JP5096640B1 - 摩擦攪拌接合方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
図1は本発明の一実施の形態に係わる摩擦攪拌接合用の回転ツールと裏当てツールの先端部分の拡大断面図であり、接合時における使用状態を示す図である。接合の形態は、突き合わせ溶接である。
接合方法の概要は次のとおりである。まず、回転ツール3及び裏当てツール4を2枚の金属板1,2の接合部Jの表面側と裏面側に相対向するように配置する。次いで、裏当てツール4の押圧力保持面4bが接合部Jの裏面側に位置するように裏当てツール4を保持し、回転ツール3を回転させ、裏当てツール4に近づく方向に移動して、回転ツール3の突起部3dの先端部を裏当てツール4の凹み部4d内に挿入し、ショルダ面3bと押圧力保持面4bとの間に接合部Jを挟み込むとともに、回転ツール3のショルダ面3bを接合部Jの表面側から押圧する。なお、回転ツール3により接合部Jの表面側に付与された押圧力は、接合部Jの裏面側に配置した裏当てツール4の押圧力保持面4bにより保持される。次いで、その状態(回転ツール3の突起部3dの先端部を裏当てツール4の凹み部4d内に挿入し、回転ツール3のショルダ面3bと裏当てツール4の押圧力保持面4bを接合部Jの表面側と裏面側から押圧した状態)で、回転ツール3を回転させながら接合部Jに沿って移動させる。この移動の間の摩擦攪拌時、突起部3dは接合部Jの板厚方向全域に突入した状態にある。これにより接合部Jの板厚方向全域が摩擦攪拌され、2枚の金属板1,2は接合部Jの板厚方向全域で接合される。
本実施の形態の接合方法において、接合部Jの表裏面に対して相対向するように配置した回転ツール3と裏当てツール4は別体であるため、裏当てツール4の凹み部4d内の回転ツール3の突起部3dの挿入量(突起部3d先端と押圧力保持面4bとの距離)が0とならない範囲で、その挿入量を自由に調整することが出来る。これにより金属板1,2の厚みが異なっても、金属板1,2の厚みに合わせて、裏当てツール4の凹み部4d内に回転ツール3の突起部3dを挿入して、突起部3dの長さの範囲内の厚みの金属板の接合部J全範囲を摩擦攪拌接合することが出来る。これにより金属板の厚みに合わせて異なるプローブ長さを有する回転ツールに交換する必要がないため、異なるプローブ長さを有する回転ツールを多数準備する必要がなくなり、ランニングコストを抑え、経済性を向上することが出来る。
回転ツール3及び裏当てツール4の材質について言及する。
図3は、回転ツール3および裏当てツール4による摩擦攪拌接合時の接合距離(接合開始後の時間)と回転ツールの主軸の回転モータ負荷の変化を示すタイムチャートである。
図4は各部の寸法関係を示している。回転ツール3の各部の寸法関係および裏当てツール4の寸法関係について図4と表1を用いて説明する。
まず、回転ツール3のショルダ部3c(ショルダ面3b)の直径D1について言及する。ショルダ直径D1の主たる決定要因は、単位時間当たりに接合部に投入する熱量である。摩擦攪拌接合では、摩擦発熱量不足または摩擦発熱量過多で接合不良を起こす。したがって、所望の摩擦発熱量を生成するショルダ直径D1を選定する必要がある。
次に、ツール本体3aの先端部分に突起部3d(プローブ)を有する回転ツール3のショルダ部3c(ショルダ面3b)の突起部3dの直径d1について言及する。
次にツール本体3aの先端部分に突起部3d(プローブ)を有する回転ツール3のショルダ部3c(ショルダ面3b)の突起部3dの長さL1について言及する。
例えば、本実施形態では、裏当てツール本体4aの形状を円柱とし、円柱の先端部に押圧力保持面4bと、接合中に、回転ツール3の突起部3dを挿入する凹み部4dを有する。凹み部4dは、円柱状の穴とする。押圧力保持面4bは、金属板との接触面とする。裏当てツール4aの先端部分に凹み部4dを有する裏当てツール4の押圧力保持部4c(押圧力保持面4b)の直径D2および凹み部4dの直径d2、凹み部4dの深さL2は、回転ツール3のショルダ直径D1、突起部直径d1、突起部長さL1に応じて決定される。本発明者等が行なった実験によれば、裏当てツール4の押圧力保持面4dの直径D2は、回転ツール3のショルダ直径D1と同じ値にすることが好ましい。また、凹み部直径d2は、突起部直径d1より大径となり、d1+2mm以下が好ましい。また、凹み部深さL2は、突起部長さL1より長くなり、L1+1mm以下で良好な接合部が得られた。
また、本発明の接合方法では、相対向するように配置した回転ツール3のショルダ面3bと裏当てツール4の押圧力保持面4bの間の距離δについて、ツール進行方向の前方の面間距離δ1と比較し、進行方向の後方の面間距離δ2が狭くなるように、回転ツール3または裏当てツール4の少なくともいずれか一方を傾斜した状態で摩擦攪拌接合することが好ましい(図16参照)。
本発明の接合方法を実施する摩擦攪拌接合装置の実施の形態を説明する。摩擦攪拌接合装置は例えば、下記、装置1〜3のような装置が考えられる。
図5は、本発明の一実施の形態に係わる摩擦攪拌接合装置(装置1)の一部を欠損して示す全体斜視図であり、図6は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図であり、図7は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略側面図であり、図8はその摩擦攪拌装置部分の上側半分を制御系とともに示す図である。
図9は、他の摩擦攪拌接合装置(装置2)の一部を欠損して示す全体斜視図であり、図10は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図である。
図11は、他の摩擦攪拌接合装置(装置3)の一部を欠損して示す全体斜視図であり、図12は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略正面図であり、図13は、その摩擦攪拌接合装置の要部の概略側面図である。
次に、上述した摩擦攪拌接合装置(装置1〜3)を用いて行う本発明の一実施の形態に係わる金属板の摩擦攪拌接合方法(以下適宜、単に接合方法という)を突き合わせ接合を行う場合を例に説明する。
図14および図15は、本発明の接合方法を2枚の金属板の重ね合わせ接合に適用した場合の接合時の状態を示す図であり、図14と図15とでは、本発明の接合方法を重ね合わせ接合に適用する場合の把持方式の違いを示している。
以上のように図5〜図13に示した摩擦攪拌接合装置(装置1〜3)を用いて本発明の接合方法を実施することにより、回転ツール寿命を向上し、経済性に優れ、かつ接合不良と金属板の破断を抑制し、高い信頼性を有する接合を行うことが出来る。
以下に、本実施の形態に係わる接合方法および装置の更なる特徴の詳細を説明する。
図18は、回転ツール3,裏当てツール4と入出側把持装置5,6との位置関係(入出側把持装置間距離)を示す図である。
Lc=Lc1+Lc2
Lc:入出側把持装置間距離
Lc1:回転ツール軸芯と入側把持装置間距離
Lc2:回転ツール軸芯と出側把持装置間距離
D3:回転ツールのツール本体直径
D4:裏当てツールの本体直径
本発明において、上記のように把持装置間距離と回転ツールおよび裏当てツールとの関係を定めるのは,次の理由による。金属板1,2の材料剛性が低い場合、すなわち金属板の板厚t1,t2が薄い場合、または高温変形抵抗σ1,σ2が低い場合には、金属板1,2を入出側把持装置5,6で把持して摩擦攪拌接合を行うと、摩擦攪拌接合時に発生する摩擦熱による熱膨張・熱変形およびプローブまたは突起通過時の排斥力とショルダ部3cの回転による材料へのせん断力により金属板1,2が座屈を起こす可能性がある。本発明者等は、その点について検討を重ねた結果、下記の知見を得た。
次に、プランジングレスについて言及する。
次に、プランジングレスと回転ツール3と裏当てツール4の傾斜について言及する。
次に、プランジングレスで摩擦攪拌接合を行う運転制御について説明する。
図21は、回転ツール3および裏当てツール4を傾けてプランジングレスで摩擦攪拌接合を行う運転制御を示す図である。図22は、図8に示した制御装置83が行う処理手順を示す制御フローである。
図23は、裏当てツール4の上下方向の移動を可能にした構成の場合の回転ツール3および裏当てツール4を傾けてプランジングレスで摩擦攪拌接合を行う運転制御を示す図である。図24は、図8に示した制御装置83が行う処理手順を示す制御フローである。
次に、本発明の実施の形態として、様々な接合継手に本発明を適用した場合について、図25〜29を用いて説明する。また、2枚の金属板の板厚が異なる場合については、図31〜38を用いて説明する。
図25、26は、パイプに代表される円筒部材(以下パイプ材と称する)の接合方法の概略斜視図を示す。図25は、金属板を円筒状に成形して、その両端部を突合せた後、該突合せ部を摩擦攪拌接合し、一体的な円筒部材を製造する概略斜視図である。図26は、2本のパイプ材を長尺化する際の摩擦攪拌接合方法の概略斜視図である。
本発明は、L型部材や、T型部材の接合にも適用できる。
本発明は、2枚の金属板1,2が異厚であることにより、接合部に段差が生じる場合にも適用できる。以下、異厚ケース1〜3について説明する。
図31は、2枚の金属板1,2の裏面側(図示下面)に段差が生じないようにし、表面側(図示上面)に段差が生じるケースを説明する図である。このとき、板厚の厚い金属板1がリトリーティングサイドRSになるように、板厚の薄い金属板2がアドバンシングサイドASになるように、金属板1,2を配置する。
図34は、2枚の金属板1,2の表面側(図示上面)に段差が生じないようにし、裏面側(図示下面)に段差が生じるケースを説明する図である。このとき、裏当てツール4の押圧力保持面4bの形状は、金属板1,2の板厚差(裏面側段差)に対応するように加工されている。すなわち、薄い金属板2に対応する側の裏当てツール4の高さが、厚い金属板1に対応する側の裏当てツール4の高さより高いことにより、裏当てツール4の押圧力保持面4bは金属板1,2の裏面に接触する。
図36は、金属板1,2の板厚中心を揃えて、金属板1,2は突合せ部の表面側・裏面側共に段差が生じるようにケースを説明する図である。このとき、回転ツール3は、段差の高い側がリトリーティングサイドRSになるように、段差の低い側がアドバンシングサイドASになるようにする。また、裏当てツール4の押圧力保持面4bの形状は、金属板1,2の板厚差(裏面側段差)に対応するように加工されている。
このように、金属板1,2の配置および回転ツール3の配置や傾斜、裏当てツール4の配置や形状を変更することで、段差部の接合後の形状を図33、図35、図38のようなそれぞれ異なった形状に変更することが可能である。
3 回転ツール
3a ツール本体
3b ショルダ面
3c ショルダ部
3d 突起部(プローブ)
4 裏当てツール
4a 本体
4b 押圧力保持面
4c 押圧力保持面部
4d 凹み部
5 入側把持装置
5a,5b 上下把持板
6 出側把持装置
6a,6b 上下把持板
7 ツール回転駆動装置
9 上ハウジング
10 下ハウジング
11a、b レール
11,12 上下レール
13,14 フレーム
15 軸芯
18 台板
19 キャリッジフレーム
19a,19b 上下水平フレーム
20a 回転ツール待機位置
20b 裏当てツール待機位置
21a 上摩擦攪拌接合開始位置
21b 下摩擦攪拌接合開始位置
22a 上摩擦攪拌接合終了位置
22b 下摩擦攪拌接合終了位置
24 摩擦攪拌開始金属板端面
45 ツール押圧装置
46 ツール位置保持装置
47 上移動装置
48 下移動装置
51 上ケース
52 下ケース
53 回転用モータ
61a 押圧用モータ
61b 位置保持用モータ
62a,62b スクリュー
63a,63b サポートフレーム
64a,64b 軸
65a,65b 走行フレーム
66a,66b 車輪
67a,67b 走行用モータ
71 車輪
72 スクリュー
73 走行用モータ
74 制御装置(走行用)
75 移動装置
76a 上傾斜支持装置
76b 下傾斜支持装置
77a,77b 角度調整用モータ
81a 上位置計測器
81b 下位置計測器
82a 上荷重計測器
83 制御装置
90〜95 金属板(適用例)
J 接合部
Claims (9)
- 突き合わせた2枚の金属板(1,2)の接合部(J)の表面側と裏面側に、回転ツール(3)と裏当てツール(4)を配置し、この回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記2枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記回転ツール(3)は、ショルダ部(3c)を先端部分に形成したツール本体(3a)と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも1つの突起部(3d)とを有する構成とし、
前記裏当てツール(4)は、押圧力保持面部(4c)を先端部分に形成した裏当てツール本体(4a)と、前記2枚の金属板(1,2)の接合時に前記突起部(3d)の先端部を収納する少なくとも1つの凹み部(4d)を有する構成とし、
前記回転ツール(3)と裏当てツール(4)を前記2枚の金属板の接合部(J)の表面側と裏面側に相対向するように配置し、
前記回転ツール(3)を回転させ、前記回転ツール(3)を前記裏当てツール(4)に近づく方向に移動して、前記回転ツールの突起部の先端部(3d)を前記裏当てツールの凹み部(4d)内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部(3c)のショルダ面(3b)と前記裏当てツールの押圧力保持面(4b)との間に接合部(J)を挟み込み、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面(3b)と前記裏当てツールの押圧力保持面(4b)を前記接合部の表面側と裏面側から押圧し、
前記回転ツール(3)と裏当てツール(4)を前記接合部に沿って同期した状態で移動させ、
前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール(3)で摩擦攪拌する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 突き合わせた2枚の金属板(1,2)の接合部(J)の表面側と裏面側に、回転ツール(3)と裏当てツール(4)を配置し、この回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記2枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法において、
前記回転ツール(3)は、ショルダ部(3c)を先端部分に形成したツール本体(3a)と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも1つの突起部(3d)とを有する構成とし、
前記裏当てツール(4)は、押圧力保持面部(4c)を先端部分に形成した裏当てツール本体(4a)と、前記2枚の金属板(1,2)の接合時に前記突起部(3d)の先端部を収納する少なくとも1つの凹み部(4d)を有する構成とし、
前記回転ツール(3)と裏当てツール(4)を前記2枚の金属板の接合部(J)の表面側と裏面側に相対向するように配置し、
前記回転ツール(3)を回転させ、前記回転ツール(3)を前記裏当てツール(4)に近づく方向に移動して、前記回転ツールの突起部の先端部(3d)を前記裏当てツールの凹み部(4d)内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部(3c)のショルダ面(3b)と前記裏当てツールの押圧力保持面(4b)との間に接合部(J)を挟み込み、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面(3b)と前記裏当てツールの押圧力保持面(4b)を前記接合部の表面側と裏面側から押圧し、
前記2枚の金属板(1,2)を接合方向と同方向に移動させ、
前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール(3)で摩擦攪拌することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1または2に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記相対向するように配置した前記回転ツール(3)のショルダ面(3b)と前記裏当てツール(4)の押圧力保持面(4b)との間の距離(δ)について、回転ツール及び裏当てツールの進行方向の前方の面間距離(δ1)と比較して、該進行方向の後方の面間距離(δ2)が狭くなるように、前記回転ツール(3)また裏当てツール(4)の少なくともいずれか一方を傾斜する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 請求項1乃至3の何れか1項に記載の摩擦攪拌接合方法において、
前記回転ツール(3)は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板(1,2)の厚み方向に対し位置制御にて移動し、
該回転ツール(3)の挿入深さを保持した状態で、前記2枚の金属板の接合部端面(24)から該回転ツールを接合進行方向に位置制御にて送って摩擦攪拌接合を開始し、
摩擦攪拌接合開始後は、該回転ツール(3)の負荷が所定の値となるように、該回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御に切り替え、
摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の該回転ツール(3)の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、
前記裏当てツール(4)は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板(1,2)の厚み方向に対し位置制御にて移動し、位置を保持したままで、摩擦攪拌接合の開始から終了まで位置制御する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 突き合わせた2枚の金属板(1,2)の接合部(J)の表面側と裏面側に、回転ツール(3)と裏当てツール(4)を配置し、この回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記2枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、
前記金属板(1,2)をそれぞれ把持する第1及び第2把持装置(5,6)と、
前記回転ツール(3)と裏当てツール(4)が前記突き合わせた2枚の金属板(1,2)の接合部(J)の表面側と裏面側に相対向するように、前記回転ツールを装着し、前記回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置(7)と、
前記裏当てツール(4)を金属板裏面位置に保持するツール位置保持装置(46)と、
前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツール(3)を前記ツール位置保持装置により位置保持された裏当てツール(4)に近づく方向に移動して、前記回転ツールを金属板の接合部の表面側に押圧するツール押圧装置(45)と、
前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツール(3)および裏当てツール(4)を前記接合部(J)に沿って、同期した状態で移動させる移動装置(47,48,75)とを備え、
前記回転ツール(3)は、ショルダ部(3c)を先端部分に形成したツール本体(3a)と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも1つの突起部(3d)とを有し、
前記裏当てツール(4)は、押圧力保持面部(4c)を先端部分に形成したツール本体(4a)と、このツール本体の先端部分に形成され、前記2枚の金属板の接合時に前記突起部(3d)の先端部を収納する少なくとも1つの凹み部(4d)とを有し、
前記ツール押圧装置(45)は、回転ツールを裏当てツールに近づく方向に移動するとき、前記回転ツールの突起部(3d)の先端部を前記裏当てツールの凹み部(4d)内に挿入するとともに、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面(3b)を前記接合部の表面側から押圧し、回転ツールのショルダ面(3b)と裏当てツールの押圧力保持面(4b)の間に接合部(J)を挟み込むことで接合部(J)に押圧力を付与し、
前記移動装置(47,48,75)は、前記回転ツールの突起部(3d)の先端部を前記裏当てツールの凹み部(4d)内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面(3b)を前記接合部の表面側から押圧した状態で、かつ、前記回転ツール(3)と裏当てツール(4)を前記接合部に沿って同期した状態で移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール(3)で摩擦攪拌する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 突き合わせた2枚の金属板(1,2)の接合部(J)の表面側と裏面側に、回転ツール(3)と裏当てツール(4)を配置し、この回転ツールにより前記接合部を摩擦攪拌し、前記2枚の金属板を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、
前記金属板(1,2)をそれぞれ把持する第1及び第2把持装置(5,6)と、
前記回転ツール(3)と裏当てツール(4)が前記突き合わせた2枚の金属板(1,2)の接合部(J)の表面側と裏面側に相対向するように、前記回転ツールを装着し、前記回転ツールを回転駆動するツール回転駆動装置(7)と、
前記裏当てツール(4)を金属板裏面位置に保持するツール位置保持装置(46)と、
前記ツール回転駆動装置に装着した前記回転ツール(3)を前記ツール位置保持装置により位置保持された裏当てツール(4)に近づく方向に移動して、前記回転ツールを金属板の接合部の表面側に押圧するツール押圧装置(45)と、
前記把持装置(5,6)に2枚の金属板(1,2)を接合方向と同方向に移動させる移動装置(75)とを備え、
前記回転ツール(3)は、ショルダ部(3c)を先端部分に形成したツール本体(3a)と、このツール本体の先端部分から突出するよう形成された少なくとも1つの突起部(3d)とを有し、
前記裏当てツール(4)は、押圧力保持面部(4c)を先端部分に形成したツール本体(4a)と、このツール本体の先端部分に形成され、前記2枚の金属板の接合時に前記突起部(3d)の先端部を収納する少なくとも1つの凹み部(4d)とを有し、
前記ツール押圧装置(45)は、回転ツールを裏当てツールに近づく方向に移動するとき、前記回転ツールの突起部(3d)の先端部を前記裏当てツールの凹み部(4d)内に挿入するとともに、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面(3b)を前記接合部の表面側から押圧し、回転ツールのショルダ面(3b)と裏当てツールの押圧力保持面(4b)の間に接合部(J)を挟み込むことで接合部(J)に押圧力を付与し、
前記移動装置(75)は、前記回転ツールの突起部(3d)の先端部を前記裏当てツールの凹み部(4d)内に挿入し、前記回転ツールの前記ショルダ部のショルダ面(3b)を前記接合部の表面側から押圧した状態で、2枚の金属板(1,2)を接合方向と同方向に移動させ、前記接合部の板厚方向全域を前記回転ツール(3)で摩擦攪拌する
ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項5または6に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記相対向するように配置した前記回転ツール(3)のショルダ面(3b)と前記裏当てツール(4)の押圧力保持面(4b)の間の距離(δ)について、回転ツール及び裏当てツールの進行方向の前方の面間距離(δ1)と比較し、該進行方向の後方の面間距離(δ2)が狭くなるように、前記回転ツール(3)また裏当てツール(4)の少なくともいずれか一方を傾けて支持する傾斜支持装置(76a,76b)
を更に備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項5乃至7の何れか1項に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記回転ツール(3)は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板(1,2)の厚み方向に対し位置制御にて移動し、該回転ツール(3)の挿入深さを保持した状態で、前記2枚の金属板の接合部端面(24)から該回転ツールを接合進行方向に位置制御にて送って摩擦攪拌接合を開始し、摩擦攪拌接合開始後は、該回転ツール(3)の負荷が所定の値となるように、該回転ツールの挿入位置を制御する負荷一定制御に切り替え、摩擦攪拌接合が終了する接合終端部到達前に、その時点の該回転ツール(3)の挿入位置を保持する位置制御に切り替え、接合部終端部を通過させ、前記裏当てツール(4)は、摩擦攪拌接合開始前に予定挿入深さまで金属板(1,2)の厚み方向に対し位置制御にて移動し、位置を保持したままで、摩擦攪拌接合の開始から終了まで位置制御するよう前記ツール押圧装置(45)、前記ツール位置保持装置(46)および前記移動装置(47,48,75)を制御する制御装置(83)
を更に備えることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 - 請求項5乃至8に記載の摩擦攪拌接合装置において、
前記回転ツール(3)の材質を焼結炭化タングステンの超硬合金またはタングステン合金とし、
接合される2枚の金属板(1,2)は、融点が1000℃以上の材料からなる
ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
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