本發(fā)明涉及一種接合時能夠?qū)崟r測定作為接合對象的被接合構(gòu)件的溫度的摩擦攪拌接合以及用于該摩擦攪拌接合的在接合時向被接合構(gòu)件輸入熱量的旋轉(zhuǎn)工具。

背景技術(shù)：

摩擦攪拌接合是twi(英國接合焊接研究所)于1991年發(fā)明的接合方法，該技術(shù)在通過摩擦熱降低被接合構(gòu)件的變形阻力的基礎(chǔ)上進(jìn)行攪拌(塑性流動)，并達(dá)成接合。眾所周知，與使接合部熔融的通常的熔融焊接不同，摩擦攪拌接合是以固相進(jìn)行的接合，因此接合部的組織可實現(xiàn)細(xì)微化，并具有優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)。

現(xiàn)在，摩擦攪拌接合已在工業(yè)領(lǐng)域大量實用，并為了進(jìn)一步應(yīng)用到新的領(lǐng)域，正在積極地進(jìn)行各種研究。尤其是人們正在要求能夠容易實現(xiàn)在摩擦攪拌接合的性質(zhì)方面難以接合的板厚較厚的被接合構(gòu)件的接合以及不同金屬材料的被接合構(gòu)件之間的不同材料接合的方法。

摩擦攪拌接合的接合條件大致由旋轉(zhuǎn)工具的載重、旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)工具的移動速度以及旋轉(zhuǎn)工具的前進(jìn)角構(gòu)成，通過調(diào)整該各參數(shù)，實現(xiàn)所需的接合。在研究摩擦攪拌接合的接合條件時，最重要的是對被接合構(gòu)件施加的輸入熱量，為了通過攪拌實現(xiàn)接合部的塑性流動，必須施加可降低被接合構(gòu)件的變形阻力的熱量。另一方面，過多的輸入熱量會使被接合構(gòu)件過度軟化，因挖動接合部而產(chǎn)生多余的毛刺，并因冷卻速度減慢而降低接合部的機(jī)械特性。

此外，已知板厚較厚的被接合構(gòu)件的接合和不同金屬材料的被接合構(gòu)件之間的不同材料接合難以實現(xiàn)的原因也在于接合時的輸入熱量。尤其是為了接合板厚較厚的被接合構(gòu)件，必須在整個板厚范圍內(nèi)產(chǎn)生均一的塑性流動，需要從按到旋轉(zhuǎn)工具的接合面至背面均勻地輸入熱量。此外，為了實現(xiàn)不同金屬材料的被接合構(gòu)件之間的不同材料接合，必須通過塑性流動使要接合的2種被接合構(gòu)件盡可能地均勻混合，必須通過對接合時的輸入熱量進(jìn)行控制使2種被接合構(gòu)件分別具有的變形阻力幾乎等同地降低。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1日本專利特開2006-288419號公報

專利文獻(xiàn)2日本專利特開2011-115842號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明解決的技術(shù)課題

但是，目前特別是為了接合板厚較厚的被接合構(gòu)件，必須重復(fù)進(jìn)行接合實驗，通過事后試錯來求得接合條件，因此在對構(gòu)成摩擦攪拌接合的接合條件的各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時會花費(fèi)大量的時間。此外，目前在不同金屬材料的被接合構(gòu)件的不同材料接合中，很難對降低事后試錯變形阻力時所需的輸入熱量存在明顯差異的被接合構(gòu)件進(jìn)行相互接合。

因此，本發(fā)明為解決上述課題開發(fā)而成，其目的在于，提供一種溫度測定裝置，其為了精確評估接合時對被接合構(gòu)件輸入的熱量，通過在接合時實時把握摩擦攪拌接合中使用的旋轉(zhuǎn)工具上多個部位的溫度，從而能夠間接地測量被接合構(gòu)件中接合部附近的溫度。通過以下的本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)這個目的。

解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案

為解決上述課題，本發(fā)明提供的摩擦攪拌接合裝置，其具有：旋轉(zhuǎn)工具，其具有肩部，其以旋轉(zhuǎn)軸為中心自由旋轉(zhuǎn)且為圓筒形狀，以及探針，其接合至該肩部的下端，與所述旋轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)，并向下方突出，與被接合構(gòu)件進(jìn)行接觸；

工具架，其連接至所述旋轉(zhuǎn)工具的上方，并與該旋轉(zhuǎn)工具協(xié)動地同軸旋轉(zhuǎn)；以及

裝置主體部，其連接至所述工具架的上方，并具有使所述旋轉(zhuǎn)工具和所述工具架圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使其向軸線方向移動，按壓所述被接合構(gòu)件的機(jī)構(gòu)。此外，本摩擦攪拌接合裝置中，

所述旋轉(zhuǎn)工具至少具有：

下端通道，其與所述旋轉(zhuǎn)軸大致同軸地從所述肩部的上端延伸至所述探針的下端附近且為中空；以及

外緣通道，其相對于所述旋轉(zhuǎn)軸在徑向上遠(yuǎn)離至所述肩部的外緣附近，并從所述肩部的上端延伸至下端附近且為中空，

所述下端通道和外緣通道中，分別在其下端附近配設(shè)著溫度測定元件(例如本實施方式中的熱電偶等)。并且，

本摩擦攪拌接合裝置還具有發(fā)送機(jī)構(gòu)，其發(fā)送使用溫度測定機(jī)構(gòu)從各溫度測定元件生成的溫度測定結(jié)果。

第一本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置中，具備通道，其在為對被接合構(gòu)件輸入熱量而進(jìn)行軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工具的內(nèi)部配設(shè)著溫度測定元件。具體地說，至少在探針的旋轉(zhuǎn)中心等的下端附近內(nèi)部和旋轉(zhuǎn)工具的肩部的徑向外側(cè)的邊緣附近的內(nèi)部這2處設(shè)置通道(分別設(shè)置下端通道、外緣通道(通道將在下文進(jìn)一步詳述))，并在該位置配設(shè)熱電偶等溫度測定元件(以下也會簡稱為“熱電偶”)。然后，透過配設(shè)在與裝置一體旋轉(zhuǎn)的位置的發(fā)送機(jī)構(gòu)，將來自各溫度測定元件的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至外部的溫度解析裝置等。

在上述2處設(shè)置溫度測定元件的原因如下。首先，探針的下端附近是接合中的被接合構(gòu)件上溫度上升最高的位置(參照下述圖2、圖3)，必須將熱電偶定位在該位置并進(jìn)行溫度測定。此外，在肩部，接合中的被接合構(gòu)件的溫度會低于探針前端的溫度，并且肩部中接觸部的旋轉(zhuǎn)速度大(溫度上升度高)，反之肩部的外緣的溫度會因外部環(huán)境條件的變化而受到較大的影響。因此，本發(fā)明者等知曉作為優(yōu)選一例，在設(shè)置熱電偶時至少將其2處作為必要的測定位置，并在該位置配設(shè)了通道。

此外，第二本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置中，所述旋轉(zhuǎn)工具具備：下端通道，其至少從所述肩部的上端延伸至所述探針的下端附近且為中空；以及根部通道，其從所述肩部的上部延伸至該肩部與所述探針的接合部分附近且為中空，并且在所述下端通道與根部通道中，分別在其下端附近配設(shè)著溫度測定元件。

第二本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置中，作為設(shè)置溫度測定元件的位置，除了下端通道以外還在肩部與探針的接合部分附近設(shè)置根部通道。摩擦攪拌接合中，優(yōu)選還考慮接合部的板厚方向上的熱影響。具體地說，有時會無法確保摩擦攪拌接合時深度方向上的溫度均一性。被接合構(gòu)件較厚時尤其明顯。這會導(dǎo)致摩擦攪拌接合時產(chǎn)生組成流動的不均一性，其結(jié)果是，可能在整個深度方向(板厚方向)上出現(xiàn)接合狀態(tài)不均一。發(fā)明者也注意到這點，為了在接合時對深度方向?qū)崟r測量，設(shè)置了根部通道。

并且，發(fā)明者基于第一本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置的結(jié)果，進(jìn)一步詳細(xì)驗證探針內(nèi)的溫度時(參照下述圖11～圖14)，雖然探針的根部部分的溫度在初期溫度上升時慢于探針下端的溫度上升，但最高溫度點以及到達(dá)時間大致近似。通過該驗證能夠預(yù)測，隨著下端通道的溫度與根部通道的溫度遠(yuǎn)離，會逐漸接近旋轉(zhuǎn)工具的探針部的最高溫度。著眼于此點，第二本發(fā)明提供了作為設(shè)置熱電偶的位置，將探針的下端附近與根部附近的2處設(shè)為必要的測定位置的示例。

此外，兩個本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置中，在和與旋轉(zhuǎn)工具協(xié)同旋轉(zhuǎn)的裝置接合的位置配置著將各熱電偶的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至外部的發(fā)送機(jī)構(gòu)，因此具有能夠在旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行測定的優(yōu)點。也就是說，通過使用該所述旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行摩擦攪拌接合，能夠透過所述旋轉(zhuǎn)工具間接地實時把握接合中被接合構(gòu)件的溫度。

因此，根據(jù)本摩擦攪拌接合裝置，能夠通過實時把握的被接合構(gòu)件的溫度容易地評估該接合中使用的接合條件。其結(jié)果是，相對于以往必須通過詳細(xì)評估接合后的被接合構(gòu)件的外觀、接合部的細(xì)微組織以及接合部的機(jī)械特性來求得適合該被接合構(gòu)件的接合的接合條件，使用本裝置時，能夠根據(jù)接合中輸入至被接合構(gòu)件的熱量狀況，導(dǎo)出最適合被接合構(gòu)件的接合條件。

此外，本摩擦攪拌接合裝置優(yōu)選在所述旋轉(zhuǎn)工具中，在所述探針部內(nèi)，在相對于所述旋轉(zhuǎn)軸于徑向上遠(yuǎn)離的位置等處還具有探針用輔助通道，該探針用輔助通道從所述肩部的上端延伸至所述探針部在深度方向上的中間位置(旋轉(zhuǎn)軸方向上的中間位置)且為中空。在該探針用輔助通道中，于其下端附近配設(shè)熱電偶，并使用所述溫度測定機(jī)構(gòu)從該熱電偶生成溫度測定結(jié)果。

通過在所述旋轉(zhuǎn)工具的所述探針部設(shè)置所述輔助通道，能夠把握上述下端通道與外緣通道的中間部或者下端通道與根部通道的中間部的溫度。因此，容易確保摩擦攪拌接合時深度方向上的溫度均一性，并且能夠在整個板厚范圍獲得均一的塑性流動。

所述溫度測定機(jī)構(gòu)與所述發(fā)送機(jī)構(gòu)優(yōu)選安裝在所述工具架上。

由于與裝置主體部相比，工具架更接近被接合構(gòu)件，所以適合配設(shè)用于高精度的振動測量的測力傳感器等，因此通過預(yù)先將溫度測量機(jī)構(gòu)配設(shè)在工具架上，具有能夠?qū)⒐ぞ呒茏陨碛米骶哂懈鞣N測定機(jī)構(gòu)的裝置的優(yōu)點。另一方面，工具架自身雖然具有半消耗品的一面，但卻能夠具有消耗性不如旋轉(zhuǎn)工具大(損傷、更換性大幅減小)且可用作可拆卸的各種測定裝置的優(yōu)點。

另外，作為所述溫度測定機(jī)構(gòu)，也可考慮安裝在所述裝置主體部。此時，與配設(shè)在上述工具架上時相比，破損的可能性本身會大幅減小。

此外，本摩擦攪拌接合裝置中，所述下端通道與所述外緣通道或者所述下端通道、所述外緣通道與所述探針用輔助通道分別相互配設(shè)在大致相同的徑向上，在接合由不同材料形成的2個被接合構(gòu)件時，所述溫度測定機(jī)構(gòu)可采用控制結(jié)構(gòu)，該控制結(jié)構(gòu)在所述通道的位置與所述旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)同步地位于一個被接合構(gòu)件上時實施溫度測定，并在所述通道的位置位于另一個被接合構(gòu)件上時再次實施溫度測定，并實施控制反復(fù)此操作。

根據(jù)本摩擦攪拌接合裝置，實施使溫度測定機(jī)構(gòu)的測定定時與旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)同步的控制，使得各通道內(nèi)的熱電偶位于不同材料的各被接合構(gòu)件上時實施溫度測定。通過如此控制，能夠在接合中測定不同材料的各被接合構(gòu)件的溫度，通過相應(yīng)各被接合構(gòu)件實施輸入熱量控制并使變形阻力均一化，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接合。

此外，還可考慮所述溫度測定機(jī)構(gòu)將所述旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的通道的位置侵入各被接合構(gòu)件上后，將從規(guī)定角度時開始算起旋轉(zhuǎn)工具旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度的時間作為可測定時間，測定溫度，并使其結(jié)果平均化的方法。

作為上述各不同材料的接合中實時進(jìn)行溫度測定的一例，可列舉在溫度測定元件(熱電偶)的位置侵入不同材料中的一個后旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度時至離開該不同材料的角度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度測定的方法。其考慮到了熱電偶的溫度測定時間，設(shè)置從前一個被接合構(gòu)件的測定溫度轉(zhuǎn)移至現(xiàn)在這個被接合構(gòu)件的測定溫度的時間以及轉(zhuǎn)移至下一個被接合構(gòu)件的溫度測定的時間，限定一個被接合構(gòu)件內(nèi)的溫度測定時間，使溫度測定與旋轉(zhuǎn)工具的動作同步。然后，通過使一個被接合構(gòu)件的溫度在其溫度測定時間內(nèi)平均化，即使是高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工具，也能夠容易地推斷各不同材料的被接合構(gòu)件的溫度。

另外，使用該溫度測定機(jī)構(gòu)進(jìn)行測定時，優(yōu)選在一個被接合構(gòu)件的所述可測定時間內(nèi)與旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)同步地實施多點測定，并使其平均化。

此外，所述溫度測定機(jī)構(gòu)還可考慮測定所述旋轉(zhuǎn)工具內(nèi)的通道的位置在各被接合構(gòu)件上侵入規(guī)定角度(代表角度)時的溫度的方法。

此外，本發(fā)明中，在上述摩擦攪拌接合裝置中與被接合構(gòu)件的接合面旋轉(zhuǎn)抵接的旋轉(zhuǎn)工具自身也具有特征。具體地說，

一種旋轉(zhuǎn)工具，其用于摩擦攪拌接合，具有肩部，其以旋轉(zhuǎn)軸為中心自由旋轉(zhuǎn)且為圓筒形狀，以及探針，其接合至該肩部的下端，與所述旋轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)，并向下方突出，與被接合構(gòu)件進(jìn)行接觸，且具備：

工具架，其連接至所述旋轉(zhuǎn)工具的上方，并與該旋轉(zhuǎn)工具協(xié)動地同軸旋轉(zhuǎn)；以及

裝置主體部，其連接至所述工具架的上方，并具有使所述旋轉(zhuǎn)工具和所述工具架圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使其向軸線方向移動，按壓所述被接合構(gòu)件的機(jī)構(gòu)，并且至少具備

下端通道，其與所述旋轉(zhuǎn)軸大致同軸地從所述肩部的上端延伸至所述探針的下端附近且為中空；以及

外緣通道，其相對于所述旋轉(zhuǎn)軸在徑向上遠(yuǎn)離至所述肩部的外緣附近，并從所述肩部的上端延伸至下端附近且為中空。

另一方面，摩擦攪拌接合有時使用所謂平式旋轉(zhuǎn)工具，其他本發(fā)明也適用于該旋轉(zhuǎn)工具。具體地說，

一種摩擦攪拌接合裝置，其具備：旋轉(zhuǎn)工具，其具有形狀為以旋轉(zhuǎn)軸為中心自由旋轉(zhuǎn)的圓筒且下端面為大致平面形狀的肩部；

工具架，其連接至所述旋轉(zhuǎn)工具的上方，并與該旋轉(zhuǎn)工具協(xié)動地同軸旋轉(zhuǎn)；以及

裝置主體部，其連接至所述工具架的上方，并具有使所述旋轉(zhuǎn)工具和所述工具架圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使其向軸線方向移動，按壓所述被接合構(gòu)件的機(jī)構(gòu)，

所述旋轉(zhuǎn)工具至少具有：

下端通道，其與所述旋轉(zhuǎn)軸大致同軸地延伸至所述肩部的下端附近且為中空；以及

外緣通道，其相對于所述旋轉(zhuǎn)軸在徑向上遠(yuǎn)離，并從所述肩部的上端延伸至下端附近且為中空，

在所述中空通道和外緣通道中，分別在其下端附近配設(shè)溫度測定元件(熱電偶)，

并且，還具有發(fā)送機(jī)構(gòu)，其發(fā)送使用溫度測定機(jī)構(gòu)從各溫度測定元件(熱電偶)生成的溫度測定結(jié)果。

另外，與上述本發(fā)明同樣地，該平式旋轉(zhuǎn)工具自身也具有特征。具體地說，

一種旋轉(zhuǎn)工具，其用于摩擦攪拌接合，具有形狀為以旋轉(zhuǎn)軸為中心自由旋轉(zhuǎn)的圓筒且下端面為大致平面形狀的肩部，

工具架，其連接至所述旋轉(zhuǎn)工具的上方，并與該旋轉(zhuǎn)工具協(xié)動地同軸旋轉(zhuǎn)；以及

裝置主體部，其連接至所述工具架的上方，并具有使所述旋轉(zhuǎn)工具和所述工具架圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使其向軸線方向移動，按壓所述被接合構(gòu)件的機(jī)構(gòu)，并且至少具備

下端通道，其與所述旋轉(zhuǎn)軸大致同軸地從所述肩部的上端延伸至下端附近且為中空；以及

外緣通道，其相對于所述旋轉(zhuǎn)軸在徑向上遠(yuǎn)離，并從所述肩部的上端延伸至下端附近且為中空。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置以及用于該摩擦攪拌接合裝置的旋轉(zhuǎn)工具，能夠通過實時把握的被接合構(gòu)件的溫度，容易地評估該接合中使用的接合條件。其結(jié)果是，相對于以往必須通過詳細(xì)評估接合后的被接合構(gòu)件的外觀、接合部的細(xì)微組織以及接合部的機(jī)械特性來求得適合該被接合構(gòu)件的接合的接合條件，使用本裝置時，能夠根據(jù)接合中輸入至被接合構(gòu)件的熱量狀況，導(dǎo)出最適合被接合構(gòu)件的接合條件。

附圖說明

圖1是具備本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置的摩擦攪拌接合裝置主體的立體圖。

圖2是顯示把持、固定在圖1所示的裝置主體a的工具架把持部的工具架以及旋轉(zhuǎn)工具的組裝放大圖。

圖3是顯示圖2的工具架以及與其連接的旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)軸方向的分解剖面圖。

圖4是顯示所測定的溫度從溫度測定部發(fā)送至外部裝置的電信號的流動的方塊圖。

圖5是顯示本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置的溫度測定工序的一例的流程圖。

圖6是顯示圖2、3所示的旋轉(zhuǎn)工具的變形例的剖面圖。

圖7是顯示圖9所示的旋轉(zhuǎn)工具的實際的溫度測定結(jié)果的圖表。

圖8是顯示圖9所示的旋轉(zhuǎn)工具的實際的其他溫度測定結(jié)果的圖表。

圖9是實際實施溫度測定實驗的旋轉(zhuǎn)工具的大致剖面圖。

圖10是用來解說接合不同材料的被接合構(gòu)件時的溫度測定定時的模式平面圖。

圖11是顯示圖2、3、6所示的旋轉(zhuǎn)工具的變形例的剖面圖。

圖12是顯示圖11所示的旋轉(zhuǎn)工具的實際的溫度測定結(jié)果的圖表。

圖13是顯示圖11所示的旋轉(zhuǎn)工具的其他溫度測定結(jié)果的圖表。

圖14是顯示圖11所示的旋轉(zhuǎn)工具的另外溫度測定結(jié)果的圖表。

具體實施方式

《摩擦攪拌接合裝置的概要》

圖1顯示了具備本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置的摩擦攪拌接合裝置主體a(以下也稱為“裝置主體a”)的立體圖。以說明本發(fā)明的實施方式為前提，以下概要說明該裝置主體a的結(jié)構(gòu)和接合工序。裝置主體a大致構(gòu)成為，具備工具架把持部40、被接合構(gòu)件設(shè)置面41、工件臺42、頭部支臺43、頭部44以及操作柜45。另外，圖1中未顯示的參照編號的構(gòu)件請參照以下圖2等。

首先，在工具架把持部40安裝把持旋轉(zhuǎn)工具4的工具架2，該旋轉(zhuǎn)工具4旋轉(zhuǎn)抵接(抵接方向＝箭頭z方向、旋轉(zhuǎn)方向＝箭頭z的繞軸方向)于作為接合對象的2個被接合構(gòu)件(未圖示)。因此，工具架把持部40、工具架2以及旋轉(zhuǎn)工具4會一體旋轉(zhuǎn)。此外，被接合構(gòu)件載置在工件臺42的上表面的被接合構(gòu)件設(shè)置面41，并使用固定用夾鉗(未圖示)或固定用螺栓(未圖示)等固定在被接合構(gòu)件設(shè)置面41上。

在該狀態(tài)下，用戶操作操作柜45，使工件臺42向x方向移動，并停止、定位至旋轉(zhuǎn)工具4位于被接合構(gòu)件的所期望的接合位置的正上方。

接著，在停止、定位至被接合構(gòu)件上的狀態(tài)下操作操作柜45，使旋轉(zhuǎn)工具4下降并抵接至被接合構(gòu)件，一邊按壓接合部一邊旋轉(zhuǎn)，并向接合方向移動。此時，用戶要預(yù)先至少輸入向旋轉(zhuǎn)工具4施加的工具載重、成為接合速度的工具移動速度以及旋轉(zhuǎn)工具4的工具旋轉(zhuǎn)速度等各參數(shù)，設(shè)定摩擦攪拌接合中使用的接合條件。另外，此處雖未圖示，但旋轉(zhuǎn)工具4優(yōu)選向前進(jìn)方向(接合方向)傾斜。通過變更頭部44與頭部支臺43的嵌合角度，設(shè)定旋轉(zhuǎn)工具4的工具前進(jìn)角。

操作柜45設(shè)定結(jié)束后，使旋轉(zhuǎn)工具4在被接合構(gòu)件正上方旋轉(zhuǎn)，達(dá)到所設(shè)定的工具旋轉(zhuǎn)速度后，使頭部44向z方向下方移動，并在被接合構(gòu)件的接合起點按壓旋轉(zhuǎn)工具4。頭部44根據(jù)事前設(shè)定的工具載重對被接合構(gòu)件按壓旋轉(zhuǎn)工具時，旋轉(zhuǎn)工具4與被接合構(gòu)件的抵接部(接合部)會通過摩擦熱降低被接合構(gòu)件的變形阻力，并且抵接部附近會隨著旋轉(zhuǎn)工具4的旋轉(zhuǎn)而開始攪拌。

此后，通過使頭部支臺43以所設(shè)定的工具移動速度向y方向移動，并將旋轉(zhuǎn)工具4從接合起點運(yùn)至接合終點，使被接合構(gòu)件接合。達(dá)成所期望的接合后，一邊維持旋轉(zhuǎn)工具4的旋轉(zhuǎn)一邊使頭部44向z方向的上方移動，將旋轉(zhuǎn)工具4抽離接合終點后，停止旋轉(zhuǎn)工具4的旋轉(zhuǎn)。通過該工序，結(jié)束接合。

《本摩擦攪拌接合裝置的旋轉(zhuǎn)工具以及相關(guān)構(gòu)件的概要》

接著，說明由上述裝置主體a的工具架把持部40把持、固定的工具架2以及旋轉(zhuǎn)工具4。圖2是顯示工具架2和旋轉(zhuǎn)工具4的組裝放大圖。此外，圖3是顯示圖2的工具架以及與其連接的旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)軸方向的分解剖面圖。如該圖2所示，溫度測定裝置1構(gòu)成為，具備圓筒狀的工具架2、固定用螺絲3、旋轉(zhuǎn)工具4、溫度測定部5、電子基板6(參照圖3)、電源供給部7(參照圖3)以及旋轉(zhuǎn)工具固定用螺母9。另外，圖2從紙面右斜上方向左斜下方顯示上下，紙面各箭頭表示各構(gòu)件的組裝方向。

工具架2能夠以旋轉(zhuǎn)軸線o-o為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在內(nèi)部沿旋轉(zhuǎn)軸o-o至其兩端設(shè)有中空孔8。工具架2首先將旋轉(zhuǎn)工具4的上端a側(cè)插入在工具架2的下端部打開的旋轉(zhuǎn)工具固定用孔2a。此時會形成旋轉(zhuǎn)工具固定用孔2a的內(nèi)壁與旋轉(zhuǎn)工具4的上端a的外壁相互嵌合的形狀，并在周向上定位工具架2和旋轉(zhuǎn)工具4。此外，旋轉(zhuǎn)工具固定用孔2a的下端內(nèi)的突出部(未圖示)為止動器，因此旋轉(zhuǎn)工具4的邊緣部4b在旋轉(zhuǎn)軸o-o方向上將旋轉(zhuǎn)工具4和工具架2進(jìn)行定位。

接著，在旋轉(zhuǎn)工具4插入工具架2的狀態(tài)下，以覆蓋工具架2的下端和旋轉(zhuǎn)工具4的方式蓋上旋轉(zhuǎn)工具固定用螺母9，并從相對于工具架2的軸線o-o方向的垂直方向(徑向)兩側(cè)利用固定用螺絲3將工具架2和旋轉(zhuǎn)工具4進(jìn)行固定。通過該固定，工具架2會與旋轉(zhuǎn)工具4一體旋轉(zhuǎn)。

接著，參照圖3說明旋轉(zhuǎn)工具4。如上所述，旋轉(zhuǎn)工具4是用于被接合構(gòu)件的焊接的工具，其具有：肩部4c，其以旋轉(zhuǎn)軸o-o為中心自由旋轉(zhuǎn)且為圓筒形狀；以及探針4d，其接合至肩部的下端，與旋轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)，并向下方突出，與被接合構(gòu)件接觸。

通過在旋轉(zhuǎn)軸方向上從肩部4b的上端4a向下方進(jìn)行開孔加工，在旋轉(zhuǎn)工具4上設(shè)有2個半貫通孔26。具體地說，在與旋轉(zhuǎn)軸o-o大致同軸上，設(shè)置從肩部4c的上端延伸至探針的下端附近且中空的下端通道28，并在肩部4c的外緣附近、即相對于旋轉(zhuǎn)軸o-o的徑向上加工強(qiáng)度限度的位置，形成從肩部的上端延伸至下端附近且中空的外緣通道30。另外，下端通道28、外緣通道30的下限位置也都優(yōu)選以在旋轉(zhuǎn)工具4的耐用限度時中空孔仍未打開的程度遠(yuǎn)離下表面4e、4f。

此外，溫度測定部5形成為，在下方設(shè)有熱電偶、熱敏電阻以及鉑電阻溫度計等溫度測定元件5a(此處以熱電偶5a為例進(jìn)行說明)，并將電氣配線(未圖示)連接至此。熱電偶5a配設(shè)在中空通道26a、外緣通道26b的下端附近。溫度測定部5通過其上方的電氣配線連接至安裝在工具架2上的電子基板6。然后，透過電氣配線將來自熱電偶5a的溫度測定結(jié)果發(fā)送至電子基板6。

電子基板6設(shè)置在設(shè)于工具架2內(nèi)的上述中空孔8中，并且具備溫度接收部10和發(fā)送部11。溫度接收部10構(gòu)成為，能夠透過電氣配線(未圖示)從溫度測定部5實時接收所測定出的溫度。發(fā)送部11構(gòu)成為，能夠使用無線方式透過發(fā)送天線12將利用溫度接收部10接收的測定溫度發(fā)送至外部裝置20(參照圖4)。

電源供給部7設(shè)置在工具架2的中空孔8的內(nèi)壁，可使用充電型或非充電型電池構(gòu)成，并構(gòu)成為能夠向電子基板6供給電源。另外，圖3的例子中電子基板6和電源供給部7設(shè)置在工具架2內(nèi)的中空孔8中，但電子基板6和電源供給部7只要與工具架2一體安裝即可，也可以設(shè)置在工具架2的外部例如外周壁上，并利用外蓋將其覆蓋。

接著，使用圖4舉例說明所測定的溫度從熱電偶5a發(fā)送至外部裝置20的電信號的流動。本例中，顯示了由熱電偶5a構(gòu)成溫度測定部5時電信號的流動。圖4中的各箭頭是表示利用熱電偶5a測定的旋轉(zhuǎn)工具4的溫度的電信號的流動，根據(jù)信號傳輸路徑的形式，用實線表示有線方式，用虛線表示無線方式。本例中，由零接點補(bǔ)償電路10a、電位差放大部10b、a/d(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器10c、以及裝置內(nèi)控制電路10d構(gòu)成溫度接收部10。此外，由控制器11a和無線發(fā)送裝置11b構(gòu)成發(fā)送部11。

此外，由無線接收/記錄輸出裝置構(gòu)成外部裝置20。無線接收/記錄輸出裝置20沿著電信號的流動從上游側(cè)到下游側(cè)依次具備無線接收裝置20a、serialusb(universalserialbus，通用串行總線)轉(zhuǎn)換器20b、個人計算機(jī)等記錄/運(yùn)算裝置20c以及顯示器和打印機(jī)等輸出裝置20d。此外，圖3中的虛線所示的無線接收裝置20a間的無線通信標(biāo)準(zhǔn)可使用wi-fi(wirelessfidelity，無線保真)、blue-tooth(藍(lán)牙)、無線lan(localareanetwork)以及zigbee(紫蜂)等。通過使用此種無線通信設(shè)備，可將在旋轉(zhuǎn)工具4的下端(前端)附近測定出的溫度信息發(fā)送至外部裝置20。

接著，參照圖5說明本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置的溫度測定工序。該溫度測定工序中，依序?qū)嵤┌惭b工具架2的工序s1、使用旋轉(zhuǎn)工具固定用螺母9和固定用螺絲3將旋轉(zhuǎn)工具4安裝至工具架2的前端(下端)的工序s2、將溫度測定部5安裝至旋轉(zhuǎn)工具4的中空通道26a和外緣通道26b(下述探針用輔助通道26c)的工序s3、使用熱電偶5a測定與工具架2同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工具4的溫度的工序s4以及利用電子基板6接收熱電偶5a的測定結(jié)果的工序s5。

接著，參照圖6說明圖2、3所示的旋轉(zhuǎn)工具4的變形例，并說明使用此例的溫度測定方法。首先，圖6的旋轉(zhuǎn)工具4的結(jié)構(gòu)與圖2～圖3所示的旋轉(zhuǎn)工具4大致相同，不同之處在于追加了溫度測定通道26。具體地說，在中空通道26a與外緣通道26b的徑向之間設(shè)置了從肩部4d的上端4a延伸至探針部4d在上下方向上的中間位置的探針用輔助通道26c。探針用輔助通道26c的下端位置大致為探針部4d在深度方向上的中間位置，但如圖6所示探針部4d為向下端縮小直徑的錐形時，可將下方延伸至中空通道26a的耐用極限。

摩擦攪拌接合中，優(yōu)選還考慮接合部的板厚方向上的熱影響。具體地說，有時會無法確保摩擦攪拌接合時深度方向上的溫度均一性。被接合構(gòu)件較厚時尤其明顯。這會導(dǎo)致摩擦攪拌接合時產(chǎn)生組成流動的不均一性，其結(jié)果是，可能在整個深度方向(板厚方向)上出現(xiàn)接合狀態(tài)不均一。發(fā)明者也注意到這點，為了能夠在接合時對深度方向?qū)崟r測量，除了上述下端通道和外緣通道以外，還在所述探針部至少設(shè)置了一個輔助通道(探針用輔助通道)。

通過在所述旋轉(zhuǎn)工具的所述探針部設(shè)置所述輔助通道，能夠把握上述下端通道與外緣通道的中間部的溫度。特別是如上所述板厚較厚時，為了避免在整個深度方向(板厚方向)上出現(xiàn)接合狀態(tài)不均一的可能性，并且在整個板厚方向上獲得均一的塑性流動，利用該通道26c進(jìn)行溫度測定是非常有益的。也就是說，將溫度測量部5在配置旋轉(zhuǎn)工具4的探針前端部4f、探針中間部4g以及肩部4c時，能夠根據(jù)該部的接合中的溫度，間接地把握被接合構(gòu)件的整個板厚方向上的發(fā)熱分布，并且通過對摩擦攪拌接合條件的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠接近理想的發(fā)熱分布。

接著，參照圖10(a)(b)(c)說明能夠?qū)Σ煌牧辖雍蠒r的摩擦攪拌接合條件進(jìn)行優(yōu)化的溫度測定方法。將不同材料的2塊被接合構(gòu)件對接并設(shè)置到本摩擦攪拌接合裝置上后，將旋轉(zhuǎn)工具4的旋轉(zhuǎn)軸的中心配置到該被接合構(gòu)件的對接線正上方位置，開始接合。接合中，旋轉(zhuǎn)工具4的外緣通道26b以被接合構(gòu)件的對接線為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此會反復(fù)經(jīng)過各被接合構(gòu)件。

本摩擦攪拌接合裝置通過控制使溫度測定定時與旋轉(zhuǎn)工具4的旋轉(zhuǎn)同步，能夠在旋轉(zhuǎn)工具4的外緣通道26b位于不同材料接合中使用的各被接合構(gòu)件上的各定時，從接合開始至接合結(jié)束持續(xù)實施溫度測定。具體地說，在(a)所示的被接合構(gòu)件的對接線x-x上順時針旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工具4內(nèi)的外緣通道26b從自β2通過α1并侵入γ1的定時至侵出γ1，實施溫度測定。該溫度測定將旋轉(zhuǎn)工具4內(nèi)的外緣通道26b從侵入規(guī)定角度至侵出所需的旋轉(zhuǎn)工具4的旋轉(zhuǎn)時間設(shè)為可測定溫度時間，可以將該時間內(nèi)測定出的溫度結(jié)果平均化，也可以采用在可測定溫度時間內(nèi)與旋轉(zhuǎn)工具的旋轉(zhuǎn)同步地測定多個點的溫度，并使其平均化的方法。

接著，旋轉(zhuǎn)工具4的外緣通道26b如圖10(b)所示，在從侵入β1的定時至移動至α2并侵出α2的時間內(nèi)不進(jìn)行溫度測定。β1至α2的區(qū)域夾住對接線x-x，因此相鄰的兩個被接合構(gòu)件的溫度容易互相影響，會在測定溫度時產(chǎn)生誤差。接著，與上述旋轉(zhuǎn)工具4的外緣通道26b通過γ1時同樣地，將圖10(c)所示的從該外緣通道26b侵入γ2的定時至侵出γ2的時間設(shè)為可測定溫度時間，測定溫度。之后，通過使上述溫度測定定時與旋轉(zhuǎn)工具4的旋轉(zhuǎn)同步，重復(fù)進(jìn)行規(guī)定角度的溫度測定，能夠把握接合中的被接合構(gòu)件的溫度。

因此，通過把握不同材料接合時使用的兩個被接合構(gòu)件在當(dāng)前溫度下的變形阻力，確認(rèn)各被接合構(gòu)件的變形阻力的差，能夠采取適當(dāng)措施。例如，通過在變形阻力較低的被接合構(gòu)件側(cè)進(jìn)行冷卻，抑制變形阻力的降低，或者在變形阻力較高的被接合構(gòu)件側(cè)進(jìn)行加熱，促進(jìn)變形阻力的降低，能夠縮小各被接合構(gòu)件的變形阻力的差，促進(jìn)同等的塑性流動，實現(xiàn)采用摩擦攪拌接合方法的不同材料接合。

另外，上述說明中，說明了存有探針部的旋轉(zhuǎn)工具的示例，但本摩擦攪拌接合裝置當(dāng)然也適用于所謂平式旋轉(zhuǎn)工具。雖未圖示，但具體地說，可使用具有形狀為以旋轉(zhuǎn)軸為中心自由旋轉(zhuǎn)的圓筒且下端面為大致平面形狀的肩部的旋轉(zhuǎn)工具。旋轉(zhuǎn)工具的通道中，雖然肩部的外緣通道與上述同樣，但由于沒有探針部，所以不同之處在于，將位于旋轉(zhuǎn)中心的中空通道的下端延伸至肩部的下端附近。

接著，參照圖11說明圖2、3、圖6所示的旋轉(zhuǎn)工具4的變形例，并說明使用此例的溫度測定方法。首先，圖11的旋轉(zhuǎn)工具4的結(jié)構(gòu)與圖2～圖3、圖6所示的旋轉(zhuǎn)工具4大致相同，不同之處在于追加了溫度測定通道36(尤其是通道36c)，其他下端通道36a、探針用輔助通道36b與圖6大致相同。具體地說，設(shè)有從肩部4b的上端4a延伸至探針部4d的下端附近且中空的下端通道36a、從肩部4b的上端4a延伸至探針部4d在上下方向上的中間位置的探針用輔助通道36b以及從肩部4b的上端4a延伸至肩部4b與探針部4d的接合部分附近且中空的根部通道36c。

根部通道36c的下端在深度方向上的位置優(yōu)選將下方延伸至圖2～圖3、圖6的中空通道26a的耐用極限。另外，考慮到加工的觀點，根部通道36c、下端通道36a以及探針用輔助通道36b各自的下端在徑向上的位置優(yōu)選為，下端通道36a位于與旋轉(zhuǎn)中心軸o-o大致同軸上，探針用輔助通道36b位于探針部4d的外周附近，根部通道36c位于肩部4b與探針部4d的接合部分附近，但徑向上的位置僅為方便加工的位置，也可使下端通道36a偏離旋轉(zhuǎn)中心軸o-o，使探針用輔助通道36b遠(yuǎn)離探針部4d的外周，使根部通道36c在探針部4d的直徑范圍內(nèi)位于接近旋轉(zhuǎn)中心軸o-o的位置(根部部分4h)。

實驗例2中，如下所述可以看出，雖然初期溫度上升時探針部4d的根部部分4h的溫度慢于探針部4d的下端4f的溫度上升，但最高溫度點大致相似。通過該實驗例2能夠預(yù)測，隨著下端通道36a的溫度與根部通道36c的溫度遠(yuǎn)離，會逐漸接近旋轉(zhuǎn)工具4的探針部4d的最高溫度。著眼于這點，圖11的示例中設(shè)置了根部通道36c。

《實驗例1》

以下，在旋轉(zhuǎn)工具4中設(shè)置上述中空通道26a和外緣通道26b，并在肩部4c的下表面于探針部4d的根部附近設(shè)置其他通道26g，實際測定溫度。

圖7、圖8是使用板厚6mm的被接合構(gòu)件(a6063)進(jìn)行摩擦攪拌接合實驗時條件1和條件2的旋轉(zhuǎn)工具各部的溫度圖表。條件1和條件2的實驗中使用的接合條件內(nèi)，工具旋轉(zhuǎn)速度和工具移動速度都分別設(shè)定為1500rev/min和300mm/min，僅在條件2中將工具載重(資料中未記載條件)設(shè)定較低。

條件1和條件2的接合實驗中被接合材的外觀以及接合中旋轉(zhuǎn)工具的溫度變化可看出不同。條件1時，從旋轉(zhuǎn)工具的肩部附近開始，隨著工具的移動會以波浪狀形成高度不均的毛刺，并且肩外緣部a的溫度會以較小單位的間隔發(fā)生變化，條件2時，完全未出現(xiàn)毛刺，旋轉(zhuǎn)工具的各部的溫度變化平穩(wěn)。

將條件1和條件2時旋轉(zhuǎn)工具中各部的溫度進(jìn)行比較后可以看出，條件2的溫度總體低于條件1，探針前端部b的溫度差約為40度，探針根部c的溫度差約為20度，肩外緣部a的溫度差約為20度。該溫度差是由于條件1與條件2的工具載重的差造成的，工具載重低于條件1的條件2中，可能是由于旋轉(zhuǎn)工具與被接合材產(chǎn)生的摩擦出現(xiàn)降低而導(dǎo)致該溫度差。因此，條件1時，最終會對被接合材輸入高熱量，使變形阻力過度降低，在肩外緣部附近擠出被接合材的一部分，形成毛刺。但是，條件2時，能夠適度抑制對被接合材輸入的熱量，不會過度降低變形阻力，形成最適合摩擦攪拌接合的塑性流動，因此可能實現(xiàn)不產(chǎn)生毛刺的接合。此外，根據(jù)條件1的肩外緣部a的溫度發(fā)現(xiàn)的小單位的溫度變化是由于以下原因造成的，即過度降低變形阻力的被接合材被旋轉(zhuǎn)工具擠出時，肩外緣部與被接合材產(chǎn)生的摩擦?xí)R時重復(fù)進(jìn)行降低和上升。

《實驗例2》

以下，在旋轉(zhuǎn)工具4中設(shè)置上述中空通道36a、探針用輔助通道36b以及根部通道36c，實際測定溫度。

圖12～圖14是顯示使用圖11的旋轉(zhuǎn)工具4實施摩擦攪拌接合時各通道36a～36c的溫度(℃)/時間(min)的變化的圖表。該圖12～圖14的實驗例2中，分別使用株式會社日立制作所產(chǎn)的3dfsw裝置，作為旋轉(zhuǎn)工具4使用探針部4d的前端直徑為5mm、根部直徑為8mm、長度為7.2mm、肩部4b的直徑為18mm的裝置。此外，中空通道36a、探針用輔助通道36b以及根部通道36c的中心軸分別自旋轉(zhuǎn)中心軸o-o偏移0.91mm、1.47mm、2.02mm。

此外，作為被接合構(gòu)件，圖12中使用板厚8mm的az611、圖13中使用板厚8mm的a5083-0、圖14中使用板厚8mm的a6n01-t5，實施摩擦攪拌接合實驗。作為加工條件，圖12為加工速度1200rpm、進(jìn)給速度(工具移動速度)20mm/min、切進(jìn)8mm，圖13為加工速度600rpm、進(jìn)給速度20mm/min、切進(jìn)8mm，圖14為加工速度1500rpm、進(jìn)給速度50mm/min、切進(jìn)8mm。

參照圖12～圖14可以看出，任何加工條件下下端通道36a、探針用輔助通道36c的溫度都會從初始溫度幾乎同樣地上升至最高溫度，相對于此，根部通道36c的溫度較下端通道36a和探針用輔助通道36c的溫度上升得緩慢，雖然溫度差會隨著時間經(jīng)過而增大，但經(jīng)過規(guī)定時間(例如圖12的示例中為12～13min)后會急劇上升，到達(dá)最高溫度的時間和溫度與下端通道36a、探針用輔助通道36c大致相同。

因此，實時測量下端通道36a的溫度與根部通道36c的溫度的溫度變化，在根部通道36c的溫度從相互的溫度上升速度出現(xiàn)明顯差的階段突然上升時，則可知已經(jīng)接近最高溫度點。此外，如果相對于探針部4d內(nèi)的溫度變化，測量下端通道36a的溫度與根部通道36c的溫度的溫度變化，則無需測量其他部分即可大致測定溫度變化。

以上基于附圖說明了本發(fā)明的實施方式，但具體結(jié)構(gòu)并不限定于這些實施方式。本發(fā)明的范圍并非由上述實施方式的說明而是由權(quán)利要求范圍所規(guī)定的，其表示包含在與權(quán)利要求范圍等同的意義和范圍內(nèi)的所有變更。

工業(yè)實用性

本發(fā)明的摩擦攪拌接合裝置能夠間接地實時測定摩擦攪拌接合中被接合構(gòu)件的溫度，并且能夠確立最適合所使用的被接合構(gòu)件的摩擦攪拌接合條件。其結(jié)果是，有助于實現(xiàn)目前的摩擦攪拌接合法難以進(jìn)行的厚板接合或不同材料接合等各種接合加工。

符號說明

2工具架

3固定用螺絲

4旋轉(zhuǎn)工具

4f探針部

4g肩部

5溫度測定部

5a溫度測定元件(熱電偶)

6電子基板

7電源供給部

8中空孔

9旋轉(zhuǎn)工具固定用螺母

10溫度接收部

11發(fā)送部

12發(fā)送天線

20外部裝置

26半貫通孔

26a中空通道

26b外緣通道

26c探針用輔助通道

s1～s5工序