特開 2022-15562 摩擦攪拌点接合装置及び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】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022015562

(43)【公開日】2022-01-21

(54)【発明の名称】摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20220114BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 340

B23K20/12 310

B23K20/12 344

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020118486

(22)【出願日】2020-07-09

(71)【出願人】

【識別番号】000107538

【氏名又は名称】株式会社ＵＡＣＪ

(71)【出願人】

【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】近野 佑太郎

(72)【発明者】

【氏名】三宅 将弘

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167AA01

4E167AA06

4E167AA27

4E167BG03

4E167BG04

4E167BG06

4E167BG08

4E167BG09

4E167BG11

4E167BG12

4E167BG13

4E167BG25

4E167BG26

(57)【要約】

【課題】厚みの大きな被接合物を接合する場合に、接合時間の増加を抑制し得る、摩擦攪拌点接合装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ピン部材１１と、ショルダ部材１２と、回転駆動器５７と、進退駆動器５３と、ピン部材１１及びショルダ部材１２が、第１回転数で回転した状態で、被接合物６０を第１押圧力で押圧するように、回転駆動器５７及び進退駆動器５３を駆動させる（Ａ）と、（Ａ）を実行した後に、ショルダ部材１２が、回転した状態で、その先端が第１位置に圧入されるように、回転駆動器５７及び進退駆動器５３を駆動させる（Ｂ）と、を実行する、制御器５１と、を備え、第１位置が、被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して４６％以上の位置であり、ショルダ部材１２は、第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている、摩擦攪拌点接合装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円柱状に形成されているピン部材と、
円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、
前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、
前記第１位置が、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、前記ショルダ部材は、前記第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている、摩擦攪拌点接合装置。

【請求項2】

前記ショルダ部材は、前記第１押圧力で前記被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合装置。

【請求項3】

円柱状に形成されているピン部材と、
円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、
前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、
前記ショルダ部材は、前記第１押圧力で前記被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている、摩擦攪拌点接合装置。

【請求項4】

前記第１位置が、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、前記ショルダ部材は、前記第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている、請求項３に記載の摩擦攪拌点接合装置。

【請求項5】

前記第１位置は、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して１００％以下の位置である、請求項１～４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合装置。

【請求項6】

円柱状に形成されているピン部材と、
円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、前記第１位置が、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、前記ショルダ部材は、前記第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている、摩擦攪拌点接合方法。

【請求項7】

前記ショルダ部材は、前記第１押圧力で前記被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている、請求項６に記載の摩擦攪拌点接合方法。

【請求項8】

円柱状に形成されているピン部材と、
円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、
前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、
前記ショルダ部材は、前記第１押圧力で前記被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている、摩擦攪拌点接合方法。

【請求項9】

前記第１位置が、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、前記ショルダ部材は、前記第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている、請求項８に記載の摩擦攪拌点接合方法。

【請求項10】

前記第１位置は、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して１００％以下の位置である、請求項６～９のいずれか１項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、摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車、鉄道車両、航空機等の輸送機器においては、金属材料を連結するときには、抵抗スポット溶接又はリベット接合が用いられていた。しかしながら、近年では、摩擦熱を利用して金属材料を接合する方法（摩擦攪拌点接合方法）が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に開示されている摩擦攪拌点接合方法では、略円柱状のピン部材と、該ピン部材を内挿するための中空を有する略円筒状のショルダ部材と、が、被接合物を接合するために用いられていて、以下に示すように、ピン部材とショルダ部材（ツール）を作動（駆動）させる工具駆動部を制御している。

【0004】

すなわち、ピン部材の先端面の断面積をＡｐ、ショルダ部材の先端面の断面積をＡｓ、ピン部材が被接合物の表面から圧入したときの圧入深さをＰｐ、ショルダ部材が被接合物の表面から圧入したときの圧入深さをＰｓとしたときに、Ａｐ・Ｐｐ＋Ａｓ・Ｐｓ＝Ｔｘで定義されるツール平均位置Ｔｘの絶対値を小さくするように、工具駆動部を制御している。

【0005】

これにより、接合条件に応じて好適な精度で良好な接合品質を実現し得るとともに、内部空洞欠陥の発生を防止または抑制することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【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】

【0007】

ところで、本発明者等は、上記特許文献１に開示されている摩擦攪拌点接合方法であっても、ショルダ部材の圧入深さを大きくすると、圧入速度が小さくなり、接合時間がかかる場合があることを見出し、本発明を想到した。

【0008】

本発明は、複動式の摩擦攪拌点接合装置において、厚みの大きな被接合物を接合する場合に、接合時間が増加することを抑制し得る、摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点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】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明に係る摩擦攪拌点接合装置は、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、前記第１位置が、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、前記ショルダ部材は、前記第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている。

【0010】

これにより、厚みの大きな被接合物を接合する場合であっても、ショルダ部材の圧入速度を一定にすることができ、接合時間が増加することを抑制し得る。

【0011】

また、本発明に係る摩擦攪拌点接合装置は、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、前記ショルダ部材は、前記第１押圧力で前記被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている。

【0012】

これにより、厚みの大きな被接合物を接合する場合であっても、ショルダ部材の圧入速度を一定にすることができ、接合時間が増加することを抑制し得る。

【0013】

また、本発明に係る摩擦攪拌点接合方法は、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、前記第１位置が、前記被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、前記ショルダ部材は、前記第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている。

【0014】

これにより、厚みの大きな被接合物を接合する場合であっても、ショルダ部材の圧入速度を一定にすることができ、接合時間が増加することを抑制し得る。

【0015】

また、本発明に係る摩擦攪拌点接合方法は、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、前記ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、前記ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、前記ピン部材及び前記ショルダ部材を、それぞれ前記軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記ピン部材及び前記ショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、前記（Ａ）を実行した後に、前記ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、前記回転駆動器及び前記進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、前記ショルダ部材は、前記第１押圧力で前記被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている。

【0016】

これにより、厚みの大きな被接合物を接合する場合であっても、ショルダ部材の圧入速度を一定にすることができ、接合時間が増加することを抑制し得る。

【0017】

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法によれば、厚みの大きな被接合物を接合する場合であっても、ショルダ部材の圧入速度を一定にすることができ、接合時間が増加することを抑制し得る。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の概略構成を示す模式図である。

【図2】図２は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置の制御構成を模式的に示すブロック図である。

【図3】図３は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【図4A】図４Ａは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。

【図4B】図４Ｂは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。

【図5】図５は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図6】図６は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図7】図７は、比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図8】図８は、実施例１、実施例２、及び比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図9】図９は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例２の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図10】図１０は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例２の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図11】図１１は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例３の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図12】図１２は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例４の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図13】図１３は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例３の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図14】図１４は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例４の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【図15】図１５は、実施例１、実施例２、及び比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、摩擦攪拌点接合した被接合物の断面写真である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素を抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している場合がある。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

【0021】

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置は、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、ピン部材及びショルダ部材を、ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、ピン部材及びショルダ部材を、それぞれ軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、制御器は、ピン部材及びショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、（Ａ）を実行した後に、ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、第１位置が、被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、ショルダ部材は、第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている。

【0022】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置では、ショルダ部材が、第１押圧力で被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されていてもよい。

【0023】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置は、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、ピン部材及びショルダ部材を、ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、ピン部材及びショルダ部材を、それぞれ軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、制御器は、ピン部材及びショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、（Ａ）を実行した後に、ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、ショルダ部材は、第１押圧力で被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている。

【0024】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置では、第１位置が、被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、ショルダ部材は、第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されていてもよい。

【0025】

さらに、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置では、第１位置は、被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して１００％以下の位置であってもよい。

【0026】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の運転方法は、摩擦攪拌点接合装置が、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、ピン部材及びショルダ部材を、ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、ピン部材及びショルダ部材を、それぞれ軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、制御器は、ピン部材及びショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、（Ａ）を実行した後に、ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、第１位置が、被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、ショルダ部材は、第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている。

【0027】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の運転方法では、ショルダ部材が、第１押圧力で被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されていてもよい。

【0028】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の運転方法は、摩擦攪拌点接合装置が、円柱状に形成されているピン部材と、円筒状に形成され、ピン部材が内部に挿通されているショルダ部材と、ピン部材及びショルダ部材を、ピン部材の軸心に一致する軸線周りに回転させる回転駆動器と、ピン部材及びショルダ部材を、それぞれ軸線に沿って進退移動させる進退駆動器と、制御器と、を備え、制御器は、ピン部材及びショルダ部材が、予め設定されている所定の第１回転数で回転した状態で、被接合物を予め設定されている所定の第１押圧力で押圧するように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ａ）と、（Ａ）を実行した後に、ショルダ部材が、回転した状態で、その先端が予め設定されている所定の第１位置まで圧入されるように、回転駆動器及び進退駆動器を駆動させる（Ｂ）と、を実行するように構成され、ショルダ部材は、第１押圧力で被接合物を押圧した場合に、先端面の面圧が２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように構成されている。

【0029】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の運転方法では、第１位置が、被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して４６％以上の位置であり、ショルダ部材は、第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されていてもよい。

【0030】

さらに、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の運転方法では、第１位置が、被接合物の表面から、当該被接合物の厚みに対して１００％以下の位置であってもよい。

【0031】

以下、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0032】

［摩擦攪拌点接合装置の構成］
図１は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の概略構成を示す模式図である。なお、図１においては、図における上下方向を摩擦攪拌点接合装置における上下方向として表している。

【0033】

図１に示すように、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、進退駆動器５３、クランプ部材１３、裏当て支持部５５、裏当て部材５６、及び回転駆動器５７を備えている。

【0034】

ピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、進退駆動器５３、クランプ部材１３、及び回転駆動器５７は、Ｃ型ガン（Ｃ型フレーム）で構成される裏当て支持部５５の上端に設けられている。また、裏当て支持部５５の下端には、裏当て部材５６が設けられている。ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３と、裏当て部材５６と、は互いに対向する位置で裏当て支持部５５に取り付けられている。なお、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３と、裏当て部材５６と、の間には、被接合物６０が配置される。

【0035】

ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、回転工具固定器５２１及びクランプ固定器５２２から構成される工具固定器５２に固定されている。具体的には、ピン部材１１及びショルダ部材１２は、回転工具固定器５２１に固定されていて、クランプ部材１３は、クランプ駆動器４１を介して、クランプ固定器５２２に固定されている。そして、回転工具固定器５２１は、回転駆動器５７を介して、クランプ固定器５２２に支持されている。なお、クランプ駆動器４１は、スプリングにより構成されている。

【0036】

また、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、ピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２から構成される進退駆動器５３によって、上下方向に進退駆動される。

【0037】

ピン部材１１は、円柱状に形成されていて、図１には、詳細に図示されないが、回転工具固定器５２１により支持されている。また、ピン部材１１は、回転駆動器５７により、ピン部材１１の軸心に一致する軸線Ｘｒ（回転軸）周りに回転し、ピン駆動器５３１により、矢印Ｐ１方向、すなわち軸線Ｘｒ方向（図１では上下方向）に沿って、進退移動可能に構成されている。

【0038】

なお、ピン駆動器５３１としては、例えば、直動アクチュエータで構成されていてもよい。直動アクチュエータとしては、例えば、サーボモータとラックアンドピニオン、サーボモータとボールネジ、又はエアシリンダー等で構成されていてもよい。

【0039】

ショルダ部材１２は、中空を有する円筒状に形成されていて、回転工具固定器５２１により支持されている。ショルダ部材１２の中空内には、ピン部材１１が内挿されている。換言すると、ショルダ部材１２は、ピン部材１１の外周面を囲むように配置されている。

【0040】

また、ショルダ部材１２は、回転駆動器５７により、ピン部材１１と同一の軸線Ｘｒ周りに回転し、ショルダ駆動器５３２により、矢印Ｐ２方向、すなわち軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。

【0041】

なお、ショルダ駆動器５３２としては、例えば、直動アクチュエータで構成されていてもよい。直動アクチュエータとしては、例えば、サーボモータとラックアンドピニオン、サーボモータとボールネジ、又はエアシリンダー等で構成されていてもよい。

【0042】

このように、ピン部材１１及びショルダ部材１２（回転工具）は、本実施の形態ではいずれも同一の回転工具固定器５２１によって支持され、いずれも回転駆動器５７により軸線Ｘｒ周りに一体的に回転する。さらに、ピン部材１１及びショルダ部材１２は、ピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２により、それぞれ軸線Ｘｒ方向に沿って進退移動可能に構成されている。

【0043】

なお、本実施の形態１においては、ピン部材１１は単独で進退移動可能であるとともに、ショルダ部材１２の進退移動に伴っても進退移動可能となっているが、ピン部材１１及びショルダ部材１２がそれぞれ独立して進退移動可能に構成されてもよい。

【0044】

クランプ部材１３は、ショルダ部材１２と同様に、中空を有する円筒状に形成されていて、その軸心が軸線Ｘｒと一致するように設けられている。クランプ部材１３の中空内には、ショルダ部材１２が内挿されている。

【0045】

すなわち、ピン部材１１の外周面を囲むように、円筒状のショルダ部材１２が配置されていて、ショルダ部材１２の外周面を囲むように円筒状のクランプ部材１３が配置されている。換言すれば、クランプ部材１３、ショルダ部材１２及びピン部材１１が、それぞれ同軸心状の入れ子構造となっている。

【0046】

また、クランプ部材１３は、被接合物６０を一方の面（表面）から押圧するように構成されている。クランプ部材１３は、上述したように、本実施の形態１においては、クランプ駆動器４１を介してクランプ固定器５２２に支持されている。クランプ駆動器４１は、クランプ部材１３を裏当て部材５６側に付勢するように構成されている。そして、クランプ部材１３（クランプ駆動器４１及びクランプ固定器５２２を含む）は、ショルダ駆動器５３２によって、矢印Ｐ３方向（矢印Ｐ１及び矢印Ｐ２と同方向）に進退可能に構成されている。

【0047】

なお、クランプ駆動器４１は、本実施の形態１においては、スプリングで構成したが、これに限定されるものではない。クランプ駆動器４１は、クランプ部材１３に付勢を与えたり加圧力を与えたりする構成であればよく、例えば、ガス圧、油圧、サーボモータ等を用いた機構も好適に用いることができる。

【0048】

ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、それぞれ先端面１１ａ、先端面１２ａ、及び先端面１３ａを備えている。また、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３は、進退駆動器５３により進退移動することで、先端面１１ａ、先端面１２ａ、及び先端面１３ａは、それぞれ、被接合物６０の表面（被接合物６０の被接合部）に当接し、被接合物６０を押圧する。

【0049】

また、ショルダ部材１２の先端面１２ａの直径が９．０ｍｍである場合に、ピン部材１１の先端面１１ａの直径は、圧入速度の低下を抑制する観点から、５．０ｍｍより大きくてもよく、５．５ｍｍ以上であってもよい。また、ショルダ部材１２の先端面１２ａの直径が９．０ｍｍである場合に、ピン部材１１の先端面１１ａの直径は、ショルダ部材１２の破損を抑制する観点から、６．０ｍｍ以下であってもよい。

【0050】

換言すると、ショルダ部材１２は、圧入速度の低下を抑制する観点から、その先端面１２ａの面積が、４３．９８ｍｍ^２より小さくてもよく、３９．８６ｍｍ^２以下であってもよい。また、ショルダ部材１２は、当該ショルダ部材１２の破損を抑制する観点から、３５．３４ｍｍ^２以上であってもよい。

【0051】

裏当て部材５６は、本実施の形態１においては、平板状の被接合物６０の裏面を当接するように平坦な面（支持面５６ａ）により、支持するように構成されている。裏当て部材５６は、摩擦攪拌点接合を実施できるように被接合物６０を適切に支持することができるものであれば、その構成は特に限定されない。裏当て部材５６は、例えば、複数の種類の形状を有する裏当て部材５６が別途準備され、被接合物６０の種類に応じて、Ｃ型フレーム５５から外して交換できるように構成されてもよい。

【0052】

被接合物６０は、２枚の板状の第１部材６１及び第２部材６２を有する。第１部材６１及び第２部材６２としては、金属材料（例えば、アルミニウム、鋼等）、又は繊維強化プラスチック（例えば、炭素繊維強化プラスチック）で構成されていてもよい。また、第１部材６１の厚み寸法は、第２部材６２の厚み寸法以上であってもよい。

【0053】

なお、本実施の形態１においては、被接合物６０を板状の第１部材６１と板状の第２部材６２で構成されている形態を採用したが、これに限定されず、被接合物６０（第１部材６１及び第２部材６２）の形状は任意であり、例えば、直方体状であってもよく、円弧状に形成されていてもよい。また、被接合物６０は、３つ以上の部材を有していてもよい。

【0054】

また、本実施の形態１におけるピン部材１１、ショルダ部材１２、工具固定器５２、進退駆動器５３、クランプ部材１３、裏当て支持部５５、及び回転駆動器５７の具体的な構成は、前述した構成に限定されず、広く摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。例えば、ピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２は、摩擦攪拌接合の分野で公知のモータ及びギア機構等で構成されていてもよい。

【0055】

また、裏当て支持部５５は、本実施の形態１においては、Ｃ型ガンで構成されているが、これに限定されない。裏当て支持部５５は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３を進退移動可能に支持するとともに、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３に対向する位置に裏当て部材５６を支持することができれば、どのように構成されていてもよい。

【0056】

また、本実施の形態１においては、クランプ部材１３を備える構成を採用したが、これに限定されず、クランプ部材１３を備えていない構成を採用してもよい。この場合、例えば、クランプ部材１３は、必要に応じて裏当て支持部５５から着脱可能に構成されていてもよい。

【0057】

さらに、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、摩擦攪拌点接合用ロボット装置（図示せず）に配設される形態を採用している。具体的には、裏当て支持部５５が、ロボット装置のアームの先端に取り付けられている。

【0058】

このため、裏当て支持部５５も摩擦攪拌点接合用ロボット装置に含まれるとみなすことができる。裏当て支持部５５及びアームを含めて、摩擦攪拌点接合用ロボット装置の具体的な構成は特に限定されず、多関節ロボット等、摩擦攪拌接合の分野で公知の構成を好適に用いることができる。

【0059】

なお、摩擦攪拌点接合装置５０（裏当て支持部５５を含む）は、摩擦攪拌点接合用ロボット装置に適用される場合に限定されるものではなく、例えば、ＮＣ工作機械、大型のＣフレーム、及びオートリベッター等の公知の加工用機器にも好適に適用することができる。

【0060】

また、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０は、二対以上のロボットが、摩擦攪拌点接合装置５０における裏当て部材５６以外の部分と、裏当て部材５６と、を正対させるように構成されていてもよい。さらに、摩擦攪拌点接合装置５０は、被接合物６０に対して安定して摩擦攪拌点接合を行うことが可能であれば、被接合物６０を手持ち型にする形態を採用してもよく、ロボットを被接合物６０のポジショナーとして用いる形態を採用してもよい。

【0061】

［摩擦攪拌点接合装置の制御構成］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０の制御構成について、図２を参照しながら、具体的に説明する。

【0062】

図２は、図１に示す摩擦攪拌点接合装置の制御構成を模式的に示すブロック図である。

【0063】

図２に示すように、摩擦攪拌点接合装置５０は、制御器５１、記憶器３１、入力器３２、及び位置検出器３３を備えている。

【0064】

制御器５１は、摩擦攪拌点接合装置５０を構成する各部材（各機器）を制御するように構成されている。具体的には、制御器５１は、記憶器に記憶された基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、進退駆動器５３を構成するピン駆動器５３１及びショルダ駆動器５３２と、回転駆動器５７と、を制御する。

【0065】

これにより、ピン部材１１及びショルダ部材１２の進出移動又は後退移動の切り替え、進退移動時のピン部材１１及びショルダ部材１２における、先端位置の制御、移動速度、及び移動方向等を制御することができる。また、ピン部材１１、ショルダ部材１２及びクランプ部材１３の被接合物６０を押圧する押圧力を制御することができる。さらに、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転数を制御することができる。

【0066】

なお、制御器５１は、集中制御する単独の制御器５１によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御器５１によって構成されていてもよい。また、制御器５１は、マイクロコンピュータで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。

【0067】

また、制御器５１は、摩擦攪拌点接合として、ＩＳＯ１８７８５に記載の内容（態様）を含むように、摩擦攪拌点接合装置５０を構成する各部材（各機器）を制御してもよい。

【0068】

記憶器３１は、基本プログラム、各種データを読み出し可能に記憶するものであり、記憶器３１としては、公知のメモリ、ハードディスク等の記憶装置等で構成される。記憶器３１は、単一である必要はなく、複数の記憶装置（例えば、ランダムアクセスメモリ及びハードディスクドライブ）として構成されてもよい。制御器５１等がマイクロコンピュータで構成されている場合には、記憶器３１の少なくとも一部がマイクロコンピュータの内部メモリとして構成されてもよいし、独立したメモリとして構成されてもよい。

【0069】

なお、記憶器３１には、データが記憶され、制御器５１以外からデータの読み出しが可能となっていてもよいし、制御器５１等からデータの書き込みが可能になっていてもよいことはいうまでもない。

【0070】

入力器３２は、制御器５１に対して、摩擦攪拌点接合の制御に関する各種パラメータ、あるいはその他のデータ等を入力可能とするものであり、キーボード、タッチパネル、ボタンスイッチ群等の公知の入力装置で構成されている。本実施の形態１では、少なくとも、被接合物６０の接合条件、例えば、被接合物６０の厚み、材質等のデータが入力器３２により入力可能となっている。

【0071】

位置検出器３３は、ショルダ部材１２の先端（先端面１２ａ）の位置情報を検出して、検出した位置情報を制御器５１に出力するように構成されている。位置検出器３３としては、例えば、変位センサ、ＬＶＤＴ、エンコーダー等を用いてもよい。

【0072】

［摩擦攪拌点接合装置の動作（運転方法）］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０の動作について、図３、図４Ａ、及び図４Ｂを参照して具体的に説明する。なお、図４Ａ及び図４Ｂにおいては、被接合物６０として、第１部材６１及び第２部材６２を用い、これらを重ねて点接合にて連結する場合を例に挙げている。

【0073】

図３は、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。図４Ａ及び図４Ｂは、図１に示す摩擦攪拌点接合装置による摩擦攪拌点接合の各工程の一例を模式的に示す工程図である。

【0074】

なお、図４Ａ及び図４Ｂにおいては、摩擦攪拌点接合装置の一部を省略し、矢印ｒは、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転方向を示し、ブロック矢印Ｆは、第１部材６１及び第２部材６２に加えられる力の方向を示す。また、裏当て部材５６からも第１部材６１及び第２部材６２に対して力が加えられているが、説明の便宜上、図４Ａ及び図４Ｂには図示していない。さらに、ショルダ部材１２には、ピン部材１１及びクランプ部材１３との区別を明確とするために、網掛けのハッチングを施している。

【0075】

まず、作業者（操作者）が、裏当て部材５６の支持面５６ａに被接合物６０を載置する。ついで、作業者が入力器３２を操作して、制御器５１に被接合物６０の接合実行を入力する。なお、ロボットが、裏当て部材５６の支持面５６ａに被接合物６０を載置してもよい。

【0076】

すると、図３に示すように、制御器５１は、回転駆動器５７を駆動させて、ピン部材１１及びショルダ部材１２を予め設定されている所定の第１回転数（例えば、２００～３０００ｒｐｍ）で回転させる（ステップＳ１０１；図４Ａの工程（１）参照）。

【0077】

次に、制御器５１は、進退駆動器５３（ショルダ駆動器５３２）を駆動させて、ピン部材１１及びショルダ部材１２を回転させた状態で、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３を被接合物６０に接近させ、ピン部材１１の先端面１１ａ、ショルダ部材１２の先端面１２ａ、及びクランプ部材１３の先端面１３ａ（図４Ａ及び図４Ｂには図示せず）を被接合物６０の表面６０ｃに当接させる（ステップＳ１０２；図４Ａの工程（２）参照）。

【0078】

このとき、制御器５１は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３が予め設定されている所定の第１押圧力（例えば、３ｋＮ～１５ｋＮ）で被接合物６０を押圧するように、進退駆動器５３（ショルダ駆動器５３２）を制御する。

【0079】

これにより、クランプ部材１３４と裏当て部材５６とで第１部材６１及び第２部材６２が挟み込まれ、クランプ駆動器４１の収縮により、クランプ部材１３が被接合物６０の表面６０ｃ側に付勢され、クランプ力が発生する。

【0080】

また、この状態では、ピン部材１１及びショルダ部材１２共に進退移動しないので、被接合物６０の表面６０ｃを「予備加熱」することになる。これにより、第１部材６１の当接領域における構成材料が摩擦により発熱することで軟化し、被接合物６０の表面６０ｃ近傍に塑性流動部６０ａが生じる。

【0081】

次に、制御器５１は、ピン部材１１の先端面１１ａがショルダ部材１２の先端面１２ａに対して没入するように、進退駆動器５３を駆動する（ステップＳ１０３）。このとき、制御器５１は、ピン部材１１が被接合物６０から離れるように、進退駆動器５３（ピン駆動器５３１）を駆動してもよい。また、制御器５１は、ショルダ部材１２が被接合物６０内に圧入されるように、進退駆動器５３（ピン駆動器５３１）を駆動してもよい。

【0082】

次に、制御器５１は、位置検出器３３から、ショルダ部材１２の先端部の位置情報を取得する（ステップＳ１０４）。ついで、制御器５１は、ステップＳ１０４で取得したショルダ部材１２の先端部の位置情報が、予め設定されている所定の第１位置まで到達したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

【0083】

ここで、第１位置は、予め実験等により設定することができ、第１部材６１の表面（被接合物６０の表面６０ｃ）を０％とし、第２部材６２の支持面５６ａと当接する面を１００％とした場合に、０％より大きく、かつ、１００％以下の間で任意に設定される位置をいう。

【0084】

なお、圧入速度の低下を抑制する観点から、第１位置は、４６．０％以上であってもよく、５４．０％以上であってもよく、５７．５％以上であってもよい。また、ショルダ部材１２の破損を抑制する観点から、第１位置は、１００．０％以下であってもよく、８５．０％以下であってもよく、８０．０％以下であってもよい。

【0085】

これにより、被接合物６０の軟化部位は、上側の第１部材６１から下側の第２部材６２にまで及び、塑性流動部６０ａのボリュームが増加する。さらに、塑性流動部６０ａの軟化した材料はショルダ部材１２により押し退けられ、ショルダ部材１２の直下からピン部材１１の直下に流動するので、ピン部材１１は後退し、ショルダ部材１２に対して浮き上がる（図４Ａの工程（３）参照）。

【0086】

制御器５１は、ステップＳ１０４で取得したショルダ部材１２の先端部の位置情報が、第１位置まで到達していないと判定した場合（ステップＳ１０５でＮｏ）には、ステップＳ１０４に戻り、ステップＳ１０４で取得したショルダ部材１２の先端部の位置情報が、第１位置まで到達したと判定するまで、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の処理を繰り返す。

【0087】

一方、制御器５１は、ステップＳ１０４で取得したショルダ部材１２の先端部の位置情報が、第１位置まで到達したと判定した場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）には、ステップＳ１０６の処理を実行する。

【0088】

ステップＳ１０６では、制御器５１は、ピン部材１１が被接合物６０に向かって進むように、進退駆動器５３（ピン駆動器５３１）を駆動する、又は、制御器５１は、ショルダ部材１２が被接合物６０から離れるように、進退駆動器５３（ショルダ駆動器５３２）を駆動する。

【0089】

これにより、ピン部材１１が徐々に第１部材６１に向かって進み、ショルダ部材１２が第１部材６１から後退する（図４Ｂの工程（４）参照）。このとき、塑性流動部６０ａの軟化した部分は、ピン部材１１の直下からショルダ部材１２の直下（ショルダ部材１２の圧入により生じた凹部）に流動する。

【0090】

なお、制御器５１は、ピン部材１１の先端面１１ａが、第１位置に位置するように、進退駆動器５３を制御してもよい。また、制御器５１は、ピン部材１１の先端面１１ａが、第２部材６２内に到達するように、進退駆動器５３を制御してもよく、ピン部材１１の先端面１１ａが、第１部材６１内に位置するように、進退駆動器５３を制御してもよい。

【0091】

また、制御器５１は、ステップＳ１０３及び／又はステップＳ１０６の処理において、ピン部材１１の先端面１１ａの面積をＡｐ、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積をＡｓとし、ピン部材１１の圧入深さをＰｐ、ショルダ部材１２の圧入深さをＰｓとしたときに、次の式（Ｉ）
Ａｐ・Ｐｐ＋Ａｓ・Ｐｓ＝Ｔｘ ・・・ （Ｉ）
で定義されるツール平均位置Ｔｘの絶対値を小さくするように、進退駆動器５３を制御することが好ましく、ツール平均位置Ｔｘ＝０となるように、進退駆動器５３を制御することがより好ましい。なお、ツール平均位置Ｔｘの絶対値を小さくする具体的な制御については、特許文献１に詳細に開示されているため、ここでは、その説明を省略する。

【0092】

次に、制御器５１は、進退駆動器５３を制御して、ピン部材１１の先端面１１ａ及びショルダ部材１２の先端面１２ａを、互いに段差がほとんど生じない程度に合わせる（面一とする）（ステップＳ１０７；図４Ｂの工程（５）参照）。これにより、被接合物６０の表面６０ｃが整形され、実質的な凹部が生じない程度の略平坦な面が得られる。

【0093】

次に、制御器５１は、ピン部材１１、ショルダ部材１２、及びクランプ部材１３を被接合物６０から離間するように、進退駆動器５３を駆動させる（ステップＳ１０８）。ついで、制御器５１は、回転駆動器５７を制御して、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転を停止させ（ステップＳ１０９；図４Ｂの工程（６）参照）、一連の摩擦攪拌点接合（被接合物６０の接合工程）を終了させる。

【0094】

これにより、ピン部材１１及びショルダ部材１２の当接による回転（及び押圧）は第１部材６１及び第２部材６２に加えられなくなるので、第１部材６１、第２部材６２の双方に及ぶ塑性流動部６０ａでは、塑性流動が停止し、被接合部６０ｂとなる。

【0095】

このように構成された、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０では、ショルダ部材１２における被接合物６０への圧入の目標位置である、第１位置が、被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して４６％以上の位置である場合に、ショルダ部材１２は、第１位置に到達するまでの圧入速度が、一定速度となるように構成されている。

【0096】

具体的には、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積を小さくすることで、先端面１２ａの面圧を大きくしている。より詳細には、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積を４３．９８ｍｍ^２より小さくしている。なお、本実施の形態１においては、先端面１２ａの面積を３９．８６ｍｍ^２以下、かつ、３５．３４ｍｍ^２以上としている。

【0097】

これにより、後述する試験例に示すように、ショルダ部材１２の回転速度が同じである場合、先端面１２ａの面積が小さい方が、ショルダ部材１２の被接合物６０への圧入速度を大きくすることができる。

【0098】

また、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積を小さくすることは、換言すると、ピン部材１１の先端面１１ａの面積（先端面１１ａの直径）を大きくすることである。これにより、ショルダ部材１２の内方空間１２ｂ（図４Ａの工程（３）参照）の体積を大きくすることができる。

【0099】

このため、ショルダ部材１２の圧入深さが大きくなった場合であっても、塑性流動部６０ａの軟化した材料が、ショルダ部材１２の内方空間１２ｂ内に入り込みやすくなり、ショルダ部材１２の被接合物６０への圧入速度の低下を抑制する（圧入速度を一定にする）ことができる。

【0100】

したがって、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０では、厚みの大きな被接合物６０を接合する場合であっても、ショルダ部材１２の圧入速度を一定にすることができ、接合時間が増加することを抑制することができる。

【0101】

［試験例］
次に、本実施の形態１に係る摩擦攪拌点接合装置５０による、被接合物６０の接合試験について説明する。

【0102】

（実施例１）
実施例１として、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積が、３９．８６ｍｍ^２であり、ピン部材１１の先端面１１ａの面積が、２３．７６ｍｍ^２である、摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、被接合物６０の接合試験を実行した。

【0103】

（実施例２）
実施例２として、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積が、３５．３４ｍｍ^２であり、ピン部材１１の先端面１１ａの面積が、２８．２７ｍｍ^２である、摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、被接合物６０の接合試験を実行した。

【0104】

（比較例）
比較例として、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積が、４３．９８ｍｍ^２であり、ピン部材１１の先端面１１ａの面積が、１９．６３ｍｍ^２である、摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、被接合物６０の接合試験を実行した。

【0105】

（試験例１）
第１部材６１として、縦４０ｍｍ、横１２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用い、第２部材６２として、縦４０ｍｍ、横１２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用いた。また、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転数である、第１回転数を１６００ｒｐｍとし、ピン部材１１及びショルダ部材１２の押圧力である、第１押圧力を１４０００Ｎとした。

【0106】

なお、クランプ駆動器４１として、スプリングを用い、当該スプリングの弾性力の反作用によって、上向きに５０００Ｎの荷重がかかる。このため、被接合物６０には、９０００Ｎの荷重がかかり、実施例１の摩擦攪拌点接合装置５０では、ショルダ部材１２の先端面１２ａに２２５．８０ＭＰａの荷重がかかる。同様に、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、ショルダ部材１２の先端面１２ａに２５４．６５ＭＰａの荷重がかかる。

【0107】

〈試験結果１〉
上記試験例１の条件において、実施例１の摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、ショルダ部材１２の目標到達位置である、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから下方に１．５、１．９、２．３、２．７、及び３．４ｍｍの位置に設定して、被接合物６０の接合試験を実行し、ショルダ部材１２の先端面１２ａの位置をプロットした。

【0108】

同様に、上記試験例１の条件において、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、ショルダ部材１２の目標到達位置である、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから下方に１．５、１．９、２．３、２．７、３．４、及び４．０ｍｍの位置に設定して、被接合物６０の接合試験を実行し、各接合試験におけるショルダ部材１２の先端面１２ａの位置をプロットした。

【0109】

さらに、上記試験例１の条件において、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、ショルダ部材１２の目標到達位置である、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから下方に１．５、１．９、２．３、及び２．７ｍｍの位置に設定して、被接合物６０の接合試験を実行し、各接合試験におけるショルダ部材１２の先端面１２ａの位置をプロットした。

【0110】

図５は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。図６は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。図７は、比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【0111】

また、図８は、実施例１、実施例２、及び比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例１の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。なお、図８においては、第１位置を２．３ｍｍと設定したときの結果である。

【0112】

さらに、図１５（Ａ）は、実施例１、実施例２、及び比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、第１位置を２．７ｍｍと設定して、試験例１の条件で摩擦攪拌点接合した被接合物の断面写真である。

【0113】

まず、図８に示すように、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０に比して、ショルダ部材１２の先端面１２ａの面積が小さい、実施例１、２の摩擦攪拌点接合装置５０の方が、ショルダ部材１２の被接合物６０への圧入速度を大きくすることができることが示された。

【0114】

また、図７に示すように、ショルダ部材１２の圧入深さが大きくなった場合には、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置に到達するまでの時間がかかる。換言すると、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定にすることができない（圧入速度が小さくなる）。このため、被接合物６０の接合時間がかかることが示された。

【0115】

一方、図５及び図６に示すように、ショルダ部材１２の圧入深さが大きくなった場合であっても、実施例１及び実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができる。このため、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０
に比して、実施例１及び実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、接合時間が増加することを抑制することができることが示された。

【0116】

さらに、図１５（Ａ）に示すように、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０では、接合した被接合物６０は、被接合部における表面６０ｃからの凹み量（表面６０ｃと凹部の底面との間の距離；インデント量）が０．３９ｍｍとなった。

【0117】

一方、実施例１の摩擦攪拌点接合装置５０では、接合した被接合物６０のインデント量が、０．２５ｍｍであり、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、接合した被接合物６０のインデント量が、０．２５ｍｍであった。

【0118】

これらの結果について、発明者らは、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０では、ショルダ部材１２の先端面１２ａが、第１位置に到達するまでの時間がかかるため、塑性流動した材料が、第１部材６１と第２部材６２との間に流れ込みやすくなる。このため、インデント量が、実施例１、２の摩擦攪拌点接合装置５０で接合した場合に比して、大きくなったと推察している。

【0119】

（試験例２）
第１部材６１として、縦４０ｍｍ、横１２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用い、第２部材６２として、縦４０ｍｍ、横１２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用いた。また、ピン部材１１及びショルダ部材１２の回転数である、第１回転数を１６００ｒｐｍとし、ピン部材１１及びショルダ部材１２の押圧力である、第１押圧力を１３０００Ｎとした。

【0120】

なお、クランプ駆動器４１として、スプリングを用い、当該スプリングの弾性力の反作用によって、上向きに５０００Ｎの荷重がかかる。このため、被接合物６０には、８０００Ｎの荷重がかかり、実施例１の摩擦攪拌点接合装置５０では、ショルダ部材１２の先端面１２ａに２００．７１ＭＰａの荷重がかかる。同様に、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、ショルダ部材１２の先端面１２ａに２２６．３５ＭＰａの荷重がかかる。

【0121】

〈試験結果２〉
上記試験例２の条件において、実施例１の摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、ショルダ部材１２の目標到達位置である、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから下方に２．７、及び３．４ｍｍの位置に設定して、被接合物６０の接合試験を実行し、ショルダ部材１２の先端面１２ａの位置をプロットした。

【0122】

同様に、上記試験例２の条件において、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、ショルダ部材１２の目標到達位置である、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから下方に２．７、３．４、及び４．０ｍｍの位置に設定して、被接合物６０の接合試験を実行し、各接合試験におけるショルダ部材１２の先端面１２ａの位置をプロットした。

【0123】

図９は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例２の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。図１０は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例２の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【0124】

図９に示すように、実施例１の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置を２．３ｍｍと設定した場合、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。また、図１０に示すように、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置を４．０ｍｍと設定した場合であっても、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0125】

このため、ショルダ部材１２における先端面１２ａの面圧が、２００．７１～２５４．６５ＭＰａとなるように、ショルダ部材１２を構成することで、摩擦攪拌点接合装置５０は、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0126】

（試験例３）
第１部材６１として、縦５０ｍｍ、横１５０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用い、第２部材６２として、縦３０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用いた。

【0127】

（試験例４）
第１部材６１として、縦５０ｍｍ、横１５０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用い、第２部材６２として、縦４０ｍｍ、横１２５ｍｍ、厚さ２ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０５２－Ｏ）を用いた。

【0128】

なお、試験例３、４ともに、被接合物６０以外の条件は、試験例１と同じである。

【0129】

〈試験結果３〉
上記試験例３、４の条件において、実施例１の摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、ショルダ部材１２の目標到達位置である、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから下方に１．５、１．９、２．３、２．７、及び３．４ｍｍの位置に設定して、被接合物６０の接合試験を実行し、ショルダ部材１２の先端面１２ａの位置をプロットした。

【0130】

同様に、上記試験例３、４の条件において、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０を用いて、ショルダ部材１２の目標到達位置である、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから下方に１．５、１．９、２．３、２．７、３．４、及び４．０ｍｍの位置に設定して、被接合物６０の接合試験を実行し、各接合試験におけるショルダ部材１２の先端面１２ａの位置をプロットした。

【0131】

図１１は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例３の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。図１２は、実施例１の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例４の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【0132】

また、図１３は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例３の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。図１４は、実施例２の摩擦攪拌点接合装置を用いて、試験例４の条件で被接合物の接合試験を実行したときにおける、ショルダ部材の先端面の位置をプロットした結果である。

【0133】

さらに、図１５（Ｂ）は、実施例１、実施例２、及び比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、第１位置を２．７ｍｍと設定して、試験例３の条件で摩擦攪拌点接合した被接合物の断面写真である。図１５（Ｃ）は、実施例１、実施例２、及び比較例の摩擦攪拌点接合装置を用いて、第１位置を２．７ｍｍと設定して、試験例４の条件で摩擦攪拌点接合した被接合物の断面写真である。

【0134】

図１１～図１４に示すように、実施例１、２の摩擦攪拌点接合装置５０は、被接合物６０（第１部材６１及び／又は第２部材６２）の厚みを変更しても、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0135】

また、図１１、１３に示すように、実施例１、２の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置を２．３／４．０ｍｍと設定した場合、すなわち、被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して５７．５％の位置と設定した場合であっても、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0136】

さらに、図１２、１４に示すように、実施例１、２の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置を２．３／５．０ｍｍと設定した場合、すなわち、被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して４６．０％の位置と設定した場合であっても、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0137】

同様に、図１３に示すように、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置を４．０／４．０ｍｍと設定した場合、すなわち、被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して１００％の位置と設定した場合であっても、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0138】

さらに、図１３に示すように、実施例２の摩擦攪拌点接合装置５０では、第１位置を３．４／４．０ｍｍと設定した場合、すなわち、被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して８５．０％の位置と設定した場合であっても、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0139】

このため、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して４６％以上の位置と設定しても、摩擦攪拌点接合装置５０は、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0140】

また、第１位置を被接合物６０の表面６０ｃから、当該被接合物６０の厚みに対して１００％以下の位置と設定しても、摩擦攪拌点接合装置５０は、第１位置に到達するまでの圧入速度を一定に保つことができることが示された。

【0141】

また、図１５（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、実施例１、２の摩擦攪拌点接合装置５０では、比較例の摩擦攪拌点接合装置５０に比して、被接合物６０のインデント量を小さくすることができることが示された。

【0142】

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良又は他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

【産業上の利用可能性】

【0143】

本発明の摩擦攪拌点接合装置及び摩擦攪拌点接合方法は、厚みの大きな被接合物を接合する場合であっても、ショルダ部材の圧入速度を一定にすることができ、接合時間が増加することを抑制し得るため、有用である。

【符号の説明】

【0144】

１１ ピン部材
１１ａ 先端面
１２ｂ 内方空間
１２ａ 先端面
１２ ショルダ部材
１３ クランプ部材
１３ａ 先端面
３１ 記憶器
３２ 入力器
３３ 位置検出器
４１ クランプ駆動器
５０ 摩擦攪拌点接合装置
５１ 制御器
５２ 工具固定器
５３ 進退駆動器
５５ 裏当て支持部
５６ａ 支持面
５６ 裏当て部材
５７ 回転駆動器
６０ 被接合物
６０ａ 塑性流動部
６０ｂ 被接合部
６０ｃ 表面
６１ 第１部材
６２ 第２部材
５２１ 回転工具固定器
５２２ クランプ固定器
５３１ ピン駆動器
５３２ ショルダ駆動器
Ｘｒ 軸線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】