JP2022157179A - Friction stir welding device and method of inserting weld tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被接合部材同士を摩擦攪拌接合により接合する摩擦攪拌接合装置の構成とその制御に係り、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 the configuration and control of a friction stir welding apparatus that joins members to be joined by friction stir welding, and is particularly applicable to the joining of members to be joined that require high-quality (high-precision) joining. Regarding 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、その部分を攪拌することで被接合材料同士を接合する摩擦攪拌接合（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), in which the materials to be welded are joined together by softening the materials to be welded by the frictional heat generated by rotating a cylindrical welding tool and stirring the softened part, is Because it does not use any raw material, it has high fatigue strength, and since the material does not melt, it is possible to join with less welding deformation (distortion).
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「接合ツール本体の外周面にマーキングを施し、接合ツールを被接合部材に挿入しながら測定装置を用いて現在マーキングの位置（現在マーキング位置）を検出し、現在マーキング位置が目標マーキング位置に到達した時点で挿入処理を終了する制御方法」が開示されている。
As a background art of this technical field, there is a technique such as
この制御方法により、接合ツール先端部にバリ等の異物が付着した際の影響を排除し、適正挿入位置まで接合ツールを被接合部材に挿入することができるとしている。 This control method eliminates the influence of foreign matter such as burrs adhering to the tip of the welding tool, and allows the welding tool to be inserted into the members to be welded to an appropriate insertion position.
上記特許文献１に開示された接合ツールを被接合部材に挿入する方法は、被接合部材の板厚が均一であり、且つ、被接合部材の表面が平坦でうねり等がなく、表面のＺ軸方向の位置が一定である場合において有効である。
The method of inserting the welding tool into the member to be welded disclosed in the above-mentioned
しかしながら、本願発明者らは、この制御方法では、被接合部材にうねり等がある場合においては、必ずしも有効ではなく、適正に接合ツールを被接合部材に挿入できない場合があることを突き止めた。 However, the inventors of the present application have found that this control method is not necessarily effective when the members to be welded have undulations, and there are cases where the welding tool cannot be properly inserted into the members to be welded.
そこで、本発明の目的は、接合ツールを回転しながら被接合部材に挿入して摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、板厚の不均一やうねり等により被接合部材の表面が平坦でない場合であっても、摩擦攪拌接合を開始する前段階において、接合ツールを適正な鉛直下方向（Ｚ軸下方向）の位置に挿入可能な信頼性の高い摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a friction stir welding apparatus for performing friction stir welding by inserting a welding tool into a member to be welded while rotating. Provided is a highly reliable friction stir welding apparatus capable of inserting a welding tool in an appropriate vertical downward direction (Z-axis downward direction) in the stage prior to starting friction stir welding, and a method for inserting the welding tool. to do.
上記課題を解決するために、本発明は、装置本体と、前記装置本体に取り付けられたＺ軸上下動駆動モータと、主軸支持部を介して前記Ｚ軸上下動駆動モータに取り付けられた主軸と、前記主軸の内部に配置された接合ヘッドと、前記接合ヘッドに支持された接合ツールと、前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定の回転数で回転させる主軸モータと、を備え、前記装置本体は、前記接合ツールにより被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、前記主軸モータの目標負荷率と前記Ｚ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定し、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を開始し、前記目標負荷率に基づいて設定する第一の挿入処理終了条件、または、前記目標追込み量に基づいて設定する第二の挿入処理終了条件、のいずれかが成立した場合、前記挿入処理を終了することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an apparatus main body, a Z-axis vertical motion drive motor attached to the apparatus main body, and a main shaft attached to the Z-axis vertical motion drive motor via a main shaft support. a welding head arranged inside the spindle; a welding tool supported by the welding head; and a spindle motor connected to the welding tool to rotate the welding tool at a predetermined number of revolutions; The main body of the apparatus sets a target load factor of the main shaft motor and a target drive amount of the Z-axis vertical movement drive motor in a stage prior to starting friction stir welding of the members to be welded by the welding tool, and moves the Z-axis vertical movement. A driving motor is driven to move the main shaft downward in the Z-axis direction, and an insertion process of inserting the welding tool into the member to be welded while rotating the main shaft motor at a predetermined number of revolutions is started. Ending the insertion process when either the first insertion process end condition set based on the load factor or the second insertion process end condition set based on the target additional amount is satisfied. Characterized by
また、本発明は、摩擦攪拌接合装置による被接合部材への接合ツールの挿入方法であって、（ａ）接合ツールにより被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、主軸モータの目標負荷率とＺ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定する目標値設定ステップと、（ｂ）前記（ａ）ステップの後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を実行するステップと、を有し、前記（ｂ）ステップにおいて、（ｂ１）予め定められたサンプリング周期において、前記主軸モータの負荷率の現在値を示す現在負荷率と、前記Ｚ軸上下動駆動モータの追込み量の現在値を示す現在追込み量とを取得する状態量取得ステップと、（ｂ２）前記現在負荷率と前記目標負荷率とを比較し、前記現在追込み量と前記目標追込み量とを比較する比較ステップと、をさらに有することを特徴とする。 The present invention also provides a method of inserting a welding tool into a member to be welded by a friction stir welding apparatus, comprising: (a) before starting friction stir welding of the member to be welded by the welding tool, a target load of a main shaft motor; (b) after step (a), drive the Z-axis vertical motion drive motor to move the main shaft downward in the Z-axis direction; and performing an insertion process of inserting the welding tool into the member to be welded while rotating the welding tool at a predetermined number of revolutions by the spindle motor; A state quantity acquisition step of acquiring a current load factor indicating the current value of the load factor of the spindle motor and a current push-up amount indicating the current value of the push-up amount of the Z-axis vertical motion drive motor at a predetermined sampling period. and (b2) a comparison step of comparing the current load factor and the target load factor, and comparing the current drive-in amount and the target drive-in amount.
本発明によれば、接合ツールを回転しながら被接合部材に挿入して摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置において、板厚の不均一やうねり等により被接合部材の表面が平坦でない場合であっても、摩擦攪拌接合を開始する前段階において、接合ツールを適正な鉛直下方向（Ｚ軸下方向）の位置に挿入可能な信頼性の高い摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入方法を実現することができる。 According to the present invention, in a friction stir welding apparatus for performing friction stir welding by inserting a welding tool into a member to be welded while rotating, even if the surface of the member to be welded is not flat due to uneven plate thickness, undulations, or the like, Also, in the stage before starting friction stir welding, to realize a highly reliable friction stir welding apparatus and a welding tool insertion method that can insert the welding tool at an appropriate vertical downward direction (downward direction of the Z axis). can be done.
これにより、被接合部材同士の高品質（高精度）な摩擦攪拌接合が可能となる。 This enables high-quality (high-precision) friction stir welding of the members to be welded.
上記した以外の課題、構成及び効果は、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 the 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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions of overlapping portions are omitted.
また、以下で説明する「追込み量」とは、接合ツールが被接合部材の表面からどれだけの深さまで挿入するかを決める接合ツールの下降量、すなわち接合ツール及びＺ軸上下動駆動モータの回転軸に垂直な移動量を意味する。 In addition, the "extension amount" described below refers to the amount of descent of the welding tool that determines how deep the welding tool is inserted from the surface of the member to be welded, that is, the rotation of the welding tool and the Z-axis vertical motion drive motor. It means the amount of movement perpendicular to the axis.
先ず、図８及び図９を参照して、上述した本発明が解決しようとする課題について詳しく説明する。図８及び図９は、いずれも従来の摩擦攪拌接合装置の接合ツール挿入時の様子を示す図であり、それぞれ被接合部材にうねりがない場合（図８）と被接合部材にうねりがある場合（図９）を示している。 First, with reference to FIGS. 8 and 9, the above-described problems to be solved by the present invention will be described in detail. FIGS. 8 and 9 are both diagrams showing the states of the conventional friction stir welding apparatus when the welding tool is inserted, respectively, when the members to be welded have no undulations (FIG. 8) and when the members to be welded have undulations. (FIG. 9).
上記特許文献１の制御方法を用いた場合、図８に示すように、被接合部材にうねり等がない場合は、接合ツール先端に異物１７が付着していても精度よく接合ツールを適正挿入位置まで挿入することが可能である。
When the control method of
しかしながら、図９に示すように、被接合部材にうねり等がある場合は、被接合部材の表面に凸部が存在し、凸量（ΔＩ分）だけ適正挿入位置を超えて挿入することとなり、精度よく挿入することができない。挿入処理終了時の接合ツール位置は、目標挿入量に一致するが、適切挿入量とはΔＩ分の位置ずれが生じる。 However, as shown in FIG. 9, when the member to be joined has undulations or the like, there is a convex portion on the surface of the member to be joined, and the member is inserted beyond the proper insertion position by the amount of protrusion (ΔI). It cannot be inserted accurately. Although the welding tool position at the end of the insertion process matches the target insertion amount, there is a positional deviation of ΔI from the appropriate insertion amount.
従って、図示していないが、被接合部材の厚みが薄く表面のＺ軸位置と摩擦攪拌接合装置の載置台のＺ軸位置との偏差が小さい場合、接合ツール先端部は被接合部材を突き抜けてしまう恐れもある。 Therefore, although not shown, when the members to be welded are thin and the deviation between the Z-axis position of the surface and the Z-axis position of the mounting table of the friction stir welding apparatus is small, the tip of the welding tool passes through the members to be welded. There is also the danger of losing it.
次に、図１及び図２を参照して、本発明の対象となる摩擦攪拌接合装置の構成とその制御について説明する。図１は、本実施例に係る摩擦攪拌接合装置の全体概要を示す図である。図２は、主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係を概念的に示す図である。 Next, with reference to FIGS. 1 and 2, the configuration and control of the friction stir welding apparatus to which the present invention is applied will be described. FIG. 1 is a diagram showing an overall outline of a friction stir welding apparatus according to this embodiment. FIG. 2 is a diagram conceptually showing the relationship between the spindle motor load factor and the tool insertion operation.
本実施例の摩擦攪拌接合装置１は、図１に示すように、主要な構成として、装置本体２と、Ｚ軸上下動駆動機構部３を介して装置本体２に接続される主軸支持部４と、主軸支持部４により保持される主軸１５と、主軸１５により保持されるツールホルダ（接合ヘッド）５と、ツールホルダ（接合ヘッド）５により保持される接合ツール６とを備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the friction
Ｚ軸上下動駆動機構部３には、図１に例示するように、例えばボールスクリュー、リニアガイドなどが用いられ、Ｚ軸上下動駆モータ１６により装置本体２に対して主軸支持部４をＺ軸方向（上下方向）に駆動させる。
As shown in FIG. 1, the Z-axis vertical
接合ツール６はショルダ部７およびプローブ部（接合ピン）８で構成され、主軸モータ１４に連結（図１では直結）されている。主軸モータ１４は、接合ツール６を所定方向に回転させる。
The
装置本体２は、Ｚ軸上下動駆動機構部３を介して主軸支持部４を支持し、装置本体２に搭載（付属）された制御部（制御装置）１１から主軸モータ１４に駆動信号を付与して接合ツール６を回転させながら接合線に沿って進行させる。つまり、装置本体２は、主軸支持部４と、主軸１５と、ツールホルダ（接合ヘッド）５を保持し、接合ツール６を回転させると共に、接合ツール６を図１のＸ軸方向およびＺ軸方向に移動させる。
The
接合ツール６を所定の回転数で回転させながら、載置台１０上に載置された被接合部材９（９ａ，９ｂ）表面の接合線上にショルダ部７とプローブ部８とを押し付けることにより摩擦熱を発生させて被接合部材９を軟化させ、ショルダ部７とプローブ部８とを被接合部材９に必要量挿入し、当該回転数を保持することで塑性流動が生じ、挿入部が攪拌される。接合ツール６を引き抜く、又は移動することで攪拌部（接合部）が冷却され、被接合部材９は接合される。
While rotating the
なお、図１では、ツールホルダ（接合ヘッド）５及び接合ツール６が、主軸１５及び主軸支持部４、Ｚ軸上下動駆動機構部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、Ｚ軸上下動駆動機構部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、ツールホルダ（接合ヘッド）５及び接合ツール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、さらにツールホルダ（接合ヘッド）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）される構成なども本実施例の範囲に含むものとする。
1, the tool holder (welding head) 5 and the
また、ショルダ部７とプローブ部（接合ピン）８とが同一である接合ツール（つまりプローブを有さず、ショルダのみ）であっても良く、また、ショルダ部７が回転しない構造であっても良い。
In addition, the
装置本体２には、摩擦攪拌接合装置１の動作を制御する制御部（制御装置）１１が設置（付属）されている。制御部（制御装置）１１は、接合ツール６による接合条件を決定する接合条件信号やＺ軸上下動駆動機構部３による接合ツール６の鉛直方向（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。なお、制御部１１は、制御装置として装置本体とは別に構成してもよい。
A controller (control device) 11 for controlling the operation of the friction
また、装置本体２には、Ｘ軸方向に駆動可能なＸ軸前後駆動機構部１２が設けられており、Ｘ軸前後動駆モータ１３により装置本体２の上部をＸ軸方向に設けられたリニアガイドのレールに沿って移動させることで、ツールホルダ（接合ヘッド）５及び接合ツール６をＸ軸方向（接合方向）へ移動させることができる。
Further, the device
ここで、図２を用いて、主軸モータ負荷率とツール挿入動作の関係について説明する。図２に示すように、接合ツール位置は主軸モータ１４の負荷率と関係がある。
Here, the relationship between the spindle motor load factor and the tool insertion operation will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the welding tool position is related to the load factor of the
プローブ部（接合ピン）８を被接合部材９に接触させて接合ツール６の挿入を開始すると、接合ツール位置が深くなるに従い主軸モータ１４の負荷率は上昇する。
When the probe portion (joining pin) 8 is brought into contact with the
接合ツール６の挿入中にショルダ部７が被接合部材９に接触すると、主軸モータ１４の負荷率の上昇率は一時的に低下するが、接合ツール６の挿入がさらに進むと、主軸モータ１４の負荷率の上昇率は再び上昇する。
When the
接合ツール６の挿入時の目標負荷率または目標接合ツール位置に到達した時点で、接合ツール６の挿入処理を終了し、接合ツール位置を固定した状態で、接合ツール６を一定の時間回転させて被接合部材９への入熱処理を行う。
When the
その後、被接合部材９の摩擦攪拌接合処理を行う。摩擦攪拌接合処理の間は、主軸モータ負荷率と接合ツール位置をともに一定の値（目標値）を保持するように、主軸モータ１４及びＺ軸上下動駆動モータ１６の駆動を制御する。
After that, the members to be welded 9 are subjected to friction stir welding. During the friction stir welding process, the driving of the
摩擦攪拌接合処理が終了した時点で、接合ツール６の引き抜きを開始すると、接合ツール位置が浅くなるに従い主軸モータ１４の負荷率は低下する。
When the
上記のように、本実施例の摩擦攪拌接合装置１は、被接合部材９を摩擦攪拌接合する際、高品質の接合を確保するために、被接合部材９の材質、厚みなどの接合条件に基づき、挿入処理において、接合ツール６を所定の回転速度で回転させながら、適正挿入位置まで被接合部材９に接合ツール６を挿入する。その後、被接合部材９の接合部が目標入熱量に到達するまで、その挿入位置において接合ツール６を回転させて入熱処理を実行する。接合部が目標入熱量に到達すると、接合ツール６を接合線に沿って進行させて接合処理を実行する。
As described above, the friction
なお、図２中の「損傷検出負荷率」については、実施例２で後述する。 The "damage detection load factor" in FIG. 2 will be described later in a second embodiment.
次に、図３から図６を参照して、本実施例に係る摩擦攪拌接合装置１の接合ツール６の挿入処理について説明する。図３は、接合ツール６のゼロ点設定時の様子を示す図である。図４は、第一の挿入処理終了条件の成立時の各パラメータの関係を示す図であり、図５は、第二の挿入処理終了条件の成立時の各パラメータの関係を示す図である。図６は、本実施例での接合ツール６の挿入方法を示すフローチャートである。
Next, the insertion processing of the
図３に示すように、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、装置本体２は、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動することにより接合ツール６を下降駆動してその先端部を被接合部材９の表面に位置合わせをして、接合ツール６の位置を示す接合ツール位置のゼロ点設定を実行する。なお、ゼロ点は、鉛直下方向であるＺ軸下方向において、接合ツール位置の基準位置となる。
As shown in FIG. 3, before the welding process is started by the
引続き、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、次のように試験的に挿入処理を実行する。装置本体２は、被接合部材９の接合条件に基づいて設定した主軸モータ１４の目標とする回転速度（目標回転速度）により主軸モータ１４を回転させながら、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動し、追込み量を増加させながら、接合ツール６を下降動作して被接合部材９への挿入を開始し、所望の接合品質を確保できる接合ツール位置である適正挿入位置まで挿入し、このときのＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量を目標追込み量として設定する。
Subsequently, in the stage before starting the joining process with the joining
その後、接合ツール６により接合処理を実行する実運用を開始する。実運用の段階においては、装置本体２は、接合条件に基づいて設定した主軸モータ１４の目標回転速度とＺ軸上下動駆動モータ１６の目標追込み量を設定して、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を目標追込み量まで増加させて接合ツール６を適正挿入位置まで挿入し、接合部の入熱量が目標とする値（目標入熱量）に到達するまでその位置で接合ツール６を回転させて入熱処理を実行し、その後、被接合部材９を摩擦攪拌接合する接合処理に移行する。
After that, the actual operation of performing the joining process by the joining
しかし、上述した従来の挿入処理では、被接合部材９の表面にうねり等があり平坦でない場合には接合ツール６を適正挿入位置に挿入できない場合がある。
However, in the above-described conventional insertion process, if the surface of the member to be welded 9 is undulated and not flat, the
そこで、本実施例では、以下のように挿入処理を実行し、上記の課題を解決する。 Therefore, in this embodiment, the insertion process is executed as follows to solve the above problem.
先ず、従前同様に、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、装置本体２は、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動することにより接合ツール６を下降駆動してその先端部を被接合部材９の表面に位置合わせをして、接合ツール６の位置を示す接合ツール位置のゼロ点設定を実行する（図３）。
First, as before, in the stage before starting the welding process by the
次に、従前同様に、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、次のように試験的に挿入処理を実行する。装置本体２は、被接合部材９の接合条件に基づいて設定した主軸モータ１４の目標回転速度により主軸モータ１４を回転させながら、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動し、追込み量を増加させながら、接合ツール６を下降動作して被接合部材９への挿入を開始し、所望の接合品質を確保できる限界点としての接合ツール位置である適正挿入位置まで挿入し、このときのＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量を目標追込み量として設定する。
Next, as before, in the stage prior to starting the joining process with the joining
さらに、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、装置本体２は、主軸モータ１４の目標回転速度とＺ軸上下動駆動モータ１６の目標追込み量を設定して、再度、試験的に挿入処理を実行し、最も精度の高い接合品質を得られると思われる接合ツール位置まで接合ツール６を被接合部材９に挿入し、このときの主軸モータ１４の負荷率（主軸モータ１４の負荷トルクの最大値を１００として算出する値）を取得して、目標負荷率として設定する。
Furthermore, in the stage prior to starting the welding process with the
実運用の段階においては、装置本体２は、被接合部材９の接合条件に基づいて設定した主軸モータ１４の目標回転速度により主軸モータ１４を回転させながら、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を駆動し、追込み量を増加させながら、接合ツール６を下降動作して被接合部材９への挿入を開始する。
In the stage of actual operation, the apparatus
さらに、Ｚ軸上下動駆動モータ１６を、目標追込み量に向けて追込み量を増加させながら接合ツール６を下降動作していき、その過程において定時に、つまり、予め設定されたサンプリング周期において、主軸モータ１４の負荷率の現在値を示す現在負荷率を取得し、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の追込み量の現在値を示す現在追込み量を取得する。
Furthermore, the Z-axis vertical
次に、図４及び図５を用いて、挿入処理終了条件について説明する。 Next, the conditions for terminating the insertion process will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
現在負荷率を取得した同一サンプリングにおいて、第一の挿入処理終了条件として、現在負荷率と目標負荷率とを比較し、その偏差である第一の偏差が許容範囲内に到達したか否かをチェックする。第一の偏差が許容範囲内に到達していれば、第一の挿入処理終了条件が成立したとして、この時点において挿入処理を終了する。 In the same sampling that acquired the current load factor, the current load factor is compared with the target load factor as the first insertion processing end condition, and whether or not the first deviation, which is the difference between them, has reached the allowable range. To check. If the first deviation has reached the allowable range, the insertion process is terminated at this point in time assuming that the first insertion process termination condition is met.
第一の挿入処理終了条件が成立していないときは、前述の同一サンプリングにおいて、第二の挿入処理終了条件として、現在追込み量と目標追込み量と比較し、その偏差である第二の偏差が許容範囲内に到達したか否かをチェックする。第二の偏差が許容範囲内に到達していれば、第二の挿入処理終了条件が成立したとして、この時点において挿入処理を終了する。 When the first insertion processing end condition is not satisfied, the second insertion processing end condition in the same sampling as described above is to compare the current drive amount and the target drive amount, and the second deviation, which is the difference between them, is calculated. Check whether the tolerance has been reached. If the second deviation has reached the allowable range, the insertion process is terminated at this point in time assuming that the second insertion process termination condition is met.
なお、第一の許容範囲および第二の許容範囲は、試験的に挿入処理を実行した際に、適正な範囲として設定してもよいし、被接合部材９の接合条件に基づいて設定してもよい。例えば、適正とする目標値±数パーセント、目標値＋数パーセントなどと設定してもよい。
Note that the first allowable range and the second allowable range may be set as appropriate ranges when the insertion process is performed on a trial basis, or may be set based on the joining conditions of the
第二の挿入処理終了条件が成立していないときは、さらにＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量を増加し、第一の挿入処理終了条件が成立しているか、第二の挿入処理終了条件が成立しているかを繰り返す。
When the second insertion processing end condition is not satisfied, the drive amount of the Z-axis vertical
このように、装置本体２は、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の追込み量を増加して接合ツール６を被接合部材９に挿入しながら第一の挿入処理終了条件及び第二の挿入処理終了条件の成立状況をチェックしていき、第一の挿入処理終了条件または第二の挿入処理終了条件のいずれかが成立した時点において挿入処理を終了する。
In this way, the apparatus
なお、これらのことから分かるように、第二の挿入処理終了条件の成立要件である目標追込み量は、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の最大追込み量として設定されることとなる。
As can be seen from the above, the target drive-in amount, which is a requirement for fulfilling the second insertion processing end condition, is set as the maximum drive-in amount of the Z-axis vertical
以上のように挿入処理が終了した後、その接合ツール位置を初期値として、摩擦攪拌接合処理に移行する。 After the insertion process is completed as described above, the welding tool position is set as an initial value, and the friction stir welding process is started.
図６を用いて、上述した接合ツール６の挿入方法について説明する。
A method of inserting the above-described
先ず、ステップＳ１において、制御部１１で接合ツール６の挿入処理の目標値を設定する。ここで、主軸モータ１４の目標負荷率をL0とし、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の目標追込み量をD0とする。
First, in step S1, the
次に、ステップＳ２において、所定のサンプリング周期で主軸モータ１４の負荷率の現在値及びＺ軸上下動駆動モータ１６の追込み量の現在値を取得する。ここで、現在負荷率をLtとし、現在追込み量をDtとする。
Next, in step S2, the current value of the load factor of the
続いて、ステップＳ３において、現在負荷率：Ltと目標負荷率：L0の偏差（｜Lt - L0｜）を許容範囲と比較する。 Subsequently, in step S3, the deviation (|Lt-L0|) between the current load factor: Lt and the target load factor: L0 is compared with the allowable range.
｜Lt - L0｜が許容範囲内であると判定された場合、接合ツール６の挿入処理を終了する。一方、｜Lt - L0｜が許容範囲外であると判定された場合は、ステップＳ４へ移行する。 If it is determined that |Lt - L0| On the other hand, when it is determined that |Lt - L0| is outside the allowable range, the process proceeds to step S4.
次に、ステップＳ４において、現在追込み量：Dtと目標追込み量：D0の偏差（｜Dt - D0｜）を許容範囲と比較する。 Next, in step S4, the deviation (|Dt-D0|) between the current drive-in amount: Dt and the target drive-in amount: D0 is compared with the allowable range.
｜Dt - D0｜が許容範囲内であると判定された場合、接合ツール６の挿入処理を終了する。一方、｜Dt - D0｜が許容範囲外であると判定された場合は、ステップＳ２に戻り、ステップＳ２～Ｓ４の処理を繰り返す。 If it is determined that |Dt - D0| On the other hand, if it is determined that |Dt - D0|
以上説明したように、本実施例の摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入方法によれば、板厚の不均一やうねり等により被接合部材の表面が平坦でない場合であっても、摩擦攪拌接合を開始する前段階において、接合ツールを適正な鉛直下方向（Ｚ軸下方向）の位置に挿入可能な信頼性の高い摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入方法を実現することができる。これにより、被接合部材同士の高品質（高精度）な摩擦攪拌接合が可能となる。 As described above, according to the friction stir welding apparatus and the welding tool insertion method of the present embodiment, friction stir welding can be performed even when the surfaces of the members to be welded are not flat due to uneven plate thickness, undulations, or the like. , a highly reliable friction stir welding apparatus and welding tool insertion method capable of inserting the welding tool in an appropriate vertical downward direction (Z-axis downward direction) can be realized. This enables high-quality (high-precision) friction stir welding of the members to be welded.
図７を参照して、本発明の実施例２に係る摩擦攪拌接合装置及び接合ツールの挿入方法について説明する。図７は、本実施例の摩擦攪拌接合装置における接合ツールの損傷検出時の各パラメータの関係を示す図である。 A friction stir welding apparatus and a welding tool insertion method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing the relationship of each parameter during detection of damage to the welding tool in the friction stir welding apparatus of this embodiment.
図７に示すように、本実施例の装置本体２は、接合ツール６により接合処理を開始する前段階において、試験的に挿入処理を実行した際、目標負荷率と目標追込み量とを設定するとともに、実験的に接合ツール６の損傷を検出するための損傷検出負荷率と損傷検出追込み量とを設定する。
As shown in FIG. 7, the apparatus
実運用の段階において、装置本体２は、挿入処理を開始してから、予め設定されたサンプリング周期において、主軸モータ１４の負荷率の現在値を示す現在負荷率を取得し、Ｚ軸上下動駆動モータ１６の追込み量の現在値を示す現在追込み量を取得する。
In the stage of actual operation, after starting the insertion process, the device
第一の挿入処理終了条件及び第二の挿入処理終了条件の成立状況をチェックするサンプリングにおいて、接合ツール損傷条件として、現在追込み量と損傷検出追込み量との偏差として第三の偏差を算出し、さらに現在負荷率と損傷検出負荷率との偏差として第四の偏差を算出する。 In the sampling for checking whether the first insertion process end condition and the second insertion process end condition are met, as a welding tool damage condition, a third deviation is calculated as a deviation between the current amount of finalization and the amount of damage detection finalization, Further, a fourth deviation is calculated as a deviation between the current load factor and the damage detection load factor.
第三の偏差が許容範囲内に到達している状態において第四の偏差が許容範囲内に到達していないとき、接合ツール損傷条件が成立したとして、装置本体２は挿入処理を終了する。
When the third deviation is within the allowable range and the fourth deviation is not within the allowable range, it is determined that the welding tool damage condition is established, and the
本実施例によれば、主軸モータ１４の負荷率及び接合ツール６の追込み量をモニタすることで、接合ツール６（プローブ部８）の損傷の有無を検出することができる。これにより、接合ツール６（プローブ部８）に摩耗や折れ等の損傷が発生した場合に、損傷した接合ツール６による摩擦攪拌接合の継続を防止することができる。
According to this embodiment, the presence or absence of damage to the welding tool 6 (probe portion 8 ) can be detected by monitoring the load factor of the
なお、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。 In addition, 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 in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. In addition, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Moreover, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
１…摩擦攪拌接合装置、２…装置本体、３…Ｚ軸上下動駆動機構部、４…主軸支持部、５…ツールホルダ（接合ヘッド）、６…接合ツール、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…載置台、１１…制御部（制御装置）、１２…Ｘ軸前後駆動機構部、１３…Ｘ軸前後動駆モータ、１４…主軸モータ、１５…主軸、１６…Ｚ軸上下動駆動モータ、１７…異物。
DESCRIPTION OF
上記課題を解決するために、本発明は、装置本体と、前記装置本体に取り付けられたＺ軸上下動駆動モータと、主軸支持部を介して前記Ｚ軸上下動駆動モータに取り付けられた主軸と、前記主軸の内部に配置された接合ヘッドと、前記接合ヘッドに支持された接合ツールと、前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定の回転数で回転させる主軸モータと、を備え、前記装置本体は、前記接合ツールにより被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、前記主軸モータの負荷トルクの最大値を１００とした数値により設定する前記主軸モータの目標負荷率と前記Ｚ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定し、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を開始し、前記目標負荷率に基づいて設定する第一の挿入処理終了条件、または、前記目標追込み量に基づいて設定する第二の挿入処理終了条件、のいずれかが成立した場合、前記挿入処理を終了することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides an apparatus main body, a Z-axis vertical motion drive motor attached to the apparatus main body, and a main shaft attached to the Z-axis vertical motion drive motor via a main shaft support. a welding head arranged inside the spindle; a welding tool supported by the welding head; and a spindle motor connected to the welding tool to rotate the welding tool at a predetermined number of revolutions; In a stage prior to starting friction stir welding of the members to be welded by the welding tool, the main body of the apparatus sets a target load factor of the main shaft motor and the Z-axis by a numerical value with the maximum value of the load torque of the main shaft motor set to 100. A target drive amount of the vertical motion drive motor is set, the Z-axis vertical motion drive motor is driven to lower the main shaft in the Z-axis downward direction, and the joining is performed while the main shaft motor rotates at a predetermined number of revolutions. A first insertion processing end condition set based on the target load factor, or a second insertion processing end condition set based on the target drive amount, after starting the insertion processing for inserting the tool into the member to be welded. , is established, the inserting process is terminated.
また、本発明は、摩擦攪拌接合装置による被接合部材への接合ツールの挿入方法であって、（ａ）接合ツールにより被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、主軸モータの負荷トルクの最大値を１００とした数値により設定する前記主軸モータの目標負荷率とＺ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定する目標値設定ステップと、（ｂ）前記（ａ）ステップの後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を実行するステップと、を有し、前記（ｂ）ステップにおいて、（ｂ１）予め定められたサンプリング周期において、前記主軸モータの負荷率の現在値を示す現在負荷率と、前記Ｚ軸上下動駆動モータの追込み量の現在値を示す現在追込み量とを取得する状態量取得ステップと、（ｂ２）前記現在負荷率と前記目標負荷率とを比較し、その後、前記現在追込み量と前記目標追込み量とを比較する比較ステップと、をさらに有することを特徴とする。 The present invention also provides a method of inserting a welding tool into a member to be welded by a friction stir welding apparatus, comprising: (a) before starting friction stir welding of the member to be welded by the welding tool , load torque of a spindle motor is (b) a target value setting step of setting a target load factor of the spindle motor and a target drive amount of the Z-axis vertical motion drive motor, which are set by numerical values with the maximum value of 100 ; (b) after step (a), The Z-axis vertical movement driving motor is driven to lower the main shaft in the Z-axis downward direction, and an insertion process is executed in which the welding tool is inserted into the member to be welded while being rotated at a predetermined number of revolutions by the main shaft motor. and, in the step (b), (b1) a current load factor indicating a current value of the load factor of the spindle motor at a predetermined sampling period, and a follow-up of the Z-axis vertical motion drive motor. (b2) comparing the current load factor and the target load factor, and then comparing the current top-up amount and the target top-up amount. and a comparing step for determining the values.
Claims (8)
前記装置本体に取り付けられたＺ軸上下動駆動モータと、
主軸支持部を介して前記Ｚ軸上下動駆動モータに取り付けられた主軸と、
前記主軸の内部に配置された接合ヘッドと、
前記接合ヘッドに支持された接合ツールと、
前記接合ツールに連結されて前記接合ツールを所定の回転数で回転させる主軸モータと、を備え、
前記装置本体は、前記接合ツールにより被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、前記主軸モータの目標負荷率と前記Ｚ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定し、
前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して前記主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を開始し、
前記目標負荷率に基づいて設定する第一の挿入処理終了条件、または、前記目標追込み量に基づいて設定する第二の挿入処理終了条件、のいずれかが成立した場合、前記挿入処理を終了することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 a device body;
a Z-axis vertical motion drive motor attached to the device main body;
a main shaft attached to the Z-axis vertical movement drive motor via a main shaft support;
a bonding head disposed inside the spindle;
a bonding tool supported by the bonding head;
a spindle motor connected to the welding tool to rotate the welding tool at a predetermined number of revolutions;
The main body of the apparatus sets a target load factor of the main shaft motor and a target drive amount of the Z-axis vertical motion drive motor in a stage before starting friction stir welding of the members to be welded by the welding tool,
The Z-axis vertical movement drive motor is driven to move the main shaft downward in the Z-axis direction, and an insertion process is started in which the welding tool is inserted into the member to be welded while being rotated at a predetermined number of revolutions by the main shaft motor. death,
When either the first insertion processing end condition set based on the target load factor or the second insertion processing end condition set based on the target additional amount is established, the insertion processing ends. A friction stir welding apparatus characterized by:
前記装置本体は、予め定められたサンプリング周期において、前記主軸モータの現在の負荷率を示す現在負荷率と、前記Ｚ軸上下動駆動モータの追込み量の現在値を示す現在追込み量とを取得するとともに、前記サンプリング周期において、前記現在負荷率と前記目標負荷率との第一の偏差が第一の許容範囲内に到達したか否かを判定し、
前記第一の偏差が前記第一の許容範囲内に到達したと判定した場合、前記第一の挿入処理終了条件を成立させ、
前記現在追込み量と前記目標追込み量との第二の偏差が第二の許容範囲内に到達したか否かを判定し、
前記第二の偏差が前記第二の許容範囲内に到達したと判定した場合、前記第二の挿入処理終了条件を成立させることを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 The friction stir welding apparatus according to claim 1,
The device main body acquires a current load factor indicating the current load factor of the spindle motor and a current drive amount indicating the current value of the drive amount of the Z-axis vertical motion drive motor at a predetermined sampling period. and determining whether or not a first deviation between the current load factor and the target load factor has reached within a first allowable range in the sampling period,
when it is determined that the first deviation has reached the first allowable range, establishing the first insertion processing end condition;
Determining whether a second deviation between the current drive amount and the target drive amount has reached a second allowable range,
The friction stir welding apparatus, wherein the second condition for ending the insertion process is established when it is determined that the second deviation has reached the second allowable range.
前記装置本体は、
前記第一の挿入処理終了条件の成立状態を確認した後に、前記第二の挿入処理終了条件の成立状態を確認することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 The friction stir welding apparatus according to claim 1,
The device main body is
A friction stir welding apparatus characterized in that, after confirming whether the first condition for finishing the insertion process is satisfied, it is confirmed whether the second condition for finishing the insertion process is satisfied.
前記装置本体は、
前記挿入処理が終了した後、前記接合ツールにより前記被接合部材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合処理に移行することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 The friction stir welding apparatus according to claim 1,
The device main body is
A friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein after the insertion process is finished, the welding tool is used to perform friction stir welding of the members to be welded.
前記装置本体は、前記挿入処理の段階において、
前記現在追込み量が前記接合ツールの損傷を検出する損傷検出追込み量に到達した時点において、前記現在負荷率が損傷検出負荷率に到達していない場合、前記接合ツールのプローブの損傷を検出することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 The friction stir welding apparatus according to claim 2,
At the stage of the insertion process, the device main body
If the current load factor has not reached the damage detection load factor when the current drive amount reaches the damage detection drive amount for detecting damage to the welding tool, detecting damage to the probe of the welding tool. A friction stir welding apparatus characterized by:
前記装置本体は、
前記主軸モータの負荷トルクの最大値を１００とした数値により、前記目標負荷率と、前記現在負荷率と、前記損傷検出負荷率とを算出することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。 The friction stir welding apparatus according to claim 5,
The device main body is
A friction stir welding apparatus according to claim 1, wherein the target load factor, the current load factor, and the damage detection load factor are calculated from numerical values with the maximum value of the load torque of the spindle motor being 100.
（ａ）接合ツールにより被接合部材の摩擦攪拌接合を開始する前段階において、主軸モータの目標負荷率とＺ軸上下動駆動モータの目標追込み量とを設定する目標値設定ステップと、
（ｂ）前記（ａ）ステップの後、前記Ｚ軸上下動駆動モータを駆動して主軸をＺ軸下方向に下降動作させ、前記主軸モータにより所定の回転数で回転させながら前記接合ツールを前記被接合部材に挿入する挿入処理を実行するステップと、を有し、
前記（ｂ）ステップにおいて、
（ｂ１）予め定められたサンプリング周期において、前記主軸モータの負荷率の現在値を示す現在負荷率と、前記Ｚ軸上下動駆動モータの追込み量の現在値を示す現在追込み量とを取得する状態量取得ステップと、
（ｂ２）前記現在負荷率と前記目標負荷率とを比較し、その後、前記現在追込み量と前記目標追込み量とを比較する比較ステップと、をさらに有することを特徴とする接合ツールの挿入方法。 A method for inserting a welding tool into a member to be welded by a friction stir welding apparatus, comprising:
(a) a target value setting step of setting a target load factor of the spindle motor and a target drive amount of the Z-axis vertical movement drive motor in a stage prior to starting friction stir welding of the members to be welded by the welding tool;
(b) After the step (a), the Z-axis vertical movement driving motor is driven to lower the main shaft in the Z-axis downward direction, and the welding tool is rotated at a predetermined number of revolutions by the main shaft motor. and executing an insertion process for inserting into the member to be joined,
In step (b),
(b1) A state in which the current load factor indicating the current value of the load factor of the spindle motor and the current additional amount indicating the current value of the additional amount of the Z-axis vertical motion drive motor are acquired at a predetermined sampling period. a quantity obtaining step;
(b2) The method of inserting a welding tool, further comprising a comparison step of comparing the current load factor and the target load factor, and then comparing the current drive-in amount and the target drive-in amount.
前記（ｂ２）ステップにおいて、前記現在負荷率と前記目標負荷率との偏差が所定の許容範囲内に到達すること、または、前記現在追込み量と前記目標追込み量との偏差が所定の許容範囲内に到達すること、のいずれかが成立することにより前記（ｂ）ステップの挿入処理を終了することを特徴とする接合ツールの挿入方法。 A method of inserting a joining tool according to claim 7, comprising:
In step (b2), the deviation between the current load factor and the target load factor reaches within a predetermined allowable range, or the deviation between the current push-up amount and the target push-up amount falls within a prescribed allowable range. A welding tool inserting method, wherein the inserting process of the step (b) is terminated when one of the following conditions is satisfied:
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