JP2013039595A - 摩擦攪拌接合装置及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オフセット動作において、接合ツールの没入量を確保するとともに、接合強度を向上させることのできる摩擦攪拌接合装置及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供する。
【解決手段】接合ツール１を回転させながら、加圧軸２を駆動してワークＷの表面に接合ツール１の先端のツールピン１ｃを押し付け、所定の深さまで接合ツール１の先端のツールピン１ｃを没入させる押し込み動作を行った後、加圧軸２による押し込み動作を停止し、加圧軸２が停止した状態で接合ツール１を回転させながらワークＷに対する接合ツール１の没入量をオフセット動作開始点で最も大きくなるようにワークＷの表面に沿って接合ツール１を移動させるオフセット動作を行い、目標距離だけオフセット動作を行った後に、加圧軸２を押し込み動作の時と逆方向に駆動させて、接合ツール１をワークＷより退避させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、接合ツールの回転による摩擦熱を利用してワークを接合する摩擦攪拌接合装置及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法に関する。

特許文献１には、接合ツールをワークに押し付けつつ回転させることにより、接合ツールとワークの接触点に摩擦熱を発生させて接触点の周囲の材料を軟化させると共に攪拌し、それによりワークを接合する摩擦撹拌接合方法が開示されている。

特許文献２には、接合ツールをワークに対して傾斜させて摩擦攪拌接合を行う例が開示されている。また、特許文献３には、オフセット動作において、オフセット動作時加圧力あるいは接合ツールの移動方向にワークから受ける力（オフセット荷重）をある大きさに制御することで、押し込み量が一定になるようにする技術が開示されている。

特許第２７１２８３８号公報 特許第２７９２２３３号公報 特開２００１−１９８６８３号公報

特許文献１〜３に開示されている従来の摩擦攪拌接合方法では、ワークを定盤のような剛性の高い架台の上にのせて接合するのが一般的であった。このため、接合ツールを回転させながら所定の押し込み量まで没入させる押し込み動作の後、比較的長い距離オフセット動作を行う場合に、押し込み動作時加圧力とオフセット動作時加圧力が異なっていても、ワーク側の剛性が高いので、押し込み動作とオフセット動作とで押し込み量はそれほど変化しなかった。そのため、押し込み動作時加圧力とオフセット動作時加圧力の違いが問題となることはなかった。

ところで、自動車の生産等で用いられている摩擦攪拌接合装置では、ガンアーム（以下、アームと呼ぶ。）を多間接ロボットの先端部に取り付け、裏当て部材をアームの先に取り付けて構成されている。アームの剛性は架台等の剛性に比べて低いため、アームが加圧力に応じて撓み、アームに設けた裏当て部材が接合ツールの押し込み動作に対して逃げてしまう。

そこで、押し込み動作時加圧力と同じ加圧力でオフセット動作を行なうと、接合ツールの没入速度（以下、ツール没入速度とも呼ぶ。）が大きいので、オフセット動作開始点でのツール押し込み量より、オフセット動作終点でのツール押し込み量が大きくなってしまう。

また、接合ツールを傾斜させて、特許文献２で述べられているように接合ツールを押し込み方向に対して押し戻す力（以下、浮力と呼ぶ。）を得たとしても、浮力に比べてオフセット動作時加圧力が大きいとツール没入速度を抑えることは難しい。

オフセット動作開始点でのツール押し込み量より、オフセット動作終点でのツール押し込み量がより大きくなると、特に薄肉のワークを接合する場合や、比較的長い距離を接合ツールが移動する場合には、オフセット動作終点でのツール押し込み量が大きくなり、ワーク残厚（裏当て部材〜ツール間距離）が減少し、条件によってはワークを突き抜けてしまうという問題が生じる。

また、ワーク突き抜けを防止するために、オフセット動作開始点での押し込み量を小さくすると、押し込み量の減少に伴い、接合強度が低下するので、十分な接合強度が得られない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフセット動作において、接合ツールの没入量を確保するとともに、接合強度を向上させることのできる摩擦攪拌接合装置及びそれを用いた摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

本発明は以下の態様を提供する。
（１）接合すべき板状のワークの裏面を支持する裏当て部材と、
前記ワークの表面側に、前記裏当て部材との間に前記ワークを挟むように位置する接合ツールと、
前記接合ツールを保持するツール保持部と、
前記ツール保持部をその回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
前記ツール保持部を前記ワークの表面の法線方向に沿って変位駆動することで、前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行うと共にその押し込み量を調節する加圧軸と、
前記ツール保持部を前記ワークの表面方向に沿って移動させるオフセット動作を行うオフセット軸と、
前記ツール保持部を回転自在および前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動自在かつ前記ワークの表面方向に沿った方向に移動自在に支持する基体と、
該基体から延設されて、先端に前記裏当て部材が設けられたアームと、
前記回転駆動手段、前記加圧軸、およびオフセット軸を駆動制御する制御手段と、
を備え、
前記接合ツールは、ツール本体の先端面に該ツール本体よりも小径なピンを突設し、該ツール本体の先端面におけるピンの取付部の周辺をショルダー部として構成したものであり、前記接合ツールの軸線が、前記ワークの表面の法線方向に対して、前記オフセット動作における前記接合ツールの進行方向に該接合ツールの先端が先行するように僅かに傾斜した摩擦攪拌接合装置であって、
前記制御手段は、前記接合ツールを前記回転駆動手段により回転させながら、前記加圧軸を駆動して前記ワークの表面に前記接合ツールの先端のピンを押し付け、所定の深さまで前記接合ツールの先端のピンを没入させる押し込み動作を行った後、前記加圧軸による押し込み動作を停止し、前記加圧軸が停止した状態で前記接合ツールを回転させながら前記ワークに対する前記接合ツールの没入量をオフセット動作開始点で最も大きくなるように前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、目標距離だけオフセット動作を行った後に、前記加圧軸を押し込み動作の時と逆方向に駆動させて、前記接合ツールを前記ワークより退避させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
（２）前記制御手段は、オフセット動作中、前記アームの弾性変形量がオフセット動作開始点よりも大きくなるように前記オフセット軸を制御することを特徴とする（１）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（３）前記制御手段は、オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット速度を制御することを特徴とする（２）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（４）前記制御手段は、オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット荷重を制御することを特徴とする（２）に記載の摩擦攪拌接合装置。
（５）接合すべき板状のワークの裏面を支持する裏当て部材と、
前記ワークの表面側に、前記裏当て部材との間に前記ワークを挟むように位置する接合ツールと、
前記接合ツールを保持するツール保持部と、
前記ツール保持部をその回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
前記ツール保持部を前記ワークの表面の法線方向に沿って変位駆動することで、前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行うと共にその押し込み量を調節する加圧軸と、
前記ツール保持部を前記ワークの表面方向に沿って移動させるオフセット動作を行うオフセット軸と、
前記ツール保持部を回転自在および前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動自在かつ前記ワークの表面方向に沿った方向に移動自在に支持する基体と、
該基体から延設されて、先端に前記裏当て部材が設けられたアームと、を備え、
前記接合ツールは、ツール本体の先端面に該ツール本体よりも小径なピンを突設し、該ツール本体の先端面におけるピンの取付部の周辺をショルダー部として構成したものであり、前記接合ツールの軸線が、前記ワークの表面の法線方向に対して、前記オフセット動作における前記接合ツールの進行方向に該接合ツールの先端が先行するように僅かに傾斜した摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合方法であって、
前記接合ツールを前記回転駆動手段により回転させながら、前記加圧軸を駆動して前記ワークの表面に前記接合ツールの先端のピンを押し付け、所定の深さまで前記接合ツールの先端のピンを没入させる押し込み動作を行った後、前記加圧軸による押し込み動作を停止し、前記加圧軸が停止した状態で前記接合ツールを回転させながら前記ワークに対する前記接合ツールの没入量をオフセット動作開始点で最も大きくなるように前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、目標距離だけオフセット動作を行った後に、前記加圧軸を押し込み動作の時と逆方向に駆動させて、前記接合ツールを前記ワークより退避させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
（６）オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくすることを特徴とする（５）に記載の摩擦攪拌接合方法。
（７）オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット速度を制御することを特徴とする（６）に記載の摩擦攪拌接合方法。
（８）オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット荷重を制御することを特徴とする（６）に記載の摩擦攪拌接合方法。

上記（１）及び（５）に記載の発明によれば、加圧軸が停止した状態で接合ツールを回転させながらワークに対する接合ツールの没入量をオフセット動作開始点で最も大きくなるようにワークの表面に沿って接合ツールを移動させるオフセット動作を行うことにより、オフセット動作中又はオフセット動作終点において接合ツールがワークを突き破る事態を回避することができる。これにより、オフセット動作開始点で十分なツール没入量を確保し、オフセット動作終点で攪拌を十分に行うために、オフセット動作終点から接合ツールを退避させるまでの間、接合ツールをワークに没入させておく時間をある程度設けることで、接合強度を向上且つ安定させることができる。

上記（２）及び（６）に記載の発明によれば、オフセット動作中、アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくすることで、接合ツールの没入量をオフセット動作開始点で最も大きくすることができる。

上記（３）及び（７）に記載の発明によれば、オフセット速度を制御することで、裏当て部材を押す浮力の分力に対する反力の大きさを調整することができ、これによりオフセット動作中、アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくすることができる。

上記（４）及び（８）に記載の発明によれば、オフセット荷重を制御することで、裏当て部材を押す浮力の分力に対する反力の大きさを調整することができ、これによりオフセット動作中、アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくすることができる。

本発明の一実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置に組み込まれている２軸駆動ユニットの平面図である。 図２の２軸駆動ユニットの側面図である。 図２の２軸駆動ユニットに使用されているボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図である。 摩擦撹拌接合装置の正面図であり、接合ツールが傾斜していることを示す図である。 同実施形態の作用説明用の拡大図で、（ａ）はワークの表面に接合ツールを回転させながら接近させている状態を示す図、（ｂ）はワークの内部に接合ツールの先端のツールピンを没入させて押し込み動作を行った後のオフセット動作開始時の状態を示す図、（ｃ）はオフセット動作中に没入方向に加わる力を大きくしながらオフセット動作を行った後のオフセット動作終点時の状態を示す図であり、（ｄ）はオフセット動作終了後にワークから接合ツールを退避させている状態を示す図である。 (ａ)はオフセット動作開始時の裏当て部材の逃げ量と没入方向に加わる力を示す図であり、（ｂ）はオフセット動作終点時の裏当て部材の逃げ量と没入方向に加わる力を示す図である。 オフセット動作中における接合ツールに発生する力を説明する図である。 接合ツールを裏当て部材に接触させて加圧した状態を示す側面図である。 接合ツールの加圧力と裏当て部材の逃げ量（アームの弾性変形量）との関係を示すグラフである。 (ａ)はオフセット動作中に没入方向に加わる力がオフセット動作開始点における没入方向に加わる力より小さい場合のワークに対する接合ツールの経路を説明する図であり、（ｂ）はオフセット動作中に没入方向に加わる力がオフセット動作開始点における没入方向に加わる力と等しい場合のワークに対する接合ツールの経路を説明する図であり、（ｃ）はオフセット動作中に没入方向に加わる力がオフセット動作開始点における没入方向に加わる力より大きい場合のワークに対する接合ツールの経路を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態の摩擦撹拌接合装置の側面図、図２は図１の摩擦撹拌接合装置に組み込まれている２軸駆動ユニットの平面図、図３は図２の２軸駆動ユニットの側面図、図４は図２の２軸駆動ユニットに使用されているボールねじ一体型直動案内ユニットの断面図、図５は摩擦撹拌接合装置の正面図である。

図１に示すように、この摩擦撹拌接合装置Ｍには、摩擦撹拌接合のための接合ツール１をワークに接近／離間させる加圧軸２と、接合ツール１を加圧軸２と略直交する方向に移動させるオフセット軸３と、接合ツール１をその中心軸Ｑ（図５参照）まわりに回転させる旋回軸４とが設けられている。ここで、加圧軸２は、互いに直交するＸ軸とＹ軸のうちのＸ軸として設定され、オフセット軸３はＹ軸として設定されている。これら加圧軸２とオフセット軸３は、２軸駆動ユニット５の互いに直交する２軸をなしている。

図２及び図３に示すように、２軸駆動ユニット５は、第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａと第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂとを、両者の軸線方向を互いに直交する関係に設定して組み合わせることで構成されている。

加圧軸２（Ｘ軸）を構成する第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａ及びオフセット軸３（Ｙ軸）を構成する第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂは、それぞれ、例えば図４に示すように、直動案内軸受１１とボールねじ１２の組み合わせで構成されている。

直動案内軸受１１は、断面が略Ｕ字状に形成された案内レール１３と、案内レール１３のＵ字状の凹部内に配置されたスライダ１４と、案内レール１３とスライダ１４の間に配置された複数の転動体１５と、を備えている。案内レール１３は、スライダ１４と対向配置される各袖部１３Ａの内側面に転動面１６Ａを有し、スライダ１４は、案内レール１３の転動面１６Ａに対向配置される転動面１６Ｂを有しており、案内レール１３の転動面１６Ａとスライダ１４の転動面１６Ｂとの間に転動体（図ではコロ）１５が介在され、それにより、スライダ１４と案内レール１３とが相対的に直線移動可能とされている。

この場合、案内レール１３の転動面１６Ａとスライダ１４の転動面１６Ｂとの間には、転動体１５の移動する転動通路１６が左右それぞれ上下に二列、即ち全体で二対四列形成される。スライダ１４には、転動体１５の戻し通路１６Ｄと、戻し通路１６Ｄと転動通路１６とを連通する方向転換路（図示略）とが形成され、転動体１５が、転動通路１６と方向転換路と戻し通路１６Ｄとから構成される無限循環路を循環するようになっている。

また、ボールねじ１２は、案内レール１３と平行に形成されたボールねじナット１７と、ボールねじナット１７を貫通するボールねじ軸１８と、ボールねじナット１７の螺旋溝とボールねじ軸１８の螺旋溝との間に配置された複数のボール１９と、を備えている。そして、ボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａ、１０Ｂは、ボールねじ１２の要素であるボールねじナット１７を直動案内軸受１１の要素であるスライダ１４に直接形成することにより、ボールねじ１２と直動案内軸受１１とを一体に備えた機構部品として構成されている。

また、２軸駆動ユニット５は、図３に示すように、第１、第２の２つのボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａ、１０Ｂを、各ユニット１０Ａ、１０Ｂの直動案内軸受１１の案内方向（軸線方向）が互いに交差（本実施形態では略直交する）する２軸となるように、各ユニット１０Ａ、１０Ｂのスライダ１４を、互いのフランジ１４ａ同士がボルト等の結合手段により結合して互いに組み合わせることにより構成されている。なお、２つのスライダ１４は、最初から一体に成形してあってもよい。

第１、第２の２つのボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａ、１０Ｂは、図２に示すように、Ｘ軸（加圧軸２）側の第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａのスライダ１４のスライダ中心ＰＡ（以下、「加圧軸スライダ中心」とも言う）と、Ｙ軸（オフセット軸３）側の第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂのスライダ１４のスライダ中心ＰＢ（以下、「オフセット軸スライダ中心」とも言う）の位置を互いにずらしたうえで、両スライダ１４同士を結合することにより、互いに組み合わせられており、２つのスライダ中心ＰＡ、ＰＢ間の距離（ずれ量Ｌｓ）は任意に設定されている。ここで、スライダ中心とは、スライダ上面から見て、長手軸方向に沿った有効長の中心且つスライダ断面の中心にある点である。

この場合、オフセット軸スライダ中心ＰＢは、加圧軸スライダ中心ＰＡに対して、オフセット軸３の軸線に沿って位置がずれている。すなわち、加圧軸スライダ中心ＰＡ上をオフセット軸３の軸線が通っており、そのオフセット軸３の軸線上にオフセット軸スライダ中心ＰＢが位置している。しかも、オフセット軸スライダ中心ＰＢは、加圧軸スライダ中心ＰＡに対して、接合ツール１のオフセット動作時の進行方向ＹＡ（図２及び図５の紙面右方向）と逆の方向に位置がずれている。

図１に示すように、このように２軸駆動ユニット５を用いて加圧軸（Ｘ軸）２とオフセット軸（Ｙ軸）３を構成した摩擦撹拌接合装置Ｍは、接合ツール１をワーク（図示略）に押し付けつつ回転させることにより、接合ツール１とワークの接触点に摩擦熱を発生させて当該接触点の周囲の材料を軟化させると共に撹拌し、それにより接合ツール１をワークに没入させ、没入後、接合ツール１をワークの表面方向に移動させることで、ワークを線状に接合するものである。

その際、接合ツール１は、ワークの表面側に、後述する裏当て部材５２との間にワークを挟むように位置する。加圧軸２は、接合ツール１を加圧軸２の軸線方向に移動させてワークに接近／離間させる。すなわち、接合ツール１をワークの表面の法線方向に移動させて、回転する接合ツール１の先端をワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化したワークの材料の内部に接合ツール１の先端を押し込む押し込み動作を行なうと共に、その押し込み量を調節する役目を果たす。

また、オフセット軸３は、接合ツール１を加圧軸２と直交する方向であるワークの表面方向（Ｙ軸）に移動させるオフセット動作を実行する役目を果たす。

加圧軸２を構成する第１のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ａの案内レール１３は、摩擦攪拌接合装置Ｍの基体をなすもので、この案内レール１３の下面には、プレート５８を介して、Ｃ字形のアーム５０の基端が固定されている。アーム５０の先端は、片持状態で接合ツール１の先端に対向する位置の近くまで延びている。

また、オフセット軸３を構成する第２のボールねじ一体型直動案内ユニット１０Ｂの案内レール（基体）１３に、接合ツール１を回転自在に装着したスピンドル（ツール保持部）３０が固定されている。従って、加圧軸２のスライダ１４及びオフセット軸３の案内レール１３は、それぞれ加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１２によって駆動される。なお、加圧軸２のボールねじ１２及びオフセット軸３のボールねじ１２は、それぞれベルト４１Ａ、４１Ｂを介して、加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３によって駆動される。

接合ツール１は、旋回軸４を構成するスピンドル３０によってツールホルダ３５を介して回転自在に保持されたツール本体１ａの先端面に、ツール本体１ａよりも小径なツールピン１ｃを突設し、ツール本体１ａの先端面におけるツールピン１ｃの取付部の周辺をショルダー部１ｂとして構成したものである。

スピンドル３０は、オフセット軸３方向（図１のＹ軸方向）から見てワークの表面の法線方向に沿うように設定された回転軸線（接合ツール１の中心軸Ｑと一致）を有し、該回転軸線と同軸に接合ツール１を保持するものである。なお、この回転軸線は後述するようにオフセット軸３と加圧軸２に直交する方向（図５のＺ軸方向）から見た場合、ワークの表面の法線方向に対し傾斜している。スピンドル３０は、複数の軸受３１を収容するスピンドルハウジング３２と、軸受３１と、軸受３１によって回転可能に保持されたスピンドルシャフト３３とによって構成され、スピンドルシャフト３３の接合ツール１側には、接合ツール１を着脱可能に保持するツールホルダ３５が設けられている。スピンドルシャフト３３は、プーリ４６とベルト４７を介して旋回軸モータ（回転駆動手段）４４によって駆動される。なお、スピンドル３０と旋回軸モータ４４は、旋回軸ブラケット４８を介して、オフセット軸３の案内レール１３の取り付け面１３ａに固定されている。

上述のようにベルト４７を介してスピンドルシャフト３３を駆動するようにしたことで、接合ツール１と旋回軸モータ４４は芯違いになっており、芯違いとしたことで、接合ツール１の高さ、つまりは、２軸駆動ユニット５にとっての外部荷重の作用点を、取り付け面１３ａ（オフセット軸３の案内レール１３に旋回軸ブラケット４８を固定している面）の法線方向（矢印Ｚ方向、以下取り付け面法線方向とも呼ぶ。）に低く抑えることができるようになる。

これにより、加圧軸２のスライダ１４に作用するピッチングモーメント及びオフセット軸３のスライダ１４に作用するローリングモーメントを小さく抑えることができ、その結果、転動体１５に作用する面圧を低減できるようになる。

また、オフセット軸３のスライダ１４と加圧軸２のスライダ１４を結合したことで、オフセット軸３の案内レール１３がスピンドル３０を支持する部材となるので、スピンドル３０の取り付け面積を大きくとれると共に、接合ツール１からの加圧力をオフセット軸３の案内レール１３の側面１３ｂの大きな面積で受けることができるようになる。

旋回軸ブラケット４８とオフセット軸３の案内レール１３の側面１３ｂとの間には、傾斜付与部材４９が設けられおり、オフセット軸３と加圧軸２に直交する方向（図５のＺ軸方向）から見て接合ツール１の中心軸Ｑが加圧軸２の軸線に対して傾斜している。傾斜の方向は、オフセット動作において、接合ツール１をオフセット（進行）させる方向である。つまり、接合ツール１の軸線（中心軸Ｑ）は、図６に示すように、ワークＷの表面の法線方向Ｈｓに対して、オフセット動作における接合ツール１の進行方向ＹＡに接合ツール１の先端が先行するように僅かに、例えば傾斜角α＝１°〜６°で傾斜している。

図１に戻って、加圧軸２の案内レール１３に基端部が固定されたＣ字形のアーム５０の先端には、加圧力検出手段５１及び裏当て部材５２が設けられている。裏当て部材５２は、図６に示すように、接合すべき板状のワークＷの裏面を支持するもので、接合ツール１と裏当て部材５２の間にワークＷを挟むことで、ワークＷに対して接合ツール１により加圧力を作用させることができるようになっている。

接合の際に、ワークＷは、２枚以上の薄板を重ね合せて配置される。また、ワークＷの最表面とオフセット軸３の案内レール１３が平行となるように設定される。なお、ワークＷは、表裏が平行な薄板同士であることが多いため、裏当て部材５２のワーク接触面とオフセット軸３の案内レール１３を平行に配置しているが、ワークＷの形状によって適宜変えてもよい。例えば、ワークＷがある角度をもった傾斜部材である場合には、裏当て部材５２とオフセット軸３の案内レール１３を傾斜部材の角度だけ傾けて配置してもよい。

また、この摩擦攪拌接合装置Ｍは、上述した旋回軸モータ４４、加圧軸モータ４２及びオフセット軸モータ４３を駆動制御するための制御手段（図示略）を有している。この制御手段は、次のように制御を実行する。

まず、図６（ａ）のように、接合ツール１を回転させながら加圧軸２の駆動によって接合ツール１を押し込み方向ＸＡに移動させ、接合ツール１をワークＷ１、Ｗ２を上下に重ね合わせたワークＷ表面に接触させる。次に、加圧軸２を一定の加圧力（押し込み動作時加圧力）で押圧制御し、接合ツール１の先端のツールピン１ｃとワークＷ間の摩擦によってワークＷを軟化させ、図６（ｂ）のように、ツールピン１ｃをワークＷの中に回転させながら没入させ、接合ツール１を回転させながら、所定の押し込み量まで没入させるという押し込み動作を行う。

この押し込み動作では、アーム５０が押し込み動作時加圧力に応じて撓むため、裏当て部材５２が接合ツール１の押し込み動作に対して逃げてしまう。よって接合ツール１を目標の押し込み量まで押込むために、アーム５０の弾性変形量分を補正して接合ツール１の位置決め動作を行なっている。

ワークＷの表面に接合ツール１のショルダー部１ｂを接触させ、目標位置まで接合ツール１を没入させた後、加圧軸２を停止し、加圧軸２を停止させたまま、図６（ｃ）のように、接合ツール１を回転させながらワークＷの表面に沿って矢印ＹＡ方向に移動させるオフセット動作を行う。

このオフセット動作中、ワークＷに対する接合ツール１の没入量をオフセット動作開始点で最も大きくなるようにワークＷの表面に沿って接合ツール１を移動させる。このオフセット動作においては、接合ツール１が傾斜しているので、接合ツール１の進行方向ＹＡのワーク母材が接合ツール１の先端のショルダー部１ｂにクサビ状に流入し、このワーク母材の流入が動圧を発生させ、接合ツール１を押し込み方向に対して押し戻す浮力が発生する（図８参照）。これに伴って、ワークＷには、浮力の垂直方向分力に対する反力が没入方向に作用する。また、オフセット動作中、加圧軸２は停止しているため接合ツール１の先端の位置は変わらない。従って、ワークＷに作用する没入方向の反力を増加させるように、オフセット軸３を制御することにより、アーム５０の弾性変形量（裏当て部材５２の逃げ量）をオフセット動作開始点よりも大きくしながらオフセット動作を行うことでき、接合ツール１の没入量をオフセット動作開始点で最も大きくすることができる。このオフセット軸３の制御は、オフセット速度又はオフセット荷重を制御することによりなされ、これらのパラメータを適切に制御することで、ワークＷに作用する没入方向の反力を調整することができる。

図７(ａ)はオフセット動作開始時の裏当て部材５２の逃げ量と没入方向に加わる力（反力）を示す図であり、図７（ｂ）はオフセット動作終点時の裏当て部材５２の逃げ量と没入方向に加わる力（反力）を示す図である。図７に示すように、オフセット動作開始時のワークＷに作用する没入方向の反力をオフセット動作中最小とし、次第に大きくしてオフセット動作終点時のワークＷに作用する没入方向の反力をオフセット動作中最大とすることで、オフセット動作開始時の接合ツール１の没入量が最大、言い換えるとアーム５０の弾性変形量δ（裏当て部材５２の逃げ量）が最小となり、オフセット動作終点時の接合ツール１の没入量が最小、言い換えるとアーム５０の弾性変形量（裏当て部材５２の逃げ量）が最大となり、ワークＷの断面が接合ツール１の進行方向に向かって板厚が増加するような傾斜面をなすこととなる。即ち、接合ツール１の先端から裏当て部材５２の表面（裏当て位置）までの距離は、オフセット動作開始時に最小となり、オフセット動作終点時に最大となる（δ＜δ’）。

そして、目標距離だけオフセット動作を行った後に、オフセット動作終点で攪拌を十分に行うために接合ツール１をしばらく没入させておき、所定時間（例えば、板厚２ｍｍのアルミ材の場合、０．１〜０．５秒）だけ接合ツール１を没入後、図６（ｄ）に示すように、加圧軸２を押し込み動作の時と逆方向（ＸＢ方向）に駆動させて、接合ツール１をワークＷより退避させる。なお、この所定時間は、任意に設定可能であり、板厚が薄くなるほど短くなる。

なお、オフセット動作終点で攪拌を十分に行うためにオフセット動作終点で接合ツール１をワークＷに没入させておく際に、加圧軸２を少し没入方向に進行させてもよい。

ここで、本発明の原理について比較例を交えて説明する。
図９に示すように、アーム５０に取り付けた裏当て部材５２に接合ツール１を接触させ加圧すると、アーム５０が撓み、裏当て部材５２が下方に移動する。このとき、接合ツール１をさらに裏当て部材５２側に進行させ続けるには、加圧力を連続的に大きくしていく必要がある。ただし、実際には図６及び図７に示すように接合ツール１と裏当て部材５２間にワークＷを挟むため、接合ツール１を回転させながらある一定以上の加圧力でワークＷに押し当てる場合、接合ツール１の先端が裏当て部材５２に接触するまでの間、ワークＷの軟化により加圧力を連続的に大きくしなくとも接合ツール１が没入方向に進行し続ける。

ここで、オフセット動作を行う場合、上記したように加圧軸２が停止しているため、没入方向の接合ツール１の先端位置は決まっている。図１０は接合ツールの加圧力と裏当て部材の逃げ量（アームの弾性変形量）との関係を示すグラフである。図１０に示すように、裏当て部材５２及び裏当て部材５２に接するワークＷの逃げ量は加圧力に比例する。なお、加圧力を大きくすることで接合ツール１がワークＷに没入する速度も大きくなる。なお、図中の数値は、一例でありアームの剛性により変化するものである。

接合ツール１を傾けてオフセット動作を行うと、図８に示すように、浮力の垂直方向分力が生じ、その反力が接合ツール１の没入方向に生じる。オフセット速度を大きくすると、ワーク母材がショルダー部１ｂに流入する速度も大きくなり浮力が大きくなることから、没入方向に生じる反力も大きくなる。加圧軸２が停止していると、裏当て部材５２及び裏当て部材５２に接するワークＷの逃げ量は反力の大きさで決まってくる。

図１１は、ワークに対する接合ツールの経路を説明する図であり、図１１(ａ)はオフセット動作中に没入方向に加わる力がオフセット動作開始点における没入方向に加わる力より小さい場合、図１１（ｂ）はオフセット動作中に没入方向に加わる力がオフセット動作開始点における没入方向に加わる力と等しい場合であり、いずれも比較例を示している。なお、図１１中、矢印がワークＷに対する接合ツール１のツールピン１ｃの経路を示している。

図１１(ａ)に示すように、オフセット動作中に没入方向に加わる力が減少し続けると、裏当て部材５２及び裏当て部材５２に接するワークＷの逃げ量も小さくなり、ツール没入量が増加し続けるため、薄板のワークＷを使用する場合などでは接合ツール１がワークＷを突き破るおそれが高い。

また、図１１（ｂ）に示すように、ワークＷに対する接合ツール１の没入深さが一定となるようにオフセット軸３を制御すると、オフセット中においては接合ツール１がワークＷを突き破るおそれは図１１(ａ)の場合よりも低く抑えられる。ただし、オフセット動作終点で攪拌を十分に行うためにオフセット動作終点で接合ツール１をワークＷに没入させておく時間をある程度設けた場合、接合ツール１を引き上げるまでの間、図１１(ａ)ほどではないが接合ツール１がワークＷを突き破るリスクを伴う。なぜなら、オフセット動作終点において、加圧軸２を進行させた場合それに伴いツール没入量も増加し、加圧軸２をそのまま停止させた場合、没入方向に加わる力が減少するためワークＷの逃げ量が小さくなりツール没入量が増加するためである。

これに対し、図１１(ｃ)はオフセット動作中に没入方向に加わる力がオフセット動作開始点における没入方向に加わる力より大きい場合、即ち、上述した本発明のワークに対する接合ツールの経路を説明する図である。
本発明では、図１１(ｃ)に示すように、オフセット動作中に没入方向に加わる力を増加させ続けている。オフセット動作中に没入方向に加わる力が増加し続けると、裏当て部材５２及び裏当て部材５２に接するワークＷの逃げ量も大きくなり、ツール没入量が減少し続ける。従って、オフセット動作終点で攪拌を十分に行うためにオフセット動作終点で接合ツール１をワークＷに没入させておく時間をある程度設けた場合であっても、オフセット動作終点でのツール没入量を抑えることができるため、接合ツール１を引き上げるまでの、接合ツール１がワークＷを突き破るリスクは低くなる。そのため、オフセット動作終点で攪拌を十分に行う時間を設けることができ、且つ、オフセット動作開始点でのツール没入量をある程度深くすることができる。これによりオフセット動作終点で攪拌を十分に行う時間を設けることで、接合強度の向上、安定化を図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

Ｍ 摩擦撹拌接合装置
１ 接合ツール
１ａ ツール本体
１ｂ ショルダー部
１ｃ ツールピン
２ 加圧軸
３ オフセット軸
４ 旋回軸
１３ 案内レール（基体）
３０ スピンドル（ツール保持部）
４２ 加圧軸モータ
４３ オフセット軸モータ
４４ 旋回軸モータ（回転駆動手段）
５０ アーム
５２ 裏当て部材
Ｗ ワーク
Ｑ 接合ツールの中心軸（回転軸線）

Claims (8)

1. 接合すべき板状のワークの裏面を支持する裏当て部材と、
   前記ワークの表面側に、前記裏当て部材との間に前記ワークを挟むように位置する接合ツールと、
   前記接合ツールを保持するツール保持部と、
   前記ツール保持部をその回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
   前記ツール保持部を前記ワークの表面の法線方向に沿って変位駆動することで、前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行うと共にその押し込み量を調節する加圧軸と、
   前記ツール保持部を前記ワークの表面方向に沿って移動させるオフセット動作を行うオフセット軸と、
   前記ツール保持部を回転自在および前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動自在かつ前記ワークの表面方向に沿った方向に移動自在に支持する基体と、
   該基体から延設されて、先端に前記裏当て部材が設けられたアームと、
   前記回転駆動手段、前記加圧軸、およびオフセット軸を駆動制御する制御手段と、
   を備え、
   前記接合ツールは、ツール本体の先端面に該ツール本体よりも小径なピンを突設し、該ツール本体の先端面におけるピンの取付部の周辺をショルダー部として構成したものであり、前記接合ツールの軸線が、前記ワークの表面の法線方向に対して、前記オフセット動作における前記接合ツールの進行方向に該接合ツールの先端が先行するように僅かに傾斜した摩擦攪拌接合装置であって、
   前記制御手段は、前記接合ツールを前記回転駆動手段により回転させながら、前記加圧軸を駆動して前記ワークの表面に前記接合ツールの先端のピンを押し付け、所定の深さまで前記接合ツールの先端のピンを没入させる押し込み動作を行った後、前記加圧軸による押し込み動作を停止し、前記加圧軸が停止した状態で前記接合ツールを回転させながら前記ワークに対する前記接合ツールの没入量をオフセット動作開始点で最も大きくなるように前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、目標距離だけオフセット動作を行った後に、前記加圧軸を押し込み動作の時と逆方向に駆動させて、前記接合ツールを前記ワークより退避させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記制御手段は、オフセット動作中、前記アームの弾性変形量がオフセット動作開始点よりも大きくなるように前記オフセット軸を制御す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. 前記制御手段は、オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット速度を制御することを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記制御手段は、オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット荷重を制御することを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 接合すべき板状のワークの裏面を支持する裏当て部材と、
   前記ワークの表面側に、前記裏当て部材との間に前記ワークを挟むように位置する接合ツールと、
   前記接合ツールを保持するツール保持部と、
   前記ツール保持部をその回転軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
   前記ツール保持部を前記ワークの表面の法線方向に沿って変位駆動することで、前記接合ツールを前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動させて、回転する前記接合ツールの先端を前記ワークの表面に押し付け、摩擦熱で軟化した前記ワークの材料の内部に前記接合ツールの先端を押し込む押し込み動作を行うと共にその押し込み量を調節する加圧軸と、
   前記ツール保持部を前記ワークの表面方向に沿って移動させるオフセット動作を行うオフセット軸と、
   前記ツール保持部を回転自在および前記ワークの表面の法線方向に沿った方向に移動自在かつ前記ワークの表面方向に沿った方向に移動自在に支持する基体と、
   該基体から延設されて、先端に前記裏当て部材が設けられたアームと、を備え、
   前記接合ツールは、ツール本体の先端面に該ツール本体よりも小径なピンを突設し、該ツール本体の先端面におけるピンの取付部の周辺をショルダー部として構成したものであり、前記接合ツールの軸線が、前記ワークの表面の法線方向に対して、前記オフセット動作における前記接合ツールの進行方向に該接合ツールの先端が先行するように僅かに傾斜した摩擦攪拌接合装置を用いた摩擦攪拌接合方法であって、
   前記接合ツールを前記回転駆動手段により回転させながら、前記加圧軸を駆動して前記ワークの表面に前記接合ツールの先端のピンを押し付け、所定の深さまで前記接合ツールの先端のピンを没入させる押し込み動作を行った後、前記加圧軸による押し込み動作を停止し、前記加圧軸が停止した状態で前記接合ツールを回転させながら前記ワークに対する前記接合ツールの没入量をオフセット動作開始点で最も大きくなるように前記ワークの表面に沿って前記接合ツールを移動させるオフセット動作を行い、目標距離だけオフセット動作を行った後に、前記加圧軸を押し込み動作の時と逆方向に駆動させて、前記接合ツールを前記ワークより退避させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
6. オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくすることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
7. オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット速度を制御することを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法。
8. オフセット動作中、前記アームの弾性変形量をオフセット動作開始点よりも大きくなるように、オフセット荷重を制御することを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌接合方法。

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