JP4216048B2

JP4216048B2 - ボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置とその接合方法

Info

Publication number: JP4216048B2
Application number: JP2002327341A
Authority: JP
Inventors: 児玉　　克; 泰之藤谷; 幸雄道下; 悦己広本; 裕二郎渡部; 慶訓加藤; 広明佐藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP2004160475A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両、航空機、建物等の構造体を製造する際の構体等の製造に用いるシングルスキンやダブルスキンパネル（二面中空パネル）の摩擦攪拌接合装置とその製造方法に係り、特にボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置とその接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特表平７−５０５０９０号公報（特許文献１）には、摩擦攪拌による固相接合方法として長尺材同士の新規な接合方法が開示されており、かかる接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法で、かかる摩擦接合法は、接合部材を固相状態で、回転ツ−ルを回転させながら移動させつつ軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく接合方向に対して実質的に無限に長い長尺材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転ツ−ルと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。
【０００３】
次に摩擦撹拌接合に使用される回転工具について説明する。摩擦撹拌接合は前記特許文献１に開示されているように、ブローブ型とボビンツール型の回転工具が存在し、プローブ型工具２０は図５（Ａ）に示すように、ショルダ部２１とこのショルダ部２１に備えられた回転軸２２とを備えており、このショルダ部２１は円形ショルダ面を有している。そして、複数の型材を突き合わせ、若しくは嵌合された状態の接合線表面より、前記回転工具２０を回転させて、回転軸を被加工物の接合線に設けた不図示の孔に侵入させるとともに、複数の型材の接合線上で摺接回転する円形ショルダ面２１によって被加工物に摩擦熱が付与されるとともに、回転軸２２周囲が塑性流動化し、この状態で回転工具２０を接合線に沿って移動させることにより、接合線周囲が塑性流動化しつつ接合線に沿って２つの素材が圧力を受けながら撹拌混練され、プローブの後方側に移行する。この結果塑性流動した素材は後方側で摩擦熱を失って急速に冷却固化するので両パネル板は素材同士が混じり合って完全に一体化した状態で接合される。
【０００４】
しかしながらかかる接合方法では接合時に摩擦熱を発生させるために、回転工具２０を接合線側に押しつける必要があり、従ってこの反力に対処するために、裏当金が使用されている。この裏当金は被加工物の面板の裏面に密着させて設置するものであり、高い剛性を必要とする。
【０００５】
かかる欠点を解消するために、図５（Ｂ）に示すように、ボビンツール１０と呼ばれる回転工具が提案されている。
かかる工具は接合する金属板の表裏両面を挟持するように一定間隔を設けた一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂが設けられているとともに、該上下一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間に回転軸１１が設けられているので、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、裏面側の接合不良が生じないのみならず、上下一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間で互いの反力を受けているために、裏当金や前記した支柱が不要になるが、回転軸１１により上下一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間隔が固定されているために、被接合部材の変形や肉厚の変動があるとこれを吸収することができず、円滑な摩擦攪拌接合ができない。
又、接合前に２つの部材の突き合せ部の端面の間に隙間（ギャップ）がある場合には、接合部に凹み等の欠陥が発生する。このため、強度低下を生じ、特に車両等の大型構造物においてはダブルスキンパネルが長尺になることによって、前記ギャップの管理は困難になり、凹みが大きくなり、また、欠陥が発生しやすくなる。
【０００６】
更に、ボビンツール１０を用いた際、ショルダ部１０Ａ、１０Ｂの間隔と接合部との間に空隙があると、接合部に圧力がかからないため、空洞的な欠陥が発生してしまう。ショルダ部の間隔と接合部の厚さが同一の場合には、接合部が接合部以外の厚さより薄くなる。このため、接合部の品質に問題が発生することがある。
【０００７】
このような不具合に対処するため、例えば、特開２００２−１８５８０公報（特許文献２）に記載されたものでは、上下ショルダ部の間に挟まれる接合材の接合部厚さを、上ショルダ部と下ショルダ部との間隔よりも大きくして、（具体的には、従来例では、互いに対向する二つの接合材の接合部をはめ込み構造として、接合の厚さを接合部以外の厚さよりも局部的に厚くして）さらに、接合部の厚みを上下ショルダ部の間隔よりも大きくしている。これによって、摩擦熱によって接合部のギャップが変化することを防止するとともに、接合後の接合部の厚さが他の部分よりも薄くなることを防止している。
【０００８】
ところが、従来例においては、予め接合部の厚さを上下ショルダ部の間隔よりも局部的に大きくしておく必要があり、接合過程（製造過程）において、接合部に生じるギャップが異なることを考慮すると、接合部の厚さを接合部以外の部分に対してどの程度厚くしておければよいか事前に知ることは難しい。つまり、ギャップを考慮して、予め接合部の厚さを上下ショルダ部の間隔よりも局部的に大きくしておくことは極めて困難であり、ギャップが大きいと、接合部の厚さを上下ショルダ部の間隔よりも局部的に大きくしておいても、接合過程においてギャップが十分に補充できないことがある。このため、接合欠陥が生じる恐れがある。
【０００９】
又裏面押圧部材と表面押圧部材を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置は公知であり、例えば特開２０００−３３４８４号公報（特許文献３）において、コイルスプリングを用いて下面押圧部のを軸方向に可変にした技術が存在する。
【００１０】
すなわち図６に示すごとく、回転筒８１の先端に凹形底面８１ａを形成しており、この凹形底面８１ａの中央部分に、回転筒８１と同一の軸線となる攪拌ピン８０を螺合にて取り付けている。この攪拌ピン８０は下面押圧部８５に形成した貫通孔８５ａを摺動自在に貫通し、その先端には、ストッパ部８４を固設している。攪拌ピン８０の軸線と平行な軸線を有し、かつ、ストッパ部８４側（図７の下方）へ延びるガイドバー８２、８２の上端部側面が、下面押圧部８５の周面に固着されている。したがって、ガイドバー８２、８２は、下面押圧部８５の移動に伴い、攪拌ピン８０の軸線に平行に移動する。下面押圧部８５は、短円柱状部材であり、攪拌ピン８０が貫通する貫通孔８５ａは、短円柱状部材の上面から下面に抜けており、この上面に凹形上面８５ｂが形成されている。また、この下面押圧部８５と前記ストッパ部８４との間には付勢手段であるコイルスプリング８３が配設されている。つまり、このコイルスプリング８３が、下面押圧部８５を、常時、被接合部材の下面側に付勢し、下面押圧部８５は、攪拌ピン８０の軸線に沿って移動し、この凹形上面８５ｂが被接合部材の下面に当接する。また、コイルスプリング８３の上・下端の各々が下面押圧部８５の下面とストッパ部８４の上面のそれぞれに固着されている。このため、攪拌ピン８０の回転は、ストッパ部８４とコイルスプリング８３を介して下面押圧部８５に伝えられ、下面押圧部８５は攪拌ピン８０の回転に同期して回転する。
【００１１】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８５８０公報
【特許文献３】
特開２０００−３３４８４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従ってかかる従来技術においては、下面押圧部として機能する攪拌ピン８０の回転は、ストッパ部８４とコイルスプリング８３を介して下面押圧部８５に伝えられるものであるために、コイルスプリング８３の押し付け力によってその荷重が規定され、下面押圧部８５の押し付け力を制御できない。
しかもコイルスプリング８３の押し付け力には上限があり、基本的に上面押圧部として機能する回転筒１１の押し付け力より大きくすることができない。
【００１３】
本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、母材をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に簡単な構成にて強固な押し付け力（加圧力）を得ることの出来る摩擦撹拌接合装置とその接合方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、母材（接合部）の軟化までとその後の攪拌接合における押し付け力を異ならせて摩擦攪拌接合における柔軟性と円滑化を計ることのできる摩擦撹拌接合装置とその接合方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本第一発明は、回転軸と、該回転軸によって母材接合面に沿って摺接回転する裏面押圧部材と表面押圧部材を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置において、
前記押圧部間を回転軸軸線方向に変位させる間隔可変手段を、磁界発生コイルによる磁気力に基づいて強制的に回転軸軸線方向に変位させる磁気的可変手段により構成したことを特徴とする。
そしてこのような前記磁気的可変手段は、磁界発生コイルと磁歪材料により構成される磁歪手段により構成してもよく、又前記磁気的可変手段を磁界発生コイルからなる電磁手段とこれに吸引可能な位置に配設され、裏面押圧部材と表面押圧部材間を可変させる可変軸に連接された磁性材料により構成してもよい。
そしてこのような電磁手段と磁性材料は、例えば前記電磁手段が、可変軸の軸方向に空所を介して上下に配設された一対の電磁石で、且つ前記磁性材料が前記空所内に配設された磁性体で構成するのがよい。
【００１５】
かかる発明によれば、可変手段がコイルスプリングのように機械的可変手段でないために、伸縮量や伸縮圧が変動することなく、又油圧や空圧のように、装置を大がかりすることなく、磁界発生コイルに印加する電圧制御により磁力の大きさに応じて磁歪ロッドが伸縮したり若しくは磁性材料が軸方向に上下動して、超磁歪ロッドや磁性材料を連接する回転軸の先端に設けた裏面押圧部材が移動するので、その変位量と加圧力を最適に調整でき、コンパクトな機構で、摩擦入熱を最適に制御できるのみならず、押圧部間が可変の為に母材の表面状態の変動にも対応できる。
【００１６】
この場合に、前記裏面押圧部材が回転軸を介して磁歪手段若しくは磁性材料に連接され、前記表面押圧部材が磁歪手段若しくは電磁手段の包被体と連設若しくは一体化することにより、前記表面押圧部材のショルダ面を基礎面（固定面）として精度よい変位量と加圧力を得ることが出来る。
【００１７】
また、この場合に、前記磁気的可変手段の磁歪材料若しくは磁性材料に連接された部位に、該磁歪材料若しくは磁性材料に回転トルクが付加されないように、回転トルク吸収機構を設けるのがよい。
【００１８】
前記磁歪材料若しくは磁性材料に回転軸を介して押圧部材側より回転トルクを受けると円滑な軸収縮が出来ないのみならず、トルク力のねじりにより破断等の恐れがある。そこで押圧部材と磁歪手段若しくは磁性材料の間の回転軸に、表面押圧部材と回転規制な状態で嵌合させる嵌合部を設けることにより、表面押圧部材の回転を受けて磁歪手段若しくは磁性材料がこれと連接する回転軸を介して裏面押圧部材が回転しても、回転トルクを受けずに軸方向に可変可能な状態で回転し、結果として両押圧部材間が精度よく可変可能に摩擦攪拌接合が可能となる。
【００１９】
特に記裏面押圧部材が磁歪手段や電磁手段により加圧力を得ることは、例えば接合されるスキンパネルを自由端側の面板の厚みを、自由端内側に位置する中空部の面板厚みより大に設定するとともに、該スキンパネルの自由端同士の突き合わせ面において、パネル裏面側入熱量を表面側入熱量より大にしながら摩擦攪拌接合がなされるように構成でき、これにより接合部の突き合わせ部にギャップ（隙間）が生じても、パネル自由端の裏面側（中空部側）の板厚を厚くすることで、継ぎ手部でショルダ面との摩擦熱による入熱により裏面側の軟化した部分が接合ギャップ空間に進入するため、外部から見える表面側は凹部が発生することなく、平坦を維持できる。
【００２０】
更に本発明は、前記回転軸周囲に攪拌部を有するとともに、該回転軸が裏面押圧部材を貫通して裏面押圧部材の固定手段に連結させる事により、固定手段側からも押圧力を付勢でき、安定且つ大きな加圧力を得ることが出来る。
【００２１】
更に前記攪拌手段は一般に回転軸外周囲に螺設されたねじ部で構成されるが、この場合、該ねじ部を利用して若しくは先端側のみに、ねじを設け、固定手段として機能するナット（固定ボルト）部材を連結させる事により、裏面押圧部材の脱着も容易である。
【００２２】
そして本第２発明は、母材接合面に沿って摺接回転する裏面押圧部材と表面押圧部材を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置において、
前記押圧部間の間隔可変手段を、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加える複数の押し付け手段で構成し、該複数の押し付け手段は少なくとも軟化点温度まで立ち上げる第１の押し付け手段と、該第１の押し付け手段より高い加圧力を発生させて摩擦攪拌接合を行う第２の押し付け手段とよりなることを特徴とする。
【００２３】
即ち、機械の強度を考慮して押圧手段の停止状態から軟化点までの立ち上げは、加圧力をあまりに大きくすると、治具の機械強度の問題があり、一方軟化後においては、軟化により接合部の隙間の接合ギャップ空間に軟化した部分が進入するために、その分母材厚みが薄肉になるために、裏面押圧部材と表面押圧部材との押圧部間を収縮する必要がある。
本発明はこのような場合に対応させるために、母材（接合部）の軟化までとその後の軟化状態における攪拌接合における押し付け付勢力を重畳して印加させるか若しくは、別異の付勢力で設定することが可能であるために、摩擦攪拌接合における柔軟性と円滑化を計ることができる。
【００２４】
この場合、第１の押し付け手段が機械的加圧手段であり前記第２の押し付け力手段が、前記磁歪手段若しくは電磁手段による磁性材料であるのがよい。
即ち、常温から軟化点までは、固体同士の付勢であるために、第１の押し付け力手段は機械的加圧手段が好ましく、前記第２の押し付け手段は、軟化状態での付勢であるために、押圧部材の変位量と加圧力を最適に制御できるのみならず、一方では磁歪手段では変位量が１〜３ミリ程度（磁歪ロッドが５０〜１００ミリ）と小さく、又電磁手段による磁性材料でも１〜２０ミリ程度であるために、このため一次的な可変手段としては利用できにくいのでコイルバネやねじ機構等の押圧力手段でプリ圧力付勢しておくのがよい。
【００２５】
本第３発明は、前記装置発明を好適に実施する接合方法に関するもので、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加える第１の圧力付勢工程と、前記第１の付勢圧力より加圧力を高めて攪拌接合を行う第２の圧力付勢工程よりなることを特徴とする。
この場合に、前記第１の圧力付勢工程における付勢圧力が、回転軸を介して裏面押圧部材を支持固定する機械的固定力であるのがよく、好ましくは、前記機械的固定力が螺合圧力であるのがよい。
【００２６】
この前記第２の圧力付勢工程が、磁界発生コイルによる磁気力に基づいて、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より加える加圧力を、強制的に加圧力付勢方向に変化させる磁気的可変手段を用いた付勢工程であることを特徴とする。
【００２７】
前記第２の圧力付勢工程を構成する、前記磁気的可変手段の磁歪材料若しくは磁性材料に連接された部位で、該磁歪材料若しくは磁性材料に、裏面押圧部材側よりの回転トルクが付加されないように、回転トルクを吸収させるのがよいことも前記したとおりである。
【００２８】
又摩擦攪拌接合中に、前記第２の圧力付勢工程が、磁界発生コイルによる磁気力に基づいて強制的に軸方向に押圧部材を振動させることにより裏面押圧部材のショルダ面も母材接触面より離間する方向に振動し、母材板厚方向の攪拌を一層助長できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３０】
図１（ａ）は本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置（ボビンツール１０）の概念的的構成を示し、図中１０Ａは表面側円筒ショルダで、その内部に収縮アクチュエータとして機能する磁歪ロッド４１が中心軸穴内に嵌装され、その下側軸端に外周に攪拌用ねじ部１１ａ、１１ｂが刻設された回転軸１１を連接する。一方、１０Ｂは裏面側ショルダで、該ショルダ１０Ｂは前記回転軸１１に回転自在に遊嵌されたリング状円筒体で構成されるとともに、前記回転軸１１を裏面側ショルダ１０Ｂ背面側まで貫通及び突設させ、その突設部に回転軸１１に設けたねじ部１１ｂ（ねじ穴）を利用してナット４９（固定ボルト）を螺合させる。又表面側円筒ショルダ１０Ａの外周側には磁界発生コイル４２が周回されている。
３３Ａおよび３３Ｂは、母材となるパネル自由端で、接合部上下を前記ボビンツール１０のショルダ面１００Ａ、１００Ｂに圧設され、挟持されている。
【００３１】
つぎに前記磁歪伸縮機構４０のそれぞれの要素部分について説明する。
磁歪材料を包被する表面側円筒ショルダ部材１０Ａは、パーマロイ、純鉄、ケイ素鋼、軟磁性アモルファス、方向性ケイ素鋼、パーメンジュール、アルパーム、センダスト、Ｍｏ入りスーパーマロイ、Ｃｕ入りスーパーマロイなどの高透磁材料で形成されている。
さらに、磁歪ロッド４１としては、Ｆｅ3ｐｔ，Ｆｅ−Ｐｄ合金を用いれば、最大３％に及ぶ磁場による歪みコントロールが可能であり、そして前記表面側円筒ショルダ部材１０Ａとの間で、閉磁路を形成することにより、２〜３％の歪みが現れる事も確認されている（Transactions of the Materials Research Society of Japan．２６（２００１）、２１５−２１７）。従って変位量が１〜３ミリ程度（磁歪ロッドが５０〜１００ミリ）の加圧力を得ることは可能である。
又磁歪ロッド４１の下端に連接される回転軸１１は非磁性で且つ硬い材料のたとえばステンレス等が用いられ、外周側にねじ部１１ａを設け攪拌部として機能させる。
【００３２】
又前記磁歪ロッド４１に連接された回転軸１１には、該磁歪ロッド４１に裏面側ショルダ１０Ｂの回転トルクが付加されないように、回転トルク吸収機構４４を設けている。
図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、回転トルク吸収機構４４の詳細を示す。図１（ｂ）において、該回転トルク吸収機構４４は回転軸放射方向に広がる４つの突起羽根１１１と、表側ショルダ１０Ａ内径側に設けた突起羽根嵌合穴４３０を有する嵌合部４３とにより構成さる。前記磁歪ロッドに連接された回転軸１１おいて、回転トルク吸収機構４４により該磁歪ロッド４１に回転トルクが付加されないように、回転トルクを吸収させている。
【００３３】
磁界発生コイル４２は電磁石コイルで、前記ナット４９（若しくは固定ボルト）により、磁歪ロッド４１の自由端を軸方向に加圧してプリストレスをかけた状態で、これに直流又は交流電流を通電すると、磁界発生コイル４２により、磁歪ロッド４１と表面側円筒ショルダ部材１０Ａで構成される閉磁路を通る磁界が形成され、その磁界強度に応じて磁歪ロッド４１が伸縮する磁界を作用され、当磁歪ロッド４１を伸縮させてその自由端の変位を出力させるようにしてある。
【００３４】
図２は、本発明の第２実施例で、表面側円筒ショルダ１０Ａを非磁性で且つ硬い材料のたとえばステンレスで形成し、その上に磁歪伸縮機構４０を連設している。
磁歪伸縮機構４０は、一端が固定された磁歪ロッド４１の自由端を軸方向に加圧してプリストレスをかけた状態で磁界を作用させることにより、当該磁歪ロッド４１を伸縮させてその自由端の変位を出力させるようにしたものであって、非磁性材料で形成されたケーシング４５内に前記高透磁材料からなる上面が封止された内筒４８が配され、その中心に磁歪ロッド４１が配され、当該磁歪ロッド４１の周囲にコイルが巻回されて磁界発生コイル（電磁石コイル）４２が形成されている。
【００３５】
磁歪ロッド４１の両端には、磁歪ロッド４１と同径に形成された磁気バイアス用の永久磁石４６Ａ、４６Ｂが同軸的に設けられており、該永久磁石４６Ｂの下端側に、高透磁材料からなる摺動体４７がリング円状に連接され、その下に非磁性で且つ硬い材料のたとえばステンレス等からなる回転軸１１が設けられている。そして、磁歪ロッド４１は、永久磁石４６Ａ、４６Ｂを介して内筒４８とリング円状の摺動体４７と共に閉磁路を形成している。
【００３６】
又前記磁歪ロッド４１に連接された回転軸１１には、該磁歪ロッド４１に裏面側ショルダ１０Ｂの回転トルクが付加されないように、回転トルク吸収機構４４を設けている点は図１と同様である。
【００３７】
次に前記接合装置を用いてダブルスキンパネルの自由端同士を突き合わせ接合により製造した例を図４に基づいて説明する。
同図に示す如く、ダブルスキンパネル３０Ａ、３０Ｂは上下二面の平行な面板３１、３２とその面板３１、３２間を連接する如く、ジグザグ三角形状に連設したリブ３９を有し、その三角リブ３９の両外側には垂直リブ３８を介して二面の自由端３３Ａ、３３Ｂが面板３１、３２と平行且つ水平に延在している。そして両自由端３３Ａ、３３Ｂとも面板３１、３２と面一に延在され、両者をギャップ３４を介して突き合わせて面板３１、３２表面が面位置になるように構成されている。
【００３８】
そして同図に示す如く、両ダブルスキンパネル３０Ａ、３０Ｂの接合に自由端面が自由端３３Ａ、３３Ｂの突き合わせによって表裏両面が平面状であるために、前記図１〜図２に示す本実施例のボビンツール１０を用いた場合は、接合するダブルスキンパネル３０Ａ、３０Ｂの自由端３３Ａ、３３Ｂの表裏両面を上下一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間でプローブ１１を介して挟持させる事ができるために、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、又ボビンツール１０の裏面側ショルダ１０Ｂがスキンパネル自由端３３Ａ、３３Ｂ長手方向に移動可能で、その自由端３３Ａ、３３Ｂの内部空間３７にリブ３９、３８が存在しない中空状であることが必要である。なお、前記表面側が平坦度を維持するには、裏面側で軟化した母材がギャップ３４を埋めるだけの余肉容量が必要である。
【００３９】
次に、図１、２を用いて本実施例の作用を説明する。
先ず前記スキンパネルの長手方向始端側の溶接開始位置に穴をあけ、回転軸１１を挿入した後、前記ナット４９（固定ボルト）により締め付けて摩擦用軟化用押し付け力を付勢するとともに、磁歪ロッド４１にプリストレスをかける。
ナット４９による付勢力は磁歪ロッド４１内の磁区を一方向に揃えて変位の飽和値を大きくすると共に、表面側ショルダ１０Ａと裏面側ショルダ１０Ｂ間に押し付け力を付勢するという二つの目的から、７〜１０ＭＰａ程度の圧縮荷重をかける。
【００４０】
この状態で回転を開始すると、摩擦攪拌接合の温度域である４５０℃〜５６０℃に到達してパネル裏面側表面が多く軟化し、その突き合わせ部のギャップ（隙間）に軟化した部分を進入させながら、磁界発生コイル（電磁石コイル）４２に電流を供給すると、その磁力の大きさに応じて磁歪ロッド４１が収縮して、該磁歪ロッド４１の先端に設けた回転軸１１が上方に移動してショルダ間の間隔を狭め、予肉進入分に対応して表面側ショルダ１０Ａと裏面側ショルダ１０Ｂ間が狭くなり、加圧力が発生し、回転軸１１外周に設けたねじ状の攪拌部１１ａを介して円滑な攪拌接合が行われる。
【００４１】
この際前記磁歪ロッド４１に連接された回転軸１１には、該磁歪ロッド４１に裏面側ショルダ１０Ｂの回転トルクが付加されないように、回転トルク吸収機構４４を設けている為に、前記磁歪ロッド４１に連接された回転軸１１には表面側ショルダ１０Ａよりの回転トルクを受けて、その回転トルクは裏面側ショルダ１０Ｂに伝達されるが、該吸収機構４４により該磁歪ロッド４１に回転トルクが付加されずに、円滑に圧縮荷重を受けることが出来る。
【００４２】
又前記摩擦攪拌接合中に、磁界発生コイル４２に交番電界を印加することにより、磁気力が振動波形を描きこれに基づいて強制的に軸方向に押圧部材を振動させることにより裏面ショルダ面１００Ｂも母材接触面より離間する方向に振動し、母材自由端３３Ａ、３３Ｂ板厚方向の攪拌を一層助長できる。
【００４３】
図３は本発明の第２実施例にかかる摩擦接合装置（ボビンツール１０）の概念的的構成を示す。図中１０Ａは表面側円筒ショルダで、その中央部５２の内部に収縮アクチュエータとして機能する磁気的可変手段５０が配設される。該磁気的可変手段５０は、回転軸５１が貫装された中央空所内に、吸引板５４の取り付け空所５８Ａを介して上下に一対の電磁コイル（電磁石）５３Ａ、５３Ｂを有す。前記吸引板５４は空所５８Ａ内を摺動自在に形成された円盤状の磁性材料からなり、該吸引板５４は回転軸５１に一体的に連接されている。また回転軸１１の下側には、その下側軸端外周に攪拌用ねじ部１１ａが刻設されている。
一方、１０Ｂは裏面側ショルダで、該ショルダ１０Ｂは前記回転軸１１に回転自在に遊嵌されたリング状円筒体で構成されるとともに、前記回転軸を裏面側ショルダ１０Ｂ背面側まで貫通及び突設させ、その突設部に回転軸１１に設けたねじ部１１ｂ（ねじ穴）を利用してナット４９（固定ボルト）を螺合させる。
又表面側円筒ショルダ１０Ａの内周側に組み込まれた一対の電磁コイル（電磁石）５３Ａ、５３Ｂは制御装置５９により正負反対側の交番電圧が印加可能に構成されている。
３３Ａおよび３３Ｂは、母材となるパネル自由端で、接合部上下を前記ボビンツール１０のショルダ面１００Ａ、１００Ｂに圧設され、挟持されている。
【００４４】
つぎに前記電磁伸縮機構５０のそれぞれの要素部分について説明する。
磁歪材料からなる吸引板５４は、電磁石５３Ａ、５３Ｂにより上下動可能に空所５８Ａの上下にクリアランスをもっている。
さらに、吸引板５４が連接される回転軸１１は非磁性で且つ硬い材料のたとえばステンレス等が用いられ、下端側外周側にねじ部１１ａを設け攪拌部として機能させる。
【００４５】
又回転軸１１に連接された回転軸５１には、該回転軸５１に裏面側ショルダ１０Ｂの回転トルクが付加されないように、回転トルク吸収機構４４Ａ、４４Ｂを設けているが、該回転トルク吸収機構４４Ａ、４４Ｂは回転軸５１の外側に一対の電磁コイル（電磁石）５３Ａ、５３Ｂが夫々配置され、回転軸５１の二点支持構成をとっている。
該回転トルク吸収機構４４Ａ、４４Ｂは一対の電磁コイル（電磁石）５３Ａ、５３Ｂより上下に突起する回転軸１１部に夫々放射方向に広がる４つの突起羽根１１１と、表側ショルダ１０Ａ内径側に設けた突起羽根嵌合穴を有する嵌合部４３Ａ、４３Ｂとにより構成され、前記吸引板４１が連接された回転軸５１で、回転トルク吸収機構４４により該吸引板５４に回転トルクが付加されないように構成している。
【００４６】
前記磁界発生コイル５３Ａ、５３Ｂは電磁石コイルで、これに制御装置５９より正負の電圧若しくは交番電界を通電すると、磁界発生コイル５３Ａ、５３Ｂにより、その磁界変動に応じて吸引板５４が往復動する磁界が生成され、当吸引板５４を上下動させてその自由端に変位を出力させるようにしてある。
【００４７】
次に、本実施例の作用を説明する。
先ず前記スキンパネルの長手方向始端側の溶接開始位置に穴をあけ、回転軸１１を挿入した後、前記ナット４９（固定ボルト）により締め付けて摩擦用軟化用押し付け力を付勢するとともに、電磁コイル５３Ａに電界を印加して吸引板５４にプリストレスをかける。
【００４８】
この場合に表面側ショルダ１０Ａと裏面側ショルダ１０Ｂ間に押し付け力を付勢するという二つの目的から、７〜１０ＭＰａ程度の圧縮荷重をかける。
この状態で回転を開始すると、摩擦攪拌接合の温度域である４５０℃〜５６０℃に到達してパネル裏面側表面が多く軟化し、その突き合わせ部にギャップ（隙間）に軟化した部分が進入させながら、電磁石コイル５３Ａに更に高い電圧を供給すると、その磁力の大きさに応じて吸引板５４が上方にストロークされ、該吸引板５４中心に設けた回転軸１１が上方に移動してショルダ間の間隔を狭め、予肉進入分に対応して表面側ショルダ１０Ａと裏面側ショルダ１０Ｂ間が狭くなり、加圧力が発生し、回転軸１１外周に設けたねじ状の攪拌部１１ａを介して円滑な攪拌接合が行われる。
【００４９】
この際前記回転軸１１には、該吸引板５４に裏面側ショルダ１０Ｂの回転トルクが付加されないように、回転トルク吸収機構４４Ａ、４４Ｂを設けている為に、前記回転トルク吸収機構４４Ａ、４４Ｂ外側の回転軸１１には表面側ショルダ１０Ａよりの回転トルクを受けて、その回転トルクは裏面側ショルダ１０Ｂに伝達されるが、該回転トルク吸収機構４４Ａ、４４Ｂの間に位置する吸引板５４が連接された回転軸１１には回転トルクが付加されずに、円滑に圧縮荷重を受けることが出来る。
【００５０】
又前記摩擦攪拌接合中に、磁界発生コイル５３Ａ，５３Ｂに交互に電界を印加することにより、吸引板が振動波形を描くようにピストン運動をし、これに基づいて強制的に軸方向に押圧部材を振動させることにより裏面ショルダ面１００Ｂも母材接触面より離間する方向に振動し、母材自由端３３Ａ、３３Ｂ板厚方向の攪拌を一層助長できる。
【００５１】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、母材接合の際にボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に該摩擦攪拌接合の柔軟性と円滑化を計ることができる。
特に車両、航空機、建物等の大型構造体を製造する際の構体等の広幅パネル体の製造に用いるダブルスキンパネル同士をボビンツールを用いて摩擦攪拌接合する際に該摩擦攪拌接合の円滑化とその接合部の表面が平坦な平面状の接合面を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施例に係る磁歪手段が組み込まれたボビンツールを用いて表裏両面側の押し付け力を制御可能に構成した摩擦攪拌接合装置の第１例を示す全体概略図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。。
【図２】本発明の第１実施例に係る磁歪手段が組み込まれたボビンツールを用いて表裏両面側の押し付け力を制御可能に構成した摩擦攪拌接合装置の第２例を示す全体概略図である
【図３】本発明の第二実施例に係る電磁石アクチュエータが組み込まれたボビンツールを用いて表裏両面側の押し付け力を制御可能に構成した摩擦攪拌接合装置を示す全体概略図である。
【図４】本発明の実施例装置に基づいて、ダブルスキンパネル自由端を突き合わせて広幅パネルを製造する方法を示す概略図である。
【図５】従来技術に係る摩擦撹拌接合のプローブツールとボビンツールの基本構成図である。
【図６】従来技術に係るボビンツールを用いた摩擦撹拌接合装置を示す断面概略図である。
【符号の説明】
１０ボビンツール
１０Ｂ裏面側ショルダ
１０Ａ表面側ショルダ
１１回転軸
４０磁歪伸縮機構
４１磁歪ロッド
４２磁界発生コイル
４４、４４Ａ、４４Ｂ回転トルク吸収機構
５３Ａ、５３Ｂ電磁コイル（電磁石）
５４吸引板
５８Ａ空所

Claims

回転軸と、該回転軸によって母材接合面に沿って摺接回転する裏面押圧部材と表面押圧部材を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置において、
前記押圧部間を回転軸軸線方向に変位させる間隔可変手段を、磁界発生コイルによる磁気力に基づいて強制的に回転軸軸線方向に変位させる磁気的可変手段により構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記磁気的可変手段を磁界発生コイルと磁歪材料により構成される磁歪手段により構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記磁気的可変手段を磁界発生コイルからなる電磁手段とこれに吸引可能な位置に配設され、裏面押圧部材と表面押圧部材間を可変させる可変軸に連接された磁性材料により構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項３記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記電磁手段が、可変軸の軸方向に空所を介して上下に配設された一対の電磁石で、且つ前記磁性材料が前記空所内に配設された磁性体であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項２若しくは３記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記裏面押圧部材が回転軸を介して磁歪材料若しくは磁性材料に連接されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項２若しくは３記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記表面押圧部材が磁歪手段若しくは電磁手段の包被体と連設若しくは一体化していることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項５記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記回転軸周囲に攪拌部を有するとともに、該回転軸が裏面押圧部材を貫通して裏面押圧部材の固定手段に連結されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項５記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記回転軸に螺設されたねじ部を利用して固定手段として機能するナット若しくはボルト部材が連結されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記磁気的可変手段の磁歪材料若しくは磁性材料に連接された部位に、該磁歪材料若しくは磁性材料に回転トルクが付加されないように、回転トルク吸収機構を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
母材接合面に沿って摺接回転する裏面押圧部材と表面押圧部材を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置において、
前記押圧部間の間隔可変手段を、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加える複数の押し付け手段で構成し、該複数の押し付け手段は少なくとも軟化点温度まで立ち上げる第１の押し付け手段と、該第１の押し付け手段より高い加圧力を発生させて摩擦攪拌接合を行う第２の押し付け手段とよりなることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
請求項１０記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記第１の押し付け手段が機械的加圧手段であり、前記第２の押し付け手段が、磁界発生コイルによる磁気力に基づいて前記裏面押圧部材と表面押圧部材間の間隔を強制的に変位させるさせる磁気的可変手段であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加えてその接合部の塑性流動により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々摩擦入熱を加える第１の圧力付勢工程と、前記第１の付勢圧力より加圧力を高めて攪拌接合を行う第２の圧力付勢工程よりなることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１２記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第２の圧力付勢工程が、磁界発生コイルによる磁気力に基づいて、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より加える加圧力を、強制的に加圧力付勢方向に変化させる磁気的可変手段を用いた付勢工程であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１３記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第２の圧力付勢工程を構成する、前記磁気的可変手段の磁歪材料若しくは磁性材料に連接された部位で、該磁歪材料若しくは磁性材料に回転トルクが付加されないように、回転トルクを吸収させたことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１２記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第１の圧力付勢工程における付勢圧力が、回転軸を介して裏面押圧部材を支持固定する機械的固定力であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１５記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記機械的固定力が螺合圧力であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項１２記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記第２の圧力付勢工程が、磁界発生コイルによる磁気力に基づいて、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より加える加圧力を、強制的に母材接触面より離間する方向に振動させる振動付勢工程であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。