JP5700995B2 - 摩擦撹拌接合用治具、および摩擦撹拌接合の裏当て部材 - Google Patents

Description

本発明は、２つの円筒を摩擦撹拌接合によって接合して１つの円筒を作製するときに使用する治具、および摩擦撹拌接合の裏当て部材に関する。

従来より、２つの円筒を摩擦撹拌接合（ＦＲＩＣＴＩＯＮ ＳＴＩＲ ＷＥＬＤＩＮＧ）によって接合して１つの円筒を作製する方法が知られている。摩擦撹拌接合は、接合ツールのプローブと円筒との間に発生する摩擦熱により、２つの円筒の端部同士を接合する接合方法である。

一例を挙げて具体的に説明すると、まず、径が同一の２つの円筒の端面同士が当接される。次に、接合ツールのプローブが、２つの円筒の合わせ目上に該円筒の外部から没入しつつ回転することにより摩擦熱を発生させる。そして、２つの円筒が同期してその中心軸を中心として回転する。これにより、接合ツールのプローブが回転しながら２つの円筒の合わせ目上を移動し、発生した摩擦熱が２つの円筒それぞれの端部を軟化し、プローブによって軟化した円筒の部分が撹拌され、その結果として軟化した端部同士が接合する。

このような摩擦撹拌接合の場合、円筒をその内部から支持する治具として、例えばマンドレルが使用される。マンドレルは、円筒内に配置され、円筒の内周面を支持する。このマンドレルにより、接合ツールのプローブに外側から押圧されて円筒がその内側に向かって変形することが抑制される。

このようなマンドレルの例として、例えば特許文献１〜３に記載のマンドレルがある。図８に示すように、特許文献１のマンドレル３００は、分割式マンドレルと呼ばれ、円筒Ｗの内周面を支持するマンドレル３００の外周面を構成する４つのチャック爪３０２を有する。これらの４つのチャック爪３０２が油圧室３０４内の油圧が調整されることによって円筒Ｗの径方向に進退することにより、マンドレル３００の外径が調整される。これにより、マンドレル３００が円筒Ｗを支持することができる、また支持している円筒Ｗを離すことができる。

また、特許文献２の図９に示すマンドレル４００は、円筒に一方の端から他方の端に至るスリット４０２が形成された、すなわち「Ｃ」字断面形状を備えるマンドレルシェル４０４と、スリット４０２内に進入して該スリット４０２を拡張するくさび４０６と、くさび４０６をスリット４０２内に向かって前進させるシリンダ４０８とを有する。くさび４０６は、テーパー形状であって、シリンダ４０８によって前進することにより、スリット４０２を拡張する。スリット４０２が拡張することによってマンドレルシェル４０４の外径が大きくなり、マンドレルシェル４０４は円筒Ｗを支持することができる。

さらに、特許文献３の図１０に示すマンドレル５００は、円柱形状であって、内部に油圧が供給される油圧室５０２を備える。油圧室５０２内の油圧を高圧にすることにより、油圧室５０２周りのマンドレル５００の部分の外径が拡大する（すなわち、マンドレル５００が膨張する）。これにより、マンドレル５００は円筒Ｗ１を支持することができる。

特開２０００−１５３３７７号公報 特表２００８−５１５６４４号公報 特開２００６−９５５９３号公報

しかし、特許文献１に記載するマンドレル３００の場合、図８に示すように、外径が大きくなればなるほど、４つのチャック爪３０２間の隙間３０６が大きくなる。隙間３０６が大きくなると、摩擦撹拌接合によって軟化した円筒Ｗの部分が隙間３０６に入り込む可能性がある。軟化した円筒Ｗの部分がチャック爪３０２の隙間３０６に入り込むと、４つのチャック爪３０２が中心側に後退できず、２つの円筒Ｗを接合して完成した円筒製品がマンドレル３００から抜けなくなる可能性がある。

また、隙間３０６に軟化した円筒Ｗの部分が入り込むと、接合部の外側表面が凹んだ形状となる。さらに最悪の場合には摩擦攪拌した領域に空洞状の内部欠陥や接合部表面が開口する欠陥が発生することがある。このほか、接合部の裏面側にもキッシングボンドと呼ばれる未接合欠陥が発生しやすくなる。したがって、このような場合には完成した円筒製品は品質不良により、製品として使用できないことになる。

なお、複数のチャック爪３０２の隙間３０６が小さい状態で円筒Ｗを支持することにより、軟化した円筒Ｗの部分が隙間３０６に入り込むことを抑制することが考えられる。しかし、この場合、複数のチャック爪３０２の中心側への移動代（しろ）（後退距離）が小さくなる。その結果、摩擦撹拌接合による円筒Ｗの縮小変形により、完成した円筒製品がマンドレル３００から抜けなくなる可能性がある。

特許文献２に記載するマンドレル４００の場合も同様に、マンドレルシェル４０４のスリット４０２とくさび４０６との間の隙間４１０に、摩擦撹拌接合によって軟化した円筒Ｗの部分が入り込む可能性がある。この場合、マンドレルシェル４０４の外径を小さくできず、完成した円筒製品がマンドレル４００から抜けなくなる可能性がある。さらに、接合部の外側表面に凹みが生じたり、摩擦攪拌した領域にさまざまな種類の欠陥が発生し、製品として使用できないことがある。

特許文献３に記載するマンドレル５００の場合、特許文献１に記載のマンドレル３００や特許文献２に記載のマンドレル４００のように、摩擦撹拌接合によって軟化した円筒Ｗの部分が入り込む隙間はない。しかし、油圧室５０２内の油圧を高圧にすることによりマンドレル５００を径方向にわずかに膨張させる構成であるため、高い油圧の管理が要求される。例えば、油圧室５０２と円筒Ｗの距離が近いために（すなわち、油圧によって膨張可能にするために油圧室５０２の壁５０４が薄い）、摩擦熱が油圧室５０２内の作動液に伝達することを考慮して油圧を管理する必要がある。その結果、マンドレル５００の構成は複雑になり、高価なものになる。

そこで、本発明は、２つの円筒をその内部から支持する治具を用いる摩擦撹拌接合において、２つの円筒を接合して完成した１つの円筒製品が確実に治具から取り外せるようにするとともに、それを簡単な構成で実現することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、
２つの円筒を摩擦撹拌接合するための治具であって、
前記２つの円筒の接合位置でその内部側から２つの円筒を支持するマンドレルと、
前記２つの円筒とマンドレルとの間に配置される裏当て部材とを有し、
前記裏当て部材が、帯状の板をつる巻きばね状にして形成された円筒形状部材であることを特徴とする摩擦撹拌接合用治具が提供される。

また、本発明の第２の態様によれば、
前記裏当て部材をその中心軸方向に圧縮するまたは引張することによって裏当て部材の全長を調節する裏当て部材長さ調節機構と、
前記裏当て部材をその中心軸を中心にして捻ることによって前記裏当て部材の外径を調節する裏当て部材径調節機構とを有する、第１の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらに、本発明の第３の態様によれば、
前記裏当て部材径調節機構が、マンドレルの外径の変化に連動して裏当て部材の外径を調節する、第１または第２の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらにまた、本発明の第４の態様によれば、
裏当て部材を捻る部材に作用するトルクを検出するトルク検出手段を有する、第２または第３の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

加えて、本発明の第５の態様によれば、
２つの円筒を摩擦撹拌接合するための治具であって、
前記２つの円筒の接合位置でその内部側から２つの円筒を支持するマンドレルと、
前記マンドレルの外側に嵌め込まれる円筒形状の裏当て部材とを有し、
前記裏当て部材が、超弾性合金からなることを特徴とする摩擦撹拌接合用治具が提供される。

加えてまた、本発明の第６の態様によれば、
回転することによってマンドレルの外径を調節するマンドレル径調節部材と、
前記マンドレル径調節部材のトルクを検出するトルク検出手段とを有する、第５の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらに加えて、本発明の第７の態様によれば、
２つの円筒を摩擦撹拌接合するための治具であって、
前記２つの円筒の接合位置の内部側に配置される円筒形状の裏当て部材と、
前記裏当て部材の端面に当接する傾斜面を備えた円錐台形状または円錐形状であり、且つ円筒の中心軸方向に移動することにより、裏当て部材を円筒の内周面に向かって凸にたわむように圧縮変形させる圧縮部材とを有し、
前記裏当て部材が、超弾性合金からなることを特徴とする摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらに加えて、本発明の第８の態様によれば、
回転することによって圧縮部材を移動させる圧縮部材移動部材と、
前記圧縮部材移動部材のトルクを検出するトルク検出手段とを有する、第７の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらに加えて、本発明の第９の態様によれば、
前記２つの円筒を外部から支持する支持部材を有し、
前記支持部材が、２つの円筒の接合位置以外の位置で該２つの円筒を支持する、第１から第８のいずれか一の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらに加えて、本発明の第１０の態様によれば、
円筒内部を冷媒によって冷却する冷却機構を有する、第１から第９のいずれか一の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらに加えて、本発明の第１１の態様によれば、
接合が完了した前記２つの円筒の接合部分を、円筒の外部から冷媒によって冷却する第２の冷却機構を有する、第１から第１０のいずれか一の態様に記載の摩擦撹拌接合用治具が提供される。

さらに加えて、本発明の第１２の態様によれば、
２つの円筒の端部同士を摩擦撹拌接合によって接合して１つの円筒を作製するときに、２つの円筒の接合位置でその内部側から該２つの円筒を支持するマンドレルの外側に嵌め込まれ、２つの円筒とマンドレルの間に配置される裏当て部材であって、
帯状の板をつる巻きばね状にして形成された円筒形状部材であることを特徴とする裏当て部材が提供される。

本発明によれば、２つの円筒をその内部から支持する治具を用いる摩擦撹拌接合において、外径が変化可能な円筒形状の裏当て部材を介して２つの円筒をその内部から支持することにより、２つの円筒を接合して完成した１つの円筒製品を確実に治具から取り外すことができる。

ワークを取り付けた状態の本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合用の治具の一部の概略的な正面断面図 ワークを取り付けた状態の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合用の治具の一部の概略的な正面図 第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合用の治具の概略的な側面図 第１の実施形態に係る裏当て部材を説明するための図 本発明の第２の実施形態に係る摩擦撹拌接合用の治具の一部の概略的な正面断面図 超弾性的性質を備えた材料の応力−ひずみ線図 本発明の第３の実施形態に係る摩擦撹拌接合用の治具の一部の概略的な正面断面図 従来の摩擦撹拌接合用の治具を説明するための図 別の従来の摩擦撹拌接合用の治具を説明するための図 さらに別の従来の摩擦撹拌接合用の治具を説明するための図

以下、本発明のいくつかの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合用の治具１０を部分的に示している。

治具１０は、２つの円筒（ワーク）Ｗ１，Ｗ２を摩擦撹拌接合して１つの円筒を作製するときに使用される治具であって、作業テーブル１２上に据え付けられている。

治具１０は、ワークＷ１，Ｗ２を、それぞれの中心軸が基準軸Ｃ１上に並んだ状態で、且つ端面同士が接触した状態で把持するように構成されている。また、治具１０は、図２に示すように、２つのワークＷ１，Ｗ２との間の合わせ目Ｓ（接合位置）が、摩擦撹拌接合装置の接合ツール１４のプローブ１４ａの下方に位置するように２つのワークＷ１，Ｗ２を把持する。そのために、治具１０は、ワークＷ１，Ｗ２の中心軸が基準軸Ｃ１と一致するように、ワークＷ１，Ｗ２それぞれの端部（反合わせ目Ｓ側）を把持する２つのチャック１６を有する（図１において、ワークＷ２を把持するチャックは省略されている）。

また、治具１０の２つのチャック１６それぞれは、基準軸Ｃ１を中心として同期回転するように構成されている。この２つのチャック１６が同期して回転することにより、２つのワークＷ１，Ｗ２が、基準軸Ｃ１を中心として同期回転する。

摩擦撹拌接合装置は、接合ツール１４を基準軸Ｃ１と直交する回転軸Ｃ２を中心に回転するように構成されている。ただし、回転軸Ｃ２は、基準軸Ｃ１方向から見た図３に示すように、基準軸Ｃ１と交差しない。その理由は、接合ツール１４に前進角を与えるためである。また、摩擦撹拌接合装置は、接合ツール１４を回転軸Ｃ２方向に移動させるように構成されている。これにより、接合ツール１４のプローブ１４ａは、２つのワークＷ１とＷ２の合わせ目Ｓに所定の押圧力で当接し、没入する。

また、治具１０は、摩擦撹拌接合の実行時にワークＷ１，Ｗ２をその合わせ目Ｓでその内部側から支持する分割式のマンドレル３０を有する。マンドレル３０は、ワークＷ１，Ｗ２の径方向に移動可能に支持されている複数のチャック爪３２（図３参照）と、複数のチャック爪３２を径方向に進退させるテーパブロック３４と、テーパブロック３４を基準軸Ｃ１方向に進退させる送りねじ３６と、送りねじ３６を回転させるハンドル３８とを有する。

マンドレル３０において、複数のチャック爪３２は、マンドレル３０の外周面を構成する。すなわち、図３に示すように、チャック爪３２それぞれは、円筒形状のワークＷ１，Ｗ２の内周面と平行であって、摩擦撹拌接合中においてワークＷ１，Ｗ２の内周面を支持する支持面３２ａを備えている。また、複数のチャック爪３２それぞれは、図１に示すように、ワークＷ１，Ｗ２の径方向（基準軸Ｃ１と直交する方向）に移動可能にマンドレルハウジング４０に支持されている。さらに、チャック爪３２それぞれは、基準軸Ｃ１を中心とする円錐台形状のテーパブロック３４の傾斜面（テーパー面）と摺動可能に係合する係合面を備えている。

円錐台形状のテーパブロック３４は、基準軸Ｃ１を中心として回転する送りねじ３６に係合されている。送りねじ３６が回転することにより、テーパブロック３４は基準軸Ｃ１方向に移動する。この送りねじ３６は、チャック１６を支持して回転させる回転シャフト１６ａ内を貫通し、テーパブロック３４の反対側の端にハンドル３８が取り付けられている。

ハンドル３８を操作することによってテーパブロック３４がハンドル３８から離れる方向に移動すると、チャック爪３２それぞれが、基準軸Ｃ１から離れる方向、すなわちワークＷ１，Ｗ２に向かって移動する。これにより、マンドレル３０の外径が大きくなり、マンドレル３０はワークＷ１，Ｗ２を支持することができる。

一方、テーパブロック３４がハンドル３８に接近する方向に移動すると、チャック爪３２それぞれが、基準軸Ｃ１に向かって移動する。これにより、マンドレル３０の外径が小さくなり、マンドレル３０からワークＷ１，Ｗ２を取り外すことができる。

なお、図示してはいないが、マンドレル３０によるワークＷ１，Ｗ２の支持を維持するために、送りねじ３６の回転（すなわち、ハンドル３８の回転）をロックするロック機構を治具１０は備えている。

さらに、治具１０は、図２や図３に示すように、ワークＷ１，Ｗ２を外部から支持する複数の支持ローラ４２を有する。

具体的には、図３に示すように、複数のローラ４２は、基準軸Ｃ１を含んで鉛直方向に平行な仮想平面Ｐ対称に配置されている。また、複数の支持ローラ４２は、図２に示すように、ワークＷ１，Ｗ２の合わせ目Ｓを挟んで配置されている。これは、接合ツール１４による摩擦撹拌接合が完了した直後の高温の軟化した部分に支持ローラ４２が触れないようにするためである。

さらに、複数の支持ローラ４２は、図３に示すように、基準軸Ｃ１を基準とする角度位置で言えば、仮想平面ＰとワークＷ１，Ｗ２とが交差する上方側の位置をゼロ度とした場合、支持ローラ４２とワークＷ１，Ｗ２の接点が１２０度を超える角度位置に存在するように配置されている。これにより、複数の支持ローラ４２は、接合ツール１４の押圧力によってワークＷ１，Ｗ２がたわまないように、ワークＷ１，Ｗ２を支持することができる。

マンドレル３０とワークＷ１，Ｗ２の間には、図１〜図３に示すように、円筒形状の裏当て部材５０が介在されている。この裏当て部材５０は、図２に示すように、２つのワークＷ１，Ｗ２にまたがって配置されている。

裏当て部材５０は、図４に示すように、帯状の板（例えば、ステンレス板などの鋼板）をつる巻きばね状にして形成された円筒形状の部材である。このような裏当て部材５０は、例えば、外径が５０〜３５０ｍｍの範囲であって軸方向長さが５０〜１０００ｍｍの範囲の円筒形状であって、板厚が１〜３ｍｍの帯状鋼板をつる巻きばね状にして作製される。なお、裏当て部材５０は、引張られた場合、らせん状の隙間が１ｍｍ以上になるような機械的性質を備えるのが好ましい。その理由は、詳細は後述するが、外径の変化範囲が大きくなるからである。

この裏当て部材５０の特徴は、つる巻きばね状であるために、その形状が変化可能なことである。具体的には、裏当て部材５０は、外径の大きさと軸方向（円筒形状の中心軸方向）長さとが変化可能である。例えば図４（Ａ）に示すように、帯状鋼板が４周して形成されている裏当て部材５０を圧縮しながらその中心軸を中心として巻き数（つる巻きばねの巻き数）を少なくする方向に捻ると、らせん状の隙間がゼロになりつつ、図４（Ｂ）に示すように軸方向長さが短くなるとともに外径が大きくなる。これとは逆に、図４（Ｂ）に示す状態の裏当て部材５０の両端を軸方向に引張りながら巻き数を多くする方向に捻ると、図４（Ａ）に示すように軸方向長さが長くなるとともに外径が小さくなる。

図３に示すように、裏当て部材５０の一端５０ａは、送りねじ３６内に回転可能に挿通されたロッド５２の一端に外挿されて固定されているリング５４に固定されている。裏当て部材５０の一端５０ａは、リング５４にボルト５６によって固定されている。溶接によって裏当て部材５０の一端５０aをリング５４に固定しても良い。また、図１に示すように、ロッド５２の他端には、ロッド５２を回転させるハンドルレバー５８が取り付けられている。

一方、裏当て部材５０の他端（図示せず）は、図１に示すように、シャフト１６ａに外挿されて固定されているリング６０に、一端５０ａがリング５４に固定されている方法と同様の方法で固定されている。

したがって、チャック１６の回転を停止した状態（シャフト１６ａが停止してリング６０が不動状態）で、ハンドルレバー５８によってロッド５２を介してリング５４を裏当て部材５０の巻き数を少なくする方向に回転させつつハンドルレバー方向（裏当て部材５０の圧縮方向）に移動させると、裏当て部材５０は、基準軸Ｃ１を中心としてばねの巻き数を少なくする方向に捻られ、裏当て部材５０の外径および軸方向長さが変化する。

これにより、裏当て部材５０の外径をハンドルレバー５８の操作によって拡大でき、裏当て部材５０の外周面をワークＷ１，Ｗ２の内周面に当接させることができる。

これに関して厳密に言えば、裏当て部材５０とワークＷ１，Ｗ２との間の隙間は完全にゼロである必要はない。摩擦撹拌接合時のワークＷ１，Ｗ２の熱膨張を考慮して、例えば０．０２ｍｍ以下の隙間があってもよい。なお、この場合、裏当て部材５０の外径の調節は、ハンドルレバー５８による手動ではなく、例えばサーボモータによって精密に行うのが好ましい。

また、逆方向にハンドルレバー５８を操作することにより、裏当て部材５０の外径を縮小することができ、裏当て部材５０とワークＷ１，Ｗ２との当接を解除することができる。

なお、図示してはいないが、裏当て部材５０とワークＷ１，Ｗ２との当接を維持するために、ロッド５２の回転（すなわちハンドルレバー５８の回転）をロックするロック機構を治具１０は備えている。

ここからは、治具１０を用いた摩擦撹拌接合の方法について一例を挙げて説明する。

まず、ハンドル３８とハンドルレバー５８を操作することにより、マンドレル３０と裏当て部材５０の外径を最小の状態にする。そして、ワークＷ１，Ｗ２をチャック１６に取り付け、端面同士を接触させる（段取りが完了する）。

ワークＷ１，Ｗ２の治具１０への取り付けが完了すると、ハンドルレバー５８を操作して裏当て部材５０を巻き数を少なくする方向に捻りながら圧縮し、その外周面がワークＷ１，Ｗ２の内周面に当接するまで裏当て部材５０の外径を拡大する。

次に、ハンドル３８を操作し、マンドレル３０のチャック爪３２の支持面３２ａが裏当て部材５０の内周面に当接するまで、マンドレル３０の外径を拡大する。これにより、マンドレル３０が、裏当て部材５０を介してワークＷ１,Ｗ２を支持する。

マンドレル３０が裏当て部材５０を介してワークＷ１,Ｗ２を支持すると、摩擦撹拌接合装置の接合ツール１４が回転軸Ｃ２を中心として回転する。次に、接合ツール１４が移動し、その先端のプローブ１４ａがワークＷ１,Ｗ２の合わせ目Ｓに没入し、摩擦熱を発生させる。続いて、接合ツール１４のプローブ１４ａがワークＷ１,Ｗ２の合わせ目Ｓ上で回転した状態で、ワークＷ１,Ｗ２が基準軸Ｃ１を中心にしてチャック１６を介して回転される。これにより、ワークＷ１,Ｗ２は、端面同士が摩擦撹拌接合されて１つの円筒製品に加工される。

ワークＷ１,Ｗ２の摩擦撹拌接合が完了すると、接合ツール１４をワークＷ１，Ｗ２（円筒製品）から離す。次に、ハンドル３８を操作することにより、マンドレル３０の外径を縮小する。続いて、ハンドルレバー５８を操作し、裏当て部材５０をその巻き数を多くする方向に捻りながら引張ることにより、裏当て部材５０の外径を縮小する。これらのハンドル操作により、２つのワークＷ１，Ｗ２を接合してなる円筒製品が、マンドレル３０（裏当て部材５０）から取り外される。そして、チャック１６から円筒製品を取り外すことにより、円筒製品が治具１０から取り外される。

本実施形態によれば、２つの円筒を摩擦撹拌接合することにより完成した１つの円筒製品は、確実に治具１０から取り外し可能である。その理由を説明する。

図３に示すように、ワークＷ１，Ｗ２を支持した状態であるとき、マンドレル３０の３つのチャック爪３２の間には、必ず３つの隙間が存在する。裏当て部材５０がない場合、摩擦撹拌接合によって軟化したワークＷ１，Ｗ２の部分がチャック爪３２の間の隙間に入り込むことがある。分割式マンドレル３０の性質上、チャック爪３２の間にワークＷ１，Ｗ２の軟化部分が入り込むと、チャック爪３２が基準軸Ｃ１に向かって移動できなくなる。その結果、摩擦撹拌接合の完了後にマンドレル３０の外径を縮小することができなくなり、ワークＷ１，Ｗ２を接合して完成した円筒製品がマンドレル３０から抜けなくなる。さらに、このような場合には接合部に欠陥が生じて、製品として使用できないことがある。

一方、本実施形態のように、裏当て部材５０がワークＷ１，Ｗ２とマンドレル３０との間に存在する場合、摩擦撹拌接合によって軟化したワークＷ１，Ｗ２の部分がチャック爪３２の間に入り込むことが抑制される。これにより、摩擦撹拌接合の完了後にマンドレル３０の外径を確実に縮小することができる。そして、マンドレル３０の外径を縮小した後に裏当て部材５０の外径を縮小すれば、円筒製品を治具１０から取り外すことができる。

また、上述したように、裏当て部材５０は、その巻き数を少なくする方向に捻りつつ圧縮することにより、その外径が拡大され、その外周面がワークＷ１，Ｗ２の内周面に当接する。このとき圧縮されることにより、裏当て部材５０のらせん状の隙間はゼロにされる。したがって、摩擦撹拌接合によって軟化したワークＷ１，Ｗ２の部分が裏当て部材５０のらせん状の隙間に入り込むことはほぼないと言える。

なお、裏当て部材５０が存在しても、マンドレル３０のチャック爪３２の隙間が小さいことが好ましいことは言うまでもない。例えば、裏当て部材５０が１〜３ｍｍの厚さの鋼板から作製される場合、マンドレル３０のチャック爪３２の隙間は、３ｍｍ以下が好ましい。接合ツール１４のプローブ１４ａからの押圧力により、裏当て部材５０の一部が、３ｍｍ以上の隙間に押し込まれる可能性があるからである。

このように本実施形態によれば、簡単な構成により、２つの円筒Ｗ１，Ｗ２を接合して完成した１つの円筒製品は、確実に治具１０から取り外され、接合部の品質も良好である。

（第２の実施形態）
本実施形態に係る摩擦撹拌接合用の治具は、分割式マンドレルを一部として含む点では第１の実施形態と同じであるが、第１の実施形態に比べて簡単な構成である。

本実施形態に係る治具を、図５に示す。図１に示す治具１０の構成要素と、図５に示す治具１１０の構成要素は、同一の参照符号が付されている場合、形状が異なっていても同一の機能を果たす。したがって、本実施形態の説明は、第１の実施形態と異なる部分を中心にして行う。

図５に示すように、本実施形態の治具１１０の裏当て部材１５０は、第１の実施形態が帯状の鋼板をつる巻き状にして作製された円筒形状部材５０であるのに対して、無垢の円筒形状部材、すなわち円筒形状部材５０のようにらせん状の隙間がない円筒形状部材である。また、裏当て部材１５０の材料は、第１の実施形態の裏当て部材５０の材料と異なる。

本実施形態の裏当て部材１５０は、摩擦撹拌接合によって発生する摩擦熱に対する耐熱性（例えば、ワークがアルミニウムである場合は８００度以上）と、接合ツール１１４からの押圧力に対抗する強度と、弾性的に外径が変化可能な超弾性的性質を備える材料から作製されている。直径１００ｍｍのワークの外径を０．５〜１．０ｍｍ大きくする場合、１％以上の弾性範囲を持ち、ヤング率が１００ＧＰａ以下の材料から裏当て部材１５０は作製される必要がある。このような裏当て部材１５０は、例えば、２．５％の弾性変形能を有するチタン合金から作製されている。

具体的に言えば、裏当て部材１５０は、ゴムメタル（登録商標）と呼ばれる材料から作製されている。

図６は応力−ひずみ線図で、縦軸が応力、横軸がひずみである。超弾性的性質を備える材料（実線）は、図６に示すように、鋼（スチール、破線）に比べて低いヤング率と広い弾性変形範囲とを備え、非線形に弾性変形する。

また、本実施形態の裏当て部材１５０は、第１の実施形態と異なり、分割式マンドレル３０の外側に嵌め込まれた状態で使用される。具体的には、マンドレル３０の外径が最小のときに、自然状態の裏当て部材１５０が嵌め込まれる。これを可能にするために、裏当て部材１５０は、その内径とマンドレル３０の最小外径との差が０．２ｍｍ以下になるように作製される。

裏当て部材１５０は、外径が最小のマンドレル３０に嵌め込まれ、マンドレル３０の外径が拡大することによって弾性的に変形し、その外径が拡大する。

これに関して厳密に言えば、裏当て部材１５０とワークＷ１，Ｗ２との間の隙間は完全にゼロである必要はない。摩擦撹拌接合時のワークＷ１，Ｗ２の熱膨張を考慮して、例えば０．０２ｍｍ以下の隙間があってもよい。なお、この場合、マンドレル３０の外径の調節は、ハンドル３８による手動ではなく、例えばサーボモータによって精密に行うのが好ましい。

一方、マンドレル３０の外径が縮小すると、裏当て部材１５０は、弾性的に変化し、その外径が縮小する。すなわち、マンドレル３０が、裏当て部材１５０の外径の調節手段として機能する。したがって、本実施形態の治具１１０は、第１の実施形態の裏当て部材５０の外径を調節するためのロッド５２やハンドルレバー５８などを備えていない。

マンドレル３０の外径が拡大するとともに裏当て部材１５０の外径が拡大し、マンドレル３０が裏当て部材１５０を介してワークＷ１，Ｗ２を支持する。これにより、摩擦撹拌接合の実行中、ワークＷ１，Ｗ２は治具１１０に確実に固定される。

摩擦撹拌接合が完了すると、マンドレル３０を操作してマンドレル３０の外径を縮小するとともに裏当て部材１５０の外径が縮小し、ワークＷ１，Ｗ２を接合して完成された円筒製品がマンドレル３０から取り外される。これにより、円筒製品が治具１１０から取り外し可能になる。

このとき、裏当て部材１５０により、摩擦撹拌接合によって軟化したワークＷ１，Ｗ２の部分がマンドレル３０のチャック爪３２の隙間に入り込むことが抑制される。これにより、円筒製品を確実に治具１１０から取り外すことができる。

本実施形態によれば、第１の実施形態に比べて簡単な構成により、２つの円筒Ｗ１，Ｗ２を接合して完成した１つの円筒製品は、確実に治具１１０から取り外され、接合部の品質も良好である。

（第３の実施形態）
本実施形態に係る治具は、同一の裏当て部材を用いる点については第２の実施形態と同じであるが、分割式のマンドレルを用いない点が第２の実施形態と異なる。

本実施形態に係る治具を、図７に示す。図５に示す治具１１０の構成要素と、図７に示す治具２１０の構成要素は、同一の参照符号が付されている場合、形状が異なっていても同一の機能を果たす。したがって、本実施形態の説明は、第２の実施形態と異なる部分を中心にして行う。

第２の実施形態の場合、円筒形状の超弾性的性質を備える材料からなる裏当て部材１５０は、分割式マンドレル３０によってその外径を調整される。これに対して本実施形態の治具２１０の場合、図７に示すように、裏当て部材１５０は、基準軸Ｃ１方向に圧縮されることにより、中央部（基準軸Ｃ１方向に関して）が外側に向かって凸にたわみ、ワークＷ１，Ｗ２の内周面と当接する。

具体的には、治具２１０は、裏当て部材１５０を圧縮変形させる、基準軸Ｃ１方向に移動可能な円錐台形状または円錐状の２つの圧縮部材２７０を有する。例えば、圧縮部材２７０は、図示してはいないが、第１および第２の実施形態と同様に、ハンドルによって手動で移動される。図７に示すように、圧縮部材２７０は、裏当て部材１５０の端面と接触する傾斜面（テーパー面）２７０ａを有する。圧縮部材２７０のテーパー面２７０ａは、２つの圧縮部材２７０が裏当て部材１５０の圧縮方向に移動したときに、裏当て部材１５０の中央部がワークＷ１，Ｗ２に向かって凸にたわむような傾斜にされている。

このような圧縮部材２７０に圧縮されることにより、裏当て部材１５０は圧縮変形し、その外周面がワークＷ１，Ｗ２の内周面に当接する。これにより、摩擦撹拌接合の実行中、ワークＷ１，Ｗ２は治具２１０に確実に固定される。

摩擦撹拌接合が完了すると、圧縮部材２７０が裏当て部材１５０から離れる方向に移動し、裏当て部材１５０が元の円筒形状に戻る。これにより、円筒製品が治具２１０から取り外し可能になる。

図７を見れば明らかなように、マンドレルが存在しないので、摩擦撹拌接合によって軟化したワークＷ１，Ｗ２の部分がマンドレルのチャック爪の隙間に入り込むことは当然ながら起こり得ない。

本実施形態によれば、上述の２つの実施形態と同様に、２つの円筒Ｗ１，Ｗ２を接合して完成した１つの円筒製品が、確実に治具１１０から取り外され、接合部の品質も良好である。

以上、３つの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これら３つの実施の形態に限定されない。

例えば、上述の３つの実施形態の場合、円筒形状のワークＷ１，Ｗ２は、図２に示すように、端面同士が当接され、その合わせ目Ｓが摩擦撹拌接合されるが、本発明はこれに限らない。例えば、円筒形状のワークＷ３の端部が円筒形状のワークＷ４の端部の外側に嵌め込まれた状態で、その重なり合う部分を摩擦撹拌接合する場合にも本発明は適用可能である。また、円筒形状のワークＷ５，Ｗ６の端部が係合し合う形状（例えば、凹と凸）にされ、その係合し合う部分を摩擦撹拌接合する場合にも本発明は適用可能である。さらに、円筒形状のワークＷ９の外側に２つの円筒形状ワークＷ７，Ｗ８を嵌め込んだ状態で、２つのワークＷ７，Ｗ８の合わせ目上を摩擦撹拌接合する場合にも本発明は適用可能である。

また、第１の実施形態において、帯状の鋼板をつる巻きばね状にして作製された円筒形状の裏当て部材５０は、ハンドルレバー５８によってその外径を調節されるが、本発明はこれに限らない。第２の実施形態の超弾性的性質を備える材料からなる裏当て部材１５０がマンドレル３０の外側に嵌め込まれ、そのマンドレル３０によってその外径が調節されるように、つる巻きばね状の裏当て部材５０は、マンドレル３０の外側に嵌め込まれて使用されてもよい。

さらに、第１の実施形態において、マンドレル３０の外径と裏当て部材５０の外径は、別々のハンドルによって手動で調節されるが、本発明はこれに限らない。例えば、１つのハンドルが操作されることによって、マンドレル３０の外径の調節に連動して裏当て部材の外径を調節されるようにしてもよい。また、マンドレル３０の外径と裏当て部材５０の外径の調節は、手動でなく、モータなどによって行うようにしてもよい。

さらにまた、第１の実施形態において薄肉の円筒形状ワークＷ１，Ｗ２が使用される場合、裏当て部材５０がワークＷ１，Ｗ２を内部から変形させないように対処するのが好ましい。理由は、裏当て部材５０の外径をハンドルレバー５８の操作によって拡大するときに、過剰なハンドルレバー５８の操作によって裏当て部材５０の外径が、ワークＷ１，Ｗ２に当接した後も拡大される可能性があるからである。

具体的な対処としては、ハンドルレバー５８に作用するトルク（すなわち、ロッド５２のねじれトルク）を検出するトルクセンサを治具１０に設ける。ハンドルレバー５８の操作によって裏当て部材５０の外径が拡大し、裏当て部材５０の外周面がワークＷ１，Ｗ２の内周面に当接すると、ハンドルレバー５８のトルクが急激に増大する。このトルクの急激な増大を検出するトルクセンサを治具１０に設ける。

裏当て部材５０がワークＷ１，Ｗ２に当接したことを示す規定のトルク値をトルクセンサが検出すると、作業者に対してアラームを報知する警告装置を治具１０に設けてもよい。または、トルクセンサが規定のトルク値を検出すると、ハンドルレバー５８を固定（ロック）するハンドルロック機構を設けてもよい。

なお、このようなトルクセンサ、警告装置、ハンドルロック機構は、第２の実施形態におけるマンドレル３０の外径を調節するハンドル３８に対して、また第３の実施形態における圧縮部材２７０を手動で移動させるハンドル（図示せず）に対しても、同様に適用可能である。これにより、第２および第３の実施形態においても、ワークの変形を抑制することができる。

加えて、精密な摩擦撹拌接合が要求される場合、マンドレル３０や裏当て部材５０（１５０）の熱膨張を考慮する必要がある。その対処として、マンドレル３０や裏当て部材５０（１５０）が存在するワークＷ１，Ｗ２の内部を冷媒（例えば、圧縮エアおよび、あるいは水を噴射することや循環させること）によって冷却する冷却機構を治具に設けてもよい。さらに加えて、接合ツール１４によって接合が完了した、高温状態の２つのワークＷ１，Ｗ２の接合部を冷媒（例えば、圧縮エアおよび、あるいは水）によって冷却する冷却機構を治具に設けてもよい。

本発明は、２つの円筒を摩擦撹拌接合して１つの円筒を作製するときに該円筒を内部から支持することに関するものであるが、これ以外にも応用できる可能性がある。円筒に対して何らかの加工を行うときに、例えば外周面を研削するときに円筒を内部から支持する必要がある場合、本発明は、適用できる可能性があり、円筒を確実に治具から取り外すことができるという効果を奏することができる可能性がある。

Ｗ１，Ｗ２ 円筒（ワーク）
１０ 治具
３０ マンドレル
５０ 裏当て部材

Claims (12)

1. ２つの円筒を摩擦撹拌接合するための治具であって、
   前記２つの円筒の接合位置でその内部側から２つの円筒を支持するマンドレルと、
   前記２つの円筒とマンドレルとの間に配置される裏当て部材とを有し、
   前記裏当て部材が、帯状の板をつる巻きばね状にして形成された円筒形状部材であることを特徴とする摩擦撹拌接合用治具。
2. 前記裏当て部材をその中心軸方向に圧縮するまたは引張することによって裏当て部材の全長を調節する裏当て部材長さ調節機構と、
   前記裏当て部材をその中心軸を中心にして捻ることによって前記裏当て部材の外径を調節する裏当て部材径調節機構とを有する請求項１に記載の摩擦撹拌接合用治具。
3. 前記裏当て部材径調節機構が、マンドレルの外径の変化に連動して裏当て部材の外径を調節する請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合用治具。
4. 裏当て部材を捻る部材に作用するトルクを検出するトルク検出手段を有する請求項２または３に記載の摩擦撹拌接合用治具。
5. ２つの円筒を摩擦撹拌接合するための治具であって、
   前記２つの円筒の接合位置でその内部側から２つの円筒を支持するマンドレルと、
   前記マンドレルの外側に嵌め込まれる円筒形状の裏当て部材とを有し、
   前記裏当て部材が、超弾性合金からなることを特徴とする摩擦撹拌接合用治具。
6. 回転することによってマンドレルの外径を調節するマンドレル径調節部材と、
   前記マンドレル径調節部材のトルクを検出するトルク検出手段とを有する請求項５に記載の摩擦撹拌接合用治具。
7. ２つの円筒を摩擦撹拌接合するための治具であって、
   前記２つの円筒の接合位置の内部側に配置される円筒形状の裏当て部材と、
   前記裏当て部材の端面に当接する傾斜面を備えた円錐台形状または円錐形状であり、且つ円筒の中心軸方向に移動することにより、裏当て部材を円筒の内周面に向かって凸にたわむように圧縮変形させる圧縮部材とを有し、
   前記裏当て部材が、超弾性合金からなることを特徴とする摩擦撹拌接合用治具。
8. 回転することによって圧縮部材を移動させる圧縮部材移動部材と、
   前記圧縮部材移動部材のトルクを検出するトルク検出手段とを有する請求項７に記載の摩擦撹拌接合用治具。
9. 前記２つの円筒を外部から支持する支持部材を有し、
   前記支持部材が、２つの円筒の接合位置以外の位置で該２つの円筒を支持する請求項１から８のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用治具。
10. 円筒内部を冷媒によって冷却する冷却機構を有する請求項１から９のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用治具。
    
11. 接合が完了した前記２つの円筒の接合部分を、円筒の外部から冷媒によって冷却する第２の冷却機構を有する請求項１から１０のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用治具。
12. ２つの円筒の端部同士を摩擦撹拌接合によって接合して１つの円筒を作製するときに、
    ２つの円筒の接合位置でその内部側から該２つの円筒を支持するマンドレルの外側に嵌め込まれ、２つの円筒とマンドレルの間に配置される裏当て部材であって、
    帯状の板をつる巻きばね状にして形成された円筒形状部材であることを特徴とする裏当て部材。

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