JP2006015351A - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦撹拌接合用装置の小型化及び軽量化を図る。
【解決手段】摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４に連結された摩擦撹拌接合装置１０のロッド２０は、変位回転モータ１６の作用下にねじ用ナット７２が回転動作することに追従して回転動作する。この回転動作に伴い、該ロッド２０がねじ７３に案内されながら下降動作する。最終的に、プローブ４４が回転動作しながら下降して積層部３４に埋没する。これにより、積層部３４の摩擦撹拌接合が実施される。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数個の部材が積層されて形成された積層部を接合するための摩擦撹拌接合装置に関する。

部材同士を積層させ、その積層部を接合する方法としては、スポット溶接が一般的であるが、近年、摩擦撹拌接合によって接合することが提案されている。そのように一部分を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものが挙げられる。

図５に概略を示すこの種の摩擦撹拌接合装置１は、摩擦撹拌接合用工具２を回転動作させる回転動作用モータ（図示せず）と、該摩擦撹拌接合用工具２を図５における上下方向に直進的に変位させる変位モータ（図示せず）とを有する。なお、回転動作用モータはケーシング３内に収容されており、変位モータはサブケーシング４内に収容されている。すなわち、摩擦撹拌接合装置１においては、摩擦撹拌接合用工具２及び回転動作用モータが同一軸線上に配置されている。

この摩擦撹拌接合装置１で摩擦撹拌接合を行うに際しては、下方に配置された受部５に積層部６を載置し、回転動作する摩擦撹拌接合用工具２を前記変位モータの作用下に積層部６に指向して下降動作させ、最終的に該摩擦撹拌接合用工具のプローブを積層部６に埋没させる。この埋没に伴って、積層部６の肉が撹拌される。換言すれば、肉が塑性流動される。

特許第３４２９４７５号公報

上記したように、特許文献１に記載された技術では、摩擦撹拌接合用工具２を、回転動作用モータで回転動作させた後、変位モータで積層部６に埋没させることによって摩擦撹拌接合を行うようにしている。この場合、回転作動用モータと変位モータの２個のモータが必要となるので、装置全体が大型化してしまう。このため、湾曲部や屈曲部を有する部材等、形状が複雑なワークを摩擦撹拌接合しようとする場合、装置がワークに干渉する確率が高くなる。このような事態が生じると、ワークを摩擦撹拌接合用工具の直下に配置することが困難となり、結局、摩擦撹拌接合自体が困難となる。

また、このように構成された装置を、例えば、多関節ロボットに把持させて使用する場合、該装置の重量が大きいので、多関節ロボットの把持手段に加わる負荷が大きくなってしまう。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、装置が大型化することを回避することができ、しかも、多関節ロボットの把持手段への負荷も小さい摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
前記積層部を支持するためのアーム部材と、
前記積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合用工具と、
前記摩擦撹拌接合用工具を前記積層部に対して離間又は接近する方向に変位させるとともに、回転動作させる変位回転手段と、
前記変位回転手段を囲繞して前記アーム部材の一端部に連結されたケーシングと、
前記変位回転手段と前記摩擦撹拌接合用工具とを連結するロッドと、
前記アーム部材の他端部に配設されて前記積層部を載置する載置部材と、
を有することを特徴とする。

本発明においては、摩擦撹拌接合用工具を変位させる変位手段が、該摩擦撹拌接合用工具を回転動作させる回転手段を兼ね、変位回転手段として構成されている。このため、装置構成を簡素化することができ、結局、摩擦撹拌接合装置の小型化を図ることができる。

しかも、摩擦撹拌接合装置の重量も小さくなるので、多関節ロボットに把持させて使用する場合であっても、該把持手段に加わる負荷が低減される。

本発明によれば、摩擦撹拌接合用工具を変位させる変位手段が、該摩擦撹拌接合用工具を回転動作させる回転手段を兼ねる。このため、摩擦撹拌接合装置の構成が簡素化され、その結果、該摩擦撹拌接合装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。従って、該装置とワークとが干渉することを回避することができるとともに、多関節ロボットの把持手段等に加わる負荷を低減することができる。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体縦断面図を図１に示す。この摩擦撹拌接合装置１０は、図示しない多関節ロボットのアーム１１の先端に連結されることによって位置決め固定されるとともに屈曲したアーム部材１２と、摩擦撹拌接合用工具１４と、この摩擦撹拌接合用工具１４を図１における上下方向に変位させるとともに回転動作させる変位回転手段としての変位回転モータ１６と、該変位回転モータ１６を収容したケーシング１８と、変位回転モータ１６と前記摩擦撹拌接合用工具１４とを連結するロッド２０と、該アーム部材１２の他端部に配設された載置部材２２とを有する。

アーム部材１２は、図１の右方に向かうにつれて幅が徐々に大きくなる長尺部２６と、該長尺部２６から略垂直に立ち上がった立ち上がり部２８と、該立ち上がり部２８から図１の左方に若干屈曲して延在する支持部３０とを有し、前記ケーシング１８は、支持部３０の先端に固定された連結支持フレーム３２に連結されている。

長尺部２６の図１における左端部には、図２に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを積層して形成された積層部３４を載置するための載置部材２２が位置決め固定されている。そして、この載置部材２２の上端面略中央部には、中空円筒体形状の凹部３８が設けられている。

連結支持フレーム３２を介してアーム部材１２の支持部３０に連結された摩擦撹拌接合用工具１４は、図２に示すように、回転体４０と、該回転体４０の先端に設けられてねじ部４２を有するプローブ４４とを具備し、このうち、回転体４０はロッド２０に連結されている。また、プローブ４４としては、その直径が凹部３８の開口径に比して小さいものが選定される。

摩擦撹拌接合用工具１４の周囲には、その下端面で積層部３４を押圧する押圧部材４８が配置されている。換言すれば、摩擦撹拌接合用工具１４は、押圧部材４８によって囲繞されている。勿論、押圧部材４８の下端面には貫通孔５０が設けられており、摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４は、この貫通孔５０から突出する。

押圧部材４８の先端部の直径は、必要以上に広範囲に積層部３４を押圧して上側の第２ワークＷ２に設けられた湾曲部Ｒや屈曲部等を平坦にすることを回避するべく、中腹部に比して小さく設定されている。すなわち、押圧部材４８には、小径部５２と大径部５４とが設けられている。

大径部５４の上端部には、該上端部が直径外方向に指向して屈曲されることによって環状段部５６が設けられている。この環状段部５６は、コイルスプリング５８を収容するスプリングカバー６０の下端部に設けられた環状堰止部６２によって堰止され、これにより、押圧部材４８のスプリングカバー６０からの抜け止めがなされている。

回転体４０の上部は、回転体カバー６４に収容されている。この回転体カバー６４の上端部には、該回転体カバー６４の長手方向（鉛直方向）から水平方向に指向して屈曲形成された環状連結代６６が設けられており、該環状連結代６６は、図示しないボルトによってスプリングカバー６０の側周壁に連結固定されている。

回転体カバー６４と回転体４０の上部との間にはベアリング６８が介装されており、このベアリング６８が存在することによって、回転体カバー６４やスプリングカバー６０が回転動作することが防止される。なお、図２中、参照符号７０は、ブッシュを示す。

前記コイルスプリング５８の下端部は押圧部材４８における環状段部５６の上端面に着座し、一方、上端部は回転体カバー６４における環状連結代６６の下端面に着座している。従って、押圧部材４８は、コイルスプリング５８によってアーム部材１２側に指向して弾発付勢されている。なお、上記したように、押圧部材４８の環状段部５６がスプリングカバー６０の環状堰止部６２で堰止されることによって、押圧部材４８のスプリングカバー６０からの抜け止めがなされている。

回転体４０は、前記ロッド２０に連結されている。後述するように、変位回転モータ１６の作用下にロッド２０が回転動作することに伴って、摩擦撹拌接合用工具１４が回転動作する。

中空円柱体であるロッド２０は、先ず、変位回転モータ１６に連結されている。このため、変位回転モータ１６が回転付勢されることに伴って回転動作する。

また、ロッド２０は、ケーシング１８の内部でねじ用ナット７２が回転動作することに伴って下降・上昇動作する。すなわち、ねじ７３にはねじ用ナット７２のねじ部７４が通されており、該ねじ用ナット７２の連結代７６がロッド２０の上端部に連結されている。このため、ねじ用ナット７２が回転動作してねじ７３に案内されながら下降・上昇動作することによって、該ねじ用ナット７２の連結代７６に連結されたロッド２０が下降・上昇動作する。

また、ロッド２０とケーシング１４との間には、ベアリング８０、ロータリブッシュ８２及びベアリング８４が介装されている。

ねじ７３は、その上端部がケーシング１４に連結固定されている。このため、ねじ７３が回転動作することはない。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

多関節ロボットは、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが積層された積層部３４まで摩擦撹拌接合装置１０を移動させ、該積層部３４を、載置部材２２と摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４との間に配置させる。なお、この場合、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２としては、ＪＩＳ記号の数字が５０００番台であるいわゆる５０００系のアルミニウムからなるものが選定される。

次に、変位回転モータ１６が回転付勢され、これによりねじ用ナット７２が回転動作する。この回転動作に伴ってねじ用ナット７２がねじ７３に案内されながら下降動作し、その結果、該ねじ用ナット７２に連結されたロッド２０が下降動作する。これに追従して、摩擦撹拌接合用工具１４が下降動作し、結局、該摩擦撹拌接合用工具１４がアーム部材１２の長尺部２６、ひいては、載置部材２２上に載置された積層部３４に指向して接近する。最終的に、積層部３４は、図２及び図３に示すように、載置部材２２と押圧部材４８とで挟持され、この際に載置部材２２の凹部３８を覆う。

ロッド２０の下降動作がさらに続行されると、積層部３４によって押圧部材４８が押圧される。これによりコイルスプリング５８（図２参照）が収縮されて押圧部材４８が上昇動作し、その結果、摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４が押圧部材４８の貫通孔５０に到達する。

この状態で、変位回転モータ１６の回転付勢がさらに続行されると、摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４が押圧部材４８の貫通孔５０から突出して、積層部３４に埋没する。

回転動作する摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４が積層部３４の上端面に摺接することにより、該積層部３４に摩擦熱が発生する。このため、積層部３４におけるプローブ４４の当接箇所及びその近傍が軟化し、図３及び図４に示すように、プローブ４４が積層部３４にさらに埋没する。その結果、積層部３４の肉が凹部３８に流入する。上記したように、凹部３８の水平断面の直径がプローブ４４の直径に比して大きいため、この流入は容易に進行する。

このように、本実施の形態においては、変位回転モータ１６を回転付勢することによって摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４を積層部３４に埋没させるようにしている。これにより、摩擦撹拌接合用工具１４の移動及び積層部３４の接合という一連の工程を１個の変位回転モータ１６で行うことができる。

このため、摩擦撹拌接合装置１０の構成を、従来技術に係る装置に比して簡素化することができる。これにより、摩擦撹拌接合装置１０を小型化することができる。しかも、摩擦撹拌接合装置１０が軽量化するので、前記多関節ロボットに加わる負荷を低減することもできる。

軟化した積層部３４の肉は、プローブ４４によって撹拌（塑性流動）される。この際、上記したように、積層部３４において、プローブ４４が埋没した分の肉が凹部３８に塑性流動するので、肉がプローブ４４の埋没箇所から隆起することがない。従って、バリが形成されることがない。このように、載置部材２２に凹部３８を設けることにより、バリを形成することなく積層部３４を摩擦撹拌接合することができる。このため、積層部３４の肉厚が小さくなることがないので、該積層部３４の接合強度が大きくなる。

しかも、この場合、図４に示すように、押圧部材４８の下端面で積層部３４を広範囲にわたって押圧しているので、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間の間隙が圧潰される。すなわち、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間に間隙が形成されないので、回転動作する摩擦撹拌接合用工具１４の回転体４０の角部が上側の第２ワークＷ２に摺接し難い。これにより、第２ワークＷ２に孔が形成されることを回避することができる。

このようにして摩擦撹拌接合が営まれると同時に、プローブ４４の埋没に伴って、第２ワークＷ２における第１ワークＷ１に臨む面に突出部１０２が形成されるとともに、第１ワークＷ１における第２ワークＷ２に臨む面に陥没部１００が形成され、該陥没部１００に前記突出部１０２が嵌合する。なお、陥没部１００の下端部は、肉の塑性流動が行われない非撹拌部（塑性変形部）である。すなわち、塑性変形によって凹部３８に対応する形状に成形された陥没部１００に突出部１０２が嵌合され、これによりいわゆるかしめ状態が設けられる。このように第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とでかしめ状態が形成されることによっても、積層部３４の接合強度が向上する。

撹拌を開始してプローブ４４が埋没した後、変位回転モータ１６を滅勢することによってプローブ４４の回転動作を停止し、これにより肉の塑性流動を停止させる。次に、変位回転モータ１６を上記とは逆方向に回転付勢して、ねじ用ナット７２を逆回転動作させる。これによりねじ用ナット７２、ひいてはロッド２０が上昇動作することに追従して、摩擦撹拌接合用工具１４のプローブ４４が積層部３４から離脱する。また、積層部３４から離間した押圧部材４８がコイルスプリング５８によってアーム部材１２側に弾発付勢され、元の位置に復帰する。

この間に積層部３４の肉が冷却固化され、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが一体的に固相接合されるに至る。このようにして接合された積層部３４における第１ワークＷ１側には、凹部３８に流入した肉が冷却固化することに伴って突出形成された円柱体形状の凸部が存在する。すなわち、この場合、該凸部の外径は、凹部３８の直径と略同一となる。

なお、上記した実施の形態においては、２個のワークを摩擦撹拌接合する場合を例示して説明したが、積層されるワークの個数は２個に限定されるものではなく、３個以上のワークを積層するようにしてもよい。

また、凹部３８の全空間に積層部３４の肉が充填される必要は特にない。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体縦断面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の要部拡大概略縦断面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置が閉じて積層部が挟持された状態を示す概略全体縦断面図である。 摩擦撹拌接合用工具が回転して積層部が摩擦撹拌接合される状態を示す要部拡大概略縦断面図である。 従来技術に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体側面図である。装置の要部拡大概略平面図である。

符号の説明

１０…摩擦撹拌接合装置 １２…アーム部材
１４…摩擦撹拌接合用工具 １６…変位回転モータ
１８…ケーシング ２０…ロッド
２２…載置部材 ３４…積層部
３８…凹部 ４４…プローブ
４８…押圧部材 ５８…コイルスプリング
７２…ねじ用ナット ７３…ねじ
Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims (1)

1. 複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
   前記積層部を支持するためのアーム部材と、
   前記積層部を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合用工具と、
   前記摩擦撹拌接合用工具を前記積層部に対して離間又は接近する方向に変位させるとともに、回転動作させる変位回転手段と、
   前記変位回転手段を収容して前記アーム部材の一端部に連結されたケーシングと、
   前記変位回転手段と前記摩擦撹拌接合用工具とを連結するロッドと、
   前記アーム部材の他端部に配設されて前記積層部を載置する載置部材と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
   

Images