(57)【要約】【課題】接合部の良否の判断を精度良く行うことができる摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】摩擦撹拌接合装置１では、摩擦撹拌接合中の回転ツール３の主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める。振動加速度の出力信号波形の度数分布は、摩擦撹拌接合が正常に実施される場合には正規分布に準ずる傾向がある。したがって、検出した出力信号波形を解析し、中央値と平均値との差及び標準偏差を所定の閾値と比較することで、振動加速度の出力信号波形の度数分布が正規分布からどの程度乖離しているかを把握でき、これに基づいて接合部Ｗの良否の判断を精度良く行うことができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって前記当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、
摩擦撹拌接合の実施中に前記回転ツールの主軸部の振動加速度を振動加速度検出手段によって検出する振動加速度検出ステップと、
前記振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める波形解析ステップと、
前記中央値と前記平均値との差を第１の閾値と比較する第１の比較、及び前記標準偏差を第２の閾値と比較する第２の比較の少なくとも一方に基づいて前記接合部の良否を判断する判断ステップと、を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記第１の比較において、前記中央値と前記平均値との差が前記第１の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に前記接合部が正常であると判断することを特徴とする請求項１記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記第２の比較において、前記標準偏差が前記第２の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に前記接合部が正常であると判断することを特徴とする請求項１又は２記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって前記当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合装置であって、
摩擦撹拌接合の実施中に前記回転ツールの主軸部の振動加速度を検出する振動加速度検出手段と、
前記振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める波形解析手段と、
前記中央値と前記平均値との差を第１の閾値と比較する第１の比較、及び前記標準偏差を第２の閾値と比較する第２の比較の少なくとも一方に基づいて前記接合部の良否を判断する判断手段と、を備えたことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項５】
前記判断手段は、前記第１の比較において、前記中央値と前記平均値との差が前記第１の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に前記接合部が正常であると判断することを特徴とする請求項４記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
前記判断手段は、前記第２の比較において、前記標準偏差が前記第２の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に前記接合部が正常であると判断することを特徴とする請求項４又は５記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合は、回転ツールを回転させながら金属材等の材料に押し込み、摩擦熱で軟化させた母材同士を塑性流動により一体化させる固相接合方法である（例えば特許文献１参照）。摩擦撹拌接合では、アーク溶接やレーザ溶接のような溶融溶接と比較して母材への入熱量が小さいので、高品質な継手を得ることが可能であり、主として融点の低いアルミニウム合金などの接合に適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３３４６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
摩擦撹拌接合の実施にあたっては、接合部の品質を管理する必要がある。従来の品質管理方法としては、接合後に超音波探傷を行う手法や、母材への回転ツールの押し込み量を電気的に検出する手法などがある。しかしながら、例えば鉄道車両等の車体に適用される長尺の母材の接合においては、接合部の良否の判断をより精度良く行うことが課題となっている。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、接合部の良否の判断を精度良く行うことができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合方法であって、摩擦撹拌接合の実施中に回転ツールの主軸部の振動加速度を振動加速度検出手段によって検出する振動加速度検出ステップと、振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める波形解析ステップと、中央値と平均値との差を第１の閾値と比較する第１の比較、及び標準偏差を第２の閾値と比較する第２の比較の少なくとも一方に基づいて接合部の良否を判断する判断ステップと、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
この摩擦撹拌接合方法では、摩擦撹拌接合中の回転ツールの主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める。振動加速度の出力信号波形の度数分布は、摩擦撹拌接合が正常に実施される場合には正規分布に準ずる傾向がある。したがって、検出した出力信号波形を解析し、中央値と平均値との差及び標準偏差を所定の閾値と比較することで、振動加速度の出力信号波形の度数分布が正規分布からどの程度乖離しているかを把握でき、これに基づいて接合部の良否の判断を精度良く行うことができる。
【０００８】
また、第１の比較において、中央値と平均値との差が第１の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部が正常であると判断することが好ましい。この場合、接合部の良否の判断をより精度良く行うことができる。
【０００９】
また、第２の比較において、標準偏差が第２の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部が正常であると判断することが好ましい。この場合、接合部の良否の判断をより精度良く行うことができる。
【００１０】
また、本発明に係る摩擦撹拌接合装置は、金属材同士の当接部分に押し込んだ回転ツールを回転させることによって当接部分に沿って接合部を形成する摩擦撹拌接合装置であって、摩擦撹拌接合の実施中に回転ツールの主軸部の振動加速度を検出する振動加速度検出手段と、振動加速度検出手段から取得した出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める波形解析手段と、中央値と平均値との差を第１の閾値と比較する第１の比較、及び標準偏差を第２の閾値と比較する第２の比較の少なくとも一方に基づいて接合部の良否を判断する判断手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１１】
この摩擦撹拌接合装置では、摩擦撹拌接合中の回転ツールの主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める。振動加速度の出力信号波形の度数分布は、摩擦撹拌接合が正常に実施される場合には正規分布に準ずる傾向がある。したがって、検出した出力信号波形を解析し、中央値と平均値との差及び標準偏差を所定の閾値と比較することで、振動加速度の出力信号波形の度数分布が正規分布からどの程度乖離しているかを把握でき、これに基づいて接合部の良否の判断を精度良く行うことができる。
【００１２】
また、判断手段は、第１の比較において、中央値と平均値との差が第１の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部が正常であると判断することが好ましい。この場合、接合部の良否の判断をより精度良く行うことができる。
【００１３】
また、判断手段は、第２の比較において、標準偏差が第２の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部が正常であると判断することが好ましい。この場合、接合部の良否の判断をより精度良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置によれば、接合部の良否の判断を精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図１に示した摩擦撹拌接合装置の機能的な構成要素を示す図である。
【図３】振動加速度センサが取得した出力信号波形の一例を示す図である。
【図４】正常に接合がなされた場合の出力信号波形の度数分布の一例を示す図である。
【図５】接合中の撹拌不足が生じた場合の出力信号波形の度数分布の一例を示す図である。
【図６】接合中の荷重不足が生じた場合の出力信号波形の度数分布の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る摩擦撹拌接合装置の一実施形態を示す図である。同図に示すように、摩擦撹拌接合装置１は、接合対象である金属材２ａ，２ｂの上方に配置された回転ツール３を備えている。回転ツール３は、例えば略円柱状をなす金属材であり、回転ツール３の先端中央には、回転ツール３の胴体部分の直径よりも小径の略円柱状のプローブ４が設けられている。金属材２ａ，２ｂとしては、例えばアルミニウム合金からなる長尺の板状部材が例示される。
【００１８】
摩擦撹拌接合を行うにあたり、摩擦撹拌接合装置１は、まず、回転ツール３を所定の回転速度で回転させる。そして、この回転ツール３を金属材２ａ，２ｂに向かって下降させ、プローブ４が金属材２ａ，２ｂにおける端面同士の突き合わせ部分（当接部分）Ｌに没入するように、回転ツール３を突き合わせ部分Ｌの一端側に押し込む。
【００１９】
次に、摩擦撹拌接合装置１は、回転ツール３を突き合わせ部分Ｌに沿って移動させる。これにより、回転ツール３のプローブ４と金属材２ａ，２ｂとの間で摩擦熱が生じ、この摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Ｌに接合部Ｗが順次形成される。回転ツール３が突き合わせ部分Ｌの他端側まで到達した後、回転ツール３を上昇させ、プローブ４を突き合わせ部分Ｌから引き上げる。その後、回転ツール３の回転が停止して処理が終了する。
【００２０】
このような摩擦撹拌接合装置１は、振動加速度検出センサ（振動加速度検出手段）１１と、接合判断部Ｍとを備えている。接合判断部Ｍは、図２に示すように、機能的な構成要素として、波形解析部（波形解析手段）１２と、判断部（判断手段）１３とを有している。接合判断部Ｍは、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスク、ディスプレイ等を備えたコンピュータシステム、及び振動加速度検出センサ１１からの出力信号を増幅するアンプ、電気ノイズを遮断するフィルタ等によって構成されている。
【００２１】
振動加速度検出センサ１１は、摩擦撹拌接合の実施中に回転ツール３の主軸部の振動加速度を検出する部分である。主軸部とは、例えば回転ツール３のモータ、減速機、継手、ホルダ等を含む部分であり、振動加速度検出センサ１１は、例えば主軸部を収容する筐体の外側に固定されている。筐体と振動加速度検出センサ１１との固定方法は、接着剤を用いてもよく、磁石を用いてもよい。
【００２２】
この振動加速度検出センサ１１は、図３は、振動加速度センサが取得した出力信号波形の一例を示す図である。同図に示す例では、横軸が時間、縦軸が振動加速度となっており、摩擦撹拌接合が開始されてから完了するまでの回転ツール３の主軸部の振動加速度が時間軸波形として示されている。振動加速度検出センサ１１は、検出した出力信号波形を波形解析部１２に出力する。なお、振動加速度検出センサ１１からの出力値は、出力電圧値、出力電流値、出力電流値と出力電圧値とを乗じた値、若しくは、これらの値から換算される振動加速度振幅の値のいずれかとすることも可能である。
【００２３】
波形解析部１２は、振動加速度検出センサ１１が検出した出力信号波形を解析する部分である。より具体的には、波形解析部１２は、出力信号波形に含まれる出力値に基づいて、中央値、平均値、及び標準偏差をそれぞれ算出する。波形解析部１２は、算出した中央値、平均値、及び標準偏差を示す解析結果情報を判断部１３に出力する。
【００２４】
判断部１３は、波形解析部１２で算出された中央値、平均値、及び標準偏差を所定の閾値と比較して接合部Ｗの良否を判断する部分である。この判断部１３は、接合部Ｗが正常に形成された場合の振動加速度検出センサ１１が検出した出力信号波形について、予め中央値、平均値、及び標準偏差を記憶しており、中央値と平均値との差を第１の閾値として保有し、標準偏差を第２の閾値として保有している。
【００２５】
判断部１３は、波形解析部１２から解析結果情報を受け取ると、当該情報に含まれる中央値と平均値との差を算出し、第１の閾値と比較する。そして、判断部１３は、中央値と平均値との差が第１の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部Ｗが正常であると判断し、９５％未満もしくは１０５％を超えている場合に接合部Ｗが異常であると判断する（第１の比較）。また、判断部１３は、標準偏差が第２の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部Ｗが正常であると判断し、９５％未満もしくは１０５％を超えている場合に接合部Ｗが異常であると判断する（第２の比較）。
【００２６】
図４〜図６は、それぞれ出力信号波形の度数分布の一例を示す図である。図４は、正常に接合がなされた場合の出力信号波形の度数分布の一例を示す図である。図４に示す例では、例えば平均値が−０．００５５３、中央値が−０．００４８０、平均値と中央値との差が０．０００７３（第１の閾値に相当）、標準偏差が０．０９８３５（第２の閾値に相当）となっており、度数分布は正規分布に準じた波形となっている。
【００２７】
また、図５は、接合中の撹拌不足が生じた場合の出力信号波形の度数分布の一例を示す図である。図５に示す例では、例えば平均値が−０．００６４４、中央値が−０．００４００、平均値と中央値との差が０．００２４４、標準偏差が０．０９１７２９となっている。したがって、平均値と中央値との差は、第１の閾値に対して約３００％となっており、標準偏差は、第２の閾値に対して約９４％となっている。
【００２８】
さらに、図６は、接合中の荷重不足が生じた場合の出力信号波形の度数分布の一例を示す図である。図６に示す例では、例えば平均値が−０．００２８３、中央値が−０．００３２０、平均値と中央値との差が０．０００３７、標準偏差が０．０９１２７６となっている。したがって、平均値と中央値との差は、第１の閾値に対して約５０％となっており、標準偏差は、第２の閾値に対して約９３％となっている。
【００２９】
以上説明したように、摩擦撹拌接合装置１では、摩擦撹拌接合中の回転ツール３の主軸部の振動加速度を検出し、その出力信号波形の中央値、平均値、及び標準偏差を求める。振動加速度の出力信号波形の度数分布は、摩擦撹拌接合が正常に実施される場合には正規分布に準ずる傾向がある。したがって、検出した出力信号波形を解析し、中央値と平均値との差及び標準偏差を所定の閾値と比較することで、振動加速度の出力信号波形の度数分布が正規分布からどの程度乖離しているか（正規分布に対する偏り及びばらつき）を把握でき、これに基づいて接合部Ｗの良否の判断を精度良く行うことができる。
【００３０】
また、摩擦撹拌接合装置１では、第１の比較において、中央値と平均値との差が第１の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部Ｗが正常であると判断し、第２の比較において、標準偏差が第２の閾値の９５％〜１０５％の範囲に収まっている場合に接合部が正常であると判断している。このような判断により、接合部Ｗの良否の判断をより精度良く行うことができる。
【００３１】
なお、上記実施形態では、判断部１３が第１の比較と第２の比較の両方を行っているが、いずれか一方の比較のみに基づいて接合部Ｗの良否を判断するようにしてもよい。また、上記実施形態では、摩擦撹拌接合の対象物としてアルミニウム合金からなる金属板を例示しているが、アルミニウム合金に限られず、マグネシウム合金等の軽合金材料、ステンレス鋼、亜鉛めっき鋼板等の鉄系材料を始めとした他の金属板であってもよい。また、金属板への適用だけでなく、鉄道車両用の台車枠部品等に用いられる管体やＣ型形状のプレス成形材等の接合にも適用可能である。さらに、接合形態についても、突き合わせ接合に限られず、重ね接合にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１…摩擦撹拌接合装置、２ａ，２ｂ…金属板、３…回転ツール、１１…振動加速度検出センサ（振動加速度検出手段）、１２…波形解析部（波形解析手段）、１３…判断部（判断手段）、Ｌ…突き合わせ部分（当接部分）、Ｗ…接合部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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