CN112423929A - 摩擦搅拌接合装置及其运转方法 - Google Patents

Abstract

一种摩擦搅拌接合装置，其通过用摩擦热使由铝部件(W1)和镀锌钢部件(W2)构成的被接合物(W)软化从而接合，其具备：销部件(1)；肩部件(2)，其形成为圆筒状，在内部插通有销部件(1)，构成为能够向沿着轴线(Xr)的方向进退移动；旋转驱动器(5)，其构成为使销部件(1)绕轴线(Xr)旋转，不使肩部件(2)旋转；以及直动驱动器(4)，其使销部件(1)和肩部件(2)沿着轴线(Xr)进退移动，铝部件(W1)配置为与销部件(1)对置。

Description

摩擦搅拌接合装置及其运转方法

技术领域

本发明涉及摩擦搅拌接合装置及其运转方法。

背景技术

公知有将铝材和镀锌钢板接合的摩擦点接合装置(例如，参照专利文献1)。在专利文献1所公开的摩擦点接合装置中，具备用于测量旋转工具的温度的工具温度测量器、和用于测量铝材和镀锌钢板的接合部的温度的材料温度测量器，反馈装置基于工具温度测量器和材料温度测量器的温度信息，对使旋转工具旋转的伺服马达进行反馈控制。

具体而言，在专利文献1所公开的摩擦点接合装置中，将工具的末端的距离在铝材侧维持在0.1～0.3mm的范围，并且使铝材和镀锌钢板的接合部的温度处于320～350℃的范围，由此将接合部作为新生面，一边在接合部生成Fe和Al的金属间化合物一边进行摩擦点接合。

专利文献1：日本特开2016-124002号公报

然而，在专利文献1所公开的摩擦点接合装置中，需要具备2个温度测量器，因此装置的制造成本增加。另外，在专利文献1所公开的摩擦点接合装置中，需要基于来自温度测量器的温度信息进行反馈控制，并且必须将工具的末端的位置维持在规定的范围，因此控制程序变得复杂，还存在改善的余地。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种通过简易的结构能够将铝部件和镀锌钢部件以高的强度接合的摩擦搅拌接合装置及其运转方法。

为了解决上述现有的课题，本发明所涉及的摩擦搅拌接合装置通过用摩擦热使由铝部件和镀锌钢部件构成的被接合物软化从而进行接合，具备：销部件，其形成为圆柱状，构成为能够绕轴线旋转和向沿着该轴线的方向进退移动；肩部件，其形成为圆筒状，在内部插通有上述销部件，构成为能够向沿着上述轴线的方向进退移动；旋转驱动器，其构成为使上述销部件绕上述轴线旋转，不使上述肩部件绕上述轴线旋转；以及直动驱动器，其使上述销部件和上述肩部件沿着上述轴线进退移动，上述铝部件配置为与上述销部件对置。

由此，能够减少从肩部件经由铝部件向镀锌钢部件的热输入量，从而能够抑制锌的熔融。因此，能够抑制熔融的锌侵入到铝部件，因此能够抑制锌和铝反应而产生液化裂纹。因此，能够将铝部件和镀锌钢部件以高的强度接合。

另外，本发明所涉及的摩擦搅拌接合装置的运转方法为通过用摩擦热使由铝部件和镀锌钢部件构成的被接合物软化从而进行接合的摩擦搅拌接合装置的运转方法，上述摩擦搅拌接合装置具备：销部件，其形成为圆柱状，构成为能够绕轴线旋转和向沿着该轴线的方向进退移动；肩部件，其形成为圆筒状，在内部插通有上述销部件，构成为能够向沿着上述轴线的方向进退移动；旋转驱动器，其构成为使上述销部件绕上述轴线旋转，不使上述肩部件绕上述轴线旋转；以及直动驱动器，其使上述销部件和上述肩部件沿着上述轴线进退移动，上述铝部件配置为与上述销部件对置，上述摩擦搅拌接合装置的运转方法具备：步骤A，使上述直动驱动器和上述旋转驱动器动作，以在使上述销部件旋转并且不使上述肩部件旋转的状态下，使上述销部件的末端部按压上述被接合物的被接合部；步骤B，使上述直动驱动器和上述旋转驱动器动作，而使上述销部件的末端部到达预先设定的规定的第1位置，以使软化的上述镀锌钢部件刺入软化的上述铝部件中；以及步骤C，在上述步骤B之后，使上述直动驱动器和上述旋转驱动器动作，以在使上述销部件旋转的状态下，从上述被接合部拔出上述销部件的末端部。

由此，能够减少从肩部件经由铝部件向镀锌钢部件的热输入量，从而能够抑制锌的熔融。因此，能够抑制熔融的锌侵入到铝部件，因此能够抑制锌和铝反应而产生液化裂纹。因此，能够将铝部件和镀锌钢部件以高的强度接合。

另外，通过使软化的镀锌钢部件刺入软化的铝部件，由此能够得到锚固效果，从而能够使被接合物的拉伸强度提高。

本发明的上述目的、其他目的、特征以及优点，在参照附图的基础上，通过以下的优选的实施方式的详细的说明而得以明确。

根据本发明所涉及的摩擦搅拌接合装置及其运转方法，通过简易的结构能够将铝部件和镀锌钢部件以高的强度接合。

附图说明

图1是表示本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的概略结构的示意图。

图2是表示本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的动作的一个例子的流程图。

图3是表示本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的主要部分的示意图。

图4是表示本实施方式2所涉及的摩擦搅拌接合装置的概略结构的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的优选实施方式进行说明。此外，以下，在所有附图中，对相同或者相当的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。另外，在所有附图中，摘录对本发明进行说明所必要的构成要素进行图示，对其他的构成要素有时省略图示。并且，本发明不限定于以下的实施方式。

(实施方式1)

本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置通过用摩擦热使由铝部件和镀锌钢部件构成的被接合物软化从而进行接合，具备：销部件，其形成为圆柱状，构成为能够绕轴线旋转和向沿着该轴线的方向进退移动；肩部件，其形成为圆筒状，在内部插通有销部件，构成为能够向沿着轴线的方向进退移动；旋转驱动器，其构成为使销部件绕轴线旋转，不使肩部件绕轴线旋转；以及直动驱动器，其使销部件和肩部件沿着轴线进退移动，铝部件配置为与销部件对置。

另外，在本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置中，也可以是，销部件的末端部形成为比肩部件的末端部突出。

另外，在本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置中，也可以是，还具备控制装置，该控制装置构成为执行：步骤A，控制直动驱动器和旋转驱动器，以在使销部件旋转并且不使肩部件旋转的状态下，使销部件的末端部按压被接合物的被接合部；步骤B，控制直动驱动器和旋转驱动器，使销部件的末端部到达预先设定的规定的第1位置，以使软化的镀锌钢部件刺入软化的铝部件中；以及步骤C，在步骤B之后，控制直动驱动器和旋转驱动器，以在使销部件旋转的状态下，从被接合部拔出销部件的末端部。

并且，在本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置中，也可以是，旋转驱动器具有：马达；和传递机构，其向销部件传递马达的旋转驱动，传递机构构成为不向肩部件传递马达的旋转驱动。

以下，参照图1～图3，对本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的一个例子详细地进行说明。

[摩擦搅拌接合装置的结构]

图1是表示本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的概略结构的示意图。

如图1所示，本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100具备销部件1、肩部件2、工具固定器3、直动驱动器4、旋转驱动器5、衬垫支承部件6、衬垫部件7、机器人8以及控制装置110，构成为用摩擦热使被接合物W的被接合部Wa软化而接合。

在本实施方式1中，被接合物W由板状的铝部件W1和板状的镀锌钢部件W2构成。此外，在本实施方式1中，虽然采用了由板状的铝部件W1和板状的镀锌钢部件W2构成被接合物W的方式，但并不限定于此，被接合物W(铝部件W1和镀锌钢部件W2)的形状是任意的，例如，也可以是长方体状，也可以形成为圆弧状。

销部件1、肩部件2、工具固定器3、直动驱动器4以及旋转驱动器5设置在由C型枪(C型架)构成的衬垫支承部件6的上部。另外，在衬垫支承部件6的下部设置有衬垫部件7。销部件1以及肩部件2这两者与衬垫部件7以相互对置的位置安装在衬垫支承部件6。衬垫支承部件6安装在机器人8的末端。作为机器人8，能够采用水平多关节型或垂直多关节型等机器人。

此外，本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100并不限定于适用于机器人8的情况，例如，也可以适用于NC机床、大型的C型架压机以及自动铆机等公知的加工用机器。

另外，在本实施方式1中，采用了通过C型枪构成衬垫支承部件6的方式，但不限定于此。衬垫支承部件6只要将销部件1和肩部件2支承为能够进退移动，并且将衬垫部件7支承在与销部件1和肩部件2对置的位置，如何构成都可以。

衬垫部件7形成为平板状，构成为支承被接合物W。此外，衬垫部件7只要能够适当地支承被接合物W以使能够实施摩擦搅拌接合，并不特别限定其结构。例如，衬垫部件7也可以构成为，另外准备多个具有各种形状的衬垫部件，并根据被接合物W的形状而能够更换。

销部件1和肩部件2被工具固定器3支承，构成为通过直动驱动器4在上下方向进退驱动。作为直动驱动器4，例如，可以使用电动马达(伺服马达)和滚珠丝杠或者直线导轨等，也可以使用缸体等。

另外，销部件1形成为大致圆柱形，构成为通过旋转驱动器5能够绕销部件1的轴线Xr旋转。旋转驱动器5具有：马达51；和传递机构52，其向销部件1传递马达51的旋转驱动。作为马达51，例如，可以使用电动马达(伺服马达)。另外，传递机构52构成为不向肩部件2传递马达51的旋转驱动。作为传递机构52，可以使用通过公知的齿轮等进行的旋转传递机构。

此外，在本实施方式1中，如图1所示，传递机构52采用了构成为机械式地仅向销部件1传递来自马达51的旋转驱动而不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的方式，但不限定于此。传递机构52也可以采用构成为电气式地仅向销部件1传递来自马达51的旋转驱动而不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的方式。

这里，“电气式”可以是指，通过不向传递机构52供给电力(电流)，从而传递机构52不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的形态。另外，也可以是通过从控制装置110向传递机构52输出禁止肩部件2的工作的电信号(控制信号)，从而传递机构52不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的形态。

肩部件2形成为具有中空的大致圆筒状，在肩部件2的中空内插入销部件1。另外，在本实施方式1中，销部件1和肩部件2配置为销部件1的末端部1a比肩部件2的末端部2a突出。并且，如上述那样，肩部件2构成为不通过旋转驱动器5而绕轴线Xr旋转。

此外，在本实施方式1中，销部件1和肩部件2采用了构成为通过直动驱动器4能够进退移动的方式，但不限定于此。销部件1和肩部件2也可以采用构成为能够分别独立地进退移动的方式。

控制装置110具备微处理器、CPU等运算处理器，和ROM、RAM等存储器(未图示)。在存储器存储有基本程序、各种固定数据等信息。运算处理器通过读出存储在存储器的基本程序等软件并执行，从而控制直动驱动器4、旋转驱动器5以及机器人8的各种动作。

此外，控制装置110既可以通过集中控制的单独的控制装置110构成，也可以通过相互配合来分散控制的多个控制装置110构成。另外，控制装置110可以通过微型计算机构成，也可以通过MPU、PLC(Programmable Logic Controller：可编程逻辑控制器)、逻辑电路等构成。

[摩擦搅拌接合装置的动作(摩擦搅拌接合装置的运转方法)]

接下来，参照图1～图3，对本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100的运转方法进行说明。其中，以下的动作通过由控制装置110的运算处理器读出存储在存储器的程序而执行。

图2是表示本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的动作的一个例子的流程图。图3是表示本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的主要部分的示意图，表示执行了摩擦搅拌接合的状态。

首先，作业者在衬垫部件7的上表面载置被接合物W。随后，作业者操作输入器(未图示)，向控制装置110输入被接合物W的接合执行。

于是，如图2所示，控制装置110驱动旋转驱动器5，使销部件1以规定的转速(例如，500～3000rpm)旋转(步骤S101)。随后，控制装置110在销部件1旋转并且肩部件2不旋转的状态下，驱动直动驱动器4，使销部件1和肩部件2行进，而使销部件1的末端与被接合物W的被接合部Wa抵接(步骤S102)。

接下来，控制装置110驱动直动驱动器4，以使销部件1的末端部移动到预先设定的规定的第1位置为止(步骤S103)。此时，控制装置110控制直动驱动器4，以使销部件1以预先设定的规定的按压力(例如，4kN～70kN)按压被接合物W。

其中，规定的转速和规定的按压力可以通过预先实验等而适当设定。另外，销部件1的末端的位置信息通过未图示的位置检测器检测出，并向控制装置110输出。

这里，第1位置是指，在将镀锌钢部件W2的与铝部件W1抵接的面作为0％，将镀锌钢部件W2的与衬垫部件7抵接的面作为100％的情况下，在比0％大并且小于100％之间任意地设定的位置。此外，从使接合强度提高的观点，第1位置最好接近镀锌钢部件W2的与衬垫部件7抵接的面，可以是25％以上，可以是50％以上，可以是75％以上，可以是80％以上，可以是90％以上，也可以是95％以上。

由此，销部件1与被接合物W的被接合部Wa抵接，通过销部件1的末端部和被接合部Wa的摩擦，产生摩擦热，被接合物W的被接合部Wa被软化，发生塑性流动。

于是，如图3所示，销部件1的末端部被压入被接合部Wa的内部，由此镀锌钢部件W2的软化部分亦即第2软化部分42进入(刺入)到铝部件W1的软化部分亦即第1软化部分41。

此时，在本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100中，由于肩部件2不旋转，因此与销部件1和肩部件2构成为旋转的现有的摩擦搅拌接合装置相比，减少向铝部件W1的热输入量。由此，能够减少从铝部件W1向镀锌钢部件W2的热输入量，从而能够抑制锌的熔融。

因此，能够抑制熔融的锌侵入到铝部件W1，因此能够抑制锌和铝反应而产生液化裂纹。因此，能够将铝部件W1和镀锌钢部件W2以高的强度接合。

此外，在本说明书中，将进入到第1软化部分41的第2软化部分42称为锚固部分。

接下来，控制装置110根据未图示的位置检测器所检测到的销部件1的末端部的位置信息，判断销部件1的末端部是否到达了第1位置(步骤S104)。在控制装置110判断出销部件1的末端部没有到达第1位置的情况(在步骤S104为否)下，执行步骤S103～步骤S104的各处理直到销部件1的末端部到达第1位置。另一方面，在控制装置110判断出销部件1的末端部到达了第1位置的情况(在步骤S104为是)下，执行步骤S105的处理。

在步骤S105中，控制装置110在销部件1旋转并且肩部件2不旋转的状态下，驱动直动驱动器4以从被接合部Wa拔出销部件1的末端部(销部件1和肩部件2的末端部从被接合物W的表面分离)。然后，如果销部件1的末端部从被接合部Wa被拔出，那么控制装置110使旋转驱动器5停止以停止销部件1的旋转，结束本程序。此外，在接合多个被接合部Wa的情况下，控制装置110也可以构成为不使销部件1的旋转停止而是开始下一个被接合部Wa的接合。

在这样构成的本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100中，通过对被接合物W执行摩擦搅拌接合，由此镀锌钢部件W2的第2软化部分42进入到铝部件W1的第1软化部分41，能够得到对拉伸剪切的强度变高，剥离强度也相对地变高的锚固效果。

另外，本实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100中，构成为肩部件2不旋转。由此，能够减少从肩部件2经由铝部件W1向镀锌钢部件W2的热输入量，能够抑制锌的熔融。

因此，能够抑制熔融的锌侵入到铝部件W1，因此能够抑制锌和铝反应而产生液化裂纹。因此，能够将铝部件W1和镀锌钢部件W2以高的强度接合。

(实施方式2)

对于本实施方式2所涉及的摩擦搅拌接合装置而言，在实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置的基础上，旋转驱动器具有：马达；传递机构，其向销部件和肩部件传递马达的旋转驱动；以及阻止机构，其阻止马达的旋转驱动向肩部件的传递。

以下，参照图4，对本实施方式2所涉及的摩擦搅拌接合装置的一个例子详细地进行说明。

[摩擦搅拌接合装置的结构]

图4是表示本实施方式2所涉及的摩擦搅拌接合装置的概略结构的示意图。

如图4所示，本实施方式2所涉及的摩擦搅拌接合装置100的基本结构与实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100相同，但旋转驱动器5的结构不同。

具体而言，旋转驱动器5具有：马达51；传递机构52，其向销部件1和肩部件2传递马达51的旋转驱动；以及阻止机构53，其阻止马达51的旋转驱动向肩部件2的传递。传递机构52具有：第1传递机构52a，其向销部件1传递马达51的旋转驱动；和第2传递机构52b，其向肩部件2传递马达51的旋转驱动。

阻止机构53可以构成为机械式地或者电气式地仅向销部件1传递来自马达51的旋转驱动，而不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动。

这里，“机械式”是指，例如，阻止机构53可以是通过使齿轮等的啮合解除从而不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的形态。另外，例如，阻止机构53也可以是通过使齿轮等的旋转停止从而不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的形态。

另外，“电气式”是指，例如，阻止机构53可以是通过不向传递机构52供给电力(电流)从而不从传递机构52向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的形态。另外，例如，也可以是通过从控制装置110向传递机构52输出禁止传递机构52对肩部件2的工作的电信号(控制信号)，从而不向肩部件2传递来自马达51的旋转驱动的形态。在这种情况下，控制装置110具有阻止机构53的功能。

即使这样构成的本实施方式2所涉及的摩擦搅拌接合装置100，也能够起到与实施方式1所涉及的摩擦搅拌接合装置100相同的作用效果。

根据上述说明，对于本领域技术人员而言，可清楚知道本发明的更多的改进或者其他的实施方式。因此，上述说明仅作为例示而进行解释，将执行本发明的最好的方式以向本领域技术人员提示的目的而提供。能够以不脱离本发明的方式实质上变更其结构以及/或者功能的详情。另外，能够通过上述实施方式所公开的多个构成要素的适当的组合而形成各种发明。

工业上的可利用性

本发明的摩擦搅拌接合装置及其运转方法能够通过简易的结构将铝部件和镀锌钢部件以高的强度接合，因此有用。

附图标记说明

1…销部件；2…肩部件；2a…末端部；3…工具固定器；4…直动驱动器；5…旋转驱动器；6…支承部件；7…衬垫部件；8…机器人；41…第1软化部分；42…第2软化部分；51…马达；52a…第1传递机构；52b…第2传递机构；52…传递机构；53…阻止机构；100…摩擦搅拌接合装置；110…控制装置；Xr…轴线；W…被接合物；Wa…被接合部；W1…铝部件；W2…镀锌钢部件。

Claims (9)

1.一种摩擦搅拌接合装置，其通过用摩擦热使由铝部件和镀锌钢部件构成的被接合物软化从而进行接合，

其特征在于，

所述摩擦搅拌接合装置具备：

销部件，其形成为圆柱状，构成为能够绕轴线旋转和向沿着该轴线的方向进退移动；

肩部件，其形成为圆筒状，在内部插通有所述销部件，构成为能够向沿着所述轴线的方向进退移动；

旋转驱动器，其构成为使所述销部件绕所述轴线旋转，不使所述肩部件绕所述轴线旋转；以及

直动驱动器，其使所述销部件和所述肩部件沿着所述轴线进退移动，

所述铝部件配置为与所述销部件对置。

2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

所述销部件的末端部形成为比所述肩部件的末端部突出。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

还具备控制装置，该控制装置构成为执行：

步骤A，控制所述直动驱动器和所述旋转驱动器，以在使所述销部件旋转并且不使所述肩部件旋转的状态下，使所述销部件的末端部按压所述被接合物的被接合部；

步骤B，控制所述直动驱动器和所述旋转驱动器，使所述销部件的末端部到达预先设定的规定的第1位置，以使软化的所述镀锌钢部件刺入软化的所述铝部件中；以及

步骤C，在所述步骤B之后，控制所述直动驱动器和所述旋转驱动器，以在使所述销部件旋转并且不使所述肩部件旋转的状态下，从所述被接合部拔出所述销部件的末端部。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

所述旋转驱动器具有：马达；和传递机构，其向所述销部件传递所述马达的旋转驱动，

所述传递机构构成为不向所述肩部件传递所述马达的旋转驱动。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，

所述旋转驱动器具有：马达；传递机构，其向所述销部件和所述肩部件传递所述马达的旋转驱动；以及阻止机构，其阻止所述马达的旋转驱动向所述肩部件的传递。

6.一种摩擦搅拌接合装置的运转方法，所述摩擦搅拌接合装置通过用摩擦热使由铝部件和镀锌钢部件构成的被接合物软化从而进行接合，

其特征在于，

所述摩擦搅拌接合装置具备：

销部件，其形成为圆柱状，构成为能够绕轴线旋转和向沿着该轴线的方向进退移动；

肩部件，其形成为圆筒状，在内部插通有所述销部件，构成为能够向沿着所述轴线的方向进退移动；

旋转驱动器，其构成为使所述销部件绕所述轴线旋转，不使所述肩部件绕所述轴线旋转；以及

直动驱动器，其使所述销部件和所述肩部件沿着所述轴线进退移动，

所述铝部件配置为与所述销部件对置，

所述摩擦搅拌接合装置的运转方法具备：

步骤A，使所述直动驱动器和所述旋转驱动器动作，以在使所述销部件旋转并且不使所述肩部件旋转的状态下，使所述销部件的末端部按压所述被接合物的被接合部；

步骤B，使所述直动驱动器和所述旋转驱动器动作，而使所述销部件的末端部到达预先设定的规定的第1位置，以使软化的所述镀锌钢部件刺入软化的所述铝部件中；以及

步骤C，在所述步骤B之后，使所述直动驱动器和所述旋转驱动器动作，以在使所述销部件旋转并且不使所述肩部件旋转的状态下，从所述被接合部拔出所述销部件的末端部。

7.根据权利要求6所述的摩擦搅拌接合装置的运转方法，其特征在于，

所述销部件的末端部形成为比所述肩部件的末端部突出。

8.根据权利要求6或7所述的摩擦搅拌接合装置的运转方法，其特征在于，

所述旋转驱动器具有：马达；和传递机构，其向所述销部件传递所述马达的旋转驱动，

所述传递机构构成为不向所述肩部件传递所述马达的旋转驱动。

9.根据权利要求6或7所述的摩擦搅拌接合装置的运转方法，其特征在于，

所述旋转驱动器具有：马达；传递机构，其向所述销部件和所述肩部件传递所述马达的旋转驱动；以及阻止机构，其阻止所述马达的旋转驱动向所述肩部件的传递。

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