JP4468125B2 - 摩擦撹拌接合方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム（アルミニウム合金を含む）等の導電材及びその他の磁性材料を、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）により接合する装置及び方法に関する。

従来の摩擦撹拌接合方法は、いずれも摩擦熱を利用するものであり、プローブを挿入し、ショルダ部を金属部材等の接合材に押付けて回転させており、摩擦撹拌接合工具の剛性を押付荷重に耐えるよう強固な構成すると共に、摩擦を保持したまま摩擦撹拌接合工具を回転させるために大きな動力を必要とする。
更に、接合材に対しても、摩擦撹拌接合工具からの押付力に対抗して接合材を保持する補強手段が必要であった。

そして、所望の摩擦熱を得るために、プローブの径が接合材の撹拌に必要な寸法以上になり、中空材等で接合部下部に骨材がある場合には、骨材の板厚をプローブの径以上にしなければならないという制限があった。
即ち、プローブの径に合わせて骨材を選択しなければならなかった。
同様に、集積配管プレートの製造においては、隣り合う流体流路用溝との距離（即ち隙間）をプローブの径より小さくすることができないため、集積度がプローブの径により決定されるという制限があった。
また、接合速度が、摩擦撹拌接合工具による摩擦熱が発生するまでの時間の都合により決定され、接合速度に制限があった。

また、接合部付近を摩擦撹拌による摩擦熱以外の加熱源を付加して接合速度を向上させる摩擦撹拌接合法としては、図１０、１１、１２の斜視図に示すように、アルミニウムからなる接合部材５０、５１の接合部５４又はその近傍に回転するプローブ５３を挿入し、プローブ５３との接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブ５３を挿入状態で接合部５４に沿って相対的に移動させることにより接合部材５０、５１を接合する摩擦撹拌接合法において、接合部５４のうちのプローブ５３の移動方向前方部分を外部熱源（レーザ光５５、ガス炎５６、又は加熱ローラ５７）により温度が１００乃至３００℃となるように加熱しながら、プローブ５３を移動させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、図１３の斜視図に示すように、加熱装置は接合部材５０、５１の接合部５４上を移動するプローブ５３の前方および後方にプローブ５３と同時に移動する誘導加熱熱源５８、５９と、誘導加熱熱源５８、５９に電力を供給する電源６０と、接合部５４の温度を設定する温度設定手段６１とを具備し、誘導加熱熱源５８、５９と接合部材５０、５１の間に空隙を設け、接合時において電源６０により誘導加熱熱源５８、５９が温度設定手段により設定された設定温度に加熱され、プローブ５３の移動方向の前後の接合部５４を誘導加熱熱源５８、５９により加熱するものも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第３０８１８０８号公報（図１、図２、図３） 特開２００３−９４１７５号公報（図１）

しかしながら、上述の特許文献１或いは特許文献２に記載のものは、摩擦撹拌接合方法における処理時間の短縮を目的として予備加熱、或いは処理後の品質向上を目的として後加熱するものであるが、加熱する箇所が摩擦撹拌接合を行っている箇所から離れており、摩擦撹拌接合を行っている箇所の加熱及び軟化度の制御を有効に行いにくく、摩擦撹拌接合工具を駆動するために大きな動力（電力）を必要とし、且つ必要以上に大きな摩擦撹拌接合工具を使用しなければならないという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するために提案されたものであり、摩擦撹拌接合に要する動力を少なくすると共に、適正な大きさの摩擦撹拌接合工具を使用できる摩擦撹拌接合方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、特許請求の範囲に記載された各発明は、摩擦撹拌接合装置及び方法として、それぞれ以下の（１）〜（８）に述べる各手段を採用したものである。

（１）第１の手段に係る摩擦撹拌接合方法は、金属部材を重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して金属部材を接合する摩擦撹拌接合方法において、前記プローブの近傍を加熱手段により加熱するようにし、かつ、前記加熱手段は、電磁誘導加熱であり、前記摩擦撹拌接合工具と同心円状に前記加熱手段を設け、前記加熱手段の上部に、電磁波遮蔽手段を配設したことを特徴とする。

（２）第２の手段は、第１の手段に係る摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合工具の近傍に温度計測手段を設け、前記温度計測手段により加熱温度を測定し、加熱温度の測定値に基づき前記加熱手段の出力を制御することを特徴とする。

（３）第３の手段は、第１の手段に係る摩擦撹拌接合方法において、前記プローブの回転状態を計測し、回転状態に基づき前記加熱手段の出力を制御することを特徴とする。

（４）第４の手段は、第１〜３のいずれかの手段に係る摩擦撹拌接合方法において、前記加熱手段と前記金属部材の表面との距離を調整可能にしたことを特徴とする。

（５）第５の手段は、第１〜４のいずれかの手段に係る摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合工具のプローブ及び回転子は非導電体としたことを特徴とする。

（６）第６の手段に係る摩擦撹拌接合装置は、重ね合わせられた金属部材を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置において、プローブ及び回転子が非導電体により形成された摩擦撹拌接合工具と、前記摩擦撹拌接合工具に近接して同心円状に設けられた電磁誘導加熱手段と、前記電磁誘導加熱の上部に設けられた電磁波遮蔽手段とを備えたことを特徴とする。

（７）第７の手段は、第６の手段に係る摩擦撹拌接合装置において、前記摩擦撹拌接合工具の近傍に設けられた温度計測手段と、所定の温度を設定する温度設定手段と、該温度計測手段による計測温度と前記温度設定手段で設定された設定温度との温度差を演算する比較手段と、該比較手段での演算結果に基づき前記電磁誘導加熱手段への供給電流或いは電力を制御する電力供給手段とを備えたことを特徴とする。

（８）第８の手段は、第６の手段に係る摩擦撹拌接合装置において、前記プローブの回転状況を計測するプローブ回転状態計測手段と、前記プローブ回転状態計測手段による計測値の大きさに応じて前記電磁誘導加熱手段への供給電流或いは電力を大きくする電力供給手段とを備えたことを特徴とする。

特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明は、上記の（１）〜（８）に記載の各手段を採用しているので、それぞれ以下のような効果を有する。

（１）請求項１に係る発明は上記第１の手段を採用しているので、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し摩擦熱にて軟化させ撹拌している金属部材の接合部分の近傍を加熱することにより、プローブが挿入されている部分を適度に軟化できる。また、加熱手段は電磁誘導加熱としているので、電磁誘導加熱により摩擦撹拌接合部分を加熱することができる。また、加熱手段を摩擦撹拌接合工具と同心円状に設けることにより、プローブにて摩擦撹拌している部分を集中的に加熱することができると共に、接合方向（進行方向）が曲がる場合やＵターンする場合に於いても接合部の加熱が均一となり効率の良い接合が行える。更に、電磁波遮蔽手段により周辺の金属でなる構成部品に対し、発熱や熱歪の悪影響を及ぼすことがない

（２）請求項２に係る発明は上記第２の手段を採用しているので、請求項１に係る発明の効果に加えて、温度計測手段により加熱温度を測定し、加熱温度の測定値に基づき前記加熱手段の出力を制御することにより効率の良い摩擦撹拌接合が行える。

（３）請求項３に係る発明は上記第３の手段を採用しているので、請求項１に係る発明の効果に加えて、プローブの回転状況を計測し、回転状況に基づき、プローブの回転数が落ちた場合、或いはプローブを回転させる電流が増加した時には、加熱手段の出力を増加させるよう制御することにより、効率の良い摩擦撹拌接合が行える。

（４）請求項４に係る発明は上記第４の手段を採用しているので、請求項１〜３のいずれかに係る発明の効果に加えて、加熱手段と金属部材の表面との距離を調整可能とすることにより、加熱量を調整できる。

（５）請求項５に係る発明は上記第５の手段を採用しているので、請求項１〜４のいずれかに係る発明の効果に加えて、摩擦撹拌接合工具のプローブ及び回転子を非導電体としているので、高速回転するプローブ及び回転子が電磁誘導により加熱されることがなく、強度低下や摩擦撹拌接合工具の上部の駆動部や支持部に対する熱的影響もなくなる。

（６）請求項６に係る発明は上記第６の手段を採用しているので、摩擦撹拌接合工具のプローブ及び回転子は非導電体となっており、高速回転するプローブ及び回転子が電磁誘導により加熱されることがなく、強度低下や摩擦撹拌接合工具の上部の駆動部や支持部に対する熱的影響がなくなり、摩擦撹拌接合工具と同心円状に電磁誘導加熱手段を設けることにより、プローブにて摩擦撹拌している部分を集中的に加熱することができると共に、接合方向（進行方向）が曲がる場合やＵターンする場合に於いても接合部の加熱が均一となり効率の良い接合が行え、更に、電磁波遮蔽手段により周辺の金属でなる構成部品に対し、発熱や熱歪の悪影響を及ぼすことがない。

（７）請求項７に係る発明は上記第７の手段を採用しているので、請求項６に係る発明の効果に加えて、温度計測手段により加熱温度を測定し、加熱温度の測定値に基づき前記電磁誘導加熱手段の出力を制御することにより効率の良い摩擦撹拌接合が行える

（８）請求項８に係る発明は上記第８の手段を採用しているので、請求項６に係る発明の効果に加えて、プローブの回転状況を計測し、回転状況に基づき、プローブの回転数が落ちた場合、或いはプローブを回転させる電流が増加した時には、電磁誘導加熱手段の出力を増加させるよう制御することにより、効率の良い摩擦撹拌接合が行える。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具により接合を行っている状態を示す正面断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。
図４は、図１の摩擦撹拌接合工具の制御図である。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具により接合を行っている状態を示す正面断面図、図６は、図５のＣ−Ｃ線断面図である。
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具により接合を行っている状態を示す正面断面図、図８は、図７のＤ−Ｄ線断面図である。
図９は、本発明の各実施の形態の摩擦撹拌接合工具を使用にて接合する集積配管プレートの一例を示す斜視図である。

まず、図９に基づき、摩擦撹拌接合を行う集積配管プレートの構造の一例につき説明する。
図９に示すように、集積配管プレートは、上プレート１と下プレート２とにより構成されている。
この上プレート１の表面には、燃料電池発電システムなどの装置の複数の接続機器９等が配設される。
そして、各接続機器９は、摩擦撹拌接合された上プレート１及び下プレート２と、植え込みボルト７及びナット８等により一体的に固定される。

下プレート２の上プレート１との接合面４には、上プレート１上の複数の接続機器９間を接続する複数本の流体流路が形成されている。
各流体流路は、複数の流体流路用溝３を有する下プレート２と上プレート１と重ね合わせて、各流体流路用溝３の周囲を液密に摩擦撹拌接合することにより形成される。
流体流路は、曲がったり、複数本並べて設けられたりしている。
各流体流路は、上プレート１に明けられた各連通孔６を介して各接続機器９に接続されるようになっている。
即ち、流体流路及び連通孔６は、集積配管プレート上の各機器に必要な流体（液体やガス）が流動するための配管の機能を担うものである。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具、及び接合方法を、図１、２、３、４に基づき説明する。
図１、２、３に示すように、摩擦撹拌接合に使用する摩擦撹拌接合工具１０ａの回転子１１ａは、図示略の移動支持台に取付けられた回転子駆動モータ１５（図４参照）の回転軸に固定されており、回転子駆動モータ１５により高速で回転させられる。
回転子１１ａは、円錐台状となっており、その下面は平坦なショルダ部１３が形成されている。
回転子１１ａのショルダ部１３の下面中央部には、突起して回転子１１ａと一体的に回転するプローブ１２ａが取付けられている。
また、ショルダ部１３の下面には、リング状の溝１４が形成されている。

なお、回転子１１ａ及びプローブ１２ａの材質は、電磁誘導作用によって発熱しないことが好ましいので、非電導体（セラミック、その他の非金属）から選定される。
このように、回転子１１ａ及びプローブ１２ａを非電導体で構成することにより、後記する加熱コイル２１により回転子１１ａ及びプローブ１２ａが加熱されることなく、強度低下、劣化や、摩擦撹拌接合工具１０ａの上部の回転子駆動モータ１５や移動支持台に対する熱的影響もなくなるようにしている。

回転子１１ａの同心円上の周囲には、誘導加熱のための加熱手段２０ａとしてのリング状の加熱コイル２１が、回転子１１ａと適当な隙間を保って配設されている。
この加熱コイル２１は、図示略の移動支持台に固定されており、図４に示す加熱コイル制御装置４０から、移動支持台に配設された電線を介して高周波電力が加熱コイル２１に供給される。
また、加熱コイル２１等の誘導加熱装置は、一般に市販されるものが使用されるので詳細な説明は省略するが、加熱コイル２１、図４に示す高周波電力発生器４２、整合部出力トランス４１、図示略の加熱コイル２１を冷却する冷却ユニット等から構成されている。

加熱コイル２１は、多数回巻されたコイルにより構成されており、このコイルに加熱コイル制御装置４０から高周波電流を供給すことにより、近接する上プレート１及び下プレート２に電磁誘導作用による渦電流を発生させ、渦電流損による発熱とヒステリシス損によって、近接する上プレート１及び下プレート２を急速に加熱させる。
その加熱の中心は、特に加熱コイル２１の中心部分、即ち、プローブ１２ａにて撹拌している部分となる。
なお、加熱コイル２１の下端は、回転子１１ａのショルダ部１３のレベルより僅か上方に位置するようになっている。

一般に、誘導加熱は被加工物の表面に近い程渦電流が多く流れる。
そして、表面ほど発熱量が多く温度が高くなり、内部にゆくにつれて指数関数的に小さくなる。
従って、本実施の形態における摩擦撹拌接合時の、プローブ１２ａが挿入されている個所を加熱するのに適している。

更に、図２に示すように、ショルダ部１３の外側近傍には、温度センサ２３（例として熱電対）が配設されている。
この温度センサ２３も、図示略の移動支持台に取り付けられている。
なお、図２には、温度センサ２３を、進行方向前方に１個のみ図示している。
しかしながら、摩擦撹拌接合工具１０ａは左右方向にも後方にも進むので、温度センサ２３は、ショルダ部１３の外側近傍周囲に等間隔に４個程度設けられる。

更に、加熱コイル２１の上方には、ドーナツ状の電磁波遮蔽板２２が、回転子１１ａと適当な隙間を保って配設されている。
この電磁波遮蔽板２２も、図示略の移動支持台に固定されている。
なお、加熱コイル２１及び電磁波遮蔽板２２は、各々個別に移動支持台に取付けても良く、一体化して移動支持台に取付けるようにしても良い。

ドーナツ状の電磁波遮蔽板２２の半径方向の幅は、加熱コイル２１の半径方向の幅よりも大きくすることが好ましく、更には、加熱コイル２１の上半分を覆うような形状としても良い。
このように、加熱コイル２１周囲に適当な形状の電磁波遮蔽板２２を配設することにより、周辺の金属製の構成部品に対し発熱や熱歪等の悪影響を及ぼすことがない。

次に、図４に基づき、加熱手段２０ａとしての加熱コイル２１の制御につき説明する。
回転子駆動モータ１５に電力（又は電流）を供給する摩擦撹拌接合工具制御装置４７内には、回転子駆動モータ１５への供給電力（又は電流）を検出する電力計（又は電流計）が設けられている。
なお、図４に図示のように、回転子１１ａを駆動する回転子駆動モータ１５に、回転数を検出する回転数検出器１６を取付けることも可能である。
そして、摩擦撹拌接合工具制御装置４７内の電力計（又は電流計）、或いは回転数検出器１６及び、ショルダ部１３の外側近傍の温度センサ２３からの各々の検出信号は、加熱コイル制御装置４０に送信される。

一方、加熱コイル制御装置４０には、設定器４３が設けられている。
なお、摩擦撹拌接合作業を行う前に、予め、摩擦撹拌接合する上プレート１及び下プレート２について予備接合を行い、加熱コイル２１への適正な供給電力（又は供給電流）値及び周波数、回転子駆動モータ１５への供給電力値（供給電流値）、或いは回転数、摩擦撹拌接合工具１０ａの移動速度、ショルダ部１３外側近傍の適正温度を求めておく。
そして、設定器４３に、予備接合により求められた適正な上述の各々の値を入力し、所定の各設定値として記憶する。
また、設定器４３には、速度一定制御、接合部温度一定制御等の運転モードも設定できるようになっている。

そして、温度センサ２３からの計測温度信号は、加熱コイル制御装置４０内の比較器４５ａに送信される。
なお、温度センサ２３は複数個（４個）設けられており、各温度センサ２３からの各々の検出値の平均値が演算され、或いは最低温度が抽出されて、比較器４５ａに送信される。
一方、比較器４５ａには、設定器４３から予備接合により求められた所定の温度設定値が入力される。
比較器４５ａでは、この計測温度信号と所定の温度設定値とが比較され、演算された温度偏差値は加熱コイル出力演算器４４に出力される。

また、摩擦撹拌接合工具制御装置４７にて検出された回転子駆動モータ１５への供給電力（又は供給電流）信号は、加熱コイル制御装置４０内の比較器４５ｃに送信される。
比較器４５ｃには、設定器４３から予備接合により求められた所定の供給電力（又は供給電流）設定値が入力される。
比較器４５ｃでは、摩擦撹拌接合工具制御装置４７からの計測された供給電力（又は供給電流）信号と所定の供給電力（又は供給電流）設定値とが比較され、演算された供給電力（又は供給電流）偏差値は加熱コイル出力演算器４４に出力される。

或いは、回転数検出器１６にて計測された回転子駆動モータ１５の回転数信号が、加熱コイル制御装置４０内の比較器４５ｂに送信される。
比較器４５ｂには、設定器４３から予備接合により求められた所定の回転数設定値が入力される。
比較器４５ｂでは、この計測回転数信号と所定の回転数設定値とが比較され、演算された回転数偏差値は加熱コイル出力演算器４４に出力される。

加熱コイル出力演算器４４では、入力されたこれらの温度偏差値及び、供給電力（又は供給電流）偏差値或いは、回転数偏差値に基づき、加熱コイル２１に出力する電流値を算出する。
例えば、上プレート１及び下プレート２の材質の差異等により、回転子１１ａの回転抵抗が増加したとする。
すると、抵抗が増加したため回転子駆動モータ１５への供給電力（供給電流）は増加し、或いは回転子１１ａの回転数は低下する。
運転モードが速度一定制御の場合、摩擦撹拌接合工具１０ａの移動速度を保持するためには、例えば、加熱コイル２１への供給電流を増加させ、上プレート１及び下プレート２の加熱量を多くして軟化度を高める必要がある。

この場合には、加熱コイル出力演算器４４にて、比較器４５ｃからの供給電力（供給電流）偏差値、或いは比較器４５ｂからの回転数偏差値に基づき、加熱コイル２１に出力すべき電流目標値を演算する。
なお、温度偏差値も監視し、最大温度を超えないように制限して、上プレート１及び下プレート２の劣化等を防止する。
演算された電流目標値は、高周波電力発生器４２に送信される。
高周波電力発生器４２では、この電流目標値に基づき、パワートランジスタ或いはサイリスタ等の電力変換器の点弧角等を制御する。
このようにして供給電力（供給電流）は、調整されて、整合部出力トランス４１を介して加熱手段２０ａの加熱コイル２１に供給される。

次に、運転モードが接合部温度一定制御の場合、比較器４５ａからの温度偏差値がゼロになるように、加熱コイル出力演算器４４で、入力されたこれらの温度偏差値に基づき、加熱コイル２１に出力すべき電流目標値を演算する。
演算された電流目標値は、高周波電力発生器４２に送信され、整合部出力トランス４１を介して加熱コイル２１に供給される。

なお、比較器４５ｃからの供給電力（供給電流）偏差値、或いは比較器４５ｂからの回転数偏差値が増加（供給電力（供給電流）が増加或いは回転数が減少）した場合には、移動支持台の移動を制御する移動支持台制御装置４８に、供給電力（供給電流）偏差値又は、及び回転数偏差値を送信する。
移動支持台制御装置４８では、供給電力（供給電流）偏差値又は、及び回転数偏差値がゼロになるように、移動速度を減少させる。

本発明の第１の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具１０ａ、加熱手段２０ａ、電磁遮蔽板２２、移動支持台、制御装置は上述のごとく構成されており、これらの装置により、図９に図示の上プレート１及び下プレート２からなる集積配管プレートを加工する方法につき説明する。
なお、本実施の形態においては、電磁誘導加熱により加熱するため、上プレート１及び下プレート２の材質は、アルミニウム、銅および炭素鋼等の導電体およびその他の磁性材料を対象とする。

図１、２、３に示すように、あらかじめ多数本の流体流路用溝３が形成された下プレート２に、上プレート１を重ね合せる。
そして、プローブ１２ａ等を有する摩擦撹拌接合工具１０ａを移動方向Ｘに向って移動させることにより、摩擦撹拌接合部５が形成される。
このようにして、曲りくねった流体流路用溝３の外周に倣って、その全周を巡るように移動させて、上プレート１と下プレート２の接合面４を液密に接合する。

上述の摩擦撹拌接合方法及び装置によれば、加熱コイル２１により上プレート１及び下プレート２を誘導加熱するので、非接触で上プレート１及び下プレート２の表面から必要とする内部深さまで急速に加熱されて、容易に局所的な塑性流動域を効率よく生成することが可能である。
また、非接触の加熱手段２０ａを用いているので、被加工物の表面形状の変形に追従するための複雑な機構を必要とせず、安価でシンプルな装置となる。
更に、集積配管プレートの加工の場合にあっては、流体流路用溝３の部分は上プレート１及び下プレート２が接触しておらず、上プレート１及び下プレート２が接触している接合予定部に熱が集中するので、必要な位置の加熱がより効率的に行える。

また、摩擦撹拌接合工具１０ａには、多大な押圧力と回転駆動力を要せず、ショルダ部１３の直径ｄ２及びプローブ１２ａの直径ｄ１を細く、小型にすることが可能となる。
その結果、例えば、相互に隣合う流体流路用溝３を近づけて集積度を上げた集積配管プレートの製造が可能となる。
また、撹拌接合に要する熱源が摩擦撹拌接合工具１０ａの回転駆動による摩擦熱に依らないので接合速度を早くすることが出来、加工時間の短縮に寄与する。
更に、加熱手段２０ａを同心円状としているので、集積配管プレートの加工の例で示すように接合方向（進行方向）がヘアピンのように曲がる場合やＵターンする場合に於いても接合部の加熱が均一となり効率の良い接合を行うことが可能となる。

なお、上述のものは、加熱コイル２１への供給電力（電流）を、温度センサ２３、回転子駆動モータの回転数、供給電流に基づいて制御するようにしているが、これに代えて、加熱コイル２１への供給電力は一定とするようにしても良い。
この場合、加熱コイル２１（及び電磁波遮蔽板２２）と加工物との距離を調整可能な構造とすることも可能である。
即ち、加熱コイル２１（及び電磁波遮蔽板２２）を、長さの制御が可能な伸縮継ぎ手等を介して移動支持台に接続することにより、加工物からの距離を調整できる。
なお、実施形態及び作用効果の説明は、集積配管プレートの加工の場合を例としているが、これに限定されるものではなく、その他の接合の場合にも適用可能である。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具、及び接合方法を、図５、６に基づき説明する。
図５、６に示すように、摩擦撹拌接合に使用する摩擦撹拌接合工具１０ｂの回転子１１ｂは、図示略の移動支持台に取付けられた回転子駆動モータ１５（図４参照）の回転軸に固定されており、回転子駆動モータ１５により高速で回転させられる。
回転子１１ｂの下部は、円筒状となっており、その下面は平坦なショルダ部１３が形成されている。

回転子１１ｂのショルダ部１３の下面中央部には、突起して回転子１１ｂと一体的に回転するプローブ１２が取付けられている。
また、回転子１１ｂおよびプローブ１２ｂの材質は、耐熱性に優れ、熱抵抗の大きい、高強度のセラミックや超硬合金等が使用される。

回転子１１ｂの同心円上の周囲には、接合部をプレヒーティングするための加熱手段２０ｂを構成するドーナツ状に形成された加熱ヒータ２５が、回転子１１ｂと適当な隙間を保って配設されている。
加熱ヒータ２５の内部には、電気抵抗等により熱量を生成するための発熱体２６が設けられている。
加熱ヒータ２５は、その内部の発熱体２６で発生する熱量を効率よく、上プレート１、下プレート２に伝導するために、耐熱性および熱伝導率の高い金属等が使用される。

加熱ヒータ２５の上面には、複数個の支え金具２７が固定されており、支え金具２７は、図示略の移動支持台に上下方向に摺動可能に取付けられている。
加熱ヒータ２５と移動支持台との間には、圧縮ばね２８が介装されている。
そして、加熱ヒータ２５は、圧縮ばね２８により、適当な押圧力を保って上プレート１と接触しながら、摩擦撹拌接合工具１０ｂと一体的に移動する構成になっている。

本発明の第２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具１０ｂ、加熱手段２０ｂ等は上述のごとく構成されており、これらの装置により、図９に図示の上プレート１及び下プレート２からなる集積配管プレートを加工する方法につき説明する。
図５および図６において、第１の実施の形態にと同様にあらかじめ、流体流路用溝３が形成された下プレート２に上プレート１を重ね合せて、流体流路用溝３の周辺に沿って摩擦撹拌接合を行う。
ショルダ部１３の中央部に突起してショルダ部１３と一体で構成されるプローブ１２ｂを具備する摩擦撹拌接合工具１０ｂが、図示せざる駆動装置によって正逆転方向に回転駆動しながら移動方向Ｘの方向に移動する。

上述の本発明の第２の実施の形態に係るプレヒーティング方式の摩擦撹拌接合工具１０ｂ、加熱手段２０ｂによる撹拌接合においては、加熱手段２０ｂによってプレヒーティングすることにより、プローブ１２ｂでの摩擦熱の発生量を少なくすることが可能となり、摩擦撹拌接合工具１０ｂに作用する力を小さくすることができる。このため摩擦撹拌接合工具１０ｂの寿命が長くなると共に、小型化が可能となる。
更には、流体流路用溝３の間隔を狭くすることが出来、集積度を上げることができる。
また、プレヒーティングによって上プレート１、下プレート２を外部より加熱することにより、摩擦撹拌接合工具１０ｂの移動速度、即ち、接合速度を上げることが可能であり、作業の効率アップとなる。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具、及び接合方法を、図７、８に基づき説明する。
同図において、上プレート１、下プレート２、流体流路用溝３および摩擦撹拌接合工具１０ｂについては、本発明の第２の実施の形態に係るものと同様であり説明を省略する。

図７、８に図示のように、摩擦撹拌接合工具１０ｂの周囲には、適当な距離を隔てて、複数のローラ３４が配設されている。
このローラ３４は、ホルダ３２に両端が固定されたピン３３に回転自在に取付けられている。
一方、図示略の移動支持台には、旋回台３８が旋回可能に取付けられている。
旋回台３８の下面には、シリンダまたは圧縮ばねを介して上下方向に摺動可能な支持柱３１が取付けられている。
そして、各ホルダ３２は、支持柱３１の下端に固定されている。
上述のローラ３４、ホルダ３２、支持柱３１及び、旋回台３８により加圧手段２９が構成されている。
ローラ３４は、所定の押圧力で常時上プレート１を加圧して上プレート１と下プレート２とを密着させるようになっている。

更に、摩擦撹拌接合工具１０ｂの移動方向前方には、上プレート１及び下プレート２の接合部を加熱するための加熱手段２０ｃが近接して配設されている。
この加熱手段２０ｃも、旋回台３８に支持脚３６を介して取付けられている。
加熱手段２０ｃは、上プレート１およびショルダ部１３に対し共に非接触であり、例えば、誘導加熱方式等が有効であるが、上プレート１に適当な押圧力で接触する加熱ヒータ等も可能である。

摩擦撹拌接合工具１０ｂの移動方向の後方には、摩擦撹拌接合部５の施工品質を検査する検査手段３５が配設されている。
この検査手段３５も旋回台３８に取付けられている。
検査手段３５は、接触型または非接触型のどちらでも良く、非接触で配設されたＣＣＤカメラで接合部表面を撮像した画像信号を図示せざるコントロール部に送るよう構成したもの、または、摩擦撹拌接合部５に接触して設けられた超音波またはＸ線検査装置により、内部の接合状態の信号を図示せざるコントローラ部に送るように構成したもの等が採用可能である。

コントローラ部ではこれら信号を解析し、摩擦撹拌接合部５の接合状態の良否を、加熱状態、摩擦撹拌接合工具１０ｂの回転および移動速度と共に判断し、摩擦撹拌接合部５の加熱温度と摩擦撹拌接合工具１０ｂの加圧、回転、移動速度等の運転条件を最適な状態に制御する。
このように、加熱手段２０ｃ、検査手段３５および各加圧手段２９は、旋回台３８に取付けられており、摩擦撹拌接合工具１０ｂの直線移動及び曲線移動に伴い、摩擦撹拌接合工具１０ｂと一体的に摩擦撹拌接合部に沿って移動する構成になっている。

上述の本発明の第３の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具１０ｂ、加熱手段２０ｃ及び加圧手段２９による撹拌接合においては、プローブ１２及びショルダ部１３に過大な負荷を必要とせず、その寸法を小さくすることができ、集積配管プレートの製造においては集積度を向上させることができると同時に加工速度の向上を図ることが出来、工数低減に寄与する。
また、検査手段を備えることにより、接合作業と同時に品質をチェックし、不具合は直ちにオンラインで修正が可能となり、不良率を下げ、製品の歩留を極端に上げることができる。

更に、複数の加圧手段２９により、プローブ１２の周囲を適当な押圧力で加圧することにより、上プレート１と下プレート２をより密着させ、プローブ１２の撹拌に伴う上プレート１、下プレート２の離反、振動等を防止し確実に接合することができる。

以上、本発明の第１〜３の実施の形態について説明したが、本発明は上記の各実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具により接合を行っている状態を示す正面断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図１の摩擦撹拌接合工具の制御図である。 本発明の第２の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具により接合を行っている状態を示す正面断面図である。 図５のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る摩擦撹拌接合工具により接合を行っている状態を示す正面断面図 図７のＤ−Ｄ線断面図である。 本発明の各実施の形態の摩擦撹拌接合工具を使用にて接合する集積配管プレートの一例を示す斜視図である。 従来のレーザにより加熱する方法を示す斜視図である。 従来のガスバーナにより加熱する方法を示す斜視図である。 従来の加熱ローラにより加熱する方法を示す斜視図である。 従来の誘導加熱により加熱する方法を示す斜視図である。

符号の説明

１ 上プレート
２ 下プレート
３ 流体流路用溝
５ 摩擦撹拌接合部
６ 連通孔
７ 取付ボルト
８ ナット
９ 接続機器
１０ａ、１０ｂ 摩擦撹拌接合工具
１１ａ、１１ｂ 回転子
１２ａ、１２ｂ プローブ
１３ ショルダ部
１４ 溝
１５ 回転子駆動モータ
１６ 回転数検出器
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 加熱手段
２１ 加熱コイル
２２ 電磁波遮蔽板
２３ 温度センサ
２５ 加熱ヒータ
２６ 発熱体
２７ 支え金具
２８ 圧縮ばね
２９ 加圧手段
３１ 支持柱
３２ ホルダ
３３ ピン
３４ ローラ
３５ 検査手段
３６ 支持脚
３７ 支持脚
３８ 旋回台
４０ 加熱コイル制御装置
４１ 整合部出力トランス
４２ 高周波電力発生器
４３ 設定器
４４ 加熱コイル出力演算器
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ 比較器
４６ 電流計
４７ 摩擦撹拌接合工具制御装置
４８ 移動支持台制御装置
Ｘ 移動方向矢印
Ｙ 回転方向
５０、５１ 接合部材
５２ 接合装置
５３ プローブ
５４ 接合部
５５ レーザ光（外部熱源）
５６ ガス炎（外部熱源）
５７ 加熱ローラ（外部熱源）
５８、５９ 誘導加熱熱源
６０ 電源
６１ 温度設定手段

Claims (8)

1. 金属部材を重ね合わせ、摩擦撹拌接合工具の回転するプローブを挿入し、プローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌して金属部材を接合する摩擦撹拌接合方法において、
   前記プローブの近傍を加熱手段により加熱するようにし、かつ、
   前記加熱手段は、電磁誘導加熱であり、
   前記摩擦撹拌接合工具と同心円状に前記加熱手段を設け、前記加熱手段の上部に、電磁波遮蔽手段を配設したことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 前記摩擦撹拌接合工具の近傍に温度計測手段を設け、前記温度計測手段により加熱温度を測定し、加熱温度の測定値に基づき前記加熱手段の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
3. 前記プローブの回転状態を計測し、回転状態に基づき前記加熱手段の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
4. 前記加熱手段と前記金属部材の表面との距離を調整可能にした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方法。
5. 前記摩擦撹拌接合工具のプローブ及び回転子は非導電体であ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方法。
6. 重ね合わせられた金属部材を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置において、プローブ及び回転子が非導電体により形成された摩擦撹拌接合工具と、前記摩擦撹拌接合工具に近接して同心円状に設けられた電磁誘導加熱手段と、前記電磁誘導加熱の上部に設けられた電磁波遮蔽手段とを備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
7. 前記摩擦撹拌接合工具の近傍に設けられた温度計測手段と、所定の温度を設定する温度設定手段と、該温度計測手段による計測温度と前記温度設定手段で設定された設定温度との温度差を演算する比較手段と、該比較手段での演算結果に基づき前記電磁誘導加熱手段への供給電流或いは電力を制御する電力供給手段とを備えたことを特徴とする請求項６に記載の摩擦撹拌接合装置。
8. 前記プローブの回転状態を計測するプローブ回転状態計測手段と、前記プローブ回転状態計測手段による計測値の大きさに応じて前記電磁誘導加熱手段への供給電流或いは電力を大きくする電力供給手段とを備えたことを特徴とする請求項６に記載の摩擦撹拌接合装置。

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