特許 5915144 摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌接合方法

(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】5915144

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20160422BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 344

   B23K20/12 310

   B23K20/12 340

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2011-275025(P2011-275025)

(22)【出願日】2011年12月15日

(65)【公開番号】特開2013-123745(P2013-123745A)

(43)【公開日】2013年6月24日

【審査請求日】2014年10月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100087527

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 光雄

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 浩

(72)【発明者】

【氏名】大岩 直貴

(72)【発明者】

【氏名】山中 聡

【審査官】 豊島 唯

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１４２８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３７３５２９８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００４−０２５２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１９００４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０２２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５３７３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／００４０００６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００４２２９２（ＵＳ，Ａ１）

(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】

突き合わせて接合するワークの板厚寸法よりも長尺のプローブと、該プローブの軸心方向の一端側に設けてワークの一方の面に接触させるためのショルダーを回転駆動可能に備えると共に、
上記ワークの他方の面に接触させるための固定式ショルダーを備え、
該固定式ショルダーは、上記プローブを挿通させるための開口部と、該固定式ショルダーにおけるワーク接触面側で上記開口部に連通する溶材ガイドを備えてなり、
更に、棒状の溶材を、上記固定式ショルダーの開口部の内側に配置されているプローブに向けて上記溶材ガイドを通して付勢して供給するための溶材供給手段を備える構成を有すること
を特徴とする摩擦撹拌接合ツール。

【請求項2】

溶材供給手段は、棒状の溶材のプローブに対する押し付け圧が一定になるように圧力制御する機能を備えるようにした
請求項１記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項3】

溶材供給手段を固定式ショルダーに連結して固定するようにした
請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項4】

プローブとショルダーを回転駆動させるための回転駆動軸を、固定式ショルダーの開口部に挿通配置させた上記プローブの軸心方向の他端側に取り付けるようにした
請求項１、２又は３記載の摩擦撹拌接合ツール。

【請求項5】

突き合わせて接合するワークの板厚寸法よりも長尺のプローブと、該プローブの軸心方向の一端側に設けたショルダーを回転駆動させ、
ワークの一方の面に、上記回転するショルダーを接触させると共に、該ワークの他方の面に、上記プローブの軸心方向の他端側を挿通させる開口部を備えた固定式ショルダーを接触させた状態で、上記回転するプローブをワークの接合部に没入させると共に、接合線に沿って移動させるときに、
溶材供給手段より、棒状の溶材を、上記固定式ショルダーにワーク接触面側で上記開口部に連通するよう備えた溶材ガイドを通して、該開口部の内側に配置されているプローブに向けて付勢して供給すること
を特徴とする摩擦撹拌接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合ツール、及び、摩擦撹拌接合方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

摩擦撹拌接合は、摩擦撹拌接合ツールに装備されたプローブ（棒状突起物、ピン）を、ワークの接合部に回転させながら押し付けてワーク内に没入させることにより、該ワークの接合部に摩擦熱を発生させ、該接合部を軟化させると共に、上記プローブの回転力により、該プローブの周囲にワークの素材の塑性流動領域を形成させて撹拌混合して、複数のワークを一体に接合する手法であり、摩擦撹拌接合時に生じる接合反力が小さいアルミ合金材の薄板（１０ｍｍ以下）の接合を中心に利用されてきている。

【0003】

上記摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合ツールは、上記ワークの接合部に没入させるためのプローブの基端側に、該プローブよりも大径としてワークの接合部近傍の表面に接触させるためのショルダーを一体に設けて、該ショルダーを上記プローブと一体に回転させる形式のものが主として用いられていた。

【0004】

上記ショルダーは、回転しながらワークの表面に接触することで摩擦熱を発生させて、該ワークにおける上記プローブが没入される接合部の近傍を加熱するという機能を備えているが、その他に、上記回転するプローブによってワークの接合部に形成される塑性流動領域が、ワークの表面より外へはみ出さないように押さえ付ける機能を発揮していることが、近年判明してきた。

【0005】

そこで、摩擦撹拌接合ツールの１つの形式としては、プローブの基端側に、該プローブの回転駆動軸を挿通させる貫通孔を有する固定式のショルダーを備えた構成として、上記プローブを回転させながらワークに没入させる際、該ショルダーはワークに対して回転させずに単に押し付けるようにする形式の摩擦撹拌接合ツールが提案されてきている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

【0006】

又、摩擦撹拌接合ツールは、更に別の形式として、プローブの軸心方向の両側に一対のショルダーを備えた構成のいわゆるボビンツールが開発されてきている。かかるボビンツールとしては、ショルダー同士の間隔を、ワークの板厚寸法よりも所定量小さく設定することで、該各ショルダーが、外部の力を要することなくワークの両面に所定の押し付け力で押し付けられるようになるものと、ワークの板厚の変動に対応できるようにするために、プローブの軸心方向両端側の一対のショルダーの間隔を可変とするものが従来提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

【0007】

更に、ワークの接合部に隙間が存在している場合は、摩擦撹拌接合ツールのプローブにより該接合部に塑性流動領域を形成させても、塑性流動されるワークの素材自体の量が、上記隙間を塞ぐには元々不足しているのであるから、接合不良が発生する。そこで、摩擦撹拌接合を行う際に、溶材（溶加材）を供給することが考えられてきている。

【0008】

上記溶材の供給手法としては、回転するショルダーとプローブによって加熱される接合部付近の領域の表面に、溶材の粉末を供給したり、プローブの内部に設けた溶材供給通路を通して溶材を供給する手法が従来提案されている（たとえば、特許文献４参照）。

【0009】

又、溶材の別の供給手法としては、ワーク（被接合材）の接合部の摩擦撹拌接合を行う際に、該接合部に形成される隙間に、溶材（フィラー）を供給するようにすることが従来提案されている（たとえば、特許文献５参照）。

【0010】

上記のように、摩擦撹拌接合の際にワークの接合部の隙間を埋めるために溶材を供給する場合は、接合部分に特殊な機能が必要とされる場合を除いては、通常、ワークと同材質の溶材を、又、異なる材質のワーク同士を接合する場合は、いずれか一方のワークと同材質の溶材を使用することが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特表２００９−５３７３２５号公報

【特許文献2】特許第４２４０５７９号公報

【特許文献3】特許第３７３５２９８号公報

【特許文献4】特開２００７−７７２９号公報

【特許文献5】特開２００５−１１１５３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

ところが、上記特許文献４に示された手法のうち、回転するショルダーとプローブによって加熱されて接合部付近の領域の表面に粉末状の溶材を配置する手法は、たとえ、溶材の粉末の一部が上記ショルダーとの摩擦熱によって軟化するとしても、該軟化した溶材の粉末を上記ワークと該ワークに押し付けられて回転しているショルダーとの隙間を通してプローブの周囲の塑性流動が生じている領域まで確実に送り込むための手段がない。そのために、上記手法では、摩擦撹拌接合の際にワーク同士の接合部に存在する隙間を上記溶材で埋めることは困難である。

【0013】

又、上記特許文献４に示された手法のうち、プローブの内部に設けた溶材供給通路を通して溶材を供給する手法は、プローブを、上記溶材供給通路を貫通させて備えた構造とする必要があることのほか、該プローブの溶材供給通炉内で軟化した溶材を、該溶材供給通路からプローブの周囲の塑性流動領域へ押し出すための機構が必要になることから、摩擦撹拌接合装置の装置構成が複雑化するという問題がある。更には、該手法は、上記溶材の供給管理が困難になるという問題がある。

【0014】

上記特許文献５に記載された手法は、摩擦撹拌接合時に、ワークの接合線に形成される隙間に、溶材を供給するというものであるが、上記溶材は、プローブよりもツール進行方向前方におけるワークの表面よりショルダーが離れた部分、すなわち、ワークにてショルダーとの摩擦熱が発生していない部分に供給されているに過ぎないため、該溶材を軟化させること自体が難しい。

【0015】

しかも、上記特許文献５に示された手法では、たとえ、上記溶材が軟化するとしても、該軟化した溶材は、上記回転するショルダーと接触すると、該ショルダーの外周に押し出される可能性が大きい。よって、該手法では、軟化した溶材をプローブの周囲の塑性流動領域まで確実に送り込むことが困難である。

【0016】

なお、上記特許文献１、特許文献２には、摩擦撹拌接合の実施時に溶材を供給する考えは全く示されておらず、示唆する記載すら全くない。

【0017】

しかも、特許文献１、特許文献２に示されたものは、プローブの基端側にのみ固定式のショルダーを設けたものであるため、ワークについて、ショルダーとの摩擦による摩擦熱での加熱を行うことができず、よって、ワークに対する入熱量が小さいことから、板厚の厚いワークの接合に適用することは困難である。

【0018】

上記特許文献３には、摩擦撹拌接合の実施時に溶材を供給する考えは全く示されておらず、示唆する記載すら全くない。又、ボビンツールは、ワークの表裏両面に回転するショルダーが接触しているため、該回転するショルダーの外側からプローブの周囲の塑性流動領域へ溶材を供給することは困難である。

【0019】

したがって、従来は、板厚の厚いワークの接合部に隙間が生じている場合に、溶材を供給しながら良好な摩擦撹拌接合を実現するための装置構成、及び、方法が提案されていないというのが実状である。

【0020】

そこで、本発明は、板厚の厚いワークの接合部に隙間が生じている場合であっても、溶材を確実に供給しながら良好な摩擦撹拌接合を実施することができる摩擦撹拌接合ツール、及び、摩擦撹拌接合方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、突き合わせて接合するワークの板厚寸法よりも長尺のプローブと、該プローブの軸心方向の一端側に設けてワークの一方の面に接触させるためのショルダーを回転駆動可能に備えると共に、上記ワークの他方の面に接触させるための固定式ショルダーを備え、該固定式ショルダーは、上記プローブを挿通させるための開口部と、該固定式ショルダーにおけるワーク接触面側で上記開口部に連通する溶材ガイドを備えてなり、更に、棒状の溶材を、上記固定式ショルダーの開口部の内側に配置されているプローブに向けて上記溶材ガイドを通して付勢して供給するための溶材供給手段を備える構成を有する摩擦撹拌接合ツールとする。

【0022】

又、上記構成において、溶材供給手段は、棒状の溶材のプローブに対する押し付け圧が一定になるように圧力制御する機能を備えるようにした構成とする。

【0023】

更に、上記各構成において、溶材供給手段を固定式ショルダーに連結して固定するようにした構成とする。

【0024】

更に又、上記各構成において、プローブとショルダーを回転駆動させるための回転駆動軸を、固定式ショルダーの開口部に挿通配置させた上記プローブの軸心方向の他端側に取り付けるようにした構成とする。

【0025】

又、請求項５に対応して、突き合わせて接合するワークの板厚寸法よりも長尺のプローブと、該プローブの軸心方向の一端側に設けたショルダーを回転駆動させ、ワークの一方の面に、上記回転するショルダーを接触させると共に、該ワークの他方の面に、上記プローブの軸心方向の他端側を挿通させる開口部を備えた固定式ショルダーを接触させた状態で、上記回転するプローブをワークの接合部に没入させると共に、接合線に沿って移動させるときに、溶材供給手段より、棒状の溶材を、上記固定式ショルダーにワーク接触面側で上記開口部に連通するよう備えた溶材ガイドを通して、該開口部の内側に配置されているプローブに向けて付勢して供給するようにする摩擦撹拌接合方法とする。

【発明の効果】

【0026】

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）突き合わせて接合するワークの板厚寸法よりも長尺のプローブと、該プローブの軸心方向の一端側に設けてワークの一方の面に接触させるためのショルダーを回転駆動可能に備えると共に、上記ワークの他方の面に接触させるための固定式ショルダーを備え、該固定式ショルダーは、上記プローブを挿通させるための開口部と、該固定式ショルダーにおけるワーク接触面側で上記開口部に連通する溶材ガイドを備えてなり、更に、棒状の溶材を、上記固定式ショルダーの開口部の内側に配置されているプローブに向けて上記溶材ガイドを通して付勢して供給するための溶材供給手段を備える構成を有する摩擦撹拌接合ツールとしてあるので、回転駆動するプローブを、ワークの板厚の全体に亘り没入させることができる。又、ワークは、回転駆動するショルダーを該ワークの一方の面側に接触させて発生する摩擦熱により、入熱を増加させることができる。したがって、ワークの板厚が厚い場合でも、良好な摩擦撹拌接合が実施できる。
（２）溶材供給手段より固定式ショルダーの溶材ガイドを通して付勢して供給される棒状の溶材は、該固定式ショルダーの開口部の内側に配置されている回転駆動状態のプローブとの接触による摩擦熱で、該溶材の先端部を確実に軟化させることができる。この状態で、ワークの接合部に隙間が生じていない場合は、上記軟化した溶材の行き場がないが、ワークの接合部に隙間が存在していた場合は、上記軟化した溶材を、その直下でプローブの外周に形成されているワークの素材の塑性流動領域に送り込むことができる。この軟化した溶材の上記塑性流動領域への送り込みは、上記ワークの両面側に配置されている固定式ショルダーとショルダーとの間に該塑性流動領域が充填されるまで継続して行わせることができる。よって、上記ワークの接合部に隙間が存在していても、接合不良のない摩擦撹拌接合を実施することができる。
（３）突き合わせて接合するワークの板厚寸法よりも長尺のプローブと、該プローブの軸心方向の一端側に設けたショルダーを回転駆動させ、ワークの一方の面に、上記回転するショルダーを接触させると共に、該ワークの他方の面に、上記プローブの軸心方向の他端側を挿通させる開口部を備えた固定式ショルダーを接触させた状態で、上記回転するプローブをワークの接合部に没入させると共に、接合線に沿って移動させるときに、溶材供給手段より、棒状の溶材を、上記固定式ショルダーにワーク接触面側で上記開口部に連通するよう備えた溶材ガイドを通して、該開口部の内側に配置されているプローブに向けて付勢して供給するようにする摩擦撹拌接合方法としてあるので、上記（１）（２）と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の摩擦撹拌接合ツール及び摩擦撹拌接合方法の実施の一形態を示すもので、（ａ）は一部切断概略側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ方向矢視図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ方向矢視図である。

【図2】（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ図１の摩擦撹拌接合ツールにおける溶材供給手段の別の例を示す図１（ａ）に対応する図である。

【図3】本発明の実施の他の形態を示す一部切断概略側面図である。

【図4】本発明の実施の更に他の形態を示す一部切断概略側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

【0029】

図１（ａ）（ｂ）（ｃ）及び図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の摩擦撹拌接合ツールの実施の一形態を示すものである。

【0030】

すなわち、本発明の摩擦撹拌接合ツールは、図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に符号１で示す如く、接合対象となるワーク１０の板厚寸法よりも長尺のプローブ２と、該プローブ２の軸心方向の一端側に連結してワーク１０の一方の面に接触させるためのショルダー３と、該プローブ２及びショルダー３に図示しない回転駆動装置による回転駆動力を伝達するための回転駆動軸４と、ワークの他方の面に接触させるための固定式ショルダー５を備える。

【0031】

上記固定式ショルダー５は、上記プローブ２を挿通配置させるための開口部６と、該固定式ショルダー５におけるワーク１０に接触させる面側で上記開口部６に連通させた溶材ガイドとしてのガイド溝７を備えた構成とする。

【0032】

更に、本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、上記固定式ショルダー５のガイド溝７を通して棒状の溶材（溶加材）９を上記開口部６の内側に配置されるプローブ２に向けて付勢した状態で供給するための溶材供給手段８を備えた構成とする。

【0033】

詳述すると、上記プローブ２は、その軸心方向の長さ寸法が、接合対象として想定されるワーク１０の板厚寸法よりも、少なくとも上記棒状の溶材９の太さの寸法分、長くなるように設定してある。

【0034】

又、上記プローブ２の軸心方向の向きは、たとえば、水平面内に配置した２つのワーク１０同士を突き合わせて接合を行う場合には、軸心方向が鉛直方向となるようにしてある。

【0035】

更に、上記プローブ２には、図１（ａ）で下端側となる軸心方向の一端側に、該プローブ２よりも大径の円盤状としてあるショルダー３が、同心状の配置で一体に連結されている。

【0036】

上記ショルダー３が一体に連結された上記プローブ２の他端側（図１（ａ）では上端側）には、上下方向に延びる回転駆動軸４の一端（下端）が一体に連結されている。該回転駆動軸４の他端側（図１（ａ）では上端側）には、図示しない回転駆動装置が接続してある。これにより、回転駆動軸４が回転駆動装置によって回転駆動されると、上記プローブ２及びショルダー３は一緒に回転駆動できるようにしてある。

【0037】

上記固定式ショルダー５は、ワーク接触面（図１（ａ）では下面）がフラットな平板状としてあり、その中央付近に、上記プローブ２の外径よりもわずかに大きな内径を有する開口部６が、図１（ａ）において上下方向に貫通させて設けられている。これにより、該固定式ショルダー５は、上記プローブ２の軸心方向の一端側に設けてあるショルダー３をワーク１０の一方の面としての下面に接触させて、上記プローブ２の他端側の部分を、上記開口部６に挿通させることにより、ワーク１０の上面に沿わせて配置できるようにしてある。

【0038】

又、上記固定式ショルダー５は、ワーク１０側とは反対側の面（図１（ａ）では上面）に取り付けた支持部材１１を介して固定式ショルダー用の昇降機構（図示せず）に取り付けられている。

【0039】

更に、上記回転駆動軸４の上端側は、該回転駆動軸４を上記図示しない回転駆動装置による回転を妨げることなく昇降させるための回転駆動軸用の昇降機構（図示せず）に接続されている。

【0040】

上記別々の昇降機構は、図１（ａ）に示すように、上記回転駆動軸４の下端側にプローブ２を介して取り付けられた上記ショルダー３の上面がワーク１０の下面に接触し、且つ上記固定式ショルダー５の下面がワーク１０の上面に接触する位置より、上記ショルダー３は引き上げる方向へ、又、上記固定式ショルダー５は押し下げる方向へそれぞれ付勢できるようにしてある。すなわち、上記各昇降機構は、上記ショルダー３の上面と固定式ショルダー５の下面との間隔が狭くなる方向へ付勢できるようにしてある。これにより、上記ショルダー３の上面と固定式ショルダー５の下面との間の隙間にワーク１０が挿入配置されるときに、該ワーク１０の下面と上面に、上記ショルダー３と固定式ショルダー５をそれぞれ所定の押し付け圧で押し付けることができるようにしてある。更に、上記各昇降機構は、上記ショルダー３と固定式ショルダー５のワーク１０に対する押し付け圧を自在に制御できるようにしてある。

【0041】

なお、上記ショルダー３と固定式ショルダー５の各昇降機構は、共通の１つの支持フレームに取り付ける構成とすることが好ましい。かかる構成では、該各昇降機構同士で、上記ショルダー３をワーク１０の下面に押し付けるときの反力と、上記固定式ショルダー５をワークの上面に押し付けるときの反力とを上記支持フレームを介して相互に伝えて相殺できるため、摩擦撹拌接合装置における上記各昇降機構の支持フレーム以外の個所に、上記反力が作用しないようにすることができる。

【0042】

更に、上記固定式ショルダー５には、ワーク１０との接触面となる下面に、たとえば、該固定式ショルダー５の摩擦撹拌接合時に本発明の摩擦撹拌接合ツール１の進行方向の前方側の側面に開口する溶材入口１２から、上記開口部６に連通する溶材出口１３まで直線状に延びる配置で上記ガイド溝７が設けられている。

【0043】

上記ガイド溝７は、その長手方向と直交する面での断面形状が、上記溶材９の長手方向に直交する断面形状に対応するようにしてある。

【0044】

上記溶材供給手段８は、上記固定式ショルダー５のガイド溝７の延長線上となる位置に配置されていて、棒状の溶材９の基端側を掴んで保持するようにしてある。

【0045】

棒状の溶材９は、上記固定式ショルダー５のガイド溝７に溶材入口１２から溶材出口１３まで挿通させて、先端となる長手方向の一端が上記固定式ショルダー５の開口部６の内側で上記プローブ２に突き当たるように配置してある。

【0046】

上記溶材供給手段８は、上記棒状の溶材９の基端寄りとなる長手方向の他端寄りを保持し、該溶材９を上記プローブ２に向けて押し付けるように付勢できるようにしてある。

【0047】

上記溶材供給手段８の溶材９を上記プローブ２に向けて付勢するための付勢手段は、たとえば、図１（ａ）に示すように、上記溶材９の長手方向他端寄り個所を着脱自在に保持するクランプ１４と、該クランプ１４と固定側となる支持構造１５との間に介装させた伸縮可能な空気圧や油圧等の流体圧シリンダ１６とを備え、該流体圧シリンダ１６によりクランプ１４を介して溶材９を長手方向に移動させるようにしてある。

【0048】

又、上記付勢手段は、図２（ａ）に示すように、上記溶材９の長手方向他端寄り個所を保持する上記と同様のクランプ１４と、該クランプ１４と固定側となる支持構造１５との間に介装させた伸縮可能なばね部材１７とを備えた構成や、図２（ｂ）に示すように、上記溶材９の長手方向他端寄り個所を保持する上記と同様のクランプ１４に、該溶材９の長手方向に沿う方向に動作するボールねじ機構１８に取り付けた構成としてもよい。なお、該ボールねじ機構１８は、図示しない固定側の支持構造に設置されているものとする。

【0049】

更に、上記溶材９の付勢手段の他の形式として、図２（ｃ）に示すように、上記溶材９の長手方向他端寄り個所を挟持するための一対のローラ１９を備え、且つ該各ローラ１９のうち、少なくとも一方のローラ１９を、モータ等の図示しない回転駆動装置に連結した駆動ローラとして、一対のローラ１９間に挟持した上記溶材９を上記プローブ２に向けて送り出すようにした構成としてもよい。

【0050】

なお、上記溶材供給手段８の付勢手段は、上記プローブ２に先端が突き当たるように配置された状態の溶材９に対し、上記プローブ２に向けて付勢しながら供給するときの供給圧力、すなわち、該溶材９の上記プローブ２に対する押し付け圧を一定になるよう圧力制御できる機能を備えることが好ましい。この圧力制御の機能としては、たとえば、図１（ａ）に示した如き流体圧シリンダ１６にて、該流体圧シリンダ１６を溶材９送り出し方向へ動作させる側の圧力室、図では伸長動作側の圧力室へ供給する流体圧を、一定に保持するようにすればよい。

【0051】

又、上記圧力制御の機能としては、図２（ｃ）に示したように溶材９の送り出し用のローラ１９を備えた構成の溶材供給手段８にて、上記プローブ２に先端が突き当たるように溶材９が配置された状態にて、図示しない回転駆動装置より駆動ローラとなる少なくとも一方のローラ１９に対して一定の駆動トルクを付与させるようにしてもよい。

【0052】

なお、上記溶材供給手段８は、図示しない連結部材を介して、上記固定式ショルダー５、又は、該固定式ショルダー５の支持部材１１に連結して、固定式ショルダー５との相対位置を固定した構成とすることが好ましい。かかる構成にすれば、上記固定式ショルダー５を、ワーク１０の接合線の位置に対応させるため等の目的で移動させる場合にも、上記溶材供給手段８を、該固定式ショルダー５のガイド溝７の延長線上に位置するようにすることができる。これにより、別途位置決めする作業を不要にできるため、摩擦撹拌接合を実施する際の手間の削減化を図ることができる。

【0053】

更に、上記固定式ショルダー５には、上記ガイド溝７における開口部６より離反する側の端部寄り部分、すなわち、該ガイド溝７における溶材入口１２寄り部分の上側に、該固定式ショルダー５の上面側に連通する切欠き２０が設けてあると共に、該切欠き２０に、上記ガイド溝７と直交する方向の回転軸を備えた押さえローラ２１が配置されている。該押さえローラ２１は、回転軸がホルダ２２に回転自在に保持されている。更に、該ホルダ２２は、図示しない昇降機構に接続されている。これにより、上記固定式ショルダー５の切欠き２０の部分では、上記ガイド溝７に溶材入口１２から溶材出口１３まで挿通して上記棒状の溶材９が配置された状態のときに、上記図示しない昇降機構により上記押さえローラ２１を上方より下降させることで、上記溶材９を所定の圧力でワーク１０の上面に対して押さえ付けることができるようにしてある。

【0054】

以上の構成としてある本発明の摩擦撹拌接合ツール１を使用して摩擦撹拌接合を実施する場合は、先ず、ワークの接合線の一端側にて、プローブ２を、ワーク１０の端面の近傍又は接するように配置させる。

【0055】

次に、上記本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、ショルダー３と固定式ショルダー５を、ワーク１０を両側より挟み込むように配置させる。この際、上記ショルダー３と固定式ショルダー５は、それぞれ対応する昇降機構を位置制御又は圧力制御して、ワーク１０に対して所定の圧力で押し付けるようにする。たとえば、上記固定式ショルダー５は、該固定式ショルダー５の下面がワーク１０の上面に接するように対応する昇降機構を位置制御することにより位置決めする。その後、上記ショルダー３は、上記回転駆動軸４の上端側に接続してある昇降機構により引き上げるようにし、この際、該昇降機構の圧力制御を行って、該ショルダー３が上記ワーク１０下面に所定の圧力を印加した状態で押し付けられるように位置決めするようにする。

【0056】

次いで、上記溶材供給手段８より送り出される棒状の溶材９は、上記固定式ショルダー５のガイド溝７に溶材入口１２より溶材出口１３へ挿通されて、該溶材９の先端が、該固定式ショルダー５の開口部６の内側に配置されているプローブ２、すなわち、上記ワーク１０の上面より上方に突出しているプローブ２の上端寄りの部分に接するように配置させておく。

【0057】

更に、上記押さえローラ２１は、上記固定式ショルダー５のガイド溝７に挿通配置されている上記溶材９を、ワーク１０上面に対して所定の圧力で押さえ付けるように配置させておく。

【0058】

上記プローブ２及びショルダー３は、後述するように、上記本発明の摩擦撹拌接合ツール１のワーク１０の接合線に沿う相対移動を開始させる前の任意の時点で、図示しない回転駆動装置による回転駆動軸４と一体の回転駆動を開始させておく。

【0059】

この状態で、上記本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、ワーク１０の接合線に沿う相対移動を開始させる。この相対移動は、位置固定された摩擦撹拌接合ツール１に対して、図示しない移動テーブル上に固定されたワーク１０が移動テーブルと一緒に該ワーク１０の接合線に沿う方向に移動するようにしてもよく、あるいは、位置固定されたワーク１０の接合線に沿って、上記摩擦撹拌接合ツール１を移動させるようにしてもよい。

【0060】

これにより、上記ワーク１０は、上記回転駆動されるショルダー３との摩擦熱により該ワーク１０の接合線付近が下面側より加熱された状態で、上記回転駆動されるプローブ２が、上記接合線位置の端面に押し付けられるようになる。このため、該回転するプローブ２に接する部分のワーク１０の素材が、塑性流動させられるようになり、該プローブ２が、ワーク１０の接合部に没入させられるようになる。

【0061】

上記のように、ワーク１０の接合部は、上記ショルダー３との摩擦熱により加熱される部分に、回転する上記プローブ２が没入することにより、該プローブ２の周囲に該ワーク１０の板厚の全体に亘って塑性流動領域が形成され、これにより、該ワーク１０の接合部の摩擦撹拌接合が開始される。

【0062】

上記のようにして摩擦撹拌接合が開始されるときには、上記本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、上記溶材供給手段８により、上記固定式ショルダー５のガイド溝７に配置されている上記棒状の溶材９を、上記固定式ショルダー５の開口部６の内側で回転している上記プローブ２に向けて付勢する。この付勢は、たとえば、上記溶材９が、一定の押し付け圧で上記プローブ２に対して押し付けられるように供給圧力を制御する。これにより、上記溶材９は、上記プローブ２に接する先端が該プローブ２との摩擦により発生する摩擦熱で加熱されるため、該溶材９の先端部が軟化されるようになる。

【0063】

その後、上記本発明の摩擦撹拌接合ツール１が、ワーク１０の接合線に沿って相対移動することに伴って、該ワーク１０の接合線に沿う摩擦撹拌接合が連続的に行われる。

【0064】

この摩擦撹拌接合が行われる際、ワーク１０の接合部に隙間がない場合は、上記ショルダー３と固定式ショルダー５との間には、上記プローブ２の周囲で塑性流動する軟化したワーク１０の素材が充填されるように存在している。この場合は、上記したように、溶材供給手段８より固定式ショルダー５のガイド溝７に供給されている溶材９は、その先端側が軟化した状態で上記プローブ２に向けて付勢されているとしても、該ガイド溝７と溶材９の断面形状が対応しており、開口部６の内側には上記プローブ２が存在しており、しかも、上記固定式ショルダー５の下方におけるプローブ２の周囲の塑性流動している領域には上記したように軟化したワーク１０の素材が充填されているため、行き場がない。よって、上記溶材９は、上記固定式ショルダー５のガイド溝７にそのまま保持される。

【0065】

一方、摩擦撹拌接合が行われる際、ワーク１０の接合部に隙間が存在していた場合は、上記プローブ２の周囲で塑性流動する軟化したワーク１０の素材の量が、上記ショルダー３と固定式ショルダー５との間に充填される量に不足するようになる。

【0066】

よって、この場合は、上記溶材供給手段８により付勢される圧力により、上記固定式ショルダー５のガイド溝７に供給されている溶材９の先端側の軟化した部分が、その直下に位置する上記プローブ２の周囲の塑性流動領域に送り込まれて、軟化したワーク１０の素材と一緒に塑性流動させられるようになる。

【0067】

上記溶材９は、上記溶材供給手段８により付勢されているため、上記したように、該溶材９の先端側の軟化した部分が、プローブ２の周囲の塑性流動領域に送り込まれると、その送り込まれた分、溶材９が順次上記ガイド溝７へ供給されると共に、新たに先端となる部分は、上記回転するプローブ２との摩擦による摩擦熱で軟化した状態となる。よって、上記溶材９は、上記プローブ２の周囲の塑性流動領域に、上記プローブ２の周囲で塑性流動する軟化したワーク１０の素材の量が、上記ショルダー３と固定式ショルダー５との間に充填される量に達するまで、該塑性流動領域に順次送り込まれるようになる。

【0068】

その後、上記プローブ２の周囲で塑性流動する軟化したワーク１０の素材の量が、上記ショルダー３と固定式ショルダー５との間に充填される量に達すると、上記溶材９は、行き場がなくなるため、該溶材９の上記塑性流動領域への送り込みは、自動的に停止される。

【0069】

上記プローブ２の周囲の塑性流動領域に送り込まれた溶材９の量は、ワーク１０の接合部に存在していた隙間の容積に対応していることから、上記溶材９が送り込まれた状態で摩擦撹拌接合された部分は、上記隙間に起因した接合不良が生じることはない。

【0070】

その後、上記本発明の摩擦撹拌接合ツール１が、ワーク１０の接合線の全長に亘り相対移動するときに、ワーク１０の接合部に隙間が存在していない個所では、ワーク１０の接合部の摩擦撹拌接合が行われ、ワーク１０の接合部に隙間が存在している個所では、上記したと同様の溶材９の自動的な送り込みによる隙間を充填した状態での摩擦撹拌接合が行われるようになる。

【0071】

このように、本発明の摩擦撹拌接合ツール１によれば、摩擦撹拌接合を行うワーク１０の接合部に隙間が存在している場合は、プローブ２の外周に形成される塑性流動領域に、上記隙間を埋める量の溶材９を確実に供給することができる。したがって、摩擦撹拌接合された領域に、上記ワーク１０の接合部に存在していた隙間に起因する接合不良が生じる虞を解消することができる。

【0072】

更に、上記溶材９が、上記プローブ２の外周におけるワーク１０の素材の塑性流動領域に送り込まれるときは、該塑性流動領域の上下両側には、上記固定式ショルダー５と上記ショルダー３が配置されているため、該塑性流動領域に上記溶材９が過剰に供給される虞はない。よって、上記本発明の摩擦撹拌接合ツール１では、上記溶材９の供給管理を容易なものとすることができる。

【0073】

上記溶材供給手段８が、溶材９の上記プローブ２に対する押し付け圧を一定に制御する機能を備えていれば、上記ワーク１０の接合部における隙間が存在している個所に上記溶材９が送り込まれて消費されても、その消費量にかかわらず、上記ワーク１０の接合部に隙間が存在している個所の摩擦撹拌接合を行う際には、上記溶材９を定量供給することができる。よって、該溶材９の供給管理をより容易なものとすることができる。

【0074】

本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、プローブ２により上記ワーク１０の板厚の全体に亘り塑性流動領域を形成させることができる。更に、本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、上記プローブ２の軸心方向の一端側に設けて該プローブ２と一体に回転させるショルダー３により、上記ワーク１０の接合部を下面側から摩擦熱によって加熱することができるため、該ワーク１０の接合部に対する入熱を増加させることができる。これにより、本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、板厚の厚いワーク１０であっても摩擦撹拌接合することができると共に、該ワーク１０の接合された部分にキッシングボンドのような欠陥を生じさせることのない良好な摩擦撹拌接合を実施することができ、更には、摩擦撹拌接合の施工の高速化が可能になる。

【0075】

上記プローブ２とショルダー３を回転駆動するための回転駆動軸４が、固定式ショルダー５の開口部６に配置される上記プローブ２の軸心方向の他端側（上端側）に取り付けてあるため、該回転駆動軸４を介して上記プローブ２及びショルダー３を昇降させるための昇降機構を、上記固定式ショルダー５を昇降させるための昇降機構と共に、ワーク１０の片面側としての上方に配置させることができる。したがって、上記各昇降機構は、上記ワークの片面側に集約させて設けることができるため、上記ショルダー３を対応する昇降機構によりワーク１０の下面に所定の接触圧力で接触させるときの反力と、上記固定式ショルダー５を対応する昇降機構によりワーク１０の上面に所定の接触圧力で接触させるときの反力を、該各昇降機構同士で相互に伝える構成を容易に構築することができる。よって、摩擦撹拌接合装置に大きな反力受けが不要になり、装置構成の小型化を図ることが可能になる。

【0076】

上記実施の形態においては、棒状の溶材９を挿通配置させるための溶材ガイドとして、該固定式ショルダー５の下面に沿うようにガイド溝７を備えた構成を示した。かかる構成は、加工が容易という点では好ましいが、溶材出口１３が該固定式ショルダー５における開口部６のワーク接触面側端部である下面側端部に配置されるようにしてあれば、図３に示すように、上記固定式ショルダー５の側面や上面に設けた溶材入口１２（図では側面の場合が示してある）より、上記溶材出口１３まで斜めに延びる貫通孔を固定式ショルダー５に穿設して、該貫通孔を溶材ガイド７ａとした構成としてもよい。上記溶材ガイド７ａの断面形状は、上記棒状の溶材９の断面形状と対応するように設定しておけばよい。又、図示してないが、上記溶材供給手段８は、上記固定式ショルダー５の溶材ガイド７ａの延長線上となる位置に配置されるようにすればよい。

【0077】

上記各実施の形態では、棒状の溶材９をガイドするためのガイド溝７や溶材ガイド７ａは、固定式ショルダー５における開口部６に対し、ツール進行方向の前方側へ延びる配置として示したが、上記ガイド溝７や溶材ガイド７ａは、上記開口部６より周方向のいずれの方向に延びる配置で設けてもよい。この場合も、溶材供給手段８は、上記固定式ショルダー５のガイド溝７や溶材ガイド７ａの延長線上となる位置に配置させるようにすればよい。

【0078】

上記実施の形態においては、押さえローラ２１が、ホルダ２２に接続された図示しない昇降機構によって固定式ショルダー５とは独立して昇降できる構成として示したが、上記押さえローラ２１は、図４に示すように、その回転軸を固定式ショルダー５に直接取り付けて、該固定式ショルダー５と一体に昇降する構成としてもよい。

【0079】

更に、上記押さえローラ２１は、装備することが望ましいが、たとえば、上記したように固定式ショルダー５に斜め方向に延びる貫通孔である溶材ガイド７ａを備える場合等には、該押さえローラ２１を省略した構成としてもよい。

【0080】

上記実施の形態においては、プローブ２と一体に回転するショルダー３と、固定式ショルダー５を、それぞれ個別の昇降機構により昇降可能な構成として示した。かかる構成は、上記ショルダー３と固定式ショルダー５の間隔を調整することで、板厚の異なるワーク１０に容易に対応できるという点で好ましい。これに対し、板厚が一定のワーク１０のみを接合対象とする形式の摩擦撹拌接合装置に適用する場合は、本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、図示してないが、上記固定式ショルダー５の開口部６に、ベアリング等を介して上記プローブ２及びショルダー３の回転駆動軸４の軸心方向の所定個所を回転自在に保持させてなる構成として、上記ショルダー３と固定式ショルダー５との間隔を、接合対象となるワーク１０の板厚に対応させた間隔で固定してもよい。

【0081】

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、上記棒状の溶材９は、丸棒状のものとして示したが、角棒状等、断面が多角形の溶材９を使用するようにしてもよい。

【0082】

固定式ショルダー５を対応する昇降機構に接続できるようにしてあれば、該固定式ショルダー５に対する支持部材１１の取り付け個所は、適宜変更してもよい。又、該支持部材１１は、形状を適宜変更してもよい。

【0083】

溶材供給手段８は、固定式ショルダー５のガイド溝７や溶材ガイド７ａに挿通配置された棒状の溶材９を、該固定式ショルダー５の開口部６に配置されているプローブ２に向けて付勢することができれば、流体圧シリンダ１６（図１（ａ））、ばね部材１７（図２（ａ））、ボールねじ機構１８（図２（ｂ））、送り出し用のローラ１９（図２（ｃ））以外の任意の付勢手段を備えるようにしてもよい。

【0084】

図示した本発明の摩擦撹拌接合ツール１における各構成部材のサイズや構成部材同士の寸法比は、図示するための便宜上のものであり、実際のサイズや寸法比を反映するものではない。

【0085】

本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、上下を反転させた姿勢、９０度横向きの姿勢、その他、接合対象のワーク１０の姿勢に応じて、任意の姿勢で使用してもよい。

【0086】

又、本発明の摩擦撹拌接合ツール１は、ワーク１０に対してツール移動方向へ相対移動させる際に、プローブ２及びショルダー３と、固定式ショルダー５の相対位置を維持できるようにしてあれば、プローブ２及びショルダー３を回転駆動するための回転駆動軸４は、上記ショルダー３におけるプローブ２取付側と逆側の軸心方向端面に取り付けるようにしてもよい。

【0087】

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

【符号の説明】

【0088】

１ 摩擦撹拌接合ツール
２ プローブ
３ ショルダー
４ 回転駆動軸
５ 固定式ショルダー
６ 開口部
７ ガイド溝（溶材ガイド）
７ａ 溶材ガイド
８ 溶材供給手段
９ 溶材
１０ ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】