CN101028667A - 摩擦搅拌接合方法 - Google Patents

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CN101028667A CNA2006100958497A CN200610095849A CN101028667A CN 101028667 A CN101028667 A CN 101028667A CN A2006100958497 A CNA2006100958497 A CN A2006100958497A CN 200610095849 A CN200610095849 A CN 200610095849A CN 101028667 A CN101028667 A CN 101028667A
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Abstract

本发明提供一种对接厚度尺寸不同的部件，并在摩擦搅拌接合时通过两个工序形成良好的接合部的方法。其为将具有厚度尺寸T1的第一部件(10)与厚度尺寸T2较小的第二部件(20)载置于工作台(40)上，形成带有台阶的对接部(30)。在第一工序中，通过一边使圆柱状的工具(100)旋转，一边使其沿对接部(30)前进，而使金属从第一部件(10)向第二部件(20)移动，从而在台阶部上形成凸部替代部(150)。在第二工序中，通过摩擦搅拌接合用工具(200)在凸部替代部(150)上实施摩擦搅拌接合，由此获得良好的接合部(250)。

Description

摩擦搅拌接合方法
技术领域
本发明涉及适用于使厚度尺寸不同的部件在对接的位置的接合的摩擦搅拌接合方法。
背景技术
图14、图15是表示对接厚度尺寸不同的部件10、20并进行摩擦搅拌接合的状态的以往的说明图。各图的(a)是摩擦搅拌接合部的立体图。图14(b)是(a)的F-F剖面图。图15(b)是(a)的G-G剖面图。图14(a)是将摩擦搅拌接合工具50插入到第一部件10、第二部件20中时的图。
例如，第一部件10是具有厚度尺寸T1的板材，第二部件20是具有厚度尺寸T2的部件。厚度尺寸T1大于T2。因此，将两部件载置于工作台等平坦的基座40上时，在两部件10、20的对接部30的上表面产生尺寸G1的台阶。
将摩擦搅拌接合工具50插入到对接部30中，使其沿箭头R1(右旋转)方向旋转，且沿箭头S1方向进给。摩擦搅拌接合工具50的大径部52的前端具有小径部54，且两者通过轴肩部56连接。
摩擦搅拌接合工具50，如图14(b)所示，在小径部54插入部件10、20的内部，且轴肩部56和大径部52插入厚度尺寸较大一方即第一部件10的上表面的状态下，一边旋转一边沿接合线移动，从而一面进行摩擦搅拌一面进行接合。
如图14(b)所示，在轴肩部56与部件20的上表面之间产生间隙G2。这是由于，相对于第一部件10中高度为T1，在第二部件中高度为T2，较低的缘故。
因此，如图15(b)所示，在摩擦搅拌接合部70上容易出现缺陷部72。
这些情况(除去具体的缺陷)示于专利文献1的图11、专利文献2中。
【专利文献1】日本特许3070735号公报(USP06050474)
【专利文献2】日本特开2000-167677号公报(USP06315187)
【专利文献3】日本特开2000-233286号公报
【专利文献4】日本特许03575749号公报(USP06622904)
【专利文献5】日本特开2003-039181号公报(USP06783055)
如上所述，存在摩擦搅拌接合部70上出现沿摩擦搅拌接合方向的缺陷部72的情况。
作为该缺陷出现的原因，认为是，由于具有尺寸G1的台阶，因此导入对接部30的材料的容量不足，并出现缺陷部72。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除上述的不良现象的摩擦搅拌接合方法。
上述目的通过以下方法实现，其是对接高度较高的第一部件与高度较低的第二部件，并对对接部具有台阶的对接部进行摩擦搅拌接合的方法，其特征在于，使用具有端面实际上平坦的前端部的圆棒形的凸部形成用工具，一边使凸部形成用旋转工具旋转，一边使其相对于所述第一部件及所述第二部件进行相对移动，使所述第一部件侧的金属向所述第二部件侧的上表面移动，从而在所述第二部件的上表面形成凸部，然后，从所述第二部件的所述凸部、及所述第一部件的上方插入摩擦搅拌接合用旋转工具，在使该旋转工具的大径部与其前端的小径部的边界位于所述凸部的高度的范围内的状态下，使其相对于所述第一部件及所述第二部件进行相对移动，从而进行摩擦搅拌接合。
根据该摩擦搅拌接合方法，由于使用凸部形成用工具，使第一部件的金属靠近第二部件侧，之后进行摩擦搅拌接合，因此实际上间隙G1消失，从而可进行良好的摩擦搅拌接合。由于使第一部件的金属靠近于第二部件，因此在第二部件上将具有凸部，若将使摩擦搅拌接合工具从上方插入到第一部件及凸部中的插入高度作为其大径部与小径部之间的边界位于该凸部内的高度而进行摩擦搅拌接合，则可进行良好的摩擦搅拌接合。
为使第一部件的金属靠近第二部件，从凸部形成用旋转工具移动的方向观察时，高度较低的第二部件处于右手侧，且使凸部形成用旋转工具右旋转即可获得良好的金属移动。将第二部件配置于左手侧时，应使凸部形成用工具左旋转。
然后，将该移动的金属作为凸部进行摩擦搅拌接合。
因此，可获得良好的摩擦搅拌接合。
另外，作为对这样具有台阶的结构良好地进行摩擦搅拌接合的方法，已知有上述专利文献3、专利文献4、专利文献5。无论哪个均是使厚度较厚的部件的金属向高度较低的部件的表面移动，从而进行摩擦搅拌接合。并使移动作业与摩擦搅拌接合同时进行。对于为何可移动金属及旋转工具的旋转方向未有记载。
附图说明
图1是表示本发明的摩擦搅拌接合方法的立体图。
图2是图1的A-A剖面图。
图3是图1的B-B剖面图。
图4是图1的C-C剖面图。
图5是图1的D-D剖面图。
图6是表示本发明的摩擦搅拌接合方法的说明图。
图7是表示本发明的摩擦搅拌接合方法的说明图。
图8是图7的俯视图。
图9是图8(图7)的E-E剖面图。
图10是凸部形成用工具的说明图。
图11是凸部形成用工具的说明图。
图12是凸部形成用工具的说明图。
图13是凸部形成用工具的说明图。
图14是现有技术的说明图。
图15是现有技术的说明图。
图中，10-第一部件；20-第二部件；30-对接部；40-工作台；100-凸部形成用工具；101-前端部；102-上端部；110-平坦面；111-后端部分；112-前端部分；113-凹状面；150-凸部替代部；200-摩擦搅拌接合用工具；250-摩擦搅拌接合部。
具体实施方式
结合图1～图6对本发明的摩擦搅拌接合方法的一实施例进行说明。第一部件10与第二部件20的接合条件，与通过图14、图15说明的情况相同。
即，是对对接部30进行摩擦搅拌接合的方法，其中，对接部30将具有厚度尺寸T1的第一部件10与具有小于厚度尺寸T1的厚度尺寸T2的第二部件20进行对接。第一部件及第二部件为铝合金。厚度较小的第二部件20，在图1～图4中，处于第一部件的右手侧。
本发明的摩擦搅拌接合方法包括两个工序。
在第一工序中，在对接部30的摩擦搅拌接合之前，通过凸部形成用工具100，在对接部30的第二部件20的上表面形成凸部替代部150。凸部替代部150是从第一部件10上移动金属而形成的。
图2表示凸部形成用工具100的形状。凸部形成用工具100是圆柱形状(圆棒形)，前端部101的端面形成为平坦面110，且不具备如摩擦搅拌接合工具那样的小径部。平坦面110与圆棒的轴心垂直。凸部形成用工具100是与摩擦搅拌接合用工具相同的非消耗合金。
凸部形成用工具100，定位于其前端部101的平坦面110低于厚度尺寸较大的第一部件10的上表面10a且高于第二部件20的上表面20a的位置。
使凸部形成用工具100沿箭头R2(右旋转)方向旋转，且沿箭头S1方向前进。
通过该旋转，第一部件10的上部的材料被软化并且沿图2的箭头H1方向挤压。如图6所示，凸部形成用工具100倾斜为，上端部102侧相对于移动方向偏后大约3°。因此，可使第一部件10的金属从第一部件10移动到第二部件20侧。即，由于工具100右旋转，因此，在移动到右手侧的第二部件的上方的第一部件10的金属，由于下方没有用于支撑的部件，从而直接落下载于第二部件20上。然后，该移动的金属粘合于第二部件20上。进而，该移动的金属通过工具向S1方向的移动，由工具100的前端部101的前进方向后侧的后端部分111按压。
考虑使凸部形成用工具100沿箭头R2方向的反方向旋转(左旋转)并移动的情况，但由于第二部件20处于右手侧，而右手侧又没有向左移动的原料。在凸部形成用工具100的前进方向后侧，存在由于工具的左旋转而第一部件10向第二部件20移动的情况，但其量较少，因此在第二部件20上形成的凸部较少。但是，这是使用前端部101具有平坦面110的凸部形成用工具100的情况。
还有，考虑将第二部件20置于第一部件10的左手侧(第一部件10处于第二部件20的右手侧。)，而使凸部形成用工具100左旋转的情况，此时，由于右手侧存在凸部形成用的原料，因此认为可在第二部件20上形成凸部替代部150。
根据该作用，凸部形成用工具100通过后，在对接部30的上部，形成高于第二部件20的上表面20a的凸部替代部150。
凸部替代部150并非简单地载于第二部件20的上表面，而是固定于第二部件上。
这如图6所示，凸部形成用工具100的上端部102比前端部101更向前进方向后侧倾斜大约3°，在前端部101的平坦面110的下方存在金属151，通过工具100的右旋转(或左旋转)，金属151在工具100的前端部101的前端部分112靠近右侧(或左侧)。继而，在工具100的前端部101的后端部分111的位置，按压所述移动的金属。由此，认为金属被粘合于第二部件20上。
还有，即使第一部件10与第二部件20的对接部30存在间隙，在该间隙上也形成凸部替代部150。其一部分会进入间隙中。
图4表示从由第一工序形成的凸部替代部150的上部插入摩擦搅拌接合用工具200，并沿对接部30进行摩擦搅拌用接合的第二工序。
摩擦搅拌接合用工具200具有大径部210、小径部220和连接大径部210与小径部220的轴肩部230，并通过公知的形式执行摩擦搅拌接合。
摩擦搅拌接合使轴肩部230位于凸部替代部150的厚度范围内而进行。另外，对于摩擦搅拌接合用工具200的旋转方向，在图1、图4中，表示了以R2的方向使其旋转的形式，但由于本实施例中摩擦搅拌接合并不依赖于旋转方向，因此当然可使其沿反方向旋转。
因此，轴肩部230不接触第二部件20。由于轴肩部230接触于凸部替代部150，因此凸部替代部150起到与以往的凸部相同的作用。
图5表示通过摩擦搅拌接合形成接合部250的状态。
通过预先形成凸部替代部150，可对厚度尺寸不同的第一部件10与第二部件20形成无缺陷的摩擦搅拌接合部250。
由于对接部的间隙的上部存在凸部替代部150，因此即使第一部件10与第二部件20的对接面(相对于厚度为直角方向的水平方向)存在间隙，也可通过使凸部替代部150的金属向该间隙移动，而由金属充填间隙，从而获得良好的摩擦搅拌接合部。
在此，凸部形成用工具100的外形，最好大于摩擦搅拌接合用工具200的外形。由此，通过凸部形成用工具100制成的凸部替代部150的宽度形成为大于摩擦搅拌接合用工具200的外形的一半。因此，工具200可置于部件20与凸部替代部150上。
然后，根据需要(如上表面形成为设备的外表面的情况、或需要表面是平滑的面的情况)，由磨床(grinder)等切削去除凸部替代部150、摩擦搅拌接合部250的表面，以平滑地连接第一部件10的上表面10a与第二部件的上表面20a。
据此，凸部替代部150相当于以往的凸部，即使对部件10、20进行摩擦搅拌接合，也不易出现缺陷。
在上述的实施例中，第一及第二部件10、20是板状的部件，但本发明的摩擦搅拌接合方法也可利用于中空形材的接合。
在以往，由于需要凸部，因此利用挤压形材，但第二部件20也可利用轧制板。
还有，在上述实施例中，通过使凸部形成用工具100及摩擦搅拌接合用工具200移动，而进行接合，但也可使第一及第二部件10、20相对于工具100、200移动。换而言之，只要工具100、200的移动是相对于第一及第二部件10、20进行相对移动即可。
结合图7、图8、图9对本发明的摩擦搅拌接合方法的实施例2进行说明。在上述实施例中，第一及第二部件10、20为平板状，但也可为中空形材。结合图7～图9对第一及第二部件10、20是中空形材的例子进行说明。图7是表示铁道车辆侧构架的出入口的一部分的立体图。部件80是构成铁道车辆的侧面的侧构架的中空形材，接合并排的4个中空形材80而形成侧构架。侧构架是多个中空形材80、80……相邻彼此相互地摩擦搅拌接合而构成。侧构架上开有出入口95。出入口95上嵌有部件90。部件90可不必为中空形材。
在图9中，中空形材80的挤压方向为左右方向。部件90的挤压方向为与图9的纸面垂直的方向。若相对于图8对此说明，则中空形材80的挤压方向为左右方向。部件90的挤压方向为箭头的方向。
部件90是出入口的框。部件90是将连续的部件90折弯为U字状的结构。因此，具有3个直线部和相邻的2个直线部之间分别具有圆弧部。部件90与部件80的对接部(U字状)由二维数据表示。预先将该二维数据存储到摩擦搅拌接合装置的控制装置中。
部件90具有搭载部件80的突出片91、92。部件80搭载于部件90的突出片91、92的上方且部件80与部件90对接。部件80是中空形材，具有上表面的面板81、下表面的面板82及连接两者的连接板83。上下的面板81、82平行。上表面的面板81与部件90的对接部附近的部件90的上表面高于部件80的上表面。该高度高是凸部93导致的。若除去凸部93，则部件90的上表面与面板81为同一面。部件80的板厚比部件90的板厚薄。部件90搭载于架台上。即，由于部件90高度比中空形材80高出凸部93的量，因此部件90相当于本发明的第一部件，中空形材80相当于本发明的第二部件。
在图9中，部件80的下表面的面板82、连接板83的挤压方向的右端部，处于比上表面的面板81的右端部更向左方后退的位置。将部件80的中空形材这样切削。
然后，使部件80与部件90的上下表面反转，以便面板81处于面板82的下方。然后，如上述组合后，对在表侧露出的突出片92与面板82进行角焊W2。
然后，在摩擦搅拌接合之前，在部件90的上表面侧(如图9所示)与部件80的对接部，使用凸部形成用工具100，使凸部93的金属向面板81侧移动。将工具100的前进方向作为附图的向内方向，工具100的旋转为左旋转。由此，如上述，凸部替代部150接合于部件80的面板81上表面。由工具100形成凸部替代部150时，由于经被移动的金属(凸部替代部150)向下方按压面板81，因此即使面板81从突出片91上浮起引起面板81的里面与突出片91之间产生间隙，两者也会接触。因此，从这一点来说，良好的摩擦搅拌接合的准备也已经就绪。
然后，由工具200对部件80与部件90的接合部进行摩擦搅拌接合。通过使工具200的大径部210的底面230进入到凸部替代部150的高度的范围内，一边使工具200旋转一边使其前进，从而部件80与部件90被摩擦搅拌接合。使工具200的旋转中心位于部件80与部件90的对接部。
由于凸部替代部150相对于面板81形成为凸部，因此可良好的摩擦搅拌接合。还有，由于摩擦搅拌接合用工具200不与面板81、部件90(除去凸部93后的上表面)的上表面接触，因此不会在面板81、部件90的上表面形成与工具200接触的凹部。
摩擦搅拌接合后，削除从部件80、90的上表面向上方突出的凸部93、部分150、250。
本发明是在制造铁道车辆的车体构架等时极为有效的摩擦搅拌接合。
下面，对凸部形成用工具100的结构进行说明。图10所示的凸部形成用工具100的前端部101的端面，如先前所说明的，形成为平坦面110，但也可为其他的形状。
图11所示的工具100的前端部101的端面是以在轴心侧形成底的方式凹陷的凹状面113。图11(b)的中心部的圆，如图11(a)中虚线所示，表示作为凹状面113的母线的圆弧的曲率在中心部与其外周部有所不同。
由于凸部形成用工具100的前端部101的端面形成为凹状面113，因此与该前端部101的端面形成为平坦面的情况相比，位于端面下方的金属量较多。因此，第二部件20处于第一部件10的右手侧，使凸部形成用工具100右旋转时，可进一步确保金属的移动量。这是出于如下考虑。即，进入到凹状面113内的第一部件10的金属，若工具100从第一部件10的端部向右侧旋转，则由于在下方第一部件10消失，因此支撑消失，所述金属向下方落下。由于该向下方落下的金属量较多，因此一直较长地延伸到工具100的前端部101的后端部分111，并在第二部件20上被按压。因此，可以多量的移动量良好地移动第一部件10的金属。
图12所示的工具100，是在前端部101上形成凹状面113，进而在其中央部分设置小径的凸部115。
图13所示的工具100，是在凹状面113上设置十字形的凸部117。
还有，工具100也可在圆弧状的凹状面113上突出4个凸缘117。
上述图11～图13所示的工具100的前端部101的端面并非为平面，但实际上可以说是平坦的。图11～图13的(b)是从下方观察(a)的工具100的下端的平面图。
在上述实施例中，使凸部形成用工具100、摩擦搅拌接合用工具200的移动，基于所述对接部(U字状)的二维数据而移动。以往，一般具有用于测量对接部、引导工具200的光学传感器，但在本实施例中不具有该光学传感器。但是，工具100、200上，具有确认、存储从原点S沿长度方向的移动量、和向宽度方向的移动量的传感器。首先，最初，使凸部形成用工具100、摩擦搅拌接合用工具200的旋转中心位于始点(原点)S，并基于所述二维数据使工具100、200移动。据此，即使不测量对接部的位置，也可使工具100、200移动，从而可廉价且容易地使其移动。凸部形成用工具100移动时，由于存在台阶，因此能够测量对接部的位置，但摩擦搅拌接合用工具200移动时，由于对接部不存在台阶，因此不能简单地测量工具的中心位置。还有，凸部替代部150的右端部沿长度方向蜿蜒，右端侧(凸部93的侧)向上方突出，因此凸部替代部150的中心的位置难以测定。

Claims (6)

1、一种摩擦搅拌接合方法，其是对接高度较高的第一部件与高度较低的第二部件，并对对接部具有台阶的对接部进行摩擦搅拌接合的方法，其特征在于，
使用具有端面实际上平坦的前端部的圆棒形的凸部形成用工具，一边使凸部形成用旋转工具旋转，一边使其相对于所述第一部件及所述第二部件进行相对移动，使所述第一部件侧的金属向所述第二部件侧的上表面移动，从而在所述第二部件的上表面形成凸部，
然后，从所述第二部件的所述凸部及所述第一部件的上方插入摩擦搅拌接合用旋转工具，在使该旋转工具的大径部与其前端的小径部的边界位于所述凸部的高度的范围内的状态下，使其相对于所述第一部件及所述第二部件进行相对移动，从而进行摩擦搅拌接合。
2、根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
从所述凸部形成用工具相对于所述两个部件移动的方向观察时，所述第二部件处于右手侧，
所述凸部形成用工具的所述前端部的所述端面为平坦面，且该工具相对于其相对于所述两个部件移动的方向，上端侧向后方倾斜，
并且，使该凸部形成用工具右旋转。
3、根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
从所述凸部形成用工具相对于所述两个部件移动的方向观察时，所述第二部件处于左手侧，
所述凸部形成用工具的所述前端部的所述端面为平坦面，且该工具相对于其相对于所述两个部件移动的方向，上端侧向后方倾斜，
并且，使该凸部形成用工具左旋转。
4、根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
从所述凸部形成用工具相对于所述两个部件移动的方向观察时，所述第二部件处于右手侧，
所述凸部形成用工具的所述前端部的所述端面是在其轴心侧凹陷的凹状面，且该工具相对于其相对于所述两个部件移动的方向，上端侧向后方倾斜，
并且，使该凸部形成用工具右旋转。
5、根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
从所述凸部形成用工具相对于所述两个部件移动的方向观察时，所述第二部件处于左手侧，
所述凸部形成用工具的所述前端部的所述端面是在其轴心侧凹陷的凹状面，且该工具相对于其相对于所述两个部件移动的方向，上端侧向后方倾斜，
并且，使该凸部形成用工具左旋转。
6、根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
使所述凸部形成用工具及所述摩擦搅拌接合工具，基于所述第一部件与所述第二部件的所述对接部的连续的二维数据，相对于所述第一部件、所述第二部件进行相对移动。
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