JP6892544B1 - 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合部材を攪拌接合する際に接合ツールの被接合部材への挿入量が所定の範囲を超えた場合、その超えた分量に応じて接合ツールの挿入量を補正可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】回転しながら進行し複数の被接合部材を接合する接合ツールと、接合ツールに連結されて接合ツールを所定方向に回転させる主軸モータと、主軸モータを支持する接合ヘッドと、接合ツールを回転させながら接合ツールを接合線に沿って進行させる装置本体とを備える摩擦攪拌接合装置であって、装置本体は、接合ツールにより被接合部材を摩擦攪拌接合する際の接合ヘッドのＺ軸上方向の制御量を示す状態量の変動量を、変動量に応じて所定の演算式により算出した可変補正量に基づき接合ツールの位置を補正する第一補正モードと、変動量に応じて予め設定した固定補正量に基づき接合ツールの位置を補正する第二補正モードと、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、被接合部材同士を摩擦攪拌接合により接合する摩擦攪拌接合装置と摩擦攪拌接合方法に係り、特に、高品質（高精度）な接合が要求される被接合部材の接合に適用して有効な技術に関する。

円柱状の接合ツールを回転させて発生する摩擦熱で被接合材料を軟化させ、その部分を攪拌することで被接合材料同士を接合する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）は、材料以外の素材を用いないため、疲労強度が高く、材料も溶融しないことから溶接変形（ひずみ）の少ない接合が可能であり、航空機や自動車のボディなど、幅広い分野での応用が期待されている。
摩擦攪拌接合装置（ＦＳＷ装置）では、被接合部材に対して求められる接合品質を確保するために、被接合部材の材質や厚み等の状態に応じて設定された接合条件に基づいて適正とする接合ヘッドのＺ軸上方向またはＺ軸下方向の制御量を示す状態量の基準値を含む基準範囲を設定し、状態量が当該基準範囲に保持するように、接合ツール位置を制御する。従って、状態量が基準範囲を外れた場合は、速やかに基準範囲に戻るように接合ツール位置を補正することが必要である。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「回転するツールを被接合材に挿入し、被接合材と相対的に移動させることにより前記被接合材を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記ツールを回転する主軸モータの負荷又はそれに流れる電流値が所定の範囲にあるように、前記被接合材への前記ツールの挿入方向における接合中の状態量に応じて前記ツール位置を制御する制御装置を有する摩擦攪拌接合装置」が開示されている。

特開２００３−８０３８０号公報

上記特許文献１においては、主軸モータの負荷トルク定格値を１００％とした割合（％）で示す負荷率が所定範囲を超えた場合、接合ツールの鉛直方向（Ｚ軸方向）の位置（接合ツール位置）を補正して、負荷率が所定範囲内に入るようにしている。

具体的には、負荷率が所定範囲を超えたとき、超えた分量に応じて予め設定した１回あたりの補正値（以下、単に補正値とも呼ぶ）に応じて接合ツール位置を補正する。負荷率が所定範囲内に入るまで、この補正を繰り返す。特許文献１では、Ｚ軸位置を補正する補正値を予め設定した「固定量補正値」を使用する。

この方法では、負荷率が所定範囲を超えた場合、その超えた分量に応じて段階的に接合ツール位置を補正することとなる。負荷率の所定範囲を超えた分量が大きい場合（求められる接合品質を保持できない範囲）においては、接合ツール位置を補正したときに負荷率が反対側にオーバーシュートしない範囲内で大きな補正値を設定し、速やかに求められる接合品質を保持できる範囲内に負荷率を戻す際には効果的な補正の方法である。

しかしながら、負荷率の所定範囲を超えた分量が小さく、求められる接合品質を保持できる範囲内にある場合においては、必ずしも適切な補正方法ではないことがわかった。この範囲は、求められる品質が保持できる範囲であって、特許文献１においては、補正の対象外となり、補正されないこととなる。

従って、特許文献１の摩擦攪拌接合装置が補正を開始するのは、負荷率がこの範囲を超えてからであり、１回あたりの補正値が大きな値となってしまい、接合品質上、好ましいものではなく、この範囲内においても接合ツール位置を適切に補正をすることにより、さらに高品質な接合が可能であることが分かった。

そこで、本発明の目的は、摩擦攪拌接合装置により被接合部材を接合する際の状態量が所定の範囲を超えた場合、その超えた分量に応じて短時間で精度よく接合ツール位置を補正し、状態量を所定の範囲内に戻すことを可能とする摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ショルダと前記ショルダに支持されたプローブで構成され、複数の被接合部材に挿入されて回転しながら進行し前記複数の被接合部材を接合する接合ツールと、前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定方向に回転させる主軸モータと、前記主軸モータを支持する接合ヘッドと、前記接合ヘッドを支持し、前記主軸モータに駆動信号を付与して前記接合ツールを回転させながら前記接合ツールを接合線に沿って進行させる装置本体と、を備える摩擦攪拌接合装置であって、前記装置本体は、前記接合ツールにより前記被接合部材を摩擦攪拌接合する際の前記接合ヘッドのＺ軸上方向またはＺ軸下方向の制御量を示す状態量の変動量に応じて所定の演算式により算出した可変補正量に基づき接合ツールのＺ軸方向の位置を示す接合ツール位置を補正する第一補正モードと、前記変動量に応じて予め設定した固定補正量に基づき前記接合ツール位を補正する第二補正モードと、を有することを特徴とする。

また、本発明は、被接合部材同士を摩擦攪拌接合により接合する摩擦攪拌接合方法であって、（ａ）摩擦攪拌接合開始前に基準状態量及び所定の状態量範囲を設定するステップと、（ｂ）摩擦攪拌接合中に現在状態量を計測するステップと、（ｃ）状態量の変動量として、前記現在状態量と前記基準状態量との偏差を算出するステップと、（ｄ）前記現在状態量と前記所定の状態量範囲を比較するステップと、を有し、前記（ｂ）ステップにおいて計測した前記現在状態量が前記所定の状態量範囲内である場合、前記偏差に応じて所定の演算式により算出した可変補正量に基づき接合ツールのＺ軸方向の位置を示す接合ツール位置を補正する第一補正モードを実行し、前記（ｂ）ステップにおいて計測した前記現在状態量が前記所定の状態量範囲を前記基準状態量からさらに離間する方向に超えた場合、予め設定した固定補正量に基づき接合ツール位置を補正する第二補正モードを実行することを特徴とする。

本発明によれば、摩擦攪拌接合装置において、被接合部材を攪拌接合する際に、状態量が所定の範囲を超えた場合、その超えた分量に応じて短時間で精度良く接合ツール位置を補正することを可能とする摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を実現することができる。

これにより、被接合部材同士の高品質（高精度）な摩擦攪拌接合が可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の実施例１に係る摩擦攪拌接合装置の全体概要を示す図である。 本発明の実施例１に係る摩擦攪拌接合装置の全体概要を示す図である。 接合ツール位置と主軸モータの負荷率の関係を概念的に示す図である。 接合ツール位置と被接合部材の表面から接合ヘッドの所定位置までの距離の関係を概念的に示す図である。 補正範囲と状態量（負荷率，表面からの距離）及び接合ツール位置の関係を概念的に示す図である。 第二範囲（トルク制御）における固定補正量のデータベースの例を示す図である。 本発明の実施例１に係る摩擦攪拌接合方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る摩擦攪拌接合方法を示すフローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

≪本実施例による基本的な制御≫
本実施例による摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌接合中の現在の状態量（現在状態量）が、状態量の正常範囲を示す基準状態量より小さいときは、算出した補正量の絶対値分だけ鉛直下方向（Ｚ軸下方向）に接合ツール位置を補正し、現在状態量が基準状態量より大きいときは、算出した補正量の絶対値分だけ鉛直上方向（Ｚ軸上方向）に接合ツール位置を補正するように、Ｚ軸上下動駆動機構部を制御する。

本実施例では、この「状態量」として、主軸モータの負荷トルク（負荷率）を使用して接合ツール位置を調整（補正）する摩擦攪拌接合を説明する。

図１から図３Ａ及び図４から図６を参照して、本発明の実施例１の摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法について説明する。図１及び図２は本実施例の摩擦攪拌接合装置１の全体概要を示す図である。図１は摩擦攪拌接合開始前の状態を示しており、図２は被接合部材９（９ａ，９ｂ）に接合ツール６を挿入し摩擦攪拌接合を行っている接合中の状態を示している。

本実施例の摩擦攪拌接合装置１は、図１に示すように、主要な構成として、装置本体２、Ｚ軸上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続される主軸支持部４、主軸支持部４により保持される主軸１６、主軸１６により保持されるツールホルダ（接合ヘッド）５、ツールホルダ（接合ヘッド）５により保持される接合ツール６を備えている。Ｚ軸上下動駆動機構部３には、図１に例示するように、例えばボールスクリュー、リニアガイドなどが用いられ、Ｚ軸上下動駆モータ１７により装置本体２に対して主軸支持部４をＺ軸方向（上下方向）に駆動させる。

接合ツール６はショルダ部７およびプローブ部（接合ピン）８で構成され、主軸モータ１５に連結（図１では直結）されている。主軸モータ１５は、接合ツール６を所定方向に回転させる。

装置本体２は、Ｚ軸上下動駆動機構部３を介して主軸支持部４を支持し、装置本体２に搭載（付属）された制御部（制御装置）１２から主軸モータ１５に駆動信号を付与して接合ツール６を回転させながら接合線に沿って進行させる。つまり、装置本体２は、主軸支持部４、主軸１６、ツールホルダ（接合ヘッド）５を保持し、接合ツール６を回転させると共に、接合ツール６を図１のＸ軸方向およびＺ軸方向に移動させる。

接合ツール６を所定の回転数で回転させながら、載置台１０上に載置された被接合部材９（９ａ，９ｂ）表面の接合線上にショルダ部７とプローブ８とを押し付けることにより摩擦熱を発生させて被接合部材９を軟化させ、ショルダ部７とプローブ８とを被接合部材に必要量挿入し、当該回転数を保持することで塑性流動が生じ、挿入部が攪拌される。接合ツールを引き抜く、又は移動することで攪拌部（接合部）が冷却され、被接合部材９は接合される。

なお、図１では、ツールホルダ（接合ヘッド）５及び接合ツール６が、主軸１６及び主軸支持部４、Ｚ軸上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続（保持）される構成を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、Ｚ軸上下動駆動機構部３のみを介して装置本体２に接続（保持）される構成や、他の可動手段を介して装置本体２に接続（保持）される構成、ツールホルダ（接合ヘッド）５及び接合ツール６が直接装置本体２に接続（保持）される構成、或いは、図１の構成に、さらにツールホルダ（接合ヘッド）５と装置本体２の間にＣ型フレームを設ける構成、多軸ロボットアームを有する装置本体２に接続（保持）される構成なども本実施例の範囲に含むものとする。

また、ショルダ部７とプローブ部（接合ピン）８とが同一である接合ツール（つまりプローブを有さず、ショルダのみ）であっても良く、また、ショルダ部７が回転しない構造であっても良い。

装置本体２には、摩擦攪拌接合装置１の動作を制御する制御部（制御装置）１２が設置（付属）されている。制御部（制御装置）１２は、接合ツール６による接合条件を決定する接合条件信号やＺ軸上下動駆動機構部３による接合ツール６の鉛直方向（Ｚ方向）の保持位置（接合ピン８の挿入量）を決定する保持位置決定信号などの接合パラメータ（ＦＳＷ接合条件）を記憶する記憶部（図示せず）を備えている。

また、装置本体２には、Ｘ軸方向に駆動可能なＸ軸前後駆動機構部１３が設けられており、Ｘ軸前後動駆モータ１４により装置本体２の上部をＸ軸方向に設けられたリニアガイドのレールに沿って移動させることで、ツールホルダ（接合ヘッド）５及び接合ツール６をＸ軸方向（接合方向）へ移動させることができる。

ここで、図３Ａを用いて、負荷率と接合ツール位置との関係について説明する。図３Ａは、負荷率と接合ツール位置との関係を概念的に示す図である。

図３Ａに示すように、接合ツール位置は主軸モータ１５の負荷率と関係がある。図３ＡのＡに示すように、接合ツール位置が適正である場合、負荷率は適正に保持される。しかしながら、図３ＡのＢに示すように、接合ツール位置が大きくなると、負荷率は大きくなり、反対に、図３ＡのＣに示すように、接合ツール位置が小さくなると、負荷率は小さくなる。

図２及び図４，図５を用いて、本実施例の摩擦攪拌接合装置１の制御について説明する。図４は、補正範囲と状態量（負荷率，又は表面からの距離）及び接合ツール位置の関係を概念的に示す図である。なお、図４中の表面からの距離と補正範囲、接合ツール位置の関係については、実施例２で後述する。図５は、図４の第二範囲（第二の補正モードによる補正範囲）における固定補正量のデータベースの例を示す図である。

図４に示すように、本実施例では、接合ツール６のＺ軸位置（鉛直方向の位置）を次の３つの範囲に分類し、それぞれの範囲においてＺ軸位置を補正する補正値を設定する。

≪第一範囲（第一の補正モードによる補正範囲）：可変量補正範囲≫
装置本体２（制御部１２）は、この範囲においては、適切な可変量補正を行うために、負荷率の変動量に応じて所定の演算式により算出する補正量（可変補正量）をＺ軸上下動駆動モータ１７に付与して当該補正量分を駆動し、Ｚ軸上下動駆動機構部３をＺ軸上方向（又はＺ軸下方向）に移動することにより、主軸１６及びツールホルダ５に保持された接合ツール６の位置である接合ツール位置を補正する。

装置本体２（制御部１２）は、被接合部材９（９ａ，９ｂ）に対応した接合条件に基づき、目標とする主軸モータ１５の負荷率の基準値としての基準負荷率（Ｌｔ０）と、基準負荷率（Ｌｔ０）から負荷率小の方向に所定量離間した第一閾値（Ｌｔ１）、及び、負荷率大の方向に所定量離間した第二閾値（Ｌｔ２）を設定する。

さらに装置本体２（制御部１２）は、第一閾値（Ｌｔ１）より大きく基準負荷率（Ｌｔ０）から負荷率小の方向に離間した第三閾値（Ｌｔ３）、及び、第二閾値（Ｌｔ２）より大きく基準負荷率（Ｌｔ０）から負荷率大の方向に離間した第四閾値（Ｌｔ４）を設定する。

第一閾値（Ｌｔ１）と第三閾値（Ｌｔ３）とにより規定される範囲、及び、第二閾値（Ｌｔ２）と第四閾値（Ｌｔ４）とにより規定される範囲を第一範囲として設定し、可変量補正を行う可変量補正範囲（第一の補正モードによる補正範囲）とする。

なお、この第一範囲は、求められる接合品質を確保できる範囲であって、一度に大きな補正を行わず、演算により算出した補正量にて補正するものであり、上記特許文献１では補正されない範囲である。

≪第二範囲（第二の補正モードによる補正範囲）：固定量補正範囲≫
第三閾値（Ｌｔ３）より負荷率小の方向に変動し、或いは、第四閾値（Ｌｔ４）より負荷率大の方向に変動し、接合ツール位置の変動量が最も大きい範囲であり、求められる接合品質を保持できない範囲である。

装置本体２（制御部１２）は、この範囲においては、取得した現在の負荷率に対応する補正量（固定補正量）を予め準備したデータベース（ＤＢ）から取得して、接合ツール位置を補正する。この範囲を第二範囲として設定し、固定量補正を行う固定量補正範囲（第二の補正モードによる補正範囲）とする。

なお、ＤＢは、負荷率に応じて補正量を設定し、装置本体２（制御部１２ない）に記憶してもよいし、外部の記憶手段に記憶し、通信等により補正量を与えてもよい。ＤＢにおける補正量の最大値にはＬｍａｘを設定する。Ｌｍａｘは、実験等により計測して設定する接合ツール６の実移動量の最大値であって、装置本体２（制御部１２）が１サンプリングで接合ツール位置を補正する際の最大量とする。

この第二範囲が、上記特許文献１において補正される範囲である。

≪第三範囲（通常の制御）：補正を要しない範囲≫
第一閾値（Ｌｔ１）及び第二閾値（Ｌｔ２）により規定され、接合ツール位置の変動が極めて小さい範囲であり、接合ツール位置の補正を必要とせず、装置本体２（制御部１２）は、この範囲を第三範囲として設定し、負荷率が変動しても補正を要しない範囲とする。

先ず、可変量補正を行う第一範囲（第一の補正モードによる補正範囲）における制御に関して説明する。

ここでは、現在負荷率（Ｌｔｐ）が基準負荷率（Ｌｔ０）より上側の第一範囲（第一範囲上側）に突入した場合の変動量の補正について、具体的な制御方法を記述するが、下側の第一範囲（第一範囲下側）に突入した場合においても同様である。

現在負荷率が第一範囲上側に突入した場合、現在負荷率（Ｌｔｐ）から第一閾値（Ｌｔ１）を減算して算出した値を、第三閾値（Ｌｔ３）から第一閾値（Ｌｔ１）を減算して算出した値で除算して求めた係数に、最大移動量（Ｌｍａｘ）を乗算する第一の補正モードにより、１サンプリングあたりの補正量を算出する。

装置本体２（制御部１２）は、この補正値に基づき、ツールホルダ５（接合ツール６）のＺ軸位置（鉛直方向位置）の補正を行う。このように、第一範囲（第一の補正モードによる補正範囲）において可変量補正を行うことにより、接合ツール位置が第二範囲（第二の補正モードによる補正範囲）に突入する頻度を減らすことが可能となり、１回あたりの補正値が大きくなることを抑制することが可能となる。

なお、この範囲における補正モードを「第一補正モード」とする。

第一補正モードにおいて補正量を求める計算例を式（１）に示す。

各パラメータを次のように仮定する。

第三閾値（Ｌｔ３）：１６（％）
第一閾値（Ｌｔ１）：１２（％）
現在負荷率（Ｌｔｐ）：１４（％）
最大移動量（Ｌｍａｘ）：２０（μｍ）
補正量＝（Ｌｔｐ−Ｌｔ１)/（Ｌｔ３−Ｌｔ１)×Ｌｍａｘ＝１０（μｍ）・・・（１）
ここでは、上記の式（１）の演算に使用するパラメータは、Ｌｔｐ，Ｌｔ１，Ｌｔ３については主軸モータ１５の負荷トルク（電流値）の定格値を１００としたときの割合（％）である負荷率を使用し、Ｌｍａｘは接合ツール６の最大移動量を示す数値（μｍ）を使用しているが、全ての閾値を接合ツール６の実移動量を示す数値（距離センサ１１により取得した被接合部材表面からツールホルダ（接合ヘッド）５（接合ツール６）の所定位置までの距離等）を使用してもよい。これについては、実施例２で詳述する。

次に、固定量補正を行う第二範囲（第二の補正モードによる補正範囲）における制御に関して説明する。

この範囲においては、求められる接合品質を保持できない可能性があるので、可能な限り速やかに、第一範囲（第一の補正モードによる補正範囲）に接合ツール位置を移動する必要がある。そのために、接合ツール位置を補正した際に、現在負荷率（Ｌｔｐ）が反対側にオーバーシュートしない範囲で、できるだけ大きな補正を行うことが望ましい。

図５に、第二範囲（第二の補正モードによる補正範囲）における固定補正量のＤＢの例を示す。この範囲において装置本体２（制御部１２）は、接合ツール位置が第三閾値（Ｌｔ３）又は第四閾値（Ｌｔ４）を超える変動量に対応した補正量をデータベースから取得して接合ツール位置を補正する。

なお、この範囲における補正モードを「第二補正モード」とする。

最後に、補正を要しない第三範囲（通常の制御範囲）における制御に関して説明する。

この範囲においては、上述したように、負荷率に変動が生じても接合ツール位置を補正することはしない。

図６を用いて、本実施例の摩擦攪拌接合方法について説明する。

先ず、制御部（制御装置）１２において被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合条件等に基づき主軸モータ１５の基準負荷率（Ｌｔ０）及び所定の閾値（Ｌｔ１〜Ｌｔ４）を設定する。（ステップＳ１）
次に、制御部（制御装置）１２の指令により摩擦攪拌接合中（接合開始から所定の時間（ｔ）経過後）の主軸モータ１５の電流値から現在負荷率（Ｌｔｐ）を計測する。（ステップＳ２）。

次に、制御部（制御装置）１２において、現在負荷率（Ｌｔｐ）と所定の閾値（第一閾値：Ｌｔ１〜第四閾値：Ｌｔ４）を比較する。（ステップＳ３）
ステップＳ３において、現在負荷率（Ｌｔｐ）が第一閾値（Ｌｔ１）と第二閾値（Ｌｔ２）の範囲内であると判定した場合（Ｌｔ１＜＝Ｌｔｐ＜＝Ｌｔ２）、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の摩擦攪拌接合（通常の制御）を継続する。（ステップＳ４）
ステップＳ３において、現在負荷率（Ｌｔｐ）が第三閾値（Ｌｔ３）以上であり、第一閾値（Ｌｔ１）より小さいと判定した場合（Ｌｔ１＞Ｌｔｐ＞＝Ｌｔ３）、又は、現在負荷率（Ｌｔｐ）が第二閾値（Ｌｔ２）より大きく、第四閾値（Ｌｔ４）以下であると判定した場合（Ｌｔ２＜Ｌｔｐ＜＝Ｌｔ４）、制御部（制御装置）１２において負荷率の変動量に応じて所定の演算式により算出した可変補正量に基づき接合ツール６のＺ軸方向（鉛直方向）の位置を補正しながら被接合部材９（９ａ，９ｂ）を「第一の補正モード」により摩擦攪拌接合する。（ステップＳ５）
ここで、可変補正量を求める所定の演算式は、例えば、上記の式（１）において、Ｌｔｐ，Ｌｔ１，Ｌｔ３については主軸モータ１５の負荷率を使用し、Ｌｍａｘについては実験等により計測して設定する接合ツール６の実移動量の最大値示す数値（μｍ）を使用した演算式を用いる。

一方、ステップＳ３において、現在負荷率（Ｌｔｐ）が第三閾値（Ｌｔ３）より小さいと判定した場合（Ｌｔｐ＜Ｌｔ３）、又は、現在負荷率（Ｌｔｐ）が第四閾値（Ｌｔ４）より大きいと判定した場合（Ｌｔｐ＞Ｌｔ４）、制御部（制御装置）１２において負荷率の変動量に応じて予め設定した固定補正量に基づき接合ツール６のＺ軸方向（鉛直方向）の位置を補正しながら被接合部材９（９ａ，９ｂ）を「第二の補正モード」により摩擦攪拌接合する。（ステップＳ６）
その後、現在負荷率（Ｌｔｐ）が第三閾値（Ｌｔ３）以上の負荷率であり、第一閾値（Ｌｔ１）より小さいと判定された場合（Ｌｔ３＝＜Ｌｔｐ＜Ｌｔ１）、又は、現在負荷率（Ｌｔｐ）が第二閾値（Ｌｔ２）より大きく、第四閾値（Ｌｔ４）以下の負荷率であると判定された場合（Ｌｔ２＜Ｌｔｐ＜＝Ｌｔ４）、ステップＳ５へ移行し、「第一の補正モード」により摩擦攪拌接合する。

最後に、制御部（制御装置）１２からの指令により、接合ツール６の移動量（経過時間）が所定の値（位置・時間）に達した時点で接合ツール６を被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合部から引き抜いて、摩擦攪拌接合処理を終了する。（ステップＳ７）

≪本実施例による基本的な制御≫
本実施例による摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌接合中の現在状態量が基準状態量より小さいときは、算出した補正量の絶対値分だけＺ軸上方向（鉛直上方向）に接合ヘッド位置を補正し、現在状態量が基準状態量より大きいときは、算出した補正量の絶対値分だけＺ軸下方向（鉛直下方向）に接合ヘッド位置を補正するようにＺ軸上下動駆動機構部を制御する。

本実施例では、この「状態量」として、被接合部材の表面から接合ヘッドの所定位置までの距離を使用し、接合ツール位置を制御（補正）する摩擦攪拌接合を説明する。

なお、本実施例における摩擦攪拌接合装置においては、主軸１６に、距離計測センサ１１を設ける。この距離計測センサ１１は、接合時の接合ツール６の進行方向（接合方向）に配設されており、主軸１６（距離計測センサ１１）の所定の位置と被接合部材９（９ａ，９ｂ）の表面や被接合部材９（９ａ，９ｂ）を載置する載置台１０の所定の位置との間の距離を計測する。

距離計測センサ１１には、例えば、レーザーを利用するレーザー変位センサなどの非接式の変位センサを用いる。或いは、距離計測や摩擦攪拌接合処理に影響が出なければ、リニアゲージなどの接触式の変位センサを用いてもよい。

図３Ｂ及び図７を参照して、本発明の実施例２の摩擦攪拌接合方法について説明する。本実施例では、図１で説明した距離計測センサ１１により計測した状態量を用いた接合ツール位置の補正について説明する。

先ず、図３Ｂを用いて、接合ツール位置と被接合部材の表面から接合ヘッドの所定位置までの距離、すなわち状態量との関係について説明する。図３Ｂは、接合ツール位置と状態量との関係を概念的に示す図である。

図３Ｂに示すように、接合ツール位置は状態量と関係がある。図３ＢのＡに示すように、状態量が適正範囲である場合、接合ツール位置は適正に保持される。一方、図３ＢのＢに示すように、状態量が適正範囲より小さい場合は、接合ツール位置は適正範囲よりＺ軸下方向にあり、反対に、図３ＢのＣに示すように、状態量が適正範囲より大きい場合は、接合ツール位置は適正範囲よりＺ軸上方向にあることとなる。

図７を用いて、本実施例の摩擦攪拌接合方法について説明する。

先ず、制御部（制御装置）１２において、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合条件等に基づき、接合ツール６の適正位置としての状態量である基準距離（Ｄｔ０）と、所定の状態量として閾値（Ｄｔ１〜Ｄｔ４）を設定する。（ステップＳ１１）（図１〜図３参照）
次に、制御部（制御装置）１２の指令により摩擦攪拌接合中（接合開始から所定の時間（ｔ）経過後）に距離計測センサ１１により現在の状態量である現在距離（Ｄｔｐ）を計測する。（ステップＳ１２）（図２参照）
次に、制御部（制御装置）１２において、現在距離（Ｄｔｐ）と所定の閾値（第一閾値：Ｄｔ１〜第四閾値：Ｄｔ４）を比較する。（ステップＳ１３）
ステップＳ１３において、現在距離（Ｄｔｐ）が第二閾値（Ｄｔ２）と第一閾値（Ｌｔ１）の範囲内であると判定した場合（Ｄｔ２＜＝Ｄｔｐ＜＝Ｄｔ１）、この範囲においては所望の接合品質を保持することができ接合ツール位置の補正を必要とせず、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の摩擦攪拌接合（通常の制御）を継続する。（ステップＳ１４）
ステップＳ１３において、現在距離（Ｄｔｐ）が第一閾値（Ｄｔ１）より大きく、第三閾値（Ｄｔ３）以下であると判定した場合（Ｄｔ１＜Ｄｔｐ＜＝Ｄｔ３）、又は、現在距離（Ｄｔｐ）が第四閾値（Ｄｔ４）以上であり、第二閾値（Ｄｔ２）より小さいと判定した場合（Ｄｔ４＜＝Ｄｔｐ＜Ｄｔ２）、この範囲においては所望の接合品質は保持できるが現在距離（Ｄｔｐ）の変動量（小さな変動）に応じて補正することとし、制御部（制御装置）１２において距離の変動量に応じて所定の演算式により算出した可変補正量に基づき接合ツール位置を補正しながら被接合部材９（９ａ，９ｂ）を「第一の補正モード」により摩擦攪拌接合する。（ステップＳ１５）
ここで、可変補正量を求める所定の演算式は、例えば、上記の式（１）において、Ｌｔｐ，Ｌｔ１，Ｌｔ３についてはＤｔｐ，Ｄｔ１，Ｄｔ３に置換え、Ｌｍａｘについては同じ数値を使用する。

一方、ステップＳ１３において、現在距離（Ｄｔｐ）が第三閾値（Ｄｔ３）より大きいと判定した場合（Ｄｔｐ＞Ｄｔ３）、又は、現在距離（Ｄｔｐ）が第四閾値（Ｄｔ４）より小さいと判定した場合（Ｄｔｐ＜Ｄｔ４）、制御部（制御装置）１２において距離の変動量に応じて予め設定した固定補正量に基づき接合ツール６のＺ軸方向（鉛直方向）の位置を補正しながら被接合部材９（９ａ，９ｂ）を「第二の補正モード」により摩擦攪拌接合する。（ステップＳ１６）
その後、現在距離（Ｄｔｐ）が第一閾値（Ｄｔ１）より大きく、第三閾値（Ｄｔ３）以下であると判定した場合（Ｄｔ１＜Ｄｔｐ＜＝Ｄｔ３）、又は、現在距離（Ｄｔｐ）が第四閾値（Ｄｔ４）以上であり、第二閾値（Ｄｔ２）より小さいと判定された場合（Ｄｔ４＜＝Ｄｔｐ＜Ｄｔ２）、ステップＳ１５へ移行し、「第一の補正モード」により摩擦攪拌接合する。

最後に、制御部（制御装置）１２からの指令により、接合ツール６の移動量（経過時間）が所定の値（位置・時間）に達した時点で接合ツール６を被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合部から引き抜いて、摩擦攪拌接合処理を終了する。（ステップＳ１７）
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…摩擦攪拌接合装置、２…装置本体、３…Ｚ軸上下動駆動機構部、４…主軸支持部、５…ツールホルダ（接合ヘッド）、６…接合ツール、７…ショルダ部、８…プローブ部（接合ピン）、９，９ａ，９ｂ…被接合部材、１０…載置台、１１…距離計測センサ、１２…制御部（制御装置）、１３…Ｘ軸前後駆動機構部、１４…Ｘ軸前後動駆モータ、１５…主軸モータ、１６…主軸、１７…Ｚ軸上下動駆動モータ。

Claims (14)

1. ショルダと前記ショルダに支持されたプローブで構成され、複数の被接合部材に挿入されて回転しながら進行し前記複数の被接合部材を接合する接合ツールと、
   前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定方向に回転させる主軸モータと、
   前記主軸モータを支持する接合ヘッドと、
   前記接合ヘッドを支持し、前記主軸モータに駆動信号を付与して前記接合ツールを回転させながら前記接合ツールを接合線に沿って進行させる装置本体と、
   を備える摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、前記接合ツールにより前記被接合部材を摩擦攪拌接合する際の前記接合ヘッドのＺ軸上方向またはＺ軸下方向の制御量を示す状態量の変動量に応じて所定の演算式により算出した可変補正量に基づき接合ツールのＺ軸方向の位置を示す接合ツール位置を補正する第一補正モードと、前記変動量に応じて予め設定した固定補正量に基づき前記接合ツール位置を補正する第二補正モードと、
   を有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、前記状態量の基準となる基準状態量と、
   前記基準状態量から状態量小の方向に所定量離間した第一閾値と、
   前記基準状態量から状態量大の方向に所定量離間した第二閾値と、
   前記基準状態量から状態量小の方向に前記第一閾値より大きく所定量離間した第三閾値と、
   前記基準状態量から状態量大の方向に前記第二閾値より大きく所定量離間した第四閾値と、を設定し、
   前記状態量が前記第一閾値と前記第三閾値との間にある時、又は、前記状態量が前記第二閾値と前記第四閾値との間にある時、前記第一補正モードを実行し、
   前記状態量が前記基準状態量からさらに離間する方向に前記第三閾値を超えた時、又は、前記状態量が前記基準状態量からさらに離間する方向に前記第四閾値を超えた時、前記第二補正モードを実行することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、前記第一補正モードにおいて、現在の状態量である現在状態量から前記第一閾値を減算して算出した差分を、前記第三閾値から前記第一閾値を減算して算出した差分で除算して算出した係数に、前記被接合部材に対応した接合条件に基づいて設定する１回あたりに前記接合ツール位置を補正する最大の補正量としての前記接合ツールの最大移動量を乗算して前記可変補正量を算出すること、又は、前記現在状態量から前記第二閾値を減算して算出した差分を、前記第四閾値から前記第二閾値を減算して算出した差分で除算して算出した係数に、前記最大移動量を乗算して前記可変補正量を算出することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
4. 請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、前記第二補正モードにおいて、前記現在状態量が前記第三閾値よりさらに前記基準状態量から離間する方向に変動した分量に対応する補正値を、又は、前記状態量が前記第四閾値よりさらに前記基準状態量から離間する方向に変動した分量に対応する補正値を、前記最大移動量を最大値として予めデータベースに設定された前記現在状態量の変動量に応じた補正値から取得して、前記固定補正量を決定することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
5. 請求項３又は４に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、前記基準状態量と、前記現在状態量と、前記第一閾値と、前記第二閾値と、前記第三閾値と、前記第四閾値とを、前記接合ツールを回転しながら前記被接合部材に挿入したときに発生する前記主軸モータの負荷トルク又は前記主軸モータの定格電流に対する割合である負荷率を示す数値で設定することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
6. 請求項３又は４に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、前記基準状態量と、前記現在状態量と、前記第一閾値と、前記第二閾値と、前記第三閾値と、前記第四閾値とを、前記接合ツールを回転しながら前記被接合部材に挿入したときの前記被接合部材の表面からの前記接合ヘッドの所定位置までの距離を示す数値で設定することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
7. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、Ｚ軸上下動駆動機構部により前記装置本体と前記接合ヘッドとを連結する主軸支持部を上下動して前記接合ヘッドのＺ軸位置を制御することにより前記状態量を所定範囲内に保持しようとすることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
8. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、制御部を有し、
   前記制御部が、前記第一補正モード及び前記第二補正モードを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
9. 被接合部材同士を摩擦攪拌接合により接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   （ａ）摩擦攪拌接合開始前に基準状態量及び所定の状態量範囲を設定するステップと、
   （ｂ）摩擦攪拌接合中に現在状態量を計測するステップと、
   （ｃ）前記現在状態量と前記所定の状態量範囲を比較するステップと、
   を有し、
   前記（ｂ）ステップにおいて計測した前記現在状態量が前記所定の状態量範囲内である場合、所定の演算式により算出した可変補正量に基づき接合ツールのＺ軸方向の位置を示す接合ツール位置を補正する第一補正モードを実行し、
   前記（ｂ）ステップにおいて計測した前記現在状態量が前記所定の状態量範囲を前記基準状態量からさらに離間する方向に超えた場合、予め設定した固定補正量に基づき前記接合ツール位置を補正する第二補正モードを実行することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
10. 請求項９に記載の摩擦攪拌接合方法であって、
    前記所定の状態量範囲は、前記基準状態量から状態量小の方向に所定量離間した第一閾値と前記基準状態量から状態量小の方向に前記第一閾値より大きく所定量離間した第三閾値との間の状態量範囲、及び、前記基準状態量から状態量大の方向に所定量離間した第二閾値と前記基準状態量から状態量大の方向に前記第二閾値より大きく所定量離間した第四閾値との間の状態量範囲からなることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
11. 請求項１０に記載の摩擦攪拌接合方法であって、
    前記第一補正モードにおいて、前記現在状態量から前記第一閾値を減算して算出した差分を、前記第三閾値から前記第一閾値を減算して算出した差分で除算して算出した係数に、前記第一補正モードにおいて接合ツールの接合条件に基づいて設定する１回あたりに前記接合ツール位置を補正する最大の補正量である最大移動量を乗算して前記可変補正量を算出すること、又は、前記現在状態量から前記第二閾値を減算して算出した差分を、前記第四閾値から前記第二閾値を減算して算出した差分で除算して算出した係数に、前記最大移動量を乗算して前記可変補正量を算出することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
12. 請求項１１に記載の摩擦攪拌接合方法であって、
    前記第二補正モードにおいて、前記現在状態量が前記第三閾値よりさらに前記基準状態量から離間する方向に変動した分量に対応する補正値を、又は、前記現在状態量が前記第四閾値よりさらに前記基準状態量から離間する方向に変動した分量に対応する補正値を、前記最大移動量を最大値として予めデータベースに設定された前記現在状態量の変動量に応じた補正値から取得して前記固定補正量を決定することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
13. 請求項１１又は１２に記載の摩擦攪拌接合方法であって、
    前記基準状態量と、前記現在状態量と、前記第一閾値と、前記第二閾値と、前記第三閾値と、前記第四閾値とを、前記接合ツールを回転しながら前記被接合部材に挿入したときに発生する主軸モータの負荷トルク又は前記主軸モータの定格電流に対する割合である負荷率を示す数値で設定することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
14. 請求項１１又は１２に記載の摩擦攪拌接合方法であって、
    前記基準状態量と、前記現在状態量と、前記第一閾値と、前記第二閾値と、前記第三閾値と、前記第四閾値とを、前記接合ツールを回転しながら前記被接合部材に挿入したときの前記被接合部材の表面からの接合ヘッドの所定位置までの距離を示す数値で設定し、前記最大移動量を前記被接合部材の接合条件により設定することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

Images