專利名稱：雙面摩擦攪拌接合方法及裝置以及雙面摩擦攪拌接合用工具組的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于對金屬材料的接合部從雙面進行摩擦攪拌并接合的雙面摩擦攪 拌接合方法及裝置、以及雙面摩擦攪拌接合用工具組。
背景技術：
公知有一種這樣的摩擦攪拌接合技術一邊使旋轉工具旋轉，一邊使設在旋轉工 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 的表面的摩擦熱進行摩擦攪拌，將接合部件在熔點以下的固相狀態(tài)對材料進行攪拌并接 合。該接合技術以鋁合金為主體，正在各種工業(yè)領域中實際應用。以往的摩擦攪拌接合技術大體上分為單面摩擦攪拌接合和雙面摩擦攪拌接合。單面摩擦攪拌接合是最常見的方法，例如專利文獻1(日本專利第27U838號公 報)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成的旋轉工具，將該旋 轉工具從兩張金屬板的接合部(例如對接部)的單面?zhèn)炔迦?，利用通過使旋轉工具旋轉而 產生的摩擦熱進行摩擦攪拌并接合。雙面摩擦攪拌接合的方法有兩種。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)?，使用通常被稱為雙軸肩(bobbin tool)的一根旋轉工具對接合部進行摩擦 攪拌并接合，例如專利文獻1(日本專利第2712838號公報)的圖加所示。雙面摩擦攪拌接合的第二種方法是，將兩根旋轉工具以探針前端之間實質上沒有 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?兩側進行摩擦攪拌并接合，例如專利文獻1(日本專利第2712838號公報)的圖1 所示。專利文獻1 日本專利第2712838號公報在專利文獻1記載的單面摩擦攪拌接合及雙面摩擦攪拌接合中，存在以下問題。第一是經濟性和工具壽命的問題。專利文獻1記載的單面摩擦攪拌接合所使用的旋轉工具的探針長度是與金屬板 的厚度相同的長度。此外，雙面摩擦攪拌接合所使用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。而且，在表背面相對地配置的兩根旋轉工具的探針插入 量是金屬板厚度的一半。因此，如果金屬板的厚度不同，則不得不根據其厚度改變探針長度，因此，需要與 金屬板的厚度相應地準備多個具有不同探針長度的旋轉工具，從而存在經濟性差的問題。此外，在雙軸肩中，反驅動側的肩臺部的摩擦攪拌做功經由探針傳遞動力。因此， 為了驅動比探針直徑大的肩臺部，必須使探針的截面系數為與單面摩擦攪拌接合裝置的工 具的截面系數相比時的至少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，摩擦攪拌范圍也擴大，消耗能量增加，且裝置大型化，因此存在經濟性差的問題。此外，摩擦攪拌接合在作為熔點較低的材料的鋁等非鐵合金的領域中已被實際應 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的80%左右。在 超過1000°C的高熔點材料的接合中，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，在旋轉工具中謀求高的耐熱強度和破壞韌性，從而不得不使用 昂貴的多晶金剛石等材料。再有，即使使用這些工具材料，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的高熔點材料的普及的 主要原因。第二是接合不良的問題。在專利文獻1的圖加記載的雙軸肩中，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造上是固定的。此外，在專利文獻1的圖1 記載的雙面摩擦攪拌接合中，以在表背面相對地配置 的兩根旋轉工具的探針前端之間實質上沒有間隙的狀態(tài)進行摩擦攪拌接合，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的接合設定位置。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，當金屬板的 厚度發(fā)生微小變動時，肩臺面與金屬板表面的接觸面的面壓力發(fā)生變動。由于該面壓力的 變動，摩擦熱量變動，存在接合部的品質下降的問題。再有，在專利文獻1的圖加記載的雙軸肩中，由于在表背面相對地配置的旋轉工 具的肩臺部的垂直軸心相同，所以不能使旋轉工具的軸心傾斜，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，接合部的流動性降低，存在引起 接合缺陷的問題。第三是因摩擦力而導致的金屬板的斷裂的問題。在雙面摩擦攪拌接合中，由于摩擦力而在表背面的肩臺面所夾的金屬板部分中產 生剪切力，當該剪切力超過材料的容許剪切力時，金屬板就會斷裂。進行摩擦攪拌接合的材料(金屬板)的容許剪切力根據板厚而變化，板厚薄時，容 許剪切力降低。根據本發(fā)明的發(fā)明人們所進行的實驗，確認了在金屬板的板厚為3mm以下的情況 下，特別容易發(fā)生金屬板的斷裂。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一目的是提供一種在雙面摩擦攪拌接合中經濟性好且能夠提高接合 部的強度的雙面摩擦攪拌接合方法及裝置、以及雙面摩擦攪拌接合用工具組。本發(fā)明的第二目的是提供一種在雙面摩擦攪拌接合中還能夠提高旋轉工具的壽 命的雙面摩擦攪拌接合方法及裝置、以及雙面摩擦攪拌接合用工具組。本發(fā)明的第三目的是提供一種在雙面摩擦攪拌接合中還能夠減少接合不良和金 屬板的斷裂從而進行具有高可靠性的接合的雙面摩擦攪拌接合方法及裝置、以及雙面摩擦 攪拌接合用工具組。解決上述技術問題的第一發(fā)明是一種雙面摩擦攪拌接合方法，將第一和第二旋轉工具相對地配置在兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，通過該第一和第二旋轉工具對 所述接合部進行摩擦攪拌，將所述兩張金屬板摩擦攪拌接合，其特征在于，所述第一和第二 旋轉工具中的一個旋轉工具構成為具有在前端部分形成有肩臺部的工具主體、和從該工具 主體的前端部分突出地形成的至少一個突起部，所述第一和第二旋轉工具中的另一旋轉工 具構成為具有在前端部分形成有肩臺部的工具主體、和在該工具主體的前端部分形成并在 所述兩張金屬板接合時收納所述突起部的前端部的至少一個凹部，將所述第一和第二旋轉 工具在所述兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬Φ嘏渲茫顾龅谝缓偷诙D工 具旋轉，并使所述第一和第二旋轉工具向彼此接近的方向移動，而將所述第一旋轉工具的 突起部的前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述 肩臺部的肩臺面按壓在所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，在將所述第一旋轉工具的突起部的 前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的 肩臺面按壓在所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊臓顟B(tài)下，使所述第一和第二旋轉工具沿著所 述接合部移動，通過所述第一和第二旋轉工具在所述接合部的板厚方向的整個區(qū)域進行摩 擦攪拌。此外，解決上述技術問題的第二發(fā)明是，在上述接合方法中，其特征在于，所述第 一和第二旋轉工具的材質為燒結碳化鎢的超硬合金或鎢合金，通過所述第一和第二旋轉工 具接合的兩張金屬板由熔點在1000°c以上的材料構成。此外，解決上述技術問題的第三發(fā)明是，在上述接合方法中，其特征在于，以使得 所述相對地配置的所述第一和第二旋轉工具的前端部分向著所述第一和第二旋轉工具相 對于所述接合部的移動方向先行的方式，使所述第一和第二旋轉工具的各自的軸心傾斜。此外，解決上述技術問題的第四發(fā)明是，在上述接合方法中，其特征在于，使所述 相對地配置的所述第一和第二旋轉工具的旋轉方向在所述兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)?和背面?zhèn)葹橄喾捶较?。此外，解決上述技術問題的第五發(fā)明是，在上述接合方法中，其特征在于，在摩擦 攪拌接合開始前，通過位置控制使所述第一和第二旋轉工具中的至少一個旋轉工具相對于 金屬板的厚度方向移動至預定插入深度，在保持該旋轉工具的插入深度的狀態(tài)下，從所述 兩張金屬板的接合部端面通過位置控制將該旋轉工具向接合行進方向進給而開始摩擦攪 拌接合，在摩擦攪拌接合開始后，切換為控制該旋轉工具的插入位置的負荷恒定控制，以使 該旋轉工具的負荷成為規(guī)定的值，在到達摩擦攪拌接合結束的接合終端部之前，切換為保 持該時刻的該旋轉工具的插入位置的位置控制，并通過接合部終端部。此外，解決上述技術問題的第六發(fā)明是一種雙面摩擦攪拌接合裝置，將第一和第 二旋轉工具相對地配置在兩張金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，通過該第一和第二旋轉 工具對所述接合部進行摩擦攪拌，將所述兩張金屬板摩擦攪拌接合，其特征在于，具有工 具旋轉驅動裝置，將所述第一和第二旋轉工具相對地配置在所述兩張金屬板的接合部的表 面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，并旋轉驅動所述第一和第二旋轉工具；工具按壓裝置，使安裝在所述工具旋 轉驅動裝置上的所述第一和第二旋轉工具向彼此接近的方向移動，而將所述第一和第二旋 轉工具按壓在所述金屬板的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?；以及移動裝置，使安裝在所述工具 旋轉驅動裝置上的所述第一和第二旋轉工具沿著所述接合部移動，所述第一旋轉工具具有 在前端部分形成有肩臺部的工具主體、和從該工具主體的前端部分突出地形成的至少一個突起部，所述第二旋轉工具具有在前端部分形成有肩臺部的工具主體、和在該工具主體的 前端部分形成并在所述兩張金屬板接合時收納所述突起部的前端部的至少一個凹部，所述 工具按壓裝置在使安裝在所述工具旋轉驅動裝置上的所述第一和第二旋轉工具向彼此接 近的方向移動時，將所述第一旋轉工具的突起部的前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部 內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的肩臺面按壓在所述接合部的表面?zhèn)群捅?面?zhèn)?，在將所述第一旋轉工具的突起部的前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部內，并將 所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的肩臺面按壓在所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊?狀態(tài)下，所述移動裝置使所述第一和第二旋轉工具沿著所述接合部移動，通過所述第一和 第二旋轉工具在所述接合部的板厚方向的整個區(qū)域進行摩擦攪拌。此外，解決上述技術問題的第七發(fā)明是，在上述接合裝置中，其特征在于，還具有 傾斜支承裝置，該傾斜支承裝置以使得安裝在所述工具旋轉驅動裝置上的所述第一和第二 旋轉工具的前端部分向著所述第一和第二旋轉工具相對于所述接合部的移動方向先行的 方式，將所述第一和第二旋轉工具的各自的軸心傾斜地支承。此外，解決上述技術問題的第八發(fā)明是，在上述接合裝置中，其特征在于，所述工 具旋轉驅動裝置使所述第一和第二旋轉工具在所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认蛳喾捶较?旋轉。此外，解決上述技術問題的第九發(fā)明是，在上述接合裝置中，其特征在于，還具有 控制裝置，該控制裝置通過以下方式控制所述工具按壓裝置及移動裝置在摩擦攪拌接合 開始前，通過位置控制使安裝在所述工具旋轉驅動裝置上的所述第一和第二旋轉工具中的 至少一個旋轉工具相對于金屬板的厚度方向移動至預定插入深度，在保持該旋轉工具的插 入深度的狀態(tài)下，從所述兩張金屬板的接合部端面通過位置控制將該旋轉工具向接合行進 方向進給而開始摩擦攪拌接合，在摩擦攪拌接合開始后，切換為控制該旋轉工具的插入位 置的負荷恒定控制，以使該旋轉工具的負荷成為規(guī)定的值，在到達摩擦攪拌接合結束的接 合終端部之前，切換為保持該時刻的該旋轉工具的插入位置的位置控制，并通過接合部終 端部。此外，解決上述技術問題的第十發(fā)明是一種雙面摩擦攪拌接合用工具組，對兩張 金屬板的接合部從其表背面兩側進行摩擦攪拌，將所述兩張金屬板摩擦攪拌接合，其特征 在于，具有第一和第二旋轉工具，所述第一和第二旋轉工具相對地配置在所述兩張金屬板 的接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，對所述接合部進行摩擦攪拌，所述第一旋轉工具具有在前端 部分形成有肩臺部的工具主體、和從該工具主體的前端部分突出地形成的至少一個突起 部，所述第二旋轉工具具有在前端部分形成有肩臺部的工具主體、和在該工具主體的前端 部分形成并在所述兩張金屬板接合時收納所述突起部的前端部的至少一個凹部，在將所述 第一旋轉工具的突起部的前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部內，并將所述第一和第二 旋轉工具的所述肩臺部的肩臺面按壓在所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊臓顟B(tài)下，使所述第 一和第二旋轉工具沿著所述接合部移動，在所述接合部的板厚方向的整個區(qū)域進行摩擦攪 拌。此外，解決上述技術問題的第十一發(fā)明是，在上述工具組中，其特征在于，所述第 二旋轉工具的肩臺面的直徑與所述第一旋轉工具的肩臺面的直徑相同。再有，解決上述技術問題的第十二發(fā)明是，在上述工具組中，其特征在于，所述第二旋轉工具具有從所述工具主體的前端部分突出地形成的至少一個突起部，所述突起部中 的至少一個是環(huán)狀的，所述凹部在所述環(huán)狀的突起部的內側形成。發(fā)明的效果根據本發(fā)明，能夠得到以下效果。在第一、第六和第十發(fā)明中，由于相對于接合部的表背面相對地配置的第一和第 二旋轉工具是分體的，所以在第一旋轉工具的突起部向第二旋轉工具的凹部內的插入量 (第一和第二旋轉工具之間的距離)不為0的范圍內，能夠自由調整其插入量。由此，即使 金屬板的厚度不同，也能夠與金屬板的厚度相匹配地將第一旋轉工具的突起部插入到第二 旋轉工具的凹部內，并從兩面對突起部的長度范圍內的厚度的金屬板在接合部的整個范圍 內進行摩擦攪拌接合。由此，不需要根據金屬板的厚度來更換具有不同探針長度的旋轉工 具，因此不需要準備多個具有不同探針長度的旋轉工具，能夠抑制運轉成本，提高經濟性。此外，第一和第二旋轉工具是分體的，并且分別獨立驅動。因此，與雙軸肩的情況 不同，背面?zhèn)刃D工具的肩臺部的摩擦攪拌做功不需要經由探針傳遞動力，所以，無需像雙 軸肩的情況那樣，在與單面摩擦攪拌接合裝置的工具相比時，可以不使探針(突起部)的直 徑為單面摩擦攪拌接合裝置的工具的至少2倍以上。由此，能夠防止因探針的直徑變大而 導致的肩臺直徑的增大，因此，不會使裝置大型化，通過這一點也能夠提高經濟性。此外，由于第一和第二旋轉工具在金屬板的接合部的板厚方向的整個區(qū)域進行摩 擦攪拌，所以能夠提高接合部的強度。此外，由于第一和第二旋轉工具從接合部的表背面兩側進行摩擦攪拌接合，所以 能夠防止在單面摩擦攪拌接合中產生的向背襯板的熱損失。因此，接合部的軟化區(qū)域增加， 能夠使作用在1根旋轉工具上的熱負荷為1/2以下。而且，由于第一和第二旋轉工具是分 體的，并且兩者間的距離(金屬板厚度方向上的工具前端之間的距離)是可調整的，所以， 如第五和第九發(fā)明那樣，能夠在至少一個旋轉工具向接合部的壓著中采用負荷控制。這樣， 通過采用負荷控制，能夠避免因金屬板厚度的微小變動而導致的肩臺面北、仙與金屬板接 合部表面的接觸面上的面壓力變動，降低熱負荷的變動。由此，旋轉工具的材質不需要使用 昂貴的多晶金剛石等材料，如第二發(fā)明那樣，旋轉工具的材質可以是燒結碳化鎢的超硬合 金、鎢合金等。其結果是，在熔點為1000°C以上的金屬板的摩擦攪拌中，能夠提供工具壽命 長且經濟的旋轉工具。再有，由于能夠作用負荷控制，所以，能夠根據金屬板的厚度(接合部的厚度)的 微小變動來調整第一旋轉工具的突起部向第二旋轉工具的凹部的插入量，由此，能夠不固 定上下的肩臺面之間的距離地從兩面進行摩擦攪拌接合。由此，能夠避免因金屬板的厚度 的微小變動而導致的肩臺面與金屬板接合部表面的接觸面上的面壓力變動，抑制摩擦熱量 的變動，防止接合部J的品質低下(接合不良)，實現具有高可靠性的接合。此外，由于第一和第二旋轉工具是分體的，所以，如第三和第七發(fā)明那樣，能夠以 第一和第二旋轉工具的前端部分向著接合行進方向先行的方式使各個旋轉工具軸心傾斜。 由此，由于能夠提高對金屬板1、2的按壓力，所以能夠提高基于摩擦攪拌接合的接合部的 流動性，抑制接合不良，實現具有高可靠性的接合。再有，由于第一和第二旋轉工具是分體的，所以，如第四和第八發(fā)明那樣，能夠使 第一和第二旋轉工具的旋轉方向在接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)葹橄喾吹姆较?。由此，能夠使來自接合部的表面?zhèn)鹊臄嚢枰鸬募羟辛εc來自背面?zhèn)鹊臄嚢枰鸬募羟辛υ诮雍喜康?內部抵消，能夠防止材料的斷裂，實現具有高可靠性的接合。該效果如第十一發(fā)明那樣，在 第一和第二旋轉工具的肩臺面的直徑相同的情況尤其顯著。再有，由于摩擦攪拌而使得材料在第二旋轉工具的凹部內軟化流動，填充間隙。由 此，插入到第二旋轉工具的凹部中的第一旋轉工具的突起部經由被軟化填充到間隙中的材 料而在凹部內受到內壓力，結果作用制振力，由此，能夠提高第一和第二旋轉工具的半徑方 向的制振性能。其結果是，能夠抑制顫動，實現均勻的摩擦攪拌，通過這一點也能夠抑制接 合不良，實現具有高可靠性的接合。此外，如第十二發(fā)明那樣，在第二旋轉工具上也形成有從工具主體的前端部分突 出的至少一個環(huán)狀的突起部，并在其內側形成供第一旋轉工具的突起部插入的凹部，由此， 在摩擦攪拌時，不僅是第一旋轉工具的突起部，第二旋轉工具的環(huán)狀的突起部也在接合部 的板厚方向上突入到接合部中，通過兩個突起部進行摩擦攪拌。由此，能夠縮短第一旋轉工 具的突起部的長度，因此能夠減少摩擦攪拌接合時作用在該突起部上的旋轉彎曲力矩，即 使在金屬板的板厚變厚的情況下，也能夠不折損突起部地進行摩擦攪拌接合，能夠提高旋 轉工具的壽命。


圖1是本發(fā)明的一個實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組的工具前端部分的 放大剖視圖，是表示接合時的工具組的使用狀態(tài)的圖。圖2是本發(fā)明的一個實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組的工具前端部分的 放大剖視圖，是表示各部分的尺寸關系的圖。圖3是表示第一及第二旋轉工具的接合距離(接合開始后的時間)與旋轉工具的 主軸旋轉電動機負荷的變化的時間圖。圖4是表示相對于接合部的表背面、使第一及第二旋轉工具的配置位置顛倒的情 況下的接合時的工具組的使用狀態(tài)的圖。圖5是本發(fā)明的其他實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組的工具前端部分的 放大剖視圖，是表示接合時的工具組的使用狀態(tài)的圖。圖6是本發(fā)明的又一其他實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組的工具前端部 分的放大剖視圖，是表示接合時的工具組的使用狀態(tài)的圖。圖7是本發(fā)明的又一其他實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組的工具前端部 分的放大剖視圖，是表示接合時的工具組的使用狀態(tài)的圖。圖8是本發(fā)明的又一其他實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組的工具前端部 分的放大剖視圖，是表示接合時的工具組的使用狀態(tài)的圖。圖9是將本發(fā)明的一個實施方式的雙面摩擦攪拌接合裝置的一部拆出進行表示 的整體立體圖。圖10是圖9所示的雙面摩擦攪拌接合裝置的主要部分的簡要主視圖。圖11是表示圖9所示的雙面摩擦攪拌接合裝置的上半側和控制系統(tǒng)的圖。圖12表示本發(fā)明的其他實施方式的金屬板的雙面摩擦攪拌接合裝置，并表示以 機械方式進行上下的旋轉工具的軸心的同步的方式的圖。
圖13是表示將本發(fā)明的接合方法應用于兩張金屬板的對接焊接的情況下的接合 時的狀態(tài)，并表示上下的旋轉工具與入出側握持裝置的位置關系(入出側握持裝置間距 離)的圖。圖14是表示將本發(fā)明的接合方法應用于兩張金屬板的重疊焊接的情況下的接合 時的狀態(tài)，并表示握持方式的圖。圖15是表示將本發(fā)明的接合方法應用于兩張金屬板的重疊焊接的情況下的其他 接合時的狀態(tài)和握持方式的圖。圖16是表示一邊使上下的旋轉工具旋轉一邊進行摩擦攪拌接合時的沿著接合方 向(與圖1的截面垂直的方向)的剖視圖。圖17是表示使上下旋轉工具的旋轉方向為相同方向、使旋轉工具的肩臺直徑相 同、并且使旋轉工具的軸心相對于旋轉工具的行進方向以相同角度傾斜地進行摩擦攪拌接 合的狀態(tài)的立體圖。圖18是表示使上下旋轉工具的旋轉方向為相同方向、使旋轉工具的肩臺直徑相 同、并且使旋轉工具的軸心相對于旋轉工具的行進方向以相同角度傾斜地進行摩擦攪拌接 合的狀態(tài)的剖視圖。圖19是表示使上下旋轉工具的旋轉方向為相反方向、使旋轉工具的肩臺直徑相 同、并且使旋轉工具的軸心相對于旋轉工具的行進方向以相同角度傾斜地進行摩擦攪拌接 合的狀態(tài)的立體圖。 圖20是表示使上下旋轉工具的旋轉方向為相反方向、使旋轉工具的肩臺直徑相 同、并且使旋轉工具的軸心相對于旋轉工具的行進方向以相同角度傾斜地進行摩擦攪拌接 合的狀態(tài)的剖視圖。圖21是將上下旋轉工具的傾斜角度設定為0度(不使工具傾斜)地將上下旋轉 工具從接合部端面插入時的說明圖。圖22是表示使上下旋轉工具適度傾斜地將上下旋轉工具從接合部端面插入時的 狀態(tài)的圖。圖23是表示使旋轉工具的軸心傾斜地以無壓入的方式進行雙面摩擦攪拌接合的 運轉方法的圖。圖M是表示控制裝置所進行的處理步驟的控制流程圖。圖25是表示控制裝置所進行的處理步驟的其他例子的控制流程圖。附圖標記的說明1、2金屬板3第一旋轉工具(上旋轉工具)3a工具主體3b肩臺部3c肩臺面3d突起部(探針)4第二旋轉工具(下旋轉工具)4a工具主體4b肩臺部
4c肩臺面
4d凹部
5入側上握持裝置
5a、恥上、下握持板
6出側下握持裝置
6a、6b上、下握持板
7上工具旋轉驅動裝置
8下工具旋轉驅動裝置
9上殼體
10下殼體
11上導軌
12下導軌
15工具軸心
20a上旋轉工具待機位置
20b下旋轉工具待機位置
21a上摩擦攪拌接合開始位置
21b下摩擦攪拌接合開始位置
22a上摩擦攪拌接合結束位置
22b下摩擦攪拌接合結束位置
24摩擦攪拌開始金屬板端面
27a上剪切力
27b下剪切力
45上工具按壓裝置
46下工具按壓裝置
47上移動裝置
48下移動裝置
49上筒體
50下筒體
51上主體箱
52下主體箱
53a上旋轉用電動機
53b下旋轉用電動機
61a、61b按壓用電動機
62a,62b 絲杠
63a、63b支承框架
64a,64b 軸
6^1、6釙行走框架
66a,66b 車輪
67a、67b行走電動機
71車輪
72絲杠
73行走用電動機
74行走裝置
75控制裝置
76a上傾斜支承裝置
76b下傾斜支承裝置
77a、77b角度調整用電動機
81a上位置測量器
81b下位置測量器
82a上載荷測量器
82b下載荷測量器
83控制裝置
J接合部
θ 1、θ 2傾斜角
具體實施例方式下面參照

本發(fā)明的實施方式。圖1和圖2是本發(fā)明的一個實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組的工具前端部 分的放大剖視圖，圖1表示接合時的工具組的使用狀態(tài)，圖2表示各部分的尺寸關系。接合 的形態(tài)，例如是對接焊接。另外，在本說明書中，所謂接合部是指兩張金屬板的應被接合的 部分，在對接焊接中相當于對接部，在重疊焊接中相當于重疊部。在圖1和圖2中，本實施方式的雙面摩擦攪拌接合用工具組具有第一和第二旋轉 工具3、4，該第一和第二旋轉工具3、4相對地配置在兩張金屬板1、2的接合部(對接部)J 的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，對接合部J進行摩擦攪拌。第一旋轉工具3具有將具有對接合部J進 行按壓的肩臺面北的肩臺部3c形成在前端部分上的工具主體3a ；和從肩臺面北突出地 形成在該工具主體3a的前端部分上的銷狀的突起部(探針)3d。第二旋轉工具4具有將 具有對接合部J進行按壓的肩臺面4b的肩臺部如形成在前端部分上的工具主體如；和形 成在該工具主體如的肩臺面4b上，并在進行兩張金屬板1、2的接合時將突起部3d的前端 部收納的凹部4d。第一旋轉工具3的突起部(探針)3d具有圓筒形的外周形狀，第二旋轉工具4的 凹部4d也具有圓筒形的內周形狀。在突起部(探針)3d的前端被插入到凹部4d內的狀態(tài) 下，在兩者之間形成有呈圓筒形狀的環(huán)狀間隙。在本說明書中，所謂“工具組”，是上述這樣的兩個旋轉工具3、4的總稱。本實施方 式的接合方法是使用這樣的工具組實施的接合方法，其簡要說明如下。首先，將第一和第二旋轉工具3、4相對地配置在兩張金屬板1、2的接合部J的表 面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?。接下來，使第一和第二旋轉工具3、4 一邊旋轉一邊向彼此接近的方向移動， 將第一旋轉工具3的突起部3d的前端部插入到第二旋轉工具4的凹部4d內，并將第一和 第二旋轉工具3、4的肩臺面!3b、4b按壓在接合部J的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?。接著，在該狀態(tài)下(將第一旋轉工具3的突起部3d的前端部插入到第二旋轉工具4的凹部4d內，并將第一和 第二旋轉工具3、4的肩臺面!3b、4b按壓在所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊臓顟B(tài))，使第一和 第二旋轉工具3、4 一邊旋轉一邊沿著接合部J移動。當在該移動期間進行摩擦攪拌時，突 起部3d處于在接合部J的板厚方向的整個區(qū)域突入的狀態(tài)。由此，接合部J的板厚方向的 整個區(qū)域被摩擦攪拌，兩張金屬板1、2在接合部J的板厚方向的整個區(qū)域被接合。在本實施方式的接合方法中，由于在接合部J的表背面相對地配置的第一和第二 旋轉工具3、4是分體的，所以，在第一旋轉工具3的突起部3d在第二旋轉工具4的凹部4d 內的插入量(第一和第二旋轉工具之間的距離)不為0的范圍內，能夠自由調整其插入量。 由此，即使金屬板1、2的厚度不同，也能夠與金屬板1、2的厚度相應地將第一旋轉工具3的 突起部3d插入到第二旋轉工具4的凹部4d內，并在接合部J的整個范圍內從兩面對突起 部3d的長度范圍內的厚度的金屬板進行摩擦攪拌接合。由此，不需要根據金屬板的厚度而 換成具有不同探針長度的旋轉工具，因此不需要準備多個具有不同探針長度的旋轉工具， 能夠抑制運轉成本，提高經濟性。此外，第一和第二旋轉工具3、4是分體的，并且分別獨立驅動。因此，與雙軸肩的 情況不同，背面?zhèn)刃D工具的肩臺部4c的摩擦攪拌做功不需要經由探針傳遞動力，所以， 無需像雙軸肩的情況那樣，在與單面摩擦攪拌接合裝置的工具相比時，可以不使探針(突 起部)3d的直徑為單面摩擦攪拌接合裝置的工具的至少2倍以上。由此，能夠防止因探針 的直徑變大而導致的肩臺直徑的增大，因此，不會使裝置大型化，通過這一點也能夠提高經 濟性。此外，根據本實施方式的接合方法，由于第一和第二旋轉工具3、4在對接的金屬 板1、2的接合部J的板厚方向的整個區(qū)域進行摩擦攪拌，所以能夠提高接合部J的強度。另外，由于第一和第二旋轉工具3、4是分體的，并且兩者間的距離是可調整的，所 以，能夠在至少一個旋轉工具向接合部的壓接中采用負荷控制(后述)。由于能夠像這樣采 用負荷控制，所以，能夠根據金屬板的厚度(接合部的厚度)的微小變動來調整第一旋轉工 具3的突起部3d向第二旋轉工具4的凹部4d的插入量，從而不固定上下的肩臺面:3b、4b 之間的距離地從兩面進行摩擦攪拌接合。由此，能夠避免因金屬板的厚度的微小變動而導 致的肩臺面:3b、4b與金屬板接合部表面的接觸面上的面壓力變動，能夠抑制摩擦熱量的變 動，防止接合部J的品質低下(接合不良)，實現具有高可靠性的接合。下面對第一和第二旋轉工具3、4的材質進行說明。單面的摩擦攪拌接合在作為熔點較低的材料的鋁等非鐵合金領域中已被應用。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到熔點的80%左右。其結果 是，在超過1000°C的高熔點材料的接合中，基于每單位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，旋轉工具需要高的耐熱強度和破壞韌性，而不得不使用昂貴的 多晶金剛石等材料。而且，即使使用這些工具材料，也由于熱沖擊、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°c的高熔點材料的 普及的主要原因。在本實施方式中，從接合部的表背面兩側進行摩擦攪拌接合，由此，能夠防止在單 面摩擦攪拌接合中產生的向背襯板的熱損失。因此，接合部的軟化區(qū)域增加，能夠使施加在1根旋轉工具上的熱負荷為1/2以下。而且，如上所述，在至少一個旋轉工具向接合部的壓 接中采用負荷控制(后述)，由此，能夠避免金屬板的厚度的微小變動而導致的肩臺面3b、 4b與金屬板接合部表面的接觸面上的面壓力變動，從而降低熱負荷的變動。由此，旋轉工 具的材質不必使用昂貴的多晶金剛石等材料，而使旋轉工具的材質為燒結碳化鎢的超硬合 金、鎢合金等。其結果是，在熔點為1000°C以上的金屬板的摩擦攪拌中，能夠一種提供工具 壽命長且經濟的旋轉工具。而且，根據本實施方式的接合方法，由于第一和第二旋轉工具3、4是分體的，所 以，能夠以第一和第二旋轉工具3、4的前端部分向著接合行進方向先行的方式，使各個旋 轉工具軸心傾斜(后述)。由此，能夠提高對金屬板1、2的按壓力，因此能夠提高摩擦攪拌 接合的接合部的流動性，抑制接合不良，實現具有高可靠性的接合。再有，由于第一和第二旋轉工具3、4是分體的，所以能夠使第一和第二旋轉工具 3、4的旋轉方向在接合部J的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)葹橄喾捶较?后述)。由此，來自接合部J的 表面?zhèn)鹊臄嚢枰鸬募羟辛εc來自背面?zhèn)鹊臄嚢枰鸬募羟辛δ軌蛟诮雍喜縅的內部抵 消，從而能夠防止材料的斷裂，實現具有高可靠性的接合。該效果在使第一和第二旋轉工具 3、4的肩臺面!3b、4b的直徑相同的情況下尤其顯著。圖3是表示第一和第二旋轉工具3、4的接合距離(接合開始后的時間)與旋轉工 具的主軸的旋轉電動機負荷的變化的時間圖。當使不具有探針或突起部的旋轉工具在接合方向上行進時，如果在旋轉工具的肩 臺面與金屬板的接觸面上作用有偏心載荷，則存在產生顫動、摩擦攪拌不均勻、引起接合不 良的問題。根據本發(fā)明的發(fā)明人所進行的實驗，使第一旋轉工具3的突起部(探針)3d向第 二旋轉工具4的凹部4d的插入量超過0mm，由此，如圖3的時間圖所示，能夠確認在接合剛 開始后的數秒中產生了顫動，但是隨后振動能夠被抑制。這是因為材料軟化，在凹部4d中 填充材料，由此，插入的第一旋轉工具3的突起部3d經由被軟化填充的材料而在第二旋轉 工具4的凹部4d內受到內壓，結果作用制振力。其結果是，能夠抑制顫動，實現均勻的摩擦 攪拌，通過這一點也能夠抑制接合不良，實現具有高可靠性的接合。此外，如果在接合開始前就向凹部4d內填充相當于間隙的量的材料，也能夠避免 該振動。圖4是表示相對于接合部J的表背面，使第一及第二旋轉工具的配置位置顛倒的 情況下的接合時的工具組的使用狀態(tài)的圖。在圖1中，在接合部J的表面?zhèn)扰渲迷诠ぞ咧?體3a的前端部分具有突起部(探針)3d的第一旋轉工具3，并在接合部J的背面?zhèn)扰渲迷?工具主體如的前端部分具有凹部4d的第二旋轉工具4，但是如圖4所示，即使相對于接合 部J的表背面，使第一旋轉工具3和第二旋轉工具4的配置位置顛倒，摩擦攪拌接合的效果 也不會改變。利用圖2和表1來說明第一旋轉工具3的各部分的尺寸關系及第一旋轉工具3與 第二旋轉工具4的尺寸關系。
金屬板的板厚肩臺直徑Dl突起部直徑dl突起部長度Ll
權利要求
1.一種雙面摩擦攪拌接合方法，將第一和第二旋轉工具(3、4)相對地配置在兩張金屬 板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)龋ㄟ^該第一和第二旋轉工具對所述接合部進行 摩擦攪拌，將所述兩張金屬板摩擦攪拌接合，其特征在于，所述第一和第二旋轉工具(3、4)中的一個旋轉工具C3)構成為具有在前端部分形成有 肩臺部(3c)的工具主體(3a)、和從該工具主體的前端部分突出地形成的至少一個突起部 (3d)，所述第一和第二旋轉工具中的另一旋轉工具(4)構成為具有在前端部分形成有肩臺 部Ge)的工具主體Ga)、和在該工具主體的前端部分形成并在所述兩張金屬板(1、幻接合 時收納所述突起部(3d)的前端部的至少一個凹部Gd)，將所述第一和第二旋轉工具在所述兩張金屬板的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认鄬?地配置，使所述第一和第二旋轉工具旋轉，并使所述第一和第二旋轉工具向彼此接近的方 向移動，而將所述第一旋轉工具的突起部(3d)的前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部 (4d)內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的肩臺面C3b、4b)按壓在所述接合部 的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，在將所述第一旋轉工具的突起部的前端部(3d)插入到所述第二旋轉工具的凹部Gd) 內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的肩臺面C3b、4b)按壓在所述接合部的表 面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊臓顟B(tài)下，使所述第一和第二旋轉工具沿著所述接合部移動，通過所述第一 和第二旋轉工具在所述接合部的板厚方向的整個區(qū)域進行摩擦攪拌。
2.如權利要求1所述的雙面摩擦攪拌接合方法，其特征在于，所述第一和第二旋轉工 具(3、4)的材質為燒結碳化鎢的超硬合金或鎢合金，通過所述第一和第二旋轉工具接合的 兩張金屬板(1、2)由熔點在1000°C以上的材料構成。
3.如權利要求1或2所述的雙面摩擦攪拌接合方法，其特征在于，以使得所述相對配置 的所述第一和第二旋轉工具(3、4)的前端部分向著所述第一和第二旋轉工具相對于所述 接合部(J)的移動方向先行的方式，使所述第一和第二旋轉工具的各自的軸心(1 傾斜。
4.如權利要求1至3的任一項所述的雙面摩擦攪拌接合方法，其特征在于，使所述相對 配置的所述第一和第二旋轉工具(3、4)的旋轉方向在所述兩張金屬板(1、2)的接合部(J) 的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)葹橄喾捶较颉?br> 5.如權利要求1至4的任一項所述的雙面摩擦攪拌接合方法，其特征在于，在摩擦攪拌接合開始前，通過位置控制使所述第一和第二旋轉工具(3、4)中的至少一 個旋轉工具C3)相對于金屬板(1、幻的厚度方向移動至預定插入深度，在保持該旋轉工具 (3)的插入深度的狀態(tài)下，從所述兩張金屬板的接合部端面04)通過位置控制將該旋轉工 具向接合行進方向進給而開始摩擦攪拌接合，在摩擦攪拌接合開始后，切換為控制該旋轉 工具的插入位置的負荷恒定控制，以使該旋轉工具(3)的負荷成為規(guī)定的值，在到達摩擦 攪拌接合結束的接合終端部之前，切換為保持該時刻的該旋轉工具(3)的插入位置的位置 控制，并通過接合部終端部。
6.一種雙面摩擦攪拌接合裝置，將第一和第二旋轉工具(3、4)相對地配置在兩張金屬 板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)龋ㄟ^該第一和第二旋轉工具對所述接合部進行 摩擦攪拌，將所述兩張金屬板摩擦攪拌接合，其特征在于，具有工具旋轉驅動裝置(7、8)，將所述第一和第二旋轉工具(3、4)相對地配置在所述兩張金屬板(1、2)的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，并旋轉驅動所述第一和第二旋轉工具；工具按壓裝置G5、46)，使安裝在所述工具旋轉驅動裝置上的所述第一和第二旋轉工 具向彼此接近的方向移動，而將所述第一和第二旋轉工具按壓在所述金屬板的接合部的表 面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?；以及移動裝置G7、48)，使安裝在所述工具旋轉驅動裝置上的所述第一和第二旋轉工具沿 著所述接合部移動，所述第一旋轉工具C3)具有在前端部分形成有肩臺部(3c)的工具主體(3a)、和從該工 具主體的前端部分突出地形成的至少一個突起部(3d)，所述第二旋轉工具(4)具有在前端部分形成有肩臺部Ge)的工具主體Ga)、和在該工 具主體的前端部分形成并在所述兩張金屬板接合時收納所述突起部(3d)的前端部的至少 一個凹部(4d)，所述工具按壓裝置(45、46)在使安裝在所述工具旋轉驅動裝置(7、8)上的所述第一和 第二旋轉工具向彼此接近的方向移動時，將所述第一旋轉工具的突起部(3d)的前端部插 入到所述第二旋轉工具的凹部Gd)內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的肩 臺面C3b、4b)按壓在所述接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，在將所述第一旋轉工具的突起部(3d)的前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部Gd) 內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的肩臺面C3b、4b)按壓在所述接合部的表 面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊臓顟B(tài)下，所述移動裝置(47、48)使所述第一和第二旋轉工具沿著所述接合 部移動，通過所述第一和第二旋轉工具在所述接合部的板厚方向的整個區(qū)域進行摩擦攪 拌。
7.如權利要求6所述的雙面摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，還具有傾斜支承裝置(76a、76b)，該傾斜支承裝置(76a、76b)以使得安裝在所述工具 旋轉驅動裝置(7、8)上的所述第一和第二旋轉工具(3、4)的前端部分向著所述第一和第二 旋轉工具相對于所述接合部(J)的移動方向先行的方式，將所述第一和第二旋轉工具的各 自的軸心(15)傾斜地支承。
8.如權利要求6或7所述的雙面摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，所述工具旋轉驅動裝置(7、8)使所述第一和第二旋轉工具(3、4)在所述接合部(J)的 表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)认蛳喾捶较蛐D。
9.如權利要求6至8的任一項所述的雙面摩擦攪拌接合裝置，其特征在于，還具有控制裝置(83)，該控制裝置(8 通過以下方式控制所述工具按壓裝置(45、46) 及移動裝置G7、48)在摩擦攪拌接合開始前，通過位置控制使安裝在所述工具旋轉驅動 裝置(7、8)上的所述第一和第二旋轉工具(3、4)中的至少一個旋轉工具C3)相對于金屬板 (1、2)的厚度方向移動至預定插入深度，在保持該旋轉工具(3)的插入深度的狀態(tài)下，從所 述兩張金屬板的接合部端面04)通過位置控制將該旋轉工具向接合行進方向進給而開始 摩擦攪拌接合，在摩擦攪拌接合開始后，切換為控制該旋轉工具的插入位置的負荷恒定控 制，以使該旋轉工具(3)的負荷成為規(guī)定的值，在到達摩擦攪拌接合結束的接合終端部之 前，切換為保持該時刻的該旋轉工具(3)的插入位置的位置控制，并通過接合部終端部。
10.一種雙面摩擦攪拌接合用工具組，對兩張金屬板(1、幻的接合部(J)從其表背面兩 側進行摩擦攪拌，將所述兩張金屬板摩擦攪拌接合，其特征在于，具有第一和第二旋轉工具(3、4)，所述第一和第二旋轉工具(3、4)相對地配置在所述 兩張金屬板(1、幻的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，對所述接合部進行摩擦攪拌，所述第一旋轉工具C3)具有在前端部分形成有肩臺部(3c)的工具主體(3a)、和從該工 具主體的前端部分突出地形成的至少一個突起部(3d)，所述第二旋轉工具(4)具有在前端部分形成有肩臺部Ge)的工具主體Ga)、和在該工 具主體的前端部分形成并在所述兩張金屬板接合時收納所述突起部(3d)的前端部的至少 一個凹部(4d)，在將所述第一旋轉工具的突起部(3d)的前端部插入到所述第二旋轉工具的凹部Gd) 內，并將所述第一和第二旋轉工具的所述肩臺部的肩臺面C3b、4b)按壓在所述接合部的表 面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)鹊臓顟B(tài)下，使所述第一和第二旋轉工具沿著所述接合部移動，在所述接合部 的板厚方向的整個區(qū)域進行摩擦攪拌。
11.如權利要求10所述的雙面摩擦攪拌接合用工具組，其特征在于，所述第二旋轉工 具⑷的肩臺面Gb)的直徑與所述第一旋轉工具(3)的肩臺面(3b)的直徑相同。
12.如權利要求10或11所述的雙面摩擦攪拌接合用工具組，其特征在于，所述第二旋轉工具(4)具有從所述工具主體Ga)的前端部分突出地形成的至少一個 突起部(如、4f、4h)，所述突起部Ge、4f、4h)中的至少一個是環(huán)狀的，所述凹部Gd)在所述 環(huán)狀的突起部的內側形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙面摩擦攪拌接合方法及裝置、以及雙面摩擦攪拌接合用工具組。為了進行經濟性好、接合強度高的雙面摩擦攪拌接合，第一和第二旋轉工具(3、4)分別具有在前端部分形成有肩臺部(3c、4c)的工具主體(3a、4a)，第一旋轉工具(3)還具有從工具主體的前端部分突出地形成的突起部(3d)，第二旋轉工具(4)還具有在工具主體的前端部分形成并在兩張金屬板(1、2)接合時收納突起部(3d)的前端部的凹部(4d)，使第一和第二旋轉工具相對地配置在金屬板的接合部(J)的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，并向彼此接近的方向移動，將第一旋轉工具的突起部的前端部插入到第二旋轉工具的凹部內，將第一和第二旋轉工具的肩臺部的肩臺面(3b、4b)按壓在接合部的表面?zhèn)群捅趁鎮(zhèn)?，在該狀態(tài)下，使第一和第二旋轉工具沿著接合部移動，通過第一和第二旋轉工具在接合部的板厚方向的整個區(qū)域進行摩擦攪拌。
文檔編號B23K20/12GK102131612SQ20098010137
公開日2011年7月20日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權日2009年11月18日
發(fā)明者加賀慎一, 富永憲明, 小野瀨滿, 平野聰, 齋藤武彥, 樸勝煥, 芳村泰嗣 申請人:三菱日立制鐵機械株式會社