JP6021421B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、長尺板状部材を突合せて接合する、摩擦撹拌接合装置に関する。

摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）は、被接合金属同士を突合わせて固定し、回転する加工ツール（丸棒）を突合せ部に押し付け、被接合金属同士を接合する方法である。摩擦撹拌接合では、回転する加工ツールを突合せ部に押し付けることにより、突合せ部の被接合金属が発熱し、軟化した被接合金属が塑性流動して被接合金属同士が固相接合される。このような摩擦撹拌接合は、特許文献１にあるように、例えば、嵌め合い構造を有する中空材同士の突合せ接合に用いられている。

摩擦撹拌接合では、加工ツールを回転しながら移動させるので、突合せ部の金属が上下に撹拌され、被接合金属の突合せ部をずらすような力が発生する。例えば、特許文献１の中空材同士の摩擦撹拌接合では、中空材の突合せ部である開先を上下左右に開こうとする力が発生する。よって、接合後の開先部分に段差を生じないようにするためには、中空材同士を突合せた後、突合せ部を上下左右から固定しながら摩擦撹拌接合をする必要がある。

突合せ部を固定する装置としては、例えば、特許文献２に、加工ツールの進行方向前方の突き合わせ部を、加圧ローラーで押さえつける装置が記載されている。このような加圧ローラーを用いれば、突合せ部が固定され、接合後の開先部分に段差を生じないようにすることができる。

一方、３本以上の長尺板状部材を、隣り合わせに突き合わせて並べ、その後、複数の突合せ部を順々に接合する場合、長尺板状部材の押さえ位置を突合せ部ごとに変えていたのでは作業効率が悪い。そこで、作業効率を良く接合するには、図５のような押え治具５４を用い、ステージ５２上に長尺板状部材５３を隣り合わせに突合せて並べ、長尺板状部材３の長手方向両端を上面側から押さえつけて一括固定し、その後、加工ツール５６ａだけを移動して、突合せ部５３ａを順々に接合すればよいと考えられる。

特開２０００−２８８７５０号公報 特開２０００−２０２６４５号公報

しかし、図５の押え治具５４と、特許文献２の加圧ローラーを併用すると、図６の概略図に示されるように、加圧ローラー６７ａと加工ツール６６ａとの間に間隔があるため、長尺板状部材６３の端部まで接合を進めると、加工ツール６６ａが押え治具６４に当たる前に、加圧ローラー６７ａが押え治具６４に当たってしまい、接合されない部分（未接合部分６３ｃ）が長くなってしまう問題がある。この未接合部分６３ｃは、接合後に切削して捨ててしまうので、長尺板状部材６３を有効利用するには、未接合部分６３ｃが小さくなるように接合するのが好ましい。

未接合部分６３ｃを小さくするには、以下のような３つの方法が考えられる。

まずは、図７の装置７１のように、押え治具７４に複数の切欠き部７４ａを設ける方法が考えられる。この方法では、押え治具７４の突合せ部７３ａの位置に、加圧ローラー７７ａ以上の幅の切欠き部７４ａを設け、加圧ローラー７７ａを切欠き部７４ａに逃がして移動させることにより、加工ツール７６ａをより長尺板状部材７３の端まで移動させることができ、未接合部分７３ｃを小さくすることができると考えられる。しかしこの方法では、切欠き部７４ａの間隔と長尺板状部材７３の幅とを同じにする必要があり、長尺板状部材７３の幅寸法が変わる毎に、新たに押え治具７４を設計する必要がある。そして、長尺板状部材７３の幅が狭くなると、長尺板状部材７３を押える、押え治具７４の面積が小さくなってしまい、長尺板状部材７３を固定しにくくなるという問題点もある。

また、図８の装置８１のように、押え治具８４にテーパーをつけ、加圧ローラー８７ａを押え治具８４上に乗り上げさせる方法も考えられる。この方法でも、加工ツール８６ａをより長尺板状部材８３の端まで移動させることができ、未接合部分８３ｃを小さくすることができると考えられる。しかしこの方法では、押え治具８４が加圧ローラー８７ａの押し付け荷重により変形して、押え治具８４が長尺板状部材３を固定する力が緩んでしまう恐れがある。さらに、押え治具８４が加圧ローラー８７ａの押し付け荷重により過度に変形して、押え治具８４が破損してしまう恐れもある。

さらに、加圧ローラーが押え治具に当たる寸前に、加圧ローラーを引き抜いてしまう方法も考えられる。この方法でも、加工ツールをより長尺板状部材の端まで移動させることができ、未接合部分を小さくすることができると考えられる。しかしこの方法では、加圧ローラーを引き抜くタイミングを制御する必要があり、また、加工ツールの主軸負荷を検知し、一定の主軸負荷になるよう、加工ツールの押し付け量を制御する、トルクフィードバック制御を用いた装置に適用すると、加圧ローラーを引き抜いた瞬間に加工ツールの押し付け力が急激に高まり、接合できなくなってしまう可能性が高い。

本発明は、上記問題を解決することが可能な、摩擦撹拌接合装置を提供するものであり、長尺板状部材の長手方向両端を押え治具で固定し、加工ツールの進行方向前方を加圧ローラーで押さえつけながら摩擦撹拌接合する装置であって、未接合部分を容易に小さくできるような、摩擦撹拌接合装置を提供するものである。

本発明の摩擦撹拌接合装置は、隣り合う長尺板状部材の側面部同士を突き合わせて突合せ部を形成し、摩擦撹拌接合工具である加工ツールを前記長尺板状部材の上面側から前記突合せ部に回転させながら押しつけ、前記加工ツールを前記突合せ部に対して相対移動させて前記長尺板状部材同士を接合する摩擦撹拌装置であって、前記加工ツールと、前記加工ツールの移動方向前方に配されて前記長尺板状部材の前記突合せ部を上面側から加圧する加圧ローラーと、当該加圧ローラーの移動方向前方に配されて当該加圧ローラーの加圧方向に当該加圧ローラーと一体的に移動する補助ローラーと、前記長尺板状部材の長手方向両端にあって突き合わされた前記長尺板状部材を上面側から一括して押さえつける押え治具と、当該押え治具近傍に配された乗り上げ治具とを備え、前記加工ツールと前記加圧ローラーと前記補助ローラーとが、前記突合せ部に対して一体的に相対移動し、前記加工ツールが前記押え治具に接近した際、前記補助ローラーが前記乗り上げ治具上に乗り上がって前記乗り上げ治具上を加圧しながら移動しつつ、前記加圧ローラーが前記押え治具上に乗り上がって前記押え治具上を加圧しながら移動することを特徴としている。

そして、本発明の摩擦撹拌接合装置は、前記長尺板状部材を３本以上隣り合わせて接合することが可能であることも特徴としている。

また、本発明の摩擦撹拌接合装置では、前記加圧ローラーと前記補助ローラーとが共通の支持部により支持されているのが好ましい。

さらに、本発明の摩擦撹拌接合装置では、前記補助ローラーの実質的な幅が、前記加圧ローラーの幅より広いほうが好ましい。

また、本発明の摩擦撹拌接合装置では、前記乗り上げ治具または前記押え治具上に弾性材料が貼り付けられているか、あるいは、前記補助ローラーの外周に弾性材料が設けられていることが好ましい。

そして、本発明の摩擦撹拌接合装置は、前記長尺板状部材として押出し中空材を接合するのに用いるのが好ましい。

本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、長尺板状部材の側面同士を突き合わせて接合する際、長尺板状部材の長手方向両端に生じる未接合部分を小さくできる。

本発明の摩擦撹拌接合装置を上方から見た概略構成図である。 本発明の摩擦撹拌接合装置を側方から見た概略構成図である。 本発明の摩擦撹拌接合装置について長尺板状部材の押さえつける構成の一例を示す図である。 本発明の摩擦撹拌接合装置の動作を説明する図である。 複数の中空材を効率よく接合作業するための中空材の固定方法の一例をを説明する図である。 従来の加圧ローラーを備えた摩擦撹拌接合装置を説明する図である。 従来の加圧ローラーを備えた摩擦撹拌接合装置の問題点を説明する図である。 従来の加圧ローラーを備えた摩擦撹拌接合装置の他の問題点を説明する図である。 本発明の摩擦撹拌接合装置に弾性材料を貼り付けた例を説明する図である。

以下、本発明の摩擦撹拌接合装置について、その実施態様を図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明の実施態様である、摩擦撹拌接合装置１（以下装置１と略す）を上方から見たときの概略構成図を示す。装置１は、複数の長尺板状部材３が突合せ部３ａを形成するよう側面同士を突き合わせて並べられるステージ２と、長尺板状部材３の長手方向両端部を上面側から一括して押さえつける押え治具４と、押え治具４に隣接して配される乗り上げ治具５と、突合せ部３ａ上を移動する摩擦撹拌加工機６に取付けられ、回転しながら突合せ部３ａに押し付けられる加工ツール６ａと、加工ツール６ａの移動方向前方に配されて突合せ部３ａを加圧する加圧ローラー７ａと、加圧ローラー７ａの移動方向前方に配される補助ローラー７ｂとを、基本的な構成要素としている。そして、加工ツール６ａと加圧ローラー７ａ、補助ローラー７ｂが突合せ部３ａ上を一体的に移動することで、接合部３ｂが突合せ部３ａに形成され、長尺板状部材３同士が接合部３ｂを介して摩擦撹拌接合される。なお、図１では、摩擦撹拌加工機６の支持加圧機構、加圧ローラー７ａおよび補助ローラー７ｂの支持機構については、図示を省略している。

図２は、装置１を側方から見た概略構成図である。押え治具４は、長尺板状部材３の端部を上面側から押さえつけ、長尺板状部材３をステージ２に固定するものである。ここで、押え治具４が長尺板状部材３を押さえつける力は、長尺板状部材３に反りがあっても固定でき、かつ、長尺板状部材３の端部が座屈しない程度の力とするのが好ましい。そして、乗り上げ治具は５は、押え治具４に隣接して配され、長尺板状部材３上面から乗り上げ治具５上面までの高さｈが、長尺板状部材３上面から押え治具４上面までの高さｈ’より高く、加圧ローラー７ａと補助ローラ―７ｂのそれぞれが、押え治具４と乗り上げ治具５を同時に加圧可能にに設計される。そして、乗り上げ治具５の端部にはテーパー部５ａが設けられ、補助ローラー７ｂが乗り上げ治具５に乗り上がりやすくしている。

押え治具４は、長尺板状部材３を固定するのに十分な強度になるよう設計すればよいが、乗り上げ治具５は、補助ローラー７ｂが乗り上がった際の衝撃に耐えるように設計する必要がある。従って、乗り上げ治具５は、セラミックスや工具鋼など、硬度が高い材料を加工して作成するのが好ましく、あるいは、ゴム等の弾性材料を表面に貼り付け、補助ローラー７ｂが乗り上がった際に受ける衝撃が小さくなるような構造にしてもよい。

また、図９（ａ）のように、シート状の弾性材料５ｂを乗り上げ治具５表面に貼り付け、補助ローラ７ｂが、弾性材料５ｂを押し込みつつ、乗り上げ治具５を加圧するようにしてもよい。
弾性材料５ｂを貼り付けない構成では、加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂが、押え治具４と乗り上げ治具５を同時に加圧するためには、加圧ローラー７ａ下端と補助ローラー７ｂ下端の高低差と、押え治具４と乗り上げ治具５の高低差（図２においてｈ−ｈ’）が、全く同じでなければならない。このような構成では、装置に歪が生じると、加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂが、押え治具４と乗り上げ治具５を、同時に加圧しなくなる可能性がある。
一方、シート状の弾性材料５ｂを乗り上げ治具５表面に貼り付け、その分、加圧ローラー７ａ下端と補助ローラー７ｂ下端の高低差を、押え治具４と乗り上げ治具５の高低差より若干大きめに設定すれば、装置生じた歪の影響は、弾性材料５ｂの変形により吸収され、加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂが、押え治具４と乗り上げ治具５を、確実に同時に加圧できるようになる。

上記のように、シート状の弾性材料を貼りつける効果は、図９（ｂ）のように、シート状の弾性材料４ａを押え治具４表面に貼り付けたり、図９（ｃ）のように、補助ローラー７ｂの外周に弾性材料７ｆを設けても、同じ効果を得ることができ、図９（ａ）〜（ｃ）の構成にすることで、加圧ローラ７ａと補助ローラ７ｂが、押え治具４と乗り上げ治具５を、確実に同時に加圧できるようになる。

加工ツール６ａは、摩擦撹拌加工機６に取付けられて回転し、突合せ部３ａに押し付けられ、突合せ部３ａ上を移動することで、接合部３ｂを突合せ部３ａに形成する。ここで加工ツール６ａは、トルクフィードバック制御を用いて、主軸負荷が一定になるように制御されるのが好ましい。トルクフィードバック制御を用いると、長尺板状部材３の上面状態（高さ、平滑性等）が多少バラついていても、突合せ部３ａ近傍の金属を安定して摩擦撹拌できるようになるので、良好な接合部３ｂを形成することができ、安定的に長尺板状部材３同士を摩擦撹拌接合することが可能になる。

摩擦撹拌加工機６の移動方向前方には、加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂを備えた、ローラーユニット７が取り付けられている。ローラーユニット７は、摩擦撹拌加工機６から取り外し可能であり、従来の摩擦撹拌加工機に取付けることもできる。

加圧ローラー７ａは、加工ツール６ａの移動方向前方に配されていて、支持部７ｃを介してシリンダー７ｄに支持され、そのシリンダー７ｄは、ガイド７ｅを介して摩擦撹拌加工機６に取付けられている。従って、加圧ローラー７ａは、シリンダー７ｄが支持部７ｃを押し下げる力により、突合せ部３ａを上方から加圧することができる。加圧ローラー７ａは、約１０００〜１００００Ｎの荷重で突合せ部３ａを加圧するのが好ましく、荷重に耐え得る材料、例えば、工具鋼などで製作するのが好ましい。そして、加圧ローラー７ａは、突合せ部３ａとの接触面積を小さくした方が単位接触面積当たりの荷重が高くなり、突合せ部をより強固に固定することができる。従って、加圧ローラー７ａは、走行が不安定にならない程度に、幅を狭くするのが好ましい。

補助ローラー７ｂは、加圧ローラー７ａの移動方向前方に配されて、支持部７ｃに支持されている。そして、補助ローラー７ｂの下端が押え治具４に接触しないよう、補助ローラー７ｂの下端が加圧ローラー７ａの下端より高く配置され、その高さは、押え治具４の厚みよりも高く設定される。

加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂは、シリンダー７ｄに接続する共通の支持部７ｃにより支持され、支持部７ｃはシリンダー７ｄにより常に上方から押さえつけられている。そして、加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂは、共通する支持部７ｃにより支持されているので、加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂは、加圧ローラー７ａが加圧する方向に一体的に移動する。従って、補助ローラー７ｂが乗り上げ治具５に乗り上がって上方に移動すると、加圧ローラー７ａも、補助ローラー７ｂおよび支持部７ｃとともに一体的に移動し、突合せ部３ａから上方に離れた状態となる。

ここで、補助ローラー７ｂは、乗り上げ治具５に乗り上がった際に受ける衝撃で損傷しにくい構造にするのが好ましく、幅広にするのが好ましい。上述のように、加圧ローラー７ａは幅が狭いほうが好ましいことを踏まえると、補助ローラー７ｂは加圧ローラー７ａよりも相対的に幅が広いほうが好ましいものである。さらに、補助ローラー７ｂは、複数に分割されたローラーにして、実質的に加圧ローラー７ａよりも幅を広くしてもよい。さらに、補助ローラー７ｂの外周にゴム等の弾性材料を貼り付け、乗り上げ治具５に乗り上がった際に受ける衝撃が小さくなるような構造にしてもよい。

図２の装置１は、長尺板状部材３を平坦なステージ２上に固定する装置であるが、図３のように、敷板２ａをステージ２上に設け、長尺板状部材３を上方に湾曲させて固定するほうが好ましい。

長尺板状部材３を上方に湾曲させると、引張応力が長尺板状部材３の長手方向に付与されるので、接合後の長尺板状部材３が下方に湾曲しにくくなり、接合による長手方向の反りを小さくすることができる。また、長尺板状部材３を多数並べて接合する場合、並べた方向についても材料が収縮して反りが発生しやすくなるが、長尺板状部材３を上方に湾曲させると、長尺板状部材３は並べた方向にも湾曲しにくくなり、長尺板状部材３を多数並べて接合しても、並べた方向の反りも小さくすることができる。

また、長尺板状部材３が長い場合、両端を押え治具４で固定しただけでは、長尺板状部材３の長手方向中央付近を強くステージ２に押し付けることが難しく、長手方向中央付近では押し付け力が弱くなって突合せ部３ａにズレが生じやすくなり、接合後に段差が生じるなどの接合欠陥が発生しやすくなる問題がある。長尺板状部材３を上方に湾曲させると、長尺板状部材３の長手方向中央付近は敷板２ａに押し付けられて強く固定されるようになり、突合せ部３ａにズレが生じにくくなって接合後に段差が生じるなどの接合欠陥の発生を抑制できるようになる。

図３のような固定方法は、突合せ部３ａに段差が生じやすい材料、すなわち、板厚方向の押えが効きにくく変形しやすい材料の接合に有効な固定方法であり、特に、アルミニウム等の押し出し中空材を摩擦撹拌接合するのには有効である。

図４の側方から見た模式図を用いて、長尺板状部材３の長手方向端部における、加圧ローラー７ａと補助ローラー７ｂの動きについて説明する。

図４（ａ）の図は、加工ツール６ａ、加圧ローラー７ａ、補助ローラー７ｂが、突合せ部３ａ上を移動して、長尺板状部材３の長手方向端部に接近しつつある状態を示したものである。加圧ローラー７ａは、加工ツール６ａの移動方向前方の突合せ部３ａを上方から加圧し、加工ツール６ａは、回転しながら突合せ部３ａに押し付けられ、接合部３ｂを形成する。この状態において、補助ローラー７ｂは、長尺板状部材３の上面および押え治具４の上方を、押え治具４に接触しないような位置関係で、摩擦撹拌加工機６と一体となって移動する。

加工ツール６ａが移動して、図４（ｂ）の図の状態になると、補助ローラー７ｂは、乗り合げ治具５に接触する。この時点において、加圧ローラー７ａは、突合せ部３ｂを上方から加圧した状態を維持し、加工ツール６ａも、突合せ部３ａに押し付けられた状態を維持している。

加工ツール６ａがさらに移動して、図４（ｃ）の図の状態になると、補助ローラー７ｂは、テーパー５ａを加圧しながら乗り上げ治具５に乗り上げて上方に移動する。加圧ローラー７ａは、補助ローラー７ｂとともに支持部７ｃに接続しているので、補助ローラー７ｂと共に加工ローラー７ａも上方に移動し、押え治具４に乗り上がる。なお、この状態において、補助ローラー７ｂがテーパー５ａに乗り上がるのと同時に、加圧ローラー７ａが上方に移動するので、加工ツール６ａが突合せ部３ａを押し付ける力は急激に変化することがない。従って、本装置にトルクフィードバック制御を適用させても、長尺板状部材３どうしが接合できなくなる問題は発生しない。

その後、乗り上げ治具５に乗り上がった補助ローラー７ｂは、乗り上げ治具５上を加圧しながら移動し、押え治具４に乗り上がった加圧ローラー７ａは、押え治具４上を加圧しながら移動する。このとき、補助ローラー７ｂと加圧ローラー７ａは支持部７ｃに接続されて一体的に移動するので、支持部７ｃからの加圧力は、補助ローラー７ｂと加圧ローラー７ａに分散されることになり、押え治具４が加圧ローラー７ａの加圧により破損したり、押え治具５の押えが緩みにくくなる。

最後に、加工ツール６ａがさらに移動し、図４（ｄ）の状態のように、加工ツール６ａが、押え治具４の端部に達して接合が完了する。このように、装置１を用いると、未接合部分３ｃの長さＬを、図６に示す従来技術の装置６１の未接合部分６３ｃの長さＬ’よりも短くすることができ、長尺板状部材を有効利用することができる。

さらには、上記のような摩擦撹拌装置は、長尺板状部材の幅によらず、長尺板状部材を突合せて固定することができ、接合中、加圧ローラーが押え治具を強く加圧することがないので、押え治具が加圧により破損しにくく、押え治具の押えが緩みにくい。さらに、長尺板状部材の端部において、加工ツールの押し付け力が急激に変わることがないので、トルクフィードバック制御が付加された摩擦撹拌接合装置にも適用可能である。

１，５１，６１，７１，８１：摩擦撹拌接合装置
２，５２，６２，７２，８２：ステージ
２ａ：敷板
３，５３，６３，７３，８３：長尺板状部材
３ａ，５３ａ，７３ａ：突合せ部
３ｂ，８３ｂ：接合部
３ｃ，６３ｃ，８３ｃ：未接合部分
４，５４，６４，７４，８４：押え治具
４ａ：弾性材料
７４ａ：切欠き部
５：乗り上げ治具
５ａ：テーパー
５ｂ：弾性材料
６：摩擦撹拌加工機
６ａ，５６ａ，６６ａ，７６ａ，８６ａ：加工ツール
７：ローラーユニット
７ａ，６７ａ，７７ａ，８７ａ：加圧ローラー
７ｂ：補助ローラー
７ｃ：支持部
７ｄ：シリンダー
７ｅ：ガイド
７ｆ：弾性材料
Ｌ，Ｌ’，Ｌ’’：未接合部分

Claims (3)

1. 隣り合う長尺板状部材の側面部同士を突き合わせて突合せ部を形成し、摩擦撹拌接合工具である加工ツールを前記長尺板状部材の上面側から前記突合せ部に回転させながら押しつけ、前記加工ツールを前記突合せ部に対して相対移動させて前記長尺板状部材同士を接合する摩擦撹拌装置において、
   前記加工ツールと、前記加工ツールの移動方向前方に配されて前記長尺板状部材の前記突合せ部を上面側から加圧する加圧ローラーと、当該加圧ローラーの移動方向前方に配されて当該加圧ローラーの加圧方向に当該加圧ローラーと一体的に移動する補助ローラーと、前記長尺板状部材の長手方向両端にあって突き合わされた前記長尺板状部材を上面側から一括して押さえつける押え治具と、当該押え治具近傍に配された乗り上げ治具とを備え、前記加工ツールと前記加圧ローラーと前記補助ローラーとが、前記突合せ部に対して一体的に相対移動し、前記加工ツールが前記押え治具に接近した際、前記補助ローラーが前記乗り上げ治具上に乗り上がって前記乗り上げ治具上を加圧しながら移動しつつ、前記加圧ローラーが前記押え治具上に乗り上がって前記押え治具上を加圧しながら移動することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
2. 前記長尺板状部材を３本以上隣り合わせて接合することが可能な請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記加圧ローラーと前記補助ローラーとが共通の支持部により支持されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合装置。
   

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