JP2008149331A - 摩擦攪拌接合装置及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上部回転体2と攪拌部4が形成された回転主軸16と下部回転体3とを備えた回転工具1を有し、接合端面同士を突き合わせた被接合部材300の接合部を上部回転体2と下部回転体3とで挟み込み、当該接合部を攪拌部4の回転による摩擦熱で攪拌させて接合するものであって、上部回転体2と下部回転体3との位置を検出する位置センサ23,24と、被接合部材の上面位置を計測する変位センサ25と、被接合部材の接合部の板厚を計測する板厚センサ29とを備え、各センサからの情報を基に各アクチュエータ20A,20Bを駆動して上部回転体2と下部回転体3との位置を制御するコントローラ30を有する摩擦攪拌接合装置10。
【選択図】図1
Description
また、本発明の摩擦攪拌接合装置は、前記変位センサと板厚センサとが部材計測手段を構成し、二組の部材計測手段が、接合端面同士を突き合わせた一対の被接合部材に対してそれぞれ前記回転工具の進行方向前方の位置に設定されたものであることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合装置は、前記変位センサが、接合端面同士を突き合わせた一対の被接合部材に対してそれぞれ前記回転工具の進行方向前方の位置に設定されたものであることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合装置は、前記コントローラが、被接合部材に押し当てられる前記下部回転体の下ショルダ面の位置を、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側へ近づく方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体側に近づかないよう制御するものであることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合装置は、前記コントローラが、被接合部材に押し当てられる前記下部回転体の下ショルダ面の位置を、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側とは遠ざかる方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体から遠ざからないよう制御するものであることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合装置は、前記被接合部材の接合部を挟み込む上部回転体と下部回転体との荷重を検出する荷重センサを備え、前記コントローラは、前記接合部を挟み込む上部回転体と下部回転体との荷重を調整する荷重制御と、前記上部回転体と下部回転体との位置を調整する位置制御とを行うものであることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記下部回転体の下ショルダ面の位置制御であって、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側へ近づく方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体側に近づかないようにすることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記下部回転体の下ショルダ面の位置制御であって、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側とは遠ざかる方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体から遠ざからないようにすることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記被接合部材の接合部を挟み込む前記上部回転体と下部回転体との荷重が一定になるように荷重値を設定して荷重制御を行い、前記上部回転体と下部回転体との位置が所定の条件を満たす場合に、前記荷重値を変更した変更荷重制御によって荷重制御を行い、前記上部回転体の上ショルダ面や下部回転体の下ショルダ面を所定位置へ変位させることが好ましい。
また、本発明の摩擦攪拌接合方法は、前記被接合部材の接合部を挟み込む前記上部回転体と下部回転体との荷重が一定になるように荷重値を設定して荷重制御を行い、前記上部回転体の上ショルダ面や前記下部回転体の下ショルダ面が前記設定値に達した場合に、前記荷重値を変更した変更荷重制御によって荷重制御を行い、前記上部回転体の上ショルダ面や下部回転体の下ショルダ面を所定位置へ変位させることが好ましい。
例えば、鉄道車両では、高速化の要請が強く車体の軽量化が求められている一方で、車体の内外圧力差によって生じる荷重などに耐え得る強度を必要としているため、鉄道車両用構体は、アルミなどの軽合金材料を使用して押出し加工した押出中空形材によって構成されている。そして、そうした押出中空形材同士が摩擦攪拌接合によって互いに接合されて鉄道車両用構体が形成される。ここで、図4は、鉄道車両用構体を構成する押出中空形材の接合部を示した図である。
なお、図面には、本発明の要部をなす上部回転体2と下部回転体3の位置調整のための構造のみを示しているが、この回転工具1は、図示しないモータからの動力を上部回転体2が受け、スプライン部が形成された回転主軸16に回転が伝達され、そうしてプローブ4や下部回転体3が共に回転するよう構成されている。
一方、上部回転体2や下部回転体3は、その油圧装置21A,21Bの駆動によって位置調整を行いながら摩擦攪拌接合が行われる。油圧シリンダ20A,20Bには、位置確認のためストロークを検出する電磁式リニアセンサなどのストロークセンサ23,24が設けられている。
変位センサ25と板厚センサ29とから部材計測手段31が構成されている。図面では回転工具1の奥に位置する平板300に対する部材計測手段31のみを示しているが、実際には回転工具1の図面手前側に位置する不図示の平板に対しても設けられている。従って、部材計測手段31は、接合線を挟んで左右の被接合部材に対してそれぞれ設けられている。
前述したように、回転工具1が回転しながら接合線に沿って移動し、平板300同士の接合部が摩擦攪拌接合される。その際、通常は上部回転体2と下部回転体3とが平板300の上下の面を共に一定の荷重(1kN)で加圧する制御が行われ、所定条件で上部回転体2と下部回転体3との位置制御が行われる。
また、回転体2,3の位置制御としてショルダ面2a,3aが材料に深く入り込む場合を示したが、荷重一定制御を行っている場合、何らかの原因によって荷重が小さくなって回転体2,3の間隔が広くなりすぎてしまうことも考えられる。そうした場合、回転体2,3によって挟み込む接合部の肉厚が厚くなると、回転工具1はトルクは増えるが、板厚に比例するほどには増えないため、攪拌部の温度が上がらずに接合部が硬くなって十分に攪拌できなくなる。
前記実施形態では、ショルダ面2a,3aの中間位置から近い上面あるいは下面を基準位置にして設定値を定めた場合を記載したが、条件によって基準位置や設定値は様々に変更可能であり、例えば、一対の被接合部材の両方の上面位置の平均値又は、両方の下面位置の平均値を基準位置とし、その基準位置から反対の回転体側へ近づく方向又は遠ざかる方向に設定した距離を設定値としてもよい。すなわち、条件によっては、回転体のショルダ面が一方の上面や下面から浮いた状態で摩擦攪拌接合するように位置制御を行うようにしてもよい。
2 上部回転体
3 下部回転体
4 プローブ
10 摩擦攪拌接合装置
11 シリンダ形ロッド
12 ピストン
13 シリンダ本体
16 回転主軸
17 ピストン
20A 上側油圧シリンダ
20B 下側油圧シリンダ
21A,21B 油圧装置
23,24 ストロークセンサ
25 変位センサ
26 接触子
27 可動ロッド
28 コイルバネ
29 板厚センサ
30 コントローラ
31 部材計測手段
50 ベース
300 平板
Claims (20)
- 上部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な上部回転体と、その上部回転体を貫き攪拌部が形成された回転主軸と、その回転主軸と一体に形成され下部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な下部回転体とを備えた回転工具を有するものであり、接合端面同士を突き合わせた被接合部材の接合部を前記上部回転体と下部回転体とで挟み込み、当該接合部を前記攪拌部の回転による摩擦熱で攪拌させて接合する摩擦攪拌接合装置において、
前記上部回転体と下部回転体との位置を検出する位置センサと、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサと、前記被接合部材の接合部の板厚を計測する板厚センサとを備え、前記各センサからの情報を基に前記各アクチュエータを駆動して前記上部回転体と下部回転体との位置制御を行うコントローラを有するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項1に記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記変位センサは、前記被接合部材の上面に押し付けた接触子の変位を検出するものであり、前記板厚センサは、その接触子に設けられた超音波送受信素子であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項1又は請求項2に記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記変位センサと板厚センサとが部材計測手段を構成し、二組の部材計測手段が、接合端面同士を突き合わせた一対の被接合部材に対してそれぞれ前記回転工具の進行方向前方の位置に設定されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 上部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な上部回転体と、その上部回転体を貫き攪拌部が形成された回転主軸と、その回転主軸と一体に形成され下部用アクチュエータによって軸方向の位置調整が可能な下部回転体とを備えた回転工具を有するものであり、接合端面同士を突き合わせた被接合部材の接合部を前記上部回転体と下部回転体とで挟み込み、当該接合部を前記攪拌部の回転による摩擦熱で攪拌させて接合する摩擦攪拌接合装置において、
前記上部回転体と下部回転体との位置を検出する位置センサと、前記被接合部材の上面位置を計測する変位センサとを備え、前記各センサからの情報と予め記憶された被接合部材の接合部の板厚情報とを基に前記各アクチュエータを駆動して前記上部回転体と下部回転体との位置制御を行うコントローラを有するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項4に記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記変位センサは、前記被接合部材の上面に押し付けた接触子の変位を検出するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項4又は請求項5に記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記変位センサが、接合端面同士を突き合わせた一対の被接合部材に対してそれぞれ前記回転工具の進行方向前方の位置に設定されたものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれかに記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記コントローラは、被接合部材に押し当てられる前記上部回転体の上ショルダ面の位置を、前記一対の被接合部材の一方の上面位置又は両方の上面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記下部回転体側へ近づく方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記下部回転体側に近づかないよう制御するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項1乃至請求項7のいずれかに記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記コントローラは、被接合部材に押し当てられる前記下部回転体の下ショルダ面の位置を、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側へ近づく方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体側に近づかないよう制御するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項1乃至請求項8のいずれかに記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記コントローラは、被接合部材に押し当てられる前記上部回転体の上ショルダ面の位置を、前記一対の被接合部材の一方の上面位置又は両方の上面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記下部回転体側とは遠ざかる方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記下部回転体から遠ざからないよう制御するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項1乃至請求項9のいずれかに記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記コントローラは、被接合部材に押し当てられる前記下部回転体の下ショルダ面の位置を、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側とは遠ざかる方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体から遠ざからないよう制御するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項1乃至請求項10のいずれかに記載する摩擦攪拌接合装置において、
前記被接合部材の接合部を挟み込む上部回転体と下部回転体との荷重を検出する荷重センサを備え、前記コントローラは、前記接合部を挟み込む上部回転体と下部回転体との荷重を調整する荷重制御と、前記上部回転体と下部回転体との位置を調整する位置制御とを行うものであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 位置調整が可能な上部回転体及び下部回転体を有するボビンツール式の回転工具を使用し、接合端面同士を突き合わせた被接合部材の接合部を前記上部回転体と下部回転体とで挟み込み、上部回転体と下部回転体との間の攪拌部がその接合部を回転による摩擦熱で攪拌させて接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の接合部について上面位置と下面位置の一方又は両方を計測し、その計測値に基づき、前記上部回転体及び下部回転体の一方又は両方について、前記被接合部材に押し当てられる前記上部回転体の上ショルダ面や下部回転体の下ショルダ面の位置を制御することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項12に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記上部回転体の上ショルダ面の位置制御であって、前記一対の被接合部材の一方の上面位置又は両方の上面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記下部回転体側へ近づく方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記下部回転体側に近づかないようにすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項12又は請求項13に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記下部回転体の下ショルダ面の位置制御であって、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側へ近づく方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体側に近づかないようにすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項12乃至請求項14のいずれかに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記上部回転体の上ショルダ面の位置制御であって、前記一対の被接合部材の一方の上面位置又は両方の上面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記下部回転体側とは遠ざかる方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記下部回転体から遠ざからないようにすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項12乃至請求項15のいずれかに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記下部回転体の下ショルダ面の位置制御であって、前記一対の被接合部材の一方の下面位置又は両方の下面位置の間の所定位置を基準位置とし、その基準位置から前記上部回転体側とは遠ざかる方向に設定した距離を設定値として、その設定値を基に前記上部回転体から遠ざからないようにすることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項12に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の接合部を挟み込む前記上部回転体と下部回転体との荷重が一定になるように荷重制御を行い、
前記上部回転体と下部回転体との位置が所定の条件を満たす場合に、前記荷重制御を中断し、前記上部回転体の上ショルダ面や下部回転体の下ショルダ面を所定位置へ変位させる位置制御を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項12に記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の接合部を挟み込む前記上部回転体と下部回転体との荷重が一定になるように荷重値を設定して荷重制御を行い、
前記上部回転体と下部回転体との位置が所定の条件を満たす場合に、前記荷重値を変更した変更荷重制御によって荷重制御を行い、前記上部回転体の上ショルダ面や下部回転体の下ショルダ面を所定位置へ変位させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項13乃至請求項16のいずれかに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の接合部を挟み込む前記上部回転体と下部回転体との荷重が一定になるように制御し、前記上部回転体の上ショルダ面や前記下部回転体の下ショルダ面が前記設定値に達した場合に、前記荷重制御を中断し、前記上部回転体の上ショルダ面や下部回転体の下ショルダ面を所定位置へ変位させる位置制御を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項13乃至請求項16のいずれかに記載する摩擦攪拌接合方法において、
前記被接合部材の接合部を挟み込む前記上部回転体と下部回転体との荷重が一定になるように荷重値を設定して荷重制御を行い、前記上部回転体の上ショルダ面や前記下部回転体の下ショルダ面が前記設定値に達した場合に、前記荷重値を変更した変更荷重制御によって荷重制御を行い、前記上部回転体の上ショルダ面や下部回転体の下ショルダ面を所定位置へ変位させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
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