JP5183140B2 - 摩擦攪拌接合システム及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦攪拌接合システム及び摩擦攪拌接合方法に関する。

金属材の接合方法として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）が知られている。摩擦攪拌接合では、接合しようとする金属材を接合部において対向させる。そして、回転ツールの先端に設けられたプローブを接合部に押し込んで高速回転させることによって生じる摩擦熱を利用し、塑性流動によって２つの金属を接合する。

このような摩擦攪拌接合において、接合中の回転ツールには、相当の荷重が加えられる。そのため、送り速度などの条件が不整合であった場合や、接合を繰り返し行った場合などに、回転ツールが大きく変形（破損）してしまうことが生じ得る。このような問題に対し、例えば特許文献１に記載の摩擦攪拌接合方法では、回転主軸にかかるトルクをモニタリングすることにより、工具の破損を検出している。そして、工具の破損を検出した場合に、工具を金属材から退避さるようになっている。
特開２００４−２９８９００号公報

しかしながら、回転ツールが完全に破損してしまってから回転ツールを金属材から退避させたとしても、回転ツールの破損箇所において接合部の接合状態が劣化してしまうおそれがある。また、回転ツールが完全に破損してから回転ツールを停止させるまでの時間が長くなればなる程、システムの各部品に二次的な破損が生ずる可能性が高くなる。そのため、摩擦攪拌接合システムにおいては、回転ツールの破損の予兆を精度良く検出することができる技術が要求されていた。

本発明は、上記課題解決のためになされたものであり、回転ツールの破損の予兆を精度良く検出することができる摩擦攪拌接合システム及び摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。

本願発明者らは、上記課題解決のため、鋭意研究を行う過程で、摩擦攪拌接合で使用する回転ツールの材料の特性に着目した。その結果、回転ツールの材料として多用される金属のような延性材料では、完全な破損が生じる直前に一定の予備的な変形が生じるという特徴があることを見出した。そこで、本願発明者らは、このような回転ツールの予備的な変形に関連して変化する物理量に一定の処理を加えれば、回転ツールの破損前の予兆を精度良く検出することができるとの知見を得て本発明に想到するに至った。

本発明に係る摩擦攪拌接合システムは、延性材料からなる回転ツールを金属材の端面同士の突き合せ部分に押し込み、回転ツールを回転させることにより金属材同士を接合する摩擦攪拌接合システムであって、回転ツールの変形状態に関する物理量の変化を検出する物理量検出手段と、物理量検出手段から出力される出力信号の波形パターンと、物理量検出手段から回転ツールの変形が見られない場合に出力される出力信号の波形パターンの標準偏差に基づいて予め設定された標本線とを比較し、波形パターンが所定時間内に標本線と交差した回数に基づいて、回転ツールにおける破損の予兆の有無を判断する予兆判断手段と、予兆判断手段によって回転ツールに破損の予兆があると判断された場合に、回転ツールを回転させたまま金属材から離間させ、その後に回転ツールの回転を停止させる制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、摩擦攪拌接合方法は、延性材料からなる回転ツールを金属材の端面同士の突き合せ部分に押し込み、回転ツールを回転させることにより金属材同士を接合する摩擦攪拌接合方法であって、物理量検出手段が、回転ツールの変形状態に関する物理量の変化を検出するステップと、予兆判断手段が、物理量検出手段から出力される出力信号の波形パターンと、物理量検出手段から回転ツールの変形が見られない場合に出力される出力信号の波形パターンの標準偏差に基づいて予め設定された標本線とを比較し、波形パターンが所定時間内に標本線と交差した回数に基づいて、回転ツールにおける破損の予兆の有無を判断するステップと、制御手段が、予兆判断手段によって回転ツールに破損の予兆があると判断された場合に、回転ツールを回転させたまま金属材から離間させ、その後に回転ツールの回転を停止させるステップとを備えたことを特徴とする。

この摩擦攪拌接合システム及び摩擦攪拌接合方法では、回転ツールの破損の予兆を検出するために、回転ツールの変形状態に関する物理量の変化を物理量検出手段によって検出する。回転ツールに異常が生じた場合、物理量検出手段からの出力信号の波形パターンは、回転ツールの破損前の予備的な変形に対応して、まず複数周期にわたって正常状態よりも振幅が増加する挙動を示し、その後、回転ツールの破損と同期して、瞬間的に振幅が更に増加する。したがって、物理量検出手段からの出力信号の波形パターンを予め設定した標本線と比較し、波形パターンが所定時間内に標本線と交差した回数をカウントすることで、回転ツールの破損前の予備的な変形に対応して複数周期にわたって現れる波形パターンの挙動を誤りなく検出することができる。また、この摩擦攪拌接合システム及び摩擦攪拌接合方法では、回転ツールに破損の予兆があると判断された場合に、回転ツールを回転させたまま金属材から離間させ、その後に回転ツールを停止させる。これにより、破損の予兆が認められた回転ツールと金属材との溶着を防止できる。回転ツールが完全に破損する前に回転ツールを停止させることで、システムの二次的な破損の発生も回避できる。

また、所定時間は、回転ツールが少なくとも複数回にわたって回転する時間であることが好ましい。物理量検出手段からの出力信号の波形パターンの周期は、回転ツールの回転周期と対応する。したがって、回転ツールが少なくとも複数回にわたって回転する時間を所定時間として設定することで、回転ツールの破損前の変形に対応して複数周期にわたって現れる波形パターンの挙動を一層確実に検出することができる。

また、複数の回転ツールがセットされたツールステーションと、制御手段によって回転ツールの回転が停止した後に、回転ツールをツールステーションに移送する移送手段とを更に備えたことが好ましい。この場合、破損の予兆が認められた回転ツールが、速やかに別の回転ツールと交換されるので、摩擦攪拌接合が再開されるまでの時間が短縮され、作業効率を維持できる。

本発明に係る摩擦攪拌接合システム及び摩擦攪拌接合方法によれば、回転ツールの破損の予兆を精度良く検出することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦攪拌接合システムの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる摩擦攪拌接合システムを用いた摩擦攪拌接合を説明する斜視図である。図１に示す例では、例えば鉄道車両の外板１０ａ，１０ｂ同士を接合する。外板１０ａ，１０ｂは、例えばステンレス鋼によって形成された厚さ数ｍｍ程度の平板材である。摩擦攪拌接合システム１は、外板１０ａ，１０ｂを接合するための構成要素として、図１に示すように、載置部２と、回転ツール３と、ツールホルダ４とを有している。回転ツール３は、金属といった延性材料から形成され、略円柱状をなしている。回転ツール３の先端には、回転ツール３の直径よりも小径の略円柱状のプローブ５が同軸に設けられている。ツールホルダ４は、金属といった延性材料から形成され、略円柱形をなしている。ツールホルダ４の内部には、回転ツール３の直径とほぼ同等の略円柱形の内部空間Ｓが長軸方向に沿って形成されている（図３参照）。内部空間Ｓの下端部には、回転ツール３の上部が差し込まれており、これにより、回転ツール３は、ツールホルダ４の下端部４ａに把持されている。

摩擦攪拌接合システム１を用いた摩擦攪拌接合では、載置部２に載置した外板１０ａ，１０ｂの端面同士を突き合わせ、回転ツール３を例えば６００ｒｐｍの回転速度で回転させながら、外板１０ａ，１０ｂの突き合わせ部分Ｌの一端に押し込む。そして、回転ツール３を、例えば６００ｍｍ／ｍｉｎの移動速度で突き合わせ部分Ｌに沿って移動させる。このとき、回転する回転ツール３と外板１０ａ，１０ｂとの間で発生する摩擦熱よる塑性流動によって接合部Ｗが形成され、突き合わせ部分Ｌに沿って外板１０ａ，１０ｂの端面同士が接合される。回転ツール３が、外板１０ａ，１０ｂの突き合わせ部分Ｌの他端まで到達すると、回転ツール３を外板１０ａ，１０ｂから引き上げ、回転ツール３を外板１０ａ，１０ｂから離間させて、処理が終了する。

このような摩擦攪拌接合では、接合する外板１０ａ，１０ｂの厚さに対して、回転ツール３の移動速度の条件が不整合であった場合や、接合を繰り返し行った場合などに、回転ツール３に過剰な負荷が蓄積してしまい、延性材料からなる回転ツール３に大きな歪み（破損）が生じることがある。このような回転ツール３の破損が生じると、回転ツール３の破損箇所において接合部Ｗの接合状態が劣化してしまうおそれがある。また、回転ツール３が完全に破損してから回転ツール３を停止させるまでの時間が長くなればなる程、システムの各部品に二次的な破損が生ずる可能性が高くなる。

そこで、摩擦攪拌接合システム１では、回転ツール３の破損の予兆を検出するための機能的な構成要素として、図２に示すように、加速度検出センサ（物理量検出手段）２０１と、出力信号取得部２０２と、標本線格納部２０３と、予兆判断部（予兆判断手段）２０４と、制御部（制御手段）２０５と、移送部（移送手段）２０６とを有している。

加速度検出センサ２０１は、回転ツール３の変形状態に関する物理量として、回転ツール３の加速度を検出するセンサである。図３は、加速度検出センサ２０１の配置構成の一例を示す図である。同図に示すように、加速度検出センサ２０１は、ツールホルダ４の内部空間Ｓ内に配置され、ツールホルダ４の下端部４ａに把持された回転ツール３の上端面３ａに接する位置で、ツールホルダ４の内壁に接着固定されている。

加速度検出センサ２０１のケーブル８は、ツールホルダ４の内部空間Ｓの上方に延び、ケーブル８の先端９は、内部空間Ｓの上端部においてツールホルダ４の内壁に固定されている。ケーブル８の先端９とツールホルダ４の内壁との固定には、例えば圧着端子が用いられる。このような構成により、加速度検出センサ２０１は、回転ツール３に加わる上下方向の加速度を検出し、検出した加速度に応じた測定用の出力信号をスリップリング６の電極７ａ，７ｂを介して出力信号取得部２０２に出力する。

出力信号取得部２０２は、加速度検出センサ２０１で検出された加速度に応じた測定用の出力信号を取得する部分である。出力信号取得部２０２は、取得した測定用の出力信号を波形パターン化し、予兆判断部２０４に出力する。

標本線格納部２０３は、回転ツール３における破損の予兆の有無を判断する際に閾値として用いる標本線を格納する部分である。標本線は、接合中において回転ツール３に変形等の異常が生じなかった場合に加速度検出センサ２０１から出力された基準用の出力信号を用いて予め算出される。図４は、基準用の出力信号の波形パターンの一例を示す図である。図４に示す例では、基準用の出力信号の波形パターンＲは、回転ツール３の回転周期と対応する周期で、摩擦攪拌接合の開始から終了に至るまで一様な振幅となっている。標本線格納部２０３は、基準用の出力信号の波形パターンＲを標準偏差σに基づいて正規化し、図５に示すように、標準偏差σの例えば３倍（±３σ）を標本線Ｈ１，Ｈ２として格納している。

予兆判断部２０４は、回転ツール３における破損の予兆の有無を判断する部分である。ここで、図６は、接合中に回転ツール３の破損が生じた場合の測定用の出力信号の波形パターンを示す図である。図６に示す例では、測定用の出力信号の波形パターンＭに、回転ツール３に異常が生じる前の正常部分Ｍ１と、回転ツール３の破損の予兆を示す予兆部分Ｍ２と、回転ツール３の完全な破損を示す破損部分Ｍ３とが現れている。

正常部分Ｍ１では、基準用の波形パターンＲと同様に回転ツール３の回転周期と対応する周期で、一様な振幅となっている。予兆部分Ｍ２では、複数周期にわたり、振幅が正常部分Ｍ１に比べてほぼ倍増する挙動を示している。破損部分Ｍ３では、瞬間的に、振幅が予兆部分Ｍ２に比べて倍増する挙動を示している。

予兆判断部２０４は、回転ツール３が複数回にわたって回転する間に波形パターンＭが標本線Ｈ１，Ｈ２と交差した回数に基づいて、回転ツール３における破損の予兆の有無を判断する。例えば、予兆判断部２０４は、図７に示すように、波形パターンＭに予兆部分Ｍ２が現れ、波形パターンＭと標本線Ｈ１，Ｈ２とが例えば１０回交差したときに、回転ツール３に破損の予兆があると判断する。一方、予兆判断部２０４は、波形パターンＭに予兆部分Ｍ２が現れず、波形パターンＭと標本線Ｈ１，Ｈ２との交差回数が１０回を超えないうちは、回転ツール３に破損の予兆があると判断しない。予兆判断部２０４は、破損の予兆があると判断するまでは特段の処理をせず、回転ツール３に破損の予兆があると判断した場合に、その旨を示す判断結果情報を制御部２０５に出力する。

制御部２０５は、予兆判断部２０４から受け取った判断結果情報に基づいて、回転ツール３を制御する部分である。制御部２０５は、判断結果情報を受け取ると、最初に回転ツール３を外板１０ａ，１０ｂから離間させ、その後に回転ツール３の回転を停止させる。制御部２０５は、回転ツール３の回転を停止させると、動作指示情報を移送部２０６に出力する。

移送部２０６は、回転ツール３をツールステーション３０に移送する部分である。ツールステーション３０には、例えば先端にプローブ１５を備えた未使用の回転ツール１２が複数セットされている（図１０参照）。移送部２０６は、制御部２０５から動作指示情報を受け取ると、回転ツール３を接合中の外板１０ａ，１０ｂからツールステーション３０に移送する。ツールステーション３０では、破損の予兆が認められた回転ツール３がツールホルダ４から取り外され、新しい回転ツール１２がツールホルダ４に装着される。ツールステーション３０において回転ツール３の交換が行われた後、移送部２０６は、回転ツール３を外板１０ａ，１０ｂ上に復帰させる。

続いて、上述した構成を有する摩擦攪拌接合システム１の動作について、図８を参照しながら説明する。図８は、摩擦攪拌接合システム１の動作を示すフローチャートである。

まず、回転ツール３を回転させながら外板１０ａ，１０ｂの一端に押し込み、摩擦攪拌接合が開始される（ステップＳ０１）。接合を行っている間、加速度検出センサ２０１による回転ツール３の加速度の検出が行われる（ステップＳ０２）。出力信号取得部２０２は、加速度検出センサ２０１から出力される測定用の出力信号を取得し、この出力信号を時間軸に対して波形パターン化する（ステップＳ０３）。

次に、予兆判断部２０４は、出力信号取得部２０２から受け取った測定用の波形パターンＭと、標本線格納部２０３に格納されている標本線Ｈ１，Ｈ２とを比較し、回転ツール３の破損の予兆の有無を判断する（ステップＳ０４）。予兆判断部２０４は、波形パターンＭに予兆部分Ｍ２が現れ、波形パターンＭと標本線Ｈ１，Ｈ２とが例えば１０回交差したときに、回転ツール３に破損の予兆があると判断する。一方、予兆判断部２０４は、波形パターンＭに予兆部分Ｍ２が現れず、波形パターンＭと標本線Ｈ１，Ｈ２との交差回数が１０回を超えないうちは、回転ツール３に破損の予兆があると判断しない。

ステップＳ０４において、回転ツール３に破損の予兆があると判断されると、制御部２０５は、まず、図９（ａ）に示すように、回転ツール３を回転させたまま接合中の外板１０ａ，１０ｂから離間させ、その後に回転ツール３の回転を停止させる（ステップＳ０５）。

回転ツール３の回転の停止後、移送部２０６によるツールステーション３０への移送が行われる（ステップＳ０６）。そして、図９（ｂ）に示すように、回転ツール３がツールステーション３０のツール破棄部２０に破棄される。

ツール破棄部２０に回転ツール３が破棄されると、ツールステーション３０が時計回りに回転し、新しい回転ツール１２がツールホルダ４の真下に配置される。ツールホルダ４が下降し、新しい回転ツール１２がツールホルダ４に装着されると、移送部２０６は、図１０（ａ）に示すように、外板１０ａ，１０ｂの上方に回転ツール１２を移送し、回転ツール１２を摩擦攪拌接合の中断位置Ｗａに復帰させる。この後、図１０（ｂ）に示すように、回転ツール１２を回転させながら、外板１０ａ，１０ｂにおける中断位置Ｗａに押し込み、摩擦攪拌接合が再開される（ステップＳ０８）。

一方、ステップＳ０４において、回転ツール３に破損の予兆があると判断されなかった場合、及びステップＳ０８において、接合が再開された場合には、摩擦攪拌接合が継続され、摩擦攪拌接合が終了したか否かが判断される（ステップＳ０９）。摩擦攪拌接合の継続中は、上述したステップＳ０２〜ステップＳ０９の一連の処理が繰り返される。回転ツール３が外板１０ａ，１０ｂの他端に到達し、摩擦攪拌接合が終了すると、摩擦攪拌接合システム１は、回転ツール３を外板１０ａ，１０ｂから離間させ、回転ツール３の回転を停止させた後、処理を終了する。

以上説明したように、摩擦攪拌接合システム１では、加速度検出センサ２０１によって検出された測定用の出力信号の波形パターンＭが所定時間内に標本線Ｈ１，Ｈ２と交差した回数をカウントし、その回数が一定以上になった場合に、回転ツール３の破損の予兆を検出している。また、測定用の出力信号の波形パターンＭの周期が回転ツール３の回転周期と同期していることに着目し、交差回数をカウントする所定時間を、回転ツール３が複数回にわたって回転する時間に設定している。これにより、複数周期にわたって現れる予兆部分Ｍ２を明確に捉えることができ、回転ツール３の破損の予兆を精度良く判断することができる。

また、摩擦攪拌接合システム１では、回転ツール３の破損の予兆を検出したときに、回転ツール３を回転させたまま外板１０ａ，１０ｂから離間させるので、回転ツール３と外板１０ａ，１０ｂとの溶着を防止できる。また、回転ツール３が完全に破損してしまう前にかかる処理を実行することで、変形によって歪んだ回転ツール３が、外板１０ａ，１０ｂに押し込まれた状態で回転することを防ぎ、回転ツール３の破損の予兆が認められた位置での接合部Ｗの接合状態の劣化を防止できる。さらには、ツールホルダ４等への過剰な負荷によるシステムの二次的な破損の発生も回避できる。

また、回転ツール３の破損の予兆が検出されると、移送部２０６によって回転ツール３がツールステーション３０に移送される。これにより、破損の予兆が認められた回転ツール３が、速やかに未使用の回転ツール１２と交換されるので、摩擦攪拌接合が再開されるまでの時間が短縮され、作業効率を維持できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、上述した実施形態では、加速度検出センサ２０１による回転ツール３の加速度を検出し、その出力信号の波形パターンを解析しているが、加速度検出センサ２０１に加えて、荷重検出センサを配置し、その出力信号の波形パターンを解析してもよい。

本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合システムを用いた摩擦攪拌接合を説明する斜視図である。 図１に示した摩擦攪拌接合システムの機能的な構成要素を示す図である。 加速度検出センサの配置構成の一例を示す図である。 基準用の出力信号の波形パターンを示す図である。 図４に示した基準用の出力信号の波形パターンから算出した標本線を示す図である。 回転ツールに破損が生じた場合の測定用の出力信号の波形パターンを示す図である。 回転ツールの破損の予兆の判断を示す図である。 図１及び図２に示した摩擦攪拌接合システムの動作を示すフローチャートである。 回転ツールに破損の予兆が認められた場合の摩擦攪拌接合システムの動作を示す図である。 図９の後続の動作を示す図である。

符号の説明

１…摩擦攪拌接合システム、３…回転ツール、２０１…加速度検出センサ（物理量検出手段）、２０４…予兆判断部（予兆判断手段）、２０５…制御部（制御手段）、２０６…移送部（移送手段）、３０…ツールステーション、Ｌ…突き合わせ部分、Ｈ１，Ｈ２…標本線、Ｍ，Ｒ…波形パターン。

Claims (4)

1. 延性材料からなる回転ツールを金属材の端面同士の突き合せ部分に押し込み、前記回転ツールを回転させることにより前記金属材同士を接合する摩擦攪拌接合システムであって、
   前記回転ツールの変形状態に関する物理量の変化を検出する物理量検出手段と、
   前記物理量検出手段から出力される出力信号の波形パターンと、前記物理量検出手段から前記回転ツールの変形が見られない場合に出力される出力信号の波形パターンの標準偏差に基づいて予め設定された標本線とを比較し、前記物理量検出手段から出力される出力信号の前記波形パターンが所定時間内に前記標本線と交差した回数に基づいて、前記回転ツールにおける破損の予兆の有無を判断する予兆判断手段と、
   前記予兆判断手段によって前記回転ツールに破損の予兆があると判断された場合に、前記回転ツールを回転させたまま前記金属材から離間させ、その後に前記回転ツールの回転を停止させる制御手段とを備え、
   前記所定時間は、前記回転ツールが少なくとも複数回にわたって回転する時間であることを特徴とする摩擦攪拌接合システム。
2. 複数の回転ツールがセットされたツールステーションと、
   前記制御手段によって前記回転ツールの回転が停止した後に、前記回転ツールを前記ツールステーションに移送する移送手段とを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の摩擦攪拌接合システム。
3. 延性材料からなる回転ツールを金属材の端面同士の突き合せ部分に押し込み、前記回転ツールを回転させることにより前記金属材同士を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   物理量検出手段が、前記回転ツールの変形状態に関する物理量の変化を検出するステップと、
   予兆判断手段が、前記物理量検出手段から出力される出力信号の波形パターンと、前記物理量検出手段から前記回転ツールの変形が見られない場合に出力される出力信号の波形パターンの標準偏差に基づいて予め設定された標本線とを比較し、前記物理量検出手段から出力される出力信号の前記波形パターンが所定時間内に前記標本線と交差した回数に基づいて、前記回転ツールにおける破損の予兆の有無を判断するステップと、
   制御手段が、前記予兆判断手段によって前記回転ツールに破損の予兆があると判断された場合に、前記回転ツールを回転させたまま前記金属材から離間させ、その後に前記回転ツールの回転を停止させるステップとを備え、
   前記所定時間は、前記回転ツールが少なくとも複数回にわたって回転する時間であることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
4. 移送手段が、前記制御手段によって前記回転ツールの回転が停止した後に、複数の回転ツールがセットされたツールステーションに前記回転ツールを移送するステップを更に備えたことを特徴とする請求項３記載の摩擦攪拌接合方法。

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