專(zhuān)利名稱(chēng)：摩擦攪拌接合裝置及接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)具有大徑的軸肩和向軸線(xiàn)方向突出的小徑的銷(xiāo)的刀具，進(jìn)行摩擦攪拌接合的摩擦攪拌接合裝置及接合方法。
背景技術(shù)：
在大徑的軸肩的前端，一邊使具有小徑的銷(xiāo)的刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊插入被接合構(gòu)件，利用刀具和被接合構(gòu)件之間產(chǎn)生的摩擦熱和塑性流動(dòng)而進(jìn)行接合的方法被稱(chēng)為摩擦攪拌接合(下稱(chēng)FSW)，適用于以鋁為主的各種金屬材料的接合。其中的一個(gè)特征在于，F(xiàn)SW可以在被接合構(gòu)件的熔點(diǎn)以下的溫度固態(tài)接合。
現(xiàn)有的一般的FSW裝置是在刀具驅(qū)動(dòng)機(jī)械的機(jī)頭部搭載刀具，通過(guò)利用電動(dòng)馬達(dá)等使機(jī)頭部上下移動(dòng)，從而使刀具插入被接合構(gòu)件(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，記載了為了將相對(duì)于被接合構(gòu)件的刀具的插入量保持在適當(dāng)?shù)闹?，而使用激光位移?jì)測(cè)定刀具和被接合構(gòu)件之間的距離，控制機(jī)頭部的移動(dòng)量。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本特開(kāi)平11-226758號(hào)公報(bào)(第5-6頁(yè)，圖4，圖5)在FSW中，向被接合構(gòu)件的刀具的插入量，即刀具的插入深度對(duì)接合部的品質(zhì)有很大影響。刀具沒(méi)有插入的部分作為未接合部留下。在刀具的插入量中，雖然根據(jù)被接合構(gòu)件的板厚有所不同，但是存在適合值。因此，對(duì)應(yīng)被接合構(gòu)件的板厚，確定刀具的銷(xiāo)的長(zhǎng)度，最好在接合過(guò)程中一直保持刀具的插入量為一定。若向被接合構(gòu)件的刀具的插入量過(guò)少，則軸肩與被接合構(gòu)件沒(méi)有接觸，成為產(chǎn)生缺陷的原因。另外，刀具的插入量若過(guò)多，軸肩過(guò)分進(jìn)入到被接合構(gòu)件的表面，則在被接合構(gòu)件的表面上產(chǎn)生凹陷，也會(huì)成為產(chǎn)生缺陷的原因。向被接合構(gòu)件的刀具的插入量的變動(dòng)量最好可控制在大約0.05mm以?xún)?nèi)。
那么，象原有技術(shù)中所記載的那樣將刀具搭載于機(jī)頭部，在通過(guò)機(jī)頭部的運(yùn)動(dòng)而將刀具插入到被接合構(gòu)件的構(gòu)造中，在直線(xiàn)接合或者單純的二維曲線(xiàn)接合中，刀具插入量的修正可以比較簡(jiǎn)單地進(jìn)行。但是，在接合曲面上的接合線(xiàn)的三維接合中，修正刀具插入量并不容易。
本發(fā)明的目的就是提供一種即使在接合曲面上的接合線(xiàn)的三維接合的情況下，也可以很容易地修正刀具插入量的FSW裝置以及接合方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的FSW裝置是將可在刀具轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向變更被接合構(gòu)件與刀具的相對(duì)距離的修正機(jī)構(gòu)，設(shè)置于刀具和機(jī)頭部之間。
在三維接合中，刀具的向被接合構(gòu)件的插入量的修正方向與二維接合的Z方向不同，具有X方向或Y方向的成分。因此在接合中伴隨著需要隨時(shí)搜尋與被接合構(gòu)件的法線(xiàn)方向平行的修正方向、且瞬間移動(dòng)各軸。在通過(guò)三維接合用FSW裝置進(jìn)行向被接合構(gòu)件的刀具插入量的修正的情況下，被接合構(gòu)件的法線(xiàn)方向的計(jì)算，向修正量的X、Y、Z軸方向的分配，向X、Y、Z各軸的移動(dòng)等一連串的動(dòng)作需要在接合中進(jìn)行。對(duì)此控制系統(tǒng)的演算能力給予很大的影響。用于完成一連串動(dòng)作的時(shí)間，需要的是直線(xiàn)接合用FSW裝置或曲線(xiàn)接合用FSW裝置的情況的至少3倍左右，從而導(dǎo)致控制精度下降的問(wèn)題。這是因?yàn)樵谥本€(xiàn)接合用FSW裝置的情況下，只移動(dòng)Z軸一軸，而在曲線(xiàn)接合用FSW裝置的情況下，是移動(dòng)X、Y、Z軸這3軸。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在機(jī)頭部和刀具之間設(shè)置的修正機(jī)構(gòu)，在刀具的旋轉(zhuǎn)軸方向可以變更刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。修正機(jī)構(gòu)因?yàn)槭鞘沟毒咴谂c刀具旋轉(zhuǎn)軸平行的方向移動(dòng)，即使被接合構(gòu)件是三維曲面，使用裝置主體的多個(gè)驅(qū)動(dòng)軸而不用改變裝置主體的姿勢(shì)，僅通過(guò)修正機(jī)構(gòu)就可以簡(jiǎn)單的修正。因此，控制精度及控制的應(yīng)答性提高了。本發(fā)明特別是對(duì)三維接合裝置可以發(fā)揮很大的效果。
在本發(fā)明中，具備檢測(cè)刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離的距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)，通過(guò)此距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離，為使相對(duì)距離達(dá)到預(yù)先指定的距離，最好修正刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。通過(guò)在機(jī)頭部或前述修正機(jī)構(gòu)上裝備距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)，因?yàn)榭梢哉_地知道刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離，從而可以實(shí)現(xiàn)高精度控制。
檢測(cè)刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離的距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)，只要是能夠計(jì)量刀具和被接合構(gòu)件之間的距離的物品即可，激光位移計(jì)是最好的量具之一。
另外，代替直接檢測(cè)刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離的距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)，也可以測(cè)量與刀具的插入深度有緊密聯(lián)系的物理量。負(fù)載在刀具上的負(fù)荷，修正機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件的負(fù)荷，在修正機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件上使用電動(dòng)馬達(dá)的情況下的電動(dòng)馬達(dá)電流值，轉(zhuǎn)動(dòng)刀具的主軸馬達(dá)的電流值等均與刀具的插入深度有緊密的關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)這些值也可以間接地知道刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。
在本發(fā)明中，銷(xiāo)和軸肩由旋轉(zhuǎn)軸同一的分別的部件構(gòu)成，最好是具備可以獨(dú)立地變更銷(xiāo)的突出長(zhǎng)度的修正機(jī)構(gòu)。
在FSW中，在接合終端部拔出刀具時(shí)，會(huì)殘留有與銷(xiāo)形狀相當(dāng)?shù)目住＿@是因?yàn)殇N(xiāo)與軸肩是一體的。若銷(xiāo)和軸肩由同軸的分別的部件構(gòu)成，分別通過(guò)各自的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，則可以在終端部不必改變軸肩的位置，從被接合構(gòu)件上拔出銷(xiāo)，接著拔出軸肩。據(jù)此，可以防止在接合終端部殘留孔。
如前所述，銷(xiāo)和軸肩用分別的部件構(gòu)成，且在具備驅(qū)動(dòng)軸肩的第1修正機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)的第2修正機(jī)構(gòu)的情況下，例如通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)部，最好為使電動(dòng)馬達(dá)的電流值達(dá)到預(yù)先指定的電流值，修正銷(xiāo)和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。再有，裝備了檢測(cè)銷(xiāo)的溫度檢測(cè)裝置，最好通過(guò)此溫度檢測(cè)裝置檢測(cè)銷(xiāo)前端的溫度，為使銷(xiāo)前端的溫度達(dá)到預(yù)先指定的溫度，修正銷(xiāo)和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。
在被接合構(gòu)件的板厚不一定的情況下，若銷(xiāo)和軸肩是一體物，則會(huì)產(chǎn)生銷(xiāo)的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或不足。一般在通過(guò)FSW對(duì)接接合的情況下，銷(xiāo)的長(zhǎng)度較之被接合構(gòu)件的板厚略短。板厚根據(jù)接合部位而變化的情況下，例如若考慮到比接合開(kāi)始時(shí)的板厚變厚的情況，相對(duì)于板厚，銷(xiāo)的長(zhǎng)度變短，而成為產(chǎn)生未接合部的原因。如果可以將銷(xiāo)的長(zhǎng)度變更為適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，則可以防止未接合部的產(chǎn)生，可以確保完整的接合部。
在研究有關(guān)接合中的銷(xiāo)的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或不足時(shí)已經(jīng)明白，與銷(xiāo)的長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)那闆r相比較，在銷(xiāo)的長(zhǎng)度較短的情況下，驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)的電動(dòng)馬達(dá)的電流值變小。因此，為使驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)的電動(dòng)馬達(dá)的電流值達(dá)到預(yù)先指定的電流值，通過(guò)修正銷(xiāo)和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離，可以防止未接合部的產(chǎn)生，可以確保完整的接合部。
另外，在有關(guān)接合中的銷(xiāo)的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或不足的研究中已經(jīng)明白，與銷(xiāo)的長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)那闆r相比較，在銷(xiāo)的長(zhǎng)度較短的情況下，銷(xiāo)前端的溫度也不同。因此，裝備銷(xiāo)溫度的檢測(cè)裝置，為使銷(xiāo)前端的溫度達(dá)到預(yù)先指定的溫度，通過(guò)修正銷(xiāo)和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離，可以防止未接合部的產(chǎn)生，可以確保完整的接合部。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種摩擦攪拌接合方法，具有軸肩和銷(xiāo)是由比被接合構(gòu)件更硬的材質(zhì)制成的刀具，該刀具搭載于機(jī)頭部，一邊使刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊使機(jī)頭部下降，將銷(xiāo)插入被接合構(gòu)件，利用刀具和被接合構(gòu)件的摩擦熱而產(chǎn)生的塑性流動(dòng)現(xiàn)象，在被接合構(gòu)件的熔點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行接合，其中，在前述機(jī)頭部和前述刀具之間設(shè)置有可在刀具的旋轉(zhuǎn)軸方向變更刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離的修正機(jī)構(gòu)，通過(guò)該修正機(jī)構(gòu)，一邊調(diào)整相對(duì)于前述刀具的被接合構(gòu)件的插入量，一邊進(jìn)行接合。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FSW裝置的刀具附近的概略圖。
圖2是表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的FSW裝置的概略圖。
圖3是具有激光位移計(jì)的刀具修正機(jī)構(gòu)的概略圖。
圖4是具有負(fù)載傳感器的刀具修正機(jī)構(gòu)的概略圖。
圖5是表示本發(fā)明的其他實(shí)施例的FSW裝置的概略圖。
圖6是表示本發(fā)明的其它實(shí)施例的FSW裝置的概略圖。
圖7是可以獨(dú)立變更銷(xiāo)突出長(zhǎng)度的刀具修正機(jī)構(gòu)的概略圖。
圖8是表示銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)與驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)的馬達(dá)的電流值(I)的關(guān)系的圖。
圖9是表示銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)與銷(xiāo)前端溫度(T)的關(guān)系的圖。
圖10是表示接合過(guò)程中的銷(xiāo)長(zhǎng)度的變化的圖。
圖11是沒(méi)有控制銷(xiāo)長(zhǎng)度而接合的材料的截面照片。
圖12是控制銷(xiāo)長(zhǎng)度而接合的材料的截面照片。
圖13是表示刀具修正機(jī)構(gòu)的詳細(xì)的構(gòu)造圖。
具體實(shí)施例方式
(實(shí)施例1)在本實(shí)施例中，就有關(guān)將柱式的5軸機(jī)械加工中心進(jìn)行改造而制成的柱式的FSW裝置進(jìn)行說(shuō)明。本FSW裝置如圖2所示具備有正交的3軸(X，Y，Z)和Z軸周?chē)男D(zhuǎn)C軸以及前端部的手腕A軸共5軸。FSW因?yàn)槭菑?qiáng)行將刀具插入被接合構(gòu)件接合，所以裝置必須有用于承受此反作用力的高剛性。接合負(fù)荷由被接合構(gòu)件的材質(zhì)、板厚、轉(zhuǎn)動(dòng)刀具的形狀、刀具的轉(zhuǎn)數(shù)、接合速度等多種因素決定，板厚越大的情況負(fù)荷越高。本裝置在與對(duì)應(yīng)高負(fù)荷的接合裝置的位置上安裝。本裝置的柱50在Y方向，加工臺(tái)52在X方向，分別在臺(tái)架51上移動(dòng)。刀具保持件53在Z方向移動(dòng)。而且在刀具保持件53的下部設(shè)有機(jī)頭部6。刀具1通過(guò)主軸馬達(dá)54在旋轉(zhuǎn)C軸的方向旋轉(zhuǎn)。在刀具1和機(jī)頭部6之間組裝有修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的修正機(jī)構(gòu)3。
圖1更加詳細(xì)的記載了機(jī)頭部6和修正機(jī)構(gòu)3及刀具1。旋轉(zhuǎn)的刀具1固定在主軸2上，而且安裝在機(jī)頭部8上。機(jī)頭部6如圖1所示安裝在刀具保持件53上。在機(jī)頭部6上，作為用于使刀具的朝向可以在箭頭方向變化的機(jī)構(gòu)，安裝有副馬達(dá)8。副馬達(dá)8具有旋轉(zhuǎn)移動(dòng)軸4。在機(jī)頭部6和刀具1之間，安裝有修正刀具1以及被接合構(gòu)件7的相對(duì)位置的修正機(jī)構(gòu)3，修正機(jī)構(gòu)3在修正方向5上驅(qū)動(dòng)刀具1。修正機(jī)構(gòu)3因?yàn)槭窃谂c刀具1的旋轉(zhuǎn)軸平行的方向變更刀具的位置，當(dāng)修正刀具1和被接合構(gòu)件7的相對(duì)位置時(shí)，即使被接合構(gòu)件7是三維曲面的情況，也沒(méi)有必要使用裝置主體的多個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，僅通過(guò)修正機(jī)構(gòu)3就可簡(jiǎn)便地進(jìn)行修正。
另外，修正機(jī)構(gòu)3的驅(qū)動(dòng)可以是機(jī)械驅(qū)動(dòng)、油壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)馬達(dá)等的電氣驅(qū)動(dòng)等的任何一種方法，但最好是具有高精度定位和偏差值小的重復(fù)精度。
另外，為充分得到修正機(jī)構(gòu)的精度，盡管其機(jī)構(gòu)也就那樣了，但用何種方法控制是很重要的。
為了將刀具和被接合構(gòu)件的相對(duì)距離隨時(shí)控制在±0.05mm左右的精度，可以使用多個(gè)反饋機(jī)構(gòu)。即，檢測(cè)某一特定的物理量，進(jìn)行反饋，修正刀具和被接合構(gòu)件的相對(duì)距離。圖3中表示了裝備有作為距離檢測(cè)裝置的激光位移計(jì)的情況。通過(guò)在安裝于機(jī)頭部(省略圖示)的修正機(jī)構(gòu)3的前端附近上所安裝的激光位移計(jì)35，將激光36向接合部前方照射，測(cè)量刀具1和具有任意曲面表面的被接合構(gòu)件7的距離，將測(cè)定的距離與所設(shè)定的最佳距離相比較，修正機(jī)構(gòu)3沿修正方向5修正刀具1。刀具和被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的修正，可以通過(guò)修正機(jī)構(gòu)3，以刀具1的一個(gè)方向的移動(dòng)簡(jiǎn)單地實(shí)施。因此已測(cè)定距離的數(shù)據(jù)記錄、測(cè)定值和設(shè)定值的比較、修正量和修正方向的確定可以通過(guò)個(gè)人電腦水平的簡(jiǎn)單的電腦來(lái)實(shí)施。根據(jù)原有的方法，例如，不得不通過(guò)如前所述的X，Y，Z三軸的移動(dòng)來(lái)修正裝置主體的姿勢(shì)進(jìn)行實(shí)施，需要花費(fèi)較多的修正時(shí)間。根據(jù)發(fā)明者的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，用原有的方法進(jìn)行修正的情況下，一次修正所需的時(shí)間大約是1sec，與本發(fā)明的方法相比較，需要100倍以上的時(shí)間。
作為其他的控制方法有，(i)通過(guò)安裝在機(jī)頭部或者修正機(jī)構(gòu)的負(fù)載傳感器，檢測(cè)已測(cè)定的刀具所受的負(fù)荷，為使之達(dá)到預(yù)先指定的負(fù)荷，修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的方法、(ii)檢測(cè)為修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離而設(shè)置的刀具驅(qū)動(dòng)部件的負(fù)荷，為使之達(dá)到預(yù)先指定的負(fù)荷，修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的方法、(iii)檢測(cè)為修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離而設(shè)置的刀具用馬達(dá)的電流值，為使之達(dá)到預(yù)先指定的電流值，修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的方法、(iv)檢測(cè)使刀具轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸馬達(dá)的電流值，為使之達(dá)到預(yù)先指定的電流值，修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的方法等。
這其中，就使用負(fù)載傳感器的方法用圖4進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)負(fù)載傳感器37檢測(cè)在接合中的刀具1所受到的接合反作用力。刀具1和具有任意的曲面表面的被接合構(gòu)件7的距離，具有與接合中的接合反作用力成比例的關(guān)系。為使通過(guò)負(fù)載傳感器37測(cè)定的負(fù)荷達(dá)到設(shè)定的最佳負(fù)荷，修正機(jī)構(gòu)3沿修正方向5修正刀具1。
根據(jù)本裝置的構(gòu)成，在接合中不用改變由正交3軸(X，Y，Z)和Z軸周?chē)男D(zhuǎn)C軸以及前端部的手腕A軸這5軸所確定的裝置姿勢(shì)，僅通過(guò)修正機(jī)構(gòu)3，就可修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離。
(實(shí)施例2)柱式裝置的情況下，刀具立體的軋制線(xiàn)范圍小，是面向比較小型的被接合構(gòu)件或者曲率大的三維形狀的被接合構(gòu)件的接合的高剛性裝置。但是，在被接合構(gòu)件是大型或者是曲率小的情況下，需要擴(kuò)大刀具的立體軋制線(xiàn)的范圍。為保持通用性最好使用機(jī)器臂。本實(shí)施例是就保持高剛性、且具有通用性的FSW裝置進(jìn)行說(shuō)明。圖5是具備有3個(gè)髁軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的高剛性機(jī)器人型裝置。3個(gè)髁軸64a、64b、64c每個(gè)都由圓頭螺絲61a、61b、61c支撐，使之高剛性化。具有銷(xiāo)和軸肩的刀具71固定在主軸70上，且通過(guò)主軸馬達(dá)66旋轉(zhuǎn)。本FSW裝置具備有臺(tái)架75、轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)74、支撐臺(tái)73、臂65a，65、軸承單元63a，63b，63c、副馬達(dá)62a，62b，62c。在機(jī)頭部69和主軸70之間，組裝有修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的修正機(jī)構(gòu)72。
根據(jù)本裝置的構(gòu)成，在接合中裝置不用改變由所具備的5軸所決定的裝置姿勢(shì)，僅通過(guò)修正機(jī)構(gòu)72就可以修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離。
(實(shí)施例3)圖6是具備有3個(gè)髁軸(A，B，C)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(P，Q，R)的機(jī)器人型裝置，是在所研究的三維接合裝置中通用性最優(yōu)秀的裝置。但是相對(duì)于接合負(fù)荷的剛性要低于實(shí)施例1還有實(shí)施例2的情況，依存于機(jī)器人主體80的可搬力。機(jī)頭部86搭載于機(jī)器臂的前端。刀具81通過(guò)主軸82以及修正機(jī)構(gòu)84安裝在機(jī)頭部86上，通過(guò)主軸馬達(dá)83轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離的修正機(jī)構(gòu)84也被組裝。根據(jù)本裝置的構(gòu)成，在接合中裝置不用改變以所具備的6軸決定的裝置姿勢(shì)，僅通過(guò)修正機(jī)構(gòu)84，就可以修正刀具以及被接合構(gòu)件的相對(duì)距離。
(實(shí)施例4)前述的實(shí)施例是有關(guān)銷(xiāo)和軸肩為一體型的情況下的修正機(jī)構(gòu)及其控制方法。在本實(shí)施例中，在第1修正機(jī)構(gòu)上進(jìn)一步裝入第2修正機(jī)構(gòu)，為使板厚可以與變化的三維形狀的被接合構(gòu)件相對(duì)應(yīng)，就FSW裝置進(jìn)行說(shuō)明。本FSW裝置，刀具的軸肩和銷(xiāo)是非一體的同軸構(gòu)造，第1修正機(jī)構(gòu)修正軸肩和被接合構(gòu)件的相對(duì)距離，第2修正機(jī)構(gòu)修正銷(xiāo)和被接合構(gòu)件的相對(duì)距離。利用圖7進(jìn)行說(shuō)明。刀具與軸肩40和銷(xiāo)41是同軸狀的分別個(gè)體。被接合構(gòu)件7是根據(jù)接合部位板厚不同的三維形狀，為了不因?yàn)槭艿絹?lái)自刀具的接合負(fù)荷而屈曲，從里側(cè)用夾具43支撐。軸肩40為保持接合部的完整性，必須隨時(shí)保持與被接合構(gòu)件7的表面的相對(duì)距離為一定。這些通過(guò)第1修正機(jī)構(gòu)45在修正方向47上進(jìn)行修正。另外因?yàn)楸唤雍蠘?gòu)件7的板厚根據(jù)部位的不同而變化，在接合中必須送取銷(xiāo)41調(diào)整其長(zhǎng)度。這些通過(guò)第2修正機(jī)構(gòu)46在修正方向48上修正。在這里修正方向47及48因?yàn)檩S肩40和銷(xiāo)41是同軸狀，所以是同一方向?，F(xiàn)在，銷(xiāo)41從軸肩40突出的長(zhǎng)度稱(chēng)為銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)。圖8表示銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)和驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)41的馬達(dá)的電流值(I)的關(guān)系。在銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)比被接合構(gòu)件7的板厚短的情況下，電流值(I)與銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)同時(shí)單向增加，變化量小。但是銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)在達(dá)到與被接合構(gòu)件7的板厚相同的瞬間，電流值(I)急劇增加。因此對(duì)驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)41的馬達(dá)的電流值(I)進(jìn)行監(jiān)控，將銷(xiāo)長(zhǎng)度隨時(shí)一直控制在其時(shí)間變化量在超過(guò)某一定值之前即可。另外圖9是表示銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)和銷(xiāo)41的前端溫度(T)的關(guān)系。在銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)比被接合構(gòu)件7的板厚短的情況下，前端溫度(T)隨銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)同時(shí)單向增加，變化量小。但是銷(xiāo)長(zhǎng)度(d)在達(dá)到與被接合構(gòu)件7的板厚相同的瞬間，前端溫度(T)急劇增加。因此對(duì)銷(xiāo)41的前端溫度(T)進(jìn)行監(jiān)控，將銷(xiāo)長(zhǎng)度隨時(shí)一直控制在其時(shí)間變化量在超過(guò)某一定值之前即可。兩者的監(jiān)控值的急劇變化都是由于銷(xiāo)41和夾具43的接觸而產(chǎn)生的。據(jù)此，可以一直將銷(xiāo)長(zhǎng)度控制在比被接合構(gòu)件的板厚略短的程度。
圖10是表示對(duì)應(yīng)于板厚，在控制接合中的銷(xiāo)長(zhǎng)度時(shí)的銷(xiāo)長(zhǎng)度的變化的圖。橫軸是接合方向距離，縱軸是銷(xiāo)長(zhǎng)度以及板厚。圖10中描繪了銷(xiāo)長(zhǎng)度和板厚的2個(gè)曲線(xiàn)，兩個(gè)曲線(xiàn)重疊難以區(qū)別。這樣，根據(jù)本發(fā)明的控制方法，就可以確認(rèn)可將接合中的銷(xiāo)的長(zhǎng)度控制在與板厚大約相等的長(zhǎng)度。
圖12是表示控制銷(xiāo)長(zhǎng)度，接合后的材料的截面照片。根據(jù)圖12可以確認(rèn)，在厚度方向上直至材料下部可以完全接合。圖11是為了比較，表示的是沒(méi)有控制銷(xiāo)長(zhǎng)度，接合后情況的材料的截面照片。在圖11中可以確認(rèn)在材料的下部(照片下部)有未接合部。這是因?yàn)榕c板厚相比銷(xiāo)較短所產(chǎn)生的。
如上述那樣，第1修正機(jī)構(gòu)或者第1以及第2修正機(jī)構(gòu)安裝在正交的3個(gè)軸以及旋轉(zhuǎn)的2個(gè)軸共5個(gè)軸的裝置主體的前端部即可。最好是通過(guò)安裝在機(jī)器臂的前端，擴(kuò)大FSW的通用性。一般，機(jī)器臂相對(duì)于所定位置，其動(dòng)作精度在±0.1mm大致為極限。因此通過(guò)機(jī)器臂直至所定位置附近精度不高，細(xì)部通過(guò)安裝于其前端的修正機(jī)構(gòu)若能保證為±0.05mm的精度即可。
(實(shí)施例5)關(guān)于修正機(jī)構(gòu)使用圖13進(jìn)行具體的說(shuō)明。在機(jī)頭部98上，組裝著給予為改變裝置姿勢(shì)的旋轉(zhuǎn)軸以及軸周?chē)尿?qū)動(dòng)的副馬達(dá)91以及驅(qū)動(dòng)齒輪。在機(jī)頭部98的下部具有修正機(jī)構(gòu)92。另外作為銷(xiāo)94以及軸肩93為同軸狀的分別個(gè)體的刀具90，由主軸97驅(qū)動(dòng)。如A-A’剖面所示，在修正機(jī)構(gòu)92內(nèi)安裝有油缸96，沿導(dǎo)向95僅軸肩93可以在圖的上下方向移動(dòng)。根據(jù)這些機(jī)構(gòu)，不用改變裝置全體的姿勢(shì)，通過(guò)機(jī)頭前端部的局部的修正機(jī)構(gòu)，就可以修正軸肩和被接合構(gòu)件的相對(duì)的位置關(guān)系。另外在本實(shí)施例中，軸肩和銷(xiāo)分別個(gè)體，所以也可以調(diào)整從軸肩開(kāi)始的銷(xiāo)的突出量。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)在摩擦攪拌接合中的向被接合構(gòu)件的刀具的插入量的控制可以高精度且簡(jiǎn)單地進(jìn)行，特別是適合三維接合裝置的刀具插入量的修正控制。
權(quán)利要求
1.一種摩擦攪拌接合裝置，將具有大徑的軸肩和向軸線(xiàn)方向突出的小徑的銷(xiāo)的刀具搭載于刀具驅(qū)動(dòng)機(jī)械的機(jī)頭部，其特征在于，在前述機(jī)頭部和前述刀具之間具有修正機(jī)構(gòu)，該修正機(jī)構(gòu)可將前述刀具相對(duì)于被接合構(gòu)件的相對(duì)距離在該刀具的旋轉(zhuǎn)軸方向變更。
2.如權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，具有在前述旋轉(zhuǎn)軸方向可以與前述刀具一同移動(dòng)的主軸、和具有驅(qū)動(dòng)前述主軸的氣缸的前述修正機(jī)構(gòu)。
3.一種摩擦攪拌接合裝置，將具有軸肩和向前述軸肩的軸線(xiàn)方向突出的銷(xiāo)的刀具搭載于刀具驅(qū)動(dòng)機(jī)械的機(jī)頭部，其特征在于，具備距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)或物理量計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)和修正機(jī)構(gòu)，該距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)前述刀具相對(duì)于被接合構(gòu)件的相對(duì)距離，該物理量計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)計(jì)測(cè)與前述刀具插入到被接合構(gòu)件的深度相關(guān)的某些物理量，該修正機(jī)構(gòu)可將前述刀具相對(duì)于被接合構(gòu)件的相對(duì)距離在前述刀具的旋轉(zhuǎn)軸方向變更；為使根據(jù)前述距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)或者前述物理量計(jì)測(cè)機(jī)構(gòu)所檢測(cè)出的值達(dá)到預(yù)先指定的值，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)修正前述刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。
4.如權(quán)利要求3所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，作為前述距離檢測(cè)機(jī)構(gòu)具有激光位移計(jì)，為使根據(jù)前述激光位移計(jì)測(cè)定出的前述距離達(dá)到預(yù)先指定的距離，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)修正前述刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。
5.如權(quán)利要求3所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，作為前述物理量檢測(cè)裝置，具有檢測(cè)負(fù)載于前述刀具上的載荷的負(fù)載傳感器，為使根據(jù)前述負(fù)載傳感器檢測(cè)出的前述刀具所受到的反作用力達(dá)到預(yù)先指定的值，而通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)修正前述刀具和前述被接合構(gòu)件的相對(duì)距離。
6.如權(quán)利要求3所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，前述修正機(jī)構(gòu)具有在前述刀具的旋轉(zhuǎn)軸方向可以與前述刀具一同移動(dòng)的主軸和驅(qū)動(dòng)前述主軸的電動(dòng)馬達(dá)，為使前述電動(dòng)馬達(dá)的負(fù)荷達(dá)到預(yù)先指定的負(fù)荷，而修正前述刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。
7.如權(quán)利要求3所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，前述刀具通過(guò)主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，為使前述主軸馬達(dá)的電流值達(dá)到預(yù)先指定的電流值，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)修正前述刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離。
8.如權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，前述刀具的銷(xiāo)及軸肩是由旋轉(zhuǎn)軸同一、且可變更相對(duì)位置的分別的部件構(gòu)成，具備移動(dòng)前述刀具全體的第1修正機(jī)構(gòu)和變更前述銷(xiāo)的突出長(zhǎng)度的第2修正機(jī)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，前述第2修正機(jī)構(gòu)通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)前述銷(xiāo)，為使該電動(dòng)馬達(dá)的電流值達(dá)到預(yù)先指定的電流值，而變更前述銷(xiāo)的突出長(zhǎng)度。
10.如權(quán)利要求8所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，裝備有檢測(cè)前述銷(xiāo)的溫度的銷(xiāo)溫度檢測(cè)機(jī)構(gòu)，通過(guò)該溫度檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)銷(xiāo)的前端溫度，為使該前端溫度達(dá)到預(yù)先指定的溫度，而通過(guò)第2修正機(jī)構(gòu)變更前述銷(xiāo)的突出長(zhǎng)度。
11.如權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，前述驅(qū)動(dòng)機(jī)械具備有用于使前述刀具移動(dòng)的相互正交的3個(gè)軸方向的直線(xiàn)移動(dòng)軸及轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)的2個(gè)軸，共計(jì)5個(gè)移動(dòng)軸。
12.如權(quán)利要求1所述的摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，前述驅(qū)動(dòng)機(jī)械具備用于使前述刀具移動(dòng)的機(jī)械臂，在前述機(jī)械臂的前端和前述刀具之間備有前述修正機(jī)構(gòu)。
13.一種摩擦攪拌接合方法，將具有軸肩和銷(xiāo)的刀具搭載于機(jī)頭部，一邊使前述刀具旋轉(zhuǎn)，一邊使前述機(jī)頭部下降，將前述銷(xiāo)插入被接合構(gòu)件，利用通過(guò)前述刀具和被接合構(gòu)件的摩擦熱而產(chǎn)生的塑性流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行接合，其特征在于，在前述機(jī)頭部和前述刀具之間，設(shè)有可在前述刀具的旋轉(zhuǎn)軸方向變更前述刀具與被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離的修正機(jī)構(gòu)，一邊通過(guò)該修正機(jī)構(gòu)調(diào)整相對(duì)于前述刀具的被接合構(gòu)件的插入量，一邊進(jìn)行接合。
14.如權(quán)利要求13所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，檢測(cè)接合中的前述刀具和被接合構(gòu)件之間的相對(duì)距離，為使此檢測(cè)值接近預(yù)先指定的值，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)控制前述刀具的插入量。
15.如權(quán)利要求13所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，通過(guò)激光位移計(jì)計(jì)量前述相對(duì)距離，為使根據(jù)前述激光位移計(jì)所計(jì)量出的距離接近預(yù)先指定的距離，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)控制前述刀具的插入量。
16.如權(quán)利要求13所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，計(jì)量與相對(duì)于被接合構(gòu)件的前述刀具的插入深度相關(guān)的物理量，為使前述物理量達(dá)到預(yù)先指定的值，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)控制前述刀具的插入量。
17.如權(quán)利要求16所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，檢測(cè)負(fù)載于前述刀具上的負(fù)荷，為使前述負(fù)荷達(dá)到預(yù)先指定的負(fù)荷，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)控制前述刀具的插入量。
18.如權(quán)利要求13所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，前述軸肩和前述銷(xiāo)是由旋轉(zhuǎn)軸同一、相對(duì)位置可變更的分別的部件形成，設(shè)有可以獨(dú)立變更前述銷(xiāo)的突出長(zhǎng)度的修正機(jī)構(gòu)，檢測(cè)正在接合的前述銷(xiāo)的插入深度，為使之達(dá)到預(yù)先指定的深度，通過(guò)前述修正機(jī)構(gòu)控制銷(xiāo)的插入深度。
19.如權(quán)利要求18所述的摩擦攪拌接合方法，其特征在于，計(jì)量前述銷(xiāo)的前端部分的溫度，為使之達(dá)到預(yù)先指定的溫度，控制前述銷(xiāo)的插入深度。
全文摘要
本發(fā)明涉及摩擦攪拌接合裝置及接合方法，在摩擦攪拌接合時(shí)，能夠簡(jiǎn)單地進(jìn)行向被接合構(gòu)件的刀具的插入量的修正。特別是提供適用于三維接合的刀具的插入量的修正控制機(jī)構(gòu)。在將具有銷(xiāo)和軸肩的刀具，搭載于如機(jī)器臂那樣工作機(jī)械的機(jī)頭部，使刀具旋轉(zhuǎn)插入被接合構(gòu)件，通過(guò)與被接合構(gòu)件的相對(duì)移動(dòng)，使其產(chǎn)生摩擦熱從而引起塑性流動(dòng)而進(jìn)行接合的摩擦攪拌接合裝置中，將修正接合時(shí)的刀具與被接合構(gòu)件的相對(duì)位置的修正機(jī)構(gòu)設(shè)置于機(jī)頭部和刀具之間。
文檔編號(hào)B23K20/12GK1490112SQ0215607
公開(kāi)日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2002年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月18日
發(fā)明者岡本和孝, 平野聰, 稻垣正壽, 小田倉(cāng)富夫, 富夫, 壽 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所