JP4391350B2 - 摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合によって、突き合わせた端部同士が接合される摩擦撹拌接合方法に関し、特に、作業ルートを検出するための検出部を摩擦撹拌接合工具が削り取るようにした摩擦撹拌接合方法に関する。

摩擦撹拌接合は、例えば図６に示すようにして行われる。この摩擦撹拌接合工具１００は、一対のプレート（摩擦撹拌接合材）２１０，２２０の突き合わせた端面を接合するものである。それには、プレート２１０，２２０が互いに突き合わされ、その接合部２００に沿って摩擦撹拌接合工具１００が移動することによって行われる。その摩擦撹拌接合工具１００は、プレート２１０，２２０の上下面を挟む間隔でピンツール１０１，１０２が配置され、接合部を回転しながら移動する撹拌ピン１０３がそのピンツール１０１，１０２と同軸に設けられている。

そこで、回転する摩擦撹拌接合工具１００は、撹拌ピン１０３が接合部２００でプレート２１０，２２０に接触しながら矢印Ｆ方向に移動する。このとき撹拌ピン１０３は、その周りに可塑性材の部分領域を作り、ピンツール１０１，１０２は、上下方向からプレート２１０，２２０を押圧し、可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。よって、こうした摩擦撹拌接合では、プレート２１０，２２０が接合部２００の突き当て部分で発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。

ところで、摩擦撹拌接合を行う接合装置では、摩擦撹拌接合工具１００をその撹拌ピン１０３が接合部２００に沿って移動させる必要がある。そのため、予め接合部２００が位置する作業ルートを接合装置に記憶させるか、或いは接合部２００を画像処理などで検知して作業ルートを探りながら摩擦撹拌接合工具１００を移動させることが行われる。しかし、予め作業ルートを記憶させておくことは作業効率が悪くなり、また記憶したルートが接合中の歪みなどによって変化して正確に接合できなくなる問題がある。そこで、従来の接合装置では、画像処理などで作業ルートを確認しながら摩擦撹拌接合工具１００を移動させる方法がとられている。

摩擦撹拌接合を行う接合装置では、光学センサを用いて接合部２００を検出し、その接合線に重なるように作業ルートを決定して摩擦撹拌接合工具１００を移動させている。その際、接合部２００を確実に検出できるように、下記特許文献１や２では、図７に示すような目印が施される。すなわち、従来の摩擦撹拌接合材は、図７に示すプレート２１０，２２０のように端部に面取りが行われ、突き合わせた場合にＶ字溝２０５が形成されるようになっている。そこで、接合装置は、プレート２１０，２２０の摩擦撹拌接合を行う場合、光学センサによってその接合部２００にできたＶ字溝２０５を検出し、そこを作業ルートとして摩擦撹拌接合工具１００を移動させる。そのため、摩擦撹拌接合工具１００は、接合部２００を確実に移動することができる。
特開平１１−２８５８６３号公報（第４−５頁、図７） 特開２００１−７１８９８号公報（第３頁、図１）

ところで、図７に示すプレート２１０，２２０などの摩擦撹拌接合材は、押出形材の金型に事前に面取り形状を施した素材を用いて溝をつくると、押出形材の素地そのままを作業ルートとして使用しなければならない。しかし、押出形材の寸法公差は範囲が広いため、複数の材料を接合し幅広の製品をつくろうとした場合には製品の出来上がり幅がばらついてしまう。一方、こうした面取りを機械加工で行うには、作業時間がかかり、また加工コストもかかるため非効率である。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、作業ルートを検出するための検出部が簡単に形成できる摩擦撹拌接合材を使用した摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。

本発明の摩擦撹拌接合方法は、一対の摩擦撹拌接合材の接合端面同士を突き合わせ、その突き合わせた接合部の位置を検出手段によって検出し、当該検出に基づき回転する摩擦撹拌接合工具を前記接合部に沿って移動させながら摩擦撹拌接合を行うものであって、前記接合端面方向に傾斜した跳ね上り部又は断面が矩形の凸部からなる検出部を前記接合端面に沿って形成した前記摩擦撹拌接合材の一方の接合端面に、検出部のない他方の前記摩擦撹拌接合材の接合端面を突き合わせることにより、前記接合部に当該検出部による段差を形成し、その段差を目印に前記検出手段によって前記接合部を検出しながら前記摩擦撹拌接合工具を移動させることにより摩擦撹拌接合を行い、当該摩擦撹拌接合の際、前記摩擦撹拌接合工具によって前記検出部を同時に削り取るようにしたことを特徴とする。
また、本発明の摩擦撹拌接合方法は、前記検出部によって前記接合端面同士を突き合わせた接合部に０．５〜１．０ｍｍの段差をつくり、前記摩擦撹拌接合工具によって当該検出部を削り取りながら摩擦撹拌接合を行うものであることが好ましい。

発明の摩擦撹拌接合方法によれば、接合装置によって加工を行う場合には、突き合わせた摩擦撹拌接合材の端面同士にできた跳ね上りによる段差、或いは凸部をＣＣＤカメラで撮像し、その撮像データから作業ルートである接合線を検出し、摩擦撹拌接合工具をその接合線に沿って移動させる。

よって、接合する端部の一方に跳ね上り或いは凸部を形成し、摩擦撹拌接合材同士を突き合わせた場合に、加工面上における接合部の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が可能になり、更にその接合の際、摩擦撹拌接合工具が跳ね上りや凸部を削り取る。

次に、本発明に係る摩擦撹拌接合方法の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態の摩擦撹拌接合方法に使用する摩擦撹拌接合材は、前述した図６に示すような摩擦撹拌接合工具１００で接合する場合に適した構造を有するものである。摩擦撹拌接合材には、例えば図５に示すように、鉄道車両用構体を構成する中空押出形材８０などがある。
この中空押出形材８０は、２枚の平行な上面板８１と下面板８２との間に、複数の斜面板８３が交互に傾きの方向を変えて張り渡されたトラス状のパネルである。そして、その端面同士を突き合わせた接合部が摩擦撹拌接合工具１００によって接合される。

摩擦撹拌接合を行う移動装置では、作業ルートの検出のため画像処理などで接合線が確認され、摩擦撹拌接合工具１００の回転と作業ルートに沿った移動が制御される。すなわち、接合装置にはＣＣＤカメラが摩擦撹拌接合工具１００の移動先に設置され、それによって取り込まれた画像データから上面板８１同士、または下面板８２同士が突き合わされた接合線の位置確認が行われる。本実施形態の摩擦撹拌接合材は、そうした接合線の確認が確実に行えるようにした検出部を簡単に形成するものを提案している。図１乃至図４は、本実施形態の摩擦撹拌接合材について接合端部を示した図である。なお、この摩擦撹拌接合材１〜４は、その全体形状は例えば図５に示す中空押出形材８０であり、図１乃至図４に示された部分は上面板８１や下面板８２の端部である。

先ず、図１に示した第１実施形態の摩擦撹拌接合方法に使用する摩擦撹拌接合材１（１ａ，１ｂ）は、接合する端部の一方に滑らかに傾斜した跳ね上り１１が形成されている。図には同じ形状の摩擦撹拌接合材１同士を突き合わせて接合する左右それぞれの端部が示されている。従って、板厚は摩擦撹拌接合材１ａ，１ｂともに同じ厚さであり、図１（ｂ）に示すように端面を突き合わせた場合、跳ね上り１１部分が段差１２をつくっている。このとき跳ね上り１１による段差１２の高さは０．５〜１．０ｍｍ程度である。摩擦撹拌接合材１ａ，１ｂを接合する場合、摩擦撹拌接合工具１００のピンツール１０１が跳ね上り１１を削り取っていくことになるが、この程度の高さの段差１２であれば摩擦撹拌接合工具１００の移動に対して大きな抵抗となって問題になることはないからである。

図５に示すような中空押出形材８０を構成する摩擦撹拌接合材１は、端部に跳ね上り１１を形作るための押出形材の金型から材料が押出されて形成される。そして、押出し加工だけでは端部がうねったりするため、そのまま端面同士を突き合わせるとギャップが大きい箇所では接合が不十分になる可能性がある。そこで、押出し加工後の摩擦撹拌接合材１は、その接合端面に対してエンドミルによる加工やフライス加工によって削り取りによる機械加工が施される。その際、跳ね上り１１は緩やかに傾斜してしるため、端面を削りとっても突き合わせた場合に段差１２が無くなってしまうことはない。

そこで、接合装置によって加工を行う場合には、突き合わされた摩擦撹拌接合材１ａ，１ｂの端面同士にできた段差１２に例えばライトが当てられ影がつくられる。そして、その接合部をＣＣＤカメラで撮像し、その撮像データから作業ルートである接合線が検出され、摩擦撹拌接合工具１００をその接合線に沿って移動させる。これにより、撹拌ピン１０３は、突き合わされた摩擦撹拌接合材１ａ，１ｂの端面周りに可塑性材の部分領域を作り、ピンツール１０１，１０２は段差１２部分を削りながら、図６に示すように上下方向からプレート２１０，２２０を押圧して進む。そして、摩擦撹拌接合材１ａ，１ｂが突き当て部分で発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。

よって、摩擦撹拌接合材１を使用した摩擦撹拌接合方法では、接合する端部の一方に滑らかに傾斜した跳ね上り１１を形成し、摩擦撹拌接合材１ａ，１ｂを突き合わせた場合に段差１２ができるようにしたので、加工面上における接合部の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が可能になった。
そして、その跳ね上り１１は押出し加工の際に同時に形成することができるので、作業ルート検出のために摩擦撹拌接合材１に対する特別な加工が不要になった。
しかも跳ね上り１１の場合、端面を削り取っても突き当てたときの段差１２ができるため、両端面の削り取りにより押出し加工後の接合端面のうねりによって生じるギャップをなくし摩擦撹拌接合を適切に行うことができる。また、跳ね上り１１による０．５〜１．０ｍｍ程度の高さの段差１２は、摩擦撹拌接合工具１００による摩擦撹拌接合を通常通りに行うことができる。

次に、図２に示した摩擦撹拌接合材２（２ａ，２ｂ）は、接合する一方の端部表面にライン１３が施されている。同じ形状の摩擦撹拌接合材２ａ，２ｂは、ともに同じ板厚であり、図にはそうした摩擦撹拌接合材２ａ，２ｂの左右それぞれの端部を表している。そして、図２（ｂ）に示すように端面同士を突き合わせた場合、ライン１３は突き当て線を表すことになる。ライン１３は、ヘアライン加工やショットピーニング加工を施したり、着色やその他の方法によって材料の表面状態を接合する他方の摩擦撹拌接合材２ａとの違いを明らかにしている。図５に示すような中空押出形材を構成する摩擦撹拌接合材２は、押出形材の金型から材料が押し出される際、例えばヘアライン加工では、金型の押出し口にワイヤブラシなどを配置し、押し出されてきた材料を擦ることによってライン１３を同時に加工する。

ところで、摩擦撹拌接合材２は、押出し加工だけでは端部がうねっていたりするため、そのまま端面同士を突き合わせるとギャップが大きい箇所では接合が不十分になる可能性がある。そこで、押出し加工後の摩擦撹拌接合材２は、その接合端面に対してエンドミルやフライス加工によって削り取りによる機械加工が施される。
そして、続く接合工程では、突き合わされた摩擦撹拌接合材２ａ，２ｂの接合部がライン１３の端で表されているため、接合装置ではライン１３をＣＣＤカメラで撮像し、その撮像データから作業ルートである接合線が検出され、摩擦撹拌接合工具１００が接合線に沿って移動する。これにより、撹拌ピン１０３は、突き合わされた摩擦撹拌接合材２ａ，２ｂの端面周りに可塑性材の部分領域を作り、図６に示すようにピンツール１０１，１０２は、上下方向からプレート２１０，２２０を押圧して進む。そして、摩擦撹拌接合材２ａ，１ｂが突き当て部分で発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。

よって、摩擦撹拌接合材２では、接合する端部の一方にライン１３を設けたので、加工面上における接合部の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が可能になった。
そして、ヘアライン加工などによるライン１３は押出し加工の際に同時に形成することができるので、作業ルート検出のために摩擦撹拌接合材２に対する特別な加工が不要になった。
しかも所定幅のライン１３の場合、端面を削り取っても残っているため、両端面の削り取りにより押出し加工後の接合端面のうねりによって生じるギャップをなくし摩擦撹拌接合を適切に行うことができる。

次に、図３に示した摩擦撹拌接合材３（３ａ，３ｂ）は、接合する一方の摩擦撹拌接合材３ｂに面取り１５が形成されている。摩擦撹拌接合材３ａ，３ｂは同じ形状で形成されたものであり、図には接合する左右それぞれの端部が示されている。従って、摩擦撹拌接合材３ａ，３ｂの板厚はともに同じ厚さであり、図３（ｂ）に示すように端面を突き合わせた場合、摩擦撹拌接合材３ｂの面取り１５によって溝１６がつくられる。
図５に示すような中空押出形材を構成する摩擦撹拌接合材３は、端部に予め面取り１５を形作るための押出形材の金型が用いられ、そこから材料が押出し加工されて形成される。その際、金型の押し出し口にワイヤブラシなどを配置し、押し出された材料をこすることによって面取り１５に他と異なる表面処理を施すようにしてもよい。

ところで、摩擦撹拌接合材２は、押出し加工だけでは端部がうねっていたりするため、そのまま端面同士を突き合わせるとギャップが大きい箇所では接合が不十分になる可能性がある。そこで、押出し加工後の摩擦撹拌接合材３は、その接合端面に対してエンドミルやフライス加工によって削り取りによる機械加工が施される。ただし、面取り１５を削り取ってしまわないように他方の摩擦撹拌接合材３ａの端面だけが削り取られる。これによって接合部のギャップは半分になる。

そこで、接合工程では、突き合わされた摩擦撹拌接合材３ａ，３ｂの接合部にできた溝１６に例えばライトが当てられ影がつくられる。接合装置では、そうした接合部をＣＣＤカメラで撮像し、その撮像データから作業ルートである接合線が検出され、摩擦撹拌接合工具１００が接合線に沿って移動する。これにより、撹拌ピン１０３は、突き合わされた摩擦撹拌接合材３ａ，３ｂの端面周りに可塑性材の部分領域を作り、図６に示すようにピンツール１０１，１０２は、溝１６部分を削りながら上下方向からプレート２１０，２２０を押圧して進む。そして、摩擦撹拌接合材３ａ，３ｂが突き当て部分で発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。

よって、摩擦撹拌接合材３では、接合する端部の一方に面取り１５を形成し、摩擦撹拌接合材３ａ，３ｂの突き合わせた場合に溝１６ができるようにしたので、加工面上における接合部の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が可能になった。特に、面取り１５部分にはヘアライン加工などにより他の部分と異なる表面処理を施しているので、より接合部の識別が確実に行える。
そして、面取り１５は押出し加工の際に同時に形成することができるので、作業ルート検出のために摩擦撹拌接合材３に対する特別な加工が不要になった。
また、面取り１５のない摩擦撹拌接合材３ａの端面を削り取ってうねりを修正しているため、押出し加工後の接合端面のギャップを小さくして摩擦撹拌接合を適切に行うことができる。

更に、図４に示した第２実施形態の摩擦撹拌接合方法に使用する摩擦撹拌接合材４（４ａ，４ｂ）は、接合する一方の摩擦撹拌接合材４ｂ端部に凸部１７が形成されている。摩擦撹拌接合材４ａ，４ｂは同じ形状で形成されたものであり、図には接合する左右それぞれの端部が示されている。従って、摩擦撹拌接合材４ａ，４ｂの板厚はともに同じ厚さであり、図４（ｂ）に示すように端面を突き合わせた場合、凸部１７が加工面上に突き出る。このとき凸部１７の高さは０．５〜１．０ｍｍ程度である。摩擦撹拌接合材４ａ，４ｂを接合する場合、摩擦撹拌接合工具１００のピンツール１０１が凸部１７を削り取っていくことになるが、この程度の高さであれば摩擦撹拌接合工具１００の移動に対して大きな抵抗になって問題となることはないからである。

図５に示すような中空押出形材８０を構成する摩擦撹拌接合材４は、端部に凸部１７を形作るための押出形材の金型から材料が押出されて形成される。そして、押出し加工だけでは端部がうねっていたりするため、そのまま端面同士を突き合わせるとギャップが大きい箇所では接合が不十分になる可能性がある。そこで、押出し加工後の摩擦撹拌接合材４は、その接合端面に対してエンドミルやフライス加工によって削り取りによる機械加工が施される。この摩擦撹拌接合材４は、凸部１７を削り取ってしまわないように他方の摩擦撹拌接合材４ａだけが削り取られる。これによって接合部のギャップは半分になる。

そこで、接合工程では、突き合わされた摩擦撹拌接合材４ａ，４ｂの接合部に位置する凸部１７に対し、例えばライトが当てられ影がつくられる。接合装置では、そうした接合部をＣＣＤカメラで撮像し、その撮像データから作業ルートである接合線が検出され、摩擦撹拌接合工具１００が接合線に沿って移動する。これにより、撹拌ピン１０３は、突き合わされた摩擦撹拌接合材４ａ，４ｂの端面周りに可塑性材の部分領域を作り、図６に示すようにピンツール１０１，１０２は、段差１２部分を削りながら上下方向からプレート２１０，２２０を押圧して進む。そして、摩擦撹拌接合材４ａ，４ｂが突き当て部分で発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合される。

よって、摩擦撹拌接合材４を使用した摩擦撹拌接合方法では、接合する端部の一方に凸部１７を形成したので、加工面上における接合部の識別を確実に行うことができ、正確な作業ルートの決定が可能になった。
そして、その凸部１７は押出し加工の際に同時に形成することができるので、作業ルート検出のために摩擦撹拌接合材４に対する特別な加工が不要になった。
また、凸部１７のない摩擦撹拌接合材４ｂの端面を削り取ってうねりを修正しているため、押出し加工後の接合端面のギャップを小さくして摩擦撹拌接合を適切に行うことができる。

以上、本発明に係る摩擦撹拌接合方法の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなくその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

第１実施形態の摩擦撹拌接合材について接合端部を示した図である。 摩擦撹拌接合材について接合端部を示した図である。 摩擦撹拌接合材について接合端部を示した図である。 第２実施形態の摩擦撹拌接合材について接合端部を示した図である。 摩擦撹拌接合材の一例である鉄道車両用構体を構成する中空押出形材を示した図である。 摩擦撹拌接合材に対して行われる摩擦撹拌接合工程を示した図である。 従来の摩擦撹拌接合材について接合端部を示した図である。

１〜４ 摩擦撹拌接合材
１１ 跳ね上り
１２ 段差
１３ ライン
１５ 面取り
１６ 溝
１７ 突部
８０ 中空押出形材
１００ 摩擦撹拌接合工具

Claims (2)

1. 一対の摩擦撹拌接合材の接合端面同士を突き合わせ、その突き合わせた接合部の位置を検出手段によって検出し、当該検出に基づき回転する摩擦撹拌接合工具を前記接合部に沿って移動させながら摩擦撹拌接合を行う摩擦撹拌接合方法において、
   前記接合端面方向に傾斜した跳ね上り部又は断面が矩形の凸部からなる検出部を前記接合端面に沿って形成した前記摩擦撹拌接合材の一方の接合端面に、検出部のない他方の前記摩擦撹拌接合材の接合端面を突き合わせることにより、前記接合部に当該検出部による段差を形成し、
   その段差を目印に前記検出手段によって前記接合部を検出しながら前記摩擦撹拌接合工具を移動させることにより摩擦撹拌接合を行い、
   当該摩擦撹拌接合の際、前記摩擦撹拌接合工具によって前記検出部を同時に削り取るようにしたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
2. 請求項１に記載する摩擦撹拌接合方法において、
   前記検出部によって前記接合端面同士を突き合わせた接合部に０．５〜１．０ｍｍの段差をつくり、前記摩擦撹拌接合工具によって当該検出部を削り取りながら摩擦撹拌接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。

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