JP6143915B1

JP6143915B1 - 摩擦攪拌接合装置

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Publication number: JP6143915B1
Application number: JP2016090487A
Authority: JP
Inventors: 富夫小田倉; 幸一石黒
Original assignee: Hitachi Power Solutions Co Ltd
Current assignee: Hitachi Power Solutions Co Ltd
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: US10421150B2; KR20180125559A; CN109070263B; CN109070263A; EP3450079A1; WO2017188272A1; EP3450079B1; JP2017196648A; US20190126385A1; EP3450079A4; KR102109654B1

Abstract

【課題】接合ツールの摩耗や破損を抑制しつつ、適切な摩擦攪拌接合を実現できる摩擦攪拌接合装置を実現する。【解決手段】被接合部材に当接しつつ回転し、被接合部材に塑性流動現象を生じさせる接合ツール（１）と、接合ツール（１）を把持し、接合ツール（１）とともに回転するツールホルダ（２）と、ツールホルダ（２）に形成され、接合ツール（１）に対して冷媒を供給する供給路（２０２，２０３，２０４，２５２）と、を設けた。【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦攪拌接合装置および接合ツールに関する。

摩擦攪拌接合装置（以下、ＦＳＷ（Friction Stir Welding）装置という）は、回転する接合ツールで被接合部材に摩擦熱を与え、被接合部材に塑性流動現象を発生させ、接合ツールにて被接合部材を攪拌し、被接合部材を接合する装置である。ここで、接合ツールを連続的に使用し過熱状態になると、接合ツールが摩耗または破損しやすくなる。この問題に関し、下記特許文献１の請求項１には、「…前記ツール温度が予め定められた管理温度範囲内に収まるように、前記ツール回転駆動装置によって駆動される前記接合ツールの回転速度および前記ツール移動駆動装置によって駆動される前記接合ツールの移動速度の少なくとも一方を制御する制御装置と、を備える…」と記載されている。

特許第５８８３９７８号公報

特許文献１の技術によって、接合ツールの回転速度または移動速度を制御すると、確かに接合ツールの温度をある程度は下げることは可能である。しかし、これによって被接合部材に付与する摩擦熱が不充分になると、接合箇所に種々の欠陥が現れやすくなる。一方、接合箇所に欠陥が現れない程度の回転速度または移動速度を維持すると、上述したように、接合ツールが過熱状態になり、接合ツールが摩耗または破損しやすくなる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、接合ツールの摩耗や破損を抑制しつつ、適切な摩擦攪拌接合を実現できる摩擦攪拌接合装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の摩擦攪拌接合装置は、被接合部材に当接しつつ回転し、前記被接合部材に塑性流動現象を生じさせる接合ツールと、前記接合ツールを把持し、前記接合ツールとともに回転するツールホルダと、前記ツールホルダに形成され、前記接合ツールに対して冷媒を供給する供給路と、前記ツールホルダに形成され、前記接合ツールから前記冷媒を回収する回収路と、前記回収路から回収された前記冷媒を冷却して前記供給路に戻す冷却部と、前記ツールホルダを回動自在に支持する支持部と、前記接合ツールに埋設された温度センサと、制御部と、を有し、前記ツールホルダと前記支持部との対向部には第１の環状流路と第２の環状流路とが形成されており、前記第１および第２の環状流路は、周回方向に沿って前記支持部の内周面を一周するように形成されるリング状の溝である支持部側凹部と、前記支持部側凹部に対向して前記ツールホルダに形成されるリング状の溝であるツールホルダ側凹部と、をそれぞれ有し、前記供給路は、往き冷媒が流通する前記第１の環状流路に連通し、前記回収路は、戻り冷媒が流通する前記第２の環状流路に連通し、前記冷却部は、前記冷媒を貯蔵する冷媒タンクと、前記冷媒を流通させるポンプと、前記冷媒タンク内の前記冷媒を冷却する冷却器と、を有し、前記第１の環状流路に前記冷媒を供給するとともに、前記第２の環状流路から前記冷媒を回収するものであり、前記制御部は、前記温度センサによって検出されたツール温度と、目標温度との偏差に基づいて、前記ポンプによる前記冷媒の吐出速度を制御するものである、ことを特徴とする。

本発明によれば、接合ツールの摩耗や破損を抑制しつつ適切な摩擦攪拌接合を実現できる。

本発明の一実施形態によるＦＳＷ装置の斜視図である。ＦＳＷ装置の要部の断面図である。図２のＩ−Ｉ断面図である。図２のII−II断面図である。接合ツールの強度特性図である。ＦＳＷ装置の制御系統のブロック図である。接合ツールの温度の推移例を示した図である。

［実施形態の全体構成］
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＦＳＷ装置１００（摩擦攪拌接合装置）の斜視図である。図１に示すように、ＦＳＷ装置１００は、装置本体部１０５と、制御部５０と、冷却部６０とを有している。また装置本体部１０５は、突起部１１を備えた接合ツール１と、接合ツール１を保持するツールホルダ２と、ツールホルダ２を回転可能に保持するハウジング３とを有している。ここで、ハウジング３は円筒状の容器であり、その内部には、主軸ＣＬを中心に略円柱状のツールホルダ２を回転させる主軸モータ６等が収納されている。また、主軸ＣＬは、略円柱状のツールホルダ２の中心軸を指す。

接合ツール１およびツールホルダ２を以上のようにして保持したハウジング３は、図示しないマシニングツールや多軸ロボットのアーム４の先端部に装着されている。すなわち、接合ツール１は、マシニングツールや多軸ロボットによるアーム４の駆動により、上下方向にも平面方向にも自在に移動可能なように構成されている。

接合ツール１の突起部１１は、主軸ＣＬを中心とするピン状の形状を有しており、しばしば接合ツールピン部とも呼ばれる。ここで、各種の金属である被接合部材１０１ａ，１０１ｂを接合する場合を想定する。この場合、ツールホルダ２に保持された接合ツール１は、回転しながら、その突起部１１を被接合部材１０１ａ，１０１ｂの境界である接合線１０２上に圧入させる。このとき、突起部１１は、接合ツール１本体の底面部の突起部１１を除いた部分（ツールショルダ部１２と呼ぶ）が被接合部材１０１ａ，１０１ｂの表面に接触する位置まで圧入される。

突起部１１が圧入されると、突起部１１およびツールショルダ部１２が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに接触しながら回転するときの摩擦熱により、被接合部材１０１ａ，１０１ｂには塑性流動現象が生じる。そして、この塑性流動現象が生じた被接合部材１０１ａ，１０１ｂの構成材料が接合ツール１によって攪拌され、混じり合う。さらに、制御部５０は、突起部１１が被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入された状態で接合線１０２に沿って接合ツール１を移動するよう制御する。その結果、被接合部材１０１ａ，１０１ｂは、その境界部が接合される。

冷却部６０は、接合ツール１を冷却する。すなわち、冷却部６０は、冷却した冷媒をハウジング３、ツールホルダ２を介して接合ツール１に供給するとともに、接合ツール１にて昇温した冷媒をツールホルダ２、ハウジング３を介して回収する。なお、冷媒は例えば「水」等の液体であってもよく、気体であってもよい。ここで、ハウジング３の内部には、回動自在にツールホルダ２を支持しつつ、冷媒を流通させる支持部３０が設けられている。また、制御部５０は、接合ツール１の回転速度移動速度、移動方向等を制御するとともに、冷却部６０に対して、冷媒の流速等を指令する。

［ツールホルダ周辺の詳細］
次に、図２は、装置本体部１０５の要部の断面図である。すなわち、図１において、接合ツール１、ツールホルダ２および支持部３０を主軸ＣＬに沿って切断すると、図２に示すようになる。なお、ツールホルダ２は、様々な方向に向くことができるが、ここでは図２における紙面上方を「上」と呼び、紙面下方を「下」と呼ぶ。
図２において支持部３０は、略円筒状に形成されており、その上下端の内面には、ベアリング３０２，３１２が装着されている。これにより、支持部３０は、ツールホルダ２を回動自在に支持する。

また、ツールホルダ２は、被支持部２０と、保持部２４とを有している。被支持部２０は、その上端部が主軸モータ６（図１参照）に結合され、その下面には略円柱状に窪んだ凹部２２４が形成されている。保持部２４は、その上部が凹部２２４に挿入される。また、被支持部２０の下部には、放射方向にネジ穴２２２が形成されている。このネジ穴２２２に図示せぬボルトを螺合し締め付けることにより、被支持部２０と保持部２４とが相互に固定される。

また、保持部２４の下面には、略円柱状に窪んだ凹部２６６が形成されている。接合ツール１は、その上端部が凹部２６６に挿入される。また、保持部２４の下部には、放射方向にネジ穴２６８が形成されている。このネジ穴２６８に図示せぬボルトを螺合し締め付けることにより、保持部２４と接合ツール１とが相互に固定される。支持部３０の外周には、冷媒を支持部３０に供給する往き配管４１と、冷媒を支持部３０から回収する戻り配管４２とが接続されている。支持部３０には、外周面と内周面とを挿通する貫通孔である往き流路３０４と戻り流路３１４とが形成されている。

また、流路３０４，３１４に連通するように、支持部３０の内周面には、断面略Ｕ字状の凹部３０６，３１６が形成されている。凹部３０６，３１６は、周回方向に沿って内周を一周するように形成されているため、凹部３０６，３１６は、リング状の溝になる。また、被支持部２０には、凹部３０６，３１６に対向する箇所に、断面略Ｕ字状の凹部２０６，２１６が形成されている。これにより、凹部２０６，３０６の間には、往き冷媒が流通する環状流路Ｌ１（第１の環状流路）が形成され、凹部２１６，３１６の間には、戻り冷媒が流通する環状流路Ｌ２（第２の環状流路）が形成される。環状流路Ｌ１の上下および環状流路Ｌ２の下方において、被支持部２０と支持部３０の間には、リング状のパッキン２１０が嵌められており、これによって環状流路Ｌ１，Ｌ２の水密状態が保たれる。被支持部２０には、主軸ＣＬを中心とする管路である供給路２０２が形成されている。

また、供給路２０２と環状流路Ｌ１とは、半径方向に沿って形成された２本の管路である供給路２０３，２０４によって連通している。また、環状流路Ｌ２には、Ｌ字状の経路を有する２本の回収路２１３，２１４が接続されている。また、保持部２４には、被支持部２０の供給路２０２、回収路２１３，２１４にそれぞれ連通する供給路２５２、回収路２５３，２５４が形成されている。接合ツール１の上部には、環状の回収路２６０が形成されている。回収路２５３，２５４は、この回収路２６０に連通している。

次に、図３は図２におけるＩ−Ｉ断面図であり、図４は図２におけるII−II断面図である。
図３に示すように、Ｉ−Ｉ断面では、供給路２５２および回収路２５３，２５４は、断面円形の流路である。また、図４に示すように、II−II断面では、回収路２５３，２５４は、回収路２６０に連通し、供給路２５２の周囲は円筒状突出部２６２になっている。

図２に戻り、接合ツール１は、柱体状に形成された本体部１０と、本体部１０の下端に形成された突起部１１と、を有している。また、接合ツール１には、温度センサ１１４が埋設されている。なお、図示の例では、温度センサ１１４はツールショルダ部１２より上方に埋設されているが、温度センサ１１４をツールショルダ部１２よりも下方、すなわち突起部１１の内部に埋設してもよい。
また、円筒状突出部２６２は、本体部１０の上端側に冷媒を噴出する。冷却媒体は、供給路２０３（２０４）から供給され、本体部１０の冷却に寄与した後、回収路２１３（２１４）を介して回収される。本体部１０の上端に凹部１１２を形成し、凹部１１２に向かって冷媒を噴出することで突起部１１の冷却効果を高めるとともに、冷却媒体を滞留させてもよい。その場合、この凹部１１２に円筒状突出部２６２を遊挿する形状としてもよい。なお、凹部１１２の深さは、目標とする冷却効果に基づき予め設定した深さとするが、有意な冷却効果を得るために５ｍｍ以上にすることが好ましく、１０ｍｍ以上にすることがより好ましい。

支持部３０の下面には、円環状の固定通信部３２０が装着されている。また、被支持部２０には、固定通信部３２０と同心を成すように、円環状の回転通信部２２０が装着されている。ツールホルダ２が回転すると、回転通信部２２０と固定通信部３２０とは相対的に回転するが、その回転状態において固定通信部３２０から回転通信部２２０に対して電力が供給されるとともに、固定通信部３２０と回転通信部２２０は、双方向に通信する。特に、回転通信部２２０から固定通信部３２０に対して、温度センサ１１４の測定結果であるツール温度Ｔが送信される。そして、該ツール温度Ｔは、固定通信部３２０から制御部５０（図１参照）に伝送される。

［接合ツールの強度特性］
図５は、接合ツール１の強度特性図である。
図５に示されるように、接合ツール１の強度は、接合ツール１の温度（ツール温度Ｔ）が高くなるほど弱くなる。ここで、温度上昇に対して強度が急峻に落ち始める温度を「目標上限温度Ｔ_S」と呼ぶ。なお、目標上限温度Ｔ_Sは、特に厳密な定義が定められているわけではない。接合ツール１の強度特性および目標上限温度Ｔ_Sは、接合ツール１の材質によって定まる。但し、強度特性のカーブの形状は、接合ツール１の材質に関わらず、概ね共通しており、図５に示したような形状になる。

例えば、接合ツール１の材質がＳＤＫ−６１鋼（ＪＩＳＧ４４０４）である場合、目標上限温度Ｔ_Sは、４００℃付近になる。接合ツール１は、目標上限温度Ｔ_Sを超えて使用すると、急激に摩耗または破損しやすくなるため、目標上限温度Ｔ_S以下で使用することが望ましい。しかし、接合ツール１を連続的に使用する場合は、接合ツール１に対する積極的な冷却を行わない限り、その温度を目標上限温度Ｔ_S以下に留めることは難しく、接合ツール１の寿命の低下を招いていたのが、従来の実情である。

［制御系統］
図６は、本実施形態によるＦＳＷ装置１００の制御系統のブロック図である。
図６において、冷却部６０は、冷媒タンク６２と、ポンプ６４と、冷却器６６とを有している。冷媒タンク６２は冷媒を貯蔵し、冷却器６６は、冷媒タンク６２内の冷媒を冷却し、所定温度範囲に保持する。ポンプ６４は、往き配管４１を介して、冷媒を装置本体部１０５に供給し、冷媒を流通させる。また、装置本体部１０５において昇温された冷媒は、戻り配管４２を介して冷媒タンク６２に回収される。なお、図示の例では、ポンプ６４を往き配管４１に設けたが、戻り配管４２に設けてもよく、双方の配管４１，４２に設けてもよい。

また、制御部５０は、温度設定部５２と、減算部５４と、ポンプ駆動指令出力部５６とを有している。温度設定部５２は、接合ツール１の目標温度Ｔ_Rを設定する。減算部５４は、目標温度Ｔ_Rとツール温度Ｔとの偏差（Ｔ_R−Ｔ）を出力する。ポンプ駆動指令出力部５６は、この偏差（Ｔ_R−Ｔ）に基づいて、ポンプ６４の吐出速度を制御する。すなわち、ポンプ駆動指令出力部５６は、ツール温度Ｔが目標温度Ｔ_R未満であるときはポンプ６４を停止させ、ツール温度Ｔが目標温度Ｔ_R以上である場合にポンプ６４を動作させる。そして、ポンプ６４を動作させる場合には、偏差（Ｔ_R−Ｔ）の絶対値が大きくなるほど（すなわちツール温度Ｔが高くなるほど）ポンプ６４の吐出速度が高くなるように、ポンプ６４をフィードバック制御する。

［温度の推移例］
図７は、本実施形態における接合ツール１のツール温度Ｔの推移例を示す図である。
図７において、突起部１１（図１参照）が被接合部材１０１ａ，１０１ｂの表面に接触し、圧入され、ツールショルダ部１２が同表面に接触する時刻をｔ₁とする。この時刻ｔ₁まで、温度センサ１１４（図２参照）によって計測されるツール温度Ｔは、ほとんど上昇していない。時刻ｔ₁以降、ツールショルダ部１２が回転しつつ被接合部材１０１ａ，１０１ｂ表面に接触し続けることにより、摩擦熱が生じ続け、ツール温度Ｔが上昇してゆく。

その後、時刻ｔ₂にてツール温度Ｔが所定の温度Ｔ₁に達している。これにより、制御部５０は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂに塑性流動現象が生じたと判断する。この状態を「接合開始状態」と呼ぶ。なお、図７の例では、温度Ｔ₁は、図６に示した目標温度Ｔ_Rに等しくしているが、両者を異なる温度にしてもよい。また、時刻ｔ₁〜ｔ₂までの時間は、塑性流動現象が生じるのを待つ時間であり、「ホールド時間」と呼ばれる。

接合開始状態になると、制御部５０は、接合ツール１の突起部１１を被接合部材１０１ａ，１０１ｂに圧入したままの状態で、接合線１０２に沿って接合ツール１の移動を開始する。その後、制御部５０は、接合ツール１が所定の接合終了点に達する時刻ｔ₃まで、接合ツール１の移動を続行する。時刻ｔ₂〜ｔ₃までの時間を「接合時間」と呼ぶ。時刻ｔ₃にて接合時間が終了すると、接合ツール１の突起部１１は、被接合部材１０１ａ，１０１ｂから引き抜かれ、接合ツール１の温度は急速に低下する。

時刻ｔ₂〜ｔ₃の接合時間において、ツール温度Ｔは、特性Ｑ₁に示すように、温度Ｔ₁〜Ｔ₂の範囲で変動する。これは、ポンプ６４による冷媒の吐出速度が制御部５０によってフィードバック制御されるため、ツール温度Ｔの変動が抑制されるためである。ここで、図７に示す温度Ｔ₂は、図５に示す目標上限温度Ｔ_Sに等しい値である。すなわち、本実施形態によれば、接合時間全体に渡って、ツール温度Ｔを目標上限温度Ｔ_S以下に抑えることができ、接合ツール１の摩耗や破損を抑制できる。

また、冷却部６０を全く動作させなかった場合のツール温度Ｔの特性を図示の特性Ｑ₂として示す。特性Ｑ₂においては、ツール温度Ｔは、温度Ｔ₂（＝目標上限温度Ｔ_S）よりも高い温度Ｔ₃にまで達しており、接合ツール１が摩耗および破損しやすくなる。

以上のように、本実施形態のＦＳＷ装置１００によれば、被接合部材１０１ａ，１０１ｂに当接しつつ回転し、被接合部材１０１ａ，１０１ｂに塑性流動現象を生じさせる接合ツール１と、接合ツール１を把持し、接合ツール１とともに回転するツールホルダ２と、ツールホルダ２に形成され、接合ツール１に対して冷媒を供給する供給路２０２，２０３，２０４，２５２と、を有するので、被接合部材１０１ａ，１０１ｂに充分な摩擦熱を与えつつ接合ツール１を冷却することができ、接合ツール１の摩耗や破損を抑制しつつ適切な摩擦攪拌接合を実現できる。

［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。

（１）上記実施形態においては、冷却部６０はツールホルダ２の外部に配置したが、冷却部６０をツールホルダ２の内部に配置してもよい。これにより、冷媒の流路はツールホルダ２の内部で完結するため、安価な構成で水密性を高めることができる。

（２）また、上記実施形態においては、冷媒は循環させて再利用したが、冷媒を循環させず、使い捨てにしてもよい。例えば、冷媒として「水」を採用し、接合ツール１を気化冷却し、その結果として生した水蒸気を装置本体部１０５の外部に排出してもよい。

１接合ツール
２ツールホルダ
１０本体部
１１突起部
３０支持部
５０制御部
６０冷却部
６２冷媒タンク
６４ポンプ
６６冷却器
１００ＦＳＷ装置（摩擦攪拌接合装置）
１０１ａ，１０１ｂ被接合部材
１０５装置本体部
１１２凹部
１１４温度センサ
２０２，２０３，２０４，２５２供給路
２１３，２１４，２５３，２５４回収路
Ｌ１環状流路（第１の環状流路）
Ｌ２環状流路（第２の環状流路）

Claims

被接合部材に当接しつつ回転し、前記被接合部材に塑性流動現象を生じさせる接合ツールと、
前記接合ツールを把持し、前記接合ツールとともに回転するツールホルダと、
前記ツールホルダに形成され、前記接合ツールに対して冷媒を供給する供給路と、
前記ツールホルダに形成され、前記接合ツールから前記冷媒を回収する回収路と、
前記回収路から回収された前記冷媒を冷却して前記供給路に戻す冷却部と、
前記ツールホルダを回動自在に支持する支持部と、
前記接合ツールに埋設された温度センサと、
制御部と、を有し、
前記ツールホルダと前記支持部との対向部には第１の環状流路と第２の環状流路とが形成されており、
前記第１および第２の環状流路は、周回方向に沿って前記支持部の内周面を一周するように形成されるリング状の溝である支持部側凹部と、前記支持部側凹部に対向して前記ツールホルダに形成されるリング状の溝であるツールホルダ側凹部と、をそれぞれ有し、
前記供給路は、往き冷媒が流通する前記第１の環状流路に連通し、
前記回収路は、戻り冷媒が流通する前記第２の環状流路に連通し、
前記冷却部は、前記冷媒を貯蔵する冷媒タンクと、前記冷媒を流通させるポンプと、前記冷媒タンク内の前記冷媒を冷却する冷却器と、を有し、前記第１の環状流路に前記冷媒を供給するとともに、前記第２の環状流路から前記冷媒を回収するものであり、
前記制御部は、前記温度センサによって検出されたツール温度と、目標温度との偏差に基づいて、前記ポンプによる前記冷媒の吐出速度を制御するものである、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
前記制御部は、前記ツール温度が所定の目標温度以上であることを条件として、前記ポンプを駆動する
ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
前記制御部は、前記ツール温度が高くなるほど前記ポンプによる前記冷媒の吐出速度が高くなるように、前記ポンプを制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
前記接合ツールは、
柱体状に形成された本体部と、
前記本体部の一端に形成された突起部と、
前記本体部の他端に形成され、先端部分の断面形状が略三角形である凹部と
を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。