JP6412627B1 - Friction stir welding apparatus, friction stir welding method, friction stir welding apparatus with database, friction stir welding method using database, control apparatus for friction stir welding apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】
被接合部材の状態や接合条件に応じて摩擦撹拌接合時のAS(アドバンシングサイド)とRS(リトリーティングサイド)の温度差を制御し、高品質(高精度)な接合が可能な摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供する。
【解決手段】
ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の温度を計測する第1の温度センサと、前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の温度を計測する第2の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。
【選択図】 図1【Task】
Friction stir welding that enables high-quality (high precision) joining by controlling the temperature difference between AS (advancing side) and RS (retreating side) during friction stir welding according to the state of joining members and joining conditions An apparatus and a friction stir welding method are provided.
[Solution]
A joining tool configured by a shoulder part and a probe part, inserted into a member to be joined and rotated, an apparatus main body for holding the joining tool, a control device for controlling the operation of the joining tool, and an AS of the member to be joined A friction stir welding apparatus comprising: a first temperature sensor that measures the temperature of (advancing side); and a second temperature sensor that measures the temperature of the RS (retreating side) of the member to be joined, Based on the bonding temperature measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor, at least one of a rotation speed and a traveling speed of the bonding tool is controlled.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合装置と摩擦撹拌接合方法に係り、特に、高品質(高精度)な接合が要求される被接合部材の接合に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a friction stir welding apparatus and a friction stir welding method for joining members to be joined by friction stir welding, and in particular, applied to joining of members to be joined that require high quality (high accuracy) joining. It relates to effective technology.
円柱状の接合ツールを回転させて発生する摩擦熱で被接合材料を軟化させ、その部分を撹拌することで被接合材料同士を接合する摩擦撹拌接合(FSW:Friction Stir Welding)は、材料以外の素材を用いないため、疲労強度が高く、材料も溶融しないことから溶接変形(ひずみ)の少ない接合が可能であり、航空機や自動車のボディなど、幅広い分野での応用が期待されている。 Friction Stir Welding (FSW) that softens the material to be welded by friction heat generated by rotating a cylindrical joining tool and stirs the part to join the materials to be joined. Since no material is used, fatigue strength is high, and since the material does not melt, joining with less welding deformation (strain) is possible, and applications in a wide range of fields such as aircraft and automobile bodies are expected.
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には「接合ツールの突起部が被接合部材に圧入されたとき被接合部材表面からの深さがそれぞれ異なる突起部の内部位置に複数の温度センサが設けられた摩擦撹拌接合装置」が開示されている。(特許文献1の図4参照)
As a background art in this technical field, for example, there is a technique such as
FSW装置を用いて被接合部材を摩擦攪拌接合する際には、一般的に、被接合部材に関して最適な接合条件(接合ツールの回転速度や接合速度)を、接合動作を開始する前にFSW装置に設定する。これまでのFSW装置では、設定された接合条件を接合開始から接合終了までの間において保持し、接合する制御を行ってきた。 When the members to be joined are friction stir welded using the FSW device, generally, the optimum joining conditions (rotation speed and joining speed of the joining tool) for the members to be joined are determined before the joining operation is started. Set to. In the conventional FSW devices, the set joining conditions are maintained from the start of joining to the end of joining, and the joining is controlled.
しかしながら、接合条件を初期設定して接合終了まで当該接合条件を保持する従来の接合では、接合線の左右の領域、すなわちアドバンシングサイド(以下、AS:advancing sideとも呼ぶ)とリトリーティングサイド(以下、RS:retreating sideとも呼ぶ)の温度差により、被接合部材の材料や形状・厚み等の条件によっては、高品質な接合結果を得られない場合があることが分かってきた。 However, in the conventional bonding in which the bonding conditions are initially set and the bonding conditions are maintained until the bonding is completed, the left and right regions of the bonding line, that is, an advanced side (hereinafter also referred to as an AS) and a retrieving side (hereinafter referred to as an “advancing side”). , RS: also called retreating side), it has been found that high-quality joining results may not be obtained depending on conditions such as material, shape, and thickness of the members to be joined.
本願の発明者らは、さらに高品質の摩擦攪拌接合を行うために、上記の温度管理方法をさらに改善することを検討した。その結果、高品質な接合を得るためには、温度計測は、接合ツール内部やショルダ内部に温度計測器を配設して接合温度を計測するのではなく、非接触温度計測器を用いて外部から接合温度を計測する必要があり、更に1点での温度計測ではなく2点での温度計測を行い、その2点間の温度差を所定の範囲内に保持(制御)するのが有効であることが分かった。 The inventors of the present application have studied to further improve the above temperature management method in order to perform higher-quality friction stir welding. As a result, in order to obtain high-quality bonding, temperature measurement is not performed by using a non-contact temperature measurement device, rather than measuring the bonding temperature by placing a temperature measurement device inside the welding tool or inside the shoulder. Therefore, it is effective to measure the temperature at two points instead of the temperature at one point and maintain (control) the temperature difference between the two points within a predetermined range. I found out.
上記特許文献1では、接合ツール内部やショルダ内部に温度計測器を配設して、接合部近傍の温度を被接合部材内部から取得し、その温度を管理しているが、接合温度を精度よく計測できない、または、第二の温度制御ができないなどの問題が生じる。
In the above-mentioned
本願の発明者らは、温度計測器をショルダ内部でショルダ外周部近傍に配設すると、外気の影響を受け、温度が精度よく計測できないことを実験で確認済みである。 The inventors of the present application have confirmed through experiments that if a temperature measuring device is disposed in the shoulder and in the vicinity of the outer periphery of the shoulder, the temperature is not accurately measured due to the influence of outside air.
また、接合ツール内部、ショルダ内部に温度計測器を配設すると、温度計測器が、接合ツールおよびショルダ部が回転するのと同時に回転してしまい、ASおよびRSの温度の違いを検出できない。(接合ツール(およびショルダ部)が回転するときは、ASの接合温度がRSの接合温度より高くなる。)
さらに、これら2つの接合温度差は、所定の範囲内に保持することで、高接合品質を維持可能となるが、温度計測器そのものが回転してしまっては、ASとRSの温度の違いを検出できず、高接合品質を維持できない。
Further, if a temperature measuring device is disposed inside the welding tool and the shoulder, the temperature measuring device rotates simultaneously with the rotation of the welding tool and the shoulder portion, and the temperature difference between AS and RS cannot be detected. (When the joining tool (and the shoulder part) rotates, the AS joining temperature becomes higher than the RS joining temperature.)
Furthermore, by maintaining the difference in temperature between these two junctions within a predetermined range, it is possible to maintain high junction quality. However, if the temperature measuring instrument itself rotates, the difference in temperature between AS and RS will be reduced. It cannot be detected, and high bonding quality cannot be maintained.
そこで、本発明の目的は、被接合部材の状態や接合条件に応じて摩擦撹拌接合時のAS(アドバンシングサイド)とRS(リトリーティングサイド)の温度差を制御し、高品質(高精度)な接合が可能な摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to control the temperature difference between AS (advancing side) and RS (retreating side) at the time of friction stir welding according to the state and joining conditions of the members to be joined, and to achieve high quality (high accuracy). An object of the present invention is to provide a friction stir welding apparatus and a friction stir welding method capable of performing smooth joining.
上記課題を解決するために、本発明は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の温度を計測する第1の温度センサと、前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の温度を計測する第2の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサは、前記接合ツールが進行する際の接合線に対して左右対称となる位置の前記ショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように前記装置本体に配設され、かつ、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際に前記被接合部材表面に生じるバリを回避して接合温度を計測するように配設され、前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention includes a joining tool that includes a shoulder portion and a probe portion, and is inserted into a member to be joined and rotates, an apparatus main body that holds the joining tool, and an operation of the joining tool. A control device for controlling, a first temperature sensor for measuring an AS (advancing side) temperature of the bonded member, and a second temperature sensor for measuring the temperature of an RS (retreating side) of the bonded member And the first temperature sensor and the second temperature sensor are arranged on the outer periphery of the shoulder portion at positions symmetrical with respect to a joining line when the joining tool advances. disposed in the apparatus body so as to measure the junction temperature in the vicinity, and a total of the junction temperature by avoiding the burrs produced on the workpieces surface when friction stir welding the workpieces It is arranged to, based on the first temperature sensor and the junction temperature measured by the second temperature sensor, and controlling at least one of the rotational speed and the moving speed of the welding tool .
また、本発明は、被接合部材同士を摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法であって、(a)被接合部材の状態に基づき摩擦撹拌接合時の目標温度を決定するステップと、(b)基準温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の接合温度を計測するステップと、(c)比較温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の接合温度を計測するステップと、(d)前記目標温度と前記基準温度との偏差を第1の所定の範囲内に保持するように、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、(e)前記基準温度と前記比較温度との偏差を第2の所定の範囲内に保持するように、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、を有することを特徴とする。 Further, the present invention is a friction stir welding method for joining members to be joined by friction stir welding, wherein (a) determining a target temperature during friction stir welding based on the state of the members to be joined; ) Measuring the AS (advanced side) joining temperature of the member to be joined at the time of friction stir welding, which is a reference temperature; and (c) RS of the member to be joined at the time of friction stirring joining, which is a comparative temperature. (Retreating side) measuring the bonding temperature, and (d) the rotation speed and the traveling speed of the bonding tool so as to keep the deviation between the target temperature and the reference temperature within a first predetermined range. Controlling at least one of: (e) the rotational speed and the traveling speed of the welding tool so as to maintain a deviation between the reference temperature and the comparative temperature within a second predetermined range; Even without and having the steps of: controlling either.
また、本発明は、接合条件を決定するデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置であって、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の温度を計測する第1の温度センサと、前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の温度を計測する第2の温度センサと、前記被接合部材の状態、AS(アドバンシングサイド)の接合温度、RS(リトリーティングサイド)の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースと、を備え、前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。 In addition, the present invention is a friction stir welding apparatus having a database for determining a joining condition, which includes a shoulder part and a probe part, and is inserted into a member to be joined and rotates, and the joining tool is held. An apparatus main body, a control device for controlling the operation of the joining tool, a first temperature sensor for measuring an AS (advancing side) temperature of the joined member, and an RS (retreating side) of the joined member ) Is measured in advance based on the state of the second member to be joined, the joining member state, the AS (advancing side) joining temperature, the RS (retreating side) joining temperature, and the joining tool joining condition. A junction temperature measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor, and the database. While, and controlling at least one of the rotational speed and the moving speed of the welding tool.
また、本発明は、接合条件を決定するデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法であって、(a)被接合部材の状態、AS(アドバンシングサイド)の接合温度、RS(リトリーティングサイド)の接合温度、接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを読み込むステップと、(b)前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の接合温度を計測するステップと、(c)前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の接合温度を計測するステップと、(d)前記(b)工程において計測したAS(アドバンシングサイド)の接合温度および前記(c)工程において計測したRS(リトリーティングサイド)の接合温度と、前記データベースとを照合することにより、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。 Further, the present invention is a friction stir welding method using a database for determining a joining condition, wherein (a) a state of a member to be joined, an AS (advancing side) joining temperature, and an RS (retreating side) joining temperature. A step of reading a database set in advance based on the joining conditions of the joining tool, (b) a step of measuring an AS (advancing side) joining temperature of the joined member, and (c) an RS of the joined member (Retreating side) junction temperature measuring step, (d) AS (advancing side) junction temperature measured in step (b) and RS (retreating side) measured in step (c) By collating the welding temperature with the database, the rotational speed and traveling speed of the welding tool can be reduced. And controlling either.
また、本発明は、接合条件を決定するデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置の制御装置であって、前記制御装置は、集中管理システムを介して、摩擦撹拌接合装置に接続され、前記摩擦撹拌接合装置は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、前記接合ツールを保持する装置本体と、前記接合ツールの動作を制御する駆動制御部と、前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の温度を計測する第1の温度センサと、前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の温度を計測する第2の温度センサと、を備え、前記制御装置は、前記被接合部材の状態、AS(アドバンシングサイド)の接合温度、RS(リトリーティングサイド)の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを備え、前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする。 Further, the present invention is a control device for a friction stir welding apparatus including a database for determining a welding condition, the control device being connected to the friction stir welding apparatus via a centralized management system, and the friction stir welding The apparatus comprises a shoulder part and a probe part, and is inserted into a member to be joined and rotates, a device main body for holding the joining tool, a drive control unit for controlling the operation of the joining tool, and the article to be joined. A first temperature sensor that measures an AS (advancing side) temperature of the joining member; and a second temperature sensor that measures an RS (retreating side) temperature of the joined member, and the control device Is based on the condition of the member to be joined, the AS (advancing side) joining temperature, the RS (retreating side) joining temperature, and the joining conditions of the joining tool. A database that is set, and at least one of the rotational speed and the traveling speed of the welding tool is compared with the bonding temperature measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor and the database. It is characterized by controlling.
本発明によれば、被接合部材の状態や接合条件に応じて摩擦撹拌接合時のAS(アドバンシングサイド)とRS(リトリーティングサイド)の温度差を制御し、高品質(高精度)な接合が可能な摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法を実現することができる。 According to the present invention, the temperature difference between the AS (advancing side) and the RS (retreating side) at the time of friction stir welding is controlled according to the state of the members to be joined and the joining conditions, and high quality (high accuracy) joining is achieved. The friction stir welding apparatus and the friction stir welding method can be realized.
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the overlapping portions is omitted.
図1から図4および図10を参照して、実施例1の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法について説明する。図1は本実施例の摩擦撹拌接合装置1の全体概要を示している。図2は図1におけるA−A’方向矢視図であり、本実施例の温度計測機構を示している。図3は本実施例による摩擦撹拌接合時の温度制御(作用)を概念的に示すグラフである。図4は本実施例による代表的な摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。また、図10は上述した本発明の課題を説明するための従来の摩擦撹拌接合の様子を示す図である。
The friction stir welding apparatus and the friction stir welding method of Example 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 4 and FIG. FIG. 1 shows an overall outline of a friction
先ず、図10を参照して、上述した従来の摩擦撹拌接合の問題点について詳しく説明する。図10は従来の摩擦撹拌接合装置による摩擦撹拌接合の様子を模式的に示す図であり、摩擦撹拌接合装置と被接合部材を上面側から見た状態を示している。 First, with reference to FIG. 10, the problems of the above-described conventional friction stir welding will be described in detail. FIG. 10 is a diagram schematically showing a state of friction stir welding by a conventional friction stir welding apparatus, and shows a state where the friction stir welding apparatus and the member to be joined are viewed from the upper surface side.
摩擦撹拌接合装置は、図10に示すように、ホルダ部保持部4を介して装置本体2に保持された接合ヘッド(ホルダ部)5の先端の接合ピン(プローブ部)8が被接合部材9a,9bの接合界面(接合線)に挿入されて高速回転することで摩擦熱が発生し、その摩擦熱で被接合材料を軟化させて、その部分を撹拌することで被接合部材同士(9a,9b)を接合する。
As shown in FIG. 10, in the friction stir welding apparatus, a joining pin (probe part) 8 at the tip of a joining head (holder part) 5 held by the apparatus
接合ピン(プローブ部)8は、接合線(接合界面)に沿ってX方向(図10の白抜きの矢印方向)に進行しながら被接合部材同士(9a,9b)を接合する。また、接合ピン(プローブ部)8は接合ヘッド(ホルダ部)5と共に時計回り(図10の曲線の矢印方向)に高速回転する。 The joining pin (probe portion) 8 joins the members to be joined (9a, 9b) while proceeding in the X direction (the direction of the white arrow in FIG. 10) along the joining line (joining interface). Further, the joining pin (probe part) 8 rotates at high speed clockwise (in the direction of the arrow in the curve in FIG. 10) together with the joining head (holder part) 5.
このため、接合線(接合界面)よりも左側の接合ヘッド(ホルダ部)5近傍では、接合ヘッド(ホルダ部)5の進行方向と回転方向が一致し、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は増加(上昇)する。一方、接合線(接合界面)よりも右側の接合ヘッド(ホルダ部)5近傍では、接合ヘッド(ホルダ部)5の進行方向と回転方向は互いに反対向きとなり、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は減少する。 For this reason, in the vicinity of the bonding head (holder part) 5 on the left side of the bonding line (bonding interface), the traveling direction and the rotational direction of the bonding head (holder part) 5 coincide, and the relative traveling speed or relative rotation. Speed increases (rises). On the other hand, in the vicinity of the joining head (holder part) 5 on the right side of the joining line (joining interface), the traveling direction and the rotating direction of the joining head (holder part) 5 are opposite to each other, and the relative traveling speed or relative The rotational speed decreases.
なお、摩擦撹拌接合による被接合部材同士の接合には、被接合部材同士(9a,9b)を突き合わせて、その突き合わせ部に接合ピン(プローブ部)8を挿入して摩擦撹拌接合する接合方法(いわゆる「突き合わせ接合」;この場合、突き合わせ面が接合界面となる)や、被接合部材同士(9a,9b)の端部を重ね合わせて、その重ね合わせ部に接合ピン(プローブ部)8を挿入して摩擦撹拌接合する接合方法(いわゆる「重ね接合」;この場合、重ね合わせた領域に接合界面が形成される)などがあるが、本願明細書の各実施例においては、接合界面と接合ツール中心(接合ピン8)とが同一線上になるように配置して接合する、前者の「突き合わせ接合」の例を用いて説明する。 For joining members to be joined by friction stir welding, joining members (9a, 9b) are butted against each other, and a joining pin (probe portion) 8 is inserted into the abutting portion to join the friction stir welding ( So-called “butt joint”; in this case, the butted surface becomes the joint interface) and the end portions of the members to be joined (9a, 9b) are overlapped, and the joining pin (probe portion) 8 is inserted into the overlapped portion Then, there is a joining method in which friction stir welding is performed (so-called “lap joining”; in this case, a joining interface is formed in the overlapped region). In each embodiment of the present specification, the joining interface and the joining tool are used. A description will be given using the former “butt joint” example in which the center (joint pin 8) is arranged and joined so as to be on the same line.
但し、本発明は「突き合わせ接合」および「重ね接合」のいずれかに限定されるものではなく、両者を含め、摩擦撹拌接合全般に適用可能であることは言うまでもない。 However, the present invention is not limited to either “butt joining” or “lap joining”, and it goes without saying that the present invention can be applied to friction stir welding in general including both.
ここで、図10に示す接合ヘッド(ホルダ部)5の進行方向および回転方向においては、接合線(接合界面)よりも左側の領域はアドバンシングサイド(AS:advancing side)となり、接合線(接合界面)よりも右側の領域はリトリーティングサイド(RS:retreating side)となる。 Here, in the advancing direction and the rotating direction of the bonding head (holder part) 5 shown in FIG. 10, the region on the left side of the bonding line (bonding interface) is an advanced side (AS), and the bonding line (bonding) A region on the right side of the interface) is a retreating side (RS).
また、このAS,RSは、接合ヘッド(ホルダ部)5の進行方向および回転方向によって決定されるため、例えば、図10において、接合ヘッド(ホルダ部)5が反時計回り(図10の曲線の矢印方向とは反対方向)に回転する場合は、接合線(接合界面)よりも左側の領域はRSとなり、接合線(接合界面)よりも右側の領域はASとなる。 Further, since AS and RS are determined by the advancing direction and the rotating direction of the joining head (holder part) 5, for example, in FIG. 10, the joining head (holder part) 5 rotates counterclockwise (the curve of FIG. 10). When rotating in the direction opposite to the arrow direction), the region on the left side of the bonding line (bonding interface) is RS, and the region on the right side of the bonding line (bonding interface) is AS.
なお、図10のように、接合線(接合界面)が接合ツール部(接合ヘッド)の中心点の軌跡、すなわちプローブ部(接合ピン)8の軌跡と一致する場合は、接合線(接合界面)或いは接合ツール部(接合ヘッド)の中心点の軌跡を基準としてAS,RSを規定することができる。しかしながら、例えば、異材同士を接合するような場合、材料によっては、接合界面(異材同士の突き合わせ面)から離間した位置にプローブ部(接合ピン)8を挿入し摩擦撹拌接合を行った方が高品質な接合が得られる場合がある。このような場合は、接合界面(異材同士の突き合わせ面)と接合ツール部(接合ヘッド)の中心点の軌跡は一致しないため、被接合部材の材料も考慮した上で、AS,RS(の境界)を規定する。 As shown in FIG. 10, when the joining line (joining interface) coincides with the locus of the center point of the joining tool part (joining head), that is, the locus of the probe part (joining pin) 8, the joining line (joining interface). Alternatively, AS and RS can be defined based on the trajectory of the center point of the welding tool part (joining head). However, for example, when different materials are to be joined, depending on the material, it may be more expensive to perform the friction stir welding by inserting the probe portion (joining pin) 8 at a position away from the joining interface (butting surface between the different materials). A quality bond may be obtained. In such a case, since the trajectory of the center point of the joining interface (butting surface between different materials) and the joining tool part (joining head) does not coincide with each other, the material of the member to be joined is also considered and the boundary between AS and RS ( ).
上述の通り、図10に示す接合ヘッド(ホルダ部)5の進行方向および回転方向においては、ASでの接合ヘッド(ホルダ部)5の進行方向と回転方向は一致し、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は増加(上昇)する。一方、RSでは接合ヘッド(ホルダ部)5の進行方向と回転方向は互いに反対向きとなり、相対的な進行速度或いは相対的な回転速度は減少する。その結果、図10に示すように、摩擦撹拌接合時のASの接合温度TASは、RSの接合温度TRSよりも高くなる。(TAS>TRS)この温度差は、被接合部材が例えばアルミニウム(AL)である場合、30℃〜50℃程度となる。 As described above, in the traveling direction and the rotational direction of the joining head (holder part) 5 shown in FIG. 10, the traveling direction and the rotational direction of the joining head (holder part) 5 in the AS coincide with each other. The relative rotational speed increases (rises). On the other hand, in RS, the traveling direction and the rotational direction of the bonding head (holder part) 5 are opposite to each other, and the relative traveling speed or the relative rotational speed decreases. As a result, as shown in FIG. 10, the AS joining temperature T AS at the time of friction stir welding becomes higher than the RS joining temperature T RS . (T AS > T RS ) This temperature difference is about 30 ° C. to 50 ° C. when the member to be joined is, for example, aluminum (AL).
摩擦撹拌接合において、擦撹拌接合時の接合温度は高い接合信頼性(接合品質)を得るうえで重要な要素となるが、上記のように接合線(接合界面)の左右の領域、すなわちAS,RSの温度差により、被接合部材の材料や形状・厚み等の条件によっては、高品質な接合結果を得られない場合がある。 In friction stir welding, the joining temperature at the time of friction stir welding is an important factor in obtaining high joining reliability (joining quality). As described above, the left and right regions of the joining line (joining interface), that is, AS, Depending on the temperature difference of the RS, depending on conditions such as the material and shape / thickness of the members to be joined, a high-quality joining result may not be obtained.
次に、図1から図3を用いて、本実施例の摩擦撹拌接合装置とその制御方法について説明する。本実施例の摩擦撹拌接合装置1は、図1に示すように、主要な構成として、装置本体2、上下動駆動機構部3を介して装置本体2に接続されるホルダ部(接合ヘッド)保持部4、ホルダ部(接合ヘッド)保持部4に接続(保持)されるホルダ部(接合ヘッド)5、ホルダ部(接合ヘッド)5により保持される接合ツール部6を備えている。上下動駆動機構部3には、図1に例示するように、例えばボールスクリューなどが用いられる。接合ツール部6はショルダ7およびプローブ部(接合ピン)8で構成され、ショルダ7を介してプローブ部(接合ピン)8がホルダ部(接合ヘッド)5に保持される。
Next, the friction stir welding apparatus of this embodiment and its control method will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the friction
このプローブ部(接合ピン)8が被接合部材9(9a,9b)の突き合せ部に挿入され、高速回転することでプローブ部(接合ピン)8と被接合部材9(9a,9b)の間に摩擦熱が発生し、摩擦熱により被接合部材9(9a,9b)内で塑性流動が生じ、接合部が撹拌される。プローブ部(接合ピン)8が移動すると撹拌部(接合部)が冷却されて、被接合部材同士が接合される。 This probe portion (joint pin) 8 is inserted into the butted portion of the member 9 (9a, 9b) to be joined, and rotates at a high speed so that the probe portion (joint pin) 8 and the member 9 (9a, 9b) are joined. Friction heat is generated, and the frictional heat causes plastic flow in the members 9 (9a, 9b) to be agitated, thereby stirring the joint. When the probe portion (joining pin) 8 moves, the stirring portion (joining portion) is cooled and the members to be joined are joined together.
なお、図1では、ホルダ部5および接合ツール部6がホルダ部保持部4および上下動駆動機構部3を介して装置本体2に接続(保持)される構成を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、上下動駆動機構部3のみを介して装置本体2に接続(保持)される構成や、他の可動手段を介して装置本体2に接続(保持)される構成、ホルダ部5および接合ツール部6が直接装置本体2に接続(保持)される構成、或いは、図1の構成に、さらにホルダ部5と装置本体2の間にC型フレームを設ける構成、多軸ロボットアームを有する装置本体2に接続(保持)される構成も本実施例の範囲に含むものとする。
1 shows a configuration in which the
装置本体2には、温度センサ把持機構10および非接触温度センサ11(11a,11b)で構成される温度計測機構が設けられている。この温度計測機構は、温度センサ把持機構10を介して非接触温度センサ11(11a,11b)が装置本体2に配設されており、被接合部材9(9a,9b)の温度を非接触で計測する。
The apparatus
温度センサ11(11a,11b)には、例えば、遠赤外線を利用する非接触温度計やレーザーを利用する非接触温度計などを用いる。或いは、撮像素子を配設して被接合部材から放射される赤外線を画像解析するサーモグラフィーなどを用いてもよい。 For the temperature sensor 11 (11a, 11b), for example, a non-contact thermometer using far infrared rays or a non-contact thermometer using laser is used. Or you may use the thermography etc. which arrange | position an image pick-up element and perform image analysis of the infrared rays radiated | emitted from a to-be-joined member.
また、装置本体2には、摩擦撹拌接合装置1の動作を制御する制御部(制御装置)12が設置されている。制御部(制御装置)12は、接合ツール部6による接合条件を決定する接合条件信号や上下動駆動機構部3による接合ツール部6の高さ方向(Z方向)の保持位置(接合ピン8の挿入量)を決定する保持位置決定信号などの接合パラメータ(FSW接合条件)を記憶する記憶部(図示せず)を備えている。
The apparatus
図2に本実施例の温度計測機構による被接合部材9(9a,9b)の温度計測の様子を示す。図2ではホルダ部5(およびショルダ部7,プローブ部8)が時計回りに回転し、紙面の奥側(つまりX方向)に移動するものとする。従って、プローブ部8の被接合部材9(9a,9b)への挿入箇所、すなわち接合線(接合界面)よりも左側がASとなり、右側がRSとなる。
FIG. 2 shows a state of temperature measurement of the member 9 (9a, 9b) to be joined by the temperature measurement mechanism of the present embodiment. In FIG. 2, it is assumed that the holder unit 5 (and the
図2に示すように、摩擦撹拌接合時には、被接合部材9(9a,9b)の表面にバリ13が発生する。摩擦撹拌接合中のバリ13は高温であるため、被接合部材9(9a,9b)の接合温度を正確に計測することができない。そこで、図2のように、バリ13を回避して被接合部材9(9a,9b)の接合温度を計測する必要がある。図2では、ASの接合温度を温度センサ11a(第1の温度センサ)で計測し、RSの接合温度を温度センサ11b(第2の温度センサ)で計測する。温度センサ11a(第1の温度センサ),温度センサ11b(第2の温度センサ)は、それぞれ装置本体2に対する配設位置(ホルダ部5の回転径方向の位置)が可変となるように設けられており(把持機構10の矢印)、摩擦撹拌接合中に発生するバリ13を回避して被接合部材9(9a,9b)の接合温度を計測することができる。
As shown in FIG. 2, at the time of friction stir welding, burrs 13 are generated on the surface of the member 9 (9a, 9b). Since the
なお、図2では、温度センサ11aおよび温度センサ11bは、接合ツール(ホルダ部5,ショルダ部7,プローブ部8)が進行する際の接合線(接合界面)に対して左右対称となる位置のショルダ部7外周近傍の接合温度を計測するように把持機構10を介して装置本体2に配設されている。このように配設することで、AS,RSそれぞれにおける接合線(接合界面)からの同じ距離(同等の位置)の接合温度を計測することができ、後述するAS,RSの接合温度制御をより正確に行うことができる。
In FIG. 2, the
上記特許文献1のように、温度センサ11(11a,11b)が接合ツールと共に回転する構成とした場合、ASとRSの温度差を計測することができない。そこで、本実施例では、接合ツール(ホルダ部5,ショルダ部7,プローブ部8)の回転とは独立して、温度センサ11(11a,11b)が同じ位置に保持されるように、把持機構10を介して装置本体2に配設している。
When the temperature sensor 11 (11a, 11b) is configured to rotate together with the welding tool as in
なお、温度センサ11(11a,11b)は、接合ツールの回転と一緒に回転しないように設けられていればよく、例えば、接合ツールの移動(図2の紙面奥側(X方向)への移動)と同期して移動できるように接合ツールとは独立して設けられた別の移動手段に配設することも可能である。 The temperature sensor 11 (11a, 11b) may be provided so as not to rotate together with the rotation of the welding tool. For example, the movement of the welding tool (movement toward the back side (X direction) in FIG. 2). It is also possible to arrange it on another moving means provided independently of the welding tool so that it can move in synchronization with the welding tool.
また、温度センサ11a,温度センサ11bの装置本体2に対する配設位置(ホルダ部5の回転径方向の位置)の調節は、手動で行ってもよく、把持機構10に温度センサ駆動手段を設けて、例えば、後述するデータベース(制御テーブル)により、被接合部材の状態(材料、板厚、板幅、形状など)やFSWの接合条件に応じて自動で調節可能としてもよい。
Further, the adjustment of the arrangement positions of the
続いて、図3を用いて、本実施例の摩擦撹拌接合装置による接合温度制御について説明する。図3の縦軸は接合温度(℃)を示し、横軸は経過時間(t)を示している。図3には、温度センサ11a(第1の温度センサ)により計測したASの接合温度(AS温度)推移および温度センサ11b(第2の温度センサ)により計測したRSの接合温度(RS温度)推移をそれぞれ示している。
Subsequently, the bonding temperature control by the friction stir welding apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIG. The vertical axis in FIG. 3 indicates the bonding temperature (° C.), and the horizontal axis indicates the elapsed time (t). FIG. 3 shows the transition of the AS junction temperature (AS temperature) measured by the
図3に示すように、プローブ部(接合ピン)8が被接合部材9(9a,9b)に挿入されると被接合部材9(9a,9b)の接合温度は上昇し始め、接合開始点(ts)から接合終了点(te)までの摩擦撹拌接合中はASの接合温度TAS,RSの接合温度TRSのいずれも所定の範囲内になるように保持される。接合終了後は、接合温度TAS,接合温度TRSはともに低下する。なお、上述したように、摩擦撹拌接合時のASの接合温度TASは、RSの接合温度TRSよりも高くなる。(TAS>TRS)
ここで、温度センサ11a(第1の温度センサ)により計測したASの接合温度を基準温度とし、この基準温度と被接合部材の状態(材料、板厚、板幅、形状など)により決定される目標温度との偏差を所定の範囲ΔTAS内(第1の所定の範囲内)に保持するように、接合ツール(ホルダ部5,ショルダ部7,プローブ部8)の回転速度、進行速度(X方向への進行速度)を制御する。
As shown in FIG. 3, when the probe portion (joining pin) 8 is inserted into the joined member 9 (9a, 9b), the joining temperature of the joined member 9 (9a, 9b) starts to rise, and the joining start point ( During the friction stir welding from the time t s ) to the welding end point (t e ), both the AS joining temperature T AS and the RS joining temperature T RS are maintained within a predetermined range. After the end of bonding, both the bonding temperature T AS and the bonding temperature T RS are lowered. Note that, as described above, the AS joining temperature T AS at the time of friction stir welding is higher than the RS joining temperature T RS . (T AS > T RS )
Here, the AS joining temperature measured by the
なお、接合ツールの回転速度、進行速度は、いずれも接合温度を決定するうえで重要な要素であるため、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することで、上記の基準温度と目標温度との偏差を所定の範囲ΔTAS内(第1の所定の範囲内)に保持することができる。(この接合温度制御を「第1の温度制御モード」とする。)
続いて、温度センサ11b(第2の温度センサ)により計測した接合温度を比較温度とし、温度センサ11a(第1の温度センサ)で計測した基準温度とこの比較温度との偏差を所定の範囲ΔTRS内(第2の所定の範囲内)に保持するように、接合ツール(ホルダ部5,ショルダ部7,プローブ部8)の回転速度および進行速度(X方向への進行速度)を制御する。
Note that the rotational speed and the traveling speed of the welding tool are both important factors in determining the welding temperature. Therefore, by controlling at least one of the rotational speed and the traveling speed of the welding tool, The deviation between the temperature and the target temperature can be maintained within the predetermined range ΔT AS (within the first predetermined range). (This junction temperature control is referred to as “first temperature control mode”.)
Subsequently, the junction temperature measured by the
なお、上記の「第1の温度制御モード」と同様に、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することで、上記の基準温度と比較温度との偏差を所定の範囲ΔTRS内(第2の所定の範囲内)に保持することができる。(この接合温度制御を「第2の温度制御モード」とする。)
これらの「第1の温度制御モード」および「第2の温度制御モード」により、接合ツール(ホルダ部5,ショルダ部7,プローブ部8)による被接合部材9(9a,9b)の接合温度を所定の範囲ΔT内に保持する。
As in the above “first temperature control mode”, the deviation between the reference temperature and the comparison temperature is controlled within a predetermined range ΔT by controlling at least one of the rotational speed and the traveling speed of the welding tool. It can be held in the RS (within the second predetermined range). (This junction temperature control is referred to as a “second temperature control mode”.)
By these “first temperature control mode” and “second temperature control mode”, the joining temperature of the member 9 (9a, 9b) to be joined by the joining tool (
上記の「第1の温度制御モード」および「第2の温度制御モード」は、温度センサ11a(第1の温度センサ)で計測したASの接合温度、温度センサ11b(第2の温度センサ)で計測した接合温度、被接合部材9(9a,9b)の状態(材料、板厚、板幅、形状など)に応じて予め設定した目標温度に基づいて、摩擦撹拌接合装置1の制御部(制御装置)12で演算処理を実行し、決定される。
The “first temperature control mode” and the “second temperature control mode” are the AS junction temperature measured by the
なお、上記では、「第1の温度制御モード」の実行に続いて「第2の温度制御モード」が実行される接合温度制御を説明したが、「第1の温度制御モード」と「第2の温度制御モード」が同時に実行される接合温度制御(すなわち、「第1の温度制御モード」を実行(選択)し保持しながら、「第2の温度制御モード」を実行(選択)する接合温度制御)とすることで、より精度の高い接合温度制御が可能となる。 In the above description, the junction temperature control in which the “second temperature control mode” is executed following the execution of the “first temperature control mode” has been described. However, the “first temperature control mode” and the “second temperature control mode” are described. Temperature control mode "is performed at the same time (ie, the" first temperature control mode "is performed (selected) and held while the" second temperature control mode "is performed (selected)) Control), more accurate bonding temperature control becomes possible.
次に、図4を用いて、上記で説明した接合温度制御による代表的な摩擦撹拌接合方法を説明する。 Next, a typical friction stir welding method based on the bonding temperature control described above will be described with reference to FIG.
先ず、制御部(制御装置)からの指令により、接合ツール(プローブ部8)を被接合部材9の接合部(被接合部材9a,9b同士の突き合せ部)の所定の位置へ挿入する。(ステップS1)
次に、温度センサ11a(第1の温度センサ)および温度センサ1b(第2の温度センサ)を用いて、被接合部材9のASの接合温度、RSの接合温度をそれぞれ計測する。(ステップS2)
続いて、ステップS2で取得したASの接合温度,RSの接合温度に基づいて、制御部(制御装置)12で接合温度制御の閾値(目標制御値)となるΔTを算出する。(ステップS3)
続いて、ステップS3で算出した閾値(目標制御値)ΔTに基づいて、接合ツール(プローブ部8)の回転速度および進行速度(X方向への進行速度)を制御しながら、被接合部材9の接合部(被接合部材9a,9bの突き合せ部)を摩擦撹拌接合する。(ステップS4)
最後に、接合ツール(プローブ部8)の移動量(または経過時間)が所定の値(位置・時間)に達した時点で、接合ツール(プローブ部8)を被接合部材9の接合部からから引き抜いて、摩擦撹拌接合処理を終了する。(ステップS5)
以上説明したように、本実施例の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法によれば、複数(少なくとも2つ以上)の非接触温度センサを用いて被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の接合温度とRS(リトリーティングサイド)の接合温度をそれぞれ計測し、それらの計測データに基づいてAS接合温度とRS接合温度の温度差に対する閾値(目標制御値)ΔTを決定し、接合温度がその閾値(目標制御値)ΔT内になるようにFSW接合条件(接合ツールの回転速度や進行速度)を制御する。これにより、高品質(高精度)な摩擦撹拌接合を実現することができる。
First, in accordance with a command from the control unit (control device), the welding tool (probe unit 8) is inserted into a predetermined position of the bonded portion of the bonded member 9 (the butted portion between the bonded
Next, using the
Then, based on the AS junction temperature and the RS junction temperature acquired in step S2, the control unit (control device) 12 calculates ΔT that is a threshold value (target control value) for the junction temperature control. (Step S3)
Subsequently, based on the threshold value (target control value) ΔT calculated in step S3, the rotational speed and traveling speed (traveling speed in the X direction) of the welding tool (probe unit 8) are controlled, and Friction stir welding is performed on the joined portions (butting portions of the joined
Finally, when the moving amount (or elapsed time) of the joining tool (probe part 8) reaches a predetermined value (position / time), the joining tool (probe part 8) is removed from the joined part of the
As described above, according to the friction stir welding apparatus and the friction stir welding method of the present embodiment, AS (advancing side) joining of the members to be joined using a plurality of (at least two) non-contact temperature sensors. The temperature and the RS (retreating side) junction temperature are measured, and a threshold value (target control value) ΔT for the temperature difference between the AS junction temperature and the RS junction temperature is determined based on the measured data. (Target control value) FSW joining conditions (rotation speed and traveling speed of the joining tool) are controlled so as to be within ΔT. Thereby, high quality (high accuracy) friction stir welding can be realized.
なお、スポット接合のように、接合ツールを進行させないで接合する場合でも、被接合部材を次のものに入れ替える際に、特許文献1のような接触型の温度計測器ではその配設替えが必要となり、煩雑な作業が生じることとなり、作業工数が増えてしまうが、本実施例のように非接触温度センサを用いることで、作業効率を飛躍的に向上させることができる。
In addition, even when joining without advancing the joining tool as in spot joining, the contact-type temperature measuring device as in
図5を参照して、実施例2の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法について説明する。図5は本実施例の接合温度制御に用いるデータベース(制御テーブル)の例を示している。なお、図5に示すデータベース(制御テーブル)は説明を分かり易くするための例示であり、データベース(制御テーブル)を構成する被接合部材の条件(状態)やFSW接合条件のパラメータはこれらに限定されるものではない。 With reference to FIG. 5, the friction stir welding apparatus and the friction stir welding method of Example 2 will be described. FIG. 5 shows an example of a database (control table) used for the junction temperature control of this embodiment. Note that the database (control table) shown in FIG. 5 is an example for easy understanding of the description, and the conditions (states) of the members to be joined and the parameters of the FSW joining conditions constituting the database (control table) are limited to these. It is not something.
実施例1においては、温度センサ11a(第1の温度センサ)により計測したASの接合温度(基準温度)、被接合部材9(9a,9b)の状態(材料、板厚、板幅、形状など)に応じて予め設定した目標温度、温度センサ11b(第2の温度センサ)により計測した接合温度(比較温度)に基づいて制御部(制御装置)12で演算処理を実行し、閾値(目標制御値)ΔTを決定する。
In the first embodiment, the AS bonding temperature (reference temperature) measured by the
これに対し、本実施例では、過去の摩擦撹拌接合の蓄積データやシミュレーションによって算出した被接合部材の条件(条件)とFSW接合条件と閾値(目標制御値)ΔTとの相関関係に基づいて図5に示すようなデータベース(制御テーブル)を予め作成(登録)しておき、被接合部材同士9a,9bを摩擦撹拌接合する際に、このデータベース(制御テーブル)の情報を制御部(制御装置)12に読み込む。 On the other hand, in the present embodiment, based on past accumulated data of friction stir welding and the condition (condition) of the member to be welded calculated by simulation, the correlation between the FSW welding condition and the threshold value (target control value) ΔT. A database (control table) as shown in FIG. 5 is created (registered) in advance, and when the members to be joined 9a and 9b are friction stir welded, information in this database (control table) is transferred to a control unit (control device). 12 is read.
データベース(制御テーブル)の情報(パラメータ)としては、例えば図5に示すように、被接合部材9の状態として被接合部材9aの材料(材料A),被接合部材9bの材料(材料B),板厚,板幅,形状などが挙げられる。また、FSW接合条件として接合ツール(プローブ部8)の回転数,接合ツール(プローブ部8)の回転速度或いは進行速度,ASの接合温度などが挙げられる。
As information (parameters) in the database (control table), for example, as shown in FIG. 5, the material of the
制御部(制御装置)12は、温度センサ11a(第1の温度センサ)により計測したASの接合温度および温度センサ11b(第2の温度センサ)により計測した接合温度をこのデータベース(制御テーブル)の情報と照合し、接合温度がデータベース(制御テーブル)の閾値(目標制御値)ΔT内になるようにFSW接合条件(接合ツールの回転速度や進行速度)を制御する。これにより、実施例1と同様に、高品質(高精度)な摩擦撹拌接合を実現することができる。
The control unit (control device) 12 stores the AS junction temperature measured by the
また、実施例1では、被接合部材を摩擦撹拌接合する際に、被接合部材の状態(材料、板厚、板幅、形状など)に応じて目標温度を設定する必要があるが、本実施例では、予め作成(登録)したデータベース(制御テーブル)の情報を読み込むため、作業性(作業効率)が向上し、例えば、不慣れな作業者であっても再現良く高品質(高精度)な摩擦撹拌接合作業を行うことができる。 In Example 1, when the members to be joined are friction stir welded, it is necessary to set the target temperature according to the state of the members to be joined (material, plate thickness, plate width, shape, etc.). In the example, since the information of the database (control table) created (registered) in advance is read, the workability (working efficiency) is improved. For example, even unskilled workers can reproduce high quality (high precision) friction. Stir welding can be performed.
なお、被接合部材の状態が異なる場合(被接合部材を変える場合)、被接合部材9(9a,9b)の状態(材料、板厚、板幅、形状など)に応じてデータベース(制御テーブル)を追加または更新するようにしてもよい。 If the state of the member to be joined is different (when the member to be joined is changed), the database (control table) according to the state (material, plate thickness, plate width, shape, etc.) of the member 9 (9a, 9b) to be joined. May be added or updated.
図6から図8を参照して、実施例3の摩擦撹拌接合装置および摩擦撹拌接合方法について説明する。図6は図1におけるB−B’方向矢視図であり、比較のために示す図である。図7Aは本実施例の温度計測機構を示す図であり、図6と同様に、図1の摩擦撹拌接合装置1をB−B’方向から見た摩擦撹拌接合時の様子を示している。図7Bおよび図7Cは図7Aの変形例である。また、図8は温度計測機構のさらに別の変形例であり、図2のA−A’方向矢視図に相当する。
A friction stir welding apparatus and a friction stir welding method of Example 3 will be described with reference to FIGS. 6 is a view taken in the direction of the arrow B-B ′ in FIG. 1 and is shown for comparison. FIG. 7A is a diagram showing a temperature measurement mechanism of the present embodiment, and similarly to FIG. 6, shows a state at the time of friction stir welding when the friction
図6に示すように、実施例1では、温度センサ11aおよび温度センサ11bは、接合ツール(ホルダ部5,プローブ部8)が進行する際の接合線(接合界面)に対して左右対称となる位置のショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように把持機構10を介して装置本体2に配設されている。図6のように、接合線(接合界面)と垂直に交わる直線上の互いに線対称となる位置に温度センサ11a,11bを配設することで、接合の中心点(接合線)からの等距離の接合温度を比較することができる。
As shown in FIG. 6, in Example 1, the
これに対し、本実施例の温度計測機構は、図7Aに示すように、温度センサ11aおよび温度センサ11bは、接合ツール(ホルダ部5,プローブ部8;図7Aでは参照符号を省略)の回転中心に対して互いに対称となる位置のショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように把持機構10を介して装置本体2に配設している。本実施例(図7A)のように、接合ツールの回転中心に対して互いに点対称となる位置に温度センサ11a,11bを配設することで、例えば、被接合部材9aと被接合部材9bが異なる材料であるような異材同士を摩擦撹拌接合する際に、接合温度制御に用いる最適な温度計測位置が図6のように接合線に対し互いに線対称となる位置と異なる場合にも対応することができる。
In contrast, in the temperature measurement mechanism of the present embodiment, as shown in FIG. 7A, the
また、図6のように接合ツール(ホルダ部5,プローブ部8)の回転中心を通り接合線(接合界面)と垂直に交わる直線上の互いに線対称となる位置に温度センサ11a,11bを配設するのに対し、図7Bに示すように、接合ツール(ホルダ部5,プローブ部8)の回転中心を通らずに接合線(接合界面)に対して互いに線対称となる位置に温度センサ11a,11bを配設するようにしてもよい。
In addition, as shown in FIG. 6, the
また、図7Cのように温度センサ11a,11bを配設し、バリ(溶接ビード)13よりも内側(接合線側)のAS/RSの各接合温度を計測するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 7C,
さらに、図8に示すように、温度センサ11a,11bをそれぞれY方向に角度θ,θ’を有して配設してもよい。例えば、バリ13がショルダ部7外周から離間した位置に発生するような場合であって、なおかつ、接合温度制御に用いる最適な温度計測位置が接合ツール(ショルダ部7,プローブ部8)の近傍である場合、温度センサ11a,11bの各々の角度θ,θ’を調節することで、バリ13を回避して最適な位置の接合温度を計測することができる。
Furthermore, as shown in FIG. 8, the
なお、図7A,図7B,図7C,図8の温度計測機構において、温度センサ11a,温度センサ11bの角度θ,θ’を手動で調節する構造としてもよく、把持機構10に温度センサ駆動手段,温度センサ角度調節手段を設けて、上述したデータベース(制御テーブル)により、被接合部材の状態(材料、板厚、板幅、形状など)やFSWの接合条件に応じて自動で調節可能としてもよい。
7A, FIG. 7B, FIG. 7C, and FIG. 8 may be configured to manually adjust the angles θ and θ ′ of the
図9を参照して、実施例4の摩擦撹拌接合装置の制御システムとそれに用いる摩擦撹拌接合装置の制御装置について説明する。図9は本実施例の摩擦撹拌接合装置の制御システムの全体概要を示している。本実施例の摩擦撹拌接合装置1は、実施例1(図1)の制御部(制御装置)12に替えて、主に摩擦撹拌接合装置1を駆動させる駆動部14のみが装置本体2に設置されている点において、実施例1の摩擦撹拌接合装置とは異なっている。駆動部14は、図9に示すように、摩擦撹拌接合装置1が設置される工場などの集中管理システム15にネットワークを介して接続されている。また、集中管理システム15には、摩擦撹拌接合装置1とは独立して設置された中央制御装置16が接続されており、この中央制御装置16に、例えば、実施例2(図5)で説明したようなデータベース(制御テーブル)を備えることで、中央制御装置16のデータベース(制御テーブル)に基づく制御指令(制御信号)を、集中管理システム15を介して摩擦撹拌接合装置1の駆動部14に送信し、摩擦撹拌接合装置1による摩擦撹拌接合時の接合温度制御を行う。
With reference to FIG. 9, the control system of the friction stir welding apparatus of Example 4 and the control apparatus of the friction stir welding apparatus used therefor will be described. FIG. 9 shows an overall outline of the control system of the friction stir welding apparatus of the present embodiment. In the friction
本実施例のように、摩擦撹拌接合装置1の装置本体2には駆動部14を設置し、制御機能を中央制御装置16に持たせ、ネットワークおよび集中管理システム15を介して摩擦撹拌接合装置1の駆動部14を制御するように構成することで、例えば、1台の中央制御装置16でネットワーク(集中管理システム15)に接続された複数台の摩擦撹拌接合装置の接合温度制御を行うことができる。
As in the present embodiment, the
これにより、設備導入のための初期コストを抑制することができ、また、複数台の摩擦撹拌接合装置を同じ中央制御装置16で制御するため、摩擦撹拌接合装置間の接合品質の機差を低減することができる。 As a result, the initial cost for introducing the equipment can be suppressed, and a plurality of friction stir welding apparatuses are controlled by the same central control device 16, thereby reducing the difference in joining quality between the friction stir welding apparatuses. can do.
なお、摩擦撹拌接合中に摩擦撹拌接合装置1の温度センサ11a,11bで計測した接合温度データをネットワーク(集中管理システム15)を介して中央制御装置16へフィードバックし、中央制御装置16のデータベース(制御テーブル)の情報を追加または更新するようにしてもよい。
In addition, during the friction stir welding, the joint temperature data measured by the
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
1…摩擦撹拌接合装置、2…装置本体、3…上下動駆動機構部(ボールスクリュー)、4…ホルダ部(接合ヘッド)保持部、5…ホルダ部(接合ヘッド)、6…接合ツール部、7…ショルダ部、8…プローブ部(接合ピン)、9,9a,9b…被接合部材、10…(温度センサ)把持機構、11,11a,11b…(非接触)温度センサ、12…制御部(制御装置)、13…バリ、14…駆動部、15…集中管理システム、16…中央制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記接合ツールを保持する装置本体と、
前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、
前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の温度を計測する第1の温度センサと、
前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の温度を計測する第2の温度センサと、を備える摩擦撹拌接合装置であって、
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサは、前記接合ツールが進行する際の接合線に対して左右対称となる位置の前記ショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように前記装置本体に配設され、かつ、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際に前記被接合部材表面に生じるバリを回避して接合温度を計測するように配設され、
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサにより計測した接合温度に基づき、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。A welding tool composed of a shoulder part and a probe part, inserted into a member to be joined and rotated,
An apparatus main body for holding the joining tool;
A control device for controlling the operation of the welding tool;
A first temperature sensor that measures the temperature of an AS (advancing side) of the member to be joined;
A friction stir welding apparatus comprising: a second temperature sensor for measuring a temperature of RS (retreating side) of the member to be joined,
The apparatus main body is configured to measure the bonding temperature in the vicinity of the outer periphery of the shoulder at a position that is symmetrical with respect to a bonding line when the bonding tool advances. And is arranged so as to measure the bonding temperature by avoiding burrs generated on the surface of the member to be bonded when the members to be bonded are subjected to friction stir welding.
A friction stir welding apparatus that controls at least one of a rotation speed and a traveling speed of the welding tool based on a bonding temperature measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor.
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサは、前記装置本体に配設され、前記接合ツールの回転とは独立して、同じ位置に保持されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to claim 1,
The friction stir welding apparatus, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are disposed in the apparatus main body and are held at the same position independently of rotation of the welding tool.
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサは、前記接合ツールの移動と同期して移動可能に配設されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to claim 1,
The friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are arranged to be movable in synchronization with the movement of the welding tool.
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサは、前記接合ツールの回転中心に対して互いに対称となる位置の前記ショルダ部外周近傍の接合温度を計測するように前記装置本体に配設されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The first temperature sensor and the second temperature sensor are disposed in the apparatus main body so as to measure a bonding temperature in the vicinity of the outer periphery of the shoulder at a position that is symmetrical with respect to the rotation center of the bonding tool. A friction stir welding apparatus characterized by the above.
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサは、把持機構を介して前記装置本体に対する位置を調節可能に配設されることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 4 ,
The friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are disposed such that positions relative to the apparatus main body can be adjusted via a gripping mechanism.
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサは、非接触で接合温度を計測可能な温度センサであることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 5 ,
The friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are temperature sensors capable of measuring a bonding temperature without contact.
前記制御装置は、前記第1の温度センサにより計測する接合温度を基準温度とし、当該基準温度と前記被接合部材の状態により決定される目標温度との偏差を第1の所定の範囲内に保持するように、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際の前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御する第1の温度制御モードを有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to any one of claims 1 to 6 ,
The control device uses a joining temperature measured by the first temperature sensor as a reference temperature, and maintains a deviation between the reference temperature and a target temperature determined by the state of the joined member within a first predetermined range. Thus, the friction stir welding apparatus has a first temperature control mode for controlling at least one of a rotation speed and a traveling speed of the welding tool when the members to be welded are friction stir welded.
前記制御装置は、さらに、前記第2の温度センサにより計測する接合温度を比較温度とし、前記基準温度と当該比較温度との偏差を第2の所定の範囲内に保持するように、前記被接合部材を摩擦撹拌接合する際の前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御する第2の温度制御モードを有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to claim 7 ,
The control device further uses the bonding temperature measured by the second temperature sensor as a comparison temperature, and maintains the deviation between the reference temperature and the comparison temperature within a second predetermined range. A friction stir welding apparatus having a second temperature control mode for controlling at least one of a rotation speed and a traveling speed of the welding tool when the members are friction stir welded.
前記制御装置は、前記第1の温度制御モードを選択し保持しながら前記第2の温度制御モードを選択することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。The friction stir welding apparatus according to claim 8 ,
The said control apparatus selects the said 2nd temperature control mode, selecting and hold | maintaining the said 1st temperature control mode, The friction stir welding apparatus characterized by the above-mentioned.
(a)被接合部材の状態に基づき摩擦撹拌接合時の目標温度を決定するステップと、
(b)基準温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の接合温度を計測するステップと、
(c)比較温度となる、摩擦撹拌接合時の前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の接合温度を計測するステップと、
(d)前記目標温度と前記基準温度との偏差を第1の所定の範囲内に保持するように、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、
(e)前記基準温度と前記比較温度との偏差を第2の所定の範囲内に保持するように、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御するステップと、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 A friction stir welding method for joining members to be joined by friction stir welding,
(A) determining a target temperature at the time of friction stir welding based on the state of the members to be joined;
(B) measuring a joining temperature of AS (advancing side) of the member to be joined at the time of friction stir welding, which is a reference temperature;
(C) measuring a joining temperature of RS (retreating side) of the member to be joined at the time of friction stir welding, which is a comparative temperature;
(D) controlling at least one of the rotational speed and the traveling speed of the welding tool so as to maintain the deviation between the target temperature and the reference temperature within a first predetermined range;
(E) controlling at least one of the rotational speed and the traveling speed of the welding tool so as to maintain a deviation between the reference temperature and the comparison temperature within a second predetermined range;
A friction stir welding method characterized by comprising:
前記基準温度と前記比較温度は、前記接合ツールが進行する際の接合線に対して左右対称となる位置の前記接合ツールのショルダ部外周近傍の接合温度を計測することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。The friction stir welding method according to claim 10 ,
Friction stir welding characterized in that the reference temperature and the comparison temperature measure a joining temperature in the vicinity of the outer periphery of the shoulder portion of the joining tool at a position that is symmetrical to the joining line when the joining tool advances Method.
前記基準温度と前記比較温度は、前記被接合部材同士を摩擦撹拌接合する際に前記被接合部材表面に生じるバリを回避して計測することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 The friction stir welding method according to claim 10 or 11 ,
The reference temperature and the comparison temperature are measured by avoiding burrs generated on the surfaces of the members to be bonded when the members to be bonded are friction stir bonded to each other.
前記基準温度および前記比較温度は、非接触で計測されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 The friction stir welding method according to any one of claims 10 to 12 ,
The friction stir welding method, wherein the reference temperature and the comparison temperature are measured without contact.
ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、
前記接合ツールを保持する装置本体と、
前記接合ツールの動作を制御する制御装置と、
前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の温度を計測する第1の温度センサと、
前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の温度を計測する第2の温度センサと、
前記被接合部材の状態、AS(アドバンシングサイド)の接合温度、RS(リトリーティングサイド)の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースと、を備え、
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とするデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置。 A friction stir welding apparatus having a database for determining welding conditions,
A welding tool composed of a shoulder part and a probe part, inserted into a member to be joined and rotated,
An apparatus main body for holding the joining tool;
A control device for controlling the operation of the welding tool;
A first temperature sensor that measures the temperature of an AS (advancing side) of the member to be joined;
A second temperature sensor for measuring the temperature of the RS (retreating side) of the member to be joined;
A database preset based on a state of the member to be joined, a joining temperature of AS (advancing side), a joining temperature of RS (retreating side), and a joining condition of the joining tool;
It is characterized in that at least one of the rotational speed and the traveling speed of the welding tool is controlled while comparing the bonding temperature measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor with the database. Friction stir welding device with database.
被接合部材の状態が異なる場合、前記データベースを追加または更新することを特徴とするデータベースを備えた摩擦撹拌接合装置。 A friction stir welding apparatus comprising the database according to claim 14 ,
The friction stir welding apparatus provided with a database, wherein the database is added or updated when the state of the members to be joined is different.
(a)被接合部材の状態、AS(アドバンシングサイド)の接合温度、RS(リトリーティングサイド)の接合温度、接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを読み込むステップと、
(b)前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の接合温度を計測するステップと、
(c)前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の接合温度を計測するステップと、
(d)前記(b)工程において計測したAS(アドバンシングサイド)の接合温度および前記(c)工程において計測したRS(リトリーティングサイド)の接合温度と、前記データベースとを照合することにより、接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とするデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法。 A friction stir welding method using a database for determining welding conditions,
(A) a step of reading a database set in advance based on a state of a member to be joined, a joining temperature of AS (advancing side), a joining temperature of RS (retreating side), and joining conditions of a joining tool;
(B) measuring a bonding temperature of AS (advancing side) of the member to be bonded;
(C) measuring a bonding temperature of RS (retreating side) of the bonded members;
(D) By comparing the AS (advanced side) junction temperature measured in the step (b) and the RS (retreating side) junction temperature measured in the step (c) with the database, A friction stir welding method using a database, wherein at least one of a rotational speed and a traveling speed of a tool is controlled.
被接合部材の状態が異なる場合、前記データベースを追加または更新することを特徴とするデータベースを用いる摩擦撹拌接合方法。 A friction stir welding method using the database according to claim 16 ,
The friction stir welding method using a database, wherein the database is added or updated when the state of the members to be joined is different.
前記制御装置は、集中管理システムを介して、摩擦撹拌接合装置に接続され、
前記摩擦撹拌接合装置は、ショルダ部とプローブ部で構成され、被接合部材に挿入されて回転する接合ツールと、
前記接合ツールを保持する装置本体と、
前記接合ツールの動作を制御する駆動制御部と、
前記被接合部材のAS(アドバンシングサイド)の温度を計測する第1の温度センサと、
前記被接合部材のRS(リトリーティングサイド)の温度を計測する第2の温度センサと、を備え、
前記制御装置は、前記被接合部材の状態、AS(アドバンシングサイド)の接合温度、RS(リトリーティングサイド)の接合温度、前記接合ツールの接合条件に基づき予め設定されたデータベースを備え、
前記第1の温度センサおよび前記第2の温度センサにより計測した接合温度と、前記データベースとを照合しながら、前記接合ツールの回転速度および進行速度の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする摩擦撹拌接合装置の制御装置。 A control device for a friction stir welding apparatus having a database for determining welding conditions,
The control device is connected to the friction stir welding device via a centralized management system,
The friction stir welding apparatus includes a shoulder part and a probe part, and a joining tool that is inserted into a member to be joined and rotates,
An apparatus main body for holding the joining tool;
A drive controller for controlling the operation of the welding tool;
A first temperature sensor that measures the temperature of an AS (advancing side) of the member to be joined;
A second temperature sensor that measures the temperature of the RS (retreating side) of the member to be joined,
The control device includes a database set in advance based on the state of the member to be bonded, the bonding temperature of AS (advancing side), the bonding temperature of RS (retreating side), and the bonding condition of the bonding tool,
It is characterized in that at least one of the rotational speed and the traveling speed of the welding tool is controlled while comparing the bonding temperature measured by the first temperature sensor and the second temperature sensor with the database. Control device for friction stir welding equipment.
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