CN106457461B - 摩擦搅拌接合装置 - Google Patents

Abstract

摩擦搅拌接合装置(1)具备形成沿着工件(W)之间的接合线(J)延伸的间隙(3)的一对工件平台(4)、能够旋转地具备从间隙(3)突出到上方的摩擦搅拌接合用工具(6)的接合装置本体(5)、以及接合装置本体(5)的线性引导机构(10)和移动装置(11)。移动装置(11)采用以下构成：将在沿着间隙(3)的方向上延伸的一对销齿条(12)配置在将摩擦搅拌接合用工具(6)的工具移动路径的正下方位置作为对称轴的宽度方向两侧的对称位置，且在接合装置本体(5)能够旋转驱动地具备个别地啮合的销齿轮(18)。销齿条(12)和销齿轮(18)的组彼此将相互的销(13)以及齿的配置错开半个间距，在接合装置本体(5)的移动时，交替地采用啮合较强的状态。

Description

摩擦搅拌接合装置

技术领域

本发明涉及沿着工件之间的接合线使摩擦搅拌接合用工具移动以进行摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合装置。

本申请基于在日本于2014年4月9日申请的日本特愿2014-080120号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

摩擦搅拌接合是使摩擦搅拌接合用工具的探头(probe)(也称为销(pin))一边旋转一边插入工件彼此的接合部，并使该旋转的探头遍及工件之间接合线的全长移动以接合的手法。由此，该工件接合部因通过旋转的探头与工件的接触发生的摩擦热而升温，该接合部的周边软化，该软化的接合部周边通过该探头的旋转所伴随的塑形流动而被搅拌混合，从而在探头的后方一体地接合工件的接合部。

近年来，该摩擦搅拌接合例如以基于薄板铝材的工件的接合为中心得到实际适用。

作为摩擦搅拌接合装置的一个形式，以往提出了如下构成：具备比接合工件的接合线的长度长的架构、以及在该架构的上侧形成沿该工件之间的接合线延伸的间隙地设置的一对工件平台，并且在这一对工件平台之间的间隙的下方配置接合装置本体，该接合装置本体具备在上端部安装从该间隙突出到上方的摩擦搅拌接合用工具的主轴、以及使该主轴旋转的驱动装置，而且，具备可沿该间隙移动地支撑该接合装置本体的线性引导机构、以及使该接合装置本体沿该间隙移动的移动装置(例如，参照专利文献1)。

另外，在摩擦搅拌接合的施工中，由于使旋转的摩擦搅拌接合用工具的探头在插入应接合的工件的接合部的状态下沿接合线移动，故在接合装置本体，作用由沿与摩擦搅拌接合用工具的移动方向反方向地作用的反力、以及与该摩擦搅拌接合用工具的旋转方向相反的旋转方向的反力形成的大的接合反力。

若受到该大的接合反力的影响，该摩擦搅拌接合用工具的移动速度变得不均匀，或者产生旋转方向的摇晃，则在沿着工件之间接合线的摩擦搅拌接合中，难以遍及该接合线的较长方向的全长获得均匀的接合品质。

因此，关于接合装置本体的移动装置，期望该接合装置本体移动方向的刚性高，并且期望将摩擦搅拌接合用工具作为中心的旋转方向的刚性也高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际专利申请公开第WO2012/060439号。

发明内容

本发明关于使装备有摩擦搅拌接合用工具的接合装置本体沿工件之间的接合线移动的接合装置本体用的移动装置，能够提高使接合装置本体移动的方向的刚性，并且还能够提高将该摩擦搅拌接合用工具作为中心的旋转方向的刚性。

用于解决问题的方案

本发明的第一方式是一种摩擦搅拌接合装置，其具有以下构成：具备形成沿工件之间的接合线延伸的间隙并设于架构上的一对工件平台、以及接合装置本体；配备于接合装置本体上的主轴；以从间隙突出到上方的配置安装在主轴上端部的摩擦搅拌接合用工具；驱动装置，其用于旋转配备于接合装置本体上的主轴；在沿间隙的方向上移动自如地支撑接合装置本体的线性引导机构；以及使接合装置本体在沿间隙的方向上移动的移动装置，移动装置具备以在架构的工件平台的下方沿与间隙平行的方向延伸的方式设置的多条齿条、以及能够旋转地设于接合装置本体的与各齿条个别地啮合的多个齿条啮合用齿轮，在多个齿条以及齿条啮合用齿轮的组之中，将至少一对齿条以及齿条啮合用齿轮的组隔开某距离配置在摩擦搅拌接合用工具的伴随接合装置本体的移动的工具移动路径的正下方位置的两侧，并且一对齿条以及齿条啮合用齿轮的组彼此使相互的齿的配置错开半个间距地设置。

本发明的第二方式在第一方式中，使相互的齿的配置错开半个间距地配置的一对齿条以及齿条啮合用齿轮的组彼此配置在将摩擦搅拌接合用工具的伴随接合装置本体的移动的工具移动路径的正下方位置作为对称轴的对称位置。

本发明的第三方式在第一或第二方式中，使摩擦搅拌接合用工具的探头为n次对称的旋转对称形状，基于摩擦搅拌接合施工时的摩擦搅拌接合用工具的转速x[rpm]、以及摩擦搅拌接合施工时的摩擦搅拌接合用工具的移动速度v[mm/s]，以满足公式t＞(600・v)/(n×x)的方式设定齿条中的齿轮啮合部件的间距t[mm]。

发明效果

根据本发明，发挥如下的优异效果。

能够提高接合装置本体的移动装置的关于接合行进方向的刚性、以及将摩擦搅拌接合用工具作为中心的旋转方向的刚性。由此，能够谋求接合品质的提高。

附图说明

图1是示出本发明的摩擦搅拌接合装置的一个实施方式的概要平面图；

图2是将图1的摩擦搅拌接合装置中的接合装置本体的一部分放大示出的平面图；

图3是将图1的摩擦搅拌接合装置中的接合装置本体的一部分放大示出的截断侧面图；

图4是图3的A-A方向向视图；

图5A是将图2的接合装置本体的移动装置的小齿轮(pinion)和销齿条(pin rack)放大示出的图2的B方向向视图；

图5B是将图2的接合装置本体的移动装置的小齿轮和销齿条放大示出的图2的C方向向视图；

图6A是示出摩擦搅拌接合用工具的探头的三次对称的旋转对称形状的截断平面图；

图6B是示出摩擦搅拌接合用工具的探头的两次对称的旋转对称形状的截断平面图；

图6C是示出摩擦搅拌接合用工具的探头的四次对称的旋转对称形状的截断平面图；

图7A是示出基于本发明的摩擦搅拌接合的接合部的照片；

图7B是示出基于现有技术的摩擦搅拌接合的接合部的照片。

具体实施方式

以下，参照附图说明用于实施本发明的方式。

图1至图5A、图5B示出本发明的摩擦搅拌接合装置的一个实施方式。

本发明的摩擦搅拌接合装置在图1中用符号1示出，与专利文献1所示的摩擦搅拌接合装置同样，一对工件平台4在形成沿着工件W之间的接合线J延伸的间隙3的状态下设置于比接合两个工件W的接合线J的长度长的架构2的上侧。

在一个工具平台4的形成间隙3的部位的下方，如图1至图4所示，配置有接合装置本体5，接合装置本体5具备：主轴7，其在上端部安装有从间隙3突出到上方的摩擦搅拌接合用工具6；驱动装置8，其使主轴7旋转以使主轴7产生旋转力；以及动力传递机构9，其将来自驱动装置8的旋转力传递至主轴7。

接合装置本体5的与沿着间隙3的方向(沿着图1、图2、图3中的箭头x的方向)正交的水平方向(以下称为宽度方向)的两侧部分别通过与间隙3平行地延伸的线性引导机构10而由架构2支撑。由此，接合装置本体5能够通过各线性引导机构10而与间隙3平行地移动。

而且，本发明的摩擦搅拌接合装置1具备用于使接合装置本体5沿间隙3移动的移动装置11。

在移动装置11，在架构2内底部的隔着间隙3正下方位置的宽度方向的两处，平行地设有沿与间隙3平行的方向延伸的两条齿条(销齿条)12。这两条销齿条12的配置位置是将摩擦搅拌接合用工具6的伴随接合装置本体5的移动而移动的工具移动路径的正下方位置作为对称轴，从工具移动路径的正下方位置向宽度方向相隔等距离的对称位置。

而且，两条销齿条12如图5A、图5B所示，使沿长度方向排列的作为齿轮啮合部件起作用的销13的位置在一个销齿条12和另一个销齿条12中相互错开半个间距地设置。

另一方面，在接合装置本体5，在从工件W之间的接合线J的一端侧向另一端侧使摩擦搅拌接合行进的接合行进方向(箭头x方向)的上游侧端部，设有向水平方向突出的框架14。在框架14安装有齿轮箱15(减速机)。

齿轮箱15在接合行进方向的上游侧的面具备输入轴15a。朝接合行进方向的下游侧安装在框架14的突出端部的行驶用马达16的输出轴16a经由接头17而连接于输入轴15a。

在齿轮箱15的宽度方向两侧，设有同步地旋转的一对输出轴15b。各输出轴15b安装有齿条啮合用齿轮(销齿轮)18，齿条啮合用齿轮18具有与各销齿条12啮合的齿形状。此外，各销齿轮18如图5A、图5B所示，与对应的销齿条12的销13的配置对应地，在使周向方向的齿的配置相互错开半个间距的姿势下安装于各输出轴15b。

根据具有以上构成的移动装置11，通过使行驶用马达16驱动并经由齿轮箱15使各销齿轮18向图3中的逆时针方向旋转，能够使接合装置本体5沿着两条销齿条12向接合行进方向(箭头x方向)行驶。

此时，各销齿轮18交替地采取如图5A所示相对于对应的一个销齿条12用齿底部接触且啮合较强的姿势、以及如图5B所示相对于对应的另一个销齿条12用齿顶部接触且啮合较弱的姿势。

但是，由于移动装置11的宽度方向一侧的销齿轮18、以及宽度方向另一侧的销齿轮18的周向方向的齿的配置错开半个间距的量，故例如在宽度方向一侧的销齿轮18为如图5B那样相对于对应的销齿条12啮合变弱的姿势时，宽度方向另一侧的销齿轮18变为如图5A那样相对于对应的齿条12啮合较强的姿势。

若从该状态开始，各销齿轮18以周向方向的齿的配置的半个间距量的角度旋转，则宽度方向另一侧的销齿轮18变为相对于对应的销齿条12如图5B那样啮合较弱的姿势，与此相对，宽度方向一侧的销齿轮18变为相对于对应的销齿条12如图5A那样啮合较强的姿势。

之后，在移动装置11中，通过使在宽度方向两侧设置的各销齿轮18同步地旋转，宽度方向一侧和另一侧的各销齿轮18交替地采取相对于对应的销齿条12啮合较强的状态和啮合较弱的状态。

从而，在移动装置11中，两个销齿轮18不会相对于销齿条12同时地变为啮合较弱的状态。由此，该移动装置11在为了摩擦搅拌接合的施工而使接合装置本体5向接合行进方向(箭头x方向)移动时，能够提高关于该接合行进方向的刚性。

而且，由于各销齿轮18与对应的销齿条12交替地在啮合较强的状态下啮合的位置为将工具移动路径的正下方位置作为对称轴的对称位置，故离装备于接合装置本体5的摩擦搅拌接合用工具6的距离是相等的。因此，移动装置11能够在各销齿轮18与对应的销齿条12交替地在啮合较强的状态下啮合的位置处，依次在同样的力矩下受到在摩擦搅拌接合的施工时旋转的摩擦搅拌接合用工具6从工件W受到的旋转方向的反力，因而能够抑制受到旋转方向的反力的刚性的波动。

从而，移动装置11能够提高相对于将摩擦搅拌接合用工具6作为中心的旋转方向的力的刚性。

此外，本发明人在本发明的摩擦搅拌接合装置1的开发过程中，关于摩擦搅拌接合获得了以下见解。

明白了摩擦搅拌接合用工具6在如图6A、图6B、图6C所示，具备将轴心作为中心的n次对称(n为2以上的整数)的旋转对称形状的探头19的情况下，若将摩擦搅拌接合用工具6的转速设定为x[rpm]以进行摩擦搅拌接合的施工，则即使在摩擦搅拌接合用工具6的探头19整体没入工件W内的状态下，在接合装置本体5也发生(n×x)/60[Hz]的振动。

即，例如，在摩擦搅拌接合用工具6的探头19为图6A所示的将圆柱的外周面的三侧倒角的形状，且为三次对称(n＝3)的旋转对称形状的情况下，若将摩擦搅拌接合用工具6的转速设定为x[rpm]，进行摩擦搅拌接合的施工，则在接合装置本体5产生3x/60[Hz]的振动。

图6B和图6C分别示出两次对称(n＝2)的旋转对称形状、以及四次对称的(n＝4)的旋转对称形状的例子。

另一方面，在接合装置本体5的移动装置11中，如图5A所示，在移动装置11的各销齿条12中的销13的排列间距为t[mm]的情况下，若将摩擦搅拌接合施工时的摩擦搅拌接合用工具6向接合行进方向的移动速度设定为v[mm/s]，则在移动装置11中，容易发生v/t[Hz]的振动。

基于这些见解，在本发明的摩擦搅拌接合装置1中，以相对于在摩擦搅拌接合的施工时在移动装置11中发生的振动周期(v/t[Hz])，因摩擦搅拌接合用工具6的旋转对称形状而在接合装置本体5中发生的振动的周期((n×x)/60[Hz])以10倍以上的程度偏离的方式，以满足由以下的公式表示的条件的方式选定移动装置11的各销齿条12中的销13的排列间距t[mm]。

(v/t)×10＜(n×x)/60

∴t＞(10・v)×｛60/(n×x)｝＝(600・v)/(n×x)

通过采用此种构成，本发明的摩擦搅拌接合装置1抑制相对于在接合装置本体5中发生的振动，在移动装置11中发生的振动共振的情况，以降低因这些振动引起的对前述移动装置11的关于接合行进方向的刚性、以及将摩擦搅拌接合用工具6作为中心的旋转方向的刚性的影响。

而且，为了更为可靠地防止上述共振，进一步地降低对移动装置11的关于接合行进方向的刚性、以及将摩擦搅拌接合用工具6作为中心的旋转方向的刚性的影响，以使得在接合装置本体5中发生的振动的周期((n×x)/60[Hz])不是在移动装置11中发生的振动的周期(v/t[Hz])的定数倍的方式，优选采用还满足由以下的公式表示的条件的设定。

(v/t)×m≠(n×x)/60 (m为正的整数)

在工件W的摩擦搅拌接合的施工结束之后，在移动装置11中，通过行驶用马达16的向反方向的运转经由齿轮箱15使各销齿轮18向图3中的顺时钟方向旋转驱动，能够使接合装置本体5向接合行进方向(箭头x方向)的上游侧返回。

如此，在本发明的摩擦搅拌接合装置1中，关于接合装置本体5的移动装置11，能够提高关于接合行进方向的刚性、以及将摩擦搅拌接合用工具6作为中心的旋转方向的刚性。

因此，在摩擦搅拌接合的施工时，即使接合装置本体5受到沿与接合行进方向反方向、和与摩擦搅拌接合用工具6的旋转方向相反的旋转方向作用的较大的接合反力，也能够防止接合装置本体5以及摩擦搅拌接合用工具6的向接合行进方向的移动速度变得不均匀、或者产生旋转方向的摇晃的可能性。从而，在沿着工件W之间接合线J的摩擦搅拌接合的施工中，能够遍及接合线J的较长方向的全长获得均匀的接合品质。

在此，比较通过图7A示出的本发明的摩擦搅拌接合形成的接合部、以及通过图7B示出的现有技术的摩擦搅拌接合形成的接合部。在图7A中，从图7A的右朝左实行摩擦搅拌接合。在图7B中，从图7B的左朝右实行摩擦搅拌接合。从而，在图7A、图7B中都示出摩擦搅拌接合的开始点附近。图7B的摩擦搅拌接合的开始点附近(图7B的左端附近)的接合部混乱。这是因为，在通过基于现有技术的摩擦搅拌接合形成的接合部中，在摩擦搅拌接合的开始时，受到接合反力的波动的影响。与此相对，图7A的摩擦搅拌接合的开始点附近(图7A的右端附近)的接合部稳定。从而，能够通过图7A、图7B来确认通过基于本发明的摩擦搅拌接合形成的接合部与以往相比获得优秀的接合品质。

另外，移动装置11由于使用作为齿条的销齿条12、以及作为齿条啮合用齿轮的销齿轮18的组合，销齿条12具有作为齿轮啮合部件的销13，故能够获得大的推进力，并且能够容易地提高啮合的精度。

而且，关于移动装置11，由于将销齿轮18相对于接合装置本体5配置在接合行进方向的上游侧，故在摩擦搅拌接合的施工时，能够使通过旋转的销齿轮18产生的推进力沿相对于接合装置本体5推的方向作用，以进行接合装置本体5的向接合行进方向的行驶(移动)。由此，在摩擦搅拌接合的施工时，容易向接合装置本体5赋予用于使摩擦搅拌接合用工具6的探头19在没入工件W的状态下向接合行进方向移动所需的大的推进力。

此外，本发明不仅仅限定于上述实施方式，移动装置11还可以在架构2设置三条以上的销齿条12，在接合装置本体5侧能够旋转地具备与各个销齿条12啮合的三个以上的销齿轮18。在该情况下，至少两条一组的销齿条12将摩擦搅拌接合用工具6的工具移动路径的正下方位置作为对称轴，配置在从该工具移动路径在宽度方向上各相隔相等距离的对称位置即可。

移动装置11为了获得大的推进力，并且容易地提高啮合的精度，优选使用销齿条12和销齿轮18的组合，但还可以使用具有作为齿轮啮合部件的齿的齿条、以及作为具有与该齿条啮合的齿形状的齿条啮合用齿轮使用小齿轮齿轮。

若能够沿在一对工件平台4之间设置的间隙3移动自如地导引接合装置本体5，则间置在接合装置本体5与架构2之间的线性引导机构10的配置、数量还可以适当变更。

摩擦搅拌接合装置1还可以在各工件平台4的上侧具备用于对载置于各工件平台4的工件W进行位置固定的工件固定装置。

摩擦搅拌接合用工具6的探头19在图6A、图6B、图6C所例示的以外，还可以是一次对称的旋转对称形状、五次对称以上的n次对称的旋转对称形状。

此外还可以在不脱离本发明主旨的范围内加以各种变更。

产业上的利用可能性

根据本发明的摩擦搅拌接合装置，能够提高接合装置本体的移动装置的关于接合行进方向的刚性、以及将摩擦搅拌接合用工具作为中心的旋转方向的刚性。由此，能够谋求接合品质的提高。

1 摩擦搅拌接合装置

2 架构

3 间隙

4 工件平台

5 接合装置本体

6 摩擦搅拌接合用工具

7 主轴

8 驱动装置

10 线性引导机构

11 移动装置

12 销齿条(齿条)

18 销齿轮(齿条啮合用齿轮)

W 工件

J 接合线

Claims (4)

1.一种摩擦搅拌接合装置，其具有以下构成：具备

形成沿工件之间的接合线延伸的间隙并设于架构上的一对工件平台、以及接合装置本体；

配备于所述接合装置本体上的主轴；

以从所述间隙突出到上方的配置安装在所述主轴上端部的摩擦搅拌接合用工具；

驱动装置，其用于旋转配备于所述接合装置本体上的所述主轴；

在沿所述间隙的方向上移动自如地支撑所述接合装置本体的线性引导机构；以及

使所述接合装置本体在沿所述间隙的方向上移动的移动装置，

所述移动装置具备以在所述架构的所述工件平台的下方沿与所述间隙平行的方向延伸的方式设置的多条齿条、以及能够旋转地设于所述接合装置本体的与所述各齿条个别地啮合的多个齿条啮合用齿轮，

在所述多条齿条以及所述多个齿条啮合用齿轮的组之中，将至少一对齿条以及齿条啮合用齿轮的组隔开某距离配置在所述摩擦搅拌接合用工具的伴随所述接合装置本体的移动的工具移动路径的正下方位置的两侧，并且所述一对齿条以及所述齿条啮合用齿轮的组彼此使相互的齿的配置错开半个间距地设置。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，使相互的齿的配置错开半个间距地配置的一对齿条以及齿条啮合用齿轮的组彼此配置在将摩擦搅拌接合用工具的伴随接合装置本体的移动的工具移动路径的正下方位置作为对称轴的对称位置。

3.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，使摩擦搅拌接合用工具的探头为n次对称的旋转对称形状，基于摩擦搅拌接合施工时的摩擦搅拌接合用工具的转速x[rpm]、以及摩擦搅拌接合施工时的摩擦搅拌接合用工具的移动速度v[mm/s]，以满足公式t＞(600・v)/(n×x)的方式设定齿条中的齿轮啮合部件的间距t[mm]。

4.根据权利要求2所述的摩擦搅拌接合装置，使摩擦搅拌接合用工具的探头为n次对称的旋转对称形状，基于摩擦搅拌接合施工时的摩擦搅拌接合用工具的转速x[rpm]、以及摩擦搅拌接合施工时的摩擦搅拌接合用工具的移动速度v[mm/s]，以满足公式t＞(600・v)/(n×x)的方式设定齿条中的齿轮啮合部件的间距t[mm]。