摩擦攪拌接合方法及裝置、工具組的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為摩擦攪拌接合方法及裝置、工具組。為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性好，接合強(qiáng)度及可靠性高的摩擦攪拌接合，旋轉(zhuǎn)工具（3）具有：將肩臺面（3b）形成在前端部分的工具主體（3a）；以從肩臺面（3b）突出的方式形成的銷狀的突起部（3d），墊板工具（4）具有：將按壓力保持面（4b）形成在前端部分的工具主體（4a）；收納突起部（3d）的前端部的凹部（4d），將旋轉(zhuǎn)工具（3）和墊板工具（4）以與金屬板的接合部（J）的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞脚渲?，保持墊板工具（4），邊旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工具（3）邊使其向接近墊板工具（4）的方向移動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)工具的突起部（3d）前端插入墊板工具的凹部（4d）內(nèi)，夾入接合部，將旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面（3b）向接合部的表面?zhèn)劝磯?，在該狀態(tài)下，使旋轉(zhuǎn)工具（3）和墊板工具（4）沿接合部移動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)工具（3）對接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
【專利說明】摩擦攪拌接合方法及裝置、工具組
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于對金屬材料的接合部進(jìn)行摩擦攪拌并接合的摩擦攪拌接合方法及裝置、工具組。
【背景技術(shù)】
[0002]公知有一種這樣的摩擦攪拌接合技術(shù):一邊使接合工具(旋轉(zhuǎn)工具)旋轉(zhuǎn)，一邊使設(shè)在接合工具的工具主體上的肩臺部的表面與接合部件的表面相接觸，利用肩臺部的表面與接合部件的表面的摩擦熱進(jìn)行摩擦攪拌，在使接合部件在熔點(diǎn)以下的固相狀態(tài)下對材料進(jìn)行攪拌并接合。該接合技術(shù)以鋁合金為主體，正在各種工業(yè)領(lǐng)域中實(shí)際應(yīng)用。
[0003]以往的摩擦攪拌接合技術(shù)大體上分為單面摩擦攪拌接合和雙面摩擦攪拌接合。
[0004]單面摩擦攪拌接合是最常見的方法，例如專利文獻(xiàn)1(日本專利第2712838號公報(bào))的圖12所示。該單面摩擦攪拌接合是，使用在工具主體的前端部設(shè)置比其直徑小的探針、并將工具主體的前端部上的探針安裝部的周圍作為肩臺部而構(gòu)成的接合工具，將該接合工具從兩張金屬板的接合部(例如對接部)的單面?zhèn)炔迦?，利用通過使接合工具旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦熱進(jìn)行摩擦攪拌并接合(現(xiàn)有技術(shù)I)。
[0005]作為將單面摩擦攪拌接合方法適用于實(shí)際的工業(yè)產(chǎn)品的情況的一例，例如在專利文獻(xiàn)2 (日本專利第3289650號公報(bào))中公開了以下兩個(gè)課題及解決該課題的手段。
[0006]首先對第一課題進(jìn)行說明。以不在接合部背面產(chǎn)生未攪拌部的方式進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)，需要控制插入到接合部的工具前端的距離和加工部件的背面即墊板表面的距離總是為0.2mm左右以下。但是，在對細(xì)長的部件進(jìn)行接合時(shí)，由于會(huì)發(fā)生工具的熱膨脹，所以，很難總是以0.2_左右以下的高精度進(jìn)行位置控制。
[0007]對第二課題進(jìn)行說明。在工具前端貫穿接合部的狀態(tài)下進(jìn)行接合的情況下，工具前端與配置在接合部背面的墊板接觸，工具和墊板發(fā)生干涉。由此，會(huì)發(fā)生在接合部背面產(chǎn)生缺陷、或加工部件和墊板被接合的情況。
[0008]解決這些課題的手段(現(xiàn)有技術(shù)2)表示在專利文獻(xiàn)2 (日本專利第3289650號公報(bào))的圖3、圖4中。在配置在加工部件的背面的墊板上的工具正下方設(shè)有槽。工具的前端貫穿加工部件的接合部背面，并邊在形成于加工部件的接合部背面和墊板之間的槽的內(nèi)部移動(dòng)邊進(jìn)行接合。
[0009]另外，雙面摩擦攪拌接合的方法有兩種。
[0010]雙面摩擦攪拌接合的第一種方法是，在兩張金屬板的接合部(例如對接部)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)龋褂猛ǔ１环Q為雙軸肩(bobbin tool)的一根接合工具對接合部進(jìn)行摩擦攪拌并接合，例如專利文獻(xiàn)I (日本專利第2712838號公報(bào))的圖2a所示(現(xiàn)有技術(shù)3)。
[0011]雙面摩擦攪拌接合的第二種方法是，將兩根接合工具以探針前端之間實(shí)質(zhì)上沒有間隙的狀態(tài)相對地配置在金屬板的接合部(例如對接部)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，從接合部的兩?cè)進(jìn)行摩擦攪拌并接合，例如專利文獻(xiàn)I (日本專利第2712838號公報(bào))的圖14a所示(現(xiàn)有技術(shù)4)。[0012]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0013]專利文獻(xiàn)
[0014]專利文獻(xiàn)1:日本專利2712838號
[0015]專利文獻(xiàn)2:日本專利3289650號
[0016]發(fā)明的概要
[0017]發(fā)明欲解決的課題
[0018]上述現(xiàn)有技術(shù)I?4中分別存在以下的問題。
[0019]第一是經(jīng)濟(jì)性和工具壽命的問題。
[0020]現(xiàn)有技術(shù)I (單面摩擦攪拌接合)中提供的接合工具的探針長度為與金屬板的厚度相同的長度。
[0021]現(xiàn)有技術(shù)3 (雙面摩擦攪拌接合)提供的雙軸肩的探針長度也與單面摩擦攪拌接合一樣，是與金屬板的厚度相同的長度?，F(xiàn)有技術(shù)4 (雙面摩擦攪拌接合)提供的在表背面相對地配置的兩根接合工具的探針長度是金屬板厚度的一半。
[0022]因此，如果金屬板的厚度不同，則不得不根據(jù)其厚度改變探針長度，因此，需要與金屬板的厚度相應(yīng)地準(zhǔn)備多個(gè)具有不同探針長度的旋轉(zhuǎn)工具，存在經(jīng)濟(jì)性差的問題。
[0023]另外，在現(xiàn)有技術(shù)3(雙面摩擦攪拌接合)提供的雙軸肩中，反驅(qū)動(dòng)側(cè)的肩臺部的摩擦攪拌做功經(jīng)由探針傳遞動(dòng)力。因此，為了驅(qū)動(dòng)比探針直徑大的肩臺部，必須使探針的截面系數(shù)為與單面摩擦攪拌接合裝置的工具的截面系數(shù)相比時(shí)的至少2倍以上。由此，由于探針的直徑變大，所以也需要增大肩臺直徑，摩擦攪拌范圍也擴(kuò)大，消耗能量增加，且裝置大型化，因此存在經(jīng)濟(jì)性差的問題。
[0024]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)2，在焊接中塑性流動(dòng)的金屬被推入設(shè)于接合部背面的槽中。其結(jié)果，在接合部背面形成與所述槽相同形狀的焊紋。與形成在背面的槽形狀相同形狀的焊紋通過研磨機(jī)或切削等而被機(jī)械地除去。由此，能夠排除產(chǎn)生在接合部背面的未接合部(參照專利文獻(xiàn)2的0023?0028段)。但是，因通過研磨機(jī)及切削對焊紋進(jìn)行加工，不可避免地導(dǎo)致接合后工序的增加、材料成品率的降低，存在經(jīng)濟(jì)性差的問題。
[0025]另一方面，對于接合部表面，若在槽中填充有金屬，則金屬減少。因此，接合后的表面成為凹狀。為了防止這種情況，在圖3 (b)中圖示了在表面預(yù)先形成突起8的情況。由此，能夠防止接合部表面的凹狀(參照專利文獻(xiàn)2的0026段)。但是，需要在接合前預(yù)先形成突起形狀。對于接合前的突起形狀的形成，若為擠出形成件，則能夠通過金屬模的成型形成為任意形狀，但對于板材的接合，為了形成突起形狀需要實(shí)施機(jī)械加工，不可避免地會(huì)導(dǎo)致機(jī)械加工工序的增加、材料成品率的降低，存在經(jīng)濟(jì)性差的問題。
[0026]另外，在現(xiàn)有技術(shù)2中，從旋轉(zhuǎn)工具供給的熱能從墊板逃逸，產(chǎn)生熱損失。因此，需要供給摩擦攪拌接合所需的能量以上的熱能，存在經(jīng)濟(jì)性差的問題。
[0027]摩擦攪拌接合在作為熔點(diǎn)較低的材料的鋁等非鐵合金的領(lǐng)域中已被實(shí)際應(yīng)用。通常，在摩擦攪拌接合中，需要通過摩擦攪拌熱使材料溫度上升至熔點(diǎn)的80%左右。在超過1000°C的高熔點(diǎn)材料的接合中，基于每單位接合長度的摩擦攪拌的投入能量變高，而且變形阻力值也變高，因此，對于旋轉(zhuǎn)工具謀求高的耐熱強(qiáng)度和破壞韌性，從而不得不使用昂貴的多晶金剛石等材料，存在經(jīng)濟(jì)性差的問題。
[0028]而且，即使使用昂貴的多晶金剛石等材料，也由于熱沖擊、工具的磨損以及作用在探針上的彎曲應(yīng)力等,使工具壽命變短,成為妨礙摩擦攪拌接合對超過1000°c的高熔點(diǎn)材料的普及的主要原因。若工具壽命縮短，則更換工具的頻率增加，存在經(jīng)濟(jì)性差的問題。
[0029]第二是接合不良的問題。
[0030]在現(xiàn)有技術(shù)3 (雙面摩擦攪拌接合)提供的雙軸肩中，使表背面的肩臺部和探針成為一體，因此表背面的肩臺面之間的距離在工具的構(gòu)造上是固定的。
[0031]此外，在現(xiàn)有技術(shù)4 (雙面摩擦攪拌接合)中，以在表背面相對地配置的兩根接合工具的探針前端之間實(shí)質(zhì)上沒有間隙的狀態(tài)下進(jìn)行摩擦攪拌接合，因此，表背面的肩臺面之間的距離被固定在與金屬板的厚度相應(yīng)的接合設(shè)定位置。
[0032]在這樣的固定了肩臺面之間的距離的狀態(tài)下的雙面摩擦攪拌接合中，當(dāng)金屬板的厚度發(fā)生微小變動(dòng)時(shí)，肩臺面與金屬板表面的接觸面的面壓力發(fā)生變動(dòng)。由于該面壓力的變動(dòng)，摩擦熱量變動(dòng)，存在接合部的品質(zhì)下降的問題。
[0033]再有，在現(xiàn)有技術(shù)3提供的雙軸肩中，由于表背面的肩臺部和探針為一體，所以在雙軸肩的行進(jìn)方向的前方以及后方，表背面的肩臺面間的距離相同。而且，無法使接合工具傾斜，難以施加攪拌所需的希望的面壓力。在不能施加攪拌所需的希望的面壓力的情況下，接合部的流動(dòng)性降低，存在引起接合缺陷的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0034]本發(fā)明的第一目的在于提供一種在摩擦攪拌接合時(shí)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良、且能夠提高接合工具(旋轉(zhuǎn)工具)的壽命的摩擦攪拌接合方法及裝置、工具組。
[0035]本發(fā)明的第二目的在于提供一種在摩擦攪拌接合時(shí)，能夠進(jìn)一步提高接合部的強(qiáng)度及接合的可靠性的摩擦攪拌接合方法及裝置、工具組。
[0036]用于解決課題的手段
[0037]解決上述課題的第一技術(shù)方案，為一種摩擦攪拌接合方法，在對接的兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具和墊板工具，并通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)工具構(gòu)成為具有:將肩臺部形成在前端部分的工具主體；以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部，所述墊板工具構(gòu)成為具有:將按壓力保持面部形成在前端部分的墊板工具主體；在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部的前端部的至少一個(gè)凹部，將所述旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具以與所述兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞脚渲?，使所述旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)，并使所述旋轉(zhuǎn)工具向接近所述墊板工具的方向移動(dòng)，從而將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部插入所述墊板工具的凹部內(nèi)，在所述旋轉(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面和所述墊板工具的按壓力保持面之間夾入接合部，從所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面和所述墊板工具的按壓力保持面，使所述旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具沿所述接合部在同步的狀態(tài)下移動(dòng)，通過所述旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
[0038]解決上述課題的第二技術(shù)方案，為一種摩擦攪拌接合方法，在對接的兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具和墊板工具，通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)工具構(gòu)成為具有:將肩臺部形成在前端部分的工具主體；以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部，所述墊板工具構(gòu)成為具有:將按壓力保持面部形成在前端部分的墊板工具主體；在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部的前端部的至少一個(gè)凹部，將所述旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具以與所述兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞脚渲?，使所述旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)，使所述旋轉(zhuǎn)工具向接近所述墊板工具的方向移動(dòng)，從而將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部插入所述墊板工具的凹部內(nèi)，在所述旋轉(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面和所述墊板工具的按壓力保持面之間夾入接合部，從所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面和所述墊板工具的按壓力保持面，使所述兩張金屬板在與接合方向相同的方向上移動(dòng)，通過所述旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
[0039]解決上述課題的第三技術(shù)方案，在上述摩擦攪拌接合方法中，其特征在于，關(guān)于以所述相對的方式配置的所述旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面和所述墊板工具的按壓力保持面之間的距離S，以與旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具的行進(jìn)方向的前方的面間距離δ I比較，該行進(jìn)方向的后方的面間距離δ 2變窄的方式，使所述旋轉(zhuǎn)工具或墊板工具的至少某一方傾斜。
[0040]解決上述課題的第四技術(shù)方案，在上述摩擦攪拌接合方法中，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)工具在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度，在保持該旋轉(zhuǎn)工具的插入深度的狀態(tài)下，通過位置控制從所述兩張金屬板的接合部端面使該旋轉(zhuǎn)工具沿接合行進(jìn)方向進(jìn)給從而開始摩擦攪拌接合，摩擦攪拌接合開始后，以該旋轉(zhuǎn)工具的負(fù)荷成為規(guī)定的值的方式，切換成控制該旋轉(zhuǎn)工具的插入位置的負(fù)荷恒定控制，在到達(dá)摩擦攪拌接合結(jié)束的接合終端部前，切換成保持該時(shí)刻的該旋轉(zhuǎn)工具的插入位置的位置控制，使其通過接合部終端部，所述墊板工具在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度，在保持位置的狀態(tài)下，從摩擦攪拌接合的開始到結(jié)束進(jìn)行位置控制。
[0041]解決上述課題的第五技術(shù)方案，為一種摩擦攪拌接合裝置，在對接的兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具和墊板工具，通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，并對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于，具有:分別握持所述金屬板的第一及第二握持裝置；以所述旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具與所述對接的兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞?，安裝所述旋轉(zhuǎn)工具，并旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)工具的工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置；將所述墊板工具保持在金屬板背面位置的工具位置保持裝置；使安裝在所述工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上的所述旋轉(zhuǎn)工具向接近通過所述工具位置保持裝置被位置保持的墊板工具的方向移動(dòng)，并將所述旋轉(zhuǎn)工具向金屬板的接合部的表面?zhèn)劝磯旱墓ぞ甙磯貉b置；使安裝在所述工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上的所述旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具沿所述接合部在同步的狀態(tài)下移動(dòng)的移動(dòng)裝置，所述旋轉(zhuǎn)工具具有:將肩臺部形成在前端部分的工具主體；以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部，所述墊板工具具有:將按壓力保持面部形成在前端部分的工具主體；形成在該工具主體的前端部分，在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部的前端部的至少一個(gè)凹部，所述工具按壓裝置，在使旋轉(zhuǎn)工具向接近墊板工具的方向移動(dòng)時(shí)，將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部插入所述墊板工具的凹部內(nèi)，并且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面，在旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面和墊板工具的按壓力保持面之間夾入接合部，由此，對接合部施加按壓力，所述移動(dòng)裝置，在將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部插入所述墊板工具的凹部內(nèi)，且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面的狀態(tài)下，且在使所述旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具沿所述接合部同步的狀態(tài)下移動(dòng)，通過所述旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
[0042]解決上述課題的第六技術(shù)方案，為一種摩擦攪拌接合裝置，在對接的兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具和墊板工具，通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，并對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于，具有:分別握持所述金屬板的第一及第二握持裝置；以所述旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具與所述對接的兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞剑惭b所述旋轉(zhuǎn)工具，并旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)工具的工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置；將所述墊板工具保持在金屬板背面位置的工具位置保持裝置；使安裝在所述工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上的所述旋轉(zhuǎn)工具向接近通過所述工具位置保持裝置被位置保持的墊板工具的方向移動(dòng)，并將所述旋轉(zhuǎn)工具按壓在金屬板的接合部的表面?zhèn)鹊墓ぞ甙磯貉b置；使所述握持裝置沿與接合方向相同的方向移動(dòng)兩張金屬板的移動(dòng)裝置，所述旋轉(zhuǎn)工具具有:將肩臺部形成在前端部分的工具主體；以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部，所述墊板工具具有:將按壓力保持面部形成在前端部分的工具主體；形成在該工具主體的前端部分，在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部的前端部的至少一個(gè)凹部，所述工具按壓裝置，在使旋轉(zhuǎn)工具向接近墊板工具的方向移動(dòng)時(shí)，將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部插入所述墊板工具的凹部內(nèi)，并且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面，在旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面和墊板工具的按壓力保持面之間夾入接合部，由此，對接合部施加按壓力，所述移動(dòng)裝置，在將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部插入所述墊板工具的凹部內(nèi)，且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面的狀態(tài)下，使兩張金屬板沿與接合方向相同的方向移動(dòng)，通過所述旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
[0043]解決上述課題的第七技術(shù)方案，在上述摩擦攪拌接合裝置中，其特征在于，還具有傾斜支承裝置，關(guān)于以所述相對的方式配置的所述旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面和所述墊板工具的按壓力保持面之間的距離S，以與旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具的行進(jìn)方向的前方的面間距離δI比較，該行進(jìn)方向的后方的面間距離S 2變窄的方式，對所述旋轉(zhuǎn)工具或墊板工具的至少某一方傾斜地進(jìn)行支承。
[0044]解決上述課題的第八技術(shù)方案，在上述摩擦攪拌接合裝置中，其特征在于，還具有控制裝置，其以如下方式控制所述工具按壓裝置、所述工具位置保持裝置及所述移動(dòng)裝置:所述旋轉(zhuǎn)工具在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度，在保持該旋轉(zhuǎn)工具的插入深度的狀態(tài)下，通過位置控制從所述兩張金屬板的接合部端面將該旋轉(zhuǎn)工具沿接合行進(jìn)方向進(jìn)給并開始摩擦攪拌接合，摩擦攪拌接合開始后，以該旋轉(zhuǎn)工具的負(fù)荷成為規(guī)定的值的方式，切換成對該旋轉(zhuǎn)工具的插入位置進(jìn)行控制的負(fù)荷恒定控制，在到達(dá)摩擦攪拌接合結(jié)束的接合終端部前，切換成保持該時(shí)刻的該旋轉(zhuǎn)工具的插入位置的位置控制，使其通過接合部終端部，所述墊板工具在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度，在保持位置的狀態(tài)下，從摩擦攪拌接合的開始到結(jié)束進(jìn)行位置控制。
[0045]解決上述課題的第九技術(shù)方案，在上述摩擦攪拌接合裝置中，其特征在于，使所述旋轉(zhuǎn)工具的材質(zhì)為燒結(jié)炭化鎢的超硬合金或鎢合金，接合的兩張金屬板由熔點(diǎn)為1000°c以上的材料構(gòu)成。
[0046]解決上述課題的第十技術(shù)方案，一種摩擦攪拌接合用工具組，對兩張金屬板的接合部進(jìn)行摩擦攪拌，從而對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于，具有:以與所述兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞脚渲?，對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌的旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具，所述旋轉(zhuǎn)工具具有:將肩臺部形成在前端部分的工具主體；和以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部，所述墊板工具具有:將按壓力保持面部形成在前端部分的工具主體；形成在該工具主體的前端部分，在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部的前端部的至少一個(gè)凹部，將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部插入所述墊板工具的凹部內(nèi)，將所述旋轉(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面從所述接合部的表面?zhèn)劝磯?，并在旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面和墊板工具的按壓力保持面之間夾入接合部，由此，在向接合部施加按壓力的狀態(tài)下，使所述旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具沿所述接合部移動(dòng)，并對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
[0047]發(fā)明的效果
[0048]根據(jù)本發(fā)明，能夠得到以下的效果。
[0049]首先，說明經(jīng)濟(jì)性和工具壽命的效果(第一效果)。
[0050]在第一、第二、第五、第六及第^ 技術(shù)方案中，由于相對于接合部的表背面以相對的方式配置的旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具為分體的，所以，旋轉(zhuǎn)工具的突起部在墊板工具凹部內(nèi)的插入量(旋轉(zhuǎn)工具突起部前端和墊板工具按壓力保持面的距離)不為O的范圍內(nèi)，能夠自由調(diào)整其插入量。由此，即使金屬板的厚度不同，也能夠與金屬板的厚度相應(yīng)地，在墊板工具的凹部內(nèi)插入旋轉(zhuǎn)工具的突起部，并在突起部的長度的范圍內(nèi)的厚度的金屬板的接合部整個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行摩擦攪拌接合。由此，由于無需根據(jù)金屬板的厚度更換為具有不同的探針長度的旋轉(zhuǎn)工具，所以無需準(zhǔn)備多個(gè)具有不同的探針長度的旋轉(zhuǎn)工具，能夠抑制運(yùn)行成本，提聞經(jīng)濟(jì)性。
[0051]另外，旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具為分體。因此，與雙軸肩的情況不同，墊板工具的按壓力保持面部由于無需經(jīng)由探針傳遞動(dòng)力，所以，能夠使探針(突起部)的直徑比雙軸肩的情況小。由此，能夠防止因探針的直徑變大導(dǎo)致的肩臺直徑的大徑化，所以裝置不會(huì)大型化，對于這方面也能夠提高經(jīng)濟(jì)性。
[0052]墊板工具沿接合部在與旋轉(zhuǎn)工具同步的狀態(tài)下移動(dòng)，因此，不會(huì)形成槽形狀等的焊紋，無需實(shí)施接合后的研磨機(jī)作業(yè)及基于切削加工的焊紋的除去作業(yè)。而且，由于難以發(fā)生接合部表面的金屬的減少，所以，無需在接合前事先在接合部表面形成突起。因此，能夠抑制工序的增加、材料成品率的降低，提高了經(jīng)濟(jì)性。
[0053]在墊板工具的凹部中通過摩擦攪拌材料軟化流動(dòng)而填埋間隙，墊板工具的按壓力保持面發(fā)揮與現(xiàn)有技術(shù)2 (單面摩擦攪拌接合)的墊板同樣的功能。墊板工具的按壓力保持面為能夠保持從旋轉(zhuǎn)工具施加的按壓力的面積即可，與現(xiàn)有技術(shù)2的墊板相比，較窄即可。由于表面積較窄，熱擴(kuò)散范圍窄，能夠抑制熱能損失，提高了經(jīng)濟(jì)性。
[0054]通過抑制熱能損失，能夠減少向旋轉(zhuǎn)工具的熱供給量，因此，如第九技術(shù)方案那樣，能夠使旋轉(zhuǎn)工具的材質(zhì)為燒結(jié)炭化鎢的超硬合金、鎢合金等，無需使用昂貴的多晶金剛石等的材料作為旋轉(zhuǎn)工具的材質(zhì)，能夠提高經(jīng)濟(jì)性。
[0055]由于能夠降低向旋轉(zhuǎn)工具的熱供給量，所以能夠謀求工具的長壽命化。[0056]在第九技術(shù)方案中，使旋轉(zhuǎn)工具的材質(zhì)為燒結(jié)炭化鎢的超硬合金、鎢合金等的結(jié)果為，對于熔點(diǎn)為1000°c以上的金屬板的摩擦攪拌，工具壽命長，能夠提供經(jīng)濟(jì)的旋轉(zhuǎn)工具。
[0057]接下來，說明接合部的強(qiáng)度提高及接合的可靠性提高的效果(第二效果)。
[0058]旋轉(zhuǎn)工具對金屬板的接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌，所以能夠提高接合部的強(qiáng)度。
[0059]旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具為分體，由于能夠調(diào)整兩者間的距離(向金屬板厚度方向的工具前端間的距離)，所以，能夠如第四及第八技術(shù)方案那樣，對于旋轉(zhuǎn)工具向接合部的推壓采取負(fù)荷控制。
[0060]在第四及第八技術(shù)方案中，通過采用負(fù)荷控制，能夠避免因金屬板的厚度的微小變動(dòng)導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面及墊板工具的按壓力保持面與金屬板接合部表面的接觸面的面壓力發(fā)生變動(dòng)，降低熱負(fù)荷變動(dòng)，并抑制接合部J的品質(zhì)降低(接合不良)，能夠得到具有高可靠性的接合。
[0061]由于旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具為分體，所以能夠使各自的工具軸芯傾斜。即，能夠如第三及第七技術(shù)方案那樣，與行進(jìn)方向的前方的面間距離S I相比，使該行進(jìn)方向的后方的面間距離δ2變窄。
[0062]在第三及第七技術(shù)方案中，以與行進(jìn)方向的前方的面間距離δ I相比，該行進(jìn)方向的后方的面間距離S 2變窄的方式，使旋轉(zhuǎn)工具或墊板工具的至少一方傾斜，由此，能夠提高向金屬板的按壓力，使基于摩擦攪拌接合的接合部的流動(dòng)性提高，抑制接合部J的品質(zhì)降低(接合不良)，能夠得到具有高可靠性的接合。
[0063]另外，在墊板工具的凹部中，通過摩擦攪拌材料軟化流動(dòng)而填埋間隙。由此，插入到墊板工具的凹部中的旋轉(zhuǎn)工具的突起部經(jīng)由被軟化填充到間隙中的材料而在凹部內(nèi)承受內(nèi)壓，其結(jié)果為，通過作用制振力，旋轉(zhuǎn)工具的半徑方向的制振性能提高。其結(jié)果，顫振得到抑制，能夠進(jìn)行均勻的摩擦攪拌，對于這點(diǎn)也能夠抑制接合不良，得到具有高可靠性的接
口 ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0064]圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的摩擦攪拌接合用的旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具的前端部分的放大剖視圖，是表示接合時(shí)的旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具的使用狀態(tài)的圖。
[0065]圖2是表示相對于接合部的表背面，將旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具的配置位置顛倒的情況下的接合時(shí)的工具的使用狀態(tài)的圖。
[0066]圖3是表示基于旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行的摩擦攪拌接合距離(接合開始后的時(shí)間)和旋轉(zhuǎn)工具的主軸旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化的時(shí)間圖。
[0067]圖4是表示旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具的各部分尺寸關(guān)系的圖。
[0068]圖5是對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的摩擦攪拌接合裝置(裝置I)的一部分進(jìn)行切缺地表示的整體立體圖。
[0069]圖6是圖5所示的摩擦攪拌接合裝置的主要部分的概要主視圖。
[0070]圖7是圖5所示的摩擦攪拌接合裝置的主要部分的概要側(cè)視圖。
[0071]圖8是與控制系統(tǒng)一起表示圖5所示的摩擦攪拌接合裝置的上側(cè)半部分的圖。[0072]圖9是其他的摩擦攪拌接合裝置(裝置2)，是對表示進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工具和墊板工具的軸芯的電同步的方式的圖的一部分進(jìn)行切缺地表示的整體立體圖。
[0073]圖10是圖9所示的摩擦攪拌接合裝置的主要部分的概要主視圖。
[0074]圖11是其他的摩擦攪拌接合裝置(裝置3)，是對表示接合時(shí)使金屬板1、2的對接部在接合方向上移動(dòng)的方式的圖的一部分進(jìn)行切缺地表示的整體立體圖。
[0075]圖12是圖11所示的摩擦攪拌接合裝置的主要部分的概要主視圖。
[0076]圖13是圖11所示的摩擦攪拌接合裝置的主要部分的概要側(cè)視圖。
[0077]圖14是表示將本發(fā)明的接合方法適用于兩張金屬板的重疊焊接的情況下的接合時(shí)的狀態(tài)、并相配合地表示握持方式的圖。
[0078]圖15是表示將本發(fā)明的接合方法適用于兩張金屬板的重疊焊接的情況下的其他的接合時(shí)的狀態(tài)和握持方式的圖。
[0079]圖16是說明工具傾斜的剖視圖。
[0080]圖17是說明工具傾斜的概要立體圖。
[0081]圖18是表示旋轉(zhuǎn)工具、墊板工具和入出側(cè)握持裝置的位置關(guān)系(入出側(cè)握持裝置間距離)的圖。
[0082]圖19是將旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具的傾斜角度設(shè)定為O度(不使工具傾斜)，將旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具從接合部端面插入時(shí)的說明圖。
[0083]圖20是表示使旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具適度傾斜,從而將旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具從接合部端面插入時(shí)的樣子的圖。
[0084]圖21是表示使旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具傾斜并以無壓入方式進(jìn)行摩擦攪拌接合的運(yùn)轉(zhuǎn)控制(控制I)的圖。
[0085]圖22表示圖23中，控制裝置進(jìn)行的處理順序的控制流程(控制I)。
[0086]圖23是表示使旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具傾斜并以無壓入方式進(jìn)行摩擦攪拌接合的其他的運(yùn)轉(zhuǎn)控制(控制2)的圖。
[0087]圖24表示在圖23中，控制裝置進(jìn)行的處理順序的控制流程(控制2)。
[0088]圖25是將金屬板成形為圓筒狀，對其兩端部進(jìn)行對接后，對該對接部進(jìn)行摩擦攪拌接合，并制造一體的圓筒部件的概要立體圖。
[0089]圖26是將兩根管材接長時(shí)的摩擦攪拌接合方法的概要立體圖。
[0090]圖27A是將兩張金屬板以L型配置，并進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的摩擦攪拌接合中的概要立體圖。
[0091]圖27B是將兩張金屬板以L型配置，并進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的接合開始時(shí)的概要立體圖。
[0092]圖28是將兩張金屬板以T型配置，并進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的概要立體圖。
[0093]圖29是將三張金屬板以T型配置，并進(jìn)行摩擦攪拌接合時(shí)的概要立體圖。
[0094]圖30是表示旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)方向和前進(jìn)側(cè)、返回側(cè)的關(guān)系的圖。
[0095]圖31是說明在兩張金屬板的表面?zhèn)葟V生層差的不例的圖(板厚差異不例I)。
[0096]圖32是表示使圖31中的旋轉(zhuǎn)工具尾端向板厚較薄的金屬板側(cè)傾斜的狀態(tài)的圖。
[0097]圖33是接合后的接合部截面形狀的概念圖(板厚差異示例I)。
[0098]圖34是說明在兩張金屬板的背面?zhèn)犬a(chǎn)生層差的示例的圖(板厚差異示例2)。[0099]圖35是接合后的接合部截面形狀的概念圖(板厚差異示例2)。
[0100]圖36是說明在兩張金屬板的表面?zhèn)?、背面?zhèn)榷籍a(chǎn)生層差的示例的圖(板厚差異示例3)。
[0101]圖37是表示使圖36中的旋轉(zhuǎn)工具向板厚較薄的金屬板側(cè)傾斜的狀態(tài)的圖。【具體實(shí)施方式】
[0102]接下來，參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0103]<工具組構(gòu)成和方法概要>
[0104]圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的摩擦攪拌接合用工具組的前端部分的放大剖視圖，是表示接合時(shí)的使用狀態(tài)的圖。接合的形態(tài)為對接焊接。
[0105]圖1中，本實(shí)施方式的摩擦攪拌接合用工具組具有旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4，旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4以相對的方式配置在對接的兩張金屬板1、2的接合部J的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，對接合部J進(jìn)行摩擦攪拌。工具組是旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4的總稱。旋轉(zhuǎn)工具3具有:工具主體3a，在其前端部分上形成有肩臺部3c，該肩臺部3c具有按壓接合部J的肩臺面3b ;在該工具主體3a的前端部分以從肩臺面3b突出的方式形成的銷狀的突起部(探針)3d。墊板工具4具有:工具主體4a，在其前端部分上形成有按壓力保持面部4c，該按壓力保持面部4c具有承受摩擦攪拌接合所需的按壓力的按壓力保持面4b ;形成在該工具主體4a的按壓力保持面4b上、在兩張金屬板1、2的接合時(shí)收納突起部3d的前端部的凹部4d。
[0106]旋轉(zhuǎn)工具3的突起部(探針)3d具有圓筒形的外周形狀。墊板工具4的凹部4d也優(yōu)選具有圓筒形的內(nèi)周形狀。按壓力保持面4b以及凹部4d的形狀能夠根據(jù)接合的金屬板的形狀進(jìn)行加工。(后述)
[0107]接合方法利用這樣的工具組進(jìn)行，其概要如下。首先，將旋轉(zhuǎn)工具3及墊板工具4以相對的方式配置在兩張金屬板1、2的接合部J的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?。接下來，以墊板工具4的按壓力保持面4b位于接合部J的背面?zhèn)鹊姆绞綄|板工具4進(jìn)行保持，并使旋轉(zhuǎn)工具3旋轉(zhuǎn)，向接近墊板工具4的方向移動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)工具3的突起部3d的前端部插入墊板工具4的凹部4d內(nèi)，并將接合部J夾入肩臺面3b和按壓力保持面4b之間，并從接合部J的表面?zhèn)葘πD(zhuǎn)工具3的肩臺面3b進(jìn)行按壓。此外，通過旋轉(zhuǎn)工具3而在接合部J的表面?zhèn)仁┘拥陌磯毫νㄟ^配置在接合部J的背面?zhèn)鹊膲|板工具4的按壓力保持面4b來保持。接下來，在該狀態(tài)(將旋轉(zhuǎn)工具3的突起部3d的前端部插入墊板工具4的凹部4d內(nèi)，并將旋轉(zhuǎn)工具3的肩臺面3b和墊板工具4的按壓力保持面4b從接合部J的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)冗M(jìn)行按壓的狀態(tài))下，使旋轉(zhuǎn)工具3邊旋轉(zhuǎn)邊沿接合部J移動(dòng)。在該移動(dòng)期間進(jìn)行摩擦攪拌時(shí)，突起部3d處于突入到接合部J的板厚方向整個(gè)區(qū)域的狀態(tài)。由此，接合部J的板厚方向整個(gè)區(qū)域被摩擦攪拌，兩張金屬板1、2在接合部J的板厚方向整個(gè)區(qū)域被接合。
[0108]<效果概要>
[0109]在本實(shí)施方式的接合方法中，由于相對于接合部J的表背面以相對的方式配置的旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4為分體的，所以，在旋轉(zhuǎn)工具3的突起部3d向墊板工具4的凹部4d內(nèi)的插入量(突起部3d前端和按壓力保持面4b的距離)不為O的范圍內(nèi)，能夠自由地調(diào)整該插入量。由此，即使金屬板1、2的厚度不同，也能夠根據(jù)金屬板1、2的厚度，向墊板工具4的凹部4d內(nèi)插入旋轉(zhuǎn)工具3的突起部3d，并對突起部3d的長度的范圍內(nèi)的厚度的金屬板的接合部J整個(gè)范圍進(jìn)行摩擦攪拌接合。由此，無需根據(jù)金屬板的厚度更換為具有不同的探針長度的旋轉(zhuǎn)工具，所以，無需準(zhǔn)備多個(gè)具有不同的探針長度的旋轉(zhuǎn)工具，能夠抑制運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)性。
[0110]另外，旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4為分體。因此，與雙軸肩的情況不同，由于不需要經(jīng)由探針將動(dòng)力向墊板工具4傳遞，因此，能夠使探針(突起部)3d的直徑比雙軸肩小。由此，能夠防止因探針的直徑增大導(dǎo)致的肩臺直徑的大徑化，不會(huì)導(dǎo)致裝置大型化，在這點(diǎn)上也能夠提高經(jīng)濟(jì)性。
[0111]另外，根據(jù)本實(shí)施方式的接合方法，由于通過旋轉(zhuǎn)工具3來摩擦攪拌對接的金屬板1、2的接合部J的板厚方向整個(gè)區(qū)域，所以，能夠提高接合部J的強(qiáng)度。
[0112]而且，旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4為分體，能夠?qū)烧唛g的距離進(jìn)行調(diào)整，所以，對于旋轉(zhuǎn)工具向接合部的按壓能夠采用負(fù)荷控制(后述)。由于能夠這樣采用負(fù)荷控制，所以，根據(jù)金屬板的厚度(接合部的厚度)的微小變動(dòng)，調(diào)整旋轉(zhuǎn)工具3的突起部3d向墊板工具4的凹部4d的插入量，由此，不用固定旋轉(zhuǎn)工具3的肩臺面3b和墊板工具4的按壓力保持面4b之間的距離，就能夠進(jìn)行摩擦攪拌接合。由此，能夠避免因金屬板的厚度的微小變動(dòng)導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)工具3的肩臺面3b及墊板工具4的按壓力保持面4b與金屬板接合部表背面的接觸面中的面壓力發(fā)生變動(dòng)，抑制摩擦熱量的變動(dòng)，防止接合部J的品質(zhì)降低(接合不良)，并能夠進(jìn)行具有高可靠性的接合。
[0113]另外，根據(jù)本實(shí)施方式的接合方法，由于旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4為分體，所以，能夠使各自的工具軸芯15傾斜。即，至少通過使某一方的工具軸心15傾斜，對于以相對的方式配置的旋轉(zhuǎn)工具3的肩臺面3b和墊板工具4的按壓力保持面4b之間的距離δ來說，與工具行進(jìn)方向的前方的面間距離S I相比較，能夠使行進(jìn)方向的后方的面間距離δ2變窄(后述)。由此，能夠提高向接合部J的按壓力，因此，能夠使基于摩擦攪拌接合的接合部的流動(dòng)性提高，抑制接合不良，能夠進(jìn)行具有高可靠性的接合。
[0114]圖2是表示相對于接合部J的表背面，將旋轉(zhuǎn)工具3及墊板工具4的配置位置顛倒的情況下的接合時(shí)的旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4的使用狀態(tài)的圖。圖1中，在接合部J的表面?zhèn)扰渲迷诠ぞ咧黧w3a的前端部分具有突起部(探針)3d的旋轉(zhuǎn)工具3，在接合部J的背面?zhèn)扰渲迷趬|板工具主體4a的前端部分具有凹部4d的墊板工具4，但如圖2所示，相對于接合部J的表背面，使旋轉(zhuǎn)工具3和墊板工具4的配置位置顛倒，即使這樣上述的效果也不會(huì)變化。另外，下述所述的效果也不會(huì)變化。
[0115]< 材質(zhì) >
[0116]說明旋轉(zhuǎn)工具3及墊板工具4的材質(zhì)。
[0117]對于單面的摩擦攪拌接合，在熔點(diǎn)較低的材料即鋁等的非鐵合金的領(lǐng)域中也被實(shí)用化。一般在摩擦攪拌接合中，需要通過摩擦攪拌熱使材料溫度上升到熔點(diǎn)的80%左右。其結(jié)果，對于超過1000°C的高熔點(diǎn)材料的接合，每單位長度的摩擦攪拌的投入能量升高，而且變形阻力值也升高，因此，謀求旋轉(zhuǎn)工具3具有高的耐熱強(qiáng)度和破壞韌性，必須使用昂貴的多晶金剛石等的材料。
[0118]而且，即使使用這些工具材料，也會(huì)由于熱沖擊、工具的磨損以及作用在探針或突起上的彎曲力矩等，使工具壽命變短，成為妨礙摩擦攪拌接合對超過1000 V的高熔點(diǎn)材料的普及的主要原因。[0119]本實(shí)施方式中，對于墊板工具4的凹部4d，材料通過摩擦攪拌而軟化流動(dòng)并填埋間隙，墊板工具4的按壓力保持面4b發(fā)揮與現(xiàn)有技術(shù)的墊板同樣的功能。墊板工具4的按壓力保持面4b只要為能夠保持從旋轉(zhuǎn)工具3施加的按壓力的面積即可，與現(xiàn)有技術(shù)的墊板相比較，可以較窄。由于表面積較窄，熱擴(kuò)散范圍也窄，能夠抑制熱能損失，提高經(jīng)濟(jì)性。
[0120]通過抑制熱能損失，能夠降低向旋轉(zhuǎn)工具3的熱供給量，因此，能夠使旋轉(zhuǎn)工具的材質(zhì)為燒結(jié)炭化鎢的超硬合金、鎢合金等，無需使用昂貴的多晶金剛石等的材料作為旋轉(zhuǎn)工具3的材質(zhì)，能夠提高經(jīng)濟(jì)性。
[0121]使旋轉(zhuǎn)工具3的材質(zhì)為燒結(jié)炭化鎢的超硬合金、鎢合金等的結(jié)果為，對于熔點(diǎn)為IOOO0C以上的金屬板的摩擦攪拌，能夠提供工具壽命長、經(jīng)濟(jì)性好的旋轉(zhuǎn)工具。
[0122]另外，通過使墊板工具4的材質(zhì)為保熱性高的材料(即熱傳導(dǎo)率低的材料)，能夠進(jìn)一步減少熱損失，能夠抑制熱能供給量，提高經(jīng)濟(jì)性。例如，可以使墊板工具4的材質(zhì)為陶瓷或鈦。
[0123]<顫振抑制>
[0124]圖3是表示旋轉(zhuǎn)工具3及墊板工具4進(jìn)行的摩擦攪拌接合時(shí)的接合距離(接合開始后的時(shí)間)和旋轉(zhuǎn)工具的主軸的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化的時(shí)間圖。
[0125]在使不具有探針或突起部的旋轉(zhuǎn)工具沿接合方向行進(jìn)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面和金屬板的接觸面作用偏芯荷重后，存在發(fā)生顫振、摩擦攪拌變得不均勻，引起接合不良的問題。
[0126]根據(jù)本發(fā)明的
【發(fā)明者】等進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可以確認(rèn)，由于旋轉(zhuǎn)工具3的突起部(探針)3d向墊板工具4的凹部4d的插入量超過0mm，因此，如圖3的時(shí)間圖所示，在接合開始后的數(shù)秒發(fā)生顫振，之后能夠抑制顫振。這是由于，材料軟化并填充到凹部4d，由此，被插入的旋轉(zhuǎn)工具3的突起部3d經(jīng)由被軟化充填的材料而在墊板工具4的凹部4d內(nèi)承受內(nèi)壓，其結(jié)果為作用制振力而抑制顫振。其結(jié)果，顫振得到抑制，能夠進(jìn)行均勻的摩擦攪拌，在這方面也能夠抑制接合不良，并進(jìn)行具有高可靠性的接合。
[0127]另外，只要在接合開始前向凹部4d填充與間隙相當(dāng)?shù)牧康牟牧?，就能夠避免本振?dòng)。
[0128]<各部分尺寸關(guān)系的研究>
[0129]圖4表示各部分的尺寸關(guān)系。利用圖4和表I說明旋轉(zhuǎn)工具3的各部分的尺寸關(guān)系及墊板工具4的尺寸關(guān)系。
[0130][表 I]
[0131]
【權(quán)利要求】
1.一種摩擦攪拌接合方法，在對接的兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)，并通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于， 所述旋轉(zhuǎn)工具(3)構(gòu)成為具有:將肩臺部(3c)形成在前端部分的工具主體(3a);以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部(3d)， 所述墊板工具(4)構(gòu)成為具有:將按壓力保持面部(4c)形成在前端部分的墊板工具主體(4a);在所述兩張金屬板(1、2)的接合時(shí)收納所述突起部(3d)的前端部的至少一個(gè)凹部(4d)， 將所述旋轉(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)以與所述兩張金屬板的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞脚渲茫? 使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)旋轉(zhuǎn)，并使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)向接近所述墊板工具(4)的方向移動(dòng)，從而將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部(3d)插入所述墊板工具的凹部(4d)內(nèi)，在所述旋轉(zhuǎn)工具的所述肩臺部(3c)的 肩臺面(3b)和所述墊板工具的按壓力保持面(4b)之間夾入接合部(J)，從所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面(3b )和所述墊板工具的按壓力保持面(4b )， 使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)沿所述接合部在同步的狀態(tài)下移動(dòng)， 通過所述旋轉(zhuǎn)工具(3 )對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
2.—種摩擦攪拌接合方法，在對接的兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具(3 )和墊板工具(4)，通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于， 所述旋轉(zhuǎn)工具(3)構(gòu)成為具有:將肩臺部(3c)形成在前端部分的工具主體(3a);以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部(3d)， 所述墊板工具(4)構(gòu)成為具有:將按壓力保持面部(4c)形成在前端部分的墊板工具主體(4a);在所述兩張金屬板(1、2)的接合時(shí)收納所述突起部(3d)的前端部的至少一個(gè)凹部(4d)， 將所述旋轉(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)以與所述兩張金屬板的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞脚渲茫? 使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)旋轉(zhuǎn)，使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)向接近所述墊板工具(4)的方向移動(dòng)，從而將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部的前端部(3d)插入所述墊板工具的凹部(4d)內(nèi)，在所述旋轉(zhuǎn)工具的所述肩臺部(3c)的肩臺面(3b)和所述墊板工具的按壓力保持面(4b)之間夾入接合部(J)，從所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面(3b)和所述墊板工具的按壓力保持面(4b )， 使所述兩張金屬板(1、2 )在與接合方向相同的方向上移動(dòng)， 通過所述旋轉(zhuǎn)工具(3 )對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
3.如權(quán)利要求1或2所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于， 關(guān)于以所述相對的方式配置的所述旋轉(zhuǎn)工具(3)的肩臺面(3b)和所述墊板工具(4)的按壓力保持面(4b)之間的距離(δ )，以與旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具的行進(jìn)方向的前方的面間距離(δ I)比較，該行進(jìn)方向的后方的面間距離(δ 2)變窄的方式，使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)或墊板工具(4)的至少某一方傾斜。
4.如權(quán)利要求1~3的任一項(xiàng)所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于， 所述旋轉(zhuǎn)工具(3)在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板(1、2)的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度， 在保持該旋轉(zhuǎn)工具(3)的插入深度的狀態(tài)下，通過位置控制從所述兩張金屬板的接合部端面(24)使該旋轉(zhuǎn)工具沿接合行進(jìn)方向進(jìn)給從而開始摩擦攪拌接合， 摩擦攪拌接合開始后，以該旋轉(zhuǎn)工具(3)的負(fù)荷成為規(guī)定的值的方式，切換成控制該旋轉(zhuǎn)工具的插入位置的負(fù)荷恒定控制， 在到達(dá)摩擦攪拌接合結(jié)束的接合終端部前，切換成保持該時(shí)刻的該旋轉(zhuǎn)工具(3)的插入位置的位置控制，使其通過接合部終端部， 所述墊板工具(4)在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板(1、2)的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度，在保持位置的狀態(tài)下，從摩擦攪拌接合的開始到結(jié)束進(jìn)行位置控制。
5.一種摩擦攪拌接合裝置，在對接的兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)，通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，并對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于， 具有: 分別握持所述金屬板(1、2)的第一及第二握持裝置(5、6)； 以所述旋轉(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)與所述對接的兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞?，安裝所述旋轉(zhuǎn)工具，并旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)工具的工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置(7)； 將所述墊板工具(4)保持在金屬板背面位置的工具位置保持裝置(46)； 使安裝在所述工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上的所述旋轉(zhuǎn)工具(3)向接近通過所述工具位置保持裝置被位置保持的墊板工具(4)的方向移動(dòng)，并將所述旋轉(zhuǎn)工具向金屬板的接合部的表面?zhèn)劝磯旱墓ぞ甙磯貉b置(45); 使安裝在所述工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上的所述旋轉(zhuǎn)工具(3)及墊板工具(4)沿所述接合部(J)在同步的狀態(tài)下移動(dòng)的移動(dòng)裝置(47、48、75)， 所述旋轉(zhuǎn)工具(3)具有:將肩臺部(3c)形成在前端部分的工具主體(3a);以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部(3d)， 所述墊板工具(4)具有:將按壓力保持面部(4c)形成在前端部分的工具主體(4a);形成在該工具主體的前端部分，在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部(3d)的前端部的至少一個(gè)凹部(4d)， 所述工具按壓裝置(45)，在使旋轉(zhuǎn)工具向接近墊板工具的方向移動(dòng)時(shí)，將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部(3d)的前端部插入所述墊板工具的凹部(4d)內(nèi)，并且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面(3b)，在旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面(3b)和墊板工具的按壓力保持面(4b)之間夾入接合部(J)，由此，對接合部(J)施加按壓力， 所述移動(dòng)裝置(47、48、75)，在將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部(3d)的前端部插入所述墊板工具的凹部(4d)內(nèi)，且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面(3b)的狀態(tài)下，且在使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)沿所述接合部同步的狀態(tài)下移動(dòng)，通過所述旋轉(zhuǎn)工具(3 )對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
6.一種摩擦攪拌接合裝置，在對接的兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)扰渲眯D(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)，通過該旋轉(zhuǎn)工具對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌，并對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于， 具有: 分別握持所述金屬板(1、2)的第一及第二握持裝置(5、6)； 以所述旋轉(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)與所述對接的兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞?，安裝所述旋轉(zhuǎn)工具，并旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)工具的工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置(7)； 將所述墊板工具(4)保持在金屬板背面位置的工具位置保持裝置(46)； 使安裝在所述工具旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置上的所述旋轉(zhuǎn)工具(3)向接近通過所述工具位置保持裝置被位置保持的墊板工具(4)的方向移動(dòng)，并將所述旋轉(zhuǎn)工具按壓在金屬板的接合部的表面?zhèn)鹊墓ぞ甙磯貉b置(45)； 使所述握持裝置(5、6)沿與接合方向相同的方向移動(dòng)兩張金屬板(1、2)的移動(dòng)裝置(75)， 所述旋轉(zhuǎn)工具(3)具有:將肩臺部(3c)形成在前端部分的工具主體(3a);以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部(3d)， 所述墊板工具(4)具有:將按壓力保持面部(4c)形成在前端部分的工具主體(4a);形成在該工具主體的前端部分，在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部(3d)的前端部的至少一個(gè)凹部(4d)，` 所述工具按壓裝置(45)，在使旋轉(zhuǎn)工具向接近墊板工具的方向移動(dòng)時(shí)，將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部(3d)的前端部插入所述墊板工具的凹部(4d)內(nèi)，并且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面(3b)，在旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面(3b)和墊板工具的按壓力保持面(4b)之間夾入接合部(J)，由此，對接合部(J)施加按壓力， 所述移動(dòng)裝置(75)，在將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部(3d)的前端部插入所述墊板工具的凹部(4d)內(nèi)，且從所述接合部的表面?zhèn)劝磯核鲂D(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面(3b)的狀態(tài)下，使兩張金屬板(1、2)沿與接合方向相同的方向移動(dòng)，通過所述旋轉(zhuǎn)工具(3)對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
7.如權(quán)利要求5或6所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于， 還具有傾斜支承裝置(76a、76b)，關(guān)于以所述相對的方式配置的所述旋轉(zhuǎn)工具(3)的肩臺面(3b)和所述墊板工具(4)的按壓力保持面(4b)之間的距離(δ )，以與旋轉(zhuǎn)工具及墊板工具的行進(jìn)方向的前方的面間距離(δ I)比較，該行進(jìn)方向的后方的面間距離(δ 2)變窄的方式，對所述旋轉(zhuǎn)工具(3)或墊板工具(4)的至少某一方傾斜地進(jìn)行支承。
8.如權(quán)利要求5至7的任一項(xiàng)所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于， 還具有控制裝置(83)，其以如下方式控制所述工具按壓裝置(45)、所述工具位置保持裝置(46 )及所述移動(dòng)裝置(47、48、75 ):所述旋轉(zhuǎn)工具(3 )在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板(1、2)的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度，在保持該旋轉(zhuǎn)工具(3)的插入深度的狀態(tài)下，通過位置控制從所述兩張金屬板的接合部端面(24)將該旋轉(zhuǎn)工具沿接合行進(jìn)方向進(jìn)給并開始摩擦攪拌接合，摩擦攪拌接合開始后，以該旋轉(zhuǎn)工具(3)的負(fù)荷成為規(guī)定的值的方式，切換成對該旋轉(zhuǎn)工具的插入位置進(jìn)行控制的負(fù)荷恒定控制，在到達(dá)摩擦攪拌接合結(jié)束的接合終端部前，切換成保持該時(shí)刻的該旋轉(zhuǎn)工具(3)的插入位置的位置控制，使其通過接合部終端部，所述墊板工具(4)在摩擦攪拌接合開始前通過位置控制相對于金屬板(1、2)的厚度方向移動(dòng)到預(yù)定插入深度，在保持位置的狀態(tài)下，從摩擦攪拌接合的開始到結(jié)束進(jìn)行位置控制。
9.如權(quán)利要求5至8的任一項(xiàng)所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于， 使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)的材質(zhì)為燒結(jié)炭化鎢的超硬合金或鎢合金， 接合的兩張金屬板(1、2)由熔點(diǎn)為1000°C以上的材料構(gòu)成。
10.一種摩擦攪拌接合用工具組，對兩張金屬板(1、2)的接合部(J)進(jìn)行摩擦攪拌，從而對所述兩張金屬板進(jìn)行摩擦攪拌接合，其特征在于， 具有:以與所述兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ姆绞脚渲?，對所述接合部進(jìn)行摩擦攪拌的旋轉(zhuǎn)工具(3 )和墊板工具(4 )， 所述旋轉(zhuǎn)工具(3)具有:將肩臺部(3c)形成在前端部分的工具主體(3a);和以從該工具主體的前端部分突出的方式形成的至少一個(gè)突起部(3d)， 所述墊板工具(4)具有:將按壓力保持面部(4c)形成在前端部分的工具主體(4a);形成在該工具主體的前端部分，在所述兩張金屬板的接合時(shí)收納所述突起部(3d)的前端部的至少一個(gè)凹部(4d)， 將所述旋轉(zhuǎn)工具的突起部(3d)的前端部插入所述墊板工具的凹部(4d)內(nèi)，將所述旋轉(zhuǎn)工具的所述肩臺部的肩臺面(3b)從所述接合部的表面?zhèn)劝磯?，并在旋轉(zhuǎn)工具的肩臺面(3b)和墊板工具的按壓力保持面(4b)之間夾入接合部(J)，由此，在向接合部(J)施加按壓力的狀態(tài)下，使所述旋轉(zhuǎn)工具(3)和墊板工具(4)沿所述接合部移動(dòng)，并對所述接合部的板厚方向整個(gè)區(qū)域進(jìn)行摩擦攪拌。
【文檔編號】B23K20/12GK103501953SQ201180070391
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月28日
【發(fā)明者】加賀慎一, 小野瀨滿, 富永憲明, 齋藤武彥, 芳村泰嗣, 平野聰, 樸勝煥 申請人:三菱日立制鐵機(jī)械株式會(huì)社