CN1490112A - 摩擦搅拌接合装置及接合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摩擦搅拌接合装置及接合方法，在摩擦搅拌接合时，能够简单地进行向被接合构件的刀具的插入量的修正。特别是提供适用于三维接合的刀具的插入量的修正控制机构。在将具有销和轴肩的刀具，搭载于如机器臂那样工作机械的机头部，使刀具旋转插入被接合构件，通过与被接合构件的相对移动，使其产生摩擦热从而引起塑性流动而进行接合的摩擦搅拌接合装置中，将修正接合时的刀具与被接合构件的相对位置的修正机构设置于机头部和刀具之间。

Description

摩擦搅拌接合装置及接合方法

技术领域

本发明涉及通过具有大径的轴肩和向轴线方向突出的小径的销的刀具，进行摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合装置及接合方法。

技术背景

在大径的轴肩的前端，一边使具有小径的销的刀具转动，一边插入被接合构件，利用刀具和被接合构件之间产生的摩擦热和塑性流动而进行接合的方法被称为摩擦搅拌接合(下称FSW)，适用于以铝为主的各种金属材料的接合。其中的一个特征在于，FSW可以在被接合构件的熔点以下的温度固态接合。

现有的一般的FSW装置是在刀具驱动机械的机头部搭载刀具，通过利用电动马达等使机头部上下移动，从而使刀具插入被接合构件(例如参照专利文献1)。在专利文献1中，记载了为了将相对于被接合构件的刀具的插入量保持在适当的值，而使用激光位移计测定刀具和被接合构件之间的距离，控制机头部的移动量。

【专利文献1】

日本特开平11-226758号公报(第5-6页，图4，图5)

在FSW中，向被接合构件的刀具的插入量，即刀具的插入深度对接合部的品质有很大影响。刀具没有插入的部分作为未接合部留下。在刀具的插入量中，虽然根据被接合构件的板厚有所不同，但是存在适合值。因此，对应被接合构件的板厚，确定刀具的销的长度，最好在接合过程中一直保持刀具的插入量为一定。若向被接合构件的刀具的插入量过少，则轴肩与被接合构件没有接触，成为产生缺陷的原因。另外，刀具的插入量若过多，轴肩过分进入到被接合构件的表面，则在被接合构件的表面上产生凹陷，也会成为产生缺陷的原因。向被接合构件的刀具的插入量的变动量最好可控制在大约0.05mm以内。

那么，象原有技术中所记载的那样将刀具搭载于机头部，在通过机头部的运动而将刀具插入到被接合构件的构造中，在直线接合或者单纯的二维曲线接合中，刀具插入量的修正可以比较简单地进行。但是，在接合曲面上的接合线的三维接合中，修正刀具插入量并不容易。

本发明的目的就是提供一种即使在接合曲面上的接合线的三维接合的情况下，也可以很容易地修正刀具插入量的FSW装置以及接合方法。

发明内容

本发明的FSW装置是将可在刀具转动轴方向变更被接合构件与刀具的相对距离的修正机构，设置于刀具和机头部之间。

在三维接合中，刀具的向被接合构件的插入量的修正方向与二维接合的Z方向不同，具有X方向或Y方向的成分。因此在接合中伴随着需要随时搜寻与被接合构件的法线方向平行的修正方向、且瞬间移动各轴。在通过三维接合用FSW装置进行向被接合构件的刀具插入量的修正的情况下，被接合构件的法线方向的计算，向修正量的X、Y、Z轴方向的分配，向X、Y、Z各轴的移动等一连串的动作需要在接合中进行。对此控制系统的演算能力给予很大的影响。用于完成一连串动作的时间，需要的是直线接合用FSW装置或曲线接合用FSW装置的情况的至少3倍左右，从而导致控制精度下降的问题。这是因为在直线接合用FSW装置的情况下，只移动Z轴一轴，而在曲线接合用FSW装置的情况下，是移动X、Y、Z轴这3轴。

根据本发明，通过在机头部和刀具之间设置的修正机构，在刀具的旋转轴方向可以变更刀具和被接合构件之间的相对距离。修正机构因为是使刀具在与刀具旋转轴平行的方向移动，即使被接合构件是三维曲面，使用装置主体的多个驱动轴而不用改变装置主体的姿势，仅通过修正机构就可以简单的修正。因此，控制精度及控制的应答性提高了。本发明特别是对三维接合装置可以发挥很大的效果。

在本发明中，具备检测刀具和被接合构件之间的相对距离的距离检测机构，通过此距离检测机构检测刀具和被接合构件之间的相对距离，为使相对距离达到预先指定的距离，最好修正刀具和被接合构件之间的相对距离。通过在机头部或前述修正机构上装备距离检测机构，因为可以正确地知道刀具和被接合构件之间的相对距离，从而可以实现高精度控制。

检测刀具和被接合构件之间的相对距离的距离检测机构，只要是能够计量刀具和被接合构件之间的距离的物品即可，激光位移计是最好的量具之一。

另外，代替直接检测刀具和被接合构件之间的相对距离的距离检测机构，也可以测量与刀具的插入深度有紧密联系的物理量。负载在刀具上的负荷，修正机构的驱动部件的负荷，在修正机构的驱动部件上使用电动马达的情况下的电动马达电流值，转动刀具的主轴马达的电流值等均与刀具的插入深度有紧密的关系，通过检测这些值也可以间接地知道刀具和被接合构件之间的相对距离。

在本发明中，销和轴肩由旋转轴同一的分别的部件构成，最好是具备可以独立地变更销的突出长度的修正机构。

在FSW中，在接合终端部拔出刀具时，会残留有与销形状相当的孔。这是因为销与轴肩是一体的。若销和轴肩由同轴的分别的部件构成，分别通过各自的驱动机构驱动，则可以在终端部不必改变轴肩的位置，从被接合构件上拔出销，接着拔出轴肩。据此，可以防止在接合终端部残留孔。

如前所述，销和轴肩用分别的部件构成，且在具备驱动轴肩的第1修正机构和驱动销的第2修正机构的情况下，例如通过电动马达驱动销部，最好为使电动马达的电流值达到预先指定的电流值，修正销和被接合构件之间的相对距离。再有，装备了检测销的温度检测装置，最好通过此温度检测装置检测销前端的温度，为使销前端的温度达到预先指定的温度，修正销和被接合构件之间的相对距离。

在被接合构件的板厚不一定的情况下，若销和轴肩是一体物，则会产生销的长度过长或不足。一般在通过FSW对接接合的情况下，销的长度较之被接合构件的板厚略短。板厚根据接合部位而变化的情况下，例如若考虑到比接合开始时的板厚变厚的情况，相对于板厚，销的长度变短，而成为产生未接合部的原因。如果可以将销的长度变更为适当的长度，则可以防止未接合部的产生，可以确保完整的接合部。

在研究有关接合中的销的长度过长或不足时已经明白，与销的长度适当的情况相比较，在销的长度较短的情况下，驱动销的电动马达的电流值变小。因此，为使驱动销的电动马达的电流值达到预先指定的电流值，通过修正销和被接合构件之间的相对距离，可以防止未接合部的产生，可以确保完整的接合部。

另外，在有关接合中的销的长度过长或不足的研究中已经明白，与销的长度适当的情况相比较，在销的长度较短的情况下，销前端的温度也不同。因此，装备销温度的检测装置，为使销前端的温度达到预先指定的温度，通过修正销和被接合构件之间的相对距离，可以防止未接合部的产生，可以确保完整的接合部。

根据本发明，提供一种摩擦搅拌接合方法，具有轴肩和销是由比被接合构件更硬的材质制成的刀具，该刀具搭载于机头部，一边使刀具转动，一边使机头部下降，将销插入被接合构件，利用刀具和被接合构件的摩擦热而产生的塑性流动现象，在被接合构件的熔点以下的温度进行接合，其中，在前述机头部和前述刀具之间设置有可在刀具的旋转轴方向变更刀具和被接合构件之间的相对距离的修正机构，通过该修正机构，一边调整相对于前述刀具的被接合构件的插入量，一边进行接合。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的FSW装置的刀具附近的概略图。

图2是表示本发明的一个实施例的FSW装置的概略图。

图3是具有激光位移计的刀具修正机构的概略图。

图4是具有负载传感器的刀具修正机构的概略图。

图5是表示本发明的其他实施例的FSW装置的概略图。

图6是表示本发明的其它实施例的FSW装置的概略图。

图7是可以独立变更销突出长度的刀具修正机构的概略图。

图8是表示销长度(d)与驱动销的马达的电流值(I)的关系的图。

图9是表示销长度(d)与销前端温度(T)的关系的图。

图10是表示接合过程中的销长度的变化的图。

图11是没有控制销长度而接合的材料的截面照片。

图12是控制销长度而接合的材料的截面照片。

图13是表示刀具修正机构的详细的构造图。

具体实施方式

(实施例1)

在本实施例中，就有关将柱式的5轴机械加工中心进行改造而制成的柱式的FSW装置进行说明。本FSW装置如图2所示具备有正交的3轴(X，Y，Z)和Z轴周围的旋转C轴以及前端部的手腕A轴共5轴。FSW因为是强行将刀具插入被接合构件接合，所以装置必须有用于承受此反作用力的高刚性。接合负荷由被接合构件的材质、板厚、转动刀具的形状、刀具的转数、接合速度等多种因素决定，板厚越大的情况负荷越高。本装置在与对应高负荷的接合装置的位置上安装。本装置的柱50在Y方向，加工台52在X方向，分别在台架51上移动。刀具保持件53在Z方向移动。而且在刀具保持件53的下部设有机头部6。刀具1通过主轴马达54在旋转C轴的方向旋转。在刀具1和机头部6之间组装有修正刀具以及被接合构件的相对距离的修正机构3。

图1更加详细的记载了机头部6和修正机构3及刀具1。旋转的刀具1固定在主轴2上，而且安装在机头部8上。机头部6如图1所示安装在刀具保持件53上。在机头部6上，作为用于使刀具的朝向可以在箭头方向变化的机构，安装有副马达8。副马达8具有旋转移动轴4。在机头部6和刀具1之间，安装有修正刀具1以及被接合构件7的相对位置的修正机构3，修正机构3在修正方向5上驱动刀具1。修正机构3因为是在与刀具1的旋转轴平行的方向变更刀具的位置，当修正刀具1和被接合构件7的相对位置时，即使被接合构件7是三维曲面的情况，也没有必要使用装置主体的多个驱动轴，仅通过修正机构3就可简便地进行修正。

另外，修正机构3的驱动可以是机械驱动、油压驱动、电动马达等的电气驱动等的任何一种方法，但最好是具有高精度定位和偏差值小的重复精度。

另外，为充分得到修正机构的精度，尽管其机构也就那样了，但用何种方法控制是很重要的。

为了将刀具和被接合构件的相对距离随时控制在±0.05mm左右的精度，可以使用多个反馈机构。即，检测某一特定的物理量，进行反馈，修正刀具和被接合构件的相对距离。图3中表示了装备有作为距离检测装置的激光位移计的情况。通过在安装于机头部(省略图示)的修正机构3的前端附近上所安装的激光位移计35，将激光36向接合部前方照射，测量刀具1和具有任意曲面表面的被接合构件7的距离，将测定的距离与所设定的最佳距离相比较，修正机构3沿修正方向5修正刀具1。刀具和被接合构件的相对距离的修正，可以通过修正机构3，以刀具1的一个方向的移动简单地实施。因此已测定距离的数据记录、测定值和设定值的比较、修正量和修正方向的确定可以通过个人电脑水平的简单的电脑来实施。根据原有的方法，例如，不得不通过如前所述的X，Y，Z三轴的移动来修正装置主体的姿势进行实施，需要花费较多的修正时间。根据发明者的预备实验，用原有的方法进行修正的情况下，一次修正所需的时间大约是1sec，与本发明的方法相比较，需要100倍以上的时间。

作为其他的控制方法有，(i)通过安装在机头部或者修正机构的负载传感器，检测已测定的刀具所受的负荷，为使之达到预先指定的负荷，修正刀具以及被接合构件的相对距离的方法、(ii)检测为修正刀具以及被接合构件的相对距离而设置的刀具驱动部件的负荷，为使之达到预先指定的负荷，修正刀具以及被接合构件的相对距离的方法、(iii)检测为修正刀具以及被接合构件的相对距离而设置的刀具用马达的电流值，为使之达到预先指定的电流值，修正刀具以及被接合构件的相对距离的方法、(iv)检测使刀具转动的主轴马达的电流值，为使之达到预先指定的电流值，修正刀具以及被接合构件的相对距离的方法等。

这其中，就使用负载传感器的方法用图4进行说明。通过负载传感器37检测在接合中的刀具1所受到的接合反作用力。刀具1和具有任意的曲面表面的被接合构件7的距离，具有与接合中的接合反作用力成比例的关系。为使通过负载传感器37测定的负荷达到设定的最佳负荷，修正机构3沿修正方向5修正刀具1。

根据本装置的构成，在接合中不用改变由正交3轴(X，Y，Z)和Z轴周围的旋转C轴以及前端部的手腕A轴这5轴所确定的装置姿势，仅通过修正机构3，就可修正刀具以及被接合构件的相对距离。

(实施例2)

柱式装置的情况下，刀具立体的轧制线范围小，是面向比较小型的被接合构件或者曲率大的三维形状的被接合构件的接合的高刚性装置。但是，在被接合构件是大型或者是曲率小的情况下，需要扩大刀具的立体轧制线的范围。为保持通用性最好使用机器臂。本实施例是就保持高刚性、且具有通用性的FSW装置进行说明。图5是具备有3个髁轴和2个旋转轴的高刚性机器人型装置。3个髁轴64a、64b、64c每个都由圆头螺丝61a、61b、61c支撑，使之高刚性化。具有销和轴肩的刀具71固定在主轴70上，且通过主轴马达66旋转。本FSW装置具备有台架75、转动台74、支撑台73、臂65a，65、轴承单元63a，63b，63c、副马达62a，62b，62c。在机头部69和主轴70之间，组装有修正刀具以及被接合构件的相对距离的修正机构72。

根据本装置的构成，在接合中装置不用改变由所具备的5轴所决定的装置姿势，仅通过修正机构72就可以修正刀具以及被接合构件的相对距离。

(实施例3)

图6是具备有3个髁轴(A，B，C)和3个旋转轴(P，Q，R)的机器人型装置，是在所研究的三维接合装置中通用性最优秀的装置。但是相对于接合负荷的刚性要低于实施例1还有实施例2的情况，依存于机器人主体80的可搬力。机头部86搭载于机器臂的前端。刀具81通过主轴82以及修正机构84安装在机头部86上，通过主轴马达83转动。另外，修正刀具以及被接合构件的相对距离的修正机构84也被组装。根据本装置的构成，在接合中装置不用改变以所具备的6轴决定的装置姿势，仅通过修正机构84，就可以修正刀具以及被接合构件的相对距离。

(实施例4)

前述的实施例是有关销和轴肩为一体型的情况下的修正机构及其控制方法。在本实施例中，在第1修正机构上进一步装入第2修正机构，为使板厚可以与变化的三维形状的被接合构件相对应，就FSW装置进行说明。本FSW装置，刀具的轴肩和销是非一体的同轴构造，第1修正机构修正轴肩和被接合构件的相对距离，第2修正机构修正销和被接合构件的相对距离。利用图7进行说明。刀具与轴肩40和销41是同轴状的分别个体。被接合构件7是根据接合部位板厚不同的三维形状，为了不因为受到来自刀具的接合负荷而屈曲，从里侧用夹具43支撑。轴肩40为保持接合部的完整性，必须随时保持与被接合构件7的表面的相对距离为一定。这些通过第1修正机构45在修正方向47上进行修正。另外因为被接合构件7的板厚根据部位的不同而变化，在接合中必须送取销41调整其长度。这些通过第2修正机构46在修正方向48上修正。在这里修正方向47及48因为轴肩40和销41是同轴状，所以是同一方向。现在，销41从轴肩40突出的长度称为销长度(d)。图8表示销长度(d)和驱动销41的马达的电流值(I)的关系。在销长度(d)比被接合构件7的板厚短的情况下，电流值(I)与销长度(d)同时单向增加，变化量小。但是销长度(d)在达到与被接合构件7的板厚相同的瞬间，电流值(I)急剧增加。因此对驱动销41的马达的电流值(I)进行监控，将销长度随时一直控制在其时间变化量在超过某一定值之前即可。另外图9是表示销长度(d)和销41的前端温度(T)的关系。在销长度(d)比被接合构件7的板厚短的情况下，前端温度(T)随销长度(d)同时单向增加，变化量小。但是销长度(d)在达到与被接合构件7的板厚相同的瞬间，前端温度(T)急剧增加。因此对销41的前端温度(T)进行监控，将销长度随时一直控制在其时间变化量在超过某一定值之前即可。两者的监控值的急剧变化都是由于销41和夹具43的接触而产生的。据此，可以一直将销长度控制在比被接合构件的板厚略短的程度。

图10是表示对应于板厚，在控制接合中的销长度时的销长度的变化的图。横轴是接合方向距离，纵轴是销长度以及板厚。图10中描绘了销长度和板厚的2个曲线，两个曲线重叠难以区别。这样，根据本发明的控制方法，就可以确认可将接合中的销的长度控制在与板厚大约相等的长度。

图12是表示控制销长度，接合后的材料的截面照片。根据图12可以确认，在厚度方向上直至材料下部可以完全接合。图11是为了比较，表示的是没有控制销长度，接合后情况的材料的截面照片。在图11中可以确认在材料的下部(照片下部)有未接合部。这是因为与板厚相比销较短所产生的。

如上述那样，第1修正机构或者第1以及第2修正机构安装在正交的3个轴以及旋转的2个轴共5个轴的装置主体的前端部即可。最好是通过安装在机器臂的前端，扩大FSW的通用性。一般，机器臂相对于所定位置，其动作精度在±0.1mm大致为极限。因此通过机器臂直至所定位置附近精度不高，细部通过安装于其前端的修正机构若能保证为±0.05mm的精度即可。

(实施例5)

关于修正机构使用图13进行具体的说明。在机头部98上，组装着给予为改变装置姿势的旋转轴以及轴周围的驱动的副马达91以及驱动齿轮。在机头部98的下部具有修正机构92。另外作为销94以及轴肩93为同轴状的分别个体的刀具90，由主轴97驱动。如A-A’剖面所示，在修正机构92内安装有油缸96，沿导向95仅轴肩93可以在图的上下方向移动。根据这些机构，不用改变装置全体的姿势，通过机头前端部的局部的修正机构，就可以修正轴肩和被接合构件的相对的位置关系。另外在本实施例中，轴肩和销分别个体，所以也可以调整从轴肩开始的销的突出量。

根据本发明，对在摩擦搅拌接合中的向被接合构件的刀具的插入量的控制可以高精度且简单地进行，特别是适合三维接合装置的刀具插入量的修正控制。

Claims (19)

1.一种摩擦搅拌接合装置，将具有大径的轴肩和向轴线方向突出的小径的销的刀具搭载于刀具驱动机械的机头部，其特征在于，在前述机头部和前述刀具之间具有修正机构，该修正机构可将前述刀具相对于被接合构件的相对距离在该刀具的旋转轴方向变更。

2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，具有在前述旋转轴方向可以与前述刀具一同移动的主轴、和具有驱动前述主轴的气缸的前述修正机构。

3.一种摩擦搅拌接合装置，将具有轴肩和向前述轴肩的轴线方向突出的销的刀具搭载于刀具驱动机械的机头部，其特征在于，具备距离检测机构或物理量计测机构和修正机构，该距离检测机构检测前述刀具相对于被接合构件的相对距离，该物理量计测机构计测与前述刀具插入到被接合构件的深度相关的某些物理量，该修正机构可将前述刀具相对于被接合构件的相对距离在前述刀具的旋转轴方向变更；为使根据前述距离检测机构或者前述物理量计测机构所检测出的值达到预先指定的值，通过前述修正机构修正前述刀具和被接合构件之间的相对距离。

4.如权利要求3所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，作为前述距离检测机构具有激光位移计，为使根据前述激光位移计测定出的前述距离达到预先指定的距离，通过前述修正机构修正前述刀具和被接合构件之间的相对距离。

5.如权利要求3所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，作为前述物理量检测装置，具有检测负载于前述刀具上的载荷的负载传感器，为使根据前述负载传感器检测出的前述刀具所受到的反作用力达到预先指定的值，而通过前述修正机构修正前述刀具和前述被接合构件的相对距离。

6.如权利要求3所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，前述修正机构具有在前述刀具的旋转轴方向可以与前述刀具一同移动的主轴和驱动前述主轴的电动马达，为使前述电动马达的负荷达到预先指定的负荷，而修正前述刀具和被接合构件之间的相对距离。

7.如权利要求3所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，前述刀具通过主轴马达转动，为使前述主轴马达的电流值达到预先指定的电流值，通过前述修正机构修正前述刀具和被接合构件之间的相对距离。

8.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，前述刀具的销及轴肩是由旋转轴同一、且可变更相对位置的分别的部件构成，具备移动前述刀具全体的第1修正机构和变更前述销的突出长度的第2修正机构。

9.如权利要求8所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，前述第2修正机构通过电动马达驱动前述销，为使该电动马达的电流值达到预先指定的电流值，而变更前述销的突出长度。

10.如权利要求8所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，装备有检测前述销的温度的销温度检测机构，通过该温度检测机构检测销的前端温度，为使该前端温度达到预先指定的温度，而通过第2修正机构变更前述销的突出长度。

11.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，前述驱动机械具备有用于使前述刀具移动的相互正交的3个轴方向的直线移动轴及转动移动的2个轴，共计5个移动轴。

12.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于，前述驱动机械具备用于使前述刀具移动的机械臂，在前述机械臂的前端和前述刀具之间备有前述修正机构。

13.一种摩擦搅拌接合方法，将具有轴肩和销的刀具搭载于机头部，一边使前述刀具旋转，一边使前述机头部下降，将前述销插入被接合构件，利用通过前述刀具和被接合构件的摩擦热而产生的塑性流动现象进行接合，其特征在于，在前述机头部和前述刀具之间，设有可在前述刀具的旋转轴方向变更前述刀具与被接合构件之间的相对距离的修正机构，一边通过该修正机构调整相对于前述刀具的被接合构件的插入量，一边进行接合。

14.如权利要求13所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，检测接合中的前述刀具和被接合构件之间的相对距离，为使此检测值接近预先指定的值，通过前述修正机构控制前述刀具的插入量。

15.如权利要求13所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，通过激光位移计计量前述相对距离，为使根据前述激光位移计所计量出的距离接近预先指定的距离，通过前述修正机构控制前述刀具的插入量。

16.如权利要求13所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，计量与相对于被接合构件的前述刀具的插入深度相关的物理量，为使前述物理量达到预先指定的值，通过前述修正机构控制前述刀具的插入量。

17.如权利要求16所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，检测负载于前述刀具上的负荷，为使前述负荷达到预先指定的负荷，通过前述修正机构控制前述刀具的插入量。

18.如权利要求13所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，前述轴肩和前述销是由旋转轴同一、相对位置可变更的分别的部件形成，设有可以独立变更前述销的突出长度的修正机构，检测正在接合的前述销的插入深度，为使之达到预先指定的深度，通过前述修正机构控制销的插入深度。

19.如权利要求18所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，计量前述销的前端部分的温度，为使之达到预先指定的温度，控制前述销的插入深度。

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