JP2017056490A - 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合に用いる回転ツール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、摩擦攪拌接合に用いる回転ツールにおける複数部位の温度を接合時にリアルタイムに把握することを可能とすることで、被接合部材における接合部近傍の温度を間接的に計測可能な摩擦攪拌接合装置の提供を目的としている。
【解決手段】本発明の摩擦攪拌接合装置の回転ツールは、少なくとも前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備え、それぞれの前記下端チャンネルとプローブ部用補助チャンネルとには、その下端近傍に少なくとも温度測定素子を配設する。、摩擦攪拌接合装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、接合時に接合対象の被接合部材における温度をリアルタイムで測定可能な摩擦攪拌接合およびこれに用いる接合時に被接合部材に入熱する回転ツールに関する。

摩擦攪拌接合は１９９１年にTWI（英国接合溶接研究所）が発明した接合手法であり、摩擦熱によって被接合部材の変形抵抗を低下させうえで攪拌（塑性流動）し、接合を達成する技術である。 摩擦攪拌接合は接合部を溶融させる通常の溶融溶接とは異なり、固相での接合のため、接合部の組織が微細化し優れた機械的性質を有することで知られている。

現在、摩擦攪拌接合は工業界において数多く実用化されており、新たな分野への更なる応用に向けて種々の研究が精力的に進められている。特に摩擦攪拌接合の性質上、接合が困難とされる板厚の厚い被接合部材の接合や、金属材料が異なる被接合部材同士の異材接合を容易に達成する手法が求められている。

摩擦攪拌接合の接合条件は概ね、回転ツールの荷重と、回転ツールの回転速度と、回転ツールの移動速度と、回転ツールの前進角と、で構成され、当該各パラメータを調整することで目的の接合を達成する。摩擦攪拌接合の接合条件を検討する際、最も重要となるのが被接合部材に与える入熱であり、攪拌によって接合部の塑性流動を可能とするためには、被接合部材の変形抵抗を低下させる熱量を与える必要がある。一方、過剰な入熱は必要以上に被接合部材を軟化させてしまい、接合部を抉ることによる不要なバリの発生や、冷却速度が遅くなることにより接合部の機械的特性が低下してしまう。

また、板厚の厚い被接合部材の接合や、金属材料が異なる被接合部材同士の異材接合の達成が困難な原因も接合時の入熱に起因することが解っている。特に、板厚の厚い被接合部材を接合するためには、板厚全域で均一な塑性流動を発生させる必要があり、回転ツールを押し当てた接合面から背面まで均一な入熱を要する。また、金属材料が異なる被接合部材同士の異材接合を達成するためには、接合させる２種の被接合部材を塑性流動によって可能な限り均一に混ぜ合わせる必要があり、接合時における入熱のコントロールで２種の被接合部材それぞれが有する変形抵抗をほぼ同等に低下させなければならない。

特開２００６−２８８４１９号公報 特開２０１１−１１５８４２号公報

しかしながら、現状では、とりわけ板厚の厚い被接合部材を接合するためには、接合実験の繰り返しによる事後的なトライアンドエラーで接合条件を求める必要があり、摩擦攪拌接合の接合条件を構成する各パラメータを調整するには膨大な時間を要している。また、金属材料の異なる被接合部材の異材接合においては、事後的なトライアンドエラー変形抵抗の低下に必要な入熱量が大きく異なる被接合部材同士の接合は極めて困難なものとなっている現状がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく創作されたものであり、接合時における被接合部材への入熱量を精緻に評価するため、摩擦攪拌接合に用いる回転ツールにおける複数部位の温度を接合時にリアルタイムに把握することを可能とすることで、被接合部材における接合部近傍の温度を間接的に計測可能な温度測定装置の提供を目的としている。

上述した課題を解決すべく提供される本発明の摩擦攪拌接合装置は、
回転軸を中心に回転自在な円筒形状のショルダ部と、該ショルダ部の下端に結合して前記回転軸と同軸に回転し下方に突出して被接合部材と接触するプローブ部とを有する回転ツールと、
前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備える摩擦攪拌接合装置であって、
前記回転ツールは、少なくとも
前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備え、
それぞれの前記下端チャンネルとプローブ部用補助チャンネルとには、その下端近傍に少なくとも温度測定素子を配設する。

また、前記プローブ部用補助チャンネルは、前記プローブ部内において、前記下端チャンネルに対して径方向に離間している、ことが好ましい。

また、前記回転ツールは、
前記回転軸に対して径方向に前記ショルダ部の外縁近傍まで離間して、前記ショルダ部の上端から下端近傍まで延びる中空の外縁チャンネルを備え、
前記外縁チャンネルには、その下端近傍に少なくとも温度測定素子を配設しても良い。

また、前記回転ツールは、
前記ショルダ部の上部から該ショルダ部と前記プローブ部との接合部分近傍まで延びる中空の根元チャンネルとを備え、
前記根元チャンネルには、その下端近傍に少なくとも温度測定素子を配設しても良い。

前記温度測定素子から前記温度測定手段を用いて温度測定結果を生成することができる。

また、前記温度測定手段と前記送信手段とは、前記ツールホルダに装着しても良い。

前記温度測定手段とは、前記装置本体部に装着しても良い。

さらに、本発明の摩擦攪拌接合装置においては、被接合部材に入熱すべく軸回転する回転ツールの内部に温度測定素子を配設した複数のチャンネルを備えている。具体的には、少なくともプローブ部の回転中心などの下端近傍内部と、プローブ部の深さ方向に下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとの２箇所にチャンネルや、下端チャンネルに対して径方向に前記ショルダ部の外縁近傍まで離間して、ショルダ部の上端から下端近傍まで延びる中空の外縁チャンネル、ショルダ部の上部から該ショルダ部と前記プローブ部との接合部分近傍まで延びる中空の根元チャンネルを設け、この位置に熱電対等の温度測定素子（以下、単に「熱電対」とも称する）を配設する。そして、それぞれの温度測定素子からの温度データを装置と一体に回転する位置に配設された送信手段を介して、外部の温度解析装置等に送信する。

このような複数箇所に温度測定素子を設けたのは、次の通りである。まず、プローブ部の下端近傍は、接合中の被接合部材で最も温度上昇する位置であり（図２、図３参照）、この位置に熱電対を位置決めし、温度測定する必要がある。また、プローブ部の深さ方向に下端又は径方向に離間した位置やショルダ部ではプローブ部先端の温度よりも接合中の被接合部材の温度は低下しており、この下端チャンネル以外の他の位置に熱電対を位置決めし、温度測定する必要がある。

特に、下端チャンネル以外の他の位置としてプローブ部の深さ方向に異なる位置のプローブ部用補助チャンネルや、ショルダ部とプローブ部との接合部分近傍の根元チャンネルが設けられている。摩擦攪拌接合においては、接合部の板厚方向の熱影響をも考慮することが望ましい。具体的には、摩擦攪拌接合時における深さ方向の温度均一性が担保できないことがある。とりわけ、被接合部材が厚い場合には顕著である。このことは摩擦攪拌接合時の組成流動の不均一性が生ぜしめ、その結果、深さ方向（板厚方向）全域での接合状態が不均一となるおそれがある。この点も発明者は注目し、深さ方向においても接合時にリアルタイムで計測し得るべく、プローブ部用補助チャンネルや根元チャンネルを設けている。

さらに、発明者は本発明の摩擦攪拌接合装置の結果を踏まえ、さらに詳細にプローブ部内の温度を検証したところ（後述の図１１〜図１４参照）、プローブ部の根元部分の温度は初期温度上昇ではプローブ部下端の温度上昇より遅れるが、最高温度点及び到達時間は略近似していくことがわかってきた。この検証から下端チャンネルからプローブ部用補助チャンネル、根元チャンネルまでの温度の乖離の推移をみていくと回転ツールのプローブ部の最高温度が近づいていることを予測することができる。この点に着目して、本発明では、熱電対を設ける場所として、プローブ部の下端近傍と、プローブ部の深さ方向に下端より離間する２箇所を必須の測定位置としている。さらに、２個所以上のチャンネルを設けることにより、摩擦攪拌接合時における深さ方向の温度均一性の担保が容易となり、板厚全域で均一な塑性流動を得ることが可能となる。

また、本発明の摩擦攪拌接合装置では、それぞれの熱電対の温度データを外部送信する送信手段を回転ツールと協同回転する装置と結合する箇所に配設しているため、回転ツールの回転状態で測定できるようにしている点でも有利である。すなわち、当該前記回転ツールを用いて摩擦攪拌接合を行うことで、接合中における被接合部材の温度を、前記回転ツールを介して間接的にリアルタイムで把握することができる。

したがって、本摩擦攪拌接合装置によれば、リアルタイムで把握した被接合部材の温度から、当該接合に用いる接合条件を容易に評価することができる。その結果、従来では接合後の被接合部材における外観や、接合部の微細組織、更に接合部の機械的特性を詳細に評価することにより、当該被接合部材の接合に適した接合条件を求める必要があったのに対して、本装置では、接合中における被接合部材への入熱状況から、被接合部材に最適な接合条件を導き出すことができる。

前記温度測定手段と前記送信手段とは、前記ツールホルダに装着することが好ましい。

ツールホルダは、装置本体部よりも被接合部材に近いため高精度の振動計測に用いるロードセル等の配設に適しているため、温度計測手段をツールホルダに配設しておくことで、ツールホルダ自体を各種測定手段を備えるユニットとして提供するできる点で有利である。一方、ツールホルダ自身は、半消耗品の側面はあるが回転ツールほどの消耗性（損傷、交換性は大幅に小さい）はなく、取り外し可能な各種測定ユニットとしての利点を優先することができる。

なお、前記温度測定手段とは、前記装置本体部に装着することも考えられる。この場合、上記ツールホルダに配設する場合に比して、破損の可能性自体は大幅に軽減される。

また、本摩擦攪拌接合装置の前記下端チャンネルと、その他の位置のチャンネルと、はそれぞれ互いに略同一径方向に配設されており、異材で形成された２つの被接合部材を接合するときに、前記温度測定手段は、前記回転ツールが回転と同期して前記チャンネルの位置が一方の被接合部材上に位置するときに温度測定し、他方の被接合部材上に位置するときに再度温度測定し、これを反復する制御を実行する制御構成を採用しても良い。

また、前記下端チャンネルと前記プローブ部用補助チャンネルと、又は、前記下端チャンネルと前記プローブ部用補助チャンネルと前記外縁チャンネルと、又は、前記下端チャンネルと前記根元チャンネルと、はそれぞれ互いに略同一径方向に配設されており、
異材で形成された２つの被接合部材を接合するときに、
前記温度測定手段は、前記回転ツールが回転と同期して前記各チャンネルの位置が一方の被接合部材上に位置するときに温度測定し、他方の被接合部材上に位置するときに再度温度測定し、これを反復する制御を実行することができる。

本摩擦攪拌接合装置によれば、各チャンネル内の熱電対が異材それぞれの被接合部材上に位置したときに温度測定するように温度測定手段の測定タイミングと回転ツールの回転と同期させる制御を行っている。このように制御することで接合中に異材被接合部材それぞれでの温度を測定することが可能となり、それぞれの被接合部材に応じた入熱コントロールをして変形抵抗を均一化することで良好な接合を達成し得ることとなる。

また、前記温度測定手段は、それぞれの被接合部材上に前記回転ツール内のチャンネルの位置が侵入してから所定角度の時点から所定角度における回転ツールが回転する時間に温度を測定可能時間として測定し、その結果を平均化する方法が考えられる。

上述するように異材ごとの接合中のリアルタイム温度測定する一例として、温度測定素子（熱電対）の位置が異材の一方に侵入してから所定角度回転したときからその異材から出て行くまでの角度領域で温度測定する方法がある。これは熱電対の温度測定時間を考慮したものであり、前の被接合部材での測定温度からその時点の被接合部材での測定温度に移る時間と次の被接合部材での温度測定に移る時間とを設けて一方の被接合部材での温度測定時間を限定して、温度測定と回転ツールの作動とを同期している。そして、一方の被接合部材での温度をそこでの温度測定時間内で平均化することで、高回転の回転ツールであってもそれぞれの異材被接合部材の温度を容易に推定できる。

なお、この温度測定手段による測定は、一方の被接合部材での前記測定可能時間に回転ツールの回転に同期して複数点で実行し、平均化することが好ましい。

また、前記温度測定手段は、それぞれの被接合部材上に前記回転ツール内のチャンネルの位置が所定角度（代表角度）の侵入した時点での温度を測定する方法も考えられる。

また、本発明では、上述する摩擦攪拌接合装置で被接合部材の接合面に回転当接させる回転ツール自体も特徴的である。具体的には、回転軸を中心に回転自在な円筒形状のショルダ部と、該ショルダ部の下端に結合して前記回転軸と同軸に回転し下方に突出して被接合部材と接触するプローブ部とを有する摩擦攪拌接合に用いる回転ツールであって、
前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備え、
少なくとも温度測定用の、
前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備える。

さらに少なくとも温度測定用の、前記ショルダ部の上端から下端近傍まで延びる中空の外縁チャンネルを備えても良く、少なくとも温度測定用の、前記ショルダ部の上部から該ショルダ部と前記プローブ部との接合部分近傍まで延びる中空の根元チャンネルとを備えて良い。

一方、摩擦攪拌接合は所謂フラット回転ツールが使用される場合もあり、他の本発明はこの回転ツールにも適用される。具体的には、
回転軸を中心に回転自在な円筒で下端面が略平面形状のショルダ部を有する回転ツールと、
前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備える摩擦攪拌接合装置であって、
前記回転ツールは、少なくとも
前記ショルダ部の上端から前記ショルダ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
前記下端チャンネルに対して径方向に離間し、前記ショルダ部の上端から深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備え、
それぞれの前記下端チャンネルとプローブ部用補助チャンネルとには、その下端近傍に温度測定素子を配設する。

なお、このフラット回転ツール自体も特徴的である点は上述する本発明と同様である。具体的には、回転軸を中心に回転自在な円筒で下端面が略平面形状のショルダ部を有する摩擦攪拌接合に用いる回転ツールであって、
前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備え、少なくとも温度測定用の、
前記ショルダ部の上端から前記ショルダ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
前記下端チャンネルに対して径方向に離間し、前記ショルダ部の上端から深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備える。

本発明の摩擦攪拌接合装置およびこれに用いる回転ツールによれば、リアルタイムで把握した被接合部材の温度から、当該接合に用いる接合条件を容易に評価することができる。その結果、従来では接合後の被接合部材における外観や、接合部の微細組織、更に接合部の機械的特性を詳細に評価することにより、当該被接合部材の接合に適した接合条件を求める必要があったのに対して、本装置では、接合中における被接合部材への入熱状況から、被接合部材に最適な接合条件を導き出すことができる。

本発明の摩擦攪拌接合装置を備える摩擦攪拌接合装置本体の斜視図である。 図１に示す装置本体Ａのツールホルダ把持部に把持・固定されるツールホルダ及び回転ツールについて示した組立拡大図である。 図２のツールホルダとこれに連結される回転ツールとを示す回転軸方向の分解断面図である。 測定された温度が温度測定部から外部ユニットに送信されるまでの電気信号のフロー示すブロック図である。 本発明の摩擦攪拌接合装置の温度測定工程の一例を示すフローチャートである。 図２、３に示す回転ツールの変形例を示す断面図である。 図９に示す回転ツールでの実際の温度測定結果を示すグラフ図である。 図９に示す回転ツールでの実際の他の温度測定結果を示すグラフ図である。 実際に温度測定実験を行った回転ツールの略断面図である。 異材の被接合部材を接合する際の温度測定タイミングを解説するための模式平面図である。 図２、３、６に示す回転ツールの変形例を示す断面図である。 図１１に示す回転ツールでの実際の温度測定結果を示すグラフ図である。 図１１に示す回転ツールでの他の温度測定結果を示すグラフ図である。 図１１に示す回転ツールでのさらに他の温度測定結果を示すグラフ図である。

《摩擦攪拌接合装置の概説》
図１は、本発明の摩擦攪拌接合装置を備える摩擦攪拌接合装置本体Ａ（以下、「装置本体Ａ」とも称する）の斜視図を示している。本発明の実施形態を説明する前提として、以下、この装置本体Ａの構成および接合工程を概説する。装置本体Ａは、概ねツールホルダ把持部４０と、被接合部材設置面４１と、ワークステージ４２と、ヘッド支台４３と、ヘッド４４と、操作盤４５と、を備えて構成される。なお、図１に示していない参照番号の部材は後述する図２等を参照する。

まず、ツールホルダ把持部４０に接合対象となる２つの被接合部材（図示せず）に回転当接（当接方向＝矢印Ｚ方向、回転方向＝矢印Ｚの軸周り方向）させる回転ツール４を把持させたツールホルダ２を装着する。これによりツールホルダ把持部４０とツールホルダ２及び回転ツール４は一体に回転することとなる。また、被接合部材は、ワークステージ４２の上面の被接合部材設置面４１に被接合部材を載置され、固定用クランプ（図示せず）や固定用ボルト（図示せず）等を用いて被接合部材設置面４１に固定される。

この状態でユーザは、操作盤４５を操作し、ワークステージ４２をＸ方向へ移動させ、被接合部材が所望の接合位置直上に回転ツール４が位置するところで停止・位置決めする。

次に、被接合部材上に停止・位置決めされた状態で操作盤４５を操作して、回転ツール４を下降させ被接合部材に当接させ、接合部を押圧しながら回転させ、接合方向に移動させる。このとき、ユーザは予め少なくとも回転ツール４に付与する加えるツール荷重と、接合速度となるツール移動速度と、回転ツール４のツール回転速度と、の各パラメータを入力し、摩擦攪拌接合に用いる接合条件を設定することとなる。なお、ここでは図示しないが回転ツール４は前進方向（接合方向）に傾斜させることが好ましい場合もあり得る。回転ツール４のツール前進角の設定は、ヘッド４４と、ヘッド支台４３と、の嵌合角度を変更することによって行う。

操作盤４５での設定が終了すると、被接合部材直上で回転ツール４を回転させて設定したツール回転速度に達した後、ヘッド４４をＺ方向下方へ移動させ、被接合部材の接合開始点で回転ツール４を押圧する。ヘッド４４は被接合部材に対して事前に設定したツール荷重で回転ツールを押圧すると、回転ツール４と、被接合部材と、の当接部（接合部）が、摩擦熱によって被接合部材の変形抵抗を低下させ、当接部近傍が回転ツール４の回転によって撹拌を開始する。

その後、ヘッド支台４３を設定したツール移動速度でＹ方向に移動させ、回転ツール４を接合開始点から接合終了点まで運ぶことで、被接合部材を接合させる。所望の接合が達成された後、回転ツール４の回転を維持させながらヘッド４４をＺ方向上方へ移動させ、接合終了点から回転ツール４を引き抜いた後に回転ツール４の回転を停止させる。この工程により接合が終了する。

《本摩擦攪拌接合装置の回転ツールおよび関連部材の概説》
次に、上述した装置本体Ａのツールホルダ把持部４０に把持・固定されるツールホルダ２及び回転ツール４について説明する。図２は、ツールホルダ２及び回転ツール４を示す組立拡大図である。また、図３は、図２のツールホルダとこれに連結される回転ツールとを示す回転軸方向の分解断面図である。この図２に示すように、温度測定装置１は、円筒状のツールホルダ２と、固定用ビス３と、回転ツール４と、温度測定部５と、電子基板６（図３参照）と、電源供給部７（図３参照）と、回転ツール固定用ナット９と、を備えて構成される。なお、図２は紙面右斜め上方から左斜め下方に向かって上下を示しており、紙面各矢印は各部材の組立方向を示している。

ツールホルダ２は、回転軸線Ｏ−Ｏを中心に回転可能であり、内部に回転軸Ｏ−Ｏに沿って両端まで中空孔８が設けられている。ツールホルダ２は、まず、その下端部で開放する回転ツール固定用孔２ａに回転ツール４の上端ａ側が挿入される。このとき回転ツール固定用孔２ａの内壁と回転ツール４の上端ａの外壁とは互いに嵌合する形状をなしており、ツールホルダ２と回転ツール４とを周方向に位置決めしている。また、回転ツール４のツバ部４ｂは、回転ツール固定用孔２ａの下端内の突出部（図示せず）がストッパとなっており、これによって回転ツール４とツールホルダ２とを回転軸Ｏ−Ｏ方向に位置決めしている。

次に、ツールホルダ２に回転ツール４が挿入された状態でツールホルダ２の下端と回転ツール４を覆うように回転ツール固定用ナット９を被せ、ツールホルダ２と、回転ツール４と、をツールホルダ２の軸線Ｏ-Ｏ方向に対して垂直方向（径方向）両側から固定用ビス３で固定する。この固定によりツールホルダ２は回転ツール４と一体に回転することとなる。

次に、図３を参照しつつ回転ツール４について言及する。上述するように回転ツール４は、被接合部材の溶接に用いる工具であるが、回転軸Ｏ−Ｏを中心に回転自在な円筒形状のショルダ部４ｃと、ショルダ部の下端に結合して回転軸と同軸に回転し下方に突出して被接合部材と接触するプローブ部４ｄとを有する。

回転ツール４には、回転軸方向にショルダ部４ｂの上端４ａから下方に穴あけ加工することによって２つの半貫通孔２６が設けられている。詳細には、回転軸Ｏ−Ｏと略同軸上にはショルダ部４ｃの上端からプローブ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネル２８が設けられており、ショルダ部４ｃの外縁近傍、すなわち回転軸Ｏ−Ｏから径方向の加工・強度限度の位置に、ショルダ部の上端から下端近傍まで延びる中空の外縁チャンネル３０とが形成されている。なお、下端チャンネル２８、外縁チャンネル３０ともに下限位置は回転ツール４の耐用限度時においても中空孔が開放されない程度に下面４ｅ、４ｆから離間していることが好ましい。

また、温度測定部５は、下方に熱電対、サーミスタ、及び、白金測温抵抗体等の温度測定素子５ａ（ここでは熱電対５ａとして説明）が設けられ、これに電気配線（図示せず）が接続されて形成される。熱電対５ａは、中空チャンネル２６ａ、外縁チャンネル２６ｂの下端近傍に配設される。温度測定部５はその上方の電気配線によりツールホルダ２に装着された電子基板６に接続されている。そして、熱電対５ａからの温度測定結果を、電気配線を介して電子基板６へ送信される。

電子基板６は、ツールホルダ２内に設けられた前述の中空孔８に設けられており、温度受信部１０及び送信部１１を備えている。温度受信部１０は、電気配線（図示せず）を介し、測定した温度を温度測定部５からリアルタイムで受信可能に構成される。送信部１１は、温度受信部１０で受信した測定温度を送信アンテナ１２を介して外部ユニット２０（図４参照）へ無線方式を用いて送信可能に構成されている。

電源供給部７は、ツールホルダ２の中空孔８の内壁に設けられており、充電型又は非充電型の電池を用いて構成可能であって、電子基板６に電源を供給することが可能に構成されている。なお、図３の例では、電子基板６および電源供給部７はツールホルダ２内の中空孔８に設けられているが、電子基板６および電源供給部７はツールホルダ２と一体に装着されていればよく、ツールホルダ２の外部、例えば、外周壁に設けてこれをカバーで被覆するような場合も考えられる。

次に、図４を用いて、測定された温度が熱電対５ａから外部ユニット２０に送信されるまでの電気信号のフローを例示説明する。この例では、熱電対５ａで温度測定部５を構成した場合の電気信号の流れを示している。図４中の各矢印は、熱電対５ａで測定された回転ツール４の温度を示す電気信号の流れであって、信号伝送路の形式によって有線方式を実線で示し、無線方式を破線で示している。この例では、零接点補償回路１０ａ、電位差増幅部１０ｂ、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１０ｃ、及び、デバイス内制御回路１０ｄで、温度受信部１０が構成されている。また、コントローラ１１ａ及び無線送信デバイスで１１ｂ、送信部１１が構成されている。

また、無線受信・記録出力装置で外部ユニット２０が構成されている。無線受信・記録出力装置２０は、電気信号の流れに沿って上流側から下流側に、無線受信デバイス２０ａ、シリアル・USB（Universal Serial Bus）変換器２０ｂ、パーソナルコンピュータ等の記録・演算装置２０ｃ、及び、ディスプレイやプリンタ等の出力装置２０ｄを備えている。また、図３中の破線で示す無線受信デバイス２０ａ間の無線通信規格は、Wi-Fi（Wireless Fidelity）、Blue-tooth（ブルートゥース）、無線LAN（Local Area Network）、及び、ZigBee（ジグビー）等を使用することが可能である。このような無線通信機器の使用によって回転ツール４の下端（先端）近傍で測定した温度情報を外部ユニット２０に送信することとなる。

次に、図５を用いて参照しつつ、本発明の摩擦攪拌接合装置における温度測定工程について例示説明する。この温度測定工程では、順に、ツールホルダ２を装着する工程Ｓ１、回転ツール固定用ナット９と固定用ビス３とを用いてツールホルダ２の先端（下端）に回転ツール４を装着する工程Ｓ２、回転ツール４の中空チャンネル２６ａ及び外縁チャンネル２６ｂ（後述するプローブ部用補助チャンネル２６ｃ）に温度測定部５を装着する工程Ｓ３、熱電対５ａを用いてツールホルダ２と同軸で回転する回転ツール４の温度を測定する工程Ｓ４、熱電対５ａの測定結果を電子基板６で受信する工程Ｓ５、を実行している。

次に、図６を参照しつつ図２、３に示す回転ツール４の変形例を説明し、これを用いた温度測定方法について言及する。まず、図６の回転ツール４は図２〜図３に示した回転ツール４と概ね同様の構成であるが、温度測定チャンネル２６が追加されている点で異なる。具体的には、中空チャンネル２６ａと外縁チャンネル２６ｂとの径方向の間に、ショルダ部４ｄの上端４ａからプローブ部４ｄの上下方向中間位置まで延びるプローブ部用補助チャンネル２６ｃを設けている。プローブ部用補助チャンネル２６ｃの下端位置は、概ねプローブ部４ｄの深さ方向中間位置であるが、図６のようにプローブ部４ｄが下端に向かって縮径するテーパ形状の場合には、中空チャンネル２６ａで言及した耐用限界まで下方まで延びている。

摩擦攪拌接合においては、接合部の板厚方向の熱影響をも考慮することが望ましい。具体的には、摩擦攪拌接合時における深さ方向の温度均一性が担保できないことがある。とりわけ、被接合部材が厚い場合には顕著である。このことは摩擦攪拌接合時の組成流動の不均一性が生ぜしめ、その結果、深さ方向（板厚方向）全域での接合状態が不均一となるおそれがある。この点も発明者は注目し、深さ方向においても接合時にリアルタイムで計測し得るべく、上述した下端チャンネルと外縁チャンネルとに加えて前記プローブ部に少なくとももう一つの補助チャンネル（プローブ部用補助チャンネル）を設けている。

前記回転ツールの前記プローブ部に前記補助チャンネルを設けることにより、上述した下端チャンネルと外縁チャンネルとの中間部における温度を把握することができる。とりわけ上述したように板厚が厚い場合には、深さ方向（板厚方向）全域での接合状態が不均一となる可能性を回避し、板厚全域で均一な塑性流動を得るためにこのチャンネル２６ｃでの温度測定が非常に有益である。すなわち、回転ツール４のプローブ部先端部４ｆと、プローブ部中間部４ｇと、ショルダ部４ｃと、に温度計測部５を配置した場合、当該部における接合中の温度から、被接合部材の板厚全域における発熱分布を間接的に把握することができ、摩擦攪拌接合条件の各パラメータを最適化することで理想的な発熱分布に近づけることが可能となる。

次に、図１０（a）(b)(c)を参照しつつ異材接合時における摩擦攪拌接合条件の最適化を可能とする温度測定方法について説明する。本摩擦攪拌接合装置に材料が異なる２枚の被接合部材を突き合わせて設置した後、回転ツール４の回転軸における中心を、当該被接合部材の突き合わせライン直上位置に配置して接合を開始する。接合中、回転ツール４の外縁チャンネル２６ｂは、被接合部材の突き合わせラインを中心に回転するため、それぞれの被接合部材を繰り返し反復することとなる。

本摩擦攪拌接合装置は、温度測定タイミングと、回転ツール４の回転と、を同期させる制御により、回転ツール４の外縁チャンネル２６ｂが異材接合に用いたそれぞれの被接合部材上に位置する各タイミングで、接合開始から接合終了まで継続的な温度測定が可能となる。具体的には、(a)に示した被接合部材の突き合わせラインＸ−Ｘ上で時計回りに回転する回転ツール４内の外縁チャンネル２６ｂが、β２からα１を通過し、γ１に侵入したタイミングからγ１を侵出するまで温度測定を行う。当該温度測定は、回転ツール４内の外縁チャンネル２６ｂが所定角度に侵入してから浸出するまでに要する、回転ツール４の回転時間を温度測定可能時間とし、当該時間に測定した温度結果を平均化してもよいし、温度測定可能時間内で回転ツールの回転に同期させて複数点の温度を測定し、平均化する手法を用いてもよい。

次に、回転ツール４の外縁チャンネル２６ｂが図１０(b)に示す様に、β１に侵入したタイミングからα２に移動し、次いでα２を侵出するまでの時間は温度の測定を行わない。β１からα２の領域は突き合わせラインＸ−Ｘを挟んでいるため、隣り合う双方の被接合部材における温度が互いに影響を与えやすく、測定温度に誤差が生じてしまう。次いで、上述した回転ツール４の外縁チャンネル２６ｂがγ１を通過する際と同様に、図１０(c)に示す当該外縁チャンネル２６ｂがγ２に侵入したタイミングからγ２を浸出するまでを温度測定可能時間として温度を測定することとなる。以降、詳述した温度測定タイミングと、回転ツール４の回転と、の同期により、所定の角度における温度測定を繰り返し、接合中の被接合部材における温度の把握が可能となる。

これにより、異材接合に用いた双方の被接合部材の現状温度における変形抵抗を把握し、それぞれの被接合部材における変形抵抗の差を認識することで対策を講じることが可能となる。たとえば、変形抵抗の低い被接合部材側を冷却して変形抵抗の低下を抑制する、もしくは変形抵抗の高い被接合部材側を加熱して変形抵抗の低下を促進させることで、それぞれの被接合部材における変形抵抗の差を縮めて同等の塑性流動を促し、摩擦攪拌接合を用いた異材接合を達成することができる。

なお、上述の説明では、プローブ部が存在する回転ツールの例で説明してきたが、本摩擦攪拌接合装置は所謂フラット回転ツールにも適用されることを言及しておく。図示しないが具体的には、回転軸を中心に回転自在な円筒で下端面が略平面形状のショルダ部を有する回転ツールを用いる。回転ツールのチャンネルは、ショルダ部の外縁チャンネルは上記同様であるが、プローブ部がないため回転中心に位置する中空チャンネルの下端をショルダ部の下端近傍まで延ばしている点で異なる。

次に、図１１を参照しつつ図２、３、図６に示す回転ツール４の変形例を説明し、これを用いた温度測定方法について言及する。まず、図１１の回転ツール４は図２〜図３、図６に示した回転ツール４と概ね同様の構成であるが、温度測定チャンネル３６（特にチャンネル３６ｃ）が追加されている点で異なり、他の下端チャンネル３６ａ、プローブ部用補助チャンネル３６ｂは図６と略同様である。具体的には、ショルダ部４ｂの上端４ａからプローブ部４ｄの下端近傍まで延びる中空の下端チャンネル３６ａと、ショルダ部４ｂの上端４ａからプローブ部４ｄの上下方向中間位置まで延びるプローブ部用補助チャンネル３６ｂと、ショルダ部４ｂの上端４ａからショルダ部４ｂとプローブ部４ｄとの接合部分近傍まで延びる中空の根元チャンネル３６ｃとを設けている。

根元チャンネル３６ｃの下端の深さ方向の位置は、図２〜図３、図６の中空チャンネル２６ａで言及した耐用限界まで下方まで延びていることが好ましい。なお、根元チャンネル３６ｃ、下端チャンネル３６ａ、プローブ部用補助チャンネル３６ｂそれぞれの下端の径方向の位置は、加工上、下端チャンネル３６ａが回転中心軸Ｏ−Ｏと略同軸上に、プローブ部用補助チャンネル３６ｂがプローブ部４ｄの外周近傍に、根元チャンネル３６ｃがショルダ部４ｂとプローブ部４ｄとの接合部分近傍にあることが好ましいが、径方向の位置はあくまで加工便宜上の位置であり、回転中心軸Ｏ−Ｏからオフセットされた下端チャンネル３６ａや、ブローブ部４ｄの外周から離れたプローブ部用補助チャンネル３６ｂ、プローブ部４ｄの径の範囲内で回転中人軸Ｏ−Ｏに近づいた位置（根元部分４ｈ）の根元チャンネル３６ｃであっても差し支えない。

実験例２で後述するようにプローブ部４ｄの根元部分４ｈの温度は初期温度上昇ではプローブ部４ｄの下端４ｆの温度上昇より遅れるが、最高温度点は略近似していくことがわかった。この実験例２から下端チャンネル３６ａの温度と根元チャンネル３６ｃの温度との乖離の推移をみていくと回転ツール４のプローブ部４ｄの最高温度が近づいていることを予測することができる。この点に着目して図１１の例では、根元チャンネル３６ｃを設けている。

《実験例１》
以下に、回転ツール４に上述する中空チャンネル２６ａ、外縁チャンネル２６ｂとを設け、さらにショルダ部４ｃの下面でプローブ部４ｄの根元近傍にその他のチャンネル２６ｇに設けたもので、実際に温度測定した。

図７、図８は、板厚６mmの被接合部材（Ａ６０６３）を用いて摩擦攪拌接合実験を行った、条件１および条件２の回転ツール各部における温度グラフである。条件１および条件２の実験に用いた接合条件の内、ツール回転速度は1500 rev/min、ツール移動速度は300mm/minと同じ値で設定し、ツール荷重（資料に条件未記載）のみ条件２を低く設定している。
条件１および条件２の接合実験中における被接合材の外観と、接合中の回転ツールにおける温度変化と、に違いが見受けられた。条件１では、回転ツールのショルダ近傍から不均一な高さのバリがツールの移動に伴って波打つ様に発生し、ショルダ外縁部Ａの温度が小刻みな間隔で変化したが、条件２では、全くバリが発生することなく、回転ツールの各部にける温度変化はなだらかだった。

条件１および条件２の回転ツールにおける各部の温度を比較すると、条件１よりも条件２の方が総じて低く、プローブ部先端部Ｂで約４０度、プローブ部付根部Ｃで約２０度、ショルダ外縁部Ａで約２０度の温度差が見受けられた。当該温度差は、条件１および条件２のツール荷重の差によって発生したものであり、条件１よりもツール荷重を低く設定した条件２は、回転ツールと、被接合材と、で発生する摩擦が低減されたことに起因すると考えられる。これにより、条件１では、被接合材に高入熱を与えて過剰に変形抵抗を低下させる結果となり、ショルダ外縁部近傍で被接合材の一部が押し出されてバリとなった。しかし、条件２では、被接合材への入熱が適度に抑えられ、変形抵抗を過剰に低下させることなく摩擦攪拌接合に最適な塑性流動を起こしたため、バリ発生のない接合を達成したものと考えられる。また、条件１のショルダ外縁部Ａにおける温度で見受けられた小刻みな温度変化は、変形抵抗を過剰に失った被接合材が回転ツールによって押し出される際に、ショルダ外縁部と、被接合材と、に生じる摩擦が一時的な低下と上昇を繰り返すことが原因である。

《実験例２》
以下に、回転ツール４に上述する中空チャンネル３６ａ、プローブ部用補助チャンネル３６ｂ、根元チャンネル３６ｃとを設けたもので、実際に温度測定した。

図１２〜図１４は、図１１の回転ツール４を用いて摩擦攪拌接合を行った際の各チャンネル３６ａ〜３６ｃの温度(℃)／時間（min）の変化を示したグラフ図である。この図１２〜図１４の実験例２では、それぞれに株式会社日立製作所製の３Ｄ ＦＳＷ装置を使用し、回転ツール４としてプローブ部４ｄの先端径５mm、根元径８mm、長さ７．２mm、ショルダ部４ｂの径１８mmのものを使用した。また、中空チャンネル３６ａ、プローブ部用補助チャンネル３６ｂ、根元チャンネル３６ｃの中心軸は、回転中心軸Ｏ−Ｏからそれぞれ０．９１mm、１．４７mm、２．０２mmオフセットされている。

また、被接合部材として図１２では板厚８mmのＡＺ６１１、図１３では板厚８mmのＡ５０８３−０、図１４では板厚８mmのＡ６Ｎ０１−Ｔ５を用いて、摩擦攪拌接合実験を行った。加工条件としては、図１２は加工速度１２００rpm、送り速度（ツール移動速度）２０mm／min、切込み８mm、図１３は加工速度６００rpm、送り速度２０mm／min、切込み８mm、図１４は加工速度１５００rpm、送り速度５０mm／min、切込み８mmである。

図１２〜図１４を参照すれば、どの加工条件でも下端チャンネル３６ａ、プローブ部用補助チャンネル３６ｃでの温度は初期温度からほぼ同様に最高温度まで上昇しているのに対して、根元チャンネル３６ｃの温度は、下端チャンネル３６ａやプローブ部用補助チャンネル３６ｃの温度より上昇が緩やかであり、時間経過にしたがって温度差が大きくなっていくが所定時間（例えば図１２の例では１２〜１３min）経過時から急激に上昇し、最高温度到達の時間及び温度は、下端チャンネル３６ａ、プローブ部用補助チャンネル３６ｃと略同一になっていることがわかる。

したがって、下端チャンネル３６ａの温度と根元チャンネル３６ｃの温度との温度変化をリアルタイムで計測し、互いの温度上昇速度に大きく差がある段階から根元チャンネル３６ｃの温度が急上昇に転じた場合、最高温度点に近づいていることがわかる。また、プローブ部４ｄ内の温度変化に対しては下端チャンネル３６ａの温度と根元チャンネル３６ｃの温度との温度変化を計測すれば、他の部分を計測することなくても概ね温度変化を測定できる

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

本発明の摩擦攪拌接合装置は、摩擦攪拌接合中の被接合部材における温度を間接的にリアルタイムに測定することが可能であり、用いる被接合部材にとって最適な摩擦攪拌接合条件を確立することができる。その結果、これまで摩擦攪拌接合法では接合が困難だった厚板の接合や異材接合等、種々の接合加工の実現に寄与するものある。

２ ツールホルダ
３ 固定用ビス
４ 回転ツール
４ｆ プローブ部
４ｇ ショルダ部
５ 温度測定部
５ａ 温度測定素子（熱電対）
６ 電子基板
７ 電源供給部
８ 中空孔
９ 回転ツール固定用ナット
１０ 温度受信部
１１ 送信部
１２ 送信アンテナ
２０ 外部ユニット
２６ 半貫通孔
２６ａ 中空チャンネル
２６ｂ 外縁チャンネル
２６ｃ プローブ部用補助チャンネル
Ｓ１〜Ｓ５ 工程

Claims (13)

1. 回転軸を中心に回転自在な円筒形状のショルダ部と、該ショルダ部の下端に結合して前記回転軸と同軸に回転し下方に突出して被接合部材と接触するプローブ部とを有する回転ツールと、
   前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
   前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備える摩擦攪拌接合装置であって、
   前記回転ツールは、少なくとも
   前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
   前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備え、
   それぞれの前記下端チャンネルとプローブ部用補助チャンネルとには、その下端近傍に少なくとも温度測定素子を配設する、摩擦攪拌接合装置。
2. 前記プローブ部用補助チャンネルは、前記プローブ部内において、前記下端チャンネルに対して径方向に離間している、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記回転ツールは、
   前記下端チャンネルに対して径方向に前記ショルダ部の外縁近傍まで離間して、前記ショルダ部の上端から下端近傍まで延びる中空の外縁チャンネルを備え、
   前記外縁チャンネルには、その下端近傍に少なくとも温度測定素子を配設する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記回転ツールは、
   前記ショルダ部の上部から該ショルダ部と前記プローブ部との接合部分近傍まで延びる中空の根元チャンネルとを備え、
   前記根元チャンネルには、その下端近傍に少なくとも温度測定素子を配設する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 前記温度測定素子から前記温度測定手段を用いて温度測定結果を生成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 前記温度測定手段と前記送信手段とは、前記ツールホルダに装着する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
7. 前記温度測定手段とは、前記装置本体部に装着する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
8. 前記下端チャンネルと前記プローブ部用補助チャンネルと、又は、前記下端チャンネルと前記プローブ部用補助チャンネルと前記外縁チャンネルと、又は、前記下端チャンネルと前記根元チャンネルと、はそれぞれ互いに略同一径方向に配設されており、
   異材で形成された２つの被接合部材を接合するときに、
   前記温度測定手段は、前記回転ツールが回転と同期して前記各チャンネルの位置が一方の被接合部材上に位置するときに温度測定し、他方の被接合部材上に位置するときに再度温度測定し、これを反復する制御を実行する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
9. 回転軸を中心に回転自在な円筒形状のショルダ部と、該ショルダ部の下端に結合して前記回転軸と同軸に回転し下方に突出して被接合部材と接触するプローブ部とを有する摩擦攪拌接合に用いる回転ツールであって、
   前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
   前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備え、
   少なくとも温度測定用の、
   前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
   前記ショルダ部の上端から前記プローブ部の深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備える、摩擦攪拌接合に用いる回転ツール。
10. さらに少なくとも温度測定用の、前記ショルダ部の上端から下端近傍まで延びる中空の外縁チャンネルを備える、請求項９に記載の摩擦攪拌接合に用いる回転ツール。
11. さらに少なくとも温度測定用の、前記ショルダ部の上部から該ショルダ部と前記プローブ部との接合部分近傍まで延びる中空の根元チャンネルとを備える、請求項９又は１０に摩擦攪拌接合に用いる回転ツール。
12. 回転軸を中心に回転自在な円筒で下端面が略平面形状のショルダ部を有する回転ツールと、
    前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
    前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備える摩擦攪拌接合装置であって、
    前記回転ツールは、少なくとも
    前記ショルダ部の上端から前記ショルダ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
    前記下端チャンネルに対して径方向に離間し、前記ショルダ部の上端から深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備え、
    それぞれの前記下端チャンネルとプローブ部用補助チャンネルとには、その下端近傍に温度測定素子を配設する、摩擦攪拌接合装置。
13. 回転軸を中心に回転自在な円筒で下端面が略平面形状のショルダ部を有する摩擦攪拌接合に用いる回転ツールであって、
    前記回転ツールの上方に連結し、該回転ツールと協動して同軸回転するツールホルダと、
    前記ツールホルダの上方に連結し、前記回転ツール及び前記ツールホルダを回転軸周りに回転させ、軸線方向に移動させ、前記被接合部材を押圧する機構を有する装置本体部と、を備え、少なくとも温度測定用の、
    前記ショルダ部の上端から前記ショルダ部の下端近傍まで延びる中空の下端チャンネルと、
    前記下端チャンネルに対して径方向に離間し、前記ショルダ部の上端から深さ方向に前記下端チャンネルと異なる位置まで延びる中空のプローブ部用補助チャンネルとを備える、
    摩擦攪拌接合に用いる回転ツール。