JP2020151767A - 二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置およびその溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二重ヘッドを持ち両面から接合可能な摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】装置は、ベース１と、支柱２と、上部ビーム３と、上部ビーム上に上部ヘッド５が設けられ、下部ビーム４と、下部ビーム上に下部ヘッド６が設けられ、支柱、上部ビームおよび下部ビームは全体構造のガントリーを形成し、上部ヘッドと下部ヘッドは駆動装置および伝達機構によって、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿って移動することができ、かつＺ軸に沿って回転することができ、ベースの水平面に取り付けられた少なくとも１つの作業台と、作業台が上部ヘッドと下部ヘッドの間に配置され、かつ作業台と前記ガントリーは溶接を達成するために相対的に移動可能であり、上部ヘッドと下部ヘッドに取り付けられて溶接部をナビゲートおよび識別するための視覚センサ７と、ガントリー、上部ヘッド、下部ヘッド、作業台および視覚センサの動作を制御するためのＣＮＣコントローラと、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、撹拌摩擦溶接装置の技術分野に関し、特に二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩
擦溶接装置およびその溶接方法に関する。

撹拌摩擦溶接の発明以来、撹拌摩擦溶接技術は、特にアルミニウム合金材料に対して、広
く注目され、そして徹底的に研究され、世界中の研究機関学校および大企業は、いずれも
これに対して集中的な研究および工学的適用開発を行った。特に近年では、撹拌摩擦溶接
は鉄道輸送および船舶航行産業においてうまく適用される。

アルミニウム合金板材または型材の撹拌摩擦溶接のプロセスでは、片側の溶接が完了した
後、部品を反転して他側の溶接を完了する溶接方法を採用する。このような溶接方法は、
部品の溶接変形を制御しにくくなり、大きな変形を有する一部の部品は整形処理を必要と
し、生産効率を低減させ、生産コストを増加させる。また、第一面の撹拌摩擦溶接が完了
した後、溶接隙間に鋳ばりが形成され、スムージングしてから第二面の溶接を完了するこ
とができる。完全な溶接時間の間に、部品の研削および部品の反転は全工程の半分を占め
る。それにより、アルミニウム合金型材の撹拌摩擦溶接効率を低減させる。

公開番号がCN102481659Aの特許には、金属板の接合方法および接合装置、冷間圧延装置の
金属板接合方法、ならびに冷間圧延装置が開示され、回転工具の肩部直径の厚さより薄い
金属板に対して両面摩擦撹拌接合を行う場合、金属板の破損および接合不良が抑制され、
接合強度を向上させ、接合強度の確実性を向上させ、工具の耐用年数を延ばし、回転工具
の経済性を向上させることができる。該装置も同時に合金金属板の両面溶接を行うが、そ
れは単一組溶接しか行うことができず、連続作業の規模を持たないため、全体的な溶接プ
ロセスの効率を改善するのに効果的ではない。

上記問題に対して、本発明は、摩擦溶接効率および品質を向上できる二重ヘッドかつ両面
の高効率撹拌摩擦溶接装置およびその溶接方法を提供する。

本発明の目的は、二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置を提供することであり、
それは、ベースと、前記ベースに設けられた１対の支柱と、前記支柱の上端に接続された
上部ビームと、前記上部ビーム上に上部ヘッドが設けられ、支柱の下端の間に接続された
下部ビームと、を含み、前記下部ビーム上に前記上部ヘッドと上下に対応する下部ヘッド
が設けられ、このうち、支柱、上部ビームおよび下部ビームは全体構造のガントリーを形
成し、上部ヘッドと下部ヘッドは駆動装置および伝達機構によって、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ
軸に沿って移動することができ、かつＺ軸に沿って回転することができ、Ｘ軸およびＹ軸
での上部ヘッドと下部ヘッドの移動は、リニアモータまたはモータによってラックアンド
ピニオン機構を駆動して、スクリューガイドまたはラックアンドピニオンガイドを伝達さ
せる方式を採用することができ、Ｚ軸での上部ヘッドおよび下部ヘッドの移動はサーボ電
動シリンダ、油圧、スクリュー、ラックアンドピニオンなどの伝達方式を採用することが
でき、Ｚ軸での上部ヘッドおよび下部ヘッドの回転は電動スピンドルまたは機械式スピン
ドルにモータを追加する方式を採用することができ、モータはサーボモータと非同期モー
タに分けられる。また、上部ヘッドと下部ヘッドにプロセス角度の自動調整機能を持ち、
回転角度を調整することができる。そして、ベースの水平面に取り付けられた少なくとも
1つの作業台と、前記作業台が上部ヘッドと下部ヘッドの間に配置され、かつ作業台と前
記ガントリーは溶接を達成するために相対的に移動可能であり、上部ヘッドと下部ヘッド
に取り付けられて溶接部をナビゲートおよび識別するための視覚センサと、ガントリー、
上部ヘッド、下部ヘッド、作業台および視覚センサの動作を制御するためのＣＮＣコント
ローラと、を含む。

さらに、前記ベースの内側にトラックスロットＩが設けられ、前記作業台はリニアモータ
またはモータによってラックアンドピニオン機構を駆動して、前記トラックスロットＩに
沿って水平に往復移動させ、固定されたガントリーと相対移動を形成することができる。

さらに、前記ベースの上面にトラックスロットIIが設けられ、前記作業台はリニアモータ
またはモータによってラックアンドピニオン機構を駆動して、前記トラックスロットIIに
沿って水平に往復移動させ、固定されたガントリーと相対移動を形成することができる。

さらに、前記作業台は複数組の被溶接部品を一括して装填するための固定板および可動板
（クランプ）、および固定するためのロック機構を含み、固定板と可動板（クランプ）に
相対的に設けられた複数の帯状溝によって被溶接部品の複数本の溶接部を順次完成し、同
時に複数の部品が小さなバッチ単位で溶接され、複数回のクランプと取り外しの時間が短
縮され、装置の作業効率が大幅に向上することができる。

さらに、前記上部ヘッドおよび下部ヘッドの摩擦撹拌ヘッドの末端に、上下の摩擦撹拌ヘ
ッドが接触したときの磨耗率を低減するために耐摩耗性ガスケットが設けられ、前記摩擦
撹拌ヘッドにはさらに雄ねじが設けられ、前記雄ねじに耐摩耗性コーティングが塗布され
、雄ねじの配置は撹拌時に金属が流れやすいだけでなく、孔が開いにくく、溶接部もより
美しく、さらに、2つの摩擦撹拌ヘッドの接触面積を減らすことができ、同時に耐摩耗性
コーティングが塗布され、摩耗率を低減させる。

さらに、前記耐摩耗性ガスケットおよび耐摩耗性コーティングの原料は、重量パーセント
で、７０〜８０％の炭化タングステン粉末、４〜６％のアルミナ繊維、５〜７％の二酸化
チタン粉末、１〜３％の酸化バナジウム粉末を含み、残りはグラファイト粉末である。
さらに、前記耐摩耗性ガスケットの製造方法は以下のとおりであり、上記原料を２８００
〜３０００℃で液体合金に溶解し、フェムト秒レーザーを用いてランダムに照射し、フェ
ムト秒レーザーの繰り返し周波数は９０〜１００ＭＨｚであり、チョッパーの周波数が３
５００〜４０００Ｈｚに調整され、各チョッピングサイクルにおけるフェムト秒パルスの
数は約１８７７６であり、照射時間は５〜１０ｍｉｎであり、その後、液体合金を徐々に
固相状態に冷却させ、再溶融し、上記操作を共に５〜８回繰り返した後、鋳造し、鍛造成
形後に内部再成形後の耐摩耗性バーを得て、冷間圧接プロセスによって前記耐摩耗性バー
と摩擦撹拌ヘッドの末端を溶接し、耐摩耗性パッドを一定の厚さに切断して耐摩耗性ガス
ケットを形成し、研削および研磨すればよい。炭化タングステンは硬度が高く、耐摩耗性
が高く、二酸化チタンの増加は炭化タングステンの脆さを補うことができ、アルミナ繊維
は破壊靭性および曲げ強度をさらに改善することができ、酸化バナジウムは、炭化タング
ステン結晶格子間の酸素空孔を充填し、酸素イオンの濃度を下げ、そして焼結体の密度を
高めるために使用され、黒鉛粉末は合金の潤滑性を向上させるために使用され、それによ
り摩耗速度を低減させる。上記成分を溶融するとき、フェムト秒レーザーのランダム照射
によって、光エネルギーを吸収した後に金属イオンはイオン格子振動を発生しやすく、冷
却と再溶融を繰り返すことにより合金の結晶格子が離散的に再配列される。固体合金の照
射と比較して、液体合金は良好な流動性を有し、これはフェムト秒レーザーの透過にとっ
てより有利であり、かつ結晶格子の離散的な再配列に役立ち、それによって合金の耐摩耗
性を向上させる。前記耐摩耗性コーティングの製造方法は、上記原料成分を溶融し、かつ
フェムト秒レーザーを用いてランダムに照射した後、レーザー再溶融超音速溶射法を用い
て前記雄ねじでコーティングに結晶化させることであり、レーザー再溶解はファイバーレ
ーザーを用い、プロセスパラメータはデフォーカス量が２〜３ｍｍで、走査速度が３ｍｍ
／ｓで、レーザーパワーが１０００Ｗで、１ｍｍ×１ｍｍの矩形スポットに固定したレー
ザービームである。高い粒子衝撃速度のために、噴霧されたコーティングは摩擦撹拌ヘッ
ドの表面との結合強度が高く、摩擦中に落下しにくい。

さらに、作業台は２つが好ましく、実際の状況に応じて選択することができる。

上記装置を用いて両面の高効率撹拌摩擦溶接を行う溶接方法は、
Ｓ１、被溶接部品を作業台にロードし、かつ視覚センサの誘導下で、作業台のいずれかを
駆動して前記ガントリーに移動させ、このとき、別の作業台はアイドルステーションにあ
るステップ、
Ｓ２、上部ヘッドおよび下部ヘッドを調整して同時に整列させ、かつＺ軸に沿って同じ溶
接開始点に徐々に接近させ、上下２つの摩擦撹拌ヘッドの末端が接触するまで、上部ヘッ
ドおよび下部ヘッドの摩擦撹拌ヘッドをその場で１００〜１５０００ｒ／ｍｉｎの速度で
被溶接部品の内部に回転させ、その後、１００〜７０００ｍｍ／ｍｉｎの溶接速度で同期
的に進み、溶接末端に達すると、上部摩擦撹拌ヘッドと下部摩擦撹拌ヘッドが同時にニー
ドルを引き抜き、同じ被溶接部の下端の仕上げ溶接を完了するステップ、
Ｓ３、上部ヘッドは上部ビームに沿って移動し、下部ヘッドは下部ビームに沿ってＹ軸方
向に移動し、Ｓ２ステップを繰り返し、同じ作業台上の被溶接部品のすべての溶接部の溶
接が完了するステップ、
Ｓ４、ガントリーがアイドルステーション内の作業台に移動し、またはアイドルステーシ
ョン内の作業台がガントリーの溶接領域に移動し、Ｓ１〜Ｓ３を繰り返し、このとき溶接
した部品をアンロードし、かつ被溶接部品を再ロードするステップ、を含む。
さらに、前記Ｓ２における上下２つの摩擦撹拌ヘッドの末端が接触するまで、上部ヘッド
および下部ヘッドの摩擦撹拌ヘッドをその場で１００〜１５０００ｒ／ｍｉｎの速度で被
溶接部品の内部に回転させ、Ｘ軸に沿った上部ヘッドの送りは１つの摩擦撹拌ヘッドの直
径に等しく、上下２つの摩擦撹拌ヘッドが互いにずれ、上部ヘッドおよび下部ヘッドはＺ
軸に沿って同時に部品の厚さの８〜２０％を送り、上下２つの摩擦撹拌ヘッドが互いにず
れ、かつ作業領域が部分的に重なり、そして、１００〜１５０００ｒ／ｍｉｎの回転速度
で、かつ１００〜７０００ｍｍ／ｍｉｎの溶接速度で同期前進させ、溶接末端に達すると
、上部摩擦撹拌ヘッドと下部摩擦撹拌ヘッドが順次ニードルを引き抜き、同じ被溶接部の
下端の仕上げ溶接を完了する。

さらに、本発明はまた、少なくとも１つのロボットアームをロードして溶接部品のロード
およびアンロードを支援することができる。

本発明の有益な効果は以下のとおりである。
（１）上部ヘッドおよび下部ヘッドという二重ヘッドを用いて被溶接部品に対して上下面
の撹拌摩擦溶接を同時に行い、部品の研削および回転の時間が節約し、溶接プロセス全体
の効率が向上する。
（２）マルチステーションレイアウトを用いて、複数の作業台が交互に作動し、部品のロ
ード、アンロード準備時間を節約し、連続運転を実現し、さらに溶接効率を向上させるこ
とができる。
（３）作業台は一度に複数組の被溶接部品をロードし、順次複数の溶接部を完了し、そし
て小さなバッチで複数の部品を溶接することができ、複数回のロードとアンロード時間を
低減させ、装置の作業効率を大幅に向上させることができる。
（４）複数の摩擦撹拌ヘッドは耐摩耗性ガスケットおよび雄ねじを追加し、かつ雄ねじに
耐摩耗性コーティングが塗布され、耐摩耗性ガスケットは上部と下部の摩擦撹拌ヘッドに
触れるときの摩耗率を低減させ、雄ねじの配置は撹拌ときに金属が流動しやすいだけでな
く、孔を形成しにくく、かつ溶接部より美しく、さらに、２つの摩擦撹拌ヘッドの接触面
積を減少させることができ、同時に耐摩耗性コーティングを塗布し、磨耗率を低減させる
。

図１は本発明の実施例１における装置の立体構造概略図である。 図２は本発明の実施例２における装置の立体構造概略図である。 図３は本発明の実施例１および実施例２における装置の右側図である。 図４は本発明の実施例１における装置の正面図である。 図５は本発明の実施例２における装置の正面図である。 図６は本発明の実施例６における２つの作業台を備えた装置の正面図であり、このうち、作業台が移動し、ガントリーが固定される。 図７は本発明の実施例７における３つの作業台を備えた装置の正面図であり、このうち、作業台が固定され、ガントリーが移動する。 図８は本発明の作業台の構造概略図である。 図９は本発明の摩擦撹拌ヘッドの構造概略図である。 図１０は本発明の２つの摩擦撹拌ヘッドが互いに接触して撹拌溶接を行う構造概略図である。 図１１は本発明の２つの摩擦撹拌ヘッドが互いに分離して撹拌溶接を行う構造概略図である。 図１２は本発明の２つの摩擦撹拌ヘッドが互いに交差接触して撹拌溶接を行う構造概略図である。 図１３は本発明の２つの摩擦撹拌ヘッドが互いに交差分離して撹拌溶接を行う構造概略図であ。ここで、１−ベース、２−支柱、３−上部ビーム、４−下部ビーム、５−上部ヘッド、６−下部ヘッド、７−視覚センサ、８−ＣＮＣコントローラ、９−トラックスロットＩ、１０−トラックスロットII、１１−被溶接部品、１２−固定板、１３−可動板、１４−ロック機構、１５−帯状溝、 １６−摩擦撹拌ヘッド、１７−耐摩耗性ガスケット、１８−雄ねじ、１９−第一作業台、２０−第二作業台、２１−第三作業台。

実施例１：
図１、３、４に示すとおり、本実施例の撹拌摩擦溶接装置は、ベース１と、ベース１に設
けられた１対の支柱２と、支柱２の上端に接続された上部ビーム３と、上部ビーム３上に
上部ヘッド５が設けられ、支柱２の下端の間に接続された下部ビーム４と、を含み、下部
ビーム４上に上部ヘッド５と上下に対応する下部ヘッド６が設けられる。

このうち、支柱２、上部ビーム３および下部ビーム４は全体構造のガントリーを形成し、
上部ヘッド５および下部ヘッド６は駆動装置および伝達機構によってＸ軸、Ｙ軸およびＺ
軸に沿って移動し、かつＺ軸に沿って回転することができ、Ｘ軸およびＹ軸での上部ヘッ
ド５と下部ヘッド６の移動は、リニアモータによって駆動して、スクリューガイドまたは
ラックアンドピニオンガイドを伝達させる方式を採用することができ、Ｚ軸での上部ヘッ
ド５および下部ヘッド６の移動はサーボ電動シリンダ、油圧、スクリュー、ラックアンド
ピニオンなどの伝達方式を採用することができ、Ｚ軸での上部ヘッド５および下部ヘッド
６の回転は電動スピンドルまたは機械式スピンドルにモータを追加する方式を採用するこ
とができ、モータはサーボモータと非同期モータに分けられる。また、上部ヘッド５と下
部ヘッド６にプロセス角度の自動調整機能を持ち、回転角度を調整することができる。
図１に示すとおり、ベース１の水平面に取り付けられた第一作業台１９および第二作業台
２を有し、ベース１の内側にトラックスロットＩ９が設けられ、第一作業台１９または第
二作業台２０はリニアモータの駆動によってトラックスロットＩ９に沿って水平に往復す
ることができ、上部ヘッド１および下部ヘッド４の溶接領域に接近または離れるように固
定されたガントリーと相対運動を形成し、さらに溶接部をナビゲートおよび識別するよう
に上部ヘッド５および下部ヘッド６に取り付けられた視覚センサ７、および上部ヘッド５
、下部ヘッド６、第一作業台１９または第二作業台２０および視覚センサ７を制御するＰ
ＣＬコントローラ８を有する。

図８に示すとおり、第一作業台１９および第二作業台２０は、１〜３組の被溶接部品１１
を一括してロードするための固定板１２および可動板１３、および固定用のロック機構１
４を含み、固定板１２および可動板１３に対向して配置された複数の帯状溝１５によって
、被溶接部品１１の複数本の溶接部を順次完了し、同時に複数の部品を小さなバッチ単位
で溶接し、複数回のクランプとアンロードの時間が短縮され、装置の作業効率を大幅に向
上させる。

本実施例の装置を用いて厚さが３０ｍｍのアルミニウム合金板を溶接する方法は、
Ｓ１、被溶接部品を第一作業台１９および第二作業台２０にロードし、視覚センサ７の誘
導下で、第一作業台１９を駆動してガントリーに移動させ、このとき、第二作業台２０は
アイドルステーションにあるステップ、
Ｓ２、上部ヘッド５および下部ヘッド６を調整して同時に整列させ、かつＺ軸に沿って第
一作業台１９上の左端溶接部の同じ溶接開始点に徐々に接近させ、上下２つの摩擦撹拌ヘ
ッド１６の末端が被溶接部品１１の厚さの４０％まで挿入するまで、上部ヘッド５および
下部ヘッド６の摩擦撹拌ヘッド１６をその場で１００ｒ／ｍｉｎの速度で被溶接部品の内
部に回転させ、上下２つの摩擦撹拌ヘッド１６の末端が接触せず、摩耗を防止し、さらに
１００ｍｍ／ｍｉｎの溶接速度で同期的に進み、溶接末端に達すると、上部摩擦撹拌ヘッ
ド１６と下部摩擦撹拌ヘッド１６が同時にニードルを引き抜き、同じ被溶接部の下端の仕
上げ溶接を完了するステップ、
Ｓ３、上部ヘッド５は上部ビーム３に沿って移動し、下部ヘッド６は下部ビーム４に沿っ
てＹ軸方向に移動し、Ｓ２ステップを繰り返し、第一作業台１９上の被溶接部品のすべて
の溶接部の溶接が完了するステップ、
Ｓ４、アイドルステーション内の第二作業台２０をガントリーの溶接領域に移動させ、Ｓ
１〜Ｓ３を繰り返し、このときロボットアームと共に溶接した部品をアンロードし、かつ
被溶接部品を再ロードするステップ、を含む。

実施例２
図２、３、５に示すとおり、本実施例の撹拌摩擦溶接装置は、ベース１と、ベース１に設
けられた１対の支柱２と、支柱２の上端に接続された上部ビーム３と、上部ビーム３上に
上部ヘッド５が設けられ、支柱２の下端の間に接続された下部ビーム４と、を含み、下部
ビーム４上に上部ヘッド５と上下に対応する下部ヘッド６が設けられる。

このうち、支柱２、上部ビーム３および下部ビーム４は全体構造のガントリーを形成し、
上部ヘッド５および下部ヘッド６は駆動装置および伝達機構によってＸ軸、Ｙ軸およびＺ
軸に沿って移動し、かつＺ軸に沿って回転することができ、Ｘ軸およびＹ軸での上部ヘッ
ド５と下部ヘッド６の移動は、リニアモータによって駆動して、スクリューガイドまたは
ラックアンドピニオンガイドを伝達させる方式を採用することができ、Ｚ軸での上部ヘッ
ド５および下部ヘッド６の移動はサーボ電動シリンダ、油圧、スクリュー、ラックアンド
ピニオンなどの伝達方式を採用することができ、Ｚ軸での上部ヘッド５および下部ヘッド
６の回転は電動スピンドルまたは機械式スピンドルにモータを追加する方式を採用するこ
とができ、モータはサーボモータと非同期モータに分けられる。また、上部ヘッド５と下
部ヘッド６にプロセス角度の自動調整機能を持ち、回転角度を調整することができる。

図２に示すとおり、ベース１の水平面に取り付けられた第一作業台作業台１９および第二
作業台２０を有し、ベース１の内側にトラックスロットII１０が設けられ、ガントリーは
リニアモータの駆動によってトラックスロットII１０に沿って水平に往復することができ
、固定された第一作業台１９および第二作業台２０と相対運動を形成する。さらに溶接部
をナビゲートおよび識別するように上部ヘッド５および下部ヘッド６に取り付けられた視
覚センサ７、および上部ヘッド５、下部ヘッド６、第一作業台１９または第二作業台２０
および視覚センサ７を制御するＰＣＬコントローラ８を有する。

図８に示すとおり、第一作業台１９および第二作業台２０は、１〜３組の被溶接部品１１
を一括してロードするための固定板１２および可動板１３、および固定用のロック機構１
４を含み、固定板１２および可動板１３に対向して配置された複数の帯状溝１５によって
、被溶接部品１１の複数本の溶接部を順次完了し、同時に複数の部品を小さなバッチ単位
で溶接し、複数回のクランプとアンロードの時間が短縮され、装置の作業効率を大幅に向
上させる。

本実施例の装置を用いて厚さが３０ｍｍのアルミニウム合金板を溶接する方法は、
Ｓ１、被溶接部品を第一作業台１９および第二作業台２０にロードし、視覚センサ７の誘
導下で、第一作業台１９を駆動してガントリーに移動させ、このとき、第二作業台２０は
アイドルステーションにあるステップ、
Ｓ２、上部ヘッド５および下部ヘッド６を調整して同時に整列させ、かつＺ軸に沿って第
一作業台１９上の左端溶接部の同じ溶接開始点に徐々に接近させ、上下２つの摩擦撹拌ヘ
ッド１６の末端が接触するまで、上部ヘッド５および下部ヘッド６の摩擦撹拌ヘッド１６
をその場で２００ｒ／ｍｉｎの速度で被溶接部品の内部に回転させ、上部ヘッド５はＸ軸
に沿って１つの摩擦撹拌ヘッド１６の直径の量と等しいように送り、上下２つの摩擦撹拌
ヘッド１６を互いにずれ、上部ヘッド５および下部ヘッド６はＺ軸に沿って部品厚さの１
０％の量を同時に送り、上下２つの摩擦撹拌ヘッド１６は互いにずれ、かつ作業領域は部
分的に重なり、次いで５００ｒ／ｍｉｎの回転速度および２００ｍｍ ／ｍｉｎの溶接速
度で同期的に進み、溶接末端に達すると、上部摩擦撹拌ヘッド１６と下部摩擦撹拌ヘッド
１６が順にニードルを引き抜き、同じ被溶接部の下端の仕上げ溶接を完了するステップ、
Ｓ３、上部ヘッド５は上部ビーム３に沿って移動し、下部ヘッド６は下部ビーム４に沿っ
てＹ軸方向に移動し、Ｓ２ステップを繰り返し、第一作業台１９上の被溶接部品のすべて
の溶接部の溶接が完了するステップ、
Ｓ４、アイドルステーション内の第二作業台２０をガントリーの溶接領域に移動させ、Ｓ
１〜Ｓ３を繰り返し、このときロボットアームと共に溶接した部品をアンロードし、かつ
被溶接部品を再ロードするステップ、を含む。

実施例３
本実施例は実施例１と基本的に同じであり、違いは以下のとおりである。
（１）本実施例の摩擦撹拌ヘッド１６の末端に耐摩耗性ガスケット１７が設けられ、耐摩
耗性ガスケット１７の製造方法は以下のとおりであり、８０％の炭化タングステン粉末、
６％のアルミナ繊維、７％の二酸化チタン粉末、３％の酸化バナジウム粉末および４％の
グラファイト粉末を混合した後、３０００℃で液体合金に溶解し、フェムト秒レーザーを
用いてランダムに照射し、フェムト秒レーザーの繰り返し周波数は９５ＭＨｚであり、チ
ョッパーの周波数が４０００Ｈｚに調整され、各チョッピングサイクルにおけるフェムト
秒パルスの数は約１８７７６であり、照射時間は６ｍｉｎであり、その後、液体合金を徐
々に固相状態に冷却させ、再溶融し、上記操作を共に６回繰り返した後、鋳造し、鍛造成
形後に内部再成形後の耐摩耗性バーを得て、冷間圧接プロセスによって前記耐摩耗性バー
と摩擦撹拌ヘッド１６の末端を溶接し、耐摩耗性パッドを一定の厚さに切断して耐摩耗性
ガスケット１７を形成し、研削および研磨すればよい。

（２）Ｓ２、上部ヘッド５および下部ヘッド６を調整して同時に整列させ、かつＺ軸に沿
って第一作業台１９上の左端溶接部の同じ溶接開始点に徐々に接近させ、上下２つの摩擦
撹拌ヘッド１６の末端が被溶接部品１１の厚さの４０％まで挿入するまで、上部ヘッド５
および下部ヘッド６の摩擦撹拌ヘッド１６をその場で８００ｒ／ｍｉｎの速度で被溶接部
品の内部に回転させ、上下２つの摩擦撹拌ヘッド１６の末端が接触せず、摩耗を防止し、
さらに１５００ｍｍ／ｍｉｎの溶接速度で同期的に進み、溶接末端に達すると、上部摩擦
撹拌ヘッド１６と下部摩擦撹拌ヘッド１６が同時にニードルを引き抜き、同じ被溶接部の
下端の仕上げ溶接を完了する。

実施例４
本実施例は実施例２と基本的に同じであり、違いは以下のとおりである。
（１）本実施例の摩擦撹拌装置１６の末端に耐摩耗性ガスケット１７が設けられ、かつそ
の外側に雄ねじ１８が設けられる。
（２）Ｓ２、上部ヘッド５および下部ヘッド６を調整して同時に整列させ、かつＺ軸に沿
って第一作業台１９上の左端溶接部の同じ溶接開始点に徐々に接近させ、上下２つの摩擦
撹拌ヘッド１６の末端が接触するまで、上部ヘッド５および下部ヘッド６の摩擦撹拌ヘッ
ド１６をその場で１５０００ｒ／ｍｉｎの速度で被溶接部品の内部に回転させ、上部ヘッ
ド５はＸ軸に沿って１つの摩擦撹拌ヘッド１６の直径の量と等しいように送り、上下２つ
の摩擦撹拌ヘッド１６を互いにずれ、上部ヘッド５および下部ヘッド６はＺ軸に沿って部
品厚さの１０％の量を同時に送り、上下２つの摩擦撹拌ヘッド１６は互いにずれ、かつ作
業領域は部分的に重なり、次いで１５０００ｒ／ｍｉｎの回転速度および７０００ｍｍ
／ｍｉｎの溶接速度で同期的に進み、溶接末端に達すると、上部摩擦撹拌ヘッド１６と下
部摩擦撹拌ヘッド１６が順にニードルを引き抜き、同じ被溶接部の下端の仕上げ溶接を完
了する。

実施例５
本実施例は実施例４と基本的に同じであり、違いは以下のとおりである。
雄ねじ１８に耐摩耗性コーティングが塗布される。耐摩耗性コーティングの製造方法は以
下のとおりであり、上記原料成分を溶融し、かつフェムト秒レーザーを用いてランダムに
照射した後、レーザー再溶融超音速溶射法を用いて雄ねじ１８でコーティングに結晶化さ
せ、レーザー再溶解はファイバーレーザーを用い、プロセスパラメータはデフォーカス量
が３ｍｍで、走査速度が３ｍｍ／ｓで、レーザーパワーが１０００Ｗで、１ｍｍ×１ｍｍ
の矩形スポットに固定したレーザービームである。高い粒子衝撃速度のために、噴霧され
たコーティングは摩擦撹拌ヘッド１６の表面との結合強度が高く、摩擦中に落下しにくい
。

実施例６
本実施例は３０組の５００×２００×８ｍｍサイズのアルミニウム合金シートを実験材料
として選択し、本発明の装置を実験対象として、異なる数の作業台を備えた装置の作業効
率を研究する。
実験群１：図６に示すとおり、実施例１における装置は１つの作業台が搭載され、第一作
業台１９として記録される。
実験組２：図４に示すとおり、実施例２における装置に２つの作業台が搭載され、それぞ
れ第一作業台１９および第二作業台２０として記録される。
実験組３：図７に示すとおり、実施例２における装置に３つの作業台が搭載され、それぞ
れ第一作業台１９、第二作業台２０、第三作業台２１として記録される。
実験組４：公開番号がＣＮ１０２４８１６５９Ａの装置を用いて溶接する。
実験組５：従来の方法で片面順次溶接を行う。
実験組１〜５は同時に３組の被溶接部品が搭載され、溶接速度は３５０ｍｍ／ｍｉｎであ
り、その他の条件は同じであり、４組の溶接効率の結果を表１に示す。
表１：３０個のアルミニウム合金溶接部品の溶接効率の結果比較

結論：表１から、本発明の装置によって溶接された実験組１〜３の単一組溶接部品の時間
はほぼ同じであり、このうち、実験組２と実験組３は基本的に同じであり、約１．７ｍｉ
ｎであり、装置投資と体積の問題を考慮すると、２つの作業台が最適な設定であると結論
付けることができる。実験組４の装置の平均時間は２．５３ｍｉｎであり、実験組１〜３
より長く、複数組の同時溶接機能を有しないため、ロードおよびアンロードにおいて時間
がかかる。このうち、実験組５は片面溶接のために鋳ばりの反転研削時間が長く、したが
って、平均時間は最も長く、３．６ｍｉｎである。

実施例７
本実施例は３０組の５００×２００×８ｍｍサイズのアルミニウム合金シートを実験材料
として選択し、本発明の装置の異なる溶接方式による溶接品質に対する溶接部品の影響を
研究する。
実験組１：図１０に示すとおり、被溶接部品１１の内部に入るときに上下２つの摩擦撹拌
ヘッド１６の末端が接触し、摩擦撹拌ヘッド１６の末端に耐摩耗性ガスケット１７が設け
られ、摩擦撹拌ヘッド１６の撹拌速度は４００ｒ／ｍｉｎであり、溶接速度は２５０ｒ／
ｍｉｎである。
実験組２：被溶接部品１１の内部に入るときに上下２つの摩擦撹拌ヘッド１６の末端が接
触した後、上部ヘッド５はＸ軸に沿って１つの摩擦撹拌ヘッド１６の直径の量と等しいよ
うに送り、上下２つの摩擦撹拌ヘッド１６を互いにずれ、図１２に示すとおり、摩擦撹拌
機１６の末端に耐摩耗性ガスケット１７が設けられ、外側には雄ねじ１８が設けられ、か
つ雄ねじ１８に耐摩耗性コーティングが塗布され、摩擦撹拌ヘッド１６の撹拌速度は４０
０ｒ／ ｍｉｎであり、溶接速度は２００ｍｍ／ ｍｉｎである。
実験組３：実験組１と実質的に同じであり、違いは、摩擦撹拌ヘッド１６の末端に耐摩耗
性パッド１７が設けられないことである。
実験組４：実験組３と実質的に同じであり、違いは、図１１に示すとおり、摩擦撹拌ヘッ
ド１６の末端が接触しないことである。
実験組５：実験組２と実質的に同じであり、違いは、図１３に示すとおり、２つの摩擦撹
拌ヘッド１６が互いにずれるが、接触しないことである。
実験組６：実験組２と実質的に同じであり、違いは、摩擦撹拌ヘッド１６の外側に雄ねじ
１８のみが設けられ、耐摩耗性コーティングが塗布されないことである。
実験組７：実験組２と実質的に同じであり、違いは、摩擦撹拌ヘッド１６の外側に耐摩耗
性コーティングのみが塗布され、雄ねじ１８が設けられないことである。
実験組１〜７の溶接方法により、３０組の５００×２００×８ｍｍ規格のアルミニウム合
金シートをそれぞれ溶接し、合計１００ｈ以内に、溶接後の完成品の性能を検出し、結果
を表２に示す。

表２：異なる溶接方法による溶接完成品および摩擦撹拌ヘッドの性能テスト結果

結論：表２から、実験組２は完成品の性能テストにおいて最適であり、交差重なりの撹拌
により撹拌が十分であり、従って断面粗さはより小さくそしてより細かい。実験組４では
、上部および下部の摩擦撹拌ヘッドは耐摩耗性ガスケットおよび耐摩耗性コーティングの
保護下で接触せず、したがって摩耗率は最も低く、０．５％のみであり、次は実験組５で
あり、０．６％であり、２つの摩擦撹拌ヘッドが交差してずれて実験組４より深く挿入さ
れ、したがって、摩耗もやや深刻であり、実験組２では、２つの摩擦撹拌ヘッドのねじ山
に摩擦が必要とされるため、摩耗率はより高く、０．７％である。

実施例８
異なる材料および製造方法の耐摩耗性ガスケットが互いに当接し、合計１００ｈ内に４０
０ｒ／ｍｉｎの回転速度で異なる耐摩耗性ガスケット材料の摩耗性能をテストし、表３に
示すとおりである。

表３：異なる耐摩耗性ガスケット材料の摩耗性能のテスト

結論：本実施例から、本発明の方法により製造された耐摩耗性ガスケットの摩耗率は少な
くとも１．１％であり、かつ、光秒レーザー照射を受けた耐摩耗性ガスケットの摩耗率は
同じ材料の光秒レーザー照射が受けられなかった摩耗率より低いことが分かる。

Claims (8)

1. 二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置であって、
   ベース（１）と、
   前記ベース（１）に設けられた１対の支柱（２）と、
   前記支柱（２）の上端に接続された上部ビーム（３）と、前記上部ビーム（３）上に上部
   ヘッド（５）が設けられ、支柱（２）の下端の間に接続された下部ビーム（４）と、前記
   下部ビーム（４）上に前記上部ヘッド（５）と上下に対応する下部ヘッド（６）が設けら
   れ、このうち、支柱（２）、上部ビーム（３）および下部ビーム（４）は全体構造のガン
   トリーを形成し、上部ヘッド（５）と下部ヘッド（６）は駆動装置および伝達機構によっ
   て、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿って移動することができ、かつＺ軸に沿って回転すること
   ができ、上部ヘッド（５）と上部ビーム（３）、下部ヘッド（６）と下部ビーム（４）と
   の間は回転軸によって接続され、上部ヘッド（５）と下部ヘッド（６）は回転軸によって
   溶接角度を調整することができ、
   ベース（１）の水平面に取り付けられた少なくとも1つの作業台と、前記作業台が上部ヘ
   ッド（５）と下部ヘッド（６）の間に配置され、かつ作業台と前記ガントリーは溶接を達
   成するために相対的に移動可能であり、
   上部ヘッド（５）と下部ヘッド（６）に取り付けられて溶接部をナビゲートおよび識別す
   るための視覚センサ（７）と、
   ガントリー、上部ヘッド（５）、下部ヘッド（６）、作業台および視覚センサ（７）の動
   作を制御するためのＣＮＣコントローラ（８）と、
   を含む、ことを特徴とする、二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置。
2. 前記ベース（１）の内側にトラックスロットＩ（９）が設けられ、前記作業台はリニアモ
   ータまたはモータによってラックアンドピニオン機構を駆動して、前記トラックスロット
   Ｉ（９）に沿って水平に往復移動させ、固定されたガントリーと相対移動を形成すること
   ができる、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置。
3. 前記ベース（１）の上面にトラックスロットII（１０）が設けられ、前記作業台はリニア
   モータまたはモータによってラックアンドピニオン機構を駆動して、前記トラックスロッ
   トII（１０）に沿って水平に往復移動させ、固定されたガントリーと相対移動を形成する
   ことができる、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置。
4. 前記作業台は複数組の被溶接部品（１１）を一括して装填するための固定板（１２）およ
   び可動板（１３）、および固定するためのロック機構（１４）を含み、固定板（１２）と
   可動板（１３）に相対的に設けられた複数の帯状溝（１５）によって被溶接部品（１１）
   の複数本の溶接部を順次完成する、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置。
5. 前記上部ヘッド（５）および下部ヘッド（６）の摩擦撹拌ヘッド（１６）の末端に耐摩耗
   性ガスケット（１７）が設けられ、前記摩擦撹拌ヘッド（１６）にはさらに雄ねじ（１８
   ）が設けられ、前記雄ねじ（１８）に耐摩耗性コーティングが塗布される、ことを特徴と
   する、
   請求項１に記載の二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置。
6. 前記耐摩耗性ガスケット（１７）および耐摩耗性コーティングの原料は、重量パーセント
   で、７０〜８０％の炭化タングステン粉末、４〜６％のアルミナ繊維、５〜７％の二酸化
   チタン粉末、１〜３％の酸化バナジウム粉末を含み、残りはグラファイト粉末であり、
   前記耐摩耗性ガスケット（１７）の製造方法は、上記原料成分を溶融し、次にフェムト秒
   レーザーを用いてランダムに照射し、冷却かつ再溶融後に上記操作を複数回繰り返し、鋳
   造し、鍛造成形後に内部再成形後の耐摩耗性バーを得て、冷間圧接プロセスによって前記
   耐摩耗性バーと摩擦撹拌ヘッド（１６）の末端を溶接し、耐摩耗性パッドを一定の厚さに
   切断して耐摩耗性ガスケット（１７）を形成し、研削および研磨し、
   耐摩耗性コーティングの製造方法は、上記原料成分を溶融し、かつフェムト秒レーザーを
   用いてランダムに照射した後、レーザー再溶融超音速溶射法を用いて前記雄ねじ（１８）
   でコーティングに結晶化させる、ことを特徴とする、
   請求項１に記載の二重ヘッドかつ両面の高効率撹拌摩擦溶接装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置を用いて両面の高効率撹拌摩擦溶接を行う溶接
   方法であって、
   Ｓ１：被溶接部品を前記作業台にロードし、作業台のいずれかを駆動して前記ガントリー
   に移動させ、またはガントリーを駆動して作業台のいずれかに移動させ、このとき、別の
   作業台はアイドルステーションにあるステップと、
   Ｓ２：上部ヘッド（５）および下部ヘッド（６）を調整して同時に整列させ、かつＺ軸に
   沿って同じ溶接開始点に徐々に接近させ、上下２つの摩擦撹拌ヘッド（１６）の末端が接
   触するまで、上部ヘッド（５）および下部ヘッド（６）の摩擦撹拌ヘッド（１６）をその
   場で１００〜１５０００ｒ／ｍｉｎの速度で被溶接部品の内部に回転させ、その後、１０
   ０〜７０００ｍｍ／ｍｉｎの溶接速度で同期的に進み、溶接末端に達すると、上部摩擦撹
   拌ヘッド（１６）と下部摩擦撹拌ヘッド（１６）が同時にニードルを引き抜き、同じ被溶
   接部の下端の仕上げ溶接を完了するステップと、
   Ｓ３：上部ヘッド（５）は上部ビーム（３）に沿って移動し、下部ヘッド（６）は下部ビ
   ーム（４）に沿ってＹ軸方向に移動し、Ｓ２ステップを繰り返し、同じ作業台上の被溶接
   部品のすべての溶接部の溶接が完了するステップと、
   Ｓ４：ガントリーがアイドルステーション内の作業台に移動し、またはアイドルステーシ
   ョン内の作業台がガントリーの溶接領域に移動し、Ｓ１〜Ｓ３を繰り返し、このとき溶接
   した部品をアンロードし、かつ被溶接部品を再ロードするステップと、
   を含む、ことを特徴とする、溶接方法。
8. 前記Ｓ２における上下２つの摩擦撹拌ヘッド（１６）の末端が接触するまで、上部ヘッド
   （５）および下部ヘッド（６）の摩擦撹拌ヘッド（１６）をその場で１００〜１５０００
   ｒ／ｍｉｎの速度で被溶接部品の内部に回転させ、Ｘ軸に沿った上部ヘッド（５）の送り
   は１つの摩擦撹拌ヘッド（１６）の直径に等しく、上下２つの摩擦撹拌ヘッド（１６）が
   互いにずれ、上部ヘッド（５）および下部ヘッド（６）はＺ軸に沿って同時に部品の厚さ
   の８〜２０％を送り、上下２つの摩擦撹拌ヘッド（１６）が互いにずれ、かつ作業領域が
   部分的に重なり、そして、１００〜１５０００ｒ／ｍｉｎの回転速度で、かつ１００〜７
   ０００ｍｍ／ｍｉｎの溶接速度で同期前進させ、溶接末端に達すると、上部摩擦撹拌ヘッ
   ド（１６）と下部摩擦撹拌ヘッド（１６）が順次ニードルを引き抜き、同じ被溶接部の下
   端の仕上げ溶接を完了する、ことを特徴とする、
   請求項７に記載の溶接方法。