JP7101122B2

JP7101122B2 - 摩擦撹拌点接合装置及び摩擦撹拌点接合方法

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Publication number: JP7101122B2
Application number: JP2018547844A
Authority: JP
Inventors: 良司大橋; 良崇村松; 将弘三宅; 拓也福田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: EP3533556B1; US20190262934A1; KR102156352B1; JPWO2018079806A1; WO2018079806A1; KR20190077460A; EP3533556A4; EP3533556A1; US11185944B2; CN109862988A

Description

本発明は、複数の板材を重ね合わせて点接合する摩擦撹拌点接合装置及び摩擦撹拌点接合方法に関する。

従来、複数の板材をスポット接合する方法として、摩擦攪拌点接合（ＦＳＪ）が知られている（例えば、特許文献１）。摩擦攪拌点接合では、先端に突起部を有するツールを板材の重ね合わせ部に回転させながら押し込むことで、重ね合わせ部を摩擦熱で軟化させて攪拌し、その後にツールを引き抜いて冷却することで板材同士が接合される。

特開２０１１－１１５８４２号公報

しかし、従前の摩擦攪拌点接合の制御手法ではツールの押込み量と接合温度とが相関しており、強度を得るためにツールを深く押し込むと、接合温度が不必要に高くなっていた。鋼材等のように摩擦撹拌点接合中の温度が高くなりやすい材料を対象とする場合には、接合温度が特定の温度を超え、接合後に冷却されることで、材料が変態して焼入れ状態になり、継手が脆化することになる。特に、点接合ではツールの平面方向の移動が無くツールが一定の位置に留まるため、昇温が顕著になる。

焼入れを防ぐために単にツールの押込み量を減らして接合温度を低温化すると、摩擦撹拌点接合中における材料の流動性が低下し、十分な接合領域が形成されず、継手強度が低下する。他方、撹拌性のためにツールの押込み量を増やすと、流動性が増して大きな接合領域が得られるが、変態完了温度に到達して脆化することがある。即ち、従来では、ツールの最終的な押込み量と接合温度とを同時に制御／管理する制御手法はなかった。また、別の課題として、点接合では接合温度が単調に上昇するため、ツール温度と接合温度とが乖離し易く、ツール温度に基づいた制御を行うと精度が低くなる。

そこで本発明は、撹拌性を高めるために接合温度を極力高温にしながらも、板材の点接合箇所において変態を管理すべく接合温度を高精度に制御可能にすることを目的とする。

本発明の一態様に係る摩擦撹拌点接合装置は、複数の板材を重ね合わせて点接合する摩擦撹拌点接合装置であって、前記複数の板材の重ね合わせ部とツールとを互いに相対変位させる変位駆動器と、前記ツールを回転させる回転駆動器と、前記重ね合わせ部に前記ツールを回転させた状態で押し込んで摩擦撹拌点接合をするように前記変位駆動器及び前記回転駆動器を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、摩擦撹拌点接合中において、前記回転駆動器を制御して前記ツールの回転数を前記ツールの温度が前記重ね合わせ部の接合温度と同じとみなせる所定回転数以下の値に設定し、かつ、前記変位駆動器を制御して前記ツールの温度が所定の設定範囲に保たれるように前記ツールの加圧力又は押込み量を増減調整する温度保持制御を実行する。

前記構成によれば、ツール温度に応じてツールの加圧力又は押込み量を増減調整することで、接合温度が所望の最高到達温度を超えないように所定の設定範囲内での温度保持を行うことができる。その際、ツール回転数をツール温度が板材の接合温度と同じとみなせる回転数に設定するので、ツール温度を参照しても板材の接合温度を意図する範囲に正確に保持することが可能となる。よって、撹拌性を高めるために接合温度を極力高温にしながらも、板材の点接合箇所において変態を制御すべく接合温度を高精度に制御できる。

前記温度保持制御では、前記ツールの温度が前記設定範囲内にあるとき、前記ツールの加圧力又は押込み量が所定の変動パターンにて増減を繰り返すように前記変位駆動器が制御され、前記ツールの温度が前記設定範囲を上回ると、前記ツールの加圧力又は押込み量が減少するように前記変位駆動器が制御され、前記ツールの温度が前記設定範囲を下回ると、前記ツールの加圧力又は押込み量が増加するように前記変位駆動器が制御されてもよい。

前記構成によれば、ツールの加圧力又は押込み量が予め決まった変動パターンにて増減を繰り返すので、接合温度が設定範囲内に収まり易くなるとともに、塑性流動した材料を規則的に撹拌することができる。そして、ツール温度が設定範囲外になったときには、ツールの加圧力又は押込み量をツール温度が設定範囲内に戻るように増減させることで、接合温度を意図する温度範囲に保つことができる。

前記温度保持制御では、前記ツールの温度が前記設定範囲を上回ると、前記変動パターンの周波数又は最大加圧力の付与時間の少なくとも一方が減少するように前記変位駆動器が制御され、前記ツールの温度が前記設定範囲を下回ると、前記変動パターンの周波数又は最大加圧力の付与時間の少なくとも一方が増加するように前記変位駆動器が制御される構成としてもよい。

前記構成によれば、簡易かつ滑らかに接合温度を調整することができる。

前記コントローラは、前記温度保持制御中おいて前記ツールが前記重ね合わせ部の所定の完了深さに到達したと判定されると、前記変位駆動器を制御して前記ツールを前記重ね合わせ部から引き抜く構成としてもよい。

前記構成によれば、温度保持制御により、接合箇所の接合温度を高精度に制御して変態を管理できるので、ツールの押し込み深さを摩擦撹拌点接合の終了条件にして、ツールが重ね合わせ部の十分な深さに達するまで接合動作を継続させることができる。よって、板材における変態を高精度に管理することと、ツールを高精度に十分な深さまで押し込むこととを両立できる。

前記コントローラは、前記ツールが前記重ね合わせ部の所定の初期深さに到達したと判定されるまで、前記ツールの加圧力及び回転数が一定となるように前記変位駆動器及び前記回転駆動器を制御する初期圧入制御を実行し、前記ツールが前記初期深さに到達したと判定されると、前記温度保持制御を実行する構成としてもよい。

前記構成によれば、表面の摩擦係数が小さい板材であっても、接合初期において板材の重ね合わせ部にツールを確実に圧入させることができる。よって、温度保持制御を行いながらも再現性の高い摩擦撹拌点接合を実現することができる。

前記コントローラは、前記ツールの温度として、前記重ね合わせ部に対する前記ツールの接触面から２ｍｍ以内の領域の前記ツールの内部温度を取得する構成としてもよい。

前記構成によれば、温度保持制御を高精度に行うことができる。

前記コントローラは、前記温度保持制御中に、更に、前記回転駆動器を制御して前記ツールの温度が所定の設定範囲に保たれるように前記ツールの回転数を調整する構成としてもよい。

前記構成によれば、加圧力又は押込み量と回転数との両方でツールの温度が調整されるため、温度調整の応答性が向上する。

本発明の一態様に係る摩擦撹拌点接合方法は、複数の板材を互いに重ね合わせて点接合する摩擦撹拌点接合方法であって、前記複数の板材の重ね合わせ部にツールを回転させた状態で押し込んで摩擦撹拌点接合を開始する工程と、前記摩擦撹拌点接合中に、前記ツールの温度が前記重ね合わせ部の接合温度と同じとみなせる回転数で前記ツールを回転させる工程と、前記摩擦撹拌点接合中に、前記ツールの温度が所定の設定範囲に保たれるように前記ツールの加圧力又は押込み量を調整する工程と、を備える。

本発明によれば、撹拌性を高めるために接合温度を極力高温にしながらも、板材の点接合箇所において変態を制御すべく接合温度を高精度に制御できる。

実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置の構成図である。図１に示す摩擦撹拌点接合装置に用いられるツールの拡大断面図である。図１に示す摩擦撹拌点接合装置の制御ブロック図である。図１に示す摩擦撹拌点接合装置の制御手順を説明するフローチャートである。図４に示す制御の実行時におけるツール位置、回転数、ツール温度及び加圧力指令のタイミングチャートである。変形例における加圧力指令、回転数、ツール温度及びツール押込み量のタイミングチャートである。ツール温度と接合温度との対比実験を示す断面図である。（Ａ）はツール温度が接合温度から乖離した例のグラフであり、（Ｂ）はツール温度が接合温度に一致した例のグラフである。加圧力及び回転数を変えた９条件で対比実験を行った結果を示す図面である。図８の結果をプロットしたグラフである。従来の摩擦撹拌点接合時のツール温度と本願の摩擦撹拌点接合時のツール温度とを比較したグラフである。従来の摩擦撹拌点接合よる接合部と本願の摩擦撹拌点接合による接合部との各断面写真である。回転数、加圧力、残厚及び引張せん断強度（TSS）の関係を示す別の実験結果のグラフである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係る摩擦撹拌点接合装置１の構成図である。図１に示すように、ワークＷは、互いに重ね合わせられた一対の板材Ｗ１，Ｗ２であり、鋼材からなる。摩擦撹拌点接合装置１は、一対の板材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部Ｗａを点接合する。摩擦撹拌点接合装置１は、基体２と、基体２に取り付けられた可動体３と、可動体３からワークＷに向けて突出したツール保持体４とを備える。可動体３は、ツール保持体４の軸線に沿ってスライド変位可能に基体２に取り付けられる。ツール保持体４は、その軸線回りに回転可能に構成され、ツール保持体４の先端部には、ツール１１が着脱可能に取り付けられる。基体２には、略Ｌ字状に湾曲した湾曲フレーム５が固定される。湾曲フレーム５は、その先端部がツール１１に対向する位置まで延び、湾曲フレーム５の先端部には、ワークＷを支持する支持台６が設けられる。

基体２には、ツール保持体４の軸線方向に可動体３をスライド変位させる直動駆動器７が設けられる。直動駆動器７は、可動体３をスライド変位させることでツール１１をワークＷに対して進退変位させる。可動体３には、ツール保持体４をその軸線回りに回転させる回転駆動器８が設けられる。回転駆動器８は、ツール保持体４を回転させることでツール１１を回転させる。基体２には、多関節ロボット９が取り付けられる。多関節ロボット９は、基体２を変位させることでワークＷに対してツール１１を所望の位置へ変位させる。即ち、直動駆動器７及び多関節ロボット９が、ワークＷとツール１１とを互いに相対変位させる変位駆動器１０の役目を果たす。

摩擦撹拌点接合装置１は、直動駆動器７、回転駆動器８及び多関節ロボット９を制御するコントローラ２０を備える。コントローラ２０は、１つの制御ユニットに機能が集約されたものとしてもよいし、複数の制御ユニットに機能が分散された構成としてもよい。コントローラ２０は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有する。コントローラ２０は、図示しない入力装置（例えば、コンピュータ又はティーチングペンダント等）からＩ／Ｏインターフェースを介して入力された指令に応答し、不揮発性メモリに保存された制御プログラムに基づいてプロセッサが揮発性メモリを用いて演算し、Ｉ／Ｏインターフェースを介して回転駆動器８及び変位駆動器１０と通信する。摩擦撹拌点接合装置１は、コントローラ２０に回転駆動器８及び変位駆動器１０を制御させることで、一対の板材Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部Ｗａにツール１１を回転させた状態で押し込み、重ね合わせ部Ｗａのうち摩擦熱で軟化した部分を攪拌して塑性流動させ、摩擦撹拌点接合を行う。

図２は、図１に示す摩擦撹拌点接合装置１に用いられるツール１１の拡大断面図である。図２に示すように、ツール１１は、ツール本体部１１ａと、ツール本体部１１ａよりも小径であってツール本体部１１ａの中心からワークＷに向けて突出したピン部１１ｂとを有する。ツール１１には、ピン部１１ｂの内部まで到達する有底穴１１ｃが形成されており、その有底穴１１ｃに温度センサとしての熱電対１２が挿入されている。熱電対１２は、ワークＷに対するツール１１の接触面に近い位置（例えば、接触面から２ｍｍ以内）にてツール１１の内部に設けられ、ツール１１の内部領域の温度を取得する。

摩擦撹拌点接合中のツール１１に生じる軸線Ｘ方向の荷重（ワークＷのから反力）は、側周面１１ｂｂよりも先端面１１ｂａに対して大きく発生する。そのため、本実施形態では、熱電対１２が挿入される有底穴１１ｃは、ピン部１１ｂの先端面１１ｂａよりもピン部１１ｂの側周面１１ｂｂに近くなるように形成されている。即ち、熱電対１２は、先端面１１ｂａよりも側周面１１ｂｂに近い位置においてピン部１１ｂの内部に配置されている。具体的には、熱電対１２は、ピン部１１ｂの側周面１１ｂｂから２ｍｍ以内（例えば、１ｍｍ）の位置に配置されている。これにより、熱電対１２をピン部１１ｂの表面（ワークＷとの接触面）に近接配置しながらも、軸線Ｘ方向の荷重に対するピン部１１ｂの強度を保つことができる。

図３は、図１に示す摩擦撹拌点接合装置１の制御ブロック図である。図３に示すように、コントローラ２０には、熱電対１２で検出されるツール１１の温度（以下、ツール温度と称す）が入力されるとともに、変位駆動器１０で検出されるワークＷに対するツール１１の位置（以下、ツール位置と称す）が入力される。コントローラ２０には、予め制御プラグラム２１が保存されている。コントローラ２０は、制御プラグラム２１を実行し、入力されたツール温度及びツール位置に基づいて回転駆動器８及び変位駆動器１０を制御する。

図４は、図１に示す摩擦撹拌点接合装置１の制御手順を説明するフローチャートである。図５は、図４に示す制御の実行時におけるツール位置、回転数指令、ツール温度及び加圧力指令のタイミングチャートである。図４及び５に示すように、先ず、コントローラ２０は、ツール１１をワークＷの重ね合わせ部Ｗａに向けて移動させ（ツール位置Ｚ₁：時刻ｔ₀－ｔ₁）、ツール１１の回転数が後述する温度保持制御時よりも高い回転数Ｒ₂となる状態でツール１１を重ね合わせ部Ｗａに圧入するように回転駆動器８及び変位駆動器１０を制御する初期圧入制御を実行する（ステップＳ１：時刻ｔ₁－ｔ₂）。この間、ツール１１の加圧力及び回転数の指令値は一定であり、ツール１１が重ね合わせ部Ｗａに徐々に圧入されるとともにツール温度が徐々に上昇していき、摩擦撹拌点接合が行われる。このように、ツール回転数を後述の温度保持制御時よりも高い回転数Ｒ₂として初期圧入制御を実施することにより、表面の摩擦係数が小さい板材（例えば、メッキ板）であっても、接合初期においてワークＷの重ね合わせ部Ｗａにツール１１を確実に圧入できる。よって、後工程で温度保持制御を行っても再現性の高い摩擦撹拌点接合が実現される。なお、初期圧入制御を設けずにツールの圧入開始時点で温度保持制御が実行されていてもよい。

初期圧入制御中において、コントローラ２０は、ツール１１が重ね合わせ部Ｗａの所定の初期深さＤ１（ツール位置Ｚ₂）に到達したか否か、即ち、ツール１１の先端面１１ｂａが上側の板材Ｗ１の所定の初期深さＤ１に到達したか否かを判定する（ステップＳ２）。ツール１１が未だ初期深さＤ１に到達していないと判定された場合には、ステップＳ１を継続する。他方、ツール１１が初期深さＤ１に到達したと判定された場合には、温度保持制御に移行する。なお、ステップＳ２では、ツール位置を判定対象とする代わりに、ツール温度を判定対象としてもよい。即ち、ステップＳ２において、コントローラ２０は、ツール１１が重ね合わせ部Ｗａの所定の初期深さＤ１に到達したか否かを判定する代わりに、ツール温度が所定温度（例えば、後述する設定範囲ＳＴ内の所定温度（ＴＨ₁以上ＴＨ₂以下の温度）に到達したか否かを判定してもよい。

温度保持制御では、コントローラ２０は、回転駆動器８を制御して、ツール温度が重ね合わせ部Ｗａの接合温度と同じとみなせる回転数Ｒ₁にツール１１の回転数を設定し（ステップＳ３）、かつ、変位駆動器１０を制御して、ツール１１の加圧力が所定の変動パターンにて増減を繰り返すようにツール１１の加圧力を調整する（ステップ４：時刻ｔ₂－ｔ₇）。なお、温度保持制御では、コントローラ２０は、ワークＷへのツール１１の押込み量（即ち、位置）が所定の変動パターンにて増減を繰り返すようにツール１１の押込み量を調整することで、結果的にツール１１の加圧力を調整するようにしてもよい。

ツール温度が接合温度と同じとみなせる回転数Ｒ₁については後述する（図６及び７）。本実施形態では、変動パターンは、一定の振幅、平均加圧力及び周波数を有する正弦波パターンである。このように、ツール加圧力が予め決まった変動パターンにて増減を繰り返すことで、接合温度が設定範囲ＳＴ内に収まり易くなるとともに、塑性流動した材料を規則的に撹拌できる。なお、変動パターンは、ツール温度を所定の設定範囲ＳＴ（ＴＨ₁以上ＴＨ₂以下の範囲）に保つように加圧力が増減するものであれば、他の形態（例えば、矩形波パターン）でもよい。

次いで、コントローラ２０は、ツール温度が設定範囲ＳＴを上回ったか否か、即ち、ツール温度が設定範囲ＳＴの上限閾値ＴＨ₂を超えたか否かを判定する（ステップＳ５）。ここで、本実施形態では、上限閾値ＴＨ₂は、Ａｃ₃変態点（加熱時のオーステナイト変態完了温度）より低い温度に設定される。より具体的には、上限閾値ＴＨ₂は、Ａｃ₁変態点（加熱時のオーステナイト生成開始温度）よりも高い温度で且つＡｃ₃変態点（加熱時のオーステナイト変態完了温度）よりも低い温度に設定される。但し、良好な撹拌性が確保される場合には、上限閾値ＴＨ₂は、Ａｃ₁変態点よりも低い温度に設定されてもよい。コントローラ２０は、ツール温度が上限閾値ＴＨ₂より高くなったと判定されると、ツール１１の加圧力が減少するように変位駆動器１０を制御し（ステップＳ６）、ステップＳ５に戻る。本実施形態では、コントローラ２０は、ツール温度が上限閾値ＴＨ₂より高くなったと判定されると、変動パターンの振幅及び平均加圧力は一定のままで、変動パターンの周波数をツール温度が設定範囲ＳＴ内にあるときの変動パターンの周波数よりも低くすることで加圧力を減少させる（時刻ｔ₃－ｔ₄）。なお、周波数を低くする代わりに又は周波数を低くするのに併せて、変動パターンの平均加圧力をツール温度が設定範囲ＳＴ内にあるときの変動パターンの平均加圧力よりも低くするようにしてもよい。

次いで、コントローラ２０は、ツール温度が上限閾値ＴＨ₂より高くないと判定されると（ステップＳ５）、ツール温度が設定範囲ＳＴを下回ったか否か、即ち、ツール温度が設定範囲ＳＴの下限閾値ＴＨ₁より低くなったか否かを判定する（ステップＳ７）。ここで、下限閾値ＴＨ₁は、ワークＷが摩擦熱により塑性流動し始める温度よりも十分に高い温度で且つ上限閾値ＴＨ₂よりも低い温度である。コントローラ２０は、ツール温度が下限閾値ＴＨ₁より低くなったと判定されると、ツール１１の加圧力が増加するように変位駆動器１０を制御し（ステップＳ８）、ステップＳ７に戻る。本実施形態では、コントローラ２０は、ツール温度が下限閾値ＴＨ₁より低くなったと判定されると、変動パターンの振幅及び平均加圧力は一定のままで、変動パターンの周波数をツール温度が設定範囲ＳＴ内にあるときの変動パターンの周波数よりも高くすることで加圧力を増加させる（時刻ｔ₅－ｔ₆）。なお、周波数を高くする代わりに又は周波数を高くするのに併せて、変動パターンの平均加圧力をツール温度が設定範囲ＳＴ内にあるときの変動パターンの平均加圧力よりも高くするようにしてもよい。

次いで、コントローラ２０は、ツール温度が下限閾値ＳＴ₁より低くないと判定されると（ステップＳ７）、コントローラ２０は、ツール１１が重ね合わせ部Ｗａの所定の完了深さＤ２（ツール位置Ｚ₃）に到達したか否か、即ち、ツール１１の先端面１１ｂａが下側の板材Ｗ２の所定の深さに到達したか否かを判定する（ステップＳ９）。本実施形態では、板材Ｗ１の上面（重ね合わせ部Ｗａのツール１１側の面）を０％とし、板材Ｗ２の下面（重ね合わせ部Ｗａの支持台６側の面）を１００％とした場合に、完了深さＤ２（Ｄ２＞Ｄ１）は、重ね合わせ部Ｗａの７５％以上の位置に設定される。ツール１１が未だ完了深さＤ２に到達していないと判定された場合には、ステップＳ４に戻る。他方、ツール１１が完了深さＤ２（ツール位置Ｚ₃）に到達したと判定されると（時刻ｔ₇）、温度保持制御を終了すべく、変位駆動器１０を制御してツール１１をワークＷから引き抜く（ステップＳ１０）。以上により、ワークＷの１箇所の摩擦撹拌点接合が終了し、次にワークＷの別の箇所の摩擦撹拌点接合作業に移行して上記同様の手順を実施する。

なお、前記変動パターンを矩形波とした場合には、加圧力指令のデューティ（ＯＮ時間）及び／又は周波数を制御して温度保持制御を行ってもよい。例えば、図６中の（Ａ）の波形に示すように、コントローラ２０は、ツール温度が上限閾値より高くなったと判定されると、加圧力指令の周波数を所定値に決めた状態でデューティ（ＯＮ時間）を減少させることでツール１１の加圧力を減少させる一方、ツール温度が下限閾値より低くなったと判定されると、加圧力指令の周波数を所定値に決めた状態でデューティ（ＯＮ時間）を増加させることでツール１１の加圧力を増加させる構成としてもよい。或いは、図６中の（Ｂ）の波形に示すように、コントローラ２０は、ツール温度が上限閾値より高くなったと判定されると、加圧力指令のデューティ（ＯＮ時間）を所定値に決めた状態で周波数を減少させることでツール１１の加圧力を減少させる一方、ツール温度が下限閾値より低くなったと判定されると、加圧力指令のデューティ（ＯＮ時間）を所定値に決めた状態で周波数を増加させることでツール１１の加圧力を増加させる構成としてもよい。

次に、ツール温度と接合温度との対比実験について説明する。この対比実験は、実際の製品を摩擦撹拌点接合するのに先立って、ツール温度が接合温度と同じとみなせるツール１１の回転数Ｒ₁を特定するために実施される。ツール温度は、ツールに埋め込んだ熱電対から取得される（図２参照）。接合温度は、ワークのうち摩擦撹拌点接合中において接合部のピン近傍の領域に埋め込まれた熱電対から取得される。但し、作業簡便を優先する場合には、本対比実験では、図７に示すように摩擦撹拌点接合装置１の支持台６とワークＷの重ね合わせ部Ｗａとの間にワークＷと同一材料からなるダミー部材３０を挟み、そのダミー部材３０に熱電対３１を埋め込むこととする。

ダミー部材３０は下側の板材Ｗ２に当接している。ダミー部材３０には、ワークＷ側に向けて凹設された有底穴３０ａが形成されており、その有底穴３０ａに温度センサとしての熱電対３１が挿入されている。熱電対３１は、ワークＷに対するダミー部材３０の接触面に近い位置（例えば、接触面から２ｍｍ以内）にてダミー部材３０の内部に設けられる。

ダミー部材３０の熱電対３１が設けられる部位は、ツール１１を回転させた状態でワークＷの重ね合わせ部Ｗａに押し込む摩擦撹拌点接合中においてワークＷの接合部のピン近傍の領域と同じ熱履歴が生じる部位である。そして、ツール１１の加圧力を実際の製品を摩擦撹拌点接合する際の初期圧入制御（ステップＳ１）の加圧力と同一にしながらツール１１の回転数を異ならせた複数の条件において、摩擦撹拌点接合を行いながら熱電対１２で検出されるツール温度と熱電対３１で検出される接合温度とを同時に取得する対比実験をそれぞれ実施する。

前記対比実験を実施すると、図８（Ａ）に示すように熱電対１２で検出されるツール温度の温度履歴が熱電対３１で検出される接合温度の温度履歴から乖離する条件と、図８（Ｂ）に示すように熱電対１２で検出されるツール温度の温度履歴が熱電対３１で検出される接合温度の温度履歴に一致する条件とが生じる。これは、ツール１１の回転数の違いに起因するツール１１の圧入速度等の違いによって生じるものと考えられる。そこで、図８（Ｂ）のように、熱電対１２で検出されるツール温度の温度履歴が熱電対３１で検出される接合温度の温度履歴と同じであるとみなせる条件のツール１１の回転数範囲を特定し、その条件下の回転数を温度保持制御時のツール１１の回転数Ｒ₁に設定する。

図９は、加圧力及び回転数を変えた９条件で対比実験を行った結果を示す図面である。図１０は、図９の結果をプロットしたグラフである。本対比実験は、鋼材からなる一対の板材の摩擦撹拌接合を行ったもので、加圧力及び回転数以外の条件は同一である。例えば、ツール温度の温度履歴が接合温度の温度履歴と同じであるとみなせる条件を、ツール温度と接合温度との間の最大差が接合温度の最大値の５％未満であることとする。図９では、当該条件を満たすもの黒プロットとし、当該条件を満たさないものを白プロットとしている。図１０から分かるように、ツール加圧力をＸ、ツール回転数をＹとすると、以下の数式１を満たす範囲において、ツール温度の温度履歴が接合温度の温度履歴と同じであるとみなすことができる。よって、実際の製品を摩擦撹拌点接合する際には、以下の数式１を満たす条件にてツールの回転数を設定することとする。

Ｙ≦－０．０７６５・Ｘ＋２６２５・・・・・（数式１）
図１１は、従来の摩擦撹拌点接合時のツール温度と本願の摩擦撹拌点接合時のツール温度とを比較したグラフである。図１２は、従来の摩擦撹拌点接合よる接合部と本願の摩擦撹拌点接合による接合部との各断面写真である。図１１及び１２から分かるように、従来の摩擦撹拌点接合では、ツール温度の最大値がワークのＡｃ₃態点よりも高くオーステナイト変態したため、焼入れにより組織硬化（脆化）が顕著に生じているが、本願の摩擦撹拌点接合では、ツール温度の最大値がワークのＡｃ₃変態点より低くオーステナイト変態が完了していないため、焼入れによる組織硬化が抑制されている。しかも、本願の摩擦撹拌点接合では、ツールでは、ツール温度の最大値が７００℃以上で十分に高いため、ワークの塑性流動域の流動性が十分に高い状態で円滑な撹拌が行われ、綺麗で滑らかな接合断面が形成されている。なお、ここまでは加圧力を制御対象とした例を挙げたが、押込み量（即ち、ツール位置）を制御対象としてもよい。

図１３は、回転数、加圧力、残厚及びＴＳＳ（引張せん断強度）の関係を示す別の実験結果のグラフである。なお、残厚はピン孔底部と下板裏面までの距離であり、残厚が小さいほど、ツールの押込み量が大きい。また、図１３中において、実線で結んだプロットは左縦軸（ＴＳＳ）に対応し、破線で結んだプロットは右縦軸（残厚）に対応する。図１３に示すように、ツールの回転数が何れの回転数でもワークの残厚が小さいとＴＳＳが増加する。これは、点接合においては、ワークに対してツールを十分な深さまで圧入して摩擦撹拌することで、平面視で十分な接合領域が得られるからと考えられる。そして、図１３によれば、その残厚の調整には、ツール回転数の制御よりもツール加圧力の制御が有効であることも分かる。

本実施形態では、温度保持制御によってツール温度に応じてツール加圧力（又は押込み量）を増減調整することで、接合温度が設定範囲ＳＴ内に保持されるので、ワークＷの温度が所望の最高到達温度（例えば、Ａｃ₃変態点）を超えることがない。そのため、ツール１１が完了深さＤ２に到達することを摩擦撹拌点接合の終了条件にして、ツール１１が重ね合わせ部Ｗａの十分な深さに達するまで接合動作を継続させることができる。よって、接合温度を高精度に制御して変態を管理することと、ワークＷに対してツール１１を十分な深さまで押し込むこととを両立できる。

その際、ツール温度がワークＷの接合温度と同じとみなせる回転数Ｒ₁にツール回転数が設定されるので、ツール温度を参照してもワークＷの接合温度を意図する範囲に正確に保持することが可能となる。よって、撹拌性を高めるために接合温度を極力高温にしながらも、ワークＷの点接合箇所において所望の最高到達温度（例えば、Ａｃ₃変態点）を超えないような摩擦撹拌点接合を高精度に実現できる。

なお、変形例として、コントローラは、温度保持制御中において、ツール温度が設定範囲ＳＴに保たれるように、ツール加圧力だけでなくツール回転数も所定の変動パターン（例えば、正弦波又は矩形波）で増減調整してもよい。そうすれば、加圧力と回転数との両方でツール温度が調整されるため、温度調整の応答性が向上する。その際、ツール回転数の変動パターンは、ツール加圧力の変動パターンと同位相にしてもよいし、逆位相にしてもよい。

１摩擦撹拌点接合装置
８回転駆動器
１０変位駆動器
１１ツール
２０コントローラ
ＳＴ設定範囲
Ｗ１，Ｗ２板材
Ｗａ重ね合わせ部

Claims

複数の板材を重ね合わせて点接合する摩擦撹拌点接合装置であって、
前記複数の板材の重ね合わせ部とツールとを互いに相対変位させる変位駆動器と、
前記ツールを回転させる回転駆動器と、
前記重ね合わせ部に前記ツールを回転させた状態で押し込んで摩擦撹拌点接合をするように前記変位駆動器及び前記回転駆動器を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、摩擦撹拌点接合中において、前記回転駆動器を制御して前記ツールの回転数を前記ツールの温度が前記重ね合わせ部の接合温度と同じとみなせる所定回転数以下の値に設定し、かつ、前記変位駆動器を制御して、上限閾値をＡc₃変態点より低い温度とした所定の設定範囲に前記ツールの温度が保たれるように前記ツールの加圧力又は押込み量を増減調整する温度保持制御を実行する、摩擦撹拌点接合装置。
複数の板材を重ね合わせて点接合する摩擦撹拌点接合装置であって、
前記複数の板材の重ね合わせ部とツールとを互いに相対変位させる変位駆動器と、
前記ツールを回転させる回転駆動器と、
前記重ね合わせ部に前記ツールを回転させた状態で押し込んで摩擦撹拌点接合をするように前記変位駆動器及び前記回転駆動器を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、摩擦撹拌点接合中において、前記回転駆動器を制御して前記ツールの回転数を前記ツールの温度が前記重ね合わせ部の接合温度と同じとみなせる所定回転数以下の値に設定し、かつ、前記変位駆動器を制御して前記ツールの温度が所定の設定範囲に前記ツールの温度が保たれるように前記ツールの加圧力又は押込み量を増減調整する温度保持制御を実行し、
前記温度保持制御では、
前記ツールの温度が前記設定範囲内にあるとき、前記ツールの加圧力又は押込み量が所定の変動パターンにて増減を繰り返すように前記変位駆動器が制御され、
前記ツールの温度が前記設定範囲を上回ると、前記ツールの加圧力又は押込み量が減少するように前記変位駆動器が制御され、
前記ツールの温度が前記設定範囲を下回ると、前記ツールの加圧力又は押込み量が増加するように前記変位駆動器が制御される、摩擦撹拌点接合装置。
前記温度保持制御では、
前記ツールの温度が前記設定範囲を上回ると、前記変動パターンの周波数又は最大加圧力の付与時間の少なくとも一方が減少するように前記変位駆動器が制御され、
前記ツールの温度が前記設定範囲を下回ると、前記変動パターンの周波数又は最大加圧力の付与時間の少なくとも一方が増加するように前記変位駆動器が制御される、請求項２に記載の摩擦撹拌点接合装置。
前記コントローラは、前記温度保持制御中おいて前記ツールが前記重ね合わせ部の所定の完了深さに到達したと判定されると、前記変位駆動器を制御して前記ツールを前記重ね合わせ部から引き抜く、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
前記コントローラは、前記温度保持制御の実行前において、前記ツールの回転数が前記温度保持制御時よりも高い状態で前記ツールを前記重ね合わせ部に圧入するように前記回転駆動器及び前記変位駆動器を制御する初期圧入制御を実行する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
前記コントローラは、前記ツールの温度として、前記重ね合わせ部に対する前記ツールの接触面から２ｍｍ以内の領域の前記ツールの内部温度を取得する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
前記コントローラは、前記温度保持制御中に、更に、前記回転駆動器を制御して前記ツールの温度が所定の設定範囲に保たれるように前記ツールの回転数を調整する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の摩擦撹拌点接合装置。
複数の板材を互いに重ね合わせて点接合する摩擦撹拌点接合方法であって、
前記複数の板材の重ね合わせ部にツールを回転させた状態で押し込んで摩擦撹拌点接合を開始する工程と、
前記摩擦撹拌点接合中に、前記ツールの温度が前記重ね合わせ部の接合温度と同じとみなせる回転数で前記ツールを回転させる工程と、
前記摩擦撹拌点接合中に、上限閾値をＡc₃変態点より低い温度とした所定の設定範囲に前記ツールの温度が保たれるように前記ツールの加圧力又は押込み量を調整する工程と、を備える、摩擦撹拌点接合方法。