CN1839012A - 摩擦搅拌接合方法和摩擦搅拌接合装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种确保制品接合强度的摩擦搅拌接合方法和摩擦搅拌接合装置。由于各个工具(2、3)由从各个空气喷嘴(4、5)所喷射的空气冷却，因而能够抑制各个工具(2、3)的热膨胀，能够适当地维持上部工具(2)和下部工具(3)的间隙，因而，在外板(6a)和内板(6b)之间形成具有适当厚度的剩余母板厚度的摩擦搅拌接合部，能够确保发动机罩的接合强度。而且，由于由超低温空气发生器(16)冷却后的空气从各个空气喷嘴(4、5)喷射来冷却各个工具(2、3)，因而各个工具(2、3)被更有效地冷却。因而，各个工具(2、3)的热膨胀被抑制在最小限度内。能够获得具有更稳定厚度的剩余母板厚度的摩擦搅拌接合部，能够确保发动机罩的接合强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种在铝材等接合等中所使用的摩擦搅拌接合方法和摩擦搅拌接合装置。
背景技术
在摩擦搅拌接合(焊接)中，使要相互接合的被接合部件重叠，使转动的工具从所述被接合部件的重叠方向接近并压入该重叠后的被接合部件，由被接合部件和工具前端针部(ピン部)的摩擦热使工具周边的被接合部件软化，由转动的针部对该软化的被接合部件进行搅拌。因而，在被重叠的被接合部件之间形成在该被接合部件的重叠方向上具有厚度(下文简称为剩余厚度)的摩擦搅拌接合部，该重叠的被接合部件被接合。已知在这种摩擦搅拌接合中，工具的针部贯穿重叠的被接合部件，在摩擦搅拌接合部产生孔，并且接合强度显著地下降。于是，专利文献1所记载的摩擦搅拌接合装置包括在前端具有针部的转动工具、与该转动工具的针部相对地设置的承受部件、使该承受部件和针部的间距变化的致动器，在示教时对各个击打点位置(摩擦搅拌接合位置)承受部件和针部的间距进行存储，对每个击打点位置的承受部件和针部的间距进行控制，从而在摩擦搅拌接合部确保规定厚度的剩余厚度。
但是，在连续地进行摩擦搅拌接合时，有时由于被接合部件和工具前端的针部的摩擦热而使得针部发生热膨胀，工具长度伸长。因而，在使用专利文献1所记载的摩擦搅拌接合装置连续地进行摩擦搅拌接合时，存在下述问题，即，实际的承受部件和针部之间的间距变得比示教时存储在控制装置中的承受部件和针部之间的间距小，在摩擦搅拌接合部上产生孔，不能获得制品所要求的接合强度。
专利文献1：特开2001-314983号公报(第0038段和0039段及图3)
发明内容
鉴于上述情况，提出本发明，本发明的第1目的是提供一种确保制品接合强度的摩擦搅拌接合方法。此外，本发明的第2目的是提供一种确保制品接合强度的摩擦搅拌接合装置。
为了实现上述第1目的，本发明的权利要求1所记载的发明是这样一种摩擦搅拌接合方法，其中，在使设置在同轴上的一对工具中的至少一个工具转动的同时沿轴向向另一个工具移动，将设置在该转动的至少一个工具的前端上的针部压入被设置在该一对工具之间且相互重叠的被接合部件，在由该被接合部件和上述针部的摩擦热使该针部周边的被接合部件软化的同时由该针部对被软化的被接合部件进行搅拌，使摩擦搅拌接合部在重叠的被接合部件之间生成，以使该重叠的被接合部件摩擦搅拌接合，其特征在于：使上述一对工具中的至少一个工具冷却。
权利要求2记载的发明的特征在于：在权利要求1记载的发明中，使空气喷射到上述一对工具中的至少一个工具上而使该工具冷却。。
权利要求3记载的发明的特征在于：在权利要求2记载的发明中，使冷却后的空气喷射到上述一对工具中的至少一个工具上而使该工具冷却。
权利要求4记载的发明的特征在于：在权利要求1～3中任一项记载的发明中，对一对工具中的至少一个工具的温度进行监视，在检测出工具温度异常的时刻，使制造停止并通报该工具温度的异常。。
权利要求5记载的发明的特征在于：在权利要求4记载的发明中，每当摩擦搅拌接合工序的1个周期结束时，对一对工具中的至少一个工具的温度进行测量。
为了实现上述第1目的，本发明的权利要求6所记载的发明是这样一种摩擦搅拌接合方法，其中，在使设置在同轴上的一对工具中的至少一个工具转动的同时沿轴向向另一个工具移动，将设置在该转动的至少一个工具的前端上的针部压入被设置在一对工具之间且相互重叠的被接合部件，在由该被接合部件和针部的摩擦热使该针部周边的被接合部件软化的同时由该针部对被软化的被接合部件进行搅拌，使摩擦搅拌接合部在重叠的被接合部件之间生成，以使该重叠的被接合部件摩擦搅拌接合，其特征在于：对一对工具中的至少一个工具的温度进行监视，在检测出工具温度异常的时刻，使制造停止并通报该工具温度的异常。
权利要求7记载的发明的特征在于：在权利要求6记载的发明中，每当摩擦搅拌接合工序的1个周期结束时，对一对工具中的至少一个工具的温度进行测量。
为了实现第2目的，本发明中权利要求8记载的发明是一种用于权利要求1～5中任一项所述摩擦搅拌接合方法的摩擦搅拌接合装置，其特征在于：包括使一对工具中的至少一个工具冷却的工具冷却单元。
权利要求9记载的发明的特征在于：在权利要求8记载的发明中，工具冷却单元包括使由空气源压送的空气从空气喷嘴朝向工具喷射的空气喷射装置。
权利要求10记载的发明的特征在于：在权利要求9记载的发明中，工具冷却单元包括使由空气源压送的空气冷却的空气冷却装置。
权利要求11记载的发明的特征在于：在权利要求8～10中任一项记载的发明中，还包括：对一对工具中的至少一个工具的温度进行测量的工具温度测量单元；和控制单元，该控制单元判断由该工具温度测量单元所测量的工具温度是否为适当温度，当判定该工具温度不是适当温度时，使制造停止同时通报工具温度异常。
为了实现第2目的，本发明中权利要求12记载的发明是一种用于权利要求6或7所述的摩擦搅拌接合方法的摩擦搅拌接合装置，其特征在于：还包括：对一对工具中的至少一个工具的温度进行测量的工具温度测量单元；和控制单元，该控制单元判断由该工具温度测量单元所测量的工具温度是否为适当温度，当判定该工具温度不是适当温度时，使制造停止同时通报工具温度异常。
因而在权利要求1记载的发明中，防止由被接合部件和工具的摩擦热所引起的工具的热膨胀。
在权利要求2记载的发明中，通过喷射空气使得工具被冷却。
在权利要求3记载的发明中，通过喷射冷却后的空气使得工具被冷却。
在权利要求4记载的发明中，能够阻止由升温而热膨胀后的工具继续进行摩擦搅拌接合。
在权利要求5记载的发明中，能够确认是否在适当地实施工具的冷却，而且，能够阻止由升温而热膨胀后的工具连续进行摩擦搅拌接合。
在权利要求6记载的发明中，能够阻止由升温而热膨胀后的工具连续进行摩擦搅拌接合。
在权利要求7记载的发明中，能够有效地测量工具的温度。
在权利要求8记载的发明中，通过工具冷却单元使得工具被冷却，能够防止由被接合部件和工具的摩擦热所引起的工具热膨胀。
在权利要求9记载的发明中，工具冷却单元由从空气喷射装置的空气喷嘴所喷射的空气使工具冷却。
在权利要求10记载的发明中，工具冷却单元由被空气冷却装置冷却而从空气喷射装置的空气喷嘴喷射的空气使工具冷却。
在权利要求11记载的发明中，能够确认是否在适当地实施由工具冷却单元所进行的工具的冷却。而且，能够阻止由升温而热膨胀后的工具连续进行摩擦搅拌接合。
在权利要求12记载的发明中，能够阻止由升温而热膨胀后的工具连续进行摩擦搅拌接合。
发明效果
能够提供一种确保制品的接合强度的摩擦搅拌接合方法。而且，能够提供一种确保制品的接合强度的摩擦搅拌接合装置。
附图说明
图1是示出该摩擦搅拌接合装置的工具架(ッ一ルヘッド)以及工具冷却单元的空气的系统的视图；
图2是该摩擦搅拌接合装置的说明图，特别是示出工具温度由非接触温度传感器所测量(检测)状态的视图；
图3是示出摩擦搅拌接合部的横截面的视图；
图4是示出形成在上部工具和下部工具之间的间隙的视图；
图5是示出连续进行摩擦搅拌接合时击打点数(打点数)和摩擦搅拌接合部7的剩余母板厚度T的关系的视图。
标号说明
1摩擦搅拌接合装置，2上部工具，3下部工具，4空气喷嘴，5空气喷嘴，7摩擦搅拌接合部，8非接触温度传感器(工具温度测量单元)，11机器人控制器(控制单元)，13空气源，16超低温空气发生器(空气冷却装置)
具体实施方式
下文将结合图1～5对本发明的一实施例进行说明。如图1所示，摩擦搅拌接合装置1通过由从各个空气喷嘴4、5所喷射的空气冷却上部工具2和下部工具3，对由转动的上部工具2和工件6(被接合部件6a、6b)的摩擦热所引起的各个工具2、3的热膨胀进行抑制。因而，该摩擦搅拌接合装置1构成为可适当地维持摩擦搅拌接合时上部工具2和下部工具3的间隙G，如图3所示，在重叠的工件6之间形成具有适当厚度的剩余母板厚度T的摩擦搅拌接合部7，可确保该摩擦搅拌接合部7的接合强度。而且如图2所示，该摩擦搅拌接合装置1由非接触温度传感器8(工具温度测量单元)每当摩擦搅拌接合工序的1个周期也就是1个工件6的所有击打点(接合位置)的接合被完成后对上部工具2的工具温度进行检测。
该摩擦搅拌接合装置1构成为：由控制包括摩擦搅拌接合用工具单元9的多关节机器人10的机器人控制器11(控制单元)来判断由非接触温度传感器8所测量的上部工具2的工具温度是否在适当温度范围内，当判定该工具温度处于适当温度范围外(异常)时，使制造停止同时通报制造被停止的消息(工具温度异常)。因而，该摩擦搅拌接合装置1构成得即使在连续进行摩擦搅拌接合的场合，也可以确保摩擦接合部7的剩余母板厚度T，确保制品的接合强度。如图2所示，该摩擦搅拌接合装置1具有下述结构，即具有一对工具2、3的工具单元9安装在多关节机器人10上并根据机器人控制器11的控制而进行定位。
如图1所示，上述工具单元9形成为C形形状，将下部工具3安装在框架12的下部。而且，上部工具2与下部工具3同轴地设置在该工具单元9上。上部工具2构成为：由工具转动驱动用电动机而围绕轴线地被转动驱动，同时由工具定位用电动机而相对于下部工具3向轴向(图1中从纸面上看的上下方向)直线驱动地被定位。而且上述工具定位用电动机采用伺服电动机，使上部工具2相对于下部工具3高精度地定位。如图4所示，在上部工具2的针部2a和下部工具3之间形成间隙G。而且如图1所示，该摩擦搅拌接合装置1具有下述结构，即对从空气源13被压送的空气进行输送的送风管14、15设置在工具单元9上，由从设置在各个送风管14、15前端的各个空气喷嘴4、5喷射的空气对各工具2，3进行冷却。
而且如图1所示，该摩擦搅拌接合装置1具有下述结构，即各个送风管14、15的根部连接在超低温空气发生器16(空气冷却装置)上，由该超低温空气发生器16冷却的空气通过各个送风管14、15从各个空气喷嘴4、5朝向各个工具2、3喷射。而且在空气源13和超低温空气发生器16之间设置了根据机器人控制器11的控制而开闭操作的控制阀17。而且，各个送风管14、15由能够变化为任意形状且能够维持该形状的挠性软管(フレキシブルホ一ス，注册商标)等形成，各个空气喷嘴4、5采用具有消音功能的喷嘴。而且，该摩擦搅拌接合装置1具有下述结构：使被冷却的空气朝向上部工具2输送的送风管14由与该上部工具2一体地沿该上部工具2的轴向移动的托架18支撑，因而，即使在上部工具2相对于下部工具3沿轴向(图1中从纸面上看的上下方向)移动的场合下，也能够维持该上部工具2和送风管14的相对位置。
而且如图2所示，该摩擦搅拌接合装置1将上述非接触温度传感器8设置在支柱19上，该非接触温度传感器8通过放大器与机器人控制器11相连。该摩擦搅拌接合装置1具有下述结构，即由非接触温度传感器8对在工具单元9处于结束摩擦搅拌接合工序的1个周期并定位在原点位置的状态下的上部工具2的工具温度进行测量。而且上述机器人控制器11具有下述结构，即由演算部(CPU)对由非接触温度传感器8所测量的工具温度数据和存储在存储部内的适当温度范围数据进行比较，当工具温度处于适当温度范围外时，则检测为该工具温度异常，在检测出该工具温度异常的时刻使制造停止，同时由巡视灯(パトラィト)、警报器等通报停止制造的消息(工具温度异常)。
下文对使用该摩擦搅拌接合装置1而使构成车体的发动机罩的外板6a(被接合部件)和内板6b(被接合部件)接合时的作用进行说明。而且上述外板6a和内板6b使用6000系列铝合金，外板6a的板厚是2毫米，内板6b的板厚是1.2毫米。而且，将外板6a和内板6b在25个位置(击打点)进行摩擦搅拌接合而形成上述发动机罩。将使用示教功能而作成的、包括多关节机器人10的摩擦搅拌接合装置1的动作程序存储在机器人控制器11中。首先，将外板6a和内板6b相对定位并且以双方的接合量相互重叠的状态由工件固定用夹具保持。
在将外板6a和内板6b定位固定在该工件固定用夹具上后，实施上述动作程序，循环开始实施摩擦搅拌接合工序。由动作程序中的工具冷却指令使得控制阀17向开侧动作，从气源13被压送的空气供应到超低温空气发生器16(空气冷却装置)中。所述空气通过该超低温空气发生器16而被冷却，经由各个送风管14、15而从各个喷嘴4、5向各个工具2、3喷射，由从各个喷嘴4、5喷射的空气对各个工具2、3进行冷却。一边由冷却后的空气对各个工具2、3进行冷却，一边使工具单元9顺序定位在接合位置(击打点位置)而使所有接合位置被摩擦搅拌接合。而且，上部工具2虽然在工具单元9从当前接合位置移动到下一个接合位置时相对于下部工具3而沿轴向退离，但是，通过使对送风管14进行支撑的托架18与该上部工具2一体移动，无论其相对于下部工具3处于哪个位置，均可由从一定方向所喷射的空气冷却。
因而，通过始终对上部工具2进行冷却而阻止该上部工具2的热膨胀，该摩擦搅拌接合装置1将各个摩擦搅拌结合部7的剩余母板厚度T维持在适当程度。在此，图5示出了在连续进行摩擦搅拌接合的场合下击打点数和摩擦搅拌接合部7的剩余母板厚度T的关系。如图所示，在本实施例中，虽然将摩擦搅拌接合部7的剩余母板厚度T的目标值设定为0.3毫米，但是通过冷却各个工具2、3而阻止各个工具2、3的热膨胀，能够使所有击打点(本实施例中25个击打点)的摩擦搅拌接合部7的剩余母板厚度T在相对于上述目标值的±0.1毫米范围内。而且根据图5，在具有送风的场合下(在对各个工具2、3进行冷却的场合下)，即使击打点数量大于等于40个，也可以将摩擦搅拌接合部7的剩余母板厚度T维持大于等于0.2毫米，但是在不具有送风的场合下(在不对各个工具2、3进行冷却的场合下)，从击打点数量超过20附近开始，由各个工具2、3的热膨胀的影响，摩擦搅拌接合部7的剩余母板厚度T下降，当击打点数量大于等于40时，在摩擦搅拌接合部7上出现孔穴(穿孔)。
当结束所有接合位置的接合、工具单元9定位在原点位置而结束了1个循环的摩擦搅拌接合工序时，则由非接触温度传感器8(工具温度测量单元)对该工具单元9的上部工具2的工具温度进行测量。而且，在测量工具温度期间，朝向各个工具2、3的空气喷射被停止。由机器人控制器11对由该非接触温度传感器8所测量的工具温度的工具温度数据与存储在该机器人控制器11的存储部内的适当温度范围数据进行比较。当判断该工具温度数据在适当温度范围数据的范围内而判定工具温度正常时，则开始实施下一个发动机罩(工件6)的外板6a和内板6b的接合。另一方面，当判断该工具温度数据在适当温度范围数据的范围外而判定工具温度不正常时，则机器人控制器11使制造停止，并由巡视灯、警报器等向操作者通报停止制造的消息(工具温度异常)。
该实施例能够实现下述效果。
在该摩擦搅拌接合装置1中，由于各个工具2、3由从各个空气喷嘴4、5所喷射的空气冷却，因而，可阻止各个工具2、3的热膨胀，适当地维持上部工具2和下部工具3的间隙G。从而，在外板6a(被接合部件)和内板6b(被接合部件)之间形成有具有适当厚度的剩余母板厚度T的摩擦搅拌接合部7，确保制品(发动机罩)的接合强度。
在该摩擦搅拌接合装置1中，由超低温空气发生器16(空气冷却装置)冷却后的空气从各个喷嘴4、5喷射出以对各个工具2、3进行冷却，所以能够更有效地对各个工具2、3进行冷却。因而，能够将各个工具2、3的热膨胀抑制在最小限度，能够获得具有更稳定厚度的剩余母板厚度T的摩擦搅拌接合部7，确保制品(发动机罩)的接合强度。
在该摩擦搅拌接合装置1中，由于对朝向上部工具2输送空气的送风管14进行支撑的托架18与上部工具2一体移动(升降)，所以即使上部工具2移动(升降)，该上部工具2和空气喷嘴4的相对位置也不变。因而，在该摩擦搅拌接合装置1中，即使多关节机器人10在轴移动中，也可以将来自一定方向的空气喷射到相对于下部工具3退离的上部工具2上。因而上部工具2始终被冷却，阻止该上部工具2的热膨胀。
该摩擦搅拌接合装置1由于在各个送风管14、15的前端采用具有消音功能的各个空气喷嘴4、5，所以能够防止噪音并维持良好的作业环境。
该摩擦搅拌接合装置1由于由伺服电动机对上部工具2进行驱动以使上部工具2相对于下部工具3定位，因而上部工具2能够相对于下部工具3进行高精度地定位。因而，在上部工具2和下部工具3之间出现高精度的间隙G，在外板6a(被接合部件)和内板6b(被接合部件)之间形成有具有适当厚度的剩余母板厚度T的摩擦搅拌接合部7，确保制品(发动机罩)的接合强度。
该摩擦搅拌接合装置1由非接触温度传感器8(工具温度测量单元)对上部工具2的工具温度进行检测，当判定该工具温度处于适当温度范围外时，判定该工具温度异常，从而停止制造，同时通报制造被停止的消息(工具温度异常)。从而在工具温度异常状态下，也就是上部工具2热膨胀状态下，不继续进行制造。从而在摩擦搅拌接合部7上不出现孔穴，确保制品(发动机罩)的接合强度，同时能够阻止接合强度低的制品向下一个工序移送
在该摩擦搅拌接合装置1中，由于工具单元9在摩擦搅拌接合工序的1个周期结束时定位在原点位置，对该工具单元9的上部工具2的工具温度进行测量，因而，工具单元9无需仅为了工具温度的测量而相对于非接触温度传感器8进行定位，可以将由工具温度测量所导致的对生产率的影响抑制在最小限度内。
而且，实施方式并不局限于上述实施例，例如也可以构成为下述结构。
使空气喷射到各个工具上而使各个工具2、3冷却的定时也可以根据需要而设定。
在本实施例中，虽然每当摩擦搅拌接合工序的1个周期结束时对上部工具2的工具温度进行测量，但是也可以构成为每当完成规定击打点数量(例如30个击打点)的摩擦搅拌接合就测量该工具温度。
在本实施例中，虽然仅对上部工具2的工具温度进行测量，但是也可以构成为追加一个非接触温度传感器8，也对下部工具3的工具温度进行测量。
也可以构成为将非接触温度传感器8设置在工具单元9上。
工件6并不局限于发动机罩，例如也可以是车体的后背门等。而且外板6a和内板6b(都是被接合部件)只要是能够由摩擦搅拌接合所接合的材料就行，并不局限于铝合金。
Claims (12)
1.一种摩擦搅拌接合方法，其中，在使设置在同轴上的一对工具中的至少一个工具转动的同时沿轴向向另一个工具移动，将设置在该转动的至少一个工具的前端上的针部压入被设置在该一对工具之间且相互重叠的被接合部件，在由该被接合部件和上述针部的摩擦热使该针部周边的被接合部件软化的同时由该针部对被软化的被接合部件进行搅拌，使摩擦搅拌接合部在重叠的被接合部件之间生成，以使该重叠的被接合部件摩擦搅拌接合，其特征在于：使上述一对工具中的至少一个工具冷却。
2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：使空气喷射到上述一对工具中的至少一个工具上而使该工具冷却。
3.如权利要求2所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：使冷却后的空气喷射到上述一对工具中的至少一个工具上而使该工具冷却。
4.如权利要求1～3中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：对上述一对工具中的至少一个工具的温度进行监视，在检测出工具温度异常的时刻，使制造停止并通报该工具温度的异常。
5.如权利要求4所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：每当摩擦搅拌接合工序的1个周期结束时，对上述一对工具中的至少一个工具的温度进行测量。
6.一种摩擦搅拌接合方法，其中，在使设置在同轴上的一对工具中的至少一个工具转动的同时沿轴向向另一个工具移动，将设置在该转动的至少一个工具的前端上的针部压入被设置在一对工具之间且相互重叠的被接合部件，在由该被接合部件和上述针部的摩擦热使该针部周边的被接合部件软化的同时由该针部对被软化的被接合部件进行搅拌，使摩擦搅拌接合部在重叠的被接合部件之间生成，以使该重叠的被接合部件摩擦搅拌接合，其特征在于：对上述一对工具中的至少一个工具的温度进行监视，在检测出工具温度异常的时刻，使制造停止并通报该工具温度的异常。
7.如权利要求6所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于：每当摩擦搅拌接合工序的1个周期结束时，对上述一对工具中的至少一个工具的温度进行测量。
8.一种用于权利要求1～5中任一项所述的摩擦搅拌接合方法的摩擦搅拌接合装置，其特征在于：包括使上述一对工具中的至少一个工具冷却的工具冷却单元。
9.如权利要求8所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于：上述工具冷却单元包括使由空气源压送的空气从空气喷嘴朝向上述工具喷射的空气喷射装置。
10.如权利要求9所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于：上述工具冷却单元包括使由空气源压送的空气冷却的空气冷却装置。
11.如权利要求8～10中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其特征在于：还包括：对一对工具中的至少一个工具的温度进行测量的工具温度测量单元；和控制单元，该控制单元判断由该工具温度测量单元所测量的工具温度是否为适当温度，当判定该工具温度不是适当温度时，使制造停止同时通报工具温度异常。
12.一种用于权利要求6或7所述的摩擦搅拌接合方法的摩擦搅拌接合装置，其特征在于：还包括：对上述一对工具中的至少一个工具的温度进行测量的工具温度测量单元；和控制单元，该控制单元判断由该工具温度测量单元所测量的工具温度是否为适当温度，当判定该工具温度不是适当温度时，使制造停止同时通报工具温度异常。
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