WO2011070749A1

WO2011070749A1 - 摩擦攪拌接合装置及び方法

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Publication number: WO2011070749A1
Application number: PCT/JP2010/007029
Authority: WO
Inventors: 良司大橋; 藤本　光生
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2011-06-16
Also published as: US8757470B2; EP2511038A1; KR101288475B1; EP2511038B1; CN102665998A; EP2511038A4; CN102665998B; US20130320070A1; JP5391046B2; US20120261457A1; US8528803B2; KR20120084768A; JP2011115842A

Abstract

摩擦攪拌接合装置（１）において、接合ツール（４）が回転しながら移動して被接合物（２）の被接合部（３）を押圧する接合時に、被接合部（３）の接合ツール（４）と反対側に当接して被接合物（２）を支持する裏当て部材（２１）に温度計測点（Ｔ）を設ける。さらに、この温度計測点（Ｔ）の温度を検出する熱電対（３４）及び温度測定器（３５）と、予め設定された接合ツール（４）の温度と裏当て部材（２１）の温度との相関関係とに基づいて、検出された温度計測点（Ｔ）の温度から推定された接合ツール（４）の温度を算出する温度監視手段（５３）と、接合ツール（４）の温度に基づいて、接合ツール（４）が過熱されないように所定の処置を実行する制御手段（５１）とを、摩擦攪拌接合装置（１）に備える。

Description

摩擦攪拌接合装置及び方法

　本発明は、複数の鋼製部材を接合するための摩擦攪拌接合装置及び方法に関する。

　従来、複数の鋼製部材を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ；Friction　Stir　Welding）が知られている。この摩擦攪拌接合は、接合ツールの先端に設けられた突起部を、接合させる部材の被接合部に回転させながら押し付けることによって、被接合部周辺を摩擦熱で軟化させることと、被接合部周辺の軟化した部分を攪拌して塑性流動させることと、被接合部を接合ツールから離して冷却させることとを行って、複数の鋼製部材を接合する方法である。

　特許文献１及び特許文献２では、上記摩擦攪拌接合を利用してスポット接合を行う装置又は方法が開示されている。特許文献１では、被接合部に接合ツールを没入させる前にレーザー光で被接合部を軟化させて、接合ツールの突起部の摩耗を低減する摩擦攪拌装置が開示されている。また、特許文献２では、接合中の被接合部の温度に応じて接合ツールの動作制御を行って、複数の鋼製部材の被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制する摩擦攪拌接合方法が開示されている。この接合方法では、被接合部を介して接合ツールと反対側に配置されて接合ツールからの圧を受ける受け部材に、被接合部の温度を計測する温度センサを備えている。この温度センサで検出された被接合部の温度がＡ３変態点以上になると、接合ツールの回転速度や押圧力などの加工条件が調整される。Ａ３変態点は、金属組織がオーステナイトに変態する温度である。そして、加工条件が調整された後、被接合部の温度がＡ１変態点以下になると、接合ツールが被接合部から引き抜かれる。Ａ１変態点は、共析温度である。

特開２００６－２１２１７号公報特開２００８－７３６９４号公報

　摩擦攪拌接合において、接合加工中に接合ツール（特に、突起部）が摩耗することにより、接合ツールの被接合部への没入が早まって、接合ツールが過剰に温度上昇することがある。接合ツールの温度が過剰に上昇すると、接合ツール自身の寿命が低下し、接合ツールの交換頻度が高くなり経済的ではない。また、摩耗しすぎた接合ツールを用いて接合加工を行うと、接合不良が生じることがある。このような不具合を解消するために、接合加工中の接合ツールの温度状況を管理することが望ましい。ところが、従来の摩擦攪拌接合装置において接合ツールの温度を直接的に検出するためには、接合ツールが回転することから、接合ツールに備えた温度検出手段と計測装置本体との間に高価な遠隔測定システムを構築する必要が生じる。さらに、摩擦攪拌接合装置の接合ツールは定期的に交換されるが、このようなメンテナンスのたびに接合ツールに備えた温度検出手段を付けたり外したりする作業を行わねばならない。また、特許文献２に記載されているように、接合ツールからの圧を受ける受け部材に被接合部の温度を計測する温度センサを設けて被接合部の温度を検出する構成とすれば、前述したような接合ツールに温度検出手段を設ける場合に生じる課題は発生しない。しかし、一般に接合時の被接合部の温度は接合ツールの温度よりも低く、この被接合部の温度がＡ３変態点（約９００℃）となれば接合ツールの実際の温度は１２００℃を超えていることが想定され、特許文献２に記載された摩擦接合方法では接合ツールの寿命の低下に繋がるおそれがある。

　本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、接合ツールを備えて被接合物の摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法であって、接合ツールの寿命を無駄に低下させることのないように接合時に接合ツールの温度を監視するものを提供することを目的とする。

　本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、先端に被接合物の被接合部と接触する突起部を有する接合ツールと、前記接合ツールを軸周りに回転させる回転駆動手段と、前記接合ツールを軸線方向に移動させる移動手段と、前記接合ツールが回転しながら移動して前記被接合物の被接合部を押圧する接合時に、前記被接合部の前記接合ツールと反対側に当接して前記被接合物を支持する裏当て部材と、予め設定された加工条件に基づいて前記回転駆動手段及び前記移動手段の動作を制御する制御手段と、前記裏当て部材に設けた温度計測点の温度を検出する温度検出手段と、前記温度計測点の温度を取得し、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度との相関関係に基づいて、前記温度計測点の温度から推定された接合ツールの温度を算出する温度監視手段とを、備えるものである。

　同じく、本発明に係る含む摩擦攪拌接合方法は、裏当て部材で支持された被接合物の被接合部を、軸周りに回転する接合ツールで押圧することにより、発生した摩擦熱で前記被接合部を軟化させ、この軟化した部分に前記接合ツールの少なくとも一部を没入させて攪拌することにより、前記被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記裏当て部材に設けた温度計測点の温度を検出するステップと、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度の相関関係に基づいて、検出された前記温度計測点の温度から推定された接合ツールの温度を算出するステップとを含むものである。

　上記によれば、接合時に接合ツールの裏当て部材に備えた温度検出手段で検出した温度から推定された接合ツールの温度を得て記録し、これを時系列に並べて分析することにより、接合ツールの温度状況を監視することができる。接合ツールの温度を監視することにより、接合ツールの過熱を知って、これを防止するための処置をとることが可能となる。さらに、接合時の接合ツールの温度の記録は、被接合物の各接合点の品質保証のために利用することができる。そして、接合ツールの温度を間接的に検出する温度検出手段は、回転する接合ツールではなく裏当て部材に設けられているので、装置における温度検出手段の配線が簡易であり、装置が複雑となったり巨大化したりすることがない。

　さらに、前記摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段は、前記接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、前記接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、前記接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含むことがよい。

　上記によれば、推定された接合ツールの温度が上限温度に達したときに、接合加工が強制終了される。よって、接合ツールの過熱を未然に防止できるので、接合ツールをその寿命を短縮させないように使用できる。また、接合ツールの過熱は、接合ツールの摩耗に起因するので、摩耗した接合ツールにより接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。

　或いは、前記摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段は、前記接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、前記接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、前記接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させるステップとを、更に含むことがよい。

　上記によれば、接合ツールが上限温度を超えないように、接合加工の加工条件が調整されるので、接合ツールの過熱が未然に防止されて、接合ツールをその寿命を短縮させないように使用できる。

　また、前記摩擦攪拌接合装置において、前記温度監視手段は、接合加工を開始してから前記接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測し、前記制御手段は、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、接合加工を開始してから前記接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測するステップと、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含むことがよい。

　上記において、ピーク温度到達時間が正常値の範囲から外れるとき（特に、短いとき）は、接合ツールの摩耗により没入が早まることが想定される。このようなときに、接合加工が強制終了される。よって、接合ツールの過熱を未然に防止できるとともに、摩耗した接合ツールにより接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。

　また、前記摩擦攪拌接合装置において、前記温度計測点は、前記接合ツールの回転軸の延長線上に配置されていることがよい。さらに、前記摩擦攪拌接合装置において、前記温度計測点Ｔは、前記裏当て部材の内部であって前記裏当て部材の前記被接合物と当接する面から０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れたところに位置していることがよい。これにより、温度検出手段と接合ツールとを直接干渉させることがなく、且つ、温度検出手段で接合ツールの温度の変化をより精確に捉えることができる。

　本発明によれば、摩擦攪拌接合時に接合ツールの裏当て部材に備えた温度検出手段で検出した温度から接合ツールの温度を推定し、推定された接合ツールの温度に基づいて接合ツールの温度を監視することができる。接合ツールの温度変化を監視することにより、接合ツールの温度状況を知って、接合ツールの過熱を防止するための処置をとることができる。ひいては、接合不良の発生防止を図ることができる。さらに、得られた接合ツールの温度変化に関する情報を、被接合物の各接合点の品質を保証するために用いることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置の全体的な概略構成を示した図である。図２は、接合時の接合ツールと支持具との様子を示す一部断面図である。図３は、接合時の接合ツールのピン部と裏当て部材の裏当て部との温度の関係を示す図表である。図４は、制御装置の処理の流れを説明するフローチャートである。図５は、接合時の接合ツールのピン部の温度の時間変化を示す図表である。

　以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。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。

　（摩擦攪拌接合装置１の構成）
　図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置１は、軸周りに回転する接合ツール４を備えている。摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール４を被接合物２の被接合部３に回転させながら押し付けて、被接合部３及びその周辺を摩擦熱によって軟化させ、軟化した被接合部３へ接合ツール４の一部を没入させ、接合ツール４の回転により軟化した被接合部３及びその周辺を攪拌して塑性流動させる。この被接合部３が冷却されて硬化すると、被接合物２の被接合部３は固相接合された接合部となる。なお、被接合物２は、摩擦攪拌接合により接合可能な材料からなる複数の物である。本実施の形態に係る被接合物２は、重ね合わされた２枚の鋼板２ａ，２ｂである。

　摩擦攪拌接合装置１は、基体１２と、基体１２に対して軸線Ｌ１方向に往復移動可能に設けられた移動体１５と、移動体１５の下端部に設けられたツール保持体１６と、ツール保持体１６の下端部に回転可能に設けられた回転ロッド１７と、回転ロッド１７に設けられた接合ツール４とを備えている。摩擦攪拌接合装置１に、接合ツール４に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段をさらに備えてもよい。接合ツール４は、先端に円錐台状又は円柱状のピン部４８（突起部）を有し、硬質セラミックス（例えば、窒化ケイ素など）で構成されている。接合ツール４は回転ロッド１７に対して着脱可能に取り付けられており、接合ツール４が摩耗したときには、新しい接合ツール４と交換できるようになっている。

　基体１２には、直線移動駆動部１３と回転駆動部１４とが設けられている。移動体１５を移動させる手段である直線移動駆動部１３は、移動体１５を軸線Ｌ１方向に往復移動させることができる。このために、直線移動駆動部１３は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を軸線Ｌ１に沿う直線移動力として移動体１５へ伝達する動力伝達手段とを備えている。一方、回転ロッド１７の回転駆動手段である回転駆動部１４は、回転ロッド１７を軸線Ｌ２（回転軸）まわりに回転させることができる。このために、回転駆動部１４は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を軸線Ｌ２まわりの回転として回転ロッド１７へ伝達する回転用動力伝達手段とを備えている。なお、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２は略平行である。

　摩擦攪拌接合装置１は、被接合物２の被接合部３に対して接合ツール４を接合加工に好適な位置へ移動させるために、例えば、多関節ロボット７のロボットアーム８の手首９に取り付けて使用される。摩擦攪拌接合装置１は、この装置を多関節ロボット７のロボットアーム８の手首９に着脱可能に取り付けるために、接続フレーム１１と屈曲アーム１９とを備えている。接続フレーム１１の一側はロボットアーム８の手首９に固定され、他側は摩擦攪拌接合装置１の基体１２に固定されている。屈曲アーム１９は略Ｌ字状に屈曲した形状を有し、その上端部は基体１２に固定され、その下端部は接合ツール４の下方まで持ち出されて、ここに支持台２０が設けられている。支持台２０は、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に裏当て部材２１を備えている。

　裏当て部材２１は、接合時に接合ツール４が回転しながら移動して被接合物２の被接合部３を押圧するときに、被接合部３の接合ツール４と反対側に当接して、接合ツール４から圧を受ける被接合物２を支持するものである。図２にも示すように、裏当て部材２１は、略円柱状の裏当て部３１と、裏当て部３１を収容するホルダ部３２とで構成されている。裏当て部材２１のうち少なくとも裏当て部３１は、窒化ケイ素等の硬質セラミックスより成る。裏当て部３１は一端面が露出した状態でホルダ部３２に収容されている。この裏当て部３１の一端面は接合ツール４のピン部４８と対峙している。裏当て部材２１は、裏当て部３１の一端面で被接合物２の被接合部３に裏側から接触して、被接合物２を支持する。以下では、裏当て部３１の被接合物２と接触する一端面を「上面」とし、この上面と反対側の端面を「底面」という。

　裏当て部３１には、底面に開口する直径約２．０ｍｍの検出用穴３１ａが形成されている。検出用穴３１ａは、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に位置する。検出用穴３１ａの穴底は、裏当て部３１の上面からおよそ０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れている。検出用穴３１ａの穴底は、接合ツール４の温度を間接的に検出するための温度計測点Ｔとされている。この温度計測点Ｔの温度検出手段として、摩擦攪拌接合装置１は熱電対３４と温度測定器３５とを備えている。熱電対３４は温度測定器３５と接続され、温度測定器３５は後述する制御装置２２と接続されている。

　熱電対３４の検出点３４ａは、裏当て部３１の検出用穴３１ａの穴底に敷き詰められた均熱材３３と接続されている。均熱材３３は、例えば、アルミニウムなどの熱・電気の良導体で構成されている。熱電対３４の検出点３４ａは、接合ツール４の温度の変化をより精確に捉えるために、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に位置することが好ましい。但し、本実施形態では、均熱材３３を検出用穴３１ａの穴底に設けることで点よりも広い範囲の温度検出を可能として、熱電対３４の検出点３４ａの軸線Ｌ２からの変位が許容されている。

　温度測定器３５は、電圧計を備えており、熱電対３４の冷接点（不図示）と検出点３４ａとに生じた熱起電力を検出して、検出点３４ａの温度を測定する。温度測定器３５は、測定された検出点３４ａの温度を後述する制御装置２２へ送信する。測定された検出点３４ａの温度は、すなわち、裏当て部材２１内の温度計測点Ｔの温度である。被接合物２と接触する裏当て部材２１内の温度計測点Ｔの温度は、接合ツール４の温度を間接的に検出するために利用される。

　上述のように、接合ツール４の温度は、それよりも低温の裏当て部材２１で間接的に検出されることから、熱電対３４は、例えば、クロメル－アルメル熱電対（Ｋ熱電対）程度の比較的安価で入手が容易な検出体を用いることができる。また、基体１２に対して相対位置固定された裏当て部材２１に温度計測点Ｔを設けることで、熱電対３４と温度測定器３５とを有線で接続できるので配線構造が簡易となる。よって、熱電対３４と温度測定器３５によるボリュームや重量の著しい増加が抑制される。さらに、熱電対３４の検出点３４ａは、裏当て部材２１内に位置するので、熱電対３４が被接合部３や接合ツール４と直接接触して損傷することがない。しかも、裏当て部材２１は接合ツール４と比較して交換頻度が低いので、装置のメンテナンスのたびに裏当て部材２１を解体して熱電対３４を配線し直すなどの煩雑な作業は不要である。

　さらに、摩擦攪拌接合装置１は、制御装置２２を備えている。制御装置２２は、摩擦攪拌接合装置１の動作を制御する接合制御部５１と、多関節ロボット７の動作を制御するロボット制御部５２と、接合ツール４の温度状況を記録し監視する温度監視部５３との各機能部を備えている。制御装置２２は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）と、ＣＰＵが実行するプログラムおよびこれらプログラムに使用されるデータを書き替え可能に記憶するＥＥＰＲＯＭ（Electrically　Erasable　and　Programmable　Read　Only　Memory）と、プログラム実行時にデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random　Access　Memory）とを含んで構成されている。制御装置２２には、制御装置２２に対して指令や加工条件などの情報を入力する入力装置５６や、制御装置２２の処理結果が出力される出力装置５７等が接続されている。また、制御装置２２は、多関節ロボット７、直線移動駆動部１３、回転駆動部１４および温度測定器３５に電気的に接続されている。制御装置２２は、ＣＰＵで所定のプログラムが実行されることにより、上記各機能部５１，５２，５３としての機能を発揮することができる。なお、本実施形態では、１つの制御装置２２に接合制御部５１、ロボット制御部５２および温度監視部５３としての機能が搭載されているが、これらはそれぞれ異なるコンピュータに分散して搭載されていても良い。

　（摩擦攪拌接合装置１による接合加工の流れ）
　ここで、上記構成の摩擦攪拌接合装置１による接合加工の流れを説明する。接合加工を行うに際して、接合される鋼板２ａ，２ｂの材質、板厚などに基づき、制御装置２２に加工条件が設定される。この加工条件には、接合ツール４の目標回転数（回転速度）、押圧力、最大押込み量（被接合部３への没入量）、接合加工時間（没入時間）などが含まれる。加工条件は、一例として、接合される鋼板２ａ，２ｂの材料がＪＩＳＧ３１４１「冷間圧延軟鋼板及び鋼帯」に規定されるＳＰＣＣ２７０であるときに、接合ツール４の目標回転数を２０００ｒｐｍとし、接合ツール４の押圧力を４４４０Ｎとすることができる。また、被接合物２は、その被接合部３が裏当て部材２１の裏当て部３１の上面と当接するように位置決めされる。

　接合加工を開始すると、制御装置２２の接合制御部５１は、回転駆動部１４に、回転ロッド１７と接合ツール４とを一体的に回転させる。接合ツール４の回転数が目標回転数となったところで、制御装置２２は、直線移動駆動部１３に、ピン部４８が被接合物２の被接合部３に当接するまで接合ツール４を軸線Ｌ１に沿って移動させる。これにより、被接合物２の被接合部３は、接合ツール４のピン部４８と裏当て部材２１の裏当て部３１とで挟み込まれて加圧されるとともに、回転するピン部４８との間で発生する摩擦熱により加熱される。やがて、被接合物２の被接合部３及びその周辺は、摩擦熱により軟化する。

　そして、接合ツール４の回転及び押圧を更に継続すると、接合ツール４のピン部４８は、軟化した被接合部３に所定量だけ没入してその周りを攪拌する。これにより、被接合物２の被接合部３に塑性流動が生じる。制御装置２２は、所定の接合加工時間（ピン部４８の没入時間）が経過した後、回転駆動部１４に接合ツール４を逆回転させ、直線移動駆動部１３に接合ツール４を被接合物２の被接合部３から引き抜く方向へ移動させる。接合ツール４が被接合物２の被接合部３から引き抜かれると、被接合部３は冷却されて硬化し、被接合部３の接合が完了する。

　上述した摩擦攪拌接合装置１による接合加工中に、制御装置２２の温度監視部５３は、接合ツール４の温度の履歴（変化）を記録し、接合ツール４の温度変化を監視している。なお、本実施形態に係る温度監視部５３は、接合ツール４の温度の記録機能と監視機能を併せて備えているが、これらの機能を独立させて温度記録部と温度監視部とをそれぞれ備えることもできる。

　図３は接合時の接合ツールのピン部と裏当て部材の裏当て部との温度の関係を示す図表である。図３の図表において、縦軸は温度を表し、横軸は接合加工時間を表し、菱形印は接合ツール４のピン部４８の温度を表し、四角形印は裏当て部材２１の裏当て部３１（厳密には、検出用穴３１ａの穴底）の温度を表している。なお、図３の図表は、摩擦攪拌接合装置１を用いて実験的に摩擦攪拌接合を行い、接合加工の途中で被接合物２の被接合部３から接合ツール４のピン部４８を抜き出した直後のピン部４８の温度と、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度とを、それぞれ放射温度計で計測して得られたデータで作成されている。図３の図表から、接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度とが相関関係を有することが明らかである。よって、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度を検出することにより、接合時の接合ツール４のピン部４８の温度を推定することが可能である。なお、例えば図３の図表に示すような、接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度（温度計測点Ｔの温度）との相関関係を示す情報（以下、「ツール－計測点温度相関データ」という）は、被接合物２と接合ツール４のピン部４８の組み合わせごとに実験やシミュレーション等により求められて、式、マップ又はテーブルとして制御装置２２に予め利用可能に格納されている。

　図４は制御装置２２の温度監視部５３の処理の流れを説明するフローチャートである。図４に示すように、制御装置２２の温度監視部５３は、前述の接合加工中に、熱電対３４及び温度測定器３５で検出された温度計測点Ｔの温度情報（即ち、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度情報）を取得する（ステップＳ１）。温度監視部５３は、取得した温度計測点Ｔの温度とツール－計測点温度相関データとに基づいて、推定された接合ツール４（詳細には、接合ツール４のピン部４８）の温度を算出する（ステップＳ２）。そして、温度監視部５３は、算出された接合ツール４の温度を、メモリ又はデータベース５４に記録する（ステップＳ３）。以上の通り、温度監視部５３が連続的に又は所定時間間隔で断続的に接合ツール４の温度の算出と記録を行うことにより、記録された接合ツール４の温度を時系列に並べて成る接合ツール４の温度履歴が生成される。なお、データベース５４に記録された接合ツール４の温度は、被接合物２の接合を保証するために利用できる。

　接合加工中の接合ツール４の温度は摩擦により上昇するが、その温度が異常なまで上昇すると接合ツール４は過熱によって寿命が短縮化されるので、接合ツール４の交換頻度が高くなり、経済的ではない。そこで、制御装置２２の温度監視部５３は、次に示すように接合ツール４の温度変化を監視する。

　制御装置２２の温度監視部５３は、データベース５４に記録された接合ツール４の温度と所定の上限温度とを比較する（ステップＳ４）。なお、所定の上限温度は、接合ツール４に応じて適宜定められて制御装置２２に予め利用可能に格納されている。例えば、本実施の形態に係る接合ツール４は、窒化ケイ素を含んで構成されているので、接合ツール４の寿命を無駄に低下させることのない上限温度は約８５０℃に設定されている。

　そして、ステップＳ４において、接合ツール４の温度が所定の上限温度又はそれよりも高くなれば（ステップＳ５でＹＥＳ）、温度監視部５３は、出力装置５７を通じて警告を発するとともに（ステップＳ６）、接合制御部５１に接合ツール４を過熱させないための所定の処置を実行させる（ステップＳ７）。接合ツール４を過熱させないための所定の処置とは、例えば、接合加工を強制的に終了させる処置、又は、加工条件を適宜調整する処置のいずれか一方のことである。加工条件を適宜調整する処置には、例えば、直線移動駆動部１３の出力を調整して押圧力を加減する処置、回転駆動部１４の出力を調整して接合ツール４の回転速度（回転数）を加減する処置、及び接合加工時間（接合ツール４の没入時間）を加減する処置のいずれか一つ又は複数の組み合わせが含まれる。

　このように、接合ツール４の温度が上限温度に達したときに、接合加工が強制終了される或いは接合ツール４が上限温度を超えないように接合加工の加工条件が調整されるので、接合ツール４の過熱を未然に防止できる。よって、接合ツール４をその寿命を短縮させないように使用することができる。さらに、接合ツール４の過熱は、接合ツール４の摩耗による摩擦面積増大に起因するので、摩耗した接合ツール４により接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。

　一方で、接合ツール４のピン部４８が摩耗すると、接合加工により得られた被接合物２の接合部の接合強度が十分でないことがあり、従って、接合ツール４が許容できないまでに摩耗したときには、接合ツール４を交換せねばならない。

　図５は接合時の接合ツールの温度の時間変化を示す図表である。図５の図表において、縦軸が接合ツールの温度を表し、横軸が接合加工時間を表し、実線が摩擦が正常時の接合ツールの温度変化を表し、二点鎖線が摩擦過剰時の接合ツールの温度変化を表している。図５の図表から、接合ツール４が摩耗して摩擦面積が過剰に増大している場合には、摩擦が正常であるときと比較して早い接合加工時間で所定のピーク温度に到達することがわかる。そこで、このような接合ツール４の温度変化の特徴を利用して、温度監視部５３は接合ツール４の過熱状況に加えて摩耗状況も管理するように構成されている。具体的には、制御装置２２の温度監視部５３は、生成された接合ツール４の温度履歴から接合ツール４の温度が所定のピーク温度に達するピーク温度到達時間を測定する。そして、温度監視部５３は、ピーク温度到達時間が所定の正常値の範囲から外れるときには、出力装置５７を通じて警告を発するとともに、接合制御部５１に接合加工を強制的に終了させる。

　このように、ピーク温度到達時間が正常値の範囲から外れるとき（特に、短いとき）は、接合ツール４の摩耗により接合ツール４の被接合部３への没入が早まることが想定される。よって、上記のように接合ツール４の摩耗が推定される場合に、接合加工が強制終了されることで、接合ツール４の過熱を未然に防止できる。さらに、摩耗した接合ツール４により接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。

　（その他の実施形態）
　なお、上記実施形態では、摩擦攪拌接合装置１を、重ね合わせた２枚の鋼板２ａ，２ｂをスポット接合するために用いている。但し、摩擦攪拌接合装置１の接合対象はこれに限定されず、例えば、被接合物２は重ね合わせた３枚以上の鋼板であってよい。さらに、摩擦攪拌接合装置１の接合形態はスポット接合に限らず、例えば、２枚の鋼板をつきあわせて接合する形態であってよい。この場合、線状に延びる接合部分を裏当て部材２１で裏当てし、この裏当て部材２１の全長にわたって温度計測可能に温度検出手段を設けて、この温度検出手段で間接的に検出された接合ツール４の温度に基づいて接合ツール４の制御を行うようにすればよい。

　以上の通り、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から導き出される発明の範囲内のものと解釈される。

　本発明は、特に、一般構造用鋼材、建築用構造用鋼材、及び軌道車両や自動車などの車両用鋼板などの鉄鋼材料からなる被接合物を接合するために好適な摩擦攪拌接合装置に利用することができる。

　１　摩擦攪拌接合装置
　２　被接合物
　　３　被接合部
　４　接合ツール
　　４８　ピン部（突起部）
　７　多関節ロボット
　１１　接続フレーム
　１２　基体
　１３　直線移動駆動部
　１４　回転駆動部
　１５　移動体
　１６　ツール保持体
　１７　回転ロッド
　２０　支持台
　２１　裏当て部材
　２２　制御装置
　３１　裏当て部
　　３１ａ　検出用穴
　３２　ホルダ部
　３３　均熱材
　３４　熱電対
　３５　温度測定器
　５１　接合制御部
　５２　ロボット制御部
　５３　温度監視部

Claims

　先端に被接合物の被接合部と接触する突起部を有する接合ツールと、
　前記接合ツールを軸周りに回転させる回転駆動手段と、
　前記接合ツールを軸線方向に移動させる移動手段と、
　前記接合ツールが回転しながら移動して前記被接合物の被接合部を押圧する接合時に、前記被接合部の前記接合ツールと反対側に当接して前記被接合物を支持する裏当て部材と、
　予め設定された加工条件に基づいて前記回転駆動手段及び前記移動手段の動作を制御する制御手段と、
　前記裏当て部材に設けた温度計測点の温度を検出する温度検出手段と、
　前記温度計測点の温度を取得し、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度との相関関係に基づいて、前記温度計測点の温度から推定された接合ツールの温度を算出する温度監視手段とを備える、摩擦攪拌接合装置。
　前記制御手段は、前記接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記制御手段は、前記接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記温度監視手段は、接合加工を開始してから前記接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測し、
　前記制御手段は、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記温度計測点は、前記接合ツールの回転軸の延長線上に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置。
　前記温度計測点は、前記裏当て部材の内部であって前記裏当て部材の前記被接合物と当接する面から０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れたところに位置している、請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置。
　裏当て部材で支持された被接合物の被接合部を、軸周りに回転する接合ツールで押圧することにより、発生した摩擦熱で前記被接合部を軟化させ、この軟化した部分に前記接合ツールの少なくとも一部を没入させて攪拌することにより、前記被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦攪拌接合方法であって、
　前記裏当て部材に設けた温度計測点の温度を検出するステップと、
　予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度の相関関係に基づいて、検出された前記温度計測点の温度から推定された接合ツールの温度を算出するステップとを、含む摩擦攪拌接合方法。
　前記接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、
　前記接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
　前記接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、
　前記接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させるステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
　接合加工を開始してから前記接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測するステップと、
　前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。