JPWO2014174629A1

JPWO2014174629A1 - 摩擦撹拌接合用工具、摩擦撹拌接合装置、及び接合材の製造方法

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Publication number: JPWO2014174629A1
Application number: JP2015513426A
Authority: JP
Inventors: 加藤　慶訓; 慶訓加藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: EP2990154B1; US20160059345A1; US9604306B2; WO2014174629A1; CN105026096B; JP5960350B2; EP2990154A4; EP2990154A1; CN105026096A

Abstract

軸線の方向に延びる表面側ショルダ（６）と、板材同士の突合せ部を挟み込んで板材に当接する裏面側ショルダ（５）と、表面側ショルダ（６）と裏面側ショルダ（５）との間で板材を貫通して配されて表面側ショルダ（６）と裏面側ショルダ（５）とを連結するプローブ（７）とを備える摩擦撹拌接合用工具であって、プローブ（７）は、軸線の少なくとも一方側の端部に第一ネジ部（８）を有し、表面側ショルダ（６）及び裏面側ショルダ（５）のうちの少なくとも一方は、第一ネジ部（８）に螺合するとともに、表面側ショルダ（６）と裏面側ショルダ（５）との相対回転にともなって、これらのショルダが軸線の方向に近接するように螺合状態が変化し、第一ネジ部との螺合によって上記少なくとも一方とプローブとを接続する第二ネジ部（１１）を有している。

Description

本発明は、板材同士を突き合わせて接合する際に用いる摩擦撹拌接合用工具、摩擦撹拌接合装置、及び摩擦撹拌接合用工具を用いた接合材の製造方法に関する。

二つの部材からなるワークを接合する方法の一つとして摩擦攪拌接合が知られている。摩擦攪拌接合は、ワークの突合せ部分を工具のショルダ面で加圧した状態で該工具を回転させ、ワーク表面に生じた摩擦熱によってワークを接合する接合方法である。

ところで、このような摩擦攪拌接合では、ボビンツールと呼ばれる工具が用いられることがある。ボビンツール型の工具は、一のショルダ面を有する表面側ショルダをワークの表面側に配置し、また一のショルダ面と対向する他のショルダ面を有する裏面側ショルダをワークの裏面側に配置して、これら二つのショルダをワークを貫通するプローブによって連結する。このようにして二つのショルダのショルダ面でワークの表面及び裏面を挟み込んで加圧し、摩擦熱を生じさせるとともにプローブによってワークを攪拌することで、ワークの摩擦攪拌接合が行われる。

ここで、ワークには、歪みや製作誤差による板厚の不均一性が生じていることがある。特に、ＡＰＭ（ＡｕｔｏｍａｔｅｄＰｅｏｐｌｅＭｏｖｅｒと呼ばれる軌道系交通システムの車両や、鉄道車両に用いられる外板等には、長尺の中空パネルが用いられる。そしてこのような長尺の部材では、長さ方向の厚み変化は顕著なものとなる。そして、例えば接合方向にワークの板厚が薄くなった場合には、ショルダ面からワークへの加圧力が低下し、十分な接合品質が得られないおそれがある。

特許文献１には、このようなワークの板厚変化に対応して、油圧によって下ショルダ（裏面側ショルダ）を上ショルダ（表面側ショルダ）に近接離間させることで、ショルダ面同士の間隔を制御してワークへの加圧力を調整可能な摩擦撹拌接合の機構が開示されている。

特開２００４−２４３３７５号公報

しかしながら、特許文献１には具体的な記載はないものの、このような機構では油圧の制御を行う制御装置が別途必要になる。このため、摩擦撹拌接合装置全体が複雑なものとなってしまい、コストアップとなる。

本発明は、簡易な構造でコストを抑えながら、精度よく摩擦撹拌接合を可能とする摩擦撹拌接合用工具、摩擦撹拌接合装置、及び接合材の製造方法を提供する。

本発明の第一の態様に係る摩擦撹拌接合用工具は、軸線の方向に延びる表面側ショルダと、前記表面側ショルダに前記軸線の方向に対向して設けられ、該表面側ショルダとで板材同士の突合せ部を挟み込んで前記板材に当接する裏面側ショルダと、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間で前記板材を貫通して配されて前記軸線の方向に延び、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとを連結するプローブと、を備え、前記プローブは、前記軸線の少なくとも一方側の端部に第一ネジ部を有し、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダのうちの少なくとも一方は、前記第一ネジ部に螺合するとともに、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの相対回転にともなって、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとが前記軸線の方向に近接するように螺合状態が変化し、前記第一ネジ部との螺合によって前記少なくとも一方と前記プローブとを接続する第二ネジ部を有する。

このような摩擦撹拌接合用工具によれば、表面側ショルダと裏面側ショルダとで板材を挟み込んだ状態でこれら表面側ショルダ及び裏面側ショルダが回転することで、摩擦撹拌接合によって板材同士が接合される。ここで、裏面側ショルダは板材に当接しているため、接合時には裏面側ショルダと板材との間には摩擦力が作用している。裏面側ショルダに板材からの摩擦力が作用すると、この摩擦力によって裏面側ショルダの回転が抑制される。一方で、表面側ショルダはそのまま回転しようとするため、表面側ショルダと裏面側ショルダとの間でこれらが相対的に回転しようとする力が生じる。そして本発明では、このような相対的な回転にともなって、表面側ショルダと裏面側ショルダとが近接するように第一ネジ部と第二ネジ部との間で螺合状態が変化するようになっている。ここで、表面側ショルダと裏面側ショルダとが近接し、表面側ショルダと裏面側ショルダとが所定の間隔となった時点で、第一ネジ部に第二ネジ部がねじ込まれる際のねじ込み力（第一ネジ部と第二ネジ部との間の摩擦力に起因する力）と、裏面側ショルダが板材から受ける加圧力の反力とがバランスし、第一ネジ部と第二ネジ部との間の螺合状態が変化しなくなる。例えば、仮に接合中に板材の板厚が小さくなった場合には、裏面側ショルダから板材への加圧力が低下することになる。しかしこの際、表面側ショルダと裏面側ショルダとが近接するように第一ネジ部と第二ネジ部との間の螺合状態が変化し、上記ねじ込み力と上記反力とがバランスした状態で表面側ショルダと裏面側ショルダとが板材を挟み込んで、板材の接合が可能となる。よって、このように力がバランスした状態が、接合時の裏面側ショルダの板材への加圧力が最適な状態となるように、第一ネジ部及び第二ネジ部のリード角等を設定する。これにより、複雑な制御装置等を設けることなく、表面側ショルダと裏面側ショルダとの間の間隔を自動で一定に保持させた状態で、最適な加圧力で摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。

また、本発明の第二の態様に係る摩擦撹拌接合用工具は、上記第一の態様における前記表面側ショルダが前記第二ネジ部を有し、前記裏面側ショルダと前記プローブとが一体となっていてもよい。

このように裏面側ショルダとプローブとが一体となったものを、第一ネジ部と第二ネジ部とが螺合するように、表面側ショルダにねじ込むことで、より容易に板材を挟み込んで摩擦撹拌接合を行うことができる。

また、本発明の第三の態様に係る摩擦撹拌接合用工具は、上記第二の態様における前記第二ネジ部は、前記表面側ショルダの端面から前記軸線に沿って前記裏面側ショルダから離間する方向に向かって形成された穴部に設けられた雌ネジであり、前記穴部には、前記第二ネジ部と前記端面との間に前記プローブの外径よりも大きな内径を有する拡径穴部が形成されていてもよい。

このように第二ネジ部が設けられ、拡径穴部が形成されている。よって、プローブにおける第一ネジ部が設けられていない部分、即ち、板材を撹拌する部分の軸線方向の寸法よりも板材の板厚の方が、仮に小さくなってしまった場合であっても、拡径穴部に上記撹拌する部分が入り込むことが可能となる。従って、板材の板厚に合わせて表面側ショルダと裏面側ショルダとの間の間隔をさらに小さくすることができ、板材の板厚の変化にさらに柔軟に対応して、板材への裏面側ショルダからの最適な加圧力を保持できる。

また、本発明の第四の態様に係る摩擦撹拌接合用工具は、上記第一の態様における前記裏面側ショルダが前記第二ネジ部を有し、前記表面側ショルダと前記プローブとが一体となっていてもよい。

このように表面側ショルダとプローブとが一体となったものを、第一ネジ部と第二ネジ部が螺合するように裏面側ショルダにねじ込むことで、より容易に板材を挟み込んで摩擦撹拌接合を行うことができる。

また、本発明の第五の態様に係る摩擦撹拌接合用工具は、上記第一の態様における前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダが前記第二ネジ部を有し、前記プローブは、前記軸線の両側の端部に第一ネジ部を有していてもよい。

このように、プローブ、表面側ショルダ、裏面側ショルダが別々の部材となっていることで、各々の部材の製作が容易である。

また、本発明の第六の態様に係る摩擦撹拌接合装置は、上記第一から第五の態様のいずれかにおける摩擦撹拌接合用工具と、前記板材の表面側に設けられた本体部と、前記本体部に取り付けられて、前記摩擦撹拌接合用工具における前記表面側ショルダを保持し、該表面側ショルダを前記軸線の方向を回転中心として前記本体部に対して回転させる工具保持部と、を備える。

このような摩擦撹拌接合装置によれば、摩擦撹拌接合用工具を用いることで、仮に板材の板厚が変化して裏面側ショルダから板材への加圧力が低下した際には、表面側ショルダと裏面側ショルダとが相対回転してこれらが近接する。その後、第一ネジ部に第二ネジ部がねじ込まれる際のねじ込み力と、裏面側ショルダが板材から受ける上記加圧力の反力とがバランスして螺合状態が変化しなくなる。よって、複雑な制御装置等を設けることなく、表面側ショルダと裏面側ショルダとの間の間隔を自動で一定に保持させた状態で、最適な加圧力で摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。

また、本発明の第七の態様に係る接合材の製造方法は、軸線の方向に延びる表面側ショルダと、前記表面側ショルダに前記軸線の方向に対向して設けられ、該表面側ショルダとで板材同士の突合せ部を挟み込んで前記板材に当接する裏面側ショルダと、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間で前記板材を貫通して配されて前記軸線の方向に延び、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとを連結するプローブと、を備え、前記プローブは、前記軸線の少なくとも一方側の端部に第一ネジ部を有し、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダのうちの少なくとも一方は、前記第一ネジ部に螺合することで該少なくとも一方と前記プローブとを接続する第二ネジ部を有する摩擦撹拌接合用工具を用いて接合材を製造する接合材の製造方法であって、前記板材における前記突合せ部を前記軸線の方向に挟み込むように前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとを配するとともに、前記プローブを前記板材に貫通させる準備工程と、前記第二ネジ部を前記第一ネジ部に螺合させ、前記プローブによって前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとを連結する連結工程と、前記第一ネジ部と前記第二ネジ部との締め付け力の調整を行う調整工程と、前記調整工程で、所定の前記締め付け力で前記第一ネジ部と前記第二ネジ部とを締め付けた状態で、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダを前記軸線を中心として回転させて摩擦撹拌接合を行って前記板材同士を接合する接合工程と、を備え、前記接合工程は、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの相対回転にともなって、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとが近接するように前記第一ネジ部と前記第二ネジ部との螺合状態を自動的に変化させる自動調整工程を有する。

このような接合材の製造方法によれば、接合工程の実行中に、仮に板材の板厚が変化して、裏面側ショルダから板材への加圧力が低下した際には、表面側ショルダと裏面側ショルダとが相対回転してこれらが近接する。その後、第一ネジ部に第二ネジ部がねじ込まれる際のねじ込み力と、裏面側ショルダが板材から受ける反力とがバランスして螺合状態が変化しなくなる。よって、複雑な制御装置等を設けることなく、表面側ショルダと裏面側ショルダとの間の間隔を自動で一定に保持させた状態で、最適な加圧力で摩擦撹拌接合を行って接合材の製造が可能となる。

また、本発明の第八の態様に係る接合材の製造方法は、上記第七の態様における前記接合工程によって前記板材同士が接合された後に、接合部の終端で前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダを前記接合工程とは逆方向に前記軸線を中心として回転させる逆回転工程をさらに備えていてもよい。

このような逆回転工程によって、板材同士の接合完了後に表面側ショルダ及び裏面側ショルダ逆回転させることで、裏面側ショルダに板材から作用する摩擦力によって、裏面側ショルダの回転が抑制される。一方で、表面側ショルダはそのまま逆回転しようとするため、表面側ショルダと裏面側ショルダとの間でこれらが相対的に回転しようとする力が生じる。そして、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとの相対回転により、表面側ショルダと裏面側ショルダとを離間させるように第一ネジ部と第二ネジ部との螺合状態を変化させることが可能となる。このため、接合時に表面側ショルダと裏面側ショルダとが固着してしまった場合であっても、表面側ショルダから裏面側ショルダを容易に取り外すことができる。また、表面側ショルダと裏面側ショルダとの間の間隔を広げることができるので、自動的に次の接合作業の準備を行うことができる。

本発明の摩擦撹拌接合用工具、摩擦撹拌接合装置、及び接合材の製造方法によると、簡易な構造でコストを抑えながら、精度よく摩擦撹拌接合が可能となる。

本発明の第一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置を示す正面図である。本発明の第一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置に用いられる工具を分解して示す正面図である。本発明の第一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置に用いられる工具を拡大して示す正面図であって、接合工程を実行中の状態を示す。本発明の第一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置を用いた接合材の製造方法の手順を示すフロー図である。本発明の第一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の接合方向に沿ったワークの板厚変化と、上ショルダと下ショルダとの間隔変化との関係を示す図である。従来の摩擦撹拌接合装置における接合方向に沿ったワークの板厚変化と、上ショルダと下ショルダとの間隔変化との関係を示す図である。本発明の第二実施形態に係る摩擦撹拌接合装置に用いられる工具を分解して示す正面図である。本発明の第二実施形態に係る摩擦撹拌接合装置に用いられる工具を拡大して示す正面図であって、接合工程を実行中の状態を示す。本発明の第三実施形態に係る摩擦撹拌接合装置に用いられる工具を分解して示す正面図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態に係る接合材Ｗの摩擦撹拌接合装置１００について説明する。
摩擦撹拌接合装置１００は、摩擦撹拌接合によって板材Ｗ１同士の突合せ部Ｗ１ａを接合して接合材Ｗを製造する装置である。
図１に示すように、摩擦撹拌接合装置１００は、土台となるベッド１０１と、ベッド１０１に載置された定盤１０２と、定盤１０２の周りを囲むようにベッド１０１に設けられた門型をなす装置本体１０３（本体部）と、装置本体１０３に設けられた加工ヘッド１０４（工具保持部）と、加工ヘッド１０４の下端部に固定される摩擦撹拌接合用工具１（以下、単に工具１とする）とを備えている。

ベッド１０１は、板状をなして摩擦撹拌接合時の反力を受ける。

定盤１０２は、上面がベッド１０１に対して直交するＺ軸方向の基準面（ＸＹ平面）となり、この上面５ａに被接合部材となる板材Ｗ１同士を突合わせた状態で固定する。

装置本体１０３は、ベッド１０１において定盤１０２の左右方向（Ｙ軸方向）両側で上方に立ち上がった後、定盤１０２の上方でＹ軸方向に延在することで門型をなしている。また、この装置本体１０３はＹ軸方向に定盤１０２と平行な平面内で直交するＸ軸方向に移動可能とされている。

加工ヘッド１０４は、定盤１０２の上方において装置本体１０３に取り付けられてＺ軸方向の下方に向かって延び、装置本体１０３に対してＹ軸方向に相対移動可能に設けられている。またこの加工ヘッド１０４は、Ｚ軸方向の下部に取り付けられて、Ｚ軸を中心に回転可能な回転機構１０５を有している。
本実施形態では、摩擦撹拌接合を行う際には、回転機構１０５はＺ軸方向の上方から見て時計回りに回転するようになっている（図１、図３の上部の矢印参照）。

図２に示すように、工具１は、Ｙ軸方向に突合わされた二つの板材Ｗ１の突合せ部Ｗ１ａに対して、Ｚ軸方向の上方に配置される上ショルダ６（表面側ショルダ）と、下方に配置される下ショルダ５（裏面側ショルダ）と、これら上ショルダ６と下ショルダ５とを連結するプローブ７とを備えている。

下ショルダ５は、Ｚ軸方向に平行な軸線Ｐを中心とした円柱状をなし、摩擦撹拌接合時には上面５ａが板材Ｗ１に接触する。

プローブ７は、下ショルダ５と同軸上に形成された円柱状をなし、下ショルダ５に接続されて下ショルダ５の上面５ａから軸線Ｐに沿ってＺ軸方向の上方に向かって延びている。またプローブ７は、下ショルダ５の外径よりも小径の棒状の部材であり、突合せ部Ｗ１ａをＺ軸方向に貫通して配されている。さらにプローブ７は、Ｚ軸方向の上方の端部に雄ネジ部８（第一ネジ部）を有している。本実施形態では、雄ネジ部８は右ネジとなっている。

ここで、本実施形態では、プローブ７は下ショルダ５と一体に設けられている。また、板材Ｗ１を貫通する位置で接合時に板材Ｗ１と接触するプローブ７の外周面には、接合時の板材Ｗ１の撹拌を促進する撹拌溝７ａが形成されている。

上ショルダ６は、下ショルダ５、プローブ７と同軸上に形成された略円柱状をなし、プローブ７の雄ネジ部８が螺合可能な雌ネジ部１１（第二ネジ部）を有している。また、上ショルダ６は、加工ヘッド１０４の回転機構１０５に取り付けられて保持されており、接合時には上ショルダ６の下面６ａが板材Ｗ１に接触する。

雌ネジ部１１は、上ショルダ６の下面６ａ（端面）から軸線Ｐに沿って、下ショルダ５から離間する方向、即ちＺ軸方向の上方に向かって凹むように形成された穴部９に設けられている。

この穴部９には、雌ネジ部１１の位置と上ショルダ６の下面６ａとの間で、前記プローブ７の外径、即ち、撹拌溝７ａが形成された位置でのプローブ７の外径よりも大きな内径を有する拡径穴部１０が形成されている。

このようにして、工具１は、被接合部材となる二つの板材Ｗ１をＺ軸方向から挟み込んで上ショルダ６、プローブ７、下ショルダ５とが一体で回転することで、摩擦撹拌接合を行うボビンツールとなっている。

ここで、回転機構１０５又は定盤１０２は、Ｚ軸方向に昇降自在となっており、定盤１０２に固定された板材Ｗ１と、工具１との間のＺ軸方向の相対位置を調整可能としている。

なお、本実施形態での摩擦撹拌接合装置１００は一例であり、例えば、工具１をＸＹ平面内で移動不能に固定して、定盤１０２をＸＹ平面内で移動可能とすることで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の位置調整を行ってもよい。

次に、図３及び図４を参照しながら、摩擦撹拌接合装置１００を用いた接合材Ｗの製造方法について説明する。
接合材Ｗの製造方法は、接合準備を行う準備工程Ｓ１と、上ショルダ６と下ショルダ５とを連結する連結工程Ｓ２と、プローブ７と上ショルダ６との間の締め付け力調整を行う調整工程Ｓ３と、板材Ｗ１同士を接合する接合工程Ｓ４とを備えている。

まず、準備工程Ｓ１を実行する。準備工程Ｓ１では、板材Ｗ１における突合せ部Ｗ１ａを軸線Ｐの方向、即ち、Ｚ軸方向から挟み込むように上ショルダ６を板材Ｗ１よりもＺ軸方向の上方に配して加工ヘッド１０４に固定する。また、下ショルダ５を板材Ｗ１よりもＺ軸方向下方に配する。さらに、プローブ７を板材Ｗ１の突合せ部Ｗ１ａにＺ軸方向に貫通させる。
なお、不図示のエンドタブを板材Ｗ１に設置する場合には、プローブ７は、このエンドタブを貫通させて配する。

次に、連結工程Ｓ２を実行する。連結工程Ｓ２では、プローブ７の雄ネジ部８を上ショルダ６の雌ネジ部１１に螺合させ、プローブ７を介して上ショルダ６と下ショルダ５とを連結する。

次に、調整工程Ｓ３を実行する。調整工程Ｓ３では、下ショルダ５の上面５ａが所定の加圧力で板材Ｗ１に押し付けられるように、プローブ７の雄ネジ部８と上ショルダ６の雌ネジ部１１との間の締め付け力の調整を行う。

次に、接合工程Ｓ４を実行する。接合工程Ｓ４では、調整工程Ｓ３で所定の締め付け力でプローブ７の雄ネジ部８と上ショルダ６の雌ネジ部１１とを締め付けた状態で、上ショルダ６及び下ショルダ５を軸線Ｐを中心として回転させて摩擦撹拌接合を行い、板材Ｗ１同士を接合することで接合材Ｗを製造する。

ここで、接合工程Ｓ４は、自動調整工程Ｓ４ａを有しており、この自動調整工程Ｓ４ａでは、上ショルダ６と下ショルダ５との相対回転にともなって、これら上ショルダ６と下ショルダ５とが近接するように、雄ネジ部８と雌ネジ部１１との螺合状態を自動的に変化させる。

より具体的には、接合工程Ｓ４では、上ショルダ６と下ショルダ５とで板材Ｗ１を挟み込んだ状態でこれら上ショルダ６及び下ショルダ５がＺ軸方向の上方から見て時計回りに回転することで、摩擦撹拌接合によって板材Ｗ１同士が接合される。ここで、下ショルダ５は板材Ｗ１に当接して、プローブ７を介して上ショルダ６に連結されている。このため、接合時には下ショルダ５と板材Ｗ１との間に摩擦力が作用しており、この摩擦力によって下ショルダ５の回転が抑制される。

一方で、上ショルダ６はそのまま回転機構１０５から付与される回転力によって回転しようとするため、上ショルダ６と下ショルダ５との間で、これらが相対的に回転しようとする力が生じる。

そして、このような相対的な回転にともなって、Ｚ軸方向の上方から見て時計回り回転する上ショルダ６に対して、Ｚ軸方向の上方から見て反時計回りにプローブ７が回転することになり（図３の下部の矢印参照）、右ネジに形成されたプローブ７の雄ネジ部８が雌ネジ部１１に対して締まる方向に回転する。即ち、上ショルダ６と下ショルダ５とが近接するように第一ネジ部と第二ネジ部との間で螺合状態が変化する。

このような摩擦撹拌接合装置１００では、接合工程Ｓ４の実行中に、自動調整工程Ｓ３によって、上ショルダ６と下ショルダ５とが軸線Ｐの方向に近接し、上ショルダ６と下ショルダ５とが所定の間隔となった時点で、プローブ７の雄ネジ部８に上ショルダ６の雌ネジ部１１がねじ込まれる際のねじ込み力Ｆ１（雄ネジ部８と雌ネジ部１１との間の摩擦力に起因する力）と、下ショルダ５が板材Ｗ１から受ける加圧力の反力Ｆ２とがバランスし、雄ネジ部８と雌ネジ部１１との間の螺合状態がこれ以上は変化しなくなる。

ここで、図５に示すように、板材Ｗ１の板厚（図５に示すｄ）が接合方向（本実施形態では、図１、図５に示すＸ軸方向）に変化し、板材Ｗ１の板厚が小さくなった場合には、上ショルダ６の板材Ｗ１への加圧力が低下することになる。

この際、図５のＡ部に示すように、自動調整工程Ｓ４ａによって上ショルダ６と下ショルダ５とが近接するように雄ネジ部８と雌ネジ部１１との間の螺合状態が自動で変化し、上記ねじ込み力Ｆ１と上記反力Ｆ２とがバランスした状態で上ショルダ６と下ショルダ５とが板材Ｗ１をＺ軸方向から挟み込んで、板材Ｗ１の接合を行うことが可能となる。

一方で、図６に示すように、本実施形態の雄ネジ部８及び雌ネジ部１１が設けられず、自動調整工程Ｓ４ａが実行されない場合には、板材Ｗ１の板厚が接合方向に小さくなった場合であっても、図６のＢ部に示すように上ショルダ６と下ショルダ５との間隔は調整されない。このため、下ショルダ５から板材Ｗ１への十分な加圧力が付与されないまま接合が行われることになってしまう。

従って、本実施形態では、ねじ込み力Ｆ１と反力Ｆ２とがバランスした状態が、接合時の下ショルダ５の板材Ｗ１への加圧力が最適な状態となるように、雄ネジ部８及び雌ネジ部１１のリード角等を所定の値に設定する。これによって、複雑な制御装置等を設けることなく、上ショルダ６と下ショルダ５との間の間隔を自動で一定に保持させた状態で、最適な加圧力で板材Ｗ１に下ショルダ５を当接させて摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。

さらに、本実施形態では、下ショルダ５とプローブ７とが一体となったものを、プローブ７の雄ネジ部８と上ショルダ６の雌ネジ部１１とが螺合するように、上ショルダ６にねじ込むことで、上ショルダ６と下ショルダ５との連結が容易である。

また、プローブ７における雄ネジ部８が設けられていない部分、即ち、板材Ｗ１を撹拌する撹拌溝７ａが形成された部分の軸線Ｐ方向の寸法よりも板材Ｗ１の板厚の方が、仮に小さくなってしまう場合がある。この場合には、プローブ７の撹拌溝７ａが形成された部分が上ショルダ６の拡径穴部１０に入り込むことで、板材Ｗ１の板厚に合わせて上ショルダ６と下ショルダ５との間の間隔を小さくすることができる。従って、板材Ｗ１の板厚の変化にさらに柔軟に対応でき、下ショルダ５から板材Ｗ１への最適な加圧力を保持できる。

本実施形態の摩擦撹拌接合装置１００によれば、上ショルダ６、下ショルダ５、プローブ７が回転することで、板材Ｗ１との間に相互作用する力によって自動的に上ショルダ６と下ショルダ５との間隔を調整できるため、簡易な構造でコストを抑え、精度よく摩擦撹拌接合が可能となる。

なお、下ショルダ５の外周面を、スパナやレンチが嵌合可能な形状に形成してもよく、この場合には上ショルダ６への締め付け調整や、上ショルダ６からの下ショルダ５の取り外しなどが容易となり、使用性の向上につながる。

また、接合材Ｗの製造方法では、接合工程Ｓ４の後に、接合部の終端で上ショルダ６及び下ショルダ５を接合工程Ｓ４の実行時とは逆方向に、即ち、Ｚ軸方向の上方から見て軸線Ｐを中心として反時計回りに回転させる逆回転工程Ｓ５（図４参照）をさらに備えていてもよい。

この逆回転工程Ｓ５では、板材Ｗ１同士の接合完了後に、上ショルダ６及び下ショルダ５を反時計回りに回転させることで、板材Ｗ１から下ショルダ５に作用する摩擦力によって、下ショルダ５の回転が抑制される。一方で、上ショルダ６はそのまま反時計回りに回転しようとするため、上ショルダ６と下ショルダ５との間でこれらが相対的に回転しようとする力が生じる。

そして、このような相対的な回転にともなって、Ｚ軸方向の上方から見て反時計回り回転する上ショルダ６に対して、Ｚ軸方向の上方から見て時計回りにプローブ７が回転することになり、右ネジに形成されたプローブ７の雄ネジ部８が雌ネジ部１１に対して緩む方向に回転する。

よって、上ショルダ６と下ショルダ５とを離間させることが可能となるため、接合時に、摩擦撹拌接合時に撹拌された板材Ｗ１の一部によって、上ショルダ６と下ショルダ５とが固着等してしまった場合であっても、上ショルダ６から下ショルダ５を容易に取り外すことができる。また、上ショルダ６と下ショルダ５との間の間隔を広げることができるので、自動的に次の接合作業の準備を行うことができる。

また、摩擦撹拌接合を行う際に、Ｚ軸方向の上方から見て反時計回りに工具１を回転させてもよいが、この場合には、プローブ７の雄ネジ部８を左ネジとすることで、自動調整工程Ｓ４ａを実行することが可能となる。

さらに、上ショルダ６の下面６ａ、下ショルダ５の上面５ａの少なくとも一方には、Ｚ軸方向に凹むように溝が形成されていてもよい。このような溝によって、仮に板材Ｗ１の板厚が接合方向に大きくなった場合であっても、余分な肉厚分を掻き込むことができるため、このような板厚変動にも対応して接合を行うことができる。

〔第二実施形態〕
次に、図７及び図８を参照して、本発明の第二実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１１０について説明する。
第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、プローブ２７が上ショルダ２６と一体に設けられている点で、第一実施形態とは異なっている。

上ショルダ２６は、第一実施形態の上ショルダ６と略同一の部材であるが、雌ネジ部１１、穴部９、拡径穴部１０は設けられていない。

プローブ２７は、上ショルダ２６と同軸上に形成された第一実施形態と略同一形状の円柱状をなし、上ショルダ２６に接続されて上ショルダ２６の下面２６ａから軸線Ｐに沿ってＺ軸方向の下方に向かって延びている。また、Ｚ軸方向の下方の端部に雄ネジ部８（第一ネジ部）を有しており、本実施形態では、雄ネジ部８は右ネジとなっている。

下ショルダ２５は、第一実施形態と略同一形状の部材であり、プローブ２７の雄ネジ部８が螺合可能な雌ネジ部２１（第二ネジ部）を有している。

雌ネジ部２１は、下ショルダ２５の上面２５ａ（端面）から軸線Ｐに沿って、上ショルダ２６から離間する方向、即ちＺ軸方向の下方に向かって下ショルダ２５を貫通して形成された孔部２９に設けられている。
なお、本実施形態では、第一実施形態の拡径穴部１０に相当するものは孔部２９に形成されていないが、下ショルダ２５の上面２５ａと雌ネジ部２１との間に拡径穴部１０に相当するものを形成してもよい。

本実施形態の摩擦撹拌接合装置１１０によれば、上ショルダ２６とプローブ２７とが一体となったものを、プローブ２７の雄ネジ部８と下ショルダ２５の雌ネジ部２１とが螺合するように、下ショルダ２５にねじ込むことで、上ショルダ２６と下ショルダ２５との連結が容易である。そして、板材Ｗ１同士の接合時に、板材Ｗ１との間に相互作用する力によって、自動的に上ショルダ２６と下ショルダ２５との間隔を調整でき、簡易な構造でコストを抑えながら、精度よく摩擦撹拌接合が可能となる。

〔第三実施形態〕
次に、図９を参照して、本発明の第三実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１２０について説明する。
第一実施形態及び第二実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、プローブ３７、上ショルダ３６、及び下ショルダ３５が別体で設けられている点で、第一実施形態及び第二実施形態とは異なっている。

プローブ３７は、軸線Ｐの両側の端部に雄ネジ部８を有している。

上ショルダ３６は、第一実施形態における上ショルダ３６と略同一の部材であり、穴部９に雌ネジ部１１を有している。

下ショルダ３５は、第二実施形態における下ショルダ３５と略同一の部材であり、孔部２９に雌ネジ部２１を有している。

本実施形態の摩擦撹拌接合装置１２０によれば、プローブ３７、上ショルダ３６、下ショルダ３５が別々の部材となっていることで、各々の部材の製作が容易となる。そして、板材Ｗ１同士の接合時に、板材Ｗ１との間に相互作用する力によって自動的に上ショルダ３６と下ショルダ３５との間隔を調整でき、簡易な構造でコストを抑えながら、精度よく摩擦撹拌接合が可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

本発明は、板材Ｗ１同士を突き合わせて接合する際に用いる摩擦撹拌接合用工具、これを備えた摩擦撹拌接合装置、及び摩擦撹拌接合用工具によって接合材を製造する接合材の製造方法に関する。本発明の摩擦撹拌接合用工具、摩擦撹拌接合装置、及び接合材の製造方法によれば、簡易な構造でコストを抑えながら、精度よく摩擦撹拌接合が可能となる。

１…工具（摩擦撹拌接合用工具）５、２５、３５…下ショルダ（裏面側ショルダ）５ａ、２５ａ…上面６、２６、３６…上ショルダ（表面側ショルダ）６ａ、２６ａ…下面７、２７、３７…プローブ７ａ…撹拌溝８…雄ネジ部（第一ネジ部）９…穴部１０…拡径穴部１１、２１…雌ネジ部（第二ネジ部）２９…孔部１００、１１０、１２０…摩擦撹拌接合装置１０１…ベッド１０２…定盤１０３…装置本体（本体部）１０４…加工ヘッド（工具保持部）１０５…回転機構Ｗ…接合材Ｗ１…板材Ｗ１ａ…突合せ部Ｐ…軸線Ｓ１…準備工程Ｓ２…連結工程Ｓ３…調整工程Ｓ４…接合工程Ｓ４ａ…自動調整工程Ｓ５…逆回転工程Ｆ１…ねじ込み力Ｆ２…反力

ここで、ワークには、歪みや製作誤差による板厚の不均一性が生じていることがある。特に、ＡＰＭ（ＡｕｔｏｍａｔｅｄＰｅｏｐｌｅＭｏｖｅｒ）と呼ばれる軌道系交通システムの車両や、鉄道車両に用いられる外板等には、長尺の中空パネルが用いられる。そしてこのような長尺の部材では、長さ方向の厚み変化は顕著なものとなる。そして、例えば接合方向にワークの板厚が薄くなった場合には、ショルダ面からワークへの加圧力が低下し、十分な接合品質が得られないおそれがある。

また、本発明の第六の態様に係る摩擦撹拌接合装置は、上記第一から第五の態様のいずれかにおける摩擦撹拌接合用工具と、前記板材の表面側に設けられた本体部と、前記本体部に取り付けられて、前記摩擦撹拌接合用工具における前記表面側ショルダを保持し、該表面側ショルダを前記軸線を回転中心として前記本体部に対して回転させる工具保持部と、を備える。

上ショルダ３６は、第一実施形態における上ショルダ６と略同一の部材であり、穴部９に雌ネジ部１１を有している。

下ショルダ３５は、第二実施形態における下ショルダ２５と略同一の部材であり、孔部２９に雌ネジ部２１を有している。

本発明の第一の態様に係る摩擦撹拌接合用工具は、軸線の方向に延びる表面側ショルダと、前記表面側ショルダに前記軸線の方向に対向して設けられ、該表面側ショルダとで板材同士の突合せ部を挟み込んで前記板材に当接する裏面側ショルダと、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間で前記板材を貫通して配されて前記軸線の方向に延び、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとを連結するプローブと、を備え、前記プローブは、前記軸線の少なくとも一方側の端部に第一ネジ部を有し、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダのうちの少なくとも一方は、前記第一ネジ部に螺合するとともに、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの相対回転にともなって、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとが前記軸線の方向に近接するように螺合状態が変化し、前記第一ネジ部との螺合によって前記少なくとも一方と前記プローブとを接続する第二ネジ部を有し、前記螺合状態が変化して前記第一ネジ部に前記第二ネジ部がねじ込まれる際のねじ込み力と前記裏面側ショルダが板材から受ける加圧力の反力とがバランスした状態が、接合時の前記裏面側ショルダの板材への加圧力が最適な状態となるように、前記第一ネジ部及び前記第二ネジ部のリード角が設定されていることにより、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間の間隔が前記板材の板厚に応じて変動する。

また、本発明の第七の態様に係る接合材の製造方法は、軸線の方向に延びる表面側ショルダと、前記表面側ショルダに前記軸線の方向に対向して設けられ、該表面側ショルダとで板材同士の突合せ部を挟み込んで前記板材に当接する裏面側ショルダと、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間で前記板材を貫通して配されて前記軸線の方向に延び、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとを連結するプローブと、を備え、前記プローブは、前記軸線の少なくとも一方側の端部に第一ネジ部を有し、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダのうちの少なくとも一方は、前記第一ネジ部に螺合することで該少なくとも一方と前記プローブとを接続する第二ネジ部を有する摩擦撹拌接合用工具を用いて接合材を製造する接合材の製造方法であって、前記板材における前記突合せ部を前記軸線の方向に挟み込むように前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとを配するとともに、前記プローブを前記板材に貫通させる準備工程と、前記第二ネジ部を前記第一ネジ部に螺合させ、前記プローブによって前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとを連結する連結工程と、前記第一ネジ部と前記第二ネジ部との締め付け力の調整を行う調整工程と、前記調整工程で、所定の前記締め付け力で前記第一ネジ部と前記第二ネジ部とを締め付けた状態で、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダを前記軸線を中心として回転させて摩擦撹拌接合を行って前記板材同士を接合する接合工程と、を備え、前記接合工程は、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの相対回転にともなって、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとが近接するように前記第一ネジ部と前記第二ネジ部との螺合状態を自動的に変化させることにより、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間の間隔を前記板材の板厚に応じて変動させる自動調整工程を有する。

Claims

軸線の方向に延びる表面側ショルダと、
前記表面側ショルダに前記軸線の方向に対向して設けられ、該表面側ショルダとで板材同士の突合せ部を挟み込んで前記板材に当接する裏面側ショルダと、
前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間で前記板材を貫通して配されて前記軸線の方向に延び、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとを連結するプローブと、
を備え、
前記プローブは、前記軸線の少なくとも一方側の端部に第一ネジ部を有し、
前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダのうちの少なくとも一方は、前記第一ネジ部に螺合するとともに、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの相対回転にともなって、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとが前記軸線の方向に近接するように螺合状態が変化し、前記第一ネジ部との螺合によって前記少なくとも一方と前記プローブとを接続する第二ネジ部を有する摩擦撹拌接合用工具。
前記表面側ショルダが前記第二ネジ部を有し、
前記裏面側ショルダと前記プローブとが一体となっている請求項１に記載の摩擦撹拌接合用工具。
前記第二ネジ部は、前記表面側ショルダの端面から前記軸線に沿って前記裏面側ショルダから離間する方向に向かって形成された穴部に設けられた雌ネジであり、
前記穴部には、前記第二ネジ部と前記端面との間に前記プローブの外径よりも大きな内径を有する拡径穴部が形成されている請求項２に記載の摩擦撹拌接合用工具。
前記裏面側ショルダが前記第二ネジ部を有し、
前記表面側ショルダと前記プローブとが一体となっている請求項１に記載の摩擦撹拌接合用工具。
前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダが前記第二ネジ部を有し、
前記プローブは、前記軸線の両側の端部に第一ネジ部を有する請求項１に記載の摩擦撹拌接合用工具。
請求項１から５のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用工具と、
前記板材の表面側に設けられた本体部と、
前記本体部に取り付けられて、前記摩擦撹拌接合用工具における前記表面側ショルダを保持し、該表面側ショルダを前記軸線の方向を回転中心として前記本体部に対して回転させる工具保持部と、
を備える摩擦撹拌接合装置。
軸線の方向に延びる表面側ショルダと、前記表面側ショルダに前記軸線の方向に対向して設けられ、該表面側ショルダとで板材同士の突合せ部を挟み込んで前記板材に当接する裏面側ショルダと、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの間で前記板材を貫通して配されて前記軸線の方向に延び、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとを連結するプローブと、を備え、前記プローブは、前記軸線の少なくとも一方側の端部に第一ネジ部を有し、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダのうちの少なくとも一方は、前記第一ネジ部に螺合することで該少なくとも一方と前記プローブとを接続する第二ネジ部を有する摩擦撹拌接合用工具を用いて接合材を製造する接合材の製造方法であって、
前記板材における前記突合せ部を前記軸線の方向に挟み込むように前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとを配するとともに、前記プローブを前記板材に貫通させる準備工程と、
前記第二ネジ部を前記第一ネジ部に螺合させ、前記プローブによって前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとを連結する連結工程と、
前記第一ネジ部と前記第二ネジ部との締め付け力の調整を行う調整工程と、
前記調整工程で、所定の前記締め付け力で前記第一ネジ部と前記第二ネジ部とを締め付けた状態で、前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダを前記軸線を中心として回転させて摩擦撹拌接合を行って前記板材同士を接合する接合工程と、
を備え、
前記接合工程は、前記表面側ショルダと前記裏面側ショルダとの相対回転にともなって、これら表面側ショルダと裏面側ショルダとが近接するように前記第一ネジ部と前記第二ネジ部との螺合状態を自動的に変化させる自動調整工程を有する接合材の製造方法。
前記接合工程によって前記板材同士が接合された後に、接合部の終端で前記表面側ショルダ及び前記裏面側ショルダを前記接合工程とは逆方向に前記軸線を中心として回転させる逆回転工程をさらに備える請求項７に記載の接合材の製造方法。