JP2002192359A

JP2002192359A - 摩擦攪拌接合装置

Info

Publication number: JP2002192359A
Application number: JP2000397536A
Authority: JP
Inventors: Koji Doi; 幸治土肥
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-10
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP3471317B2

Abstract

(57)【要約】【課題】母材が飛び散らず、接合後にワーク表面が盛
り上がらない摩擦攪拌接合装置を提供する。【解決手段】回転子１１先端には、円柱状のショルダ
ー部１３が一体に設けられ、ショルダー部端面１４の中
央からピン１５が突出する。回転子先端には、ショルダ
ー部１３を外囲して凹所２１が形成され、この凹所２１
に外輪２０が、回転軸線Ｌ方向に移動可能に嵌まりこ
む。凹所２１の底部にはスラスト軸受け２３が装着さ
れ、外輪２０とスラスト軸受け２３との間にバネ２２が
介在される。接合時には、外輪先端２０ａがワーク表面
に密着し、接合個所は外輪２０に外囲される。これによ
って、母材の飛び散りが防がれるとともに、ショルダー
部周囲が盛り上がることが防がれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転による摩擦熱
で被接合物を軟化、攪拌して接合する摩擦攪拌接合装置
に関する

【０００２】

【従来の技術】図９（ａ）は、従来の摩擦攪拌接合装置
の回転子１の先端を示す拡大図である。回転子１は回転
軸線Ｌ１を有し、先端には、円柱状のショルダー部２が
形成され、このショルダー部２の端面４の中央からピン
３が突出する。摩擦攪拌接合を用いたスポット接合で
は、回転子１を高速で回転させながら、回転子１を、回
転軸線Ｌ１方向に下降させ、ピン先端の摩擦熱でワーク
を軟化させてピン３をワークに挿入し、回転するピン３
およびショルダー部端面４でワークを攪拌してスポット
接合する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】摩擦攪拌接合では、接
合時に高速で回転するショルダー部端面４およびピン３
でワークを攪拌するので、接合中に母材が飛び散る。こ
のような母材の飛び散りにより、接合強度が低下してし
まう。

【０００４】また、ショルダー部端面４で軟化したワー
ク表面を押圧するので、押圧するショルダー部端面４の
外周に、図１０に示すような盛り上がり５が形成されて
しまう。これにより、ワーク表面の凹凸が大きくなり、
接合部位での厚い所と薄い所の差が顕著になる。これに
よって、応力集中が発生し、強度の低下を招く。また、
美観上も好ましくない。

【０００５】このような問題を鑑み、飛び散りを少なく
し、ショルダー部での攪拌効率を向上するために、図９
（ｂ）のように、ショルダー部端面４を凹にする方法も
あるが、飛び散りを完全に無くすことはできない。ま
た、依然として盛り上がりも形成される。

【０００６】本発明の目的は、接合時の母材の飛び散り
をなくし、接合後のワーク表面の盛り上がりを防ぐこと
ができる摩擦攪拌接合装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、高速回転する回転子を回転軸線方向に移動させ、回
転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端部と前記被
接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟化させ、攪
拌して被接合物をスポット接合する摩擦攪拌接合装置に
おいて、前記回転子先端部を外囲する円筒状であり、回
転軸線まわりに回転自在に回転子に設けられ、接合時
に、先端を被接合物表面に当接させる外輪を有すること
を特徴とする摩擦攪拌接合装置である。

【０００８】本発明に従えば、外輪は、回転子先端部に
設けられ、接合時に先端を被接合物に当接させる。これ
によって、接合個所は、接合時に外輪によって閉じ込め
られ、母材が飛び散るといったことが確実に防がれる。
また、先端を被接合物表面に当接させることにより、軟
化した被接合物表面が盛り上がることが防がれる。

【０００９】請求項２記載の本発明は、前記外輪の基端
部と回転子との間にスラスト軸受けが介在され、先端が
被接合物に当接したとき、外輪が回転しないことを特徴
とする。

【００１０】本発明に従えば、外輪と回転子との間にス
ラスト軸受けが介在されるので、外輪を回転自在に支持
し、接合時に、外輪先端を被接合物表面に当接させたと
き、外輪を回転させないようにすることができる。これ
によって、ワークを損傷させることなく、被接合物表面
の盛り上がりを効果的に抑制することができる。

【００１１】請求項３記載の本発明は、前記スラスト軸
受けと外輪の基端部との間にバネが設けられ、接合時
に、外輪先端を被接合物表面に弾発的に押圧することを
特徴とする。

【００１２】請求項４記載の本発明は、前記外輪は、回
転軸線方向への弾性を有し、接合時に、外輪先端を被接
合物表面に弾発的に押圧することを特徴とする。

【００１３】本発明に従えば、接合時には、回転子を下
降させて突出部を被接合物表面に当接させる。このと
き、外輪と回転子との間にバネが介在されるか、または
外輪自身が弾性を有する。回転子を下降したとき、まず
外輪先端が被接合物表面に当接し、さらに回転子を下降
させることによって、バネまたは外輪が弾性圧縮され、
外輪先端を接合物表面に弾発的に押圧することになる。
このようにして、外輪は回転子の移動を許容することが
でき、接合中に確実に突出部を外囲することができ、母
材の飛び散りを防ぐことができる。

【００１４】請求項５記載の本発明は、回転子先端には
ほぼ平坦なショルダー面が形成され、前記外輪は、先端
が前記ショルダー面よりも退避した位置に配置されるこ
とを特徴とする。

【００１５】本発明に従えば、外輪先端がショルダー面
よりも退避した位置にあるので、接合時に回転子を下降
させたとき、まずショルダー面が被接合物に当接し、さ
らに下降させて所定の押圧力が発生したときに外輪先端
が被接合物表面に当接する。したがって、バネなどを設
けることなく、接合時に外輪で突出部を確実に外囲して
母材の飛び散りを防ぐことができる。

【００１６】請求項６記載の本発明は、回転子先端の中
央から突出部が突出し、この突出部は、ピンまたは円筒
状のリングであることを特徴とする。

【００１７】本発明は、回転子先端にピンを有するピン
型の摩擦攪拌接合装置、または回転子先端にリングを有
するリング型の摩擦攪拌接合装置のいずれにも適用する
ことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
摩擦攪拌接合装置１０の回転子１１近傍を示す正面図で
ある。摩擦攪拌接合装置１０は、たとえば多関節型ロボ
ットの手首に装着され、スポット接合ガンとして用いら
れる。

【００１９】回転子１１は、回転軸線Ｌを共通に持つ回
転子保持部材１２に保持される。回転子保持部材１２
は、図示しないフレームに回転軸線Ｌまわりに回転自在
に、かつ回転軸線Ｌ方向に直進移動可能に支持される。
このフレームがロボットの手首に取り付けられる。フレ
ームには、回転および直進駆動源（図示略）が設けら
れ、これによって、回転子保持部材１２および回転子１
１を、回転軸線Ｌまわりに高速で回転させながら、回転
軸線Ｌに沿って直進駆動させることができる。

【００２０】回転子１１の先端は先細りとなり、先端部
に、回転軸線Ｌを中心とする円柱状のショルダー部１３
が形成される。ショルダー部１３の外周には、外輪２０
が嵌まりこむ。また、ショルダー部１３の端面１４は、
回転軸線Ｌに垂直な平坦面であり、中央から回転軸線Ｌ
に沿って下方にピン１５が突出する。

【００２１】フレームには、回転子１１先端に対抗する
受け部１６が固定される。スポット接合時には、受け部
６と回転子１１とで２枚のワークＷ１，Ｗ２を挟持して
接合を行なう。

【００２２】図２は、回転子１１先端を拡大して示す図
である。回転子１１先端には、ショルダー部１３の外周
に沿って円筒状の凹所２１が切り欠かれて形成され、こ
の凹所２１に円筒状の外輪２０が遊嵌する。凹所の２１
の底部（上端部）には、スラスト軸受け２３が装着さ
れ、このスラスト軸受け２３と外輪２０との間にバネ２
２が介在される。このような構成によって、外輪２０
は、回転軸線Ｌまわりに回転自在で、かつ回転軸線Ｌ方
向に移動可能に設けられる。外輪２０は、自然状態で、
先端２０ａが、ピン１５よりも下方に突出した位置にあ
る。

【００２３】つぎに、この摩擦攪拌接合装置１０の接合
方法について説明する。被接合物である２枚のワークＷ
１，Ｗ２は重畳配置されており、ロボットによって、接
合点の下に受け部１６が配置されるように、摩擦攪拌接
合装置１０の位置決めを行なう。ワークＷ１，Ｗ２は、
たとえばアルミニウム合金である。

【００２４】（１）まず回転子１１を、たとえば２００
０ｒｐｍ程度の高速で回転させる。このとき、外輪２０
は、回転子１１とともに回転する。

【００２５】（２）回転子１１が下降して外輪２０の先
端２０ａが、ワークＷ１と当接すると、外輪２０aが回
転を停止する。外輪２０の基端部２０ｂは、バネ２２を
介してスラスト軸受け２３が装着されているので、回転
子１１の回転は、外輪２０には伝達されない。外輪２０
とワークＷ１とは密着して一体となる。

【００２６】（３）さらに回転子１１が下降すると、バ
ネ２２が圧縮されると同時にピン１５およびショルダー
部端面１４がワークＷ１に当接する（図３）。

【００２７】（４）さらに回転子１１が下降し、ピン１
５が、ワークＷ１，Ｗ２の接合面を超えて挿入され、ピ
ン１５とショルダー部１３において所定の押圧力が発生
し、接合点においてワークが攪拌される。このときにお
いても、外輪２０は、ワークＷ１表面に密着して押し付
けられており、ピン１３およびショルダー部１３からの
軟化した母材の飛び散りを防止すると同時に、図４に示
すように、ショルダー部端面１４の押圧によって母材が
ショルダー部端面１４の周囲に移動するのを押え、ショ
ルダー部１３の周囲が盛り上がることを防ぐことができ
る。

【００２８】（５）所定時間押圧後、回転子１１を上昇
させると、まずピン１５とショルダー部１３の押圧力が
０になる。このときは、まだ外輪２０はワークＷ１に密
着している。

【００２９】（６）さらに回転子を上昇させると、外輪
２０もワークＷ１から離れ、押圧前の状態にもどる。そ
の結果として、図５に示すように、ショルダー部の周囲
に盛り上がりのない状態で、スポット接合が行なわれ
る。

【００３０】図６は、本発明の他の実施形態の摩擦攪拌
接合装置の回転子先端を示す断面図である。本実施形態
では、外輪３０以外の構成は前述した実施形態と同様で
あるので、対応する構成には同一の参照符号を付し、説
明を省略する。

【００３１】本実施形態の外輪３０は、バネ３１と一体
に構成される。つまり、回転子に形成される凹所２１に
嵌りこむ外輪３０は、凹所の開口付近に装着される短円
筒状の先端部３２と、凹所２１の底部に装着されるスラ
スト軸受け２３に支持される基部３３と、先端部３２と
基部３３とを連結する筒状の板バネ３１とが一体に構成
される。板バネ３１は、波板状であり、軸線Ｌ方向に弾
発的に伸縮可能である。このような構成の外輪３０であ
っても、前述した実施形態と同様に、接合時に母材の飛
び散りを防ぎ、ショルダー部１３の外周が盛り上がるこ
とを防ぐことができる。

【００３２】図７は、本発明のさらに他の実施形態の摩
擦攪拌接合装置の回転子先端を拡大して示す断面図であ
る。この実施形態においても外輪４０以外の構成は、前
述した実施形態と同様であるので、対応する構成に同一
の参照符号を付し、説明を省略する。

【００３３】本実施形態では、バネが設けられず、外輪
４０は直接スラスト軸受け２３に支持される。そして、
外輪４０の先端４０ａは、ショルダー部１３の端面１４
より距離Ｌだけ上方に退避した位置に配置される。

【００３４】接合時には、ショルダー部１３の端面１４
でワークを押圧するので、接合時には、ショルダー部１
３の端面１４は、ワーク表面からわずかに下がった位置
まで埋まる。このとき、外輪先端４０ａが、ちょうどワ
ークの表面に当接するように、前記距離Ｌが決定され
る。つまり、接合時に所定押圧力が発生したとき、ちょ
うど外輪先端４０ａがワーク表面に密着することにな
る。このように設定することで、接合時に外輪４０で、
母材の飛び散りを防ぐとともに、外輪先端４０ａでワー
ク表面が盛り上がることを防ぐことができる。

【００３５】図８は、本発明のまたさらに他の実施形態
の摩擦攪拌接合装置の回転子先端を拡大して示す断面図
である。この実施形態では、ピン以外の構成は、前述し
た摩擦攪拌接合装置１０と同様であるので、対応する構
成に同一の参照符号を付し、説明を省略する。

【００３６】本実施形態では、ショルダー１３には、ピ
ン１５に代えて、リング部５０が設けられるリング部５
０は、ショルダー部端面１４の中央から突出する円筒状
の部材であり、回転軸線Ｌを中心とし、ショルダー部１
３に一体に形成される。このようなリング部５０を用い
ることで、ピンに比べてワークへの接触面積が増大し、
攪拌効率が向上する。

【００３７】このピン型の摩擦攪拌接合装置であって
も、外輪２０を設けることによって、接合時の母材の飛
散、およびワーク表面の盛り上がりを防ぐことができ
る。また、このリング型の摩擦攪拌接合装置は、外輪２
０だけでなく、図６に示す外輪３０、および図７に示す
外輪４０を適用してもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、接合時
に、外輪先端が被接合物表面に密着し、接合個所が外輪
によって閉じ込められるので、母材が飛び散るといった
ことが確実に防がれる。また、先端を被接合物表面に当
接させることにより、軟化した被接合物表面が盛り上が
ることが防がれる。これによって、強度の低下を防止す
ることができるとともに、美観も向上させることができ
る。

【００３９】また本発明によれば、外輪と回転子との間
にスラスト軸受けが介在されるので、外輪を回転自在に
支持し、接合時に、外輪先端を被接合物表面に当接させ
たとき、外輪を回転させないようにすることができる。
これによって、ワークを損傷させることなく、被接合物
表面の盛り上がりを効果的に抑制することができる。

【００４０】また本発明によれば、外輪と回転子との間
にバネが介在されることにより、被接合物に密着する外
輪が回転子の移動を許容することができ、接合中に確実
に接合個所を外囲することができ、母材の飛び散りを防
ぐことができる。

【００４１】また本発明によれば、外輪先端がショルダ
ー面よりも退避した位置に配置することによって、バネ
などを設けることなく、接合時に外輪先端を確実に被接
合物先端に密着させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態である摩擦攪拌接合装置
１０の回転子１１近傍を示す図である。

【図２】回転子１１先端を拡大して示す断面図である。

【図３】接合時の回転子先端を示す断面図である。

【図４】接合時の状態を示す図である。

【図５】接合後のワークＷ１，Ｗ２を示す断面図であ
る。

【図６】バネ３１と一体となった外輪３０を用いる摩擦
攪拌接合装置の回転子先端を示す拡大断面図である。

【図７】バネを用いない摩擦攪拌接合装置の回転子先端
を示す拡大断面図である。

【図８】外輪を用いるリング型摩擦攪拌接合装置の回転
子先端を示す拡大断面図である。

【図９】従来の回転子先端を示す断面図である。

【図１０】ショルダー部の周囲に形成される盛り上がり
を示す図である。

【符号の説明】

１０摩擦攪拌接合装置１１回転子１２回転子保持部材１３ショルダー部１４ショルダー部端面１５ピン２０,３０,４０外輪５０リング部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速回転する回転子を回転軸線方向に移
動させ、回転子先端部を被接合物に押圧し、回転子先端
部と前記被接合物との接触部を、回転による摩擦熱で軟
化させ、攪拌して被接合物をスポット接合する摩擦攪拌
接合装置において、前記回転子先端部を外囲する円筒状であり、回転軸線ま
わりに回転自在に回転子に設けられ、接合時に、先端を
被接合物表面に当接させる外輪を有することを特徴とす
る摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】前記外輪の基端部と回転子との間にスラ
スト軸受けが介在され、先端が被接合物に当接したと
き、外輪が回転しないことを特徴とする請求項１記載の
摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】前記スラスト軸受けと外輪の基端部との
間にバネが設けられ、接合時に、外輪先端を被接合物表
面に弾発的に押圧することを特徴とする請求項２記載の
摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】前記外輪は、回転軸線方向への弾性を有
し、接合時に、外輪先端を被接合物表面に弾発的に押圧
することを特徴とする請求項２記載の摩擦攪拌接合装
置。
【請求項５】回転子先端にはほぼ平坦なショルダー面
が形成され、前記外輪は、先端が前記ショルダー面より
も退避した位置に配置されることを特徴とする請求項１
または２記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項６】回転子先端の中央から突出部が突出し、
この突出部は、ピンまたは円筒状のリングであることを
特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の摩擦攪
拌接合装置。