CN1270863C - 摩擦搅拌接合方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以对应于广泛的用途的、具有紧凑的主轴箱的间断摩擦搅拌接合装置及方法。该摩擦搅拌接合装置具有工具(1)，该工具(1)具有大直径的轴肩部(1a)和沿轴线方向凸出的小直径的销部(1b)，通过一边使该工具旋转一边插入被接合件来进行接合，将上述工具及其移动机构以及被接合件的垫板构件(5)收纳在一个机架(10)之中。工具移动装置包括：使工具旋转的主轴电动机(2)、沿旋转轴方向移动工具的轴向移动装置(4、13a、13b、14)、沿被接合件的接合线移动工具的接合方向移动装置(9、17)。本发明的装置由于把持被接合构件的一部分来接合短的距离，因此，即使被接合构件为复杂的形状而且移动困难也可以适用。

Description

摩擦搅拌接合方法及装置
技术领域
本发明涉及一种一边使具有轴肩部和销部的工具旋转一边插入被接合件中，利用在工具与被接合件之间产生的摩擦热和塑性流动进行接合的摩擦搅拌接合方法及装置。
现有技术
摩擦搅拌接合(以下称为FSW)其特征之一是可以以熔点以下的温度固相接合被接合件。适用于接合铝、铜、镁或它们的合金。在FSW中，一边使比被接合件硬的材质的工具旋转一边施加负荷插入被接合件中。因此，在通常的方法中，在被接合件的背面施加垫板(参照例如专利文献2)。
【专利文献1】
日本特开平11-230320号公报(0016自然段、图2)
【专利文献2】
日本特开平2001-314982号公报(摘要、图1)
在将工具的销部插入到被接合件中的状态下，沿被接合件的接合线连续地进行接合的通常的FSW的施工方法难以适用于形状复杂的被接合件。这是因为，在被接合件具有曲面形状时，不容易沿被接合件的接合线的整个区域使垫板构件紧密接触。也难以将销对被接合件的插入深度保持为一定的状态使工具移动。虽然还考虑了使用小的衬板构件与工具的移动对应地使衬板构件移动的方法，但是，由于也必须使用于将衬板构件压接在被接合件上的器具一起移动，因此，限制了其可适用的范围。
由FSW点接合的方法从接合强度的观点来看，其适用范围仍然受到制约。
发明内容
本发明的目的是为了对于复杂形状的被接合件也可适用FSW而改良了FSW装置，而且改进了接合方法。
本发明的摩擦搅拌接合装置，具有工具，该工具具有大直径的轴肩部和向轴线方向凸出的小直径的销部，一边使该工具旋转一边插入到被接合件中，利用在工具和被接合件之间产生的摩擦热和塑性流动现象进行接合，其特征在于，将上述工具和其移动机构及被接合件的垫板构件收纳在一个机构中。
也可以将把垫板构件朝向被接合件压上的垫板构件移动装置收纳在上述机构之中。
在本发明中，将被接合件夹在垫板构件与工具之间，一边使工具旋转一边使工具向旋转轴方向移动而将销部插入到被接合件中。而且，机构不移动，只使工具沿被接合件的接合线移动。由于机构不移动，可接合的长度自然而然地被限定。每一次的接合长度最多是数十mm。如果接合了所希望的长度为例如数mm～数十mm的长度，则将工具从被接合件拔出，使被接合件移动或使机构移动，将想要进行新的接合的部位拿到工具的正下方。然后再次进行接合。反复多次进行这样的操作，而非连续地即间断地接合被接合件的接合线整个区域。
将按压被接合件的固定夹具和它的移动装置收纳到机构之中，由垫板构件和固定夹具按压被接合构件进行接合可以称为较好的实施方式。
根据本发明，由于将工具和其移动装置及垫板构件收纳到一个机构之中，FSW装置小型化。在接合线的长度长时，只要使机构移动或使被接合构件移动即可，因此，不需要用于接合的场所。即使是具有曲面的复杂形状的被接合件，由于按压着被接合件的部位是极小的一部分，因此容易适用FSW。
附图说明
图1是表示本发明的一实施例的C型头的正视图。
图2是表示本发明的一实施例的C型头的侧视图。
图3是本发明的摩擦搅拌接合装置的工具附近的立体图。
图4是表示本发明的摩擦搅拌方法的立体图。
图5是将C型头安装在通用的机器人臂上的摩擦搅拌接合装置的简图。
图6是表示由本发明的方法获得的接合部的横截面微组织的照片。
图7是表示使用于本发明的实施例的强度评价试验片的形状、尺寸的立体图。
图8是表示由本发明的实施例获得的试样的无因次化剪切载荷的图。
图9是表示由本发明的实施例获得的试样的无因次化剪切载荷与循环的关系图。
具体实施方式
使用附图概略说明本发明的摩擦搅拌接合装置的构造和动作。图1及图2是从为了方便而设定的直角坐标系的X轴和Y轴方向看到的C型头11的图。另外，图3是扩大了接合部近旁的立体图。C型头11是构成本发明的FSW装置的最小单位的部件。本实施例的C型头11具有C型机架10，在其中收纳着工具1和工具移动装置、垫板构件5和其移动装置、及用于按压被接合构件的固定夹具7及其移动装置。垫板构件5的移动装置及固定夹具7的移动装置最好都是静液压缸，在本实施例中具有油压缸6、18。工具1由主轴电动机2旋转。使工具沿旋转轴方向移动的装置具有电动机4和滚珠丝杠14和齿轮13a、13b和导向件15。由电动机4使齿轮13a、13b及滚珠丝杠14旋转，被导向件15导引并收纳在主轴箱壳体19内的主轴箱16为向上下可移动的构造。由于主轴箱16上安装着工具，因此工具1也向上下移动。
将工具沿被接合件的接合线移动的接合方向移动装置具有用于移动主轴箱16的缸9和导向件8a、8b、8c、8d及止动件17。主轴箱16由缸9的驱动并被导引件8a、8b、8c、8d导引而沿被接合构件3a、3b的接合线移动，接触制动件17后停止。通过调整止动件17的位置而可以变更工具的接合方向上的移动量。
成为FSW装置的最小单位的C型头11如图5所示可以安装在机器人臂12的前端上。图5的机器人12具有A轴、B轴及C轴这样的关节轴、和P轴、Q轴及R轴这样的旋转轴。
由机器人臂12使垫板构件5与下侧的被接合件3b紧密接触对位后，驱动油压缸6使固定夹具7移动，由固定夹具7和垫板构件5夹紧被接合件3a及3b。接着，由主轴电动机2使工具旋转。转速由被接合构件的材质或形状决定，是大约1000～3000rpm的程度。接着，驱动电动机4使工具下降，将销部向被接合件中插入规定的深度。如图3所示，在工具1上设置轴肩部1a和销部1b。所谓规定的深度，监视主轴电动机2或轴向移动用的电动机4的电流值，作为达到了规定的电流值时的深度进行控制。即，将销向被接合件插入直到主轴电动机2或轴向移动用的电动机4的电流值达到规定的值为止。在将工具插入了被接合件的状态下，驱动缸9例如静液压缸，如果接合了所需的距离，由电动机4将工具向上方移动，将主轴箱16返回到原来的位置。接着，移动被接合构件3a、3b或移动C型头11，使下一个接合部位来到工具的位置。
在本发明的FSW装置中，主轴电动机最好是感应电动机或伺服电动机。另外，使工具沿转轴方向上下移动的电动机最好是伺服电动机。使工具向接合线方向移动的接合线方向移动用缸及移动固定夹具有的静液压缸，当考虑到响应性时最好是油压驱动。
在按压被接合件的固定夹具7上形成I字形槽，可以使工具1沿该槽内移动。通过将固定夹具7做成这样的形状，被接合件3a、3b在接合部近旁被牢固地固定，可以有效地防止变形。任何一个机器对使C型头11紧凑都是重要的。
在试制组装了本发明的C型头11的机器人式摩擦搅拌接合装置实施了铝的重叠接合。图5是表示机器人型摩擦搅拌接合装置的概略图。在通用的机器人臂12的前端设置C型头11。被接合件3a、3b都是厚度1mm的A5083构成的铝件。移动固定夹具7的油压缸6的压紧力是200kgf。工具1是由进行了热处理的工具钢制造，轴肩部1a的直径是7mm、销部1b的直径是3mm，销部1b的长度是1.5mm，在销部1b上，在其表面上设有螺纹状的螺旋沟。主轴电动机2使用的输出功率为4kW的主轴电动机，转速是1000rpm。旋转工具1向被接合件3a的插入量为1.5mm，插入速度为30mm/分钟。沿接合方向移动主轴箱16的缸9的驱动力被设定为50kgf。
在这样的条件下接合的被接合件的接合部的横截面微组织表示在图6中。被接合件3a及3b无缺陷地被接合。
接着，将接合长度(L1)和接合间隙(L2)设定为各种的值进行了接合试验。如图7所示，试样是由厚度1mm、宽度70mm、长度100mm的A5083构成的铝件。重叠宽度是10mm。接合条件与上述相同，接合方向为宽度方向。将接合长度(L1)、接合间隙(L2)、接合焊道的根数、全接合长度表示在表1中。
表1
  试样No.   接合长度L1/mm   接合间隔L2/mm   接合焊道根数/根   全接合长度/mm   备注
  1   0   14   -   0   点接合(接合点数：10点)
  2   5   6   6   30   间断接合
  3   10   10   3   30   间断接合
  4   15   10   2   30   间断接合
  5   30   0   1   30   连续接合
试样No.1是点接合的试样，试样No.5是连续接合的试样。试样No.2～4是间断接合的试样，全接合长度都是30mm。将沿长度方向上对这些试样进行剪切试验时的剪切载荷表示在图8中。纵轴是以试样No.5的断裂载荷标准化(将试样No.5的断裂载荷作为1的无因次化剪切载荷)。其结果，试样No.2～4的剪切载荷比连续接合的No.5稍微低，但显示出是其90％以上的剪切载荷。另外，在No.1的点接合中，剪切载荷极低，接合点数多的只能获得间歇接合的一半程度的强度。另外，对于一部分的试样进行了剪切疲劳试验时的剪切载荷表示在图9中。这时，纵轴也是以试样No.5的断裂载荷标准化。间断接合的No.3的接合疲劳强度虽然比连续接合的No.5稍微差，但显示出了其优良的疲劳强度。但是，在点接合的No.1中，疲劳强度显著地降低。从这些结果可以看出，每一次的接合长度最好是5～20mm的范围。
根据上以的实施例，可以确认到间断的直线接合比单纯的点接合优良。本发明的FSW装置的特征在于在C型头11中全部添加了直线接合功能。由此，虽然C型头11与被接合件3a、3b的相对位置关系不变，但是可以沿所希望的全部长度实现线状的接合。一次的接合长度是数十mm，比连续接合短，但是通过间断地进行接合可以确保接合部的强度。即使是具有复杂形状的被接合件，由C型头的垫板构件夹住的只是被接合构件的极小一部分，因此可以使用本发明。另外，对于难移动的被接合件，只要将C型头安装在通用的机器人臂的前端使C型头移动即可，若采用本发明则可以扩大FSW的适用范围。

Claims (18)

1.一种摩擦搅拌接合方法，在被接合件的背面上抵接垫板构件，一边使在大直径的轴肩部的前端具有小直径的销部的工具旋转一边将上述销部插入被接合件中，利用在上述工具与被接合件之间产生的摩擦热和塑性流动进行接合，其特征在于，通过具有使上述工具与机架的相对位置变化的机构的装置进行接合，将上述工具及其移动机构以及上述垫板构件收纳在一个机架中，在上述垫板构件与上述工具之间夹着被接合件地一边使上述工具旋转一边将上述销部插入被接合件中，不使上述机架移动，而只使上述工具向被接合件的接合线方向移动来进行接合。
2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，如果使上述工具向被接合件的接合线方向只移动所希望的距离而接合了被接合件的一部分，则将上述销部从被接合件拔出，使上述机架和被接合件的一方移动，再只接合所希望的距离，通过反复进行这样的操作来沿接合线方向非连续地接合被接合件。
3.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，由主轴电动机使上述工具旋转，使上述销部插入被接合件直到该主轴电动机的电流值到达规定的值为止。
4.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，每一次的接合长度为5～20mm。
5.一种摩擦搅拌接合方法，一边使具有轴肩部和销部的工具旋转一边将上述销部插入被接合件中，利用在上述工具与被接合件之间产生的摩擦热和塑性流动进行接合，其特征在于，通过具有使上述工具与机架的相对位置变化的机构的装置进行接合，沿上述被接合件的接合线方向间断地接合下去。
6.如权利要求5所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，每一次的接合长度为5～20mm。
7.一种摩擦搅拌接合装置，具有工具，该工具具有大直径的轴肩部和沿轴线方向凸出的小直径的销部，通过一边使该工具旋转一边插入被接合件来进行接合，其特征在于，通过具有使上述工具与机架的相对位置变化的机构的装置进行接合，将上述工具及其移动机构以及被接合件的垫板构件收纳在一个机架之中。
8.如权利要求7所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，上述工具移动机构包括：使上述工具旋转的主轴电动机、沿旋转轴方向移动上述工具的轴向移动装置、沿被接合件的接合线移动上述工具的接合方向移动装置。
9.如权利要求7所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，将从插入上述工具之侧按压被接合件的被接合件固定夹具及其移动装置收纳在上述机架之中。
10.如权利要求8所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，上述主轴电动机是感应电动机或伺服电动机中的任何一种电动机。
11.如权利要求8所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，由上述轴向移动装置和上述接合方向移动装置进行的上述工具的移动都由伺服电动机进行。
12.如权利要求9所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，由上述固定夹具移动装置进行的上述固定夹具的移动由伺服电动机进行。
13.如权利要求11所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，上述轴向移动装置和上述接合方向移动装置进行的上述工具的移动都由静液压缸进行。
14.如权利要求12所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，由上述固定夹具移动装置进行的上述固定夹具的移动静液压缸进行。
15.如权利要求8所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，具有：检测上述主轴电动机的电流值的电流检测器、根据由该电流检测器检测出的主轴电动机电流值决定上述工具向被接合件的插入量的运算装置、控制上述工具向被接合构件插入的插入量的控制装置。
16.如权利要求9所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，上述固定夹具沿被接合件的接合线具有I型槽，上述接合方向移动装置沿上述I型槽移动上述工具。
17.如权利要求7所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，上述机架形成为C型形状。
18.如权利要求7所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，将上述机架安装在机器人臂的前端上。
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