JP4438409B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、被接合物を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置に関する。

被接合物は、２つの被接合部材が突合わされることによって継ぎ手部分を形成する。摩擦撹拌接合装置は、接合ツールによる摩擦熱によって、被接合物の継ぎ手部分を流動化するとともに撹拌し、２つの被接合部材を接合する。

図３０は、第１の従来技術の摩擦撹拌接合装置１を示す斜視図である。第１の従来の摩擦撹拌接合装置１は、ＦＳＷヘッド２と、テーブル３とを有する。ＦＳＷヘッド２は、接合ツール４を装着し、接合ツール４を予め定める基準軸線Ｌ１まわりに回転するとともに、接合ツール４を基準軸線Ｌ１に沿って移動させる。テーブル３は、２つの被接合部材５，６を突合わせて、被接合物９として保持する。

テーブル３は、被接合物９を保持するワーク保持部７と、基台部８と、テーブル駆動手段（図示せず）とを有する。ワーク保持部７は、基台部８に対して変位可能に設けられる。テーブル駆動手段は、ワーク保持部７を被接合物９の接合線１０に平行に走行させる。ＦＳＷヘッド２は、コラム部１２によってテーブル３の基台部８に固定される。コラム部１２は、水平方向に延びてＦＳＷヘッド２を片持ち支持する。

図３１および図３２は、第２の従来技術の摩擦撹拌接合装置１３，１５を示す斜視図である。第２の従来技術の摩擦撹拌接合装置１３，１５は、ＦＳＷヘッド２を支持する支持部１６と、支持部１６を変位駆動するヘッド駆動手段１４とを有する。支持部１６は、水平方向に延びてＦＳＷヘッド２を片持ちまたは両持ち支持する。ヘッド駆動手段１４は、被接合物９の接合線１０に平行に支持部１６を移動させる（たとえば特許文献１参照）。

特開２００２−１６００７７号公報

上述した第１の従来技術では、テーブル駆動手段は、接合線１０の長さ以上にわたってワーク保持部７を搬送する必要がある。また第２の従来技術では、ヘッド駆動手段１４は、接合線１０の長さ以上にわたって支持部１６を搬送する必要がある。またヘッド駆動手段１４は、被接合物９の水平方向外方で支持部１６を担持する必要がある。

棟梁パネル、船殻構造材または鉄道車両用パネルなどのように被接合物９が大型かつ大重量である場合がある。この場合、従来技術の摩擦撹拌接合装置１，１３，１５では、テーブル駆動手段およびヘッド駆動手段もまた大型化する。これによって、設備コストおよび設置スペースもまた大きくなる。摩擦撹拌接合装置が大型化すると、摩擦撹拌接合に要求される接合ツールの位置決め精度を広い空間において確保する必要がある。また大型化によって装置自体の自重が大きくなるので、駆動手段の強度を大きくする必要がある。

このように従来技術では被接合物９が大型の場合、大型の摩擦撹拌接合装置が必要であって、その製造および導入に費やす設備投資コストが必然的に巨額となる。また１つの摩擦撹拌接合装置では、異なる形状の被接合物に対して柔軟に対応することが困難である。

したがって本発明の目的は、被接合物の大きさおよび形状にかかわらずに、柔軟な対応が可能な摩擦撹拌接合装置を提供することである。

本発明は、複数の被接合部材によって構成される被接合物を、接合ツールによって摩擦撹拌して、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設けられ、接合ツールを保持するツール保持部と、
ツール保持部を前記予め定める基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
ツール保持部を前記予め定める基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、
ツール保持部、回転駆動手段および変位駆動手段を搭載して走行可能な車体とを含み、
前記車体には、回転自在に支持される車輪または履帯が設けられ、前記車輪または履帯の回転によって被接合物の上方または下方を走行可能に形成され、
接合にあたって、車輪または履帯による走行方向（Ｘ）に交差する方向（Ｙ）に働く作用力（Ｆ１１）によって生じるツール保持部と接合位置とのずれを解消する位置にツール保持部を移動可能な補正移動手段をさらに含む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、接合ツールを保持したツール保持部を回転させて被接合物に没入した状態で、被接合物の接合線に沿って車体が走行する。これによって２つの被接合部材を接合する。車体が被接合物の上方または下方を走行するので、摩擦撹拌接合装置は、ツール保持部、回転駆動手段および変位駆動手段を、被接合物の水平方向外方で支持する必要がない。したがって被接合物の大きさおよび形状にかかわらずに摩擦撹拌接合を行うことができる。
本発明に従えば、図２０〜図２３などに関連して後述するように、補正移動手段によって、ずれを解消するようにツール保持部を被接合物に対して移動させることができる。補正移動手段は、車体に対してツール保持部を移動させてもよく、車体ごとツール保持部を移動させてもよい。このようにツール保持部と接合位置とのずれを解消することによって、接合位置の教示ミス、接合位置の誤差、走行移動における誤差などが生じる場合であっても、接合位置で被接合物を精度よく接合することができる。また車体が、被接合物から反力を受けた場合であっても、接合ツールが走行すべき走行経路から逸れることを防ぐことができる。

また本発明は、前記車輪または履帯は、前記車体において、車体からツール保持部が突出する側の端部および該突出する側の端部とは反対側の端部に着脱可能であることを特徴とする。

本発明に従えば、車体が被接合物に対して上方に配置される場合には、車輪または履帯は、車体において、車体からツール保持部が突出する側の端部に設けられる。摩擦撹拌接合に当っては、下方にツール保持部を変位駆動して接合ツールを被接合物に没入させる。また、車体が被接合物に対して下方に配置される場合には、車輪または履帯は、車体において、車体からツール保持部が突出する側の端部とは反対側の端部に設けられる。摩擦撹拌接合に当っては、上方にツール保持部を変位駆動して接合ツールを被接合物に没入させる。車輪または履帯を着脱可能とすることによって、被接合物に対して車体が上下方向のいずれに配置される場合であっても、摩擦撹拌接合が接合可能である。

また本発明は、接合にあたって、被接合物から与えられる基準軸線方向の反力に抗した力を車体に与える車体押付け手段をさらに含むことを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールを被接合物に没入するにあたって、車体は、被接合物から基準軸線方向の反力を受ける。車体押付け手段によって、反力に抗した押付け力を車体に与えることによって、車体が被接合物から離反することを防止することができる。これによって被接合物に没入する接合ツールの没入量が不足することを防ぐことができる。

また本発明は、接合にあたって、被接合物から与えられる基準軸線に対して垂直な方向の反力を考慮して車体を所定の移動径路に沿って走行させる走行補助手段をさらに含むことを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールを回転させながら被接合物に没入させた状態で、所定の移動径路に沿って車体を走行させる場合、車体は、被接合物から基準軸線方向に垂直な方向の反力を受ける。図２９に関連して後述するように、走行補助手段がその反力を考慮して車体を走行すべき走行経路に沿って走行させることで、接合ツールが移動径路から逸れることを防ぐことができる。

また本発明は、ツール保持部と接合位置とのずれ量を検出するずれ量検出手段と、
ずれ量検出手段の検出結果に基づいて、補正移動手段を制御する制御手段とをさらに含むことを特徴とする。

本発明に従えば、ずれ量検出手段によってツール保持部と接合位置とのずれ量を検出し、制御手段が、補正移動手段を用いてずれを解消するようにツール保持部を被接合物に対して移動させる。これによって、作業者が補正移動手段を操作する必要がなく、利便性を向上することができる。

また本発明は、補正移動手段は、車体に対してツール保持部を移動させることを特徴とする。

本発明に従えば、車体に対してツール保持部を移動させることによって、車体の移動にかかわらずに、ずれに応じてツール保持部を移動させることができる。これによってツール保持部の接合位置に対する追従性を向上して、接合ツールが走行すべき走行経路から逸れることを防ぐことができる。また接合ツールの位置を微調整することができる。

また本発明は、補正移動手段は、車体の走行方向が所定の移動径路に対して成す角度を修正することを特徴とする。
本発明に従えば、車体の走行方向が所定の移動径路に対して成す角度、すなわち車体の進行角度を修正するだけで、ずれに応じてツール保持部を移動させることができる。これによって進行方向と接合線とがずれており、走行するにつれてずれ量が大きくなる場合であっても、接合ツールが走行すべき走行経路から逸れることを防ぐことができる。

また本発明は、車輪または履帯は、走行路面との摩擦係数の高い材料によって外周部が形成されることを特徴とする。

本発明に従えば、車輪または履帯の摩擦係数が高く設定されることによって、車輪または履帯がスリップす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量が予め定める没入量となるように、ツール保持部の移動を規制する規制手段をさらに含むことを特徴とする。

本発明に従えば、規制手段によって接合ツールの没入量が予め定める没入量に調整される。これによって接合ツールが被接合物に過剰に没入することを防ぐことができる。

また本発明は、前記規制手段は、ツール保持部に連結される連結部と、
連結部に連なり、弾発性を有して基準軸線に沿って伸縮する伸縮部とを有し、
接合ツールが予め定める没入量没入した状態から、さらに没入しようとした場合、被接合物に当接した伸縮部からツール保持部に与えられるばね力によって接合ツールの没入を規制することを特徴とする。

本発明に従えば、接合ツールを没入させると、ツール保持部とともに連結部および伸縮部が被接合物に向かって移動する。接合ツールが予め定める没入量まで被接合物に没入すると、伸縮部の先端部分は、被接合物に当接し、基準軸線方向への変位が阻止される。さらに接合ツールが没入すると、伸縮部は、収縮して没入方向と反対方向のばね力をツール保持部に与える。これによって接合ツールが予め定める没入量よりも深く没入すると、伸縮部からのばね力がツール保持部に与えられるので、接合ツールの更なる没入を規制することができる。

本発明によれば、摩擦撹拌接合装置が自走しながら摩擦撹拌接合を行う。これによって第１の従来技術のように、被接合物を移動させる必要がない。また第２の従来技術のように、回転駆動手段および変位駆動手段を被接合物の水平方向外方で支持する必要がない。これによって被接合物の大きさおよび形状にかかわらず摩擦撹拌接合を行うことができる。

したがって被接合物が大型である場合であっても、摩擦撹拌接合装置が大型化することがない。これによって摩擦撹拌接合装置の設備コストおよび設置スペースを低減することができる。また被接合物の形状が変化しても、摩擦撹拌接合装置の走行経路が変化するだけであって、別途新たな装置を必要としない。これによって柔軟な対応が可能となり、汎用性を向上することができる。

また本発明によれば、被接合物に対して車体が上下方向のいずれかに配置される場合であっても、接合可能であり、利便性を向上することができる。たとえば被接合物が大型である場合、他の保持装置に被接合物を保持した状態で、摩擦接合装置を自走させて摩擦撹拌接合することができる。このとき被接合物に対して車体を上下方向のうち、一方側にしか摩擦撹拌接合装置を配置できない場合があっても、その方向にあわせて接合を行うことができ、他の保持装置によって被接合物を保持した状態で、接合作業を行うことができる。

また本発明によれば、車体押付け手段が、被接合物から与えられる反力に抗した押付け力を車体に与えることによって、車体が被接合物から離反することを防止することができる。これによって被接合物に没入する接合ツールの没入量が不足す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の没入方向が、鉛直方向下向きの場合、自走する摩擦撹拌接合装置の浮き上がりを防止することができる。車体押付け手段は、天井などの壁から延びて、車体を物理的に押付ける押圧機構であってもよい。そのほか、電磁力、空気吸引による吸着力を用いて、車体に力を与えてもよい。また、車体押付け手段は、接合ツールが被接合物に与える押圧力を超える力を生じさせるために、車体に搭載される錘であってもよい。

また本発明によれば、走行補助手段が、被接合物から与えられる反力を考慮して、車体を走行すべき走行経路に沿って走行させる。これによって摩擦撹拌接合装置が、自走した場合であっても、接合ツールが移動径路から逸れることを防ぐことができる。これによって被接合物の接合線に沿って精度よく、接合ツールを倣わせることができる。これによって接合線が長い場合、すなわち被接合物が大型である場合であっても、接合線に沿って接合ツールを移動させることができ、接合品質の低下を防止することができる。たとえば走行補助手段は、進行方向を調整する舵、接合線に沿って車体を案内するガイドレールなどによって実現されてもよい。

また本発明によれば、補正移動手段によってずれを解消するようにツール保持部を被接合物に対して移動させることができる。補正移動手段は、車体に対してツール保持部を移動させてもよく、車体ごとツール保持部を移動させてもよい。このようにツール保持部と接合位置とのずれを解消することによって、接合位置の教示ミス、接合位置の誤差、走行移動における誤差などが生じる場合であっても、接合位置で被接合物を精度よく接合することができる。また車体が、被接合物から反力を受けた場合であっても、接合ツールが走行すべき走行経路から逸れることを防ぐことができる。

また本発明によれば、ずれ量検出手段によってツール保持部と接合位置とのずれ量を検出し、制御手段が補正移動手段を用いて、ずれを解消するようにツール保持部を被接合物に対して移動させる。これによって、作業者が補正移動手段を操作する必要がなく、利便性を向上することができる。

また本発明によれば、車体に対してツール保持部を移動させることによって、車体の移動にかかわらずに、ずれに応じてツール保持部を移動させることができる。これによってツール保持部の接合位置に対する追従性を向上して、接合ツールが走行すべき走行経路から逸れることを防ぐことができる。また接合ツールの位置を微調整することができる。

また本発明によれば、車体の進行角度を修正するだけで、ずれに応じてツール保持部を移動させることができる。これによって進行方向と接合線とがずれており、走行するにつれてずれ量が大きくなる場合であっても、接合ツールが走行すべき走行経路から逸れることを防ぐことができる。

また本発明によれば、車輪または履帯の摩擦係数が高く設定されることによって、車輪または履帯がスリップすることを防ぐことができる。

また本発明によれば、規制手段によって接合ツールの没入量が予め定める没入量に調整される。これによって接合ツールが被接合物に過剰に没入することを防ぐことができる。

また本発明によれば、弾発性を有する伸縮部を有して規制手段が実現される。摩擦撹拌接合装置が自走する場合、走行路面の状態などの状態によっては、接合ツールの没入量を一定に保つことが困難な場合があるが、上述した伸縮部を有する規制手段を用いることによって、接合ツールの没入量を予め定める没入量からずれ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接合線が長い場合であっても、その接合線を移動する間に、接合ツールの没入量が変動することを防止することができ、接合品質を向上することができる。また機構的に没入量を一定にすることによって、センサを用いる必要がなく、簡単な構成によって規制手段を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態である摩擦撹拌接合装置２０を示す分解斜視図であり、図２は、摩擦撹拌接合装置２０を示す斜視図である。また図３は、摩擦撹拌接合装置２０による接合手順を示す断面図である。

摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：略称ＦＳＷ）装置２０は、２つの被接合部材２１，２２が突合わされて並んで成る被接合物２３を接合する。被接合物２３は、２つの被接合部材２１，２２が突合わされる部分に継ぎ手部分２８が形成される。接合装置２０は、継ぎ手部分２８に沿って接合ツール２４を移動させて、各被接合部材２１，２２を連続接合する。継ぎ手部分２８は、各被接合部材２１，２２の境界線である接合線２９が表面に形成される。接合線２９は、たとえば直線状に延びる。

摩擦撹拌接合装置２０（以下単に接合装置２０という）は、円筒状の接合ツール２４を装着し、接合ツール２４を用いて摩擦撹拌接合を行う。接合ツール２４は、略円柱状に形成される本体部２５と、本体部２５から軸線方向一方Ａ１に突出し、略円柱状に形成されるピン部２６とを有する。本体部２５は、軸線方向一方Ａ１側端面となるショルダ面３０を有する。ショルダ面３０は、接合ツール２４の軸線Ｌ１に対して略垂直に形成される。ピン部２６は、ショルダ面３０から垂直に突出する。本体部２５とピン部２６とは、同軸に形成され、ピン部２６の外径は、本体部２５の外径よりも小さく形成される。

回転しながら接合ツール２４が被接合物２３に没入することによって、被接合物２３は、接合ツール２４との摩擦熱によって部分的に流動化し、流動化した部分２７が固相撹拌される。被接合物２３のうち流動化した部分２７が互いに混ぜ合わされる。この後、流動化した部分２７が固まることによって、各被接合部材２１，２２が接合される。被接合部材２１，２２は、たとえばアルミ合金から成る。

図１に示すように、接合装置２０は、ツール保持部３１と、回転駆動手段３２と、変位駆動手段３３と、車体３４と、走行手段３５と、制御手段６０（図示せず）とを含んで構成される。

接合装置２０は、予め定める基準軸線Ｌ１を有する。なお、基準軸線Ｌ１は、接合ツール２４が装着された場合に接合ツール２４と同軸となる軸線である。また基準軸線Ｌ１は、接合時には上下方向に延びる。また本発明において、基準軸線Ｌ１に沿って延びる方向を基準軸線方向Ａとし、接合ツール２４が接合線２９に沿って走行する方向を走行方向Ｘとする。また走行方向Ｘと、基準軸線方向Ａとに垂直な方向を交差方向Ｙとする。

ツール保持部３１は、接合ツール２４を着脱可能に保持する。ツール保持部３１に装着された接合ツール２４は、その軸線が、接合装置２０の基準軸線Ｌ１と同軸に配置される。ツール保持部３１は、車体３４に搭載され、車体３４に対して基準軸線Ｌ１まわりに回転可能に設けられる。またツール保持部３１は、車体３４に対して基準軸線方向Ａに沿って変位可能に設けられる。

回転駆動手段３２は、ツール保持部３１を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。回転駆動手段３２は、回転動力発生源５０と回転伝達部５１とを備える。回転動力発生源５０は、ツール保持部３１を基準軸線Ｌ１まわりに回転させるための動力を発生する。具体的には、回転動力発生源５０は、電動モータ、たとえば誘導モータまたはサーボモータによって実現される。電動モータは、電源から電力が供給されることによって、その出力軸を回転する。なお、電動モータは、制御手段によって制御される。この場合、制御手段は、電動モータに供給される電流を調整する。

回転伝達部５１は、回転動力発生源５０で発生される回転力をツール保持部３１に伝達する。具体的には、回転伝達部５１は、複数の歯車と歯車を回転可能に支持するギアボックスとを含む歯車伝達機構によって実現される。回転伝達部５１は、サーボモータの出力軸の回転を減速して、ツール保持部３１に回転力を与える。なお、回転伝達部５１は、歯車伝達機構以外の機構、たとえばベルト伝達機構であってもよい。

変位駆動手段３３は、ツール保持部３１を基準軸線方向Ａに変位駆動する。変位駆動手段３３は、変位動力発生源５２を備える。変位動力発生源５２は、ツール保持部３１を基準軸線方向Ａに変位させるための動力を発生する。具体的には、変位駆動力発生源５１は、圧力シリンダによって実現され、本実施の形態では、復動式エアシリンダによって実現される。

エアシリンダは、シリンダチューブが基準軸線Ｌ１と同軸に配置され、圧力源から圧縮空気が供給されることによって、ピストンロッドを基準軸線方向に伸縮させる。ピストンロッドは、シリンダチューブから露出した部分に結合部が形成される。結合部は、ツール保持部３１に直接または間接的に結合される。ピストンロッドは、ピストンロッドを伸縮することによって、ツール保持部３１に動力を与える。なお、エアシリンダは、制御手段によって制御される。この場合、制御手段は、シリンダに供給される圧縮空気の供給径路および供給状態を調整する。

車体３４は、ツール保持部３１、回転駆動手段３２および変位駆動手段３３を搭載する。本実施の形態では、車体３４は、モータ支持部４１と、シリンダ支持部４２と、枠体４３と、カバー４４と、車輪４７とを含んで構成される。モータ支持部４１は、基準軸線Ｌ１まわりに回転可能にツール保持部３１を支持する。またモータ支持部４１は、電動モータ５０およびギアボックス５１を支持する。またシリンダ支持部４２は、エアシリンダ５２を支持する。

シリンダ支持部４２は、枠体４３に搭載される。またシリンダ支持部４２は、基準軸線方向Ａに変位可能にモータ支持部４１を支持する。シリンダ支持部４２は、モータ支持部４１を基準軸線方向Ａに案内するレール機構５５を有する。

レール機構５５は、基準軸線方向Ａに延びるレール５４と、レール５４に案内される案内体５３とを含む。案内体５３は、基準軸線方向Ａに変位自在に設けられ、その他の方向の変位が阻止される。モータ支持部４１は、案内体５３に連結される。これによってモータ支持部４１が、シリンダ支持部４２に対して基準軸線方向Ａに変位可能に設けられる。本実施の形態では、複数、たとえば４つのレール機構５５が設けられる。４つのレール機構５５は、走行方向Ｘおよび交差方向Ｙにそれぞれ並ぶ。

枠体４３は、シリンダ支持部４２およびモータ支持部４１を収容する。枠体４３は、摩擦撹拌接合時に被接合物２３から反力が与えられても、破損しない十分な強度に設定される。本実施の形態では、枠体４３は、立方体形状に形成される。またカバー４４は、枠体４３の外周をそれぞれ覆う。これによってカバーに覆われた枠体４３は、立方体箱状に形成される。なお、カバー４４のうち、基準軸線方向一方Ａ１側のカバー４４は、基準軸線方向Ｌ１に貫通する貫通孔が形成される。これによってツール保持部３１が車体３４から基準軸線方向一方Ａ１に突出可能に形成される。

車体３４は、車輪４７と、車輪４７を回転自在に支持する車輪支持部４８ａ，４８ｂとを有する。車輪支持部４８ａ，４８ｂは、枠体４３およびカバー４４のいずれかに設けられる。車輪４７が車輪支持部４８ａ，４８ｂに装着されることによって、車体３４は、走行可能に構成される。

車輪支持部４８ａ，４８ｂは、第１車輪支持部４８ａと第２車輪支持部４８ｂとを含む。第１車輪支持部４８ａは、基準軸線方向他方Ａ２、すなわちツール保持部３１と反対側に設けられる。第２車輪支持部４８ｂは、基準軸線方向一方Ａ１、すなわちツール保持部３１側に設けられる。車輪４７は、車輪支持部４８に着脱可能に装着され、第１車輪支持部４８ａおよび第２車輪支持部４８ｂの両方に装着可能に設けられる。

接合装置２０は、摩擦撹拌接合にあたって、基準軸線Ｌ１が上下方向に延びるように配置される。また車体３４は、基準軸線方向一方Ａ１の端面となる対向面３７を車体３４の上面および下面のいずれとしても配置可能である。図２に示すように、対向面３７が車体３４の上面となる配置状態では、第１車輪支持部４８ａに車輪４７が装着される。また対向面３７が車体３４の下面となる配置状態では、第２車輪支持部４８ｂに車輪が装着される。これによって対向面３７が上下いずれに配置される場合であっても、車輪４７によって車体３４が走行可能に構成される。

図４は、接合装置２０の走行状態を示す断面図である。保持装置（図示せず）によって、被接合物２３が車体３４の走行路面３８よりも上方に固定される場合、車体３４は、対向面３７が上面となる上向き姿勢状態に配置され、車輪４７が、第１車輪支持部４８ａに装着される。

車体３４は、摩擦撹拌接合にあたって、被接合物２３の下方の走行路面３８、たとえば床または定盤上を走行する。このとき、被接合物２３の継ぎ手部分の上面部分には、裏当て金などの当接部材３６が当接されることが好ましい。これによって接合時における継ぎ手部分の変形が防止される。なお、本実施の形態の接合装置２０は、接合面に対してツール保持部３１の軸線が垂直な状態から予め定める傾斜角度θ傾斜した状態で走行する。具体的には、接合ツール２４の軸線Ｌ１は、走行方向に沿って延びる仮想平面内で、ツール保持部３１から接合ツールの先端２４に向かうにつれて走行方向前方に傾斜する。たとえば接合ツール２４の軸線Ｌ１と鉛直な軸線Ｌ１０との傾斜角度θは、１〜３度に設定される。これによって走行時に被接合物２３と接合ツール２４との間で発生する摩擦熱を大きくすることができる。また接合ツールと裏当て部材とで挟み込みやすくすることができ、接合品質を向上することができる。

図５は、接合装置２０の他の走行状態を示す断面図であり、図６は、他の走行状態を示す斜視図である。車体３４が被接合物２３の上方を走行する場合、車体３４は、対向面３７が下面となる下向き姿勢状態に配置され、車輪４７が、第２車輪支持部４８ｂに装着される。

車体３４は、摩擦撹拌接合にあたって、被接合物２３の上面を走行路面３８として走行する。このとき、被接合物２３の継ぎ手部分の下面部分には、裏当て金または定盤などの当接部材３６が当接されることが好ましい。これによって接合時における継ぎ手部分の変形が防止される。

図７は、走行手段３５を備える接合装置２０を示す断面図である。走行手段３５は、車輪支持部４８に装着された車輪４７を回転させる車輪回転手段を有する。車輪回転手段は、車体３４に設けられる車輪回転用モータ４９と、車輪回転用モータ４９の回転を車輪４７に伝達する回転伝達手段３９とを含む。

回転伝達手段３９は、ベルト機構によって実現される。具体的には、ベルトが、車輪回転用モータ４９の出力軸と車輪４７の車軸とにわたって巻掛けられる。車輪回転用モータ４９の出力軸が回転することで、車輪４７が回転する。車輪回転用モータ４９は、車体３４の走行方向前方側に設けられて、少なくとも走行方向前輪側を回転駆動する。これによって車体の直進走行性を向上することができる。なお、車輪回転用モータ４９は、回転伝達手段によって全ての車輪を回転駆動、いわゆる四輪駆動してもよく、油圧モータによって実現されてもよい。このように車体３４に走行手段３５が搭載されることによって、車体３４は、自走可能となる。

図８は、接合装置２０の電気的構成を示すブロック図である。制御手段６０は、入力部６１と、出力部６２と、記憶部６３と、演算部６４とを含む。入力部６１は、操作者からの指令が入力され、入力された指令を演算部６４に与える。また入力部６１は、作業者から摩擦撹拌接合に関する設定値が入力されてもよい。

入力部６１は、ボタンなどによって実現される。出力部６２は、演算部６４によって演算される演算結果を出力する。具体的には、出力部６２は、回転駆動手段３２、変位駆動手段３３および走行手段３５に駆動指令および停止指令などを与える。記憶部６３は、予め定める演算プログラムを記憶するとともに、演算部６４が演算した演算結果を記憶する。演算部６４は、記憶部６３に記憶される演算プログラムを読出して実行する。演算部６４は、演算プログラムを実行することによって、予め定める摩擦撹拌接合手順に従った指令を出力部６２に与える。たとえば記憶部６３は、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）によって実現される。またたとえば演算部６４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現される。

図９は、摩擦撹拌接合における制御手段６０の動作手順の一例を示すフローチャートである。作業者は、被接合部材２１，２２を突合わさせた状態で保持させる。摩擦撹拌接合にあたって、被接合物２３は、作業場所の床面または定盤上に静置され、被接合部材２１，２２は、仮付け溶接または拘束治具などによって、ギャップや目違いが許容値以下となるように予め突合わされる。そして作業者は、制御手段６０の入力部６１から接合条件を入力する。接合装置２０は、接合ツール２４が装着され、クレーンまたはフォークリフトを用いて、接合を行う位置まで搬送され、接合開始点に位置合せされる。

ステップａ０で、制御手段６０は、接合条件が入力された状態で待機する。作業者は、入力部６１を操作して、接合装置２０に接合開始を指令する。これによって制御手段６０は、入力部６１から接合開始指令が与えられて、ステップａ１に進み、接合動作を開始する。

ステップａ１では、制御手段６０は、回転指令を回転駆動手段３２に与える。これによってツール保持部３１とともに接合ツール２４が回転し、ステップａ２に進む。

ステップａ２では、制御手段６０は、ツール保持部３１の回転速度が接合条件として設定される設定回転速度に達したことを判定する。たとえば電動モータにエンコーダが設けられる場合、エンコーダから電動モータの出力軸の角度位置を取得し、その角度位置に基づいて、ツール保持部３１の回転速度が設定回転速度に達したかどうかを判定する。また制御手段６０は、回転指令を与えてから設定回転速度に達するまでに必要な時間をカウントし、その時間を超えると、設定回転速度に達したことを判定してもよい。このようにサーボモータの回転速度が設定回転速度に達すると、ステップａ３に進む。

ステップａ３では、制御手段６０は、没入指令を変位駆動手段３３に与える。これによって図３（１）に示すように、ツール保持部３１とともに接合ツール２４が、設定回転速度で回転しながら被接合物２３に向かって移動し、ステップａ４に進む。

ステップａ４では、接合ツール２４は、図３（２）に示すように、ピン部２６が被接合物２３に当接し、さらに被接合物２３に没入する。次に、図３（３）に示すように、ショルダ面３０が被接合物２３に当接する。

制御手段６０は、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したかどうかを判定する。電動モータの回転速度がフィードバック制御される場合、電動モータに流れる電流は、接合ツール２４が被接合物２３に与えるトルクに応じて変化する。したがって電動モータに流れる電流を検出して、その電流が予め定めるしきい値を越えると、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したことを判定する。

また制御手段６０は、没入指令を与えてからショルダ面３０が被接合物２３に当接するまでに必要な時間をカウントし、その時間を超えると、ショルダ面３０が被接合物２３に達したことを判定してもよい。また接合装置２０が、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したか否かを検出するセンサを有する場合には、そのセンサから与えられる検出結果に基づいて、ショルダ面３０が被接合物２３に達したことを判定してもよい。

このように制御手段６０が、ショルダ面３０が被接合物２３に当接したことを判定すると、ステップａ５に進む。

ステップａ５では、必要に応じて接合ツール２４の回転速度を予め定める走行用回転速度に変更し、設定回転速度から走行用回転速度に達すると、ステップａ６に進む。たとえば各被接合部材２１，２２が厚板の場合には、走行用回転速度よりも没入時の設定回転速度を高くすることが好ましい。これによって接合ツール２４が被接合物に没入するまでに、被接合物２３に接合ツール２４から与える入熱量を大きくすることができる。

ステップａ６では、制御手段６０は、没入停止指令を変位駆動手段３３に与える。これによって、接合ツール２４は、被接合物２３への没入を停止する。このとき、接合ツール２４は、摩擦熱によって被接合物２３の継ぎ手部分を流動化し、流動化した部分を撹拌する。没入停止指令を与えてから予め定める時間が経過し、被接合物２３を部分的に十分に流動化させると、制御手段６０は、走行指令を走行手段３５に与える。これによって接合ツール２４は、図３（３）に示すように、回転しながら接合線２９に沿う走行方向Ｘに移動し、ステップａ７に進む。

ステップａ７では、制御手段６０は、車体３４が走行を開始してから、接合条件として設定される設定走行距離分移動したことを判定する。たとえば車輪回転用モータ４９にエンコーダが設けられる場合、エンコーダから車輪４７の角度位置を取得し、その角度位置に基づいて、車体３４が設定走行距離分移動したか否かを判定する。

また車体３４が設定走行距離移動したか否かを検出するセンサから与えられる検出結果に基づいて、車体３４が設定走行距離移動したことを判定してもよい。このセンサとして、たとえばリミットスイッチが用いられる。このように制御手段６０が、車体３４が設定走行距離分移動したことを判定すると、ステップａ８に進む。

ステップａ８では、制御手段６０は、走行停止指令を走行手段３５に与える。これによって車体３４が停止する。車体３４が停止すると、ステップａ９に進む。ステップａ９では、制御手段６０は、退出指令を変位駆動手段３３に与える。これによって、図３（４）に示すように、接合ツール２４は、被接合物２３から退出し、ステップａ１０に進む。ステップａ１０では、制御手段６０は、回転停止指令を回転駆動手段３２に与える。これによって接合ツール２４の回転が停止し、ステップａ１１に進む。ステップａ１１では、摩擦撹拌接合における制御手段６０の動作が完了する。

このように制御手段６０が動作することによって、回転する接合ツール２４を被接合物２３に没入した状態で、被接合物２３の接合線２９に沿って車体３４が走行し、被接合部材２１，２２を接合することができる。

たとえば、被接合部材２１，２２の板厚が１０ｍｍである場合、接合条件として、接合ツール２４が走行方向Ｘに移動する走行速度は２００ｍｍ／ｍｉｎであり、接合ツール２４の回転数は５００ｒｐｍであり、接合ツール２４が被接合物２３を押圧する押圧力は１５ｋＮに設定される。

以上のように本発明の実施の形態に従えば、車体３４が被接合物２３の上方または下方を自走することによって、被接合物２３を移動させる必要がなく、回転駆動手段３２および変位駆動手段３３を被接合物２３の水平方向外方で支持する必要がない。

これによって被接合物２３の大きさおよび形状にかかわらず摩擦撹拌接合を行うことができ、柔軟な対応を可能とすることができる。したがって被接合物２３が大型である場合であっても、被接合物２３の大きさに合わせて接合装置２０を大型化する必要がない。したがって接合装置２０の製造コストを低下することができる。また不使用時には、予め定める格納場所に収容することができ、作業現場の省スペース化を実現することができる。たとえば長さが２０ｍを越える車両用および船舶用被接合部材２１，２２を接合する場合であっても、長手方向寸法、幅方向寸法、高さ寸法が１ｍ程度に接合装置２０を形成することができ、大型化することがない。

また車輪４７は、車輪支持部４８ａ，４８ｂのいずれかに装着可能であり、車輪支持部４８ａ，４８ｂに対して着脱自在に設けられる。これによって被接合物２３に対して車体３４が上下方向のいずれか一方に配置される場合であっても、接合可能であり利便性を向上することができる。

また、接合ツール２４、ツール保持部３１およびエアシリンダ５２を基準軸線Ｌ１に沿って同軸に配置されることによって、エアシリンダ５２で発生した変位駆動力を押圧力として接合ツール２４に与えることができる。エアシリンダを用いることによって、変位駆動手段を小型化することができる。

また電動モータを用いて変位駆動手段３２を実現した場合には、予め定める押圧力を持続して与え続けるために電動モータに電流を流しつづける必要がある。これに対してエアシリンダ５２を用いて変位駆動手段３２を実現した場合には、予め定める押圧力を与えるための圧縮空気を供給するだけでよく、電動モータに比べて押圧時のエネルギー消費を低減することができる。また回転駆動手段３２の電動モータ５０と、変位駆動手段３３のエアシリンダ５２とを基準軸線方向Ａに垂直な方向に並べて配置することによって、車体の上下方向寸法を安値で単純な構造とすることができる。

図１０は、接合ツール没入時の接合反力Ｆ１を示す断面図である。接合ツール２４を被接合物２３に没入するにあたって、車体３４は、被接合物２３から基準軸線方向Ａの接合反力Ｆ１が与えられる。接合反力Ｆ１は、接合ツール２４が被接合物２３を押付ける力と同じ力でかつ方向が逆の向きの力である。

図１０に示すように、下向き姿勢に配置された状態で、接合装置２０に働く重力Ｆ２が、接合反力Ｆ１未満である場合には、車体３４が浮き上がり、接合ツール２４を没入することができない。したがって本実施の形態では、接合装置２０の重量が小さい場合には、車体３４の浮き上がりを防止するために、錘５６が接合装置２０に搭載される。この場合、錘５６が接合反力Ｆ１に抗した力を車体３４に与えるための車体押付け手段となる。

図１１は、車体進行時に被接合物２３に与えられる第１走行反力Ｆ１２を説明するための斜視図である。回転する接合ツール２４を、被接合物２３に没入させて走行方向Ｘに移動させた場合において、被接合物２３は、走行方向Ｘに働く第１作用力Ｆ１０を接合ツール２４から受ける。第１作用力Ｆ１０は、走行方向前方に向かう力であり、走行方向上流側から走行方向下流側に向かう力である。第１作用力Ｆ１０は、適正な接合条件においてエアシリンダ５２が接合ツール２４を押圧するツール押圧力Ｆｚの０．１〜０．３倍程度であり、被接合部材２１，２２の板厚および走行速度の増加にともなって増加する。

また、接合ツール２４には、被接合物２３に与えた力と反対方向に、被接合物２３から反力を受ける。したがって接合ツール２４は、被接合物２３から走行方向後方に向かう、言い換えると走行方向下流側から走行方向上流側に向かう反力である第１走行反力Ｆ１２が与えられる。第１走行反力Ｆ１２は、Ｆｚ・αで表わされる。ここでＦｚは、ツール押圧力であり、αは、ツール押圧力Ｆｚと第１走行反力Ｆ１２との関係を表わす係数である。第１走行反力Ｆ１２と第１作用力Ｆ１０の力の大きさは同じであるので、αは、０．１以上０．３以下に設定される。

図１２は、車体進行時に被接合物２３に与えられる力を説明するための斜視図である。回転する接合ツール２４を、被接合物２３に没入させて走行方向Ｘに移動させた場合において、被接合物２３は、接合ツール２４から交差方向Ｙに働く第２作用力Ｆ１１を受ける。第２作用力Ｆ１１は、走行方向上流側から接合ツール２４を見て、接合ツール２４が向かう交差方向一方の力である。第２作用力Ｆ１１は、エアシリンダ５２が接合ツール２４を押圧するツール押圧力Ｆｚの０．１倍以上０．３倍以下である。

前述するように、接合ツール２４には、被接合物２３に与えた力と反対方向に、被接合物２３から反力を受ける。したがって接合ツール２４は、第２作用力Ｆ１１の反力である第２走行反力を受ける。第２走行反力は、Ｆｚ・βで表わされる。ここでＦｚは、ツール押圧力であり、βは、ツール押圧力Ｆｚと第２走行反力との関係を表わす係数である。βは、０．１以上０．３以下に設定される。

図１３は、走行時に被接合物２３から車体３４に与えられる反力を示す平面図である。上述したように、車体３４は、走行時には、第１走行反力Ｆ１２と、第２走行反力とが与えられる。

したがって被接合物２３と車輪４７との走行方向Ｘの摩擦係数をμ_ｘとし、車体の自重をＷとし、ツール押圧力をＦｚとすると、Ｆｚ・α＜（Ｗ−Ｆｚ）・μ_ｘの関係を満たす必要がある。この関係を満たさないと、車輪４７が空転し、走行方向Ｘに走行できないおそれがある。また被接合物２３と車輪４７との交差方向Ｙの摩擦係数をμ_ｙとすると、Ｆｚ・β＜（Ｗ−Ｆｚ）・μ_ｙの関係を満たす必要がある。この関係を満たさないと、車輪４７が基準軸線Ｌ１まわりに角変位するおそれがある。

したがって、上式を満たすように、車体の自重Ｗと、車輪４７と被接合物２３との摩擦係数μ_ｘ，μ_ｙを設定する必要がある。たとえば摩擦係数μ_ｘ，μ_ｙを大きくするために、無端帯状の履帯を走行方向に並ぶ車輪に巻き掛けて、無限軌道履帯式走行機構、いわゆるキャタピラ（登録商標）としてもよい。また摩擦係数μ_ｘ，μ_ｙを高くするために車輪または履帯の外周部に摩擦係数の高いゴムなどの材質を貼り付けてもよい。走行路面３８に車輪または履帯との摩擦係数の高いシートを敷設してもよい。また走行路面３８と車輪４７との接触面積が大きくなるように、車輪の軸線方向寸法を大きくしてもよい。また上述したように、車体３４の重量を大きくしてもよい。

被接合物２３から与えられる反力に起因して交差方向Ｙに移動することを見越して、被接合物２３から与えられる反力によって移動する方向と反対側に移動するように、車輪４７の形状および配置状態が設定されてもよい。たとえば第２走行反力が与えられない場合に、第２走行反力が与えられる方向と反対方向に、車体３４が移動するように舵を切っていてもよい。この場合、第２走行反力が車体に与えられた状態で、車体が走行すると、車体３４を直進させることができる。

図１４は、接合装置２０の他の接合状態を示す正面図であり、図１５は、接合装置２０の他の接合状態を示す断面図である。摩擦撹拌接合装置は、Ｃ字状に形成されるパイプ前駆体７０の周方向一端部７１と、周方向他端部７２とを接合することができる。パイプ前駆体７０は、周方向一端部７１と周方向他端部７２とが接合されることによって、円筒状のパイプを形成する。

パイプ前駆体７０の周方向両端部７１，７２を接合する場合、パイプ前駆体７０の周方向両端部７１，７２が突合わされた継ぎ手部分に当接する裏当て装置７３を設けてもよい。裏当て装置７３は、パイプ前駆体７０の軸線方向に移動可能に設けられる。裏当て装置７３は、パイプ前駆体７０の継ぎ手部分に当接する履帯７４が設けられる。履帯７４は、ローラ４７に巻き掛けられ、裏当て装置７３の移動とともに、パイプ前駆体７０に当接する位置が移動する。

摩擦撹拌接合にあたって、接合装置２０は、パイプ前駆体７０の内周面を走行する。この場合、裏当て装置７３の履帯７４は、パイプ前駆体７０の外周面に当接する。接合ツール２４と裏当て装置７３の履帯７４とは、パイプ前駆体７３を挟んで対向する位置に配置される。接合装置２０と、裏当て装置７３とが連動して、パイプ前駆体７０の軸線方向に進む。これによって継ぎ当て部分が変形することを防ぐことができる。なお、接合ツール２４がパイプ前駆体７０の外周面に当接し、裏当て装置７３の履帯７４がパイプ前駆体７０の内周面に当接した状態で、摩擦撹拌接合することや、両周面側からそれぞれ板厚の半分程度を摩擦撹拌接合してもよい。また履帯７４に代えてローラ４７が直接路面に接触してよい。

図１６は、図１４に示す接合状態の変形例を示す正面図であり、図１７は、図１５に示す接合状態の変形例を示す断面図である。図１６および図１７に示すように、パイプ前駆体７０の外周面が定盤または床などに当接することによって、接合装置２０は、裏当て装置７３を必要とせずに、パイプ前駆体７０の内部空間を走行して、パイプ前駆体７０の周方向両端部７１，７２を接合することができる。

図１８は、図１４の一部を拡大して示す断面図である。上述したように車体３４が、パイプ前駆体７０などの内周面を通過する場合、すなわち車体３４の走行路面が曲面である場合、車輪４７の車軸７６が傾けられる。具体的には、走行路面の接線７５に対して、略垂直となるように、車軸７６が傾けられる。これによって履帯２４または車輪４７と走行路面とが接触する領域を増やすことができ、履帯７４または車輪４７のスリップを低減することができる。

図１９は、本発明の他の実施の形態の車輪７７を示す断面図である。車体３４の走行路面が曲面である場合、車輪７７の外周面７８が、走行路面の傾斜に沿うように形成されてもよい。たとえば車輪７７は、円錐台形状に形成される。これによって車輪４７と走行路面とが接触する領域を増やすことができ、車輪４７のスリップを低減することができる。また車輪４７には、履帯が巻き掛けられてもよい。

図２０は、本発明の第２の実施の形態である接合装置１００の一部を示す分解斜視図である。第２の実施形態の接合装置１００は、ツール保持部３１を交差方向Ｙに変位可能に設けられる。その他の構成については、図１に示す第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成を有する。第２の実施形態の接合装置１００において、第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成については、説明を省略し、同一の参照符号を付する。

接合装置１００は、搭載部１０１と、交差駆動手段１０２とをさらに有する。搭載部１０１は、シリンダ支持部４２を交差方向Ｙに変位自在に支持する。交差駆動手段１０２は、シリンダ支持部４２を交差方向Ｙに変位駆動する。搭載部１０１は、枠体４３に固定され、シリンダ支持部４２を交差方向Ｙに変位可能に連結するレール機構１０３を有する。

レール機構１０３は、交差方向Ｙに沿って延びるレール１０４と、レール１０４に案内される案内体１０５とを含む。案内体１０５は、交差方向Ｙに変位自在に設けられ、その他の方向の変位が阻止される。シリンダ支持部４２は、案内体１０５に連結される。これによってシリンダ支持部４２が搭載体１０１に対して交差方向Ｙに変位可能に設けられる。本実施の形態では、複数、たとえば２つのレール機構１０１が設けられる。２つのレール機構１０１は、走行方向Ｘに並ぶ。

交差駆動手段１０２は、動力発生源１０６と、動力伝達部１０７とを有する。動力発生源１０６は、電動モータによって実現される。電動モータは、電源から電力が供給されることによって、その出力軸を回転する。なお、電動モータは、制御手段によって制御される。この場合、制御手段は、電動モータに供給される電流を調整する。

動力伝達部１０７は、動力発生源１０６で発生される回転力を、交差方向Ｙに進む直進力に変換して、その直進力をシリンダ支持部４２に与える。動力伝達部１０７は、ベルトまたは歯車などの回転伝達機構１０８によって、回転力をボールねじ１０９のねじ軸１１０に伝達する。ねじ軸１１０が回転することによって、ねじ軸１１０に螺合する移動体１１１が移動する。ねじ軸１１０は、交差方向Ｙに延び、移動体１１１は、シリンダ支持部４２に固定される。これによって動力発生源１０６が動力を発生すると、移動体１１１とともにシリンダ支持部４２を移動させることができる。また動力発生源の出力軸の回転方向を変更可能とすることで、シリンダ支持部４２を交差方向両方に移動させることができる。

図２１は、第２の実施の形態の接合装置１００の変形例を示す断面図である。図２０では、動力発生源１０６によってボールねじ１０９のねじ軸１１０を動力発生源１０６によって回転させたが、ねじ軸１１０を回転させる動力を作業者が与えてもよい。この場合、ねじ軸１１０を回転させるためのハンドル１１２を作業者が回転させることによって、シリンダ支持部４２を交差方向Ｙ両方に移動させることができる。

図２２は、本発明の第３の実施の形態である接合装置１２０の一部を拡大して示す図である。第３の実施形態の接合装置１２０は、被接合物２３の接合線２９の位置を検出する検出手段１２１と、接合ツール２４が被接合物２３に没入する没入量が予め定める没入量となるようにツール保持部３１の移動を規制する規制手段１２２とを有する。

第３の実施形態の接合装置１２０は、その他の構成については、第２の実施形態の接合装置１００と同様の構成を有する。第３の実施形態の接合装置１２０において、第２の実施形態の接合装置１００と同様の構成については、説明を省略し、同一の参照符号を付する。なお、本実施の形態では、検出手段１２１は、略棒状に形成され、その先端部で、接合装置に対する開先位置を検出する。検出手段１２１の軸線Ｌ２と鉛直線Ｌ３との角度が接合ツール２４の傾斜角度θと反対向きの後退角γとなる。言換えると検出手段１２１は、基端部から先端部に向かうにつれて、その軸線Ｌ３が接合方向下流側から上流側に延びる。

図２３は、検出手段１２１を示す正面図である。検出手段１２１は、ツール保持部３１と接合位置とのずれ量を検出するずれ量検出手段となる。たとえば検出手段１２１は、接触センサによって実現される。検出手段１２１は、車体３４が走行路面に配置された状態で、接触子１２２が接合線２９に近接または当接して配置される。接触子１２２は、接合線１２１に形成される開先を検出し、開先と接触子１２２との交差方向Ｙのずれを検出する。このずれ量は、ツール保持部と接合位置とのずれ量を表わす。

検出手段１２１は、検出結果を制御手段６０に与える。制御手段６０は、検出手段１２１の検出結果に基づいて、交差駆動手段１０２にずれ量補正指令を与える。これによって交差駆動手段１２０が、接合ツール２４と接合位置との交差方向Ｙのずれを解消する位置にシリンダ支持部４２を移動させる。したがって制御手段６０と交差駆動手段１０２とによって、交差方向Ｙのずれを補正する補正移動手段となる。

また制御手段６０は、検出手段１２１の検出結果に基づいて、交差駆動手段１０２を駆動したが、走行手段３５に舵機能が設けられる場合には、その舵機能を制御してもよい。たとえば走行手段３５が車輪４７の向きを変更可能に形成される場合、検出手段１２１の検出結果に基づいて、車輪４７の向きを変更してもよい。また交差方向一方側の車輪４７と交差方向他方側の車輪４７とが個別に駆動される場合、検出手段１２１の検出結果に基づいて、駆動する車輪４７を設定してもよい。このようにして車体４７を接合線２９に追従させるように、走行方向を変更させてもよい。この場合、制御手段６０と走行手段３５とによって、交差方向Ｙのずれを補正する補正移動手段となる。

検出手段１２１によってツール保持部３１と接合位置とのずれ量を検出すると、そのずれ量に基づいて、制御手段６０が、ずれを解消するようにツール保持部３１を被接合物２３に対して移動させる。このようにツール保持部３１と接合位置とのずれを解消することによって、接合位置の教示ミス、接合位置の誤差、走行移動における誤差などが生じる場合であっても、接合位置で被接合物２３を精度よく接合することができる。また車体３４が、被接合物２３から反力を受けた場合であっても、接合ツール２４が走行すべき走行経路から逸れることを防ぐことができる。

また、交差駆動手段１０２によって、車体３４に対してツール保持部３１を交差方向Ｙに移動させることによって、車体３４の移動にかかわらずに、ずれに応じてツール保持部３１を移動させることができる。これによってツール保持部３１の接合位置に対する追従性を向上して、接合ツール２４が接合線２９から逸れることを防ぐことができる。また接合ツール２４の位置を微調整することができる。

また、走行手段３５によって、ツール保持部３１を交差方向Ｙに移動させることによって、進行方向と接合線とがずれており、走行するにつれてずれ量が大きくなる場合であっても、接合ツール２４が接合線２９から逸れることを防ぐことができる。

図２４は、規制手段１２２を簡略化して示す断面図である。規制手段１２２は、連結部１３０と、伸縮部１３１と、ローラ部１３２とを有する。連結部１３０は、モータ支持部４２に固定され、モータ支持部４２とともに基準軸線方向Ａに変位する。また伸縮部１３１は、連結部１３０に連なり、弾発性を有して基準軸線Ｌ１に沿って伸縮する。ローラ部１３２は、連結部１３０の軸線方向他方部分に設けられる。

エアシリンダ５２がモータ支持部４２を押圧すると、モータ支持部４２とともに接合ツール２４および伸縮部１３１が被接合物２３に向かって移動する。接合ツール２４は、予め定める押圧力Ｆ５で被接合物２４を押圧しながら、被接合物２３に没入する。また伸縮部１３１は、接合ツール２４が予め定める没入量に達した状態でローラ部１３２が被接合物２３に当接する。そして接合ツール２４がさらに没入すると、伸縮部１３１が縮退する。このとき、伸縮部１３１は、自然状態に復帰する方向にばね力を発生する。これによってモータ支持部４２は、ツール没入方向と反対方向の力を受ける。伸縮部１３１によって生じるばね力は、伸縮部１３１の縮退量ΔＬに応じて大きくなり、接合ツール２４の没入が進行するとともに大きくなる。

接合ツール２４が予め定める没入量Ｐに達したときに、伸縮部１３１から与えられるばね力Ｆ６がほぼゼロとなる。このときばねの長さは、自然長となり、収縮および伸長量がゼロとなる。このように設定されることによって、接合ツール２４が予め定める没入量を超えて没入することを制御することができる。伸縮部１３１は、たとえばコイルばねまたは空気ばねによって実現することができる。

またローラ部１３２は、伸縮部１３１に回転可能に支持される。これによって車体が走行状態であっても、伸縮部１３１のばね力Ｆ６をもータ支持部４２に与えることができ、車体の走行中であっても、接合ツール２３の没入量を設定没入量に保つことができる。この場合には、走行中においても、エアシリンダ５２によってモータ支持部４１を予め定める押圧力Ｆ５で押圧することができる。

これによって車体３４の移動速度にかかわらず、接合ツール２４が被接合物２３に過剰に没入することを防ぐことができる。摩擦撹拌接合装置が自走する場合、走行路面３８の状態などの状態によっては、接合ツール２４の没入を一定に保つことが困難な場合があるが、上述した規制手段１２２を用いることによって、被接合物２３の接合線２９が長い場合であっても、その接合線２９を移動する間に、接合ツール２４の没入量が変動することを防止することができ、接合品質を向上することができる。また機構的に没入量を一定にすることによって、センサを用いる必要がなく、簡単な構成によって規制手段を実現することができる。これによって没入位置を正確に調整することが困難なエアシリンダを、変位駆動手段に用いた場合であっても、接合ツールの没入量を一定にすることができる。またエアシリンダによる加圧を継続した状態で、接合ツール２４を走行させることができる。

図２５は、本発明の第４の実施の形態である接合装置２２０を示す断面図である。第４の実施形態の接合装置２２０は、被接合物２３から与えられる基準軸線方向の反力に抗した力を車体に与える車体押付け手段が設けられ、その他の構成については、第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成を有する。したがって第１の実施形態の接合装置と同様の構成については、説明を省略する。

被接合物２３または当接部材３６のうち少なくともいずれか一方が強磁性体である場合、接合装置２２０には、浮き上がりを防止するために、車体２３の基準軸線方向一方側Ａ１に磁石体５７が設けられる。磁石体５７は、永久磁石であってもよく電磁石であってもよい。磁石体５７が電磁石である場合、接合ツール没入にあたって、制御手段６０は、電磁石５７を励磁する。これによって車体５４に、被接合物２３に向かう磁力Ｆ３を発生させる。この場合、磁石体５７が接合反力Ｆ１に抗した力を車体３４に与える車体押付け手段となる。また、接合ツール２４が没入していない状態においては、電磁石の励磁を停止することによって、被接合物２３に向かう力Ｆ３を解除することができ、利便性を向上することができる。

図２６は、本発明の第５の実施の形態である接合装置３２０を示す断面図である。第５の実施形態の接合装置３２０は、被接合物２３から与えられる基準軸線方向の反力に抗した力を車体に与える車体押付け手段５８が設けられ、その他の構成については、第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成を有する。したがって第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成については、説明を省略する。

接合装置３２０は、浮き上がりを防止するために、接合作業現場の天井または壁などから車体３４を基準軸線方向一方Ａ１に押圧する車体押付け手段５８を有する。斜体押付け手段５８は、伸縮部６５と、天井当接部６６と、車体当接部６７とを含む。伸縮部６６は、長手方向に伸縮自在に設けられる。天井当接部６６は、伸縮体６６の長手方向一端部に設けられ、天井６８などに当接する。車体当接部６７は、伸縮体６６の長手方向他端部に設けられ、車体３４に当接する。たとえば伸縮部６５は、エアシリンダによって実現される。天井当接部６６は、天井６８に当接して回転可能なローラと、ローラを回転可能に支持する当接部分とを含む。

接合ツール没入にあたって、制御手段６０は、押圧手段５８の伸縮部６５を伸長させる。天井当接部６６が天井６８に当接しているので、押圧手段５８は、車体当接部６７によって車体３４を下方に押圧する。これによって反力による車体３４の浮き上がりを防ぐことができる。

図２７は、本発明の第６の実施の形態の接合装置４２０を示す断面図である。第６の実施形態の接合装置は、第１の実施の形態の接合装置２０に比べて走行手段の構成が異なる。その他の構成については、第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成を有する。したがって第１の実施形態の接合装置と同様の構成については、説明を省略する。

被接合物２３の接合線２９が直線である場合では、ウインチ機構によって、車体３４を走行させてもよい。この場合、被接合物２３の接合線２９の一端部にワイヤ巻取り装置８０を配置し、被接合物２３の接合線２９の他端部に車体３４を配置する。そしてワイヤ８１によって車体３４とワイヤ巻取り装置８０とを連結する。ワイヤ巻取り装置８０がワイヤ８１を巻き取ることによって、車体３４を接合線に沿って移動させることができる。このようにして車体３４を走行させることができる。

図２８は、本発明の第７の実施の形態の接合装置５２０を示す断面図である。第７の実施形態の接合装置５２０は、第１の実施の形態の接合装置２０に比べて走行手段の構成が異なる。その他の構成については、第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成を有する。したがって第１の実施形態の接合装置と同様の構成については、説明を省略する。

被接合物２３の接合線２９が直線である場合では、チェーン機構によって、車体３４を走行させてもよい。この場合、被接合物２３の接合線２９の一端部に第１スプロケット回転体が設けられ、被接合物２３の接合線２９の他端部に第２スプロケット回転体が設けられる。第１スプロケット回転体８２および第２スプロケット回転体８３は、それぞれスプロケットを回転可能に支持する。

２つのスプロケットには、チェーン８４が巻掛けられる。２つのスプロケット回転体８２，８３のうち、少なくともいずれか一方は、スプロケットを回転駆動する回転手段を有する。チェーン８４の一部は、車体３４に連結される。回転手段によってスプロケットを回転させることによって、チェーン８４が変位し、チェーン８４とともに車体３４が接合線２９に沿って走行する。

図２９は、本発明の第８の実施の形態である接合装置６２０を示す断面図である。第８の実施形態６２０の接合装置は、第１の実施形態の接合装置２０に比べて、走行経路を正確に走行するためにさらにガイド機構を有する。その他の構成については、第１の実施形態の接合装置２０と同様の構成を有する。したがって第１の実施形態の接合装置と同様の構成については、説明を省略する。

接合装置６２０がガイド機能を有する場合、被接合物２３は、接合線２９に対して、平行に延びるガイド部材９０が被接合物２３に仮止めされる。接合装置６２０は、ガイド部材９０に添って移動するガイド機構９１を有する。ガイド機構９１は、ガイド部材９０を交差方向両側から挟持する一対のローラ９２，９３と、ローラ９２，９３を回転可能に支持して、車体に固定される固定部９４とを有する。ガイド機構９１は、いわゆるカムフォロア（片持ち式ラジアル軸受）によって実現される。

ガイド機構９１によって車体が案内されることによって、車体は、被接合物から反力が与えられる場合であっても、交差方向にずれることがない。これによって正確に接合線２９に沿って移動することができる。なお、被接合物２３に形成されるリブなどをガイド部材９０として利用してもよい。このようにガイド機構は、車体を走行すべき走行経路に沿って走行させる走行補助手段となる。仮止めされたガイドレールは、摩擦撹拌接合後に取外する。また作業現場または定盤上ガイドレールを設けた場合には、恒久的に繰り返して使用してもよい。

またガイド機構９１は、車輪４７に溝を形成して、ガイド部材上を走行するようにしてもよい。また車輪に代えて直動式ベアリングを取り付けて、ガイド部材と組合わせて、リニアガイドとして用いてもよい。またレールをラック形状に形成し、車輪の外周にピニオン形状に形成して、レールと車輪とを噛合させてもよい。

上述した本発明の形態は、本発明の一例示であり発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば回転駆動手段３２は、電動モータ以外、たとえば油圧モータおよびエアモータによって実現されてもよい。なお変位駆動手段３２は、エアシリンダ以外、たとえば油圧シリンダ、電気サーボ加圧機構によって実現されてもよい。また各実施の形態を組合わせた構成であってもよい。

本発明の第１の実施の形態である接合装置２０を示す分解斜視図である。 接合装置２０を示す斜視図である。 接合装置２０による接合手順を示す断面図である。 接合装置２０の走行状態を示す断面図である。 接合装置２０の他の走行状態を示す断面図である。 接合装置２０の他の走行状態を示す斜視図である。 走行手段３５を備える接合装置２０を示す断面図である。 接合装置２０の電気的構成を示すブロック図である。 摩擦撹拌接合における制御手段６０の動作手順の一例を示すフローチャートである。 接合ツール没入時の接合反力を示す断面図である。 車体進行時に被接合物２３に与えられる力を説明するための斜視図である。 車体進行時に被接合物２３に与えられる力を説明するための斜視図である。 走行時に被接合物２３から車体３４に与えられる反力を示す平面図である。 接合装置２０の他の接合状態を示す正面図である。 接合装置２０の他の接合状態を示す断面図である。 他の接合状態の変形例を示す正面図である。 他の接合状態の変形例を示す断面図である。 図１４の一部を拡大して示す断面図である。 本発明の他の実施の形態の車輪７７を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態である接合装置１００の一部を示す分解斜視図である。

接合装置１００の変形例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態である摩擦撹拌接合装置１２０の一部を拡大して示す図である。 検出手段１２１を示す正面図である。 規制手段１２２を簡略化して示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態である接合装置２２０を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態である接合装置３２０を示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態である接合装置４２０を示す断面図である。 本発明の第７の実施の形態である接合装置５２０を示す断面図である。 本発明の第８の実施の形態である接合装置６２０を示す断面図である。 第１の従来技術の摩擦撹拌接合装置１を示す斜視図である。 第２の従来技術の摩擦撹拌接合装置１３を示す斜視図である。 第２の従来技術の摩擦撹拌接合装置１５を示す斜視図である。

符号の説明

２０，１００，１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０ 摩擦撹拌接合装置
２１，２２ 被接合部材
２３ 被接合物
２４ 接合ツール
３１ ツール保持部
３２ 回転駆動手段
３３ 変位駆動手段
３４ 車体
３５ 走行手段
Ｌ１ 基準軸線

Claims (10)

1. 複数の被接合部材によって構成される被接合物を、接合ツールによって摩擦撹拌して、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設けられ、接合ツールを保持するツール保持部と、
   ツール保持部を前記予め定める基準軸線まわりに回転駆動する回転駆動手段と、
   ツール保持部を前記予め定める基準軸線に沿って変位駆動する変位駆動手段と、
   ツール保持部、回転駆動手段および変位駆動手段を搭載して走行可能な車体とを含み、
   前記車体には、回転自在に支持される車輪または履帯が設けられ、前記車輪または履帯の回転によって被接合物の上方または下方を走行可能に形成され、
   接合にあたって、車輪または履帯による走行方向に交差する方向に働く作用力によって生じるツール保持部と接合位置とのずれ量を解消する位置にツール保持部を移動可能な補正移動手段をさらに含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 前記車輪または履帯は、前記車体において、車体からツール保持部が突出する側の端部および該突出する側の端部とは反対側の端部に着脱可能であることを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 接合にあたって、被接合物から与えられる基準軸線方向の反力に抗した力を車体に与える車体押付け手段をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 接合にあたって、被接合物から与えられる基準軸線に対して垂直な方向の反力を考慮して車体を所定の移動径路に沿って走行させる走行補助手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
5. ツール保持部と接合位置とのずれ量を検出するずれ量検出手段と、
   ずれ量検出手段の検出結果に基づいて、補正移動手段を制御する制御手段とをさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
6. 補正移動手段は、車体に対してツール保持部を移動させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 補正移動手段は、車体の走行方向が所定の移動径路に対して成す角度を修正することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 車輪または履帯は、走行路面との摩擦係数の高い材料によって外周部が形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
9. 接合ツールが被接合物に没入する量が予め定める没入量となるように、ツール保持部の移動を規制する規制手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
10. 前記規制手段は、
    ツール保持部に連結される連結部と、
    連結部に連なり、弾発性を有して基準軸線に沿って伸縮する伸縮部とを有し、
    接合ツールが予め定める没入量没入した状態から、さらに没入しようとした場合、被接合物に当接した伸縮部からツール保持部に与えられるばね力によって接合ツールの没入を規制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。

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