JP2006334639A - 摩擦撹拌装置および摩擦撹拌方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外気温などの外乱の影響に起因する対象物の品質のばらつきを抑えることができる摩擦撹拌装置を提供する。
【解決手段】 制御装置は、回転ツール３０を回転させるモータに与える電流値に基づいて、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる軸線まわりの回転抵抗力を求め、その回転抵抗力が極大値となった時刻をショルダ部当接時刻ｔ２として判断する。そしてショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、回転ツール３０を走行方向に移動開始させる走行開始時刻を決定する。ショルダ部当接時刻ｔ２を経過したあとの摩擦撹拌状態は、外乱の影響が少ない。したがってショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、回転ツール３０走行開始時刻ｔ３を決定することで、過不足なく一定の軟化状態に達したときに回転ツール３０の走行を開始することができ、接合後の被接合物３３の品質を安定化することができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、回転軸線まわりに回転させた回転ツールを対象物に押圧することによって、回転ツールと対象物との間に摩擦熱を生じさせて、対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌装置および摩擦撹拌方法に関する。特に本発明は、摩擦撹拌を用いて複数の被接合部材を接合する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ、Friction Stir Welding）に関する。

複数の被接合部材を接合する接合装置の１つとして、摩擦撹拌接合装置がある。この装置は、突き合わされた２つの被接合部材を接合する。具体的には、回転ツールを回転させながら各被接合部材の境界部分に没入させる。これによって回転ツールと被接合部材との間に摩擦熱が生じ、摩擦熱によって被接合部材の境界部分が軟化する。そして各被接合部材は、非溶融の状態で流動化し、回転ツールによって流動化した部分が撹拌されることによって、各被接合部材の境界部分が混ぜ合わされる。この状態で、回転ツールが、境界部分に沿って走行することによって、境界部分を連続接合することができる。

従来、摩擦撹拌接合における回転ツールの走行開始の判定は、作業者が行うか、タイマによって行われる。作業者が走行開始の判定を行う場合、作業者は、各被接合部材が十分に流動化したことを経験によって判断すると、摩擦撹拌接合装置を手動操作して、回転ツールの走行開始を指令する。またタイマによって走行開始の判定を行う場合、回転ツールの先端部が被接合物に没入してから所定時間経過すると、回転ツールの走行開始を指令する。

作業者またはタイマによって、回転ツールの走行開始を決定すると、外気温、回転ツールの温度、被接合部材の寸法および熱容量、被接合物を支持する裏当て部材の寸法および熱伝導率などの外乱の影響によって、接合品質がばらついてしまうといった問題がある。またこのような問題は、摩擦撹拌法を用いた連続接合のほか、摩擦撹拌法を用いたスポット接合、材料の結晶粒微細化を目的とした摩擦撹拌処理法であっても、同様の問題が生じる。

たとえば従来技術の摩擦撹拌接合技術が、特許文献１および特許文献２に開示される。特許文献１に開示される摩擦撹拌接合装置は、連続接合を行う。この摩擦撹拌接合装置は、回転ツールを被接合物に没入させた状態で、回転ツールを回転する主軸モータの負荷率が予め設定された値に達した時点で、回転ツールの没入を停止して所定時間保持する。そして所定時間保持後、回転ツールを走行させる。

また特許文献２に開示される摩擦撹拌接合装置は、スポット接合を行う。この摩擦撹拌接合装置は、加工時において回転ツールにかかる負荷を検出し、検出した負荷に基づいて、接合条件（押圧力、回転数）を補正あるいは変更する。

特開２００３−８０３８０号公報 特開２００２−２９２４７７号公報

特許文献１に開示される技術においては、回転ツールが予め定める量没入した場合における主軸モータの負荷率は、外乱の影響によってばらつく場合がある。しかしながら摩擦撹拌接合装置は、回転ツールの没入を停止するための設定値が、外乱にかかわらずに一定に設定される。したがって主軸モータの負荷率が設定値に達した場合でも、外乱の影響によって、摩擦撹拌状態、たとえば回転ツールの没入量がばらつくおそれがある。これによって摩擦撹拌が不十分または過剰な状態で、回転ツールの走行を開始してしまうおそれがある。このように外乱の影響によって、接合品質がばらつくという問題がある。

特許文献２に開示される技術においては、回転ツールにかかる負荷に基づいて、接合時間を変更してもよいことが記載される。しかしながら具体的にどのようにして、接合時間を変更するのかが記載されていない。たとえば接合開始から所定時間が経過した時刻における、回転ツールにかかる負荷を求める。そして、求めた負荷が予め定める設定値を超えた場合に接合時間を長くし、求めた負荷が設定値未満である場合に接合時間を短くさせる。この場合、予め定める設定値が一定に設定されるので、特許文献１と同様に、外乱の影響によって接合品質がばらつくという問題がある。

このように特許文献１および特許文献２に開示される技術を用いても、接合状況ごとに変動する外乱の影響によって、接合品質のばらつきが生じてしまうという問題を解決することができない。

したがって本発明の目的は、外乱の影響に起因する対象物の品質のばらつきを抑えることができる摩擦撹拌装置および摩擦撹拌方法を提供することである。

本発明は、略円柱状に形成されるショルダ部と、ショルダ部に対して同軸に形成されてショルダ部から軸線方向一方に突出し、ショルダ部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌装置であって、
回転ツールを軸線まわりに回転駆動する回転手段と、
回転ツールを軸線方向に変位駆動して対象物に押圧する押圧手段と、
軸線方向に交差する走行方向に、対象物に対して回転ツールを相対的に変位駆動する走行手段と、
回転ツールが軸線まわりに回転しながら対象物を押圧するときに、対象物から回転ツールに与えられる抵抗力を検出する検出手段と、
回転手段、押圧手段および走行手段を制御する制御手段とを含み、
制御手段は、回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールをピン部から対象物に没入させた後、検出手段によって検出される抵抗力が極大値となった時刻を、ショルダ部が対象物に当接したショルダ部当接時刻であることと判断し、前記ショルダ部当接時刻に基づいて、回転ツールを走行方向に移動開始させる時刻を決定することを特徴とする摩擦撹拌装置である。

また本発明は、回転手段は、電動モータによって実現され、
検出手段は、回転手段を構成する電動モータに供給される電流に基づいて、回転ツールに与えられる抵抗力を求めることを特徴とする。

また本発明は、制御手段は、ショルダ部当接時刻に達した後で、検出手段によって検出される抵抗力が予め定める走行開始設定値に達すると、回転ツールを走行方向に移動開始させることを特徴とする。

また本発明は、制御手段は、ショルダ部当接時刻に達した後で、抵抗力の時間変化が予め定める走行開始設定値に達すると、回転ツールを走行方向に移動開始させることを特徴とする。

また本発明は、制御手段は、検出手段からショルダ部当接時刻に達する前と、ショルダ部当接時刻に達した後とで、摩擦撹拌条件を異ならせることを特徴とする。

また本発明は、回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌装置であって、
回転ツールを軸線まわりに回転駆動する回転手段と、
回転ツールを軸線方向に変位駆動して対象物に押圧する押圧手段と、
軸線方向に交差する走行方向に、対象物に対して回転ツールを相対的に変位駆動する走行手段と、
回転ツールが対象物に没入されたときに、対象物から発生するバリを撮像する撮像手段と、
回転手段、押圧手段および走行手段を制御する制御手段とを含み、
制御手段は、回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールを対象物に没入させた後、撮像手段によって撮像されるバリの撮像結果に基づいて、回転ツールを走行方向に移動開始させる走行開始時刻を決定することを特徴とする摩擦撹拌装置である。

また本発明は、略円柱状に形成されるショルダ部と、ショルダ部に対して同軸に形成されてショルダ部から軸線方向一方に突出し、ショルダ部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌装置であって、
回転ツールを軸線まわりに回転駆動する回転手段と、
回転ツールを軸線方向に変位駆動して対象物に押圧する押圧手段と、
ショルダ部が対象物に当接したことを検出するための検出手段と、
回転手段、押圧手段および走行手段を制御する制御手段とを含み、
制御手段は、回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールをピン部から対象物に没入させた後、検出手段によってショルダ部が対象物に当接したことを示すショルダ部当接情報が検出手段から与えられると、ショルダ部当接情報に基づいて、回転ツールを対象物から離脱させる離脱開始時刻を決定することを特徴とする摩擦撹拌装置である。

また本発明は、略円柱状に形成されるショルダ部と、ショルダ部に対して同軸に形成されてショルダ部から軸線方向一方に突出し、ショルダ部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌方法であって、
回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールをピン部から対象物に没入させた後、対象物から回転ツールに与えられる抵抗力が極大値となった時刻に基づいて、回転ツールによる摩擦撹拌条件を調整することを特徴とする摩擦撹拌方法である。

また本発明は、回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌方法であって、
回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールの先端部から対象物に没入させ、撮像手段によって撮像されるバリの撮像結果に基づいて、回転ツールによる摩擦撹拌条件を調整することを特徴とする摩擦撹拌方法である。

また本発明は、前記摩擦撹拌方法を用いて製造される被摩擦撹拌物を含む構造体である。

請求項１記載の本発明によれば、回転ツールのうちピン部が対象物に対向した状態で、回転手段が回転ツールを軸線まわりに回転駆動するとともに、押圧手段が回転ツールを対象物に向かって軸線方向に変位駆動する。回転ツールは、ピン部が対象物に当接し、ピン部が対象物に没入したあとで、ショルダ部が対象物に当接する。ショルダ部が当接した状態で、回転ツールが回転することによって、回転ツールが対象物に摺接する。そして対象物と回転ツールとの間に摩擦熱が生じて対象物が軟化する。このようにして対象物が非溶融の状態で部分的に流動化し、流動化した部分が撹拌されることで、対象物のうちでピン部が没入した付近を摩擦撹拌することができる。また回転ツールが対象物を摩擦撹拌した状態で、回転ツールが走行方向に走行することによって、走行方向に沿って摩擦撹拌することができる。

ピン部が対象物に当接してからショルダ部が対象物に当接するまでの摩擦撹拌状態は、撹拌条件が一定でも撹拌状況ごとに変動する外乱の影響によってばらつく。これに対してショルダ部が当接してからの摩擦撹拌状態は、外乱の影響が少ない。本発明では、制御手段は、検出手段によって検出される抵抗力が極大値となったときに、ショルダ部が対象物に当接したことを判断する。そしてショルダ部当接時刻に基づいて、回転ツールを走行方向に移動開始させる走行開始時刻を決定する。

このようにショルダ部が当接したことを判断し、判断したショルダ部当接時刻に基づいて、回転ツールの走行開始時刻を決定することで、外乱の影響を抑えて一定の摩擦撹拌状態から、回転ツールの走行を開始することができる。これによって摩擦撹拌が不十分な状態となったり、摩擦撹拌が過剰な状態となったりすることを防ぐことができる。したがって摩擦撹拌後の対象物の品質を安定化することができる。

またショルダ部当接時刻の抵抗力は、外乱の影響によって変動することがあるが、残余の時刻に比べて必ず極大値となる。したがって本発明のように、対象物から回転ツールに与えられる抵抗力が極大値となった時刻を、ショルダ部当接時刻として判断することで、抵抗力が予め定める値に達した時刻を、ショルダ部当接時刻として判断する場合に比べて、ショルダ部当接時刻を精度よく判断することができる。これによって対象物の品質をさらに安定化することができる。

また請求項２記載の本発明によれば、検出手段は、回転手段を構成する電動モータに供給される電流に基づいて、抵抗力を求める。モータに供給される電流は、回転ツールを軸線まわりに回転させる出力トルクに相当し、対象物から与えられる抵抗力に対して比例関係を有する。したがってモータの電流に基づくことによって、対象物から与えられる抵抗力を容易に求めることができる。これによって検出手段の構成を簡単化することができ、別途複雑な構成を必要とすることがない。また押圧手段の構成にかかわらずに、回転ツールに与えられる抵抗力を求めることができるので、押圧手段を電動モータで構成する必要がない。したがって押圧手段をエアシリンダによって実現した場合であっても、本発明の摩擦撹拌装置を実現することができる。

また請求項３記載の本発明によれば、ショルダ部当接時刻に達した後で、抵抗力が走行開始設定値に達すると、回転ツールの走行方向への移動を開始させる。抵抗力は、ショルダ部当接時刻で極大値となる。したがってショルダ部当接時刻の前と、ショルダ部当接時刻の後とで、抵抗力が、走行開始設定値に達することになる。本発明では、ショルダ部当接時刻の後で、抵抗力が走行開始設定値に達すると走行を開始させるので、ショルダ部が対象物に当接する前に走行を開始することを防ぐことができる。したがってショルダ部が対象物に確実に当接した後で、回転ツールの走行を開始することができ、対象物の回転ツール没入部分が過不足なく軟化した状態で、回転ツールの走行を開始することができる。

また請求項４記載の本発明によれば、ショルダ部当接時刻に達した後で、抵抗力の時間変化が走行開始設定値に達すると、回転ツールの走行方向への移動を開始させる。ショルダ部当接時刻に達した後では、抵抗力の時間変化、すなわち時間による微分値は、時間経過とともに小さくなる。この抵抗力の時間変化は、外乱の影響が少ないので、対象物の回転ツール没入部分が過不足なく軟化した状態で、回転ツールの走行を開始することができる。またショルダ部当接時刻を求める演算式とほぼ同じ演算式を用いて求めることができ、走行開始時刻を決定する演算式を簡単化することができる。

また請求項５記載の本発明によれば、ショルダ部当接時刻に達する前には、ピン部を対象物に没入するために適したピン部没入用摩擦撹拌条件に設定可能である。またショルダ部当接時刻に達した後には、回転ツールを走行させるために適したツール走行用摩擦撹拌条件に設定可能である。このようにショルダ部当接前とショルダ部当接後とで、撹拌条件を変更することによってより最適に摩擦撹拌を行うことができる。たとえばツール走行時に比べて、ピン没入時のツール回転速度を高くすることで、短時間に対象物を加熱することができ、摩擦撹拌動作に費やす時間を短縮することができる。またツール走行時においてツール回転速度を低くすることで、過撹拌による接合欠陥を防ぐことができる。

また請求項６記載の本発明によれば、回転ツールが対象物に対向した状態で、回転手段が回転ツールを軸線まわりに回転駆動するとともに、押圧手段が回転ツールを対象物に向かって軸線方向に変位駆動する。対象物に対して、回転ツールの先端部が没入した状態で、回転することによって、回転ツールが対象物に摺接する。そして対象物と回転ツールとの間に摩擦熱が生じて対象物が軟化する。このようにして対象物が非溶融の状態で流動化し、流動化した部分が撹拌されることで、対象物のうちで先端部が没入した付近を摩擦撹拌することができる。

制御手段は、撮像手段によって撮像されるバリの撮像結果に基づいて、回転ツールを走行方向へ移動開始する時刻を決定する。たとえば制御手段は、走行方向下流側にバリが所定量発生したことを判断すると、回転ツールの走行を開始する。回転ツールの先端部が対象物に当接してから対象物に没入するまでの摩擦撹拌状態は、撹拌条件が一定でも撹拌状況ごとに変動する外乱の影響によってばらつく。これに対して、バリの発生と摩擦撹拌状態との間の関係には、外乱の影響が少ない。

したがって本発明のようにバリの撮像結果に基づいて、回転ツールの走行開始時刻を決定することで、外乱の影響を抑えて一定の摩擦撹拌状態で、回転ツールの走行を開始することができる。これによって摩擦撹拌が不十分な状態となったり、摩擦撹拌が過剰な状態となったりすることを防ぐことができ、摩擦撹拌後の対象物の品質を安定化することができる。

また請求項７記載の本発明によれば、回転ツールのうちピン部が対象物に対向した状態で、回転手段が回転ツールを軸線まわりに回転駆動するとともに、押圧手段が回転ツールを対象物に向かって軸線方向に変位駆動する。回転ツールは、ピン部が対象物に当接し、ピン部が対象物に没入したあとで、ショルダ部が対象物に当接する。対象物に対して、ピン部が没入するとともに、ショルダ部が当接した状態で、回転ツールが回転することによって、回転ツールが対象物に摺接する。そして対象物と回転ツールとの間に摩擦熱が生じて対象物が軟化する。このようにして対象物が非溶融の状態で流動化し、流動化した部分が撹拌されることで、対象物のうちでピン部が没入した付近を摩擦撹拌することができる。この後、回転ツールが対象物から離脱することで、対象物のうちの一部であるスポット部分を摩擦撹拌することができる。

制御手段は、ショルダ部当接情報が検出手段から与えられると、与えられたショルダ部当接情報に基づいて、回転ツールを対象物から離脱させる離脱開始時刻を決定する。たとえば制御手段は、ショルダ部当接情報が与えられてから、所定時間経過すると回転ツールを対象物から離脱させる。

ピン部が対象物に当接してからショルダ部が対象物に当接するまでの摩擦撹拌状態は、接合条件が一定であっても、接合状況ごとに変動する外乱の影響によってばらつく。これに対して、ショルダ部が当接してからの摩擦撹拌状態は、外乱の影響が少ない。したがって本発明のようにショルダ部が対象物に当接したことを判断し、ショルダ部当接時刻に基づいて、回転ツールの離脱開始時刻を決定することで、外乱の影響を抑えて一定の摩擦撹拌状態で、回転ツールを離脱させることができる。これによって、摩擦撹拌が不十分な状態となったり、摩擦撹拌が過剰な状態となったりすることを防ぐことができ、摩擦撹拌後の対象物の品質を安定化することができる。

また請求項８記載の本発明によれば、回転手段によって回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、押圧手段によって回転ツールのピン部から対象物に没入させる。そして、対象物から回転ツールに与えられる抵抗力が極大値となった時刻に基づいて、回転ツールによる摩擦撹拌条件を調整する。たとえば摩擦撹拌条件の調整例として、回転ツールの走行を開始させる走行開始時刻を決定したり、回転ツールを対象物から離脱させる離脱開始時刻を決定したり、回転ツールの回転速度を変更したりする。

ここで抵抗力が極大値となる時刻は、ショルダ部が対象物に当接する時刻と一致する。ピン部が対象物に当接してからショルダ部が対象物に当接するまでの摩擦撹拌状態は、外乱の影響によってばらつく。これに対して、ショルダ部が当接してからの摩擦撹拌状態は、外乱の影響が少ない。したがって本発明のようにショルダ部が対象物に当接する時刻に基づいて、摩擦撹拌条件を調整することで、外乱の影響を少なくして、摩擦撹拌を安定して行うことができる。これによって摩擦撹拌後の対象物の品質を安定化することができる。

また請求項９記載の本発明によれば、回転手段によって回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、押圧手段によって回転ツールの先端部から対象物に没入させる。そして、撮像手段によって撮像されるバリの撮像結果に基づいて、回転ツールによる摩擦撹拌条件を調整する。たとえば摩擦撹拌条件の調整例として、回転ツールの走行を開始させる走行開始時刻を決定したり、回転ツールを対象物から離脱させる離脱開始時刻を決定したり、回転ツールの回転速度を変更したりする。

バリの発生状態と摩擦撹拌状態との関係は、外乱の影響によって変動することが少ない。したがって本発明のようにバリの撮像結果に基づいて、摩擦撹拌状態を調整することで、外乱の影響を少なくして、摩擦撹拌後の対象物の品質を安定化することができる。

また請求項１０記載の本発明によれば、構造体は、上述する本発明の摩擦撹拌方法を用いて製造される被摩擦撹拌物を含む。被摩擦撹拌物は、品質が安定化されているので、被摩擦撹拌物を含む構造体もまた、その品質を安定化することができる。

図１は、本発明の第１実施形態である摩擦撹拌装置を示す斜視図である。図２は、回転ツール３０と被接合物３３とを示す斜視図である。本発明の第１実施形態の摩擦撹拌装置２０（以下、接合装置２０と称する）は、突き合わされる２つの被接合部材３１，３２をそれらの境界線３５に沿って連続接合する装置である。たとえば接合装置２０は、アルミ合金から成る複数の被接合部材３１，３２を接合することで、鉄道車両、航空機、船舶、自動車または棟梁などの構造物の一部を構成することができる。

接合装置２０は、２つの被接合部材３１，３２が突き合わされて構成される被接合物３３を支持する。接合装置２０は、回転ツール３０を着脱可能に保持し、保持する回転ツール３０を、その軸線まわりに回転させながら突き合わされた２つの被接合部材３１，３２の境界部分３４に押付ける。回転ツール３０は、先端部が被接合物３３に摺接し、摩擦熱によって各被接合部材３１，３２の境界部分３４を流動化させて撹拌する。これによって流動化した各被接合部材３１，３２が、互いに混ぜ合わされる。この状態で、回転ツール３０が、各被接合部材３１，３２の境界部分３４に沿って走行することによって、各被接合部材３１，３２を境界線３５に沿って接合することができる。

回転ツール３０は、接合ツールと称される場合がある。本実施の形態の回転ツール３０は、略円柱状に形成されるショルダ部３６と、ショルダ部３６に対して同軸に形成されてショルダ部３６から軸線方向一方に突出し、ショルダ部３６よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部３７とが形成される。また本実施の形態では、接合装置２０は、被接合物３３の表面に垂直な軸線Ｌ２に対して、回転ツール３０の軸線Ｌ１が、回転ツール３０のピン部３７まわりに走行方向下流側へと予め定める前進角度α傾斜した状態に維持する。これによって被接合物３３に没入させた回転ツール３０を良好に走行させることができる。

図１に示すように、接合装置２０は、ＦＳＷヘッド２１と、テーブル２２と、移動手段１９とを有する。ＦＳＷヘッド２１は、回転ツール３０を着脱可能に装着し、回転ツール３０を、予め定める基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動する回転手段となる。ここで、基準軸線Ｌ１は、回転ツール３０の軸線に一致する。テーブル２２は、２つの被接合部材３１，３２を突き合せて、被接合物３３として保持および支持する支持手段となる。

移動手段１９は、被接合物３３に対してＦＳＷヘッド２１を相対的に変位移動する。本実施の形態では、テーブル２２に保持される被接合物３３に対して、ＦＳＷヘッド２１を変位移動する。具体的には、移動手段１９は、第１駆動体２３と、第２駆動体２４と、第３駆動体２５とを含む。第１駆動体２３は、ＦＳＷヘッド２１を支持して、第２駆動体２４に設けられる。

第１駆動体２３は、第２駆動体２４に連結される連結部５０と、連結部５０に設けられる第１方向モータ５１と、第１方向モータ５１によって発生する動力を伝達する第１動力伝達部と、連結部５０に対して第１方向Ｚに移動可能に案内されてＦＳＷヘッド２１が固定される可動部５２とを含む。第１方向モータ５１の出力軸が回転すると、第１動力伝達部によって動力が可動部５２に伝達され、可動部５２とともにＦＳＷヘッド２１が予め定める第１方向Ｚに変位する。本実施の形態では、第１方向Ｚは、鉛直方向となる。第１駆動体２３は、回転ツール３０を軸線方向に変位駆動して被接合物３３に押圧する押圧手段となる。

第２駆動体２４は、第１駆動体２３の連結部５０を両持ち支持して門型に形成される支持部２６と、第１駆動体２３の連結部５０を第１方向Ｚに直交する第２方向Ｙに変位駆動するための第２方向モータ（図示せず）と、第２方向モータによって発生する動力を伝達する第２動力伝達部と、第１駆動体２３の連結部５０を支持部２６に対して第２方向Ｙに移動可能に案内する第２案内部とを含む。第２方向モータの出力軸が回転すると、第２動力伝達部によって動力が連結部５０に伝達され、連結部５０とともにＦＳＷヘッド２１が第２方向Ｙに変位する。本実施の形態では、第２方向Ｙは水平に延びる。

第３駆動体２５は、第２駆動体２４の支持部２６を第１方向Ｚおよび第２方向Ｙに直交する第３方向Ｘに変位駆動するための第３方向モータ（図示せず）と、第３方向モータによって発生する動力を伝達する第３動力伝達部と、第２駆動体２４の支持部２６を第３方向Ｘに移動可能に案内する第３案内部５３とを含む。第３方向モータの出力軸が回転すると、第３動力伝達部によって動力が支持部２６に伝達され、支持部２６とともにＦＳＷヘッド２１が第３方向Ｘに変位する。また本実施の形態では、図１に示すように、２つの被接合部材３１，３２の境界線３５は、第３方向Ｘに沿って延びるように配置される。第２駆動体２４および第３駆動体２５の少なくともいずれかは、軸線方向に交差する走行方向に回転ツール３０を相対的に変位駆動する走行手段となる。

これによって回転ツール３０は、テーブル２２に対して、第１〜第３方向Ｚ，Ｙ，Ｘに変位移動可能となる。また本実施の形態では、さらに回転ツール３０の軸線Ｌ１を第１方向Ｚに沿って延びる軸線に対して角変位駆動するとともに、基準軸線Ｌ１を第３方向Ｘに沿って延びる軸線に対して角変位駆動する角変位駆動手段（図示せず）を有する。したがって回転ツール３０は、５軸自由度を有して変位可能に形成される。

また接合装置２０は、ＦＳＷヘッド２１、移動手段１９および角変位駆動手段を制御する制御装置２５を有する。制御装置２５は、たとえばシーケンサ装置によって実現され、摩擦撹拌接合の動作手順を実行するためのコンピュータプログラムなどが記憶されている。

図３は、接合装置２０の構成を示すブロック図である。接合装置２０は、回転ツール３０をその軸線Ｌ１まわりに回転駆動する回転手段４０と、回転手段４０を制御する回転制御手段４１と、回転ツール３０の回転速度を検出する回転速度検出手段４２と、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる軸線まわりの回転抵抗力を検出するためのモータ電流検出手段４３とを含んで構成される。

回転手段４０は、本実施の形態では三相交流モータによって実現され、ＦＳＷヘッド２１に搭載される。回転制御手段４１は、制御装置２５から、回転ツール３０の回転すべき設定回転速度を示す回転速度指令が与えられ、回転速度指令に応じた電流を三相交流モータに与える。回転制御手段４１が回転手段４０に所定の電流を与えることによって、回転手段４０は、設定回転速度で回転ツール３０を回転させる。回転制御手段４１、回転速度検出手段４２およびモータ電流検出手段４３は、直流電源から三相交流モータを回転させるための電流を供給するインバータ装置４４によって実現される。

また接合装置２０は、回転ツール３０を移動させる押圧手段４５と、走行手段４６とを含んで構成される。押圧手段４５は、被接合物３３に対して近接および離反する方向に回転ツール３０を変位移動する。また走行手段４６は、接合すべき被接合物３３に設定される境界線３５に沿って回転ツール３０を変位移動する。

本実施の形態では、押圧手段４５は、鉛直方向に沿って回転ツール３０を変位移動する。具体的には、押圧手段４５は、第１駆動体２３の第１方向モータによって実現される。第１方向モータは、制御装置２５によって直接または間接的に制御されることによって、回転ツール３０を被接合物３３に対して近接および離反する方向に移動させることができる。

また本実施の形態では、走行手段４６は、水平方向に沿って回転ツール３０を変位移動する。具体的には、走行手段４６は、第２駆動体２４の第２方向モータおよび第３駆動体２５の第３方向モータの少なくともいずれかによって実現される。第２方向モータおよび第３方向モータは、制御装置２５によって直接または間接的に制御されることによって、回転ツール３０を被接合物３３に設定される境界線３３に沿って移動させることができる。

制御装置２５は、入力部４７と、出力部４８と、演算部４９と、記憶部５４とを含んで構成される。記憶部５４は、摩擦撹拌接合の動作手順を実行するためのコンピュータプログラムおよび演算部４９の演算結果を記憶する。入力部４７は、回転速度検出手段４２およびモータ電流検出手段４３から、それぞれ検出結果を示す情報が与えられ、与えられた情報を演算部４９に与える。演算部４９は、記憶部５４に記憶されるプログラムを実行して、各検出手段４２，４３から与えられる情報に基づいて、摩擦撹拌接合の動作手順を実行し、回転制御手段４１、押圧手段４５および走行手段４６の制御指令を生成する。演算部４９は、生成した制御指令を出力部４８に与える。出力部４８は、演算部４９によって与えられた制御指令を、回転制御手段４１、押圧手段４５および走行手段４６にそれぞれ与える。演算部４９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理回路によって実現される。また記憶部５４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read
Only Memory）などの記憶回路によって実現される。また入力部４７および出力部４８は、コネクタなどの入出力回路によって実現される。

図４は、インバータ装置４４を示すブロック図である。インバータ装置４４は、インバータ回路５５と、コントロール回路５６と、エンコーダ５７とを含んで構成される。インバータ装置４４は、上述した回転制御手段４１と、回転速度検出手段４２と、モータ電流検出手段４３とを兼ねる。インバータ回路５５は、スイッチング素子を有し、直流電源５８から直流電力が与えられる。インバータ回路５５は、コントロール回路５６から与えられるゲート指令にしたがって、スイッチング素子のオンオフを切り替えることによって、直流電源５８から与えられる電流を三相の交流電流に生成し、回転ツールを回転するための回転用モータ４０に生成した交流電流を与える。

コントロール回路５６は、制御装置２５から回転速度指令が与えられる。またコントロール回路５６は、エンコーダ５７からモータ４０の回転速度の情報が与えられる。またコントロール回路５６は、インバータ回路５５からモータ４０に供給される電流の情報が与えられる。コントロール回路５６は、与えられた情報に基づいて、回転速度指令に付与される設定回転速度を目標値として、フィードバック制御を行い、操作量をゲート指令としてインバータ回路５５に与える。このようにしてモータ４０は、インバータ装置４４に制御されることで、回転ツール３０に与えられる回転抵抗力が変動しても、予め定める設定速度で回転ツール３０を回転することができる。

具体的には、インバータ装置４４は、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力が大きくなると、モータ４０に供給する電流を大きくする。また被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力が小さくなると、モータ４０に供給する電流を小さくする。このようにしてモータ４０の回転速度を設定回転速度に保つ。ここで、モータ４０に供給される電流と、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力とには比例関係にあり、モータ４０に流れる電流から、回転ツール３０に与えられる軸線まわりの回転抵抗力を求めることができる。またモータ４０に流れる電流は、モータ４０が回転ツール３０に与える出力トルクおよび被接合物３３から回転ツール３０に与える負荷トルクに相当する。

コントロール回路５６は、エンコーダ５７から与えられるモータ回転速度を示す回転速度情報を、制御装置２５に与える。またコントロール回路５６は、モータ４０に供給する電流値を示す電流情報を、制御装置２５に与える。制御装置２５は、コントロール回路５６から与えられる電流情報に基づいて、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力を求めることができる。このようにインバータ装置４４は、回転制御手段４１と回転速度検出手段４２とを兼ねる。また制御装置２５とインバータ装置４４とを含んで、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力を検出する検出手段を構成する。

図５は、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる抵抗力の時間変化を示すグラフである。回転ツール３０は、回転しながら被接合物３３に没入することで、被接合物３３に対して摺動回転する。このとき回転ツール３３は、軸線まわりの回転に抗する回転抵抗力を、被接合物３３から与えられる。また回転ツール３０は、被接合物３３に没入した状態で走行すると、走行に抗する走行抵抗力を被接合物３３から与えられる。制御装置２５は、インバータ装置４４から与えられるモータ電流情報に基づいて、回転ツール３０に与えられる回転抵抗力を取得可能である。

回転ツール３０を回転させると、初期抵抗力ｒ１が発生する。そして、回転ツール３０がピン部３７から被接合物３３に没入すると、ピン部３７が被接合物３３に当接したピン部当接時刻ｔ１から、ピン部３７が被接合物３３に没入する没入量が増加するにつれて、回転抵抗力が増加する。回転ツール３０が一定速度で被接合物３３に没入する場合、図５に示すように、回転抵抗力は、ピン部当接時刻ｔ１から時間経過にほぼ比例して増加する。

そしてピン部３７に連なるショルダ部３６のショルダ端面が被接合物３３に当接する。ショルダ部３６が被接合物３３に当接するショルダ部当接時刻ｔ２における回転抵抗力をショルダ部当接抵抗力ｒ２とし、ショルダ部当接時刻ｔ２を経過した後の回転抵抗力をショルダ部没入抵抗力ｒ３とする。この場合、ショルダ部没入抵抗力ｒ３は、ショルダ部当接抵抗力ｒ２よりも小さくなる。すなわちショルダ部当接時刻ｔ２における回転抵抗力ｒ２は、ショルダ部当接時刻ｔ２とは異なる時刻の回転抵抗力に比べて極大値となる。言換えるとショルダ部当接時刻ｔ２で、回転抵抗力がピーク値となる。回転抵抗力とモータ電流とは比例関係にあるので、制御装置２５は、インバータ装置４４から与えられるモータ電流情報が極大値となったときに、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したことを判断することができる。

ショルダ部３６が被接合物３３に当接してから、所定の期間保持することによって、被接合物３３の回転ツール没入部分の温度が上昇し、ピン部３７によって撹拌される流動化部分が増加する。摩擦撹拌接合において、接合欠陥なく良好に回転ツール３０を走行させるためには、ツール没入部分の温度が適正範囲に含まれていることが望ましく、適正温度の値は、接合条件によって決定される。

ショルダ部没入抵抗力ｒ３が、予め定める走行開始設定値ｒ５まで低下すると、ツール没入部分の温度が適正範囲に含まれ、被接合物３３の回転ツール没入部分が過不足なく軟化したことになる。本実施の形態では、走行開始設定値ｒ５は、定常抵抗力ｒ６の１．２倍に選ばれる。ここで定常抵抗力ｒ６は、予め定める摩擦撹拌接合条件で回転ツール３０を境界線３５に沿って走行させたときにおいて、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力となる。

具体的には、制御装置２５は、モータ電流がピーク値に達したあとで、予め定められる走行開始モータ電流設定値に達したことを判断すると、回転ツール３０の走行を開始する。また走行開始モータ電流設定値は、走行時における定常モータ電流設定値の１．２倍に設定される。

このように被接合物３３が十分に軟化した状態で、回転ツール３０は、走行を開始する。そして走行開始時刻ｔ３を過ぎると、回転ツール３０には、走行方向に抗する抵抗力となる走行抵抗力ｒ４が与えられる。走行時の摩擦撹拌条件が一定の場合、走行開始時刻ｔ３を所定時間経過すると、走行抵抗力ｒ４は、ほぼ安定した値となる。この安定した値におけるモータ電流が定常モータ電流設定値となる。

ここで、走行開始設定値ｒ５が大きすぎると、被接合物３３の回転ツール没入部分の軟化が不足する。この場合、接合領域に気泡が発生するなどして接合強度が低下するおそれがある。また走行開始設定値ｒ５が小さすぎると、被接合物３３の回転ツール没入部分の軟化が過剰となる。この場合、回転ツール３０が被接合物３３に没入しすぎ、接合跡が目立つことになる。これに対して、走行開始設定値ｒ５が予め定められる値、たとえば定常抵抗力ｒ６の１．２倍に選択されることで、被接合物３３の回転ツール没入部分が過不足なく軟化した状態で、回転ツール３０の走行を開始することができる。

図６は、制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートである。また図７は、摩擦撹拌接合動作を説明するための断面図である。図７では、図７（１）〜図７（８）の順に動作が進行する。制御装置２５は、インバータ装置４４から与えられる回転速度情報とモータ電流情報とを取得する。そして取得した各情報に基づいて、回転手段４０となるＦＳＷヘッド２１と、走行手段４６および押圧手段４５となる移動手段１９とをそれぞれ制御する。

まずステップａ０で、回転ツール３０がＦＳＷヘッド２１に装着されるとともに、各被接合物３３が突き合わされた状態でテーブル２２に支持されて、接合動作の準備動作が行われる。準備動作が完了するとともに、記憶部５４に接合条件が記憶された状態で、作業者などから制御装置２５に制御開始指令が与えられると、ステップａ１に進み、制御装置２５は、接合動作を開始する。ここで記憶部５４に記憶される接合条件は、たとえば、摩擦撹拌時における回転ツール３０の回転速度、回転ツール３０が被接合物３３を押圧する押圧力、回転ツール３０の移動経路、回転ツール３０の没入速度、回転ツール３０の没入量、回転ツール３０の走行速度などである。

ステップａ１では、制御装置２５は、回転ツール３０の回転指令をインバータ装置４４に与える。回転指令が与えられたインバータ装置４４は、与えられる回転指令に含まれる設定回転速度で、回転ツール３０を回転させる。インバータ装置４４は、設定回転速度に達したことを示す回転速度到達情報を制御装置２５に与える。制御装置２５は、回転速度到達信号を取得すると、ステップａ２に進む。

ステップａ２では、制御装置２５は、回転ツール３０の没入指令を移動手段１９に与え、ステップａ３に進む。没入指令が与えられた移動手段１９は、被接合物３３に設定される没入開始位置よりも第１方向Ｚに離反した準備位置に回転ツール３０を移動させる。次に図７（１）に示すように、移動手段１９は、回転ツール３０を第１方向Ｚに移動させて、回転ツール３０を没入開始位置から被接合物３３に没入する。これによって回転ツール３０は、図７（２）に示すように、ピン部３７が被接合物３３の没入開始位置に当接し、ピン部３７が被接合物３３に没入する。

ステップａ３では、制御装置２５は、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したか否かを判断し、当接したことを判断するとステップａ４に進む。本実施形態では、制御装置２５は、インバータ装置４４から与えられるモータ電流情報がピーク値、すなわち極大値となったか否かを判断する。制御装置２５は、インバータ装置４４から与えられるモータ電流情報が極大値になるまで待機する。制御装置２５は、モータ電流情報が極大値に達すると、図７（３）に示すように、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したことを判断し、ステップａ４に進む。

たとえば制御装置２５は、所定時間ごとにモータ電流情報を取得し、新しく取得したモータ電流情報と、その１つ前に取得したモータ電流情報とを比較する。１つ前に取得したモータ電流情報の電流値よりも、新しく取得したモータ電流情報の電流値が小さいか同じであることを判断すると、１つ前にモータ電流情報を取得した時刻に、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したことを判断する。また制御装置２５はモータ電流の時間による微分値を求め、微分値が正の値からゼロまたは負の値に変化した時刻に、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したことを判断してもよい。

ステップａ４では、制御装置２５は、ショルダ部３６が被接合物３３に当接した後で、モータ電流が予め定める走行開始設定値ｒ５に達したか否かを判断する。走行開始設定値ｒ５は、被接合物３３が過不足なく軟化した場合の回転抵抗力に抗して回転するために必要な設定値である。制御装置２５は、インバータ装置４４から与えられるモータ電流が走行開始設定値ｒ５に達して、図７（４）に示すように被接合物３３が過不足なく軟化したことを判断すると、ステップａ５に進む。

ステップａ５では、制御装置２５は、回転ツール３０の走行指令を移動手段１９に与え、ステップａ６に進む。走行指令が与えられた移動手段１９は、図７（５）に示すように、没入開始位置から境界線３５に沿って、本実施の形態では第３方向Ｘに、回転ツール３０を走行させる。

ステップａ６では、制御装置２５は、予め定める終了条件を満足するか否かを判断し、終了条件を満足すると判断すると、ステップａ７に進む。本実施の形態では、被接合物３３に予め設定される没入終了位置に回転ツール３０が移動すると、終了条件を満足したと判断する。

ステップａ７では、制御装置２５は、インバータ装置４４と移動手段１９とを制御し、予め定める終了動作を行う。具体的には、制御装置２５は、移動手段１９に離脱指令を与える。離脱指令が与えられた移動手段１９は、図７（７）に示すように、回転ツール３０を第１方向Ｚに移動させて、回転ツール３０を被接合物３３の没入終了位置から離脱させる。また制御装置２５は、インバータ装置４４に停止指令を与える。停止指令が与えられたインバータ装置４４は、図７（８）に示すように、回転ツール３０の回転を停止させる。制御装置２５は、このような終了動作を行い、終了動作が完了すると、ステップａ８に進む。ステップａ８では、制御装置２５は、接合動作を終了する。

図８は、外乱が発生する場合において、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力の時間変化を示すグラフである。具体的には、図８（２）に示す第２グラフは、図８（１）に示す第１グラフに対して、ピン部当接時刻ｔ１からショルダ部当接時刻ｔ２までの没入時間が長い場合（Ｐ２＞Ｐ１）を示し、図８（３）に示す第３グラフは、図８（１）に示す第１グラフに対して、没入時間が短い場合（Ｐ３＜Ｐ１）を示す。

図８（１）〜図８（３）に示すように、ピン部当接時刻ｔ１からショルダ部当接時刻ｔ２までの没入時間Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、接合条件が一定であっても、接合状況ごとに変動する外乱の影響によって変化する。たとえば、第１グラフに対して第２グラフの外気温が低いと、第２グラフの没入時間Ｐ２は第１グラフの没入時間Ｐ１に比べて長くなる。また第１グラフに対して第３グラフの外気温が高いと、第３グラフの没入時間Ｐ３は第１グラフの没入時間Ｐ１に比べて短くなる。

したがって接合開始時刻ｔ０から所定時間経過した時刻を回転ツール３０の走行開始時刻ｔ３として設定してしまうと、外乱の影響によって、被接合物３３の回転ツール没入部分の軟化状態に過不足が生じた状態で、走行を開始してしまう。この場合、接合品質がばらついてしまう。外気温のほかの外乱としては、被接合物３３の寸法および熱容量、テーブルの寸法および熱伝導率などが考えられる。またテーブル２２は、被接合物３３を回転ツール３０とは反対側で支持する裏当て部材となる。

これに対して、ショルダ部３６が当接してからの摩擦撹拌状態は、外乱の影響が少なく、回転ツール３０の形状および記憶部５４に記憶される接合条件に依存する。したがって本実施形態のようにショルダ部３６が当接するショルダ部当接時刻ｔ２を判断し、判断したショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、回転ツール３０の走行開始時刻ｔ３を決定することで、外乱の影響を抑えて一定の摩擦撹拌状態で、回転ツール３０の走行を開始することができる。このように回転ツール３０の走行を開始することで、外乱の影響に起因して、回転ツール３０の走行開始時における軟化状態のばらつきが生じることを防ぐことができる。たとえば作業者が回転ツール３０の走行開始の時刻を決定する場合や、ピン部当接時刻ｔ１から所定時間経過したことを判断して走行開始の時刻を決定する場合に比べて、被接合物３３の品質のばらつきを防ぐことができる。

このように本実施の形態では、制御装置２５が、モータ電流値すなわちツール回転モータの出力トルク波形に基づいてショルダ部当接時刻ｔ２を判断し、判断したショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて回転ツール３０の走行開始時刻ｔ３を決定することで、被接合物３３の品質を安定化することができ、接合強度不足を防ぐとともに接合後の仕上がりを良好に保つことができる。

また回転ツール３０が被接合物３３に与える押圧力の不所望な変動などによって、ショルダ部３６が被接合物３３に当接するときの回転抵抗力ｒ１１，ｒ１２，ｒ１３が変動する場合がある。このような場合であっても、ショルダ部３６が被接合物３３に当接するときに、回転抵抗力が必ず極大値となる。

本実施形態では、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力が極大値となったときに、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したことを判断する。したがってショルダ部３６が被接合物３３に当接したときの回転抵抗力が、変動する場合であっても、精度よくショルダ部当接時刻ｔ２を判断することができる。これによって被接合物３３の品質のばらつきをさらに抑えることができる。

またショルダ部当接時刻ｔ２の前と、ショルダ部当接時刻ｔ２の後との２つの時刻で、回転抵抗力が、走行開始設定値ｒ５に達する。本実施の形態では、ショルダ部当接時刻ｔ２の後に、回転抵抗力が走行開始設定値ｒ５に達すると、回転ツール３０の走行方向への移動を開始させる。これによってショルダ部３６が被接合物３３に当接する前に回転ツール３０が走行を開始することを防ぐことができる。

このようにショルダ部３６が被接合物３３に確実に当接した後で、回転ツール３９の走行を開始することで、被接合物３３の回転ツール没入部分が過不足なく軟化した状態で、走行を開始することができる。また回転抵抗力に基づいて走行開始時刻ｔ３を決定することで、ショルダ部当接時刻ｔ２から所定時間経過に走行を開始する場合に比べて、外乱の影響をさらに抑えることができる。

また走行開始設定値ｒ５が、定常抵抗力ｒ６に基づいて設定されることで、被接合物３３が過不足なく十分に軟化した状態で、回転ツール３０の走行を開始することができる。また走行開始設定値ｒ５を容易に設定することができ、接合作業前に行う準備作業を簡単化することができる。

本実施の形態では、回転ツール３０の回転抵抗力に基づいて、ショルダ部３０が被接合物３３に当接したことを判断するので、被接合物３３の第１方向Ｚの寸法誤差がある場合でも正確に、ショルダ部当接時刻ｔ２を求めることができる。また回転ツール３０を第１方向Ｚに移動させるための移動手段が、押圧力の変化および移動量の変化を検出できない駆動手段、たとえばエアシリンダであっても、ショルダ部当接時刻ｔ２を精度よく求めることができる。またモータの電流に基づくことによって、被接合物３３から与えられる抵抗力を容易に求めることができる。これによって検出手段の構成を簡単化することができ、別途複雑な構成を必要とすることがない。

また本実施の形態では、回転ツール３０を被接合物３３に没入する過程では、ピン部３７に過度の負荷が作用することを防ぐために、回転ツール３０が被接合物３３を押圧する押圧力を与える付勢手段と、付勢手段による押圧力が略一定となるように制御する付勢制御手段とを有する。付勢手段は、ＦＳＷヘッド２１に搭載されるエアシリンダによって実現され、付勢制御手段はエアシリンダに供給する圧力を制御する減圧弁によって実現される。この場合、回転ツール３０が走行するにあたって、被接合物３３の厚みが変動する場合であっても摩擦撹拌接合を好適に行うことができる。

図９は、本発明の第２実施形態である制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートである。第２実施形態の制御装置２５は、第１実施形態の制御装置２５とほぼ同様の動作を行う。第２実施形態の制御装置２５のうち、第１実施形態の制御装置２５と同様の構成については説明を省略する。また第２実施形態の制御装置２５を備える接合装置２０は、上述した制御装置２０と同様であるので説明を省略する。

第２実施形態の制御装置２５は、ショルダ部当接時刻ｔ２に達する前と、ショルダ部当接時刻ｔ２に達した後とで、摩擦撹拌条件を異ならせる。本実施の形態では、制御装置２５は、回転ツールの回転速度を変化させる。具体的には、ショルダ部当接時刻ｔ２に達した後には、予め定める接合条件で回転ツール３０を境界線３５に沿って走行させたときにおける良好な定常回転速度で回転ツール３０を回転させる。またショルダ部当接時刻ｔ２に達する前には、前記定常回転速度よりも高速の没入時回転速度で回転ツール３０を回転させる。

まずステップｂ０で、接合動作の準備動作が行われる。作業者などから制御装置２５に制御開始指令が与えられると、ステップｂ１に進み、制御装置２５は、接合動作を開始する。制御装置２５は、図６に示すステップａ１〜ステップａ３と同様の動作として、ステップｂ１〜ｂ３の動作を順に行う。ここでステップｂ１では、制御装置２５は、没入時回転速度で回転ツール３０を回転するように、インバータ装置４４に回転指令を与える。

ステップｂ３では、制御装置２５は、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したか否かを判断し、当接したことを判断するとステップｂ４に進む。ステップｂ４では、制御装置２５は、定時回転速度で回転ツール３０を回転するように、インバータ装置４４に回転指令を与え、ステップｂ５に進む。ステップｂ５では、制御装置２５は、インバータ装置４４から定時回転速度に達したことを示す回転速度到達情報が与えられることで、ステップｂ６に進む。次に、制御装置２５は、ステップａ４〜ａ８と同様の動作として、ステップｂ６〜ｂ１０の動作を順に行う。ステップｂ１０では、制御装置２５は、接合動作を終了する。

第２実施形態の制御装置２５を有する接合装置は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また第２実施形態によれば、制御装置２５は、ショルダ部３６が当接する前には、ピン部３７の没入に適した摩擦撹拌条件で摩擦撹拌を行うことができる。また制御装置２５は、ショルダ部３６が当接した後には、回転ツール３０の走行に適した摩擦撹拌条件で摩擦撹拌を行うことができ、より最適に摩擦撹拌接合を行うことができる。

具体的には、ショルダ部当接時刻ｔ２に達する前には、前記定常回転速度よりも高速の没入時回転速度で回転ツール３０を回転させることによって、短時間にショルダ部３６を被接合物３３に当接させることができ、接合時間を短縮することができる。またショルダ部当接時刻ｔ２に達した後には、定常回転速度で回転ツール３０を回転させることによって、接合品質が低下することを防ぐことができる。また本実施の形態では、ショルダ部当接時刻ｔ２に達する前と、ショルダ部当接時刻ｔ２に達した後とで、回転速度を変更したが、他の摩擦撹拌条件を異ならせてもよい。

図１０は、本発明の第３実施形態である制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートであり、図１１は、第３実施形態の制御装置２５の動作を説明するための回転抵抗力の時間変化を示すグラフである。第３実施形態の制御装置２５は、第１実施形態の制御装置２５とほぼ同様の動作を行う。第３実施形態の制御装置２５のうち、第１実施形態の制御装置２５と同様の構成については説明を省略する。また第３実施形態の制御装置２５を備える接合装置２０は、上述した制御装置２０と同様であるので説明を省略する。

第３実施形態の制御装置２５は、ショルダ部当接時刻ｔ２に達した後で、回転抵抗力の時間変化が予め定める走行開始設定値となると、回転ツール３０を走行方向に移動開始させる。まずステップｃ０で、接合動作の準備動作が行われる。作業者などから制御装置２５に制御開始指令が与えられると、ステップｃ１に進み、制御装置２５は、接合動作を開始する。制御装置２５は、図６に示すステップａ１〜ステップａ２と同様の動作として、ステップｃ１〜ｃ２の動作を順に行い、ステップｃ３に進む。

ステップｃ３では、制御装置２５は、単位時間あたりの回転抵抗力の変化量、すなわち回転抵抗力の時間による微分値を求め、予め定める走行開始設定値であるか否かを判断する。この予め定める走行開始設定値は、負の値に設定される。たとえば制御装置２５は、所定時間ごとにモータ電流情報を取得し、新しく取得したモータ電流情報と、その１つ前に取得したモータ電流情報とを比較する。新しく取得したモータ電流情報の電流値ｑ２から１つ前に取得したモータ電流情報の電流値ｑ１を減算した値（ｑ２−ｑ１）を、前記所定時間ΔＴで除算した値（ｑ２−ｑ１）／ΔＴが、走行開始設定値以下となるか否かを判断する。走行開始設定値は、少なくとも負の値に設定されることで、ショルダ部当接時刻ｔ２に達したあとに、走行開始時刻ｔ３を決定することができる。

本実施の形態では、モータ電流をモータの出力トルクに換算した状態で、設定値が−３Ｎｍ／ｓ以下となるときの回転抵抗力Ｑの時刻を、走行開始時刻ｔ３として決定し、ステップｃ４に進む。次に制御装置２５は、ステップａ５〜ａ８と同様の動作として、ステップｃ４〜ｃ７の動作を順に行う。ステップｃ７では、制御装置２５は、接合動作を終了する。

第３実施形態の制御装置２５を有する接合装置は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ショルダ部当接時刻ｔ２に達した後で、抵抗力の時間変化が予め定める走行開始設定値となると、回転ツール３０の走行方向への移動を開始させる。抵抗力の時間変化は、ショルダ部当接時刻ｔ２に達した後では、時間経過とともに、単位時間あたりの抵抗力の変化が小さくなる。この抵抗力の時間変化は、外乱の影響が少ない。また抵抗力の時間変化を求める演算式は、ショルダ部当接時刻ｔ２を求める演算式と同じ演算式を用いて求めることができ、演算式を簡単化することができる。

また第１〜第３実施形態では、ショルダ部当接時刻ｔ２を経過した後において回転ツール３０に被接合物３３から与えられる回転抵抗力に基づいて、走行開始時刻ｔ３を決定したが、このほかの条件に基づいて走行開始時刻ｔ３を決定してもよい。たとえばショルダ部当接時刻ｔ２から予め定める待機時間経過した時刻を走行開始時刻ｔ３として決定してもよい。

また本実施の形態では、インバータ装置４４から与えられるモータ電流情報に基づいて、モータの出力トルクとなる回転抵抗力を求めた。制御装置２５は、インバータ装置４４以外の他の検出手段を用いて、回転抵抗力に対応する情報を取得してもよい。たとえばモータ４０は、インバータ装置４４に換えて、サーボアンプから電流が与えられて回転させてもよい。この場合、制御装置２５は、サーボアンプに回転指令を与えることになる。制御装置２５は、サーボアンプからモータ４０に与えられる電流を示すモータ電流情報が与えられる。言換えるとサーボアンプは、回転抵抗力に対応するモータ電流情報を制御装置２５に与える検出手段となる。またインバータ装置４４およびサーボアンプなどを用いる以外に、モータの出力端子に電流計を取り付けられてもよい。この場合、制御装置２５は、電流計によってモータ電流情報を取得する。また制御装置２５は、プログラマブルコントローラであってもよく、パーソナルコンピュータであってもよい。

また回転ツール３０を軸線方向に移動させるモータおよび圧電素子などによって、回転ツール３０に与えられる軸線方向の抵抗力を検出可能である場合、制御装置２５は、軸線方向の抵抗力に基づいて、ショルダ部当接時刻ｔ２を決定してもよい。たとえば没入速度を一定に制御した場合に、軸線方向の抵抗力が極大値となった時刻を、ショルダ部当接時刻ｔ２として決定してもよい。この場合であっても、第１〜第３実施形態と同様にして走行開始時刻ｔ３を決定することができる。

また第１〜第３実施形態では、制御装置２５が、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる抵抗力を検出する検出手段と、制御手段とを兼用したが、抵抗力を検出するための検出手段が、制御装置２５とは別体に設けられてもよい。この場合、制御装置２５は、検出手段から与えられる抵抗力を示す情報に基づいて、回転手段、押圧手段および走行手段を制御する制御手段となる。

図１２は、本発明の第４実施形態である接合装置１２０の構成を示すブロック図であり、図１３は、被接合物３３に発生するバリ６０を示す図である。接合装置１２０は、第１実施形態の接合装置２０と同様の回転手段４０、インバータ装置４４、押圧手段４５、走行手段４６、制御装置２５を有する。これら各手段４０，４４，４５，４６，２５については、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

また接合装置１２０は、摩擦撹拌時に被接合物３３から発生するバリ６０を撮像する撮像手段５９を有する。撮像手段５９は、ＣＣＤ（結合電荷素子）カメラなどの画像処理センサによって実現され、バリの撮像結果を示す撮像情報を制御装置２５に与える。制御装置２５は、撮像手段５９から与えられる撮像情報から、被接合物３３に発生するバリ６０の成長状態を判断することができる。また制御装置２５は、バリ６０の撮像結果に基づいて、回転ツール３０を走行方向に移動開始させる走行開始時刻ｔ３を決定する。

回転ツール３０が、被接合物３３に没入することによって被接合物３３から排出される排出金属がバリ６０となる。被接合物３３および回転ツール３０に対してバリ６０は、異なる色を有する。たとえば被接合物３３および回転ツール３０は、酸化被膜で覆われることで、灰色、白濁色または黒色など非光沢色となる。またバリ６０は、金属光沢を有する。したがって制御装置２５は、撮像手段５９で撮像される画像を、適切なしきい値を用いて二値化することによって、バリ６０の形状を抽出することができる。

図１４は、第４実施形態である制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートである。まずステップｄ０で、接合動作の準備動作が行われる。作業者などから制御装置２５に制御開始指令が与えられると、ステップｄ１に進み、制御装置２５は、接合動作を開始する。制御装置２５は、図１０に示すステップｃ１〜ステップｃ７に対応する動作として、ステップｄ１〜ｄ７を順に行い、ステップｄ７では、制御装置２５は、接合動作を終了する。

このうち、図１４に示すステップｄ１〜ｄ２、ｄ４〜ｄ７の工程は、図１０に示すステップｃ１〜ｃ２、ｃ４〜ｃ７と同様であるので説明を省略する。また図１４に示すステップｄ３の工程は、図１０に示すステップｃ３と異なる。ステップｄ３では、制御装置２５は、撮像手段５９から与えられるバリ６０の撮像情報を取得して画像処理する。制御装置２５は、予め記憶部５４に記憶される走行開始バリ形状と、撮像手段５９から与えられる撮像情報に含まれるバリ６０の形状とを比較し、それらのバリ形状が予め定める類似範囲であると判断するまで、ステップｄ３を繰返す。そして走行開始バリ形状と、撮像情報に含まれるバリ６０の形状とが類似範囲であると判断すると、ステップｄ４に進む。

ここで、予め設定される走行開始バリ形状は、被接合物３３が過不足なく流動化した場合におけるバリ６０の形状に設定される。走行開始バリ形状は、バリ６０の面積、発生位置、長さ、幅などの特徴値が抽出された値であって、制御装置２５は、走行開始バリ形状に設定される特徴値と、撮像情報に含まれるバリ形状における特徴値とを比較して、類似しているか否かを判断する。

図１５は、バリ６０の成長過程を側面から示す断面図であり、図１５（１）〜図１５（４）の順でバリ６０が成長する。また図１６は、図１５の矢符Ｓ１６−矢符Ｓ１６から見た断面図である。図１６（１）〜図１６（４）の順でバリ６０が成長する。

図１５（１）、図１６（１）に示すように、回転ツール３０のピン部３７が被接合物３３に没入することによって、被接合物３３の一部分が回転ツール３０によって押し出される。押し出された部分は、被接合物３３の表面に突出して、バリ６０を形成する。本実施の形態では、回転ツール３０は、前進角度αが付与された状態で被接合物３３に没入するので、走行方向上流側Ｘ２に発生するバリ６０が多くなる。

図１５（２）、図１６（２）に示すように、バリ６０は、回転ツール３０が被接合物３３に没入する没入量が増えることによって増加する。またショルダ部３６もまた被接合物３３の表面に対して傾斜して配置されるので、ショルダ部３６のうち走行方向上流側Ｘ２部分が被接合物３３に没入する。これによって走行方向上流側Ｘ２に発生するバリ６０が、走行方向下流側Ｘ１に発生するバリ６０よりも多くなる。特にショルダ部３６のうち走行方向下流側Ｘ１部分が被接合物３３と当接しない場合には、走行方向下流側Ｘ１と走行方向上流側Ｘ２のバリ６０発生量が大きく異なる。

回転ツール３０が被接合物３３を流動化させるとともに撹拌することによって、バリ６０は、流動化する被接合部分３３に連れ回されて、回転軸線まわりに角変位する。図１５（３）、図１６（３）に示すように、被接合物３３が十分に流動化すると、走行方向上流側Ｘ２のバリ６０の一部が流動化した流動化部分とともに走行方向下流側Ｘ１に移動する。これによってショルダ部３６のうち走行方向下流側の部分と、被接合物３３との間にバリ６０が侵入する。

図１７は、被接合物３３が十分に流動化した場合の、バリを拡大して示す図である。図１６（３）に示すように、被接合物３３が十分に流動化すると、バリ６０が走行方向上流側に移動する。そして搬送方向上流側で、ショルダ部３６と、被接合物３３との間の隙間Ｐに進入する。したがってショルダ部３６は、端部が全周にわたって、バリ６０に没入した状態となる。

図１８は、図１７のＳ１７−Ｓ１７切断面線から見たバリを示す断面図である。被接合物３３が十分に流動化した場合、基準軸線Ｌ１に垂直な切断面で回転ツール３０を切断すると、上述したようにバリ６０がショルダ部３６を全周にわたって覆う。このとき、走行方向上流側のバリの量よりも、走行方向下流側のバリの量のほうが多い。言い換えると、走行方向上流側のバリの半径方向寸法Ａ１は、走行方向下流側の半径方向寸法Ａ２よりも小さい。

図１５（４）、図１６（４）に示すように、回転ツール３０が走行を開始すると、走行方向下流側のバリ６０は解消される。そして走行方向下流側とは異なる部分にバリ６０が形成された状態で、回転ツール３０が走行する。バリ６０は、回転ツール３０が被接合物３３に没入される没入開始位置付近に形成されやすい。

本実施の形態では、制御装置２５は、走行開始バリ形状は、走行方向下流側Ｘ１に発生するバリ６０の形状に設定される。制御装置２５は、走行方向下流側Ｘ１に発生するバリ６０を撮像し、その走行方向下流側Ｘ１に発生するバリ６０が、所定量以上に達すると、ステップｄ４に進む。たとえば走行方向下流側Ｘ１のバリ６０の面積、高さおよび長さの少なくともいずれかが所定量以上に達すると、ステップｄ４に進む。これによって被接合物３３を十分に軟化させた状態で、回転ツール３０の走行を開始することができる。

たとえば撮像手段５９を走行方向に垂直な方向に配置した場合、図１５（３）に示すように、側面視における走行方向下流側Ｘ１のバリ６０の高さＨ１、幅Ｂ１および高さＨ１と幅Ｂ１との積（Ｈ１×Ｂ１）の少なくともいずれかが所定量以上に達すると、制御装置２５は、被接合物の軟化状態が予め定める状態に達したことを判断することができる。

また、バリ６０が、搬送方向上流側で、ショルダ部３６と、被接合物３３との間の隙間Ｐに進入して、ショルダ部３６と被接合物３３との間の隙間Ｐが埋まると、被接合物の軟化状態が予め定める状態に達したことを判断してもよい。

またたとえば撮像手段５９を走行方向下流に配置した場合、図１６（３）に示すように、正面視における長さＭ１、高さＨ１および長さＭ１と高さＨ１との積（Ｍ１×Ｂ１）の少なくともいずれかが所定量以上に達すると、制御装置２５は、被接合物の軟化状態が予め定める状態に達したことを判断することができる。ここで撮像手段５９は、回転ツール３０の走行方向下流側に配置されることが好ましい。たとえば境界線３５に沿って走行方向を倣い制御する場合、倣い制御用のＣＣＤカメラと、バリ撮像用のＣＣＤカメラとを兼用することができ、新たな構成を追加する必要がない。

なお本実施の形態では、走行方向下流側Ｘ１のバリ６０の形状が、走行開始バリ形状になったことを判断して、回転ツール３０の走行を開始したが、これに限定されない。すなわちバリ６０の撮像結果に基づいて、回転ツール３０の走行開始時刻ｔ３を決定する構成であればよい。たとえば走行方向下流側Ｘ１のバリ６０の形状が所定の形状に達した時刻を判断し、その時刻から所定時間経過してから、回転ツール３０の走行を開始してもよい。また走行方向下流側Ｘ１以外のバリ６０の形状に基づいて、走行開始時刻ｔ３を決定してもよい。

ピン部３７が被接合物３３に当接してからショルダ部３６が被接合物３３に当接するまでの摩擦撹拌状態は、外気温、対象物の寸法、対象物を支持する裏当て部材の寸法などの外乱によってばらつく。これに対して、バリ６０の発生と摩擦撹拌状態との間の関係には、外乱の影響が少ない。したがって本実施形態のようにバリ６０の撮像結果に基づいて、回転ツール３０の走行開始時刻ｔ３を決定することで、外乱の影響を抑えて一定の摩擦撹拌状態で、回転ツールの走行を開始することができる。

外乱の影響を抑えて一定の摩擦撹拌状態で、回転ツールの走行を開始することで、摩擦撹拌が不十分な状態となったり、摩擦撹拌が過剰な状態となったりすることを防ぐことができる。したがって摩擦撹拌後の品質のばらつきを抑えることができる。また本実施の形態では、バリ６０の撮像結果に基づいて、接合条件を調整する一例として、走行開始時刻ｔ３を決定したが、その他の接合条件を決定してもよい。たとえばバリ６０の撮像結果に基づいて回転ツール３０の回転速度を調整してもよい。この場合、バリ６０の直径が所定範囲よりも大きい場合、制御装置２５は、軟化状態が過剰であることを判断し、回転速度を低下させてもよい。これによって回転ツール３０が過剰に被接合物３３に没入することを防ぐことができる。

また接合装置２０の構成は、上述した構成に限定されない。たとえばＦＳＷヘッド２１を移動する移動体１９は、ＦＳＷヘッド２１を片持ち支持する構成であってもよい。また本実施の形態では、第２方向Ｙおよび第３方向ＸにＦＳＷヘッド２１を移動可能に構成されたが、被接合物３３の境界線３５が第３方向Ｘに沿って延びる場合には、第２方向Ｙに変位可能な構成でなくてもよい。また基準軸線Ｌ１を角変位する角変位手段がなくてもよい。さらに接合装置２０は、車輪を有して被接合物３３上を移動する自走式であってもよい。

以上のような本発明の第１〜第４実施形態は、対象物を被接合物として摩擦撹拌接合を行う場合について説明したが、本発明は、摩擦撹拌接合以外の摩擦撹拌装置および方法にも用いることができる。たとえば摩擦撹拌を用いて被処理部材の強度を改質する摩擦撹拌処理（ＦＳＰ、Friction Stir Processing）法にも、本発明を適用することができる。

摩擦撹拌処理は、上述した回転ツール３０と同様の形状を有する撹拌ツールと、上述した接合装置２０，１２０と同様の構成を有する撹拌装置とを用いて行われる。たとえば摩擦撹拌処理が行われる対象物の材質として、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタニウム合金などが用いられる。撹拌装置は、撹拌ツールを軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する。また回転する撹拌ツールを、予め定める移動経路に沿って移動させることで、移動経路に沿って対象物を摩擦撹拌することができる。これによって対象物の組織改質、たとえば結晶粒微細化を行うことができ、結晶粒の微細化によって機械的特性を向上することができる。たとえば航空機用構造部材の接合部分の結晶粒を微細化することで、機械的性質を改善することができる。また曲げ変形加工予定部の結晶流を微細化することで、曲げ加工性を改善する。

このような摩擦撹拌処理に本発明を用いた場合、対象物の軟化状態が予め定める状態に状態に達したときに、撹拌ツールの走行を開始することができる。これによって外乱に起因する摩擦撹拌品質のばらつきを抑えることができ、安定した機械特性を得ることができる。

図１９は、本発明の第５実施形態である摩擦撹拌接合装置２５１を含む接合設備２５０を示す斜視図である。本実施の形態では、接合装置２５１によって被接合物３３に複数点在する被接合部分６４を順次スポット接合する。たとえば接合装置２５１を用いて、自動車ボディや鉄道車両構体などの外板がスポット接合される。

接合設備２５０は、接合装置２５１と、接合装置２５１を保持する多関節ロボット２５２と、接合装置２５１および多関節ロボット２５２を制御する制御装置２５３と、接合装置２５１および多関節ロボット２５２に動力を供給するための電源供給装置２５４と、重ねあわされた複数の被接合部材３１，３２から成る被接合物３３を保持する保持装置２５５とを含んで構成する。

多関節ロボット２５２は、被接合物３３に予め定める被接合部分６４に、回転ツール３０を移動させる搬送装置となり、任意の位置および任意の姿勢となるように回転ツール３０を把持した接合装置２５１を移動させる。接合装置２５１は、多関節ロボット２５２によって移動されて、保持装置２５５に保持される２つの被接合部材３１，３２を互いに接合する。

接合装置２５１は、予め定める基準軸線を有する。回転ツール３０は、その軸線Ｌ１が前記基準軸線に一致するように、接合装置５１に保持される。このとき回転ツール３０の軸線Ｌ１と接合装置５１の基準軸線とは同軸となる。以下、接合装置５１の基準軸線を、回転ツール３０の軸線と同じ参照符号Ｌ１で示す。また接合装置２５１に装着される回転ツール３０は、第１実施形態に示した回転ツール３０とほぼ同様の形状に形成される。また第５実施形態の回転ツール３０は、ピン部３７が略円錐大径状に形成され、ショルダ部３６から離反するとともに縮径する形状に形成される。またショルダ部３６の端面は、円錐周面状に形成され、半径方向内方に向かうにつれてピン部３７の先端部から離反する方向に軸線方向に延びる。

図２０は、接合装置２５１の構成を示すブロック図である。接合装置２５１は、ツール保持部２７１と、回転駆動手段２７２と、直進駆動手段２７３と、受け台２７４と、基体２７５とを含んで構成される。ツール保持部２７１は、回転ツール３０を着脱可能に保持する。ツール保持部２５１は、基準軸線Ｌ１まわりに回転可能でかつ基準軸線Ｌ１に沿って直線変位可能に基体２７５に支持される。

回転駆動手段２７２は、ツール保持部２７１を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。直進駆動手段２７３は、ツール保持部２７２を軸線方向Ｘに直進駆動する。具体的には、各駆動手段２７２，２７３は、サーボモータを含んで実現される。各サーボモータは、動力伝達機構を介して、動力をツール保持部２７１にそれぞれ伝達する。これによってツール保持部２７１は、回転および直線変位する。

各サーボモータは、予め定めるトルクおよび回転量で回転するように、付与電流に基づいてフィードバック制御される。各駆動手段２７２，２７３は、各サーボモータに付与される付与電流を検出する付与電流検出手段がそれぞれ設けられる。また各駆動手段２７２，２７３は、各サーボモータの回転量を検出するエンコーダがそれぞれ設けられる。

回転駆動手段２７２に対応するエンコーダは、回転ツール３０の回転速度を検出する回転速度検出手段となる。また回転駆動手段２７２に対応する付与電流検出手段は、回転ツール３０の回転方向のトルクを検出する負荷トルク検出手段となる。直進駆動手段２７３に対応するエンコーダは、回転ツール３０の軸線方向Ｘの位置を検出するツール位置検出手段となる。また直進駆動手段２７３に対応する付与電流検出手段は、回転ツール３０が被接合物３３を加圧する力を検出する押圧力検出手段となる。

受け台２７４は、ツール保持部２７１に対して軸線方向Ｘに関して対向する位置に設けられる。受け台２７４は、基体２７５に固定される。受け台２７４は、摩擦撹拌接合にあたって、回転ツール３０と反対側から被接合物３３を支持する。基体２７５は、多関節ロボット２５２のロボットアーム２５６の先端部に連結され、ツール保持部２７１、各駆動手段２７２，２７３および受け台２７４を直接または間接的に支持する。

基体２７５は、ロボットアーム２５６によって任意の位置および姿勢に変位駆動される。また基体２７５は、いわゆるＣガンであって、略Ｃ字状に形成される。受け台２７４は、基体２７５の周方向一端部２７５ａに設けられる。またツール保持部２７１は、基体２７５の周方向他端部７５ｂに設けられる。

制御装置２５３は、各ロボットアームを駆動するロボットアーム駆動手段を制御するとともに、接合装置２５１の回転駆動手段２７２および直進駆動手段２７３を制御する。制御装置２５３は、ツール位置検出手段、押圧力検出手段、回転速度検出手段および負荷トルク検出手段から検出結果を示す信号が与えられる。制御装置２５３は、各検出手段から与えられる信号に基づいて、直進駆動手段２７３および回転駆動手段２７２を制御する。制御装置２５３が、各駆動手段２７２，２７３を制御することによって、目的とする回転速度および押圧力で、回転ツール３０を被接合物３３に没入させることができる。

また制御装置２５３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などによって実現される演算処理回路と、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などによって実現される記憶回路とを有する。記憶回路には、接合装置５１の動作条件に関する動作プログラムが記憶されている。たとえば動作条件は、回転ツール３０の回転数、被接合部分への没入量、没入時間、押圧力などであって、予め最適な値が記憶される。また記録回路には、被接合部分の位置および基体２７５を移動する移動経路などを示す移動情報が記憶される。制御装置２５３の演算処理回路が、記憶回路から動作プログラムを読み出し、その動作プログラムを実行する。これによって制御装置２５３は、動作プログラムに従って、各駆動手段２７２，２７３およびアーム駆動手段を制御することができる。

図２１は、制御装置２５３による摩擦撹拌接合手順を示すフローチャートである。また図２２は、接合動作を説明するための断面図であり、図２２（１）〜図２２（４）の順番に動作が行われる。以下に１つの被接合部分についてスポット接合する場合の制御装置２５３の動作を説明する。本実施の形態では、制御装置２５３は、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したショルダ部当接時刻ｔ２を判断すると、ショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、回転ツール３０を被接合物３３から離脱させる離脱開始時刻ｔ４を決定する。

制御装置２５３は、ステップｅ０で、被接合部分６４の位置を示す移動情報が教示されるとともに、ツール保持部７１に回転ツール３０が把持されて接合準備が完了したうえで、作業者などによって接合開始命令が与えられると、ステップｅ１に進み、接合動作を開始する。

ステップｅ１では、制御装置２５３は、ロボットアーム駆動手段に動作指令を与え、基体２７５を被接合物３３に設定される被接合部分６４に近接した教示位置に移動させる。教示位置に基体２７５が配置されると、回転ツール３０は、被接合部分６４に対して軸線方向に間隔を開けて配置される。また教示位置に基体２７５が配置されると、受け台２７４は、回転ツール３０と反対側から被接合物３３に当接する。このように回転ツール３０を接合待機位置に移動させると、ステップｅ２に進む。

ステップｅ２では、制御装置２５３は、回転駆動手段２７２を制御して、ツール保持部２７１を回転させる。これによってツール保持部２７１とともに回転ツール３０が回転し、予め定める回転速度に達すると、ステップｅ３に進む。ステップｅ３では、制御装置２５３は、直進駆動手段２７３を制御し、ツール保持部２７１を軸線方向一方に移動させる。これによって図２２（１）に示すように、回転ツール３０が、軸線Ｌ１まわりに回転しながら被接合物３３に近接移動する。回転ツール３０の直進移動を開始するとステップｅ４に進む。

図２２（２）に示すように、回転ツール３０は、回転しながらピン部３７から被接合部分６４に没入する。次に回転ツール３０は、図２２（３）に示すように、被接合部分に没入した後も、回転しながら軸線方向一方にさらに進行する。回転ツール３０は回転を続けているので、ショルダ端面２２７およびピン部３７と被接合部分６４との摩擦熱によって、軟化した各被接合部材３１，３２が回転ツール３０に引きずられて、塑性流動して撹拌される。これによってピン部３７の周囲において各被接合部材６１，６２が、混ぜ合わされた領域６５が形成されて一体化する。

ステップｅ４では、制御装置２５３は、図２２（４）に示すように、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したか否かを判断する。たとえば制御装置２５３は、モータ回転立ち上り時の電流を除いて、回転ツール３０を回転するサーボモータに流れる電流が極大値となる時刻を、ショルダ部３６が被接合物３３に当接したショルダ部当接時刻ｔ２として判断する。このように制御装置２５３は、ショルダ部当接時刻ｔ２を判断すると、ステップｅ５に進む。

ステップｅ５では、制御装置２５３は、ショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、回転ツール３０を被接合物３３から離脱させる離脱開始時刻ｔ４を決定する。本実施の形態では、ショルダ部当接時刻ｔ２から、予め定める待機時間が経過した時刻を離脱開始時刻ｔ４として決定する。したがって図２２（５）に示すように、ショルダ部３６は、被接合物３３に部分的に没入する。制御装置２５３は、離脱開始時刻ｔ４に達したか否かを判断し、離脱開始時刻ｔ４に達したと判断するとステップｅ６に進む。ここで離脱時間は、ショルダ部が被接合部材１６１に当接してから、回転ツール３０が各被接合部材６１，６２を充分に撹拌するであろう時間に設定される。

ステップｅ６では、予め定める終了動作を行い、ステップｅ７に進む。具体的には、図２２（６）に示すように、制御装置２５３は、回転ツール３０を被接合物３３から離脱させるとともに、離脱後に回転ツール３０の回転を停止させる。ステップｅ７では、制御装置２５は、接合動作を終了する。このようにして１つの被接合部分６４におけるスポット接合動作が行われる。同じ接合条件で複数の被接合部分６４を順番にスポット接合する場合、制御装置２５３は、上述したステップｅ１〜ｅ７を繰返す。

図２３は、ツール回転用モータの電流値の時間変化を示すグラフである。図２３（１）は、回転ツール３０が被接合物３３に与える押圧力が２４５０Ｎ（２５０ｋｇｆ）の場合を示す。また図２３（２）は、回転ツール３０が被接合物３３に与える押圧力が２６９５Ｎ（２７５ｋｇｆ）の場合を示す。図２３（３）は、回転ツール３０が被接合物３３に与える押圧力が２９４０Ｎ（３００ｋｇｆ）の場合を示す。図２３では、その他の条件を一定にした。具体的には、押込み速度を一定値として、ツール回転速度を３０００ｒｐｍとし、ツール押込み量を０．４ｍｍとした。

回転用モータの電流値は、回転ツール３０が一定の回転速度で回転するために必要な電流値である。回転用モータ電流値は、回転指令が与えられてモータの回転立ち上り時刻ｔ０において、急峻に増加しすぐに低下する。そして回転ツール３０が被接合物３３に没入するまで、ほぼ一定の第１電流値Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１となる。次に回転ツール３０のうちピン部３７が被接合物３３に当接するピン部当接時刻ｔ１には、第１電流値Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１よりも大きい第２電流値Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２となる。ピン部当接時刻ｔ１から時間が経過すると、ピン部３７がさらに没入することによって、電流値は第２電流値Ａ１２，Ａ２２，Ａ３２に比べて増加する。

次に回転ツール３０のうちショルダ部３６のショルダ端面が被接合物３３に当接するショルダ部当接時刻ｔ２における第３電流値Ａ１３，Ａ２３，Ａ３３は、立ち上り時ｔ０における電流値Ａ０を除いて、最も大きな電流値、すなわち極大値となる。ショルダ部当接時刻ｔ２から時間が経過すると、被接合物が軟化することで、電流値は第３電流値Ａ１３，Ａ２３，Ａ３３に比べて減少する。そして回転ツールを離脱させた離脱開始時刻ｔ４以降には、電流値は、再び第１電流値Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１となる。

上述したように、ピン部３７が没入してからショルダ部３６が当接するまでの時間Ｐ１２，Ｐ２２，Ｐ３２は、接合条件のほかに外気温などの外乱によってばらつくことが多い。これに対して、ショルダ部３６が当接してから被接合物が過不足なく軟化するまでの時間Ｐ１１，２１，Ｐ３１は、接合条件のみに依存して外乱の影響を受けにくい。本実施の形態では、ショルダ部３６が当接するショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、回転ツール３０を被接合物３３から離脱させる時間を決定する。これによって、ピン部３７が被接合物３３に当接する時刻に基づいて回転ツール３０を被接合物３３から離脱させる時間を決定する場合に比べて、接合後の接合品質のばらつきを少なくすることができる。

図２４は、ツール押圧力が２６９５Ｎにおける破断強度と、回転ツール３０の没入時間との関係を示すグラフである。図２４（１）は、ショルダ部当接時刻ｔ２から所定時間経過したショルダ接触後接合時間Ｐ２１の変化における破断強度を示す。また図２４（２）は、ピン部当接時刻ｔ１から所定時間経過した総合接合時間Ｐ２３の変化における破断強度を示す。ショルダ接触後接合時間Ｐ２１および総合接合時間Ｐ２３が増加するにつれて、破断強度が増加する。しかしながら接合時間Ｐ２１，Ｐ２３を長くしすぎると、回転ツール３０の没入量が過大となり、被接合物を貫通してしまうおそれがある。

ショルダ接触後接合時間Ｐ２１における破断強度は、総合接合時間Ｐ２３における破断強度に比べて、ばらつきが少ない。具体的には、同じショルダ接触後接合時間Ｐ２１で接合した場合には、破断強度のばらつきは最大で約１０００Ｎである。また同じ総合接合時間Ｐ２３で接合自他場合には、破断強度のばらつきは最大で約２０００Ｎである。

図２５は、ツール押圧力が３０００Ｎにおける破断強度と、回転ツール３０の没入時間との関係を示すグラフである。図２５（１）は、ショルダ部当接時刻ｔ２から所定時間経過したショルダ接触後接合時間Ｐ３１の変化における破断強度を示す。また図２５（２）は、ピン部当接時刻ｔ１から所定時間経過した総合接合時間Ｐ３３の変化における破断強度を示す。図２５に示す場合と同様に、ショルダ接触後接合時間Ｐ３１における破断強度は、総合接合時間Ｐ３３における破断強度に比べて、ばらつきが少ない。

本実施の形態では、図２４（１）および図２５（１）に示すように、ショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、回転ツール３０を被接合物３３から離脱させる離脱開始時刻ｔ４を決定する。これによって破断強度のばらつきを減らすことができ、接合品質を向上することができる。また破断強度を確保するために接合時間を不所望に大きくする必要がなく、回転ツール３０が被接合物３３を貫通するおそれを減らすことができるとともに、接合作業に費やす時間を短縮することができる。またスポット接合においては、各接合部分における破断強度が総合されて被接合物３３の強度が決定される。したがって各接合部分における破断強度がばらついて、いずれか１つでも低い場合には、全体として被接合物３３の強度が大きく低下するおそれがある。本実施の形態では、上述したように破断強度のばらつきを減らすことで被接合物全体としても強度の低下を防ぐことができる。

以上のような本実施の形態は、発明の一例示に過ぎず発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本実施の形態では、ショルダ部当接時刻ｔ２を判断してから、所定時間経過した時刻を離脱開始時刻ｔ４として決定したが、他の終了条件に基づいて離脱開始時刻ｔ４を決定してもよい。たとえば第１実施形態で示したように、ショルダ部当接時刻ｔ２を経過してから、回転用モータ４０に与えられる電流、すなわち被接合物３３から与えられる回転抵抗力が予め定められる離脱開始設定値に達した時刻を離脱開始時刻ｔ４としてもよい。このようにショルダ部当接時刻ｔ２を経過した後の回転抵抗力に基づいて離脱開始時刻ｔ４を決定することで、さらに外乱の影響を少なくすることができる。また第２実施形態で示したように、ショルダ部当接時刻ｔ２を経過してから、回転用モータ４０に流れる電流の時間変化、すなわち被接合物３３から与えられる回転抵抗力の時間変化が予め定める離脱開始設定値に達した時刻を離脱開始時刻ｔ４としてもよい。このように第１〜第４実施形態で示した構成について、第５実施形態でも適用可能な構成については、適宜適用することができる。

またショルダ部当接時刻ｔ２を決定するために、回転用モータの電流値に基づいて決定したが、押圧用モータの電流値に基づいてショルダ部当接時刻ｔ２を決定してもよい。このように他の検出手段および検出方法に基づいて、ショルダ部当接時刻ｔ２を決定してもよい。またショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて、離脱開始時刻ｔ４を決定したが、回転ツール３０が被接合物３３に没入している間に調整可能な他の接合条件を変更してもよい。たとえば没入速度、押圧力、回転速度などを、ショルダ部当接時刻ｔ２に基づいて変化させてもよい。

以上のような本実施の形態の摩擦撹拌装置およびその方法は、本発明の一例示であって、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本実施の形態では、アルミ合金を接合するとしたが、他の物質であってもよい。たとえばマグネシウム合金、銅合金、チタニウム合金、鉄または鋼などであっても、摩擦撹拌することができる。また接合装置は、上述した装置に限定されない。

本発明の第１実施形態である摩擦撹拌装置を示す斜視図である。 回転ツール３０と被接合物３３とを示す斜視図である。 接合装置２０の構成を示すブロック図である。 インバータ装置４４を示すブロック図である。 被接合物３３から回転ツール３０に与えられる抵抗力の時間変化を示すグラフである。 制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートである。 摩擦撹拌接合動作を説明するための断面図である。 外乱が発生する場合において、被接合物３３から回転ツール３０に与えられる回転抵抗力の時間変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態である制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態である制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートである。 第３実施形態の制御装置２５の動作を説明するための回転抵抗力の時間変化を示すグラフである。 本発明の第４実施形態である接合装置１２０の構成を示すブロック図である。 被接合物３３に発生するバリ６０を示す図である。 第４実施形態である制御装置２５による摩擦撹拌接合動作を示すフローチャートである。 バリ６０の成長過程を側面から示す断面図である。 図１５の矢符Ｓ１６−矢符Ｓ１６から見た断面図である。 被接合物３３が十分に流動化した場合の、バリを拡大して示す図である。 図１７のＳ１７−Ｓ１７切断面線から見たバリを示す断面図である。 本発明の第５実施形態である摩擦撹拌接合装置２５１を含む接合設備２５０を示す斜視図である。 接合装置２５１の構成を示すブロック図である。

制御装置２５３による摩擦撹拌接合手順を示すフローチャートである。 接合動作を説明するための断面図である。 ツール回転用モータの電流値の時間変化を示すグラフである。 ツール押圧力が２６９５Ｎにおける破断強度と、回転ツール３０の没入時間との関係を示すグラフである。 ツール押圧力が３０００Ｎにおける破断強度と、回転ツール３０の没入時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

２０ 接合装置
２５ 制御装置
３０ 回転ツール
３１ 被接合部材
３２ 被接合部材
３３ 被接合物
３６ ショルダ部
３７ ピン部
４０ 回転手段
４４ インバータ装置
４５ 押圧手段
４６ 走行手段
ｔ１ ピン部当接時刻
ｔ２ ショルダ部当接時刻
ｔ３ 走行開始時刻
ｔ４ 離脱開始時刻
Ｌ１ 回転ツール３０の軸線

Claims (10)

1. 略円柱状に形成されるショルダ部と、ショルダ部に対して同軸に形成されてショルダ部から軸線方向一方に突出し、ショルダ部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌装置であって、
   回転ツールを軸線まわりに回転駆動する回転手段と、
   回転ツールを軸線方向に変位駆動して対象物に押圧する押圧手段と、
   軸線方向に交差する走行方向に、対象物に対して回転ツールを相対的に変位駆動する走行手段と、
   回転ツールが軸線まわりに回転しながら対象物を押圧するときに、対象物から回転ツールに与えられる抵抗力を検出する検出手段と、
   回転手段、押圧手段および走行手段を制御する制御手段とを含み、
   制御手段は、回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールをピン部から対象物に没入させた後、検出手段によって検出される抵抗力が極大値となった時刻を、ショルダ部が対象物に当接したショルダ部当接時刻であることと判断し、前記ショルダ部当接時刻に基づいて、回転ツールを走行方向に移動開始させる時刻を決定することを特徴とする摩擦撹拌装置。
2. 回転手段は、電動モータによって実現され、
   検出手段は、回転手段を構成する電動モータに供給される電流に基づいて、回転ツールに与えられる抵抗力を求めることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌装置。
3. 制御手段は、ショルダ部当接時刻に達した後で、検出手段によって検出される抵抗力が予め定める走行開始設定値に達すると、回転ツールを走行方向に移動開始させることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦撹拌装置。
4. 制御手段は、ショルダ部当接時刻に達した後で、抵抗力の時間変化が予め定める走行開始設定値に達すると、回転ツールを走行方向に移動開始させることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦撹拌装置。
5. 制御手段は、検出手段からショルダ部当接時刻に達する前と、ショルダ部当接時刻に達した後とで、摩擦撹拌条件を異ならせることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の摩擦撹拌装置。
6. 回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌装置であって、
   回転ツールを軸線まわりに回転駆動する回転手段と、
   回転ツールを軸線方向に変位駆動して対象物に押圧する押圧手段と、
   軸線方向に交差する走行方向に、対象物に対して回転ツールを相対的に変位駆動する走行手段と、
   回転ツールが対象物に没入されたときに、対象物から発生するバリを撮像する撮像手段と、
   回転手段、押圧手段および走行手段を制御する制御手段とを含み、
   制御手段は、回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールを対象物に没入させた後、撮像手段によって撮像されるバリの撮像結果に基づいて、回転ツールを走行方向に移動開始させる走行開始時刻を決定することを特徴とする摩擦撹拌装置。
7. 略円柱状に形成されるショルダ部と、ショルダ部に対して同軸に形成されてショルダ部から軸線方向一方に突出し、ショルダ部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌装置であって、
   回転ツールを軸線まわりに回転駆動する回転手段と、
   回転ツールを軸線方向に変位駆動して対象物に押圧する押圧手段と、
   ショルダ部が対象物に当接したことを検出するための検出手段と、
   回転手段、押圧手段および走行手段を制御する制御手段とを含み、
   制御手段は、回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールをピン部から対象物に没入させた後、検出手段によってショルダ部が対象物に当接したことを示すショルダ部当接情報が検出手段から与えられると、ショルダ部当接情報に基づいて、回転ツールを対象物から離脱させる離脱開始時刻を決定することを特徴とする摩擦撹拌装置。
8. 略円柱状に形成されるショルダ部と、ショルダ部に対して同軸に形成されてショルダ部から軸線方向一方に突出し、ショルダ部よりも外径が小さい略円柱状に形成されるピン部とが形成される回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌方法であって、
   回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールをピン部から対象物に没入させた後、対象物から回転ツールに与えられる抵抗力が極大値となった時刻に基づいて、回転ツールによる摩擦撹拌条件を調整することを特徴とする摩擦撹拌方法。
9. 回転ツールを、軸線まわりに回転させながら対象物に没入させて対象物を摩擦撹拌する摩擦撹拌方法であって、
   回転ツールを軸線まわりに回転させた状態で、回転ツールの先端部から対象物に没入させ、撮像手段によって撮像されるバリの撮像結果に基づいて、回転ツールによる摩擦撹拌条件を調整することを特徴とする摩擦撹拌方法。
10. 請求項８または９に記載の摩擦撹拌方法を用いて製造される被摩擦撹拌物を含む構造体。