JP7367319B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本開示は、摩擦撹拌接合装置に関する。

特許文献１には、接合ツールが取り付けられる主軸が大凡鉛直に配置された摩擦撹拌接合装置が開示されている。

特開２０００－１３５５７５号公報

しかし、特許文献１の摩擦撹拌接合装置では、融点が高い被接合部材を適切に摩擦撹拌接合することができなかった。

本開示は、融点が高い被接合部材を適切に摩擦撹拌接合することが可能な摩擦撹拌接合装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る摩擦撹拌接合装置は、地面に設置されるベース部と、ベース部の上面に設けられ、上面に沿った１軸方向に延在するレールと、１軸方向に延在し、レールに直接案内されて１軸方向に移動可能な主軸と、主軸の先端に取り付けられ、ツール本体およびピンを含む接合ツールと、接合ツールに対向配置され、被接合部材が設置されるステージと、ステージを主軸に垂直な方向に移動可能なステージ移動機構と、ステージを主軸に垂直な面に対して傾斜させるステージ傾斜機構と、を備え、主軸は、主軸に垂直な方向に移動する機構が設けられていなく、ステージ傾斜機構は、ステージを主軸に垂直な面に対して傾斜させた状態で維持させる保持機構を有する。

また、１軸方向は水平方向における一方向であってもよい。

また、ステージ傾斜機構は、主軸の中心軸の延長線と垂直に交差する旋回中心軸周りにステージを回転させてもよい。

また、ステージは、主軸と共通のベース部に支持されてもよい。

本開示によれば、融点が高い被接合部材を適切に摩擦撹拌接合することが可能となる。

本実施形態による摩擦撹拌接合装置の概略側面図である。 摩擦撹拌接合装置の概略平面図である。 接合ツールを説明する説明図である。 ステージを傾斜させた場合の摩擦撹拌接合装置の概略平面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態による摩擦撹拌接合装置１の概略側面図であり、図２は、摩擦撹拌接合装置１の概略平面図である。図１および図２では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示のように定義している。つまり、Ｙ軸は、鉛直方向となっており、Ｘ軸およびＺ軸は、水平方向となっており、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交している。

摩擦撹拌接合装置１は、ベース部１０、主軸１２、接合ツール１４、主軸駆動機構１６、摺動機構１８、ステージ２０、ステージ移動機構２２およびステージ傾斜機構２４を含む。図１では、説明の便宜のため、主軸１２、摺動機構１８およびステージ移動機構２２の一部を透視して示している。

ベース部１０は、水平方向の寸法に対して鉛直方向の寸法が小さな台である。ベース部１０は、地面２６に設置される。ベース部１０は、摩擦撹拌接合装置１の各部を支持する。

主軸１２は、円柱状に形成される。主軸１２は、Ｚ軸方向に延在している。つまり、主軸１２は、水平に配置される。

主軸１２の軸方向（Ｚ軸方向）の先端には、接合ツール１４が取り付けられる。接合ツール１４については、後に詳述する。以後、主軸１２の軸方向中央から接合ツール１４に向かう方向を前方と呼び、主軸１２の軸方向中央から接合ツール１４とは反対側に向かう方向を後方と呼ぶ場合がある。

主軸駆動機構１６は、主軸支持部３０、軸受３２、主軸駆動装置３４、回転伝達部３６を含む。主軸支持部３０は、例えば、略直方体状に形成される。主軸１２は、主軸支持部３０を貫通している。主軸支持部３０内には、軸受３２が設けられる。主軸支持部３０は、軸受３２を通じて主軸１２を中心軸周りに回転可能に支持する。なお、主軸支持部３０には、摩擦撹拌接合により温度が上昇した主軸１２を冷却する冷却機構が設けられてもよい。

主軸駆動装置３４は、例えば、回転軸にトルクを発生させるモータである。主軸駆動装置３４は、その回転軸が主軸１２と平行になるように配置される。

回転伝達部３６は、駆動装置側プーリ４０、主軸側プーリ４２およびベルト４４を含む。駆動装置側プーリ４０は、主軸駆動装置３４の回転軸に接続される。主軸側プーリ４２は、主軸１２における主軸支持部３０よりも後方に接続される。ベルト４４は、駆動装置側プーリ４０および主軸側プーリ４２に巻き掛けられる。ベルト４４は、駆動装置側プーリ４０の回転にしたがって主軸側プーリ４２を回転させる。つまり、回転伝達部３６は、主軸駆動装置３４で発生したトルクを主軸１２に伝達する。

摺動機構１８は、レール５０、摺動プレート５２、案内部５４、回転軸５６、Ｚ軸駆動装置５８、減速機６０、スラスト軸受６２、ボールねじ６４、連結部６６およびロードセル６８を含む。

レール５０は、略角柱状に形成され、ベース部１０の上面に２個設けられる。２個のレール５０は、Ｘ軸方向に互いに離隔しており、Ｚ軸方向に互いに平行して延在している。つまり、レール５０は、ベース部１０の上面に沿った１軸方向に延在する。１軸方向は、具体的には、水平方向における一方向（Ｚ軸方向）である。

摺動プレート５２は、長方形の平板状に形成され、ベース部１０上に水平に配置される。摺動プレート５２の上面には、主軸支持部３０および主軸駆動装置３４が設置される。主軸１２、主軸支持部３０および主軸駆動装置３４は、摺動プレート５２のＸ軸方向中央付近に位置する。また、主軸１２は、レール５０が延在する１軸方向に延在している。

また、摺動プレート５２の下面の４隅には、レール５０に係合する案内部５４が設けられる。摺動プレート５２、主軸１２および主軸駆動機構１６は、一体的に、レール５０に沿ってＺ軸方向に摺動可能である。

回転軸５６は、円柱状に形成され、外周面にねじ溝が形成される。回転軸５６は、摺動プレート５２の鉛直下方に配置される。回転軸５６は、摺動プレート５２のＸ軸方向中央付近に位置し、Ｚ軸方向に延在する。回転軸５６は、中心軸周りに回転可能にベース部１０に支持される。

回転軸５６の後方側端には、Ｚ軸駆動装置５８、減速機６０およびスラスト軸受６２が設けられる。Ｚ軸駆動装置５８は、例えば、回転軸５６を回転させるモータである。減速機６０は、Ｚ軸駆動装置５８に対する回転軸５６の回転速度を減速させ、回転軸５６の回転数を減少させる。スラスト軸受６２は、回転軸５６の軸方向の力を支持する。

ボールねじ６４は、円筒状に形成される。回転軸５６は、ボールねじ６４内を貫通している。ボールねじ６４と回転軸５６との間には、ボールが収容される。ボールねじ６４は、回転軸５６の回転にしたがって軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能である。

摺動プレート５２の下面には、鉛直下方に延びる連結部６６が設けられる。ロードセル６８は、ボールねじ６４の前方側の面と連結部６６の後方側の面との間に挟まれている。ボールねじ６４は、ロードセル６８および連結部６６を通じて摺動プレート５２に連結されている。ロードセル６８は、Ｚ軸方向の力（主軸１２の軸方向の力）を計測する。

Ｚ軸駆動装置５８が減速機６０およびスラスト軸受６２を通じて回転軸５６を所定方向（例えば、時計回り）に回転させると、ボールねじ６４は、Ｚ軸に沿って前方に移動する。そうすると、摺動プレート５２は、ボールねじ６４、ロードセル６８および連結部６６を通じて、Ｚ軸に沿って前方（ボールねじ６４と同方向）に摺動する。その結果、主軸１２、主軸駆動機構１６および主軸１２に取り付けられた接合ツール１４は、摺動プレート５２とともにＺ軸に沿って前方に移動する。

また、Ｚ軸駆動装置５８が回転軸５６を反対方向（例えば、反時計回り）に回転させると、ボールねじ６４は、Ｚ軸に沿って後方に移動する。そうすると、摺動プレート５２は、ボールねじ６４、ロードセル６８および連結部６６を通じて、Ｚ軸に沿って後方（ボールねじ６４と同方向）に摺動する。その結果、主軸１２、主軸駆動機構１６および主軸１２に取り付けられた接合ツール１４は、摺動プレート５２とともにＺ軸に沿って後方に移動する。

このように、摺動機構１８は、ベース部１０に対して主軸１２を軸方向に摺動可能に連結している。これにより、主軸１２は、レール５０に案内されて１軸方向（Ｚ軸方向）に移動可能である。また、摺動機構１８は、主軸１２および主軸１２に取り付けられた接合ツール１４の位置の移動方向を１軸（Ｚ軸）に拘束している。つまり、主軸１２および接合ツール１４の位置は、軸方向にしか移動せず、例えば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向には移動しない。また、摩擦撹拌接合装置１では、主軸１２および接合ツール１４の位置を移動させる移動機構が摺動機構１８のみである。

ステージ２０は、主軸１２に取り付けられた接合ツール１４に対してＺ軸方向に対向配置される。ステージ２０は、正方形または長方形の平板状に形成される。ステージ２０は、正面が接合ツール１４に対向するように、鉛直に起立して配置される。ステージ２０における正面には、被接合部材７０が設置される。ステージ２０は、ステージ移動機構２２およびステージ傾斜機構２４を通じてベース部１０に支持される。つまり、ステージ２０および主軸１２は、共通のベース部１０に支持される。

ステージ移動機構２２は、Ｙ軸移動機構８０およびＸ軸移動機構８２を含む。Ｙ軸移動機構８０は、Ｙ軸支持プレート９０、レール９２、案内部９４、回転軸９６、Ｙ軸駆動装置９８、減速機１００、スラスト軸受１０２およびボールねじ１０４を含む。

Ｙ軸支持プレート９０は、平板状に形成される。Ｙ軸支持プレート９０は、ステージ２０に対して主軸１２とは反対側（ステージ２０の背面側）に位置する。Ｙ軸支持プレート９０は、ステージ２０に離隔して対向配置される。

レール９２は、Ｙ軸支持プレート９０からステージ２０に向かって起立している。レール９２は、Ｙ軸支持プレート９０に２個設けられる。２個のレール９２は、Ｘ軸方向に互いに離隔しており、Ｙ軸方向に互いに平行して延在している。案内部９４は、ステージ２０の背面に２個設けられる。２個の案内部９４は、Ｘ軸方向に互いに離隔しており、Ｙ軸方向に互いに平行して延在している。案内部９４は、レール９２に係合する。ステージ２０は、Ｙ軸支持プレート９０に対してレール９２に沿ってＹ軸方向に摺動可能である。

回転軸９６は、円柱状に形成され、外周面にねじ溝が形成される。回転軸９６は、ステージ２０とＹ軸支持プレート９０との間に位置する。回転軸９６は、ステージ２０のＸ軸方向中央付近に位置し、Ｙ軸方向に延在する。回転軸９６は、中心軸周りに回転可能にＹ軸支持プレート９０に支持される。

回転軸９６の鉛直上方側端には、Ｙ軸駆動装置９８、減速機１００およびスラスト軸受１０２が設けられる。Ｙ軸駆動装置９８は、例えば、回転軸９６を回転させるモータである。減速機１００は、Ｙ軸駆動装置９８に対する回転軸９６の回転速度を減速させる。スラスト軸受１０２は、回転軸９６の軸方向の力を支持する。

ボールねじ１０４は、円筒状に形成される。ボールねじ１０４は、ステージ２０の背面に連結される。回転軸９６は、ボールねじ１０４内を貫通している。ボールねじ１０４と回転軸９６との間には、ボールが収容される。ボールねじ１０４は、回転軸９６の回転にしたがって軸方向（Ｙ軸方向）に移動可能である。

Ｙ軸駆動装置９８が減速機１００およびスラスト軸受１０２を通じて回転軸９６を回転させると、ボールねじ１０４は、Ｙ軸支持プレート９０に対してＹ軸に沿って移動する。そうすると、ステージ２０は、ボールねじ１０４を通じてＹ軸に沿って（ボールねじ１０４と同方向に）摺動する。

Ｘ軸移動機構８２は、Ｘ軸支持プレート１１０、レール１１２、案内部１１４、回転軸１１６、Ｘ軸駆動装置１１８、減速機１２０、スラスト軸受１２２およびボールねじ１２４を含む。

Ｘ軸支持プレート１１０は、平板状に形成される。Ｘ軸支持プレート１１０は、Ｙ軸支持プレート９０に対してステージ２０とは反対側に位置する。Ｘ軸支持プレート１１０は、Ｙ軸支持プレート９０に離隔して対向配置される。

レール１１２は、Ｘ軸支持プレート１１０からＹ軸支持プレート９０に向かって起立している。レール１１２は、Ｘ軸支持プレート１１０に２個設けられる。２個のレール１１２は、Ｙ軸方向に互いに離隔しており、Ｘ軸方向に互いに平行して延在している。案内部１１４は、Ｙ軸支持プレート９０のＸ軸支持プレート１１０側の面に２個設けられる。２個の案内部１１４は、Ｙ軸方向に互いに離隔しており、Ｘ軸方向に互いに平行して延在している。案内部１１４は、レール１１２に係合する。Ｙ軸支持プレート９０は、Ｘ軸支持プレート１１０に対してレール１１２に沿ってＸ軸方向に摺動可能である。

回転軸１１６は、円柱状に形成され、外周面にねじ溝が形成される。回転軸１１６は、Ｙ軸支持プレート９０とＸ軸支持プレート１１０との間に位置する。回転軸１１６は、Ｙ軸支持プレート９０のＹ軸方向中央付近に位置し、Ｘ軸方向に延在する。回転軸１１６は、中心軸周りに回転可能にＸ軸支持プレート１１０に支持される。

回転軸１１６の一方側端には、Ｘ軸駆動装置１１８、減速機１２０およびスラスト軸受１２２が設けられる。Ｘ軸駆動装置１１８は、例えば、回転軸１１６を回転させるモータである。減速機１２０は、Ｘ軸駆動装置１１８に対する回転軸１１６の回転速度を減速させる。スラスト軸受１２２は、回転軸１１６の軸方向の力を支持する。

ボールねじ１２４は、円筒状に形成される。ボールねじ１２４は、Ｙ軸支持プレート９０のＸ軸支持プレート１１０側の面に連結される。回転軸１１６は、ボールねじ１２４内を貫通している。ボールねじ１２４と回転軸１１６との間には、ボールが収容される。ボールねじ１２４は、回転軸１１６の回転にしたがって軸方向（Ｘ軸方向）に移動可能である。

Ｘ軸駆動装置１１８が減速機１２０およびスラスト軸受１２２を通じて回転軸１１６を回転させると、ボールねじ１２４は、Ｘ軸支持プレート１１０に対してＸ軸に沿って移動する。そうすると、Ｙ軸支持プレート９０は、ボールねじ１２４を通じてＸ軸に沿って（ボールねじ１２４と同方向に）摺動する。その結果、ステージ２０は、Ｙ軸移動機構８０とともに、Ｘ軸支持プレート１１０に対してＸ軸に沿って移動する。

このように、ステージ移動機構２２は、ステージ２０を主軸１２に垂直な方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に移動可能である。

ステージ傾斜機構２４は、旋回中心部１３０、円筒部１３２、旋回プレート１３４、ボールリフタ１３６、リブ１３８、リブ１４０、ロッド１４２、シリンダ１４４および旋回駆動装置１４６を含む。

旋回中心部１３０は、円柱状に形成され、ベース部１０の上面から鉛直上方に突出する。旋回中心部１３０の中心軸は、Ｙ軸方向に延びる。以後、旋回中心部１３０の中心軸およびその延長線を、旋回中心軸と呼ぶ場合がある。旋回中心部１３０は、大凡ステージ２０の鉛直下方に位置する。旋回中心部１３０は、旋回中心部１３０の旋回中心軸と、主軸１２の中心軸の延長線とが垂直に交差するように設けられる。換言すると、旋回中心部１３０は、鉛直上方から旋回中心部１３０を見たときに、旋回中心部１３０の中心が主軸１２の中心軸の延長線上に位置するように設けられる（図２参照）。

円筒部１３２は、円筒状に形成され、内部に旋回中心部１３０が収容されるように、旋回中心部１３０の周囲に配置される。円筒部１３２の中心軸は、旋回中心部１３０の旋回中心軸に重なる。円筒部１３２は、旋回中心部１３０に対して旋回中心軸周りに回転可能である。

旋回プレート１３４は、平板状に形成され、水平に配置される。旋回プレート１３４は、円筒部１３２の外周面に接続される。旋回プレート１３４は、旋回中心部１３０に対して主軸１２とは反対側に位置する。旋回プレート１３４は、旋回中心部１３０および円筒部１３２を通じて旋回中心軸周りに回転可能（旋回可能）である。

ボールリフタ１３６は、ベース部１０と旋回プレート１３４との間に設けられる。ベース部１０は、ボールリフタ１３６を通じて旋回プレート１３４を水平方向に移動可能（旋回可能）に支持する。

Ｘ軸支持プレート１１０は、旋回プレート１３４の上面に設置される。Ｘ軸支持プレート１１０は、旋回プレート１３４の上面から鉛直上方に起立している。Ｘ軸支持プレート１１０に対してＹ軸支持プレート９０とは反対側には、平板状のリブ１３８が複数設けられる。リブ１３８は、Ｘ軸支持プレート１１０および旋回プレート１３４の各々に垂直に接続される。

旋回プレート１３４の上面におけるＸ軸支持プレート１１０と円筒部１３２との間には、平板状のリブ１４０が２個設けられる。リブ１４０は、円筒部１３２、旋回プレート１３４およびＸ軸支持プレート１１０に接続される。２個のリブ１４０は、円筒部１３２からＸ軸支持プレート１１０に向かってＸ軸方向に広がるように設けられる。

ロッド１４２、シリンダ１４４および旋回駆動装置１４６は、旋回プレート１３４に対して旋回中心部１３０とは反対側に設けられる。ロッド１４２の一部はシリンダ１４４に挿入される。ロッド１４２は、シリンダ１４４に対して摺動可能である。ロッド１４２におけるシリンダ１４４とは反対側端は、旋回プレート１３４から突出する突出部１４８に連結される。旋回駆動装置１４６は、例えば、シリンダ１４４に対してロッド１４２を摺動させるモータである。

旋回駆動装置１４６がロッド１４２をシリンダ１４４に没入する方向に移動させると、旋回プレート１３４は、水平を維持した状態で、旋回駆動装置１４６に向かう方向（図２の時計回り方向）に回転（旋回）する。そうすると、旋回プレート１３４に支持されるＸ軸移動機構８２、Ｙ軸移動機構８０およびステージ２０は、旋回プレート１３４と同方向（図２の時計回り方向）に回転する。その結果、ステージ２０は、主軸１２に垂直な面に対して図２の時計回り方向に傾斜する。

旋回駆動装置１４６がロッド１４２をシリンダ１４４から突出する方向に移動させると、旋回プレート１３４は、水平を維持した状態で、旋回駆動装置１４６から離れる方向（図２における反時計回り方向）に回転（旋回）する。そうすると、旋回プレート１３４に支持されるＸ軸移動機構８２、Ｙ軸移動機構８０およびステージ２０は、旋回プレート１３４と同方向（図２の反時計回り方向）に回転する。その結果、ステージ２０は、主軸１２に垂直な面に対して図２の反時計回り方向に傾斜する。このように、ステージ傾斜機構２４は、ステージ２０を主軸１２に垂直な面に対して傾斜させる。

図３は、接合ツール１４を説明する説明図である。接合ツール１４は、コンベンショナル型に構成される。具体的には、接合ツール１４は、ツール本体１５０およびピン１５２を含む。ツール本体１５０は、例えば、円柱状に形成される。ツール本体１５０の先端面には、円柱状のピン１５２が設けられる。ピン１５２の外径は、ツール本体１５０の外径よりも小さい。ピン１５２の中心軸は、ツール本体１５０の中心軸に重なる。ピン１５２の外周面には、ねじ溝が形成される。ツール本体１５０の先端面におけるピン１５２の周囲は、ショルダ１５４として機能する。また、ツール本体１５０におけるピン１５２とは反対側は、主軸１２に連結される。

摩擦撹拌接合装置１では、接合したい２つの被接合部材７０の端面同士が付け合わされる。２つの被接合部材７０が付け合わされた境界部分は、接合したい接合線となる。摩擦撹拌接合装置１では、接合ツール１４を軸周りに回転させながら、接合ツール１４のピン１５２を被接合部材７０における接合線部分に挿入させる。そうすると、接合ツール１４の摩擦熱と回転により、被接合部材７０におけるピン１５２の周囲が塑性流動して撹拌される。図３では、塑性流動している領域を領域Ａ１で示している。

被接合部材７０が塑性流動して撹拌されると、２つの被接合部材７０の境界において、２つの被接合部材７０が撹拌されて一体化される。そして、接合線に沿って接合ツール１４を進行させると、塑性流動領域（領域Ａ１）は、ピン１５２とともに進行方向に移動する。一方、接合ツール１４に対して進行方向とは反対方向では、撹拌されて一体化された被接合部材７０が冷えて固まる。これにより、２つの被接合部材７０が摩擦撹拌接合される。

また、接合ツール１４が上述のようなコンベンショナル型の場合、接合ツール１４は、被接合部材７０の法線（一点鎖線Ｃ１０）に対して傾斜した姿勢で被接合部材７０に挿入される。具体的には、接合ツール１４の中心軸（一点鎖線Ｃ１２）は、被接合部材７０の法線（一点鎖線Ｃ１０）に対して、ピン１５２側が相対的に接合ツール１４の進行方向側に位置するように傾斜する。そうすると、進行方向とは反対側のショルダ１５４は、進行方向側に比べ、被接合部材７０側に没入する。これにより、進行方向とは反対側のショルダ１５４は、塑性流動化した被接合部材７０を押さえつけるようになり、塑性流動化した被接合部材７０が溢れ出ることを抑制する。このように接合ツール１４を傾斜させることで、接合部の仕上がりを滑らかにすることができる。

図４は、ステージ２０を傾斜させた場合の摩擦撹拌接合装置１の概略平面図である。図４では、旋回プレート１３４を時計回り方向に角度θだけ回転させた状態を示している。以下、図４を参照して、摩擦撹拌接合装置１の動作および操作を説明する。

摩擦撹拌接合装置１の操作者は、まず、ステージ２０に被接合部材７０をセットする。次に、操作者は、接合開始位置が主軸１２の中心軸の延長線上に位置するように、Ｘ軸移動機構８２およびＹ軸移動機構８０を動作させてステージ２０を移動させる。

次に、操作者は、接合ツールの傾斜角度が所定角度（例えば、角度θ）になるように、ステージ傾斜機構２４を動作させる。具体的には、操作者は、旋回駆動装置１４６を動作させて、旋回プレート１３４を時計回り方向に角度θだけ回転させる。これにより、ステージ２０は、主軸１２に垂直な面に対して時計回り方向に角度θだけ傾斜する。そうすると、主軸１２および接合ツール１４の中心軸は、ステージ２０（被接合部材７０）の法線に対して、相対的に反時計回り方向に角度θだけ傾斜する。その結果、接合ツール１４の傾斜角度が角度θとなる。

次に、操作者は、摺動機構１８を動作させて、摺動プレート５２をステージ２０に向かう方向に摺動させる。これにより、接合ツール１４が被接合部材７０に接近する。

なお、接合開始位置の位置合わせ、接合ツール１４の傾斜角度の設定、および、接合ツール１４のＺ軸方向の位置合わせは、例示した順番とは異なる順番に行ってもよい。

次に、操作者は、主軸駆動機構１６を動作させて主軸１２および接合ツール１４を回転させつつ、摺動機構１８を動作させて接合ツール１４のピン１５２を被接合部材７０に挿入させる。図４には、この時の状態が示されている。

次に、操作者は、Ｘ軸移動機構８２を動作させて、接合ツール１４に対してステージ２０を、図４の矢印Ｄ１０で示すステージ移動方向に移動させる。そうすると、接合ツール１４は、被接合部材７０に対して相対的に、図４の矢印Ｄ１２で示す接合ツール進行方向に移動する。矢印Ｄ１２で示す接合ツール進行方向は、矢印Ｄ１０で示すステージ移動方向とは反対方向である。このようにして接合ツール１４が相対的に移動することで、ステージ２０に設置された被接合部材７０は、接合線に沿って摩擦撹拌接合される。

なお、摩擦撹拌接合装置１は、主軸駆動装置３４、摺動機構１８、ステージ移動機構２２およびステージ傾斜機構２４を自動制御する制御部を備えてもよい。また、このような制御部は、主軸１２の軸方向の力をロードセル６８で計測しつつ、その力が所定値に維持されるように、主軸駆動装置３４およびＺ軸駆動装置５８を自動制御してもよい。

ここで、従来の被接合部材７０は、主にアルミニウムであった。これに対し、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、アルミニウムよりも融点が高い金属（以下、高融点材料と呼ぶ場合がある）の摩擦撹拌接合を行うことができる。

高融点材料は、例えば、ニッケルをベースとした合金であるインコネル（登録商標）およびチタンなどである。アルミニウムの融点は、６６０℃であるが、インコネル（登録商標）およびチタンの融点は、１０００℃を超える。被接合部材７０の融点が高くなると、被接合部材７０を塑性流動化させるための摩擦熱がより多く必要となる。つまり、高融点材料の場合、被接合部材７０に高い摩擦熱を発生させるために、主軸１２のトルクを大きくする必要がある。

また、インコネル（登録商標）およびチタンのような高融点材料は、一般的に、アルミニウムに比べ、硬度が高い（硬い）。被接合部材７０の硬度が高くなると、接合ツール１４を被接合部材７０に挿入させる力がより多く必要となる。つまり、硬度が高い材料の場合、接合ツール１４を被接合部材７０に押し付ける（挿入させる）ための主軸１２の軸方向の力を大きくする必要がある。

高融点材料の場合、このような主軸１２のトルクおよび軸方向の力は、アルミニウムの場合に比べ、十数倍以上になることもある。

接合ツールがコンベンショナル型の従来の摩擦撹拌接合装置では、主軸が大凡鉛直方向に配置され、主軸を移動可能に支持する主軸移動機構が、門型の支持部の上部に連結されていた。このような門型構成では、接合ツールから主軸、主軸移動機構および門型の支持部を経由して地面までの力の伝達経路が長い。このため、門型構成では、主軸のトルクおよび軸方向の力を仮に大きくした場合、被接合部材によって生じる反力によって接合ツールを適切に支持できなくなる。その結果、従来の摩擦撹拌接合装置では、接合ツールの位置が乱れて、摩擦撹拌接合が適切に行えないことを本願発明者は見出した。

これに対し、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１は、主軸１２が水平に配置され、主軸１２が摺動機構１８およびベース部１０を通じて地面２６に支持される。これにより、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、門型構成に比べ、接合ツール１４から地面２６までの力の伝達経路が短い。また、主軸１２は、高さが低く水平方向に広いベース部１０によって地面２６に支持されている。このため、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、主軸１２のトルクおよび軸方向の力を大きくすることで被接合部材７０によって大きな反力が生じたとしても、接合ツール１４を適切に支持することができる。その結果、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、被接合部材７０として高融点材料を用いても、接合ツール１４の位置の乱れを抑制でき、適切に摩擦撹拌接合を行うことが可能となる。

また、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、接合ツール１４に対向配置されるステージ２０が、主軸１２に垂直な方向に移動される。一方、主軸１２は、主軸１２に垂直な方向に移動する機構が設けられていない。このため、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１は、主軸１２のトルクおよび軸方向の力が大きくなっても、主軸１２および接合ツール１４の位置を安定させることができる。また、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、主軸１２を垂直な方向に移動させる機構を主軸１２側に設けないことで、接合ツール１４から地面２６までの力の伝達経路をより短くすることができる。

また、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、ステージ２０を主軸１２に垂直な面に対して傾斜させるステージ傾斜機構２４が設けられている。これにより、接合ツール１４は、被接合部材７０の法線に対して傾斜可能である。このため、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、コンベンショナル型の接合ツール１４を用いて、適切に摩擦撹拌接合を行うことができる。また、主軸１２には、接合ツール１４を傾斜させる機構が設けられていない。このため、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１は、主軸１２のトルクおよび軸方向の力が大きくなっても、主軸１２および接合ツール１４の位置を安定させることができる。また、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、接合ツール１４を傾斜させる機構を主軸１２側に設けないことで、接合ツール１４から地面２６までの力の伝達経路をより短くすることができる。

また、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、主軸１２の中心軸の延長線と垂直に交差する旋回中心軸周りにステージ２０が回転する。このため、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、主軸１２の軸方向の力をステージ２０側で安定して受けることができる。

また、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１は、主軸１２およびステージ２０の両方が、共通のベース部１０に一体的に支持されている。このため、主軸１２側で生じる反力およびステージ２０側で生じる反力は、ベース部１０で互いに打ち消すように作用する。これにより、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１は、主軸１２のトルクおよび軸方向の力が大きくなっても、主軸１２、接合ツール１４およびステージ２０の位置を安定させることができる。

以上のように、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１によれば、融点が高い被接合部材を適切に摩擦撹拌接合することが可能となる。

また、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１では、レール５０が水平方向における一方向（Ｚ軸方向）に延在していた。しかし、レール５０は、水平方向における一方向に延在する態様に限らない。つまり、主軸１２の移動可能な１軸方向は、水平方向における一方向に限らず、ベース部１０の上面に沿った一方向であってもよい。例えば、ベース部１０の上面が水平に対して傾斜しており、レール５０は、その傾斜した上面に沿って、水平面に対して傾斜していてもよい。この場合、主軸１２は、水平面に対して傾斜する傾斜方向（レール５０の延在方向）に延在し、レール５０に案内されて、その傾斜方向に移動可能であってもよい。この態様によれば、主軸１２が鉛直に支持される態様に比べ、主軸１２のトルクおよび軸方向の力を大きくしつつ、接合ツール１４を適切に支持することができる。その結果、この態様においても、融点が高い被接合部材を適切に摩擦撹拌接合することが可能となる。

また、本実施形態のように主軸１２を水平方向における一方向に移動可能に支持する態様は、主軸１２を傾斜方向に移動可能に支持する態様に比べ、主軸１２のトルクおよび軸方向の力を大きくしつつ接合ツール１４を適切に支持する効果をより高くすることができる。これは、主軸１２を水平方向における一方向に移動可能に支持する態様では、主軸１２に生じる反力の鉛直方向成分が生じなく、水平方向成分のみであるため、主軸１２に生じる反力に、より適切に抗することができるからである。

なお、本実施形態の摩擦撹拌接合装置１は、融点が高い被接合部材７０の摩擦撹拌接合に使用するだけでなく、アルミニウムなどの従来の被接合部材７０の摩擦撹拌接合に使用してもよい。

また、本実施形態において、ステージ傾斜機構２４は、ステージ２０を傾斜させた状態（旋回プレート１３４を回転させた状態）を維持させる保持機構を備えてもよい。この態様では、主軸１２の軸方向の力がステージ２０に与えられても、ステージ２０の傾斜角度をより安定させることができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

本開示は、摩擦撹拌接合装置に利用することができる。

１ 摩擦撹拌接合装置
１０ ベース部
１２ 主軸
１４ 接合ツール
１８ 摺動機構
２０ ステージ
２２ ステージ移動機構
２４ ステージ傾斜機構
２６ 地面
７０ 被接合部材

Claims (4)

1. 地面に設置されるベース部と、
   前記ベース部の上面に設けられ、前記上面に沿った１軸方向に延在するレールと、
   前記１軸方向に延在し、前記レールに直接案内されて前記１軸方向に移動可能な主軸と、
   前記主軸の先端に取り付けられ、ツール本体およびピンを含む接合ツールと、
   前記接合ツールに対向配置され、被接合部材が設置されるステージと、
   前記ステージを前記主軸に垂直な方向に移動可能なステージ移動機構と、
   前記ステージを前記主軸に垂直な面に対して傾斜させるステージ傾斜機構と、
   を備え、
   前記主軸は、前記主軸に垂直な方向に移動する機構が設けられていなく、
   前記ステージ傾斜機構は、前記ステージを前記主軸に垂直な面に対して傾斜させた状態で維持させる保持機構を有する、摩擦撹拌接合装置。
2. 前記１軸方向は水平方向における一方向である請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。
3. 前記ステージ傾斜機構は、前記主軸の中心軸の延長線と垂直に交差する旋回中心軸周りに前記ステージを回転させる請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合装置。
4. 前記ステージは、前記主軸と共通の前記ベース部に支持される請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。

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