JP2007118061A - 摩擦撹拌接合方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦撹拌接合方法において接合ツールを押し込んだ後、良好な接合が可能な接合加工開始のタイミングを制御する方法と装置を提供する。
【解決手段】一定の加圧力で加圧して、摩擦攪拌接合する方法であって、接合ツールの軸方向の移動速度が検知装置で検知され、前記接合ツールのツール本体のショルダー面が被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点を検知したとき、軸方向の移動を停止し接合加工を開始するように制御することを特徴とする摩擦撹拌接合方法及び装置。
【選択図】 図２

Description

この発明は、アルミニウム部材等の金属被接合部材同士を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置に関する。

摩擦撹拌接合方法は、アルミニウムやアルミニウム合金、マグネシウムやマグネシウム合金、銅や銅合金、チタニウムやチタニウム合金、鉄又は鋼等の金属被接合部材について、それらの融点以下の温度で固相接合できる方法である。すなわち実質的に前記金属被接合部材よりも硬い材質の接合ツールを回転させながら被接合部材の接合部位に挿入し、被接合部材と相対的に移動させることにより、前記接合ツールと前記被接合部材との間で発生する摩擦熱と塑性流動を利用して接合する方法である。

図８は従来の摩擦撹拌接合方法を説明するための概略図で、被接合部材Ａ、Ａがベッド２上に固定されている。被接合部材Ａ、Ａの突合せ部が接合部位Ａ１である。接合ツール１はツール本体１１のショルダー面１２にプローブ１３が突設されており、この接合ツール１は回転自在の接合具１４のツールホルダー１５に着脱自在に取り付けられている。接合具１４は制御装置で制御されて回転しながら上下方向に移動し、接合ツール１先端のプローブ１３が被接合部材Ａ、Ａの接合部位Ａ１上に押圧される。

プローブ１３の回転によりプローブ１３の下端面と被接合部材Ａ、Ａとの間で摩擦熱が発生し、接合部位Ａ１が塑性流動を起こした状態で挿入される。無理なく挿入されるよう接合ツール１の回転数、プローブ１３の挿入速度は調整される。

プローブ１３が接合部位Ａ１に挿入され、接合ツール１のショルダー面１２が接合部位Ａ１の表面に接触すると、ショルダー面１２との摩擦により接合部位Ａ１の上面からも加熱されて接合部位Ａ１の近傍部分が可塑化され、被接合部材Ａ、Ａの素材が混ざり合うことになる。この状態になったら、プローブ１３と被接合部材Ａ、Ａとを相対的に移動させる。すなわち、プローブ１３が突設された接合ツール１の取り付けられた接合具１４を被接合部材Ａ、Ａの接合部位Ａ１に沿って移動させるか、接合具１４は固定位置で回転され被接合部材Ａ、Ａを固定しているベッド２を接合部位Ａ１が接合具１４の真下を通過するよう移動させる。これにより接合部位Ａ１に沿って一定幅にわたって被接合部材Ａ、Ａが可塑化され、混合されてプローブ１３の通過後冷却硬化して、接合される。

尚、プローブ１３の軸芯は被接合部材Ａ、Ａの接合部位Ａ１の表面に直角でなく、接合具１４が移動する場合には移動する方向にプローブ１３の下端側が先行するよう（被接合部材Ａ、Ａが移動する場合には移動する方向にプローブ１３の下端側が後退するよう）２〜４度程度傾斜している。プローブ１３が傾斜していると、被接合部材Ａ、Ａと相対的に移動させるとき、ショルダー面１２が被接合部材Ａ、Ａの面上を滑走するように移動し、プローブ１３の被接合部材Ａ、Ａ内への挿入位置を安定して一定に保持することができ、均一な接合ができる。

この摩擦撹拌接合方法は、前記接合ツールと被接合部材との摩擦熱による塑性流動現象を利用しているので、アーク溶接や電子ビーム溶接などの従来の溶接法とは異なり、被接合部材を溶かして接合(溶接)するものではないので、熱影響による接合部の歪みが少なく、接合後の割れ等が回避され、また、接合部は素地が撹拌混練されて均一に一体化した状態となり、かつ組成変化を生じないことから、接合部に十分な剛性と強度が付与されるという利点がある。

更に、摩擦撹拌接合方法は、従来の摩擦溶接法のように被接合部材同士を相対的に摺動させ回転させてその摩擦熱により溶融接合する方法とは異なり、被接合部材を接合部位に沿って連続的に被接合部材の融点以下で接合できる方法である。また接合部位は直線のみでなく、曲線や３次元的な曲線であっても接合可能である。

ところで、前記接合ツールのプローブを被接合部材の接合部位に挿入する方法には、プローブの先端位置を制御しながら機械的に挿入する方法と、接合ツール即ちプローブにエアーシリンダーや油圧シリンダーやサーボモータ等による一定の加圧力を加えて挿入する方法とがある。

機械的に挿入する方法では、強制的にプローブを被接合部材内に押し込むので、プローブ先端位置を常時把握でき、プローブの押し込み完了位置を確認できるので、プローブと被接合部材とを相対的に移動させる接合加工を開始するタイミングをしっかりとつかむことができる。
しかし、被接合部材が可塑化した状態でプローブを押し込むことが必要で、プローブの回転数、形状、押し込み速度あるいは接合加工の相対的移動速度等の接合条件を被接合部材の材質や寸法等が変わるとその都度調整する必要がある。

また、接合条件が適切でないとプローブの被接合部材内への押し込み中あるいは接合中にプローブが折れたり、欠けたりする破損が発生することがあり、プローブが破損するとその後の接合加工に欠陥が生じることになる。したがって、常時プローブの破損を看視しておく必要がある。

一方、一定の加圧力を加えて挿入する方法では、被接合部材の材質に応じて経験的に把握されているプローブの回転数と加圧力に設定しておけば、被接合部材の可塑化に応じてプローブが接合部位内に挿入されていくため、プローブの破損は防止される。
しかし、プローブ先端が被接合部材の接合部位のどの位置まで押し込まれているのかが把握されないので、プローブと被接合部材とを相対的に移動させて接合加工を開始するタイミングをつかむことができない。
そこで、プローブの回転数、加圧力、被接合部材の材質、厚さ、温度等の環境条件により経験的に把握されている押し込み時間（プローブ下端面が被接合部材表面に当ってから相対的に移動させて接合加工を開始するまでの時間）を設定してプローブの被接合部材内への押し込み位置を推定し、プローブと被接合部材とを相対的に移動させる接合加工開始のタイミングとすることが行われている。

しかし、プローブの押し込み時間は、加工条件や接合ツールの形状や摩耗状況、被接合部材の温度、加工雰囲気温度等により異なるため前回の接合加工状態を見て加工するごとにタイマーを調整する必要があり、加工効率に劣る。
また、接合ツールのショルダー面が被接合部材の表面に接触するタイミングを目視で確認して接合加工を開始することも行われているが、作業員が加工状態を常時監視している必要があり効率的ではない。

尚、プローブの相対的な移動のタイミングが早いと、被接合部材の裏側で接合されないこととなり欠陥接合となる。また、プローブの相対的移動のタイミングが遅いと、撹拌過多となって接合ツールのショルダー部が接合部位に押し込まれて接合部位に沿って溝が形成されるので、接合強度に劣ると共に外観も劣るものとなる。したがって、摩擦撹拌接合においては、プローブと被接合部材とを相対的に移動させる接合加工の開始のタイミングをしっかり制御することが重要なポイントとなる。

そこで、接合ツールの被接合部材内への押し込み量を距離センサーにより計測して制御する装置が特許文献１に開示されている。すなわち、段落００５０には、「・・・図１１は回転工具７１の突っ込み量制御装置の別の実施例を示すもので、本例では、回転工具７１のワークｋに対する突っ込み量を、距離センサー８６により計測して制御する制御装置８０'を配備している。また、距離センサー８６に先行させて押えローラ８７を装着し、相互に隣接する２つのワークｋ間の接合部ｋ'が浮き上がらないようにしている。したがって、本実施例では、距離センサー８６を回転工具７１に取り付けて、回転工具７１とワークｋの表面との距離を計測し、コントローラ８８にてあらかじめ設定した距離と比較器で比較させ、そのずれをＣＰＵ８９によりＡＣサーボモータ８１'を制御する。」と記載されている。

特許第３４６９１９４号公報（第６頁、図１１）

しかし、特許文献１に記載の摩擦撹拌接合装置においては、距離センサーにより回転工具とワーク表面との距離を計測し、コントローラにてあらかじめ設定した距離と比較器で比較させ、・・・制御する方法であるため、ワーク内に押し込む回転工具の長さを決めておく必要がある。また、回転工具がワーク内のどの位置で停止するかを正確に決定するには消耗するツールをそのたびに計測する必要があるが、接合作業のたびにツールの長さを測定するのは実用上不可能という問題点がある。

本発明は、上記従来の摩擦撹拌接合方法における問題点を改善した摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置を提案するものであり、被接合部材に押し込まれる接合ツールの軸方向の移動速度に着目し、接合ツールのツール本体のショルダー面が被接合部材の表面に接触したときにツールの軸方向の移動速度が変化することを利用して、その軸方向の移動速度の変化を検知装置で検知して、検知結果に基づきプローブと被接合部材とを相対的に移動させて接合加工を開始するタイミングを得るものである。

請求項１記載の摩擦撹拌接合方法は、ツール本体のショルダー面に突設されたプローブを有する回転自在の接合ツールを回転させ、前記プローブに一定の加圧力を加えて被接合部材の接合部位に挿入させ、前記プローブの挿入状態を保持して前記プローブが前記被接合部材の接合部位に沿って移動するよう被接合部材と相対的に移動させて接合加工を開始し、前記接合部位を前記接合ツールの回転による摩擦熱によって可塑化させ撹拌させて前記被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記接合ツールの軸方向の移動速度が検知装置で検知され、前記接合ツールのショルダー面が前記被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点を検知することにより、接合加工を開始するように制御することを特徴とする。

また、請求項２記載の摩擦撹拌接合方法は、前記請求項１記載の摩擦撹拌接合方法において、前記検知装置が、前記接合ツールの軸方向の移動変位を測定する変位計測部と、測定した変位からリアルタイムで軸方向の移動速度に変換する演算処理装置と、演算処理装置で変換された変位速度が実質的に０になったことを検知して軸方向の移動完了信号を出力する軸方向の移動完了信号出力部とを有し、変位速度が実質的に０になったことを検知する速度０検知過程と、速度０検知により、軸方向の移動完了信号を出力し軸方向の移動を終了させる軸方向の移動終了過程と、前記プローブが前記被接合部材の接合部位に沿って移動するよう被接合部材と相対的に移動させて接合加工を開始させる接合加工開始過程とを有していることを特徴とするものである。

また、請求項３記載の摩擦撹拌接合方法は、前記請求項１記載又は２記載の摩擦撹拌接合方法において、前記接合ツールが軸方向に移動してプローブが前記被接合部材に突き当って軸方向の移動速度が急激に減速されたことを検知し、その時点から前記プローブ長さに相当する軸方向の移動変位を検知装置が検知した後、前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点が検知装置で検知されたとき、接合加工を開始するように制御することを特徴とするものである。

また、請求項４記載の摩擦撹拌接合方法は、前記請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法において、速度０検知後０〜３秒間経過後接合加工を開始させることを特徴とするものである。

請求項５記載の摩擦撹拌接合装置は、ツール本体のショルダー面に突設されたプローブを有する回転自在の接合ツールを回転させ、前記プローブに一定の加圧力を加えて被接合部材の接合部位に挿入させ、前記プローブの挿入状態を保持して前記プローブが前記被接合部材の接合部位に沿って移動するよう被接合部材と相対的に移動させて接合加工を開始し、前記接合部位をプローブの回転による摩擦熱によって可塑化させ撹拌させて被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記接合ツールの軸方向の移動速度を検知する検知装置を備え、この検知装置は接合ツール本体のショルダー面が前記被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点を検知したとき、前記接合ツールまたは接合部材設置ベッドに接合加工を開始するように制御する制御装置が設けられていることを特徴とする。

また、請求項６記載の摩擦撹拌接合装置は、請求項５記載の摩擦撹拌接合装置において、前記検知装置が、前記接合ツールの軸方向の移動変位を測定する変位計測部と、測定した変位からリアルタイムで軸方向の移動速度に変換する演算処理装置と、演算処理装置で変換された変位速度が実質的に０になったことを検知して軸方向の移動完了信号を出力する軸方向の移動完了信号出力部とを有していることを特徴とするものである。

また、請求項７記載の摩擦撹拌接合装置は、請求項５又は６記載の摩擦撹拌接合装置において、前記接合ツールが軸方向に移動してプローブが前記被接合部材に突き当って軸方向の移動速度が急激に減速されたことを検知し、その時点から前記プローブ長さに相当する軸方向の移動変位を検知装置が検知した後、前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点が検知装置で検知されたとき、接合加工を開始するように制御する制御装置が設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項８記載の摩擦撹拌接合装置は、請求項５〜７のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置において、速度０検知後０〜３秒間経過後接合加工を開始させるタイマーが設けられていることを特徴とするものである。

本発明の請求項１記載の摩擦撹拌接合方法は、前記接合ツールの軸方向の移動速度が検知装置で検知され、前記接合ツールのツール本体のショルダー面が前記被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点を検知することにより、接合加工を開始するように制御するので、摩擦撹拌接合において最適なタイミングで安定して接合加工を開始することができ、強度的にも外観的にも理想的な接合を行うことができる。

また、請求項２記載の摩擦撹拌接合方法は、前記検知装置が、前記接合ツールの軸方向の移動変位を測定する変位計測部と、測定した変位からリアルタイムで軸方向の移動速度に変換する演算処理装置と、演算処理装置で変換された変位速度が実質的に０になったことを検知して軸方向の移動完了信号を出力する軸方向の移動完了信号出力部とを有し、変位速度が実質的に０になったことを検知する速度０検知過程と、速度０検知により、軸方向の移動完了信号を出力し軸方向の移動を終了させる軸方向の移動終了過程と、前記プローブが前記被接合部材の接合部位に沿って移動するよう被接合部材と相対的に移動させて接合加工を開始させる接合加工開始過程とを有しているので、接合加工開始のタイミングを正確に行うことができる。

また、請求項３記載の摩擦撹拌接合方法は、前記接合ツールが軸方向に移動してプローブが前記被接合部材の接合部位に突き当って軸方向の移動速度が急激に減速されたことを検知し、その時点から前記プローブ長さに相当する軸方向の移動変位を検知装置が検知した後、前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点が検知装置で検知されたとき、接合加工を開始するように制御するものであるから、接合ツールが被接合部材の接合部位に突き当って軸方向の移動速度が急激に減少し、検知装置で軸方向の移動速度が実質的に０を検出することがあってもこのタイミングで接合加工の出力を出すことはなく、必ずショルダー面が被接合部材の表面に突き当ったタイミングで、接合加工の出力信号を出力することができる。

また、請求項４記載の摩擦撹拌接合方法は、速度０検知後０〜３秒間経過後接合加工を開始させるように制御するようになっているので、摩擦撹拌接合において余裕をもった最適なタイミングで安定して接合加工を開始することができ、強度的にも外観的にも理想的な接合を行うことができる。

請求項５記載の摩擦撹拌接合装置は、前記接合ツールの軸方向の移動速度を検知する検知装置を備え、この検知装置は接合ツール本体のショルダー面が前記被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点を検知したとき、前記接合ツールまたは接合部材設置ベッドに接合加工を開始するように制御する制御装置が設けられているので、摩擦撹拌接合において最適なタイミングで安定して接合加工を開始することができ、強度的にも外観的にも理想的な接合を行うことができる。

また、請求項６記載の摩擦撹拌接合装置は、前記検知装置が、前記接合ツールの軸方向の移動変位を測定する変位計測部と、測定した変位からリアルタイムで軸方向の移動速度に変換する演算処理装置と、演算処理装置で変換された変位速度が実質的に０になったことを検知して軸方向の移動完了信号を出力する軸方向の移動完了信号出力部とを有しているので、接合加工開始のタイミングを正確に出力することができる。

また、請求項７記載の摩擦撹拌接合装置は、前記接合ツールが軸方向の移動してプローブが前記被接合部材に突き当って軸方向の移動速度が急激に減速されたことを検知し、その時点から前記プローブ長さに相当する軸方向の移動変位を検知装置が検知した後、前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点が検知装置で検知されたとき、接合加工を開始するように制御する制御装置が設けられているものであるから、接合ツールが被接合部材の接合部位に突き当って軸方向の移動速度が急激に減少し、検知装置で軸方向の移動速度が実質的に０を検出することがあってもこのタイミングで接合加工の出力を出すことはなく、必ずショルダー面が被接合部材の表面に突き当ったタイミングで、接合加工の出力信号を出力することができる。

また、請求項８記載の摩擦撹拌接合装置は、速度０検知後０〜３秒間経過後接合加工を開始させるタイマーが設けられているので、摩擦撹拌接合において余裕をもった最適なタイミングで安定して接合加工を開始することができ、強度的にも外観的にも理想的な接合を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の摩擦撹拌接合方法の実施形態を説明するための接合ツールの押し込み過程の説明図、図２は本発明の摩擦撹拌接合方法における接合ツールの押し込みタイミングを検出する検出処理の一例を示すフロー図、図３は本発明の摩擦撹拌接合装置の検知装置の一例を示す構成図、図４は本発明の一実施例における接合ツールの時間的変位を示すグラフ、図５は図４に示すグラフの区間−１における接合ツール位置の変化量を拡大して示すグラフ、図６は図４に示すグラフの区間−２における接合ツール位置の変化量を拡大して示すグラフである。

図１で、１は接合ツールで、接合ツール本体１１のショルダー面１２にプローブ１３が突設されており、この接合ツール１は回転自在の接合具１４のツールホルダー１５に着脱自在に取り付けられている。図１は左半分に接合ツール１下端の被接合部材Ａに対する時間的変位を示し、右半分に接合ツール１の軸方向の移動（この場合は下にとめ付けた被接合部材Ａに対しツールは下方に移動するため、ツールの軸方向の移動とは下降に相当する）イメージと接合ツール１の接合部材Ａ内への押し込み状態のイメージ並びに検知装置の構成を示している。
接合ツール１は検知装置５で制御され、駆動装置３で回転されながら上下方向に移動し、接合ツール１先端のプローブ１３が被接合部材Ａ、Ａの接合部位Ａ１に挿入される。

また、検知装置について図１と図３に基いて説明すると、検知装置５は、接合具１４に取り付けられた変位計４で接合ツール１またはプローブ１３下端位置の変位が計測され、この変位が変位計測部５１に入力され、この変位が演算処理装置５２により演算処理されて変位速度（下降速度）に変換される。検知装置５では刻々の下降速度が検知され、この下降速度が実質的に０になった時点を検知すると、検知装置５の接合ツール１の下降完了信号出力部５３に被接合部材Ａの所定位置まで押し込まれたことを出力させるようになっている。下降完了信号が出力されると、接合具１４を被接合部材Ａの接合部位Ａ１に沿って移動を開始させる、もしくは接合具１４はその位置で回転させ、被接合部材Ａの接合部位Ａ１がプローブ１３を通過するよう被接合部材Ａを固定したベッド２を移動させて接合作業を開始する。この検知装置の構成の詳細を図３に示す。

プローブ１３を接合部位Ａ１に挿入するには、プローブ１３の回転によりプローブ１３の下端面と被接合部材Ａ、Ａとの間で摩擦熱が発生し、接合部位Ａ１が塑性流動を起こした状態で無理なく挿入するよう接合ツール１の回転数、プローブ１３の挿入速度が調整される。

プローブ１３が接合部位Ａ１に挿入されて、接合ツール１のショルダー面１２が接合部位Ａ１の表面に接触すると、ショルダー面１２との摩擦により接合部位Ａ１の上面からも加熱されて接合部位Ａ１の近傍部分が可塑化され、被接合部材Ａ、Ａの素材が混ざり合うことになる。この状態になったら被接合部材Ａの接合部位Ａ１近傍の材料が塑性流動して接合開始可能状態になっているとして、プローブ１３と被接合部材Ａ、Ａとを相対的に移動させる。これにより接合部位Ａ１に沿って一定幅にわたって被接合部材Ａ、Ａが可塑化され、混合されてプローブ１３の通過後冷却硬化して、接合される。

尚、接合ツール１の前進方向側（Ａｄｖａｎｃｉｎｇ−ｓｉｄｅ）と後退方向側（Ｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ−ｓｉｄｅ）では接合状態に相異があるため、プローブ１３の軸芯が通過する接合部位Ａ１とは、被接合部材同士の接しあう接合線自体ではなく、前進方向側にプローブの半径程度、好ましくはプローブ半径の２分の１程度接合部分から離れた位置であってもよい。

接合部位Ａ１に沿って接合が完了したら、接合具１４の移動を停止し、接合具１４を上方へ引き上げ、被接合部材Ａ、Ａの接合操作が完了する。

次に図２により本発明の摩擦撹拌接合方法における接合ツール１の押し込みタイミングを検出する検出処理の一例を説明する。尚、接合ツール１の下端位置（プローブ１３の下端の位置）を示す名称は後述する図４に記載の名称を使用する。図２で１）、２）、・・・、６）は検出処理の順番を示している。
初期状態（図４では上死点Ｌ０）から接合装置が起動され、スタートボタンが押されると、１）検知装置５では変位計４からの情報により変位計測部５１にて接合ツール１のプローブ１３下端位置が、下降確認点Ｌ１を通過して下降状態にあるか否かを判断する。プローブ１３下端がＬ１を通過したことが確認されると、接合ツール１が下降を開始していることを工具動作表示部に表示する。

２）次にプローブ１３下端が被接合部材Ａに突き当ったか否かを接合ツール１の下降速度が急に減速されたか否か（停止判定閾値内か否か）を判断する。下降速度が急に減速してプローブ１３下端は被接合部材Ａに突き当ったと判断すると、被接合部材Ａの表面位置を検知装置５内に記憶する。

３)次にプローブ１３下端が被接合部材Ａ内に押し込まれ、プローブ１３下端位置が被接合部材Ａの底面に接近したかを監視していき、プローブ長さを超えたことが検知されたら、４）次にプローブ１３の下降速度が停止判定閾値内か否かを判断する。ツールがある程度押し込まれてから、上記１回目の停止と分離して検知し、停止検知サブルーチンを働かせるためである。
ここで、プローブ１３下端位置が被接合部材Ａの底面に接近したかを監視するとは、板厚より短いプローブ１３より更に０．１〜０．３ｍｍ程度薄い板厚を想定し、プローブ１３下端位置がこの板厚の底面付近まで押し込まれることを監視することを意味する。

また、停止判定閾値とは、プローブ１３の下降速度が実質的に０になったことをいい、例えば、下降速度が０ｍｍ／ｓのレベルを維持するか、または、０ｍｍ／ｓのレベルを中心に上下変動する状態をいう。そして、検知装置５がプローブ１３の下降速度が実質的に０になったことを検知したら、接合ツール下降完了信号が下降完了出力部５３に出力され、接合具１４またはベッド２に接合加工開始の信号を出力し、接合加工が開始される。同時に接合ツール下降完了の表示が工具動作表示部に表示される。

ここで、プローブ１３下端位置が被接合部材Ａの底面に接近したかを監視していき、接近したことが検知されてから、プローブ１３の下降速度が実質的に０になったか否かを判断するのは、接合具１４が何らかの原因で下降速度が急激に減速して、プローブ１３下端が被接合部材Ａ内の所定の位置まで押し込まれたと誤判断するのを防止するためである。プローブ１３の下降速度が実質的に０になったことが検知されたら、接合加工を開始するように制御される。

このようにプローブ１３下端が被接合部材Ａ表面に突き当ったこと、被接合部材Ａの底面に接近したことおよびプローブ１３の下降速度が実質的に０になったことの３つの条件を通過して、はじめて加工開始の状態になったことを検知するようにすると、加工開始のタイミングをより正確に検出することが可能となり、常に良好な接合が可能となる。

被接合部材Ａ、Ａの接合部位Ａ１の全長にわたって接合加工が完了すると、検知装置から接合加工完了の信号が出力され、接合具１４またはベッド２の移動が停止され、接合具１４に上昇の信号が出力され、接合具１４は上昇を開始する。
そして、５）プローブ１３の下端が被接合部材Ａ表面位置（Ｌ２）を検知したら、工具動作表示部に接合ツール上昇開始が表示される。

６）次に接合ツール１の下端位置（プローブ１３の下端位置）が上昇確認点（Ｌ４）より上方に位置することが検知されたら、工具動作表示部に接合ツール上死点が表示され、プローブ１３下端が上死点に到達したことを検知したら接合具１４の上昇と回転は停止され、被接合部材Ａ、Ａの接合加工は終了する。
接合加工の終了した被接合部材Ａ、Ａはベッド２から取り外され、新たな被接合部材Ａ、Ａがベッド２にセットされ、検知装置５に新たな接合加工条件が入力されて次の接合加工が開始される。

次に図３により本発明の摩擦撹拌接合装置の検知装置５の構成の一例を説明すると、検知装置５は変位計測部５１、演算処理装置５２、測定値表示部５５、工具動作表示部５６、接合ツール下降完了信号出力部５３、この出力信号で接合具１４を制御するコントローラ５４および変位計４で計測されたデータや演算処理装置で処理されたデータ等を送信する測定データ送信部と設定値受信部５７ならびにその外部記録部であるＰＣ５８等で構成されている。

変位計測部５１は変位計４により接合ツール（工具）１の位置を計測する機能を有し、工具動作表示部５６は接合ツール１の位置や移動状態を表示するものであり、測定データ送信部５７は外部記録器（ＰＣなど）への変位量データの送信機能であり、完了信号出力部５３は接合ツール１の被接合部材Ａへの挿入（押し込み）完了信号を外部コントローラ５４に出力する。

この実施例１においては、（１）接合部材Ａとしてアルミニウム材（６０６１−Ｔ６）の板厚３ｍｍの板材を使用し、（２）接合ツール１の回転数１５００ｒｐｍ、加圧力４７００Ｎとし、（３）接合ツールのツール本体径（ショルダー径）１２ｍｍ、プローブ１３の直径４ｍｍ、プローブ１４の長さ２．８ｍｍ、（４）変位計４は緑測器社製、磁気抵抗式非接触ポテンショメータ（ＬＰ−３０ＵＦ）、ストローク２８ｍｍを使用し、（５）変位計のデータロガーはキーエンス社製ＮＲ−５００を使用し、サンプリング精度（Ａ／Ｄ変換器）１０ｂｉｔ、サンプリング速度８０回／秒（１２．５ｍｓ）、（６）出力は、測定データ送信ＲＳ‐２３２Ｃ（９６００ｂｐｓ）、ＨＥＸｃｏｄｅ、８０ｓａｍｐｌｅ／秒、下降（押し込み）完了信号オープンコレクタ出力（５０ｍＡ）とした。

その結果を図４〜６に示す。
図４は本発明の上記条件での実施例における接合ツールの時間的変位を示すグラフ、図５は図４に示すグラフの区間−１における接合ツール位置の変化量（下降速度）を拡大して示すグラフ、図６は図４に示すグラフの区間−２における接合ツール位置の変化量（下降速度）を拡大して示すグラフである。
図４および図５に示すように、接合ツール１（プローブ１３下端）は被接合部材Ａに突き当ると急激に下降速度が遅くなり、プローブ１３下端は徐々に被接合部材Ａ内に押し込まれて行く。そして図４および図６に示されているように、プローブ１３下端の被接合部材Ａ内への押し込み（下降）速度は押し込み（下降）に伴ってその速度は増加して行くことが理解される。

この実施例においては、接合ツール１の下降完了のタイミングは図６における接合ツール下降速度（移動平均値）が０ｍｍ／ｓのラインを前後する位置に設定してあり、図６では経過時間１１秒の位置であった。１１秒を経過すると接合ツール下降速度の移動平均値が２点連続して実質的に０ｍｍ／ｓになっている。
また、接合ツール１の下降状況を目視で観察した結果では、ショルダー面１２が被接合部材Ａの表面に接触した瞬間が経過時間１０．３秒の位置であり、図６でも経過時間１０．３秒の位置で瞬間的に接合ツール下降速度が０ｍｍ／ｓとなっていて、接合ツールの下降速度が実質的に０ｍｍ／ｓとなる実際の制御タイミングは０．７秒の時間遅れがあったが、接合状態は良好であった。
また、目視の結果では、接合ツールの下降速度が実質的に０ｍｍ／ｓとなるのは、ショルダー面１２の全面が被接合部材Ａの表面に接触する経過時間１０．７〜１１秒であることが確認された。
また、接合ツールの下降速度が０となるのは、プローブ軸芯の傾斜角度やツール形状によって異なるので、瞬間的に０になる時点ではなく、上記の如く実質的に０となる時点とするのが好ましい。

また、検知装置５における設定で、接合ツール１の下降速度が実質的に０になった時点を経過時間が１２秒、１３秒、１４秒に設定して実施例１と同様の条件で接合加工したところ、１２秒および１３秒の条件では、１１秒の結果とほぼ同一の接合状態であったが、１４秒になると接合表面に浅い溝が形成され、溝に両側にバリが生じていた。

上記実施例から、本発明において、前記接合ツールのツール本体のショルダー面が被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの下降速度が実質的に０になった時点を検知したとき、接合加工を開始するように制御するとの条件は、下降速度が実質的に０になった時点を検知した瞬間から３秒以内であればよく、この時間内であれば良好な接合が可能である。

下降開始点からの経過時間（ドウェル）に対応し下記３時点で移動を開始した場合の摩擦撹拌接合サンプルの写真を図７に示す。
(上)ドウェル14秒。接合工具の押し込みが完了した後も同じ場所に留まっており、攪拌過多による沈み込みを観測した。
(中)ドウェル7秒。接合ツールが十分押し込まれておらず、接合不良であった。
(下)ドウェル11秒。接合ツールの押し込みが完了した直後に移動しており接合良好であった。

本発明の摩擦撹拌接合方法の実施形態を説明するための接合ツールの押し込み過程の説明図である。 本発明の摩擦撹拌接合方法における接合ツールの押し込みタイミングを検出する検出処理の一例を示すフロー図である。 本発明の摩擦撹拌接合装置の検知装置の一例を示す構成図である。 本発明の一実施例における接合ツールの時間的変位を示すグラフである。 図４に示すグラフの区間−１における接合ツール位置の変化量を拡大して示すグラフである。 図４に示すグラフの区間−２における接合ツール位置の変化量を拡大して示すグラフである。 実施例１の３つの時点での接合状態を表す図面代用写真である。 従来の摩擦撹拌接合方法を説明するための概略図である。ツールの形状がわかる様、右上にツール先部拡大図が付されている。

符号の説明

１ 接合ツール
１１ 接合ツール本体
１２ ショルダー面
１３ プローブ
１４ 接合具
１５ ツールホルダー
２ ベッド
３ 駆動装置
４ 変位計
５ 検知装置
５１ 変位計測部
５２ 演算処理装置
５３ 下降完了信号出力部
Ａ 被接合部材
Ａ１ 接合部位

Claims (8)

1. ツール本体のショルダー面に突設されたプローブを有する回転自在の接合ツールを回転させ、前記プローブに一定の加圧力を加えて被接合部材の接合部位に挿入させ、前記プローブの挿入状態を保持して前記プローブが前記被接合部材の接合部位に沿って移動するよう被接合部材と相対的に移動させて接合加工を開始し、前記接合部位を前記接合ツールの回転による摩擦熱によって可塑化させ撹拌させて前記被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記接合ツールの軸方向の移動速度が検知装置で検知され、前記接合ツールのショルダー面が前記被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点を検知することにより、接合加工を開始するように制御することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 前記検知装置が、前記接合ツールの軸方向の移動変位を測定する変位計測部と、測定した変位からリアルタイムで軸方向の移動速度に変換する演算処理装置と、演算処理装置で変換された変位速度が実質的に０になったことを検知して軸方向の移動完了信号を出力する軸方向の移動完了信号出力部とを有し、変位速度が実質的に０になったことを検知する速度０検知過程と、速度０検知により、軸方向の移動完了信号を出力し軸方向の移動を終了させる軸方向の移動終了過程と、前記プローブが前記被接合部材の接合部位に沿って移動するよう被接合部材と相対的に移動させて接合加工を開始させる接合加工開始過程とを有していることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合方法。
3. 前記接合ツールが軸方向に移動してプローブが前記被接合部材に突き当って軸方向の移動速度が急激に減速されたことを検知し、その時点から前記プローブ長さに相当する軸方向の移動変位を検知装置が検知した後、前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点が検知装置で検知されたとき、接合加工を開始するように制御することを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合方法。
4. 速度０検知後０〜３秒間経過後接合加工を開始させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法。
5. ツール本体のショルダー面に突設されたプローブを有する回転自在の接合ツールを回転させ、前記プローブに一定の加圧力を加えて被接合部材の接合部位に挿入させ、前記プローブの挿入状態を保持して前記プローブが前記被接合部材の接合部位に沿って移動するよう被接合部材と相対的に移動させて接合加工を開始し、前記接合部位を前記接合ツールの回転による摩擦熱によって可塑化させ撹拌させて前記被接合部材同士を接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記接合ツールの軸方向の移動速度を検知する検知装置を備え、この検知装置は接合ツール本体のショルダー面が前記被接合部材表面に突き当って前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点を検知したとき、前記接合ツールまたは接合部材設置ベッドに接合加工を開始するように制御する制御装置が設けられていることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
6. 前記検知装置が、前記接合ツールの軸方向の移動変位を測定する変位計測部と、測定した変位からリアルタイムで軸方向の移動速度に変換する演算処理装置と、演算処理装置で変換された変位速度が実質的に０になったことを検知して軸方向の移動完了信号を出力する軸方向の移動完了信号出力部とを有していることを特徴とする請求項５記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 前記接合ツールが軸方向に移動してプローブが前記被接合部材に突き当って軸方向の移動速度が急激に減速されたことを検知し、その時点から前記プローブ長さに相当する軸方向の移動変位を検知装置が検知した後、前記接合ツールの軸方向の移動速度が実質的に０になった時点が検知装置で検知されたとき、接合加工を開始するように制御する制御装置が設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 速度０検知後０〜３秒間経過後接合加工を開始させるタイマーが設けられていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。