摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法
【課題】 高い接合速度でも、接合部の空洞欠陥や溝状欠陥の発生防止が可能、浅いアンダーカットの生成が可能、汎用の数値制御加工機を活用して構造と制御装置が簡単で、安価な摩擦攪拌接合装置の構築が可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法の提供を課題とする。
【解決手段】 裏当金３を含む被接合部材の支持テーブル２５の支持面２５ｕｓが、回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面と、回転ツール７の前進方向の前方が下がるような予め決められた所定の傾斜角θをなすように、傾斜・固定自在に設けたこと、さらには、回転ツール７の下方への押圧力Ｆ等による裏当金の上面の沈下量が０〜０．１mmの範囲でできるだけ小さくなるように、前記支持テーブル２５を高い剛性の支持手段で支持をすることを解決手段とする。
【解決手段】 裏当金３を含む被接合部材の支持テーブル２５の支持面２５ｕｓが、回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面と、回転ツール７の前進方向の前方が下がるような予め決められた所定の傾斜角θをなすように、傾斜・固定自在に設けたこと、さらには、回転ツール７の下方への押圧力Ｆ等による裏当金の上面の沈下量が０〜０．１mmの範囲でできるだけ小さくなるように、前記支持テーブル２５を高い剛性の支持手段で支持をすることを解決手段とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関し、特に接合部上部に塑性流動化（可塑化）固相の量の不足に起因して発生し、接合強度を低下させる溝状欠陥、トンネル状空洞欠陥や、接合部上端面外側のバリ欠陥等の表面欠陥を生じること無く摩擦攪拌接合が可能で、しかも、汎用の数値制御加工機を利用して安価に構築することが可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】特表平９−５０８０７３号公報には、下記のような摩擦攪拌接合が開示されている。すなわち、片方の被接合部材１００ａの突合わせ面１０６に沿った側断面図である図４に示すように、曲率半径Ｒの凹面の底面１０３を有する半径ｒs の回転円筒体１０２と、前記凹面の底面１０３の中心から前記被接合部材１００ａの厚みｔ (mm) に略等しい長さだけ下方へ突出した攪拌ピン１０４とからなる回転ツール１０１を、矢印ｒの方向に回転させつつ、前記突合わせ面１０６に沿って矢印ｗの方向に前進速度（以後接合速度という）ｗ(mm/min)で前進させながら、被接合部材１００ａと図示せぬ１００ｂを摩擦攪拌接合する。この際、前記回転円筒体１０２と攪拌ピン１０４の中心軸ＡＸを、攪拌ピン１０４の先端中心点Ｃｂをとおる垂直線Ｌｖに対して、前記回転ツール１０１の前進方向（矢印ｗ）とは反対側に傾斜角θをなすように傾斜させて、前記回転ツール１０１を前記中心軸ＡＸと同じ矢印Ｆで示す方向に押圧力Ｆ(N) で押圧しながら、摩擦攪拌接合する方法である。なお、図４R>４のｈs (mm)は接合された被接合部材の上面から中に入る回転ツールの肩１０５の後端の深さ、即ち図６（ａ）に示すアンダーカットｄucの深さを示している。なお、上記公報には、回転プローブ１０１を傾斜させる目的・作用・効果や、前記傾斜角θの決定の仕方や具体的な数値範囲は開示されていない。
【０００３】また、上記公報には、図５に示すように、前記所定限度以上の深さｈs (mm)のアンダーカットｄucや図６（ｂ）に示す溝状欠陥ｄg 等の表面欠陥のない滑らかな表面を有し、かつ、図６（ｃ）に示すトンネル状空洞欠陥ｄtvのない、健全な接合を得るための、回転ツール１０１のそれぞれの回転速度における回転ツールに加えられた下向きの押圧圧力Ｆ／π・ｒs2(N/mm2)と実際の接合速度ｗ(mm/min)との間の最適な関係を上限曲線ηmax と下限曲線ηmin とで概略的に開示している。さらに、上記のような最適な「押圧圧力／接合速度」比の実際の値は幾つかの要因、例えば、被接合部材の材料（アルミニウム合金の種類等）、前記回転ツールの肩の形状等に左右されるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記図４、図５に示された特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術について、発明者等の研究によると、回転ツール１０１の前記傾斜角θと、前記回転ツール１０１の矢印ｗで示す前進方向に対する回転ツールの肩１０５の後端の被接合部材１００ａ、１００ｂの上面からの深さ（回転ツール後端の肩の押込深さ）ｈｓは、接合部上端部の溝状欠陥ｄg やトンネル状空洞欠陥ｄtv、接合部表面の外側のバリ欠陥や接合部上端面が母材部表面より窪んで溝状になる所謂アンダーカットｄucの程度に大きな影響を持つことが分かり、これらの欠陥の発生を防止するための前記傾斜角θと回転ツール後端の肩１０５の押込深さｈｓ(mm)の適切な決定方法の提供が課題であった。
【０００５】また、水平に置かれた被接合部材に対して、前記のような必ずしも一定値に固定できない傾斜角θになるように、回転ツール１０１の前進方向即ちｘ軸と垂直な方向即ちｚ軸を含む面内で、前記回転ツール１０１をチャックを介して把持・回転駆動する主軸を所定の範囲内で回動可能な構造・制御装置を有する専用の摩擦攪拌接合装置を設けることは、機械的構造や制御装置が複雑で高価なものになり、問題があった。
【０００６】また、前記図５に概略的に示される最適な「加圧圧力／接合速度」の実際的な値を決めるに当たっては、前記の回転ツール１０１の下方への押圧力Ｆ(N）、又は押圧力Ｆ(N）と加圧ローラによる加圧力Ｐ(N）との二つの下方への加圧力と、裏当金部を含む被接合部材の支持テーブルの曲げ剛性との関係によって決まる接合中の前記支持テーブル上面の下方への沈下量(mm)、換言すれば被接合部材の下方への沈下量(mm)と、それに伴う前記回転ツール１０１の降下量(mm)との間の関係によって決まる、接合中の回転ツールの肩１０５の被接合部材１００ａ、１００ｂの上面からの実際の押込量ｈsa(mm)の影響を無視することはできない。
【０００７】即ち、実際の摩擦攪拌接合に際しては、前記図５の上限曲線ηmax と下限曲線ηmin とで挟まれた範囲に示すような接合欠陥のない健全な接合部を、できるだけ高い接合速度で得るために、被接合部材の支持テーブルの曲げ剛性の大きさ、言い換えれば、前記の回転ツール１０１の下方への押圧力Ｆ(N) 又は該押圧力Ｆ(N) と前記加圧ローラの加圧力Ｆ8(N)との和に対する特に裏当金部を主体とする被接合部材の支持テーブルの支持面の許容最大沈下量Ｓta (mm) を決め、この許容最大沈下量Ｓta (mm) をクリヤーするための支持テーブルの構築を、前記回転ツール１の肩５の直径、回転ツール１の回転速度、前記接合速度ｗ（mm/min) やそれに対応した前記回転ツールの肩５の押込深さｈs(mm) の目標量を考慮しつつ行い、また、そのような条件下で、摩擦攪拌接合を行うことが要求される。即ち、実際の摩擦攪拌接合装置の構築や、それを用いた摩擦攪拌接合方法の実施に際して、上記のような裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量Ｓt(mm) とそれに関連する要因との観点から何らかの対応策を講じることが必要であった。
【０００８】本発明は、上記の従来技術の問題点を解消し、（１）接合強度に影響の大きい接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の発生がなく、滑らかな表面を有する接合部を、できるだけ高速の接合速度で実現が可能で、（２）汎用の数値制御加工機を活用して、機械的構造や制御装置が簡単で、安価に構築することができる、摩擦攪拌接合装置及びこれを用いた摩擦攪拌接合方法の提供を課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の課題を解決するために、第１の手段として、凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールと、該回転ツールを回転駆動する回転駆動手段と、前記回転ツールとともに回転する攪拌ピンを裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付ける押圧手段と、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させる移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置、又は、該摩擦攪拌接合装置に前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧する加圧ロ−ラを付加した摩擦攪拌接合装置を、前記被接合部材の前記裏当金を含む支持テーブルの支持面が、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜・固定自在に設けるように、基本的に構成した。
【００１０】上記第１の手段を採用した本発明の摩擦攪拌接合装置においては、第２の手段として、前記回転ツールを、トップビームの長手方向に平行な水平軸即ちＸ軸と垂直軸即ちＺ軸の方向に主軸の移動制御が可能で、前記Ｘ軸及びＺ軸の両方に直交するＹ軸方向に移動・固定自在なワーク支持台を備えた汎用の数値制御加工機の主軸ユニットの下端の工具チャックに把持せしめて構成した。
【００１１】上記第２の手段を採用した本発明の摩擦攪拌接合装置においては、第３の手段として、前記被接合部材の支持テーブルが、前記汎用の数値制御加工機のワーク支持台に搭載、固定されたものであるよう構成することが好ましい。
【００１２】上記第３の手段を採用した本発明の摩擦攪拌接合装置においては、第４の手段として、前記回転ツールの回転軸方向の押圧力と前記加圧ロ−ラによる加圧力の和が、１００〜１０００kgの範囲にある場合に、前記裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、前記回転ツールの直下の位置において０〜０．１mmのできるだけ小さな値となるように構成することが望ましい。
【００１３】本発明の摩擦攪拌接合方法は、上記の課題を解決するために、第１の手段として、凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールの、前記攪拌ピンを回転させながら裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付け、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させることによって、前記被接合部材を摩擦熱により固相接合する摩擦攪拌接合方法を、もしくは、上記摩擦攪拌接合方法において、さらに、前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧ローラにより加圧しながら摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法を、前記回転ツールの凹面の底面の下端稜線（以後回転ツ−ルの肩と称する）の直径と接合中の回転ツールの１回転当たりの前進速度（以後、接合速度と称する）とに応じて、前記裏当金を含む被接合部材の支持テーブルの支持面を、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜させた状態で摩擦攪拌接合するように構成した。
【００１４】上記本発明の摩擦攪拌接合方法は、第２の手段として、前記回転ツールの押圧力と前記加圧ローラよる加圧力の和に起因する裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、０〜０．１mmのできるだけ小さな値となる条件下で行うことが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】請求項１〜請求項３に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の形態を、添付の図面を参照しながら、順次以下に説明する。
【００１６】請求項１に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の第１の実施の形態は、一部拡大正面図である図１（ａ）｛（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視図｝、（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である（ｂ）に示すように、凹面の底面７ｂｓと該底面中心から下方に突出する攪拌ピン７ｓｐを備えた回転ツール７と、該回転ツール７を回転駆動する図示せぬ回転駆動手段と、前記回転ツール７とともに回転する攪拌ピン７ｓｐを裏面を裏当金３で支持された被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの突合わせ部２の中に押し込み、前記回転ツール７を回転軸方向の所定の押圧力Ｆで前記被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの上端部に押し付ける図示せぬ押圧手段と、前記回転ツール７を前記突合わせ部２に沿って移動させる図示せぬ移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置ＦＳＷ−１を、前記被接合部材１ａ、１b の各々の面板１ａｐ、１ｂｐの前記裏当金３を含む支持テーブルの支持面２５ｕｓが、前記回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面と、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）の前方が下がるように予め決めらた所定の傾斜角θ（度）をなすように傾斜・固定自在に設けて、基本的に構成される。さらに、具体的に説明すれば、前記裏当金３を含む支持テーブル２５の支持面２５ｕｓが、換言すれば、被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの上面が前記回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面（水平面）ＨＳと、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）の前方が下がるような、回転ツール７の底面７ｂｓの下端部（以後回転ツールの肩と称する）７ｓの直径に応じて予め決められる所定の傾斜角θをなすように傾動・固定自在に設けられて、基本的に構成されている。
【００１７】上記の実施の形態は、さらに以下のような具体的構成を有する。即ち、前記支持テーブル２５は水平な下面２５ｂｓに対して、裏当金の上面３ｕｓを含む被接合部材の支持面２５ｕｓが、前記回転ツール７の肩７s の直径に対応して変化する傾斜角θの平均的な数値θａｖをなすように、予め形成されており、その下面２５ｂｓのワーク支持台３４の上面の長手方向端部からはみ出した前端部と後端部を、基礎ＦＤ上面に底部フランジを固定された支柱２５ｓｐと、該支柱２５ｓｐの上端に底端のフランジを固定されたスクリュウジャッキ２５ｓｊと、該スクリュウジャッキ２５ｓｊの上端のフランジの上面に水平回転自在に取り付けられた水平ピン孔を有する連結板２５ｃｐを、前記支持テーブル２５に固定され水平ピン孔を有する一対の連結部材２５ｔｐで挟まれ、前記連結板２５ｃｐと前記一対の連結部材２５ｔｐのピン孔を貫通する連結ピン２５ｐｎとにより、両長手方向端部の裏当金３の直下を含む幅方向の３ヶ所以上を支持されている。
【００１８】請求項１に係る本発明の第２の実施の形態の摩擦攪拌接合装置ＦＳＷ−２は、一部拡大正面図である図２に示すように、上記の第１の実施の形態における摩擦攪拌接合装置ＦＳＷ−１に前記回転ツール７の前進方向側（矢印イ側）の回転ツール７近傍の前記突合わせ部２を中心とした両被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、図示せぬ１bpの端部上面を加圧する加圧ロ−ラ８を付加した点が異なるだけであって、その他の構成は上記の第１の実施の形態の構成と同じである。
【００１９】上記のように構成された請求項１に係る本発明の第１と第２の実施の形態においては、長手方向両端部のスクリュウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊで、前記支持テーブル２５の底面２５ｂｓの上下方向位置を別個に調整することにより、前記傾斜角θを任意に設定できる。なお、スクリュウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊとして、バックラッシュの無いもの、又は、ダブルナットと同じような原理でバックラッシュによる降下を防止可能なものの採用が望ましい。仮に多少のバックラッシュがある場合は、バックラッシュによる摩擦攪拌接合中の支持テーブルの降下・沈下を防止するために、スクリュウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊの各々のスクリュウをを目標位置より少し高い位置まで上昇させておいたのちに、目標位置まで下降させるようにして前記角度θ（度）を調整してもよい。さらに、上記のような傾斜角θの調整の結果、支持テーブル２５の下面２５ｂｓとワーク支持台３４の上面に隙間が生じた場合は、予め準備しておいた平板や長手方向の厚みの異なる傾斜板をこの隙間に挟むことにより、支持テーブル２５の撓みを防止すればよい。
【００２０】なお、傾斜角θは後述するように、回転ツールの肩の直径や接合速度に対応して、多少の許容幅があるので、必ずしも、上記のようにスクリュウジャッキ等を使用して、連続的に傾斜角θを設定できるようにする必要はなく、使用頻度の高い傾斜角θを含めて、段階的に傾斜角θを変化させた支持テーブル２５を数種類用意しておき、必要に応じて、適切な傾斜角θを持つ支持テーブル２５を選定使用してもよい。ただし、この場合も、ワーク支持台３４から長手方向にはみ出した支持テーブル２５の下面２５ｂｓは、前述のとおり流体シリンダー等、回転ツール７の回転軸７ｒａの方向の下方への押圧力と加圧ローラ８の加圧力等により降下・沈下量の大きいもので支持することなく、前記図１〜図３に示すような剛性の大きな支持ポスト２５ｓｐのみか、これとバックラッシュ防止手段を備えたスクリュウジャッキ２５ｓｊとの併用により支持することが必要である。
【００２１】上記の本発明の実施の形態の作用・効果は、後述する請求項６に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態の構成と作用の説明とともに行い、ここでは省略する。
【００２２】請求項２係る本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の構成に加えて、正面図である図３（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線矢視側面図である図３（ｂ）に示されるように、前記回転プローブ７を、ｘ軸及びｚ軸方向に主軸ユニット５の移動が可能で、工機ＮＣＭＵの主軸ユニット５の下端の工具チャック６に把持せしめて、基本的に構成される。
【００２３】請求項３に係る本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の構成に加えて、正面図である図３（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線矢視側面図である図３（ｂ）に示されるように、前記の被接合部材の支持テーブル２５が、前記汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵのワーク支持台３４に搭載・固定されて、基本的に構成されている。
【００２４】上記の実施の形態は、さらに以下のような具体的な構成を有する。即ち、汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵは、ボトムビーム４３により下部を連結され、トップビーム４５によって上部を連結された左右一対のコラム４４、４４からなるフレーム４６の、上記トップビーム４５の前面に設けられ、水平方向に延びる上下方向一対のｘ軸レール４２ｘｒ、４２ｘｒに案内されて、ｘ軸方向に往復移動する横行ユニット４２と、該横行ユニット４２の前面に上下方向に延びるように設けられた左右一対のｚ軸レール４１ｚｒ、４１ｚｒに案内されて、上下方向に往復移動する昇降ユニット４１と、該昇降ユニット４１の側面に設けられ工具（回転ツール７）を回転させる前記主軸ユニット５と、前記ｘ、ｚ両軸に直交するｙ軸方向に延びる左右一対のｙ軸レール３４ｙｒ、３４ｙｒに案内されて、ｙ軸方向に進退移動・固定自在な前記ワーク支持台３４とを備えて構成される。なお、前記の被接合部材の支持テーブル２５が、前記汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵのワーク支持台３４に搭載されて支持・固定される構成は、前記請求項１に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の形態における構成と同じであるので、重複説明を省略する。
【００２５】上記のように構成された本発明の実施の形態によれば、主軸ユニットがｘ軸とｚ軸を含む面内で回動可能に形成され、前記回転ツール７の回転軸が前記傾斜角θに調節可能なように構成された専用の自動摩擦攪拌接合装置に比べて、機械構造や制御装置が簡単で、安価な汎用の数値制御加工機を利用して、安価な自動摩擦攪拌接合装置の構築が可能である。即ち、汎用の数値制御加工機の数値制御装置を改造又は交換する必要がなく、また、被接合部材の支持テーブル２５と、該支持テーブル２５がワーク支持台３４の長手方向からはみ出す部分の下面２５ｂｓを、前記傾斜角θの調節が可能なように支持する支持ポスト２５ｓｐとスクリュウジャッキ２５ｓｊ等からなる剛性の高い支持構造を追加するのみで、あるいは、使用頻度の高い傾斜角θを有する支持テーブル２５の他に、傾斜角θが段階的に異なる数種類の支持テーブル２５と、該支持テーブル２５の下面の一部を支持する剛性の高い支持ポスト２５ｓｐとを追加するのみでよく、その結果、機械的構造が簡単で、安価な自動摩擦攪拌接合装置を構築するができる。
【００２６】請求項４に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の形態では、図１において、主軸ＡＸの軸方向に下向きに作用する押圧力Ｆ(N) と被接合部材１ａ、１ｂの突合わせ部２の上面部の加圧ローラ８による加圧力Ｐ8(N)との和が、１００〜１０００kgf の範囲にある場合に、前記回転プローブ７の直下の位置における裏当金３の上面３ｕｓ（支持テーブル２５の上面２５ｕｓ）の沈下量が０〜０．１mmの範囲のできるだけ小さな値であるように構成される。
【００２７】上記の数値限定理由については、後の請求項６に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態の説明において述べることとする。
【００２８】なお、上記のような要件は、図３に示したように、摩擦攪拌接合装置として汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵを用い、そのワーク支持台３４をそのまま摩擦攪拌接合装置用の被接合部材支持テーブル２５として利用する場合や、前記ワーク支持台３４の長さが、摩擦攪拌接合装置用の被接合部材支持テーブル２５としては短い場合で、前記ワーク支持台３４の上に載置される被接合部材支持テーブル２５の下面２５ｂｓの長さ方向の一部が前記ワーク支持台の長さ方向両端よりはみ出す場合に、特に考慮が必要な要件である。因みに前記被接合部材支持テーブルの前記加工物支持テーブルよりのはみ出し部を、油圧シリンダー等で支持すると、沈下量が０．３mm以上に達し問題がある。従って、図３に示すように、前記ワーク支持台３４よりのはみ出し部をコンクリート製の基礎面又は床面から、剛性の大きな支柱２５ｓｐか、該支柱２５ｓｐとバックラッシュ防止手段の付いたスクリュウジャッキ２５ｓｊ等で、剛的に支持する必要がある。
【００２９】次に、請求項５、請求項６に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態を、前記の図面を含めた添付の図面を参照して、また、具体的な実施例を適宜交えつつ以下に説明する。
【００３０】まず、請求項５に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態として、前記図１の裏当金３を含む被接合部材１ａ、１ｂの支持テーブル２５の支持面２５ｕｓが、前記回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面（水平面）ＨＳと、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）の前方が下がるような傾斜角θを、回転ツールの肩７ｓの直径Ｄ7s(mm)と回転ツール１回転当たりの接合速度Ｖwr(mm/回転) とに応じて予め決める理由について、以下に説明する。
【００３１】発明者らの研究によると、前記傾斜角θを０度とした場合には、前記回転ツーの前端部の肩の押込深さと後端部の肩の押込深さとをいずれも、０．２〜０.５mmと深くしても、あたかも船首が水を押し退けて進むように、回転ツールの前進方向の肩から塑性流動化（可塑化）した固相が回転ツールの外側の被接合部材の上面に溢れでてしまい、その結果攪拌ピンを含む回転ツール下端部の接合方向への移動後に、それらが占めていた空間を埋めるべき塑性流動化（可塑化）固相の量に不足が生じ、その結果、接合部上部に溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の重大な接合部欠陥が発生する。このような重大な接合部欠陥の発生を防止するためには、以下のような点を考慮して、適正な傾斜角θだけ回転ツールを傾けてやればよい。
【００３２】（１）回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が小さいと、傾斜角θ（度）を大きくしても回転ツールの後端の肩の押込み量ｈs(mm) があまり大きくなることはなく、押込み量過大による接合部上端面両側のバリ欠陥の発生を防止でき、傾斜角θ（度）を大きくすることによって、前記のような接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の発生を防止しやすい。
（２）回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が大きいと、傾斜角θ（度）を大きくし過ぎると回転ツールの後端の肩の押込み量ｈs(mm) が大きくなり、押込み量過大によりバリ欠陥が発生がし易い。そして、回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が大きいと、回転ツールの肩７ｓで内部に囲みこまれる塑性流動化（可塑化）固相量が多くなり、傾斜角θ（度）をあまり大きくしなくても攪拌ピンを含む回転ツール下端部の接合方向への移動後の空間充填用の固相量が不足しにくく、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等が発生しにくい。
（３）接合速度Ｖwr(mm/回転) が大きいと塑性流動化（可塑化）固相を回転ツールの肩の外側へ排出しようとする接線方向のエネルギーが大きくなり、傾斜角θを相対的に大きくしないと、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の発生を防止できない。
（４）接合速度Ｖwr(mm/回転) が小さいと塑性流動化（可塑化）固相を回転ツールの肩の外側へ排出しようとする接線方向のエネルギーが小さくなり、傾斜角θを相対的に小さくしても、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等が発生しにくい。
【００３３】請求項５に係る本発明の実施の形態として、図２において、主軸ＡＸM の軸方向に下向きに作用する押圧力Ｆ(N) と被接合部材１ａ、１ｂの突合わせ部２の上面部の加圧ローラ８による加圧力Ｆ8(N)との和が、１００〜１０００kgf の範囲にある場合において、裏当金に厚さ５mmの銅板を、被接合部材として板厚ｔ＝５mmの「ＪＩＳ Ｈ ４１００」に規定されたアルミニウム合金押出形材５０５２−３４を用い、その他は下記表１に記載した条件で、摩擦攪拌接合実験を行い、裏当金の上面の沈下量が接合ビードの上部の溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生に及ぼす影響を調査した。調査結果を下記表１に示した。
【００３４】
【表１】
【００３５】表１から、何れの摩擦攪拌接合条件においても、裏当金の上面の沈下量が０〜０．１mmの場合には、接合部上部の溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生は認められなかったが、沈下量が０．２mmの場合には溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生が認められたことが分かる。
【００３６】以上、本発明の摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法の実施の形態を示したが、本発明は、上記の実施の形態に限られるものではなく、その構成の要旨を逸脱しない範囲内で、他の実施の形態をも含むものであることは論を待たない。
【００３７】
【発明の効果】本発明の摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）回転ツールの回転軸が被接合部材表面と垂直な線となす傾斜角や回転ツールの前進方向後端の肩の押込深さに起因するか、又は、回転ツールの下方への押圧力や加圧ローラの加圧力等による裏当金部を含む被接合部材の指示テーブルの支持面の過大な沈下に起因して、回転ツールの肩の押込量が不足し、接合強度に影響の大きい接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥が発生することもなく、また、回転ツールの肩の押込量の過大に起因する所定の限度以上に深いアンダーカット等の発生がなく、滑らかな表面を有する良好な接合部を、できるだけ高い接合速度で実現が可能である。
（２）汎用の数値制御加工機を活用して、機械構造や制御装置が簡単で、安価な自動摩擦攪拌接合装置を、構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１〜請求項３に係る本発明の第１の実施の形態の一部の構成を示し、（ａ) は（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視拡大正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。
【図２】 請求項１〜請求項３に係る本発明の第２の実施の形態の一部拡大正面図である。
【図３】 請求項１〜請求項３に係る本発明の実施の形態の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視側面図である。
【図４】 特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術の、概略の原理的な特徴を示す側断面図である。
【図５】 特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術の、回転ツールに加えられた下向きの押圧圧力Ｆ／π・ｒs2(N/mm2)と実際の接合速度ω(mm/min)との間の健全な接合を得るための最適な関係を概略的に示すグラフである。
【図６】 接合部上部の欠陥の各々を示す斜視図であって、（ａ）はアンダーカットｄucを、（ｂ）は溝状欠陥ｄg を、（ｃ）はトンネル状空洞欠陥ｄtvを示す。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 被接合部材
１ａｐ、１ｂｐ 面板
２ 突合わせ部
２ｂ 接合部
３ 裏当金
３ｕｓ 裏当金上面
５ 主軸ユニット
６ 工具チャック
７ 回転ツール
７ｂｓ 凹面の底面
７ｓｐ 攪拌ピン
７ｓ 回転ツールの肩
７ｒａ 回転ツール回転軸
８ 加圧ロ−ラ
２５ 支持テーブル
２５ｓｐ 支柱
２５ｓｊ スクリュウジャッキ
２５ｕｓ 支持テーブル支持面
３４ ワーク支持台
４１ 昇降ユニット
４２ 横行ユニット
４３ ボトムビーム
４４ コラム
４５ トップビーム
４６ フレーム
ＡＸM 主軸
Ｆ 回転ツール押圧力
Ｆ8 ロ−ラ加圧力
ＨＳ 水平面
ＨＬ 水平線
ＦＤ 基礎
ＮＣＭＵ 数値制御加工機
ｄuc アンダーカット
ｄg 溝状欠陥
ｄtv トンネル状空洞欠陥
θ 傾斜角
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関し、特に接合部上部に塑性流動化（可塑化）固相の量の不足に起因して発生し、接合強度を低下させる溝状欠陥、トンネル状空洞欠陥や、接合部上端面外側のバリ欠陥等の表面欠陥を生じること無く摩擦攪拌接合が可能で、しかも、汎用の数値制御加工機を利用して安価に構築することが可能な摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】特表平９−５０８０７３号公報には、下記のような摩擦攪拌接合が開示されている。すなわち、片方の被接合部材１００ａの突合わせ面１０６に沿った側断面図である図４に示すように、曲率半径Ｒの凹面の底面１０３を有する半径ｒs の回転円筒体１０２と、前記凹面の底面１０３の中心から前記被接合部材１００ａの厚みｔ (mm) に略等しい長さだけ下方へ突出した攪拌ピン１０４とからなる回転ツール１０１を、矢印ｒの方向に回転させつつ、前記突合わせ面１０６に沿って矢印ｗの方向に前進速度（以後接合速度という）ｗ(mm/min)で前進させながら、被接合部材１００ａと図示せぬ１００ｂを摩擦攪拌接合する。この際、前記回転円筒体１０２と攪拌ピン１０４の中心軸ＡＸを、攪拌ピン１０４の先端中心点Ｃｂをとおる垂直線Ｌｖに対して、前記回転ツール１０１の前進方向（矢印ｗ）とは反対側に傾斜角θをなすように傾斜させて、前記回転ツール１０１を前記中心軸ＡＸと同じ矢印Ｆで示す方向に押圧力Ｆ(N) で押圧しながら、摩擦攪拌接合する方法である。なお、図４R>４のｈs (mm)は接合された被接合部材の上面から中に入る回転ツールの肩１０５の後端の深さ、即ち図６（ａ）に示すアンダーカットｄucの深さを示している。なお、上記公報には、回転プローブ１０１を傾斜させる目的・作用・効果や、前記傾斜角θの決定の仕方や具体的な数値範囲は開示されていない。
【０００３】また、上記公報には、図５に示すように、前記所定限度以上の深さｈs (mm)のアンダーカットｄucや図６（ｂ）に示す溝状欠陥ｄg 等の表面欠陥のない滑らかな表面を有し、かつ、図６（ｃ）に示すトンネル状空洞欠陥ｄtvのない、健全な接合を得るための、回転ツール１０１のそれぞれの回転速度における回転ツールに加えられた下向きの押圧圧力Ｆ／π・ｒs2(N/mm2)と実際の接合速度ｗ(mm/min)との間の最適な関係を上限曲線ηmax と下限曲線ηmin とで概略的に開示している。さらに、上記のような最適な「押圧圧力／接合速度」比の実際の値は幾つかの要因、例えば、被接合部材の材料（アルミニウム合金の種類等）、前記回転ツールの肩の形状等に左右されるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記図４、図５に示された特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術について、発明者等の研究によると、回転ツール１０１の前記傾斜角θと、前記回転ツール１０１の矢印ｗで示す前進方向に対する回転ツールの肩１０５の後端の被接合部材１００ａ、１００ｂの上面からの深さ（回転ツール後端の肩の押込深さ）ｈｓは、接合部上端部の溝状欠陥ｄg やトンネル状空洞欠陥ｄtv、接合部表面の外側のバリ欠陥や接合部上端面が母材部表面より窪んで溝状になる所謂アンダーカットｄucの程度に大きな影響を持つことが分かり、これらの欠陥の発生を防止するための前記傾斜角θと回転ツール後端の肩１０５の押込深さｈｓ(mm)の適切な決定方法の提供が課題であった。
【０００５】また、水平に置かれた被接合部材に対して、前記のような必ずしも一定値に固定できない傾斜角θになるように、回転ツール１０１の前進方向即ちｘ軸と垂直な方向即ちｚ軸を含む面内で、前記回転ツール１０１をチャックを介して把持・回転駆動する主軸を所定の範囲内で回動可能な構造・制御装置を有する専用の摩擦攪拌接合装置を設けることは、機械的構造や制御装置が複雑で高価なものになり、問題があった。
【０００６】また、前記図５に概略的に示される最適な「加圧圧力／接合速度」の実際的な値を決めるに当たっては、前記の回転ツール１０１の下方への押圧力Ｆ(N）、又は押圧力Ｆ(N）と加圧ローラによる加圧力Ｐ(N）との二つの下方への加圧力と、裏当金部を含む被接合部材の支持テーブルの曲げ剛性との関係によって決まる接合中の前記支持テーブル上面の下方への沈下量(mm)、換言すれば被接合部材の下方への沈下量(mm)と、それに伴う前記回転ツール１０１の降下量(mm)との間の関係によって決まる、接合中の回転ツールの肩１０５の被接合部材１００ａ、１００ｂの上面からの実際の押込量ｈsa(mm)の影響を無視することはできない。
【０００７】即ち、実際の摩擦攪拌接合に際しては、前記図５の上限曲線ηmax と下限曲線ηmin とで挟まれた範囲に示すような接合欠陥のない健全な接合部を、できるだけ高い接合速度で得るために、被接合部材の支持テーブルの曲げ剛性の大きさ、言い換えれば、前記の回転ツール１０１の下方への押圧力Ｆ(N) 又は該押圧力Ｆ(N) と前記加圧ローラの加圧力Ｆ8(N)との和に対する特に裏当金部を主体とする被接合部材の支持テーブルの支持面の許容最大沈下量Ｓta (mm) を決め、この許容最大沈下量Ｓta (mm) をクリヤーするための支持テーブルの構築を、前記回転ツール１の肩５の直径、回転ツール１の回転速度、前記接合速度ｗ（mm/min) やそれに対応した前記回転ツールの肩５の押込深さｈs(mm) の目標量を考慮しつつ行い、また、そのような条件下で、摩擦攪拌接合を行うことが要求される。即ち、実際の摩擦攪拌接合装置の構築や、それを用いた摩擦攪拌接合方法の実施に際して、上記のような裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量Ｓt(mm) とそれに関連する要因との観点から何らかの対応策を講じることが必要であった。
【０００８】本発明は、上記の従来技術の問題点を解消し、（１）接合強度に影響の大きい接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の発生がなく、滑らかな表面を有する接合部を、できるだけ高速の接合速度で実現が可能で、（２）汎用の数値制御加工機を活用して、機械的構造や制御装置が簡単で、安価に構築することができる、摩擦攪拌接合装置及びこれを用いた摩擦攪拌接合方法の提供を課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の課題を解決するために、第１の手段として、凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールと、該回転ツールを回転駆動する回転駆動手段と、前記回転ツールとともに回転する攪拌ピンを裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付ける押圧手段と、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させる移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置、又は、該摩擦攪拌接合装置に前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧する加圧ロ−ラを付加した摩擦攪拌接合装置を、前記被接合部材の前記裏当金を含む支持テーブルの支持面が、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜・固定自在に設けるように、基本的に構成した。
【００１０】上記第１の手段を採用した本発明の摩擦攪拌接合装置においては、第２の手段として、前記回転ツールを、トップビームの長手方向に平行な水平軸即ちＸ軸と垂直軸即ちＺ軸の方向に主軸の移動制御が可能で、前記Ｘ軸及びＺ軸の両方に直交するＹ軸方向に移動・固定自在なワーク支持台を備えた汎用の数値制御加工機の主軸ユニットの下端の工具チャックに把持せしめて構成した。
【００１１】上記第２の手段を採用した本発明の摩擦攪拌接合装置においては、第３の手段として、前記被接合部材の支持テーブルが、前記汎用の数値制御加工機のワーク支持台に搭載、固定されたものであるよう構成することが好ましい。
【００１２】上記第３の手段を採用した本発明の摩擦攪拌接合装置においては、第４の手段として、前記回転ツールの回転軸方向の押圧力と前記加圧ロ−ラによる加圧力の和が、１００〜１０００kgの範囲にある場合に、前記裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、前記回転ツールの直下の位置において０〜０．１mmのできるだけ小さな値となるように構成することが望ましい。
【００１３】本発明の摩擦攪拌接合方法は、上記の課題を解決するために、第１の手段として、凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールの、前記攪拌ピンを回転させながら裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付け、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させることによって、前記被接合部材を摩擦熱により固相接合する摩擦攪拌接合方法を、もしくは、上記摩擦攪拌接合方法において、さらに、前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧ローラにより加圧しながら摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法を、前記回転ツールの凹面の底面の下端稜線（以後回転ツ−ルの肩と称する）の直径と接合中の回転ツールの１回転当たりの前進速度（以後、接合速度と称する）とに応じて、前記裏当金を含む被接合部材の支持テーブルの支持面を、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜させた状態で摩擦攪拌接合するように構成した。
【００１４】上記本発明の摩擦攪拌接合方法は、第２の手段として、前記回転ツールの押圧力と前記加圧ローラよる加圧力の和に起因する裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、０〜０．１mmのできるだけ小さな値となる条件下で行うことが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】請求項１〜請求項３に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の形態を、添付の図面を参照しながら、順次以下に説明する。
【００１６】請求項１に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の第１の実施の形態は、一部拡大正面図である図１（ａ）｛（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視図｝、（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である（ｂ）に示すように、凹面の底面７ｂｓと該底面中心から下方に突出する攪拌ピン７ｓｐを備えた回転ツール７と、該回転ツール７を回転駆動する図示せぬ回転駆動手段と、前記回転ツール７とともに回転する攪拌ピン７ｓｐを裏面を裏当金３で支持された被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの突合わせ部２の中に押し込み、前記回転ツール７を回転軸方向の所定の押圧力Ｆで前記被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの上端部に押し付ける図示せぬ押圧手段と、前記回転ツール７を前記突合わせ部２に沿って移動させる図示せぬ移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置ＦＳＷ−１を、前記被接合部材１ａ、１b の各々の面板１ａｐ、１ｂｐの前記裏当金３を含む支持テーブルの支持面２５ｕｓが、前記回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面と、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）の前方が下がるように予め決めらた所定の傾斜角θ（度）をなすように傾斜・固定自在に設けて、基本的に構成される。さらに、具体的に説明すれば、前記裏当金３を含む支持テーブル２５の支持面２５ｕｓが、換言すれば、被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、１ｂｐの上面が前記回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面（水平面）ＨＳと、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）の前方が下がるような、回転ツール７の底面７ｂｓの下端部（以後回転ツールの肩と称する）７ｓの直径に応じて予め決められる所定の傾斜角θをなすように傾動・固定自在に設けられて、基本的に構成されている。
【００１７】上記の実施の形態は、さらに以下のような具体的構成を有する。即ち、前記支持テーブル２５は水平な下面２５ｂｓに対して、裏当金の上面３ｕｓを含む被接合部材の支持面２５ｕｓが、前記回転ツール７の肩７s の直径に対応して変化する傾斜角θの平均的な数値θａｖをなすように、予め形成されており、その下面２５ｂｓのワーク支持台３４の上面の長手方向端部からはみ出した前端部と後端部を、基礎ＦＤ上面に底部フランジを固定された支柱２５ｓｐと、該支柱２５ｓｐの上端に底端のフランジを固定されたスクリュウジャッキ２５ｓｊと、該スクリュウジャッキ２５ｓｊの上端のフランジの上面に水平回転自在に取り付けられた水平ピン孔を有する連結板２５ｃｐを、前記支持テーブル２５に固定され水平ピン孔を有する一対の連結部材２５ｔｐで挟まれ、前記連結板２５ｃｐと前記一対の連結部材２５ｔｐのピン孔を貫通する連結ピン２５ｐｎとにより、両長手方向端部の裏当金３の直下を含む幅方向の３ヶ所以上を支持されている。
【００１８】請求項１に係る本発明の第２の実施の形態の摩擦攪拌接合装置ＦＳＷ−２は、一部拡大正面図である図２に示すように、上記の第１の実施の形態における摩擦攪拌接合装置ＦＳＷ−１に前記回転ツール７の前進方向側（矢印イ側）の回転ツール７近傍の前記突合わせ部２を中心とした両被接合部材１ａ、１ｂの各々の面板１ａｐ、図示せぬ１bpの端部上面を加圧する加圧ロ−ラ８を付加した点が異なるだけであって、その他の構成は上記の第１の実施の形態の構成と同じである。
【００１９】上記のように構成された請求項１に係る本発明の第１と第２の実施の形態においては、長手方向両端部のスクリュウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊで、前記支持テーブル２５の底面２５ｂｓの上下方向位置を別個に調整することにより、前記傾斜角θを任意に設定できる。なお、スクリュウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊとして、バックラッシュの無いもの、又は、ダブルナットと同じような原理でバックラッシュによる降下を防止可能なものの採用が望ましい。仮に多少のバックラッシュがある場合は、バックラッシュによる摩擦攪拌接合中の支持テーブルの降下・沈下を防止するために、スクリュウジャッキ２５ｓｊ、２５ｓｊの各々のスクリュウをを目標位置より少し高い位置まで上昇させておいたのちに、目標位置まで下降させるようにして前記角度θ（度）を調整してもよい。さらに、上記のような傾斜角θの調整の結果、支持テーブル２５の下面２５ｂｓとワーク支持台３４の上面に隙間が生じた場合は、予め準備しておいた平板や長手方向の厚みの異なる傾斜板をこの隙間に挟むことにより、支持テーブル２５の撓みを防止すればよい。
【００２０】なお、傾斜角θは後述するように、回転ツールの肩の直径や接合速度に対応して、多少の許容幅があるので、必ずしも、上記のようにスクリュウジャッキ等を使用して、連続的に傾斜角θを設定できるようにする必要はなく、使用頻度の高い傾斜角θを含めて、段階的に傾斜角θを変化させた支持テーブル２５を数種類用意しておき、必要に応じて、適切な傾斜角θを持つ支持テーブル２５を選定使用してもよい。ただし、この場合も、ワーク支持台３４から長手方向にはみ出した支持テーブル２５の下面２５ｂｓは、前述のとおり流体シリンダー等、回転ツール７の回転軸７ｒａの方向の下方への押圧力と加圧ローラ８の加圧力等により降下・沈下量の大きいもので支持することなく、前記図１〜図３に示すような剛性の大きな支持ポスト２５ｓｐのみか、これとバックラッシュ防止手段を備えたスクリュウジャッキ２５ｓｊとの併用により支持することが必要である。
【００２１】上記の本発明の実施の形態の作用・効果は、後述する請求項６に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態の構成と作用の説明とともに行い、ここでは省略する。
【００２２】請求項２係る本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の構成に加えて、正面図である図３（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線矢視側面図である図３（ｂ）に示されるように、前記回転プローブ７を、ｘ軸及びｚ軸方向に主軸ユニット５の移動が可能で、工機ＮＣＭＵの主軸ユニット５の下端の工具チャック６に把持せしめて、基本的に構成される。
【００２３】請求項３に係る本発明の摩擦攪拌接合装置は、上記の構成に加えて、正面図である図３（ａ）、（ａ）のＡ−Ａ線矢視側面図である図３（ｂ）に示されるように、前記の被接合部材の支持テーブル２５が、前記汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵのワーク支持台３４に搭載・固定されて、基本的に構成されている。
【００２４】上記の実施の形態は、さらに以下のような具体的な構成を有する。即ち、汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵは、ボトムビーム４３により下部を連結され、トップビーム４５によって上部を連結された左右一対のコラム４４、４４からなるフレーム４６の、上記トップビーム４５の前面に設けられ、水平方向に延びる上下方向一対のｘ軸レール４２ｘｒ、４２ｘｒに案内されて、ｘ軸方向に往復移動する横行ユニット４２と、該横行ユニット４２の前面に上下方向に延びるように設けられた左右一対のｚ軸レール４１ｚｒ、４１ｚｒに案内されて、上下方向に往復移動する昇降ユニット４１と、該昇降ユニット４１の側面に設けられ工具（回転ツール７）を回転させる前記主軸ユニット５と、前記ｘ、ｚ両軸に直交するｙ軸方向に延びる左右一対のｙ軸レール３４ｙｒ、３４ｙｒに案内されて、ｙ軸方向に進退移動・固定自在な前記ワーク支持台３４とを備えて構成される。なお、前記の被接合部材の支持テーブル２５が、前記汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵのワーク支持台３４に搭載されて支持・固定される構成は、前記請求項１に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の形態における構成と同じであるので、重複説明を省略する。
【００２５】上記のように構成された本発明の実施の形態によれば、主軸ユニットがｘ軸とｚ軸を含む面内で回動可能に形成され、前記回転ツール７の回転軸が前記傾斜角θに調節可能なように構成された専用の自動摩擦攪拌接合装置に比べて、機械構造や制御装置が簡単で、安価な汎用の数値制御加工機を利用して、安価な自動摩擦攪拌接合装置の構築が可能である。即ち、汎用の数値制御加工機の数値制御装置を改造又は交換する必要がなく、また、被接合部材の支持テーブル２５と、該支持テーブル２５がワーク支持台３４の長手方向からはみ出す部分の下面２５ｂｓを、前記傾斜角θの調節が可能なように支持する支持ポスト２５ｓｐとスクリュウジャッキ２５ｓｊ等からなる剛性の高い支持構造を追加するのみで、あるいは、使用頻度の高い傾斜角θを有する支持テーブル２５の他に、傾斜角θが段階的に異なる数種類の支持テーブル２５と、該支持テーブル２５の下面の一部を支持する剛性の高い支持ポスト２５ｓｐとを追加するのみでよく、その結果、機械的構造が簡単で、安価な自動摩擦攪拌接合装置を構築するができる。
【００２６】請求項４に係る本発明の摩擦攪拌接合装置の実施の形態では、図１において、主軸ＡＸの軸方向に下向きに作用する押圧力Ｆ(N) と被接合部材１ａ、１ｂの突合わせ部２の上面部の加圧ローラ８による加圧力Ｐ8(N)との和が、１００〜１０００kgf の範囲にある場合に、前記回転プローブ７の直下の位置における裏当金３の上面３ｕｓ（支持テーブル２５の上面２５ｕｓ）の沈下量が０〜０．１mmの範囲のできるだけ小さな値であるように構成される。
【００２７】上記の数値限定理由については、後の請求項６に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態の説明において述べることとする。
【００２８】なお、上記のような要件は、図３に示したように、摩擦攪拌接合装置として汎用の数値制御加工機ＮＣＭＵを用い、そのワーク支持台３４をそのまま摩擦攪拌接合装置用の被接合部材支持テーブル２５として利用する場合や、前記ワーク支持台３４の長さが、摩擦攪拌接合装置用の被接合部材支持テーブル２５としては短い場合で、前記ワーク支持台３４の上に載置される被接合部材支持テーブル２５の下面２５ｂｓの長さ方向の一部が前記ワーク支持台の長さ方向両端よりはみ出す場合に、特に考慮が必要な要件である。因みに前記被接合部材支持テーブルの前記加工物支持テーブルよりのはみ出し部を、油圧シリンダー等で支持すると、沈下量が０．３mm以上に達し問題がある。従って、図３に示すように、前記ワーク支持台３４よりのはみ出し部をコンクリート製の基礎面又は床面から、剛性の大きな支柱２５ｓｐか、該支柱２５ｓｐとバックラッシュ防止手段の付いたスクリュウジャッキ２５ｓｊ等で、剛的に支持する必要がある。
【００２９】次に、請求項５、請求項６に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態を、前記の図面を含めた添付の図面を参照して、また、具体的な実施例を適宜交えつつ以下に説明する。
【００３０】まず、請求項５に係る本発明の摩擦攪拌接合方法の実施の形態として、前記図１の裏当金３を含む被接合部材１ａ、１ｂの支持テーブル２５の支持面２５ｕｓが、前記回転ツール７の回転軸７ｒａに対して垂直な面（水平面）ＨＳと、回転ツール７の前進方向（矢印イの方向）の前方が下がるような傾斜角θを、回転ツールの肩７ｓの直径Ｄ7s(mm)と回転ツール１回転当たりの接合速度Ｖwr(mm/回転) とに応じて予め決める理由について、以下に説明する。
【００３１】発明者らの研究によると、前記傾斜角θを０度とした場合には、前記回転ツーの前端部の肩の押込深さと後端部の肩の押込深さとをいずれも、０．２〜０.５mmと深くしても、あたかも船首が水を押し退けて進むように、回転ツールの前進方向の肩から塑性流動化（可塑化）した固相が回転ツールの外側の被接合部材の上面に溢れでてしまい、その結果攪拌ピンを含む回転ツール下端部の接合方向への移動後に、それらが占めていた空間を埋めるべき塑性流動化（可塑化）固相の量に不足が生じ、その結果、接合部上部に溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の重大な接合部欠陥が発生する。このような重大な接合部欠陥の発生を防止するためには、以下のような点を考慮して、適正な傾斜角θだけ回転ツールを傾けてやればよい。
【００３２】（１）回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が小さいと、傾斜角θ（度）を大きくしても回転ツールの後端の肩の押込み量ｈs(mm) があまり大きくなることはなく、押込み量過大による接合部上端面両側のバリ欠陥の発生を防止でき、傾斜角θ（度）を大きくすることによって、前記のような接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の発生を防止しやすい。
（２）回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が大きいと、傾斜角θ（度）を大きくし過ぎると回転ツールの後端の肩の押込み量ｈs(mm) が大きくなり、押込み量過大によりバリ欠陥が発生がし易い。そして、回転ツールの肩の直径Ｄ7s(mm)が大きいと、回転ツールの肩７ｓで内部に囲みこまれる塑性流動化（可塑化）固相量が多くなり、傾斜角θ（度）をあまり大きくしなくても攪拌ピンを含む回転ツール下端部の接合方向への移動後の空間充填用の固相量が不足しにくく、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等が発生しにくい。
（３）接合速度Ｖwr(mm/回転) が大きいと塑性流動化（可塑化）固相を回転ツールの肩の外側へ排出しようとする接線方向のエネルギーが大きくなり、傾斜角θを相対的に大きくしないと、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等の発生を防止できない。
（４）接合速度Ｖwr(mm/回転) が小さいと塑性流動化（可塑化）固相を回転ツールの肩の外側へ排出しようとする接線方向のエネルギーが小さくなり、傾斜角θを相対的に小さくしても、溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥等が発生しにくい。
【００３３】請求項５に係る本発明の実施の形態として、図２において、主軸ＡＸM の軸方向に下向きに作用する押圧力Ｆ(N) と被接合部材１ａ、１ｂの突合わせ部２の上面部の加圧ローラ８による加圧力Ｆ8(N)との和が、１００〜１０００kgf の範囲にある場合において、裏当金に厚さ５mmの銅板を、被接合部材として板厚ｔ＝５mmの「ＪＩＳ Ｈ ４１００」に規定されたアルミニウム合金押出形材５０５２−３４を用い、その他は下記表１に記載した条件で、摩擦攪拌接合実験を行い、裏当金の上面の沈下量が接合ビードの上部の溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生に及ぼす影響を調査した。調査結果を下記表１に示した。
【００３４】
【表１】
【００３５】表１から、何れの摩擦攪拌接合条件においても、裏当金の上面の沈下量が０〜０．１mmの場合には、接合部上部の溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生は認められなかったが、沈下量が０．２mmの場合には溝状欠陥やトンネル状欠陥の発生が認められたことが分かる。
【００３６】以上、本発明の摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法の実施の形態を示したが、本発明は、上記の実施の形態に限られるものではなく、その構成の要旨を逸脱しない範囲内で、他の実施の形態をも含むものであることは論を待たない。
【００３７】
【発明の効果】本発明の摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）回転ツールの回転軸が被接合部材表面と垂直な線となす傾斜角や回転ツールの前進方向後端の肩の押込深さに起因するか、又は、回転ツールの下方への押圧力や加圧ローラの加圧力等による裏当金部を含む被接合部材の指示テーブルの支持面の過大な沈下に起因して、回転ツールの肩の押込量が不足し、接合強度に影響の大きい接合部上部の溝状欠陥やトンネル状空洞欠陥が発生することもなく、また、回転ツールの肩の押込量の過大に起因する所定の限度以上に深いアンダーカット等の発生がなく、滑らかな表面を有する良好な接合部を、できるだけ高い接合速度で実現が可能である。
（２）汎用の数値制御加工機を活用して、機械構造や制御装置が簡単で、安価な自動摩擦攪拌接合装置を、構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１〜請求項３に係る本発明の第１の実施の形態の一部の構成を示し、（ａ) は（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視拡大正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。
【図２】 請求項１〜請求項３に係る本発明の第２の実施の形態の一部拡大正面図である。
【図３】 請求項１〜請求項３に係る本発明の実施の形態の構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視側面図である。
【図４】 特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術の、概略の原理的な特徴を示す側断面図である。
【図５】 特表平９−５０８０７３号公報に開示の技術の、回転ツールに加えられた下向きの押圧圧力Ｆ／π・ｒs2(N/mm2)と実際の接合速度ω(mm/min)との間の健全な接合を得るための最適な関係を概略的に示すグラフである。
【図６】 接合部上部の欠陥の各々を示す斜視図であって、（ａ）はアンダーカットｄucを、（ｂ）は溝状欠陥ｄg を、（ｃ）はトンネル状空洞欠陥ｄtvを示す。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 被接合部材
１ａｐ、１ｂｐ 面板
２ 突合わせ部
２ｂ 接合部
３ 裏当金
３ｕｓ 裏当金上面
５ 主軸ユニット
６ 工具チャック
７ 回転ツール
７ｂｓ 凹面の底面
７ｓｐ 攪拌ピン
７ｓ 回転ツールの肩
７ｒａ 回転ツール回転軸
８ 加圧ロ−ラ
２５ 支持テーブル
２５ｓｐ 支柱
２５ｓｊ スクリュウジャッキ
２５ｕｓ 支持テーブル支持面
３４ ワーク支持台
４１ 昇降ユニット
４２ 横行ユニット
４３ ボトムビーム
４４ コラム
４５ トップビーム
４６ フレーム
ＡＸM 主軸
Ｆ 回転ツール押圧力
Ｆ8 ロ−ラ加圧力
ＨＳ 水平面
ＨＬ 水平線
ＦＤ 基礎
ＮＣＭＵ 数値制御加工機
ｄuc アンダーカット
ｄg 溝状欠陥
ｄtv トンネル状空洞欠陥
θ 傾斜角
【特許請求の範囲】
【請求項１】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールと、該回転ツールを回転駆動する回転駆動手段と、前記回転ツールとともに回転する攪拌ピンを裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付ける押圧手段と、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させる移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置、又は、該摩擦攪拌接合装置に前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧する加圧ロ−ラを付加した摩擦攪拌接合装置であって、前記被接合部材の前記裏当金を含む支持テーブルの支持面が、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜・固定自在に設けられたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】 前記回転ツールを、トップビームの長手方向に平行な水平軸即ちＸ軸と垂直軸即ちＺ軸の方向に主軸の移動制御が可能で、前記Ｘ軸及びＺ軸の両方に直交するＹ軸方向に移動・固定自在なワーク支持台を備えた汎用の数値制御加工機の主軸ユニットの下端の工具チャックに把持せしめたものである請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】 前記被接合部材の支持テーブルが、前記汎用の数値制御加工機のワーク支持台に搭載、固定されたものである請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】 前記回転ツールの回転軸方向の押圧力と前記加圧ロ−ラによる加圧力の和が、１００〜１０００kgの範囲にある場合に、前記裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、前記回転ツールの直下の位置において０〜０．１mmである請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールの、前記攪拌ピンを回転させながら裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付け、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させることによって、前記被接合部材を摩擦熱により固相接合する摩擦攪拌接合方法において、もしくは、上記摩擦攪拌接合方法において、さらに、前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧ローラにより加圧しながら摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記回転ツールの凹面の底面の下端稜線（以後回転ツ−ルの肩と称する）の直径と接合中の回転ツールの１回転当たりの前進速度（以後、接合速度と称する）とに応じて、前記裏当金を含む被接合部材の支持テーブルの支持面を、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜させた状態で摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】 前記回転ツールの押圧力と前記加圧ローラよる加圧力との和に起因する前記裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、０〜０．１mmである請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項１】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールと、該回転ツールを回転駆動する回転駆動手段と、前記回転ツールとともに回転する攪拌ピンを裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付ける押圧手段と、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させる移動駆動手段とからなる摩擦攪拌接合装置、又は、該摩擦攪拌接合装置に前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧する加圧ロ−ラを付加した摩擦攪拌接合装置であって、前記被接合部材の前記裏当金を含む支持テーブルの支持面が、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜・固定自在に設けられたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】 前記回転ツールを、トップビームの長手方向に平行な水平軸即ちＸ軸と垂直軸即ちＺ軸の方向に主軸の移動制御が可能で、前記Ｘ軸及びＺ軸の両方に直交するＹ軸方向に移動・固定自在なワーク支持台を備えた汎用の数値制御加工機の主軸ユニットの下端の工具チャックに把持せしめたものである請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】 前記被接合部材の支持テーブルが、前記汎用の数値制御加工機のワーク支持台に搭載、固定されたものである請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】 前記回転ツールの回転軸方向の押圧力と前記加圧ロ−ラによる加圧力の和が、１００〜１０００kgの範囲にある場合に、前記裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、前記回転ツールの直下の位置において０〜０．１mmである請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】 凹面の底面と該底面中心から下方に突出する攪拌ピンを備えた回転ツールの、前記攪拌ピンを回転させながら裏面を裏当金で支持された被接合部材の突合わせ部の中に押し込み、前記回転ツールを回転軸方向の所定の押圧力で前記被接合部材の上端部に押し付け、前記回転ツールを前記突合わせ部に沿って移動させることによって、前記被接合部材を摩擦熱により固相接合する摩擦攪拌接合方法において、もしくは、上記摩擦攪拌接合方法において、さらに、前記回転ツールの前進方向側の回転ツール近傍の前記突合わせ部を中心とした両被接合部材端部上面を加圧ローラにより加圧しながら摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記回転ツールの凹面の底面の下端稜線（以後回転ツ−ルの肩と称する）の直径と接合中の回転ツールの１回転当たりの前進速度（以後、接合速度と称する）とに応じて、前記裏当金を含む被接合部材の支持テーブルの支持面を、前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面と、回転ツールの前進方向の前方が下がるように予め決められた所定の傾斜角をなすように傾斜させた状態で摩擦攪拌接合することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項６】 前記回転ツールの押圧力と前記加圧ローラよる加圧力との和に起因する前記裏当金部を含む支持テーブルの支持面の沈下量が、０〜０．１mmである請求項５に記載の摩擦攪拌接合方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図６】
【公開番号】特開２０００−２０２６４６（Ｐ２０００−２０２６４６Ａ）
【公開日】平成１２年７月２５日（２０００．７．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−５１９３
【出願日】平成１１年１月１２日（１９９９．１．１２）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年７月２５日（２０００．７．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年１月１２日（１９９９．１．１２）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【Ｆターム（参考）】
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