CN109070263A - 摩擦搅拌接合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为可一面抑制接合刀具的磨耗、破损一面可实现恰当的摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合装置。为此，设置与被接合部件抵接着旋转并在被接合部件产生塑性流动现象的接合刀具(1)、把持接合刀具(1)与接合刀具(1)一起旋转的刀具保持器(2)，和形状在刀具保持器(2)上对接合刀具(1)供给冷媒的供给路(202、203、204、252)。

Description

摩擦搅拌接合装置
技术领域
本发明涉及摩擦搅拌接合装置。
背景技术
摩擦搅拌接合装置(以下称作FSW(Friction Stir Welding)装置)是通过旋转的接合刀具对被接合部件赋予摩擦热，使被接合部件产生塑性流动现象，通过接合刀具对被接合部件进行搅拌，将被接合部件接合的装置。在此，如果接合刀具连续地使用而成为过热状态，则接合刀具容易磨耗或破损。关于此问题，在下述专利文献1的技术方案1中记载了“…具备控制装置，该控制装置为了将上述刀具温度控制在预先确定的管理温度范围内，对通过上述刀具旋转驱动装置驱动的上述接合刀具的旋转速度及通过上述刀具移动驱动装置驱动的上述接合刀具的移动速度的至少一方进行控制…”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利第5883978号公报
发明内容
发明要解决的课题
通过专利文献1的技术，当对接合刀具的旋转速度或移动速度进行控制时，确实可以使接合刀具的温度在某种程度下降。但是，如果由此使赋予被接合部件的摩擦热不充分，则接合部位容易出现各种缺陷。另一方面，当维持使接合部位不出现缺陷的程度的旋转速度或移动速度时，如上述那样，接合刀具会成为过热状态，接合刀具容易磨耗或破损。
此发明鉴于上述情形而提出，目的是提供一种能一面对接合刀具的磨耗、破损进行抑制，一面实现恰当的摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合装置。
用于解决课题的技术手段
用于解决上述课题的本发明的摩擦搅拌接合装置的特征为，具有：接合刀具，所述接合刀具与被接合部件抵接着旋转，使所述被接合部件产生塑性流动现象；刀具保持器，所述刀具保持器把持所述接合刀具，与所述接合刀具一起旋转；供给路，所述供给路形成在所述刀具保持器上，对所述接合刀具供给冷媒；回收路，所述回收路形状在所述刀具保持器上，从所述接合刀具回收所述冷媒；冷却部，所述冷却部将从所述回收路回收的所述冷媒冷却后返回所述供给路；和支撑部，所述支撑部将所述刀具保持器旋转自如地支撑，在所述刀具保持器与所述支撑部的相向部形成第1环状流路和第2环状流路，所述第1及第2环状流路分别具有支撑部侧凹部和刀具保持器侧凹部，所述支撑部侧凹部是沿周围方向在所述支撑部的内周面形成一周的环状的槽；所述刀具保持器侧凹部是与所述支撑部侧凹部相向地形成在所述刀具保持器上的环状的槽，所述供给路与流出冷媒所流通的所述第1环状流路连通，所述回收路与回流冷媒所流通的所述第2环状流路连通，所述冷却部向所述第1环状流路供给所述冷媒，而且，从所述第2环状流路回收所述冷媒。
发明的效果
根据本发明，能够一面抑制接合刀具的磨耗、破损一面实现恰当的摩擦搅拌接合。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的FSW装置的立体图。
图2是FSW装置的要部的截面图。
图3是图2的I－I截面图。
图4是图2的II－II截面图。
图5是接合刀具的强度特性图。
图6是FSW装置的控制系统的框图。
图7是表示接合刀具的温度的推移例的图。
具体实施方式
(实施方式的整体构成)
以下，对本发明的实施方式，参照附图进行详细说明。另外，在各图面中，对共通的构成要素赋予相同的附图标记，省略重复的说明。
图1是本发明的一个实施方式涉及的FSW装置100(摩擦搅拌接合装置)的立体图。如图1所示，FSW装置100具有装置本体部105、控制部50、冷却部60。而且装置本体部105具有具备突起部11的接合刀具1、保持接合刀具1的刀具保持器2，和将刀具保持器2以能旋转的方式保持的壳体3。在此，壳体3为圆筒状的容器，在其内部收纳以主轴CL为中心使大致圆柱状的刀具保持器2旋转的主轴马达6等。而且，主轴CL指大致圆柱状的刀具保持器2的中心轴。
如上述那样保持接合刀具1及刀具保持器2的壳体3，安装在未图示的机械加工刀具、多轴机械手的臂4的前端部。即，接合刀具1被构成为，能够通过机械加工刀具、多轴机械手对臂4的驱动沿上下方向和平面方向自由移动。
接合刀具1的突起部11具有以主轴CL为中心的销状的形状，往往也被称作接合刀具销部。在此，设想对作为各种金属的被接合部件101a、101b进行接合的场合。在此情况下，被刀具保持器2保持的接合刀具1，一边旋转一边将其突起部11在作为被接合部件101a、101b的边界的接合线102上压入。此时，突起部11，除了接合刀具1本体的底面部的突起部11的部分(被称作刀具肩部12)被压入到与被接合部件101a、101b的表面接触的位置为止。
当突起部11被压入时，突起部11及刀具肩部12通过一边与被接合部件101a、101b接触一边旋转时的摩擦热使被接合部件101a、101b上产生塑性流动现象。而且，产生了此塑性流动现象的被接合部件101a、101b的构成材料被接合刀具1搅拌，混合。进而，控制部50对接合刀具1进行控制，从而在突起部11被压入被接合部件101a、101b的状态下沿接合线102使接合刀具1移动。其结果，被接合部件101a、101b的边界部被接合。
冷却部60对接合刀具1进行冷却。即，冷却部60将冷却了的冷媒经壳体3、刀具保持器2供给到接合刀具1，而且，将由接合刀具1升温了的冷媒经刀具保持器2、壳体3回收。另外，冷媒例如可以为“水”等液体，也可以为气体。在此，在壳体3的内部，设有一边旋转自如地支撑刀具保持器2一边使冷媒流通的支撑部30。而且，控制部50对接合刀具1的旋转速度移动速度、移动方向等进行控制，而且，对冷却部60发出冷媒的流速等的指令。
(刀具保持器周边的详情)
接着，图2为装置本体部105的要部的截面图。即，在图1中，当将接合刀具1、刀具保持器2及支撑部30沿主轴CL切断时，成为图2所示那样。另外，刀具保持器2可以朝向各个方向，但是在此将图2中的纸面上方称作“上”，将纸面下方称作“下”。
在图2中，支撑部30形成为大致圆筒状，在其上下端的内面安装轴承302、312。由此，支撑部30将刀具保持器2旋转自如地支撑。
而且，刀具保持器2具有被支撑部20和保持部24。被支撑部20的上端部与主轴马达6(参照图1)结合，在其下面形成大致圆柱状凹入的凹部224。保持部24的上部被插入凹部224。而且，在被支撑部20的下部沿放射方向形成螺纹孔222。通过在此螺纹孔222中旋合拧入未图示的螺栓，而将被支撑部20和保持部24相互固定。
而且，在保持部24的下面形成呈大致圆柱状凹入的凹部266。接合刀具1的上端部被插入凹部266。而且，在保持部24的下部沿放射方向形成螺纹孔268。通过在此螺纹孔268中旋合拧入未图示的螺栓，从而将保持部24与接合刀具1相互固定。在支撑部30的外周，将冷媒向支撑部30供给的流出配管41和将冷媒从支撑部30回收的回流配管42相连。在支撑部30上形成作为将外周面与内周面插通的贯通孔的流出流路304和回流流路314。
而且，为了与流路304、314连通，在支撑部30的内周面形成截面大致U字状的凹部306、316。凹部306、316沿周围方向在内周形成一周，因此，凹部306、316成为环状的槽。而且，在被支撑部20上的与凹部306、316相向的部位，形成截面大致U字状的凹部206、216。由此，在凹部206、306之间形成流出冷媒所流通的环状流路L1(第1环状流路)，在凹部216、316之间形成回流冷媒所流通的环状流路L2(第2环状流路)。在环状流路L1的上下及环状流路L2的下方，被支撑部20与支撑部30之间嵌入环状的垫圈210，由此，保持环状流路L1、L2的水密状态。在被支撑部20上形成作为以主轴CL为中心的管路的供给路202。
而且，供给路202与环状流路L1通过作为沿半径方向形成的2根管路的供给路203、204连通。而且，具有L字状的路径的2根回收路213、214与环状流路L2相连。而且，在保持部24形成分别与被支撑部20的供给路202、回收路213、214连通的供给路252、回收路253、254。在接合刀具1的上部形成环状的回收路260。回收路253、254与此回收路260连通。
接着，图3为图2中的I－I截面图，图4为图2中的II－II截面图。
如图3所示，在I－I截面中，供给路252及回收路253、254为截面圆形的流路。而且，如图4所示，在II－II截面中，回收路253、254与回收路260连通，供给路252的周围成为圆筒状突出部262。
回到图2，接合刀具1具有形成在柱体状的本体部10，和形成在本体部10的下端的突起部11。而且，在接合刀具1中埋设温度传感器114。另外，在图示的例中，温度传感器114被埋设在刀具肩部12的上方，但是也可以将温度传感器114埋设在刀具肩部12的下方，即，埋设在突起部11的内部。
而且，圆筒状突出部262将冷媒向本体部10的上端侧喷出。冷却媒体从供给路203(204)供给，向本体部10的冷却供给，然后，经回收路213(214)被回收。也可以在本体部10的上端形成凹部112，通过向凹部112喷出冷媒从而提高突起部11的冷却效果，并使冷却媒体滞留。在此情况下，也可以为圆筒状突出部262轻松插入此凹部112的形状。另外，凹部112的深度是根据目标冷却效果预先设定的深度，为了取得所要的冷却效果最好为5mm以上，为10mm以上更佳。
在支撑部30的下面安装圆环状的固定通信部320。而且，在被支撑部20以与固定通信部320同心的方式安装圆环状的旋转通信部220。当刀具保持器2旋转时，旋转通信部220与固定通信部320相对地旋转，但是，在其旋转状态下从固定通信部320向旋转通信部220供给电力，而且，固定通信部320与旋转通信部220向双方向通信。尤其是，熊旋转通信部220对固定通信部320发送作为温度传感器114的测定结果的刀具温度T。而且，该刀具温度T从固定通信部320向控制部50(参照图1)传送。
(接合刀具的强度特性)
图5是接合刀具1的强度特性图。
如图5所示，接合刀具1的温度(刀具温度T)越高则接合刀具1的强度越弱。在此，将强度相对于温度上升开始急遽下降的温度称作“目标上限温度T S”。另外，目标上限温度T S并未特别进行严格定义。接合刀具1的强度特性及目标上限温度T S通过接合刀具1的材质决定。但是，强度特性的曲线的形状不论接合刀具1的材质如何都大致相同，为图5所示的形状。
例如，在接合刀具1的材质为SDK－61钢(JISG4404)的情况下，目标上限温度T S为400℃附近。当接合刀具1超过目标上限温度T S使用时，容易急剧磨耗或破损，因此最好在目标上限温度T S以下使用。但是，现有技术的实际情况是，在接合刀具1连续地使用的情况下，只要不对接合刀具1进行主动冷却，其温度就难以停留在目标上限温度T S以下，会招致接合刀具1的受命下降。
(控制系统)
图6是本实施方式中的FSW装置100的控制系统的框图。
在图6中，冷却部60具有冷媒罐62、泵64、冷却器66。冷媒罐62贮藏冷媒，冷却器66对冷媒罐62内的冷媒进行冷却，保持在规定温度范围。泵64经流出配管41将冷媒向装置本体部105供给，使冷媒流通。而且，在装置本体部105中升温了的冷媒，经回流配管42回收到冷媒罐62。另外，在图示的例子中，将泵64设置在流出配管41，但是，也可以设置在回流配管42，也可以设置在双方的配管41、42。
而且，控制部50具有温度设定部52、简法计算部54、泵驱动指令输出部56。温度设定部52设定接合刀具1的目标温度T R。简法计算部54输出目标温度T R与刀具温度T的偏差(T R－T)。泵驱动指令输出部56根据此偏差(T R－T)对泵64的排出速度进行控制。即，泵驱动指令输出部56在刀具温度T不足目标温度T R时使泵64停止，在刀具温度T大于等于目标温度T R的情况下使泵64工作。而且，在使泵64工作的情况下对泵64进行反馈控制，从而，使偏差(T R－T)的绝对值越大(即刀具温度T越高则)则泵64的排出速度越高。
(温度的推移例)
图7是表示本实施方式中的接合刀具1的刀具温度T的推移例的图。
在图7中，突起部11(参照图1)与被接合部件101a、101b的表面接触、被压入，刀具肩部12与该表面接触的时刻为t 1。到此时刻t1为止，由温度传感器114(参照图2)测量的刀具温度T几乎未上升。在时刻t 1以后，刀具肩部12一边旋转一边持续与被接合部件101a、101b表面接触，由此，持续产生摩擦热，使刀具温度T上升。
其后，在时刻t 2，刀具温度T到达规定的温度T 1。由此，控制部50判断在被接合部件101a、101b产生了塑性流动现象。将此状态称作“接合开始状态”。另外，在图7的例中，温度T 1与图6所示的目标温度T R相等，但是也可以使二者为不同温度。而且，时刻t 1～t2的时间是等待产生塑性流动现象的时间，被称作“保持时间”。
当成为接合开始状态时，控制部50在使接合刀具1的突起部11压入被接合部件101a、101b的状态下，开始使接合刀具1沿接合线102移动。其后，控制部50在直至接合刀具1到达规定的接合终点的时刻t 3为止，使接合刀具1继续移动。将时刻t 2～t 3的时间称作“接合时间”。在时刻t 3接合时间终了时，接合刀具1的突起部11从被接合部件101a、101b被拔起，接合刀具1的温度急速下降。
在时刻t 2～t 3的接合时间中，刀具温度T如特性Q 1所示，在温度T 1～T 2的范围变动。这是由于，通过泵64排出冷媒的排出速度被控制部50进行反馈控制，因此刀具温度T的变动得到抑制。在此，图7所示的温度T 2为与图5所示的目标上限温度T S相等的值。即，根据本实施方式，可以在整个接合时间，将刀具温度T抑制在目标上限温度T S以下，抑制接合刀具1的磨耗、破损。
而且，图示的特性Q 2表示在使冷却部60完全不动作的情况下的刀具温度T的特性。在特性Q 2中，刀具温度T到达比温度T 2(＝目标上限温度T S)高的温度T 3，接合刀具1容易磨耗及破损。
如上所述，根据本实施方式的FSW装置100，由于具有与被接合部件101a、101b抵接着旋转在被接合部件101a、101b产生塑性流动现象的接合刀具1、将接合刀具1把持着与接合刀具1一起旋转的刀具保持器2，和形成在刀具保持器2上对接合刀具1供给冷媒的供给路202、203、204、252，因此，可以一边对被接合部件101a、101b赋予充分的摩擦热一边将接合刀具1冷却，可以抑制接合刀具1的磨耗、破损并实现恰当的摩擦搅拌接合。
(变型例)
本发明不限于上述实施方式，可以进行各种变型。上述实施方式是为了容易理解本发明而进行说明的例子，不限于必须具备说明了的全部构成。而且，可以将某个实施方式的构成的一部分与其它的实施方式的构成置换，也可以在某个实施方式的构成中添加其它的实施方式的构成。而且，可以将各实施方式的构成的一部分消除，或者追加、置换其它的构成。例如以下为可对上述实施方式的变型。
(1)在上述实施方式中，冷却部60配置在刀具保持器2的外部，但是也可以将冷却部60配置在刀具保持器2的内部。由此，冷媒的流路在刀具保持器2的内部完结，因此，可以以廉价的构成提高水密性。
(2)而且，在上述实施方式中，使冷媒循环再利用，但是，也可以使冷媒不循环，一次性使用。例如，作为冷媒可以采用“水”，对接合刀具1进行气化冷却，将其结果所产生的水蒸汽向装置本体部105的外部排出。
附图标记的说明
1 接合刀具
2 刀具保持器
10 本体部
11 突起部
30 支撑部
50 控制部
60 冷却部
62 冷媒罐
64 泵
66 冷却器
100 FSW装置(摩擦搅拌接合装置)
101a、101b 被接合部件
105 装置本体部
112 凹部
114 温度传感器
202、203、204、252 供给路
213、214、253、254 回收路
L1 环状流路(第1环状流路)
L2 环状流路(第2环状流路)

Claims (6)

1.一种摩擦搅拌接合装置，其特征在于，具有：
接合刀具，所述接合刀具与被接合部件抵接着旋转，使所述被接合部件产生塑性流动现象；
刀具保持器，所述刀具保持器把持所述接合刀具，与所述接合刀具一起旋转；
供给路，所述供给路形成在所述刀具保持器上，对所述接合刀具供给冷媒；
回收路，所述回收路形状在所述刀具保持器上，从所述接合刀具回收所述冷媒；
冷却部，所述冷却部将从所述回收路回收的所述冷媒冷却后返回所述供给路；和
支撑部，所述支撑部将所述刀具保持器旋转自如地支撑，
在所述刀具保持器与所述支撑部的相向部形成第1环状流路和第2环状流路，
所述第1及第2环状流路分别具有支撑部侧凹部和刀具保持器侧凹部，所述支撑部侧凹部是沿周围方向在所述支撑部的内周面形成一周的环状的槽；所述刀具保持器侧凹部是与所述支撑部侧凹部相向地形成在所述刀具保持器上的环状的槽，
所述供给路与流出冷媒所流通的所述第1环状流路连通，
所述回收路与回流冷媒所流通的所述第2环状流路连通，
所述冷却部向所述第1环状流路供给所述冷媒，而且，从所述第2环状流路回收所述冷媒。
2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，所述冷却部具有：
贮藏所述冷媒的冷媒罐、
使所述冷媒流通的泵，和
对所述冷媒罐内的所述冷媒进行冷却的冷却器。
3.如权利要求2所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，还具有：埋设在所述接合刀具中的温度传感器，和
根据由所述温度传感器检测的刀具温度对所述泵排出所述冷媒的排出速度进行控制的控制部。
4.如权利要求3所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，所述控制部以所述刀具温度大于等于规定的目标温度为条件对所述泵进行驱动。
5.如权利要求4所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，所述控制部以使所述刀具温度越高则所述泵排出所述冷媒的排出速度就越高的方式对所述泵进行控制。
6.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，所述接合刀具具有：
形成为柱体状的本体部、
形成在所述本体部的一端的突起部，和
形成在所述本体部的另一端，前端部分的截面形状为大致三角形的凹部。
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