JP2013202630A - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プローブと固定式ショルダーのワークに対する押し圧を適正にする。
【解決手段】 すみ肉接合用のワーク６ａと６ｂを保持するＸ軸テーブルを跨ぐ門型フレームに、Ｚ軸テーブルとＹ軸テーブルを取り付けた主軸位置決め機構８のＹ軸テーブルに主軸ユニット５を取り付ける。主軸ユニット５の回転駆動軸４２の先端部に基端側を接続したプローブ２と、下端部を２つのワーク接触面４４ａ，４４ｂによるＶ字形状としてプローブ２及び回転駆動軸４２の外周に軸心方向に移動可能に配置した固定式ショルダー３とからなる摩擦撹拌接合ツール１を備える。固定式ショルダー３はコイルばね４によりプローブ２の基端側から先端側となる向きに付勢させる。ワーク６ａと６ｂの摩擦撹拌接合の施工時は、プローブ２の位置や押し圧を制御し、固定式ショルダー３の押し圧は、コイルばね４の圧縮変形状態からの復元力によりほぼ一定に保持させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ワークの摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合装置に関するものである。

摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合ツールに装備されたプローブ（棒状突起物、ピン）を、ワークの接合部に回転させながら押し付けてワーク内に没入させて、該ワークの接合部に摩擦熱を発生させて該接合部を軟化させると共に、上記プローブの回転力により、該プローブの周囲にワークの素材の塑性流動領域を形成させて撹拌混合して、複数のワークを一体に接合する手法である。

摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合ツールは、上記ワークの接合部に没入させるためのプローブの基端側に、該プローブよりも大径としてワークの接合部近傍の表面に接触させるためのショルダーを一体に設けた形式のものが主として用いられていた。

又、上記のような摩擦撹拌接合ツールの他の形式としては、プローブとショルダーを別体として、該ショルダーを、プローブの外周に軸心方向に移動可能（進退自在）に配置すると共に、該ショルダーとプローブを、該ショルダーをプローブの先端方向へ付勢する圧縮コイルばねの如き弾性体を介して連結した構成としたものが従来提案されている。かかる構成を備えた摩擦撹拌接合ツールによれば、接合終了時には、上記プローブと一緒に回転するショルダーをワークの表面に接触させた状態で、上記プローブを軸心方向に徐々に退出させて、該プローブの接合部への挿入深さを徐々に減少させるようにすることで、ワークの接合終端部に、凹部や孔を残存させないようにすることができるとされている（たとえば、特許文献１参照）。

更に、プローブと、該プローブよりも大径のショルダーを備えた摩擦撹拌接合ツールにおいて、ショルダーを、ワークに対して回転しない固定式（不回転）のショルダーとする考えが従来提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

ところで、摩擦撹拌接合は、当初、ワークの接合部が平坦な場合に適用されていたが、近年、ワークのすみ肉の接合について摩擦撹拌接合を適用することが提案されてきている（たとえば、特許文献３参照）。

特許第３０４５６８２号公報 特表２００９−５３７３２５号公報 特許第４２４０５７９号公報

ところが、特許文献２に示された固定式のショルダーを備えてなる形式の摩擦撹拌接合ツールは、上記プローブと固定式のショルダーが一緒に上下動するようにしてあると共に、上記プローブのワークに対する押し付けに伴って、上記固定式のショルダーがワークに対して押し付けられるようにしてある。

又、上記特許文献３に示されたワークのすみ肉の接合に摩擦撹拌接合を適用する手法は、プローブ（プローブ本体）と、該プローブの基端側の外周に配置した固定式（不回転）のショルダー（押さえブロック）とからなる摩擦撹拌接合ツールを用いるようにしてあり、この特許文献３に示された摩擦撹拌接合ツールにおいても、上記特許文献２に示されたものと同様に、上記プローブと固定式のショルダーが一緒に上下動するようにしてあると共に、上記プローブのワークに対する押し付けに伴って、上記ショルダーがワークに対して押し付けられる構成となっている。

そのために、上記特許文献２、３に示されたような従来の固定式のショルダーを備えた形式の摩擦撹拌接合ツールでは、以下のような問題が生じる。

すなわち、上記プローブをワークに没入させるのは、ワークの接合部で軟化させたワークの素材を撹拌するためであり、一方、上記固定式のショルダーをワークの表面に押し付けるのは、上記ワークの接合部でプローブによって撹拌される軟化したワークの素材が外にはみ出さないように該ワークの面を押して成形するためである。したがって、上記プローブをワークに対して押し付けることと、上記固定式のショルダーをワークに対して押し付けることでは、目的が全く異なり、それぞれの目的に応じた適正な押し圧は相違する。
しかし、上記特許文献２、３に示されたものでは、上記プローブの押し圧と、上記固定式のショルダーの押し圧の双方を共に適正に設定することは困難である。

更に、上記特許文献２、３に示された摩擦撹拌接合ツールは、プローブと、上記固定式のショルダーとの高さ方向（プローブの軸心方向）の位置関係が不変であるため、ワークの摩擦撹拌接合の施工に必要な力（押し圧）と位置とのバランスをとる必要があり、施工裕度が小さくなってしまう。

しかも、ワークの厚みの全体に亘って良好な摩擦撹拌接合を実施するためには、該ワークの厚みに応じて、該ワークに対して没入させるプローブの没入量（摩擦撹拌高さ）を変化させる必要がある。しかし、特許文献２、３に示された摩擦撹拌接合ツールは、上記したように、プローブと固定式のショルダーとの高さ方向の位置関係が不変であるため、１つの摩擦撹拌接合ツールで、プローブのワークに対する没入量を増減させる場合は、固定式のショルダーのワークに対する押し圧の大幅な増減を伴うようになる。そのため、厚みの異なるワークの摩擦撹拌接合を行うためには、それぞれのワークの厚みに応じた別の摩擦撹拌接合ツールを用意する必要が生じてしまう。

なお、特許文献１に示されたものは、ワークの接合終端部に凹部や孔を残存させないようにするという目的を達成するために、摩擦撹拌接合ツールのプローブをワークより引き抜くときには、ショルダー（回転子）は回転させたままワークの表面に接触させた状態を維持することが必要とされる。したがって、上記特許文献１に示されたものは、上記ショルダーは回転式とすることが必須であるため、固定式のショルダーを備えた形式の摩擦撹拌接合ツールに適用できるものではなく、よって、上記したような従来の固定式のショルダーを備えた形式の摩擦撹拌接合ツールで生じる問題の解決手段が何ら示唆されるものではない。

そこで、本発明は、プローブと固定式のショルダーを備えた形式の摩擦撹拌接合ツールを用いてワークの摩擦撹拌接合を行う際に、該摩擦撹拌接合ツールにおけるプローブの押し圧及び位置と、固定式のショルダーの押し圧及び位置とをそれぞれ適正に設定することができて、プローブの没入によるワーク内部の撹拌と、固定式のショルダーによるワークの面の成形とを効率よく且つ良好に行うことができる摩擦撹拌接合装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、主軸ユニットの回転駆動軸の先端部に基端側を接続したプローブと、上記プローブ及び回転駆動軸を挿通させるためのプローブ挿通孔を備えて上記プローブの基端側及び上記回転駆動軸の先端側の外周に配置した固定式ショルダーとからなる摩擦撹拌接合ツールと、上記固定式ショルダーを、上記プローブの軸心方向に沿う方向に移動可能に支持するためのガイド手段と、上記固定式ショルダーを、上記プローブの基端側から先端側となる向きに付勢するための弾性部材とを備えてなる構成を有する摩擦撹拌接合装置とする。

又、上記構成において、弾性部材は、プローブの固定式ショルダーからの突出量が、該プローブのワークの接合部に対する所定の没入量と対応する寸法、又は、プローブを所定の押し圧でワークの接合部へ押し付ける際に該プローブが接合部へ没入すると想定される没入量と対応する寸法になるときに、該弾性部材の復元力が、固定式ショルダーのワークに対する押し圧に一致するように、該弾性部材のばね定数を設定するようにした構成とする。

更に、上記各構成において、固定式ショルダーは、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ傾斜面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面による下端部を備えてなる構成とする。

同様に、上記各構成において、固定式ショルダーは、下端部を平面形状とした構成とする。

本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）主軸ユニットの回転駆動軸の先端部に基端側を接続したプローブと、上記プローブ及び回転駆動軸を挿通させるためのプローブ挿通孔を備えて上記プローブの基端側及び上記回転駆動軸の先端側の外周に配置した固定式ショルダーとからなる摩擦撹拌接合ツールと、上記固定式ショルダーを、上記プローブの軸心方向に沿う方向に移動可能に支持するためのガイド手段と、上記固定式ショルダーを、上記プローブの基端側から先端側となる向きに付勢するための弾性部材とを備えてなる構成としてあるので、ワークの接合線に沿う位置での摩擦撹拌接合を行うことができる。
（２）又、ワークの摩擦撹拌接合を実施する際には、プローブの位置、又は、押し圧のみに集中して施工管理を行うことができるようになるため、再現性が高く、安定した品質の摩擦撹拌接合の施工を実現することができる。
（３）したがって、摩擦撹拌接合の施工条件の安定に伴い、摩擦撹拌接合により製造する製品の品質の向上化を図ることが可能になる。
（４）摩擦撹拌接合ツールは、上記弾性部材の変形により、固定式ショルダーより突出させるプローブの突出量を変化させることができると共に、このプローブの突出量を変化させる際に、上記固定式ショルダーのワークに対する押し圧が大幅に変化することを防止できる。
（５）よって、摩擦撹拌接合ツールを交換することなく、様々な厚み、様々な素材のワークの摩擦撹拌接合に容易に適用することができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置の実施の一形態を示す切断概略正面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の切断概略側面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置における摩擦撹拌接合ツールを拡大して示すもので、（ａ）は切断正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の実施の他の形態として、摩擦撹拌接合ツールの変形例を示す概略切断正面図である。 本発明の実施の他の形態として、摩擦撹拌接合ツールの別の例を示す概略切断正面図である。 本発明の実施の更に他の形態として、ワークの保持に用いる治具の別の例を示す概略正面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図３（ａ）（ｂ）は、本発明の摩擦撹拌接合装置の実施の一形態として、ワークのすみ肉の摩擦撹拌接合に適用する場合の例を示すものである。

すなわち、本発明の摩擦撹拌接合装置は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、回転駆動可能なプローブ２と、該プローブ２の外周に配置して該プローブ２に対して軸心方向に相対移動できるようにした固定式（不回転）のショルダー３と、該固定式ショルダー３を上記プローブ２の基端側から先端側となる向きに付勢するための弾性部材としてのばね部材４を有してなる摩擦撹拌接合ツール１を備える。

更に、本発明の摩擦撹拌接合装置は、図１及び図２に示すように、上記摩擦撹拌接合ツール１を装着して上記プローブ２の回転駆動を行わせるための主軸ユニット５を備えると共に、該主軸ユニット５を、すみ肉の摩擦撹拌接合の接合対象となるワーク６ａと６ｂの接合線７（図３（ａ）参照）に沿わせて移動させるための主軸位置決め機構として、たとえば、３軸門型の主軸位置決め機構８を備えた構成としてある。

上記主軸位置決め機構８は、水平な架台９上に、上記ワーク６ａと６ｂを載置して該ワーク６ａと６ｂ同士の接合線７の延びる方向に沿って移動させるためのＸ軸テーブル１０を備える。

更に、上記主軸位置決め機構８は、上記Ｘ軸テーブル１０を跨ぐ門型フレーム１１を備え、該門型フレーム１１に、上記主軸ユニット５の鉛直方向（Ｚ軸方向）の位置制御用のＺ軸テーブル１２が取り付けられている。該Ｚ軸テーブル１２には、上記主軸ユニット５を上記Ｘ軸テーブル１０の移動方向（以下、Ｘ軸方向と云う）に直角な水平方向（以下、Ｙ軸方向と云う）についての位置制御用のＹ軸テーブル１３が取り付けられている。該Ｙ軸テーブル１３には、上記主軸ユニット５が、上記Ｘ軸テーブル１０の上方に配置された状態で取り付けられた構成としてある。

以下、詳述する。

上記Ｘ軸テーブル１０は、上記Ｘ軸方向に延びるように上記架台９上に設けたガイドレール１４と、水平な平板状として上記ガイドレール１４にガイドブロック１５を介してスライド自在に取り付けたＸ軸テーブル本体１６と、該Ｘ軸テーブル本体１６を上記ガイドレール１４に沿い移動させるＸ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構１７とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構１７は、サーボモータ１８と、その出力側に取り付けた減速機１９と、該減速機１９の出力側に連結したねじ軸２０と、該ねじ軸２０に螺合させたナット部材２１とを備えた構成とされている。

更に、上記ボールねじ直動機構１７は、上記架台９上に、上記ねじ軸２０が上記ガイドレール１４と平行に延びるようにした姿勢で設置されており、且つ上記ナット部材２１が、上記Ｘ軸テーブル本体１６に、ブラケット２２を介して取り付けられている。

これにより、上記Ｘ軸テーブル１０は、上記ボールねじ直動機構１７のサーボモータ１８による上記減速機１９を介したねじ軸２０の回転駆動により、上記ナット部材２１と一緒に上記Ｘ軸テーブル本体１６を、上記Ｘ軸方向に移動させることができるようにしてある。この際、上記Ｘ軸テーブル１０では、上記サーボモータ１８の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材２１やＸ軸テーブル本体１６の位置の検出信号を基に、後述するように上記Ｘ軸テーブル本体１６の上側に載置して保持させるワーク６ａ，６ｂの位置や移動速度を制御できるようにしてある。

上記Ｘ軸テーブル本体１６の上側には、上記すみ肉の接合対象となるワーク６ａと６ｂを保持するための治具２３が設置されている。該治具２３は、図３（ａ）に示すように、上記ワーク６ａと６ｂが、接合線７を挟んで傾斜した配置となるように支持して、該ワーク６ａと６ｂを、すみ肉の接合部が上方に開放されたＶ字状となる姿勢で保持するためのものである。

上記治具２３は、たとえば、Ｘ軸テーブル本体１６の上側に設置するための支持ブロック２３ａを備える。該支持ブロック２３ａは、接合対象となるワーク６ａと６ｂの接合線７の長さ寸法に対応する寸法でＸ軸方向に沿って延びる形状としてある。

上記支持ブロック２３ａの上面側には、Ｘ軸方向と直交する幅方向（Ｙ軸方向）の中央部に、Ｖ字状の溝２３ｂが、該支持ブロック２３ａの長手方向（Ｘ軸方向）の全長に亘り設けられている。

更に、上記支持ブロック２３ａは、上記Ｖ字状の溝２３ｂにおける各斜面の上端部に、Ｘ軸方向の所定の配列で、個別の押さえ部材２３ｃを、ボルト２３ｄを介して取り外し可能に取り付けることができるようにした構成としてある。

上記治具２３は、上記Ｖ字状の溝２３ｂの各斜面に沿わせて上記ワーク６ａと６ｂを配置することにより、該Ｖ字状の溝２３ｂの下端部で、該ワーク６ａと６ｂの角継手によるすみ肉の接合部を突き合わせて配置できるようにしてある。更に、この状態で、上記治具２３の溝２３ｂの上端部には、上記ワーク６ａと６ｂを個別に押さえるための各押さえ部材２３ｃを、上記支持ブロック２３ａにボルト２３ｄにより固定する。これにより、上記治具２３は、上記ワーク６ａと６ｂによるすみ肉の接合部の位置を、Ｘ軸方向の全長に亘って保持できるようにしてある。なお、図３（ｂ）では、図示する便宜上、上記治具２３の記載を省略してある。

上記治具２３は、摩擦撹拌接合に際して、ワーク６ａと６ｂの接合部に、上記摩擦撹拌接合ツール１を、プローブ２を没入させるような大きな力で押し付けても、上記ワーク６ａと６ｂがずれないように保持できるようにしてあるものとする。

なお、図３（ａ）では、ワーク６ａと６ｂのすみ肉の接合部が角継手の場合を例示したが、すみ肉の接合部は、Ｔ字継手や重ね継手や十字継手であってもよい。これらの場合は、接合線７を挟んで配置されるワーク６ａと６ｂの表面側が共に傾斜面となるように該ワーク６ａと６ｂをそれぞれ配置するときの姿勢に応じて、該ワーク６ａと６ｂを保持するための上記治具２３の形状を適宜変更するようにすればよい。

この際、図３（ａ）に示すように、上記治具２３は、すみ肉の接合対象となるワーク６ａと６ｂを、接合線７を挟んで配置される該ワーク６ａと６ｂの表面側が共に鉛直方向に対し等しい傾斜角度の傾斜面となる姿勢で保持できるようにすることが好ましい。しかし、上記ワーク６ａと６ｂをすみ肉接合する継手の形状や配置によっては、上記治具２３は、接合線７を挟んで配置されるワーク６ａと６ｂの表面側が鉛直方向に対して互いに異なる傾斜角度となるように保持するようにしたものとしてもよいことは勿論である。

上記Ｚ軸テーブル１２は、上記門型フレーム１１に設置した鉛直方向（Ｚ軸方向）のガイドレール２４と、上記Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状として上記ガイドレール２４にガイドブロック２５を介してスライド自在に取り付けたＺ軸テーブル本体２６と、該Ｚ軸テーブル本体２６を上記ガイドレール２４に沿い移動させるＺ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構２７とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構２７は、サーボモータ２８と、その出力側に取り付けた減速機２９と、該減速機２９の出力側に連結したねじ軸３０と、該ねじ軸３０に螺合させたナット部材３１とを備えた構成とされている。

更に、上記ボールねじ直動機構２７は、上記門型フレーム１１の上記Ｚ軸テーブル１２の設置側の面に、上記ねじ軸３０が上記ガイドレール２４と平行に延びるようにした姿勢で設置されており、且つ上記ナット部材３１が、上記Ｚ軸テーブル本体２６に、ブラケット３２を介して取り付けられている。

これにより、上記Ｚ軸テーブル１２は、上記ボールねじ直動機構２７のサーボモータ２８による上記減速機２９を介したねじ軸３０の回転駆動により、上記ナット部材３１と一緒に上記Ｚ軸テーブル本体２６を、Ｚ軸方向に移動、すなわち、昇降動作させることができるようにしてある。この際、上記Ｚ軸テーブル１２では、上記サーボモータ２８の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材３１やＺ軸テーブル本体２６の位置の検出信号を基に、上記Ｚ軸テーブル本体２６にＹ軸テーブル１３を介して保持される上記主軸ユニット５を上下方向へ移動させて、該主軸ユニット５の先端（下端）に取り付けてある上記摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２のＺ軸方向の位置（上下方向位置）を制御できるようにしてある。

更に、上記Ｚ軸テーブル１２では、上記ボールねじ直動機構２７におけるナット部材３１と、Ｚ軸テーブル本体２６に固定されているブラケット３２との間に、ロードセル等の図示しない荷重計測手段が介装して備えてある。これにより、該Ｚ軸テーブル１２は、上記プローブ２をワーク６ａと６ｂの接合部に押し付けるときに、上記図示しない荷重計測手段によって計測される上記プローブ２のワーク６ａと６ｂの接合部に対する押し圧の反力の計測信号を基に、上記サーボモータ２８の動作を制御して、該プローブ２のワーク６ａと６ｂの接合部に対する押し圧を制御できるようにしてある。

上記Ｙ軸テーブル１３は、上記Ｚ軸テーブル本体２６に設置したＹ軸方向のガイドレール３３と、上記Ｘ軸方向に垂直な鉛直面に沿う平板状として上記ガイドレール３３にガイドブロック３４を介してスライド自在に取り付けたＹ軸テーブル本体３５と、該Ｙ軸テーブル本体３５を上記ガイドレール３３に沿い移動させるＹ軸方向の直動機構としてのボールねじ直動機構３６とから構成されている。

上記ボールねじ直動機構３６は、サーボモータ３７と、その出力側に取り付けた減速機３８と、該減速機３８の出力側に連結したねじ軸３９と、該ねじ軸３９に螺合させたナット部材４０とを備えた構成とされている。

更に、上記ボールねじ直動機構３６は、上記Ｚ軸テーブル本体２６におけるＹ軸テーブル１３の設置側の面に、上記ねじ軸３９が上記ガイドレール３３と平行に延びるようにした姿勢で設置されており、且つ上記ナット部材４０が、上記Ｙ軸テーブル本体３５に、ブラケット４１を介して取り付けられている。

これにより、上記Ｙ軸テーブル１３は、上記ボールねじ直動機構３６のサーボモータ３７による上記減速機３８を介したねじ軸３９の回転駆動により、上記ナット部材４０と一緒に上記Ｙ軸テーブル本体３５を、Ｙ軸方向、すなわち、上記Ｘ軸テーブル１０によるワーク６ａと６ｂの移動方向に直角な水平方向に移動させることができるようにしてある。
この際、上記Ｙ軸テーブル１３では、上記サーボモータ３７の回転量の検出信号、もしくは、リニアゲージや変位センサ等の図示しない位置検出手段による上記ナット部材４０やＹ軸テーブル本体３５の位置の検出信号を基に、Ｙ軸テーブル本体３５に保持させた主軸ユニット５をＹ軸方向へ移動させて、該主軸ユニット５の下端に取り付けられている上記摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２のＹ軸方向の位置を制御できるようにしてある。

上記Ｙ軸テーブル本体３５には、前記したように、プローブ２用の回転駆動装置（図示せず）を備えた主軸ユニット５が取り付けられている。

上記主軸ユニット５は、下端側に下向きに突出する回転駆動軸（プローブ軸）４２が設けてある。

上記回転駆動軸４２は、図３（ａ）に示すように、上記摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２よりも大径としてあり、該回転駆動軸４２の下端寄りに、上部側よりも径の細い、たとえば、上記プローブ２と同径となる小径部４２ａを設けることで、該小径部４２ａの上端の外周に、下方に臨む段差面を備えた段差部４３が形成してある。該回転駆動軸４２の上記小径部４２ａの下端には、上記プローブ２の上端側が一体に接続されている。

ここで、図３（ａ）（ｂ）を用いて、上記プローブ２と、固定式ショルダー３を備えた摩擦撹拌接合ツール１の構成の詳細について説明する。

上記プローブ２は、軸心方向が上下方向となるように配置されていて、その上端に、上記したように、主軸ユニット５の回転駆動軸４２の下端が一体に接続されている。これにより、上記主軸ユニット５の回転駆動装置より上記回転駆動軸４２を介して伝えられる回転駆動力により、上記プローブ２を回転駆動できるようにしてある。

上記固定式ショルダー３は、下端部が、２つのワーク接触面４４ａと４４ｂとからなるＶ字形状としてＸ軸方向に沿って延びる形状としてある。上記ワーク接触面４４ａと４４ｂは、上記Ｘ軸テーブル１０上の治具２３に保持されたワーク６ａと６ｂの表面側の傾斜面に接触するような傾斜角度となるようにしてある。

更に、上記固定式ショルダー３には、長手方向（Ｘ軸方向）の中間部に、プローブ挿通孔４５が、上下方向に貫通して設けられた構成としてある。

上記プローブ挿通孔４５は、プローブ２の外径に対応する径として該プローブ２を挿通させるための下端寄り部分と、上記回転駆動軸４２の小径部４２ａよりも上側の太い径を備えた部分の外径に対応する径として該回転駆動軸４２を挿通させるための上端寄り部分とを備えて、該下端寄り部分と上端寄り部分との間に、上方に臨む段差面を備えた段差部４６が形成されるようにしてある。

上記プローブ挿通孔４５におけるプローブ２を挿通させる部分の下端側の開口は、その中心位置が、上記固定式ショルダー３の下端部の２つのワーク接触面４４ａと４４ｂが合わさるＶ字形状の頂点に対応するように設けられている。

これにより、上記固定式ショルダー３は、上記プローブ挿通孔４５の上端寄り部分と下端寄り部分の内側に、上記回転駆動軸４２及びプローブ２をそれぞれ挿通配置させることにより、該プローブ２がプローブ挿通孔４５より下方に突出するように配置させることができるようにしてある。

更に、上記回転駆動軸４２の段差部４３と、上記固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５に設けてある段差部４６との間には、上記回転駆動軸４２の小径部４２ａの外周に配置したベアリングとしてのスラストベアリング４７と、上記ばね部材４としてのコイルばね４（説明の便宜上、上記ばね部材４と同じ符号が付してある）が、上下に重ねた状態で介装されるように取り付けられている。これにより、上記コイルばね４には、上記スラストベアリング４７によって上記回転駆動軸４２の回転駆動力の伝達が遮断された状態で、該回転駆動軸４２より軸心方向の力（押し圧）のみが伝えられるようにしてある。

上記コイルばね４は、上記プローブ２を上記固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５より下方へ突出させて配置させるときに、上記回転駆動軸４２の段差部４３側に設けてある上記スラストベアリング４７と、上記プローブ挿通孔４５の段差部４６との間で圧縮変形されるように、該コイルばね４の無負荷状態での全長（自然長）が設定してあるものとする。

又、上記コイルばね４は、上記プローブ２を上記固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５より下方へ突出させるときの突出量が、ワーク６ａと６ｂ同士の良好な摩擦撹拌接合を行うために必要とされる該プローブ２の接合部への没入量と対応する寸法になるとき、又は、上記突出量が、プローブ２を良好な摩擦撹拌接合を行うために必要とされる所定の押し圧でワーク６ａと６ｂ同士の接合部へ押し付ける際に該プローブ２が接合部へ没入すると想定される没入量と対応する寸法になるときに、上記圧縮変形状態となる該コイルばね４の復元力が、良好な摩擦撹拌接合を行うために必要とされる固定式ショルダー３のワーク６ａ，６ｂに対する押し圧に一致するように、該コイルばね４のばね定数が設定してあるものとする。これにより、本発明の摩擦撹拌接合装置では、上記プローブ２のワーク６ａと６ｂの接合部に対する没入量又は押し圧を調整することに伴って、上記固定式ショルダー３が上記ワーク６ａと６ｂの接合部に対して適正な押し圧で押し付けられるようにしてある。更に、上記固定式ショルダー３の押し圧は、上記コイルばね４の圧縮変形状態からの復元力により付与されるようにしてあるため、上記ワーク６ａと６ｂの接合部の表面位置の変化に伴って該圧縮変形状態のコイルばね４が伸長方向や更なる圧縮方向に多少変形させられても、該固定式ショルダー３の押し圧が大幅な変化することを防止できるようにしてある。

上記固定式ショルダー３の上端部には、外周側へ突出するようにフランジ部４８が設けてあり、該フランジ部４８における周方向所定間隔の複数個所に、上下方向に貫通するようにガイド孔４９が穿設されている。

更に、上記主軸ユニット５のケーシング５０の下端部における上記固定式ショルダー３の各ガイド孔４９と対応する個所には、上記回転駆動軸４２の軸心方向と平行な配置で下向きに突出するガイド手段としてのガイドピン５１が設けてある。該各ガイドピン５１の外径は、上記固定式ショルダー３の各ガイド孔４９の径寸法よりもわずかに小さくなるように設定してある。

上記各ガイドピン５１は、上記固定式ショルダー３の対応するガイド孔４９にそれぞれ上側から挿通配置させた状態で、該各ガイドピン５１の下端部に、上記各ガイド孔４９よりも大径の脱落防止部材５２が取り付けられている。

これにより、上記固定式ショルダー３は、上記各ガイド孔４９がそれぞれ対応するガイドピン５１の長手方向にガイドされることで、該固定式ショルダー３の移動方向が、上記回転駆動軸４２及び上記プローブ２の軸心方向に沿う方向のみとなるようにしてある。

又、上記固定式ショルダー３は、ワーク６ａ，６ｂに接していない状態のときには、上記各ガイドピン５１の下端部の脱落防止部材５２に、上記各ガイド孔４９の周縁部が係止されることにより、上記回転駆動軸４２及びプローブ２の外側から下方へ脱落することが防止された状態で支持されるようにしてある。

上記構成としてある摩擦撹拌接合ツール１は、上記固定式ショルダー３の各ワーク接触面４４ａと４４ｂを、上記Ｘ軸テーブル１０上に治具２３を介して保持されたワーク６ａと６ｂの接合線７を挟んで配置される面にそれぞれ押し当てるようにして接触させることができるようにしてある。これにより、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記固定式ショルダー３の下端部のＶ字形状の頂点を、ワーク６ａと６ｂの間の接合線７の位置に合わせて配置することができるようにしてあり、この状態の該固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５より下方に突出させる上記プローブ２についても、上記ワーク６ａと６ｂの接合線７の位置に配置させることができるようにしてある。

更に、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記固定式ショルダー３をワーク６ａと６ｂに接触させると共に、上記プローブ２をワーク６ａと６ｂの接合部に所定の没入量で没入させると、上記コイルばね４の復元力により、該固定式ショルダー３が、上記良好な摩擦撹拌接合を行うために必要とされる所定の押し圧で、上記ワーク６ａと６ｂの面に対して押し付けられるようにしてある。

以上の構成としてある本発明の摩擦撹拌接合装置を使用する場合は、先ず、図１、図２及び図３（ａ）に示すように、Ｘ軸テーブル１０上に、ワーク６ａと６ｂを、治具２３を介して保持させる。

次に、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記主軸位置決め機構８におけるＺ軸テーブル１２とＹ軸テーブル１３により、上記Ｘ軸テーブル１０上に保持されたワーク６ａと６ｂの位置に応じたＺ軸方向位置及びＹ軸方向位置に配置させる。

この際、上記主軸位置決め機構８では、位置決め制御により、上記摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２が、上記ワーク６ａと６ｂの接合線７における摩擦撹拌接合開始側となる一端側の近傍位置に配置させる。これにより、上記固定式ショルダー３は、２つのワーク接触面４４ａと４４ｂの双方が上記ワーク６ａと６ｂの対応する面に接触して、該固定式ショルダー３の下端部のＶ字形状の頂点が、上記ワーク６ａと６ｂの接合線７の一端部の上側に接するように配置される。更に、この状態で、上記固定式ショルダー３は、上記コイルばね４の圧縮変形状態からの復元力により、上記ワーク６ａと６ｂの良好な摩擦撹拌接合を行うために必要とされる所定の押し圧で、ワーク６ａと６ｂに対して押し付けられるようになる。

次に、上記Ｚ軸テーブル１２は、上記プローブ２についての位置制御又は押し圧制御のうちの所望する制御モードに設定する。

その後、本発明の摩擦撹拌接合装置では、上記主軸ユニット５により摩擦撹拌接合ツール１のプローブ２の回転を開始させてから、上記Ｘ軸テーブル１０の動作を開始させて、該Ｘ軸テーブル１０上のワーク６ａと６ｂを、Ｘ軸方向に沿って上記摩擦撹拌接合ツール１の側へ移動させるようにする。

これにより、上記回転駆動されたプローブ２が、上記ワーク６ａと６ｂの接合線７の位置へ没入されるようになるため、上記ワーク６ａと６ｂの摩擦撹拌接合が開始され、その後、上記Ｘ軸テーブル１０の動作による上記ワーク６ａと６ｂのＸ軸方向に沿う移動を継続させることで、該ワーク６ａと６ｂの上記接合線７に沿う摩擦撹拌接合が進行するようになる。

この際、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記Ｚ軸テーブル１２によりプローブ２の位置制御を行っている状態では、ワーク６ａと６ｂの接合部に対して、上記プローブ２の先端位置を、該接合部で軟化させる該ワーク６ａと６ｂの素材を撹拌するのに適正な没入量まで没入させることができる。又、上記摩擦撹拌接合を進行させるときに、上記ワーク６ａと６ｂの表面高さ位置に多少の変動が生じていても、上記固定式ショルダー３の高さ位置は、上記コイルばね４の変形により該ワーク６ａと６ｂの表面に倣うように自動的に調整される。しかも、上記コイルばね４は、当初の圧縮変形状態から伸縮側又は圧縮側に多少の変形が生じても、その復元力に大幅な変化は生じない。このため、上記固定式ショルダー３の上記ワーク６ａと６ｂに対する押し圧は、過剰や過小になることなく、ほぼ一定に保持されるようになる。したがって、上記プローブ２による摩擦撹拌接合が行われる上記ワーク６ａと６ｂの接合部では、上記固定式ショルダー３が、該接合部でプローブ２により撹拌される軟化したワーク６ａと６ｂの素材が該ワーク６ａと６ｂの表面より外にはみ出さないように成形するのに適正な押し圧で押し付けられるようになる。

一方、上記Ｚ軸テーブル１２によりプローブ２の押し圧制御を行う場合は、上記摩擦撹拌接合ツール１における上記コイルばね４のばね定数は既知であり、上記プローブ２をワーク６ａと６ｂの接合部に対して没入させる際の上記固定式ショルダー３の変位による上記コイルばね４の圧縮変形量も概ね予想できるため、該コイルばね４の復元力により固定式ショルダー３を上記ワーク６ａと６ｂの接合部に対して押し付けるときの反力も想定可能である。よって、上記Ｚ軸テーブル１２では、所望するプローブ２の押し圧に上記想定される反力を相殺するための力を加味した荷重を、上記プローブ２に付与することで、該プローブ２の上記ワーク６ａと６ｂに対する押し圧を所望の値にコントロールすることができるようになる。

上記プローブ２の適正な押し圧制御により摩擦撹拌接合を進行させるときに、上記ワーク６ａと６ｂの表面高さ位置に多少の変動が生じている場合は、該プローブ２の押し圧を一定に保持するために、Ｚ軸テーブル１２により該プローブ２の高さ位置を変化させることがあるが、この場合でも、上記固定式ショルダー３の高さ位置は、上記コイルばね４の変形により該ワーク６ａと６ｂの表面に倣うように自動的に調整される。よって、この場合にも、上記固定式ショルダー３の上記ワーク６ａと６ｂに対する押し圧は、上記したプローブ２の位置制御の場合と同様に、ほぼ一定に保持されるようになるため、摩擦撹拌接合が行われる上記ワーク６ａと６ｂの接合部では、上記固定式ショルダー３が、上記適正な押し圧で押し付けられるようになる。

更に、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記固定式ショルダー３のワーク接触面４４ａと４４ｂのいずれか一方が、ワーク６ａと６ｂの対応する面に片当りする場合には、上記コイルばね４の変形により該固定式ショルダー３の位置が自動的に調整されるようになるため、上記プローブ２の位置が保持できなくなったり、該プローブ２のワーク６ａと６ｂに対する押し圧が変化したりする虞を解消することができる。

したがって、上記摩擦撹拌接合ツール１により施工するワーク６ａと６ｂの摩擦撹拌接合は、施工状態を安定化させることができる。

上記ワーク６ａと６ｂの接合線７の全長に亘る摩擦撹拌接合を施工させた後は、上記Ｚ軸テーブル１２及びＹ軸テーブル１３を共に位置制御モードに設定して、上記摩擦撹拌接合ツール１を、上記主軸ユニット５と共に、摩擦撹拌接合されたワーク６ａと６ｂと干渉しない位置まで退避させると共に、上記プローブ２の回転駆動を停止させて、該ワーク６ａと６ｂのはね出し等を行うようにすればよい。

このように、本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、ワーク６ａと６ｂの接合線７に沿う位置でのすみ肉の摩擦撹拌接合を行うことができる。

又、上記本発明の摩擦撹拌接合装置は、ワーク６ａと６ｂの摩擦撹拌接合を実施する際に、上記プローブ２の先端位置、又は、押し圧荷重のみに集中（着目）して施工管理を行うことができるため、再現性が高く、安定した品質の摩擦撹拌接合の施工を実現することができる。

しかも、上記ワーク６ａと６ｂのすみ肉の摩擦撹拌接合では、上記固定式ショルダー３のワーク６ａと６ｂに対する片当りが生じる虞があるが、該片当りが生じたとしても、摩擦撹拌接合の施工状態が影響を受けて悪化することを防止できる。

したがって、本発明の摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合の施工条件の安定に伴い、摩擦撹拌接合により製造する製品の品質の向上化を図ることが可能になる。

又、上記摩擦撹拌接合ツール１は、上記コイルばね４の変形により、上記固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５の下方へ突出させるプローブ２の突出量を変化させることができると共に、このプローブ２の突出量の変化に伴って上記コイルばね４が多少変形しても、該コイルばね４の復元力により上記固定式ショルダー３に付与されるワーク６ａ，６ｂに対する押し圧の大幅な変化は防止できる。

よって、本発明の摩擦撹拌接合装置は、厚み寸法が異なるワーク６ａと６ｂの摩擦撹拌接合を、摩擦撹拌接合ツール１を交換することなく施工することができる。又、摩擦撹拌接合を行うときには、ワーク６ａと６ｂに対するプローブ２の没入量を自在に変更することができる。したがって、本発明の摩擦撹拌接合装置は、様々な厚み、様々な素材のワーク６ａと６ｂの摩擦撹拌接合に容易に適用することができる。

上記実施の形態では、摩擦撹拌接合ツール１における固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５の段差部４６側に設けるコイルばね４と、プローブ２の回転駆動軸４２の段差部４３との間に介装させるベアリングとしては、スラストベアリング４７を例示したが、図４に示すように、上記コイルばね４と、回転駆動軸４２の段差部４３との間に、ラジアルベアリング５３を介装させるようにした構成としてもよい。

この場合は、上記ラジアルベアリング５３の外輪５３ａと内輪５３ｂのいずれか一方を上記プローブ２の回転駆動軸４２の段差部４３側に取り付け、いずれか他方を上記コイルばね４側に取り付けるようにすればよい。図４では、内輪５３ｂを上記回転駆動軸４２の段差部４３側に取り付け、外輪５３ａを上記コイルばね４側にリング状の取付部材５４を介して取り付けた状態が示してある。

なお、上記ラジアルベアリング５３としては、深溝ベアリングやアンギュラベアリング等、いかなる形式のラジアルベアリングを採用してもよい。

かかる構成としてある摩擦撹拌接合ツール１を備えた本発明の摩擦撹拌接合装置によっても、上記したと同様の効果を得ることができる。

次いで、図５は本発明の実施の更に他の形態として、図１乃至図３（ａ）（ｂ）と同様の構成における摩擦撹拌接合ツールの別の例を示すものである。

すなわち、本実施の形態の摩擦撹拌接合装置における摩擦撹拌接合ツールは、図５に符号１Ａで示すもので、図３（ａ）（ｂ）に示した摩擦撹拌接合ツール１と同様の構成において、固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５の段差部４６と、プローブ２の回転駆動軸４２の各段差部４３との間にスラストベアリング４７と共にコイルばね４を介装させた構成に代えて、各ガイドピン５１の外周における固定式ショルダー３のフランジ部４８と、主軸ユニット５のケーシング５０の下端部との間に、個別のコイルばね４ａを介装させて設ける構成としたものである。

上記各コイルばね４ａの自然長は、図３（ａ）に示したコイルばね４と同様に設定してあるものとする。

又、上記各コイルばね４ａのばね定数は、上記プローブ２を上記固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５より下方へ突出させるときに圧縮変形状態とされる上記すべてのコイルばね４ａの復元力の和が、図３（ａ）に示したコイルばね４が同様に圧縮変形されたときの復元力と同等となるように設定してあるものとする。

その他の構成は図１乃至図３（ａ）（ｂ）に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

本実施の形態の摩擦撹拌接合装置によっても、図１乃至図３（ａ）（ｂ）に示した摩擦撹拌接合装置と同様に使用することで、同様の効果を得ることができる。

更に、本実施の形態の摩擦撹拌接合装置では、各コイルばね４を、共に回転しない構成部材である固定式ショルダー３と、主軸ユニット５のケーシング５０との間に介装していることから、ベアリングを不要にできて、装置の製造やメンテナンスに要するコストの低減化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図１乃至３（ａ）（ｂ）の実施の形態、及び、図４の実施の形態の摩擦撹拌接合ツール１における固定式ショルダー３のプローブ挿通孔４５の段差部４６と、プローブ２の回転駆動軸４２の段差部４３との間にベアリング４７又は５３と共に介装させるばね部材、並びに、図５の実施の形態の摩擦撹拌接合ツール１Ａにおける固定式ショルダー３と、主軸ユニット５のケーシングの下端部との間に介装させるばね部材は、上記固定式ショルダー３をプローブ２の基端側から先端側となる向きに付勢することができるようにしてあれば、皿ばねやその他、コイルばね４，４ａ以外の任意の形式のばね部材を採用してもよい。更には、上記固定式ショルダー３をプローブ２の基端側から先端側となる向きに付勢することができ、且つ摩擦撹拌接合の実施時に作用する熱に対する耐熱性を備えていれば、上記コイルばね４，４ａ等のばね部材に代えて、任意の弾性部材を用いるようにしてもよい。この場合、上記任意のばね部材や弾性部材のばね定数は、前記したコイルばね４，４ａのばね定数の設定手法と同様にして定めることにより、上記プローブ２のワーク６ａと６ｂの接合部に対する没入量又は押し圧を調整することに伴って、上記固定式ショルダー３の上記接合部に対する押し圧を適正に制御できるという効果、及び、上記ワーク６ａ，６ｂの表面の位置が多少変化しても、上記固定式ショルダー３の押し圧の大幅な変化を防止できるという効果を得ることができる。

固定式ショルダー３の移動方向をプローブ２の軸心方向に沿う方向となるようにガイドすることができるようにしてあれば、たとえば、上記主軸ユニット５のケーシング５０に、上記プローブ２の軸心方向と平行に延びるリニアガイドを設置し、該リニアガイドの移動体に、上記固定式ショルダー３を、支持アームを介して取り付けた構成のガイド手段を採用する等、主軸ユニット５のケーシング５０に設置したガイドピン５１と、固定式ショルダー３に設けたガイド孔４９とからなる構成以外の任意の形式のガイド手段を採用してもよい。この場合、上記固定式ショルダー３をプローブ２の基端側から先端側となる向きに付勢するための弾性部材は、上記主軸ユニット５のケーシング５０と、上記リニアガイドの移動体との間に介装させて設けるようにしてもよい。

Ｘ軸テーブル１０、Ｚ軸テーブル１２、Ｙ軸テーブル１３は、各テーブル本体１６，２６，３５をそれぞれ対応する軸方向に移動させることができるようにしてあれば、台形ねじによる直動機構や、ラックとピニオンによる直動機構、更には、油圧シリンダーによる直動機構等、ボールねじ直動機構１７，２７，３６以外のいかなる形式の直動機構を採用してもよい。

Ｚ軸テーブル１２に備える荷重計測手段は、プローブ２のワーク６ａ，６ｂに対する押し圧を計測することができるようにしてあれば、設置個所は適宜変更してもよく、又、ロードセル以外の任意の形式の荷重計測手段を採用してもよい。

摩擦撹拌接合ツール１の固定式ショルダー３は、下端部が２つのワーク接触面４４ａと４４ｂとからなるＶ字形状として、すみ肉の接合を行うワーク６ａと６ｂの接合線７を挟んだ傾斜面に沿わせて配置できる形状としてあれば、上部側の形状はいかなる形状であってもよい。

Ｘ軸テーブル１０上に設けてワーク６ａと６ｂを保持するための治具２３は、支持ブロック２３ａのＶ字状の溝２３ｂの各斜面に沿って配置されたワーク６ａと６ｂを、変位を防止して保持できるようにしてあれば、たとえば、図６に示すように、上記Ｖ字状の溝２３ｂの各斜面に沿って配置されたワーク６ａと６ｂの該各斜面の上端側に位置する端面に、個別の押さえ部材２３ｃを押し付けるよう配置した状態で、該各押さえ部材２３ｃを、ボルト２３ｄを介して支持ブロック２３ａに固定させる構成としてもよい。図６におけるその他の構成は図３（ａ）に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

更には、ワーク６ａと６ｂの支持ブロック２３ａへの固定は、Ｘ軸方向の所定間隔個所を、図３（ａ）に示した形式の固定手法と、図６に示した形式の固定手法を交互に用いて実施させるようにしてもよく、その他、図示した以外のいかなる形式の固定手法を採用してもよい。

更に、本発明の摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合ツール１の固定式ショルダー３を、下端部が平面となる形状として、同一平面に配置された２つのワークの突き合わせ端部同士の摩擦撹拌接合に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１，１Ａ 摩擦撹拌接合ツール
２ プローブ
３ 固定式ショルダー
４，４ａ コイルばね（弾性部材）
５ 主軸ユニット
６ａ，６ｂ ワーク
７ 接合線
４２ 回転駆動軸
４４ａ，４４ｂ ワーク接触面
４５ プローブ挿通孔
５１ ガイドピン（ガイド手段）

Claims (4)

1. 主軸ユニットの回転駆動軸の先端部に基端側を接続したプローブと、上記プローブ及び回転駆動軸を挿通させるためのプローブ挿通孔を備えて上記プローブの基端側及び上記回転駆動軸の先端側の外周に配置した固定式ショルダーとからなる摩擦撹拌接合ツールと、 上記固定式ショルダーを、上記プローブの軸心方向に沿う方向に移動可能に支持するためのガイド手段と、
   上記固定式ショルダーを、上記プローブの基端側から先端側となる向きに付勢するための弾性部材と、を備えてなる構成
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 弾性部材は、プローブの固定式ショルダーからの突出量が、該プローブのワークの接合部に対する所定の没入量と対応する寸法、又は、プローブを所定の押し圧でワークの接合部へ押し付ける際に該プローブが接合部へ没入すると想定される没入量と対応する寸法になるときに、該弾性部材の復元力が、固定式ショルダーのワークに対する押し圧に一致するように、該弾性部材のばね定数を設定するようにした請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 固定式ショルダーは、すみ肉接合対象のワークの接合線を挟んだ傾斜面にそれぞれ接触させるための２つのワーク接触面による下端部を備えてなる構成とした請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 固定式ショルダーは、下端部を平面形状とした請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合装置。

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