JP2004098172A - 摩擦攪拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　短時間で空洞を埋めて接合することができる摩擦攪拌接合装置を提供する。
【解決手段】　回転子２には、回転軸線Ｌに沿って挿通孔３５が形成され、ピン軸３６が挿通される。回転子２先端のショルダー部５０からは、ピン軸３６が突出する。このピン軸３６の回転子２に対する相対直進移動方向の切り換えは、電磁ブレーキによって制御される。接合時には、ピン軸を突出させた状態で、回転子２を下降させ、ワークにピン軸３６を挿入させ、ショルダー部５０で押圧する。接合終了時に、ショルダー部５０の端面の押圧力を維持した状態で、回転子先端部の端面とピン軸３６の先端部とが面一になるまでピン軸３６を引き上げる。このとき、ピン軸３６の引き上げによって生じる空洞に、前記押圧力によって、摩擦熱で軟化した被接合物が流れ込み、空洞が埋められる。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、回転による摩擦熱で被接合物を軟化、攪拌して接合する摩擦攪拌接合装置に関する。

　摩擦攪拌接合では、先端にピンを有する回転子を高速で回転させながら、ピンをワークに挿入し、摩擦熱でワークを軟化、攪拌して接合する。従来の摩擦攪拌接合、特にスポット接合において、回転子を引き上げて、埋入していたピンを抜き出すと、該接合部位には、ピンに対応した空洞が生じる。

　このように空洞部が形成されると、この空洞部分に応力が集中し、接合強度が低下する。特に、疲労破壊が生じやすい。また、外観も悪化し、美観上好ましくなく、汚れも入る。このように、用途面で様々な支障を来たし、製品品質上問題となっている。

　このような問題に鑑み、本件発明者は、ピンを可動とし、接合後にピンを引き抜き、その後再押圧することで、空洞の形成を抑制する方法を提案した。

　しかしながら、上記したピンを引き抜く方法では、ピンを抜く動作と再押圧動作には時間的なずれがあるため、この時間分、接合に要する時間が長くなっていた。また、一旦ピンを引き抜くと、母材が冷却され、充分に空洞を埋めることができない場合がある。

　本発明の目的は、短時間で空洞を埋めて接合することができる摩擦攪拌接合装置を提供することである。

　本発明は、高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物をスポット接合する摩擦攪拌接合装置において、
　前記回転子は、回転子に挿通され、回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる軸状のピンを有し、接合終了時に、被接合物を、前記回転子先端部の端面の押圧力を維持して押圧した状態で、前記軸状のピンを相対移動させ、前記押圧力によって、前記軸状のピンが引き抜かれた空間に、摩擦熱に軟化した被接合物を流れ込ませて前記空間を埋めることを特徴とする摩擦攪拌接合装置である。

　また本発明は、回転子先端部は、円筒状のリング部を有し、前記軸状のピンは、リング部に変位可能に挿入される内軸であることを特徴とする。

　また本発明は、高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を連続接合する摩擦攪拌接合装置において、
　前記回転子は、回転子に挿通され、回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる軸状のピンを有し、接合終了時に、被接合物を、前記回転子先端部の端面の押圧力を維持して押圧した状態で、前記軸状のピンを相対移動させ、前記押圧力によって、前記軸状のピンが引き抜かれた空間に、摩擦熱に軟化した被接合物を流れ込ませて前記空間を埋めることを特徴とする摩擦攪拌接合装置である。

　また本発明は、回転子の回転、および前記軸状のピンの回転子に対する相対直進移動は、同一の駆動源によって行なわれることを特徴とする。

　また本発明は、回転子と軸状のピンとが一体となって直進移動する一体移動状態と、回転子と軸状のピンとが相対移動する相対移動状態とが、ブレーキ機構またはクラッチ機構によって切り換えられることを特徴とする。

　また本発明は、回転子の回転方向を切り換えることで、前記相対移動の方向が切り換えられることを特徴とする。

　また本発明は、接合終了時には、前記回転子先端部の端面と前記ピンの先端部とを面一の状態となるまで軸状のピンを移動させて押圧することを特徴とする。

　また本発明は、前記回転子先端部の端面と前記ピンの先端部とを面一の状態となるまで軸状のピンを移動させた後、所定時間押圧することを特徴とする。

　本発明に従えば、軸状のピンが回転子に相対直進移動可能に挿通され、接合終了時に、軸状のピンを引き抜く。ここで、本発明では、回転子先端で被接合物を押圧した状態で引き抜くので、軸状のピンが引き抜かれた空間に周囲の母材が流れ込み、軸状のピンを引き抜いた後の空洞が埋められる。このように、前述した従来技術よりも速く空洞を埋めることができる。また、一旦引き抜いてから空洞を埋めるのでなく、押圧した状態で軸状のピンを引き抜くので、軟化した母材が冷却されて硬化することなく、確実に空洞を埋めることができる。

　本発明に従えば、回転子先端にリング部が設けられるリング型の摩擦攪拌接合装置にも本発明を適用することができる。

　本発明に従えば、連続接合においても、回転子先端による被接合物の押圧を維持した状態で軸状のピンを引き抜くので、軸状のピンが引き抜かれた空間に周囲の母材が流れ込み、軸状のピンを引き抜いた後の空洞が埋められる。このように、前述した従来技術よりも速く空洞を埋めることができる。また、一旦引き抜いてから空洞を埋めるのでなく、押圧した状態で軸状のピンを引き抜くので、軟化した母材が冷却されて硬化することなく、確実に空洞を埋めることができる。また、駆動源を共通とすることで、装置自体の重量を軽減し、製造コストも削減することができる。

　本発明に従えば、駆動源を共通とすることで、装置自体の重量を軽減し、また製造コストも削減することができる。

　本発明に従えば、ブレーキ機構またはクラッチ機構など、簡単な構成で一体移動状態と相対移動状態とを切り換えることができる。

　本発明に従えば、回転子の回転方向を切り換えることで、一体移動状態と相対移動状態とが切り換えられるので、接合制御が容易となる。

　本発明に従えば、平坦となった回転子先端で押圧することで、接合語のワーク表面を平坦とし、美観を向上させることが可能となる。

　本発明に従えば、回転子先端を平坦にした状態で、所定時間押圧することにより、さらに確実に空洞を埋め、凹所を防ぐことができる。

　本発明によれば、回転子先端による被接合物の押圧を維持した状態で軸状のピンを引き抜くので、軸状のピンが引き抜かれた空間に周囲の母材が流れ込み、軸状のピンを引き抜いた後の空洞が埋められる。

　また本発明は、回転子先端にリング部が設けられるタイプの摩擦攪拌接合装置にも本発明を適用することができる。
　また本発明は、連続接合を行なう場合にも適用することができる。

　また本発明によれば、駆動源を共通とすることで、装置自体の重量を軽減し、また製造コストも削減することができる。

　また本発明によれば、ブレーキ機構またはクラッチ機構など、簡単な構成で一体移動状態と相対移動状態とを切り換えることができる。

　また本発明によれば、回転子の回転方向を切り換えることで、相対移動の方向を切り換えるので、接合制御が容易となる。

　また本発明によれば、回転子先端が平坦になるまで軸を移動させるので、被接合物表面を平坦とすることが可能となる。

　また本発明によれば、平坦となった回転子先端で所定時間押圧することで、さらに空洞を確実に埋め、被接合物表面を平坦にすることができる。

　図１は、本発明に実施の一形態である摩擦攪拌接合装置１の構成を示す図である。摩擦攪拌接合装置１は、たとえば６軸垂直多関節型ロボットの手首に装着され、接合ガンとして用いられる。

　摩擦攪拌接合装置１は、回転子２、回転用モータ３、直進用モータ４および、これらを支持するガンアーム（図示せず）を備え、ガンアームがロボットの手首に装着される。回転子２は、回転子保持部材５に保持され、回転軸線Ｌまわりに回転自在で、かつ回転軸線Ｌ方向に移動可能にガンアームに支持される。回転用モータ３は、本実施形態ではインダクションモータからなり、ガンアームに固定され、回転子２を回転軸線Ｌまわりに回転駆動する。直進用モータ４は、本実施形態ではサーボモータであり、ガンアームに固定され、回転子２を、回転軸線Ｌ方向に直進駆動する。

　回転子保持部材５は、円柱状であり、下端部に回転子２が、回転軸線Ｌを同軸として装着されて固定される。この回転子保持部材５の外周部には、スプライン１０が形成され、スプライン受け１１によって受けられる。スプライン受け１１は、軸受け１２によって、ガンアームに固定支持される。スプライン受け１１の外周にはベルト車が固定され、また、回転用モータ３の出力軸にもベルト車１４が固定される。このベルト車１４からスプライン受け１１のベルト車にわたってＶベルトが巻きかけられる。このような構成によって、回転用モータ３を駆動させることによって、回転子２を回転軸線Ｌまわりに高速で回転駆動することができる。また、スプライン１０を介して回転力が伝達されるため、回転駆動しながら回転軸線Ｌに沿う直進移動を許容することができる。

　回転子保持部材５の下端部には、直進駆動部材２０が装着される。直進駆動部材２０は、円筒状であり、回転子保持部材５に対して一対の軸受け２１を介し、回転軸線Ｌまわりに回転自在で、かつ回転軸線Ｌ方向への変位が阻止されて連結される。この直線駆動部材２０の外周には外ネジが形成されており、リング状の内ネジ部材２２が、直進駆動部材２０の外ネジに螺合する。この内ネジ部材２２は、ガンアームに固定される軸受け２３を介して、ガンアームに、回転軸線Ｌまわりに回転自在に取り付けられる。

　この内ネジ部材２２の外周には有歯ベルト車が固定される。また、直進用モータ４の出力軸にも有歯ベルト車２４が固定され、この有歯ベルト車２４から内ネジ部材２２の有歯ベルト車にわたってタイミングベルト２５が巻き掛けられる。また、直進駆動部材２０の外周部には、回転軸線Ｌに平行な溝２７が形成されている。直進駆動部材２０の外周には、リング状で、直進駆動部材２０を外囲し、前記溝２７に嵌りこむ凸部を有する周り止めリング２６（図２参照）が、ガンアームに固定支持される。これによって、直進駆動部材２０が回転軸線Ｌまわりに回転することが防がれる。

　直進用モータ４を駆動させることで、タイミングベルト２５を介して、内ネジ部材２２が回転駆動し、これに螺合する直進駆動部材２０が回転軸線Ｌ方向に直進移動し、これによって回転子保持部材５および回転子２が回転軸線Ｌ方向に直進移動する。また、直進駆動部材２０と回転子保持部材５とは軸受け２１を介して連結されているので、回転子２および回転子保持部材２０が回転軸線Ｌまわりに高速で回転駆動しながら、回転軸線Ｌ方向に直進移動させることができる。また、回転子２および回転子保持部材５に直進駆動力を与える直進駆動部材２０は、回転軸線Ｌを共通の軸線として直進力を与えるので、力の伝達効率が良好である。

　また、回転子保持部材５の中央部には、スプライン受け２９が回転子保持部材５に嵌り込む。このスプライン受け２９は、軸受け２８によってガンアームに回転自在に支持される。このような構成により、回転子保持部材５が回転軸性Ｌ方向に直進移動可能で、かつ回転軸線Ｌまわりに回転可能に支持される。

　回転子２および回転子保持部材５には、回転軸線Ｌに沿って挿通孔３５が形成され、この挿通孔３５に軸状のピンであるピン軸３６が挿通される。このピン軸３６は、回転子保持部材５の後端（図１の上端）から回転子２の先端にわたって挿通し、回転軸線Ｌに沿って回転子２および回転子保持部材５に対して相対直進移動可能に設けられる。

　回転子保持部材の後端には、前記ピン軸３６が連結されてピン軸３６と一体となる円柱状の軸駆動部材３７が設けられる。この軸駆動部材３７の外周部には、外ネジが形成される。また、回転子保持部材５の後端部には、軸駆動部材３７の外ネジに螺合する内ネジ部材３８が固定される。駆動部材３７は、回転軸線Ｌを中心とする円柱状であり、後部（図１の上部）にスプライン軸３９が挿入される。つまり、駆動部材３７の後部にスプライン受けが形成された挿入孔が、回転軸線Ｌに沿って形成され、この挿入孔にスプライン軸３９が、回転軸線Ｌ方向に変位可能で、回転軸線Ｌまわりの回転が阻止されて挿入される。

　スプライン軸３９の後端部にはユニバーサルジョイント４０を介して電磁ブレーキ４１が連結される。この電磁ブレーキ４１はガンアームに固定され、ＯＮされて励磁されると、スプライン軸３９の回転を阻止し、ＯＦＦされるとスプライン軸３９の回転を許容する。

　回転子２先端は、円錐状となり、先端部に円柱状のショルダー部５０が形成され、このショルダー部５０の端面中央に挿通孔３５が開口している。ピン軸３６が先端側に直進移動すると、ショルダー部５０の端面からピン軸が突出する。この突出したピン軸３６が突出部であり、摩擦攪拌接合時に、この突出したピン軸３６がワークに挿入される。ピン軸３６は、ピン軸先端が突出した突出状態と、ピン軸が退避して、ピン軸先端とショルダー部５０の端面とが面一となる面一状態の２つの状態に切り換わることができる。この切り換わりは、回転子保持部材５の後端部に設けられる切り換え機構５１によって行なわれる。

　図３は、切り換え機構５１を示す拡大図である。切り換え機構５１は、回転子保持部材５の後端部に形成される空間４７を有し、軸駆動部材３７は、下端部が空間４７に露出する。軸駆動部材３７の下端部にはフランジが形成され、このフランジがストッパ４５として機能する。

　回転子保持部材５は、回転用モータ３によって回転軸線Ｌまわりに回転する。このとき、前記クラッチがＯＦＦされている場合には、軸駆動部材３７も回転子保持部材５とともに回転する。

　電磁ブレーキをＯＮすると、軸駆動部材３７の回転が停止する。つまり、軸駆動部材３７が回転子保持部材５のねじ部材３８に対して回転することになり、これによって、軸駆動部材３７およびピン軸３６が回転子保持部材５および回転子２に対して軸線Ｌに沿って相対的に直進移動することになる。

　このような相対移動状態で、軸駆動部材３７のストッパ４５が、空間４７の下面４８または上面４９に行き当たると、軸駆動部材３７の移動が停止し、軸駆動部材３７と回転子保持部材５とが一体となって移動し、一体移動状態となる。このようにして、相対移動状態と一体移動状態とは電磁ブレーキ４１によって切り換わる。

　ストッパ４５が下面４８に行き当たったとき、ピン軸３６の先端はショルダー部５０の端面から突出した突出状態となり、ストッパ４５が上面４９に行き当たったとき、ピン軸３６が退避し、面一状態となる。

　軸駆動部材３７のストッパ４５と回転子保持部材５との間には、ばね部材４６が介在される。ばね部材４６とストッパ４５および下面４８とに摩擦力が発生するので、電磁ブレーキ４１がＯＦＦ状態で、回転子保持部材５が回転したとき、回転子保持部材５と軸駆動部材３７とが確実にともに回転する。

　ガンアームには、回転子先端に対向配置される受け部（図示略）が取り付けられており、接合時には、この受け部と回転子先端とでワークを挟んで接合する。

　つぎに図４のタイムチャートを参照して、本発明の摩擦攪拌接合装置の接合方法について説明する。ここでは、水平に重畳配置された２枚のワークをスポット接合するものとする。ワークは、たとえばアルミニウム合金である。

　まず、ロボットによって摩擦攪拌接合装置１の位置決めを行なう。つまり、接合点の下に受け部が配置されるように摩擦攪拌接合装置１の位置決めを行なう。

　（１）まず、初期状態では、回転子２が接合点から所定距離離反した原位置に配置されており、回転子２は、回転用モータ３によって所定速度、たとえば２０００ｒｐｍ程度の高速で逆転（上から見て反時計まわり）しており、ピン軸３６は、面一状態となっている。このとき、軸駆動部材３７のストッパ４５は、空間４７の上面４９に当接している。また電磁ブレーキ４１はＯＦＦとなっているので、回転子保持部材５、回転子２とともにピン軸３６が回転している。

　（２）つぎに、ロボットの動きに合わせて直進用モータ４を駆動させて回転子２を前進（下降）させる。

　（３）ガンの開度（受け部と回転子先端との距離）が所定開度に達すると、電磁ブレーキ４１を所定時間ＯＮにする。すると、回転子２とともに回転していたピン軸３６および軸駆動部材３７が、電磁ブレーキ４１により回転が拘束される。ただし、電磁ブレーキ４１とはスプライン軸３９を介して連結されるので、回転軸線Ｌ方向への進退は自由となっている。また、軸駆動部材３７の外ネジおよび回転子保持部材５のねじ部材３８は右ネジであるので、軸駆動部材３７の回転を拘束することで、回転子保持部材５および回転子２に対して、軸駆動部材３７およびピン軸３６が下方に移動する。そして、軸駆動部材３７のストッパ４５が、空間４７の下面４８に行き当たるまで下降を続ける。このようにストッパ４５が下面４８に行き当たるのに必要な時間よりも少し長い時間だけ、電磁ブレーキのＯＮ継続時間が設定される。なお、ストッパ４５が行き当たり、回転子保持部材５とともに軸駆動部材３７が回転するときの回転力よりも、電磁ブレーキ４１のブレーキ力は小さく設定してある。このようにして、ピン軸３６が、回転子２に対して相対直進移動することにより、ピン軸３６の先端がショルダー部５０の端面から突出し、ストッパ４５が行き当たって停止する。このようにして、ピン軸３６は、突出状態となる。

　（４）電磁ブレーキ４１をＯＦＦした後、回転用モータ３を正転にする。また、回転子２の下降は継続している。

　（５）回転子先端から突出するピン軸３６がワークに当接して、押圧力が発生する。そして、ピン軸３６先端とワークとの摩擦熱でワークが軟化し、押圧されてピン軸３６がワークに挿入される。

　（６）ピン軸３６が挿入され、ショルダー部５０の端面がワークに当接すると、さらに押圧力が発生する。このときの状態を、図５（Ａ）に示す。そして、所定時間押圧する。この間、ピン軸３６およびショルダー部５０の端面による回転によって攪拌され、ワークの摩擦攪拌接合が行なわれる。

　（７）所定時間経過すると、電磁ブレーキ４１を所定時間ＯＮする。すると、（３）とは逆で、回転子保持部材５のねじ部材３８が、上からみて時計回りに回転している状態で、軸駆動部材３７の回転が拘束されるので、軸駆動部材３７が、回転子保持部材５に対して上方に直進移動する。そして、ストッパ４５が空間４７の上面４９に行き当たって、面一状態となる。このときの状態を、図５（Ｂ）に示す。このようにして、ピン軸３６が上昇するとき、ショルダー部５０の端面からワークに作用する押圧力が維持される。押圧せずにピン軸３６を引き上げた場合には、図６（Ａ）示すように、引き上げたピン軸の後に空洞ｈが形成されるが、上述したように、ショルダー部５０端面で押圧した状態でピン軸３６を引き抜くと、図６（Ｂ）に示すように、ピン軸３６が引き抜かれた空間に、摩擦熱で軟化した母材が押圧力によって順次流れ込み、空洞が埋められる。

　（８）そして、回転子先端が面一の状態で所定時間押圧する。
　（９）所定時間押圧後、直進用モータ４を逆転させて回転子２を上昇させる。ショルダー部５０の端面がワークから離反すると、押圧力が０になる。そして、所定開度になると、回転用モータ３を逆転させ、次のスポット接合点の準備をする。

　（１０）そして、回転子２が原位置に到達すると、１サイクル終了する。
　このようにして、空洞を形成することなく、スポット接合を行なうことができる。

　ピン軸３６が動くと好ましくない時に、ワークとピン軸との摩擦力により、ピン軸３６が動く可能性がある場合がある。つぎに、このピン軸３６の好ましくない場合ついてついて考察する。

　（１）ワークとピン軸３６との当接なし。
　（２）ワークとピン軸３６との当接なし。
　（３）ワークとピン軸３６との当接なし。
　（４）ワークとピン軸３６との当接なし。
　（５）ワークとピン軸３６と当接。ピン軸突出状態。回転用モータ正転　→　ピン軸上昇の好ましくない方向
　（６）ワークとピン軸３６と当接。ピン軸突出状態。回転用モータ正転　→　ピン軸上昇の好ましくない方向
　（７）ワークとピン軸３６と当接。　→　ピン軸上昇の好ましい方向。
　（８）ワークとピン軸３６と当接。　→　ピン軸上昇の好ましい方向。
　（９）ワークとピン軸３６と当接なし。
　（１０）ワークとピン軸と当接なし。

　したがって、（５）と（６）でのワークとピン軸との摩擦力に対抗するために、図３で説明したように、軸駆動部材３７のストッパ４５と空間４７の下面４８との間にばね部材４６が介在される。また、このばね部材４６が設けられない構造としてもよい。

　また、上述した実施形態では、スポット接合の場合について説明したが、ピン軸を突出させるピン型の摩擦攪拌接合装置１は、スポット接合だけに限らず、連続接合の場合にも適用することができる。その場合、（６）工程で、ピン軸突出状態で押圧しながら、ロボットで摩擦攪拌接合装置１を移動させ、接合線に沿って連続的に接合する。このような連続接合の場合においても、接合終了点において、前述と同様に押圧を維持した状態で、ピン軸を引き抜くことによって、空洞を生じさせずに接合することができる。

　つぎに、本発明の摩擦攪拌接合装置の他の実施形態であるリング型摩擦攪拌接合装置について説明する。図７は、リング型摩擦攪拌接合装置の回転子先端部を拡大して示す断面図である。リング型摩擦攪拌接合装置は、前述したピン型摩擦攪拌接合装置１とほぼ同一の構成を有するので、対応する構成には同一の参照符号を付して説明を省略する。

　リング型摩擦攪拌接合装置は、回転子先端のショルダー部５０に、端面から筒状のリング部６１が突出する。リング部６１は、回転子２の回転軸線Ｌと同軸であり、ショルダー部５０と一体に形成される。回転子２に形成される挿通孔３５は、リング部６１を貫通し、先端で開口する。この挿通孔３５に、内軸６２が挿通され、回転子２に対して回転軸線Ｌ方向に直進移動する。この内軸６２は、ピン型の摩擦攪拌接合装置１と同様に、軸駆動部材３７によって駆動され、軸駆動部材３７の移動方向は、切り換え機構６０によって切り換えられる。

　図８は、リング型摩擦攪拌接合装置の切り換え機構６０を示す拡大図である。リング型摩擦攪拌接合装置では、ピン型摩擦攪拌接合装置１とは逆に、内軸６２が前進した位置にあるときが、内軸６２先端とリング部６１の先端とが一致して面一状態となり、通常接合時には、内軸６２を、ショルダー部５０の端面と同じ位置まで引き込ませる。このように、ピン型摩擦攪拌接合装置１とは動作が逆になるので、切り換え機構６０も、図８に示すように、ばね部材６３の介在される位置が異なり、ストッパ４５と空間４７の上面４９の間に介在される。

　つぎに、このリング型摩擦攪拌接合装置の接合方法について、図９のタイムチャートを参照して説明する。

　（１）まず、初期状態では、回転子２が接合点から所定距離離反した原位置に配置されており、回転用モータ３は、正転（上から見て時計まわり）しており、内軸６２は、面一状態となっている。このとき、軸駆動部材３７のストッパ４５は、空間４７の下面４８に当接している。また電磁ブレーキ４１はＯＦＦとなっている。

　（２）つぎに、ロボットの動きに合わせて直進用モータ４を駆動させて回転子２を前進（下降）させる。

　（３）ガンの開度が所定開度に達すると、電磁ブレーキ４１を所定時間ＯＮにする。すると、回転子２とともに回転していた内軸６２および軸駆動部材３７が、電磁ブレーキ４１により軸駆動部材３７の回転が拘束される。ただし、電磁ブレーキ４１とはスプライン軸３９を介して連結されるので、回転軸線Ｌ方向への進退は自由となっている。また、軸駆動部材３７の外ネジおよび回転子保持部材５のねじ部材３８は右ネジであるので、軸駆動部材３７の回転を拘束することで、回転子保持部材５および回転子２に対して、軸駆動部材３７および内軸６２が上方に移動する。そして、軸駆動部材３７のストッパ４５が、空間４７の上面４９に行き当たるまで、軸駆動部材３７は上昇を続ける。このようにストッパ４５が行き当たるのに必要な時間よりも少し長い時間だけ、電磁ブレーキのＯＮ継続時間が設定される。なお、ストッパ４５が上面４９に行き当たり、回転子保持部材５とともに軸駆動部材３７が回転するときの回転力よりも、電磁ブレーキ４１のブレーキ力は小さく設定してある。このようにして、内軸６２が、回転子２に対して相対直進移動することにより、内軸６２がリング部６１から引込み、引込み状態となる。

　（４）電磁ブレーキ４１をＯＦＦした後、回転用モータ３を逆転にする。回転子２の下降は継続している。

　（５）回転子先端から突出するリング部６１先端がワークに当接して、押圧力が発生する。そして、リング部６１先端とワークとの摩擦熱でワークが軟化し、押圧されてリング部６１がワークに挿入される。

　（６）リング部６１が挿入され、ショルダー部５０の端面がワークに当接すると、さらに押圧力が発生する。このときの状態を図１０（Ａ）に示す。そして、所定時間押圧する。この間、リング部６１およびショルダー部５０の端面による回転によって攪拌され、ワークの摩擦攪拌接合が行なわれる。リング部６１は、ピンよりもワークへの接触面積が大きいので、摩擦効率および攪拌効率を向上させることができる。

　（７）所定時間経過すると、電磁ブレーキ４１を所定時間ＯＮする。すると、（３）とは逆で、回転子保持部材５のねじ部材３８が、上からみて反時計回りに回転している状態で、軸駆動部材３７の回転が拘束されるので、軸駆動部材３７が、回転子保持部材５に対して下方に直進移動する。また、電磁ブレーキ４１をＯＮすると同時に、直進用モータ４を逆転させ、軸駆動部材３７の下降量と同じ量だけ回転子２を上昇させる。つまり、内軸６２先端はワークから見ると同じ位置となる。このようにして、内軸３６による押圧状態を維持した状態で、リング部６１が引き抜かれる。そして、ストッパ４５が空間４７の下面４８に行き当たるまで軸駆動部材３７が下降し、かつリング部６１が上昇し、リング部先端が面一でワークに当接する状態となる。この段階では、ショルダー部５０による押圧はなくなり、内軸６２とリング部６１とによる押圧に変わる。そして、リング部６１および内軸６２により押圧されつつ、内軸６２が面一になる動作になる。

　（８）そして、回転子先端が面一の状態で所定時間押圧する。
　（９）所定時間押圧後、回転子２を上昇させる。回転子先端がワークから離反すると、押圧力が０になる。そして、所定開度になると、回転用モータ３を正転させ、次のスポット接合点に準備をする。

　（１０）そして、回転子２が原位置に到達すると、１サイクル終了する。
　このようにして、リング型ピンの摩擦攪拌接合装置においても、リング部６１の引き上げ時に、内軸６２を下降させることで、押圧状態を維持しながら引き上げることができ、リング部６１引き上げ時に形成される空洞を埋めることができる。

　つぎに、リング型摩擦攪拌接合装置において、ワークとピン軸との摩擦力により、内軸６２が動く可能性がある場合について考察する。

　（１）ワークと内軸６２との当接なし。
　（２）ワークと内軸６２との当接なし。
　（３）ワークと内軸６２との当接なし。
　（４）ワークと内軸６２との当接なし。
　（５）ワークと内軸６２との当接なし。
　（６）ワークと内軸６２と当接。内軸６２引込み。回転用モータ逆転　→　内軸突出状態。
　（７）ワークと内軸６２と当接。　→　内軸６２下降の好ましい方向。
　（８）ワークと内軸６２と当接。　→　内軸６２が下降して突き当たる。好ましい方向。
　（９）ワークと内軸６２と当接なし。
　（１０）ワークと内軸６２と当接なし。

　したがって、工程（６）でワークと内軸６２との摩擦力に対抗するために、図８に示すように、ばね部材４９が設けられる。また、このばね部材４９が設けられない構造としてもよい。

　上述した各実施形態では、ピン軸３６および内軸６２の駆動の切り換えに電磁ブレーキを用いたが、本発明はこれに限らず、電磁クラッチを用いて切り換えるように構成してもよい。また、直進駆動用モータとして、上述した実施形態では、インダクションモータを用いたが、サーボモータとしてもよい。これによって、モータの回転方向を迅速に切り換えることができる。

　本発明は、次の実施の形態が可能である。
　（１）高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を接合する摩擦攪拌接合装置において、前記回転子は、回転子に挿通され、回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる軸状のピンを有し、被接合物をスポット接合し、接合終了時に、被接合物を押圧した状態で、前記軸状のピンを相対移動させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

本発明に実施の一形態であるピン型の摩擦攪拌接合装置１の構造を示す図である。 回り止め２６を示す図である。 切り換え機構５１を拡大して示す図である。 ピン型の摩擦攪拌接合装置１の接合方法を示すタイムチャートである。 ピン軸挿入時の状態を示す断面図である。 ピン軸引き抜き時の状態を、従来と比較して示す断面図である。 本発明の他の実施形態であるリング型摩擦攪拌接合装置の回転子先端部を示す断面図である。 リング型摩擦攪拌接合装置の切り換え機構６０を拡大して示す図である。 リング型摩擦攪拌接合装置の接合方法を示すタイムチャートである。 リング型摩擦攪拌接合装置の接合時の状態を示す断面図である。

符号の説明

　１　摩擦攪拌接合装置
　２　回転子
　３　回転用モータ
　４　直進用モータ
　５　回転子保持部材
　４１　電磁ブレーキ

Claims (8)

1. 　高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物をスポット接合する摩擦攪拌接合装置において、
   　前記回転子は、回転子に挿通され、回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる軸状のピンを有し、接合終了時に、被接合物を、前記回転子先端部の端面の押圧力を維持して押圧した状態で、前記軸状のピンを相対移動させ、前記押圧力によって、前記軸状のピンが引き抜かれた空間に、摩擦熱に軟化した被接合物を流れ込ませて前記空間を埋めることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 　回転子先端部は、円筒状のリング部を有し、前記軸状のピンは、リング部に変位可能に挿入される内軸であることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 　高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪拌して被接合物を連続接合する摩擦攪拌接合装置において、
   　前記回転子は、回転子に挿通され、回転軸線方向に相対直進移動可能に設けられる軸状のピンを有し、接合終了時に、被接合物を、前記回転子先端部の端面の押圧力を維持して押圧した状態で、前記軸状のピンを相対移動させ、前記押圧力によって、前記軸状のピンが引き抜かれた空間に、摩擦熱に軟化した被接合物を流れ込ませて前記空間を埋めることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
4. 　回転子の回転、および前記軸状のピンの回転子に対する相対直進移動は、同一の駆動源によって行なわれることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 　回転子と軸状のピンとが一体となって直進移動する一体移動状態と、回転子と軸状のピンとが相対移動する相対移動状態とが、ブレーキ機構またはクラッチ機構によって切り換えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 　回転子の回転方向を切り換えることで、前記相対移動の方向が切り換えられることを特徴とする請求項５記載の摩擦攪拌接合装置。
7. 　接合終了時には、前記回転子先端部の端面と前記ピンの先端部とを面一の状態となるまで軸状のピンを移動させて押圧することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の摩擦攪拌接合装置。
8. 　前記回転子先端部の端面と前記ピンの先端部とを面一の状態となるまで軸状のピンを移動させた後、所定時間押圧することを特徴とする請求項７記載の摩擦攪拌接合装置。

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