摩擦接合システム及び摩擦接合方法
【課題】簡単な構成で、接合状態の可否を精度良く判断することができる摩擦接合システム及び摩擦接合方法を提供する。
【解決手段】摩擦接合システム１では、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されるため、急峻な波形となる前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２の異常の有無を容易に判断できる。一方、出力信号Ｓの後続部分Ｓ３は、移動平均を差分した差分信号を用いてモニタリングする。したがって、平坦な後続部分Ｓ３の異常の有無を容易に判断できる。このようなモニタリングにあたり、摩擦接合システム１では、外部電源２０１からシステム電源１０１に供給される有効電力のみを扱うので、構成の複雑化も回避される。
【解決手段】摩擦接合システム１では、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されるため、急峻な波形となる前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２の異常の有無を容易に判断できる。一方、出力信号Ｓの後続部分Ｓ３は、移動平均を差分した差分信号を用いてモニタリングする。したがって、平坦な後続部分Ｓ３の異常の有無を容易に判断できる。このようなモニタリングにあたり、摩擦接合システム１では、外部電源２０１からシステム電源１０１に供給される有効電力のみを扱うので、構成の複雑化も回避される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦接合システム及び摩擦接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材を接合する方法として、摩擦撹拌接合・摩擦圧接接合・摩擦すべり接合といった摩擦接合方法が知られている。摩擦接合方法においては、接合状態の可否を判断するための種々の制御技術の開発がなされている。例えば特許文献１に記載の摩擦圧接方法では、圧接の際における圧力の単位時間当たりの変化量をモニタリングし、この変化量に基づいて圧接を行う毎の圧力を制御している。
【特許文献１】特開２００６−２５５７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
接合状態の可否を精度良く判断するために、上述した圧接時の荷重のほか、ツール荷重、加工点温度、雰囲気温度、歪み量、振動といった複数の物理量をモニタリングすることが考えられる。しかしながら、モニタリングする物理量が多くなると、センサの数が増加し、解析ルーチンも複雑化してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成で、接合状態の可否を精度良く判断することができる摩擦接合システム及び摩擦接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題の解決のため、本願発明者は、鋭意研究を重ねる過程で、接合を行う際に摩擦接合システムで消費されるエネルギーの変動量に着目した。その結果、摩擦接合システムで消費されるエネルギー量は、システムにかかる負荷に依存しており、摩擦接合の開始時、すなわち、駆動手段によって駆動する摩擦部材が接合対象となる金属材に接触したときに急峻に立ち上がり、その後、摩擦接合が完了するまでほぼ一定のレベルを保つことが分かった。
【０００６】
そこで、本願発明者は、上述した波形の形状を考慮し、上記エネルギー量に関する物理量の初期波形と、摩擦接合が完了するまでの波形とをそれぞれ別々の手法で解析すれば、単一の物理量をもって接合状態の可否を精度良く判断できるとの知見を得て本発明を想到するに至った。
【０００７】
本発明に係る摩擦接合システムは、接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように摩擦部材を駆動させる駆動手段を備えた摩擦接合システムであって、摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を検出する物理量検出手段と、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって駆動する摩擦部材が接合部に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断手段と、物理量検出手段からの出力信号のうち、摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、後続部分の出力信号から移動平均を減算して得られる差分信号と、予め設定した閾値との比較に基づいて、後続部分の異常の有無を判断する第２判断手段と、第１判断手段及び第２判断手段による判断結果に基づいて、接合部の接合状態の可否を判断する可否判断手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
この摩擦接合システムでは、物理量検出手段からの出力信号の立ち上がり部分を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の出力値の標準偏差を算出した上で、その標準偏差を整数倍して得られる正規化値を基準用の出力信号の出力値に加算及び減算してそれぞれ得られる値である。したがって、上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の立ち上がり部分の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されることとなり、急峻な立ち上がり部分の異常の有無を容易に判断することができる。一方、この摩擦接合システムでは、物理量検出手段からの出力信号の後続部分を、移動平均を差分した差分信号を用いてモニタリングする。これにより、平坦な後続部分の異常の有無を容易に判断することができる。モニタリングにあたっては、システムに供給されるエネルギー量に関する単一の物理量を扱うのみであり、構成の複雑化も回避される。
【０００９】
また、第１判断手段によって立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始時点でシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因が把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【００１０】
また、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって摩擦部材が駆動してから摩擦部材が接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前段部分の異常の有無を判断する第３判断手段を更に備えたことが好ましい。こうすると、接合部の接合状態を一層精度良く判断することが可能となる。
【００１１】
また、第３判断手段によって前段部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始前にシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因を把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【００１２】
また、本発明に係る摩擦接合方法は、接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように、駆動手段によって摩擦部材を駆動させるステップを備えた摩擦接合方法であって、摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を物理量検出手段によって検出する物理量検出ステップと、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって駆動する摩擦部材が金属材に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断ステップと、物理量検出手段からの出力信号のうち、摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、後続部分の出力信号から移動平均を減算して得られる差分信号と、予め設定した閾値との比較に基づいて、後続部分の異常の有無を判断する第２判断ステップと、第１判断ステップ及び第２判断ステップによる判断結果に基づいて、接合部の接合状態の可否を判断する可否判断ステップとを備えたことを特徴としている。
【００１３】
この摩擦接合方法では、物理量検出手段からの出力信号の立ち上がり部分を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の出力値の標準偏差を算出した上で、その標準偏差を整数倍して得られる正規化値を基準用の出力信号の出力値に加算及び減算してそれぞれ得られる値である。したがって、上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の立ち上がり部分の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されることとなり、急峻な立ち上がり部分の異常の有無を容易に判断することができる。一方、この摩擦接合方法では、物理量検出手段からの出力信号の後続部分を、移動平均を差分した差分信号を用いてモニタリングする。これにより、平坦な後続部分の異常の有無を容易に判断することができる。モニタリングにあたっては、システムに供給されるエネルギー量に関する単一の物理量を扱うのみであり、構成の複雑化も回避される。
【００１４】
また、第１判断ステップにおいて立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止ステップを更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始時点でシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因が把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【００１５】
また、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって摩擦部材が駆動してから摩擦部材が接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前段部分の異常の有無を判断する第３判断ステップを更に備えたことが好ましい。こうすると、接合部の接合状態を一層精度良く判断することが可能となる。
【００１６】
また、第３判断ステップによって前段部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始前にシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因を把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る摩擦接合システム及び摩擦接合方法によれば、簡単な構成で、接合状態の可否を精度良く判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦接合システム及び摩擦接合方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦接合システムによる金属材の摩擦圧接の概要を示した図である。図１に示すように、摩擦接合システム１は、例えば金属材２，３の端面２ａ，３ａ同士を接合するシステムとして構成されている。金属材２，３は、例えば炭素鋼、クロム−モリブデン鋼、ステンレス鋼、及びアルミ合金等であり、直径５０〜２００ｍｍ程度、長さ５００ｍｍ〜１５００程度の棒状をなしている。
【００２０】
摩擦接合システム１は、接合にあたり、まず、図１（ａ）に示すように、一方の金属材２を軸周りに回転させる。次に、図１（ｂ）に示すように、回転する金属材２の端面２ａを他方の金属材３の端面３ａに接触させ、摩擦熱によって金属材２，３の端面２ａ，３ａを加熱溶融する。端面２ａ，３ａを十分に溶融させた後、図１（ｃ）に示すように、金属材２，３をアップセット加圧し、接合部Ｗを形成する。摩擦接合システム１は、形成した接合部Ｗの接合状態の可否を判断し、その判断結果を金属材２，３ごとに記憶する。
【００２１】
このような摩擦接合システム１は、図２に示すように、機能的な構成要素として、システム電源１０１と、駆動モータ（駆動手段）１０２と、送り装置１０３と、電力検出センサ（物理量検出手段）１０４と、出力信号判断部（第１判断手段〜第３判断手段）１０５と、接合状態判断部（可否判断手段）１０６と、判断結果格納部１０７と、停止制御部（停止手段）１０８とを備えている。
【００２２】
システム電源１０１は、外部電源２０１から供給される電力を、駆動モータ１０２や送り装置１０３等に分配する部分である。駆動モータ１０２は、図示しない連結手段によって一方の金属材２に連結され、金属材２に軸周りの回転力を付加する部分である。駆動モータ１０２は、例えば週速度６．０〜９．０ｍ／ｓで金属材２を回転させることにより、接続対象となる一方の金属材２自体を摩擦部材として機能させる。
【００２３】
電力検出センサ１０４は、システム電源がオン状態となってから摩擦圧接接合が完了するまでの間、外部電源２０１からシステム電源１０１に供給される有効電力を検出する部分である。電力検出センサ１０４は、検出した有効電力に対応する出力信号を出力信号判断部１０５に順次出力する。
【００２４】
図３は、電力検出センサ１０４からの出力信号の波形パターンの一例を示す図である。電力検出センサ１０４によって検出される有効電力は、摩擦接合システム１にかかる負荷に比例して増減するものであり、摩擦圧接接合が正常な状態でなされたか否かを示す指標として用いられる。図３に示す例では、出力信号Ｓは、時刻ｔ０においてシステム電源１０１がオン状態となり、駆動モータ１０２による金属材２の回転が開始すると、一定のレベルに上昇する（前段部分Ｓ１）。
【００２５】
次に、出力信号Ｓは、時刻ｔ１において回転する金属材２の端面２ａが他方の金属材３の端面３ａに接触する瞬間に急峻に立ち上がり（立ち上がり部分Ｓ２）、その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて金属材２，３の端面２ａ，３ａが加熱溶融されている間、前段部分Ｓ１よりも高いレベルでほぼ一定に維持される（後続部分Ｓ３）。時刻ｔ３において摩擦接合が終了し、駆動モータ１０２による金属材２の回転が停止すると、出力信号Ｓは、前段部分Ｓ１とほぼ同等のレベルまで減少し、システム電源１０１がオフ状態となるとほぼ０レベルになる（残余部分Ｓ４）。
【００２６】
出力信号判断部１０５は、電力検出センサ１０４から順次出力される出力信号の波形をモニタリングし、異常の有無を判断する部分である。より具体的には、出力信号判断部１０５は、まず、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１について、管理限界を用いた波形解析を行う。この波形解析にあたっては、予め基準用の金属材（図示せず）を摩擦接合し、その際に電力検出センサ１０４から出力される基準用の出力信号の波形パターンを取得しておく。
【００２７】
次に、基準用の出力信号の波形パターンにおける前段部分の出力値の移動平均を求め、移動平均化後の波形パターンに含まれる各出力値を、その標準偏差σに基づいて正規化する。そして、図４に示すように、標準偏差σを３倍して得られる正規化値を移動平均値に加算したもの（＋３σ）を上管理限界とし、正規化値を移動平均値から減算したもの（−３σ）を下管理限界とする。これにより、上管理限界の波形パターンＡ１と、下管理限界の波形パターンＡ２との間には、所定の数値幅をもって許容領域が設定されることとなる。
【００２８】
出力信号判断部１０５は、図５（ａ）に示すように、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１が、上管理限界の波形パターンＡ１と下管理限界の波形パターンＡ２との間に収まっている場合には、前段部分Ｓ１に異常が無いと判断する。また、出力信号判断部１０５は、図５（ｂ）に示すように、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１が、上管理限界の波形パターンＡ１と下管理限界の波形パターンＡ２との間に収まっていない場合には、前段部分Ｓ１に異常があると判断する。
【００２９】
出力信号判断部１０５は、判断結果を示す判断結果情報を生成し、接合状態判断部１０６に出力する。出力信号判断部１０５は、前段部分Ｓ１に異常があると判断した場合には、判断結果情報を停止制御部１０８にも併せて出力する。
【００３０】
次に、出力信号判断部１０５は、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２について、前段部分Ｓ１の場合と同様に、管理限界を用いた波形解析を行う。出力信号判断部１０５には、図６に示すように、基準用の出力信号の波形パターンにおける立ち上がり部分から算出した上管理限界の波形パターンＢ１と、下管理限界の波形パターンＢ２とが予め設定されている。
【００３１】
出力信号判断部１０５は、図７（ａ）に示すように、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２が、上管理限界の波形パターンＢ１と下管理限界の波形パターンＢ２との間に収まっている場合には、前段部分Ｓ１に異常が無いと判断する。また、出力信号判断部１０５は、図７（ｂ）に示すように、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２が、上管理限界の波形パターンＢ１と下管理限界の波形パターンＢ２との間に収まっていない場合には、立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断する。
【００３２】
出力信号判断部１０５は、判断結果を示す判断結果情報を生成し、接合状態判断部１０６に出力する。出力信号判断部１０５は、立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断した場合には、判断結果情報を停止制御部１０８にも併せて出力する。
【００３３】
さらに、出力信号判断部１０５は、出力信号Ｓの後続部分Ｓ３について、所定の閾値を用いた波形解析を行う。この波形解析の一例を図８に示す。図８（ａ）は、後続部分Ｓ３の波形パターンを拡大して示す図である。出力信号判断部１０５は、図８（ｂ）に示すように、取得した後続部分Ｓ３の波形パターンの出力値の移動平均を求める。
【００３４】
次に、出力信号判断部１０５は、図８（ａ）に示した後続部分Ｓ３の波形パターンに含まれる出力値から、図８（ｂ）に示した移動平均化後の波形パターンＰ１に含まれる出力値を減算する。これにより、図８（ｃ）に示すように、０レベルを中心とする差分信号の波形パターンＰ２が得られる。一方、出力信号判断部１０５は、上述した基準用の出力信号における後続部分Ｓ３について、同様の方法で差分信号を求める。そして、出力信号判断部１０５は、この基準用の差分信号をその標準偏差σに基づいて正規化し、標準偏差σの３倍（±３σ）を閾値として算出する。
【００３５】
出力信号判断部１０５は、差分信号の波形パターンＰ２に含まれる出力値が、閾値±３σに収まっている場合には、後続部分Ｓ３に異常が無いと判断する。また、出力信号判断部１０５は、差分信号の波形パターンＰ２に含まれる出力値のうち、閾値±３σを超える値が一つでも存在する場合には、後続部分Ｓ３に異常があると判断する。出力信号判断部１０５は、判断結果を示す判断結果情報を生成し、接合状態判断部１０６に出力する。
【００３６】
接合状態判断部１０６は、出力信号判断部１０５による判断結果に基づいて、金属材２，３における接合部Ｗの接合状態の可否を判断する部分である。接合状態判断部１０６は、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１、立ち上がり部分Ｓ２、及び後続部分Ｓ３の各部分について、異常が無い旨の判断結果を受け取った場合には、接合部Ｗの接合状態が可である旨の判断結果情報を判断結果格納部１０７に出力する。一方、接合状態判断部１０６は、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１、立ち上がり部分Ｓ２、及び後続部分Ｓ３のいずれか一つでも異常がある旨の判断結果が含まれている場合には、接合部Ｗの接合状態が不可である旨の判断結果情報を判断結果格納部１０７に出力する。
【００３７】
判断結果格納部１０７は、接合部Ｗの接合状態についての判断結果を格納する部分である。図９は、判断結果格納部１０７に格納される情報の一例を示す図である。図９に示す例では、金属材２，３の接合体の製品Ｎｏ．「００００１」、「００００２」等と関連付けて、接合状態の判断結果情報「ＯＫ」「ＮＧ」が格納されている。
【００３８】
停止制御部１０８は、摩擦接合システム１の緊急停止に関する制御を行う部分である。停止制御部１０８は、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１又は立ち上がり部分Ｓ２に異常がある旨の判断結果情報を出力信号判断部１０５から受け取った場合に、送り装置１０３及び駆動モータ１０２を直ちに停止させる。
【００３９】
続いて、摩擦接合システム１の動作について説明する。図１０は、摩擦接合システム１の動作を示すフローチャートである。
【００４０】
図１０に示すように、摩擦接合システム１のシステム電源１０１がオン状態となり、ユーザによる所定の操作がなされると、駆動モータ１０２による金属材２の回転が開始される（ステップＳ０１）。金属材２の回転が開始されると、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの前段部分Ｓ１について、異常の有無が判断される（ステップＳ０２）。
【００４１】
ステップＳ０２において、前段部分Ｓ１に異常があると判断された場合、送り装置１０３及び駆動モータ１０２が直ちに停止される（ステップＳ１１）。前段部分Ｓ１に異常が無いと判断された場合、送り装置１０３によって金属材２が他方の金属材３側に送られ、駆動モータ１０２によって回転する金属材２の端面２ａと、他方の金属材３の端面３ａとが接触して摩擦圧接接合が開始される（ステップＳ０３）。
【００４２】
摩擦圧接接合の開始の際、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２について、異常の有無が判断される（ステップＳ０４）。ステップＳ０４において、立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断された場合、ステップＳ０２の場合と同様に、送り装置１０３及び駆動モータ１０２が直ちに停止される（ステップＳ１１）。立ち上がり部分Ｓ２に異常が無いと判断された場合、そのまま摩擦圧接接合が継続される（ステップＳ０５）。
【００４３】
その後、金属材２，３の端面２ａ，３ａが十分に加熱溶融すると、金属材２の回転が停止され（ステップＳ０６）、これとほぼ同時に送り装置１０３によって金属材２，３へのアップセット加圧（図１（ｃ）参照）がなされる（ステップＳ０７）。金属材２の回転が停止された後、出力信号Ｓの後続部分Ｓ３について、異常の有無が判断される（ステップＳ０８）。
【００４４】
ステップＳ０８の後、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１、立ち上がり部分Ｓ２、及び後続部分Ｓ３についての異常の有無の判断結果から、金属材２，３の接合部Ｗの接合状態の可否が判断される（ステップＳ０９）。判断結果は、金属材２，３の接合体の製品Ｎｏ．と関連付けられて格納される（ステップＳ１０）。
【００４５】
以上説明したように、摩擦接合システム１では、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されるため、急峻な波形となる前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２の異常の有無を容易に判断することができる。
【００４６】
一方、摩擦接合システム１では、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの後続部分Ｓ３を、移動平均を差分した差分信号の波形パターンを用いてモニタリングする。この後続部分Ｓ３は、通常ほぼ一定のレベルを維持する部分であり、正常である場合と異常である場合とで波形パターンに差が生じにくい部分である。これに対し、移動平均の差分処理は、バンドパスフィルタの機能と等価であり、後続部分Ｓ３に含まれる種々の周波数のうち、異常の有無に関する特定の周波数のみを取り出すことができる。したがって、平坦な後続部分Ｓ３の異常の有無を容易に判断することができる。摩擦接合システム１では、上述したモニタリングにあたり、外部電源２０１からシステム電源１０１に供給される有効電力のみを扱っている。したがって、構成の複雑化も回避される。
【００４７】
また、摩擦接合システム１では、出力信号判断部１０５によって出力信号Ｓの前段部分Ｓ１又は立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断された場合に、停止制御部１０８によって送り装置１０３及び駆動モータ１０２が直ちに停止するようになっている。摩擦圧接接合の開始前の時点、又は開始の時点で摩擦接合システム１の異常が認められた場合に、その場で摩擦圧接接合を中断することで、異常の要因が把握し易くなる。また、送り装置１０３や駆動モータ１０２の軸折れなど、異常がある状態で摩擦圧接接合を継続することによって発生し得る二次的な異常を防止できる。
【００４８】
さらに、摩擦接合システム１では、接合部Ｗの接合状態の判断結果を、金属材２，３の接合体の製品Ｎｏ．と関連付けて格納している。これにより、金属材２，３を用いた製品のトレーサビリティ（追跡可能性）を確立することが可能となる。
【００４９】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量として有効電力を検出しているが、有効電力に代えて、電流量を検出するようにしてもよい。また、上記実施形態では摩擦圧接接合を例示したが、摩擦撹拌接合や摩擦すべり接合といった他の摩擦接合に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦接合システムによる金属材の摩擦圧接の概要を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る摩擦接合システムの機能的な構成要素を示した図である。
【図３】電力検出センサからの出力信号の波形パターンの一例を示した図である。
【図４】基準用の出力信号の波形パターンの前段部分から算出した上管理限界及び下管理限界の波形パターンの一例を示した図である。
【図５】前段部分における異常の有無の判断の一例を示した図である。
【図６】基準用の出力信号の波形パターンの立ち上がり部分から算出した上管理限界及び下管理限界の波形パターンの一例を示した図である。
【図７】立ち上がり部分における異常の有無の判断の一例を示した図である。
【図８】後続部分における異常の有無の判断の一例を示した図である。
【図９】判断結果格納部に格納される情報の一例を示した図である。
【図１０】図２に示した摩擦接合システムの動作を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１…摩擦接合システム、２…金属材（摩擦部材）、３…金属材、１０２…駆動モータ（駆動手段）、１０４…電力検出センサ（物理量検出手段）、１０５…出力信号判断部（第１判断手段〜第３判断手段）、１０６…接合状態判断部（可否判断手段）、１０８…停止制御部（停止手段）、Ａ１，Ｂ１…上管理限界、Ａ２，Ｂ２…下管理限界、Ｐ２…差分信号、Ｓ…出力信号、Ｓ１…前段部分、Ｓ２…立ち上がり部分、Ｓ３…後続部分、Ｗ…接合部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦接合システム及び摩擦接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材を接合する方法として、摩擦撹拌接合・摩擦圧接接合・摩擦すべり接合といった摩擦接合方法が知られている。摩擦接合方法においては、接合状態の可否を判断するための種々の制御技術の開発がなされている。例えば特許文献１に記載の摩擦圧接方法では、圧接の際における圧力の単位時間当たりの変化量をモニタリングし、この変化量に基づいて圧接を行う毎の圧力を制御している。
【特許文献１】特開２００６−２５５７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
接合状態の可否を精度良く判断するために、上述した圧接時の荷重のほか、ツール荷重、加工点温度、雰囲気温度、歪み量、振動といった複数の物理量をモニタリングすることが考えられる。しかしながら、モニタリングする物理量が多くなると、センサの数が増加し、解析ルーチンも複雑化してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成で、接合状態の可否を精度良く判断することができる摩擦接合システム及び摩擦接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題の解決のため、本願発明者は、鋭意研究を重ねる過程で、接合を行う際に摩擦接合システムで消費されるエネルギーの変動量に着目した。その結果、摩擦接合システムで消費されるエネルギー量は、システムにかかる負荷に依存しており、摩擦接合の開始時、すなわち、駆動手段によって駆動する摩擦部材が接合対象となる金属材に接触したときに急峻に立ち上がり、その後、摩擦接合が完了するまでほぼ一定のレベルを保つことが分かった。
【０００６】
そこで、本願発明者は、上述した波形の形状を考慮し、上記エネルギー量に関する物理量の初期波形と、摩擦接合が完了するまでの波形とをそれぞれ別々の手法で解析すれば、単一の物理量をもって接合状態の可否を精度良く判断できるとの知見を得て本発明を想到するに至った。
【０００７】
本発明に係る摩擦接合システムは、接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように摩擦部材を駆動させる駆動手段を備えた摩擦接合システムであって、摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を検出する物理量検出手段と、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって駆動する摩擦部材が接合部に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断手段と、物理量検出手段からの出力信号のうち、摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、後続部分の出力信号から移動平均を減算して得られる差分信号と、予め設定した閾値との比較に基づいて、後続部分の異常の有無を判断する第２判断手段と、第１判断手段及び第２判断手段による判断結果に基づいて、接合部の接合状態の可否を判断する可否判断手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
この摩擦接合システムでは、物理量検出手段からの出力信号の立ち上がり部分を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の出力値の標準偏差を算出した上で、その標準偏差を整数倍して得られる正規化値を基準用の出力信号の出力値に加算及び減算してそれぞれ得られる値である。したがって、上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の立ち上がり部分の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されることとなり、急峻な立ち上がり部分の異常の有無を容易に判断することができる。一方、この摩擦接合システムでは、物理量検出手段からの出力信号の後続部分を、移動平均を差分した差分信号を用いてモニタリングする。これにより、平坦な後続部分の異常の有無を容易に判断することができる。モニタリングにあたっては、システムに供給されるエネルギー量に関する単一の物理量を扱うのみであり、構成の複雑化も回避される。
【０００９】
また、第１判断手段によって立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始時点でシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因が把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【００１０】
また、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって摩擦部材が駆動してから摩擦部材が接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前段部分の異常の有無を判断する第３判断手段を更に備えたことが好ましい。こうすると、接合部の接合状態を一層精度良く判断することが可能となる。
【００１１】
また、第３判断手段によって前段部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始前にシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因を把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【００１２】
また、本発明に係る摩擦接合方法は、接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように、駆動手段によって摩擦部材を駆動させるステップを備えた摩擦接合方法であって、摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を物理量検出手段によって検出する物理量検出ステップと、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって駆動する摩擦部材が金属材に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断ステップと、物理量検出手段からの出力信号のうち、摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、後続部分の出力信号から移動平均を減算して得られる差分信号と、予め設定した閾値との比較に基づいて、後続部分の異常の有無を判断する第２判断ステップと、第１判断ステップ及び第２判断ステップによる判断結果に基づいて、接合部の接合状態の可否を判断する可否判断ステップとを備えたことを特徴としている。
【００１３】
この摩擦接合方法では、物理量検出手段からの出力信号の立ち上がり部分を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の出力値の標準偏差を算出した上で、その標準偏差を整数倍して得られる正規化値を基準用の出力信号の出力値に加算及び減算してそれぞれ得られる値である。したがって、上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の立ち上がり部分の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されることとなり、急峻な立ち上がり部分の異常の有無を容易に判断することができる。一方、この摩擦接合方法では、物理量検出手段からの出力信号の後続部分を、移動平均を差分した差分信号を用いてモニタリングする。これにより、平坦な後続部分の異常の有無を容易に判断することができる。モニタリングにあたっては、システムに供給されるエネルギー量に関する単一の物理量を扱うのみであり、構成の複雑化も回避される。
【００１４】
また、第１判断ステップにおいて立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止ステップを更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始時点でシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因が把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【００１５】
また、物理量検出手段からの出力信号のうち、駆動手段によって摩擦部材が駆動してから摩擦部材が接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前段部分の異常の有無を判断する第３判断ステップを更に備えたことが好ましい。こうすると、接合部の接合状態を一層精度良く判断することが可能となる。
【００１６】
また、第３判断ステップによって前段部分に異常があると判断された場合に、駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことが好ましい。摩擦接合の開始前にシステムの異常が認められた場合に、その場で摩擦接合を中断することで、異常の要因を把握し易くなる。また、二次的な異常の発生を防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る摩擦接合システム及び摩擦接合方法によれば、簡単な構成で、接合状態の可否を精度良く判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦接合システム及び摩擦接合方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る摩擦接合システムによる金属材の摩擦圧接の概要を示した図である。図１に示すように、摩擦接合システム１は、例えば金属材２，３の端面２ａ，３ａ同士を接合するシステムとして構成されている。金属材２，３は、例えば炭素鋼、クロム−モリブデン鋼、ステンレス鋼、及びアルミ合金等であり、直径５０〜２００ｍｍ程度、長さ５００ｍｍ〜１５００程度の棒状をなしている。
【００２０】
摩擦接合システム１は、接合にあたり、まず、図１（ａ）に示すように、一方の金属材２を軸周りに回転させる。次に、図１（ｂ）に示すように、回転する金属材２の端面２ａを他方の金属材３の端面３ａに接触させ、摩擦熱によって金属材２，３の端面２ａ，３ａを加熱溶融する。端面２ａ，３ａを十分に溶融させた後、図１（ｃ）に示すように、金属材２，３をアップセット加圧し、接合部Ｗを形成する。摩擦接合システム１は、形成した接合部Ｗの接合状態の可否を判断し、その判断結果を金属材２，３ごとに記憶する。
【００２１】
このような摩擦接合システム１は、図２に示すように、機能的な構成要素として、システム電源１０１と、駆動モータ（駆動手段）１０２と、送り装置１０３と、電力検出センサ（物理量検出手段）１０４と、出力信号判断部（第１判断手段〜第３判断手段）１０５と、接合状態判断部（可否判断手段）１０６と、判断結果格納部１０７と、停止制御部（停止手段）１０８とを備えている。
【００２２】
システム電源１０１は、外部電源２０１から供給される電力を、駆動モータ１０２や送り装置１０３等に分配する部分である。駆動モータ１０２は、図示しない連結手段によって一方の金属材２に連結され、金属材２に軸周りの回転力を付加する部分である。駆動モータ１０２は、例えば週速度６．０〜９．０ｍ／ｓで金属材２を回転させることにより、接続対象となる一方の金属材２自体を摩擦部材として機能させる。
【００２３】
電力検出センサ１０４は、システム電源がオン状態となってから摩擦圧接接合が完了するまでの間、外部電源２０１からシステム電源１０１に供給される有効電力を検出する部分である。電力検出センサ１０４は、検出した有効電力に対応する出力信号を出力信号判断部１０５に順次出力する。
【００２４】
図３は、電力検出センサ１０４からの出力信号の波形パターンの一例を示す図である。電力検出センサ１０４によって検出される有効電力は、摩擦接合システム１にかかる負荷に比例して増減するものであり、摩擦圧接接合が正常な状態でなされたか否かを示す指標として用いられる。図３に示す例では、出力信号Ｓは、時刻ｔ０においてシステム電源１０１がオン状態となり、駆動モータ１０２による金属材２の回転が開始すると、一定のレベルに上昇する（前段部分Ｓ１）。
【００２５】
次に、出力信号Ｓは、時刻ｔ１において回転する金属材２の端面２ａが他方の金属材３の端面３ａに接触する瞬間に急峻に立ち上がり（立ち上がり部分Ｓ２）、その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて金属材２，３の端面２ａ，３ａが加熱溶融されている間、前段部分Ｓ１よりも高いレベルでほぼ一定に維持される（後続部分Ｓ３）。時刻ｔ３において摩擦接合が終了し、駆動モータ１０２による金属材２の回転が停止すると、出力信号Ｓは、前段部分Ｓ１とほぼ同等のレベルまで減少し、システム電源１０１がオフ状態となるとほぼ０レベルになる（残余部分Ｓ４）。
【００２６】
出力信号判断部１０５は、電力検出センサ１０４から順次出力される出力信号の波形をモニタリングし、異常の有無を判断する部分である。より具体的には、出力信号判断部１０５は、まず、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１について、管理限界を用いた波形解析を行う。この波形解析にあたっては、予め基準用の金属材（図示せず）を摩擦接合し、その際に電力検出センサ１０４から出力される基準用の出力信号の波形パターンを取得しておく。
【００２７】
次に、基準用の出力信号の波形パターンにおける前段部分の出力値の移動平均を求め、移動平均化後の波形パターンに含まれる各出力値を、その標準偏差σに基づいて正規化する。そして、図４に示すように、標準偏差σを３倍して得られる正規化値を移動平均値に加算したもの（＋３σ）を上管理限界とし、正規化値を移動平均値から減算したもの（−３σ）を下管理限界とする。これにより、上管理限界の波形パターンＡ１と、下管理限界の波形パターンＡ２との間には、所定の数値幅をもって許容領域が設定されることとなる。
【００２８】
出力信号判断部１０５は、図５（ａ）に示すように、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１が、上管理限界の波形パターンＡ１と下管理限界の波形パターンＡ２との間に収まっている場合には、前段部分Ｓ１に異常が無いと判断する。また、出力信号判断部１０５は、図５（ｂ）に示すように、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１が、上管理限界の波形パターンＡ１と下管理限界の波形パターンＡ２との間に収まっていない場合には、前段部分Ｓ１に異常があると判断する。
【００２９】
出力信号判断部１０５は、判断結果を示す判断結果情報を生成し、接合状態判断部１０６に出力する。出力信号判断部１０５は、前段部分Ｓ１に異常があると判断した場合には、判断結果情報を停止制御部１０８にも併せて出力する。
【００３０】
次に、出力信号判断部１０５は、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２について、前段部分Ｓ１の場合と同様に、管理限界を用いた波形解析を行う。出力信号判断部１０５には、図６に示すように、基準用の出力信号の波形パターンにおける立ち上がり部分から算出した上管理限界の波形パターンＢ１と、下管理限界の波形パターンＢ２とが予め設定されている。
【００３１】
出力信号判断部１０５は、図７（ａ）に示すように、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２が、上管理限界の波形パターンＢ１と下管理限界の波形パターンＢ２との間に収まっている場合には、前段部分Ｓ１に異常が無いと判断する。また、出力信号判断部１０５は、図７（ｂ）に示すように、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２が、上管理限界の波形パターンＢ１と下管理限界の波形パターンＢ２との間に収まっていない場合には、立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断する。
【００３２】
出力信号判断部１０５は、判断結果を示す判断結果情報を生成し、接合状態判断部１０６に出力する。出力信号判断部１０５は、立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断した場合には、判断結果情報を停止制御部１０８にも併せて出力する。
【００３３】
さらに、出力信号判断部１０５は、出力信号Ｓの後続部分Ｓ３について、所定の閾値を用いた波形解析を行う。この波形解析の一例を図８に示す。図８（ａ）は、後続部分Ｓ３の波形パターンを拡大して示す図である。出力信号判断部１０５は、図８（ｂ）に示すように、取得した後続部分Ｓ３の波形パターンの出力値の移動平均を求める。
【００３４】
次に、出力信号判断部１０５は、図８（ａ）に示した後続部分Ｓ３の波形パターンに含まれる出力値から、図８（ｂ）に示した移動平均化後の波形パターンＰ１に含まれる出力値を減算する。これにより、図８（ｃ）に示すように、０レベルを中心とする差分信号の波形パターンＰ２が得られる。一方、出力信号判断部１０５は、上述した基準用の出力信号における後続部分Ｓ３について、同様の方法で差分信号を求める。そして、出力信号判断部１０５は、この基準用の差分信号をその標準偏差σに基づいて正規化し、標準偏差σの３倍（±３σ）を閾値として算出する。
【００３５】
出力信号判断部１０５は、差分信号の波形パターンＰ２に含まれる出力値が、閾値±３σに収まっている場合には、後続部分Ｓ３に異常が無いと判断する。また、出力信号判断部１０５は、差分信号の波形パターンＰ２に含まれる出力値のうち、閾値±３σを超える値が一つでも存在する場合には、後続部分Ｓ３に異常があると判断する。出力信号判断部１０５は、判断結果を示す判断結果情報を生成し、接合状態判断部１０６に出力する。
【００３６】
接合状態判断部１０６は、出力信号判断部１０５による判断結果に基づいて、金属材２，３における接合部Ｗの接合状態の可否を判断する部分である。接合状態判断部１０６は、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１、立ち上がり部分Ｓ２、及び後続部分Ｓ３の各部分について、異常が無い旨の判断結果を受け取った場合には、接合部Ｗの接合状態が可である旨の判断結果情報を判断結果格納部１０７に出力する。一方、接合状態判断部１０６は、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１、立ち上がり部分Ｓ２、及び後続部分Ｓ３のいずれか一つでも異常がある旨の判断結果が含まれている場合には、接合部Ｗの接合状態が不可である旨の判断結果情報を判断結果格納部１０７に出力する。
【００３７】
判断結果格納部１０７は、接合部Ｗの接合状態についての判断結果を格納する部分である。図９は、判断結果格納部１０７に格納される情報の一例を示す図である。図９に示す例では、金属材２，３の接合体の製品Ｎｏ．「００００１」、「００００２」等と関連付けて、接合状態の判断結果情報「ＯＫ」「ＮＧ」が格納されている。
【００３８】
停止制御部１０８は、摩擦接合システム１の緊急停止に関する制御を行う部分である。停止制御部１０８は、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１又は立ち上がり部分Ｓ２に異常がある旨の判断結果情報を出力信号判断部１０５から受け取った場合に、送り装置１０３及び駆動モータ１０２を直ちに停止させる。
【００３９】
続いて、摩擦接合システム１の動作について説明する。図１０は、摩擦接合システム１の動作を示すフローチャートである。
【００４０】
図１０に示すように、摩擦接合システム１のシステム電源１０１がオン状態となり、ユーザによる所定の操作がなされると、駆動モータ１０２による金属材２の回転が開始される（ステップＳ０１）。金属材２の回転が開始されると、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの前段部分Ｓ１について、異常の有無が判断される（ステップＳ０２）。
【００４１】
ステップＳ０２において、前段部分Ｓ１に異常があると判断された場合、送り装置１０３及び駆動モータ１０２が直ちに停止される（ステップＳ１１）。前段部分Ｓ１に異常が無いと判断された場合、送り装置１０３によって金属材２が他方の金属材３側に送られ、駆動モータ１０２によって回転する金属材２の端面２ａと、他方の金属材３の端面３ａとが接触して摩擦圧接接合が開始される（ステップＳ０３）。
【００４２】
摩擦圧接接合の開始の際、出力信号Ｓの立ち上がり部分Ｓ２について、異常の有無が判断される（ステップＳ０４）。ステップＳ０４において、立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断された場合、ステップＳ０２の場合と同様に、送り装置１０３及び駆動モータ１０２が直ちに停止される（ステップＳ１１）。立ち上がり部分Ｓ２に異常が無いと判断された場合、そのまま摩擦圧接接合が継続される（ステップＳ０５）。
【００４３】
その後、金属材２，３の端面２ａ，３ａが十分に加熱溶融すると、金属材２の回転が停止され（ステップＳ０６）、これとほぼ同時に送り装置１０３によって金属材２，３へのアップセット加圧（図１（ｃ）参照）がなされる（ステップＳ０７）。金属材２の回転が停止された後、出力信号Ｓの後続部分Ｓ３について、異常の有無が判断される（ステップＳ０８）。
【００４４】
ステップＳ０８の後、出力信号Ｓの前段部分Ｓ１、立ち上がり部分Ｓ２、及び後続部分Ｓ３についての異常の有無の判断結果から、金属材２，３の接合部Ｗの接合状態の可否が判断される（ステップＳ０９）。判断結果は、金属材２，３の接合体の製品Ｎｏ．と関連付けられて格納される（ステップＳ１０）。
【００４５】
以上説明したように、摩擦接合システム１では、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２を、上管理限界値と下管理限界値とを用いてモニタリングする。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の波形に沿って一定の数値幅を持って設定されるため、急峻な波形となる前段部分Ｓ１及び立ち上がり部分Ｓ２の異常の有無を容易に判断することができる。
【００４６】
一方、摩擦接合システム１では、電力検出センサ１０４からの出力信号Ｓの後続部分Ｓ３を、移動平均を差分した差分信号の波形パターンを用いてモニタリングする。この後続部分Ｓ３は、通常ほぼ一定のレベルを維持する部分であり、正常である場合と異常である場合とで波形パターンに差が生じにくい部分である。これに対し、移動平均の差分処理は、バンドパスフィルタの機能と等価であり、後続部分Ｓ３に含まれる種々の周波数のうち、異常の有無に関する特定の周波数のみを取り出すことができる。したがって、平坦な後続部分Ｓ３の異常の有無を容易に判断することができる。摩擦接合システム１では、上述したモニタリングにあたり、外部電源２０１からシステム電源１０１に供給される有効電力のみを扱っている。したがって、構成の複雑化も回避される。
【００４７】
また、摩擦接合システム１では、出力信号判断部１０５によって出力信号Ｓの前段部分Ｓ１又は立ち上がり部分Ｓ２に異常があると判断された場合に、停止制御部１０８によって送り装置１０３及び駆動モータ１０２が直ちに停止するようになっている。摩擦圧接接合の開始前の時点、又は開始の時点で摩擦接合システム１の異常が認められた場合に、その場で摩擦圧接接合を中断することで、異常の要因が把握し易くなる。また、送り装置１０３や駆動モータ１０２の軸折れなど、異常がある状態で摩擦圧接接合を継続することによって発生し得る二次的な異常を防止できる。
【００４８】
さらに、摩擦接合システム１では、接合部Ｗの接合状態の判断結果を、金属材２，３の接合体の製品Ｎｏ．と関連付けて格納している。これにより、金属材２，３を用いた製品のトレーサビリティ（追跡可能性）を確立することが可能となる。
【００４９】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量として有効電力を検出しているが、有効電力に代えて、電流量を検出するようにしてもよい。また、上記実施形態では摩擦圧接接合を例示したが、摩擦撹拌接合や摩擦すべり接合といった他の摩擦接合に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る摩擦接合システムによる金属材の摩擦圧接の概要を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る摩擦接合システムの機能的な構成要素を示した図である。
【図３】電力検出センサからの出力信号の波形パターンの一例を示した図である。
【図４】基準用の出力信号の波形パターンの前段部分から算出した上管理限界及び下管理限界の波形パターンの一例を示した図である。
【図５】前段部分における異常の有無の判断の一例を示した図である。
【図６】基準用の出力信号の波形パターンの立ち上がり部分から算出した上管理限界及び下管理限界の波形パターンの一例を示した図である。
【図７】立ち上がり部分における異常の有無の判断の一例を示した図である。
【図８】後続部分における異常の有無の判断の一例を示した図である。
【図９】判断結果格納部に格納される情報の一例を示した図である。
【図１０】図２に示した摩擦接合システムの動作を示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１…摩擦接合システム、２…金属材（摩擦部材）、３…金属材、１０２…駆動モータ（駆動手段）、１０４…電力検出センサ（物理量検出手段）、１０５…出力信号判断部（第１判断手段〜第３判断手段）、１０６…接合状態判断部（可否判断手段）、１０８…停止制御部（停止手段）、Ａ１，Ｂ１…上管理限界、Ａ２，Ｂ２…下管理限界、Ｐ２…差分信号、Ｓ…出力信号、Ｓ１…前段部分、Ｓ２…立ち上がり部分、Ｓ３…後続部分、Ｗ…接合部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように摩擦部材を駆動させる駆動手段を備えた摩擦接合システムであって、
摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を検出する物理量検出手段と、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって駆動する前記摩擦部材が前記接合部に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断手段と、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、前記後続部分の出力信号から前記移動平均を減算して得られる差分信号が予め設定した閾値を超えるか否かに基づいて、前記後続部分の異常の有無を判断する第２判断手段と、
前記第１判断手段及び前記第２判断手段による判断結果に基づいて、前記接合部の接合状態の可否を判断する可否判断手段とを備えたことを特徴とする摩擦接合システム。
【請求項２】
前記第１判断手段によって前記立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の摩擦接合システム。
【請求項３】
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって前記摩擦部材が駆動してから前記摩擦部材が前記接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記前段部分の異常の有無を判断する第３判断手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦接合システム。
【請求項４】
前記第３判断手段によって前記前段部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の摩擦接合システム。
【請求項５】
接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように、駆動手段によって摩擦部材を駆動させるステップを備えた摩擦接合方法であって、
摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を物理量検出手段によって検出する物理量検出ステップと、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって駆動する前記摩擦部材が前記金属材に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断ステップと、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、前記後続部分の出力信号から前記移動平均を減算して得られる差分信号と、予め設定した閾値との比較に基づいて、前記後続部分の異常の有無を判断する第２判断ステップと、
前記第１判断ステップ及び前記第２判断ステップによる判断結果に基づいて、前記接合部の接合状態の可否を判断する可否判断ステップとを備えたことを特徴とする摩擦接合方法。
【請求項６】
前記第１判断ステップにおいて前記立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止ステップを更に備えたことを特徴とする請求項５記載の摩擦接合方法。
【請求項７】
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって前記摩擦部材が駆動してから前記摩擦部材が前記接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記前段部分の異常の有無を判断する第３判断ステップを更に備えたことを特徴とする請求項５又は６記載の摩擦接合方法。
【請求項８】
前記第３判断ステップによって前記前段部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことを特徴とする請求項７記載の摩擦接合方法。
【請求項１】
接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように摩擦部材を駆動させる駆動手段を備えた摩擦接合システムであって、
摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を検出する物理量検出手段と、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって駆動する前記摩擦部材が前記接合部に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断手段と、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、前記後続部分の出力信号から前記移動平均を減算して得られる差分信号が予め設定した閾値を超えるか否かに基づいて、前記後続部分の異常の有無を判断する第２判断手段と、
前記第１判断手段及び前記第２判断手段による判断結果に基づいて、前記接合部の接合状態の可否を判断する可否判断手段とを備えたことを特徴とする摩擦接合システム。
【請求項２】
前記第１判断手段によって前記立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の摩擦接合システム。
【請求項３】
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって前記摩擦部材が駆動してから前記摩擦部材が前記接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記前段部分の異常の有無を判断する第３判断手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦接合システム。
【請求項４】
前記第３判断手段によって前記前段部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の摩擦接合システム。
【請求項５】
接合対象となる金属材の接合部に摩擦熱が生じるように、駆動手段によって摩擦部材を駆動させるステップを備えた摩擦接合方法であって、
摩擦接合の開始から完了までの間、システムに供給されるエネルギー量に関する物理量の変化を物理量検出手段によって検出する物理量検出ステップと、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって駆動する前記摩擦部材が前記金属材に接触する際の立ち上がり部分が、予め設定した基準用の出力信号の立ち上がり部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記立ち上がり部分の異常の有無を判断する第１判断ステップと、
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記摩擦部材の駆動が停止するまでの後続部分について移動平均を算出し、前記後続部分の出力信号から前記移動平均を減算して得られる差分信号と、予め設定した閾値との比較に基づいて、前記後続部分の異常の有無を判断する第２判断ステップと、
前記第１判断ステップ及び前記第２判断ステップによる判断結果に基づいて、前記接合部の接合状態の可否を判断する可否判断ステップとを備えたことを特徴とする摩擦接合方法。
【請求項６】
前記第１判断ステップにおいて前記立ち上がり部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止ステップを更に備えたことを特徴とする請求項５記載の摩擦接合方法。
【請求項７】
前記物理量検出手段からの出力信号のうち、前記駆動手段によって前記摩擦部材が駆動してから前記摩擦部材が前記接合部に接触するまでの前段部分が、予め設定した基準用の出力信号の前段部分の上管理限界値と下管理限界値との間に収まっているか否かに基づいて、前記前段部分の異常の有無を判断する第３判断ステップを更に備えたことを特徴とする請求項５又は６記載の摩擦接合方法。
【請求項８】
前記第３判断ステップによって前記前段部分に異常があると判断された場合に、前記駆動手段を停止させる停止手段を更に備えたことを特徴とする請求項７記載の摩擦接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−８２９５１（Ｐ２００９−８２９５１Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５４８９０（Ｐ２００７−２５４８９０）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
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