JP2009208117A - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合突部を有する金属部材同士の摩擦攪拌接合において、使用する治具の数を低減しつつ高品質の金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことができ、生産効率の向上およびコストの削減を図る。
【解決手段】金属要素Ｗ同士の突合部に形成される接合突部ＴＷに沿って回転ツール２０を移動させることで、金属要素Ｗ同士を接合する摩擦攪拌接合装置であって、回転ツール２０を支持する主軸ユニット１０と、回転ツール２０の移動方向前方において接合突部を押圧可能な押圧手段３０と、を備え、押圧手段３０は、接合突部ＴＷの上面に当接することで上面を押圧可能なローラ部と、ローラ部の幅方向両端部にそれぞれ設けられ、接合突部の両側方から当接することで接合突部を両側方から押圧可能な鍔部と、を備えたローラ部材３２で接合突部ＴＷを押圧保持するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置に関する。

金属要素としての金属部材同士を接合する装置として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）装置が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン（プローブ）を突設してなるものが一般的である。

ところで、摩擦攪拌接合は、前記のように回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させる接合方法であるため、接合時には、回転ツールの移動による金属部材のずれ等で接合欠陥が生じないように、金属部材同士を突き合わせた状態で強固に固定する必要がある。

そこで、従来、クランプ等の治具を利用して、金属部材同士を突き合わせた状態にして支持台に締着することが行われている。
また、回転ツールの前進方向前方において、金属部材同士の突合部を上面から押さえつけるように構成された加圧ローラを備えたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された摩擦攪拌接合装置によれば、加圧ローラにて金属部材同士の突合面を上方から直接押さえることができ、突合部における浮き上がりを防止することができる。
特許第３３２７３２７号公報

ところで、金属要素同士の突合部に形成される接合突部に沿って回転ツールを移動させることで、金属部材同士を接合する摩擦攪拌接合においては、突合部が突部とされているため、接合時における回転ツールの移動によって、この接合突部にズレが生じる虞があり、摩擦攪拌接合の品質が低下する虞があった。このため、摩擦攪拌接合時には、金属部材の側方から延設されたアーム等の治具や、接合突部の近傍位置において金属部材を直接固定する固定治具等を多数用い、これらの治具による拘束によって金属部材同士を突き合わせるようにして強固に固定していた。
このため、治具の設置や取り外しに多大の時間を要してしまい、生産効率が低下するとともにコストが上昇するという問題があった。

このような観点から、本発明は、接合突部を有する金属部材同士の摩擦攪拌接合において、使用する治具の数を低減しつつ高品質の金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことができ、生産効率が向上およびコストの削減を図ることができる摩擦攪拌接合装置を提供することを課題とする。

このような課題を解決する本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、金属要素同士の突合部に形成される接合突部に沿って回転ツールを移動させることで、前記金属要素同士を接合する摩擦攪拌接合装置であって、前記回転ツールを支持する主軸ユニットと、前記回転ツールの移動方向前方において前記接合突部を押圧可能な押圧手段と、を備え、前記押圧手段は、前記接合突部の上面に当接することで前記上面を押圧可能なローラ部と、このローラ部の幅方向両端部にそれぞれ設けられ、前記接合突部の両側方から当接することで前記接合突部を両側方から押圧可能な鍔部と、を備えてなるローラ部材を有しており、前記ローラ部材で前記接合突部を押圧保持することを特徴としている。

この摩擦攪拌接合装置によれば、摩擦攪拌接合時に、ローラ部材によって、回転ツールの移動方向前方における接合突部が、上面および両側方から締め付けられて押圧保持されるようになり、回転ツールが移動する際に接合突部にズレが生じにくくなる。これにより、金属要素を拘束するための固定治具を減らすことができるようになり、特に、接合突部の近傍位置において金属要素を直接固定するための固定治具を排除することができる。したがって、使用する治具の数を低減しつつ高品質の金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことができるようになり、金属要素の拘束に係る時間を大幅に短縮することができて、生産効率の向上およびコストの削減を図ることができる。

また、前記鍔部を、前記ローラ部材の幅方向両端側に向かって順次大径となるテーパ状に形成することで、ローラ部材による接合突部の押圧保持を良好に行うことができる。つまり、摩擦攪拌接合時に、ローラ部材が接合突部へ押圧されると、鍔部のテーパ面に案内されるようにして接合突部が両側方から突合部へ向けて良好に締め付けられるようになり、ローラ部材による接合突部の押圧保持を良好に行うことができる。したがって、使用する治具の数を低減しつつ高品質の金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことができる。

また、前記鍔部を、前記接合突部に両側方から当接可能な垂直面を含んで形成することで、接合突部が両側方から突合部へ向けて垂直面で強固に締め付けられるようになり、ローラ部材による接合突部の押圧保持を良好に行うことができる。

また、前記押圧手段は、前記ローラ部材が前記接合突部を押圧保持する押圧姿勢と、少なくとも前記ローラ部材が前記回転ツールから離間する退避姿勢と、の間で姿勢変更可能に構成されているとよい。

この摩擦攪拌接合装置によれば、押圧手段を押圧姿勢にすることによって、接合突部をローラ部材で押圧保持しつつ摩擦攪拌接合を行うことができる。
また、押圧手段を退避姿勢にして、ローラ部材が回転ツールから離間するようにすることで、回転ツールの周りに回転ツール交換用の空間を形成することができ、これによって、回転ツールの交換時には、回転ツールの着脱をローラ部材等に干渉することなく好適に行うことができる。したがって、回転ツールの交換が行い易くなる。

また、前記主軸ユニットは、前記回転ツールを着脱可能に支持するとともに前記金属要素に対して昇降可能に設けられており、前記押圧手段は、前記主軸ユニットに吊設されたアームの下端部に前記ローラ部材を備えて構成され、前記主軸ユニットが所定の上昇位置から所定の下降位置に下降する過程で、前記ローラ部材が前記金属要素に当接しつつ前記回転ツールに向けて移動することで前記退避姿勢から前記押圧姿勢に姿勢変更し、前記主軸ユニットが前記下降位置から前記上昇位置に上昇する過程で、前記ローラ部材が前記金属要素に当接しつつ前記回転ツールから離間するように移動することで前記押圧姿勢から前記退避姿勢に姿勢変更するように構成するのがよい。

この摩擦攪拌接合装置によれば、主軸ユニットの昇降動作に連動させて押圧手段の姿勢変更を行うことができ、主軸ユニットの昇降動作によって姿勢が自動的に変更される摩擦攪拌接合装置が得られる。

また、前記アームは、前記主軸ユニットに取り付けられる上アームと、この上アームの下部に回動可能に支持された下アームとを含んで構成され、前記上アームに対して前記下アームが回動することで、前記押圧姿勢または前記退避姿勢となり、前記退避姿勢において、前記下アームは、前記回転ツールに前記ローラ部材が近づく方向に鉛直軸から傾斜している構成とするのがよい。

この摩擦攪拌接合装置によれば、下アームを上アームに対して回動可能に設けるという簡単な構成によって押圧手段の姿勢変更を容易に実現することができる。
また、退避姿勢において、下アームは、回転ツールにローラ部材が近づく方向に鉛直軸から傾斜しているので、退避姿勢から押圧姿勢への姿勢変更をスムーズに行うことができる。
つまり、前記したように、主軸ユニットが下降する過程において金属要素にローラ部材が当接すると、下アームは、傾斜した状態からさらに傾斜して回転ツールに近づく方向に回動することとなり、主軸ユニットの下降に伴う押圧手段の姿勢変更をスムーズかつ容易に行うことができる。

前記アームは、自重により前記押圧姿勢から前記退避姿勢へ回動されて姿勢変更する構成とするのがよい。
この摩擦攪拌接合装置によれば、姿勢変更のための特別な機構等を別途設けることなく、アームの自重を利用したシンプルな構成で、押圧姿勢から退避姿勢への姿勢変更が可能となる。

また、前記したように、主軸ユニットが下降する過程において、自重により、金属要素にローラ部材が当接すると、アームが回転ツールに向けて回動し、これに連動してローラ部材が回転ツールへ向けて移動する。これによって、退避姿勢から押圧姿勢への姿勢変更をスムーズに行うことができるようになる。
また、主軸ユニットが上昇する過程において、自重により、金属要素にローラ部材が当接しつつアームが回転ツールから離間するように回動し、これに連動してローラ部材が回転ツールから離間するように移動する。これによって、押圧姿勢から退避姿勢への姿勢変更をスムーズに行うことができる。

本発明によれば、接合突部を有する金属部材同士の摩擦攪拌接合において、使用する治具の数を低減しつつ高品質の金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことができ、生産効率の向上およびコストの削減を図ることができる摩擦攪拌接合装置が得られる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施形態においては、接合される金属要素として突合部に接合突部ＴＷが形成される３つの金属部材Ｗ（金属部材Ｗ１，金属部材Ｗ２，金属部材Ｗ３）を本発明に係る摩擦攪拌接合装置により摩擦攪拌接合する場合について説明する。なお、金属部材Ｗの形状は、これに限定される趣旨ではない。以下の説明において、「前後左右」は、図１において図示した方向を基準とする。
参照する図面において、図１は本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の要部を示した図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態の摩擦攪拌接合装置は、金属部材Ｗ同士の接合突部ＴＷに沿って回転ツール２０を移動させる（図１（ｂ）参照）ことで、金属部材Ｗ同士を摩擦攪拌接合するものであり、回転ツール２０を着脱可能に支持するとともに金属部材Ｗに対して昇降可能に設けられた主軸ユニット１０を含んで構成される。そして、摩擦攪拌接合装置は、摩擦攪拌接合時等に前記接合突部ＴＷを押圧保持することが可能な押圧手段３０を備えて構成される。ここで、図１（ｂ）に示した回転ツール２０は、摩擦攪拌接合時に使用される接合用の回転ツールである。

主軸ユニット１０は、図示しない工場の床等に設置される摩擦攪拌接合装置の支持設備に設けられ、支持台４０（図６参照）の上に固定支持される金属部材Ｗの接合突部ＴＷに沿ってスライド移動可能、および金属部材Ｗに対して昇降移動可能に設けられている。また、主軸ユニット１０は、その下部に、回転ツール２０を保持するためのホルダ部１１が設けられており、その内部に回転ツール２０を回転させるための図示しない回転駆動部が設けられている。
ホルダ部１１は、図示しない回転駆動部の駆動軸に固定されて回転可能に設けられており、その内部には、円錐台形状の内周面１２を有して、回転ツール２０が着脱可能に嵌まり込んで保持されるチャック機構（詳細不図示）が設けられている。なお、回転ツール２０は、チャック機構に保持された状態で、その軸線Ｏ２が予め設定された所定の軸線に一致するように配置される。

回転ツール２０は、ホルダ部１１の内周面１２に対応する形状とされた円錐台形状の嵌合部２１と、この嵌合部２１の下部に設けられた把持部２２と、この把持部２２の下部に形成された大径部２３と、この大径部２３の下端部に形成されたツールとしての摩擦攪拌部２４と、を備えてなる。

嵌合部２１は、前記したように円錐台形状とされており、ホルダ部１１の内周面１２に当接して図示しないチャック機構により着脱可能に保持されるようになっている。
把持部２２は、嵌合部２１と大径部２３との間において径方向外側へ膨出形成されており、その軸線方向中央部には周方向全周に延びる凹状の周溝２２ａが形成されている。この周溝２２ａには、回転ツール２０を自動で交換する自動交換装置等の図示しない支持部材が係合可能である。
大径部２３は、嵌合部２１の基端側（把持部２２に近い側）と略同様の大きさの外径を備えて構成されており、前記したようにその下端部に小径の摩擦攪拌部２４が形成されている。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、大径部２３の下端部に小径の摩擦攪拌部２４が形成されていることから、大径部２３の下方領域には、摩擦攪拌部２４に近づけて後記するローラ部材３２が進入して配置可能となっている。

このような回転ツール２０は、把持部２２が最大外径となっており、ホルダ部１１に対する回転ツール２０の着脱時には、ホルダ部１１の下方に回転ツール２０を無理なく引き抜くことができるように、後記する押圧手段３０が退避姿勢Ｓ２とされた状態において、ホルダ部１１の下方には、少なくともこの把持部２２の外径に対応する大きさの空間部Ｋが形成されるように構成されている。

摩擦攪拌部２４は、工具鋼など金属部材Ｗよりも硬質の金属製部材からなり、円柱状を呈するショルダ部２４ａと、このショルダ部２４ａの下端面に突設された攪拌ピン（プローブ）２４ｂとを備えて構成されている。ショルダ部２４ａの下端面は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状等に成形されている。攪拌ピン２４ｂは、ショルダ部２４ａの下端面の中央から垂下しており、本実施形態では、例えば、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピン２４ｂの周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼２４ｃ（図５（ｂ）参照）が形成されている。

なお、回転ツール２０の移動速度（送り速度）は、攪拌ピン２４ｂの寸法・形状、摩擦攪拌される金属部材Ｗ等の材質や肉厚等に応じて設定される。回転ツール２０を移動させると、その攪拌ピン２４ｂの周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピン２４ｂから離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化する。

次に、本実施形態の摩擦攪拌接合装置の特徴的構成である押圧手段３０について説明する。押圧手段３０は、図１（ａ）に示すように、主軸ユニット１０の正面１０ａに設けられている。
この押圧手段３０は、主軸ユニット１０に吊設されたアーム３１、およびこのアーム３１の下端部に回転可能に軸支されたローラ部材３２を含んで構成され、回転ツール２０の移動方向前方において接合突部ＴＷをローラ部材３２で押圧可能に構成されている。
そして、押圧手段３０は、前記した摩擦攪拌部２４の近傍位置における、回転ツール２０の着脱時に干渉する空間部Ｋ（領域）にローラ部材３２が進入して、接合突部ＴＷを上面および両側方から押圧保持する押圧姿勢Ｓ１（図１（ｂ）に示す姿勢、以下同じ）と、摩擦攪拌部２４（回転ツール２０）から離間する位置（空間部Ｋから外れる外側位置）にローラ部材３２が退避して、主軸ユニット１０に対する回転ツール２０の着脱を可能にする退避姿勢Ｓ２（図２に二点鎖線で示す姿勢、以下同じ）と、の間で姿勢変更可能に構成されている。

そのための構成として、アーム３１は、図２に示すように、上アーム３１Ａと下アーム３１Ｂとからなり、上アーム３１Ａに対して下アーム３１Ｂが回動可能（回転ツール２０に近づく位置と回転ツール２０から離間する位置との間で、接合突部ＴＷに沿って回動可能）に設けられている。つまり、下アーム３１Ｂを、その回動範囲の上限Ｒ１に位置させた状態（図２に実線で図示した状態）が押圧姿勢Ｓ１であり、また、下アーム３１Ｂを、その回動範囲の下限Ｒ２に位置させた状態（図２に二点鎖線で図示した状態）が退避姿勢Ｓ２である。

上アーム３１Ａは、図１（ａ）に示すように、主軸ユニット１０の正面１０ａに、４本のボルト３３ａで固定された取付ベース３３に囲われて左右方向に位置決めされる状態に配置されている、また上アーム３１Ａは、上下方向に形成された２つの長孔３１ａにそれぞれ挿通されたボルト３３ｂで、上下方向に位置決めされる状態に配置される。
本実施形態では、このように上アーム３１Ａが主軸ユニット１０の正面１０ａに固定された状態で、ローラ部材３２の幅方向の中心を通る軸線Ｏ１と、回転ツール２０の回転軸Ｏ２とが正面視（図１（ａ）参照）で一致するように位置合わせされている。
なお、上アーム３１Ａの上方には、取付ベース３３に取り付けられるかたちで、上アーム３１Ａの高さ位置を調節する位置決め用ボルト３３ｃが設けられている。

下アーム３１Ｂは、水平軸である支軸３６Ｅを介して上アーム３１Ａに回動可能に設けられており、その下端部にローラ部材３２が設けられている。そして、上アーム３１Ａと下アーム３１Ｂとの連結部３６には、前記した押圧姿勢Ｓ１または退避姿勢Ｓ２をアーム３１が保持するための第１のストッパ３６ａ，第２のストッパ３６ｃが設けられている。

ここで、第１のストッパ３６ａは、押圧姿勢Ｓ１を保持するために設けられたものであり、また、第２のストッパ３６ｃは、退避姿勢Ｓ２を保持するために設けられたものである。
第１のストッパ３６ａは、上アーム３１Ａの下部から後部側に向けて膨出する膨出部３６Ａの下面をもって設けられており、この例では、連結部３６の支軸３６Ｅを通る水平面と平行になっている。また、下アーム３１Ｂには、この第１のストッパ３６ａに当接する当接部３６ｂが設けられており、この当接部３６ｂは、下アーム３１Ｂの上部から後部側に向けて下り傾斜状に突出する膨出部３６Ａの傾斜面をもって設けられている。そして、第１のストッパ３６ａに当接部３６ｂが当接すると、下アーム３１Ｂが押圧姿勢Ｓ１に保持され、下アーム３１Ｂが退避姿勢Ｓ２から押圧姿勢Ｓ１を越えて必要以上に回動することが規制される（図３（ａ）参照）。

ここで、ローラ部材３２は、押圧姿勢Ｓ１とされたときに、空間部Ｋに位置するように設定されることが好ましく、さらに、図１（ｂ）に示すように、大径部２３の下方領域における摩擦攪拌部２４の周りに位置するように設定されることがより好ましい。
具体的に、ローラ部材３２の押圧位置（押圧姿勢Ｓ１とされたときの摩擦攪拌部２４の中心軸（回転ツール２０の軸線Ｏ２）からの距離）は、ローラ部材３２の半径、摩擦攪拌部２４の半径、および金属部材Ｗの傾き等を考慮して設定される所定の隙間、を合算した値で設定することができる。例えば、ローラ部材３２の押圧位置は、摩擦攪拌部２４の中心軸から３０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲となる距離に設定されることが好ましい。

第２のストッパ３６ｃは、上アーム３１Ａの下部に上り傾斜状に切り欠いて形成された切欠部３６Ｃの下面をもって設けられている。そして、下アーム３１Ｂには、この第２のストッパ３６ｃに当接する当接部３６ｄが、下アーム３１Ｂの上部に形成された段部３６Ｄの上面（段差面）に設けられている。このような第２のストッパ３６ｃに当接部３６ｄが当接すると、下アーム３１Ｂが退避姿勢Ｓ２に保持され、下アーム３１Ｂが押圧姿勢Ｓ１から退避姿勢Ｓ２を越えて必要以上に回動することが規制される（図３（ｂ）参照）。

本実施形態では、このような第２のストッパ３６ｃに当接部３６ｄが当接することによって、下アーム３１Ｂが、退避姿勢Ｓ２において、回転ツール２０にローラ部材３２が近づく方向に鉛直軸から傾斜して保持されるように構成されている（図６（ａ）参照）。
ここで、上アーム３１Ａ，下アーム３１Ｂは、硬質の金属部材からなり、少なくとも下アーム３１Ｂは、金属部材による相当の自重を有して形成され、その自重によって、連結部３６を中心として押圧姿勢Ｓ１から退避姿勢Ｓ２に姿勢変更可能に回動されるようになっている。つまり、主軸ユニット１０が上昇されて、金属部材Ｗからローラ部材３２が離れた状態では、アーム３１が、下アーム３１Ｂの自重によって下限Ｒ２に位置され（図６（ａ）参照）、第２のストッパ３６ｃに当接された状態（退避姿勢Ｓ２）が保持されるようになっている。

また、これとは反対に、主軸ユニット１０が上昇位置から下降位置に下降される過程で、金属部材Ｗにローラ部材３２が当接すると、下アーム３１Ｂは、上限Ｒ１へ向けて回動（旋回）し、これに連動して、ローラ部材３２が回転ツール２０に向けて移動するようになっている。つまり、アーム３１が退避姿勢Ｓ２から押圧姿勢Ｓ１に姿勢変更することとなる（図６（ｂ）（ｃ）参照）。
このように、本実施形態では、主軸ユニット１０の昇降動に伴って、押圧姿勢Ｓ１と退避姿勢Ｓ２との間でアーム３１の姿勢変更が自動的に行われるようになっている。
なお、主軸ユニット１０が下降位置から上昇位置に上昇する過程においては、ローラ部材３２が金属部材Ｗに当接しつつ下アーム３１Ｂが下限Ｒ２へ向けて回動（旋回）し、これに連動して、ローラ部材３２が回転ツール２０から離間するようになっている。つまり、アーム３１が押圧姿勢Ｓ１から退避姿勢Ｓ２に姿勢変更することとなる。

ローラ部材３２は、図２に示すように、下アーム３１Ｂの下端部に、水平支軸３１ｂにより支持されて回動可能に設けられている。そして、ローラ部材３２は、図４（ａ）に示すように、ローラ部３２Ａおよびこのローラ部３２Ａの幅方向両端部にそれぞれ設けられた鍔部３２Ｂを備えおり、これらのローラ部３２Ａおよび鍔部３２Ｂで、接合突部ＴＷを押圧保持するように構成されている（図３（ｃ）参照）。
ローラ部３２Ａは、図５（ａ）に示すように、接合突部ＴＷの幅Ｌ２に対応する幅Ｌ１を有しており、接合突部ＴＷの上面Ｗａに当接して押圧可能となっている。
また、鍔部３２Ｂは、図４（ａ）に示すように、ローラ部材３２の幅方向両端側に向かって順次大径となるテーパ状に形成されている。このような鍔部３２Ｂは、ローラ部材３２が接合突部ＴＷを押圧する際に、接合突部ＴＷの両側方から当接して、図５（ａ）に示すように、これらを突合面ＴＷ１へ向けて締め付けるように作用する。つまり、押圧手段３０（アーム３１）が前記した押圧姿勢Ｓ１にされる過程で、ローラ部材３２が接合突部ＴＷに当接してこれを押圧すると、鍔部３２Ｂが接合突部ＴＷの両側方から挟持するように当接（接合突部ＴＷの肩部Ｗｂに当接）して、接合突部ＴＷを突合面ＴＷ１へ向けて締め付けつつ、ローラ部３２Ａが接合突部ＴＷの上面に当接してこれを押圧する。これにより、接合突部ＴＷは、上面Ｗａおよび両側方から締め付けられるようにして押圧保持される状態となり、接合突部ＴＷにおける位置ずれがローラ部材３２の押圧によって好適に抑えられる状態に保持されることとなる。なお、ローラ部３２Ａの幅Ｌ１が接合突部ＴＷの幅Ｌ２に対応しているので、接合突部ＴＷの上面Ｗａにローラ部３２Ａが当接して押圧する状態では、鍔部３２Ｂの基端部が接合突部ＴＷの肩部Ｗｂに当接してこれらを挟持するように押圧する状態となって、突合面ＴＷ１へ向けた締め付けが好適に維持されるようになる。したがって、接合突部ＴＷの押圧保持が良好に行われることとなる。
なお、ローラ部材３２の押圧力は、取付ベース３３（図１（ａ）参照）の位置決め用ボルト３３ｃにより調整することができる。

なお、図４（ａ）に示すように、ローラ部材３２は、水平支軸３１ｂ（図２参照、以下同じ）が挿通される中空部３２ｄを有しており、この中空部３２ｄの開口には、水平支軸３１ｂに形成された段状の支持部が係合する段部３２ｃが形成されている。

また、ローラ部材３２の変形例として、図４（ｂ）に示すようなローラ部材３２’を用いてもよい。このローラ部材３２’は、鍔部３２Ｂ’が、テーパ面３２ｂ’およびこのテーパ面３２ｂ’に連続する垂直面３２ｅを有して形成されており、押圧時にテーパ面３２ｂ’が接合突部ＴＷの両側方から当接して、最終的に垂直面３２ｅで押圧保持されるように構成されている。
このような、ローラ部材３２’によれば、接合突部ＴＷを押圧する過程で、テーパ面３２ｂ’による突合面ＴＷ１の締め付けが良好に行われるとともに、垂直面３２ｅによって、突合面ＴＷ１へ向けた強固な締め付けが維持されるようになり、接合突部ＴＷの押圧保持が良好に行われることとなる。なお、鍔部３２Ｂ’には、垂直面３２ｅのみを設けてもよい。

また、アーム３１には、下アーム３１Ｂのローラ部材３２の近傍部位に、エアーノズル３７が設けられており、このエアーノズル３７は、ローラ部材３２の進行方向前方における接合突部ＴＷに向けて空気を吐出するように構成されている。なお、エアーノズル３７には、エアーチューブ３７ａを通じて図示しない供給源からエアーが供給されるようになっており、エアーチューブ３７ａは、アーム３１の側方を沿わせて配索されている。なお、エアーチューブ３７ａは、アーム３１の内側を沿わせて配索してもよい。

次に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置に係る摩擦攪拌接合時の作用について説明する。
ここで、摩擦攪拌接合される金属部材Ｗは、図６に示すように、断面矩形の中空押出形材からなる金属部材Ｗ１と、外形断面略Ｔ字の中空押出形材からなる金属部材Ｗ２および金属部材Ｗ３を使用している。以下では、金属部材Ｗ１の左右に、金属部材Ｗ２および金属部材Ｗ３を接合する場合について説明する。
なお、金属部材Ｗを構成する材料は限定されるものではなく、適宜公知の材料から選定して使用すればよいが、本実施形態では、アルミニウム合金製の金属部材Ｗを使用する。

また、図６および図７に示すように、各金属部材Ｗ同士の突合面ＴＷ１に対応する個所には、上下に突出する接合突部ＴＷがそれぞれ形成されている。接合突部ＴＷの断面形状は限定されるものではないが、摩擦攪拌接合により接合されることで、完成部材として必要な強度を発現することが可能な高さと厚みを有している。なお、各接合突部ＴＷは、これらを突き合わせた際の幅寸法が、回転ツール２０の摩擦攪拌部２４のショルダ部２４ａの外径よりも大きくなるように設定されている（図５（ａ）（ｂ）参照）。
そして、金属部材Ｗ１の突合面Ｗ１ａ，Ｗ１ａは、図６に示すように、垂直面を呈している。一方、金属部材Ｗ２と金属部材Ｗ３の突合面Ｗ２ａ，Ｗ３ａは、金属部材Ｗ１の突合面Ｗ１ａと突き合せたときに隙間が形成されるように、中間部分に予め凹みが形成されている。このように、金属部材Ｗ２と金属部材Ｗ３の突合面Ｗ２ａ，Ｗ３ａの中間部分に凹みが形成されていることで、突合面Ｗ２ａ，Ｗ３ａの上下（接合突部ＴＷも含む）が金属部材Ｗ１の突合面Ｗ１ａ，Ｗ１ａに密着する。仮に、平面からなる突合面同士を突き合わせると、突合面の不陸により密着せずに、高品質な摩擦攪拌接合ができない場合があるが、この金属部材Ｗは、互いの突合部ＴＷ１に隙間が形成されていることで、この隙間が突合面の不陸を吸収し、隙間の上方の摩擦攪拌接合を行う接合部分に関しては金属部材Ｗ同士が隙間なく密着し、高品質に摩擦攪拌接合を行うことを可能としている。なお、凹みの深さはわずかな隙間が形成される程度であればよい。

ところで、金属部材Ｗの固定は、概略次のようにして行う。金属部材Ｗ同士の突合面ＴＷ１を突き合わせた状態で、これらの金属部材Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）を台座４１〜４３からなる支持台４０に載置する。なお、支持板４４で金属部材Ｗ１の高さ調整を行う。そして、支持板４４の上面の両端に支持部材４５，４５を配設し、突合面ＴＷ１を下面から支持する。また、支持部材４６で金属部材Ｗ１の中央を支持する。そして、左側の台座４２に固定された万力５０と、右側の台座４３に固定された受部材５１により金属部材Ｗ２，Ｗ３を把持し、左右両側方から押さえつける。なお、万力５０と金属部材Ｗ２および受部材５１と金属部材Ｗ３の間には、それぞれ補助板５２，５２が介在されており、万力５０による押さえつけ力を分散させて、突合面ＴＷ１の全面が、密着するように構成されている。

本実施形態の摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合では、支持台４０に対する金属部材Ｗ１〜Ｗ３の固定を、このような万力５０を用いた固定のみで行うことが可能である。つまり、本実施形態の摩擦攪拌接合装置では、後記するように、接合突部ＴＷを押圧手段３０のローラ部材３２によって押圧保持することができるので、従来のような金属部材Ｗの側方から延設されたアーム等の治具や、接合突部ＴＷの近傍位置において金属部材Ｗを直接固定するボルト等の固定治具を排除することができるといった利点が得られる。

はじめに、図８（ａ）に示すように、主軸ユニット１０が上昇位置にある状態では、ローラ部材３２が金属部材Ｗの上方に位置して金属部材Ｗに非当接状態となっているので、アーム３１の下アーム３１Ｂは、自重により他方の下限Ｒ２（図２参照）に位置して、押圧手段３０が、退避姿勢Ｓ２となる。

このような上昇位置から、摩擦攪拌接合を行うために、主軸ユニット１０を下降位置へ向けて下降させると、図８（ｂ）に示すように、ローラ部材３２が金属部材Ｗの上面、すなわち、接合突部ＴＷの上面に当接し、下アーム３１Ｂは、金属部材Ｗに当接しつつ上限Ｒ１へ向けて回動（旋回）する。そして、これに連動して、ローラ部材３２が回転ツール２０に向けて移動する（図７参照）。

この状態からさらに主軸ユニット１０が下降位置（摩擦攪拌接合を行う位置）に向けて下降すると、下アーム３１Ｂが、金属部材Ｗに当接しつつ上限Ｒ１へ向けてさらに回動（旋回）し、回転ツール２０の摩擦攪拌部２４にローラ部材３２が近づけられる。

そして、図８（ｃ）に示すように、主軸ユニット１０が下降位置に下降して停止された状態で、回転ツール２０の摩擦攪拌部２４の攪拌ピン２４ｂが接合突部ＴＷの接合開始位置に挿入（圧入）され、摩擦攪拌接合が開始される。このとき、主軸ユニット１０が下降位置に下降して停止された状態において、押圧手段３０は押圧姿勢Ｓ１に保持された状態となり、ローラ部材３２が、摩擦攪拌部２４に一番近づいた状態（近傍位置）に配置されるとともに、接合突部ＴＷへ向けて押圧されることとなり、図５（ａ）（ｂ）に示すように、接合突部ＴＷを上面および両側方から好適に押圧保持する（なお、図５（ａ）では、ローラ部材３２の押圧状態を主として示すために、攪拌ピン２４ｂは、接合突部ＴＷの上面Ｗａに当接する直前の状態を表した。）。
したがって、摩擦攪拌接合時には、図９に示すように、回転ツール２０の移動方向前方において、接合突部ＴＷが押圧手段３０のローラ部材３２によって好適に押圧保持されるようになり、前記したように他の治具等を使用することなく、回転ツール２０が移動する際の接合突部ＴＷにおけるズレが好適に防止される。したがって、高品質の金属部材Ｗ同士の摩擦攪拌接合を行うことができる。

なお、金属部材Ｗは、回転ツール２０の移動方向（前方向）に向けて下り傾斜状に配置された例を示したが、これに限られることはなく、略水平状態にして配置してもよい。

次に、回転ツール２０を手動により交換する際の手順について説明する。
はじめに、図１０（ａ）に示すように、主軸ユニット１０を上昇位置に上昇させて、押圧手段３０を退避姿勢Ｓ２に保持する。押圧手段３０が退避姿勢Ｓ２に保持された状態では、摩擦攪拌部２４の近傍位置（前記した空間部Ｋ）から離間する位置にローラ部材３２が退避して、回転ツール２０の下方領域の外側へ下アーム３１Ｂやローラ部材３２が移動される状態となるので、主軸ユニット１０の下方には空いたスペースが形成されるようになり、図１０（ｂ）に示すように、回転ツール２０を交換する際には、回転ツール２０を主軸ユニット１０から取り外して、そのまま下方へ引き抜いて取り外すことができる。

その後、主軸ユニット１０の下方の空いたスペースを利用して、図１０（ｃ）に示すように、バリ取り用の回転ツール２０’を下方から主軸ユニット１０に挿入して装着する。これによって、図１０（ｄ）に示すように、接合用の回転ツール２０からバリ取り用の回転ツール２０’に交換することができる。
以上のような一連の手順による交換は、押圧手段３０を退避姿勢Ｓ２に保持した状態で行うことができるので、アーム３１の下アーム３１Ｂやローラ部材３２が回転ツール２０等の着脱時に干渉して障害物となることがない。したがって、交換作業をスムーズかつ円滑に行うことができるようになる。

以上説明した本実施形態の摩擦攪拌接合装置によれば、摩擦攪拌接合時に、ローラ部材３２によって、回転ツール２０の移動方向前方における接合突部ＴＷが、上面Ｗａおよび両側方から締め付けられて押圧保持されるようになっているので、回転ツール２０が移動する際に接合突部ＴＷにズレが生じにくくなり、従来用いていた接合突部ＴＷの近傍位置における固定治具等を排除することができる。したがって、使用する治具の数を低減しつつ高品質の金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことができ、金属部材Ｗの拘束に係る時間を大幅に短縮することができる。これにより、生産効率の向上およびコストの削減を図ることができる。

また、押圧手段３０のアーム３１は、主軸ユニット１０に吊設されているので、回転ツール２０の移動に伴ってローラ部材３２を接合突部ＴＷに沿わせて移動させることが可能であり、高品質な金属部材Ｗ同士の摩擦攪拌接合を行うことが可能となる。

また、鍔部３２Ｂが、ローラ部材３２の幅方向両端側に向かって順次大径となるテーパ状に形成されているので、ローラ部材３２による接合突部ＴＷの押圧保持を良好に行うことができる。つまり、摩擦攪拌接合時に、ローラ部材３２が接合突部ＴＷへ押圧されると、鍔部３２Ｂのテーパ面３２ｂに案内されるようにして接合突部ＴＷが両側方から突合面ＴＷ１へ向けて良好に締め付けられるようになり、ローラ部材３２による接合突部ＴＷの押圧保持を良好に行うことができる。したがって、使用する治具の数を低減しつつ高品質の金属部材同士の摩擦攪拌接合を行うことができる。

また、鍔部３２Ｂを、接合突部ＴＷに両側方から当接可能な垂直面３２ｅを含んで形成することで、接合突部ＴＷが両側方から突合面ＴＷ１へ向けて垂直面３２ｅで強固に締め付けられるようになり、ローラ部材３２による接合突部ＴＷの押圧保持を良好に行うことができる。

また、押圧手段３０が押圧姿勢Ｓ１と退避姿勢Ｓ２との間で姿勢変更可能に構成されているので、退避姿勢Ｓ２にして、ローラ部材３２が回転ツール２０から離間するようにすることで、回転ツール２０の周りに回転ツール交換用の空間部Ｋを少なくとも形成することができ、これによって、回転ツール２０の交換時には、回転ツール２０の着脱をローラ部材３２等に干渉することなく好適に行うことができる。したがって、回転ツール２０の交換が行い易くなる。

また、押圧手段３０は、主軸ユニット１０が下降位置に下降する過程で、ローラ部材３２が金属部材Ｗに当接しつつ回転ツール２０に向けて移動することで退避姿勢Ｓ２から押圧姿勢Ｓ１に姿勢変更し、また、これとは逆に、上昇位置に上昇する過程で、ローラ部材３２が金属部材Ｗに当接しつつ回転ツール２０から離間するように移動することで押圧姿勢Ｓ１から退避姿勢Ｓ２に姿勢変更するようになっているので、主軸ユニット１０の昇降動作に連動させて押圧手段３０の姿勢変更を行うことができ、主軸ユニット１０の昇降動作によって姿勢が自動的に変更される摩擦攪拌接合装置が得られる。

また、退避姿勢Ｓ２において、下アーム３１Ｂは、回転ツール２０にローラ部材３２が近づく方向に鉛直軸から傾斜しているので、退避姿勢Ｓ２から押圧姿勢Ｓ１への姿勢変更をスムーズに行うことができる。つまり、主軸ユニット１０が下降する過程において金属部材Ｗにローラ部材３２が当接すると、下アーム３１Ｂは、傾斜した状態からさらに傾斜して回転ツール２０に近づく方向に回動することとなり、主軸ユニット１０の下降に伴う押圧手段３０の姿勢変更をスムーズかつ容易に行うことができる。

また、アーム３１は、自重により押圧姿勢Ｓ１から退避姿勢Ｓ２へ回動されて姿勢変更するので、姿勢変更のための特別な機構等を別途設けることなく、アーム３１の自重を利用したシンプルな構成で、押圧姿勢Ｓ１から退避姿勢Ｓ２への姿勢変更が可能となる。
また、前記したように、主軸ユニット１０が下降する過程において、自重により、金属部材Ｗにローラ部材３２が当接すると、下アーム３１Ｂが回転ツール２０に向けて回動し、これに連動してローラ部材３２が回転ツール２０に向けて移動する。これによって、退避姿勢Ｓ２から押圧姿勢Ｓ１への姿勢変更をスムーズに行うことができるようになる。
また、主軸ユニット１０が上昇する過程においては、自重により、金属部材Ｗにローラ部材３２が当接しつつ下アーム３１Ｂが回転ツール２０から離間するように回動し、ローラ部材３２が回転ツール２０から離間するように移動する。これによって、押圧姿勢Ｓ１から退避姿勢Ｓ２への姿勢変更をスムーズに行うことができる。

なお、図１１に示すように、下アーム３１Ｂ’の下端部３１ｄを前後方向に延設してもよい。このように構成することによって、下アーム３１Ｂ’の下端部３１ｄにおけるローラ部材３２の支持剛性を向上させることができ、より高品質の金属部材Ｗ同士の摩擦攪拌接合を行うことができる。また、ローラ部材３２を好適に保護することができる。

また、図１２に示すように、金属部材Ｗ’の上面に凹溝Ｍ，Ｍを形成することで、これらの凹溝Ｍ，Ｍの間に接合突部ＴＷ’が形成されるようにした金属部材Ｗ’においても、前記した押圧手段３０のローラ部材３２によって接合突部ＴＷ’を好適に押圧保持することができる。この場合には、凹溝Ｍ，Ｍ内に鍔部３２Ｂ，３２Ｂが入り込むようにして接合突部ＴＷ’が鍔部３２Ｂ，３２Ｂで押圧保持されるようになり、摩擦攪拌接合時にこの押圧保持が好適に維持されて接合突部ＴＷ’のズレが好適に防止されるようになる。したがって、このような金属部材Ｗ’同士の接合においても、高品質の摩擦攪拌接合を行うことができる。

なお、図６に示した金属部材Ｗの開口端において、金属部材Ｗ同士の突合部を図示しないクランプ装置等によって挟持するようにしてもよい。このようなクランプ装置等を用いることによって、より一層強固に接合突部ＴＷを押圧保持することができるようになり、より高品質の摩擦攪拌接合を実現することができる。

また、前記実施形態において、接合突部ＴＷの突合面ＴＷ１は、ローラ部材３２で押圧保持された状態において相互に当接する状態として説明したが、これに限られることはなく、ローラ部材３２で押圧保持された状態において、突合面ＴＷ１に隙間が形成されるようにしてもよい。つまり、突合面ＴＷ１に隙間を有した状態においても、接合突部ＴＷは、ローラ部材３２によって好適に押圧保持されることとなる。
また、前記実施形態では、ローラ部３２Ａの幅Ｌ１と接合突部ＴＷの幅Ｌ２とを同じ寸法に設定したが、これに限られることはなく、幅Ｌ１を幅Ｌ２よりも大きく設定してもよいし、これとは逆に、幅Ｌ２を幅Ｌ１よりも大きく設定してもよい。
幅Ｌ１を幅Ｌ２よりも大きく設定した場合には、概略次のような摩擦攪拌接合を行うことができる。つまり、接合突部ＴＷの上面Ｗａ（図５（ａ）参照）にローラ部３２Ａを確実に当接して押圧保持することができる。また、接合突部ＴＷの突合面ＴＷ１が所定以上に開いているような箇所が存在しているような場合には、その箇所にローラ部材３２が差しかかると、鍔部３２Ｂが両側方から当接して押圧し、接合突部ＴＷが左右方向への開くのを鍔部３２Ｂで抑えながら、摩擦攪拌接合を行うことができる。
また、幅Ｌ２を幅Ｌ１よりも大きく設定した場合には、接合突部ＴＷの肩部Ｗｂ（図５（ａ）参照）に鍔部３２Ｂのテーパ面３２ｂが位置する状態となり、鍔部３２Ｂで肩部Ｗｂを常時押圧保持することができる。この場合、ローラ部３２Ａが接合突部ＴＷの上面Ｗａに当接せず、ローラ部３２Ａのローラ面と接合突部ＴＷの上面Ｗａとの間には、隙間が形成されることとなるが、前記のように鍔部３２Ｂが肩部Ｗｂに当接して押圧保持しているので、結果として、接合突部ＴＷには、下方へ押さえる力が作用することとなり、接合突部ＴＷが下方向にも好適に押圧保持されることとなる。

なお、図１３に示すように、接合突部ＴＷの肩部Ｗｂを左右に膨出形成し、ローラ部材３２の鍔部３２Ｂのテーパ面３２ｂが接合突部ＴＷの肩部Ｗｂに積極的に当接するようにしてもよい。また、図示はしないが、肩部Ｗｂをアール状に形成して、ローラ部材３２の鍔部３２Ｂのテーパ面３２ｂが接合突部ＴＷの肩部Ｗｂに当接するようにしてもよい。

本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の要部を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本実施形態に係る摩擦攪拌接合装置に使用される押圧手段の説明図である。 （ａ）は押圧手段が押圧姿勢にあるときのアームの連結部分の様子を示す拡大側面図、（ｂ）は押圧手段が退避姿勢にあるときのアームの連結部分の様子を示す拡大側面図、（ｃ）は押圧手段のローラ部材を示す正面図である。 （ａ）はローラ部材を示す説明図、（ｂ）はその他のローラ部材を示す説明図である。 （ａ）（ｂ）はローラ部材による押圧保持の様子を示す説明図である。 金属部材の固定状況を示す正面図である。 金属部材の固定状況を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は押圧手段の作用説明図である。 摩擦攪拌接合の様子を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は回転ツールを交換する際の手順を示す説明図である。 変形例に係る摩擦攪拌接合装置の要部を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 凹溝が形成された金属部材における押圧保持の様子を示す説明図である。 接合突部の異なる形状における押圧保持の様子を示す説明図である。

符号の説明

１０ 主軸ユニット
１０ａ 正面
１１ ホルダ部
２０ 回転ツール
２０’ 回転ツール
２３ 大径部
２４ 摩擦攪拌部
２４ａ ショルダ部
２４ｂ 攪拌ピン
３０ 押圧手段
３１ アーム
３１Ａ 上アーム
３１Ｂ 下アーム
３２ ローラ部材
３２’ ローラ部材
３２Ａ ローラ部
３２Ｂ 鍔部
３２Ｂ’ 鍔部
３２ｂ テーパ面
３２ｂ’ テーパ面
３２ｅ 垂直面
３７ エアーノズル
Ｋ 空間部
Ｒ１ 上限
Ｒ２ 下限
Ｓ１ 押圧姿勢
Ｓ２ 退避姿勢
ＴＷ 接合突部
ＴＷ１ 突合部
Ｗ 金属部材
Ｗ１〜Ｗ３ 金属部材

Claims (7)

1. 金属要素同士の突合部に形成される接合突部に沿って回転ツールを移動させることで、前記金属要素同士を接合する摩擦攪拌接合装置であって、
   前記回転ツールを支持する主軸ユニットと、
   前記回転ツールの移動方向前方において前記接合突部を押圧可能な押圧手段と、を備え、
   前記押圧手段は、
   前記接合突部の上面に当接することで前記上面を押圧可能なローラ部と、
   このローラ部の幅方向両端部にそれぞれ設けられ、前記接合突部の両側方から当接することで前記接合突部を両側方から押圧可能な鍔部と、を備えてなるローラ部材を有しており、
   前記ローラ部材で前記接合突部を押圧保持することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記鍔部は、前記ローラ部材の幅方向両端側に向かって順次大径となるテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記鍔部は、前記接合突部に両側方から当接可能な垂直面を含んで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記押圧手段は、
   前記ローラ部材が前記接合突部を押圧保持する押圧姿勢と、
   少なくとも前記ローラ部材が前記回転ツールから離間する退避姿勢と、の間で姿勢変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 前記主軸ユニットは、前記回転ツールを着脱可能に支持するとともに前記金属要素に対して昇降可能に設けられており、
   前記押圧手段は、
   前記主軸ユニットに吊設されたアームの下端部に前記ローラ部材を備えて構成され、
   前記主軸ユニットが所定の上昇位置から所定の下降位置に下降する過程で、前記ローラ部材が前記金属要素に当接しつつ前記回転ツールに向けて移動することで前記退避姿勢から前記押圧姿勢に姿勢変更し、前記主軸ユニットが前記下降位置から前記上昇位置に上昇する過程で、前記ローラ部材が前記金属要素に当接しつつ前記回転ツールから離間するように移動することで前記押圧姿勢から前記退避姿勢に姿勢変更することを特徴とする請求項４に記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 前記アームは、上アームと、この上アームの下部に回動可能に支持された下アームとを含んで構成され、前記上アームに対して前記下アームが回動することで、前記押圧姿勢または前記退避姿勢となり、
   前記退避姿勢において、前記下アームは、前記回転ツールに前記ローラ部材が近づく方向に鉛直軸から傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置。
7. 前記アームは、その自重により前記押圧姿勢から前記退避姿勢へ回動されて姿勢変更することを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌接合装置。

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