。これによって接合すべき複数の接合箇所の間隔が異なる場合であっても、連続して接合することができる。
【０１７３】
また上述する構成は、本発明の実施の形態の一例示であって、発明の範囲内において、構成を変更することができる。摩擦撹拌接合は、重ね合わされた被接合部材２１ａ，２１ｂをスポット接合するとしたが、被接合物２は、被接合部材２１ａ，２１ｂが突き合わされた状態で、連続接合されてもよい。また被接合部材２１ａ，２１ｂの材質についても、アルミ合金以外の材料であってもよい。また本発明では、接合ツール２０，７０は、ツール保持具４１に着脱可能に装着されるとしたが、摩擦撹拌接合装置にツール保持具４１がない場合であってもよい。すなわち接合ツール２０、７０は、ツール回転駆動手段に一体的に固定されてもよい。
【０１７４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、被接合物に没入するときに、撹拌部の頂点が最初に被接合物に接触する。これによって軸線に垂直な方向に働く力が、接合ツールに与えられることをなくすことができる。これによって接合ツールを没入位置に正確に没入させることができる。没入位置に正確に接合ツールを没入することによって、接合跡の位置ずれをなくして被接合物の美観を向上するとともに、接合すべき位置に確実に接合ツールが没入することで接合強度を向上することができる。
【０１７５】
請求項２記載の本発明によれば、撹拌部に穿孔刃が設けられるので、短時間で撹拌部を被接合物に没入させることができる。これによって撹拌部の磨耗量を減らすことができるとともに、突起没入時の被接合物の変形を低減することができる。また穿孔刃が形成されることによって被接合物の撹拌効果を高めることができる。
【０１７６】
また請求項３記載の本発明によれば、突起が残余の部分に比べて出没自在に設けられるので、突起による接合跡をなくすことができる。突起による接合跡をなくすことによって、接合強度を向上するとともに、美観を向上することができ接合品質をさらに向上することができる。さらに撹拌部が被接合物を貫通することを防止することができるので、接合ツールと反対側の被接合物の表面の美観を向上することができる。また貫通孔が形成されることに起因する強度不足を防止することができる。
【０１７７】
また請求項４記載の本発明によれば、接合ツールが没入するときに突起を残余の部分から突出させることによって、先鋭形状に形成される突起の頂点が最初に被接合物に接触する。頂点は回転軸線上に設けられるので接合ツールは、軸線に垂直な方向に働く力を低減することができる。したがってツール保持具を支持する部分の剛性が低い場合であっても、接合ツールが軸線に垂直な方向にずれることを防止することができる。また没入位置に正確に没入することができるので、接合後の接合物の美観を向上するとともに接合強度を向上することができる。
【０１７８】
さらに突起駆動手段によって、撹拌部の没入が完了するまでに、撹拌部の残余の部分に突起を没入することによって、突起による接合跡をなくすことができる。突起による接合跡をなくすことによって、接合強度を向上するとともに、美観を向上することができ、接合品質を向上することができる。
【０１７９】
また請求項５記載の本発明によれば、被接合物に没入するときに、位置決め凹所に接合ツールを嵌め込むことによって、接合ツールが没入すべき没入位置からずれることを防止し、没入すべき没入位置に接合ツールを正確に没入させることができる。没入位置に正確に接合ツールを没入することによって、接合跡の位置ずれをなくして被接合物の美観を向上するとともに、接合すべき位置に確実に接合ツールが没入することで接合強度を向上することができる。
【０１８０】
また請求項６記載の本発明によれば、電極端子によって圧痕を形成して位置決め凹所を形成するとともに、電極端子間に電圧を印加して被接合部材を仮止めすることによって、被接合部材がずれること、被接合部材間に隙間が形成されることを防止して、被接合物を接合することができる。これによって接合ツールによる被接合部材の接合を確実に行うことができ、接合不良を防止することができる。
【０１８１】
請求項７記載の本発明によれば、突起を撹拌部の残余の部分から突出させた状態で、接合ツールの没入を開始する。これによって接合ツールは、先鋭形状に形成される突起の頂点が最初に被接合物に接触する。頂点は接合ツールの軸線上に設けられるので接合ツールは、被接合物から摩擦力に抗する反力を受けることがない。これによって接合ツールが軸線に垂直な方向にずれることを防止することができる。
【０１８２】
また撹拌部の没入が完了するまでに、撹拌部の残余の部分に突起を没入することによって、突起が残余の部分から突出していた領域に流動化した被接合物が流れ込む。これによって突起による接合跡をなくすことができる。また突起が残余の部分から突出した状態で撹拌部が没入しつづけると撹拌部が被接合物を貫通するおそれがあるが、上述するように突起駆動手段によって突起を撹拌部の残余の部分に没入することによって、撹拌部が被接合物を貫通することを防止することができる。
【０１８３】
請求項８記載の本発明よれば、接合ツールを没入するべき位置に位置決め凹所を形成し、位置決め凹所に接合ツールの先端部を接合した状態で、摩擦撹拌接合することによって、接合ツールが位置決め凹所から抜け出すことなく、確実に没入すべき没入位置に接合ツールを没入させることができる。これによって接合ツールの位置ずれによる接合不良を防止することができる。
【０１８４】
さらに位置決め凹所が形成される付近の各被接合部材を仮止めすることによって、被接合部材がずれることおよび被接合部材間に隙間が形成することをなくし、より確実に接合不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である接合ツール２０と被接合物２１とが接触した状態を拡大して示す断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合装置４０を示す斜視図である。
【図３】接合ツール２０の接合状態を説明する断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置６０を示すブロック図である。
【図５】接合ツール７０を拡大して示す断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩの切断面線から見た断面図である。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩの切断面線から見た断面図である。
【図８】接合ツール７０を拡大して示す断面図である。
【図９】摩擦撹拌接合装置６０の動作を示すタイミングチャートである。
【図１０】摩擦撹拌接合装置６０の動作を示す断面図である。
【図１１】摩擦撹拌接合装置６０の制御手段６３の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置１００を示す斜視図である。
【図１３】摩擦撹拌接合装置１００の電気的構成を示すブロック図である。
【図１４】摩擦撹拌接合装置１００の動作の要部を説明するための断面図である。
【図１５】摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の制御手段１２４の動作を示すフローチャートである。
【図１６】摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の動作を説明するための断面図である。
【図１７】摩擦撹拌接合装置１００が複数箇所を連続して接合する場合の動作を説明するための断面図である。
【図１８】従来の技術の接合ツール２と被接合物１とが接触した状態を拡大して示す断面図である。
【図１９】図１８のＳ１９−Ｓ１９切断面線から見た図である。
【符号の説明】
２０，７０，１０１　接合ツール
２１　被接合物
２１ａ，２１ｂ　被接合部材
２２，７２　本体部
２３，７３　撹拌部
２４，７４　ピン部中央部
２５，７４　突起
２６，７６　頂点
２７，７７　ショルダ面
２８，７８　ピン部
３０　受け台
４０，６０，１００　摩擦撹拌接合装置
４１　ツール保持具
４２　ツール回転駆動手段
４３　ツール変位駆動手段
４４　受け台形成部
４５　受け台駆動手段
６１　ツール状態検出手段
６２　突起駆動手段
１０２　凹所形成手段
１０３　挟持手段
１２３　電圧印加手段
１０５　押圧端子
１１３　支持端子

Claims

複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に対して、その軸線まわりに回転しながら被接合物に撹拌部を没入し、被接合物を固相撹拌する接合ツールであって、
撹拌部は、前記軸線に沿って突出し、前記軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成されることを特徴とする接合ツール。
撹拌部には、被接合物を穿孔するための穿孔刃が設けられることを特徴とする請求項１記載の接合ツール。
撹拌部は、中央部に突起を有し、この突起が前記軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成され、
突起は、撹拌部の残余の部分に比べて出没自在に設けられることを特徴とする請求項１または２記載の接合ツール。
複数の被接合部材を含んで設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら、その接合ツールの撹拌部を被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
撹拌部に、前記軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成され、撹拌部の残余の部分に対して前記軸線方向へ突出および没入自在である突起を備える接合ツールと、
前記接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
前記接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、前記接合ツールの突起を、撹拌部の残余の部分に対して、前記軸線方向へ突出および没入変位駆動する突起駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
複数の被接合部材が当接されて設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールを前記軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
前記接合ツールを前記軸線方向に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、前記接合ツールが被接合物に没入されるときの接合ツールの軸線と一致する中心軸線を有し、接合ツールの先端形状に対応する形状の位置決め凹所を形成する凹所形成手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
前記凹所形成手段は、被接合物を挟んで配置される一対の電極端子の端子間に電圧を印加する電源部と、
前記一対の電極端子を近接および離反変位駆動し、各電極端子によって被接合物を挟んで、位置決め凹所となる圧痕を形成する圧痕形成部とを有することを特徴とする請求項５記載の摩擦撹拌接合装置。
複数の被接合部材が当接されて設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら、その接合ツールの撹拌部を被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
撹拌部に、軸線上に頂点を有する尖鋭形状に形成され、撹拌部の残余の部分に対して前記軸線方向へ突出および没入自在である突起を備える接合ツールを用い、その接合ツールの突起を撹拌部の残余の部分から突出させた状態で、接合ツールを被接合物に接触させ、
接触後に接合ツールの突起を撹拌部の残余の部分に没入させて、接合ツールを回転させながら被接合物を軟化させて流動させる撹拌させる撹拌工程を含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
複数の被接合部材が当接されて設けられる被接合物に対して、接合ツールをその軸線まわりに回転させながら被接合物に没入させて、被接合物を固相撹拌する摩擦撹拌接合方法であって、
一対の電極端子によって被接合物を両側から挟んで、被接合物に圧痕による位置決め凹所を形成する圧痕形成工程と、
被接合物を挟んだ状態で、一対の電極端子間に電圧を印加して、各被接合部材を部分的に溶融させて仮止めする仮止工程と、
各被接合部材が仮止された被接合物の位置決め凹所に接合ツールの先端部を嵌り込ませるように、接合ツールを回転させながら被接合物に没入し、被接合物を軟化させて流動させる撹拌工程とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。