JP2005211971A

JP2005211971A - 摩擦撹拌接合装置

Info

Publication number: JP2005211971A
Application number: JP2004024438A
Authority: JP
Inventors: Hayamizu Nakagawa; 速水中川
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】本発明は、被溶接部材の強度低下を防ぐことができる摩擦撹拌接合装置を提供する。
【解決手段】摩擦撹拌接合装置１０は、第１，２被溶接部材１１，１２に押圧されて回転する接合ツール５０を備えている。接合ツール５０は、接合ツール回転機構６０によって回転駆動されるツール本体５１と、ツール本体５１の内部にその軸線方向に移動可能に挿通された内側部材５２とを備えている。内側部材５２は、ツール本体５１の第１被溶接部材１１と対向する先端面５１ａから第１，２被溶接部材１１，１２に向かって突出する第１の方向Ａに移動可能で、かつ第１の方向Ａとは反対の第２の方向Ｂに移動可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば２枚の金属板同士を互いに結合する作業等に用いる摩擦撹拌接合装置に関する。

アルミニウムなどの熱伝導性がよい金属からなる被溶接部材同士を溶接する場合、抵抗発熱によって被溶接部材を溶融させて接合する抵抗溶接では、エネルギーを多く必要とする。このため、少ないエネルギーで熱伝導性がよい被溶接部材同士を溶接する装置として、摩擦熱を利用して部材同士を接合するスポット接合装置（摩擦撹拌接合装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このスポット接合装置は、複数重ねられた被接合部材（被溶接部材）に押圧された状態で回転し、被接合部材との間で摩擦熱を生じる接合ツールを備えている。接合ツールは、ショルダー部（ツール本体）と、ショルダー部の先端に突出するピン部を一体に有する形状である。

ピン部は、被溶接部材との間の回転する摩擦部の圧力を高め、高い摩擦熱を得るために設けられており、摩擦熱で被溶接部材が溶融したときに、該溶融金属内に挿入される。被接合部材同士は、前記ピン部の回転によって生じる摩擦熱によってピン部付近が溶融されるとともに、溶融金属が流動したのち固化することにより互いに一体化して接合される。
特開２００１−３１４９８２号公報

しかし、前記のスポット接合装置では、接合後にピン部を被接合部材から引き抜くと、被接合部材のナゲットには、それまでピンが嵌入していた凹部が残ってしまう。この凹部の低部の肉厚は、周囲に比べて薄くなる。それゆえ、凹部は、被溶接部材に加わる荷重が大きいときなどに亀裂などの欠陥が生じる原因になり、溶接後の被接合部材の強度が低下するおそれがある。

したがって、本発明の目的は、被溶接部材の強度低下を防ぐことができる摩擦撹拌接合装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の接合ツールは、駆動手段によって回転駆動されるツール本体と、該ツール本体の内部にその軸線方向に移動可能に挿通される内側部材とを備えている。内側部材は、ツール本体の被溶接部材と対向する先端面から被溶接部材に向かって突出する第１の方向と該第１の方向とは反対の第２の方向に移動可能である。

前記内側部材は、回転しながら被溶接部材に挿入されて被溶接部材を溶融させた後に、ツール本体の先端面が溶融金属に接したまま内側部材が被溶接部材から離れる第２の方向に移動する。このとき、ツール本体は、被溶接部材に当接されて回転している状態が維持されている。このため、被溶接部材中の溶融金属は、ツール本端との摩擦熱によって溶融状態が維持されるので内側部材が退避した跡には、溶融金属の一部が流入する。

この発明の好ましい形態では、前記内側部材は、ツール本体の先端面と略面一になる位置まで移動可能である。この構成によれば、内側部材が被溶接部材を撹拌した後にツール本体と面一になるまで移動することにより、被溶接部材に形成されるナゲットは、ツール本体と内側部材とによって略平坦に均される。

請求項１に記載した発明によれば、被溶接部材に形成されるナゲットに、内側部材が嵌入していたことによる凹部の形成が抑えられるので、溶接された後の被溶接部材の強度が低下することが抑制される。

請求項２に記載した発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、より一層強度低下を防いで被溶接部材同士を接合することができる。

本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置について、図１から図６を参照して説明する。摩擦撹拌接合装置１０は、複数の被溶接部材、例えば第１被溶接部材１１と第２被溶接部材１２とを接合する装置である。第１，２被溶接部材１１，１２は、それぞれ例えば熱伝導性が良いアルミニウム合金から成形されている。

摩擦撹拌接合装置１０は、フレーム２０と、フレーム２０に対して例えば上下方向に移動可能な移動部３０と、移動部３０を移動可能とする移動機構４０とを備えている。

フレーム２０は、図１に示すように、例えば床面２１などに固定される基部２２と、基部２２の上端部に設けられて移動機構４０を収容する収容部２３とを備えている。基部２２は、例えば略Ｌ字形状であって、その先端に第１，２被溶接部材１１，１２が上下方向に重ねられて固定される受け部２４が設けられている。この明細書では、被溶接部材のうち、上側に配置される部材を第１被溶接部材１１と呼び、下側に配置される部材を第２被溶接部材１２と呼ぶ。収容部２３の縦壁２３ａには、水平方向に貫通する孔２３ｂが形成されている。

移動部３０は、例えば収容部２３の縦壁２３ａに沿って上下方向に移動可能に係合されている。また、移動部３０は、収容部２３の孔２３ｂから収容部２３の内部に突出する突出部３１を有している。なお、孔２３ｂは、移動部３０の突出部３１よりも上下方向に大きく形成されており、突出部３１は、孔２３ｂ内で上下方向に移動可能である。

移動機構４０は、例えばボールねじ４１と、ボールねじ４１を回転させる第１モータ４２とを備えている。ボールねじ４１のねじ軸４３は、収容部２３の内部で上下方向に組み付けられている。ボールねじ４１のナット４１ａは、移動部３０の突出部３１の先端に組み付けられており、ねじ軸４３に螺合している。

ねじ軸４３の上端部には、例えばプーリ４３ａが取り付けられている。第１モータ４２の回転軸４２ａの上端には、例えばプーリ４２ｂが取り付けられている。プーリ４３ａとプーリ４２ｂとは、ベルト４４を介して連結されている。これにより、第１モータ４２の回転がベルト４４を介してねじ軸４３に伝達されるようになっている。これにより、移動部３０は、第１モータ４２が回転することにより、ガイド３０ａに沿って上下方向に移動可能となる。

また、摩擦撹拌接合装置１０は、接合ツール５０と、接合ツール回転機構６０と、移動機構７０などを備えている。接合ツール５０は、第１，２被溶接部材１１，１２に押圧された状態で回転し、第１，２被溶接部材１１，１２との間で摩擦熱を発生する部位であって、ツール本体５１と内側部材５２とを備えている。ツール本体５１と内側部材５２とは、それぞれ第１，２被溶接部材１１，１２よりも融点が高い素材で形成されており、例えば鉄を主体とする金属で形成されている。

ツール本体５１は、例えば上下方向に延びる略円筒形状であって、その下端が第１被溶接部材１１の上面１１ａと対向するように、かつ軸線が上下方向に沿うように、転がり軸受５３を介して移動部３０に固定されている。すなわち、ツール本体５１は、その軸線回りに回転自由に移動部３０に固定されている。

ツール本体５１は、第１被溶接部材１１と対向する先端面５１ａが移動部３０の下面３２よりも下方に突出して固定されている。ツール本体５１の内周面５１ｂには、図２に示すように、軸線方向に沿って複数の歯溝（スプライン溝）５４が形成されている。

内側部材５２は、図２に示すように、例えば上下方向に延びてツール本体５１の内周孔に挿通される円柱形状であって、側面５２ａにツール本体５１の歯溝５４と係合する複数の歯溝（スプライン溝）５５が形成されるスプライン軸である。すなわち、内側部材５２は、スプライン結合によってツール本体５１と係合しており、ツール本体５１に対して軸線方向に沿って相対的に移動可能であるとともに、ツール本体５１と一体に回転することができる。

つまり、内側部材５２は、ツール本体５１の先端面５１ａに対して、第１，２被溶接部材１１，１２に向かう第１の方向であるＡと、第１の方向とは反対の第２の方向であるＢに移動可能である。また、内側部材５２は、図１に示すように、ツール本体５１の上端よりもさらに上方に延びている。

ツール本体５１と内側部材５２のそれぞれの歯溝５４，５５について詳しく説明すると、図２に示すように、内側部材５２の第１被溶接部材１１と対向する先端面５２ｂから歯溝５５の下端５５ａまでの距離は、所定距離Ｌ１である。この所定距離Ｌ１は、少なくとも内側部材５２がツール本体５１の先端面５１ａから突出する長さよりも長く形成されている。

ツール本体５１の先端面５１ａから歯溝５４の下端５４ａまでの距離Ｌ２は、少なくともＬ１よりも長く形成されている。これにより、内側部材５２は、先端面５２ｂがツール本体５１の先端面５１ａと面一なる位置まで移動することができる。

接合ツール回転機構６０は、ツール本体５１を軸回りに回転させる機能を有している。このツール回転機構６０は、図１に示すように、例えば第２モータ６１とベルト６２とプーリ６３，６４などを備えている。第２モータ６１は、移動部３０において例えば接合ツール５０の近傍に固定されている。プーリ６４は、例えばツール本体５１の上端部に固定されている。プーリ６３は、第２モータ６１の回転軸６１ａに固定されている。プーリ６４とプーリ６３とは、ベルト６２を介して連結されている。これにより、第２モータ６１の回転がツール本体５１に伝わるようになっている。

移動機構７０は、ツール本体５１に対して内側部材５２を上下方向に移動する機能を有している。この移動機構７０は、例えばボールねじ７１と、ボールねじ７１のねじ軸７２を回転させる第３モータ７３などを備えている。

第３モータ７３は、例えば、第３モータ７３の回転軸７３ａが内側部材５２の軸線と略平行になるように移動部３０の上部に固定されている。ねじ軸７２の上端は、第３モータ７３の回転軸７３ａの下端に固定されている。これにより、第３モータ７３の回転がねじ軸７２に伝えられる。

ボールねじ７１のナット７１ａは、例えば内側部材５２の上端とねじ軸７２とを連結する接合部７４の内部に組み込まれており、ねじ軸７２に螺合している。また、接合部７４の内部には、例えば転がり軸受が組み込まれている。この転がり軸受に内側部材５２の上端が取り付けられている。これにより、接合部７４が、内側部材５２と一体に回転することがなくなり、第３モータ７３が稼働することによって内側部材５２は、上下方向に移動する。

次に摩擦撹拌接合装置１０の動作の一例を説明する。接合ツール５０の初期状態（摩擦撹拌接合の開始時）においては、図３に示すように、例えば、内側部材５２がツール本体５１の先端面５１ａから突出している。

まず、第１，２被溶接部材１１，１２が上下方向に重ねられて受け部２４に固定される。なお、ツール本体５１の先端面５１ａから内側部材５２の先端面５２ｂまでの距離Ｌ３は、例えば第１，２被溶接部材１１，１２の厚みＬ４よりも小さく設定される。

ついで、第２モータ６１が稼働されて接合ツール５０が回転するとともに、第１モータ４２が稼働されて移動部３０が下方（矢印Ａで示す方向）に移動する。このため、まず、内側部材５２が第１被溶接部材１１に当接する。これにより、内側部材５２と第１被溶接部材１１との摩擦により、内側部材５２の周囲の第１被溶接部材１１が溶融する。

さらに移動部３０が矢印Ａ方向に移動すると、内側部材５２は、摩擦熱によって第１，２被溶接部材１１，１２を溶融しながら第１，２被溶接部材１１，１２の内部に挿入される。図４に示すように、ツール本体５１の先端面５１ａが第１被溶接部材１１と当接すると、第１モータ４２の稼働が停止されて、移動部３０のＡ方向への移動が停止される。なお、ツール本体５１の先端面５１ａは、第１被溶接部材１１中に若干めり込んでもよい。

この間も内側部材５２およびツール本体５１は、回転状態が維持されているため、内側部材５２の周囲の溶融金属１３は、内側部材５２によって撹拌される。また、第１，２被溶接部材１１，１２は、ツール本体５１の先端面５１ａとの摩擦によっても溶融する。

ツール本体５１の先端面５１ａが第１被溶接部材１１と当接して所定時間が経過すると、第３モータ７３が稼働されて、図５に示すように、内側部材５２が上方（矢印Ｂで示す第２の方向）に移動される。このとき、ツール本体５１は、第１被溶接部材１１に当接して回転状態が維持されるので、第１，２被溶接部材１１，１２の内部の溶融金属１３は、摩擦熱によって溶融状態が維持されている。このため、第１，２被溶接部材１１，１２の内部において、内側部材５２が移動した跡には、溶融金属１３が流れ込む。

なお、ツール本体５１の先端面５１ａが第１被溶接部材１１と当接してから第３モータ７３が稼働されるまでの所定時間は、第１，２被溶接部材１１，１２の内部で溶融金属１３が充分に塑性流動された時間に基づいて設定される。

ついで、図６に示すように、内側部材５２の先端面５２ｂがツール本体５１の先端面５１ａと略面一になると第３モータ７３の稼働が停止される。これにより、溶融金属１３の表面１３ａは、ツール本体５１と内側部材５２との両先端面５１ａ，５２ｂとによって略平らに均される。

ついで、所定時間が経過すると第１モータ４２が稼働され、移動部３０が上方に移動する。このとき、第１，２被溶接部材１１，１２の溶融金属１３は、接合ツール５０と接触しなくなるので冷えて固まる。これにより、第１，２被溶接部材１１，１２は互いに接合される。なお、ツール本体５１と内側部材５２との両先端面５１ａ，５２ｂが略面一になってから第１モータ４２が稼働されるまでの所定時間は、溶融金属１３の表面１３ａが充分均されるのに必要な時間に基づいて設定されている。

このように構成された摩擦撹拌接合装置１０では、接合ツール５０は、第１，２被溶接部材１１，１２を溶融して撹拌した後、まず内側部材５２だけがツール本体５１に対して相対的に第２の方向Ｂに移動する。このとき、第１，２被溶接部材１１，１２の溶融金属１３は、ツール本体５１との摩擦熱により溶融状態が保たれるので、溶融金属１３は、内側部材５２の移動跡に流入する。

すなわち、第１，２被溶接部材１１，１２に形成されるナゲットに、内側部材５２が嵌入していたことによる凹部が形成されることが抑えられるので、接合された後の第１，２被溶接部材１１，１２の強度低下が抑えられる。

また、内側部材５２が、その先端面５２ｂとツール本体５１の先端面５１ａとが面一になるまで移動することにより、溶融金属１３の表面１３ａがツール本体５１および内側部材５２の両先端面５１ａ，５２ｂによって略平らに均される。それゆえ、摩擦撹拌接合装置１０は、より一層強度低下を防いで第１，２被溶接部材１１，１２を接合することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１０について図７を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図７は、ツール本体５１と内側部材５２との係合状態を示している。内側部材５２にキー８０が設けられている。ツール本体５１の内周面５１ｂには、キー８０と係合するキー溝８１がツール本体５１の軸線方向に沿って形成されている。キー８０は、内側部材５２の側面５２ａに形成されたキー溝８２に係合している。ツール本体５１と内側部材５２とは、キー８０を用いて係合されている。内側部材５２の先端面５２ｂからキー溝８２の下端８２ａまでの距離Ｌ５は、内側部材５２の突出長さＬ３（図３に示す）よりも長く形成されている。

このように構成された第２の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１０は、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。なお、第１，２の実施形態では、被溶接部材として、第１被溶接部材１１と第２被溶接部材１２とを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば３つの被溶接部材を溶接することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る摩擦撹拌装置の一部を切り欠いて示す正面図。図１に示されたツール本体と内側部材との係合を示す斜視図。図１に示されたツール本体が第１被溶接部材を撹拌している様子を示す断面図。図１に示されたツール本体が第１被溶接部材と第２被溶接部材とを撹拌している様子を示す断面図。図１に示された内側部材が被溶接部材から離れる方向に移動する様子を示す断面図。図１に示された内側部材の先端面がツール本体の先端面と面一になるまで移動した状態を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係るツール本体と内側部材の一部を示す斜視図。

符号の説明

１０…摩擦撹拌接合装置、１１…第１被溶接部材（被溶接部材）、１２…第２被溶接部材（被溶接部材）、５０…接合ツール、５１…ツール本体、５１ａ…先端面、５２…内側部材、Ａ…第１の方向、Ｂ…第２の方向。

Claims

被溶接部材に押圧されて回転する接合ツールを備える摩擦撹拌接合装置であって、
前記接合ツールは、
駆動手段によって回転駆動されるツール本体と、
該ツール本体の内部にその軸線方向に移動可能に挿通され、かつ前記ツール本体の前記被溶接部材と対向する先端面から前記被溶接部材に向かって突出する第１の方向と該第１の方向とは反対の第２の方向に移動可能な内側部材と
を具備したことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
前記内側部材は、前記ツール本体の前記先端面と略面一になる位置まで移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合装置。