JP5155036B2

JP5155036B2 - Friction stir welding equipment

Info

Publication number: JP5155036B2
Application number: JP2008169808A
Authority: JP
Inventors: 文男笠上; 順一田中
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010005676A

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置に関し、特に作業者による手動操作が可能な摩擦攪拌接合装置に関する。 The present invention relates to a friction stir welding apparatus, and more particularly to a friction stir welding apparatus that can be manually operated by an operator.

従来、２枚の重ね合わせた板状の被接合物に先端に突起のある円筒状の工具を加圧した状態で回転させることにより被接合物を点接合する摩擦攪拌接合装置が開発されている。この摩擦攪拌接合装置は、工具の回転により生じる摩擦熱により被接合物を軟化させ、工具の回転力により接合部の周辺を攪拌して塑性流動を生じさせて接合する。 2. Description of the Related Art Conventionally, a friction stir welding apparatus has been developed for spot-joining an object to be joined by rotating a cylindrical tool having a protrusion at the tip thereof in a pressurized state on two stacked plate-like objects to be joined. . This friction stir welding apparatus softens the workpieces by frictional heat generated by the rotation of the tool, and stirs the periphery of the joint by the rotational force of the tool to produce a plastic flow for joining.

例えば、特許第３４００４０９号公報には、摩擦攪拌接合方法に関する基本技術が開示されている。また、特開２００２−１３７０６７号公報には、多関節ロボットのアームの先端に取り付けられる摩擦攪拌接合装置が開示されている。この摩擦攪拌接合装置は側面視で箱形状の本体の下部にＬ字状に屈曲した腕が延設されたＣ字形状のガンアームを備え、本体における腕の先端に対向する位置に回転子（点接合を行う工具に相当）が配設されるとともに、その回転子の横に当該回転子の駆動源であるモータが配設され、腕の先端の回転子に対向する位置に被接合部を挟持するための受け部が設けられた構造を有している。また、特開２００５−３３４８９１号公報には、腕を本体に揺動可能に支持させるとともに、腕の受け部が設けられる端部とは反対側の端部に加圧部材を設け、点接合時に加圧部材によって受け部を回転子側に押圧させる、いわゆるＸ型摩擦攪拌接合装置が記載されている。 For example, Japanese Patent No. 3400409 discloses a basic technique related to a friction stir welding method. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-137067 discloses a friction stir welding apparatus attached to the tip of an arm of an articulated robot. This friction stir welding apparatus is provided with a C-shaped gun arm in which an arm bent in an L-shape is extended at the bottom of a box-shaped main body in a side view, and a rotor (dot) at a position facing the tip of the arm in the main body. (Corresponding to a tool for joining), and a motor as a driving source of the rotor is arranged beside the rotor, and the joined portion is held at a position facing the rotor at the tip of the arm. It has the structure in which the receiving part for doing is provided. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-334891 discloses that an arm is swingably supported by a main body, and a pressure member is provided at an end opposite to an end where an arm receiving portion is provided. to press the receiving portion into the rotor side by the pressing member, so-called X-shaped friction攪拌 junction device is described.

特許第３４００４０９号公報Japanese Patent No. 3400409 特開２００２−１３７０６７号公報JP 2002-137067 A 特開２００５−３３４８９１号公報JP 2005-334891 A

上記の特許文献に記載の摩擦攪拌接合装置は、いずれも多関節ロボットのアームの先端に取り付けられる装置として提案されているものであり、摩擦攪拌接合装置の被接合物の点接合位置への移動や点接合動作を多関節ロボットによって行わせることを前提としている。しかしながら、被接合物には、例えば、寸法が大きく移動させることが困難で、しかも多関節ロボットを適用する程の生産量を確保できないものがあり、このような被接合物に対しては作業者自身が取り扱うことのできる摩擦攪拌接合装置が必要となる。 The friction stir welding devices described in the above patent documents are all proposed as devices attached to the tip of the arm of an articulated robot, and the friction stir welding device moves to the point joining position of the workpieces. It is assumed that the point joint operation is performed by an articulated robot. However, there are some objects to be joined that are difficult to move, for example, and cannot secure a production amount enough to apply an articulated robot. A friction stir welding apparatus that can be handled by itself is required.

そこで、上記の特許文献に記載の摩擦攪拌接合装置を多関節ロボットのアームに取り付けず、例えば、摩擦攪拌接合装置をカウンタバランスを使用して吊り下げ、その摩擦攪拌接合装置を作業者が被接合物の点接合位置に移動させて点接合動作を行わせる方法が考えられる。 Therefore, the friction stir welding apparatus described in the above patent document is not attached to the arm of the articulated robot. For example, the friction stir welding apparatus is suspended using a counter balance, and the friction stir welding apparatus is joined by an operator. A method is conceivable in which a point bonding operation is performed by moving the object to a point bonding position.

しかしながら、この方法では、摩擦攪拌接合方法が工具を被接合物に加圧した状態で回転させて点接合を行うものであるので、装置本体に工具の回転力に起因して反力が生じ、とりわけ工具が回転を開始するときには非常に大きな反力が生じ、その反力が作業者に衝撃力として作用することになり、以下に説明するように、摩擦攪拌接合装置の操作性や点接合の作業性に問題がある。 However, in this method, since the friction stir welding method is to perform point joining by rotating the tool in a state where the tool is pressed against the workpiece, a reaction force is generated in the apparatus body due to the rotational force of the tool, In particular, a very large reaction force is generated when the tool starts to rotate, and the reaction force acts as an impact force on the operator. As described below, the operability of the friction stir welding apparatus and the point bonding There is a problem with workability.

図５は、多関節ロボットのアームの先端に取り付けられる従来の摩擦攪拌接合装置の基本構成を示す側断面図である。また、図６は、従来の摩擦攪拌接合装置とワークに生じるトルクを説明するための図である。 FIG. 5 is a side sectional view showing a basic configuration of a conventional friction stir welding apparatus attached to the tip of an arm of an articulated robot. Moreover, FIG. 6 is a figure for demonstrating the torque which arises in the conventional friction stir welding apparatus and a workpiece | work.

同図に示すように、従来の摩擦攪拌接合装置１００の基本構造は、箱形状のボディ１０１の一方の端部（図５では左端部）に主軸１０２を介して工具１０３を回転可能に取り付ける一方、ボディ１０１内に工具１０３の駆動源であるモータ１０４を配設し、モータ１０４の回転力をタイミングベルト１０５によって主軸１０２に伝達して工具１０３を回転させる構成となっている。そして、ボディ１０１の他方の端部（図５では右端部）を多関節ロボットのアーム１０７の先端に取り付け、当該多関節ロボットによって工具１０３をワーク（被接合物）１０６に圧接させ、モータ１０４の回転力によって工具１０３を回転させてワーク１０６の点接合を行う。 As shown in the figure, the basic structure of a conventional friction stir welding apparatus 100 is rotatably attached to the tool 103 through the main shaft 102 at one end of the ball Di 101 of box shape (left end in FIG. 5) on the other hand, it is disposed a motor 104 as a drive source for the tool 103 within the volume di 101 has a configuration which rotates the tool 103 to transmit a rotational force of the motor 104 to the main shaft 102 by a timing belt 105. Then, mounting the other end of the ball di 101 (FIG. 5, the right end) to the tip of the arm 107 of the articulated robot, is pressed against the tool 103 on the workpiece (object to be bonded) 106 by the multi-joint robot, the motor 104 The tool 103 is rotated by the rotational force of the workpiece 106 to perform point joining of the workpiece 106.

点接合プロセスにおいて、モータ１０４で発生したトルクをタイミングベルト１０５を介して主軸１０２に伝達し、その主軸１０２に固着された工具１０３を回転させ、その状態で工具１０３をワーク１０６に押し付けると、図６に示すように、ワーク１０６は工具１０３の回転方向と同一の回転力Ｔ４を受ける。しかし、ワーク１０６はその回転力Ｔ４以上の力で固定され、回転することはないので、工具１０３をワーク１０６に接触させると、工具１０３とワーク１０６と間に摩擦力が生じ、この摩擦力に起因してボディ１０１には工具１０３の回転力の反力として工具１０３の回転方向と同一の回転力Ｔ５が生じる。 In the point joining process, torque generated by the motor 104 is transmitted to the main shaft 102 via the timing belt 105, the tool 103 fixed to the main shaft 102 is rotated, and the tool 103 is pressed against the workpiece 106 in that state. As shown in FIG. 6, the workpiece 106 receives the same rotational force T <b> 4 as the rotation direction of the tool 103. However, since the workpiece 106 is fixed with a force equal to or greater than the rotational force T4 and does not rotate, when the tool 103 is brought into contact with the workpiece 106, a frictional force is generated between the tool 103 and the workpiece 106, and this frictional force is same rotational force T5 and rotational direction of the tool 103 is generated in the ball di 101 due to the reaction force of the rotational force to the tool 103.

工具１０３をワーク１０６に接触させた瞬間は非常に大きな摩擦力が生じるが、その後はその摩擦力は低下するので、ボディ１０１に生じる回転力Ｔ５は工具１０３をワーク１０６に接触させた直後が最も大きく、その回転力Ｔ５は、ボディ１０１を支える作業者に衝撃力として作用することになる。この衝撃力は、ワーク１０６の材質や厚みや工具１０３の回転力などの種々の条件で異なるが、例えば、板厚１ｍｍの２枚の銅板を回転数３６００ｒｐｍの工具で点接合した場合、１００Ｎ・ｍ以上にもなることがある。 Since the moment of contacting the tool 103 to the workpiece 106 is very large frictional force is generated, then the frictional force drops, the immediately rotational force T5 generated volume di 101 contacting the tool 103 to the workpiece 106 the largest, the rotational force T5 will act as an impact force to the operator to support the ball di 101. The impact force varies depending on various conditions such as the material and thickness of the workpiece 106 and the rotational force of the tool 103. For example, when two copper plates having a thickness of 1 mm are spot-joined with a tool having a rotational speed of 3600 rpm, 100 N · m or more.

摩擦攪拌接合装置１００を多関節ロボットのアーム１０７の先端に取り付けて使用する場合、上記の衝撃力やその後のボディ１０１に生じる回転力Ｔ５は多関節ロボットによって吸収されるので、特に問題は生じないとしても、作業者が摩擦攪拌接合装置１００を把持して使用する場合は、上記の衝撃力が摩擦攪拌接合装置の操作性や点接合の作業性を著しく困難にすることになる。 When using friction stir welding device 100 is attached to the tip of the arm 107 of the articulated robot, since the rotational force T5 occurring above impact force and subsequent volume Di 101 is absorbed by the multi-joint robot, in particular problems occur If not, when the operator holds and uses the friction stir welding apparatus 100, the impact force described above makes the operability of the friction stir welding apparatus and the workability of the spot welding remarkably difficult.

従って、従来の多関節ロボット用の摩擦攪拌接合装置を作業者が扱う装置として転用することは現実的でなく、作業者が扱うのに適した構成の摩擦攪拌接合装置を新たに設計する必要があるが、未だそのような摩擦攪拌接合装置は提案されていない。 Therefore, it is not practical to divert the conventional friction stir welding apparatus for articulated robots as an apparatus handled by an operator, and it is necessary to newly design a friction stir welding apparatus having a configuration suitable for handling by an operator. However, no such friction stir welding apparatus has been proposed yet.

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、摩擦攪拌接合における反力による衝撃を緩和し、作業者が把持して摩擦攪拌接合を行なうことができる摩擦攪拌接合装置を提供することをその目的としている。 The present invention has been conceived under the circumstances described above, and is a friction stir welding apparatus that can reduce impact caused by reaction force in friction stir welding and can be gripped by an operator to perform friction stir welding. Its purpose is to provide.

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following technical means.

本発明は、工具を回転させながら被接合物の接合点に圧接させることで摩擦力を発生させ、その摩擦熱により前記接合点周辺を塑性流動させて前記被接合物の接合を行う摩擦攪拌接合装置であって、先端部をＬ字状に屈曲させて前記工具を回動可能に支持する工具保持部が形成された横長の胴体と、前記胴体の後端部に配設される、前記工具の駆動力を発生させる駆動力発生手段と、前記胴体の後端部と先端部との間に配設される、前記駆動力発生手段で発生した駆動力を前記工具保持部に支持された前記工具に伝達する伝達手段と、前記胴体の下側に当該胴体の横長方向と略平行に配置され、中間位置が前記胴体に揺動可能に支持されたアームと、前記アームの一方端部の、前記工具と対向する位置に設けられ、前記工具との間で前記被接合物を挟持する受け手段と、前記アームの他方端部を前記胴体から離間する方向に加圧する力を発生する加圧手段と、前記胴体の後端部に配置される、前記駆動力発生手段および前記加圧手段の駆動を制御する制御手段とを備えていることを特徴としている（請求項１）。 The present invention is a friction stir welding method in which a friction force is generated by press-contacting to a joint point of a workpiece while rotating the tool, and the joint is joined by plastic flow around the joint point by the frictional heat. an apparatus, oblong and fuselage tool holding part is formed by bending the distal end portion in an L-shaped supporting said tool rotatably, is arranged in the rear portion of the body, the tool a driving force generating means for generating a driving force of the disposed, the driving force generated by the driving force generating means is supported on the tool holder between the body of the rear portion and the distal portion A transmission means for transmitting to a tool, an arm disposed on the lower side of the body substantially parallel to the lateral direction of the body, and an intermediate position supported by the body so as to be swingable; and one end of the arm, Provided at a position facing the tool, and the contact with the tool Receiving means for holding an object; pressure means for generating a force for pressing the other end of the arm in a direction away from the body; and the driving force generating means disposed at a rear end of the body; And a control means for controlling the driving of the pressurizing means (claim 1).

好ましくは、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記駆動力発生手段は、電動モータであり、前記伝達手段は、一方端が前記電動モータのロータに固着され、他方端が前記胴体の長手方向の軸に沿って前記工具保持部に延びるシャフトと、このシャフトの他方端に固着された第１の笠歯車と、前記工具の回転軸に設けられ、前記第１の笠歯車に歯合した第２の笠歯車とで構成するとよい（請求項２）。 Preferably, in the friction stir welding apparatus according to claim 1, the driving force generation means is an electric motor, and the transmission means has one end fixed to the rotor of the electric motor and the other end fixed to the body. A shaft extending to the tool holding portion along the longitudinal axis, a first bevel gear fixed to the other end of the shaft, and a rotation shaft of the tool, and meshing with the first bevel gear The second bevel gear may be configured (claim 2).

更に、請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記工具保持部には、前記工具を装着脱することが可能な主軸を回転可能に設け、前記第２の笠歯車は前記主軸に形成するとよい（請求項３）。 Furthermore, in the friction stir welding apparatus according to claim 2, when the tool holding portion is rotatably provided with a spindle capable of attaching and detaching the tool, and the second bevel gear is formed on the spindle. (Claim 3)

また、請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置において、前記加圧手段は、前記アームの他方端部に設けられたボールスクリューと、このボールスクリューの回転トルクを発生する加圧モータとを含む構成にするよい（請求項４）。 2. The friction stir welding apparatus according to claim 1 , wherein the pressurizing means includes a ball screw provided at the other end of the arm and a pressurizing motor that generates a rotational torque of the ball screw. (Claim 4 ).

また、請求項１乃至４のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置において、前記加圧手段は、前記胴体の後端部における前記駆動力発生手段の配設位置の下方位置に配設するとよい（請求項５）。 Further, in the friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 4 , the pressurizing means may be disposed at a position below a position where the driving force generating means is disposed at a rear end portion of the trunk ( Claim 5 ).

また、請求項１乃至５のいずれかに記載の摩擦攪拌接合装置において、前記アームの一方端部の前記工具保持部と対向する面に設けられる第１の押え手段と、前記工具保持部の先端に上下に移動可能に取り付けられた第２の押え手段と、前記工具保持部に設けられ、前記第２の押え手段を前記第１の押え手段の方向に付勢する付勢手段と、をさらに備えるとよい（請求項６）。 Further, in the friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 5, a first presser means provided on a surface of the one end portion of the arm facing the tool holding portion, and a tip of the tool holding portion. And a second pressing means attached to the tool holding portion, and a biasing means for biasing the second pressing means in the direction of the first pressing means. It is good to provide (Claim 6 ).

本発明によれば、先端部がＬ字状に屈曲した横長の胴体を備え、先端部に工具を配設し、胴体の後端部に工具の駆動力を発生させる駆動力発生手段や制御手段を配設しているので、胴体の後端部の質量を重くすることにより、当該後端部の質量中心と工具からこの質量中心までの距離による慣性力を大きくすることができ、摩擦攪拌接合時に工具の回転による反力が胴体に発生してもその反力を慣性力により緩和することができる。したがって、作業者は摩擦攪拌接合装置を把持して容易に摩擦攪拌接合を行なうことができる。 According to the present invention, the driving force generating means and the control means are provided with a horizontally long body whose tip is bent in an L shape, a tool is disposed at the tip, and a tool driving force is generated at the rear end of the body. Therefore, by increasing the mass of the rear end of the fuselage, the inertial force due to the distance from the center of mass of the rear end and the tool to the center of mass can be increased, and friction stir welding is performed. Even when a reaction force due to the rotation of the tool is generated in the body, the reaction force can be alleviated by the inertial force. Therefore, the operator can easily perform the friction stir welding by holding the friction stir welding apparatus.

特に、胴体の後端部に、工具の電動モータやアームの加圧手段やこれらの制御手段を集中配置するので、これらの部材により胴体の後端部に重量物を容易に配置することができ、摩擦攪拌接合装置のコンパクト化、小型化が可能になる。 In particular, since the electric motor of the tool, the pressurizing means of the arm, and the control means thereof are centrally arranged at the rear end of the fuselage, it is possible to easily place heavy objects at the rear end of the fuselage by these members. The friction stir welding apparatus can be made compact and downsized.

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１は、本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第１実施形態を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a friction stir welding apparatus according to the present invention.

同図に示す摩擦攪拌接合装置１は、作業者が把持して摩擦攪拌接合作業を行なうための摩擦攪拌接合装置である。 A friction stir welding apparatus 1 shown in FIG. 1 is a friction stir welding apparatus for an operator to hold and perform a friction stir welding operation.

従来の多関節ロボットに取り付けられる摩擦攪拌接合装置が、側面視で、どちらかと言えば縦長の形状を有し、Ｘ型であっても横方向に寸法の短かい形状を有するのに対し、図
１に示す摩擦攪拌接合装置１は、側面視で横長、どちらかといえば棒形状である点に特徴を有する。摩擦攪拌接合装置１の形状を、このように横長の棒形状にしているのは、作業者が把持し易くするというだけでなく、主として慣性モーメント（工具からの距離×重量物の質量）を大きくし、その慣性モーメントにより摩擦攪拌接合開始時の非常に大きな摩擦力に起因して装置本体に生じる衝撃力を緩和し、作業者による摩擦攪拌接合装置の操作性や作業性を好適にするためである。 The friction stir welding apparatus attached to the conventional articulated robot has a vertically long shape in a side view, and even if it is an X type, it has a shape with a short dimension in the lateral direction. The friction stir welding apparatus 1 shown in FIG. 1 is characterized in that it is horizontally long in a side view, and more or less a rod shape. The fact that the shape of the friction stir welding apparatus 1 is in the shape of a horizontally long bar not only makes it easy for an operator to grip, but also largely increases the moment of inertia (distance from the tool × mass of heavy object). In order to reduce the impact force generated in the main body of the device due to the very large frictional force at the start of friction stir welding by the moment of inertia, and to improve the operability and workability of the friction stir welding device by the operator. is there.

慣性モーメントにより衝撃力を緩和する作用効果については、後述するとして、まず、摩擦攪拌接合装置１の構成について説明する。 As to the effect of reducing the impact force by the moment of inertia, the configuration of the friction stir welding apparatus 1 will be described first, as will be described later.

摩擦攪拌接合装置１は、横長の棒形状の胴体２とこの胴体２の下側に揺動自在に支持された揺動アーム３とを備えている。胴体２および揺動アーム３は、金属製であるが、それらの材質は、金属に限定されるものではない。作業者による可搬性を考慮して装置全体を可及的に軽量にするために、一部または全部を軽量で剛性の高いＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの合成樹脂製とすることができる。 The friction stir welding apparatus 1 includes a horizontally long rod-shaped body 2 and a swing arm 3 swingably supported on the lower side of the body 2. The body 2 and the swing arm 3 are made of metal, but their material is not limited to metal. In order to make the entire apparatus as light as possible in consideration of portability by an operator, a part or the whole can be made of a synthetic resin such as CFRP (carbon fiber reinforced plastic) that is lightweight and highly rigid.

胴体２は、工具８が装着される主軸保持部２２と、工具８の回転力を発生する主軸回転モータ４や揺動アーム３への加圧力を発生する加圧装置９やこれらの部材の動作を制御する制御装置１０が配設される駆動力部２３と、主軸回転モータ４の回転力を主軸保持部２２内の工具８に伝達するシャフト５が配設されるアーム部２１とで構成されている。なお、胴体２のアーム部２１、主軸保持部２２及び駆動力部２３は、一体的に形成されている。胴体２のアーム部２１と駆動力部２３との境界付近には下側に突出させて支持部２４が設けられており、揺動アーム３がこの支持部２４の先端にアーム支持ピン２４ａで揺動可能に支持されている。 The body 2 includes a spindle holding portion 22 on which the tool 8 is mounted, a spindle rotating motor 4 that generates a rotational force of the tool 8, a pressurizing device 9 that generates pressure on the swing arm 3, and operations of these members. A driving force portion 23 in which a control device 10 for controlling the rotation is disposed, and an arm portion 21 in which a shaft 5 for transmitting the rotational force of the spindle rotating motor 4 to the tool 8 in the spindle holding portion 22 is disposed. ing. In addition, the arm part 21, the main shaft holding part 22, and the driving force part 23 of the body 2 are integrally formed. A support portion 24 is provided in the vicinity of the boundary between the arm portion 21 and the driving force portion 23 of the body 2 so as to protrude downward, and the swing arm 3 is swung by an arm support pin 24 a at the tip of the support portion 24. It is supported movably.

胴体２の上側面のアーム部２１と駆動力部２３との境界付近（図１では支持部２４の上方位置）には吊り金具２５が取り付けられている。吊り金具２５は、カウンタバランスを取り付けて摩擦攪拌接合装置１を宙吊りするためのもので、これによって作業者への摩擦攪拌接合装置１の自重の負荷を軽減するものである。図１に示す摩擦攪拌接合装置１では、その重心位置がほぼアーム部２１と駆動力部２３との境界付近に設定されているので、カウンタバランスを取り付けるための吊り金具２５をその重心位置付近に設けている。なお、摩擦攪拌接合装置１の総重量が、作業者が持ち運びできる程度のもので、特にカウンタバランスを必要としない場合は、吊り金具２５は無くてもよい。 A suspension fitting 25 is attached to the vicinity of the boundary between the arm portion 21 and the driving force portion 23 on the upper side surface of the body 2 (above the support portion 24 in FIG. 1). The hanging metal fitting 25 is used to suspend the friction stir welding apparatus 1 by attaching a counter balance, thereby reducing the load of the weight of the friction stir welding apparatus 1 on the operator. In the friction stir welding apparatus 1 shown in FIG. 1, the center of gravity position is set almost in the vicinity of the boundary between the arm portion 21 and the driving force portion 23, so that the hanging bracket 25 for attaching the counter balance is near the center of gravity position. Provided. Note that the total weight of the friction stir welding apparatus 1 is such that it can be carried by an operator, and the suspension bracket 25 may be omitted if no counterbalance is required.

胴体２のアーム部２１は、慣性モーメントの腕部分（工具８からの距離）として作用させる部分で、比較的長さ寸法の長い金属製の円筒である。本実施形態では、アーム部２１を、例えば長さ約１．２ｍ、直径約１５ｃｍとしているが、工具８からの距離が０．５ｍ以上となるように、アーム部２１の長さを設計するとよい。主軸保持部２２も金属製の円筒であり、主軸保持部２２は、主軸保持部２２の中心軸Ｎ１（長手方向に沿う軸）がアーム部２１の中心軸Ｎ２（長手方向に沿う軸）と直交するようにＬ字状に屈曲させて、アーム部２１の先端（図１において左端）に一体的に形成されている。また、駆動力部２３にも上側に円筒状の主軸回転モータ４を収納するためのモータ収納室２３ａが設けられ、駆動力部２３もアーム部２１の基端（図１において右端）に一体的に形成されている。アーム部２１の両端には孔が穿設されており、主軸保持部２２の空洞部分と駆動力部２３のモータ収納室２３ａはそれらの孔によってアーム部２１の空洞部分に連通している。 The arm portion 21 of the body 2 is a portion that acts as an arm portion (distance from the tool 8) of the moment of inertia and is a metal cylinder having a relatively long length. In the present embodiment, the arm portion 21 has a length of about 1.2 m and a diameter of about 15 cm, for example, but the length of the arm portion 21 may be designed so that the distance from the tool 8 is 0.5 m or more. . The main shaft holding portion 22 is also a metal cylinder. In the main shaft holding portion 22, the central axis N1 (axis along the longitudinal direction) of the main shaft holding portion 22 is orthogonal to the central axis N2 (axis along the longitudinal direction) of the arm portion 21. In this way, it is bent in an L shape and is integrally formed at the tip of the arm portion 21 (left end in FIG. 1). Further, the driving force portion 23 is also provided with a motor storage chamber 23a for storing the cylindrical spindle motor 4 on the upper side, and the driving force portion 23 is also integrated with the base end (right end in FIG. 1) of the arm portion 21. Is formed. Holes are formed at both ends of the arm portion 21, and the hollow portion of the main shaft holding portion 22 and the motor storage chamber 23 a of the driving force portion 23 communicate with the hollow portion of the arm portion 21 through these holes.

なお、駆動力部２３は、慣性モーメントの質量部分として作用させる部分で、重量の重い主軸回転モータ４、加圧装置９及び制御装置１０を駆動力部２３にコンパクトに収納することによってその作用を実現している。そして、主軸回転モータ４は主軸７の回転力を発生する駆動力源であるので、モータ収納室２３ａは駆動力部２３におけるアーム部２１の中心軸Ｎ２上に配置され、その下部に加圧装置９が配置される構成となっている。 The driving force portion 23 is a portion that acts as a mass portion of the moment of inertia. The operation is performed by storing the heavy spindle rotating motor 4, the pressurizing device 9, and the control device 10 in the driving force portion 23 in a compact manner. Realized. Since the main shaft rotating motor 4 is a driving force source that generates the rotational force of the main shaft 7, the motor storage chamber 23a is disposed on the central axis N2 of the arm portion 21 in the driving force portion 23, and a pressurizing device is provided below the motor housing chamber 23a. 9 is arranged.

主軸保持部２２の空洞部分には、工具８を回転自在に保持するための主軸７が設けられている。主軸７は円筒の先端にそれよりも外径の大きい筒体を延設した形状を有し、筒体部分が装着脱可能な工具８を取り付ける部分となっている。主軸７の円筒と筒体との段差部分は、アーム部２１と連通する孔に近接する位置に設定され、この段差部分に笠歯車７ａが形成されている。筒体の部分には開口端から内側に窄まった穴７ｂが設けられ、工具８は基端側（図１では上側）をこの穴７ｂに収納させて取り付けられる。円筒の部分の基端（図１では主軸７の上端）は、主軸保持部２２の上面に軸受けにより回動自在に支持され、筒体の部分も主軸保持部２２の内側面に軸受けにより回動自在に支持されている。この構成により、主軸保持部２２内で主軸７が中心軸Ｎ１の周りに回転するので、主軸７に取り付けられる工具８は中心軸Ｎ１を軸として回転する。 A main shaft 7 for rotatably holding the tool 8 is provided in the hollow portion of the main shaft holding portion 22. The main shaft 7 has a shape in which a cylindrical body having a larger outer diameter is extended at the tip of the cylinder, and the cylindrical body portion is a portion to which a tool 8 that can be attached and detached is attached. A step portion between the cylinder and the cylindrical body of the main shaft 7 is set at a position close to a hole communicating with the arm portion 21, and a bevel gear 7a is formed at the step portion. A hole 7b narrowed inward from the opening end is provided in the cylindrical portion, and the tool 8 is attached with the base end side (upper side in FIG. 1) stored in the hole 7b. The base end of the cylindrical portion (the upper end of the main shaft 7 in FIG. 1) is rotatably supported on the upper surface of the main shaft holding portion 22 by a bearing, and the cylindrical portion is also rotated on the inner side surface of the main shaft holding portion 22 by the bearing. It is supported freely. With this configuration, since the main shaft 7 rotates around the central axis N1 in the main shaft holding portion 22, the tool 8 attached to the main shaft 7 rotates about the central axis N1.

工具８は、先端の中央に突起８ａが設けられた金属製の略円柱状の工具である。工具８の基端側は先窄まりのテーパ状に形成された取付部となっている。この取付部の形状は主軸保持部２２の穴７ｂの形状とほぼ同一で、この取付部を穴７ｂに嵌合させて工具８が主軸保持部２２に取り付けられている。なお、工具８の取付部の形状は、先窄まりのテーパ状に限定されるものではなく、円柱であってもよい。また、工具８をチャック等で主軸保持部２２に取り付けてもよい。また、工具８の材質は金属に限定されず、セラミックスやエンジニアリングプラスチックなどであってもよい。 The tool 8 is a metal substantially cylindrical tool having a protrusion 8a provided at the center of the tip. The base end side of the tool 8 is a mounting portion formed in a tapered shape. The shape of this attachment portion is substantially the same as the shape of the hole 7b of the spindle holding portion 22, and the tool 8 is attached to the spindle holding portion 22 by fitting this attachment portion into the hole 7b. In addition, the shape of the attachment part of the tool 8 is not limited to the tapered shape of a taper, A cylinder may be sufficient. Further, the tool 8 may be attached to the spindle holding portion 22 with a chuck or the like. The material of the tool 8 is not limited to metal, and may be ceramics or engineering plastics.

アーム部２１の内部にはシャフト５が嵌装されている。シャフト５は、アーム部２１の基端部（図１では右端側）と先端部（図１では左端側）で軸受けにより回転可能に支持されている。シャフト５の主軸保持部２２内に突出した先端（図１では左端）には笠歯車６が設けられ、この笠歯車６は主軸保持部２２内の主軸７に形成された笠歯車７ａに歯合している。一方、駆動力部２３のモータ収納室２３ａには、主軸回転モータ４がそのロータ軸をアーム部２１の中心軸Ｎ２に一致させて配設されており、シャフト５のモータ収納室２３ａ内に突出した基端（図１では右端）は主軸回転モータ４のロータ４ａに固着されている。 The shaft 5 is fitted inside the arm portion 21. The shaft 5 is rotatably supported by a bearing at a proximal end portion (right end side in FIG. 1) and a distal end portion (left end side in FIG. 1) of the arm portion 21. A bevel gear 6 is provided at the tip (left end in FIG. 1) of the shaft 5 that protrudes into the main shaft holding portion 22, and this bevel gear 6 meshes with a bevel gear 7 a formed on the main shaft 7 in the main shaft holding portion 22. doing. On the other hand, in the motor storage chamber 23a of the driving force section 23, the main shaft rotating motor 4 is disposed with its rotor axis aligned with the central axis N2 of the arm section 21, and protrudes into the motor storage chamber 23a of the shaft 5. The base end (right end in FIG. 1) is fixed to the rotor 4 a of the main shaft rotating motor 4.

主軸回転モータ４が回転すると、その回転力がシャフト５、笠歯車６及び笠歯車７ａを介して主軸７に伝達され、主軸７が回転する。従って、主軸回転モータ４を回転させると、主軸７が回転し、これにより工具８が主軸７と共に一体的に回転する。工具８を被接合物Ｗ（２枚の板材を重ね合わせたもの）に圧接させた状態で主軸回転モータ４を回転させると、これにより工具８が回転して被接合物Ｗにおける工具８の圧接点に摩擦熱が生じ、その摩擦熱で被接合物Ｗに塑性流動を生じて摩擦攪拌接合が行われる。 When the main shaft rotating motor 4 rotates, the rotational force is transmitted to the main shaft 7 through the shaft 5, the bevel gear 6 and the bevel gear 7a, and the main shaft 7 rotates. Therefore, when the main shaft rotating motor 4 is rotated, the main shaft 7 is rotated, whereby the tool 8 is rotated together with the main shaft 7. When the spindle rotating motor 4 is rotated in a state where the tool 8 is in pressure contact with the workpiece W (a stack of two plates), the tool 8 is rotated thereby, and the tool 8 is pressed against the workpiece W. Friction heat is generated at the point, and the frictional heat causes plastic flow in the workpiece W, and friction stir welding is performed.

揺動アーム３は、胴体２とほぼ同じ長さを有する細長い金属製の板であり、摩擦攪拌接合時にその先端（図１では左端）を被接合物Ｗに押し付けて当該被接合物Ｗに対し工具８を相対的に圧接させる機能を果たすものである。揺動アーム３は胴体２の下側に突出した支持部２４に揺動可能に支持され、側面視の形状がＸ字状になっている。この外観形状から、摩擦攪拌接合装置１は、いわゆるＸ型の摩擦攪拌接合装置に属する。 The swing arm 3 is an elongated metal plate having substantially the same length as the body 2, and the tip (left end in FIG. 1) is pressed against the workpiece W during friction stir welding to the workpiece W. A function of relatively pressing the tool 8 is achieved. The swing arm 3 is swingably supported by a support portion 24 projecting to the lower side of the body 2, and the shape in a side view is an X shape. From this external shape, the friction stir welding apparatus 1 belongs to a so-called X-type friction stir welding apparatus.

揺動アーム３の先端部の工具８に対向する位置には、工具８の先端の突起８ａとの間で被接合物Ｗを挟持するための工具受け３１が設けられている。一方、揺動アーム３の基端部は加圧装置９に連結されている。加圧装置９は、揺動アーム３の基端側を下方に所定の圧力で押圧するものであり、揺動アーム３の基端側（図１において右端側）が加圧装置９によって下方に押圧されることで、先端側の工具受け３１が上方に移動し、被接合物Ｗが工具８に押しつけられる。 At a position facing the tool 8 at the tip of the swing arm 3, a tool receiver 31 is provided for sandwiching the workpiece W with the protrusion 8 a at the tip of the tool 8. On the other hand, the base end portion of the swing arm 3 is connected to the pressure device 9. The pressurizing device 9 presses the base end side of the swing arm 3 downward at a predetermined pressure, and the base end side (right end side in FIG. 1) of the swing arm 3 is moved downward by the pressurizing device 9. By being pressed, the tool receiver 31 on the tip side moves upward, and the workpiece W is pressed against the tool 8.

加圧装置９は、加圧モータ９１と加圧ボールスクリュー９２を備えている。加圧モータ９１は、トルク制御されるモータであり、所定のトルクを発生させるものである。加圧モータ９１は、モータ収納室２３ａの下部に主軸回転モータ４と平行で、ロータの出力方向を主軸回転モータ４とは逆向きにして設けられている。また、加圧モータ９１のロータ出力側に隣接して、スクリュー９２ａとナット９２ｂからなる加圧ボールスクリュー９２が設けられている。スクリュー９２ａは、加圧モータ９１のロータに直交させるように配置され、その上端が駆動力部２３内で軸受けにより回転可能に支持される一方、ナット９２ｂが揺動アーム３の基端部に取り付けられ、スクリュー９２ａの下端部はナット９２ｂに螺合している。 The pressure device 9 includes a pressure motor 91 and a pressure ball screw 92. The pressure motor 91 is a torque-controlled motor, and generates a predetermined torque. The pressurizing motor 91 is provided in the lower part of the motor storage chamber 23 a in parallel with the main shaft rotating motor 4 and with the rotor output direction opposite to the main shaft rotating motor 4. A pressure ball screw 92 including a screw 92a and a nut 92b is provided adjacent to the rotor output side of the pressure motor 91. The screw 92 a is disposed so as to be orthogonal to the rotor of the pressure motor 91, and an upper end of the screw 92 a is rotatably supported by a bearing in the driving force portion 23, while a nut 92 b is attached to the proximal end portion of the swing arm 3. The lower end of the screw 92a is screwed into the nut 92b.

加圧モータ９１のロータには笠歯車９３が固着され、スクリュー９２ａのその笠歯車９３に臨む位置に当該笠歯車９３に歯合させて笠歯車９４が固着されている。笠歯車９３，９４は、加圧モータ９１の回転力をスクリュー９２ａに伝達するものである。加圧モータ９１を回転させると、その回転力が笠歯車９３，９４を介してスクリュー９２ａに伝達され、スクリュー９２ａが長手方向に沿う中心軸を回転軸として回転する。スクリュー９２ａの回転によりナット９２ｂが当該スクリュー９２ａに対して相対的に移動し、これにより揺動アーム３の基端部が上下動する。 A bevel gear 93 is fixed to the rotor of the pressurizing motor 91, and a bevel gear 94 is fixedly engaged with the bevel gear 93 at a position facing the bevel gear 93 of the screw 92a. The bevel gears 93 and 94 transmit the rotational force of the pressure motor 91 to the screw 92a. When the pressurizing motor 91 is rotated, the rotational force is transmitted to the screw 92a via the bevel gears 93 and 94, and the screw 92a rotates about the central axis along the longitudinal direction as the rotation axis. Due to the rotation of the screw 92a, the nut 92b moves relative to the screw 92a, whereby the proximal end portion of the swing arm 3 moves up and down.

摩擦攪拌接合時には、揺動アーム３の基端部が下降する方向（ナット９２ｂが下に移動する方向）に加圧モータ９１が回転される。揺動アーム３の基端部が下降すると、揺動アーム３の先端部が上昇し、工具受け３１が被接合物Ｗ（図１では被接合物Ｗの裏面）に圧接される。工具受け３１が被接合物Ｗに圧接された後にも加圧モータ９１は回転し、その出力トルクが所定値になると、加圧モータ９１は出力トルクがその所定値に保持されるように制御される。これにより、工具受け３１が所定の圧力で被接合物Ｗに押し付けられた状態で、摩擦攪拌接合が行われる。 At the time of friction stir welding, the pressurizing motor 91 is rotated in a direction in which the base end portion of the swing arm 3 descends (direction in which the nut 92b moves downward). When the base end portion of the swing arm 3 is lowered, the distal end portion of the swing arm 3 is lifted, and the tool receiver 31 is pressed against the workpiece W (the back surface of the workpiece W in FIG. 1). Even after the tool receiver 31 is pressed against the workpiece W, the pressure motor 91 rotates, and when the output torque reaches a predetermined value, the pressure motor 91 is controlled so that the output torque is maintained at the predetermined value. The Thereby, friction stir welding is performed in a state where the tool receiver 31 is pressed against the workpiece W with a predetermined pressure.

制御装置１０は、主軸回転モータ４および加圧モータ９１を制御するものであり、胴体２の駆動力部２３の背面（図１では右側の側面）に設けられている。制御装置１０は、主軸回転モータ４に対しては回転速度を制御し、加圧モータ９１に対しては出力トルクを制御する。具体的には、制御装置１０は、工具８の突起８ａを被接合物Ｗに圧入させるとき（摩擦攪拌接合開始時）には、工具８の回転速度が所定の第１速度になるように、主軸回転モータ４の回転を制御し、工具受け３１の押圧力が所定の第１圧力になるように、加圧モータ９１の出力トルクを所定の第１トルクに制御する。工具８の突起８ａが被接合物Ｗに圧入した後に塑性流動を生じさせるために、制御装置１０は、工具８の回転速度が第１速度よりも小さい所定の第２速度になるように、主軸回転モータ４の回転速度を低下させ、工具受け３１の押圧力が第１圧力よりも小さい所定の第２圧力になるように、加圧モータ９１の出力トルクを所定の第２トルクに低下させる。なお、主軸回転モータ４の制御目標値である第１速度および第２速度や加圧モータ９１の制御目標値である第１トルクおよび第２トルクは、被接合物Ｗの材質および厚さにより予め設定されている。 The control device 10 controls the spindle rotating motor 4 and the pressure motor 91, and is provided on the back surface (right side surface in FIG. 1) of the driving force portion 23 of the body 2. The control device 10 controls the rotation speed for the spindle rotating motor 4 and controls the output torque for the pressure motor 91. Specifically, when the control device 10 press-fits the protrusion 8a of the tool 8 into the workpiece W (at the start of friction stir welding), the rotation speed of the tool 8 is set to a predetermined first speed. The rotation of the spindle motor 4 is controlled, and the output torque of the pressurizing motor 91 is controlled to a predetermined first torque so that the pressing force of the tool receiver 31 becomes a predetermined first pressure. In order to generate a plastic flow after the protrusion 8a of the tool 8 is press-fitted into the workpiece W, the control device 10 controls the spindle so that the rotational speed of the tool 8 becomes a predetermined second speed smaller than the first speed. The rotational speed of the rotary motor 4 is reduced, and the output torque of the pressure motor 91 is reduced to a predetermined second torque so that the pressing force of the tool receiver 31 becomes a predetermined second pressure smaller than the first pressure. The first and second speeds, which are control target values of the spindle rotating motor 4, and the first torque and second torque, which are control target values of the pressure motor 91, are determined in advance depending on the material and thickness of the workpiece W. Is set.

次に、摩擦攪拌接合装置１による摩擦攪拌接合動作について説明する。 Next, the friction stir welding operation by the friction stir welding apparatus 1 will be described.

作業者は、胴体２の吊り金具２５が取り付けられた付近を抱えるようにして摩擦攪拌接合装置１を把持し、被接合物Ｗの点接合位置が工具８と揺動アーム３の工具受け３１で挟まれるように、摩擦攪拌接合装置１を移動させた後、図示しないスイッチを押圧することにより摩擦攪拌接合を開始する。 The operator holds the friction stir welding device 1 so as to hold the vicinity of the body 2 where the suspension fitting 25 is attached, and the point joining position of the workpiece W is determined by the tool 8 and the tool receiver 31 of the swing arm 3. After the friction stir welding apparatus 1 is moved so as to be sandwiched, the friction stir welding is started by pressing a switch (not shown).

制御装置１０は、工具８の突起８ａを被接合物Ｗに圧入させるために、主軸回転モータ４および加圧モータ９１を起動し、各モータの回転速度及び出力トルクを制御する。すなわち、工具８の回転速度が第１速度となるように主軸回転モータ４の回転速度を制御するとともに、工具受け３１の被接合物Ｗへの押圧力が第１圧力となるように、加圧モータ９１の出力トルクを制御する。 In order to press-fit the protrusion 8a of the tool 8 into the workpiece W, the control device 10 activates the spindle rotation motor 4 and the pressure motor 91, and controls the rotation speed and output torque of each motor. That is, the rotation speed of the spindle motor 4 is controlled so that the rotation speed of the tool 8 becomes the first speed, and the pressing force is applied so that the pressing force of the tool receiver 31 to the workpiece W becomes the first pressure. The output torque of the motor 91 is controlled.

工具８の突起８ａが被接合物Ｗに圧接された状態で回転することにより、被接合物Ｗの圧接位置に摩擦熱が生じ、この摩擦熱により被接合物Ｗは軟化され、工具８の突起８ａは２枚の板材を貫くように被接合物Ｗに圧入される。 When the projection 8a of the tool 8 is rotated in a state of being pressed against the workpiece W, frictional heat is generated at the press-contact position of the workpiece W, and the workpiece W is softened by this frictional heat, and the projection of the tool 8 is projected. 8a is press-fitted into the workpiece W so as to penetrate the two plate members.

その後、制御装置１０は、主軸回転モータ４の回転速度を第２速度に低下させるとともに、加圧モータ９１の出力トルクを第２トルクに低下させ、その状態を所定の時間保持することにより、被接合物Ｗ内の工具８の突起８ａ周辺で２枚の板材の金属組成を塑性流動によって流動させる。その後、制御装置１０は、加圧モータ９１を逆回転させて工具受け３１の被接合物Ｗへの押圧を解除し、工具８の突起８ａを被接合物Ｗから引き抜き、主軸回転モータ４の回転を停止する。これにより、被接合物Ｗの摩擦攪拌接合処理は終了する。 Thereafter, the control device 10 reduces the rotational speed of the spindle rotating motor 4 to the second speed, reduces the output torque of the pressurizing motor 91 to the second torque, and holds the state for a predetermined time. The metal composition of the two plate members is caused to flow by plastic flow around the protrusion 8a of the tool 8 in the joint W. Thereafter, the control device 10 reversely rotates the pressure motor 91 to release the pressing of the tool receiver 31 against the workpiece W, pulls out the protrusion 8a of the tool 8 from the workpiece W, and rotates the spindle rotating motor 4. To stop. Thereby, the friction stir welding process for the workpiece W is completed.

次に、摩擦攪拌接合装置１の作用について、図２を用いて説明する。 Next, the operation of the friction stir welding apparatus 1 will be described with reference to FIG.

図６を用いて説明したように、摩擦攪拌接合処理においては、被接合物Ｗを工具８と工具受け３１とで挟んだ状態で工具８を回転させると、その回転開始時に非常に大きな摩擦力が発生し、その摩擦力に起因して胴体２に工具８の回転力の反力として工具８の回転方向と同一の回転力が生じる。しかしながら、本発明に係る摩擦攪拌接合装置１では、反力の発生源に対しアーム部２１によって長い距離を離して駆動力部２３に主軸回転モータ４、加圧装置９及び制御装置１０を含む重量物を配置しているので、図２に示すように、工具８の回転力の反力が胴体２を回転させようとしても駆動力部２３における回転力Ｔ５はその重量物による慣性モーメントにより低減され、駆動力部２３が殆ど回転せず、アーム部２１が変形するだけであるので、胴体２が回転動作をすることは殆どない。 As described with reference to FIG. 6, in the friction stir welding process, when the tool 8 is rotated with the workpiece W sandwiched between the tool 8 and the tool receiver 31, a very large frictional force is generated at the start of the rotation. Due to the frictional force, the same rotational force as the rotational direction of the tool 8 is generated in the body 2 as a reaction force of the rotational force of the tool 8. However, in the friction stir welding apparatus 1 according to the present invention, the weight including the spindle rotating motor 4, the pressurizing device 9, and the control device 10 in the driving force portion 23 at a long distance from the reaction force generation source by the arm portion 21. Since the object is arranged, as shown in FIG. 2, even if the reaction force of the rotational force of the tool 8 tries to rotate the body 2, the rotational force T5 in the driving force portion 23 is reduced by the moment of inertia due to the heavy object. Since the driving force portion 23 hardly rotates and the arm portion 21 only deforms, the body 2 hardly rotates.

図１において、Ｍの位置に駆動力部２３における重量物の質量中心があるとし、工具８の回転軸（図１の中心軸Ｎ１）から重量物の質量中心Ｍまでの距離をＬ、重量物の質量をｍ、質量中心Ｍにおける質量ｍの慣性モーメントをＩ、質量ｍに作用する工具８の回転力の反力をＴ、質量ｍに反力Ｔが時間ｔだけ作用したときの質量ｍの移動角度をθとすると、これらの物理量の間には下記（１）〜（３）の関係式が成立する。 In FIG. 1, it is assumed that the center of mass of the heavy object in the driving force unit 23 is at a position M, and the distance from the rotation axis of the tool 8 (center axis N1 in FIG. 1) to the mass center M of the heavy object is L. Of the mass m at the center of mass M, I is the moment of inertia of the mass m at the center of mass M, T is the reaction force of the rotational force of the tool 8 acting on the mass m, When the movement angle is θ, the following relational expressions (1) to (3) are established between these physical quantities.

従って、例えば、工具８の回転軸（図１の中心軸Ｎ１）から重量物の質量中心Ｍまでの距離Ｌを１．５ｍ、重量物の質量ｍを５００ｋｇとし、摩擦攪拌接合開始時に工具８の回転力の反力Ｔとして１００Ｎ・ｍの衝撃力が胴体２に０．５秒間加わった場合の駆動力部２３の移動角度θを、上記（１）〜（３）の関係式により求めると、Ｉ＝５００×１．５×１．５＝１１２５ｋｇ・ｍ²、角加速度α＝｛１００／９．８（ｋｇ・ｍ/sec²・ｍ）｝／１１２５（ｋｇ・ｍ²）≒０．００９１rad/sec²であるから、θ＝（１/２）×０．００９１×０．５²＝０．００１１３radとなる。そして、工具８の回転軸（図１の中心軸Ｎ１）から重量物の質量中心Ｍまでの距離Ｌは１．５ｍであるので、質量ｍの移動距離ｄに換算すると、ｄ＝１.７１（＝０．００１１３×１５００）ｍｍとなる。 Therefore, for example, the distance L from the rotation axis of the tool 8 (center axis N1 in FIG. 1) to the mass center M of the heavy article is 1.5 m, and the mass m of the heavy article is 500 kg. When the moving angle θ of the driving force portion 23 when an impact force of 100 N · m is applied to the body 2 as the reaction force T of the rotational force for 0.5 seconds is determined by the relational expressions (1) to (3) above, I = 500 × 1.5 × 1.5 = 1125 kg · m ² , angular acceleration α = {100 / 9.8 (kg · m / sec ² · m)} / 1125 (kg · m ² ) ≈0.0091 rad Since / sec ² , θ = (1/2) × 0.0091 × 0.5 ² = 0.00113 rad. Since the distance L from the rotation axis of the tool 8 (center axis N1 in FIG. 1) to the mass center M of the heavy object is 1.5 m, when converted to the moving distance d of the mass m, d = 1.71 ( = 0.00113 × 1500) mm.

上記のように、１００Ｎ・ｍの衝撃力Ｔが胴体２に加わったとしても駆動力部２３は僅か１．７１ｍｍしか移動しないので、摩擦攪拌接合開始時に瞬時的に１００Ｎ・ｍの衝撃力Ｔが生じても、図２に示すように、駆動力部２３は殆ど移動せず、胴体２の中心線が変形する（具体的にはアーム部２１の中心軸Ｎ２が変形する）ことによりその衝撃力Ｔが吸収されることになる。なお、図２では、変形した胴体２の中心線を円弧状に点線で記載しているが、その中心線の変形量は、工具８の回転の中心軸Ｎ１と重量物の質量中心Ｍを２．５５ｍｍだけ下方向に移動させた位置を結ぶ直線Ｓに円弧が接する量である。従って、実質的に胴体２を保持している作業者には衝撃力Ｔは殆ど作用しないといえる。 As described above, even if an impact force T of 100 N · m is applied to the body 2, the driving force portion 23 moves only 1.71 mm, so that an impact force T of 100 N · m is instantaneously generated at the start of friction stir welding. 2, the driving force portion 23 hardly moves and the center line of the body 2 is deformed (specifically, the center axis N2 of the arm portion 21 is deformed) as shown in FIG. The force T is absorbed. In FIG. 2, the center line of the deformed body 2 is indicated by a dotted line in an arc shape, but the deformation amount of the center line is 2 for the center axis N1 of the rotation of the tool 8 and the mass center M of the heavy object. This is the amount that the arc touches the straight line S connecting the positions moved downward by .55 mm. Therefore, it can be said that the impact force T hardly acts on the worker holding the body 2 substantially.

なお、比較として、胴体２を図６に示す従来構成に近似した構成として、距離Ｌ＝０．２ｍ、質量ｍ＝約２００ｋｇと仮定し、１００Ｎ・ｍの衝撃力が胴体に加わった場合の質量ｍの移動距離ｄを求めると、α＝（１００／９．８）／（２００×０．２×０．２）≒１．２８rad/sec²、θ＝（１/２）×１．２８×０．５²＝０．１６rad、ｄ＝０．１６×２００＝３２ｍｍとなる。このように、従来構成では質量ｍの移動距離ｄが大きく、しかも距離Ｌが短かく胴体が変形し難いので、作業者に作用する衝撃力Ｔを本願発明に係る摩擦攪拌接合装置１のように十分に抑制することきできないことが分かる。 For comparison, it is assumed that the fuselage 2 has a configuration similar to the conventional configuration shown in FIG. 6, and a mass when an impact force of 100 N · m is applied to the fuselage assuming a distance L = 0.2 m and a mass m = about 200 kg. When the moving distance d of m is obtained, α = (100 / 9.8) / (200 × 0.2 × 0.2) ≈1.28 rad / sec ² , θ = (1/2) × 1.28 × 0.5 ² = 0.16 rad, d = 0.16 × 200 = 32 mm. Thus, in the conventional configuration, the moving distance d of the mass m is large, the distance L is short, and the body is not easily deformed. Therefore, the impact force T acting on the operator is applied as in the friction stir welding apparatus 1 according to the present invention. It turns out that it cannot be suppressed enough.

上記のように、本実施形態においては、工具８の駆動源である主軸回転モータ４や揺動アーム３を加圧する加圧装置９などの比較的重量の重い部材を工具８が取り付けられる主軸７から所定の距離以上に離した位置に配設し、その重量物の回転モーメントによって摩擦攪拌接合時の工具８の回転力の反力による衝撃を緩和するので、作業者が摩擦攪拌接合装置１を把持しての摩擦攪拌接合における操作性や作業性を損なうことがなく、容易に接合作業することができる。また、摩擦攪拌接合装置１を多関節ロボットの先端に設けた場合でも多関節ロボットにかかる負担が緩和されるので、多関節ロボットの劣化を防止し、寿命を延ばすことができる。 As described above, in the present embodiment, the spindle 7 to which the tool 8 is attached is a relatively heavy member such as the spindle rotating motor 4 that is the drive source of the tool 8 or the pressurizing device 9 that pressurizes the swing arm 3. Since the impact caused by the reaction force of the rotational force of the tool 8 at the time of friction stir welding is mitigated by the rotational moment of the heavy object, the operator can set the friction stir welding device 1 The operability and workability in gripping friction stir welding can be easily performed without impairing the operability and workability. Even when the friction stir welding apparatus 1 is provided at the tip of the articulated robot, the burden on the articulated robot is alleviated, so that the articulated robot can be prevented from deteriorating and the life can be extended.

なお、第１実施形態では、シャフト５と主軸回転モータ４の回転軸を同軸上に配置したが、主軸回転モータ４の回動軸をシャフト５の回動軸と直交させ、両回転軸をギアで連結する構成であってもよい。要するに、駆動力部２３の質量中心が位置Ｍの辺りになるのであれば、主軸回転モータ４の駆動力部２３内の位置や向きは図１の構成に限定されない。 In the first embodiment, the shaft 5 and the rotation shaft of the main shaft rotation motor 4 are arranged coaxially. However, the rotation shaft of the main shaft rotation motor 4 is orthogonal to the rotation shaft of the shaft 5, and both rotation shafts are geared. The structure which connects with may be sufficient. In short, as long as the center of mass of the driving force unit 23 is near the position M, the position and orientation of the spindle rotating motor 4 in the driving force unit 23 are not limited to the configuration shown in FIG.

同様に、加圧モータ９１の設置場所や向きも図１の構成に限定されるものではなく、他の機構により加圧装置９を構成してもよい。また、駆動力部２３内での主軸回転モータ４、加圧装置９、および制御装置１０などの重量の重い部品をより末端側に設置することで、駆動力部２３の質量中心Ｍの位置を工具８から遠ざけ、より大きな慣性モーメントが生じるようにしてもよい。あるいは、主軸回転モータ４、加圧装置９、および制御装置１０などの質量を大きくしたり、補助的に錘部材を駆動力部２３内に収納したりして駆動力部２３の質量ｍを重くしたり、胴体２のアーム部２１を長くして慣性モーメントを大きくするようにしてもよい。 Similarly, the installation location and orientation of the pressure motor 91 are not limited to the configuration shown in FIG. 1, and the pressure device 9 may be configured by other mechanisms. Further, by installing heavier components such as the spindle rotating motor 4, the pressurizing device 9, and the control device 10 in the driving force unit 23, the position of the center of mass M of the driving force unit 23 can be set. A larger moment of inertia may be generated by moving away from the tool 8. Alternatively, the mass of the driving force unit 23 is increased by increasing the mass of the spindle rotating motor 4, the pressurizing device 9, the control device 10, or the like, or supplementally storing the weight member in the driving force unit 23. Alternatively, the arm portion 21 of the body 2 may be lengthened to increase the moment of inertia.

なお、第１実施形態では、揺動アーム３を設けていたが、揺動アーム３は必ずしも必要ではなく、摩擦攪拌接合における負荷が比較的軽い被接合物Ｗに対する摩擦攪拌接合装置では、揺動アーム３のない構成とすることができる。この場合は、主軸保持部２２を被接合物Ｗに加圧させるべく、バネ等で抑える機構を設けてもよい。 In the first embodiment, the swing arm 3 is provided. However, the swing arm 3 is not necessarily required. In the friction stir welding apparatus for the workpiece W having a relatively light load in the friction stir welding, the swing arm 3 is swung. A configuration without the arm 3 can be adopted. In this case, in order to pressurize the main spindle holding portion 22 against the workpiece W, a mechanism for holding it with a spring or the like may be provided.

その一方、摩擦攪拌接合における負荷が大きい被接合物Ｗでは、主軸７の回転力の反力による衝撃は、工具８の突起８ａを接合位置からずらしたり、２枚の被接合物Ｗの接合位置をずらしたりする場合がある。工具８の突起８ａが接合位置からずれると摩擦熱が分散して被接合物Ｗを軟化できず塑性流動が生じない。また、２枚の被接合物Ｗの接合位置がずれると接合不良となる。したがって、このような被接合物Ｗに対しては、衝撃による接合位置のずれを生じないようにする構成が必要がある。 On the other hand, in the workpiece W having a large load in the friction stir welding, the impact caused by the reaction force of the rotational force of the main shaft 7 shifts the projection 8a of the tool 8 from the joining position or the joining position of the two workpieces W. May be shifted. If the protrusion 8a of the tool 8 is displaced from the joining position, the frictional heat is dispersed and the workpiece W cannot be softened and plastic flow does not occur. Further, if the joining position of the two workpieces W is shifted, a joining failure occurs. Therefore, it is necessary for the workpiece W to have a configuration that prevents the displacement of the bonding position due to impact.

図３は、本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第２実施形態を示す断面図である。なお、同図において、第１実施形態と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。摩擦攪拌接合装置１'は、揺動アーム３の先端部に第１押さえ３２が設けられている点、および、主軸保持部２２の開放端に第２押さえ２２ａおよびバネ２２ｂが設けられている点で第１実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１と異なり、その他の構成は同一である。従って、以下では、異なる構成についてのみ説明し、共通の構成の説明は省略する。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the friction stir welding apparatus according to the present invention. In the figure, the same or similar elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The friction stir welding apparatus 1 ′ has a first presser 32 provided at the tip of the swing arm 3 and a second presser 22 a and a spring 22 b provided at the open end of the spindle holding part 22. Unlike the friction stir welding apparatus 1 according to the first embodiment, the other configurations are the same. Accordingly, only different configurations will be described below, and descriptions of common configurations will be omitted.

第１押さえ３２および第２押さえ２２ａは、被接合物Ｗを挟んで固定するものであり、接触を開始したときの反力により工具８の突起８ａが接合位置からずれないように、また、２枚の被接合物Ｗの接合位置がずれないようにするために設けられている。第１押さえ３２は、中央部に孔が穿設された円形状の金属部材であり、孔の中央に工具受け３１が位置するように、揺動アーム３の先端部に固着されている。第１押さえ３２の被接合物Ｗと対向する面（以下、「上面」という。）は、工具受け３１の被接合物Ｗと対向する面と略同一となるように設定されている。 The first presser 32 and the second presser 22a are fixed with the workpiece W sandwiched therebetween so that the protrusion 8a of the tool 8 is not displaced from the joining position by the reaction force when the contact is started. It is provided to prevent the joining position of the workpieces W to be shifted. The first presser 32 is a circular metal member having a hole formed in the center thereof, and is fixed to the tip of the swing arm 3 so that the tool receiver 31 is located in the center of the hole. The surface (hereinafter referred to as “upper surface”) of the first presser 32 facing the workpiece W is set to be substantially the same as the surface of the tool receiver 31 facing the workpiece W.

なお、第２実施形態では、第１押さえ３２を摩擦熱を放熱するための放熱部材として機能させるために、その材質を熱拡散率が大きく冷却しやすい銅としている。第１押さえ３２の材質はこれに限定されず、被接合物Ｗの発熱が小さい場合はエンジニアリングプラスチックなどの合成樹脂でもよい。また、第１押さえ３２の形状は、円形状に限定されるものではない。 In the second embodiment, in order to cause the first presser 32 to function as a heat radiating member for radiating frictional heat, the material is made of copper having a large thermal diffusivity and easy to cool. The material of the first presser 32 is not limited to this, and synthetic resin such as engineering plastic may be used when the heat generated by the workpiece W is small. Further, the shape of the first presser 32 is not limited to a circular shape.

第２押さえ２２ａは、円盤型のキャップ形状を成し、登頂部分（図３では下面の部分）には工具８の突起８ａを通すための円形の孔が穿設され、リング状となっている。第２押さえ２２ａの下面の形状は、第１押さえ３２の上面と略同一の形状になっている。第２押さえ２２ａは、中心軸が主軸７と略同一となるように、主軸保持部２２の開放端に、中心軸Ｎ１方向に移動自在に取り付けられている。また、第２押さえ２２ａの鍔部分にはバネ２２ｂが収納され、このバネ２２ｂの復元力により第２押さえ２２ａが下側に付勢されている。 The second presser 22a has a disk-shaped cap shape, and a circular hole for allowing the projection 8a of the tool 8 to pass therethrough is formed in the top portion (the lower surface portion in FIG. 3 ) and has a ring shape. . The shape of the lower surface of the second presser 22 a is substantially the same as the upper surface of the first presser 32. The second presser 22a is attached to the open end of the main shaft holding portion 22 so as to be movable in the direction of the central axis N1 so that the central axis is substantially the same as the main shaft 7. A spring 22b is housed in the flange portion of the second presser 22a, and the second presser 22a is urged downward by the restoring force of the spring 22b.

図４は、摩擦攪拌接合装置１'における第１押さえ３２および第２押さえ２２ａの作用を説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the first presser 32 and the second presser 22a in the friction stir welding apparatus 1 ′.

第２実施形態においては、主軸保持部２２と揺動アーム３の先端部との間に被接合部Ｗの接合位置が挟まれるように摩擦攪拌接合装置１'を移動させた後（図４（ａ）参照）、加圧装置９を動作させると、揺動アーム３の先端部が上昇し、揺動アーム３の第１押さえ３２と主軸保持部２２の第２押さえ２２ａとが被接合部Ｗの下面と上面にそれぞれ接触する状態（図４（ｂ）参照）となる。その状態で加圧装置９により揺動アーム３に所定の加圧力を加えると、揺動アーム３の第１押さえ３２が被接合部Ｗの下面に圧接される一方、被接合部Ｗの上面もバネ２２ｂの付勢力により第２押さえ２２ａが圧接される（図４（ｃ）参照）。これにより、被接合部Ｗの上下の接合点の周りが第１押さえ３２及び第２押さえ２２ａのドーナツ状の面で押圧され、この状態で摩擦攪拌接合が行われる。 In the second embodiment, after the friction stir welding apparatus 1 ′ is moved so that the joining position of the joined part W is sandwiched between the spindle holding part 22 and the tip part of the swing arm 3 (FIG. 4 ( When the pressurizing device 9 is operated, the tip of the swing arm 3 is lifted, and the first presser 32 of the swing arm 3 and the second presser 22a of the spindle holding part 22 are joined. It will be in the state which contacts the lower surface and upper surface of each (refer FIG.4 (b)). When a predetermined pressure is applied to the swing arm 3 by the pressurizing device 9 in this state, the first presser 32 of the swing arm 3 is pressed against the lower surface of the bonded portion W, while the upper surface of the bonded portion W is also The second presser 22a is pressed into contact with the urging force of the spring 22b (see FIG. 4C). Thereby, the circumference | surroundings of the upper and lower joining points of the to-be-joined part W are pressed by the doughnut-shaped surface of the 1st presser 32 and the 2nd presser 22a, and friction stir welding is performed in this state.

第２実施形態に係る摩擦攪拌接合装置１'では、被接合物Ｗの接合点の周りがドーナツ状の面によって所定の圧力で挟持されるので、摩擦攪拌接合中に工具８を回転させてもその先端の突起８ａの位置がずれ難く、安定して摩擦攪拌接合処理を行うことができる。 In the friction stir welding apparatus 1 ′ according to the second embodiment, the periphery of the joint point of the workpiece W is held by the doughnut-shaped surface with a predetermined pressure, so that the tool 8 can be rotated during the friction stir welding. The position of the protrusion 8a at the tip is not easily displaced, and the friction stir welding process can be performed stably.

本発明に係る摩擦攪拌接合装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る摩擦攪拌接合装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 The friction stir welding apparatus according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. The specific configuration of each part of the friction stir welding apparatus according to the present invention can be varied in design in various ways.

本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第１実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the friction stir welding apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る摩擦攪拌接合装置における工具の回転力の反力を低減する作用を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the effect | action which reduces the reaction force of the rotational force of the tool in the friction stir welding apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る摩擦攪拌接合装置の第２実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the friction stir welding apparatus which concerns on this invention. 第２実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の第１押さえおよび第２押さえの作用を説明するための図である。It is a diagram for explaining a first pressed eosin preliminary action of the second depressed example of the friction stir welding apparatus according to the second embodiment. 従来の摩擦攪拌接合装置の基本構成を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the basic composition of the conventional friction stir welding apparatus. 摩擦攪拌接合時に摩擦攪拌接合装置の各部に生じるトルクを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the torque which arises in each part of a friction stir welding apparatus at the time of friction stir welding.

Explanation of symbols

１，１' 摩擦攪拌接合装置
２胴体
２１アーム部
２２主軸保持部(工具保持部)
２２ａ第２押さえ(第２の押さえ手段)
２２ｂバネ
２３駆動力部
２４支持部
２４ａアーム支持ピン
２５吊り金具
３揺動アーム（アーム）
３１工具受け(受け手段)
３２第１押さえ(第１の押さえ手段)
４主軸回転モータ(電動モータ)
５シャフト（伝達手段の要素）
６笠歯車（伝達手段の要素、第１の笠歯車）
７主軸
７ａ笠歯車（伝達手段の要素、第２の笠歯車）
７ｂ穴
８工具
８ａ突起
９加圧装置(加圧手段)
９１加圧モータ
９２加圧ボールスクリュー
９２ａスクリュー
９２ｂナット
９３，９４笠歯車
１０制御装置(制御手段) 1, 1 'Friction stir welding apparatus 2 Body 21 Arm part 22 Spindle holding part (tool holding part)
22a Second presser (second presser)
22b Spring 23 Driving force part 24 Support part 24a Arm support pin 25 Suspension bracket 3 Oscillating arm (arm)
31 Tool holder (receiving means)
32 First presser (first presser)
4 Spindle rotation motor (electric motor)
5 Shaft (element of transmission means)
6 Bevel gear (element of transmission means, first bevel gear)
7 Main shaft 7a Bevel gear (element of transmission means, second bevel gear)
7b hole 8 tool 8a protrusion 9 pressurizing device (pressurizing means)
91 Pressurizing motor 92 Pressurizing ball screw 92a Screw 92b Nut 93, 94 Bevel gear 10 Control device (control means)

Claims

While rotating the tool to generate a frictional force by causing pressure to the junction of the objects to be bonded, a friction stir welding apparatus for performing the joining of the objects to be bonded by plastic flow of the surrounding the junction by the frictional heat ,
A body of oblong tool holding portion supporting the tool pivotably tip is bent in an L-shape is formed,
Is disposed to the rear end of the body, a driving force generating means for generating a driving force of the tool,
A transmission means disposed between a rear end portion and a front end portion of the body, and transmitting the driving force generated by the driving force generation means to the tool supported by the tool holding portion ;
An arm which is disposed on the lower side of the body substantially parallel to the laterally long direction of the body, and an intermediate position is swingably supported by the body;
A receiving means provided at a position of the one end of the arm facing the tool, and sandwiching the object to be joined with the tool;
Pressurizing means for generating a force for pressurizing the other end of the arm in a direction away from the body;
A control means for controlling the driving of the driving force generating means and the pressurizing means, which is disposed at the rear end of the body;
That it comprises a friction stir welding apparatus according to claim.

The driving force generating means is an electric motor,
The transmission means has one end fixed to the rotor of the electric motor, the other end fixed to the tool holding portion along the longitudinal axis of the body, and a first fixed to the other end of the shaft. 2. The friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein the friction stir welding device is configured by a bevel gear and a second bevel gear provided on the rotation shaft of the tool and meshed with the first bevel gear.

3. The friction stir welding apparatus according to claim 2, wherein a spindle capable of attaching and detaching the tool is rotatably provided in the tool holding portion, and the second bevel gear is formed on the spindle. .

The friction stir welding according to any one of claims 1 to 3, wherein the pressurizing means includes a ball screw provided at the other end of the arm and a pressurizing motor that generates a rotational torque of the ball screw. apparatus.

The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the pressurizing unit is disposed at a position below a position where the driving force generating unit is disposed at a rear end portion of the body.

First pressing means provided on a surface of the one end of the arm facing the tool holding portion;
A second pressing means attached to the tip of the tool holding portion so as to be movable up and down;
An urging means provided in the tool holding portion, for urging the second pressing means in the direction of the first pressing means;
The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 5 , further comprising: