JP5949869B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを摩擦撹拌接合するために用いられる摩擦撹拌接合装置に関する。
本願は、２０１０年１１月４日に日本に出願された特願２０１０−２４７８１１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

摩擦撹拌接合では、摩擦撹拌接合用ツールの先端部に設けられたプローブ（棒状突起物）を、ワークの接合部に回転させながら押し付けてワーク内に没入させることにより、ワークの接合部に摩擦熱を発生させて、ワークを軟化させると共に、上記摩擦撹拌接合用ツールの回転力により、接合部周辺を塑性流動させて撹拌混合し、複数のワークを一体に接合する。摩擦撹拌接合は、現在、接合時に生じる接合反力が小さいアルミ材薄板（厚さ１０ｍｍ以下）の接合を中心に利用されつつある。

摩擦撹拌接合に用いる従来の摩擦撹拌接合装置としては、ワークを載置する定盤の両側に設置した案内レールと、上記定盤を跨いで上記案内レール上に移動自在に設置した門型フレームと、門型フレームに定盤の幅方向に移動自在に片持ち支持させた基台と、基台に上下方向に移動自在に片持ち支持させた接合装置本体と、接合装置本体の下端部に回転可能に取り付けた摩擦撹拌接合用ツールとを備える装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

また、従来の摩擦撹拌接合装置の他の例としては、摩擦撹拌接合用ツールと摩擦撹拌接合用ツールを回転駆動する回転駆動手段と上記摩擦撹拌接合用ツールを上下方向に移動させる変位駆動手段とを備えてなる接合装置本体を、車輪と車輪を回転駆動させる車輪回転手段とを備えて自走可能な車体に搭載した装置が提案されている（たとえば特許文献２参照）。

日本国特開２００４−１９５５４９号公報 日本国特開２００５−１８６０８４号公報

ところが、上記特許文献１に記載されたような、接合装置本体を片持ち支持する構造を有する摩擦撹拌接合装置では、摩擦撹拌接合時に生じる接合反力が大きい場合、たとえば、厚板（たとえば、アルミ材では１８ｍｍ以上）同士の接合等に際して接合反力が約１ｔを超える場合などでは、その大きな接合反力を受けることができず、正常にワークの摩擦撹拌接合を行うことができない。また、門型フレームがワークを跨ぐ構造であるため、摩擦撹拌接合することができるワークのサイズ（幅寸法）が門型フレームの大きさに制限され、ワークサイズが大きい場合は装置を大型化しなければならない。

また、上記特許文献２に記載されたような、車輪を用いて自走可能にした摩擦撹拌接合装置では、摩擦撹拌接合時に生じる接合反力が大きい場合、その接合反力により走行方向がぶれてしまい、正常にワークの摩擦撹拌接合を行うことができない。なお、上記特許文献２では、摩擦撹拌接合装置の一方の側にワーク間の接合線に沿って延びるガイド部材を設置すると共に、ガイド部材を挟持する一対のローラとローラを回転自在に支持する固定部とを備えるガイド機構を摩擦撹拌接合装置に設けて、ガイド部材に沿って摩擦撹拌接合装置を移動させる構造も提案されているが、上記摩擦撹拌接合装置に設けた一対のローラでは、摩擦撹拌接合時に生じる大きな接合反力を受けることができない。よって、この場合でも正常にワークの摩擦撹拌接合を行うことはできない。

そこで、本発明は、ワークのサイズが大きくても、また、摩擦撹拌接合時の接合反力が大きくても装置を大型化することなく正常にワークの摩擦撹拌接合を行うことができる摩擦撹拌接合装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、摩擦撹拌接合装置に係る第１の解決手段として、ワークを接合する接合線の長さよりも長い架構と、ワーク間の接合線に沿って延びる隙間を形成するように架構の上面に設けられる一対のワーク固定定盤と、上記隙間の下方に位置し、上記隙間から上方に突出する摩擦撹拌接合用ツールと、当該摩擦撹拌接合用ツールが上端部に設けられる主軸と、当該主軸を回動させる主軸回転駆動装置とを備える接合装置本体と、当該接合装置本体を上記隙間に沿って移動自在に支持するリニアガイド機構と、接合装置本体を上記隙間に沿って移動させる移動装置とを具備し、リニアガイド機構は、架構において接合装置本体の両側に片側２本ずつ合計４本に設けられると共に上記隙間に沿って延びるリニアガイドレールと、当該リニアガイドレールに対応して接合装置本体の両側に設けられるリニアガイドブロックとを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、摩擦撹拌接合装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、リニアガイドブロックは、１本のリニアガイドレールあたり複数個設けられる、という手段を採用する。

また、本発明では、摩擦撹拌接合装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、摩擦撹拌接合用ツールと主軸との間に摩擦撹拌接合用ツールを支持する弾性体を設ける、という手段を採用する。

また、本発明では、摩擦撹拌接合装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３の何れかの解決手段において、接合装置本体の主軸の外周側に油冷室を形成するためのケーシングを設け、当該ケーシングに主軸を軸受けを介して回転可能に支持させ、軸受けと油冷室に潤滑油を循環させる、という手段を採用する。

また、本発明では、摩擦撹拌接合装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４の何れかの解決手段において、接合装置本体に摩擦撹拌接合用ツールの外周側を冷却する気体の噴出方向が変更可能な冷却用ノズルを設ける、という手段を採用する。

また、本発明では、摩擦撹拌接合装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５の何れかの解決手段において、移動装置が、エンドレスウィンチと、エンドレスウィンチに巻き取られて両端を接合装置本体の移動方向両端部に連結した索状物とを備え、エンドレスウィンチの駆動で接合装置本体を移動させる、という手段を採用する。

また、本発明では、摩擦撹拌接合装置に係る第７の解決手段として、上記第１〜第６の何れかの解決手段において、摩擦撹拌接合用ツールはボビンツールである、という手段を採用する。

本発明の摩擦撹拌接合装置では、ワークを接合する接合線の長さよりも長い架構の上面に、一対のワーク固定定盤を、ワーク固定定盤同士の間に上記ワーク間の接合線に沿って延びる隙間を形成するように設置している。また、上記架構における上記隙間の下方に、隙間から上方に突出する摩擦撹拌接合用ツールと、摩擦撹拌接合用ツールを上端部に取り付ける主軸と、主軸を回動させる主軸回転駆動装置とを備えてなる接合装置本体を、リニアガイド機構を介して上記隙間に沿って移動自在に設け、更に、上記接合装置本体を隙間に沿って移動させる移動装置を設けている。

この構成により、摩擦撹拌接合時に生じる接合反力が大きい場合、たとえば、厚板（たとえば、アルミ材では１８ｍｍ以上）同士の摩擦撹拌接合等に際し接合反力が１ｔを超える場合などであっても、その大きな接合反力を十分に受けることができる。よって、ワークの摩擦撹拌接合を正常に行うことができる。

また、架構上のワーク固定定盤に載置したワークを、ワーク固定定盤同士の間に形成した隙間の下方に位置する接合装置本体により摩擦撹拌接合するので、ワークの幅寸法がワーク固定定盤の幅寸法よりも大きくても、ワークの摩擦撹拌接合を行うことができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置の実施の一形態を示す概略平面図である。 図１の概略正面図である。 接合装置本体のベースへの設置状態を示す概略平面図である。 図３のＡ−Ａ方向に沿った概略断面図である。 図４のＢ−Ｂ方向に沿った概略断面図である。 図５のＸ部の拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。
図１乃至図６は本発明の実施の一形態を示している。この摩擦撹拌接合装置では、摩擦撹拌接合で摩擦撹拌接合用ツール５を移動させる方向（以下、前後方向と定義する。）に延びるベースプレート１ｃ上に、ベースプレート１ｃの長手方向に沿い平行に配した左右一対のフレーム１ｂと１ｂを、一定の間隔を置いて設置することにより、架構１を構成している、また、各フレーム１ｂと１ｂの各上端面には、上面にワーク２ａ，２ｂが載置される一対のワーク固定定盤３ａと３ｂとがそれぞれ設置されている。各ワーク固定定盤３ａと３ｂの上面はいずれも水平に保たれ、且つ固定定盤３ａと３ｂとの間には、前後方向にスリット状に延びる、所定間隔を有する隙間４が形成されている。そして、隙間４の下方には、ベースプレート１ｃと左右のフレーム１ｂと左右のワーク固定定盤３ａ，３ｂとで囲まれる空間部１ａが形成されている。

空間部１ａには、ボビン状をなす摩擦撹拌接合用ツール５と、摩擦撹拌接合用ツール５を上端部に備える垂直方向に延びる主軸６と、主軸６を介して摩擦撹拌接合用ツール５を回転させる主軸回転駆動装置７とを備える接合装置本体８が収納されている。また、ベースプレート１ｃの左右（ベースプレート１ｃの幅方向）両側部にそれぞれ設けられたリニアガイドレール２７には、接合装置本体８の左右両側面にそれぞれ設けられたリニアガイドブロック２６が係合されている。そして、リニアガイドブロック２６とリニアガイドレール２７とからなるリニアガイド機構９により、接合装置本体８が、摩擦撹拌接合用ツール５を隙間４より上方へ突出させた状態でベースプレート１ｃの長手方向となる前後方向に移動可能となっている。

更に、空間部１ａには移動装置１０が設けられている。この移動装置１０は、ベースプレート１ｃの前後方向における一端側の上面に設置したエンドレスウィンチ２９と、エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａの下方に設置したシーブ３０と、ベースプレート１ｃの前後方向における他端側の上面に設置したシーブブロック２８と、エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａに巻き取られてシーブ３０とシーブブロック２８に捲き掛けられた索状物としてのワイヤロープ３１とから構成されている。そして、ワイヤロープ３１の両端を接合装置本体８の前後両端部に連結して、エンドレスウィンチ２９の回転によりワイヤロープ３１を介して接合装置本体８を前後方向に移動させることにより、摩擦撹拌接合用ツール５が前記ワーク固定定盤３ａ，３ｂ間のスリット状の隙間４に沿って移動する。

詳述すると、架構１を構成する左右の各フレーム１ｂの上端に載置して取り付けられている左右一対のワーク固定定盤３ａ，３ｂは、それらの間に形成された隙間４の幅が、ベースプレート１ｃの長手方向と直交する幅方向において一定となるように平行に設けられている。また、左右のワーク固定定盤３ａ，３ｂの間隔（隙間４の幅）は、隙間４に下方から挿通された摩擦撹拌接合用ツール５が、隙間４内を前後方向へ支障なく移動可能となるよう設定されている。

ワーク固定定盤３ａ，３ｂの上面には、接合しようとするワーク２ａと２ｂがそれぞれ載置される。この場合、両ワーク２ａと２ｂは、それらの接合側端面を隙間４の上方にて近接させるような位置で、ワーク固定定盤３ａ，３ｂ上に固定される。

また、接合装置本体８は、架構１の長手方向に延びる矩形状の底面板８ａ上に、左右の各側壁８ｂ，８ｂを所定間隔を隔てて上下に立てて各側壁８ｂ，８ｂの下端を底面板８ａに固定し、更に、底面板８ａの長さと略同じ長さとすると共に底面板８ａよりも幅の狭い天井壁８ｃを、左右の側壁８ｂ，８ｂの上端部内側に水平に取り付けた角筒形状のケースを形成している。この接合装置本体８は、空間部１ａ内に収納できる大きさを有する。また、図３に示すように、天井壁８ｃには、前後２個所に所定の大きさの開口部８ｄと８ｅが形成されている。

ケース内には、上下方向に延びる主軸６と、主軸６の上端とボビンツール５の軸部５ｂの下端との間に設けられた接合用ツール支持機構１３（図６参照）と、主軸６の外周側に油冷室１５を形成するための略円筒形状のケーシング１６と、主軸６の上端部と下端部をケーシング１６に回転自在に支持するための軸受け２３，２４と、ボビンツール５の外周側を冷却する気体を噴出するための冷却用ノズル１７と、ＡＣサーボモータ等の主軸回転駆動装置７とを備える。

また、主軸６の上端には、略円筒状のツールホルダー１２が同軸をなすよう取り付けられている。このツールホルダー１２は、摩擦撹拌接合用ツールとして使用される、ショルダー間隔が固定式のボビンツール５の軸部５ｂを同軸をなすよう収容し、ボビンツール５にすべりキー１１を介して動力を伝達する。

更に、主軸６の下端部と主軸回転駆動装置７の下向きの出力軸７ａとは、ケースの底面板８ａに設けた開口部より下方に突出している。また、ケースの底面板８ａの下方には、主軸回転駆動機構１４が設けられている。主軸回転駆動機構１４は、主軸回転駆動装置７の出力軸７ａに取り付けたＶプーリ２０と主軸６の下端部に取り付けたＶプーリ２１との間に、Ｖベルト２２を掛け回し、主軸回転駆動装置７の駆動により主軸６を回転駆動させる。

更に、主軸６及びケーシング１６の上端部は、ケースの天井壁８ｃの開口部８ｄに下方より嵌入され、主軸６の上端部に支持されているツールホルダー１２及び摩擦撹拌接合用ツール５は、この開口部８ｄを介して天井壁８ｃの上方に突出している。また、主軸回転駆動装置７の上端部は、天井壁８ｃの開口部８ｅに嵌入されている。

これらの構成により、接合装置本体８が、その左右両側の側壁８ｂの上端部と下端部にそれぞれ設けたローラ循環式のリニアガイド機構９を介して、隙間４の長手方向（前後方向）に移動自在となっている。また、隙間４からワーク固定定盤３ａ，３ｂの上方に突出するボビンツール５のプローブ５ａを、ワーク固定定盤３ａ，３ｂに固定された、図中二点鎖線で示すワーク２ａ，２ｂ間に位置させることにより、ワーク２ａ，２ｂの摩擦撹拌接合が実施可能となる。

ここで、ボビンツール５と主軸６との接合部位の構造を更に詳しく説明する。
ツールホルダー１２の内周面には、図６に示すように、ツールホルダー１２の上端に連通する所要長さのキー溝１２ａが上下に設けられている。またボビンツール５の基端側（下側）に位置する軸部５ｂの外周面には、ツールホルダー１２のキー溝１２ａよりも短い長さのキー溝５ｃが上下に設けられ、このキー溝５ｃ内に、すべりキー１１が固定されている。

そして、キー溝１２ａとすべりキー１１とが嵌合するようにツールホルダー１２の内部にボビンツール５の軸部５ｂを収容することにより、ワーク２ａ，２ｂを摩擦撹拌接合する際の主軸６の回転力を、ツールホルダー１２及びすべりキー１１を介してボビンツール５に伝達することができる。また、すべりキー１１の長さがキー溝１２ａよりも短いため、ボビンツール５がツールホルダー１２の内側を上下に摺動することができる。

また、主軸６の上端の中心部には、下方に延びる所定深さのばね支持用支柱固定穴６ａが設けられている。固定穴６ａの底部には、上方に向けて延びる円柱状のばね支持用支柱１８が、固定穴６ａと同軸をなすよう固定されている。ばね支持用支柱１８の上端は固定穴６ａの上端から上方に突出し、ばね支持用支柱１８の周囲には、ボビンツール５を支持するための弾性体としてのばね１９が、同心状に設置されている。

また、ボビンツール５の軸部５ｂの下端面の中心部には、ばね支持用支柱１８の上端部が挿入されるばね支持用支柱挿入穴５ｄが設けられている。挿入穴５ｄにはばね支持用支柱１８の上端部が挿入されると共にばね１９の上端にボビンツール５の軸部５ｂの下端面が当接され、その結果、主軸６の上端とボビンツール５の軸部５ｂの下端との間には、上下方向に隙間が形成される。

そして、上記構成により、ボビンツール５を、その自重をばね１９により吸収しつつ下方から支持する接合用ツール支持機構１３が構成されている。接合用ツール支持機構１３により、ワーク２ａ，２ｂが上下方向（板厚方向）に変形していた場合でも、その変形に追従して、摩擦撹拌接合用ツールとしてのボビンツール５を、摩擦撹拌接合時にワーク２ａ，２ｂより下方からスムースに昇降動作させることができる。

また、図３及び図５に示すように、ケーシング１６の上端部には潤滑油を流入させる潤滑油入口１６ａが設けられ、ケーシング１６の下端部に潤滑油を排出する潤滑油排出口１６ｂが設けられている。また、ケーシング１６内と主軸６との間には、円すいころ軸受けの如き軸受け２３と、別種の軸受け２４が設置された空間が、油冷室１５として形成されている。

そして、ベースプレート１ｃ上に設置した潤滑油タンク２５内の潤滑油を、図示してない油ポンプのような潤滑油循環装置により圧送して、ケーシング１６上端部に設けた潤滑油入口１６ａから、主軸６上端部の軸受け２３、主軸６外周側の油冷室１５、主軸６下端部の軸受け２４の順に、潤滑油を流通させることにより、各軸受け２３，２４の潤滑と主軸６の冷却とが行われる。この潤滑油は、ケーシング１６下端部に設けた潤滑油排出口１６ｂを介して潤滑油タンク２５に戻され、再び上記潤滑と冷却に使用される。

また、図３及び図４に示すように、接合装置本体８の上部には、ボビンツール５を冷却するための複数の冷却用ノズル１７が設置されている（図ではツールホルダー１２の前後に合計３基の冷却用ノズル１７が設置されている）。これらの冷却用ノズル１７は、基端部に図示してない気体供給源が連結される所定の長さの蛇腹部１７ａと、蛇腹部１７ａの先端側に設けた気体噴出部１７ｂとを備え、蛇腹部１７ａを屈曲させることにより気体噴出部１７ｂをボビンツール５の外周側、すなわち、ツールホルダー１２の外周側の任意の位置に向けた状態で、気体供給源からの気体、たとえば、空気を噴出し、ボビンツール５を冷却する。

リニアガイド機構９は、図３及び図５に示すように、接合装置本体８の両側部と架構１の左右のフレーム１ｂとの間の上端部と下端部にそれぞれ設けられて、接合装置本体８を前後方向に移動可能に支持している。このリニアガイド機構９は、接合装置本体８の側部に設けられたローラ循環式のリニアガイドブロック２６と、架構１のフレーム１ｂの各リニアガイドブロック２６に対応する位置に、フレーム１ｂの長手方向の全長に亘り前後に設けられた高剛性型のリニアガイドレール２７とを備えている。

本実施形態の場合、接合装置本体８の両側部の上端部と下端部における前端側と後端側に、図示のような断面形状を有する合計８個のリニアガイドブロック２６が設けられている。また、架構１のフレーム１ｂの上端部と下端部の各リニアガイドブロック２６に対応する位置に、、図示のような断面形状を有するリニアガイドレール２７が、片側２本ずつ合計４本設置されている。

更に、個々のリニアガイドレール２７には、それぞれ２個のリニアガイドブロック２６が前後に配置されている。図５に示すように、リニアガイドレール２７の上面と下面には略Ｖ字形状の溝２７ａが形成されている。また、リニアガイドブロック２６には、溝２７ａに嵌合する突出部２６ａが設けられ、リニアガイドブロック２６の突出部２６ａの斜面には、上記略Ｖ字形状の溝２７ａの斜面に当接する複数の転動体としての図示してない円柱状のころが、接合装置本体８の移動方向（リニアガイドレール２７の延設方向）に垂直な軸回りに回転可能にそれぞれ設けられている。

上記構成を有するリニアガイドブロック２６を備えることにより、摩擦撹拌接合時にベース１の幅方向に生じる大きな接合反力を、接合装置本体８の両側のリニアガイドブロック２６を介して架構１に受けさせることが可能となっている。

移動装置１０は、接合装置本体８を架構１の内部でリニアガイドレール２７に沿って移動させることにより主軸６を水平移動させる。この移動装置１０は、前記したように、架構１のベースプレート１ｃの長手方向一端側の上面に設置されたＡＣサーボモータのような駆動装置により駆動されるエンドレスウィンチ２９と、ベースプレート１ｃの長手方向の他端側の上面に設置された、上下２段にシーブ２８ａを配設してなるシーブブロック２８と、エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａの下方に設置されたシーブ３０と、エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａに巻かれているワイヤロープ３１とからなる。

エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａに巻かれているワイヤロープ３１の一端は、図３及び図４に示すように、接合装置本体８の移動方向の一端側の天井壁８ｃの上面に上下方向に回転自在に取り付けられた、連結具としてのアイプレート８ｆに連結されている。また、エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａに巻かれているワイヤロープ３１の他端は、図２に示すように、シーブ３０に掛けられてから、シーブブロック２８の下側のシーブ２８ａから上側の２８ａの順に掛けられ、更に、図３及び図４に示すように、接合装置本体８の移動方向他端側の天井壁８ｃ上面に上下方向に回動自在に取り付けられた、連結具としてのアイプレート８ｇに連結されている。これにより、ワイヤロープ３１は、シーブブロック２８とエンドレスウィンチ２９との間に、いわば無端状に掛け渡されている。

エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａを一方向に回転させて、図２において、ワイヤロープ３１を反時計方向に移動させると、接合装置本体８の主軸６は、図１において、エンドレスウィンチ２９側に移動する。逆に、エンドレスウィンチ２９のドラム２９ａを上記と反対方向に回転させて、図２において、ワイヤを時計方向に移動させると、接合装置本体８の主軸６は、図１において、シーブブロック２８側へ移動する。

そして、ボビンツール５のプローブ５ａを、ワーク固定定盤３ａ，３ｂに固定されたワーク２ａ，２ｂ間に位置させ、この状態で、主軸６を主軸回転駆動装置７の駆動で回転させて、摩擦撹拌接合用ツールであるボビンツール５を回転させることにより、ワーク２ａ，２ｂの接合部を下方から摩擦撹拌接合可能となる。

なお、図中３２は接合装置本体８の移動経路の両端部に設けられた、接合装置本体オーバーラン防止用のダンパー、３３はツールホルダ１２の上端部に取り付けられた、ボビンツール５の抜け出し防止用のカバーである。

上記構成を有する本発明の摩擦撹拌接合装置を用いて、たとえば、厚板（１８ｍｍ以上）のアルミ材の摩擦撹拌接合を行う場合、まず、接合装置本体８を、図１、図２に示すように、架構１内の長手方向一端であるシーブブロック２８側の端部に移動させた状態にして待機させる。次いで、架構１の左右のワーク固定定盤３ａと３ｂ上に、それぞれワーク２ａと２ｂを載置させて、ワーク２ａと２ｂの接合線を、各々図示してない位置決め治具を用いて隙間４の中心に合わせる。各ワーク固定定盤３ａ，３ｂの上面に載置されたワーク２ａ，２ｂの接合線が隙間４の中心と一致したら、各ワーク２ａと２ｂを、ワーク固定定盤３ａと３ｂに、図示してないワーク固定治具により固定する。その後、上記接合線を覆うように、ワーク２ａ，２ｂの全長に亘る長さの図示してない溝形鋼のような飛散防止用冶具をワーク２ａ，２ｂ上に設置して、ボビンツール５の損傷による飛散を防止する。

この際、ワーク２ａ，２ｂが架構１のワーク固定定盤３ａ，３ｂの上面より幅方向に大幅にはみ出してしまうほど大きい場合には、架構１の幅方向両側に、ワーク２ａ，２ｂを支持する図示してないワーク支持台を設け、これらのワーク支持台に、ワーク２ａ，２ｂのうち架構１からはみ出す部分を支持させると共に、図示してないワーク固定治具による固定を行う。

上記のようにして、ワーク２ａ，２ｂがワーク固定定盤３ａ，３ｂ上に固定されると、次に、移動装置１０を構成するエンドレスウィンチ２９を駆動してワイヤロープ３１を介し接合装置本体８を牽引させ、主軸６と共にボビンツール５を図１に示す位置よりエンドレスウィンチ２９側へ移動させる。この場合、主軸６をワーク２ａ，２ｂの接合開始位置の直前まで移動させた後、隙間４の間から上向きに突出するボビンツール５のプローブ５ａがワーク２ａ，２ｂの端面に掛かる（当接する）まで主軸６を微速で移動させ、ボビンツール５のプローブ５ａがワーク２ａ，２ｂの端面に掛かった段階で主軸６を主軸回転駆動装置７により回転させる。

また、主軸６の回転に連動させて、図示してない潤滑油循環装置による主軸６外周側の各軸受け２３，２４及び油冷室１５への潤滑油の循環と、冷却用ノズル１７からの気体、たとえば、空気の噴出を開始する。この際、ボビンツール５のプローブ５ａがワーク２ａ，２ｂに容易に掛かるように、ワーク２ａ，２ｂの接合開始位置となるワーク２ａ，２ｂの接合側の一端（シーブブロック２８側の端）に切り欠きを設けることが好ましい。

次に、主軸回転駆動装置７により主軸６を回転させてから所要時間経過した後、エンドレスウィンチ２９の駆動でワイヤロープ３１を介して接合装置本体８をエンドレスウィンチ２９側へ牽引する移動を再開させて、ワーク２ａ，２ｂ間の接合線の一端から、接合終了位置となるワーク接合線の他端（エンドレスウィンチ２９側の端）までワーク２ａ，２ｂの摩擦撹拌接合を行う。

次いで、接合終了位置までワーク２ａ，２ｂの接合が完了していることを確認し、接合装置本体８の主軸６の移動を停止させる。しかる後、主軸６の回転を停止させて、ワーク２ａ，２ｂ周辺の温度が下がったことを確認した後、各ワーク２ａ，２ｂの図示してないワーク固定治具による固定を解除し、接合したワーク２ａ，２ｂの回収を行い、摩擦撹拌接合を終了する。

このように、本発明の摩擦撹拌接合装置では、中空構造の架構１上に、摩擦撹拌接合の対象となるワーク２ａ，２ｂを載置するための２個１組のワーク固定定盤３ａ，３ｂを、ワーク固定定盤３ａ，３ｂ同士の間にワーク２ａ，２ｂ間の接合線に沿って延びる隙間４を形成するように設置している。また、隙間４の下方の空間部１ａに、隙間４からプローブ５ａを上方に突出させる摩擦撹拌接合用ツールとしてのボビンツール５と、ボビンツール５を上端部に取り付ける主軸６と、主軸６を回動させる主軸回転駆動装置７とを備える接合装置本体８を、接合装置本体８の左右両側の上端部と下端部に設けたローラ循環式のリニアガイド機構９を介して隙間４の長手方向に移動自在に取り付けている。

そのため、摩擦撹拌接合時に生じる接合反力が大きい場合、たとえば、高速で行う薄板（たとえば、アルミ材で１８ｍｍ未満）同士の摩擦撹拌接合や、厚板（たとえば、アルミ材で１８ｍｍ以上）同士の摩擦撹拌接合に際して、接合反力が１ｔを超える場合などであったとしても、その大きな接合反力を十分に受けることができる。よって、ワーク２ａ，２ｂの摩擦撹拌接合を正常に行うことができる。

また、架構１上のワーク固定定盤３ａ，３ｂに載置したワーク２ａ，２ｂを、ワーク固定定盤３ａ，３ｂ同士の間に形成した隙間４を介して下方から上向きに突出させたボビンツール５を回転させて摩擦撹拌接合するので、ワーク２ａ，２ｂの幅寸法がワーク固定定盤３ａ，３ｂの幅寸法よりも大きくても、ワーク２ａ，２ｂの摩擦撹拌接合を行うことができる。この際、ワーク２ａ，２ｂの大きさ（幅寸法）に対応させて、摩擦撹拌装置を大型化する必要もないので、摩擦撹拌装置の小型化を図ることができる。

また、摩擦撹拌接合用ツールとしてのボビンツール５の下端と主軸６上端との間に、弾性体としてのばね１９を設置してあるので、ボビンツール５の自重をばね１９に支持させた状態で、ボビンツール５を上下動させることができる。そのため、ワーク２ａ，２ｂが上下方向（板厚方向）に変形していたとしても、その変形に追従してボビンツール５をスムースに昇降動作させることができる。

更に、摩擦接合装置本体８に、主軸６の外周側に油冷室１５を形成するためのケーシング１６を軸受け２３，２４を介して設け、各軸受け２３，２４と油冷室１５に潤滑油を循環させるようにしたので、潤滑油により各軸受け２３，２４の潤滑と主軸６の冷却とを行うことができる。

更にまた、接合装置本体８に、基端部に図示してない気体供給源が連結される蛇腹部１７ａと蛇腹部１７ａの先端側に設けた気体噴出部１７ｂとを備え、ボビンツール５の外周側を冷却する気体の噴出方向を変更可能にした冷却用ノズル１７を設置したので、気体噴出部１７ｂをボビンツール５の外周側、すなわち、ツールホルダー１２の外周側の任意の位置に向けた状態で、気体供給源からの気体、たとえば、空気を噴出させ、ボビンツール５を有効に冷却することができる。

また、摩擦撹拌接合用ツールとしてボビンツール５を使用しているので、摩擦撹拌接合用ツールを上下動させてワーク２ａ，２ｂに押付力を加えるための変位駆動手段の設置を省略することができる。よって、摩擦撹拌接合装置の構造の簡素化、コンパクト化を図ることができる。

更に、移動装置１０は、前記したように、ＡＣサーボモータの如き駆動装置で駆動されるエンドレスウィンチ２９と、エンドレスウィンチのドラム２９ａに巻かれて両端を接合装置本体８の移動方向両端部に連結した索状物としてのワイヤロープ３１とを備えてなるので、接合装置本体８の長距離搬送（例えば、１０ｍ以上の搬送）を行うことができる。

よって、ワーク２ａ，２ｂの長さが例えば１０ｍ以上であったとしても、摩擦撹拌接合を行うことができる。また、接合装置本体８を移動させる駆動手段としてエンドレスウィンチ２９を用いるようにしてあるので、ラックピニオン機構を用いて接合装置本体８を移動させるようにする場合に比して、ラックを敷設する必要はなく、メンテナンスの面で有利である。更に、エンドレスウィンチ２９を用いる場合は、接合装置本体８を送りねじ駆動やラックピニオン機構を用いて移動させる場合に比してコスト面でも有利である。

なお、上記実施の形態では、リニアガイド機構９をローラ循環式とした場合について説明したが、厚板などの摩擦撹拌接合時に生じる大きな反力を受けられれば他のタイプのリニアガイド機構でもよい。また、上記実施の形態では、接合装置本体８の両側部の上端部と下端部における前端側と後端側に、合計８個のリニアガイドブロック２６を設け、架構１のフレーム１ｂの上端部と下端部の各リニアガイドブロック２６に対応する位置に、片側２本ずつ合計４本のリニアガイドレール２７を設置したが、接合装置本体８に対するリニアガイドブロック２６の設置位置及び個数、並びにリニアガイドレール２７の本数は、上記した大きな反力を受けられれば、特に限定されない。更に、上記実施の形態では、個々のリニアガイドレール２７に、それぞれ２個のリニアガイドブロック２６が前後に配置されているが、１本のリニアガイドレール２７に対し配置されるリニアガイドブロック２６の個数も、上記した大きな反力を受けられれば、特に限定されない。

但し、上記実施形態の構造において、大きな反力を受けることが可能であるという本願の目的とする効果を得るためには、リニアガイド機構９が、架構１に平行に設置した複数本のリニアガイドレール２７を備え、１本のリニアガイドレール２７あたり複数個のリニアガイドブロック２６を介して、接合装置本体８を支持していることが好ましい。

また、上記実施の形態では、主軸回転駆動装置７にＡＣサーボモータを適用した場合について説明したが、回転数、トルク特性などの条件が合えばインバータモータなどを適用してもよく、主軸回転駆動装置７から主軸６への回転伝達は、Ｖプーリ以外の歯車やチェーンによる回転伝達でもよい。

更に、接合装置本体８を移動させる移動装置１０にエンドレスウィンチ２９を適用した場合は、前記したように有利であるが、本発明は、エンドレスウィンチ２９を用いる場合のみに限定されるものではなく、接合装置本体８を隙間４の長手方向に移動させることができれば、チェーン駆動や送りねじ駆動により移動させるようにすること、ラックピニオン機構により移動させるようにすることも含む。あるいは、ラックに代えてチェーンを前後に敷設固定し、このチェーンに、接合装置本体８が連結されたピニオンを嵌合させて、このピニオンの回転により接合装置本体８を移動させてもよい。

更にまた、上記実施の形態では、摩擦撹拌接合用ツールにボビンツール５を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、従来の摩擦撹拌接合装置と同様に、摩擦撹拌接合用ツールをワーク２ａ，２ｂに押し付ける機構を設けて、ショルダーを一つしか持たない摩擦撹拌接合用ツールを主軸６の上端部に取り付けてもよい。また、上記実施の形態では、摩擦撹拌接合用ツール５の自重を吸収するばね１９を設けた場合を示したが、ツール自重が重くない場合には、ツールの自重を吸収するばね１９を省略するようにしてもよい。また、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、ワークのサイズ及び接合反力が大きくても摩擦撹拌接合を行うことができる。

１ 架構、２ａ，２ｂ ワーク、３ａ，３ｂ ワーク固定定盤、４ 隙間、５ ボビンツール（摩擦撹拌接合用ツール）、６ 主軸、７ 主軸回転駆動装置、８ 接合装置本体、９ リニアガイド機構、１０ 移動装置、１５ 油冷室、１６ ケーシング、１７ 冷却用ノズル、１９ ばね（弾性体）、２３，２４ 軸受け、２６ リニアガイドブロック、２７ リニアガイドレール、２９ エンドレスウィンチ、３１ ワイヤロープ（索状物）

Claims (7)

1. ワークを接合する接合線の長さよりも長い架構と、
   前記ワーク間の接合線に沿って延びる隙間を形成するように前記架構の上面に設けられる一対のワーク固定定盤と、
   前記隙間の下方に位置し、前記隙間から上方に突出する摩擦撹拌接合用ツールと、当該摩擦撹拌接合用ツールが上端部に設けられる主軸と、当該主軸を回動させる主軸回転駆動装置とを備える接合装置本体と、
   当該接合装置本体を前記隙間に沿って移動自在に支持するリニアガイド機構と、
   前記接合装置本体を前記隙間に沿って移動させる移動装置とを具備し、
   前記リニアガイド機構は、
   前記架構において前記接合装置本体の両側に片側２本ずつ合計４本に設けられると共に前記隙間に沿って延びるリニアガイドレールと、
   当該リニアガイドレールに対応して前記接合装置本体の両側に設けられるリニアガイドブロックとを備え、
   前記リニアガイドレールは、前記両側において上下に２本ずつ設けられ、
   前記リニアガイドブロックは、前記接合装置本体の移動方向において前記摩擦撹拌接合用ツールの前後に配置されている摩擦撹拌接合装置。
2. 前記リニアガイドブロックは、１本の前記リニアガイドレールあたり複数個設けられる請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記摩擦撹拌接合用ツールと前記主軸との間に前記摩擦撹拌接合用ツールを支持する弾性体を設ける請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 前記接合装置本体の前記主軸の外周側に油冷室を形成するためのケーシングを設け、当該ケーシングに前記主軸を軸受けを介して回転可能に支持させ、前記軸受けと前記油冷室に潤滑油を循環させる請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
5. 前記接合装置本体に前記摩擦撹拌接合用ツールの外周側を冷却する気体の噴出方向が変更可能な冷却用ノズルを設ける請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
6. 前記移動装置が、エンドレスウィンチと、エンドレスウィンチに巻き取られて両端を前記接合装置本体の移動方向両端部に連結した索状物とを備え、前記エンドレスウィンチの駆動で前記接合装置本体を移動させる請求項１〜５のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
7. 前記摩擦撹拌接合用ツールはボビンツールである請求項１〜６のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。
   
   

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