JP3463671B2 - 摩擦撹拌を用いた接合方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳物や板材等の金
属部材を摩擦により溶融及び撹拌する接合方法及び装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の接合技術は、板材や予め３次元形
状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗
溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等に
よって接合している。

【０００３】そして、金属部材が複雑な３次元形状の場
合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できる
スポット溶接が用いられる。

【０００４】また、他の接合技術として、非溶融の状態
で摩擦撹拌する接合方法が特許第２７１２８３８号公報
に開示されている。この接合技術は、２つの部材を突き
合わせた接合面にプローブと呼ばれる突出部を回転させ
ながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦
熱により可塑化させて結合するものである。

【０００５】また、特開平１０−１８３３１６号公報及
び特開２０００−１５４２６には、シリンダヘッドのシ
リンダブロックに対する合わせ面などの鋳物の表面処理
において、先端のショルダ部に突出部を設けた回転ツー
ルを回転させながら圧入して、熱により非溶融の状態で
撹拌する表面処理方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記非溶融状態での摩
擦撹拌接合では、ツール回転数やツール押し込み量、ツ
ール進行速度などを必要以上に高め過ぎると、接合が不
完全になったり、接合部分が溶融してしまう。このた
め、加工時間の短縮には限界があった。

【０００７】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、従来の溶接に比して溶接に要する電流などが不
要となり、接合時間を短縮できる摩擦撹拌を用いた接合
方法及び装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の摩擦撹拌を用いた接合方
法は、第１ツール部と、この第１ツール部より小さい面
積で、当該第１ツール部の先端部から突出する第２ツー
ル部とを備える回転ツールを回転させて、第１部材と第
２部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩擦により
撹拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合方法におい
て、前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツー
ルとで挟むように、前記回転ツールに対向して配置さ
れ、前記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール
部の断面積より小さい面積の受け面を有した固定ツール
を、当該回転ツールとの離間距離が可変となるように設
け、前記固定ツールの受け面で前記重ね合わせた第１及
び第２部材を受け、前記回転ツールを回転させた状態
で、前記第１部材及び第２部材に対して前記回転ツール
を前記第２ツール部から押圧して圧入し、前記回転ツー
ルを前記圧入した部材内で回転させることにより、前記
回転ツールの周囲にある部材を切削し、前記切削した部
材を前記第１ツール部及び第２ツール部により前記部材
内部で摩擦により撹拌して溶融させると共に、前記溶融
させる領域の周辺部を塑性流動させて、前記第１部材と
第２部材とを接合し、前記接合終了後に、前記回転ツー
ルを回転した状態で前記部材から退避させる。また、好
ましくは、前記固定ツールの受け面を、前記回転ツール
の第２ツール部の先端部と略同面積に形成した。

【０００９】

【００１０】また、本発明の摩擦撹拌を用いた接合方法
は、第１ツール部と、この第１ツール部より小さい面積
で、当該第１ツール部の先端部から突出する第２ツール
部とを備える回転ツールを回転させて、第１部材と第２
部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩擦により撹
拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合方法において、
前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツールと
で挟むように、前記回転ツールに対向して配置され、前
記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール部の断
面積より小さい面積の受け面を有し、且つ当該受け面か
ら反回転ツール側になるほど断面積が拡大するテーパ状
に形成された拡径部を有した固定ツールを、当該回転ツ
ールとの離間距離が可変となるように設け、前記固定ツ
ールの受け面で前記重ね合わせた第１及び第２部材を受
け、前記回転ツールを回転させた状態で、前記第１部材
及び第２部材に対して前記回転ツールを前記第２ツール
部から押圧して圧入し、前記回転ツールを前記圧入した
部材内で回転させることにより、前記回転ツールの周囲
にある部材を前記第１ツール部及び第２ツール部により
摩擦により撹拌して前記第１部材と第２部材とを接合
し、前記接合終了後に、前記回転ツールを回転した状態
で前記部材から退避させる。また、好ましくは、前記固
定ツールの受け面の面積は、前記回転ツールの第１ツー
ル部の断面積と略同等もしくはそれ以下に設定されてい
る。

【００１１】また、本発明の摩擦撹拌を用いた接合装置
は、第１ツール部と、この第１ツール部より小さい面積
で、当該第１ツール部の先端部から突出する第２ツール
部とを備える回転ツールを回転させて、第１部材と第２
部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩擦により撹
拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合装置において、
前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツールと
で挟むように、前記回転ツールに対向して配置され、前
記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール部の断
面積より小さい面積の受け面を有し、当該回転ツールと
の離間距離が可変となるように設けられた固定ツール
と、前記固定ツールの受け面で前記重ね合わせた第１及
び第２部材を受け、前記回転ツールを回転させた状態
で、前記第１部材及び第２部材に対して前記回転ツール
を前記第２ツール部から押圧して圧入し、前記回転ツー
ルを前記圧入した部材内で回転させることにより、前記
回転ツールの周囲にある部材を切削し、前記切削した部
材を前記第１ツール部及び第２ツール部により前記部材
内部で摩擦により撹拌して溶融させると共に、前記溶融
させる領域の周辺部を塑性流動させて、前記第１部材と
第２部材とを接合し、前記接合終了後に、前記回転ツー
ルを回転した状態で前記部材から退避させるツール制御
手段とを備える。また、好ましくは、前記固定ツールの
受け面を、前記回転ツールの第２ツール部の先端部と略
同面積に形成した。また、本発明の摩擦撹拌を用いた接
合装置は、第１ツール部と、この第１ツール部より小さ
い面積で、当該第１ツール部の先端部から突出する第２
ツール部とを備える回転ツールを回転させて、第１部材
と第２部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩擦に
より撹拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合装置にお
いて、前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツ
ールとで挟むように、前記回転ツールに対向して配置さ
れ、前記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール
部の断面積より小さい面積の受け面を有し、且つ当該受
け面から反回転ツール側になるほど断面積が拡大するテ
ーパ状に形成された拡径部を有し、当該回転ツールとの
離間距離が可変となるように設けられた固定ツールと、
前記固定ツールの受け面で前記重ね合わせた第１及び第
２部材を受け、前記回転ツールを回転させた状態で、前
記第１部材及び第２部材に対して前記回転ツールを前記
第２ツール部から押圧して圧入し、前記回転ツールを前
記圧入した部材内で回転させることにより、前記回転ツ
ールの周囲にある部材を前記第１ツール部及び第２ツー
ル部により摩擦により撹拌して前記第１部材と第２部材
とを接合し、前記接合終了後に、前記回転ツールを回転
した状態で前記部材から退避させるツール制御手段とを
備える。また、好ましくは、前記固定ツールの受け面の
面積は、前記回転ツールの第１ツール部の断面積と略同
等もしくはそれ以下に設定されている。

【００１２】

【発明の効果】以上説明のように、本発明によれば、固
定ツールの受け面で重ね合わせた第１及び第２部材を受
け、回転ツールを回転させた状態で、第１部材及び第２
部材に対して回転ツールを第２ツール部から押圧して圧
入し、回転ツールを圧入した部材内で回転させることに
より、回転ツールの周囲にある部材を切削し、切削した
部材を第１ツール部及び第２ツール部により部材内部で
摩擦により撹拌して溶融させると共に、その溶融させる
領域の周辺部を塑性流動させて、第１部材と第２部材と
を接合することにより、従来の溶接に比して溶接に要す
る電流などが不要となり、接合時間を短縮できる。特
に、請求項１，２，５，６の発明によれば、固定ツール
における受け面を回転ツールの第１ツール部の断面積よ
り小さくしたことにより、接合部分の放熱を抑制し、蓄
熱効率を高めて溶融状態を生じやすくできる。

【００１３】

【００１４】請求項２、４の発明によれば、第１及び第
２部材を回転ツールとで挟むように、回転ツールに対向
して配置され、回転ツールとの離間距離が可変となるよ
うに固定ツールが設けられ、固定ツールにおける回転ツ
ールに対向する先端部を、回転ツールの第２ツール部の
先端部と略同面積に形成したことにより、接合部分の放
熱を抑え、接合時間を短縮して接合強度を高めることが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１６】尚、以下に説明する実施の形態は、本発明
の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を
逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したもの
に適用可能である。 ［摩擦撹拌による接合方法］図１は、本発明に係る実施
形態の摩擦撹拌による接合方法を説明する概念図であ
る。

【００１７】図１に示すように、本実施形態で例示する
接合方法は、例えば、アルミニウム合金などの板状の部
材同士の接合に適用され、少なくとも２枚の部材を重ね
合わせて、最外表面の第１部材Ｗ１に回転ツール１をそ
の軸心まわりに回転（旋回）させながら加圧して圧入す
ることにより、その重ね合わされた第１及び第２部材Ｗ
１、Ｗ２間の部材組織を摩擦熱により溶融及び撹拌して
接合するものである。

【００１８】そして、第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２を回
転ツール１とで挟むように、回転ツール１に対向して配
置され、回転ツール１との離間距離が可変となるように
固定ツール１０が設けられている。

【００１９】回転ツール１は、部材よりも硬度の高い鋼
材（超硬合金等）で形成された非摩耗型工具であるが、
部材は回転ツール１より軟質の材質であれば、アルミニ
ウム合金に限定されない。また、固定ツール１０は、例
えば、鋼材や銅材などから形成される。

【００２０】詳しくは、回転ツール１はその先端の第１
ショルダ部２から突出する突出部３を備え、回転ツール
１と固定ツール１０とで第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２を
挟むように、設定された回転数で回転ツール１を回転さ
せながら突出部２を所定の加圧力で第１及び第２部材Ｗ
１、Ｗ２に圧入し、これら部材内部において突出部３が
回転することによりその周辺部分の部材組織を切削して
発熱させる。更に、突出部３により切削された切子が両
ツール１，１０により部材内部に留められて撹拌されて
周辺の部材組織や突出部３に衝突することにより発熱さ
せ、また、第１ショルダ部２を所定の加圧力で圧入して
回転させることにより発熱させて切子を溶融させ、その
周辺部の部材組織の塑性流動を促進させつつ、所定の加
圧力及び回転数で所定時間保持することで単位面積当た
りの加圧力を高めて塑性流動容積を増加させ、回転ツー
ル１を回転させたまま部材から抜くことで塑性流動して
いた部材組織が冷却されて接合される。

【００２１】更に、この接合処理を連続して行うこと
で、前サイクルで突出部３の周辺部分に付着した部材組
織が溶融して、次サイクルの撹拌で材料として供給され
る。

【００２２】このとき、固定ツール１０の受け面１１の
面積を小さくすることで加圧力を高めつつ、固定ツール
１０への放熱を抑え、塑性流動容積を増加させて部材の
結合力を高めている。

【００２３】本実施形態の接合方法は、予め３次元形状
にプレス成形された自動車鋼板などの重ね継ぎ手（例え
ば、後部ドアのアウタパネルとレインフォースメント）
の局所的な接合に適している。即ち、プレス成形により
部材が複雑な３次元形状を有し、回転ツール１を連続し
て移動できないような複数点在する接合部分に対して、
本実施形態の接合方法を用いることにより局所的に接合
でき、プレス成形後であっても接合可能となる。

【００２４】この接合方法によれば、従来のスポット溶
接に用いられていた溶接電流、冷却水、エアなどが一切
不要になり、接合に要するエネルギ消費を大幅に低減す
ることができる。また、上述のようなエネルギ源として
の装置や設備が不要となるため、大幅な設備投資の低減
を図ることができる。

【００２５】また、従来のスポット溶接に用いる溶接ガ
ンを流用でき、接合部材の制約、接合強度や生産効率の
いずれについても従来と同等以上の能力を容易に達成す
ることができる。

【００２６】図２は、従来の摩擦撹拌による非溶融の接
合方法を説明する概念図である。

【００２７】図２に示す従来の接合方法は、第１及び第
２部材Ｗ１、Ｗ２を回転ツール１と固定ツール１０’と
で挟むように配置し、最外表面の第１部材Ｗ１に回転ツ
ール１をその軸心まわりに回転させながら加圧して圧入
する手順は本発明と同様であるが、その重ね合わされた
第１及び第２部材Ｗ１、Ｗ２間の部材組織を摩擦熱によ
り非溶融の状態で撹拌して接合する点で異なるものであ
る。

【００２８】ここで、非溶融で攪拌する状態とは、母材
に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が
低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属組
織を軟化させて攪拌することを意味する。

【００２９】そして、従来の接合方法では、非溶融で撹
拌するので、電気抵抗溶接等で発生する熱歪み等の問題
を解消するというメリットがある。

【００３０】その反面、非溶融での摩擦撹拌のために回
転ツール１の回転数や加圧力をむやみに上げられないこ
と、固定ツール１０’における第２部材Ｗ２に当接する
受け面１１’の面積が回転ツール１の先端部から突出す
る突出部３の面積に比べて大きいため、加圧力が受け面
１１’の全面に分散されること、回転ツール１の回転に
よる摩擦熱が受け面１１’の全面に放熱されてしまうこ
となどにより、接合に時間（例えば、２〜３秒）を要す
るというデメリットがある。

【００３１】これに対して、本発明では、溶融状態での
摩擦撹拌のために回転ツール１の回転数や加圧力を上げ
ることができるようにし、更に、固定ツール１０におけ
る受け面１１を少なくとも回転ツール１の突出部３の断
面積より小さく形成して、放熱を抑えて部材内部の蓄熱
効率を高めており、これにより切子の溶融や塑性流動を
促進して接合に要する時間（例えば、０．３〜０．５
秒）を短縮できるというメリットがある。

【００３２】加えて、回転ツール１の突出部３は、図３
に示すように、部材の重ね合わせ枚数が多くなるほど部
材の総厚が大きくなるため、重ね合わせ枚数に応じて長
くしていく必要があるが、例えば、図４に示すように、
２枚の重ね合わせ接合用の長さの突出部３を持つ回転ツ
ール１を３枚の重ね合わせ接合に適用した場合、接合時
間を短くすると中間部材Ｗ２と下部材Ｗ３の撹拌量が不
足して強度が確保できなくなり（図４（ａ）参照）、逆
に接合時間を長くすると上部材Ｗ１の板厚減少量が大き
くなりすぎて上部材Ｗ１と中間部材Ｗ２との間の強度が
確保できなくなり（図４（ｂ）参照）、いずれの場合で
も部材の重ね合わせ枚数の少ないときに用いるツールを
枚数の多い接合に用いることはできない。

【００３３】そこで、本発明では、図５及び図６に示す
ように、回転ツール１の先端部から突出部３に向かっ
て、同心で且つ少なくとも１つの段差を形成するように
小径となる第２及び第３ショルダ部４，５を設けること
により、突出部３の長さは２枚の重ね合わせ用のまま
で、３枚以上或いは総板厚の大きいの重ね合わせ接合を
可能としている。

【００３４】また、接合時における固定ツール１０から
の加圧状態を考察すると、図７に示す受け面１１がフラ
ットのものでは、その角部１２に応力が集中して固定ツ
ール１０の部材Ｗへの沈み込み量が増加する。このた
め、本発明では、図８に示すように、固定ツール１０の
受け面１１を曲面状にして角部１２を滑らかに形成した
ことで、部材Ｗへの応力集中と沈み込みの低減を図って
いる。また、受け面１１を曲面状に形成することで部材
Ｗに対して当接する角度が多少ずれたとしても点や線で
はなく面で受けを作るように構成できるので、接合強度
のバラツキを抑え、安定した接合品質を容易に確保する
ことができる。［接合に用いる回転ツール］図９及び図
１０は、本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用いる
回転ツールの外観図である。図１１は、本発明に係る実
施形態の摩擦撹拌接合に用いる固定ツールの正面図であ
る。

【００３５】図９に示す回転ツールは、重ね合わせ枚数
が２枚程度で、総厚が比較的小さい接合に用いられるも
ので、円筒状の第１ショルダ部２（第１ツール部に相当
する）と、この第１ショルダ部２より小径（或いは、小
さい断面積）で、当該第１ショルダ２の先端部２ａから
同一軸心で突出する円筒状の突出部３（第２ツール部に
相当する）とを備える。

【００３６】また、図１０に示す回転ツールは、重ね合
わせ枚数が３枚以上で、総厚が大きい接合に用いられる
もので、円筒状の第１ショルダ部２と、この第１ショル
ダ部２より小径（或いは、小さい断面積）で、当該第１
ショルダ部２の先端部２ａから同一軸心で突出する円筒
状の突出部３と、当該第１ショルダ部２から突出部３に
向かって、同心で且つ段差を形成するように徐々に小径
となる円筒状の第２及び第３ショルダ部４，５を備え
る。

【００３７】図９に示す回転ツールにおいて、第１ショ
ルダ部２の直径φは５〜１３ｍｍ程度、突出部３の直径
φは２〜５ｍｍ程度に設定される。

【００３８】図１０に示す回転ツールにおいて、第１シ
ョルダ部２の直径φは１３〜１６ｍｍ程度、第２ショル
ダ部４の直径φは１０〜１３ｍｍ程度、第３ショルダ部
５の直径φは５〜１０ｍｍ程度、突出部３の直径φは２
〜５ｍｍ程度に設定される。

【００３９】尚、より切削性及び撹拌性を向上させるた
めに、突出部３の外周面に螺旋状或いは平行な溝を形成
してもよい。螺旋状溝の場合には、部材内部に部材組織
を押し込む方向に溝を形成すればよい。

【００４０】図１１に示す固定ツール１０は、受け面１
１から反回転ツール側になるほど断面積が拡大するよう
にテーパ状に形成された拡径部１３を備え、受け面１１
（Ｉ部）は、突出部２との加圧作用点のずれを吸収でき
るようにＲ３０〜５０ｍｍ程度の曲面状に形成されてい
る。

【００４１】上記図１０に示すように、回転ツールを構
成することで、様々な重ね合わせ枚数や総板厚の接合に
おいてもツールを交換せずに行うことができ、従来のツ
ール交換により発生していた接合時間のロスを削減する
ことができる。また、使用するツールの種類も低減され
るので、ツール購入／加工費や維持管理費などのコスト
が削減できる。

【００４２】図１１に示すように、固定ツール１０にお
いて、受け面１１の直径φは７〜１３ｍｍ程度、拡径部
１３の大径部分の直径φは１３〜１６ｍｍ程度、小径部
分のの直径φは、受け面１１から拡径部１３に向かっ
て、夫々の寸法に従ってテーパ状に拡大している。

【００４３】図１２は、回転ツール及び当該回転ツール
の取り付けブラケットを示す正面図である。

【００４４】図１２に示すように、回転ツール１の反突
出部２側の端面には先細りのテーパ穴６が形成され、そ
のテーパ穴６の周囲に等間隔（例えば、軸心まわりに９
０°ごと）に回り止めガイド溝７が形成されている。ま
た、取り付けブラケット２０の回転ツール１側の端面は
先細りのテーパ状に形成され、そのテーパ面２１の周囲
に上記回り止めガイド溝７に嵌り合う回り止めガイド２
２が突設されている。

【００４５】そして、回転ツール１のテーパ穴６と回り
止めガイド溝７とが、取り付けブラケット２０のテーパ
面２１と回り止めガイド２２に夫々嵌り合うことで両者
が固定され、回り止めガイド溝７とガイド２２とが嵌り
合うことにより互いに相対回転しないように構成され
る。

【００４６】取り付けブラケット２０は、回転ツール１
が固定された状態で略同径φ１３〜１６ｍｍ程度の一体
的な軸状になるように形成され、その長さは接合する部
材に適した長さに設定される。また、取り付けブラケッ
ト２０の反回転ツール側の端面には、直径φが１０〜１
３ｍｍ程度のロボット装着部２３が延設され、このロボ
ット装着部２３を不図示の多関節ロボットのモータ軸に
ホルダなどを介して取り付けることで回転ツール１と共
に回転駆動される。

【００４７】図１３は、回転ツールを固定及び駆動する
多関節ロボットの概略図である。

【００４８】図１３に示すように、多関節ロボット３０
は、ベース３１に設けられた関節３２に連結されてｙ軸
中心に揺動すると共に、関節３３でｚ軸中心に回転する
第１アーム３４と、関節３５を介して第１アーム３４に
連結されてｙ軸中心に揺動すると共に、関節３６でｘ軸
中心に回転する第２アーム３７と、関節３８を介して第
２アーム３７に連結されてｙ軸中心に揺動する第３アー
ム３９とを有する。

【００４９】第３アーム３９の先端部には、接合ガン５
０が取り付けられている。この接合ガン５０には、回転
ツール１が回転可能に取り付けられると共に、回転ツー
ル１を回転駆動するモータ５１と、回転ツール１に対向
するように固定ツール１０が取り付けられる。回転ツー
ル１と固定ツール１０の間隔はアクチュエータ５２によ
り可変となっており、接合時の部材に対する加圧力やツ
ール回転数を制御して３枚以上の重ね合わせ接合にも適
用できるように構成されている。

【００５０】多関節ロボット３０の各アーム、モータ、
アクチュエータの動作は、予めティーチングされて動力
／制御ケーブル６１を介してロボット制御部６０がコン
トロールする。

【００５１】図１４は、図１３に示す接合ガンの詳細図
である。

【００５２】図１４に示すように、接合ガン５０は、ガ
ンアーム５５の下端部から横方向に延びる下端アーム５
６に取り付けブラケット５７を介して固定ツール１０が
取り付けられている。

【００５３】また、ガンアーム５５の上端部には、回転
ツール１を回転及び上下方向に駆動する駆動ユニット５
８が取り付けられている。駆動ユニット５８は、上下駆
動モータ５２を駆動源とするボールネジ機構５４により
上下方向にガイドされるガイドテーブル５３を備え、ガ
イドテーブル５３には回転駆動モータ５１が固定されて
いる。回転ツール１は、この回転駆動モータ５１の回転
軸５１ａにホルダなどを介して取り付けられ、固定ツー
ル１０と対向するように配置される。

【００５４】そして、回転ツール１は、上下駆動モータ
５２及びボールネジ機構５４によるガイドテーブル５３
の移動により上下方向に可動し、回転駆動モータ５１に
より回転駆動される。

【００５５】本実施形態では、上記接合設備（接合ガ
ン、回転駆動モータ、上下駆動モータ、回転ツールな
ど）の制御パラメータから設備異常が要因となって発生
する接合不具合を防止し、接合する部材の動摩擦係数や
部材に与える負荷（加圧力、回転数、ツール接触径な
ど）から発熱量を算出し、この発熱量と回転ツールの部
材への押し込み量（板厚減少量）との関係から接合中に
接合品質を判定するように構成され、全ての接合につい
て非破壊にて検査が行え、製造ライン（インライン）内
での品質保証の判定が可能となっている。 ［接合制御］次に、本実施形態の摩擦撹拌による接合制
御方法について説明する。

【００５６】図１５は、本実施形態の摩擦撹拌による接
合制御方法を説明するフローチャートである。

【００５７】図１５に示すように、ステップＳ１では、
接合する素材の組み合わせや板厚に基づいて、回転ツー
ルの回転数、加圧力、接合時間などの接合条件を予め実
験などにより設定したデータベースから好適な接合条件
を算出する。

【００５８】ステップＳ３では、回転ツールを回転駆動
を開始する。

【００５９】ステップＳ５で回転ツールが設定された回
転数に到達するのを待ち、到達したならば、ステップＳ
７に進み、回転ツールを下降させて部材への加圧を開始
する。ツール回転数は、回転駆動モータのエンコーダ値
から算出される。また、加圧力は、上下駆動モータのフ
ィードバック電流値から算出される。更に、予め実験な
どにより設定されたガンアームたわみ補正テーブルと上
下駆動モータのエンコーダ値から回転ツールと固定ツー
ルのツール間距離を算出する。

【００６０】ステップＳ９で回転ツールが設定された加
圧力に到達し、上記ツール間距離から回転ツールの突出
部の部材への圧入完了を検出したならば、回転ツールの
ショルダ部が部材に接触した状態で回転して発熱する。

【００６１】ステップＳ１１では、突出部２の部材に対
するツール先端位置（押し込み量）を算出すると共に、
ステップＳ１３で回転ツールに加わる負荷を算出する。

【００６２】上記回転ツールのツール先端位置（押し込
み量）は、上記ツール間距離から算出される。また、回
転ツールに加わる負荷は、回転駆動モータのフィードバ
ック電流値から算出される。

【００６３】ステップＳ１５では、上記ツール間距離を
監視しながら上部材の板厚減少量を算出し、所定の基準
値を超えたときに接合条件（加圧力、回転数）を補正或
いは変更することにより接合不具合（接合強度低下）を
招くような板厚減少を低減する。また、ステップＳ１３
で算出された回転ツールのツール先端位置に適するよう
に接合条件（加圧力、回転数）を補正或いは変更する。

【００６４】ステップＳ１７では、ステップＳ１５で補
正（変更）された接合条件で、ステップＳ１で設定され
た接合時間に到達するまでステップＳ１３〜Ｓ１７まで
の接合処理を保持し、この接合時間経過後に接合を完了
する。

【００６５】上記加圧力は、ツール先端での加圧力とそ
のときに必要な上下駆動モータの電流値の関係を予めテ
ーブルに設定しておき、このテーブルにより加圧力補正
式を算出することにより制御されている。そして、加圧
時の上下駆動モータのフィードバック電流を検出し、こ
のフィードバック電流値と加圧力補正式から加圧力が算
出できる。

【００６６】上記回転ツールのツール先端位置（押し込
み量）は、図１９に示すように、上記欠損確認時の基準
位置における上下駆動モータのエンコーダ値と、現在回
転ツールがある位置での同モータのエンコーダ値とを比
較して算出される。また、ツール間距離は、図１９に示
すように、予め加圧力とガンアームたわみ量の関係をテ
ーブルに設定しておき、このテーブルからたわみ補正式
を求め、接合時に発生する加圧力を上下駆動モータのフ
ィードバック電流値とたわみ補正式により算出し、この
加圧力により加圧したときのガンアームのたわみ量をた
わみ補正式から算出する。そして、このガンアームたわ
み量と上記回転ツールのツール先端位置の関係からツー
ル間距離が算出される。

【００６７】尚、上記制御において、接合時間は回転ツ
ールに加わる負荷に応じて変更してもよい。

【００６８】上記実施形態によれば、ツール先端位置と
負荷から接合状態を検出し、この接合状態に適した接合
条件（加圧力、回転数、接合時間）の制御を行うこと
で、接合する素材の組み合わせや板厚に適した塑性流動
を発生させて接合不具合を低減し、安定した接合品質を
確保できる。［品質保証方法］次に、本実施形態の摩擦
撹拌による接合方法における品質保証方法ついて説明す
る。

【００６９】図１６は、本実施形態の摩擦撹拌接合方法
における品質保証方法を説明するフローチャートであ
る。

【００７０】図１６に示すように、ステップＳ２１で
は、実際の接合に入る前に、部材を介在させないで回転
ツール１の突出部２が部材に当接する位置を算出する。

【００７１】ステップＳ２３では、上記ステップＳ２１
で算出された当接位置と予め決められた基準位置と比較
して、回転ツール１における突出部２の磨耗による欠損
確認を実行する。

【００７２】基準位置は、欠損のない新品の回転ツール
１を用い、この回転ツール１が固定ツール１０に接触し
て所定加圧力になった時の位置とする。そして、当接位
置が基準位置を所定量超えたときに欠損ありと判定され
る。

【００７３】ステップＳ２３で、突出部２が欠損してい
ると判定されると、ステップＳ２５に進んで、異常とし
てその後のロボット動作が停止される。

【００７４】上記ステップＳ２３の欠損確認により欠損
なしと判定されると、ステップＳ２７で本プログラムを
起動して、接合処理を開始する。

【００７５】ステップＳ２９では、回転ツールを回転駆
動を開始する。

【００７６】ステップＳ３３で回転駆動モータのエンコ
ーダ値から回転ツールが設定された回転数に到達したな
らば、ステップＳ３７に進み、回転ツール１を下降させ
て部材への加圧を開始する。また、所定時間経過しても
設定された回転数に到達しないならば、ステップＳ３５
で異常としてその後のロボット動作が停止される。

【００７７】ステップＳ３９で回転ツールが設定された
加圧力に到達したならば、回転ツールのショルダ部が部
材に接触した状態で回転して発熱を開始し、ステップＳ
４３で突出部２の部材に対するツール先端位置（押し込
み量）を算出すると共に、ステップＳ４５で回転ツール
に加わる負荷を算出する。また、所定時間経過しても設
定された加圧力に到達しないならば、ステップＳ４１で
異常としてその後のロボット動作が停止される。

【００７８】上記加圧力は、ツール先端での加圧力とそ
のときに必要な上下駆動モータの電流値の関係を予めテ
ーブルに設定しておき、このテーブルにより加圧力補正
式を算出することにより制御されている。そして、加圧
時の上下駆動モータのフィードバック電流を検出し、こ
のフィードバック電流値と加圧力補正式から加圧力が算
出できる。

【００７９】上記回転ツールのツール先端位置（押し込
み量）は、図１９に示すように、上記欠損確認時の基準
位置における上下駆動モータのエンコーダ値と、現在回
転ツールがある位置での同モータのエンコーダ値とを比
較して算出される。また、ツール間距離は、図１９に示
すように、予め加圧力とガンアームたわみ量の関係をテ
ーブルに設定しておき、このテーブルからたわみ補正式
を求め、接合時に発生する加圧力を上下駆動モータのフ
ィードバック電流値とたわみ補正式により算出し、この
加圧力により加圧したときのガンアームのたわみ量をた
わみ補正式から算出する。そして、このガンアームたわ
み量と上記回転ツールのツール先端位置の関係からツー
ル間距離が算出される。

【００８０】また、回転ツールに加わる負荷は、無負荷
状態での回転駆動モータのフィードバック電流値と、回
転駆動モータのエンコーダで検出される回転数の関係か
ら各回転数ごとの基準電流を予めテーブルに設定してお
き、このテーブルから基準電流算出式を求め、この基準
電流算出式から求めた基準電流と、接合時の回転駆動モ
ータのフィードバック電流値の下記の関係式１から算出
される。 （式１） 接合時の負荷＝接合時の回転駆動モータのフィードバッ
ク電流値−基準電流 ステップＳ４７では、上記回転ツールのツール先端位置
と予め記憶された接合特性ファイル（図１８参照）から
加圧による部材の板厚減少量を算出する。

【００８１】ステップＳ４９では、上記負荷若しくは加
圧力、ツール回転数、部材の表面抵抗（動摩擦係数）及
びツール接触径から摩擦撹拌による発熱量を算出する。

【００８２】ステップＳ５１では、上記板厚減少量と発
熱量とを監視しながら接合品質を判定し、接合完了時に
品質保証不可と判定されたならば、オペレータに接合不
具合を警報して手直しを行う。上記板厚減少量は接合強
度の大小を決定する要因となる。なぜならば、接合後の
残存板厚の大小が接合強度に大きく影響するからであ
る。

【００８３】上記板厚減少量は、総板厚からツール間距
離を引いた値が総板厚減少量となり、この総板厚減少量
に板厚減少比率（上部材の板厚減少量／総板厚減少量）
を乗じることにより上部材の板厚減少量を算出する。ま
た、総板厚減少量から上部材の板厚減少量を引くことで
下部材の板厚減少量を算出する（下記の関係式２〜４参
照）。板厚減少比率は、予め実験などにより求めた比率
を設定しておく。 （式２） 総板厚減少量＝総板厚−ツール間距離 （式３） 上部材の板厚減少量＝総板厚減少量×板厚減少比率（上
部材の板厚減少量／総板厚減少量） （式４） 下部材の板厚減少量＝総板厚減少量−上部材の板厚減少
量 図１８は加圧力と接合強度との関係を示し、接合条件
Ａ，Ｂ，Ｃにおいて接合強度が下限値を超えた場合に品
質保証可、下回る場合に品質保証不可と判定する。 ［接合品質判定方法］次に、上記ステップＳ５１での接
合品質判定方法について説明する。

【００８４】図１７は、本実施形態の摩擦撹拌接合方法
における品質保証方法を説明するフローチャートであ
る。

【００８５】図１７に示すように、ステップＳ５５で
は、ステップＳ４９で算出された発熱量を実験などによ
り予め求めた発熱量と接合部面積（若しくは、直径な
ど）の算出式に代入して接合部面積を算出する。同時
に、ステップＳ５３では、ステップＳ４７で算出された
板厚減少量が予め設定された基準値内であるか判定し、
当該基準値内であれば、ステップＳ５７で接合部面積の
強度判定を行い、基準値を超えるならば接合強度の確保
が難しいとして品質保証不可と判定して、オペレータに
接合不具合を警報して手直しを行う。

【００８６】ステップＳ５７の接合部面積の強度判定で
は、予め記憶された接合特性ファイル（図１８参照）か
ら接合部面積が基準値内か判定し、当該基準値内であれ
ば品質保証可と判定して接合を完了し、基準値を超える
ならば接合強度の確保が難しいとして品質保証不可と判
定して、オペレータに接合不具合を警報して手直しを行
う。

【００８７】図１８からわかるように、加圧力を大きく
していくと、ある地点Ｐから接合強度が低下していく。
これは、板厚減少量が大きくなって接合強度に影響を及
ぼすからであり、この接合強度が低下する地点Ｐを基準
値として接合条件（加圧力、回転数）が決定される。

【００８８】上記実施形態によれば、上記接合設備（接
合ガン、回転駆動モータ、上下駆動モータ、回転ツール
など）の制御パラメータから設備異常が要因となって発
生する接合不具合を検出できる。また、接合する部材の
動摩擦係数や部材に与える負荷（加圧力、回転数、ツー
ル接触径など）から発熱量を算出し、この発熱量と回転
ツールの部材への押し込み量（板厚減少量）との関係か
ら接合中に接合品質を判定することにより、全ての接合
について非破壊にて検査が行え、製造ライン（インライ
ン）内での品質保証の判定が可能となる。

【００８９】

【００９０】尚、図１５乃至図１７に示すフローチャー
トに対応する接合制御方法、接合保証方法、接合品質判
定方法を実行するためのコンピュータプログラムや当該
プログラムコードが格納された記憶媒体を、コンピュー
タに供給して、当該コンピュータが記憶媒体に格納され
たプログラムコードを読み出して、上記実施形態の処理
を実行するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌による接合方
法を説明する概念図である。

【図２】従来の摩擦撹拌による非溶融の接合方法を説明
する概念図である。

【図３】３枚の重ね合わせ接合用の長さの突出部を持つ
回転ツールでの接合の様子を示す図である。

【図４】２枚の重ね合わせ接合用の長さの突出部を持つ
回転ツールで３枚の重ね合わせ接合を時間を変化させて
行った場合の接合の様子を示す図である。

【図５】本発明に係る実施形態の回転ツールで２枚の重
ね合わせ接合を行った場合の接合の様子を示す図であ
る。

【図６】本発明に係る実施形態の回転ツールで３枚の重
ね合わせ接合を行った場合の接合の様子を示す図であ
る。

【図７】受け面がフラットの固定ツールの加圧による部
材への影響を示す図である。

【図８】受け面が曲面状の固定ツールの加圧による部材
への影響を示す図である。

【図９】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用いる
回転ツールの外観図である。

【図１０】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用い
る回転ツールの外観図である。

【図１１】本発明に係る実施形態の摩擦撹拌接合に用い
る固定ツールの正面図である。

【図１２】回転ツール及び当該回転ツールの取り付けブ
ラケットを示す正面図である。

【図１３】回転ツールを固定及び駆動する多関節ロボッ
トの概略図である。

【図１４】図１３に示す接合ガンの詳細図である。

【図１５】本実施形態の摩擦撹拌による接合制御方法を
説明するフローチャートである。

【図１６】本実施形態の摩擦撹拌接合方法における品質
保証方法を説明するフローチャートである。

【図１７】本実施形態の摩擦撹拌接合方法における品質
保証方法を説明するフローチャートである。

【図１８】加圧力と接合強度との関係を示す図である。

【図１９】ツール先端位置とツール間距離とガンアーム
たわみ量の関係を説明する図である。

【符号の説明】

１ 回転ツール ３ 突出部 １０ 固定ツール ３０ 多関節ロボット Ｗ１〜Ｗ３ 部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 20/12

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１ツール部と、この第１ツール部より
   小さい面積で、当該第１ツール部の先端部から突出する
   第２ツール部とを備える回転ツールを回転させて、第１
   部材と第２部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩
   擦により撹拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合方法
   において、 前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツールと
   で挟むように、前記回転ツールに対向して配置され、前
   記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール部の断
   面積より小さい面積の受け面を有した固定ツールを、当
   該回転ツールとの離間距離が可変となるように設け、 前記固定ツールの受け面で前記重ね合わせた第１及び第
   ２部材を受け、前記回転ツールを回転させた状態で、前
   記第１部材及び第２部材に対して前記回転ツールを前記
   第２ツール部から押圧して圧入し、 前記回転ツールを前記圧入した部材内で回転させること
   により、前記回転ツールの周囲にある部材を切削し、 前記切削した部材を前記第１ツール部及び第２ツール部
   により前記部材内部で摩擦により撹拌して溶融させると
   共に、前記溶融させる領域の周辺部を塑性流動させて、
   前記第１部材と第２部材とを接合し、 前記接合終了後に、前記回転ツールを回転した状態で前
   記部材から退避させることを特徴とする摩擦撹拌を用い
   た接合方法。
2. 【請求項２】 前記固定ツールの受け面を、前記回転ツ
   ールの第２ツール部の先端部と略同面積に形成したこと
   を特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌を用いた接合方
   法。
3. 【請求項３】 第１ツール部と、この第１ツール部より
   小さい面積で、当該第１ツール部の先端部から突出する
   第２ツール部とを備える回転ツールを回転させて、第１
   部材と第２部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩
   擦により撹拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合方法
   において、 前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツールと
   で挟むように、前記回転ツールに対向して配置され、前
   記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール部の断
   面積より小さい面積の受け面を有し、且つ当該受け面か
   ら反回転ツール側になるほど断面積が拡大するテーパ状
   に形成された拡径部を有した固定ツールを、当該回転ツ
   ールとの離間距離が可変となるように設け、 前記固定ツールの受け面で前記重ね合わせた第１及び第
   ２部材を受け、前記回転ツールを回転させた状態で、前
   記第１部材及び第２部材に対して前記回転ツールを前記
   第２ツール部から押圧して圧入し、 前記回転ツールを前記圧入した部材内で回転させること
   により、前記回転ツールの周囲にある部材を前記第１ツ
   ール部及び第２ツール部により摩擦により撹拌して前記
   第１部材と第２部材とを接合し、 前記接合終了後に、前記回転ツールを回転した状態で前
   記部材から退避させることを特徴とする摩擦撹拌を用い
   た接合方法。
4. 【請求項４】 前記固定ツールの受け面の面積は、前記
   回転ツールの第１ツール部の断面積と略同等もしくはそ
   れ以下に設定されていることを特徴とする請求項３に記
   載の摩擦撹拌を用いた接合方法。
5. 【請求項５】 第１ツール部と、この第１ツール部より
   小さい面積で、当該第１ツール部の先端部から突出する
   第２ツール部とを備える回転ツールを回転させて、第１
   部材と第２部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩
   擦により撹拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合装置
   において、 前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツールと
   で挟むように、前記回転ツールに対向して配置され、前
   記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール部の断
   面積より小さい面積の受け面を有し、当該回転ツールと
   の離間距離が可変となるように設けられた固定ツール
   と、 前記固定ツールの受け面で前記重ね合わせた第１及び第
   ２部材を受け、前記回転ツールを回転させた状態で、前
   記第１部材及び第２部材に対して前記回転ツールを前記
   第２ツール部から押圧して圧入し、前記回転ツールを前
   記圧入した部材内で回転させることにより、前記回転ツ
   ールの周囲にある部材を切削し、前記切削した部材を前
   記第１ツール部及び第２ツール部により前記部材内部で
   摩擦により撹拌して溶融させると共に、前記溶融させる
   領域の周辺部を塑性流動させて、前記第１部材と第２部
   材とを接合し、前記接合終了後に、前記回転ツールを回
   転した状態で前記部材から退避させるツール制御手段と
   を備えることを特徴とする摩擦撹拌を用いた接合装置。
6. 【請求項６】 前記固定ツールの受け面を、前記回転ツ
   ールの第２ツール部の先端部と略同面積に形成したこと
   を特徴とする請求項５に記載の摩擦撹拌を用いた接合装
   置。
7. 【請求項７】 第１ツール部と、この第１ツール部より
   小さい面積で、当該第１ツール部の先端部から突出する
   第２ツール部とを備える回転ツールを回転させて、第１
   部材と第２部材とを重ね合わせた接合部分を局所的に摩
   擦により撹拌させて接合する摩擦撹拌を用いた接合装置
   において、 前記重ね合わせた第１及び第２部材を前記回転ツールと
   で挟むように、前記回転ツールに対向して配置され、前
   記回転ツールに対向する先端部に前記第１ツール部の断
   面積より小さい面積の受け面を有し、且つ当該受け面か
   ら反回転ツール側になるほど断面積が拡大するテーパ状
   に形成された拡径部を有し、当該回転ツールとの離間距
   離が可変となるように設けられた固定ツールと、 前記固定ツールの受け面で前記重ね合わせた第１及び第
   ２部材を受け、前記回転ツールを回転させた状態で、前
   記第１部材及び第２部材に対して前記回転ツールを前記
   第２ツール部から押圧して圧入し、前記回転ツールを前
   記圧入した部材内で回転させることにより、前記回転ツ
   ールの周囲にある部材を前記第１ツール部及び第２ツー
   ル部により摩擦により撹拌して前記第１部材と第２部材
   とを接合し、前記接合終了後に、前記回転ツールを回転
   した状態で前記部材から退避させるツール制御手段とを
   備えることを特徴とする摩擦撹拌を用いた接合装置。
8. 【請求項８】 前記固定ツールの受け面の面積は、前記
   回転ツールの第１ツール部の断面積と略同等もしくはそ
   れ以下に設定されていることを特徴とする請求項７に記
   載の摩擦撹拌を用いた接合装置。