JP2005199337A - 摩擦撹拌接合装置、摩擦撹拌接合法及び接合継手 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合工程の途中において、接合工具が摩擦熱により膨張して伸びた場合であっても、接合工具の肩部の、ワークの接合予定部位中への押し込み量を、接合方向において略一定にすることができる摩擦撹拌接合装置を提供すること。
【解決手段】 摩擦撹拌接合装置１は、接合工具10の肩部12又はその上方近傍部位15の高さ位置を検出する検出手段20と、接合工具10を昇降移動させる昇降手段40と、検出手段20により検出された高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように昇降手段40を制御する制御手段30と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、摩擦撹拌接合装置、摩擦撹拌接合法及び接合継手に関し、詳述すると、特に板状乃至帯状の２個の長尺ワークの側縁部同士を連続的に接合するための摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合法、並びに前記接合法により接合された接合継手に関する。

摩擦撹拌接合は、固相接合の範疇に入り、接合に伴う熱歪み等の変形が少ない等の利点を有しており、近年、金属製ワークの接合手段として汎用されている（例えば、特許文献１参照。）。

この摩擦撹拌接合の接合方法を図８を参照して以下に説明する。同図において、（101）は従来の摩擦撹拌接合装置である。この接合装置（101）は、下端に肩部（112）と該肩部（112）の下面中央部に突設された径小のプローブ（113）とを有する接合工具（110）を備えている。（150）はワークである。このワーク（150）は接合ベッド（103）上に固定状態に載置されている。接合工具（110）を用い、その肩部（112）及びプローブ（113）を回転させた状態で、昇降手段（140）を降作動させることにより接合工具（110）のプローブ（113）をワーク（150）の接合予定部位（151）中に埋入するとともに、肩部（112）を接合予定部位（151）の表面に押し付ける。この押し付け操作により、肩部（112）が接合予定部位（151）中に少し押し込まれる。この肩部（112）の押し込み量は、通常、例えば約０．３ｍｍである。この状態を維持しつつ、ワーク（150）の位置を固定した状態で、プローブ（113）がワーク（150）の接合予定部位（151）を順次通過するようにプローブ（113）を移動させる。この操作により、接合予定部位（151）がプローブ通過部分において接合される。同図において、（161）は、プローブ（113）の移動方向即ち接合方向であり、また（154）は接合部である。

この摩擦撹拌接合では、接合工具（110）の肩部（112）の接合予定部位（154）中への押し込み量を接合方向（161）において一定にすることが望ましく、こうすることにより、接合部（154）の表面に肌荒れが生じたり接合部（154）の肉厚が局部的に減少したりする不具合を防止し得て、高品質の接合継手を得ることができる。

従来、接合工具（110）の肩部（112）の接合予定部位（151）中への押し込み量を一定にするために、次のような接合装置（101）が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。すなわち、同図に示すように、接合装置（101）は、ワーク（150）の表面までの距離（Ｋ）を検出する検出器（120）を備えている。この検出器（120）は昇降手段（140）に取り付けられている。そして、この接合装置（101）では、接合工程において、検出器（120）によって該検出器（120）からワーク（150）の表面までの距離（Ｋ）を検出するとともに、この距離（Ｋ）が一定になるように接合工具（110）を昇降手段（140）により昇降移動させながら、プローブ（113）を接合方向（161）に移動させることにより、接合工具（110）の肩部（112）の押し込み量を接合方向（161）において一定にし得るものとなされている。
特開２０００−１３５５７７号公報（請求項１、第１図） 特開平１１−２２６７５８号公報（第３−６頁、第１、４及び５図）

しかしながら、上記の従来の接合装置（101）を用いて本発明者らが試験・研究のために接合を行ったところ、検出器（120）からワーク（150）の表面までの距離（Ｋ）が一定になるように接合工具（110）を昇降移動させても、接合工程の途中で接合工具（110）の肩部（112）の押し込み量が増加してしまい、接合工程の接合開始時から接合終了時までの間に亘って押し込み量を一定にすることができなかった。例えば、接合工具（110）の円柱状の本体（111）の長さが９０ｍｍの場合、接合開始時には押し込み量は約０．３ｍｍであったが、接合工程の途中（即ちプローブ（113）の移動操作の途中）で押し込み量が約０．７ｍｍに増加した。

その原因について本発明者らは鋭意調査した結果、次のことが判明した。すなわち、接合工程の途中で接合工具（110）が接合時に発生する摩擦熱によって膨張して伸びてしまうことが原因で、接合工具（110）の肩部（112）の押し込み量を一定にすることができなかったのである。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、接合工程の途中において接合工具が摩擦熱により膨張して伸びた場合であっても、接合工具の肩部の接合予定部位中への押し込み量を接合方向において略一定にすることができる摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合法、並びに前記接合法により接合された接合継手を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］下端にワークの接合予定部位の表面に当接される肩部と、該肩部の下面中央部に突設され、ワークの接合予定部位中に埋入される径小のプローブとを有する接合工具を備えた摩擦撹拌接合装置において、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を検出する検出手段と、前記接合工具を昇降移動させる昇降手段と、前記検出手段により検出された高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように前記昇降手段を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。

［２］前記基準高さ位置は、前記接合工具のプローブの、ワークの接合予定部位中への埋入を終了し、ワーク又はプローブを移動させる直前の、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置である前項１記載の摩擦撹拌接合装置。

［３］前記検出手段は、非接触式の検出手段である前項１又は２記載の摩擦撹拌接合装置。

［４］前記非接触式検出手段は、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位を撮像するＣＣＤカメラを有するとともに、該ＣＣＤカメラにより撮像された撮像データから高さ位置を検出するものとなされている前項３記載の摩擦撹拌接合装置。

［５］前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に、高さ位置の検出点を示すマークが設けられている前項３又は４記載の摩擦撹拌接合装置。

［６］前記検出手段は、接触式の検出手段であって、該接触式検出手段の測定子を、前記接合工具の肩部に当接させて、あるいは前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に設けられた環状突部の上面又は下面に当接させて高さ位置を検出するものとなされている前項１又は２記載の摩擦撹拌接合装置。

［７］下端に肩部と、該肩部の下面中央部に突設された径小のプローブとを有する接合工具を用い、前記接合工具のプローブをワークの接合予定部位中に埋入し且つ肩部を接合予定部位の表面に当接させるプローブ埋入工程と、接合予定部位中に埋入されたプローブが接合予定部位を順次通過するようにワークをプローブに対して相対的に移動させることにより、接合予定部位を接合する接合工程とを備えた摩擦撹拌接合法において、前記接合工程において、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を検出手段により検出するとともに、前記検出手段により検出された高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように前記接合工具を昇降移動させることを特徴とする摩擦撹拌接合法。

［８］前記基準高さ位置は、前記プローブ埋入工程を終了し、前記接合工程においてワーク又はプローブを移動させる直前の、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置である前項７記載の摩擦撹拌接合法。

［９］前記検出手段は、非接触式の検出手段である前項７又は８記載の摩擦撹拌接合法。

［１０］前記非接触式検出手段は、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位を撮像するＣＣＤカメラを有し、前記ＣＣＤカメラにより撮像された撮像データから高さ位置を検出する前項９記載の摩擦撹拌接合法。

［１１］前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に、高さ位置の検出点を示すマークが設けられている前項９又は１０記載の摩擦撹拌接合法。

［１２］前記検出手段は、接触式の検出手段であり、該接触式検出手段の測定子を、前記接合工具の肩部に当接させて、あるいは前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に設けられた環状突部の上面又は下面に当接させて高さ位置を検出する前項７又は８記載の摩擦撹拌接合法。

［１３］ 前項７〜１２のいずれか１項記載の摩擦撹拌接合法により接合されていることを特徴とする接合継手。

上記各項の発明を以下に説明する。

［１］の発明では、接合工程の途中で接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置が検出手段により検出される。そして、この高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように昇降手段が制御手段により制御される。これにより、接合工具の肩部の押し込み量が接合方向において（即ち接合工程の接合開始時から接合終了時までの間に亘って）略一定になる。そのため、接合部の表面に肌荒れが生じたり接合部の肉厚が局部的に減少したりする不具合が防止されて、高品質の接合継手を得ることができる。

［１］の発明において、検出手段は、その種類に限定されるものではなく、例えば、非接触式の検出手段であっても良いし、接触式の検出手段であっても良い。非接触式検出手段としては、後述するようにＣＣＤカメラを用いて高さ位置を検出できるように構成されたものや、レーザ変位計を用いて高さ位置を検出できるように構成されたものが例示される。また、接触式の検出手段としては、測定子を有する検出器を用いて高さ位置を検出できるように構成されたものが例示される。

なお本発明において、検出手段により検出される接合工具の高さ位置の検出部位は、接合工具の肩部であっても良いし、接合工具の肩部の上方近傍部位であっても良い。ここで、高さ位置の検出部位が接合工具の肩部である場合には、接合工具が摩擦熱により膨張して伸びたとしても、接合工具の高さ位置検出部位（即ち接合工具の肩部）の基準高さ位置に対するずれ量が小さくなるように昇降手段を制御することにより、接合工具の肩部の押し込み量を確実に一定にすることができる。そのため、接合工具の膨張による影響を確実に回避することができる。しかしながら、この場合、接合時において接合工具の肩部はワークの接合予定部位の表面に当接しているため、高さ位置の検出は困難になる。一方、高さ位置の検出部位が接合工具の肩部の上方近傍部位である場合には、高さ位置の検出を容易に行うことができる。しかしながら、この場合、接合工具が摩擦熱により膨張して伸びると、接合工具の高さ位置検出部位（即ち接合工具の肩部の上方近傍部位）の基準高さ位置に対するずれ量が小さくなるように昇降手段を制御しても、接合工具の肩部から高さ位置検出部位までの長さが伸びるので高さ位置が少なからず変化してしまう。この高さ位置の変化量は、接合工具の肩部から高さ位置検出部位までの長さが長くなるほど増加する。したがって、肩部から高さ位置検出部位までの長さは短い方が望ましく、具体的に示すと、この長さは５ｍｍ以下であることが望ましく、特に３ｍｍ以下、更には１ｍｍ以下であることが望ましい。また、この長さの下限値は０ｍｍである。しかし、この長さが０ｍｍである場合には、上述したように高さ位置の検出が困難になるので、この長さは０ｍｍを超えることが望ましい。

［２］の発明では、基準高さ位置は、接合工具のプローブの、ワークの接合予定部位中への埋入を終了し、ワーク又はプローブを移動させる直前の、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置であるから、接合工具の肩部の押し込み量を接合方向において確実に略一定にすることができる。

［３］の発明では、検出手段は、非接触式の検出手段であるから、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［４］の発明では、非接触式検出手段は、所定のＣＣＤカメラを有するとともに、ＣＣＤカメラにより撮像された撮像データから高さ位置を検出するものとなされているから、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を更に確実に検出することができる。

［５］の発明では、接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に、高さ位置の検出点を示すマークが設けられているから、接合工具の肩部の上方近傍部位の高さ位置を確実且つ正確に検出することができる。

［６］の発明では、検出手段は、接触式の検出手段であって、該接触式検出手段の測定子を接合工具の所定の部位に当接させて高さ位置を検出するものとなされているから、接合工具の肩部又はその近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［７］の発明では、上記［１］の発明と同様の作用を奏する。したがって、接合部の表面に肌荒れが生じたり接合部の肉厚が局部的に減少したりする不具合が防止されて、高品質の接合継手を得ることができる。

［８］の発明では、［２］の発明と同様に、接合工具の肩部の押し込み量を接合方向において確実に略一定にすることができる。

［９］の発明では、［３］の発明と同様に、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［１０］の発明では、［４］の発明と同様に、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を更に確実に検出することができる。

［１１］の発明では、［５］の発明と同様に、接合工具の肩部の上方近傍部位の高さ位置を確実且つ正確に検出することができる。

［１２］の発明では、［６］の発明と同様に、接合工具の肩部又はその近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［１３］の発明では、接合部の表面に肌荒れが生じたり接合部の肉厚が局部的に減少したりする不具合が防止された接合継手、即ち高品質の接合継手を提供することができる。

各項の発明は次の効果を奏する。

［１］の発明によれば、摩擦撹拌接合装置は、所定の検出手段と所定の昇降手段と所定の制御手段とを備えていることから、接合工程の途中で接合工具が摩擦熱によって膨張して伸びた場合であっても、接合工具の肩部の、ワークの接合予定部中への押し込み量を接合方向において略一定にすることができる。そのため、接合部の表面に肌荒れが生じたり接合部の肉厚が局部的に減少したりする不具合を防止できて、高品質の接合継手を得ることができる。

［２］の発明によれば、接合工具の肩部の押し込み量を接合方向において確実に略一定にすることができる。

［３］の発明によれば、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［４］の発明によれば、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を更に確実に検出することができる。

［５］の発明によれば、接合工具の肩部の上方近傍部位の高さ位置を確実且つ正確に検出することができる。

［６］の発明によれば、接合工具の肩部又はその近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［７］の発明によれば、摩擦撹拌接合法は、接合工程において、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を検出手段により検出するとともに、検出手段により検出された高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように接合工具を昇降移動させることから、接合工程の途中で接合工具が摩擦熱によって膨張して伸びた場合であっても、接合工具の肩部の、ワークの接合予定部中への押し込み量を接合方向において略一定にすることができる。そのため、接合部の表面に肌荒れが生じたり接合部の肉厚が局部的に減少したりする不具合を防止できて、高品質の接合継手を得ることができる。

［８］の発明によれば、接合工具の肩部の押し込み量を接合方向において確実に略一定にすることができる。

［９］の発明によれば、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［１０］の発明によれば、接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を更に確実に検出することができる。

［１１］の発明によれば、接合工具の肩部の上方近傍部位の高さ位置を確実且つ正確に検出することができる。

［１２］の発明によれば、接合工具の肩部又はその近傍部位の高さ位置を確実に検出することができる。

［１３］の発明によれば、高品質の接合継手を提供することができる。

次に、本発明の好ましい幾つかの実施形態を以下に説明する。

図１〜図６は、本発明の一実施形態（第１実施形態）に係る摩擦撹拌接合装置を説明するための図である。図１において、（１）は本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置である。この接合装置（１）は、例えば、自動車、鉄道車両、船舶等における床材、壁材、天井材、梁材等を製作するために用いられるものである。

摩擦撹拌接合装置（１）は、接合工具（10）と昇降手段（40）と非接触式検出手段（20）と制御手段（30）とを備えている。

図１において、（50）はワークである。このワーク（50）は長尺な板状のものであり、詳述すると、図２及び図３に示すように互いに突合せ状に配置された２個の長尺な板状の接合部材（52）（52）からなる。各接合部材（52）は、金属製であり、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製である。また、一方の接合部材（52）の側縁部と他方の接合部材（52）の側縁部とは互いに突き合わされている。そして、この突合せ部（53）が本実施形態の摩擦撹拌接合装置（１）によって接合されて両接合部材（52）（52）が一体化され、これにより、突合せ接合継手が得られる。したがって、本実施形態では、両接合部材（52）（52）の突合せ部（53）がワーク（50）の接合予定部位（51）に対応している。また、（54）は、ワーク（50）の接合予定部（51）を接合した接合部である。

ワーク（50）の下方には、図１に示すように、摩擦撹拌接合装置（１）に備えられた複数個の支持ローラ（３）が配置されており、これらの支持ローラ（３）によってワーク（50）が略水平状に支持されている。なお同図には、説明の便宜上、これらの支持ローラ（３）のうち１個だけが図示されている。この支持ローラ（３）は、ワーク（50）を水平方向に移動させるための送りローラとしても機能しており、更には裏当てローラとしても機能している。図１において、矢印（61）はワーク（50）の移動方向を示しており、また矢印（60）は接合方向を示している。接合方向（60）は、ワーク（50）の移動方向（61）とは反対方向になっている。

ワーク（50）の接合予定部位（51）における肉厚は、ワーク（50）の長さ方向（即ち接合方向（60））において一定になっている。

摩擦撹拌接合装置（１）において、接合工具（10）は、ワーク（50）の上方に配置されており、該接合工具（10）の下端に肩部（12）と、該肩部（12）の下面中央部に一体に突設されたプローブ（13）とを有している。

この接合工具（10）の構成を詳述すると、接合工具（10）の肩部（12）は、該接合工具（10）の円柱状の本体（11）の一端部（下端部）からなる。また、プローブ（13）は肩部（12）の直径よりも径小に形成されている。この接合工具（10）において、接合時にはプローブ（13）はワーク（50）の接合予定部位（51）中に埋入され、また肩部（12）は接合予定部位（51）の表面（本実施形態では上面）に押し付けられて接合予定部位（51）中に僅かに押し込まれる（図４参照。）。この接合工具（10）の肩部（12）（本体（11））及びプローブ（13）は、ともにワーク（50）よりも硬質で且つ接合時に発生する摩擦熱に耐え得る耐熱金属等の耐熱材料から形成されている。また、プローブ（13）の外周面には、摩擦熱にて軟化したワーク（50）の材料を撹拌するための撹拌用凸部（図示せず）が設けられている。

この接合工具（10）は回転駆動モータ（図示せず）に接続されており、この回転駆動モータが作動することにより、接合工具（10）の肩部（12）及びプローブ（13）が一体に回転されるものとなされている。

昇降手段（40）は、接合工具（10）を昇降移動させるためのものであり、床面（65）上に固定状態に立設された門型フレーム（２）に設けられている。そして、この昇降手段（40）に設けられたチャック部（41）に、接合工具（10）が接合方向（60）後方側に僅かに傾斜した状態で把持されて取り付けられており、この昇降手段（40）が作動することにより、接合工具（10）が昇降移動されるものとなされている。

なお本発明では、昇降手段（40）の構成は限定されるものではない。例えば、この昇降手段（40）は、図示していないが電気モータ（サーボモータ）により駆動されるボールねじ機構から構成されている。また、この昇降手段（40）は、油圧式やガス圧式等の流体圧式シリンダで作動されるものであっても良いし、その他の手段で作動されるものであっても良い。

検出手段（20）は、接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）の高さ位置を検出するためのものである。一方、図４に示すように、接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）の外周面には、高さ位置の検出点を示す線状のマーク（16）が全周に亘って刻設され又は印刷されている。

なお本発明において、検出手段（20）により検出される接合工具（10）の高さ位置の検出部位は、接合工具（10）の肩部（12）であっても良いし、接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）であっても良い。ここで、高さ位置の検出部位が接合工具（10）の肩部（12）である場合には、接合工具（10）が摩擦熱により膨張して伸びたとしても、接合工具（10）の高さ位置検出部位（即ち接合工具の肩部（12））の基準高さ位置に対するずれ量が小さくなるように昇降手段（40）を制御することにより、接合工具（10）の肩部（12）の押し込み量を確実に一定にすることができる。そのため、接合工具（10）の膨張による影響を確実に回避することができる。しかしながら、この場合、接合時において接合工具（10）の肩部（12）はワーク（50）の接合予定部位（51）の表面に当接しているため、高さ位置の検出は困難になる。一方、高さ位置の検出部位が接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）である場合には、高さ位置の検出を容易に行うことができる。しかしながら、この場合、接合工具が摩擦熱により膨張して伸びると、接合工具（10）の高さ位置検出部位（即ち接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15））の基準高さ位置に対するずれ量が小さくなるように昇降手段（40）を制御しても、接合工具（10）の肩部（12）から高さ位置検出部位（15）までの長さ（Ｌ）が伸びるので高さ位置が少なからず変化してしまう。この高さ位置の変化量は、接合工具（10）の肩部（12）から高さ位置検出部位（15）までの長さ（Ｌ）が長くなるほど増加する。したがって、肩部（12）から高さ位置検出部位（15）までの長さ（Ｌ）は短い方が望ましく、具体的に示すと、この長さ（Ｌ）は５ｍｍ以下であることが望ましく、特に３ｍｍ以下、更には１ｍｍ以下であることが望ましい。また、この長さ（Ｌ）の下限値は０ｍｍである。しかし、この長さ（Ｌ）が０ｍｍである場合には、上述したように高さ位置の検出が困難になるので、この長さ（Ｌ）は０ｍｍを超えることが望ましい。

検出手段（20）は、図１に示すように、接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）を撮像するＣＣＤカメラ（21）と、該ＣＣＤカメラ（21）により撮像された撮像データを解析処理（２値化）して高さ位置を検出する撮像データ処理部（22）とを有している。

ＣＣＤカメラ（21）は、接合工具（10）の接合方向（60）前方側の近傍位置において、床面（65）上に固定状態に立設された門型副フレーム（４）に固定状態に設置されている。このＣＣＤカメラ（21）は、上述したように接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）を撮像するためのものであり、詳述すると、図４に示すように、接合工具（10）の肩部（12）の外周縁における接合方向（60）の前縁部（12）を撮像するか、又は肩部（12）の上方近傍部位（15）の外周面における接合方向（60）の前面部（15a）を撮像するためのものである。なお、接合工具（10）は、上述したように接合方向（60）後方側に僅かに傾斜した状態に昇降装置（40）に取り付けられていることから、接合工具（10）の肩部（12）の外周縁における接合方向（60）の前縁部（12a）は、ワーク（50）の接合予定部位（51）の表面から僅かに浮き上がった状態になる。

制御手段（30）は、検出手段（20）により検出された高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように昇降手段（40）を制御するためのものである。

この制御手段（30）は、図６に示すように、基準高さ位置を予め設定し記憶するための基準高さ位置設定部（31）と、該基準高さ位置設定部（31）で設定された基準高さ位置と検出手段（20）により検出された高さ位置とを比較する比較部（32）と、を有している。本実施形態では、基準高さ位置として、接合開始時において接合工具（10）のプローブ（13）をワーク（50）の接合予定部位（51）中に埋入し且つ接合工具（10）の肩部（12）をワーク（50）の接合予定部位（51）の表面に押し付けたときの、接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）の高さ位置が適用されている。

而して、本実施形態の摩擦撹拌接合装置（１）を用いて接合を行う摩擦撹拌接合法は、接合工具（10）のプローブ（13）をワーク（50）の接合予定部位（51）中に埋入し且つ肩部（12）を接合予定部位（51）に当接させるプローブ埋入工程と、接合予定部位（51）中に埋入されたプローブ（13）が接合予定部位（51）を順次通過するようにワーク（50）を移動させることにより、接合予定部位（51）を接合する接合工程と、を備えている。この摩擦撹拌接合法を以下に説明する。

まず、図５−Ａに示すように、ワーク（50）を支持ローラ（３）上に載置して該ワーク（50）を支持ローラ（３）で支持する。また、接合工具（10）の肩部（12）及びプローブ（13）を回転させる。次いで、昇降手段（40）を作動させて接合工具（10）を下降させることにより、接合工具（10）のプローブ（13）をワーク（50）の接合予定部位（51）中に埋入し且つ肩部（12）を接合予定部位（51）の表面に押し付ける［プローブ埋入工程］。

このように肩部（12）を接合予定部位（51）の表面に押し付けることにより、肩部（12）の外周縁における接合方向（60）の後縁部がワーク（50）の接合予定部位（51）中に僅かに押し込まれる。図４に示すように、この肩部（12）の押し込み量（Ａ）は、通常、例えば０．２〜０．５ｍｍ（特に望ましくは０．３〜０．４ｍｍ）に設定される。また、肩部（12）の外周縁における接合方向（60）の前縁部（12a）は、上述したようにワーク（50）の接合予定部位（51）の表面から僅かに浮き上がる。

このようにプローブ（13）を接合予定部位（51）中に埋入したときの、接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）を、検出手段（20）のＣＣＤカメラ（21）により撮像する（図５−Ａ参照。）。このＣＣＤカメラ（21）により撮像された撮像データは、図６に示すように撮像データ処理部（22）に送信される。そして、この撮像データが撮像データ処理部（22）で解析処理されることにより、接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）の高さ位置が演算されて検出される。詳述すると、この撮像データ処理部（22）では、接合工具（10）の肩部（12）の外周縁における接合方向（60）の前縁部（12a）の高さ位置が検出されるか、あるいは接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）の外周面における接合方向（60）の前面部（15a）の高さ位置が検出される。そして、この高さ位置に関する信号は制御手段（30）の基準高さ位置設定部（31）に送信される。この高さ位置を基準高さ位置として基準高さ位置設定部（31）に予め設定し記憶させる。

本実施形態では、接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）の外周面には、高さ位置の検出点を示す線状マーク（16）が全周に亘って設けられていることから、この線状マーク（16）の高さ位置を検出することにより、肩部（12）の上方近傍部位（15）の高さ位置を確実且つ正確に検出することができる。

次いで、図１に示すように、検出手段（20）のＣＣＤカメラ（21）で継続して接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）を撮像しその高さ位置を検出しながら、プローブ（13）がワーク（50）の接合予定部位（51）を順次通過するようにワーク（50）を移動（その方向61）させる。この移動によってワーク（50）の接合予定部位（51）がプローブ通過部分において接合される［接合工程］。

この接合工程において、図６に示すように、検出手段（20）の撮像データ処理部（22）で検出された高さ位置に関する信号が、フィードバック信号として制御手段（30）の比較部（32）に送信される。そして、この比較部（32）において、検出手段（20）により検出された高さ位置と、基準高さ位置設定部（31）で予め設定された基準高さ位置とが比較される。その結果、検出手段（20）により検出された高さ位置が基準高さ位置に対してずれを生じていると判定された場合には、そのずれ量を小さくする（望ましくは零にする）ため制御動作信号が昇降手段（40）に送信される。この信号によって前記ずれ量が小さくなる（望ましくは零になる）ように昇降手段（40）が制御されて接合工具（10）が昇降移動される。

例えば、図５−Ｂに示すように、接合工程の途中で接合工具（10）が接合時に発生した摩擦熱で膨張して伸びた場合には、接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）は下方（矢印（64）の方向）に移動（即ち下降）してその高さ位置が変化しようとする。このように肩部（12）又はその上方近傍部位（15）が下方に移動すると、該肩部（12）の接合予定部位（51）中への押し込み量（Ａ）が増加してしまう。しかるに、本実施形態の摩擦撹拌接合装置（１）では、このように高さ位置が変化して基準高さ位置に対してずれを生じた場合には、昇降手段（10）が上方（矢印（63）の方向）に移動し、これに伴い接合工具（10）が上昇され、もって接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）の高さ位置が元の基準高さ位置に戻るようになる。このように接合工具（10）を上昇又は下降させることにより、接合工具（10）の肩部（12）の押し込み量（Ａ）を接合方向（60）において略一定にすることができる。そのため、接合部（54）の表面に肌荒れが生じたり接合部（54）の肉厚が局部的に減少したりする不具合を防止できて、高品質の接合継手（詳述すると突合せ接合継手）を得ることができる。

さらに、本実施形態の摩擦撹拌接合装置（１）によれば、検出手段（20）は、非接触式のものであり、すなわち所定のＣＣＤカメラ（21）を有するとともに、ＣＣＤカメラ（21）により撮像された撮像データから高さ位置を検出するものとなされているので、接合工具（10）の肩部（12）又はその上方近傍部位（15）の高さ位置を確実に検出することができる。

図７−Ａ及び図７−Ｂは、本発明のもう一つの実施形態（第２実施形態）に係る摩擦撹拌接合装置を説明するための図である。

本実施形態の摩擦撹拌接合装置（１）は、検出手段として、非接触式の検出手段ではなく、三次元測定器等の接触式検出手段（25）を備えている。この接触式検出手段（25）は、検出点を感知する測定子（25a）を有しており、接合工具（10）の接合方向（60）前方側の近傍位置において、床面上に固定状態に立設された門型副フレーム（４）に固定状態に取り付けられている。

一方、接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）の外周面には、環状突部（14）が設けられている。接触式検出手段（25）は、その測定子（25a）を接合工具（10）の環状突部（14）の下面に当接させて、接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）の高さ位置を検出するものとなされている。

而して、本実施形態の摩擦撹拌接合装置（１）を用いて接合を行う摩擦撹拌接合法では、図７−Ａに示すように、接合開始時において接合工具（10）のプローブ（13）をワーク（50）の接合予定部位（51）中に埋入したときの、接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）の高さ位置を、環状突部（14）の下面に接触式検出手段（25）の測定子（25a）を当接させることによって検出する。

次いで、図７−Ｂに示すように、接触式検出手段（25）の測定子（25a）を継続して接合工具（10）の環状突部（14）の下面に当接させて高さ位置を検出しながら、プローブ（13）が接合予定部位（51）を順次通過するようにワーク（50）を移動させる。この移動によってワーク（50）の接合予定部位（51）がプローブ通過部分において接合される。

なお本発明では、接触式検出手段（25）は、その測定子（25a）を接合工具（10）の環状突部（14）の上面に当接させることにより、接合工具（10）の肩部（12）の上方近傍部位（15）の高さ位置を検出するものとなされていても良いし、測定子（25a）を接合工具（10）の肩部（12）の外周縁における接合方向（60）の前縁部（12a）（図４参照。）に当接させることにより、接合工具（10）の肩部（12）の高さ位置を検出するものとなされていても良い。

本実施形態の摩擦撹拌接合装置（１）及び該接合装置（１）を用いた摩擦撹拌接合法の他の構成は、上記第１実施形態と同じであり、重複する説明を省略する。

以上で、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に示したものに限定されるものではなく、様々に設定変更可能である。

例えば、上記実施形態では、ワーク（50）の接合予定部位（51）中に埋入された接合工具（10）のプローブ（13）の位置を固定しておき、このプローブ（13）が接合予定部位（51）を順次通過するようにワーク（50）を移動させことにより、接合予定部位（51）を接合する場合を示しているが、本発明では、その他に、ワーク（50）の位置を固定しておき、ワーク（50）の接合予定部位（51）中に埋入された接合工具（10）のプローブ（13）が接合予定部位（51）を順次通過するようにプローブ（13）を移動させることにより、接合予定部位（51）を接合しても良い。この場合には、プローブ（13）の移動方向が接合方向（60）となる（図８参照。）。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合法は、金属製ワークを接合する際に用いられる摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合法として利用可能であり、具体的に例示すると、自動車、鉄道車両、船舶等における床材、壁材、天井材、梁材等を製作するために用いられる摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合法として利用可能である。

本発明に係る接合継手は、例えば、自動車、鉄道車両、船舶等における床材、壁材、天井材、梁材等として利用可能である。

本発明の一実施形態（第１実施形態）に係る摩擦撹拌接合装置の側面図である。 同接合装置の平面図である。 図１中のＺ−Ｚ線の断面図である。 同接合装置の接合工具の拡大側面図である。 同接合装置を用いて摩擦撹拌接合を行う場合における接合工程の接合開始時の状態を示す側面図である。 同接合装置を用いて摩擦撹拌接合を行う場合における接合工程の途中の状態を示す側面図である。 同接合装置の制御方法を示すブロック図である。 本発明のもう一つの実施形態（第２実施形態）に係る摩擦撹拌接合装置を用いて摩擦撹拌接合を行う場合における接合工程の接合開始時の状態を示す側面図である。 同接合装置を用いて摩擦撹拌接合を行う場合における接合工程の途中の状態を示す側面図である。 従来の摩擦撹拌接合装置の側面図である。

符号の説明

１：摩擦撹拌接合装置
10：接合工具
12：肩部（高さ位置検出部位）
13：プローブ
14：環状突部
15：肩部の上方近傍部位（高さ位置検出部位）
16：マーク
20：非接触式検出手段（検出手段）
21：ＣＣＤカメラ
22：撮像データ処理部
25：接触式検出手段（検出手段）
30：制御手段
40：昇降手段
50：ワーク
51：接合予定部位
52：接合部材
53：突合せ部
54：接合部
60：接合方向
61：ワークの移動方向

Claims (13)

1. 下端にワークの接合予定部位の表面に当接される肩部と、該肩部の下面中央部に突設され、ワークの接合予定部位中に埋入される径小のプローブとを有する接合工具を備えた摩擦撹拌接合装置において、
   前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を検出する検出手段と、
   前記接合工具を昇降移動させる昇降手段と、
   前記検出手段により検出された高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように前記昇降手段を制御する制御手段と、を備えていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 前記基準高さ位置は、前記接合工具のプローブの、ワークの接合予定部位中への埋入を終了し、ワーク又はプローブを移動させる直前の、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置である請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記検出手段は、非接触式の検出手段である請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 前記非接触式検出手段は、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位を撮像するＣＣＤカメラを有するとともに、該ＣＣＤカメラにより撮像された撮像データから高さ位置を検出するものとなされている請求項３記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に、高さ位置の検出点を示すマークが設けられている請求項３又は４記載の摩擦撹拌接合装置。
6. 前記検出手段は、接触式の検出手段であって、該接触式検出手段の測定子を、前記接合工具の肩部に当接させて、あるいは前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に設けられた環状突部の上面又は下面に当接させて高さ位置を検出するものとなされている請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 下端に肩部と、該肩部の下面中央部に突設された径小のプローブとを有する接合工具を用い、前記接合工具のプローブをワークの接合予定部位中に埋入し且つ肩部を接合予定部位の表面に当接させるプローブ埋入工程と、接合予定部位中に埋入されたプローブが接合予定部位を順次通過するようにワークをプローブに対して相対的に移動させることにより、接合予定部位を接合する接合工程とを備えた摩擦撹拌接合法において、
   前記接合工程において、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置を検出手段により検出するとともに、前記検出手段により検出された高さ位置が予め設定された基準高さ位置に対してずれを生じたときに、そのずれ量が小さくなるように前記接合工具を昇降移動させることを特徴とする摩擦撹拌接合法。
8. 前記基準高さ位置は、前記プローブ埋入工程を終了し、前記接合工程においてワーク又はプローブを移動させる直前の、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位の高さ位置である請求項７記載の摩擦撹拌接合法。
9. 前記検出手段は、非接触式の検出手段である請求項７又は８記載の摩擦撹拌接合法。
10. 前記非接触式検出手段は、前記接合工具の肩部又はその上方近傍部位を撮像するＣＣＤカメラを有し、前記ＣＣＤカメラにより撮像された撮像データから高さ位置を検出する請求項９記載の摩擦撹拌接合法。
11. 前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に、高さ位置の検出点を示すマークが設けられている請求項９又は１０記載の摩擦撹拌接合法。
12. 前記検出手段は、接触式の検出手段であり、該接触式検出手段の測定子を、前記接合工具の肩部に当接させて、あるいは前記接合工具の肩部の上方近傍部位の外周面に設けられた環状突部の上面又は下面に当接させて高さ位置を検出する請求項７又は８記載の摩擦撹拌接合法。
13. 請求項７〜１２のいずれか１項記載の摩擦撹拌接合法により接合されていることを特徴とする接合継手。

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