特許 6986651 摩擦攪拌接合装置、摩擦攪拌接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6986651

(24)【登録日】2021年12月1日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】摩擦攪拌接合装置、摩擦攪拌接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20211213BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 340

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2021-125439(P2021-125439)

(22)【出願日】2021年7月30日

【審査請求日】2021年7月30日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000233044

【氏名又は名称】株式会社日立パワーソリューションズ

(73)【特許権者】

【識別番号】390020477

【氏名又は名称】トライエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】石黒 幸一

(72)【発明者】

【氏名】船原 恒平

(72)【発明者】

【氏名】篠原 俊

(72)【発明者】

【氏名】宮部 昇三

(72)【発明者】

【氏名】岡 丈晴

(72)【発明者】

【氏名】東 和也

【審査官】 柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】 再公表特許第２０１２／０６０４３９（ＪＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０２１−０２３９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１７−５３６２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１２３７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０２６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２３６１７（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】

接合ツールを目標回転速度で回転させながら被接合部材に目標深度まで挿入し、前記被接合部材の挿入部およびその近傍を軟化させ、前記接合ツールを進行させて前記被接合部材を固相接合する摩擦攪拌接合装置であって、
前記摩擦攪拌接合装置は、前記接合ツールが接合方向に進行しながら前記被接合部材を固相接合する際に、進行補助部材を介して接合ツールの進行を妨げることなく主軸ハウジングを挟持して前記接合方向に対して前記主軸ハウジングの横方向の動作範囲を連続的に制限することにより回転ブレによる蛇行を抑制する回転振動抑制機構を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項2】

請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
前記回転振動抑制機構は、前記接合ツールを回転させる主軸を収納する主軸ハウジングに取り付けられたガイド受け部材と、
前記被接合部材を載置する載置台の載置面に前記接合ツールの接合方向に直交する方向に対向して固定配置された一対のガイド支持部材と、
前記ガイド支持部材に支持されて前記目標深度において少なくとも前記ガイド受け部材の側面の一部と前記載置面からの垂直方向の位置が同じである係合状態で前記接合ツールが前記被接合部材の固相接合を開始する位置を示す開始位置から固相接合を終了する位置を示す終了位置まで延伸して前記ガイド受け部材の両側に固定して平行配置された一対のガイド部材と、を含んで構成され、
前記ガイド受け部材または前記一対のガイド部材の、少なくとも一方に前記進行補助部材が配設されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項3】

請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
前記一対のガイド部材のうち、前記接合ツールのＲＳ（Retreating Side:リトリーティングサイド）に配置されたＲＳガイド部材を、前記接合ツールを前記被接合部材の前記目標深度に挿入した時点において前記ガイド受け部材に接触させ、
前記一対のガイド部材のうち、前記接合ツールのＡＳ（Advancing Side：アドバンシングサイド）に配置されたＡＳガイド部材を、前記接合ツールを前記被接合部材の前記目標深度に挿入した時点において前記主軸ハウジングとの間に所定のクリアランスを設けることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項4】

請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
前記ガイド受け部材は、前記ＲＳガイド部材および前記ＡＳガイド部材に接触した際に回転するように回転自在な環状体を前記主軸ハウジングの外周部を囲むように取り付けて前記進行補助部材が構成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項5】

請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
前記ガイド受け部材は、前記ＲＳガイド部材および前記ＡＳガイド部材に接触した際にスリップするように外側面部をスリップ加工した摺動面を有する摺動体を前記主軸ハウジングの外周部の一部または全周を囲むように取り付けて前記進行補助部材が構成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項6】

請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
前記ガイド受け部材は、前記ＲＳガイド部材および前記ＡＳガイド部材に接触した際に回転するように回転自在なトラックボール型回転体を前記主軸ハウジングの外周部においてＲＳガイド部材との接触部およびＡＳガイド部材との接触部に少なくともそれぞれ１つ取り付けて前記進行補助部材が構成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項7】

請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
前記ＲＳガイド部材および前記ＡＳガイド部材は、前記ガイド受け部材に接触した際にスリップするように、前記ＲＳガイド部材および前記ＡＳガイド部材の前記ガイド受け部材側側面部を少なくとも前記接合ツールが前記開始位置から前記終了位置までスリップ加工した摺動面を有する摺動体を取り付けて前記進行補助部材が構成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項8】

請求項３に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
前記ＲＳガイド部材および前記ＡＳガイド部材は、前記ガイド受け部材に接触した際に回転するように前記ＲＳガイド部材および前記ＡＳガイド部材の前記ガイド受け部材側側面部に回転自在なトラックボール型回転体を少なくとも前記接合ツールが前記開始位置から前記終了位置まで所定の間隔で複数個取り付けて前記進行補助部材が構成されていることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置を用いて被接合部材を固相接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記接合ツールにより前記被接合部材を固相接合する前段階において、前記接合ツールを前記目標回転速度で回転させながら前記目標深度まで挿入する挿入ステップと、
接合部が目標とする入熱状態となるまで前記接合ツールを進行させずに継続回転させる入熱ステップと、
ガイド受け部材がＲＳガイド部材と接触し、ＡＳガイド部材との間にクリアランスを有する状態でＲＳガイド部材とＡＳガイド部材により前記ガイド受け部材を挟持し、前記接合ツールを前記目標回転速度で回転させて、前記ＲＳガイド部材方向の偏心力による回転ブレを前記ＲＳガイド部材で抑制し、前記ＡＳガイド部材方向の偏心力による回転ブレを前記ＡＳガイド部材により抑制しながら、接合方向に接合開始位置から接合終了位置まで進行させる接合ステップと、
前記接合ツールが前記接合終了位置まで進行したときに前記接合ツールを被接合部材から引き抜く抜去ステップと、
を含む摩擦攪拌接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被接合部材同士を摩擦攪拌接合により接合する摩擦攪拌接合装置の構成とその制御に係り、特に、高品質（高精度）な接合が要求される被接合部材の接合に適用して有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

円柱状の接合ツールを回転させて発生する摩擦熱で被接合材料を軟化させ、その部分を攪拌することで被接合材料同士を接合する摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）は、材料以外の素材を用いないため、疲労強度が高く、材料も溶融しないことから溶接変形（ひずみ）の少ない接合が可能であり、航空機や自動車のボディなど、幅広い分野での応用が期待されている。

【0003】

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「押圧用モータ（本願のＺ軸上下動駆動モータ１６に相当）と攪拌用モータ（本願の主軸モータ１４に相当）とを備え、前記攪拌用モータと先端に前記ピンを有し後端が攪拌用モータの出力軸側に接続された接合ツールとを同一軸線上に配置した摩擦攪拌スポット接合装置において、前記攪拌用モータの後端側にボールナットを固定すると共にＬＭガイドを設け、該ＬＭガイドが移動するガイドレールを前記攪拌用モータの軸線方向に接近した部位に設け、前記攪拌用モータの出力軸に後方からボ―ルねじが格納される穴を形成して該穴にボールねじを配置し、前記押圧用モータの回転力を前記ボールねじに伝達し、該ボールねじと螺合するボールナットにより前記攪拌用モータを前後進させるようにした摩擦攪拌スポット接合装置」が開示されている。

【0004】

特許文献１によれば、ＬＭガイドと攪拌用モータの偏心量を少なくして振動を低く抑え、接合動作が容易にできるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−２１１９８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

摩擦攪拌接合の接合ステップにおいては、高品質の接合状態を保持するために、接合線に忠実に従って進行させる必要がある。しかしながら、接合ツールを目標回転速度で回転させながら被接合部材に挿入し、被接合部材を塑性加工により固相接合するときには、被接合部材の変形抵抗により摩擦攪拌接合装置は反力を受けることとなる。

【0007】

反力は、被接合部材の強度が高いほど大きく、また、その影響は工作機械の様な固定設置タイプの摩擦攪拌接合装置より多関節ロボットのアーム先端に接合ユニットを取り付けたロボットタイプの摩擦攪拌接合装置のほうがより大きくなる。これは、ロボットタイプの摩擦攪拌接合装置の剛性が低く、ぶれやすいことによる。

【0008】

摩擦攪拌接合装置は、被接合部材を摩擦攪拌する際の変形抵抗による反力を受けると、接合方向に進行する動きと接合ツールの回転する動きとの作用により偏心回転振動（偏心力）を生じることがある。この偏心力は、接合ツールの回転方向と接合方向が一致するＡＳ（Advancing Side：アドバンシングサイド）より接合ツールの回転方向と接合ツールの回転方向が反対方向となるＲＳ（Retreating Side:リトリーティングサイド）に対して大きく作用することから、接合ツールがＲＳに偏心する。この偏心回転振動（偏心力）が回転ブレによる蛇行を引き起こす。摩擦攪拌接合装置では、高精度の接合品質を保持するにはこの回転ブレによる蛇行の抑制が重要となる。

【0009】

しかしながら、上記特許文献１に開示された接合ツールで被接合部材を固相接合する方法では、接合ツールの回転ブレによる蛇行を確実に抑制することはできない。

【0010】

特に、多関節ロボットのアーム先端に接合ツールを含む接合ユニットを取付けたロボット型摩擦攪拌接合装置においては、接合ツールの回転ブレはより顕著であり、回転ブレによる蛇行の抑制は非常に困難である。

【0011】

また、ロボット摩擦攪拌接合装置においては、接合ツールが目標回転速度で回転する際に発生する回転反力がロボットアームにも影響を与えることとなり、特許文献１の方法では当該影響による回転ブレによる蛇行を抑制できない。

【0012】

そこで、本発明の目的は、接合ツールの回転ブレによる蛇行を抑制し、精度よく接合線に従って接合ツールを進行させることが可能な信頼性の高い摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明は、接合ツールを目標回転速度で回転させながら被接合部材に目標深度まで挿入し、前記被接合部材の挿入部およびその近傍を軟化させ、前記接合ツールを進行させて前記被接合部材を固相接合する摩擦攪拌接合装置であって、前記摩擦攪拌接合装置は、前記接合ツールが接合方向に進行しながら前記被接合部材を固相接合する際に、進行補助部材を介して接合ツールの進行を妨げることなく主軸ハウジングを挟持して前記接合方向に対して前記主軸ハウジングの横方向の動作範囲を連続的に制限することにより回転ブレによる蛇行を抑制する回転振動抑制機構を備えることを特徴とする。

【0014】

また、本発明は、上記の摩擦攪拌接合装置を用いて被接合部材を固相接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記接合ツールにより前記被接合部材を固相接合する前段階において、前記接合ツールを前記目標回転速度で回転させながら前記目標深度まで挿入する挿入ステップと、接合部が目標とする入熱状態となるまで前記接合ツールを進行させずに継続回転させる入熱ステップと、ガイド受け部材がＲＳガイド部材と接触し、ＡＳガイド部材との間にクリアランスを有する状態でＲＳガイド部材とＡＳガイド部材により前記ガイド受け部材を挟持し、前記接合ツールを前記目標回転速度で回転させて、前記ＲＳガイド部材方向の偏心力による回転ブレを前記ＲＳガイド部材で抑制し、前記ＡＳガイド部材方向の偏心力による回転ブレを前記ＡＳガイド部材により抑制しながら、接合方向に接合開始位置から接合終了位置まで進行させる接合ステップと、前記接合ツールが前記接合終了位置まで進行したときに前記接合ツールを被接合部材から引き抜く抜去ステップと、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、接合ツールの回転ブレによる蛇行を抑制し、精度よく接合線に従って接合ツールを進行させることが可能な信頼性の高い摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法を実現することができる。

【0016】

これにより、被接合部材同士の高品質（高精度）な摩擦攪拌接合が可能となる。

【0017】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施例１に係るロボット型摩擦攪拌接合装置の全体概要を示す図である。

【図2A】図１の摩擦攪拌接合ユニット１８の側面図である。

【図2B】図１の摩擦攪拌接合ユニット１８の正面図である。

【図3】主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係を概念的に示す図である。

【図4A】図２Ａ，図２Ｂのガイド受け部材２４の上面図である。

【図4B】図４Ａの側面図である。

【図4C】図４Ａの変形例である。（変形例１）

【図4D】図４Ｂの変形例である。（変形例２）

【図5】ガイド部材２３とガイド受け部材２４の位置関係の例を示す図である。

【図6A】本発明の実施例２に係るガイド受け部材２４の上面図である。

【図6B】図６Ａの側面図である。

【図6C】図６Ｂの変形例である。（変形例３）

【図7A】本発明の実施例３に係るガイド受け部材２４の上面図である。

【図7B】図７Ａの側面図である。

【図7C】図７Ｂの変形例である。（変形例４）

【図8】本発明の実施例４に係るガイド受け部材２４の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

【実施例1】

【0020】

図１から図５を参照して、本発明の実施例１の摩擦攪拌接合装置の構成とその制御について説明する。

【0021】

図１は、本実施例に係るロボット型摩擦攪拌接合装置の全体概要を示す図である。図２Ａは、図１の摩擦攪拌接合ユニット１８の側面図であり、図２Ｂは、図１の摩擦攪拌接合ユニット１８の正面図である。図３は、主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係を概念的に示す図である。図４Ａは、図２Ａ，図２Ｂのガイド受け部材２４の上面図であり、図４Ｂは、図４Ａの側面図である。図４Ｃは、図４Ａの変形例（変形例１）であり、図４Ｄは、図４Ｂの変形例（変形例２）である。図５は、ガイド部材２３とガイド受け部材２４の位置関係の例を示す図である。

【0022】

本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置１は、図１に示すように、主要な構成として、多関節ロボットアーム２と、多関節ロボットアーム２の先端に取り付けられた摩擦攪拌接合ユニット１８を備えている。

【0023】

多関節ロボットアーム２は、一般的に「ロボットアーム」と呼ばれる垂直多関節ロボットであり、多関節構造とサーボモーターによって三次元空間を自在に動作（移動）することができる。関節の数（軸数）によって可動範囲が変化するが、ここでは台座部２ａ上に脚部２ｂ、下腕部２ｃ、上腕部２ｄ、手首部２ｅ，２ｆ，２ｇを有する多軸タイプの多関節ロボットアームの例を示す。

【0024】

多関節ロボットアーム２の手首部２ｇの先端には、摩擦攪拌接合ユニット１８が接続されている。

【0025】

摩擦攪拌接合ユニット１８は、図２Ａに示すように、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を有するＺ軸上下動駆動機構部３と、主軸支持部４を介してＺ軸上下動駆動モータ１６（Ｚ軸上下動駆動機構部３）に取り付けられた主軸１５及び主軸ハウジング１７と、主軸ハウジング１７の内部に配置されたツールホルダ（接合ヘッド）５と、ツールホルダ（接合ヘッド）５に支持された接合ツール６と、接合ツール６に間接的に連結されて接合ツール６を所定の回転数で回転させる主軸モータ１４とを有して構成されている。

【0026】

主軸モータ１４を所定の回転速度で回転させて回動力を発生させ、主軸モータ１４の回転軸に取り付けられた駆動側回転体（プーリー等）２０と、接合ツール６に取り付けられた従動側回転体（プーリー等）１９と、駆動側回転体２０と従動側回転体１９とを接続する接合手段（ベルト等）２１とを含んで構成する回動力伝達機構を介して主軸モータ１４の回動力を間接的に接合ツール６に伝達する。

【0027】

Ｚ軸上下動駆動機構部３には、図２Ａに例示するように、例えばボールスクリューやリニアガイドなどが用いられ、Ｚ軸上下動駆モータ１６により多関節ロボットアーム２の手首部２ｇ（主軸支持部４）に対して主軸１５をＺ軸方向（上下方向）に駆動させることができる。

【0028】

接合ツール６はショルダ部７及びプローブ部（接合ピン）８で構成され、従動側回転体１９、駆動側回転体２０、接合手段２１を介して、主軸モータ１４と間接的に連結されている。主軸モータ１４は、接合ツール６を所定方向に回転させる。

【0029】

多関節ロボットアーム２は、Ｚ軸上下動駆動機構部３を介して主軸支持部４及び主軸１５、主軸ハウジング１７を支持し、多関節ロボットアーム２に搭載（付属）された制御部（制御装置）１１からＺ軸上下駆動モータ１６と主軸モータ１４に駆動信号を付与して主軸１５をＺ軸方向（上下方向）に駆動および接合ツール６を回転させながら接合線に沿って進行させる。つまり、多関節ロボットアーム２は、主軸支持部４と、主軸１５と、ツールホルダ（接合ヘッド）５を保持し、接合ツール６を回転させると共に、接合ツール６を図１のＸ軸方向に移動させる。

【0030】

接合ツール６を所定の回転数で回転させながら、載置台１０上に載置された被接合部材９（９ａ，９ｂ）表面の接合線上にショルダ部７とプローブ部８とを押し付けることにより摩擦熱を発生させて被接合部材９を軟化させ、ショルダ部７とプローブ部８とを被接合部材９に必要量挿入し、当該回転数を保持することで塑性流動が生じ、挿入部が攪拌される。接合ツール６を引き抜く、又は移動することで攪拌部（接合部）が冷却され、被接合部材９は接合される。

【0031】

なお、ショルダ部７とプローブ部（接合ピン）８とが同一である接合ツール（つまりプローブを有さず、ショルダのみ）であっても良く、また、ショルダ部７が回転しない構造であっても良い。

【0032】

また、図１では、多関節ロボットアーム２と載置台１０が同じ架台１２及び架台の脚部１３上に設置されている例を示しているが、多関節ロボットアーム２と載置台１０を別々に設置しても良い。

【0033】

ロボット型摩擦攪拌接合装置１は、モータコントローラーやＣＰＵユニットなどが収納された制御部（制御装置）１１を備えており、この制御部（制御装置）１１からの指令（プログラム信号）により多関節ロボットアーム２の動きと摩擦攪拌接合ユニットの接合条件を総合的にコントロールする。

【0034】

制御部（制御装置）１１は、接合ツール６による接合条件を決定する接合条件信号やＺ軸上下動駆動機構部３による接合ツール６の鉛直方向（Ｚ方向）の保持位置（接合ピン８の挿入量）を決定する保持位置決定信号などの接合パラメータ（ＦＳＷ接合条件）を記憶する記憶部（図示せず）を備えている。

【0035】

なお、制御部１１は、例えば多関節ロボットアーム２の台座部２ａ等に内蔵しても良く、図１のように制御装置として多関節ロボットアーム２とは別に構成しても良い。また、摩擦攪拌接合ユニットの制御部は、多関節ロボットアーム２の制御部とは共用してもよいし、別に構成しても良い。

【0036】

ここで、本実施例のロボット型摩擦攪拌接合装置１は、回転振動抑制機構を備えて構成されている。回転振動抑制機構により、接合ツール６が被接合部材９の固相接合を開始してから固相接合を終了するまで、接合方向に対して接合ツール６の横方向の動作範囲を制限することにより、接合ツール６の回転ブレによる蛇行を抑制する。

【0037】

図２Ａ及び図２Ｂに、回転振動抑制機構の概略構成を示す。

【0038】

回転振動抑制機構は、接合ツール６を回転させる主軸１５を収納する主軸ハウジング１７に取り付けたガイド受け部材２４と、被接合部材９を載置する載置台１０の載置面に接合ツール６の接合方向に直交する方向に対向して配置された一対のガイド支持部材２２と、ガイド支持部材２２に支持されて目標深度において少なくともガイド受け部材２４の側面の一部と載置面からの垂直方向の位置が同じである係合状態となるようにガイド受け部材２４の両側に配された一対のガイド部材２３と、を含んで構成されている。

【0039】

なお、目標深度は、被接合部材９の接合条件（被接合部材９の材質及び厚さ）によって定めるものであり、目標深度まで接合ツール６を被接合部材９に挿入して固相接合することで高品質の接合精度を得ることが可能となる。

【0040】

回転ブレは、接合ツール６、主軸１５、主軸ハウジング１７に同様に生じることとなる。従って、主軸ハウジング１７の回転ブレを抑制することで主軸１５及び接合ツール６の回転ブレも抑制することが可能となる。

【0041】

回転振動抑制機構では、接合ツール６を挿入ステップにより挿入した位置、すなわち接合開始位置である接合ステップの開始位置から接合ステップの終了位置まで、主軸ハウジング１７に取り付けたガイド受け部材２４と、接合ツール６を目標深度に挿入してガイド受け部材２４と係合状態となる一対のガイド部材２３とにより、主軸ハウジング１７を挟持することにより主軸ハウジング１７の横方向の動作範囲を制限して回転ブレを抑制する。

【0042】

ガイド受け部材２４は、図４Ａに示すように、主軸１５を収納する主軸ハウジング１７に、例えば、スベリ加工部材２６を取り付けて構成する。

【0043】

なお、ガイド受け部材２４は、図４Ａに示すように、ガイド部材２３と係合する位置において主軸ハウジング１７の外周全体に配置してもよいし、図４Ｃに示すように、ガイド部材２３と接触する一部分だけに配置してもよい。

【0044】

また、図５に示すように、接合ツール６（接合ピン８）の偏心力のより大きいＲＳ（Retreating Side:リトリーティングサイド）においては、ガイド受け部材２４とガイド部材２３とが常に接触するように、接合ツール６（接合ピン８）を目標深度に挿入した時点においてガイド受け部材２４と対応するガイド部材２３とを接触させる。

【0045】

一方、ＡＳ（Advancing Side：アドバンシングサイド）においては、挿入ステップにおいて接合ツール６（接合ピン８）をスムーズに挿入するために、接合ツール６（接合ピン８）を目標深度に挿入した時点において、ガイド受け部材２４と対応するガイド部材２３との間に若干のクリアランス（Ｇ：ギャップ）を設ける。

【0046】

ガイド受け部材２４とガイド部材２３とは、接触しても接合ツール６の進行の妨げとならないように、接触部を次のように構成する。

【0047】

ガイド受け部材２４とガイド部材２３との接触する部分において、ガイド受け部材２４またはガイド部材２３の何れか一方に、接合ツール６の進行を補助する進行補助部材を取り付ける。進行補助部材は、ガイド受け部材２４とガイド部材２３との接触部に摩擦係数を小さくしてスリップさせるようにスリップ加工したる摺動体を取り付けるか、回転自在な回転体を取り付ける。

【0048】

本実施例では、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、進行補助部材として、主軸ハウジング１７の外周部にスベリ加工部材２６を取り付けている。回転自在な回転体等、他の構成例については、実施例２以降で後述する。

【0049】

ガイド受け部材２４は、ＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３に接触したときにスリップするように外側面部をスリップ加工した摺動面を有する摺動体を主軸ハウジング１７の外周部の一部にまたは全周を囲むように取り付けて進行補助部材を構成する。ガイド受け部材２４及びガイド部材２３は、それぞれ接触する部分を平坦加工または曲面加工する。

【0050】

なお、図４Ｄに示すように、主軸ハウジング１７に段加工を施し、その段差部分にスベリ加工部材２６を取り付けることも可能である。

【0051】

また、スベリ加工部材２６を張り付けずに、主軸ハウジング１７に直接スベリ加工を施してもよい。

【0052】

また、主軸ハウジング１７側にスベリ加工部材２６を取り付けるのに替えて、ガイド部材２３側にスベリ加工部材２６またはスベリ加工を設けることも可能である。ＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３は、ガイド受け部材２４に接触したときにスリップするように、ＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３のガイド受け部材側側面部を少なくとも接合ツール６の接合開始位置から接合終了位置までスリップ加工した摺動面を有する摺動体を取り付けて進行補助部材を構成する。

【0053】

ガイド受け部材２４のＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３に接触する部分は、平坦加工または曲面加工する。

【0054】

次に、図３を用いて、主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係について説明する。図３に示すように、接合ツール位置は主軸モータ１４の負荷率と関係がある。

【0055】

プローブ部（接合ピン）８を被接合部材９に接触させて接合ツール６の挿入を開始すると、接合ツール位置が深くなるに従い主軸モータ１４の負荷率は上昇する。

【0056】

接合ツール６の挿入中にショルダ部７が被接合部材９に接触すると、主軸モータ１４の負荷率の上昇率は一時的に低下するが、接合ツール６の挿入がさらに進むと、主軸モータ１４の負荷率の上昇率は再び上昇する。

【0057】

接合ツール６の挿入時の目標負荷率又は目標接合ツール位置に到達した時点で、接合ツール６の挿入処理を終了し、接合ツール位置を固定した状態で、接合ツール６を一定の時間回転させて被接合部材９への入熱処理を行う。

【0058】

その後、被接合部材９の摩擦攪拌接合処理を行う。摩擦攪拌接合処理の間は、主軸モータ負荷率と接合ツール位置をともに一定の値（目標値）を保持するように、主軸モータ１４及びＺ軸上下動駆動モータ１６の駆動を制御する。

【0059】

摩擦攪拌接合処理が終了した時点で、接合ツール６の引き抜きを開始すると、接合ツール位置が浅くなるに従い主軸モータ１４の負荷率は低下する。

【0060】

ここで、図３及び図５を参照しながら、上記で説明した本実施例の回転振動抑制機構を備えた摩擦攪拌接合装置の動作を説明する。

【0061】

先ず、挿入ステップにおいては、次のように接合ツール６を挿入する。

【0062】

主軸１５を目標回転速度で回転させながら、ＡＳガイド部材２３とＲＳガイド部材２３の中央を狙いＡＳガイド及びＲＳガイドの両ガイドに干渉しないように下降移動し、被接合部材９の接合開始位置に挿入していく。接合ツール６が目標深度に到達するまで主軸１５を下降移動して接合ツール６を挿入する。接合ツール６が被接合部材９に目標深度に到達したら主軸１５の下降移動を停止する。

【0063】

この時点において、被接合部材９に変形抵抗による反力が生じていると、偏心力によりＲＳにおいてガイド受け部材２４と対応するガイド部材２３とが接触することとなる。一方、ＡＳにおいてはガイド受け部材２４と対応するガイド部材２３との間に所定のクリアランス（Ｇ：ギャップ）を確保した状態である。

【0064】

なお、接合ツール６が被接合部材９の表面に接触する前段階において主軸１５をＲＳ方向に移動してＲＳのガイド受け部材２４と対応するガイド部材２３とが接触する位置にポジショニングしても良い。

【0065】

また、クリアランス（Ｇ：ギャップ）の大きさについては、摩擦攪拌接合装置の実運用を開始する前段階において、試験接合などを行い設定すればよい。

【0066】

入熱ステップにおいては、挿入ステップにおいて接合ツール６を挿入した位置において、接合部が所望の入熱状態となるまで目標回転速度で接合ツール６を回転する。

【0067】

接合ステップにおいては、次のように接合ツール６を進行して接合する。

【0068】

ガイド受け部材２４がＲＳガイド部材２３と接触し、ＡＳガイド部材２３との間に所定のクリアランス（Ｇ：ギャップ）を有する形でＲＳガイド部材２３とＡＳガイド部材２３によりガイド受け部材２４を挟持しながら、目標回転速度で回転しながら接合方向に進行する。

【0069】

偏心力はＲＳガイド部材方向により大きくなるので、通常はこの状態が保持してＲＳガイド部材側の回転ブレを抑制し、偏心力がＡＳガイド部材方向に大きくなっても設定したクリアランス（Ｇ：ギャップ）に到達した時点で横方向の回転ブレを抑制することとなる。

【0070】

つまり、ＲＳガイド部材方向に偏心力が大きいときはＲＳガイド部材２３で主軸１５の横方向の回転ブレを抑制し、ＡＳガイド部材方向に偏心力が大きいときはＡＳガイド部材２３で主軸１５の横方向の回転ブレを抑制することで接合ツール６の蛇行を抑制する。この状態を接合ツール６の接合開始位置から接合終了位置まで継続して、接合ステップにおいて回転ブレによる接合ツールの蛇行を抑制する。

【0071】

抜去（引抜）ステップにおいては、接合ステップが終了したら接合ツール６を被接合部材９から引き抜く。

【0072】

以上により、回転ブレによる接合ツール６の蛇行を抑制し、高精度の接合品質を確保することが可能となる。

【0073】

なお、図２Ｂに示すように、被接合部材９を部材クランプ２５により載置台１０に固定することにより、摩擦攪拌接合時の被接合部材９のズレを防止し、より高精度な摩擦攪拌接合を行うことができる。

【実施例2】

【0074】

図６Ａから図６Ｃを参照して、本発明の実施例２の摩擦攪拌接合装置について説明する。本実施例は、実施例１で説明したスベリ加工部材２６に替えて、ベアリングを用いた実施例である。

【0075】

図６Ａは、本実施例のガイド受け部材２４の上面図であり、図６Ｂは、図６Ａの側面図である。図６Ｃは、図６Ｂの変形例（変形例３）である。

【0076】

ガイド受け部材２４は、ＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３に接触したときに回転するように回転自在な環状体を主軸ハウジング１７の外周部を囲むように取り付けて構成されている。ガイド受け部材２４及びガイド部材２３は、それぞれ接触する部分を平坦加工または曲面加工する。

【0077】

なお、環状体は、主軸ハウジング１７に固定して取り付ける部材とベアリングによって接合ツールの接合方向に回転自在な回転部材とで構成する。

【0078】

また、ガイド部材２３に当接するベアリングの外周部（進行補助部材２７）を交換可能に構成することで、ベアリングの外周部が摩耗した際に、ベアリング全体を交換する必要がないため、コスト的なメリットが得られる。

【0079】

本実施例においても、図６Ｃに示すように、主軸ハウジング１７に段加工を施し、その段差部分にベアリングを取り付けることも可能である。

【実施例3】

【0080】

図７Ａから図７Ｃを参照して、本発明の実施例３の摩擦攪拌接合装置について説明する。本実施例は、実施例２で説明したベアリングに替えて、トラックボール型回転体を用いた実施例である。

【0081】

図７Ａは、本実施例のガイド受け部材２４の上面図であり、図７Ｂは、図７Ａの側面図である。図７Ｃは、図７Ｂの変形例（変形例４）である。

【0082】

ガイド受け部材２４は、ＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３に接触したときに回転するように回転自在なトラックボール型回転体を主軸ハウジング１７の外周部においてＲＳガイド部材２３との接触部、及びＡＳガイド部材２３との接触部に少なくともそれぞれ一つ取り付けて進行補助部材を構成する。

【0083】

ガイド部材２３は、トラックボール型回転体と接触する部分を平坦加工または曲面加工する。

【0084】

また、主軸ハウジング１７側にトラックボール型回転体を取り付けるのに替えて、ガイド部材２３側にトラックボール型回転体を設けることも可能である。ＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３は、ガイド受け部材２４に接触したときに回転するようにＲＳガイド部材２３及びＡＳガイド部材２３のガイド受け部材側側面部に回転自在なトラックボール型回転体を少なくとも接合ツール６の接合開始位置から接合終了位置まで所定の間隔で複数個取り付けて進行補助部材を構成する。

【0085】

トラックボール型回転体を取り付ける間隔は、摩擦攪拌接合装置の実運用を開始する前段階において、試験接合などを行って設定し、ＲＳガイド部材２３に設定する間隔とＡＳガイド部材２３に設定する間隔を同じにする。

【0086】

なお、トラックボール型回転体は、ガイド部材２３と当接する位置にあればよく、例えば、２箇所に設置してもよい。主軸ハウジング１７の向きを変えずに直角に進行方向を変える場合は、上下左右の４箇所以上に設置するのが望ましく、斜めに進行方向を変える場合は、斜めの進行方向軌跡に合わせた位置にも必要である。

【実施例4】

【0087】

図８を参照して、本発明の実施例４の摩擦攪拌接合装置について説明する。本実施例は、主軸１５及び主軸ハウジング１７の先端付近をキャップ状のガイド受け部材２４で覆い、ガイド部材２３と当接する先端付近に、実施例１から３で説明した構成を適用する実施例である。

【0088】

ガイド受け部材２４のガイド部材２３と当接する部分の消耗が激しいことが想定されるため、主軸１５及び主軸ハウジング１７の先端付近をキャップ状のガイド受け部材２４（進行補助部材２７）で覆う構成とすることで、ワンタッチで交換することができる。

【0089】

以上、進行補助部材２７の取り付け方の組み合わせについて詳述したが、上記の組み合わせに限定されるものではなく、進行補助部材２７をＲＳにおいてはガイド受け部材２４に取り付け、ＡＳにおいてはガイド部材２３に取り付ける組みあわせ、また、この逆の組み合わせでもよい。しかしながら、コストなどの点を考慮すると、ＲＳ及びＡＳの両側においてガイド受け部材２４に進行補助部材２７を取り付けるのが好適である。進行補助部材２７は消耗品であるため、ガイド受け部材２４に進行補助部材２７を取り付けるほうが交換するときに作業性が良い。

【0090】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0091】

１…ロボット型摩擦攪拌接合装置、２…多関節ロボットアーム、２ａ…台座部、２ｂ…脚部、２ｃ…下腕部、２ｄ…上腕部、２ｅ，２ｆ，２ｇ…手首部、３…Ｚ軸上下動駆動機構部、４…主軸支持部、５…ツールホルダ（接合ヘッド）、６…接合ツール、７…ショルダ部、８…プローブ部（接合ピン）、９，９ａ，９ｂ…被接合部材、１０…載置台、１１…制御部（制御装置）、１２…架台、１３…架台の脚部、１４…主軸モータ、１５…主軸、１６…Ｚ軸上下動駆動モータ、１７…主軸ハウジング、１８…摩擦攪拌接合ユニット、１９…従動側回転体（プーリー）、２０…駆動側回転体（プーリー）、２１…接合手段（ベルト）、２２…ガイド支持部材、２３…ガイド部材、２４…ガイド受け部材、２５…部材クランプ、２６…スベリ加工部材、２７…進行補助部材、２８…トラックボール、Ｇ…ギャップ。

【要約】      （修正有）

【課題】接合ツールの回転ブレによる蛇行を抑制し、精度よく接合線に従って接合ツールを進行させることが可能な信頼性の高い摩擦攪拌接合装置を提供する。
【解決手段】接合ツール６を目標回転速度で回転させながら被接合部材９に目標深度まで挿入し、前記被接合部材９の挿入部およびその近傍を軟化させ、前記接合ツール６を進行させて前記被接合部材を固相接合する摩擦攪拌接合装置１８であって、前記摩擦攪拌接合装置１８は、前記接合ツール６が接合方向に進行しながら前記被接合部材９を固相接合する際に、進行補助部材を介して接合ツール６の進行を妨げることなく主軸ハウジング１７を挟持して前記接合方向に対して前記主軸ハウジング１７の横方向の動作範囲を連続的に制限することにより回転ブレによる蛇行を抑制する回転振動抑制機構を備えることを特徴とする。
【選択図】図２Ｂ

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】