接合装置
【課題】小さな押圧力で、信頼性が高くかつ作業環境を悪化させずに接合物を被接合物に接合できる接合方法および装置を提供する。
【解決手段】本発明においては、スタッド２とワーク３との間に、融点低下部材を配置する。この融点低下部材は、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料と共晶反応する金属材料によって形成される。融点低下部材を介してスタッド２をワーク３に押圧した状態でスタッド２を回転させて摩擦熱を生じさせ、スタッド２およびワーク３の接続部位と融点低下部材とを共晶反応により溶融させ、スタッド２の回転を停止して、スタッド２をワーク３に接合する。これにより、小さな押圧力で、信頼性が高く、かつ作業環境を悪化させることなく接合物を被接合物に接合することができる。
【解決手段】本発明においては、スタッド２とワーク３との間に、融点低下部材を配置する。この融点低下部材は、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料と共晶反応する金属材料によって形成される。融点低下部材を介してスタッド２をワーク３に押圧した状態でスタッド２を回転させて摩擦熱を生じさせ、スタッド２およびワーク３の接続部位と融点低下部材とを共晶反応により溶融させ、スタッド２の回転を停止して、スタッド２をワーク３に接合する。これにより、小さな押圧力で、信頼性が高く、かつ作業環境を悪化させることなく接合物を被接合物に接合することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合物を被接合物に接合する接合方法および接合装置に関する。本発明による接合方法及び接合装置の具体的な利用分野としては、例えば、ＬＮＧタンク等の大型アルミ構造物への小物部材の取り付け、鉄道車両、自動車等のアルミ部材への小物部材の取り付け、船舶、橋梁等の鉄鋼部材への小物部材の取り付け等がある。
【背景技術】
【０００２】
接合物を被接合物に接合する従来の方法としてアークスタッド法がある。アークスタッド法では、まず接合物と被接合物との間にアーク放電を発生させ、このアーク放電によって接合物と被接合物とを溶融させて、接合物と被接合物との間に溶融物から成る溶融池を形成する。次に溶融池を形成した状態で接合物を被接合物に押圧し、接合物を被接合物に接合している。
【０００３】
接合物を被接合物に接合する他の従来の方法として摩擦圧接法がある。摩擦圧接法では、接合物を被接合物に押付けた状態で接合物を回転させ、接合物と被接合物との間に摩擦熱を生じさせ、接合物と被接合物との接合部に塑性変形を生じさせることによって接合物と被接合物とを接合している（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
接合物を被接合物に接合するさらに他の従来の方法として、ろう接がある。ろう接では、接合物と被接合物との間に、接合物および被接合物よりも融点の低いろう材を配置し、このろう材を溶融させて接合物と被接合物とを接合している（たとえば特許文献２参照）。
【０００５】
ところが、アークスタッド法では、溶融池が凝固する課程において割れおよびブローホールなどの欠陥が生じ、溶接部の品質および接合強度のばらつきが大きくなり易く、接合の信頼性が低いという問題がある。また、アークスタッド法を行うには、溶接を行なうためのガン、電圧を印加するための溶接電源および酸化などを防ぐためのシールドガスを供給する装置などの付帯機器と、これらの付帯機器の配線および配管などが必要となる。また、接合前の酸化被膜除去工程・スタッド接合工程・フェルール除去工程が必要であり、工程数が多い。
【０００６】
摩擦圧接法は、姿勢変化の影響を受けない安定した工法であるが、塑性変形を生じさせるために、数百ｋｇからトンオーダの押圧力で接合物を被接合物に押圧する必要がある。したがって、このような押圧力に耐えることができる接合物および被接合物の接合にのみ摩擦圧接法を適用することができるが、たとえば押圧力で座屈するような強度の小さい接合物を摩擦圧接法では接合することができないという問題がある。また、接合装置が大形化し、既設構造物に装置を運び入れて施工することは困難である。また、発生する摩擦熱は相対速度と押圧力の積に比例する。接合物が小径の場合は相対速度が低くなるため、特に大きな押圧力もしくは超高速回転が必要となる。
【０００７】
アルミニウムのろう接では、接合物および被接合物のうちのろう材が付着する部分の酸化皮膜を除去する工程が必要となる。酸化皮膜の除去には強活性フラックスが多く用いられる。この強活性フラックスは、残留すると接合部分の腐食の原因となるので、ろう接では、強活性フラックスを除去する工程がさらに必要となり、工程数が増加するという問題がある。またろう材と母材とは、融点の差が小さいので、±５℃程度の温度範囲内でろう付けを行う必要がある。したがってろう接は、溶融温度範囲が狭く、ろう材との融点の差が比較的大きいアルミニウム合金に一般的に適用され、溶融温度範囲が広く、ろう材との融点の差が比較的小さいＣｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉなどの含有量の多い高力アルミニウム合金などに適用することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１５３９７９号公報
【特許文献２】特開２００２−２９００６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって本発明の目的は、小さな押圧力で、信頼性が高く、かつ作業環境を悪化させることなく接合物を被接合物に接合することができる接合方法および接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明による接合方法は、
それぞれが金属材料によって形成される接合物および被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材を配置し、
前記融点低下部材を介して前記接合物を前記被接合物に押圧した状態で、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることによって摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と前記融点低下部材との接続部位を溶融させ、
前記接合物と前記被接合物との間の相対運動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、本発明は、前記接合物および前記被接合物は、同じ種類の金属材料によって形成されることを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、本発明は、前記金属材料は、アルミニウムであることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、本発明は、前記接合物を回転させることによって、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、本発明は、前記接合物は、円柱状であって、前記被接合物に押圧される先端部が、先細状に形成されることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、本発明は、前記接合物と前記被接合物との相対運動を生じさせるときの負荷を検出し、
検出した負荷に基づいて、前記接合物と前記被接合物との相対運動を停止することを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明による接合装置は、
金属材料によって形成される接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を変位駆動する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、を含み、
前記制御手段は、
前記接合物および金属材料によって形成される被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材が配置された状態で、前記回転駆動手段を制御して前記把持手段を回転させながら前記把持手段が前記接合物を前記被接合物に押圧させるように前記変位駆動手段を制御して両者の間に摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と、前記融点低下部材との接続部位とを溶融させ、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、本発明は、前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときの負荷を検出する負荷検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記負荷検出手段が検出した負荷に基づいて、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止させることを特徴とする。
【００１８】
好ましくは、本発明は、前記融点低下部材を前記接合物と前記被接合物との間に配置する供給手段をさらに含むことを特徴とする。
【００１９】
好ましくは、本発明は、鉛直方向に対する傾きを検出する姿勢検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて、重力と前記変位駆動手段によって加わる力との合力が予め定める力となるように前記変位駆動手段を制御することを特徴とする。
【００２０】
上述した本発明の接合方法及び接合装置によれば、まず金属によって形成される接合物と、金属によって形成される被接合物との間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材が配置される。この融点低下部材は、接合物と被接合物の少なくとも一方と共晶反応する金属材料によって形成される。次に融点低下部材が介在した状態で、接合物を被接合物に押圧しつつ、接合物と被接合物との間に相対運動を与える。これにより、接合物と被接合物が突き合わされた部分に摩擦熱が生じる。この摩擦熱によって摩擦面の温度が上昇し、接合物および被接合物のうちの少なくともいずれか一方と融点低下部材との接する部位のみが共晶反応によって液相を生じる。接合物と被接合物の間に十分液相が生じた後、相対運動を停止させる。また、任意の工程として、変位駆動手段を制御してアップセット加圧を行うこともできる。これにより、摩擦面の液相が排出され、接合物と被接合物との活性な新生面同士が突き合わされることで両者を接合することができる。
【００２１】
本発明では、摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、従来の技術のアークスタッド法のように形成した溶融池が凝固するときに、割れおよびブローホールなどの欠陥の発生することを抑制することができ、信頼性の高い接合を実現することができる。またアークスタッド法のようにアーク放電を生じさせるための電源およびシールドガスを供給する装置などを必要としないので、接合方法を実現するための装置のコストを大幅に節減することができる。さらに、アークスタッド法に比べると、アーク放電を発生させることなく接合することができるので、省エネルギーで接合を行うことができる。さらに、アーク放電によって生じる有害な紫外線および、ヒュームなどが発生しないので、作業環境の悪化を防ぐことができ、清浄な環境で接合作業を行うことができる。
【００２２】
また従来の技術の摩擦圧接法では、塑性変形を生じさせるために大きな押圧力を必要とするが、本発明では融点を低下させて、接合物を形成する金属材料の融点および被接合物を形成する金属材料の融点のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で接合物と被接合物とを溶融させることができるので、摩擦圧接法に比べて、(i)回転速度を低くすること、(ii)押圧力を小さくすること、或いは、(iii)回転速度を低くし且つ押圧力を小さくすることを実現する上で有利であり、大きな押圧力を発生するための大掛かりな装置を必要としない。さらに本発明では摩擦圧接法に比べると小さな押圧力で接合を実現することができるので、摩擦圧接法では、押圧力に耐えることができず、摩擦圧接法を適用することができないような小さな接合物であっても、被接合物に接合することができる。さらに摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、接合物と被接合物との接合面の形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができる。
【００２３】
また本発明によれば、例えば、同じ種類の金属材料によって形成される接合物と被接合物との接合を、前述したように装置のコストを大幅に節減しつつ、省エネルギーで行うことができ、また摩擦圧接を行う装置のように装置の構成が大掛かりにならずに、摩擦圧接法では接合できないような小さい接合物を接合することができ、また接合物と被接合物との形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができ、作業環境の悪化を防いで、清浄な環境で信頼性の高い接合を行うことができる。
【００２４】
また本発明によれば、例えば、アルミニウムによって形成される接合物と被接合物との接合を、前述したように装置のコストを大幅に節減しつつ、省エネルギーで行うことができ、また摩擦圧接を行う装置のように装置の構成が大掛かりにならずに、摩擦圧接法では接合できないような小さい接合物を接合することができ、また接合物と被接合物との形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができ、作業環境の悪化を防いで、清浄な環境で信頼性の高い接合を行うことができる。
【００２５】
また本発明によれば、例えば、接合物を回転させることによって相対運動を与えるので、被接合物の摩擦熱が生じる領域を可能な限り狭くすることができ、接合の影響が生じる領域を可能な限り狭くすることができる。たとえば接合物を被接合物に押圧した状態でスライドさせ、往復運動をする場合に比べて、摩擦熱が発生する領域を狭くすることができる。これによって接合の影響が生じる領域を可能な限り小さくすることができる。
【００２６】
さらに本発明によれば、例えば、接合物は、円柱状であって、被接合物に押圧される先端部が先細状に形成される。これは、摩擦面に生ずる摩擦熱を均一にするためである。仮に接合物が完全に円柱形状であって、先端が平面に形成されている場合、接合物を回転させたときに、半径方向の内方と外方とでは、回転速度が外方の方が高くなる。摩擦熱は押圧される圧力、相対速度、摩擦時間の積で表されるので、回転速度の高い半径方向の外方の方が回転速度の低い内方よりも加熱され、接合するときの温度にばらつきが生じ、接合の信頼性が低下する。先細状の接合物では、まず先端が加熱されて溶融し、順次半径外方の領域が被接合物に押圧されて摩擦熱によって溶融し、溶融すべき部位の全てを溶融させることができる。すなわち、回転速度の低い半径方向の内方は高圧力かつ長時間摩擦され、回転速度の高い半径方向の外方は低圧力かつ短時間摩擦される。これによって接合時の温度のばらつきを抑えることができ、信頼性の高い接合を実現することができる。
【００２７】
さらに本発明によれば、例えば、まず接合物と被接合物と間に相対運動を与えるときの負荷を検出し、次にこの検出した負荷に基づいて接合物と被接合物との間の相対運動を停止させる。接合物と被接合物との間の相対運動を与えるときの負荷は、接合物と被接合物との溶融状態に依存する。本発明では、負荷を検出するだけで間接的に溶融状態を確認することができるので、温度および溶融部位などの溶融状態を直接的に検出することなく、相対運動を停止するタイミングを決定することができる。
【００２８】
さらに本発明によれば、例えば、接合物は、把持手段に把持され、制御手段によって駆動が制御される回転駆動手段および変位駆動手段が把持手段を駆動することによって、前述した接合方法を実行する接合装置が実現される。この接合装置は、前述した本発明の接合方法を実行するので、前述したように装置のコストを大幅に節減しつつ、省エネルギーで接合を行い、摩擦圧接を行う装置のように装置の構成が大掛かりにならずに、摩擦圧接法では接合できないような小さい接合物を接合することができ、また接合物と被接合物との形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができ、作業環境の悪化を防いで、清浄な環境で信頼性の高い接合を行うことができる。
【００２９】
さらに本発明によれば、例えば、負荷検出手段によって、変位駆動手段が把持手段を回転駆動するときの負荷を検出する。制御部は、負荷検出手段が検出した負荷に基づいて、回転駆動手段を制御して回転駆動を停止させる。接合物と被接合物との間の相対運動を与えるときの負荷は、接合物と被接合物との溶融状態に依存する。本発明では、負荷を検出するだけで間接的に溶融状態を確認することができるので、温度および溶融部位などの溶融状態を直接的に検出する検出手段を備えることなく、相対運動を停止するタイミングを決定することができ、装置が複雑化することを防ぐことができる。
【００３０】
さらに本発明によれば、例えば、供給手段が、融点低下部材を接合物と被接合物との間に配置することによって、作業者が融点低下部材を配置することなく、本発明の接合方法を実行する接合装置を実現することができる。
【００３１】
さらに本発明によれば、例えば、鉛直方向に対する傾きを検出する姿勢検出手段を含み、制御手段は、姿勢検出手段の検出結果に基づいて、重力と変位駆動手段とによって接合物に加わる力が予め定める力となるように変位駆動手段を制御する。これによって、接合装置が鉛直方向に対してどのような姿勢であっても、接合物を被接合物に押圧することができ、ほぼ同じ接合強度で接合物を被接合物に接合することができる。
【００３２】
上記課題を解決するために、本発明による接合装置は、接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態にある前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態にある把持手段を変位駆動して前記接合物を被接合物に押圧する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、
前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときに前記回転駆動手段の回転軸に加えられる負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記回転駆動手段による前記接合物の回転を停止するように構成されている、ことを特徴とする。
【００３３】
好ましくは、前記回転駆動手段とは別に前記接合物の回転を停止する回転停止手段を更に備える。
【００３４】
好ましくは、前記被接合物と前記接合装置とを相対的に固定する固定手段を更に備える。
【００３５】
好ましくは、前記接合物と前記被接合物との間に融点低下物質を供給する供給手段をさらに含む。
【００３６】
好ましくは、前記回転停止手段が、前記回転駆動手段と前記把持手段とを切り離すためのクラッチ及び前記把持手段を制動するブレーキの少なくともいずれか一方を備えている。
【００３７】
好ましくは、前記固定手段が、前記被接合物の形状に沿った形状を備えており、及び／又は、前記被接合物と接触する部分が弾性材料により形成されている。
【００３８】
好ましくは、前記固定手段が、高真空吸着パッド又は磁石を含む。
【００３９】
好ましくは、前記供給手段が、前記接合物及び前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の接合面に対して、前記融点低下物質を霧状に噴射する噴霧器を含む。
【００４０】
好ましくは、前記供給手段が、薄板状の前記融点低下物質を前記接合物及び前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の接合面に固定するクランプもしくはホルダを含む。
【００４１】
好ましくは、前記回転駆動手段が、電動機を含む。
【００４２】
好ましくは、前記変位駆動手段が、空気シリンダを含む。
【００４３】
本発明による接合装置によれば、従来のアークスタッド溶接装置と比較して、接合に伴う溶融域が必要最小限であるので、溶融に伴って発生する割れやブローホール等の欠陥が起こりにくい。また、大きな電力を必要としない省エネルギー型の装置である。また、アークを生じないため事前の酸化被膜除去も必要なく、有害紫外線やヒュームも発生しない。また、施工姿勢の変化による継手性能への影響が少なく、作業者の技量への依存度が小さい。
【００４４】
また、従来の摩擦圧接装置と比較すると、金属間化学反応を利用して接合界面を溶融するので、溶融に必要なエネルギーが低く、摩擦圧接法に比べて、(i)回転速度を低くすること、(ii)押圧力を小さくすること、或いは、(iii)回転速度を低くし且つ押圧力を小さくすることを実現する上で有利である。このため、接合物が小径の場合でも比較的低い回転数と比較的小さな押圧力で接合を行うことができる。また、被接合物（ワーク）にボルト穴等の加工を施すことなく、吸着パッド等の固定手段によって接合装置を被接合物に対して確実に固定することができる。接合装置を被接合物に固定した状態においては、任意の姿勢で接合を行うことができる。また、装置を大幅に小型化できるので、既設構造物に接合装置を持ち運んで容易に施工を行うことができる。また、簡単な補助器具のみで任意にハンドリングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の一形態の接合装置１を示す正面図である。
【図２】接合装置１を図１の右側から見た側面図である。
【図３】接合装置１を図２のIII−IIIから見た断面図である。
【図４】図１の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
【図５】融点低下部材５４をスタッド２の表面上に形成する工程を示す図である。
【図５Ａ】融点低下部材５４を固定具５５Ａによって所定位置に固定する工程を示す図である。
【図６】スタッド２とワーク３とを接合するときの制御手段８の接合処理を示すフローチャートである。
【図７】スタッド２とワーク３とを接合する接合過程を模式的に示す図である。
【図８】サーボモータ２３に流れる電流の時間変化を模式的に示す図である。
【図９】第１〜第４スタッド６１〜６４をそれぞれアルミ基板に接合させた接合体の引張強度を表す図である。
【図１０】第４スタッド６４をアップセット加圧時の押圧力を変化させてアルミ基板に接合させた接合体のそれぞれの引張強度を表す図である。
【図１１】第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の断面図である。
【図１１Ａ】上段は、ワーク３と第４スタッド６４との破断面において、第４スタッド６４側の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果であり、比較例として、融点低下部材（Ｚｎ）を使用せずに接合した場合の観察結果を下段に示している。
【図１１Ｂ】図１１Ａの上段（実施例）の拡大図２を更に拡大した図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａの下段（比較例）の拡大図２を更に拡大した図である。
【図１２】曲げ試験を行った後の第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の平面図である。
【図１３】施工姿勢の変化による継手引張強度への影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明の実施の一形態としての接合装置１及び同装置を用いた接合方法について以下で説明する。
【００４７】
なお、本実施の形態においては、図１の紙面に垂直な方向を第１方向Ｘ１，Ｘ２（「Ｘ１，Ｘ２」を総括してＸと記載する）とし、図１の左右方向を第２方向Ｙ１，Ｙ２（「Ｙ１，Ｙ２」を総括してＹと記載する）とし、図１の上下方向を第３方向Ｚ１，Ｚ２（「Ｚ１，Ｚ２」を総括してＺと記載する）とする。また第３方向一方Ｚ１を上方Ｚ１といい、第３方向他方Ｚ２を下方Ｚ２という場合がある。第１〜第３方向Ｘ，Ｙ，Ｚは、相互に直交する。
【００４８】
図１乃至図４に示したように接合装置１は、金属材料によって形成される接合物に相当するスタッド２を、金属材料によって形成される被接合物に相当するワーク３に接合する。具体的には、スタッド２をワーク３に押圧するとともに、スタッド２を回転させて摩擦熱によってスタッド２およびワーク３を溶接する。ワーク３は、たとえば液化天然ガス（Liquefied Natural Gas：略称ＬＮＧ）を収容するＬＮＧタンクの一部を構成し、球形である。接合装置１は、球形のワーク３の外表面に対してスタッド２の軸線が垂直となるようにスタッド２を接合する。接合装置１は、支持台４と、スタッド２を把持し、第３方向Ｚに延びる把持手段５と、把持手段５を第３方向Ｚに変位駆動する変位駆動手段６と、把持手段５を第３方向Ｚに延びる基準軸線Ｌまわりに回転駆動する回転駆動手段７と、変位駆動手段６および回転駆動手段７の駆動を制御する制御手段８とを含み、本発明の接合方法を用いてスタッド２をワーク３に接合した接合体を製造する。
【００４９】
回転駆動手段７は、把持手段５を保持し、かつ把持手段５を回転駆動する。この回転駆動手段７は、変位駆動手段６に保持される。変位駆動手段６は、回転駆動手段７を第３方向Ｚに変位駆動する。変位駆動手段６が、回転駆動手段７を第３方向Ｚに変位駆動することによって、回転駆動手段７に保持された把持手段５と、把持手段５に把持されたスタッド２とが第３方向Ｚに変位する。変位駆動手段６は、ワーク３に貼りついて固定される支持台４に連結される。このような接合装置１では、把持手段５がスタッド２を把持し、かつ変位駆動手段６が回転駆動手段７を下方Ｚ２に変位駆動してスタッド２をワーク３に押圧した状態で、回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動することによって、スタッド２をワーク３に押圧しつつ、回転運動を生じさせて、当接部分に摩擦熱を発生させることができる。
【００５０】
支持台４は、ボルト部材、接着剤、磁石、および真空吸着などによってワーク３に貼付いて固定され、本実施の形態では、真空吸着によってワーク３に貼付く。支持台４は、弾性部材から成る高真空吸着パッド４ａと排気管４ｂとを含む固定手段を有し、別途備える排気手段による排気によって吸着パッド４ａがワーク３に吸着して固定される。排気手段はエジェクタ、真空ポンプなどによって実現される。吸着パッド４ａの弾性により、ワーク３の表面３ａが平坦、平滑でない場合でも、接合装置１を確実にワーク３に固定することができる。本実施の形態では、排気手段を真空ポンプで実現し、ワーク３の表面３ａの基準軸線Ｌ上での法線の延びる方向が、第３方向Ｚに一致する。
【００５１】
変位駆動手段６は、電動機、油圧装置および空圧装置などによって実現され、本実施の形態では空圧装置によって実現される。変位駆動手段６は、２つの複動空気シリンダ１５ａ、１５ｂを含む。複動空気シリンダ１５ａ，１５ｂの各ロッド１６ａ，１６ｂは、各シリンダチューブ１７ａ，１７ｂからそれぞれ下方Ｚ２に延び、下方Ｚ２の端部が支持台４にそれぞれ連結される。変位駆動手段６は、２つのシリンダチューブ１７ａ，１７ｂに挟まれて設けられ、把持手段５が第３方向Ｚに貫通して案内される第１案内部１８をさらに含む。第１案内部１８には、第３方向Ｚに貫通する貫通孔が形成され、この貫通孔に把持手段５が第３方向Ｚに案内される。変位駆動手段６は、圧縮空気供給源、電磁切替弁および圧縮空気を通す流路をさらに含む。
【００５２】
回転駆動手段７は、電動機によって実現され、本実施の形態ではサーボモータ２３によって実現される。サーボモータ２３は、基準軸線Ｌと共通な軸線を有する駆動出力軸２４を含む。回転駆動手段７は、駆動出力軸２４に連結される連結軸２５と、把持手段５の軸２１の上方Ｚ１の端部を連結軸２５に連結するクラッチ２６とをさらに含む。このクラッチ２６は、本実施の形態では乾式単板電磁クラッチによって実現される。クラッチ２６は、連結軸２５と把持手段５とを連結するか、切離すかを、コイルに流れる電流によって切替え、サーボモータ２３の回転動力が、駆動出力軸２４および連結軸２５を介して把持手段５に伝達されるか否かを切替える。接合装置１は、把持手段５の回転方向とは逆の方向に力を加える制動機３４をさらに含む。本実施の形態では、制動機３４は、乾式単板電磁ブレーキによって実現される。この制動機３４は、第１案内部１８の下方Ｚ２の端部にボルト部材３５によって固定され、中心を把持手段５が通る。
【００５３】
なお、変形例としては、モータをブレーキ機能付きのものとすることにより、電磁クラッチおよび電磁ブレーキを不要として、装置の小型化を図ることもできる。
【００５４】
回転駆動手段７は、変位駆動手段６の上方Ｚ１に複数のボルト部材２７で固定される第２案内部２８をさらに含む。この第２案内部２８には、基準軸線Ｌを中心にして第３方向Ｚに貫通する貫通孔３１が形成され、この貫通孔３１に把持手段５の上方Ｚ１の端部および連結軸２５が案内され、基準軸線Ｌまわりに回転可能に支持される。
【００５５】
接合装置１は、接合中の接合対象物の界面の溶融状態を把握する溶融状態把握手段４３をさらに含む。溶融状態把握手段４３は、回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動するときの負荷を検出する負荷検出手段、接合中のスタッド２とワーク３との界面近傍の温度を計測する温度計、および接合中のスタッド２とワーク３との変形量を計測する変形量検出手段などによって実現される。変形量検出手段は、たとえばスタッド２を把持する把持手段の変位量に基づいて変形量を算出する。本実施の形態における溶融状態把握手段４３は、負荷検出手段として回転駆動手段７に流れる電流を検出する検流計によって実現され、回転駆動手段７に設けられて、回転駆動手段７の一部を構成する。溶融状態把握手段４３は、回転駆動手段７に流れる電流を検出して、検出した電流を表す情報を制御手段８に与える。溶融状態把握手段４３から制御手段８に与えられる情報は、回転駆動手段７を実現するサーボモータ２３に流れる電流を表す情報であって、把持手段５を回転させるときのトルクの大きさに対応する情報、すなわち回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動するときの負荷を表す。
【００５６】
接合装置１は、鉛直方向に対する傾きを検出し、自身の姿勢を検出する姿勢検出手段４４をさらに含む。姿勢検出手段４４は、第２案内部２８に第２方向他方Ｙ２から取付けられる。姿勢検出手段４４は、円板形状の分度器４５と、角度を指示する指示部４６と、指示部４６を回転自在に支持する中心軸４７とを含む。
【００５７】
接合装置１は、円環状の吊輪４８をさらに含む。この吊輪４８は、第２案内部２８の第１方向一方Ｘ１に取付けられる。この吊輪４８は、たとえば接合装置１の重心を通り、かつ第１方向Ｘに平行に延びる直線上に配置される。これによって吊輪４８を支持した場合には、基準軸線Ｌが水平方向に平行になる。
【００５８】
接合装置１は、円環状の吊輪４８、および１または複数の取手をさらに含み、本実施の形態では２本の第１取手５１と、第２取手５２とを含む。作業者は、この第１取手５１と第２取手５２とを把持することによって、接合装置１を変位自在に支持することができる。
【００５９】
制御手段８は、変位駆動手段６および回転駆動手段７の駆動を制御する。制御手段８は、たとえばマイクロコンピュータおよびＰＬＣ（Programmable Logic Controller）などによって実現される。あらかじめ記憶された制御プログラムによって、制御手段８が変位駆動手段６および回転駆動手段７の駆動を制御する。接合装置１は、テンキーなどを含む入力手段をさらに含む。作業者が入力手段を操作することによって、この操作に対応する指令が制御手段８に与えられ、制御手段８は、与えられた指令に基づいた制御を行う。たとえば入力手段の操作に応じて制御プログラムを変更する。このように作業者が入力手段を操作して制御プログラムを変更することによって、回転駆動手段７が回転駆動するときの回転速度、および変位駆動手段６が変位駆動するときの第３方向Ｚの駆動力を設定することができる。
【００６０】
制御手段８は、スタッド２が予め定める力でワーク３を押圧するように変位駆動手段６を制御する。スタッド２がワーク３を押圧する力は、変位駆動手段６によって第３方向Ｚに印加される力と、２つのシリンダチューブ１７ａ，１７ｂおよび変位駆動手段６が支持する部材（把持手段５、回転駆動手段７、姿勢検出手段４４、吊輪４８、第１取手５１および第２取手５２）に加わる重力の第３方向Ｚの成分との合力である。本実施の形態における制御手段８は、接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力と、変位駆動手段６によってスタッド２に加わる力との合力が、予め定める力となるように変位駆動手段６の圧縮空気供給源を制御する。本実施の形態において２つのシリンダチューブ１７ａ，１７ｂおよび変位駆動手段６が支持する部材の合計の質量をＭとし、重力加速度をｇとする。接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力は、第３方向Ｚと鉛直方向との成す角度の余弦と、Ｍと、ｇとを積算した値である。たとえば分度器４５の厚み方向の一表面が鉛直方向に平行になるように接合装置１が配置された場合に、接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力は、指示部４６が指し示す角度の余弦と、Ｍと、ｇとを積算した値である。本実施の形態における接合装置１は、分度器４５の厚み方向の一表面が鉛直方向に平行になるように接合装置１が配置された状態で使用されると仮定して説明する。
【００６１】
作業者は、指示部４６が指す角度を読取り、入力手段を操作することによって読取った角度を制御手段８に与える。なお指示部４６が指す角度は、作業者を介さずに姿勢検出手段４４から制御手段８に与えられてもよい。制御手段８は、変位駆動手段６によって第３方向Ｚに印加される力と、入力された角度の余弦、Ｍおよびｇの積算値との合計が、予め定める力になるように、変位駆動手段６の圧縮空気供給源を制御する。これによって、接合装置１が鉛直方向に対してどのような姿勢であっても、スタッド２をワーク３に押圧することができる。この予め定める力は、作業者が入力手段を操作することによって設定可能である。
【００６２】
図５は、融点低下部材５４をスタッド２の表面上に形成する工程を示す図である。スタッド２は、円柱状の軸部２ａと、軸部２ａの軸線方向の端部から周方向に突出する円柱状の円柱部２ｂと、この円柱部２ｂから先細状に延びる先端部２ｃとを含む。本実施の形態における融点低下部材５４は、円錐形状の先端部２ｃの側面上に積層して形成される。本実施の形態では、例えば支持台４に配置された噴霧装置５５からＺｎの含有量が９５パーセントの霧状の融点低下部材５４ａを先端部２ｃに向けて噴霧することによって、融点低下部材５４がスタッド２の表面に積層される。
【００６３】
融点低下部材５４は、スタッド２とワーク３とを接合するときに、スタッド２とワーク３との間に配置される。本実施の形態ではスタッド２の表面に融点低下部材５４を配置することによって、スタッド２とワーク３との間に融点低下部材５４を配置しているが、他の実施の形態では、ワーク３の表面上に融点低下部材５４を積層して形成してもよく、さらに他の実施の形態ではスタッド２およびワーク３の表面に積層して配置することなく、スタッド２とワーク３との間に薄板状の融点低下部材５４を配置して、スタッド２とワーク３とで融点低下部材５４を挟むようにしてもよい（図５Ａ参照）。
【００６４】
融点低下部材５４は、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料との共晶反応によって、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料の融点よりも低い温度で液相を生じスタッド２およびワーク３を形成する金属材料と溶け合う。本実施の形態におけるスタッド２およびワーク３は、同じ種類の金属材料によって形成され、アルミニウムによって形成される。スタッド２には、たとえばＪＩＳ規格のＡ５３５６、Ａ５０５２、またはＡ５０５６を用い、ワーク３には、ＪＩＳ規格のＡ５０８３を用いることができる。融点低下部材５４は、アルミニウムと共晶反応することによってアルミニウムの融点よりも低い温度で液相を生じるＺｎ、Ｃｕ、ＳｉおよびＭｇなどの金属材料から成り、本実施の形態ではＺｎから成る。
【００６５】
次に、図６乃至図８を参照して、接合装置１を用いてスタッド２とワーク３とを接合する方法について説明する。
【００６６】
制御手段８は、スタッド２とワーク３との間に、融点低下部材５４が配置されると、その状態で回転駆動手段７を制御して把持手段５を回転させ、把持手段５がスタッド２をワーク３に押圧させるように変位駆動手段６を制御し、摩擦熱を生じさせ、スタッド２を形成する金属材料の融点およびワーク３を形成する金属材料の融点のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、スタッド２およびワーク３と、融点低下部材５４との接続部位５６に共晶反応による液相を生じ、回転駆動手段７を制御して回転駆動を停止するとともにアップセット加圧を行い、スタッド２をワーク３に接合する。なお、アップセット加圧は必ずしも必須の工程ではなく、接合条件に応じて適宜実施するものである。
【００６７】
スタッド２が把持手段５に取付けられた状態で、接合装置１をワーク３に対して固定し、作業者が入力手段を操作し、スタッド２とワーク３との接合を開始する指令を制御手段８に入力すると、ステップｓ０からステップｓ１に移行する。
【００６８】
ステップｓ１では、制御手段８は、回転駆動手段７を制御して把持手段５の回転駆動を開始させる。本実施の形態では、たとえば６０００ｒｐｍで把持手段５を基準軸線Ｌまわりに回転させる。次にステップｓ２において制御手段８は、変位駆動手段６を制御して下方Ｚ２への変位駆動を開始させる。これによって図７（１）に示すように、把持手段５に把持されたスタッド２が基準軸線Ｌまわりに回転しながら、下方Ｚ２に下降する。スタッド２が基準軸線Ｌまわりに回転しつつ、ワーク３に押圧されることによって、摩擦熱が生じ、スタッド２の先端部と、ワーク３のスタッド２と付き合わされた部分とが溶融する。
【００６９】
次にステップｓ３において制御手段８は、回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動するときの負荷が予め定める負荷以上か否かを判定し、予め定める負荷以上であればステップｓ４に移行し、予め定める負荷未満であれば、ステップｓ３の処理を繰り返す。
【００７０】
スタッド２とワーク３との溶融状態に応じて一定の回転速度で把持手段５を回転させるときのサーボモータ２３に流れる電流が変化する。サーボモータ２３に流れる電流が、予め設定した接合終了電流になると、予め定める負荷以上になったと判断し、ステップｓ４に移行する。この予め設定した接合終了電流は、接合を終了したときに、最も接合強度が高くなるように実験的に設定される。
【００７１】
次にステップｓ４では、制御手段８は、回転駆動手段７のクラッチ２６と制動機３４を制御して回転駆動を急停止させる。これにより、接合物と被接合物とが接合される。図８には、回転駆動手段７の回転駆動を停止しなかった場合のサーボモータ２３に流れる電流を破線で示している。
【００７２】
次にステップｓ５において制御手段８は、変位駆動手段６を制御して上方Ｚ１への変位駆動を開始させ、把持手段５を上方Ｚ１に変位させ、スタッド２を把持手段５から開放させる。次にステップｓ６に移行して、接合処理を終了する。
【００７３】
なお、ステップｓ４の次に実施する任意の工程として、制御手段８が変位駆動手段６を制御して、回転駆動停止より１〜３秒程度把持手段５に下方Ｚ２に加える力を５％〜１５０％増加させて、スタッド２にアップセット加圧を加えるようにしても良い。このように回転駆動停止より１〜３秒程度アップセット加圧を行うことより、接合界面の共晶液相が排出され、接合物と被接合物との活性な新生面同士が突き合わされることによって、スタッド２がワーク３に接合される。
【００７４】
以上説明した本実施の形態の接合装置１によれば、融点低下部材５４がスタッド２とワーク３との間に介在した状態で、スタッド２をワーク３に押圧しつつ、スタッド２とワーク３との間の相対運動を与える。これによってスタッド２およびワーク３の融点よりも低い温度で、共晶反応によりスタッド２およびワーク３の接続部位５６が溶融する。スタッド２とワーク３とが溶融した後に、相対運動を停止させることで、互いに同じ種類の金属材料によって形成されるスタッド２をワーク３に接合することができる。
【００７５】
本実施の形態では、摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、従来の技術のアークスタッド法のように形成した溶融池が凝固するときに、割れおよびブローホールなどの欠陥の発生することを抑制することができ、信頼性の高い接合を実現することができる。またアークスタッド法のようにアーク放電を生じさせるための電源およびシールドガスを供給する装置などを必要としないので、接合方法を実現するための接合装置１のコストを大幅に節減することができる。さらに、アークスタッド法に比べると、アーク放電を発生させることなく接合することができるので、省エネルギーで接合を行うことができる。さらに、アーク放電によって生じる有害な紫外線および、ヒュームなどが発生しないので、作業環境の悪化を防ぐことができ、清浄な環境で接合作業を行うことができる。
【００７６】
また従来の技術の摩擦圧接法では、塑性変形を生じさせるために大きな押圧力を必要とするが、本発明では共晶反応を利用して、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料の融点のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度でスタッド２とワーク３とを溶融させることができるので、摩擦圧接法に比べて小さな押圧力で接合を実現することができ、大きな押圧力を発生するための大掛かりな装置を必要としない。さらに摩擦圧接法に比べると、(i)回転速度を低くすること、(ii)押圧力を小さくすること、或いは、(iii)回転速度を低くし且つ押圧力を小さくすることを実現する上で有利なので、摩擦圧接法を適用することができないような小さなスタッド２であっても、ワーク３に接合することができる。さらに摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、スタッド２とワーク３との接合面の形状が異なる場合であっても、スタッド２をワーク３に接合することができる。
【００７７】
また本実施の形態の接合装置１によれば、ろう付けを行わないので、ろう付けの適用が困難な、溶融温度範囲が広く、ろう材との融点の差が比較的小さいＣｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉなどの含有量の多い高力アルミニウム合金などの接合を行うことができる。
【００７８】
また本実施の形態の接合装置１によれば、スタッド２を回転させることによって相対運動を与えるので、摩擦熱が生じる領域を可能な限り狭くすることができ、接合の影響が生じる領域を可能な限り狭くすることができる。たとえばスタッド２をワーク３に押圧した状態でスライドさせ、往復運動をする場合に比べて、摩擦熱が発生する領域を狭くすることができる。これによって接合の影響が生じる領域を可能な限り小さくすることができる。
【００７９】
さらに本実施の形態の接合装置１によれば、スタッド２は円柱状であって、ワーク３に押圧される先端部２ｃが先細状に形成される。仮にスタッド２が完全に円柱形状であって、先端が平面に形成されている場合、接合物を回転させたときに半径方向の内方と外方とでは、相対速度が外方の方が高くなる。摩擦熱は押圧される圧力、相対速度、摩擦時間の積で表されるので、回転速度の高い半径方向の外方の方が回転速度の低い内方よりも加熱され、接合するときの温度にばらつきが生じ、接合の信頼性が低下する。先細状のスタッド２では、まず先端が加熱されて溶融し、順次半径外方の領域が被接合物に押圧されて摩擦熱によって溶融し、溶融すべき部位の全てを溶融させることができる。すなわち、回転速度の低い半径方向の内方は高圧力かつ長時間摩擦され、回転速度の高い半径方向の外方は低圧力かつ短時間摩擦される。これによって接合時の温度のばらつきを抑えることができ、信頼性の高い接合を実現することができる。
【００８０】
さらに本実施の形態におけるスタッド２は、円柱部２ｂが、軸部２ａに対して半径方向に突出して形成される。たとえば円柱部２ｂが軸部２ａに対して半径方向に突出せずに、軸部２ａの先端から先細状に形成されている場合と比べると、円柱部２ｂが軸部２ａに対して半径方向に突出して形成されることによって、スタッド２をワーク３に接合したときに、接合部位での軸線方向に垂直な断面が大きくなり、接合強度が大きくなる。なお、本発明が適用可能なスタッドの形状は、この例に限定されるものではない。
【００８１】
さらに本実施の形態の接合装置１によれば、スタッド２とワーク３との間に相対運動を与えるときの回転駆動手段７の負荷を溶融状態把握手段４３が検出し、検出した負荷に基づいてスタッド２とワーク３との間の相対運動を停止させる。スタッド２とワーク３との間に相対運動を与えるときの負荷は、スタッド２とワーク３との溶融状態に依存する。本発明では、負荷を検出するだけで間接的に溶融状態を確認することができるので、温度および溶融部位などの溶融状態を直接的に検出する検出手段を備えることなく、相対運動を停止するタイミングを決定することができ、装置が複雑化することを防ぐことができる。
【００８２】
さらに本実施の形態の接合装置１によれば、制御手段８は、変位駆動手段６によって第３方向Ｚに印加される力と、入力された角度の余弦、Ｍおよびｇの積算値との合計が、予め定める力になるように、変位駆動手段６の圧縮空気供給源を制御する。これによって、接合装置１が鉛直方向に対してどのような姿勢であっても、スタッド２をワーク３に押圧することができる。たとえばＬＮＧタンクの一部を構成する球状のワーク３にスタッド２を接合する場合には、鉛直方向の上方に向けてスタッド２をワーク３に押圧したり、水平方向にスタッド２をワーク３に押圧したりする。このような場合であっても、接合装置１の鉛直方向に対する姿勢にかかわらずに予め定める力でスタッド２をワーク３に押圧することができるので、スタッド２を接合するワーク３上の位置にかかわらず、ほぼ同じ接合強度でスタッド２をワーク３に接合することができる。
【００８３】
本実施の形態の接合装置１では、融点低下部材５４をスタッド２とワーク３との間に供給する供給手段として、支持台４に噴霧装置５５が配置されており、この噴霧装置５５からスタッド２またはワーク３に向けて霧状の融点低下部材５４ａが噴出される。噴霧装置５５以外にも、図５Ａに示したように、薄板状の融点低下部材５４をスタッド２とワーク３との間に固定するクランプもしくはホルダから成る固定具５５Ａで供給手段を構成しても良い。これによって作業者が融点低下部材５４を配置することなく、本発明の接合方法を実行する接合装置１を実現することができる。
【００８４】
本実施の形態におけるスタッド２の先端部２ｃは、円錐形状としたけれども、先細状であればよく、たとえば半球状のような円錐形状に対して側面が突出した形状、または円錐形状に対して側面が内側に退避した形状であってもよい。またスタッド２は、ほぼ円柱形状であるとしたけれども、三角柱および五角柱などの多角柱形状でもよい。
【００８５】
また本実施の形態の接合装置１は、スタッド２を基準軸線Ｌまわりに回転させるとしたけれども、回転に限らずにスタッド２の先端をワーク３に押圧した状態でたとえばスライド運動をして、接合物と被接合物との間の相対運動を与えて摩擦熱を生じさせてもよい。
【００８６】
また本実施の形態の接合装置１は、姿勢検出手段４４を１つ含むとしたけれども、他の実施の形態において２つの姿勢検出手段を含み、接合装置１がどのような姿勢であったとしても鉛直方向と基準軸線Ｌとの成す角度を検出することができるようにしてもよい。たとえば厚み方向の一表面が第１方向Ｘに垂直な分度器と、厚み方向の一表面が第２方向Ｙに垂直な分度器を備え、２つの分度器に設けられる各指示部の各角度に基づいて、鉛直方向と基準軸線Ｌとの成す角度を検出してもよい。これによって接合装置１がどのような姿勢であっても、基準軸線Ｌと鉛直方向との成す角度の余弦、Ｍ、およびｇを積算して、接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力を算出することができ、前述したようにスタッド２が予め定める力でワーク３を押圧するように変位駆動手段６を制御することができる。
【００８７】
また本実施の形態の接合装置１は、作業者が第１および第２取手５１，５２を把持して運搬可能であるとしたけれども、第１および第２取手５１，５２ならびに吊輪４８などを設けることなく、予め定める作業位置に固定されていてもよい。
【００８８】
また本実施の形態におけるスタッド２およびワーク３は、同じ種類の金属材料のアルミニウムによって形成され、融点低下部材５４は、Ｚｎによって形成されるとしたけれども、これらには限られない。スタッド２およびワーク３を鉄で形成した場合は、融点低下部材５４をＭｎ、Ｓｉによって形成されてもよい。またスタッド２とワーク３とは異なる金属材料によって形成されてもよく、たとえばスタッド２およびワーク３のいずれか一方を鉄によって形成し、他方をアルミニウムによって形成し、融点低下部材５４をＳｉによって形成してもよい。
【００８９】
［実施例］
実施例として、前述の実施の形態の接合装置１を用いて、図９に示した４本の第１〜第４スタッド６１〜６４をそれぞれ同一の条件でワーク３に接合させた。また、第４スタッド６４をアップセット加圧時の押圧力が異なる２つの条件でそれぞれワーク３に接合させた。
【００９０】
図９は、第１〜第４スタッド６１〜６４のそれぞれの引張強度を表す図である。図９では、第１〜第４スタッド６１〜６４についてそれぞれ６回の引張試験を行い、引張強度の平均値を棒グラフで表した。また各引張試験での引張強度の最大値と最小値とを記号（◆）で印し、この最大値と最小値との間を実線で結んだ。
【００９１】
第１スタッド６１は、直径が６ｍｍの円柱形状である。第２および第３スタッド６２，６３は、同一形状であって、直径が６ｍｍの円柱形状の軸部６２ａ，６３ａと、軸部６２ａ，６３ａの先端から円錐形状に延びる先端部６２ｂ，６３ｂとを有する。この先端部６２ｂ，６３ｂの高さは、２ｍｍである。第４スタッド６４は、前述の実施の形態のスタッド２と同じであって、軸部６４ａの直径が６ｍｍ、円柱部６４ｂの直径が８ｍｍ、円柱形状の先端部６４ｃの高さが２ｍｍである。第１および第２スタッド６１，６２には、融点低下部材５４を形成しておらず、第３および第４スタッド６３，６４の端部の表面には融点低下部材５４を形成している。すなわち本発明の接合方法を用いずに第１および第２スタッド６１，６２をワーク３に接合し、本発明の接合方法を用いて第３および第４スタッド６３，６４をワーク３に接合した。ワーク３は、アルミニウムから成り、ＪＩＳ規格のＡ５０８３を用いた。また第１〜第４スタッド６１〜６４は、アルミニウムから成り、ＪＩＳ規格のＡ５３５６を用いた。また融点低下部材５４は、Ｚｎの含有量が９５パーセントのスプレーを噴霧して形成した。第１〜第４スタッド６１〜６４をワーク３に押圧する力は、摩擦時の押圧力を１０００ニュートン（Ｎ）、アップセット加圧時の押圧力を１９００Ｎとした。第１および第２スタッド６１，６２の接合方法は、従来の技術の摩擦圧接法と同じであるが、通常Φ６ｍｍ程度の円柱形のスタッドに摩擦圧接法を適用する場合、摩擦時の押圧力は４０００Ｎ程度、アップセット加圧時の押圧力を５５００Ｎ程度であるのに対して、押圧する力が小さい。
【００９２】
図９に示すように、引張強度は、第１、第２、第３および第４スタッド６１，６２，６３，６４の順に大きい。このように本発明の接合方法を用いて接合した第３および第４スタッド６３，６４の方が、第１および第２スタッド６１，６２よりも引張強度が大きくなることが示された。また第１スタッド６１よりも第２スタッド６２の引張強度が大きくなったことから、端部を先細状にすることによって引張強度が大きくなることが示された。また第２スタッド６２よりも第３スタッド６３の引張強度が大きくなったことから、融点低下部材５４を配置することによって、すなわち本発明の接合方法を用いることによって引張強度が大きくなることが示された。さらに、第３スタッド６３よりも第４スタッド６４の引張強度が大きくなったことから、先端部６３ｂ，６４ｃの底辺の直径が大きく、接合する領域の断面積が大きいほど引張強度が大きくなることが示された。
【００９３】
図１０は、第４スタッド６４をアップセット加圧時の押圧力が異なる２つの条件でそれぞれワーク３に接合させた場合の、それぞれの引張強度を表す図である。図１０では摩擦時の押圧力を１０００Ｎとし、摩擦時とアップセット加圧時の押圧力が等しく１０００Ｎの場合と、アップセット加圧時に摩擦時より９０％増加させた１９００Ｎを負荷している場合についてそれぞれ６回の引張試験を行い、引張強度の平均値を棒グラフで表した。また各引張試験での引張強度の最大値と最小値とを記号（◆）で印し、この最大値と最小値との間を実線で結んだ。
【００９４】
図１０に示すように、アップセット時の押圧力が摩擦時と等しい場合に比べ、アップセット加圧時に摩擦時より９０％増加させた１９００Ｎを負荷した場合のほうが引張強度が大きくなることが分かる。
【００９５】
図１１は、第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の断面図である。図１１に示すように、本発明の接合方法を用いることによって、接合過程において第４スタッド６４の先端部６４ｃの大部分および円柱部６４ｂの一部、およびワーク３の表面部が塑性流動していることが分かる。
【００９６】
図１１Ａの上段は、ワーク３と第４スタッド６４との接合面の破断面において、第４スタッド６４側の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したものである。接合面中心部の領域では凝固した液滴が観察されなかったが、接合面外周部の領域（図１１においてＸで示した部分）では図１１Ａの上段にＳＥＭ写真で示すように凝固した液滴が観察された（拡大図２を更に拡大した図１１Ｂ参照）。したがって、接合時に材料が溶融し、塑性流動により外周部へ排出されていることが分かる。
【００９７】
図１１Ａの下段は、比較例として、融点低下部材（Ｚｎ）を使用しなかった場合の観察結果を示しており、この比較例においては凝固した液滴が観察されなかった（拡大図２を更に拡大した図１１Ｃ参照）。
【００９８】
図１２は、曲げ試験を行った後の第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の平面図である。図１２に示すように、本発明の接合方法を用いて第４スタッド６４を接合すると、曲げ試験によってワーク３の表面の法線と第４スタッド６４との成す角度が９０°以上になっても、第４スタッド６４がワーク３から剥がれないことが示された。たとえば規格ＭＩＬ−Ｓ−２４１４９Ｂには、曲げ試験においてスタッドが剥がれることなく１５°以上曲がることが基準として規定されている。本発明の接合方法を用いると、従来の技術の摩擦圧接法を適用する場合の通常の押圧力よりも小さい押圧力にもかかわらず、規格ＭＩＬ−Ｓ−２４１４９Ｂに規定される基準を満たすことが確認された。
【００９９】
図１３は、施工姿勢の変化による継手引張強度への影響を示した図であり、鉛直下向き方向で接合した場合と、水平横向き方向で接合した場合とで、継手引張強度に大きな変化はないことが分かる。
【０１００】
以上、本発明の好ましい例についてある程度特定的に説明したが、それらについて種々の変更をなし得ることはあきらかである。従って、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、本明細書中で特定的に記載された態様とは異なる態様で本発明を実施できることが理解されるべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合物を被接合物に接合する接合方法および接合装置に関する。本発明による接合方法及び接合装置の具体的な利用分野としては、例えば、ＬＮＧタンク等の大型アルミ構造物への小物部材の取り付け、鉄道車両、自動車等のアルミ部材への小物部材の取り付け、船舶、橋梁等の鉄鋼部材への小物部材の取り付け等がある。
【背景技術】
【０００２】
接合物を被接合物に接合する従来の方法としてアークスタッド法がある。アークスタッド法では、まず接合物と被接合物との間にアーク放電を発生させ、このアーク放電によって接合物と被接合物とを溶融させて、接合物と被接合物との間に溶融物から成る溶融池を形成する。次に溶融池を形成した状態で接合物を被接合物に押圧し、接合物を被接合物に接合している。
【０００３】
接合物を被接合物に接合する他の従来の方法として摩擦圧接法がある。摩擦圧接法では、接合物を被接合物に押付けた状態で接合物を回転させ、接合物と被接合物との間に摩擦熱を生じさせ、接合物と被接合物との接合部に塑性変形を生じさせることによって接合物と被接合物とを接合している（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
接合物を被接合物に接合するさらに他の従来の方法として、ろう接がある。ろう接では、接合物と被接合物との間に、接合物および被接合物よりも融点の低いろう材を配置し、このろう材を溶融させて接合物と被接合物とを接合している（たとえば特許文献２参照）。
【０００５】
ところが、アークスタッド法では、溶融池が凝固する課程において割れおよびブローホールなどの欠陥が生じ、溶接部の品質および接合強度のばらつきが大きくなり易く、接合の信頼性が低いという問題がある。また、アークスタッド法を行うには、溶接を行なうためのガン、電圧を印加するための溶接電源および酸化などを防ぐためのシールドガスを供給する装置などの付帯機器と、これらの付帯機器の配線および配管などが必要となる。また、接合前の酸化被膜除去工程・スタッド接合工程・フェルール除去工程が必要であり、工程数が多い。
【０００６】
摩擦圧接法は、姿勢変化の影響を受けない安定した工法であるが、塑性変形を生じさせるために、数百ｋｇからトンオーダの押圧力で接合物を被接合物に押圧する必要がある。したがって、このような押圧力に耐えることができる接合物および被接合物の接合にのみ摩擦圧接法を適用することができるが、たとえば押圧力で座屈するような強度の小さい接合物を摩擦圧接法では接合することができないという問題がある。また、接合装置が大形化し、既設構造物に装置を運び入れて施工することは困難である。また、発生する摩擦熱は相対速度と押圧力の積に比例する。接合物が小径の場合は相対速度が低くなるため、特に大きな押圧力もしくは超高速回転が必要となる。
【０００７】
アルミニウムのろう接では、接合物および被接合物のうちのろう材が付着する部分の酸化皮膜を除去する工程が必要となる。酸化皮膜の除去には強活性フラックスが多く用いられる。この強活性フラックスは、残留すると接合部分の腐食の原因となるので、ろう接では、強活性フラックスを除去する工程がさらに必要となり、工程数が増加するという問題がある。またろう材と母材とは、融点の差が小さいので、±５℃程度の温度範囲内でろう付けを行う必要がある。したがってろう接は、溶融温度範囲が狭く、ろう材との融点の差が比較的大きいアルミニウム合金に一般的に適用され、溶融温度範囲が広く、ろう材との融点の差が比較的小さいＣｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉなどの含有量の多い高力アルミニウム合金などに適用することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１５３９７９号公報
【特許文献２】特開２００２−２９００６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって本発明の目的は、小さな押圧力で、信頼性が高く、かつ作業環境を悪化させることなく接合物を被接合物に接合することができる接合方法および接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明による接合方法は、
それぞれが金属材料によって形成される接合物および被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材を配置し、
前記融点低下部材を介して前記接合物を前記被接合物に押圧した状態で、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることによって摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と前記融点低下部材との接続部位を溶融させ、
前記接合物と前記被接合物との間の相対運動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、本発明は、前記接合物および前記被接合物は、同じ種類の金属材料によって形成されることを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、本発明は、前記金属材料は、アルミニウムであることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、本発明は、前記接合物を回転させることによって、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、本発明は、前記接合物は、円柱状であって、前記被接合物に押圧される先端部が、先細状に形成されることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、本発明は、前記接合物と前記被接合物との相対運動を生じさせるときの負荷を検出し、
検出した負荷に基づいて、前記接合物と前記被接合物との相対運動を停止することを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明による接合装置は、
金属材料によって形成される接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を変位駆動する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、を含み、
前記制御手段は、
前記接合物および金属材料によって形成される被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材が配置された状態で、前記回転駆動手段を制御して前記把持手段を回転させながら前記把持手段が前記接合物を前記被接合物に押圧させるように前記変位駆動手段を制御して両者の間に摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と、前記融点低下部材との接続部位とを溶融させ、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、本発明は、前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときの負荷を検出する負荷検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記負荷検出手段が検出した負荷に基づいて、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止させることを特徴とする。
【００１８】
好ましくは、本発明は、前記融点低下部材を前記接合物と前記被接合物との間に配置する供給手段をさらに含むことを特徴とする。
【００１９】
好ましくは、本発明は、鉛直方向に対する傾きを検出する姿勢検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて、重力と前記変位駆動手段によって加わる力との合力が予め定める力となるように前記変位駆動手段を制御することを特徴とする。
【００２０】
上述した本発明の接合方法及び接合装置によれば、まず金属によって形成される接合物と、金属によって形成される被接合物との間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材が配置される。この融点低下部材は、接合物と被接合物の少なくとも一方と共晶反応する金属材料によって形成される。次に融点低下部材が介在した状態で、接合物を被接合物に押圧しつつ、接合物と被接合物との間に相対運動を与える。これにより、接合物と被接合物が突き合わされた部分に摩擦熱が生じる。この摩擦熱によって摩擦面の温度が上昇し、接合物および被接合物のうちの少なくともいずれか一方と融点低下部材との接する部位のみが共晶反応によって液相を生じる。接合物と被接合物の間に十分液相が生じた後、相対運動を停止させる。また、任意の工程として、変位駆動手段を制御してアップセット加圧を行うこともできる。これにより、摩擦面の液相が排出され、接合物と被接合物との活性な新生面同士が突き合わされることで両者を接合することができる。
【００２１】
本発明では、摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、従来の技術のアークスタッド法のように形成した溶融池が凝固するときに、割れおよびブローホールなどの欠陥の発生することを抑制することができ、信頼性の高い接合を実現することができる。またアークスタッド法のようにアーク放電を生じさせるための電源およびシールドガスを供給する装置などを必要としないので、接合方法を実現するための装置のコストを大幅に節減することができる。さらに、アークスタッド法に比べると、アーク放電を発生させることなく接合することができるので、省エネルギーで接合を行うことができる。さらに、アーク放電によって生じる有害な紫外線および、ヒュームなどが発生しないので、作業環境の悪化を防ぐことができ、清浄な環境で接合作業を行うことができる。
【００２２】
また従来の技術の摩擦圧接法では、塑性変形を生じさせるために大きな押圧力を必要とするが、本発明では融点を低下させて、接合物を形成する金属材料の融点および被接合物を形成する金属材料の融点のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で接合物と被接合物とを溶融させることができるので、摩擦圧接法に比べて、(i)回転速度を低くすること、(ii)押圧力を小さくすること、或いは、(iii)回転速度を低くし且つ押圧力を小さくすることを実現する上で有利であり、大きな押圧力を発生するための大掛かりな装置を必要としない。さらに本発明では摩擦圧接法に比べると小さな押圧力で接合を実現することができるので、摩擦圧接法では、押圧力に耐えることができず、摩擦圧接法を適用することができないような小さな接合物であっても、被接合物に接合することができる。さらに摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、接合物と被接合物との接合面の形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができる。
【００２３】
また本発明によれば、例えば、同じ種類の金属材料によって形成される接合物と被接合物との接合を、前述したように装置のコストを大幅に節減しつつ、省エネルギーで行うことができ、また摩擦圧接を行う装置のように装置の構成が大掛かりにならずに、摩擦圧接法では接合できないような小さい接合物を接合することができ、また接合物と被接合物との形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができ、作業環境の悪化を防いで、清浄な環境で信頼性の高い接合を行うことができる。
【００２４】
また本発明によれば、例えば、アルミニウムによって形成される接合物と被接合物との接合を、前述したように装置のコストを大幅に節減しつつ、省エネルギーで行うことができ、また摩擦圧接を行う装置のように装置の構成が大掛かりにならずに、摩擦圧接法では接合できないような小さい接合物を接合することができ、また接合物と被接合物との形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができ、作業環境の悪化を防いで、清浄な環境で信頼性の高い接合を行うことができる。
【００２５】
また本発明によれば、例えば、接合物を回転させることによって相対運動を与えるので、被接合物の摩擦熱が生じる領域を可能な限り狭くすることができ、接合の影響が生じる領域を可能な限り狭くすることができる。たとえば接合物を被接合物に押圧した状態でスライドさせ、往復運動をする場合に比べて、摩擦熱が発生する領域を狭くすることができる。これによって接合の影響が生じる領域を可能な限り小さくすることができる。
【００２６】
さらに本発明によれば、例えば、接合物は、円柱状であって、被接合物に押圧される先端部が先細状に形成される。これは、摩擦面に生ずる摩擦熱を均一にするためである。仮に接合物が完全に円柱形状であって、先端が平面に形成されている場合、接合物を回転させたときに、半径方向の内方と外方とでは、回転速度が外方の方が高くなる。摩擦熱は押圧される圧力、相対速度、摩擦時間の積で表されるので、回転速度の高い半径方向の外方の方が回転速度の低い内方よりも加熱され、接合するときの温度にばらつきが生じ、接合の信頼性が低下する。先細状の接合物では、まず先端が加熱されて溶融し、順次半径外方の領域が被接合物に押圧されて摩擦熱によって溶融し、溶融すべき部位の全てを溶融させることができる。すなわち、回転速度の低い半径方向の内方は高圧力かつ長時間摩擦され、回転速度の高い半径方向の外方は低圧力かつ短時間摩擦される。これによって接合時の温度のばらつきを抑えることができ、信頼性の高い接合を実現することができる。
【００２７】
さらに本発明によれば、例えば、まず接合物と被接合物と間に相対運動を与えるときの負荷を検出し、次にこの検出した負荷に基づいて接合物と被接合物との間の相対運動を停止させる。接合物と被接合物との間の相対運動を与えるときの負荷は、接合物と被接合物との溶融状態に依存する。本発明では、負荷を検出するだけで間接的に溶融状態を確認することができるので、温度および溶融部位などの溶融状態を直接的に検出することなく、相対運動を停止するタイミングを決定することができる。
【００２８】
さらに本発明によれば、例えば、接合物は、把持手段に把持され、制御手段によって駆動が制御される回転駆動手段および変位駆動手段が把持手段を駆動することによって、前述した接合方法を実行する接合装置が実現される。この接合装置は、前述した本発明の接合方法を実行するので、前述したように装置のコストを大幅に節減しつつ、省エネルギーで接合を行い、摩擦圧接を行う装置のように装置の構成が大掛かりにならずに、摩擦圧接法では接合できないような小さい接合物を接合することができ、また接合物と被接合物との形状が異なる場合であっても、接合物を被接合物に接合することができ、作業環境の悪化を防いで、清浄な環境で信頼性の高い接合を行うことができる。
【００２９】
さらに本発明によれば、例えば、負荷検出手段によって、変位駆動手段が把持手段を回転駆動するときの負荷を検出する。制御部は、負荷検出手段が検出した負荷に基づいて、回転駆動手段を制御して回転駆動を停止させる。接合物と被接合物との間の相対運動を与えるときの負荷は、接合物と被接合物との溶融状態に依存する。本発明では、負荷を検出するだけで間接的に溶融状態を確認することができるので、温度および溶融部位などの溶融状態を直接的に検出する検出手段を備えることなく、相対運動を停止するタイミングを決定することができ、装置が複雑化することを防ぐことができる。
【００３０】
さらに本発明によれば、例えば、供給手段が、融点低下部材を接合物と被接合物との間に配置することによって、作業者が融点低下部材を配置することなく、本発明の接合方法を実行する接合装置を実現することができる。
【００３１】
さらに本発明によれば、例えば、鉛直方向に対する傾きを検出する姿勢検出手段を含み、制御手段は、姿勢検出手段の検出結果に基づいて、重力と変位駆動手段とによって接合物に加わる力が予め定める力となるように変位駆動手段を制御する。これによって、接合装置が鉛直方向に対してどのような姿勢であっても、接合物を被接合物に押圧することができ、ほぼ同じ接合強度で接合物を被接合物に接合することができる。
【００３２】
上記課題を解決するために、本発明による接合装置は、接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態にある前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態にある把持手段を変位駆動して前記接合物を被接合物に押圧する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、
前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときに前記回転駆動手段の回転軸に加えられる負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記回転駆動手段による前記接合物の回転を停止するように構成されている、ことを特徴とする。
【００３３】
好ましくは、前記回転駆動手段とは別に前記接合物の回転を停止する回転停止手段を更に備える。
【００３４】
好ましくは、前記被接合物と前記接合装置とを相対的に固定する固定手段を更に備える。
【００３５】
好ましくは、前記接合物と前記被接合物との間に融点低下物質を供給する供給手段をさらに含む。
【００３６】
好ましくは、前記回転停止手段が、前記回転駆動手段と前記把持手段とを切り離すためのクラッチ及び前記把持手段を制動するブレーキの少なくともいずれか一方を備えている。
【００３７】
好ましくは、前記固定手段が、前記被接合物の形状に沿った形状を備えており、及び／又は、前記被接合物と接触する部分が弾性材料により形成されている。
【００３８】
好ましくは、前記固定手段が、高真空吸着パッド又は磁石を含む。
【００３９】
好ましくは、前記供給手段が、前記接合物及び前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の接合面に対して、前記融点低下物質を霧状に噴射する噴霧器を含む。
【００４０】
好ましくは、前記供給手段が、薄板状の前記融点低下物質を前記接合物及び前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の接合面に固定するクランプもしくはホルダを含む。
【００４１】
好ましくは、前記回転駆動手段が、電動機を含む。
【００４２】
好ましくは、前記変位駆動手段が、空気シリンダを含む。
【００４３】
本発明による接合装置によれば、従来のアークスタッド溶接装置と比較して、接合に伴う溶融域が必要最小限であるので、溶融に伴って発生する割れやブローホール等の欠陥が起こりにくい。また、大きな電力を必要としない省エネルギー型の装置である。また、アークを生じないため事前の酸化被膜除去も必要なく、有害紫外線やヒュームも発生しない。また、施工姿勢の変化による継手性能への影響が少なく、作業者の技量への依存度が小さい。
【００４４】
また、従来の摩擦圧接装置と比較すると、金属間化学反応を利用して接合界面を溶融するので、溶融に必要なエネルギーが低く、摩擦圧接法に比べて、(i)回転速度を低くすること、(ii)押圧力を小さくすること、或いは、(iii)回転速度を低くし且つ押圧力を小さくすることを実現する上で有利である。このため、接合物が小径の場合でも比較的低い回転数と比較的小さな押圧力で接合を行うことができる。また、被接合物（ワーク）にボルト穴等の加工を施すことなく、吸着パッド等の固定手段によって接合装置を被接合物に対して確実に固定することができる。接合装置を被接合物に固定した状態においては、任意の姿勢で接合を行うことができる。また、装置を大幅に小型化できるので、既設構造物に接合装置を持ち運んで容易に施工を行うことができる。また、簡単な補助器具のみで任意にハンドリングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の一形態の接合装置１を示す正面図である。
【図２】接合装置１を図１の右側から見た側面図である。
【図３】接合装置１を図２のIII−IIIから見た断面図である。
【図４】図１の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
【図５】融点低下部材５４をスタッド２の表面上に形成する工程を示す図である。
【図５Ａ】融点低下部材５４を固定具５５Ａによって所定位置に固定する工程を示す図である。
【図６】スタッド２とワーク３とを接合するときの制御手段８の接合処理を示すフローチャートである。
【図７】スタッド２とワーク３とを接合する接合過程を模式的に示す図である。
【図８】サーボモータ２３に流れる電流の時間変化を模式的に示す図である。
【図９】第１〜第４スタッド６１〜６４をそれぞれアルミ基板に接合させた接合体の引張強度を表す図である。
【図１０】第４スタッド６４をアップセット加圧時の押圧力を変化させてアルミ基板に接合させた接合体のそれぞれの引張強度を表す図である。
【図１１】第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の断面図である。
【図１１Ａ】上段は、ワーク３と第４スタッド６４との破断面において、第４スタッド６４側の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果であり、比較例として、融点低下部材（Ｚｎ）を使用せずに接合した場合の観察結果を下段に示している。
【図１１Ｂ】図１１Ａの上段（実施例）の拡大図２を更に拡大した図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａの下段（比較例）の拡大図２を更に拡大した図である。
【図１２】曲げ試験を行った後の第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の平面図である。
【図１３】施工姿勢の変化による継手引張強度への影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明の実施の一形態としての接合装置１及び同装置を用いた接合方法について以下で説明する。
【００４７】
なお、本実施の形態においては、図１の紙面に垂直な方向を第１方向Ｘ１，Ｘ２（「Ｘ１，Ｘ２」を総括してＸと記載する）とし、図１の左右方向を第２方向Ｙ１，Ｙ２（「Ｙ１，Ｙ２」を総括してＹと記載する）とし、図１の上下方向を第３方向Ｚ１，Ｚ２（「Ｚ１，Ｚ２」を総括してＺと記載する）とする。また第３方向一方Ｚ１を上方Ｚ１といい、第３方向他方Ｚ２を下方Ｚ２という場合がある。第１〜第３方向Ｘ，Ｙ，Ｚは、相互に直交する。
【００４８】
図１乃至図４に示したように接合装置１は、金属材料によって形成される接合物に相当するスタッド２を、金属材料によって形成される被接合物に相当するワーク３に接合する。具体的には、スタッド２をワーク３に押圧するとともに、スタッド２を回転させて摩擦熱によってスタッド２およびワーク３を溶接する。ワーク３は、たとえば液化天然ガス（Liquefied Natural Gas：略称ＬＮＧ）を収容するＬＮＧタンクの一部を構成し、球形である。接合装置１は、球形のワーク３の外表面に対してスタッド２の軸線が垂直となるようにスタッド２を接合する。接合装置１は、支持台４と、スタッド２を把持し、第３方向Ｚに延びる把持手段５と、把持手段５を第３方向Ｚに変位駆動する変位駆動手段６と、把持手段５を第３方向Ｚに延びる基準軸線Ｌまわりに回転駆動する回転駆動手段７と、変位駆動手段６および回転駆動手段７の駆動を制御する制御手段８とを含み、本発明の接合方法を用いてスタッド２をワーク３に接合した接合体を製造する。
【００４９】
回転駆動手段７は、把持手段５を保持し、かつ把持手段５を回転駆動する。この回転駆動手段７は、変位駆動手段６に保持される。変位駆動手段６は、回転駆動手段７を第３方向Ｚに変位駆動する。変位駆動手段６が、回転駆動手段７を第３方向Ｚに変位駆動することによって、回転駆動手段７に保持された把持手段５と、把持手段５に把持されたスタッド２とが第３方向Ｚに変位する。変位駆動手段６は、ワーク３に貼りついて固定される支持台４に連結される。このような接合装置１では、把持手段５がスタッド２を把持し、かつ変位駆動手段６が回転駆動手段７を下方Ｚ２に変位駆動してスタッド２をワーク３に押圧した状態で、回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動することによって、スタッド２をワーク３に押圧しつつ、回転運動を生じさせて、当接部分に摩擦熱を発生させることができる。
【００５０】
支持台４は、ボルト部材、接着剤、磁石、および真空吸着などによってワーク３に貼付いて固定され、本実施の形態では、真空吸着によってワーク３に貼付く。支持台４は、弾性部材から成る高真空吸着パッド４ａと排気管４ｂとを含む固定手段を有し、別途備える排気手段による排気によって吸着パッド４ａがワーク３に吸着して固定される。排気手段はエジェクタ、真空ポンプなどによって実現される。吸着パッド４ａの弾性により、ワーク３の表面３ａが平坦、平滑でない場合でも、接合装置１を確実にワーク３に固定することができる。本実施の形態では、排気手段を真空ポンプで実現し、ワーク３の表面３ａの基準軸線Ｌ上での法線の延びる方向が、第３方向Ｚに一致する。
【００５１】
変位駆動手段６は、電動機、油圧装置および空圧装置などによって実現され、本実施の形態では空圧装置によって実現される。変位駆動手段６は、２つの複動空気シリンダ１５ａ、１５ｂを含む。複動空気シリンダ１５ａ，１５ｂの各ロッド１６ａ，１６ｂは、各シリンダチューブ１７ａ，１７ｂからそれぞれ下方Ｚ２に延び、下方Ｚ２の端部が支持台４にそれぞれ連結される。変位駆動手段６は、２つのシリンダチューブ１７ａ，１７ｂに挟まれて設けられ、把持手段５が第３方向Ｚに貫通して案内される第１案内部１８をさらに含む。第１案内部１８には、第３方向Ｚに貫通する貫通孔が形成され、この貫通孔に把持手段５が第３方向Ｚに案内される。変位駆動手段６は、圧縮空気供給源、電磁切替弁および圧縮空気を通す流路をさらに含む。
【００５２】
回転駆動手段７は、電動機によって実現され、本実施の形態ではサーボモータ２３によって実現される。サーボモータ２３は、基準軸線Ｌと共通な軸線を有する駆動出力軸２４を含む。回転駆動手段７は、駆動出力軸２４に連結される連結軸２５と、把持手段５の軸２１の上方Ｚ１の端部を連結軸２５に連結するクラッチ２６とをさらに含む。このクラッチ２６は、本実施の形態では乾式単板電磁クラッチによって実現される。クラッチ２６は、連結軸２５と把持手段５とを連結するか、切離すかを、コイルに流れる電流によって切替え、サーボモータ２３の回転動力が、駆動出力軸２４および連結軸２５を介して把持手段５に伝達されるか否かを切替える。接合装置１は、把持手段５の回転方向とは逆の方向に力を加える制動機３４をさらに含む。本実施の形態では、制動機３４は、乾式単板電磁ブレーキによって実現される。この制動機３４は、第１案内部１８の下方Ｚ２の端部にボルト部材３５によって固定され、中心を把持手段５が通る。
【００５３】
なお、変形例としては、モータをブレーキ機能付きのものとすることにより、電磁クラッチおよび電磁ブレーキを不要として、装置の小型化を図ることもできる。
【００５４】
回転駆動手段７は、変位駆動手段６の上方Ｚ１に複数のボルト部材２７で固定される第２案内部２８をさらに含む。この第２案内部２８には、基準軸線Ｌを中心にして第３方向Ｚに貫通する貫通孔３１が形成され、この貫通孔３１に把持手段５の上方Ｚ１の端部および連結軸２５が案内され、基準軸線Ｌまわりに回転可能に支持される。
【００５５】
接合装置１は、接合中の接合対象物の界面の溶融状態を把握する溶融状態把握手段４３をさらに含む。溶融状態把握手段４３は、回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動するときの負荷を検出する負荷検出手段、接合中のスタッド２とワーク３との界面近傍の温度を計測する温度計、および接合中のスタッド２とワーク３との変形量を計測する変形量検出手段などによって実現される。変形量検出手段は、たとえばスタッド２を把持する把持手段の変位量に基づいて変形量を算出する。本実施の形態における溶融状態把握手段４３は、負荷検出手段として回転駆動手段７に流れる電流を検出する検流計によって実現され、回転駆動手段７に設けられて、回転駆動手段７の一部を構成する。溶融状態把握手段４３は、回転駆動手段７に流れる電流を検出して、検出した電流を表す情報を制御手段８に与える。溶融状態把握手段４３から制御手段８に与えられる情報は、回転駆動手段７を実現するサーボモータ２３に流れる電流を表す情報であって、把持手段５を回転させるときのトルクの大きさに対応する情報、すなわち回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動するときの負荷を表す。
【００５６】
接合装置１は、鉛直方向に対する傾きを検出し、自身の姿勢を検出する姿勢検出手段４４をさらに含む。姿勢検出手段４４は、第２案内部２８に第２方向他方Ｙ２から取付けられる。姿勢検出手段４４は、円板形状の分度器４５と、角度を指示する指示部４６と、指示部４６を回転自在に支持する中心軸４７とを含む。
【００５７】
接合装置１は、円環状の吊輪４８をさらに含む。この吊輪４８は、第２案内部２８の第１方向一方Ｘ１に取付けられる。この吊輪４８は、たとえば接合装置１の重心を通り、かつ第１方向Ｘに平行に延びる直線上に配置される。これによって吊輪４８を支持した場合には、基準軸線Ｌが水平方向に平行になる。
【００５８】
接合装置１は、円環状の吊輪４８、および１または複数の取手をさらに含み、本実施の形態では２本の第１取手５１と、第２取手５２とを含む。作業者は、この第１取手５１と第２取手５２とを把持することによって、接合装置１を変位自在に支持することができる。
【００５９】
制御手段８は、変位駆動手段６および回転駆動手段７の駆動を制御する。制御手段８は、たとえばマイクロコンピュータおよびＰＬＣ（Programmable Logic Controller）などによって実現される。あらかじめ記憶された制御プログラムによって、制御手段８が変位駆動手段６および回転駆動手段７の駆動を制御する。接合装置１は、テンキーなどを含む入力手段をさらに含む。作業者が入力手段を操作することによって、この操作に対応する指令が制御手段８に与えられ、制御手段８は、与えられた指令に基づいた制御を行う。たとえば入力手段の操作に応じて制御プログラムを変更する。このように作業者が入力手段を操作して制御プログラムを変更することによって、回転駆動手段７が回転駆動するときの回転速度、および変位駆動手段６が変位駆動するときの第３方向Ｚの駆動力を設定することができる。
【００６０】
制御手段８は、スタッド２が予め定める力でワーク３を押圧するように変位駆動手段６を制御する。スタッド２がワーク３を押圧する力は、変位駆動手段６によって第３方向Ｚに印加される力と、２つのシリンダチューブ１７ａ，１７ｂおよび変位駆動手段６が支持する部材（把持手段５、回転駆動手段７、姿勢検出手段４４、吊輪４８、第１取手５１および第２取手５２）に加わる重力の第３方向Ｚの成分との合力である。本実施の形態における制御手段８は、接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力と、変位駆動手段６によってスタッド２に加わる力との合力が、予め定める力となるように変位駆動手段６の圧縮空気供給源を制御する。本実施の形態において２つのシリンダチューブ１７ａ，１７ｂおよび変位駆動手段６が支持する部材の合計の質量をＭとし、重力加速度をｇとする。接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力は、第３方向Ｚと鉛直方向との成す角度の余弦と、Ｍと、ｇとを積算した値である。たとえば分度器４５の厚み方向の一表面が鉛直方向に平行になるように接合装置１が配置された場合に、接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力は、指示部４６が指し示す角度の余弦と、Ｍと、ｇとを積算した値である。本実施の形態における接合装置１は、分度器４５の厚み方向の一表面が鉛直方向に平行になるように接合装置１が配置された状態で使用されると仮定して説明する。
【００６１】
作業者は、指示部４６が指す角度を読取り、入力手段を操作することによって読取った角度を制御手段８に与える。なお指示部４６が指す角度は、作業者を介さずに姿勢検出手段４４から制御手段８に与えられてもよい。制御手段８は、変位駆動手段６によって第３方向Ｚに印加される力と、入力された角度の余弦、Ｍおよびｇの積算値との合計が、予め定める力になるように、変位駆動手段６の圧縮空気供給源を制御する。これによって、接合装置１が鉛直方向に対してどのような姿勢であっても、スタッド２をワーク３に押圧することができる。この予め定める力は、作業者が入力手段を操作することによって設定可能である。
【００６２】
図５は、融点低下部材５４をスタッド２の表面上に形成する工程を示す図である。スタッド２は、円柱状の軸部２ａと、軸部２ａの軸線方向の端部から周方向に突出する円柱状の円柱部２ｂと、この円柱部２ｂから先細状に延びる先端部２ｃとを含む。本実施の形態における融点低下部材５４は、円錐形状の先端部２ｃの側面上に積層して形成される。本実施の形態では、例えば支持台４に配置された噴霧装置５５からＺｎの含有量が９５パーセントの霧状の融点低下部材５４ａを先端部２ｃに向けて噴霧することによって、融点低下部材５４がスタッド２の表面に積層される。
【００６３】
融点低下部材５４は、スタッド２とワーク３とを接合するときに、スタッド２とワーク３との間に配置される。本実施の形態ではスタッド２の表面に融点低下部材５４を配置することによって、スタッド２とワーク３との間に融点低下部材５４を配置しているが、他の実施の形態では、ワーク３の表面上に融点低下部材５４を積層して形成してもよく、さらに他の実施の形態ではスタッド２およびワーク３の表面に積層して配置することなく、スタッド２とワーク３との間に薄板状の融点低下部材５４を配置して、スタッド２とワーク３とで融点低下部材５４を挟むようにしてもよい（図５Ａ参照）。
【００６４】
融点低下部材５４は、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料との共晶反応によって、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料の融点よりも低い温度で液相を生じスタッド２およびワーク３を形成する金属材料と溶け合う。本実施の形態におけるスタッド２およびワーク３は、同じ種類の金属材料によって形成され、アルミニウムによって形成される。スタッド２には、たとえばＪＩＳ規格のＡ５３５６、Ａ５０５２、またはＡ５０５６を用い、ワーク３には、ＪＩＳ規格のＡ５０８３を用いることができる。融点低下部材５４は、アルミニウムと共晶反応することによってアルミニウムの融点よりも低い温度で液相を生じるＺｎ、Ｃｕ、ＳｉおよびＭｇなどの金属材料から成り、本実施の形態ではＺｎから成る。
【００６５】
次に、図６乃至図８を参照して、接合装置１を用いてスタッド２とワーク３とを接合する方法について説明する。
【００６６】
制御手段８は、スタッド２とワーク３との間に、融点低下部材５４が配置されると、その状態で回転駆動手段７を制御して把持手段５を回転させ、把持手段５がスタッド２をワーク３に押圧させるように変位駆動手段６を制御し、摩擦熱を生じさせ、スタッド２を形成する金属材料の融点およびワーク３を形成する金属材料の融点のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、スタッド２およびワーク３と、融点低下部材５４との接続部位５６に共晶反応による液相を生じ、回転駆動手段７を制御して回転駆動を停止するとともにアップセット加圧を行い、スタッド２をワーク３に接合する。なお、アップセット加圧は必ずしも必須の工程ではなく、接合条件に応じて適宜実施するものである。
【００６７】
スタッド２が把持手段５に取付けられた状態で、接合装置１をワーク３に対して固定し、作業者が入力手段を操作し、スタッド２とワーク３との接合を開始する指令を制御手段８に入力すると、ステップｓ０からステップｓ１に移行する。
【００６８】
ステップｓ１では、制御手段８は、回転駆動手段７を制御して把持手段５の回転駆動を開始させる。本実施の形態では、たとえば６０００ｒｐｍで把持手段５を基準軸線Ｌまわりに回転させる。次にステップｓ２において制御手段８は、変位駆動手段６を制御して下方Ｚ２への変位駆動を開始させる。これによって図７（１）に示すように、把持手段５に把持されたスタッド２が基準軸線Ｌまわりに回転しながら、下方Ｚ２に下降する。スタッド２が基準軸線Ｌまわりに回転しつつ、ワーク３に押圧されることによって、摩擦熱が生じ、スタッド２の先端部と、ワーク３のスタッド２と付き合わされた部分とが溶融する。
【００６９】
次にステップｓ３において制御手段８は、回転駆動手段７が把持手段５を回転駆動するときの負荷が予め定める負荷以上か否かを判定し、予め定める負荷以上であればステップｓ４に移行し、予め定める負荷未満であれば、ステップｓ３の処理を繰り返す。
【００７０】
スタッド２とワーク３との溶融状態に応じて一定の回転速度で把持手段５を回転させるときのサーボモータ２３に流れる電流が変化する。サーボモータ２３に流れる電流が、予め設定した接合終了電流になると、予め定める負荷以上になったと判断し、ステップｓ４に移行する。この予め設定した接合終了電流は、接合を終了したときに、最も接合強度が高くなるように実験的に設定される。
【００７１】
次にステップｓ４では、制御手段８は、回転駆動手段７のクラッチ２６と制動機３４を制御して回転駆動を急停止させる。これにより、接合物と被接合物とが接合される。図８には、回転駆動手段７の回転駆動を停止しなかった場合のサーボモータ２３に流れる電流を破線で示している。
【００７２】
次にステップｓ５において制御手段８は、変位駆動手段６を制御して上方Ｚ１への変位駆動を開始させ、把持手段５を上方Ｚ１に変位させ、スタッド２を把持手段５から開放させる。次にステップｓ６に移行して、接合処理を終了する。
【００７３】
なお、ステップｓ４の次に実施する任意の工程として、制御手段８が変位駆動手段６を制御して、回転駆動停止より１〜３秒程度把持手段５に下方Ｚ２に加える力を５％〜１５０％増加させて、スタッド２にアップセット加圧を加えるようにしても良い。このように回転駆動停止より１〜３秒程度アップセット加圧を行うことより、接合界面の共晶液相が排出され、接合物と被接合物との活性な新生面同士が突き合わされることによって、スタッド２がワーク３に接合される。
【００７４】
以上説明した本実施の形態の接合装置１によれば、融点低下部材５４がスタッド２とワーク３との間に介在した状態で、スタッド２をワーク３に押圧しつつ、スタッド２とワーク３との間の相対運動を与える。これによってスタッド２およびワーク３の融点よりも低い温度で、共晶反応によりスタッド２およびワーク３の接続部位５６が溶融する。スタッド２とワーク３とが溶融した後に、相対運動を停止させることで、互いに同じ種類の金属材料によって形成されるスタッド２をワーク３に接合することができる。
【００７５】
本実施の形態では、摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、従来の技術のアークスタッド法のように形成した溶融池が凝固するときに、割れおよびブローホールなどの欠陥の発生することを抑制することができ、信頼性の高い接合を実現することができる。またアークスタッド法のようにアーク放電を生じさせるための電源およびシールドガスを供給する装置などを必要としないので、接合方法を実現するための接合装置１のコストを大幅に節減することができる。さらに、アークスタッド法に比べると、アーク放電を発生させることなく接合することができるので、省エネルギーで接合を行うことができる。さらに、アーク放電によって生じる有害な紫外線および、ヒュームなどが発生しないので、作業環境の悪化を防ぐことができ、清浄な環境で接合作業を行うことができる。
【００７６】
また従来の技術の摩擦圧接法では、塑性変形を生じさせるために大きな押圧力を必要とするが、本発明では共晶反応を利用して、スタッド２およびワーク３を形成する金属材料の融点のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度でスタッド２とワーク３とを溶融させることができるので、摩擦圧接法に比べて小さな押圧力で接合を実現することができ、大きな押圧力を発生するための大掛かりな装置を必要としない。さらに摩擦圧接法に比べると、(i)回転速度を低くすること、(ii)押圧力を小さくすること、或いは、(iii)回転速度を低くし且つ押圧力を小さくすることを実現する上で有利なので、摩擦圧接法を適用することができないような小さなスタッド２であっても、ワーク３に接合することができる。さらに摩擦が生じる部位を局所的に加熱し、溶融する範囲を局所的に限定することができるので、スタッド２とワーク３との接合面の形状が異なる場合であっても、スタッド２をワーク３に接合することができる。
【００７７】
また本実施の形態の接合装置１によれば、ろう付けを行わないので、ろう付けの適用が困難な、溶融温度範囲が広く、ろう材との融点の差が比較的小さいＣｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉなどの含有量の多い高力アルミニウム合金などの接合を行うことができる。
【００７８】
また本実施の形態の接合装置１によれば、スタッド２を回転させることによって相対運動を与えるので、摩擦熱が生じる領域を可能な限り狭くすることができ、接合の影響が生じる領域を可能な限り狭くすることができる。たとえばスタッド２をワーク３に押圧した状態でスライドさせ、往復運動をする場合に比べて、摩擦熱が発生する領域を狭くすることができる。これによって接合の影響が生じる領域を可能な限り小さくすることができる。
【００７９】
さらに本実施の形態の接合装置１によれば、スタッド２は円柱状であって、ワーク３に押圧される先端部２ｃが先細状に形成される。仮にスタッド２が完全に円柱形状であって、先端が平面に形成されている場合、接合物を回転させたときに半径方向の内方と外方とでは、相対速度が外方の方が高くなる。摩擦熱は押圧される圧力、相対速度、摩擦時間の積で表されるので、回転速度の高い半径方向の外方の方が回転速度の低い内方よりも加熱され、接合するときの温度にばらつきが生じ、接合の信頼性が低下する。先細状のスタッド２では、まず先端が加熱されて溶融し、順次半径外方の領域が被接合物に押圧されて摩擦熱によって溶融し、溶融すべき部位の全てを溶融させることができる。すなわち、回転速度の低い半径方向の内方は高圧力かつ長時間摩擦され、回転速度の高い半径方向の外方は低圧力かつ短時間摩擦される。これによって接合時の温度のばらつきを抑えることができ、信頼性の高い接合を実現することができる。
【００８０】
さらに本実施の形態におけるスタッド２は、円柱部２ｂが、軸部２ａに対して半径方向に突出して形成される。たとえば円柱部２ｂが軸部２ａに対して半径方向に突出せずに、軸部２ａの先端から先細状に形成されている場合と比べると、円柱部２ｂが軸部２ａに対して半径方向に突出して形成されることによって、スタッド２をワーク３に接合したときに、接合部位での軸線方向に垂直な断面が大きくなり、接合強度が大きくなる。なお、本発明が適用可能なスタッドの形状は、この例に限定されるものではない。
【００８１】
さらに本実施の形態の接合装置１によれば、スタッド２とワーク３との間に相対運動を与えるときの回転駆動手段７の負荷を溶融状態把握手段４３が検出し、検出した負荷に基づいてスタッド２とワーク３との間の相対運動を停止させる。スタッド２とワーク３との間に相対運動を与えるときの負荷は、スタッド２とワーク３との溶融状態に依存する。本発明では、負荷を検出するだけで間接的に溶融状態を確認することができるので、温度および溶融部位などの溶融状態を直接的に検出する検出手段を備えることなく、相対運動を停止するタイミングを決定することができ、装置が複雑化することを防ぐことができる。
【００８２】
さらに本実施の形態の接合装置１によれば、制御手段８は、変位駆動手段６によって第３方向Ｚに印加される力と、入力された角度の余弦、Ｍおよびｇの積算値との合計が、予め定める力になるように、変位駆動手段６の圧縮空気供給源を制御する。これによって、接合装置１が鉛直方向に対してどのような姿勢であっても、スタッド２をワーク３に押圧することができる。たとえばＬＮＧタンクの一部を構成する球状のワーク３にスタッド２を接合する場合には、鉛直方向の上方に向けてスタッド２をワーク３に押圧したり、水平方向にスタッド２をワーク３に押圧したりする。このような場合であっても、接合装置１の鉛直方向に対する姿勢にかかわらずに予め定める力でスタッド２をワーク３に押圧することができるので、スタッド２を接合するワーク３上の位置にかかわらず、ほぼ同じ接合強度でスタッド２をワーク３に接合することができる。
【００８３】
本実施の形態の接合装置１では、融点低下部材５４をスタッド２とワーク３との間に供給する供給手段として、支持台４に噴霧装置５５が配置されており、この噴霧装置５５からスタッド２またはワーク３に向けて霧状の融点低下部材５４ａが噴出される。噴霧装置５５以外にも、図５Ａに示したように、薄板状の融点低下部材５４をスタッド２とワーク３との間に固定するクランプもしくはホルダから成る固定具５５Ａで供給手段を構成しても良い。これによって作業者が融点低下部材５４を配置することなく、本発明の接合方法を実行する接合装置１を実現することができる。
【００８４】
本実施の形態におけるスタッド２の先端部２ｃは、円錐形状としたけれども、先細状であればよく、たとえば半球状のような円錐形状に対して側面が突出した形状、または円錐形状に対して側面が内側に退避した形状であってもよい。またスタッド２は、ほぼ円柱形状であるとしたけれども、三角柱および五角柱などの多角柱形状でもよい。
【００８５】
また本実施の形態の接合装置１は、スタッド２を基準軸線Ｌまわりに回転させるとしたけれども、回転に限らずにスタッド２の先端をワーク３に押圧した状態でたとえばスライド運動をして、接合物と被接合物との間の相対運動を与えて摩擦熱を生じさせてもよい。
【００８６】
また本実施の形態の接合装置１は、姿勢検出手段４４を１つ含むとしたけれども、他の実施の形態において２つの姿勢検出手段を含み、接合装置１がどのような姿勢であったとしても鉛直方向と基準軸線Ｌとの成す角度を検出することができるようにしてもよい。たとえば厚み方向の一表面が第１方向Ｘに垂直な分度器と、厚み方向の一表面が第２方向Ｙに垂直な分度器を備え、２つの分度器に設けられる各指示部の各角度に基づいて、鉛直方向と基準軸線Ｌとの成す角度を検出してもよい。これによって接合装置１がどのような姿勢であっても、基準軸線Ｌと鉛直方向との成す角度の余弦、Ｍ、およびｇを積算して、接合装置１の自重によってスタッド２に加わる力を算出することができ、前述したようにスタッド２が予め定める力でワーク３を押圧するように変位駆動手段６を制御することができる。
【００８７】
また本実施の形態の接合装置１は、作業者が第１および第２取手５１，５２を把持して運搬可能であるとしたけれども、第１および第２取手５１，５２ならびに吊輪４８などを設けることなく、予め定める作業位置に固定されていてもよい。
【００８８】
また本実施の形態におけるスタッド２およびワーク３は、同じ種類の金属材料のアルミニウムによって形成され、融点低下部材５４は、Ｚｎによって形成されるとしたけれども、これらには限られない。スタッド２およびワーク３を鉄で形成した場合は、融点低下部材５４をＭｎ、Ｓｉによって形成されてもよい。またスタッド２とワーク３とは異なる金属材料によって形成されてもよく、たとえばスタッド２およびワーク３のいずれか一方を鉄によって形成し、他方をアルミニウムによって形成し、融点低下部材５４をＳｉによって形成してもよい。
【００８９】
［実施例］
実施例として、前述の実施の形態の接合装置１を用いて、図９に示した４本の第１〜第４スタッド６１〜６４をそれぞれ同一の条件でワーク３に接合させた。また、第４スタッド６４をアップセット加圧時の押圧力が異なる２つの条件でそれぞれワーク３に接合させた。
【００９０】
図９は、第１〜第４スタッド６１〜６４のそれぞれの引張強度を表す図である。図９では、第１〜第４スタッド６１〜６４についてそれぞれ６回の引張試験を行い、引張強度の平均値を棒グラフで表した。また各引張試験での引張強度の最大値と最小値とを記号（◆）で印し、この最大値と最小値との間を実線で結んだ。
【００９１】
第１スタッド６１は、直径が６ｍｍの円柱形状である。第２および第３スタッド６２，６３は、同一形状であって、直径が６ｍｍの円柱形状の軸部６２ａ，６３ａと、軸部６２ａ，６３ａの先端から円錐形状に延びる先端部６２ｂ，６３ｂとを有する。この先端部６２ｂ，６３ｂの高さは、２ｍｍである。第４スタッド６４は、前述の実施の形態のスタッド２と同じであって、軸部６４ａの直径が６ｍｍ、円柱部６４ｂの直径が８ｍｍ、円柱形状の先端部６４ｃの高さが２ｍｍである。第１および第２スタッド６１，６２には、融点低下部材５４を形成しておらず、第３および第４スタッド６３，６４の端部の表面には融点低下部材５４を形成している。すなわち本発明の接合方法を用いずに第１および第２スタッド６１，６２をワーク３に接合し、本発明の接合方法を用いて第３および第４スタッド６３，６４をワーク３に接合した。ワーク３は、アルミニウムから成り、ＪＩＳ規格のＡ５０８３を用いた。また第１〜第４スタッド６１〜６４は、アルミニウムから成り、ＪＩＳ規格のＡ５３５６を用いた。また融点低下部材５４は、Ｚｎの含有量が９５パーセントのスプレーを噴霧して形成した。第１〜第４スタッド６１〜６４をワーク３に押圧する力は、摩擦時の押圧力を１０００ニュートン（Ｎ）、アップセット加圧時の押圧力を１９００Ｎとした。第１および第２スタッド６１，６２の接合方法は、従来の技術の摩擦圧接法と同じであるが、通常Φ６ｍｍ程度の円柱形のスタッドに摩擦圧接法を適用する場合、摩擦時の押圧力は４０００Ｎ程度、アップセット加圧時の押圧力を５５００Ｎ程度であるのに対して、押圧する力が小さい。
【００９２】
図９に示すように、引張強度は、第１、第２、第３および第４スタッド６１，６２，６３，６４の順に大きい。このように本発明の接合方法を用いて接合した第３および第４スタッド６３，６４の方が、第１および第２スタッド６１，６２よりも引張強度が大きくなることが示された。また第１スタッド６１よりも第２スタッド６２の引張強度が大きくなったことから、端部を先細状にすることによって引張強度が大きくなることが示された。また第２スタッド６２よりも第３スタッド６３の引張強度が大きくなったことから、融点低下部材５４を配置することによって、すなわち本発明の接合方法を用いることによって引張強度が大きくなることが示された。さらに、第３スタッド６３よりも第４スタッド６４の引張強度が大きくなったことから、先端部６３ｂ，６４ｃの底辺の直径が大きく、接合する領域の断面積が大きいほど引張強度が大きくなることが示された。
【００９３】
図１０は、第４スタッド６４をアップセット加圧時の押圧力が異なる２つの条件でそれぞれワーク３に接合させた場合の、それぞれの引張強度を表す図である。図１０では摩擦時の押圧力を１０００Ｎとし、摩擦時とアップセット加圧時の押圧力が等しく１０００Ｎの場合と、アップセット加圧時に摩擦時より９０％増加させた１９００Ｎを負荷している場合についてそれぞれ６回の引張試験を行い、引張強度の平均値を棒グラフで表した。また各引張試験での引張強度の最大値と最小値とを記号（◆）で印し、この最大値と最小値との間を実線で結んだ。
【００９４】
図１０に示すように、アップセット時の押圧力が摩擦時と等しい場合に比べ、アップセット加圧時に摩擦時より９０％増加させた１９００Ｎを負荷した場合のほうが引張強度が大きくなることが分かる。
【００９５】
図１１は、第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の断面図である。図１１に示すように、本発明の接合方法を用いることによって、接合過程において第４スタッド６４の先端部６４ｃの大部分および円柱部６４ｂの一部、およびワーク３の表面部が塑性流動していることが分かる。
【００９６】
図１１Ａの上段は、ワーク３と第４スタッド６４との接合面の破断面において、第４スタッド６４側の状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したものである。接合面中心部の領域では凝固した液滴が観察されなかったが、接合面外周部の領域（図１１においてＸで示した部分）では図１１Ａの上段にＳＥＭ写真で示すように凝固した液滴が観察された（拡大図２を更に拡大した図１１Ｂ参照）。したがって、接合時に材料が溶融し、塑性流動により外周部へ排出されていることが分かる。
【００９７】
図１１Ａの下段は、比較例として、融点低下部材（Ｚｎ）を使用しなかった場合の観察結果を示しており、この比較例においては凝固した液滴が観察されなかった（拡大図２を更に拡大した図１１Ｃ参照）。
【００９８】
図１２は、曲げ試験を行った後の第４スタッド６４をワーク３に接合した接合体の平面図である。図１２に示すように、本発明の接合方法を用いて第４スタッド６４を接合すると、曲げ試験によってワーク３の表面の法線と第４スタッド６４との成す角度が９０°以上になっても、第４スタッド６４がワーク３から剥がれないことが示された。たとえば規格ＭＩＬ−Ｓ−２４１４９Ｂには、曲げ試験においてスタッドが剥がれることなく１５°以上曲がることが基準として規定されている。本発明の接合方法を用いると、従来の技術の摩擦圧接法を適用する場合の通常の押圧力よりも小さい押圧力にもかかわらず、規格ＭＩＬ−Ｓ−２４１４９Ｂに規定される基準を満たすことが確認された。
【００９９】
図１３は、施工姿勢の変化による継手引張強度への影響を示した図であり、鉛直下向き方向で接合した場合と、水平横向き方向で接合した場合とで、継手引張強度に大きな変化はないことが分かる。
【０１００】
以上、本発明の好ましい例についてある程度特定的に説明したが、それらについて種々の変更をなし得ることはあきらかである。従って、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、本明細書中で特定的に記載された態様とは異なる態様で本発明を実施できることが理解されるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが金属材料によって形成される接合物および被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材を配置し、
前記融点低下部材を介して前記接合物を前記被接合物に押圧した状態で、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることによって摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と前記融点低下部材との接続部位を溶融させ、
前記接合物と前記被接合物との間の相対運動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記接合物および前記被接合物は、同じ種類の金属材料によって形成されることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項３】
前記金属材料は、アルミニウムであることを特徴とする請求項２記載の接合方法。
【請求項４】
前記接合物を回転させることによって、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項５】
前記接合物は、円柱状であって、前記被接合物に押圧される先端部が、先細状に形成されることを特徴とする請求項４記載の接合方法。
【請求項６】
前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えるときの負荷を検出し、
検出した負荷に基づいて、前記接合物と前記被接合物との相対運動を停止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項７】
金属材料によって形成される接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を変位駆動する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、を含み、
前記制御手段は、
前記接合物および金属材料によって形成される被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材が配置された状態で、前記回転駆動手段を制御して前記把持手段を回転させながら前記把持手段が前記接合物を前記被接合物に押圧させるように前記変位駆動手段を制御して両者の間に摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と、前記融点低下部材との接続部位とを溶融させ、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする接合装置。
【請求項８】
前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときの負荷を検出する負荷検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記負荷検出手段が検出した負荷に基づいて、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止させることを特徴とする請求項７記載の接合装置。
【請求項９】
前記融点低下部材を前記接合物と前記被接合物との間に配置する供給手段をさらに含むことを特徴とする請求項７または８記載の接合装置。
【請求項１０】
鉛直方向に対する傾きを検出する姿勢検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて、重力と前記変位駆動手段とによって前記接合物に加わる力が予め定める力となるように前記変位駆動手段を制御することを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項１１】
接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を変位駆動して前記接合物を被接合物に押圧する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、
前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときに前記回転駆動手段の回転軸に加えられる負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記回転駆動手段による前記接合物の回転を停止するように構成されている、ことを特徴とする接合装置。
【請求項１２】
前記回転駆動手段とは別に前記接合物の回転を停止する回転停止手段を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の接合装置。
【請求項１３】
前記被接合物と前記接合装置とを相対的に固定する固定手段を更に備えることを特徴とする請求項１１又は１２に記載に接合装置。
【請求項１４】
前記接合物と前記被接合物との間に融点低下物質を供給する供給手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項１５】
前記回転停止手段が、前記回転駆動手段と前記把持手段とを切り離すためのクラッチ及び前記把持手段を制動するブレーキの少なくともいずれか一方を備えていることを特徴とする請求項１２記載の接合装置。
【請求項１６】
前記固定手段が、前記被接合物の形状に沿った形状を備えており、及び／又は、前記被接合物と接触する部分が弾性材料により形成されている、ことを特徴とする請求項１３記載の接合装置。
【請求項１７】
前記固定手段が、高真空吸着パッド又は磁石を含むことを特徴とする請求項１３記載の接合装置。
【請求項１８】
前記供給手段が、前記接合物及び前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の接合面に対して、前記融点低下物質を霧状に噴射する噴霧器を含むことを特徴とする請求項１４記載の接合装置。
【請求項１９】
前記供給手段が、薄板状の前記融点低下物質を前記接合物と前記被接合物との間に固定する固定具を含むことを特徴とする請求項１４記載の接合装置。
【請求項２０】
前記回転駆動手段が、電動機を含むことを特徴とする請求項１１乃至１９のいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項２１】
前記変位駆動手段が、空気シリンダを含むことを特徴とする請求項１１乃至２０のいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項１】
それぞれが金属材料によって形成される接合物および被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材を配置し、
前記融点低下部材を介して前記接合物を前記被接合物に押圧した状態で、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることによって摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と前記融点低下部材との接続部位を溶融させ、
前記接合物と前記被接合物との間の相対運動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記接合物および前記被接合物は、同じ種類の金属材料によって形成されることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
【請求項３】
前記金属材料は、アルミニウムであることを特徴とする請求項２記載の接合方法。
【請求項４】
前記接合物を回転させることによって、前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項５】
前記接合物は、円柱状であって、前記被接合物に押圧される先端部が、先細状に形成されることを特徴とする請求項４記載の接合方法。
【請求項６】
前記接合物と前記被接合物との間に相対運動を与えるときの負荷を検出し、
検出した負荷に基づいて、前記接合物と前記被接合物との相対運動を停止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項７】
金属材料によって形成される接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を変位駆動する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、を含み、
前記制御手段は、
前記接合物および金属材料によって形成される被接合物の間に、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点低下部材が配置された状態で、前記回転駆動手段を制御して前記把持手段を回転させながら前記把持手段が前記接合物を前記被接合物に押圧させるように前記変位駆動手段を制御して両者の間に摩擦熱を生じさせ、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の融点未満の温度で、前記接合物および前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方と、前記融点低下部材との接続部位とを溶融させ、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止して、前記接合物を前記被接合物に接合することを特徴とする接合装置。
【請求項８】
前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときの負荷を検出する負荷検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記負荷検出手段が検出した負荷に基づいて、前記回転駆動手段を制御して回転駆動を停止させることを特徴とする請求項７記載の接合装置。
【請求項９】
前記融点低下部材を前記接合物と前記被接合物との間に配置する供給手段をさらに含むことを特徴とする請求項７または８記載の接合装置。
【請求項１０】
鉛直方向に対する傾きを検出する姿勢検出手段をさらに含み、
前記制御手段は、前記姿勢検出手段の検出結果に基づいて、重力と前記変位駆動手段とによって前記接合物に加わる力が予め定める力となるように前記変位駆動手段を制御することを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項１１】
接合物を把持する把持手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を回転駆動する回転駆動手段と、
前記接合物を把持した状態で、前記把持手段を変位駆動して前記接合物を被接合物に押圧する変位駆動手段と、
前記回転駆動手段および前記変位駆動手段の駆動を制御する制御手段と、
前記回転駆動手段が前記把持手段を回転駆動するときに前記回転駆動手段の回転軸に加えられる負荷を検出する負荷検出手段と、を備え、
前記制御手段は、前記負荷検出手段の検出結果に基づいて前記回転駆動手段による前記接合物の回転を停止するように構成されている、ことを特徴とする接合装置。
【請求項１２】
前記回転駆動手段とは別に前記接合物の回転を停止する回転停止手段を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の接合装置。
【請求項１３】
前記被接合物と前記接合装置とを相対的に固定する固定手段を更に備えることを特徴とする請求項１１又は１２に記載に接合装置。
【請求項１４】
前記接合物と前記被接合物との間に融点低下物質を供給する供給手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項１５】
前記回転停止手段が、前記回転駆動手段と前記把持手段とを切り離すためのクラッチ及び前記把持手段を制動するブレーキの少なくともいずれか一方を備えていることを特徴とする請求項１２記載の接合装置。
【請求項１６】
前記固定手段が、前記被接合物の形状に沿った形状を備えており、及び／又は、前記被接合物と接触する部分が弾性材料により形成されている、ことを特徴とする請求項１３記載の接合装置。
【請求項１７】
前記固定手段が、高真空吸着パッド又は磁石を含むことを特徴とする請求項１３記載の接合装置。
【請求項１８】
前記供給手段が、前記接合物及び前記被接合物のうちの少なくともいずれか一方の接合面に対して、前記融点低下物質を霧状に噴射する噴霧器を含むことを特徴とする請求項１４記載の接合装置。
【請求項１９】
前記供給手段が、薄板状の前記融点低下物質を前記接合物と前記被接合物との間に固定する固定具を含むことを特徴とする請求項１４記載の接合装置。
【請求項２０】
前記回転駆動手段が、電動機を含むことを特徴とする請求項１１乃至１９のいずれか一項に記載の接合装置。
【請求項２１】
前記変位駆動手段が、空気シリンダを含むことを特徴とする請求項１１乃至２０のいずれか一項に記載の接合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図５Ａ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図５Ａ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１０１２８３（Ｐ２０１２−１０１２８３Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−７０６６（Ｐ２０１２−７０６６）
【出願日】平成２４年１月１７日（２０１２．１．１７）
【分割の表示】特願２００９−５０７３９７（Ｐ２００９−５０７３９７）の分割
【原出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月１７日（２０１２．１．１７）
【分割の表示】特願２００９−５０７３９７（Ｐ２００９−５０７３９７）の分割
【原出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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