JP2007222921A - 摩擦攪拌接合装置および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金などの金属材を連続的な加工ラインでの処理ができ、プローブピンの痕穴を残さない。
【解決手段】摩擦攪拌接合装置１は、回転する接合工具２の先端部を被加工材に挿入し、この接合工具２の回転による摩擦熱と撹拌にて被加工材を接合する装置において、上記接合工具が先端部３ａを含むプローブピン３と、該プローブピンにそれぞれ螺合する中筒４および外筒５とを備え、プローブピンを中筒および外筒に対して相対回転させることでプローブピンの出代を変化させ、被加工材への挿入代を調整し、上記相対回転がプローブピンを回転させるサーボモータ１２ａの回転と、中筒およびこの中筒にスライディングキー６により係合している外筒を回転させるサーボモータ１２ｂの回転とを相互に制御することでなされることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は摩擦攪拌接合装置および接合方法に関し、特に金属材の接合時においてプローブピン痕穴を残さない摩擦攪拌接合装置およびこの装置を用いた接合方法に関する。

アルミニウム合金など軟質の金属を接合する方法のひとつに摩擦攪拌接合がある。これは、被加工材の接合面に沿って軸が回転しながら移動し、接合部位付近の材料を攪拌し、摩擦熱により流動させて、被加工材どうしを溶接し一体化するものである。この摩擦攪拌接合方法の一例を図７に示す。図７は従来の摩擦攪拌接合の実施形態を説明する斜視図である。図７に示すように、この摩擦攪拌接合の接合部位１４の終端部において、被加工材８からプローブピン３を単純に退出させると後に穴１３が残ってしまう。このプローブピンを抜いた後の痕穴１３は製品として見栄えが良くないだけでなく、強度にも問題をおこすおそれがある。この痕穴１３の処理に、ピン痕穴が残った部分の被加工材を加工後に切断したり、被加工材の接合面の続きに当て材を備え付け、接合終端部をその当て材上まで持っていってからプローブピンを抜く方法や、接合終端部の少し手前から徐々に回転するプローブピンを上部方向へ抜きながら退出させる方法が開示されている（特許文献１）。しかし、これら加工後の切断や当て材方法は余分な材料と工程が必要となり経済的には弱点となる。また小物部品への加工や一周接合の様にスタート点に戻る加工では形状的にこれら方法を用いることが困難なものもあるという問題がある。また、接合終端部に向けて徐々に回転するプローブピンを退出させる方法では、接合終端部付近の接合が完全ではなく、製品の接合強度が低くなるという問題がある。

さらに痕穴を埋める方法として、プローブピンを抜くことでできた痕穴１３に他所から移動させた材料やプローブピン圧入に伴う溢出材を埋め込む方法が開示されている（特許文献２）。しかしこの方法は点接合を想定していることもあり外筒は非回転で、被加工材の接合面に沿って接合工具が回転しながら移動することを特徴とする摩擦攪拌接合でのツールとしては使えないという問題がある。

また、従来の摩擦攪拌接合においては、プローブピンの出代が板厚さに応じて決められることから、板厚種類分の多数のプローブピンを準備する必要があり、使用に際してはプローブピンを取り換える工数がかかるという問題がある。
特許第３０４５６８２号 特開２００１−２５９８６３号公報

本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、アルミニウム合金などの金属材の摩擦攪拌接合において、別工程を追加することなく容易に痕穴を穴埋めができ、プローブピンの痕穴を残さない摩擦攪拌接合装置およびこの装置を用いた接合方法の提供を目的とする。

本発明の摩擦攪拌接合装置は、回転する接合工具の先端部を被加工材に挿入し、この接合工具の回転による摩擦熱と撹拌にて被加工材を接合する装置において、上記接合工具が先端部を含むプローブピンと、該プローブピンにそれぞれ螺合する中筒および外筒とを備え、プローブピンを中筒および外筒に対して相対回転させることでプローブピンの出代を変化させ、被加工材への挿入代を調整することを特徴とする。

また、上記相対回転は、プローブピンを回転させるサーボモータの回転と、中筒およびこの中筒にスライディングキーにより係合している外筒を回転させるサーボモータの回転とを相互に制御することでなされることを特徴とする。

本発明の接合方法は、上記摩擦攪拌接合装置を用いて行なう接合方法であって、上記接合工具を回転させ、プローブピンの先端部を外筒より所定長さ突出して被加工材に挿入し、所定の接合条件で摩擦攪拌接合を実施途中または加工終了端においてプローブピンを被加工材より退出させる際、プローブピンの後退と中筒の前進とを、プローブピンにそれぞれ螺合する中筒および外筒との螺合関係により同時に実施し、プローブピンの後退にて生じる被加工材内空洞を中筒前進により圧入される軟化した被加工材にて埋める穴埋め操作と、この穴埋め操作だけでは不十分な為埋めきれず残された空洞をプローブピンを前進させることにより埋めるスタンピング操作とを交互に複数回繰り返すことで、プローブピンによりできる痕穴を埋めることを特徴とする。

本発明の摩擦攪拌接合装置によれば、外筒先端から突出するプローブピンの出代を任意に変えることができ、被加工材の板厚に応じてプローブピンなどのツールを交換することが不要となる。
また、外筒先端から突出するプローブピンの長さを、サーボモータにて制御できるので、高精度にピンの出し入れ速度や先端位置を管理することができる。そして、摩擦攪拌接合途中でも容易に被加工材へのピン挿入代を変更できるので、加工範囲の拡大にもつながる。また、被加工材の板厚が変化する加工ラインであっても自動段取りにより、連続的な処理ができる。

本発明の摩擦攪拌接合装置を用いた接合方法によれば、摩擦攪拌接合の加工途中や加工終了端にてプローブピンを被加工材から退出させる時に生じる痕穴を、中筒前進により圧入される軟化した被加工材にて埋める穴埋め操作と、上記穴埋め操作にて埋めきれず残された空洞をプローブピンを前進させて解消するスタンピング動作とを交互に複数回繰り返しながら、穴埋めし、痕穴を無くすることができるので、見栄えの良い外観と強度的に信頼できる接合が短時間で容易に実現できる。

本発明の摩擦攪拌接合装置の一例を図に基づいて説明する。図１は本発明の摩擦攪拌接合装置の概要を示す図である。
摩擦攪拌接合装置１は接合工具２がサーボモータ１２ａおよび１２ｂで構成される動力部１２に接続されて作動する。接合工具２は先端部が摩擦攪拌接合点となるプローブピン３を軸に中筒４と外筒５で覆われる部材である。
プローブピン３はサーボモータ１２ａにより回転される。また、中筒４と外筒５とはスライディングキー６により係合されており、中筒４は、プローブピン３および外筒５に対して前進後退可能で、かつ外筒５と同位相で回転する。外筒５はサーボモータ１２ｂにより回転される。サーボモータ１２ａおよびサーボモータ１２ｂの回転を差動装置、特にハーモニックドライブ（登録商標）機構を採用した差動装置７により、相互に制御することでプローブピンの出代を変化させ、被加工材への挿入代を容易に調整できる。

接合工具２におけるプローブピン３は、ピンの先端部３ａが、摩擦攪拌接合において金属などの被加工材と接触して、この被加工材の接合面を攪拌して流動させ被加工材同士を接合させるための部材である。摩擦攪拌接合ではアルミニウム合金などの軟質の金属を加工するため、プローブピン３の材質は被加工材の材質よりも硬質材であることが望ましい。
プローブピン３の基部側においてねじ部分３ｂが形成され、プローブピンの先端部側においてねじ部分３ｃが形成されている。

上記プローブピン３の外側を外筒５が筒状に覆う。図中、外筒５の内周面上部にはめねじが切られ、プローブピン３と外筒５とは、ねじ部分３ｂにおいて螺合する。外筒５の基部は差動装置７に係合されている。プローブピン３および外筒５はハーモニックドライブ（登録商標）機構を介してそれぞれプローブピン３の軸中心に回転する。
また、プローブピン３は、ねじ部分３ｃで中筒４と螺合し、筒状に覆われる。図中、中筒４の内周面にはめねじが切られ、プローブピン３と中筒４とは、ねじ部分３ｃにおいて螺合する。中筒４はプローブピン３に螺合するとともに、プローブピン３の外周面および外筒５の内周面にそれぞれ摺接し、外筒５とはスライディングキー６により係合しており、外筒５の回転と同位相で回転する。
中筒４とプローブピン３とは軸方向に相反した動きをする。すなわち、プローブピン３が前進する時中筒４は後退し、プローブピン３が後退する時中筒４は前進する。またプローブピン先端面と中筒先端面が一致して同一平面状となる時、さらに外筒５の先端面も同一平面にて一致するように寸法調整を実施するものとする。

ピン先端部３ａが外筒５の先端より突出する出代（以下、ピン長さという）を可変する機構（以下、ピン長可変機構という）を、図２にて説明する。図２はプローブピンを含む接合工具の構造とハーモニックドライブ（登録商標）機構を採用した駆動系を説明する断面図である。
ピン長可変機構におけるサーボモータ１２ａはピン長さを変更する役割と、ピン長さを変更しない時はプローブピン３を外筒５と同一の回転数で回転させる役割とを担っており、同サーボモータ１２ｂは外筒５を回転させる役割を担っている。
接合工具２の外筒５とプローブピン３とに回転の差が生じると、ねじ部分３ｂによりプローブピン３が前進後退し、スライディングキー６により外筒５と同位相で回転する中筒４もプローブピン３と回転差が生じねじ部分３ｃにより外筒５と連動して前進後退する。

サーボモータ１２ａおよび１２ｂからの動力を接合工具２に伝達する手段としてハーモニックドライブ（登録商標）機構を採用する。ハーモニックドライブ（登録商標）機構は、ストレイン・ウェーブ・ギヤリング機構ということもできるもので、その回転伝達機構は、楕円状カムの外周に、薄肉のボールベアリングをはめたウェーブジェネレータと、薄肉カップ状の金属弾性体であって、開口部外周に歯が刻まれているフレクスプラインと、剛体リング状であって内周に歯が刻まれているサーキュラスプラインとから構成されている。
ピン長可変機構においては、サーボモータ１２ａからの回転はウェーブジェネレータ軸７ａを通してハーモニックドライブ（登録商標）機構に入力され、フレクスプライン軸７ｂから回転を出力する。この出力はプローブピン３の基底部に接続されてプローブピンを回転させる。また、サーボモータ１２ｂからの回転はサーキュラスプライン軸７ｃを通してハーモニックドライブ（登録商標）機構に入力されるとともに、このサーキュラスプライン軸７ｃに接続されている外筒５を回転させる。

ウェーブジェネレータ軸７ａの回転数をＲ₁、フレクスプライン軸７ｂの回転数をＲ₂、サーキュラスプライン軸７ｃの回転数をＲ₃とし、入力のＲ₁、Ｒ₃と出力のＲ₂の関係をさらに説明する。
ハーモニックドライブ（登録商標）機構の減速比をｉとすると、出力回転数は次の式（１）で計算することができる。

Ｒ₂＝Ｒ₃−ｉ×（Ｒ₁−Ｒ₃）・・・・式（１）

図２（ａ）はサーボモータ１２ａおよび１２ｂから同じ回転数で駆動されている状態を示し、Ｒ₁＝Ｒ₃の関係にある。このときは上記式（１）の結果よりＲ₂＝Ｒ₃となり、プローブピン３、外筒５、およびこの外筒５にスライディングキー６により拘束されている中筒４が軸方向位相を維持したまま同一の回転数で回転する。またピン長さは変化しない。

次に図２（ｂ）はサーボモータ１２ａの回転数を増速した状態を示し、Ｒ₁＞Ｒ₃の関係にある。
このときは上記式（１）を変形して

Ｒ₂−Ｒ₃＝−ｉ×（Ｒ₁−Ｒ₃）

とすると右辺の［−ｉ×（Ｒ₁−Ｒ₃）］は負の値となり、左辺の［Ｒ₂−Ｒ₃］も負の値となる。すなわち出力Ｒ₂はＲ₃より回転数が小さくなることを示している。よって、プローブピン３は外筒５より回転が遅れ、プローブピン３と外筒５の螺合によりプローブピンが前進し、ピン長さを増加させることができる。また、プローブピン３と中筒４の螺合により中筒４は後退の動作をする。この後退の動きはプローブピン３の前進の速度を上回る設計とし、外筒に対しても中筒は後退するようにしなければならない。

一方、図２（ｃ）はサーボモータ１２ａの回転数を減速した状態を示し、Ｒ₁＜Ｒ₃の関係を示す。このときは前述図２（ｂ）の状況とは逆にＲ₂−Ｒ₃＞０となる。すなわち出力Ｒ₂はＲ₃より回転数が大きくなることを示している。よって、プローブピン３は外筒５より回転が進み、プローブピン３と外筒５との螺合によりプローブピンは後退し、ピン長さを減少させることができる。中筒は前進する動きとなる。
また、サーボモータ回転数変化によるピン長さの変化量は式１を利用してサーボモータ１２ａおよび１２ｂの回転角より算出が可能である。

以上のようなピン長可変機構を用いることにより、ピン長さを常時サーボモータ１２ａとサーボモータ１２ｂの回転角により高精度に制御することができる。
例えば、被加工材の接合を準備する段階において、被加工材６の板厚に応じて摩擦攪拌するピン先端部３ａが外筒５の先端より突出するピン長さの調節ができる。ピン先端部３ａを被加工材６に挿入してからのピン長さの微調整も可能である。これにより、被加工材の板厚や材質に応じたツール交換が不要で、１個のツールで接合ができ、連続的な加工ラインでの処理が可能である。
また、接合作業を中断する時もしくは接合作業を終了させた後に、被加工材６からプローブピン３を退出することによりできるピン痕穴に、摩擦攪拌接合により軟化した被加工材を埋め込む工程を高精度に行なうことができる。ピン痕穴を埋める工程については後述する。

本発明の摩擦攪拌接合装置の接合終端部での穴埋め操作の実施形態の一例を、図に基づき説明する。図３〜図６は接合終端部における穴埋め操作の実施形態を説明する断面図である。
図３に示すように、プローブピン先端部３ａの外側に中筒４、さらに外側に外筒５を取り付けた接合工具２を、上記摩擦攪拌接合装置１に装着する。
接合工具２は、被加工材８にプローブピン先端部３ａが挿入され、被加工材の表面８ａに外筒５先端が当接し（または少し沈み込みし）、後退した中筒４と被加工材の表面８ａとの間に空間部１１を形成した状態で回転する。この空間部１１の体積は被加工材に挿入されたプローブピン先端部３ａの体積を上回る体積とし、摩擦攪拌接合時の被加工材８へのプローブピン先端部３ａ挿入での軟化した被加工材の溢れ材を収容することに加えて、外筒５先端が被加工材８へ沈み込みの際にはその溢れ材をも収容できる。
被加工材８の接合面を接合工具２が回転しながらピン先端部３ａ部分で被加工材を摩擦攪拌し、摩擦熱により軟化した被加工材を流動させ接合しながら接合面８ａに沿って移動する。接合工具２の通過した後の接合面は自然に冷却されることで固まり、被加工材は接合される。

被加工材としてＡ６０６３Ｔ−５材等のアルミニウム合金を用いた例について説明すると、加工条件を例えばツール回転速度２０００ｒｐｍ、プローブピン径φ５ｍｍ、ピン長さ３ｍｍ、ピン前進後退速度０．２ｍｍ／ｓにて、摩擦攪拌接合終端部における穴埋め操作を実施する。ここで穴埋め操作とは、上記プローブピン先端部３ａの後退を行なうことと、上記中筒４の前進を上記螺合関係により同時に実施し、プローブピン先端部３ａの後退にて生じる被加工材内空洞を中筒４の前進により圧入される軟化した被加工材にて埋めることをいう。

ピン先端部３ａが摩擦攪拌接合終端部まで来ると、摩擦攪拌接合装置１は接合工具２の回転を続けながら、接合面８に沿った移動を停止し、上記穴埋め操作を開始する。
図４はプローブピン先端部３ａを一挙に３ｍｍ後退させピン長さを０ｍｍとした時の図を示す。図中黒矢印は被加工材の流れを示し、白矢印は接合工具２各部品の動作方向を示す。材料の流動性不足により埋め残した空洞部１０が発生し、外筒の外には溢れ材９の盛り上がりが見られる。これは１回の穴埋め操作でプローブピンの痕穴を無くすることが簡単ではないことを示している。

そこで、プローブピン先端部３ａの後退距離を分割し１回の後退距離を減じて穴埋め操作を実施し、その直後にプローブピン先端部３ａを前進させて被加工材８に再挿入するスタンピング操作を実施した結果が図５である。ここでスタンピング操作とはプローブピン先端部３ａを前進させて、被加工物８へ挿入しこの挿入により溢れる材料にて空洞部１０を埋めることをいう。スタンピング操作でのプローブピン先端部３ａの前進移動量はその直前に行なった穴埋め操作での後退移動量の半分以下にすることが望ましい。

続いて、上記穴埋め操作とスタンピング操作を交互に複数回繰り返す。プローブピン３および中筒４の動作形態は、上記の１回目の穴埋め操作およびスタンピング操作と同様であるが、プローブピン先端面を被加工材表面８ａに徐々に近づけ、略同一面を形成するまで行なう（図６）。穴埋め操作およびスタンピング操作の複数回にわたる工程を経ることにより、空洞部１０は形状を変化させ、容積を小さくしながら被加工材表面８ａと略同一面を形成する。

図４に示すように、中筒４が押し出した被加工材８は空洞部１０に流れ込むのと同時に、溢れ材９として外筒５の外側へ出るものもある。しかし、穴埋め操作およびスタンピング操作を複数回にわたって行ない、プローブピン先端面を徐々に被加工材表面８ａに近づける操作を行なうことにより、プローブピン３を一度に引き抜き中筒４を挿入して軟化した被加工材８を空洞部１０に押し埋める方法と比較して、外筒５の外側に押し出される溢れ材９を最小限にすることができる。

なお、上記一連の穴埋め操作およびスタンピング操作はピン長可変機構を使用して実施され、ツール回転速度、ピン長さやピン前進後退移動速度はサーボモータ１２ａとサーボモータ１２ｂの回転角を制御することにより容易に変更可能で、被加工材８の材質、板厚、形状の変化にも容易に対応することができる。

本発明の摩擦攪拌接合装置は、アルミニウム合金などの金属材の接合において、接合工具を交換することなく多種多様な被加工材に対応でき、またプローブピンの痕穴を残さず任意の部分で加工を終了することができるため、被加工材を選ぶことなくまた連続的な加工ラインでの処理が可能である摩擦攪拌接合装置として好適に利用できる。

本発明の摩擦攪拌接合装置の概要を示す図である。 接合工具の構造と駆動系を説明する断面図である。 摩擦攪拌接合の実施形態を説明する断面図である。 摩擦攪拌接合の実施形態を説明する断面図である。 摩擦攪拌接合の実施形態を説明する断面図である。 摩擦攪拌接合の実施形態を説明する断面図である。 従来の摩擦攪拌接合の実施形態を説明する斜視図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合装置
２ 接合工具
３ プローブピン
４ 中筒
５ 外筒
６ スライディングキー
７ ハーモニックドライブ（登録商標）機構
８ 被加工材
９ 溢れ材
１０ ピン痕空洞部
１１ 空間部
１２ 動力部
１３ ピン痕穴
１４ 接合部

Claims (3)

1. 回転する接合工具の先端部を被加工材に挿入し、前記接合工具の回転による摩擦熱と撹拌にて前記被加工材を接合する摩擦攪拌接合装置において、
   前記接合工具は、前記先端部を含むプローブピンと、該プローブピンにそれぞれ螺合する中筒および外筒とを備え、
   前記プローブピンを前記中筒および外筒に対して相対回転させることでプローブピンの出代を変化させ、前記被加工材への挿入代を調整することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記相対回転は、前記プローブピンを回転させるサーボモータの回転と、前記中筒およびこの中筒にスライディングキーにより係合している前記外筒を回転させるサーボモータの回転とを相互に制御することでなされることを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項１または請求項２記載の摩擦攪拌接合装置を用いた接合方法であって、
   前記接合工具を回転させ、前記プローブピンの先端部を前記外筒より所定長さ突出して被加工材に挿入し、所定の接合条件で摩擦攪拌接合を実施途中または加工終了端において前記プローブピンを前記被加工材より退出させる際、前記プローブピンの後退と前記中筒の前進とを、前記プローブピンにそれぞれ螺合する中筒および外筒との螺合関係により同時に実施し、前記プローブピンの後退にて生じる被加工材内空洞を中筒前進により圧入される軟化した被加工材にて埋める穴埋め操作と、前記穴埋め操作で埋めきれずに残される空洞を前記プローブピンを前進させることにより埋めるスタンピング操作とを交互に複数回繰り返すことで、前記プローブピンによりできる痕穴を埋めることを特徴とする接合方法。

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