专利名称：摩擦搅拌接合装置和摩擦搅拌接合方法
技术领域：
本发明涉及对于工件进行摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合装置和摩擦搅拌接合方法。本发明根据在2011年10月19日在日本申请的特愿2011-229577号而主张优先权，把其内容在此引用。
背景技术：
作为把由两个部件构成的工件进行接合的方法之一知道有摩擦搅拌接合。所说的摩擦搅拌接合是使用被叫做工具轴肩面的面以向工件的接合部位以规定的压力加压的状态使该工件旋转，以此使工件表面产生摩擦热，利用该摩擦热使工件软化来进行接合。这种摩擦搅拌接合由于在工件成形时变形和在摩擦搅拌接合中热变形等，而有时在工件即被接合部件彼此之间的对接部的上面产生台阶即错位。且在产生该错位的状态下进行摩擦搅拌接合时，在接合部产生隧道状的空洞和槽等接合不良，有可能使接合强度下降。例如日本国特开2000-202645号公报就公开有防止产生这种接合不良的技术。日本国特开2000-202645号公报公开的摩擦搅拌接合装置在旋转工具前进方向的延长线上，一边利用加压辊对两个被接合部件的端部上面进行加压，一边使被接合部件彼此之间的台阶即错位变成进入到规定范围内的状态来进行摩擦搅拌接合。且该加压辊为了使加压部尽量地接近旋转工具，把支承该加压辊的按压轴形成为从上下方向的中途位置弯曲。但在日本国特开2000-202645号公报公开的技术中，由于加压辊的压紧轴弯曲而当被作用有强的加压力时，该载荷付与部就产生大的转矩，有可能破损。在为了防止破损而对上述压紧轴使用高刚性的材料时，成本大幅度上升。
发明内容
本发明是考虑到该情况而开发的，目的在于提供一种摩擦搅拌接合装置，能够一边抑制成本并防止破损，一边抑制错位。本发明的摩擦搅拌接合装置具有工具保持部、设置在被所述工具保持部保持的工具的接合方向前方来按压工件接合部位表面的按压机构，所述按压机构具备向所述工件给予载荷的载荷付与部、设置在所述载荷付与部与被所述工具保持部保持的工具之间而与所述工件的所述接合部位表面抵接的第一抵接部、相对所述载荷付与部而设置在所述第一抵接部相反侧并与所述工件的表面抵接的第二抵接部、安装在所述载荷付与部而支承所述第一抵接部和所述第二抵接部的支承部。所述摩擦搅拌接合装置在按压工件时，虽然从第一抵接部和第二抵接部向载荷付与部作用有转矩，但由于第一抵接部和第二抵接部是夹住载荷付与部而被设置其两侧，所以分别产生在第一抵接部和第二抵接部的转矩被相互抵消。因此，即使在载荷付与部对工件付与大的按压力的情况下，也能够防止载荷付与部破损，按压机构的第一抵接部在工具的接合方向前方与工具邻接，能够可靠地按压工件的接合部位表面。本发明的摩擦搅拌接合装置中，所述支承部也可以能够围绕与所述接合方向正交的轴旋转地安装在所述载荷付与部。由于所述支承部能够旋转，所以在工件的表面有凹凸的情况下，支承部能够相对该凹凸随动地动作，能够可靠地按压接合部位表面。本发明的摩擦搅拌接合装置中，所述第一抵接部和所述第二抵接部被能够围绕与所述接合方向正交的旋转轴旋转的所述支承部支承，也可以是外周面在沿所述旋转轴的方向向径向外侧鼓出形成的成为凸曲面的辊。利用所述辊，即使在工件向沿旋转轴的方向倾斜的情况下，也能够防止辊与工件成为部分触接，能够一边防止工件损伤一边可靠地按压。本发明的摩擦搅拌接合装置也可以还具备冷却所述按压机构的第一冷却机构。利用所述第一冷却机构能够防止由随着接合产生的热的影响而按压机构有损伤，能够一边更可靠地按压一边接合。本发明的摩擦搅拌接合装置中，所述第一冷却机构也可以冷却所述按压机构中的所述第一抵接部。由于所述第一抵接部被配置在按压机构中距离工具最近的位置，所以容易受到热的影响，通过冷却第一抵接部则能够更有效地进行按压机构的冷却。本发明的摩擦搅拌接合装置也可以在相对被所述工具保持部保持的工具而成为所述接合方向后方的位置，还具备冷却所述接合部位表面的第二冷却机构。利用所述第二冷却机构则能够在接合后迅速地把接合部位的热除去。本发明的摩擦搅拌接合装置也可以还具备设置在被所述工具保持部保持的工具接合方向的后方来按压所述工件所述接合部位表面的辅助按压机构。利用所述辅助按压机构，在工具接合方向的后方也能够按压工件，能够在更可靠地按压工件的状态下进行接合。本发明的摩擦搅拌接合装置也可以在所述第一抵接部与被所述工具保持部保持的工具之间还具有错位检测机构，检测构成所述工件的被接合部件彼此之间的错位。由于利用所述错位检测机构来检测产生在被接合部件彼此之间的错位，所以由该错位使按压机构的按压力变化，能够一边抑制错位一边进行接合，能够谋求进一步提高接合强度。本发明的摩擦搅拌接合方法是利用摩擦搅拌接合装置来进行所述工件接合的摩擦搅拌接合方法，所述摩擦搅拌接合装置具有工具保持部和按压机构，该按压机构设置在被所述工具保持部保持的工具的接合方向前方来按压工件接合部位表面，所述按压机构具备向所述工件给予载荷的载荷付与部、设置在所述载荷付与部与被所述工具保持部保持的工具之间而与所述工件的所述接合部位表面抵接的第一抵接部、相对所述载荷付与部而设置在所述第一抵接部相反侧并与所述工件的表面抵接的第二抵接部、安装在所述载荷付与部而支承所述第一抵接部和所述第二抵接部的支承部，所述摩擦搅拌接合方法具有在比所述工具更靠近所述接合方向的前方，利用所述按压机构来按压所述工件的所述接合部位表面的工序；一边维持所述按压机构对所述工件的按压一边进行所述工件接合的工序。本发明的摩擦搅拌接合方法还具备冷却所述工件的所述接合部位表面的工序。
本发明的摩擦搅拌接合方法还具备在比所述工具更加靠近所述接合方向的后方，按压所述工件的所述接合部位表面的工序。本发明的摩擦搅拌接合方法还具备在所述第一抵接部与被所述工具保持部保持的工具之间，检测构成所述工件的被接合部件彼此之间错位的工序。在上述的摩擦搅拌接合方法中，由于所述按压机构的第一抵接部在工具的接合方向前方与工具邻接，能够可靠地按压工件接合部位表面，所以能够抑制错位。根据本发明的摩擦搅拌接合装置和摩擦搅拌接合方法，由于通过第一抵接部和第二抵接部一边达到抑制按压机构的成本和防止破损的目的，一边按压工件，所以能够一边抑制错位一边进行接合，能够进一步提高工件彼此之间的接合强度。
图1是表示本发明实施例摩擦搅拌接合装置整体结构的侧视图；图2是从上方看本发明实施例摩擦搅拌接合装置按压机构的图，表示的是图1的A向视图；图3是从接合方向看本发明实施例摩擦搅拌接合装置辅助按压机构的图，表示的是图1的B向视图。符号说明I摩擦搅拌接合装置 10加工机本体 11工具 12工具保持部13按压机构 14辅助按压机构 15第一冷却机构16第二冷却机构 19垫板 20轴肩部 20a轴肩面21销 29按压机构本体 30载荷付与部 31连结部32支承部 33第一辊(第一抵接部)34第二辊(第二抵接部)35弹簧部件 36电动机37支承部旋转轴(轴) 38第一辊旋转轴(旋转轴)39第二辊旋转轴(旋转轴)40辅助按压机构本体41支承部 42辅助辊 43辅助辊旋转轴44缺口部 45喷出口 46喷出口W工件 Wl被接合部件 P轴线 WA冷却空气
具体实施例方式以下，说明本发明实施例的摩擦搅拌接合装置I。摩擦搅拌接合装置I是通过摩擦搅拌接合来接合工件W的装置。以下，说明这样例在由成为板状的一对被接合部件Wl构成的工件W中，把被接合部件Wl的接合端面之间对接，在把一对被接合部件Wl放置在垫板19的状态下，利用摩擦搅拌接合装置I从上方进行接合。如图1所示，摩擦搅拌接合装置I具有保持用于进行接合的工具11的工具保持部12、按压被接合部件Wl的按压机构13和辅助按压机构14、冷却按压机构13的第一冷却机构15、冷却接合部位的第二冷却机构16。以下，把进行接合的方向作为接合方向，把沿与该接合方向正交的工件W表面的方向作为正交方向，把被工具11插入的方向作为高度方向。工具11具有以轴线P为中心形成且相互成为一体的轴肩部20和销21。轴肩部20是以轴线P为中心的圆柱状，该轴肩部20的下端面是配置在工件W的表面侧来按压该表面的轴肩面20a。销21的外形是形成得比轴肩小且从轴肩面20a的中央向高度方向下方突出的圆柱状，在摩擦搅拌接合时向工件W内插入。工具保持部12是以轴线P为中心的圆柱状，在工具11的上端部从轴线P的径向外侧夹住轴肩部20地来保持工具11。该工具保持部12的上端部被固定在加工机本体10的下端部，随着加工机本体10的移动而工具保持部12和工具11能够向高度方向、接合方向和正交方向移动。且随着加工机本体10未图示的主轴旋转而这些工具保持部12和工具11能够以轴线P为中心旋转。按压机构13设置在被工具保持部12保持的工具11的接合方向前方，向被接合部件Wl彼此之间接合的接合部位进行按压。该按压机构13具有被安装在加工机本体10的按压机构本体29、配置在按压机构本体29内的载荷付与部30、与载荷付与部30的下端部连接的支承部32、设置在支承部32接合方向前后端部的第一辊(第一抵接部)33和第二辊(第二抵接部)34。按压机构本体29是与加工机本体10的接合方向前方侧连接的部件，在内部配置有向被接合部件Wl付与载荷的载荷付与部30。载荷付与部30的一部分从该按压机构本体29的高度方向下方突出。载荷付与部30被配置在按压机构本体29内，具有被收容在按压机构本体29内部的弹簧部件35、能够调节该弹簧部件35压入量的电动机36、与弹簧部件35的下端连接的连结部31。连结部31是向高度方向延伸的部件，上端部与弹簧部件35连接，利用电动机36能够在高度方向移动。该连结部31从按压机构本体29向高度方向下方突出，在下端部设置有把正交方向作为延伸方向的支承部旋转轴37，并经由该支承部旋转轴37与支承部32连接。支承部32是夹住载荷付与部30的连结部31而在接合方向前后对称延伸设置的长方体形状的部件。该支承部32在接合方向的中央部利用上述支承部旋转轴(轴)37而与连结部31连接，能够以该支承部旋转轴37为中心旋转。如图2所示，第一辊33在支承部32的接合方向后方侧端部被设置在与工具11邻接的位置，是能够利用把正交方向作为延伸方向的第一辊旋转轴(旋转轴)38和未图示的轴承而以该第一辊旋转轴38为中心旋转的辊部件。该第一辊33的外周面沿正交方向即第一辊旋转轴38的延伸方向而向第一辊旋转轴38的径向外侧鼓出，成为在延伸方向的中央部外径最大的凸曲面的凸面辊。第二辊34与第一辊33夹住载荷付与部30而被设置在接合方向相反侧的端部即支承部32接合方向前方侧的端部，利用第二辊旋转轴(旋转轴)39和未图示的轴承而能够以该第二辊旋转轴39为中心旋转，与第一辊33同样地成为在延伸方向的中央部外径最大的凸曲面的凸面辊。这些第一辊33和第二辊34被配置成与被接合部件Wl的表面抵接，利用载荷付与部30的电动机36和弹簧部件35并经由连结部31和支承部32而能够变更给予被接合部件Wl的按压力。辅助按压机构14被设置在工具11的接合方向后方并且按压接合部位。该辅助按压机构14具有与加工机本体10连接的辅助按压机构本体40、从辅助按压机构本体40向高度方向下方突出设置的支承部41、设置在支承部41下端部的辅助辊42。辅助按压机构本体40是与加工机本体10的接合方向后方侧连接的部件。支承部41被设置成向辅助按压机构本体40的高度方向下方突出，是在高度方向延伸的部件，在其下端部设置有把正交方向作为延伸方向的辅助辊旋转轴43，并经由该辅助辊旋转轴43而与辅助辊42连接。如图3所示，辅助辊42是在支承部41的下端部能够利用辅助辊旋转轴43和未图示的轴承而以该辅助辊旋转轴43为中心旋转地连接的辊部件，配置成与被接合部件Wl的表面抵接。且该辅助辊42在正交方向即辅助辊旋转轴43的延伸方向中央部附近设置有沿辅助辊旋转轴43的延伸方向从径向外侧向内侧凹下的缺口部44，即成为不接触接合部位的截面H状。第一冷却机构15被配置在工具保持部12与按压机构本体29之间，具有从加工机本体10的下面突出设置的喷出口 45。该喷出口 45的前端朝向第一辊旋转轴38和第二辊旋转轴39以及各个上述的轴承，配置成使从未图示的冷却机构本体送入的冷却空气WA能够向第一辊旋转轴38和第二辊旋转轴39以及各个上述的轴承喷出。第二冷却机构16也同样地被配置在工具保持部12与辅助按压机构本体40之间，具有从加工机本体10的下面突出设置的喷出口 46。该喷出口 45的前端相对工具11而在接合方向的后方被配置成能够把从未图示的冷却机构本体送入的冷却空气WA向被接合部件Wl表面的接合部位喷出。该摩擦搅拌接合装置I把工具11向被接合部件Wl彼此之间的接合部位按压，一边旋转一边向接合方向前方移动。这时，一边利用按压机构13来按压接合方向前方的接合部位表面,一边来使被接合部件Wl彼此之间进行接合。因此，能够抑制被接合部件Wl彼此之间的错位，能够防止在接合部位产生接合不良，能够谋求提高接合强度。按压机构13由第一辊33和第二辊34与被接合部件Wl抵接来进行被接合部件Wl的按压。这时，第一辊33由于受到来自被接合部件Wl的反力而在图1的纸面上使连结部31被作用有逆时针的转矩。另一方面，第二辊34由于受到来自被接合部件Wl的反力而在图1的纸面上使连结部31被作用有顺时针的转矩。在此，由于第一辊33和第二辊34是夹住连结部31而设置在其两侧，所以上述向载荷付与部30作用的转矩相互抵消，能够避免向连结部31作用的转矩的影响。由于支承部32通过支承部旋转轴37而能够旋转地与连结部31连接，所以能够与被接合部件Wl表面的凹凸随动，能够更可靠地按压被接合部件Wl的表面。通过把按压机构13的第一辊33和第二辊34设定成凸面辊，即使在被接合部件Wl的表面向正交方向倾斜的情况下，也能够防止向被接合部件Wl的表面部分触接，由于能够使面接触，所以能够使被接合部件Wl的表面不受损伤地来按压，可靠地进行接合。由于辅助按压机构14的辅助辊42是截面H状，所以不会接触接合完毕的接合部位地来按压被接合部件Wl，即使在接合方向后方，也能够防止被接合部件Wl的被抬起，进一步提高接合部位的质量。利用第一冷却机构15能够防止第一辊33和第二辊34的上述轴承由于接合时的热而受到损伤，提高按压机构13的耐久性，能够更可靠地一边抑制错位一边进行接合。且利用第二冷却机构16能够迅速地进行接合后接合部位的冷却。本实施例的摩擦搅拌接合装置I中，由于按压机构13的第一辊33和第二辊34是夹住连结部31而设置在其两侧，且是设置在接合方向的对称位置，所以即使在需要大按压力的情况下，也不需要使用高刚性的材料。因此，不必要大幅度成本上升地就能够一边防止载荷付与部30破损一边抑制错位地进行接合。且支承部32相对连结部31而由支承部旋转轴37能够旋转地支承，第一辊33和第二辊34是凸面辊，通过采用辅助按压机构14而能够可靠地按压被接合部件Wl，抑制产生错位并防止产生接合不良，能够谋求提高接合强度。利用第一冷却机构15和第二冷却机构16能够把按压机构13和接合部位的热除去，能够一边可靠地进行被接合部件Wl的按压，一边在接合后迅速地冷却接合部位，能够进一步谋求提高接合强度。以上对本发明的实施例进行了详细说明，但在不脱离本发明技术思想的范围内也能够稍微进行设计变更。例如在被接合部件Wl彼此之间产生错位的情况下，把事前检测该错位的错位检测机构另外设置，与该检测的值对应地驱动按压机构13的电动机36，通过使按压力变化，能够一边更有效地抑制错位一边进行接合。作为这种错位检测机构而能够使用光学式和超声波式的变位计，其非接触地测量被接合部件Wl的高度方向位置，从被接合部件Wl彼此之间高度方向位置的差异，能够检测错位。也可以使用通电传感器等在被接合部件Wl的高度方向位置成为规定值的时刻点，通过在该通电传感器与被接合部件Wl彼此之间通电则能够测量高度方向位置，接触检测错位。且也可以由图像传感器等进行错位部分的摄影，把错位部分的大小进行视觉辨认，检测错位。本实施例中，按压机构13的第一辊33和第二辊34被设置成夹住连结部31，距载荷付与部30的接合方向的距离相等的对称位置。但也不需要一定是该接合方向的距离相等，只要至少是夹住连结部31并且设置在接合方向的相反侧便可。按压机构13的第一辊33和第二辊34也可以不是凸面辊。设置在按压机构本体29内部的弹簧部件35也可以是利用液压和空气压动作的促动器等。在采用空气压促动器的情况下，由于作为工作流体的压缩空气而例如能够使用被工厂设备所常用的工厂空气等，所以能够降低成本。也不一定必须设置第一冷却机构15和第二冷却机构16，只要能够冷却第一辊旋转轴38、第二辊旋转轴39、辅助辊旋转轴43和它们的轴承，则设置位置也并不限定。作为冷却介质并不限定于冷却空气WA。且第一冷却机构15也并不一定必须冷却第一辊旋转轴38和第二辊旋转轴39这两者，也可以配置成仅冷却更容易受到来自接合部位热影响的第一辊旋转轴38。且也可以不设置辅助按压机构14，这时则能够降低成本。本发明在使用筒管工具进行接合时也可以被应用，也能够应用在把摩擦搅拌接合使用在点接合的点FSW。
权利要求
1.一种摩擦搅拌接合装置，其中，具有工具保持部和按压机构，该按压机构设置在被所述工具保持部保持的工具的接合方向前方来按压工件接合部位表面， 所述按压机构具备 向所述工件给予载荷的载荷付与部、 设置在所述载荷付与部与被所述工具保持部保持的工具之间而与所述工件的所述接合部位表面抵接的第一抵接部、 相对所述载荷付与部而设置在所述第一抵接部相反侧并与所述工件的表面抵接的第二抵接部、 安装在所述载荷付与部而支承所述第一抵接部和所述第二抵接部的支承部。
2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述支承部能够围绕与所述接合方向正交的轴旋转地安装在所述载荷付与部。
3.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述第一抵接部和所述第二抵接部能够围绕与所述接合方向正交的旋转轴旋转地被所述支承部支承，是外周面在沿所述旋转轴的方向向径向外侧鼓出形成的成为凸曲面的辊。
4.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其中，还具备冷却所述按压机构的第一冷却机构。
5.如权利要求4所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述第一冷却机构冷却所述按压机构中的所述第一抵接部。
6.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其中，在相对被所述工具保持部保持的工具而成为所述接合方向后方的位置，还具备冷却所述接合部位表面的第二冷却机构。
7.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其中，还具备设置在被所述工具保持部保持的工具接合方向的后方来按压所述工件的所述接合部位表面的辅助按压机构。
8.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合装置，其中，在所述第一抵接部与被所述工具保持部保持的工具之间还具有错位检测机构，检测构成所述工件的被接合部件彼此之间的错位。
9.一种摩擦搅拌接合方法，其是利用摩擦搅拌接合装置来进行所述工件接合的摩擦搅拌接合方法， 所述摩擦搅拌接合装置具有工具保持部和按压机构，该按压机构设置在被所述工具保持部保持的工具的接合方向前方来按压工件接合部位表面， 所述按压机构具备向所述工件给予载荷的载荷付与部、设置在所述载荷付与部与被所述工具保持部保持的工具之间而与所述工件的所述接合部位表面抵接的第一抵接部、相对所述载荷付与部而设置在所述第一抵接部相反侧并与所述工件的表面抵接的第二抵接部、安装在所述载荷付与部而支承所述第一抵接部和所述第二抵接部的支承部， 所述摩擦搅拌接合方法具有 在比所述工具更靠近所述接合方向的前方，利用所述按压机构来按压所述工件的所述接合部位表面的工序； 一边维持所述按压机构对所述工件的按压一边进行所述工件接合的工序。
10.如权利要求9所述的摩擦搅拌接合方法，其中，还具备冷却所述按压机构的工序。
11.如权利要求9所述的摩擦搅拌接合方法，其中，还具备冷却所述工件的所述接合部位表面的工序。
12.如权利要求9所述的摩擦搅拌接合方法，其中，还具备在比所述工具的更加靠近所述接合方向后方，按压所述工件的所述接合部位表面的工序。
13.如权利要求9所述的摩擦搅拌接合方法，其中，还具备在所述第一抵接部与被所述工具保持部保持的工具之间检测构成所述工件的被接合部件彼此之间错位的工序。
全文摘要
一种摩擦搅拌接合装置，其具有工具保持部和按压机构，该按压机构设置在被所述工具保持部保持的工具的接合方向前方来按压工件接合部位表面，所述按压机构具备向所述工件给予载荷的载荷付与部、设置在所述载荷付与部与被所述工具保持部保持的工具之间而与所述工件的所述接合部位表面抵接的第一抵接部、相对所述载荷付与部而设置在所述第一抵接部相反侧并与所述工件的表面抵接的第二抵接部、安装在所述载荷付与部而支承所述第一、第二抵接部的支承部。
文档编号B23K20/12GK103056509SQ201210327720
公开日2013年4月24日 申请日期2012年9月6日 优先权日2011年10月19日
发明者加藤庆训 申请人:三菱重工业株式会社