JP2010214401A - 摩擦撹拌接合装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材質や形状等が異なる各種の被接合部材に対して良好な摩擦撹拌接合を実施できること。
【解決手段】本装置は、被接合部材Pに当接される接合ツール14及び接合ツール14を回転駆動する回転駆動手段15を含む接合ヘッド13と、接合ヘッド13を変位駆動するヘッド駆動手段16であって、接合ヘッド13がそのピストンロッド16Aに取り付けられた流体圧シリンダ16を含むヘッド駆動手段16と、流体圧シリンダ16の第１の隔室17に加圧流体を供給する第１加圧手段19,20と、流体圧シリンダ16の第２の隔室18に加圧流体を供給する第２加圧手段21,20と、第１加圧手段19,20及び第２加圧手段21,20によって供給される各加圧流体の圧力を制御する制御手段22,23,24と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦撹拌接合装置及び方法に係り、特に、回転する接合ツールを被接合部材に当接して塑性流動を生じさせることにより接合する摩擦撹拌接合装置及び方法に関する。

摩擦撹拌接合装置は、近年、鉄道車両、船舶、航空機、橋梁等といった幅広い分野において用いられている。

従来の摩擦撹拌接合装置の代表的なものとして、接合ツールを回転させながら被接合部材の一方の面に押圧し、これにより当該接合部位において塑性流動を発生させ、塑性流動によって混ざり合った材料が固化することで両部材を接合する装置がある（特許文献１）。接合ツールの押圧力を達成するための手段として、特許文献１では、押圧式エアシリンダが使用されている。

図８はこのタイプの摩擦撹拌接合装置の概略構成を示しており、この装置１００は、装置本体のヘッド支持部１０１にリニアガイド１０２を介して上下方向に直動自在に装着された接合ヘッド１０３を有する。接合ヘッド１０３には、作業時に被接合部材Ｐの上面に当接される接合ツール１０４が回転自在に装着されており、この接合ツール１０４は、接合ヘッド１０３に設けられたツール回転駆動モータ１０５によって回転駆動される。

ヘッド支持部１０１にはヘッド駆動用のエアシリンダ１０６が固定して設けられており、このエアシリンダ１０６のピストンロッド１０６Ａに接合ヘッド１０３が取り付けられている。エアシリンダ１０６の加圧室１０７には、加圧側配管１０９を介して圧縮空気源１２０から圧縮空気が供給される。一方、エアシリンダ１０６の背圧室１０８には背圧側配管１２１が接続されている。

加圧側配管１０９の途中には圧力制御弁１２２及び電磁弁１２３が設けられている。電磁弁１２３には背圧側配管１２１も接続されており、電磁弁１２３を切り換えることにより、エアシリンダ１０６の背圧室１０８を大気解放することができる。圧力制御弁１２２及び電磁弁１２３は制御装置１２４によって制御される。

ところで、図８に示した従来の摩擦撹拌接合装置１００においては、被接合部材Ｐの一方の面から接合ツール１０４を押圧する方式であるため、図９に示したように被接合部材Ｐの裏面側に裏当て金１２５を配置して被接合部材Ｐをその裏面側から支持する必要がある。

このため、このタイプの装置を用いて接合できる部材の形状（継手形状等）には多くの制約があり、その適用対象が限定されていた。また、被接合部材Ｐを固定する定盤には高い剛性が必要であり、固定治具も大掛かりなものとなっているため、装置が高価なものとなり、そのハンドリングが必ずしも容易ではないという問題がある。

上述した問題に対処するために、裏当て金や大掛かりな固定治具を不要とするボビンツール方式の摩擦撹拌接合装置が開発されている（特許文献２）。図１０及び図１１に示したように、このボビンツール方式の摩擦撹拌接合装置２００は、被接合部材Ｐの表裏両面を挟み込むように固定間隔にて配置された上下一対の回転体２０１Ａ、２０１Ｂと、上下の回転体２０１Ａ、２０１Ｂの間に設けられた撹拌軸２０１Ｃとから成る接合ツール２０１を備えている。

このボビンツール方式の装置を用いて被接合部材Ｐ同士の突き合わせ部を接合する際には、接合ツール２０１を回転させながら被接合部材Ｐ同士の突き合わせラインＬに沿って接合ツール２０１を移動させる。すると、被接合部材Ｐの表裏両面及び突き合わせ面において摩擦熱が発生し、塑性流動が生じる。接合ツール２０１の通過後、塑性流動により互いに混ざり合った両被接合部材Ｐの突き合わせ部が固化し、これにより両被接合部材Ｐが互いに接合される。

この固定ボビンツール方式の摩擦撹拌接合装置２００によれば、裏当て金が不要となるので装置の構成が簡素化され、また、接合対象の部材の制約条件が緩やかになる。また、被接合部材Ｐの表裏両面に塑性流動を生じさせることにより、被接合部材Ｐの裏面側の接合不良を確実に防止できるという利点もある。

上述したボビンツール方式の装置は、接合ツールの上下の回転体の間隔を固定した固定式ボビンツールを用いており、この固定式ボビンツールを被接合部材の突き合わせラインに沿って移動させるものであるが、接合に際してボビンツールの上下方向の位置を被接合部材の表面（上面／下面）に追従させる機能を備えていない。即ち、固定式ボビンツールによる接合は、予め教示したパスに基づく位置制御動作で行われる。

このため、被接合部材の寸歩誤差や取り付け誤差等に起因して部材表面の上下方向の位置が局所的に変化している（波打っている）場合でも、その変化に応じてボビンツールの上下位置を調節することができない。その結果、当該部位において接合不良が発生したり、接合強度にムラができてしまうという問題がある。

この問題に対処するために、上下の回転体の間隔を変更可能とするセルフリアクティング方式のボビンツールを用いた摩擦撹拌接合装置が開発されている（特許文献３、４）。このタイプの装置においては、上側回転体（上側ショルダ）と下側回転体（下側ショルダ）との間の挟持力が、油圧による力制御方式によって制御されると共に、上側回転体と下側回転体のそれぞれを被接合部材の表面（上面／下面）に追従させることができる。

しかしながら、このセルフリアクティング方式のボビンツールを用いた装置においては、接合ヘッドの軸構成が、上下の回転体（ショルダ）の押圧軸２軸及びツール回転軸１軸の合計３軸となり、構成が複雑であり、高価なものとなってしまうという問題がある。

そこで、ボビンツール式の摩擦撹拌接合装置において、固定式ボビンツールを用いつつ、被接合部材の寸法誤差や取り付け誤差等に起因してボビンツールと被接合部材との上下方向の位置関係が変化した場合にも、そのような変化に適切に対応できることが求められている。

また、被接合部材の種類（形状、材質等）によっては、上述したボビンツール方式の摩擦撹拌接合装置では適切に接合できない場合もある。このような場合でも、図８及び図９に示したような被接合部材Ｐの片面のみに接合ツール１０４を押圧する片面押圧式の摩擦撹拌接合装置１００であれば、支障なく接合を行えることもある。

従って、１台の摩擦撹拌接合装置において、接合ツールを適宜交換することにより、従来の片面押圧方式の接合とボビンツール方式の接合とを使い分けられるようにすることが望ましい。

しかしながら、従来の片面押圧方式の摩擦撹拌接合装置においては、接合ツールの押圧力を確保するためにエアシリンダを用いているため、単に接合ツールをボビンツール式の接合ツールに交換しただけは、この接合ツールを所望の高さ位置に保持することが困難もしくは不可能であった。

逆に、固定ボビンツール方式の摩擦撹拌接合装置においては、片面押圧方式の摩擦撹拌接合装置におけるエアシリンダのような大きな押圧力を発生させる手段を備えていないため、単に固定ボビンツール式の接合ツールを片面押圧式の接合ツールに交換しただけでは適切な接合条件を達成することができない。

さらに、上述した従来の片面押圧式の接合ツールを用いた摩擦撹拌接合装置では、例えばプラスチック材料のような比較的軟らかい材料から成る部材や厚さが薄い部材を接合しようとしても、そのような接合条件に適した（接合ツールの）押圧力を達成することが困難もしくは不可能であった。

上述した従来の摩擦撹拌接合装置においては、押圧式のエアシリンダによって接合ツールを被接合部材に向けて押圧するように構成されているため、被接合部材に加えられる押圧力は、エアシリンダによる加圧力と接合ツールを含む接合ヘッドの自重による下向きの力とを合わせたものとなる。

従って、もし仮にエアシリンダをオフにしてその加圧力をゼロにしたとしても、少なくとも接合ヘッドの自重による押圧力が被接合部材に加えられてしまい、軟質材料の部材や薄い部材の接合に適した十分に小さな押圧力を達成することができなかった。

特許第３２６１４３１号公報 特許第２７１２８３８号公報 特開２００８−１４９３３１号公報 特許第４１７５４８４号公報

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであって、材質や形状等が異なる各種の被接合部材に対して良好な摩擦撹拌接合を実施することができる摩擦撹拌接合装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による摩擦撹拌接合装置は、被接合部材に当接される接合ツール及び前記接合ツールを回転駆動する回転駆動手段を含む接合ヘッドと、前記接合ヘッドを変位駆動するヘッド駆動手段であって、前記接合ヘッドがそのピストンロッドに取り付けられた流体圧シリンダを含むヘッド駆動手段と、前記流体圧シリンダの第１の隔室に加圧流体を供給する第１加圧手段と、前記流体圧シリンダの第２の隔室に加圧流体を供給する第２加圧手段と、前記第１加圧手段及び前記第２加圧手段によって前記第１の隔室及び前記第２の隔室に同時に供給される各加圧流体の圧力を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

好ましくは、前記接合ツールは、互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体の間に設けられた撹拌軸と、を有する固定式ボビンツールである。

好ましくは、前記接合ツールは、前記被接合部材の片面のみに当接されるように構成されている。

好ましくは、前記制御手段は、前記第１加圧手段から供給される前記加圧流体の圧力と前記第２加圧手段から供給される前記加圧流体の圧力との差圧によって前記接合ヘッドの重量の少なくとも一部を支持するように各圧力を制御する。

好ましくは、前記第１加圧手段及び前記第２加圧手段が、共通の加圧流体源を備えている。

好ましくは、前記被接合部材の表面形状に追従して前記接合ツールを変位させるツール位置補正機構をさらに備え、前記ツール位置補正機構は、前記被接合部材の表面に当接される当接部材と、前記当接部材を前記接合ヘッドに対して弾性的に支持する弾性支持手段と、を含む。

好ましくは、前記弾性支持手段は、圧縮バネ又は流体圧シリンダを含む。

好ましくは、前記被接合部材から遠ざかる方向に向けて前記接合ヘッドを付勢して前記接合ヘッドを所定位置に保持するヘッド保持機構をさらに備える。

好ましくは、前記ヘッド保持機構は、前記接合ヘッドに当接されるピストンロッドを含む流体圧シリンダを有する。

好ましくは、前記制御手段は、前記第１の隔室及び前記第２の隔室に同時に前記各加圧流体を供給する制御モードから、前記第１の隔室及び前記第２の隔室のいずれか一方にのみ前記加圧流体を供給する追加の制御モードに切り換える機能をさらに有する。

好ましくは、前記追加の制御モードは、前記被接合部材の片面にのみ当接されるように構成された前記接合ツールを前記被接合部材に対して押圧するモードである。

好ましくは、前記追加の制御モードは、前記加圧流体の圧力によって前記接合ヘッドの重量の少なくとも一部を支持するモードである。

上記課題を解決するために、本発明は、回転する接合ツールを被接合部材に当接して塑性流動を生じさせることにより接合する摩擦撹拌接合方法において、前記接合ツールを含む接合ヘッドがそのピストンロッドに取り付けられた流体圧シリンダの第１の隔室及び第２の隔室に同時に供給される各加圧流体の圧力を制御する圧力制御工程と、前記圧力制御工程により前記各加圧流体の圧力を制御しながら前記被接合部材の接合ラインに沿って前記接合ツールを移動させるツール移送工程と、を備えたことを特徴とする。

好ましくは、前記接合ツールとして、互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体の間に設けられた撹拌軸と、を有する固定式ボビンツールを用いる。

好ましくは、前記接合ツールとして、前記被接合部材の片面のみに当接されるように構成された接合ツールを用いる。

好ましくは、前記流体圧シリンダの前記第１の隔室に供給される前記加圧流体の圧力と前記第２の隔室に供給される前記加圧流体の圧力との差圧によって前記接合ヘッドの重量の少なくとも一部を支持する。

好ましくは、前記ツール移送工程において、前記被接合部材の表面形状に追従して前記接合ツールを変位させる。

好ましくは、接合作業開始時において、前記被接合部材から遠ざかる方向に向けて前記接合ヘッドを付勢して前記接合ヘッドを所定位置に保持しておくようにする。

好ましくは、接合環境が安定した後、前記接合ヘッドの前記所定位置への保持を解除する。

本発明によれば、接合ツールがそのピストンロッドに取り付けられた流体圧シリンダの両方の隔室に加圧流体を同時に供給できるようにすると共に、両隔室に供給される各加圧流体の圧力を制御できるようにしたので、材質や形状等の異なる各種の被接合部材に対して良好な摩擦撹拌接合を実施することができる。

本発明の一実施形態による摩擦撹拌接合装置の概略構成を示した図。 図１に示した実施形態の一変形例であって、片面押圧式の接合ツールを備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成を示した図。 図１に示した実施形態の他の変形例であって、圧縮バネを有するツール位置補正機構を備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成を示した図。 図１に示した実施形態の他の変形例であって、エアシリンダを有するツール位置補正機構を備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成を示した図。 図１に示した実施形態の他の変形例であって、被接合部材の下面側にツール位置補正機構を備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成を示した図。 図１に示した実施形態の他の変形例であって、ヘッド保持機構を備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成を示した図。 図１に示した実施形態の他の変形例であって、ツール位置補正機構及びヘッド保持機構を備えた摩擦撹拌接合装置の概略構成を示した図。 従来の摩擦撹拌接合装置の一例として、片面押圧式の装置の概略構成を示した図。 図８に示した従来の摩擦撹拌接合装置による接合動作を説明するための図。 従来の摩擦撹拌接合装置の他の例としての固定式ボビンツールを備えた装置による接合動作を説明するための図。 図１０に示した従来の摩擦撹拌接合装置の接合ツールである固定式ボビンツールを拡大して示した図。

本発明の一実施形態としての摩擦撹拌接合装置及び方法について、図面を参照しながら以下で説明する。

図１に示したように本実施形態による摩擦撹拌接合装置１０は、装置本体のヘッド支持部１１にリニアガイド１２を介して上下方向に直動自在に装着された接合ヘッド１３を有する。接合ヘッド１３には、接合作業時に被接合部材Ｐに当接される接合ツール１４が回転自在に装着されており、この接合ツール１４は、接合ヘッド１３に設けられたツール回転駆動モータ（回転駆動手段）１５によって回転駆動される。

ヘッド支持部１１にはヘッド駆動用のエアシリンダ（ヘッド駆動手段）１６が固定して設けられており、このエアシリンダ１６のピストンロッド１６Ａに接合ヘッド１３が取り付けられている。なお、エアシリンダ１６に代えて油圧シリンダ等の他の流体圧シリンダを設けることもできる。

エアシリンダ１６の第１隔室１７には、第１配管１９を介して圧縮空気源（加圧流体源）２０から圧縮空気が供給される。一方、エアシリンダ１６の第２隔室１８には、第２配管２１を介して、同じく圧縮空気源２０から圧縮空気が供給される。第１配管１９及び圧縮空気源２０によって、第１隔室１７を加圧する第１加圧手段が構成され、第２配管２１及び圧縮空気源２０によって、第２隔室１８を加圧する第２加圧手段が構成される。

第１配管１９の途中には第１圧力制御弁２２が設けられており、第２配管２１の途中には第２圧力制御弁２３が設けられている。第１圧力制御弁２２及び第２圧力制御弁２３は、制御装置２４によってそれらの圧力設定値が調整される。

本実施形態における接合ツール１４は固定式ボビンツールであり、接合作業時に被接合部材Ｐの上下両面に接触するように固定間隔で離間配置された上側回転体１４Ａ及び下側回転体１４Ｂと、上下の回転体１４Ａ、１４Ｂの間に設けられ、被接合部材Ｐ同士の突き合わせ部に挿入される撹拌軸１４Ｃと、を有する。

上下の回転体１４Ａ、１４Ｂ同士の間隔は、被接合部材Ｐの厚さを考慮して固定的に設定され、上側の回転体１４Ａが被接合部材Ｐの上面に接触すると共に、下側の回転体１４Ｂが被接合部材Ｐの下面に接触するように設定されている。

本実施形態による摩擦撹拌接合装置１０を用いて被接合部材Ｐ同士の突き合わせ部を接合する際には、ツール回転駆動モータ１５によって接合ツール１４を回転させながら、上下の回転体１４Ａ及び１４Ｂで被接合部材Ｐを挟み込むようにして、接合ツール１４の撹拌軸１４Ｃを突き合わせラインに沿って移動させる（図１０参照）。この場合、摩擦撹拌接合装置１０のヘッド支持部１１を被接合部材Ｐに対して移動させても良いし、逆に、ヘッド支持部１１を固定として被接合部材Ｐ側を移動させても良い。要するに、接合ツール１４と被接合部材Ｐとが相対的に移動するようにすれば良い。

このとき、制御手段２４によって第１圧力制御弁２２及び第２圧力制御弁２３の各圧力設定値を調節して、ヘッド駆動用のエアシリンダ１６の第１隔室１７及び第２隔室１８の各圧力を制御し、接合ツール１４の上側の回転体１４Ａが被接合部材Ｐの上面に対して若干押圧された状態を維持する。

即ち、第１隔室１７の圧力による下向きの力をＦ１とし、第２隔室１８の圧力による上向きの力をＦ２として、接合ヘッド１３の自重による下向きの力をＷとした場合、Ｆ１＋ＷがＦ２を若干上回るように第１隔室１７及び第２隔室１８の各圧力が調節される。この場合、被接合部材Ｐの上面に対する接合ツール１４の上側回転体１４Ａからの押圧力をＦｐとすると、Ｆ１＋Ｗ−Ｆ２＝Ｆｐ＞０となる。

またこれとは逆に、接合ツール１４の下側の回転体１４Ｂが被接合部材Ｐの下面に対して若干押圧された状態を維持するようにしても良い。この場合には、Ｆ２がＦ１＋Ｗを若干上回るように第１隔室１７及び第２隔室１８の各圧力が調節される。即ち、被接合部材Ｐの下面に対する接合ツール１４の下側回転体１４Ｂからの押圧力をＦｐとすると、Ｆ２―Ｆ１−Ｗ＝Ｆｐ＞０となる。

上述したように、接合作業においては接合ツール１４を被接合部材Ｐの突き合わせラインに沿って移動させるが、このとき、被接合部材Ｐの寸法誤差や取り付け誤差等に起因して、被接合部材Ｐの表面の上下方向の位置が局所的に変化している（波打っている）場合がある。

そして、例えば被接合部材Ｐの上面が局所的に上方に隆起していると、この隆起部分において、接合ツール１４の上側の回転体１４Ａを押し上げる力が作用する。

ここで、従来の摩擦撹拌接合装置においては、固定式ボビンツールに対して被接合部材Ｐから上方への押し上げ力が作用した場合でも、それに応じて固定式ボビンツールが上方に変位するという機能を備えていなかった。このため、被接合部材Ｐの当該隆起部位において接合不良が発生したり、接合強度にムラができてしまうという問題があった。

これに対して本実施形態においては、ヘッド駆動用のエアシリンダ１６の第１隔室１７及び第２隔室１８の両方に圧縮空気を供給して加圧するようにしたので、接合ヘッド１４を上下方向において弾性的に支持することができる。このため、被接合部材Ｐの板厚変動等に起因して接合ヘッド１４に対して上向き（又は下向き）の力が作用した場合には、その力に応じて接合ヘッド１４が上方（又は下方）に変位する（即ち、エアシリンダ１６がエアダンパのように機能する）。これにより、被接合部材Ｐの当該隆起部位（又は陥没部位）においても他の部位と略同様の接合条件が維持され、接合不良や接合ムラの発生を防止することができる。

また、本実施形態による摩擦撹拌接合装置によれば、ヘッド駆動用のエアシリンダ１６の第１隔室１７及び第２隔室１８の各圧力を制御装置２４によって調節することにより、上述したように接合ツール１４の上側の回転体１４Ａ（又は下側の回転体１４Ｂ）を被接合部材Ｐの上面（又は下面）に対して若干押圧することができるので、固定式ボビンツールを用いて、より一層良好な接合状態を達成することができる。

また、本実施形態による摩擦撹拌接合装置１０においては、図２に示したように固定ボビン式の接合ツール１４を片面押圧式の接合ツール１４’と交換して接合作業を行うこともできる。

この場合、制御装置２４によって第１圧力制御弁２２及び第２圧力制御弁２３を制御して、Ｆ１＋ＷがＦ２よりも十分に大きくなるように設定し、所望のＦｐが得られるようにする。好ましくは、制御手段２４が、第１隔室１７及び第２隔室１８に同時に各圧縮空気を供給する制御モードから、第１隔室１７にのみ圧縮空気を供給する追加の制御モードに切り換える機能をさらに有し、この追加の制御モードに切り換えて、圧縮空気源２０からの圧縮空気を第１隔室１７に供給すると共に、第２隔室１８を大気圧に解放するようにする。このとき、圧縮空気源２０からの圧縮空気を減圧せずに直接第１隔室１７に供給するようにしても良い。

また、プラスチック材料のような軟質材料から成る被接合部材や厚さの薄い接合部材を接合する際には、第２隔室１８の圧力が第１隔室１７の圧力よりも大きくなるように設定して（Ｆ２＞Ｆ１）、その差圧による上向きの力（Ｆ２−Ｆ１）によって接合ヘッド１３の重量（Ｗ）の一部を支持するようにしても良い。

この場合、制御手段２４に対して、第１隔室１７及び第２隔室１８に同時に各圧縮空気を供給する制御モードから、第２隔室１８にのみ圧縮空気を供給する追加の制御モードに切り換える機能を付加しておき、この追加の制御モードに切り換えて、圧縮空気源２０からの圧縮空気を第２隔室１８に供給して接合ヘッド１３の重量の一部を支持すると共に、第１隔室１７を大気解放するようにしても良い。

なお、この追加の制御モードを利用して、第２隔室１８にのみ圧縮空気を供給しながら、図１に示した固定式ボビンツールによる接合を行うこともできる。

上述したように図１に示した実施形態においては、被接合部材Ｐの表面（上面／下面）の上下方向の変位に追従して接合ツール１４が上下に変位可能であるが、この接合ツール１４の追従機能を強化するために、図３に示したようにツール位置補正機構２５を追加しても良い。

このツール位置補正機構２５は、接合作業時に被接合部材Ｐの上面に当接されて転動するローラ部材（当接部材）２６と、このローラ部材２６を接合ヘッド１３に対して弾性的に支持する圧縮バネ（弾性支持手段）２７を含むローラ支持部材２８と、を備えている。ローラ部材２６は、接合方向において接合ツール１４よりも前方側に配置されている。なお、ローラ部材２６の配置は、接合方向前方にかえて側方もしくは後方、あるいはこれらの組み合わせとしても良い。

このツール位置補正機構２５においては、圧縮バネ２７の弾性力によって接合ヘッド１３を押し上げる力Ｆｒが作用する。ここで、被接合部材Ｐの上面に対する接合ツール１４の上側回転体１４Ａからの押圧力をＦｐとすると、Ｆｐ＝Ｆ１＋Ｗ−Ｆ２−Ｆｒとなる。Ｆｐ＝０とした場合、Ｆｒ＝Ｆ１＋Ｗ−Ｆ２となり、このＦｒがゼロ若しくは所定の正の値となるように各値が設定される。

そして、被接合部材Ｐが板厚変動等によって上方に変形している場合、この変形箇所においてローラ部材２６が押し上げられ、圧縮バネ２７が一時的に収縮する。圧縮バネ２７が収縮するとその押し上げ力Ｆｒが増大し、これにより接合ヘッド１３が押し上げられる。逆に、被接合部材Ｐが下方に変形している場合には、圧縮バネ２７が伸長してその押し上げ力Ｆｒが減少し、接合ヘッド１３が降下する。

このように、被接合部材Ｐが上方（又は下方）に変形している場合には、これに追従して接合ヘッド１３が上方（又は下方）に変位するので、当該部位（隆起部又は陥没部）における接合不良や接合ムラの発生を防止することができる。

ツール位置補正機構２５の変形例としては、図４に示したように、圧縮バネ２７に代えてエアシリンダ２９を設けることもできる。なお、エアシリンダに代えて、油圧シリンダ等の他の流体圧シリンダを用いることもできる。

エアシリンダ２９には、第３配管３０を介して圧縮空気源２０から圧縮空気が供給される。第３配管３０の途中には圧力制御弁３１が設けられており、その圧力設定値が制御装置２４によって制御される。

図４に示した例においては、ツール位置補正機構２５のエアシリンダ２９によってローラ部材２６が被接合部材Ｐの上面に押圧されており、被接合部材Ｐの上面が上下方向に局所的に変形している場合には、図３に示した例と同様に、接合ヘッド１３がこれに追従して上下に変位する。

また、図３及び図４に示した例においては、ローラ部材２６を被接合部材Ｐの上面に当接するようにしたが、ローラ部材２６を被接合部材Ｐの下面に当接するようにしても良い。図５は、図３に示した例の変形例として、ローラ部材２６を被接合部材Ｐの下面に当接するようにしたものである。

図５に示した例においては、ローラ支持部材２８がベアリング機構３２を介して接合部材１４の下側回転体１４Ｂに取り付けられており、下側回転体１４Ｂの回転動作から独立してローラ部材２６が接合方向前方に配置されるように構成されている。なお、ローラ部材２６の配置は、接合方向前方にかえて側方もしくは後方、あるいはこれらの組み合わせとしても良い。

図５の例では圧縮バネ２７による反力Ｆｒは下向きに作用するので、Ｆｐ＝Ｆ１＋Ｗ−Ｆ２＋Ｆｒとなる。ここで、Ｆｐ＝０とした場合、Ｆｒ＝Ｆ２−Ｗ−Ｆ１となり、このＦｒがゼロ若しくは所定の正の値となるように各値が設定される。

次に、図６は、図１に示した実施形態の変形例を示している。

固定式ボビンツールから成る接合ツール１４を備えた摩擦撹拌接合装置を用いて、被接合部材Ｐ同士の突き合わせ部を接合する場合、接合作業の初期段階において、被接合部材Ｐが変形して接合ツール１４が沈下して行くという現象が生じることがある。

この現象は、接合作業の初期段階では接合環境（被接合部材Ｐの撹拌状態や温度等）が未だ安定しておらず、接合ツールによる摩擦熱が局部的に供給されて、被接合部材Ｐが過度に軟化し、接合ツール１４からの押圧力Ｆｐを支えきれずに変形してしまうためと考えられる。

そこで、図６に示した例においては、接合作業開始時において接合ヘッド１３を所定の高さに保持するためのヘッド保持機構３３を設けた。このヘッド保持機構３３は、ヘッド支持部１１に設けられたヘッド保持用のエアシリンダ３４を有し、このエアシリンダ３４のピストンロッド３４Ａの先端部が接合ヘッド１３に当接されている。

エアシリンダ３４には、第４配管３５を介して圧縮空気源２０からの圧縮空気が供給される。第４配管３５の途中には電磁弁３６が設けられており、制御装置２４によって電磁弁３６が切り換え操作される。

図６に示した摩擦撹拌接合装置を用いて被接合部材Ｐの突き合わせ部を接合する際には、接合作業開始時においては、制御装置２４によって電磁弁３６を操作して圧縮空気源２０からの圧縮空気を減圧無しで直接エアシリンダ３４に供給し、エアシリンダ３４のピストンロッド３４Ａを伸長させてその先端部で接合ヘッド１３を支持するようにする。

そして、接合作業がある程度進んで接合環境が安定してきた時点で、制御装置２４によって電磁弁３６を操作してエアシリンダ３４への圧縮空気の供給を停止し、ピストンロッド３４Ａを収縮させる。これにより、ヘッド保持機構を備えていない摩擦撹拌接合装置（図１）と同様の状態となり、以後の接合作業を支障なく実施することができる。

なお、図６に示した例の変形例として、図３乃至図５に示したツール位置補正機構を追加することもできる。図７は、図４に示したツール位置補正機構を追加した例を示している。図７に示した例によれば、ヘッド保持機構による接合作業初期段階での作用効果と、その後の接合作業段階におけるツール位置補正機構による作用効果を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の範囲内で適宜変更することができる。

１０ 摩擦撹拌接合装置
１３ 接合ヘッド
１４、１４’ 接合ツール
１５ ツール回転駆動モータ（回転駆動手段）
１６ ヘッド駆動用エアシリンダ（ヘッド駆動手段）
１７ ヘッド駆動用エアシリンダの第１隔室
１８ ヘッド駆動用エアシリンダの第２隔室
１９ 第１配管（第１加圧手段）
２０ 圧縮空気源（第１、第２加圧手段）
２１ 第２配管（第２加圧手段）
２２ 第１圧力制御弁
２３ 第２圧力制御弁
２４ 制御装置
２５ ツール位置補正機構
３３ ヘッド保持機構
Ｐ 被接合部材

Claims (19)

1. 被接合部材に当接される接合ツール及び前記接合ツールを回転駆動する回転駆動手段を含む接合ヘッドと、
   前記接合ヘッドを変位駆動するヘッド駆動手段であって、前記接合ヘッドがそのピストンロッドに取り付けられた流体圧シリンダを含むヘッド駆動手段と、
   前記流体圧シリンダの第１の隔室に加圧流体を供給する第１加圧手段と、
   前記流体圧シリンダの第２の隔室に加圧流体を供給する第２加圧手段と、
   前記第１加圧手段及び前記第２加圧手段によって前記第１の隔室及び前記第２の隔室に同時に供給される各加圧流体の圧力を制御する制御手段と、を備えた摩擦撹拌接合装置。
2. 前記接合ツールは、互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体の間に設けられた撹拌軸と、を有する固定式ボビンツールである、請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記接合ツールは、前記被接合部材の片面のみに当接されるように構成されている、請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 前記制御手段は、前記第１加圧手段から供給される前記加圧流体の圧力と前記第２加圧手段から供給される前記加圧流体の圧力との差圧によって前記接合ヘッドの重量の少なくとも一部を支持するように各圧力を制御する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 前記第１加圧手段及び前記第２加圧手段が、共通の加圧流体源を備えている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
6. 前記被接合部材の表面形状に追従して前記接合ツールを変位させるツール位置補正機構をさらに備え、前記ツール位置補正機構は、前記被接合部材の表面に当接される当接部材と、前記当接部材を前記接合ヘッドに対して弾性的に支持する弾性支持手段と、を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 前記弾性支持手段は、圧縮バネ又は流体圧シリンダを含む、請求項６記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 前記被接合部材から遠ざかる方向に向けて前記接合ヘッドを付勢して前記接合ヘッドを所定位置に保持するヘッド保持機構をさらに備えた、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
9. 前記ヘッド保持機構は、前記接合ヘッドに当接されるピストンロッドを含む流体圧シリンダを有する、請求項８記載の摩擦撹拌接合装置。
10. 前記制御手段は、前記第１の隔室及び前記第２の隔室に同時に前記各加圧流体を供給する制御モードから、前記第１の隔室及び前記第２の隔室のいずれか一方にのみ前記加圧流体を供給する追加の制御モードに切り換える機能をさらに有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
11. 前記追加の制御モードは、前記被接合部材の片面にのみ当接されるように構成された前記接合ツールを前記被接合部材に対して押圧するモードである、請求項１０記載の摩擦撹拌接合装置。
12. 前記追加の制御モードは、前記加圧流体の圧力によって前記接合ヘッドの重量の少なくとも一部を支持するモードである、請求項１０記載の摩擦撹拌接合装置。
13. 回転する接合ツールを被接合部材に当接して塑性流動を生じさせることにより接合する摩擦撹拌接合方法において、
    前記接合ツールを含む接合ヘッドがそのピストンロッドに取り付けられた流体圧シリンダの第１の隔室及び第２の隔室に同時に供給される各加圧流体の圧力を制御する圧力制御工程と、
    前記圧力制御工程により前記各加圧流体の圧力を制御しながら前記被接合部材の接合ラインに沿って前記接合ツールを移動させるツール移送工程と、を備えた摩擦撹拌接合方法。
14. 前記接合ツールとして、互いに固定間隔で配置された一対の回転体と、前記一対の回転体の間に設けられた撹拌軸と、を有する固定式ボビンツールを用いる、請求項１３記載の摩擦撹拌接合方法。
15. 前記接合ツールとして、前記被接合部材の片面のみに当接されるように構成された接合ツールを用いる、請求項１３記載の摩擦撹拌接合方法。
16. 前記流体圧シリンダの前記第１の隔室に供給される前記加圧流体の圧力と前記第２の隔室に供給される前記加圧流体の圧力との差圧によって前記接合ヘッドの重量の少なくとも一部を支持する、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
17. 前記ツール移送工程において、前記被接合部材の表面形状に追従して前記接合ツールを変位させる、請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
18. 接合作業開始時において、前記被接合部材から遠ざかる方向に向けて前記接合ヘッドを付勢して前記接合ヘッドを所定位置に保持しておくようにする、請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
19. 接合環境が安定した後、前記接合ヘッドの前記所定位置への保持を解除する、請求項１８記載の摩擦撹拌接合方法。

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