摩擦搅拌接合装置的制作方法

本发明涉及一种摩擦搅拌接合装置的改良。

背景技术：

如图10所示，使铝合金制的两张工件101、102对合，并使高速旋转的销103及轴肩104与其对合部相抵。基于产生的摩擦热和旋转产生的搅拌，进行摩擦搅拌接合。销103及轴肩104是钢制的。

Al和Fe的亲和性较强。当在高温、高压下使Fe与Al接触时，两者发生反应，生成Al-Fe-Si系的金属间化合物。金属间化合物粘着于销103、轴肩104。作为抑制该粘着的对策，提出有专利文献1所示的摩擦搅拌接合装置。

如图11所示，专利文献1的摩擦搅拌接合装置在销103和轴肩104上形成用于抑制铝的粘着的类金刚石镀膜105。通过类金刚石镀膜105将铝与钢的接触断开，由此能够抑制Al-Fe-Si系的金属间化合物的生成。

但是，由于在摩擦搅拌接合中，在高温、高压下类金刚石镀膜105与铝制工件接触，因此类金刚石镀膜105在比较短的期间内从销103、轴肩104剥离。这样，在通过类金刚石镀膜105进行覆盖的技术中，工具寿命短。为了降低工具的更换频率，要求延长工具寿命。

因此，谋求代替类金刚石镀膜105的对策。

在先技术文献

专利文献

专利文献：日本特开2005-152909

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明的课题在于，提供一种采取与类金刚石镀膜覆盖相比能够期待长寿命化的对策的摩擦搅拌接合装置。

用于解决课题的方案

技术方案1的发明为摩擦搅拌接合装置，其具备上侧旋转轴肩和销，使所述上侧旋转轴肩和所述销旋转并同时与工件接触，通过产生的摩擦热和基于旋转产生的搅拌来将所述工件接合，其中，在所述销的表面形成有铁锂氧化物层。

在技术方案2的发明中，优选的是，铁锂氧化物层是通过以锂离子为阳离子成分的氮化盐浴处理、置换清洗盐浴处理、基于水冷、油冷或空冷的冷却处理及通过热水进行清洗的清洗处理而形成的层，所述置换清洗盐浴处理中，在含有从硝酸钠、硝酸钾及硝酸锂中选择的至少一种、或者从硝酸钠、硝酸钾及硝酸锂这些碱性硝酸盐和亚硝酸钠、亚硝酸钾及亚硝酸锂中选择出的至少一种的盐浴中进行处理。

在技术方案3所涉及的发明中，优选的是，工件为铝合金，铁锂氧化物层的表面中的锂含有量的上限为0.35wt％。需要说明的是，关于铁锂氧化物层的最外表面，通过GD-OES分析而以显示元素Li、C、N、O、Fe、Cr、W、V进行计测。计算出距最外表面1μm范围内的相对于基材成分的重量％。

发明效果

在技术方案1的发明中，在销的表面形成有铁锂氧化物层。铁锂氧化物相对于铝的亲和性与Fe相比格外弱。因此，不用担心形成金属间化合物。不需要担心在上侧旋转轴肩与销之间的间隙中侵入铝合金并形成金属间化合物的情况。

此外，类金刚石镀膜是在销的表面层叠的膜，与此相对，对本发明的软氮化层赋予铁锂氧化层的处理是向销的表面进行扩散渗透。层叠容易剥离，但是扩散渗透则难以剥离。因此，能够大幅地延长寿命。

根据本发明，能够提供一种采取与类金刚石镀膜覆盖相比能够期待长寿命的对策的摩擦搅拌接合装置。

在技术方案2的发明中，铁锂氧化物层是通过氮化盐浴处理、置换清洗盐浴处理、冷却处理及通过热水进行清洗的清洗处理而形成的层。若实施盐浴处理，则有时盐成分会残留在销的表面。在本发明中添加通过热水进行清洗的处理，能够通过该清洗处理来充分地除去盐成分。因此，能够得到更稳定的铁锂氧化物层。

在技术方案3的发明中，铁锂氧化物的表面中的锂含有量的上限为0.35wt％。在工件为铝合金的情况下，若锂含有量的上限为0.35wt％，则可以发挥优选的摩擦性能，能够进行顺畅的摩擦搅拌接合。

附图说明

图1是本发明的摩擦搅拌接合装置的主视图。

图2是图1的2部放大图。

图3是图2的3部放大图。

图4是上侧旋转轴肩及下侧旋转轴肩的作用图。

图5是对实施例和比较例进行比较的图。

图6是说明摩擦搅拌接合装置的变更例的图。

图7是多个种类的覆膜中的比较研究图。

图8是通过将6000系铝合金接合而得到的锂含有量与摩擦系数的相关图。

图9是通过将5000系铝合金接合而得到的锂含有量与摩擦系数的相关图。

图10是说明摩擦搅拌接合的原理的图。

图11是将以往的销及轴肩的主要部分截面放大后的图。

具体实施方式

以下，基于附图，对本发明的实施方式进行说明。

实施例

如图1所示，摩擦搅拌接合装置10具备：向下延伸的基板11；通过一对轴承12、13旋转自如地支承于该基板11且向下延伸的旋转主轴14；一体形成于该旋转主轴14的下部的销20；一体形成于该销20的下端的下侧旋转轴肩15；安装于基板11的第一致动器16；安装于该第一致动器16的旋转轴17上的第一驱动带轮18；在由一对轴承12、13夹着的位置设置于旋转主轴14的第一从动带轮19；架设在该第一从动带轮19和第一驱动带轮18上的第一带21；以与旋转主轴14平行的方式铺设于基板11的导轨22、22；移动自如地安装于上述的导轨22、22的滑块23；安装于该滑块23的滚珠螺母24；与该滚珠螺母24螺合且通过支承片25、25旋转自如地支承于基板11的滚珠丝杠26；安装于基板11的第二致动器27；安装于该第二致动器27的旋转轴28上的第二驱动带轮29；在一侧的支承片25的附近设置于滚珠丝杠26的第二从动带轮31；架设在该第二从动带轮31和第二驱动带轮29上的第二带32；经由轴承33、33旋转自如地支承于滑块23，包围旋转主轴14且经由花键34与旋转主轴14连结的旋转筒35；以及一体形成于该旋转筒35的下端的上侧旋转轴肩36。

第一致动器16由旋转控制部38控制。

在第二致动器27的旋转轴28上附设有载荷检测机构39。该载荷检测机构39例如是将机械的应变量置换为电信号的应变仪。或者，在第二致动器27为伺服电动机的情况下，载荷检测机构39也可以是检测电流并将电流转换为载荷的检测机构。

第二致动器27基于载荷检测机构39的信息而由控制上侧旋转轴肩36的向下载荷的载荷控制部41控制。

在本实施例中，第一致动器16的旋转轴17、第二致动器27的旋转轴28、旋转主轴14以相互平行的方式排列。旋转主轴14与旋转轴17、28的轴间距离能够任意设定。能够通过带21、32的长度调整来应对。

通过极力减小轴间距离，能够实现摩擦搅拌接合装置10的紧凑化，特别是能够减小水平方向的宽度。

这样的摩擦搅拌接合装置10小型且轻量，因此能够容易安装于机器人42的前端。机器人42常备监视前端的坐标的位置传感器43及对该位置传感器43的信息进行反馈且同时控制机器人42的控制器44。

通过机器人42将基板11向任意的位置搬运。旋转主轴14经由轴承12、13而安装于基板11，因此旋转主轴14下端的下侧旋转轴肩15的位置(特别是高度位置)由控制器44控制。

另一方面，旋转筒35通过花键34与旋转主轴14相连，能够沿着旋转主轴14移动。因此，当通过第二致动器27使滚珠丝杠26回转时，滑块23沿着导轨22、22上升或下降。于是，旋转筒35及上侧旋转轴肩36与滑块23一起移动。因此，上侧旋转轴肩36以第二致动器27为驱动源而与下侧旋转轴肩15独立地向任意的位置移动，且通过载荷控制部41进行载荷控制。

当通过第一致动器16使旋转主轴14回转时，经由花键34而使旋转筒35回转。因此，上侧旋转轴肩36与下侧旋转轴肩15同步旋转。

即，在摩擦搅拌接合装置10中，下侧旋转轴肩15与旋转主轴14一体形成，旋转主轴14将上侧旋转轴肩36的内部贯通。而且，摩擦搅拌接合装置10具备向旋转主轴14施加旋转力的第一致动器16、使上侧旋转轴肩36进行轴向位移(沿轴向移动)的第二致动器27及控制下侧旋转轴肩15的位置的控制器44，第二致动器27基于从其载荷检测机构39得到的载荷来进行载荷控制，并且控制器44基于来自检测下侧旋转轴肩15的位置的位置传感器43的信息，来控制下侧旋转轴肩15的位置。

需要说明的是，位置传感器43也可以内置于控制器44。另外，驱动带轮18、29、从动带轮19、31也可以为齿轮。另外，旋转主轴14也可以经由联轴器而在第一致动器16的作用下直接回转。同样，滚珠丝杠26也可以经由联轴器而在第二致动器27的作用下直接回转。因此，可以对图1所示的摩擦搅拌接合装置10的结构进行适当变更。

在本发明中，对销20实施了表面处理。对表面处理进行详细说明。

如图2所示，销20收纳于在上侧旋转轴肩36的中心设置的孔37。上侧旋转轴肩36相对于销20向上下移动，因此在孔37的内周面与销20的外周面之间设有成为d的间隙。该间隙d为10～30μm。

如图2的3部放大图即图3所示，在销20的表面形成有含有锂的软氮化层50。该软氮化层50包括铁锂氧化物层51和氮化扩散层52。氮化扩散层52是在销20的表面的原子与原子间渗透铁锂氧化物层51侧的原子而成的。即，以原子相互啮合的方式进行结合。因此，难以将软氮化层50从销20剥离。

铁锂氧化物层51通过在以锂离子为阳离子成分的氮化盐浴中对销20进行浸渍处理而得到。优选在氮化盐浴处理后实施：在含有从硝酸钠、硝酸钾及硝酸锂中选择的至少一种、或者从上述的碱性硝酸盐和亚硝酸钠、亚硝酸钾及亚硝酸锂中选择出的至少一种的盐浴中进行处理的置换清洗盐浴处理；基于水冷、油冷或空冷的冷却处理；以及通过热水进行清洗的清洗处理。通过该清洗能够从销20充分地除去残留盐成分。

如图1中说明的那样，在摩擦搅拌接合装置10中，在下侧旋转轴肩15上一体地安装有销20，该销20将在上侧旋转轴肩36上形成的孔37贯通而与下侧旋转轴肩15一起旋转，如图3中说明的那样，在销20的表面形成含有锂的铁锂氧化物层51。

接下来说明由以上的结构构成的摩擦搅拌接合装置10的作用。

如图4(a)所示，使作为铝合金板的工件46、47彼此抵接。在该例中进行抵接，但也可以使工件46、47彼此重合。若进行重合，则能够使三张以上的工件彼此重合而进行接合。

如图4(b)所示，使上侧旋转轴肩36及下侧旋转轴肩15接近接合部48的一端。

如作为图4(b)的C-C向视图的图4(c)所示，下侧旋转轴肩15与工件46的下表面相抵且保持为该高度。接下来，使上侧旋转轴肩36降低而以规定的载荷按压工件46上表面。

如图4(d)所示，以规定的旋转速度使上侧旋转轴肩36及下侧旋转轴肩15旋转。于是，产生摩擦热并引起流动化现象。在该状态下，如箭头那样移动。

其结果是，如图4(e)所示，通过焊道49将工件46、47彼此接合。

在图5(a)所示的实施例中，对下侧旋转轴肩15进行位置控制，对上侧旋转轴肩36进行载荷控制。

另一方面，在图5(b)所示的比较例中，对下侧旋转轴肩106和上侧旋转轴肩107一起进行载荷控制。通过摩擦热，使工件108变软。当载荷过大时，下侧旋转轴肩106或上侧旋转轴肩107过度地啮入工件108。作为对策，与软化对应而减小载荷Fg1、Fg2。

因此，对减轻上侧旋转轴肩107的向下载荷Fg1的情况进行研究。

使下侧旋转轴肩106处的向上载荷Fg2恒定。在该状态下减轻上侧旋转轴肩107的向下载荷Fg1。于是，工件108有可能浮起。为了防止浮起，减轻下侧旋转轴肩106处的向上载荷Fg2。

即，当对下侧旋转轴肩106和上侧旋转轴肩107一起进行载荷控制时，一方对另一方产生影响，引起所谓的摆动(hunting)(载荷信号上下变动。)，使载荷在必要以上反复增减，载荷不稳定。

另外，工件108伴随着温度上升而膨胀。若进行放置则载荷变得过大。此时也引起摆动。

对于这一点，若在图5(a)中，则对下侧旋转轴肩15进行位置控制，且对上侧旋转轴肩36进行载荷控制，因此不会引起上述不良情况。其结果是，相对于工件46的软化、膨胀，能够维持稳定的接合作业。

如图3中说明的那样，在销20的表面形成有铁锂氧化物层51。铁锂氧化物相对于铝的亲和性与Fe相比格外弱。因此，不用担心形成金属间化合物。

在图2中，不需要担心在上侧旋转轴肩36与销20之间的间隙d中侵入铝合金并形成金属间化合物。因此，能够使上侧旋转轴肩36相对于销20沿轴向顺畅地移动。

另外，在图5(b)的比较例中，上侧旋转轴肩107相对于销109频繁地上下移动。销109相对于孔111向轴直角方向振动的情况可能较多。于是，孔111的内周面与销109接触。由于上侧旋转轴肩107频繁地上下移动，因此即便是软氮化层50也会引起剥离。

对于这一点，在图5(a)的实施例中，显著减轻上侧旋转轴肩36相对于销20的上下移动。其结果是，能够大幅延长直至软氮化层50的剥离为止的时间。

接下来，对变更例进行说明。

在图6所示的摩擦搅拌接合装置10中，从销20除去了下侧旋转轴肩(图1，符号15)。除此之外，与图1所示的摩擦搅拌接合装置10相同，因此沿用图1的符号而省略详细说明。

即，本发明适用于在销20上具备下侧旋转轴肩(图1，符号15)的摩擦搅拌接合装置10及在销20上不具备下侧旋转轴肩(图1，符号15)的摩擦搅拌接合装置10这两方。

接下来，对上述的软氮化层50的优越性进行更详细地说明。

如图7(a)所示，对销20实施基于图7(d)进行说明的那样的各种覆膜53。

接下来，如图7(b)所示，以规定的旋转速度使上侧旋转轴肩36、销20及下侧旋转轴肩15旋转。于是，产生摩擦热并引起流动化现象。在该状态下，如箭头那样移动。

若移动距离L达到600mm则停止移动。而且，如图7(c)所示，拉起上侧旋转轴肩36。计测该拉起所需的力F。粘着现象越显著，力F变得越大。

如图7(d)所示，对于在销20上覆盖有C-Dia(类金刚石镀膜)的供试验材料、覆盖有C-Si(碳化硅)的供试验材料、覆盖有Nsolt(不含锂的盐浴软氮化层)的供试验材料、覆盖有Nsolt-Li(含有锂的盐浴软氮化层)的供试验材料，测定力F。测定的结果中，在4种之中，Nsolt-Li(含有锂的盐浴软氮化层)的力F最小，为好成绩。

接下来，将对象缩小为Nsolt-Li(含有锂的盐浴软氮化层)，对其表面、即锂含有层51中的锂含有量进行评价。

在该评价中，准备锂含有量为0的供试验材料、锂含有量为0.06wt％的供试验材料、锂含有量为0.7wt％的供试验材料。需要说明的是，关于铁锂氧化物层的最外表面，通过GD-OES分析而以显示元素Li、C、N、O、Fe、Cr、W、V进行计测。计算出距最外表面1μm范围内的相对于基材成分的重量％。

接下来，通过法列克司(Farex)型摩擦磨损试验机来评价作为实施例、比较例而制作成的供试验材料的滑动特性。具体来说，作为试验条件，将供试验材料的表面粗糙度统一，使旋转速度以600rpm进行旋转，将V形压块以恒定20kg从两侧在无润滑中进行按压，计测此时的摩擦系数μ和转矩。

首先，使一对压块为6000系铝合金制。通过使三个供试验材料(销20)分别与6000系铝合金滑动接触，由此得到图8(a)、(b)所示的摩擦系数μ和转矩。

如图8(a)所示，在锂含有量为0的情况下，摩擦系数μ变小。在锂含有量为0.06wt％的情况下，摩擦系数μ充分大。在锂含有量为0.7wt％的情况下，摩擦系数μ变小。

在摩擦搅拌接合中，为了产生摩擦热，要求使摩擦系数μ为0.7以上。

若锂含有量为0.35wt％以下的范围、优选为0.06～0.35wt％的范围W1，则摩擦系数μ成为0.7以上。

如图8(b)所示，若为0.06～0.35wt％的范围W1，则转矩几乎恒定，能够使摩擦搅拌接合顺畅地进行。

接下来，使一对压块为JIS所规定的5000系铝合金制。通过使三个供试验材料(销20)分别与5000系铝合金滑动接触，由此得到图9(a)、(b)所示的摩擦系数μ和转矩。

如图9(a)所示，在锂含有量为0的情况下，摩擦系数μ较小，在锂含有量为0.06wt％的情况下，摩擦系数μ充分大，在锂含有量为0.7wt％的情况下，摩擦系数μ减小。

若锂含有量为0.35wt％以下的范围、优选为0.06～0.35wt％的范围W2，则摩擦系数μ成为0.7以上。

如图9(b)所示，若为0.06～0.35wt％的范围W2，则转矩几乎恒定，能够使摩擦搅拌接合顺畅地进行。

根据图8及图9，期望在将两张铝合金板接合的销20上覆盖的铁锂氧化物层的表面上的锂含有量处于0.35wt％以下的范围内，优选处于0.06～0.35wt％的范围内。若为该范围，则能够实施顺畅的摩擦搅拌接合。

工业实用性

本发明适合于通过摩擦搅拌接合法将两张以上的铝板接合的摩擦搅拌接合装置。

符号说明：

10…摩擦搅拌接合装置，20…销，36…上侧旋转轴肩，37…孔，46、47…工件，51…铁锂氧化物层。