JP2019069461A - 摩擦撹拌接合装置、摩擦撹拌接合方法、データベースを備えた摩擦撹拌接合装置、データベースを用いる摩擦撹拌接合方法、摩擦撹拌接合装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合部材の状態や接合条件に応じて摩擦撹拌接合時のＡＳ（アドバンシングサイド）とＲＳ（リトリーティングサイド）の温度差を制御し、高品質（高精度）な接合が可能な摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置と摩擦撹拌接合方法に係り、特に、高品質（高精度）な接合が要求される被接合部材の接合に適用して有効な技術に関する。

円柱状の接合ツールを回転させて発生する摩擦熱で被接合材料を軟化させ、その部分を撹拌することで被接合材料同士を接合する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）は、材料以外の素材を用いないため、疲労強度が高く、材料も溶融しないことから溶接変形（ひずみ）の少ない接合が可能であり、航空機や自動車のボディなど、幅広い分野での応用が期待されている。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「接合ツールの突起部が被接合部材に圧入されたとき被接合部材表面からの深さがそれぞれ異なる突起部の内部位置に複数の温度センサが設けられた摩擦撹拌接合装置」が開示されている。（特許文献１の図４参照）

特許第５８８３９７８号公報

ＦＳＷ装置を用いて被接合部材を摩擦攪拌接合する際には、一般的に、被接合部材に関して最適な接合条件（接合ツールの回転速度や接合速度）を、接合動作を開始する前にＦＳＷ装置に設定する。これまでのＦＳＷ装置では、設定された接合条件を接合開始から接合終了までの間において保持し、接合する制御を行ってきた。

しかしながら、接合条件を初期設定して接合終了まで当該接合条件を保持する従来の接合では、接合線の左右の領域、すなわちアドバンシングサイド（以下、ＡＳ：advancing sideとも呼ぶ）とリトリーティングサイド（以下、ＲＳ：retreating sideとも呼ぶ）の温度差により、被接合部材の材料や形状・厚み等の条件によっては、高品質な接合結果を得られない場合があることが分かってきた。

本願の発明者らは、さらに高品質の摩擦攪拌接合を行うために、上記の温度管理方法をさらに改善することを検討した。その結果、高品質な接合を得るためには、温度計測は、接合ツール内部やショルダ内部に温度計測器を配設して接合温度を計測するのではなく、非接触温度計測器を用いて外部から接合温度を計測する必要があり、更に１点での温度計測ではなく２点での温度計測を行い、その２点間の温度差を所定の範囲内に保持（制御）するのが有効であることが分かった。

上記特許文献１では、接合ツール内部やショルダ内部に温度計測器を配設して、接合部近傍の温度を被接合部材内部から取得し、その温度を管理しているが、接合温度を精度よく計測できない、または、第二の温度制御ができないなどの問題が生じる。

本願の発明者らは、温度計測器をショルダ内部でショルダ外周部近傍に配設すると、外気の影響を受け、温度が精度よく計測できないことを実験で確認済みである。

また、接合ツール内部、ショルダ内部に温度計測器を配設すると、温度計測器が、接合ツールおよびショルダ部が回転するのと同時に回転してしまい、ＡＳおよびＲＳの温度の違いを検出できない。（接合ツール（およびショルダ部）が回転するときは、ＡＳの接合温度がＲＳの接合温度より高くなる。）
さらに、これら２つの接合温度差は、所定の範囲内に保持することで、高接合品質を維持可能となるが、温度計測器そのものが回転してしまっては、ＡＳとＲＳの温度の違いを検出できず、高接合品質を維持できない。

そこで、本発明の目的は、被接合部材の状態や接合条件に応じて摩擦撹拌接合時のＡＳ（アドバンシングサイド）とＲＳ（リトリーティングサイド）の温度差を制御し、高品質（高精度）な接合が可能な摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。

また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、（ａ）被接合部材の状態に基づき摩擦撹拌接合時の目標温度を決定するステップと、（ｂ）基準温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度を計測するステップと、（ｃ）比較温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度を計測するステップと、（ｄ）前記目標温度と前記基準温度との偏差を第１の所定の範囲内に保持するように、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、（ｅ）前記基準温度と前記比較温度との偏差を第２の所定の範囲内に保持するように、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明は、接合条件を決定するデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置であって、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、前記被接合部材の状態、ＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度、ＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースと、を備え、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。

また、本発明は、接合条件を決定するデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法であって、（ａ）被接合部材の状態、ＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度、ＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度、接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを読み込むステップと、（ｂ）前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度を計測するステップと、（ｃ）前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度を計測するステップと、（ｄ）前記（ｂ）工程において計測したＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度および前記（ｃ）工程において計測したＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度と、前記データベースとを照合することにより、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。

また、本発明は、接合条件を決定するデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置の制御装置であって、前記制御装置は、集中管理システムを介して、摩擦撹拌接合装置に接続され、前記摩擦撹拌接合装置は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する駆動制御部と、前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、を備え、前記制御装置は、前記被接合部材の状態、ＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度、ＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを備え、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。

本発明によれば、被接合部材の状態や接合条件に応じて摩擦撹拌接合時のＡＳ（アドバンシングサイド）とＲＳ（リトリーティングサイド）の温度差を制御し、高品質（高精度）な接合が可能な摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の温度計測機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の制御（作用）を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置のデータベース（制御テーブル）を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の温度計測機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の温度計測機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の温度計測機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の温度計測機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の温度計測機構を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の制御システムの全体概要を示す図である。 従来の摩擦撹拌接合における課題を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図４および図１０を参照して、実施例１の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法について説明する。図１は本実施例の摩擦撹拌接合装置１の全体概要を示している。図２は図１におけるＡ−Ａ’方向矢視図であり、本実施例の温度計測機構を示している。図３は本実施例による摩擦撹拌接合時の温度制御（作用）を概念的に示すグラフである。図４は本実施例による代表的な摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。また、図１０は上述した本発明の課題を説明するための従来の摩擦撹拌接合の様子を示す図である。

先ず、図１０を参照して、上述した従来の摩擦撹拌接合の問題点について詳しく説明する。図１０は従来の摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合の様子を模式的に示す図であり、摩擦撹拌接合装置と被接合部材を上面側から見た状態を示している。

摩擦撹拌接合装置は、図１０に示すように、ホルダ部保持部４を介して装置本体２に保持された接合ヘッド（ホルダ部）５の先端の接合ピン（プローブ部）８が被接合部材９ａ，９ｂの接合界面（接合線）に挿入されて高速回転することで摩擦熱が発生し、その摩擦熱で被接合材料を軟化させて、その部分を撹拌することで被接合部材同士（９ａ，９ｂ）を接合する。

接合ピン（プローブ部）８は、接合線（接合界面）に沿ってＸ方向（図１０の白抜きの矢印方向）に進行しながら被接合部材同士（９ａ，９ｂ）を接合する。また、接合ピン（プローブ部）８は接合ヘッド（ホルダ部）５と共に時計回り（図１０の曲線の矢印方向）に高速回転する。

このため、接合線（接合界面）よりも左側の接合ヘッド（ホルダ部）５近傍では、接合ヘッド（ホルダ部）５の進行方向と回転方向が一致し、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は増加（上昇）する。一方、接合線（接合界面）よりも右側の接合ヘッド（ホルダ部）５近傍では、接合ヘッド（ホルダ部）５の進行方向と回転方向は互いに反対向きとなり、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は減少する。

なお、摩擦撹拌接合による被接合部材同士の接合には、被接合部材同士（９ａ，９ｂ）を突き合わせて、その突き合わせ部に接合ピン（プローブ部）８を挿入して摩擦撹拌接合する接合方法（いわゆる「突き合わせ接合」；この場合、突き合わせ面が接合界面となる）や、被接合部材同士（９ａ，９ｂ）の端部を重ね合わせて、その重ね合わせ部に接合ピン（プローブ部）８を挿入して摩擦撹拌接合する接合方法（いわゆる「重ね接合」；この場合、重ね合わせた領域に接合界面が形成される）などがあるが、本願明細書の各実施例においては、接合界面と接合ツール中心（接合ピン８）とが同一線上になるように配置して接合する、前者の「突き合わせ接合」の例を用いて説明する。

但し、本発明は「突き合わせ接合」および「重ね接合」のいずれかに限定されるものではなく、両者を含め、摩擦撹拌接合全般に適用可能であることは言うまでもない。

ここで、図１０に示す接合ヘッド（ホルダ部）５の進行方向および回転方向においては、接合線（接合界面）よりも左側の領域はアドバンシングサイド（ＡＳ：advancing side）となり、接合線（接合界面）よりも右側の領域はリトリーティングサイド（ＲＳ：retreating side）となる。

また、このＡＳ，ＲＳは、接合ヘッド（ホルダ部）５の進行方向および回転方向によって決定されるため、例えば、図１０において、接合ヘッド（ホルダ部）５が反時計回り（図１０の曲線の矢印方向とは反対方向）に回転する場合は、接合線（接合界面）よりも左側の領域はＲＳとなり、接合線（接合界面）よりも右側の領域はＡＳとなる。

なお、図１０のように、接合線（接合界面）が接合ツール部（接合ヘッド）の中心点の軌跡、すなわちプローブ部（接合ピン）８の軌跡と一致する場合は、接合線（接合界面）或いは接合ツール部（接合ヘッド）の中心点の軌跡を基準としてＡＳ，ＲＳを規定することができる。しかしながら、例えば、異材同士を接合するような場合、材料によっては、接合界面（異材同士の突き合わせ面）から離間した位置にプローブ部（接合ピン）８を挿入し摩擦撹拌接合を行った方が高品質な接合が得られる場合がある。このような場合は、接合界面（異材同士の突き合わせ面）と接合ツール部（接合ヘッド）の中心点の軌跡は一致しないため、被接合部材の材料も考慮した上で、ＡＳ，ＲＳ（の境界）を規定する。

上述の通り、図１０に示す接合ヘッド（ホルダ部）５の進行方向および回転方向においては、ＡＳでの接合ヘッド（ホルダ部）５の進行方向と回転方向は一致し、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は増加（上昇）する。一方、ＲＳでは接合ヘッド（ホルダ部）５の進行方向と回転方向は互いに反対向きとなり、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は減少する。その結果、図１０に示すように、摩擦撹拌接合時のＡＳの接合温度Ｔ_ＡＳは、ＲＳの接合温度Ｔ_ＲＳよりも高くなる。（Ｔ_ＡＳ＞Ｔ_ＲＳ）この温度差は、被接合部材が例えばアルミニウム（ＡＬ）である場合、３０℃〜５０℃程度となる。

摩擦撹拌接合において、擦撹拌接合時の接合温度は高い接合信頼性（接合品質）を得るうえで重要な要素となるが、上記のように接合線（接合界面）の左右の領域、すなわちＡＳ，ＲＳの温度差により、被接合部材の材料や形状・厚み等の条件によっては、高品質な接合結果を得られない場合がある。

次に、図１から図３を用いて、本実施例の摩擦撹拌接合装置とその制御方法について説明する。本実施例の摩擦撹拌接合装置１は、図１に示すように、主要な構成として、装置本体２、上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続されるホルダ部（接合ヘッド）保持部４、ホルダ部（接合ヘッド）保持部４に接続（保持）されるホルダ部（接合ヘッド）５、ホルダ部（接合ヘッド）５により保持される接合ツール部６を備えている。上下動駆動機構部３には、図１に例示するように、例えばボールスクリューなどが用いられる。接合ツール部６はショルダ７およびプローブ部（接合ピン）８で構成され、ショルダ７を介してプローブ部（接合ピン）８がホルダ部（接合ヘッド）５に保持される。

このプローブ部（接合ピン）８が被接合部材９（９ａ，９ｂ）の突き合せ部に挿入され、高速回転することでプローブ部（接合ピン）８と被接合部材９（９ａ，９ｂ）の間に摩擦熱が発生し、摩擦熱により被接合部材９（９ａ，９ｂ）内で塑性流動が生じ、接合部が撹拌される。プローブ部（接合ピン）８が移動すると撹拌部（接合部）が冷却されて、被接合部材同士が接合される。

なお、図１では、ホルダ部５および接合ツール部６がホルダ部保持部４および上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続（保持）される構成を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、上下動駆動機構部３のみを介して装置本体２に接続（保持）される構成や、他の可動手段を介して装置本体２に接続（保持）される構成、ホルダ部５および接合ツール部６が直接装置本体２に接続（保持）される構成、或いは、図１の構成に、さらにホルダ部５と装置本体２の間にＣ型フレームを設ける構成、多軸ロボットアームを有する装置本体２に接続（保持）される構成も本実施例の範囲に含むものとする。

装置本体２には、温度センサ把持機構１０および非接触温度センサ１１（１１ａ，１１ｂ）で構成される温度計測機構が設けられている。この温度計測機構は、温度センサ把持機構１０を介して非接触温度センサ１１（１１ａ，１１ｂ）が装置本体２に配設されており、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の温度を非接触で計測する。

温度センサ１１（１１ａ，１１ｂ）には、例えば、遠赤外線を利用する非接触温度計やレーザーを利用する非接触温度計などを用いる。或いは、撮像素子を配設して被接合部材から放射される赤外線を画像解析するサーモグラフィーなどを用いてもよい。

また、装置本体２には、摩擦撹拌接合装置１の動作を制御する制御部（制御装置）１２が設置されている。制御部（制御装置）１２は、接合ツール部６による接合条件を決定する接合条件信号や上下動駆動機構部３による接合ツール部６の高さ方向（Ｚ方向）の保持位置（接合ピン８の挿入量）を決定する保持位置決定信号などの接合パラメータ（ＦＳＷ接合条件）を記憶する記憶部（図示せず）を備えている。

図２に本実施例の温度計測機構による被接合部材９（９ａ，９ｂ）の温度計測の様子を示す。図２ではホルダ部５（およびショルダ部７，プローブ部８）が時計回りに回転し、紙面の奥側（つまりＸ方向）に移動するものとする。従って、プローブ部８の被接合部材９（９ａ，９ｂ）への挿入箇所、すなわち接合線（接合界面）よりも左側がＡＳとなり、右側がＲＳとなる。

図２に示すように、摩擦撹拌接合時には、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の表面にバリ１３が発生する。摩擦撹拌接合中のバリ１３は高温であるため、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合温度を正確に計測することができない。そこで、図２のように、バリ１３を回避して被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合温度を計測する必要がある。図２では、ＡＳの接合温度を温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）で計測し、ＲＳの接合温度を温度センサ１１ｂ（第２の温度センサ）で計測する。温度センサ１１ａ（第１の温度センサ），温度センサ１１ｂ（第２の温度センサ）は、それぞれ装置本体２に対する配設位置（ホルダ部５の回転径方向の位置）が可変となるように設けられており（把持機構１０の矢印）、摩擦撹拌接合中に発生するバリ１３を回避して被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合温度を計測することができる。

なお、図２では、温度センサ１１ａおよび温度センサ１１ｂは、接合ツール（ホルダ部５，ショルダ部７，プローブ部８）が進行する際の接合線（接合界面）に対して左右対称となる位置のショルダ部７外周近傍の接合温度を計測するように把持機構１０を介して装置本体２に配設されている。このように配設することで、ＡＳ，ＲＳそれぞれにおける接合線（接合界面）からの同じ距離（同等の位置）の接合温度を計測することができ、後述するＡＳ，ＲＳの接合温度制御をより正確に行うことができる。

上記特許文献１のように、温度センサ１１（１１ａ，１１ｂ）が接合ツールと共に回転する構成とした場合、ＡＳとＲＳの温度差を計測することができない。そこで、本実施例では、接合ツール（ホルダ部５，ショルダ部７，プローブ部８）の回転とは独立して、温度センサ１１（１１ａ，１１ｂ）が同じ位置に保持されるように、把持機構１０を介して装置本体２に配設している。

なお、温度センサ１１（１１ａ，１１ｂ）は、接合ツールの回転と一緒に回転しないように設けられていればよく、例えば、接合ツールの移動（図２の紙面奥側（Ｘ方向）への移動）と同期して移動できるように接合ツールとは独立して設けられた別の移動手段に配設することも可能である。

また、温度センサ１１ａ，温度センサ１１ｂの装置本体２に対する配設位置（ホルダ部５の回転径方向の位置）の調節は、手動で行ってもよく、把持機構１０に温度センサ駆動手段を設けて、例えば、後述するデータベース（制御テーブル）により、被接合部材の状態（材料、板厚、板幅、形状など）やＦＳＷの接合条件に応じて自動で調節可能としてもよい。

続いて、図３を用いて、本実施例の摩擦撹拌接合装置による接合温度制御について説明する。図３の縦軸は接合温度（℃）を示し、横軸は経過時間（ｔ）を示している。図３には、温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）により計測したＡＳの接合温度（ＡＳ温度）推移および温度センサ１１ｂ（第２の温度センサ）により計測したＲＳの接合温度（ＲＳ温度）推移をそれぞれ示している。

図３に示すように、プローブ部（接合ピン）８が被接合部材９（９ａ，９ｂ）に挿入されると被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合温度は上昇し始め、接合開始点（ｔ_ｓ）から接合終了点（ｔ_ｅ）までの摩擦撹拌接合中はＡＳの接合温度Ｔ_ＡＳ，ＲＳの接合温度Ｔ_ＲＳのいずれも所定の範囲内になるように保持される。接合終了後は、接合温度Ｔ_ＡＳ，接合温度Ｔ_ＲＳはともに低下する。なお、上述したように、摩擦撹拌接合時のＡＳの接合温度Ｔ_ＡＳは、ＲＳの接合温度Ｔ_ＲＳよりも高くなる。（Ｔ_ＡＳ＞Ｔ_ＲＳ）
ここで、温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）により計測したＡＳの接合温度を基準温度とし、この基準温度と被接合部材の状態（材料、板厚、板幅、形状など）により決定される目標温度との偏差を所定の範囲ΔＴ_ＡＳ内（第１の所定の範囲内）に保持するように、接合ツール（ホルダ部５，ショルダ部７，プローブ部８）の回転速度、進行速度（Ｘ方向への進行速度）を制御する。

なお、接合ツールの回転速度、進行速度は、いずれも接合温度を決定するうえで重要な要素であるため、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することで、上記の基準温度と目標温度との偏差を所定の範囲ΔＴ_ＡＳ内（第１の所定の範囲内）に保持することができる。（この接合温度制御を「第１の温度制御モード」とする。）
続いて、温度センサ１１ｂ（第２の温度センサ）により計測した接合温度を比較温度とし、温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）で計測した基準温度とこの比較温度との偏差を所定の範囲ΔＴ_ＲＳ内（第２の所定の範囲内）に保持するように、接合ツール（ホルダ部５，ショルダ部７，プローブ部８）の回転速度および進行速度（Ｘ方向への進行速度）を制御する。

なお、上記の「第１の温度制御モード」と同様に、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することで、上記の基準温度と比較温度との偏差を所定の範囲ΔＴ_ＲＳ内（第２の所定の範囲内）に保持することができる。（この接合温度制御を「第２の温度制御モード」とする。）
これらの「第１の温度制御モード」および「第２の温度制御モード」により、接合ツール（ホルダ部５，ショルダ部７，プローブ部８）による被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合温度を所定の範囲ΔＴ内に保持する。

上記の「第１の温度制御モード」および「第２の温度制御モード」は、温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）で計測したＡＳの接合温度、温度センサ１１ｂ（第２の温度センサ）で計測した接合温度、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の状態（材料、板厚、板幅、形状など）に応じて予め設定した目標温度に基づいて、摩擦撹拌接合装置１の制御部（制御装置）１２で演算処理を実行し、決定される。

なお、上記では、「第１の温度制御モード」の実行に続いて「第２の温度制御モード」が実行される接合温度制御を説明したが、「第１の温度制御モード」と「第２の温度制御モード」が同時に実行される接合温度制御（すなわち、「第１の温度制御モード」を実行（選択）し保持しながら、「第２の温度制御モード」を実行（選択）する接合温度制御）とすることで、より精度の高い接合温度制御が可能となる。

次に、図４を用いて、上記で説明した接合温度制御による代表的な摩擦撹拌接合方法を説明する。

先ず、制御部（制御装置）からの指令により、接合ツール（プローブ部８）を被接合部材９の接合部（被接合部材９ａ，９ｂ同士の突き合せ部）の所定の位置へ挿入する。（ステップＳ１）
次に、温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）および温度センサ１ｂ（第２の温度センサ）を用いて、被接合部材９のＡＳの接合温度、ＲＳの接合温度をそれぞれ計測する。（ステップＳ２）
続いて、ステップＳ２で取得したＡＳの接合温度，ＲＳの接合温度に基づいて、制御部（制御装置）１２で接合温度制御の閾値（目標制御値）となるΔＴを算出する。（ステップＳ３）
続いて、ステップＳ３で算出した閾値（目標制御値）ΔＴに基づいて、接合ツール（プローブ部８）の回転速度および進行速度（Ｘ方向への進行速度）を制御しながら、被接合部材９の接合部（被接合部材９ａ，９ｂの突き合せ部）を摩擦撹拌接合する。（ステップＳ４）
最後に、接合ツール（プローブ部８）の移動量（または経過時間）が所定の値（位置・時間）に達した時点で、接合ツール（プローブ部８）を被接合部材９の接合部からから引き抜いて、摩擦撹拌接合処理を終了する。（ステップＳ５）
以上説明したように、本実施例の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法によれば、複数（少なくとも２つ以上）の非接触温度センサを用いて被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度とＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度をそれぞれ計測し、それらの計測データに基づいてＡＳ接合温度とＲＳ接合温度の温度差に対する閾値（目標制御値）ΔＴを決定し、接合温度がその閾値（目標制御値）ΔＴ内になるようにＦＳＷ接合条件（接合ツールの回転速度や進行速度）を制御する。これにより、高品質（高精度）な摩擦撹拌接合を実現することができる。

なお、スポット接合のように、接合ツールを進行させないで接合する場合でも、被接合部材を次のものに入れ替える際に、特許文献１のような接触型の温度計測器ではその配設替えが必要となり、煩雑な作業が生じることとなり、作業工数が増えてしまうが、本実施例のように非接触温度センサを用いることで、作業効率を飛躍的に向上させることができる。

図５を参照して、実施例２の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法について説明する。図５は本実施例の接合温度制御に用いるデータベース（制御テーブル）の例を示している。なお、図５に示すデータベース（制御テーブル）は説明を分かり易くするための例示であり、データベース（制御テーブル）を構成する被接合部材の条件（状態）やＦＳＷ接合条件のパラメータはこれらに限定されるものではない。

実施例１においては、温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）により計測したＡＳの接合温度（基準温度）、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の状態（材料、板厚、板幅、形状など）に応じて予め設定した目標温度、温度センサ１１ｂ（第２の温度センサ）により計測した接合温度（比較温度）に基づいて制御部（制御装置）１２で演算処理を実行し、閾値（目標制御値）ΔＴを決定する。

これに対し、本実施例では、過去の摩擦撹拌接合の蓄積データやシミュレーションによって算出した被接合部材の条件（条件）とＦＳＷ接合条件と閾値（目標制御値）ΔＴとの相関関係に基づいて図５に示すようなデータベース（制御テーブル）を予め作成（登録）しておき、被接合部材同士９ａ，９ｂを摩擦撹拌接合する際に、このデータベース（制御テーブル）の情報を制御部（制御装置）１２に読み込む。

データベース（制御テーブル）の情報（パラメータ）としては、例えば図５に示すように、被接合部材９の状態として被接合部材９ａの材料（材料Ａ），被接合部材９ｂの材料（材料Ｂ），板厚，板幅，形状などが挙げられる。また、ＦＳＷ接合条件として接合ツール（プローブ部８）の回転数，接合ツール（プローブ部８）の回転速度或いは進行速度，ＡＳの接合温度などが挙げられる。

制御部（制御装置）１２は、温度センサ１１ａ（第１の温度センサ）により計測したＡＳの接合温度および温度センサ１１ｂ（第２の温度センサ）により計測した接合温度をこのデータベース（制御テーブル）の情報と照合し、接合温度がデータベース（制御テーブル）の閾値（目標制御値）ΔＴ内になるようにＦＳＷ接合条件（接合ツールの回転速度や進行速度）を制御する。これにより、実施例１と同様に、高品質（高精度）な摩擦撹拌接合を実現することができる。

また、実施例１では、被接合部材を摩擦撹拌接合する際に、被接合部材の状態（材料、板厚、板幅、形状など）に応じて目標温度を設定する必要があるが、本実施例では、予め作成（登録）したデータベース（制御テーブル）の情報を読み込むため、作業性（作業効率）が向上し、例えば、不慣れな作業者であっても再現良く高品質（高精度）な摩擦撹拌接合作業を行うことができる。

なお、被接合部材の状態が異なる場合（被接合部材を変える場合）、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の状態（材料、板厚、板幅、形状など）に応じてデータベース（制御テーブル）を追加または更新するようにしてもよい。

図６から図８を参照して、実施例３の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法について説明する。図６は図１におけるＢ−Ｂ’方向矢視図であり、比較のために示す図である。図７Ａは本実施例の温度計測機構を示す図であり、図６と同様に、図１の摩擦撹拌接合装置１をＢ−Ｂ’方向から見た摩擦撹拌接合時の様子を示している。図７Ｂおよび図７Ｃは図７Ａの変形例である。また、図８は温度計測機構のさらに別の変形例であり、図２のＡ−Ａ’方向矢視図に相当する。

図６に示すように、実施例１では、温度センサ１１ａおよび温度センサ１１ｂは、接合ツール（ホルダ部５，プローブ部８）が進行する際の接合線（接合界面）に対して左右対称となる位置のショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように把持機構１０を介して装置本体２に配設されている。図６のように、接合線（接合界面）と垂直に交わる直線上の互いに線対称となる位置に温度センサ１１ａ，１１ｂを配設することで、接合の中心点（接合線）からの等距離の接合温度を比較することができる。

これに対し、本実施例の温度計測機構は、図７Ａに示すように、温度センサ１１ａおよび温度センサ１１ｂは、接合ツール（ホルダ部５，プローブ部８；図７Ａでは参照符号を省略）の回転中心に対して互いに対称となる位置のショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように把持機構１０を介して装置本体２に配設している。本実施例（図７Ａ）のように、接合ツールの回転中心に対して互いに点対称となる位置に温度センサ１１ａ，１１ｂを配設することで、例えば、被接合部材９ａと被接合部材９ｂが異なる材料であるような異材同士を摩擦撹拌接合する際に、接合温度制御に用いる最適な温度計測位置が図６のように接合線に対し互いに線対称となる位置と異なる場合にも対応することができる。

また、図６のように接合ツール（ホルダ部５，プローブ部８）の回転中心を通り接合線（接合界面）と垂直に交わる直線上の互いに線対称となる位置に温度センサ１１ａ，１１ｂを配設するのに対し、図７Ｂに示すように、接合ツール（ホルダ部５，プローブ部８）の回転中心を通らずに接合線（接合界面）に対して互いに線対称となる位置に温度センサ１１ａ，１１ｂを配設するようにしてもよい。

また、図７Ｃのように温度センサ１１ａ，１１ｂを配設し、バリ（溶接ビード）１３よりも内側（接合線側）のＡＳ／ＲＳの各接合温度を計測するようにしてもよい。

さらに、図８に示すように、温度センサ１１ａ，１１ｂをそれぞれＹ方向に角度θ，θ’を有して配設してもよい。例えば、バリ１３がショルダ部７外周から離間した位置に発生するような場合であって、なおかつ、接合温度制御に用いる最適な温度計測位置が接合ツール（ショルダ部７，プローブ部８）の近傍である場合、温度センサ１１ａ，１１ｂの各々の角度θ，θ’を調節することで、バリ１３を回避して最適な位置の接合温度を計測することができる。

なお、図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃ，図８の温度計測機構において、温度センサ１１ａ，温度センサ１１ｂの角度θ，θ’を手動で調節する構造としてもよく、把持機構１０に温度センサ駆動手段，温度センサ角度調節手段を設けて、上述したデータベース（制御テーブル）により、被接合部材の状態（材料、板厚、板幅、形状など）やＦＳＷの接合条件に応じて自動で調節可能としてもよい。

図９を参照して、実施例４の摩擦撹拌接合装置の制御システムとそれに用いる摩擦撹拌接合装置の制御装置について説明する。図９は本実施例の摩擦撹拌接合装置の制御システムの全体概要を示している。本実施例の摩擦撹拌接合装置１は、実施例１（図１）の制御部（制御装置）１２に替えて、主に摩擦撹拌接合装置１を駆動させる駆動部１４のみが装置本体２に設置されている点において、実施例１の摩擦撹拌接合装置とは異なっている。駆動部１４は、図９に示すように、摩擦撹拌接合装置１が設置される工場などの集中管理システム１５にネットワークを介して接続されている。また、集中管理システム１５には、摩擦撹拌接合装置１とは独立して設置された中央制御装置１６が接続されており、この中央制御装置１６に、例えば、実施例２（図５）で説明したようなデータベース（制御テーブル）を備えることで、中央制御装置１６のデータベース（制御テーブル）に基づく制御指令（制御信号）を、集中管理システム１５を介して摩擦撹拌接合装置１の駆動部１４に送信し、摩擦撹拌接合装置１による摩擦撹拌接合時の接合温度制御を行う。

本実施例のように、摩擦撹拌接合装置１の装置本体２には駆動部１４を設置し、制御機能を中央制御装置１６に持たせ、ネットワークおよび集中管理システム１５を介して摩擦撹拌接合装置１の駆動部１４を制御するように構成することで、例えば、１台の中央制御装置１６でネットワーク（集中管理システム１５）に接続された複数台の摩擦撹拌接合装置の接合温度制御を行うことができる。

これにより、設備導入のための初期コストを抑制することができ、また、複数台の摩擦撹拌接合装置を同じ中央制御装置１６で制御するため、摩擦撹拌接合装置間の接合品質の機差を低減することができる。

なお、摩擦撹拌接合中に摩擦撹拌接合装置１の温度センサ１１ａ，１１ｂで計測した接合温度データをネットワーク（集中管理システム１５）を介して中央制御装置１６へフィードバックし、中央制御装置１６のデータベース（制御テーブル）の情報を追加または更新するようにしてもよい。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…摩擦撹拌接合装置、２…装置本体、３…上下動駆動機構部（ボールスクリュー）、４…ホルダ部（接合ヘッド）保持部、５…ホルダ部（接合ヘッド）、６…接合ツール部、７…ショルダ部、８…プローブ部（接合ピン）、９，９ａ，９ｂ…被接合部材、１０…（温度センサ）把持機構、１１，１１ａ，１１ｂ…（非接触）温度センサ、１２…制御部（制御装置）、１３…バリ、１４…駆動部、１５…集中管理システム、１６…中央制御装置。

上記課題を解決するために、本発明は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記接合ツールが進行する際の接合線に対して左右対称となる位置の前記ショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように前記装置本体に配設され、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記接合ツールが進行する際の接合線に対して左右対称となる位置の前記ショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように前記装置本体に配設され、かつ、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際に前記被接合部材表面に生じるバリを回避して接合温度を計測するように配設され、前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。

Claims (20)

1. ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、
   前記接合ツールを保持する装置本体と、
   前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、
   前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、
   前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記装置本体に配設され、前記接合ツールの回転とは独立して、同じ位置に保持されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記接合ツールの移動と同期して移動可能に配設されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記接合ツールの回転中心に対して互いに対称となる位置の前記ショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように前記装置本体に配設されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記接合ツールが進行する際の接合線に対して左右対称となる位置の前記ショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように装置本体に配設されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際に前記被接合部材表面に生じるバリを回避して接合温度を計測するように配設されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、把持機構を介して前記装置本体に対する位置を調節可能に配設されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサは、非接触で接合温度を計測可能な温度センサであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記第１の温度センサにより計測する接合温度を基準温度とし、当該基準温度と前記被接合部材の状態により決定される目標温度との偏差を第１の所定の範囲内に保持するように、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際の前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御する第１の温度制御モードを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
10. 請求項９に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
    前記制御装置は、さらに、前記第２の温度センサにより計測する接合温度を比較温度とし、前記基準温度と当該比較温度との偏差を第２の所定の範囲内に保持するように、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際の前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御する第２の温度制御モードを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
11. 請求項１０に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
    前記制御装置は、前記第１の温度制御モードを選択し保持しながら前記第２の温度制御モードを選択することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
12. 被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、
    （ａ）被接合部材の状態に基づき摩擦撹拌接合時の目標温度を決定するステップと、
    （ｂ）基準温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度を計測するステップと、
    （ｃ）比較温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度を計測するステップと、
    （ｄ）前記目標温度と前記基準温度との偏差を第１の所定の範囲内に保持するように、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、
    （ｅ）前記基準温度と前記比較温度との偏差を第２の所定の範囲内に保持するように、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、
    を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
13. 請求項１２に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
    前記基準温度と前記比較温度は、前記接合ツールが進行する際の接合線に対して左右対称となる位置の前記接合ツールのショルダ部外周近傍の接合温度を計測することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
14. 請求項１２または１３に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
    前記基準温度と前記比較温度は、前記被接合部材同士を摩擦撹拌接合する際に前記被接合部材表面に生じるバリを回避して計測することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
15. 請求項１２から１４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合方法であって、
    前記基準温度および前記比較温度は、非接触で計測されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
16. 接合条件を決定するデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置であって、
    ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、
    前記接合ツールを保持する装置本体と、
    前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、
    前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、
    前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、
    前記被接合部材の状態、ＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度、ＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースと、を備え、
    前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とするデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置。
17. 請求項１６に記載のデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置であって、
    被接合部材の状態が異なる場合、前記データベースを追加または更新することを特徴とするデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置。
18. 接合条件を決定するデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法であって、
    （ａ）被接合部材の状態、ＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度、ＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度、接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを読み込むステップと、
    （ｂ）前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度を計測するステップと、
    （ｃ）前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度を計測するステップと、
    （ｄ）前記（ｂ）工程において計測したＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度および前記（ｃ）工程において計測したＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度と、前記データベースとを照合することにより、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とするデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法。
19. 請求項１８に記載のデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法であって、
    被接合部材の状態が異なる場合、前記データベースを追加または更新することを特徴とするデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法。
20. 接合条件を決定するデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置の制御装置であって、
    前記制御装置は、集中管理システムを介して、摩擦撹拌接合装置に接続され、
    前記摩擦撹拌接合装置は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、
    前記接合ツールを保持する装置本体と、
    前記接合ツールの動作を制御する駆動制御部と、
    前記被接合部材のＡＳ（アドバンシングサイド）の温度を計測する第１の温度センサと、
    前記被接合部材のＲＳ（リトリーティングサイド）の温度を計測する第２の温度センサと、を備え、
    前記制御装置は、前記被接合部材の状態、ＡＳ（アドバンシングサイド）の接合温度、ＲＳ（リトリーティングサイド）の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを備え、
    前記第１の温度センサおよび前記第２の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする摩擦撹拌接合装置の制御装置。

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