JP2004114137A

JP2004114137A - 摩擦攪拌溶接装置

Info

Publication number: JP2004114137A
Application number: JP2002284515A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kinoshita; 木下　俊之; Hiroyuki Yamamura; 山村　洋之; Tadamichi Ibarao; 荊尾　忠道
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】ボビンが溶接対象である母材を挟む圧力を容易に調節できるＦＳＷ加工機を提供する。
【解決手段】本発明による摩擦攪拌溶接装置は，中心軸（１０）を中心として回転し，且つ，溶接対象（Ｗ，Ｗ’）の表側の面に接触するための第１ボビン（１１）と，溶接対象（Ｗ，Ｗ’）の裏側の面に接触するための第２ボビン（１２）と，中心軸（１０）を中心として前記第１ボビン（１１）と同体に回転し，第１ボビン（１１）と溶接対象（Ｗ，Ｗ’）とを貫通して前記第２ボビン（１２）に接合され，且つ，第１ボビン（１１）に対して中心軸（１０）に平行な方向に移動可能に設けられたプローブ（１３）と，プローブ（１３）に第１ボビン（１１）と第２ボビン（１２）とが近づく方向に力を印加することにより，第１ボビン（１１）と第２ボビン（１２）とで溶接対象（Ｗ，Ｗ’）を挟みつける挟みつけ機構（１６，１９）とを備えている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，摩擦攪拌接合加工機に関する。本発明は，特に，溶接対象をボビンによって挟み込んで摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｓｔｉｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ）を行う摩擦攪拌接合加工機（ＦＳＷ加工機）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）は，１９９１年に英国のＴＷＩ（Ｔｈｅ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）により発明された比較的新しい溶接方法である。ＦＳＷは，溶接対象である母材よりも硬いプローブを溶接部分に挿入し，該プローブを回転することによって発生する摩擦熱によって母材の組織内部を流動し攪拌して一体化する。ＦＳＷは，溶接時の熱影響による強度低下が非常に少なく，母材の熱歪みが非常に小さいという特長を有しており，アルミ母材の溶接に実用化されている。
【０００３】
特許文献１に開示されているように，ＦＳＷ加工機のプローブの上下には，母材を挟み込むボビンが取りつけられることがある。ボビンによって母在を挟み込むＦＳＷ加工機は，母材を構成する材料が溶融して流れ出して失われることを防止できる点で好適である。
【特許文献１】
米国特許公報５，４６０，３１７号公報
【０００４】
母材の溶接される溶接部分の状態を良好にするためには，ボビンが母材を挟む圧力を，母材を構成する材料に応じて調節する必要がある。ボビンが母材を挟む圧力を容易に調節できるＦＳＷ加工機の提供が望まれる。母材が溶接される溶接部分の状態を良好にするためには，更に，ボビンが母材を挟む圧力を，好適な圧力に一定に保つ必要がある。ボビンが母材を挟む圧力を一定に保持可能なＦＳＷ加工機の提供が望まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は，ボビンが溶接対象である母材を挟む圧力を容易に調節できるＦＳＷ加工機を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は，ボビンが溶接対象である母材を挟む圧力を一定に保持可能なＦＳＷ加工機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下に，［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて，課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は，［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し，付加された番号・符号は，［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００８】
本発明による摩擦攪拌溶接装置は，中心軸（１０）を中心として回転し，且つ，溶接対象（Ｗ，Ｗ’）の表側の面に接触するための第１ボビン（１１）と，溶接対象（Ｗ，Ｗ’）の裏側の面に接触するための第２ボビン（１２）と，中心軸（１０）を中心として前記第１ボビン（１１）と同体に回転し，第１ボビン（１１）と溶接対象（Ｗ，Ｗ’）とを貫通して前記第２ボビン（１２）に接合され，且つ，第１ボビン（１１）に対して中心軸（１０）に平行な方向に移動可能に設けられたプローブ（１３）と，プローブ（１３）に第１ボビン（１１）と第２ボビン（１２）とが近づく方向に力を印加することにより，第１ボビン（１１）と第２ボビン（１２）とで溶接対象（Ｗ，Ｗ’）を挟みつける挟みつけ機構（１６，１９）とを備えている。
【０００９】
挟みつけ機構（１６，１９）は，プローブ（１３）に接続される油圧シリンダ（１６）と，油圧シリンダ（１６）に作動油を供給し，又は前記作動油を油圧シリンダ（１６）から排出することによってプローブ（１３）に前記力を作用させる油圧回路（１９）とを含んで構成されることが好適である。
【００１０】
当該摩擦攪拌溶接装置が，更に，前記作動油の圧力を検出する圧力検出器を備え，且つ，油圧回路（１９）が，前記圧力に応答して前記作動油を前記油圧シリンダ（１６）に供給し，又は前記作動油を油圧シリンダ（１６）から排出することは，第１ボビン（１１）と第２ボビン（１２）が溶接対象（Ｗ，Ｗ’）を挟む圧力がより一定に保持される点で好適である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明によるＦＳＷ加工機の実施の一形態では，図２に示されているように，溶接される母材を載せるテーブル１が，ガントリ２とともに設けられている。テーブル１は，Ｘ軸方向に移動可能である。ガントリ２には，Ｚ軸方向に移動可能な移動台３が設けられている。移動台３には，Ｙ軸方向に移動可能な移動台４が設けられている。移動台４の下端には，水平面内に定められたＣ軸方向に回転可能な回転台５が設けられている。回転台５の下端には，鉛直面内に定められたＢ軸方向に回動可能な回転台６が設けられている。回転台６には，ＦＳＷ工具７が設けられている。移動台４には，ＦＳＷ工具７に回転動力を供給するモータ（図示されない）が設けられている。移動台４，回転台５及び回転台６には，該モータから回転動力をＦＳＷ工具７に伝達するための動力伝達機構が設けられている。この動力伝達機構の詳細は後述される。回転台６は，更に，ＦＳＷ工具７に油圧を供給するための油圧配管８に接続されている。
【００１２】
図１に示されているように，ＦＳＷ工具７は，第１ボビン１１と第２ボビン１２とプローブ１３とを含む。第１ボビン１１は，中心軸１０を中心にして主軸４ａと同軸に回転する。第１ボビン１１への回転動力の供給は，移動台４，回転台５，及び回転台６に設けられる動力伝達機構によって行われる。該動力伝達機構は，移動台４に設けられた主軸４ａと，回転台５に設けられたロッド５ａ及びギア５ｂと，回転台５と回転台６との間に介設されたギア９と，回転台６に設けられたギア６ａとを含む。移動台４に設けられた既述のモータは，中心軸１０を中心として主軸４ａを回転する。主軸４ａは，ロッド５ａに接合されている。ロッド５ａは，主軸４ａと同軸に回転可能に支持されている。ロッド５ａの下端には歯車が形成され，該歯車によってギア５ｂに噛み合っている。回転台５に設けられたギア５ｂは，ギア９を介して，回転台６に設けられたギア６ａに連結されている。ギア６ａの中心軸は，回転台６がＢ軸方向に回動する中心軸と一致している。ギア６ａは，第１ボビン１１に設けられた歯車に噛み合っている。上述のモータによって主軸４ａに発生された回転動力は，ロッド５ａ，ギア５ｂ，ギア９，及びギア６ａを介して第１ボビン１１に伝達され，第１ボビン１１は，該回転動力によって回転される。
【００１３】
第２ボビン１２，及びプローブ１３は，第１ボビン１１に供給される回転動力によって，第１ボビン１１と同体に回転される。第１ボビン１１には，概ね円筒形の空洞が設けられ，該空洞には，回転ロッド１４が挿入されている。第１ボビン１１の空洞の側壁には，ガイドブッシュ１５が設けられている。ガイドブッシュ１５は，回転ロッド１４が中心軸１０に平行な方向に移動可能であるように，且つ，第１ボビン１１の回転と同体に回転するように，回転ロッド１４を保持する。回転ロッド１４の下端は，プローブ１３に固定的に接合されている。プローブ１３は，その先端に第２ボビン１２が接合されている。第２ボビン１２と，プローブ１３とは，回転ロッド１４と同体に回転し，したがって，第１ボビン１１と同体に回転することになる。第２ボビン１２は，プローブ１３から着脱可能である。
【００１４】
回転ロッド１４は，油圧シリンダ１６に接続されている。油圧シリンダ１６は，回転ロッド１４に，第１ボビン１１から引き抜かれる方向（矢印１４ａの方向）に力を作用する。回転ロッド１４に矢印１４ａの方向に力が作用されると，プローブ１３を介して回転ロッド１４に接合されている第２ボビン１２は，第１ボビン１１の方向に引き付けられ，溶接される母材Ｗ，Ｗ’は，第１ボビン１１と第２ボビン１２との間に挟まれる。
【００１５】
油圧シリンダ１６は，回転ロッド１４に固定的に接合されるピストン１７と，ピストン１７が挿入されたシリンダ本体１８とを含む。ピストン１７は，シリンダ本体１８の内面を自在に摺動可能である。シリンダ本体１８は，油圧配管８を介して，油圧回路１９に接続されている。
【００１６】
油圧回路１９は，油圧シリンダ１６に作動油を供給し，又は，該作動油を油圧シリンダ１６から排出することにより，油圧シリンダ１６に動力を供給する。油圧回路１９は，油圧配管８に接続されたアキュムレータ２０と減圧弁２１とを含む。アキュムレータ２０は，作動油をその内部に蓄積して，油圧シリンダ１６の内部の作動油の圧力の急変を防止する。減圧弁２１は，その２次側が油圧配管８に接続され，油圧配管８及び油圧シリンダ１６の内部の作動油の圧力を概ね一定に保つ。減圧弁２１の一次側は，図示されない油圧ポンプに接続されている。該油圧ポンプにより，油圧シリンダ１６に供給される動力が発生される。
【００１７】
上述のＦＳＷ加工機による母材Ｗと母材Ｗ’の溶接は，下記の工程によって行われる。まず，第２ボビン１２を外した状態で，プローブ１３が母材Ｗと母材Ｗ’との間に挿入される。プローブ１３の挿入の後，第２ボビン１２がプローブ１３の先端に装着されて固定される。
【００１８】
この状態で，第１ボビン１１と第２ボビン１２とプローブ１３とが，回転しながら溶接線に沿って移動される。第１ボビン１１と第２ボビン１２とプローブ１３とが回転されることによって摩擦熱が発生し，この摩擦熱によって母材Ｗ及び母材Ｗ’を構成する材料が流動し，これにより，母材Ｗと母材Ｗ’とが接合される。
【００１９】
母材Ｗと母材Ｗ’との接合の間，油圧シリンダ１６によってプローブ１３に矢印１４ａの方向に力が作用される。これにより，母材Ｗ及び母材Ｗ’とは，第１ボビン１１と第２ボビン１２とによって挟まれる。
【００２０】
第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力は，油圧シリンダ１６の作動油の圧力を調整することにより容易に調節可能である。母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力の調節の容易性は，プローブ１３に力を作用する機構（即ち，油圧シリンダ１６及び油圧回路１９）と，第１ボビン１１とが別体に設けられていることに起因している。溶接の際に回転される第１ボビン１１と同体に設けられた機構によって母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力を発生する構成は，溶接が行われている間に母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力を調整することを困難にする。本実施のＦＳＷ加工機は，第２ボビン１２に接合されたプローブ１３が，第１ボビン１１と相対的に移動可能であり，且つ，プローブ１３に力を作用する機構（即ち，油圧シリンダ１６）が設けられた構成を有しており，溶接が行われている間にも，第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力の調整が可能である。
【００２１】
更に，本実施のＦＳＷ加工機では，油圧シリンダ１６と油圧回路１９により，第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力が一定に保持される。上述のように，油圧シリンダ１６の内部に存在する作動油の圧力は，減圧弁２１によって概ね一定に保たれる。油圧シリンダ１６の内部の作動油の圧力が一定にされることにより，プローブ１３に矢印１４ａの方向に作用される力も一定にされ，第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力も一定に保持される。
【００２２】
第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力をより一定に保つためには，油圧シリンダ１６の内部にある作動油の圧力を検知する圧力検知器（図示されない）が油圧配管８に設けられ，且つ，該作動油の圧力に応答して減圧弁２１の開度を調節する制御装置（図示されない）が設けられることが好適である。このような構成により，油圧回路１９は，作動油の圧力に応答して作動油を油圧シリンダ１６に供給し，又は前記作動油を油圧シリンダ１６から排出し，第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力が，より一定に保たれる。
【００２３】
以上に説明されているように，本実施の形態のＦＳＷ加工機は，第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力を容易に調節可能である。更に，本実施の形態のＦＳＷ加工機は，第１ボビン１１と第２ボビン１２とが母材Ｗ及び母材Ｗ’を挟む圧力が一定に保持される。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により，ボビンが溶接対象である母材を挟む圧力を容易に調節できるＦＳＷ加工機が提供される。
【００２５】
また，本発明により，ボビンが溶接対象である母材を挟む圧力を一定に保持可能なＦＳＷ加工機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は，本発明による摩擦攪拌溶接加工機の実施の一形態を示す。
【図２】図２は，本発明による摩擦攪拌溶接加工機の実施の一形態を示す。
【符号の説明】
１：テーブル
２：ガントリ
３，４：移動台
５，６：回転台
５ａ：ロッド
５ｂ，５ｃ：ギア
６ａ：ギア
７：ＦＳＷ工具
８：油圧配管
９：ギア
１０：中心軸
１１：第１ボビン
１２：第２ボビン
１３：プローブ
１４：回転ロッド
１５：ガイドブッシュ
１６：油圧シリンダ
１７：ピストン
１８：シリンダ本体
１９：油圧回路
２０：アキュムレータ
２１：減圧弁

Claims

中心軸を中心として回転し，且つ，溶接対象の表側の面に接触するための第１ボビンと，
前記溶接対象の裏側の面に接触するための第２ボビンと，
前記中心軸を中心として前記第１ボビンと同体に回転し，前記第１ボビンと前記溶接対象とを貫通して前記第２ボビンに接合され，且つ，前記第１ボビンに対して前記中心軸に平行な方向に移動可能に設けられたプローブと，
前記プローブに前記第１ボビンと前記第２ボビンとが近づく方向に力を印加することにより，前記第１ボビンと前記第２ボビンとで前記溶接対象を挟みつける挟みつけ機構
とを備えた
摩擦攪拌溶接装置。
請求項１に記載の摩擦攪拌溶接装置において，
前記挟みつけ機構は，
前記プローブに接続される油圧シリンダと，
前記油圧シリンダに作動油を供給し，又は前記作動油を前記油圧シリンダから排出することによって前記プローブに前記力を作用させる油圧回路
とを含む
摩擦攪拌溶接装置。
請求項２に記載の摩擦攪拌溶接装置において，
更に，
前記作動油の圧力を検出する圧力検出器を備え，
前記油圧回路は，前記圧力に応答して前記作動油を前記油圧シリンダに供給し，又は前記作動油を前記油圧シリンダから排出する
摩擦攪拌溶接装置。