JPWO2016098341A1 - 摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法 - Google Patents

Abstract

ピン部材（１１）と、ショルダ部材（１２）と、回転駆動器（５７）と、進退駆動器（５３）と、制御器（５１）と、を備え、制御器（５１）は、クランプ部材（１３）が被接合物を押圧する前に、ピン部材（１１）及び／又はショルダ部材（１２）が被接合物を押圧するように、進退駆動器（５３）を制御し、その後、ピン部材（１１）及びショルダ部材（１２）が被接合物を攪拌するように、回転駆動器（５７）及び進退駆動器（５３）を制御する、摩擦攪拌点接合装置。

Description

本発明は、摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法に関する。

自動車、鉄道車両、航空機等の輸送機器においては、金属材料を連結するときには、抵抗スポット溶接又はリベット接合が用いられていた。しかしながら、近年では、摩擦熱を利用して金属材料を接合する方法（摩擦攪拌点接合方法）が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている摩擦攪拌点接合方法では、略円柱状のピン部材と、該ピン部材を内挿するための中空を有する略円筒状のショルダ部材と、クランプ部材と、を備えていて、ピン部材とショルダ部材が、被接合物の一部を攪拌することで、被接合物を接合している。

特開２０１２−１９６６８２号公報

ところで、厳しい環境で使用される航空機等のリベット作業においては、耐食性を確保するために、被接合物間にシーラント材（シール材）を塗布することが求められる。そこで、本発明者等は、被接合物間にシーラント材を塗布して、摩擦攪拌点接合装置により、接合を行う方法について、鋭意検討したところ、以下に示す方法により、好適な精度で良好な接合品質を実現し得ることを見出し、本発明を想到した。

本発明は、複動式の摩擦攪拌点接合法において、シーラント材を塗布した被接合物を接合する場合に、良好な接合品質を実現し得る、摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る摩擦攪拌点接合装置は、回転軸線に沿って進退移動する回転工具を備え、重ね合された第１部材と第２部材との接触部分にシーラント材が塗布された被接合物に前記回転工具の先端部を押圧し、前記被接合物との接触部を回転させることにより、当該被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌点接合装置であって、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ピン部材と、円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されており、前記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ショルダ部材と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記軸線周りに回転させる回転駆動器と、円筒状に形成され、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が内部に挿通されており、前記軸線方向に進退移動可能に構成されているクランプ部材と、前記ピン部材、前記ショルダ部材、及び前記クランプ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、前記進退駆動器及び前記回転駆動器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記クランプ部材が前記被接合物を押圧する前に、前記ピン部材及び前記ショルダ部材の少なくとも一方の部材が前記被接合物を押圧するように、前記進退駆動器を制御する予備動作を実行し、その後、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が前記被接合物を攪拌するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を制御する攪拌動作を実行する。

これにより、シーラント材を塗布した被接合物を接合する場合であっても、シーラント材が接合される部分から押し出されるため、シーラント材が被接合物の塑性流動部に流入（混入）することが抑制され、良好な接合品質を実現し得る。

また、本発明に係る摩擦攪拌点接合方法は、回転軸線に沿って進退移動する回転工具を備え、重ね合された第１部材と第２部材との接触部分にシーラント材が塗布された被接合物に前記回転工具の先端部を押圧し、前記被接合物との接触部を回転させることにより、当該被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌点接合方法であって、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の部材にシーラント材を塗布し、前記シーラント材を挟むように、前記第１部材及び前記第２部材を接触させる（Ａ）と、円柱状に形成されているピン部材、及び円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材の少なくとも一方の部材が前記被接合物を押圧する（Ｂ）と、円筒状に形成され、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が内部に挿通されているクランプ部材が前記被接合物を押圧する（Ｃ）と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が前記被接合物を攪拌する（Ｄ）と、を備える。

これにより、シーラント材を塗布した被接合物を接合する場合であっても、シーラント材が接合される部分から押し出されるため、シーラント材が被接合物の塑性流動部に流入（混入）することが抑制され、良好な接合品質を実現し得る。

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点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法によれば、シーラント材を塗布した被接合物を接合する場合であっても、良好な接合品質を実現し得る。

図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置の制御構成を模式的に示すブロック図である。 図３は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図４Ａは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。 図４Ｂは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。 図４Ｃは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。 図５は、本実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。

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に係る摩擦攪拌点接合装置は、第１部材と第２部材が接触する部分にシーラント材が塗布されている被接合物を部分的に攪拌することにより接合する複動式の摩擦攪拌点接合装置であって、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、ピン部材及びショルダ部材を、ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、円筒状に形成され、ピン部材及びショルダ部材が内部に挿通されているクランプ部材と、ピン部材、ショルダ部材、及びクランプ部材を、それぞれ軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、回転駆動器及び進退駆動器を制御する制御器と、を備え、制御器は、クランプ部材が被接合物を押圧する前に、ピン部材及びショルダ部材の少なくとも一方の部材が被接合物を押圧するように、進退駆動器を制御する予備動作を実行し、その後、ピン部材及びショルダ部材が被接合物を攪拌するように、回転駆動器及び進退駆動器を制御する接合動作を実行する。

ここで、「押圧する」とは、被接合物の当接する部分からシーラント材を押し出すができる圧力を被接合物に加圧することをいい、例えば、１０００Ｎ〜７０００Ｎの圧力（以下、押圧力という）を被接合物にかけることをいう。

このため、制御器は、ピン部材、ショルダ部材、及びクランプ部材を（同時に）被接合物に当接させ、その後、ピン部材、ショルダ部材、及びクランプ部材の順に、被接合物を押圧するように、進退駆動器を制御してもよい。また、制御器は、クランプ部材を被接合物に当接させ、その後、ピン部材、ショルダ部材、及びクランプ部材の順に、被接合物を押圧するように、進退駆動器を制御してもよい。なお、「当接する」とは、押圧力よりも小さい圧力を被接合物にかけることをいい、例えば、１０００Ｎよりも小さい圧力を被接合物にかけることをいう。

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置では、制御器は、予備動作において、ピン部材、ショルダ部材、及びクランプ部材の順に被接合物を押圧するように、進退駆動器を制御してもよい。

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

［摩擦攪拌点接合装置の構成］
図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の概略構成を示す模式図である。なお、図１においては、図における上下方向を摩擦攪拌点接合装置における上下方向として表している。

図１に示すように、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、進退駆動器５３、クランプ部材１３、裏当て支持部５５、裏当て部材５６、及び回転駆動器５７を備えている。

ピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、進退駆動器５３、クランプ部材１３、及び回転駆動器５７は、Ｃ型ガン（Ｃ型フレーム）で構成される裏当て支持部５５の上部に設けられている。また、裏当て支持部５５の下部には、裏当て部材５６が設けられている。ピン部材１１、ショルダ部材１２及びクランプ部材１３と、裏当て部材５６と、は互いに対向する位置で裏当て支持部５５に取り付けられている。なお、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３と、裏当て部材５６と、の間には、被接合物６０が配置される。

ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、回転工具固定器５２１及びクランプ固定器５２２から構成される工具固定器５２に固定されている。具体的には、ピン部材１１及びショルダ部材１２は、回転工具固定器５２１に固定されていて、クランプ部材１３は、クランプ固定器５２２に固定されている。そして、回転工具固定器５２１は、回転駆動器５７を介して、クランプ固定器５２２に支持されている。

また、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、ピン駆動器５３１、ショルダ駆動器５３２、及びクランプ駆動器５３３から構成される進退駆動器５３によって、上下方向に進退駆動される。

ピン部材１１は、円柱状に形成されていて、図１には、詳細に図示されないが、回転工具固定器５２１により支持されている。また、ピン部材１１は、回転駆動器５７により、ピン部材１１の軸心に一致する軸線Ｘｒ（回転軸）周りに回転し、ピン駆動器５３１により、矢印Ｐ１方向、すなわち軸線Ｘｒ方向（図１では上下方向）に沿って、進退移動可能に構成されている。ピン駆動器５３１は、ピン部材１１に加圧力を与える構成であればよく、例えば、ガス圧、油圧、サーボモータ等を用いた機構を好適に用いることができる。

ショルダ部材１２は、中空を有する円筒状に形成されていて、回転工具固定器５２１により支持されている。ショルダ部材１２の中空内には、ピン部材１１が内挿されている。換言すると、ショルダ部材１２は、ピン部材１１の外周面を囲むように配置されている。

また、ショルダ部材１２は、回転駆動器５７により、ピン部材１１と同一の軸線Ｘｒ周りに回転し、ショルダ駆動器５３２により、矢印Ｐ２方向、すなわち軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。ショルダ駆動器５３２は、ショルダ部材１２に加圧力を与える構成であればよく、例えば、ガス圧、油圧、サーボモータ等を用いた機構を好適に用いることができる。

このように、ピン部材１１及びショルダ部材１２（回転工具）は、本実施の形態ではいずれも同一の回転工具固定器５２１によって支持され、いずれも回転駆動器５７により軸線Ｘｒ周りに一体的に回転する。さらに、ピン部材１１及びショルダ部材１２は、ピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２により、それぞれ軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。なお、本実施の形態１においては、ピン部材１１は単独で進退移動可能であるとともに、ショルダ部材１２の進退移動に伴っても進退移動可能となっているが、ピン部材１１及びショルダ部材１２がそれぞれ独立して進退移動可能に構成されてもよい。

クランプ部材１３は、ショルダ部材１２と同様に、中空を有する円筒状に形成されていて、その軸心が軸線Ｘｒと一致するように設けられている。クランプ部材１３の中空内には、ショルダ部材１２が内挿されている。

すなわち、ピン部材１１の外周面を囲むように、円筒状のショルダ部材１２が配置されていて、ショルダ部材１２の外周面を囲むように円筒状のクランプ部材１３が配置されている。換言すれば、クランプ部材１３、ショルダ部材１２及びピン部材１１が、それぞれ同軸心状の入れ子構造となっている。

また、クランプ部材１３は、クランプ駆動器５３３により、矢印Ｐ３方向（矢印Ｐ１及びＰ２と同方向）に進退可能に構成されている。クランプ駆動器５３３は、クランプ部材１３に加圧力を与える構成であればよく、例えば、ガス圧、油圧、サーボモータ等を用いた機構を好適に用いることができる。

ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、それぞれ先端面１１ａ、先端面１２ａ、及び先端面１３ａを備えている。また、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、進退駆動器５３により進退移動することで、先端面１１ａ、先端面１２ａ、及び先端面１３ａは、それぞれ、被接合物６０の表面に当接し、被接合物６０を押圧する。

裏当て部材５６は、本実施の形態１においては、平板状の被接合物６０の裏面を当接するように平坦な面（支持面５６ａ）により、支持するように構成されている。裏当て部材５６は、摩擦攪拌点接合を実施できるように被接合物６０を適切に支持することができるものであれば、その構成は特に限定されない。裏当て部材５６は、例えば、複数の種類の形状を有する裏当て部材５６が別途準備され、被接合物６０の種類に応じて、裏当て支持部５５から外して交換できるように構成されてもよい。

なお、本実施の形態１におけるピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、進退駆動器５３、クランプ部材１３、裏当て支持部５５、及び回転駆動器５７の具体的な構成は、前述した構成に限定されず、広く摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。例えば、ピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２は、摩擦攪拌接合の分野で公知のモータ及びギア機構等で構成されていてもよい。

また、裏当て支持部５５は、本実施の形態１においては、Ｃ型ガンで構成されているが、これに限定されない。裏当て支持部５５は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３を進退移動可能に支持するとともに、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３に対向する位置に裏当て部材５６を支持することができれば、どのように構成されていてもよい。

さらに、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、摩擦攪拌点接合用ロボット装置（図示せず）に配設される形態を採用している。具体的には、裏当て支持部５５が、ロボット装置のアームの先端に取り付けられている。このため、裏当て支持部５５も摩擦攪拌点接合用ロボット装置に含まれるとみなすことができる。裏当て支持部５５及びアームを含めて、摩擦攪拌点接合用ロボット装置の具体的な構成は特に限定されず、多関節ロボット等、摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。

なお、摩擦攪拌点接合装置５０（裏当て支持部５５を含む）は、摩擦攪拌点接合用ロボット装置に適用される場合に限定されるものではなく、例えば、ＮＣ工作機械、大型のＣフレーム、及びオートリベッター等の公知の加工用機器にも好適に適用することができる。

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、二対以上のロボットが、摩擦攪拌点接合装置５０における裏当て部材５６以外の部分と、裏当て部材５６と、を正対させるように構成されていてもよい。さらに、摩擦攪拌点接合装置５０は、被接合物６０に対して安定して摩擦攪拌点接合を行うことが可能であれば、被接合物６０を手持ち型にする形態を採用してもよく、ロボットを被接合物６０のポジショナーとして用いる形態を採用してもよい。

［摩擦攪拌点接合装置の制御構成］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０の制御構成について、図２を参照して具体的に説明する。

図２は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置の制御構成を模式的に示すブロック図である。

図２に示すように、摩擦攪拌点接合装置５０は、制御器５１、記憶器３１、及び入力器３２を備えている。

記憶器３１は、各種データを読み出し可能に記憶するものであり、記憶器３１としては、公知のメモリ、ハードディスク等の記憶装置等で構成される。記憶器３１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）として構成されてもよい。制御器５１等がマイクロコンピュータで構成されている場合には、記憶器３１の少なくとも一部がマイクロコンピュータの内部メモリとして構成されてもよいし、独立したメモリとして構成されてもよい。

なお、記憶器３１には、データが記憶され、制御器５１以外からデータの読み出しが可能となっていてもよいし、制御器５１等からデータの書き込みが可能になっていてもよいことはいうまでもない。

入力器３２は、制御器５１に対して、摩擦攪拌点接合の制御に関する各種パラメータ、あるいはその他のデータ等を入力可能とするものであり、キーボード、タッチパネル、ボタンスイッチ群等の公知の入力装置で構成されている。本実施の形態１では、少なくとも、被接合物６０の接合条件、例えば、被接合物６０の厚み、材質等のデータが入力器３２により入力可能となっている。

制御器５１は、摩擦攪拌点接合装置５０を構成する各部材（各機器）を制御するように構成されている。具体的には、制御器５１は、進退駆動器５３を構成するピン駆動器５３１、ショルダ駆動器５３２、及びクランプ駆動器５３３と、回転駆動器５７と、を制御する。これにより、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３の進出移動又は後退移動の切り替え、進退移動時のピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３における、先端位置の制御、移動速度、及び移動方向等を制御することができる。また、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３の被接合物６０を押圧する押圧力を制御することができる。さらに、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転数を制御することができる。

制御器５１の具体的な構成は、特に限定されず、本実施の形態１では、制御器５１は、マイクロコンピュータで構成されていて、ＣＰＵを備えている。制御器５１は、ＣＰＵが記憶器３１に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、進退駆動器５３及び回転駆動器５７の動作に関する演算を行うように構成されている。なお、制御器５１は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して、摩擦攪拌点接合装置５０の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。

そして、制御器５１は、被接合物６０の接合を開始するときに、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３の順に、被接合物６０を押圧するように、進退駆動器５３を制御する。

［摩擦攪拌点接合方法（摩擦攪拌点接合装置の動作）］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０の動作について、図３、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃを参照して具体的に説明する。なお、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃにおいては、被接合物６０として、２枚の金属板６１、６２を用い、金属板６２の上面（金属板６１との接触面）に、シーラント材６３を塗布し、これらを重ねて点接合にて連結する場合を例に挙げている。

図３は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。

なお、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃにおいては、摩擦攪拌点接合装置の一部を省略し、矢印ｒは、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転方向を示し、ブロック矢印Ｆは、金属板６１、６２に加えられる力の方向を示す。また、裏当て部材５６からも金属板６１、６２に対して力が加えられているが、説明の便宜上、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃには図示していない。さらに、ショルダ部材１２には、ピン部材１１及びクランプ部材１３との区別を明確とするために、網掛けのハッチングを施している。

まず、図４（Ａ）に示すように、裏当て部材５６の上面に金属板（第２部材）６２を載置し、シーラント材６３を塗布する。シーラント材６３としては、例えば、ポリサルファイド系合成ゴム、天然ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の合成ゴム、四フッ化エチレンゴム樹脂等の樹脂等を用いることができる。ついで、シーラント材６３を挟むように、金属板６２の上面に金属板（第１部材）６１を載置する（工程（Ａ））。

次に、制御器５１は、予備動作を実行する。具体的には、図３及び図４（Ａ）に示すように、制御器５１は、ピン部材１１が予め設定された第１押圧力Ｐ１で被接合物６０の表面６０ｃ（金属板６１の上面）を押圧するように、進退駆動器５３を駆動する（ステップＳ１０１；工程（Ｂ１））。ここで、第１押圧力は、任意に設定することができ、予め実験等で設定され、例えば、２０００〜１５０００Ｎであってもよく、ピン部材１１の直径及び被接合物６０の厚みから適切に決定される。

これにより、ピン部材１１と裏当て部材５６が、金属板６１、シーラント材６３、及び金属板６２を挟み込む。そして、ピン部材１１が被接合物６０の表面６０ｃを押圧することにより、鉛直方向から見て、ピン部材１１の先端面１１ａと重なる部分近傍に位置するシーラント材６３が、元の位置よりも外側に押し出される。このため、シーラント材６３は、被接合物６０の周面からはみ出る。

次に、制御器５１は、ショルダ部材１２が予め設定された第２押圧力で被接合物６０の表面６０ｃを押圧するように、進退駆動器５３を駆動する（ステップＳ１０２；工程（Ｂ２））。ここで、第２押圧力は、任意に設定することができ、予め実験等で設定され、例えば、２０００〜１５０００Ｎであってもよく、ショルダ部材１２の内外径及び被接合物６０の厚みから適切に決定される。

これにより、ピン部材１１及びショルダ部材１２と、裏当て部材５６とが、金属板６１、シーラント材６３、及び金属板６２を挟み込む。そして、ピン部材１１に加えて、ショルダ部材１２が被接合物６０の表面６０ｃを押圧することにより、鉛直方向から見て、ショルダ部材１２の先端面１２ａと重なる部分近傍に位置するシーラント材６３が、当該部分よりも外側に押し出され、被接合物６０の周面からはみ出る。

次に、制御器５１は、クランプ部材１３が予め設定された第１押圧力で被接合物６０の表面６０ｃを押圧するように、進退駆動器５３を駆動する（ステップＳ１０３；工程（Ｃ））。ここで、第３押圧力は、任意に設定することができ、予め実験等で設定され、例えば、２０００〜１５０００Ｎであってもよく、クランプ部材１３の内外径及び被接合物６０の厚みから適切に決定される。

これにより、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３と、裏当て部材５６と、が、金属板６１、シーラント材６３、及び金属板６２を挟み込む。そして、ピン部材１１及びショルダ部材１２に加えて、クランプ部材１３が被接合物６０の表面６０ｃを押圧することにより、鉛直方向から見て、クランプ部材１３の先端面１３ａと重なる部分近傍に位置するシーラント材６３が、当該部分よりも外側に押し出され、被接合物６０の周面からはみ出る。なお、シーラント材６３の一部は、被接合物６０の周縁部に存在し、被接合物６０の接合面をシールすることができる。

次に、制御器５１は、接合動作を実行する（工程（Ｄ））。具体的には、制御器５１は、予め設定された所定の回転数で、回転駆動器５７を駆動させて、ピン部材１１及びショルダ部材１２を被接合物６０の表面６０ｃに当接させた状態で回転させる（ステップＳ１０４；工程（Ｄ１））。この状態では、ピン部材１１及びショルダ部材１２共に進退移動しないので、被接合物６０の表面６０ｃを「予備加熱」することになる。これにより、金属板６１の当接領域における金属材料が摩擦により発熱することで軟化し、被接合物６０の表面６０ｃ近傍に塑性流動部６０ａが生じる。

次に、制御器５１は、ピン部材１１又はショルダ部材１２が所定の動作をするように、進退駆動器５３を制御する（ステップＳ１０５）。具体的には、制御器５１は、記憶器３１に記憶されている所定の制御プログラムに従って、進退駆動器５３を制御する。

このとき、制御器５１は、ピン部材１１の先端面の断面積をＡｐ、ショルダ部材１２の先端面の断面積をＡｓとし、ピン部材１１の圧入深さをＰｐ、ショルダ部材１２の圧入深さをＰｓとしたときに、次の式（Ｉ）
Ａｐ・Ｐｐ＋Ａｓ・Ｐｓ＝Ｔｘ ・・・ （Ｉ）
で定義されるツール平均位置Ｔｘの絶対値を小さくするように、進退駆動器５３を制御することが好ましく、ツール平均位置Ｔｘ＝０となるように、進退駆動器５３を制御することがより好ましい。なお、ツール平均位置Ｔｘの絶対値を小さくする具体的な制御については、特許文献１に詳細に開示されているため、ここでは、その説明を省略する。

次に、制御器５１は、ピン駆動器５３１及び／又はショルダ駆動器５３２（図１参照）を制御して、ピン部材１１を被接合物６０の表面６０ｃから後退させることで、ショルダ部材１２を被接合物６０の表面６０ｃからさらに内部に進入（圧入）させる（図４Ｂの工程（Ｄ２）参照）。このとき、金属材料の軟化部位は、上側の金属板６１から下側の金属板６２にまで及び、塑性流動部６０ａのボリュームが増加する。さらに、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料はショルダ部材１２により押し退けられ、ショルダ部材１２の直下からピン部材１１の直下に流動するので、ピン部材１１は後退し、ショルダ部材１２に対して浮き上がる。

次に、制御器５１は、ピン駆動器５３１を制御して、後退させたピン部材１１を徐々に金属板６１に進入（圧入）させる。これに伴って、ショルダ部材１２が金属板６１から後退する（図４Ｃの工程（Ｄ３）参照）。なお、当該工程（Ｄ３）は、後述する工程（Ｄ４）によって金属板６１の表面６０ｃが充分整形される場合には、実行されなくともよい。

そして、制御器５１は、工程（Ｄ２）から工程（Ｄ４）へ移行する場合には、ピン駆動器５３１を制御して、ピン部材１１を徐々に進入させる。一方、制御器５１は、工程（Ｄ２）から工程（Ｄ３）を経て工程（Ｄ４）へ移行する場合には、ピン駆動器５３１を制御して、ピン部材１１を徐々に引き込ませる。このとき、ピン部材１１又はショルダ部材１２は、いずれも引き込み動作中であっても、その先端による加圧力は維持されている（図４Ｂの工程（Ｄ２）の矢印Ｆ及び図４Ｃの工程（Ｄ３）の矢印Ｆ参照）。

このため、ショルダ部材１２が引き込まれる場合には、ピン部材１１による回転及び押圧が維持されているので、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料は、ピン部材１１の直下からショルダ部材１２の直下に流動し、ショルダ部材１２の圧入により生じた凹部が埋め戻されていく。

一方、ピン部材１１が引き込まれる場合には、ショルダ部材１２による回転及び押圧が維持されているので、塑性流動部６０ａの軟化した金属材料は、ショルダ部材１２の直下からピン部材１１の直下に流動し、その結果、ピン部材１１の圧入により生じた凹部が埋め戻されていく。

次に、制御器５１は、進退駆動器５３を制御して、ピン部材１１の先端面１１ａ及びショルダ部材１２の先端面１２ａを、互いに段差がほとんど生じない程度に合わせる（面一とする）（図４Ｃの工程（Ｄ４）参照）。これにより、被接合物６０の表面６０ｃが整形され、実質的な凹部が生じない程度の略平坦な面が得られる。

次に、制御器５１は、進退駆動器５３を制御して、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３を被接合物６０から離し、その後、回転駆動器５７を制御して、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転を停止させ、一連の摩擦攪拌点接合（被接合物６０の接合工程）を終了させる（図４Ｃの工程（Ｅ）参照）。これにより、ピン部材１１及びショルダ部材１２の当接による回転（及び押圧）は金属板６１、６２に加えられなくなるので、金属板６１、６２の双方に及ぶ塑性流動部６０ａでは、塑性流動が停止し、接合部６０ｂとなる。

このようにして、２枚の金属板６１、６２は接合部６０ｂによって連結（接合）される。なお、シーラント材６３は、所定期間が経過すると、硬化して、金属板６１及び金属板６２の接合面がシールされる。

このように、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０では、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３の順に、被接合物６０の表面６０ｃを押圧することにより、鉛直方向から見て、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３の各先端面と重なる部分近傍からシーラント材６３が押し出される。このため、ピン部材１１及びショルダ部材１２を回転させて、塑性流動部６０ａを生じさせるときに、シーラント材６３が塑性流動部６０ａに流入（混入）することを抑制することができ、良好な接合品質を実現し得る。

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０では、シーラント材６３が塑性流動部６０ａに流入（混入）することを抑制できるため、ピン部材１１及び／又はショルダ部材１２にシーラント材６３が付着することが抑制される。このため、被接合物６０を連続して接合するような場合に、ピン部材１１及び／又はショルダ部材１２の先端面が、被接合物６０の表面６０ｃを安定して押圧することができる。また、被接合物６０の表面６０ｃにシーラント材６３が付着することが抑制され、良好な接合品質を実現し得る。

（実施の形態２）
本実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置は、実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置において、制御器が、ピン部材及びショルダ部材が（同時に）被接合物を押圧し、その後、クランプ部材が被接合物を押圧するように、進退駆動器を制御する。

以下、本実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置は、実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置と基本的構成は同じであるため、その構成の説明は省略する。

［摩擦攪拌点接合方法（摩擦攪拌点接合装置の動作）］
図５は、本実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、実施の形態１と同様に、裏当て部材５６の上面に金属板６２を載置し、シーラント材６３を塗布する。ついで、シーラント材６３を挟むように、金属板６２の上面に金属板６１を載置する（図４Ａの工程（Ａ）参照）。

次に、図５に示すように、制御器５１は、ピン部材１１及びショルダ部材１２が予め設定された第４押圧力Ｐ４で被接合物６０の表面６０ｃ（金属板６１の上面）を押圧するように、進退駆動器５３を駆動する（ステップＳ２０１）。ここで、第４押圧力は、任意に設定することができ、予め実験等で設定され、例えば、２０００〜１５０００Ｎであってもよい。

これにより、ピン部材１１及びショルダ部材１２と、裏当て部材５６とが、金属板６１、シーラント材６３、及び金属板６２を挟み込む。そして、ピン部材１１及びショルダ部材１２が被接合物６０の表面６０ｃを押圧することにより、鉛直方向から見て、ピン部材１１の先端面１１ａ及びショルダ部材１２の先端面１２ａと重なる部分近傍に位置するシーラント材６３が、当該部分よりも外側に押し出され、被接合物６０の周面からはみ出る。

次に、制御器５１は、クランプ部材１３が予め設定された第１押圧力で被接合物６０の表面６０ｃを押圧するように、進退駆動器５３を駆動する（ステップＳ２０２）。

これにより、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３と、裏当て部材５６とが、金属板６１、シーラント材６３、及び金属板６２を挟み込む。そして、ピン部材１１及びショルダ部材１２に加えて、クランプ部材１３が被接合物６０の表面６０ｃを押圧することにより、鉛直方向から見て、クランプ部材１３の先端面１３ａと重なる部分近傍に位置するシーラント材６３が、当該部分よりも外側に押し出され、被接合物６０の周面からはみ出る。

次に、制御器５１は、予め設定された所定の回転数で、回転駆動器５７を駆動させて、ピン部材１１及びショルダ部材１２を被接合物６０の表面６０ｃに当接させた状態で回転させる（ステップＳ２０３）。

次に、制御器５１は、ピン部材１１又はショルダ部材１２が所定の動作をするように、進退駆動器５３を制御する（ステップＳ２０４）。なお、所定の動作は、実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０と同様の動作を実行するので、その詳細な説明は省略する。

このように構成された、本実施の形態２に係る摩擦攪拌点接合装置５０であっても、実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０と同様の作用効果を奏する。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、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形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨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。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

本発明の摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法は、シーラント材を塗布した被接合物を接合する場合であっても、良好な接合品質を実現し得るため、有用である。

１１ ピン部材
１１ａ 先端面
１２ ショルダ部材
１２ａ 先端面
１３ クランプ部材
１３ａ 先端面
３１ 記憶器
３２ 入力器
５０ 摩擦攪拌点接合装置
５１ 制御器
５２ 工具固定器
５３ 進退駆動器
５５ 裏当て支持部
５６ 裏当て部材
５６ａ 支持面
５７ 回転駆動器
６０ 被接合物
６０ａ 塑性流動部
６０ｂ 接合部
６０ｃ 表面
６０ｄ 裏面
６１ 金属板
６２ 金属板
６３ シーラント材
５２１ 回転工具固定器
５２２ クランプ固定器
５３１ ピン駆動器
５３２ ショルダ駆動器
５３３ クランプ駆動器

Claims (5)

1. 回転軸線に沿って進退移動する回転工具を備え、重ね合された第１部材と第２部材との接触部分にシーラント材が塗布された被接合物に前記回転工具の先端部を押圧し、前記被接合物との接触部を回転させることにより、当該被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌点接合装置であって、
   円柱状に形成されているピン部材と、
   円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、
   前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、
   円筒状に形成され、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が内部に挿通されているクランプ部材と、
   前記ピン部材、前記ショルダ部材、及び前記クランプ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、
   制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記クランプ部材が前記被接合物を押圧する前に、前記ピン部材及び前記ショルダ部材の少なくとも一方の部材が前記被接合物を押圧するように、前記進退駆動器を制御する予備動作を実行し、その後、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が前記被接合物を攪拌するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を制御する接合動作を実行する、摩擦攪拌点接合装置。
2. 前記制御器は、前記予備動作において、前記ピン部材、前記ショルダ部材、及び前記クランプ部材の順に前記被接合物を押圧するように、前記進退駆動器を制御する、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。
3. 回転軸線に沿って進退移動する回転工具を備え、重ね合された第１部材と第２部材との接触部分にシーラント材が塗布された被接合物に前記回転工具の先端部を押圧し、前記被接合物との接触部を回転させることにより、当該被接合物を摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌点接合方法であって、
   前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の部材にシーラント材を塗布し、前記シーラント材を挟むように、前記第１部材及び前記第２部材を接触させる（Ａ）と、
   円柱状に形成されているピン部材、及び円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材の少なくとも一方の部材が前記被接合物を押圧する（Ｂ）と、
   円筒状に形成され、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が内部に挿通されているクランプ部材が前記被接合物を押圧する（Ｃ）と、
   前記ピン部材及び前記ショルダ部材が前記被接合物を攪拌する（Ｄ）と、を備える、摩擦攪拌点接合方法。
4. 前記（Ｂ）は、前記ピン部材が前記被接合物を押圧する（Ｂ１）と、（Ｂ１）の後、前記ショルダ部材が前記被接合物を押圧する（Ｂ２）と、を備える、請求項３に記載の摩擦攪拌点接合方法。
5. 前記（Ａ）、前記（Ｂ）、前記（Ｃ）、及び前記（Ｄ）がこの順で実行される、請求項３又は４に記載の摩擦攪拌点接合方法。

Images