JP4335513B2

JP4335513B2 - 摩擦攪拌接合装置と摩擦攪拌接合方法

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Publication number: JP4335513B2
Application number: JP2002295359A
Authority: JP
Inventors: 慶訓加藤; 泰之藤谷; 悦己広本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2004130326A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦攪拌接合装置とその接合方法に係り、特に車両、航空機、船舶、建物等の構造体を製造する際のシングルスキンやダブルスキンパネル（二面中空パネル）の接合に用いる摩擦攪拌接合装置と摩擦攪拌接合方法に関する。
【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。さらには、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】
さらに、かかる摩擦接合を利用して、鉄道車両等の大型構造物に用いられる長尺のダブルスキンパネルからなる中空型材を複数平行に配設したものを突き合わせ接合して構成した摩擦撹拌接合による広幅の二面構造体（パネル）を形成する技術が特許第３１５２４２０号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００４】
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４（Ａ）に示すように、ショルダ部２１とこのショルダ部２１に備えられたプローブ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、プローブ２２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によって被加工物に摩擦熱が付与されるとともに、プローブ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。
【０００５】
しかしながらかかる接合方法は円形ショルダ面によって被加工物に摩擦熱を均等に付与する必要があり、このため前記ワークを定盤（裏当て）に固定して平面化して接合を行っているが、ワークの歪みやの製作誤差による板厚変動や定盤へのセッティング誤差等によって上記の位置関係に誤差が生じ、これが原因で接合不良が発生したり、あるいは定盤面の局部的な変形はティーチングによっては吸収できず、これによっても上記の位置関係に誤差が生じ接合不良が発生してしまう。また従来の設備では、被接合部材をセットする定盤の平面度は高精度なものが必要となり、大型の被接合部材を接合するための装置は高価なものになる。特に鉄道車両の場合は、ワークスキンが最大２５ｍ程度になり、このような長尺のスキンの接合の場合に定盤のセッテング誤差やワークの歪みが顕著になり、補間作業やテイーチングに非常に手間がかかる。
【０００６】
かかる課題を解決するために、特許第３２６１４３１号（特許文献３）の発明が提供されている。かかる発明は、図５に示すように前記摩擦攪拌接合装置において、回転工具Ｔのショルダを被接合部材（ワーク）Ｐ表面に対して押圧、接触させるように付勢する付勢手段３４と、前記付勢力が略一定になるように制御する付勢力制御手段３６とを設けて成り、さらに前記付勢手段３４はエアシリンダであり、前記付勢力制御手段３６はエアシリンダ３４に供給する圧力を制御する２次圧一定形の減圧弁であることを特徴とし、エアシリンダ３４により回転工具Ｔのショルダを付勢力が略一定になるように前記被接合部材Ｐに対して押圧、接触させることにより、被接合部材Ｐの製作誤差による板厚変動、被接合部材Ｐの定盤４へのセッティング誤差、定盤４面の平面度不良、あるいは定盤４面の局部的な変形が存在しても、被接合部材Ｐと回転工具Ｔとの位置関係は略一定に保たれ、良好な接合を行うことが可能となる。そして更に、エアシリンダ３４を用いた効果としては、押圧力の変動が滑らかであって、油圧シリンダのように急激な変動を生じるものではないので、接合作業には好適である、と油圧シリンダを用いた場合を否定している。
しかしながらエアシリンダはその加圧力を空気という圧縮性流体を用いているために、大きな加圧力が得られず、例えば、ショルダ面の荷重が２００ｋｇｆ以上になるように制御しようとすると、油圧シリンダに比べてエアシリンダのシリンダ容積が大きくなるのみならず、エアシリンダで前記圧力を達成するのはなかなか困難であり、結果として良好な接合が出来ない。
【０００７】
また、特開２０００−３０１３６１号公報（特許文献４）における摩擦攪拌接合において、接合の開始部位から終了部位まで均等な接合品位が得られ、高い加工能率を達成できる発明として、摩擦攪拌接合ツールの先端部をワークＷの接合線に沿って埋入状態で回転しつつ相対的に進行させて、ワーク同士を接合一体化する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの回転数、接合速度、外からの加熱・冷却、接合ツールの加熱・冷却等により、ワークへの入熱量を略一定に制御する技術が開示されている。
【０００８】
さて前記のような片側より摩擦圧力を付勢するブローブ型の回転工具ではなく、図４（Ｂ）に示すように、ボビンツール１０と呼ばれる回転工具も提案されている。
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間にプローブ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、ブローブ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。
【０００９】
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。
【００１０】
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（特許文献５）において、コイルスプリングを用いて下面押圧部を軸方向に可変にした技術が存在する。
【００１１】
しかしかかる従来技術においても、下面押圧部として機能する攪拌ピンの回転は、ストッパ部とコイルスプリングを介して下面押圧部に伝えられるものであるために、コイルスプリングの押し付け力によってその荷重が規定され、下面押圧部の押し付け力を制御できない。しかもコイルスプリング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の押し付け力より大きくすることができない。
【００１２】
【特許文献１】
特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献２】
特許第３１５２４２０号公報
【特許文献３】
特許第３２６１４３１号号公報
【特許文献４】
特開２０００−３０１３６１号公報
【特許文献５】
特開２０００−３３４８４号公報
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、高品質な接合を高能率に行うことが可能な摩擦撹拌接合装置と摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
また本発明の他の目的は、油圧シリンダで加圧力制御することで定盤の歪みやセッテング不良、若しくはワーク接合部の歪みや凹凸があっても精度よくこれを倣うことが出来る摩擦撹拌接合装置と摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
また本発明の他の目的は、片面押圧型のブローブ型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う場合に、工具経路でのＺ方向（ワーク離接方向、図２参照）の位置を補間せずに、Ｚ座標一定で走査しても油圧シリンダにより精度よくワークを倣うことの出来る摩擦撹拌接合装置と摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
また本発明の他の目的は回転工具にホビンツールを用いた場合に、精度よくワークを倣う事ができ、表裏両面側での入熱量を調整でき、これにより母材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柔軟性と円滑化をはかることのできる摩擦撹拌接合装置と摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。
更に又本発明は、摩擦攪拌接合により入熱過剰あるいは入熱不足により接合品質が損なわれるために、それに応じて回転数や速度を制御することにより、信頼性の高い摩擦撹拌接合装置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】
本発明は、接合面の表裏両面に対してそれぞれ押圧される裏面押圧部と表面押圧部を備え、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、
前記裏面押圧部より接合面へ付勢される押圧力と前記表面押圧部より接合面へ付勢される押圧力とを夫々独立して調整可能に構成するとともに、前記それぞれの押圧部より接合面への押圧力付手段が、流体圧を利用して押圧力を付勢する手段であることを特徴とする。
【００１５】
例えば、本発明は、前記流体圧に油圧を用いると共に、前記接合面の表裏両面に対してそれぞれ押圧、接触されるボビンツールの各ショルダ面が、接合面に対し離接する方向（以下Ｚ軸という）に移動可能に構成するとともに、流体圧により上記ショルダ面の接合面への押圧力が略一定になるように前記油圧を制御する油圧制御手段を設けてなる請求項1記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記裏面側押圧部の接合面への押圧力と前記表面側押圧部の接合面への押圧力とを夫々独立して、前記油圧制御手段により前記油圧を制御して接合を行う前記ボビンツールを有し、
前記ボビンツールの上面側ショルダ面と下面側ショルダ面よりそれぞれ前記油圧を利用して押圧力を付勢する油圧ピストン機構が一対存在し、該一対の油圧ピストン機構はそれぞれ独立してＺ軸方向に移動可能に構成されている。
【００１６】
かかる発明によれば、回転工具が接合面や定盤の凹凸に対応して上下に変位してもこれに対応して油圧ピストンの上下の圧力バランスをとることにより、前記効果を得ることが出来る。
【００１７】
本発明は、前記したように、請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記裏面押圧部の押圧力を前記表面押圧部の押圧力より大にするとともに、該裏面側押圧力付勢手段が、前記流体圧として油圧を利用して押圧力を付勢する手段である。
【００１８】
かかる発明によれば、例えば接合されるスキンパネルの自由端側の面板の厚みをその自由端より該パネルのリブを介して自由端内側に位置する中空部の面板厚みより他の自由端の面板厚みを大に設定するとともに、該ダブルスキンパネルの自由端同士を突き合わせ、その突き合わせ面において、表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツールにより、裏面側押圧力を表面側押圧力より大に押圧力を調整してしながら摩擦攪拌接合がなされるようにして接合させることにより接合部の突き合わせ部にギャップ（隙間）が生じていても、パネル自由端の裏面側が先に摩擦熱による入熱により軟化し裏面側の余肉部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。この結果、接合後における表面加工処理が基本的に不要であり、特に車両構造体のような長尺のものについては、その作業が大幅に簡単化する。
【００１９】
そしてこの場合表面側凹部の発生を防ぐために、前記裏面押圧部の押圧力を前記表面押圧部の押圧力より大にするとともに、該裏面側押圧力付勢手段が、油圧であるのが好ましいことは前記したとおりである。
一方表面側は、前記表面押圧部の押圧力を前記裏面押圧部の押圧力より小にして倣いを優先するとともに、倣いの場合に空圧であることにより位置変動に対し、なめらかに追従でき、好ましい。
【００２０】
尚、本発明は、油圧や空圧に限定されることなく、水圧や他のガス圧を利用してもよく、従って前記裏面押圧部の押圧力と前記表面押圧部の押圧力とを夫々異なる流体種類による流体圧で構成し、例えば相対的に大なる押圧部の押圧力付勢手段が、油圧であるのが前提であるが、相対的に小なる押圧部の押圧力付勢手段は、油圧若しくは空圧を用いて構成してもよい。
【００２１】
請求項７記載の発明は、前記装置発明を思想として具現化したもので、母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々押圧部を介して押圧力を加えてその接合部への摩擦入熱により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記表面側と裏面側に夫々設けた押圧部が、母材接合部に倣う方向に移動可能に構成するとともに、前記裏面側押圧部の接合面へ付勢される押圧力と前記表面側押圧部の接合面へ付勢される押圧力とを夫々独立して、流体圧を利用した押圧力により制御して接合を行うことを特徴とする。
そして前記相対的に大なる一の押圧部の押圧力付勢は、夫々の押圧部を回転させた後に行なわれるのがよい。回転前に２００ｋｇｆを超える押圧力を付勢することにより、モータロックが生じてしまう。
そして本発明の思想を実現するには、相対的に大なる押圧部の押圧力付勢が、塑性流動可能な温度域に達する摩擦入熱であり、相対的に小なる押圧部の押圧力付勢が、接合部に沿う倣いに必要な押圧力である必要がある。
【００２２】
さて、前記したように特許文献４における摩擦攪拌接合には、接合の開始部位から終了部位まで均等な接合品位が得られ、高い加工能率を達成できる発明として、摩擦攪拌接合ツールの先端部をワークＷの接合線に沿って埋入状態で回転しつつ相対的に進行させて、ワーク同士を接合一体化する摩擦攪拌接合方法において、接合ツールの回転数、接合速度、外からの加熱・冷却、接合ツールの加熱・冷却等により、ワークへの入熱量を略一定に制御する技術が開示されている。
しかしながらかかる技術はホビンツールに関するものではなく、その結果裏面押圧部と表面押圧部を間を可変にした場合の課題を何ら示唆していない。
【００２３】
そこで請求項１０記載の発明は、裏面押圧部と表面押圧部を備え、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、
前記裏面押圧部より接合面へ付勢される押圧力と前記表面押圧部より接合面へ付勢される押圧力とを夫々独立して調整可能に構成するとともに、前記裏面押圧部と表面押圧部からなる回転工具の周囲の温度を検知する手段を設け、該検知温度に基づいて前記裏面押圧部、前記表面押圧部の内の少なくとも１の押圧力付勢力を制御する付勢力制御手段を設けたことを特徴とする。
この場合に裏面押圧部は入熱、表面押圧部は倣いの役割を有しているために、単純な制御を行う場合は前記検知温度に基づいて前記表面押圧部の押圧力付勢力を制御する付勢力制御手段を設ければよい。
更に前記検知温度に基づいて前記裏面押圧部、前記表面押圧部の内の少なくとも１の押圧力付勢力とともに回転速度を制御する押圧部制御手段を設けてもよい。
【００２４】
かかる発明によれば、接合運転開始前には、ホビンツールの周囲の接合位置からはずれたワークＰ表面温度を計測し、基準温度より低い（高い）場合は、裏面押圧部（必要に応じて表面押圧部）の付勢力を大きく（小さく）するか、若しくは回転工具の回転速度を大きく（低く）するか若しくは工具の送り速度を小さく（大きく）するか若しくはこの３つの組み合わせを制御テーブルを用いて制御することにより接合運転の基準温度への移行の際の時間的若しくは温度的バラツキを小さくできる。
【００２５】
運転開始後の運転中には、ホビンツールの後ろ側のワークＰ接合直後の接合部（後述する図６に示すＰ_１）温度を計測し、ワークＰ接合直後の接合部温度が基準接合温度より低い（高い）場合は、裏面押圧部（必要に応じて表面押圧部）の付勢力を大きく（小さく）するか、若しくは回転工具の回転速度を大きく（低く）するか若しくは工具の送り速度を小さく（大きく）するか若しくはこの３つの組み合わせを制御テーブルを用いて制御することにより接合運転中の温度的バラツキを小さくできる。
【００２６】
【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。
【００２７】
図１及び図２はプローブを用いた本発明の第１実施例にかかる摩擦攪拌接合装置の具体的構成を示し、図２においてワーク上面に取り付け固定し、Ｘ軸方向に移動する定盤４と、Ｘ軸と直行するＹ軸方向に延在する水平スライドフレーム３Ａを有する門型枠３と、該門型枠３のスライドフレーム３Ａに沿ってＹ軸方向に移動可能な主軸支持枠５と、該主軸支持枠５に垂直移動機構６を介してＺ軸方向に移動可能に取り付けられた主軸１と主軸の先端に取り付けられたブローブ型回転工具取り付け装置３０よりなる。
【００２８】
図１に戻り、主軸１は主軸枠１Ｂの中心軸線上にベアリング３１によって回転自在に支持されており、前記主軸はモータによって回転駆動されている。
回転工具取り付け装置３０は、主軸１のテーパ穴に嵌着され、一体として回転駆動する回転筒３３と、前記回転筒３３を、その内周部で上下一対のベアリング２２、２３によって回転可能に支持させるとともに、前記主軸枠１Ｂにボルトによって固定されている支持筒枠３５からなる。
この支持筒枠３５には油圧ポンプ３７、油圧通路４５、リリーフ（逃がし）弁３９、減圧弁４１、切替弁４３、からなる油圧一定制御の油圧経路４０が接続され、支持筒枠３５内に設けた油圧通路４７、シール５６されたリングバッファ４９及び回転筒３３の油圧通路５１を介して、回転筒３３中心軸線上に設けた油圧シリンダ５３に開口している。
油圧シリンダ５３にはメタルシール５５により上下に摺動自在に支持された油圧ピストン５７が嵌入されており、該油圧ピストン５７の先端に同軸上にブローブ型回転工具２０が連接されている。
ブローブ型回転工具２０と油圧ピストン５７の間は、段差状に縮径された移動規制部５９が設けられており、該移動規制部５９は回転筒３３下端面よりリング円先端Ｌ字状に垂下されたリング円筒部５４により移動規制されて係止されている。
【００２９】
かかる摩擦攪拌接合装置によれば、垂直移動機構６を介してＺ軸方向に主軸１を移動させて回転工具の２０のショルダ面を定盤４に固定させたワークＰ表面に当接させた状態で、主軸１を回転駆動させた後、油圧ポンプ３７を駆動させてリリーフ弁３９により一定圧に制御された油圧を油圧シリンダ５３に導入することにより、回転筒３３、油圧ピストン５７及びこれに連接する回転工具２０が回転しながら、リング円筒部５４によりゾーン移動規制された状態でワーク表面に摩擦熱の入熱を開始する。
即ち、アルミニウム合金の例えばシングルスキンの接合部に上記回転工具２０のピンを回転させながら挿入すると共に、上記ショルダを上記接合部表面に接触させながら上記回転工具２０を移動させることにより、摩擦熱を利用した接合を行う。このとき回転工具２０は上記油圧シリンダ５３によって、前記油圧付勢力はショルダ面の荷重が２００ｋｇｆ以上になるように略一定の付勢力でもってシングルスキンの接合部表面に押圧制御している。
【００３０】
本発明の有利性を確認するために、前記付勢力に空気圧を用いた場合と、油圧を用いた場合の違いについて説明する。
先ず空気圧の場合に、高圧ガス取締法に該当しない９．９ｋｇ／cm以下の圧力で、エアシリンダに空気圧を付勢して、工具ショルダ面の荷重が２００ｋｇｆ以上になるように制御するには、エアシリンダ内径をショルダ外径に比較して相当大きくしなければならないが、本発明のように油圧ピストン／シリンダを用いた油圧シリンダでは、油圧を数十〜２００ｋｇ／cmに設定することは容易であり、シリンダ内径を小さくでき、結果的には装置全体を小径化できる。
【００３１】
又、空気圧の場合に回転工具のショルダ面と被接合部材の表面との位置変動に追従してエアシリンダ容積が変動した場合に、エアは圧縮性流体であるために、これに追従してエア圧も変動して工具ショルダ面の荷重が変動するが、本発明は非圧縮性の油圧であり、且つリリーフ弁によるフィードバック回路を設けることにより、回転工具のショルダ面と接合部表面との間のＺ軸方向の位置変動が生じても、言い換えれば油圧シリンダ容積が変動した場合に、リリーフ弁によりフィードバック回路を利用して油圧を油圧ポンプ側に戻すことにより、油圧力を一定に維持できる為に、工具ショルダ面の荷重を一定に維持できる。
更に本発明では、油圧回路にフィードバック回路を設けることにより、油圧を一定に維持しながら前記回転工具は前記移動規制部の範囲内においてワークと回転工具との位置関係を変化させることが出来、言い換えれば、定盤や被接合部材に歪みや高さ変動が生じていてもあるいは、定盤面の局部的な変形が存在しても回転工具が接合部材から受ける反力は一定となるように倣いながら押圧、接触させる事ができ、これにより良好な接合品質が得られる。
【００３２】
特に接合線が上下方向に大きく湾曲しているような継手において、移動規制部の範囲をその最大値以上に設定することにより、回転工具の押圧、付勢力を一定に維持しながら、接合ツールＴは自動的に上記湾曲形状を倣いながら、接合作業を行うことになるのである。
即ち、前記した従来技術においては、油圧シリンダの場合に前記シリンダ容積の変動により急激な圧力変動を生じると記載しているが、本実施例では、リリーフ弁による油圧回路のフィードバックにより圧力の一定化が達成される。しかもエアシリンダの場合は、その押圧力の変動が滑らかであっても、確実に変動が生じ摩擦接合の品質に悪影響を及ぼすのは必至である。そして前記従来技術においては大幅なエア圧の変動が予想されるような場合には、上記減圧弁の前位にさらに別の２次圧一定形減圧弁を介設しておくのが好ましいと記載しているが、減圧弁を複数直列にしても圧力変動をさけるのは不可能である。
【００３３】
図３は、ボビンツール１０を用いた本発明の他の実施例で、表面側ショルダ１０Ａは、ワーク表面を倣うごとく小なる反力（荷重）を付与する第１の油圧ピストン／シリンダ６０に連結されており、一方、裏面側ショルダ１０Ｂは、表面側ショルダ１０ＡにワークＰを挟み裏面側より摩擦力を発生するために大なる反力（荷重）を付与する第２の油圧ピストン／シリンダ６２に連結されており、そしてこれらのボビンツール１０は内部に組み込まれたモータ７２により回転駆動される。
より具体的に説明するに、図中１は加工機主軸で、前記実施例と異なり回転はしない。５１は前記主軸下面に取り付けられた接合機本体で、前記加工主軸１下面に取り付けられた円筒形状の支持外枠６４と、前記支持外枠６４の上部中心軸上にとりつけられた第１の油圧ピストン／シリンダ６０と、前記油圧ピストンに連結された上下動可能な支持軸により吊下された支持内筒６６と、前記支持内筒６６上部に内蔵された第２の油圧ピストン／シリンダ６２と、前記第２の油圧ピストン／シリンダ６２下方の支持筒内部に組み込まれたホビンツール取り付け体７０よりなり、ホビンツール取付体７０周囲にはモータ７２が環装されており、支持内筒６６に対し、ホビンツール取付体７０が回転自在に配設されている。
【００３４】
ホビンツール取付体７０は、第１の油圧ピストン／シリンダ６０の付勢変位を支持内筒６６と一体的に受圧しＺ軸方向に移動変位可能に、フランジ７１を介して回転自在に支持内筒６６内に支持されている表面ショルダ取付体８０と、表面ショルダ１０Ａ内を貫通し、ピン軸１０Ｃを介して先端に裏面ショルダ１０Ｂが取り付けられている裏面ショルダ取付軸７８とからなり、裏面ショルダ取付軸７８と第２の油圧ピストン／シリンダ６２のピストン軸６２Ｂとはベアリング軸受７３を介して連結され、モータ７２による取付軸７８の回転と無関係に支持内筒６６に上下動自在に支持されたピストン軸６２Ｂを介して第２の油圧ピストン／シリンダ６２の付勢力を受圧可能に構成されている。
又裏面側ショルダ取付軸７８と表ショルダ取付体８０の嵌合部分はスプライン８２状に構成し、スプライン８２を介して裏面側ショルダ取付軸７８がピストン軸６２Ｂに摺動自在に連結され、これにより表面側ショルダ取付体８０側のモータ７２と同期して回転可能に構成されている。
【００３５】
又支持内筒６６下側外周と支持外枠６４下側内周との対面位置には、段差状に縮径された移動規制範囲において支持内筒６６が上下移動可能なようにリング状係合凹部８８とリング状係合凸部８９が設けられており、又本実施例の油圧ピストン／シリンダ６０、６２は、前記実施例と異なりピストン６１の上下両側に油圧６３Ａ、６３Ｂが導入されてその圧力バランスにより、ピストン軸６１Ａが上下動するように構成している。これにより倣い及び摩擦押圧力の制御の容易化を図っている。
【００３６】
かかる摩擦攪拌接合装置によれば、ボビンツール１０（裏面ショルダと表面ショルダ）によりワークＰを挟持させた状態で、先ずモータ７２により表面ショルダ取付体８０とこれにスプライン連結している裏面ショルダ取付軸７８とを回転させた後、支持内筒６６を吊下し、ピストン軸６１Ａ及び支持内筒６６を介して表ショルダ１０Ａ側に付勢される第１の油圧ピストン／シリンダ６０では、ワークＰ接合面の表面にかかる表面ショルダ１０Ａ面の荷重が１０ｋｇｆになるように、不図示の油圧ポンプを駆動させる。
又同時に支持内筒６６に内蔵され、ピストン軸６２Ｂ及び裏面ショルダ取付軸７８を介して裏面ショルダ１０Ｂ側に付勢される第２の油圧ピストン／シリンダ６２では、ワークＰ接合面の裏面にかかる裏面側ショルダ１０Ｂの荷重が２００ｋｇｆ以上になるように、不図示の油圧ポンプを駆動させる。
この際、前記ボビンツール１０を回転自在に支持している接合機本体９は、支持内筒６６外周側のリング状係合凹部８８と支持外枠６４内周側のリング状係合凸部８９との間で移動規制された範囲で上下動動に支持している。
【００３７】
このように裏面側ショルダ１０Ｂの荷重が２００ｋｇｆになるように制御し、前記表面側ショルダ１０Ａ面にかかる荷重を裏面側ショルダ１０Ｂにかかる荷重より大幅に小にしている理由は次の通りである。
例えば接合部材がスキンパネルの場合に、接合部の継ぎ手構造が突き合わせになっているために、その接合部にギャップ（隙間）が生じるが、パネル自由端の裏面側（中空部側）の板厚を厚くするとともに、表裏両面側にショルダ面より摩擦熱が入熱されるボビンツール１０を用い、裏面側ショルダ１０Ｂにかかる荷重を大幅に大にして摩擦攪拌接合がなされることで、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、しかも接合後における表面加工処理が基本的に不要であり、特に車両構造体のような長尺のものについては、その作業が大幅に簡単化する。
【００３８】
そしてこのような構成を円滑に達成するには、裏面側ショルダ１０Ｂにかかる荷重より大幅にしながら摩擦攪拌接合を行うことにより、表面側より裏面側が前記ギャップに軟化した裏面側が進入することが好ましい。
【００３９】
尚、本発明では、裏面側ショルダ１０Ｂと表面側ショルダ１０Ａをスプライン８２により連結して同期回転させているが、両者を独立して回転制御可能に構成してもよい。
【００４０】
かかる実施例によれば、表面側ショルダ１０Ａにおいては、ワークＰ表面の倣いが主な作用であるために、エアシリンダの利点が有効に生かせる。即ち接合線が上下方向に大きく湾曲しているような継手においてもエアシリンダはその押圧力の変動が滑らかであって、油圧シリンダより倣いの追従性がよい。
一方円滑な摩擦入熱により、大きな押圧力を必要とする裏面ショルダ１０Ｂの場合は油圧ピストン／シリンダを用いることがよいことは前記したとおりである。
【００４１】
図６は、図３の摩擦攪拌接合装置の制御装置を示し、（Ａ）は正面概略図、（Ｂ）は平面概略図で、図中１０Ａのワーク表面側ショルダは、ワークＰ表面を倣うごとく小なる反力（荷重）を付与する第１の油圧ピストン／シリンダ６０（図３参照）に連結されており、一方、１０Ｂの裏面側ショルダ１０Ｂは、ピン軸１０Ｃを介して表面側ショルダ１０ＡにワークＰを挟み裏面側より摩擦力を発生するために大なる反力（荷重）を付与する第２の油圧ピストン／シリンダ６２に連結されており、そしてこれらのボビンツール１０は内部に組み込まれたモータ７２により回転駆動されることは前記したとおりである。
【００４２】
図６に戻り、Ｓは、非接触式の温度計（商品名：パイロメータ）で、ボビンツールの移動に沿って移動し、該ホビンツールの左右両側と図６（Ｂ）に示すその後方の３つの位置の温度値Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃を計測する。
そして接合運転開始前には、ホビンツール１０の左右両側の温度値Ｓ₁、Ｓ₂よりワークＰ表面温度を計測し、基準温度より低い（高い）場合は、制御装置ＣＬにより、第２の油圧ピストン／シリンダ６２を介して矢印Ａ、Ｂに示すようにショルダ１０Ｂの付勢力を大きく（小さく）するか、矢印Ｃに示すモータ７２の回転速度を大きく（低く）するか若しくは矢印Ｄに示す工具の送り速度を小さく（大きく）するか若しくはこの３つの組み合わせを制御装置ＣＬ内の制御テーブル（不図示）を用いて制御する。
【００４３】
運転開始後には、ホビンツール１０の後ろ側の温度値Ｓ_３よりワークＰ接合直後の接合部Ｐ_１温度を計測し、ワークＰ接合直後の接合部Ｐ_１温度が基準接合温度より低い（高い）場合は、制御装置ＣＬにより第２の油圧ピストン／シリンダ６２を介して裏面側ショルダ１０Ｂの付勢力を大きく（小さく）するか、モータ７２の回転速度を大きく（低く）するか若しくは工具の送り速度を小さく（大きく）するか若しくはこの３つの組み合わせを制御装置ＣＬ内の制御テーブル（不図示）を用いて制御する。
【００４４】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、高品質な接合を高能率に行うことが可能な摩擦撹拌接合装置とその接合方法を提供出来る。
また本発明によれば、油圧シリンダで加圧力制御することで定盤の歪みやセッテング不良、若しくはワーク接合部の歪みや凹凸があっても精度よくこれを倣うことが出来る。
また本発明によれば、片面押圧型のブローブ型回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う場合に、工具経路でのＺ方向（ワーク離接方向）の位置を補間せずに、Ｚ座標一定で走査しても油圧シリンダにより精度よくワークを倣うことが出来る。また本発明は回転工具にホビンツールを用いた場合に、表裏両面側での押圧力を調整でき、これにより母材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柔軟性と円滑化をはかることができる。
【００４５】
又本発明によれば、摩擦攪拌接合により入熱過剰あるいは入熱不足により接合品質が損なわれるために、それに応じて回転数や速度を制御することにより、信頼性の高い摩擦撹拌接合装置を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る摩擦攪拌接合装置の第１例を示す加工主軸側の詳細構成図である。
【図２】図１の実施例の全体概略図である。
【図３】本発明の実施例に係るボビンツールを用いて表裏両面側の押し付け力を独立して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４】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５】従来技術に係る摩擦撹拌接合装置を示す断面概略図である。
【図６】図３の摩擦攪拌接合装置の制御装置を示し、（Ａ）は正面概略図、（Ｂ）は平面概略図である。
【符号の説明】
１主軸
１０ボビンツール
１０Ａ表面側ショルダ
１０Ｂ裏面側ショルダ
２０ブローブ型回転工具
３０回転工具取り付け装置
３６付勢力制御手段
３７油圧ポンプ
３９リリーフ（逃がし）弁
４０油圧経路
４１減圧弁
４３切替弁
５１接合機本体
５３油圧シリンダ
５７油圧ピストン
６０第１の油圧ピストン／シリンダ
６２第２の油圧ピストン／シリンダ
６６支持内筒
７０ホビンツール取付体
７２モータ
７８裏面ショルダ取付軸
８０表面ショルダ取付体
Ｓ温度計
ＣＬ制御装置

Claims

接合面の表裏両面に対してそれぞれ押圧される裏面押圧部と表面押圧部を備え、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、
前記裏面押圧部より接合面へ付勢される押圧力と前記表面押圧部より接合面へ付勢される押圧力とを夫々独立して調整可能に構成するとともに、前記それぞれの押圧部より接合面への押圧力付手段が、流体圧を利用して押圧力を付勢する手段であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
前記流体圧に油圧を用いると共に、前記接合面の表裏両面に対してそれぞれ押圧、接触されるボビンツールの各ショルダ面が、接合面に対し離接する方向（以下Ｚ軸という）に移動可能に構成するとともに、流体圧により上記ショルダ面の接合面への押圧力が略一定になるように前記油圧を制御する油圧制御手段を設けてなる請求項1記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記裏面側押圧部の接合面への押圧力と前記表面側押圧部の接合面への押圧力とを夫々独立して、前記油圧制御手段により前記油圧を制御して接合を行う前記ボビンツールを有し、
前記ボビンツールの上面側ショルダ面と下面側ショルダ面よりそれぞれ前記油圧を利用して押圧力を付勢する油圧ピストン機構が一対存在し、該一対の油圧ピストン機構はそれぞれ独立してＺ軸方向に移動可能に構成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、
前記裏面押圧部の押圧力を前記表面押圧部の押圧力より大にするとともに、該裏面側押圧力付勢手段が、前記流体圧として油圧を利用して押圧力を付勢する手段であ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、
前記表面押圧部の押圧力を前記裏面押圧部の押圧力より小にするとともに、該表面側の押圧力付勢手段が、前記流体圧として空圧若しくは油圧を利用して押圧力を付勢する手段であ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、
前記裏面押圧部より接合面へ付勢される押圧力としての流体圧と前記表面押圧部より接合面へ付勢される押圧力としての流体圧とを夫々異なる流体種類による流体圧で構成したことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
前記裏面押圧部の押圧力付勢手段が、油圧を利用して押圧力を付勢する手段であり、表面側の押圧部の押圧力付勢手段が、空圧を利用して押圧力を付勢する手段であることを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。
母材接合部を挟んでその表面側と裏面側より夫々押圧部を介して押圧力を加えてその接合部への摩擦入熱により接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記表面側と裏面側に夫々設けた押圧部が、母材接合部に倣う方向に移動可能に構成するとともに、前記裏面側押圧部の接合面へ付勢される押圧力と前記表面側押圧部の接合面へ付勢される押圧力とを夫々独立して、流体圧を利用した押圧力により制御して接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項７記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記裏面側の押圧部の接合面への前記押圧力付勢が、ボビンツールにより前記裏面側と表面側夫々の押圧部を摺動回転させた後に行なわれることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
請求項７記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記裏面押圧部より接合面へ付勢される押圧力が、塑性流動可能な温度域に達する摩擦入熱であり、表面側の押圧部より接合面へ付勢される押圧力が、接合部に沿う倣いに必要な押圧力であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
裏面押圧部と表面押圧部を備え、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、
前記裏面押圧部より接合面へ付勢される押圧力と前記表面押圧部より接合面へ付勢される押圧力とを夫々独立して調整可能に構成するとともに、前記裏面押圧部と表面押圧部からなる回転工具の周囲の温度を検知する手段を設け、該検知温度に基づいて前記裏面押圧部、前記表面押圧部の内の少なくとも１の押圧力付勢力を制御する付勢力制御手段を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
裏面押圧部と表面押圧部を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記ボビンツールの周囲の温度を検知する手段を設け、該検知温度に基づいて前記裏面押圧部より接合面へ付勢される押圧力を制御する押圧力制御手段を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
裏面押圧部と表面押圧部を備え、該押圧部間が可変のボビンツールを用いた請求項１記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記ボビンツールの周囲の温度を検知する手段を設け、該検知温度に基づいて前記裏面押圧部、前記表面押圧部の夫々の押圧部より接合面へ付勢される少なくとも１の押圧力とともに回転速度を制御する押圧部制御手段を設けたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。