WO2015156362A1 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

摩擦撹拌接合装置（１）は、ワーク（Ｗ）間の接合線（Ｊ）に沿って延びる隙間（３）を形成した一対のワーク定盤（４）と、隙間（３）から上方に突出した摩擦撹拌接合用ツール（６）を回転可能に備えた接合装置本体（５）と、接合装置本体（５）のリニアガイド機構（１０）と移動装置（１１）を備える。移動装置（１１）は、隙間（３）に沿う方向に延びる一対のピンラック（１２）を、摩擦撹拌接合用ツール（６）のツール移動経路の真下位置を対象軸とする幅方向両側の対称位置に配置し、個別に噛み合うピンギア（１８）を接合装置本体（５）に回転駆動可能に備えた構成とする。ピンラック（１２）とピンギア（１８）の組同士は、互いのピン（１３）及び歯の配置を半ピッチずらして、接合装置本体（５）の移動時に、交互に噛み合いが強い状態にする。

Description

摩擦撹拌接合装置

本発明は、ワーク間の接合線に沿って摩擦撹拌接合用ツールを移動させて摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合装置に関する。
　本願は、２０１４年４月９日に日本国に出願された特願２０１４－０８０１２０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合用ツールのプローブ（ピンとも称する）を、回転させながらワーク同士の接合部に挿入して、この回転するプローブをワーク間の接合線の全長に亘り移動させて接合する手法である。これにより、このワークの接合部は、回転するプローブとワークとの接触により発生する摩擦熱により昇温され、この接合部の周辺が軟化し、この軟化した接合部の周辺がこのプローブの回転に伴う塑性流動により撹拌混合されることで、このプローブの後方でワークの接合部が一体に接合される。

近年、この摩擦撹拌接合は、たとえば、薄板のアルミ材によるワークの接合を中心に実際に適用されている。

摩擦撹拌接合装置の一つの形式としては、ワークを接合する接合線の長さよりも長い架構と、この架構の上側にこのワーク間の接合線に沿って延びる隙間を形成させて設置された一対のワーク定盤とを備え、且つこの一対のワーク定盤間の隙間の下方には、この隙間から上方に突出する摩擦撹拌接合用ツールを上端部に取り付ける主軸と、この主軸を回転する駆動装置とを備える接合装置本体が配置され、更に、この接合装置本体をこの隙間に沿って移動可能に支持するリニアガイド機構と、この接合装置本体をこの隙間に沿って移動させる移動装置が備えられた構成が従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、摩擦撹拌接合の施工中は、回転する摩擦撹拌接合用ツールのプローブを接合すべきワークの接合部に挿入させた状態で接合線に沿って移動させるため、接合装置本体には、摩擦撹拌接合用ツールの移動方向と逆方向に作用する反力と、この摩擦撹拌接合用ツールの回転方向と逆の回転方向の反力とからなる大きな接合反力が作用する。

この大きな接合反力の影響を受けて、この摩擦撹拌接合用ツールの移動速度が不均一になったり、回転方向の揺れが生じたりすると、ワーク間の接合線に沿う摩擦撹拌接合では、この接合線の長手方向の全長に亘って均一な接合品質を得ることが難しくなる。

そのため、接合装置本体の移動装置は、この接合装置本体の移動方向の剛性が高いことが望まれると共に、摩擦撹拌接合用ツールを中心とする回転方向の剛性も高いことが望まれる。

国際特許出願公開第ＷＯ２０１２／０６０４３９号

本発明は、摩擦撹拌接合用ツールを装備した接合装置本体をワーク間の接合線に沿って移動させる接合装置本体用の移動装置について、接合装置本体を移動させる方向の剛性を高めることができると共に、この摩擦撹拌接合用ツールを中心とする回転方向の剛性も高めることができる摩擦撹拌接合装置を提供する。

本発明の第１の態様は、ワーク間の接合線に沿って延びる隙間を形成して架構上に設けた一対のワーク定盤と、接合装置本体と、接合装置本体に備えた主軸と、隙間から上方に突出する配置で主軸の上端部に取り付ける摩擦撹拌接合用ツールと、接合装置本体に備えた主軸の回転用の駆動装置と、接合装置本体を隙間に沿う方向に移動自在に支持するリニアガイド機構と、接合装置本体を隙間に沿う方向に移動させる移動装置を備え、移動装置は、架構におけるワーク定盤の下方に隙間と平行な方向に延びるよう設けた複数条のラックと、接合装置本体に回転可能に設けた各ラックに個別に噛み合う複数のラック噛合用ギアを備え、複数のラック及びラック噛合用ギアの組のうち、少なくとも一対のラック及びラック噛合用ギアの組を、接合装置本体の移動に伴う摩擦撹拌接合用ツールのツール移動経路の真下位置の両側に或る距離を隔てて配置し、且つ一対のラック及びラック噛合用ギアの組同士は、互いの歯の配置を半ピッチずらして設けた構成を有する摩擦撹拌接合装置である。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、互いの歯の配置を半ピッチずらして配置した一対のラック及びラック噛合用ギアの組同士は、接合装置本体の移動に伴う摩擦撹拌接合用ツールのツール移動経路の真下位置を対象軸とする対称位置に配置されている。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、摩擦撹拌接合用ツールのプローブをｎ回対称の回転対称形状とし、摩擦撹拌接合施工時の摩擦撹拌接合用ツールの回転数のｘ［ｒｐｍ］と、摩擦撹拌接合施工時の摩擦撹拌接合用ツールの移動速度ｖ［ｍｍ／ｓ］を基に、ラックにおけるギア噛合部材のピッチｔ［ｍｍ］が、ｔ＞（６００・ｖ）／（ｎ×ｘ）の式を満たすように設定されている。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。

接合装置本体の移動装置における接合進行方向に関する剛性、及び、摩擦撹拌接合用ツールを中心とする回転方向の剛性を高めることができる。これにより、接合品質の向上化を図ることができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す概略平面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置における接合装置本体の部分を拡大して示す平面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置における接合装置本体の部分を拡大して示す切断側面図である。 図３のＡ－Ａ方向矢視図である。 図２の接合装置本体の移動装置のピニオンとピンラックを拡大して示す図２のＢ方向矢視図である。 図２の接合装置本体の移動装置のピニオンとピンラックを拡大して示す図２のＣ方向矢視図である。 摩擦撹拌接合用ツールのプローブの３回対称の回転対称形状を示す切断平面図である。 摩擦撹拌接合用ツールのプローブの２回対称の回転対称形状を示す切断平面図である。 摩擦撹拌接合用ツールのプローブの４回対称の回転対称形状を示す切断平面図である。 本発明の摩擦撹拌接合による接合部を示す写真である。 従来技術の摩擦撹拌接合による接合部を示す写真である。

　　以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図５Ａ，図５Ｂは本発明の摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す。

本発明の摩擦撹拌接合装置は、図１に符号１で示され、特許文献１に示された摩擦撹拌接合装置と同様に、２つのワークＷを接合する接合線Ｊの長さよりも長い架構２の上側に、一対のワーク定盤４が、ワークＷ間の接合線Ｊに沿って延びる隙間３が形成された状態で設置されている。

一つのワーク定盤４の隙間３が形成された部位の下方には、図１乃至図４に示すように、隙間３から上方に突出する摩擦撹拌接合用ツール６を上端部に取り付けている主軸７と、主軸７を回転させて主軸７に回転力を発生させる駆動装置８と、駆動装置８からの回転力を主軸７に伝達する動力伝達機構９とを備えた接合装置本体５が配置されている。

接合装置本体５は、隙間３に沿う方向（図１、図２、図３における矢印ｘに沿う方向）と直交する水平方向（以下、幅方向と云う）の両側部が、それぞれ隙間３と平行に延びるリニアガイド機構１０を介して架構２に支持されている。これにより、接合装置本体５は、各リニアガイド機構１０を介して、隙間３と平行に移動できる。

更に、本発明の摩擦撹拌接合装置１は、接合装置本体５を隙間３に沿って移動させるための移動装置１１を備える。

移動装置１１には、架構２の内底部における隙間３の直下位置を挟む幅方向の２個所に、隙間３と平行な方向に延びる２条のラック（ピンラック）１２が平行に設けられている。この２条のピンラック１２の配置位置は、接合装置本体５の移動に伴い摩擦撹拌接合用ツール６が移動するツール移動経路の真下位置を対称軸として、ツール移動経路の真下位置より幅方向に等距離離れた対称位置である。

更に、２条のピンラック１２は、図５Ａ，図５Ｂに示すように、長手方向に配列されたギア噛合部材として機能するピン１３の位置を、一方のピンラック１２と他方のピンラック１２とで互いに半ピッチずらして設置してある。

一方、接合装置本体５には、ワークＷ間の接合線Ｊの一端側から他端側へ摩擦撹拌接合を進行させる接合進行方向（矢印ｘ方向）の上流側の端部に、水平方向に突出するフレーム１４が設けてある。フレーム１４には、ギアボックス１５（減速機）が取り付けられている。

ギアボックス１５は、接合進行方向の上流側の面に入力軸１５ａを備えている。入力軸１５ａには、フレーム１４の突出端部に接合進行方向の下流側に向けて取り付けた走行用モータ１６の出力軸１６ａが、継手１７を介して接続されている。

ギアボックス１５の幅方向の両側には、同期して回転する一対の出力軸１５ｂが設けてある。各出力軸１５ｂは、各ピンラック１２に噛み合う歯形状を有するラック噛合用ギア（ピンギア）１８が取り付けられている。なお、各ピンギア１８は、図５Ａ，図５Ｂに示すように、対応するピンラック１２のピン１３の配置に応じて、周方向の歯の配置を互いに半ピッチずらした姿勢で、各出力軸１５ｂに取り付けられている。

以上の構成を有する移動装置１１によれば、走行用モータ１６を駆動させてギアボックス１５を介して各ピンギア１８を、図３における反時計回り方向へ回転させることにより、接合装置本体５を、２条のピンラック１２に沿い接合進行方向（矢印ｘ方向）に走行させることができる。

この際、各ピンギア１８は、図５Ａに示すように、対応する一方のピンラック１２に対しては歯底部で接していて噛み合わせが強い姿勢と、図５Ｂに示すように、対応する他方のピンラック１２に対しては歯先部で接していて噛み合わせが弱い姿勢を交互にとる。

しかし、移動装置１１の幅方向一方のピンギア１８と、幅方向他方のピンギア１８は、周方向の歯の配置が半ピッチ分ずれているため、たとえば、幅方向一方のピンギア１８が図５Ｂのように対応するピンラック１２に対して噛み合わせが弱くなる姿勢のときには、幅方向他方のピンギア１８は図５Ａのように対応するピンラック１２に対して噛み合わせが強い姿勢となる。

この状態から、各ピンギア１８が周方向の歯の配置の半ピッチ分の角度で回転すると、幅方向他方のピンギア１８は、対応するピンラック１２に対して図５Ｂのように噛み合わせが弱い姿勢となるのに対し、幅方向一方のピンギア１８は、対応するピンラック１２に対して図５Ａのように噛み合わせが強い姿勢となる。

その後、移動装置１１では、幅方向の両側に設けてある各ピンギア１８を同期して回転させることにより、幅方向一方と他方の各ピンギア１８が、対応するピンラック１２に対して噛み合わせが強い状態と噛み合わせが弱い状態を、交互にとる。

したがって、移動装置１１は、２つのピンギア１８がピンラック１２に対して同時に噛み合わせが弱い状態になることはない。よって、この移動装置１１は、摩擦撹拌接合の施工のために接合装置本体５を接合進行方向（矢印ｘ方向）に移動させるときに、この接合進行方向に関する剛性を高めることができる。

更に、各ピンギア１８が対応するピンラック１２に交互に噛み合わせが強い状態で噛み合う位置は、ツール移動経路の真下位置を対象軸とする対象位置であるため、接合装置本体５に装備してある摩擦撹拌接合用ツール６からの距離は等しい。このため、移動装置１１は、摩擦撹拌接合の施工時に回転させた摩擦撹拌接合用ツール６がワークＷより受ける回転方向の反力を、各ピンギア１８が対応するピンラック１２に交互に噛み合わせが強い状態で噛み合う位置で、順次、同様のモーメントで受けることができるので、回転方向の反力を受ける剛性の変動を抑えることができる。

したがって、移動装置１１は、摩擦撹拌接合用ツール６を中心とする回転方向の力に対する剛性も高めることができる。

なお、本発明者等は、本発明の摩擦撹拌接合装置１の開発の過程で、摩擦撹拌接合に関して以下の知見を得ている。

摩擦撹拌接合用ツール６が、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示されるように、軸心を中心とするｎ回対称（ｎは２以上の整数）の回転対称形状のプローブ１９を備えている場合は、摩擦撹拌接合用ツール６の回転数をｘ［ｒｐｍ］に設定して摩擦撹拌接合を施工すると、摩擦撹拌接合用ツール６のプローブ１９全体がワークＷ内に没入している状態であっても、接合装置本体５には、（ｎ×ｘ）／６０［Ｈｚ］の振動が発生することが判明した。

すなわち、たとえば、摩擦撹拌接合用ツール６のプローブ１９が図６Ａに示される円柱の外周面の三方を面取りした形状であって、３回対称（ｎ＝３）の回転対称形状の場合、摩擦撹拌接合用ツール６の回転数をｘ［ｒｐｍ］に設定して、摩擦撹拌接合を施工すると、接合装置本体５には、３ｘ／６０［Ｈｚ］の振動が発生する。

図６Ｂと図６Ｃは、２回対称（ｎ＝２）の回転対称形状と、４回対称の（ｎ＝４）の回転対称形状の例をそれぞれ示す。

一方、接合装置本体５の移動装置１１では、図５Ａに示されるように、移動装置１１の各ピンラック１２におけるピン１３の配列ピッチがｔ［ｍｍ］の場合、摩擦撹拌接合の施工の際の摩擦撹拌接合用ツール６の接合進行方向への移動速度がｖ［ｍｍ／ｓ］に設定されると、移動装置１１にて、ｖ／ｔ［Ｈｚ］の振動が発生しやすい。

これらの知見に基づき、本発明の摩擦撹拌接合装置１では、摩擦撹拌接合の施工時に移動装置１１で発生する振動の周期（ｖ／ｔ［Ｈｚ］）に対し、摩擦撹拌接合用ツール６の回転対称形状に起因して接合装置本体５で発生する振動の周期（（ｎ×ｘ）／６０［Ｈｚ］）が１０倍以上のオーダーでずれるように、移動装置１１の各ピンラック１２におけるピン１３の配列ピッチｔ［ｍｍ］は、以下の式で示す条件を満たすように選定されている。
（ｖ／ｔ）×１０＜（ｎ×ｘ）／６０
∴ｔ＞（１０・ｖ）×｛６０／（ｎ×ｘ）｝＝（６００・ｖ）／（ｎ×ｘ）

かかる構成を採用することにより、本発明の摩擦撹拌接合装置１は、接合装置本体５で生じる振動に対し、移動装置１１で生じる振動が共振することを抑制して、これらの振動による前述した移動装置１１の接合進行方向に関する剛性、及び、摩擦撹拌接合用ツール６を中心とする回転方向の剛性への影響を低減させる。

更に、上記共振をより確実に防止して、移動装置１１の接合進行方向に関する剛性、及び、摩擦撹拌接合用ツール６を中心とする回転方向の剛性への影響を更に低減するためには、接合装置本体５で発生する振動の周期（（ｎ×ｘ）／６０［Ｈｚ］）が、移動装置１１で発生する振動の周期（ｖ／ｔ［Ｈｚ］）の定数倍にならないように、以下の式で示される条件も満たす設定とすることが好ましい。
（ｖ／ｔ）×ｍ≠（ｎ×ｘ）／６０ （ｍは正の整数）

ワークＷの摩擦撹拌接合の施工が終了した後は、移動装置１１にて、走行用モータ１６の逆方向への運転によりギアボックス１５を介して各ピンギア１８を、図３における時計回り方向へ回転駆動させることにより、接合装置本体５を、接合進行方向（矢印ｘ方向）の上流側へ戻すことができる。

このように、本発明の摩擦撹拌接合装置１では、接合装置本体５の移動装置１１について、接合進行方向に関する剛性、及び、摩擦撹拌接合用ツール６を中心とする回転方向の剛性を高めることができる。

このため、摩擦撹拌接合の施工時には、接合装置本体５が、接合進行方向と逆方向と、摩擦撹拌接合用ツール６の回転方向と逆の回転方向に作用する大きな接合反力を受けても、接合装置本体５及び摩擦撹拌接合用ツール６の接合進行方向への移動速度が不均一になったり、回転方向の揺れが生じる可能性を防止することができる。したがって、ワークＷ間の接合線Ｊに沿う摩擦撹拌接合の施工では、接合線Ｊの長手方向の全長に亘って均一な接合品質を得ることができる。
ここで、図７Ａに示される本発明の摩擦撹拌接合により形成された接合部と、図７Ｂに示される従来技術の摩擦撹拌接合により形成された接合部を比較する。図７Ａでは、図７Ａの右から左に向かって摩擦撹拌接合が施行されている。図７Ｂでは、図７Ｂの左から右に向かって摩擦撹拌接合が施行されている。従って、図７Ａ、図７Ｂ共に、摩擦撹拌接合の開始点付近を示している。図７Ｂの摩擦撹拌接合の開始点付近（図７Ｂの左端付近）の接合部が乱れている。これは、従来技術による摩擦撹拌接合により形成された接合部では、摩擦撹拌接合の開始時に、接合反力の変動の影響を受けるためである。これに対し、図７Ａの摩擦撹拌接合の開始点付近（図７Ａの右端付近）の接合部は安定している。従って、本発明による摩擦撹拌接合により形成された接合部は、従来に比べて優れた接合品質が得られることが、図７Ａ、図７Ｂにより確認することができる。

又、移動装置１１は、ラックとしてギア噛合部材としてのピン１３を有するピンラック１２と、ラック噛合用ギアとしてのピンギア１８の組み合わせを用いるので、大きな推進力を得ることができると共に、噛み合いの精度を容易に高めることができる。

更に、移動装置１１は、ピンギア１８を、接合装置本体５に対して接合進行方向の上流側に配してあるので、摩擦撹拌接合の施工時には、回転されるピンギア１８により発生させる推進力を、接合装置本体５に対して押す方向に作用させて、接合装置本体５の接合進行方向への走行（移動）を行うことができる。これにより、摩擦撹拌接合の施工時には、摩擦撹拌接合用ツール６のプローブ１９をワークＷに没入させた状態で接合進行方向へ移動させるために必要とされる大きな推進力を、接合装置本体５へ容易に付与することができる。

なお、本発明は、上記実施形態にのみ限定されず、移動装置１１は、架構２に３条以上のピンラック１２を設け、接合装置本体５側に、それぞれのピンラック１２と噛合する３個以上のピンギア１８を回転可能に備えてもよい。この場合、少なくとも２条一組のピンラック１２が、摩擦撹拌接合用ツール６のツール移動経路の真下位置を対象軸として、このツール移動経路より幅方向に等距離ずつ離れた対称位置に配置されていればよい。

移動装置１１は、大きな推進力を得ると共に、噛み合いの精度を容易に高めるために、ピンラック１２とピンギア１８の組み合わせを用いることが望ましいが、ギア噛合部材としての歯を有するラックと、このラックに噛み合う歯形状を有するラック噛合用ギアとしてピニオンギアを用いてもよい。

接合装置本体５を一対のワーク定盤４の間に設けた隙間３に沿って移動自在に案内可能であれば、接合装置本体５と架構２との間に介在させるリニアガイド機構１０の配置や数は適宜変更してもよい。

摩擦撹拌接合装置１は、各ワーク定盤４の上側に、各ワーク定盤４に載置されるワークＷを位置固定するためのワーク固定装置を備えてもよい。

摩擦撹拌接合用ツール６のプローブ１９は、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに例示した以外に、１回対称の回転対称形状や、５回対称以上のｎ回対称の回転対称形状でもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加えてもよい。

本発明による摩擦撹拌接合装置によれば、接合装置本体の移動装置における接合進行方向に関する剛性、及び、摩擦撹拌接合用ツールを中心とする回転方向の剛性を高めることができる。これにより、接合品質の向上化を図ることができる。

　１　摩擦撹拌接合装置、２　架構、３　隙間、４　ワーク定盤、５　接合装置本体、６　摩擦撹拌接合用ツール、７　主軸、８　駆動装置、１０　リニアガイド機構、１１　移動装置、１２　ピンラック（ラック）、１８　ピンギア（ラック噛合用ギア）、Ｗ　ワーク、Ｊ　接合線

Claims (4)

1. ワーク間の接合線に沿って延びる隙間を形成して架構上に設けた一対のワーク定盤と、接合装置本体と、
   前記接合装置本体に備えた主軸と、
   前記隙間から上方に突出する配置で前記主軸の上端部に取り付ける摩擦撹拌接合用ツールと、
   前記接合装置本体に備えた前記主軸の回転用の駆動装置と、
   前記接合装置本体を前記隙間に沿う方向に移動自在に支持するリニアガイド機構と、
   前記接合装置本体を前記隙間に沿う方向に移動させる移動装置を備え、
   前記移動装置は、前記架構における前記ワーク定盤の下方に前記隙間と平行な方向に延びるよう設けた複数条のラックと、前記接合装置本体に回転可能に設けた前記各ラックに個別に噛み合う複数のラック噛合用ギアを備え、
   前記複数条のラック及び前記複数のラック噛合用ギアの組のうち、少なくとも一対のラック及びラック噛合用ギアの組を、前記接合装置本体の移動に伴う前記摩擦撹拌接合用ツールのツール移動経路の真下位置の両側に或る距離を隔てて配置し、且つ前記一対のラック及び前記ラック噛合用ギアの組同士は、互いの歯の配置を半ピッチずらして設けた構成を有する摩擦撹拌接合装置。
2. 互いの歯の配置を半ピッチずらして配置した一対のラック及びラック噛合用ギアの組同士は、接合装置本体の移動に伴う摩擦撹拌接合用ツールのツール移動経路の真下位置を対象軸とする対称位置に配置する請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 摩擦撹拌接合用ツールのプローブをｎ回対称の回転対称形状とし、摩擦撹拌接合施工時の摩擦撹拌接合用ツールの回転数のｘ［ｒｐｍ］と、摩擦撹拌接合施工時の摩擦撹拌接合用ツールの移動速度ｖ［ｍｍ／ｓ］を基に、ラックにおけるギア噛合部材のピッチｔ［ｍｍ］を、ｔ＞（６００・ｖ）／（ｎ×ｘ）の式を満たすように設定した請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 摩擦撹拌接合用ツールのプローブをｎ回対称の回転対称形状とし、摩擦撹拌接合施工時の摩擦撹拌接合用ツールの回転数のｘ［ｒｐｍ］と、摩擦撹拌接合施工時の摩擦撹拌接合用ツールの移動速度ｖ［ｍｍ／ｓ］を基に、ラックにおけるギア噛合部材のピッチｔ［ｍｍ］を、ｔ＞（６００・ｖ）／（ｎ×ｘ）の式を満たすように設定した請求項２記載の摩擦撹拌接合装置。

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