JP5631162B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いに接合しようとする被接合部材の接合箇所を、摩擦熱により接合箇所の母材組織を攪拌して塑性流動させ、その冷却後に母材組織一体化させて接合箇所の接合を行うようにした摩擦攪拌接合方法に関する。

摩擦攪拌接合方法は、固相接合であるため凝固割れが生じず高い強度が得られる、入熱が少ないので被接合部の変形が少ない、溶加材やシールドガスが不要である、などの利点がある一方、複雑な形状の接合は困難であるといった問題点もある。すなわち、小さな曲率の曲線や略直角の角部等への適用は困難であり、現状では直線、緩曲線あるいは円周継手などに適用が限定されている。

互いに直交する直線、緩曲線や円周継手へ適用可能な従来の摩擦攪拌接合装置としては、ツール本体の先端部にこれより小径としたピンを設けるとともに、ツール本体の先端面にピン取付部の周辺をショルダとする接合ツールを備え、この接合ツールの軸心を、被接合部材の接合表面に垂直な軸心に対して接合進行方向前方へ傾斜させて配置し、直線部にピンを回転させながら挿入するとともに、ショルダを直線部後方の表面に接触させながら被接合部材と接合ツールとをＸ−Ｙ−Ｚ方向へ相対移動させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４２１５１７９号公報

しかしながら、上記従来の摩擦攪拌接合装置・接合方法には以下に説明するような問題がある。
すなわち、上記従来の摩擦攪拌接合装置・接合方法にあっては、被接合部材の接合箇所が略直角に方向変換する直線同士で連結されている場合、また、異なる方向の直線間が小さい曲線で連結されている場合には、それらを連結する中間部にてピンの進行方向を変える必要があるため、ピン等の回転速度に方向変換速度が加わるため発熱量が高くなりすぎ、この結果、被接合部材が融点に達したり、ピンの耐久性が低下したりするなどの不具合が生じるといった問題がある。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、異なる方向の直線部間を連結し、被接合部材の接合箇所となる中間部が、略直角に方向変換する場合や小さい曲線で連結されている場合でも、被接合部材が融点に達したり、ピンの耐久性が低下したりするのを防ぐことで、安定して被接合部材を接合できるようにした摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

この目的のため、請求項１の本発明による摩擦攪拌接合方法は、
ツール本体の先端部に設けたピンと、このピンの周辺でツール本体の先端面に形成したショルダ面と、を、これらの進行方向に対し前進角を有した状態でこれらの軸心まわりに回転させながら被接合部材の接合箇所に挿入して被接合部材に対し相対移動させることにより発生した摩擦熱で被接合部材の接合箇所を塑性流動させて接合箇所を接合する摩擦攪拌接合方法において、
被接合部材の接合箇所は、第１直線部と、この第１直線部と方向を異にする第２直線部と、第１直線部および第２直線部とを連結する中間部とを有し、
ピンおよびショルダの回転速度を、中間部では第１直線部および第２直線部での回転速度よりも低下させるとともに、ピンおよびショルダ面の移動速度を、中間部では第１直線部および第２直線部での移動速度よりも低下させて、被接合部材、ピンおよびショルダ面の中間部での摩擦熱にて発生する温度が第１直線部および第２直線部での摩擦熱にて発生する温度より低下するように、回転速度と、移動速度と、中間部でのピンおよびショルダ面の移動時間とを設定するようにした、
ことを特徴とする。

請求項２の摩擦攪拌接合方法は、被接合部材の接合箇所の中間部を、略直角または曲線とすることを特徴とする。

請求項３の摩擦攪拌接合方法は、ツール本体とピンとを、これらの軸心がショルダ面の中心点を通るように設定し、かつ、中間部でピンの進行方向を変えるときには、ツール本体がショルダ面の中心点を回転中心として回動するようにしたことを特徴とする。

請求項１の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、ピンおよびショルダ面の回転速度を、中間部では第１直線部および第２直線部よりも低下させるようにしたので、被接合部材の接合箇所の中間部が略直角である場合や小さい曲線である場合でも、摩擦熱で発生する温度を下げることで、被接合部材の接合箇所、ピン、ショルダ面の温度が高温になりすぎるのを防止して、被接合部材を安定して接合することができる。

請求項２の摩擦攪拌接合方法にあっては、被接合部材が互いに方向を異にする第１直線部と第２直線部とを連結する中間部が、略直角または曲線で形成されていても、本発明の摩擦攪拌接合方法を適用することで、安定した被接合部材の接合が可能となる。

請求項３の摩擦攪拌接合方法にあっては、ツール本体とピンとの軸心がショルダ面の中心点を通り、かつ、中間部でピンの進行方向を変えるときには、ツール本体をショルダ面の中心点を回転中心として回動させるようにしたので、中間部の接合時に、ピンやショルダ面による加工軌跡が、被接合部材の接合箇所部から大きくずれるのを防止することができる。

本発明の実施例１の摩擦攪拌接合方法を実現する摩擦攪拌接合装置を示す正面図である。 図１の摩擦攪拌接合装置の要部であるピンとショルダ面とが被接合部材に挿入されている状態を示す拡大図である。 図１の摩擦攪拌接合装置に用いるコントローラおよびその制御系列を示すブロック図である。 図１の摩擦攪拌接合装置のコントローラで実行する制御内容を示すタイムチャートである。 図４のタイムチャートに従った制御を実行した場合の加工軌跡を示す図である。 本発明の実施例２の摩擦攪拌接合方法を実現する摩擦攪拌接合装置(図１と同様)に用いるコントローラで実行する制御内容を示すタイムチャートである。 図６のタイムチャートに従った制御を実行した場合の加工軌跡を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

まず、実施例１の摩擦攪拌接合方法を実現する摩擦攪拌接合装置の全体構成を説明する。

この摩擦攪拌接合装置は、図１に示すように、基台１に対しＸ−Ｙ方向（水平面上での方向）へスライド可能に設けられた水平スライドテーブル２と、基台１上に固定された門型フレーム３と、水平スライドテーブル２の上方で、門型フレーム３に対しＺ方向（上下方向）へスライド可能に設けられた垂直スライドフレーム４と、接合ヘッド５と、ツール支持部材６と、ツールチャック（スピンドル）７と、ツール８と、コントローラ９と、を備えている。

上記水平スライドテーブル２は、Ｘ方向スライド機構２１とＹ方向スライド機構２２を介してＸ−Ｙ方向に往復移動可能に支持されている。なお、これらＸ−Ｙ方向移動は、Ｘ軸サーボモータ９１とＹ軸サーボモータ９２の駆動により行われる

上記垂直スライドフレーム４は、問型フレーム３に対し、Ｚ方向スライド機構４１を介してＺ方向に往復移動可能に支持されている。なお、Ｚ方向移動は、Ｚ軸サーボモータ９３で駆動により行われる。

上記垂直スライドフレーム４の中心位置には、大きな孔が空けられており、この孔に回転筒体５が軸受を介してこの孔の軸心Ｑ（水平スライドテーブル２に垂直）周りに回転可能に支持されている。
回転筒体５は、この上端側にフランジ部５１が、また下端側にリング状斜め座面部５２がそれぞれ設けられている。フランジ部５１の外周にはギヤ歯５１ａが形成され、このギヤ歯５１ａが、θ軸サーボモータ９４の出力軸に取り付けたウォーム５４に噛み合わされ、θ軸サーボモータ９４の駆動によりウォーム５４、ギヤ歯５１ａを介して回転筒体５が軸心Ｑ周りに回転可能とされている。
回転筒体５の孔には、軸心Ｑに対し角度α傾けてカラー５３が挿入固定されている。したがって、θ軸サーボモータ９４の駆動により回転筒体５を回転させると、カラー５３はこの軸心βが軸心Ｑに対し角度αだけ傾いて状態で軸心Ｑの周りを回転する。なお、この角度αは、ツール８の前進角となる。

また、カラー５３には、これを軸心βに沿って貫通するツール支持部材６が挿入固定されるともに、このツール支持部材６を貫通し、この軸心β上の下方にツールチャック（スピンドル）７が回転自在に設けられている。そして、カラー６の頂部にはツールチャック７を高速回転駆動するＳ軸サーボモータ９５が設けられている。
なお、ツール８の前進角となるツール支持部材６の傾斜角度は、異なる傾斜孔を有する回転筒体５１を交換することで設定を変えることができる。

上記ツール８は、ツールチャック７の下端部に着脱可能に取り付けられている。このツール８は、図２に詳細を示すように、先端部（下端部）にショルダ面８３が形成されたツール本体８１と、このツール本体８１よりも径小に形成されショルダ面の中心点Ｏから下方へ伸ばされたピン(プローブとも言う)８２とを有している。したがって、ピン８２は、この軸心が軸心βに一致する。
なお、ツール８の回転は、図２に示すように、ツール本体８１のショルダ面８３の中心点０を回転中心として回動（ジャイロ運動）させられるようになっている。したがって、ピン８３は、この先端が中心点Ｏを周りに軸心Ｑに対し角度αをなす円上を動くことになる。

上記コントローラ９は、図３に示すように、それぞれＸ軸サーボアンプ９１ａ、Ｙ軸サーボアンプ９２ａ、Ｚ軸サーボアンプ９３ａ、θ軸サーボアンプ９４ａ、Ｓ軸サーボアンプ９５ａを介して、それぞれＸ軸サーボモータ９１、Ｙ軸サーボモータ９２、Ｚ軸サーボモー９３、θ軸サーボモータ９４、Ｓ軸サーボモータ９５の駆動を制御する。

次に、上記コントローラ９による実施例１の摩擦攪拌接合方法を実行する制御内容を図４のタイムチャートに基づいて説明する。なお、この実施例１では、図５に示すように、水平スライドテーブル２にセットされる被接合部材１０の接合箇所が方形で、第1直線部１１、第２直線部１２、第1直線部１１と平行な第３直線部１３、第２直線部１２と平行な第４直線部１４のそれぞれ互いに隣接する中間部（角部）Ｃ１〜Ｃ４が直角である場合について説明する。

コントローラ９による制御が開始されると、図４には記載されていないが、Ｘ軸サーボモータ９１とＹ軸サーボモータ９２が駆動され、被接合部材１０とツール８の位置が図５上に示す被接合部材１０の始点・終点位置Ｆに来るように制御してある。
この状態から、Ｓ軸サーボモータ９５の駆動が開始され、その回転速度が所定の高速回転速度で安定すると、Ｚ軸サーボモータ９３が垂直スライドフレーム４を下降させる方向に駆動して、高速回転するツール８のピン８２を、被接合部材１０の始点・終点位置Ｆに当接して所定の深さ（図２のようにピン８２とショルダ面８３の一部が被接合部材の接合箇所に挿入される位置）まで挿入させたら、Ｚ軸サーボモータ９３の駆動を停止させる。なお、この時のツール前進角方向は、θ軸サーボモータにてあらかじめ図５上で右方向（第１直線部１１方向）となるように制御されている。

次に、Ｘ軸サーボモータ９１をツール８が前進する方向（図５上で右方向）に駆動して第１直線部１１の右半分の摩擦攪拌接合を開始する。そして、ツール８が中間部（角部）Ｃ１の少し手前まで移動すると、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動を停止させてツール８の移動を減速させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度の減速を開始し、中間部（角部）Ｃ１まで移動した時点でθ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５２を反時計方向に９０度回転させる。本実施例では、ショルダ面８３の中心点Ｏが被接合部材の接合箇所に沿うようにしてツール８を回転させる。なお、ここで、ツール８の移動とは被接合部材１０に対する相対移動を意味する。

次に、θ軸サーボモータ９４の駆動を停止し、回転筒体５２の回転を完了する。したがって、中間部（角部）Ｃ１での加工軌跡は直角そのものではなく略直角となるが、ピン８２やショルダ面８３はある幅をもって接合箇所の塑性流動を行うので、接合箇所が直角そのものであってもこの部分は確実に接合されることになる。
回転筒体５２の回転が完了してツール前進角方向が図５上で上方向（第２直線部１２方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｙ軸サーボモータ９２をツール８が前進する方向（図５上で上方向）に駆動して第２直線部１２の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転速度を加速させる。
そして、ツール８の移動速度および回転速度を一定に保った状態でツール８が中間部（角部）Ｃ２の少し手前まで移動すると、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動を停止させてツール８の移動を減速させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度の減速を開始し、中間部（角部）Ｃ２まで移動した時点で、θ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させる。

次に、θ軸サーボモータ９４の駆動が停止し、回転筒体５１の回転が完了してツール前進角方向が図５上で左方向（第３直線部１３方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｘ軸サーボモータ９１をツール８が後退する方向（図５上で左方向）に駆動して第３直線部１３の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転速度を加速させる。
そして、ツール８の移動速度および回転速度を一定に保った状態でツール８が中間部（角部）Ｃ３の少し手前まで移動すると、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動を停止させてツール８の移動を減速させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度の減速を開始し、中間部（角部）Ｃ３まで移動した時点でθ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させる。

次に、θ軸サーボモータ９４の駆動が停止し、回転筒体５１の回転が完了してツール前進角方向が図５上で下方向（第４直線部１４方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｙ軸サーボモータ９２をツール８が後退する方向（図５上で下方向）に駆動して第４直線部１４の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転速度を加速させる。
そして、ツール８の移動速度および回転速度を一定に保った状態でツール８が中間部（角部）Ｃ４の少し手前まで移動すると、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動を停止させてツール８の移動を減速させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度の減速を開始し、中間部（角部）Ｃ４まで移動した時点で、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動を停止し、θ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させる。

次に、θ軸サーボモータ９４の駆動が停止し、回転筒体５１の回転が完了してツール前進角方向が図５上で右方向（第１直線部１１方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｘ軸サーボモータ９１をツール８が前進する方向（図上５で右方向）に駆動して第１直線部１１の左半分の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転を加速させる。

そして、ツール８の移動速度および回転速度を一定に保った状態で被接合部材１０の始点・終点位置Ｆまで摩擦攪拌接合し、ここまで完了した時点で、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動を停止し、Ｚ軸サーボモータ９３が垂直スライドフレーム４を上昇させる方向に駆動した後、Ｓ軸サーボモータ９５の駆動を停止する。これで被接合部材１０の摩擦攪拌接合を終了する。

以上のように、実施例１の摩擦攪拌接合方法・接合装置が構成されるため、実施例１の摩擦攪拌接合方法にあっては、以下の効果を得ることができる。
（１） 本発明実施例１では、ピン８２およびショルダ面８３の回転速度を、中間部（角部）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４では第１直線部１１、第２直線部１２、第３直線部１３、第４直線部１４よりも減速させるようにしたので、被接合部材１０の接合箇所の中間部（角部）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が略直角に方向変換する直線同士で連結されている場合でも、摩擦熱で発生する温度を下げることで、被接合部材１０、ピン８２、ショルダ面８３の温度が高温になりすぎるのを防止して、被接合部材１０を安定して接合することができる。

（２） また、ツール支持部材６の回転は、ツール本体８１をツール８のツール本体８１の先端部であるショルダ面８３の中心点０を回転中心として回動（ジャイロ運動）させるようにしたため、中間部（角部）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の接合時、ピン８２やショルダ面８３による加工軌跡が、被接合部材１０中間部Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４からずれるのを防止することができる。また、中間部Ｃ１〜Ｃ４にあっては、ショルダ面８３の中心点Ｏが被接合部材１０の接合箇所に沿うようにツール８を回転させるので、加工軌跡を接合箇所に容易に合わせることが可能である。

（３） また、ツール８が中間部（角部）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の少し手前まで移動すると、Ｘ軸サーボモータ９１またはＹ軸サーボモータ９２の駆動を停止させてツール８の移動を減速させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度の減速を開始し、ツール８が中間部（角部）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４まで移動した時点でθ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させるように制御される。
これにより、ツール８が所定の減速速度に低下するまでのタイムラグを無くし、中間部（角部）Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４におけるツール８の回転速度を所定の減速速度まで低下させることで、被接合部材１０、ピン８２、ショルダ面８３の温度上昇を抑制することができる。

（４） また、これら（１）〜（３）により被接合部材の接合箇所に直角あるいは略直角の中間部があっても、摩擦攪拌接合が可能となる。

次に、本発明の実施例２について説明する。なお、この実施例２では、上記実施例１と同様の部分の説明には同一の符号を用いて説明する。

この実施例２では、摩擦攪拌接合装置としては、図１と同様のものを用いるが、被接合部材の接合箇所の形状が実施例１のものと異なり、その結果、コントローラで実施する制御も異なる。
すなわち、実施例２では、水平スライドテーブル２にセットされる被接合部材１０の接合箇所は、図７に示すように、角を小さな曲線とした略方形で、第1直線部１１、第２直線部１２、第３直線部１３、第４直線部１４の互いに隣接する中間部（小Ｒ部）Ｄ１〜Ｄ４が、円弧である点で、上記実施例１の場合とは相違している。

以下、実施例２のコントローラ９による摩擦攪拌接合方法を実施する制御内容を図６のタイムチャート及び図７の加工軌跡を示す図に基づいて説明する。

コントローラ９による制御が開始されると、まず、図６には記載されていないが、Ｘ軸サーボモータ９１とＹ軸サーボモータ９２が駆動され、被接合部材１０とツール８の位置が図５上に示す被接合部材１０の始点・終点位置Ｆに来るように制御してある。
この状態から、Ｓ軸サーボモータ９５の駆動が開始され、その回転速度が所定の高速回転速度で安定すると、Ｚ軸サーボモータ９３が垂直スライドフレーム４を下降させる方向に駆動し、被接合部材１０の始点・終点位置Ｆに高速回転するツール８のピン８２を当接して所定の深さまで挿入させたら、Ｚ軸サーボモータ９３の駆動を停止させる。この時のツール前進角方向は図７上で右方向（第１直線部１１方向）となるように制御されている。

次に、Ｘ軸サーボモータ９１をツール８が前進する方向（図７上で右方向）に駆動して第１直線部１１の右半分の摩擦攪拌接合を開始する。
ツール８が小Ｒ部Ｄ１の少し手前まで移動すると、まずＸ軸サーボモータ９１の駆動速度を所定の減速速度まで低減するための減速を開始させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の減速速度まで低減するための減速を開始し、ツール８が小Ｒ部Ｄ１まで移動した時点で、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動速度を実施例１の場合に比べ緩やかに低減させていくと同時に、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動を開始してその駆動速度を、駆動速度がゼロのままである実施例１の場合と異なり緩やかに上昇させることにより、ツール８をショルダ面８３の中心点Ｏを中心として小Ｒ部Ｄ１の曲線に沿って移動させる。
そして、ツール８が小Ｒ部Ｄ１の曲線に沿って移動する間にθ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させることにより、小Ｒ部Ｄ１におけるツール８の前進角方向が常にツール８の移動方向に向くように制御される。

次に、ツール８が小Ｒ部Ｄ１の終わりの部分まで来ると、θ軸サーボモータ９４の駆動が停止し、回転筒体５１の回転が完了してツール前進角方向が図７上で上方向（第２直線部１２方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｙ軸サーボモータ９２をツール８が前進する方向（図７上で上方向）に駆動して第２直線部１２の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転速度を加速させる。

ツール８の移動速度と回転速度が一定の状態でツール８が小Ｒ部Ｄ２の少し手前まで移動すると、まずＹ軸サーボモータ９２の駆動速度を所定の減速速度まで低減するための減速を開始させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の減速速度まで低減するための減速を開始し、小Ｒ部Ｄ２まで移動した時点で、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動速度を緩やかに低減させると同時に、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動を開始してその駆動速度を緩やかに上昇させることにより、ツール８を小Ｒ部Ｄ２の曲線に沿って移動させる。
そして、ツール８が小Ｒ部Ｄ２の曲線に沿って移動する間にθ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させることにより、小Ｒ部Ｄ２におけるツール８の前進角方向が常にツール８の移動方向に向くように制御される。

次に、ツール８が小Ｒ部Ｄ２の終わりの部分まで来ると、θ軸サーボモータ９４の駆動が停止し、回転筒体５１の回転が完了してツール前進角方向が図７上で左方向（第３直線部１３方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｘ軸サーボモータ９１をツール８が後退する方向（図７上で左方向）に駆動して第３直線部１３の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転を加速させる。

ツール８の移動速度と回転速度が一定の状態でツール８が小Ｒ部Ｄ３の少し手前まで移動すると、まずＸ軸サーボモータ９１の駆動速度を所定の減速速度まで低減するための減速を開始させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の減速速度まで低減するための減速を開始し、ツール８が小Ｒ部Ｄ３まで移動した時点で、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動速度を緩やかに低減させると同時に、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動を開始してその駆動速度を緩やかに上昇させることにより、ツール８を小Ｒ部Ｄ３の曲線に沿って移動させる。
そして、ツール８が小Ｒ部Ｄ３の曲線に沿って移動する間にθ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させることにより、小Ｒ部Ｄ３におけるツール８の前進角方向が常にツール８の移動方向に向くように制御される。

次に、θ軸サーボモータ９４の駆動が停止し、回転筒体５１の回転が完了してツール前進角方向が図７上で下方向（第４直線部１４方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｙ軸サーボモータ９２をツール８が後退する方向（図７上で下方向）に駆動して第４直線部１４の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転を加速させる。

ツール８の移動速度と回転速度が一定の状態でツール８が小Ｒ部Ｄ４の少し手前まで移動すると、まずＹ軸サーボモータ９２の駆動速度を所定の減速速度まで低減するための減速を開始させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転を所定の減速速度まで低減するための減速を開始し、ツール８が小Ｒ部Ｄ４まで移動した時点で、Ｙ軸サーボモータ９２の駆動速度を緩やかに低減させると同時に、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動を開始してその駆動速度を緩やかに上昇させることにより、ツール８を小Ｒ部Ｄ４の曲線に沿って移動させる。
そして、ツール８が小Ｒ部Ｄ４の曲線に沿って移動する間にθ軸サーボモータ９４を駆動して、回転筒体５１を反時計方向に９０度回転させることにより、小Ｒ部Ｄ４におけるツール８の前進角方向が常にツール８の移動方向に向くように制御される。

次に、θ軸サーボモータ９４の駆動が停止し、回転筒体５１の回転が完了してツール前進角方向が図７上で右方向（第１直線部１１方向）になると、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を所定の高速回転に戻し、Ｘ軸サーボモータ９１をツール８が前進する方向（図７上で右方向）に駆動して第１直線部１１の左半分の摩擦攪拌接合を開始する。なお、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動によるツール８の移動速度が加速するのに合わせてＳ軸サーボモータ９５によるツール８の回転を加速させる。

そして、ツール８が一定の移動速度と回転速度の状態で移動することで被接合部材１０の始点・終点位置Ｆまで摩擦攪拌接合が完了した時点で、Ｘ軸サーボモータ９１の駆動を停止し、Ｚ軸サーボモータ９３が垂直スライドフレーム４を上昇させる方向に駆動した後、Ｓ軸サーボモータ９５の駆動を停止する。
これで被接合部材１０の摩擦攪拌接合を終了する。

以上のように構成されるため、実施例２の摩擦攪拌接合方法にあっては、以下の効果を得ることができる。
（５） 本発明実施例２では、ピン８２およびショルダ面８３の回転速度を、小Ｒ部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４では第１直線部１１、第２直線部１２、第３直線部１３、第４直線部１４よりも減速させるようにしたので、被接合部材１０の接合箇所の互いに隣接する直線部間（中間部）が曲線（小Ｒ部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）で連結されている場合、中間部において摩擦熱で発生する温度を下げることで、被接合部材１０、ピン８２、ショルダ面８３の温度が高温になりすぎるのを防止して、被接合部材１０を安定して接合することができる。

（６） また、ツール８が小Ｒ部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の少し手前まで移動すると、Ｘ軸サーボモータ９１またはＹ軸サーボモータ９２の一方の駆動速を減速させてツール８の移動を減速させると共に、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度の減速を開始する。ツール８が小Ｒ部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を移動している間、上記一方のサーボモータの駆動速を緩やかに減速、また他方のサーボモータの駆動を緩やか開始して増大にして行くとともに、Ｓ軸サーボモータ９５の回転速度を減速した一定速度に保ちながらθ軸サーボモータ９４を駆動する。ツール８が小Ｒ部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の終わりまで移動した時点で、一方のサーボモータおよびθ軸サーボモータ９４の駆動を停止し、Ｓ軸サーボモータ９５の回転駆動を開始し始める。このようにして、回転筒体５１が反時計方向に９０度回転するように制御される。
これにより、ツール８が所定の減速速度に低下するまでのタイムラグを無くし、中間部が曲線（小Ｒ部Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）で連結されている場合でも、連続して摩擦攪拌接合が可能となる。また、中間部Ｄ１〜Ｄ４にあっては、ショルダ面８３の中心点Ｏが被接合部材１０の接合箇所に沿うようにツール８を回転させるので、加工軌跡を接合箇所に容易に合わせることが可能である。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

例えば、実施例では、被接合部材１０の溶接部が方形で、第1直線部１１、第２直線部１２、第３直線部１３、第４直線部１４の互いに隣接する中間部（角部）Ｃ１〜Ｃ４が直角である場合と、第1直線部１１、第２直線部１２、第３直線部１３、第４直線部１４の互いに隣接する中間部（小Ｒ部）Ｄ１〜Ｄ４が、円弧である場合について説明したが、被接合部材１０の溶接部の形状や、中間部の形状も任意である。

１ 基台
２ 水平スライドテーブル
３ 門型フレーム
４ 垂直スライドフレーム
５ 回転筒体
６ ツール支持部材
７ ツールチャック
８ ツール
９ コントローラ
１０ 被接合部材
１１ 第１直線部
１２ 第２直線部
１３ 第３直線部
１４ 第４直線部
２１ Ｘ方向スライド機構
２２ Ｙ方向スライド機構
４１ Ｚ方向スライド機構
５１ フランジ部
５１ａ ギヤ歯
５２ リング状斜め座面部
５３ カラー
５４ ウォーム
８１ ツール本体
８２ ピン
８３ ショルダ面
９１ Ｘ軸サーボモータ
９１ａ Ｘ軸サーボアンプ
９２ Ｙ軸サーボモータ
９２ａ Ｙ軸サーボアンプ
９３ Ｚ軸サーボモータ
９３ａ Ｚ軸サーボアンプ
９４ θ軸サーボモータ
９４ａ θ軸サーボアンプ
９５ Ｓ軸サーボモータ
９５ａ Ｓ軸サーボアンプ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ 中間部（角部）
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 中間部（小Ｒ部）
０ ツールの先端面の中心点
Ｑ 回転筒体の軸心
β ツール支持部材６の軸心β

Claims (3)

1. ツール本体の先端部に設けたピンと、該ピンの周辺で前記ツール本体の先端面に形成されたショルダ面と、を、これらの進行方向に対し前進角を有した状態でこれらの軸心まわりに回転させながら被接合部材の接合箇所に挿入して前記被接合部材に対し相対移動させることにより発生した摩擦熱で前記被接合部材の接合箇所を塑性流動させて接合箇所を接合する摩擦攪拌接合方法において、
   前記被接合部材の接合箇所は、第１直線部と、該第１直線部と方向を異にする第２直線部と、前記第１直線部および前記第２直線部とを連結する中間部とを有し、
   前記ピンおよび前記ショルダの回転速度を、前記中間部では前記第１直線部および前記第２直線部での回転速度よりも低下させるとともに、前記ピンおよび前記ショルダ面の移動速度を、前記中間部では前記第１直線部および前記第２直線部での移動速度よりも低下させて、前記被接合部材、前記ピンおよび前記ショルダ面の前記中間部での摩擦熱にて発生する温度が前記第１直線部および前記第２直線部での摩擦熱にて発生する温度より低下するように、前記回転速度と、前記移動速度と、前記中間部での前記ピンおよび前記ショルダ面の移動時間とを設定するようにした、
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記中間部は、略直角または曲線である、
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法において、
   前記ツール本体と前記ピンとは、これらの軸心が前記ショルダ面の中心点を通るように設定し、
   前記中間部で前記ピンの進行方向を変えるときには、前記ツール本体を前記ショルダ面の中心点を回転中心として回動させるようにした、
   ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

Images