摩擦点接合装置和摩擦点接合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在摩擦点处接合铝材料与镀锌钢板的摩擦点接合装置和摩擦点接合方法。
【背景技术】
[0002]摩擦点接合已通过使用旋转工具在铝材料与钢板的层叠体中局部地生成摩擦热从而在材料中引起塑性流动来进行。在摩擦点接合中在材料发生塑性流动的温度高(在例如钢板的情况下1000至1200°C )的情况下，在接合边界表面上生成金属氧化物化合物。金属氧化物化合物因其材料特性而极其脆。因此，当在接合边界表面上存在金属氧化物化合物时，接合强度将极度降低。
[0003]已存在不生成金属氧化物化合物的加工条件和将金属氧化物化合物的生成抑制至极薄(10 μ m或更薄)使得即使生成也不影响强度的加工条件。然而，在旋转工具与接合边界表面之间的位置关系等方面需要精细的控制。因此，实际上实际使用中尚未有在这样的条件下运行的用于零件的规模生产的装置。
[0004]作为获得高接合强度的摩擦点接合方法，日本专利申请公开号2009-106998 (JP2009-106998 A)描述了一种在摩擦点处接合铝材料与钢板的方法，即其中在钢构件的接合表面侧被镀锌后进行合金化处理以形成Zn-Fe合金镀层、在Zn-Fe合金镀层的表面通过激光加热平滑化后在Zn-Fe合金镀层上层叠铝构件、在使旋转工具旋转的同时在接合部挤压铝构件和点接合铝构件与钢构件之间的接合部的方法。其还描述，在此方法中，Zn-Fe合金镀层中的Zn在铝构件中扩散而形成Zn扩散层，铝构件中的Al在Zn-Fe合金镀层中扩散而形成Al-Fe中间层，经由此中间层使铝构件与钢构件之间的接合部点接合，从而加强接合强度并可缩短接合时间。
【发明内容】
[0005]在JP 2009-106998 A中描述的摩擦点接合方法中，在铝材料与钢板之间的接合边界表面上形成Al-Fe中间层，以获得高接合强度。据预计，对控制旋转工具与接合边界表面之间的位置关系的控制精度的要求将在一定程度上减轻。然而，在加工过程中需要形成Zn-Fe合金镀层的加工及通过激光加热熔融和平滑化其表面的加工。因此，无法避免上述加工所致的装置复杂化和成本增加。
[0006]本发明提供了一种可实现装置简化的摩擦点接合装置和一种摩擦点接合方法。
[0007]根据本发明的一个方面，摩擦点接合装置接合铝材料与镀锌钢板。所述摩擦点接合装置具有旋转工具、伺服电机、工具温度测量仪器、材料温度测量仪器和反馈装置。所述旋转工具抵靠铝材料与镀锌钢板的层叠体的铝材料侧。所述伺服电机使所述旋转工具旋转。所述工具温度测量仪器测量所述旋转工具的温度。所述材料温度测量仪器测量铝材料与镀锌钢板之间的接合部的温度。所述反馈装置配置为基于自所述工具温度测量仪器和所述材料温度测量仪器获得的温度信息执行所述伺服电机的反馈控制。
[0008]因为根据本发明的方面的摩擦点接合装置包括基于层叠体的接合部的温度信息和旋转工具的温度信息执行伺服电机的反馈控制的反馈装置，故可控制旋转工具的顶端与接合部(所述接合部为镀锌钢板之间的接合部)之间的距离使之设置在所需的范围内，并可控制接合部的温度使之设置在所需的温度范围内。可通过使用根据本发明的方面的摩擦点接合装置在摩擦点处接合铝材料与镀锌钢板获得具有高的接合强度的摩擦点接合产品。作为反馈控制的目标，将提升伺服电机的转速、外加压力、加工时间等。
[0009]在上面的方面中，摩擦点接合装置可配置为控制伺服电机使得接合部的温度变为320 至 350 0C ο
[0010]根据上面的方面，热输入量能够设置为使得接合部的温度变为320至350°C，并且加工在使得获得所设置的热输入量的伺服电机转速、外加压力和加工时间下进行。同时接合部的温度不能直接测量。然而，由于铝板的高传热系数，故通过测量旋转工具接触铝板的位置及邻近该位置的位置的温度来估计接合部的温度是否达到目标温度。在其中所测得的温度相对于目标温度太高或太低的情况下，将执行反馈控制，并改变各种条件以便接合部的温度变为目标温度。
[0011 ] 本发明的另一方面涉及一种摩擦点接合装置的摩擦点接合方法，所述摩擦点接合方法用于在摩擦点处接合铝材料与镀锌钢板。所述摩擦点接合装置包括旋转工具。所述旋转工具抵靠铝材料与镀锌钢板的层叠体的铝材料侧。所述摩擦点接合方法包括通过伴随旋转工具的旋转的摩擦热将铝材料与镀锌钢板之间的接合部的温度设置于320°C至350°C的范围内，从而在接合部中形成新的表面，和在接合部中生成Fe和Al的金属间化合物的同时进行摩擦点接合。
[0012]在上面的方面中，摩擦点接合可以在接合部中的镀锌钢板的表面与旋转工具的顶端之间的距离保持为在铝材料侧的从0.1mm至0.3mm的范围内的状态下进行。
【附图说明】
[0013]本发明的示例性实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性将在下文结合附图描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的要素，且其中:
[0014]图1为示意根据本发明的摩擦点接合装置的示意图；
[0015]图2为EPMA分析结果的视图(照片)，示出了其中镀锌钢板的镀锌层熔融、液化和流动的状态；
[0016]图3为EPMA分析结果的视图(照片)，示出了其中基材表面上的氧化物膜受损且氧化物层扩散的状态；
[0017]图4为接合边界表面的EPMA分析结果的视图(照片);
[0018]图5为在其中改变加工条件的情况下EPMA分析结果的视图(照片)，并且这里，镀锌层未熔融；和
[0019]图6为在其中改变加工条件的情况下EPMA分析结果的视图(照片)，并且这里，氧化物层保持在接合边界表面上。
【具体实施方式】
[0020]下文基于实施方案更详细地描述本发明。图1示出了根据本发明的摩擦点接合装置的一个实例。
[0021]所示摩擦点接合装置I装备在机器人手臂(例如6-轴垂直多关节机器人(其未示出))的顶端部，还包括控制部2。摩擦点接合装置I具有臂10，接收器20和传动部30分别附接到臂10的下端侧和上端侧。测压元件21安装在接收器20与臂10之间的位置中。由测压元件21测量作用于接收器20的实际外加压力，测量值被送至控制部2。为进行摩擦点接合，将待经受摩擦点接合的铝材料3与镀锌钢板4的层叠体5布置在接收器20的上端侦牝以镀锌钢板4侧为接收器20侦U。
[0022]传动部30具有:包括编码器31的加压伺服电机32 ;和加工时间测量计时器33。作为加压伺服电机32，使用允许以0.0lmm为单位控制的伺服电机。加压伺服电机32的旋转轴34耦合到旋转工具传动轴36以便经由适宜的动力传输机构35传动。旋转工具传动轴36在其中配备有驱动轴37，驱动轴37响应于加压伺服电机32的正向/反向旋转而在旋转的同时垂直地移动。响应于加压伺服电机32的旋转，驱动轴37在一个方向上旋转的同时重复下降运动并在反向上旋转的同时重复上升运动。
[0023]旋转工具传动轴36和驱动轴37附接到与接收器20相反的位置使得它们的中心轴与接收器20的中心轴重合并且驱动轴37的下端与接收器20的上端之间的指定距离得以确保。另外，旋转工具38经由适宜的耦合手段可拆卸地连接到驱动轴37的下端。
[0024]由加工时间测量计时器33测量驱动轴37的旋转时间，测量值被送至控制部2。另夕卜，由编码器31监测加工过程中驱动轴37的加工距离，即旋转工具38的移动距离(推入量)，编码器31的位置信息被送至控制部2。
[0025]摩擦点接合装置I还具有工具温度测量功能，为此，提供了适宜数量的非接触式工具温度测量仪器40 (例如，激光型辐射温度传感器)来测量附接到驱动轴37的旋转工具38的温度。在一个示意的实例中，在沿旋转工具38的轴线上几乎等间隔处提供了三个工具温度测量仪器40，以便能够测量旋转工具38的上部、中部和顶端部(下端部)的三个位置的温度。每一个工具温度测量仪器40的温度信息均被送至控制部2。应指出，工具温度测量仪器40的数量可为一个、可为两个或者可为四个或更多个。
[0026]摩擦点接合装置I还包括非接触式材料温度测量仪器41，如激光型辐射温度传感器。材料温度测量仪器41用来测量铝材料3与镀锌钢板4之间的接合部的温度，并实际布置在其中材料温度测量仪器41可测量材料的温度的位置中，所述材料是旋转工具38的顶端接触铝材料3的位置或邻近所述位置的位置中的材料。材料温度测量仪器41的温度信息被送至控制部2。
[0027]控制部2为具有自上述测压元件21、编码器31、加工时间测量计时器33、工具温度测量仪器40和材料温度测量仪器41接收信号并计算和输出所需校正值的功能的装置。计算出的校正值被反馈到加压伺服电机32，并执行旋转工具38的位置控制。应指出，具有这样的反馈功能并可通过反馈信息执行控制目标的位置控制的控制部自身可为常规已知的控制部，因此，不对控制部2作详细描述。
[0028]接下来描述上述摩擦点接合装置I的驱动。在摩擦点接合加工开始时，6-轴垂直多关节机器人(其未示出)将移动摩擦点接合装置I到其中将在铝材料3与镀锌钢板4的层叠体5中进行摩擦点接合的位置。摩擦点接合装置I具有固持层叠体5于接收器20和旋转工具38之间使得旋转工具38位于铝材料3侧上的姿势。
[0029]控制部2驱动加压伺服电机32以带动旋转工具传动轴36并向其驱动轴37施加正向旋转。这样，驱动轴37向着铝材料3下降，附接到其顶端的旋转工具38也在同步旋转的同时下降，并且旋转工具38的顶端抵靠铝材料3。此运动由编码器31监测。
[0030]当旋转工具38在旋转的同时进一步下降时，层叠体5的接触旋转工具38的顶端的部分附近的区域将被逐渐加压和加热。臂10因加压而偏转。因此，必须校正该偏转以实现精确的位置控制。为此，摩擦点接合装置I事先包括偏转校正表，在其中，臂10相对于外加压力的偏转量以实验方法计算出。在加工过程中，关于外加压力的信号自布置于接收器20与臂10之间的测压元件21被送至控制部2。控制部2将实际外加压力与偏转校正表相比照/拟合并反馈偏转量至加压伺服电机32侧。相应地，旋转工具38被控制为按此量进一步推入。
[0031]当旋转工具38在对铝材料3与镀锌钢板4的层叠体5加压的同时下降时，旋转工具38自身也因与层叠体5的摩擦热而被加热并因热而膨胀。也得对此热膨胀进行校正以实现精确的位置控制。对于此