摩擦搅拌接合方法及装置、工具组制造方法及图纸

本发明专利技术为摩擦搅拌接合方法及装置、工具组。为了进行经济性好，接合强度及可靠性高的摩擦搅拌接合，旋转工具（3）具有：将肩台面（3b）形成在前端部分的工具主体（3a）；以从肩台面（3b）突出的方式形成的销状的突起部（3d），垫板工具（4）具有：将按压力保持面（4b）形成在前端部分的工具主体（4a）；收纳突起部（3d）的前端部的凹部（4d），将旋转工具（3）和垫板工具（4）以与金属板的接合部（J）的表面侧和背面侧相对的方式配置，保持垫板工具（4），边旋转驱动旋转工具（3）边使其向接近垫板工具（4）的方向移动，将旋转工具的突起部（3d）前端插入垫板工具的凹部（4d）内，夹入接合部，将旋转工具的肩台面（3b）向接合部的表面侧按压，在该状态下，使旋转工具（3）和垫板工具（4）沿接合部移动，通过旋转工具（3）对接合部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】摩擦搅拌接合方法及装置、工具组
本专利技术涉及用于对金属材料的接合部进行摩擦搅拌并接合的摩擦搅拌接合方法及装置、工具组。
技术介绍
公知有一种这样的摩擦搅拌接合技术:一边使接合工具(旋转工具)旋转，一边使设在接合工具的工具主体上的肩台部的表面与接合部件的表面相接触，利用肩台部的表面与接合部件的表面的摩擦热进行摩擦搅拌，在使接合部件在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实际应用。以往的摩擦搅拌接合技术大体上分为单面摩擦搅拌接合和双面摩擦搅拌接合。单面摩擦搅拌接合是最常见的方法，例如专利文献1(日本专利第2712838号公报)的图12所示。该单面摩擦搅拌接合是，使用在工具主体的前端部设置比其直径小的探针、并将工具主体的前端部上的探针安装部的周围作为肩台部而构成的接合工具，将该接合工具从两张金属板的接合部(例如对接部)的单面侧插入，利用通过使接合工具旋转而产生的摩擦热进行摩擦搅拌并接合(现有技术I)。作为将单面摩擦搅拌接合方法适用于实际的工业产品的情况的一例，例如在专利文献2 (日本专利第3289650号公报)中公开了以下两个课题及解决该课题的手段。首先对第一课题进行说明。以不在接合部背面产生未搅拌部的方式进行摩擦搅拌接合时，需要控制插入到接合部的工具前端的距离和加工部件的背面即垫板表面的距离总是为0.2mm左右以下。但是，在对细长的部件进行接合时，由于会发生工具的热膨胀，所以，很难总是以0.2_左右以下的高精度进行位置控制。对第二课题进行说明。在工具前端贯穿接合部的状态下进行接合的情况下，工具前端与配置在接合部背面的垫板接触，工具和垫板发生干涉。由此，会发生在接合部背面产生缺陷、或加工部件和垫板被接合的情况。解决这些课题的手段(现有技术2)表示在专利文献2 (日本专利第3289650号公报)的图3、图4中。在配置在加工部件的背面的垫板上的工具正下方设有槽。工具的前端贯穿加工部件的接合部背面，并边在形成于加工部件的接合部背面和垫板之间的槽的内部移动边进行接合。另外，双面摩擦搅拌接合的方法有两种。双面摩擦搅拌接合的第一种方法是，在两张金属板的接合部(例如对接部)的表面侧和背面侧，使用通常被称为双轴肩(bobbin tool)的一根接合工具对接合部进行摩擦搅拌并接合，例如专利文献I (日本专利第2712838号公报)的图2a所示(现有技术3)。双面摩擦搅拌接合的第二种方法是，将两根接合工具以探针前端之间实质上没有间隙的状态相对地配置在金属板的接合部(例如对接部)的表面侧和背面侧，从接合部的两侧进行摩擦搅拌并接合，例如专利文献I (日本专利第2712838号公报)的图14a所示(现有技术4)。现有技术文献专利文献专利文献1:日本专利2712838号专利文献2:日本专利3289650号专利技术的概要专利技术欲解决的课题上述现有技术I?4中分别存在以下的问题。第一是经济性和工具寿命的问题。现有技术I (单面摩擦搅拌接合)中提供的接合工具的探针长度为与金属板的厚度相同的长度。现有技术3 (双面摩擦搅拌接合)提供的双轴肩的探针长度也与单面摩擦搅拌接合一样，是与金属板的厚度相同的长度。现有技术4 (双面摩擦搅拌接合)提供的在表背面相对地配置的两根接合工具的探针长度是金属板厚度的一半。因此，如果金属板的厚度不同，则不得不根据其厚度改变探针长度，因此，需要与金属板的厚度相应地准备多个具有不同探针长度的旋转工具，存在经济性差的问题。另外，在现有技术3(双面摩擦搅拌接合)提供的双轴肩中，反驱动侧的肩台部的摩擦搅拌做功经由探针传递动力。因此，为了驱动比探针直径大的肩台部，必须使探针的截面系数为与单面摩擦搅拌接合装置的工具的截面系数相比时的至少2倍以上。由此，由于探针的直径变大，所以也需要增大肩台直径，摩擦搅拌范围也扩大，消耗能量增加，且装置大型化，因此存在经济性差的问题。根据现有技术2，在焊接中塑性流动的金属被推入设于接合部背面的槽中。其结果，在接合部背面形成与所述槽相同形状的焊纹。与形成在背面的槽形状相同形状的焊纹通过研磨机或切削等而被机械地除去。由此，能够排除产生在接合部背面的未接合部(参照专利文献2的0023?0028段)。但是，因通过研磨机及切削对焊纹进行加工，不可避免地导致接合后工序的增加、材料成品率的降低，存在经济性差的问题。另一方面，对于接合部表面，若在槽中填充有金属，则金属减少。因此，接合后的表面成为凹状。为了防止这种情况，在图3 (b)中图示了在表面预先形成突起8的情况。由此，能够防止接合部表面的凹状(参照专利文献2的0026段)。但是，需要在接合前预先形成突起形状。对于接合前的突起形状的形成，若为挤出形成件，则能够通过金属模的成型形成为任意形状，但对于板材的接合，为了形成突起形状需要实施机械加工，不可避免地会导致机械加工工序的增加、材料成品率的降低，存在经济性差的问题。另外，在现有技术2中，从旋转工具供给的热能从垫板逃逸，产生热损失。因此，需要供给摩擦搅拌接合所需的能量以上的热能，存在经济性差的问题。摩擦搅拌接合在作为熔点较低的材料的铝等非铁合金的领域中已被实际应用。通常，在摩擦搅拌接合中，需要通过摩擦搅拌热使材料温度上升至熔点的80%左右。在超过1000°C的高熔点材料的接合中，基于每单位接合长度的摩擦搅拌的投入能量变高，而且变形阻力值也变高，因此，对于旋转工具谋求高的耐热强度和破坏韧性，从而不得不使用昂贵的多晶金刚石等材料，存在经济性差的问题。而且，即使使用昂贵的多晶金刚石等材料，也由于热冲击、工具的磨损以及作用在探针上的弯曲应力等,使工具寿命变短,成为妨碍摩擦搅拌接合对超过1000°c的高熔点材料的普及的主要原因。若工具寿命缩短，则更换工具的频率增加，存在经济性差的问题。第二是接合不良的问题。在现有技术3 (双面摩擦搅拌接合)提供的双轴肩中，使表背面的肩台部和探针成为一体，因此表背面的肩台面之间的距离在工具的构造上是固定的。此外，在现有技术4 (双面摩擦搅拌接合)中，以在表背面相对地配置的两根接合工具的探针前端之间实质上没有间隙的状态下进行摩擦搅拌接合，因此，表背面的肩台面之间的距离被固定在与金属板的厚度相应的接合设定位置。在这样的固定了肩台面之间的距离的状态下的双面摩擦搅拌接合中，当金属板的厚度发生微小变动时，肩台面与金属板表面的接触面的面压力发生变动。由于该面压力的变动，摩擦热量变动，存在接合部的品质下降的问题。再有，在现有技术3提供的双轴肩中，由于表背面的肩台部和探针为一体，所以在双轴肩的行进方向的前方以及后方，表背面的肩台面间的距离相同。而且，无法使接合工具倾斜，难以施加搅拌所需的希望的面压力。在不能施加搅拌所需的希望的面压力的情况下，接合部的流动性降低，存在引起接合缺陷的问题。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种在摩擦搅拌接合时，经济性优良、且能够提高接合工具(旋转工具)的寿命的摩擦搅拌接合方法及装置、工具组。本专利技术的第二目的在于提供一种在摩擦搅拌接合时，能够进一步提高接合部的强度及接合的可靠性的摩擦搅拌接合方法及装置、工具组。用于解决课题的手段解决上述课题的第一技术方案，为一种摩擦搅拌接合方法，在对接的两张金属板的接合部的表面侧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种摩擦搅拌接合方法，在对接的两张金属板(1、2)的接合部(J)的表面侧和背面侧配置旋转工具(3)和垫板工具(4)，并通过该旋转工具对所述接合部进行摩擦搅拌，对所述两张金属板进行摩擦搅拌接合，其特征在于， 所述旋转工具(3)构成为具有:将肩台部(3c)形成在前端部分的工具主体(3a);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(3d)， 所述垫板工具(4)构成为具有:将按压力保持面部(4c)形成在前端部分的垫板工具主体(4a);在所述两张金属板(1、2)的接合时收纳所述突起部(3d)的前端部的至少一个凹部(4d)， 将所述旋转工具(3)和垫板工具(4)以与所述两张金属板的接合部(J)的表面侧和背面侧相对的方式配置， 使所述旋转工具(3)旋转，并使所述旋转工具(3)向接近所述垫板工具(4)的方向移动，从而将所述旋转工具的突起部的前端部(3d)插入所述垫板工具的凹部(4d)内，在所述旋转工具的所述肩台部(3c)的 肩台面(3b)和所述垫板工具的按压力保持面(4b)之间夹入接合部(J)，从所述接合部的表面侧和背面侧按压所述旋转工具的所述肩台部的肩台面(3b )和所述垫板工具的按压力保持面(4b )， 使所述旋转工具(3)和垫板工具(4)沿所述接合部在同步的状态下移动， 通过所述旋转工具(3 )对所述接合部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。2.—种摩擦搅拌接合方法，在对接的两张金属板(1、2)的接合部(J)的表面侧和背面侧配置旋转工具(3 )和垫板工具(4)，通过该旋转工具对所述接合部进行摩擦搅拌，对所述两张金属板进行摩擦搅拌接合，其特征在于， 所述旋转工具(3)构成为具有:将肩台部(3c)形成在前端部分的工具主体(3a);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(3d)， 所述垫板工具(4)构成为具有:将按压力保持面部(4c)形成在前端部分的垫板工具主体(4a);在所述两张金属板(1、2)的接合时收纳所述突起部(3d)的前端部的至少一个凹部(4d)， 将所述旋转工具(3)和垫板工具(4)以与所述两张金属板的接合部(J)的表面侧和背面侧相对的方式配置， 使所述旋转工具(3)旋转，使所述旋转工具(3)向接近所述垫板工具(4)的方向移动，从而将所述旋转工具的突起部的前端部(3d)插入所述垫板工具的凹部(4d)内，在所述旋转工具的所述肩台部(3c)的肩台面(3b)和所述垫板工具的按压力保持面(4b)之间夹入接合部(J)，从所述接合部的表面侧和背面侧按压所述旋转工具的所述肩台部的肩台面(3b)和所述垫板工具的按压力保持面(4b )， 使所述两张金属板(1、2 )在与接合方向相同的方向上移动， 通过所述旋转工具(3 )对所述接合部的板厚方向整个区域进行摩擦搅拌。3.如权利要求1或2所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于， 关于以所述相对的方式配置的所述旋转工具(3)的肩台面(3b)和所述垫板工具(4)的按压力保持面(4b)之间的距离(δ )，以与旋转工具及垫板工具的行进方向的前方的面间距离(δ I)比较，该行进方向的后方的面间距离(δ 2)变窄的方式，使所述旋转工具(3)或垫板工具(4)的至少某一方倾斜。4.如权利要求1~3的任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其特征在于， 所述旋转工具(3)在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动到预定插入深度， 在保持该旋转工具(3)的插入深度的状态下，通过位置控制从所述两张金属板的接合部端面(24)使该旋转工具沿接合行进方向进给从而开始摩擦搅拌接合， 摩擦搅拌接合开始后，以该旋转工具(3)的负荷成为规定的值的方式，切换成控制该旋转工具的插入位置的负荷恒定控制， 在到达摩擦搅拌接合结束的接合终端部前，切换成保持该时刻的该旋转工具(3)的插入位置的位置控制，使其通过接合部终端部， 所述垫板工具(4)在摩擦搅拌接合开始前通过位置控制相对于金属板(1、2)的厚度方向移动到预定插入深度，在保持位置的状态下，从摩擦搅拌接合的开始到结束进行位置控制。5.一种摩擦搅拌接合装置，在对接的两张金属板(1、2)的接合部(J)的表面侧和背面侧配置旋转工具(3)和垫板工具(4)，通过该旋转工具对所述接合部进行摩擦搅拌，并对所述两张金属板进行摩擦搅拌接合，其特征在于， 具有: 分别握持所述金属板(1、2)的第一及第二握持装置(5、6)； 以所述旋转工具(3)和垫板工具(4)与所述对接的两张金属板(1、2)的接合部(J)的表面侧和背面侧相对的方式，安装所述旋转工具，并旋转驱动所述旋转工具的工具旋转驱动装置(7)； 将所述垫板工具(4)保持在金属板背面位置的工具位置保持装置(46)； 使安装在所述工具旋转驱动装置上的所述旋转工具(3)向接近通过所述工具位置保持装置被位置保持的垫板工具(4)的方向移动，并将所述旋转工具向金属板的接合部的表面侧按压的工具按压装置(45); 使安装在所述工具旋转驱动装置上的所述旋转工具(3)及垫板工具(4)沿所述接合部(J)在同步的状态下移动的移动装置(47、48、75)， 所述旋转工具(3)具有:将肩台部(3c)形成在前端部分的工具主体(3a);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(3d)， 所述垫板工具(4)具有:将按压力保持面部(4c)形成在前端部分的工具主体(4a);形成在该工具主体的前端部分，在所述两张金属板的接合时收纳所述突起部(3d)的前端部的至少一个凹部(4d)， 所述工具按压装置(45)，在使旋转工具向接近垫板工具的方向移动时，将所述旋转工具的突起部(3d)的前端部插入所述垫...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：三菱日立制铁机械株式会社，
类型：
国别省市：