JP2004050234A - 摩擦攪拌接合用回転工具の制御方法とその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブローブ型ボビン型のいずれの工具の場合でも摩擦撹拌接合工具が破損することなく良好な接合面を維持して工具の接合能力を最大限発揮して接合時間が無用に長くなるという課題を解消すること。
【解決手段】良好な接合表面を維持できる最大移動速度を前もって求め、それに対応する反力を基準値として設定し、運転時に測定した反力が基準値に近づくように移動速度を制御して接合動作を行うことを要旨とし、接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（反力）を検知する手段と、該測定反力と基準値とを比較する手段と、該比較値に基づいて工具の移動速度（接合速度）を演算する手段と、該演算手段により反力に対応した工具移動速度に設定する手段からなるように構成される。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合における回転工具速度制御方法とその装置に係り、特に摩擦撹拌接合中における回転工具が受ける反力に対応して工具速度を調整可能にした摩擦攪拌制御方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特表平７−５０５０９０号公報には、摩擦攪拌による固相接合方法として長尺材同士の新規な接合方法が開示されており、かかる接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転ツ−ルを加工物の接合部に挿入し、回転ツ−ルを回転させながら移動することにより、回転ツ−ルと加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する接合方法で、かかる摩擦接合法は、接合部材を固相状態で、回転ツ−ルを回転させながら移動させつつ軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく接合方向に対して実質的に無限に長い長尺材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転ツ−ルと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。接合部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。
【０００３】
次に摩擦撹拌接合に使用される回転工具について説明する。摩擦撹拌接合は特表平７−５０５０９０号に開示されているように、ブローブ型とボビンツール型の回転工具が存在し、プローブ型工具２０は図４（Ａ）に示すように、ショルダ部２１とこのショルダ部２１に備えられたプローブ２２とを備えており、このショルダ部２１は円形ショルダ面を有している。そして、複数の型材を突き合わせ、若しくは嵌合された状態の接合線表面より、前記回転工具２０を回転させて、プローブ２１を被加工物の接合線に設けた不図示の孔に侵入させるとともに、複数の型材の接合線上で摺接回転する円形ショルダ面２１ａによって被加工物に摩擦熱が付与されるとともに、プローブ２２周囲が塑性流動化し、この状態で回転工具２０を接合線に沿って移動させることにより、接合線周囲が塑性流動化しつつ接合線に沿って２つの素材が圧力を受けながら撹拌混練され、プローブの後方側に移行する。この結果塑性流動した素材は後方側で摩擦熱を失って急速に冷却固化するので両パネル板は素材同士が混じり合って完全に一体化した状態で接合される。
【０００４】
しかしながらかかる接合方法では接合時に摩擦熱を発生させるために、回転工具２０を接合線側に押しつける必要があり、従ってこの反力に対処するために、裏当金が使用されている。この裏当金は被加工物の面板の裏面に密着させて設置するものであり、高い剛性を必要とする。
【０００５】
従ってこのような摩擦攪拌接合では、前記回転工具を支持する機械主軸に大きな負荷が、また、接合中に前記工具の特にプローブ（ピン）大きな負荷がかかり、破損する場合がある。
接合中に工具が破損すると、作業者が駆動モーターの音の変化などを感知して速やかに運転を停止するが、それでもそれまでの間に工具は前進するので、接合不良部分がある程度の長さになることは避けられず、摩擦撹拌接合作業を自動化し、摩擦撹拌接合機複数台を一人の作業員で監視する場合などは、かかる不具合が一層顕著になり、特にピンが破損して後に工具Ｔが前進した部分は再度接合する必要があるが、この接合不良部分を補修するのに多大の工数がかかる。
【０００６】
かかる欠点を解消するために、特開２００１−３４０９７７において、摩擦撹拌接合工具の回転駆動モータの電流値を基準値と比較し、電流値が基準値の８０％以下になったときに、運転を停止（回転駆動モータ及び前進駆動モータの停止、または接合工具の引上げ、あるいは前進動作の停止など）することであり、他の解決手段は、摩擦撹拌接合工具の前進駆動モータの電流値を基準値と比較し、電流値が基準値の８０％以下になったときに、運転を停止（前進駆動モータ及び前進駆動モータを停止）する技術を提案している。
【０００７】
しかしながらかかる技術は、ピンが破損した場合の早期発見を促すものであり、ピンが破損しないようにした工夫ではない。
このため実際の摩擦攪拌接合では、摩擦撹拌接合工具は接合する板厚によってそのサイズが適宜選択され、当該工具の大きさによって回転駆動モータにかかる負荷はほぼ一定になるように、主軸回転数と送り速度が一定にして駆動制御しているが、実際の接合では材料の硬度や厚みのばらつきを考慮して最も負荷のかかる状況を想定して送り速度を低く設定している。
このため前記摩擦攪拌接合では、工具の接合能力に比較して接合時間が無用に長くなるという問題があった。
特に摩擦撹拌接合が用いられている鉄道車両の床板、側板などに使用されるアルミ型材等の接合継手の長さは２５ｍ前後ときわめて長く、このためこれらの摩擦接合技術では、工具の接合能力に対応させて接合時間を、工具が破損しない範囲で如何に短くするかは極めて重要な問題である。
【０００８】
さて近年ブローブ型回転工具の欠点を解消するために、図４（Ｂ）に示すように、ボビンツール１０と呼ばれる回転工具が提案されている。
かかる工具は接合する金属板の表裏両面を挟持するように一定間隔を設けた一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂが設けられているとともに、該上下一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間にプローブ１１が設けられているので、接合面の両面において摩擦発熱させることが出来、裏面側の接合不良が生じないのみならず、上下一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間で互いの反力を受けているために、前記した裏当金や、支柱が不要になる。
しかしながら、かかる従来技術においてもブローブ１１により上下一対のショルダ１０Ａ、１０Ｂ間隔が固定されているために、被接合部材の変形や肉厚の変動があると、これを吸収することができず、円滑な摩擦攪拌接合ができない。特に、接合過程（製造過程）において、接合部に生じるギャップ（隙間）が異なることを考慮すると、ギャップに変動があると、搬送速度が一定でもギャップや接合部の厚さの変動により負荷の変動も生じやすく、やはり、最大負荷より低い送り速度に設定しなければならない。
【０００９】
【解決しようとする課題】
本発明は、かかる課題に鑑み、ブローブ型、ボビン型のいずれの工具の場合でも摩擦撹拌接合工具が破損することなく良好な接合面を維持して工具の接合能力を最大限発揮して接合時間が無用に長くなるという課題を解消することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、接合部位内に侵入される小径部と接合面に圧接される大径部を具えた摩擦攪拌接合用回転工具の速度制御方法において、
接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（反力）を検知測定し、該測定反力と基準値とを比較し、該基準値に基づいて工具の移動速度（接合速度）を可変として接合速度を制御することを特徴とする。
【００１１】
本発明の着目は、摩擦攪拌接合の場合に、接合面より受ける回転工具の反力と工具の移動速度が比例関係にあり、工具の移動速度が速くなればなるほど、それだけ工具の破損の確率が高くなったり、接合表面に凹凸が出来る確率が高くなることに着目したものである。
従って本発明は、良好な接合表面を維持できる最大移動速度を前もって求め、それに対応する反力を基準値として設定し、運転時に測定した反力が基準値に近づくように移動速度を制御して接合動作を行うことを要旨とする。
【００１２】
かかる発明によれば、接合側の母材の厚みや硬度に変動が生じ、これに対応してブローブ型ボビン型のいずれの工具の場合でもその押圧力に対応する反力に変動が生じても、これに対応して工具移動速度を増速若しくは減速させることができるために、回転工具が破損することなく該工具の接合能力に常に近い速度で接合できるために、接合時間が無用に長くなるという問題を解消できる。
【００１３】
かかる発明を好適に実施する装置として、接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（反力）を検知する手段と、該測定反力と基準値とを比較する手段と、該比較値に基づいて工具の移動速度（接合速度）を演算する手段と、該演算手段により反力に対応した工具移動速度に設定する手段からなるように構成される。
【００１４】
この場合に前記基準値は例えば負荷最大値の９０％等のように一定値に設定する必要がなく、請求項２に記載のように、例えば９０〜９８％のようにレベルゾーンに設定してもよい。即ち前記基準値をレベルゾーンとして認識し、接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（反力）を検知測定し、該測定反力と基準レベルゾーンとを比較し、該測定反力が基準レベルゾーン下限値以下の場合に工具の移動速度を上げ、該測定反力が基準レベルゾーン上限値以上の場合に工具の移動速度をさげ、該測定反力が基準レベルゾーン以内にある場合にその工具の移動速度を維持するように構成することも本発明の一つである。
【００１５】
このようにゾーン制御することにより、頻繁に工具速度を変えることなく、安定かつ高品質な摩擦攪拌接合が可能となる。
【００１６】
このような発明の好適な装置としては、接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（反力）を検知する手段と、該検知反力と基準レベルゾーンとを比較する手段と、該検知反力が基準レベルゾーン下限値以下の場合に工具の移動速度を上げ、該検知反力が基準レベルゾーン上限値以上の場合に工具の移動速度をさげ、該検知反力が基準レベルゾーン以内にある場合にその工具の移動速度を維持する工具移動速度設定手段からなるように構成できる。
【００１７】
また、前記いずれの発明も、良好な接合表面を維持できる最大移動速度を前もって求め、それに対応する反力を基準値若しくはレベルゾーン（以下基準値という）として設定し、運転時に逐次測定した反力が基準値に近づくように工具移動速度を制御して接合動作を行うのがよい。
【００１８】
尚、前記回転工具は、ブローブ型工具でもボビンツール型工具のいずれの工具を用いてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１は本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置の制御構成を示す概略図である。
図中１は接合されるワークで、例えばシングルスキンパネル同士を突き合わせて接合する構成をとっている。
また回転工具２０は円筒ショルダー２１中心軸にピン２２が突設するブローブ型回転工具を用い、該工具２０をチャックする主軸２との間にロードセルやひずみセンサ等の反力検知センサ３を介装している。又４は、反力検知センサ３よりの信号を受けて工具反力をデジタル変換して測定するための測定器である。ここで工具反力とは前記接合動作時における工具の移動の際に受ける反作用力で、接合時における工具２０の移動速度に対応して変化するものである。
【００２１】
５は基準データ格納データベースで、該データベースには接合すべきアルミ板の種類および厚みに対応選択すべき接合工具の種類がマップ上にメモりされており、該メモリには接合工具のピン１の直径、基準回転速度、基準前進速度および、摩擦撹拌接合する回転駆動モータの規格電流値が記憶されている。
尚、反力基準値は規格電圧±１０％の範囲内で、モータ焼損やピン破損が生じない最大反力値を予め実験で求めて設定している。
【００２２】
例えば母材の材質がＡ６Ｎ０１―Ｔ５のアルミ合金の板厚ｔ＝４ｍｍのものを突き合わせ接合にて接合する際に、
円筒ショルダー直径：１４ｍｍ、ピン直径：６ｍｍ、ピン長さ：３．７ｍｍの回転工具を用いて工具回転数：４００ｒｐｍ一定で工具反力／接合速度／接合状態を調べてみた。
その結果、
▲１▼　接合速度２５０ｍｍ／ｍｉｎの工具反力８００ｋｇｆであった場合は、接合状態が良であった。
▲２▼　接合速度３５０ｍｍ／ｍｉｎに上げて工具反力が９００ｋｇｆに上昇しても接合状態が良であった。
▲３▼　次に接合速度４５０ｍｍ／ｍｉｎに更に上げて工具反力が１１００ｋｇｆに上昇した場合は、接合部表面に凹凸が生じて接合状態は不良であった。
かかる実験より工具反力の基準値を９００ｋｇｆにしておけば、良好な接合が得られる最大速度で接合できる。
【００２３】
６は演算処理装置で、後述する図２のフローに基づく演算処理を行う。
７は、演算処理装置６で演算された接合速度に基づいて工具を移動させながら接合動作を行うＮＣ装置である。
【００２４】
かかる装置構成におけるフロー動作を図２に基づいて説明する。
まず、母材、工具に合った基準値を、基準データ格納データベース５より基準値を読出した後（Ｓ０）、接合速度を基準最高接合速度よりわずかに低い３００ｍｍ／ｍｉｎ程度で接合を行って検知センサ３よりの信号を取り込み（Ｓ１）、測定器４で測定した反力と前記基準値との比較を行う。（Ｓ２）
そして測定値が基準値の９００ｋｇｆより低ければ、接合速度を上げる。（Ｓ３）
又測定値が基準値の９００ｋｇｆより高ければ、接合速度を下げる。（Ｓ４）
そして前記動作を繰り返して（Ｓ５）工具反力が前記基準値にほぼ一致するように接合速度（工具移動速度）を制御して摩擦攪拌接合を行う。
これにより回転工具２０が破損することなく該工具の接合能力に常に近い速度で接合できるために、接合時間の短縮につながる。
【００２５】
尚、図３は基準値をレベルゾーン化した図２に対応するフロー図の実施例で、基準値を（８６０〜９００ｋｇｆ）の範囲でレベルゾーン化しておいて、ゾーン制御することにより、頻繁に工具速度を変えることなく、安定かつ高品質な摩擦攪拌接合が可能となる。
即ち、まず、基準データ格納データベース５より基準レベルゾーンを読出した後（Ｓ９）、接合速度を基準最高接合速度よりわずかに低い３００ｍｍ／ｍｉｎ程度で接合を行って検知センサ３よりの信号を取り込み（Ｓ１０）、測定器で測定した反力と基準値データに格納した基準レベルゾーン（８６０〜９００ｋｇｆ）値との比較を行う。（Ｓ１１）
そして測定値が基準レベルゾーン（８６０〜９００ｋｇｆ）内に入っていれば、その接合速度を維持する（Ｓ１２）
基準レベルゾーン（８６０〜９００ｋｇｆ）の下限値以下の場合に工具の移動速度を上げる。（Ｓ１３）
又測定値が基準レベルゾーン上限値以上の場合に工具の移動速度を下げる。（Ｓ１４）
そして前記動作を繰り返して（Ｓ１５）工具反力が前記基準レベルゾーンに入るように接合速度（工具移動速度）を制御して摩擦攪拌接合を行う。
【００２６】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、ブローブ型、ボビン型のいずれの工具の場合でも摩擦撹拌接合工具が破損することなく良好な接合面を維持して工具の接合能力を最大限発揮して接合時間が無用に長くなるという課題を解消出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる摩擦接合装置の制御構成を示す概略図である。
【図２】図１の制御動作を示すフロー図である。
【図３】基準値をレベルゾーン化した図２に対応するフロー図である。
【図４】従来技術に係る摩擦撹拌接合のプローブツールとボビンツールの基本構成図である。
【符号の説明】
３　　反力検知センサ
４　　測定器
５　　基準データ格納データベース
６　　演算処理装置
７　　ＮＣ装置
１０　ボビンツール
２０　プローブ型回転工具

Claims (6)

1. 接合部位内に侵入される小径部と接合面に圧接される大径部を具えた摩擦攪拌接合用回転工具の速度制御方法において、
   接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（以下反力という）を検知測定し、該測定反力と基準値とを比較し、該基準値に基づいて工具の移動速度（接合速度）を可変として接合速度を制御することを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具の制御方法。
2. 請求項１記載の工具の速度制御方法において、
   接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力を検知測定し、該測定反力と基準レベルゾーンとを比較し、該測定反力が基準レベルゾーン下限値以下の場合に工具の移動速度を上げ、該測定反力が基準レベルゾーン上限値以上の場合に工具の移動速度をさげ、該測定反力が基準レベルゾーン以内にある場合にその工具の移動速度を維持することを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具の制御方法。
3. 請求項１記載の工具の速度制御方法において、
   良好な接合表面を維持できる最大移動速度を前もって求め、それに対応する反力を基準値若しくはレベルゾーン（以下基準値という）として設定し、運転時に逐次測定した反力が基準値に近づくように工具移動速度を制御して接合動作を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具の制御方法。
4. 接合部位内に侵入される小径部と接合面に圧接される大径部を具えた摩擦攪拌接合用回転工具の制御装置において、
   接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（反力）を検知する手段と、該測定反力と基準値とを比較する手段と、該比較値に基づいて工具の移動速度（接合速度）を演算する手段と、該演算手段により反力に対応した工具移動速度に設定する手段からなることを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具の制御装置。
5. 請求項４記載の工具の速度制御装置において、
   接合動作時における工具の移動の際に受ける工具の反作用力（反力）を検知する手段と、該検知反力と基準レベルゾーンとを比較する手段と、該検知反力が基準レベルゾーン下限値以下の場合に工具の移動速度を上げ、該検知反力が基準レベルゾーン上限値以上の場合に工具の移動速度をさげ、該検知反力が基準レベルゾーン以内にある場合にその工具の移動速度を維持する工具移動速度設定手段からなることを特徴とする摩擦攪拌接合用回転工具の速度制御装置。
6. 前記基準値（レベルゾーンも含む）が、良好な接合表面を維持できる最大移動速度を前もって求め、それに対応する反力を基準値として設定された請求項４若しくは５記載の摩擦攪拌接合用回転工具の制御装置。

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