JP2007237187A - 摩擦攪拌接合の仮付け方法及び仮付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦攪拌接合によってスポット溶接を正確な位置に行うための摩擦攪拌接合の仮付け方法及び仮付け装置を提供すること。
【解決手段】長尺な被接合部材１１を突き合わせた接合部に回転する攪拌ピン２１を挿入し、その接合部が連続する接合線１３に沿って攪拌ピン２１を移動させ、摩擦熱によって被接合部材１１同士を接合する摩擦攪拌接合工程の前に行う仮付け工程であって、検出手段７によって接合線１３を前方で検出し、その検出結果に基づいて攪拌ピン２１を位置制御しながら接合線１３に沿って移動させ、回転する攪拌ピン２１を所定のピッチ間隔で昇降させて接合部をスポット接合１５し、接合線１３上の複数の箇所に摩擦攪拌接合による仮付けを行う摩擦攪拌接合の仮付け方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被接合部材を突き合わせた接合線に沿って行う摩擦攪拌接合における仮付け方法及び仮付け装置に関し、特に、接合の際に接合線のずれによって接合不良を起こさないように接合線上に摩擦攪拌を利用し、スポット接合による仮付けを行う摩擦攪拌接合の仮付け方法及び仮付け装置に関する。

鉄道車両や航空機、或いは船舶、建築などでアルミニウム材により構成される構造体であって、そのアルミニウム材の接合に摩擦攪拌接合が使用される。例えば、鉄道車両用構体を構成する側構体などではアルミニウム合金の長尺な板材や押出し中空型材が幅方向に突き合わされ、２０〜２５ｍもの長い距離に渡って摩擦攪拌接合が行われる。しかし、被接合材を突き合わせた接合線に沿ってそのまま摩擦攪拌接合した場合、歪みによって接合部にズレが生じたのでは接合不良が起きるため、ズレを防止した仮付けが行われる。

摩擦攪拌接合を利用した従来の仮付けについては、特開２００２−１５５１号公報に提案がある。この仮付けは、開始点と終点を連続摩擦攪拌接合で仮付け作業が行われていたが、未接合部分に口開きが生じてしまうため、連続摩擦攪拌接合の終端側から始端側に向かって仮付け摩擦攪拌接合を行ったものである。例えば、接合長さが１２００ｍｍのダブルスキンアルミ型材に対し、前進速度は６００ｍｍ／ｍｉｎで接合工具を、いわゆるバックステップ方式で仮付けを行い、ピッチ６００ｍｍで、仮付けの長さは５０ｍｍである。そして、仮付け個数ｎで、ｎ回バックステップしたｎ＋１のところから摩擦攪拌接合をそのまま継続して反対側まで連続して行う。
特開２００２−１５５１号公報（第２−３頁、図６）

前記従来例は、連続摩擦攪拌接合の終端側から始端側に向かって行う仮付けであって、一定長さの仮付けが行われるものである。しかし、こうして一定の長さで摩擦攪拌接合すると、例えば撮像装置で接合線を追跡しながら摩擦攪拌接合を行う場合、仮付けした箇所で接合線が途切れ不鮮明になり、接合線に対する倣いが上手くいかなくなってしまう。
従って、連続した摩擦攪拌接合に先だって行う仮付けはスポット接合によることが好ましいが、その際、鉄道車両用構体のように長尺なものに対して正確な接合位置に行うのは困難であった。すなわち従来は、摩擦攪拌接合装置に座標をプログラムに打ち込んで仮付けするスポット溶接位置を決定していたが、長尺な被接合材料に歪みが生じて位置ずれを起こし、正確なスポットができなくなるからである。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、摩擦攪拌接合によってスポット溶接を正確な位置に行うための摩擦攪拌接合の仮付け方法及び仮付け装置を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け方法は、長尺な被接合部材を突き合わせた接合部に回転する攪拌ピンを挿入し、その接合部が連続する接合線に沿って攪拌ピンを移動させ、摩擦熱によって被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合工程の前に行う仮付け工程であって、検出手段によって接合線を前方で検出し、その検出結果に基づいて前記攪拌ピンを位置制御しながら接合線に沿って移動させ、回転する前記攪拌ピンを所定のピッチ間隔で昇降させて接合部をスポット接合し、接合線上の複数の箇所に摩擦攪拌接合による仮付けを行うようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け方法は、前記攪拌ピンが予め記憶された前記接合線の座標データに基づいて移動し、前記検出手段の検出結果に基づいて補正処理を行って位置制御を行うようにしたことが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け方法は、前記接合線の検出を撮像手段で行い、その画像データに基づいて接合線の左右の境界線を測定し、その境界線について設定した基準値を外れる場合をエラーとしてカウントし、そのカウント数が所定値を超えた場合に警報を出力するようにしたことが好ましい。

本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け装置は、長尺な被接合部材を突き合わせた接合部に回転する攪拌ピンを挿入し、その接合部が連続する接合線に沿って攪拌ピンを移動させ、摩擦熱によって被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合工程の前に行う仮付け工程を実行するものであって、前記攪拌ピンの移動制御を行うコントローラと、前記攪拌ピンの前方で接合線の検出を行う検出手段とを備え、そのコントローラが、検出手段の検出データに基づいて前記攪拌ピンを接合線に沿って移動させ、回転するその攪拌ピンを所定のピッチ間隔で昇降させて接合部をスポット接合することにより、接合線上の複数の箇所に摩擦攪拌接合による仮付けを行うようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け装置は、前記コントローラが、前記接合線の座標データが予め記憶されており、前記検出手段の検出データに基づいて補正処理を行うことにより前記攪拌ピンの位置制御を行うようにしたものであることが好ましい。
また、本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け装置は、接合線上の複数の箇所に摩擦攪拌接合による仮付けする仮付け工程の後、その接合線に沿って連続した摩擦攪拌接合を行い、被接合部材同士を接合するようにしたものであることが好ましい。

本発明によれば、被接合部材の接合線を検出手段で得られたデータから測定しながら摩擦攪拌接合によるスポット接合を行うようにしたため、例えば接合線が予め記憶された座標データからずれたとしても、接合線に追随しながら適切な位置に仮付けを行うことが可能になる。また、摩擦攪拌接合によるスポット接合であるため、仮付け後に接合線を連続して摩擦攪拌接合することにより、仮付け箇所をその後の本接合に一体化させて消すことができる。

次に、本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け方法及び仮付け装置について一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態における摩擦攪拌接合の仮付け装置全体を概念的に示した図である。各構成物品については、わかりやすくするため縮尺が統一されていないため、相対的な大きさは実際とは異なる。
この摩擦攪拌接合装置１は、鉄道車両構体を構成する押出し中空型材を接合するための摩擦攪拌接合装置であって、連続した摩擦攪拌接合工程と、その前工程に当たる仮付け工程を行うためのものである。従って、この摩擦攪拌接合装置１は仮付け装置でもある。

鉄道車両構体を構成する押出し中空型材１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）は、車体長である２０〜２５ｍ程の長さを有する長尺な被接合部材であって、図示したものは特に側構体を構成するものである。この押出し中空型材１１は、上面板と下面板とが斜材のリブによって連結されたダブルスキン部材である。
摩擦攪拌接合装置１は、そうした長尺な押出し中空型材１１を複数設置するための作業台２が設けられ、本実施形態では３枚の押出し中空型材１１ａ，１１ｂ，１１ｃが台座８を介して設置されている。そして、摩擦攪拌接合装置１には、作業台２上の押出し中空型材１１に対して摩擦攪拌接合を行う接合ヘッド３が取り付けられている。

接合ヘッド３は、門型の走行フレーム４に設けられ、押出し中空型材１１の接合線１３に沿った移動が可能になっている。すなわち、摩擦攪拌接合装置１は、走行フレーム４が作業台２の長手方向に移動可能な構成になっており、その走行フレーム４の移動制御によって接合ヘッド３による溶接スピードや溶接位置が調整できるようになっている。そうした走行フレーム４には、進行方向に直交する横方向に昇降装置５がスライド可能に設けられている。そして、接合ヘッド３は、走行フレーム４に対し、その昇降装置５を介して取り付けられている。

従って、接合ヘッド３は、直接取り付けられた昇降装置５によって高さ調節が行われ、走行フレーム４の走行によって押出し中空型材１１の接合線１３に沿った移動と、昇降装置５のスライドによる左右方向の調節が行われるようになっている。一方、接合ヘッド３は、先端に接合ツール６が設けられ、内蔵された油圧シリンダなどの押圧手段によって、被接合部材に対する接合ツール６の荷重調整や高さ調整などの摩擦攪拌溶接に伴う微調整が可能になっている。

ここで、図２は、接合ヘッド３を示した図である。接合ヘッド３の先端には、回転可能な接合ツール６が設けられている。その接合ツール６は、被接合部材内に押し込まれる攪拌ピン２１と、その攪拌ピン２１の攪拌によって材料流れを押さえ込む広い径のショルダ部２２とから構成されている。そして、こうした接合ツール６の前後両方には、攪拌ピン２１が押し込まれる被接合部材の接合部を検出するためのＣＣＤカメラ７が取り付けられている。本実施形態では、押出し中空型材１１の接合端面が突き合わされた接合線１３を検出するために設けられている。なお、接合ツール６を挟んで２台のＣＣＤカメラ７が設けられているが、接合時の検出には進行方向Ｘに対して先行するものが使用される。または、ＣＣＤカメラ７を１台とし、接合ツール６の進行方向に合わせてカメラの向きを変えられる機構を備えるようにしてもよい。

摩擦攪拌接合装置１には、走行フレーム４や昇降装置５の駆動制御、或いは接合ヘッド３に設けられた接合ツール６の回転数や被接合部材への押圧力などの制御を行うための不図示のコントローラが備えられている。ＣＣＤカメラ７で撮像された画像データは、このコントローラに送られ、そこでは画像処理によって接合線１３から攪拌ピン２１のずれ量が算出され、接合ツール６の制御に利用される。コントローラには画像処理装置が設けられ、ＣＣＤカメラ７で撮像して得た画像データから押出し中空型材１１の接合線１３の位置、すなわち押出し中空型材１１の突き合わせ端面の位置が測定される。

また、コントローラは記憶手段が設けられ、接合線１３の位置測定結果から接合ツール６の位置を制御する駆動制御プログラムが格納されている。更にその記憶手段には、予め摩擦攪拌接合する接合線１３の座標データが記憶されている。駆動制御プログラムは、この座標データに従って接合ツール６の位置をコントロールし、ＣＣＤカメラ７から取り込まれる画像データを基に補正処理を行って位置制御を行うようにしたものである。
接合ツール６の位置制御は、摩擦攪拌接合装置１の走行フレーム４や昇降装置５などを動作させて行われるが、コントローラではそうした駆動手段を動作させるための制御信号を算出して出力する。

次に、摩擦攪拌接合装置１によれば、被接合部材である押出し中空型材１１同士は、接合線１３に沿って接合ツール６が摩擦攪拌接合を行うことにより、その突き合わされた接合部の材料が発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。そして、本実施形態によれば、押出し中空型材１１の接合線１３に沿った連続接合を行う場合、その前工程として同じ接合ツール６を使用した仮付けが行われる。その仮付け方法は、連続した摩擦攪拌接合を実行する同じ摩擦攪拌接合装置１を使用し、次のようにして一定のピッチでスポット溶接が行われる。

先ず、押出し中空型材１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が図１に示すように作業台２の台座８上に設置され、その幅方向端面が突き当てられて位置決めされる。そして、その押出し中空型材１１は位置ずれしないように不図示の押圧手段などによって支えられる。押出し中空型材１１同士の突き当てられた端面部分が接合部であり、長手方向に連続する接合線１３に沿って仮付けが行われる。
接合ヘッド３は、走行フレーム４が長手方向端部に位置し、昇降装置５がその走行フレーム４に対して左右方向に位置調節が行われ、接合線１３の端部である始点に位置決めされる。そして、走行フレーム４が作業台２に対して移動し、それによって接合ヘッド３が接合線１３に沿って移動することになる。特に本実施形態では、検出手段７によって撮像された接合線１３の画像データに基づき、接合線１３の位置を検出しながら接合ヘッド３の位置調整が行われる。

接合ヘッド３の接合ツール６は、走行フレーム４の走行によっておよそ２０００ｍｍ／ｍｉｎの速度で接合線１３に沿った移動を行う。そして、仮付けポイントに到達すると、走行フレーム４が停止し、昇降装置５によって接合ヘッド３が下降して接合ツール６の攪拌ピン２１が押出し中空型材１１の接合部に押し付けられる。回転した攪拌ピン２１が接合線１３上に押し込まれ、ショルダ部２２が表面に押さえ付けられる。押出し中空型材１１は、その上面板同士が発熱して軟化し、突き当て部分の材料が攪拌されて接合される。そして、昇降装置５によって接合ヘッド３が上昇し、接合ツール６の攪拌ピン２１が抜き取られてスポット接合が行われる。こうして接合線１３上のある１箇所にスポット接合による仮付け部分１５が形成され、その後、走行フレーム４の走行が再開し、所定のピッチでスポット接合による仮付けが行われる。

こうしたスポット接合は、本実施形態では２０〜２５ｍの押出し中空型材１１の接合線１３に対して２００ｍｍピッチで行われる。長尺な被接合部材である押出し中空型材１１では３００ｍｍピッチ以下で行うのが安定した仮付けが可能であるが、本実施形態ではより正確な位置に仮付けを行うため２００ｍｍピッチで行うようにしている。そして、本実施形態では、接合線１３上へ正確な仮付けを行うため、接合スポット３の接合ツール６について位置制御が行われる。

接合ツール６の前方に設けられたＣＣＤカメラ７は、接合ツール６と同じ２０００ｍｍ／ｍｉｎで移動しながら接合線１３の周りを撮像する。ここで、図３は、接合ツール６の攪拌ピン２１の位置と、その前後に設けられた接合線１３の検知領域Ｓ１，Ｓ２について示した図である。攪拌ピン２１が図面下方から上方のＸ方向へ移動する場合、前方にある図面上方の検知領域Ｓ１を撮像するＣＣＤカメラ７の画像データが攪拌ピン２１の位置制御に用いられる。ＣＣＤカメラ７が撮像する接合線１３検知領域Ｓ１，Ｓ２は、攪拌ピン２１の中心を通った中心線上に３０ｍｍの距離ａ離をとって設定した領域である。

ＣＤＤカメラ７によって撮像された画像データはコントローラに送られ、そのコントローラでは、画像処理装置によって画像データから接合線１３が識別され、接合ツール６と接合線１３の位置が算出される。その際、突き合わされた押出し中空型材１１の上面板同士の端面が、接合線１３の線幅の両端の線として検出される。つまり、図示する接合線１３の左端の境界線Ｍ１が、進行方向左側に位置する押出し中空型材１１の上面板の右端であり、境界線Ｍ２が、進行方向右側に位置する押出し中空型材１１の上面板の左端である。従って、境界線Ｍ１，Ｍ２の距離が接合線１３の幅であり、その幅が接合部の隙間である。

ところで、本実施形態では、攪拌ピン２１の位置制御に当たり、基準値として、検知領域Ｓ１の左右の距離が設定されている。すなわち、攪拌ピン２１の中心を通る進行方向に沿った中心線から左右片側の最大幅ｂが４ｍｍとして設定されている。また、接合線１３の線幅ｃは、境界線Ｍ１，Ｍ２の最大距離が８ｍｍとして設定されている。

ＣＤＤカメラ７によって撮像された画像データから、接合線１３の線幅、すなわち境界線Ｍ１，Ｍ２が検出され、その境界線Ｍ１，Ｍ２について位置や線幅が算出される。そして、境界線Ｍ１，Ｍ２の一方、或いは両方が最大幅ｂ（４ｍｍ）を超えて検知領域Ｓ１を外れてしまっている場合にはエラーがカウントされる。また、境界線Ｍ１，Ｍ２の距離、すなわち線幅ｃが最大値８ｍｍを超えてしまっている場合にもエラーがカウントされる。

境界線Ｍ１，Ｍ２の位置や線幅の算出は、接合線１３に沿って移動する間行われる。そこで、移動する間にエラーのカウント数が設定値を超えた場合には、歪みが大きくなって接合線１３に対する適切な仮付けが不能になったと判断し、警報が鳴らされる。
一方、エラーのカウント数が設定値を超えない場合には、昇降装置５が走行フレーム４をスライドし、攪拌ピン２１の左右方向の位置が制御される。特に、接合線１３を特定する境界線Ｍ１，Ｍ２の中心位置に攪拌ピン２１の中心が重なるように制御される。

こうして、本実施形態では、被接合部材である押出し中空型材１１の接合線１３をＣＣＤカメラ７で測定しながら摩擦攪拌接合によるスポット接合を行うようにしたため、接合線１３が予め記憶された座標データからずれたとしても、接合線１３に追随しながら適切な位置に仮付けを行うことが可能になった。
そして、本実施形態の仮付けは、摩擦攪拌接合によるスポット接合であるため、仮付け工程後の連続した摩擦攪拌接合工程で接合線１３を連続して摩擦攪拌接合することにより、仮付け箇所をその後の本接合に一体化させて消すことができるようになった。

以上、本発明に係る摩擦攪拌接合の仮付け方法及び仮付け装置について一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、検出手段として接合線１３の画像を取りむＣＣＤカメラ７を使用したが、接合線１３を検出するための手段としては、この他に接触式やレーザ光を利用したものであってもよい。

一実施形態における摩擦攪拌接合の仮付け装置全体を概念的に示した図である。 接合ヘッドを示した図である。 攪拌ピンの位置の前後に設定された接合線の検知領域について示した図である。

符号の説明

１ 摩擦攪拌接合装置
２ 作業台
３ 接合ヘッド
４ 走行フレーム
５ 昇降装置
６ 接合ツール
７ ＣＣＤカメラ
８ 台座
１１ 押出し中空型材
１３ 接合線
１５ 仮付け部分
１ 攪拌ピン

Claims (6)

1. 長尺な被接合部材を突き合わせた接合部に回転する攪拌ピンを挿入し、その接合部が連続する接合線に沿って攪拌ピンを移動させ、摩擦熱によって被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合工程の前に行う仮付け工程であって、
   検出手段によって接合線を前方で検出し、その検出結果に基づいて前記攪拌ピンを位置制御しながら接合線に沿って移動させ、回転する前記攪拌ピンを所定のピッチ間隔で昇降させて接合部をスポット接合し、接合線上の複数の箇所に摩擦攪拌接合による仮付けを行うようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合の仮付け方法。
2. 請求項１に記載する摩擦攪拌接合の仮付け方法において、
   前記攪拌ピンは、予め記憶された前記接合線の座標データに基づいて移動し、前記検出手段の検出結果に基づいて補正処理を行って位置制御を行うようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合の仮付け方法。
3. 請求項２に記載する摩擦攪拌接合の仮付け方法において、
   前記接合線の検出を撮像手段で行い、その画像データに基づいて接合線の左右の境界線を測定し、その境界線について設定した基準値を外れる場合をエラーとしてカウントし、そのカウント数が所定値を超えた場合に警報を出力するようにしたことを特徴とする摩擦攪拌接合の仮付け方法。
4. 長尺な被接合部材を突き合わせた接合部に回転する攪拌ピンを挿入し、その接合部が連続する接合線に沿って攪拌ピンを移動させ、摩擦熱によって被接合部材同士を接合する摩擦攪拌接合工程の前に行う仮付け工程を実行する摩擦攪拌接合の仮付け装置において、
   前記攪拌ピンの移動制御を行うコントローラと、前記攪拌ピンの前方で接合線の検出を行う検出手段とを備え、そのコントローラが、検出手段の検出データに基づいて前記攪拌ピンを接合線に沿って移動させ、回転するその攪拌ピンを所定のピッチ間隔で昇降させて接合部をスポット接合することにより、接合線上の複数の箇所に摩擦攪拌接合による仮付けを行うようにしたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合の仮付け装置。
5. 請求項４に記載する摩擦攪拌接合の仮付け装置において、
   前記コントローラは、前記接合線の座標データが予め記憶されており、前記検出手段の検出データに基づいて補正処理を行うことにより前記攪拌ピンの位置制御を行うようにしたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合の仮付け装置。
6. 請求項４又は請求項５に記載する摩擦攪拌接合の仮付け装置において、
   接合線上の複数の箇所に摩擦攪拌接合による仮付けする仮付け工程の後、その接合線に沿って連続した摩擦攪拌接合を行い、被接合部材同士を接合するようにしたものであることを特徴とした摩擦攪拌接合の仮付け装置。

Images