JP2020124745A - 距離測定装置、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面高さの変動が大きいワークに対しても高品位な接合を行うことが可能な距離測定装置、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】距離測定装置は、摩擦攪拌接合用の接合ツールのショルダ面に当接する当接部と、ワークの表面に接触した状態で、ワークの表面とショルダ面とを結ぶ第１方向に移動自在な先端部と、先端部の第１方向の位置を検出する検出器と、検出器で検出した先端部の第１方向の位置のデータを出力する出力ユニットと、を有する測定機構と、出力ユニットから出力された位置のデータから、先端部の当接部に対する位置を計算し、接合ツールのショルダ面と、ワークの表面との間の距離を算出する制御部と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、距離測定装置、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法に関する。

摩擦攪拌接合では、接合ツールのショルダ面のワークへの押し込み量の制御が重要である。特に長尺品のワークではその表面高さの変動が大きく、接合前に接合ラインのワーク表面形状を測定し、接合中のツール高さを変化させている。このため、セッティングから接合までに長時間を要する場合がある。
表面高さにばらつきを有するワークに対し接合ツールのショルダ面の押し込み量を制御する方法として、例えば、レーザ光を用いてワーク高さを測定する方法、接合ツールを回転させるモータのトルク変動を検出し負荷が所定範囲に入るように接合ツールの高さを制御する方法、また、ワークテーブルをシリンダで支持し接合ツールに負荷される荷重が一定になるようにワークテーブルの高さを制御する方法などが知られている。

特許第３３１４７０６号公報 特許第４１９９４４６号公報 特許第６０４０３５２号公報

しかしながら、表面高さにばらつきを有するワークに対し接合ツールのショルダ面の押し込み量を制御するために、レーザ光を用いてワーク高さを測定する方法を用いる場合、レーザ光測定装置を使用する必要があり、装置や調整が複雑となったり、もしくはコストが高くなったりするという課題がある。また、接合ツールを回転させるモータのトルク変動を検出し、負荷が所定範囲に入るように接合ツールの高さを制御する方法や、ワークテーブルをシリンダで支持し接合ツールに負荷される荷重が一定になるようにワークテーブルの高さを制御する方法では、小径の接合ツールを用いる場合にはトルク変動の検出が困難となる課題がある。
本発明の実施形態は、表面高さの変動が大きいワークに対しても高品位な接合を行うことが可能な距離測定装置、摩擦攪拌接合装置、および摩擦攪拌接合方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、距離測定装置は、摩擦攪拌接合用の接合ツールのショルダ面に当接する当接部と、ワークの表面に接触した状態で、前記ワークの表面と前記ショルダ面とを結ぶ第１方向に移動自在な先端部と、前記先端部の前記第１方向の位置を検出する検出器と、前記検出器で検出した前記先端部の前記第１方向の位置のデータを出力する出力ユニットと、を有する測定機構と、前記出力ユニットから出力された前記位置のデータから、前記先端部の前記当接部に対する位置を計算し、前記接合ツールの前記ショルダ面と、前記ワークの表面との間の距離を算出する制御部と、を備えている。

本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置の模式図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る距離測定機構を用いた接合ツールのショルダ面とワークの表面との間の距離の測定方法を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る距離測定機構の他の例の模式図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。各図において、同じ要素には同じ符号を付して詳細な説明は適宜省略する。なお、図面は模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

図１は、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合装置５０の模式図である。

摩擦攪拌接合装置５０は、接合ツール１０と距離測定装置４０とを有する。距離測定装置４０は、距離測定機構２０と制御部３０とを有する。

接合ツール１０は、例えば円柱状のシャンク１１と、プローブピン１２とを有する。シャンク１１における軸方向の一端にはショルダ面１１ａが形成されている。そのショルダ面１１ａの中央に、シャンク１１から軸方向に突出したプローブピン１２が設けられている。少なくともプローブピン１２およびショルダ面１１ａは、接合対象のワークよりも硬い材料からなる。

接合ツール１０は、ツールホルダー１５に保持されている。ツールホルダー１５は回転機構に連結され、接合ツール１０は例えばシャンク１１の中心軸を回転軸にして回転駆動される。

距離測定機構２０は、本体２１と、可動部２４と、先端部２５と、検出器２６、２７と、出力ユニット２９とを有する。本体２１は、接合ツール１０のショルダ面１１ａに当接する当接部２２を有する。本体２１は、その当接部２２を接合ツール１０のショルダ面１１ａに当接させた状態で、接合ツール１０に固定される。

可動部２４は、連結部２３を介して本体２１と連結されている。連結部２３の伸縮により、可動部２４は、接合ツール１０に固定された本体２１に対して、例えばシャンク１１の軸方向に移動自在となっている。連結部２３は、例えば、ばねや電動アクチュエータなどである。

本体２１および可動部２４のそれぞれには、検出器２６、２７が備わっている。検出器２６、２７は、可動部２４の本体２１に対するＺ位置を検出する。ここで、Ｚ位置は、ワークの表面と、接合ツール１０のショルダ面１１ａとを結ぶ第１方向における可動部２４の先端部２５の位置を表す。検出器２６、２７は、例えば非接触式の位置センサである。また、距離測定機構２０は、検出器２６、２７で検出したＺ位置データを制御部３０へ出力する出力ユニット２９を備える。

可動部２４の先端に先端部２５が設けられている。先端部２５は、ワークの表面に接触した状態で、ワークの表面とショルダ面１１ａとを結ぶ第１方向に、可動部２４とともに移動自在となっている。先端部２５は、回転体であり、さらに具体的には球体である。

制御部３０は、距離測定機構２０と電気的に接続されている。制御部３０は、距離測定機構２０の出力ユニット２９から出力された先端部２５のＺ位置データを基に、先端部２５の当接部２２に対する位置を計算し、接合ツール１０のショルダ面１１ａと、ワークの表面との間の距離を算出する距離算出ユニット３１を有する。制御部３０は、距離測定機構２０の出力ユニット２９に対して接合ツール１０の任意の移動距離毎にＺ位置データを出力するよう指示する機能を有する。制御部３０は、距離測定機構２０上におけるＸ座標（第１方向に交差する第２方向の座標）およびＹ座標（第１方向に交差する第３方向の座標）と、距離算出ユニット３１から出力されるショルダ面１１ａとワークの表面との間の距離とを関連付けて、接合開始点から接合終点までの範囲において接合ツール１０のショルダ面１１ａが予め設定した深度でワークに押し込まれるようにするための接合ツール１０の動作軌道を計算する計算ユニット３２を有する。制御部３０は、前記動作軌道を実現する摩擦攪拌接合装置５０の動作プログラムを作成する動作プログラム作成ユニット３３を有する。

次に、摩擦攪拌接合装置５０を用いた摩擦攪拌接合方法について説明する。

図２に示すように、接合対象である例えば板状の２つのワーク１００ｂ、１００ｃ（以下、区別せずに単に符号１００で表す場合もある）の側面同士を突き合わせ、ワーク１００ｂ、１００ｃをステージ上に支持する。なお、図２において、ワーク１００の表面に平行で、且つ互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向（ワーク１００の厚さ方向）をＺ方向とする。ワーク１００の表面と、接合ツール１０のショルダ面１１ａとを結ぶ第１方向は、Ｚ方向に対応する。

２つのワーク１００ｂ、１００ｃの突き合わせ部の表面に、接合ツール１０を高速回転させながら挿入する。プローブピン１２はワーク１００中に完全に挿入され、ショルダ面１１ａはワーク１００の表面に所定量押し込む。そして、回転している接合ツール１０を、ワーク１００の突き合わせ部（接合ラインＬ）に沿って移動させ、このときに発生する接合ツール１０とワーク１００との摩擦熱と材料の攪拌を利用して、２つのワーク１００ｂ、１００ｃを接合させる。２つのワーク１００ｂ、１００ｃの接合部２００では突き合わせ面が消失する。

接合ツール１０は、接合ラインＬに沿って、ワーク１００に対して相対的に移動すれば良く、静止したワーク１００に対して接合ツール１０を移動させてもよいし、静止した接合ツール１０に対してワーク１００を移動させてもよい。または、接合ツール１０とワーク１００をそれぞれ逆方向に移動させてもよい。

ここで、特に接合対象領域が長い長尺品のワークのように、表面にうねりや高さばらつきが生じやすいものでは、接合ツール１０のショルダ面１１ａのワークへの押し込み量の制御が重要となる。ショルダ面１１ａのワーク表面への押し込み量が不十分であると摩擦熱不足による接合不良をまねき、ショルダ面１１ａがワーク表面に過剰に押し込まれると、接合部に過剰なバリが発生しやすい。

そこで、本実施形態によれば、前述した距離測定装置４０を用いて、接合対象部位におけるワーク表面と、ショルダ面１１ａとの間の距離を接合前に測定しておく。

図３に示すように、接合ツール１０に測定機構２０を装着する。測定機構２０の本体２１に形成された当接部２２を、接合ツール１０のショルダ面１１ａに突き当てる。

接合ツール１０に測定機構２０を装着した後、測定機構２０の先端部２５を、ワーク１００の表面１００ａの接合開始点ｘ１に接触させる。そして、先端部２５をワーク１００の表面１００ａに接触させ、且つ接合ツール１０の高さ（Ｚ方向の位置）の装置上での設定値を一定にした状態で、測定機構２０を装着した接合ツール１０を、接合開始点ｘ１からワーク１００の接合対象部位（接合ライン）に沿ってワーク１００の接合終点ｘ２まで略水平に移動させる。なお、接合ツール１０および距離測定装置４０は回転させない。

接合ツール１０の移動に伴って、球体である先端部２５はワーク１００の表面１００ａを転がりながら移動する。ワーク１００の表面１００ａと、接合ツール１０のショルダ面１１ａとの距離の変動に追従して、連結部２３が伸縮し、可動部２４がワーク１００の表面１００ａとショルダ面１１ａとを結ぶ第１方向に移動する。例えば、可動部２４は上下動する。

この接合開始点ｘ１から接合終点ｘ２への接合ツール１０の移動中に、図１に示す制御部３０は、先端部２５の当接部２２に対する位置を検出する。この検出は、接合開始点ｘ１から接合終点ｘ２まで連続的に行う場合と、予め設定した接合ツール１０の移動距離毎に検出して出力する場合とがある。接合ツール１０の移動距離毎に検出する場合には、検出を行う接合ツール１０の位置のｘ座標およびｙ座標は制御部３０で決定される。接合ツール１０が測定位置に移動した時点で、制御部３０が先端部２５の当接部２２に対する位置を検出し、データとして取得する。この検出結果から、接合開始点ｘ１と接合終点ｘ２との間の接合対象部位の位置（ｘ座標、ｙ座標）と関連づけて、ショルダ面１１ａとワーク１００の表面１００ａとの間の距離を算出する。

さらに、制御部３０は、ショルダ面１１ａとワーク１００の表面１００ａとの間の距離から、接合ツール１０の動作軌道データを作成する。例えば、動作軌道データは、接合開始点ｘ１と接合終点ｘ２との間の接合対象部位の位置（ｘ座標、ｙ座標）と、接合ツール１０の高さ（ｚ座標）とが関連付けられたものである。

制御部３０は、動作軌道データに基づいて、接合ツール１０の動作プログラムを作成する。そして、接合ツール１０から測定機構２０を取り外し、上記動作プログラムにしたがって接合ツール１０によりワーク１００の摩擦攪拌接合を実行する。

すなわち、図４に示すように、接合ツール１０のプローブピン１２をワーク１００の接合対象部位に挿入し且つショルダ面１１ａを接合対象部位の表面に押し込んだ状態で、接合ツール１０を回転させながら接合開始点ｘ１から接合終点ｘ２まで移動させる。

動作軌道データに基づいて、接合ツール１０の接合対象部位に沿った移動方向に直交する方向（Ｚ方向）の位置が制御され、ショルダ面１１ａの接合対象部位への押し込み量が所定範囲内に制御される。

例えば、ショルダ面１１ａの外径が１０ｍｍ、プローブピン１２の長さが３ｍｍの場合、ショルダ面１１ａの接合対象部位への押し込み量は、０．２ｍｍプラスマイナス０．０５ｍｍの範囲内に制御される。接合対象のワークが薄板である場合には、さらに高い精度での押し込み量の制御が必要になる。例えば、ワークの板厚が０．５ｍｍの場合では、ショルダ面１１ａの外径が３ｍｍ、プローブピン１２の長さが０．４ｍｍとなり、ショルダ面１１ａの接合対象部位への押し込み量は０．０５ｍｍプラスマイナス０．０１ｍｍの範囲内に制御する。

このように実施形態によれば、表面高さにばらつきがあるワーク１００に対しても、ショルダ面１１ａの接合対象部位への押し込み量を適切に制御でき、高品位な接合を行うことができる。
例えば、レーザ光を用いてワーク高さを測定する方法などのように高価なレーザ光測定装置を使用せず、実施形態によれば、低コストで簡単な接触式の測定機構でショルダ面１１ａとワーク１００の表面１００ａとの距離を短時間で測定することができる。

また、表面高さにばらつきを有するワークに対し接合ツールのショルダ面の押し込み量を制御するために、接合ツールを回転させるモータのトルク変動を検出し、負荷が所定範囲に入るように接合ツールの高さを制御する方法や、ワークテーブルをシリンダで支持し、接合ツールに負荷される荷重が一定になるようにワークテーブルの高さを制御する方法により表面高さにばらつきを有するワークに対し接合ツールのショルダ面の押し込み量を制御する場合、小径の接合ツールを用いる場合には負荷変動の検出が困難となる。これに対して実施形態によれば、小径の接合ツールを用いる場合でも高い品位の摩擦攪拌接合を実施できる。

接合対象部位（２つのワークの突き合わせ部）は直線状に限らず、また、接合面は曲面であってもよい。したがって、接合対象部位に沿って移動する接合ツール１０の移動軌跡も直線に限らず、曲線であってもよい。

また、ワーク１００の表面１００ａに接触しながら表面１００ａを移動する先端部２５は、球体に限らず、ローラのような回転体であってもよい。さらには、先端部２５は回転しない構成であってもよいが、この場合、先端部２５とワーク１００の表面１００ａとの摩擦によりワーク１００の表面１００ａがたわむ可能性がある。

図１は、距離測定機構２０を接合ツール１０と同軸上に配置した例を示すが、図５に示すように、ワークに当接させる先端部２５と接合ツール１０とは同軸上に配置し、先端部２５が連結される可動部１２４が接合ツール１０からオフセットして接合ツール１０に装着されても、前述した実施形態と同様の摩擦撹拌接合を行うことができる。可動部１２４は、接合ツール１０に固定された本体１２１に対して、ばねや電動アクチュエータなどの連結部１２３によって連結され、シャンク１１の軸方向に移動自在となっている。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…接合ツール、１１ａ…ショルダ面、１２…プローブピン、２０…距離測定機構、２２…当接部、２４…可動部、２５…先端部、３０…制御部、４０…距離測定装置、５０…摩擦攪拌接合装置、１００,１００ｂ,１００ｃ…ワーク

Claims (7)

1. 摩擦攪拌接合用の接合ツールのショルダ面に当接する当接部と、ワークの表面に接触した状態で、前記ワークの表面と前記ショルダ面とを結ぶ第１方向に移動自在な先端部と、前記先端部の前記第１方向の位置を検出する検出器と、前記検出器で検出した前記先端部の前記第１方向の位置のデータを出力する出力ユニットと、を有する測定機構と、
   前記出力ユニットから出力された前記位置のデータから、前記先端部の前記当接部に対する位置を計算し、前記接合ツールの前記ショルダ面と、前記ワークの表面との間の距離を算出する制御部と、
   を備えた距離測定装置。
2. 前記先端部は、回転体である請求項１記載の距離測定装置。
3. 前記先端部は、球体である請求項２記載の距離測定装置。
4. 前記制御部は、
   前記測定機構の前記出力ユニットから出力された前記位置のデータと、前記測定機構上における前記第１方向に交差する第２方向および第３方向の座標から、前記接合ツールの動作軌道を計算する計算ユニットと、
   前記動作軌道に基づいて、前記接合ツールの動作プログラムを作成する動作プログラム作成ユニットと、
   を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の距離測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の距離測定装置と、
   前記接合ツールと、
   を備えた摩擦攪拌接合装置。
6. ショルダ面とプローブピンとを有する接合ツールに、ワークの表面と前記ショルダ面とを結ぶ第１方向に移動自在な先端部を有する測定機構を、前記測定機構の当接部を前記接合ツールの前記ショルダ面へ突き当てて、装着するステップと、
   前記先端部を前記ワークの表面の接合開始点に接触させるステップと、
   前記先端部を前記ワークの表面に接触させた状態で、前記測定機構を装着した前記接合ツールを、前記接合開始点から前記ワークの接合対象部位に沿って前記ワークの接合終点まで略水平に移動させるステップと、
   前記接合開始点から前記接合終点への前記接合ツールの移動中に、前記先端部の前記当接部に対する位置を検出し、前記ワークの前記接合対象部位における前記ショルダ面と前記ワークの表面との間の距離を算出するステップと、
   前記ショルダ面と前記ワークの表面との間の距離から、前記接合開始点から前記接合終点までの範囲において前記接合ツールの前記ショルダ面が予め設定した深度で前記ワークに押し込まれるようにする、前記接合ツールの動作軌道データを作成するステップと、
   前記動作軌道データに基づいて、摩擦攪拌接合装置の動作プログラムを作成するステップと、
   前記接合ツールから前記測定機構を取り外し、前記動作プログラムに基づいて、前記接合ツールを回転させながら前記接合開始点から前記接合終点まで移動させるステップと、
   を備えた摩擦攪拌接合方法。
7. 前記動作軌道データに基づいて、前記接合ツールの前記接合対象部位に沿った移動方向に直交する方向の位置が制御され、前記ショルダ面の前記接合対象部位への押し込み量が所定範囲内に制御される請求項６記載の摩擦攪拌接合方法。

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