JP4252403B2

JP4252403B2 - 摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法

Info

Publication number: JP4252403B2
Application number: JP2003307679A
Authority: JP
Inventors: 一美福原; 等荒砂; 保栄長尾; 一樫木; 泰成藤沢; 実鈴木; 浩二野村; 圭亮内田
Original assignee: Toyota Motor Corp; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2004136365A

Description

本発明は、複数の被接合部材が重ね合わされて設けられる被接合物を部分的に固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法に関する。

複数の被接合部材を接合する従来の技術の接合技術として、電気抵抗溶接、アーク溶接、接着剤による接着、ボルトによる締結およびリベットによる接合などがある。また接合する被接合部材が複雑な３次元形状の場合には、複数点在する接合部分を順次接合するスポット溶接が用いられる。

また上述する接合技術の他に、非溶融の状態で複数の被接合部材を接合する方法として、摩擦撹拌接合方法がある。この接合技術は、２つの被接合部材を重ね合わせて設けられる被接合物に接合ツールを回転させながら挿入および並進させ、摩擦熱によって各被接合部材を非溶融の状態で部分的に軟化して、被接合部材の軟化した部分を撹拌して接合する方法である（たとえば特許文献１参照）。

また摩擦熱による軟化に関する関連技術として、接合ツールを回転させながら対象物に圧入し、摩擦熱によって対象物を非溶融の状態で部分的に軟化して対象物の組織欠陥を解消する表面処理方法がある（たとえば特許文献２および特許文献３参照）。

特許番号第２７１２８３８号特開平１０−１８３３１６特開２０００−１５４２６

上述する摩擦撹拌接合方法を行う摩擦撹拌接合装置は、接合ツールを被接合物に一定時間没入し、接合ツールによって被接合物を一定加圧力で加圧する。すなわち従来の摩擦撹拌接合装置は、接合ツールが被接合物に没入する接合ツールの没入量を制御していない。

したがって接合すべき被接合部材に形状誤差がある場合、接合すべき被接合部材間に隙間が形成される場合などに起因して、複数の被接合部材が重ね合わされる状態が一定でない場合には、接合ツールが被接合物に没入する没入量がばらつくという問題がある。また接合ツールの没入量がばらつくことによって、被接合物の接合部分の厚みである残厚を目標とする厚さにすることができないという問題がある。

接合ツールの没入量が少なく、残厚が目標とする厚さよりも大きい場合には、被接合物を十分に摩擦撹拌できず接合強度が低下する。また残厚が目標とする厚さよりも小さい場合には、摩擦撹拌接合後に被接合物に形成される接合孔が深くなり、被接合物の見栄えが悪くなる。さらに残厚がゼロ、すなわち接合孔が被接合物を貫通する場合には、接合強度が低下する。

このように従来の技術の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法では、重ね合せ状態が一定でない場合などに、被接合物の残厚を目標とする厚さにすることができず、接合品質がばらつくという問題がある。

したがって本発明の目的は、被接合物の残厚を予め定める範囲内に収め、被接合物の接合品質を均一にすることができる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である。

本発明は、複数の被接合部材が重ね合わされて設けられる被接合物を部分的に固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める基準軸線まわりに回転自在にかつ基準軸線に沿って変位自在に設けられ、接合ツールが着脱自在に装着されるツール保持具と、
ツール保持具を基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
ツール保持具を基準軸線に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
ツール保持具に装着された接合ツールとツール保持具に対して反対側の被接合物の背表面との距離であるツール間距離を取得するツール間距離取得手段と、
取得されるツール間距離に基づいて、取得されるツール間距離が予め定める目標ツール間距離となる位置まで、接合ツールを被接合物に没入させるように、ツール変位駆動手段を制御する制御手段とを含み、
接合ツールが被接合物に没入するときに接合ツールが被接合物に与える加圧力を検出する加圧力検出手段と、
接合ツールの位置を検出するツール位置検出手段とをさらに含み、
ツール間距離取得手段は、検出される加圧力および検出される接合ツールの位置とに基づいて、ツール間距離を算出することを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。

本発明に従えば、接合ツールが装着されるツール保持具を、基準軸線まわりに回転駆動するとともに基準軸線に沿って変位駆動する。接合ツールを被接合物に回転接触させることによって、被接合物に摩擦熱を生じさせて被接合物を軟化させる。また接合ツールを被接合物に没入させることで、流動する被接合物を固相撹拌、すなわち非溶融状態で撹拌して、複数の被接合部材を接合する。

ツール保持具に装着される接合ツールが被接合物に没入する場合、制御手段は、ツール間距離取得手段が取得したツール間距離に基づいてツール変位駆動手段を制御する。制御手段によって制御されるツール変位駆動手段は、ツール間距離が目標ツール間距離となる位置まで接合ツールを被接合物に没入する。ツール間距離は、接合ツールが被接合物に与える加圧力に基づいて理論的に算出される装置のたわみに基づいて求めてもよい。またツール間距離は、実測して求められる装置のたわみに基づいて求めてもよい。

このように制御手段は、時間の経過とともに変化するツール間距離を随時取得しながら、ツール間距離が目標ツール間距離に達する位置まで接合ツールを被接合物に没入させる。したがって接合すべき被接合部材に形状誤差がある場合および接合すべき被接合部材間に隙間が形成される場合などに起因して被接合物の突合せ状態がばらついても、ツール間距離が目標ツール間距離に達する位置まで接合ツールを確実に被接合物に没入することができる。これによって被接合物の接合部分の厚みである残厚を目標の値にすることができる。

また、ツール間距離取得手段は、加圧力検出手段によって検出される加圧力と、ツール位置検出手段によって検出される接合ツールの位置とを取得することによって、摩擦撹拌接合装置がたわんだ場合であっても、予め定める基準位置から背表面の位置までの距離を取得して、摩擦撹拌接合装置のたわみ分を考慮した正確なツール間距離を算出することができる。このようにツール間距離を正確に算出することによって、接合後の被接合物の残厚をより確実に目標の値にすることができる。

また本発明は、制御手段は、取得されるツール間距離に基づいてツール変位駆動手段を制御して、接合ツールから被接合物に与える加圧力を調整することを特徴とする。

本発明に従えば、取得されるツール間距離に基づいて、制御手段が接合ツールから被接合物に与える加圧力を調整する。加圧力を適切な値に調整することによってツール間距離が目標ツール間距離に達する位置まで接合ツールを最適に近づけることができ、接合物の残厚をさらに確実に目標の値にすることができる。

また本発明は、制御手段は、接合ツールの先端部が被接合物に埋没した後、接合ツールから被接合物に与える加圧力を調整することを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールの先端部が被接合物に埋没すると、接合ツールから被接合物に与えられる加圧力の調整を開始する。接合ツールの先端部が被接合物に埋没する前に、加圧力を調整すると接合品質が低下する場合がある。たとえば先端部埋没前に、接合ツールの加圧力を高くすると、被接合物のツール保持具に対して反対側部分が盛り上り、いわゆる打痕が生じてしまう。上述するように接合ツールの先端部が埋没してから、加圧力を調整することによって、接合物に打痕などの接合異常が生じることなく、被接合物を良好に接合することができる。

また本発明は、制御手段は、検出されるツール間距離が目標ツール間距離に近づくにつれて、接合ツールから被接合物に与える加圧力が小さくなるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールを被接合物に埋没させ、取得されるツール間距離が目標ツール間距離に近づくにつれて、接合ツールから被接合物に与える加圧力を小さくする。ツール間距離が目標ツール間距離から離れている場合には、接合ツールが被接合物に没入する没入速度が高い。ツール間距離が目標ツール間距離に対して離れている場合には、没入速度を高くしても被接合物の残厚に与える影響が少ない。したがって被接合物の残厚に与える変化を少なくして、接合時間を短縮することができる。

またツール間距離が目標ツール間距離に近づいた状態では、没入速度が低い状態でツール間距離を取得することができる。これによってツール間距離が目標ツール間距離に達するまで接合ツールを被接合物に没入することができ、被接合物の残厚をさらに確実に目標の値にすることができる。

また本発明は、接合ツールが被接合物から離脱した後、接合ツールが背表面に最も近接したときの最小ツール間距離に基づく接合結果を報知する報知手段をさらに含み、
前記報知手段は、前記最小ツール間距離が、目標ツール間距離以下に設定される限界ツール間距離より小さい場合に、接合異常であることを示す接合結果を報知することを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールが被接合物に没入し、接合異常となるツール間距離を限界ツール間距離として設定することによって、最小ツール間距離が限界ツール間距離よりも小さくなることによる接合異常を報知することができる。

また本発明は、ツール保持具に対向して配置されて各被接合部材を支持する支持ツールと、
接合ツールが被接合物に没入するときに、接合ツールが被接合物を介して支持ツールに与える加圧力を検出する加圧力検出手段と、
接合ツールが支持ツールに与える加圧力に起因するツール保持具および支持ツールの少なくともいずれかのたわみ量を記憶するたわみ補正データ蓄積手段と、
接合ツールの位置を検出するツール位置検出手段とをさらに含み、
前記ツール間距離取得手段は、加圧力検出手段から検出される加圧力に基づいてたわみ補正データ蓄積手段から算出されるたわみ量を取得するとともに、ツール位置検出手段が検出する接合ツールの位置を取得することによってツール間距離を算出し、
前記制御手段は、接合ツールの先端部が被接合物に没入してからツール間距離が予め定める目標ツール間距離となる位置まで、接合ツールを予め定める一定加圧力で被接合物に押付けて没入させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする。

本発明に従えば、摩擦撹拌接合にあたって、支持ツールが被接合物を支持した状態で、ツール保持具に装着される接合ツールが被接合物に没入する。接合ツールは、被接合物を押付けることによって、被接合物に没入する。このときツール保持具および支持ツールのいずれかもしくはその両方は、３元的にたわむが主として、接合ツール押付け方向に沿ってたわむ。ツール間距離取得手段は、加圧力検出手段から検出される加圧力に基づいて算出されるたわみ量と、ツール位置検出手段から検出される接合ツールの位置とに基づいて、ツール間距離を算出する。制御手段は、接合ツールの先端部が被接合物に没入すると、接合ツールから被接合物に与える加圧力を予め定める一定加圧力に調整する。そしてツール間距離が予め定める目標ツール間距離となる位置まで、加圧力を一定に保持する。

このように接合中に接合ツールが接合部材支持部を押付ける加圧力をほぼ一定に保つことによって、接合ツールの押付けに起因する摩擦撹拌接合装置のたわみ量を一定に保つことができる。これによって加圧力が変動する場合に比べて、算出されるツール間距離の信頼度を向上することができ、被接合物の残板厚をさらに精度よく目標の値にすることができる。

また本発明は、前記たわみ補正データ蓄積手段は、接合ツールが被接合物を介して支持ツールに与える加圧力ごとにそれぞれ対応づけられるたわみ量をデータベース化して記憶し、
前記データベースは、支持ツールに複数の異なる加圧力を与えた場合のたわみ量をそれぞれ実測した各実測値に基づいて求められることを特徴とする。

本発明に従えば、ツール間距離取得手段は、加圧力検出手段から検出される加圧力に応じたたわみ量を、たわみ補正データ蓄積手段が有するデータベースから抽出する。複数の実測値に基づいてデータベースを生成することによって、加圧力に対してさらに精度よくたわみ量を算出することができる。たとえば予め定める加圧力毎に加圧力に対するたわみ量を実測し、残りの加圧力に対するたわみ量を、実測した加圧力に対するたわみ量に基づいて補間することによってデータベースを生成する。

また本発明は、接合ツールが被接合物に没入する接合時間を測定する接合時間測定手段をさらに含み、
前記制御手段は、目標ツール間距離となる位置に接合ツールが達していなくても、接合時間が予め定める接合最大時間を超えると、接合ツールの被接合物への没入を解除させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする。

本発明に従えば、仮に、ツール間距離が目標ツール間距離に達しない場合、予め定める接合最大時間を超えると、接合ツールの被接合物への没入を解除する。これによって接合ツールがいつまでたっても被接合物に没入しつづけることを防ぐことができる。

また本発明は、接合ツールが被接合物に没入する接合時間を測定する接合時間測定手段をさらに含み、
前記制御手段は、目標ツール間距離となる位置に接合ツールが達していても、接合時間が予め定める接合最小時間を超えるまで、接合ツールの被接合物への没入を継続させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする。

本発明に従えば、仮に、ツール間距離が目標ツール間距離に短時間で達してしまい、被接合物の撹拌が十分でない場合であっても、接合最小時間を超えるまで接合ツールの被接合物への没入を継続する。これによって被接合物の撹拌を十分に行い、撹拌不足を防止することができる。

また本発明は、前記制御手段は、前記接合最小時間未満であっても、目標ツール間距離よりも小さく設定される限界ツール間距離となる位置に接合ツールが達すると、接合ツールの被接合物への没入を解除させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする。

本発明に従えば、仮に、接合最小時間に達する前に、ツール間距離が限界ツール間距離に達してしまう場合に、接合ツールの被接合物の没入を解除する。これによって接合ツールが被接合物に没入しすぎることを防ぐことができ、接合品質を向上することができる。たとえば接合ツールが被接合物を貫通することを防ぐことができる。

また本発明は、接合中の異常状態を表わす情報を報知する報知手段をさらに含み、
報知手段は、加圧力検出手段の検出結果に基づいて、接合ツールが被接合物を介して支持具に与える加圧力が予め定める上限値を超える場合または下限値未満の場合に加圧力異常を報知することを特徴とする。

本発明に従えば、仮に、接合ツールが与える加圧力が上限値を超える場合および下限値未満の場合に、報知手段によって加圧力異常情報を報知する。これによって接合状態が異常である可能性があることを作業者に知らせることができ、利便性を向上することができる。

また本発明は、接合ツールを予め定める条件で冷却する冷却手段をさらに含むことを特徴とする。

本発明に従えば、冷却手段によって接合ツールを冷却することによって、摩擦撹拌接合にあたって接合ツールの熱膨張を低減する。これによってツール間距離手段によって算出されるツール間距離の信頼度をさらに向上することができ、被接合物の残板厚をさらに確実に目標の値にすることができる。

また本発明は、接合ツールの変形量を検出する変形量検出手段をさらに含み、
ツール間距離取得手段は、たわみ量および接合ツールの位置とともに、変形量検出手段の検出結果に基づいてツール間距離を算出することを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールの変形に基づいて、ツール間距離を算出する。これによって接合ツールが変形したとしてもツール間距離手段によって算出されるツール間距離の信頼度をさらに向上することができ、被接合物の残板厚をさらに確実に目標の値にすることができる。

また本発明は、複数の被接合部材が重ね合わされて設けられる被接合物を部分的に固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールと接合ツールに対して反対側の被接合物の背表面との距離であるツール間距離が、予め定める目標ツール間距離になるまで、接合ツールを回転させながら被接合物に没入させて、被接合物を軟化させて流動させる摩擦撹拌工程と、
ツール間距離が目標ツール間距離に達した後、接合ツールを被接合物から離脱させる離脱工程とを含み、
前記摩擦撹拌工程では、接合ツールが被接合物に与える加圧力に起因するたわみ量と、接合ツールの位置とを取得することによって、ツール間距離を算出し、そのツール間距離が予め定める目標ツール間距離になるまで、接合ツールを回転させながら予め定める一定加圧力で被接合物に押付けることを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。

本発明に従えば、接合ツールを被接合物に対して相対的に位置決めし、接合ツールを回転駆動するとともに被接合物に没入する。接合ツールを被接合物に回転接触させることによって、被接合物に摩擦熱を生じさせて被接合物を軟化させる。また接合ツールを被接合物に没入させることで、流動する被接合物を固相撹拌して、複数の被接合物を接合する。接合ツールを被接合物に没入して、ツール間距離が予め定める目標ツール間距離になると、接合ツールを被接合物から離脱させる。

このように時間の経過とともに変化するツール間距離を随時取得しながら、取得されるツール間距離が目標ツール間距離に達するまで接合ツールを被接合物に没入する。したがって突合せ状態が一定でない場合であっても、被接合物の残厚が目標値に達するまで確実に接合ツールを没入させることができ、被接合物の残厚を目標とする値にすることができる。

また、摩擦撹拌接合にあたって、接合ツールが被接合物を押付けて加圧することによって、被接合物に没入する。このとき摩擦撹拌接合装置はたわむ。摩擦撹拌工程で、接合ツールが被接合物に与える加圧力に起因するたわみ量と、接合ツールの位置とを取得することによって、ツール間距離を算出する。そしてツール間距離が目標ツール間距離になるまで、接合ツールから被接合物に与える加圧力を予め定める一定加圧力に調整する。

このように接合中に接合ツールが被接合物を押付ける加圧力をほぼ一定に保つことによって、加圧力が変動する場合に比べて、接合ツールの押付けに起因する摩擦撹拌接合装置のたわみ量を一定に保つことができる。これによって加圧力が変動する場合に比べて、算出されるツール間距離の信頼度をさらに向上することができ、被接合物の残板厚を精度よく目標の値にすることができる。

請求項１記載の本発明によれば、ツール間距離を随時取得しながら、取得されるツール間距離が目標ツール間距離に達するまで接合ツールを被接合物に没入する。これによって被接合部材が重ね合わされる重ね合せ状態がばらつく場合であっても、被接合物の残厚を指定の値にすることができる。

たとえば被接合物を構成する各被接合部材を十分に摩擦撹拌させることができるツール間距離に目標ツール間距離を設定することによって、被接合物の接合領域を増やし、接合異常を防止することができる。また連続して摩擦撹拌接合を行う場合に、各接合部分毎に重ね合せ状態が変化しても、被接合物の残厚を一定にすることができ、接合品質を向上することができる。

また、摩擦撹拌接合装置のたわみを考慮した正確なツール間距離を算出することができる。したがってツール間距離が目標ツール間距離に達したか否かを正確に判断することができ、接合後の被接合物の残厚をより確実に目標の値にすることができる。これによって被接合物の接合品質をより均一にすることができる。

また請求項２記載の本発明によれば、ツール間距離に基づいて、加圧力を調整することによってツール間距離をより最適に目標ツール間距離に近づけることができ、接合物の残厚を目標の値にすることができる。これによって被接合物の残厚を最適に調整することができ、接合品質をさらに均一にすることができる。

また請求項３記載の本発明によれば、接合ツールの先端部が被接合物に埋没した後、加圧力の調整を開始する。これによって被接合物に打痕が生じることを防止し、さらに接合品質を向上することができる。

また請求項４記載の本発明によれば、取得されるツール間距離が目標ツール間距離に近づくにつれて、接合ツールから被接合物に与える加圧力が小さくなるように、ツール変位駆動手段を制御する。これによって接合時間を短縮するとともに被接合物の残厚を目標の値にすることができる。すなわち接合品質を安定させるとともに接合時間を短縮して、単位時間当たりに接合可能な接合数を増加させて、接合コストを低下することができる。

また請求項５記載の本発明によれば、接合異常であることを示す接合結果を報知して、接合異常であることを作業者に知らせることができる。これによって作業者は、接合異常である被接合物と、正常に接合が行なわれた被接合物とを選別することができ、正常に接合された被接合物を選出することができる。

請求項６記載の本発明によれば、加圧力を一定に保った状態で接合動作を行うことによって、加圧力が変動する場合に比べてツール間距離を精度よく算出することができる。これによって被接合物の背表面に対する接合ツールの位置を精度よく求めることができ、被接合物の残板厚をさらに精度よく目標の値にすることができる。これによって接合される各被接合部材のせん断強度および美観などが接合毎にばらつくことを防ぎ、接合品質を向上することができる。また許容範囲が小さい場合であっても、接合品質を許容範囲内に納めることができる。

請求項７記載の本発明によれば、データベースを用いて、たわみ量を算出することによって、より正確なたわみ量を求めることができる。

請求項８記載の本発明によれば、接合ツールがいつまでたっても被接合物に没入しつづけることを防ぐことができる。これによって被接合部材にばらつきがある場合に接合異常状態における接合が拡大することを防ぐことができ、利便性を向上することができる。

請求項９記載の本発明によれば、被接合物の撹拌を十分に行うことができるので、被接合部材にばらつきがある場合でも、接合強度が不足することを防止することができる。

請求項１０記載の本発明によれば、接合ツールが被接合物に没入しすぎることを防ぐことができ、接合品質を向上することができる。たとえば接合ツールが被接合物を貫通することを防ぐことができる。

請求項１１記載の本発明によれば、仮に、接合ツールが与える加圧力が上限値を超える場合および下限値未満の場合に、報知手段によって加圧力異常情報を報知する。これによって接合状態が異常である可能性があることを作業者に知らせることができ、利便性を向上することができる。

請求項１２記載の本発明によれば、冷却手段によって接合ツールを冷却することによって、摩擦撹拌接合にあたって接合ツールの熱膨張を低減する。これによってツール間距離手段によって算出されるツール間距離の信頼度をさらに向上することができ、被接合物の残板厚をさらに確実に目標の値にすることができる。

請求項１３記載の本発明によれば、接合ツールの変形に基づいて、ツール間距離を算出する。これによって接合ツールが変形したとしてもツール間距離手段によって算出されるツール間距離の信頼度をさらに向上することができ、被接合物の残板厚をさらに確実に目標の値にすることができる。

請求項１４記載の本発明によれば、ツール間距離を随時取得しながら、取得されるツール間距離が目標ツール間距離に達するまで接合ツールを被接合物に没入する。これによって突合せ状態がばらつく場合であっても、被接合物のツール間距離が目標ツール間距離に達するまで確実に接合ツールを没入させることができ、被接合物の残厚を目標とする値にすることができる。

また、加圧力を一定に保った状態で接合動作を行うことによって、加圧力が変動する場合に比べてツール間距離を精度よく算出することができる。これによって被接合物の背表面に対する接合ツールの位置を精度よく求めることができ、被接合物の残板厚をさらに精度よく目標の値にすることができる。これによって接合される各被接合部材のせん断強度および美観などが接合毎にばらつくことを防ぎ、接合品質を向上することができる。また許容範囲が小さい場合であっても、接合品質を許容範囲内に納めることができる。

図１は、本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置２０の要部を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置２０は、接合すべき複数の被接合部材２２ａ，２２ｂが互いに重ね合わされて設けられる被接合物２２に対して位置決めされた状態で、各接合物２２ａ，２２ｂを互いに摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）する装置である。本発明において被接合部材２２ａ，２２ｂが重ね合わされる状態は、被接合部材２２ａ，２２ｂが互いに当接されて突き合わされる場合も含み、また複数の被接合部材２２ａ，２２ｂの間に隙間が形成されるものも含む。

摩擦撹拌接合装置２０は、たとえばアルミ合金製の薄厚および中厚製品の製造に用いられ、自動車ボディ、意匠構造物、重ね接合物および突合せ接合物の製造に用いられる。

摩擦撹拌接合装置２０は、ツール保持具２３に装着した接合ツール２１を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動するツール回転駆動手段２４と、接合ツール２１を基準軸線に沿って変位駆動するツール変位駆動手段２５とを有する。

また摩擦撹拌接合装置２０は、接合にあたって接合ツール２１の先端面１４と、接合ツール２１を装着するツール保持具２３に対して反対側の被接合物２２の背表面１５との基準軸線Ｌ１方向の距離であるツール間距離Ｄ３を取得するツール間距離取得手段４４と、ツール回転駆動手段２４およびツール変位駆動手段２５を制御する制御手段４８とをさらに有する。

制御手段４８は、ツール間距離取得手段４４が取得するツール間距離Ｄ３に基づいて、ツール間距離Ｄ３が予め定められる目標ツール間距離Ｄ４となる位置まで、接合ツール２１を被接合物２２に没入させるように、少なくともツール変位駆動手段２５を制御する。

摩擦撹拌接合装置２０は、円筒状の接合ツール２１を被接合物２２に回転接触させるとともに接合ツール２１を被接合物２２に押付け、接合ツール２１と被接合物２２とに摩擦熱を生じさせる。次に摩擦熱によって被接合物２２を軟化させ、接合ツール２１を被接合物２２内に没入させる。接合ツール２１は、少なくとも各被接合部材２２ａ，２２ｂが互いに対向する対向部分１９ａ，１９ｂを含む領域である撹拌領域に没入するまで変位駆動される。

次に接合ツール２１によって、撹拌領域における被接合部材２２ａ，２２ｂを、流動化して撹拌し、各被接合部材２２ａ，２２ｂのそれぞれの対向部分１９ａ，１９ｂが混ざり合う接合領域２２ｃを形成する。次に接合ツール２１を回転させながら被接合物２２から離脱させることによって、流動する接合領域２２ｃを冷却して固体化し、各被接合部材２２ａ，２２ｂを接合される。

接合ツール２１は、耐磨耗性を有する。接合ツール２１は、被接合部材２２ａ，２２ｂよりも高度の高い材質から成り、たとえば超硬合金から成る。また摩擦撹拌接合装置２０は、被接合部材２２ａ，２２ｂを接合ツール２１と反対側から支持する支持ツール３０を備えてもよく、接合ツール２１と支持ツール３０とによって被接合物２２を挟持した状態で接合動作を行ってもよい。支持ツール３０は、たとえば鋼または銅から成る。

接合ツール２１は、円筒状に形成されるショルダ部２６と、ショルダ部２６の一端面となるショルダ面２６ａから軸線方向一方側に突出する円筒状のピン部２７とを有する。ショルダ部２６は、軸線方向に垂直な断面形状が軸線方向に沿って一様に形成され、ツール保持具２３に装着される。

ピン部２７の直径は、ショルダ部２６の直径よりも小さく形成され、ショルダ部２６およびピン部２７の互いの軸線は、同一線上に配置される。たとえばピン部２７は、直径が５ｍｍでかつ軸線方向寸法が３ｍｍである。またショルダ部２６の直径は、１０ｍｍである。

図２は、摩擦撹拌接合装置２０の一部を切断して示す断面図である。摩擦撹拌接合装置２０は、予め定められる基準軸線Ｌ１まわりに回転自在かつ基準軸線Ｌ１に沿って変位自在に構成され、接合ツール２１が着脱自在に装着されるツール保持具２３と、ツール保持具２３を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動するツール回転駆動手段２４と、ツール保持具２３を基準軸線Ｌ１に沿って変位駆動するツール変位駆動手段２５と、ツール保持具２３に対向する位置に設けられ、ツール保持具２３と反対側から被接合物２２を支持するための支持ツール３０を有する支持ツール形成部３１と、ロボットアーム２９に連結される基台２８とを含んで構成される。

ツール保持具２３は、ツール回転駆動手段２４によって基準軸線Ｌ１まわりに回転するとともにツール変位駆動手段２５によって基準軸線Ｌ１に沿って移動する。ツール保持具２３は、接合ツール２１を着脱自在に装着する。ツール保持具２３に装着される接合ツール２１は、ツール保持具２３とともに基準軸線Ｌ１まわりに回転するとともに基準軸線Ｌ１に沿って移動する。

ツール回転駆動手段２４は、ツール保持具２３を回転自在に支持するツール回転用軸受３４と、ツール保持具２３を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるためのツール回転モータ３５と、ツール回転モータ３５からの回転力をツール保持具２３に伝達する伝達部１８とを有する。

回転用軸受３４は、ツール保持具２３を部分的に支持する。ツール保持具２３は、回転用軸受３４に支持される残余の部分が回転用軸受３４から基準軸線Ｌ１に沿って突出する。またツール回転モータ３５は、予め定められる一定回転速度で回転する。ツール回転モータ３５は、回転速度を可変可能に構成されてもよい。

ツール変位駆動手段２５は、基準軸線Ｌ１に沿って変位自在に構成される可動部１７と、可動部１７を基準軸線Ｌ１に沿って変位自在に支持する支持部３６と、可動部１７を基準軸線Ｌ１に沿って変位駆動するためのツール変位モータ３７と、ツール変位モータ３７からの回転力を基準軸線Ｌ１に沿う方向の直進力に変換して可動部１７に伝達する伝達部１６とを有する。

支持部３６は、可動部１７を支持するガイドレールによって実現され、ツール変位モータ３７は、サーボモータによって実現される。また伝達部１６は、ツール変位モータ３７の回転力をねじまたは歯車などを用いて直進力に変換する。ツール変位モータ３７は、その電流値がフィードバック制御され、予め定められる出力トルクで回転する。ツール変位モータ３７は、出力トルクが可変可能である。

ツール変位駆動手段２５の可動部１７には、ツール回転手段２４の支持部３４およびツール回転モータ３５が固定される。またツール変位駆動手段２５の支持部３６は、基台２８に固定される。ツール変位モータ３７を回転させることによって、可動部１７とともにツール回転駆動手段２４を基台２８に対して変位駆動することができる。

支持ツール形成部３１は、略Ｌ字状に形成される。支持ツール形成部３１は、基準軸線Ｌ１に略平行に延びる第１形成部分３８と、第１形成部分３８の基準軸線方向一端部３８ａに屈曲して連なる第２形成部分３９とを有する。

第１形成部分３８の基準軸線方向他端部３８ｂは、基台２８に固定される。第２形成部分３９は、第１形成部分３８の基準軸線方向一端部３８ａから基準軸線Ｌ１に向かって延びて、支持ツール３０が設けられる。支持ツール３０は、第２形成部分３９からツール保持具２３に向かって基準軸線Ｌ１に沿って突出する。支持ツール３０は、基準軸線Ｌ１に同軸な円柱状に形成される。

基台２８は、上述するようにツール変位駆動手段２５の支持部３６および支持ツール形成部３１の基準軸線方向他端部３８ｂが固定される。また基台２８は、ロボットアーム２９の先端部２９ａに連結される。基台２８は、ロボットアーム２９によって変位駆動され、被接合物２２の接合位置に移動する。

ツール変位駆動手段２５がツール保持具２３を基準軸線Ｌ１に沿って変位駆動することによって、支持ツール３０とツール保持具２３との間の間隔は調整可能に構成される。また接合時に被接合物２２に対する接合ツール２１の加圧力Ｆ１および回転速度を制御することによって、３枚以上の複数の被接合部材から成る被接合物の接合にも適用できるように構成される。

図３は、摩擦撹拌接合装置２０を変位駆動する多関節ロボット１３０を示す側面図である。多関節ロボット１３０は、第１アーム１３４と、第２アーム１３７と、第３アーム１２９とを有する。

第１アーム１３４は、ベース１３１に設けられる第１関節１３２に連結されてｙ軸まわりに角変位する。また第１アーム１３４は、ベース１３１に設けられる第２関節１３３によってｚ軸まわりに角変位する。第２アーム１３７は、第１アーム１３４に設けられる第３関節１３５を介して第１アーム１３４に連結されてｙ軸まわりに角変位する。また第２アーム１３７に設けられる第４関節１３６によって第２アーム先端部１３６ａが部分的にｘ軸まわりに角変位する。

第３アーム２９は、第２アーム先端部１３６に設けられる第５関節１３８を介して第２アーム１３７に連結される。第３アーム２９は、第５関節１３８によってｙ軸まわりに角変位する。第３アーム２９の先端部１２９ａには、基台２８が連結される。上述するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、互いに直交する軸線である。

多関節ロボット１３０の各アーム１３４，１３７，２９は、たとえばサーボモータから成るアクチュエータによって駆動される。多関節ロボット１３０は、各アーム１３４，１３７，２９を制御するロボット制御部１６０をさらに有する。ロボット制御部１６０は、アクチュエータに制御信号を伝えるケーブル１６１を介して、教示された動作を各アーム１３４，１３７，２９に行わせる。

図４は、摩擦撹拌接合装置２０の電気的構成を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置２０は、ツール回転駆動手段２４と、ツール変位駆動手段２５と、ツール移動量検出手段４０と、加圧力検出手段４１と、たわみ補正データ蓄積手段４２と、接合条件データ蓄積手段４３と、ツール間距離取得手段４４と、たわみ量算出手段４５と、入力手段４６と、表示手段４７と、制御手段４８とを含む。

ツール移動量検出手段４０は、ツール保持具２３の基準軸線Ｌ１方向の移動距離を検出する。ツール移動量検出手段４０は、たとえばツール変位モータ３７の回転角度位置を検出するエンコーダによって実現される。ツール移動量検出手段４０は、検出結果をツール間距離取得手段４４に与える。ツール移動量検出手段４０は、接合ツール２１の位置を検出するツール位置検出手段となる。

また加圧力検出手段４１は、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力Ｆ１を検出する。具体的に加圧力検出手段４１は、ツール変位モータ３７の電流の値を検出する。ツール変位モータ３７の電流の値は、ツール変位モータ３７の出力トルクに比例し、接合ツール２１の加圧力Ｆ１に対応する。加圧力検出手段４１は、検出結果をたわみ量算出手段４５に与える。

また加圧力検出手段４１は、支持ツール３０に設けられるロードセル４１であってもよい。ロードセル４１は、支持ツール３０が被接合物２２から与えられる加圧力Ｆ２を検出し、この検出値を接合ツール２１の加圧力Ｆ１としてたわみ量算出手段４５に与える。ロードセル４１を用いて接合ツール２１の加圧力Ｆ１を求めることによって、ツール変位モータ３７の電流の値から加圧力Ｆ１を求める場合に比べて、より正確な加圧力Ｆ１を求めることができる。

たわみ補正データ蓄積手段４２は、接合ツール２１の加圧力Ｆ１に対して、摩擦撹拌接合装置２０がたわむたわみ量δをデータベース化して蓄積する。たわみ量δは、支持ツール３０が加圧力を受けて基準状態から基準軸線Ｌ１に沿ってたわむ支持ツールたわみ量と、接合ツール２１が加圧力Ｆ１に対する反力Ｆ３を被接合物２２から受けて、基準状態から基準軸線Ｌ１に沿ってたわむ接合ツールたわみ量との総合した値となる。このたわみ量δは、実験によって予め求められる。

たわみ量算出手段４５は、加圧力検出手段４１から与えられる検出結果に基づいて、たわみ補正データ蓄積手段４２からたわみ量δを抽出する。またたわみ量算出手段４５は、抽出結果をツール間距離取得手段４４に与える。

支持ツール３０は、接合時に被接合物２２を支持し、ツール保持具２３に対して反対側の被接合物２２の面である背表面１５に当接する。したがってたわみ量算出手段４５は、被接合物２２の背表面１５の基準位置に対する位置関係を検出する背表面位置検出手段となる。

ツール間距離取得手段４４は、ツール移動量検出手段４０の検出結果と、たわみ量算出手段４５との抽出結果に基づいて、ツール間距離Ｄ３を算出する。ツール間距離Ｄ３は、接合ツール２１の先端面であるピン部２７の先端面１４と、支持ツール３０の先端面１３との距離である。言換えると、ツール間距離Ｄ３は、ピン部２７の先端面１４と、ツール保持具２３に対して反対側の被接合物２２の背表面１５との距離である。ツール間距離取得手段４４は、算出結果を制御手段４８に与える。

入力手段４６は、各被接合部材２２ａ，２２ｂの板厚、各被接合部材２２ａ，２２ｂの材質、接合すべき被接合物２２ａ，２２ｂの枚数などの設定条件が作業者などから入力される。

接合条件データ蓄積手段４３は、入力手段４６から入力される設定条件に対して最適な接合条件をデータベース化して蓄積する。接合条件は、撹拌接合装置２０の接合時の接合条件である。接合条件は、接合ツール２１の回転速度、接合ツール２１の加圧力、接合時間および目標ツール間距離Ｄ４などである。目標ツール間距離Ｄ４は、接合ツール２１が被接合物２２に没入し、被接合物２２の接合が良好に接合されるときのツール間距離Ｄ３である。このような接合条件は、実験によって予め求められる。

表示手段４７は、少なくとも接合ツール２１が背表面１５に最も近接したときの最小ツール間距離に基づく接合結果を報知する報知手段である。表示手段４７は、最小ツール間距離が予め定められる目標ツール間距離以下に設定される限界ツール間距離より小さい場合に、接合異常であることを接合結果として表示する。

制御手段４８は、ツール回転駆動手段２４およびツール変位駆動手段２５を制御する。本実施の形態では、制御手段４８は、ツール間距離Ｄ３に基づいて、ツール変位駆動手段２５を制御することによって、接合ツール２１から被接合物２２に与える加圧力Ｆ１を調整する。

上述する電気的構成において、たわみ補正データ蓄積手段４２および接合条件データ蓄積手段４３は、たとえばコンピュータ読取可能な記録媒体である。またツール間距離取得手段４４、たわみ量算出手段４５および制御手段４８は、予め定められる各プログラムを実行することによって実現される。

入力手段４６は、作業者が設定条件を入力可能なスイッチが設けられ、たとえばキーボード、タッチパネルなどを含む。また表示手段４７は、液晶ディスプレイなどによって実現される。

図５は、支持ツール形成部３１のたわみを誇張して摩擦撹拌接合装置２０の一部を切断して示す断面図である。接合時に摩擦撹拌接合装置２０は、被接合物２２と摩擦撹拌接合装置２０とが相対的に位置決めされた状態で、装着した接合ツール２１によって被接合物２２を基準軸線Ｌ１に沿って加圧する。このとき接合ツール２１と支持ツール３０とが、被接合物２２を協働して挟持する。接合ツール２１から加圧力Ｆ１が与えられた被接合物２２は、基準軸線Ｌ１に沿って支持ツール３０を加圧する。支持ツール３０を有する支持ツール形成部３１は、被接合物２２から加圧力Ｆ２を受けて、基準軸線Ｌ１に沿ってたわむ。

ツール変位モータ３７の出力トルクは、ツール変位モータ３７に流れる電流にほぼ比例する。ツール変位モータ３７の出力トルクは、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力Ｆ１に対応し、出力トルクの変化に応じて加圧力Ｆ１も変化する。したがって加圧力検出手段４１が、変位駆動モータ３７に流れる電流値を検出することによって、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力Ｆ１を検出することができる。

またたわみ量δは、接合ツール２１の加圧力Ｆ１にほぼ比例する。たわみ量算出手段４５は、加圧力検出手段４１によって加圧力Ｆ１が与えられると、与えられた加圧力Ｆ１に対応するたわみ量δをたわみ量補正データ蓄積手段４２から抽出する。

図６は、接合ツール２１が支持ツール３０を加圧しない自然状態で、接合ツール２１と支持ツール３０とが当接した状態を示す断面図である。加圧しない状態で接合ツール２１が支持ツール３０に当接する場合、その基準軸線Ｌ１方向の当接位置が基準位置Ｐとして設定される。

図７は、接合ツール２１と支持ツール３０との間に隙間１１がある状態を示す断面図である。接合ツール２１は、ツール変位駆動手段２５によって基準軸線方向Ｌ１に沿って変位駆動される。ツール移動量検出手段４１は、接合ツール２１の移動量を検出し、基準位置Ｐから接合ツール２１の基準軸線Ｌ１方向の一端面となるピン部２７の先端面１４までの基準軸線距離である接合ツール距離Ｄ１を検出する。

ツール移動量検出手段４１は、基準位置Ｐに対する接合ツール２１のピン部２７の先端面１４の位置を検出する。接合ツール２１が支持ツール３０に近接するとともに接合ツール距離Ｄ１が短くなり、接合ツール２１が支持ツール３０から離反するとともに接合ツール距離Ｄ１が長くなる。

図８は、摩擦撹拌接合装置２０のたわみを説明するための断面図である。接合ツール２１が被接合物２２を加圧しながら没入すると、被接合物２２は、支持ツール３０に加圧力Ｆ２を与える。これによって支持ツール３０または支持ツールを支持する部分がたわむ。したがって支持ツール３０の先端面１３の位置は、基準位置Ｐから基準軸線Ｌ１に支持ツールたわみ距離Ｄ２Ａだけ変位する。

また接合ツール２１が被接合物２２を加圧しながら没入すると、接合ツール２１は、被接合物２２から反力Ｆ３を受ける。これによって接合ツール２１または接合ツール２１を支持する部分がたわむ。したがって接合ツール２１の先端面１４の位置は、たわみがない場合の仮想接合ツール位置Ｑから基準軸線Ｌ１方向に接合ツールたわみ距離Ｄ２Ｂだけ変位する。

たわみ量算出手段４５は、加圧力検出手段４１が検出する接合ツール２１の加圧力Ｆ１に基づいて、上述する支持ツール３０のたわみ距離Ｄ２Ａと接合ツール２１のたわみ距離Ｄ２Ｂを総合した値を、たわみ補正データ蓄積手段４２から抽出する。またツール間距離取得手段４４は、ツール移動量検出手段４１から接合ツール２１および支持ツール３０にたわみがない状態での接合ツール間距離Ｄ１を取得するとともに、たわみ量算出手段４５から接合ツール２１および支持ツール３０のたわみ距離Ｄ２Ａ，Ｄ２Ｂを取得する。ツール間距離取得手段４４は、この接合ツール間距離Ｄ１とたわみ距離Ｄ２Ａ，Ｄ２Ｂを足し合わせて、ツール間距離Ｄ３を取得する。

図９は、摩擦撹拌接合における制御手段４８の動作を示すフローチャートである。また図１０は、摩擦撹拌接合装置２０の動作を説明するための断面図であり、図１０（１）〜図１０（５）の順に動作が進む。図９および図１０を参照して、摩擦撹拌接合装置２０の摩擦撹拌接合動作を説明する。

まずステップａ０で、設定条件が作業者によって入力手段４６から入力されるとともに、ツール保持具２３に接合ツール２１が装着され、接合動作を行うための準備動作が行なわれる。準備動作によって、被接合物２２と摩擦撹拌接合装置２０とが相対的に位置決めされる。ロボットアーム２９によって摩擦撹拌接合装置２０が被接合物２２に向かって変位駆動される。

摩擦撹拌接合装置２０と被接合物２２との位置決めが完了すると、準備動作が完了したことを示す信号がロボット制御部１６０から制御手段４８に与えられる。これによって制御手段４８は、ステップａ１に進み、摩擦撹拌接合における動作を開始する。このとき接合ツール２１と支持ツール３０と間には、重ね合わされた複数、たとえば２枚の被接合物２２ａ，２２ｂから成る被接合物２２が配置される。

ステップａ１では、制御手段４８が、摩擦撹拌接合に必要な接合条件を取得する。制御手段４８は、入力手段４６から入力された設定条件に対応する最適な接合条件を、接合条件データ蓄積手段４３に蓄積されるデータから抽出する。設定条件は、被接合部材２２ａ，２２ｂの材質、板厚および接合枚数などである。接合条件は、接合ツール２１の設定回転速度、指定加圧力、接合時間および目標ツール間距離Ｄ４などである。制御手段４８が接合条件を取得するとステップａ２に進む。

ステップａ２では、制御手段４８がツール回転駆動手段２４に指令を与える。指令を与えられたツール回転駆動手段２４は、接合ツール２１の回転を開始し、ステップａ３に進む。ステップａ３では、制御手段４８が接合ツール２１の回転速度が予め定められる設定回転速度に達したか否かを判断し、設定回転速度に達したと判断すると、ステップａ４に進む。摩擦撹拌接合装置２０は、接合ツール２１の回転速度を検出する回転速度検出手段を有する。制御手段４８は、回転速度検出手段から接合ツール２１の回転速度を取得することによって設定回転速度に達したか否かを判断する。

ステップａ４では、制御手段４８がツール変位駆動手段２５に指令を与える。制御手段４８から指令を与えられたツール変位駆動手段２５は、接合ツール２１を支持ツール３０に近接する方向に変位駆動し、ステップａ５に進む。図１０（１）に示すように接合ツール保持具２３を回転させながら支持ツール３０に向かって変位移動させることによって、図１０（２）に示すように接合ツール２１のピン部２７の先端面１４を被接合物２２に回転接触させる。このとき接合ツール２１は被接合物２２を加圧する。

接合ツール２１を、被接合物２２に回転接触させることによって、接合ツール２１と被接合物２２との間で摩擦熱を生じさせる。摩擦熱によって被接合物２２が軟化する。接合ツール２１は、被接合物２２を加圧しているので、接合ツール２１が被接合物２２に徐々に没入する。

ステップａ５では、被接合物２２に没入する接合ツール２１のうち、先端部分であるピン部２６が被接合物２１に埋没して、図１０（３）に示すように接合ツール２１のショルダ面２６ａが被接合物２２に接触したか否かを制御手段４８が判断する。制御手段４８は、ショルダ面２６ａが被接合物２２に接触したことを判断するとステップａ６に進む。

制御手段４８は、ツール回転モータ３５を流れるフィードバック電流を取得し、その値が予め定めるしきい値を越えたことを検出した場合に、ショルダ面２６ａが被接合物２２に接触したことを判断する。ショルダ面２６ａが被接合物２２に接触すると設定回転速度で回転するために必要な出力トルクが大きくなり、フィードバック電流が増加する。したがって制御手段４８がツール回転モータ３５を流れるフィードバック電流を監視することによってショルダ面２６ａが被接合物２２に接触したか否かを判断することができる。

ステップａ６では、制御手段４８は、ツール間距離取得手段４４からツール間距離Ｄ３を取得し、ステップａ７に進む。ステップａ７では、制御手段４８がツール間距離Ｄ３に基づいて、接合ツール２１の加圧力Ｆ１を調整する。制御手段４８は、ツール変位駆動手段２４に指令を与え、接合ツール２１の加圧力Ｆ１を調整し、ステップａ８に進む。

制御手段４８は、検出されるツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に近づくにつれて、接合ツール２１から被接合物２２に与える加圧力Ｆ１が小さくなるように、ツール変位駆動手段２４を制御する。たとえば加圧力Ｆ１の制御式は、次式によって設定される。
Ｆ１＝ｆ_０＋Ｇ（Ｄ３−Ｄ４）

上式において、Ｆ１は、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力Ｆ１である。またｆ_０は、指定加圧力ｆ_０であって、予め定められる値である。指定加圧力ｆ_０は、時間ｔによって変化する関数であり、たとえば一定加圧力を一定時間与える関数であってもよい。またＧは、ゲイン値であって予め定められる定数である。またＤ３はツール間距離Ｄ３であって時間経過とともに変化する。またＤ４は、目標ツール間距離Ｄ４であって予め定められる定数である。指定加圧力ｆ_０、ゲイン値Ｇは、予め実験によって最適な値に設定される。

このように接合ツール２１の加圧力Ｆ１を適切に調整することによって、接合後の被接合物２２の残厚Ｅ１を目標の値にすることができる。また本発明で、残厚Ｅ１の目標の値は、予め定められる目標範囲の値であってもよい。また上述するツール間距離Ｄ３に基づく加圧力Ｆ１の制御式は、実施の形態の一例示であって、他の制御式に変更してもよい。

また制御手段４８は、制御式に基づかずに加圧力Ｆ１を算出してもよい。たとえば実験などによって予め求められるツール間距離Ｄ３に応じた加圧力Ｆ１を蓄積手段が蓄積してもよい。この場合、制御手段４８は、蓄積手段からツール間距離Ｄ３に応じた最適な加圧力Ｆ１を抽出する。

ステップａ８では、制御手段４８が、ツール間距離Ｄ３と、ステップａ１で取得した目標ツール間距離Ｄ４とを比較する。制御手段４８は、図１０（４）に示すようにツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達したことを判断するとステップａ９に進む。またツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達していないと判断するとステップａ６に戻る。言換えると、接合ツール２１が背表面１５に最も近接したときの最小ツール間距離が目標ツール間距離Ｄ４に達したことを判断すると、ステップａ９に進み、そうでないとステップａ６に戻る。

ステップａ９では、図１０（５）に示すように、制御手段４８が、ツール変位駆動手段２５に指令を与える。制御手段４８から指令を与えられたツール変位駆動手段２５は、接合ツール２１を支持ツール３０から離反する方向に変位駆動し、接合ツール２１を被接合物２２から離脱させる。

接合ツール２１が予め定める初期位置に変位駆動すると、制御手段４８は、ツール回転駆動手段２４に指令を与える。制御手段４８から指令を与えられたツール回転駆動手段２４は、接合ツール２１の回転を停止し、ステップａ１０に進む。ステップａ１０では、制御手段４８は動作を終了する。

制御手段４８は、ツール間距離Ｄ３を監視し、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達した場合に、接合ツール２１を被接合物２２から離脱させる。これによって突合せ状態が一定でない場合であっても、目標ツール間距離Ｄ４に達するまで接合ツール２１を被接合物２２に没入することができ、被接合物２２の残厚Ｅ１を目標の値にすることができる。

たとえば設定条件として、板厚が２．０ｍｍのアルミニウム合金であって、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されるＡ６Ｎ０１合金が２枚重ね合わされる場合、目標とする目標ツール間距離Ｄ４は、０．７ｍｍに設定され、被接合物２２の残厚Ｅ１は、０．６ｍｍ以上でかつ０．８ｍｍ以下に制御される。

図１１は、隙間１２が形成される２つの被接合部材２２ａ，２２ｂが接合される接合時の状態を示す断面図である。また図１２は、隙間１２が形成される２つの被接合部材２２ａ，２２ｂが接合された接合後の状態を示す断面図である。

被接合物２２の接合部分に隙間１２が形成される場合、接合ツール２１は、一方の被接合部材２２ａを加圧し、一方の被接合部材２２ａを変形させて互いの被接合物２２ａ，２２ｂが当接した状態で接合を行う。接合ツール２１は、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達する位置まで没入するので、目標ツール間距離Ｄ４に達するまでに接合ツール２１が被接合物２２から離脱することがない。

これによって上述する従来の技術のように、目標ツール間距離Ｄ４に達する前に接合ツール２１が離脱すること、または目標ツール間距離Ｄ４に達しても接合ツール２１が離脱せずに被接合物２２を突き抜けることを防止することができる。すなわち被接合物２２に隙間１２が形成される場合であっても、被接合物２２の残厚Ｅ１を目標の値にすることができる。被接合物２２の残厚Ｅ１を目標の値することによって、被接合物２２の接合強度を保ち、接合品質を均一にすることができる。

図１３は、摩擦撹拌接合における制御手段４８の他の形態の動作を示すフローチャートである。制御手段４８は、ツール間距離Ｄ３を監視し、接合異常が生じたと判断すると、接合後または接合中に接合異常を示す接合結果を表示手段４７に表示させる。

また接合条件データ蓄積手段４３は、目標ツール間距離Ｄ４以下に設定される限界ツール間距離Ｄ５を蓄積する。接合ツール２１が被接合物２２に没入し、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５より小さくなると、被接合物２２の接合異常が生じるおそれがある。

制御手段４８は、接合時に最小となるツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５未満である場合、すなわちＤ３＜Ｄ５となる場合に接合異常であることを表示手段４７に表示させる。また接合時に最小となるツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５以上であって目標ツール間距離Ｄ４以下である場合、すなわちＤ５≦Ｄ３≦Ｄ４となる場合に、正常接合であることを表示手段４７に表示させる。また接合時間を経過しても、接合時に最小となるツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４を超える場合、すなわちＤ３＞Ｄ４となる場合に、接合異常であることを表示手段４７に表示させる。

上述する場合の制御手段４８の動作を、図１３を参照して説明する。制御手段４８が行う動作のうち、ステップｂ０〜ステップｂ７の動作は、図９に示すステップａ０〜ａ７と同様の動作を示す。したがってステップｂ５以前については説明を省略し、ステップｂ６以降について説明する。

ステップｂ６では、制御手段４８は、ツール間距離取得手段４４からツール間距離Ｄ３を取得し、ステップｂ７に進む。ステップｂ７では、制御手段４８がツール間距離Ｄ３に基づいて、接合ツール２１の加圧力Ｆ１を調整し、ステップｂ８に進む。

ステップｂ８では、制御手段４８が、ツール間距離Ｄ３と、接合条件データ蓄積手段４３に蓄積される限界ツール間距離Ｄ５とを比較する。制御手段４８は、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５未満、すなわちＤ３＜Ｄ５であると判断するとステップｂ９に進み、そうでないと判断するとステップｂ１２に進む。

ステップｂ９では、制御手段４８が、ツール変位駆動手段２５に指令を与える。制御手段４８から指令を与えられたツール変位駆動手段２５は、接合ツール２１を支持ツール３０から離反する方向に変位駆動し、接合ツール２１を被接合物２２から離脱させる。接合ツール２１が予め定める初期位置に変位駆動すると、制御手段４８は、接合ツール２１の回転を停止し、ステップｂ１０に進む。ステップｂ１０では、制御手段４８が表示手段４７を制御し、接合状態が接合異常であることを表示させ、ステップｂ１１に進む。ステップｂ１１では、制御手段４８は動作を終了する。

またステップｂ８において、制御手段４８が、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５以上、すなわちＤ３≧Ｄ５と判断するとステップｂ１２に進む。ステップｂ１２では、制御手段４８が、ツール間距離Ｄ３と、接合条件データ蓄積手段４３に蓄積される目標ツール間距離Ｄ４とを比較する。制御手段４８は、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４以下、すなわちＤ５≦Ｄ３≦Ｄ４であると判断するとステップｂ１３に進み、そうでないと判断するとステップｂ１５に進む。

ステップｂ１３では、ステップｂ９と同様に制御手段４８が、ツール変位駆動手段２５に指令を与え、接合ツール２１を被接合物２２から離反させて、接合ツール２１の回転を停止する。接合ツール２１の回転を停止すると、ステップｂ１４に進む。ステップｂ１４では、制御手段４８が表示手段４７を制御し、接合状態が正常であることを表示させ、ステップｂ１１に進む。ステップｂ１１では、制御手段４８は動作を終了する。

またステップｂ１２において、制御手段４８が、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４を超える、すなわちＤ３＞Ｄ４と判断するとステップｂ１５に進む。ステップｂ１５では、制御手段４８が、接合開始時からの経過時間と、ステップｂ１で接合条件データ蓄積手段４３に蓄積される接合時間とを比較する。制御手段４８は、接合開始時からの経過時間が接合時間以上であると判断するとステップｂ１６に進む。また制御手段４８が、接合開始時からの経過時間が接合時間未満であると判断するとステップｂ６に戻る。

ステップｂ１６では、ステップｂ９と同様に制御手段４８が、ツール変位駆動手段２５に指令を与え、接合ツール２１を被接合物２２から離反させて、接合ツール２１の回転を停止する。接合ツール２１の回転を停止すると、ステップｂ１７に進む。ステップｂ１７では、制御手段４８が表示手段４７を制御し、接合状態が接合異常であることを表示させ、ステップｂ１１に進む。ステップｂ１１では、制御手段４８は動作を終了する。

板厚が２．０ｍｍのアルミニウム合金であって、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定されるＡ６Ｎ０１合金が２枚重ね合わされる場合、目標とする目標ツール間距離Ｄ４は、０．７ｍｍに設定され、限界ツール間距離Ｄ５は、０．５ｍｍに設定される。

図１４は、接合ルーツ２１が被接合物２２を突き抜けた接合時の状態を示す断面図である。被接合部材２２ａ，２２ｂの形状誤差などによって、接合すべき被接合部材２２ａ，２２ｂに形成される隙間１２が解消されずに接合が行なわれる場合には、接合ツール２１が短時間で被接合物２２ａ，２２ｂを突き抜けることがある。このような場合、被接合物２２の接合強度が低下する場合がある。

図１４に示す状態では、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５より小さくなり、表示手段４７が接合異常を示す接合結果を表示する。これによって作業者は、接合状態が接合異常であることを知り、接合後に強度試験を行うことなく接合異常を判定することができる。

図１５は、接合すべき被接合部材２２ａが準備されずに接合動作が行なわれた接合時の状態を示す断面図である。接合すべき被接合物２２ａが準備されずに接合動作が行なわれる場合には、接合ツール２１が短時間で被接合物２２ｂに没入する。

図１５に示す状態においても図１４と同様に、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５より小さくなり、表示手段４７が接合異常を示す接合結果を表示する。これによって作業者が、接合状態が接合異常であることを判定することができる。

図１６は、設定時間を経過しても接合ツール２１がツール間距離Ｄ４まで達しない接合時の状態を示す断面図である。被接合部材の材質および接合ツール２１の磨耗状態などによって、設定時間を経過しても目標ツール間距離Ｄ４に達しない場合がある。この場合、被接合部材２２ａ，２２ｂを十分に摩擦撹拌することができず、接合強度が低下する。

図１６に示す状態では、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ４より大きくなり、表示手段４８が接合異常を示す接合結果を表示する。これによって作業者は、接合状態が接合異常であることを知り、接合後に強度試験を行うことなく接合異常を判定することができる。

このように制御手段４８は、接合が正常か否かを表示手段４７に表示させることによって、作業者および他の加工装置に接合異常となる被接合物を知らせることができ、利便性を向上させることができる。またステップｂ１０とステップｂ１１とで表示態様を異ならせてもよい。これによってツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５よりも小さくなって接合異常になったのか、接合時間を経過してもツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達することができなかったか否かを選別することができ、さらに利便性を向上することができる。

また制御手段４８は、ステップｂ９において、接合時間、回転速度および加圧力を調整して、接合異常を改善してから接合ツール２１を被接合物２２から離脱してもよい。たとえばツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ５以上となる位置で接合ツール２１を所定時間回転させる。流動する被接合物２２によって接合孔を埋めることで残厚Ｅ１を目標とする値に近づけてもよい。

以上のように本実施の形態では、ツール間距離Ｄ３に基づいて、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力Ｆ１を調整したが、被接合物２２の残厚Ｅ１を制御するために、接合ツール２１の回転速度をツール間距離Ｄ３に応じて変化させてもよい。また接合時間をツール間距離Ｄ３に応じて変化させてもよい。またツール間距離Ｄ３に応じて、加圧力Ｆ１、回転速度、接合時間の少なくとも２つ以上を併用して調整してもよい。

たとえばピン部２７が埋没し、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離に近づくにつれて、接合ツール２１の回転速度を低くなるようにツール回転駆動手段２４を制御してもよい。これによってツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に近づいたときに、流動する被接合物が撹拌過剰となることを抑えて、被接合物の残厚Ｅ１を目標とする値に容易にすることができる。また流動する被接合物が溶融すること、接合ツール２１が没入する周囲の被接合部分が隆起することおよび流動した被接合物が飛散することを防止することができる。

以上のように本発明の摩擦撹拌装置２０によれば、従来のスポット溶接に用いられていた溶接電流、冷却水および供給空気などが不要となり、接合するために必要とするエネルギ消費を大幅に低減することができる。またエネルギ源としての装置および設備が不要となるので、大幅な設備投資の低減を図ることができる。

また従来のスポット溶接に用いる溶接ガンを流用でき、接合部材の制約、接合強度および生産効率のいずれについても、スポット溶接と同等以上の能力を容易に達成することができる。

摩擦撹拌接合装置２０は、ツール間距離Ｄ３を監視しながら、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達するまで、接合ツール２１を被接合物２２に没入させる。これによって突合せ状態が一定でない場合であっても、接合ツール２１の被接合物２２への没入量を一定にすることができ、接合後の被接合物２２の残厚Ｅ１を指定の値に制御することができる。これによって被接合物２２の残厚Ｅ１を均一化することができ、接合品質を安定化することができる。

また突合せ状態が変化しても、作業者が手動で接合条件を変更する必要がなく、利便性を向上することができる。複数の接合部分に連続して接合を行う場合に、接合部分の厚さが異なることがあっても、また接合を繰り返すうちに接合ツール２１の温度が上昇しても、被接合物２２の残厚Ｅ１を均一にすることができ、接合品質を安定化することができる。

また複数の被接合部材２２ａ，２２ｂをそれぞれ十分に流動させることができるツール間距離Ｄ３に、目標ツール間距離Ｄ４を設定することによって、目標ツール間距離Ｄ４に達した接合ツール２１は、被接合部材２２ａ，２２ｂの境界部分１９ａ，１９ｂを十分に撹拌することができる。これによって被接合部材２２ａ，２２ｂの接合領域２２ｃを増やし、被接合物２２の接合異常を防止することができる。

また接合ツール２１および支持ツール３０のたわみを考慮してツール間距離Ｄ３を算出することによって、接合ツール２１が被接合物２２を加圧する加圧力Ｆ１の変化に対応した正確なツール間距離Ｄ３を求めることができる。これによって接合ツール２１の没入量を正確に制御することができ、被接合物２２の残厚Ｅ１をより正確に制御することができる。

また取得されるツール間距離Ｄ３に基づいて、制御手段４８が接合ツール２１から被接合物２２に与える加圧力Ｆ１を調整する。加圧力Ｆ１を調整することによって接合ツール２１の没入速度および発熱量を変化させる。時間経過とともに変化するツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に一致するまで接合ツール２１を被接合物２２に適切に没入させることができる。これによって被接合物２２の残厚Ｅ１を調整することができ、接合品質を安定させることができる。

また接合ツール２１の先端部分であるピン部２７が被接合物２２埋没し、ショルダ部２６のショルダ面２６ａが被接合物２２に接触してから、制御手段４８が加圧力Ｆ１の調整を開始する。これによって接合ツール２１のピン部２７が被接合物２２に埋没するまでに加圧力が高くなることを防止することができる。これによって被接合物のツール保持具に対して反対側部分が盛り上る、いわゆる打痕が生じることを防止することができる。

制御手段４８は、接合ツール２１の加圧力Ｆ１の調整として、取得されるツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に近づくにつれて、接合ツール２１から被接合物２２に与える加圧力Ｆ１を小さくする。これによってツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に近づくと、接合ツール２１の没入速度が低くなり、ツール間距離Ｄ３を目標ツール間距離Ｄ４に一致させやすくすることができる。

また逆にツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達する前でかつ目標ツール間距離Ｄ４より大きい場合には、加圧力Ｆ１を大きくし、接合ツール２１の没入速度を高くすることができる。接合ツール２１の没入速度を高くすることによって、接合時間を短縮することができる。

また図１３のフローチャートに示すように、表示手段４７によって接合異常であることを知らせることができるので、接合異常を知らされた作業者は、接合後、接合異常となる被接合物２２を選別することができる。

また制御手段４８は、ツール回転モータ３５のフィードバック電流およびツール変位モータ３７のフィードバック電流を取得することによって、フィードバック電流の変化に基づいて、接合段階を把握することができる。たとえばツール回転モータ３５のフィードバック電流が段階的に増加することによって、接合ツール２１のピン部２７の先端面１４が被接合物２２に接触したことを判断する。さらにピン部２７の先端面１４が被接合物２２に接触してからツール回転モータ３５のフィードバック電流が段階的に増加することによって、接合ツール２１のショルダ部２６のショルダ部２６ａが被接合物２２に当接したことを判断することができる。

摩擦撹拌接合装置２０は、接合ツール２１の磨耗量が入力されるまたは接合ツールの磨耗量を推測する磨耗量取得手段を有してもよい。ツール間距離取得手段４４は、磨耗量取得手段から与えられる接合ツール２１の磨耗減少量を考慮してさらに正確なツール間距離Ｄ３を算出することができる。

たとえば摩擦撹拌接合を行なう前の準備状態で、図６に示すように制御手段４８が接合ツール２１を支持ツール３０に当接させる、いわゆる空打ち動作を行なう。空打ち動作にあたって、まずツール移動量検出手段４０によって支持ツール３０に接合ツール２１が当接するときの接合ツール移動量を検出する。磨耗量取得手段は、接合ツール２１が支持ツール３０に当接した時の接合ツール移動量と、磨耗する前の接合ツール２１が支持ツール３０にする初期接合ツール移動量とを比較することによって、接合ツール２１の磨耗量を算出することができる。ピン部２７の先端面１４が最初に被接合物２２に当接する位置とショルダ部２６のショルダ面２６ａが最初に被接合物２２に当接する位置とを取得することによって、ショルダ面２６ａからピン部２７の先端面１４までの磨耗による高さ変化を算出することができる。

図１７は、本発明の他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置１２０を示す側面図である。図１７に示す摩擦撹拌接合装置１２０は、図２に示す摩擦撹拌接合装置２０に対して支持ツール形成部３１以外について同様の構成を示す。同様の構成については、同様の参照符号を付し、説明を省略する。

摩擦撹拌接合装置１２０は、支持ツール形成部３１を備えず、摩擦撹拌接合装置１２０とは別に設けられる支持装置２００に支持された状態の被接合物２２を接合する。このときたわみ量δは、被接合物２２からの反力によってロボットアーム２９が基準軸線Ｌ１方向にたわむ量となる。他の構成および動作については、上述する摩擦撹拌接合装置と同様であり、同様の効果を得ることができる。

図１８は、接合時のツール間距離Ｄ３と加圧力との関係を示すグラフである。上述したように本発明では、ツール間距離Ｄ３に基づいて接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力が調整される。加圧力の調整は、図１８の実線３００および一点鎖線３０１で示すように、ツール間距離Ｄ３に基づいて、加圧力を変化させてもよい。さらに図１８の破線３０２で示すように、被接合物２２に予め定める一定の加圧力を与えるようにし、ツール間距離Ｄ３に基づいて、加圧開始時期および加圧終了時期を設定する場合も調整に含む。このように本発明の「調整」は、一定に維持した状態で開始時期および終了時期を変更する場合も含む。

図１９は、本発明の加圧力の他の調整方法を説明するためのタイムチャートである。以下に示す調整方法について、上述した調整方法に対応する部分については、省略し、異なる部分について記載する。

まず制御手段４８は、接合開始時刻Ｔ１から接合ツール２１を被接合物２２に向かって移動させる。そして接合ツール２１は、回転しながら被接合物２２に接触してツール接触時刻Ｔ２に達する。接合ツール２１は、回転するとともに被接合物２２を押圧し、被接合物２２に加圧力を与える。また接合ツール２１は、被接合物２２を摩擦撹拌して軟化させて、被接合物２２に没入する。

接合ツール２１の先端部が没入して先端部没入時刻Ｔ３に達すると、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力を予め定める標準加圧力Ｐ１となるように、ツール変位駆動手段２５を制御する。先端部没入時刻Ｔ３から予め定める時刻経過して、接合状態判定時刻Ｔ４に達すると、制御手段４８は、ツール間距離Ｄ３が予め定める設定ツール間距離Ｈ１であるかどうかを判断する。

状態判定時刻Ｔ４におけるツール間距離Ｄ３が設定ツール間距離Ｈ１と等しい場合には、予め定める標準没入速度と実際の接合ツール２１の没入速度とが同様であると判断し、図１９に実線３０３で示すように、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力を標準加圧力Ｐ１に維持して、接合動作を継続する。

また状態判定時刻Ｔ４におけるツール間距離Ｄ３が設定ツール間距離Ｈ１よりも大きいツール間距離Ｈ２の場合には、標準没入速度よりも実際の接合ツール２１の没入速度が遅いと判断し、図１９に一点鎖線３０４で示すように、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力を標準加圧力Ｐ１よりも大きい加圧力Ｐ２に維持して、接合動作を継続する。これによって接合ツール２１の没入速度が標準没入速度よりも速くなる。

また状態判定時刻Ｔ４におけるツール間距離Ｄ３が設定ツール間距離Ｈ１よりも小さいツール間距離Ｈ３の場合には、予め定める標準没入速度よりも実際の接合ツール２１の没入速度が速いと判断し、図１９に二点鎖線３０５で示すように、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力を標準加圧力Ｐ１よりも小さい加圧力Ｐ３に維持して、接合動作を継続する。これによって接合ツール２１の没入速度が標準没入速度よりも遅くなる。

ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達するであろう撹拌完了時刻Ｔ５に達すると、接合ツール２１を被接合物２２から離脱させる。そして接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力が徐々に減少し、加圧終了時刻Ｔ６で加圧力を除去して接合ツール２１を被接合物２２から離反させる。

このように状態判定時刻Ｔ４におけるツール間距離Ｄ３に基づいて、状態判定時刻Ｔ４以降の加圧力を決定することによって、接合ツール２１の没入速度を変化させることができ、被接合ツール２１の板厚のばらつきなどにかかわらずに、撹拌完了時刻Ｔ５における接合ツール２１のツール間距離Ｄ３を目標ツール間距離Ｄ４に近づけることができる。これによって接合後の被接合物２２の残板厚をほぼ均一にすることができる。なお状態判定時刻Ｔ４以降の加圧力Ｐは、次式によって与えられてもよい。
Ｐ＝Ｐ１＋Ｇ×（Ｈ１−Ｈ）

ここでＨは、状態判定時刻Ｔ４におけるツール間距離Ｄ３であり、Ｈ１は、設定ツール間距離である。したがってＨ１−Ｈは、設定ツール間距離Ｈ１から状態判定時刻Ｔ４におけるツール間距離Ｈを減算した値である。Ｇは、ゲイン値であって予め定められる定数である。Ｐ１は、標準加圧力である。標準加圧力Ｐ１およびゲイン値Ｇは、予め実験によって最適な値に設定される。

このようにして接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力を調整すると、被接合部材の板厚などにかかわらず、接合終了時間をほぼそろえることができる。しかし接合中に加圧力を変更した場合には、ツール間距離取得手段４４によって算出されるツール間距離と実際のツール間距離とが少々ずれてしまう。したがって目標とする被接合物２２の残板厚の許容範囲が小さい場合には、図１９に示す加圧力の調整方法では、接合後の被接合物２２の残板厚が許容範囲を満足しない場合がある。

図２０は、加圧力とたわみの関係を示すグラフである。たわみ補正データ蓄積手段４２は、加圧力とたわみの関係を示すデータベースを蓄積する。このデータベースは、接合ツール２１に複数の異なる加圧力を与えた場合のたわみ量をそれぞれ実測した各実測値に基づいて求められる。具体的には、予め定める加圧力毎に加圧力に対するたわみ量を実測し、残りの加圧力に対するたわみ量を、実測した加圧力に対するたわみ量に基づいて補間することによってデータベースが生成される。このようなデータベースは、摩擦撹拌装置の種類毎にそれぞれ求められる。

図２０には、実測したたわみ量を三角△３０６で示し、実測したたわみ量に基づいた加圧力とたわみ量との関係を直線３０７で示す。データベースに基づいてたわみを求めることによって、無加圧時と加圧時とでオフセットａが生じる場合、たわみと加圧力との関係が近似式で表現できない場合などであっても、たわみ量の信頼性を向上することができる。

実測したたわみ量は、静的な加圧力、すなわち一定の加圧力を与えた場合に摩擦撹拌接合装置がたわむ量である。このような静的な加圧力に対するたわみ量は、実験によって求めることができる。これに対して動的な加圧力、すなわち変動する加圧力を与えた場合に摩擦撹拌接合装置がたわむ量は、加圧力の変動具合に応じて変化してしまい、実験によって求めることが困難である。

図２０に動的なたわみ量を丸点○３０８で示すように、動的な加圧力によるたわみ量と、静的な加圧力によるたわみ量とは、ずれ３０９が生じる。たとえば接合時に接合ツール２１が支持ツール３０に与える加圧力が変動することによって、動加圧時のたわみ量は、静加圧時のたわみ量に比べて約１０パーセント低下する。したがってこの低下分のたわみが誤差として生じる。

図２１は、先端部没入時刻Ｔ３から加圧終了時刻Ｔ５まで加圧力を一定に維持した場合を示すグラフである。また図２２は、先端部没入時刻Ｔ３から加圧終了時刻Ｔ５まで加圧力を変化させた場合を示すグラフである。図２１に示すように、接合中に加圧力を一定に維持した場合には、加圧力が静的となり、ツール間距離取得手段４４によって求められるたわみ量である演算たわみ３５０と、実際のたわみ量である現実たわみ３５１とのずれがほとんどない。これによって接合後の被接合物２２の残板厚を目標とする値に精度よく一致させることができる。

これに対して図２２に示すように、接合中に加圧力を変化させた場合には、加圧力が動的となり、前記演算たわみ３５０と前記現実たわみ３５１との間に、たわみ誤差３０９が生じる。この場合、たわみ誤差３０９によって実際のたわみ量３５１を正確に求めることができないので、演算たわみ量に基づいて求められるツール間距離Ｄ３も、実際のツール間距離に対して誤差が生じて、少々ずれてしまう。これによって接合後の被接合物２２の残板厚が目標とする値から少々ずれてしまう。

図２３は、被接合物２２の残板厚の設定値と実測値との関係を示すグラフである。加圧力を一定に維持して摩擦撹拌接合を行う場合には、図２３の細い一点鎖線３１０に示すように、被接合物２２の実際の残板厚は、予め定める設定値に対するずれが小さい。これに対して加圧力を変化させて摩擦撹拌接合を行う場合には、図２３の太い一点鎖線３１１に示すように、被接合物２２の実際の残板厚は、予め定める設定値に対してずれが大きくなる。

目標とする残板厚に対して許容される残板厚許容範囲が大きい場合は、加圧力を変化させても加圧力を一定にしても、残板厚許容範囲３１２を満足することができる。しかしながら目標とする残板厚に対して許容される残板厚許容範囲が小さい場合は、加圧力を一定にしなければ、残板厚許容範囲３１２を満足しない。

図２４は、残板厚とせん断強度の関係を示すグラフである。残板厚は、薄すぎても厚すぎてもせん断強度が低い。そしてせん断強度が最も高くなる強度最大残板厚Ｓは、実験によって求めることができる。せん断強度は、残板厚が薄い状態から強度最大残板厚Ｓに近づくにつれて大きくなり、強度最大残板厚Ｓからさらに厚くなるにつれて小さくなる。

予め定められる規格せん断強度が設定される場合、規格せん断強度Ｕ１が大きい場合には、強度最大残板厚Ｓからのばらつきを小さく抑える必要があり、小さい残板厚許容範囲３１３を満足する必要がある。この場合には、上述したように加圧力を一定に維持した状態で摩擦撹拌接合が行なわれる。

また規格せん断強度Ｕ２が小さい場合には、強度最大残板厚Ｓからのばらつきが大きくてもよく、大きい残板厚許容範囲３１２を満足すればよい。この場合には、加圧力を一定に維持しても、加圧力を変動させてもよい。

図２５は、加圧力を一定に維持する場合の制御手段の動作を示すフローチャートである。制御手段４８が行う動作のうち、ステップｃ０〜ステップｃ６の動作は、図９に示すステップａ０〜ａ６と同様の動作を示す。またステップｃ８〜ステップｃ１０の動作は、図９に示すステップａ８〜ステップａ１０と同様の動作を示す。したがってステップｃ７の動作が異なる以外は、図９に示す手順と同様である。したがってステップｃ７以前およびステップｃ８以降の動作については、説明を省略し、ステップｃ７の動作について説明する。

ステップｃ６で、ツール間距離Ｄ３を取得すると、ステップｃ７に進む。ステップｃ７では、ロードセル４９から検出される加圧力を取得し、加圧力が予め定める一定値となるようにツール変位駆動手段４４をフィードバック制御し、ステップｃ８に進む。

このようにロードセル４９によって接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力を検出する。そしてツール間距離取得手段４４が、加圧力に対応するたわみ量とツールの位置とに基づいて、ツール間距離Ｄ３を算出する。制御手段４８は、接合ツール２１の先端部が没入してから、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離に達するまで、サーボモータに与える電流を調整して、接合ツール２１の加圧力を一定に制御する。

このように接合中に接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力、言い換えると接合ツール２１が被接合物２２を介して支持ツール３０に与える加圧力をほぼ一定に保つ。すなわち、図１９に示すような残板厚の偏差による加圧力の比例制御は行わない。これによって接合ツール２１が被接合物２２を押付けた場合に起因する摩擦撹拌接合装置のたわみ量を一定に保つことができる。したがって図２１に示すように、加圧力が変動する場合に比べて算出されるツール間距離Ｄ３の信頼度を向上することができ、被接合物２２の残板厚をさらに精度よく目標の値にすることができる。

なお、目標とする残板厚を接合強度が最大となる強度最大残板厚Ｓに設定することによって、接合後の強度を向上することができる。また残板厚を均一化することによって、接合後の被接合物２２の接合跡の形状をそろえることができ、美観を向上することができる。またせん断強度試験を行った場合に生じる破断径のばらつきを小さくすることができる。破断径は、せん断強度によってはく離した２つの被接合部材のうち、支持ツール側の被接合部材に形成される接合跡である。破断径の形状は、せん断強度に影響するので、破断径のばらつきを小さくすることによって、せん断強度のばらつきを小さくすることができる。

また、ツール間距離取得手段４４は、加圧力検出手段４１から検出される加圧力に応じたたわみ量を、たわみ補正データ蓄積手段４２が有するデータベースから抽出する。本実施の形態では、予め定める加圧力毎に加圧力に対するたわみ量を実測し、残りの加圧力に対するたわみ量を、実測した加圧力に対するたわみ量に基づいて補間することによってデータベースを生成する。これによって、たわみ量と加圧力との関係が線形でない場合であっても対応することができ、さらに精度よくたわみ量を算出することができる。

また、ロードセル４９によって加圧力を検出する場合、ロードセル４９の検出結果に基づいて、加圧力が予め定める上限値を超える場合または下限値未満の場合に加圧力異常を報知してもよい。これによってツール変位駆動手段２５の可動部分の潤滑剤不足などによって、十分な加圧力が被接合物２２に与えられない場合を報知することができる。このように接合状態が異常である可能性があることを作業者に知らせることによって、利便性を向上することができる。

図２６は、加圧力を一定に維持する場合の制御手段の他の動作を示すフローチャートである。制御手段４８は、接合ツール２１が被接合物２２に接触してから経過する接合時間を測定し、ツール間距離Ｄ３と接合時間とに応じてツール変位駆動手段４４を制御する。また制御手段４８は、接合異常が生じた場合、接合後または接合中に、接合異常を表わす接合結果を表示手段４７に表示させる。この場合、摩擦撹拌接合装置は、接合ツール２１が被接合物２２に没入する接合時間を測定する接合時間測定手段をさらに含む。

接合条件データ蓄積手段４３は、接合最大時間と、接合最小時間と、限界ツール間距離とを記憶する。接合ツール２１が被接合物２２に没入してから最大接合時間を経過すると、被接合物２２の接合異常が生じるおそれがある。たとえば接合最大時間を超えると、被接合物２２が過大に熱せられて、被接合物２２の接合部分の熱ひずみが大きくなる場合がある。

また接合最小時間が経過しないと、被接合物２２の流動化した領域の撹拌不足が生じるおそれがある。この場合、複数の被接合部材が互いに混ざり合う部分が少なくなり、強度不足となる場合がある。また限界ツール間距離よりもツール間距離Ｄ３が小さくなると、接合後の残板厚が十分に確保することができないおそれがある。この場合、接合強度が不足したり美観が損なわれたりする。このような接合最大時間、接合最小時間、限界ツール間距離は、予め実験などによって求められ、入力手段４６から入力される。

制御手段４８が行う動作のうち、ステップｄ０〜ステップｄ７の動作は、図２５に示すステップｃ０〜ステップｃ７と同様の動作を示す。したがってステップｄ６以前の動作については、説明を省略し、ステップｄ７以降の動作について説明する。

ステップｄ７では、制御手段４８がツール間距離Ｄ３に基づいて、接合ツール２１の加圧力を予め定められる一定値に調整し、ステップｄ８に進む。ステップｄ８では、接合ツール２１が被接合物２２に没入してから、接合最大時間を超えたか否かを判断する。接合最大時間を超えている場合には、ステップｄ９に進む。ステップｄ９では、接合ツール２１を被接合物２２から離脱させて、ステップｄ１０に進む。ステップｄ１０では、接合最大時間に達したことを示す情報を報知してステップｄ１５に進む。そしてステップｄ１５で接合動作を終了する。

ステップｄ８において、接合最大時間を超えていない場合には、ステップｄ１１に進む。ステップｄ１１では、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達したか否かを判断し、目標ツール間距離Ｄ４に達していない場合には、ステップｄ６に戻る。またツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達した場合には、ステップｄ１２に進む。

ステップｄ１２では、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離であるか否かを判断し、限界ツール間距離に達している場合には、ステップｄ１２に進む。ステップｄ１２では、接合ツール２１を被接合物２２から離脱させて、ステップｄ１０に進む。ステップｄ１０では、限界ツール間距離に達したことを示す情報を報知してステップｄ１５に進む。そしてステップｄ１５で接合動作を終了する。

ステップｄ１１において、限界ツール間距離に達していない場合には、ステップｄ１３に進む。ステップｄ１３では、接合ツール２１が被接合物２２に没入してから、接合最小時間未満であるか否かを判断する。接合最小時間未満である場合には、ステップｄ１２に戻る。またステップｄ１３において接合最小時間を超える場合には、ステップｄ１４に進む。そしてステップｄ１４で接合ツール２１を被接合物２２から離脱させて、ステップｄ１５に進む。そしてステップｄ１５で接合動作を終了する。

図２７は、接合時間と加圧力との関係を示す図である。接合最大時間および接合最小時間は、入力手段を用いて作業者が任意に与えることができる。また予め接合条件データ蓄積手段４３に記憶されていてもよい。たとえば作業者は、教示加工時間Ａｔと、上限比率α_ｍａｘおよび下限比率α_ｍｉｎを設定可能である。また教示加工時間Ａｔは、接合ツール２１が被接合物２２に没入すべき距離に比例して設定されてもよい。

上限比率α_ｍａｘおよび下限比率α_ｍｉｎは、複数の接合位置について摩擦撹拌接合装置が順次接合する場合、全接合位置共通に設定される。また上限比率α_ｍａｘおよび下限比率α_ｍｉｎは、接合位置毎に設定してもよい。なお、接合位置毎に上限比率α_ｍａｘおよび下限比率α_ｍｉｎが設定されることによって、より接合品質を向上することができる。教示加工時間Ａｔは、全接合位置共通でもよく、また各接合位置にそれぞれ設定されてもよい。この場合、接合最大時間は、接合加工時間Ａｔに上限比率α_ｍａｘを乗算した値、すなわちＡｔ×α_ｍａｘとなる。接合最小時間は、接合加工時間Ａｔに下限比率α_ｍｉｎを乗算した値、すなわちＡｔ×α_ｍｉｎとなる。

接合中のツール間距離Ｇは、次式によって表わされる。
Ｇ＝Ｌ＋Ｄ

ここで、Ｇは、ツール間距離Ｄ３を表わす。Ｌは、接合ツール２１の位置を表わす。Ｄは、ツール保持具２３のたわみと支持ツール３０とのたわみを総合した総たわみ量Ｄを表わす。総たわみ量Ｄは、次式によって表わされる。
Ｄ＝Ｋ１（Ｐｆ）

ここで、Ｋ１（Ｐｆ）は、ロードセル４９によって検出される加圧値Ｐｆに対応するたわみ量である。またＫ１（Ｐｆ）は、ロードセル４９によって検出される加圧力Ｐｆに応じたたわみ量がデータベースから抽出された値である。また加圧力は、予め定められる教示加圧力となるように制御される。

図２７に破線３２０で示すように、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達しない場合であっても、予め定める接合最大時間（Ａｔ×α_ｍａｘ）を超えると、接合ツール２１の被接合物２２への没入を解除する。これによって接合ツール２１がいつまでたっても被接合物２２に没入しつづけることを防ぐことができる。接合最大時間に達した場合には、予め定める基準位置に接合ツール２１を移動して、接合異常であることを表示するとともに被接合物２２の残板厚を表示する。

また図２７に一点鎖線３２１で示すように、接合最小時間（Ａｔ×α_ｍｉｎ）未満で、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達してしまった場合、接合最小時間を超えるまで接合ツール２１の被接合物２２への没入を継続する。これによって被接合物２２の撹拌を十分に行い、撹拌不足を防止することができる。接合最小時間を超えて接合を行なった場合には、接合異常を表示せず、被接合物２２の残板厚を算出して表示する。また複数の接合部分を接合する場合は、接合異常となった接合部分を示す情報を表示してもよい。

また図２７に２点差線３２２で示すように、接合最小時間（Ａｔ×α_ｍｉｎ）に達する前に、ツール間距離Ｄ３が限界ツール間距離Ｄ４に達してしまう場合には、接合ツール２１の被接合物２２の没入を解除する。これによって接合ツール２１が被接合物２２に没入しすぎることを防ぐことができ、接合品質を向上することができる。たとえば接合ツール２１が被接合物２２を貫通することを防ぐことができる。限界ツール間距離に達した場合には、予め定める基準位置に接合ツール２１を移動した時点で、接合異常であることを報知する。また複数の接合部分を接合する場合は、接合異常となった接合部分を示す情報を表示してもよい。このように接合最大時間、接合最小時間および限界ツール間距離を設定することによって、接合品質をさらに安定することができ、利便性を向上することができる。

図２８は、本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置は、図１、図２および図４に示す摩擦撹拌接合装置と類似した構成を示し、類似した構成については、同様の参照符号を付して説明を省略する。摩擦撹拌接合装置は、上述した構成の他に、接合ツール２１を冷却する冷却手段５００を有する。また摩擦撹拌接合装置は、接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力を測定するための加圧力検出手段として、ロードセル４９が設けられることが好ましい。なおたわみ量を検出するためにロードセル４９とたわみ補正データ蓄積手段４２を備えたが、レーザ変位計などによって摩擦撹拌接合装置のたわみ量を直接検出してもよい。この場合も、ツール間距離取得手段４４は、たわみ量とツールの位置とに基づいてツール間距離Ｄ３を算出する。

冷却手段５００は、冷却した空気を接合ツール２１に吹き付ける空気噴出部によって実現される。たとえば空気噴出部によって接合ツール２１に吹き付けられる冷却空気は−４０℃以上室温以下で、流量３５０リットル／ｍｉｎ（０．３５ｍ^３／ｍｉｎ）以上９９０リットル／ｍｉｎ（０．９９ｍ^３／ｍｉｎ）以下であることが好ましい。冷却空気の温度は、低いほうが接合ツールの熱膨張を抑制することができるが、低すぎると、接合時間がかかる。なお、許容残板厚の余裕度が大きい場合は、冷却温度は、室温でもよい。たとえば冷却空気の温度は、−１０℃、流量は、７００リットル／ｍｉｎ（０．７ｍ^３／ｍｉｎ）に設定される。冷却手段５００は、冷却空気を吹き付ける時間および温度など、ツールを冷却する冷却条件を調整可能であることが好ましい。このとき、前記接合加工時間Ａｔは、３秒に設定され、前記上限比率α_ｍａｘは、５０％に設定され、前記下限比率α_ｍｉｎは、５０％に設定される。これによって撹拌量を十分に保つとともに、過剰に接合ツール２１が加熱することがない。

加圧力検出手段４１としてロードセル４９を用いた場合には、ロードセル４９によって検出される加圧力が一定となるように、ツール変位駆動手段２５がフィードバック制御される。またツール間距離取得手段４４は、ロードセル４９から検出される加圧力に基づいた摩擦撹拌装置のたわみ量をデータベースから抽出する。そして抽出したたわみ量と接合ツール２１の移動量に基づいて、ツール間距離Ｄ３を演算する。

図２９は、摩擦撹拌接合装置の動作を示すフローチャートである。摩擦撹拌接合装置は、スポット連続接合に好適に用いられる。制御手段４８の接合動作については、上述する接合動作のうちのいずれかの動作を行うことによって、実現することができる。図２９に示す摩擦撹拌接合装置は、接合部分を接合した後、次の接合部分に移動する間に、冷却手段５００によって接合ツール２１を冷却する。

具体的には、ステップｅ０で、複数の接合部分が予め教示され、複数の接合部分に連続して接合可能な状態となった状態で、接合動作の開始命令が与えられると、ステップｅ１に進み、接合動作を開始する。

ステップｅ１では、上述する接合動作のうちのいずれかの接合動作を行い、被接合物２２に予め定められる接合部分を接合する。そしてステップｅ２に進む。ステップｅ２では、摩擦撹拌接合装置と被接合物２２との相対位置を変更する。このとき冷却手段５００によって接合ツール２１が冷却される。そしてステップｅ３に進む。ステップｅ３では、予め定められる全ての接合部分の接合を完了したか否かを判断し、接合が完了していない場合には、ステップｅ１に戻り、他の接合部分の接合動作を行う。またステップｅ３において、すべての接合部分の接合を完了したと判断した場合には、ステップｅ４に進み、動作を終了する。

このように、接合ツール２１を接合動作以外で冷却することによって接合ツール２１の過度の温度膨張を防ぐことができ、スポット接合を複数行った場合であっても、ツール間距離の信頼性を向上することができる。

図３０は、接合ツール２１の温度を示すタイムチャートである。上述したように接合動作が複数回行われる場合、連続して各接合動作を行う期間にわたって、接合ツール２１が冷却される。接合ツール２１は、被接合物２２に没入している間は、その温度が上昇する。そして接合後に被接合物２２から離脱すると冷却手段５００によって冷却される。冷却温度および冷却期間などが調整されることによって、接合ツール２１を予め定める温度範囲に保つことができ、過度に温度が上昇したり、過度に温度が低下したりすることを防止することができる。

また一つの接合部分毎に、接合最大時間および接合最小時間、限界ツール間距離が設定されるとともに冷却手段５００を備えることによって、連続して各接合動作を行う期間にわたって、接合ツール２１の温度を予め定める範囲内に収めることができ、より確実に接合ツール２１を予め定める温度に保つことができる。これによって複数の接合部分を順にスポット接合する場合に、接合ツールが過度に熱膨張することができ、制御手段４８が認識するツール間距離Ｄ３が実際のツール間距離とずれることを防止して、接合後の残板厚を全ての接合部分について、精度よく調整することができる。冷却手段によるツール冷却は、連続的に行ってもよく、予め定められる時間ごとに冷却、冷却停止を繰返してもよい。これによって複数の接合部分のうち少々の接合部分が接合異常となった場合であっても、全体として接合される被接合物の接合強度を向上することができる。また複数の接合部分のうち、接合異常となる接合部分の数をカウントし、そのカウント数が予め定められるカウント数を超えた場合に作業者に接合異常状態を報知することによって、接合強度が不足するであろう接合後の被接合物２２を抽出してもよい。

またさらに他の実施の形態として、冷却手段５００に換えて、接合ツールの変形量を検出する変形量検出手段を備えてもよい。この場合、接合ツール２１の変形量として、接合ツールの磨耗量または温度変形量などの接合ツールの変形量を検出し、その変形量をツール間距離取得手段４４に与えることによって、接合ツールの変形量を考慮したツール間距離を求めることができ、さらに接合後の被接合物の残板厚を目標の値に近づけることができる。

この場合、予め定める許容変形量を超えた場合、たとえば基準形状の８０％以下および１２０％以上の形状となった場合に接合ツール２１が変形していることを報知してもよい。これによって作業者は、接合ツール２１の磨耗時期や、冷却時期を判断することができ、利便性を向上することができる。磨耗量は、前述した方法によって算出することができる。また熱膨張量は、レーザ変位計を用いてもよく、また接合ツール２１の温度を測定し、その温度に基づいて算出してもよい。

以上のような本発明の実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で構成を変更して適用してもよい。基準軸線Ｌ１は、鉛直方向に交差する方向に延びてもよい。これによってロボットアーム２９によって変位駆動される摩擦撹拌接合装置２０，１２０は、鉛直方向に交差する方向に重なる被接合部材２２ａ，２２ｂを互いに接合することができる。

また本発明は、スポット接合に用いられるとしたが、被接合物２２に埋没した状態で、基準軸線Ｌ１に対して交差する方向に連続的に移動する連続摩擦撹拌接合であってもよい。また被接合物２２を構成する複数の被接合部材２２ａ，２２ｂの枚数は、２枚に限定されない。また重ね合わせのほか複数の被接合物２２ａ，２２ｂが突き合わされた状態で接合されてもよい。また複数の被接合部材２２ａ，２２ｂは、アルミ合金に限定されず、接合ツール２１よりも軟質であり、摩擦熱によって流動化する材料であればよい。各接合部材２２ａ，２２ｂが異なる材質から成ってもよい。

また制御手段４８がコンピュータプログラムを読込んで、上述する動作を実行してもよく。またコンピュータプログラムが格納された記録媒体から読み出されたコンピュータプログラムを読込んで、上述する動作を実行してもよい。

また本発明は、ツール間距離Ｄ３が、予め定める目標ツール間距離Ｄ４になるまで、接合ツール２１を回転させながら被接合物２２に没入させて、被接合物２２を軟化させて流動させる摩擦撹拌工程と、ツール間距離Ｄ３が目標ツール間距離Ｄ４に達した後、接合ツール２１を被接合物２２から離脱させる離脱工程とを
を有する摩擦撹拌接合方法も含み、上述する摩擦撹拌接合動作について一部を手動で行ってもよい。

本発明の実施の一形態である摩擦撹拌接合装置２０の要部を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置２０の一部を切断して示す断面図である。摩擦撹拌接合装置２０を変位駆動する多関節ロボット１３０を示す側面図である。摩擦撹拌接合装置２０の電気的構成を示すブロック図である。支持ツール形成部３１のたわみを誇張して摩擦撹拌接合装置の一部を切断して示す断面図である。加圧しない状態の接合ツール２１が支持ツール３０に当接した状態を示す断面図である。接合ツール２１と支持ツール３０との間に隙間１１がある状態を示す断面図である。摩擦撹拌接合装置のたわみを説明するための断面図である。摩擦撹拌接合における制御手段４８の動作を示すフローチャートである。摩擦撹拌接合装置２０の動作を説明するための断面図である。隙間１２が形成される２つの被接合部材２２ａ，２２ｂが接合される接合時の状態を示す断面図である。隙間１２が形成される２つの被接合部材２２ａ，２２ｂが接合された接合後の状態を示す断面図である。摩擦撹拌接合における制御手段４８の他の形態の動作を示すフローチャートである。接合ルーツ２１が被接合物２２を突き抜けた接合時の状態を示す断面図である。接合すべき被接合部材２２ａが準備されずに接合動作が行なわれた接合時の状態を示す断面図である。設定時間を経過しても接合ツール２１がツール間距離Ｄ４まで達しない接合時の状態を示す断面図である。本発明の他の実施の形態である摩擦撹拌接合装置１２０を示す側面図である。接合時のツール間距離と加圧力との関係を示すグラフである。本発明の加圧力の他の調整方法を説明するためのタイムチャートである。加圧力とたわみの関係を示すグラフである。

先端部没入時刻Ｔ３から加圧終了時刻Ｔ５まで加圧力を一定に維持した場合を示すグラフである。先端部没入時刻Ｔ３から加圧終了時刻Ｔ５まで加圧力を変化させた場合を示すグラフである。被接合物の残板厚の設定値と実測値との関係を示すグラフである。残板厚とせん断強度の関係を示すグラフである。加圧力を一定に維持する場合の制御手段の動作を示すフローチャートである。加圧力を一定に維持する場合の制御手段の他の動作を示すフローチャートである。接合時間と加圧力との関係を示す図である。本発明のさらに他の実施の形態の摩擦撹拌接合装置を示すブロック図である。摩擦撹拌接合装置の動作を示すフローチャートである。接合ツールの温度を示すタイムチャートである。

符号の説明

２０摩擦撹拌接合装置
２１接合ツール
２２被接合物
２２ａ，２２ｂ被接合部材
２３ツール保持具
２４ツール回転駆動手段
２５ツール変位駆動手段
２６ショルダ部
２７ピン部
２８基台
２９ロボットアーム
３０支持ツール
３１支持ツール形成部
４０ツール移動量検出手段
４１加圧力検出手段
４２たわみ補正データ蓄積手段
４３接合データ蓄積手段
４４ツール間距離取得手段
４５たわみ量算出手段
４６入力手段
４７表示手段
４８制御手段
Ｌ１基準軸線
Ｆ１接合ツール２１が被接合物２２に与える加圧力
Ｅ１残厚

Claims

複数の被接合部材が重ね合わされて設けられる被接合物を部分的に固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める基準軸線まわりに回転自在にかつ基準軸線に沿って変位自在に設けられ、接合ツールが着脱自在に装着されるツール保持具と、
ツール保持具を基準軸線まわりに回転駆動するツール回転駆動手段と、
ツール保持具を基準軸線に沿って変位駆動するツール変位駆動手段と、
ツール保持具に装着された接合ツールとツール保持具に対して反対側の被接合物の背表面との距離であるツール間距離を取得するツール間距離取得手段と、
取得されるツール間距離に基づいて、取得されるツール間距離が予め定める目標ツール間距離となる位置まで、接合ツールを被接合物に没入させるように、ツール変位駆動手段を制御する制御手段とを含み、
接合ツールが被接合物に没入するときに接合ツールが被接合物に与える加圧力を検出する加圧力検出手段と、
接合ツールの位置を検出するツール位置検出手段とをさらに含み、
ツール間距離取得手段は、検出される加圧力および検出される接合ツールの位置とに基づいて、ツール間距離を算出することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
制御手段は、取得されるツール間距離に基づいてツール変位駆動手段を制御して、接合ツールから被接合物に与える加圧力を調整することを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
制御手段は、接合ツールの先端部が被接合物に埋没した後、接合ツールから被接合物に与える加圧力を調整することを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合装置。
制御手段は、検出されるツール間距離が目標ツール間距離に近づくにつれて、接合ツールから被接合物に与える加圧力が小さくなるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
接合ツールが被接合物から離脱した後、接合ツールが背表面に最も近接したときの最小ツール間距離に基づく接合結果を報知する報知手段をさらに含み、
前記報知手段は、前記最小ツール間距離が、目標ツール間距離以下に設定される限界ツール間距離より小さい場合に、接合異常であることを示す接合結果を報知することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
ツール保持具に対向して配置されて各被接合部材を支持する支持ツールと、
接合ツールが被接合物に没入するときに、接合ツールが被接合物を介して支持ツールに与える加圧力を検出する加圧力検出手段と、
接合ツールが支持ツールに与える加圧力に起因するツール保持具および支持ツールの少なくともいずれかのたわみ量を記憶するたわみ補正データ蓄積手段と、
接合ツールの位置を検出するツール位置検出手段とをさらに含み、
前記ツール間距離取得手段は、加圧力検出手段から検出される加圧力に基づいてたわみ補正データ蓄積手段から算出されるたわみ量を取得するとともに、ツール位置検出手段が検出する接合ツールの位置を取得することによってツール間距離を算出し、
前記制御手段は、接合ツールの先端部が被接合物に没入してからツール間距離が予め定める目標ツール間距離となる位置まで、接合ツールを予め定める一定加圧力で被接合物に押付けて没入させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
前記たわみ補正データ蓄積手段は、接合ツールが被接合物を介して支持ツールに与える加圧力ごとにそれぞれ対応づけられるたわみ量をデータベース化して記憶し、
前記データベースは、支持ツールに複数の異なる加圧力を与えた場合のたわみ量をそれぞれ実測した各実測値に基づいて求められることを特徴とする請求項６記載の摩擦撹拌接合装置。
接合ツールが被接合物に没入する接合時間を測定する接合時間測定手段をさらに含み、
前記制御手段は、目標ツール間距離となる位置に接合ツールが達していなくても、接合時間が予め定める接合最大時間を超えると、接合ツールの被接合物への没入を解除させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする請求項６または７記載の摩擦撹拌接合装置。
接合ツールが被接合物に没入する接合時間を測定する接合時間測定手段をさらに含み、
前記制御手段は、目標ツール間距離となる位置に接合ツールが達していても、接合時間が予め定める接合最小時間を超えるまで、接合ツールの被接合物への没入を継続させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
前記制御手段は、前記接合最小時間未満であっても、目標ツール間距離よりも小さく設定される限界ツール間距離となる位置に接合ツールが達すると、接合ツールの被接合物への没入を解除させるように、ツール変位駆動手段を制御することを特徴とする請求項９記載の摩擦撹拌接合装置。
接合中の異常状態を表わす情報を報知する報知手段をさらに含み、
報知手段は、加圧力検出手段の検出結果に基づいて、接合ツールが被接合物を介して支持具に与える加圧力が予め定める上限値を超える場合または下限値未満の場合に加圧力異常を報知することを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
接合ツールを予め定める条件で冷却する冷却手段をさらに含むことを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
接合ツールの変形量を検出する変形量検出手段をさらに含み、
ツール間距離取得手段は、たわみ量および接合ツールの位置とともに、変形量検出手段の検出結果に基づいてツール間距離を算出することを特徴とする請求項６記載の摩擦撹拌接合装置。
複数の被接合部材が重ね合わされて設けられる被接合物を部分的に固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールと接合ツールに対して反対側の被接合物の背表面との距離であるツール間距離が、予め定める目標ツール間距離になるまで、接合ツールを回転させながら被接合物に没入させて、被接合物を軟化させて流動させる摩擦撹拌工程と、
ツール間距離が目標ツール間距離に達した後、接合ツールを被接合物から離脱させる離脱工程とを含み、
前記摩擦撹拌工程では、接合ツールが被接合物に与える加圧力に起因するたわみ量と、接合ツールの位置とを取得することによって、ツール間距離を算出し、そのツール間距離が予め定める目標ツール間距離になるまで、接合ツールを回転させながら予め定める一定加圧力で被接合物に押付けることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。