WO2021002211A1

WO2021002211A1 - 接合システム及びその運転方法

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Publication number: WO2021002211A1
Application number: PCT/JP2020/023968
Authority: WO
Inventors: 良司大橋; 良崇村松; 正樹武岡; 拓也福田
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-01-07
Also published as: CN113993656B; KR20220024921A; EP3995248A4; US20220362889A1; JP7223651B2; US12064831B2; CN113993656A; JP2021007971A; EP3995248A1

Abstract

本発明の接合システムは、第１部材（Ｗ１）、第２部材（Ｗ２）、及び第３部材（Ｗ３）を備える、被接合物（Ｗ）を接合する接合システムであって、接合システム（１００）は、溶接装置（１０１）と、摩擦攪拌接合装置（１０２）と、溶接装置（１０１）により、第２部材（Ｗ２）と第３部材（Ｗ３）を溶接する（Ａ）と、（Ａ）の後に、第１部材（Ｗ１）がツール（１０）の先端部と対向するように、被接合物（Ｗ）が摩擦攪拌接合装置（１０２）に配置される（Ｂ）と、（Ｂ）後に、直動駆動器（７）及び回転駆動器（８）を制御して、ツール（１０）の先端部が被接合物（Ｗ）を押圧しながら、ツール（１０）を軸線周りに回転させて、軟化した第２部材（Ｗ２）及び第３部材（Ｗ３）が、軟化した第１部材（Ｗ１）に突き刺さるように、被接合物（Ｗ）を接合させる（Ｃ）と、を実行するように構成されている、制御装置（１１０）と、を備える。

Description

接合システム及びその運転方法

　本発明は、接合システム及びその運転方法に関する。

　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接合システム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接合システム及びその運転方法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、本発明に係る接合システムは、第１部材、第２部材、及び第３部材を備える、被接合物を接合する接合システムであって、前記接合システムは、溶接装置と、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、を有する、摩擦攪拌接合装置と、制御装置と、を備え、前記第１部材は、前記第２部材とは異なる種類の材料で構成されていて、前記第２部材は、前記第３部材と同一の種類の材料で構成されていて、前記制御装置は、前記溶接装置により、前記第２部材と前記第３部材を溶接する（Ａ）と、前記（Ａ）の後に、前記第１部材が前記ツールの先端部と対向するように、前記被接合物が前記摩擦攪拌接合装置に配置される（Ｂ）と、前記（Ｂ）後に、前記摩擦攪拌接合装置の前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御して、前記ツールの先端部が前記被接合物を押圧しながら、前記ツールを前記軸線周りに回転させて、軟化した前記第２部材及び前記第３部材が、軟化した前記第１部材に突き刺さるように、前記被接合物を接合させる（Ｃ）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、本発明に係る接合システムの運転方法は、第１部材、第２部材、及び第３部材を備える、被接合物を接合する接合システムの運転方法であって、前記接合システムは、溶接装置と、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、を有する、摩擦攪拌接合装置と、を備え、前記第１部材は、前記第２部材とは異なる種類の材料で構成されていて、前記第２部材は、前記第３部材と同一の種類の材料で構成されていて、前記溶接装置が、前記第２部材と前記第３部材を溶接する（Ａ）と、前記（Ａ）の後に、前記第１部材が前記ツールの先端部と対向するように、前記被接合物が前記摩擦攪拌接合装置に配置される（Ｂ）と、前記摩擦攪拌接合装置の前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作して、前記ツールの先端部が前記被接合物を押圧しながら、前記ツールが前記軸線周りに回転して、軟化した前記第２部材及び前記第３部材が、軟化した前記第１部材に突き刺さるように、前記被接合物を接合させる（Ｃ）と、を実行するように構成されている。

　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。

　本発明に係る接合システム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。

図１は、本実施の形態１に係る接合システムの概略構成を示す模式図である。図２は、図１に示す溶接装置の一例を示す模式図である。図３は、図１に示す摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す模式図である。図４は、本実施の形態１に係る接合システムの動作の一例を示すフローチャートである。図５は、本実施の形態１に係る接合システムにおける摩擦攪拌接合装置の要部を示す模式図である。図６は、本実施の形態２に係る接合システムにおける摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す模式図である。図７は、図６に示す摩擦攪拌接合装置の要部を示す模式図である。図８は、試験例１、２及び参考例１、２の条件で接合した被接合物について、引張せん断試験を行った結果を示す表である。図９は、試験例１の条件で接合した被接合物の断面写真である。図１０は、試験例２の条件で接合した被接合物の断面写真である。

　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に係る接合システムは、第１部材、第２部材、及び第３部材を備える、被接合物を接合する接合システムであって、接合システムは、溶接装置と、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、を有する、摩擦攪拌接合装置と、制御装置と、を備え、第１部材は、第２部材とは異なる種類の材料で構成されていて、第２部材は、第３部材と同一の種類の材料で構成されていて、制御装置は、溶接装置により、第２部材と第３部材を溶接する（Ａ）と、（Ａ）の後に、第１部材がツールの先端部と対向するように、被接合物が摩擦攪拌接合装置に配置される（Ｂ）と、（Ｂ）後に、摩擦攪拌接合装置の直動駆動器及び回転駆動器を制御して、ツールの先端部が被接合物を押圧しながら、ツールを軸線周りに回転させて、軟化した第２部材及び第３部材が、軟化した第１部材に突き刺さるように、被接合物を接合させる（Ｃ）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に係る接合システムでは、制御装置は、（Ｃ）において、（Ａ）で溶接した部分である第１部分の少なくとも一部が軟化するように、ツールの先端部の位置を設定するように構成されていてもよい。

　また、本実施の形態１に係る接合システムでは、溶接装置は、軸線方向から見て、第１部分が、ツールの先端部の直径よりも大きくなるように、第２部材と第３部材を溶接するように構成されていてもよい。

　さらに、本実施の形態１に係る接合システムでは、制御装置は、（Ｃ）において、ツールの先端部が、軸線方向から見て、第１部分と対向するように、ツールの先端部の位置を設定するように構成されていてもよい。

　以下、本実施の形態１に係る接合システムの一例について、図１～図５を参照しながら詳細に説明する。

　［接合システムの構成］
　図１は、本実施の形態１に係る接合システム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に係る接合システム１００は、溶接装置１０１と、摩擦攪拌接合装置１０２と、ロボット１０３と、制御装置１１０と、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を接合するように構成されている。なお、溶接装置１０１と摩擦攪拌接合装置１０２の構成については、後述する。

　第１部材Ｗ１は、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３とは、異なる種類の材料で構成されていて、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。

　第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３は、同じ種類の材料で構成されていて、本実施の径遺体１においては、板状に形成されている。第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３は、金属材料（例えば、鋼（高張力鋼又は軟鋼））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。

　ロボット１０３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。ロボット１０３は、溶接装置１０１を動作させるように構成されていてもよく、摩擦攪拌接合装置１０２を動作させるように構成されていてもよい。また、ロボット１０３は、溶接装置１０１及び／又は摩擦攪拌接合装置１０２に被接合物Ｗを搬送、載置させるように構成されていてもよい。なお、接合システム１００は、１台のロボット１０３を備えている形態を採用してもよく、複数台のロボット１０３を備えている形態を採用してもよい。

　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、溶接装置１０１、摩擦攪拌接合装置１０２、及びロボット１０３の各種動作を制御する。

　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(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。

　［溶接装置の構成］
　図２は、図１に示す溶接装置の一例を示す模式図である。なお、図２においては、溶接装置の一部の記載を省略している。

　図２に示すように、溶接装置１０１は、一対の溶接電極１０１Ａ、１０１Ｂを備えていて、溶接電極１０１Ａと溶接電極１０１Ｂとの間に、高電圧が印加されるように構成されている。

　そして、溶接電極１０１Ａと溶接電極１０１Ｂが、当接している状態の第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３を挟んで、圧着された状態で、高電圧が印加されることにより、これらの電極間に電流が流れる。このときに発生する抵抗熱によって、第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３の当接している部分とその近傍部分が、溶融されて、接合される。

　なお、以下においては、溶接装置１０１により、溶接された部分を第１部分Ｗ１１と称する場合がある。また、第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３において、第１部分Ｗ１１以外の部分を第２部分Ｗ１２と称する場合がある。

　また、本実施の形態１においては、溶接装置１０１として、電気抵抗スポット溶接により、溶接を実行する形態を採用したが、これに限定されない。溶接装置１０１としては、例えば、レーザ溶接により、溶接を実行する形態を採用してもよく、アーク溶接により、溶接を実行する形態を採用してもよい。

　さらに、溶接電極１０１Ａ及び溶接電極１０１Ｂは、それぞれの先端部の直径が、後述する摩擦攪拌接合装置１０２のツール１０の先端部の直径よりも大きくなるように形成されていてもよい。また、溶接装置１０１として、レーザ溶接又はアーク溶接により、溶接を実行する形態を採用する場合には、制御装置１１０は、第１部分Ｗ１１が、ツール１０の先端部よりも大きくなるように、溶接装置１０１を制御してもよい。

　これにより、後述する摩擦攪拌接合装置１０２の軸線Ｘ方向から見て、溶接装置１０１により溶接された第１部分Ｗ１１を、ツール１０の先端部の大きさよりも大きくすることができる。

　［摩擦攪拌接合装置の構成］
　図３は、図１に示す摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す模式図である。

　図３に示すように、摩擦攪拌接合装置１０２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、及びロボット９を備えていて、被接合物Ｗの点接合部Ｗａを摩擦熱で軟化させて、攪拌して塑性流動させ、摩擦攪拌接合を行うように構成されている。

　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、ロボット９は、ロボット１０３と同じロボットであってもよく、ロボット１０３とは異なるロボットであってもよい。

　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。

　［接合システムの動作（接合システムの運転方法）及びその作用効果］
　次に、本実施の形態１に係る接合システム１００の運転方法について、図１～図５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４は、本実施の形態１に係る接合システムの動作の一例を示すフローチャートである。図５は、本実施の形態１に係る接合システムにおけ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４に示すように、制御装置１１０は、ロボット１０３に第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３を搬送させ、溶接装置１０１に配置させる（ステップＳ１０１）。なお、作業者が、第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３を溶接装置１０１に配置してもよい。

　次に、制御装置１１０は、溶接装置１０１に第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３を溶接させる（ステップＳ１０２；図２参照）。このとき、制御装置１１０は、溶接装置１０１に、複数箇所で、第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３を溶接させてもよい。

　次に、制御装置１１０は、ロボット１０３を動作させて、摩擦攪拌接合装置１０２の支持台６に、ステップＳ１０２で溶接した、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３と、第１部材Ｗ１と、を載置させる（ステップＳ１０３）。

　このとき、制御装置１１０は、第１部材Ｗ１がツール１０の先端部と対向するように、ロボット１０３により、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３と、第１部材Ｗ１と、を載置させる（図３参照）。具体的には、支持台６の上に、溶接された第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３を載せ、これらの部材の上に第１部材Ｗ１を載置させる。

　また、制御装置１１０は、軸線Ｘ方向から見て、ツール１０の先端部の一部が、第１部分Ｗ１１と対向するように（重なるように）、ロボット１０３を動作させてもよく、ツール１０の先端部全体が、第１部分Ｗ１１と対向するように（重なるように）、ロボット１０３を動作させてもよい。

　なお、作業者が、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３と、第１部材Ｗ１と、を摩擦攪拌接合装置１０２の支持台６に載置してもよい。

　次に、制御装置１１０は、摩擦攪拌接合装置１０２の回転駆動器８を駆動させて、ツール保持体４及びツール１０を所定の回転数（例えば、５０～６０００ｒｐｍ）で回転させる（ステップＳ１０４）。ついで、制御装置１１０は、ツール保持体４及びツール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の先端部を被接合物Ｗの点接合部Ｗａに当接させる（ステップＳ１０５）。

　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、所定の回転数及び所定の押圧力は、予め実験等により、適宜設定することができる。

　これにより、被接合物Ｗ（第１部材Ｗ１の）の被接合部Ｗａに当接し、ツール１０の先端部と第１部材Ｗ１の被接合部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。

　次に、制御装置１１０は、ツール１０の先端が、第１位置まで到達するように、直動駆動器７を駆動する（ステップＳ１０６）。なお、ツール１０の先端の位置情報は、図示されない位置検出器により検出されて、制御装置１１０に出力される。

　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の支持台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の支持台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。

　これにより、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３も軟化されて、塑性流動が生じる。そして、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３の軟化部分である第２軟化部分４２が、第１部材Ｗ１の軟化部分である第１軟化部分４１に入り込み、アンカー構造が形成される（図５参照）。なお、本明細書においては、第１軟化部分４１に入り込んだ第２軟化部分４２をアンカー部分と称する。

　また、溶接装置１０１により、溶接された部分である第１部分Ｗ１１の少なくとも一部の部分も、軟化される。このとき、第１部分Ｗ１１の軟化部分が、Ａ１変態点以上の温度になると、ツール１０を引き抜いた時に、第２軟化部分４２をマルテンサイト変態させることが可能となる。このため、アンカー部分である、第２軟化部分４２の強度を大きくすることができ、被接合物Ｗの引張強度を向上させることができる。

　さらに、第１部分Ｗ１１の軟化部分がＡ３変態点以上の温度になると、第２軟化部分４２のマルテンサイト変態させる割合を増加させることが可能となる。このため、アンカー部分である、第２軟化部分４２の強度をより大きくすることができ、被接合物Ｗの引張強度を向上させることができる。

　次に、制御装置１１０は、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Ｓ１０７）。なお、ツール１０の先端部の位置情報は、図示されない位置検出器により検出されて、制御装置１１０に出力される。

　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Ｓ１０７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Ｓ１０６及びステップＳ１０７の処理を実行する。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Ｓ１０７でＹｅｓ）には、ステップＳ１０８の処理を実行する。

　ステップＳ１０８では、制御装置１１０は、ツール保持体４及びツール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、ツール保持体４及びツール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、ツール保持体４及びツール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に係る接合システム１００では、制御装置１１０が、同じ種類の材料で構成されている第２部材Ｗ２と第３部材Ｗ３を溶接装置１０１により溶接させた後に、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１０２により、摩擦攪拌接合させるように構成されている。これにより、被接合物Ｗを充分に接合することができる。

　また、本実施の形態１に係る接合システム１００では、制御装置１１０が、溶接装置１０１により、溶接した第１部分Ｗ１１の少なくとも一部が、軟化するように、摩擦攪拌接合装置１０２を動作させるように構成されている。

　これにより、第１部分Ｗ１１の軟化部分が、Ａ１変態点以上の温度になると、ツール１０を引き抜いた時に、第２軟化部分４２をマルテンサイト変態させることが可能となる。このため、アンカー部分である、第２軟化部分４２の強度を大きくすることができ、被接合物Ｗの引張強度を向上させることができる。

　（実施の形態２）
　本実施の形態２に係る接合システムは、実施の形態１に係る接合システムにおいて、制御装置は、（Ａ）において、溶接装置により、複数箇所で第２部材と第３部材を溶接させ、（Ｃ）において、摩擦攪拌接合装置により、（Ａ）で溶接した部分である第１部分以外の部分である第２部分を接合させるように構成されている。

　また、本実施の形態２に係る接合システムでは、第２部分は、軸線方向から見て、隣接する第１部分の間の部分であってもよい。

　さらに、本実施の形態２に係る接合システムでは、隣接する第１部分の間の距離が、１５～４０ｍｍであってもよい。

　以下、本実施の形態２に係る接合システムの一例について、図６及び図７を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施の形態２に係る接合システム１００は、実施の形態１に係る接合システム１００と基本的構成は同じであるため、その詳細な説明は省略する。

　［接合システムの動作及びその作用効果］
　図６は、本実施の形態２に係る接合システムにおける摩擦攪拌接合装置の概略構成を示す模式図である。図７は、図６に示す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６に示すように、本実施の形態２に係る接合システム１００の動作は、実施の形態１に係る接合システム１００の動作と基本的には同じであるが、摩擦攪拌接合装置１０２により、被接合物Ｗを摩擦攪拌接合するときに、被接合部Ｗａの位置（接合する位置）が異なる。

　具体的には、制御装置１１０は、図４におけるステップＳ１０３において、軸線Ｘ方向から見て、ツール１０の先端部が、第２部分Ｗ１２と対向するように（重なるように）、ロボット１０３を動作させる。ここで、第２部分Ｗ１２は、軸線Ｘ方向から見て、隣接する第１部分Ｗ１１の間の部分であってもよい。また、隣接する第１部分Ｗ１１の間の距離Ｄ（図２参照）は、ツール１０の先端部の位置決めを容易にする観点から、１５ｍｍ以上であってもよく、被接合物Ｗの接合を充分にする観点から、４０ｍｍ以下であってもよい。

　このように構成された、本実施の形態２に係る接合システム１００であっても、第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３からなる被接合物Ｗを充分に接合することができる。

　＜試験例＞
　次に、本実施の形態１及び２に係る接合システム１００と上記特許文献１に開示されている車体の製造方法の試験例について、説明する。

　〈試験例１〉
　本実施の形態１に係る接合システム１００を用いて、被接合物Ｗの接合試験を実行した。なお、第１部材Ｗ１として、１．０ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ６０６１－Ｔ６）を用い、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３として、１．２ｍｍの９８０ＭＰａ級の鋼板を用いた。

　先端１０ａ（図５参照）の直径が４．４０ｍｍのツール１０を使用し、ツール１０の回転数を１５００ｒｐｍに設定し、ツール１０の押圧力を１４．７ｋＮに設定した。また、ツール１０の先端部の到達位置である、第１位置を第１部材Ｗ１の上面から下方に２．２９ｍｍの位置（第３部材Ｗ３の支持台６と当接する面から上方に１．１１ｍｍの位置）とした。

　〈試験例２〉
　本実施の形態２に係る接合システム１００を用いて、被接合物Ｗの接合試験を実行した。なお、第１部材Ｗ１として、１．０ｍｍのアルミニウム合金板（Ａ６０６１－Ｔ６）を用い、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３として、１．２ｍｍの９８０ＭＰａ級の鋼板を用いた。

　先端１０ａ（図７参照）の直径が４．４０ｍｍのツール１０を使用し、ツール１０の回転数を１５００ｒｐｍに設定し、ツール１０の押圧力を１４．７ｋＮに設定した。また、ツール１０の先端部の到達位置である、第１位置を第１部材Ｗ１の上面から下方に２．３３ｍｍの位置（第３部材Ｗ３の支持台６と当接する面から上方に１．０７ｍｍの位置）とした。さらに、ツール１０の先端部が被接合物Ｗと対向する部分である、第２部分Ｗ１２を第１部分Ｗ１１から１２ｍｍ離れた位置に設定した。

　〈参考例１〉
　上記特許文献１に開示されている摩擦点接合装置により、１．０ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６１－Ｔ６）の板材と１．２ｍｍｎ９８０ＭＰａ級の鋼製板材を接合した。先端の直径が２．３５ｍｍの回転ツール（ツール１０）を使用し、回転ツールの回転数を２５００ｒｐｍに設定し、回転ツールの押圧力を２．９４ｋＮに設定した。また、回転ツールの先端部の到達位置である、第１位置をアルミニウム合金の板材の上面から下方に０．９６ｍｍの位置とした。

　〈参考例２〉
　実施の形態１に係る接合システム１００の溶接装置１０１により、２枚の１．２ｍｍの９８０ＭＰａ級の鋼板を溶接させた。具体的には、先端径が６ｍｍの電極を用いて、加圧力を３５０ｋｇｆとし、通電時間を１２サイクルとして、溶接を行った。

　＜試験結果＞
　図８は、試験例１、２及び参考例１、２の条件で接合した被接合物について、引張せん断試験（ＪＩＳ　Ｚ　３１３６）を行った結果を示す表である。図９は、試験例１の条件で接合した被接合物の断面写真である。図１０は、試験例２の条件で接合した被接合物の断面写真である。

　図８に示すように、参考例１の条件で接合した被接合物の引張せん断強度は、参考例２の条件で接合した被接合物の引張せん断強度に比して、小さい。このため、上記特許文献１に開示されている車体の製造方法では、車体を製造する工程で、摩擦攪拌接合した被接合物に衝撃等が加わった場合、接合した２つの部材の界面部分において、剥離等が生じるおそれがある。また、スポット溶接により、３つの部材を接合した後であっても、衝撃等により、界面部分で剥離等が生じ、製品全体として、接合強度が低下するおそれがある。

　一方、本実施の形態１、２に係る接合システム１００では、溶接装置１０１により、第２部材Ｗ２及び第３部材Ｗ３を強固に接合している。このため、製造工程において、被接合物Ｗに衝撃等が加わっても、特許文献１に開示されている車体の製造方法に比して、剥離等が生じるおそれを充分に低減することができる。

　また、特許文献１の図１９に開示されているように、３つの部材を溶接した後の引張せん断強度は、３．０ｋＮ未満である。一方、図８に示すように、本実施の形態１、２に係る接合システム１００により接合した被接合物Ｗの引張せん断強度は、３．０ｋＮ以上である。

　これにより、本実施の形態１、２に係る接合システム１００では、特許文献１に開示されている車体の製造方法に比して、接合強度の高い被接合物が得られることが示された。

　さらに、図９及び図１０に示すように、本実施の形態１、２に係る接合システム１００により、第１部材Ｗ１、第２部材Ｗ２、及び第３部材Ｗ３からなる被接合物Ｗを充分に組成流動させることができ、３つの部材を充分に接合することができることが示された。

　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。

　本発明の接合システム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。

　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
　４１　第１軟化部分
　４２　第２軟化部分
　１００　接合システム
　１０１　溶接装置
　１０１Ａ　溶接電極
　１０１Ｂ　溶接電極
　１０２　摩擦攪拌接合装置
　１０３　ロボット
　１１０　制御装置
　１１０ａ　演算器
　１１０ｂ　記憶器
　Ｗ　被接合物
　Ｗ１　第１部材
　Ｗ１１　第１部分
　Ｗ１２　第２部分
　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部材を備える、被接合物を接合する接合システムであって、
　前記接合システムは、
　溶接装置と、
　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、を有する、摩擦攪拌接合装置と、
　制御装置と、を備え、
　前記第１部材は、前記第２部材とは異なる種類の材料で構成されていて、
　前記第２部材は、前記第３部材と同一の種類の材料で構成されていて、
　前記制御装置は、前記溶接装置により、前記第２部材と前記第３部材を溶接する（Ａ）と、
　前記（Ａ）の後に、前記第１部材が前記ツールの先端部と対向するように、前記被接合物が前記摩擦攪拌接合装置に配置される（Ｂ）と、
　前記（Ｂ）後に、前記摩擦攪拌接合装置の前記直動駆動器及び前記回転駆動器を制御して、前記ツールの先端部が前記被接合物を押圧しながら、前記ツールを前記軸線周りに回転させて、軟化した前記第２部材及び前記第３部材が、軟化した前記第１部材に突き刺さるように、前記被接合物を接合させる（Ｃ）と、を実行するように構成されている、接合システム。
　前記制御装置は、前記（Ｃ）において、前記（Ａ）で溶接した部分である第１部分の少なくとも一部が軟化するように、前記ツールの先端部の位置を設定するように構成されている、請求項１に記載の接合システム。
　前記溶接装置は、前記軸線方向から見て、前記第１部分が、前記ツールの先端部の直径よりも大きくなるように、前記第２部材と前記第３部材を溶接するように構成されている、請求項１又は請求項２に記載の接合システム。
　前記制御装置は、前記（Ｃ）において、前記ツールの先端部が、前記軸線方向から見て、前記第１部分と対向するように、前記ツールの先端部の位置を設定するように構成されている、請求項３に記載の接合システム。
　前記制御装置は、前記（Ａ）において、前記溶接装置により、複数箇所で前記第２部材と前記第３部材を溶接させ、
　前記（Ｃ）において、前記摩擦攪拌接合装置により、前記（Ａ）で溶接した部分である第１部分以外の部分である第２部分を接合させるように構成されている、請求項１に記載の接合システム。
　前記第２部分は、前記軸線方向から見て、隣接する前記第１部分の間の部分である、請求項５に記載の接合システム。
　隣接する前記第１部分の間の距離が、１５～４０ｍｍである、請求項６に記載の接合システム。
　第１部材、第２部材、及び第３部材を備える、被接合物を接合する接合システムの運転方法であって、
　前記接合システムは、
　溶接装置と、
　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、を有する、摩擦攪拌接合装置と、を備え、
　前記第１部材は、前記第２部材とは異なる種類の材料で構成されていて、
　前記第２部材は、前記第３部材と同一の種類の材料で構成されていて、
　前記溶接装置が、前記第２部材と前記第３部材を溶接する（Ａ）と、
　前記（Ａ）の後に、前記第１部材が前記ツールの先端部と対向するように、前記被接合物が前記摩擦攪拌接合装置に配置される（Ｂ）と、
　前記摩擦攪拌接合装置の前記直動駆動器及び前記回転駆動器が動作して、前記ツールの先端部が前記被接合物を押圧しながら、前記ツールが前記軸線周りに回転して、軟化した前記第２部材及び前記第３部材が、軟化した前記第１部材に突き刺さるように、前記被接合物を接合させる（Ｃ）と、を実行するように構成されている、接合システムの運転方法。
　前記（Ｃ）において、前記（Ａ）で溶接した部分である第１部分の少なくとも一部が軟化するように、前記ツールの先端部の位置が設定されている、請求項８に記載の接合システムの運転方法。
　前記溶接装置は、前記軸線方向から見て、前記第１部分が、前記ツールの先端部の直径よりも大きくなるように、前記第２部材と前記第３部材を溶接するように構成されている、請求項８又は請求項９に記載の接合システムの運転方法。
　前記（Ｃ）において、前記軸線方向から見て、前記第１部分と対向するように、前記ツールの先端部の位置が設定されている、請求項１０に記載の接合システムの運転方法。
　前記（Ａ）において、前記溶接装置は、複数箇所で前記第２部材と前記第３部材を溶接し、
　前記（Ｃ）において、前記摩擦攪拌接合装置は、前記（Ａ）で溶接した部分である第１部分以外の部分である第２部分を接合させる、請求項８に記載の接合システムの運転方法。
　前記第２部分は、前記軸線方向から見て、隣接する前記第１部分の間の部分である、請求項１２に記載の接合システムの運転方法。
　隣接する前記第１部分の間の距離が、１５～４０ｍｍである、請求項１３に記載の接合システムの運転方法。