JP5848528B2 - 摩擦撹拌接合用の回転工具、摩擦撹拌接合装置、及び摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用の回転工具、摩擦撹拌接合装置、及び摩擦撹拌接合方法に関する。

摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding；FSW）は、1990年代に開発された比較的新しい接合技術であって、金属材の溶接やろう付けに代わるものとして注目されている。摩擦撹拌接合は、突き合わせた２枚の板材の境界部分に回転工具を回転させながら押し当て、その境界部分を摩擦による発熱で軟化させながら撹拌し、回転工具が通過した後に冷えて硬化することで２枚の板材を接合させる技術である（特許文献１参照）。

摩擦撹拌を行うための回転工具としては、いくつかの形態が提案されている。最も知られている回転工具は、先端部分に形成された大径のショルダ面の中央に棒状のプローブ（ピン）が取り付けられたものである。この回転工具を用いる場合にはプローブ及びショルダ面を接合対象である板材に押し当てるが、その際、板材を安定させるためにその板材の裏面には裏当て金が当てられる（特許文献２の図３参照）。また、これ以外の回転工具としては、ボビン式の回転工具が提案されている（特許文献１の図２Ａ及び図２Ｂ参照）。ボビン式の回転工具は、プローブの先端に別途ショルダ面を有する部材を取り付け、プローブの上下両側にショルダ面を配置したものである。ボビン式の回転工具では、上下のショルダ面で板材を挟みながら接合するため、裏当て金は不要となる。

このように、ボビン式の回転工具を用いる接合は、裏当て金が不要であることから、裏当て金を配置するのが難しい場合には有効である。裏面に裏当て金を配置するのが難しい接合対象の例としては、アルミ製の鉄道車両を製造する場合に使用されるダブルスキン材が挙げられる。ダブルスキン材は、２枚の薄板を所定の間隔をおいて重ねた構造を有している。そのため、ダブルスキン材を摩擦撹拌接合する場合は、各薄板についてそれぞれ接合が必要となるが、薄板の裏面、すなわちダブルスキン材の内側に裏当て金を挿入することは困難である。そのため、ダブルスキン材を摩擦撹拌接合する場合には、一般にボビン式の回転工具が使用されている（例えば、特許文献３参照）。

特表平７−５０５０９０号公報 特開２００３−１８１６５６号公報 特開２００７−３２６１１７号公報

ここで、回転工具は板材に垂直に押し当てた場合に、ショルダ面が板材と平行に接するよう構成されている。そのため、回転工具の回転軸がぶれると、ショルダ面が板材と不均一に接触することになる。この場合、ショルダ面が接する部分は大きく減肉し、接しない部分との境界で大きな段差が生じ、強度の低下を招く。特に、ボビン式の回転工具を用いた場合には、板材の表面と裏面の両側でショルダ面が接触するため、回転軸がぶれることによる影響は大きい。

また、上述したように、ダブルスキン材を摩擦撹拌接合する場合には、２枚の薄板についてそれぞれ接合作業を行う必要がある。この作業方法としては、一方側の薄板について接合を行った後にダブルスキン材を反転して他方側の薄板について接合を行うか、または、２台の摩擦撹拌接合装置を用いて両薄板を同時に接合させる方法が考えられる。ダブルスキン材を反転させる方法は、回転工具を２往復させる必要があり、２台の摩擦撹拌接合装置を用いる方法は設備が重複することになる。そのため、いずれの方法も効率的ではない。

そこで本発明では、回転軸がぶれるのを抑え、かつ、ダブルスキン材の接合を効率よく行うことができる摩擦撹拌接合用の回転工具を提供することを目的としている。

本発明のある形態に係る摩擦撹拌接合用の回転工具は、基端回転部材と、前記基端回転部材の下方に位置する中間回転部材と、前記中間回転部材の下方に位置する先端回転部材と、前記基端回転部材と前記中間回転部材の間に位置する上プローブと、前記中間回転部材と前記先端回転部材の間に位置する下プローブと、を有する。

かかる構成によれば、ダブルスキン材を摩擦撹拌接合により接合する際、基端回転部材と中間回転部材とで上板を挟み込むとともに、中間回転部材と先端回転部材とで下板を挟み込んで接合を行うことができる。これにより、回転工具の回転軸上の２箇所でそれぞれ上板又は下板を挟むことになるため、回転工具の回転軸がぶれるのを抑えることができる。また、上板と下板を同時に摩擦撹拌することができるため、ダブルスキン材の接合を効率よく行うことができる。

また、上記の回転工具において、前記基端回転部材及び前記中間回転部材は、両部材間の距離を調節可能に前記上プローブによって連結されており、前記中間回転部材及び前記先端回転部材は、両部材間の距離を調節可能に前記下プローブによって連結されるように構成してもよい。かかる構成によれば、基端回転部材と中間回転部材の距離を調整することができるとともに、中間回転部材及び先端回転部材の距離を調整することができるため、結合対象の板の厚みが代わったとしても、回転工具を変更する必要はない。

また、上記の回転工具において、前記上プローブは、前記基端回転部材及び前記中間回転部材の少なくとも一方にねじで締結されて両部材を連結し、前記下プローブは、前記中間回転部材及び前記先端回転部材の少なくとも一方にねじで締結されて両部材を連結するように構成してもよい。かかる構成によれば、ねじの締込み量を調整することにより基端回転部材と中間回転部材の距離、及び中間回転部材と先端回転部材の距離の調整を容易に行うことができる。

さらに、本発明のある形態に係る摩擦撹拌接合装置は、上板と下板を有するダブルスキン材を突合せ、摩擦撹拌接合により接合するための装置であって、回転しながら前記ダブルスキン材に接触して摩擦撹拌を行う回転工具と、前記回転工具を回転可能に保持する回転保持装置と、を備え、前記回転工具は、その回転軸に沿って、前記回転保持装置側に位置する基端回転部材と、前記基端回転部材の下方に位置する中間回転部材と、前記中間回転部材の下方に位置する先端回転部材と、前記基端回転部材と前記中間回転部材の間に位置する上プローブと、前記中間回転部材と前記先端回転部材の間に位置する下プローブと、を有する。

また、上記の摩擦撹拌接合装置において、前記上プローブは、前記基端回転部材及び前記中間回転部材の少なくとも一方においてその内部に挿入した状態で固定されており、前記下プローブは、前記中間回転部材及び前記先端回転部材の少なくとも一方においてその内側に挿入した状態で固定されており、前記上プローブの挿入量を変化させることで前記基端回転部材と前記中間回転部材の距離を調整することができ、前記下プローブの挿入量を変化させることで前記中間回転部材と前記先端回転部材の距離を調整することができるように構成してもよい。

また、上記の摩擦撹拌接合装置において、前記上プローブの端部には雄ねじが形成されているとともに、前記基端回転部材及び前記中間回転部材のうち前記上プローブの前記雄ねじに対応する箇所にはねじ穴が形成されており、前記上プローブの前記挿入量は、前記上部ローブに形成された前記雄ねじの締込み量を調整することにより変化させることができ、前記下プローブの端部には雄ねじが形成されているとともに、前記中間回転部材及び前記先端回転部材のうち前記上プローブの前記雄ねじに対応する箇所にはねじ穴が形成されており、前記上プローブの前記挿入量は、前記上部ローブに形成された前記雄ねじの締込み量を調整することにより変化させることができるように構成してもよい。

また、上記の摩擦撹拌接合装置において、前記回転保持装置は、前記回転工具を上下方向に移動可能に支持するフローティング機構を有するように構成してもよい。かかる構成によれば、ダブルスキン材の表面が起伏しているような場合であっても、それに合わせて確実に接合を行うことができる。

また、上記の摩擦撹拌接合装置において、前記上プローブは、前記基端回転部材を貫通して前記回転保持装置の内部まで延びており、前記回転保持装置は、前記上プローブを上下させて前記回転工具の回転中に前記基端回転部材と前記中間回転部材の間隔を調整できる間隔調整機構を有するように構成してもよい。かかる構成によれば、上板の厚みが多少変化するような場合であっても、その厚みに対応して接合を行うことができる。

さらに、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上板と下板を有するダブルスキン材を摩擦撹拌接合する方法であって、上記の摩擦撹拌接合装置を使用し、前記回転工具を回転させて、前記基端回転部材と前記中間回転部材とで前記上板を挟み込むとともに、前記中間回転部材と前記先端回転部材とで前記下板を挟み込み、前記上板と前記下板を同時に摩擦撹拌する。

上記のように、本発明に係る摩擦撹拌接合用の回転工具によれば、回転軸がぶれるのを抑え、かつ、ダブルスキン材の接合を効率よく行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の要部の概略図である。 本発明の第１実施形態に係る回転工具の分解図である。 本発明の第１実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示した図である。 第１実施形態の第１変形例に係る回転工具の分解図である。 第１実施形態の第２変形例に係る回転工具の分解図である。 本発明の第２実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の要部の概略図である。 本発明の第３実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の要部の概略図である。

以下、本発明に係る実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
はじめに、図１から図５を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。ここで図１は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００の要部を示した概略図である。また、図２は、本実施形態に係る回転工具１０の分解図である。図１に示すように、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００は、回転工具１０と、回転保持装置３０と、を備えている。このうち、回転工具１０は、基端回転部材１１と、中間回転部材１２と、先端回転部材１３と、上プローブ１４と、下プローブ１５と、を有している。以下、回転工具１０の各構成要素及び回転保持装置３０について順に説明する。

基端回転部材１１は、回転工具１０のうち回転保持装置３０側に位置する部材である。基端回転部材１１の上方部分は、回転保持装置３０の内部に位置しており、回転保持装置３０によって保持されている。基端回転部材１１は、略円柱状の形状を有しており、下端部分は下方に向かって径が小さくなるテーパー状に形成されている。基端回転部材１１の下面２２は、平面かつ円形状に形成されており、接合時に接合部分に接触するショルダ面を構成している。また、図２に示すように、基端回転部材１１には、下面２２に開口するねじ穴１６が鉛直方向に延びるようにして形成されており、このねじ穴１６の内周面には雌ねじが形成されている。

中間回転部材１２は、基端回転部材１１と先端回転部材１３の間に位置する部材である。中間回転部材１２は略円盤状又は略円柱状の形状を有している。中間回転部材１２は、その上端部分が上方に向かって径が小さくなるテーパー状に形成されており、下端部分が下方に向かって径が小さくなるテーパー状に形成されている。中間回転部材１２の上面２３は平面かつ円形状に形成されており、接合時に接合部分に接触するショルダ面を構成している。同様に、中間回転部材１２の下面２４は平面かつ円形状に形成されており、上面２３が接する接合部分とは別の接合部分に接触するショルダ面を構成している。また、図２に示すように、中間回転部材１２には、下面２４に開口するねじ穴１７が鉛直方向に延びるようにして形成されており、このねじ穴１７の内周面には雌ねじが形成されている。

先端回転部材１３は、回転工具１０のうち先端側に位置する部材である。先端回転部材１３は、略円盤状の形状を有しており、その上端部分は上方に向かって径が小さくなるテーパー状に形成されている。また、先端回転部材１３の上面２５は、平面かつ円形状に形成されており、接合時に接合部分に接触するショルダ面を構成している。

上プローブ１４は、基端回転部材１１と中間回転部材１２の間に位置するプローブである。図２に示すように、上プローブ１４の下端部分は中間回転部材１２に固定されている。また、上プローブ１４の上方部分には雄ねじが形成されており、この部分を基端回転部材１１のねじ穴１６にねじ込むことにより、上プローブ１４を基端回転部材１１に連結することができる。なお、基端回転部材１１に形成された雌ねじ及び上プローブ１４に形成された雄ねじは、回転工具１０が回転しても緩まない方向にねじが切られている。上プローブ１４は以上のように構成されているため、基端回転部材１１にねじ込む上プローブ１４の締込み量を調整し、上プローブ１４の基端回転部材１１への挿入量を変化させることで基端回転部材１１と中間回転部材１２の距離を調整することができる。なお、上プローブ１４の挿入量は、基端回転部材１１のねじ穴１６に所定の厚さを有するスペーサを入れる等することで調整することができる。

下プローブ１５は、中間回転部材１２と先端回転部材１３の間に位置するプローブである。図２に示すように、下プローブ１５の下端部分は先端回転部材１３に固定されている。また、下プローブ１５の上方部分には雄ねじが形成されており、この部分を中間回転部材１２のねじ穴１７にねじ込むことにより、下プローブ１５を中間回転部材１２に連結することができる。なお、中間回転部材１２に形成された雌ねじ及び下プローブ１５に形成された雄ねじは、回転工具１０が回転しても緩まない方向にねじが切られている。下プローブ１５は以上のように構成されているため、中間回転部材１２にねじ込む下プローブ１５の締込み量を調整し、下プローブ１５の中間回転部材１２への挿入量を変化させることで中間回転部材１２と先端回転部材１３の距離を調整することができる。なお、下プローブ１５の挿入量は、中間回転部材１２のねじ穴１７に所定の厚さを有するスペーサを入れる等することで調整することができる。

回転保持装置３０は、回転工具１０を回転可能に保持する装置である。図１に示すように、回転保持装置３０は、本体ケース３１と、メインモータ３２と、保持金具３３と、を有している。本体ケース３１は、内部にメインモータ３２と保持金具３３を収容している。この本体ケース３１は、摩擦撹拌接合装置１００が備える図示しない他の装置により、上下方向及び水平方向に移動できるように構成されている。メインモータ３２は、回転シャフト３４を介して回転工具１０に連結されており、メインモータ３２を駆動することで回転工具１０を回転させることができる。保持金具３３は、ベアリングを含んでおり回転工具１０の基端回転部材１１を回転可能に直接保持している。以上が本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００の構成である。

次に、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００を用いた摩擦撹拌接合方法について説明する。図３は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示した図である。まず、本実施形態に係る摩擦撹拌接合の接合対象は、上薄板９１と下薄板９２を有するダブルスキン材９０である。そして、事前に２枚のダブルスキン材９０の端部を突き合わせておく。図３では、左右のダブルスキン材９０を突き合わせた状態を示している。摩擦撹拌接合装置１００は回転工具１０を回転させながら、突き合わされた左右のダブルスキン材９０の境界部分に接触させる。このとき、上薄板９１を基端回転部材１１と中間回転部材１２で挟むようにし、下薄板９２を中間回転部材１２と先端回転部材１３とで挟むようにする。

そして、そのまま左右のダブルスキン材９０の境界部分に沿って回転工具１０を進める。これにより、左右の上薄板９１は、上プローブ１４、基端回転部材１１、及び中間回転部材１２との接触による熱により軟化されつつ撹拌される。また、左右の下薄板９２は、下プローブ１５、中間回転部材１２、及び先端回転部材１３との接触による熱により軟化されつつ撹拌される。このように、上薄板９１と下薄板９２は同時に摩擦撹拌され、回転工具１０が通り過ぎた部分は冷えて硬化し、最終的に突き合わされた２枚のダブルスキン材９０は結合される。

本実施形態に係る摩擦撹拌接合の方法によれば、基端回転部材１１と中間回転部材１２とで上薄板９１を挟み込むとともに、中間回転部材１２と先端回転部材１３とで下薄板９２を挟み込みながら接合するため、回転工具１０の回転軸がぶれるのを抑えることができる。また、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００によれば、上薄板９１及び下薄板９２を同時に摩擦撹拌接合することができるため、効率よく作業を行うことができる。なお、上述したように、基端回転部材１１の下端部分、中間回転部材１２の上端部分、中間回転部材１２の下端部分、及び先端回転部材１３の上端部分が、テーパー状に形成されている。そのため、基端回転部材１１と中間回転部材１２の間に上薄板９１を確実に挿入することができ、また、中間回転部材１２と先端回転部材１３の間に下薄板９２を確実に挿入することができる。

なお、以上では図２を参照して回転工具１０の構成について説明したが、回転工具１０は図２に示す以外の構成であってもよい。以下では、本実施形態に係る回転工具１０の変形例について説明する。まず、第１変形例について説明する。図４は、第１変形例に係る回転工具１０の分解図である。図４に示すように、第１変形例では上プローブ１４が、中間回転部材１２から取り外し可能であり、下プローブ１５は先端回転部材１３から取り外し可能である。より具体的には次のとおりである。

基端回転部材１１には下面２２に開口するねじ穴１６が形成されている。中間回転部材１２には鉛直方向に貫通するねじ穴１７が形成されている。先端回転部材１３には上面２５に開口するねじ穴１８が形成されている。また、上プローブ１４及び下プローブ１５には、上方部分及び下方部分に雄ねじが形成されている。そのため、上プローブ１４を基端回転部材１１のねじ穴１６にねじ込むことにより基端回転部材１１に連結することができ、中間回転部材１２のねじ穴１６にねじ込むことにより中間回転部材１２に固定することができる。また、下プローブ１５を中間回転部材１２のねじ穴１７にねじ込むことにより中間回転部材１２に連結することができ、先端回転部材１３のねじ穴１８にねじ込むことにより先端回転部材１３に連結することができる。

以上のように、第１変形例に係る回転工具１０によれば、上プローブ１４の基端回転部材１１への挿入量及び中間回転部材１２への挿入量の両方又は一方を変化させることで基端回転部材１１と中間回転部材１２の距離を調整することができる。同様に、下プローブ１５の中間回転部材１２への挿入量及び先端回転部材１３への挿入量の両方又は一方を変化させることで中間回転部材１２と先端回転部材１３の距離を調整することができる。なお、各プローブ１４、１５の挿入量は、スペーサ等を用いることで調整することができる。このように、第１変形例によれば、各回転部材１１、１２、１３の間隔を調整する自由度をさらに向上させることができる。

続いて、第２変形例について説明する。図５は、第２変形例に係る回転工具１０の分解図である。図５に示すように、第２変形例に係る回転工具１０はセットねじ１９を有しており、このセットねじ１９によって上プローブ１４及び下プローブ１５の位置が固定される。より具体的には次のとおりである。

基端回転部材１１には下面２２に開口する鉛直方向のねじ穴１６が形成されており、また、このねじ穴１６に通じる水平方向のねじ穴２０が形成されている。中間回転部材１２には、鉛直方向に貫通するねじ穴１７が形成されている。先端回転部材１３には上面２５に開口する鉛直方向のねじ穴１８が形成されており、また、このねじ穴１８に通じる水平方向のねじ穴２１が形成されている。上プローブ１４及び下プローブ１５には、それぞれ上方部分及び下方部分に雄ねじが形成されている。なお、上プローブ１４及び下プローブ１５は、第１変形例の場合に比べて軸方向の長さが長くなるよう形成されている。さらに、基端回転部材１１及び先端回転部材１３に形成された水平方向のねじ穴２０、２１には、それぞれセットねじ１９が挿入される。

以上の構成を備えた回転工具１０によれば、次のようにして各回転部材１１、１２、１３の間隔を調整することができる。まず、上プローブ１４と下プローブ１５をそれぞれ中間回転部材１２のねじ穴１７にねじ込む。このとき、中間回転部材１２のねじ穴１７内で、上プローブ１４と下プローブ１５を接触させて両プローブ１４、１５の移動を制限する。その後、上プローブ１４を基端回転部材１１の鉛直方向のねじ穴１６に所望の量だけねじ込む。この状態で、基端回転部材１１の水平方向のねじ穴２０にセットねじ１９をねじ込む。これにより、セットねじ１９の先端が上プローブ１４に接して上プローブ１４の移動が制限させる。つまり、基端回転部材１１における上プローブ１４の挿入量が固定される。同様にして、下プローブ１５を先端回転部材１３の鉛直方向のねじ穴１８に所望の量だけねじ込む。この状態で、先端回転部材１３の水平方向のねじ穴２１にセットねじ１９をねじ込む。これにより、セットねじ１９の先端が下プローブ１５に接して下プローブ１５の移動が制限される。つまり、先端回転部材１３における下プローブ１５の挿入量が固定される。

以上のように、第２変形例に係る回転工具１０によれば、セットねじ１９を用いることで各プローブ１４、１５の位置を固定することができる。つまり、第２変形例に係る回転工具１０によれば、各プローブ１４、１５の挿入量を調整するにあたり、スペーサ等をねじ穴に挿入する必要はない。そのため、各プローブ１４、１５の挿入量、つまり各回転部材１１、１２、１３の間隔をより簡単にかつ正確に調整することができる。

なお、第２変形例の場合のように、セットねじ１９を用いる場合には、必ずしも各回転部材１１〜１３にねじ穴を形成し、各プローブ１４、１５に雄ねじを形成しなくてもよい。各プローブ１４、１５は、セットねじ１９によって軸方向への移動が制限されるからである。このように、ねじ穴等を形成しない場合には、各プローブ１４、１５の挿入量は、各プローブ１４、１５の締込み量を調整することによって変化させるのではなく、各プローブ１４、１５を各回転部材１１〜１３に対して軸方向にスライドさせることによって変化させることになる。

（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置２００の要部の概略図である。図６に示すように、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置２００は、回転保持装置３０がフローティング機構３５を備えている点で第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００と異なる。それ以外の構成は、第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００と基本的に同じである。以下、フローティング機構３５について説明する。

フローティング機構３５は、回転工具１０を上下方向に移動可能に支持する機構である。本実施形態に係るフローティング機構３５は、回転枠部材３６と、可動支持部材３７と、によって主に構成されている。回転枠部材３６は、筒状の形状を有しており、回転工具１０の基端回転部材１１を覆うようにして配置されている。また、回転枠部材３６は、保持金具３３によって回転可能に保持されているとともに、回転シャフト３４を介してメインモータ３２に連結されている。そのため、メインモータ３２を駆動することにより、回転枠部材３６は回転する。

一方、可動支持部材３７は、回転枠部材３６の内側に位置している。可動支持部材３７は、回転枠部材３６の内面に固定される固定部３８と、固定部３８に連結されて上下方向に伸縮する支持ばね３９と、支持ばね３９に支持された可動部４０とによって主に構成されている。なお、上記の支持ばね３９には、コイルばね、ゴムばね、および空気ばね等が含まれる。さらに、可動部４０は回転工具１０の基端回転部材１１に連結されている。そのため、回転工具１０は、回転枠部材３６の回転に伴って回転するとともに、回転枠部材３６に対して上下方向に移動することができる。

以上のようにして、フローティング機構３５は回転工具１０を上下方向に移動可能に支持している。よって、例えば、ダブルスキン材９０が波打つように形成されており、接合中に回転工具１０とダブルスキン材９０の相対位置が上下方向に変化する場合であっても、回転工具１０がその変化に追従して確実に接合を行うことができる。

なお、以上では回転枠部材３６に対して回転工具１０が上下方向に移動可能である場合について説明したが、フローティング機構３５がこれ以外の構成を備えていてもよい。例えば、フローティング機構３５が回転枠部材３６を有しておらず、回転工具１０とメインモータ３２が直接連結されており、回転工具１０とともにメインモータ３２が本体ケース３１に対して上下方向に移動できるように構成されていてもよい。この場合であっても、フローティング機構３５は、回転工具１０を上下方向に移動可能に支持することができる。

（第３実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置３００の概略図である。図７に示すように、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置３００は、回転保持装置３０が間隔調整機構４１を備えている点で第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００と異なる。それ以外の構成は、第１実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１００と基本的に同じである。以下では、間隔調整機構４１を中心に回転保持装置３０について説明する。

間隔調整機構４１は、回転工具１０の一部である上プローブ１４と、昇降保持部４２と、昇降モータ４３とによって主に構成されている。上プローブ１４は、基端回転部材１１を貫通して回転保持装置３０の内部まで延びている。この上プローブ１４の上端部分にはフランジ４４が形成されている。また、昇降保持部４２は、フランジ４４及びベアリング４５を介して上プローブ１４全体を保持している。さらに、昇降モータ４３は、昇降保持部４２に連結されており、昇降保持部４２を上下方向に移動させることができる。なお、回転工具１０の基端回転部材１１には第１歯車４６が設けられているとともに、メインモータ３２には第２歯車４７が連結されている。そして、第１歯車４６と第２歯車４７とは互いに噛み合うように配置されている。そのため、メインモータ３２を駆動することにより、回転工具１０は回転する。

間隔調整機構４１は以上のような構成を有しているため、昇降モータ４３を駆動することで昇降保持部４２が上下方向に移動し、上プローブ１４は上下方向に移動する。さらに、この移動に伴って、上プローブ１４に固定された中間回転部材１２も上下方向に移動する。つまり、昇降モータ４３を駆動させることで基端回転部材１１と中間回転部材１２の間隔を調整することができる。さらに、昇降保持部４２が上プローブ１４を回転可能に保持しているため、回転工具１０が回転している間であってもこの間隔調整を行うことができる。これにより、ダブルスキン材９０の上薄板９１の厚みが変化するような場合であっても、その厚みに対応して基端回転部材１１と中間回転部材１２の間隔を接合中であっても調整することができる。

なお、以上では、間隔調整機構４１が昇降保持部４２を介して上プローブ１４を上下方向に移動させる場合について説明したが、間隔調整機構４１の構成はこれに限られない。例えば、間隔調整機構４１が、昇降保持部４２を有しておらず、昇降モータ４３が上プローブ１４に直接接続されており、回転工具１０とともに昇降モータ４３が回転するように構成されていてもよい。

以上、本発明の実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、第２実施形態のフローティング機構３５と第３実施形態の間隔調整機構４１の両方を含む摩擦撹拌接合装置であっても、本発明に含まれる。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置に用いる回転工具によれば、回転軸がぶれるのを抑え、かつ、ダブルスキン材の接合を効率よく行うことができる。よって、摩擦撹拌接合装置の技術分野において有益である。

１０ 回転工具
１１ 基端回転部材
１２ 中間回転部材
１３ 先端回転部材
１４ 上プローブ
１５ 下プローブ
３０ 回転保持装置
３５ フローティング機構
４１ 間隔調整機構
９０ ダブルスキン材
９１ 上薄板
９２ 下薄板
１００、２００、３００ 摩擦撹拌接合装置

Claims (5)

1. 基端回転部材と、前記基端回転部材の下方に位置する中間回転部材と、前記中間回転部材の下方に位置する先端回転部材と、前記基端回転部材と前記中間回転部材の間に位置する上プローブと、前記中間回転部材と前記先端回転部材の間に位置する下プローブと、を有し、
   前記上プローブは、前記基端回転部材及び前記中間回転部材の少なくとも一方においてその内部に挿入した状態で固定されており、
   前記下プローブは、前記中間回転部材及び前記先端回転部材の少なくとも一方においてその内側に挿入した状態で固定されており、
   前記上プローブの挿入量を変化させることで前記基端回転部材と前記中間回転部材の距離を調整することができ、前記下プローブの挿入量を変化させることで前記中間回転部材と前記先端回転部材の距離を調整することができるように構成されており、
   前記上プローブの端部には雄ねじが形成されているとともに、前記基端回転部材及び前記中間回転部材のうち前記上プローブの前記雄ねじに対応する箇所にはねじ穴が形成されており、前記上プローブの前記挿入量は、前記上部ローブに形成された前記雄ねじの締込み量を調整することにより変化させることができ、
   前記下プローブの端部には雄ねじが形成されているとともに、前記中間回転部材及び前記先端回転部材のうち前記上プローブの前記雄ねじに対応する箇所にはねじ穴が形成されており、前記上プローブの前記挿入量は、前記上部ローブに形成された前記雄ねじの締込み量を調整することにより変化させることができることを特徴とする、摩擦撹拌接合用の回転工具。
2. 上板と下板を有するダブルスキン材を突合せ、摩擦撹拌接合により接合するための装置であって、
   回転しながら前記ダブルスキン材に接触して摩擦撹拌を行う回転工具と、
   前記回転工具を回転可能に保持する回転保持装置と、を備え、
   前記回転工具は、その回転軸に沿って、
   前記回転保持装置側に位置する基端回転部材と、
   前記基端回転部材の下方に位置する中間回転部材と、
   前記中間回転部材の下方に位置する先端回転部材と、
   前記基端回転部材と前記中間回転部材の間に位置する上プローブと、
   前記中間回転部材と前記先端回転部材の間に位置する下プローブと、を有し、
   前記上プローブは、前記基端回転部材及び前記中間回転部材の少なくとも一方においてその内部に挿入した状態で固定されており、
   前記下プローブは、前記中間回転部材及び前記先端回転部材の少なくとも一方においてその内側に挿入した状態で固定されており、
   前記上プローブの挿入量を変化させることで前記基端回転部材と前記中間回転部材の距離を調整することができ、前記下プローブの挿入量を変化させることで前記中間回転部材と前記先端回転部材の距離を調整することができるように構成されており、
   前記上プローブの端部には雄ねじが形成されているとともに、前記基端回転部材及び前記中間回転部材のうち前記上プローブの前記雄ねじに対応する箇所にはねじ穴が形成されており、前記上プローブの前記挿入量は、前記上部ローブに形成された前記雄ねじの締込み量を調整することにより変化させることができ、
   前記下プローブの端部には雄ねじが形成されているとともに、前記中間回転部材及び前記先端回転部材のうち前記上プローブの前記雄ねじに対応する箇所にはねじ穴が形成されており、前記上プローブの前記挿入量は、前記上部ローブに形成された前記雄ねじの締込み量を調整することにより変化させることができることを特徴とする、摩擦撹拌接合装置。
3. 上板と下板を有するダブルスキン材を突合せ、摩擦撹拌接合により接合するための装置であって、
   回転しながら前記ダブルスキン材に接触して摩擦撹拌を行う回転工具と、
   前記回転工具を回転可能に保持する回転保持装置と、を備え、
   前記回転工具は、その回転軸に沿って、
   前記回転保持装置側に位置する基端回転部材と、
   前記基端回転部材の下方に位置する中間回転部材と、
   前記中間回転部材の下方に位置する先端回転部材と、
   前記基端回転部材と前記中間回転部材の間に位置する上プローブと、
   前記中間回転部材と前記先端回転部材の間に位置する下プローブと、を有し、
   前記回転保持装置は、前記回転工具を上下方向に移動可能に支持するフローティング機構を有することを特徴とする、摩擦撹拌接合装置。
4. 上板と下板を有するダブルスキン材を突合せ、摩擦撹拌接合により接合するための装置であって、
   回転しながら前記ダブルスキン材に接触して摩擦撹拌を行う回転工具と、
   前記回転工具を回転可能に保持する回転保持装置と、を備え、
   前記回転工具は、その回転軸に沿って、
   前記回転保持装置側に位置する基端回転部材と、
   前記基端回転部材の下方に位置する中間回転部材と、
   前記中間回転部材の下方に位置する先端回転部材と、
   前記基端回転部材と前記中間回転部材の間に位置する上プローブと、
   前記中間回転部材と前記先端回転部材の間に位置する下プローブと、を有し、
   前記上プローブは、前記基端回転部材を貫通して前記回転保持装置の内部まで延びており、
   前記回転保持装置は、前記上プローブを上下させて前記回転工具の回転中に前記基端回転部材と前記中間回転部材の間隔を調整できる間隔調整機構を有することを特徴とする、摩擦撹拌接合装置。
5. 上板と下板を有するダブルスキン材を摩擦撹拌接合する方法であって、
   請求項２乃至４のうちいずれか一の項に記載の摩擦撹拌接合装置を使用し、
   前記回転工具を回転させて、前記基端回転部材と前記中間回転部材とで前記上板を挟み込むとともに、前記中間回転部材と前記先端回転部材とで前記下板を挟み込み、前記上板と前記下板を同時に摩擦撹拌する、摩擦撹拌接合方法。

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