CN108778603B - 摩擦搅拌点接合方法及摩擦搅拌点接合装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一形态的摩擦搅拌点接合方法包括使旋转工具旋转并将肩部（28）从第一被接合物（101）侧向第二被接合物（102）压入的压入工序、以及将在压入工序中流入肩部的内部的搅拌材料向外部推出，将搅拌材料填回至因将肩部压入而产生的压入孔中的填回工序，为了在填回工序结束时使保护层（104）的成分呈向搅拌部（105）的中央部分集中的状态，在压入工序中将肩部从第一被接合物与第二被接合物的边界向第二被接合物侧压入1mm以上。

Description

摩擦搅拌点接合方法及摩擦搅拌点接合装置

技术领域

本发明涉及摩擦搅拌点接合方法及摩擦搅拌点接合装置。

背景技术

摩擦搅拌点接合（FSJ；Friction Spot Joining）作为点焊接合、铆接合的替代品而受到期待。在摩擦搅拌点接合中，通过将旋转工具压入重叠的被接合物、使两被接合物因摩擦热部分软化并搅拌来进行接合。摩擦搅拌点接合中存在使用肩部和销固定的旋转工具的单动式的摩擦搅拌点接合、和使用肩部和销相对移动的旋转工具的复动式的摩擦搅拌点接合。其中，复动式的摩擦搅拌点接合中，在压入工序后进行填回工序，搅拌材料填回至因将旋转工具压入而产生的孔（压入孔）中，由此能使接合带来的痕迹不明显（参照专利文献1）。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1 ：日本特开2012-196682号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，存在如下情况：在被接合物的表面通过阳极化（anodize）处理等表面处理、底漆涂覆而形成由不同于母材的材料构成的保护层。明确了以复动式的摩擦搅拌点接合对具有该保护层的被接合物进行接合的情况相比于同样以复动式的摩擦搅拌点接合对不具有保护层的被接合物进行接合的情况，接合部的强度降低。此外，发明人发现，该接合部的强度降低起因于复动式的摩擦搅拌点接合中的保护层成分的分布。

本发明鉴于如上情况而成，目的在于提供一种能抑制通过复动式的摩擦搅拌点接合而对具有保护层的被接合物进行接合时的接合部的强度降低的摩擦搅拌点接合方法。

解决问题的手段：

根据本发明的一形态的摩擦搅拌点接合方法，是使用具有圆筒状的肩部和能在该肩部的内部进行移动的圆柱状的销的旋转工具从而通过摩擦搅拌点接合使第一被接合物与第二被接合物接合的复动式的摩擦搅拌点接合方法，在所述第一被接合物及所述第二被接合物中的至少一方的接合面上形成保护层；该摩擦搅拌点接合方法包括：压入工序，所述压入工序使所述旋转工具旋转并将所述肩部从所述第一被接合物侧向所述第二被接合物压入，以此部分搅拌所述第一被接合物及所述第二被接合物的材料并形成搅拌部，彼时使保护层的成分与其他搅拌材料一并流入所述肩部的内部；以及填回工序，所述填回工序使所述旋转工具旋转并借由所述销将在所述压入工序中流入所述肩部的内部的搅拌材料向所述肩部的外部推出，同时使所述肩部后退，以此将搅拌材料填回至因将所述肩部压入而产生的压入孔中；为了在所述填回工序结束时使所述保护层的成分呈向所述搅拌部的中央部分集中的状态，在所述压入工序中将所述肩部从所述第一被接合物与所述第二被接合物的边界向所述第二被接合物侧压入1mm以上。

在此，在压入工序中形成搅拌部，但保护层的成分并非向搅拌部整体扩展，而是在搅拌部的内部形成保护层的成分的密度较高的层，即以保护层的成分为主成分的层（残存层）。而且，在以往的摩擦搅拌点接合方法中，通过进行填回工序，残存层移动至存在保护层的位置附近。根据发明人的实验得以明确，在这种情况下，若向接合部施力，则会从残存层产生龟裂，而这是招致接合部的强度降低的原因。对此，根据上述的方法，由于能在填回工序中使残存层向搅拌部的中心部集中，所以不会从残存部产生龟裂，能抑制接合部的强度降低。

又，在上述的摩擦搅拌点接合方法中，也可以是，使所述填回工序中所述肩部相对于所述搅拌部的面压小于所述压入工序中所述肩部相对于所述搅拌部的面压。

如前所述在压入工序中将肩部压入至一定以上的压入深度时，不仅是搅拌部，其周边部分的材料也易于流动。因此能产生由于肩部在填回工序中按压搅拌部，所以搅拌部的周边部分隆起这样的现象。对此，能通过如上所述减小填回工序中肩部相对于搅拌部的面压来防止这样的现象。

又，也可以是，在上述摩擦搅拌点接合方法的所述填回工序中，以90～175MPa的面压将所述肩部向所述搅拌部按压。

如此，若使填回工序中肩部相对于搅拌部的面压为90～175MPa这样相对较小的值，则能抑制因搅拌部按压于肩部而产生的搅拌部周边部分的隆起。

又，根据本发明的一形态的摩擦搅拌点接合装置，是通过摩擦搅拌点接合而使在至少一方的接合面上形成保护层的第一被接合物和第二被接合物接合的摩擦搅拌点接合装置；具备：具有圆筒状的肩部和能在该肩部的内部进行移动的圆柱状的销的旋转工具、以及控制所述旋转工具的控制部；所述控制部使所述旋转工具旋转并将所述肩部从所述第一被接合物侧向所述第二被接合物压入，以此部分搅拌所述第一被接合物及所述第二被接合物的材料并形成搅拌部，彼时使保护层的成分与其他搅拌材料一并流入所述肩部的内部，之后，使所述旋转工具旋转，并借由所述销将在所述压入工序中流入所述肩部的内部的搅拌材料向所述肩部的外部推出，同时使所述肩部后退，以此将搅拌材料填回至因将所述肩部压入而产生的压入孔中，形成所述搅拌部时将所述肩部从所述第一被接合物与所述第二被接合物的边界向所述第二被接合物侧压入1mm以上。

发明效果：

根据上述摩擦搅拌点接合方法，能抑制接合具有保护层的被接合物时的接合部的强度降低。

附图说明

图1是摩擦搅拌点接合装置的整体图；

图2是摩擦搅拌点接合装置的控制系统的框图；

图3是示出以往的摩擦搅拌点接合方法的压入工序的概念图；

图4是示出以往的摩擦搅拌点接合方法的填回工序的概念图；

图5是示出根据实施形态的摩擦搅拌点接合方法的压入工序的概念图；

图6是示出根据实施形态的摩擦搅拌点接合方法的填回工序的概念图。

具体实施方式

＜接合装置＞

首先，说明在根据本实施形态的摩擦焊接点接合方法（以下也简称为“接合方法”）中使用的摩擦搅拌点接合装置（以下也简称为“接合装置”）100。图1是接合装置100的概略图。又，图2是接合装置100的控制系统的框图。接合装置100是通过摩擦搅拌点接合而使第一被接合物101与第二被接合物102（以下将它们合称为“被接合物103”）接合的装置，具备主体10、工具单元20、控制部40。

主体10具有形成为C字状的框架11、设置于框架11的一端侧的部分（图1的纸面下方部分）并支持被接合物103的垫板12、以与垫板12相向的形式设置于框架11的另一端侧的部分（图1的纸面上方部分）的工具单元驱动部13。

工具单元驱动部13使工具单元20能向朝向被接合物103的方向移动（以下称为“前进”），并能向从被接合物103远离的方向移动（以下称为“后退”）。又，工具单元驱动部13中设置有工具单元压力传感器41（参照图2）。另，本实施形态的工具单元驱动部13由齿条与齿轮（rack and pinion）机构构成，但也可以由滚珠丝杠机构、油压执行器机构等构成。

工具单元20具有与主体10的工具单元驱动部13连接的工具保持部21、保持于工具保持部21的夹具（clamp）22、同样保持于工具保持部21且位于夹具22的内侧的旋转工具23。

夹具22具有圆筒状的推压构件24和使推压构件24向被接合物103施力的施力部25。另，本实施形态的施力部25由弹簧圈构成，但也可以由齿条与齿轮机构、滚珠丝杠机构、油压执行器机构等构成。

旋转工具23经由旋转马达26安装于工具保持部21。因此，旋转工具23相对于工具保持部21及被接合物103旋转。又，旋转工具23具有与旋转马达26连接的肩部保持部27、保持于肩部保持部27的肩部28、位于肩部28的内部的销29。

肩部28位于推压构件24的内侧，具有圆筒状的形状。肩部28的中心轴与旋转工具23的旋转轴一致。进行摩擦搅拌点接合时，肩部28旋转并压入被接合物103。

销29具有圆柱状的形状。销29的中心轴与旋转工具23的旋转轴及肩部28的中心轴一致。销29经由销驱动部30与肩部28连接。销驱动部30能使销29在肩部28的内部沿轴向移动。另，销29相对于被接合物103的轴向位置取决于工具单元20的移动量和销29相对于肩部28的移动量。又，销29与肩部28一起旋转。

控制部40由CPU、ROM、RAM等构成，控制包括旋转工具23的接合装置100整体。

如图2所示，控制部40与工具单元压力传感器41电连接，能基于从工具单元压力传感器41发送的测定信号取得向被接合物103按压工具单元20时的工具单元20的按压力（以下称为“工具单元按压力”）。另，能基于取得的工具单元按压力及夹具22的施力（从工具单元20的移动量算出）算出按压被接合物103时的肩部28的按压力（以下称为“肩部按压力”）。肩部按压力可以由与接合装置100分开设置的外部装置（例如外部PC）算出，也可以由控制部40算出。

又，控制部40与工具单元驱动部13、旋转马达26及销驱动部30电连接，通过向这些设备发送控制信号，能分别以任意的移动量及移动速度移动工具单元20，能以任意的旋转速度（以下称为“工具旋转速度”）使旋转工具23旋转，能使销29以任意的移动量及移动速度相对于肩部28移动。另，肩部28的移动量及移动速度等于工具单元20的移动量及移动速度。

以上为接合装置100的说明。在以上说明的接合装置100中，夹具22、肩部28及销29形成为一体前进及后退的结构，肩部28及销29形成为一体旋转的结构。但夹具22、肩部28及销29也可以形成为相互独立地移动或旋转的结构。另，图1中，第一被接合物101及第二被接合物102图示为平板状的构件，但第一被接合物101及第二被接合物102不限于平板状的构件。

＜以往的接合方法＞

接下来，在说明根据本实施形态的接合方法之前，对以往的接合方法进行说明。图3及图4是示出以往的接合方法的概念图。图3及图4中仅图示出作为主要部分的肩部28、销29、第一被接合物101及第二被接合物102（图5及图6也同样）。

在此，作为接合对象的第一被接合物101及第二被接合物102为铝合金，第一被接合物101的与第二被接合物102相接的面（接合面）上形成有保护层104，第二被接合物102的与第一被接合物101相接的面（接合面）上也形成有保护层104。另，保护层104上包括阳极化处理层、涂覆层、覆（clad）层、密封层等。

以往的接合方法中包括压入工序（图3）和填回工序（图4）。各行程通过以下动作进行：控制部40向工具单元驱动部13、旋转马达26及销驱动部30发送控制信号，控制旋转工具23的动作。

在压入工序中，将肩部28压入被接合物103。具体而言，如图3所示，使旋转工具23旋转并使肩部28从第一被接合物101侧向第二被接合物102前进。此时，销29保留后退的状态。另，肩部28被压入至从第一被接合物101与第二被接合物102的边界向第二被接合物102侧0.1～0.3mm处。

通过该压入工序，第一被接合物101及第二被接合物102的材料因摩擦热而部分软化，借由肩部28的旋转搅拌软化的材料。其结果为，形成由被肩部28搅拌的材料（搅拌材料）构成的搅拌部105（斜线部分）。此时，第一被接合物101的母材的成分、第二被接合物102的母材的成分及保护层104的成分流入肩部28的内部。

在此，保护层104的成分并非通过压入工序扩展至搅拌部105整体，而是以某种程度上凝固的状态流动。因此，如图3所示，形成保护层104的成分的密度较高的层，即以保护层104的成分为主成分的层（以下称为“残存层106”）。而且，通过压入工序，残存层106流入肩部28的内部。

另，上述的压入工序中，由于肩部28压入被接合物103，所以若直接使肩部28后退并使搅拌部105变冷凝固，则会在肩部28压入的部分形成压入孔。因此，为了不在搅拌部105上形成压入孔，接续压入工序而进行以下说明的填回工序。

在填回工序中，使旋转工具23旋转并使销29相对于肩部28前进。由此，流入肩部28的内部的搅拌材料借由销29向肩部28的外部推出。而且，从肩部28的内部推出的搅拌材料对肩部28的前进方向侧的端面（图3中的下表面）施力从而使肩部28后退，并流入肩部28压入的部分（压入孔）。以上动作持续到销29接触被接合物103的面与肩部28接触被接合物103的面的轴向位置一致为止。由此，压入孔借由搅拌材料填回，第一被接合物101的表面变平。

又，填回工序中，肩部28后退，但这是由于肩部28借由搅拌材料被推上。因此，肩部28按压着被接合物103后退。即，肩部28向图4的白色箭头所示的方向移动，而向与该移动方向相反的方向按压被接合物103（搅拌部105）。此时肩部28的按压力（肩部按压力）为200MPa左右。

填回工序结束时，在搅拌部105中，第一被接合物101和第二被接合物102的材料以部分搅拌的状态变冷凝固，以此形成圆柱状的接合部。由此，第一被接合物101与第二被接合物102接合。

在此，如图4所示，以往的接合方法中，若在填回工序中向压入孔填回搅拌材料，则残存层106推回至保护层104存在的位置附近。由此，第一被接合物101与第二被接合物102的接合完成时，残存层106的外周部分到达接合部（搅拌部105）的外周面或其附近，残存层106的外周部分的轴向位置贴近第一被接合物101与第二被接合物102的边界的轴向位置。这种情况下，若向接合部施力，则易从残存层106的外周部分产生龟裂。原因是，接合形成有保护层的被接合物彼此的情况相比于接合未形成有保护层的被接合物彼此的情况，接合部的强度降低。

＜根据实施形态的接合方法＞

接着，对根据本实施形态的接合方法进行说明。图5及图6是示出根据本实施形态的接合方法的图。另，第一被接合物101及第二被接合物102的接合面上形成有保护层104。

根据本实施形态的接合方法与以往的接合方法同样地包括压入工序（图5）和填回工序（图6）。各行程通过以下动作进行：控制部40向工具单元驱动部13、旋转马达26及销驱动部30发送控制信号，控制旋转工具23。

在本实施形态的压入工序中，与以往的压入工序同样地，使旋转工具23旋转并使肩部28从第一被接合物101侧向第二被接合物102前进地压入。但如图5所示，本实施形态中的肩部28向被接合物103的压入深度比以往的接合方法中的压入深度大（参照图3）。具体而言，本实施形态中，将肩部28从第一被接合物101与第二被接合物102的边界向第二被接合物102侧压入1mm以上。

如此，肩部28的压入深度变大时，相比于压入深度较小的情况，搅拌部105的范围向第二被接合物102侧扩展。因此，流入肩部28的内部的搅拌材料中，第一被接合物101的母材的成分及保护层104的成分的量与以往的压入工序的情况相比大致相同，但第二被接合物102的母材的成分大幅增加。

另，若压入工序中的肩部28的压入止于第一被接合物101与第二被接合物102的边界附近，则第一被接合物101的搅拌材料仅向第二被接合物102侧推入，第一被接合物101与第二被接合物102未充分混合。该倾向在保护层104等杂质存在于第一被接合物101与第二被接合物102的边界的情况下尤其显著。

接下来，在本实施形态的填回工序中，与以往的填回工序同样地，使旋转工具23旋转，并借由销29将流入肩部28的内部的搅拌材料向肩部28的外部推出，从而使肩部28后退。

如前所述，在根据本实施形态的接合方法中，压入工序中流入肩部28的内部的第二被接合物的母材的成分增加。因此在填回工序中，随着肩部28后退，肩部28压入的部分（压入孔）有较多的第二被接合物的母材的成分流动。其结果如图6所示，填回工序完成时，处于第一被接合物101或第二被接合物102的母材的成分在搅拌部105（接合部）的外周面附近扩展，残存层106闭入搅拌部105的内侧的状态。即处于保护层104的成分向搅拌部105的中央部分集中的状态。又，换言之，搅拌部105的中心轴附近相比于搅拌部105的外周部分，保护层104的成分相对于其部分中的搅拌材料的比例较大。

因此，保护层104的成分几乎未到达搅拌部105的外周部分。又，残存层106的外周部分的轴向位置也从第一被接合物101与第二被接合物102的边界的轴向位置远离。因此，使用根据本实施形态的接合方法形成的接合部相比于使用以往的接合方法形成的接合部，强度变高。

另，第二被接合物102的母材与肩部28直接接触的部分较多，流动性较高。因此，若在填回工序中使肩部28迅速后退，则能使第二被接合物102的母材的成分优先流入因肩部28后退而产生的空间（压入孔），以第二被接合物102的母材覆盖残存层106。

又，本实施形态中，由于肩部28的压入深度较大，摩擦带来的热量较多，因而易于材料在更广范围内流动。因此，若使填回工序中的肩部按压力为与以往的接合方法同程度的压力，则直接按压于肩部28的部分的外侧部分因抵抗夹具22的施力而隆起，接合部与其周边部分之间产生较大段差。

因此，在本实施形态的填回工序中，与以往的接合方法的情况相比，肩部压力变小。例如，本实施形态中，填回工序中肩部28相对于搅拌部105的面压（肩部压力）小于压入工序中肩部28相对于搅拌部105的面压（肩部压力）。更具体而言，以90～175MPa的面压将肩部28向搅拌部105按压。由此能使填回工序所产生的接合部与其周边部分之间的段差变小或变无。

另，填回工序中产生隆起的部分是搅拌部105的径向外方的部分，即与夹具22对应的部分。因此，也可考虑将夹具22的按压力变大，从而抑制隆起。但这种情况下，驱动夹具22的机构另外需要准备，可能会招致接合装置100的大型化及复杂化。因此，如上所述，使填回工序中的肩部压力变小的方法在能抑制接合装置100的大型化及复杂化方面也有效。

以上为根据本实施形态的接合方法的说明。以上说明的接合方法中仅说明了压入工序及填回工序，但接合方法中也可以包括压入工序及填回工序以外的工序。例如，接合方法中也可以包括在压入工序之前使肩部28及销29旋转并接触第一被接合物101的表面，从而加热该表面的工序等。

符号说明：

23　 旋转工具；

28　 肩部；

29　 销；

40　 控制部；

100　 摩擦搅拌点接合装置；

101　 第一被接合物；

102　 第二被接合物；

104　 保护层；

105　 搅拌部。

Claims (4)

1.一种摩擦搅拌点接合方法，

是使用具有圆筒状的肩部和能在该肩部的内部进行移动的圆柱状的销的旋转工具从而通过摩擦搅拌点接合使第一被接合物与第二被接合物接合的复动式的摩擦搅拌点接合方法；

该摩擦搅拌点接合方法包括：压入工序，所述压入工序使所述旋转工具旋转并将所述肩部从所述第一被接合物侧向所述第二被接合物压入，以此部分搅拌所述第一被接合物及所述第二被接合物的材料并形成搅拌部，彼时使保护层的成分与其他搅拌材料一并流入所述肩部的内部；以及

填回工序，所述填回工序使所述旋转工具旋转并借由所述销将在所述压入工序中流入所述肩部的内部的搅拌材料向所述肩部的外部推出，同时使所述肩部后退，以此将搅拌材料填回至因将所述肩部压入而产生的压入孔中；

其特征在于，

在所述第一被接合物及所述第二被接合物中的至少一方的接合面上形成保护层；

为了在所述填回工序结束时使所述保护层的成分呈向所述搅拌部的中央部分集中的状态，在所述压入工序中将所述肩部从所述第一被接合物与所述第二被接合物的边界向所述第二被接合物侧压入1mm以上。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌点接合方法，其特征在于，

使所述填回工序中所述肩部相对于所述搅拌部的面压小于所述压入工序中所述肩部相对于所述搅拌部的面压。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦搅拌点接合方法，其特征在于，

在所述填回工序中，以90～175MPa的面压将所述肩部向所述搅拌部按压。

4.一种摩擦搅拌点接合装置，具备：具有圆筒状的肩部和能在该肩部的内部进行移动的圆柱状的销的旋转工具、以及控制所述旋转工具的控制部；

其特征在于，

是通过摩擦搅拌点接合而使在至少一方的接合面上形成保护层的第一被接合物和第二被接合物接合的摩擦搅拌点接合装置；

所述控制部使所述旋转工具旋转并将所述肩部从所述第一被接合物侧向所述第二被接合物压入，以此部分搅拌所述第一被接合物及所述第二被接合物的材料并形成搅拌部，彼时使保护层的成分与其他搅拌材料一并流入所述肩部的内部，之后，使所述旋转工具旋转，并借由所述销将流入所述肩部的内部的搅拌材料向所述肩部的外部推出，同时使所述肩部后退，以此将搅拌材料填回至因将所述肩部压入而产生的压入孔中，为了在向所述压入孔填回搅拌材料时使所述保护层的成分呈向所述搅拌部的中央部分集中的状态，在形成所述搅拌部时将所述肩部从所述第一被接合物与所述第二被接合物的边界向所述第二被接合物侧压入1mm以上。

Images