JP2014155930A - 摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の良否の判断を精度良く行うことができる摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置を提供する。
【解決手段】摩擦撹拌接合装置１では、摩擦撹拌接合中の回転ツール３の主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形を標準偏差で正規化して複数の標本線を設定する。また、設定した標本線を用いて出力信号波形の出力値が標本線と交差した回数を示す変化量を所定の標本線について求める。摩擦撹拌接合の異常には、例えば条件異常とツール破損とが挙げられるが、これらの異常に対する変化量の時間変化波形の挙動は、予め経験的に把握できる。したがって、異常の種類毎に予め定められた標本線を選択し、その変化量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較することで、異常の原因を特定しつつ接合部Ｗの良否を精度良く行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置に関する。

摩擦撹拌接合は、回転ツールを回転させながら金属材等の材料に押し込み、摩擦熱で軟化させた母材同士を塑性流動により一体化させる固相接合方法である（例えば特許文献１参照）。摩擦撹拌接合では、アーク溶接やレーザ溶接のような溶融溶接と比較して母材への入熱量が小さいので、高品質な継手を得ることが可能であり、主として融点の低いアルミニウム合金などの接合に適用されている。

特開２００６−３３４６３９号公報

摩擦撹拌接合の実施にあたっては、接合部の品質を管理する必要がある。従来の品質管理方法としては、接合後に超音波探傷を行う手法や、母材への回転ツールの押し込み量を電気的に検出する手法などがある。しかしながら、例えば鉄道車両等の車体に適用される長尺の母材の接合においては、接合部の良否の判断をより精度良く行うことが課題となっている。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、接合部の良否の判断を精度良く行うことができる摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、摩擦撹拌接合の実施中に回転ツールの主軸部の振動加速度を振動加速度検出手段によって検出する振動加速度検出ステップと、振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の標準偏差を求め、当該標準偏差に基づいて複数の標本線を設定する標本線設定ステップと、出力信号波形が標本線と交差した回数を示す変化量、又は出力信号波形の出力値が標本線を上回ったデータ数を示す存在量を所定の標本線について求める算出ステップと、所定の標本線における変化量又は存在量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較して接合部の良否を判断する判断ステップと、を備えたことを特徴としている。

この摩擦撹拌接合方法では、摩擦撹拌接合中の回転ツールの主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形を標準偏差で正規化して複数の標本線を設定する。また、設定した標本線を用いて、出力信号波形が標本線と交差した回数を示す変化量、又は出力信号波形の出力値が標本線を上回ったデータ数を示す存在量を所定の標本線について求める。摩擦撹拌接合の異常には、例えば接合速度が過剰となったことによる撹拌不足や回転ツールの荷重不足といった条件異常と、回転ツール自体が破損してしまうツール破損とが挙げられるが、これらの異常に対する変化量又は存在量の時間変化波形の挙動は、予め経験的に把握できる。したがって、異常の種類毎に予め定められた標本線を選択し、その変化量又は存在量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較することで、異常の原因を特定しつつ接合部の良否を精度良く行うことができる。

また、標本線設定ステップにおいて、摩擦撹拌接合の条件異常の有無の判断に用いる第１の標本線と、回転ツールの破損の有無の判断に用いる第２の標本線とを設定することが好ましい。これにより、摩擦撹拌接合中に条件異常が生じた場合と、回転ツールに破損が生じた場合とを特定することができる。

また、本発明に係る摩擦撹拌接合装置は、金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合装置であって、摩擦撹拌接合の実施中に回転ツールの主軸部の振動加速度を検出する振動加速度検出手段と、振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の標準偏差を求め、当該標準偏差に基づいて複数の標本線を設定する標本線設定手段と、出力信号波形が標本線と交差した回数を示す変化量、又は出力信号波形の出力値が標本線を上回ったデータ数を示す存在量を所定の標本線について求める算出手段と、所定の標本線における変化量又は存在量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較して接合部の良否を判断する判断手段と、を備えたことを特徴としている。

この摩擦撹拌接合装置では、摩擦撹拌接合中の回転ツールの主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形を標準偏差で正規化して複数の標本線を設定する。また、設定した標本線を用いて、出力信号波形が標本線と交差した回数を示す変化量、又は出力信号波形の出力値が標本線を上回ったデータ数を示す存在量を所定の標本線について求める。摩擦撹拌接合の異常には、例えば接合速度が過剰となったことによる撹拌不足や回転ツールの荷重不足といった条件異常と、回転ツール自体が破損してしまうツール破損とが挙げられるが、これらの異常に対する変化量又は存在量の時間変化波形の挙動は、予め経験的に把握できる。したがって、異常の種類毎に予め定められた標本線を選択し、その変化量又は存在量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較することで、異常の原因を特定しつつ接合部の良否を精度良く行うことができる。

また、標本線設定手段は、摩擦撹拌接合の条件異常の有無の判断に用いる第１の標本線と、回転ツールの破損の有無の判断に用いる第２の標本線とを設定することが好ましい。これにより、摩擦撹拌接合中に条件異常が生じた場合と、回転ツールに破損が生じた場合とを特定することができる。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置によれば、接合部の良否の判断を精度良く行うことができる。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す図である。 図１に示した摩擦撹拌接合装置の機能的な構成要素を示す図である。 振動加速度センサが取得した出力信号波形の一例を示す図である。 第１の標本線に対する変化量の時間変化波形の一例を示す図である。 条件異常の有無の判断手法を示す図である。 ツール破損が生じた場合の出力信号波形の一例を示す図である。 第２の標本線に対する変化量の時間変化波形の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す図である。同図に示すように、摩擦撹拌接合装置１は、接合対象である金属材２ａ，２ｂの上方に配置された回転ツール３を備えている。回転ツール３は、例えば略円柱状をなす金属材であり、回転ツール３の先端中央には、回転ツール３の胴体部分の直径よりも小径の略円柱状のプローブ４が設けられている。金属材２ａ，２ｂとしては、例えばアルミニウム合金からなる長尺の板状部材が例示される。

摩擦撹拌接合を行うにあたり、摩擦撹拌接合装置１は、まず、回転ツール３を所定の回転速度で回転させる。そして、この回転ツール３を金属材２ａ，２ｂに向かって下降させ、プローブ４が金属材２ａ，２ｂにおける端面同士の突き合わせ部分（当接部分）Ｌに没入するように、回転ツール３を突き合わせ部分Ｌの一端側に押し込む。

次に、摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール３を突き合わせ部分Ｌに沿って移動させる。これにより、回転ツール３のプローブ４と金属材２ａ，２ｂとの間で摩擦熱が生じ、この摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Ｌに接合部Ｗが順次形成される。回転ツール３が突き合わせ部分Ｌの他端側まで到達した後、回転ツール３を上昇させ、プローブ４を突き合わせ部分Ｌから引き上げる。その後、回転ツール３の回転が停止して処理が終了する。

このような摩擦撹拌接合装置１は、振動加速度検出センサ（振動加速度検出手段）１１と、接合判断部Ｍとを備えている。接合判断部Ｍは、図２に示すように、機能的な構成要素として、標本線設定部（標本線設定手段）１２、変化量算出部（算出手段）１３と、判断部（判断手段）１４とを有している。

振動加速度検出センサ１１は、摩擦撹拌接合の実施中に回転ツール３の主軸部の振動加速度を検出する部分である。主軸部とは、例えば回転ツール３のモータ、減速機、継手、ホルダ等を含む部分であり、振動加速度検出センサ１１は、例えば主軸部を収容する筐体の外側に固定されている。筐体と振動加速度検出センサ１１との固定方法は、接着剤を用いてもよく、磁石を用いてもよい。

この振動加速度検出センサ１１は、図３は、振動加速度センサが取得した出力信号波形の一例を示す図である。同図に示す例では、横軸が時間、縦軸が振動加速度となっており、摩擦撹拌接合が開始されてから完了するまでの回転ツール３の主軸部の振動加速度が時間軸波形として示されている。振動加速度検出センサ１１は、検出した出力信号波形を標本線設定部１２に出力する。なお、振動加速度検出センサ１１からの出力値は、出力電圧値、出力電流値、出力電流値と出力電圧値とを乗じた値、若しくは、これらの値から換算される振動加速度振幅の値のいずれかとすることも可能である。

接合判断部Ｍにおいて、標本線設定部１２、変化量算出部１３、及び判断部１４は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスク、ディスプレイ等を備えたコンピュータシステム、及び振動加速度検出センサ１１からの出力信号を増幅するアンプ、電気ノイズを遮断するフィルタ等によって構成されている。

標本線設定部１２は、振動加速度検出センサ１１から取得した出力信号波形の標準偏差を求め、当該標準偏差に基づいて複数の標本線を設定する部分である。標本線設定部１２は、例えば図３に示すように、振動加速度検出センサ１１から取得した出力信号波形の標準偏差をσとした場合に、例えば−１．５σと＋６．０σの計２本の標本線を設定する。標本線の抽出幅は、例えば１０００データ分である。−１．５σの標本線は、摩擦撹拌接合の条件異常の有無の判断に用いる第１の標本線であり、＋６．０σの標本線は、回転ツール３の破損の有無の判断に用いる第２の標本線である。

変化量算出部１３は、出力信号波形の変化量を算出する部分である。より具体的には、変化量算出部１３は、出力信号波形の出力値が一定時間内に標本線と交差した回数を示す変化量を第１の標本線及び第２の標本線のそれぞれについて算出する。この変化量を上記の抽出幅によって出力信号波形の全区間でサンプリングすることで、第１の標本線についての変化量の時間変化波形と、第２の標本線についての変化量の時間波形とが求められる。

判断部１４は、第１の標本線及び第２の標本線における変化量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較して接合部Ｗの良否を判断する部分である。図４は、第１の標本線に対する変化量の時間変化波形の一例を示す図である。同図では、横軸が時間、縦軸が変化量となっており、正常接合時の変化量の時間変化波形Ａと、判断対象となる接合の変化量の時間変化波形Ｂとがそれぞれ例示されている。

判断部１４は、条件異常の有無の判断を行うにあたって、例えば時間変化波形Ａの各時間における変化量の１０％を閾値として保有している。また、判断部１４は、時間変化波形Ａに対する時間変化波形Ｂの差分を求める。そして、判断部１４は、時間変化波形の差分が時間軸の全区間において閾値未満であった場合には、正常に接合がなされたと判断し、接合部Ｗが正常に形成されたと判断する。一方、判断部１４は、時間変化波形の差分が時間軸のいずれかの箇所で閾値以上となった場合には、接合条件異常が生じたと判断し、接合部Ｗが正常に形成されなかったと判断する。

図５は、この条件異常の有無の判断手法を示す図である。同図では、横軸が時間、縦軸が変化量となっており、図４に示した時間変化波形Ａの１０％で示される閾値Ｃと、図４に示した時間変化波形Ａに対する時間変化波形Ｂの差分Ｄとがそれぞれ例示されている。この例では、時間軸の大部分で差分Ｄが閾値Ｃを上回る結果となっており、判断部１４は、接合条件異常が生じたと判断し、接合部Ｗが正常に形成されなかったと判断する。

ツール破損が生じた場合、振動加速度検出センサ１１からの出力信号波形の挙動は特徴的であり、例えば図６に示すように、ツール破損が生じた瞬間に出力信号波形Ｅに急峻なピークＦが出現する。判断部１４は、ツール破損の有無の判断を行うにあたって、第２の標本線に対する変化量の時間変化波形を常時モニタリングする。第２の標本線は、上述したように＋６．０σの標本線が選択されており、条件異常が生じた程度では、変化量が検出されないようになっている。

図７は、第２の標本線に対する変化量の時間変化波形の一例を示す図である。同図では、横軸が時間、縦軸が変化量となっており、ツール破損が生じていない場合の変化量の時間変化波形Ｇと、ツール破損が生じた場合の変化量の時間変化波形Ｈとがそれぞれ例示されている。時間変化波形Ｇは、時間の全区間において変化量が０となっている。これに対し、時間変化波形Ｈは、ツール破損が生じた時点で変化量が０から８まで増加している。したがって、判断部１４は、時間変化波形Ｇを閾値（すなわち変化量が０である場合を閾値）とし、変化量が０のまま維持されればツール破損が生じなかったと判断し、接合部Ｗが正常に形成されたと判断する。一方、判断部１４は、変化量が１以上となった場合にツール破損が生じたと判断し、接合部Ｗが正常に形成されなかったと判断する。

以上説明したように、摩擦撹拌接合装置１では、摩擦撹拌接合中の回転ツール３の主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形を標準偏差で正規化して複数の標本線を設定する。また、設定した標本線を用いて出力信号波形の出力値が標本線と交差した回数を示す変化量を所定の標本線について求める。摩擦撹拌接合の異常には、例えば接合速度が過剰となったことによる撹拌不足や回転ツール３の荷重不足といった条件異常と、回転ツール３自体が破損してしまうツール破損とが挙げられるが、これらの異常に対する変化量の時間変化波形の挙動は、予め経験的に把握できる。したがって、異常の種類毎に予め定められた標本線を選択し、その変化量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較することで、異常の原因を特定しつつ接合部Ｗの良否を精度良く行うことができる。

なお、上記実施形態では、摩擦撹拌接合の対象物としてアルミニウム合金からなる金属板を例示しているが、アルミニウム合金に限られず、マグネシウム合金等の軽合金材料、ステンレス鋼、亜鉛めっき鋼板等の鉄系材料を始めとした他の金属板であってもよい。また、金属板への適用だけでなく、鉄道車両用の台車枠部品等に用いられる管体やＣ型形状のプレス成形材等の接合にも適用可能である。さらに、接合形態についても、突き合わせ接合に限られず、重ね接合にも適用可能である。

また、上記実施形態では、出力信号波形が標本線と交差した回数を示す変化量に基づいて接合部Ｗの良否を判断しているが、算出手段として変化量算出部１３に代えて存在量算出部を用い、出力信号波形の出力値が前記標本線を上回ったデータ数を示す存在量に基づいて接合部Ｗの良否を判断してもよい。この場合であっても、異常の種類毎に予め定められた標本線を選択し、その存在量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較することで、異常の原因を特定しつつ接合部Ｗの良否を精度良く行うことができる。

１…摩擦撹拌接合装置、２ａ，２ｂ…金属板、３…回転ツール、１１…振動加速度検出センサ（振動加速度検出手段）、１２…標本線設定部（標本線設定手段）、１３…変化量算出部（算出手段）、１４…判断部（判断手段）、Ｌ…突き合わせ部分（当接部分）、Ｗ…接合部。

Claims (4)

1. 金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって前記当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、
   摩擦撹拌接合の実施中に前記回転ツールの主軸部の振動加速度を振動加速度検出手段によって検出する振動加速度検出ステップと、
   前記振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の標準偏差を求め、当該標準偏差に基づいて複数の標本線を設定する標本線設定ステップと、
   前記出力信号波形が前記標本線と交差した回数を示す変化量、又は前記出力信号波形の出力値が前記標本線を上回ったデータ数を示す存在量を所定の標本線について求める算出ステップと、
   前記所定の標本線における前記変化量又は前記存在量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較して前記接合部の良否を判断する判断ステップと、を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 前記標本線設定ステップにおいて、前記摩擦撹拌接合の条件異常の有無の判断に用いる第１の標本線と、前記回転ツールの破損の有無の判断に用いる第２の標本線とを設定することを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合方法。
3. 金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって前記当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合装置であって、
   摩擦撹拌接合の実施中に前記回転ツールの主軸部の振動加速度を検出する振動加速度検出手段と、
   前記振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の標準偏差を求め、当該標準偏差に基づいて複数の標本線を設定する標本線設定手段と、
   前記出力信号波形が前記標本線と交差した回数を示す変化量、又は前記出力信号波形の出力値が前記標本線を上回ったデータ数を示す存在量を所定の標本線について求める算出手段と、
   前記所定の標本線における前記変化量又は前記存在量の時間変化波形と正常接合時の時間変化波形との差分を閾値と比較して前記接合部の良否を判断する判断手段と、を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
4. 前記標本線設定手段は、前記摩擦撹拌接合の条件異常の有無の判断に用いる第１の標本線と、前記回転ツールの破損の有無の判断に用いる第２の標本線とを設定することを特徴とする請求項３記載の摩擦撹拌接合装置。