专利名称：利用摩擦搅动的连接方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及借助摩擦熔化和搅动金属构件如铸件或板材的连接或结合方法及设备。
当金属构件具有复杂的三维形状时，采用点焊，点焊能够局部连接多个独立的连接部位。
按照另一种连接技术，日本专利第2712838号中公开了一种在未熔化的状态中进行摩擦搅动的连接方法。按照这种连接技术，称为探针的一个凸起在转动中插入并平动进入两构件彼此对接形成的连接表面。连接表面附近的金属组织借助摩擦热塑化并连接起来。
日本专利公开文本第10-183316号及第2000-15426号公开了一种在表面处理铸件如缸盖相对于缸体的接触表面中的表面处理方法。按照这种方法，一个在远端肩部形成有一个凸起的旋转工具在转动中压入铸件，因而在铸件尚未被热熔化时被搅动。
上述的在未熔化状态中的摩擦搅动连接具有下述问题。旋转工具的转速和压力不能增加得很高。由于抵靠在构件上的静止工具的接受表面面积大于从旋转工具远端凸出的凸起的表面面积，因而压力分散在接受表面的整个表面上。旋转工具的转动产生的摩擦热在接受表面的整个表面上消散。因此，连接耗费时间。
因此，如果工具的转速、工具的压力的大小、工具的运行速度等增加得超过需要，那么，连接可能变得不完全，或者，被连接部分可能被不合乎需要地被熔化。因此，缩短连接时间受到局限。
按照上述传统的连接技术，对于构件的厚度或材料来说最佳的控制参数如工具的转速和压力大小是事先通过实验等途径取得的。由于设计的改变，当准备连接与传统构件不同的构件时，最佳控制参数必须再次通过实验等途径取得。对于连接强度等的质量评估是使用实际连接的样品通过抗拉试验进行的。这就需要单独的检验过程。
因此，如果实际连接构件的质量评估能够与使用控制参数的连接一起进行的话，那么，构件的质量评估就能够在每次连接进行时进行。因此，就能够适当地应对批量生产。另外，由于设计改变，准备连接与传统构件不同的构件时，最佳控制参数能够容易地计算出来。这就能很有效地通过减少有缺陷的产品来提高产量。
但是，尚未研制出在摩擦搅动连接中如上所述的评估质量的系统。
本发明的另一个目的是提供一种利用摩擦搅动的连接方法和设备，其中构件的连接状态可随着连接受到管理，从而无需单独的检验过程。
为了解决上述问题，实现本发明的上述目的，按照本发明，提供一种利用转动一个旋转工具的摩擦搅动的连接方法，所述旋转工具具有一个第一工具部分和一个第二工具部分，该第二工具部分具有的面积小于第一工具部分的面积并从第一工具部分的远端突出；彼此重叠第一和第二构件；并且进行摩擦搅动，从而连接所述第一和第二构件，其特征在于该方法包括在旋转工具正在转动时从第二工具部分将旋转工具推压入第一构件，通过在旋转工具已压入的构件中转动旋转工具而切削旋转工具周围的构件，通过第一工具部分在构件中的摩擦搅动熔化被切削的构件，以及使被熔化的区域向第二构件延伸，以便使第一和第二构件彼此连接。
当与传统焊接相比较时，焊接所需要的电流等就变得不再必要了，因而可缩短连接时间。
最好在连接结束时，旋转工具以转动状态从构件缩回。因此，连接部分在其后被冷却，连接被完成。
一个静止工具最好与旋转工具相对地设置，使第一和第二构件夹在静止工具和旋转工具之间，使相对于旋转工具的分开距离能够被改变，静止工具对着旋转工具的远端形成得具有与旋转工具的第二工具部分的远端的面积相同的面积。因此，使从连接部分的热消散受到抑制，连接时间被缩短，连接强度能被增加。
上述连接方法最好还包括下述连接管理步骤检测在连接过程中热量产生的状态，检测旋转工具相对于构件的受压力状态，检测构件由于热量产生状态和受压力状态的连接状态，以及检查构件的连接状态是良好或未处于连接状态。因此，在连接过程中能够对连接状态进行管理，因而不再需要单独的检查过程。在连接过程中，能够通过使用控制参数来管理构件是否连接良好。
热量产生状态中产生的热量最好根据构件的动摩擦系数和作用在构件上的载荷来计算，并且受压力状态的压力大小根据使旋转工具相对于构件垂向移动的电机的编码器输出来计算。
按照本发明，提供一种连接设备，该设备利用转动一个旋转工具的摩擦搅动，所述旋转工具具有一个第一工具部分和一个面积小于第一工具部分的面积且从第一工具部分远端突出的第二工具部分；彼此重叠第一和第二构件；以及进行摩擦搅动，从而连接第一和第二构件，其特征在于所述设备包括工具控制装置，用于当旋转工具正在转动时从第二工具部分将旋转工具推压入第一构件，通过使旋转工具在已被压入旋转工具的构件中转动而切削围绕旋转工具的构件，通过在构件内的摩擦搅动来熔化被切削的构件，以及使被熔化的区域向第二构件延伸，从而使第一和第二构件彼此连接。
当与传统的焊接进行比较时，焊接所需要的电流等变得不再必要，因而可以缩短连接时间。
一个静止工具最好设置得相对于旋转工具，使第一和第二构件夹在静止工具和旋转工具之间，使相对于旋转工具的分开距离能够被改变，使对着旋转工具的静止工具的远端形成得具有至少小于旋转工具的第一工具部分的横截面积的横截面积。因此，从连接部分的热消散受到抑制，连接时间被缩短，连接状态被稳定。
最好静止工具的远端具有与旋转工具的第二部分的远端面积基本相同的面积，并且静止工具形成得越靠近远离静止工具远端的对置旋转工具侧，横截面积越大。当静止工具的远端磨损时，它可被切割并再次使用。
静止工具的远端最好形成一个弯曲表面。因此，可以减小构件的应力集中和凹陷。即使静止工具抵靠在构件上的角度稍许不同，静止工具也被一个表面而并非一个点或一条线所接受。因此，连接强度的变化可受到抑制，能够容易地保证稳定的连接质量。
第一工具部分最好具有一个同心的肩部，从第一工具部分向着第二工具部分直径减小以便形成一个台阶。因此，能够连接三个或更多叠放的构件或具有大的板总厚度的构件。
连接设备最好还包括一个连接管理组件，该连接管理组件包括用于检测在连接过程中构件热量产生状态的产生热量检测装置、用于检测旋转工具相对于构件的压力状态的压力状态检测装置、用于检测构件由于热量产生状态和压力状态引起的连接状态的连接状态检测装置和用于检查构件连接状态是否良好的检查装置。因此，构件的连接状态能够在连接过程中受到管理，使得单独的检查过程变得不再必要。
本专业技术人员从下面对本发明推荐实施例的描述能够理解其它的目的和优点。在描述中将对照附图，附图构成说明书的一部分，表示本发明的实例。但是，这种实例并不能穷举本发明的各种实施例，因而随说明书后面的权利要求书用于限定本发明的范围。
下面将描述的实施例是实施本发明的实例。本发明能够应用于下述实施例的修改和变化而并不超出本发明的范围。[利用摩擦搅动的连接方法]
图1A和1B是用于说明按照本发明一实施例的利用摩擦搅动的连接方法的示意图。
如图1A和1B所示，该实施例的连接方法用于例如由铝合金制成的板状构件。至少两个构件被重叠，一个旋转工具1通过在绕其轴线转动时向其最外表面施加一个压力而压入第一构件W1。因此，彼此重叠的第一构件W1和第二构件W2的构件组织被摩擦热熔化并被搅动，从而将其连接起来。
一个静止工具10相对于旋转工具1布置，使第一构件W1和第二构件W2被静止工具10和旋转工具1夹住，因而使相对于旋转工具1的分开距离能够被改变。
旋转工具1是硬度高于构件硬度的钢材(如硬质合金)制成的耐磨工具。构件的材料并不局限于铝合金，只要它比旋转工具1软即可。静止工具10是由例如钢材或铜材制成的。
更具体来说，旋转工具1具有一个从其远端的第一肩部2突出的凸起3。当以预定的转速转动旋转工具1时以预定的压力将凸起3压入被旋转工具1和静止工具10夹住的第一和第二构件W1和W2。当凸起3在上述构件中转动时，围绕凸起3的构件组织被切割以产生热量。另外，凸起3切割产生的切屑被两个工具1和10保持在构件中，并被搅动，与周围的构件组织和凸起3碰撞，从而产生热量。当第一肩部2以预定压力压入并被转动时产生热量，使切屑熔化。因此，构件组织围绕第一肩部2的塑性流动被促进时，第一肩部2保持预定的压力和转动一个预定的时间。因此，单位面积的压力增加，以便增加塑性流动。当旋转工具1在转动中被拉出构件时，塑性流动中的构件组织被冷却并彼此连接。
当这种连接过程连续进行时，在前面循环中围绕凸起3粘附的构件组件被熔化，并作为材料在下个循环中被搅动提供。
此时，静止工具10的接受面11的面积被减小，因而当压力增加时，向静止工具10的热消散得到抑制，塑性流动量增大，因而增加了构件间的连接力。
按照这个实施例的连接方法适用于事先压制成三维形状的机动车钢板的搭接(例如后门的外板和它的加强件)。更具体来说，假定压制成复杂三维形状的构件准备在多个分开的连接部分上连接，而且旋转工具1不能连续移动，在这种情形中，如果使用按照这个实施例的连接方法，构件能够被局部地连接。因此，甚至在平板压模以后也能够连接。
按照这种连接方法，在传统点焊中使用的焊接电流、冷却水、冷却空气等都变得根本不再需要了，因此，可以显著降低连接所需的能量消耗。由于如上所述用作能源的装置和设施变得不再必要，因而可以显著降低设施的投资。
在传统的点焊中使用的焊枪可以使用，因此，与对连接构件、连接强度和生产效率中任一种的限制有关，可以容易地实现相当于或高于现有技术的能力。
图2A和2B是用于说明利用摩擦搅动的传统的不熔化连接方法的示意图。
图2A和2B所示的传统的连接方法，与本发明的方法相同之处在于，设置第一和第二构件W1和W2，使其被旋转工具1和静止工具10夹住，在使旋转工具1围绕其轴线转动时加压，使旋转工具1在最外表面上压入第一构件W1，而与本发明不同之处在于，在重叠的第一和第二构件W1和W2之间的构件组织是在它们不被摩擦热熔化时被搅动的。
不熔化的搅动状态意味着，金属组织是在显著低于熔点的温度通过摩擦热使其软化而被搅动的，上述熔点是基体中所含各成份或共晶化合物的熔点中最低的。
按照传统的连接方法，由于金属组织以未熔化状态被搅拌，在电阻焊接等中出现的问题如热应变等能够得到解决。
另一方面，由于未熔化摩擦搅拌，旋转工具1的转动速度和压力不能增加得很高。当抵靠第二构件W2的静止工具10′的接受表面11′的面积大于从旋转工具1的远端突出的凸起3的面积时，压力分散在接受表面11′的整个表面上。另外，由于旋转工具1转动产生的摩擦热在接受表面11′的整个表面上消散，因而连接消耗时间(例如2至3秒)。
与此对照，按照本发明，由于摩擦搅动是在熔化状态中进行的，因而旋转工具1的转动速度和压力可以被提高。另外，静止工具10的接受表面11制成至少比旋转工具1的凸起3的横截面积小，从而使热消散得到抑制，在构件中的热积蓄效率得到提高。因此，促进了切屑的熔化和塑性流动，缩短了连接所需要的时间(例如缩短到0.3至0.5秒)。
另外，如图3所示，重叠的构件数目越多，构件的总厚度越大，因而旋转工具1的凸起3的长度必须根据重叠的构件数目而增加。例如，如图4A和4B所示，假定具有长度适于连接两个重叠构件的凸起3的旋转工具1用于连接三个重叠构件。在这种情形中，如果缩短连接时间，中间和下部的构件W2和W3的搅动量就会不足，不能保证足够的强度(见图4A)。相反，如果连接时间延长，那么，在上部构件W1的板厚度的减小量就会变得过大，不能保证上部和中间构件W1和W2之间的足够强度(见图4B)。在任一种情形中，在重叠构件数目小的时候使用的工具不能用于重叠构件数目多的连接。
鉴于这种情况，按照本发明，如图5和6所示，第二和第三肩部4和5被形成得同心，并且从旋转工具1的远端至凸起3具有减小的直径，以便形成至少一个台阶。因此，当凸起3的长度保持在适于连接两个重叠构件时，三个或更多重叠构件或具有大的总厚度的重叠构件也能够被彼此连接起来。
下面研究在连接过程中静止工具10的加压状态。采用图7所示的具有平的接受表面11的静止工具10，应力在接受表面11的角部12集中，静止工具10向构件W内的沉陷量增加。鉴于这种情形，按照本发明，如图8所示，静止工具10的接受表面11是弯曲的以形成圆滑的角部12，因而构件W的应力集中及沉陷都得到减少。由于形成弯曲的接受表面11，因而即使静止工具10抵靠构件W的角度稍有变化，静止工具10也不会被一个点或一条线接受，而是被一个表面接受。因此，连接强度的变化受到抑制，可以容易地保证稳定的连接质量。[用于连接的工具]图9和10的视图表示按照本发明的实施例用于摩擦搅动连接的旋转工具的外观。图11的前视图表示按照本发明的一个实施例的用于摩擦搅动连接的静止工具。
图9所示旋转工具用于连接具有较小总厚度的大约二个重叠构件。该旋转工具具有圆柱形第一肩部2(相应于第一工具部分)和一个圆柱形凸起3(相应于第二工具部分)，该凸起具有比第一肩部2的直径小的直径，从第一肩部2的远端2a共轴地突出。
图10所示的旋转工具用于连接具有大的总厚度的三个或更多的重叠构件，具有一个圆柱形第一肩部2、一个具有比第一肩部2的直径小的直径(或小的横截面积)、且从第一肩部2的远端2a共轴地突出的圆柱形凸起3和圆柱形第二及第三肩部4和5，所述第二和第三肩部是共轴的，并且从第一肩部2向着凸起3具有逐渐减小的直径，以便形成台阶。
在图9所示的旋转工具中，第一肩部2的直径设定为5mm至13mm，凸起3的直径设定为2mm至5mm。
在图10所示的旋转工具中，第一肩部2的直径设定为13mm至16mm，第二肩部4的直径设定为10mm至13mm，第三肩部5的直径设定为5mm至10mm，凸起3的直径设定为2mm至5mm。
为了进一步改善切削性能和搅拌性能，在凸起3的外表面上可形成螺旋或平行槽。当准备形成螺旋槽时，这些螺旋槽是在金属组织被压向构件内的方向上形成的。
图11所示的静止工具10具有一个大直径部分13，该部分呈锥形，离开对置的旋转工具的与接受表面11相背离的那侧越近，横截面积越大。接受表面11(部分I)形成曲率为大约30mm至50mm的弯曲表面，因而它可以吸收压力相对于凸起3作用点的飘移。
如果旋转工具形成得如图10所示，那么，当连接各种类型的重叠构件及具有各种总厚度的构件时，就能够无需更换工具，从而减少更换传统工具时出现的连接时间的损失。由于准备使用的工具类型的数目减少，因而能够降低购置/加工工具及保养和管理工具的费用。
如图11所示，在静止工具10中，接受表面11的直径为大约7mm至13mm，大直径部分13的大直径为大约13mm至16mm，小直径部分的直径按照有关尺寸从接受表面11至大直径部分13增加，形成锥形。由于大直径部分13呈锥形，当静止工具的远端磨损时，它可被切削并再次被使用。
图12的前视图表示旋转工具和旋转工具的安装托架。
如图12所示，旋转工具1在其对置凸起3侧的端面有一锥孔6，向着其远端变细。防转导槽7围绕锥孔等间距(例如围绕轴线每隔90°)设置。安装托架20的旋转工具1侧的端面呈锥形，向着其远端变细，装配在防转导槽7中的防转导承22围绕安装托架20的锥面21突出。
旋转工具1的锥孔6和防转导槽7分别与安装托架20的锥面21和防转导承22配合，因而旋转工具1和安装托架20是彼此固定的。由于防转导槽7和防转导承22彼此配合，因而旋转工具1和安装托架20不会彼此相对转动。
安装托架20形成得在它与旋转工具1固定时，它们整体构成一根轴，该轴直径基本相同，大约为13mm至16mm。安装托架20的长度设定成与被连接的构件相匹配。直径大约为10mm至13mm的一个机器人安装部分23从安装托架20的对置旋转工具侧的端面延伸。该机器人安装部分23通过一个座或类似物安装在多关节型机器人(未画出)的电机轴上，因而被驱动而随旋转工具1一起转动。
图13是固定和驱动旋转工具的多关节型机器人的示意图。
如图13所示，多关节型机器人30具有第一、第二和第三臂34，37和39。第一臂34连接于在底座31上形成的关节32，绕y轴线摆动，并在关节33上绕z轴线摆动。第二臂37通过关节35连接于第一臂34，绕y轴线摆动，并在关节36上绕x轴线摆动。第三臂39通过关节38连接于第二臂37，并绕y轴线摆动。
一个连接枪50安装在第三臂39的远端上。旋转工具1可转动地安装在连接枪50上。一个用于旋转驱动旋转工具1的电机51和与旋转工具1相对的静止工具10安装在连接枪50上。旋转工具1和静止工具10之间的距离能够通过致动器52改变。在连接过程中构件上的压力和工具的转速可以被控制，因而能够处置三个或更多的重叠连接。
各臂、电机和多关节型机器人30的致动器是事先设计好的，由机器人控制器60通过一条动力/控制缆线61控制。
图14是图13的连接枪的详图。
如图14所示，在连接枪50中，静止工具10通过安装托架57安装在一个下端臂56上，该下端臂从枪臂55下端水平延伸。
用于转动旋转工具1和垂向驱动旋转工具的驱动装置58安装在枪臂55的上端。驱动装置58具有一个导向台53，该导向台借助作为驱动源的垂向驱动电机52由滚珠丝杠机构54垂向引导。旋转驱动电机51固定在导向台53上。旋转工具1通过座或类似物安装在旋转驱动电机51的转轴51a上，并且对着静止工具10。
导向台53被垂向驱动电机52和滚珠丝杠机构54移动，旋转工具1可被导向台53的垂向运动而移动，并被旋转驱动电机51旋转驱动。
按照这个实施例，由于设施不正常引起的有缺陷的连接借助上述连接设施(连接枪、旋转驱动电机、垂向驱动电机、旋转工具等)的控制参数而被防止。所产生的热量根据被连接的构件的动摩擦系数和作用在构件上的负载(压力、转速、工具接触直径等)计算。连接质量在连接过程中根据所产生的热量和旋转工具向构件内的下压量(板厚的减少量)之间的关系来检查。所有的连接能够以非破坏性方式检查。是否得到质量保证能够在生产线上(在线)确定。[连接控制]下面描述按照本实施例的借助摩擦搅动的连接控制方法。
图15的流程图用于说明按照本实施例借助摩擦搅动连接的控制方法。
如图15所示，在步骤S1中，根据被连接材料和板厚的组合，使用一个数据库计算适当的连接条件，在所述数据库中，连接条件如旋转工具的转速和压力、连接时间等是事先通过实验等方式设定的。
在步骤S3中，旋转工具的旋转驱动被启动。
在步骤S5中，旋转工具等待预先设定的转速。如果旋转工具达到预先设定的转速，则流程进至步骤S7。旋转工具向下移动以开始对构件加压。根据旋转电机的编码器值来计算工具的转速。根据垂向驱动电机的反馈电流值来计算压力。根据通过实验等事先设定的枪臂弯曲修正表和垂向驱动电机的编码器值计算旋转工具和静止工具之间的工具与工具的距离。
在步骤S9中，如果旋转工具达到预定的压力，并且根据工具与工具的距离检测出旋转工具的凸起向构件内的压制已经完成，那么，旋转工具转动，它的肩部与构件接触，产生热量。
在步骤S11中计算凸起3相对于构件的工具远端位置(下压量)。同时，在步骤S13中计算作用在旋转工具上的负载。
根据工具与工具的距离计算旋转工具的工具远端位置(下压量)。根据旋转驱动电机的反馈电流值计算作用在旋转工具上的负载。
在步骤S15中计算上部构件板厚的减少量，同时监测工具与工具的距离。当减少量超过预定的基准值时，修正或改变连接条件(压力、转速)，从而使可能导致有缺陷的连接(连接强度减小)的板厚的减少量下降。另外，在步骤15中修正(改变)的连接条件下，保持步骤S13至S17的连接过程，直至达到在步骤S1中设定的连接时间。当该连接时间过去时，即完成了连接。
上述的压力是通过设定在工具远端上的压力和在事先的表格中该时间所需要的垂向驱动电机的电流值之间的关系，并按照该表格计算压力修正表达式而进行控制的。对加压中垂向驱动电机的反馈电流进行检测。压力可以根据该反馈电流值和压力修正表达式计算。
如图19所示，旋转工具的工具远端位置(下压量)是通过下述方式计算的对于当确认上述缺陷时基准位置上的垂向驱动电机的编码器值与旋转工具当时所在位置上的该电机的编码器值进行比较。工具与工具的距离是以下述方式计算的。压力和枪臂弯曲量之间的关系如图19所示事先设定在一表格内。根据该表格取得弯曲修正表达式。根据垂向驱动电机的反馈电流值和弯曲修正表达式计算连接过程中产生的压力。用该压力进行加压时取得的枪臂的弯曲量是根据弯曲修正表达式计算的。工具与工具的距离是根据枪臂弯曲量和旋转工具的工具远端位置之间的关系计算的。
在上述控制操作中，可以按照作用在旋转工具上的负载来改变连接时间。
按照这个实施例，连接状态是根据工具远端位置和负载检测的。适于这种连接状态的连接条件(压力、转速、连接时间)受到控制。因此，引起适于被连接材料和板厚的组合的塑性流动，从而减少有缺陷的连接，可保证稳定的连接质量。[质量保证方法]下面描述按照本实施例利用摩擦搅动的连接方法中的质量保证方法。
图16A和16B的流程图用于说明按照本实施例的摩擦搅动连接方法中的质量保证方法。
如图16A和16B所示，在步骤S21中，在实际的连接开始以前，计算旋转工具1的凸起3不通过构件抵靠构件的位置。
在步骤S23中，在步骤S21中计算的抵靠位置与预定的基准位置比较，从而进行对旋转工具1的凸起3的磨损引起的缺陷的检查。
关于基准位置，通过使用新的无缺陷的旋转工具1，将旋转工具1与静止工具10接触并达到预定压力的位置规定为基准位置。当抵靠位置超过基准位置一个预定量时，即确定出现了缺陷。
当在步骤S23中确定凸起3具有缺陷时，流程进至步骤S25。确定出现了不正常，其后停止机器人的操作。
通过步骤S23的缺陷检查，如果确定未出现缺陷，程序在步骤S27中开始，启动连接过程。
在步骤S31中，开始旋转工具的旋转驱动。
在步骤S33中，如果根据旋转驱动电机的编码器值确定旋转工具已达到预定转速，那么，流程进至步骤S37。旋转工具1向下移动以开始对构件的加压。如果旋转工具1在预定时间后未达到预先设定的转速，那么，在步骤S35中可以确定为异常，停止其后的机器人的操作。
在步骤S39中，如果旋转工具已达到预先设定的压力，它被转动，其肩部与构件接触，因而开始产生热量。在步骤S43中，计算凸起3相对于构件的工具远端位置(下压量)。同时，在步骤S45中计算作用在旋转工具上的负载。如果旋转工具在预定时间过去后未达到预先设定的压力，那么，这可确定为步骤41中的异常，其后的机器人操作被停止。
上述压力通过设定工具远端上的压力和在该时间事先在表格中所需要的垂向驱动电机的电流值之间的关系，并按照这个表格计算压力修正表达式。在加压中垂向驱动电机的反馈电流被检测。压力可以根据反馈电流值和压力修正表达式计算。
如图19所示，通过比较当确认上述缺陷时在基准位置上垂向驱动电机的编码器值和在旋转工具当时所在位置上的该电机的编码器值来计算旋转工具的工具远端位置(下压量)。工具与工具的距离是按照下述方式计算的。压力和枪臂弯曲量之间的关系事先设定在一表格上，如图19所示。从该表格取得弯曲修正表达式。根据垂向驱动电机的反馈电流值和弯曲修正表达式计算在连接中产生的压力。当用这个压力进行加压时取得的枪臂弯曲量是根据弯曲修正表达式计算的。工具与工具的距离是根据枪臂弯曲量和旋转工具的工具远端位置之间的关系计算的。
作用在旋转工具上的负载是以下述方式取得的。各转速的基准电流事先根据旋转工具驱动电机无任何负载的反馈电流值和被旋转驱动电机的编码器检测的转速之间的关系设定在一表格上。根据该表格取得基准电流计算表达式。作用在旋转工具上的负载是根据关于由该基准电流计算表达式取得的基准电流和在连接中取得的旋转驱动电机的反馈电流值的表达式1计算的。(表达式1)
(连接中的负载)＝(连接中旋转驱动电机的反馈电流值)-(基准电流)在步骤S47中，加压引起的构件板厚的减小量是根据旋转工具的工具远端位置和事先存储的连接特性文件(见图18)计算的。
在步骤49中，根据负载或压力、工具转速、构件表面阻力(动摩擦系数)和工具的接触直径计算摩擦搅动产生的热量。
在步骤S51中，在监测板厚减小量和产生的热量时确定连接质量。当连接完成时，如果确定了质量不令人满意，那么，有缺陷的连接被告知操作者，并被修正。板厚的减小量决定连接强度，这是由于连接后剩余板厚显著影响连接强度。
关于板厚的减小量，总板厚减去工具与工具的距离所得到的值是板厚减小的总量。板厚减小的总量乘以板厚减小率{(上部构件板厚减小量)/(板厚减小的总量)}，从而计算上部构件板厚减小量。下部构件板厚的减小量是通过从板厚的减小总量减去上部构件板厚减小量来计算的(见表达式2至4)。事先通过实验等取得的值作为板厚减小率。(表达式2)(板厚减小总量)＝(总板厚)-(工具与工具的距离)(表达式3)(上部构件板厚减小量)＝(板厚减小总量)×(板厚减小总量)×(板厚减小率){(上部构件板厚减小量)/(板厚减小总量)}(表达式4)(下部构件板厚减小量)＝(板厚减小总量)-(上部构件板厚减小量)图18表示压力和连接强度之间的关系。在连接条件A，B和C下，当连接强度超过其下限时确定质量可被保证。当连接强度低于其下限时确定质量不能被保证。[连接质量确定方法]下面描述步骤S51中的连接质量确定方法。
图17的流程图用于说明在按照本发明的摩擦搅动连接方法中保证质量的方法。
如图17所示，在步骤S55中，在步骤S49中计算的产生的热量，与通过实验等取得的产生的热量一起，在连接部分的面积(或直径等)的计算表达式中被替代，从而计算连接部分的面积。同时，在步骤S53中，检查在步骤S47中计算的板厚的减小量是否落入预先设定的基准值内。如果该减小量落入预定设定的值内，那么，在步骤S57中检查连接部分区域的强度。如果强度超过基准值，那么，连接强度难于保证，并且确定出质量不能被保证。有缺陷的连接被告知操作者，并被修正。
在步骤S57中确定连接部分区域的强度时，根据事先存储的连接特性文件(见图18)检查连接部分的面积是否落入基准值。如果面积落入基准值内，那么，确定出质量能够被保证，连接被完成。如果面积超过基准值，那么，连接强度难于保证，确定出质量不能被保证。有缺陷的连接被告知操作者，并被修正。
如图18所示，当压力增加时，连接强度在一定的点P开始减小。这是由于板厚的减小量增加，从而影响了连接强度。根据连接强度开始减小的点P来确定作为基准值的连接条件(压力、转速)。
按照这个实施例，由于设施异常引起的有缺陷的连接能够借助上述连接设施(连接枪、旋转驱动电机、垂向驱动电机、旋转工具等)的控制参数来检测。所产生的热量是根据被连接的构件的动摩擦系数和施加在构件上的负载(压力、转速、工具接触直径等)计算的，在连接过程中，连接质量是根据所产生的热量和旋转工具向构件内的下压量(板厚的减小量)之间的关系检查的。所有的连接能够以非破坏的方式检查。质量是否可以保证能够在生产线内(在线)确定。
本发明并不局限于上述实施例，而是能够在本发明的精神和范围内进行各种修改和变化。因此，撰写了权利要求书以便将本发明的范围告知于公众。
工业实用性[连续的连接]在上述实施例中，描述了一种重叠连接的情形，其中旋转工具1压在连接部分上，并不移动。或者，两个构件可彼此对接，沿着对接表面向前移动或摆动旋转工具1可连续地使两构件彼此相连接。
这个实施例的连接技术也可以应用于金属构件的表面处理。
表面处理的目标是铝合金铸件，特别用于在汽车的缸盖、活塞或制动盘中形成的相邻的通道之间的部分(汽门对汽门部分)的表面改善处理。铝合金铸件的表面改善区域被摩擦热熔化并被搅动，使金属组织变小，共晶硅(Si)颗粒均匀扩散，铸件的缺陷被减小。因此，在诸如热疲劳(低循环疲劳)使用寿命、延伸率和冲击强度等材料特性方面，可以取得比传统的再次熔化处理好的效果。
可以向计算机提供存储介质，所述存储介质存储用于进行相应于图15至17的流程图的连接控制方法、连接保证方法和连接质量确定方法的计算机程序，以及所需的程序编码。计算机可以阅读存储在存储介质中的程序编码，并执行上述实施例的方法。
权利要求
1.一种利用转动一个旋转工具的摩擦搅动的连接方法，所述旋转工具具有一个第一工具部分和一个第二工具部分，该第二工具部分具有的面积小于第一工具部分的面积并从第一工具部分的远端突出；彼此重叠第一和第二构件；并且进行摩擦搅动，从而连接所述第一和第二构件，其特征在于该方法包括在旋转工具正在转动时从第二工具部分将旋转工具推压入第一构件，通过在旋转工具已压入的构件中转动旋转工具而切削旋转工具周围的构件，通过第一工具部分在构件中的摩擦搅动熔化被切削的构件，以及使被熔化的区域向第二构件延伸，以便使第一和第二构件彼此连接。
2.如权利要求1所述的利用摩擦搅动的连接方法，其特征在于当连接结束时，旋转工具以转动状态从所述构件退回。
3.如权利要求1所述的利用摩擦搅动的连接方法，其特征在于一个静止工具对着旋转工具设置，使第一和第二构件被静止工具和旋转工具夹住，并使相对于旋转工具的分开距离可以被改变，与旋转工具相对的静止工具的远端被形成得具有与旋转工具的第二工具部分的远端面积相同的面积。
4.如权利要求1所述的利用摩擦搅动的连接方法，其特征在于还包括下述连接管理步骤在连接过程中检测热产生状态；检测旋转工具相对于所述构件的下压状态；根据热产生状态和下压状态检测构件的连接状态；以及根据连接状态检查构件的连接状态是否良好。
5.如权利要求4所述的利用摩擦搅动的连接方法，其特征在于根据构件的动摩擦系数和作用在构件上的负载计算热产生状态的产生的热量；以及根据使旋转工具相对于构件垂向移动的电机的编码器输出计算下压状态的下压量。
6.一种连接设备，该设备利用转动一个旋转工具的摩擦搅动，所述旋转工具具有一个第一工具部分和一个面积小于第一工具部分的面积且从第一工具部分远端突出的第二工具部分；彼此重叠第一和第二构件；以及进行摩擦搅动，从而连接第一和第二构件，其特征在于所述设备包括工具控制装置，用于当旋转工具正在转动时从第二工具部分将旋转工具推压入第一构件，通过使旋转工具在已被压入旋转工具的构件中转动而切削围绕旋转工具的构件，通过在构件内的摩擦搅动来熔化被切削的构件，以及使被熔化的区域向第二构件延伸，从而使第一和第二构件彼此连接。
7.如权利要求6所述的利用摩擦搅动的连接设备，其特征在于一个静止工具与旋转工具相对地设置，使第一和第二构件被静止工具和旋转工具夹住，并使与旋转工具的分开距离可被改变，静止工具的与旋转工具相对的远端被形成得具有至少比旋转工具的第一工具部分的横截面积小的横截面积。
8.如权利要求7所述的利用摩擦搅动的连接设备，其特征在于静止工具的远端具有与旋转工具的第二工具部分的远端的面积基本相同的面积，静止工具形成得离开静止工具的远端向着对置的旋转工具侧越靠近，横截面积越大。
9.如权利要求7所述的利用摩擦搅动的连接设备，其特征在于静止工具的远端形成弯曲表面。
10.如权利要求7所述的利用摩擦搅动的连接设备，第一工具部分具有一个同轴的肩部，该肩部从第一工具部分向第二工具部分直径减小，以便形成一个台阶。
11.如权利要求6所述的利用摩擦搅动的连接设备，其特征在于还包括所产生热的检测装置，用于在连接过程中检测构件的热产生状态；下压状态检测装置，用于检测旋转工具相对于构件的下压状态；连接状态检测装置，用于根据热产生状态和下压状态检测构件的连接状态；以及检查装置，用于根据连接状态检查构件的连接状态是否良好。
全文摘要
当以预先设定的转速转动旋转工具(1)时凸起(3)以预定压力压入第一和第二构件(W1)和(W2)，使第一和第二构件(W1)和(W2)被旋转工具(1)和静止工具(10)夹住，凸起(3)在这些构件中转动以切削围绕它的构件组织，从而产生热。另外，凸起(3)切削所产生的切屑在构件中蓄积，被两个工具(1)和(10)搅动，碰撞周围的构件组织和凸起(3)，从而产生热。一个第一肩部(2)也以预定压力压入并转动以产生热，从而使切屑熔化。当周围构件组织的塑性流动被促进时，第一肩部(2)保持预定的压力和转速。因此，单位面积压力增大以增加塑性流动量。在旋转工具在转动中被拉出时，一直进行塑性流动的构件组织冷却并彼此结合。
文档编号B23K20/12GK1460041SQ02800968
公开日2003年12月3日 申请日期2002年3月8日 优先权日2001年3月29日
发明者村上士嘉 申请人:马自达汽车株式会社