JP7278300B2

JP7278300B2 - 摩擦攪拌接合装置、その運転方法、及び継手構造

Info

Publication number: JP7278300B2
Application number: JP2020551229A
Authority: JP
Inventors: 正樹武岡; 良司大橋; 良崇村松; 拓也福田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: CN112770863A; DE112019005114T5; WO2020075813A1; KR102477654B1; JPWO2020075813A1; KR20210066901A; CN112770863B; US20210339337A1

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置、その運転方法、及び継手構造に関する。

鋼製板部材とこれより比重の軽い軽金属製板材を含む車体を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている車体の製造方法では、軽金属製板材と鋼製板材とを重ね合わせ、軽金属製板材の側から押圧される回転ツールの摩擦熱で軽金属製板材を局所的に軟化および塑性流動させることにより、軽金属製板材と鋼製板材を接合する第１の接合工程と、前記第１の接合工程で接合された軽金属製板材および鋼製板材と、２枚以上の鋼製板材と、を重ね合わせ、その複数箇所を電気抵抗スポット溶接により接合する第２の接合工程と、を含む。

特開２００９－２０２８２８号公報

本発明者らは、上記特許文献１に開示されている車体の製造方法とは異なる、３つの部材を接合することができる摩擦攪拌接合装置及びその運転方法を想到した。本発明は、新規な構成を備える摩擦攪拌接合装置及びその運転方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上記特許文献１に開示されている車体の製造方法で接合された被接合物（車体）とは、異なる構成の継手構造を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、第１部材、第２部材、及び第３部材を有する、被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置であって、前記摩擦攪拌接合装置は、円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、前記ツールを前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、前記ツールを前記軸線に沿って進退移動させる直動駆動器と、制御装置と、を備え、前記第２部材及び前記第３部材は、前記第１部材よりも、融点が高くなるように構成されていて、前記第３部材は、前記第２部材よりも硬度が高くなるように構成されていて、前記制御装置は、前記被接合物を、前記第１部材が前記ツールと対向し、かつ、前記第１部材、前記第２部材、及び前記第３部材の順となるように配置させる（Ａ）と、前記ツールを回転させた状態で、前記ツールの先端部が前記被接合物の被接合部を押圧するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御する（Ｂ）と、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御して、軟化した前記第３部材が、前記第２部材の上面よりも上方に延びるように、前記ツールの先端部を予め設定されている所定の第１位置に到達させる（Ｃ）と、前記ツールを回転させた状態で、前記被接合部から引き抜くように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御する（Ｄ）と、を実行するように構成されている。

これにより、３つの部材からなる被接合物を充分に接合することができる。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置の運転方法は、第１部材、第２部材、及び第３部材を有する、被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置の運転方法であって、前記摩擦攪拌接合装置は、円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、前記ツールを前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、前記ツールを前記軸線に沿って進退移動させる直動駆動器と、を備え、前記第２部材及び前記第３部材は、前記第１部材よりも、融点が高くなるように構成されていて、前記第３部材は、前記第２部材よりも硬度が高くなるように構成されていて、前記被接合物を、前記第１部材が前記ツールと対向し、かつ、前記第１部材、前記第２部材、及び前記第３部材の順となるように配置させる（Ａ）と、前記ツールを回転させた状態で、前記ツールの先端部が前記被接合物の被接合部を押圧するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作する（Ｂ）と、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作して、軟化した前記第３部材が、前記第２部材の上面よりも上方に延びるように、前記ツールの先端部を予め設定されている所定の第１位置に到達させる（Ｃ）と、前記ツールを回転させた状態で、前記被接合部から引き抜くように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作する（Ｄ）と、を備える。

さらに、本発明に係る継手構造は、第１部材、第２部材、及び第３部材を有する被接合物が、被接合部で接合されることにより形成される、継手構造であって、前記第２部材及び前記第３部材は、前記第１部材よりも、融点が高くなるように構成されていて、前記第３部材は、前記第１部材及び前記第２部材よりも、材料硬度が高くなるように構成されていて、前記第１部材、前記第２部材、及び前記第３部材は、この順となるように配置されていて、前記被接合部は、前記第３部材由来の材料が、前記第２部材の上面よりも上方に延びるように形成されている。

本発明に係る継手構造では、第３部材由来の材料が、第２部材の上面よりも上方に延びた、アンカー部分が形成される。そして、アンカー部分により、引張せん断に対する強度が高くなり、相対的に剥離強度も高くなるといったアンカー効果を得ることができる。このため、３つの部材からなる被接合物を充分に接合することができ、強固な継手構造を提供することができる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

本発明に係る摩擦攪拌接合装置及びその運転方法によれば、３つの部材からなる被接合物を充分に接合することができる。また、本発明に係る継手構造によれば、３つの部材からなる被接合物を充分に接合することで、強固な継手構造を提供することができる。

図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す模式図である。図２は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。図３は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置の要部を示す模式図であり、ツールにより、摩擦攪拌接合を実行した状態を示す。図４は、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置におけるツールの先端部の概略構成を示す模式図である。図５は、被接合物を摩擦攪拌接合装置により、接合した状態を示す模式図である。図６は、本実施の形態１又は２に係る摩擦攪拌接合装置によって、被接合物Ｗを摩擦攪拌接合した条件を示す表である。図７は、図６に示す試験例１の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。図８は、図６に示す試験例２の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。図９は、図６に示す試験例３の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。図１０は、図６に示す試験例４の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。図１１は、図６に示す試験例５の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。図１２は、図６に示す試験例６の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。図１３は、図６に示す試験例７の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置は、第１部材、第２部材、及び第３部材を有する、被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置であって、摩擦攪拌接合装置は、円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、ツールを軸線周りに回転させる回転駆動器と、ツールを軸線に沿って進退移動させる直動駆動器と、制御装置と、を備え、第２部材及び第３部材は、第１部材よりも、融点が高くなるように構成されていて、第３部材は、第２部材よりも硬度が高くなるように構成されていて、制御装置は、被接合物を、第１部材がツールと対向し、かつ、第１部材、第２部材、及び第３部材の順となるように配置させる（Ａ）と、ツールを回転させた状態で、ツールの先端部が被接合物の被接合部を押圧するように、直動駆動器及び回転駆動器を制御する（Ｂ）と、直動駆動器及び回転駆動器を制御して、軟化した第３部材が、第２部材の上面よりも上方に延びるように、ツールの先端部を予め設定されている所定の第１位置に到達させる（Ｃ）と、ツールを回転させた状態で、被接合部から引き抜くように、直動駆動器及び回転駆動器を制御する（Ｄ）と、を実行するように構成されている。

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置では、制御装置は、（Ｃ）において、ツールの先端部が、予め設定されている所定の第１時間以内に第１位置に到達するように、直動駆動器及び回転駆動器を制御するように構成されていてもよい。

以下、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置の一例について、図１～図３を参照しながら詳細に説明する。

［摩擦攪拌接合装置の構成］
図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１は、ツール１０、基体２、可動体３、ツール保持体４、直動駆動器７、回転駆動器８、位置検出器１１、及び制御装置１１０を備えていて、第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３を有する、被接合物Ｗの被接合部Ｗａを摩擦熱で軟化させて、塑性流動させ、接合を行うように構成されている。

被接合物Ｗは、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３は、第１部材Ｗ１よりも、融点が高くなるように構成されていて、第３部材Ｗ３が、第２部材Ｗ２よりも硬度が高くなるように構成されている。第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３は、本実施の形態１においては、板状に形成されている。

第１部材Ｗ１は、金属材料（例えば、アルミニウム又はマグネシウム）、又は繊維強化プラスチック（例えば、炭素繊維強化プラスチック）で構成されていてもよい。また、第２部材Ｗ２は、例えば、金属材料で構成されていて、鋼（軟鋼）又はアルミニウムで構成されていてもよい。さらに、第３部材Ｗ３は、金属材料で構成されていて、鋼（軟鋼又は高張力鋼）で構成されていてもよい。また、被接合物Ｗは、第１部材Ｗ１がマグネシウム又は繊維強化プラスチックで構成されていて、第２部材Ｗ２がアルミニウムで構成されていて、第３部材Ｗ３が鋼（軟鋼又は高張力鋼）で構成されていてもよい。

なお、本実施の形態１においては、被接合物Ｗを板状の第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３で構成されている形態を採用したが、これに限定されず、被接合物Ｗ（第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３）の形状は任意であり、例えば、直方体状であってもよく、円弧状に形成されていてもよい。

基体２は、ロボット９の先端部に着脱可能に取り付けられている。なお、ロボット９としては、水平多関節型・垂直多関節型などのロボットを採用することができる。また、本実施の形態１においては、基体２が、ロボット９に取り付けられている形態を採用したが、これに限定されず、適宜な場所に固定されている形態を採用してもよい。

基体２には、可動体３が、ツール保持体４の軸線Ｘ方向に移動可能に取り付けられている。可動体３の先端部には、ツール保持体４が設けられている。

ツール保持体４は、その軸線Ｘ周りに回転可能であり、かつ、可動体３と一体となって、軸線Ｘの方向に移動可能に構成されている。ツール保持体４の先端部には、ツール１０が着脱可能に設けられている。なお、ツール１０の着脱（交換）は、作業者が実行してもよく、ロボット９とは異なるロボットが実行してもよい。

また、基体２の内部には、直動駆動器７が配置されている。直動駆動器７は、可動体３（ツール１０）を軸線Ｘ方向に直動させるように構成されている。直動駆動器７としては、例えば、電動モータ（サーボモータ）とボールネジ又はリニアガイド等を用いてもよく、エアシリンダ等を用いてもよい。

可動体３の内部には、回転駆動器８が配置されている。回転駆動器８は、ツール保持体４、ツール１０を軸線Ｘ周りに回転させるように構成されている。回転駆動器８としては、例えば、電動モータ（サーボモータ）を用いてもよい。

さらに、基体２には、略Ｃ字状（略Ｌ字状）に形成されている湾曲フレーム５が固定されている。湾曲フレーム５は、その先端部が、ツール１０に対して、対向するように形成されている。また、湾曲フレーム５の先端部には、支持台６が設けられている。支持台６は、被接合物Ｗを支持するように構成されている。すなわち、本実施の形態１においては、基体２、可動体３、ツール保持体４、湾曲フレーム５、及び支持台６は、Ｃ型ガン（Ｃ型フレーム）で構成されている。

制御装置１１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等の演算器１１０ａと、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶器（記憶装置）１１０ｂと、を備えている。記憶器１１０ｂには、基本プログラム、各種固定データ等の情報が記憶されている。演算器１１０ａは、記憶器１１０ｂに記憶されている基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、摩擦攪拌接合装置１０１、及びロボット９の各種動作を制御する。

また、記憶器１１０ｂは、公知のメモリ、ハードディスク等で構成されている。記憶器１１０ｂは、単一である必要はなく、複数の記憶装置（例えば、ランダムアクセスメモリ及びハードディスクドライブ）として構成されていてもよい。

なお、制御装置１１０は、集中制御する単独の制御装置１１０によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御装置１１０によって構成されていてもよい。また、制御装置１１０は、マイクロコンピュータで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、論理回路等によって構成されていてもよい。

［摩擦攪拌接合装置の動作（摩擦攪拌接合装置の運転方法）及びその作用効果］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１の動作（運転方法）について、図１～図３を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御装置１１０の演算器１１０ａが、記憶器１１０ｂに格納されているプログラムを読み出すことにより実行される。

図２は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。図３は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置の要部を示す模式図であり、ツールにより、摩擦攪拌接合を実行した状態を示す。

まず、作業者が入力器（図示せず）を操作して、制御装置１１０に被接合物Ｗの接合実行をすることを示す指示情報が入力されたとする。

すると、図２に示すように、制御装置１１０は、ロボット９とは異なるロボットに第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３を搬送させ、第１部材Ｗ１がツール１０と対向し、かつ、第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３の順となるように、摩擦攪拌接合装置１０１の支持台６に載置（配置）させる（ステップＳ１０１）。なお、作業者が、第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３を摩擦攪拌接合装置１０１に配置してもよい。

次に、制御装置１１０は、回転駆動器８を駆動させて、ツール１０を所定の回転数（回転速度；例えば、５００～３０００ｒｐｍ）で回転させる（ステップＳ１０２）。ついで、制御装置１１０は、ツール１０を回転させた状態で、直動駆動器７を駆動させて、ツール１０を進行させて、ツール１０の先端を被接合物Ｗの被接合部Ｗａに当接させる（ステップＳ１０３）。

なお、被接合物Ｗの被接合部Ｗａとは、被接合物Ｗを接合する部分であり、ツール１０の回転と押圧により、第１部材Ｗ１～第３部材Ｗ３が軟化された領域をいう。

次に、制御装置１１０は、ツール１０の先端部が、予め設定されている所定の第１時間以内に、予め設定されている所定の第１位置まで移動するように、直動駆動器７を駆動させる（ステップＳ１０４）。このとき、制御装置１１０は、ツール１０が予め設定された所定の押圧力（例えば、４ｋＮ～７０ｋＮ）で被接合物Ｗを押圧するように、直動駆動器７を制御する。

なお、所定の回転数、所定の押圧力、第１位置、及び第１時間は、予め実験等により、適宜設定することができ、記憶器１１０ｂに第１データ１１０ｃとして記憶されている。第１データ１１０ｃは、後述する試験例１～７の結果に基づいて、作成してもよい。

また、ツール１０の先端部の位置情報は、位置検出器１１により検出されて、制御装置１１０に出力される。位置検出器１１としては、例えば、直動駆動器７に設けられているエンコーダであってもよく、ツール１０の移動量を検出する検出器であってもよい。

ここで、第１位置とは、第３部材Ｗ３の第２部材Ｗ２と当接する面を０％とし、第３部材Ｗ３の裏当て部材６と当接する面を１００％とした場合に、０％より大きく、かつ、１００％未満の間で任意に設定される位置をいう。

なお、接合強度を向上させる観点から、第１位置は、第３部材Ｗ３の裏当て部材６と当接する面に近い方がよく、２５％以上であってもよく、５０％以上であってもよく、７５％以上であってもよく、８０％以上であってもよく、９０％以上であってもよく、９５％以上であってもよい。

また、第１時間は、後述するアンカー部分Ａｐを形成させる観点から、１０秒以内であってもよく、７秒以内であってもよく、５秒以内であってもよい。

これにより、ツール１０が、被接合物Ｗの被接合部Ｗａに当接し、ツール１０の先端部と被接合部Ｗａとの摩擦により、摩擦熱が発生し、被接合物Ｗの被接合部Ｗａが軟化されて、塑性流動が生じる。

そして、図３に示すように、ツール１０の先端部が、被接合部Ｗａの内部に圧入されることにより、第３部材Ｗ３の軟化部分である第２軟化部分４２が、第２部材Ｗ２の上面よりも上方にまで延びて、第１部材Ｗ１の軟化部分である第１軟化部分４１に入り込む（突き刺さる）。なお、本明細書においては、第２軟化部分４２のうち、第２部材Ｗ２の下面から第２部材Ｗ２の上面よりも上方にまで延びた部分をアンカー部分Ａｐと称する。

次に、制御装置１１０は、位置検出器１１が検知した、ツール１０の先端部の位置情報を基に、ツール１０の先端部が、第１位置まで到達したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。制御装置１１０は、ツール１０の先端部が、第１位置まで到達していないと判定した場合（ステップＳ１０５でＮｏ）には、ツール１０の先端部が、第１位置まで到達するまで、ステップＳ１０４～ステップＳ１０５の各処理を実行する。一方、制御装置１１０は、ツール１０の先端部が、第１位置まで到達していると判定した場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）には、ステップＳ１０６の処理を実行する。

ステップＳ１０６では、制御装置１１０は、ツール１０を回転させた状態で、ツール１０の先端部を被接合部Ｗａから引き抜くように、直動駆動器７を駆動させる。そして、制御装置１１０は、ツール１０の先端部が、被接合部Ｗａから引き抜かれると、ツール１０の回転を停止するように、回転駆動器８を停止させて、本プログラムを終了する。なお、複数の被接合部Ｗａを接合する場合には、制御装置１１０は、ツール１０の回転を停止させずに、次の被接合部Ｗａの接合を開始するように構成されていてもよい。

このように構成された、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１では、第３部材Ｗ３の第２軟化部分４２が、第２部材Ｗ２の上面よりも上方にまで延びることで、３つの部材からなる被接合物を充分に接合することができる。また、アンカー部分Ａｐが形成されることにより、引張せん断に対する強度が高くなり、相対的に剥離強度も高くなるといったアンカー効果が得られる。

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１により、形成された被接合物Ｗの被接合部Ｗａが、本実施の形態１に係る継手構造の一例である。

なお、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１においては、制御装置１１０が、ツール１０の先端部が第１位置まで到達すると、ツール１０の先端部を被接合部Ｗａから引き抜くように、直動駆動器７を制御する形態を採用したが、これに限定されない。

例えば、制御装置１１０は、ツール１０の先端部が第１位置まで到達すると、ツール１０を水平方向に移動するように、又は、ツール１０の軸線Ｘが傾斜するように、ロボット９を動作させてもよく、ツール１０の回転速度を増加させるように、回転駆動器８を制御してもよい。これにより、第３部材Ｗ３の軟化部分を増加させることができ、アンカー部分Ａｐの体積を増加させることができる。このため、より高いアンカー効果を得ることができる。

また、本実施の形態１に係る継手構造は、上述したように、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１により形成される形態を採用したが、これに限定されない。本実施の形態１に係る継手構造は、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３が、第１部材Ｗ１よりも、融点が高くなるように構成されていて、第３部材Ｗ３が、第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２よりも、材料硬度が高くなるように構成されていて、第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３が、この順となるように配置されていて、被接合部Ｗａが、第３部材Ｗ３由来の材料が、第２部材Ｗ２の上面よりも上方に延びるように形成されていればよい。このため、本実施の形態１に係る継手構造は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１以外の摩擦攪拌接合装置により形成されていてもよく、他の機器により、形成されていてもよい。

さらに、本実施の形態１に係る継手構造は、被接合部Ｗａが、軟化して硬化した第１部材Ｗ１、軟化して硬化した第２部材Ｗ２、及び軟化して硬化した第３部材Ｗ３から構成されていて、軟化して硬化した第３部材Ｗ３（第３部材Ｗ３由来の材料）が、第２部材Ｗ２の上面よりも上方に延びるように形成されていてもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置は、実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置において、ツールの先端部は、第１先端部と、第１先端部よりも基端側に位置する第２先端部を有し、第１先端部及び第２先端部は、それぞれ、円錐台状に形成されていて、第１先端部は、その先端面の面積が、第２先端部の先端面の面積よりも小さくなるように形成されている。

以下、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置の一例について、図４を参照しながら詳細に説明する。

［摩擦攪拌接合装置の構成］
図４は、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置におけるツールの先端部の概略構成を示す模式図である。

図４に示すように、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置１０１は、実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１と基本的構成は同じであるが、ツール１０の先端部の構成が異なる。

具体的には、ツール１０の先端部は、第１先端部１０ａと、第１先端部１０ａよりも基端側に位置する第２先端部１０ｂを有する。第１先端部１０ａ及び第２先端部１０ｂは、それぞれ、円錐台状に形成されている。

また、第１先端部１０ａの先端面１０ｃの面積が、第２先端部１０ｂの先端面１０ｄの面積よりも小さくなるように形成されている。なお、第２先端部１０ｂの先端面１０ｄは、第１先端部１０ａと第２先端部１０ｂの境界上の面である。

また、ツール１０の穿孔効率をより増加させる観点から、第１先端部１０ａの先端面１０ｃの面積は小さくてもよい。さらに、先端面１０ｃの面積は小さくした場合に、第２先端部１０ｂで被接合物Ｗの被接合部Ｗａを撹拌させる観点から、第１先端部１０ａの高さｈ（先端面１０ｃと先端面１０ｄの間の長さ（距離））が小さくてもよい。これにより、被接合物Ｗに圧入される体積を大きくすることができ、アンカー部分Ａｐを大きくすることができる。このため、被接合物Ｗの被接合部Ｗａの接合強度を大きくすることができる。

このように構成された、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置１０１であっても、実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１と同様の作用効果を奏する。なお、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置１０１により、形成された被接合物Ｗの被接合部Ｗａが、本実施の形態２に係る継手構造の一例となる。

また、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置１０１では、ツール１０の先端部が、第１先端部１０ａと第２先端部１０ｂを有していて、第１先端部１０ａの先端面１０ｃの面積が、第２先端部１０ｂの先端面１０ｄの面積よりも小さくなるように形成されている。

これにより、本実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置１０１では、実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１に比して、ツール１０の穿孔効率を増加させることができる。このため、ツール１０の先端をより短時間で、第１位置にまで到達させることができ、アンカー部分Ａｐをより形成しやすくすることができる。

＜試験例＞
次に、本実施の形態１又は２に係る摩擦攪拌接合装置１０１において、種々の条件で、被接合物Ｗを摩擦攪拌接合した場合の試験例について、説明する。

ところで、本発明においては、図３に示すアンカー部分Ａｐの高さ寸法を第２部材Ｗ２の高さ寸法よりも大きくする必要がある。ここで、図５に示す模式図を用いて、アンカー部分Ａｐの高さ寸法と、第２部材Ｗ２の高さ寸法等の関係について、説明する。

図５は、被接合物を摩擦攪拌接合装置により、接合した状態を示す模式図である。

図５に示すように、第３部材Ｗ３に圧入されたツール１０の先端部の体積をＶとし、ツール１０の先端部における第３部材Ｗ３の上面と水平な部分の半径をｒ１とし、アンカー部分Ａｐにおける第３部材Ｗ３の上面と水平な部分の長さ（幅）をｒ２とする。また、第１部材Ｗ１の厚み（高さ）をｔ１とし、第２部材Ｗ２の厚み（高さ）をｔ２とし、第３部材Ｗ３の厚み（高さ）をｔ３とする。

そして、図５に示すように、アンカー部分Ａｐを筒状（円筒状）に形成されていると仮定し、第３部材Ｗ３に圧入されたツール１０の先端部の体積と、アンカー部分Ａｐの体積が等しいと仮定する。すると、アンカー部分Ａｐの高さｈａは、（１）に示す関係式が成立する。

ｈａ＝Ｖ／π｛（ｒ１＋ｒ２）^２－ｒ１^２｝＞ｔ２（１）
ここで、（１）において、第３部材Ｗ３に圧入されるツール１０の先端部の体積Ｖは、予め操作者等が設定した第１位置によって、算出することができる。また、体積Ｖが算出されれば、ツール１０の先端部における第３部材Ｗ３の上面と水平な部分の半径ｒ１も算出することができる。

このため、（１）において、長さｒ２を調整することで、アンカー部分Ａｐの高さｈａを第２部材Ｗ２の高さｔ２よりも大きくすることができる。そこで、本発明者らは、種々の条件で、被接合物Ｗを摩擦攪拌接合し、アンカー部分Ａｐにおける第３部材Ｗ３の上面と水平な部分の長さｒ２を予め実験により、設定することができることを示した。以下、具体的な条件について、説明する。

なお、以下の試験例においては、摩擦攪拌接合装置１０１は、被接合部Ｗの温度を検知する温度検知器が備えている。また、以下の試験例においては、第１部材Ｗ１として、厚み１．２ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ５０５２）を用い、第２部材Ｗ２として、厚み０．７ｍｍの亜鉛メッキ鋼板（原板が２７０ＭＰａ級の鋼板）を用い、第３部材Ｗ３として、厚み１．２ｍｍの９８０ＭＰａ級の鋼板を用いている。

図６は、本実施の形態１又は２に係る摩擦攪拌接合装置によって、被接合物Ｗを摩擦攪拌接合した条件を示す表である。また、図７～図１３は、図６に示す試験例１～７の条件で被接合物を摩擦攪拌接合した結果を示す写真である。

なお、図６においては、ツール１０の先端の形状が、実施の形態１に係る摩擦攪拌接合装置１０１の構成である場合を実施の形態１と示し、実施の形態２に係る摩擦攪拌接合装置１０１の構成である場合を実施の形態２と示している。第１位置については、被接合物Ｗの第１部材Ｗ１の上面からの距離（ｍｍ）で表している。

また、図６において、接合時間は、ツール１０の先端が被接合物Ｗ（正確には、第１部材Ｗ１の上面）に当接してから第１位置に到達する間にかかった時間を示している。さらに、圧入温度は、ツール１０の先端が、第３部材Ｗ３の上面に到達して、第３部材Ｗ３内に圧入したときに、温度検知器が検知した被接合部Ｗａの温度を示している。

図６～図１３に示すように、ツール１０の先端が、実際に第１位置に到達するまでにかかった時間である、接合時間が長いと、アンカー部分Ａｐが形成されないことが示唆された（試験例２、５参照）。これらの結果から、ツール１０の先端を第１位置までに到達させる時間である、第１時間は、１１秒以内に設定してもよく、６秒以内に設定してもよく、５秒以内に設定してもよい。

また、被接合部Ｗａの圧入温度が高くなると、アンカー部分Ａｐが形成されないことが示唆された（試験例２、５参照）。本発明者らは、これらの結果から、被接合部Ｗａの圧入温度が高くなると、被接合部Ｗａへの入熱量が大きくなり、第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３の軟化する部分が、水平方向に広がって、第３部材Ｗ３の軟化した部分の高さが小さくなり、アンカー部分Ａｐを形成することができないと推測している。

さらに、試験例１～２の結果と試験例３～７の結果から、ツール１０の回転速度が大きくなると、被接合部Ｗａの圧入温度が高くなる傾向があり、ツール１０の加圧力（ツール１０の先端部が被接合部Ｗａを押圧する圧力）が大きくなると、接合時間が短くなる（ツール１０の圧入速度が大きくなる）ことが示唆された。

したがって、上記試験例１～７に示す結果から、温度検知器が検知した被接合部Ｗａの温度に応じて、ツール１０の回転速度（回転数）と、押圧力（加圧力）を予め設定することにより、アンカー部分Ａｐを形成することができることが示唆された。

また、上記試験例１～７に示す結果から、被接合物Ｗを構成する第１部材Ｗ１～第３部材Ｗ３の材質、板厚を変更したとしても、予め実験により、アンカー部分Ａｐを形成することができることができる、第１位置、第１時間、ツール１０の回転数、及び押圧力を適宜設定することができることが示唆された。

特に、被接合部Ｗａの温度が高い場合には、ツール１０の回転速度を小さくし、接合時間が長い場合には、ツール１０の押圧力（加圧力）を大きくすることで、アンカー部分Ａｐを形成できることが示唆された。

なお、上記実施の形態１及び２に係る摩擦攪拌接合装置１０１においては、予め実験により、第１位置、第１時間、ツール１０の回転数、及び押圧力を適宜設定する形態を採用したが、これに限定されない。第１位置と第１時間を設定し、制御装置１１０が、温度検知器が検知した被接合部Ｗａの温度情報に基づいて、直動駆動器７及び回転駆動器８をフィードバック制御する形態を採用してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良又は他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の摩擦攪拌接合装置及びその運転方法は、第１部材、第２部材、及び第３部材からなる被接合物を充分に接合することができるため、有用である。また、本発明に係る継手構造は、３つの部材からなる被接合物を充分に接合することで、強固な継手構造を提供することができるため、有用である。

２基体
３可動体
４ツール保持体
５湾曲フレーム
６支持台
７直動駆動器
８回転駆動器
９ロボット
１０ツール
１０ａ第１先端部
１０ｂ第２先端部
１０ｃ先端面
１０ｄ先端面
４１第１軟化部分
４２第２軟化部分
１０１摩擦攪拌接合装置
１１０制御装置
１１０ａ演算器
１１０ｂ記憶器
１１０ｃ第１データ
Ａｐアンカー部分
ｈ高さ
ｈａ高さ
ｒ１長さ
ｒ２長さ
ｔ１高さ
ｔ２高さ
ｔ３高さ
Ｗ被接合物
Ｗ１第１部材
Ｗ２第２部材
Ｗ３第３部材
Ｗａ被接合部
Ｘ軸線

Claims

第１部材、第２部材、及び第３部材を有する、被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置であって、
前記摩擦攪拌接合装置は、
円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、
前記ツールを前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、
前記ツールを前記軸線に沿って進退移動させる直動駆動器と、
制御装置と、を備え、
前記第２部材及び前記第３部材は、前記第１部材よりも、融点が高くなるように構成されていて、
前記第３部材は、前記第２部材よりも硬度が高くなるように構成されていて、
前記制御装置は、前記被接合物を、前記第１部材が前記ツールと対向し、かつ、前記第１部材、前記第２部材、及び前記第３部材の順となるように配置させる（Ａ）と、
前記ツールを回転させた状態で、前記ツールの先端部が前記被接合物の被接合部を押圧するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御する（Ｂ）と、
前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御して、軟化した前記第３部材が、前記第２部材の上面よりも上方に延びるように、前記ツールの先端部を予め設定されている所定の第１位置に到達させる（Ｃ）と、
前記ツールを回転させた状態で、前記被接合部から引き抜くように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御する（Ｄ）と、を実行するように構成されている、摩擦攪拌接合装置。
前記ツールの先端部は、第１先端部と、前記第１先端部よりも基端側に位置する第２先端部を有し、
前記第１先端部及び前記第２先端部は、それぞれ、円錐台状に形成されていて、
前記第１先端部は、その先端面の面積が、前記第２先端部の先端面の面積よりも小さくなるように形成されている、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
前記制御装置は、前記（Ｃ）において、前記ツールの先端部が、予め設定されている所定の第１時間以内に前記第１位置に到達するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御するように構成されている、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
前記被接合部の温度を検出する温度検出器をさらに備え、
前記制御装置は、前記（Ｃ）において、前記温度検出器が検出した温度に基づいて、前記ツールの先端部が、前記第１時間以内に前記第１位置に到達するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御するように構成されている、請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置。
前記被接合部の温度と、前記ツールの押圧力及び回転数と、の相関関係を示す第１データが記憶されている記憶装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記（Ｃ）において、前記記憶装置に記憶されている第１データに基づいて、前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御するように構成されている、請求項４に記載の摩擦攪拌接合装置。
第１部材、第２部材、及び第３部材を有する、被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置の運転方法であって、
前記摩擦攪拌接合装置は、
円柱状に形成され、軸線周りの回転と該軸線に沿った方向への進退移動とが可能なように構成されているツールと、
前記ツールを前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、
前記ツールを前記軸線に沿って進退移動させる直動駆動器と、を備え、
前記第２部材及び前記第３部材は、前記第１部材よりも、融点が高くなるように構成されていて、
前記第３部材は、前記第２部材よりも硬度が高くなるように構成されていて、
前記被接合物を、前記第１部材が前記ツールと対向し、かつ、前記第１部材、前記第２部材、及び前記第３部材の順となるように配置させる（Ａ）と、
前記ツールを回転させた状態で、前記ツールの先端部が前記被接合物の被接合部を押圧するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作する（Ｂ）と、
前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作して、軟化した前記第３部材が、前記第２部材の上面よりも上方に延びるように、前記ツールの先端部を予め設定されている所定の第１位置に到達させる（Ｃ）と、
前記ツールを回転させた状態で、前記被接合部から引き抜くように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作する（Ｄ）と、を備える、摩擦攪拌接合装置の運転方法。
前記ツールの先端部は、第１先端部と、前記第１先端部よりも基端側に位置する第２先端部を有し、
前記第１先端部及び前記第２先端部は、それぞれ、円錐台状に形成されていて、
前記第１先端部は、その先端面の面積が、前記第２先端部の先端面の面積よりも小さくなるように形成されている、請求項６に記載の摩擦攪拌接合装置の運転方法。
前記（Ｃ）において、前記ツールの先端部が、予め設定されている所定の第１時間以内に前記第１位置に到達するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作する、請求項６又は７に記載の摩擦攪拌接合装置の運転方法。
前記被接合部の温度を検出する温度検出器をさらに備え、
前記（Ｃ）において、前記温度検出器が検出した温度に基づいて、前記ツールの先端部が、前記第１時間以内に前記第１位置に到達するように、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作する、請求項８に記載の摩擦攪拌接合装置の運転方法。
前記被接合部の温度と、前記ツールの押圧力及び回転数と、の相関関係を示す第１データが記憶されている記憶装置をさらに備え、
前記（Ｃ）において、前記記憶装置に記憶されている第１データに基づいて、前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作する、請求項９に記載の摩擦攪拌接合装置の運転方法。
第１部材、第２部材、及び第３部材を有する被接合物が、被接合部で接合されることにより形成される、継手構造であって、
前記第２部材及び前記第３部材は、前記第１部材よりも、融点が高くなるように構成されていて、
前記第３部材は、前記第１部材及び前記第２部材よりも、材料硬度が高くなるように構成されていて、
前記第１部材、前記第２部材、及び前記第３部材は、この順となるように配置されていて、
前記被接合部は、前記第３部材由来の材料が、前記第２部材の上面よりも上方に延びるように形成されている、継手構造。