专利名称：摩擦搅拌接合系统以及摩擦搅拌接合方法
技术领域：
本发明涉及从双面对金属材料的接合部进行摩擦搅拌并将其接合的摩擦搅拌接合系统以及摩擦搅拌接合方法。
背景技术：
公知这样一种摩擦搅拌接合技术一边使旋转工具旋转，一边使设在旋转工具的工具主体上的台肩部的表面与接合部件的表面相接触，利用台肩部的表面与接合部件的表面的摩擦热进行摩擦搅拌，在使接合部件为熔点以下的固相状态下对材料进行搅拌并接合。该接合技术以铝合金为主体，正在各种工业领域中被实际应用。摩擦搅拌接合技术中，将摩擦搅拌接合装置安装在具有至少一个以上的关节的多关节机械手的前端，从双面进行摩擦搅拌接合的手法，例如在专利文献I (日本专利第4313020号)的图5中示出。该摩擦搅拌接合装置，在具有至少一个以上的关节的多关节机械手的前端，经由保持框架(基台)而被安装。该保持框架(基台)上，将旋转工具以及加压工具以相对置的方式配置，以接合部位于旋转工具与加压工具之间的方式通过机械手而移动，利用加压工具的按压力和基于旋转工具的旋转的摩擦热，对接合部进行摩擦搅拌接
口 ο该摩擦搅拌接合装置，能够通过机械手的驱动而移动至任意的接合位置。另外，通过采用对旋转工具以及加压工具独立地进行驱动的结构，能够使驱动机构简单化以及小型化。现有技术文献专利文献专利文献1:日本专利第4313020号
发明内容
发明所要解决的课题专利文献I中记载的摩擦搅拌接合，是点接合。因此，在通过机械手的驱动沿着两张金属板的接合部进行移动由此将其适用于线接合的情况下，对于现有技术的摩擦搅拌接合装置以及基于摩擦搅拌接合装置而进行的单面摩擦搅拌接合来说，存在以下的课题。第一，存在包含摩擦搅拌接合装置的系统的大型化以及生产效率的问题。旋转侧的接合部，由于接合部因旋转工具的旋转而产生的摩擦热而发生软化，因此将旋转工具沿着接合部移动时的阻力小。另一方面，由于加压工具处于不旋转地按压的状态，所以将加压工具沿着接合部移动时的阻力增大。因此，驱动加压工具的机械手，需要超过加压工具的阻力的大的驱动力，因而大型化。由于机械手的大型化，摩擦搅拌接合系统大型化。另外，为了防止不伴随旋转的加压工具与接合部间的粘着滑动(stick slip)，需要限制接合速度，在提高生产效率的方面存在较大制约。
第二，存在非対称残留应カ以及强度不平衡的问题。在单面摩擦搅拌接合的情况下，由于热量输入仅来自旋转工具侧的单侧，所以存在表背面产生残留应カ差，接合部件翘曲的问题。并且，会产生板厚方向的強度的不平衡，无法在表背面得到相同的耐拉伸、耐弯曲強度。第三，存在固定的问题。在对接接合中，在接合部件的厚度薄的情况下，加压工具的台肩面与旋转工具的台肩面间的距离短，接合部在高温状态下被按压于加压工具的台肩面，因此，存在在接合部件与加压工具的台肩面的接触面发生固定的情況。因此，难以实现Imm左右的板厚的对接接合。第四，存在热效率的问题。一般地，接合部件的厚度越厚，摩擦搅拌接合时的搅拌深度越深，与之相应地，需要増加投入的热量。而且，在单面摩擦搅拌接合中，对材料投入的热会向不伴随旋转的加压工具发生热扩散，接合部的温度降低，因此必须投入相当于热扩散的量的多余的热量，存在热效率不良的问题。
本发明的目的在于，提供摩擦搅拌接合系统以及摩擦搅拌接合方法，能够抑制大型化，提高生产效率，抑制非対称残留应カ以及强度不平衡，不发生固定且热效率优异。用于解决课题的方式解决上述课题的第一技术方案，是ー种摩擦搅拌接合系统，具备机械手装置；摩擦搅拌接合装置，其设置在该机械手装置上，通过机械手装置沿两张金属板的接合部移动，其特征在于，所述摩擦搅拌接合装置，是在接合部的表面侧和背面侧以相对置的方式配置的第一以及第二摩擦搅拌接合装置，其具有第一以及第二旋转工具，其对所述接合部进行摩擦搅拌；第一以及第二工具旋转驱动装置，其将所述第一以及第二旋转工具以在接合部的表面侧和背面侧相对置的方式进行安装，对所述第一以及第二旋转工具进行旋转驱动；第一以及第二工具按压装置，其使安装于所述第一以及第二工具旋转驱动装置上的所述第ー以及第ニ旋转工具向相互接近的方向移动，将所述第一以及第二旋转工具按压于所述接合部的表面侧和背面侧。另外，解决上述课题的第二技术方案，在上述摩擦搅拌接合系统中，其特征在干，还具备保持框架，其具有第一以及第二保持部，所述保持框架安装于所述机械手装置所含有的、具有ー个以上的关节的多关节的机械手的前端，所述第一摩擦搅拌接合装置保持于所述第一保持部，所述第二摩擦搅拌接合装置保持于所述第二保持部。另外，解决上述课题的第三技术方案，在上述摩擦搅拌接合系统中，其特征在干，所述机械手装置具有多关节的第一以及第二机械手，该第一以及第ニ机械手具有ー个以上的关节，所述第一摩擦搅拌接合装置安装于所述第一机械手的前端，所述第二摩擦搅拌接合装置安装于所述第二机械手的前端。另外，解决上述课题的第四技术方案，在上述摩擦搅拌接合系统中，其特征在干，所述第一旋转工具具有工具主体，在其前端部分形成有台肩部；至少ー个突起部，其以从该工具主体的前端部分突出的方式形成，所述第二旋转工具具有工具主体，其在前端部分形成有台肩部；至少ー个凹部，其形成于该工具主体的前端部分，当所述两张金属板接合时收纳所述突起部的前端部。
另外，解决上述课题的第五技术方案，在上述摩擦搅拌接合系统中，其特征在于，还具备控制装置，该控制装置具有机械手装置控制部，其控制机械手装置；摩擦搅拌接合装置控制部，其控制摩擦搅拌接合装置。另外，解决上述课题的第六技术方案，是一种摩擦搅拌接合方法，通过摩擦搅拌接合系统对两张金属板进行摩擦搅拌接合，所述摩擦搅拌接合系统具备机械手装置；设于该机械手装置，并具有第一以及第二旋转工具、第一以及第二工具旋转驱动装置、以及第一以及第二工具按压装置的第一以及第二摩擦搅拌接合装置，该摩擦搅拌接合方法的特征在于，使所述第一以及第二旋转工具中的一方的旋转工具构成为具有在前端部分形成有台肩部的工具主体；以从该工具主体的前端部分突出的方式形成的至少一个突起部，使所述第一以及第二旋转工具中的另一方的旋转工具构成为具有在前端部分形成有台肩部的工具主体；形成于该工具主体的前端部分，当所述两张金属板接合时对所述突起部的前端部进行收纳的至少一个凹部，通过所述机械手装置，将第一以及第二摩擦搅拌接合装置在所述两张金属板的接合部的表面侧和背面侧以相对置的方式配置，由此，将第一以及第二旋转工具在接合部的表面侧和背面侧以相对置的方式配置，通过所述第一以及第二工具旋转驱动装置，使所述第一以及第二旋转工具旋转，通过所述第一以及第二工具按压装置，使所述第一以及第二旋转工具向相互接近的方向移动，将所述第一旋转工具的突起部的前端部插入所述第二旋转工具的凹部内，并且，将所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部的台肩面按压于所述接合部的表面侧和背面侧，在将所述第一旋转工具的突起部的前端部插入所述第二旋转工具的凹部内，并将所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部的台肩面按压于所述接合部的表面侧和背面侧的状态下，通过所述机械手装置，使所述第一以及第二旋转工具沿所述接合部移动，通过所述第一以及第二旋转工具，对所述接合部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。发明的效果根据本发明，能够获得以下的效果。在第一、第二、第三、第六技术方案中，通过使第一以及第二旋转工具旋转，由此不会产生如现有技术那样使不伴随旋转的加压工具沿接合部移动时的较大的阻力。由此，能够抑制机械手、系统的大型化。另外，能提高接合速度由此提高生产效率。另外，通过进行双面摩擦搅拌接合，来自表背面的热量输入量成为大致相同，因此，能够抑制在表背面产生残留应力差，能够减少接合部件的翘曲。而且，能够抑制板厚方向的强度的不平衡，能够在表背面获得相同的耐拉伸、耐弯曲强度。另外，通过第一以及第二旋转工具进行旋转的双面摩擦搅拌接合，能够避免如现有技术那样不伴随旋转的加压工具在与接合部件的接触面发生固定，能够容易地进行Imm左右的板厚的对接接合。另外，通过从表背面进行热量输入的双面摩擦搅拌接合，能够防止现有技术中产生的向不伴随旋转的加压工具的热损失，能够改善热效率。在第四、第六技术方案中，由于相对于接合部的表背面以相对置的方式配置的第一以及第二旋转工具是分体的，因此能够在第一旋转工具的突起部在第二旋转工具的凹部内的插入量(第一以及第二旋转工具间的距离)不为零的范围内，自由调整该插入量。由此即使金属板的厚度不同，也能够与金属板的厚度相符地将第一旋转工具的突起部插入第二旋转工具的凹部内，能够对突起部的长度的范围内的厚度的金属板从双面对接合部的整个范围进行摩擦搅拌接合。由此，不需要配合金属板的厚度而更换具有不同探针长度的旋转工具，因此不必准备多个具有不同探针长度的旋转工具，能够抑制运转成本，提高经济性。另外，第一以及第二旋转工具对金属板的接合部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌，因此能够使接合部的强度提高。第五技术方案中，具备控制装置，该控制装置具有摩擦搅拌接合装置控制部，由此，能够对第一以及第二旋转工具进行位置恒定控制以及负荷恒定控制。然而，第二技术方案中，由于具备保持框架，因而产生了金属板的宽度受到限制这一新的课题。在金属板大型化的情况下，需要将保持框架大型化。但若保持框架大型化，则需要将保持框架制成高刚性，保持框架的重量也增加，因此，需要将对其进行驱动的机械手大型化。即，需要将摩擦搅拌接合系统整体大型化。第三技术方案中，由于不需要第二技术方案那样的保持框架，因此能够大幅减少对金属板的宽度的限制。由此，能够抑制摩擦搅拌接合系统的大型化。
图1是本发明的第一实施方式所涉及的双面摩擦搅拌接合系统的整体图。图2是为进行比较而表示的现有技术的摩擦搅拌接合系统。图3是双面摩擦搅拌接合用工具组件的优选的一个例子。图4是沿着使上下旋转工具旋转并且进行摩擦搅拌接合的情况下的接合方向(与图3的剖面呈直角方向)的剖视图。图5是表示使上下旋转工具的旋转方向为同方向，使旋转工具的台肩直径相同，并且使旋转工具的轴芯相对于旋转工具的进行方向以相同的角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的立体图。图6是表示使上下旋转工具的旋转方向为同方向，使旋转工具的台肩直径相同，并且使旋转工具的轴芯相对于旋转工具的进行方向以相同的角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的剖视图。图7是表示使上下旋转工具的旋转方向为相反方向，使旋转工具台肩直径相同，并且使旋转工具的轴芯相对于旋转工具的进行方向以相同的角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的立体图。图8是表示使上下旋转工具的旋转方向为相反方向，使旋转工具台肩直径相同，并且使旋转工具的轴芯相对于旋转工具的进行方向以相同的角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的剖视图。图9是将上下旋转工具的倾斜角度设定为O度(不使工具倾斜)而将上下旋转工具从接合部端面插入时的说明图。图10是表示使上下旋转工具适度地倾斜并将上下旋转工具从接合部端面插入时的样子的图。图11是表示使旋转工具的轴心倾斜并无突进地进行双面摩擦搅拌接合的运转方法的图。图12是表示控制装置所进行的处理顺序的控制流程图。
图13是表示控制装置所进行的处理顺序的其他的例子的控制流程图。图14是本发明的第二实施方式所涉及的双面摩擦搅拌接合系统的整体图。图15是对为进行比较而表示的第一实施方式中的问题点进行说明的图。图16是对为进行比较而表示的第一实施方式中的相同的问题点进行说明的图。
具体实施例方式<第一实施方式>參照附图对本发明的第一实施方式的基本的特征进行说明。对本实施方式的基本构成进行说明。图1是本实施方式所涉及的双面摩擦搅拌接合系统的整体图。第一以及第二摩擦搅拌接合装置3、4具有第一以及第二旋转工具5、6 ;第一以及第二工具旋转驱动装置(马达)7、8 ;第一以及第二工具按压装置9、10。第一以及第二旋转工具5、6，以与接合部J的表面侧和背面侧相对置的方式配置，对接合部J进行摩擦搅拌。工具旋转驱动装置(马达)7、8安装旋转工具5、6并进行旋转驱动。工具按压装置9、10将旋转工具5、6向相互接近的方向移动，并将其按压于金属板的接合部J的表面侧和背面侧。摩擦搅拌接合装置3、4，经由保持框架32安装于机械手装置11的机械手12的前端，由此,构成双面摩擦搅拌接合系统。保持框架32呈大致コ字型形状，具有第一保持部33和第二保持部34和背面部35。背面部35安装于机械手12的前端。第一保持部33经由设置在第一保持部33端面上的轨道36而保持第一摩擦搅拌接合装置3。第一摩擦搅拌接合装置3通过工具按压装置9的驱动而在轨道36上移动。第二保持部34经由设在第二保持部34端面上的轨道37而 保持第二摩擦搅拌接合装置4。第二摩擦搅拌接合装置4通过エ具按压装置10的驱动而在轨道37上沿按压方向移动。机械手装置11具有多关节的机械手12。机械手12经由保持框架32，使摩擦搅拌接合装置3、4移动至规定的接合开始位置，并且，使其沿着两张金属板1、2的接合部J移动。机械手12具有多个关节，具有与关节数相应的自由度，能够进行复杂的驱动。例如，不仅能够应对接合部J为直线形状的情況，即使在该接合部J为曲线形状或波浪形状等的情况下也能够应对。双面摩擦搅拌接合系统还具备对机械手装置用控制装置41和摩擦搅拌接合装置用控制装置42进行统一控制的统ー控制装置43。机械手装置用控制装置41对机械手12的移动驱动进行控制。摩擦搅拌接合装置用控制装置42，对旋转驱动装置7、8的旋转驱动进行控制，并控制工具按压装置9、10的按压驱动。对本实施方式的基本动作进行说明。接合的方式，作为ー个例子为对接焊接。此夕卜，在本说明书中，所谓接合部指的是两张金属板的应被接合的部分，在对接焊接中相当于对接部，在重叠焊接中相当于重叠部。首先，驱动机械手12，将第一以及第ニ旋转工具5、6以在两张金属板1、2的接合部J的表面侧和背面侧相对置的方式配置。接着，驱动工具旋转驱动装置7、8和工具按压装置9、10，使旋转工具5、6旋转的同时向相互接近的方向移动，将第一以及第二旋转工具5、6的台肩面5b、6b按压于接合部J的表面侧和背面侧。接着，在该状态下(将旋转工具5、6的台肩面5b、6b按压于所述接合部的表面侧和背面侧的状态下)，驱动机械手12，边使旋转エ具5、6旋转边使其沿接合部J移动。由此接合部J被摩擦搅拌，两张金属板1、2在接合部J被接合。对本实施方式的基本效果进行说明。图2是为进行比较而表示的现有技术的摩擦搅拌接合系统。该摩擦搅拌接合系统具备机械手112 ;安装于机械手112的前端的保持框架132 ;以与保持框架132相对置的方式配置的旋转工具107以及加压工具109，驱动机械手112从而使接合部位于旋转工具107与加压工具109之间，利用加压工具109的按压力和基于旋转工具107的旋转的摩擦热，对接合部进行摩擦搅拌接合。该摩擦搅拌接合系统，是进行点接合的系统，在将其适用于通过机械手112使其沿着两张金属板的接合部移动并由此进行的线接合的情况下，存在包含摩擦搅拌接合装置的系统的大型化以及生产效率的问题。而且，接合部是单面摩擦搅拌接合，存在非对称残留应力等以及固定和热效率的问题。本实施方式的双面摩擦搅拌接合系统，通过使第一以及第二旋转工具5、6旋转，不会产生如现有技术那样的、使不伴随旋转的加压工具109沿接合部J移动时的较大的阻力。由此，能够抑制机械手12的大型化，能够抑制双面摩擦搅拌接合系统的大型化。另外，能够提高接合速度并提高生产效率。使第一以及第二旋转工具5、6 —边旋转一边向相互接近的方向移动，将第一以及第二旋转工具5、6的台肩面5b、6b按压于接合部J的表面侧和背面侧，即，实现双面摩擦搅拌接合，由此，来自表背面的热量输入量变得大致相同，因此，能够抑制在表背面产生残留应力差的情况，能够减少接合部件的翘曲。而且，能够抑制板厚方向的强度的不平衡，能够在表背面获得相同的耐拉伸、耐弯曲强度。通过旋转工具5、6进行旋转的双面摩擦搅拌接合，能够避免现有技术那样的、不伴随旋转的加压工具109在与接合部件的接触面发生固定的情况，能够容易地进行Imm左右的板厚的对接接合。通过从表背面进行热量输入的双面摩擦搅拌接合，能够防止现有技术中产生的向不伴随旋转的加压工具109的热损失，能够改善热效率。下面，对本实施方式所涉及的其他特征进行说明。作为其他特征，对双面摩擦搅拌接合用工具组件进行说明。图3是本实施方式的双面摩擦搅拌接合用工具组件的优选的一个例子。所谓工具组件是两个旋转工具5、6的统称。双面摩擦搅拌接合用工具组件，具有在两张金属板1、2的接合部(对接部)J的表面侧和背面侧以相对置的方式配置并对接合部J进行摩擦搅拌的第一以及第二旋转工具5、6。第一旋转工具5具有工具主体5a，其在前端部分形成有台肩部5c，该台肩部5c具有按压接合部J的台肩面5b ;销状的突起部(探针)5d，其在该工具主体5a的前端部分以从台肩面5b突出的方式形成。第二旋转工具6具有工具主体6a，其在前端部分形成有台肩部6c，该台肩部6c具有按压接合部J的台肩面6b ;凹部6d，其形成于该工具主体6a的台肩面6b，在两张金属板1、2的接合时收纳突起部5d的前端部。对使用该双面摩擦搅拌接合用工具组件而进行的双面摩擦搅拌接合的概要进行说明。首先，将第一以及第二旋转工具5、6以相对置的方式配置在两张金属板1、2的接合部J的表面侧和背面侧。接着，使第一以及第二旋转工具5、6旋转并且向相互接近的方向移动，将第一旋转工具5的突起部5d的前端部插入第二旋转工具6的凹部6d内，并且，将第一以及第二旋转工具5、6的台肩面5b、6b按压于接合部J的表面侧和背面侧。接着，在该状态下(将第一旋转工具5的突起部5d的前端部插入第二旋转工具6的凹部6d内，并将第一以及第二旋转工具5、6的台肩面5b、6b按压于接合部J的表面侧和背面侧的状态下)，使第一以及第二旋转工具5、6旋转并且使其沿接合部J移动。在该移动期间的摩擦搅拌时，突起部5d处于突入至接合部J的板厚方向整个区域的状态。由此，接合部J的板厚方向整个区域被摩擦搅拌，两张金属板1、2在接合部J的板厚方向整个区域被接合。对基于该双面摩擦搅拌接合用工具组件的效果进行说明。在本实施方式的双面摩擦搅拌接合中，由于相对于接合部J的表背面以相对置的方式配置的第一以及第二旋转工具5、6是分体的，因此，能够在第一旋转工具的突起部向第二旋转工具的凹部内的插入量(第一以及第二旋转工具间的距离)不为零的范围内自由地进行调整。由此，即使金属板1、2的厚度不同，也能够与金属板1、2的厚度相符地将第一旋转工具5的突起部5d插入至第二旋转工具6的凹部6d内，能够对突起部5d的长度的范围内的厚度的金属板从双面对接合部J的整个范围进行摩擦搅拌接合。由此，不需要与金属板的厚度相符地更换具有不同探针长度的旋转工具，不需要准备多个具有不同探针长度的旋转工具，能够抑制运转成本，能够提高经济性。另外，根据本实施方式的双面摩擦搅拌接合，第一以及第二旋转工具5、6对对接的金属板1、2的接合部J的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌，因此能够使接合部J的强度提闻。而且，第一以及第二旋转工具5、6是分体的，能够调整两者间的距离，因此，能够对向至少一方的旋转工具的接合部的按压采取负荷控制。由于能够这样采取负荷控制，所以根据金属板的厚度(接合部的厚度)的微小变动调整第一旋转工具5的突起部5d向第二旋转工具6的凹部6d的插入量，由此，能够不对第一以及第二台肩面5b、6b间的距离进行固定地，从双面进行摩擦搅拌接合。由此，能够避免因金属板的厚度的微小变动而导致的台肩面5b、6b与金属板接合部表面的接触面上的面压力发生变动，能够抑制摩擦热量的变动，防止接合部J的品质降低(接合不良)，能够进行具有高可靠性的接合。另外，根据本实施方式的双面摩擦搅拌接合，由于第一以及第二旋转工具5、6是分体的，因此，能够以第一以及第二旋转工具5、6的前端部分朝向接合进行方向先行的方式使各个旋转工具轴芯倾斜(后述)。由此，能够提高向金属板1、2的按压力，因此能够使基于摩擦搅拌接合的接合部的流动性提高，抑制接合不良，能够进行具有高可靠性的接合。而且，由于第一以及第二旋转工具5、6是分体的，因此能够使第一以及第二旋转工具5、6的旋转方向在接合部J的表面侧和背面侧为相反方向(后述)。由此，能够使来自接合部J的表面侧的基于搅拌的剪切力和来自背面侧的基于搅拌的剪切力在接合部J的内部抵消，能够防止材料的断裂，能够进行具有高可靠性的接合。这一效果在使第一以及第二旋转工具5、6的台肩面5b、6b的直径相同的情况下尤其明显。作为其他特征，对第一以及第二旋转工具5、6的轴芯的倾斜进行说明。图4是沿着使旋转工具5、6旋转并且进行摩擦搅拌接合的情况下的接合方向(与图3的剖面呈直角方向)的剖视图。在本实施方式中，对于第一以及第二旋转工具5、6的前端部分，在使工具轴芯15相对于旋转工具5、6的进行方向在各自的先行的方向上倾斜的状态下，使旋转工具5、6旋转并且进行摩擦搅拌接合。通过这样使旋转工具5、6的轴芯15倾斜，能够提高旋转工具5、6的台肩面5b、6b与材料间的面压力，能够使基于摩擦搅拌接合的接合部的流动性提高并能够抑制接合缺陷。这里，在使工具轴芯15倾斜的角度过大的情况下，进行方向后侧的台肩面的向金属板1、2的插入量增加。其结果是，与向金属板1、2插入的台肩部5c、6c的体积相应的量的接合部的材料向焊道外部被放出，产生接合部的厚度的局部性的减少，接合部的强度降低。特别是在进行接合的金属板1、2的板厚为2mm以下的薄板的情况下，接合部的厚度的减少比例大，存在从接合部发生板断裂的问题。因此，在金属板1、2的板厚为2mm以下的情况下，使倾斜角Θ I或Θ 2超过0°但在3°以下，由此，能够抑制接合部的厚度的局部性的减少所导致的接合部的强度降低，能够抑制发生于接合部的板断裂。另外，为了抑制接合部的厚度的局部的减少，优选倾斜角Θ1或Θ2超过0°但在2°以下，更优选超过0°但在1°以下。作为其他特征， 对第一以及第二旋转工具5、6的旋转方向进行说明。图5以及图6是表示使第一以及第二旋转工具5、6的旋转方向为同方向，使旋转工具5、6的台肩部5d、6d(台肩面5b、6b)的直径(台肩径)相同，并且使旋转工具5、6的轴芯15相对于旋转工具5、6的进行方向以相同的角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的图，图5为立体图，图6为剖视图。如图5以及图6所示，在第一以及第二旋转工具5、6的旋转方向为同方向的情况下，上剪切力27a和下剪切力27b这两个剪切力在同方向上作用在被夹在表背面的台肩部5c、6c之间的金属板的软化区域部分上。因此，在金属板1、2的厚度薄的情况下，存在因作用的剪切力超过容许剪切力而材料断裂的情况。图7以及图8是表示使第一以及第二旋转工具5、6的旋转方向为相反方向，使旋转工具5、6的台肩部5c、6c(台肩面5b、6b)的直径(台肩径)相同，并且使旋转工具5、6的轴芯15相对于旋转工具5、6的进行方向以相同的角度倾斜而进行摩擦搅拌接合的状态的图，图7为立体图，图8为剖视图。在本实施方式中，如图7以及图8所示，使第一以及第二旋转工具5、6的旋转方向在表面侧和背面侧为相反方向。由此，在接合部的内部能够使因来自表面侧的搅拌而产生的剪切力27a和因来自背面侧的搅拌而产生的剪切力27b抵消，能够防止在母材与摩擦搅拌部的边界发生断裂。另外，能够降低未图示的对金属板1、2进行握持的握持装置的握持力，能够使该握持装置简单化。另外，以使第一以及第二旋转工具5、6的旋转速度为相同的速度的方式，从摩擦搅拌接合装置用控制装置42对进行旋转驱动的第一旋转工具5旋转用马达7以及第二旋转工具6旋转用马达8给予指令并进行控制，由此，能够使来自表背面的向接合部的热量输入量、基于摩擦力的剪切力相同。由此，在板厚方向上残留应力均匀，不会在表背面产生耐拉伸、耐弯曲强度差，能够防止强度可靠性的降低。作为其他特征，对无突进(plunging less)进行说明。在以往的单面摩擦搅拌接合中，在线接合的情况下，在摩擦搅拌开始前，需要进行被称为突进(plunging)的操作，该被称为突进的操作是，在旋转工具的台肩面与金属板1、2的表面接触的状态下，使旋转工具旋转，由此，保持插入位置直到通过旋转工具的台肩面与金属板1、2的表面的摩擦发热使金属板材料的温度上升到材料软化的熔点的大约80%左右的温度。在金属板1、2软化之后，在使摩擦搅拌深度位置固定的状态下，或是在将摩擦搅拌装置的工具旋转用马达负荷控制在恒定值的同时，使旋转工具向接合方向移动，进行摩擦搅拌接合。该突进操作需要时间，与之相应地，接合的节拍时间变长，在提高生产效率方面成为制約。本发明的发明人们注意到，在进行双面摩擦搅拌接合时，由于在接合部的双面上产生摩擦热，所以不存在单面摩擦搅拌接合中发生的那样的向垫板的热扩散，能够在短时间内实现温度上升，因此考虑可以省略摩擦搅拌接合开始前的突进エ序，不从金属板1、2的端面进行突进而直接开始摩擦搅拌接合。其结果是，确认了能够通过旋转工具5、6使金属板1、2顺畅地塑性流动。更优选的是，如果事先对第一以及第二旋转工具5、6的探针或者突起部5d与凹部6d间的缝隙进行摩擦搅拌等，并埋入与进行接合的金属相同材质的材料，则能够抑制初始的偏芯负载所导致的振动。因此，根据本发明的接合方法，能够实现省略了突进エ序的无突进的摩擦搅拌接合，由此能够缩短接合的节拍时间，提高生产效率。作为其他特征，对无突进和第一以及第二旋转工具5、6的轴芯的倾斜进行说明。图9是将第一以及第二旋转工具5、6的倾斜角度设定为0度(不使工具倾斜地)并将第一以及第二旋转工具5、6从接合部端面插入时的说明图。为了无突进地开始摩擦搅拌，将第一以及第二旋转工具5、6从接合部端面24插入时的工具插入位置，由接合部J与所述旋转工具5、6的相对位置決定。如图9所示，在所述旋转工具5、6的插入位置微小地错位、形成过插入的情况下，存在以旋转工具5、6侧面按压接合部端面24，产生使金属板1、2压曲等的故障以及引起摩擦搅拌不良的可能性。图10是表示使第一以及第二旋转工具5、6适度地倾斜并将第一以及第二旋转エ具5、6从接合部端面24插入时的样子的图。为了实现工具从接合部端面24顺畅的插入，如图10所示，在使工具轴心15向第一以及第二旋转工具5、6前端部的探针相对于进行方向先行的方向倾斜的状态下进行搅拌。此时的倾斜角0 1以及0 2优选超过0°但在10°以下，更优选超过0°但在6°以下，更优选超过0°但在3°以下。由此，旋转工具5、6从其台肩面卡合在接合部端面24上，因此，不会通过工具侧面推靠接合部端面24，不会引起金属板压曲等的故障及摩擦搅拌不良，能够以无突进方式顺畅地开始摩擦搅拌接合。而且，此后的接合过程中，第一以及第二旋转工具5、6的轴芯倾斜，由此，如前述那样，能够提高旋转工具5、6的台肩与材料间的面压力，能够抑制摩擦搅拌接合时所产生的毛刺或接合缺陷。作为其他特征，对无突进地进行双面摩擦搅拌接合的运转方法进行说明。首先，对该运转方法所涉及的控制系统进行说明。图11是表示使旋转工具5、6的轴心15倾斜从而无突进地进行双面摩擦搅拌接合的运转方法的图。图12是表示控制装置41 43 (參照图1)所进行的处理顺序的控制流程图。
如图11以及图12所示，摩擦搅拌接合开始前，第一以及第二工具旋转驱动装置7、8处于待机位置20a、20b。在该待机位置20a、20b，第一以及第二旋转工具5、6处于使轴芯15倾斜的状态。另外，使用安装于未图示的第一以及第二主体箱的未图示的第一以及第二位置计测器对接合部J与第一以及第二工具旋转驱动装置7、8间的距离进行测定，并运算旋转工具5、6的预定插入深度(步骤SI)。接下来，驱动第一以及第二工具按压装置9、10内的按压用马达并通过位置控制使第一以及第二旋转工具5、6移动直至预定插入深度(步骤S2)。此时，根据未图示的位置计测器的计测值，将第一以及第二旋转工具5、6的台肩面5b、6b设定在规定范围(例如板厚t)。而且，在这样通过位置控制保持工具插入位置的状态下，使第一以及第二摩擦搅拌接合装置3、4向接合方向移动(步骤S2)，并从接合部端面24的摩擦搅拌开始位置21a、21b开始进行摩擦搅拌接合。此时，如前述那样，在保持位置控制的状态下从接合部端面24开始，一边使旋转工具5、6的台肩面5b、6b抵在接合部端面24上一边将旋转工具5、6插入金属板1、2，由此，以无突进的方式开始摩擦搅拌接合(参照图11等)。步骤S2中记载的摩擦搅拌接合装置3、4向接合方向的移动，通过驱动机械手12而进行。此外，也可以是机械手12保持摩擦搅拌接合装置3、4不动，而使两张金属板1、2移动。摩擦搅拌接合开始后，以如下方式进行控制，进行负荷恒定控制即根据第一工具5的工具旋转驱动装置7的控制电流以工具旋转驱动装置7的负荷成为规定的值的方式控制工具插入位置(步骤S3)，在到达摩擦搅拌接合结束的摩擦搅拌结束位置22a、22b前，切换为保持该时刻的工具插入位置的位置恒定控制(步骤S3 — S4)，使其通过摩擦搅拌结束位置22a、22b。对于第二工具6，在摩擦搅拌接合开始后仍维持位置控制，保持位置控制不变地通过摩擦搅拌结束位置22a、22b (步骤S3 — S4)。这样在摩擦搅拌接合开始后，第二旋转工具6维持位置控制，而将第一旋转工具5切换为负荷恒定控制，由此，即使在接合部J的厚度发生变动的情况下也能够稳定地进行摩擦搅拌。另外，由于向第一以及第二旋转工具5、6的负荷恒定，因此能够抑制旋转工具5、6的损耗及折损，能够延长旋转工具5、6的寿命。所述的各步骤的控制通过下述方式进行控制装置41 43输入未图示的第一以及第二位置计测器的计测值，根据该计测值和第一以及第二工具旋转驱动装置7、8的控制电流对第一以及第二工具旋转驱动装置7、8、第一以及第二工具按压装置9、10等的各种执行机构给予工作指令。此外，所述运转方法中，第一旋转工具5的负荷恒定控制是使用工具旋转驱动装置7的控制电流进行的，但也可以取而代之使用负载计测器的计测值。另外，第一以及第二旋转工具5、6的位置控制是使用第一以及第二位置计测器的计测值进行的，但也可以取而代之使用检测第一以及第二按压用马达的旋转量的编码器等的旋转传感器。图13是表示控制装置41 43(参照图1)所进行的处理顺序的其他的例子的控制流程图。该例中，在从图12的摩擦搅拌开始位置21a、21b到摩擦搅拌结束位置22a、22b的范围内，不仅对第一旋转工具5进行负荷恒定控制，还对第一以及第二旋转工具5、6 —同进行负荷恒定控制(步骤S3A)。图11中，该例子在摩擦搅拌开始位置21a、21b和摩擦搅拌结束位置22a、22b的范围内被补充记载在括号中。在第一以及第二旋转工具5、6的控制方法中，在对第二旋转工具6在摩擦搅拌接合后也进行位置恒定控制的情况下，金属板的下表面成为基准面。此时，在由于金属板的变形等而导致基准面不恒定的情况下，当材料薄(或材料的刚性低)、材料的变形阻力低的情况下，通过基于只对第一旋转工具5进行负荷恒定控制的从第一旋转工具5对金属板的推压力，就能够使表背面的摩擦搅拌范围基本一致。但是，当材料厚(或材料的刚性高)、材料的变形阻力高时，通过基于只对第一旋转工具5进行负荷恒定控制的对金属板的推压力，有时难以使金属板的表背面的摩擦搅拌接合范围一致，这一点已经被确认。在金属板的表背面的摩擦搅拌接合范围不同的情况下，有可能在板厚方向上发生残留应力的失衡，在表背面产生耐拉伸、耐弯曲强度差，从而成为使强度可靠性降低的一个原因。另外，在对第一以及第二旋转工具5、6的一方进行位置控制的情况下，由于表背面的按压力的不平衡，会对握持金属板的握持装置产生基于按压力的力，因此，除了金属板的保持力，还需要对因该表背面的推压力的失衡而产生的作用在握持装置7、8上的力进行保持，所以可能导致握持装置大型化。因此，在金属板厚的情况下或金属板的刚性高的情况下，如图11的括号中文字以及图13的控制流程的步骤S3A中所记载的那样，在摩擦搅拌接合开始后，对第二旋转工具6也进行旋转马达负荷恒定控制，对第一以及第二旋转工具5、6都进行负荷恒定控制。由此，来自金属板的表面侧的热量输入量以及热量输入范围与来自背面侧的热量输入量以及热量输入范围相同，能够使表背面的残留应力均匀，防止金属板的翘曲。另外，相反地，在金属板充分薄的情况下或金属板的刚性充分低的情况下，包括在摩擦搅拌过程中，可以始终对第一以及第二旋转工具5、6进行位置控制。〈第二实施方式〉对本发明的第二实施方式进行说明。本实施方式的构成中，第一以及第二摩擦搅拌接合装置3、4与第一实施方式相同，机械手装置11的详细构成与第一实施方式不同。图14是本实施方式所涉及的双面摩擦搅拌接合系统的整体图。机械手装置11具有多关节的第一机械手13和第二机械手14。第一机械手13在前端面设有轨道36，经由轨道36保持第一摩擦搅拌接合装置3。第二机械手14在前端面设有轨道37，经由轨道37保持第二摩擦搅拌接合装置4。第一机械手13移动摩擦搅拌接合装置3，第二机械手14移动摩擦搅拌接合装置4。机械手13、14具有多个关节，具有与关节数相应的自由度，能够进行复杂的驱动。另外，能够通过机械手装置用控制装置41的控制而进行连动的驱动。以相互连动的方式对机械手13、14进行驱动，将第一以及第二旋转工具5、6在两张金属板1、2的接合部J的表面侧和背面侧以相对置的方式配置。接着，驱动工具旋转驱动装置7、8和工具按压装置9、10，使旋转工具5、6旋转并且向相互接近的方向移动，将第一以及第二旋转工具5、6的台肩面5b、6b按压于接合部J的表面侧和背面侧。接着，在该状态下(将旋转工具5、6的台肩面5b、6b按压于所述接合部的表面侧和背面侧的状态下)，以相互连动的方式对机械手13、14进行驱动，使旋转工具5、6 —边旋转一边沿接合部J移动。由此接合部J被摩擦搅拌，两张金属板1、2在接合部J被接合。对本实施方式的效果进行说明。图15是对为进行比较而表示的第一实施方式的问题点进行说明的图。驱动机械手12，使旋转工具5、6从纸面左侧向右侧沿接合部J移动。此时，两张金属板1、2的宽度即接合部J的接合长度W被限制为不足长度L，该长度L是设于保持框架32的第一以及第二保持部33、34的臂长和摩擦搅拌接合装置3、4的半径长的合计值。图16也是对为进行比较而表示的第一实施方式的相同的问题点进行说明的图。驱动机械手12，使旋转工具5、6从纸面近前侧向里侧沿接合部J移动。此时，金属板2的长度L2被限制为不足长度L，该长度L是设于保持框架32的第一以及第二保持部33、34的臂长和摩擦搅拌接合装置3、4的半径长的合计值。因此，在金属板1、2大型化，接合长度W或者长度L2变长的情况下，需要以增长长度L的方式将保持框架32大型化。若保持框架32大型化从而保持部33、34的臂长变长，则作用于保持框架32的力矩也增加，因此，需要将保持框架32制成高刚性。由于保持框架32的大型化、高刚性化，保持框架32的重量也増加，因此，需要将对其进行驱动的机械手12大型化。即，需要将双面摩擦搅拌接合系统整体大型化。在本实施方式中，由于不存在保持框架32，所以能够大幅减少对金属板1、2的宽度的限制。由此，能够抑制双面摩擦搅拌接合系统的大型化。另外，第一实施方式中的机械手12，保持摩擦搅拌接合装置3、4和保持框架32，而第二实施方式中的机械手13保持摩擦搅拌接合装置3，机械手14保持摩擦搅拌接合装置4。每ー根机械手13、14所保持的重量減少，由此，能够将机械手13、14小型化。在本实施方式中，由于不存在保持框架32，所以第二实施方式中的机械手13、14的从支点到摩擦搅拌接合装置3、4(作用点)的长度，比第一实施方式中的机械手12的从支点到摩擦搅拌接合装置3、4(作用点)的长度短，与前述的重量減少相应地，作用于机械手13、14的カ矩也減少，由此也能够将机械手13、14小型化。通过机械手13、14的小型化以及取消保持框架32，能够使双面摩擦搅拌接合系统小型化。附图标记的说明1、2金属板3第一摩擦搅拌接合装置4第二摩擦搅拌接合装置5第一旋转工具(上旋转工具)5a工具主体5b台肩部5c台肩面5d突起部(探针)6第二旋转工具(下旋转工具)6a工具主体6b台肩部6c台肩面0146]6d凹部0147]5入侧上握持装置0148]5a、5b上下握持板0149]6出侧下握持装置0150]6a、6b上下握持板0151]7第一工具旋转驱动装置0152]8第二工具旋转驱动装置0153]9第一工具按压装置0154]10第二工具按压装置0155]11机械手装置0156]12机械手0157]13第一机械手0158]14第二机械手0159]15工具轴芯0160]20a上旋转工具待机位置0161]20b下旋转工具待机位置0162]21a上摩擦搅拌接合开始位置0163]21b下摩擦搅拌接合开始位置0164]22a上摩擦搅拌接合结束位置0165]22b下摩擦搅拌接合结束位置0166]24摩擦搅拌开始金属板端面0167]27a上剪切力0168]27b下剪切力0169]32保持框架0170]33第一保持部0171]34第二保持部0172]35背面部0173]36轨道`0174]37轨道0175]41机械手装置用控制装置0176]42摩擦搅拌接合装置用控制装置0177]43统一控制装置0178]107旋转工具0179]109加压工具0180]112机械手0181]132保持框架0182]J接合部0183]Θ1、Θ2倾斜角0184]L保持部臂长和摩擦搅拌接合装置半径的合计长度
W接合长度L2金属板长度
权利要求
1.一种摩擦搅拌接合系统，具备机械手装置(11);摩擦搅拌接合装置，其设置在该机械手装置(11)上，通过机械手装置(11)沿两张金属板(1、2)的接合部(J)移动，其特征在于，所述摩擦搅拌接合装置，是在接合部(J)的表面侧和背面侧以相对置的方式配置的第一以及第二摩擦搅拌接合装置(3、4)，其具有第一以及第二旋转工具(5、6)，其对所述接合部(J)进行摩擦搅拌；第一以及第二工具旋转驱动装置(7、8)，其将所述第一以及第二旋转工具(5、6)以在接合部(J)的表面侧和背面侧相对置的方式进行安装，对所述第一以及第二旋转工具(5、 6)进行旋转驱动；第一以及第二工具按压装置(9、10)，其使安装于所述第一以及第二工具旋转驱动装置 (7,8)上的所述第一以及第二旋转工具(5、6)向相互接近的方向移动，将所述第一以及第二旋转工具(5、6)按压于所述接合部(J)的表面侧和背面侧。
2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合系统，其特征在于，还具备保持框架(32)，其具有第一以及第二保持部(33、34)，所述保持框架(32)安装于所述机械手装置(11)所含有的、具有一个以上的关节的多关节的机械手(12)的前端，所述第一摩擦搅拌接合装置(3)保持于所述第一保持部(33)，所述第二摩擦搅拌接合装置(4)保持于所述第二保持部(34)。
3.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合系统，其特征在于，所述机械手装置(11)具有多关节的第一以及第二机械手(13、14)，该第一以及第二机械手(13、14)具有一个以上的关节，所述第一摩擦搅拌接合装置(3)安装于所述第一机械手(13)的前端，所述第二摩擦搅拌接合装置(4)安装于所述第二机械手(14)的前端。
4.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合系统，其特征在于，所述第一旋转工具(5)具有工具主体(5a)，在其前端部分形成有台肩部(5c);至少一个突起部(5d)，其以从该工具主体的前端部分突出的方式形成，所述第二旋转工具(6)具有工具主体(6a)，其在前端部分形成有台肩部^c);至少一个凹部(6d)，其形成于该工具主体的前端部分，当所述两张金属板接合时收纳所述突起部(5d)的前端部。
5.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合系统，其特征在于，还具备控制装置(43)，该控制装置(43)具有机械手装置控制部(41)，其控制机械手装置(11);摩擦搅拌接合装置控制部(42)，其控制摩擦搅拌接合装置(3、4)。
6.一种摩擦搅拌接合方法,通过摩擦搅拌接合系统对两张金属板(1、2)进行摩擦搅拌接合，所述摩擦搅拌接合系统具备机械手装置(11);设于该机械手装置(11)，并具有第一以及第二旋转工具(5、6)、第一以及第二工具旋转驱动装置(7、8)、以及第一以及第二工具按压装置(9、10)的第一以及第二摩擦搅拌接合装置(3、4)，该摩擦搅拌接合方法的特征在于，使所述第一以及第二旋转工具(5、6)中的一方的旋转工具(5)构成为具有在前端部分形成有台肩部(5c)的工具主体(5a);以从该工具主体的前端部分突出的方式形成的至少一个突起部(5d)，使所述第一以及第二旋转工具中的另一方的旋转工具(6)构成为具有在前端部分形成有台肩部^c)的工具主体^a);形成于该工具主体的前端部分，当所述两张金属板(1、2)接合时对所述突起部^d)的前端部进行收纳的至少一个凹部(6d)，通过所述·机械手装置(11)，将第一以及第二摩擦搅拌接合装置(3、4)在所述两张金属板的接合部(J)的表面侧和背面侧以相对置的方式配置，由此，将第一以及第二旋转工具 (5,6)在接合部(J)的表面侧和背面侧以相对置的方式配置，通过所述第一以及第二工具旋转驱动装置(7、8)，使所述第一以及第二旋转工具(5、6)旋转，通过所述第一以及第二工具按压装置(9、10)，使所述第一以及第二旋转工具(5、6)向相互接近的方向移动，将所述第一旋转工具的突起部(5d)的前端部插入所述第二旋转工具的凹部^d)内，并且，将所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部的台肩面(5b、6b)按压于所述接合部(J)的表面侧和背面侧，在将所述第一旋转工具的突起部的前端部(5d)插入所述第二旋转工具的凹部(6d) 内，并将所述第一以及第二旋转工具的所述台肩部的台肩面(5b、6b)按压于所述接合部 (J)的表面侧和背面侧的状态下，通过所述机械手装置(11)，使所述第一以及第二旋转工具(5、6)沿所述接合部(J)移动，通过所述第一以及第二旋转工具(5、6)，对所述接合部(J)的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。
全文摘要
一种摩擦搅拌接合系统以及摩擦搅拌接合方法。能够抑制大型化，提高生产效率，抑制非对称残留应力以及强度不平衡，无固定地进行热效率优异的摩擦搅拌接合，为此，驱动机械手(12)，将旋转工具(5、6)在两张金属板(1、2)的接合部(J)的表面侧和背面侧以相对置的方式配置，驱动工具旋转驱动装置(7、8)和工具按压装置(9、10)，使旋转工具(5、6)旋转并且向相互接近的方向移动，将旋转工具(5、6)的台肩面(5b、6b)按压于接合部(J)的表面侧和背面侧，该状态下，驱动机械手(12)，使旋转工具(5、6)旋转并且使其沿接合部(J)移动，对接合部(J)进行摩擦搅拌，将两张金属板(1、2)接合(双面摩擦搅拌接合)。
文档编号B23K20/12GK103052462SQ20108006838
公开日2013年4月17日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者加贺慎一, 小野濑满, 富永宪明, 斋藤武彦, 芳村泰嗣, 平野聪, 朴胜焕 申请人:三菱日立制铁机械株式会社