JP4277247B2

JP4277247B2 - 摩擦撹拌接合装置

Info

Publication number: JP4277247B2
Application number: JP2001286755A
Authority: JP
Inventors: 健岡本; 光洋松崎; 靖弘古賀; 信治奥村; 卓秀平山
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: JP2003094176A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦撹拌接合装置に関し、特に冷却装置と回転治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、摩擦撹拌接合は円筒形のツールをその中心軸円周方向に回転させながら、被接合部材15、16の接合線に沿って圧着、移動させ、その際にツールと母材間に生ずる摩擦熱と塑性流動を利用して、被接合材を接合するものがある(たとえば、特許第2712838、特許第2792233号)。図８は、このような従来の摩擦撹拌装置の構成を示す模式図である。図において、13は回転する摩擦撹拌接合用の回転体、15および16は接合される被接合部材、17は被接合部材15、16を突合わせた際の接合線である。接合線17には接合後に接合金属も形成される。61は回転体13の移動方向を示す矢印61である。回転体13は回転しながら、端面を突き合わせた被接合部材15、16の接合線17表面側に挿入され、摩擦熱と塑性流動を発生しながら図８中の矢印61の方向に接合金属を形成しながら移動する。したがって、被接合部材15、16の接合線17部分の空隙を満たし、被接合部材15、16を接合できる。また、この摩擦攪拌接合手法にあっては、安定した継手特性が得られ難く、実用化には殆ど至っていないのが、現状である。因みに、上述のような摩擦攪拌接合によれば、接合部の裏・表面は略平坦となるはずであるが、実際には、少しの条件のずれ、例えばプローブ型回転工具におけるプローブの差し込み深さや、接合されるべき材料の寸法精度等の如何により、突き合わせ接合面に、バリが突出して形成されるようになる。また、材料の寸法精度や拘束状態にバラツキがある場合には、接合面に凹凸が生じたり、ルート部にトンネル状の融合不良が発生する等して、静的及び疲労強度に少なからぬ影響をもたらし、健全な接合部の形成を困難としている。更には、接合強度の低下や外観の悪化等の問題も惹起している。このような問題に対して、特開平11-10363にプローブ型回転工具の改良が提案されている。図９に示すようにプローブ52を設けた回転体13のショルダ51の端面53に周溝を設けている。被接合部位の表面（突き合わせ接合部における表面）に接するロッド状のショルダ51の端面53において、所定の周溝が、プローブ52の周りに形成されているところから、高速回転するプローブ52による攪拌作用にて塑性流動する材料（以降、塑性流動体という）が、このような周溝の存在によって、ショルダ51の端面53が接する接合領域内に効果的に押さえ込まれ、以てそのような塑性流動体が、ショルダ51の端面53の外側にバリとして排出されるのを抑制して欠陥を解消している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の摩擦撹拌接合では、回転体13がその中心軸からぶれるためプローブ52が接合線17上を正確に移動できない問題があった。また、被接合部材15,16と回転体13との間に発生する高温の摩擦熱の伝導から回転体13と回転体13を保持する軸受を保護できず、長時間の連続運転を行うことができなかった。また、被接合部材15,16の接合線に形成された接合金属が凝固割れを生ずる問題があった。
また、特開平11-10363では、ショルダ51の端面53に周溝を設けているため被接合部材15,16と接する端面53の面積が、プローブ52周辺のみとなって小さくなることから、発生する摩擦熱が小さくなり、接合線17の周辺部位が塑性加工に十分な状態とならず、塑性流動が活性化せずに融合不良が発生するといった問題があった。
そこで、本発明は回転体13を回転中心軸に正確に保持でき、長時間の連続運転が可能で、かつ凝固割れや欠陥のない接合部が得られる摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明の摩擦撹拌接合装置は、つぎの構成にしている。
（１）被接合部材15、16を突合わせて固定する架台14と、回転体13の先端部に設けられ前記被接合部材15、16と接触するプローブ52とを備え、前記回転体13を回転させて前記プローブ52を前記被接合部材15、16の接合線17にショルダ51が接触するまで挿入し、前記プローブ52および前記ショルダ51との接触部を摩擦熱にて軟化させ、前記被接合部材15、16を撹拌することにより塑性流動を起こし、前記プローブ52を挿入状態で前記接合線17に沿って相対的に移動させて前記被接合部材15、16を接合する摩擦撹拌接合装置において、前記架台14は、前記接合線17を一定温度に保つ第１の冷却手段が設けられ、前記回転体13の前段に前記回転体13を駆動するツールヘッド12を設け、前記ツールヘッド12は、３次元方向に移動可能な走行体11に設けられ、かつ、前記ツールヘッド12および前記ツールヘッドと同軸上に具された軸受を冷却する第２の冷却手段１８が前記走行体11に沿って具えられ、前記ツールヘッドおよび前記軸受に向かって開口した小孔が前記第2の冷却手段のうち前記ツールヘッドに軸方向に固定された前記第2の冷却手段に複数個形成されている。本装置によれば、架台に第１の冷却手段を設けて一定温度以下に保つようにしたので、被接合部材の接合線に形成された接合金属を適正に冷却できるため、接合金属の内部応力が小さくなり、したがって、接合部の凝固割れと架台自体の熱変形および被接合部材の熱変形を防止できる。また、回転体の前段に軸受とシャフトをもつツールヘッドをもうけたので、回転体が回転中心軸からぶれることがなく保持されるため、プローブを接合線上に正確に移動することができる。
（２）前記第１の冷却手段は、前記架台14の内部に設けたパイプ18に冷媒20を通すようにし、前記第２の冷却手段18は、パイプ19に冷媒20を供給しシャフト32と前記スラスト軸受33と前記ラジアル軸受34を設定温度に冷却するようにしたものである。本装置によれば、スラスト軸受３３とラジアル軸受３４を設定温度に冷却するので、摩擦撹拌接合中の温度伝播による軸受の昇温を防止できる。このため、高温焼きつきがなく長時間の連続運転が可能になる。
（３）前記ツールヘッド12は、前記回転体13を回転させるサーボモータ31と、前記サーボモータ31とシャフト32を連結するシャフト32と、前記シャフト32を支持するスラスト軸受33およびラジアル軸受34とを同軸上に具えたものである。本装置によれば、回転体と連結するシャフト32をスラスト軸受33およびラジアル軸受34とを同軸上に具えて剛性を増したので、回転体が回転中心軸からぶれることなく安定に保持される。
（４）前記プローブ52は、硬度・融点・耐摩耗性の特性が前記被接合部材15、16の特性より高い工具鋼または耐熱性のステンレス鋼からなり、かつ前記プローブ52の長さが前記被接合部材15、16の板厚よりも短い寸法にしたものである。本装置によれば、プローブの材質を特性の高い工具鋼または耐熱性のステンレス鋼としたので、プローブが軟化することがなく被接合部材の正確な接合線が得られる。また、プローブの長さを被接合部材の板厚よりも短い寸法にしたので、プローブと架台との接触がなく、プローブ52の先端と架台との焼付きを防止することができる。
（５）前記走行体11は垂直多関節型マニピュレータ、水平多関節型マニピュレータ、極座標マニピュレータまたは平行リンク型マニピュレータのいずれかにしたものである。本装置によれば、走行体11が正確な位置決めができるため、正確な接合線をももつ被接合部材が得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳述する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例を図１に示す。図１は、摩擦撹拌接合装置の全体構成を示す模式図である。図において、１１は走行体、１２はツールヘッド、１３は回転体、１４は架台、１５、１６は被接合部材、１７は接合線、１８は軸受冷却手段、１９はパイプである。
本発明の摩擦撹拌接合装置は、冷却手段を備えた架台１４と、摩擦撹拌接合を行う回転体１３と、回転体１３を保持し駆動するツールヘッド１２と、ツールヘッド１２を接合線１７の位置に沿って移動させる垂直多関節型マニピュレータの走行体１１とで構成されている。なお、ツールヘッド１２を冷却する第２の冷却手段１８が、走行体１１を経由して設けられている。なお、被接合部材１５、１６として、アルミニウム材を用いている。
（１）架台
架台１４は、図２の拡大した斜視図に示すように、冷却手段として内部に冷媒２０を供給するパイプ１９と、温度センサ２１と、固定クランプ２３からなっている。被接合部材１５、１６は、架台１４の上に接合線１７を付き合わせた状態で固定クランプ２３を用いて固定されている。パイプ１９内に冷媒２０である大気圧以上の圧縮気体がパイプ１９の一方から送り込まれており、他方から排出される。温度設定機構を具備した温度センサ２１は、架台１４の温度を計測し、設定温度に応じてパイプ１９内の冷媒２０の流量を調整し、架台１４および被接合部材１５、１６を適正な温度に冷却する。
（２）回転体の先端に設けたプローブ
プローブ５２を設けた回転体１３を図３に示す。プローブ５２は、より大きな径を持つショルダ５１を介して回転体１３に設けられている。回転体１３、ショルダ５１およびプローブ５２の各材質は、硬度・融点・耐摩耗性の特性が、被接合部材１５、１６の特性よりも高い工具鋼（ＳＫＤ６１）または耐熱性のステンレス鋼（ＳＵＳ４４０）を用いている。また、プローブ５２の長さは、被接合部材１５、１６の板厚よりも０．５から１ｍｍ短い寸法にしている。
（３）ツールヘッド
ツールヘッド１２の内部構造を図４に示す。図において、３１はサーボモータ、３２はシャフト、３３はスラスト軸受、３４はラジアル軸受、４２はパイプ、４３は冷媒である圧縮乾燥気体である。ツールヘッド１２は、軸方向に１個のスラスト軸受３３と周方向に２個のラジアル軸受３４を同軸上に具え、一方の先端に回転体１３と他方の先端に回転源であるサーボモータと３１からなる。ツールヘッド１２に軸方向に固定された金属管または樹脂管を用いたパイプ４２の表面に設けた小孔より冷媒４３をシャフト３２とスラスト軸受３３とラジアル軸３４に直接または間接的に吹き付る軸受冷却手段１８を具備し、スラスト軸受３３とラジアル軸受３４を設定温度に冷却する。
つぎに、本発明の摩擦撹拌接合装置の動作について説明する。
▲１▼ 回転しているプローブ５２を被接合部材１５、１６の間に押し付ける。
▲２▼ 摩擦熱により、被接合部材１５、１６が軟化するので、ショルダ５１が被接合部材１５、１６の表面に接触するまでプローブ５２を被接合部材１５、１６に挿入する。
▲３▼ プローブ５２とショルダ５１の接触部の摩擦熱で軟化した被接合部材１５、１６の接触部近傍はプローブ５２とショルダ５１の回転によって撹拌される。この時、接合によって発生し架台１４に伝播した熱は、図２に示す架台１４の内部に設置されたパイプ１９内を流れる冷媒２０の吸熱作用によって吸収され一定温度以下に保たれる。この時、架台１４の温度は、被接合部材１５、１６や回転体１３の材料が軟化する温度以下に設定されている。
以上のように動作するので、摩擦撹拌接合用の回転体１３を回転中心軸からぶれることなく保持し、摩擦撹拌接合時の発熱から軸受および摩擦撹拌接合用の回転体１３を冷却して保護し、かつ、被接合部材を適正に冷却して凝固割れと被接合部材の変形を防止することができる。
なお、本実施例では、アルミニウム材を用いたが、これに限らずプローブや回転体の融点が低くければ、他の金属でよい。また、冷媒２０として大気圧以上の圧縮気体を用いたが、防錆水、アルコール水溶液、エチレングリコールなどの加圧液体でも良い。また、走行体１１に垂直多関節型マニピュレータを用いたが、この他に水平多関節型マニピュレータ、極座標マニピュレータまたは平行リンク型マニピュレータなどを用いてもよい。
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図５に示す。
図５は、本発明の第２実施例を示すプローブ５２を設けた回転体13のショルダ51の断面図である。図において、５３は接合部材15,16と接触するショルダ51の端面、５５は螺旋状の突起である。突起５５は、Ｕ字型断面形状をしており、端面53の中心部に立設された所定高さのプローブ５２の周りに配置されている。
つぎに本実施例の動作について述べる。図６は、接合状況を示す模式図である。５４は接合後の接合表面である。いま、ショルダ51のプローブ５２が回転しながら接合線１７に挿入されていく。端面53が接する被接合部材15,16のある一点をみると、回転体13の回転途中において、端面53に設けられた螺旋状の突起55がその点上を通過し塑性流動体を取りこむ。その後、突起55が設けられていない面が通過して被接合部材15,16と接触して摩擦熱を発生させる。以後、端面53が点上を通りすぎるまでこの作用が繰り返される。つまり端面53の全面が被接合部材15,16と接触することになる。よって端面53が被接合部材15,16と接する面積が確保されており、塑性加工に十分な摩擦熱が発生し、塑性流動がスムーズに行われることとなり、融合不良等の欠陥が防止される。また、螺旋状の突起55の存在によって、ショルダ51の端面53の外側にバリとして排出されようとする塑性流動体を、接合部の領域の内側に向かって流動させることができるので、接合部における材料不足がなくなる。したがって、接合後は外観のよい接合表面５４を得ることができる。このように、バリ発生の抑制乃至は阻止によって、接合面の特性や強度等の接合特性が著しく高められ、健全な接合部を得ることができる。
なお、突起55の断面形状としては、例示のようなＵ字型断面形状に限らず、Ｖ字型断面形状、円弧状や矩形の断面形状等、各種の断面形状を用いてもよい。
本実施例の変形例として、端面53の突起を螺旋状の溝に代えた例を、図７に示す。５６は溝であり、その断面形状をＶ字型としたものである。螺旋状の突起の場合と同様な作用、効果を有している。螺旋状の溝５６の断面形状としては、例示のようなＶ字型断面形状に限らず、Ｕ字型断面形状、円弧状や矩形の断面形状等、各種の断面形状を用いても上述のような優れた効果がある。
なお、本実施例では、接合されるべき２つの被接合部材15,16として、その突き合わせ接合される板状部分について述べたが、これに限られるものではなく、各種の形状において構成されるものであり、リブや脚部が立設されたり、箱型形状とされたりしたものにも適用される。そして、そのような被接合部材15,16の接合されるべき板状部分の厚さは、一般に０．５〜１５ｍｍ程度とされる。また、被接合部材15,16の材質としても、摩擦攪拌接合の適用され得る公知の材質の何れもが、採用され得るものであるが、一般に金属材料、中でもアルミニウム若しくはアルミニウム合金からなるアルミニウム材料の接合に、本発明による摩擦攪拌接合用の保持具が有利に採用される。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の摩擦撹拌接合装置は、被接合部材を突合わせて固定する架台と、回転体の先端部に設けられ被接合部材と接触するプローブとを備え、架台は、接合線を一定温度に保つ第１の冷却手段が設けられ、回転体の前段に回転体を駆動するツールヘッドを設け、ツールヘッドは、３次元方向に移動可能な走行体に設けられ、かつ、ツールヘッドを冷却する第２の冷却手段を具えた構成にしたので、つぎの効果が得られる。
（１）架台に第１の冷却手段を設けて接合線を一定温度以下に保つようにしたので、接合部の凝固割れと架台自体の熱変形および被接合部材の熱変形を防止できる。
（２）回転体の前段に、シャフトを２種類の軸受で支持したツールヘッドを設けたので、回転体が回転中心軸からぶれることなく安定に保持でき、正確な接合線が得られる。また、ツールヘッドに第２の冷却手段を設けて、シャフトや軸受を適正な温度になるようにしたので、軸受の昇温を防止することができ、長時間の連続運転が可能になる。
（３）プローブの材質を特定したので、プローブが軟化することがなく良好な接合部が得られる。また、プローブの長さを被接合部材の板厚よりも短い寸法にしたので、プローブの先端と架台との焼付きを防止することができる。
（４）走行体11は垂直多関節型マニピュレータ、水平多関節型マニピュレータ、極座標マニピュレータまたは平行リンク型マニピュレータのいずれかにしたので、被接合部材の正確な接合線が得られる。
（５）プローブを保持するショルダの端面に外周部から中心に向かう螺旋状の突起または溝を設けたので、被接合部材との接触面積が確保され、塑性加工に十分な摩擦熱が発生して塑性流動がスムーズに行われる。また、外周部から中心に向かう螺旋状としたので、塑性流動体が接合領域の内側に向かって塑性流動が促進されて、バリの抑制でき、欠陥のない優れた接合部が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摩擦撹拌装置の全体構成を示す模式図
【図２】図１における被接合物を保持する架台の詳細を示す模式図
【図３】図１における回転体の詳細を示す模式図
【図４】図１におけるツールヘッドの詳細を示す模式図
【図５】プローブを設けた回転体の端面を示す断面図
【図６】接合状況を示す模式図
【図７】プローブを設けた回転体の他の端面を示す断面図
【図８】従来の摩擦撹拌装置の構成を示す模式図
【図９】従来のプローブを設けた回転体の端面を示す断面図
【符号の説明】
１１：走行体
１２：ツールヘッド
１３：回転体
１４：架台
１５、１６：被接合部材
１７：接合線
１８：軸受冷却機構
１９：パイプ
２０：冷媒
２１：温度センサ
２３：固定クランプ
３１：サーボモータ
３２：シャフト
３３：スラスト軸受
３４：ラジアル軸受
４２：パイプ
４３：冷媒（圧縮乾燥気体）
５１：ショルダ
５２：プローブ
５３：端面
５４：接合表面
５５：突起
５６：溝
６１：接合方向

Claims

被接合部材15、16を突合わせて固定する架台14と、回転体13の先端部に設けられ前記被接合部材15、16と接触するプローブ52とを備え、前記回転体13を回転させて前記プローブ52を前記被接合部材15、16の接合線17に前記回転体13のショルダ51の端面53が接触するまで挿入し、前記プローブ52および前記ショルダ51との接触部を摩擦熱にて軟化させ、前記被接合部材15、16を撹拌することにより塑性流動を起こし、前記プローブ52を挿入状態で前記接合線17に沿って相対的に移動させて前記被接合部材15、16を接合する摩擦撹拌接合装置において、
前記架台14は、前記接合線17を一定温度に保つ第１の冷却手段が設けられ、前記回転体13の前段に前記回転体13を駆動するツールヘッド12を設け、前記ツールヘッド12は、３次元方向に移動可能な走行体11に設けられ、かつ、前記ツールヘッド12および前記ツールヘッドと同軸上に具された軸受を冷却する第２の冷却手段１８が前記走行体11に沿って具えられ、前記ツールヘッドおよび前記軸受に向かって開口した小孔が前記第2の冷却手段のうち前記ツールヘッドに軸方向に固定された前記第2の冷却手段に複数個形成されたことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
前記第１の冷却手段は、前記架台14の内部に設けたパイプ19に冷媒20を通すようにし、前記第２の冷却手段18は、パイプ42に冷媒43を供給しシャフト32と前記スラスト軸受33と前記ラジアル軸受34を設定温度に冷却することを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合装置。
前記ツールヘッド12は、前記回転体13を回転させるサーボモータ31と、前記サーボモータ31と前記回転体13を連結するシャフト32と、前記シャフト32を支持するスラスト軸受33およびラジアル軸受34とを同軸上に具えたことを特徴とする請求項１または２記載の摩擦撹拌接合装置。
前記プローブ52は、硬度・融点・耐摩耗性の特性が前記被接合部材15、16の特性より高い工具鋼または耐熱性のステンレス鋼からなり、かつ前記プローブ52の長さが前記被接合部材15、16の板厚よりも短い寸法であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。
前記走行体11は垂直多関節型マニピュレータ、水平多関節型マニピュレータ、極座標マニピュレータまたは平行リンク型マニピュレータのいずれかであることを特徴とする請求項1から４のいずれか１項に記載の摩擦撹拌接合装置。