摩擦攪拌接合装置及びその接合方法
【課題】接合ツールを備えて被接合物の摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置及びその管理方法であって、接合加工中に接合ツールの温度を監視できるものを提供する。
【解決手段】摩擦攪拌接合装置１において、接合ツール４が回転しながら移動して被接合物２の被接合部３を押圧する接合時に、被接合部３の接合ツール４と反対側に当接して被接合物２を支持する裏当て部材２１に被検出点を設ける。さらに、この被検出点の温度を検出する熱電対３４及び温度測定器３５（温度検出手段）と、予め設定された接合ツール４の温度と裏当て部材２１の温度との相関関係とに基づいて、検出された被検出点の温度から推定された接合ツール４の温度を算出して記録する記録手段と、推定された接合ツール４の温度に基づいて、接合ツール４が過熱されないように所定の処置を実行する制御手段とを、摩擦攪拌接合装置１に備える。
【解決手段】摩擦攪拌接合装置１において、接合ツール４が回転しながら移動して被接合物２の被接合部３を押圧する接合時に、被接合部３の接合ツール４と反対側に当接して被接合物２を支持する裏当て部材２１に被検出点を設ける。さらに、この被検出点の温度を検出する熱電対３４及び温度測定器３５（温度検出手段）と、予め設定された接合ツール４の温度と裏当て部材２１の温度との相関関係とに基づいて、検出された被検出点の温度から推定された接合ツール４の温度を算出して記録する記録手段と、推定された接合ツール４の温度に基づいて、接合ツール４が過熱されないように所定の処置を実行する制御手段とを、摩擦攪拌接合装置１に備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の鋼製部材を接合するための摩擦攪拌接合装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の鋼製部材を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ；Friction Stir Welding）が知られている。この摩擦攪拌接合は、接合ツールの先端に設けられた突起部を、接合させる部材の被接合部に回転させながら押し付けることによって、被接合部周辺を摩擦熱で軟化させることと、被接合部周辺の軟化した部分を攪拌して塑性流動させることと、被接合部を接合ツールから離して冷却させることとを行って、複数の鋼製部材を接合する方法である。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２では、上記摩擦攪拌接合を利用してスポット接合を行う装置又は方法が開示されている。特許文献１では、被接合部に接合ツールを没入させる前にレーザー光で被接合部を軟化させて、接合ツールの突起部の摩耗を低減する摩擦攪拌装置が開示されている。また、特許文献２では、接合中の被接合部の温度に応じて接合ツールの動作制御を行って、複数の鋼製部材の被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制する摩擦攪拌接合方法が開示されている。この接合方法では、被接合部を介して接合ツールと反対側に配置されて接合ツールからの圧を受ける受け部材に、被接合部の温度を計測する温度センサを備えて、この温度センサで検出された被接合部の温度が金属組織がオーステナイトに変態するＡ３変態点以上になると、接合ツールの回転速度や押圧力などの加工条件を調整し、調整後、被接合部の温度が共析温度であるＡ１変態点以下になると、接合ツールを被接合部から引き抜くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２１２１７号公報
【特許文献２】特開２００８−７３６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
摩擦攪拌接合において、接合加工中に接合ツール（特に、突起部）が摩耗することにより、接合ツールの被接合部への没入が早まって、接合ツールが過剰に温度上昇することがある。接合ツールの温度が過剰に上昇すると、接合ツール自身の寿命が低下し、接合ツールの交換頻度が高くなり経済的ではない。また、摩耗しすぎた接合ツールを用いて接合加工を行うと、接合不良が生じることがある。このような不具合を解消するために、接合加工中の接合ツールの温度状況を管理することが望ましい。ところが、従来の摩擦攪拌接合装置において接合ツールの温度を直接的に検出するためには、接合ツールが回転することから、接合ツールに備えた温度検出手段と計測装置本体との間に高価な遠隔測定システムを構築する必要が生じる。さらに、摩擦攪拌接合装置の接合ツールは定期的に交換されるが、このようなメンテナンスのたびに接合ツールに備えた温度検出手段を付けたり外したりする作業を行わねばならない。また、特許文献２に記載されているように、接合ツールからの圧を受ける受け部材に被接合部の温度を計測する温度センサを設けて被接合部の温度を検出する構成とすれば、前述したような接合ツールに温度検出手段を設ける場合に生じる課題は発生しない。しかし、一般に接合時の被接合部の温度は接合ツールの温度よりも低く、この被接合部の温度がＡ３変態点（約９００℃）となれば接合ツールの実際の温度は１２００℃を超えていることが想定され、特許文献２に記載された摩擦接合方法では接合ツールの寿命の低下に繋がるおそれがある。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、接合ツールを備えて被接合物の摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置及びその管理方法であって、接合ツールの寿命を無駄に低下させることのないように接合時に接合ツールの温度を監視するもの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】
【０００７】
本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、先端に被接合物の被接合部と接触する突起部を有する接合ツールと、前記接合ツールを軸周りに回転させる回転駆動手段と、前記接合ツールを軸線方向に移動させる移動手段と、前記接合ツールが回転しながら移動して前記被接合物の被接合部を押圧する接合時に、前記被接合部の前記接合ツールと反対側に当接して前記被接合物を支持する裏当て部材と、予め設定された加工条件に基づいて前記回転駆動手段及び前記移動手段の動作を制御する制御手段と、前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出する温度検出手段と、前記被検出点の温度を取得し、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度との相関関係に基づいて前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録する記録手段とを、備えているものである。
【０００８】
同じく、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、裏当て部材で支持された被接合物の被接合部を、軸周りに回転する接合ツールで押圧することにより、発生した摩擦熱で前記被接合部を軟化させ、この軟化した部分に前記接合ツールの少なくとも一部を没入させて攪拌することにより、前記被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出するステップと、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度の相関関係に基づいて、検出された前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録するステップとを、含むものである。
【０００９】
上記によれば、接合時に接合ツールの裏当て部材に備えた温度検出手段で検出した温度から推定された接合ツールの温度を得て記録し、これを時系列に並べて分析することにより、接合ツールの温度状況を監視することができる。接合ツールの温度を監視することにより、接合ツールの過熱を知って、これを防止するための処置をとることが可能となる。さらに、接合時の接合ツールの温度の記録は、被接合物の各接合点の品質保証のために利用することができる。そして、接合ツールの温度を間接的に検出する温度検出手段は、回転する接合ツールではなく裏当て部材に設けられているので、装置における温度検出手段の配線が簡易であり、装置が複雑となったり巨大化したりすることがない。
【００１０】
さらに、前記摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含むことがよい。
【００１１】
上記によれば、推定された接合ツールの温度が上限温度に達したときに、接合加工が強制終了されるので、接合ツールの過熱が未然に防止されて、接合ツールをその寿命を短縮させないように使用できる。また、接合ツールの過熱は、接合ツールの摩耗に起因するので、摩耗した接合ツールにより接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００１２】
或いは、前記摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させるステップとを、更に含むことがよい。
【００１３】
上記によれば、接合ツールが上限温度を超えないように、接合加工の加工条件が調整されるので、接合ツールの過熱が未然に防止されて、接合ツールをその寿命を短縮させないように使用できる。
【００１４】
また、前記摩擦攪拌接合装置において、前記記録手段は、接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測し、前記制御手段は、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測するステップと、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含むことがよい。
【００１５】
上記において、ピーク温度到達時間が正常値の範囲から外れるとき（特に、短いとき）は、接合ツールの摩耗により没入が早まることが想定される。このようなときに、接合加工が強制終了されることで、接合ツールの過熱が未然に防止され、さらに、摩耗した接合ツールにより接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００１６】
また、前記摩擦攪拌接合装置において、前記被検出点は、前記接合ツールの回転軸の延長線上に配置されていることがよい。さらに、前記摩擦攪拌接合装置において、前記被検出点は、前記裏当て部材の内部であって前記裏当て部材の前記被接合物と当接する面から０．３〜０．５ｍｍ離れたところに位置していることがよい。これにより、温度検出手段と接合ツールとを直接干渉させることがなく、且つ、温度検出手段で接合ツールの温度の変化をより精確に捉えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、摩擦攪拌接合において、接合時に接合ツールの裏当て部材に備えた温度検出手段で検出した温度から推定された接合ツールの温度を記録して、接合ツールの温度変化を監視することができる。接合ツールの温度変化を監視することにより、接合ツールの温度状況を知って、接合ツールの過熱を防止するための処置をとることができ、ひいては、接合不良の発生防止を図ることができる。さらに、得られた接合ツールの温度変化に関する情報を被接合物の各接合点の品質を保証するために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置の全体的な概略構成を示した図である。
【図２】接合時の接合ツールと支持具との様子を示す一部断面図である。
【図３】接合時の接合ツールのピン部と裏当て部材の裏当て部との温度の関係を示す図表である。
【図４】制御装置の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図５】接合時の接合ツールのピン部の温度の時間変化を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
【００２０】
（摩擦攪拌接合装置１の構成）
図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置１は、軸周りに回転する接合ツール４を備えており、この接合ツール４を被接合物２の被接合部３に回転させながら押し付けて、被接合部３及びその周辺を摩擦熱によって軟化させ、軟化した被接合部３へ接合ツール４の一部を没入させ、接合ツール４の回転により軟化した被接合部３及びその周辺を攪拌して塑性流動させるように構成されている。この被接合部３が冷却されて硬化すると、被接合物２の被接合部３は固相接合された接合部となる。なお、被接合物２は、摩擦攪拌接合により接合可能な材料からなる複数の物であって、本実施の形態において、被接合物２は重ね合わされた２枚の鋼板２ａ，２ｂである。
【００２１】
摩擦攪拌接合装置１は、基体１２と、基体１２に対して軸線Ｌ１方向に往復移動可能に設けられた移動体１５と、移動体１５の下端部に設けられたツール保持体１６と、ツール保持体１６の下端部に回転可能に設けられた回転ロッド１７と、回転ロッド１７に着脱可能に設けられた接合ツール４とを備えている。接合ツール４は、例えば、窒化ケイ素などの硬質セラミックスで構成されている。接合ツール４は、回転ロッド１７に対して着脱可能に取り付けられており、接合ツール４が摩耗したときには、新しい接合ツール４と交換できるようになっている。なお、この接合ツール４に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を、摩擦攪拌接合装置１に備えることもできる。
【００２２】
摩擦攪拌接合装置１は、被接合物２の被接合部３に対して接合ツール４を接合加工に好適な位置へ移動させるために、例えば、多関節ロボット７のロボットアーム８の手首９に取り付けて使用される。摩擦攪拌接合装置１は、この装置を多関節ロボット７のロボットアーム８の手首９に着脱可能に取り付けるための接続フレーム１１と、支持台２０を下端部に設けた屈曲アーム１９とを、基体１２に固定して備えている。屈曲アーム１９は略Ｌ字状に屈曲した形状を有し、その上端部は基体１２に固定され、その下端部は接合ツール４の下方まで持ち出されて、そこに支持台２０が設けられている。支持台２０は、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に裏当て部材２１を備えている。
【００２３】
また、摩擦攪拌接合装置１は、基体１２に内装されて移動体１５を軸線Ｌ１方向に往復移動させる直線移動駆動部１３（移動手段）と、移動体１５に内装されて回転ロッド１７を軸線Ｌ２を回転軸としてこの軸線Ｌ２まわりに回転させる回転駆動部１４（回転駆動手段）とを、備えている。なお、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とは、略平行の関係にある。直線移動駆動部１３は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を軸線Ｌ１に沿う直線移動力として移動体１５へ伝達する動力伝達手段とを、備えている。一方、回転駆動部１４は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を軸線Ｌ２まわりの回転として回転ロッド１７へ伝達する回転用動力伝達手段とを、備えている。
【００２４】
さらに、摩擦攪拌接合装置１は、多関節ロボット７、直線移動駆動部１３及び回転駆動部１４に電気的に接続されてこれらの動作を制御する制御手段として機能する制御装置２２を備えている。後述するが、この制御装置２２は、摩擦攪拌接合装置１の動作を制御する制御手段として機能するだけでなく、接合ツール４の温度状況を記録する記録手段としても機能する。
【００２５】
制御装置２２は、動作プログラムが記憶された記憶部、演算部、制御部、及び入出力部などを備えている。そして、制御装置２２は、コンピュータ又はティーチングペンダントなどの図示しない入力装置から入力された指令に応答して、予め設定された動作プログラムを実行し、多関節ロボット７、直線移動駆動部１３、及び回転駆動部１４を所定の加工条件に従って制御して、裏当て部材２１上に供給された被接合物２を点接合するように構成されている。上記において所定の加工条件には、例えば、接合ツール４の回転速度、被接合部３への没入量、接合加工時間（没入時間）、及び押圧力などが含まれる。
【００２６】
ここで、裏当て部材２１について詳細に説明する。裏当て部材２１は、接合時に接合ツール４が回転しながら移動して被接合物２の被接合部３を押圧するときに、被接合部３の接合ツール４と反対側に当接して、接合ツール４から圧を受ける被接合物２を支持するものである。図２にも示すように、裏当て部材２１は、略円柱状の裏当て部３１と、裏当て部３１をその上部を露出させた状態で収容するホルダ部３２とで構成されている。なお、裏当て部材２１の少なくとも裏当て部３１は、窒化ケイ素等の硬質セラミックスで構成されている。裏当て部材２１において、裏当て部３１のホルダ部３２から露出した一端面は、接合ツール４のピン部４８と対峙するように配置され、この一端面が被接合物２の被接合部３と接触することとなる。以下では、裏当て部３１の被接合物２の被接合部３と接触する一端面を「上面」とし、この上面と反対側の端面を「底面」という。
【００２７】
裏当て部３１には、底面に開口する直径２．０ｍｍ程度の検出用穴３１ａが形成されている。検出用穴３１ａは、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に配置され、検出用穴３１ａの穴底は、裏当て部３１の上面から０．３〜０．５ｍｍ程度離れた場所に位置している。検出用穴３１ａの穴底には、例えば、アルミニウムなどの熱・電気の良導体から構成された均熱材３３が敷き詰められている。この均熱材３３には、熱電対３４の検出点３４ａが接続されている。このように、熱電対３４の検出点３４ａは、被接合部３や接合ツール４と直接接触して干渉しないように、裏当て部材２１内に配置されている。熱電対３４は、温度測定器３５に接続されており、この温度測定器３５は、電圧計を備えて熱電対３４の冷接点と検出点３４ａとに生じた熱起電力から検出点３４ａで検出した被検出点の温度を測定するように構成されている。つまり、この熱電対３４と、温度測定器３５とは、裏当て部材２１内の被検出点の温度を検出する温度検出手段として機能する。ここで、被検出点は、熱電対３４の検出点３４ａが接触している裏当て部材２１の検出用穴３１ａの穴底である。さらに、温度測定器３５は制御装置２２と電気的に接続されており、温度測定器３５で得られた温度情報を制御装置２２へ送信できるように構成されている。
【００２８】
上述のように、摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール４から圧を受ける被接合物２を支持する裏当て部材２１の裏当て部３１に温度検出手段の被検出点を備えて、接合ツール４の温度を間接的に検出できるようにしている。接合ツール４の温度は、それよりも低温の裏当て部材２１の裏当て部３１で間接的に検出されることから、例えば、クロメル−アルメル熱電対（Ｋ熱電対）程度の比較的安価で入手が容易な検出体を利用した温度検出手段を採用することが可能である。そして、熱電対３４の検出点３４ａは、接合ツール４の温度の変化をより精確に捉えるために、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に配置されるが、多少のずれが発生してもよいように、均熱材３３を備えて点よりも広い範囲で温度を検出できるようにしている。
【００２９】
また、回転する接合ツール４ではなく、基体１２に対して相対位置固定された裏当て部材２１の裏当て部３１に被検出点を設けることで、熱電対３４と温度測定器３５とを有線配線できるので配線構造が簡易となる。従って、熱電対３４と温度測定器３５とを摩擦攪拌接合装置１に付帯することによるボリュームや重量の著しい増加はない。さらに、裏当て部３１は接合ツール４と比較して交換頻度が低いので、装置のメンテナンスのたびに裏当て部材２１を解体して熱電対３４を配線し直すなどの煩雑な作業は不要である。
【００３０】
（摩擦攪拌接合装置１による接合加工の流れ）
ここで、上記構成の摩擦攪拌接合装置１による接合加工の流れを説明する。接合加工を行うに際して、接合される鋼板２ａ，２ｂの材質、板厚などに基づき、制御装置２２に加工条件が設定される。この加工条件には、接合ツール４の目標回転数、押圧力、最大押込み量などが含まれる。また、被接合物２は、その被接合部３が裏当て部材２１の裏当て部３１の上面と当接するように位置決めされる。
【００３１】
制御装置２２は、接合加工を開始すると、まず、回転駆動部１４に、回転ロッド１７と接合ツール４とを一体的に回転させる。接合ツール４の回転数が目標回転数となったところで、制御装置２２は、直線移動駆動部１３に、接合ツール４を、そのピン部４８が被接合物２の被接合部３に当接するまで軸線Ｌ１に沿って移動させる。これにより、被接合物２の被接合部３は、接合ツール４のピン部４８と裏当て部材２１の裏当て部３１とで挟み込まれて加圧されるとともに、回転するピン部４８との間で発生する摩擦熱により加熱される。やがて、被接合物２の被接合部３及びその周辺は、摩擦熱により軟化する。
【００３２】
そして、接合ツール４の回転及び押圧を更に継続すると、接合ツール４のピン部４８は、軟化した被接合部３に所定量だけ没入してその周りを攪拌する。これにより、被接合物２の被接合部３に塑性流動が生じる。制御装置２２は、所定の接合加工時間（ピン部４８の没入時間）が経過した後、回転駆動部１４に、接合ツール４を逆回転させ、直線移動駆動部１３に、接合ツール４を被接合物２の被接合部３から引き抜く方向へ移動させる。接合ツール４が被接合物２の被接合部３から引き抜かれると、被接合物２は冷却されて硬化し、被接合部３の接合が完了する。
【００３３】
上述した摩擦攪拌接合装置１による接合加工中に、摩擦攪拌接合装置１では、所定のプログラムを実行することにより接合ツール４の記録手段として機能する制御装置２２により接合ツール４の温度変化が記録されて監視されている。なお、本実施の形態では、制御装置２２は、制御手段及び記録手段としての機能を併せ持っているが、これらはそれぞれ独立した装置として構成することもできる。
【００３４】
図３は接合時の接合ツールのピン部と裏当て部材の裏当て部との温度の関係を示す図表であって、縦軸に温度をとり横軸に接合加工時間をとり、接合ツール４のピン部４８の温度を菱形印で、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度を四角形印でそれぞれ示している。なお、この図表は、実験により、接合時に被接合物２の被接合部３から接合ツール４のピン部４８を抜き出した直後のピン部４８の温度と、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度とを、放射温度計で計測して得られたデータで作成されている。図３に示されるように、接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度とは、相関関係を有していることから、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度を検出することにより、接合時の接合ツール４のピン部４８の温度を推定できることがわかる。この接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度との相関関係は、被接合物２ごとに実験やシミュレーション等により求められて、式又はテーブルとして制御装置２２に予め利用可能に格納されている。
【００３５】
図４は制御装置の処理の流れを説明するフローチャートである。図４に示すように、記録手段として機能する制御装置２２は、接合加工中に、熱電対３４及び温度測定器３５で検出された温度情報、即ち、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度情報を取得して（ステップＳ１）、接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度との相関関係に基づいて、推定された接合ツール４の温度を演算により算出し（ステップＳ２）、これを記録する（ステップＳ３）。記録された各接合点における推定された接合ツール４の温度は、被接合物２の各接合点の保証のために利用することができる。
【００３６】
さらに、以下に示すように、記録手段として機能する制御装置２２は、接合時に所定時間ごとに推定された接合ツール４の温度を取得して記録し、これを時系列に並べて、接合ツール４の温度変化を監視する。
【００３７】
接合加工中の接合ツール４の温度は摩擦により上昇するが、その温度が異常なまで上昇すると接合ツール４は過熱によって寿命が短縮化されるので、接合ツール４の交換頻度が高くなり、経済的ではない。そこで、制御装置２２は、推定された接合ツール４の温度と所定の上限温度とを比較し（ステップＳ４）、推定された接合ツール４の温度が所定の上限温度に到達すると（ステップＳ５のＹＥＳ）、警告を発するとともに（ステップＳ６）、接合ツール４を過熱させないための所定の処置を実行する（ステップＳ７）ように構成されている。なお、所定の上限温度は、接合ツール４に応じて適宜定められて制御装置２２に予め利用可能に格納されている。例えば、本実施の形態に係る接合ツール４は、窒化ケイ素を含んで構成されているので、接合ツール４の寿命を無駄に低下させることのない上限温度は約８５０℃に設定されている。
【００３８】
上記において、接合ツール４を過熱させないための所定の処置とは、例えば、接合加工を強制的に終了させる処置、又は、加工条件を適宜調整する処置のいずれか一方のことであり、制御手段として機能する制御装置２２によって行われる。加工条件を適宜調整する処置には、例えば、直線移動駆動部１３の出力を調整して押圧力を加減する処置、回転駆動部１４の出力を調整して接合ツール４の回転速度（回転数）を加減する処置、及び接合加工時間（接合ツール４の没入時間）を加減する処置のいずれか一つ又は複数の組み合わせが含まれる。
【００３９】
このように、推定された接合ツール４の温度が上限温度に達したときに、接合加工が強制終了される或いは接合ツール４が上限温度を超えないように接合加工の加工条件が調整されるので、接合ツール４の過熱が未然に防止されて、接合ツール４をその寿命を短縮させないように使用することができる。さらに、接合ツール４の過熱は、接合ツール４の摩耗による摩擦面積増大に起因するので、摩耗した接合ツール４により接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００４０】
一方で、接合ツール４のピン部４８が摩耗すると、接合加工により得られた被接合物２の接合部の接合強度が十分でないことがあり、従って、接合ツール４が許容できないまでに摩耗したときには、接合ツール４を交換せねばならない。
【００４１】
図５は接合時の接合ツールの温度の時間変化を示す図表であって、縦軸に接合ツールの温度をとり横軸に接合加工時間をとり、摩擦が正常時の接合ツールの温度変化を実線で示し、摩擦か過剰時の接合ツールの温度変化を二点鎖線で示している。図５に示されるように、接合ツール４が摩耗して摩擦面積が過剰に増大している場合には、摩擦が正常であるときと比較して早い接合加工時間で、所定のピーク温度に到達する。この特徴を利用して、制御装置２２は、接合時に推定された接合ツール４の温度が所定のピーク温度に達するピーク温度到達時間を測定し、このピーク温度到達時間が所定の正常値の範囲から外れるときには、警告を発するとともに、接合加工を強制的に終了させる処置を採るように構成されている。
【００４２】
このように、ピーク温度到達時間が正常値の範囲から外れるとき（特に、短いとき）は、接合ツール４の摩耗により接合ツール４の被接合部３への没入が早まることが想定されるので、接合加工が強制終了されることで、接合ツール４の過熱が未然に防止され、さらに、摩耗した接合ツール４により接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００４３】
（その他の実施形態）
なお、上記実施形態では、摩擦攪拌接合装置１を、重ね合わせた２枚の鋼板２ａ，２ｂをスポット接合するために用いているが、これに限らず、被接合物２は、重ね合わせた２枚の鋼板２ａ，２ｂに限定されず、被接合物２を重ね合わせた３枚以上の鋼板としてもよい。さらに、この摩擦攪拌接合装置１はスポット接合に限らず、例えば、２枚の鋼板をつきあわせて接合する場合にも適用させることができる。この場合、線状に延びる接合部分を裏当て部材２１で裏当てし、この裏当て部材２１の全長にわたって温度計測可能に温度検出手段を設けて、この温度検出手段で間接的に検出された接合ツール４の温度に基づいて接合ツール４の制御を行うようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、特に、一般構造用鋼材、建築用構造用鋼材、及び軌道車両や自動車などの車両用鋼板などの鉄鋼材料からなる被接合物を接合するために好適な摩擦攪拌接合装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 摩擦攪拌接合装置
２ 被接合物
３ 被接合部
４ 接合ツール
４６ 装着部
４７ ショルダ部
４８ ピン部（突起部）
１１ 接続フレーム
１２ 基体
１３ 直線移動駆動部（移動手段）
１４ 回転駆動部（回転駆動手段）
１５ 移動体
１６ ツール保持体
１７ 回転ロッド
２０ 支持台
２１ 裏当て部材
２２ 制御装置（制御手段、記録手段）
３１ 裏当て部
３１ａ 検出用穴
３２ ホルダ部
３３ 均熱材
３４ 熱電対（温度検出手段）
３５ 温度測定器（温度検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の鋼製部材を接合するための摩擦攪拌接合装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の鋼製部材を接合する方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ；Friction Stir Welding）が知られている。この摩擦攪拌接合は、接合ツールの先端に設けられた突起部を、接合させる部材の被接合部に回転させながら押し付けることによって、被接合部周辺を摩擦熱で軟化させることと、被接合部周辺の軟化した部分を攪拌して塑性流動させることと、被接合部を接合ツールから離して冷却させることとを行って、複数の鋼製部材を接合する方法である。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２では、上記摩擦攪拌接合を利用してスポット接合を行う装置又は方法が開示されている。特許文献１では、被接合部に接合ツールを没入させる前にレーザー光で被接合部を軟化させて、接合ツールの突起部の摩耗を低減する摩擦攪拌装置が開示されている。また、特許文献２では、接合中の被接合部の温度に応じて接合ツールの動作制御を行って、複数の鋼製部材の被接合部が冷却時にマルテンサイト組織になることを抑制する摩擦攪拌接合方法が開示されている。この接合方法では、被接合部を介して接合ツールと反対側に配置されて接合ツールからの圧を受ける受け部材に、被接合部の温度を計測する温度センサを備えて、この温度センサで検出された被接合部の温度が金属組織がオーステナイトに変態するＡ３変態点以上になると、接合ツールの回転速度や押圧力などの加工条件を調整し、調整後、被接合部の温度が共析温度であるＡ１変態点以下になると、接合ツールを被接合部から引き抜くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２１２１７号公報
【特許文献２】特開２００８−７３６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
摩擦攪拌接合において、接合加工中に接合ツール（特に、突起部）が摩耗することにより、接合ツールの被接合部への没入が早まって、接合ツールが過剰に温度上昇することがある。接合ツールの温度が過剰に上昇すると、接合ツール自身の寿命が低下し、接合ツールの交換頻度が高くなり経済的ではない。また、摩耗しすぎた接合ツールを用いて接合加工を行うと、接合不良が生じることがある。このような不具合を解消するために、接合加工中の接合ツールの温度状況を管理することが望ましい。ところが、従来の摩擦攪拌接合装置において接合ツールの温度を直接的に検出するためには、接合ツールが回転することから、接合ツールに備えた温度検出手段と計測装置本体との間に高価な遠隔測定システムを構築する必要が生じる。さらに、摩擦攪拌接合装置の接合ツールは定期的に交換されるが、このようなメンテナンスのたびに接合ツールに備えた温度検出手段を付けたり外したりする作業を行わねばならない。また、特許文献２に記載されているように、接合ツールからの圧を受ける受け部材に被接合部の温度を計測する温度センサを設けて被接合部の温度を検出する構成とすれば、前述したような接合ツールに温度検出手段を設ける場合に生じる課題は発生しない。しかし、一般に接合時の被接合部の温度は接合ツールの温度よりも低く、この被接合部の温度がＡ３変態点（約９００℃）となれば接合ツールの実際の温度は１２００℃を超えていることが想定され、特許文献２に記載された摩擦接合方法では接合ツールの寿命の低下に繋がるおそれがある。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、接合ツールを備えて被接合物の摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合装置及びその管理方法であって、接合ツールの寿命を無駄に低下させることのないように接合時に接合ツールの温度を監視するもの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】
【０００７】
本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、先端に被接合物の被接合部と接触する突起部を有する接合ツールと、前記接合ツールを軸周りに回転させる回転駆動手段と、前記接合ツールを軸線方向に移動させる移動手段と、前記接合ツールが回転しながら移動して前記被接合物の被接合部を押圧する接合時に、前記被接合部の前記接合ツールと反対側に当接して前記被接合物を支持する裏当て部材と、予め設定された加工条件に基づいて前記回転駆動手段及び前記移動手段の動作を制御する制御手段と、前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出する温度検出手段と、前記被検出点の温度を取得し、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度との相関関係に基づいて前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録する記録手段とを、備えているものである。
【０００８】
同じく、本発明に係る摩擦攪拌接合方法は、裏当て部材で支持された被接合物の被接合部を、軸周りに回転する接合ツールで押圧することにより、発生した摩擦熱で前記被接合部を軟化させ、この軟化した部分に前記接合ツールの少なくとも一部を没入させて攪拌することにより、前記被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出するステップと、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度の相関関係に基づいて、検出された前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録するステップとを、含むものである。
【０００９】
上記によれば、接合時に接合ツールの裏当て部材に備えた温度検出手段で検出した温度から推定された接合ツールの温度を得て記録し、これを時系列に並べて分析することにより、接合ツールの温度状況を監視することができる。接合ツールの温度を監視することにより、接合ツールの過熱を知って、これを防止するための処置をとることが可能となる。さらに、接合時の接合ツールの温度の記録は、被接合物の各接合点の品質保証のために利用することができる。そして、接合ツールの温度を間接的に検出する温度検出手段は、回転する接合ツールではなく裏当て部材に設けられているので、装置における温度検出手段の配線が簡易であり、装置が複雑となったり巨大化したりすることがない。
【００１０】
さらに、前記摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含むことがよい。
【００１１】
上記によれば、推定された接合ツールの温度が上限温度に達したときに、接合加工が強制終了されるので、接合ツールの過熱が未然に防止されて、接合ツールをその寿命を短縮させないように使用できる。また、接合ツールの過熱は、接合ツールの摩耗に起因するので、摩耗した接合ツールにより接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００１２】
或いは、前記摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させるステップとを、更に含むことがよい。
【００１３】
上記によれば、接合ツールが上限温度を超えないように、接合加工の加工条件が調整されるので、接合ツールの過熱が未然に防止されて、接合ツールをその寿命を短縮させないように使用できる。
【００１４】
また、前記摩擦攪拌接合装置において、前記記録手段は、接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測し、前記制御手段は、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了させることがよい。同じく、前記摩擦攪拌接合方法において、接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測するステップと、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含むことがよい。
【００１５】
上記において、ピーク温度到達時間が正常値の範囲から外れるとき（特に、短いとき）は、接合ツールの摩耗により没入が早まることが想定される。このようなときに、接合加工が強制終了されることで、接合ツールの過熱が未然に防止され、さらに、摩耗した接合ツールにより接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００１６】
また、前記摩擦攪拌接合装置において、前記被検出点は、前記接合ツールの回転軸の延長線上に配置されていることがよい。さらに、前記摩擦攪拌接合装置において、前記被検出点は、前記裏当て部材の内部であって前記裏当て部材の前記被接合物と当接する面から０．３〜０．５ｍｍ離れたところに位置していることがよい。これにより、温度検出手段と接合ツールとを直接干渉させることがなく、且つ、温度検出手段で接合ツールの温度の変化をより精確に捉えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、摩擦攪拌接合において、接合時に接合ツールの裏当て部材に備えた温度検出手段で検出した温度から推定された接合ツールの温度を記録して、接合ツールの温度変化を監視することができる。接合ツールの温度変化を監視することにより、接合ツールの温度状況を知って、接合ツールの過熱を防止するための処置をとることができ、ひいては、接合不良の発生防止を図ることができる。さらに、得られた接合ツールの温度変化に関する情報を被接合物の各接合点の品質を保証するために用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置の全体的な概略構成を示した図である。
【図２】接合時の接合ツールと支持具との様子を示す一部断面図である。
【図３】接合時の接合ツールのピン部と裏当て部材の裏当て部との温度の関係を示す図表である。
【図４】制御装置の処理の流れを説明するフローチャートである。
【図５】接合時の接合ツールのピン部の温度の時間変化を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
【００２０】
（摩擦攪拌接合装置１の構成）
図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置１は、軸周りに回転する接合ツール４を備えており、この接合ツール４を被接合物２の被接合部３に回転させながら押し付けて、被接合部３及びその周辺を摩擦熱によって軟化させ、軟化した被接合部３へ接合ツール４の一部を没入させ、接合ツール４の回転により軟化した被接合部３及びその周辺を攪拌して塑性流動させるように構成されている。この被接合部３が冷却されて硬化すると、被接合物２の被接合部３は固相接合された接合部となる。なお、被接合物２は、摩擦攪拌接合により接合可能な材料からなる複数の物であって、本実施の形態において、被接合物２は重ね合わされた２枚の鋼板２ａ，２ｂである。
【００２１】
摩擦攪拌接合装置１は、基体１２と、基体１２に対して軸線Ｌ１方向に往復移動可能に設けられた移動体１５と、移動体１５の下端部に設けられたツール保持体１６と、ツール保持体１６の下端部に回転可能に設けられた回転ロッド１７と、回転ロッド１７に着脱可能に設けられた接合ツール４とを備えている。接合ツール４は、例えば、窒化ケイ素などの硬質セラミックスで構成されている。接合ツール４は、回転ロッド１７に対して着脱可能に取り付けられており、接合ツール４が摩耗したときには、新しい接合ツール４と交換できるようになっている。なお、この接合ツール４に向けて不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を、摩擦攪拌接合装置１に備えることもできる。
【００２２】
摩擦攪拌接合装置１は、被接合物２の被接合部３に対して接合ツール４を接合加工に好適な位置へ移動させるために、例えば、多関節ロボット７のロボットアーム８の手首９に取り付けて使用される。摩擦攪拌接合装置１は、この装置を多関節ロボット７のロボットアーム８の手首９に着脱可能に取り付けるための接続フレーム１１と、支持台２０を下端部に設けた屈曲アーム１９とを、基体１２に固定して備えている。屈曲アーム１９は略Ｌ字状に屈曲した形状を有し、その上端部は基体１２に固定され、その下端部は接合ツール４の下方まで持ち出されて、そこに支持台２０が設けられている。支持台２０は、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に裏当て部材２１を備えている。
【００２３】
また、摩擦攪拌接合装置１は、基体１２に内装されて移動体１５を軸線Ｌ１方向に往復移動させる直線移動駆動部１３（移動手段）と、移動体１５に内装されて回転ロッド１７を軸線Ｌ２を回転軸としてこの軸線Ｌ２まわりに回転させる回転駆動部１４（回転駆動手段）とを、備えている。なお、軸線Ｌ１と軸線Ｌ２とは、略平行の関係にある。直線移動駆動部１３は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を軸線Ｌ１に沿う直線移動力として移動体１５へ伝達する動力伝達手段とを、備えている。一方、回転駆動部１４は、サーボモータと、このサーボモータの回転力を軸線Ｌ２まわりの回転として回転ロッド１７へ伝達する回転用動力伝達手段とを、備えている。
【００２４】
さらに、摩擦攪拌接合装置１は、多関節ロボット７、直線移動駆動部１３及び回転駆動部１４に電気的に接続されてこれらの動作を制御する制御手段として機能する制御装置２２を備えている。後述するが、この制御装置２２は、摩擦攪拌接合装置１の動作を制御する制御手段として機能するだけでなく、接合ツール４の温度状況を記録する記録手段としても機能する。
【００２５】
制御装置２２は、動作プログラムが記憶された記憶部、演算部、制御部、及び入出力部などを備えている。そして、制御装置２２は、コンピュータ又はティーチングペンダントなどの図示しない入力装置から入力された指令に応答して、予め設定された動作プログラムを実行し、多関節ロボット７、直線移動駆動部１３、及び回転駆動部１４を所定の加工条件に従って制御して、裏当て部材２１上に供給された被接合物２を点接合するように構成されている。上記において所定の加工条件には、例えば、接合ツール４の回転速度、被接合部３への没入量、接合加工時間（没入時間）、及び押圧力などが含まれる。
【００２６】
ここで、裏当て部材２１について詳細に説明する。裏当て部材２１は、接合時に接合ツール４が回転しながら移動して被接合物２の被接合部３を押圧するときに、被接合部３の接合ツール４と反対側に当接して、接合ツール４から圧を受ける被接合物２を支持するものである。図２にも示すように、裏当て部材２１は、略円柱状の裏当て部３１と、裏当て部３１をその上部を露出させた状態で収容するホルダ部３２とで構成されている。なお、裏当て部材２１の少なくとも裏当て部３１は、窒化ケイ素等の硬質セラミックスで構成されている。裏当て部材２１において、裏当て部３１のホルダ部３２から露出した一端面は、接合ツール４のピン部４８と対峙するように配置され、この一端面が被接合物２の被接合部３と接触することとなる。以下では、裏当て部３１の被接合物２の被接合部３と接触する一端面を「上面」とし、この上面と反対側の端面を「底面」という。
【００２７】
裏当て部３１には、底面に開口する直径２．０ｍｍ程度の検出用穴３１ａが形成されている。検出用穴３１ａは、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に配置され、検出用穴３１ａの穴底は、裏当て部３１の上面から０．３〜０．５ｍｍ程度離れた場所に位置している。検出用穴３１ａの穴底には、例えば、アルミニウムなどの熱・電気の良導体から構成された均熱材３３が敷き詰められている。この均熱材３３には、熱電対３４の検出点３４ａが接続されている。このように、熱電対３４の検出点３４ａは、被接合部３や接合ツール４と直接接触して干渉しないように、裏当て部材２１内に配置されている。熱電対３４は、温度測定器３５に接続されており、この温度測定器３５は、電圧計を備えて熱電対３４の冷接点と検出点３４ａとに生じた熱起電力から検出点３４ａで検出した被検出点の温度を測定するように構成されている。つまり、この熱電対３４と、温度測定器３５とは、裏当て部材２１内の被検出点の温度を検出する温度検出手段として機能する。ここで、被検出点は、熱電対３４の検出点３４ａが接触している裏当て部材２１の検出用穴３１ａの穴底である。さらに、温度測定器３５は制御装置２２と電気的に接続されており、温度測定器３５で得られた温度情報を制御装置２２へ送信できるように構成されている。
【００２８】
上述のように、摩擦攪拌接合装置１は、接合ツール４から圧を受ける被接合物２を支持する裏当て部材２１の裏当て部３１に温度検出手段の被検出点を備えて、接合ツール４の温度を間接的に検出できるようにしている。接合ツール４の温度は、それよりも低温の裏当て部材２１の裏当て部３１で間接的に検出されることから、例えば、クロメル−アルメル熱電対（Ｋ熱電対）程度の比較的安価で入手が容易な検出体を利用した温度検出手段を採用することが可能である。そして、熱電対３４の検出点３４ａは、接合ツール４の温度の変化をより精確に捉えるために、接合ツール４の回転軸（軸線Ｌ２）の延長線上に配置されるが、多少のずれが発生してもよいように、均熱材３３を備えて点よりも広い範囲で温度を検出できるようにしている。
【００２９】
また、回転する接合ツール４ではなく、基体１２に対して相対位置固定された裏当て部材２１の裏当て部３１に被検出点を設けることで、熱電対３４と温度測定器３５とを有線配線できるので配線構造が簡易となる。従って、熱電対３４と温度測定器３５とを摩擦攪拌接合装置１に付帯することによるボリュームや重量の著しい増加はない。さらに、裏当て部３１は接合ツール４と比較して交換頻度が低いので、装置のメンテナンスのたびに裏当て部材２１を解体して熱電対３４を配線し直すなどの煩雑な作業は不要である。
【００３０】
（摩擦攪拌接合装置１による接合加工の流れ）
ここで、上記構成の摩擦攪拌接合装置１による接合加工の流れを説明する。接合加工を行うに際して、接合される鋼板２ａ，２ｂの材質、板厚などに基づき、制御装置２２に加工条件が設定される。この加工条件には、接合ツール４の目標回転数、押圧力、最大押込み量などが含まれる。また、被接合物２は、その被接合部３が裏当て部材２１の裏当て部３１の上面と当接するように位置決めされる。
【００３１】
制御装置２２は、接合加工を開始すると、まず、回転駆動部１４に、回転ロッド１７と接合ツール４とを一体的に回転させる。接合ツール４の回転数が目標回転数となったところで、制御装置２２は、直線移動駆動部１３に、接合ツール４を、そのピン部４８が被接合物２の被接合部３に当接するまで軸線Ｌ１に沿って移動させる。これにより、被接合物２の被接合部３は、接合ツール４のピン部４８と裏当て部材２１の裏当て部３１とで挟み込まれて加圧されるとともに、回転するピン部４８との間で発生する摩擦熱により加熱される。やがて、被接合物２の被接合部３及びその周辺は、摩擦熱により軟化する。
【００３２】
そして、接合ツール４の回転及び押圧を更に継続すると、接合ツール４のピン部４８は、軟化した被接合部３に所定量だけ没入してその周りを攪拌する。これにより、被接合物２の被接合部３に塑性流動が生じる。制御装置２２は、所定の接合加工時間（ピン部４８の没入時間）が経過した後、回転駆動部１４に、接合ツール４を逆回転させ、直線移動駆動部１３に、接合ツール４を被接合物２の被接合部３から引き抜く方向へ移動させる。接合ツール４が被接合物２の被接合部３から引き抜かれると、被接合物２は冷却されて硬化し、被接合部３の接合が完了する。
【００３３】
上述した摩擦攪拌接合装置１による接合加工中に、摩擦攪拌接合装置１では、所定のプログラムを実行することにより接合ツール４の記録手段として機能する制御装置２２により接合ツール４の温度変化が記録されて監視されている。なお、本実施の形態では、制御装置２２は、制御手段及び記録手段としての機能を併せ持っているが、これらはそれぞれ独立した装置として構成することもできる。
【００３４】
図３は接合時の接合ツールのピン部と裏当て部材の裏当て部との温度の関係を示す図表であって、縦軸に温度をとり横軸に接合加工時間をとり、接合ツール４のピン部４８の温度を菱形印で、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度を四角形印でそれぞれ示している。なお、この図表は、実験により、接合時に被接合物２の被接合部３から接合ツール４のピン部４８を抜き出した直後のピン部４８の温度と、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度とを、放射温度計で計測して得られたデータで作成されている。図３に示されるように、接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度とは、相関関係を有していることから、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度を検出することにより、接合時の接合ツール４のピン部４８の温度を推定できることがわかる。この接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度との相関関係は、被接合物２ごとに実験やシミュレーション等により求められて、式又はテーブルとして制御装置２２に予め利用可能に格納されている。
【００３５】
図４は制御装置の処理の流れを説明するフローチャートである。図４に示すように、記録手段として機能する制御装置２２は、接合加工中に、熱電対３４及び温度測定器３５で検出された温度情報、即ち、裏当て部材２１の裏当て部３１の温度情報を取得して（ステップＳ１）、接合ツール４のピン部４８の温度と裏当て部材２１の裏当て部３１の温度との相関関係に基づいて、推定された接合ツール４の温度を演算により算出し（ステップＳ２）、これを記録する（ステップＳ３）。記録された各接合点における推定された接合ツール４の温度は、被接合物２の各接合点の保証のために利用することができる。
【００３６】
さらに、以下に示すように、記録手段として機能する制御装置２２は、接合時に所定時間ごとに推定された接合ツール４の温度を取得して記録し、これを時系列に並べて、接合ツール４の温度変化を監視する。
【００３７】
接合加工中の接合ツール４の温度は摩擦により上昇するが、その温度が異常なまで上昇すると接合ツール４は過熱によって寿命が短縮化されるので、接合ツール４の交換頻度が高くなり、経済的ではない。そこで、制御装置２２は、推定された接合ツール４の温度と所定の上限温度とを比較し（ステップＳ４）、推定された接合ツール４の温度が所定の上限温度に到達すると（ステップＳ５のＹＥＳ）、警告を発するとともに（ステップＳ６）、接合ツール４を過熱させないための所定の処置を実行する（ステップＳ７）ように構成されている。なお、所定の上限温度は、接合ツール４に応じて適宜定められて制御装置２２に予め利用可能に格納されている。例えば、本実施の形態に係る接合ツール４は、窒化ケイ素を含んで構成されているので、接合ツール４の寿命を無駄に低下させることのない上限温度は約８５０℃に設定されている。
【００３８】
上記において、接合ツール４を過熱させないための所定の処置とは、例えば、接合加工を強制的に終了させる処置、又は、加工条件を適宜調整する処置のいずれか一方のことであり、制御手段として機能する制御装置２２によって行われる。加工条件を適宜調整する処置には、例えば、直線移動駆動部１３の出力を調整して押圧力を加減する処置、回転駆動部１４の出力を調整して接合ツール４の回転速度（回転数）を加減する処置、及び接合加工時間（接合ツール４の没入時間）を加減する処置のいずれか一つ又は複数の組み合わせが含まれる。
【００３９】
このように、推定された接合ツール４の温度が上限温度に達したときに、接合加工が強制終了される或いは接合ツール４が上限温度を超えないように接合加工の加工条件が調整されるので、接合ツール４の過熱が未然に防止されて、接合ツール４をその寿命を短縮させないように使用することができる。さらに、接合ツール４の過熱は、接合ツール４の摩耗による摩擦面積増大に起因するので、摩耗した接合ツール４により接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００４０】
一方で、接合ツール４のピン部４８が摩耗すると、接合加工により得られた被接合物２の接合部の接合強度が十分でないことがあり、従って、接合ツール４が許容できないまでに摩耗したときには、接合ツール４を交換せねばならない。
【００４１】
図５は接合時の接合ツールの温度の時間変化を示す図表であって、縦軸に接合ツールの温度をとり横軸に接合加工時間をとり、摩擦が正常時の接合ツールの温度変化を実線で示し、摩擦か過剰時の接合ツールの温度変化を二点鎖線で示している。図５に示されるように、接合ツール４が摩耗して摩擦面積が過剰に増大している場合には、摩擦が正常であるときと比較して早い接合加工時間で、所定のピーク温度に到達する。この特徴を利用して、制御装置２２は、接合時に推定された接合ツール４の温度が所定のピーク温度に達するピーク温度到達時間を測定し、このピーク温度到達時間が所定の正常値の範囲から外れるときには、警告を発するとともに、接合加工を強制的に終了させる処置を採るように構成されている。
【００４２】
このように、ピーク温度到達時間が正常値の範囲から外れるとき（特に、短いとき）は、接合ツール４の摩耗により接合ツール４の被接合部３への没入が早まることが想定されるので、接合加工が強制終了されることで、接合ツール４の過熱が未然に防止され、さらに、摩耗した接合ツール４により接合加工が行われて接合不良が生じることを防止できる。
【００４３】
（その他の実施形態）
なお、上記実施形態では、摩擦攪拌接合装置１を、重ね合わせた２枚の鋼板２ａ，２ｂをスポット接合するために用いているが、これに限らず、被接合物２は、重ね合わせた２枚の鋼板２ａ，２ｂに限定されず、被接合物２を重ね合わせた３枚以上の鋼板としてもよい。さらに、この摩擦攪拌接合装置１はスポット接合に限らず、例えば、２枚の鋼板をつきあわせて接合する場合にも適用させることができる。この場合、線状に延びる接合部分を裏当て部材２１で裏当てし、この裏当て部材２１の全長にわたって温度計測可能に温度検出手段を設けて、この温度検出手段で間接的に検出された接合ツール４の温度に基づいて接合ツール４の制御を行うようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、特に、一般構造用鋼材、建築用構造用鋼材、及び軌道車両や自動車などの車両用鋼板などの鉄鋼材料からなる被接合物を接合するために好適な摩擦攪拌接合装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 摩擦攪拌接合装置
２ 被接合物
３ 被接合部
４ 接合ツール
４６ 装着部
４７ ショルダ部
４８ ピン部（突起部）
１１ 接続フレーム
１２ 基体
１３ 直線移動駆動部（移動手段）
１４ 回転駆動部（回転駆動手段）
１５ 移動体
１６ ツール保持体
１７ 回転ロッド
２０ 支持台
２１ 裏当て部材
２２ 制御装置（制御手段、記録手段）
３１ 裏当て部
３１ａ 検出用穴
３２ ホルダ部
３３ 均熱材
３４ 熱電対（温度検出手段）
３５ 温度測定器（温度検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に被接合物の被接合部と接触する突起部を有する接合ツールと、
前記接合ツールを軸周りに回転させる回転駆動手段と、
前記接合ツールを軸線方向に移動させる移動手段と、
前記接合ツールが回転しながら移動して前記被接合物の被接合部を押圧する接合時に、前記被接合部の前記接合ツールと反対側に当接して前記被接合物を支持する裏当て部材と、
予め設定された加工条件に基づいて前記回転駆動手段及び前記移動手段の動作を制御する制御手段と、
前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出する温度検出手段と、
前記被検出点の温度を取得し、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度との相関関係に基づいて前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録する記録手段とを、備えていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記記録手段は、接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測し、
前記制御手段は、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記被検出点は、前記接合ツールの回転軸の延長線上に配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
前記被検出点は、前記裏当て部材の内部であって前記裏当て部材の前記被接合物と当接する面から０．３〜０．５ｍｍ離れたところに位置している、請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
裏当て部材で支持された被接合物の被接合部を、軸周りに回転する接合ツールで押圧することにより、発生した摩擦熱で前記被接合部を軟化させ、この軟化した部分に前記接合ツールの少なくとも一部を没入させて攪拌することにより、前記被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出するステップと、
予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度の相関関係に基づいて、検出された前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録するステップとを、含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、
前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、
前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させるステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測するステップと、
前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】
先端に被接合物の被接合部と接触する突起部を有する接合ツールと、
前記接合ツールを軸周りに回転させる回転駆動手段と、
前記接合ツールを軸線方向に移動させる移動手段と、
前記接合ツールが回転しながら移動して前記被接合物の被接合部を押圧する接合時に、前記被接合部の前記接合ツールと反対側に当接して前記被接合物を支持する裏当て部材と、
予め設定された加工条件に基づいて前記回転駆動手段及び前記移動手段の動作を制御する制御手段と、
前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出する温度検出手段と、
前記被検出点の温度を取得し、予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度との相関関係に基づいて前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録する記録手段とを、備えていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記推定された接合ツールの温度が予め設定された上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記記録手段は、接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測し、
前記制御手段は、前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了させる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
前記被検出点は、前記接合ツールの回転軸の延長線上に配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】
前記被検出点は、前記裏当て部材の内部であって前記裏当て部材の前記被接合物と当接する面から０．３〜０．５ｍｍ離れたところに位置している、請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項７】
裏当て部材で支持された被接合物の被接合部を、軸周りに回転する接合ツールで押圧することにより、発生した摩擦熱で前記被接合部を軟化させ、この軟化した部分に前記接合ツールの少なくとも一部を没入させて攪拌することにより、前記被接合部を固相状態で摩擦接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記裏当て部材に設けた被検出点の温度を検出するステップと、
予め設定された前記接合ツールの温度と前記裏当て部材の温度の相関関係に基づいて、検出された前記被検出点の温度から推定された接合ツールの温度を算出して記録するステップとを、含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項８】
前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、
前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項９】
前記推定された接合ツールの温度と予め設定された上限温度とを比較するステップと、
前記推定された接合ツールの温度が前記上限温度に達すると、前記接合ツールの温度が前記上限温度以下となるように接合加工時間、前記接合ツールの回転数、及び前記接合ツールの前記被接合部に対する押圧力のうちいずれか一つ又は複数の組み合わせを変化させるステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１０】
接合加工を開始してから前記推定された接合ツールの温度がピークに達するまでのピーク温度到達時間を計測するステップと、
前記ピーク温度到達時間が予め設定された正常値の範囲から外れるときは、接合加工を強制的に終了するステップとを、更に含む、請求項７に記載の摩擦攪拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１１５８４２（Ｐ２０１１−１１５８４２Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７７９０８（Ｐ２００９−２７７９０８）
【出願日】平成２１年１２月７日（２００９．１２．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月７日（２００９．１２．７）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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