JP6222877B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合装置の改良に関する。

図１０に示されるように、アルミニウム合金製の２枚のワーク１０１、１０２を合わせ、この合わせ部に、高速で回転するピン１０３及びショルダー１０４を当てる。発生する摩擦熱と回転による撹拌とに基づいて、摩擦撹拌接合が行われる。ピン１０３及びショルダー１０４は鋼製である。

ＡｌとＦｅは親和性が強い。高温、高圧下でＡｌにＦｅを接触させると、両者は反応し、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の金属間化合物を生成する。金属間化合物がピン１０３やショルダー１０４に凝着する。この凝着を抑制する対策として、特許文献１に示される摩擦撹拌接合装置が提案された。

特許文献１による摩擦撹拌接合装置は、図１１に示されるように、ピン１０３とショルダー１０４とに、アルミニウムの凝着を抑制するダイヤモンドライクカーボン１０５を形成するというものである。ダイヤモンドライクカーボン１０５で、アルミニウムと鋼の接触を断つことで、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の金属間化合物の生成を抑制することができる。

しかし、摩擦撹拌接合では高温、高圧下でダイヤモンドライクカーボン１０５がアルミニウム製ワークに接触するため、ダイヤモンドライクカーボン１０５は比較的短期間でピン１０３やショルダー１０４から剥離する。このようにダイヤモンドライクカーボン１０５で被覆した技術では、工具寿命は短い。工具の交換頻度を下げるには、工具寿命を延ばすことが求められる。
そして、特許文献１の技術では、門型コラムに加工ヘッドを水平移動自在に設け、加工ヘッドに回転ツールを設けたため、摩擦撹拌接合装置は大型になる。

特開２００５−１５２９０９

本発明は、軽量で且つコンパクトな摩擦撹拌接合装置を提供することを課題とする。

本発明は、ワークの上に配置される上側回転ショルダーと、前記ワークの下に配置される下側回転ショルダーと、前記下側回転ショルダーを一体的に備えると共に前記上側回転ショルダー内部を貫通する回転主軸と、この回転主軸を回転自在に支える基板と、前記回転主軸に回転力を与える第１のアクチュエータと、前記上側回転ショルダーを軸方向に移動する第２のアクチュエータと、この第２のアクチュエータに加わる軸荷重を検出する荷重検知手段と、この荷重検知手段から得られる荷重情報に基づいて、前記上側回転ショルダーがワークに加える荷重を制御する荷重制御部と、前記下側回転ショルダーの位置を検出する位置センサと、この位置センサからの位置情報に基づいて、前記下側回転ショルダーの位置を制御するコントローラと、前記第１のアクチュエータの回転軸に取付けられている第１駆動プーリと、一対の軸受で挟まる位置にて回転主軸に設けられている第１従動プーリと、前記第１従動プーリと前記第１駆動プーリに掛け渡す第１ベルトと、前記回転主軸に平行になるようにして前記基板に敷設されるレールに移動自在に取付けられるスライダと、前記スライダに取付けられているボールナットと、前記ボールナットに螺合し前記基板に支持片で回転自在に支持されているボールねじと、前記第２のアクチュエータの回転軸に取付けられている第２駆動プーリと、一方の支持片の近傍にて前記ボールねじに設けられている第２従動プーリと、前記第２従動プーリと前記第２駆動プーリに掛け渡す第２ベルトと、を備えている摩擦撹拌接合装置であって、前記第１のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータは、共に前記基板に、移動不能に取付けられ、前記第１のアクチュエータの回転軸と、前記第２のアクチュエータの回転軸と、回前記転主軸とは、互いに平行になるように配列され、前記基板は、前記コントローラにより制御されるロボットにより、上下に移動し、前記第１のアクチュエータの軸と、前記第２のアクチュエータの軸と、前記回転主軸とが、並列に配置されつつ前記ロボットに支持されている摩擦撹拌接合装置を提供する。

本発明では、下側回転ショルダーは荷重制御のためのアクチュエータを有していない。結果、本発明では２つのアクチュエータで済ませることができる。

よって、本発明によれば、上側回転ショルダーと下側回転ショルダーを備えるものにおいて、軽量で且つコンパクトな摩擦撹拌接合装置が提供される。

本発明では、ロボットは位置制御能力に優れているため、このロボットを利用して直接回転主軸の位置制御を行う。また、別の観点から、本発明の摩擦撹拌接合装置が小型、軽量であるため、ロボットに容易に取付けることができると言える。

本発明では、回転主軸に、第１のアクチュエータの軸と、第２のアクチュエータの軸とが並列に配置されている。軸と軸の間の距離を縮めることで、容易に摩擦撹拌接合装置の小型化を図ることができる。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置の正面図である。 図１の２部拡大図である。 図２の３部拡大図である。 上側回転ショルダー及び下側回転ショルダーの作用図である。 実施例と比較例とを比較する図である。 摩擦撹拌接合装置の変更例を説明する図である。 複数の種類の被膜における比較検討図である。 ６０００系アルミニウム合金を接合することで得たリチウム含有量と摩擦係数の相関図である。 ５０００系アルミニウム合金を接合することで得たリチウム含有量と摩擦係数の相関図である。 摩擦撹拌接合の原理を説明する図である。 従来のピン及びショルダーの要部断面を拡大した図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示されるように、摩擦撹拌接合装置１０は、下へ延びる基板１１と、この基板１１に一対の軸受１２、１３で回転自在に支持され下へ延びる回転主軸１４と、この回転主軸１４の下部に一体形成されているピン２０と、このピン２０の下端に一体形成されている下側回転ショルダー１５と、基板１１に取付けられている第１のアクチュエータ１６と、この第１のアクチュエータ１６の回転軸１７に取付けられている第１駆動プーリ１８と、一対の軸受１２、１３で挟まる位置にて回転主軸１４に設けられている第１従動プーリ１９と、この第１従動プーリ１９と第１駆動プーリ１８に掛け渡す第１ベルト２１と、回転主軸１４に平行になるようにして基板１１に敷設されるレール２２、２２と、これらのレール２２、２２に移動自在に取付けられるスライダ２３と、このスライダ２３に取付けられているボールナット２４と、このボールナット２４に螺合し基板１１に支持片２５、２５で回転自在に支持されているボールねじ２６と、基板１１に取付けられている第２のアクチュエータ２７と、この第２のアクチュエータ２７の回転軸２８に取付けられている第２駆動プーリ２９と、一方の支持片２５の近傍にてボールねじ２６に設けられている第２従動プーリ３１と、この第２従動プーリ３１と第２駆動プーリ２９に掛け渡す第２ベルト３２と、スライダ２３にベアリング３３、３３を介して回転自在に支持され回転主軸１４を囲み且つ回転主軸１４とスプライン３４を介して連結されている回転筒３５と、この回転筒３５の下端に一体形成されている上側回転ショルダー３６とを備えている。

第１のアクチュエータ１６は、回転制御部３８で制御される。
第２のアクチュエータ２７の回転軸２８に荷重検知手段３９が付設されている。この荷重検知手段３９は、例えば、機械的歪み量を電気信号に置き換える歪ゲージである。または、荷重検知手段３９は第２のアクチュエータ２７がサーボモータである場合、電流を検知し、電流を荷重に変換するものであってもよい。
第２のアクチュエータ２７は、荷重検知手段３９の情報に基づいて、上側回転ショルダー３６の下向き荷重を制御する荷重制御部４１で制御される。

本実施例では、第１のアクチュエータ１６の回転軸１７と、第２のアクチュエータ２７の回転軸２８と、回転主軸１４とは、互いに平行になるように配列されている。回転主軸１４と回転軸１７、２８の軸間距離は任意に設定できる。ベルト２１、３２の長さ調整で対応できる。
軸間距離を極力小さくすることで、摩擦撹拌接合装置１０のコンパクト化、特に水平方向の幅を小さくすることができる。

このような摩擦撹拌接合装置１０は、小型で軽量であるため、ロボット４２の先端に容易に取付けることができる。ロボット４２は、先端の座標をモニターする位置センサ４３及びこの位置センサ４３の情報をフィードバックしつつロボット４２を制御するコントローラ４４を常備している。

ロボット４２により、基板１１が任意の位置へ運ばれる。回転主軸１４が軸受１２、１３を介して基板１１に取付けられているため、回転主軸１４下端の下側回転ショルダー１５の位置（特に高さ位置）は、コントローラ４４で制御される。

一方、回転筒３５は、回転主軸１４にスプライン３４で繋がっており、回転主軸１４に沿って移動可能である。そこで、第２のアクチュエータ２７でボールねじ２６を回すと、スライダ２３がレール２２、２２に沿って上昇又は下降する。すると、スライダ２３と共に回転筒３５及び上側回転ショルダー３６が移動する。よって、上側回転ショルダー３６は、第２のアクチュエータ２７を駆動源として下側回転ショルダー１５とは独立して任意の位置へ移動され且つ荷重制御部４１により、荷重制御がなされる。

第１のアクチュエータ１６で回転主軸１４が回されるとスプライン３４を介して回転筒３５が回される。よって、上側回転ショルダー３６と下側回転ショルダー１５は同期して回転する。

すなわち、摩擦撹拌接合装置１０にて、下側回転ショルダー１５は回転主軸１４と一体形成され、回転主軸１４は上側回転ショルダー３６の内部を貫通している。そして、摩擦撹拌接合装置１０は、回転主軸１４に回転力を与える第１のアクチュエータ１６と、上側回転ショルダー３６を軸変位（軸方向に移動）させる第２のアクチュエータ２７と、下側回転ショルダー１５の位置を制御するコントローラ４４を備え、第２のアクチュエータ２７は、その荷重検知手段３９から得られる荷重に基づいて荷重制御を行うと共に、コントローラ４４は、下側回転ショルダー１５の位置を検出する位置センサ４３からの情報を基に、下側回転ショルダー１５の位置を制御する。

なお、位置センサ４３はコントローラ４４に内蔵しても良い。また、駆動プーリ１８、２９や従動プーリ１９、３１はギヤであっても良い。さらには、回転主軸１４は、カップリングを介して第１のアクチュエータ１６で直接回されるようにしても良い。同様に、ボールねじ２６は、カップリングを介して第２のアクチュエータ２７で直接回されるようにしても良い。したがって、図１に示す摩擦撹拌接合装置１０の構成を適宜変更することは差し支えない。

本発明では、ピン２０に表面処理を施した。表面処理について詳しく説明する。
図２に示されるように、ピン２０は、上側回転ショルダー３６の中心に設けてある孔３７に収納される。ピン２０に対して上側回転ショルダー３６が上下に移動するため、孔３７の内周面とピン２０の外周面との間に、ｄなる隙間が設けられている。この隙間ｄは、１０〜３０μｍである。

図２の３部拡大図である図３に示されるように、ピン２０の表面に、リチウムを含有する軟窒化層５０が形成されている。この軟窒化層５０は、鉄リチウム酸化物層５１と、窒化拡散層５２とからなる。窒化拡散層５２は、ピン２０の表面の原子と原子間に、鉄リチウム酸化物層５１側の原子が浸透してなる。すなわち、互いに原子が噛み合う形態で結合している。よって、軟窒化層５０がピン２０から剥離し難くい。

鉄リチウム酸化物層５１は、リチウムイオンをカチオン成分とする窒化塩浴にピン２０を浸積処理することで得られる。好ましくは、窒化塩浴処理後に、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム及び硝酸リチウムから選ばれる少なくも１種、又は、これらのアルカリ硝酸塩と亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム及び亜硝酸リチウムから選ばれた少なくとも１種を含有する塩浴で処理する置換洗浄塩浴処理と、水冷、油冷又は空冷による冷却処理と、湯で洗浄する洗浄処理を施す。この洗浄で残留ソルト成分を十分にピン２０から除去することができる。

図１で説明したように、摩擦撹拌接合装置１０において、下側回転ショルダー１５には、上側回転ショルダー３６に形成される孔３７を貫通して、下側回転ショルダー１５と共に回転するピン２０が一体に取付けられており、図３で説明したように、ピン２０の表面には、リチウムを含有する鉄リチウム酸化物層５１が形成されている。

以上の構成からなる摩擦撹拌接合装置１０の作用を次に説明する。
図４（ａ）に示されるように、アルミニウム合金板であるワーク４６、４７同士を突き当てる。この例では突き当てたが、ワーク４６、４７同士を重ね合わせてもよい。重ね合わせであれば、３枚以上のワーク同士を重ね合わせて接合することができる。
図４（ｂ）に示されるように、接合部４８の一端に上側回転ショルダー３６及び下側回転ショルダー１５を接近させる。

図４（ｂ）のＣ−Ｃ矢視図である図４（ｃ）に示されるように、ワーク４６の下面に下側回転ショルダー１５を当てて、その高さに保持する。次に、上側回転ショルダー３６を下げて、所定の荷重でワーク４６上面を押し付ける。
図４（ｄ）に示されるように、所定の回転速度で上側回転ショルダー３６及び下側回転ショルダー１５を回転させる。すると、摩擦熱が発生し流動化現象が起こる。この状態で、矢印のように移動させる。
結果、図４（ｅ）に示されるように、ビード４９でワーク４６、４７同士が接合された。

図５（ａ）に示す実施例では、下側回転ショルダー１５が位置制御され、上側回転ショルダー３６が荷重制御される。

一方、図５（ｂ）に示す比較例では、下側回転ショルダー１０６と上側回転ショルダー１０７が、共に荷重制御される。摩擦熱により、ワーク１０８が軟らかくなる。荷重が過大であると下側回転ショルダー１０６又は上側回転ショルダー１０７が過度にワーク１０８に食い込む。対策として、軟化に応じて荷重Ｆｇ１、Ｆｇ２を小さくする。

そこで、上側回転ショルダー１０７の下向き荷重Ｆｇ１を軽減することを検討する。
下側回転ショルダー１０６での上向き荷重Ｆｇ２を一定にする。この状態で、上側回転ショルダー１０７の下向き荷重Ｆｇ１を軽減する。すると、ワーク１０８が浮き上がる虞がある。浮き上がりを防止するには、下側回転ショルダー１０６での上向き荷重Ｆｇ２を軽減する。

すなわち、下側回転ショルダー１０６と上側回転ショルダー１０７が、共に荷重制御されると、一方が他方に影響し、いわゆるハンチング（荷重信号が上下に変動すること。）が起こり、荷重が必要以上に増減を繰り返し、荷重が安定しない。
また、ワーク１０８が温度上昇に伴って膨張する。放置すると荷重が過大となる。このときにもハンチングが起こる。

この点、図５（ａ）であれば、下側回転ショルダー１５が位置制御され、上側回転ショルダー３６が荷重制御されるため、上記不具合は起こらない。結果、ワーク４６の軟化や膨張に対して、安定した接合作業が維持できる。

図３で説明したように、ピン２０の表面に鉄リチウム酸化物層５１を形成した。鉄リチウム酸化物はアルミニウムに対する親和性がＦｅより格段に弱い。よって、金属合化合物ができる心配がない。
図２にて、上側回転ショルダー３６とピン２０との間の隙間ｄにアルミニウム合金が侵入し、金属間化合物を形成することを心配する必要はない。よって、ピン２０に対し、上側回転ショルダー３６を軸方向に円滑に移動させることができる。

さらに、図５（ｂ）の比較例では、ピン１０９に対して、上側回転ショルダー１０７が頻繁に上下に移動する。孔１１１に対してピン１０９が軸直角方向に振れることは多いにあり得る。すると、ピン１０９に孔１１１の内周面が接触する。上側回転ショルダー１０７が頻繁に上下に移動するため、軟窒化層５０であっても剥離が起こる。

この点、図５（ａ）の実施例では、ピン２０に対する上側回転ショルダー３６の上下移動が格段に軽減される。結果、軟窒化層５０の剥離までの時間を大幅に延ばすことができる。

次に、変更例を説明する。
図６に示される摩擦撹拌接合装置１０では、ピン２０から下側回転ショルダー（図１、符号１５）を除去した。その他は、図１に示される摩擦撹拌接合装置１０と同一であるため、図１の符号を流用して詳細な説明は省略する。
すなわち、本発明は、ピン２０に下側回転ショルダー（図１、符号１５）を備えている摩擦撹拌接合装置１０及びピン２０に下側回転ショルダー（図１、符号１５）を備えていない摩擦撹拌接合装置１０の両方に適用される。

次に、上述した軟窒化層５０の優位性を、更に詳しく説明する。
図７（ａ）に示されるように、ピン２０に、図７（ｄ）に基づいて説明するような、色々な皮膜５３を施す。

次に、図７（ｂ）に示されるように、所定の回転速度で上側回転ショルダー３６、ピン２０及び下側回転ショルダー１５を回転させる。すると、摩擦熱が発生し流動化現象が起こる。この状態で、矢印のように移動させる。

移動距離Ｌが６００ｍｍに達したら移動を止める。そして、図７（ｃ）に示されるように、上側回転ショルダー３６を引き上げる。この引き上げに要する力Ｆを計測する。凝着現象が顕著な程、力Ｆは大きくなる。

図７（ｄ）に示されるように、ピン２０に、Ｃ−Ｄｉａ（ダイヤモンドライクカーボン）を被覆した供試材と、Ｃ−Ｓｉ（炭化珪素）を被覆した供試材と、Ｎｓｏｌｔ（リチウムを含まない塩浴軟窒化層）を被せた供試材と、Ｎｓｏｌｔ−Ｌｉ（リチウムを含む塩浴軟窒化層）を被せた供試材とについて、力Ｆを測定した。測定の結果、４種の中で、Ｎｓｏｌｔ−Ｌｉ（リチウムを含む塩浴軟窒化層）が、最も力Ｆが小さく、好成績であった。

次に、Ｎｓｏｌｔ−Ｌｉ（リチウムを含む塩浴軟窒化層）に対象を絞って、それの表面、すなわち、リチウム含有層５１におけるリチウム含有量について評価する。
この評価には、リチウム含有量が０である供試材と、リチウム含有量が０．０６ｗｔ％である供試材と、リチウム含有量が０．７ｗｔ％である供試材を準備した。なお、鉄リチウム酸化物層の最表面に関しては、ＧＤ−ＯＥＳ分析にて表示元素Ｌｉ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖで計測している。最表面から１μｍ範囲内の基材成分に対する重量％を算出している。

次に、実施例、比較例として作成した供試材の摺動特性を、ファレックス（Ｆａｒｅｘ）型摩擦摩耗試験機にて評価した。具体的には、試験条件として供試材の面粗さは統一し、回転速度を６００ｒｐｍで回転させ、Ｖブロックを２０ｋｇ一定で両側から無潤滑中で押し付け、その際の摩擦係数μとトルクを測定した。

先ず、一対のブロックを、６０００系アルミニウム合金製とした。６０００系アルミニウム合金に、３つの供試材（ピン２０）を各々摺接することで図８（ａ）、（ｂ）に示される摩擦係数μとトルクを得た。

図８（ａ）に示されるように、リチウム含有量が０の場合に、摩擦係数μが小さくなった。リチウム含有量が０．０６ｗｔ％の場合の場合に、摩擦係数μは十分に大きくなった。リチウム含有量が０．７ｗｔ％の場合に、摩擦係数μは小さくなった。
摩擦撹拌接合では、摩擦熱を発生するために、摩擦係数μは、０．７以上であることが求められる。
リチウム含有量が、０．３５ｗｔ％以下の範囲、好ましくは、０．０６〜０．３５ｗｔ％の範囲Ｗ１であれば、摩擦係数μは０．７以上となる。

図８（ｂ）に示されるように、０．０６〜０．３５ｗｔ％の範囲Ｗ１であれば、トルクは、ほぼ一定であり、摩擦撹拌接合を円滑に進めることができる。

次に、一対のブロックを、ＪＩＳで規定される５０００系アルミニウム合金製とした。５０００系アルミニウム合金に、３つの供試材（ピン２０）を各々摺接することで図９（ａ）、（ｂ）に示される摩擦係数μとトルクを得た。

図９（ａ）に示されるように、リチウム含有量が０の場合に、摩擦係数μが小さく、リチウム含有量が０．０６ｗｔ％の場合の場合に、摩擦係数μは十分に大きく、リチウム含有量が０．７ｗｔ％の場合に、摩擦係数μは小さくなった。
リチウム含有量が、０．３５ｗｔ％以下の範囲、好ましくは、０．０６〜０．３５ｗｔ％の範囲Ｗ２であれば、摩擦係数μは０．７以上となる。

図９（ｂ）に示されるように、０．０６〜０．３５ｗｔ％の範囲Ｗ２であれば、トルクはほぼ一定であり、摩擦撹拌接合を円滑に進めることができる。

図８及び図９から、２枚のアルミニウム合金板を接合するピン２０に被覆する鉄リチウム酸化物層は、その表面におけるリチウム含有量が、０．３５ｗｔ％以下の範囲、好ましくは、０．０６〜０．３５ｗｔ％の範囲にあることが、望まれる。この範囲であれば、円滑な摩擦撹拌接合が実施できる。

本発明は、２枚以上のアルミニウム板を摩擦撹拌接合法で接合する摩擦撹拌接合装置に好適である。

１０…摩擦撹拌接合装置、２０…ピン、３６…上側回転ショルダー、３７…孔、４６、４７…ワーク、
５１…鉄リチウム酸化物層。

Claims (1)

1. ワークの上に配置される上側回転ショルダーと、
   前記ワークの下に配置される下側回転ショルダーと、
   前記下側回転ショルダーを一体的に備えると共に前記上側回転ショルダー内部を貫通する回転主軸と、
   この回転主軸を回転自在に支える基板と、
   前記回転主軸に回転力を与える第１のアクチュエータと、
   前記上側回転ショルダーを軸方向に移動する第２のアクチュエータと、
   この第２のアクチュエータに加わる軸荷重を検出する荷重検知手段と、
   この荷重検知手段から得られる荷重情報に基づいて、前記上側回転ショルダーがワークに加える荷重を制御する荷重制御部と、
   前記下側回転ショルダーの位置を検出する位置センサと、
   この位置センサからの位置情報に基づいて、前記下側回転ショルダーの位置を制御するコントローラと、
   前記第１のアクチュエータの回転軸に取付けられている第１駆動プーリと、
   一対の軸受で挟まる位置にて回転主軸に設けられている第１従動プーリと、
   前記第１従動プーリと前記第１駆動プーリに掛け渡す第１ベルトと、
   前記回転主軸に平行になるようにして前記基板に敷設されるレールに移動自在に取付けられるスライダと、
   前記スライダに取付けられているボールナットと、
   前記ボールナットに螺合し前記基板に支持片で回転自在に支持されているボールねじと、
   前記第２のアクチュエータの回転軸に取付けられている第２駆動プーリと、
   一方の支持片の近傍にて前記ボールねじに設けられている第２従動プーリと、
   前記第２従動プーリと前記第２駆動プーリに掛け渡す第２ベルトと、を備えている摩擦撹拌接合装置であって、
   前記第１のアクチュエータと、前記第２のアクチュエータは、共に前記基板に、移動不能に取付けられ、
   前記第１のアクチュエータの回転軸と、前記第２のアクチュエータの回転軸と、回前記転主軸とは、互いに平行になるように配列され、
   前記基板は、前記コントローラにより制御されるロボットにより、上下に移動し、
   前記第１のアクチュエータの軸と、前記第２のアクチュエータの軸と、前記回転主軸とが、並列に配置されつつ前記ロボットに支持されている摩擦撹拌接合装置。

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