JP4855860B2

JP4855860B2 - 摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置

Info

Publication number: JP4855860B2
Application number: JP2006203002A
Authority: JP
Inventors: 泰成脇坂; 裕樹橋本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: JP2008030050A

Description

本発明は、摩擦撹拌接合用工具を回転させながらワークに押圧することにより摩擦撹拌を行って接合をする摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置に関する。

摩擦撹拌接合において、摩擦撹拌接合用工具のワークへの挿入量は接合品質を保つ上で重要な考慮事項である。例えば、挿入量が足りない場合には、ワークを十分に軟化・撹拌することができず接合強度が不十分になる。

そこで、特許文献１に記載の摩擦撹拌の制御方法では、摩擦撹拌接合用工具の加圧力を延在して、求められた加圧力に基づいて摩擦撹拌接合用工具の動作を規定している。この制御方法では、上下駆動モータのフィードバック電流を検出して加圧力を演算し、該加圧力に基づいて摩擦撹拌接合用工具の挿入量を管理している。

特許２００２−２９２４７７号公報

摩擦撹拌接合には、摩擦撹拌接合用工具を軸方向に進行させるのみで横方向には移動させずに１箇所を点状に接合する場合（以下、点接合という。）と、軸方向に進行させた後に横方向にも移動させて線状に接合する場合（以下、線接合という。）がある。

線接合の場合、一定速度で横方向に移動させるときには、ワークに対する摩擦撹拌接合用工具の挿入量と、ワークに対する摩擦撹拌接合用工具の加圧力との間には相関関係があり、挿入力が深くなるほど必要な加圧力も大きくなる。また、加圧力を一定に保てば、挿入量も略一定に保たれると考えられる。

ところで、特許文献１記載の制御方法を点接合に適用する場合には、接合をしている時間が短いために加圧力の演算等の処理負荷も小さく、挿入量が適正に維持される。しかしながら、該制御方法を線接合に適用する場合には、接合する距離に応じて接合時間が長くなり、加圧力の演算等の処理負荷が膨大となる。また、処理負荷が大きいまま摩擦撹拌接合用工具を横方向に移動するため、フィードバックによる挿入量制御のタイミングの遅れが生じ、ワークの接合品質が低下する。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡便な構成で摩擦撹拌接合用工具の挿入量を適正に保ち、線接合に対して好適に適用可能な摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、摩擦撹拌接合用工具を回転させながら、電流駆動によりワークに挿入することにより発熱させて撹拌する摩擦撹拌接合方法において、前記摩擦撹拌接合用工具により前記ワークに挿入する際、駆動電流が前記ワークに対する適正挿入量に対応する値を超えないようにリミッタにより制限し、前記適正挿入量よりも深い位置に前記摩擦撹拌接合用工具の先端を進行させる指令を発する進出量指令部を含む位置制御手段を併用して接合を行うことを特徴とする。
また、本発明に係る摩擦撹拌接合装置は、摩擦撹拌接合用工具を回転させる回転手段と、前記摩擦撹拌接合用工具を、電流駆動によりワークに挿入させる進出手段と、前記回転手段及び前記進出手段によって、前記摩擦撹拌接合用工具を回転させながら前記ワークに挿入する際、駆動電流が前記ワークに対する適正挿入量に対応する値を超えないように制限をするリミッタと、前記適正挿入量よりも深い位置に前記摩擦撹拌接合用工具の先端を進行させる指令を発する進出量指令部を含む位置制御手段とを有することを特徴とする。

このように、適正挿入量に対応する駆動電流を超えないように制限をするリミッタを用いることにより、簡便な構成で摩擦撹拌接合用工具の挿入量を適正に保つことができる。

また、位置制御手段によって、適正接合強度が得られる厚みの下限値よりは深く進入することがないため、２段階の制限が設けられて、信頼性が向上する。さらに、接合加工の前段階及び後段階においては摩擦撹拌接合用工具を移動させる必要があることから移動手段は通常的に設けられており、該移動手段を第２段目の制限としての深さ制限手段として簡便に利用可能である。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法によれば、適正挿入量に対応する駆動電流を超えないように制限をするリミッタを用いることにより、簡便な構成で摩擦撹拌接合用工具の挿入量を適正に保つことができる。

また、リミッタは、入力値を所定の閾値でリミットをするという単純な構成であり、加圧力を計測したりフィードバックすることは必ずしも必要ではなく、構成が簡便である。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図６を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１０は、産業用の多関節型（例えば、６軸型）のロボット１２と、該ロボット１２の先端に設けられたエンドエフェクタ１４と、全体を統括的に制御する制御部１６とを有する。エンドエフェクタ１４はロボット１２の作用下に、任意の位置及び向きに移動が可能であって、ワークＷに対して適切な姿勢となるように設定される。また、線接合を行う場合には、ロボット１２の作用下にエンドエフェクタ１４が接合方向に向かって移動する。つまり、ロボット１２はエンドエフェクタ１４の移動手段及び傾動手段として作用する。

ワークＷは、例えば、積層され、又は端面が付き合わされた２枚のアルミニウム板であって、固定台１８によって固定されている。なお、図１では、エンドエフェクタ１４を模式的に大きく表示している。

エンドエフェクタ１４は、ワークＷを側方からクランプするように延在するＣ形状のアーム２０と、該アーム２０の一端に設けられた工具駆動機構部２２と、他端に設けられた低い円柱状の受け部材２４と、工具駆動機構部２２とロボット１２とを接続する接続部２６とを有する。

工具駆動機構部２２は、ワークＷの摩擦撹拌を行う摩擦撹拌接合用工具３０と、該摩擦撹拌接合用工具３０を軸中心に回転させる第１モータ（回転手段）３２と、摩擦撹拌接合用工具３０を軸方向に進退させる第２モータ（進出手段）３４と、第２モータ３４の回転を直線動作に変換して摩擦撹拌接合用工具３０に伝達するボールねじ機構３６と、第２モータ３４の回転数を検出して制御部１６に供給する検出部３８とを有する。第１モータ３２及び第２モータ３４は、例えばサーボモータを用いるとよい。

摩擦撹拌接合用工具３０は、受け部材２４に対して同軸上に設けられた細い円柱形状であって、先端中心にやや突出した小さい円柱状のプローブ４０（図３参照）を有する。プローブ４０の周囲は、円柱端面状のショルダ４２となっている。

図２に示すように、制御部１６は、ロボット１２の動作を制御するロボット制御部５０と、第１モータ３２に回転指令を与える回転指令部５３と、該回転指令部５３の信号を増幅して第１モータ３２に供給するアンプ５４と、摩擦撹拌接合用工具３０の先端位置を制御する位置制御ループ（位置制御手段）５６とを有する。

位置制御ループ５６は、摩擦撹拌接合用工具３０の先端位置の指令ｃを与える進出量指令部６０と、検出部３８から得られた信号に基づいて摩擦撹拌接合用工具３０の現在の先端位置ｚを求める入力処理部６２と、指令ｃと先端位置ｚとの位置偏差εを増幅するアンプ６４と、該アンプ６４によって得られた電流信号（駆動電流）Ｉを制限するリミッタ６６と、該リミッタ６６の飽和値を設定する飽和値設定部６８とを有する。リミッタ６６の出力で第２モータ３４に供給される信号を電流信号Ｉ_Lとする。

入力処理部６２は、検出部３８から供給される信号に対して、ボールねじ機構３６に基づく所定の比率を乗算するとともに、ワークＷの厚みを勘案して、該ワークＷの表面を基準とした摩擦撹拌接合用工具３０の進出量ｚを算出する。該進出量ｚは、ワークＷに進入する方向をプラス、上方に離間する方向をマイナスとする。ロボット制御部５０と、回転指令部５３と、進出量指令部６０は相互に協動して動作する。

ところで、一般のモータと同様に第２モータ３４は電流に応じたトルクを発生し、その負荷は主体的にはワークＷを押圧する加圧力であることから、電流信号Ｉは加圧力指令と同視することができる。また、線接合の場合、一定速度で横方向に移動させるときには、ワークＷに対する摩擦撹拌接合用工具３０の挿入量と、ワークＷに対する摩擦撹拌接合用工具３０の加圧力との間には相関関係があり、挿入量が深くなるほど必要な加圧力も大きくなる。したがって、電流信号Ｉの大きさによって摩擦撹拌接合用工具３０のワークＷに対する挿入量を調整することができることになる。また、リミッタ６６を設けて電流信号ＩをＩ_Lに制限することによって、摩擦撹拌接合用工具３０の挿入量を所定量に制限することができることになる。

そこで、飽和値設定部６８は、ワークＷの適正挿入量ｚ_A（図３参照）に対応する加圧力Ｌを超えないように電流信号Ｉを制限して電流信号Ｉ_Lを出力するようにリミッタ６６を設定する。適正挿入量ｚ_Aは、ワークＷが適正接合強度を得られる厚みに基づいて設定され、例えば、図３に示すように、ショルダ４２の端面のワークＷの表面を基準とした深さｈが、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好適であり、より好適には０．２ｍｍとなる位置に設定するとよい。換言すれば、プローブ４０の高さをｈｐとするとき、適正挿入量ｚ_Aは、ｚ_A＝（ｈｐ＋０．０５）ｍｍ〜（ｈｐ＋０．５）ｍｍが好適であり、より好適にはｚ_A＝（ｈｐ＋０．２）ｍｍとなる位置に設定するとよい。

また、進出量指令部６０が供給する摩擦撹拌接合用工具３０の先端位置ｚの指令ｃは、ワークＷの厚みＤの範囲内で、リミッタ６６により制限される加圧力Ｌに対応する深さよりも深い位置ｚ_L1に等しい値に設定されている。

さらに、指令ｃをワークＷが適正接合強度を得られる範囲の下限値に等しくなるように設定しておくとよい。つまり、ｈ＝０．０５〜０．５ｍｍが好適である場合には、ｃ＝ｚ_L1＝（ｈｐ＋０．５）ｍｍに設定するとよい。これにより、加圧力に基づくリミッタ６６の制限が作用しない場合であっても、ワークＷは適切な接合強度が得られる。

さらに、接合加工の前段階及び後段階においては摩擦撹拌接合用工具３０を移動させる必要があることから位置制御ループ５６は通常的に設けられているものであり、該位置制御ループ５６をリミッタ６６に対する第２段目の深さ制限手段として簡便に利用可能である。なお、図３及び図５におけるクロスハッチング部分は、摩擦撹拌された箇所を示している。また、計測の基準は、どの位置であってもよいことはもちろんであり、図３のようにプローブ４０の先端を基準とするに限らず、例えば、ショルダ４２の端部を基準としてもよい。

次に、このように構成される摩擦撹拌接合装置１０を用いる摩擦撹拌接合方法について説明する。

先ず、ワークＷを固定台１８によって固定し、ロボット１２の作用下にエンドエフェクタ１４を移動させ、接合する箇所の裏側に受け部材２４を当接させるとともに、摩擦撹拌接合用工具３０がワークＷの表面に対して垂直となるように設定する。

次いで、摩擦撹拌接合用工具３０を第１モータ３２によって回転させるとともに、第２モータ３４によって軸方向に進出させる。このとき、進出量指令部６０は指令ｃを前記の位置ｚ_L1として位置制御ループ５６に供給する。これにより、摩擦撹拌接合用工具３０は回転しながら下方に向けて進出し、ワークＷを加圧して摩擦熱を発生させて母材を撹拌しながら進入する。

このとき、図４Ａに示すように、時刻ｔ０において加圧力Ｆが上昇し始める。この時刻ｔ０は、摩擦撹拌接合用工具３０のプローブ４０がワークＷの表面に当接して押圧を開始した時刻である。加圧力Ｆは多少の上昇の後にやや下降する。これは、ワークＷが摩擦熱により柔らかくなるためである。

摩擦撹拌接合用工具３０をさらに進出させると、ショルダ４２がワークＷに当接する時刻ｔ１から加圧力Ｆが再び上昇を開始する。つまり、ショルダ４２が当接する部分はこの時点では加熱されてなくて硬く、ショルダ４２がワークＷの表面に当接して摩擦が大きくなるため、加圧力Ｆが急上昇する。

摩擦撹拌接合用工具３０をさらに進出させると、時刻ｔ２において挿入量ｚが閾値ｚ_Tを超え、飽和値設定部６８によりリミッタ６６が作用するように切り換えられる。これにより、リミッタ６６が加圧力Ｌを超えないように電流信号Ｉを制限して電流信号Ｉ_Lとして第２モータ３４に供給することになり、加圧力Ｆは一定となる。この加圧力Ｌは、飽和値設定部６８によって、ワークＷの適正挿入量ｚ_A（図３参照）に対応する値として設定されていることから、摩擦撹拌接合用工具３０の位置ｚは、ｚ＝ｚ_Aを維持することになる。

この時刻ｔ２の後、ロボット１２の作用下に、エンドエフェクタ１４を横方向に移動し、ワークＷを線接合する。この間も、リミッタ６６の作用によって摩擦撹拌接合用工具３０の位置ｚは一定に維持される。また、位置制御ループ５６の作用により、摩擦撹拌接合用工具３０の先端は設定された位置ｚ_L1より深くは埋没することがない。

なお、エンドエフェクタ１４を横方向に移動する際には、プローブ４０が接合方向に先行するようにエンドエフェクタ１４を適度に傾動させると、接合品質が向上する。

このようにして摩擦撹拌接合で線接合を所定の経路に沿って行った後、進出量指令部６０は指令ｃを所定のマイナス値として摩擦撹拌接合用工具３０を上昇させ、回転指令部５３は、摩擦撹拌接合用工具３０の回転を停止させる。また、ロボット１２の指令により、エンドエフェクタ１４をワークＷから離間させ、摩擦撹拌接合を終了する。

上記の例では、進出量指令部６０が出力する指令ｃは、ワークＷの厚みＤの範囲内の位置ｚ_L1に等しい値に設定されているが、図５に示すように、厚みＤを超えた十分に深い位置ｚ_L2（例えば、ｚ_L2＝３．０Ｄ〜２０．０Ｄ）に等しい値に設定してもよい。この場合、位置制御ループ５６における位置偏差ε及び電流信号Ｉは十分に大きい値となり、電流信号Ｉは定常的に閾値Ｌを超えることになり、リミッタ６６の出力する電流信号Ｉ_Lは、常に、Ｉ_L＝Ｌとなる。つまり、この場合には、進出量指令部６０は、リミッタ６６に対してリミットを作用を効かせる飽和入力を供給する加圧力補償手段として作用する。

このように、リミッタ６６に対して十分に大きい値を供給してリミット作用を常に効かせるようにすることにより、図６に示すように、線接合をする場合で矢印Ｘの方向に摩擦撹拌接合用工具３０を移動させるときに、ワークＷに予期していない凸部１００が存在していても、指令ｃは十分に深い位置ｚ_L2に設定されており、リミッタ６６はリミット作用を奏しており、電流信号Ｉ_LはＩ_L＝Ｌとなっている。したがって、摩擦撹拌接合用工具３０の先端位置は適正挿入量ｚ_Aを維持して摩擦撹拌接合を行うことができる。

また、ワークＷに予期していない凹部１０２が存在する場合であっても、凹部１０２の深さは位置ｚ_L2よりは十分に浅く、リミッタ６６はリミット作用を奏する。したがって、摩擦撹拌接合用工具３０の先端位置は適正挿入量ｚ_Aを維持して摩擦撹拌接合を行うことができる。この場合、適正挿入量ｚ_Aの基準位置は、ワークＷにおける本来想定されていた表面位置Ｂ０ではなく、現実の表面位置Ｂ１が基準となっている。これは、位置制御ループ５６は実質的には作用していなく、表面位置Ｂ０からの深さで発生するトルクに応じてリミッタ６６が深さ制限をすることによる。したがって、表面位置Ｂ１が、前記の例の表面位置Ｂ０を基準とした位置ｚ_L1よりも深い場合であっても、適正挿入量ｚ_Aを維持して摩擦撹拌接合を行うことができる。

このように、進出量指令部６０から十分に大きい値を出力させ、リミッタ６６に対してリミットを作用を効かせる飽和入力を供給することにより、リミッタ６６を定常的に作用させることができる。したがって、基準位置の如何に関わらず、摩擦撹拌接合用工具３０をワークＷに追従的に動作させ、ワークＷに対する適正挿入量を維持させることができる。

上述したように、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１０及び摩擦撹拌接合方法によれば、適正挿入量ｚ_Aに対応する加圧力Ｆを超えないように制限をするリミッタ６６を用いることにより、簡便な構成で摩擦撹拌接合用工具３０の挿入量ｚを適正に保つことができ、線接合の場合に好適に適用可能である。

また、リミッタ６６は、入力値を所定の閾値Ｌでリミットをするという単純な構成であり、加圧力を計測したりフィードバックすることは必ずしも必要ではなく、構成が簡便である。

さらに、処理負荷が軽いため、横方向に移動させた場合にもフィードバックによる挿入量制御のタイミングの遅れが生じることがなく、ワークＷの接合品質が維持される。

本発明に係る摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の概略構成図である。制御部のブロック構成図である。位置の指令をワークの厚みの範囲内に設定した場合の摩擦撹拌を行っている状態を示すワークの断面図である。図４Ａは、摩擦撹拌を行う際の加圧力の推移を示すグラフであり、図４Ｂは、摩擦撹拌を行う際の摩擦撹拌接合用工具の変位の推移を示すグラフである。位置の指令をワークの厚みの範囲外に設定した場合の摩擦撹拌を行っている状態を示すワークの断面図である。線接合を行う場合のワークと摩擦撹拌接合用工具との位置関係を示す模式断面図である。

符号の説明

１０…摩擦撹拌接合装置１２…ロボット
１４…エンドエフェクタ１６…制御部
２２…工具駆動機構部３０…摩擦撹拌接合用工具
３２…第１モータ（回転手段）３４…第２モータ（進出手段）
４０…プローブ４２…ショルダ
５６…位置制御ループ６０…進出量指令部
６６…リミッタ６８…飽和値設定部
Ｗ…ワークＩ…電流信号（駆動電流）

Claims

摩擦撹拌接合用工具を回転させながら、電流駆動によりワークに挿入することにより発熱させて撹拌する摩擦撹拌接合方法において、
前記摩擦撹拌接合用工具により前記ワークに挿入する際、駆動電流が前記ワークに対する適正挿入量に対応する値を超えないようにリミッタにより制限し、
前記適正挿入量よりも深い位置に前記摩擦撹拌接合用工具の先端を進行させる指令を発する進出量指令部を含む位置制御手段を併用して接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
摩擦撹拌接合用工具を回転させる回転手段と、
前記摩擦撹拌接合用工具を、電流駆動によりワークに挿入させる進出手段と、
前記回転手段及び前記進出手段によって、前記摩擦撹拌接合用工具を回転させながら前記ワークに挿入する際、駆動電流が前記ワークに対する適正挿入量に対応する値を超えないように制限をするリミッタと、
前記適正挿入量よりも深い位置に前記摩擦撹拌接合用工具の先端を進行させる指令を発する進出量指令部を含む位置制御手段と、
を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。