JP4786191B2 - 摩擦撹拌接合装置用接合ツール - Google Patents

Description

本発明は、複数の被接合部材を摩擦撹拌接合するための接合ツールに関し、特に鉄鋼部材などの難接合部材をスポット摩擦撹拌接合するための接合ツールに関する。

複数の被接合部材を接合する装置として、摩擦撹拌接合装置がある。この装置は、被接合部材が重ね合わされた被接合物の被接合部分に接合ツールを配置する。次に接合ツールを、回転させながら被接合部分に押付け、接合ツールの先端部を被接合部分に没入させる。接合ツールは、その先端部が被接合部分を押圧しながら回転する。これによって摩擦熱が生じて被接合部分が軟化し、接合すべき各被接合部材の境界部分が撹拌される。この後、撹拌された境界部分が固体化することで、各被接合部材が接合される。

各被接合部材がアルミ合金である場合には、接合ツールの先端部の磨耗が少ない。したがって１つの接合ツールで、複数箇所の被接合部分を接合することができる。しかしながら被接合部材が鉄鋼部材などの難接合部材である場合には、接合ツールの先端部の磨耗が著しい。したがって１つの接合ツールで接合可能な被接合部分が少なくなり、接合ツールの交換頻度が高くなる。この問題を解決する従来技術として、接合ツールの先端部が高耐磨耗性材料から成る接合ツールが、たとえば特許文献１に開示される。

特表２００３−５３２５４２号公報

上述する特許文献１に開示される従来技術の接合ツールは、基端部となる軸部と、先端部となるピン部およびショルダ部とが、別体に形成される。また、リング状のカラー部材が軸部の外周面と、ショルダ部の外周面とをともに挟持することで、軸部と、ピン部およびショルダ部とが機械的に固定される。たとえばカラー部材は、焼きばめまたは圧入などの固定方法によって軸部とショルダ部とを挟持する。

この従来技術では、ピン部またはショルダ部が磨耗した場合に、軸部に対してピン部およびショルダ部のみを交換することが困難であり、接合ツール全体を交換する必要がある。これによって接合ツールの交換にともなって発生する費用が大きくなり、接合コストが増大してしまう。

したがって本発明の目的は、摩擦撹拌接合に費やすコストを低減できる接合ツールを提供することである。

本発明は、複数の被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置に用いられる接合ツールであって、
基端部が摩擦撹拌接合装置に把持され、摩擦撹拌接合装置によって回転駆動および変位駆動され、先端部には、装着部が嵌合する嵌合凹所が形成され、この先端部にはまた、外ねじが形成される工具ホルダと、
工具ホルダの前記先端部に着脱自在に形成され、摩擦撹拌接合にあたって工具ホルダの先端部に装着された状態で被接合部分に没入し、耐磨耗性材料から成る接合工具であって、
工具ホルダの嵌合凹所に嵌合した状態で、工具ホルダに対する軸線まわりの角変位が阻止されて、工具ホルダに装着される装着部と、
装着部に連なり、装着部が工具ホルダに装着された状態で、工具ホルダの回転軸線と同軸の円柱状に形成されるショルダ部とを備え、
装着部は、ショルダ部よりも半径方向に突出して形成される部分を有する接合工具と、
工具ホルダの外ねじに螺着して装着されることによって、工具ホルダと協働して装着部の前記部分を軸線方向に挟持して、接合工具が嵌合凹所から軸線方向に抜出ることを阻止し、工具ホルダに対して接合工具を固定および固定解除可能に形成される固定具とを含むことを特徴とする接合ツールである。

また本発明は、軸線に垂直な切断面で切断したときに装着部に角部が形成される場合、工具ホルダは、嵌合凹所に装着部が嵌合した状態で、装着部の角部を除いた残余の部分に当接することを特徴とする。たとえば本発明によれば、工具ホルダには、角部が当接することを防ぐ逃げ穴が形成されてもよい。またたとえば本発明によれば、装着部の角部の一部を切除するようＲ面取り加工もしくはＣ面取り加工がなされてもよい。

また本発明は、接合工具は、ショルダ部の端面から軸線方向に突出し、装着部が工具ホルダに装着された状態で、工具ホルダの回転軸線と同軸に形成されて、ショルダ部よりも直径が小さい円柱状または円錐状に形成されるピン部をさらに備えることを特徴とする。
また本発明は、接合工具は、窒化珪素を主成分とする材料から成ることを特徴とする。
また本発明は、被接合部材のスポット接合に用いられることを特徴とする。

請求項１記載の本発明によれば、工具ホルダに接合工具が装着された状態で、工具ホルダが摩擦撹拌接合装置に保持される。次に接合ツールは、摩擦撹拌接合装置によって、軸線まわりに回転された状態で、接合工具が被接合物の被接合部分に接触する。接合工具が、被接合部分を摺接することによって、被接合部分に摩擦熱が生じて被接合部分が軟化する。このようにして接合すべき各被接合部材の境界部分が非溶融の状態で流動化し、流動化した部分が撹拌されることで、各被接合部材を接合することができる。

接合工具は、被接合部分に没入するので、工具ホルダよりも磨耗しやすい。本発明では、接合工具が着脱自在に形成される。したがって接合工具が磨耗した場合、磨耗した接合工具を取外し、新しい接合工具を工具ホルダに取付けることで、工具ホルダを取り替えることなく、接合作業を継続することができる。このように接合ツールのうちの損耗が生じやすい接合工具を交換可能とすることで、接合工具の損耗のたびに接合ツール全体を交換する必要がなく、工具ホルダを再利用することができ、摩擦撹拌接合に費やすコストを低減することができる。

また接合工具が耐磨耗性材料によって実現されることによって、鉄鋼部材などの難接合部材を接合する場合であっても、接合工具が磨耗するまでに接合可能な回数を増やすことができる。言い換えれば、接合工具の交換回数を減らすことができ、接合工具の交換に費やす時間を短縮することができる。また接合工具のみを耐磨耗性材料によって実現することで、接合ツール全体を耐磨耗性材料によって実現する場合に比べて、接合ツールを安価に実現することができる。
また固定具によって接合工具が工具ホルダに固定されることによって、接合工具自体が工具ホルダに固定される構成としなくてもよく、接合工具の形状を簡単化することができる。このように接合工具を簡単化することで、安価に形成することができ、また耐磨耗性材料によって接合工具を容易に形成することができる。
接合工具が着脱自在に形成されるので、接合工具が損耗したとしても、新しい接合工具を工具ホルダに取付けることで、接合作業を継続することができる。したがって工具ホルダを取り替えることなく、接合作業を継続することができる。このように接合ツールのうちの損耗が生じやすい接合部分を交換可能とすることで、接合工具の損耗のたびに接合ツール全体を交換する場合に必要がなく、工具ホルダを再利用することができ、接合に費やすコストを低減することができる。

接合工具は、嵌合凹所に装着部が嵌合することで、工具ホルダに対して軸線まわりに角変位することが阻止される。また接合工具は、工具ホルダと固定具とによって軸線方向に装着部が挟持されることで、嵌合凹所から脱出することが阻止される。

装着部が嵌合凹所に緩やかに嵌合することによって、接合工具および嵌合凹所を高精度に形成する必要がなく、接合工具および工具ホルダに要求される寸法精度を低くすることができる。これによって接合ツールの歩留まりを向上して、製造コストをさらに安価にすることができる。また装着部と、嵌合凹所が形成される嵌合部との間に隙間を形成することで、工具ホルダに対する接合工具の着脱を容易に行うことができる。また装着部が軸線方向に挟持されることで、接合工具が工具ホルダに対して軸線方向に滑ることが防がれる。これによって接合時に、被接合物から接合工具に軸線方向および軸線まわりの反力が与えられたとしても、工具ホルダに対して接合工具がずれることを防ぐことができる。

また装着部が軸線方向に挟持されて固定されることで、接合工具の軸線方向寸法を小さくして、接合工具の軸線方向の変位を確実に阻止することができ、接合工具を小形化することができる。

請求項２記載の本発明によれば、接合工具が被接合部分に没入する場合、接合工具には、被接合部分から反力が与えられる。この反力は、接合工具から工具ホルダに伝わる。接合工具と工具ホルダとは、角部を除いた部分で接触しているので、反力が一点に集中せずに、分散されて工具ホルダに伝わる。これによって工具ホルダに局所的な大きな力が与えられることを防ぎ、工具ホルダおよび接合工具の破損を防ぐことができる。
請求項３記載の本発明によれば、摩擦撹拌接合にあたって、まずピン部が被接合部分に没入し、次にショルダ部の端面が被接合部分の表面部を摺動する。ピン部が被接合部分に没入することで、被接合部分の流動領域を大きくすることができる。またショルダ部が被接合部分の表面部を摺動することで、被接合部分のうちで流動化した流動体が、軸線まわりに大きく回転し、撹拌効率を向上することができる。このように接合工具に、ピン部とショルダ部とが形成されることによって、各被接合部材が、混ぜ合わされた領域を広範囲にすることができ、接合強度を向上することができる。

請求項４記載の本発明によれば、接合工具が窒化珪素を主成分とすることで、高強度および耐磨耗性を得るとともに耐熱衝撃性を得ることができる。摩擦撹拌接合を繰返す場合には、接合工具は、接合時に高温となり、次の被接合部分へ移動する時に低温となる状態を繰り返し、接合工具の温度変化が大きい。上述したように本発明の接合工具は、耐熱衝撃性を有するので、急激な温度変化に耐えることができ、複数の被接合部分への接合を繰返しても、接合工具として必要な強度を充分に維持することができる。

請求項５記載の本発明によれば、接合ツールは、軸線まわりに回転しながら、被接合部分を押圧し、被接合部分に対して軸線方向に没入および退出する。接合ツールには、軸線に垂直な方向に移動する必要がないので、接合工具と工具ホルダとについて、回転軸線に垂直な方向の固定を強固にする必要がなく、接合工具が工具ホルダに対して着脱可能な構成を簡単に実現することができる。

図１は、本発明の第１実施形態である接合ツール２０を示す斜視図である。図１（１）は、接合ツール２０の各構成部材を分解した分解斜視図を示し、図１（２）は、接合ツール２０の各構成部材を組合わせた組立斜視図を示す。

接合ツール２０は、摩擦撹拌接合装置に把持されて、摩擦撹拌接合を行うためのツールとなる。摩擦撹拌接合装置は、被接合物を構成する複数の被接合部材を摩擦撹拌接合（
Friction Stir Welding ：略称ＦＳＷ）する。本実施の形態では、接合すべき２つの被接合部材は、鋼材などの難接合材が想定され、摩擦撹拌接合装置によって被接合物に複数点在する被接合部分を順次接合する。すなわち摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合によるスポット接合を行う。たとえば摩擦撹拌接合装置を用いて、自動車ボディや鉄道車両構体などの外板がスポット接合される。

摩擦撹拌接合装置（以下、単に接合装置と称する）は、略円柱状の接合ツール２０を用いて摩擦撹拌接合を行う。接合ツール２０は、略円柱状に形成される工具ホルダ２１と、工具ホルダ２１の先端部３０に装着される接合工具２２と、接合工具２２を工具ホルダ２１に固定するための固定具２３とを含んで構成される。工具ホルダ２１に接合工具２２が装着されて、固定具２３によって接合工具２２が工具ホルダ２１に固定された状態で接合が行なわれる。

難接合物を被接合部材とした場合には、工具ホルダ２１と接合装置とは強固に固定される。また工具ホルダ２１の先端部３０には、接合工具２２および固定具２３が装着されて固定される。この状態で、接合装置は、重ね合わされた２つの被接合部材を接合するために、接合ツール２０をその軸線Ｌ１まわりに回転させながら、接合工具２２を被接合部分に押付ける。接合工具２２は、被接合部分を押圧しながら回転する。これによって被接合部分は、摩擦熱が発生して軟化する。このあと、被接合部分は、流動化し、接合工具２２の回転にともなって流動化した部分が撹拌される。

接合工具２６は、被接合部分に没入することで、先端部が各被接合部材の境界部分を通過する。そして流動化した各被接合部材が互いに混ぜ合わされる。２つの被接合部材が充分に撹拌されると、接合ツール２０が被接合部分から離脱して、流動化した被接合部分が固まる。これによって２つの被接合部材の境界がなくなり、２つの被接合部材をスポット接合することができる。接合装置は、各被接合部分のスポット接合を順次連続して行う。

工具ホルダ２１は、円柱状に形成され、工具ホルダ２１の軸線Ｌ１は、接合ツール２０の軸線Ｌ１と一致する。工具ホルダ２１の基端部には、接合装置に着脱可能に把持される把持部が形成される。工具ホルダ２１の先端部３０には、嵌合部３２と外ねじ部３３とが形成される。嵌合部３２は、接合工具２２が部分的に嵌合する嵌合凹所３１が形成される。また外ねじ部３３は、円柱状に形成されて、外周部分に固定具２３が螺着する外ねじが形成される。ここで、外ねじ部３３に形成される外ねじは、工具ホルダ２１の回転方向と同じ方向に形成される。したがって接合装置５１によって工具ホルダ２１が右回転する場合には、外ねじ部３３には右ねじが形成される。また工具ホルダ２１が左回転する場合には、外ねじ部３３には左ねじが形成される。これによって接合中には、固定具２３は、被接合物から反力を受けると、工具ホルダ２１に締結される方向の力を受け、固定具２３が接合中に緩むことを防ぐことができる。

嵌合凹所３１は、外ねじ部３３の端面から没入し、工具ホルダ２１の軸線Ｌ１に同軸に形成される。嵌合凹所３１は、軸線Ｌ１に垂直な断面で切断した断面形状が円形以外の形状に形成される。すなわち工具ホルダ２１の軸線から嵌合凹所３１を規定する壁面までの距離が、軸線Ｌ１まわりに変化する形状に形成される。本実施の形態では嵌合凹所３１は、略直方体状の空間に形成され、軸線Ｌ１に垂直な断面形状が正方形となる。以下、軸線Ｌ１に垂直な断面で切断した形状を単に断面形状と称する。

接合工具２２は、工具ホルダ２１の先端部３０に着脱自在に形成され、装着部２４と、ショルダ部２５と、ピン部２６とが形成される。ショルダ部２５は、装着部２４に連なり、ピン部２６はショルダ部２５に連なる。ショルダ部２５とピン部２６とは、同軸の円柱状または円錐状に形成され、ショルダ部２５よりもピン部２６の直径が小さく形成される。

装着部２４は、工具ホルダ２１に接合工具２２が装着されるための部分となる。具体的には、装着部２４は、工具ホルダ２１の嵌合凹所３１に緩やかに嵌合可能に形成される。言い換えると、嵌合凹所３１と装着部２４とは、隙間ばめとなるように形成される。本実施の形態では、上述したように嵌合凹所３１が略直方体状の空間に形成されるので、装着部２４もまた略直方体形状に形成され、断面形状が正方形形状に形成される。

装着部２４は、ショルダ部２５と同軸に形成され、ショルダ部２５から軸線Ｌ１に垂直な方向に突出する突出部分が形成される。本実施の形態では、装着部２４は、断面形状が、ショルダ部２５の直径と等しい辺の長さを有する正方形形状に形成される。これによって装着部２４の角部４０が、ショルダ２５の半径方向に突出する突出部分となる。

ショルダ部２５およびピン部２６の直径および軸線方向寸法は、形成すべき接合部材、接合条件、接合強度、接合跡の形状などによって、予め決定される。たとえばショルダ部２５の直径は１０ｍｍに設定され、ピン部２６の直径は４ｍｍに設定される。

装着部２４が嵌合凹所３１に緩やかに嵌合した状態で、ショルダ部２５およびピン部２６は、工具ホルダ２１の軸線Ｌ１と略同軸に配置される。またショルダ部２５は、部分的に工具ホルダ２１から軸線方向一方Ｘ１に突出する。またピン部２６は、ショルダ部２５の軸線方向一方Ｘ１側端面から、軸線方向一方側に突出する。ここで、軸線方向一方Ｘ１は、工具ホルダ２１の基端部から先端部３０に向かう方向とし、軸線方向他方Ｘ２は、工具ホルダ２１の先端部３０から基端部に向かう方向とする。

固定具２３は、工具ホルダ２１の先端部３０に着脱可能に形成される。固定具２３は、一端部が開放する有底筒状に形成され、端壁部３４と、周壁部３５とを有する。端壁部３４は、円板状に形成され、中心軸線を貫通する貫通孔３６が形成される。貫通孔３６は、端壁部３４と同軸に形成され、ショルダ部２５の直径よりもやや大きく形成される。周壁部３５は、円筒状に形成され、端壁部３４の周縁部に連なって端壁部３４の周縁部の全周にわたって軸線方向に立設する。周壁部２５は、内周部分に内ねじが形成され、工具ホルダ２１の外ねじ部３３に螺合可能に形成される。周壁部２５が、周壁部３５が工具ホルダ２１の外ねじ部３３に螺合することによって、固定具２３は、工具ホルダ２１に固定される。工具ホルダ２１に固定された固定具２３は、工具ホルダ２１の軸線Ｌ１に同軸に形成される。また固定具２３の周壁部２５は、外周部分の一部が切り欠かれることによって、工具ホルダ２１に螺着した固定具２３をレンチによって締結および締結解除可能に形成される。

図２は、接合ツール２０を示す正面図である。図２（１）は、接合ツール２０の各構成部材を分解した状態を示し、図２（２）は、接合ツール２０の各構成部材を組立てた状態を示す。装着部２４が嵌合凹所３１に嵌合することで、接合工具２２が工具ホルダ２１に装着された状態となる。装着部２４および嵌合凹所３１が、直方体形状に形成されるので、装着部２４が嵌合凹所３１に嵌合した状態では、接合工具２２は、工具ホルダ２１の軸線Ｌ１まわりに角変位することが阻止される。

また装着部２４の軸線方向寸法Ａ１は、嵌合凹所３１の深さ寸法Ａ２よりも大きく形成される。これによって装着部２４が嵌合凹所３１に嵌合して、嵌合部３２の底面に装着部２４が当接した状態で、装着部２４の軸線方向一方側端面３８が、工具ホルダ２１の軸線方向一方側端面３７から予め定める長さＡ３だけ突出する。

固定具２３が工具ホルダ２１に螺合することで、固定具２３が工具ホルダ２１に装着された状態となる。固定具２３は、工具ホルダ２１に螺合した状態で、工具ホルダ２１に対して軸線方向Ｘに螺進螺退可能である。固定具２３は、軸線方向他方Ｘ２に螺進することによって、ピン部２６およびショルダ部２７が、端壁部３４の貫通孔３６を通過する。そして、端壁部３４の軸線方向他方側端面３９が、装着部２４の軸線方向一方Ｘ１側端面３８に当接する。さらに固定具２３が螺進することで、固定具２３と工具ホルダ２１とによって装着部２４は、軸線方向Ｘに挟持され、工具ホルダ２１に対して軸線方向Ｘに変位することが阻止される。このようにして接合工具３１が工具ホルダ２１に固定される。

接合工具２２が工具ホルダ２１に固定された状態では、接合工具２２からショルダ部２５およびピン部２６が軸線方向一方Ｘ１側に突出する。またショルダ部２５は、端壁部３４から軸線方向に予め定める突出寸法Ａ８突出する。この突出寸法Ａ８は、ピン部２６が予め定める没入量で被接合物に没入した状態であっても、固定具２３が被接合物に接触しない寸法に設定される。これによって固定具２３が被接合物に接触することが防止され、固定具２３の損耗を防ぐことができる。前記突出寸法Ａ８は、摩擦撹拌接合時に被接合部材が接合ツール２０に向かって反ったとしても、被接合物が固定具２３に接触しない寸法に設定されることが好ましい。たとえば本実施の形態では、突出寸法Ａ８は、３ｍｍに設定される。

また工具ホルダ２１に螺合された固定具２３を、軸線方向他方Ｘ２に螺進させることによって、工具ホルダ２１と固定具２３との締結状態を解除することができる。これによって工具ホルダ２１から固定具２３を分離させることができる。また工具ホルダ２１から固定具２３を分離すると、工具ホルダ２１に対して接合工具２２の軸線方向Ｘの変位が許容される。この状態で、接合工具２２を軸線方向一方Ｘ１に移動させて、装着部２４と嵌合凹所３１との嵌合を解除することで、工具ホルダ２１から接合工具２２を分離させることができる。これによって接合工具２２が損耗した場合に、新しい接合工具２２に交換することができる。

図３は、工具ホルダ２１の先端部３０を示す端面図である。装着部２４が嵌合凹所３１に嵌合した状態で、嵌合部３２は、装着部２４の角部４０から半径方向外方に退避した形状に形成される。言い換えると、装着部２４が嵌合凹所３１に嵌合した状態で、装着部２４の角部４０と嵌合部３２とには、隙間が形成される。本実施の形態では、嵌合部３２は、軸線Ｌ１を中心とする直方体空間３１Ａが形成されるとともに、嵌合部３２のうち軸線Ｌ１に平行に延びる４つの周壁面４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄのうち２つの平面が交わる仮想点Ｌ２を中心とする円柱状空間３１Ｂが形成される。円柱状空間３１Ｂは、直方体空間３１Ａの４角にそれぞれ形成される。これらの直方体空間３１Ａと、４つの円柱状空間３１Ｂとを含んで、嵌合凹所３１が形成される。

嵌合凹所３１に装着部２４が嵌合した状態で、嵌合部３２は、装着部２４の角部４０を除いた残余の周壁面４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄに当接する。装着部２４の角部４０は、円柱状空間３１Ｂに収容されることで、嵌合部３２と当接することが防がれる。前記円柱空間３１Ｂは、接合時の反力による接合工具２２の角部４０へのダメージを防止するための逃げ穴となる。これによって嵌合部３２および装着部２４が損耗することが防がれる。

図４は、接合工具２２を示す端面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ方向から見た図であり、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ方向から見た図である。接合工具２２は、軸線Ｌ１に垂直な切断面で切断した場合、ショルダ部２５の直径Ａ４と、装着部２４の一辺の長さＡ４とが等しく形成される。したがって図５に示すように、軸線Ｌ１と１つの角部４０を結ぶ平面に垂直な方向から見た場合には、角部４０がショルダ部２５よりも軸線Ｌ１に垂直な方向に突出する。

ピン部２６は、外周部分に外ねじが形成され、軟化した流動化部分の撹拌を促進する。またスポット接合を繰返す場合、接合工具２２は、スポット接合のたびに被接合物に衝突するので、軸線方向の衝撃が大きい。本実施の形態では、接合工具２２は、全体的に面取りされており、被接合物に衝突したときに接合工具２２が折損することが防がれる。具体的には、ピン部２６の端面と、ピン部２６の外周面との間が面取りされる。またピン部２６の外周面と、ショルダ部２５の端面との間が面取りされる。またショルダ部２５の端面と、ショルダ部２５の外周面との間が面取りされる。またショルダ部２５の端面は、略円錐周面状に形成され、外周面から軸線Ｌ１に近づくにつれて、軸線方向Ｘに没入する。

接合工具２２は、耐磨耗性材料によって実現される。本実施の形態では、接合工具２２は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とする材料からなり、焼結することによって装着部２４、ショルダ部２５およびピン部２６が一体に形成される。また工具ホルダ２１および固定具２３は、たとえばＳＫＤ−６１などの工具鋼によって形成される。

本実施の形態では、接合工具２２は、以下の機械的特性を有する。ＪＩＳ（日本工業規格） Ｒ １６１０に規定されるビッカーズ硬さが１６ＧＰａであり、ＪＩＳ Ｒ １６０１に規定される１２００℃における曲げ強度が５５０ＭＰａであり、ＪＩＳ Ｒ １６０７に規定される破壊靭性が６ＭＰａ√ｍであり、ＪＩＳ Ｒ １６４８に規定される水中急冷法による耐熱衝撃性が６５０Ｋである。またＪＩＳ Ｒ １６１８に規定される２５〜１０００℃の線膨張係数が３．７である。

多結晶立方窒化硼素（ＰＣＢＮ）を主成分とする材料から接合工具２２を形成した場合には、熱伝導性が高いので接合時における接合工具２２の温度上昇率が低い。したがって接合時間が長くなる傾向がある。また接合工具２２と工具ホルダ２１との間に熱流障壁を設けて、熱の逃げを防止する必要がある。また摩擦係数が小さいので発熱までに時間を費やしてしまう。これに対して、窒化珪素によって接合工具２２を実現すると、上述する問題が生じる可能性が少ない。

したがってＰＣＢＮによって接合工具２２を実現することは可能であるが、窒化珪素によって接合工具２２を実現したほうが、接合工具２２として好適に用いることができる。また接合工具２２の表面部に、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層を形成することによって、耐酸化性および耐反応性を向上することができ、接合工具２２としてさらに好適に用いることができる。

図７は、固定具２３を示す端面図であり、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ切断面線で切断した断面図である。固定具２３の貫通孔３６は、ショルダ部２５の直径よりもやや大きい内径Ａ４を有する。また端面部３４の厚さ寸法Ａ６は、ショルダ部２５の軸線方向寸法Ａ７よりも小さく形成される。また固定具２３の外周部分には、レンチが嵌合可能となるように中心軸線を挟んで互いに平行な平面４１が形成される。

図９は、工具ホルダ２１に接合工具２２が装着された状態を示す図である。図１０は、工具ホルダ２１に接合工具２２および固定具２３が固定された状態を示す図である。図９に示すように、工具ホルダ２１に接合工具２２が装着された状態では、装着部２４の４つの角部４０が、嵌合部３２と間隔を開けて配置される。また図１０に示すように、接合工具２２が工具ホルダ２１と固定具２３とによって挟持された状態で、固定具２３の端壁部３４から軸線方向Ｘにショルダ部２５が突出する。

図１１は、接合装置５１を含む接合設備５０を示す斜視図である。接合設備５０は、接合装置５１と、接合装置５１を保持する多関節ロボット５２と、接合装置５１および多関節ロボット５２を制御するコントローラ５３と、接合装置５１および多関節ロボット５２に動力を供給するための電源供給装置５４と、重ねあわされた複数の被接合部材６１，６２から成る被接合物６３を保持する保持装置５５とを含んで構成する。

多関節ロボット５２は、被接合物６３に予め定める被接合部分６４に、接合ツール２０を移動させる搬送装置となり、任意の位置および任意の姿勢となるように接合ツール２０を把持した接合装置５１を移動させる。接合装置５１は、多関節ロボット５２によって移動されて、保持装置５５に保持される２つの被接合部材６１，６２を互いに接合する。

接合装置５１は、予め定める基準軸線を有する。接合ツール２０は、その軸線Ｌ１が前記基準軸線に一致するように、接合装置５１に保持される。このとき接合ツール２０の軸線Ｌ１と接合装置５１の基準軸線とは同軸となる。以下、接合装置５１の基準軸線を、接合ツール２０の軸線と同じ参照符号Ｌ１で示す。

図１２は、接合装置５１の構成を示すブロック図である。接合装置５１は、ツール保持部７１と、回転駆動手段７２と、直進駆動手段７３と、受け台７４と、基体７５とを含んで構成される。ツール保持部７１は、接合ツール２０を着脱可能に保持する。ツール保持部５１は、基準軸線Ｌ１まわりに回転可能でかつ基準軸線Ｌ１に沿って直線変位可能に基体７５に支持される。

回転駆動手段７２は、ツール保持部７１を基準軸線Ｌ１まわりに回転駆動する。直進駆動手段７３は、ツール保持部７２を軸線方向Ｘに直進駆動する。具体的には、各駆動手段７２，７３は、サーボモータを含んで実現される。各サーボモータは、動力伝達機構を介して、動力をツール保持部７１にそれぞれ伝達する。これによってツール保持部７１は、回転および直線変位する。

各サーボモータは、予め定めるトルクおよび回転量で回転するように、付与電流に基づいてフィードバック制御される。各駆動手段７２，７３は、各サーボモータに付与される付与電流を検出する付与電流検出手段がそれぞれ設けられる。また各駆動手段７２，７３は、各サーボモータの回転量を検出するエンコーダがそれぞれ設けられる。

回転駆動手段７２に対応するエンコーダは、接合ツール２０の回転速度を検出する回転速度検出手段となる。また回転駆動手段７２に対応する付与電流検出手段は、接合ツール２０の回転方向のトルクを検出する負荷トルク検出手段となる。直進駆動手段７３に対応するエンコーダは、接合ツール２０の軸線方向Ｘの位置を検出するツール位置検出手段となる。また直進駆動手段７３に対応する付与電流検出手段は、接合ツール２０が被接合物６３を加圧する力を検出する加圧力検出手段となる。

受け台７４は、ツール保持部７１に対して軸線方向Ｘに関して対向する位置に設けられる。受け台７４は、基体７５に固定される。受け台７４は、摩擦撹拌接合にあたって、接合ツール２０と反対側から被接合物６３を支持する。基体７５は、多関節ロボット５２のロボットアーム５６の先端部に連結され、ツール保持部７１、各駆動手段７２，７３および受け台７４を直接または間接的に支持する。

基体７５は、ロボットアーム５６によって任意の位置および姿勢に変位駆動される。また基体７５は、いわゆるＣガンであって、略Ｃ字状に形成される。受け台７４は、基体７５の周方向一端部７５ａに設けられる。またツール保持部７１は、基体７５の周方向他端部７５ｂに設けられる。

コントローラ５３は、各ロボットアームを駆動するロボットアーム駆動手段を制御するとともに、接合装置５１の回転駆動手段７２および直進駆動手段７３を制御する。コントローラ５３は、ツール位置検出手段、加圧力検出手段、回転速度検出手段および負荷トルク検出手段から検出結果を示す信号が与えられる。コントローラ５３は、各検出手段から与えられる信号に基づいて、直進駆動手段７３および回転駆動手段７２を制御する。コントローラ５３が、各駆動手段７２，７３を制御することによって、目的とする回転速度および加圧力で、接合ツール２０を被接合物６３に没入させることができる。

またコントローラ５３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などによって実現される演算処理回路と、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などによって実現される記憶回路とを有する。記憶回路には、接合装置５１の動作条件に関する動作プログラムが記憶されている。たとえば動作条件は、接合ツール２０の回転数、被接合部分への没入量、没入時間、加圧力などであって、予め最適な値が記憶される。また記録回路には、被接合部分の位置および基体７５を移動する移動経路などを示す移動情報が記憶される。コントローラ５３の演算処理回路が、記憶回路から動作プログラムを読み出し、その動作プログラムを実行する。これによってコントローラ５３は、動作プログラムに従って、各駆動手段７２，７３およびアーム駆動手段を制御することができる。

図１３は、コントローラ５３による摩擦撹拌接合手順を示すフローチャートである。また図１４は、接合動作を説明するための断面図であり、図１４（１）〜図１４（４）の順番に動作が行われる。以下に１つの被接合部分についてスポット接合する場合のコントローラ５３の動作を説明する。

コントローラ５３は、ステップａ０で、被接合部分の位置を示す移動情報が教示されるとともに、ツール保持部７１に接合ツール２０が把持されて接合準備が完了したうえで、作業者などによって接合開始命令が与えられると、ステップａ１に進み、接合動作を開始する。

ステップａ１では、コントローラ５３は、ロボットアーム駆動手段に動作指令を与え、基体７５を被接合物６３に設定される被接合部分６４に近接した教示位置に移動させる。教示位置に基体７５が配置されると、接合ツール２０は、被接合部分６４に対して軸線方向Ｘに間隔を開けて配置される。また教示位置に基体７５が配置されると、受け台７４は、接合ツール２０と反対側から被接合物６３に当接する。このように接合ツール２０を接合待機位置に移動させると、ステップａ２に進む。

ステップａ２では、コントローラ５３は、回転駆動手段７２を制御して、ツール保持部７１を回転させる。これによって図１４（１）に示すように、ツール保持部７１とともに接合ツール２０が回転し、予め定める回転速度に達すると、ステップａ３に進む。

ステップａ３では、コントローラ５３は、直進駆動手段７３を制御し、ツール保持部７１を軸線方向一方Ｘ１に移動させる。これによって接合ツール２０が、軸線Ｌ１まわりに回転しながら被接合物６３に近接移動する。接合ツール２０の直進移動を開始するとステップａ４に進む。

ステップａ４では、図１４（２）に示すように、接合ツール２０は、回転しながら被接合部分６４に没入する。接合ツール２０は、被接合部分に没入した後も、回転しながら軸線方向一方Ｘ１にさらに進行する。接合ツール２０は回転を続けているので、ショルダ面２７およびピン部２６と被接合部分６４との摩擦熱によって、軟化した各被接合部材６１，６２が接合ツール２０に引きずられて、塑性流動して撹拌される。これによって図１４（３）に示すように、ピン部２６の周囲において各被接合部材６１，６２が、混ぜ合わされた領域６５が形成されて一体化する。ステップａ４では、コントローラ５３は、予め定める終了条件を満たしたか否かを判断し、予め定める条件を満たすと、ステップａ５に進む。

予め定める終了条件は、たとえば接合ツール２０の接合動作を開始してから、予め定める接合時間が経過したか否かによって設定される。この場合、コントローラ５３は、接合動作を開始してから、接合ツール２０が各被接合部材６１，６２を充分に撹拌したであろう接合時間が経過すると、ステップａ５に進む。ここで、各被接合部材６１，６２が充分に撹拌した状態であっても、接合ツール２０のうちで、ツールホルダ２１および固定具２３が被接合物６３に接触しないように、回転速度、加圧力、接合時間などの接合条件、接合工具２２、工具ホルダ２１などのツール形状が予め設定されている。

ステップａ５では、コントローラ５３は、直進駆動手段７３を制御し、ツール保持部７１を軸線方向他方Ｘ２に移動させる。これによって図１４（４）に示すように、接合ツール２０が被接合物６３から離反する方向に移動する。そして接合ツール２０を接合待機位置に移動させると、ステップａ６に進む。ステップａ６では、コントローラ５３は、回転駆動手段７２を制御して接合ツール２０の回転を停止する。接合ツール２０の回転が停止するとステップａ７に進み、接合動作を終了する。このようにして１つの被接合部分６４におけるスポット接合動作が行われる。同じ接合条件で複数の被接合部分６４を順番にスポット接合する場合、コントローラ５３は、上述したステップａ１〜ａ７を繰返す。

以上のように本実施の形態の接合装置５１は、図１に示す接合ツール２０を用いて、重ね合わされた２つの被接合部材６１，６２をスポット接合する。接合工具２２は、被接合部分６４に没入するので、工具ホルダ２１よりも磨耗しやすい。本実施の形態では、工具ホルダ２１に対して接合工具２２が着脱自在に形成されるので、接合工具２２が磨耗した場合、磨耗した接合工具２２を取外し、新しい接合工具２２を工具ホルダ２１に取付けることで、接合装置５１から工具ホルダ２１を取り替えることなく、接合作業を継続することができる。

たとえば鋼部材などの高温でも高強度を有する難接合部材を被接合部材とした場合、工具ホルダ２１と接合装置５１とを強固に固定する必要があるので、工具ホルダ２１と接合装置５１との装着を解除することは困難である。本実施の形態に従えば、工具ホルダ２１を取外すことなく、接合工具２２を取り替えることができるので、接合工具２２が破損したとしても、接合動作を短時間で再開することができる。また接合ツール２０全体を交換する必要がなく、工具ホルダ２１を再利用することができ、接合に費やすコストを低減することができる。たとえば接合工具２２のみを交換可能とすることで、従来の接合ツールに比べて、製造コストを１／１０以下に抑制することができる。

また接合工具２２が耐磨耗性材料によって形成することによって、鉄鋼部材などの難接合部材を接合する場合であっても、接合工具２２が磨耗するまでに接合可能な回数を増やすことができる。これによって接合工具２２の交換回数を減らすことができ、接合工具２２の交換に費やす時間を短縮することができる。また接合工具２２のみを耐磨耗性材料によって実現することで、接合ツール２０全体を耐磨耗性材料によって実現する場合に比べて、接合ツール２０を安価に実現することができる。

またたとえば、窒化珪素を主成分とする材料から接合工具２２を実現することで、接合工具２２は、高強度および耐磨耗性を得るとともに耐熱衝撃性を得ることができる。スポット接合を繰返す場合には、接合工具２２は、接合時に高温となり、次の被接合部分６４へ移動する時に低温となる状態を繰り返し、接合工具２２の温度変化が大きい。上述したように本実施の形態の接合工具２２は、耐熱衝撃性を有するので、急激な温度変化に耐えることができ、複数の被接合部分６４へのスポット接合を繰返しても、接合工具２２として必要な強度を維持することができる。

また摩擦撹拌接合にあたって、ピン部２６が被接合部分６４に充分に没入することで、被接合部分６４の流動領域を大きくすることができる。またショルダ部２７が被接合部分６４の表面部を摺動することで、被接合部分６４のうちで流動化した流動体が、軸線Ｌ１まわりに大きく回転し、撹拌効率を向上することができる。このように接合工具２２に、ショルダ部２５とピン部２６とが形成されることで、各被接合部材６１，６２が、混ぜ合わされた領域６５を広範囲にすることができ、接合強度を向上することができる。

また本実施の形態では、固定具２３によって接合工具２２が工具ホルダ２１に固定されることによって、接合工具２２は、工具ホルダ２１に固定されるための固定構造を有する必要がなく、接合工具２２を簡単化することができる。これによって接合工具２２の歩留まりを向上して安価に形成することができ、また耐磨耗性材料によって接合工具２２を容易に形成することができる。

また本実施の形態では、嵌合凹所３１に装着部２４が緩やかに嵌合した状態で、接合工具２２は、工具ホルダ２１に対して軸線Ｌ１まわりに角変位することが阻止される。また接合工具２２は、装着部２４の軸線方向両端面が固定具２３と工具ホルダ２１とに挟持されることで、工具ホルダ２１に対して軸線方向Ｘに固定される。装着部２４が嵌合凹所３１に緩やかに嵌合することによって、装着部２４および嵌合部３２に要求される寸法精度を高くする必要がなく、歩留まりを向上して製造コストを安価にすることができる。また嵌合凹所３１に挿入される装着部２４と、嵌合部３２との間に隙間を形成することで、工具ホルダ２１に対する接合工具２２の着脱を容易に行うことができる。またスポット接合の繰り返しによって、接合ツール２０の温度が頻繁に変化する場合がある。接合ツール２０における各構成部品２１，２２，２３のそれぞれの熱膨張率が異なっても、装着部２４と嵌合部３２とに隙間が形成されることによって、接合ツール２０の各構成部品２１，２２，２３の破損を防ぐことができる。

また接合工具２２が工具ホルダ２１に固定された状態では、装着部２４の軸線方向一方側の端面３８に固定具２３の端壁部３４が当接し、装着部２４の軸線方向他方側の端面に嵌合部３２の軸線方向端面が当接する。これによって固定状態では、接合工具２２が工具ホルダ２１に対して軸線方向Ｘにずれることが防がれる。また装着部２４のうち、固定具２３に当接する部分を小さくしても、接合工具２２の軸線方向Ｘの変位を確実に阻止することができる。また装着部２４の軸線方向Ｘの寸法を小さくしても、接合工具２２の軸線方向Ｘの変位を確実に阻止することができる。これによって接合工具２２を小形化することができる。

従来技術では、ショルダ部の外周面と軸部の外周面とがカラー部材によって覆われることで、ショルダ部と軸部とが固定される。したがってショルダ部と軸部の外周面を精度よく形成する必要があり、製造コストが増大する。またショルダ部と軸部とカラーとの温度膨張率の違いによっては、ショルダ部が軸部から抜け落ちるおそれがあるので、ショルダ部、軸部およびカラー部材として選択可能な材料が限定されてしまう。またショルダ部とカラー部材との固定を確実とするために、軸部とカラーとの接触面を大きくする必要があり、軸部の軸線方向寸法が大きくなってしまう。

これに対して本実施の形態の接合ツール２０では、各構成部材２１，２２，２３の許容される寸法誤差が大きく、製造コストを低減することができる。また接合工具２２を小形化しても、工具ホルダ２１に対して接合工具２２を確実に固定することができる。接合工具２２を小形化することで、さらに製造コストを低減することができる。

また本実施の形態では、接合工具２２の角部４０を除いた部分で、嵌合部３２と装着部２４とが接触している。したがって摩擦撹拌接合時に被接合物６３から与えられる反力は、分散されて工具ホルダ２１に伝わる。これによって工具ホルダ２１および接合工具２２に局所的な大きな力が与えられることを防ぎ、工具ホルダ２１および接合工具２２の破損を防ぐことができる。本実施の形態では、接合工具２２を工具ホルダ２１に装着した状態で、角部４０を除いた部分で、嵌合部３２と装着部２４とを接触させるために、嵌合部３２に逃げ穴が形成される。この他に、他の実施例として、装着部２４の角部４０の全部または一部を切除するようＲ面取り加工もしくはＣ面取り加工がなされてもよい。これによっても接合工具２２を工具ホルダ２１に装着した状態で、接合工具２２の角部４０を除いた部分で、嵌合部３２と装着部２４とを接触させることができる。 また装着部２４が嵌合凹所３１に緩やかに嵌合した状態で、装着部２４は工具ホルダ２１の軸線Ｌ１に対して垂直な方向に若干量変位可能に形成される。この場合、装着部２４が工具ホルダ２１の軸線Ｌ１に対して垂直な方向に最も離反変位したとしても、ピン部２６を工具ホルダ２１の軸線Ｌ１が通過するように形成されることが好ましい。これによって仮に接合工具２２が工具ホルダ２１の軸線Ｌ１からずれた状態で固定されたとしても、ピン部２６が工具ホルダ２１の軸線Ｌ１から離れて、工具ホルダ２１の軸線Ｌ１まわりを回転することが防がれ、接合不良を防ぐことができる。

また接合状態に応じて形状の異なる複数の接合工具２２を準備しておくことができる。これによって工具ホルダ２１を摩擦撹拌接合装置から取外すことなく、接合条件に応じて接合工具２２を容易に交換することができる。また接合条件に応じた数の接合ツール２０を用意する必要がなく、接合条件に応じた数の接合工具を用意するだけでよい。したがって多様な接合条件でスポット接合を行う場合であっても、初期コストを低減することができる。

図１５は、本発明の第２実施形態である接合ツールのうちの接合工具１２２を示す斜視図である。接合工具１２２は、第１実施形態の接合ツール２０の接合工具２２と同様のショルダ部２５およびピン部２６を有し、装着部１２４の形状が異なる。したがってショルダ部２５およびピン部２６については、説明を省略し同一の参照符号を付する。装着部１２４は、板状に形成され、軸線Ｌ１に垂直な断面形状が略小判状に形成される。また第２実施形態の工具ホルダは、第１実施形態に比べて嵌合凹所の形状が異なる。この嵌合凹所は、装着部１２４に緩やかに嵌合し、断面形状が小判状の空間に形成される。これによって装着部１２４が嵌合凹所３２に嵌合された状態で、軸線Ｌ１まわりに角変位することを阻止できる。また固定具２３が装着部１２４の軸線方向一方側端面に当接して、装着部１２４の軸線方向両端面が固定具２３と工具ホルダ３１とによって挟持されることによって、接合工具１２２の軸線方向Ｘの変位を阻止することができる。したがって図１に示す第１実施形態の接合ツール２０と同様の効果を得ることができる。装着部１２４は、断面形状がショルダ部２５の断面形状より大きく、固定具２３による工具ホルダ２１への接合工具１２２の押付け力が十分に大きければ、その断面形状は、円形形状に形成されてもよい。押付け力が十分に大きいことによって、接合工具１２２が被接合物６３に接触したときに生じる回転反力に耐えることでき、すべりを防いで接合工具１２２を工具ホルダ２１とともに回転させることができる。

また固定具２３による工具ホルダ２１への接合工具２２の押付け力が小さい場合であっても、装着部１２４の軸線に垂直な断面形状を多角形形状および楕円形状などに形成して、軸線Ｌ１から外周部分までの距離が変化する形状ようにすればよい。また後述するように図１７〜図２１に示すように、固定具２３に凹凸を形成してもよい。このようにすることによって、接合工具１２２が被接合物６３に接触したときに生じる回転反力に耐えることでき、すべりを防いで、接合工具１２２を工具ホルダ２１とともに回転させることができる。

図１６は、本発明の第３実施形態である接合ツールのうちの接合工具２２２を示す斜視図である。接合工具２２２は、装着部１２４の軸線方向に複数のショルダ部２５が連なる。具体的には、接合工具２２２は、装着部１２４の軸線方向一方側から第１ショルダ部２５Ａが突出し、軸線方向他方側から第２ショルダ部２５Ｂが突出する。また第１ショルダ部２５Ａの端面から第１ピン部２６Ａが突出し、第２ショルダ部２５Ｂの端面から第２ピン部２６Ｂが突出する。各ショルダ部２５Ａ，２５Ｂおよび各ピン部２６Ａ，２６Ｂの形状については、図１に示す接合工具２２と同様であるので、説明を省略する。

第３実施形態の工具ホルダの嵌合凹所３２は、装着部１２４が緩やかに嵌合する形状に形成される。また装着部１２４が嵌合凹所３２に嵌合し、第１ショルダ部２５Ａおよび第１ピン部２６Ａが工具ホルダから突出した状態で、第２ショルダ部２５Ｂおよび第２ピン部２６Ｂが嵌合凹所３２に収容されるように形成される。すなわち嵌合凹所３２は、装着部１２４が嵌合する嵌合領域と、２つのうち一方のショルダ部２５およびピン部２６を収容する収容領域とを含んで形成される。

収容領域は、嵌合領域よりも、断面形状が小さく形成されることで、嵌合凹所に接合工具１２２が嵌合された状態で、嵌合部は、装着部１２４の端面に当接する。この状態で、装着部１２４の両端面が、固定具２３と工具ホルダとによって挟持される。これによって接合工具２２２は、工具ホルダ２１に対して固定される。したがって図１に示す第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

そして第１ショルダ部２５Ａおよび第１ピン部２６Ａのいずれかが磨耗すると、接合工具２２２をひっくり返す。具体的には、装着部１２４が嵌合凹所３２に嵌合し、第２ショルダ部２５Ｂおよび第２ピン部２６Ｂが工具ホルダ２１から突出した状態で、第１ショルダ部２５Ａおよび第１ピン部２６Ａが嵌合凹所３２に収容する。これによって、１つの接合工具２２２によって、図１および図１５に示す接合工具１２２の２つぶんの役割を果たすことができ、利便性を向上することができる。

図１７は、本発明の第４実施形態である接合ツールのうちの固定具３２３を示す端面図であり、図１８は、図１７のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ切断面線から見た断面図である。第４実施形態では、図１に示す固定具２２とは異なる固定具３２３が用いられる。図１７では、図１５に示す接合工具１２２が用いられた場合を示す。

固定具３２３は、接合工具１２２の装着部１２４が嵌合する嵌合凹所３３１が形成される。言い換えると、固定具３２３側に接合工具１２２の角変位を防止する手段が形成される。固定具３２３は、嵌合凹所３３２が形成される以外は、第１実施形態の固定具２３と同様であるので説明を省略し、第１実施形態の固定具２３と同様の参照符号を付する。また、第４実施形態では、工具ホルダには、嵌合凹所が形成されておらず、先端部３０の端面は平坦面に形成される。

具体的には、固定具３２３の端壁部３４には、周壁部２５が立設する側に、嵌合凹所３３１が形成される嵌合部３３２が形成される。嵌合部３３２に装着部１２４の軸線方向一方側端面が当接するとともに、装着部１２４の外周面が当接する。装着部１２４は、嵌合凹所３３１に緩やかに嵌合し、嵌合した状態で固定具３２３に対する角変位が阻止される。この状態で、固定具３２３が工具ホルダに螺着されることで、工具ホルダに接合工具１２２が固定される。これによって接合工具１２２を着脱可能に工具ホルダに固定することができる。なお、工具ホルダにショルダ部２５およびピン部２６が緩やかに嵌合する凹所が形成されることによって、図１６に示す接合工具２２２を工具ホルダに固定することも可能である。このように第４実施形態の接合ツールを用いても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また第４実施形態では、装着部１２４の形状が異なる場合には、装着部１２４に応じた固定具を用意すればよく、装着部１２４の形状に基づいて工具ホルダの形状を変更する必要がない。したがって装着部１２４の形状が異なる複数の接合工具を、工具ホルダに固定することができる。

図１９は、本発明の第５実施形態である接合ツールのうちの接合工具４２２を示す斜視図である。図２０は、第５実施形態の固定具４２３を示す断面図である。接合工具４２２は、第１実施形態の接合ツール２０の接合工具２２と同様のショルダ部２５およびピン部２６を有し、装着部４２４の形状が異なる。したがってショルダ部２５およびピン部２６については、説明を省略し同一の参照符号を付する。

装着部４２４は、略円板状に形成され、ショルダ部２５に同軸に形成される。装着部４２４は、固定具および工具ホルダの少なくともいずれかに当接する端面部に凹凸部４００が形成される。ここで凹凸部４００は、粗面形状、スプライン形状、蟻溝形状およびのこぎり溝状のいずれか１つを含んでもよい。装着部２４は、固定具および工具ホルダによって挟持される。端面部に凹凸部４００が形成されることによって、工具ホルダに対する接合工具４２４の角変位を防止することができる。

同様に固定具および工具ホルダの少なくともいずれかは、装着部２４に当接する端面部に凹凸部４０１が形成される。この凹凸部４０１が、接合工具に形成される凹凸部４００に嵌合することによって、工具ホルダに対する接合工具４２４の角変位を確実に防止することができる。このように接合工具４２２の角変位を阻止する部分は、装着部４２４の両端面のうちいずれか一方に形成されてもよい。また装着部４２４の断面形状は、円形以外の形状であってもよい。

図２１は、第５実施形態の変形例である接合工具５２２を示す斜視図である。第５実施形態であっても、図１６に示すように、装着部４２４の両側にそれぞれショルダ部２５Ａ，２５Ｂと、ピン部２６Ａ，２６Ｂとが形成されてもよい。このように第５実施形態の接合ツールを用いても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、装着部４２４，５３４の凹凸部４００は、軸線方向一方側端面および軸線方向他方側端面のいずれに形成されてもよいが、両方に形成されてもよい。

図２２は、本発明の第６実施形態である接合ツールのうちの工具ホルダ６２１を示す斜視図である。図２３は、接合工具６２２が工具ホルダ６２１の軸線Ｌ１に同軸に位置合わせされた状態を示す端面図である。第６実施形態の工具ホルダ６２１の先端部３０には、固定具２３が装着されるための外ねじ６３３部が形成され、外ねじ部６３３の端面から複数の突出部６３２が突出する。このように第６実施形態の工具ホルダ６２１は、嵌合部３２に換えて、接合工具６２２の角変位を阻止する突出部６３２が形成される。

各突出部６３２は、接合工具６２２が工具ホルダ６２１の軸線Ｌ１に同軸に配置可能となるように、間隔を開けて配置される。各突出部６３２は、接合工具６２２が工具ホルダ６２１の軸線Ｌ１に同軸に位置合わせされて、接合工具６２２の装着部６２４の端面が外ねじ部６３３の端面に当接した状態で、接合工具６２１の軸線まわりの角変位を阻止する。

図２３では、接合工具６２２の装着部６２４は、断面形状が略棒状に形成される。突出部６３２は、工具ホルダ６２１に同軸に位置合わせされた装着部６２４の周壁のまわりに複数配置される。各突出部６３２は、工具ホルダ６２１の軸線を挟んで複数設けられる。本実施の形態では、突出部６３２は、円柱状に形成される。そして摩擦撹拌接合時には、突出部６３２と装着部６２４とが線接触することによって、接合工具６２２の工具ホルダに対する角変位が阻止される。固定具２３と工具ホルダ６２１とによって装着部６２４の両端面を挟持して、接合工具６２２の軸線方向Ｘを固定することは、第１実施形態と同様である。

第６実施形態に示すように、装着部６２４の外周部と突出部６３２とが線接触している場合でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。接合工具６２２と工具ホルダ６２１とが線接触することによって、接合工具６２２から工具ホルダ６２１に伝わる熱量を少なくすることができ、スポット接合を繰返すにあたって接合工具６２２を高温に保つことができる。

図２４〜図２６は、本発明の第７実施形態である接合ツールのうちの工具ホルダを示す端面図である。工具ホルダは、外ねじ部に上述する突出部または嵌合部が形成される。

接合工具は、工具ホルダと同軸に位置合わせされた状態で、軸線方向に予め定める所定範囲内で角変位可能に形成される。これによって工具ホルダへの接合工具の装着を容易に実現することができる。また接合時にあたっては、接合工具が工具ホルダと同軸の状態を保って、所定範囲ぶん角変位することによって、工具ホルダに形成される突出部または嵌合部に当接して、さらなる角変位が阻止される。固定具２３と工具ホルダとによって装着部６２４の両端面を挟持して、接合工具の軸線方向Ｘを固定することは、第１実施形態と同様である。これによって工具ホルダに対する接合工具の角変位の影響をなくして、摩擦撹拌接合を行うことができる。

図２４では、工具ホルダ７２１は、外ねじ部７３３から突出する２つの扇形状の突出部７３３が形成される。２つの突出部７３３は、工具ホルダの軸線Ｌ１を挟んで対向し、接合工具６２２が挟み込まれる隙間を開けて互いに配置される。装着部６２４が所定範囲内で角変位可能となるように、突出部７３３の間の空間が設定される。

本実施の形態では、断面形状が棒状形状の装着部６２４が２つの突出部７３３の間で、工具ホルダ７２１と同軸Ｌ１に配置される。この状態で、装着部６２４は、軸線Ｌ１まわりに一方向に角変位すると、装着部６２４の外周面が２つの突出部７３３の周面にそれぞれ面接触し、さらなる角変位が阻止される。

図２５では、工具ホルダ８２１は、外ねじ部８３３に没入する嵌合凹所８３１が形成される嵌合部８３２が形成される。嵌合部８３２は、２つの略扇形状の空間が工具ホルダ８２１の軸線Ｌ１を挟んで対向する。嵌合部８３２は、軸線Ｌ１を中心とする半径に沿って延びる第１周面８００と、第１周面８００の縁辺から軸線Ｌ１に向かって延びる第２周面８０１とを有する。

本実施の形態では、装着部６２４が嵌合凹所８３１に嵌合した状態で、接合工具６２１が、工具ホルダ８２１と同軸に配置される。この状態で、装着部６２４は、軸線Ｌ１まわりに一方向に角変位すると、装着部６２４の外周面が第２周面に面接触し、さらなる角変位が阻止される。

図２６では、工具ホルダ９２１は、外ねじ部７３３から突出する２つの三日月状の突出部９３２が形成される。図２６（１）は、装着部６２４が軸線Ｌ１まわりに角変位可能な状態を示し、図２６（２）は、装着部６２４が軸線Ｌ１まわりのうち一方向に角変位が阻止された状態を示す。

２つの突出部９３２は、工具ホルダ９２１の軸線Ｌ１を挟んで対向し、接合工具６２２が挟み込まれる隙間を開けて互いに配置される。突出部７３３の間の空間は、装着部６２４が所定角度角変位可能に形成される。各突出部９３２は、軸線Ｌ１に向かって臨む曲面が、軸線Ｌ１まわりに周方向一方に進むにつれて、軸線Ｌ１までの距離が短くなる。

本実施の形態では、装着部６２４が２つの突出部９３３の間で、工具ホルダ９２１と同軸に配置される。この状態で、装着部６２４は、軸線Ｌ１まわりに周方向一方向に角変位すると、装着部６２４の外周面が２つの突出部７３３の周面にそれぞれ面接触し、さらなる角変位が阻止される。このような図２４〜図２６に示す第７実施形態の接合ツールであっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上のような本発明の実施の一形態は、発明の例示にすぎず、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば本実施の形態の接合ツールは、難接合部材のスポット接合に好適に用いることができるが、難接合部材以外たとえばアルミ部材であっても用いることができる。またスポット接合以外にも用いてもよい。

また嵌合部３２と装着部２４との形状は発明の例示にすぎず、工具ホルダ２１または固定具２３に接合工具２２が装着可能な構造が、工具ホルダ２１または固定具２３のいずれかと、接合工具２２とに形成されていればよい。たとえば接合工具２１に嵌合凹所が形成され、工具ホルダ２１または固定具２３に嵌合凹所に嵌合する嵌合部が形成されてもよい。また本実施の形態では、固定具２３を用いて接合工具２２を工具ホルダ２１に固定する構成について説明したが、固定具２３を用いずに、工具ホルダ２１に接合工具２２が直接固定されてもよい。たとえば接合工具２２にねじ山が形成されてもよい。また接合装置５１の構成は、適宜変更可能であり、多関節ロボットによって搬送されなくてもよい。また接合装置５１に工具ホルダ２１が固定される構成であってもよい。また接合工具２２は、窒化珪素であるとしたが、高い硬さを有する材料であれば窒化珪素以外であってもよい。たとえば窒化物、酸化物および炭化物の少なくともいずれかを含む工具材料であってもよい。

本発明の第１実施形態である接合ツール２０を示す斜視図である。 接合ツール２０を示す正面図である。 工具ホルダ２１の先端部３０を示す端面図である。 接合工具２２を示す端面図である。 図４のＶ−Ｖ方向から見た図である。 図４のＶＩ−ＶＩ方向から見た図である。 固定具２３を示す端面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ切断面線で切断した断面図である。 工具ホルダ２１に接合工具２２が装着された状態を示す図である。 工具ホルダ２１に接合工具２２および固定具２３が固定された状態を示す図である。 接合装置５１を含む接合設備５０を示す斜視図である。 接合装置５１の構成を示すブロック図である。 コントローラ５３による摩擦撹拌接合手順を示すフローチャートである。 接合動作を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態である接合ツールのうちの接合工具１２２を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態である接合ツールのうちの接合工具２２２を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態である接合ツールのうちの固定具３２３を示す端面図である。 図１７のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ切断面線から見た断面図である。 本発明の第５実施形態である接合ツールのうちの接合工具４２３を示す斜視図である。 第５実施形態の固定具４２３を示す断面図である。

第５実施形態の変形例である接合工具５２２を示す斜視図である。 本発明の第６実施形態である接合ツールのうちの工具ホルダ６２１を示す斜視図である。 接合工具６２２が工具ホルダ６２１の軸線Ｌ１に同軸に位置合わせされた状態を示す端面図である。 本発明の第７実施形態である接合ツールのうちの工具ホルダを示す端面図である。 本発明の第７実施形態である接合ツールのうちの工具ホルダを示す端面図である。 本発明の第７実施形態である接合ツールのうちの工具ホルダを示す端面図である。

符号の説明

２０ 接合ツール
２１ 工具ホルダ
２２ 接合工具
２３ 固定具
２４ 装着部
２５ ショルダ部
２６ ピン部
３１ 嵌合凹所
３２ 嵌合部
４０ 角部
５１ 摩擦撹拌接合装置
６１，６２被接合部材
６３ 被接合物
Ｌ１ 軸線

Claims (5)

1. 複数の被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置に用いられる接合ツールであって、
   基端部が摩擦撹拌接合装置に把持され、摩擦撹拌接合装置によって回転駆動および変位駆動され、先端部には、装着部が嵌合する嵌合凹所が形成され、この先端部にはまた、外ねじが形成される工具ホルダと、
   工具ホルダの前記先端部に着脱自在に形成され、摩擦撹拌接合にあたって工具ホルダの先端部に装着された状態で被接合部分に没入し、耐磨耗性材料から成る接合工具であって、
   工具ホルダの嵌合凹所に嵌合した状態で、工具ホルダに対する軸線まわりの角変位が阻止されて、工具ホルダに装着される装着部と、
   装着部に連なり、装着部が工具ホルダに装着された状態で、工具ホルダの回転軸線と同軸の円柱状に形成されるショルダ部とを備え、
   装着部は、ショルダ部よりも半径方向に突出して形成される部分を有する接合工具と、
   工具ホルダの外ねじに螺着して装着されることによって、工具ホルダと協働して装着部の前記部分を軸線方向に挟持して、接合工具が嵌合凹所から軸線方向に抜出ることを阻止し、工具ホルダに対して接合工具を固定および固定解除可能に形成される固定具とを含むことを特徴とする接合ツール。
2. 軸線に垂直な切断面で切断したときに装着部に角部が形成される場合、工具ホルダは、嵌合凹所に装着部が嵌合した状態で、装着部の角部を除いた残余の部分に当接することを特徴とする請求項１記載の接合ツール。
3. 接合工具は、ショルダ部の端面から軸線方向に突出し、装着部が工具ホルダに装着された状態で、工具ホルダの回転軸線と同軸に形成されて、ショルダ部よりも直径が小さい円柱状または円錐状に形成されるピン部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の接合ツール。
4. 接合工具は、窒化珪素を主成分とする材料から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接合ツール。
5. 被接合部材のスポット接合に用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の接合ツール。

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