JP5883978B1 - 摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接合品質の向上を図る。【解決手段】ＦＳＷ装置１００は、被接合部材に圧入される突起部１１と突起部１１が取り付けられ回転しながら被接合部材の表面を押圧するショルダ部１２とを有してなる接合ツールと、突起部１１の内部に設けられた温度センサ１３と、接合ツール１を回転させる主軸モータ６と、予め設定された接合部材上の接合線に沿って接合ツール１を移動させるツール移動駆動装置７と、温度センサ１３によって検出される温度に基づき、その温度が予め定められた管理温度範囲内に収まるように、主軸モータ６によって駆動される接合ツール１の回転速度およびツール移動駆動装置７によって駆動される接合ツール１の移動速度の少なくとも一方を制御する制御装置５と、を備えて構成される。【選択図】図３
Description
本発明は、塑性流動現象を用いて被接合部材を固相接合する摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合制御方法に関する。
回転する接合ツールで摩擦熱を与え、被接合部材に塑性流動現象を発生させて、接合ツールにて攪拌し被接合部材を接合する摩擦攪拌接合装置（以下、ＦＳＷ（Friction Stir Welding）装置という）が知られている。ＦＳＷ装置は、アルミニウム、銅、鉄、これらの合金など比較的低温で軟化する金属の接合に用いられる。
一般的なＦＳＷ装置では、被接合部材の材質や肉厚に応じて予め定められた最適な接合ツールの仕様（材質、形状など）、回転数（回転速度）、送り速度である接合速度、挿入深さなどの加工条件が予め設定され、接合開始から接合終了までその加工条件を維持して接合が実施される。そして、接合が適切にされたか否かは、接合部位の断面に空洞欠陥が生じていないこと、接合部の表面に溝状欠陥が生じていないことを確認した結果に基づいて判断される。一般には、接合開始点から終了点に到る間の接合温度を管理し、接合温度の変動による接合品質への影響を考慮することなどは、ほとんど行われていない。
しかしながら、被接合部材の接合部の温度を管理しない場合には、接合開始点から終了点に到る間で、その接合温度にバラツキが生じることは避けられず、その結果として、接合部の強度や接合品質にもバラツキが生じていた。とくに、異種材料の被接合部材を接合する場合に、その影響が大きく生じていた。
そこで、例えば特許文献１には、重合した２つの被接合部材１，２を接合する加工プローブＰ（接合ツール）であって、加工プローブ本体Ｐａの回転軸に対して偏心配置され、かつ、加工プローブ本体Ｐａに対して回転可能な接合用ピンＰｂを備えたものが開示されている（図１など参照）。このような加工プローブＰでは、偏心配置された接合用ピンＰｂが加工プローブ本体Ｐａの中心に対し回動運動するので、加工プローブＰの底面近傍部分、すなわち被接合部材１，２の境界面の温度の均一化を図ることができる。さらに、特許文献１には、加工プローブＰに温度検出手段２３を設け、その温度検出手段２３による検出値に基づいて、加工プローブ本体Ｐａおよび接合用ピンＰｂの回転数を制御することが記載されている（段落００３２など参照）。
また、特許文献２には、被接合部３の接合ツール４とその反対側に当接して設けられた被接合物２を支持する裏当て部材２１に熱電対３４を設け、熱電対３４によって検出された温度に基づき、接合ツール４の過熱を監視することが可能な摩擦攪拌接合装置１の例が開示されている（図２など参照）。
また、特許文献３には、接合対象のワーク１の接合の開始部位から終了部位までのワーク１への入熱量を、接合ツールの回転速度または接合速度を変化させることによって、略一定に制御することが可能な摩擦攪拌接合方法の例が開示されている（請求項１、請求項２、図１など参照）。この接合方法によれば、とくに小径のパイプ材や棒材の周方向の接合において、接合部全体にわたって均等な接合品位が得られるということが記載されている（段落００２３など参照）。
ところで、特許文献１に開示された摩擦攪拌接合装置では、温度検出手段２３は、加工プローブ本体Ｐａの外周部に設けられている（図１、段落００２８）。また、特許文献２に開示された摩擦攪拌接合装置では、接合部の温度を検出する熱電対３４は、裏当て部材２１の中に設けられている。いずれの場合も、温度センサは、被接合部材の攪拌対象領域すなわち接合部からやや離れた位置に設けられている。従って、そのような温度センサでは、被接合部材の接合部の温度を必ずしも精度よく検出できるとは限らない。そのため、被接合部材の接合開始点から接合終了点までの接合部の強度や接合品質のバラツキを必ずしも十分に低減できるとは限らない。
また、特許文献３に開示された摩擦攪拌接合方法では、接合部への入熱量が接合の開始部位から終了部位までの間で一定に保持される。そのため、接合部の温度は、被接合部材における蓄熱効果のために、接合の開始点近傍で低く、終了点近傍で高いものとなる。従って、被接合部材の接合開始点から接合終了点までの間で、接合部の強度や接合品質の均一化を図ることは容易でない。
以上のような従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、被接合部材の接合部における接合品質の均一化を図ることが可能な摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合制御方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明に係る摩擦攪拌接合装置（ＦＳＷ装置）は、回転しながら被接合部材に圧入される突起部と前記突起部が具備されて回転しながら前記被接合部材の表面を押圧する押圧部とを有してなり、前記被接合部材内部で前記突起部および前記押圧部が接する近傍領域に塑性流動現象を発生させる接合ツールと、前記接合ツールの前記突起部が前記被接合部材に圧入されたとき前記被接合部材表面からの深さがそれぞれ異なる前記突起部の内部位置に設けられた複数の温度センサと、前記接合ツールを回転させるツール回転駆動装置と、予め設定された前記被接合部材上の接合線に沿って前記接合ツールを移動させるツール移動駆動装置と、前記複数の温度センサによって検出される温度に基づき、前記接合ツールの突起部内の温度であるツール温度を取得し、前記ツール温度が予め定められた管理温度範囲内に収まるように、前記ツール回転駆動装置によって駆動される前記接合ツールの回転速度および前記ツール移動駆動装置によって駆動される前記接合ツールの移動速度の少なくとも一方を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、被接合部材の接合部における接合品質の均一化を図ることが可能な摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合制御方法が提供される。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の実施形態に係るＦＳＷ装置１００の外観斜視図の例を模式的に示した図である。図１に示すように、ＦＳＷ装置１００は、突起部１１を備えた接合ツール１、接合ツール１を保持するツールホルダ２、ツールホルダ２を回転可能に保持するハウジング３などにより構成される。ここで、ハウジング３は円筒状の容器であり、その内部には、主軸２０を中心に円柱状のツールホルダ２を回転させる主軸モータ６（図３参照）などが収納されている。また、主軸２０は、円柱状のツールホルダ２の中心軸を指す。
接合ツール１およびツールホルダ２を以上のようにして保持したハウジング３は、図示しないマシニングツールや多軸ロボットのアーム４の先端部に取り付けられている。すなわち、接合ツール１は、マシニングツールや多軸ロボットによるアーム４の駆動により、上下方向にも平面方向にも自在に移動可能なように構成されている。
接合ツール１の突起部１１は、主軸２０を中心に沿った細長いピンの形状をしており、しばしば接合ツールピン部と呼ばれる。そして、２つの被接合部材１０１ａ，１０１ｂを接合するときには、ツールホルダ２に保持された接合ツール１は、回転しながら、その突起部１１を被接合部材１０１ａ，１０１ｂの境界である接合線１０２上に圧入させる。このとき、突起部１１は、接合ツール１本体の底面部の突起部１１を除いた部分（図３でいうツールショルダ部１２）が被接合部材１０１ａ，１０１ｂの表面に接触する位置まで圧入される。
突起部１１が圧入されると、被接合部材１０１ａ，１０１ｂには、突起部１１およびツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに接触しながら回転するときの摩擦熱により温度が上昇し、塑性流動現象が生じる。そして、この塑性流動現象が生じた被接合部材１０１ａ，１０１ｂの構成材料が接合ツール１により攪拌され、混じり合うこととなる。さらに、接合ツール１は、突起部１１が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入された状態で接合線１０２に沿って移動するよう制御される。その結果、被接合部材１０１ａ，１０１ｂは、その境界部が接合される。
以上のようなＦＳＷ装置１００の基本部分の構成および動作は、従来技術と同様のものである。前記したように、従来は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの接合部の温度は、十分には管理されていない。接合温度は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂに塑性流動現象が生じる温度であれはよいとされている。そこで、本発明の発明者らは、入熱量一定の条件で被接合部材１０１ａ，１０１ｂの接合部が接合されているときの温度を測定したので、その結果を次の図２に示す。
図２は、ＦＳＷ装置１００により被接合部材１０１ａ，１０１ｂを入熱量一定の条件で接合したときのツール温度の推移の例を示した図である。ここで、ツール温度とは、被接合部材１０１ａ，１０１ｂが摩擦攪拌されているときの接合部の温度を、接合ツール１の突起部１１内部に埋め込まれた熱電対などの温度センサ（図３でいう温度センサ１３）で測定した温度をいう。従って、ツール温度は、接合部の温度そのものではないが、例えば、特許文献２に記載の裏当て部材の中などに設けられた温度センサによって得られる温度に比べれば、接合部の温度に非常に近い温度と考えられる。
図２に示すように、ツール温度は、接合ツール１の突起部１１が被接合部材１０１ａ，１０１ｂ表面の接合開始点に接触し、圧入され、ツールショルダ部１２（図３参照）が同表面に接触する時刻ｔ１までは、ほとんど上昇していない。続いて、ツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂ表面に接触すると、ツールショルダ部１２が回転しながら同表面へ接触することにより生じる摩擦熱のためツール温度が上昇する。そして、時刻ｔ２でツール温度が所定の温度Ｔ１を超えると、被接合部材１０１ａ，１０１ｂに塑性流動現象が生じたと判断され、接合開始となる。ここで、時刻ｔ１からｔ２までの時間は、塑性流動現象が生じるのを待つ時間であり、ホールド時間と呼ばれる。
接合開始となると、接合ツール１の突起部１１は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入されたままの状態で、接合線１０２に沿って移動を開始し、接合終了点まで移動する。このとき、ツール温度は、接合ツール１が接合開始点（時刻ｔ３）から接合終了点（時刻ｔ３）に移動するまでの間に徐々に上昇する。これは、接合ツール１移動後の接合部の温度が接合ツール１移動前の既に上昇した接合部からの熱伝導の影響を受けるためである。すなわち、接合部の温度は、そのとき接合ツール１によりその接合部で発生する熱量だけで決まるのではなく、そのときまでに接合ツール１が移動してきた接合部から伝導した熱の蓄積量が加算されて決まるからである。
接合終了（時刻ｔ３）となると、接合ツール１の突起部１１は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂから引き抜かれ、接合ツール１の温度は急速に低下する。
以上、図２に示した例のように、入熱量一定の場合、ツール温度は、接合開始点から接合終了点までの間に１００℃程度上昇することが分かる。これでは、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの接合線１０２における接合品質を均一保つことは容易ではない。そこで、本実施形態では、ＦＳＷ装置１００は、ツール温度が予め設定された管理温度の範囲内に収まるようツール温度を管理する。
図３は、本発明の実施形態に係るＦＳＷ装置１００の概略ブロック構成の例を示した図である。なお、図３には、接合ツール１、ツールホルダ２およびハウジング３の模式的な縦断面構造が併せて示されるとともに、これらに付随する装置や部材が示されている。
前記したように、ハウジング３は、円筒状の容器であり、その内部には、円柱状のツールホルダ２がベアリング３１を介して、その円柱の中心軸（主軸２０）を中心に回転可能に保持されている。このとき、ツールホルダ２は、ハウジング３側に取り付けられた主軸モータ６により回転駆動される。また、ツールホルダ２の下方先端部には、接合ツール１が取り付けられており、接合ツール１は、ツールホルダ２とともに主軸モータ６により回転駆動される。
接合ツール１は、ツールホルダ２と同軸の円柱形状をしており、その底面部にはツールホルダ２と同軸の細長略円柱状（ピン状）の突起部１１が設けられている。また、接合ツール１の底面部のうち突起部１１が設けられている以外の部分は、ツールショルダ部１２と呼ばれている。このうち突起部１１は、ツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂの表面に接する位置まで圧入される。従って、ツールショルダ部１２は、突起部１１の圧入を停止させる役割を果たす。また、このとき、ツールショルダ部１２は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの表面を押圧するとともに、その表面上を回転、摺動する。そして、ツールショルダ部１２の回転、摺動の摩擦熱により、被接合部材１０１ａ，１０１ｂ内のツールショルダ部１２および突起部１１の近傍部分は熱せられ、塑性流動現象が現れる。
本実施形態では、突起部１１の内部に１つまたは複数の温度センサ１３（熱電対など）が埋め込まれている（図３では３つの温度センサ１３が描かれている）。そして、ここでは、複数の温度センサ１３を突起部１１内に埋め込む場合、突起部１１内における縦方向の位置がそれぞれ異なる位置に埋め込むものとしている。このことについては、別途、図４および図５を用いて詳しく説明する。
温度センサ１３で計測された温度は、ツールホルダ２に取り付けられた送信器８およびハウジング３に取り付けられた受信器９を介して、制御装置５に送信される。なお、送信器８は、ツールホルダ２とともに回転するので、受信器９は、例えば、その送信器８を取り囲むドーナツ形状のアンテナを備え、送信器８との間で無線にて通信する。
制御装置５は、温度センサ１３で計測された温度からツール温度を取得する。その場合、突起部１１の内部に１つの温度センサ１３が埋め込まれているときには、それにより計測された温度をそのままツール温度とする。また、突起部１１の内部に複数の温度センサ１３が埋め込まれているときには、計測された複数の温度の単純平均または加重平均をとってツール温度とする。
制御装置５は、図示しない演算処理装置と記憶装置とを備えた一般的なコンピュータによって構成され、温度センサ１３で計測された温度すなわちツール温度に基づき、主軸モータ６およびツール移動駆動装置７を制御する。その場合、ツール温度を低下させるときには、主軸モータ６の回転を減速するか、ツール移動駆動装置７による接合ツール１の移動速度を速くすればよい。また、ツール温度を上昇させるときには、主軸モータ６の回転を加速するか、ツール移動駆動装置７による接合ツール１の移動速度を遅くすればよい。なお、ここでいうツール移動駆動装置７は、図１においてハウジング３が取り付けられたアーム４を有するマシニングセンタタイプＦＳＷ装置や多軸ロボットタイプＦＳＷ装置に相当する。
図４は、接合ツール１の突起部１１が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入された様子を模式的に示した縦断面図の例、図５は、接合ツール１の横断面を模式的に示した図である。図４に示すように、２つの同種の被接合部材１０１ａ，１０１ｂ（例えば、２つのアルミニウム合金板）を突き合わせ接合する場合には、被接合部材１０１ａ，１０１ｂは、裏当て部材１１０上に配置され、その境界部に接合ツール１の突起部１１が回転しながら圧入される。
このとき、突起部１１は、その先端部が被接合部材１０１ａ，１０１ｂの裏面側にほとんど到達するとともに、ツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂの表面に接する深さまで圧入される。従って、接合ツール１は、通常、接合対象の板厚や材質に応じて、その突起部１１の径、長さ、形状などが定められる。なお、裏当て部材１１０は、高い耐熱性を有するとともにツール軸方向荷重に耐えられる硬度を持つ必要がある。
さらに、図４に示すように、突起部１１には、その突起部１１が被接合部材１０１ａ，１０１ｂ内に圧入されたときの深さがそれぞれ異なる位置に、熱電対などからなる温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃが埋め込まれている。そして、これらの温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、図５に示すように、突起部１１の外周面からの距離が略等しく、かつ、その外周面に近い位置に埋め込まれている。なお、図５において、内側の斜線部の円は、突起部１１の外周面を表し、外側の円は、接合ツール１の本体の外周面を表し、これら２つの円で挟まれた部分は、ツールショルダ部１２を表している。
以上のように、突起部１１内に埋め込まれた温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより、被接合部材１０１ａ，１０１ｂが接合されるときの深さ方向の温度分布を、より精度よく取得することが可能になる。
図６は、制御装置５の記憶装置に記憶されているＦＳＷ制御データ５０１の構成の例を示した図である。図６に示すように、ＦＳＷ制御データ５０１は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの材料および板厚に対応付けられた管理温度範囲、管理判定温度範囲、主軸モータの回転速度、ツール移動速度などにより構成される。
ここで、管理温度範囲とは、温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃから得られるツール温度を管理するための温度であり、上限値と下限値とからなる。ＦＳＷ装置１００ツールによる接合が実施されているときには、ツール温度、すなわち、接合ツール１により摩擦攪拌されている被接合部材１０１ａ，１０１ｂの接合部の温度は、この管理温度範囲内に収まるように管理される。
また、管理判定温度範囲の上限値および下限値は、管理温度範囲内に含まれる温度である。すなわち、管理判定温度範囲の上限値は、管理温度範囲の上限値よりも低く、管理判定温度範囲の下限値は、管理温度範囲の下限値よりも高い値が設定される。
一般に、大きい熱容量を有する物体の温度制御では、温度上昇中にある物体の温度を検知して加熱量を減じても、その温度は、すぐには下降せずオーバシュートする。同様に、温度下降中にある物体の温度を検知して、加熱量を増やしても、その温度は、すぐに上昇せずアンダシュートする。そこで、本実施形態では、管理判定温度範囲の上限値および下限値を設定することにより、温度制御における温度のオーバシュートおよびアンダシュートの許容を可能としたものである。なお、このことについては、図７でも説明する。
さらに、図６において、主軸モータ回転速度の初期値は、接合ツール１の突起部１１を被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入するときの主軸モータ６の回転速度の初期値である。また、主軸モータ回転速度の定常値＃１、定常値＃２およびツール移動速度の定常値＃１、定常値＃２は、接合実施中の主軸モータ６の回転速度および接合ツール１の移動速度を設定したデータであるが、詳細については、次に図７を用いて説明する。
以上、ＦＳＷ制御データ５０１を構成する管理温度範囲の上限値、下限値、管理判定温度範囲の上限値、下限値、主軸モータ回転速度の初期値、定常値＃１、定常値＃２、ツール移動速度の定常値＃１、定常値＃２などの値は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの材料や板厚などに応じて、実験的またはシミュレーションなどにより予め適切な値が求められたものであるとする。
図７は、接合ツール１によって被接合部材１０１ａ，１０１ｂが接合されているときの温度管理の方法の例を模式的に示した図である。本実施形態では、接合ツール１の突起部１１が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入され、ツール温度がＦＳＷ制御データ５０１で定められた管理温度範囲内に入って始めて接合開始となる。接合が開始されると、接合ツール１は、回転するだけでなく、移動を開始する。
ツール温度は、通常、接合開始時には上昇局面にある。そこで、制御装置５は、記憶装置に記憶されているＦＳＷ制御データ５０１の主軸モータ回転速度の定常値＃１およびツール移動速度の定常値＃１を、それぞれ、主軸モータ６およびツール移動駆動装置７に出力する。これにより、接合ツール１は、この出力された回線速度および移動速度に従って回転するとともに、移動する。なお、ツール温度は、主として主軸モータ回転速度とツール移動速度によって定まるが、このときの主軸モータ回転速度の定常値＃１およびツール移動速度の定常値＃１は、ツール温度がわずかに上昇するような値となっている。
続いて、制御装置５は、ツール温度がＦＳＷ制御データ５０１で指定される管理判定温度範囲の上限値１３１ｂを超えたか否かを判定する。そして、ツール温度が管理判定温度範囲の上限値１３１ｂを超えた場合（図７の時刻ｔａ）には、制御装置５は、ＦＳＷ制御データ５０１の主軸モータ回転速度の定常値＃２およびツール移動速度の定常値＃２を、それぞれ、主軸モータ６およびツール移動駆動装置７に出力する。なお、このときの主軸モータ回転速度の定常値＃２およびツール移動速度の定常値＃２は、ツール温度がわずかに下降するような値となっている。
これらの制御により、ツール温度は、管理判定温度範囲の上限値１３１ｂを多少超える（オーバシュートする）ものの、管理温度範囲の上限値１３２ｂに到達しないうちに下降する局面に転ずる。
続いて、制御装置５は、ツール温度がＦＳＷ制御データ５０１で指定される管理判定温度範囲の下限値１３１ａを下回ったか否かを判定する。そして、ツール温度が管理判定温度範囲の下限値１３１ａを下回った場合（図７の時刻ｔｂ）には、制御装置５は、ＦＳＷ制御データ５０１の主軸モータ回転速度の定常値＃１およびツール移動速度の定常値＃１を、それぞれ、主軸モータ６およびツール移動駆動装置７に出力する。
これらの制御により、ツール温度は、管理判定温度範囲の下限値１３１ａを多少下回る（アンダシュートする）ものの、管理温度範囲の下限値１３２ａに到達しないうちに再び上昇する局面に転ずる。
以上、本実施形態では、ツール温度は、図７に示したように、上昇する局面と下降する局面を繰り返すものの、管理温度範囲の下限値１３２ａと上限値１３２ｂとの間に収められる。
なお、図７において、ツール温度が上昇する局面での温度の変化率（傾き）は、ツール温度が下降する局面での温度の変化率（傾き）を符号反転したものとほぼ同じにするのが好ましい。こうすることにより、被接合部材１０１ａ，１０１ｂにおける摩擦攪拌される状態が大きくは変化しないで済むので、接合品質の均一化を図ることができる。
図８は、制御装置５によるＦＷＳ接合制御処理の処理フローの例を示した図である。図８に示すように、制御装置５は、まず、記憶装置に記憶されているＦＳＷ制御データ５０１から、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの材料および板厚に対応した管理温度範囲、管理判定温度範囲、主軸モータ回転速度、ツール移動速度などのデータを取得する（ステップＳ１０）。
次に、制御装置５は、主軸モータ６を駆動しつつ、接合ツール１の突起部１１を被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入させ（ステップＳ１１）、ツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに接触したか否かを判定する（ステップＳ１２）。ここで、ツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに接触していない場合は（ステップＳ１２でＮｏ）、ステップＳ１１の制御が継続される。また、ツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに接触した場合には（ステップＳ１２でＹｅｓ）、突起部１１の圧入は停止され、制御装置５は、温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃによって測定される温度に基づき、ツール温度を取得する（ステップＳ１３）。
次に、制御装置５は、ツール温度がステップＳ１０で取得した管理判定温度範囲に到達したか否かを判定する（ステップＳ１４）。ここで、ツール温度が前記管理判定温度範囲に到達していない場合には（ステップＳ１４でＮｏ）、ステップＳ１３以下の処理が再度実行される。また、ツール温度が前記管理判定温度範囲に到達した場合には、制御装置５は、主軸モータ６およびツール移動駆動装置７に対して、それぞれ、主軸モータ回転速度（定常値＃１）およびツール移動速度（定常値＃１）を設定する（ステップＳ１５）。
続いて、制御装置５は、ツール移動駆動装置７を駆動して、接合ツール１を予め定められた接合線１０２（図１参照）に沿って、そのとき設定されているツール移動速度で移動させる（ステップＳ１６）。さらに、制御装置５は、接合ツール１の位置が接合終了点に到達したか否かを判定する（ステップＳ１７）。ここで、接合ツール１の位置が接合終了点に未だ到達していない場合には（ステップＳ１７でＮｏ）、制御装置５は、温度センサ１３ａ，１３ｂ，１３ｃによって測定される温度に基づき、ツール温度を取得し（ステップＳ１８）、さらに、その取得したツール温度が前記管理判定温度範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１９）。
ステップＳ１９での判定の結果、ツール温度が前記管理判定温度範囲内であった場合には（ステップＳ１９でＹｅｓ）、制御装置５は、ステップＳ１６以下の処理を繰り返して実行する。また、ツール温度が前記管理判定温度範囲の外であった場合には（ステップＳ１９でＮｏ）、制御装置５は、主軸モータ６およびツール移動駆動装置７にそれぞれ設定されている主軸モータ回転速度およびツール移動速度を変更する（ステップＳ２０）。そして、制御装置５は、ステップＳ１６以下の処理を繰り返し実行する。なお、ステップＳ２０では、そのとき設定されている主軸モータ回転速度およびツール移動速度が定常値＃１であれば、定常値＃２に変更され、定常値＃２であれば、定常値＃１に変更される。
また、ステップＳ１７の判定の結果、接合ツール１の位置が接合終了点に到達した場合には（ステップＳ１７でＹｅｓ）、制御装置５は、当該ＦＷＳ接合制御処理を終了する。
以上、本発明の実施形態によれば、ツール温度の変動、すなわち、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの接合対象部分の接合時の温度変動を予め定められた管理温度範囲内に収めることができる。従って、被接合部材１０１ａ，１０１ｂの接合対象となる接合線１０２に沿った部分の全体にわたって、接合時の温度変動を抑制することが可能になるので、接合品質の向上を図ることができる。
また、本発明の実施形態によれば、図８に示したＦＷＳ接合制御処理では、ツール温度の制御は、主軸モータ回転速度およびツール移動速度の制御だけで可能なようにされている。すなわち、本実施形態では、ツール移動駆動装置７に相当するマシニングセンタタイプＦＳＷ装置や多軸ロボットタイプＦＳＷ装置は、接合ツール１を、制御装置５によって指示されたツール移動速度で移動させるだけでよい。その際には、主軸モータ６が受けるトルクや被接合部材１０１ａ，１０１ｂから受ける反力などについては、とくに管理する必要はない。従って、本実施形態では、ツール移動駆動装置７、すなわち、マシニング装置や多軸ロボットにおける制御処理が簡単化されるという効果が得られる。
（実施形態の変形例）
ここまでの実施形態では、同種の材料からなる被接合部材１０１ａ，１０１ｂの突き合わせ接合について説明した。以下、その実施形態の変形例として、異種の材料からなる被接合部材１０１ｃ，１０１ｄの突き合わせ接合および重ね合わせ接合の例について補足的に説明する。図９は、異種の材料からなる被接合部材１０１ｃ，１０１ｄの（ａ）突き合わせ接合の例、（ｂ）重ね合わせ接合の例を示した図である。
ここまでの実施形態では、同種の材料からなる被接合部材１０１ａ，１０１ｂの突き合わせ接合について説明した。以下、その実施形態の変形例として、異種の材料からなる被接合部材１０１ｃ，１０１ｄの突き合わせ接合および重ね合わせ接合の例について補足的に説明する。図９は、異種の材料からなる被接合部材１０１ｃ，１０１ｄの（ａ）突き合わせ接合の例、（ｂ）重ね合わせ接合の例を示した図である。
図９（ａ）に示すように、異種の材料からなる被接合部材１０１ｃ，１０１ｄを突き合わせ接合する場合には、接合ツール１の突起部１１は、外周部が両者の境界に接し、その全体が低温で軟化する材料からなる被接合部材１０１ｃ側に含まれる位置に圧入される。例えば、被接合部材１０１ｃの材料がアルミニウム系合金で、被接合部材１０１ｄが鉄系合金である場合には、アルミニウム系合金である被接合部材１０１ｃ側に含まれる位置に圧入される。
また、この場合、ツール温度管理のための管理温度範囲、管理判定温度、接合時の主軸モータ回転速度、ツール移動速度などの値は、突起部１１が圧入される被接合部材１０１ｃの材料（低温で軟化する材料：例えば、アルミニウム系合金）の物理特性（例えば、塑性流動現象が生じる温度、熱伝導度、比熱など）に基づき定められる。これらの値は、事前の実験またはシミュレーションなどにより定められ、ＦＳＷ制御データ５０１として制御装置５の記憶装置に格納される。
なお、異種の材料からなる被接合部材１０１ｃ，１０１ｄの接合の場合、低温で軟化する被接合部材１０１ｃ（例えば、アルミニウム系合金）側には、塑性流動現象が生じるが、被接合部材１０１ｄ（例えば、鉄系合金）側には、必ずしも塑性流動現象が生じるとは限らない。しかし、このような場合には、主として、被接合部材１０１ｃ側の金属原子が被接合部材１０１ｄ側に拡散し、両者の境界部に共晶が形成されることにより、両者が接合される。
また、図９（ｂ）に示すように、異種の材料からなる被接合部材１０１ｃ，１０１ｄを重ね合わせ接合する場合には、接合ツール１の突起部１１は、低温で軟化する材料の被接合部材１０１ｃ側から、その先端が被接合部材１０１ｄに接する位置まで圧入される。そして、この場合も、ツール温度管理のための管理温度範囲、管理判定温度、接合時の主軸モータ回転速度、ツール移動速度などは、突起部１１が圧入される被接合部材１０１ｃ側の材料の物理特性（例えば、塑性流動現象が生じる温度、熱伝導度、比熱など）によって定められる。
また、図９（ｂ）において、被接合部材１０１ｃ，１０１ｄは、同種の材料であってもよい。ただし、この場合には、接合ツール１の突起部１１は、両者の境界を越えて、下側の被接合部材１０１ｄの中まで圧入されるようにするのがよい。そうすることにより、両者の境界部には摩擦攪拌領域が形成されるので、強固に接合される。
以上の実施形態の変形例でも、ツール温度の管理方法は、図７および図８を用いて説明した方法とほぼ同様にして行うことができる。従って、以上の実施形態の変形例でも、前に説明した実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、以上に説明した実施形態およびその変形例は、接合ツール１を移動させ連続接合する場合の例であるが、本発明は、接合ツール１を所定の位置に挿入したままその位置を移動させないスポット接合にも適用することができる。この場合、接合開始時点から終了時点までの間、移動しない接合ツール１のツール温度を管理することになる。
本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。
１ 接合ツール
２ ツールホルダ
３ ハウジング
４ アーム
５ 制御装置
６ 主軸モータ（ツール回転駆動装置）
７ ツール移動駆動装置
８ 送信器
９ 受信器
１１ 突起部
１２ ツールショルダ部（押圧部）
１３，１３ａ，１３ｂ．１３ｃ 温度センサ
２０ 主軸
３１ ベアリング
１００ ＦＳＷ装置（摩擦攪拌接合装置）
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ 被接合部材
１１０ 裏当て部材
２ ツールホルダ
３ ハウジング
４ アーム
５ 制御装置
６ 主軸モータ（ツール回転駆動装置）
７ ツール移動駆動装置
８ 送信器
９ 受信器
１１ 突起部
１２ ツールショルダ部（押圧部）
１３，１３ａ，１３ｂ．１３ｃ 温度センサ
２０ 主軸
３１ ベアリング
１００ ＦＳＷ装置（摩擦攪拌接合装置）
１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ 被接合部材
１１０ 裏当て部材
Claims (7)
- 回転しながら被接合部材に圧入される突起部と前記突起部が具備されて回転しながら前記被接合部材の表面を押圧する押圧部とを有してなり、前記被接合部材内部で前記突起部および前記押圧部が接する近傍領域に塑性流動現象を発生させる接合ツールと、
前記接合ツールの前記突起部が前記被接合部材に圧入されたとき前記被接合部材表面からの深さがそれぞれ異なる前記突起部の内部位置に設けられた複数の温度センサと、
前記接合ツールを回転させるツール回転駆動装置と、
予め設定された前記被接合部材上の接合線に沿って前記接合ツールを移動させるツール移動駆動装置と、
前記複数の温度センサによって検出される温度に基づき、前記接合ツールの突起部内の温度であるツール温度を取得し、前記ツール温度が予め定められた管理温度範囲内に収まるように、前記ツール回転駆動装置によって駆動される前記接合ツールの回転速度および前記ツール移動駆動装置によって駆動される前記接合ツールの移動速度の少なくとも一方を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記制御装置は、
前記管理温度範囲内の温度である管理判定温度下限値と管理判定温度上限値とを記憶した記憶装置を備え、
前記ツール温度が前記管理判定温度上限値を超えたとき、その後の温度下降の傾きがそのときまでの温度上昇の傾きを符号反転させた傾きと略同じになるように、前記接合ツールの回転速度を加速する制御および移動速度を減速する制御の少なくとも一方の制御をする機能と、
前記ツール温度が前記管理判定温度下限値を下回ったとき、その後の温度上昇の傾きがそのときまでの温度下降の傾きを符号反転させた傾きと略同じになるように、前記接合ツールの回転速度を減速する制御および移動速度を加速する制御の少なくとも一方の制御をする機能と、を有すること
を特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記制御装置は、
前記複数の温度センサそれぞれによって検出される温度を単純平均または加重平均して得られる温度を前記ツール温度をとして取得すること
を特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記制御装置は、
接合される２つの被接合部材が異なる材料からなる場合には、前記２つの被接合部材のうち軟化する温度が低いほうの被接合部材の物理特性に基づき前記管理温度範囲および前記管理判定温度を設定しておき、前記軟化する温度が低いほうの被接合部材側に前記突起部を圧入した状態で前記接合ツールの移動を制御すること
を特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 回転しながら被接合部材に圧入される突起部と前記突起部が具備されて回転しながら前記被接合部材の表面を押圧する押圧部とを有してなり、前記被接合部材内部で前記突起部および前記押圧部が接する近傍領域に塑性流動現象を発生させる接合ツールと、
前記接合ツールの前記突起部が前記被接合部材に圧入されたとき前記被接合部材表面からの深さがそれぞれ異なる前記突起部の内部位置に設けられた複数の温度センサと、
前記接合ツールを回転させるツール回転駆動装置と、
予め設定された前記被接合部材上の接合線に沿って前記接合ツールを移動させるツール移動駆動装置と、
前記ツール回転駆動装置および前記ツール移動駆動装置を制御する制御装置と、
を備えてなる摩擦攪拌接合装置によって実施される摩擦攪拌接合制御方法において、
前記制御装置は、
前記複数の温度センサそれぞれによって検出される温度を単純平均または加重平均して得られる温度を、前記接合ツールの突起部内の温度であるツール温度として取得し、
前記ツール温度が予め定められた管理温度範囲内に収まるように、前記ツール回転駆動装置によって駆動される前記接合ツールの回転速度および前記ツール移動駆動装置によって駆動される前記接合ツールの移動速度の少なくとも一方を制御すること
を特徴とする摩擦攪拌接合制御方法。 - 請求項５に記載の摩擦攪拌接合制御方法において、
前記制御装置は、
前記管理温度範囲内の温度である管理判定温度下限値と管理判定温度上限値とを記憶した記憶装置を備えており、
前記ツール温度が前記管理判定温度上限値を超えたときには、その後の温度下降の傾きがそのときまでの温度上昇の傾きを符号反転させた傾きと略同じになるように、前記接合ツールの回転速度を加速する制御および移動速度を減速する制御の少なくとも一方の制御をし、
前記ツール温度が前記管理判定温度下限値を下回ったときには、その後の温度上昇の傾きがそのときまでの温度下降の傾きを符号反転させた傾きと略同じになるように、前記接合ツールの回転速度を減速する制御および移動速度を加速する制御の少なくとも一方の制御をすること
を特徴とする摩擦攪拌接合制御方法。 - 請求項５に記載の摩擦攪拌接合制御方法において、
前記制御装置は、
接合される２つの被接合部材が異なる材料からなる場合には、前記２つの被接合部材のうち軟化する温度が低いほうの被接合部材の物理特性に基づき前記管理温度範囲および前記管理判定温度を設定しておき、前記軟化する温度が低いほうの被接合部材側に前記突起部を圧入した状態で前記接合ツールの移動を制御すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合制御方法。
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