特許 7537256 回転ツール、接合装置および接合方法

(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】

(24)【登録日】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】回転ツール、接合装置および接合方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20240814BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 344

B23K20/12 340

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020201871

(22)【出願日】2020-12-04

(65)【公開番号】P2022089459

(43)【公開日】2022-06-16

【審査請求日】2023-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000004743

【氏名又は名称】日本軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】瀬尾 伸城

(72)【発明者】

【氏名】吉田 諒

(72)【発明者】

【氏名】小泉 慎吾

(72)【発明者】

【氏名】及川 恵太

【審査官】黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００９９３４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００３－２６０５７２（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】

被接合部材の摩擦攪拌接合を行う接合装置に用いられる回転ツールであって、
前記接合装置に取り付けて固定される固定部と、前記接合装置からの回転力を伝達する回転軸とを有する本体部、
前記被接合部材に挿入されて前記被接合部材に対する摩擦攪拌を行う攪拌ピンを有し、前記回転軸からの回転力を受けて回転可能に設けられるともに、前記回転軸の軸方向に対して移動可能に前記本体部に設けられる攪拌部材、及び
前記回転軸の軸方向に対して、前記攪拌部材を先端側に向けて付勢する弾性部材、を備え、
前記本体部は、前記回転軸に取り付けられたホルダと、前記ホルダと同期回転するスライド軸とをさらに有し、
前記ホルダは、基端部側に底部を有し、前記回転軸の軸方向の先端側が開口する収納凹部を内部に有する、有底円筒状であり、
前記スライド軸は、前記ホルダの前記収納凹部の中心部に回転軸方向にスライド可能に収容されており、
前記攪拌部材は、前記スライド軸の先端に設けられ、
前記スライド軸は、前記弾性部材を介して前記攪拌部材の先端側に向けて付勢されており、
前記弾性部材は、前記ホルダの内部に収容され、前記スライド軸の基端部と前記ホルダの前記収納凹部の前記底部との間に配置されている、
ことを特徴とする回転ツール。

【請求項2】

前記ホルダおよび前記スライド軸のいずれか一方に、前記回転軸の軸方向に長尺な溝状のキー溝が形成され、他方に、前記回転軸の軸方向と交差する向きに設けられるとともに前記キー溝に嵌入するキーが形成され、
前記スライド軸の回転軸の軸方向への移動に伴って、前記キーが前記キー溝の内部を前記回転軸の軸方向に沿って移動し、
前記ホルダの回転に伴って、前記キーと前記キー溝とが周方向に当接することで、前記ホルダと前記スライド軸とが同期回転する、
請求項１に記載の回転ツール。

【請求項3】

前記弾性部材は、固体ばね、流体ばね、磁力、及び電磁力から選ばれる少なくとも一つによって弾性力を付与する、
請求項１に記載の回転ツール。

【請求項4】

前記スライド軸の上端部において、上端部側に向けて柱状形状に伸長された伸長部が形成されており、
前記弾性部材は、前記伸長部を囲うとともに、前記ホルダの前記収納凹部の前記底部との間に装着されている
請求項１に記載の回転ツール。

【請求項5】

前記攪拌部材は、前記スライド軸に連結して、柱状又は錐台状を呈するとともに、平面状又はすり鉢状の下端面を有し、前記下端面が前記被接合部材に当接するショルダをさらに有し、
前記攪拌ピンは、前記ショルダの前記下端面から垂下している、
請求項１に記載の回転ツール。

【請求項6】

前記攪拌部材は、前記スライド軸に連結して、柱状又は錐台状を呈する連結部をさらに有し、
前記攪拌ピンは、前記連結部の下端面から垂下している、
請求項１に記載の回転ツール。

【請求項7】

請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の回転ツールを備える接合装置であって、
前記回転ツールの前記回転軸に伝達する回転力を出力する動力手段、及び
前記回転ツールの前記固定部を保持して、前記回転ツールの位置制御を行う位置制御手段を備え、
前記位置制御手段によって前記回転ツールを前記被接合部材に対して所定の高さ位置となるように移動させて、前記被接合部材に前記攪拌ピンを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、
ことを特徴とする接合装置。

【請求項8】

前記回転ツールは、請求項５に記載の回転ツールであって、
前記攪拌ピンと、前記攪拌ピンと共に回転する前記ショルダとを、前記被接合部材に挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、
請求項７に記載の接合装置。

【請求項9】

前記回転ツールは、請求項６に記載の回転ツールであって、
前記被接合部材に対して前記連結部を離間させた状態で、前記被接合部材に回転する前記攪拌ピンのみを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、
請求項７に記載の接合装置。

【請求項10】

請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の回転ツールを、前記被接合部材に対して所定の高さ位置となるように移動させて、前記被接合部材に前記攪拌ピンを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、
ことを特徴とする接合方法。

【請求項11】

前記回転ツールは、請求項５に記載の回転ツールであって、
前記攪拌ピンと、前記攪拌ピンと共に回転する前記ショルダとを、前記被接合部材に挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、
請求項１０に記載の接合方法。

【請求項12】

前記回転ツールは、請求項６に記載の回転ツールであって、
前記被接合部材に対して前記連結部を離間させた状態で、前記被接合部材に回転する前記攪拌ピンのみを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う、
請求項１０に記載の接合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦攪拌接合に用いられる回転ツール、接合装置および接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

摩擦攪拌接合を行うための接合装置として、被接合部材に対して回転ツールの押込み量を制御するために、荷重制御を行うものと、位置制御を行うものが知られている。荷重制御は、主として、ロボット（ロボットアーム）による接合装置で用いられ、位置制御は、主として、マシニングセンタ（ＭＣ）による接合装置で用いられていた。

【0003】

荷重制御を行う接合装置としては、例えば特許文献１に開示されたものがあった。特許文献１の接合装置は、接合条件に応じて好適な制度で良好な接合品質を得るために、ショルダ部材またはピン部材の被接合物への圧入深さを制御するものである。かかる接合装置は、圧入深さの制御を行うために、圧入基準点設定部で設定された圧入基準点に基づいて、ショルダ部材に対するピン部材の相対位置を制御する。接合装置は、前記制御を行うために、加圧力検出部、圧力基準点設定部や工具駆動制御部等を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－１９６６８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の接合装置は、荷重制御を行うため、構造が複雑で高価である。そのため、近年では、位置制御のみを行える比較的安価なＭＣに装着可能で且つ荷重制御を行える回転ツールが求められている。

【0006】

このような観点から、本発明は、マシニングセンタに装着した状態で荷重制御を行える回転ツール、接合装置および接合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】

【0007】

前記課題を解決するための本発明は、被接合部材の摩擦攪拌接合を行う接合装置に用いられる回転ツールであって、前記接合装置に取り付けて固定される固定部と、前記接合装置からの回転力を伝達する回転軸とを有する本体部、前記被接合部材に挿入されて前記被接合部材に対する摩擦攪拌を行う攪拌ピンを有し、前記回転軸からの回転力を受けて回転可能に設けられるともに、前記回転軸の軸方向に対して移動可能に前記本体部に設けられる攪拌部材、及び前記回転軸の軸方向に対して、前記攪拌部材を先端側に向けて付勢する弾性部材、を備え、前記本体部は、前記回転軸に取り付けられたホルダと、前記ホルダと同期回転するスライド軸とをさらに有し、前記ホルダは、基端部側に底部を有し、前記回転軸の軸方向の先端側が開口する収納凹部を内部に有する、有底円筒状であり、前記スライド軸は、前記ホルダの前記収納凹部の中心部に回転軸方向にスライド可能に収容されており、前記攪拌部材は、前記スライド軸の先端に設けられ、前記スライド軸は、前記弾性部材を介して前記攪拌部材の先端側に向けて付勢されており、前記弾性部材は、前記ホルダの内部に収容され、前記スライド軸の基端部と前記ホルダの前記収納凹部の前記底部との間に配置されている、ことを特徴とする回転ツールである。

【0011】

本発明の回転ツールにおいては、前記ホルダおよび前記スライド軸のいずれか一方に、前記回転軸の軸方向に長尺な溝状のキー溝が形成され、他方に、前記回転軸の軸方向と交差する向きに設けられるとともに前記キー溝に嵌入するキーが形成され、前記スライド軸の回転軸の軸方向への移動に伴って、前記キーが前記キー溝の内部を前記回転軸の軸方向に沿って移動し、前記ホルダの回転に伴って、前記キーと前記キー溝とが周方向に当接することで、前記ホルダと前記スライド軸とが同期回転するものが好ましい。

【0012】

本発明の回転ツールにおいては、前記弾性部材は、固体ばね、流体ばね、磁力、及び電磁力から選ばれる少なくとも一つによって弾性力を付与するものが好ましい。
本発明の回転ツールにおいては、前記スライド軸の上端部において、上端部側に向けて柱状形状に伸長された伸長部が形成されており、前記弾性部材は、前記伸長部を囲うとともに、前記ホルダの前記収納凹部の前記底部との間に装着されているものが好ましい。

【0013】

本発明の回転ツールにおいては、前記攪拌部材は、前記スライド軸に連結して、柱状又は錐台状を呈するとともに、平面状又はすり鉢状の下端面を有し、前記下端面が前記被接合部材に当接するショルダをさらに有し、前記攪拌ピンは、前記ショルダの前記下端面から垂下しているものが好ましい。

【0014】

本発明の回転ツールにおいては、前記攪拌部材は、前記スライド軸に連結して、柱状又は錐台状を呈する連結部をさらに有し、前記攪拌ピンは、前記連結部の下端面から垂下しているものが好ましい。

【0015】

第二の本発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の回転ツールを備える接合装置である。かかる接合装置は、前記回転ツールの前記回転軸に伝達する回転力を出力する動力手段と、前記回転ツールの前記固定部を保持して、前記回転ツールの位置制御を行う位置制御手段とを備えている。そして、前記位置制御手段によって前記回転ツールを前記被接合部材に対して所定の高さ位置となるように移動させて、前記被接合部材に前記攪拌ピンを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする。

【0016】

本発明の接合装置においては、前記回転ツールは、請求項７に記載の回転ツールであって、前記攪拌ピンと、前記攪拌ピンと共に回転する前記ショルダとを、前記被接合部材に挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行うものが好ましい。

【0017】

本発明の接合装置においては、前記回転ツールは、請求項８に記載の回転ツールであって、前記被接合部材に対して前記連結部を離間させた状態で、前記被接合部材に回転する前記攪拌ピンのみを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行うものが好ましい。

【0018】

第三の本発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の回転ツールを、前記被接合部材に対して所定の高さ位置となるように移動させて、前記被接合部材に前記攪拌ピンを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする接合方法である。

【0019】

本発明の接合方法においては、前記回転ツールは、請求項７に記載の回転ツールであって、前記攪拌ピンと、前記攪拌ピンと共に回転する前記ショルダとを、前記被接合部材に挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行うものが好ましい。

【0020】

本発明の接合方法においては、前記回転ツールは、請求項８に記載の回転ツールであって、前記被接合部材に対して前記連結部を離間させた状態で、前記被接合部材に回転する前記攪拌ピンのみを挿入して、前記被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行うものが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

本発明に係る回転ツール、接合装置および接合方法によれば、弾性部材を利用した荷重制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施形態に係る回転ツールを示す一部断面側面図である。

【図2】実施形態に係る回転ツールを示す縦断面図である。

【図3】実施形態に係る回転ツールを示す平断面図である。

【図4】実施形態に係る回転ツールを示す斜視図である。

【図5】実施形態に係る回転ツールを示す分解斜視図である。

【図6】実施形態に係る回転ツールの摩擦攪拌接合時の状態を示す断面図である。

【図7】実施形態に係る回転ツールの第一変形例を示す一部破断斜視図である。

【図8】実施形態に係る回転ツールの第一変形例を示す縦断面図である。

【図9】実施形態に係る回転ツールの第二実施形態を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。また、実施形態における構成要素は、一部又は全部を適宜組み合わせることができる。さらに、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであり、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

【0024】

［１．回転ツール］
まず、第一実施形態（以降、「本実施形態」と称する。）に係る回転ツールの構成を説明する。図１および図２に示すように、本実施形態に係る回転ツール１は、被接合部材２（図６参照）の摩擦攪拌接合を行う接合装置３に用いられるものであって、被接合部材２の突合せ部に回転しながら挿入される。かかる回転ツール１は、本体部１０と、攪拌部材５０と、弾性部材７０とを備えている。

【0025】

＜本体部＞
本体部１０は、例えばマシニングセンタ等の接合装置３に固定される部分であって、固定部１１と、回転軸１２とを備えている。固定部１１は、接合装置３に取り付けられて固定される部位であり、円筒形状を呈している。固定部１１はチャック機構であり、接合装置３に設けられた対となるチャック機構と共同することで、固定部１１を接合装置に対して着脱可能に固定することができる。チャック機構としては、例えば、固定部１１に設けられた溝と、接合装置３に設けられて、固定部１１側の溝に嵌合して挟み付ける爪とが挙げられる。固定部１１の接合装置３に取り付けられる側とは他端側（図１中、下側）に、回転軸１２が連結して設けられている。回転軸１２は、円柱形状を呈している。回転軸１２は、接合装置３からの回転力を攪拌部材５０に伝達する部位であり、固定部１１を介して接合装置３の回転軸（図示せず）に連結されている。

【0026】

図３乃至図５にも示すように、本体部１０は、ホルダ２１と、スライド軸３１とをさらに備えている。

【0027】

＜ホルダ＞
ホルダ２１は、回転軸１２に取り付けられ、回転軸１２と同期回転し、スライド軸３１及び攪拌部材５０を支持する部位である。ホルダ２１は、基端部（接合装置３側端部：図１中、上端部）に底部２４を有する有底円筒形状を呈しており、内部の中空部が、スライド軸３１が挿入される収納凹部２２となっている。収納凹部２２は、円柱形状を呈しており、回転軸１２の軸方向の先端側（図１中、下端部）が開口している。ホルダ２１の円筒胴部には、キー溝２３が形成されている。キー溝２３は、回転軸１２の軸方向（図１中、上下方向）に沿って長尺の長円形に形成されており、ホルダ２１の外周面から内周面まで貫通している。なお、キー溝２３は、円筒胴部を貫通していなくてもよく、円筒胴部の内周面に溝状に形成されていてもよい。キー溝２３は、円筒胴部の円周方向に１８０°間隔で配置され、互いに対向して２か所に形成されている。なお、キー溝２３の個数は、２に限定されるものではなく、１であってもよいし、３以上であってもよい。

【0028】

＜スライド軸＞
スライド軸３１は、ホルダ２１の収納凹部２２に、回転軸方向（図１中、上下方向）にスライド可能に収納されるとともに、ホルダ２１と同期回転（共回り）する部位である。スライド軸３１は、円柱形状を呈しており、収納凹部２２に収納可能な外径を有している。スライド軸３１の外周面には、外側に突出するキー３２が設けられている。キー３２は、キー溝２３に相当する位置に固定されており、キー溝２３に挿入されている。キー３２は、回転軸方向に長い長円形状を呈しており、キー溝２３と同等の幅寸法を備えるとともに、キー溝２３の長手方向寸法よりも短い長さ寸法を備えている。つまり、キー３２は、キー溝２３の幅方向に嵌合するとともに長手方向に移動可能である。なお、キー３２の形状は、長円形状に限定されるものではなく、キー溝２３と同等の幅寸法を備えていれば、円形や楕円形、長楕円、長方形等の他の形状であってもよい。スライド軸３１の先端部（接合装置３から離間する側の端部：図１中、下端部）には、攪拌部材５０が一体的に設けられている。したがって、攪拌部材５０は、弾性部材７０によって先端側に付勢されることによって、スライド軸３１の先端側（接合装置３から離間する側：図１中、下側）に付勢される。

【0029】

＜攪拌部材＞
攪拌部材５０は、本体部１０からの回転力を受けて回転可能に設けられるとともに、回転軸１２の軸方向に対して移動可能に本体部１０に設けられる部位である。攪拌部材５０は、攪拌ピン５１とショルダ６１とを備えている。攪拌部材５０は、例えば工具鋼にて構成されている。本実施形態では、攪拌ピン５１とショルダ６１とが一体形成されており、コンベンショナル型の攪拌部材５０となっている。攪拌部材５０は、スライド軸３１と一体形成されている。よって、攪拌部材５０は、スライド軸３１と同期回転するとともに、スライド軸３１のスライド移動によって、回転軸１２の軸方向に移動する。

【0030】

攪拌ピン５１は、被接合部材に回転しつつ挿入されて被接合部材に対する摩擦攪拌を行う部位である。攪拌ピン５１の先端部５２（図１中、下端部）は、先端に向かうにつれて先細りになっている。攪拌ピンの先端部５２の先端は、軸方向に直交する平坦面状となっている。攪拌ピン５１の基端部には、ショルダ６１が一体形成されている。

【0031】

ショルダ６１は、下端面が被接合部材に当接した状態で被接合部材を押圧する部位である。ショルダ６１は、攪拌ピン５１の基端部から拡径する円柱状に形成されており、平面状且つリング状の先端面（下端面）を備えている。つまり、ショルダ６１の先端面から攪拌ピン５１の先端部５２が先端側に向かって突出している。言い換えれば、攪拌ピン５１がショルダ６１の下端面から垂下している。ショルダ６１の形状は、円柱状に限定されるものではなく、錐台状であってもよい。また、ショルダ６１の下端面は、平面状であってもよく、すり鉢状であってもよい。さらに、ショルダ６１の下端面は、凹凸構造を有していてもよい。ショルダ６１の基端部は、スライド軸３１に一定的に連結されている。ショルダ６１は、スライド軸３１よりも大径であり、ショルダ６１とスライド軸３１との連結部（ショルダ６１のスライド軸３１側の基端部）には、平面視でリング状の段部が形成されている。

【0032】

＜弾性部材＞
弾性部材７０は、回転軸１２の軸方向に対して攪拌ピン５１とショルダ６１とを備えた攪拌部材５０を先端側に向けて付勢する部位である。弾性部材７０は、例えばコイルバネにて構成されている。弾性部材７０は、ホルダ２１の内部に収容され、スライド軸３１の基端部と、ホルダ２１の基端側の底部２４との間に装着されている。弾性部材７０は、攪拌部材５０側から受ける力に対して、攪拌部材５０を先端側に向けて付勢できるようになっている。

【0033】

弾性部材７０の弾性は、アルミニウム、銅、マグネシウム、及びこれらの合金からなる群より選ばれる少なくとも一つの材料からなる被接合部材２に対して、攪拌ピン５１を、所定の押し込み荷重で挿入する場合に、弾性部材７０による攪拌ピン５１の全可動範囲（キー溝２３内でのキー３２の可動長さ）内の所定の範囲で、攪拌ピン５１が変位して被接合部材２に挿入されるように設定されている。例えば、弾性部材７０がコイルネバネの場合であって、弾性部材７０に加わる荷重を１００ｋｇ～５ｔで挿入する場合に、弾性部材７０の自由長に対して、弾性部材７０のたわみ量が０～３０％の範囲で変形した状態で、攪拌ピン５１およびショルダ６１が被接合部材２に挿入されるように設定されている。これにより、被接合部材２に対して一定の高さで攪拌ピン５１を押し込んだ場合に、被接合部材２の高さが変化した場合にも、被接合部材２の変化に合わせて弾性部材７０が変形することで、攪拌ピン５１の挿入量を一定に保ちやすくなる。

【0034】

なお、弾性部材７０は、コイルバネに限定されるものではなく、板バネ、皿ばね等の金属ばねや、ゴム、高分子樹脂、スポンジ状樹脂等の高分子弾性体（エラストマー）であってもよい。さらに弾性部材７０は、空気圧、ガス圧や油圧を用いた流体ばねや、磁力や電磁力を用いた磁性ばねであってもよい。

【0035】

弾性部材７０は、接合条件を考慮して、攪拌ピン５１が所定の深さにまで挿入される変形量と弾性率との関係を満たすように設定すればよい。また、弾性部材７０は、接合条件を考慮して、ショルダ６１が被接合部材２の表面に接触して、わずかに挿入される変形量と弾性率との関係を満たすように設定すればよい。弾性部材７０の設定に影響を与える接合条件としては、例えば、被接合部材２の材質や接合部の形状といった接合部材の条件や、攪拌ピン５１の挿入深さ、ショルダ６１の接触状態、回転ツール１の形状、回転速度、移動速度といった接合態様が挙げられる。

【0036】

［２．接合装置］
次に、前記構成の回転ツール１を備えた接合装置３の構成を説明する。かかる接合装置３は、回転ツール１の回転軸１２に伝達する回転力を出力する動力手段（図示せず）と、回転ツール１の固定部１１を保持して回転ツールの位置制御を行う位置制御手段（図示せず）と、を備えている。接合装置３は、例えば位置制御を行うマシニングセンタにて構成されており、位置制御装置は、ＣＰＵ等にて構成され、予め入力された位置情報に基づいて、動力手段を作動させて回転ツール１を移動させる。動力手段は、回転ツール１をＸＹＺの３軸方向に移動させる。

【0037】

［３．接合方法］
次に、本発明に係る接合方法を、図６を参照して説明する。かかる接合方法では、本実施形態の回転ツール１を、被接合部材２に対して予め設定された所定の高さ位置となるように移動させて、被接合部材２に攪拌ピン５１とショルダ６１とを所定深さで挿入して、被接合部材２に対する摩擦攪拌接合を行う。

【0038】

攪拌ピン５１の挿入時には、回転ツール１を被接合部材２に向けて挿入方向に近づけるにつれて、まずは攪拌ピン５１の先端が被接合部材２に接触する。回転ツール１をさらに被接合部材２に近づけると、弾性部材７０が圧縮を受けることで、被接合部材２に向けて攪拌部材５０を付勢する弾性部材７０による弾性力が強まりながら、攪拌ピン５１が被接合部材２に挿入される。回転ツール１をさらに被接合部材２に近づけると、ショルダ６１が被接合部材２に接触する。弾性部材７０が圧縮を受けることで、被接合部材２に向けて攪拌部材５０を付勢する弾性部材７０による弾性力がより強まりながら、ショルダ６１が被接合部材２に押し付けられる。このとき、弾性部材７０が完全に変形しきらずに、弾性部材７０の変形による余力を残した状態で、攪拌ピン５１が被接合部材２に挿入されるとともに、ショルダ６１を被接合部材２にわずかに挿入することができるように弾性部材７０が設定されている。

【0039】

回転ツール１による接合中は、攪拌ピン５１とショルダ６１が弾性部材７０によって先端側に向けて付勢されている。図６中、左側に示すように、被接合部材２の高さが設定値に対して誤差が無い場合は、攪拌ピン５１の先端部５２が、所望の深さで被接合部材２に挿入される。ショルダ６１は、被接合部材２に対して接触した状態で、被接合部材２にわずかに挿入されるようになっている。

【0040】

次に、図６中、中央部に示すように、摩擦攪拌接合を行ううちに被接合部材２の高さが誤差によって設定値より少し高くなった場合について説明する。ここで、仮に、弾性部材７０が存在せずに攪拌ピン５１をそのまま被接合部材２に押し込んでいた場合には、被接合部材２の高さが設定値に対して誤差が無い場合と比べて、被接合部材２の高さが高くなった分だけ攪拌ピン５１およびショルダ６１の挿入量が大きくなる。これに対して、本実施形態の回転ツール１により接合を行った場合には、被接合部材２の高さが高くなったことで攪拌部材５０が被接合部材２からの上向きの反力を受けて押し上げられるとともに、この押し上げによって弾性部材７０が圧縮されて、攪拌部材５０が弾性部材７０から下向きの弾性力を受けて押し下げられる。このような被接合部材２の高さの変化に伴う上向きの反力と下向きの弾性力との釣り合う位置に、攪拌部材５０の位置が変更される。このときの攪拌ピン５１およびショルダ６１の挿入量が、被接合部材２の高さが設定値に対して誤差が無い場合の挿入量と比べて同程度となるように、弾性部材７０が設定されている。仮に、弾性部材７０の弾性力が弱すぎると、被接合部材２の高さの変化に伴う上向きの反力の方が大きくなり、挿入量が小さくなってしまう。一方、弾性部材７０の弾性力が強すぎると、被接合部材２の高さの変化に伴う下向きの弾性力の方が大きくなり、挿入量が大きくなってしまう。すなわち、被接合部材２の高さが変動して高くなった場合であっても、回転ツール１では、被接合部材２の設定値の高さに合わせて設定した所望の深さで攪拌ピン５１が被接合部材２に挿入されて、ショルダ６１が被接合部材２にわずかに挿入されるように、弾性部材７０が設定されている。

【0041】

さらに、被接合部材２の高さが設定値より低くなると、図６中、右側に示すように、弾性部材７０が伸張して、攪拌部材５０が下降する。このように、被接合部材２の高さが変動して低くなった場合であっても、回転ツール１では、被接合部材２の設定値の高さに合わせて設定した所望の深さで攪拌ピン５１が被接合部材２に挿入されて、ショルダ６１が被接合部材２にわずかに挿入されるように、弾性部材７０が設定されている。

【0042】

以上のように、回転ツール１では、弾性部材７０の作用によって、攪拌ピン５１およびショルダ６１が被接合部材２に対して一定の深さで挿入されるので、塑性化領域が一定の深さで形成される。したがって、安定した接合品質を得ることができる。

【0043】

［４．作用・効果］
本実施形態に係る回転ツール１、接合装置３および接合方法によれば、回転軸１２の軸方向に対して移動可能に設けられた攪拌部材５０が、弾性部材７０によって先端側に向けて付勢されていることによって、攪拌ピン５１の先端部５２を被接合部材２に挿入した際に、弾性部材７０の弾性に応じて、攪拌ピン５１が所定の深さにまで挿入される。接合部材や接合態様といった接合条件を考慮して、弾性部材７０を設定することで、攪拌ピン５１を所望の深さに挿入させることができる。つまり、回転ツール１は、弾性部材７０を用いた疑似的な荷重制御を行うことができる。

【0044】

位置制御のみを行える、例えばマシニングセンタ等の接合装置に弾性部材が無い回転ツールを装着した場合には、マシニングセンタによる設定値に基づいて回転ツール１の支持高さが一定となり、攪拌部材５０の挿入位置が略一定になる。これに対して、本実施形態の回転ツール１を用いると、マシニングセンタによる回転ツール１の支持高さが一定であっても、被接合部材２の高さの変動に応じて、弾性部材７０が適宜伸縮して、攪拌部材５０が軸方向に移動する。このように、弾性部材７０の弾性を利用することで、攪拌ピン５１の被接合部材２への挿入深さを制御できるという荷重制御が可能となる。

【0045】

本体部１０は、円筒状のホルダ２１と、ホルダ２１の中心部に回転軸方向にスライド可能に収容されるとともにホルダ２１と同期回転するスライド軸３１とをさらに有し、攪拌部材５０は、スライド軸３１の先端に設けられている。これにより、本体部１０からの回転力を攪拌部材５０に伝達しつつ、攪拌部材５０を回転軸方向にスライドすることができる。

【0046】

弾性部材７０は、ホルダ２１の内部に収容され、スライド軸３１の基端部とホルダ２１の基端側の底部２４との間に配置されている。これにより、弾性部材７０を容易に設置できるとともに、攪拌ピン５１の荷重制御の精度を高めることができる。

【0047】

また、ホルダ２１にキー溝２３が形成され、スライド軸３１にキー３２が形成されている。これにより、スライド軸３１および攪拌部材５０が、回転軸及びホルダ２１の回転に伴って同期回転しつつ、軸方向への移動を安定した状態で許容する。したがって、攪拌部材５０の動作がより一層安定する。

【0048】

弾性部材７０は、固体ばね、流体ばね、磁力、及び電磁力から選ばれる少なくとも一つによって弾性力を付与するものである。このような構成によれば、弾性部材７０の弾性を調整し易い。

【0049】

攪拌部材５０は、スライド軸３１に連結して、柱状又は錐台状を呈するとともに、平面状又はすり鉢状の下端面を有し、下端面が被接合部材２に当接するショルダ６１を備えている。さらに、攪拌ピン５１は、ショルダ６１の下端面から垂下している。このような構成によれば、弾性部材７０の弾性を利用することで、攪拌ピン５１及びショルダ６１の被接合部材２への挿入深さを制御できる。また、ショルダ６１が被接合部材２の表面を押さえるので、摩擦攪拌接合後の表面の仕上がりが良好になる。

【0050】

接合装置３は、回転ツール１、動力手段、及び位置制御手段を備えている。そして、位置制御手段によって回転ツール１を被接合部材２に対して所定の高さ位置となるように移動させて、被接合部材２に攪拌ピン５１を挿入して摩擦攪拌接合を行う。このような接合装置３によれば、弾性部材７０の弾性を利用することで、攪拌ピン５１の被接合部材２への挿入深さを制御する荷重制御を行いながら摩擦攪拌接合を行うことができる。

【0051】

接合装置３は、回転ツール１が、攪拌ピン５１とショルダ６１を備えたコンベンショナル型の回転ツール１であって、攪拌ピン５１と、攪拌ピン５１と共に回転するショルダ６１とを、被接合部材２に挿入して、被接合部材２に対する摩擦攪拌接合を行うものである。これにより、ショルダ６１が被接合部材２の表面を押さえるので、摩擦攪拌接合後の表面の仕上がりが良好になる。

【0052】

本接合方法は、回転ツール１を、被接合部材２に対して所定の高さ位置となるように移動させて、被接合部材２に攪拌ピン５１を挿入して、被接合部材２に対する摩擦攪拌接合を行う。本接合方法によれば、弾性部材７０の弾性を利用することで、攪拌ピン５１の被接合部材２への挿入深さを制御する荷重制御を行いながら摩擦攪拌接合を行うことができる。

【0053】

本接合方法は、回転ツール１が、攪拌ピン５１とショルダ６１を備えたコンベンショナル型の回転ツール１であって、攪拌ピン５１と、攪拌ピン５１と共に回転するショルダ６１とを、被接合部材２に挿入して、摩擦攪拌接合を行う方法である。これにより、ショルダ６１が被接合部材２の表面を押さえるので、摩擦攪拌接合後の表面の仕上がりが良好になる。

【0054】

［６．第一変形例］
次に、図７および図８を参照しながら、第一変形例に係る回転ツールについて説明する。図７および図８に示すように、変形例に係る回転ツールは、ホルダ２１の内部に、スライド手段８０が設けられている。スライド手段８０は、ホルダ２１の内周面に設けられている。スライド手段８０は、ホルダ２１の内周面に形成されたベアリング溝８１と、ベアリング溝８１内を摺動する複数のボール８２，８２・・とで構成されている。ベアリング溝８１は、側面視で軸方向に長い長円状に形成されている。ベアリング溝８１の深さは、ボール８２の直径よりも小さくなっている。ボール８２は、ベアリング溝８１の内部に複数個配設される。ボール８２の一部がスライド軸３１の外周面に摺接するとともに他の部分がベアリング溝８１の内面に摺接する。なお、その他の構成については、前記実施形態と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。このような構成の回転ツールによれば、ホルダ２１に対してスライド軸３１を軸方向にスムーズに移動させることができる。

【0055】

［７．第二実施形態］
次に、図９を参照しながら、第二実施形態に係る回転ツール１ａについて説明する。第一実施形態では、攪拌部材５０は攪拌ピン５１とショルダ６１とを備えたコンベンショナル型であるが、これに限定されるものではない。第二実施形態の攪拌部材は、図９に示すように、ショルダのないショルダレス型となっている。

【0056】

ショルダレス型の攪拌部材５０ａは、スライド軸３１に連結される円柱状の連結部３１ａと、連結部３１ａの先端部に一体的に連結される攪拌ピン５１とを備えている。連結部３１ａの径は、スライド軸３１の径および攪拌ピン５１の基端部の径と同等であり、連結部３１ａと攪拌ピン５１の外周部が連続している。攪拌ピン５１は、連結部３１ａの先端面（下端面）から先端側へ突出（垂下）している。なお、連結部３１ａは、円柱形に限定されるものではなく、先端側に向かうに連れて縮径する円錐台状であってもよい。この場合、連結部３１ａの先端部の径と、攪拌ピン５１の基端部の径は同じとし、連結部３１ａの傾斜面と攪拌ピン５１の傾斜面の傾斜角度は同一とすることができる。なお、その他の構成は前記実施形態と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。

【0057】

本実施形態に係る回転ツール１ａによれば、第一実施形態に係る回転ツール１と同様に、弾性部材７０の弾性を利用することで、攪拌ピン５１の被接合部材２への挿入深さを制御できるという荷重制御が可能となる。また、本実施形態のショルダレス型の攪拌部材５０ａを備えた回転ツール１ａによれば、摩擦攪拌接合時の回転ツール１ａの押圧力を低減することができる。

【0058】

また、このようなショルダレス型の攪拌部材５０ａを備えた回転ツール１ａを備えた接合装置および接合方法では、位置制御手段によって、回転ツール１ａを被接合部材に対して所定の高さ位置となるように移動させて、被接合部材に対して連結部を離間させた状態で、被接合部材に攪拌ピン５１のみを挿入して、被接合部材に対する摩擦攪拌接合を行う。以上のような、接合装置および接合方法によれば、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて塑性化領域の幅を小さくすることができるとともに、回転ツール１ａの押圧力を低減することができる。また、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部の深い位置を接合することができる。

【0059】

［８．その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。前記実施形態では、ホルダ２１にキー溝２３が形成され、スライド軸３１にキー３２が形成されているが、これに限定されるものではない。ホルダ２１にキーを形成し、スライド軸３１にキー溝を形成してもよい。

【0060】

また、前記実施形態では、弾性部材７０は、ホルダ２１の内部に収容され、スライド軸３１の基端部とホルダ２１の基端側の底部２４との間に配置されているがこれに限定されるものではない。弾性部材７０は、攪拌部材５０を先端側に付勢する位置であればどこに配置しても良い。例えば、スライド軸の下部を囲うように配置してもよい。この場合、弾性部材７０がスライド軸３１と攪拌部材５０との中間部付近に位置するとともに、弾性部材７０がスライド軸３１の周方向に均等に作用する。したがって、スライド軸３１が移動しても、弾性部材７０が攪拌部材５０を先端側に向けて安定に付勢する。したがって、弾性部材７０を容易に設置できるとともに、攪拌部材５０の荷重制御の精度を高めることができる。また、スライド軸３１の上端部において、上端部側に向けて柱状形状に伸長された伸長部が形成されており、このスライド軸３１の伸長部を囲うとともに、ホルダ２１の基端側の底部２４との間に弾性部材７０を装着してもよい。このとき、ホルダ２１の内径に合わせて伸長部をスライド軸３１よりも小さい径に形成してもよい。このような場合も攪拌部材５０の荷重制御の精度を高めることができる。

【符号の説明】

【0061】

１ 回転ツール
２ 被接合部材
３ 接合装置
１０ 本体部
１１ 固定部
１２ 回転軸
２１ ホルダ
２３ キー溝
３１ スライド軸
３２ キー
５０ 攪拌部材
５１ 攪拌ピン
６１ ショルダ
７０ 弾性部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】