JP2020044548A - 摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】要求タクトタイムの短い生産ラインであっても、被接合部材同士の高品質（高精度）な接合が可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】ショルダ部７とプローブ部８で構成され、被接合部材９に挿入されて回転する接合ツール６と、前記接合ツールを保持する接合ヘッド４と、前記接合ヘッドを保持し、前記接合ツールを回転させると共に、前記接合ツールを移動させる装置本体２と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置１２と、前記接合ヘッドの所定の位置である第一の基準点と前記被接合部材を載置する載置台１０上の所定の位置である第二の基準点との間の距離を計測する距離計測手段１１を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置と摩擦撹拌接合方法に係り、特に、高品質（高精度）な接合が要求される被接合部材の接合に適用して有効な技術に関する。

円柱状の接合ツールを回転させて発生する摩擦熱で被接合材料を軟化させ、その部分を撹拌することで被接合材料同士を接合する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）は、材料以外の素材を用いないため、疲労強度が高く、材料も溶融しないことから溶接変形（ひずみ）の少ない接合が可能であり、航空機や自動車のボディなど、幅広い分野での応用が期待されている。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「接合条件（接合ヘッドのＺ軸方向の位置、回転速度、進行速度）を、接合ツールを被接合部材に挿入する前に設定し、接合ツールを被接合部材に挿入し、摩擦撹拌接合を開始した後は、接合部位近傍の接合温度を略一定に保持するように、回転速度及び／又は進行速度を制御する技術」が開示されている。

特許第５８８３９７８号公報

上記特許文献１においては、接合温度を略一定に保持するために、摩擦撹拌接合を開始した後に、リアルタイムで回転速度、進行速度を制御しているが、接合条件のうち、接合ヘッドのＺ軸方向の位置に関しては何ら制御することはない。

しかしながら、本願発明者らは、鋭意研究の結果、さらに高品質（高精度）な接合を実現するためには、接合する条件によっては、接合ヘッドのＺ軸方向の位置に関しても、接合中に位置補正をする必要があることを突き止めた。

また、特許文献１のような従来の摩擦撹拌接合装置（ＦＳＷ装置）では、１接合工程（接合ツールを被接合部材に挿入し、被接合部材の終端まで摩擦撹拌接合して接合ツールが原点位置に戻る工程）毎に、予めＺ軸方向（上方向）の撓みを予測し、その値を解消すための補正値を盛込んで接合ヘッドのＺ軸方向の位置を設定することで、接合途中で発生する接合ヘッドのＺ軸方向（上方向）の撓みに対応している。

しかしながら、このような従来の方法では、生産ラインの要求タクトタイムが長い場合には対応可能であるが、要求タクトタイムが短い場合には十分に対応することができない。

そこで、本発明の目的は、要求タクトタイムの短い生産ラインであっても、被接合部材同士の高品質（高精度）な接合が可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する接合ヘッドと、前記接合ヘッドを保持し、前記接合ツールを回転させると共に、前記接合ツールを移動させる装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記接合ヘッドの所定の位置である第一の基準点と前記被接合部材を載置する載置台上の所定の位置である第二の基準点との間の距離を計測する距離計測手段を備えることを特徴とする。

また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、（ａ）接合ツールを被接合部材に挿入する前段階において、当該接合ツールの先端位置を接合時のＺ軸方向位置まで降下して位置合わせを行い、接合ヘッドの所定の位置である第一の基準点と、当該第一の基準点に対向する位置であって被接合部材を載置する載置台上の所定の位置である第二の基準点との間の距離である基準距離を接合開始位置にて計測するステップと、（ｂ）前記（ａ）工程の後、前記接合ツールを前記被接合部材に挿入して前記被接合部材を接合する接合段階に移行するステップと、（ｃ）前記（ｂ）工程の後、接合段階において、前記第一の基準点と前記第二の基準点との間の距離である現在距離を計測するステップと、（ｄ）前記現在距離と前記基準距離との偏差を算出し、当該算出した偏差が所定の値を超えた場合、前記接合ツールのＺ軸方向において前記偏差の生じた方向と反対方向に前記偏差の大きさを補正した前記接合ヘッドの位置を設定するか、Ｚ軸方向において前記偏差の生じた方向と反対方向に前記偏差が前記所定の値の範囲内に到達するまで前記接合ヘッドを単位時間当たり所定の距離を移動するように継続的に前記接合ヘッドの位置を制御するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、要求タクトタイムの短い生産ラインにおいて摩擦撹拌接合装置（ＦＳＷ装置）を使用する際に、反力により接合ツールがＺ軸方向（上方向）に撓んでも、精度良く接合ツールのＺ軸方向（上方向）の位置補正を行うことが可能となる。

つまり、要求タクトタイムの短い生産ラインであっても、被接合部材同士の高品質（高精度）な接合が可能な摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法を実現することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体概要を示す図である。 本発明の一実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図３を参照して、実施例１の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法について説明する。図１および図２は本実施例の摩擦撹拌接合装置１の全体概要を示す図である。図１は被接合部材９（９ａ，９ｂ）に接合ツール部６を挿入する前（つまり、接合開始前）の状態を示しており、図２は被接合部材９（９ａ，９ｂ）に接合ツール部６を挿入し摩擦撹拌接合を行っている接合中の状態を示している。図３は本実施例による代表的な摩擦撹拌接合方法（制御方法）を示すフローチャートである。

図１では、後述する「計測モード」において基準距離（Ｌ１）を計測する状態を示しており、実際には載置台１０上に被接合部材９（９ａ，９ｂ）を載置しない状態で「計測モード」が実行される場合が多いため、被接合部材９（９ａ，９ｂ）を点線で示している。

本実施例の摩擦撹拌接合装置１は、図１に示すように、主要な構成として、装置本体２、上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続されるホルダ部（接合ヘッド）保持部４、ホルダ部（接合ヘッド）保持部４に接続（保持）されるホルダ部（接合ヘッド）５、ホルダ部（接合ヘッド）５により保持される接合ツール部６を備えている。上下動駆動機構部３には、図１に例示するように、例えばボールスクリューなどが用いられる。接合ツール部６はショルダ部７およびプローブ部（接合ピン）８で構成され、ショルダ部７を介してプローブ部（接合ピン）８がホルダ部（接合ヘッド）５に保持される。装置本体２はホルダ部（接合ヘッド）５を保持し、接合ツール部６を回転させると共に、接合ツール部６を図１のＸ軸方向およびＺ軸方向に移動させる。

このプローブ部（接合ピン）８が載置台１０上に載置された被接合部材９（９ａ，９ｂ）の突き合せ部に挿入され、高速回転することでプローブ部（接合ピン）８と被接合部材９（９ａ，９ｂ）の間に摩擦熱が発生し、摩擦熱により被接合部材９（９ａ，９ｂ）内で塑性流動が生じ、接合部が撹拌される。プローブ部（接合ピン）８が移動すると撹拌部（接合部）が冷却されて、被接合部材同士が接合される。

なお、図１では、ホルダ部５および接合ツール部６がホルダ部保持部４および上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続（保持）される構成を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、上下動駆動機構部３のみを介して装置本体２に接続（保持）される構成や、他の可動手段を介して装置本体２に接続（保持）される構成、ホルダ部５および接合ツール部６が直接装置本体２に接続（保持）される構成、或いは、図１の構成に、さらにホルダ部５と装置本体２の間にＣ型フレームを設ける構成、多軸ロボットアームを有する装置本体２に接続（保持）される構成も本実施例の範囲に含むものとする。

ホルダ部（接合ヘッド）５には、距離計測センサ１１が設けられている。この距離計測センサ１１は、接合時のホルダ部（接合ヘッド）５の進行方向（接合方向）とは反対側に配設されており、ホルダ部（接合ヘッド）５（距離計測センサ１１）の所定の位置（第一の基準点と呼ぶ）と被接合部材９（９ａ，９ｂ）を載置する載置台１０の所定の位置（第二の基準点と呼ぶ）との間の距離を計測する。第一の基準点と第二の基準点は互いに対向する位置に配置（設定）される。

距離計測センサ１１には、例えば、レーザーを利用するレーザー変位センサなどの非接式の変位センサを用いる。或いは、距離計測や摩擦撹拌接合処理に影響が出なければ、リニアゲージなどの接触式の変位センサを用いてもよい。レーザー変位センサを用いた場合、第一の基準点は、図１に示すように距離計測センサ１１の距離計測信号照射点となる。

装置本体２には、摩擦撹拌接合装置１の動作を制御する制御部（制御装置）１２が設置されている。制御部（制御装置）１２は、接合ツール部６による接合条件を決定する接合条件信号や上下動駆動機構部３による接合ツール部６の高さ方向（Ｚ方向）の保持位置（接合ピン８の挿入量）を決定する保持位置決定信号などの接合パラメータ（ＦＳＷ接合条件）を記憶する記憶部（図示せず）を備えている。

また、装置本体２には、Ｘ軸方向に駆動可能なリニア駆動機構部１３が設けられており、装置本体２の上部をＸ軸方向に設けられたリニアガイドのレール１４に沿って移動させることで、ホルダ部（接合ヘッド）５をＸ軸方向（接合方向）へ移動させることができる。

図２および図３を用いて、上記で説明した距離計測センサ１１を用いた代表的な摩擦撹拌接合方法（制御方法）を説明する。

先ず、制御部（制御装置）１２からの指令により、摩擦撹拌接合開始前（接合ツール部６を被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合部へ挿入する前）に距離計測センサ１１により、第一の基準点と第二の基準点との距離である基準距離（Ｌ１）を計測する。（ステップＳ１）ここで、このステップＳ１を「計測モード」と呼ぶ。

つまり、制御部（制御装置）１２は、接合ツール部６（プローブ部８）が被接合部材９（９ａ，９ｂ）に挿入される前段階において、接合ツール部６（プローブ部８）の先端位置を接合時のＺ軸方向位置まで降下して位置合わせを行い、第一の基準点と載置台１０上の第二の基準点との間の距離である基準距離（Ｌ１）を距離計測センサ１１から取得する「計測モード」を有している。

次に、制御部（制御装置）１２からの指令により、摩擦撹拌接合中（接合開始から所定の時間（ｔ）経過後）に距離計測センサ１１により、第一の基準点と第二の基準点との距離である現在距離（Ｌ２）を計測する。（ステップＳ２）
続いて、制御部（制御装置）１２において、ステップＳ１で計測した基準距離（Ｌ１）とステップＳ２で計測した現在距離（Ｌ２）との偏差（ΔＬ）を算出し、予め設定した所定の値（閾値：Ｌｔ）と比較する。（ステップＳ３）この偏差（ΔＬ）は摩擦撹拌接合時の接合ツール部６の撓み量である。

基準距離（Ｌ１）と現在距離（Ｌ２）の偏差（ΔＬ）が閾値（Ｌｔ）を超えた場合（ΔＬ＞Ｌｔ）、制御部（制御装置）１２の指令により、算出した偏差（ΔＬ）に基づいて接合ツール部６のＺ軸方向（上下方向）の位置を所定の変化率（移動速度）で制御しながら被接合部材９（９ａ，９ｂ）の摩擦撹拌接合を行う。（ステップＳ４）
ここで、このステップＳ４を「制御モード」と呼ぶ。制御部（制御装置）１２は、この「制御モード」において、ステップＳ３で算出した偏差（ΔＬ）が所定の値（閾値：Ｌｔ）を超えた場合、Ｚ軸方向において偏差（ΔＬ）の生じた方向と反対方向に偏差分（ΔＬ）を補正するホルダ部（接合ヘッド）５の変更位置信号を生成し、装置本体２に出力する。

この変更位置信号は、例えば、ホルダ部（接合ヘッド）５を単位時間当たり所定の距離を移動させ、現在距離（Ｌ２）或いは偏差（ΔＬ）が所定の値の範囲内に到達するまで装置本体２に継続出力する。装置本体２は、制御部（制御装置）１２から取得する変更位置信号に基づき、ホルダ部（接合ヘッド）５のＺ軸方向の位置を設定して所定の変化率（移動速度）でホルダ部（接合ヘッド）５を移動させる。

なお、この「制御モード」は摩擦撹拌接合中に継続的に行ってもよく、所定の時間間隔で断続的に繰返すように制御してもよい。

また、「制御モード」を繰り返す所定の時間間隔は、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の特性に基づき予め決定し、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の特性と対応する所定の時間間隔を記憶した特性テーブルから被接合部材９（９ａ，９ｂ）の特性に対応する値を選択することも可能である。

さらに、「制御モード」において、偏差（ΔＬ）に基づいて変更位置信号を出力した後、制御モードを停止する「制御停止モード」を設定し、断続的に制御するようにしてもよい。

一方、基準距離（Ｌ１）と現在距離（Ｌ２）の偏差（ΔＬ）が閾値（Ｌｔ）以下である場合（ΔＬ≦Ｌｔ）、接合ツール部６のＺ軸方向（上下方向）の位置制御を行わずに、現在距離（Ｌ２）を計測した際の接合条件を維持したまま、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の摩擦撹拌接合を継続する。（ステップＳ５）
その後、制御部（制御装置）１２からの指令により、接合ツール部６の移動量（経過時間）が所定の値（位置・時間）に達した時点で接合ツール部６を被接合部材９（９ａ，９ｂ）の接合部から引き抜いて、摩擦撹拌接合処理を終了する。（ステップＳ６）
以上説明したように、本実施例の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法によれば、摩擦撹拌接合開始前のホルダ部（接合ヘッド）５（距離計測センサ１１）の所定の位置（第一の基準点）と被接合部材９（９ａ，９ｂ）を載置する載置台１０の所定の位置（第二の基準点）との間の距離（基準距離：Ｌ１）を計測し、摩擦撹拌接合中（接合開始から所定の時間（ｔ）経過後）に再び第一の基準点と第二の基準点との距離（現在距離：Ｌ２）を計測し、その偏差ΔＬ（Ｌ２−Ｌ１）が所定の範囲内になるように接合ツール部６のＺ軸方向（上下方向）の位置を補正することで、接合ツール部６の押圧により生じる撓みを補正することができる。

これにより、要求タクトタイムの短い生産ラインであっても、被接合部材同士の高品質（高精度）な接合が可能となる。

なお、図３のステップＳ６において、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の一端から摩擦撹拌接合を開始し、被接合部材９（９ａ，９ｂ）の他端まで連続的に摩擦撹拌接合を行う、いわゆる「線接合」を行うことで、接合の質（信頼性）をより高めることができる。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…摩擦撹拌接合装置、２…装置本体、３…上下動駆動機構部（ボールスクリュー）、４…ホルダ部（接合ヘッド）保持部、５…ホルダ部（接合ヘッド）、６…接合ツール部、７…ショルダ部、８…プローブ部（接合ピン）、９，９ａ，９ｂ…被接合部材、１０…載置台、１１…距離計測センサ、１２…制御部（制御装置）、１３…（Ｘ軸方向）リニア駆動機構部、１４…リニアガイドのレール（Ｘ軸）。

上記課題を解決するために、本発明は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する接合ヘッドと、前記接合ヘッドを保持し、前記接合ツールを回転させると共に、前記接合ツールを移動させる装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記接合ヘッドの所定の位置である第一の基準点と前記被接合部材を載置する載置台上の所定の位置である第二の基準点との間の距離を計測する距離計測手段を備え、前記制御装置は、前記接合ツールが前記被接合部材に挿入される前段階において、前記接合ツールの先端位置を接合時のＺ軸方向位置まで降下して位置合わせを行い、前記第一の基準点と前記載置台上の前記第二の基準点との間の距離である基準距離を前記距離計測手段から取得する計測モードを有することを特徴とする。

Claims (12)

1. ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、
   前記接合ツールを保持する接合ヘッドと、
   前記接合ヘッドを保持し、前記接合ツールを回転させると共に、前記接合ツールを移動させる装置本体と、
   前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、
   前記接合ヘッドの所定の位置である第一の基準点と前記被接合部材を載置する載置台上の所定の位置である第二の基準点との間の距離を計測する距離計測手段を備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記接合ツールが前記被接合部材に挿入される前段階において、前記接合ツールの先端位置を接合時のＺ軸方向位置まで降下して位置合わせを行い、
   前記第一の基準点と前記載置台上の前記第二の基準点との間の距離である基準距離を前記距離計測手段から取得する計測モードを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
3. 請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記接合ツールが前記被接合部材に挿入された後、前記第一の基準点と前記載置台上の前記第二の基準点の間の距離である現在距離を前記距離計測手段から取得し、
   当該取得した現在距離と前記基準距離との偏差を算出し、
   当該算出した偏差が所定の値を超えた場合、Ｚ軸方向において前記偏差の生じた方向と反対方向に前記偏差を補正する前記接合ヘッドの変更位置信号を生成し、前記装置本体に出力する制御モードを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
4. 請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記接合ツールが前記被接合部材に挿入された後、前記第一の基準点と前記載置台上の前記第二の基準点の間の距離である現在距離を前記距離計測手段から取得し、
   当該取得した現在距離と前記基準距離との偏差を算出し、
   当該算出した偏差が所定の値を超えた場合、Ｚ軸方向において前記偏差の生じた方向と反対方向に前記接合ヘッドを単位時間当たり所定の距離を移動させる変更位置信号を生成し、
   前記現在距離が前記所定の値の範囲内に到達するまで前記装置本体に継続出力する制御モードを有することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
5. 請求項３または４に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記装置本体は、前記制御装置から取得する前記変更位置信号に基づき、前記接合ヘッドのＺ軸方向の位置を設定して所定の変化率で前記接合ヘッドを移動させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
6. 請求項３または４に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記制御装置は、前記制御モードを所定の時間間隔で繰返すことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
7. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記第一の基準点は、前記距離計測手段の距離計測信号照射点であることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
8. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記距離計測手段は、変位センサであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
9. 請求項８に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
   前記変位センサは、非接触式または接触式のいずれかであることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
10. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
    前記距離計測手段は、前記接合ヘッドにおいて、前記接合ツールの進行方向とは反対側に設置されることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
11. 請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置であって、
    前記装置本体は、前記被接合部材の一端から摩擦撹拌接合を開始し、前記被接合部材の他端まで連続的に摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
12. 被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、
    （ａ）接合ツールを被接合部材に挿入する前段階において、当該接合ツールの先端位置を接合時のＺ軸方向位置まで降下して位置合わせを行い、接合ヘッドの所定の位置である第一の基準点と、当該第一の基準点に対向する位置であって被接合部材を載置する載置台上の所定の位置である第二の基準点との間の距離である基準距離を接合開始位置にて計測するステップと、
    （ｂ）前記（ａ）工程の後、前記接合ツールを前記被接合部材に挿入して前記被接合部材を接合する接合段階に移行するステップと、
    （ｃ）前記（ｂ）工程の後、接合段階において、前記第一の基準点と前記第二の基準点との間の距離である現在距離を計測するステップと、
    （ｄ）前記現在距離と前記基準距離との偏差を算出し、当該算出した偏差が所定の値を超えた場合、前記接合ツールのＺ軸方向において前記偏差の生じた方向と反対方向に前記偏差の大きさを補正した前記接合ヘッドの位置を設定するか、Ｚ軸方向において前記偏差の生じた方向と反対方向に前記偏差が前記所定の値の範囲内に到達するまで前記接合ヘッドを単位時間当たり所定の距離を移動するように継続的に前記接合ヘッドの位置を制御するステップと、
    を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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