JP2016087679A - 摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１ワーク及び第２ワークの境界部に形成した貫通孔の内部においてスペーサの回転を確実に規制することが可能なＦＳＷ方法及びＦＳＷ装置を提供する。【解決手段】ＦＳＷ装置１２において、第１ショルダ５０から第２ショルダ５２に向かって見たとき非円形となる柱状であり且つＦＳＷの開始前に第１ショルダ５０と第２ショルダ５２の間且つ撹拌軸５４の周囲に嵌め込まれるスペーサ５６を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ボビンツールを直線的又は曲線的に移動させて第１ワーク及び第２ワークを連続的に接合する摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置に関する。

特許文献１には、ボビンツールを用いた摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）を行うＦＳＷ装置及びＦＳＷの方法が開示されている（要約、［０００１］）。特許文献１のボビンツール１は、上側ショルダ１０（上側押圧部材）と、下側ショルダ１１（下側押圧部材）と、撹拌軸１２（母材撹拌軸）を用いる（要約、図１〜図４等）。

特許文献１では、穴８の径と同型の円筒状の充填材１５を撹拌軸１２に嵌合させて穴８を塞いだ状態で接合開始を行うことを検討している（［００３８］、図１（Ｃ））。

加えて、特許文献１では、内周面にスプライン溝状の回転規制部１６を設けた嵌合穴８Ａを形成する。また、撹拌軸１２に嵌合穴８Ａと雄雌状に嵌着される、外周面にスプライン突起状の回転規制部１７が設けられたテーパ（円錐台）状の母材と同材質の充填材１５Ａを取り付ける。そして、充填材１５Ａを備えたボビンツール１を嵌合穴８Ａに嵌装することにより回転規制部１６、１７同士を嵌合し、且つ軸方向規制を行うテーパ部によって充填材１５Ａと母材嵌合穴８Ａが常に面一で嵌合する（図２（Ａ）、［００３９］）。

特開２００４−２１６４３５号公報

上記のように、特許文献１のボビンツール１では、スプライン溝状の回転規制部１６を設けた嵌合穴８Ａを母材（第１ワーク及び第２ワーク）の内周面に形成する。加えて、嵌合穴８Ａと雄雌状に嵌着される充填材１５Ａ（スペーサ）の外周面に、スプライン突起状の回転規制部１７を設ける。これにより、充填材１５Ａの回転を規制する。

しかしながら、嵌合穴８Ａの回転規制部１６と充填材１５Ａの回転規制部１７とを組み合わせるのみでは、回転を規制する強度の点で改善の余地がある。

本発明は上記のような課題を考慮してなされたものであり、第１ワーク及び第２ワークの境界部に形成した貫通孔の内部においてスペーサの回転を確実に規制することが可能な摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法（ＦＳＷ方法）は、第１ショルダと、第１ワーク及び第２ワークの境界部を挟んで前記第１ショルダと対向配置される第２ショルダと、前記第２ショルダを支持すると共に前記境界部を撹拌する撹拌軸とを備えるボビンツールを用いて前記第１ワーク及び前記第２ワークを摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記第１ショルダから前記第２ショルダに向かう方向に見たとき非円形となる柱状であり且つ前記第２ショルダを通過させる貫通孔を、前記第１ワーク及び前記第２ワークの前記境界部に形成する貫通孔形成ステップと、前記第１ショルダから前記第２ショルダに向かう方向に見たとき非円形となる柱状であるスペーサを、前記第１ショルダと前記第２ショルダの間且つ前記撹拌軸の周囲において配置するスペーサ配置ステップと、前記第２ショルダを前記貫通孔に通過させ且つ前記スペーサ及び前記撹拌軸を前記貫通孔内に配置した状態で前記摩擦撹拌接合を開始して摩擦撹拌接合部材を生成する摩擦撹拌接合ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、貫通孔及びスペーサは、第１ショルダから第２ショルダに向かって見たとき非円形となる柱状である。これにより、第１ショルダから第２ショルダに向かって見たとき貫通孔及びスペーサが円形である場合と比較して、スペーサは、貫通孔内部で回転を確実に規制することが可能となる。

加えて、貫通孔及びスペーサを柱状とするため、貫通孔及びスペーサの加工を簡易に行うことが可能となる。なお、ここにいう柱状とは、第１ショルダから第２ショルダに向かう方向において、同じ断面が連続する形状を意味する。

前記スペーサ配置ステップは、前記第２ショルダに前記貫通孔を通過させる前に行ってもよい。これにより、第１ショルダと第２ショルダの間にスペーサを介在させた状態で第２ショルダに貫通孔を通過させて第１ショルダ及び第２ショルダを摩擦撹拌接合の開始位置に配置し、そのまま摩擦撹拌接合を開始する。このため、撹拌軸に貫通孔を通過させた後に第２ショルダを撹拌軸に固定する作業を不要とすることができる。従って、摩擦撹拌接合を開始する際の作業性を向上することが可能となる。

前記第２ショルダを円柱状又は円筒状とし、前記貫通孔に、前記第２ショルダより大きい径の円形孔部と、前記円形孔部から突出する突出孔部とを含ませ、前記スペーサに、前記円形孔部に嵌め込まれる円形スペーサ部と、前記突出孔部に嵌め込まれる突出スペーサ部とを含ませ、前記突出孔部及び前記突出スペーサ部を前記撹拌軸の進行方向に沿って配置してもよい。これにより、摩擦撹拌接合開始時のスペーサの固定を確保しつつ、少なくとも突出孔部に対応する部分については、スペーサと第１・第２ワークとの境界を消すことが可能となる。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置は、第１ショルダと、第１ワーク及び第２ワークの境界部を挟んで前記第１ショルダと対向配置される第２ショルダと、前記第２ショルダを支持すると共に前記境界部を撹拌する撹拌軸とを備えるボビンツールを有するものであって、前記第１ショルダから前記第２ショルダに向かって見たとき非円形となる柱状であり且つ摩擦撹拌接合の開始前に前記第１ショルダと前記第２ショルダの間且つ前記撹拌軸の周囲に嵌め込まれるスペーサを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１ワーク及び第２ワークの境界部に形成した貫通孔の内部においてスペーサの回転を確実に規制することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置を含む摩擦撹拌接合システムの構成を簡略的に示すブロック図である。 第１実施形態の前記摩擦撹拌接合システムにおいて、ボビンツールをＦＳＷの開始位置に移動する様子を示す図である。 第１実施形態における第１ワーク及び第２ワークを簡略的に示す平面図である。 第１実施形態において、前記第１ワーク及び前記第２ワークの境界部に前記ボビンツールを配置した状態を簡略的に示す図である。 第１実施形態のスペーサの平面図である。 第１実施形態におけるＦＳＷのフローチャートである。 第２実施形態に係る摩擦撹拌接合装置を含む摩擦撹拌接合システムにおいて、ボビンツールをＦＳＷの開始位置に移動する様子を示す図である。 第２実施形態における第１ワーク及び第２ワークを簡略的に示す平面図である。 第２実施形態のスペーサの平面図である。 変形例に係る第１ワーク及び第２ワークを簡略的に示す平面図である。 変形例に係るスペーサの平面図である。

Ａ．第１実施形態
［Ａ１．摩擦撹拌接合システム１０の構成］
（Ａ１−１．全体構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１８（以下「ＦＳＷ装置１８」という。）を含む摩擦撹拌接合システム１０（以下「ＦＳＷシステム１０」という。）の構成を簡略的に示すブロック図である。ＦＳＷシステム１０は、ＦＳＷ装置１８に加え、ワーク搬送装置１２（以下「搬送装置１２」ともいう。）と、ワーク支持装置１４（以下「支持装置１４」ともいう。）と、孔開け装置１６とを備える。

図２は、第１実施形態のＦＳＷシステム１０において、ボビンツール３０をＦＳＷの開始位置に移動する様子を示す図である。図２において、Ｘ１、Ｘ２は前後方向（ボビンツール３０の進行方向）を、Ｙ１、Ｙ２は左右方向を、Ｚ１、Ｚ２は上下方向を示している（その他の図においても同様である。）。また、図２中の矢印３００は、ボビンツール３０の移動方向を示している。ＦＳＷシステム１０では、第１被接合材Ｗ１（以下「第１ワークＷ１」又は「ワークＷ１」ともいう。）及び第２被接合材Ｗ２（以下「第２ワークＷ２」又は「ワークＷ２」ともいう。）の境界部３０２に対してＦＳＷを行う。

（Ａ１−２．ワーク搬送装置１２）
ワーク搬送装置１２は、例えば、図示しないロボットアーム、搬送制御装置等を備え、作業者２００からの入力操作に基づいて第１・第２ワークＷ１、Ｗ２をワーク支持装置１４の所定位置まで搬送する。また、搬送装置１２は、作業者２００からの入力操作に基づいて、ＦＳＷを終えた第１・第２ワークＷ１、Ｗ２（以下「ＦＳＷ部材Ｗｆ」ともいう。）をワーク支持装置１４から取り出して別工程に搬送する。なお、ワーク搬送装置１２の代わりに、作業者２００が第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の搬送を行うことも可能である。なお、ＦＳＷシステム１０全体を制御する制御装置（システム制御装置）が存在する場合、ワーク搬送装置１２の動作は、当該システム制御装置からの指令に基づいて行ってもよい（ワーク支持装置１４、孔開け装置１６及びＦＳＷ装置１８も同様である。）。

（Ａ１−３．ワーク支持装置１４）
ワーク支持装置１４は、例えば、図示しない載置台、クランプ装置、支持制御装置等を備え、作業者２００からの入力操作に基づいて第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を固定する。また、支持装置１４は、作業者２００からの入力操作に基づいてＦＳＷ部材Ｗｆの固定を解除する。なお、ワーク支持装置１４の一部の作業（例えば、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の固定）を作業者２００自身が行うことも可能である。

（Ａ１−４．孔開け装置１６）
図３は、第１実施形態における第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を簡略的に示す平面図である。図３における一点鎖線は、仮想線である（後述する図５、図８〜図１１においても同様である。）。孔開け装置１６は、例えば、図示しない加工ドリル、孔開け制御装置等を備える加工装置であり、作業者２００からの入力操作に基づいて、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界部３０２に貫通孔３０４（図２及び図３）を形成する。

図３に示すように、貫通孔３０４は、平面視において（ボビンツール３０の軸方向において下方に見たとき）非円形であり且つ後述する下ショルダ５２が通過可能な大きさである。図２及び図３に示すように、第１実施形態の貫通孔３０４は、四角柱状であり、平面視において（ボビンツール３０の軸方向において下方に見たとき）、矩形状（特に正方形状）をしている。

貫通孔３０４は、仮想的な円柱状（平面視において円形状）の部分（円形孔部３０６）と、円形孔部３０６から突出する部分（突出孔部３０８）とを含む。円形孔部３０６の直径（貫通孔３０４の一辺の長さ）は、後述する下ショルダ５２の直径Ｄｌよりも大きい。

（Ａ１−５．ＦＳＷ装置１８）
（Ａ１−５−１．ＦＳＷ装置１８の全体）
ＦＳＷ装置１８は、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２に対してＦＳＷを行う。図１に示すように、ＦＳＷ装置１８は、ボビンツール３０と、ロボットアーム３２と、上ショルダ昇降機構３４と、ショルダ回転モータ３６（以下「モータ３６」ともいう。）と、下ショルダ着脱装置３８と、ＦＳＷ制御装置４０（以下「制御装置４０」ともいう。）とを備える。

（Ａ１−５−２．ボビンツール３０）
図４は、第１実施形態において、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界部３０２にボビンツール３０を配置した状態を簡略的に示す図である。図４に示すように、ボビンツール３０は、上ショルダ５０（上側押圧部材、第１回転体）と、下ショルダ５２（下側押圧部材、第２回転体）と、ピン５４（プローブ、撹拌軸）と、スペーサ５６とを有する。

上ショルダ５０は、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界部３０２を第１方向（例えば、下方向）に向かって押圧しながら回転する。下ショルダ５２は、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界部３０２を第１方向とは反対の第２方向（例えば、上方向）に向かって押圧しながら回転する。第１実施形態の上ショルダ５０及び下ショルダ５２は、それぞれ円柱状又は円筒状の部材である。第１実施形態では上ショルダ５０及び下ショルダ５２の直径は等しいが、異なる直径としてもよい。上ショルダ５０及び下ショルダ５２は、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界部３０２に回転状態で押し付けられて第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を接合させる。

図２及び図４に示すように、第１実施形態のＦＳＷ装置１８では、ＦＳＷを開始する前の上ショルダ５０及び下ショルダ５２は、スペーサ５６を挟んでいる。

ピン５４は、その一端が下ショルダ５２に固定され、他端がショルダ回転モータ３６（図１）の出力軸に連結されている。ピン５４は、下ショルダ５２を支持すると共に、下ショルダ５２と一緒に回転する。これにより、ピン５４は、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２（及びスペーサ５６）を撹拌して接合させる。第１実施形態のピン５４は、円柱状又は円筒状であるが、それ以外の柱状、筒状等の形状であってもよい。

図５は、第１実施形態のスペーサ５６の平面図である。スペーサ５６は、ＦＳＷ装置１８の作業性を向上するために用いられるものであり、図２及び図４に示すように、ＦＳＷの開始前において上ショルダ５０と下ショルダ５２の間且つピン５４の周囲に配置される。

図５に示すように、スペーサ５６は、仮想的な円柱状（平面視において円形状）の部分（円形スペーサ部６０）と、円形スペーサ部６０から突出する部分（突出スペーサ部６２）とを備える。第１実施形態のスペーサ５６は、四角筒状（平面視において四角いリング状）であり、ピン５４を通過させる貫通孔６４が形成されている。

平面視におけるスペーサ５６の幅Ｗｓ（Ｙ１−Ｙ２方向）及び奥行きＤｓ（Ｘ１−Ｘ２方向）は、下ショルダ５２の直径Ｄｌと同一又は直径Ｄｌよりも大きい。幅Ｗｓ及び奥行きＤｓは、円形スペーサ部６０の直径をも意味する。また、スペーサ５６の厚みは、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２との厚みと等しく設定される。後述するように、スペーサ５６は、その他の形状とすることも可能である。

突出スペーサ部６２は、上ショルダ５０及び下ショルダ５２からの回転力がスペーサ５６に加わった際、スペーサ５６が回転することを防止する回り止めとしての機能を有する。第１実施形態では、４ヶ所の突出スペーサ部６２によりスペーサ５６の回転を規制する。

（Ａ１−５−３．ロボットアーム３２）
ロボットアーム３２（図１）は、ボビンツール３０を変位させるもの（ツール変位機構）であり、ツール支持部７０、ツール変位モータ７２、アーム制御部７４等を含む。ツール支持部７０は、ボビンツール３０を支持する。ツール変位モータ７２を作動させることにより、ツール支持部７０を介してボビンツール３０全体（上ショルダ５０、下ショルダ５２及びピン５４）を変位させる。アーム制御部７４は、ツール変位モータ７２を介してツール支持部７０の変位を制御する。ロボットアーム３２以外のツール変位機構（例えば、門型アーム）を用いてもよい。

第１実施形態において、ロボットアーム３２がボビンツール３０を変位させる方向（ツール変位方向）は、上下（鉛直方向）、前後及び左右を含む。或いは、ツール変位方向として、上下（鉛直方向）、前後及び左右を省略することも可能である。その場合、ワーク支持装置１４に第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を変位させる機構（ワーク変位機構）を設け、ロボットアーム３２の不足を補うことも可能である。

（Ａ１−５−４．上ショルダ昇降機構３４）
上ショルダ昇降機構３４（図１）は、下ショルダ５２及びピン５４に対して上ショルダ５０を上下動させるものであり、上ショルダ昇降モータ８０を含む。上ショルダ昇降モータ８０を作動させることにより、下ショルダ５２及びピン５４に対して上ショルダ５０を変位させる。これにより、上ショルダ５０と下ショルダ５２の距離Ｄ（図４）を調整することが可能となり、種々の厚みの第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を接合することが可能となる。なお、下ショルダ５２及びピン５４の上下動は、ロボットアーム３２により行う。

（Ａ１−５−５．ショルダ回転モータ３６）
ショルダ回転モータ３６は、ＦＳＷ制御装置４０からの指令に応じて上ショルダ５０及び下ショルダ５２を回転させる。上ショルダ５０用のモータ３６と、下ショルダ５２用のモータ３６とを設け、上ショルダ５０の回転と、下ショルダ５２の回転を別々に制御してもよい。複数のモータ３６を設ける場合、モータ３６の回転方向は、同一方向又は反対方向のいずれとすることも可能である。また、複数のモータ３６の回転速度［ｒｐｍ］は、同一又は相違させることができる。

（Ａ１−５−６．下ショルダ着脱装置３８）
下ショルダ着脱装置３８は、例えば、図示しないロボットアーム、着脱制御装置等を備え、ＦＳＷ制御装置４０からの指令に基づいてピン５４に対して下ショルダ５２を着脱させる。

（Ａ１−５−７．ＦＳＷ制御装置４０）
ＦＳＷ制御装置４０は、ＦＳＷ装置１８の各部（ロボットアーム３２、モータ３６、８０等）を制御して摩擦撹拌接合制御（ＦＳＷ制御）を実行する。第１実施形態のＦＳＷ制御は、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２に対して、回転中のボビンツール３０をその軸方向に押し付けた状態で、ボビンツール３０を直線的又は曲線的に移動させて第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を連続的に接合させる。

図１に示すように、ＦＳＷ制御装置４０は、入出力部９０、演算部９２及び記憶部９４を備える。入出力部９０は、図示しない電源と各モータ３６、７２、８０の間に配置された図示しないインバータへの制御信号の出力等を行う。演算部９２は、ＦＳＷ装置１８の各部を制御する。演算部９２は、ロボットアーム３２及び上ショルダ昇降モータ８０を介してボビンツール３０の全体又は一部の変位を制御する変位制御部１００と、ショルダ回転モータ３６を介して上ショルダ５０及び下ショルダ５２の回転を制御する回転制御部１０２とを有する。

［Ａ２．ＦＳＷの流れ］
図６は、第１実施形態におけるＦＳＷのフローチャートである。図６に示す処理の一部は作業者２００が行うが、作業者２００による作業の一部又は全部をＦＳＷシステム１０により自動で行うことも可能である。

図６のステップＳ１において、作業者２００は、孔開け装置１６を作動させて第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界部３０２（ＦＳＷの開始位置）に貫通孔３０４を形成させる。なお、貫通孔３０４の形成は、後述するステップＳ２の後に行うことも可能である。

ステップＳ２において、作業者２００は、搬送装置１２を作動させて第１・第２ワークＷ１、Ｗ２をワーク支持装置１４に配置させる。この際、作業者２００は、ワーク支持装置１４の図示しない把持装置を作動させて、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２をＦＳＷに耐え得るように固定させる。

ステップＳ３において、作業者２００は、下ショルダ５２を取り外した後、上ショルダ５０と下ショルダ５２の間にスペーサ５６を配置させる。具体的には、まず作業者２００は、下ショルダ５２をピン５４から取り外す。次いで、作業者２００は、スペーサ５６の内部にピン５４を貫通させるようにスペーサ５６を配置させる。次いで、作業者２００は、ピン５４の周囲にスペーサ５６が配置された状態で下ショルダ５２をピン５４に固定する。これにより、上ショルダ５０と下ショルダ５２の間にスペーサ５６が介在する（図４参照）。

なお、作業者２００は、必要に応じて上ショルダ昇降モータ８０を作動させて上ショルダ５０と下ショルダ５２の距離Ｄ（図４）をスペーサ５６の厚みに合わせることが可能である。

ステップＳ４において、作業者２００は、ボビンツール３０全体の位置決めを行う。具体的には、作業者２００は、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の貫通孔３０４に対して下ショルダ５２を通過させ、ピン５４及びスペーサ５６を貫通孔３０４内に配置させるようにボビンツール３０を位置決めさせる。

なお、ボビンツール３０の位置決め（姿勢制御を含む。）を自動で行う場合、例えば、画像センサを用いて行うことができる。ここでの画像センサとしては、スペーサ５６の画像を取得する画像センサ（第１画像センサ）と、貫通孔３０４の画像を取得する画像センサ（第２画像センサ）との少なくとも一方を用いることができる。

スペーサ５６の画像は、ＦＳＷ制御装置４０においてスペーサ５６の姿勢を判別するために用いられる。スペーサ５６の姿勢は、図示しないスペーサ取付装置がスペーサ５６を把持する際及び／又はスペーサ５６を貫通孔３０４に挿入する際に用いられる。前記スペーサ取付装置は、ピン５４に対してスペーサ５６を挿入させる装置であり、例えば、図示しないロボットアーム、取付制御装置等を備える。また、貫通孔３０４の画像は、ＦＳＷ制御装置４０において貫通孔３０４の位置及び形状を判別するために用いられる。貫通孔３０４の位置及び形状は、スペーサ５６を貫通孔３０４に挿入する際（及び下ショルダ５２に貫通孔３０４を通過させる際）に用いられる。第２画像センサは、貫通孔３０４を形成する前の境界部３０２の画像を取得し、境界部３０２の画像を用いて貫通孔３０４を形成する位置を設定してもよい。

或いは、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２又はワーク支持装置１４の位置（座標）を基準として、ＦＳＷ開始時のボビンツール３０の初期位置（加工開始点Ｐｓｔ（目標開始点））を設定しておくことでボビンツール３０の位置決めを行ってもよい。

ステップＳ５において、ＦＳＷ制御装置４０は、作業者２００からの入力操作に基づいてＦＳＷを実行する（ＦＳＷ制御）。ＦＳＷの実行前には、ボビンツール３０の加工開始点Ｐｓｔに加え、加工終了点Ｐｇｏａｌ（目標終了点）の座標、ボビンツール３０からワークＷ１、Ｗ２に対して加えられる力（目標押圧力Ｆｐｔａｒ）、ワークＷ１、Ｗ２の厚み等の設定が行われる。そして、ＦＳＷ制御装置４０は、ロボットアーム３２及びモータ３６、８０を制御して加工終了点ＰｇｏａｌまでＦＳＷにより第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を接合してＦＳＷ部材Ｗｆを完成させる。

より具体的には、ＦＳＷ制御では、上ショルダ５０及び下ショルダ５２によりワークＷ１、Ｗ２の境界部３０２を挟んだ（又は押圧下）状態で、上ショルダ５０及び下ショルダ５２を回転させる。この状態で、ボビンツール３０を直線的又は曲線的に移動させてワークＷ１、Ｗ２を連続的に接合させる。このため、いわゆるスポット接合にＦＳＷを用いるよりも用途を広げることが可能となる。

なお、ボビンツール３０の移動を開始する際、加工終了点Ｐｇｏａｌとは反対の方向に一度後退させた後、加工終了点Ｐｇｏａｌに向かってボビンツール３０を移動させてもよい。これにより、加工終了点Ｐｇｏａｌとは反対におけるスペーサ５６と第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界を消すことが可能となる。或いは、ボビンツール３０の移動を開始する際、スペーサ５６と第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界全体に沿って（又は矩形状のスペーサ５６の外周をなぞるように）ボビンツール３０を移動させた後、加工終了点Ｐｇｏａｌに向かってボビンツール３０を移動させてもよい。これにより、スペーサ５６と第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の境界全体を消すことが可能となる。

［Ａ３．第１実施形態における効果］
以上のような第１実施形態によれば、平面視において（上ショルダ５０（第１ショルダ）から下ショルダ５２（第２ショルダ）に向かって見たとき）、貫通孔３０４及びスペーサ５６は非円形である（図２、図３及び図５）。これにより、平面視において貫通孔３０４及びスペーサ５６が円形である場合と比較して、スペーサ５６は、貫通孔３０４の内部で回転を確実に規制することが可能となる。

加えて、貫通孔３０４及びスペーサ５６を柱状とするため、貫通孔３０４及びスペーサ５６の加工を簡易に行うことが可能となる。

第１実施形態において、上ショルダ５０と下ショルダ５２の間へのスペーサ５６の配置（図６のＳ３）は、下ショルダ５２に貫通孔３０４を通過（Ｓ４）させる前に行う。これにより、上ショルダ５０と下ショルダ５２の間にスペーサ５６を介在させた状態で下ショルダ５２に貫通孔３０４を通過させて上ショルダ５０及び下ショルダ５２をＦＳＷの開始位置に配置し、そのままＦＳＷを開始する。このため、ピン５４（撹拌軸）に貫通孔３０４を通過させた後に下ショルダ５２をピン５４に固定する作業を不要とすることができる。従って、ＦＳＷを開始する際の作業性を向上することが可能となる。

Ｂ．第２実施形態
［Ｂ１．第１実施形態との相違］
図７は、第２実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１８ａ（以下「ＦＳＷ装置１８ａ」という。）を含む摩擦撹拌接合システム１０Ａ（以下「ＦＳＷシステム１０Ａ」という。）において、ボビンツール３０ａをＦＳＷの開始位置に移動する様子を示す図である。図７中の矢印３００ａは、ボビンツール３０ａの移動方向を示している。図８は、第２実施形態における第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を簡略的に示す平面図である。図９は、第２実施形態のスペーサ５６ａの平面図である。

第２実施形態に係るＦＳＷシステム１０Ａは、基本的に、第１実施形態に係るＦＳＷシステム１０と同様の構成を有する。以下では、同様の構成には、同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。

第２実施形態のＦＳＷシステム１０Ａでは、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２に形成される貫通孔３０４ａの形状が、第１実施形態の貫通孔３０４と異なる。すなわち、第１実施形態の貫通孔３０４は、四角柱状（平面視において矩形状）であった（図２及び図３）。これに対し、第２実施形態の貫通孔３０４ａは、円柱状（平面視において円形状）の部分（円形孔部３０６ａ）と、円形孔部３０６ａから突出する単一の部分（突出孔部３０８ａ）とを備える（図８）。円形孔部３０６ａの直径は、下ショルダ５２の直径Ｄｌよりも大きい。

同様に、第２実施形態のＦＳＷシステム１０Ａでは、スペーサ５６ａの形状が第１実施形態のスペーサ５６と異なる。すなわち、第１実施形態のスペーサ５６は、四角筒状（平面視において四角いリング状）であった（図２及び図５）。これに対し、第２実施形態のスペーサ５６ａは、円筒状（平面視において円環状）の部分（円形スペーサ部６０ａ）と、円形スペーサ部６０ａから突出する単一の部分（突出スペーサ部６２ａ）とを備える（図９）。

平面視における円形スペーサ部６０ａの直径Ｄｓ（図９）は、下ショルダ５２の直径Ｄｌと同一又は直径Ｄｌよりも大きい。突出スペーサ部６２ａは、貫通孔３０４ａの突出孔部３０８ａと係合する。これにより、上ショルダ５０及び下ショルダ５２からの回転力がスペーサ５６ａに加わった際、スペーサ５６ａの回転を規制する回り止め部として機能する。第２実施形態では、１ヶ所の突出スペーサ部６２ａのみによりスペーサ５６ａの回転を規制する。

図７及び図８に示すように、突出孔部３０８ａ及び突出スペーサ部６２ａは、ボビンツール３０ａ（又はピン５４）の進行方向（Ｘ１方向）に沿って配置される。また、第２実施形態の突出スペーサ部６２ａは、幅Ｗｅ（図９）がピン５４の直径（ピン５４が円柱状又は円筒状でない場合、最大回転直径）よりも小さい。突出孔部３０８ａも同様であり、突出スペーサ部６２ａを挿入可能な大きさとする。これにより、ボビンツール３０ａが突出孔部３０８ａ及び突出スペーサ部６２ａの位置を移動した後、突出孔部３０８ａ及び突出スペーサ部６２ａの間の境界をなくすことが可能となる。なお、ここにいう幅Ｗｅとは、ボビンツール３０ａの進行方向Ｘ１と垂直であり且つボビンツール３０ａの回転軸と垂直な方向（Ｙ１、Ｙ２方向）の長さを意味する。

また、突出スペーサ部６２ａの長さＬｅ（図９）は、例えば、円形スペーサ部６０ａの直径Ｄｓの１／３以上且つ直径Ｄｓ以下とされる。突出孔部３０８ａも同様であり、突出スペーサ部６２ａを挿入可能な大きさとする。ここにいう長さＬｅとは、ボビンツール３０ａの進行方向Ｘ１に沿った長さを意味する。スペーサ５６ａの厚み（Ｚ１、Ｚ２方向）は、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の厚みと等しく設定される。

ＦＳＷの流れについては、第１実施形態（図６）と同様である。

［Ｂ２．第２実施形態における効果］
以上のような第２実施形態によれば、第１実施形態に加えて又はこれに代えて以下の効果を奏することができる。

すなわち、第２実施形態によれば、下ショルダ５２を円柱状とする（図７、図４等）。また、貫通孔３０４ａには、下ショルダ５２より大きい径の円形孔部３０６ａと、円形孔部３０６ａから突出する突出孔部３０８ａとを含ませる（図８）。さらに、スペーサ５６ａには、円形孔部３０６ａに嵌め込まれる円形スペーサ部６０ａと、突出孔部３０８ａに嵌め込まれる突出スペーサ部６２ａとを含ませる（図９）。さらにまた、突出孔部３０８ａ及び突出スペーサ部６２ａをピン５４（撹拌軸）の進行方向（Ｘ１方向）に沿って配置する（図７及び図８）。これにより、ＦＳＷ開始時のスペーサ５６ａの固定を確保しつつ、少なくとも突出孔部３０８ａに対応する部分については、スペーサ５６ａと第１・第２ワークＷ１、Ｗ２との境界を消すことが可能となる。

Ｃ．変形例
なお、本発明は、上記各実施形態に限らず、本明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

［Ｃ１．ＦＳＷシステム１０、１０Ａ（適用対象）］
上記各実施形態のＦＳＷシステム１０、１０Ａでは、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を平板状とし、水平方向に並列に配置した接合（いわゆる突き合わせ接合）を行った（図２及び図７）。しかしながら、例えば、２つのショルダ５０、５２により第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を挟んでＦＳＷを行う観点（又はボビンツール３０、３０ａとしての観点）からすれば、これに限らない。例えば、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を水平方向以外の方向（例えば、垂直方向）に並列に配置させてもよい。また、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２は、平板状でなくてもよい。さらに、第１・第２ワークＷ１、Ｗ２の主面を重ね合わせた状態での接合（いわゆる重ね合わせ接合）を行うことも可能である。

別の観点からすれば、上記各実施形態のＦＳＷシステム１０、１０Ａでは、ツール支持部７０（図１）を第１・第２ワークＷ１、Ｗ２に対して上方に配置し、ツール支持部７０に近いショルダを上ショルダ５０とし、ツール支持部７０から遠いショルダを下ショルダ５２とした。しかしながら、例えば、２つのショルダ５０、５２により第１・第２ワークＷ１、Ｗ２を挟んでＦＳＷを行う観点（又はボビンツール３０、３０ａとしての観点）からすれば、これに限らない。例えば、ツール支持部７０を第１・第２ワークＷ１、Ｗ２に対して下方に配置し、ツール支持部７０に近いショルダを下ショルダ５２とし、ツール支持部７０から遠いショルダを上ショルダ５０としてもよい。

［Ｃ２．ロボットアーム３２及び各モータ３６、８０］
上記実施形態では、ボビンツール３０の制御のために、ロボットアーム３２及びモータ３６、８０を用いた（図１）。しかしながら、例えば、ボビンツール３０を直線移動（又は曲線移動）及び回転させる観点からすれば、これに限らない。

上記各実施形態では、単一のショルダ回転モータ３６により、上ショルダ５０及び下ショルダ５２の両方を回転可能とした（図１）。しかしながら、例えば、スペーサ５６、５６ａを用いる観点又はスペーサ５６、５６ａを非円形とする観点からすれば、これに限らない。例えば、上ショルダ５０及び下ショルダ５２それぞれに別々にモータ３６を設けることも可能である。或いは、上ショルダ５０又は下ショルダ５２の一方についてのみモータ３６を設けて、当該一方のみを回転可能とすることも可能である。

上記各実施形態では、下ショルダ５２及びピン５４に対して上ショルダ５０を変位させる上ショルダ昇降機構３４を設けた（図１）。しかしながら、例えば、スペーサ５６、５６ａを用いる観点又はスペーサ５６、５６ａを非円形とする観点からすれば、上ショルダ昇降機構３４を省略することも可能である。

［Ｃ３．貫通孔３０４、３０４ａ及びスペーサ５６、５６ａ］
第１実施形態の貫通孔３０４は、平面視矩形状であり（図３）、第２実施形態の貫通孔３０４ａは、円形孔部３０６ａ及び突出孔部３０８ａを有した（図８）。同様に、第１実施形態のスペーサ５６は、平面視矩形状であり（図５）、第２実施形態のスペーサ５６ａは、円形スペーサ部６０ａ及び突出スペーサ部６２ａを有した（図９）。しかしながら、例えば、貫通孔３０４、３０４ａの突出孔部３０８、３０８ａと係合することによりスペーサ５６、５６ａの回転を規制する観点からすれば、貫通孔３０４、３０４ａ及びスペーサ５６、５６ａの形状はこれに限らない。

図１０は、変形例に係る第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を簡略的に示す平面図である。図１１は、変形例に係るスペーサ５６ｂの平面図である。図１０及び図１１における一点鎖線は、仮想線である。

変形例に係る貫通孔３０４ｂは、円柱状（平面視において円形状）の部分（第２実施形態と同様の円形孔部３０６ａ）と、円形孔部３０６ａから突出する単一の部分（突出孔部３０８ｂ）とを備える（図１０）。同様に、変形例に係るスペーサ５６ｂは、円筒状（平面視において円環状）の部分（第２実施形態と同様の円形スペーサ部６０ａ）と、円形スペーサ部６０ａから突出する単一の部分（突出スペーサ部６２ｂ）とを備える。

第２実施形態の突出スペーサ部６２ａは、全体として幅Ｗｅがピン５４の直径よりも小さかった（図９）。これに対し、変形例の突出スペーサ部６２ｂは、幅Ｗｅがピン５４の直径よりも小さい部分と大きい部分の両方を含んでいる。

上記各実施形態及び変形例（図１０、図１１）に代えて、貫通孔３０４、３０４ａ、３０４ｂ及びスペーサ５６、５６ａ、５６ｂの形状を四角柱状以外の角柱状（三角柱、五角柱、六角柱、八角柱、十角柱等）にしてもよい。

［Ｃ４．ＦＳＷ］
上記各実施形態では、上ショルダ５０と下ショルダ５２の間にスペーサ５６、５６ａを配置（図６のＳ３）した後にボビンツール３０、３０ａをＦＳＷ開始位置に配置した（Ｓ４）。しかしながら、例えば、スペーサ５６、５６ａを用いる観点又はスペーサ５６、５６ａを非円形とする観点からすれば、これに限らない。例えば、上ショルダ５０及びピン５４をＦＳＷ開始位置に配置した後、下ショルダ５２をピン５４から取り外し、スペーサ５６、５６ａを配置することも可能である。

上記各実施形態では、ボビンツール３０、３０ａを直線的に移動させる場合について説明した（図２及び図７）。しかしながら、例えば、スペーサ５６、５６ａを用いる観点からすれば、ボビンツール３０、３０ａを曲線的に移動させることも可能である。

１０、１０Ａ…摩擦撹拌接合システム １８、１８ａ…摩擦撹拌接合装置
３０、３０ａ…ボビンツール ５０…上ショルダ（第１ショルダ）
５２…下ショルダ（第２ショルダ） ５４…ピン（撹拌軸）
５６、５６ａ、５６ｂ…スペーサ ６０、６０ａ…円形スペーサ部
６２、６２ａ、６２ｂ…突出スペーサ部 ３０２…境界部
３０４、３０４ａ、３０４ｂ…貫通孔 ３０６、３０６ａ…円形孔部
３０８、３０８ａ、３０８ｂ…突出孔部
Ｗ１…第１ワーク Ｗ２…第２ワーク
Ｗｆ…ＦＳＷ部材

Claims (4)

1. 第１ショルダと、第１ワーク及び第２ワークの境界部を挟んで前記第１ショルダと対向配置される第２ショルダと、前記第２ショルダを支持すると共に前記境界部を撹拌する撹拌軸とを備えるボビンツールを用いて前記第１ワーク及び前記第２ワークを摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合方法であって、
   前記第１ショルダから前記第２ショルダに向かう方向に見たとき非円形となる柱状であり且つ前記第２ショルダを通過させる貫通孔を、前記第１ワーク及び前記第２ワークの前記境界部に形成する貫通孔形成ステップと、
   前記第１ショルダから前記第２ショルダに向かう方向に見たとき非円形となる柱状であるスペーサを、前記第１ショルダと前記第２ショルダの間且つ前記撹拌軸の周囲に配置するスペーサ配置ステップと、
   前記第２ショルダを前記貫通孔に通過させ且つ前記スペーサ及び前記撹拌軸を前記貫通孔内に配置した状態で前記摩擦撹拌接合を開始して摩擦撹拌接合部材を生成する摩擦撹拌接合ステップと
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法において、
   前記スペーサ配置ステップは、前記第２ショルダに前記貫通孔を通過させる前に行う
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合方法において、
   前記第２ショルダを円柱状又は円筒状とし、
   前記貫通孔に、前記第２ショルダより大きい径の円形孔部と、前記円形孔部から突出する突出孔部とを含ませ、
   前記スペーサに、前記円形孔部に嵌め込まれる円形スペーサ部と、前記突出孔部に嵌め込まれる突出スペーサ部とを含ませ、
   前記突出孔部及び前記突出スペーサ部を前記撹拌軸の進行方向に沿って配置する
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
4. 第１ショルダと、
   第１ワーク及び第２ワークの境界部を挟んで前記第１ショルダと対向配置される第２ショルダと、
   前記第２ショルダを支持すると共に前記境界部を撹拌する撹拌軸と
   を備えるボビンツールを有する摩擦撹拌接合装置であって、
   前記第１ショルダから前記第２ショルダに向かって見たとき非円形となる柱状であり且つ摩擦撹拌接合の開始前に前記第１ショルダと前記第２ショルダの間且つ前記撹拌軸の周囲に嵌め込まれるスペーサを備える
   ことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。

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