JP2003098161A - 非破壊検査方法 - Google Patents

非破壊検査方法

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JP2003098161A JP2001290668A JP2001290668A JP2003098161A JP 2003098161 A JP2003098161 A JP 2003098161A JP 2001290668 A JP2001290668 A JP 2001290668A JP 2001290668 A JP2001290668 A JP 2001290668A JP 2003098161 A JP2003098161 A JP 2003098161A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 摩擦攪拌接合部における非破壊検査作業を自
動化する。 【解決手段】 回転工具１４０を接合すべき部材３０，
３０に対して相対的に移動させて摩擦攪拌接合を行いつ
つ、回転工具１４０の刃１４５および回転ブラシ２２０
で接合した部分を切削しつつ、切削面から切粉を吸引口
２２５で吸引し、媒質液を供給口２４０から供給する。
次に、検査用ローラ２５０を転動させて検査する。ロー
ラ２５０の内部に探傷子２５１を設置している。欠陥を
検出すると、マーキング装置２７０によって欠陥の位置
に塗料を塗布する。その後、マーキングに基づいて、接
合部を切削し、溶接で補修する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、摩擦攪拌接合等で
接合した部分を非破壊検査する方法に関するものであ
り、例えば、鉄道車両や建築物等に使用されるアルミニ
ウム合金製部材を摩擦攪拌接合した部分に対する非破壊
検査に好適である。
【０００２】
【従来の技術】摩擦攪拌接合方法は、接合すべき部材に
挿入した丸棒（回転工具という）を回転させながら接合
線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流
動させ、固相接合する方法である。回転工具は大径部と
小径部からなる。小径部を部材に挿入し、大径部の端面
を部材に接触させている。２つの部材間に隙間がある場
合の補填材として、接合部に予め凸部を設けている。回
転工具の軸心は若干傾斜している。また、回転工具の大
径部に切削用の刃を設置して、接合しつつ前記凸部を切
削するようにしている。凸部の上面から切粉を除くため
に空気で吹き飛ばすようにしている。これらは特開2001
-47262号（EP1057575A2）に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】溶接によって接合した
場合、溶接部にボイドが発生することがある。これは一
般に球形であるので、強度的には重大な障害にならな
い。
【０００４】摩擦攪拌接合の場合は球形の欠陥にはなら
ない。特に、欠陥が発生すると、連続した欠陥になりや
すい。この場合は強度的に重大な欠陥となる。
【０００５】一般に、非破壊検査は超音波を発生する探
傷子を接合部に沿って手動で滑らせて行うので、熟練を
必要としている。
【０００６】また、摩擦攪拌接合の接合部の両側にバリ
が発生する。また、接合部の表面に半円状の文様が発生
し、これもバリとなりやすい。このため、接合部の表面
からの検査が困難である。また、接合部の表面は半円状
の凹みができ、この点も検査を困難にしている。
【０００７】このため、摩擦攪拌接合が終了した後、別
工程で、バリ等を切削し、そして検査することが考えら
れる。これによれば、時間がかかり、高価になる。
【０００８】本開発の第１の目的は、摩擦攪拌接合部に
おける非破壊検査作業を自動化することにある。
【０００９】本発明第２の目的は、接合部の検査を安価
にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記第１の目的は、回転
工具を接合すべき部材に対して相対的に移動させて摩擦
攪拌接合を行いつつ、接合した部分を切削しつつ、それ
よりも後方において非破壊検査を行うこと、によって達
成できる。
【００１１】上記第２の目的は、接合した部分を切削し
つつ、それよりも後方において非破壊検査を行うこと、
によって達成できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１〜図８に
よって説明する。図１、図２、図３、図４において、装
置は右側に走行する。
【００１３】架台２０の上面に接合すべき一対の部材３
０，３０を固定している。一対の部材の突き合わせ部を
摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合装置１００、非破壊検
査装置２００は架台２０を跨いで走行する走行体１１
０，２１０に設置している。装置１００，２００は走行
体の梁１０５，２０５に沿って走行できる。また、装置
１００，２００の回転工具、検査装置等は梁１０５，２
０５に対して昇降できる。摩擦攪拌接合の方向におい
て、前方（先頭）から摩擦攪拌接合装置１００、非破壊
検査装置２００が順次ある。
【００１４】部材３０，３０は板３１の端部に凸部３３
を有する押出し形材である。凸部３３は上方を向いてい
る。凸部３３を有する端部を突き合わせて、架台２０に
固定している。突き合わせた部分には隙間がないのが望
ましい。
【００１５】摩擦攪拌接合装置１００は、摩擦攪拌接合
の方向において、前方（先頭）から、押さえローラ１１
１、光学センサ１２０、空気噴出口１３０、遮蔽板１３
５、回転工具１４０、押さえローラ１１５等が順次あ
る。押さえローラ１１１，１１５は２つの凸部３３，３
３を押さえる。ローラ１１１，１１５は凸部を所定の力
で押さえるように弾性支持されている。
【００１６】光学センサ１２０は凸部３３，３３の幅の
位置、または突き合わせた部分の位置を検出し、突き合
わせた部分に回転工具１４０の軸心が一致するように、
回転工具１４０を誘導する。また、凸部３３の上面の位
置またはその近傍の板３１の上面の位置を検出し、突き
合わせた部分に対する回転工具１４０の挿入量を所定値
にする。
【００１７】回転工具１４０は大径部１４１と、その先
端（下端）の小径部１４２と、大径部１４１の下端の外
周に設置した複数の刃１４５と、からなる。大径部１４
１の径は２つの凸部を合わせた幅よりも小さい。刃１４
５による切削の最大径は２つの凸部３３，３３の幅より
も大きい。刃１４５はその下面が主とした切れ刃になっ
ている。小径部１４２は雄ねじである。大径部１４１と
小径部１４２との境の大径部１４１の面は大径部側に凹
んでいる。
【００１８】摩擦攪拌接合の際、回転工具１４０の軸心
は接合方向に対して傾斜している。小径部１４２の先端
側が大径部１４１側よりも先行する方向に傾斜してい
る。この状態において、大径部１４１の最も下端は板３
１の上面の延長線と凸部３３の頂との間にある。この大
径部１４１の最下端の位置が接合部の面の位置となる。
刃１４５の最も下端は板３１の上面と前記接合部の上面
との間にある。
【００１９】摩擦攪拌接合装置１００を動作させると、
突き合わせた部分は摩擦攪拌接合され、凸部３３，３３
の上面は凹部となる。大径部１４１の外周部と凸部３
３，３３との間から金属のバリが発生する。刃１４５は
刃１４５の下面よりも上方の凸部３３，３３を切削す
る。これによって刃１４５より上方の凸部３３，３３お
よびバリが除かれる。結果的に凸部３３，３３の上面は
円弧状の凹部に切削される。
【００２０】刃１４５による切削によって生じた切粉は
遮蔽板１３５および空気噴出口１３０からの空気流によ
って遮蔽し、光学センサ１２０、押さえローラ１１１側
に行かないようにしている。上方から見ると、遮蔽板１
３５はＬ状で、走行方向に沿った片を光学センサ１２０
の側面に固定している。回転工具１４０と光学センサ１
２０との間の片は走行方向に対して斜めになっている。
空気噴出口１３０からの空気は走行方向に沿った遮蔽板
１３５の片に向けて噴出され、斜めの片に沿って流出す
る。この片の下方から光学センサ１２０側に入った切粉
を横に吹き飛ばす。また、遮蔽板１３５の下方の隙間か
ら回転工具１４０側に空気が流出し、ここから入ろうと
する切粉を抑制する。
【００２１】非破壊検査装置２００は接合方向において
摩擦攪拌接合装置１００の後方にある。非破壊検査装置
２００は、摩擦攪拌接合の方向において、前方（先頭）
から、押さえローラ２１１、遮蔽板２１８、凸部の上面
に接する回転ブラシ２２０、切粉の吸引口２２５、光学
センサ２３０、媒質液の塗布口２４０、押さえローラ２
１５、非破壊検査用のローラ２５０、マーキング装置２
７０、媒質液の吸引口２８０等が順次ある。ローラ２１
１，２１５，２５０は凸部３３，３３を所定の力で押さ
えるように弾性支持されている。
【００２２】回転ブラシ２２０は刃１４５による切削に
よって生じた小さなバリを切削するもので、電動機で回
転させている。回転ブラシ２２０の回転軸心は垂直方向
にある。また、刃１４５による切削面には切削によって
半円状の文様ができるが、この文様もブラシ２２０でで
きるだけ除く。このようにバリ等を除いているので、検
査用ローラ２５０が転動した際に可撓性のゴムタイヤ２
６３の傷付きを防止できる。タイヤ２６３はシリコンゴ
ムで構成している。タイヤ２６３が転動する切削面は円
弧状に凹んでいるが、可撓性のタイヤ２６３を転動させ
るので、容易に検査できるものである。また、切削面の
バリを除いているので、可撓性のタイヤを用いることが
できるものである。
【００２３】光学センサ２３０は凸部３３，３３の幅の
位置を検出し、この幅の中心に装置２００を誘導する。
特に、検査用ローラ２５０を幅方向の位置を所定位置に
する。
【００２４】非破壊検査方法は超音波式であり、検査用
ローラ２５０は超音波式探傷子２５１を備えている。探
傷子２５１はローラ２５０の内部に設置している。装置
２００から吊り下げたフレーム２６０に回転自在に設置
した軸２６１に探傷子２５１を設置している。探傷子２
５１は振動子と受信部とからなり、下方に向けて設置し
ている。探傷子２５１はその重力によって常に下方に向
くようにしている。凸部３３，３３の上面に接するタイ
ヤ２６３はその両側のホイール２６５に固定されてい
る。タイヤ２６３の両側面を押え金２６６によってホイ
ール２６５に押さえて固定している。ホイール２６５は
軸受２６８を介して軸２６１に固定されている。タイヤ
２６３はシリコン製である。タイヤ２６３とホイール２
６５、２６５とからなる空間に探傷子２５１を配置し、
不凍液のエチレングリコールを若干注入している。２６
７はグリコールを注入する注入口である。
【００２５】探傷子２５１のリード線は軸２６１の内部
を通過して外部に取り出されている。図５において、探
傷子２５１は垂直方向に探傷する探傷子を用いるとよ
い。垂直型探傷子であれば、凸部３３，３３の上から探
傷でき、また、ローラ２５０の幅を小さくできる。斜角
探傷子の場合は幅が大きくなり、凸部３３，３３から探
傷するのが困難になりやすい。探傷子２５１の振動子は
タイヤ２６３を透過し易いように、また、部材３０，３
０がアルミであることから、周波数４〜５MHzの低周波
を用いる。尚、コンポジット振動子を用いることにより
感度を良くすることが可能である。
【００２６】摩擦攪拌接合の場合、欠陥位置は経験的に
予想できる。例えば、図８のように、欠陥Ｘの位置は接
合部の中心よりも幅方向の一方側にある。これは回転工
具１４０の回転方向によって決まる。回転工具１４０の
小径部１４２のねじが左ねじで、回転工具１４０を右回
転させている場合は左側に欠陥が発生しやすい。このた
め、探傷子２５１はこの欠陥の発生しやすい位置を検査
するようにすることができる。図８は接合部の断面を模
式的に説明するものである。ハッチングは攪拌領域を示
している。探傷子２５１は攪拌領域内の欠陥の予想領域
を検査する。
【００２７】媒質液供給装置２４０は検査用ローラ２５
０の転動面である凸部３３，３３の上面に媒質液を塗布
するものである。装置２４０は媒質液を凸部３３，３３
の上面（接合面）に向けて霧状に噴出する。媒質液は例
えば水である。刃１４５を有する回転工具１４０の軸心
は傾斜しているので、切削面は若干中央部が凹んでい
る。このため、検査用ローラ２５０が切削面を転動して
も、媒質液が板３１，３１に流れることが少ない。この
ため吸引装置２８０による媒質液の回収を容易に行うこ
とができる。
【００２８】マーキング装置２７０は摩擦攪拌接合部に
欠陥があった場合、その欠陥の位置に塗料を塗布する装
置である。検査用ローラ２５０によって得たデータを制
御装置で判断して欠陥の有無を決める。欠陥を検出した
ら、その欠陥位置から塗布を開始し、欠陥の終了位置ま
で連続して塗布する。塗料は、目視で確認しやすく、ア
ルミニウム合金に付着しやすく、速乾性があり、アルミ
ニウム合金に対して悪影響を与えないものとする。マー
キング装置２７０は、例えば、インクジェットプリンタ
ーである。塗布は一方の板３１に対して行う。マーキン
グ装置２７０は検査用ローラ２５０よりも後方に有るの
で、装置２００の移動量または移動時間を求め、欠陥位
置にマーキングできるようにする。
【００２９】媒質液の吸引用口２８０は凸部３３，３３
の上面およびその周囲の板３１，３１の媒質液を吸引す
る。吸引口の下端には柔らかいブラシが吊り下げてあ
る。吸引口２８０は吸引装置に接続している。
【００３０】摩擦攪拌接合装置１００が摩擦攪拌接合を
介して所定距離進むと、非破壊検査装置２００を摩擦攪
拌接合の開始位置から、装置１００の移動速度で追従さ
せる。装置２００のブラシは刃１４５で切削した切削面
のバリ等を除く。この切粉を吸引口２２５から吸引す
る。光学センサ２３０で検査用ローラ２５０を誘導す
る。供給口２４０から媒質液を切削面に供給し、検査用
ローラ２５０で接合部を検査する。欠陥を検出すると、
塗布装置２７０で板３１に連続線を印刷する。吸引口２
８０で媒質液を吸引する。
【００３１】このようにして、摩擦攪拌接合し、検査し
た後、マーキングした部分があれば、この摩擦攪拌接合
を行った場所、またはこの接合した部材を他の場所に移
して、補修作業を行う。
【００３２】先ず、マーキングした部分の接合部を上方
から、欠陥位置までまたは他面側まで切削する。次に、
切削した部分をＭＩＧまたはＴＩＧで溶接する。溶接は
実質的に凸部の頂と同一高さまで行う。
【００３３】車体の外面側や外観上または機能上平滑な
面が必要になる面であれば、凸部３３，３３（前記補修
部を含む。）を切削し、板３１，３１の面と実質的に同
一面にする。
【００３４】これによれば摩擦攪拌接合とともに接合部
の検査をすることができるものである。摩擦攪拌接合は
低温で行われるので、現状の材料を用いて、接合と検査
を実質的に同時にできるものである。
【００３５】非破壊検査装置２００の位置を説明する。
摩擦攪拌接合の場合は、接合部の金属を塑性流動させる
ことができればよいので、約４５０℃〜約５００℃の比
較的低温の加熱でよい。このため、常温の雰囲気中で摩
擦攪拌接合した場合は、速やかに温度が低下する。この
ため、接合部の近傍で検査装置を接合部に接触させて非
破壊検査ができる。例えば、厚さ約３ｍｍのアウミニウ
ム合金の板の突き合わせ部を摩擦攪拌接合する場合、接
合してから約１００秒（回転工具の移動速度：約０．６
ｍ／ｍｉｎ）経過すると、約７５℃に低下する。これは
接合部から約１.０ｍの位置である。この温度であれ
ば、非破壊検査装置２００を接合部に接触させて検査が
できる。
【００３６】欠陥部を表示する位置は板部ではなく、凸
部の上面にできる。この場合は、媒質液を回収する位置
よりも後方において、マーキングする。
【００３７】上記切削の前に欠陥の深さ位置を求める検
査を行うと、切削量を少なくできる。検査用ローラ２５
０による検査では欠陥位置の深さが不明確のためであ
る。欠陥位置を表示したマーキング部分の板３１の表面
に沿って、かつ、凸部３３に沿って探傷子を手で移動さ
せて深さを求める。この探傷子の側面を凸部３３に接触
させて移動させると、直線状に移動させることができ、
欠陥の検出が容易である。
【００３８】回転ブラシ２２０の回転軸心は水平方向に
し、切粉を後方側に飛ばすように設けることができる。
マーキング装置２７０は欠陥部を連続線で表示している
が、断続的に表示してもよい。また、欠陥の開始点と終
了点のマークの形状を異ならせて途中のマークを除くこ
とができる。また、媒質液の回収装置は、接合面を転動
するローラを設け、ローラの外周面に多孔質の部材を設
け、回転軸を吸引装置に接続する。また、溶接した部分
の検査は、低温になったが行えば同様にできる。
【００３９】本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の
各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手
段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容
易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、接合部を自動的の検査
でき、特に、摩擦攪拌接合を行うものにおいては摩擦攪
拌接合しつつ検査できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合および検査を行う装置
の斜視図である。
【図２】図１の接合装置の側面図である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】図１の検査装置の側面図である。
【図５】図１の検査用ローラの縦断面図である。
【図６】図５の中央縦断面図である。
【図７】図１の接合すべき部分の縦断面図である。
【図８】図１の接合部の検査時の縦断面図である。
【符号の説明】
３０ 部材 １００ 接合装置 １４０ 回転工具 １４５ 刃 ２００ 非破壊検査装置 ２２０ 回転ブラシ ２２５ 切粉の吸引口 ２３０ 光学センサ ２４０ 媒質液の供給口 ２５０ 検査用ローラ ２７０ マーキング装置 ２８０ 媒質液の吸引口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 剛 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者 小方 雅己 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 Ｆターム(参考） 2G047 AA06 AB07 AD03 AD11 2G055 AA05 AA08 AA12 BA07 CA02 FA08 4E067 AA05 BG00 DD02 EA08 EA09

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転工具を接合すべき部材に対して相対
    的に移動させて摩擦攪拌接合を行いつつ、接合した部分
    を切削しつつ、それよりも後方において非破壊検査を行
    うこと、を特徴とする非破壊検査方法。
  2. 【請求項２】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記非破壊検査によって欠陥を検出した際に、欠陥位置
    の近傍の前記部材にマーキングすること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  3. 【請求項３】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記切削した後、該切削面から切粉を除き、その後、前
    記非破壊検査を行うこと、 を特徴とする非破壊検査方法。
  4. 【請求項４】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記切削は、前記接合した部分およびその周辺を含めて
    外面側を実質的に平に切削し、次に、該切削面をブラシ
    で切削すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  5. 【請求項５】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記切削した面に媒質液を塗布しつつ、それよりも後方
    において、非破壊検査装置を前記塗布した面上を移動さ
    せて前記非破壊検査すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  6. 【請求項６】 請求項５の非破壊検査方法において、 前記非破壊検査をしつつ、それよりも後方において前記
    媒質液を吸引して回収すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  7. 【請求項７】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記非破壊検査は探傷子を内蔵したローラを前記切削し
    た面に沿って転動させることによって行うこと、 を特徴とする非破壊検査方法。
  8. 【請求項８】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記部材を実質的に平に置いた状態で摩擦攪拌接合しつ
    つ、 前記接合部に対して中央部が凹んだ状態に切削しつつ、 前記凹部に媒質液を塗布しつつ、 探傷子を内蔵したローラを前記媒質液を塗布した面に沿
    って転動させることによって前記非破壊検査を行うこ
    と、 を特徴とする非破壊検査方法。
  9. 【請求項９】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記非破壊検査は前記接合した部分の幅のうち、幅方向
    の所定の部分を検査すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  10. 【請求項１０】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記非破壊検査の後、前記マーキングした部分を非破壊
    検査し、欠陥の深さ位置を求め、 次に、前記マーキングした部分において、前記欠陥の深
    さ位置まで切削し、 次に、前記切削した部分を溶接すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１の非破壊検査方法において、 前記部材を実質的に平に置いた状態で、前記端部に上方
    に突出する凸部を有する一対の前記部材を突き合わせた
    状態で、前記凸部側から前記摩擦攪拌接合しつつ、 前記接合部に対して前記凸部の頂側を切削しつつ、 探傷子を内蔵したローラ転動させて前記非破壊検査を行
    い、 前記非破壊検査の後、前記マーキングした部分に対して
    探傷子を前記凸部に接触させた状態で移動させて非破壊
    検査し、欠陥の深さ位置を求め、 次に、前記マーキングした部分において、前記欠陥の深
    さ位置まで切削し、 次に、前記切削した部分を溶接すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  12. 【請求項１２】 接合した部分を切削しつつ、それより
    も後方において非破壊検査を行うこと、を特徴とする非
    破壊検査方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１２の非破壊検査方法におい
    て、 前記非破壊検査によって欠陥を検出した際に、欠陥位置
    の近傍の前記部材にマーキングすること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１２の非破壊検査方法におい
    て、 前記切削した後、該切削面から切粉を除き、その後、前
    記非破壊検査を行うこと、 を特徴とする非破壊検査方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１２の非破壊検査方法におい
    て、 前記切削は、前記接合した部分およびその周辺を含めて
    外面側を実質的に平に切削し、次に、該切削面をブラシ
    で切削すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１２の非破壊検査方法におい
    て、 前記切削した面に媒質液を塗布しつつ、それよりも後方
    において、非破壊検査装置を前記塗布した面上を移動さ
    せて前記非破壊検査すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６の非破壊検査方法におい
    て、 前記非破壊検査をしつつ、それよりも後方において前記
    媒質液を吸引して回収すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１２の非破壊検査方法におい
    て、 前記非破壊検査は探傷子を内蔵したローラを前記切削し
    た面に沿って転動させることによって行うこと、 を特徴とする非破壊検査方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１２の非破壊検査方法におい
    て、 接合すべき部材を実質的に平に置いた状態で接合しつ
    つ、 前記接合部に対して中央部が凹んだ状態に切削しつつ、 該切削面に媒質液を塗布しつつ、 探傷子を内蔵したローラを前記媒質液を塗布した面に沿
    って転動させることによって前記非破壊検査を行うこ
    と、 を特徴とする非破壊検査方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１２の非破壊検査方法におい
    て、 前記非破壊検査の後、前記マーキングした部分を非破壊
    検査し、欠陥の深さ位置を求め、 次に、前記マーキングした部分において、前記欠陥の深
    さ位置まで切削し、 次に、前記切削した部分を溶接すること、 を特徴とする非破壊検査方法。
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