JP2018001247A - 摩擦攪拌点接合装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母材にクラッド層が設けられている被接合物を摩擦攪拌点接合方法により接合を行っても、良好な耐食性を実現し得る、摩擦攪拌点接合装置を提供することを目的とする。【解決手段】円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、円筒状に形成され、その外周面に内周面と連通するように形成され、金属材料１５を供給するためのスリット孔１４が配設され、軸線方向に進退移動可能に構成されているクランプ部材１３と、を備える、摩擦攪拌点接合装置。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦攪拌点接合装置及びその運転方法に関する。

自動車、鉄道車両、航空機等の輸送機器においては、金属材料を結合するときには、抵抗スポット溶接又はリベット接合等が用いられていた。しかしながら、近年では、摩擦熱を利用して金属材料を接合する方法（摩擦攪拌点接合方法）が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１９６６８２号公報

母材にクラッド層が設けられている被接合物を摩擦攪拌点接合方法により接合を行うと、クラッド層がピン部材とショルダ部材（以下、これらをツールという）により攪拌されて、母材内部に入り込み、接合部表面に母材が露出して、接合部表面の耐食性が低減するという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、母材にクラッド層が設けられている被接合物を摩擦攪拌点接合方法により接合を行っても、良好な耐食性を実現し得る、摩擦攪拌点接合装置及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る摩擦攪拌点接合装置は、被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置であって、円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、円筒状に形成され、その外周面に内周面と連通するように形成されているスリット孔が配設され、前記軸線方向に進退移動可能に構成されているクランプ部材と、を備える。

これにより、母材にクラッド層が設けられている被接合物を摩擦攪拌点接合方法によって接合を行う場合に、被接合物を接合後に、スリット孔からクラッド層を構成する金属材料を被接合物の表面に供給して、被接合物の接合部分表面に当該金属材料を圧着させることで、クラッド層を形成し、良好な耐食性を実現し得る。

また、本発明に係る摩擦攪拌点接合装置の運転方法は、被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置の運転方法であって、前記摩擦攪拌点接合装置は、円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、円筒状に形成され、その外周面に内周面と連通するように形成され、金属材料を供給するためのスリット孔が配設され、前記軸線方向に進退移動可能に構成されているクランプ部材と、前記ツールを前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、前記ツールを前記軸線に沿って進退移動させる工具駆動器と、を備え、前記ツールの先端部が前記被接合物を押圧し、かつ、前記ツールが前記軸線周りに回転するように、前記工具駆動器及び前記回転駆動器が駆動して、前記被接合物を接合する（Ａ）と、前記ツールが前記軸線周りに回転し、前記ツールの先端部が前記スリット孔から供給された前記金属材料を介して前記被接合物を押圧し、前記金属材料を前記被接合物の表面に圧着させる（Ｂ）と、を備える。

これにより、母材にクラッド層が設けられている被接合物を摩擦攪拌点接合方法によって接合を行う場合に、被接合物を接合後に、スリット孔からクラッド層を構成する金属材料を被接合物の表面に供給して、被接合物の接合部分表面に当該金属材料を圧着させることで、クラッド層を再形成し、良好な耐食性を実現し得る。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

本発明に係る摩擦攪拌点接合装置及びその運転方法によれば、母材にクラッド層が設けられている被接合物を摩擦攪拌点接合方法により接合を行う場合に、被接合物を接合後に、スリット孔からクラッド層を構成する金属材料を被接合物の表面に供給して、被接合物の接合部分表面に当該金属材料を圧着させることで、クラッド層を再形成し、良好な耐食性を実現し得る。

図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置の制御構成を模式的に示すブロック図である。 図３Ａは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。 図３Ｂは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。 図３Ｃは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。 図４は、図３に示す摩擦攪拌点接合の各工程におけるピン部材の先端部、ショルダ部材の先端部、及びツール平均位置Ｔｘを模式的に表すグラフである。 図５は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置は、被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置であって、円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、円筒状に形成され、その外周面に内周面と連通するように形成されているスリット孔が配設され、前記軸線方向に進退移動可能に構成されているクランプ部材とを備える態様を例示するものである。

以下、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の一例について、詳細に説明する。

［摩擦攪拌点接合装置の構成］
図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の概略構成を示す模式図である。なお、図１においては、図における上下方向を摩擦攪拌点接合装置における上下方向として表している。

図１に示すように、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、工具駆動器５３、クランプ部材１３、裏当て支持部５５、裏当て部材５６、及び回転駆動器５７を備えている。

ピン部材１１及びショルダ部材１２（以下、ツールということもある）は、工具固定器５２により支持されており、工具駆動器５３によって、上下方向に進退駆動される。ピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、工具駆動器５３及びクランプ部材１３は、Ｃ型ガン（Ｃ型フレーム）で構成される裏当て支持部５５の上部に設けられている。また、裏当て支持部５５の下部には、裏当て部材５６が設けられている。ピン部材１１及びショルダ部材１２（ツール）と、裏当て部材５６と、は互いに対向する位置で裏当て支持部５５に取り付けられている。なお、ピン部材１１及びショルダ部材１２と、裏当て部材５６と、の間には、被接合物６０が配置される。

工具固定器５２は、回転工具固定器５２１及びクランプ固定器５２２から構成されており、工具駆動器５３は、ピン駆動器５３１、ショルダ駆動器５３２、及びクランプ駆動器４１から構成されている。また、クランプ部材１３は、クランプ駆動器４１を介してクランプ固定器５２２に固定されている。なお、クランプ駆動器４１は、スプリングにより構成されている。

ピン部材１１は、略円筒形又は略円柱形に形成されていて、図１には、詳細に図示されないが、回転工具固定器５２１により支持されている。また、ピン部材１１は、回転駆動器５７により、ピン部材１１の軸心に一致する軸線Ｘｒ（回転軸）周りに回転し、ピン駆動器５３１により、矢印Ｐ１方向、すなわち軸線Ｘｒ方向（図１では上下方向）に沿って、進退移動可能に構成されている。

ショルダ部材１２は、中空を有する略円筒状に形成されていて、回転工具固定器５２１により支持されている。ショルダ部材１２の中空内には、ピン部材１１が内挿されている。換言すると、ショルダ部材１２は、ピン部材１１の外周面を囲むように配置されている。また、ショルダ部材１２は、回転駆動器５７により、ピン部材１１と同一の軸線Ｘｒ周りに回転し、ショルダ駆動器５３２により、矢印Ｐ２方向、すなわち軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。

このように、ピン部材１１及びショルダ部材１２は、本実施の形態ではいずれも同一の回転工具固定器５２１によって支持され、いずれも回転駆動器５７により軸線Ｘｒ周りに一体的に回転する。さらに、ピン部材１１及びショルダ部材１２は、ピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２により、それぞれ軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。なお、本実施の形態１においては、ピン部材１１は単独で進退移動可能であるとともに、ショルダ部材１２の進退移動に伴っても進退移動可能となっているが、ピン部材１１及びショルダ部材１２がそれぞれ独立して進退移動可能に構成されてもよい。

クランプ部材１３は、ショルダ部材１２と同様に、中空を有する円筒状に形成されていて、その軸心が軸線Ｘｒと一致するように設けられている。また、クランプ部材１３の外周面には、内周面と連通するスリット孔１４が配設されている。スリット孔１４は、金属材料１５が供給されるように構成されていて、その開口面積は、金属材料１５が挿通できるように形成されている。

また、スリット孔１４は、被接合物６０を接合するときに、ピン部材１１及びショルダ部材１２が移動する領域（図４参照）よりも、クランプ部材１３の基端部側（図１では、上側）に配設されている。具体的には、スリット孔１４は、例えば、クランプ部材１３の先端部１３ａから被接合物６０の厚み寸法よりも高い位置に配設されていてもよい。

これにより、被接合物６０を接合するときに形成される塑性流動部６０ａ（図３Ａ及び図３Ｂ参照）がスリット孔１４内に侵入することを抑制することができ、被接合物６０の接合部分の外観品質等を充分に担保することができ、良好な接合品質を実現し得る。

金属材料１５は、被接合物６０であるクラッド材６１、６２の表面に形成されているクラッド層６１ａ、６２ａを構成する金属（金属合金）が用いられる。金属材料１５としては、例えば、アルミニウム（純度９９％以上、または７０００系アルミニウム合金等）を用いてもよい。また、金属材料１５の形状としては、例えば、箔状（リボン状）であってもよく、ワイヤ状であってもよく、粉末状であってもよい。

なお、本実施の形態１においては、金属材料１５は、金属材料供給器２１により、スリット孔１４からクランプ部材１３の中空内に供給される。金属材料供給器２１は、例えば、ベルト、ローラ、ローラを駆動する駆動器（例えば、モータ、ゼンマイ、空気エンジン等）で構成されていて、金属材料１５を搬送することで、クランプ部材１３の中空内に供給するように構成されている。

また、クランプ部材１３の中空内には、ショルダ部材１２が内挿されている。すなわち、ピン部材１１の外周面を囲むように、略円筒状のショルダ部材１２が配置されていて、ショルダ部材１２の外周面を囲むように略円筒状のクランプ部材１３が配置されている。換言すれば、クランプ部材１３、ショルダ部材１２及びピン部材１１が、それぞれ同軸芯状の入れ子構造となっている。

さらに、クランプ部材１３は、被接合物６０を一方の面（表面）から押圧するように構成されている。クランプ部材１３は、上述したように、本実施の形態１においては、クランプ駆動器４１を介してクランプ固定器５２２に支持されている。クランプ駆動器４１は、クランプ部材１３を裏当て部材５６側に付勢するように構成されている。

なお、クランプ駆動器４１は、本実施の形態１においては、スプリングで構成したが、これに限定されるものではない。クランプ駆動器４１は、クランプ部材１３に付勢を与えたり加圧力を与えたりする構成であればよく、例えば、ガス圧、油圧、サーボモータ等を用いた機構も好適に用いることができる。

クランプ固定器５２２には、回転駆動器５７を介して、回転工具固定器５２１が支持されている。そして、クランプ部材１３（クランプ駆動器４１及びクランプ固定器５２２を含む）は、ショルダ駆動器５３２によって、矢印Ｐ３方向（矢印Ｐ１及びＰ２と同方向）に進退可能に構成されている。

すなわち、本実施の形態１においては、クランプ駆動器４１及びショルダ駆動器５３２が、クランプ部材駆動器を構成する。なお、クランプ部材駆動器は、ショルダ駆動器５３２によらず独立して、クランプ部材１３を進退移動可能に駆動する駆動器により構成されてもよい。

ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、それぞれ先端部１１ａ、先端部１２ａ、及び先端部１３ａを備えている。また、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、工具駆動器５３により進退移動することで、先端部１１ａ、先端部１２ａ、及び先端部１３ａは、それぞれ、被接合物６０の表面に当接する。

裏当て部材５６は、本実施の形態１においては、平板状の被接合物６０の裏面を当接するように平坦な面（支持面５６ａ）により、支持するように構成されている。裏当て部材５６は、摩擦攪拌点接合を実施できるように被接合物６０を適切に支持することができるものであれば、その構成は特に限定されない。裏当て部材５６は、例えば、複数の種類の形状を有する裏当て部材５６が別途準備され、被接合物６０の種類に応じて、裏当て支持部５５から外して交換できるように構成されてもよい。

なお、本実施の形態１におけるピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、工具駆動器５３、裏当て支持部５５、及び回転駆動器５７の具体的な構成は、前述した構成に限定されず、広く摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。例えば、工具駆動器５３を構成するピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２は、本実施の形態では、いずれも摩擦攪拌接合の分野で公知のモータ及びギア機構等から構成されているが、これに限定されない。

また、裏当て支持部５５は、本実施の形態１においては、Ｃ型ガンで構成されているが、これに限定されない。裏当て支持部５５は、ピン部材１１及びショルダ部材１２を進退移動可能に支持するとともに、ピン部材１１及びショルダ部材１２に対向する位置に裏当て部材５６を支持することができれば、どのように構成されていてもよい。

さらに、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、摩擦攪拌点接合用ロボット装置（図示せず）に配設される形態を採用している。具体的には、裏当て支持部５５が、ロボット装置のアームの先端に取り付けられている。このため、裏当て支持部５５も摩擦攪拌点接合用ロボット装置に含まれるとみなすことができる。裏当て支持部５５及びアームを含めて、摩擦攪拌点接合用ロボット装置の具体的な構成は特に限定されず、多関節ロボット等、摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。

なお、摩擦攪拌点接合装置５０（裏当て支持部５５を含む）は、摩擦攪拌点接合用ロボット装置に適用される場合に限定されるものではなく、例えば、ＮＣ工作機械、大型のＣフレーム、及びオートリベッター等の公知の加工用機器にも好適に適用することができる。

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、二対以上のロボットが、摩擦攪拌点接合装置５０における裏当て部材５６以外の部分と、裏当て部材５６と、を正対させるように構成されていてもよい。さらに、摩擦攪拌点接合装置５０は、被接合物６０に対して安定して摩擦攪拌点接合を行うことが可能であれば、被接合物６０を手持ち型にする形態を採用してもよく、ロボットを被接合物６０のポジショナーとして用いる形態を採用してもよい。

［摩擦攪拌点接合装置の制御構成］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０の制御構成について、図２を参照して具体的に説明する。

図２は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置の制御構成を模式的に示すブロック図である。

図２に示すように、摩擦攪拌点接合装置５０は、制御器５１、金属材料供給器２１、記憶器３１、及び入力器３２を備えている。

記憶器３１は、各種データを読み出し可能に記憶するものであり、記憶器３１としては、公知のメモリ、ハードディスク等の記憶装置等で構成される。記憶器３１は、単一である必要はなく、複数の記憶装置（例えば、ランダムアクセスメモリ及びハードディスクドライブ）として構成されてもよい。具体的には、記憶器３１は、例えば、その一部がマイクロコンピュータの内部メモリとして構成されてもよいし、独立したメモリとして構成されてもよい。

なお、記憶器３１には、データが記憶され、制御器５１以外からデータの読み出しが可能となっていてもよいし、制御器５１以外からデータの書き込みが可能になっていてもよいことは言うまでもない。

入力器３２は、制御器５１に対して、摩擦攪拌点接合の制御に関する各種パラメータ、その他のデータ、あるいは、摩擦攪拌点接合の開始指令等を入力可能とするものであり、キーボード、タッチパネル、ボタンスイッチ群等の公知の入力装置で構成されている。本実施の形態１では、少なくとも、被接合物６０の接合条件、例えば、被接合物６０の厚み、材質等のデータが入力器３２により入力可能となっている。

制御器５１は、摩擦攪拌点接合装置５０を構成する各部材（各機器）を制御するように構成されている。具体的には、制御器５１は、マイクロコンピュータで構成されていて、ＣＰＵが、記憶器３１に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、工具駆動器５３及び回転駆動器５７の動作に関する演算を行うように構成されている。

これにより、ピン部材１１及びショルダ部材１２の進出移動又は後退移動の切り替え、進退移動時のピン部材１１及びショルダ部材１２における、先端位置の制御、移動速度、及び移動方向等を制御することができる。

また、制御器５１は、ツールの被接合物６０を押圧する押圧力、ツールの回転数、及びツールの作動時間を制御することができる。そして、制御器５１は、被接合物６０の接合後に、金属材料１５の切片１５ａを被接合物６０の接合部の表面に圧着させるときに、ツールが被接合物６０を押圧する押圧力を被接合物６０の接合時における押圧力に比して、低減してもよく、ツールの回転数を被接合物６０の接合時における回転数に比して、低減してもよく、ツールの作動時間を被接合物６０の接合時におけるツールの作動時間に比して、低減してもよい。

すなわち、制御器５１は、被接合物６０の接合後に、金属材料１５の切片１５ａを被接合物６０の接合部の表面に圧着させるときに、ツールの押圧力、回転数、及び作動時間からなるパラメータ群のうち、少なくとも１つのパラメータが、被接合物６０の接合時よりも小さくなるように、工具駆動器５３及び／又は回転駆動器５７を制御してもよい。このとき、制御器５１は、他のパラメータについては、被接合物６０の接合時と同等となるように、工具駆動器５３及び／又は回転駆動器５７を制御してもよい。

なお、制御器５１は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して、摩擦攪拌点接合装置５０の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。

［摩擦攪拌点接合装置の動作（摩擦攪拌点接合装置の運転方法）］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０の運転方法について、説明する。より詳細には、摩擦攪拌点接合装置５０を用いて実施される摩擦攪拌点接合方法の具体的な工程について、図３Ａ〜図３Ｃ、図４、及び図５を参照して具体的に説明する。なお、図３Ａ〜図３Ｃにおいては、被接合物６０として、母材６１ｂ、６２ｂのそれぞれの一方の主面にクラッド層６１ａ、６２ａが形成された、２枚のクラッド材６１、６２を用い、これらを重ねて点接合にて連結する場合を例に挙げている。

図３Ａ〜図３Ｃは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。図４は、図３に示す摩擦攪拌点接合の各工程におけるピン部材の先端部、ショルダ部材の先端部、及びツール平均位置Ｔｘを模式的に表すグラフである。図５は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。

なお、図３Ａ〜図３Ｃにおいては、摩擦攪拌点接合装置の一部を省略し、矢印ｒは、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転方向を示し、ブロック矢印Ｆは、クラッド材６１、６２に加えられる力の方向を示す。また、裏当て部材５６からもクラッド材６１、６２に対して力が加えられているが、説明の便宜上、図３Ａ〜図３Ｃには図示していない。さらに、ショルダ部材１２には、ピン部材１１及びクランプ部材１３との区別を明確にするために、網掛けのハッチングを施している。

また、図４においては、被接合物６０の表面６０ｃと裏面６０ｄの位置、及びクラッド材６１とクラッド材６２の接触面の位置を一点鎖線で示している。また、図４に示す工程（１）〜（８）は、図３Ａ〜図３Ｃに示す工程（１）〜（８）に対応している。

まず、作業者が裏当て部材５６の上面に被接合物６０を載置する。ついで、作業者が入力器３２を操作して、制御器５１に被接合物６０の接合実行を入力する、又は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３が、被接合物６０を接合する所定の位置に移動する（図５に示すスタート）と、制御器５１は、工具駆動器５３を駆動させてクランプ部材１３を被接合物６０に接近させ、クランプ部材１３の先端部１３ａ（図３Ａ〜図３Ｃには図示せず）を被接合物６０の表面６０ｃに当接させる（図３Ａと図４の工程（１）、及び図５に示すステップＳ１０１；処理（Ａ））。

これにより、クランプ部材１３と裏当て部材５６とでクラッド材６１、６２が挟み込まれ、クランプ駆動器４１の収縮により、クランプ部材１３が被接合物６０の表面６０ｃ側に付勢され、クランプ力が発生する。

次に、制御器５１は、回転駆動器５７を駆動させて、ピン部材１１及びショルダ部材１２を所定の回転数（例えば、１６００〜２１６０ｒｐｍ）で回転させた状態で、工具駆動器５３を駆動させて、ピン部材１１及びショルダ部材１２を被接合物６０に接近させ、ピン部材１１の先端部１１ａ及びショルダ部材１２の先端部１２ａを回転させながら被接合物６０の表面６０ｃに当接させる（図５に示すステップＳ１０２；処理（Ａ））。

このとき、制御器５１は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３が予め設定された所定の押圧力（例えば、３０００Ｎ〜８０００Ｎの範囲に含まれる所定値）で被接合物６０を押圧するように、工具駆動器５３を制御する。

また、この状態では、ピン部材１１及びショルダ部材１２共に進退移動しないので、被接合物６０の表面６０ｃを「予備加熱」することになる。これにより、クラッド材６１の当接領域における金属材料が摩擦により発熱することで軟化し、被接合物６０の表面６０ｃ近傍に塑性流動部６０ａが生じる（図３Ａと図４の工程（２））。

なお、本実施の形態１においては、制御器５１は、工具駆動器５３を駆動させた後に、回転駆動器５７を駆動させる形態を採用したが、これに限定されない。例えば、制御器５１は、回転駆動器５７を駆動させた後に、工具駆動器５３を駆動させる形態を採用してもよい。また、例えば、制御器５１は、工具駆動器５３を駆動させて、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３が被接合物６０に接触した後に、回転駆動器５７を駆動させる形態を採用してもよい。

次に、ピン部材１１又はショルダ部材１２が所定の動作をするように、工具駆動器５３を制御する（図５に示すステップＳ１０３；処理（Ａ））。具体的には、制御器５１は、所定の制御プログラムに従って、工具駆動器５３を制御する。

このとき、制御器５１は、ピン部材１１の先端面の断面積をＡｐ、ショルダ部材１２の先端面の断面積をＡｓとし、ピン部材１１の圧入深さをＰｐ、ショルダ部材１２の圧入深さをＰｓとしたときに、式（１）で定義されるツール平均位置Ｔｘの絶対値を小さくするように、工具駆動器５３を制御することが好ましく、ツール平均位置Ｔｘ＝０となるように、工具駆動器５３を制御することがより好ましい。

Ａｐ・Ｐｐ＋Ａｓ・Ｐｓ＝Ｔｘ・・・（１）
なお、「ツール平均位置Ｔｘ＝０」とは、ツール平均位置Ｔｘが±０である状態（Ｔｘ≒０）をいい、ピン部材１１の断面積Ａｐ、ショルダ部材１２の断面積Ａｓ、ピン部材１１の圧入深さＰｐ、及びショルダ部材１２の圧入深さＰｓの単位、有効数字、その他の諸条件に基づいてＴｘ＝０と見なすことができる状態をいう。したがって、摩擦攪拌点接合装置５０の構成又は用途等の諸条件によっては、ツール平均位置Ｔｘ＝０にまで小さくする必要はなく、良好な制御が可能になるのであれば、実用上でツール平均位置Ｔｘの絶対値をできる限り小さい値とすればよい。

より詳細には、制御器５１は、ピン駆動器５３１及び／又はショルダ駆動器５３２（図１参照）を制御して、ピン部材１１を被接合物６０の表面６０ｃから後退させることで、ショルダ部材１２を被接合物６０の表面６０ｃからさらに内部に進入（圧入）させる（図３Ａと図４の工程（３））。このとき、金属材料の軟化部位は、上側のクラッド材６１から下側のクラッド材６２にまで及び、塑性流動部６０ａの領域が増加する。

次に、制御器５１は、ピン駆動器５３１を制御して、後退させたピン部材１１を徐々にクラッド材６１に進入（圧入）させる。これに伴って、ショルダ部材１２がクラッド材６１から後退する（図３Ｂと図４の工程（４））。なお、当該工程（４）は、後述する工程（５）によって被接合物６０の表面６０ｃが充分整形される場合には、実行されなくともよい。

そして、制御器５１は、工程（３）から工程（５）へ移行する場合には、ピン駆動器５３１を制御して、ピン部材１１を徐々に進入させる。一方、制御器５１は、工程（３）から工程（４）を経て工程（５）へ移行する場合には、ピン駆動器５３１を制御して、ピン部材１１を徐々に引き込ませる。このとき、ピン部材１１又はショルダ部材１２は、いずれも引き込み動作中であっても、その先端による加圧力は維持されている（図３Ａの工程（３）の矢印Ｆ及び図３Ｂの工程（４）の矢印Ｆ）。

このため、ショルダ部材１２が引き込まれる場合には、ピン部材１１による回転及び押圧が維持されているので、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料は、ピン部材１１の直下からショルダ部材１２の直下に流動し、ショルダ部材１２の圧入により生じた凹部が埋め戻されていく。

一方、ピン部材１１が引き込まれる場合には、ショルダ部材１２による回転及び押圧が維持されているので、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料は、ショルダ部材１２の直下からピン部材１１の直下に流動し、その結果、ピン部材１１の圧入により生じた凹部が埋め戻されていく。

次に、制御器５１は、工具駆動器５３を制御して、ピン部材１１の先端部１１ａ及びショルダ部材１２の先端部１２ａを、互いに段差がほとんど生じない程度に合わせる（面一とする）（図３Ｂと図４の工程（５））。これにより、被接合物６０の表面６０ｃが整形され、実質的な凹部が生じない程度の略平坦な面が得られる。

次に、制御器５１は、工具駆動器５３を制御して、ピン部材１１及びショルダ部材１２を被接合物６０から離間させる（図３Ｂと図４の工程（６）、及び図５に示すステップＳ１０４；処理（Ｂ１））。具体的には、制御器５１は、ピン部材１１の先端部１１ａ及びショルダ部材１２の先端部１２ａが、スリット孔１４よりもクランプ部材１３の基端部側に位置するように、ピン部材１１及びショルダ部材１２を移動させる。

これにより、ピン部材１１及びショルダ部材１２の当接による回転（及び押圧）はクラッド材６１、６２に加えられなくなるので、クラッド材６１、６２の双方に及ぶ塑性流動部６０ａでは、塑性流動が停止し、接合部６０ｂとなる。このようにして、２枚のクラッド材６１、６２は接合部６０ｂによって連結（接合）される。

しかしながら、クラッド材６１のクラッド層６１ａが母材内部に入り込み、接合部表面に母材が露出し、接合部表面の耐食性が低減する。このため、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０では、以下の動作を実行する。

制御器５１は、金属材料供給器２１を制御して、金属材料１５をスリット孔１４からクランプ部材１３の中空内に供給させる（図３Ｂと図４の工程（６）、及び図５に示すステップＳ１０５；処理（Ｂ２））。

次に、制御器５１は、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転数を低減するように、回転駆動器５７を制御する（図５に示すステップＳ１０６；処理（Ｂ３））。換言すると、制御器５１は、被接合物６０の接合時における回転数（ステップＳ１０２で規定した回転数）よりも少ない回転数となるように、回転駆動器５７を制御する。制御器５１は、例えば、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転数が、１６００〜２１６０ｒｐｍとなるように、回転駆動器５７を制御してもよい。

次に、制御器５１は、工具駆動器５３を駆動させて、ピン部材１１及びショルダ部材１２を被接合物６０に接近させる。これにより、クランプ部材１３の中空内に供給された金属材料１５の一部（切片１５ａ）が、ピン部材１１及びショルダ部材１２により切断されて、被接合物６０の表面６０ｃに配置される。

そして、工具駆動器５３がさらに駆動することにより、ピン部材１１の先端部１１ａ及びショルダ部材１２の先端部１２ａが、切片１５ａを介して、被接合物６０の表面６０ｃに当接する（図３Ｃと図４の工程（７）、及び図５に示すステップＳ１０７；処理（Ｂ３））。このとき、制御器５１は、ピン部材１１及びショルダ部材１２が、被接合物６０の接合時における押圧力（上記所定の押圧力）よりも小さい押圧力で被接合物６０を押圧するように、工具駆動器５３を制御する。制御器５１は、例えば、ピン部材１１及びショルダ部材１２の押圧力が、1〜３Ｎとなるように、工具駆動器５３を制御してもよい。

これにより、切片１５ａは、高速で回転するピン部材１１及びショルダ部材１２により、薄く均一に引き延ばされると同時に、摩擦熱とピン部材１１及びショルダ部材１２の加圧力により、切片１５ａを構成する金属材料が被接合物６０の表面６０ｃに圧着されて、表面６０ｃにクラッド層が形成される。

次に、制御器５１は、所定時間が経過すると（図５に示すステップＳ１０８でＹｅｓ）、工具駆動器５３を制御して、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３を被接合物６０から離間させる（図５に示すステップＳ１０９）。ここで、所定時間は、被接合物６０の接合時にピン部材１１及びショルダ部材１２を駆動している時間よりも短い時間であり、例えば、０．５〜１．０秒であってもよい。

次に、制御器５１は、回転駆動器５７を制御して、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転を停止させ、一連の摩擦攪拌点接合（被接合物６０の接合工程）を終了させる（図３Ｃと図４の工程（８）、及び図５のステップＳ１１０）。

このように、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０では、母材にクラッド層が設けられている被接合物６０を摩擦攪拌点接合方法によって接合を行う場合に、被接合物６０を接合後に、スリット孔１４からクラッド層６１ａを構成する金属材料１５を被接合物６０の表面６０ｃに供給して、被接合物６０の表面６０ｃに金属材料１５を圧着させることで、クラッド層６１ａを形成する。このため、接合後の被接合物６０は、良好な耐食性を実現し得る。

なお、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０においては、処理（Ｂ３）において、被接合物６０を押圧する押圧力、ツールの回転数、及びツールの作動時間が、被接合物６０の接合時に比して、低減するように、制御器５１が工具駆動器５３及び回転駆動器５７を制御する形態を採用したが、これに限定されない。制御器５１は、処理（Ｂ３）において、被接合物６０を押圧する押圧力、ツールの回転数、及びツールの作動時間からなるパラメータ群のうち、少なくとも１つのパラメータが、被接合物６０の接合時よりも小さくなるように、工具駆動器５３及び／又は回転駆動器５７を制御すればよく、いずれかのパラメータが、被接合物６０の接合時よりも小さければ、他のパラメータが、被接合物６０の接合時と同等となるように、工具駆動器５３及び／又は回転駆動器５７を制御してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明の摩擦攪拌点接合装置及びその運転方法は、母材にクラッド層が設けられている被接合物を摩擦攪拌点接合方法により接合を行っても、良好な耐食性を実現し得るため、有用である。

１１ ピン部材
１１ａ 先端部
１２ ショルダ部材
１２ａ 先端部
１３ クランプ部材
１３ａ 先端部
１４ スリット孔
１５ 金属材料
１５ａ 切片
２１ 金属材料供給器
３１ 記憶器
３２ 入力器
４１ クランプ駆動器
５０ 摩擦攪拌点接合装置
５１ 制御器
５２ 工具固定器
５３ 工具駆動器
５５ 支持部
５６ 裏当て部材
５６ａ 支持面
５７ 回転駆動器
６０ 被接合物
６０ａ 塑性流動部
６０ｂ 接合部
６０ｃ 表面
６１ クラッド材
６１ａ クラッド層
６１ｂ 母材
６２ クラッド材
６２ａ クラッド層
６２ｂ 母材
５２１ 回転工具固定器
５２２ クランプ固定器
５３１ ピン駆動器
５３２ ショルダ駆動器

Claims (8)

1. 被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置であって、
   円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、
   円筒状に形成され、その外周面に内周面と連通するように形成され、金属材料を供給するためのスリット孔が配設され、前記軸線方向に進退移動可能に構成されているクランプ部材と、を備える、摩擦攪拌点接合装置。
2. 前記ツールを前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、
   前記ツールを記軸線に沿って進退移動させる工具駆動器と、
   前記工具駆動器及び前記回転駆動器を制御して、前記ツールの先端部が前記被接合物を押圧しながら、前記ツールを前記軸線周りに回転させて、前記被接合物を接合させる（Ａ）と、前記回転駆動器を制御して、前記ツールを前記軸線周りに回転させ、前記工具駆動器を制御して、前記ツールの先端部が前記スリット孔から供給された前記金属材料を介して前記被接合物を押圧し、前記金属材料を前記被接合物の表面に圧着させる（Ｂ）と、を実行するように構成されている制御器と、を備える、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。
3. 前記スリット孔から金属材料を前記クランプ部材の中空内に供給させる金属材料供給器をさらに備え、
   前記制御器は、前記（Ｂ）において、前記工具駆動器を制御して、前記ツールの先端部を前記スリット孔が設けられている領域よりも前記クランプの基端部側に位置させる（Ｂ１）と、前記金属材料供給器を制御して、前記金属材料を前記クランプ部材の中空内に供給させる（Ｂ２）と、前記回転駆動器を制御して、前記ツールを前記軸線周りに回転させ、前記工具駆動器を制御して、前記ツールの先端部が前記スリット孔から供給された前記金属材料を介して前記被接合物を押圧し、前記金属材料を前記被接合物の表面に圧着させる（Ｂ３）と、実行するように構成されている、請求項２に記載の摩擦攪拌点接合装置。
4. 前記制御器は、前記（Ｂ）における前記被接合物を押圧する押圧力、前記ツールの回転数、及び前記ツールの作動時間からなるパラメータ群のうち、少なくとも１つのパラメータが、前記（Ａ）を実行するときよりも小さくなるように前記工具駆動器及び／又は前記回転駆動器を制御する、請求項２又は３に記載の摩擦攪拌点接合装置。
5. 前記スリット孔は、前記被接合物を接合するときに前記ツールの先端部が移動する領域よりも、前記クランプ部材の基端部側に配設されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合装置。
6. 被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌することにより接合する摩擦攪拌点接合装置の運転方法であって、
   前記摩擦攪拌点接合装置は、
   円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、円筒状に形成され、その外周面に内周面と連通するように形成され、金属材料を供給するためのスリット孔が配設され、前記軸線方向に進退移動可能に構成されているクランプ部材と、
   前記ツールを前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、
   前記ツールを前記軸線に沿って進退移動させる工具駆動器と、を備え、
   前記ツールの先端部が前記被接合物を押圧し、かつ、前記ツールが前記軸線周りに回転するように、前記工具駆動器及び前記回転駆動器が駆動して、前記被接合物を接合する（Ａ）と、
   前記ツールが前記軸線周りに回転し、前記ツールの先端部が前記スリット孔から供給された前記金属材料を介して前記被接合物を押圧し、前記金属材料を前記被接合物の表面に圧着させる（Ｂ）と、を備える、摩擦攪拌点接合装置の運転方法。
7. 前記（Ｂ）は、
   前記ツールの先端部が、前記スリット孔が設けられている領域よりも前記クランプの基端部側に位置するように前記工具駆動器が駆動する（Ｂ１）と、
   金属材料を前記クランプ部材の中空内に供給する（Ｂ２）と、
   前記ツールを前記軸線周りに回転するように前記回転駆動器が駆動し、前記ツールの先端部が前記金属材料を介して前記被接合物を押圧するように前記工具駆動器が駆動する（Ｂ３）と、を備える、請求項６に記載の摩擦攪拌点接合装置の運転方法。
8. 前記（Ｂ）において、前記被接合物を押圧する押圧力、前記ツールの回転数、及び前記ツールの作動時間からなるパラメータ群のうち、少なくとも１つのパラメータが、前記（Ａ）を実行するときよりも小さくなるように前記工具駆動器及び／又は前記回転駆動器が駆動する、請求項６又は７に記載の摩擦攪拌点接合装置の運転方法。
   
   

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