特許 6782674 複動式摩擦攪拌点接合装置用クランプ部材、複動式摩擦攪拌点接合装置、及び、複動式摩擦攪拌点接合方法

(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】6782674

(24)【登録日】2020年10月22日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】複動式摩擦攪拌点接合装置用クランプ部材、複動式摩擦攪拌点接合装置、及び、複動式摩擦攪拌点接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20201102BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 340

   B23K20/12 344

   B23K20/12 310

   B23K20/12 364

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-172968(P2017-172968)

(22)【出願日】2017年9月8日

(65)【公開番号】特開2019-48306(P2019-48306A)

(43)【公開日】2019年3月28日

【審査請求日】2019年12月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平野 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】二宮 崇

(72)【発明者】

【氏名】山田 悦子

【審査官】 岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／０９８３４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／０６３５３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１７／０４７５７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２９９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−５０８２５６（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】

回転工具により被接合物を摩擦攪拌点接合する複動式摩擦攪拌点接合装置に備えられ、前記被接合物が支持された状態で前記被接合物の表面を押圧するクランプ部材であって、
前記回転工具は、予め定められた軸線周りに回転し且つ前記軸線方向に進退可能に設けられたピン部材と、前記ピン部材の外周を囲んだ状態で前記軸線周りに回転し且つ前記ピン部材とは独立して前記軸線方向に進退可能に設けられたショルダ部材とを有し、
前記被接合物の前記表面と面接触して前記表面を押圧可能に配置された端面と、前記端面から前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延び且つ前記被接合物を押圧可能に配置された突出部とを有し、前記ショルダ部材の外周を囲むように設けられる、複動式摩擦攪拌点接合装置用クランプ部材。

【請求項2】

前記軸線方向から見て、前記端面が円環状に形成され、前記突出部が前記端面の周方向に延びる円弧状に形成されている、請求項１に記載のクランプ部材。

【請求項3】

前記軸線方向から見て、前記端面が円環状に形成され、前記突出部が前記端面の全周に延びる円環状に形成されている、請求項１に記載のクランプ部材。

【請求項4】

前記突出部が、前記端面の外縁よりも前記軸線側に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のクランプ部材。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の前記クランプ部材を備える、複動式摩擦攪拌点接合装置。

【請求項6】

被接合物を摩擦攪拌点接合するための回転工具と、前記被接合物が支持された状態で前記被接合物の表面を押圧するためのクランプ部材とを用いて前記被接合物を摩擦攪拌点接合する摩擦攪拌点接合方法であって、
前記回転工具として、予め定められた軸線周りに回転し且つ前記軸線方向に進退可能に設けられたピン部材と、前記ピン部材の外周を囲んだ状態で前記軸線周りに回転し且つ前記ピン部材とは独立して前記軸線方向に進退可能に設けられたショルダ部材とを有する回転工具を用い、
前記クランプ部材として、前記被接合物の前記表面と面接触して前記表面を押圧可能に配置された端面と、前記端面から前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延び且つ前記被接合物を押圧可能に配置された突出部とを有し、前記ショルダ部材の外周を囲むように設けられたクランプ部材を用い、
前記クランプ部材により前記被接合物の前記表面を押圧した状態において、前記ショルダ部材による摩擦攪拌によって前記ショルダ部材の内部に入り込む前記被接合物の塑性流動部を前記ピン部材により埋め戻しながら、前記被接合物を摩擦攪拌点接合する接合ステップと、
前記接合ステップ後、前記被接合物から前記ピン部材と前記ショルダ部材とを離隔させた状態において、前記被接合物の摩擦攪拌領域、及び、前記被接合物の前記摩擦攪拌領域と隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を、前記クランプ部材の前記突出部により押圧する押圧ステップと、を備える、摩擦攪拌点接合方法。

【請求項7】

前記接合ステップでは、前記押圧ステップにおいて前記突出部により前記被接合物の前記表面を押圧する押圧位置とは異なる退避位置に前記突出部を位置させた状態で摩擦攪拌点接合を行い、
前記押圧ステップでは、前記退避位置から前記押圧位置へ前記突出部を移動させた状態で前記突出部により前記被接合物の前記表面を押圧する、請求項６に記載の摩擦攪拌点接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複動式摩擦攪拌点接合装置用クランプ部材、複動式摩擦攪拌点接合装置、及び、複動式摩擦攪拌点接合方法に関し、特に接合により形成された継手部分の疲労強度を向上させる技術に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１に開示されるように、互いに独立して予め定められた軸線周りに回転可能且つ前記軸線方向に進退可能なピン部材及びショルダ部材と、ショルダ部材の外周を囲み且つ前記軸線方向に進退可能にクランプ部材とが設けられた複動式摩擦攪拌点接合装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１９６６８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

摩擦攪拌点接合により被接合物を接合する場合、接合により形成される継手部分の疲労強度を向上させることが求められている。しかしながら、このような疲労強度の向上を図るための工程を単に設けようとすると、接合体の製造効率が低下するおそれがある。

【0005】

本発明はこの課題に鑑みてなされたものであって、複動式摩擦攪拌点接合により形成される被接合物の継手部分における疲労強度の向上を効率よく図れるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る複動式摩擦攪拌点接合装置用クランプ部材は、回転工具により被接合物を摩擦攪拌点接合する複動式摩擦攪拌点接合装置に備えられ、前記被接合物が支持された状態で前記被接合物の表面を押圧するクランプ部材であって、前記回転工具は、予め定められた軸線周りに回転し且つ前記軸線方向に進退可能に設けられたピン部材と、前記ピン部材の外周を囲んだ状態で前記軸線周りに回転し且つ前記ピン部材とは独立して前記軸線方向に進退可能に設けられたショルダ部材とを有し、前記被接合物の前記表面と面接触して前記表面を押圧可能に配置された端面と、前記端面から前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延び且つ前記被接合物を押圧可能に配置された突出部とを有し、前記ショルダ部材の外周を囲むように設けられる。

【0007】

上記構成によれば、クランプ部材の突出部が、クランプ部材の端面から前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延び且つ被接合物を押圧可能に配置されているので、被接合物をクランプ部材により押圧して、回転工具のピン部材とショルダ部材とにより被接合物を摩擦攪拌点接合した後、クランプ部材の突出部により、被接合物の摩擦攪拌領域、及び、この摩擦攪拌領域と隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を押圧できる。これにより被接合物を圧縮し、被接合物の継手部分に残留応力を付与できる。よって、被接合物の継手部分の疲労強度を向上できる。

【0008】

また、このような被接合物の押圧は、クランプ部材を用いて実施できると共に、複数の摩擦攪拌点接合を一連の接合動作により行う場合には各接合動作の合間に実施できる。よって、被接合物の摩擦攪拌点接合と押圧とを一連の動作で効率的に行うことができ、押圧工程を追加したことによる接合体の生産性低下を抑制できる。

【0009】

また、クランプ部材の端面から前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延びる突出部により被接合物を押圧することで、押圧面積が小さくて済む分、比較的小さい押圧力でも良好に被接合物を圧縮できる。このため、被接合物を押圧するための専用装置を別途用意しなくてもよい。従って、継手部分の疲労強度を向上させるためのコストや作業負担を軽減でき、継手部分の疲労強度を効率よく向上させることができる。

【0010】

前記軸線方向から見て、前記端面が円環状に形成され、前記突出部が前記端面の周方向に延びる円弧状に形成されていてもよい。これにより、端面の周方向に延びる広い領域において、突出部により、被接合物に十分な圧縮塑性歪を付与できる。

【0011】

前記軸線方向から見て、前記端面が円環状に形成され、前記突出部が前記端面の全周に延びる円環状に形成されていてもよい。これにより、端面の全周にわたって延びる広い領域において、突出部により被接合物に圧縮塑性歪を付与できる。よって、被接合物の疲労強度を一層向上できる。

【0012】

前記突出部が、前記端面の外縁よりも前記軸線側に配置されていてもよい。これにより、摩擦攪拌領域の周縁に圧縮塑性歪を付与する際にクランプ部材の被接合物に対する移動量を少なくでき、圧縮塑性歪を効率よく付与し易くすることができる。

【0013】

また、本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合装置は、上記したいずれかの態様の前記クランプ部材を備える。これにより、継手部分の疲労強度を向上させるために必要なコストや作業負担を軽減でき、摩擦攪拌点接合装置により、継手部分の疲労強度を効率よく向上させることができる。

【0014】

また、本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合方法は、被接合物を摩擦攪拌点接合するための回転工具と、前記被接合物が支持された状態で前記被接合物の表面を押圧するためのクランプ部材とを用いて前記被接合物を摩擦攪拌点接合する摩擦攪拌点接合方法であって、前記回転工具として、予め定められた軸線周りに回転し且つ前記軸線方向に進退可能に設けられたピン部材と、前記ピン部材の外周を囲んだ状態で前記軸線周りに回転し且つ前記ピン部材とは独立して前記軸線方向に進退可能に設けられたショルダ部材とを有する回転工具を用い、前記クランプ部材として、前記被接合物の前記表面と面接触して前記表面を押圧可能に配置された端面と、前記端面から前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延び且つ前記被接合物を押圧可能に配置された突出部とを有し、前記ショルダ部材の外周を囲むように設けられたクランプ部材を用い、前記クランプ部材により前記被接合物の前記表面を押圧した状態において、前記ショルダ部材による摩擦攪拌によって前記ショルダ部材の内部に入り込む前記被接合物の塑性流動部を前記ピン部材により埋め戻しながら、前記被接合物を摩擦攪拌点接合する接合ステップと、前記接合ステップ後、前記被接合物から前記ピン部材と前記ショルダ部材とを離隔させた状態において、前記被接合物の摩擦攪拌領域、及び、前記被接合物の前記摩擦攪拌領域と隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を、前記クランプ部材の前記突出部により押圧する押圧ステップと、を備える。

【0015】

上記方法によれば、クランプ部材の突出部が、クランプ部材の端面から前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延び且つ被接合物を押圧可能に配置されているので、接合ステップにおいて、被接合物をクランプ部材により押圧して、回転工具のピン部材とショルダ部材とにより被接合物を摩擦攪拌点接合した後、押圧ステップにおいて、クランプ部材の突出部により、被接合物の摩擦攪拌領域、及び、この隣接領域を押圧できる。これにより、被接合物の継手部分に残留応力を付与できる。よって、被接合物の継手部分の疲労強度を向上できる。

【0016】

また、このような押圧ステップにおける被接合物の押圧は、クランプ部材を用いて実施できると共に、複数の摩擦攪拌点接合を一連の接合動作により行う場合、各接合動作の合間に実施できる。よって、被接合物の摩擦攪拌点接合と押圧とを一連の動作で効率的に行うことができ、押圧工程を追加したことによる接合体の生産性低下を抑制できる。

【0017】

また、クランプ部材の端面に前記軸線方向に突出して前記軸線周りに延びる突出部により被接合物を押圧することで、比較的小さい押圧力でも良好に被接合物を圧縮できる。このため、被接合物を押圧するための専用装置を別途用意しなくてもよい。従って、継手部分の疲労強度を向上させるためのコストや作業負担を軽減でき、継手部分の疲労強度を効率よく向上させることができる。

【0018】

前記接合ステップでは、前記押圧ステップにおいて前記突出部により前記被接合物の前記表面を押圧する押圧位置とは異なる退避位置に前記突出部を位置させた状態で摩擦攪拌点接合を行い、前記押圧ステップでは、前記退避位置から前記押圧位置へ前記突出部を移動させた状態で前記突出部により前記被接合物の前記表面を押圧してもよい。

【0019】

上記方法によれば、接合ステップにおいて突出部が押圧した位置とは異なる位置で、押圧ステップにおいて被接合物の表面を良好に押圧できるため、接合ステップにおいて被接合物の表面に形成された押圧部による制約を受けることなく、被接合物の継手部分の広い範囲に残留応力を付与できる。

【発明の効果】

【0020】

本発明の各態様によれば、複動式摩擦攪拌点接合により形成される被接合物の継手部分における疲労強度の向上を効率よく図れる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態に係る複動式摩擦攪拌点接合装置の要部構成図である。

【図2】図１のクランプ部材の端面側から見た斜視図である。

【図3】第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を示すステップ図である。

【図4】（ａ）〜（ｆ）は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための断面図である。

【図5】第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物の継手部分の正面図である。

【図6】第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物の継手部分に被接合物の両端から引張荷重を加えたときの様子を示す断面図である。

【図7】（ａ）〜（ｆ）は、第２実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための断面図である。

【図8】第２実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物の継手部分の正面図である。

【図9】変形例１に係るクランプ部材の端面側から見た斜視図である。

【図10】変形例２に係るクランプ部材の正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照して各実施形態及び各変形例を説明する。

【0023】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る複動式摩擦攪拌点接合装置１（以下、単に装置１と称する。）の要部構成図である。図１では、回転工具２を断面で示すと共に、回転工具２と工具駆動部３との繋がりを破線により模式的に示している。

【0024】

装置１は、被接合物Ｗ（一例として一対の板材（第１板材Ｗ１及び第２板材Ｗ２））を摩擦攪拌点接合する。装置１は、回転工具２、工具駆動部３、制御部４、裏当部５、及びクランプ部材８を備える。

【0025】

工具駆動部３は、回転工具２を予め定められた複数の位置に移動させると共に、回転工具２を回転駆動させる。制御部４は、回転工具２が有する各部材６〜８を駆動させるように、工具駆動部３を制御する。工具駆動部３の具体的な構造は限定されず、例えば公知の構造を利用できる。

【0026】

制御部４は、一例として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、工具駆動部３の動作を制御する。ＲＯＭには、所定の制御プログラムが格納され、ＲＡＭには、オペレータにより入力された設定情報が記憶される。この設定情報には、例えば、板材Ｗ１，Ｗ２の各板厚値の情報と、各接合位置の情報とが含まれる。

【0027】

裏当部５は支持部であり、被接合物Ｗを挟んで回転工具２とは反対側に配置されて被接合物Ｗを支持する。裏当部５の一部は、被接合物Ｗを挟んで回転工具２と対向する。

【0028】

回転工具２は、ピン部材６とショルダ部材７とを有する。回転工具２は、ピン部材６の外側にショルダ部材７が配置され、ショルダ部材７の外側にクランプ部材８が配置された入れ子構造を有する。

【0029】

ピン部材６は、予め定められた軸線Ｐ周りに回転し且つ軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。本実施形態のピン部材６は、軸線Ｐ方向に延びる円柱状に形成されている。ピン部材６の軸線Ｐ方向後端部（ピン部材６の被接合物Ｗ側とは反対側の端部）は、工具駆動部３の固定部（不図示）に支持されている。

【0030】

ショルダ部材７は、ピン部材６の外周を囲んだ状態で軸線Ｐ周りに回転し且つピン部材６とは独立して軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。ショルダ部材７は中空部７ａを有し、ピン部材６はショルダ部材７の中空部７ａに内挿されている。本実施形態の回転工具２では、ショルダ部材７の中空部７ａにピン部材６が内挿された状態で、ピン部材６とショルダ部材７とが、それぞれ独立して軸線Ｐ周りに回転し且つ軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。またショルダ部材７は、軸線Ｐ方向に延びる円筒状に形成されている。

【0031】

クランプ部材８は、ショルダ部材７の外周を囲むように設けられている。またクランプ部材８は、ピン部材６とショルダ部材７とは独立して、軸線Ｐ方向に進退可能に設けられている。クランプ部材８は中空部８ｃを有し、ショルダ部材７はクランプ部材８の中空部８ｃに内挿されている。

【0032】

クランプ部材８の軸線Ｐ方向後端部には、軸線Ｐ方向に被接合物Ｗに向けてクランプ部材８に付勢力を付与するためのスプリング９が配置されている。クランプ部材８は、スプリング９からの付勢力により、裏当部５に支持された被接合物Ｗを軸線Ｐ方向に押圧する。クランプ部材８が被接合物Ｗから後退させられる際、クランプ部材８は、工具駆動部３により引き上げられ、被接合物Ｗから後退させられる。

【0033】

図２は、図１のクランプ部材８の端面８ａ側から見た斜視図である。図１及び２に示すように、クランプ部材８は、端面８ａと突出部８ｂとを有する。端面８ａは、被接合物Ｗの表面（ここでは第１板材Ｗ１の板面）と面接触して被接合物Ｗの表面を押圧可能に配置されている。

【0034】

突出部８ｂは、端面８ａから軸線Ｐ方向に突出している。突出部８ｂは、摩擦攪拌点接合された被接合物Ｗを押圧する圧子である。突出部８ｂは、摩擦攪拌点接合された被接合物Ｗを軸線Ｐ方向に押圧可能に配置されている。

【0035】

突出部８ｂは、通常の摩擦攪拌点接合装置の荷重出力範囲内において、被接合物Ｗの荷重伝達部位である接合界面に圧縮塑性歪を与えるための形状を有する。このように装置１は、被接合物Ｗに対する圧縮加工機構を備えている。

【0036】

具体的に、端面８ａの突出部８ｂ以外の領域は、平坦に形成されている。本実施形態のクランプ部材８では、端面８ａは、軸線Ｐ方向から見て円環状に形成されている。突出部８ｂは、軸線Ｐ方向から見て端面８ａの周方向に延びる円弧状に形成されている。即ち突出部８ｂは、軸線Ｐ方向から見て、一定の曲率で湾曲しながら延びている。一例として、突出部８ｂの幅寸法及び高さ（軸線Ｐ方向）寸法は一定である。また、突出部８ｂの長手方向に垂直な断面は矩形状である。

【0037】

本実施形態では、中空部８ｃの周縁形状は、軸線Ｐ方向から見て真円状に形成されている。突出部８ｂは、中空部８ｃの周縁に沿った円弧状に形成されている。突出部８ｂは、端面８ａの外縁よりも軸線Ｐ側に配置されている。一例として、突出部８ｂは、クランプ部材８の中空部８ｃと面する内周面と連続する位置に配置されている。突出部８ｂの軸線Ｐ側側面は、前記内周面と滑らかに連続している。

【0038】

一例として、突出部８ｂの長さ寸法は、軸線Ｐ方向から見て、中空部８ｃにおける周縁の全周長の１／２（半周長）の値に設定されている。突出部８ｂの高さ（軸線Ｐ方向）寸法は、適宜設定可能である。被接合物Ｗが一対の板材Ｗ１，Ｗ２である場合、突出部８ｂの高さ寸法は、例えば、板材Ｗ１の板厚寸法よりも小さい値に設定できる。

【0039】

突出部８ｂの幅寸法及び高さ寸法の少なくともいずれかは、突出部８ｂの複数位置において異なっていてもよい。また、突出部８ｂの長手方向に垂直な断面は、矩形状に限定されず、例えば、被接合物Ｗに向けて凸となる放物線状でもよい。また突出部８ｂは、クランプ部材８の前記内周面とは非連続な位置に配置されていてもよい。言い換えると、突出部８ｂの軸線Ｐ側側面と、クランプ部材８の前記内周面との間には、段差が設けられていてもよい。

【0040】

なお装置１は、例えば、Ｃ型フレーム構造を有していてもよい。この場合、回転工具２、工具駆動部３、制御部４、及びクランプ部材８は、装置１の上部に配置され、裏当部５は、装置１の下部に配置されていてもよい。また装置１は、例えば、多関節ロボットに取り付けられていてもよい。また装置１は、回転工具２、工具駆動部３、制御部４、及びクランプ部材８が多関節ロボットに取り付けられ、裏当部５が前記多関節ロボットとは別の構成（ポジショナー等）に取り付けられていてもよい。

【0041】

図３は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を示すステップ図である。図３に示すように、当該方法では、複数のステップＳ１〜Ｓ４を順に含むシークエンスを行う。具体的には、所定の接合位置において摩擦攪拌点接合を行うために被接合物Ｗに対して回転工具２の位置合わせを行う第１位置合わせステップＳ１と、第１位置合わせステップＳ１後に、前記接合位置においてピン部材６とショルダ部材７とを回転させながら被接合物Ｗに押し込んで、被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合する接合ステップＳ２とを行う。

【0042】

また、接合ステップＳ２において被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合した後、ピン部材６とショルダ部材７とを被接合物Ｗから後退させ、且つ、所定位置において被接合物Ｗを押圧するために接合物Ｗに対してクランプ部材８の位置合わせを行う第２位置合わせステップＳ３と、第２位置合わせステップＳ３後に、前記所定位置においてクランプ部材８の突出部８ｂにより被接合物Ｗを押圧する押圧ステップＳ４とを行う。この押圧ステップＳ４により、被接合物Ｗに残留応力を付与し、被接合物Ｗの疲労強度を向上させる。

【0043】

図４の（ａ）〜（ｆ）は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための断面図である。最初にオペレータは、前記設定情報を装置１に入力し、板材Ｗ１，Ｗ２を重ねた状態で裏当部５に支持させる。制御部４は、回転工具２が予め定められた接合位置まで移動されるように、工具駆動部３を制御する（図４（ａ））。これにより第１位置合わせステップＳ１が行われ、回転工具２が被接合物Ｗに対して位置合わせされる。

【0044】

次に制御部４は、ピン部材６とショルダ部材７とが回転駆動されるように工具駆動部３を制御すると共に、ショルダ部材７とクランプ部材８とを被接合物Ｗの表面に当接するように、工具駆動部３を制御する。その後、制御部４は、ショルダ部材７を被接合物Ｗに押圧するように、工具駆動部３を制御する。

【0045】

これにより、端面８ａが被接合物Ｗの表面に面接触すると共に、クランプ部材８の突出部８ｂが被接合物Ｗの表面を押圧する（被接合物Ｗが圧縮される）。その結果、突出部８ｂが押圧した被接合物Ｗの部分に、溝状の凹部Ｌが形成される。また、ショルダ部材７が被接合物Ｗの内部に押し込まれて被接合物Ｗが摩擦攪拌される（図４（ｂ））。

【0046】

このとき制御部４は、ピン部材６の被接合物Ｗへの押し込み側の端面を、ショルダ部材７の被接合物Ｗへの押し込み側の端面よりも押し込み方向とは反対側に移動させるように、工具駆動部３を制御する。これにより、ショルダ部材７の摩擦攪拌により生じた被接合物Ｗの塑性流動部Ｗ３を、ショルダ部材７の中空部７ａに入り込ませる（図４（ｂ））。

【0047】

次に制御部４は、クランプ部材８の端面８ａを被接合物Ｗの表面に面接触させた状態で、ピン部材６とショルダ部材７との被接合物Ｗへの押し込み側の端面を、ピン部材６とショルダ部材７とが被接合物Ｗの表面に接触する前の被接合物Ｗの表面位置に向けて移動させるように、工具駆動部３を制御する。

【0048】

これにより、ショルダ部材７による摩擦攪拌によってショルダ部材７の内部に入り込む被接合物Ｗの塑性流動部Ｗ３をピン部材６により埋め戻しながら、被接合物を摩擦攪拌点接合する（図４（ｃ））。

【0049】

以上により接合ステップＳ２が行われ、被接合物Ｗが摩擦攪拌点接合されて、被接合物Ｗに、軸線Ｐ方向から見て（正面視において）円形状の摩擦攪拌領域Ｊが形成される（図５参照）。接合ステップＳ２では、押圧ステップＳ４において突出部８ｂにより被接合物Ｗの表面を押圧する押圧位置とは異なる退避位置に突出部８ｂを位置させた状態で摩擦攪拌点接合が行われる。

【0050】

次に制御部４は、ピン部材６、ショルダ部材７、及びクランプ部材８を被接合物Ｗから離隔（後退）させるように、工具駆動部３を制御する（図４（ｄ））。その後、制御部４は、ピン部材６の被接合物Ｗに対する軸線Ｐ位置を、被接合物Ｗの表面に沿って、摩擦攪拌点接合時の位置Ｘ１から所定距離ずれた位置Ｘ２へ移動して回転工具２を位置合わせするように、工具駆動部３を制御する（図４（ｅ））。以上により第２位置合わせステップＳ３が行われ、突出部８ｂが被接合物Ｗに対して位置合わせされる。

【0051】

位置Ｘ２は、本実施形態では摩擦攪拌領域Ｊと重なる位置に設定される。また、突出部８ｂの軸線Ｐ周りの位置は、位置Ｘ２において、突出部８ｂの長手方向中央が、凹部Ｌに隣接する摩擦攪拌領域Ｊの周縁に位置し、且つ、突出部８ｂが摩擦攪拌領域Ｊの周方向に延びるように設定される。

【0052】

言い換えると、位置Ｘ２において、摩擦攪拌領域Ｊの周縁に突出部８ｂにより後述する凹部Ｍを形成するため、クランプ部材８は、少なくとも突出部８ｂの一部以上が凹部Ｌとは重ならない領域で被接合物Ｗの表面を押圧可能に設定される。

【0053】

なお、ピン部材６、ショルダ部材７、及びクランプ部材８を被接合物Ｗから後退させる動作と、第２位置合わせステップＳ３における回転工具２の位置合わせ動作とは、同時に行ってもよい。

【0054】

次に、接合ステップＳ２後、被接合物Ｗからピン部材６とショルダ部材７とを離隔させた状態において、被接合物Ｗの接合ステップＳ２により形成された摩擦攪拌領域Ｊ、又は、摩擦攪拌領域Ｊと隣接する隣接領域の少なくともいずれかの表面を、クランプ部材８の突出部８ｂにより押圧する。

【0055】

本実施形態では、第２位置合わせステップＳ３後、制御部４は、ピン部材６の被接合物Ｗに対する軸線Ｐ位置を位置Ｘ２に合わせた状態で、被接合物Ｗの摩擦攪拌領域Ｊの表面をクランプ部材８の突出部８ｂにより押圧するように、工具駆動部３を制御する（図４（ｆ））。

【0056】

以上により押圧ステップＳ４が行われ、被接合物Ｗに圧縮部（圧縮塑性歪部）Ｋが形成されて、被接合物Ｗに残留応力が付与される。押圧ステップＳ４では、退避位置から押圧位置へ突出部８ｂを移動させた状態で突出部８ｂにより被接合物Ｗの表面が押圧される。摩擦攪拌領域Ｊの温度が摩擦攪拌温度よりも低下した状態で押圧ステップＳ４を行うことにより、被接合物Ｗは冷間圧縮される。その後制御部４は、クランプ部材８による圧縮を解除するように、工具駆動部３を制御する。

【0057】

図５は、第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物Ｗの継手部分の正面図である。図６は、第１実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物Ｗの継手部分に被接合物Ｗの両端から引張荷重を加えたときの様子を示す断面図である。

【0058】

図５に示すように、摩擦攪拌点接合後の被接合物Ｗには、正面視において円形状の摩擦攪拌領域Ｊが形成され、その周縁の半周長にわたって凹部Ｌが形成されている。摩擦攪拌領域Ｊの径方向において、摩擦攪拌領域Ｊの凹部Ｌに隣接する周縁には、摩擦攪拌領域Ｊの周方向に延びる溝状の凹部Ｍが形成されている。

【0059】

凹部Ｌ，Ｍは、いずれも突出部８ｂにより形成されたものであるが、凹部Ｌ，Ｍは互いに重ねられた領域（本実施形態では、凹部Ｌ，Ｍの長手方向両端領域）で一体となっている。圧縮部Ｋは、凹部Ｍの凹部Ｌとは重ならない領域に形成されている。被接合物Ｗは、圧縮部Ｋが形成されたことで残留応力（圧縮残留応力）が付与され、疲労強度が向上されている。

【0060】

このため、例えば図６に示すように、被接合物Ｗの第１板材Ｗ１と第２板材Ｗ２とに、各板材Ｗ１，Ｗ２が延びる方向に引張力Ｄ１を繰り返し負荷する疲労荷重が及び、摩擦攪拌領域Ｊの境界（接合境界）等が疲労破壊の起点及び進展経路となる場合、被接合物Ｗは、圧縮部Ｋに残留応力が付与されたことにより、疲労寿命が延長される。

【0061】

なお、圧縮部Ｋの長さは、摩擦攪拌領域Ｊの全周長より短くてもよい。被接合物Ｗの継手部分に求められる強度や負荷される荷重レベル、組合せ荷重に応じて、圧縮部Ｋの長さは適宜設定してもよい。本発明者らの検討により、圧縮部Ｋの長さは、例えば、図６に示す単軸引張荷重が負荷された場合、摩擦攪拌領域Ｊの全周長の１／２以下の範囲の値に設定してもよいことが分かっている。また、１つの摩擦攪拌領域Ｊの複数の位置に圧縮部Ｋを形成してもよい。複数の圧縮部Ｋは、正面視において、摩擦攪拌領域Ｊの径方向に並んでいてもよいし、摩擦攪拌領域Ｊの周方向に並んでいてもよい。

【0062】

以上説明したように、第１実施形態のクランプ部材８では、クランプ部材８の突出部８ｂが、クランプ部材８の端面８ａから軸線Ｐ方向に突出して軸線Ｐ周りに延び且つ被接合物Ｗを押圧可能に配置されているので、被接合物Ｗをクランプ部材８により押圧して、回転工具２のピン部材６とショルダ部材７とにより被接合物Ｗを摩擦攪拌点接合した後、クランプ部材８の突出部８ｂにより、被接合物Ｗの摩擦攪拌領域Ｊ、又は、摩擦攪拌領域と隣接する隣接領域を押圧できる。これにより被接合物Ｗを圧縮し、被接合物Ｗの継手部分に残留応力を付与できる。よって、被接合物Ｗの継手部分の疲労強度を向上できる。

【0063】

また、このような被接合物Ｗの押圧（押圧ステップＳ４における被接合物Ｗの押圧）は、クランプ部材８を用いて実施できると共に、複数の摩擦攪拌点接合を一連の接合動作により行う場合には、各接合動作の合間に実施できる。よって、被接合物Ｗの摩擦攪拌点接合と押圧とを一連の動作で効率的に行うことができ、押圧ステップ（工程）Ｓ４を追加したことによる接合体の生産性低下を抑制できる。

【0064】

また、クランプ部材８の端面８ａから軸線Ｐ方向に突出して軸線Ｐ周りに延びる突出部８ｂにより被接合物Ｗを押圧することで、押圧面積が小さくて済む分、比較的小さい押圧力でも良好に被接合物Ｗを圧縮できる。言い換えると、従来の摩擦攪拌点接合装置の接合ステップに要する荷重出力範囲内において、突出部８ｂにより、被接合物Ｗに必要な圧縮塑性歪を付与できる。このため、被接合物Ｗを押圧するための専用装置を別途用意しなくてもよい。従って、継手部分の疲労強度を向上させるためのコストや作業負担を軽減でき、継手部分の疲労強度を効率よく向上させることができる。

【0065】

また軸線Ｐ方向から見て、端面８ａが円環状に形成され、突出部８ｂが円弧状に形成されているので、端面８ａの周方向に延びる広い領域において、突出部８ｂにより被接合物Ｗに十分な圧縮塑性歪を付与できる。

【0066】

また突出部８ｂが、端面８ａの外縁よりも軸線Ｐ側に配置されているので、摩擦攪拌領域Ｊの周縁に圧縮塑性歪を付与する際にクランプ部材８の被接合物Ｗに対する移動量を少なくでき、圧縮塑性歪を効率よく付与し易くすることができる。

【0067】

また装置１は、クランプ部材８を備えることにより、継手部分の疲労強度を向上させるために必要なコストや作業負担を軽減できる。よって装置１により、継手部分の疲労強度を効率よく向上させることができる。

【0068】

また接合ステップＳ２では、押圧ステップＳ４において突出部８ｂにより被接合物Ｗの表面を押圧する押圧位置とは異なる退避位置に突出部８ｂを位置させた状態で摩擦攪拌点接合を行い、押圧ステップＳ４では、退避位置から押圧位置へ突出部８ｂを移動させた状態で被接合物Ｗの表面を押圧する。これにより、接合ステップＳ２において突出部８ｂが押圧した位置とは異なる位置で、押圧ステップＳ４において被接合物Ｗの表面を良好に押圧できる。このため、接合ステップＳ２において被接合物Ｗの表面に形成された押圧部（凹部Ｌ）による制約を受けることなく、被接合物Ｗの継手部分の広い範囲に残留応力を付与できる。

【0069】

なお軸線Ｐ方向から見て、突出部８ｂを摩擦攪拌領域Ｊの周縁の曲率よりも大きな曲率で円弧状に形成することで、凹部Ｍを摩擦攪拌領域Ｊの表面に形成してもよい。これにより、摩擦攪拌領域Ｊの周縁よりも内側に圧縮部Ｋを形成し易くすることができる。次に第２実施形態について、第１実施形態との差異を中心に説明する。

【0070】

（第２実施形態）
図７の（ａ）〜（ｆ）は、第２実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を説明するための断面図である。図８は、第２実施形態の摩擦攪拌点接合方法により形成された被接合物Ｗの継手部分の正面図である。

【0071】

第１実施形態と異なる点として、クランプ部材８は、軸線Ｐ周りに回転可能に工具駆動部３に設けられている。第１位置合わせステップＳ１と接合ステップＳ２とが行われた後（図７（ａ）〜（ｄ）），制御部４は、摩擦攪拌点接合を行ったときのピン部材６の被接合物Ｗに対する軸線Ｐ位置を維持したまま、クランプ部材８を軸線Ｐ周りに所定角度（ここでは１８０°）回転させるように工具駆動部３を制御する（図７（ｅ））。これにより、第２位置合わせステップＳ３が行われる。このようにクランプ部材８が被接合物Ｗに対して位置合わせされた状態で、押圧ステップＳ４が行われる（図７（ｆ））。

【0072】

図８に示すように、これにより被接合物Ｗには、摩擦攪拌領域Ｊに隣接し且つ凹部Ｌとは重ならない領域に凹部Ｍが形成される。本実施形態では、正面視において、摩擦攪拌領域Ｊの全周が凹部Ｌ，Ｍにより囲まれている。摩擦攪拌領域Ｊの全周のうち、半周分の周縁が凹部Ｌにより囲まれ、残余の半周分の周縁が凹部Ｍにより囲まれている。第２実施形態では、接合ステップＳ２において形成される凹部Ｌの位置に制約されることなく、被接合物Ｗに圧縮部Ｋを形成できる。即ち第２実施形態では、凹部Ｍの全領域に対応して圧縮部Ｋを形成でき、被接合物Ｗの比較的広い領域に残留応力を付与できる。

【0073】

（変形例）
図９は、変形例１に係るクランプ部材１８の端面１８ａ側から見た斜視図である。クランプ部材１８は、軸線Ｐ方向から見て、端面１８ａが円環状に形成され、突出部１８ｂが端面１８ａの全周に延びる円環状に形成されている。言い換えると、軸線Ｐ方向から見て、クランプ部材１８の中空部１８ｃの周縁は、突出部１８ｂにより囲まれている。

【0074】

このようなクランプ部材１８を用いることにより、端面８ａの全周にわたって延びる広い領域において、突出部８ｂにより被接合物Ｗに圧縮塑性歪を付与できる。よって、被接合物Ｗの疲労強度を一層向上できる。変形例１では、被接合物Ｗには、正面視において、円環状の凹部Ｌ，Ｍが、部分的に重なりながら互いにずれた位置に形成される。

【0075】

図１０は、変形例２に係るクランプ部材２８の正面図である。クランプ部材２８は、第１実施形態のクランプ部材８を基本構造とするものであるが、軸線Ｐ方向から見て、クランプ部材２８の突出部２８ｂが、中空部２８ｃの周縁よりもクランプ部材２８の径方向外側の端面２８ａの位置に形成されている。また、突出部２８ｂの中空部２８ｃ側の側面は、軸線Ｐ方向から見て、中空部２８ｃの内周面と同じ曲率に設定されている。

【0076】

一例として変形例２では、端面２８ａを含み且つ端面２８ａに平行な面内において、突出部２８ｂの長手方向中央と軸線Ｐとを通る方向に垂直な方向から見て、突出部２８ｂの長手方向両端が、中空部２８ｃと離隔する位置に配置されている。

【0077】

このようなクランプ部材２８を用いることにより、押圧ステップＳ４では、接合ステップＳ２において被接合物Ｗに形成される凹部Ｌの位置に制約されることなく、被接合物Ｗの摩擦攪拌領域Ｊの周縁に圧縮部Ｋを形成して被接合物Ｗに残留応力を付与し易くすることができる。よって、被接合物Ｗの疲労強度を更に良好に向上できる。

【0078】

本発明は、上記実施形態及び上記変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成又は方法を変更、追加、又は削除できる。当然ながら、被接合物Ｗは、一対の板材Ｗ１，Ｗ２に限定されない。被接合物Ｗは、航空機、自動車、及び鉄道車両等の乗物の部品でもよいし、建築物の部品でもよい。

【0079】

押圧ステップＳ４において、被接合物Ｗの摩擦攪拌領域Ｊと隣接する隣接領域の表面を突出部８ｂ，１８ｂ，２８ｂで押圧する場合、圧縮部Ｋは、摩擦攪拌領域Ｊの周方向に延びるように形成されてもよい。また圧縮部Ｋは、摩擦攪拌領域Ｊと隣接領域との両方に跨って形成されてもよい。これにより、摩擦攪拌領域Ｊと隣接領域との界面に圧縮部Ｋを形成できる。

【0080】

また上記各実施形態では、単一の工具駆動部３によりピン部材６、ショルダ部材７、及びクランプ部材８，１８，２８を駆動する構成を示したが、この各部材のうちの１つ又は２つを別の駆動部により駆動してもよいし、この各部材を個別の駆動部により駆動してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0081】

本発明は、複動式摩擦攪拌点接合により形成される被接合物の継手部分における疲労強度の向上を効率よく図れるため、複動式摩擦攪拌点接合を利用した各分野に広く好適に利用可能である。

【符号の説明】

【0082】

Ｊ 摩擦攪拌領域
Ｐ 軸線
Ｗ 被接合物
Ｗ３ 塑性流動部
１ 複動式摩擦攪拌点接合装置
２ 回転工具
６ ピン部材
７ ショルダ部材
８，１８，２８ クランプ部材
８ａ，１８ａ，２８ａ 端面
８ｂ，１８ｂ，２８ｂ 突出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】