JP2013086137A

JP2013086137A - 摩擦撹拌接合装置

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Publication number: JP2013086137A
Application number: JP2011229577A
Authority: JP
Inventors: Yoshikuni Kato; 慶訓加藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-05-13
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: CN103056509B; US9079270B2; US20130098526A1; CN103056509A; JP5536007B2

Abstract

【課題】コストアップを抑制し、破損の防止を図りながらワークの押圧が可能な摩擦撹拌接合装置を提供する。
【解決手段】工具保持部１２と、工具保持部１２に保持された工具１１による接合方向の前方に設けられ、被接合部材Ｗ１の接合箇所表面を押圧する押圧手段１３とを備え、押圧手段１３は、被接合部材Ｗに向けて荷重を与える荷重付与部３０と、荷重付与部３０と工具保持部１２に保持された工具１１との間に設けられて被接合部材Ｗ１における上記接合箇所表面に当接する第一ローラ３３と、荷重付与部３０に対して第一ローラ３３と反対側に設けられて被接合部材Ｗの表面に当接する第二ローラ３４と、荷重付与部３０に取り付けられて、第一ローラ３３及び第二ローラ３４を支持する支持部３２とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークに対して摩擦撹拌接合を行なう摩擦撹拌接合装置に関するものである。

二つの部材からなるワークを接合する方法の一つとして摩擦撹拌接合が知れられている。摩擦撹拌接合とは、ワークの接合箇所に、工具のショルダ面と呼ばれる面で所定の加圧力で加圧した状態で該工具を回転させることにより、ワーク表面に摩擦熱を生じさせ、この摩擦熱によってワークを軟化させて接合させるものである。

このような摩擦撹拌接合においては、ワークが成形時に変形してしまうことや、摩擦撹拌接合中の熱変形等によって、ワークである被接合部材同士の突き合わせ部の上面に段差、即ち目違いが生じることがある。そして、この目違いが発生した状態で摩擦撹拌接合を実行した場合、接合部にトンネル状空洞や溝等の接合不良が発生し、接合強度が低下してしまうおそれがある。ここで例えば特許文献１には、このような接合不良の発生を防止する手法が開示されている。

特許文献１の摩擦撹拌接合装置では、回転ツールの前進方向延長上において、二つの被接合部材の端部上面を加圧ローラによって加圧しながら、被接合部材同士の段差である目違いを所定の範囲内に入るようにした状態にして摩擦撹拌接合を行なっている。そしてこの加圧ローラは、加圧部を回転ツールになるべく近接させるように、この加圧ローラを支持する押付け軸が上下方向の中途位置から屈曲して形成されている。

特開２０００−２０２６４５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている手法では、加圧ローラの押付け軸が屈曲していることによって、強い加圧力を作用させると、この荷重付与部に大きなモーメントが生じることとなり、破損のおそれがあった。また、破損を防止するために高剛性の材料を上記押付け軸に用いた場合には、大幅なコストアップとなってしまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、コストを抑えて破損の防止を図りながら、目違いの抑制が可能な摩擦撹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、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る摩擦撹拌接合装置は、工具保持部と、前記工具保持部に保持された工具による接合方向の前方に設けられ、ワークの接合箇所表面を押圧する押圧手段とを備え、前記押圧手段は、前記ワークに向けて荷重を与える荷重付与部と、前記荷重付与部と前記工具保持部に保持された工具との間に設けられて前記ワークにおける前記接合箇所表面に当接する第一の当接部と、前記荷重付与部に対して前記第一の当接部と反対側に設けられて前記ワークの表面に当接する第二の当接部と、前記荷重付与部に取り付けられて、前記第一の当接部及び前記第二の当接部を支持する支持部とを備えることを特徴とする。

このような摩擦撹拌接合装置においては、ワークの押圧の際に、第一の当接部及び第二の当接部から荷重付与部にモーメントが作用するが、第一の当接部と第二の当接部とが荷重付与部を中心に対向して設けられているため、第一の当接部及び第二の当接部それぞれに発生するモーメントが互いに打ち消しあう。従って、荷重付与部がワークに対して大きな押圧力を付与した場合であっても、荷重付与部の破損を防止でき、押圧手段の第一の当接部が工具による接合方向の前方において工具に隣接して、確実にワークの接合箇所表面を押圧可能となる。

また、前記支持部は、前記接合方向に直交する軸回りに回転可能に、前記荷重付与部に取り付けられていてもよい。

支持部が回転可能とされていることで、ワークの表面に凹凸がある場合に、この凹凸に対して支持部が追従して動くことが可能となり、確実に接合箇所表面を押圧することができる。

さらに、前記第一の当接部及び前記第二の当接部が、前記接合方向に直交する回転軸回りに回転可能に前記支持部に支持されて、前記回転軸に沿う方向に外周面が径方向外側に張り出すように形成された凸曲面をなすローラであってもよい。

このようなローラによって、回転軸に沿う方向にワークが傾斜する場合でも、ローラがワークに肩当りすることを防止でき、ワークの傷付きを防止しながら、確実に押圧が可能となる。

また、前記押圧手段を冷却する第一冷却手段をさらに備えていてもよい。

第一冷却手段によって、接合にともなって発生する熱の影響で押圧手段の損傷を防止でき、より確実に押圧しながら接合可能となる。

さらに、前記第一冷却手段が、前記押圧手段のうちの前記第一の当接部を冷却してもよい。

第一の当接部は、押圧手段のうち工具から最も近い位置に配置されるため、熱の影響を受け易いが、第一の当接部を冷却することによって押圧手段の冷却をより効果的に行なうことができる。

また、前記工具保持部に保持された工具に対して前記接合方向の後方となる位置で、前記接合箇所表面を冷却する第二冷却手段をさらに備えていてもよい。

第二冷却手段によって、接合後に速やかに接合箇所の熱除去が可能となる。

さらに、前記工具保持部に保持された工具の接合方向後方に設けられ、前記ワークの前記接合箇所表面を押圧する補助押圧手段をさらに備えていてもよい。

このような補助押圧手段によって、工具の接合方向後方においてもワークを押圧可能となり、さらに確実にワークを押圧した状態で接合を行なうことができる。

また、前記第一の当接部と前記工具保持部に保持された工具との間における前記ワークを構成する被接合部材同士の目違いを検出する目違い検出手段をさらに備えていてもよい。

このような目違い検出手段によって、被接合部材同士の間に発生する目違いを検出できるため、この目違いによって押圧手段の押圧力を変化させ、目違いを抑制しながら接合を行なうことができ、さらなる接合強度向上を図ることができる。

本発明の摩擦撹拌接合装置によれば、第一の当接部と第二の当接部とによって、押圧手段のコスト抑制と破損防止を達成しながらワークが押圧され、目違いの抑制が可能となる。

本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の全体構成を示す側面図である。本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の押圧手段を上方から見た図であって、図１の矢視Ａを示すものである。本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置の補助押圧手段を接合方向から見た図であって、図１の矢視Ｂを示すものである。

以下、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合装置１について説明する。
摩擦撹拌接合装置１は、ワークＷを摩擦撹拌接合によって接合する装置である。以下では、板状をなす一対の被接合部材Ｗ１からなるワークＷにおいて、被接合部材Ｗ１の接合端面同士を突き合わせ、一対の被接合部材Ｗ１を裏当て１９に載置した状態で、上方から摩擦撹拌接合装置１によって接合する例について説明する。

図１に示すように摩擦撹拌接合装置１は、接合を行なうための工具１１を保持する工具保持部１２と、被接合部材Ｗ１を押圧する押圧手段１３及び補助押圧手段１４と、押圧手段１３を冷却する第一冷却手段１５と、接合箇所を冷却する第二冷却手段１６とを備えている。

なお以下では、接合が進行する方向を接合方向とし、この接合方向に直交するワークＷの表面に沿う方向を直交方向とし、また、工具１１が挿入される方向を高さ方向とする。

工具１１は、軸線Ｐを中心として形成されて互いに一体をなすショルダ部２０及びピン２１を有している。
ショルダ部２０は、軸線Ｐを中心とした円柱状をなしており、このショルダ部２０の下端面は、ワークＷの表面側に配置されてこの表面を押圧するショルダ面２０ａとされている。
ピン２１は、外形がショルダよりも小さく形成されるとともにショルダ面２０ａの中央から高さ方向下方に向かって突出する円柱状をなし、摩擦撹拌接合時にワークＷ内に挿入される。

工具保持部１２は、軸線Ｐを中心とする円柱状をなしており、工具１１の上端部においてショルダ部２０を軸線Ｐの径方向外側から挟み込むようにして工具１１を保持している。

またこの工具保持部１２は、上端部が加工機本体１０の下端部に固定されており、加工機本体１０の移動にともなって、工具保持部１２及び工具１１が高さ方向、接合方向、及び直交方向へ移動可能とされている。さらに加工機本体１０における不図示の主軸の回転にともなって、これら工具保持部１２及び工具１１は軸線Ｐ中心に回転可能とされている。

押圧手段１３は、工具保持部１２に保持された工具１１の接合方向前方に設けられ、被接合部材Ｗ１同士が接合される接合箇所を押圧するものである。
そして、この押圧手段１３は、加工機本体１０に取り付けられる押圧手段本体２９と、押圧手段本体２９内に配置される荷重付与部３０と、荷重付与部３０の下端部に接続される支持部３２と、支持部３２において接合方向前後の端部に設けられる第一ローラ（第一の当接部）３３及び第二ローラ（第二の当接部）３４とを有している。

押圧手段本体２９は、加工機本体１０の接合方向前方側に接続される部材であり、内部には被接合部材Ｗ１に荷重を付与する荷重付与部３０が配置されている。また、この押圧手段本体２９の高さ方向下方からは、荷重付与部３０の一部が突出している。

荷重付与部３０は、押圧手段本体２９内に配置され、押圧手段本体２９の内部に収容されるバネ部材３５と、このバネ部材３５の押し込み量を調節可能なモーター３６と、バネ部材３５の下端に接続される連結部３１とを有している。

連結部３１は、高さ方向に延在する部材であり、上端部はバネ部材３５に接続されてモーター３６によって高さ方向に移動可能とされている。またこの連結部３１は、押圧手段本体２９から高さ方向下方に突出しており、下端部には、直交方向を延在方向とする支持部回転軸３７が設けられ、この支持部回転軸３７を介して支持部３２と接続されている。

支持部３２は、荷重付与部３０の連結部３１を挟んで接合方向前後対称に延在して設けられる直方体形状をなす部材である。またこの支持部３２は、接合方向の中央部で上記支持部回転軸（軸）３７によって連結部３１と接続されており、この支持部回転軸３７を中心に回転可能とされている。

図２に示すように、第一ローラ３３は、支持部３２の接合方向後方側の端部に、工具１１に隣接する位置に設けられ、直交方向を延在方向とする第一ローラ回転軸（回転軸）３８及び不図示の軸受によってこの第一ローラ回転軸３８を中心に回転可能とされているローラ部材である。そしてこの第一ローラ３３の外周面は、直交方向である第一ローラ回転軸３８の延在方向に沿って、第一ローラ回転軸３８の径方向外側に向かって張り出しており、延在方向中央部において最も外径が大きくなる凸曲面をなすクラウンロールとされている。

第二ローラ３４は、第一ローラ３３とは荷重付与部３０を挟んで接合方向の反対側の端部である支持部３２の接合方向前方側の端部に設けられており、第二ローラ回転軸（回転軸）３９及び不図示の軸受によって、この第二ローラ回転軸３９を中心に回転可能とされ、第一ローラ３３同様に、延在方向中央部において最も外径が大きくなる凸曲面をなすクラウンロールとされている。

また、これら第一ローラ３３及び第二ローラ３４は、被接合部材Ｗ１の表面に当接するように配置されており、荷重付与部３０のモーター３６及びバネ部材３５によって、連結部３１及び支持部３２を介して被接合部材Ｗ１への押圧力を変更可能とされている。

補助押圧手段１４は、工具１１の接合方向後方に設けられ、接合箇所を押圧するものである。
そして、この補助押圧手段１４は、加工機本体１０に接続される補助押圧手段本体４０と、補助押圧手段本体４０から高さ方向下方に突出して設けられる支持部４１と、支持部４１の下端部に設けられる補助ローラ４２とを有している。

補助押圧手段本体４０は、加工機本体１０において接合方向後方側に接続される部材である。

支持部４１は、補助押圧手段本体４０の高さ方向下方に突出して設けられ、高さ方向に延在する部材であり、その下端部には、直交方向を延在方向とする補助ローラ回転軸４３が設けられており、この補助ローラ回転軸４３を介して補助ローラ４２と接続されている。

図３に示すように、補助ローラ４２は、支持部４１の下端部において、補助ローラ回転軸４３及び不図示の軸受によってこの補助ローラ回転軸４３を中心に回転可能に接続されるローラ部材であり、被接合部材Ｗ１の表面に当接するように配置されている。そしてこの補助ローラ４２には、直交方向である補助ローラ回転軸４３の延在方向の中央部付近において、補助ローラ回転軸４３の延在方向に沿って、径方向外側から内側に向かって凹む切欠き部４４が設けられており、即ち、接合箇所を踏まないような断面Ｈ状をなしている。

第一冷却手段１５は、工具保持部１２と押圧手段本体２９との間に配されて、加工機本体１０の下面より突出して設けられる噴出口４５を有している。この噴出口４５の先端は、第一ローラ回転軸３８及び第二ローラ回転軸３９と、各々の上記軸受とへ向かっており、図示しない冷却手段本体より送り込まれた冷却空気ＷＡが、第一ローラ回転軸３８及び第二ローラ回転軸３９と上記各々の軸受とに、噴出可能となるように配置されている。

第二冷却手段１６についても同様に、工具保持部１２と補助押圧手段本体４０との間に配されて、加工機本体１０の下面より突出して設けられる噴出口４６を有している。そしてこの噴出口４６の先端は、工具１１に対して接合方向後方において被接合部材Ｗ１の表面の接合箇所へ、図示しない冷却手段本体より送り込まれた冷却空気ＷＡが噴出可能となるように配置されている。

このような摩擦撹拌接合装置１においては、工具１１が被接合部材Ｗ１同士の接合箇所に押し付けられ、回転しながら接合方向前方に向かって移動する。この際、押圧手段１３によって接合方向の前方の接合箇所表面が押圧されながら、被接合部材Ｗ１同士が接合される。従って、被接合部材Ｗ１同士の目違いを抑制でき、接合箇所において接合不良の発生を防止が可能となり、接合強度向上を図ることができる。

また、押圧手段１３においては、第一ローラ３３と第二ローラ３４とが被接合部材Ｗ１に当接して被接合部材Ｗ１の押圧を行なう。この際、第一ローラ３３が被接合部材Ｗ１から受ける反力によって、連結部３１には図１の紙面上において反時計回りのモーメントが作用する。一方、第二ローラ３４は被接合部材Ｗ１から受ける反力によって、連結部３１には図１の紙面上において時計回りのモーメントが作用する。

ここで、これら第一ローラ３３と第二ローラ３４とは、連結部３１を中心に対向して設けられているため、上述の荷重付与部３０に作用するモーメントは互いに打ち消し合い、連結部３１へ作用するモーメントの影響を回避できる。

また、支持部３２は、支持部回転軸３７によって回転可能に連結部３１に接続されているため、被接合部材Ｗ１の表面の凸凹に追従することが可能となり、より確実に被接合部材Ｗ１の表面を押圧することができる。

また、押圧手段１３の第一ローラ３３及び第二ローラ３４がクラウンロールとされていることによって、被接合部材Ｗ１の表面が直交方向に傾斜する場合でも、被接合部材Ｗ１の表面への肩当りを防止でき、面接触させることが可能となるため、被接合部材Ｗ１の表面を傷付けることなく押圧し、確実に接合を行なうことができる。

また、補助押圧手段１４の補助ローラ４２が断面Ｈ状をなしていることによって、接合済みの接合箇所を踏むことなく、被接合部材Ｗ１を押圧し、接合方向後方においても被接合部材Ｗ１の持ち上がりを防止することが可能となり、接合箇所のさらなる品質向上につながる。

そして、第一冷却手段１５によって、第一ローラ３３及び第二ローラ３４の上記軸受が接合時の熱によって損傷することを防止でき、押圧手段１３の耐久性向上で、さらに確実に目違いを抑制しながら接合を行なうことができる。

さらに、第二冷却手段１６によって、速やかに接合後の接合箇所の冷却を行なうことが可能となる。

本実施形態の摩擦撹拌接合装置１においては、押圧手段１３の第一ローラ３３と第二ローラ３４とが、連結部３１を中心に対向して、接合方向に対称となる位置に設けられているため、大きな押圧力を必要とする場合においても高剛性の材料を用いる必要がない。このため、大幅なコストアップとならずに荷重付与部３０の破損を防止しながら目違いを抑制し、接合を行なうことができる。

さらに、支持部３２が連結部３１に対して支持部回転軸３７によって回転支承されていることや、第一ローラ３３及び第二ローラ３４がクラウンロールとなっていること、また補助押圧手段１４を採用することによって、確実に被接合部材Ｗ１の押圧が可能となり、目違いの発生を抑制して接合不良の発生を防止し、接合強度向上を図ることができる。

また、第一冷却手段１５及び第二冷却手段１６によって、押圧手段１３及び接合箇所の熱の除去が可能となり、被接合部材Ｗ１の押圧を確実に行ないながら、接合した後に速やかに接合箇所を冷却することが可能となり、さらなる接合強度向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態についての詳細説明を行なったが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、被接合部材Ｗ１同士に目違いが発生している場合に、この目違いを事前に検知する目違い検出手段を別途設け、検出した値に対応して押圧手段１３におけるモーター３６を駆動し、押圧力を変化させることによってより効果的に目違いを抑制しながら接合を行なうことができる。

そして、このような目違い検知手段としては、非接触に被接合部材Ｗ１の高さ方向位置を計測して、被接合部材Ｗ１同士の高さ方向位置の差異から目違いを検出することができる光学式や超音波式の変位計を用いることが可能である。
また、通電センサ等を用いて、被接合部材Ｗ１の高さ方向位置が所定値となった時点で、この通電センサと被接合部材Ｗ１との間が通電することによって高さ方向位置を計測して目違いを接触検出してもよい。
さらに、画像センサ等によって目違い部分の撮影を行い、目違い部分の大きさを視覚的に認識して目違いを検出してもよい。

また、本実施形態において、押圧手段１３の第一ローラ３３と第二ローラ３４とは、連結部３１を挟んで、荷重付与部３０からの接合方向の距離が等しくなる対称位置に設けられている。しかし、必ずしもこの接合方向の距離が等しくなる必要は無く、少なくとも連結部３１を挟んで接合方向の反対側に設けられればよい。

また、押圧手段１３における第一ローラ３３及び第二ローラ３４はクラウンロールでなくてもよい。

さらに、押圧手段本体２９の内部に設けられたバネ部材３５は、油圧や空圧によって作動するアクチュエータ等であってもよい。そして空圧のアクチュエータを採用した場合には、作動流体となる圧縮空気を、例えば工場設備で常用される工場エアー等を用いることができるため、コスト低減につながる。

また、第一冷却手段１５及び第二冷却手段１６は必ずしも設置する必要はなく、第一ローラ回転軸３８、第二ローラ回転軸３９、補助ローラ回転軸４３、及びこれらの軸受を冷却可能であれば、設置位置についても限定されない。また冷媒としては冷却空気ＷＡに限定されない。そして、第一冷却手段１５は必ずしも第一ローラ回転軸３８及び第二ローラ回転軸３９の両方を冷却する必要はなく、より接合箇所からの熱の影響を受け易い第一ローラ回転軸３８のみを冷却するように配置してもよい。

さらに、補助押圧手段１４については設置しなくてもよく、この場合コスト低減につながる。

また、本発明はボビンツールを用いて接合を行なう際に適用してもよく、また、摩擦撹拌接合をスポット接合に用いるスポットＦＳＷへも適用が可能である。

１…摩擦撹拌接合装置、１０…加工機本体、１１…工具、１２…工具保持部、１３…押圧手段、１４…補助押圧手段、１５…第一冷却手段、１６…第二冷却手段、１９…裏当て、２０…ショルダ部、２０ａ…ショルダ面、２１…ピン、２９…押圧手段本体、３０…荷重付与部、３１…連結部、３２…支持部、３３…第一ローラ（第一の当接部）、３４…第二ローラ（第二の当接部）、３５…バネ部材、３６…モーター、３７…支持部回転軸（軸）、３８…第一ローラ回転軸（回転軸）、３９…第二ローラ回転軸（回転軸）、４０…補助押圧手段本体、４１…支持部、４２…補助ローラ、４３…補助ローラ回転軸、４４…切欠き部、４５…噴出口、４６…噴出口、Ｗ…ワーク、Ｗ１…被接合部材、Ｐ…軸線、ＷＡ…冷却空気

Claims

工具保持部と、
前記工具保持部に保持された工具による接合方向の前方に設けられ、ワークの接合箇所表面を押圧する押圧手段とを備え、
前記押圧手段は、前記ワークに向けて荷重を与える荷重付与部と、
前記荷重付与部と前記工具保持部に保持された工具との間に設けられて前記ワークにおける前記接合箇所表面に当接する第一の当接部と、
前記荷重付与部に対して前記第一の当接部と反対側に設けられて前記ワークの表面に当接する第二の当接部と、
前記荷重付与部に取り付けられて、前記第一の当接部及び前記第二の当接部を支持する支持部とを備えることを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
前記支持部は、前記接合方向に直交する軸回りに回転可能に、前記荷重付与部に取り付けられてい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。
前記第一の当接部及び前記第二の当接部が、前記接合方向に直交する回転軸回りに回転可能に前記支持部に支持されて、前記回転軸に沿う方向に外周面が径方向外側に張り出すように形成された凸曲面をなすローラであることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合装置。
前記押圧手段を冷却する第一冷却手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
前記第一冷却手段が、前記押圧手段のうちの前記第一の当接部を冷却することを特徴とする請求項４に記載の摩擦撹拌接合装置。
前記工具保持部に保持された工具に対して前記接合方向の後方となる位置で、前記接合箇所表面を冷却する第二冷却手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
前記工具保持部に保持された工具の接合方向後方に設けられ、前記ワークの前記接合箇所表面を押圧する補助押圧手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
前記第一の当接部と前記工具保持部に保持された工具との間における前記ワークを構成する被接合部材同士の目違いを検出する目違い検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。