WO2005089998A1

WO2005089998A1 - 摩擦攪拌スポット接合方法および接合装置

Info

Publication number: WO2005089998A1
Application number: PCT/JP2005/004602
Authority: WO
Inventors: Satoshi Hirano; Kinya Aota; Masahisa Inagaki; Kazutaka Okamoto; Tomio Odakura
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2005-09-29
Also published as: CN1921979A; US7635075B2; US20070181637A1; JP4511526B2; JPWO2005089998A1

Description

明細書

摩擦攪拌スポット接合方法および接合装置

技術分野

[0001] 本発明は、軸対称形状をした接合ツールを回転させながら被接合物に押し付け、接合ツールと被接合物との間で生ずる摩擦熱と塑性流動を利用して接合を行う接合方法と接合装置に関する。本発明は、重ね合わされた複数の金属部材をスポット接合するのに適する。

背景技術

[0002] 被接合物の材質よりも硬!、材質の金属棒 (以下、接合ツールと呼ぶ)を被接合物の接合しょうとする部分に挿入し、接合ツールを回転させながら移動することによって、接合ツールと被接合物との間で発生する摩擦熱により接合する摩擦攪拌接合方法（以下、 FSWと呼ぶ）が知られており、例えば特許文献 1に記載されている。 FSWは、接合ツールと被接合物との摩擦熱により被接合物を軟化させ、接合ツールの回転に伴う塑性流動現象を利用して接合する方法であり、被接合物を溶カゝして溶接する方法、例えばアーク溶接方法などとは異なる原理に基づ、て、る。

[0003] FSWの原理を応用したスポット接合方法も知られており、例えば特許文献 2および 3に記載されている。

[0004] 特許文献 1 :特許第 2712838号公報（WO93Z10935)

特許文献 2：特許第 3400409号公報

特許文献 3：特許第 3429475号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 接合ツールのピン部を被接合物に挿入したままで、被接合物の接合線に沿って移動させて連続的に接合する通常の FSW施工方法は、形状が複雑な被接合物には適用しにくい。なぜならば、被接合物が曲面形状を有していた場合、被接合物の接合線の全域にわたって裏当て部材を密着させるのは容易でない。被接合物中へのピン挿入深さを一定に保たつたまま接合ツールを移動させるのも難ヽ。小さな裏当て部材を用い、接合ツールの移動に合わせて裏当て部材を移動させていく方法も考えられるが、裏当て部材を被接合物に押し付けるための器具も一緒に移動させなければならないので、適用できる範囲が限られる。

[0006] FSWでスポット接合する方法は、金属結合される領域が接合ツールのピン部の近傍だけになり、金属結合される領域が小さぐ接合強度が低いという課題がある。

[0007] 本発明の目的は、複雑な形状の被接合物に対しても適用が容易であり、従来の FS Wスポット接合方法よりも金属結合領域を大きくでき、接合強度を高めることができるようにした摩擦攪拌スポット接合方法および接合装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明の摩擦攪拌スポット接合方法は、接合ツールを被接合物に押し付けた状態で接合ツールの回転軸を傾斜させ、接合ツールの被接合物への押し付け部を移動させること〖こある。

[0009] また、本発明の接合装置は、軸対称形状をした接合ツールと、前記接合ツールを軸周りに回転させる接合ツール回転装置と、前記接合ツールを回転軸方向に移動させる接合ツール駆動装置と、前記接合ツールの回転軸方向の一点を支点として前記接合ツールの回転軸を傾斜させる接合ツール回転軸変換装置とを備えたことにある発明の効果

[0010] 本発明の接合方法は、接合ツールを接合線に沿って連続的に移動することをしないので、接合ツールを連続的に移動する通常の FSW施工方法に比べて裏当て部材の押し付けが容易であり、曲面形状をした被接合物の接合に適する。また、従来のスポット接合に比べて、金属結合される領域を広くすることができ、接合強度を高めることができる。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]本発明の一実施例による接合装置の構造を示した概略図。

[図 2]接合ヘッドの下降に伴う接合ヘッドの動作を示した模式図。

[図 3]ピン部を有するタイプの接合ツールの外観を示す概略図。

[図 4]ピン部がないタイプの接合ツールの外観を示す概略図。 [図 5]ピン部を有する接合ツールを用いて従来の方法によりスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。

[図 6]本発明の比較例であり、ピン部のな 1、接合ツールを用いてスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。

[図 7]ピン部を有する接合ツールを用いて本発明の方法によりスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。

[図 8]ピン部がなヽ接合ツールを用いて本発明の方法によりスポット接合した被接合物の接合部と金属結合領域を示す断面模式図。

[図 9]金属結合している領域の面積をタイプ Aの値を基準にして指数で整理した結果を示す図。

[図 10]本発明の他の実施例による接合装置の構造を示した概略図。

符号の説明

[0012] 1· ··接合ツール、 2…接合ツール回転モータ、 3…フレーム、 4…被接合物、 5· ··ノヽンマ、 6…ストッノ、 7…ばね、 8· ··ガイド支柱、 9…接合ヘッド上下移動モータ、 10· ·· 被接合物押さえ、 11· ··ばね、 12· ··ベルト、 13· ··接合ヘッドスイング軸、 14· ··接合へッド、 15· ··接合ヘッドベースプレート、 16…ピン部、 17· ··金属結合領域、 18…エアシリンダ、 19· ··ロッド、 20· ··アーム、 21· ··被接合物支持具。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 本発明の実施形態について、図面を用いて詳しく述べる。なお、以下に示す本発明の接合装置は、ロボットアームに取り付けて使用することができる。

実施例 1

[0014] 図 1は本発明の一実施例による接合装置の構造を示した概略図である。接合装置の大きさは、高さが約 1000mm、幅が約 600mm、厚み（紙面に垂直な方向）が約 3 OOmmである。符号の 1は接合ツール、 2は接合ツール回転モータ、 3はフレーム、 4 は被接合物、 5はハンマ、 6はストッノ、 7はばね、 8はガイド支柱、 9は接合ヘッド上下移動モータ、 10は被接合物押さえ、 11はばね、 12はベルト、 13は接合ヘッドスィング軸、 14は接合ヘッド、 15は接合ヘッドベースプレート、 21は被接合物支持具である。 [0015] 接合ヘッド 14は接合ツール 1、接合ツール回転モータ 2、被接合物押さえ 10および接合ヘッドベースプレート 15等によって構成されており、ガイド支柱 8に沿って図示の上下方向すなわち接合ツール回転軸方向へ移動できるようになつている。接合へッド 14の接合ツール回転軸方向への移動は、接合ヘッド上下移動モータ 9の回転力がベルト 12を介して図示されていないボールねじに伝達され、ボールねじの回転に伴って接合ヘッド 14がガイド支柱 8に沿って上下移動することにより行われる。すなわち、本実施例の接合装置において、接合ツール駆動装置は、接合ヘッド上下移動モータ 9と、そのモータの回転力を図示しないボールねじに伝えるベルト 12と、前記ボールねじの回転にともなって移動する接合ヘッドを案内するガイド支柱 8とから構成されている。

[0016] 接合ヘッド 14は接合ヘッドスイング軸 13を支点にして接合ツール回転軸を図 1に示す矢印 22の方向へ傾斜できるように構成されている。但し、ばね 7が接合ツール回転モータ 2と接合ヘッドベースプレート 15を連結しており、外力が作用しなヽ限り接合ヘッド 14は回転運動しな!/、ようになって!/、る。

[0017] 被接合物押さえ 10の下端は接合ツール 1の下端よりも被接合物 4に近い距離に位置している。このため、被接合物押さえ 10の下端は接合ヘッド 14が下降した際に最初に被接合物 4に接触する。被接合物押さえ 10は、ばね 11を介して接合ヘッドべ一スプレート 15に取り付けられてヽるため、被接合物に被接合物押さえ 10が接触後、更に接合ヘッド 14が下降しても、被接合物押さえ 10はばねの伸縮により被接合物 4 に弾性接触した状態を保持する。これにより、被接合物押さえ 10は被接合物 4を傷付けることなぐ所定の力で被接合物 4を押さえるように作用する。

[0018] 図 2は接合ヘッドの下降に伴う接合ヘッドの動作を模式的に示した図である。接合ツール 1が被接合物 4に所定の深さまで押し込まれたときに、ハンマ 5の下端がストツノ^に接触する。この状態力も更に接合ヘッド 14が下降すると、接合ヘッド 14は接合ヘッドスイング軸 13を支点として回転運動し、接ツールの回転軸が被接合物 4に対して垂直の状態から、若干、傾斜した状態になる。その結果、接合ツール 1の先端部分は図 2の右図に点線で示してある状態力も実線で示した状態に移動する。接合ツールの先端部分の移動は、大まかには被接合物押さえ 10の被接合物 4への接触、接合ツール 1の被接合物 4中への押し込み、接合ヘッドスイング軸 13を支点とする接合ツール回転軸の傾斜、接合ツール先端部分のスイングという動作になる。本実施例では、接合ヘッドスイング軸 13と、ハンマ 5と、ストッパ 6によって接合ツール回転軸変換装置が構成されている。

[0019] このように、図 1の構造の接合装置によると、接合ヘッド 14の上下方向のみの駆動力で、接合ツール 1の被接合物 4への押し付けと、接合ツール 1の水平方向への移動の両方が行えることになる。なお、本発明の接合方法及び接合装置は、ピン部を有する接合ツールとピン部を有しな、接合ツールの、ずれを用いて実施しても良ヽ

[0020] 図 1に示す構造の接合装置を用いて接合実験を行った。表 1に実験条件を示す。

接合ツールはピン部があるものとないものとの 2種類とし、接合ツールを水平方向に移動しない場合と移動した場合の 2種類の組み合わせで合計 4種類の実験を行った

[0021] [表 1]

3 1

表 1のタイプ Aは従来技術による接合に相当する。タイプ Bは比較例であり、タイプ Cと Dは本発明の接合技術に相当する。タイプ Aと Cでは、図 3に示すように、先端にピン部 16を有する接合ツール 1を使用した。タイプ Aと Cの接合ツールの寸法は、径の大きい部分の直径力 ¾mm、ピン部 16の直径が 3mmである。タイプ Bと Dでは、図 4に示すようにピン部を有しな、接合ツール 1を使用した。接合ツールの径は 8mmである。なお、タイプ Cと Dにおいて、接合ツールの水平方向の移動距離は 3mmとなるように設定した。被接合物は厚み lmmのアルミニウム合金 (A6111- O材）とし、 2枚重ねられている。接合ツールの回転数は 3500rpmとし、接合ツールの被接合物への挿入速度は lOOmmZ分とした。

[0022] 図 5—図 8に接合後の被接合物の断面を観察したときの模式図を示す。断面観察により被接合物 4a、 4bが金属結合していると判定できる金属結合領域 17の大きさを求めた。金属結合領域 17の大きさをタイプ Aの値を基準に指数で整理した結果を図 9に示す。タイプ Aおよび Cのように、ピン部を有する接合ツールを使用した場合には、接合ツールを抜き取った後に穴が残るため、この部分が有効な接合領域とならず、金属結合領域 17は中空円盤状の形状となる。これに対し、タイプ Bおよび Dのように、ピン部のない接合ツールを使用した場合には、接合ツールを抜き取った後には穴が残らないため、金属結合領域 17は穴の無い円盤状の形状になる。

[0023] タイプ Aと Cを比較した場合、接合ツールの先端部分を被接合物 4a、 4bに対して水平方向に移動させて図 7のようにすることで金属結合領域 17は増加する。このように、金属結合領域 17が増加することにより、接合強度が増加する。ちなみに、図 5のタイブ Aは接合強度が 90kgf、図 7のタイプ Cは接合強度が 125kgfであった。

[0024] ピン部がない接合ツールを用いたタイプ Bとタイプ Dを比較した場合でも、図 6と図 8 を比較することにより明らかなように、接合ツールの先端部分をスイングさせた方が、金属結合領域 17の面積を大きくすることができ、接合強度を高めることができる。

[0025] なお、本実施例では、接合ツール回転モータ 2に、モータにスピンドルが一体構造物として組み込まれた、ビルトインモータなどと呼ばれているモータを使用して、接合ヘッド 14を小型化している力これ以外にインダクションモータ、サーボモータなどを用いてもよい。

実施例 2

[0026] 図 10は本発明による接合装置の他の実施例を示したものである。本実施例の接合装置は、接合ツール回転軸変換装置がエアシリンダ 18とロッド 19とアーム 20により構成され、接合ヘッドスイング軸 13を支点として回転し、接合ヘッドに取り付けられた接合ツールの先端部分が図 10の矢印 23で示す方向にスイングするように構成されている。これ以外の構成は図 1の接合装置と同様である。図 10に示す接合装置において、エアシリンダ 18によってロッド 19を伸縮させると、アーム 20が接合へッドスイング軸 13を支点として回転運動をする。このアームの回転運動に連動して、接合ヘッド 14が回転運動し、接合ツールの先端部分が移動する。本実施例の接合装置によれば、ロッド 19の移動方向、移動量により接合ヘッド 14の回転方向と回転角を任意に変更することが可能となる。接合ツールのスイングのタイミング及びスイング量はあら力じめプログラミングしておくことにより自動制御を行うことが可能である。なお、図 1の接合装置の場合には、被接合物中へ挿入されてヽる接合ツールが一方向にだけ移動可能であるが、図 10の接合装置の場合には接合ツールが左右の両方向へ移動可能であり、接合ツール先端部分の移動幅を大きくできるという効果がある。

[0027] 本実施例では、ロッド 19の移動はエアシリンダの圧縮空気を駆動力とした力ロッド 19の駆動力に油圧を使用してもよい。また、ロッド 19を、サーボモータを駆動力として移動させると、移動量を精密に制御できる。

[0028] 更に、図示していないが接合ヘッド 14の回転運動の方向を図 10の紙面に垂直な方向とすることで、接合部の寸法や形状に起因する制約に対し、順応性を増加させることが可能になる。

産業上の利用可能性

[0029] 本発明は、金属部材をスポット接合するのに適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 軸対称形状をした接合ツールを回転させながら、被接合物の接合しょうとする部分に押し付けて挿入し、摩擦熱で前記接合ツールの近傍の被接合物を加熱、軟化させて被接合物を接合部で一体化させるスポット接合方法にぉヽて、前記接合ツールを被接合物に挿入した状態で前記接合ツールの回転軸を傾斜させて前記接合ツールの先端部分を移動させることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合方法。

[2] 請求項 1に記載の接合方法において、前記接合ツールとして、先端に突出するピンを持たなヽ軸対称形状をした接合ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合方法。

[3] 請求項 1に記載の接合方法において、前記接合ツールとして、先端に突出するピンを有する軸対称形状をした接合ツールを用いることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合方法。

[4] 請求項 1に記載の接合方法にぉ、て、複数の金属部材を積み重ねた被接合物の上方から前記接合ツールを押し込み、前記接合ツールを被接合物に挿入した状態で前記接合ツールの回転軸を傾斜させて前記接合ツールの先端部分を前記被接合物に対して水平方向へ移動させることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合方法。

[5] 請求項 1に記載の接合方法にぉ、て、前記接合ツールをその回転軸方向の一点を支点として回転軸を傾斜させることにより、前記接合ツールの先端部分を移動させることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合方法。

[6] 軸対称形状をした接合ツールを回転させながら、被接合物の接合しょうとする部分に押し込み、摩擦熱で前記接合ツールの近傍の被接合物を加熱、軟化させて被接合物を接合部で一体化させる摩擦攪拌スポット接合装置にぉヽて、前記接合ツールをその回転軸方向に移動させるための接合ツール駆動装置と、前記接合ツールの回転軸を傾斜させる接合ツール回転軸変換装置とを備えたことを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

[7] 請求項 6に記載の接合装置において、前記接合ツール駆動装置が、前記接合ツールを保持する接合ヘッドを前記接合ツールの回転軸方向へ移動する接合ヘッド上下移動モータと、そのモータの回転力をボールねじに伝えるベルトと、前記ボールねじの回転にともなって移動する前記接合ヘッドを案内するガイド支柱とを具備することを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

[8] 請求項 6に記載の接合装置において、前記接合ツール回転軸変換装置が、前記接合ツールの回転軸方向の一点を支点とする接合ヘッドヘッドスイング軸に一端が連結されたハンマと、前記接合ヘッドが下降してきたときに前記ハンマの他端が衝突するストツバとを具備し、前記ハンマが前記ストツバに衝突した状態から前記接合へッドが更に下降したときに前記接合ヘッドスイング軸を支点として前記接合ヘッドに保持された接合ツールの先端部分がスイングするように構成されてヽることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

[9] 請求項 6に記載の接合装置において、前記接合ツール回転軸変換装置が、エアシリンダと、前記エアシリンダによって伸縮移動するロッドと、一端が前記ロッドに取り付けられ他端が前記接合ツールの回転軸方向の一点を支点とする接合ヘッドスイング軸に連結されているアームとを具備し、前記ロッドの移動に伴って前記接合ヘッドに保持された接合ツールの回転軸が前記接合ヘッドスイング軸を支点として傾斜するように構成されて、ることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

[10] 請求項 6に記載の接合装置がロボットアームの先端に取り付けられている摩擦攪拌スポット接合装置。

[11] 軸対象形状をした接合ツールと、前記接合ツールが保持されるとともに前記接合ッールをその軸周りに回転させる接合ツール回転装置を備えた接合ヘッドと、前記接合ヘッドを前記接合ツールの回転軸方向へ移動させる接合ヘッド駆動装置とを備えた摩擦攪拌スポット接合装置にお!、て、前記接合ツールの回転軸方向の一点を支点として前記接合ツールの回転軸を傾斜させる接合ツール回転軸変換装置を備えたことを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

[12] 請求項 11に記載の接合装置にぉ、て、前記接合ヘッドがガイド支柱によって前記接合ツールの回転軸方向へ移動可能に構成され、前記ガイド支柱に前記接合ツールが被接合物へ所定の深さまで押し込まれたことをキャッチするストツバが設けられ、前記接合ヘッドが前記ストツバに接触した状態カゝら更に被接合物中へ押し込まれたときに前記接合ツールの回転軸方向の一点を支点として前記接合ヘッドの先端部分がスイングするように構成されてヽることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

[13] 請求項 11に記載の接合装置において、前記接合ツールの回転軸方向の一点を支点とする接合ヘッドスイング軸に一端が連結されて、るアームと、前記アームの他端に一端が連結されたロッドと、前記ロッドを伸縮移動するシリンダを備え、前記シリンダにより前記アームを移動させることにより、前記接合ツールを保持する前記接合へッドが前記接合ヘッドスイング軸を支点として回転し前記接合ツールの回転軸が傾斜するように構成されてヽることを特徴とする摩擦攪拌スポット接合装置。

[14] 請求項 11に記載の接合装置がロボットアームの先端に取り付けられて、る摩擦攪拌スポット接合装置。