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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5908071
(24)【登録日】2016年4月1日
(45)【発行日】2016年4月26日
(54)【発明の名称】金属パイプの接合装置及びそれを用いた金属パイプの接合方法
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20160412BHJP
【ＦＩ】
B23K20/12 340
B23K20/12 368
B23K20/12 342
【請求項の数】10
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2014-515586(P2014-515586)
(86)(22)【出願日】2013年5月9日
(86)【国際出願番号】JP2013063024
(87)【国際公開番号】WO2013172244
(87)【国際公開日】20131121
【審査請求日】2014年9月25日
(31)【優先権主張番号】特願2012-112671(P2012-112671)
(32)【優先日】2012年5月16日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】306022513
【氏名又は名称】新日鉄住金エンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(72)【発明者】
【氏名】角 知則
(72)【発明者】
【氏名】池▲崎▼ 徹
(72)【発明者】
【氏名】岸口 哲也
(72)【発明者】
【氏名】木坂 有治
【審査官】
山崎 孔徳
(56)【参考文献】
【文献】
特開平１１−２２６７５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第６３６４１９７（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
特表２００６−５１８６７１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２３Ｋ ２０／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
同軸上に並べられた金属パイプの端面同士を接合する金属パイプの接合装置であって、
金属パイプの端面間の被接合部に押し込まれるプローブが先端に形成された接合ツールと、前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に移動可能に保持する保持具と、前記中心軸に対して位置をずらされた状態で前記保持具に接続され、前記保持具を介して前記接合ツールを前記中心軸回りに回転させる第１の駆動部とを有する摩擦撹拌部と、
前記第１の駆動部を介さずに前記保持具に接続され、前記保持具を介して前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧し、前記プローブを前記被接合部に圧入する押圧部と、
前記第１の駆動部が内蔵され、前記保持具と前記押圧部とが一端部に取り付けられた筒状の筐体と、前記筐体を介して前記保持具および前記押圧部を回転させることで前記接合ツールを前記金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させる第２の駆動部とを有する円周方向移動部と、
を備える、金属パイプを該金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により接合する金属パイプの接合装置。
金属パイプの端面間の被接合部に押し込まれるプローブが先端に形成された接合ツールと、前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に移動可能に保持する保持具と、前記中心軸に対して位置をずらされた状態で前記保持具に接続され、前記保持具を介して前記接合ツールを前記中心軸回りに回転させる第１の駆動部とを有する摩擦撹拌部と、
前記第１の駆動部を介さずに前記保持具に接続され、前記保持具を介して前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧し、前記プローブを前記被接合部に圧入する押圧部と、
前記第１の駆動部が内蔵され、前記保持具と前記押圧部とが一端部に取り付けられた筒状の筐体と、前記筐体を介して前記保持具および前記押圧部を回転させることで前記接合ツールを前記金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させる第２の駆動部とを有する円周方向移動部と、
を備える、金属パイプを該金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により接合する金属パイプの接合装置。
【請求項2】
請求項１に記載の金属パイプの接合装置において、前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧した際に発生する反力に抗し、前記金属パイプの内周面上を転動する反力受けローラを備える金属パイプの接合装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の金属パイプの接合装置において、前記筐体が、前記保持具と前記押圧部が一端部に取り付けられた前部筐体と、前記第１の駆動部が内蔵された後部筐体とを備え、前記前部筐体と前記後部筐体が偏心及び偏角を許容するオルダム軸継手で連結され、
前記第１の駆動部と該第１の駆動部の回転力を伝達する回転軸が偏角を許容する自在軸継手で連結されている金属パイプの接合装置。
前記第１の駆動部と該第１の駆動部の回転力を伝達する回転軸が偏角を許容する自在軸継手で連結されている金属パイプの接合装置。
【請求項4】
請求項３に記載の金属パイプの接合装置において、
前記接合ツールのトラベル角を調節する第１の調節機構と、
前記接合ツールのワーク角を調節する第２の調節機構と、を備える金属パイプの接合装置。
前記接合ツールのトラベル角を調節する第１の調節機構と、
前記接合ツールのワーク角を調節する第２の調節機構と、を備える金属パイプの接合装置。
【請求項5】
請求項４に記載の金属パイプの接合装置において、
前記第１の調節機構は、前記接合ツール、前記保持具及び前記押圧部と前記筐体との間に配される板部と、前記板部と前記筐体とを締結するボルトとを備え、
前記板部には、前記ボルトを挿通する長孔が形成され、
前記長孔により、前記プローブの先端を支点とした前記板部の前記筐体に対する回動が許容される金属パイプの接合装置。
前記第１の調節機構は、前記接合ツール、前記保持具及び前記押圧部と前記筐体との間に配される板部と、前記板部と前記筐体とを締結するボルトとを備え、
前記板部には、前記ボルトを挿通する長孔が形成され、
前記長孔により、前記プローブの先端を支点とした前記板部の前記筐体に対する回動が許容される金属パイプの接合装置。
【請求項6】
請求項４または５に記載の金属パイプの接合装置において、
前記第２の調節機構は、前記被接合部の角度を測定する第１のセンサと前記接合ツールの角度を測定する第２のセンサとを備える角度検出手段と、
前記角度検出手段から入力された値に基づき前記ワーク角を算出する演算手段と、
前記演算手段の算出結果に基づき、前記接合ツールの中心軸の傾きを調節するアクチュエータと
を備える金属パイプの接合装置。
前記第２の調節機構は、前記被接合部の角度を測定する第１のセンサと前記接合ツールの角度を測定する第２のセンサとを備える角度検出手段と、
前記角度検出手段から入力された値に基づき前記ワーク角を算出する演算手段と、
前記演算手段の算出結果に基づき、前記接合ツールの中心軸の傾きを調節するアクチュエータと
を備える金属パイプの接合装置。
【請求項7】
請求項６に記載の金属パイプの接合装置において、
前記アクチュエータは、前記オルダム軸継手に設けられ、前記筐体の中心軸方向に前記アクチュエータを駆動することにより、前記接合ツールの中心軸の傾きを調節する接合装置。
前記アクチュエータは、前記オルダム軸継手に設けられ、前記筐体の中心軸方向に前記アクチュエータを駆動することにより、前記接合ツールの中心軸の傾きを調節する接合装置。
【請求項8】
請求項３〜７のいずれか１項に記載の金属パイプの接合装置において、
前記金属パイプ同士の接合線と前記接合ツールの進路とのずれを補正する第３の調節機構を備える接合装置。
前記金属パイプ同士の接合線と前記接合ツールの進路とのずれを補正する第３の調節機構を備える接合装置。
【請求項9】
請求項８に記載の金属パイプの接合装置において、
前記第３の調節機構は、前記接合線を検出する第３のセンサと、
前記第３のセンサの検出値に基づき前記被接合部と前記接合ツールの進路とのずれ量を算出する演算手段と、
前記ずれ量に応じて前記接合ツールの進路を変更する方向転換部と、
を備える接合装置。
前記第３の調節機構は、前記接合線を検出する第３のセンサと、
前記第３のセンサの検出値に基づき前記被接合部と前記接合ツールの進路とのずれ量を算出する演算手段と、
前記ずれ量に応じて前記接合ツールの進路を変更する方向転換部と、
を備える接合装置。
【請求項10】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の金属パイプの接合装置を前記金属パイプ内に挿入し、該金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により前記金属パイプ同士を突合せ接合する金属パイプの接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属パイプ同士を突合せ接合するための接合装置及び接合方法に関し、特に金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により金属パイプ同士を突合せ接合する接合装置及びそれを用いた金属パイプの接合方法に関する。本願は、２０１２年５月１６日に、日本に出願された特願２０１２−１１２６７１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【0002】
金属材の接合方法の一つとして、摩擦撹拌接合法が従来より知られている。摩擦撹拌接合法では、先端面にプローブと呼ばれる突起を有する円柱状の接合ツールを使用する。接合ツールを中心軸回りに回転させながら、接合すべき材料の接合部にプローブを押し付けることにより、プローブと材料の間に摩擦熱が発生して材料が軟化し、材料中にプローブが埋没する。これにより、プローブ周辺の材料がプローブの回転に引きずられる形で塑性流動を起こす。接合ツールの回転と加圧を維持しながら接合線に沿って接合ツールを移動させることにより、母材同士が接合される。摩擦撹拌接合法は、アーク溶接に比べて、ａ）接合部の残留応力や歪が小さい、ｂ）ビード表面が平滑となるため疲労強度に優れる、ｃ）気泡や割れなどの欠陥が発生しにくいといった特長を有している。
【0003】
例えば、特許文献１では、金属パイプ同士を同軸的に突き合わせ、その突合せ部に対して、先端にプローブが同心的に設けられた接合ツールを回転させつつ押し込み、周方向に相対移動させることにより、突合せ部を摩擦撹拌接合法により接合しパイプ接合体を得ると共に、そのようにして得られたパイプ接合体を、その内部に充填された非圧縮性流体の圧力によって膨らませて、目的とする形状の成形管を製造する技術が開示されている。【0004】
また、特許文献２では、円筒状の芯材の外周面に、芯材とは材質の異なる板材を円筒状に曲げ加工して得られた、軸方向に延びる突合せ部の存在によって不連続円筒形状を呈する筒状外皮材を被せ、かかる突合せ部に沿って摩擦撹拌接合することによって複合ビレットを製作した後、得られた複合ビレットをマンドレル押出しすることにより、目的とする外径を有するクラッド管を形成する技術が開示されている。【0005】
特許文献３では、接合ツールのショルダ面を円錐台形とし、このショルダ面から突出したプローブを設け、ショルダ面に渦状の溝条を形成することにより、被加工材に対する接合ツールの姿勢が変化しても安定した接合品質を得ることができる接合ツールが開示されている。【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００４−０４２０４９号公報
【特許文献2】特開２００７−３１３５４１号公報
【特許文献3】特開２００７−３０１５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
硫化水素などが多量に含まれる天然ガス等の流体を輸送する配管では、配管内面が高腐食環境となるため、配管として用いる金属パイプの端面同士の突合せ接合において配管内面に開口する欠陥が存在すると、該欠陥を起点とする応力腐食割れが生じることがある。【0008】
一方、金属パイプの内面からアーク溶接を行うと、前記欠陥の発生を防止できるが、溶接時に発生したスパッタが配管内面に付着し、スパッタを起点とする応力腐食割れが生じることがある。このため、溶接後のスパッタ除去の作業が必要となる。【0009】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、金属パイプ同士を突合せ接合する際、金属パイプの内面に開口欠陥を生じさせず、且つ接合時におけるスパッタも発生させない、金属パイプの接合装置及びそれを用いた金属パイプの接合方法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】
【0010】
本発明に係る金属パイプの接合装置は、同軸上に並べられた金属パイプの端面同士を接合する金属パイプの接合装置であって、２つの金属パイプの端面間の被接合部に押し込まれるプローブが先端に形成された接合ツールと、前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に移動可能に保持する保持具と、前記中心軸に対して位置をずらされた状態で前記保持具に接続され、前記保持具を介して前記接合ツールを前記中心軸回りに回転させる第１の駆動部とを有する摩擦撹拌部と、前記第１の駆動部を介さずに前記保持具に接続され、前記保持具を介して前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧し、前記プローブを前記被接合部に圧入する押圧部と、前記第１の駆動部が内蔵され、前記保持具と前記押圧部とが一端部に取り付けられた筒状の筐体と、前記筐体を介して前記保持具および前記押圧部を回転させることで前記接合ツールを前記金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させる第２の駆動部を有する円周方向移動部とを備える、金属パイプを該金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により接合する金属パイプの接合装置である。
【0011】
この接合装置は、プローブを先端に有する接合ツールをその中心軸回りに回転させる第１の駆動部と、接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧する押圧部と、接合ツールを金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させる第２の駆動部とを備えている。金属パイプ内に本接合装置を挿入し、第１の駆動部を駆動して接合ツールをその中心軸回りに回転させながら、押圧部で接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧してプローブを被接合部に押し付けることにより、プローブと被接合部の間に摩擦熱が発生して被接合部が軟化し、被接合部中にプローブが埋没する。そして、プローブ周辺の材料がプローブの回転に引きずられる形で塑性流動を起こす。接合ツールの回転数と押圧力を維持した状態で第２の駆動部を駆動させ、接合ツールを金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させることにより、金属パイプ同士が塑性流動によって一体化され接合される。【0012】
また、本発明に係る金属パイプの接合装置では、前記接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧した際に発生する反力に抗し、前記金属パイプの内周面上を転動する反力受けローラを備えることを好適とする。【0013】
当該構成によれば、押圧部で接合ツールを押圧し、プローブを被接合部に押し付けた際に発生する反力を反力受けローラで受けることができるので、接合ツールを押圧した状態を維持しつつ、金属パイプの内周面に沿って円周方向に接合ツールを安定的に移動させることができる。【0014】
また、本発明に係る金属パイプの接合装置では、前記筐体が、前記保持具と前記押圧部が一端部に取り付けられた前部筐体と、前記第１の駆動部が内蔵された後部筐体とを備え、前記前部筐体と前記後部筐体が偏心（平行誤差）及び偏角（角度誤差）を許容するオルダム軸継手で連結され、前記第１の駆動部と該第１の駆動部の回転力を伝達する回転軸が偏角を許容する自在軸継手で連結されていてもよい。【0015】
金属パイプは真直度の公差内で軸芯と異なる方向に曲がっている場合がある。そのため、本発明に係る金属パイプの接合装置の中心軸と金属パイプの軸芯を一致させた場合でも、金属パイプの接合箇所では、接合ツールを金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させる際の回転軸と金属パイプの軸芯との間に角度差が生じ、以下のような問題が発生するおそれがある。ａ．一部の反力受けローラが金属パイプの内面に当接せず、反力モーメントが発生する。
ｂ．金属パイプの内面に対してプローブを適切な角度、例えば垂直に押し付けられず、接合部の品質不良が発生する。
ｃ．プローブの押し付け位置が接合位置から外れ、金属パイプの円周方向で接合されない箇所が発生する。
【0016】
当該構成では、筐体を前部筐体と後部筐体に分割し、前部筐体と後部筐体とをオルダム軸継手で連結すると共に、第１の駆動部と該第１の駆動部の回転力を伝達する回転軸とを自在軸継手で連結しているので、金属パイプが途中で曲がっていても、これら軸継手部で金属パイプの公差を吸収することができる。そのため、上記問題の発生を抑制できる。【0017】
また、本発明に係る金属パイプの接合装置では、前記接合ツールのトラベル角を調節する第１の調節機構と、前記接合ツールのワーク角を調節する第２の調節機構と、を備えることが好ましい。【0018】
前記第１の調節機構は、前記接合ツール、前記保持具及び前記押圧部と前記筐体との間に配される板部と、前記板部と前記筐体とを締結するボルトとを備え、前記板部には、前記ボルトを挿通する長孔が形成され、前記長孔により、前記プローブの先端を支点とした前記板部の前記筐体に対する回動が許容される構成とすることが好ましい。【0019】
前記第２の調節機構は、前記被接合部の角度を測定する第１のセンサと前記接合ツールの角度を測定する第２のセンサとを備える角度検出手段と、前記角度検出手段から入力された値に基づき前記ワーク角を算出する演算手段と、前記演算手段の算出結果に基づき、前記接合ツールの中心軸の傾きを調節するアクチュエータとで構成されていても良い。この場合、前記アクチュエータは、前記オルダム軸継手に設けられ、前記筐体の中心軸方向に前記アクチュエータを駆動することにより、前記接合ツールの中心軸の傾きを調節する構成とすることが好ましい。【0020】
当該構成では、接合ツールの中心軸の角度を、プローブの先端を支点として自在に変更することが可能である。このため、接合ツールと被接合部との接触角（トラベル角、ワーク角）を、適正値となるように調節した上で摩擦撹拌接合を行うことができる。そのため、上記ｂのような問題が生じ、バリの発生、肉厚の減少、グルーブと呼ばれる加工痕の発生を抑制でき、良好な接合品質を実現できる。【0021】
また、本発明に係る金属パイプの接合装置では、前記金属パイプ同士の接合線と前記接合ツールの進路とのずれを補正する第３の調節機構を備えることが好ましい。【0022】
前記第３の調節機構は、前記接合線を検出する第３のセンサと、前記第３のセンサの検出値に基づき前記被接合部と前記接合ツールの進路とのずれ量を算出する演算手段と、前記ずれ量に応じて前記接合ツールの進路を変更する方向転換部と、を備えていても良い。【0023】
当該構成では、接合ツールの進路と接合線とがずれている場合でも、第３の調節機構９１により接合ツール２２の進路を補正することができる。また、カメラ９２と演算手段を用いて繰り返し接合ツールの進路と接合線（接合箇所）とのずれを検出し、補正をして接合線上でプローブを回転させることができる。このため、上記ｃのような問題が生じて接合強度が落ちることが防止される。その結果、高い接合精度を得られる。【0024】
また、本発明に係る金属パイプの接合方法では、上述の金属パイプの接合装置を前記金属パイプ内に挿入し、該金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により前記金属パイプ同士を突合せ接合する。【発明の効果】
【0025】
本発明は、プローブを先端に有する接合ツールをその中心軸回りに回転させる第１の駆動部、接合ツールを金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させる第２の駆動部、並びに接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧する押圧部とを備えた金属パイプの接合装置及びそれを用いた金属パイプの接合方法なので、金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により該金属パイプ同士を突合せ接合することができる。そのため、金属パイプ同士を突合せ接合する際、金属パイプの内面に開口欠陥が生じることがなく、接合時におけるスパッタも発生せず接合後の後処理が不要となる。【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係る金属パイプの接合装置の側断面を示す模式図である。
【図2】同接合装置を金属パイプの軸方向から見た断面を示す模式図である。
【図3】本発明の第２の実施の形態に係る金属パイプの接合装置の側断面を示す模式図である。
【図4A】オルダム軸継手の斜視図である。
【図4B】オルダム軸継手の分解斜視図である。
【図5】ハブに設けられている突起部の詳細を示した部分断面図である。
【図6】本発明の第３の実施の形態に係る金属パイプの接合装置の側断面を示す模式図である。
【図8A】オルダム軸継手の斜視図である。
【図8B】オルダム軸継手の分解斜視図である。
【図9】第２の調節機構でワーク角を調節する際のオルダム軸継手及び接合ツールの様子を、筐体及び接合ツールの中心軸と直交する方向から見た模式図である。
【図10】本発明の第４の実施の形態に係る金属パイプの接合装置の側面図を示す模式図である。
【図11】同接合装置を金属パイプの軸方向から見た断面を示す模式図である。
【図12】第３の調節機構で接合ツールの進路を修正した際のオルダム軸継手及び接合ツールの様子を、接合ツールの中心軸方向から見た模式図である。
【図13A】本発明の第４の実施の形態の変形例に係るオルダム軸継手の斜視図である。
【図13B】オルダム軸継手の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明する。【0028】
［第１の実施の形態に係る金属パイプの接合装置］本発明の第１の実施の形態に係る金属パイプの接合装置１０（以下では、単に「接合装置」と呼ぶことがある。）の側断面を図１に、接合装置１０を金属パイプ１１の軸方向から見た断面を図２に示す。
なお、以下では、説明の便宜上、金属パイプ１１はその管軸（軸芯）が水平方向となるように配置されているものとし、金属パイプ１１の管軸方向に沿った突合せ接合部側（図１では左側）を「前」側、その反対側を「後」側と呼ぶ。また、管軸に直交する方向において、接合装置の停止時にプローブ２１が位置する側を「下」側、その反対側を「上」側と呼ぶことにする。
【0029】
接合装置１０は、金属パイプ１１同士を金属パイプ１１の内部から摩擦撹拌接合により突合せ接合する装置であり、被接合部１２（図２参照）に圧入されるプローブ２１が先端に形成された接合ツール２２をその中心軸Ｒ回りに回転させる摩擦撹拌部２０と、接合ツール２２を中心軸Ｒ方向（金属パイプ１１の半径方向外側）に押圧し、プローブ２１を被接合部１２に圧入する押圧部３５と、接合ツール２２（プローブ２１）を金属パイプ１１の内周面に沿って円周方向に移動させる円周方向移動部４０とを備えている。【0030】
摩擦撹拌部２０は、円柱状の接合ツール２２と、接合ツール２２の中心軸Ｒと同軸とされ、接合ツール２２の一端面から突出するプローブ２１と、接合ツール２２を保持する保持具２５と、保持具２５を介して接合ツール２２を中心軸Ｒ回りに回転させる第１モータ３０（第１の駆動部）とを備えている。【0031】
接合ツール２２及びプローブ２１には、金属パイプ１１を構成する被接合部材及び炭素鋼材の融点より高い温度において金属パイプ１１よりも強度の大きな、例えば多結晶立方晶窒化ホウ素(ＰＣＢＮ)や、ＰＣＢＮとタングステン複合材料との合金材などが使用される。【0032】
保持具２５は、接合ツール２２が嵌入される嵌入穴（図示省略）を一端面の中心部に有する概略円柱状のチャック部材２３と、チャック部材２３に外嵌され、中心軸Ｒを回転軸として回転可能とされた円筒部材２４とを有している。プローブ２１、接合ツール２２、チャック部材２３、及び円筒部材２４は、中心軸Ｒを共通の中心軸としている。円筒部材２４の内面には、中心軸Ｒ方向に延在する突条部２４ａが形成されている。チャック部材２３は、突条部２４ａをガイドとして円筒部材２４内を中心軸Ｒ方向に移動可能とされると共に、円筒部材２４と一緒に回転する。
【0033】
押圧部３５は、円筒部材２４の直上に設置されチャック部材２３を中心軸Ｒ方向に移動させてプローブ２１を被接合部１２に圧入する油圧シリンダ３７と、被接合部１２にプローブ２１を圧入した際に発生する反力に抗し、金属パイプ１１の内周面上を転動する複数の反力受けローラ３８とを備えている（図２参照）。油圧シリンダ３７のロッド３６の先端部は、チャック部材２３の上端に接続された円筒状の接続部材２３ａ内に挿入されている。ロッド３６の先端部と接続部材２３ａ（チャック部材２３）は玉軸受３３を介して連結されており、チャック部材２３が回転した際にロッド３６が回転しない機構になっている。
なお、反力受けローラ３８は、金属パイプ１１の半径方向に移動可能とされている。
【0034】
円周方向移動部４０は、保持具２５と押圧部３５が一端部（前面部）に取り付けられた円筒状の筐体４１と、筐体４１の他端側（後面側）に配置され、筐体４１をその中心軸Ｓを回転軸として回転させる第２モータ４４（第２の駆動部）とを備えている。【0035】
筐体４１の内部には、保持具２５を接合ツール２２の中心軸Ｒ回りに回転させる第１モータ３０が設置されている。第１モータ３０は、シャフト（図示省略）が筐体４１の中心軸Ｓ上に位置するように設置されており、ベベルギア２７が装着された回転軸２８が連結部材２９を介してシャフトに接続されている。なお、中心軸Ｓと中心軸Ｒは直交し、且つ同一平面内に存在する。一方、筐体４１の外周面には、金属パイプ１１の内周面上を転動し、金属パイプ１１の半径方向に移動可能とされた従動ローラ４２が取り付けられている。
【0036】
保持具２５を構成する円筒部材２４は、筐体４１の前面に取り付けられた外殻部材３１で覆われている。円筒部材２４と外殻部材３１の間には、中心軸Ｒを回転軸として円筒部材２４が回転できるように円錐ころ軸受３２が介装されている。また、円筒部材２４の外周面には、第１モータ３０の回転力を伝達するベベルギア２７と噛合するベベルギア２６が環装されている。第１モータ３０が駆動すると、第１モータ３０に連結された回転軸２８の回転力は、ベベルギア２７からベベルギア２６を介して円筒部材２４に伝達され、円筒部材２４はチャック部材２３と共に中心軸Ｒを回転軸として回転する。
なお、外殻部材３１の外面には、金属パイプ１１の内周面上を転動し、金属パイプ１１の半径方向に移動可能とされた従動ローラ３９が取り付けられている（図２参照）。
【0037】
第２モータ４４は、シャフト（図示省略）が筐体４１の中心軸Ｓ上に位置するように、支持部材４５により金属パイプ１１内に固定されている。また、筐体４１と第２モータ４４とは、連結部材４３を介して接続されている。第２モータ４４が駆動すると、筐体４１並びに筐体４１の前面に取り付けられた保持具２５及び押圧部３５が中心軸Ｓを回転軸として回転する（図２参照）。即ち、プローブ２１（接合ツール２２）が金属パイプ１１の内周面に沿って円周方向に移動する。
【0038】
次に、上記構成を有する接合装置１０を用いて金属パイプ１１同士を接合する方法について説明する。（１）金属パイプ１１の端面同士が突き合わされた接合面（金属パイプ１１の管軸と直交する面）内に接合ツール２２の中心軸Ｒが位置するように、接合装置１０を金属パイプ１１内に挿入する。その際、接合装置１０に設けられた反力受けローラ３８、従動ローラ３９、４２、及び支持部材４５を金属パイプ１１の半径方向内側に引っ込めておく。
（２）接合ツール２２の中心軸Ｒを金属パイプ１１の接合面内に配置した後、反力受けローラ３８、従動ローラ３９、４２、及び支持部材４５を金属パイプ１１の半径方向外側に移動させる。そして、反力受けローラ３８及び従動ローラ３９、４２を金属パイプ１１の内周面に当接させると共に、筐体４１の中心軸Ｓが金属パイプ１１の管軸上に位置するように、第２モータ４４を支持部材４５で金属パイプ１１内に固定する。
【0039】
（３）第１モータ３０を駆動して接合ツール２２をその中心軸Ｒ回りに回転させると共に、油圧シリンダ３７のロッド３６を移動させて被接合部１２にプローブ２１を押し付けて、被接合部１２中にプローブ２１を埋没（圧入）させ、被接合部１２に塑性流動を発生させる。接合ツール２２の回転数と押圧力を維持しながら、第２モータ４４を駆動して接合線（金属パイプ１１の端面同士を突合せた部分）に沿ってプローブ２１（接合ツール２２）を移動させることにより、金属パイプ１１の内周面側の接合を行う。【0040】
第１の実施の形態に係る金属パイプの接合装置１０によれば、プローブ２１を先端に有する接合ツール２２をその中心軸Ｒ回りに回転させる第１モータ３０、接合ツール２２を金属パイプ１１の内周面に沿って円周方向に移動させる第２モータ４４、並びに接合ツール２２を該接合ツール２２の中心軸Ｒ方向（金属パイプ１１の半径方向外側）に押圧する押圧部３５を備えているため、金属パイプ１１の内部から摩擦撹拌接合により金属パイプ１１の端面同士を接合することができる。そのため、金属パイプ１１同士を接合する際、金属パイプの内面に開口欠陥が生じることがなく、接合時におけるスパッタも発生せず接合後の後処理が不要となる。【0041】
また、この接合装置１０によれば、押圧部３５で接合ツール２２を押圧し、プローブ２１を被接合部１２に押し付けた際に発生する反力を反力受けローラ３８で受けることができるので、接合ツール２２を押圧した状態を維持しつつ、金属パイプ１１の円周方向に接合ツール２２を安定的に移動させることができる。【0042】
［第２の実施の形態に係る金属パイプの接合装置］本発明の第２の実施の形態に係る金属パイプの接合装置１８の側断面を図３に示す。なお、第１の実施の形態に係る接合装置１０と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
【0043】
接合装置１８では、第１モータ３０のシャフトと第１モータ３０の回転力を伝達する回転軸２８が、偏角を許容する自在軸継手１４で連結されており、第１モータ３０のシャフトの中心軸と回転軸２８の中心軸とがなす角度が可変とされている。なお、偏角は、第１モータ３０のシャフトと回転軸２８がなす角度のことである。【0044】
また、接合装置１８では、第２モータ４４によって回転させられる筐体４６が、保持具２５と押圧部３５が一端部に取り付けられた筒状の前部筐体４６ａと、第１モータ３０が内蔵された筒状の後部筐体４６ｂとから構成されている。そして、前部筐体４６ａと後部筐体４６ｂは、偏心及び偏角を許容するオルダム軸継手１３で連結されている。なお、偏心とは、前部筐体４６ａの中心軸と後部筐体４６ｂの中心軸が同一直線上にないことをいい、偏角は、前部筐体４６ａの中心軸と後部筐体４６ｂの中心軸とがなす角度のことである。【0045】
偏心及び偏角を許容するオルダム軸継手１３の斜視図及び分解斜視図を図４Ａ、図４Ｂに示す。オルダム軸継手１３は、一端面に２つの第１突起部１５ａが形成された円柱状の第１ハブ１５と、一端面に２つの第２突起部１６ａが形成された円柱状の第２ハブ１６と、これら第１ハブ１５及び第２ハブ１６の間に配置された円柱状のスライダ１７と、を備えている。
第１ハブ１５、スライダ１７及び第２ハブ１６は、金属パイプ１１の管軸に沿って、この順序で同軸上に並ぶように配置されている。この際、第１ハブ１５及び第２ハブ１６は、第１突起部１５ａ及び第２突起部１６ａをそれぞれスライダ１７側に向けた状態で配置されている。
スライダ１７における両端面のうち、第１ハブ１５側に向いた一端面には、第１突起部１５ａが嵌合する第１溝１７ａが形成され、第２ハブ１６側に向いた他端面には、第２突起部１６ａが嵌合する第２溝１７ｂが形成されている。
【0046】
一対の第１突起部１５ａは、その先端部が第１ハブ１５の中心軸に沿ってスライダ１７側に向けて突出するように形成されており、第１ハブ１５の中心軸を挟んで第１ハブ１５の半径方向に向かい合うように配置されている。一対の第２突起部１６ａは、その先端部が第２ハブ１６の中心軸に沿ってスライダ１７側に向けて突出するように形成されており、第２ハブ１６の中心軸を挟んで第２ハブ１６の半径方向に向かい合うように配置されている。
なお、第１ハブ１５及び第２ハブ１６は、一対の第１突起部１５ａと一対の第２突起部１６ａとがスライダ１７の円周方向に沿って交互に且つ等間隔で並ぶように、スライダ１７を間に挟んで配置されている。
一対の第１突起部１５ａの先端部は、それぞれ側面視円形状に膨出した円板状に形成されている。その際、一対の第１突起部１５ａの先端部は、第１ハブ１５の中心軸を挟んで面同士が対向し合うように形成されている。一対の第２突起部１６ａの先端部も、一対の第１突起部１５ａと同様に形成されている。
一方、スライダ１７に形成された第１溝１７ａ及び第２溝１７ｂは、それぞれ溝底部側が第１突起部１５ａ及び第２突起部１６ａの形状に対応した側面視円形状に形成されている。従って、２つの第１溝１７ａにおける溝底部側の中心を、スライダ１７の半径方向に沿って互いに貫く第１仮想線Ｘと、２つの第２溝１７ｂにおける溝底部側の中心を、スライダ１７の半径方向に互いに貫く第２仮想線Ｙとは、スライダ１７の端面と平行な面内において十字状に直交する。
そして、第１突起部１５ａの先端部が第１溝１７ａ内に嵌合し、第２突起部１６ａの先端部が第２溝１７ｂ内に嵌合することで、第１ハブ１５、スライダ１７及び第２ハブ１６は各端面間に隙間をあけた状態で連結されている。
【0047】
なお、第１突起部１５ａ及び第２突起部１６ａの基端部は、図５に示すように、第１ハブ１５及び第２ハブ１６の端面に形成された凹陥部１５ｂ、１６ｂにそれぞれ挿入されている。そして、これら第１突起部１５ａ及び第２突起部１６ａの基端部と凹陥部１５ｂ、１６ｂの底面との間には、スプリング１９が圧縮された状態で介装されている。これにより、第１突起部１５ａ及び第２突起部１６ａは、それぞれスライダ１７方向に付勢されている。【0048】
第１ハブ１５の第１突起部１５ａがスライダ１７の第１溝１７ａに沿ってスライドすることで第１溝１７ａ方向（第１仮想線Ｘ方向）の偏心を吸収し、第１ハブ１５の第１突起部１５ａがスライダ１７の第１溝１７ａの第１仮想線Ｘ回りに回動することで第１溝１７ａ回り（前記第１仮想線Ｘ回り）の偏角を吸収する。同様に、第２ハブ１６の第２突起部１６ａがスライダ１７の第２溝１７ｂに沿ってスライドすることで第２溝１７ｂ方向（第２仮想線Ｙ方向）の偏心を吸収し、第２ハブ１６の第２突起部１６ａがスライダ１７の第２溝１７ｂの第２仮想線Ｙ回りに回動することで第２溝１７ｂ回り（前記第２仮想線Ｙ回り）の偏角を吸収する。【0049】
上記構成により、接合装置１８では、金属パイプ１１が途中で曲がっていても、オルダム軸継手１３及び自在軸継手１４で金属パイプ１１の公差を吸収することができる。そのため、金属パイプ１１の接合箇所において、接合ツール２２を金属パイプ１１の内周面に沿って円周方向に移動させる際の回転軸と金属パイプ１１の軸芯との間に角度差が生じることがない。【0050】
［第３の実施の形態に係る金属パイプの接合装置］本発明の第３の実施の形態に係る金属パイプの接合装置５０の側断面を図６に示す。なお、第２の実施の形態に係る接合装置１８と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
【0051】
接合装置５０は、トラベル角及びワーク角の調節機構を備える点で第２の実施の形態に係る接合装置１８と異なっている。即ち、接合装置５０は、接合ツール２２の中心軸Ｒと被接合部１２との接触角度を、中心軸Ｓに直交する面内、及び中心軸Ｓと中心軸Ｒを通る面内（中心軸Ｓ及び中心軸Ｒが延在し合う面内）で調節する機構を備えている。以下、これらの調節機構について詳述する。【0052】
図７Ａは、トラベル角を調節する第１の調節機構６１を示す図であり、図６の接合ツール２２及び後述する板部６２を軸方向前側から見た図である。トラベル角とは、接合ツール２２の中心軸Ｒと、プローブ２１と被接合部１２との接点における被接合部１２の接線方向と、のなす角を指す。つまり、第１の調節機構６１は、中心軸Ｓに直交する面内における中心軸Ｒの傾き角度を調節することで、トラベル角を調節する。【0053】
第１の調節機構６１は、接合ツール２２、保持具２５及び押圧部３５と前部筐体４６ａとの間に配される円環状の板部６２と、板部６２と前部筐体４６ａとを接続するボルト６３と、を備える。【0054】
板部６２は、板部６２より前側（図６の左側）に配された接合ツール２２、保持具２５、押圧部３５、即ち被接合部１２にプローブ２１を押し付けて被接合部１２に塑性流動を発生させる部材と連結されている。例えば、板部６２は、円錐ころ軸受３２を介して保持具２５を覆っている外郭部材３１に対して連結されている。これにより、接合ツール２２、保持具２５及び押圧部３５は、板部６２を介して前部筐体４６ａに連結されている。第１の調節機構６１では、前部筐体４６ａと板部６２とをボルト６３を用いて締結することにより、円周方向移動部４０に対する接合ツール２２の相対位置を、中心軸Ｓに直交する面内で調整することが可能とされる。
【0055】
板部６２には、ボルト６３を挿通するための複数の長孔６２ａが形成されている。これら複数の長孔６２ａは、板部６２の円周方向に間隔をあけて形成されている。各長孔６２ａは、２つの平行な円筒面を含む曲面で画定される。この円筒面は、プローブ２１の先端Ｔを通り中心軸Ｓと平行な中心軸を有する。つまり、各長孔６２ａは、中心軸Ｓに直交する面内においてプローブ２１の先端Ｔを支点とした板部６２の回動を許容するように、その回動方向に沿って長く形成されている。この際、各長孔６２ａは、その形成位置に応じて（プローブ２１の先端Ｔからの距離に応じて）、延在する長さが異なっている。
【0056】
このような第１の調節機構６１では、図７Ｂに示すように、プローブ２１の先端Ｔを支点として、長孔６２ａが形成された範囲だけ板部６２を回動することができ、前部筐体４６ａに対する板部６２の固定位置を調節することが可能である。【0057】
具体的には、長孔６２ａに挿通した複数のボルト６３を前部筐体４６ａの不図示のボルト孔に緩めた状態で螺合させた後、プローブ２１の先端Ｔを支点として板部６２を回動させる。これにより、中心軸Ｓに直交する面内で接合ツール２２の中心軸Ｒの傾きが変わり、トラベル角が摩擦撹拌接合に適した角度となるように前部筐体４６ａと板部６２との相対位置が調節される。その後、ボルト６３を締め付けて板部６２を前部筐体４６ａに固定することにより、接合に適した角度にトラベル角を維持することができる。【0058】
次に、ワーク角を調節する第２の調節機構７１について説明する。ワーク角とは、接合ツール２２の中心軸Ｒと、プローブ２１と金属パイプ１１との接点における金属パイプ１１の半径方向とのなす角を指す。即ち、ワーク角とは、被接合部１２と金属パイプ１１の管軸とを通過する法線と、接合ツール２２の中心軸Ｒとのなす角度であり、法線に対する接合ツール２２の傾き度合いを示す角度である。第２の調節機構７１は、中心軸Ｓ及び中心軸Ｒを通る面内で接合ツール２２の中心軸Ｒの角度を変更する。図６、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第２の調節機構７１は、アクチュエータ７８と、角度検出手段８１と、演算手段８５とを備える。
【0059】
図６を参照して、角度検出手段８１について説明する。角度検出手段８１は、第１のセンサ８２と、第２のセンサ８３とを備える。第１及び第２のセンサ８２、８３はそれぞれ、金属パイプ１１（被接合部１２）の角度と接合ツール２２の角度を測定するものである。【0060】
第１のセンサ８２は、金属パイプ１１の外周面に取り付けられたリング８４の外周面に取り付けられている。このリング８４は、２つの半割りリングから構成され、各半割リングのフランジ（不図示）を対向させてボルト等により２つの半割リングを締結することで、金属パイプ１１の接合線の外周面に取り付けられている。これにより金属パイプ１１が突合せられた状態で、リング８４によって固定されているため、接合ツールを金属パイプに押圧した際に押圧に伴い被接合部がラッパ状に広がることを抑制できる。第１のセンサ８２は、リング８４の外周面のうち、接合装置５０の停止状態における接合ツール２２の位置と反対側（上側）に設置される。第２のセンサ８３は、接合ツール２２近傍、具体的には外殻部材３１に取り付けられている。【0061】
第１のセンサ８２は、金属パイプ１１の角度（重力方向に対する金属パイプ１１の管軸（または半径方向）の角度）を測定する。第２のセンサ８３は、接合装置５０の設置角度（重力方向に対する中心軸Ｓ（またはＲ）の角度）を測定する。第１及び第２のセンサ８２、８３としては、例えば角度センサや、光切断法などにより形状を計測するセンサを用いることができる。測定された角度は、第１、第２のセンサ８２、８３から演算手段８５に送信される。【0062】
演算手段８５は、第１及び第２のセンサ８２、８３により測定された角度の差分に基づいて、ワーク角を算出する。そして、演算手段８５は、算出したワーク角に基づき、次に説明するオルダム軸継手７３のアクチュエータ７８を駆動する。これによりワーク角が調節される。【0063】
図８Ａ及び図８Ｂは、オルダム軸継手７３を説明するための斜視図及び分解斜視図である。オルダム軸継手７３は、第２の実施の形態に係るオルダム軸継手１３と同様に、第１ハブ７５と、第２ハブ７６と、スライダ７７とで構成されている。第１ハブ７５は、オルダム軸継手１３の第１ハブ１５と同じ構成であり、その一端面に一対の第１突起部７５ａが設けられている。【0064】
第２ハブ７６には、中心軸に沿って延びる凹陥部７６ａが形成されている。この凹陥部７６ａにはアクチュエータ７８が嵌合固定されている。【0065】
アクチュエータ７８は、第２ハブ７６の中心軸に沿って延びる円筒状のシリンダチューブ７８ａと、このシリンダチューブ７８ａ内を摺動するピストン７８ｂと、シリンダチューブ７８ａと接続された不図示の油圧ポンプとを備える油圧シリンダである。油圧ポンプを駆動してシリンダチューブ７８ａ内の油圧を変化させることにより、ピストン７８ｂは第２ハブ７６の中心軸に沿って往復移動する。なお、アクチュエータ７８としては、油圧シリンダに限定されず、例えばエアシリンダや電動アクチュエータを用いてもよい。ピストン７８ｂの先端部は、第２の実施の形態における第２突起部１６ａの先端部と同様の形状とされている。
【0066】
第２ハブ７６には、第２ハブ７６の中心軸を挟んで凹陥部７６ａとは半径方向の反対側に位置する部分に、第２突起部７６ｂが設けられている。第２突起部７６ｂは、第１突起部７５ａやピストン７８ｂと異なり、第２ハブ７６と一体に形成されている。第２突起部７６ｂの先端部は、第２の実施の形態における第２突起部１６ａの先端部と同様の形状とされていると共に、第２の仮想線の軸上に位置するように貫通孔が形成されている。【0067】
スライダ７７には、第１突起部７５ａが嵌合する２つの第１溝７７ａ、ピストン７８ｂが嵌合する第２溝７７ｂ、第２突起部が固定される凹部７７ｃが形成されている。このうち、第１溝７７ａ及び第２溝７７ｂは、第２の実施の形態のオルダム軸継手１３の第１溝１７ａ、第２溝１７ｂと同じ形状である。従って、２つの第１溝７７ａの中心を結ぶ線が第１仮想線Ｘ’とされ、第２溝７７ｂと凹部７７ｃの中心を結ぶ線が第２仮想線Ｙ’とされ、これら両仮想線はスライダ７７の端面と平行な面内で十字状に直交する。
【0068】
凹部７７ｃ内には、該凹部７７ｃ内に第２突起部７６ｂの先端部を配置させた際に、第２突起部７６ｂの貫通孔に対応する位置にボルト孔が形成されている。ボルト７６ｃを第２突起部７６ｂの貫通孔に挿通させ、凹部７７ｃのボルト孔と螺合させることで、第２ハブ７６とスライダ７７とが連結される。このとき、第２突起部７６ｂは凹部７７ｃに完全に固定されるのではなく、上下方向の動きや凹部７７ｃに対する傾きが許容された状態で取り付けられる。なお、ボルト７６ｃの代わりにピンを用いても良い。【0069】
以上のようなオルダム軸継手７３は、第２突起部７６ｂと接合ツール２２との位置が、接合装置５０の円周方向において一致するように取り付けられている。図９に示すように、プローブ２１を被接合部１２に配置した状態でアクチュエータ７８が駆動されることにより、中心軸Ｒ及びＳを通る面内で、オルダム軸継手７３の軸方向端面が前側または後ろ側に傾く。この結果、接合ツール２２の中心軸Ｒが、プローブ２１の先端Ｔを支点として前側または後側に傾く。つまり、被接合部１２と金属パイプ１１の管軸とを通過する法線に対する接合ツール２２の傾きを変化させて、ワーク角を調節することができる。
【0070】
次に、上記の第１の調節機構６１及び第２の調節機構７１を備える接合装置５０におけるトラベル角及びワーク角を調節する方法について説明する。（１）はじめに、接合装置５０を金属パイプ１１の外部に設置した状態で、トラベル角が適正範囲内となるように第１の調節機構６１を用いて調節を行う。この適正範囲は、接合ツール２２（プローブ２１）の形状や、金属パイプ１１の材質等の接合条件から決定される。接合装置５０の実際のトラベル角は、金属パイプ１１の形状や接合装置５０の形状から求められる。トラベル角が適正範囲内となるように、プローブ２１の先端Ｔを支点として板部６２を回動させることにより、板部６２の前部筐体４６ａに対する取り付け位置を調節し、ボルト６３により板部６２を前部筐体４６ａに固定する。
【0071】
（２）トラベル角の調節後、接合ツール２２が被接合部１２と接触するように、接合装置５０を金属パイプ１１の内部に設置する。この時、金属パイプ１１の外周面上にはリング８４が取り付けられ、リング８４には第１のセンサ８２が取り付けられている。また、第２センサ８３が外殻部材３１に取り付けられている。この状態で、油圧シリンダ３７のロッド３６を移動させて被接合部１２にプローブ２１を押し付ける。（３）次いで、ワーク角が適正範囲内となるように第２の調節機構７１を用いて調節する。この適正範囲は、接合ツール２２（プローブ２１）の形状や、金属パイプの材質により決定され、予め演算手段８５に入力されている。第１のセンサ８２と第２のセンサ８３とで測定した角度を、演算手段８５に送信する。演算手段８５において、入力された角度に基づきその時点におけるワーク角が求められる。
【0072】
（４）演算手段８５で得られたワーク角が予め入力された適正範囲内である場合には、アクチュエータ７８をロックし、ピストン７８ｂが動かないように規制する。これに対して、演算手段８５で得られたワーク角が予め入力された適正範囲内でない場合は、演算手段８５においてワーク角と適正範囲とのずれ量を算出する。演算手段８５はそのずれ量に基づきアクチュエータ７８を駆動し、ワーク角が適正範囲となるように調節する。（３）におけるワーク角の算出以降の手順を繰り返し行いワーク角が適正範囲内となった場合には、アクチュエータ７８をロックし、ピストン７８ｂが動かないように規制する。（５）第１の実施の形態の方法により、接合装置５０を駆動し、金属パイプ１１同士を接合する。
【0073】
第３の実施の形態に係る金属パイプの接合装置５０によれば、接合ツール２２の中心軸Ｒの角度を、プローブ２１の先端Ｔを支点として自在に回動することが可能である。このため、接合ツール２２と被接合部１２との接触角（トラベル角、ワーク角）を、適正値となるように調節した上で摩擦撹拌接合を行うことができる。これにより、特殊な形状の接合ツールを用いることなく、バリの発生や肉厚の減少、加工痕の発生を抑制できる。また、金属パイプ１１に管軸方向の反りや、被接合部がラッパ形状である等の形状不良がある場合にも、プローブ２１と被接合部１２とを適切な角度（ワーク角、トラベル角）で接触させることができる。この結果、良好な接合品質を実現できる。【0074】
なお、第３の実施の形態における第２の調節機構７１は上記の構成に限定されない。例えば、オルダム軸継手７３は、一つのアクチュエータ７８を備えているが、第２突起部７６ｂの代わりに凹陥部７６ａをもう一つ設け、そこに第２のアクチュエータ７８を取り付けても良い。また、第１及び第２のセンサ８２、８３の設置位置は図６に示す位置に限定されず、金属パイプ１１や接合ツール２２の角度を測定できる位置であれば良く、それぞれ被接合部１２の近傍や接合ツール２２の近傍に配置されていれば良い。但し、第１のセンサ８２と第２のセンサ８３とで、重力方向に対し角度を測る方向（例えば、軸方向、半径方向等）を同じ方向とすることが好ましい。この場合、演算手段８５において、第１、第２のセンサ８２、８３で測定した値の差分の計算のみでワーク角を得ることができる。【0075】
［第４の実施の形態に係る金属パイプの接合装置］本発明の第４の実施の形態に係る金属パイプの接合装置９０の側断面を図１０に示す。なお、第３の実施の形態に係る接合装置５０と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。
【0076】
接合装置９０は、摩擦撹拌接合中にプローブ２１の位置と被接合部１２（接合線）との位置を補正する第３の調節機構９１を備える点で第３の実施の形態に係る接合装置５０と異なっている。即ち、接合装置９０は、金属パイプ１１の内周面において、プローブ２１の位置を補正する第３の調節機構９１を備えている。以下、図１０〜１２を参照し、第３の調節機構９１について詳述する。【0077】
第３の調節機構９１は、カメラ９２、方向転換部９３、及び不図示の演算手段を備えている。カメラ９２は、接合線を検出するセンサとして、接合ツール２２の進路上、即ち、接合ツール２２の進行方向前方に配置されている。カメラ９２で撮影された画像は、不図示の演算手段（第３の実施の形態の演算手段８５と兼用しても良い）に入力される。演算手段は、この入力された画像から、接合ツール２２の進路が接合線から外れているか否かを判定し、その結果に基づき方向転換部９３を操作する。ここで、接合ツール２２の進路とは、その瞬間における回転中心が維持された状態で接合ツール２２が金属パイプ１１の内周面を移動した場合のプローブ２１の先端Ｔの進路を指す。
【0078】
方向転換部９３は、ステアリング用ローラ９４と、ラック９６と、ピニオン９５と、不図示のモータとで構成される。ステアリング用ローラ９４は、プローブ２１の先端の進行方向を調整するものである。なお、本実施の形態では、４つの反力受けローラ３８のうち、接合ツール２２の進行方向において接合ツール２２に近い側（図１０の右側）に位置する２つを、ステアリング用ローラ９４として利用している。このため、ステアリング用ローラ９４は、被接合部１２にプローブ２１を押し付けた際に発生する反力を受ける反力受けローラとしても機能する。【0079】
ピニオン９５は、不図示のモータに接続され、モータの回転が入力される。ピニオン９５は、金属パイプ１１の管軸に平行に往復移動可能に配置されたラック９６と噛み合うように配置され、ピニオン９５とラック９６とでラックアンドピニオン機構が構成される。ラック９６の両端部にステアリング用ローラ９４がそれぞれ接続されており、ラック９６がその長手方向（金属パイプ１１の管軸方向）に移動することにより、ステアリング用ローラ９４の向きが変更される。【0080】
次に、接合装置９０における第３の調節機構９１を用いた接合ツール２２の進行方向の補正方法について説明する。（１）第３の実施の形態と同じ方法により、接合ツールのトラベル角及びワーク角を調節する。
（２）第１の実施の形態と同じ方法により、接合ツール２２をその中心軸Ｒ回りに回転させると共に、被接合部１２にプローブ２１に押し付けて被接合部１２中にプローブ２１を埋没（圧入）させ、塑性流動を発生させる。
【0081】
（３）第２モータ４４を駆動し、プローブ２１（接合ツール２２）を金属パイプ１１の内周面に沿って円周方向に移動させる。このとき、プローブ２１が３６０度回転して接合線を全て接合し終えるまで、以下の操作（３−１）〜（３−３）を繰り返す。（３−１）プローブ２１（接合ツール２２）の進行方向前方に配置されたカメラ９２で接合線を撮影し、撮影したデータ（画像）を演算手段に送信する。
（３−２）演算手段は、入力されたデータに基づき、プローブ２１（接合ツール２２）の進路と接合線とのずれ量を算出する。
【0082】
（３−３）ずれがない、またはずれ量が無視できる場合は、（３−１）に戻る。一方、ずれが無視できない程度に生じている場合は、方向転換部９３を駆動してずれを無くす方向にプローブ２１（接合ツール２２）の進路を変更する。具体的には、演算手段がモータを制御して該モータを必要な回転量だけ回転させ、ピニオン９５に伝達されたモータの回転をラックアンドピニオン機構によりラック９６の直線運動に変換させる。これにより、ステアリング用ローラ９４の向きを変更でき、プローブ２１（接合ツール２２）の進路を変更することができる。このとき、図１２に示すように、プローブ２１（接合ツール２２）の進路の変更に合せてオルダム軸継手７３の第１ハブ７５が移動するので、プローブ２１の進路の中心のずれを、第１ハブ７５とスライダ７７との接続部で吸収することができる。
なお、ステアリング用ローラ９４の向きが変更された後、（３−１）に戻る。
【0083】
第４の実施の形態に係る金属パイプの接合装置９０によれば、接合ツール２２の進路と接合線とがずれている場合でも、第３の調節機構９１により接合ツール２２の進路を補正することができる。また、カメラ９２と演算手段を用いて繰り返し接合ツール２２の進路と接合線とのずれを検出し、適宜そのずれを補正をしながら、接合線上に沿ってプローブ２１を確実に走行（回転）させることができる。このため、プローブ２１と接合線とが一致しない状態で摩擦撹拌接合が行われることを防止でき、接合線とプローブ２１とが一致しない状態で摩擦撹拌接合が行われて接合強度が落ちることが防止される。その結果、良好な接合品質を実現できる。【0084】
また、接合装置９０では、ステアリング用ローラ９４に反力受けローラの機能を持たせたことにより、両者を別々に設ける必要がない。そして、ステアリング用ローラ９４に反力が負荷されることにより、ステアリング用ローラ９４が金属パイプ１１の内周面を滑ることが抑制されるため、第３の調節機構９１による補正が適切に行われる。【0085】
なお、第３の調節機構９１における方向転換部９３は上述の構成に限定されない。例えば、図１３Ａ、１３Ｂに示すように、第３の実施の形態におけるオルダム軸継手７３において２つの第１突起部７５ａの代わりにアクチュエータ９８を備えるオルダム軸継手９３Ａで構成しても良い。【0086】
オルダム軸継手９３Ａは、第１ハブ９７と、第２ハブ７６と、スライダ７７とを備え、第２ハブ７６及びスライダ７７はオルダム軸継手７３と同じ構成である。第１ハブ９７は、２つのアクチュエータ９８を備えており、このアクチュエータ９８は第２ハブ７６のアクチュエータ７８と同じ形状及び構成を有し、アクチュエータ９８のピストン９８ｂの先端がそれぞれスライダ７７の第１溝７７ａに嵌合する。【0087】
次に、このオルダム軸継手９３Ａを備える第３の調節機構を用いた接合ツール２２の進行方向の補正方法について説明する。この第３の調節機構では、プローブ２１が３６０度回転して接合線を接合し終えるまでに次の操作を繰り返す。（１）プローブ２１（接合ツール２２）の進行方向前方に配置されたカメラ９２で接合線を撮影したデータを演算手段に送信する。
（２）演算手段では、入力されたデータに基づき、プローブ２１（接合ツール２２）の予想される進路と接合線とのずれ量を算出する。
【0088】
（３）ずれがない、またはずれ量が無視できる場合は、（１）に戻る。ずれが無視できない程度に生じている場合は、オルダム軸継手９３Ａのアクチュエータ９８を駆動してずれを無くす方向にプローブ２１（接合ツール２２）の進路を変更する。具体的には、演算手段で２つのアクチュエータ９８の必要な駆動量を算出し、アクチュエータ９８を駆動する指示をする。２つのアクチュエータ９８が駆動されて、第１ハブ９７の向きが変更される（図１２参照）。その結果、プローブ２１（接合ツール２２）の進路が変更される。その後（１）に戻る。【0089】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、第２の駆動部を金属パイプ内に配置しているが、筐体と第２の駆動部とを連結するシャフトを長くして第２の駆動部を金属パイプ外に配置してもよい。また、第４の実施の形態では第３の調節機構を、第３の実施の形態の第１及び第２の調節機構と組み合わせて用いているが、第３の調節機構を第２の実施の形態に組み合わせて、第３の調節機構単独で用いる構成としても良い。【産業上の利用可能性】
【0090】
本発明では、プローブを先端に有する接合ツールをその中心軸回りに回転させる第１の駆動部、接合ツールを金属パイプの内周面に沿って円周方向に移動させる第２の駆動部、並びに接合ツールを該接合ツールの中心軸方向に押圧する押圧部とを備えた金属パイプの接合装置及びそれを用いた金属パイプの接合方法なので、金属パイプの内部から摩擦撹拌接合により該金属パイプの端面同士を接合することができる。そのため、金属パイプの端面同士を接合する際、金属パイプの内面に開口欠陥が生じることがなく、接合時におけるスパッタも発生せず接合後の後処理が不要となる。また、第１〜第３の調節機構を設けることにより、良好な接合品質を実現できる。【符号の説明】
【0091】
１０、１８ 接合装置（金属パイプの接合装置）１１ 金属パイプ
１２ 被接合部
１３ オルダム軸継手
１４ 自在軸継手
１５ 第１ハブ
１５ａ 第１突起部
１５ｂ 凹陥部
１６ 第２ハブ
１６ａ 第２突起部
１６ｂ 凹陥部
１７ スライダ
１７ａ 第１溝
１７ｂ 第２溝
１９ スプリング
２０ 摩擦撹拌部
２１ プローブ
２２ 接合ツール
２３ チャック部材
２３ａ 接続部材
２４ 円筒部材
２４ａ 突条部
２５ 保持具
２６、２７ ベベルギア
２８ 回転軸
２９、４３ 連結部材
３０ 第１モータ（第１の駆動部）
３１ 外殻部材
３２ 円錐ころ軸受
３３ 玉軸受
３５ 押圧部
３６ ロッド
３７ 油圧シリンダ
３８ 反力受けローラ
３９、４２ 従動ローラ
４０ 円周方向移動部
４１、４６ 筐体
４６ａ 前部筐体
４６ｂ 後部筐体
４４ 第２モータ（第２の駆動部）
４５ 支持部材
Ｒ、Ｓ 中心軸