CN107848066A - 摩擦搅拌接合装置及摩擦搅拌接合控制方法 - Google Patents
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Abstract
在接合工具(1)的突起部(11)的内部,在将接合工具的突起部(11)压入被接合构件时从被接合构件表面起的深度分别不同的突起部(11)的内部位置,设置有多个温度传感器(13),在实施接合时,控制装置(5)通过控制接合工具(1)的旋转速度、移动速度或者这两者来进行控制,以便使由温度传感器(13)检测出的温度落入预定的控制温度范围内,谋求接合品质的均匀化。
Description
技术领域
本发明涉及利用塑性流动现象将被接合构件固相接合的摩擦搅拌接合装置及摩擦搅拌接合控制方法。
背景技术
已知利用旋转的接合工具给予摩擦热,使被接合构件产生塑性流动现象,利用接合工具进行搅拌并将被接合构件接合起来的摩擦搅拌接合装置(下面,称为FSW(FrictionStir Welding:摩擦搅拌焊接)装置)。FSW装置用于铝、铜、铁、它们的合金等在比较低的温度下软化的金属的接合。
在一般的FSW装置中,根据被接合构件的材质及厚度预先设定预定的最佳接合工具的规格(材质、形状等)、转速(旋转速度)、作为进给速度的接合速度、插入深度等加工条件,从接合开始直到接合结束,保持该加工条件以实施接合。并且,基于确认在接合部位的截面中没有产生空穴缺陷、在接合部的表面没有产生槽状缺陷的结果,判断接合被是否恰当地进行。一般地,基本上不进行从接合开始点到结束点之间的接合温度控制及考虑由接合温度的变动引起的对接合品质的影响。
但是,在不控制被接合构件的接合部的温度的情况下,在从接合开始点到结束点之间,其接合温度不可避免地产生波动,其结果是,接合部的强度及接合品质也会产生波动。特别是,在将不同种类材料的被接合构件接合起来的情况下,会产生大的影响。
因此,例如,在专利文献1中,公开了一种将重叠的两个被接合构件1、2接合起来的加工探头P(接合工具),其配备有相对于加工探头本体Pa的旋转轴偏心地配置且相对于加工探头本体Pa能够旋转的接合用销Pb(参照图1等)。在这种加工探头P中,由于偏心配置的接合用销Pb相对于加工探头本体Pa的中心进行旋转运动,所以,可以谋求加工探头P的底面附近部分、也就是被接合构件1、2的交界面的温度的均匀化。进而,在专利文献1中,记载了在加工探头P上设置温度检测手段23,基于该温度检测手段23的检测值,控制加工探头本体Pa以及接合用销Pb的转速(参照第0032段等)。
另外,在专利文献2中,公开了一种摩擦搅拌接合装置1的例子,所述摩擦搅拌接合装置1,在被接合部3的接合工具4和与其相反侧抵接地设置的支承被接合物2的垫板构件21上设置热电偶34,能够基于由热电偶34检测出的温度来监视接合工具4的过热(参照图2等)。
另外,在专利文献3中,公开了一种摩擦搅拌接合方法的例子,所述摩擦搅拌接合方法,能够通过使接合工具的旋转速度或者接合速度变化,将向从接合对象的工件1的接合开始部位至结束部位的构件1中的进热量控制成大致恒定(参照权利要求1、权利要求2、图1等)。根据该接合方法,记载了特别是在小直径的管材或棒材的周向方向的接合中,在整个接合部上获得均匀的接合品质(参照段落0023等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2006-167758号公报
专利文献2:日本特开2011-115842号公报
专利文献3:日本特许第4286962号公报
发明内容
发明所要解决的课题
不过,在专利文献1中公开的摩擦搅拌接合装置中,温度检测手段23设置在加工探头本体Pa的外周部(图1、段落0028)。另外,在专利文献2中公开的摩擦搅拌接合装置中,检测接合部的温度的热电偶34设置在垫板构件21之中。在任何情况下,温度传感器都设置在从被接合构件的搅拌对象区域、也就是接合部稍稍离开的位置。从而,利用这样的温度传感器,未必能够高精度地检测出被接合构件的接合部的温度。因此,未必能够充分降低从被接合构件的接合开始点至接合结束点的接合部的强度及接合品质的波动。
另外,在专利文献3中公开的摩擦搅拌接合方法中,向接合部的进热量在接合的开始部位至结束部位之间的被保持恒定。因此,由于被接合构件中的蓄热效果,接合部的温度在接合的开始点附近低,在结束点附近高。从而,在从被接合构件的接合开始点至接合结束点之间,不容易谋求接合部的强度及接合品质的均匀化。
鉴于以上所述的现有技术的问题,本发明的目的是提供一种摩擦搅拌接合装置及摩擦搅拌接合控制方法,能够谋求在被接合构件的接合部的接合品质的均匀化。
解决课题的手段
为了达到前述目的,根据本发明的摩擦搅拌接合装置(FSW装置),其特征在于,配备有:接合工具,所述接合工具具有突起部和推压部,所述突起部一边旋转一边被压入被接合构件,所述推压部具有所述突起部,一边旋转一边推压所述被接合构件的表面,所述接合工具使得在所述被接合构件内部且在所述突起部以及所述推压部接触的附近区域产生塑性流动现象;多个温度传感器,所述多个温度传感器被设置在当所述接合工具的所述突起部被压入所述被接合构件时、从所述被接合构件表面起的深度分别不同的所述突起部的内部位置处;工具旋转驱动装置,所述工具旋转驱动装置使所述接合工具旋转;工具移动驱动装置,所述工具移动驱动装置使所述接合工具沿着预先设定的所述被接合构件上的接合线移动;以及控制装置,所述控制装置基于由所述多个温度传感器检测出的温度,取得作为所述接合工具的突起部内的温度的工具温度,控制由所述工具旋转驱动装置驱动的所述接合工具的旋转速度以及由所述工具移动驱动装置驱动的所述接合工具的移动速度中的至少一项,以便使所述工具温度落入预定的控制温度范围内。
发明的效果
根据本发明,提供一种能够谋求被接合构件的接合部中的接合品质的均匀化的摩擦搅拌接合装置以及摩擦搅拌接合控制方法。
附图说明
图1是示意地表示根据本发明的实施方式的FSW装置的外观立体图的例子。
图2是表示当利用FSW装置在进热量恒定的条件下接合被接合构件时的工具温度的推移的例子的图。
图3是表示根据本发明的实施方式的FSW装置的概略模块结构的例子的图。
图4是示意地表示接合工具的突起部被压入到被接合构件中的状态的纵剖视图的例子。
图5是示意地表示接合工具的横剖面的图。
图6是表示存储在控制装置的存储装置中的FSW控制数据的结构的例子的图。
图7是示意地表示由接合工具接合被接合构件时的温度控制的方法的例子的图。
图8是表示由控制装置进行的FSW接合控制处理的处理程序的例子的图。
图9是表示由不同种类的材料构成的被接合构件的(a)对接接合的例子、(b)重叠接合的例子的图。
具体实施方式
下面,参照附图详细地说明本发明的实施方式。另外,在各个附图中,对于共同的结构部件,赋予相同的附图标记,省略重复说明。
图1是示意地表示根据本发明的实施方式的FSW装置100的外观立体图的例子。如图1所示,FSW装置100由配备有突起部11的接合工具1、保持接合工具1的工具保持器2、能够旋转地保持工具保持器2的罩3等构成。这里,罩3是圆筒状的容器,在其内部容纳有以主轴20为中心使圆柱状的工具保持器2旋转的主轴马达6(参照图3)等。另外,主轴20是指圆柱状的工具保持器2的中心轴。
以上述方式保持接合工具1以及工具保持器2的罩3,被安装于图中未示出的机械加工工具或多轴机器人的臂4的前端部。即,接合工具1构成为使得通过机械加工工具或多轴机器人进行的臂4的驱动,在上下方向和在平面方向上都能够自由移动。
接合工具1的突起部11形成主轴20沿着中心的细长的销的形状,常常被称为接合工具销部。并且,在将两个被接合构件101a、101b接合起来时,被保持在工具保持器2上的接合工具1一边旋转,一边使其突起部11压入到作为被接合构件101a、101b的交界的接合线上。这时,突起部11,其中除去接合工具1本体的底面部的突起部11以外的部分(在图3中,所谓的工具肩部12)被压入至与被接合构件101a、101b的表面接触的位置。
当突起部11被压入时,借助突起部11以及工具肩部12一边与被接合构件101a、101b接触一边旋转时的摩擦热,在被接合构件101a、101b中,温度上升,产生塑性流动现象。并且,产生了该塑性流动现象的被接合构件101a、101b的构成材料被接合工具1搅拌并混合。进而,接合工具1受到控制,以便在突起部11被压入到被接合构件101a、101b中的状态下沿着接合线102移动。其结果是,被接合材料101a、101b的交界部被接合。
如上所述的FSW装置100的基本部分的结构及动作与现有技术一样。如前面所述,过去,被接合构件101a、101b的接合部的温度没有被充分地控制。认为只要接合温度是在被接合构件101a、101b中产生塑性流动现象的温度即可。对此,本发明的发明人等,测定了在进热量恒定的条件下被接合构件101a、101b的接合部被接合时的温度,其结果示于后面的图2。
图2是表示在进热量恒定的条件下利用FSW装置100接合被接合构件101a、101b时的工具温度的变化的例子的图。这里,所谓工具温度是指利用埋入到接合工具1的突起部11内部的热电偶等温度传感器(图3中的温度传感器13)测定被接合构件101a、101b被摩擦搅拌时的接合部的温度而得到的温度。从而,工具温度不是接合部的温度本身,但是,例如,与在专利文献2中记载的由设置在垫板构件等中的温度传感器获得的温度相比,被认为非常接近于接合部的温度。
如图2所示,直至接合工具1的突起部11与被接合构件101a、101b的表面的接合开始点接触并被压入、且工具肩部12(参照图3)与该表面接触的时刻t1为止,工具温度几乎不上升。接着,当工具肩部12与被接合构件101a、101b的表面接触时,由于通过工具肩部12一边旋转一边与该表面接触而产生的摩擦热,工具温度上升。并且,在时刻t2,若工具温度超过规定的温度T1,则判断为在被接合构件101a、101b上发生塑性流动现象,接合开始。这里,从时刻t1到t2的时间是等待塑性流动现象发生的时间,称为保持时间。
当接合开始时,接合工具1的突起部11在保持被被压入于被接合构件101a、101b中的状态下,开始沿着接合线102移动,移动至接合结束点。这时,在接合工具1从接合开始点(时刻t3)移动到接合结束点(时刻t3)的期间,工具温度逐渐上升。这是因为,接合工具1移动之后的接合部的温度受到来自于接合工具1移动之前已经上升的接合部的热传导的影响。即,结合部的温度不仅由这时接合工具1在该接合部产生地热量所决定,而且还要加上到此为止从接合工具1移动而形成的结合部传导的热的蓄积量来决定。
当接合结束(时刻t3)时,接合工具1的突起部11被从被接合构件101a、101b中拔出,接合工具1的温度急剧下降。
以上,如图2所示可以看出,在进热量恒定的情况下,在从接合开始点到接合结束点之间,工具温度上升100℃左右。因此,均匀地保持被接合构件101a、101b的接合线102处的接合品质是不容易的。因此,在本实施方式中,FSW装置100控制工具温度,以便使工具温度落入预先设定的控制温度的范围内。
图3是表示根据本发明的实施方式的FSW装置100的概略模块结构的例子的图。另外,在图3中,在一并表示出接合工具1、工具保持器2以及罩3的示意的纵剖面结构的同时,还表示出了附属于它们的装置及构件。
如前面所述,罩3是圆筒状的容器,圆柱状的工具保持器2经由轴承31以能够以该圆柱的中心轴(主轴20)为中心进行旋转的方式被保持在该容器的内部。这时,工具保持器2由被安装在罩3侧的主轴马达6旋转驱动。另外,接合工具1被安装在工具保持器2的下方前端部,接合工具1与工具保持器2一起由主轴马达6旋转驱动。
接合工具1形成与工具保持器2同轴的圆柱形状,在其底面部设置有与工具保持器2同轴的细长的大致圆柱状(销状)的突起部11。另外,接合工具1的底面部之中的除设有突起部11的部分以外的部分,被称为工具肩部12。其中的突起部11被压入至工具肩部12与被接合构件101a、101b的表面接触的位置。从而,工具肩部12起到使突起部11的压入停止的作用。另外,这时,工具肩部12推压被接合构件101a、101b的表面,并且,在该表面上旋转、滑动。并且,被接合构件101a、101b内的工具肩部12及突起部11的附近部分被工具肩部12的旋转、滑动的摩擦热加热,出现塑性流动现象。
在本实施方式中,在突起部11的内部埋入有一个或者多个温度传感器13(热电偶等)(在图3中,画出了三个温度传感器13)。并且,这里,在将多个温度传感器13埋入于突起部11内的情况下,将这些温度传感器13埋入到突起部11内的纵向方向的位置分别不同的位置处。对此,另外用图4及图5详细地进行说明。
由温度传感器13计测的温度,经由安装在工具保持器2上的发送器8及安装在罩3上的接受器9被发送给控制装置5。另外,由于发送器8与工具保持器2一起旋转,所以,接受器9例如配备有与包围该发送器8的环形的天线,在其与发送器8之间进行无线通信。
控制装置5从由温度传感器13计测的温度获得工具温度。在该情况下,当在突起部11的内部埋入一个温度传感器13时,将由其计测的温度原样不变地作为工具温度。另外,当在突起部11的内部埋入有多个温度传感器13时,取得计测的多个温度的简单平均或者加权平均作为工具温度。
控制装置5由配备有图中未示出的运算处理装置和存储装置的一般的计算机构成,基于由温度传感器13计测的温度、即工具温度,控制主轴马达6以及工具移动驱动装置7。在这种情况下,在使工具温度降低时,将主轴马达6的旋转减速或者将由工具移动驱动装置7进行的接合工具1的移动速度加快即可。另外,在使工具温度上升时,将主轴马达6的旋转加速或者将由工具移动驱动装置7进行的接合工具1的移动速度减慢即可。另外,这里所说的工具移动驱动装置7,在图1中相当于具有安装了罩3的臂4的机械加工中心型FSW装置或多轴机器人型FSW装置。
图4是示意地表示接合工具1的突起部11被压入到被接合构件101a、101b中的状态的纵剖视图的例子,图5是示意地表示接合工具1的横截面的图。如图4所示,在将两个同类的被接合构件101a、101b(例如,两个铝合金板)对接接合的情况下,被接合构件101a、101b被配置在垫板构件110上,接合工具1的突起部11一边旋转一边被压入其交界部。
这时,突起部11的前端部几乎到达被接合构件101a、101b的背面侧,并且,工具肩部12被压入至与被接合构件101a、101b的表面接触的深度。从而,接合工具1通常根据接合对象的板厚或材质来决定其突起部11的直径、长度、形状等。另外,垫板构件110有必要具有高的耐热性,并且,具有耐工具轴向负荷的硬度。
进而,如图4所示,在突起部11中,在该突起部11被压入到被接合构件101a、101b内时的深度分别不同的位置,埋入有由热电偶等构成的温度传感器13a、13b、13c。并且,如图5所示,这些温度传感器13a、13b、13c距突起部11的外周面的距离大致相等,并且,被埋入于靠近该外周面的位置。另外,在图5中,内侧的斜线部的圆表示突起部11的外周面,外侧的圆表示接合工具1的本体的外周面,被这两个圆夹着的部分表示工具肩部12。
如上所述,借助被埋入到突起部11内的温度传感器13a、13b、13c,能够精度更高地取得被接合构件101a、101b被接合时的深度方向上的温度分布。
图6是表示存储在控制装置5的存储装置中的FSW控制数据501的结构的例的图。如图6所示,FSW控制数据501由与被接合构件101a、101b的材料及厚度相对应的控制温度范围、控制判定温度范围、主轴马达的旋转速度、工具移动速度等构成。
这里,所谓控制温度范围是控制由温度传感器13a、13b、13c获得的工具温度用的温度,由上限值和下限值构成。在实施由FSW装置100的工具进行的接合时,被控制成使得工具温度、即由接合工具1进行摩擦搅拌的被接合构件101a、101b的接合部的温度落入该控制温度范围内。
另外,控制判定温度范围的上限值及下限值是包含在控制温度范围内的温度。即,控制判定温度范围的上限值被设定得比控制温度范围的上限值低,控制判定温度范围的下限值被设定得比控制温度范围的下限值高。
一般地,在具有大的热容量的物体的温度控制中,即使检测出处于温度上升中的物体的温度而减少加热量,其温度也不会立即下降,而是上冲。同样地,即使检测到处于温度下降中的物体的温度而增加加热量,其温度也不会立即上升,而是下冲。因此,在本实施方式中,通过设定控制判定温度范围的上限值及下限值,能够允许温度控制中的温度的上冲及下冲。另外,对此,也在图7中进行说明。
进而,在图6中,主轴马达旋转速度的初始值是将接合工具1的突起部11压入到被接合构件101a、101b中时的主轴马达6的旋转速度的初始值。另外,主轴马达旋转速度的稳态值#1、稳态值#2以及工具移动速度的稳态值#1、稳态值#2是设定接合实施中的主轴马达6的旋转速度及接合工具1的移动速度的数据,对于其详细内容,后面用图7进行说明。
以上,对于构成FSW控制数据501的控制温度范围的上限值、下限值、控制判定温度范围的上限值、下限值、主轴马达旋转速度的初始值、稳态值#1、稳态值#2、工具移动速度的稳态值#1、稳态值#2等的值,根据被接合构件101a、101b的材料或板度等,通过实验或者模拟等,预先求出恰当的值。
图7是示意地表示由接合工具1将被接合构件101a、101b接合起来时的温度控制的方法的例子的图。在本实施方式中,接合工具1的突起部11被压入到被接合构件101a、101b中,工具温度开始进入由FSW控制数据501确定的控制温度范围内,接合开始。当接合开始时,接合工具1不仅旋转,而且开始移动。
工具温度通常在接合开始时处于上升状态。因此,控制装置5分别向主轴马达6及工具移动驱动装置7输出存储在存储装置中的FSW控制数据501的主轴马达旋转速度的稳态值#1及工具移动速度的稳态值#1。借此,接合工具1按照该输出的旋转速度及移动速度来旋转并移动。另外,工具温度主要由主轴马达旋转速度和工具移动速度来决定,但是,这时的主轴马达旋转速度的稳态值#1及工具移动速度的稳态值#1成为工具温度稍稍上升的值。
接着,控制装置5判定工具温度是否超过由FSW控制数据501指定的控制判定温度范围的上限值131b。并且,在工具温度超过了控制判定温度范围的上限值131b的情况下(图7的时刻ta),控制装置5分别向主轴马达6及工具移动驱动装置7输出FSW控制数据501的主轴马达旋转速度的稳态值#2及工具移动速度的稳态值#2。另外,这时的主轴马达旋转速度的稳态值#2及工具移动速度的稳态值#2成为工具温度稍稍下降的值。
借助这些控制,工具温度尽管或多或少超过控制判定温度范围的上限值131b(上冲),但是,在还没有达到控制温度范围的上限值132b的时候就转为下降的状态。
接着,控制装置5判定工具温度是否低于由FSW控制数据501指定的控制判定温度范围的下限值131a。并且,在工具温度低于控制判定温度范围的下限值131a的情况下(图7的时刻tb),控制装置5分别向主轴马达6及工具移动驱动装置7输出FSW控制数据501的主轴马达旋转速度的稳态值#1及工具移动速度的稳态值#1。
通过这些控制,尽管工具温度或多或少低于控制判定温度范围的下限值131a(下冲),但是,在还没有达到控制判定温度范围的下限值132a的时候就转为再次上升的状态。
以上,在本实施方式中,如图7所示,尽管工具温度反复地处于上升状态和下降状态,但是,仍然落入控制温度范围的下限值132a和上限值132b之间。
另外,在图7中,优选地,在工具温度上升的状态下的温度的变化率(斜率)与将在工具温度下降的状态下的温度的变化率(斜率)符号反转后的变化率大致相同。借此,由于被接合构件101a、101b中的被摩擦搅拌的状态没有大的变化,所以能够谋求接合品质的均匀化。
图8是表示由控制装置5进行的FSW接合控制处理的处理流程的一个例子。如图8所示,控制装置5首先从存储在存储装置中的FSW控制数据501取得对应于被接合构件101a、101b的材料及板厚的控制温度范围、控制判定温度范围、主轴马达旋转速度、工具移动速度等的数据(步骤S10)。
其次,控制装置5驱动主轴马达6,并且,使接合工具1的突起部11压入被接合构件101a、101b中(步骤S11),判定工具肩部12是否与被接合构件101a、101b接触了(步骤S12)。在此,在工具肩部12没有与被接合构件101a、101b接触的情况下(在步骤S12中为否),继续步骤S11的控制。另外,在工具肩部12与被接合构件101a、101b接触了的情况下(在步骤S12中为是),突起部11的压入被停止,控制装置5基于由温度传感器13a、13b、13c测定的温度,取得工具温度(步骤S13)。
其次,控制装置5判定工具温度是否达到在步骤S10中取得的控制判定温度范围(步骤S14)。在此,在工具温度没有达到所述控制判定温度范围的情况下(在步骤S14中为否),再次进行步骤S13以下的处理。另外,在工具温度达到了所述控制判定温度范围的情况下,控制装置5对于主轴马达6及工具移动驱动装置7分别设定主轴马达旋转速度(稳态值#1)及工具移动速度(稳态值#1)(步骤S15)。
接着,控制装置5驱动工具移动驱动装置7,使接合工具1沿着预定的接合线102(参照图1)以这时设定的工具移动速度移动(步骤S16)。进而,控制装置5判定接合工具1的位置是否到达了接合终点(步骤S17)。在此,在接合工具1的位置尚未到达接合终点的情况下(在步骤S17中为否),控制装置5基于由温度传感器13a、13b、13c测定的温度,取得工具温度(步骤S18),进而,判定该取得的工具温度是否在所述控制判定温度范围内(步骤S19)。
在步骤S19中的判定结果为工具温度在所述控制判定温度范围内的情况下(在步骤S19中为是),控制装置5重复进行步骤S16以下的处理。另外,在工具温度在所述控制判定温度范围之外的情况下(在步骤S19中为否),控制装置5改变在主轴马达6及工具移动驱动装置7中分别设定的主轴马达旋转速度以及工具移动速度(步骤S20)。并且,控制装置5重复进行步骤S16以下的处理。另外,在步骤S20中,如果这时设定的主轴马达旋转速度以及工具移动速度是稳态值#1,则被变更成稳态值#2,如果是稳态值#2,则变更成稳态值#1。
另外,在步骤S17的判定的结果是接合工具1的位置到达了接合终点的情况下(在步骤S17中为是),控制装置5结束该FSW接合控制处理。
上面,根据本发明的实施方式,可以使工具温度的变动、也就是被接合构件101a、101b的接合对象部分的接合时的温度变动落入预定的控制温度范围内。从而,由于在沿着成为被接合构件101a、101b的接合对象的接合线102的整个部分上,能够抑制接合时的温度变动,所以,可以谋求接合品质的提高。
另外,根据本发明的实施方式,在图8所示的FSW接合控制处理中,工具温度的控制只通过主轴马达旋转速度及工具移动速度的控制就能够进行。即,在本实施方式中,只要与工具移动驱动装置7相当的机械加工中心型FSW装置或多轴机器人型FSW装置以由控制装置5指示的工具移动速度使接合工具1移动即可。这时,对于主轴马达6受到的转矩或者从被接合构件101a、101b受到的反作用力等,没有必要专门控制。从而,在本实施方式中,获得简化工具移动驱动装置7、即机械加工装置或多轴机器人中的控制处理的效果。
(实施方式的变形例)
在至此为止的实施方式中,对于由同种材料构成的被接合构件101a、101b的对接接合进行了说明。下面,作为实施方式的变形例,对于由不同种材料构成的被接合构件101c、101d的对接接合以及重叠接合的例子进行补充说明。图9是表示由不同种材料构成的被接合构件101c、101d的(a)对接接合的例子、(b)重叠接合的例子的图。
如图9(a)所示,在将由不同种材料构成的被接合构件101c、101d对接接合的情况下,接合工具1的突起部11的外周部与两者的交界接触,其整体被压入到包含于由在低温下软化的材料构成的被接合构件101c侧的位置。例如,在被接合构件101c的材料是铝系合金、被接合构件101d是铁系合金的情况下,被压入到包含在作为铝系合金的被接合构件101c侧的位置。
另外,在这种情况下,工具温度控制用的控制温度范围、控制判定温度、接合时的主轴马达旋转速度、工具移动速度等的值基于突起部11所压入的被接合构件101c的材料(在低温下软化的材料:例如,铝系合金)的物理特性(例如,发生塑性流动现象的温度、热传导度、比热等)来确定。这些值由事先的实验或者模拟等来确定,作为FSW控制数据501,被存储在控制装置5的存储装置中。
另外,在由不同种的材料构成的被接合构件101c、101d的接合的情况下,在低温下软化的被接合构件101c(例如,铝系合金)侧产生塑性流动现象,但是,在被接合构件101d(例如,铁系合金)侧并不限于必须产生塑性流动现象。但是,在这样的情况下,主要地,被接合构件101c侧的金属原子向被接合构件101d侧扩散,通过在两者的交界部形成共晶,两者被接合起来。
另外,如图9(b)所示,在不同种的材料构成的被接合构件101c、101d重叠接合的情况下,接合工具1的突起部11从在低温下软化的材料的被接合构件101c侧被压入到该突起部11的前端与被接合构件101d接触的位置。并且,在这种情况下,工具温度控制用的控制温度范围、控制判定温度、接合时的主轴马达旋转速度、工具移动速度等由突起部11所压入的被接合构件101c侧的材料的物理特性(例如,发生塑性流动现象的温度、热传导度、比热等)决定。
另外,在图9(b)中,被接合构件101c、101d也可以是同种的材料。但是,在该情况下,接合工具1的突起部11优选越过两者的交界被压入至下侧的被接合构件101d之中。通过这样,由于在两者的交界部形成摩擦搅拌区域,所以,被牢固地接合。
在上面的实施方式的变形例中,工具温度的控制方法可以与利用图7及图8说明的方法几乎同样地进行。从而,在以上的实施方式的变形例中,可以获得与前面说明的实施方式同样的效果。
另外,以上说明的实施方式及其变形例是使接合工具1移动而进行连续接合的情况的例子,但是,本发明也可以应用于将接合工具1插入规定的位置而不使其位置移动的点接合。在该情况下,在从接合开始时刻到结束时刻的期间,对不移动的接合工具1的工具温度进行控制。
本发明并不限于以上说明的实施方式及变形例,还包括各种各样的变形例。例如,所述实施方式及变形例是为了容易理解本发明而进行说明的,因此是详细地说明的事实方式及变形例,本发明并不限于必须配备有所说明的全部结构。另外,可以将某个实施方式或变形例的结构的一部分换成其它实施方式或变形例的结构,另外,也可以在某种实施方式或变形例的结构中加上其它实施方式或变形例的结构。另外,对于各种实施方式或变形例的结构的一部分,可以追加、删除、置换包含在其它实施方式或变形例中的结构。
附图标记说明
1 接合工具
2 工具保持器
3 罩
4 臂
5 控制装置
6 主轴马达(工具旋转驱动装置)
7 工具移动驱动装置
8 发送器
9 接收器
11 突起部
12 工具肩部(推压部)
13、13a、13b、13c 温度传感器
20 主轴
31 轴承
100 FSW装置(摩擦搅拌接合装置)
101a、101b、101c、101d 被接合构件
110 垫板构件
Claims (7)
1.一种摩擦搅拌接合装置,其特征在于,配备有:
接合工具,所述接合工具具有突起部和推压部,所述突起部一边旋转一边被压入被接合构件,所述推压部具有所述突起部,一边旋转一边推压所述被接合构件的表面,所述接合工具使得在所述被接合构件内部且在所述突起部以及所述推压部接触的附近区域产生塑性流动现象;
多个温度传感器,所述多个温度传感器被设置在当所述接合工具的所述突起部被压入所述被接合构件时、从所述被接合构件表面起的深度分别不同的所述突起部的内部位置处;
工具旋转驱动装置,所述工具旋转驱动装置使所述接合工具旋转;
工具移动驱动装置,所述工具移动驱动装置使所述接合工具沿着预先设定的所述被接合构件上的接合线移动;以及
控制装置,所述控制装置基于由所述多个温度传感器检测出的温度,取得作为所述接合工具的突起部内的温度的工具温度,控制由所述工具旋转驱动装置驱动的所述接合工具的旋转速度以及由所述工具移动驱动装置驱动的所述接合工具的移动速度中的至少一项,以便使所述工具温度落入预定的控制温度范围内。
2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置,其特征在于,
所述控制装置配备有存储装置,所述存储装置存储作为所述控制温度范围内的温度的控制判定温度下限值和控制判定温度上限值,
所述控制装置具有以下功能:
在所述工具温度超过所述控制判定温度上限值时,进行使所述接合工具的旋转速度加速的控制以及使移动速度减速的控制中的至少一种控制,以便使之后的温度下降的斜率与使到此为止的温度上升的斜率符号反转后的斜率大致相同;以及
在所述工具温度低于所述控制判定温度下限值时,进行使所述接合工具的旋转速度减速的控制以及使移动速度加速的控制中的至少一种控制,以便使之后的温度上升的斜率与使到此为止的温度下降的斜率符号反转后的斜率大致相同。
3.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置,其特征在于,
所述控制装置取得将由所述多个温度传感器分别检测出的温度进行简单平均或者加权平均而得到的温度,以作为所述工具温度。
4.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置,其特征在于,
在被接合的两个被接合构件由不同的材料构成的情况下,所述控制装置基于所述两个被接合构件之中的软化温度低的被接合构件的物理特性,设定所述控制温度范围及所述控制判定温度,在将所述突起部压入到所述软化温度低的被接合构件侧的状态下,控制所述接合工具的移动。
5.一种摩擦搅拌接合控制方法,其特征在于,所述摩擦搅拌接合控制方法由摩擦搅拌接合装置实施,所述摩擦搅拌接合装置配备有:
接合工具,所述接合工具具有突起部和推压部,所述突起部一边旋转一边被压入被接合构件,所述推压部具有所述突起部,一边旋转一边推压所述被接合构件的表面,所述接合工具使得在所述被接合构件内部且在所述突起部以及所述推压部接触的附近区域产生塑性流动现象;
多个温度传感器,所述多个温度传感器被设置在当所述接合工具的所述突起部被压入所述被接合构件时、从所述被接合构件表面起的深度分别不同的所述突起部的内部位置处;
工具旋转驱动装置,所述工具旋转驱动装置使所述接合工具旋转;
工具移动驱动装置,所述工具移动驱动装置使所述接合工具沿着预先设定的所述被接合构件上的接合线移动;以及
控制装置,所述控制装置控制所述工具旋转驱动装置以及所述工具移动驱动装置,
在所述摩擦搅拌接合控制方法中,
所述控制装置取得将由所述多个温度传感器分别检测出的温度进行简单平均或者加权平均得到的温度,以作为所述接合工具的突起部内的温度、也就是工具温度,
所述控制装置控制由所述工具旋转驱动装置驱动的所述接合工具的旋转速度以及由所述工具移动驱动装置驱动的所述接合工具的移动速度中的至少一项,以便使所述工具温度落入预定的控制温度范围内。
6.如权利要求5所述的摩擦搅拌接合控制方法,其特征在于,
所述控制装置配备有存储装置,所述存储装置存储作为所述控制温度范围内的温度的控制判定温度下限值和控制判定温度上限值,
在所述工具温度超过所述控制判定温度上限值时,所述控制装置进行使所述接合工具的旋转速度加速的控制以及使移动速度减速的控制中的至少一种控制,以便使之后的温度下降的斜率与使到此为止的温度上升的斜率符号反转后的斜率大致相同,
在所述工具温度低于所述控制判定温度下限值时,所述控制装置进行使所述接合工具的旋转速度减速的控制以及使移动速度加速的控制中的至少一种控制,以便使之后的温度上升的斜率与使到此为止的温度下降的斜率符号反转后的斜率大致相同。
7.如权利要求5所述的摩擦搅拌接合控制方法,其特征在于,
在被接合的两个被接合构件由不同材料构成的情况下,所述控制装置基于所述两个被接合构件之中的软化温度低的被接合构件的物理特性,设定所述控制温度范围及所述控制判定温度,在将所述突起部压入到所述软化温度低的被接合构件侧的状态下,控制所述接合工具的移动。
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