摩擦攪拌接合方法とその接合装置およびその摩擦接合体
【課題】 ボビンツール型回転工具に関する種々の欠点の解消を図った摩擦攪拌接合方法とその装置を提供する。
【解決手段】 母材接合部の表裏両面側から裏面押圧部材１と表面押圧部材２を摺動回転させながら加熱を行うとともに、少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材３により攪拌させながら両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて行う摩擦攪拌接合方法において、 両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、攪拌部材を回転軸方向に移動させた後若しくは移動途中に攪拌部材を回転させるか若しくは攪拌部材を回転軸方向に移動させ攪拌部材の移動に同期して裏面押圧部材と表面押圧部材が母材押圧面より離間させる。
【解決手段】 母材接合部の表裏両面側から裏面押圧部材１と表面押圧部材２を摺動回転させながら加熱を行うとともに、少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材３により攪拌させながら両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて行う摩擦攪拌接合方法において、 両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、攪拌部材を回転軸方向に移動させた後若しくは移動途中に攪拌部材を回転させるか若しくは攪拌部材を回転軸方向に移動させ攪拌部材の移動に同期して裏面押圧部材と表面押圧部材が母材押圧面より離間させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両、航空機、建物、若しくは宇宙機器の構体、具体的には曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体等を製造するための摩擦攪拌接合装置とその接合方法に係り、特にボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置とその接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、摩擦攪拌による固相接合方法は公知であり、かかる接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法で、回転ツ−ルと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合でき、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。
【０００３】
かかる摩擦撹拌接合に使用される回転工具には、プローブ型とボビンツール型の回転工具が存在し、プローブ型工具は回転工具を接合線側に押しつける必要があり、従ってこの反力に対処するために、高い剛性の裏当金が使用され、この裏当金は被加工物の面板の裏面に密着させて設置するものであり、高い剛性を必要とする。
【０００４】
一方ボビンツール型の回転工具は接合する母材の表裏両面を挟持するように一定間隔を設けた一対のショルダ（母材押圧部材）が設けられているとともに、該上下一対のショルダ間にねじ軸状の攪拌軸（ピン軸）を設け、前記一対のショルダにより入熱された接合部を攪拌しながら摩擦接合を行うものである。
かかる工具によれば、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、裏面側の接合不良が生じないのみならず、裏当金が不要になるが、一方ではピン軸と上下一対のショルダ間隔が固定されているために、被接合部材の変形や肉厚の変動があると、これを吸収することができず、円滑な摩擦攪拌接合ができない。
【０００５】
このような不具合に対処するため、例えば、特開２００２−１８５８０公報（特許文献１）に記載されたものでは、上下ショルダ部の間に挟まれる接合材の接合部厚さを、上ショルダ部と下ショルダ部との間隔よりも大きくして、具体的には、従来例では、互いに対向する二つの接合材の接合部をはめ込み構造として、接合の厚さを接合部以外の厚さよりも局部的に厚くして、摩擦熱によって接合部のギャップが変化することを防止するとともに、接合後の接合部の厚さが他の部分よりも薄くなることを防止している。
【０００６】
しかしながらかかる従来技術においても上下ショルダとピン軸は一体ものとして工具間隔を調整できず、入熱量に応じてショルダ間隔を調整して加重制御を行うことができない。
又工具間隔が一定の場合母材表面に凹凸を有する場合にこれに追従させるために、表面倣いを行うことができない。
又工具が一体ものの場合にピン軸の上下両側にショルダが位置するために、ショルダ径より大きな穴を接合終端に設けねば、工具を取り外しが出来ない。
【０００７】
かかる欠点を解消するために、例えば特開２０００−３３４８４（特許文献２）において、コイルスプリングを用いて下面押圧部を軸方向に可変にした技術が存在する。
かかる技術は、上側ショルダとして機能する回転筒に攪拌ピン軸を固設し、その先端にストッパ部を固設するとともに、該ストッパ部を介して短円柱状の下側ショルダ部材を設け、この下側ショルダと前記ストッパ部との間にコイルスプリングが配設されている。つまり、このコイルスプリングが、下面ショルダを常時被接合部材の下面側に付勢し、下面ショルダは、攪拌ピンの軸線に沿って移動可能に構成されているものである。
【０００８】
従ってかかる従来技術においては、下側ショルダの回転は、コイルスプリングを介して下側ショルダに伝えられるものであるために、コイルスプリングの押し付け力によってその荷重が規定され、下面ショルダの押し付け力を制御できない。
しかもコイルスプリングの押し付け力には上限があり、基本的に上側ショルダとして機能する回転筒の押し付け力より大きくすることができない。
【０００９】
とくにボビンツ−ルの場合は、表裏両面側の一対のショルダはいずれも母材接合部に接触し食い込まなければなければ、接合部と工具の間に摩擦入熱が生じないため、工具セット時、工具間で材料を強く押さえるためにバネ定数を大きくする必要がある。しかしながら挟み込む荷重が高すぎると、工具を回転させると同時にねじ部がねじ切れてしまい接合できないし、一方荷重が低いと工具のならい回転はできるが、摩擦入熱が足らず接合ができなかったり、接合できても欠陥が生じてしまい、良好な接合部が得られないという課題がある。
【００１０】
より具体的に説明するに、かかる摩擦攪拌接合に基づく加工方法は、接合初期においては回転工具を押圧状態で回転させて、母材を軟化領域に温度上昇させた後、工具を接合線に沿って移動させて接合するものであるために、接合開始初期において、接合ショルダの摩擦回転による摩擦入熱により接合物の温度が上昇していないと、ピン軸により接合部位を攪拌しても材料の流動が悪いため円滑に接合できない。
一方前記摩擦入熱が過大すぎて接合物の温度が軟化温度以上に上がりすぎると、材料の強度が低くなり、工具を挟み込むことで発生するせん断力に耐え切れず、材料がねじ切られてしまう恐れもあった。
【００１１】
又ショルダ間隔が固定されているボビンツール型回転工具では、被接合部材の変形や肉厚の変動があると、これを吸収するために、１のショルダを表面倣いしても他側ショルダが母材から離間してしまうために、円滑な摩擦攪拌接合ができない。
特に、接合過程（製造過程）において、母材は長尺ものの型板を接合する場合に、型板同士の熱膨脹やクランプ治具による変形等により、接合部に生じるギャップ（隙間）が異なることを考慮すると、ギャップに変動があると、搬送速度が一定でもギャップや接合部の厚さの変動により負荷の変動も生じやすく、円滑な接合加工が出来ないのみならず、負荷が課題になると工具破損が生じる恐れがある。
【００１２】
又、従来の摩擦攪拌接合技術分野では、特許３２７４４５３公報（特許文献３）に示すように、接合線を監視する技術としてＣＣＤカメラによる画像監視装置が開示されている。
かかる技術は、摩擦撹拌接合装置の接合工具よりも進行方向前方に設けたＣＣＤカメラで、接合される隙間を常時撮影し、摩擦撹拌接合開始点からの前進距離を常時計測し、上記ＣＣＤカメラで撮影した隙間（ギャップ）映像を画像処理し、画像中の隙間（ギャップ）の中心線の基準線に対する横方向へのずれ量を演算し、当該演算値を基準値と比較する、摩擦撹拌接合における継ぎ手不良検知方法である。
しかしながら、接合線上方よりＣＣＤカメラより接合線を撮像する方法では、接合線金傍のクランプ冶具等の存在故にカメラ等では監視は難しく、開先幅（ギャップ）や接合部側近を精度よく検出出来ない。
特にボビンツールを用いた接合方法においては、ボビンツールの下部ショルダ側は、接合中外部からは監視できないし、又ピン軸においても接合部内に埋没した状態では仮にピンが折れても表面上は同じような状態である。このため工具の破損を検出し、破損時には接合を停止する必要があるが、現状の技術ではその課題を解決するものは少ない。
【００１３】
さて接合終了後、下側ショルダのないプラグ型回転工具の場合は、取り出しが容易であるが、ボビンツールの場合は、下側工具を取り外さなければ接合部よりの工具取り出しが不可能である。
しかしながら接合終端部で、工具間隔が一定のボビンツール型工具で、回転をとめた場合、まだ軟化領域にある接合部とねじ溝を有するピン軸との間にが固着、言い換えればねじ溝に材料軟化部が侵入した状態で固着して両者を分離することができなくなる。
このため、ボビンツールを用いた回転工具においては接合終端位置で、接合材料の一部を切断して、切削加工や化学的な方法で回転工具と接合母材を分離する必要があった。
【００１４】
又摩擦攪拌接合の終端では回転工具を抜出した後の接合部には工具取り出し穴が開口しているために、その部分を切断するか若しくはプラグ材で封入して穴をふさぐ必要がある。
そしてこのプラグを用いた摩擦攪拌接合法による閉塞方法は、Welding ＆ Metal Fabrication、September 2000P7-8（非特許文献１）に開示されているように、図１１（ｂ）に示すように、３０〜５０°とテーパ角度の大きいプラグ穴７０とテーパプラグ６０の組み合わせにより接合しているが、ジュラルミンのように接合材がアルミ合金の場合は、プラグ側ではなく、接合材の板側終端側が変形しやすいために、テーパ穴終端に凹部を持たせた密閉式の裏当て板７５０を当てている。
【００１５】
しかしながら接合材のプラグ穴のテーパ角度が大きいとこれに対応して必然的に接合板６５材表面側のプラグ径が大きくなり、接合板６５材表面側の熱的影響が広がるとともに、接合時の荷重が高くなり、摩擦攪拌入熱によるアルミ合金の摩擦面の軟化量が広がり、プラグ穴終端（底部）の接合が安定しない。
この安定性を高めるために接合面における接触厚を多くすると接合時に排出される余肉量が多くなり、特に密閉型の裏当てで接合を行うとその余肉量が裏当て凹部にたまってプラグの押圧を妨げ、結果的に余肉により接合部に荷重がかからず未接合となるためにプラグ形状の管理が難しい。
【特許文献１】特開２００２−１８５８０公報
【特許文献２】特開２０００−３３４８４公報
【特許文献３】特許３２７４４５３公報
【非特許文献１】Welding ＆ Metal Fabrication、September 2000P7-8
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、ボビンツール型回転工具に関する種々の欠点の解消を図った摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
具体的には本発明の目的は、接合完了時に、回転工具と材料の溶着や固着を防止する摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【００１７】
更に本発明の目的は、直線状の接合線を有するスキンパネル同士の接合の際に接合終端部における接合の乱れをなくし、高品質の摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【００１８】
更に本発明の目的は摩擦攪拌接合の終端において形成されるプラグ穴をプラグにて封止する際にプラグ穴のプラグ径が大きくなることなく、しかもその周囲の熱的影響が広がることなくプラグ穴終端（底部）の接合が安定しうる高品質の摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明はかかる課題を解決するために、母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材（以下裏面ショルダという）と表面押圧部材（以下表面ショルダという）を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一のショルダとともに回転するピン軸（以下ピン軸という）により攪拌させながら前記両ショルダとピン軸からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法に関するもので、本発明は、前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とし、具体的には前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とする。
【００２０】
かかる発明は、前記ピン軸の移動に同期して裏面ショルダと表面ショルダが母材押圧面より離間させるのが好ましいが、少なくともピン軸のみを移動すれば、接合部の溶着が防止できる。
又前記ピン軸を回転軸方向に移動させた後若しくは移動途中に前記ピン軸を回転させれば遠心力によりピン軸に残存付着して接合残も除去できる。
そして前記ピン軸の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させれば、ピン軸と接合部との溶着が完全に防止出来る。
【００２１】
そしてかかる発明を具体化する装置として母材接合部の表裏両面側より夫々摺動回転させながら摩擦入熱を行う裏面押圧部材と表面押圧部材と、前記入熱された接合部を攪拌する攪拌部材を備えた回転工具を有してなる摩擦攪拌接合装置において、
前記攪拌部材を回転軸方向に移動可能に構成するとともに、該移動ストロークが攪拌部材と接合部位間が離脱可能なストローク量であることを特徴とする。
この場合前記ピン軸に、該ピン軸最大径より小なる移動軸が連接され、前記ピン軸の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されているのがよく、具体的には前記ピン軸をネジ状軸で形成されている場合に、該ネジ状軸に、ネジ外径より小なる移動軸が連接され、前記ピン軸の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されていることを特徴とする。そして更に具体的には前記ピン軸と裏面ショルダが一体的に連接されているとともに、前記移動軸が表面ショルダの軸穴内に挿設され、前記軸穴径（ａ１’）とピン軸の最大径（ａ１）と移動軸径（ｂ１）の関係が下記式の関係にあるのがよい。
（ａ１’）≧（ａ１）＞（ｂ１）
【００２２】
かかる発明によれば、回転工具による接合が完了した時点で、工具間隔を広げて、工具のショルダ面が材料と触れない状態にしておき、工具を回転することでピン部の回転を利用して、ピン部に固着している材料を遠心力で穴部から排除することができる。
上記の処置で穴は広がるが、アルミの熱膨張係数が工具の材質である工具鋼よりも大きいため、温度が下がった後、アルミが収縮し焼きばめのようになる可能性があるため、接合後板の温度が下がるまで、工具の回転を保持し、収縮した穴をねじ軸状ピンで削り取ることができる。
さらに確実に工具を抜くため、ピン軸部に径の細い移動軸部分を軸端に連接しておき、接合完了後、ピン軸をその移動軸位置まで移動させることで、容易にピン軸部を抜くことができる。
【００２３】
そしてこの発明は母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行って形成された曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネルからなる摩擦接合体において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体が得られ、更に具体的には前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体が得られる。
【００２４】
そしてかかる摩擦接合体を得るための装置として、母材接合部の表裏両面側より夫々摺動回転させながら摩擦入熱を行う裏面ショルダと表面ショルダと、前記入熱された接合部を攪拌する攪拌軸を備えた回転工具を有してなる摩擦攪拌接合装置において前記摩擦攪拌接合開始時に、前記回転工具の移動を停止した状態で前記少なくとも一のショルダの接合部への荷重を増加させて入熱温度を上昇させるスローアップ用時間を設定した制御手段が存在するのがよい。
そしてかかる技術(以下第１の技術という)は、前記両ショルダ間間隔変位を可変に構成している装置に適用するのが好ましく、この場合は接合開始位置で、前記ショルダ間間隔を接合部への摩擦荷重が少なくとも増加する方向に変位させるアクチュエータと前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とが存在していることが必要である。
更に前記荷重増加後回転工具を接合線に沿って移動させる前に、その接合開始位置で前記荷重検知手段に基づいて、荷重一定で所定時間保持して接合開始部の均熱化を図るように前記アクチュエータを制御する制御手段が存在することも有効である。
【００２５】
かかる第１の技術によれば、接合部表面側と裏面側に位置する両ショルダ間距離（工具間隔）および摩擦入熱荷重（工具間荷重）を調整できる装置を用いて、接合開始の初期は攪拌部材であるピン軸がねじ切れない程度の低荷重で接合部材を挟み込み、その状態で回転工具を回転させて、摩擦入熱で材料表面を軟化させながら、接合に必要な荷重まで荷重を増加させた後、接合することで、ピン軸の破損が生じることなく接合できるようになる。また、荷重を徐々に上げていくのは、ピンに過大なトルクがかかりねじ切れるのを防止するためであるから、工具ショルダ間隔が固定の装置においても工具ショルダ間隔を母材接合部肉厚より小にして工具を回転駆動する駆動モータのトルクをピン軸の破損が生じることのない低トルク（低回転）で回転させ、徐々に回転を増加させてその増加程度がピン軸の破損トルクより超えないように制御しながら、接合荷重まで回転速度（トルク）上昇させることでも課題は解決される。
【００２６】
さて本発明が適用される装置は、図１（Ａ）に示すように前記両ショルダ間間隔変位を可変に構成し、前記両ショルダが１の機械主軸よりの回転を受けて駆動している装置構成を有する。
このような装置の場合に前記ショルダ間間隔変位を可変としながら荷重増加をさせる制御手段を、前記両ショルダの回転駆動を行う前記機械主軸のトルク値及びその回転数を入力一定条件として、前記間隔変位を可変とし、荷重制御が行われるように構成することにより安定した制御が可能となる。
すなわち摩擦入熱による熱エネルギは、ショルダの回転数、回転トルク、挟持荷重（間隔変位）の３つの変数により制御可能であるが、回転数と回転トルクを変数とすると、変動時に生じるバイブレーションによりリニアな制御が困難であり、又ショルダの回転数、回転トルクは機械主軸側に設けたモータに依存し、且つ一定に制御することも容易である。
このため前記間隔変位を一の変数として可変に構成すればリニアな制御が容易である。
【００２７】
又前記制御手段は、両ショルダの回転数を一定に維持し且つ前記アクチュエータによりショルダ間間隔変位を可変として荷重制御を行う油圧若しくは送りねじによる制御手段であるのがよい。
即ちコイルバネを用いたのでは、コイルスプリングの押し付け力によってその荷重が規定され、その押付力を制御できないのみならず、コイルスプリングの押し付け力には上限があり、リニアな制御が困難である。
又空圧力を用いても緩衝作用が働き、同様にセンシングがよいリニアな制御が困難である。
【００２８】
又前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、表面側ショルダを軸変位させる第二のアクチュエータとを具え、それぞれのアクチュエータに荷重検知手段が設けられ、他側のアクチュエータの変位と無関係に夫々のアクチュエータの変位により表面側と裏面側の荷重制御が独立して行われるように構成してもよく、この場合は表面側と裏面側の荷重制御が独立して行われるために、表面側のショルダで表面倣いに好ましい荷重に、又裏面側のショルダで摩擦入熱用の荷重を付加でき、個別の制御が可能である。
【００２９】
又前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、裏面側ショルダと表面側ショルダを一体的に軸変位させる第二のアクチュエータとを具え、それぞれのアクチュエータに荷重検知手段を設けてもよい。
この場合は、両アクチュエータの荷重偏差に基づいて裏面側ショルダの荷重制御が行われ精度よい制御が可能となる。
【００３０】
そしてかかる技術は本発明以外にも適用でき、具体的には、
前記ショルダ間間隔変位を可変としながら接合部への摩擦荷重を変化させるアクチュエータと前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とが存在し、前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、表面側ショルダを軸変位させる第二のアクチュエータとであって、それぞれのアクチュエータが同一ベース上に設けられ、両アクチュエータの荷重偏差に基づいて裏面側ショルダの荷重制御が行われることを第２の技術とし、又前記ショルダ間間隔変位を可変としながら接合部への摩擦荷重を変化させるアクチュエータと前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とが存在し、前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータであって該アクチュータが、表面側ショルダを軸変位させる移動ベース上に搭載され、前記第一のアクチュエータの荷重検知手段に基づいて荷重制御を行うことを第３の技術とする。
【００３１】
即ち、本発明の摩擦接合体を得るための第３の技術を具体的に説明するに、接合加工においては、上側ショルダ接合部に押し付け、一方下側ショルダを接合部裏面側に引張って接合しており、この場合に板厚変化に対応するため、そのときの荷重を一定値に制御しているが、前記した従来技術のように一つのコイルバネというアクチュエータで制御することはその荷重制御が困難である。
そこで本第3の技術は、この接合部に印加するショルダの荷重を、接合部を挟み込む入熱用荷重Pcと材料表面を押さえつける倣い用荷重Psに分離して、夫々独立のアクチュエータで制御することで、工具の接合部表面倣い、接合部にかかる入熱量を精度よく制御して安定した品質を得ることが可能である。
この場合に図１（Ａ）に示すように、表面側ショルダのベース上に、裏面側ショルダを駆動するアクチュエータを設けた場合には表面側の第二のアクチュエータの荷重P1は倣い用荷重Psに、裏面側の第１のアクチュエータの荷重P2は入熱用荷重Pcに対応する。これに対して、図１（Ｂ）のように同一ベース上に第１及び第二のアクチュエータを設けた場合は、倣い用荷重Psは第１のアクチュエータの荷重P1と第二のアクチュエータP2の偏差量が、入熱用荷重PcはP1より偏差成分を取り除いた値が対応する。
【００３２】
そして母材接合部の板厚がほぼ一定の材料を接合する場合には、接合速度、工具回転数が一定の場合、工具荷重を一定値にすることで、接合部に一定量の熱を与えることが可能となるため、安定した接合を行うことが可能で、例えば６mm厚の材料で１０%程度板厚が変化した場合でも、板厚変動に応じて工具間距離が開き、荷重が一定になり、入熱を制御できる。
一方工具間距離を接合部板厚に追従させない場合は、板厚の０.１mm程度の変動でも、約５%の荷重が変化し、板厚変化以上に入熱が変化する。特に、工具間距離よりも板厚が薄くなった場合には、工具と材料がまったく接触しなくなるため、発熱がまったくなくなり、欠陥が生じたり、工具の破損が起こる。
従ってショルダ間間隔を可変にして荷重制御により接合加工を安定して行うことが理解できる。
一方、テーパ形状の板厚を持った部材の接合では、入熱一定の条件では、板厚が厚いときには、入熱不足になりやすい。荷重一定に制御した場合、上下の工具の位置から板厚を知ることが可能で、板厚変化に応じて、荷重一定のまま、接合速度や回転数を変化させればよい。たとえば、２２１９-Ｔ８７材の６mm材の適正な接合条件は、荷重８kN、回転数４００rpm、送り速度４００mm/minであり、８mm材では接合速度が３００mm/minであるから、６mmから８mmに変化するテーパー部では工具位置から算出した板厚変化に応じて、接合速度を変化させることで健全な接合部を得ることが可能である。
【００３３】
本発明の摩擦接合体を得るための第４の技術は、前記摩擦攪拌接合開始時に、前記回転工具の接合線方向への移動を停止した状態で前記ショルダの接合部への摩擦入熱を行う均熱用保持時間が存在することを特徴とし、具体的には前記摩擦入熱保持時間が、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の温度域の範囲に設定されていることを特徴とする。
そして前記摩擦入熱保持時間の制御は、ショルダ間間隔変位を可変としながら荷重一定に制御しつつ予め設定した固定時間に基づいて行う第１の時間制御、接合部の温度検知信号に基づいて行われる第２の時間制御、若しくはショルダ間間隔変位の間隔変位量に基づいて行われる第３の制御のいずれか１若しくは複数の組み合わせで構成するのがよい。
【００３４】
この場合、前記摩擦入熱保持時間の制御が、ショルダ間間隔変位の間隔変位量に基づいて行われる場合に、荷重一定に制御しながら摩擦入熱を行いつつ前記ショルダ間隔が一定値以下になった場合に軟化温度領域に達したと判断して接合線に沿う工具の移動を行うのがよい。
【００３５】
そして本技術が接合開始前の均熱を目的とするものである以上、前記摩擦入熱保持時間の前に、常温より軟化温度域若しくはその近傍温度域まで予熱する予熱工程が存在することも必要である。
そして前記予熱工程は、前記両ショルダ間間隔変位を可変として接合部への荷重増加を行う工程であるのがよい。
【００３６】
従って本技術は、工具を移動して接合開始時に材料を均熱状態で軟化させるため、均熱用の適切な保持時間を設けるものである。
攪拌部材として機能するピン軸によって攪拌される接合部全体の温度が均熱に軟化温度領域まで上昇していないと、材料の流動が悪いため接合できないのみならず、ピン軸の破損につながる。
即ち接合開始位置で工具回転後、荷重を増加させて予熱し軟化温度領域に到達後、直ちに接合線に沿って工具を移動させると、接合部全体が均等に軟化していないため、ピンが破損して、材料が接合できない。
一方予熱時間や保持時間が無用に長く、接合部が、軟化温度領域を超え部分溶融点以上になると、材料の強度が低くなり、工具を挟み込むことで発生するせん断力に耐え切れず、材料がねじ切られて穴があいてしまう恐れがある。
【００３７】
そこで前記摩擦入熱保持時間が、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の温度域の範囲に設定することにより前記課題が解決される。
前記保持時間による入熱の制御方法としては、時間による制御も可能であるが、材料の軟化に伴い、荷重一定の制御を行った場合、材料が軟化するため、工具間距離が短くなる。従って材料の軟化の具合を、工具間距離の減少量で把握して、予熱が完了したと判断することも可能である。
時間による制御では、工具や材料の表面状況が異なり、摩擦係数が変化した場合には、発熱量が変化して、材料の軟化の程度が時間だけでは制御できないが、工具間距離の変化を含めて、均熱の完了を判断することでより、安定した施工が可能となり、そしてこの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用するのがよい。
【００３８】
又前記保持時間の制御、即ち工具の移動による接合の開始を工具または材料の温度を非接触の温度計を用いて測定して行ってもよい。
【００３９】
そしてかかる技術の具体的な装置構成として、前記摩擦攪拌接合開始時に、前記回転工具の接合線方向への移動を停止した状態で前記ショルダの接合部への摩擦入熱による均熱作用を行う保持時間を設定した時間制御手段が存在することを特徴とし、具体的には前記時間制御手段が、摩擦入熱保持時間を固定若しくは可変に設定し、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の範囲に時間制御可能に構成されている制御回路であることを特徴とする。
この場合前記制御回路は、摩擦入熱保持時間を固定若しくは可変に設定し、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の範囲に時間制御可能に構成されているのがよく、更に前記摩擦入熱保持時間の制御が、ショルダの回転トルク信号、接合部への温度検知信号、若しくはショルダ間間隔変位の間隔変位量検知信号の少なくとも一の検知信号に基づいて行われることも有効である。
【００４０】
更に前記制御回路は、前記ショルダ間間隔変位を可変とする手段と前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とを具え、該可変手段により荷重を増加させながら常温より軟化温度域若しくはその近傍温度域まで予熱する第一の荷重制御時間と、該荷重をほぼ一定に制御しつつ接合部位の加熱制御を行う第二の荷重制御時間を有し、前記第一及び第二の加熱制御終了後工具移動開始を許容する時間制御手段を有することにより、予熱工程、均熱工程及び接合開始工程を明瞭に区別できる。
【００４１】
又本技術は、接合部の軟化を確認するため、荷重制御で工具間距離が一定値以下になった場合に軟化したと判断できるように、ショルダ間間隔変位の間隔変位の減少量（凹陥量）を検知する凹陥量検知手段と、該凹陥量が許容値以下になる前に前記工具の移動開始信号を出力する判断手段とにより前記摩擦入熱保持時間の制御が行われるのがよい。
この場合、接合部もしくはその周囲温度が、軟化温度以上であって部分溶融温度以下の範囲にあることを検知する非接触温度センサを設け、該センサの検知信号に基づいて摩擦入熱保持時間を可変に構成してもよい。
【００４２】
本発明の摩擦接合体を得るための第５の技術は、前記接合部の板厚変化を裏面ショルダと表面ショルダ間の間隔変位量で検出して、その検出値に応じて、裏面ショルダと表面ショルダの回転数、接合方向への工具送り速度を変化させて、入熱量を制御することを特徴とする。
そしてかかる技術を効果的に達成する装置として、裏面ショルダと表面ショルダ間の間隔変位が変位可能な一または複数のアクチュエータを設け、該アクチュエータに基づいて前記接合部の板厚変化に追従させて裏面ショルダと表面ショルダ間の間隔変位させるとともに、その変位検出値に応じて、裏面ショルダと表面ショルダの回転数、接合方向への工具送り速度を変化させて、接合部の入熱量を制御する制御回路を具えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置を提案する。
【００４３】
かかる技術によれば、間隔変位に対応してショルダの回転数、接合方向への工具送り速度を変化させればより好ましい荷重制御が可能である。
【００４４】
この場合も前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、表面側ショルダを軸変位させる第二のアクチュエータとであって、母材の接合部の表面倣いに追従して第二のアクチュエータを変位させつつ、該変位に同期させて第一のアクチュエータが変位するように、第一のアクチュエータが送りねじ若しくは油圧により駆動されているのがよく、又第１及び第二のアクチュエータが、表面倣いと摩擦入熱の両者で個別に制御するのが好ましいことであり、更に入熱の荷重制御はリニアで精度よく行わなければならないために、入熱用の第一のアクチュエータが微細な荷重制御が可能な送りねじ若しくは油圧により駆動されているのがよい。
勿論第一のアクチュエータ及び第二のアクチュエータがいずれも送りねじ若しくは油圧により駆動されている方がより好ましいことは言うまでもない。
【００４５】
本発明の摩擦接合体を得るための第６の技術は、前記接合部の板厚変化に追従して機械主軸側に位置する表面ショルダと、ピン軸に連結し機械主軸に対して離間している裏面ショルダ間の間隔変位を可変させながら摩擦攪拌接合を行うとともに、前記両ショルダの接合部挟持による接合荷重に対し、表面ショルダによる押圧荷重を接合荷重の１/１０程度以下の圧縮荷重になるように、前記表面ショルダを位置制御して表面倣いを行うことを特徴とするものである。そしてこの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
【００４６】
本技術を説明する。
表面倣いを行うには、倣い用荷重Psが無負荷となることで、接合する材料を表裏の工具でバランス良く挟むことが可能であり、材料にうねりがある場合でも基本的には安定して接合することが可能である。
ボビンツールからなる回転工具を用いた摩擦攪拌接合の場合に、表面側ショルダは機械主軸側に連結されているために熱容量が大きく言い換えれば奪熱量が大きく、一方、裏面側ショルダ機械首位軸と離れているために、熱容量が少ないこともあり奪熱量が小さい。
このため、両ショルダの押圧荷重の制御でその荷重がゼロとなるようにバランスさせて摩擦入熱を行った場合に、接合部裏面側の入熱が多いため、工具のあたり面の温度が表面よりも高くなるため、僅かに裏面側ショルダが接合部下面側に食い込んだ状態になる。
表面側ショルダと接合部との押圧関係を示す表面荷重を接合荷重の１/１０程度若しくはそれ以下の圧縮荷重になるように制御することで、食い込み量がほぼ上下で同じ接合部を得ることが可能である。
【００４７】
本発明の摩擦接合体を得るための第７の技術は、前記両ショルダとの間隔を可変に構成された裏面ショルダと表面ショルダにより母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、該ショルダ間の間隔変位に基づいて接合部のギャップ増大に起因する接合不良を判別することを特徴とする。
そして前記判別手段は、ショルダ間の間隔変位が所定値以下になるごとに警報を出すとともに記録する第一の判別手段と接合動作を停止する第二の判別手段のいずれか一若しくは両者の組み合わせで構成されるのが好ましい。
【００４８】
さてボビンツールで均一板厚の部材を接合する場合、表面ショルダと下面ショルダ間隔が可変なボビンツールで荷重制御すると、ギャップ量が拡大すると材料を隙間に埋める必要が生じるためその溶け込みにより接合部が薄肉化し、表面側と裏面側のショルダ間隔（工具間距離）が狭くなる。この工具間距離をもとに、下限値を設定し、その値以下になった場合、アラームを表示したり接合を停止することで、接合品質を確保する。そしてこの板厚間隔の減少を、表裏両面側のショルダ変位を制御するアクチュエータの位置から求まるショルダ間間隔でもとめることは可能であり、ショルダ間間隔の絶対値および変動をもとにギャップの変化を検出することができる。
【００４９】
本発明の摩擦接合体を得るための第８の技術は、前記両ショルダとの間隔を可変に構成された裏面ショルダと表面ショルダのいずれか一若しくは両者より得られる検知信号に基づいて工具破損を判別するとともに、該判別信号に基づいて少なくとも表面ショルダを母材より離間させることを特徴とする。そしてこの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
この場合工具の破損は、前記ショルダの駆動トルク、前記裏面ショルダの荷重変動、前記ショルダ間の間隔変位、接合線上の工具送り負荷の変動をもとに検出するのが好ましい。
【００５０】
本技術を具体的に説明する。
ボビンツールはプローブ型の回転工具と異なり、上下のショルダで接合部を挟んで接合を行うため、工具を回転する主軸に高いトルク（２２１９-T８７材６mmの場合、約６０Nm）が発生する。（プローブ型工具ではトルク変化は小さい）回転工具のピン軸が折れた場合には、材料が挟まれなくなるため、主軸のトルクは急激に減少する。また、前記ピン軸の破損にともない、下側ショルダを引っ張り一定荷重に制御使用としたアクチュエータは、荷重がなくなるため、ショルダ間隔が短くなるように動作する。この二つの物理現象でピン軸の破損を検出できる。
ピン軸等の工具破損を検知した際には、該破損したピン軸等の工具で、未接合部を傷つけることがないように、接合方向への移動を停止するとともに、少なくとも表面ショルダを駆動している駆動軸を接合部から離れる方向に移動させることで、接合できていない部分の表面を表面ショルダがでこすったりして、傷つけることを防止出来る。
【００５１】
本発明の摩擦接合体を得るための第９の技術は、接合開始部若しくは終端部の品質確保するためのものである。
即ち、摩擦攪拌接合開始時には接合開始位置で工具を停止させた状態で回転させて予熱する必要があるため、その後の接合線と比較して入熱が多めになり、接合開始部は欠陥を生じやすい。
また母材の縁部に近いところで接合を開始すると端部が変形するとともに、その変形が原因で欠陥が生じやすいため、接合開始位置より内側に寄せて大きく取る必要があるがこのことは接合の無駄が出やすい。
このため、本技術は、直線状の接合線を有する場合に接合開始位置を母材縁部より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（Ｂ＞（Ａ／２））だけ内側に設定し、接合開始後前記接合開始位置より縁部側に逆接合した後反転して順接合を行うことを特徴とする。
かかる技術によれば、接合開始点は反転した際の接合路途中に位置することになるために、接合開始部の欠陥を補修でき、その部分が製品として残ることがない。
かかる技術は直線状の接合線を有する接合線を補修接合する場合にも適用でき、この場合は補修接合開始後前記補修接合開始位置より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（Ｂ＞（Ａ／２））だけ逆接合した後反転して順方向に補修接合を行うことを特徴とする。これらの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
【００５２】
又本技術は、円周接合のように無端状の接合線を有する場合にも適用でき、接合開始位置と接合終端位置を重複させ、該重複距離が工具半径（Ａ／２）より大なる距離（Ｂ＞（Ａ／２））に設定されていることを特徴とする。そしてこの技術は円周接合のように無端状の接合線を有するシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
このように構成することにより、接合開始位置と接合終端位置のいずれにおいても接合路途中に位置することになるために、接合開始と接合終端位置部の欠陥を補修でき、その部分が製品として残ることがない。
【００５３】
本発明の摩擦接合体を得るための第１０の技術はテーパ状プラグ穴の終端径底部が位置する母材裏面側に裏当て部材を当接した状態でプラグ穴大径側よりテーパ状プラグを挿設して両者間に回転押圧力を付与しながらその摺動摩擦入熱により軟化させて接合を行うプラグ接合装置に適用されるものであり、摩擦攪拌接合部の終端部に生じる孔の穴埋めやその欠陥部の除去に使用する。その特徴とするところは、前記裏当て部材にプラグ穴の終端径と同心状の貫通孔を設けるとともに、該貫通孔端部と裏当て面との間の縁部をＲ状に形成するとともに、該Ｒ部の外縁直径（Ｒ）、前記プラグ穴の終端径直径（ｄ３）、貫通孔の直径（ｅ３）を下記の式の範囲に設定したことにある。
（Ｒ）＞（ｄ３）＞（ｅ３）
【００５４】
この場合前記プラグ穴の片側テーパ角度を６０〜８０°の範囲に設定してプラグ径が大きくなり、熱影響部が広がるのを防止できる。
又プラグ穴のテーパ角度が小さい場合でも裏当ての底に穴をあけて、余肉が生じた場合、下に逃がして、余肉による接合不良を抑制出来るために、接合性を改善出来る。
又裏当て部材の貫通孔端部と裏当て面との間の縁部をＲ状に形成するとともに、該Ｒ部の外縁直径（Ｒ）、前記プラグ穴の終端径直径（ｄ）貫通孔の直径（ｅ）の範囲を規定し、そして好ましくは前記テーパ状プラグ先端直径（ｃ）を前記プラグ穴の終端径直径（ｄ）より大に設定することにより、接合板６５板下部の変形を促すことで底部の密着を改善出来る。
【発明の効果】
【００５５】
以上記載のごとく本発明によれば、接合完了時に、回転工具と材料の溶着や固着を防止出来、高品質の摩擦攪拌接合体が得られる。
更に本発明は、直線状の接合線を有するスキンパネル同士の接合の際に接合終端部における接合の乱れをなくし、高品質の摩擦攪拌接合体が得られる。
更に本発明によれば、摩擦攪拌接合の終端において形成されるプラグ穴や接合中の欠陥をプラグにて封止する際にプラグ穴のプラグ径が大きくなることなく、しかもその周囲の熱的影響が広がることなくプラグ穴終端（底部）の接合が安定しうる高品質の摩擦攪拌接合が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００５７】
先ず本発明が適用される摩擦攪拌接合装置本体５の要部構成を図１に基づいて説明する。
図１は送りモータにより駆動する送りねじを用いた摩擦攪拌接合装置の実施例、特に裏面ショルダ１と表面ショルダ２の両者を同期して回転可能にした実施例を示す要部概略図で、図中１は回転主軸４軸端に設けられた裏面ショルダで、該回転主軸４は裏面ショルダ取り付け部よりネジ状ピン軸３が形成され、更にその回転主軸４の表面ショルダ２に挿設される部位をスプライン状に構成し、スプライン１９を介して表面ショルダ２が回転主軸に軸方向に摺動自在に嵌合されている。
更に回転主軸４の延在軸端側にはサーボモータ等の回転駆動部１２を設けている。
これにより表面ショルダ２と裏面ショルダ１が同期して回転可能に構成される。すなわち表面ショルダ２は前記回転主軸４にスプライン１９を介して、軸方向に摺動自在に連結され、回転主軸４の回転駆動部１２により回転可能に構成されている。
【００５８】
そして前記回転駆動部１２を構成するサーボモータは制御回路１３により一定速度若しくは制御された回転数で回転可能に構成されている。
又裏面ショルダ１が取りつけられた回転軸４の軸端には下側工具ベース９を介して「送りねじ２１と送りねじ駆動モータ２２、及びロードセル２３が収納された」第１のアクチュエータ１０が連結されており、又表面ショルダ２は軸受２５が内蔵された支持収納部４０を介して、「送りねじ２１０と送りねじ駆動モータ２２０及びロードセル２３０が収納された」第２のアクチュエータ１１が連結されている。
この結果、これらのアクチュエータ１１、１０及び回転駆動部１７は制御回路１３に接続され、アクチュエータ１１、１０の夫々のロードセル２３、２３０の信号に基づいて送りねじ駆動モータ２２、２２０の回転位相を制御して例えば前記裏面側と表面側のショルダ面間にスキンパネル等の母材の接合部３５０を挟持した状態で、該接合面の表側にかかる表面ショルダ２面の荷重と、裏面ショルダ１面の荷重を夫々制御し得る。
【００５９】
又制御回路１３では、回転駆動部１７のサーボモータの回転数も制御可能に構成し、例えば裏面ショルダ１と表面側のショルダ２の摩擦入熱量を制御可能に構成し、回転速度とアクチュエータ１０、１１による押圧荷重のいずれの組み合わせにても制御可能に構成している。
更に制御回路１３では、前記装置本体５を母材接合線方向に沿って移動、停止及び反転させる制御及び送りねじ駆動モータ２２、２２０の回転位相を制御して例えば前記裏面側と表面側のショルダ面間の間隔変位、荷重さらには回転停止位置での予熱、保持時間の制御等を行っているが、その詳細は後述する。
図中１５はベースプレートで、レール２９により母材接合線方向に移動可能に構成されている。そしてベースプレート１５の送りモータ３０も制御回路１３により送り移動速度を制御可能に構成されている。
【００６０】
アクチュエータ１０、１１は、送りねじと送りねじ駆動モータ及びロードセルからなるアクチュエータではなく、ロードセルが収納された油圧シリンダと油圧現とから構成してもよく、その作用効果は送りネジを用いたものと同様である。
【００６１】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は夫々本発明の機械的構成を示す夫々の実施例の概要図である。
図２（Ａ）において図中１５はベースプレートで、レール２９により母材接合線方向に移動可能に構成されている。ベースプレート１５上にはリニアガイド６により回転主軸４方向に移動自在に支持された上工具ベース７と第２のアクチュエータ１１が取り付けられている。
そして上工具ベース７は第２のアクチュエータ１１によって表面ショルダ２を軸方向に移動自在に構成されており、該アクチュエータ１１にはロードセルが設けられていることは前記した通りである。
上工具ベース７上には摩擦攪拌接合装置本体５、リニアガイド８により回転主軸４方向に移動自在に支持された下工具ベース９及び第１のアクチュエータ１０が設けられ、該アクチュエータ１０にもロードセルが設けられている。
【００６２】
装置本体５は回転主軸４軸端に設けられた裏面ショルダ１、表面ショルダ２夫々の回転主軸４の裏面ショルダ１取り付け部に設けられたネジ状ピン軸３等が存在し、更にその回転主軸４はスプライン１９を介して表面ショルダ２が回転主軸４に軸方向に摺動自在に連結され、更に回転主軸４が延在し、その延在部にサーボモータ等の回転駆動部１２が設けられ、更に該回転主軸４はリニアガイド８により回転主軸４方向に移動自在に支持された下工具ベース９に取り付けられている。
【００６３】
かかる装置によれば、裏面ショルダ１を軸変位させる第一のアクチュエータは、表面ショルダ２を軸変位させる第二のアクチュエータによって移動変位させる上工具ベース７上に搭載されていることになる。
この結果、前記装置では、接合中上側の表面ショルダ２工具をベースプレート１５上の第２のアクチュエータ１１によって上工具ベース７を介して母材接合部３５０表面に押し付け、上工具ベース７上の第１のアクチュエータ１０により下工具ベース９を介して下側の裏面ショルダ１工具を引張って接合しており、板厚変化に対応表面ショルダ２により表面ならいを行いながら、荷重一定制御により摩擦攪拌接合が可能となる。
【００６４】
そしてこのときの荷重は前記２つのアクチュエータ１０、１１により、接合部３５０を挟み込む摩擦入熱荷重Pcと材料表面Psを押さえつける表面倣い荷重に分離して、独立に制御することが出来、表面ショルダ２工具が料表面を倣いながら、裏面ショルダ１によって接合部３５０にかかる入熱量を制御して安定した品質を得ることが可能である。
具体的には、ベースプレート１５上に表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と上工具ベース７上とを、更に、下工具ベース９を介して裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を設けた図２（Ａ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータ１の荷重P1は表面倣い荷重Ps（例えば５０ｋｇｆ）に、第１アクチュエータ２の荷重P2は摩擦入熱荷重Pc（例えば７００ｋｇｆ）に対応する。
【００６５】
従って本実施例によれば、この接合部３５０に印加するショルダの荷重を、接合部３５０を挟み込む入熱用荷重Pcと材料表面を押さえつける倣い用荷重Psに分離して、夫々独立のアクチュエータで制御することで、工具の接合部３５０表面倣い、接合部３５０にかかる入熱量を精度よく制御して安定した品質を得ることが可能であるとともに、前記アクチュエータを送り（ボール）ネジ若しくは油圧駆動により行うことにより一層荷重精度が出せる。
【００６６】
図２（Ｂ）は共通するベースプレート１５上に２つのアクチュエータ１０、１１が搭載された他の実施例で、レール２９により母材接合線方向に移動可能に構成されているベースプレート５上にはリニアガイド６により回転主軸４方向に移動自在に支持された上工具ベース７と下工具ベース９に夫々第１及び第２のアクチュエータ１０、１１が取り付けられている。
そして上工具ベース７には摩擦攪拌接合装置本体５が設けられ、第２のアクチュエータ１１によって表面ショルダ２を軸方向に移動自在に構成されており、該アクチュエータ１１にはロードセルが設けられている。
下工具ベース９上には回転主軸４軸端に設けられた裏面ショルダ１が設けられ、第１のアクチュエータ１０及びリニアガイド８により回転主軸４方向に移動自在に回転主軸４を支持するとともに該アクチュエータ１０にロードセルが設けられている。
【００６７】
かかる装置によれば、裏面ショルダ１を軸変位させる第１のアクチュエータ１０及び、表面ショルダ２を軸変位させる第２のアクチュエータ１１はいずれもベースプレート１５上に軸移動可能に搭載されていることになる。
この結果、前記装置では、接合中上側の表面ショルダ２をベースプレート１５上に設けた第２のアクチュエータ１１によって上工具ベース７を介して母材接合部３５０表面に押し付け、又共通するベースプレート１５上に設けた第１のアクチュエータ１０により下工具ベース９を及び回転主軸４を介して下側の裏面ショルダ１工具を引張って接合しており、板厚変化に対応表面ショルダ２により表面ならいを行いながら、荷重一定制御により摩擦攪拌接合が可能となる。
そしてこのときの荷重は、材料を挟み込む摩擦入熱荷重Pcは第１のアクチュエータ１０により又材料表面Psを押さえつける表面倣い荷重Psは第１のアクチュエータ１０と第２のアクチュエータ１１の偏差により、夫々独立に制御することが出来、表面ショルダ２工具が料表面を倣いながら、裏面ショルダ１によって接合部３５０にかかる入熱量を制御して安定した品質を得ることが可能である。
具体的には、ベースプレート１５上に表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータを設けた図２Ｂ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータ１の荷重P1は（表面倣い荷重Ps＋摩擦入熱荷重P2）（例えば７５０ｋｇｆ）に、第１アクチュエータ２の荷重P2は摩擦入熱荷重Pc（例えば７００ｋｇｆ）に対応する。
【００６８】
次にかかる装置を用いた本発明の実施形態を説明する。
図３は本発明が使用する接合材の硬度と温度の関係を示し、例えばロケットに使用される２２１９系アルミ合金では３５０℃前後で軟化が開始し、５３０〜５４０℃で部分溶融が始まる。一方、６０００系のアルミ合金では２５０℃から軟化が始まる。
１）スローアップ
先ず接合開始時にスローアップを行う。
スローアップとは、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を制御してピン軸のねじ切り防止のため、ピン軸のねじ切りが起きない低荷重より徐々に荷重を増加して軟化点以上に加熱するものである。
具体的には図２（Ａ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータ１１の荷重P1を表面倣い荷重Ps（例えば５０ｋｇｆ）に設定し、第１アクチュエータ１１の荷重P2は摩擦入熱荷重Pcを（例えば０．５ＫＮ〜７ＫＮ）に増加させてスローアップを図る。
図２（Ｂ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータの荷重P1は（表面倣い荷重Ps＋摩擦入熱荷重P2）（例えば１ＫＮ〜７．５ＫＮ）に、第１アクチュエータ２の荷重P2は摩擦入熱荷重Pc（例えば０．５〜７．０ＫＮ）に荷重を増加させてスロープアップを図る。
【００６９】
図４は比較例１、２と実施例１におけるスローアップの実験結果を示す表図である。
即ち本実施例では図４に示すように、工具として表面及び裏面ショルダ１径φ２０mm、ピン軸径φ１０mm 材質SKD６１の回転工具を用い、接合物として２２１９-T８７アルミ合金を用いて実験を行った。
先ず比較例１として接合開始時に、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を制御して摩擦入熱荷重Pcを０．５ＫＮの初期加圧力のまま入熱を行い工具を移動して接合送りを開始しようとしたが、入熱不足で工具の移動が出来ず、移動の際の負荷により工具が破損してしまった。
【００７０】
比較例２として接合開始時に、工具の送りを停止した状態で、前記第１のアクチュエータ１０を制御して摩擦入熱荷重Pcを７ＫＮの接合加圧力のまま入熱を行おうとしたが、即座にピン軸３がねじ切れて工具が破損してしまった。
【００７１】
次に本実施例として接合開始時に、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を制御して摩擦入熱荷重Pcを０．５ＫＮの初期加圧力〜７ＫＮまで荷重を１０秒の間で徐々にスローアップした後回転工具を移動して接合送りを開始したが問題が生じることはなかった。
なお前記初期加圧力はピン軸がねじ切れない荷重、例えば１kN以下の低い荷重に設定される。そして摩擦発熱で材料表面を軟化させながら、ピン軸３がねじ切れないように荷重増加させつつ接合に必要な荷重まで荷重を増加させた後、接合を開始すればよい。
また、荷重を徐々に上げていくのは、ピンに過大なトルクがかかりねじ切れるのを防止するためであるから、工具回転主軸４のモータのトルクが一定値を超えないように工具の回転速度を制御しながら、工具間隔を短くして、接合荷重まで上昇させてもよい。
例えば図５は回転速度を５０rpmから２５０rpmに上げながらスローアップを図っている。
【００７２】
２）保持時間
図５はスローアップ、保持時間及び接合開始までの時間、速度の関係を示すグラフ図である。
接合材の肉厚例えば４mm程度と薄い場合は、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータを制御して荷重をスロープアップ後ただちに接合線に沿って工具を移動させてもよいが、接合物が数mm以上と厚い場合は、図５に示すようにスローアップ後、接合材料を更に接合容易な温度領域まで均熱に軟化加熱させるため、保持時間を設けたのち、接合線に沿って工具を移動させるのがよい。
【００７３】
図６（Ａ）は保持時間を設定した表図で、該表図に示すように、接合条件として工具形状（表裏ショルダー径φ２０mm、ピン径φ１０mm 材質SKD６１）接合物として板厚６ｍｍの２２１９-T８７アルミ合金を使用して接合開始後の接合条件を回転数４００rpm 送り速度：３５０mm/minに設定して接合を行ったところ、
１０秒間のスローアップ後保持時間を持たずに直ちに接合を開始した比較例４の場合には入熱が不足して、接合材料が十分軟化していないため、ピン軸が破損して、材料が接合できなかった。
これに対して実施例２の、１０秒間のスローアップ後荷重を一定にしながら５秒の接合時間を設定した場合には、接合部３５０が３５０-４５０℃付近の温度、即ち「軟化点〜部分溶融点温度―５０℃前後」の温度域に加熱されるため、良好な接合部３５０が得られることが確認できた。
【００７４】
一方、余熱保持時間が１０sの場合には、図６（Ｂ）に示すように工具周囲のせん断力が働く部分の温度が部分湯融点以上に上がりすぎて、材料の軟化が大になったり、又部分溶融により一部が液状化するため、工具の周りに発生するせん断力に耐え切れず、穴があいてしまう。
【００７５】
したがって、接合材が数ミリ以上と厚肉の場合はスローアップを設けても接合送り開始前に工具を停止して適切な余熱を行うことが不可欠で、その入熱量を制御する必要がある。
【００７６】
図６（Ｂ）は、工具周囲に非接触温度センサ３３を設けて制御回路１３の入出力信号を示す構成図である。
入熱の制御方法としては、前記した保持時間による制御も可能であるが、材料の軟化に伴い、荷重一定の制御を行った場合、材料が軟化するため、工具間距離が短くなる。材料の軟化の具合を、工具間距離（ショルダ変位）の減少量で把握して、余熱が完了したと判断することも可能である。
時間による制御では、工具や材料の表面状況が異なり、摩擦係数が変化した場合には、発熱量が変化して、材料の軟化の程度が保持時間だけでは制御できない恐れがあるが、前記アクチュエータの変位量から、工具間距離の変化が簡単に求められるので、該アクチュエータの変位と保持時間のアンド条件を制御回路１３で判断して、余熱の完了を判断することでより、安定した施工が可能となる。
すなわち、工具間隔が素材板厚に対して短すぎると、工具の負荷が高くなり、ピンが破損する。
【００７７】
なお、図６（Ｂ）に示すように、接合の送りの開始を工具または材料の温度を非接触の温度計３３を用いて測定して、該アクチュエータの変位と保持時間とともに温度の３つのアンド条件を制御回路１３で判断して、余熱の完了を判断することでより、一層安定した施工が可能となる。
この場合に接合部３５０温度は、接合部３５０は表面ショルダ２と裏面ショルダ１に挟まれているために直接測定できないが、せん断力が働く縁部で、３００〜３５０度付近となるためにこの温度を測定すればよい。
【００７８】
３）接合開始反転
次に前記スローアップとの熱保持時間を設定して均熱後後工具送りを開始するわけであるが、前記したように摩擦開始時には材料を予熱する必要があるため、接合下流部と比較して入熱が多めになり、接合開始部は欠陥を生じやすい。そのため従来はタブ板を使用して接合を行っていたが、かかる方法では接合開始位置にタブ板を強固に固定する必要があるのみならずタブ板からの移行部で欠陥が生じやすい。
そこで本実施例においては図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、次のような工夫を行っている。
即ち図７（ａ）及び（ｂ）は直線状の接合線を有する場合の接合開始位置における軌跡及び補修する場合の工具軌跡を示す。
スキンパネルの接合のように接合開始始端と終端を有し、接合線が直線状の場合は、パネル始端より接合開始位置までのふち距離ｂを多めに取って、具体的には、直線状の接合線を有する場合に接合開始位置を母材縁部より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（ｂ＞（Ａ／２））だけ内側に設定し、前記保持時間終了後、接合を開始する際に、前記接合開始位置より縁部側に逆移動して接合し（Ｂ）に示すように未接合部３５０の長さｄが（Ａ／２）以下になるように、略工具半径（Ａ／２）分若しくはそれよりわずかに大なる距離だけ移動させた後反転して順移動による接合を行う。
【００７９】
かかる実施例によれば、ふち距離ｂが長いため、端部変形による接合スタート部の欠陥を防止できる上、未接合部３５０ｂのふち距離ｂ長さを接合終端部と同様に工具直径の半分（半径）まで近づけることが可能となる。
又接合移動中の一般接合部３５０の接合開始部は、接合開始部より低入熱のため不完全接合部３５０ａとなっているが、接合開始部は前記戻り動作により再接合されるため、接合スタート時に不完全接合部３５０ａとして欠陥を生じても、反転後の再接合過程時にこれを除去出来る。
かかる技術は直線状の接合線を有する接合線を補修接合する場合にも適用でき、補修接合開始後前記補修接合開始位置より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（ｄ＞（Ａ／２））だけ逆接合した後反転して順方向に補修接合を行うことにより（ａ）と同様な効果を有する。
【００８０】
円周接合のように無端状の接合線を有する場合には、図７（ｃ）に示すように接合開始位置と接合終端位置を重複させ、該重複距離Ｓが工具半径（Ａ／２）より大なる距離（ｄ＞（Ａ／２））に設定すれば、接合開始端で欠陥が生じても通常接合の終端側で重複して接合するために、円周接合や無端状の接合を行う場合にも、接合開始部を再接合することで、品質の改善が図れる。
【００８１】
４）接合過程
そして工具を順方向に移動しながら接合を行う通常接合において本実施例では、板厚変化に対応して２つのアクチュエータ１０、１１を制御し、表面ショルダ２と裏面ショルダ１により材料を挟み込み摩擦入熱を行う荷重Pcと表面ショルダ２により材料表面Psを押さえつける荷重に分離して、ロードセルによる荷重検知に基づいて２つのアクチュエータ独立に制御することで、工具の表面倣いと、接合部３５０にかかる入熱量を制御して安定した品質を得ている。
例えば図２（Ａ）に示すように、表面ショルダ２を移動自在に支持する上側工具ベース上に、裏面ショルダ１の下部工具を駆動する第１のアクチュエータを設けた場合にはアクチュエータ１の荷重P1はPsに、アクチュエータ２の荷重P2はPcに対応する。これに対して、図２（Ｂ）のように同一ベース上に第１及び第２のアクチュエータを設けた場合は、PsはP1とP2の偏差量が、PcはP1より偏差成分を取り除いた値が対応することは前記したとおりである。
【００８２】
従って板厚がほぼ一定の材料を接合する場合には、接合速度、工具回転数が一定となるように制御回路１３で制御されている場合、前記ロードセルによるアクチュエータ制御により工具荷重を一定値にすることで、接合部３５０に一定量の摩擦熱を与えることが可能となるため、安定した接合を行うことが可能であるが、長尺ものの接合材料でしかも接合線が数ｍ以上と長くなる場合は、６mm厚の材料で１０%程度板厚が変化し、この場合も板厚変動に応じて前記２つのアクチュエータをロードセルの荷重に基づいて制御することで工具間距離が追従して制御され荷重が一定になり、入熱を制御できる。
特にアクチュエータにより工具間距離の追従は極めて重要で本実施例に示すように、油圧若しくは送りねじにより厳しく制御されないと、板厚の０.１mm程度の変動でも、約５%の荷重が変化し、板厚変化以上に入熱が変化する。
一方、テーパ形状の板厚を持った部材の接合も前記２つのアクチュエータをロードセルの荷重に基づいて制御することで荷重一定に制御される。たとえば、２２１９-T８７材の６mm材の適正な接合条件は、荷重８kN、回転数４００rpm、送り速度４００mm/minであり、８mm材では接合速度が３００mm/minであるから、６mmから８mmに変化するテーパー部では工具位置から算出した板厚変化に応じて、接合速度を変化させることで健全な接合部３５０を得ることが可能である。
【００８３】
図８は表面ショルダ２（上工具ともいう）と裏面ショルダ１（下工具ともいう）間の負荷状態を示し、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は圧縮状態、（ｃ）は引っ張り状態を示す。
さて図１０（ｂ）に示すように、表面ショルダ２は機械主軸４０（図１に示す支持収納部４０ａに内包されている）に取り付けられており、このため裏面ショルダ１側と同一入熱でも表面ショルダ２側に奪熱され、言い換えれば裏面ショルダ１のほうが、熱容量が少ない。また、接合する対象によっては、材料にうねりがあるために図８（ａ）に示すように、荷重偏差をゼロとすると、工具間隔が接合材料の肉厚に追従できず、接合時に変形させてしまう。
従って荷重偏差、即ち表面荷重Psを図８のように正負を定義すると、（ｂ）に示すように表面ショルダ２側の押圧力が強く接合材料にくみ込みすぎた場合には圧縮（＋）になり、図８（ｃ）に示すように、裏面ショルダ１側の押圧力が強い場合は引っ張り（−）になる。そこで、図８（ａ）に示すように両ショルダ間の荷重偏差をゼロとした場合、０.１mm程度下側工具が材料に食い込んだ状態になるために表面荷重Psが圧縮荷重状態で且つ接合荷重の１/１０程度以下、具体的には７〜１２％圧縮荷重になるように制御することで、食い込み量がほぼ上下で同じ接合部３５０を得ることが可能であることは実験により確かめられた。
そして、この場合にロードセルを用いて２つのアクチュエータ１０、１１を介して位置（荷重）制御すれば、板と接合装置の間隔が変化しても対応できる。
【００８４】
又図９に示すように、２つのアクチュエータの変位は制御回路１３側で検知出来るために、接合材の板厚と接合中の工具間距離の偏差をもとに、ギャップによる板厚減少による接合部３５０の不良も検出出来る。
この場合は前記偏差（板厚一定の場合は工具間隔）が一定値以下となった場合には、アラーム４１で警報を出すとともに接合線位置に対応するポイントを記録計４２に記録し、更に前記偏差が更に大きい場合は接合をやめる。また、接合後、前記記録計４２を基に検査する位置を特定することも容易である。
【００８５】
例えば均一板厚の接合部３５０材を接合していると仮定した場合、接合過程でギャップ量が拡大すると材料を隙間に埋める必要が生じるため、上下の工具間距離が狭くなる。従って接合部３５０の板厚をａ１、ギャップをｂ１、下工具径(裏面ショルダ１)をｃ１とした場合、工具の間隔の減少値Δａ１は次式のようになる。
Δａ１=（ａ１ｘｂ１）／ｃ１
Ex： 板厚：６mm、ギャップ１mm、工具径：２０mm の場合は
Δａ=６/２０=０.３mmとなる。
この板厚間隔の減少を、表面ショルダ２と裏面ショルダ１それぞれを制御するアクチュエータ１０、１１の位置から求まる工具（両ショルダ）間距離でもとめ、工具間距離の絶対値および変動（偏差）をもとにギャップの変化を検出する。
【００８６】
５）異常停止
本発明に使用する摩擦攪拌接合装置の制御信号と、制御回路と制御動作の関係を示すグラフブロック図である。
ボビンツールの場合、表面ショルダと裏面ショルダで接合材を挟んで接合を行う場合ため、該ショルダを回転する回転主軸４に高いトルクＡ（２２１９-T８７材６mmの場合、約６０Nm）が発生するが、図９に示すように、ピン軸３が折れた場合には、材料が挟まれなくなるため、回転主軸４のトルクＡは急激に減少する。また、ピン軸３の破損にともない、裏面ショルダ１を引っ張り一定荷重に制御使用とした第１のアクチュエータ１０は、ピン軸破損により荷重がなくなるため、工具間距離が短くなるように変位する。
この二つの検知信号にもとづいて制御回路８で工具の破損を検出できる。工具破損を検知した際には、工具で、未接合部３５０を傷つけることがないように、制御回路１３で工具送り方向への移動を停止するとともに、２つのアクチュエータ１０、１１により図１０に示すように表面ショルダ２および裏面ショルダ１を駆動している軸を板から離れる方向に移動させることで、接合できていない部分の表面を工具でこすったりして、傷つけることを防止出来る。
なお、本実施例では回転主軸４のサーボモータのトルクＡおよび裏面ショルダの回転主軸Z２の荷重、変位、送りの負荷をもとに、ピン軸３の破損を検出することも可能であり、この場合も接合を停止するとともに表面ショルダ２の第２のアクチュエータ１１接合材から離間する方向に移動させ、工具との溶着を防止する。
【００８７】
６）接合完了動作
図１０（ａ）及び（ｂ）は接合完了時に裏面ショルダと表面ショルダとを母材押圧面より離間させピン軸の溶着を防止する概要図である。
さて前記接合完了後接合終端部でボビンツールからなる工具を除去する必要があるが、工具間隔が一定の工具で、回転をとめた場合、接合部３５０の材料とネジを切ったピン軸が溶着して両者を分離することができないため、接合材料の一部を切断して、切削加工や化学的な方法で工具と材料を分離する必要があり、そこで本実施例においては、接合完了時に、上下の工具間隔を開くことで、工具と材料の溶着を防止する。
工具には表面ショルダ２と裏面ショルダ１とピン軸３が有り、基本的にはピン軸３のみが回転軸方向に移動可能に構成すればよいが、ピン軸３には裏面ショルダ１も連結しているために、ピン軸３の移動は裏面ショルダ１も接合面から離脱できる。
又表面ショルダ２も接合面から離脱できれば溶着が一層防止できる。
【００８８】
そしてそのピン軸３の移動ストロークＳＴがピン軸３が接合部３５０より離脱可能な接合材厚みＳ’より大なるストローク量ＳＴであることが必要である。なお、本実施例については、ピン軸３に回転主軸４が連接されており、該回転主軸４は下工具ベース９を介して第１のアクチュエータ１０により変位できるため、制御回路１３よりの信号により第２のアクチュエータ１１と第１のアクチュエータ１０を同期させて駆動させることにより、図１０（ａ）に示すように、先ずピン軸３が接合部３５０より離脱可能なストローク量ＳＴだけ駆動され、回転主軸４端に連結している裏面ショルダ１も接合面より離脱し、更に第２のアクチュエータ１１により表面ショルダ２も同様に接合面より離脱する。
【００８９】
又前記ピン軸３はネジ条で形成されているために、軟化している接合部３５０がネジ条にまとわりついている。従ってこれと一体的に連設している回転主軸４を、軸方向に移動させた後若しくは移動途中に前記回転主軸４を介してピン軸３を回転させれば遠心力によりピン軸３に残存付着して接合残も除去できる。
そして前記回転は接合部３５０の温度が軟化点以下に低下するまで継続させれば、ピン軸３と接合部３５０との溶着が完全に防止出来るとともに、軟化材料を遠心力で接合部３５０の穴部３５から排除することもできる。
【００９０】
また前記の措置を執らずに、接合材側のアルミの熱膨張係数が工具の材質である鉄よりも大きいため、温度が下がった後、アルミが収縮し焼きばめのようになる可能性があるため、接合後板の温度が下がるまで、接合完了後を表面ショルダ２と裏面ショルダ１の離間を行った後ピン軸３の回転を保持し、収縮した穴３５をピン軸で削り取った後、回転を停止してもよい。
なお、前記離脱を容易にするために、ピン軸自体を移動軸側に向けてテーパ状にしてもよい。
【００９１】
更に図１０（ｂ）に示すように前記ピン軸に連接されている回転主軸４は、該ピン軸３最大径ａ２より小なる回転主軸径ｂ２に形成し、前記ピン軸３の移動により接合部３５０の穴３５内に回転主軸４が位置可能に構成されているのがよく、具体的には前記ピン軸３をＭ１０のネジ状軸で形成されている場合に、該ネジ状軸３の、ネジ外径ａ２より小なる９．８mm程度の回転主軸４の径ｂ２に設定するのがよい。そして更に本実施例はは前記ピン軸３と裏面ショルダ１が一体的に連接されているとともに、前記回転主軸４が表面ショルダ２の軸穴２ａ内に挿設されているために、前記表面ショルダ２軸穴径（ａ２’）とピン軸の最大径（ａ２）と回転主軸（請求項では移動軸）径（ｂ２）の関係が下記式の関係にあるのがよい。
例（ａ２’：例１０．０５mm）≧（ａ２：例Ｍ１０）＞（ｂ２：例９．８mm）
【００９２】
このように構成すれば軟化した接合部３５０が表面ショルダ２の軸穴２ａ内に入り込むこともなく、且つストローク移動後においても回転主軸４に軟化した接合部３５０が付着することがない。
そして前記処置が完了後裏面ショルダ１下面のネジをはずしてピン軸と裏面ショルダ１をはずして工具取り外しを行う。
【００９３】
７）プラグ接合
図１１はプラグ接合の概要を示し、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来技術である。
図１２はプラグ接合の観察写真を示し、（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来技術である。
図１３は、（ａ）はプラグ接合している状態を示す作用図、（Ｂ）はその接合条件を示す。
【００９４】
次に接合完了後の後処置の問題である。
前記したようにボビンツール方式の摩擦接合の終端においては、ピン軸に対応する終端穴が開いている。この終端の穴を補修するために、図１１（ｂ）に示すように前記ストレート穴をテーパ状に削成した後、同材質のテーパプラグ６０を回転治具にて前記テーパプラグ穴７０を摺擦して摩擦接合により接合している。また一般の接合部においても欠陥が発生した部分にテーパ形状の穴を開けてテーパプラグを摩擦接合することにより欠陥が除去できる。
この場合に接合材がジュラルミン等のアルミ合金の場合のテーパプラグの押圧により接合板６５側が変形しやすいので接合板６５の背面側に裏当てを当てて変形を防止している。かかる方式の場合に押圧力を高めるために、テーパ穴のテーパ角度を３０〜５０°言い換えれば押圧方向に対し４０〜６０°とテーパ角度が大きくなり、結果的にプラグ径が増大するとともに、熱影響部が広がる。
例えば図１１（ｂ）はプラグ穴７０をテーパ角度を５０°に設定し、同角度テーパプラグ６０を用いプラグ穴７０底部側の接合板６５背面に、凹陥部７５１を有する裏当て板７５０を当接して図１３（Ｂ）に示すように、3000rpmの回転数で且つ60Mpａの加圧力で0.5秒摩擦接合を行った後、回転数を停止して加圧力を120Mpａに増加させて圧着を行ったところ、図１２（Ｂ）の観察写真で示すように、プラグ終端の軟化部分が裏当て板７５０の凹陥部７５１底についてしまい、プラグ穴７０の終端周囲に肉が完全に充てんされず特に裏当て板７５０と接触するナイフエッジ状部分に隙間があることが確認された。
【００９５】
そこで先ず、前記問題点を解決するために、図１１（ａ）に示すように、前記プラグ穴７０の片側テーパ角度を６０〜８０°好ましくは７０°言い換えれば押圧方向に対し１０〜３０°好ましくは２０°に設定してプラグ径が大きくなり、熱影響部が広がるのを防止した。
【００９６】
次に前記裏当て部材７５について、プラグ穴７０の終端径ｄ３と同心状の貫通孔７６を設けるとともに、該貫通孔７６の直径ｅ３をプラグ穴７０の終端部直径ｄ３より僅かに小に設定するとともに、該貫通孔７６上端部と裏当て表面７５ａとの間の縁部７７をＲ状に形成するとともに、該Ｒ状縁部７７の外縁直径（Ｒ）を、前記プラグ穴７０の終端径直径（ｄ３）より僅かに大にし、プラグ穴７０の終端のナイフエッジ部７１が貫通孔７６側に突出するように構成する。
【００９７】
一方テーパプラグ６０はプラグ穴７０と同角度のテーパ角度を７０°に設定し、該テーパプラグ６０先端直径をプラグ穴７０底部貫通孔７６の直径（ｅ３）より僅かに大にした。
この結果図１３（ａ）に示すように、前記貫通孔７６の存在により余肉７８が生じた場合、貫通孔７６側に逃がして、余肉７８による接合不良を抑制出来るために、接合性を改善出来る。
又裏当て部材７５の貫通孔７６端部と裏当て表面との間の縁部７７をＲ状に形成するとともに、Ｒ部の外縁直径（Ｒ）を、前記プラグ穴７０の終端径直径（ｄ３）より僅かに大にし、プラグ穴７０の終端ナイフエッジ部７１が貫通孔７６側に突出するように構成したために、該ナイフエッジ部７１がＲ状縁部７７に沿って変形しながら該ナイフエッジ部７１の変形を促すことでプラグ穴７０底部の密着を改善出来る。
又テーパプラグ６０先端直径をプラグ穴７０底部貫通孔の直径（ｅ３）より僅かに大にしたためにテーパプラグ６０は先ず、ナイフエッジ部７１の上側のプラグ穴７０に当接して軟化してずり落ちながら前記ナイフエッジ部７１を下側に変形させることが出来、密着度が向上する。
【００９８】
本実施例においても図１２（Ａ）に示すように裏当て部材を当接して3000rpmの回転数で且つ60Mpａの加圧力で0.5秒摩擦接合を行った後、回転数を停止して加圧力を120Mpａに増加させて圧着を行ったところ、プラグ穴７０終端のナイフエッジ部の変形を促すことで底部の密着を改善出来たことが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】送りモータにより駆動する送りねじを用いた摩擦攪拌接合装置本体の実施例、特に裏面側ショルダと表面側ショルダ２の両者を同期して回転可能にした実施例を示す要部概略図であるである。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は夫々本発明の実施形態の機械的構成を示す夫々の実施例の全体概要図である。
【図３】本発明が使用する接合材の硬度と温度の関係を示しグラフ図である。
【図４】比較例１、２と実施例１におけるスローアップの実験結果を示す表図である。
【図５】スローアップ、保持時間及び接合開始までの時間、速度の関係を示すグラフ図である。
【図６】（Ａ）は比較例３、４と実施例２におけるスローアップの実験結果を示す表図である。（Ｂ）に示すように工具周囲に非接触温度センサを設けて制御回路の入出力信号を示す構成図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は直線状の接合線を有する場合の接合開始位置における軌跡及び補修する場合の工具軌跡を示す。（ｃ）は円周接合のように無端状の接合線を有する場合接合軌跡を示す。
【図８】表面ショルダ（上工具）と裏面ショルダ（下工具）間の負荷状態を示し、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は圧縮状態、（ｃ）は引っ張り状態を示す。
【図９】本発明の実施形態に使用する摩擦攪拌接合装置の制御信号と、制御回路と制御動作の関係を示すグラフブロック図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は接合完了時に裏面ショルダと表面ショルダとを母材押圧面より離間させピン軸の溶着を防止する概要図である。
【図１１】プラグ接合の概要を示し、（ａ）は本発明の実施形態、（ｂ）は従来技術である。
【図１２】プラグ接合の観察写真を示し、（Ｂ）は本発明の実施形態、（Ａ）は従来技術である。
【図１３】（Ａ）はプラグ接合している状態を示す作用図、（Ｂ）はその接合条件を示す。
【符号の説明】
【０１００】
１ 裏面側ショルダ
２ 表面側ショルダ
３ ネジ状ピン軸
４ 回転主軸
５ ベースプレート
７ 上工具ベース
９ 下側工具ベース
１０ 第１のアクチュエータ
１１ 第２のアクチュエータ
１２ 回転駆動部
１３ 制御回路
２３、２３０ ロードセル
３３ 非接触の温度計
６０ テーパプラグ
７０ プラグ穴
７６ 貫通孔
７７ Ｒ状縁部
７１ ナイフエッジ部
７８ 余肉
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両、航空機、建物、若しくは宇宙機器の構体、具体的には曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体等を製造するための摩擦攪拌接合装置とその接合方法に係り、特にボビンツールを用いた摩擦攪拌接合装置とその接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、摩擦攪拌による固相接合方法は公知であり、かかる接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法で、回転ツ−ルと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合でき、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。
【０００３】
かかる摩擦撹拌接合に使用される回転工具には、プローブ型とボビンツール型の回転工具が存在し、プローブ型工具は回転工具を接合線側に押しつける必要があり、従ってこの反力に対処するために、高い剛性の裏当金が使用され、この裏当金は被加工物の面板の裏面に密着させて設置するものであり、高い剛性を必要とする。
【０００４】
一方ボビンツール型の回転工具は接合する母材の表裏両面を挟持するように一定間隔を設けた一対のショルダ（母材押圧部材）が設けられているとともに、該上下一対のショルダ間にねじ軸状の攪拌軸（ピン軸）を設け、前記一対のショルダにより入熱された接合部を攪拌しながら摩擦接合を行うものである。
かかる工具によれば、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、裏面側の接合不良が生じないのみならず、裏当金が不要になるが、一方ではピン軸と上下一対のショルダ間隔が固定されているために、被接合部材の変形や肉厚の変動があると、これを吸収することができず、円滑な摩擦攪拌接合ができない。
【０００５】
このような不具合に対処するため、例えば、特開２００２−１８５８０公報（特許文献１）に記載されたものでは、上下ショルダ部の間に挟まれる接合材の接合部厚さを、上ショルダ部と下ショルダ部との間隔よりも大きくして、具体的には、従来例では、互いに対向する二つの接合材の接合部をはめ込み構造として、接合の厚さを接合部以外の厚さよりも局部的に厚くして、摩擦熱によって接合部のギャップが変化することを防止するとともに、接合後の接合部の厚さが他の部分よりも薄くなることを防止している。
【０００６】
しかしながらかかる従来技術においても上下ショルダとピン軸は一体ものとして工具間隔を調整できず、入熱量に応じてショルダ間隔を調整して加重制御を行うことができない。
又工具間隔が一定の場合母材表面に凹凸を有する場合にこれに追従させるために、表面倣いを行うことができない。
又工具が一体ものの場合にピン軸の上下両側にショルダが位置するために、ショルダ径より大きな穴を接合終端に設けねば、工具を取り外しが出来ない。
【０００７】
かかる欠点を解消するために、例えば特開２０００−３３４８４（特許文献２）において、コイルスプリングを用いて下面押圧部を軸方向に可変にした技術が存在する。
かかる技術は、上側ショルダとして機能する回転筒に攪拌ピン軸を固設し、その先端にストッパ部を固設するとともに、該ストッパ部を介して短円柱状の下側ショルダ部材を設け、この下側ショルダと前記ストッパ部との間にコイルスプリングが配設されている。つまり、このコイルスプリングが、下面ショルダを常時被接合部材の下面側に付勢し、下面ショルダは、攪拌ピンの軸線に沿って移動可能に構成されているものである。
【０００８】
従ってかかる従来技術においては、下側ショルダの回転は、コイルスプリングを介して下側ショルダに伝えられるものであるために、コイルスプリングの押し付け力によってその荷重が規定され、下面ショルダの押し付け力を制御できない。
しかもコイルスプリングの押し付け力には上限があり、基本的に上側ショルダとして機能する回転筒の押し付け力より大きくすることができない。
【０００９】
とくにボビンツ−ルの場合は、表裏両面側の一対のショルダはいずれも母材接合部に接触し食い込まなければなければ、接合部と工具の間に摩擦入熱が生じないため、工具セット時、工具間で材料を強く押さえるためにバネ定数を大きくする必要がある。しかしながら挟み込む荷重が高すぎると、工具を回転させると同時にねじ部がねじ切れてしまい接合できないし、一方荷重が低いと工具のならい回転はできるが、摩擦入熱が足らず接合ができなかったり、接合できても欠陥が生じてしまい、良好な接合部が得られないという課題がある。
【００１０】
より具体的に説明するに、かかる摩擦攪拌接合に基づく加工方法は、接合初期においては回転工具を押圧状態で回転させて、母材を軟化領域に温度上昇させた後、工具を接合線に沿って移動させて接合するものであるために、接合開始初期において、接合ショルダの摩擦回転による摩擦入熱により接合物の温度が上昇していないと、ピン軸により接合部位を攪拌しても材料の流動が悪いため円滑に接合できない。
一方前記摩擦入熱が過大すぎて接合物の温度が軟化温度以上に上がりすぎると、材料の強度が低くなり、工具を挟み込むことで発生するせん断力に耐え切れず、材料がねじ切られてしまう恐れもあった。
【００１１】
又ショルダ間隔が固定されているボビンツール型回転工具では、被接合部材の変形や肉厚の変動があると、これを吸収するために、１のショルダを表面倣いしても他側ショルダが母材から離間してしまうために、円滑な摩擦攪拌接合ができない。
特に、接合過程（製造過程）において、母材は長尺ものの型板を接合する場合に、型板同士の熱膨脹やクランプ治具による変形等により、接合部に生じるギャップ（隙間）が異なることを考慮すると、ギャップに変動があると、搬送速度が一定でもギャップや接合部の厚さの変動により負荷の変動も生じやすく、円滑な接合加工が出来ないのみならず、負荷が課題になると工具破損が生じる恐れがある。
【００１２】
又、従来の摩擦攪拌接合技術分野では、特許３２７４４５３公報（特許文献３）に示すように、接合線を監視する技術としてＣＣＤカメラによる画像監視装置が開示されている。
かかる技術は、摩擦撹拌接合装置の接合工具よりも進行方向前方に設けたＣＣＤカメラで、接合される隙間を常時撮影し、摩擦撹拌接合開始点からの前進距離を常時計測し、上記ＣＣＤカメラで撮影した隙間（ギャップ）映像を画像処理し、画像中の隙間（ギャップ）の中心線の基準線に対する横方向へのずれ量を演算し、当該演算値を基準値と比較する、摩擦撹拌接合における継ぎ手不良検知方法である。
しかしながら、接合線上方よりＣＣＤカメラより接合線を撮像する方法では、接合線金傍のクランプ冶具等の存在故にカメラ等では監視は難しく、開先幅（ギャップ）や接合部側近を精度よく検出出来ない。
特にボビンツールを用いた接合方法においては、ボビンツールの下部ショルダ側は、接合中外部からは監視できないし、又ピン軸においても接合部内に埋没した状態では仮にピンが折れても表面上は同じような状態である。このため工具の破損を検出し、破損時には接合を停止する必要があるが、現状の技術ではその課題を解決するものは少ない。
【００１３】
さて接合終了後、下側ショルダのないプラグ型回転工具の場合は、取り出しが容易であるが、ボビンツールの場合は、下側工具を取り外さなければ接合部よりの工具取り出しが不可能である。
しかしながら接合終端部で、工具間隔が一定のボビンツール型工具で、回転をとめた場合、まだ軟化領域にある接合部とねじ溝を有するピン軸との間にが固着、言い換えればねじ溝に材料軟化部が侵入した状態で固着して両者を分離することができなくなる。
このため、ボビンツールを用いた回転工具においては接合終端位置で、接合材料の一部を切断して、切削加工や化学的な方法で回転工具と接合母材を分離する必要があった。
【００１４】
又摩擦攪拌接合の終端では回転工具を抜出した後の接合部には工具取り出し穴が開口しているために、その部分を切断するか若しくはプラグ材で封入して穴をふさぐ必要がある。
そしてこのプラグを用いた摩擦攪拌接合法による閉塞方法は、Welding ＆ Metal Fabrication、September 2000P7-8（非特許文献１）に開示されているように、図１１（ｂ）に示すように、３０〜５０°とテーパ角度の大きいプラグ穴７０とテーパプラグ６０の組み合わせにより接合しているが、ジュラルミンのように接合材がアルミ合金の場合は、プラグ側ではなく、接合材の板側終端側が変形しやすいために、テーパ穴終端に凹部を持たせた密閉式の裏当て板７５０を当てている。
【００１５】
しかしながら接合材のプラグ穴のテーパ角度が大きいとこれに対応して必然的に接合板６５材表面側のプラグ径が大きくなり、接合板６５材表面側の熱的影響が広がるとともに、接合時の荷重が高くなり、摩擦攪拌入熱によるアルミ合金の摩擦面の軟化量が広がり、プラグ穴終端（底部）の接合が安定しない。
この安定性を高めるために接合面における接触厚を多くすると接合時に排出される余肉量が多くなり、特に密閉型の裏当てで接合を行うとその余肉量が裏当て凹部にたまってプラグの押圧を妨げ、結果的に余肉により接合部に荷重がかからず未接合となるためにプラグ形状の管理が難しい。
【特許文献１】特開２００２−１８５８０公報
【特許文献２】特開２０００−３３４８４公報
【特許文献３】特許３２７４４５３公報
【非特許文献１】Welding ＆ Metal Fabrication、September 2000P7-8
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、ボビンツール型回転工具に関する種々の欠点の解消を図った摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
具体的には本発明の目的は、接合完了時に、回転工具と材料の溶着や固着を防止する摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【００１７】
更に本発明の目的は、直線状の接合線を有するスキンパネル同士の接合の際に接合終端部における接合の乱れをなくし、高品質の摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【００１８】
更に本発明の目的は摩擦攪拌接合の終端において形成されるプラグ穴をプラグにて封止する際にプラグ穴のプラグ径が大きくなることなく、しかもその周囲の熱的影響が広がることなくプラグ穴終端（底部）の接合が安定しうる高品質の摩擦攪拌接合方法とその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明はかかる課題を解決するために、母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材（以下裏面ショルダという）と表面押圧部材（以下表面ショルダという）を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一のショルダとともに回転するピン軸（以下ピン軸という）により攪拌させながら前記両ショルダとピン軸からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法に関するもので、本発明は、前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とし、具体的には前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とする。
【００２０】
かかる発明は、前記ピン軸の移動に同期して裏面ショルダと表面ショルダが母材押圧面より離間させるのが好ましいが、少なくともピン軸のみを移動すれば、接合部の溶着が防止できる。
又前記ピン軸を回転軸方向に移動させた後若しくは移動途中に前記ピン軸を回転させれば遠心力によりピン軸に残存付着して接合残も除去できる。
そして前記ピン軸の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させれば、ピン軸と接合部との溶着が完全に防止出来る。
【００２１】
そしてかかる発明を具体化する装置として母材接合部の表裏両面側より夫々摺動回転させながら摩擦入熱を行う裏面押圧部材と表面押圧部材と、前記入熱された接合部を攪拌する攪拌部材を備えた回転工具を有してなる摩擦攪拌接合装置において、
前記攪拌部材を回転軸方向に移動可能に構成するとともに、該移動ストロークが攪拌部材と接合部位間が離脱可能なストローク量であることを特徴とする。
この場合前記ピン軸に、該ピン軸最大径より小なる移動軸が連接され、前記ピン軸の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されているのがよく、具体的には前記ピン軸をネジ状軸で形成されている場合に、該ネジ状軸に、ネジ外径より小なる移動軸が連接され、前記ピン軸の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されていることを特徴とする。そして更に具体的には前記ピン軸と裏面ショルダが一体的に連接されているとともに、前記移動軸が表面ショルダの軸穴内に挿設され、前記軸穴径（ａ１’）とピン軸の最大径（ａ１）と移動軸径（ｂ１）の関係が下記式の関係にあるのがよい。
（ａ１’）≧（ａ１）＞（ｂ１）
【００２２】
かかる発明によれば、回転工具による接合が完了した時点で、工具間隔を広げて、工具のショルダ面が材料と触れない状態にしておき、工具を回転することでピン部の回転を利用して、ピン部に固着している材料を遠心力で穴部から排除することができる。
上記の処置で穴は広がるが、アルミの熱膨張係数が工具の材質である工具鋼よりも大きいため、温度が下がった後、アルミが収縮し焼きばめのようになる可能性があるため、接合後板の温度が下がるまで、工具の回転を保持し、収縮した穴をねじ軸状ピンで削り取ることができる。
さらに確実に工具を抜くため、ピン軸部に径の細い移動軸部分を軸端に連接しておき、接合完了後、ピン軸をその移動軸位置まで移動させることで、容易にピン軸部を抜くことができる。
【００２３】
そしてこの発明は母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行って形成された曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネルからなる摩擦接合体において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体が得られ、更に具体的には前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体が得られる。
【００２４】
そしてかかる摩擦接合体を得るための装置として、母材接合部の表裏両面側より夫々摺動回転させながら摩擦入熱を行う裏面ショルダと表面ショルダと、前記入熱された接合部を攪拌する攪拌軸を備えた回転工具を有してなる摩擦攪拌接合装置において前記摩擦攪拌接合開始時に、前記回転工具の移動を停止した状態で前記少なくとも一のショルダの接合部への荷重を増加させて入熱温度を上昇させるスローアップ用時間を設定した制御手段が存在するのがよい。
そしてかかる技術(以下第１の技術という)は、前記両ショルダ間間隔変位を可変に構成している装置に適用するのが好ましく、この場合は接合開始位置で、前記ショルダ間間隔を接合部への摩擦荷重が少なくとも増加する方向に変位させるアクチュエータと前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とが存在していることが必要である。
更に前記荷重増加後回転工具を接合線に沿って移動させる前に、その接合開始位置で前記荷重検知手段に基づいて、荷重一定で所定時間保持して接合開始部の均熱化を図るように前記アクチュエータを制御する制御手段が存在することも有効である。
【００２５】
かかる第１の技術によれば、接合部表面側と裏面側に位置する両ショルダ間距離（工具間隔）および摩擦入熱荷重（工具間荷重）を調整できる装置を用いて、接合開始の初期は攪拌部材であるピン軸がねじ切れない程度の低荷重で接合部材を挟み込み、その状態で回転工具を回転させて、摩擦入熱で材料表面を軟化させながら、接合に必要な荷重まで荷重を増加させた後、接合することで、ピン軸の破損が生じることなく接合できるようになる。また、荷重を徐々に上げていくのは、ピンに過大なトルクがかかりねじ切れるのを防止するためであるから、工具ショルダ間隔が固定の装置においても工具ショルダ間隔を母材接合部肉厚より小にして工具を回転駆動する駆動モータのトルクをピン軸の破損が生じることのない低トルク（低回転）で回転させ、徐々に回転を増加させてその増加程度がピン軸の破損トルクより超えないように制御しながら、接合荷重まで回転速度（トルク）上昇させることでも課題は解決される。
【００２６】
さて本発明が適用される装置は、図１（Ａ）に示すように前記両ショルダ間間隔変位を可変に構成し、前記両ショルダが１の機械主軸よりの回転を受けて駆動している装置構成を有する。
このような装置の場合に前記ショルダ間間隔変位を可変としながら荷重増加をさせる制御手段を、前記両ショルダの回転駆動を行う前記機械主軸のトルク値及びその回転数を入力一定条件として、前記間隔変位を可変とし、荷重制御が行われるように構成することにより安定した制御が可能となる。
すなわち摩擦入熱による熱エネルギは、ショルダの回転数、回転トルク、挟持荷重（間隔変位）の３つの変数により制御可能であるが、回転数と回転トルクを変数とすると、変動時に生じるバイブレーションによりリニアな制御が困難であり、又ショルダの回転数、回転トルクは機械主軸側に設けたモータに依存し、且つ一定に制御することも容易である。
このため前記間隔変位を一の変数として可変に構成すればリニアな制御が容易である。
【００２７】
又前記制御手段は、両ショルダの回転数を一定に維持し且つ前記アクチュエータによりショルダ間間隔変位を可変として荷重制御を行う油圧若しくは送りねじによる制御手段であるのがよい。
即ちコイルバネを用いたのでは、コイルスプリングの押し付け力によってその荷重が規定され、その押付力を制御できないのみならず、コイルスプリングの押し付け力には上限があり、リニアな制御が困難である。
又空圧力を用いても緩衝作用が働き、同様にセンシングがよいリニアな制御が困難である。
【００２８】
又前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、表面側ショルダを軸変位させる第二のアクチュエータとを具え、それぞれのアクチュエータに荷重検知手段が設けられ、他側のアクチュエータの変位と無関係に夫々のアクチュエータの変位により表面側と裏面側の荷重制御が独立して行われるように構成してもよく、この場合は表面側と裏面側の荷重制御が独立して行われるために、表面側のショルダで表面倣いに好ましい荷重に、又裏面側のショルダで摩擦入熱用の荷重を付加でき、個別の制御が可能である。
【００２９】
又前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、裏面側ショルダと表面側ショルダを一体的に軸変位させる第二のアクチュエータとを具え、それぞれのアクチュエータに荷重検知手段を設けてもよい。
この場合は、両アクチュエータの荷重偏差に基づいて裏面側ショルダの荷重制御が行われ精度よい制御が可能となる。
【００３０】
そしてかかる技術は本発明以外にも適用でき、具体的には、
前記ショルダ間間隔変位を可変としながら接合部への摩擦荷重を変化させるアクチュエータと前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とが存在し、前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、表面側ショルダを軸変位させる第二のアクチュエータとであって、それぞれのアクチュエータが同一ベース上に設けられ、両アクチュエータの荷重偏差に基づいて裏面側ショルダの荷重制御が行われることを第２の技術とし、又前記ショルダ間間隔変位を可変としながら接合部への摩擦荷重を変化させるアクチュエータと前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とが存在し、前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータであって該アクチュータが、表面側ショルダを軸変位させる移動ベース上に搭載され、前記第一のアクチュエータの荷重検知手段に基づいて荷重制御を行うことを第３の技術とする。
【００３１】
即ち、本発明の摩擦接合体を得るための第３の技術を具体的に説明するに、接合加工においては、上側ショルダ接合部に押し付け、一方下側ショルダを接合部裏面側に引張って接合しており、この場合に板厚変化に対応するため、そのときの荷重を一定値に制御しているが、前記した従来技術のように一つのコイルバネというアクチュエータで制御することはその荷重制御が困難である。
そこで本第3の技術は、この接合部に印加するショルダの荷重を、接合部を挟み込む入熱用荷重Pcと材料表面を押さえつける倣い用荷重Psに分離して、夫々独立のアクチュエータで制御することで、工具の接合部表面倣い、接合部にかかる入熱量を精度よく制御して安定した品質を得ることが可能である。
この場合に図１（Ａ）に示すように、表面側ショルダのベース上に、裏面側ショルダを駆動するアクチュエータを設けた場合には表面側の第二のアクチュエータの荷重P1は倣い用荷重Psに、裏面側の第１のアクチュエータの荷重P2は入熱用荷重Pcに対応する。これに対して、図１（Ｂ）のように同一ベース上に第１及び第二のアクチュエータを設けた場合は、倣い用荷重Psは第１のアクチュエータの荷重P1と第二のアクチュエータP2の偏差量が、入熱用荷重PcはP1より偏差成分を取り除いた値が対応する。
【００３２】
そして母材接合部の板厚がほぼ一定の材料を接合する場合には、接合速度、工具回転数が一定の場合、工具荷重を一定値にすることで、接合部に一定量の熱を与えることが可能となるため、安定した接合を行うことが可能で、例えば６mm厚の材料で１０%程度板厚が変化した場合でも、板厚変動に応じて工具間距離が開き、荷重が一定になり、入熱を制御できる。
一方工具間距離を接合部板厚に追従させない場合は、板厚の０.１mm程度の変動でも、約５%の荷重が変化し、板厚変化以上に入熱が変化する。特に、工具間距離よりも板厚が薄くなった場合には、工具と材料がまったく接触しなくなるため、発熱がまったくなくなり、欠陥が生じたり、工具の破損が起こる。
従ってショルダ間間隔を可変にして荷重制御により接合加工を安定して行うことが理解できる。
一方、テーパ形状の板厚を持った部材の接合では、入熱一定の条件では、板厚が厚いときには、入熱不足になりやすい。荷重一定に制御した場合、上下の工具の位置から板厚を知ることが可能で、板厚変化に応じて、荷重一定のまま、接合速度や回転数を変化させればよい。たとえば、２２１９-Ｔ８７材の６mm材の適正な接合条件は、荷重８kN、回転数４００rpm、送り速度４００mm/minであり、８mm材では接合速度が３００mm/minであるから、６mmから８mmに変化するテーパー部では工具位置から算出した板厚変化に応じて、接合速度を変化させることで健全な接合部を得ることが可能である。
【００３３】
本発明の摩擦接合体を得るための第４の技術は、前記摩擦攪拌接合開始時に、前記回転工具の接合線方向への移動を停止した状態で前記ショルダの接合部への摩擦入熱を行う均熱用保持時間が存在することを特徴とし、具体的には前記摩擦入熱保持時間が、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の温度域の範囲に設定されていることを特徴とする。
そして前記摩擦入熱保持時間の制御は、ショルダ間間隔変位を可変としながら荷重一定に制御しつつ予め設定した固定時間に基づいて行う第１の時間制御、接合部の温度検知信号に基づいて行われる第２の時間制御、若しくはショルダ間間隔変位の間隔変位量に基づいて行われる第３の制御のいずれか１若しくは複数の組み合わせで構成するのがよい。
【００３４】
この場合、前記摩擦入熱保持時間の制御が、ショルダ間間隔変位の間隔変位量に基づいて行われる場合に、荷重一定に制御しながら摩擦入熱を行いつつ前記ショルダ間隔が一定値以下になった場合に軟化温度領域に達したと判断して接合線に沿う工具の移動を行うのがよい。
【００３５】
そして本技術が接合開始前の均熱を目的とするものである以上、前記摩擦入熱保持時間の前に、常温より軟化温度域若しくはその近傍温度域まで予熱する予熱工程が存在することも必要である。
そして前記予熱工程は、前記両ショルダ間間隔変位を可変として接合部への荷重増加を行う工程であるのがよい。
【００３６】
従って本技術は、工具を移動して接合開始時に材料を均熱状態で軟化させるため、均熱用の適切な保持時間を設けるものである。
攪拌部材として機能するピン軸によって攪拌される接合部全体の温度が均熱に軟化温度領域まで上昇していないと、材料の流動が悪いため接合できないのみならず、ピン軸の破損につながる。
即ち接合開始位置で工具回転後、荷重を増加させて予熱し軟化温度領域に到達後、直ちに接合線に沿って工具を移動させると、接合部全体が均等に軟化していないため、ピンが破損して、材料が接合できない。
一方予熱時間や保持時間が無用に長く、接合部が、軟化温度領域を超え部分溶融点以上になると、材料の強度が低くなり、工具を挟み込むことで発生するせん断力に耐え切れず、材料がねじ切られて穴があいてしまう恐れがある。
【００３７】
そこで前記摩擦入熱保持時間が、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の温度域の範囲に設定することにより前記課題が解決される。
前記保持時間による入熱の制御方法としては、時間による制御も可能であるが、材料の軟化に伴い、荷重一定の制御を行った場合、材料が軟化するため、工具間距離が短くなる。従って材料の軟化の具合を、工具間距離の減少量で把握して、予熱が完了したと判断することも可能である。
時間による制御では、工具や材料の表面状況が異なり、摩擦係数が変化した場合には、発熱量が変化して、材料の軟化の程度が時間だけでは制御できないが、工具間距離の変化を含めて、均熱の完了を判断することでより、安定した施工が可能となり、そしてこの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用するのがよい。
【００３８】
又前記保持時間の制御、即ち工具の移動による接合の開始を工具または材料の温度を非接触の温度計を用いて測定して行ってもよい。
【００３９】
そしてかかる技術の具体的な装置構成として、前記摩擦攪拌接合開始時に、前記回転工具の接合線方向への移動を停止した状態で前記ショルダの接合部への摩擦入熱による均熱作用を行う保持時間を設定した時間制御手段が存在することを特徴とし、具体的には前記時間制御手段が、摩擦入熱保持時間を固定若しくは可変に設定し、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の範囲に時間制御可能に構成されている制御回路であることを特徴とする。
この場合前記制御回路は、摩擦入熱保持時間を固定若しくは可変に設定し、接合部の軟化温度以上であって部分溶融温度以下の範囲に時間制御可能に構成されているのがよく、更に前記摩擦入熱保持時間の制御が、ショルダの回転トルク信号、接合部への温度検知信号、若しくはショルダ間間隔変位の間隔変位量検知信号の少なくとも一の検知信号に基づいて行われることも有効である。
【００４０】
更に前記制御回路は、前記ショルダ間間隔変位を可変とする手段と前記ショルダと接合部間の荷重を検知する手段とを具え、該可変手段により荷重を増加させながら常温より軟化温度域若しくはその近傍温度域まで予熱する第一の荷重制御時間と、該荷重をほぼ一定に制御しつつ接合部位の加熱制御を行う第二の荷重制御時間を有し、前記第一及び第二の加熱制御終了後工具移動開始を許容する時間制御手段を有することにより、予熱工程、均熱工程及び接合開始工程を明瞭に区別できる。
【００４１】
又本技術は、接合部の軟化を確認するため、荷重制御で工具間距離が一定値以下になった場合に軟化したと判断できるように、ショルダ間間隔変位の間隔変位の減少量（凹陥量）を検知する凹陥量検知手段と、該凹陥量が許容値以下になる前に前記工具の移動開始信号を出力する判断手段とにより前記摩擦入熱保持時間の制御が行われるのがよい。
この場合、接合部もしくはその周囲温度が、軟化温度以上であって部分溶融温度以下の範囲にあることを検知する非接触温度センサを設け、該センサの検知信号に基づいて摩擦入熱保持時間を可変に構成してもよい。
【００４２】
本発明の摩擦接合体を得るための第５の技術は、前記接合部の板厚変化を裏面ショルダと表面ショルダ間の間隔変位量で検出して、その検出値に応じて、裏面ショルダと表面ショルダの回転数、接合方向への工具送り速度を変化させて、入熱量を制御することを特徴とする。
そしてかかる技術を効果的に達成する装置として、裏面ショルダと表面ショルダ間の間隔変位が変位可能な一または複数のアクチュエータを設け、該アクチュエータに基づいて前記接合部の板厚変化に追従させて裏面ショルダと表面ショルダ間の間隔変位させるとともに、その変位検出値に応じて、裏面ショルダと表面ショルダの回転数、接合方向への工具送り速度を変化させて、接合部の入熱量を制御する制御回路を具えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置を提案する。
【００４３】
かかる技術によれば、間隔変位に対応してショルダの回転数、接合方向への工具送り速度を変化させればより好ましい荷重制御が可能である。
【００４４】
この場合も前記アクチュエータが裏面側ショルダを軸変位させる第一のアクチュエータと、表面側ショルダを軸変位させる第二のアクチュエータとであって、母材の接合部の表面倣いに追従して第二のアクチュエータを変位させつつ、該変位に同期させて第一のアクチュエータが変位するように、第一のアクチュエータが送りねじ若しくは油圧により駆動されているのがよく、又第１及び第二のアクチュエータが、表面倣いと摩擦入熱の両者で個別に制御するのが好ましいことであり、更に入熱の荷重制御はリニアで精度よく行わなければならないために、入熱用の第一のアクチュエータが微細な荷重制御が可能な送りねじ若しくは油圧により駆動されているのがよい。
勿論第一のアクチュエータ及び第二のアクチュエータがいずれも送りねじ若しくは油圧により駆動されている方がより好ましいことは言うまでもない。
【００４５】
本発明の摩擦接合体を得るための第６の技術は、前記接合部の板厚変化に追従して機械主軸側に位置する表面ショルダと、ピン軸に連結し機械主軸に対して離間している裏面ショルダ間の間隔変位を可変させながら摩擦攪拌接合を行うとともに、前記両ショルダの接合部挟持による接合荷重に対し、表面ショルダによる押圧荷重を接合荷重の１/１０程度以下の圧縮荷重になるように、前記表面ショルダを位置制御して表面倣いを行うことを特徴とするものである。そしてこの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
【００４６】
本技術を説明する。
表面倣いを行うには、倣い用荷重Psが無負荷となることで、接合する材料を表裏の工具でバランス良く挟むことが可能であり、材料にうねりがある場合でも基本的には安定して接合することが可能である。
ボビンツールからなる回転工具を用いた摩擦攪拌接合の場合に、表面側ショルダは機械主軸側に連結されているために熱容量が大きく言い換えれば奪熱量が大きく、一方、裏面側ショルダ機械首位軸と離れているために、熱容量が少ないこともあり奪熱量が小さい。
このため、両ショルダの押圧荷重の制御でその荷重がゼロとなるようにバランスさせて摩擦入熱を行った場合に、接合部裏面側の入熱が多いため、工具のあたり面の温度が表面よりも高くなるため、僅かに裏面側ショルダが接合部下面側に食い込んだ状態になる。
表面側ショルダと接合部との押圧関係を示す表面荷重を接合荷重の１/１０程度若しくはそれ以下の圧縮荷重になるように制御することで、食い込み量がほぼ上下で同じ接合部を得ることが可能である。
【００４７】
本発明の摩擦接合体を得るための第７の技術は、前記両ショルダとの間隔を可変に構成された裏面ショルダと表面ショルダにより母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、該ショルダ間の間隔変位に基づいて接合部のギャップ増大に起因する接合不良を判別することを特徴とする。
そして前記判別手段は、ショルダ間の間隔変位が所定値以下になるごとに警報を出すとともに記録する第一の判別手段と接合動作を停止する第二の判別手段のいずれか一若しくは両者の組み合わせで構成されるのが好ましい。
【００４８】
さてボビンツールで均一板厚の部材を接合する場合、表面ショルダと下面ショルダ間隔が可変なボビンツールで荷重制御すると、ギャップ量が拡大すると材料を隙間に埋める必要が生じるためその溶け込みにより接合部が薄肉化し、表面側と裏面側のショルダ間隔（工具間距離）が狭くなる。この工具間距離をもとに、下限値を設定し、その値以下になった場合、アラームを表示したり接合を停止することで、接合品質を確保する。そしてこの板厚間隔の減少を、表裏両面側のショルダ変位を制御するアクチュエータの位置から求まるショルダ間間隔でもとめることは可能であり、ショルダ間間隔の絶対値および変動をもとにギャップの変化を検出することができる。
【００４９】
本発明の摩擦接合体を得るための第８の技術は、前記両ショルダとの間隔を可変に構成された裏面ショルダと表面ショルダのいずれか一若しくは両者より得られる検知信号に基づいて工具破損を判別するとともに、該判別信号に基づいて少なくとも表面ショルダを母材より離間させることを特徴とする。そしてこの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
この場合工具の破損は、前記ショルダの駆動トルク、前記裏面ショルダの荷重変動、前記ショルダ間の間隔変位、接合線上の工具送り負荷の変動をもとに検出するのが好ましい。
【００５０】
本技術を具体的に説明する。
ボビンツールはプローブ型の回転工具と異なり、上下のショルダで接合部を挟んで接合を行うため、工具を回転する主軸に高いトルク（２２１９-T８７材６mmの場合、約６０Nm）が発生する。（プローブ型工具ではトルク変化は小さい）回転工具のピン軸が折れた場合には、材料が挟まれなくなるため、主軸のトルクは急激に減少する。また、前記ピン軸の破損にともない、下側ショルダを引っ張り一定荷重に制御使用としたアクチュエータは、荷重がなくなるため、ショルダ間隔が短くなるように動作する。この二つの物理現象でピン軸の破損を検出できる。
ピン軸等の工具破損を検知した際には、該破損したピン軸等の工具で、未接合部を傷つけることがないように、接合方向への移動を停止するとともに、少なくとも表面ショルダを駆動している駆動軸を接合部から離れる方向に移動させることで、接合できていない部分の表面を表面ショルダがでこすったりして、傷つけることを防止出来る。
【００５１】
本発明の摩擦接合体を得るための第９の技術は、接合開始部若しくは終端部の品質確保するためのものである。
即ち、摩擦攪拌接合開始時には接合開始位置で工具を停止させた状態で回転させて予熱する必要があるため、その後の接合線と比較して入熱が多めになり、接合開始部は欠陥を生じやすい。
また母材の縁部に近いところで接合を開始すると端部が変形するとともに、その変形が原因で欠陥が生じやすいため、接合開始位置より内側に寄せて大きく取る必要があるがこのことは接合の無駄が出やすい。
このため、本技術は、直線状の接合線を有する場合に接合開始位置を母材縁部より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（Ｂ＞（Ａ／２））だけ内側に設定し、接合開始後前記接合開始位置より縁部側に逆接合した後反転して順接合を行うことを特徴とする。
かかる技術によれば、接合開始点は反転した際の接合路途中に位置することになるために、接合開始部の欠陥を補修でき、その部分が製品として残ることがない。
かかる技術は直線状の接合線を有する接合線を補修接合する場合にも適用でき、この場合は補修接合開始後前記補修接合開始位置より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（Ｂ＞（Ａ／２））だけ逆接合した後反転して順方向に補修接合を行うことを特徴とする。これらの技術も曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
【００５２】
又本技術は、円周接合のように無端状の接合線を有する場合にも適用でき、接合開始位置と接合終端位置を重複させ、該重複距離が工具半径（Ａ／２）より大なる距離（Ｂ＞（Ａ／２））に設定されていることを特徴とする。そしてこの技術は円周接合のように無端状の接合線を有するシングルスキンやダブルスキンパネル等の摩擦接合体に適用できる。
このように構成することにより、接合開始位置と接合終端位置のいずれにおいても接合路途中に位置することになるために、接合開始と接合終端位置部の欠陥を補修でき、その部分が製品として残ることがない。
【００５３】
本発明の摩擦接合体を得るための第１０の技術はテーパ状プラグ穴の終端径底部が位置する母材裏面側に裏当て部材を当接した状態でプラグ穴大径側よりテーパ状プラグを挿設して両者間に回転押圧力を付与しながらその摺動摩擦入熱により軟化させて接合を行うプラグ接合装置に適用されるものであり、摩擦攪拌接合部の終端部に生じる孔の穴埋めやその欠陥部の除去に使用する。その特徴とするところは、前記裏当て部材にプラグ穴の終端径と同心状の貫通孔を設けるとともに、該貫通孔端部と裏当て面との間の縁部をＲ状に形成するとともに、該Ｒ部の外縁直径（Ｒ）、前記プラグ穴の終端径直径（ｄ３）、貫通孔の直径（ｅ３）を下記の式の範囲に設定したことにある。
（Ｒ）＞（ｄ３）＞（ｅ３）
【００５４】
この場合前記プラグ穴の片側テーパ角度を６０〜８０°の範囲に設定してプラグ径が大きくなり、熱影響部が広がるのを防止できる。
又プラグ穴のテーパ角度が小さい場合でも裏当ての底に穴をあけて、余肉が生じた場合、下に逃がして、余肉による接合不良を抑制出来るために、接合性を改善出来る。
又裏当て部材の貫通孔端部と裏当て面との間の縁部をＲ状に形成するとともに、該Ｒ部の外縁直径（Ｒ）、前記プラグ穴の終端径直径（ｄ）貫通孔の直径（ｅ）の範囲を規定し、そして好ましくは前記テーパ状プラグ先端直径（ｃ）を前記プラグ穴の終端径直径（ｄ）より大に設定することにより、接合板６５板下部の変形を促すことで底部の密着を改善出来る。
【発明の効果】
【００５５】
以上記載のごとく本発明によれば、接合完了時に、回転工具と材料の溶着や固着を防止出来、高品質の摩擦攪拌接合体が得られる。
更に本発明は、直線状の接合線を有するスキンパネル同士の接合の際に接合終端部における接合の乱れをなくし、高品質の摩擦攪拌接合体が得られる。
更に本発明によれば、摩擦攪拌接合の終端において形成されるプラグ穴や接合中の欠陥をプラグにて封止する際にプラグ穴のプラグ径が大きくなることなく、しかもその周囲の熱的影響が広がることなくプラグ穴終端（底部）の接合が安定しうる高品質の摩擦攪拌接合が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００５７】
先ず本発明が適用される摩擦攪拌接合装置本体５の要部構成を図１に基づいて説明する。
図１は送りモータにより駆動する送りねじを用いた摩擦攪拌接合装置の実施例、特に裏面ショルダ１と表面ショルダ２の両者を同期して回転可能にした実施例を示す要部概略図で、図中１は回転主軸４軸端に設けられた裏面ショルダで、該回転主軸４は裏面ショルダ取り付け部よりネジ状ピン軸３が形成され、更にその回転主軸４の表面ショルダ２に挿設される部位をスプライン状に構成し、スプライン１９を介して表面ショルダ２が回転主軸に軸方向に摺動自在に嵌合されている。
更に回転主軸４の延在軸端側にはサーボモータ等の回転駆動部１２を設けている。
これにより表面ショルダ２と裏面ショルダ１が同期して回転可能に構成される。すなわち表面ショルダ２は前記回転主軸４にスプライン１９を介して、軸方向に摺動自在に連結され、回転主軸４の回転駆動部１２により回転可能に構成されている。
【００５８】
そして前記回転駆動部１２を構成するサーボモータは制御回路１３により一定速度若しくは制御された回転数で回転可能に構成されている。
又裏面ショルダ１が取りつけられた回転軸４の軸端には下側工具ベース９を介して「送りねじ２１と送りねじ駆動モータ２２、及びロードセル２３が収納された」第１のアクチュエータ１０が連結されており、又表面ショルダ２は軸受２５が内蔵された支持収納部４０を介して、「送りねじ２１０と送りねじ駆動モータ２２０及びロードセル２３０が収納された」第２のアクチュエータ１１が連結されている。
この結果、これらのアクチュエータ１１、１０及び回転駆動部１７は制御回路１３に接続され、アクチュエータ１１、１０の夫々のロードセル２３、２３０の信号に基づいて送りねじ駆動モータ２２、２２０の回転位相を制御して例えば前記裏面側と表面側のショルダ面間にスキンパネル等の母材の接合部３５０を挟持した状態で、該接合面の表側にかかる表面ショルダ２面の荷重と、裏面ショルダ１面の荷重を夫々制御し得る。
【００５９】
又制御回路１３では、回転駆動部１７のサーボモータの回転数も制御可能に構成し、例えば裏面ショルダ１と表面側のショルダ２の摩擦入熱量を制御可能に構成し、回転速度とアクチュエータ１０、１１による押圧荷重のいずれの組み合わせにても制御可能に構成している。
更に制御回路１３では、前記装置本体５を母材接合線方向に沿って移動、停止及び反転させる制御及び送りねじ駆動モータ２２、２２０の回転位相を制御して例えば前記裏面側と表面側のショルダ面間の間隔変位、荷重さらには回転停止位置での予熱、保持時間の制御等を行っているが、その詳細は後述する。
図中１５はベースプレートで、レール２９により母材接合線方向に移動可能に構成されている。そしてベースプレート１５の送りモータ３０も制御回路１３により送り移動速度を制御可能に構成されている。
【００６０】
アクチュエータ１０、１１は、送りねじと送りねじ駆動モータ及びロードセルからなるアクチュエータではなく、ロードセルが収納された油圧シリンダと油圧現とから構成してもよく、その作用効果は送りネジを用いたものと同様である。
【００６１】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は夫々本発明の機械的構成を示す夫々の実施例の概要図である。
図２（Ａ）において図中１５はベースプレートで、レール２９により母材接合線方向に移動可能に構成されている。ベースプレート１５上にはリニアガイド６により回転主軸４方向に移動自在に支持された上工具ベース７と第２のアクチュエータ１１が取り付けられている。
そして上工具ベース７は第２のアクチュエータ１１によって表面ショルダ２を軸方向に移動自在に構成されており、該アクチュエータ１１にはロードセルが設けられていることは前記した通りである。
上工具ベース７上には摩擦攪拌接合装置本体５、リニアガイド８により回転主軸４方向に移動自在に支持された下工具ベース９及び第１のアクチュエータ１０が設けられ、該アクチュエータ１０にもロードセルが設けられている。
【００６２】
装置本体５は回転主軸４軸端に設けられた裏面ショルダ１、表面ショルダ２夫々の回転主軸４の裏面ショルダ１取り付け部に設けられたネジ状ピン軸３等が存在し、更にその回転主軸４はスプライン１９を介して表面ショルダ２が回転主軸４に軸方向に摺動自在に連結され、更に回転主軸４が延在し、その延在部にサーボモータ等の回転駆動部１２が設けられ、更に該回転主軸４はリニアガイド８により回転主軸４方向に移動自在に支持された下工具ベース９に取り付けられている。
【００６３】
かかる装置によれば、裏面ショルダ１を軸変位させる第一のアクチュエータは、表面ショルダ２を軸変位させる第二のアクチュエータによって移動変位させる上工具ベース７上に搭載されていることになる。
この結果、前記装置では、接合中上側の表面ショルダ２工具をベースプレート１５上の第２のアクチュエータ１１によって上工具ベース７を介して母材接合部３５０表面に押し付け、上工具ベース７上の第１のアクチュエータ１０により下工具ベース９を介して下側の裏面ショルダ１工具を引張って接合しており、板厚変化に対応表面ショルダ２により表面ならいを行いながら、荷重一定制御により摩擦攪拌接合が可能となる。
【００６４】
そしてこのときの荷重は前記２つのアクチュエータ１０、１１により、接合部３５０を挟み込む摩擦入熱荷重Pcと材料表面Psを押さえつける表面倣い荷重に分離して、独立に制御することが出来、表面ショルダ２工具が料表面を倣いながら、裏面ショルダ１によって接合部３５０にかかる入熱量を制御して安定した品質を得ることが可能である。
具体的には、ベースプレート１５上に表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と上工具ベース７上とを、更に、下工具ベース９を介して裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を設けた図２（Ａ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータ１の荷重P1は表面倣い荷重Ps（例えば５０ｋｇｆ）に、第１アクチュエータ２の荷重P2は摩擦入熱荷重Pc（例えば７００ｋｇｆ）に対応する。
【００６５】
従って本実施例によれば、この接合部３５０に印加するショルダの荷重を、接合部３５０を挟み込む入熱用荷重Pcと材料表面を押さえつける倣い用荷重Psに分離して、夫々独立のアクチュエータで制御することで、工具の接合部３５０表面倣い、接合部３５０にかかる入熱量を精度よく制御して安定した品質を得ることが可能であるとともに、前記アクチュエータを送り（ボール）ネジ若しくは油圧駆動により行うことにより一層荷重精度が出せる。
【００６６】
図２（Ｂ）は共通するベースプレート１５上に２つのアクチュエータ１０、１１が搭載された他の実施例で、レール２９により母材接合線方向に移動可能に構成されているベースプレート５上にはリニアガイド６により回転主軸４方向に移動自在に支持された上工具ベース７と下工具ベース９に夫々第１及び第２のアクチュエータ１０、１１が取り付けられている。
そして上工具ベース７には摩擦攪拌接合装置本体５が設けられ、第２のアクチュエータ１１によって表面ショルダ２を軸方向に移動自在に構成されており、該アクチュエータ１１にはロードセルが設けられている。
下工具ベース９上には回転主軸４軸端に設けられた裏面ショルダ１が設けられ、第１のアクチュエータ１０及びリニアガイド８により回転主軸４方向に移動自在に回転主軸４を支持するとともに該アクチュエータ１０にロードセルが設けられている。
【００６７】
かかる装置によれば、裏面ショルダ１を軸変位させる第１のアクチュエータ１０及び、表面ショルダ２を軸変位させる第２のアクチュエータ１１はいずれもベースプレート１５上に軸移動可能に搭載されていることになる。
この結果、前記装置では、接合中上側の表面ショルダ２をベースプレート１５上に設けた第２のアクチュエータ１１によって上工具ベース７を介して母材接合部３５０表面に押し付け、又共通するベースプレート１５上に設けた第１のアクチュエータ１０により下工具ベース９を及び回転主軸４を介して下側の裏面ショルダ１工具を引張って接合しており、板厚変化に対応表面ショルダ２により表面ならいを行いながら、荷重一定制御により摩擦攪拌接合が可能となる。
そしてこのときの荷重は、材料を挟み込む摩擦入熱荷重Pcは第１のアクチュエータ１０により又材料表面Psを押さえつける表面倣い荷重Psは第１のアクチュエータ１０と第２のアクチュエータ１１の偏差により、夫々独立に制御することが出来、表面ショルダ２工具が料表面を倣いながら、裏面ショルダ１によって接合部３５０にかかる入熱量を制御して安定した品質を得ることが可能である。
具体的には、ベースプレート１５上に表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータを設けた図２Ｂ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータ１の荷重P1は（表面倣い荷重Ps＋摩擦入熱荷重P2）（例えば７５０ｋｇｆ）に、第１アクチュエータ２の荷重P2は摩擦入熱荷重Pc（例えば７００ｋｇｆ）に対応する。
【００６８】
次にかかる装置を用いた本発明の実施形態を説明する。
図３は本発明が使用する接合材の硬度と温度の関係を示し、例えばロケットに使用される２２１９系アルミ合金では３５０℃前後で軟化が開始し、５３０〜５４０℃で部分溶融が始まる。一方、６０００系のアルミ合金では２５０℃から軟化が始まる。
１）スローアップ
先ず接合開始時にスローアップを行う。
スローアップとは、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を制御してピン軸のねじ切り防止のため、ピン軸のねじ切りが起きない低荷重より徐々に荷重を増加して軟化点以上に加熱するものである。
具体的には図２（Ａ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータ１１の荷重P1を表面倣い荷重Ps（例えば５０ｋｇｆ）に設定し、第１アクチュエータ１１の荷重P2は摩擦入熱荷重Pcを（例えば０．５ＫＮ〜７ＫＮ）に増加させてスローアップを図る。
図２（Ｂ）の実施例の場合は、第２のアクチュエータの荷重P1は（表面倣い荷重Ps＋摩擦入熱荷重P2）（例えば１ＫＮ〜７．５ＫＮ）に、第１アクチュエータ２の荷重P2は摩擦入熱荷重Pc（例えば０．５〜７．０ＫＮ）に荷重を増加させてスロープアップを図る。
【００６９】
図４は比較例１、２と実施例１におけるスローアップの実験結果を示す表図である。
即ち本実施例では図４に示すように、工具として表面及び裏面ショルダ１径φ２０mm、ピン軸径φ１０mm 材質SKD６１の回転工具を用い、接合物として２２１９-T８７アルミ合金を用いて実験を行った。
先ず比較例１として接合開始時に、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を制御して摩擦入熱荷重Pcを０．５ＫＮの初期加圧力のまま入熱を行い工具を移動して接合送りを開始しようとしたが、入熱不足で工具の移動が出来ず、移動の際の負荷により工具が破損してしまった。
【００７０】
比較例２として接合開始時に、工具の送りを停止した状態で、前記第１のアクチュエータ１０を制御して摩擦入熱荷重Pcを７ＫＮの接合加圧力のまま入熱を行おうとしたが、即座にピン軸３がねじ切れて工具が破損してしまった。
【００７１】
次に本実施例として接合開始時に、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータ１０を制御して摩擦入熱荷重Pcを０．５ＫＮの初期加圧力〜７ＫＮまで荷重を１０秒の間で徐々にスローアップした後回転工具を移動して接合送りを開始したが問題が生じることはなかった。
なお前記初期加圧力はピン軸がねじ切れない荷重、例えば１kN以下の低い荷重に設定される。そして摩擦発熱で材料表面を軟化させながら、ピン軸３がねじ切れないように荷重増加させつつ接合に必要な荷重まで荷重を増加させた後、接合を開始すればよい。
また、荷重を徐々に上げていくのは、ピンに過大なトルクがかかりねじ切れるのを防止するためであるから、工具回転主軸４のモータのトルクが一定値を超えないように工具の回転速度を制御しながら、工具間隔を短くして、接合荷重まで上昇させてもよい。
例えば図５は回転速度を５０rpmから２５０rpmに上げながらスローアップを図っている。
【００７２】
２）保持時間
図５はスローアップ、保持時間及び接合開始までの時間、速度の関係を示すグラフ図である。
接合材の肉厚例えば４mm程度と薄い場合は、工具の送りを停止した状態で、表面ショルダ２を駆動する第２のアクチュエータ１１と裏面ショルダ１を駆動する第１のアクチュエータを制御して荷重をスロープアップ後ただちに接合線に沿って工具を移動させてもよいが、接合物が数mm以上と厚い場合は、図５に示すようにスローアップ後、接合材料を更に接合容易な温度領域まで均熱に軟化加熱させるため、保持時間を設けたのち、接合線に沿って工具を移動させるのがよい。
【００７３】
図６（Ａ）は保持時間を設定した表図で、該表図に示すように、接合条件として工具形状（表裏ショルダー径φ２０mm、ピン径φ１０mm 材質SKD６１）接合物として板厚６ｍｍの２２１９-T８７アルミ合金を使用して接合開始後の接合条件を回転数４００rpm 送り速度：３５０mm/minに設定して接合を行ったところ、
１０秒間のスローアップ後保持時間を持たずに直ちに接合を開始した比較例４の場合には入熱が不足して、接合材料が十分軟化していないため、ピン軸が破損して、材料が接合できなかった。
これに対して実施例２の、１０秒間のスローアップ後荷重を一定にしながら５秒の接合時間を設定した場合には、接合部３５０が３５０-４５０℃付近の温度、即ち「軟化点〜部分溶融点温度―５０℃前後」の温度域に加熱されるため、良好な接合部３５０が得られることが確認できた。
【００７４】
一方、余熱保持時間が１０sの場合には、図６（Ｂ）に示すように工具周囲のせん断力が働く部分の温度が部分湯融点以上に上がりすぎて、材料の軟化が大になったり、又部分溶融により一部が液状化するため、工具の周りに発生するせん断力に耐え切れず、穴があいてしまう。
【００７５】
したがって、接合材が数ミリ以上と厚肉の場合はスローアップを設けても接合送り開始前に工具を停止して適切な余熱を行うことが不可欠で、その入熱量を制御する必要がある。
【００７６】
図６（Ｂ）は、工具周囲に非接触温度センサ３３を設けて制御回路１３の入出力信号を示す構成図である。
入熱の制御方法としては、前記した保持時間による制御も可能であるが、材料の軟化に伴い、荷重一定の制御を行った場合、材料が軟化するため、工具間距離が短くなる。材料の軟化の具合を、工具間距離（ショルダ変位）の減少量で把握して、余熱が完了したと判断することも可能である。
時間による制御では、工具や材料の表面状況が異なり、摩擦係数が変化した場合には、発熱量が変化して、材料の軟化の程度が保持時間だけでは制御できない恐れがあるが、前記アクチュエータの変位量から、工具間距離の変化が簡単に求められるので、該アクチュエータの変位と保持時間のアンド条件を制御回路１３で判断して、余熱の完了を判断することでより、安定した施工が可能となる。
すなわち、工具間隔が素材板厚に対して短すぎると、工具の負荷が高くなり、ピンが破損する。
【００７７】
なお、図６（Ｂ）に示すように、接合の送りの開始を工具または材料の温度を非接触の温度計３３を用いて測定して、該アクチュエータの変位と保持時間とともに温度の３つのアンド条件を制御回路１３で判断して、余熱の完了を判断することでより、一層安定した施工が可能となる。
この場合に接合部３５０温度は、接合部３５０は表面ショルダ２と裏面ショルダ１に挟まれているために直接測定できないが、せん断力が働く縁部で、３００〜３５０度付近となるためにこの温度を測定すればよい。
【００７８】
３）接合開始反転
次に前記スローアップとの熱保持時間を設定して均熱後後工具送りを開始するわけであるが、前記したように摩擦開始時には材料を予熱する必要があるため、接合下流部と比較して入熱が多めになり、接合開始部は欠陥を生じやすい。そのため従来はタブ板を使用して接合を行っていたが、かかる方法では接合開始位置にタブ板を強固に固定する必要があるのみならずタブ板からの移行部で欠陥が生じやすい。
そこで本実施例においては図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、次のような工夫を行っている。
即ち図７（ａ）及び（ｂ）は直線状の接合線を有する場合の接合開始位置における軌跡及び補修する場合の工具軌跡を示す。
スキンパネルの接合のように接合開始始端と終端を有し、接合線が直線状の場合は、パネル始端より接合開始位置までのふち距離ｂを多めに取って、具体的には、直線状の接合線を有する場合に接合開始位置を母材縁部より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（ｂ＞（Ａ／２））だけ内側に設定し、前記保持時間終了後、接合を開始する際に、前記接合開始位置より縁部側に逆移動して接合し（Ｂ）に示すように未接合部３５０の長さｄが（Ａ／２）以下になるように、略工具半径（Ａ／２）分若しくはそれよりわずかに大なる距離だけ移動させた後反転して順移動による接合を行う。
【００７９】
かかる実施例によれば、ふち距離ｂが長いため、端部変形による接合スタート部の欠陥を防止できる上、未接合部３５０ｂのふち距離ｂ長さを接合終端部と同様に工具直径の半分（半径）まで近づけることが可能となる。
又接合移動中の一般接合部３５０の接合開始部は、接合開始部より低入熱のため不完全接合部３５０ａとなっているが、接合開始部は前記戻り動作により再接合されるため、接合スタート時に不完全接合部３５０ａとして欠陥を生じても、反転後の再接合過程時にこれを除去出来る。
かかる技術は直線状の接合線を有する接合線を補修接合する場合にも適用でき、補修接合開始後前記補修接合開始位置より工具半径（Ａ／２）より大なる距離（ｄ＞（Ａ／２））だけ逆接合した後反転して順方向に補修接合を行うことにより（ａ）と同様な効果を有する。
【００８０】
円周接合のように無端状の接合線を有する場合には、図７（ｃ）に示すように接合開始位置と接合終端位置を重複させ、該重複距離Ｓが工具半径（Ａ／２）より大なる距離（ｄ＞（Ａ／２））に設定すれば、接合開始端で欠陥が生じても通常接合の終端側で重複して接合するために、円周接合や無端状の接合を行う場合にも、接合開始部を再接合することで、品質の改善が図れる。
【００８１】
４）接合過程
そして工具を順方向に移動しながら接合を行う通常接合において本実施例では、板厚変化に対応して２つのアクチュエータ１０、１１を制御し、表面ショルダ２と裏面ショルダ１により材料を挟み込み摩擦入熱を行う荷重Pcと表面ショルダ２により材料表面Psを押さえつける荷重に分離して、ロードセルによる荷重検知に基づいて２つのアクチュエータ独立に制御することで、工具の表面倣いと、接合部３５０にかかる入熱量を制御して安定した品質を得ている。
例えば図２（Ａ）に示すように、表面ショルダ２を移動自在に支持する上側工具ベース上に、裏面ショルダ１の下部工具を駆動する第１のアクチュエータを設けた場合にはアクチュエータ１の荷重P1はPsに、アクチュエータ２の荷重P2はPcに対応する。これに対して、図２（Ｂ）のように同一ベース上に第１及び第２のアクチュエータを設けた場合は、PsはP1とP2の偏差量が、PcはP1より偏差成分を取り除いた値が対応することは前記したとおりである。
【００８２】
従って板厚がほぼ一定の材料を接合する場合には、接合速度、工具回転数が一定となるように制御回路１３で制御されている場合、前記ロードセルによるアクチュエータ制御により工具荷重を一定値にすることで、接合部３５０に一定量の摩擦熱を与えることが可能となるため、安定した接合を行うことが可能であるが、長尺ものの接合材料でしかも接合線が数ｍ以上と長くなる場合は、６mm厚の材料で１０%程度板厚が変化し、この場合も板厚変動に応じて前記２つのアクチュエータをロードセルの荷重に基づいて制御することで工具間距離が追従して制御され荷重が一定になり、入熱を制御できる。
特にアクチュエータにより工具間距離の追従は極めて重要で本実施例に示すように、油圧若しくは送りねじにより厳しく制御されないと、板厚の０.１mm程度の変動でも、約５%の荷重が変化し、板厚変化以上に入熱が変化する。
一方、テーパ形状の板厚を持った部材の接合も前記２つのアクチュエータをロードセルの荷重に基づいて制御することで荷重一定に制御される。たとえば、２２１９-T８７材の６mm材の適正な接合条件は、荷重８kN、回転数４００rpm、送り速度４００mm/minであり、８mm材では接合速度が３００mm/minであるから、６mmから８mmに変化するテーパー部では工具位置から算出した板厚変化に応じて、接合速度を変化させることで健全な接合部３５０を得ることが可能である。
【００８３】
図８は表面ショルダ２（上工具ともいう）と裏面ショルダ１（下工具ともいう）間の負荷状態を示し、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は圧縮状態、（ｃ）は引っ張り状態を示す。
さて図１０（ｂ）に示すように、表面ショルダ２は機械主軸４０（図１に示す支持収納部４０ａに内包されている）に取り付けられており、このため裏面ショルダ１側と同一入熱でも表面ショルダ２側に奪熱され、言い換えれば裏面ショルダ１のほうが、熱容量が少ない。また、接合する対象によっては、材料にうねりがあるために図８（ａ）に示すように、荷重偏差をゼロとすると、工具間隔が接合材料の肉厚に追従できず、接合時に変形させてしまう。
従って荷重偏差、即ち表面荷重Psを図８のように正負を定義すると、（ｂ）に示すように表面ショルダ２側の押圧力が強く接合材料にくみ込みすぎた場合には圧縮（＋）になり、図８（ｃ）に示すように、裏面ショルダ１側の押圧力が強い場合は引っ張り（−）になる。そこで、図８（ａ）に示すように両ショルダ間の荷重偏差をゼロとした場合、０.１mm程度下側工具が材料に食い込んだ状態になるために表面荷重Psが圧縮荷重状態で且つ接合荷重の１/１０程度以下、具体的には７〜１２％圧縮荷重になるように制御することで、食い込み量がほぼ上下で同じ接合部３５０を得ることが可能であることは実験により確かめられた。
そして、この場合にロードセルを用いて２つのアクチュエータ１０、１１を介して位置（荷重）制御すれば、板と接合装置の間隔が変化しても対応できる。
【００８４】
又図９に示すように、２つのアクチュエータの変位は制御回路１３側で検知出来るために、接合材の板厚と接合中の工具間距離の偏差をもとに、ギャップによる板厚減少による接合部３５０の不良も検出出来る。
この場合は前記偏差（板厚一定の場合は工具間隔）が一定値以下となった場合には、アラーム４１で警報を出すとともに接合線位置に対応するポイントを記録計４２に記録し、更に前記偏差が更に大きい場合は接合をやめる。また、接合後、前記記録計４２を基に検査する位置を特定することも容易である。
【００８５】
例えば均一板厚の接合部３５０材を接合していると仮定した場合、接合過程でギャップ量が拡大すると材料を隙間に埋める必要が生じるため、上下の工具間距離が狭くなる。従って接合部３５０の板厚をａ１、ギャップをｂ１、下工具径(裏面ショルダ１)をｃ１とした場合、工具の間隔の減少値Δａ１は次式のようになる。
Δａ１=（ａ１ｘｂ１）／ｃ１
Ex： 板厚：６mm、ギャップ１mm、工具径：２０mm の場合は
Δａ=６/２０=０.３mmとなる。
この板厚間隔の減少を、表面ショルダ２と裏面ショルダ１それぞれを制御するアクチュエータ１０、１１の位置から求まる工具（両ショルダ）間距離でもとめ、工具間距離の絶対値および変動（偏差）をもとにギャップの変化を検出する。
【００８６】
５）異常停止
本発明に使用する摩擦攪拌接合装置の制御信号と、制御回路と制御動作の関係を示すグラフブロック図である。
ボビンツールの場合、表面ショルダと裏面ショルダで接合材を挟んで接合を行う場合ため、該ショルダを回転する回転主軸４に高いトルクＡ（２２１９-T８７材６mmの場合、約６０Nm）が発生するが、図９に示すように、ピン軸３が折れた場合には、材料が挟まれなくなるため、回転主軸４のトルクＡは急激に減少する。また、ピン軸３の破損にともない、裏面ショルダ１を引っ張り一定荷重に制御使用とした第１のアクチュエータ１０は、ピン軸破損により荷重がなくなるため、工具間距離が短くなるように変位する。
この二つの検知信号にもとづいて制御回路８で工具の破損を検出できる。工具破損を検知した際には、工具で、未接合部３５０を傷つけることがないように、制御回路１３で工具送り方向への移動を停止するとともに、２つのアクチュエータ１０、１１により図１０に示すように表面ショルダ２および裏面ショルダ１を駆動している軸を板から離れる方向に移動させることで、接合できていない部分の表面を工具でこすったりして、傷つけることを防止出来る。
なお、本実施例では回転主軸４のサーボモータのトルクＡおよび裏面ショルダの回転主軸Z２の荷重、変位、送りの負荷をもとに、ピン軸３の破損を検出することも可能であり、この場合も接合を停止するとともに表面ショルダ２の第２のアクチュエータ１１接合材から離間する方向に移動させ、工具との溶着を防止する。
【００８７】
６）接合完了動作
図１０（ａ）及び（ｂ）は接合完了時に裏面ショルダと表面ショルダとを母材押圧面より離間させピン軸の溶着を防止する概要図である。
さて前記接合完了後接合終端部でボビンツールからなる工具を除去する必要があるが、工具間隔が一定の工具で、回転をとめた場合、接合部３５０の材料とネジを切ったピン軸が溶着して両者を分離することができないため、接合材料の一部を切断して、切削加工や化学的な方法で工具と材料を分離する必要があり、そこで本実施例においては、接合完了時に、上下の工具間隔を開くことで、工具と材料の溶着を防止する。
工具には表面ショルダ２と裏面ショルダ１とピン軸３が有り、基本的にはピン軸３のみが回転軸方向に移動可能に構成すればよいが、ピン軸３には裏面ショルダ１も連結しているために、ピン軸３の移動は裏面ショルダ１も接合面から離脱できる。
又表面ショルダ２も接合面から離脱できれば溶着が一層防止できる。
【００８８】
そしてそのピン軸３の移動ストロークＳＴがピン軸３が接合部３５０より離脱可能な接合材厚みＳ’より大なるストローク量ＳＴであることが必要である。なお、本実施例については、ピン軸３に回転主軸４が連接されており、該回転主軸４は下工具ベース９を介して第１のアクチュエータ１０により変位できるため、制御回路１３よりの信号により第２のアクチュエータ１１と第１のアクチュエータ１０を同期させて駆動させることにより、図１０（ａ）に示すように、先ずピン軸３が接合部３５０より離脱可能なストローク量ＳＴだけ駆動され、回転主軸４端に連結している裏面ショルダ１も接合面より離脱し、更に第２のアクチュエータ１１により表面ショルダ２も同様に接合面より離脱する。
【００８９】
又前記ピン軸３はネジ条で形成されているために、軟化している接合部３５０がネジ条にまとわりついている。従ってこれと一体的に連設している回転主軸４を、軸方向に移動させた後若しくは移動途中に前記回転主軸４を介してピン軸３を回転させれば遠心力によりピン軸３に残存付着して接合残も除去できる。
そして前記回転は接合部３５０の温度が軟化点以下に低下するまで継続させれば、ピン軸３と接合部３５０との溶着が完全に防止出来るとともに、軟化材料を遠心力で接合部３５０の穴部３５から排除することもできる。
【００９０】
また前記の措置を執らずに、接合材側のアルミの熱膨張係数が工具の材質である鉄よりも大きいため、温度が下がった後、アルミが収縮し焼きばめのようになる可能性があるため、接合後板の温度が下がるまで、接合完了後を表面ショルダ２と裏面ショルダ１の離間を行った後ピン軸３の回転を保持し、収縮した穴３５をピン軸で削り取った後、回転を停止してもよい。
なお、前記離脱を容易にするために、ピン軸自体を移動軸側に向けてテーパ状にしてもよい。
【００９１】
更に図１０（ｂ）に示すように前記ピン軸に連接されている回転主軸４は、該ピン軸３最大径ａ２より小なる回転主軸径ｂ２に形成し、前記ピン軸３の移動により接合部３５０の穴３５内に回転主軸４が位置可能に構成されているのがよく、具体的には前記ピン軸３をＭ１０のネジ状軸で形成されている場合に、該ネジ状軸３の、ネジ外径ａ２より小なる９．８mm程度の回転主軸４の径ｂ２に設定するのがよい。そして更に本実施例はは前記ピン軸３と裏面ショルダ１が一体的に連接されているとともに、前記回転主軸４が表面ショルダ２の軸穴２ａ内に挿設されているために、前記表面ショルダ２軸穴径（ａ２’）とピン軸の最大径（ａ２）と回転主軸（請求項では移動軸）径（ｂ２）の関係が下記式の関係にあるのがよい。
例（ａ２’：例１０．０５mm）≧（ａ２：例Ｍ１０）＞（ｂ２：例９．８mm）
【００９２】
このように構成すれば軟化した接合部３５０が表面ショルダ２の軸穴２ａ内に入り込むこともなく、且つストローク移動後においても回転主軸４に軟化した接合部３５０が付着することがない。
そして前記処置が完了後裏面ショルダ１下面のネジをはずしてピン軸と裏面ショルダ１をはずして工具取り外しを行う。
【００９３】
７）プラグ接合
図１１はプラグ接合の概要を示し、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来技術である。
図１２はプラグ接合の観察写真を示し、（Ａ）は本発明、（Ｂ）は従来技術である。
図１３は、（ａ）はプラグ接合している状態を示す作用図、（Ｂ）はその接合条件を示す。
【００９４】
次に接合完了後の後処置の問題である。
前記したようにボビンツール方式の摩擦接合の終端においては、ピン軸に対応する終端穴が開いている。この終端の穴を補修するために、図１１（ｂ）に示すように前記ストレート穴をテーパ状に削成した後、同材質のテーパプラグ６０を回転治具にて前記テーパプラグ穴７０を摺擦して摩擦接合により接合している。また一般の接合部においても欠陥が発生した部分にテーパ形状の穴を開けてテーパプラグを摩擦接合することにより欠陥が除去できる。
この場合に接合材がジュラルミン等のアルミ合金の場合のテーパプラグの押圧により接合板６５側が変形しやすいので接合板６５の背面側に裏当てを当てて変形を防止している。かかる方式の場合に押圧力を高めるために、テーパ穴のテーパ角度を３０〜５０°言い換えれば押圧方向に対し４０〜６０°とテーパ角度が大きくなり、結果的にプラグ径が増大するとともに、熱影響部が広がる。
例えば図１１（ｂ）はプラグ穴７０をテーパ角度を５０°に設定し、同角度テーパプラグ６０を用いプラグ穴７０底部側の接合板６５背面に、凹陥部７５１を有する裏当て板７５０を当接して図１３（Ｂ）に示すように、3000rpmの回転数で且つ60Mpａの加圧力で0.5秒摩擦接合を行った後、回転数を停止して加圧力を120Mpａに増加させて圧着を行ったところ、図１２（Ｂ）の観察写真で示すように、プラグ終端の軟化部分が裏当て板７５０の凹陥部７５１底についてしまい、プラグ穴７０の終端周囲に肉が完全に充てんされず特に裏当て板７５０と接触するナイフエッジ状部分に隙間があることが確認された。
【００９５】
そこで先ず、前記問題点を解決するために、図１１（ａ）に示すように、前記プラグ穴７０の片側テーパ角度を６０〜８０°好ましくは７０°言い換えれば押圧方向に対し１０〜３０°好ましくは２０°に設定してプラグ径が大きくなり、熱影響部が広がるのを防止した。
【００９６】
次に前記裏当て部材７５について、プラグ穴７０の終端径ｄ３と同心状の貫通孔７６を設けるとともに、該貫通孔７６の直径ｅ３をプラグ穴７０の終端部直径ｄ３より僅かに小に設定するとともに、該貫通孔７６上端部と裏当て表面７５ａとの間の縁部７７をＲ状に形成するとともに、該Ｒ状縁部７７の外縁直径（Ｒ）を、前記プラグ穴７０の終端径直径（ｄ３）より僅かに大にし、プラグ穴７０の終端のナイフエッジ部７１が貫通孔７６側に突出するように構成する。
【００９７】
一方テーパプラグ６０はプラグ穴７０と同角度のテーパ角度を７０°に設定し、該テーパプラグ６０先端直径をプラグ穴７０底部貫通孔７６の直径（ｅ３）より僅かに大にした。
この結果図１３（ａ）に示すように、前記貫通孔７６の存在により余肉７８が生じた場合、貫通孔７６側に逃がして、余肉７８による接合不良を抑制出来るために、接合性を改善出来る。
又裏当て部材７５の貫通孔７６端部と裏当て表面との間の縁部７７をＲ状に形成するとともに、Ｒ部の外縁直径（Ｒ）を、前記プラグ穴７０の終端径直径（ｄ３）より僅かに大にし、プラグ穴７０の終端ナイフエッジ部７１が貫通孔７６側に突出するように構成したために、該ナイフエッジ部７１がＲ状縁部７７に沿って変形しながら該ナイフエッジ部７１の変形を促すことでプラグ穴７０底部の密着を改善出来る。
又テーパプラグ６０先端直径をプラグ穴７０底部貫通孔の直径（ｅ３）より僅かに大にしたためにテーパプラグ６０は先ず、ナイフエッジ部７１の上側のプラグ穴７０に当接して軟化してずり落ちながら前記ナイフエッジ部７１を下側に変形させることが出来、密着度が向上する。
【００９８】
本実施例においても図１２（Ａ）に示すように裏当て部材を当接して3000rpmの回転数で且つ60Mpａの加圧力で0.5秒摩擦接合を行った後、回転数を停止して加圧力を120Mpａに増加させて圧着を行ったところ、プラグ穴７０終端のナイフエッジ部の変形を促すことで底部の密着を改善出来たことが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】送りモータにより駆動する送りねじを用いた摩擦攪拌接合装置本体の実施例、特に裏面側ショルダと表面側ショルダ２の両者を同期して回転可能にした実施例を示す要部概略図であるである。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は夫々本発明の実施形態の機械的構成を示す夫々の実施例の全体概要図である。
【図３】本発明が使用する接合材の硬度と温度の関係を示しグラフ図である。
【図４】比較例１、２と実施例１におけるスローアップの実験結果を示す表図である。
【図５】スローアップ、保持時間及び接合開始までの時間、速度の関係を示すグラフ図である。
【図６】（Ａ）は比較例３、４と実施例２におけるスローアップの実験結果を示す表図である。（Ｂ）に示すように工具周囲に非接触温度センサを設けて制御回路の入出力信号を示す構成図である。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は直線状の接合線を有する場合の接合開始位置における軌跡及び補修する場合の工具軌跡を示す。（ｃ）は円周接合のように無端状の接合線を有する場合接合軌跡を示す。
【図８】表面ショルダ（上工具）と裏面ショルダ（下工具）間の負荷状態を示し、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は圧縮状態、（ｃ）は引っ張り状態を示す。
【図９】本発明の実施形態に使用する摩擦攪拌接合装置の制御信号と、制御回路と制御動作の関係を示すグラフブロック図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は接合完了時に裏面ショルダと表面ショルダとを母材押圧面より離間させピン軸の溶着を防止する概要図である。
【図１１】プラグ接合の概要を示し、（ａ）は本発明の実施形態、（ｂ）は従来技術である。
【図１２】プラグ接合の観察写真を示し、（Ｂ）は本発明の実施形態、（Ａ）は従来技術である。
【図１３】（Ａ）はプラグ接合している状態を示す作用図、（Ｂ）はその接合条件を示す。
【符号の説明】
【０１００】
１ 裏面側ショルダ
２ 表面側ショルダ
３ ネジ状ピン軸
４ 回転主軸
５ ベースプレート
７ 上工具ベース
９ 下側工具ベース
１０ 第１のアクチュエータ
１１ 第２のアクチュエータ
１２ 回転駆動部
１３ 制御回路
２３、２３０ ロードセル
３３ 非接触の温度計
６０ テーパプラグ
７０ プラグ穴
７６ 貫通孔
７７ Ｒ状縁部
７１ ナイフエッジ部
７８ 余肉
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記攪拌部材を回転軸方向に移動させた後若しくは移動途中に前記攪拌部材を回転させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記攪拌部材の移動に同期して裏面押圧部材と表面押圧部材が母材押圧面より離間させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
母材接合部の表裏両面側より夫々摺動回転させながら摩擦入熱を行う裏面押圧部材と表面押圧部材と、前記入熱された接合部を攪拌する攪拌部材を備えた回転工具を有してなる摩擦攪拌接合装置において、
前記攪拌部材を回転軸方向に移動可能に構成するとともに、該移動ストロークが攪拌部材と接合部位間が離脱可能なストローク量であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
前記攪拌部材に、該攪拌部材最大径より小なる移動軸が連接され、前記攪拌部材の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されていることを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
前記攪拌部材をネジ状軸で形成するとともに、該ネジ状軸に、ネジ外径より小なる移動軸が連接され、前記攪拌部材の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されていることを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項８】
前記攪拌部材と裏面押圧部材が一体的に連接されているとともに、前記移動軸が表面押圧部材の軸穴内に挿設され、前記軸穴径（ａ１’）と攪拌部材の最大径（ａ１）と移動軸径（ｂ１）の関係が下記式の関係にあることを特徴とする請求項６記載の摩擦攪拌接合装置。
（ａ１’）≧（ａ１）＞（ｂ１）
【請求項９】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行って形成された曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネルからなる摩擦接合体において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体。
【請求項１０】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行って形成された曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネルからなる摩擦接合体において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体。
【請求項１】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
前記攪拌部材を回転軸方向に移動させた後若しくは移動途中に前記攪拌部材を回転させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
前記攪拌部材の移動に同期して裏面押圧部材と表面押圧部材が母材押圧面より離間させることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行う摩擦攪拌接合方法において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項５】
母材接合部の表裏両面側より夫々摺動回転させながら摩擦入熱を行う裏面押圧部材と表面押圧部材と、前記入熱された接合部を攪拌する攪拌部材を備えた回転工具を有してなる摩擦攪拌接合装置において、
前記攪拌部材を回転軸方向に移動可能に構成するとともに、該移動ストロークが攪拌部材と接合部位間が離脱可能なストローク量であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
前記攪拌部材に、該攪拌部材最大径より小なる移動軸が連接され、前記攪拌部材の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されていることを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
前記攪拌部材をネジ状軸で形成するとともに、該ネジ状軸に、ネジ外径より小なる移動軸が連接され、前記攪拌部材の移動により接合部内に移動軸が位置可能に構成されていることを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項８】
前記攪拌部材と裏面押圧部材が一体的に連接されているとともに、前記移動軸が表面押圧部材の軸穴内に挿設され、前記軸穴径（ａ１’）と攪拌部材の最大径（ａ１）と移動軸径（ｂ１）の関係が下記式の関係にあることを特徴とする請求項６記載の摩擦攪拌接合装置。
（ａ１’）≧（ａ１）＞（ｂ１）
【請求項９】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行って形成された曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネルからなる摩擦接合体において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記攪拌部材を回転軸方向に移動させ、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体。
【請求項１０】
母材接合部の表裏両面側より夫々裏面押圧部材と表面押圧部材を摺動回転させながら摩擦入熱を行うとともに、該入熱された接合部を、前記少なくとも一の押圧部材とともに回転する攪拌部材により攪拌させながら前記両押圧部材と攪拌部材からなる回転工具を所定方向に移動させて接合部の固相接合を行って形成された曲面若しくは直面状もしくは円周面状のシングルスキンやダブルスキンパネルからなる摩擦接合体において、
前記両押圧部材との間隔を可変に構成された裏面押圧部材と表面押圧部材により母材接合部の表裏両面に倣いながら摩擦荷重制御を行うとともに、接合完了時に、工具荷重制御から工具位置制御に切り替えて、前記裏面押圧部材と表面押圧部材とを母材押圧面より離間させるとともに、前記攪拌部材の回転を接合部の温度が軟化点以下に低下するまで継続させて、攪拌部材と接合部との溶着を防止して形成された摩擦接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−７３２７（Ｐ２００６−７３２７Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３１４１４（Ｐ２００５−２３１４１４）
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【分割の表示】特願２００３−９２７４８（Ｐ２００３−９２７４８）の分割
【原出願日】平成１５年３月２８日（２００３．３．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【分割の表示】特願２００３−９２７４８（Ｐ２００３−９２７４８）の分割
【原出願日】平成１５年３月２８日（２００３．３．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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