CN108136538A - 摩擦搅拌点接合装置及摩擦搅拌点接合方法 - Google Patents

Abstract

摩擦搅拌点接合装置是使一对板材被工具的销部摩擦搅拌并相互点接合的摩擦搅拌点接合装置；具备：使工具向板材进退的进退驱动器；旋转工具的旋转驱动器；以及控制进退驱动器及旋转驱动器的控制器。控制器执行如下控制：在旋转工具的状态下将销部推入板材并在销部对板材加压的接合控制；以及在接合控制之后，保持工具旋转且销部没入板材的状态，使工具的转速或加压力的至少一方相比于接合控制时减少，从销部的表面温度小于氧化开始温度起将工具从板材分离的放热控制。

Description

摩擦搅拌点接合装置及摩擦搅拌点接合方法

技术领域

本发明涉及摩擦搅拌点接合装置及摩擦搅拌点接合方法。

背景技术

以往，已知有摩擦搅拌点接合法（Friction Spot Joining）作为一种使一对板材相互接合的方法。使用该方法接合一对板材时，例如像专利文献1中公开的那样，向重合的一对板材旋转并推入摩擦搅拌点接合装置的工具的销部，并在接合完成后抽出。由此，一对板材被摩擦搅拌点接合。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1 ：日本专利第3471338号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而摩擦搅拌点接合之后不久的工具的表面温度根据将要接合的一对板材的材料等而变化。根据摩擦搅拌点接合后的工具的表面温度，会有如下情况：将工具没入一对板材时与板材接触的工具的表面，会在使工具从一对板材分离后在空气中氧化。若像这样工具的表面氧化，则恐会使工具老化从而工具的耐久性能降低，工具的寿命缩短。

在此，本发明的目的在于，通过防止摩擦搅拌点接合后工具的表面在空气中氧化来抑制该氧化带来的工具的老化从而维持工具的耐久性能，谋求工具的长寿化。

解决问题的手段：

为了解决上述问题，根据本发明一形态的摩擦搅拌点接合装置是使一对板材被工具的销部摩擦搅拌并相互点接合的摩擦搅拌点接合装置；具备：使所述工具向所述板材进退的进退驱动器；旋转所述工具的旋转驱动器；以及控制所述进退驱动器及所述旋转驱动器的控制器；所述控制器执行如下控制：在旋转所述工具的状态下将所述销部推入所述板材并在所述销部对所述板材加压的接合控制；以及在所述接合控制之后，保持所述工具旋转且所述销部没入所述板材的状态，使所述工具的转速或加压力的至少一方相比于所述接合控制时减少，从所述销部的表面温度小于氧化开始温度起将所述工具从所述板材分离的放热控制。

根据上述结构，因为将摩擦搅拌点接合后的工具从板材分离时销部的表面温度小于氧化开始温度，所以能防止销部的表面在空气中氧化。由此抑制工具的老化，维持工具的耐久性能，从而可谋求工具的长寿化。

也可以是，所述销部的所述表面温度为形成于所述销部的膜被部的表面温度。由此能防止形成于销部的膜被部在空气中氧化，所以例如能防止膜被部因氧化而从销部的芯体部剥离。因此能防止芯体部与板材发生不必要的反应，可谋求工具的长寿化。

也可以是，所述控制器以比所述接合控制所需要的时间短的时间执行所述放热控制。由此能节约用于使工具放热的时间，所以在抑制点接合一对板材的作业效率降低的同时可谋求工具的长寿化。

根据本发明一形态的摩擦搅拌点接合方法是使一对板材被工具的销部摩擦搅拌并相互接合的摩擦搅拌点接合方法；具备：在旋转所述工具的状态下将所述销部推入所述板材并在所述销部对所述板材加压的接合工序；以及在所述接合工序之后，保持所述工具旋转且所述销部没入所述板材的状态，使所述工具的转速或加压力的至少一方相比于所述接合工序时减少，从所述销部的表面温度小于氧化开始温度起将所述工具从所述板材分离的放热工序。

发明效果：

根据本发明，通过防止摩擦搅拌点接合后工具的表面在空气中氧化来抑制该氧化带来的工具的老化从而维持工具的耐久性能，可谋求工具的长寿化。

附图说明

图1是根据实施形态的摩擦搅拌点接合装置的功能框图；

图2是图1的摩擦搅拌点接合装置中的接合单元的侧视图；

图3是图1的摩擦搅拌点接合装置的动作流程图；

图4的（a）～（d）是说明使用了图1的摩擦搅拌点接合装置的摩擦搅拌点接合的各工序的剖视图；

图5是示出比较例的工具的加压力与转速的各时间变化的图；

图6是示出比较例的肩部及销部的表面的最高温度的时间变化的图；

图7是示出从板材分离之后不久的比较例的工具的表面温度分布的图；

图8是示出实施例的工具的加压力与转速的各时间变化的图；

图9是示出实施例的肩部及销部的表面的最高温度的时间变化的图；

图10是示出从板材分离之后不久的实施例的工具的表面温度分布的图；

图11是示出实施例及比较例中的板材的打点数（摩擦搅拌点接合数）与销部的直径的变化量的关系的图。

具体实施方式

（实施形态）

以下参照附图说明实施形态。

图1是根据实施形态的摩擦搅拌点接合装置1（以下仅称为接合装置1）的功能框图。图2是图1的接合装置1中的接合单元2的侧视图。如图1及2所示，接合装置1具备接合单元2、多关节机械手3以及控制装置4。接合单元2具有框架部5、单元主体部6以及垫板部7。

框架部5作为一例，具有侧视呈C字状或反C字状的外观形状，与单元主体部6和垫板部7连接，并支持于多关节机械手3。单元主体部6具有旋转轴部9、工具10、移动工具用马达M1（进退驱动器）以及旋转工具用马达M2（旋转驱动器）。旋转轴部9设置为从单元主体部6的筐体向垫板部7延伸，可与垫板部7接近或分离。在位于单元主体部6的筐体远位的旋转轴部9的轴向一端设置有夹具，使工具10可装卸地保持。

工具10具有工具主体部10a、肩部10b以及销部10c，设置为可接触或离开板材W2中与板材W1相反侧的面。销部10c从工具主体部10a向垫板部7突出，被肩部10b包围。肩部10b及销部10c的表面形成有膜被部10e。膜被部10e覆盖并保护肩部10b的表面和销部10c的芯体部10d的表面。芯体部10d也可以由超硬合金或镍合金等合金、陶瓷构成。又，膜被部10e由至少包含Ti及Al任一方的氮化物或至少包含Ti及Al任一方的氧化物构成，但不限于此，也可以由陶瓷构成。又，也可以省略膜被部10e，露出芯体部10d。

各马达M1、M2内置于单元主体部6的筐体。移动工具用马达M1被驱动时，旋转轴部9及工具10在旋转轴部9的轴向上向板材W1、W2进退。又，旋转工具用马达M2被驱动时，旋转轴部9及工具10绕旋转轴部9的轴线旋转。各马达M1、M2的各驱动被控制装置4控制。

垫板部7作为一例，具有从框架部5向单元主体部6延伸的圆柱状的外观形状，从下方支持板材W1。垫板部7的轴向一端的梢端部接触板材W1的与板材W2相反侧的面。

多关节机械手3具有机械手用马达M3，将接合单元2移动至规定位置。机械手用马达M3的驱动被控制装置4控制。机械手用马达M3也可以包括多个马达。

控制装置4是具备CPU、ROM以及RAM等的计算机，控制接合单元2和多关节机械手3的各动作。控制装置4具有输入器21、控制器25以及判定器26。输入器21接收操作者输入的信息。所述ROM中储存有规定的控制程序。所述RAM构成为可存储通过输入器21输入的设定信息。所述设定信息中例如包含板材W1、W2的各板厚值的信息和板材W1、W2的各接合位置的信息。

控制器25基于所述控制程序控制各马达M1～M3。判定器26基于所述控制程序进行是否在规定的正时完成所有接合位置上的摩擦攪拌点接合等的判定。

接着，举例示出使用接合装置1摩擦搅拌点接合由钢构成的板材W1、W2的方法。图3是图1的接合装置1的动作流程图。如图3所示，在接合装置1中依序进行位置对准工序（步骤S1）、接合工序（步骤S2）、放热工序（步骤S3）以及完成判定工序（步骤S4），在存在剩余的接合位置的情况下，再度进行位置对准工序。图4的（a）～（d）是说明使用了图1的接合装置1的摩擦搅拌点接合的各工序的剖视图。

最初，操作者通过输入器21将所述设定信息输入至接合装置1，使板材W1、W2以重叠的状态保持在规定的治具上。因此，如图4（a）所示，控制器25执行如下位置对准控制（步骤S1）：将接合单元2移动至与所述多个接合位置中一个接合位置对应的位置，且以分别在板材W2侧配置工具10、在板材W1侧配置垫板部7的形式使板材W1在垫板部7的梢端部被支持。

接着，如图4（b）所示，控制器25执行如下接合控制（步骤S2）：通过控制各马达M1、M2，在旋转工具10的状态下将销部10c推入板材W1、W2并在销部10c对板材W1、W2加压。接合控制时，工具10因工具10与板材W1、W2之间产生的摩擦热而被加热。在此作为一例，由于摩擦搅拌点接合由钢构成的板材W1、W2，所以工具10被加热至比接合例如由铝等构成的一对板材时高温，工具10的表面温度上升至销部10c的表面的氧化开始温度以上。此处所说的销部10c的表面是指将工具10没入板材W1、W2时与板材W1、W2接触的销部10c的接触面，当销部10c形成有膜被部10e时是指膜被部10e的表面上与板材W1、W2接触的接触面，当销部10c未形成有膜被部10e时是指芯体部10d的表面上与板材W1、W2接触的接触面。

接着，控制器25在接合控制之后，执行如下放热控制（步骤S3）：通过控制各马达M1、M2保持工具10旋转且销部10c没入板材W1、W2的状态，使工具10的转速或加压力的至少一方相比于接合控制时减少，从销部10c的表面温度小于氧化开始温度起将工具10从板材W1、W2分离。此处，控制器25以使工具10的转速及加压力两方相比于接合控制时减少的形式控制各马达M1、M2。又，控制器25以比接合控制所需要的接合时间短的时间执行放热控制。销部10c维持着没入板材W1、W2的状态将销部10c的热放至板材W1、W2，以此防止将工具10从板材W1、W2分离时销部10c的表面以氧化开始温度以上的状态与空气接触。

在此，放热控制时的工具10的转速可适当设定，例如可以为工具10不与板材W1、W2紧贴的程度的值。作为一例，放热控制时的工具10的转速优选为大于0rpm且500rpm以下的范围的值。另，也可以在工具10与板材W1、W2紧贴的担忧较小的情况下，在放热控制时停止工具10的旋转。

又，放热控制时的工具10的加压力可适当设定，例如可以为工具10的销部10c的表面与板材W1、W2接触的值。作为一例，放热控制时的工具10的加压力优选为大于0N且5000N以下的范围的值。

又，接合控制后使工具10与板材W1、W2接触的放热时间可适当设定，例如可以是与放热控制时的工具10的转速及加压力的各设定值对应，为了将销部10c的表面温度降低至小于氧化开始温度所需的最低限度的时间。

作为一例，接合装置1中，藉由控制器25的控制从接合控制转移至放热控制时，工具10的转速及加压力各自至少减少至接合控制时的转速及加压力的50%以下的值。由此，工具10与板材W1、W2之间产生的摩擦热急速减少，从而促进销部10c对板材W1、W2的放热。

放热控制时的工具10的转速、加压力以及放热时间例如根据工具10的表面的材料、工具10的表面的各种特性（摩擦系数、热导率等）、板材W1、W2的材料、放热控制时的工具10的表面温度分布等设定。销部10c的表面的氧化开始温度通过销部10c的表面的材料被特定。销部10c的表面的氧化开始温度在销部10c形成有膜被部10e的情况下，通过膜被部10e的材料被特定，在销部10c未形成有膜被部10e的情况下，通过芯体部10d的材料被特定。摩擦搅拌点接合后的销部10c的表面温度例如可利用温度记录（thermography）装置、热电偶等温度计测定。因此，例如可以通过事前的实验预先特定放热控制时的工具10的转速、加压力以及放热时间，并设定于控制器25，所述放热控制是指，直至销部10c从板材W1、W2分离为止使销部10c的表面温度成为小于氧化开始温度。

又，接合装置1也可以具备可测定销部10c的表面温度的温度计。这种情况下，也可以是，在放热控制时，判定器26以监视所述温度计的测定值并从销部10c的表面温度小于氧化开始温度起将销部10c从板材W1、W2分离的形式使控制器25控制移动工具用马达M1。

又，也可以在放热控制时改变工具10与板材W1、W2的相对位置。例如也可以是，控制器25以如下形式控制移动工具用马达M1：以比接合控制时将销部10c推入板材W1、W2时的工具10的移动速度低的速度将工具10从摩擦搅拌点接合后的板材W1、W2慢慢分离，使工具10向板材W1、W2放热。例如还可以是，控制器25以如下形式控制移动工具用马达M1：放热控制时从销部10c与板材W1、W2接触的状态到分离的状态为止的工具10的移动速度慢于以销部10c从板材W1、W2分离的状态为起点进一步从板材W1、W2远离的移动速度。

又，存在如下情况：若工具10的加压力增强，则在以工具10对板材W1、W2加压的方向上，框架部5连接垫板部7的部分挠曲，若工具10的加压力减弱，则框架部5连接垫板部7的部分的挠曲消失且框架部5复原为原来的形状。这种情况下，例如，将工具10从摩擦搅拌点接合后的板材W1、W2分离时的工具10的移动速度设定为框架部5的形状的复原速度以下，以此，从工具10于工具10从摩擦搅拌点接合后的板材W1、W2分离的方向上开始移动起、到框架部5的形状复原为止的期间，将工具10与板材W1、W2的相对位置维持为一定，并使工具10与板材W1、W2保持接触状态，能令工具10向板材W1、W2高效放热。

判定器26在放热工序（步骤S3）完成后判定是否完成所有接合位置上的接合（步骤S4）。完成判定工序中，当判定器26判定未完成板材W1、W2的所有接合位置上的接合时，控制器25以工具10向接下来的接合位置移动的形式控制机械手用马达M3，并再度进行位置对准工序（步骤S1）。

如上，接合装置1中，将摩擦搅拌点接合后的工具10从板材W1、W2分离时，销部10c的表面温度小于氧化开始温度，因而能防止销部10c的表面在空气中氧化。由此抑制工具10的老化，维持工具10的耐久性能，可谋求工具10的长寿化。因此即使是在多个接合位置上连续地进行摩擦搅拌点接合板材W1、W2的情况，也能稳定地使用工具10，可谋求工具10的成本的降低。

另，通常在将摩擦搅拌点接合后的工具10从板材W1、W2分离时，肩部10b的表面温度在销部10c的表面温度以下，所以从销部10c的表面温度小于氧化开始温度开始将工具10从板材W1、W2分离，以此能防止肩部10b的表面在空气中氧化。此处所说的肩部10b的表面是指将工具10没入板材W1、W2时与板材W1、W2接触的肩部10b的接触面。

又，能在销部10c的表面形成有膜被部10e的情况下防止膜被部10e在空气中氧化，所以例如能防止膜被部10e因氧化而从芯体部10d剥离。由此能防止芯体部10d与板材W1、W2产生不必要的反应，可谋求工具10的长寿化。

又，即使在肩部10b及销部10c的表面的氧化开始温度相对较低的情况下也可谋求工具10的长寿化，所以当肩部10b及销部10c的表面形成有膜被部10e时，即使是膜被部10e由耐氧化温度较低的相对廉价的材料构成的工具10也能稳定使用，可更好地谋求工具10的成本的降低。又，能通过在放热控制中旋转工具10，使肩部10b及销部10c的表面难以与板材W1、W2紧贴。

又，也可以是，控制器25以如下形式执行放热控制：保持工具10旋转且销部10c没入板材W1、W2的状态，使工具10的转速或加压力的至少一方相比于接合控制时减少，从肩部10b及销部10c的表面温度小于氧化开始温度开始将工具10从板材W1、W2分离。由此能更好地防止摩擦搅拌点接合后的肩部10b及销部10c的表面在空气中氧化。

（确认试验）

作为比较例及实施例的工具，使用具有由氮化硅（Si₃N₄）构成的芯体部10d，肩部10b及销部10c的表面形成有由氮化钛（TiN）构成的膜被部10e的同样规格的工具10。比较例及实施例的各接合装置中，分别设定接合控制时的工具10的加压力为11760N，接合控制时的工具10的转速为1000rpm，接合时间为5.0sec。

图5是示出比较例的工具10的加压力与转速的各时间变化的图。图6是示出比较例的肩部10b及销部10c的表面的最高温度的时间变化的图。图7是示出从板材W1、W2分离之后不久的比较例的工具10的表面温度分布的图。图7中，由温度记录装置测定在接合位置上从摩擦搅拌点接合后的板材W1、W2分离之后不久的比较例的工具10的表面温度分布，利用该测定结果将工具10的表面温度分布分为多个温度域并图示。

如图5所示，在比较例中，摩擦搅拌点接合板材W1、W2后立刻将工具10从板材W1、W2分离。如图6所示，将工具10从板材W1、W2分离时的销部10c的侧面的最高温度为比膜被部10e的氧化开始温度（600℃）高温的958.1℃。如图7所示，确认了在将工具10从板材W1、W2分离之后不久的工具10的表面温度分布中，肩部10b的与板材W1、W2的接触面的几乎全区域、和销部10c的表面的大致2/3的区域的温度超过600℃。

图8是示出实施例的工具10的加压力与转速的各时间变化的图。图9是示出实施例的肩部10b及销部10c的表面的最高温度的时间变化的图。图10是示出从板材W1、W2分离之后不久的实施例的工具10的表面温度分布的图。图10中，使用与图7同样的方法图示工具10的表面温度分布。实施例中，分别设定放热控制时的工具10的加压力值为1000N，工具10的转速值为100rpm，放热时间为2.5sec。

如图8所示，在实施例中，从因将摩擦搅拌点接合后的工具10的热放向板材W1、W2从而销部10c的表面温度小于膜被部10e的氧化开始温度起，将工具10从板材W1、W2分离。如图9所示，将工具10从板材W1、W2分离时的销部10c的侧面的最高温度为比膜被部10e的氧化开始温度低温的400.5℃。如图10所示，确认在将工具10从板材W1、W2分离之后不久的工具10的表面温度分布中，肩部10b的与板材W1、W2的接触面的几乎全区域、和销部10c的表面的几乎全区域的温度降低至400℃以下。由此确认能通过使摩擦搅拌点接合后的工具10适当地放热，将工具10从板材W1、W2分离之后不久的肩部10b与销部10c的表面温度降低至氧化开始温度以下。

接着，检查使用实施例及比较例的接合装置在多个接合位置上连续地摩擦搅拌点接合板材W1、W2时的销部10c的直径的变化量（减少量）。图11是示出实施例及比较例中的板材W1、W2的打点数（摩擦搅拌点接合数）与销部10c的直径的变化量的关系的图。如图11所示，确认在比较例中，相比于实施例，销部10c的直径的变化量从打点数超过100的附近开始逐渐变大。其理由之一被认为是，在各接合位置上摩擦搅拌点接合板材W1、W2后，高温的膜被部10e与空气接触而氧化，膜被部10e逐渐剥离，芯体部10d露出从而与板材W1、W2反应，因而推进了销部10c的磨损。

确认在实施例中，相比于比较例，销部10c的直径的变化量也在打点数超过100后被抑制。其理由之一被认为是，在各接合位置上摩擦搅拌点接合板材W1、W2后，工具10从销部10c的表面温度小于氧化开始温度起从板材W1、W2分离，以此防止工具10的表面在空气中氧化，抑制膜被部10e的剥离、磨损。

符号说明：

M1　　 移动工具用马达（进退驱动器）；

M2　　 旋转工具用马达（旋转驱动器）；

W1、W2　 板材；

1　 接合装置；

10　　 工具；

10c　　 销部；

10e　　 膜被部；

25　　 控制器。

Claims (4)

1.一种摩擦搅拌点接合装置，是使一对板材被工具的销部摩擦搅拌并相互点接合的摩擦搅拌点接合装置；其特征在于，

具备：

使所述工具向所述板材进退的进退驱动器；

旋转所述工具的旋转驱动器；以及

控制所述进退驱动器及所述旋转驱动器的控制器；

所述控制器执行如下控制：

在旋转所述工具的状态下将所述销部推入所述板材并在所述销部对所述板材加压的接合控制；以及

在所述接合控制之后，保持所述工具旋转且所述销部没入所述板材的状态，使所述工具的转速或加压力的至少一方相比于所述接合控制时减少，从所述销部的表面温度小于氧化开始温度起将所述工具从所述板材分离的放热控制。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌点接合装置，其特征在于，

所述销部的所述表面温度为形成于所述销部的膜被部的表面温度。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦搅拌点接合装置，其特征在于，

所述控制器以比所述接合控制所需要的时间短的时间执行所述放热控制。

4.一种摩擦搅拌点接合方法，是使一对板材被工具的销部摩擦搅拌并相互接合的摩擦搅拌点接合方法；其特征在于，

具备：

在旋转所述工具的状态下将所述销部推入所述板材并在所述销部对所述板材加压的接合工序；以及

在所述接合工序之后，保持所述工具旋转且所述销部没入所述板材的状态，使所述工具的转速或加压力的至少一方相比于所述接合工序时减少，从所述销部的表面温度小于氧化开始温度起将所述工具从所述板材分离的放热工序。