JP5788862B2 - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置に関し、特に、加工対象部材やそれを載置する載置治具を冷却する冷却系を有する摩擦攪拌接合装置に関するものである。

近年、一般的なアーク溶接等に加えて、アルミニウム板等の複数の金属板から成る加工対象部品における所定の接合部位を高速で回転するプローブで摩擦攪拌して、その金属板同士を接合する摩擦攪拌接合装置が提案されてきており、自動車等の移動体の強度部品においても、摩擦攪拌接合装置で接合された接合部を有する構成が実現されるようになってきている。

かかる摩擦攪拌接合装置では、プローブが高速で回転しながら加工対象部品を相対移動していくものであるから、その摩擦熱で加工対象部材が高温になる傾向が強い。このように加工対象部材が高温になり過ぎると、摩擦撹拌接合される接合部位の接合品質に影響が出ることも考えられるため、加工対象部材が過度に高温になることは、抑制されていた方が好ましい。

かかる状況下で、特許文献１は、摩擦攪拌溶接システムに関し、裏当て板１４と、裏当て板１４に沿って配置されたタングステン基部材１２と、を備え、裏当て板１４が、タングステン基部材１２及びワークピース２０を冷却又は加熱するガス流路２４及び液体流路２６を有する構成を開示する。

特開２０１０−１６２６０３号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１においては、裏当て板１４、ガス流路２４及び液体流路２６を有するタングステン基部材１２が、ワークピース２０を載置する構成を備えるものであるため、ワークピース２０の形状が変わる度に、ガス流路２４及び液体流路２６の配置や、裏当て板１４及びタングステン基部材１２の形状を変更して最適化する必要があり、構成が煩雑で改良の余地がある。

更に、本発明者の検討によれば、特許文献１においては、ワークピース２０を下方からのみを冷却等する構成であるため、ワークピース２０を上方からも冷却等するには、ガス流路及び液体流路を有する別のタングステン基部材をワークピース２０の上側にも設ける必要があり、構成が煩雑で改良の余地がある。

つまり、現状では、特に、多種多様な加工対象部材が存在する自動車等の車両の強度部品の分野では、かかる多種多様な加工対象部材を摩擦撹拌接合する際に、簡便な構成で、載置治具の不要な熱膨張を抑えながら、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる新規な冷却系を有する摩擦撹拌接合装置の実現が待望された状況にあるといえる。

本発明は、以上の検討を経てなされたもので、多種多様な加工対象部材を摩擦撹拌接合する際に、簡便な構成で、載置治具の不要な熱膨張を抑えながら、冷却が必要な部位を的
確かつ均一に冷却することができる新規な冷却系を有する摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成すべく、本発明の第１の局面における摩擦撹拌接合装置は、加工対象部材の加工対象側面に対して上下移動自在であり、前記加工対象部材に対して回転自在であるプローブを有する接合ツールと、前記加工対象部材を載置する載置治具を有する載置部材と、前記接合ツールが装着される装着治具を固定したアームを有して、前記アームを移動して前記接合ツールを前記加工対象部材に対して移動自在な移動機構と、前記加工対象部材を保持自在に、前記加工対象部材に対して可動な保持部材を有して、前記保持部材及び前記保持部材に対向自在な前記載置治具の部分が対を成す保持機構と、前記対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分に対して、クーラントを供給自在なクーラント供給源と、を備え、前記対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の間は、柔軟性を有する配管で接続され、前記クーラントは、前記クーラント供給源から前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の一方に供給され、前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の前記一方から、前記配管を介して、前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の他方に流された後、前記クーラント供給源に戻される。

また、本発明における摩擦撹拌接合装置は、かかる第１の局面に加え、前記載置治具は、下側載置部、及び前記下側載置部上に設けられて前記加工対象部材に接する上側載置部を有して、前記下側載置部の熱伝導率は、前記上側載置部の熱伝導率よりも大きく、かつ、前記上側載置部の強度は、前記下側載置部の強度よりも大きく設定されることを第２の局面とする。

また、本発明における摩擦撹拌接合装置は、かかる第１又は第２の局面に加え、前記対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分は、前記載置治具の上面視での形状に応じて複数の対を成し、前記複数の対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分は、前記クーラントを独立して循環させる互いに独立した冷却系を成すことを第３の局面とする。

本発明の第１の局面における構成によれば、加工対象部材を保持自在に、加工対象部材に対して可動な保持部材を有して、保持部材及び保持部材に対向自在な載置治具の部分が対を成す保持機構と、対を成した保持部材及び載置治具の部分に対して、クーラントを供給自在なクーラント供給源と、を備えることにより、多種多様な加工対象部材を摩擦撹拌接合する際に、簡便な構成で、載置治具の不要な熱膨張を抑えながら、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

併せて、本発明の第１の局面における構成によれば、対を成した保持部材及び載置治具の部分の間が、柔軟性を有する配管で接続され、クーラントは、クーラント供給源から保持部材及び載置治具の部分の一方に供給され、保持部材及び載置治具の部分の一方から、配管を介して、保持部材及び載置治具の部分の他方に流された後、クーラント供給源に戻されることにより、流路の配策構成を簡便にしながら、一連の流路を順次流れるクーラントを用いて、載置治具の不要な熱膨張を抑えることができると共に、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

本発明の第２の局面における構成によれば、載置治具が、下側載置部、及び下側載置部上に設けられて加工対象部材に接する上側載置部を有して、下側載置部の熱伝導率が、上側載置部の熱伝導率よりも大きく、かつ、上側載置部の強度が、下側載置部の強度よりも大きく設定されることにより、接合ツールを用いた摩擦撹拌接合時において、加工対象部材を上側載置部で確実に支持しながら、加工対象部材に生じた熱が、上側載置部を介して下側載置部に伝熱され、特に上側載置部の不要な熱膨張を抑えることができると共に、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

本発明の第３の局面における構成によれば、対を成した保持部材及び載置治具の部分は、載置治具の上面視での形状に応じて複数の対を成し、複数の対を成した保持部材及び載置治具の部分は、クーラントを独立して循環させる互いに独立した冷却系を成すことにより、載置治具に載置される加工対象部材の接合部位の構成に応じて、冷却の自由度の高い態様で、載置治具の不要な熱膨張を抑えることができると共に、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

本発明の実施形態における摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す側面図である。 本実施形態における摩擦撹拌接合装置の載置台の載置治具上に載置された加工対象部材を保持機構が保持した状態を示す上面図である。 本実施形態における摩擦攪拌接合装置の載置台の載置治具上に載置された加工対象部材を保持機構が保持した状態を示す側面図であり、図３（ａ）は図２をｙ軸の正方向に見た側面図を示し、図３（ｂ）は図２をｘ軸の負方向に見た側面図を示す。

以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態における摩擦攪拌接合装置につき詳細に説明する。なお、図中、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、３軸直交座標系を成す。また、ｘ軸及びｙ軸が成す平面は、水平面に平行な平面であり、ｚ軸の正方向は、上方向であるとする。

まず、本の実施形態における摩擦攪拌接合装置の構成につき、図１から図３を参照して、詳細に説明する。

図１は、本実施形態における摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す側面図である。図２は、本実施形態における摩擦撹拌接合装置の載置台の載置治具上に載置された加工対象部材を保持機構が保持した状態を示す上面図である。また、図３は、本実施形態における摩擦攪拌接合装置の載置台の載置治具上に載置された加工対象部材を保持機構が保持した状態を示す側面図であり、図３（ａ）は図２をｙ軸の正方向に見た側面図を示し、図３（ｂ）は図２をｘ軸の負方向に見た側面図を示す。なお、図１中では、便宜上、配管の図示を省略し、図２及び図３中では、便宜上、載置台に関しては載置部及び載置治具のみを示し、接合ツール等は図示を省略している。

図１から図３に示すように、摩擦攪拌接合装置１は、加工対象部材Ｗを載置すべく床Ｆに固設された載置台１０と、載置台１０に固設されて加工対象部材Ｗを装脱自在に固定する保持機構２０と、載置台１０の上方で載置台１０に対向して配置自在な接合ツール３０と、載置台１０の下方で載置台１０の下面に当接するように配置自在な補助支持機構４０と、接合ツール３０及び補助支持機構４０を装着治具５２で保持して床Ｆに固設されたロボット５０と、を備える。載置台１０及び保持機構２０に対しては、クーラント供給源Ｓから配管Ｐを介してクーラントが供給される。なお、クーラントは、原理的には、液体及び気体の別を問わない。

詳しくは、載置台１０は、その載置部１０ａ上に固設されて加工対象部材Ｗを載置する
載置治具１２を備える載置部材である。かかる載置部１０ａは、充分な強度及び剛性を有する典型的には鉄材等の金属製であり、載置治具１２は、充分な強度、剛性及び熱伝導性を有する典型的には金属製である。加工対象部材Ｗは、典型的には第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２が上下方向に並置されて互いに重なり合った部分を有するアルミニウム材等の金属製の板状部材であり、第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２の重なり合った部分の所定の部位が、所定の加工方向に沿って移動されるべき接合ツール３０により所定の接合線でもって接合されるものである。載置治具１２上における加工対象部材Ｗの位置は、保持機構２０で加工対象部材Ｗの一部を保持することにより、正確に維持される。また、接合ツール３０により形成される所定の接合線は、典型的には加工対象部材Ｗの縁部を延在するものを含む。

載置治具１２は、特に図１及び図３に示すように、載置台１０の載置部１０ａの上面に固設されると共に典型的には真鍮製である下側載置部１２ａと、下側載置部１２ａ上に固設されると共に下側載置部１２ａよりも強度が大きい鉄材製である上側載置部１２ｂと、から成る２層構造を有する。下側載置部１２ａの熱伝導率は、上側載置部１２ｂの熱伝導率よりも大きく、上側載置部１２ｂの強度は、下側載置部１２ａの強度よりも大きい。また、載置治具１２は、典型的には上面視で矩形枠状の形状を有し、かかる場合には、加工対象部材Ｗは、主として矩形枠上に支持され、接合ツール３０により形成されるべき加工対象部材Ｗの所定の接合線は、矩形枠上に順次形成されていく。

保持機構２０は、特に図２及び図３に示すように、典型的には上面視で矩形枠状の載置治具１２の各辺に対応して設けられ、ここでは一例としてその各辺に２個設けられた構成について説明する。かかる保持機構２０は、載置治具１２上に載置された加工対象部材Ｗの第１部材Ｗ１の上面を押圧自在な保持部材２２ａと、載置台１０の載置部１０ａ側に固定されて保持部材２２ａを上方位置及び下方位置間で移動自在な駆動力を印加するモータ２２ｂと、を備える。保持部材２２ａを駆動する駆動源としては、モータの他やエアシリンダ等が挙げられる。

保持部材２２ａは、充分な強度、剛性及び熱伝導性を有する典型的には鉄材等の金属製の厚板状部材である。かかる保持部材２２ａは、それとモータ２２ｂとの間を連結するシャフト２２ｃに軸支されて装着されると共に、充分な強度及び剛性を有する典型的には鉄材等の金属製の支持部材２２ｅに装着される。モータ２２ｂは、載置台１０の載置部１０ａの上面に固設されると共に充分な強度及び剛性を有する典型的には鉄材等の金属製である基体ブロック２２ｄの下面に固定される。支持部材２２ｅは、保持部材２２ａを軸支する回動軸２２ｆと、基体ブロック２２ｄに軸支される回動軸２２ｇと、を備えて、保持部材２２ａを上方位置及び下方位置間で移動自在に支持する。つまり、保持部材２２ａは、モータ２２ｂが駆動されることにより、基体ブロック２２ｄに支持される支持部材２２ｅを介して、加工対象部材Ｗに対して進退自在に移動され、保持部材２２ａが加工対象部材Ｗに対して進出してそれを保持する部位は、接合線の内で加工対象部材Ｗの縁部を延在するものに隣接している。

ここで、保持部材２２ａには、それを貫通する流路２２ｈが設けられ、流路２２ｈには、クーラント供給源Ｓから配管Ｐを介して供給されるクーラントが流入自在である。また、保持部材２２ａには、熱電対等の温度センサＤが配設されている。

かかる保持機構２０においては、載置治具１２上に加工対象部材Ｗが載置された際に、モータ２２ｂが駆動されてシャフト２２ｃが上下方向に移動することにより、保持部材２２ａが支持部材２２ｅに画成された回動軸２２ｆ、２２ｇの周りに回動し、これに対応して保持部材２２ａは、図１に示す上方位置と図２及び図３に示す下方位置との間で移動して加工対象部材Ｗに対して進退自在である。ここで、保持部材２２ａが図２及び図３に示
す下方位置にあって加工対象部材Ｗの第１部材Ｗ１の上面を所定荷重で押圧し保持している際に、保持部材２２ａに配された温度センサＤの温度が所定温度を超えた場合には、クーラント供給源Ｓからクーラントが供給され、クーラントは配管Ｐを介して流路２２ｈに流入してその中を流れた後その後段の配管Ｐに排出される。また、保持部材２２ａが図２及び図３に示す下方位置にあって加工対象部材Ｗの第１部材Ｗ１の上面を所定荷重で押圧し保持している際には、加工対象部材Ｗ及び載置治具１２の上面視で見た重複部分を覆って位置される。

一方で、載置治具１２の下側載置部１２ａには、それを貫通する複数の流路１２ｃが設けられ、かかる流路１２ｃには、クーラント供給源Ｓから配管Ｐを介して供給されるクーラントが各々流入自在である。また、載置治具１２の上側載置部１２ｂには、熱電対等の温度センサＤが配設されている。上側載置部１２ｂに配された温度センサＤの温度が所定温度を超えた場合には、クーラント供給源Ｓからクーラントが供給され、クーラントは配管Ｐを介して流路１２ｃに流入してその中を流れた後その後段の配管Ｐに排出される。

ここで、載置治具１２の下側載置部１２ａにおける流路１２ｃは、複数経路設けられており、各経路における流路１２ｃは、保持部材２２ａが図２及び図３に示す下方位置にあって加工対象部材Ｗの第１部材Ｗ１の上面を所定荷重で押圧し保持している際に、対応する保持部材２２ａに対して上下方向で対向するように配されている。つまり、保持部材２２ａが図２及び図３に示す下方位置にあって加工対象部材Ｗの第１部材Ｗ１の上面を所定荷重で押圧し保持している際には、下側載置部１２ａにおける複数の流路１２ｃが設けられた部分は、各々が対応する保持部材２２ａに対して、加工対象部材Ｗを介して上面視で重複し、このように互いに対応して対向する下側載置部１２ａにおける流路１２ｃが設けられた部分と保持部材２２ａとは、対を成しているといえる。結果的に、下側載置部１２ａにおける流路１２ｃが設けられた部分及び保持部材２２ａから成る対の数は、保持部材２２ａの個数と等しくなる。なお、加工対象部材Ｗを効率的に冷却する観点からは、このように互いに対応する下側載置部１２ａにおける流路１２ｃと保持部材２２ａにおける流路１２ｃとが、上面視で重複することが好ましい。

具体的には、摩擦攪拌接合装置１の冷却系は、クーラント供給源Ｓと、流路２２ｈが設けられた保持部材２２ａを有する保持機構２０と、複数の流路１２ｃが設けられた下側載置部１２ａを有する載置治具１２と、それらの間を対応して連絡する配管Ｐと、から成り、典型的には矩形状の載置治具１２の各辺において独立した態様を成す。つまり、載置治具１２の各辺の冷却系に関しては、他の辺のものから独立して、クーラント供給源Ｓからクーラントが独自に供給され、供給されたクーラントは、図３（ａ）及び図３（ｂ）で示す左側の下側載置部１２ａにおける流路１２ｃ、左側の保持部材２２ａの流路２２ｈ、右側の保持部材２２ａの流路２２ｈ、及び右側の下側載置部１２ａにおける流路１２ｃを流れて、再び同じクーラント供給源Ｓに戻り、以降このような循環路で流れていき、かかる構成は、載置治具１２の各辺において同様である。ここで、保持部材２２ａの流路２２ｈに接続される配管Ｐは、合成樹脂等の柔軟性を有する材料製であり、保持部材２２ａが加工対象部材Ｗを保持し解放する際に、保持部材２２ａの動きに追従して変形自在である。つまり、図３（ａ）及び図３（ｂ）においては、左側の下側載置部１２ａにおける流路１２ｃと左側の保持部材２２ａの流路２２ｈとの間の配管Ｐ、左側の保持部材２２ａの流路２２ｈと右側の保持部材２２ａの流路２２ｈとの間の配管Ｐ、及び右側の保持部材２２ａの流路２２ｈと右側の下側載置部１２ａにおける流路１２ｃとの間の配管Ｐは、このような柔軟性を有する。

なお、図１では、クーラント供給源Ｓは、構成の簡便化のため１個に統合化されているが、もちろん、載置治具１２の各辺の冷却系に対して個別のクーラント供給源Ｓを設けてもよい。また、載置治具１２の各辺の冷却系においてクーラントを流す順序は、下側載置
部１２ａにおける流路１２ｃと保持部材２２ａの流路２２ｈとの間でクーラントが流通するものであれば、その流す順序は限定的なものではない。また、配管Ｐが載置部１０ａを通過する構成としては、載置部１０ａに流路１０ｂや切欠き等を設けてそれを通過させる構成でもよいし、それらを設けずそれを迂回させる構成であってもよい。また、載置治具１２の形状が、加工対象部材Ｗの形状に応じて、他の角形状や円状等である場合には、載置治具１２の冷却系は、それらの各辺や所定長の各円弧等に関して分割されて独立させればよい。また、載置部１０ａと載置治具１２の下側載置部１２ａとを、一体化させた構成としてもよく、かかる場合には、載置部１０ａには、充分な熱伝導性をも呈する材料を用いて流路を設けてもよい。

接合ツール３０は、典型的には上下方向に延在する鉄材等の金属製の円柱部材であって、ｚ軸と平行な中心軸Ｚの周りに回転自在であると共に上下移動自在であるプローブ３２と、プローブ３２を保持するホルダ３４と、ホルダ３４に保持されたプローブ３２を上下移動させると共に、プローブ３２を中心軸Ｚの周りに回転させる駆動機構３８と、を備える。また、駆動機構３８は、その筐体３８ａ内に、いずれも図示を省略するモータやシャフト等を内蔵する。また、プローブ３２の中心軸Ｚの方向が、摩擦攪拌接合時にプローブ３２回転して加工対象部材Ｗを押圧する押圧方向である。

ここで、筐体３８ａは、各種構成部品を支持しながら装着治具５２に固定されるフレーム部材としても機能し、その構造の一例として中空直方体状の形状を有するとものとする。かかる接合ツール３０においては、駆動機構３８がプローブ３２を保持するホルダ３４を下方に移動させた場合には、プローブ３２の下部は、加工対象部材Ｗに圧入されていき、加工対象部材Ｗにおいて、第１部材Ｗ１を貫通して第２部材Ｗ２に侵入する位置まで到達自在である。なお、加工対象部材Ｗの第１部材Ｗ１における上面を、便宜上、加工対象側面Ｗｓと呼ぶ。

補助支持機構４０は、載置治具１２とは反対側で載置部１０ａの下面に当接する典型的には鉄材等の金属製のボール部材である補助支持部材４２と、補助支持部材４２をその中心位置を不動にしながら回転自在に保持するホルダ４４と、を備える。かかる補助支持機構４０においては、補助支持部材４２が加工対象部材Ｗを挟んでプローブ３２の下端と対向した状態で、補助支持部材４２が、その上部の１点において載置台１０の載置部１０ａの下面に当接しながら載置台１０を補助的に支持自在である。

ロボット５０は、接合ツール３０と、載置台１０の載置治具１２上に固定された加工対象部材Ｗと、を相対移動自在な移動機構であり、典型的には産業用ロボットである。具体的には、ロボット５０は、側面視で２股形状を呈した金属製で接合ツール３０及び補助支持機構４０を対応して装着する上方装着部５２ａ及び下方装着部５２ｂを有する典型的には鋼材の削り出し品である装着治具５２と、装着治具５２を装着して典型的には多関節を有するマニピュレータであるアーム５４と、いずれも図示は省略するがアーム５４を移動する駆動機構、演算処理装置及びメモリ等を内蔵するロボット本体５６と、を備える。

装着治具５２の上方装着部５２ａには、接合ツール３０の駆動機構３８の筐体３８ａが装着されて固定される一方で、装着治具５２の下方装着部５２ｂには、補助支持機構４０のホルダ４４が装着されて固定される。アーム５４の一端の支持部５４ａには、装着治具５２の上方装着部５２ａ及び下方装着部５２ｂ間の結合部が締結等により固定されて装着され、アーム５４の他端には、ロボット本体５６が連絡する。ロボット本体５６の駆動機構が動作することによりアーム５４が移動し、対応して、接合ツール３０と補助支持機構４０との相対的な位置的関係を維持したままで、上下左右等の多自由度でもって接合ツール３０及び補助支持機構４０を移動自在である。

かかる摩擦攪拌接合装置１の該当する各種構成要素は、コントローラＣから送出される制御信号を受けて適宜制御され、加工対象部材Ｗに摩擦攪拌接合を為すように動作するものである。具体的には、コントローラＣは、ロボット５０のロボット本体５６を介してアーム５４を移動し、接合ツール３０を載置治具１２に載置された加工対象部材Ｗの上方に位置させた後、かかる加工対象部材Ｗに対して接合ツール３０を下降させてプローブ３２を加工対象部材Ｗに圧入させると共に回転させることにより、プローブ３２で加工対象部材Ｗに摩擦熱を発生させながら撹拌すると共に、アーム５４でプローブ３２と加工対象部材Ｗとを相対移動して、加工対象部材Ｗを所定の接合線に沿って摩擦攪拌接合する制御を行う。併せて、コントローラＣは、かかる摩擦撹拌接合を実行する際に、載置治具１２の各辺に対応する各冷却系にクーラントを流す制御を実行する。なお、コントローラＣは、いずれも図示を省略する演算処理装置やメモリ等を内蔵し、メモリには、摩擦撹拌接合を実行するための制御プログラムや所定の加工方向に関するデータ等が記憶される。

ついで、以上の構成の摩擦攪拌接合装置１を用いて、加工対象部材Ｗに対して摩擦攪拌接合を実行する際に、摩擦攪拌接合装置１で実施される種々の動作につき、以下詳細に説明する。

まず、摩擦攪拌接合の一連の工程を開始する前にその準備として、コントローラＣの制御の下で、クーラント供給源Ｓの動作を開始して、載置治具１２の各辺の冷却系にクーラントを供給して、保持部材２２ａの流路２２ｈ、下側載置部１２ａの流路１２ｃ、及びそれらを連絡する配管Ｐ内をクーラントで満たした後、クーラント供給源Ｓの動作を停止してクーラントの供給を停止する。

次に、加工対象部材Ｗを載置台１０の載置治具１２上に載置した後、コントローラＣの制御の下で、図２及び図３に示すように、保持機構２０のモータ２２ｂを駆動して、保持部材２２ａを下方に移動し、その下面を第１部材Ｗ１の上面に当接させた後に更にそれを所定荷重で押圧させて保持させ、加工対象部材Ｗの位置を正確に維持させる。

次に、コントローラＣの制御の下で、図１に示すように、ロボット本体５６の駆動機構がアーム５４を上下左右等に適宜移動させて、装着治具５２の上方装着部５２ａに装着された接合ツール３０のプローブ３２を、加工対象部材Ｗの上方の所定位置で、加工対象部材Ｗにその上方で対向するように配置すると共に、装着治具５２の下方装着部５２ｂに装着された補助支持機構４０の補助支持部材４２を、加工対象部材Ｗを挟んでプローブ３２の下部と対向するようにその補助支持部材４２の上部の１点において載置台１０の載置部１０ａの下面に当接させる。

次に、このようにプローブ３２及び補助支持部材４２の各々の位置が実現されたならば、コントローラＣの制御の下で、接合ツール３０の駆動機構３８がプローブ３２を保持するホルダ３４を下方に移動させてプローブ３２を下降させ、プローブ３２の下部を、加工対象部材Ｗにおいて第１部材Ｗ１を貫通して第２部材Ｗ２に侵入する所定位置まで到達させる。かかるプローブ３２が第１部材Ｗ１を貫通して第２部材Ｗ２に対する侵入深さは、摩擦溶融接合の実行時には実質的に一定に維持されるものである。なお、この際、必要に応じて、接合ツール３０の駆動機構３８は、ホルダ３４を介してプローブ３２を回転させていてもよい。

次に、このようにプローブ３２の下部が所定位置に到達したならば、コントローラＣの制御の下で、接合ツール３０の駆動機構３８がプローブ３２を継続的に回転させた状態で、ロボット本体５６の駆動機構が、プローブ３２及び補助支持部材４２がこれらの加工対象部材Ｗに対する位置的な対応関係を維持した状態で所定の加工方向である移動方向に移動されるように、アーム５４を移動させる。その結果、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２とは
、プローブ３２の下部の移動した軌跡に対応して、摩擦攪拌接合されていく。併せて、補助支持部材４２は、加工対象部材Ｗを挟んでプローブ３２の下部と対向するように補助支持部材４２の上部の１点において載置台１０の載置部１０ａの下面に当接した状態でホルダ４４内において回転しながら、所定の加工方向の方向に移動されている。

この際、コントローラＣは、載置治具１２の各辺の冷却系の各々において、保持部材２２ａの流路２２ｈに配された温度センサＤの検出温度値、及び上側載置部１２ｂに配された温度センサＤの検出温度値をモニタしており、それらの検出温度値のいずれかが所定温度値を超えた高温になったと判定した場合には、コントローラＣの制御の下で、クーラント供給源Ｓの動作を開始して、載置治具１２の各辺の冷却系にクーラントを供給して、保持部材２２ａの流路２２ｈ、下側載置部１２ａの流路１２ｃ、及びそれらを連絡する配管Ｐ内にクーラントを流し、その後、それらの検出温度値の全てが所定温度値以下になったと判定した場合には、コントローラＣの制御の下で、クーラント供給源Ｓの動作を停止する。かかる冷却系の制御は、摩擦攪拌接合を実行している間は実行される。

ここで、載置治具１２の各辺の冷却系にクーラントを供給して、保持部材２２ａの流路２２ｈ、下側載置部１２ａの流路１２ｃ、及びそれらを連絡する配管Ｐ内にクーラントを流している間は、載置治具１２の温度は、載置治具１２に載置された加工対象部材Ｗの温度よりも低くなってその不要な熱膨張が抑制されると共に、その温度勾配に従って、加工対象部材Ｗの熱が、上側載置部１２ｂ及び下側載置部１２ａを介して下側載置部１２ａの流路１２ｃ内を流れるクーラントに伝熱されて、加工対象部材Ｗが冷却される。同時に、保持部材２２ａの温度は、載置治具１２に載置された加工対象部材Ｗの温度よりも低くなり、その温度勾配に従って、加工対象部材Ｗの熱が、保持部材２２ａを介しその流路２２ｈ内を流れるクーラントに伝熱されて、加工対象部材Ｗが冷却される。

次に、このようにアーム５４の移動に伴ってプローブ３２を摩擦攪拌接合が必要な部位の終点である所定位置まで移動させ終えると、コントローラＣの制御の下で、接合ツール３０の駆動機構３８が、プローブ３２の回転を維持したままでプローブ３２を上方に移動させて加工対象部材Ｗから引き抜き、その上方位置まで上昇させた後にその移動を停止させる。そして、ロボット本体５６の駆動機構が、アーム５４を移動させて、プローブ３２及び補助支持部材４２を、加工対象部材Ｗの上下領域から退出させた後にその移動を停止させる。

次に、このようにプローブ３２及び補助支持部材４２を退出させ終わると、コントローラＣの制御の下で、モータ２２ｂを駆動して、保持部材２２ａを上方に移動して加工対象部材Ｗの第１部材Ｗ１の上方領域から退出させた後にその移動を停止させる。

最後に、加工対象部材Ｗを載置台１０から取り外せば、所定の部位が摩擦攪拌接合された加工品が得られる。

なお、以上の本実施形態の構成においては、以上の本実施形態の構成においては、補助支持機構４０を適用した構成例で説明したが、必要とされる加工精度が相対的に低い場合等では、補助支持機構４０は省略してもかまわない。

また、以上の本実施形態の構成においては、補助支持機構４０の補助支持部材４２をボール部材として説明したが、その他の回転等の可動部材も適用できるし、摩擦等が発生しにくい場合には固定部材を用いてもかまわない。

以上の本実施形態の構成によれば、加工対象部材Ｗを保持自在に、加工対象部材Ｗに対して可動な保持部材２２ａを有して、保持部材２２ａ及び保持部材２２ａに対向自在な載
置治具１２の部分が対を成す保持機構２０と、対を成した保持部材２２ａ及び載置治具１２の部分に対して、クーラントを供給自在なクーラント供給源Ｓと、を備えることにより、多種多様な加工対象部材Ｗを摩擦撹拌接合する際に、簡便な構成で、載置治具１２の不要な熱膨張を抑えながら、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

また、本実施形態の構成によれば、対を成した保持部材２２ａ及び載置治具１２の部分の間が、柔軟性を有する配管Ｐで接続され、クーラントは、クーラント供給源Ｓから保持部材２２ａ及び載置治具１２の部分の一方に供給され、保持部材２２ａ及び載置治具１２の部分の一方から、配管Ｐを介して、保持部材２２ａ及び載置治具１２の部分の他方に流された後、クーラント供給源Ｓに戻されることにより、流路１２ｃ、２２ｈ、Ｐの配策構成を簡便にしながら、一連の流路１２ｃ、２２ｈ、Ｐを順次流れるクーラントを用いて、載置治具１２の不要な熱膨張を抑えることができると共に、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

また、本実施形態の構成によれば、載置治具１２が、下側載置部１２ａ、及び下側載置部１２ａ上に設けられて加工対象部材Ｗに接する上側載置部１２ｂを有して、下側載置部１２ａの熱伝導率が、上側載置部１２ｂの熱伝導率よりも大きく、かつ、上側載置部１２ｂの強度が、下側載置部１２ａの強度よりも大きく設定されることにより、接合ツール３０を用いた摩擦撹拌接合時において、加工対象部材Ｗを上側載置部１２ｂで確実に支持しながら、加工対象部材Ｗに生じた熱が、上側載置部１２ｂを介して下側載置部１２ａに伝熱され、特に上側載置部１２ｂの不要な熱膨張を抑えることができると共に、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

また、本実施形態の構成によれば、対を成した保持部材２２ａ及び載置治具１２の部分は、載置治具１２の上面視での形状に応じて複数の対を成し、複数の対を成した保持部材２２ａ及び載置治具１２の部分は、クーラントを独立して循環させる互いに独立した冷却系を成すことにより、載置治具１２に載置される加工対象部材Ｗの接合部位の構成に応じて、冷却の自由度の高い態様で、載置治具１２の不要な熱膨張を抑えることができると共に、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる。

なお、本発明は、部材の形状、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

以上のように、本発明においては、多種多様な加工対象部材を摩擦撹拌接合する際に、簡便な構成で、載置治具の不要な熱膨張を抑えながら、冷却が必要な部位を的確かつ均一に冷却することができる新規な冷却系を有する摩擦撹拌接合装置を提供することができるものであるため、その汎用普遍的な性格から広範に自動車等の移動体の強度部材の接合分野に適用され得るものと期待される。

Ｗ…加工対象部材
Ｗ１…第１部材
Ｗ２…第２部材
Ｗｓ…加工対象側面
Ｃ…コントローラ
Ｆ…床
Ｓ…クーラント供給源
Ｐ…配管
Ｄ…温度センサ
１…摩擦攪拌接合装置
１０…載置台
１０ａ…載置部
１０ｂ…流路
１２…載置治具
１２ａ…下側載置部
１２ｂ…上側載置部
１２ｃ…流路
２０…保持機構
２２ａ…保持部材
２２ｂ…モータ
２２ｃ…シャフト
２２ｄ…基体ブロック
２２ｅ…支持部材
２２ｆ、２２ｇ…回動軸
２２ｈ…流路
３０…接合ツール
３２…プローブ
３４…ホルダ
３８…駆動機構
３８ａ…筐体
４０…補助支持機構
４２…補助支持部材
４４…ホルダ
５０…ロボット
５２…装着治具
５２ａ…上方装着部
５２ｂ…下方装着部
５４…アーム
５４ａ…支持部
５６…ロボット本体

Claims (3)

1. 加工対象部材の加工対象側面に対して上下移動自在であり、前記加工対象部材に対して回転自在であるプローブを有する接合ツールと、
   前記加工対象部材を載置する載置治具を有する載置部材と、
   前記接合ツールが装着される装着治具を固定したアームを有して、前記アームを移動して前記接合ツールを前記加工対象部材に対して移動自在な移動機構と、
   前記加工対象部材を保持自在に、前記加工対象部材に対して可動な保持部材を有して、前記保持部材及び前記保持部材に対向自在な前記載置治具の部分が対を成す保持機構と、
   前記対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分に対して、クーラントを供給自在なクーラント供給源と、
   を備え、
   前記対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の間は、柔軟性を有する配管で接続され、前記クーラントは、前記クーラント供給源から前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の一方に供給され、前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の前記一方から、前記配管を介して、前記保持部材及び前記載置治具の前記部分の他方に流された後、前記クーラント供給源に戻される摩擦撹拌接合装置。
2. 前記載置治具は、下側載置部、及び前記下側載置部上に設けられて前記加工対象部材に接する上側載置部を有して、前記下側載置部の熱伝導率は、前記上側載置部の熱伝導率よりも大きく、かつ、前記上側載置部の強度は、前記下側載置部の強度よりも大きく設定される請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分は、前記載置治具の上面視での形状に応じて複数の対を成し、前記複数の対を成した前記保持部材及び前記載置治具の前記部分は、前記クーラントを独立して循環させる互いに独立した冷却系を成す請求項１又は２に記載の摩擦撹拌接合装置。

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