特許 5945854 摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法

(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】5945854

(24)【登録日】2016年6月10日

(45)【発行日】2016年7月5日

(54)【発明の名称】摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20160621BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 340

   B23K20/12 310

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-507614(P2013-507614)

(86)(22)【出願日】2012年3月27日

(86)【国際出願番号】JP2012057939

(87)【国際公開番号】WO2012133411

(87)【国際公開日】20121004

【審査請求日】2015年3月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000125347

【氏名又は名称】学校法人近畿大学

(73)【特許権者】

【識別番号】505127721

【氏名又は名称】公立大学法人大阪府立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000100838

【氏名又は名称】アイセル株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】512109161

【氏名又は名称】地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100111257

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 栄二

(74)【代理人】

【識別番号】100110504

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 智裕

(72)【発明者】

【氏名】沖 幸男

(72)【発明者】

【氏名】筧 貴一

(72)【発明者】

【氏名】平田 智丈

(72)【発明者】

【氏名】高杉 隆幸

(72)【発明者】

【氏名】金野 泰幸

(72)【発明者】

【氏名】望月 昇

(72)【発明者】

【氏名】内田 隆憲

【審査官】 水野 治彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−１０３０６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１５３９７８（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】

ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを保持し、且つ、回転させながら被加工材に押し付けて加工方向に相対移動可能な加工ヘッドと、
被加工材を保持する支持テーブルとを備える摩擦攪拌加工装置であって、
前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記加工ヘッドを移動させて前記ツールを前記被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定するためのツール高さ設定手段と、
前記摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されている前記支持テーブルを支持するとともに当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダと、
前記空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させる荷重制御手段とを備え、
ツール側において前記ツール高さ設定手段により設定されたツール高さにて、支持テーブル側において前記荷重制御手段によりツールの加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行う構成とした摩擦攪拌加工装置。

【請求項2】

請求項１に記載の摩擦攪拌加工装置において、
前記空気圧シリンダは、前記支持テーブルの被加工材の加工方向に対してバランスさせるように配設されている摩擦攪拌加工装置。

【請求項3】

ツールを回転させながら金属材料からなる被加工材に対して押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
前記被加工材を保持する支持テーブルが摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されており、
摩擦攪拌加工時に、まずツール側において前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記ツールを保持する加工ヘッドを移動させて前記ツールを被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定し、その後は支持テーブル側において当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行う摩擦攪拌加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば、金属材料の被加工材に回転するツールを押し付けて摩擦熱を生じさせて摩擦攪拌加工する摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、金属材料の被加工材同士を突き合せた接合線に対して円柱状のツール（ショルダ部の先端中央に突設するプローブを有するツール）を回転させながら押し付けて接合線方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱で被加工材を軟化させて接合する技術は、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）として知られている。また、前記ツールを用いて、被加工材表面の強度及び硬さ等を向上させる摩擦攪拌プロセス（ＦＳＰ）や、被加工材を点接合する摩擦攪拌点接合（ＦＳＪ）も行われ、これらＦＳＷ、ＦＳＰ、ＦＳＪを総称して摩擦攪拌加工と称される。

【0003】

ところで、摩擦攪拌加工において被加工材の加工部を良好な品質に仕上げるには、ツールと被加工材との高さ位置関係、とりわけ、ツールのプローブの先端と被加工材の裏面との間隔Ｓ１やツールのショルダ部の被加工材への没入量Ｓ２を適正範囲に保つ必要がある（図５参照）。

【0004】

従来の摩擦攪拌接合装置には、被加工材に対するツールの加圧力を略一定に保持させるようにツールを荷重制御するものがある（特許文献１）。具体的に、従来の摩擦攪拌接合装置は、図８に示すように、ツール６１０を保持する加工ヘッド６２０がエアシリンダ６４０によって下方へと付勢されてツール６１０を被加工材６６０に押圧、接触させるとともに、エアシリンダ６４０によるツール６１０の被加工材６６０への付勢力を２次圧一定形の減圧弁６５０で略一定に保持するように制御する。この従来の摩擦攪拌接合装置によれば、エアシリンダ６４０の付勢力を略一定に保持することで被加工材６６０に対するツール６１０の加圧力が略一定に保持されるので、被加工材６６０の製作誤差による板厚変動や定盤６７０へのセッティング誤差、あるいは定盤６７０の表面の局部的変形等が存在しても、ツール６１０と被加工材６６０との前記高さ位置関係を略一定に保つことができ、従って、被加工材６６０の良好な接合品質が得られるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３２６１４３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の摩擦攪拌接合装置では、ツール６１０を保持する加工ヘッド６２０がスライド機構を介して上下方向に移動可能にフレームに支持されており（特許文献１の段落００１０等）、また、この加工ヘッド６２０には、ツール６１０を回転駆動するための重量物のモータ６３０が搭載されている。そのため、摩擦攪拌接合時には、エアシリンダ６４０による付勢力をツール６１０に加えると、ツール６１０の被加工材６６０への加圧力としてエアシリンダ６４０の付勢力とともに当該加工ヘッド６２０の重量も被加工材６６０に加わる。そうすると、加工ヘッド６２０の自重により被加工材６６０への加圧力の最小値が決まるので、加工ヘッド６２０の重量よりも小さい加圧力で被加工材６６０の摩擦攪拌加工を行うことが困難になる。そのため、従来の摩擦攪拌接合装置では、例えば、被加工材６６０が薄板の場合には、ツール６１０の加圧力が大きくてツール６１０と被加工材６６０との高さ位置関係を適正範囲に保つことが困難であった。すなわち、従来の摩擦攪拌接合装置におけるツール側での荷重制御では、加工ヘッド６２０の重量が被加工材６６０に加わるため、ツール６１０の加圧力を小さくするには限界がある。したがって、前記に例示した薄板の被加工材６６０や、あるいは軟質の被加工材６６０をツール６１０の小さい加圧力で摩擦攪拌加工するときは、それら専用の装置を製作する必要があり、一台の装置で幅広い板厚・材質の被加工材に対応できず、装置の汎用性に難があった。

【0007】

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、被加工材が薄板であれ厚板であれ、また軟質であれ硬質であれ、被加工材の板厚や材質等を問わず、一台で良好な品質に摩擦攪拌加工することを可能とする摩擦攪拌加工装置及び摩擦攪拌加工方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る摩擦攪拌加工装置は、
ショルダ面にプローブを突設して金属材料からなる被加工材を摩擦攪拌加工するためのツールと、
ツールを保持し、且つ、回転させながら被加工材に押し付けて加工方向に相対移動可能な加工ヘッドと、
被加工材を保持する支持テーブルとを備える摩擦攪拌加工装置であって、
前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記加工ヘッドを移動させて前記ツールを前記被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定するためのツール高さ設定手段と、
前記摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されている前記支持テーブルを支持するとともに当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダと、
前記空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させる荷重制御手段とを備え、
ツール側において前記ツール高さ設定手段により設定されたツール高さにて、支持テーブル側において前記荷重制御手段によりツールの加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行う構成としたものである。

【0009】

前記構成より、前記空気圧シリンダは、支持テーブルを支持するので、ツールが被加工材を押し付けていない状態（ツールが被加工材に接触した状態も含む。）では、前記空気圧シリンダには支持テーブルを支える力、すなわち支持テーブルの重量（支持テーブルに取り付けた付属品の重量も含む。）と支持テーブルに保持された被加工材の重量とが加わるが、ツールの加工ヘッドの重量が加わることはない。そして、ツールが被加工材を押し付けるように接触した状態では、前記空気圧シリンダの付勢力において、支持テーブル及び被加工材の重量相当の付勢力（最低付勢力）に加えて、さらに増圧する付勢力（加算付勢力）が被加工材に対するツールの加圧力に相当する。すなわち、摩擦攪拌加工時に、空気圧シリンダの付勢力を前記最低付勢力にした状態に保てば、ツールの被加工材に対する加圧力が０（ゼロ）に設定され、これより空気圧シリンダを増圧する前記加算付勢力がツールの被加工材に対する加圧力となる。従って、前記荷重制御手段により前記空気圧シリンダの付勢力（加算付勢力）を所定の値に設定することにより、ツールの被加工材への加圧力を最小値を０（ゼロ）から制御することが可能となる。よって、ツールの被加工材への加圧力を小さい加圧力から大きい加圧力まで広範に設定することができる。例えば、被加工材が厚板又は硬質等の場合はツールの加圧力を大きく保って摩擦攪拌加工できることはもちろんのこと、さらに被加工材が薄板又は軟質等の場合はツールの加圧力を小さく保つように荷重制御して摩擦攪拌加工することができる。

【0010】

このように、被加工材が薄板であれ厚板であれ、また軟質であれ硬質であれ、被加工材の板厚や材質等に応じて、その被加工材に対する適切なツールの加圧力を設定するとともに一定に保持して、ツールと被加工材との高さ位置関係を適正範囲に保つことができる。

【0011】

そして、前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記加工ヘッドを移動させて前記ツールを前記被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定するためのツール高さ設定手段を備える。
これにより、摩擦攪拌加工時に、まずツールを被加工材へ当接させるときに前記ツール高さ設定手段によりツールと被加工材との高さ位置関係が適正範囲に設定されるようにツール高さを位置制御することができる。従って、ツールと被加工材との高さ位置関係が適正範囲に位置制御された状態を、前記空気圧シリンダで支持テーブルを一定の付勢力でもってツール側へ付勢して荷重制御することにより摩擦攪拌加工中も一定に保持することができる。

【0012】

前記空気圧シリンダは、前記支持テーブルの被加工材の加工方向に対してバランスさせるように配設されていることが望ましい。
これにより、空気圧シリンダを加工方向に対してバランスさせるように配置したことにより、被加工材の加工距離が長くなったり加工位置が離れている等の場合でも、ツールの被加工材への加圧力が加工方向に沿ってバラつくことがない。従って、被加工材の加工距離が長くなっても全長にわたってツールと被加工材との高さ位置関係を適正範囲に保ち続けることができ、また加工位置が遠く離れていても各加工位置でのツールと被加工材との高さ位置関係を適正範囲に保つことができる。

【0013】

また、本発明に係る摩擦攪拌加工方法は、
ツールを回転させながら金属材料からなる被加工材に対して押し付けて発生する摩擦熱により被加工材を軟化させて加工する摩擦攪拌加工方法であって、
前記被加工材を保持する支持テーブルが摩擦攪拌加工装置の本体フレームに対してガイド部材を介して上下動自在に設置されており、
摩擦攪拌加工時に、まずツール側において前記ツールの前記被加工材への没入量が一定範囲となるように前記ツールを保持する加工ヘッドを移動させて前記ツールを被加工材に対して予め設定された高さ位置に設定し、その後は支持テーブル側において当該支持テーブルをツール側へ付勢するための空気圧シリンダの付勢力を一定に保つように制御することにより前記ツールが前記被加工材を押し付ける加圧力を一定に保持させた状態にして、回転するツールを被加工材に対して相対移動させて摩擦攪拌加工を行うものである。
この摩擦攪拌加工方法によれば、前記摩擦攪拌加工装置と同様の作用が発揮される。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、ツールの被加工材への加圧力を比較的大きい値だけでなく極小さい値にも設定して一定に保持するように制御することができるので、被加工材の板厚や材質等に応じて、その被加工材に対する適切なツールの加圧力を設定するとともに一定に保持して、ツールと被加工材との高さ位置関係を適正範囲に保つことができる。従って、被加工材の板厚や材質等が異なっても、良好な品質に摩擦攪拌加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態による摩擦攪拌接合装置の全体構成を示す斜視図である。

【図2】実施形態による摩擦攪拌接合装置において制御装置のブロック構成も示した概略図である。

【図3】実施形態による摩擦攪拌接合装置の要部を示した模式図である。

【図4】摩擦攪拌加工用のツールを示す図であり、同図（ａ）はツールの斜視図であり、同図（ｂ）はツールの側面図である。

【図5】ツールとワークとの適正な高さ位置関係を示す模式図である。

【図6】実施例の摩擦攪拌加工により得られたワークの接合部を表側から撮影した写真である。

【図7】比較例の摩擦攪拌加工により得られたワークの接合部を表側から撮影した写真である。

【図8】従来の摩擦攪拌接合装置の要部を示した模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に、摩擦攪拌加工装置の一実施形態として、金属材料の被加工材となる板材（以下、適宜「ワーク」）を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌接合装置を例に挙げて説明する。
図１、図２、図３を参照して、摩擦攪拌接合装置１は、摩擦攪拌加工用のツール２０を取り付けた加工機構２と、ワークＷ１，Ｗ２を保持する支持テーブル３と、加工機構２の動作を制御する制御装置５と、支持テーブル３の下面に取り付けた空気圧シリンダ（シリンダ装置）６とを備える。

【0017】

加工機構２は、上下移動自在な支持テーブル３上のワークＷ１，Ｗ２に対して摩擦攪拌接合を行う。すなわち、支持テーブル３上のワークＷ１，Ｗ２を突き合せた接合線Ｌに対して加工機構２のツール２０を回転させながら押し付けて接合線Ｌ方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱でワークＷ１，Ｗ２の突き合わせ部分を軟化させて接合する。なお、支持テーブル３は、前後左右にも移動自在に構成されていてもよい。

【0018】

支持テーブル３上には、２枚の平板状のワークＷ１，Ｗ２を配置する冶具３１が設けられ、冶具３１には、ワークＷ１，Ｗ２の裏面に配置される裏当て材３２が取り付けられている。ワークＷ１，Ｗ２は、冶具３１に設けたワーク押さえ３３により互いの端面を突き合わせた接合線Ｌが裏当て材３２の中央に位置するように固定される。裏当て材３２の材質は、ワークＷ１，Ｗ２がアルミ系合金の板材であれば、鉄系合金を選択し、ワークＷ１，Ｗ２が鉄系合金の板材であれば、耐熱性があり板材の裏面側からの放熱を遮断できる熱伝導率の小さい材質（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）を選択することが可能である。なお、裏当て材３２は、平板部材や棒状部材等で形成することができる。

【0019】

加工機構２は、摩擦攪拌加工用のツール２０と、このツール２０を保持する加工ヘッド７と、ツール２０を回転させるための回転用モータ８１と、加工ヘッド７を昇降させるための昇降用モータ８２と、加工ヘッド７を横方向に移動させるための移送用モータ８３とを備える。

【0020】

加工ヘッド７は、上部に回転用モータ８１を搭載し、下部にツール２０を着脱自在に取り付けるツールホルダー７１を備える。ツールホルダー７１は、回転用モータ８１と連結されており、この回転用モータ８１の駆動によりツールホルダー７１とともにツール２０が回転される。加工ヘッド７は、本体フレーム１０に備え付けたスライダー１４に対してボールネジ１５（図２参照）により昇降自在に取り付けられており、スライダー１４に設ける昇降用モータ８２により支持テーブル３に対して上下に移動され、これにより、ツール２０をワークＷ１，Ｗ２に押し付けるように接触させるツール高さが設定される。

【0021】

また、加工ヘッド７は、スライダー１４に対して回動自在に取り付けられており、ツール２０を所定の前進角θ（ツール２０の先端を移送方向側へ傾けたときの垂直線に対する傾き。図５参照）に設定できるようになっている。スライダー１４は、一対のガイドレール１２とボールネジ１３とを備える直動機構１１に取り付けられており、移送用モータ８３の駆動により支持テーブル３に平行に移動される。これにより、スライダー１４に取り付けた加工ヘッド７が移動されるので、加工ヘッド７に保持するツール２０がワークＷ１，Ｗ２の加工方向となる接合線Ｌに沿って移動される。

【0022】

図４に示すように、ツール２０は、円柱状のショルダ部２１と、ショルダ部２１より大径で側面にカット面２５が形成された円柱状の取付部２４とを有する。ツール２０の取付部２４をツールホルダー７１に装填してボルト７２（図２参照）を取付部２４のカット面２５に当てるように締め付けることで、ツール２０がツールホルダー７１に着脱自在に取り付けられる。ショルダ部２１の先端面は、平面状のショルダ面２２と、ショルダ面２２の中心部に突設された球面状のプローブ２３とを有する。そして、ツール２０は、ワークＷ１，Ｗ２を摩擦攪拌加工する際、回転しながらショルダ面２２及びプローブ２３をワークＷ１，Ｗ２に押し付けて摩擦熱を発生させるようにする。なお、ツール２０の形状は、図４のものに限らず、ショルダ部２１と取付部２４との間にフランジを形成したものでもよいし、取付部２４は多角形形状であってもよい。また、ショルダ面２２も、平面形状に限らず、プローブ２３を中心としてやや凸又はやや凹となった曲面状に形成されてもよい。さらに、プローブ２３は、球面形状に限らず、円柱状、円錐台状等であってもよいし、また、ねじが切ってあってもよい。

【0023】

ツール２０は、工具鋼、超硬合金やセラミックス等の種々の材質から形成できるが、例えば、ワークＷ１，Ｗ２がＳＵＳ４３０のような鉄系高融点材料の場合には、Ｎｉ基２重複相金属間化合物合金からなるものが好ましい。これにより、ツール２０の耐熱及び耐摩耗性が向上され、加工時の摩擦熱による高温下でもツール２０が必要な硬さを発揮することができ、ワークＷ１，Ｗ２がアルミニウム合金等に比べて高融点材料である鉄系合金等であっても確実に且つ良好な接合を行うことができる。

【0024】

再び、図２を参照して、制御装置５は、シーケンサやプログラムコントローラ等で実現することができ、その構成は、入力部５１と、記憶部５２と、演算部５３と、指令部５４とを備える。入力部５１は、作業者等より入力される接合条件（ツール高さ、ツール回転数、ツール送り速度等）を含む各種の入力情報を記憶部５２に与える。記憶部５２は、例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶回路によって実現され、摩擦攪拌接合の動作手順を実行するためのコンピュータプログラム、入力部５１からの入力情報及び演算部５３の演算結果を記憶する。演算部５３は、例えば、ＣＰＵ等の演算処理回路によって実現され、記憶部５２に記憶されるプログラムを実行して、記憶部５２に記憶された接合条件に基づいて、摩擦攪拌接合の動作手順を実行し、回転用モータ８１、昇降用モータ８２及び移送用モータ８３のそれぞれの制御指令を生成する。そして、演算部５３は、生成した各制御指令を指令部５４に与える。

【0025】

指令部５４は、ツール回転数指令部５５と、ツール高さ指令部（ツール高さ設定手段）５６と、ツール送り速度指令部５７とを備える。ツール回転数指令部５５は、演算部５３からの制御指令に基づいてツール回転数の指令信号を回転用モータ８１に出力する。すると、回転用モータ８１は、ツール２０が指令されたツール回転数で回転されるように回転駆動する。ツール高さ指令部５６は、演算部５３からの制御指令に基づいてツール高さの指令信号を昇降用モータ８２に出力する。すると、昇降用モータ８２は、ツール２０が指令されたツール高さに設定されるように回転駆動する。これにより、ツール２０をワークＷ１，Ｗ２へ押し付けるように当接させた状態でのツール２０の高さが位置制御されて、ツール２０とワークＷ１，Ｗ２との高さ位置関係が適正範囲に設定される。ツール送り速度指令部５７は、演算部５３からの制御指令に基づいてツール送り速度の指令信号を移送用モータ８３に出力する。すると、移送用モータ８３は、ツール２０が指令された送り速度で加工方向へ移動するように回転駆動する。

【0026】

前記ツール高さ指令部５６は、摩擦攪拌接合時におけるツール高さの位置制御として、ツール２０をワークＷ１，Ｗ２に対して予め設定された高さ位置に設定するためのツール高さ設定手段を構成する。すなわち、ツール高さ指令部５６によりツール高さ指令信号が与えられた昇降用モータ８２は、所定の回転量になるまで駆動する。すると、ボールネジ１５により加工ヘッド７が所定位置まで下降され、ツール２０は、ワークＷ１，Ｗ２の表面を押し付けて接触する所定のツール高さに設定される。このツール高さは、ワークＷ１，Ｗ２の板厚や材質、ツール２０の材質や形状等やツール回転数やツール送り速度等の接合条件などに基づいて、ワークＷ１，Ｗ２の接合を良好な品質に仕上げることができる高さ位置を予め実験等により求め、これを制御装置５の入力部５１より記憶部５２へ記憶させるようにしている。

【0027】

このツール２０のツール高さは、具体的には、図５に示すように、ツール２０のプローブ２３の先端とワークＷ１，Ｗ２の裏面との間隔Ｓ１が一定範囲になり、且つツール２０のショルダ面２２のワークＷ１，Ｗ２への没入量Ｓ２が一定範囲になる位置に設定される。このツール２０のプローブ２３の先端とワークＷ１，Ｗ２の裏面との間隔Ｓ１は、例えば、０．１〜０．２ｍｍ程度に設定されるのが好ましい。ツール２０のショルダ面２２のワークＷ１，Ｗ２への没入量Ｓ２は、ツール２０のショルダ面２２とワーク表面との間で必要な接触面積、例えば、プローブ２３を除くショルダ面２２の面積の７０％以上がワークＷ１，Ｗ２に接触されるような没入量Ｓ２に設定されるのが好ましい。ツール２０とワークＷ１，Ｗ２との高さ位置関係が前記ツール高さに設定されることにより、ツール２０による摩擦熱の発熱量を過不足なく適正に発生させることができ、接合部での欠陥の発生が抑制され、良好な接合品質が得られる。

【0028】

図３を参照して、空気圧シリンダ６は、角型シリンダであって支持テーブル３の下面にワークＷ１，Ｗ２の加工方向に沿って左右端にそれぞれ１本ずつ配置されて、合計２本設置されている。各空気圧シリンダ６は、本体フレーム１０上にＬ型フレーム９２を介して設置され、各Ｌ型フレーム９２は、支持テーブル３に垂設する垂直フレーム９１に対して上下にスライド自在なガイド部材９３を介して連結されている。従って、支持テーブル３は、ガイド部材９３を介してＬ型フレーム９２に上下動自在に設置されている。また、空気圧シリンダ６に空気を供給する配管には、２次圧を一定に保持可能な圧力制御弁（荷重制御手段）６１が設けられ、この圧力制御弁６１によって各空気圧シリンダ６の付勢力を一定に保持するように構成されている。そして、各空気圧シリンダ６によって支持テーブル３を上方へ一定の付勢力で付勢し、これにより、ツール２０がワークＷ１，Ｗ２を一定の加圧力で押し付けるように荷重制御される。なお、支持テーブル３の下面に設置する空気圧シリンダ６は、支持テーブル３の重心部に１本設けるだけでもよいし、また、支持テーブル３を支えるように３本以上設けるようにしてもよい。さらには、シリンダ装置として、空気圧シリンダ６に代えて、油圧シリンダを用いてもよい。

【0029】

以上の構成を備える本実施形態による摩擦攪拌接合装置１によれば、支持テーブル３上のワークＷ１，Ｗ２を突き合せた接合線Ｌに対して加工ヘッド７のツール２０を回転させながら押し付けて接合線Ｌ方向に相対移動させることにより、発生する摩擦熱でワークＷ１，Ｗ２の突き合わせ部分を軟化させて接合する。

【0030】

この摩擦攪拌接合に際して、回転するツール２０をワークＷ１，Ｗ２へ当接させるときにツール高さ指令部５６からの指令信号により昇降用モータ８２を駆動して、ツール２０をワークＷ１，Ｗ２に対して予め設定された高さ位置になるように加工ヘッド７を下降させる。これにより、ツール２０がワークＷ１，Ｗ２を押し付けるように接触するとともに、このときのツール２０とワークＷ１，Ｗ２との高さ位置関係が適正範囲（図５参照）になるようにツール高さの位置制御が行われる。

【0031】

また、ワークＷ１，Ｗ２を保持する支持テーブル３は、圧力制御弁６１による設定圧力に基づいて各空気圧シリンダ６によって上方へ一定の付勢力で付勢されている。この支持テーブル３を上方へ付勢する付勢力において、支持テーブル３を支える重量（支持テーブル３の重量及びワークＷ１，Ｗ２の重量等を含む。）に相当する付勢力（最低付勢力）を除いた付勢力（加算付勢力）は、ワークＷ１，Ｗ２がツール２０を下から押し上げる力となるが、その反力としてツール２０がワークＷ１，Ｗ２を押し付ける加圧力となる。従って、各空気圧シリンダ６によって上方へ一定の付勢力を一定に保つことによりツール２０がワークＷ１，Ｗ２を押し付ける加圧力を一定に保持させるように荷重制御が行われる。

【0032】

このような状態で、回転するツール２０をワークＷ１，Ｗ２の接合線Ｌに沿って走行させてワークＷ１，Ｗ２を摩擦攪拌接合することにより、板厚や材質等が異なる各種のワークＷ１，Ｗ２に対しても、良好な品質に摩擦攪拌接合することができる。

【0033】

すなわち、空気圧シリンダ６は、支持テーブル３を支持するので、ツール２０がワークＷ１，Ｗ２を押し付けていない状態（ツール２０がワークＷ１，Ｗ２に接触した状態も含む。）では、空気圧シリンダ６には支持テーブル３を支える力、すなわち支持テーブル３の重量（支持テーブル３に取り付けた冶具３１、裏当て材３２等の付属品の重量も含む。）と支持テーブル３に保持したワークＷ１，Ｗ２の重量とが加わるが、ツール２０の加工ヘッド７の重量が加わることはない。そして、ツール２０がワークＷ１，Ｗ２を押し付けるように接触した状態では、空気圧シリンダ６の付勢力において、支持テーブル３及びワークＷ１，Ｗ２の重量相当の付勢力（最低付勢力）に加えて、さらに増圧する付勢力（加算付勢力）がワークＷ１，Ｗ２に対するツール２０の加圧力に相当する。すなわち、摩擦攪拌接合時に、空気圧シリンダ６の付勢力を前記最低付勢力にした状態に保てば、ツール２０のワークＷ１，Ｗ２に対する加圧力が０（ゼロ）に設定され、これより空気圧シリンダ６を増圧する前記加算付勢力がツール２０のワークＷ１，Ｗ２に対する加圧力となる。従って、空気圧シリンダ６の付勢力（加算付勢力）を所定の値に設定することにより、ツール２０のワークＷ１，Ｗ２への加圧力を最小値として０（ゼロ）から制御することが可能となる。よって、ツール２０のワークＷ１，Ｗ２への加圧力を小さい加圧力から大きい加圧力まで広範に設定することができる。例えば、ワークＷ１，Ｗ２が厚板又は硬質等の場合はツール２０の加圧力を大きく保って摩擦攪拌接合できることはもちろんのこと、さらにワークＷ１，Ｗ２が薄板又は軟質等の場合はツール２０の加圧力を小さく保つように荷重制御して摩擦攪拌接合することができる。このように、ワークＷ１，Ｗ２が薄板であれ厚板であれ、また軟質であれ硬質であれ、ワークＷ１，Ｗ２の板厚や材質等に応じて、そのワークＷ１，Ｗ２に対する適切なツール２０の加圧力を設定するとともに一定に保持して、ツール２０とワークＷ１，Ｗ２との高さ位置関係を適正範囲に保つことができる。

【0034】

このようにして、本実施形態では、ツール２０をワークＷ１，Ｗ２に対して予め設定された高さ位置に設定するようにして、ツール２０側においてツール高さが位置制御され、一方、ワークＷ１，Ｗ２を保持する支持テーブル３を上方へ付勢する各空気圧シリンダ６の付勢力を一定に保持するようにして、支持テーブル３側においてツール２０のワークＷ１，Ｗ２に対する加圧力が荷重制御される。これにより、ツール２０とワークＷ１，Ｗ２との高さ位置関係が適正範囲に位置制御された状態を、各空気圧シリンダ６で支持テーブル３を一定の付勢力でもってツール２０側へ付勢して荷重制御することにより摩擦攪拌接合中も一定に保持することができる。

【0035】

以上のように、本実施形態によれば、ツール２０のワークＷ１，Ｗ２への加圧力を比較的大きい値だけでなく極小さい値にも設定して一定に保持するように制御することができるので、ワークＷ１，Ｗ２の板厚や材質等に応じて、そのワークＷ１，Ｗ２に対する適切なツール２０の加圧力を設定するとともに一定に保持して、ツール２０とワークＷ１，Ｗ２との高さ位置関係を適正範囲に保つことができる。従って、ワークＷ１，Ｗ２の板厚や材質等が異なっても、良好な品質に摩擦攪拌接合することができる。

【0036】

なお、本発明は、前記実施形態のみに限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。例えば、本発明は、実施形態のような摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）に限らず、摩擦攪拌プロセス（ＦＳＰ）や摩擦攪拌点接合（ＦＳＪ）等にも適用することができる。

【実施例】

【0037】

（実施例）
実施例として、図１〜図３に示した摩擦攪拌接合装置１を用いて鉄系材料からなる２枚の平板材のワークＷ１，Ｗ２を突き合わせて摩擦攪拌接合を行った。
ワークＷ１，Ｗ２は、材質がＳＵＳ４３０であり、厚さ０．９３ｍｍ、サイズ７５ｍｍ×３００ｍｍの平板材である。ツール２０は、図４に示す形状を有し、材質がＮｉ基２重複相金属間化合物合金であり、ショルダ径（ショルダ面２２の直径）１２ｍｍ、プローブ径（プローブ２３の直径）４ｍｍ、プローブ長（ショルダ面２２からのプローブ２３の突出高さ）０．３ｍｍのものを用いた。裏当て材３２は、材質が窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）であり、３０×３０ｍｍ角、長さ１００ｍｍの角材を接合方向に３本並べて使用した。
摩擦攪拌加工装置１での摩擦攪拌加工の接合条件は、前進角を３度に設定し、ツール回転数２０００ｒｐｍでツール２０を回転させながら２枚のワークＷ１，Ｗ２を突き合せた接合線上に押し付け、摩擦熱によりツール２０がオレンジ色に発光した後、接合速度（ツール送り速度）９００ｍｍ／ｍｉｎで直線状に２５０ｍｍ移動させて摩擦攪拌接合を行った。この摩擦攪拌接合時における空気圧シリンダ６の付勢力は、圧力制御弁（荷重制御手段）６１によって、ツール２０によるワークＷ１，Ｗ２の押し付け加圧力が０．８５ｔｏｎに設定されるように一定に保持させた。
この実施例の摩擦攪拌加工により突き合せ接合したワークＷ１，Ｗ２の接合部の写真を図６に示す。

【0038】

（比較例）
比較例の摩擦攪拌接合装置は、上記の空気圧シリンダ６及び圧力制御弁６１を有さず、支持テーブル３１が所定位置に固定されたものを用いた。つまり、比較例の摩擦攪拌接合装置は、初期のツール高さを設定するだけであり、ツール２０によるワークＷ１，Ｗ２の押し付け加圧力を一定に保持させる機構を有しない。そして、ツール２０の高さをショルダ面２２の端部がワークＷ１，Ｗ２の表面に接触してから０．２ｍｍ下降させた高さ位置に設定して摩擦攪拌接合を行った。その他の条件は、実施例と同様である。
この比較例の摩擦攪拌加工により突き合せ接合したワークＷ１，Ｗ２の接合部の写真を図７に示す。

【0039】

（施工状態）
摩擦攪拌加工の施工状態は、図７に示す比較例では接合部には摩擦攪拌不足が原因と思われる施工ムラが見られ良好な接合ができなかったが、図６に示す実施例では接合部には比較例のような施工ムラの無い良好な接合品質に仕上がった。
以上の実施例及び比較例により、ワークＷ１，Ｗ２に対するツール２０の加圧力を適切に設定し、摩擦攪拌加工の間はこの加圧力を一定に保持することで、接合部の施工状態が綺麗で良好な品質に摩擦攪拌接合できることが確かめられた。

【符号の説明】

【0040】

１ 摩擦攪拌接合装置（摩擦攪拌加工装置）
２ 加工機構
３ 支持テーブル
６ 空気圧シリンダ（シリンダ装置）
７ 加工ヘッド
２０ ツール
２１ ショルダ部
２２ ショルダ面
２３ プローブ
３１ 冶具
３２ 裏当て材
３３ ワーク押さえ
５５ ツール回転数指令部
５６ ツール高さ指令部（ツール高さ設定手段）
５７ ツール送り速度指令部
６１ 圧力制御弁（荷重制御手段）
８１ 回転用モータ
８２ 昇降用モータ
８３ 移送用モータ
Ｌ 接合線
Ｗ１，Ｗ２ ワーク（被加工材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】