JP3735296B2 - Friction stir welding equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被接合材料どうしの突き合わせ面に塑性流動を生じさせて接合一体化する摩擦撹拌接合装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、金属材の溶接やロウ付けに代わる新しい接合手段として、摩擦撹拌接合(Friction Stir Welding:FSW)法が登場している。この摩擦撹拌接合法は、たとえば特表平7−505090号公報に開示されているように、金属の被加工物よりも硬い材質のプローブ(棒状突起物)を回転させながら被加工物に摺接させた際に、この摺接部分で発生する摩擦熱と圧力とによって被加工物の素材が塑性流動化するため、該プローブが被加工物中に埋入し、かつ、この埋入状態のまま被加工物中を移動可能になることを利用したものである。このような摩擦撹拌接合法は、たとえばアルミニウム及びアルミニウム合金等の比較的柔らかい金属の接合法として利用されている。
【0003】
以下、従来の摩擦撹拌接合方法を図面に基づいて簡単に説明する。なお、図4は摩擦撹拌接合の実施状態を示す斜視図、図5は摩擦撹拌接合のメカニズムを示す説明図である。
たとえば図4に示すように、被加工物である金属板1,2の接合面どうしを突き合わせた接合線3に回転工具4から突出するプローブ5を回転させながら差し込むと、ショルダー部6との摩擦発熱で金属板1,2の素材が軟化する。このため、プローブ5を接合線3に位置合わせして接合部に差し込むことができ、こうして埋入状態としたプローブ5を固定された金属材料1,2の接合線3に沿って相対移動させると、プローブ5の周辺には軟化域7(図5参照)が生じる。
【0004】
軟化域7では、プローブ5の前方側で塑性流動した両金属板1,2の素材が圧力を受けながら撹拌混練され、プローブ5の後方側へ漸次移行する。この結果、塑性流動した素材は後方側で摩擦熱を失って急速に冷却硬化するので、両金属板1,2は素材どうしが混じり合って完全に一体化した状態で接合される。
なお、プローブ5に回転方向に対する逆ねじ5aを設けることにより、図5に矢印で示すような下向きの塑性流動が生じるので、表面より低い温度となりがちな裏面側に素材のない空間(巣)等の欠陥や融合不良を生じにくくなる。
【0005】
この場合、金属素材が塑性流動する温度は融点よりもかなり低く、接合は固相接合の範疇に入り、接合過程を通して金属材への入熱量は溶接やロウ付けに比較して極めて少なく、かつ凝固収縮に伴う応力の発生もないから、接合部近傍の熱歪みによる変形や割れを生じにくいという利点がある。
【0006】
また、上述した摩擦撹拌接合方法においては、接合時に摩擦熱を発生させるため回転工具4を金属板1,2へ押し付ける必要があり、従って、その反力に対処するため裏当て金8が使用されている。この裏当て金8は、接合する金属板1,2の裏面に密着させて設置するものであり、回転工具4側から作用するたとえば8000〜18000N程度、あるいはそれ以上となる大きな加圧力の反力を受ける。
【0007】
また、図6に示したボビンツールと呼ばれる回転工具4Aには、接合する金属板1,2の表裏両面を挟持するようにして一定の間隔を設けた一対のショルダー部6a,6bが設けられている。この場合、上下一対のショルダー部6a,6b間にプローブ5が設けられているので、接合部の両面において摩擦発熱させることができ、裏面側の融合不良が生じにくい。
【0008】
図7は、上述した摩擦撹拌接合方法により被加工物を接合する摩擦撹拌接合装置の構成例を示す平面図である。
図7において、図中の符号10は摩擦撹拌接合装置、11は摺動本体部、12は主軸(回転軸)、13は駆動ベルト、14は主軸回転モータ、15はボールネジ、16は主軸移動モータである。
【0009】
この摩擦撹拌接合装置10では、主軸12の先端部に回転工具4が取り付けられている。主軸12は摺動本体部11に回転可能に支持され、駆動ベルト13を介して主軸回転モータ14から駆動力を得て回転する。
摺動本体部11は、主軸回転モータ14と共に図示省略の基部に支持されている。この摺動本体部11は、主軸移動モータ16に連結されて回動するボールネジ15によって基部と共に矢印17方向にスライドし、回転工具4のショルダー部6を金属板1,2の表面へ所定の加圧力で押し付けるようになっている。
なお、図7に示した摩擦撹拌接合装置10は、回転軸12が水平方向に配置されているが、回転軸12を鉛直方向に配置した装置もある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によれば、回転工具4が一軸で駆動されるため、板厚変動に対応できないという問題があった。
すなわち、回転工具4が主軸12で回転駆動され、これらを主軸駆動モータ16及びボールネジ15によって金属板1,2の表面へ押し付ける構成のため、金属板1,2の裏面に裏当て金8を必要とする。このため、金属板1,2に板厚変動があると加圧力を一定に保つのは困難となり、ショルダー部6の摩擦による加熱や軟化域7の塑性流動が不十分となって融合不良を生じやすい。
そして、裏当て金を必要とすることから、内部に大きな裏当て金を入れて摩擦撹拌接合するような容器等の円周接合には適用できないという問題もある。
【0011】
また、図6に示したようなボビンツール4Aを使用しても、上下のショルダー部6a,6bが軸方向に固定されて一定間隔となるため、板厚変動には対応できなかった。このような問題を解決するため、ショルダー部6a,6b間の間隔を可変とする軸長さ可変式のボビンツールが切望される。
しかしながら、上述した一軸駆動の構成では、上下のショルダー部が軸方向に相対移動可能であり、かつ、両ショルダー間における回転駆動力の伝達も必要となる軸長さ可変式のボビンツールには対応できなかった。
【0012】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、板厚変動に対応でき、融合不良のない良好な接合が可能となる摩擦撹拌接合装置の提供を目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。請求項1に記載の摩擦撹拌接合装置は、被加工物の接合部を回転工具で加熱・撹拌し、非溶融のまま接合する摩擦撹拌接合装置において、床面に固定されたベース上に摺動可能に設置された第1スライド基部と、前記第1スライド基部上に前記第1スライド基部と独立して摺動可能に設置された第2スライド基部と、前記回転工具が前記被加工物の表裏両面にそれぞれ接触して摩擦熱により加熱する第1及び第2のショルダー部と、駆動源に連結され同一軸線上でスプライン結合されている内軸及び外軸よりなる回転軸とを備え、前記第1スライド基部に前記外軸を取り付け、かつ、前記第2スライド基部に前記内軸を取り付け、前記外軸に前記第1のショルダー部を連結し、かつ、前記内軸に前記第2のショルダー部を連結するとともに、前記第1のショルダー部を表面に押し付けて加圧し、かつ、前記第2のショルダー部を裏面に引き付けて加圧するように構成したことを特徴とするものである。
【0014】
このような摩擦撹拌接合装置によれば、第1スライド基部に取り付けた外軸に第1のショルダー部を連結し、かつ、第2スライド基部に取り付けた内軸に第2のショルダー部を連結するとともに、第1のショルダー部を表面に押し付けて加圧し、かつ、第2のショルダー部を裏面に引き付けて加圧するように構成したので、軸長さ可変式の回転工具に対応可能となり、第1及び第2のショルダー部によって両面から一定圧力で加圧することができるようになって裏当て金が不要となる。
【0015】
請求項1記載の摩擦撹拌接合装置においては、前記内軸及び前記外軸に各々荷重検出手段を設けてフィードバック制御を行うことが好ましく、これにより、板厚変動があってもより確実に対応して加圧力を一定に保つことができる。
【0016】
また、上述した摩擦撹拌接合装置においては、前記回転工具に流体噴出口を設けたものが好ましく、これにより、接合部周辺に不活性ガスを噴射して雰囲気を制御したり、あるいは、噴射したエアーによる冷却を行うことが可能になる。
【0017】
また、上述した摩擦撹拌接合装置においては、前記回転軸が、前記回転工具またはプラグ溶接工具のいずれか一方を選択して取付可能であるものが好ましく、これにより、摩擦撹拌接合後に生じる終端部の穴をプラグ溶接によって埋めることができる。
また、駆動源には、回転工具取付時の回転速度とプラグ溶接工具取付時の回転速度との差に対応する変速機構を設けることが好ましく、さらに、回転軸を急停止できるブレーキ機構を設けことが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合装置の一実施形態を図1ないし図3に基づいて説明する。
図1は摩擦撹拌接合装置の全体構成例を示す正面図であり、図中の符号20は摩擦撹拌接合装置、21はベース、22は押圧用モータ、23は第1ガイドレール、24は第1スライド基部、25は引付用モータ、26は第2ガイドレール、27は第2スライド基部、28は主軸回転(工具駆動用)モータ、29は駆動ベルト、30は摺動本体部、40は主軸(回転軸)、50はボビンツール(回転工具)、Wは被加工物である。
【0019】
ベース21は、摩擦撹拌接合装置20の構成要素を支持して床面等に固定設置する部材である。
ベース21の上面には、後述する主軸40の方向に延びる第1ガイドレール23が設置されている。この第1ガイドレール23には第1スライド基部24のスライダー24aが係合され、押圧用モータ22を駆動源として、第1スライド基部24がベース21に対し図中に矢印で示した主軸方向へ摺動可能に支持されている。第1スライド基部24の摺動は、押圧用モータ22の駆動軸と連結され、第1スライド基部に設けられている図示省略のボールネジ機構の回転駆動によって行われる。このボールネジ機構には、荷重検出手段として図示省略のロードセルが設けられている。なお、押圧用モータ22は、ベース21上に固定設置されている。
【0020】
第1スライド基部24の上面には、第1ガイドレール23と同方向に延びる第2ガイドレール26及び後述する摺動本体部30が設置されている。このうち、第2ガイドレール26には第2スライド基部27のスライダー27aが係合されており、引付用モータ25を駆動源として第2スライド基部27が第1スライド基部24に対し主軸方向へ摺動可能に支持されている。第2スライド基部27の摺動は、引付用モータ25の駆動軸と連結され、第2スライド基部に設けられている図示省略のボールネジ機構の回転駆動によって行われる。このボールネジ機構には、荷重検出手段として図示省略のロードセルが設けられている。なお、引付用モータ25は、第1スライド基部24上に固定設置されている。
【0021】
第2スライド基部27の上面には、主軸回転モータ28及び駆動ベルト29等によって構成される主軸40の駆動機構が設置されている。主軸40は軸受31及び摺動本体部30によって回転可能に支持され、その一端にはボビンツール50が取り付けられ、他端は駆動ベルト29を介して主軸回転モータ28と連結されている。
この結果、床面等に固定されたベース21に対し、第1スライド基部24及び第2スライド基部27がそれぞれ独立して、主軸40と平行な軸方向に摺動可能な構成となっている。
【0022】
図2は、主軸40の先端に取り付けられたボビンツール50及び摺動本体部30の内部構造を示す要部断面図である。なお、図中の符号40は主軸、41は内軸、42は外軸、43はスプライン結合部、50はボビンツール、51は表面ショルダー部(第1のショルダー部)、52は裏面ショルダー部(第2のショルダー部)、53は連結ピンである。
【0023】
主軸40は、駆動ベルト29を介して主軸回転モータ28に連結されている内軸41と、該内軸41とスプライン結合されている外軸42とを具備して構成される。外軸42は中空軸であり、その内部に挿入された内軸41との間は、スプライン結合部43で連結されている。内軸41と外軸42との連結構造としてスプライン結合部43を採用したことにより、内軸41及び外軸42間は、軸方向の相対移動が可能で、かつ、回転力の伝達も可能となっている。
また、主軸40は、前述した軸受31に加えて、摺動本体部30の内部に設置された軸受32によっても支持されている。この軸受32は外軸42の外周を回転可能に支持し、軸受31は内軸41の外周を回転可能に支持しており、結果的には、スプライン結合された主軸40全体が回転可能となっている。
【0024】
スプライン結合部43は、内軸41及び外軸42が軸方向に所定の範囲内で相対移動しても回転力の伝達に必要な強度を保つことができるようになっている。図示の例では、内軸41側のスプライン43aが外軸42側のスプライン43bより軸方向に長く設定され、短い外軸側のスプライン43bが軸方向の全長にわたって常に内軸41側のスプライン43aと係合するようになっている。
【0025】
ボビンツール50は、表面ショルダー部51を有する外軸連結部50Aと、裏面ショルダー部52を有する内軸連結部50Bとを具備して構成される。このボビンツール50は、主軸40に対して交換取付可能な回転工具である。
外軸連結部50Aは、一体に回転するよう外軸42の端部に螺合して取り付けられている。外軸連結部50Aの軸方向先端面、すなわち被加工物Wと対向する先端面には表面ショルダー部51が形成されている。また、外軸連結部50Aには中空部54が形成されており、該中空部54には内軸41の一端が挿入されている。なお、中空部54内では、内軸41が外軸連結部50Aと係合することはない。
【0026】
また、外軸連結部50Aは、中空部54の内部と外部とを連通状態にする連通孔55を備えている。この該連通孔55は、図示省略の供給源から中空部54に供給されるエアーや不活性ガス等の流体を被加工物Wの摩擦撹拌接合部周辺に向けて噴出する流体噴出口となる。
なお、通常エアーは冷却を目的として使用され、アルゴンガス等の不活性ガスは酸化防止等を目的とする雰囲気の制御に使用される。
【0027】
内軸連結部50Bは、内軸41の先端部に連結ピン53を介して取り付けられている。内軸連結部50Bには、被加工物Wと対向する先端面に裏面側ショルダー部52が形成されている。
連結ピン53は、一端に六角形のボルト頭部53aが設けられ、他端は内軸41に螺合するようになっている。また、連結ピン53にはプローブ部53bが設けられている。このプローブ部53bは、被加工物Wの接合部に埋入されて素材を塑性流動化させる部分であり、被加工物Wの板厚より軸方向に長い領域に形成されている。なお、プローブ部53bを含む連結ピン53は、被加工物Wの金属より固い材質である。
【0028】
一方、内軸連結部50Bの他端には、ボルト頭部53aと係合するようにして六角穴が形成されている。連結ピン53は六角穴から挿入され、内軸連結部50B、被加工物W、ピン貫通孔56及び中空部54を貫通し、内軸41の先端に螺合される。この結果、連結ピン53のボルト頭部53aは六角穴に収納され、内軸41の回転は螺合部を介して連結ピン53に伝達され、さらに、連結ピン53のボルト頭部53aから六角穴を介して内部連結部50Bに伝達される。
なお、内軸連結部50Bの回転速度は、内軸41と外軸42とがスプライン結合しているため、外軸連結部50Aと同一になる。
【0029】
以下では、上述した構成の摩擦撹拌接合装置20について、その作用効果を説明する。
主軸40に取り付けられたボビンツール50は、表面ショルダー部51と裏面ショルダー部52との間に被加工物Wを挟持し、主軸回転モータ28を駆動源として回転する。この時、押圧用モータ22を駆動させて第1スライド基部24を被加工物Wの方向(図2に白抜矢印57で表示)へ適量移動させれば、表面ショルダー部51から被加工物Wの表面に所望の加圧力が作用する。この加圧力は、前述したボールネジ機構に設けられているロードセルの検出値に基づいて、一定となるようフィードバック制御する。
【0030】
また、引付用モータ25を駆動させて第2スライド基部25を被加工物Wと反対側の方向(図2に矢印58で表示)へ適量移動させれば、裏面ショルダー部52から被加工物Wの裏面に所望の加圧力が作用する。この加圧力は、上述した表面側ショルダー部51と同様に、前述したボールネジ機構に設けられているロードセルの検出値に基づいて、一定となるようフィードバック制御する。
【0031】
この結果、表面ショルダー部51及び裏面ショルダー部52間の被加工物Wは表裏両面から所定の加圧力を受けてほぼ均一に加熱され、主軸40と同一回転数で回転する連結ピン53のプローブ部53bが接合部に形成される軟化域の素材を塑性流動化させて摩擦撹拌接合する。
なお、被加工物Wは、図示省略の送り装置によって支持され、接合線に沿って所望の方向へ移動される。
【0032】
さて、上述した摩擦撹拌接合中において、被加工物Wに板厚変動が生じると、両ショルダー部51,52との間隔が変化するため加圧力が変動する。しかし、上述した摩擦撹拌接合装置20は、被加工物Wの表面を押し付けて加圧する表面ショルダー部51と、被加工物Wの裏面に引き付けて加圧する裏面ショルダー部52とが、軸方向において互いに独立して移動可能なため、板厚変動に追従して加圧力を一定に保つことができる。
【0033】
すなわち、両ショルダー部51,52間の間隔を可変とする軸長さ可変式のボビンツール50を使用できるようになる。従って、内軸41が矢印58の方向へ引き付けられると、連結ピン53は外軸連結部50Aのピン貫通孔56を軸方向へ自由にスライドでき、かつ、スプライン結合部43においては、矢印58方向に引き付けられる内軸41と白抜矢印57方向へ押し付けられる外軸42とが回転力の伝達を維持しながら軸方向へ自由に相対移動することができるので、被加工物Wの板厚変動に追従して一定の加圧力を維持することができる。
この時、ロードセルの検出値を用いてフィードバック制御を行えば、所望の加圧力をより正確に維持することができる。
【0034】
また、上述した摩擦撹拌接合中において、連通孔55から被加工物Wの接合部周辺、特に接合完了部方向へエアーを噴出すれば、接合完了部をより短時間で冷却することができる。
さらに、上述した摩擦撹拌接合中において、連通孔55から被加工物Wの接合部周辺に不活性ガスを噴出すれば、接合部における酸化を防止して良好な接合部を形成することができる。
【0035】
ところで、上述した摩擦撹拌接合においては、接合完了後に連結ピン53を被加工物Wから引き抜くことで、接合部の端部に穴が残る。この穴は、周辺の部材と共に切断除去してもよいが、プラグ溶接等によって穴埋めすることも可能である。
そこで、図3に示すように、主軸40の先端に取り付けられているボビンツール50に代えて、プラグ溶接工具60を取り付ける。
【0036】
このプラグ溶接工具60は、先端に保持したプラグ61を回転させながら穴62に押し込み、摩擦熱により接触面(プラグ61の外周面と穴の内周面)が軟化して溶接温度に達した後に回転を停止する。この時、被加工物Wの裏面側では、プラグ61の押圧を受け止めるために裏当て金63が必要となる。
なお、この場合の裏当て金63は、上述した摩擦撹拌接合の裏当て金とは異なり、プローブ部53bより若干大きい程度となる比較的小さなものでよい。
【0037】
従って、上述した摩擦撹拌接合装置20の主軸40にプラグ溶接工具60を取り付ければ、図2及び図3に示した白抜矢印57方向への押圧をしながら、プラグ61を回転させることができる。すなわち、図2の主軸40から外軸連結部50A、内軸連結部50B及び連結ピン53を取り外し、外軸42にプラグ溶接工具60を螺合させて取り付け可能な構成とすればよい。
なお、プラグ溶接工具60については、公知のものであるからその詳細な説明は省略する。
【0038】
このように、主軸40に取り付ける工具として、ボビンツール50またはプラグ溶接工具60のいずれか一方を選択可能とすれば、一台の摩擦撹拌接合装置20によって、摩擦撹拌接合及び摩擦撹拌接合後に残る穴埋めのプラグ溶接の両方の作業を実施することが可能となる。しかも、主軸40を共用できるので、摩擦撹拌接合後にそのまま工具を交換してプラグ溶接を実施すれば、新たに芯出し等の作業を実施する必要はない。
なお、プラグ溶接を行う場合の主軸回転速度と、摩擦撹拌接合を行う場合の主軸回転速度では大きな差があるので、この回転速度差に対応するため、主軸回転モータ28に適当な変速機構を設けておくのが好ましく、さらに、プラグ溶接では溶接温度に達するとすぐに回転を停止する必要があるため、選択的に使用可能なブレーキ機構を設けておくとよい。
【0039】
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば主軸が上下方向に配置される摩擦撹拌接合装置への適用など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【0040】
【発明の効果】
上述した本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、以下の効果を奏する。請求項1に記載した本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、第1スライド基部に取り付けた外軸に第1のショルダー部を連結し、かつ、第2スライド基部に取り付けた内軸に第2のショルダー部を連結するとともに、第1のショルダー部を表面に押し付けて加圧し、かつ、第2のショルダー部を裏面に引き付けて加圧するように構成したので、第1及び第2のショルダー部によって両面から加圧することができるようになり、軸長さ可変式のボビンツールも使用可能となって、裏当て金がなくても十分な加熱や軟化域の塑性流動を実現し、融合不良のない良好な摩擦撹拌接合を実施することができる。このため、容器の円周溶接等、大きな裏当て金を使用できない場合の摩擦撹拌接合にも十分対応可能となる。
【0041】
また、内軸及び外軸に各々荷重検出手段を設けてフィードバック制御を行うことで、被加工物に板厚変動があっても加圧力を一定に保ち、融合不良のない良好な摩擦撹拌接合部をより一層確実に形成することができる。
また、回転工具に流体噴出口を設けることにより、接合部周辺に不活性ガスを噴射して雰囲気を制御したり、あるいは、噴射したエアーによる冷却を行うことが可能になり、融合不良のない良好な摩擦撹拌接合部をより一層確実に形成することに加えて、酸化による変色等の防止も可能になる。
【0042】
また、回転工具またはプラグ溶接工具のいずれか一方を選択して取付可能としたので、1台の装置で摩擦撹拌接合後に生じる終端部の穴をプラグ溶接によって埋めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す正面図である。
【図2】 図1における主軸及びボビンツールの周辺構造を示す要部断面図である。
【図3】 主軸先端にプラグ溶接工具を取り付けた状態の構成例を示す図である。
【図4】 摩擦撹拌接合の実施状態を示す斜視図である。
【図5】 摩擦撹拌接合のメカニズムを示す説明図である。
【図6】 従来のボビンツール(回転工具)を示す正面図である。
【図7】 従来の摩擦撹拌接合装置の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
20 摩擦撹拌接合装置
21 ベース
22 押圧用モータ
23 第1ガイドレール
24 第1スライド基部
25 引付用モータ
26 第2ガイドレール
27 第2スライド基部
28 主軸回転(工具駆動用)モータ
30 摺動本体部
40 主軸(回転軸)
41 内軸
42 外軸
43 スプライン結合部
50 ボビンツール(回転工具)
50A 外軸連結部
50B 内軸連結部
51 表面ショルダー部(第1のショルダー部)
52 裏面ショルダー部(第2のショルダー部)
53 連結ピン
54 中空部
55 連通孔(流体噴出口)
60 プラグ溶接工具
61 プラグ
W 被加工物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a friction stir welding apparatus that generates plastic flow on butted surfaces of materials to be joined and joins them together.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a friction stir welding (FSW) method has emerged as a new joining means that replaces welding and brazing of metal materials. This friction stir welding method is slidably contacted with a work piece while rotating a probe (rod-like protrusion) made of a material harder than a metal work piece as disclosed in, for example, Japanese Translation of PCT Publication No. 7-505090. Since the material of the workpiece is plastic fluidized by the frictional heat and pressure generated at the sliding contact portion, the probe is embedded in the workpiece and remains in this embedded state. It uses the fact that it can move in the work piece. Such a friction stir welding method is used as a method for joining relatively soft metals such as aluminum and aluminum alloys.
[0003]
Hereinafter, a conventional friction stir welding method will be briefly described with reference to the drawings. FIG. 4 is a perspective view showing an implementation state of friction stir welding, and FIG. 5 is an explanatory view showing a mechanism of friction stir welding.
For example, as shown in FIG. 4, when the
[0004]
In the softening
Since the
[0005]
In this case, the temperature at which the metal material plastically flows is considerably lower than the melting point, joining is in the category of solid-phase joining, the heat input to the metal material through the joining process is extremely small compared to welding and brazing, and solidification. Since there is no generation of stress due to shrinkage, there is an advantage that deformation or cracking due to thermal strain in the vicinity of the joint is unlikely to occur.
[0006]
Further, in the friction stir welding method described above, it is necessary to press the rotary tool 4 against the
[0007]
In addition, the rotating
[0008]
FIG. 7 is a plan view showing a configuration example of a friction stir welding apparatus that joins workpieces by the friction stir welding method described above.
In FIG. 7,
[0009]
In the friction
The sliding
In the friction
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the above-described prior art, since the rotary tool 4 is driven uniaxially, there is a problem that it cannot cope with the plate thickness fluctuation.
That is, because the rotary tool 4 is driven to rotate by the
And since a backing metal is required, there also exists a problem that it cannot apply to circumferential joining, such as a container which puts a large backing metal inside and carries out friction stir welding.
[0011]
Further, even when the
However, the above-described single-axis drive configuration supports a variable-axis-length bobbin tool in which the upper and lower shoulders can be moved relative to each other in the axial direction and the rotational driving force between the shoulders must be transmitted. could not.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a friction stir welding apparatus that can cope with variations in plate thickness and can be satisfactorily joined without poor fusion.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems. The friction stir welding apparatus according to claim 1 is a friction stir welding apparatus that heats and agitates a joining portion of workpieces with a rotary tool and joins the workpieces without melting, and slides on a base fixed to a floor surface. A first slide base that is slidably installed; a second slide base that is slidably installed on the first slide base independently of the first slide base; and a first and a second shoulder portion for heating by frictional heat in contact on both surfaces, and a rotary shaft made of a shaft and outer shaft inside which is splined on the same axis connected to a drive source, said first The outer shaft is attached to one slide base, the inner shaft is attached to the second slide base, the first shoulder portion is connected to the outer shaft, and the second shoulder portion is connected to the inner shaft. And Serial first shoulder portion pressed against the surface, and is characterized in that it has configured to pressurize attract the second shoulder portion on the back surface.
[0014]
According to such a friction stir welding apparatus, the first shoulder portion is connected to the outer shaft attached to the first slide base , and the second shoulder portion is connected to the inner shaft attached to the second slide base. At the same time, the first shoulder portion is pressed against the surface to apply pressure, and the second shoulder portion is applied to the back surface to apply pressure, so that it is possible to support a rotary tool with variable shaft length. And it becomes possible to pressurize with a constant pressure from both sides by the second shoulder portion, and the backing metal becomes unnecessary.
[0015]
In the friction stir welding apparatus according to claim 1, it is preferable to perform load control by providing load detection means on each of the inner shaft and the outer shaft, so that even if there is a variation in the plate thickness, the friction stir welding apparatus can cope with it more reliably. The pressure can be kept constant.
[0016]
Further, in the friction stir welding apparatus described above, it is preferable that the rotary tool is provided with a fluid ejection port, and thereby, an atmosphere is controlled by injecting an inert gas around the joint portion, or the injected air is injected. It becomes possible to perform cooling by.
[0017]
Further, in the friction stir welding apparatus described above, it is preferable that the rotating shaft can be attached by selecting either the rotary tool or the plug welding tool. The hole can be filled by plug welding.
The drive source is preferably provided with a speed change mechanism corresponding to the difference between the rotational speed when the rotary tool is attached and the rotational speed when the plug welding tool is attached, and further provided with a brake mechanism capable of suddenly stopping the rotary shaft. Is preferred.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a friction stir welding apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a front view showing an example of the overall configuration of a friction stir welding apparatus. In FIG. 1,
[0019]
The
On the upper surface of the
[0020]
On the upper surface of the
[0021]
On the upper surface of the
As a result, the
[0022]
FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part showing the internal structure of the
[0023]
The
The
[0024]
The
[0025]
The
The outer
[0026]
Further, the outer
In general, air is used for the purpose of cooling, and an inert gas such as argon gas is used for controlling the atmosphere for the purpose of preventing oxidation.
[0027]
The inner
The connecting
[0028]
On the other hand, a hexagonal hole is formed at the other end of the inner
The rotational speed of the inner
[0029]
Below, the effect is demonstrated about the friction
The
[0030]
Further, when the pulling
[0031]
As a result, the workpiece W between the
The workpiece W is supported by a feeding device (not shown) and moved in a desired direction along the joining line.
[0032]
Now, during the above-described friction stir welding, when the plate thickness varies in the workpiece W, the distance between the
[0033]
That is, the variable axis
At this time, if feedback control is performed using the detected value of the load cell, the desired pressure can be more accurately maintained.
[0034]
Further, during the above-described friction stir welding, if the air is ejected from the
Further, during the above-described friction stir welding, if an inert gas is ejected from the
[0035]
By the way, in the friction stir welding described above, a hole remains at the end of the joint by pulling out the connecting
Therefore, as shown in FIG. 3, a
[0036]
The
Note that the backing
[0037]
Therefore, if the
Since the
[0038]
As described above, if either the
Since there is a large difference between the spindle rotational speed when performing plug welding and the spindle rotational speed when performing friction stir welding, an appropriate speed change mechanism is provided in the
[0039]
The configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be appropriately changed within a range not departing from the gist of the present invention, such as application to a friction stir welding apparatus in which the main shaft is arranged in the vertical direction. be able to.
[0040]
【The invention's effect】
The friction stir welding apparatus of the present invention described above has the following effects. According to the friction stir welding apparatus of the first aspect of the present invention, the first shoulder portion is connected to the outer shaft attached to the first slide base portion, and the second shaft is connected to the inner shaft attached to the second slide base portion. The first shoulder portion is pressed against the surface and pressurized, and the second shoulder portion is attracted and pressurized against the back surface, so that the first and second shoulder portions It is possible to apply pressure from both sides, and a bobbin tool with variable shaft length can also be used, which realizes sufficient heating and plastic flow in the softened area without a backing metal, and there is no poor fusion Good friction stir welding can be performed. For this reason, it becomes possible to sufficiently cope with friction stir welding when a large backing metal cannot be used, such as circumferential welding of a container.
[0041]
Also, by providing feedback control by providing load detection means on the inner shaft and outer shaft respectively, even if the workpiece has a variation in plate thickness, the applied pressure is kept constant, and a good friction stir weld with no poor fusion Can be more reliably formed.
In addition, by providing a fluid spout on the rotary tool, it is possible to control the atmosphere by injecting an inert gas around the joint, or to cool by the injected air, and there is no poor fusion In addition to the more reliable formation of the friction stir joint, it is possible to prevent discoloration due to oxidation.
[0042]
In addition, since either one of the rotary tool and the plug welding tool can be selected and attached, the hole at the end portion generated after the friction stir welding can be filled by plug welding with one apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing an embodiment of a friction stir welding apparatus according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of a main part showing a peripheral structure of a spindle and a bobbin tool in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example in a state in which a plug welding tool is attached to a tip end of a main shaft.
FIG. 4 is a perspective view showing an implementation state of friction stir welding.
FIG. 5 is an explanatory view showing a mechanism of friction stir welding.
FIG. 6 is a front view showing a conventional bobbin tool (rotary tool).
FIG. 7 is a plan view showing a configuration example of a conventional friction stir welding apparatus.
[Explanation of symbols]
20 friction
41
50A Outer
52 Back shoulder (second shoulder)
53 Connecting
60
Claims (4)
床面に固定されたベース上に摺動可能に設置された第1スライド基部と、
前記第1スライド基部上に前記第1スライド基部と独立して摺動可能に設置された第2スライド基部と、
前記回転工具が前記被加工物の表裏両面にそれぞれ接触して摩擦熱により加熱する第1及び第2のショルダー部と、駆動源に連結され同一軸線上でスプライン結合されている内軸及び外軸よりなる回転軸とを備え、
前記第1スライド基部に前記外軸を取り付け、かつ、前記第2スライド基部に前記内軸を取り付け、
前記外軸に前記第1のショルダー部を連結し、かつ、前記内軸に前記第2のショルダー部を連結するとともに、
前記第1のショルダー部を表面に押し付けて加圧し、かつ、前記第2のショルダー部を裏面に引き付けて加圧するように構成したことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。In a friction stir welding apparatus that heats and agitates the joints of workpieces with a rotary tool and joins them without melting,
A first slide base slidably installed on a base fixed to the floor;
A second slide base that is slidably installed on the first slide base independently of the first slide base;
First and second shoulder portions that contact the front and back surfaces of the workpiece to be heated by frictional heat, and an inner shaft and an outer shaft that are connected to a drive source and splined on the same axis. A rotating shaft comprising
The outer shaft is attached to the first slide base, and the inner shaft is attached to the second slide base,
Connecting the first shoulder portion to the outer shaft and connecting the second shoulder portion to the inner shaft;
A friction stir welding apparatus, wherein the first shoulder portion is pressed against the surface and pressurized, and the second shoulder portion is attracted and pressed against the back surface.
前記駆動源には、前記回転工具取付時の回転速度とプラグ溶接工具取付時の回転速度との差に対応する変速機構および/または前記回転軸を急停止できるブレーキ機構を設けたことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の摩擦撹拌接合装置。The rotating shaft can be mounted by selecting either the rotating tool or the plug welding tool ,
The drive source is provided with a speed change mechanism corresponding to a difference between a rotational speed when the rotary tool is attached and a rotational speed when the plug welding tool is attached and / or a brake mechanism capable of suddenly stopping the rotary shaft. The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 3.
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