(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材を実質的に平に置いた状態で回転工具を前記部材に対して相対的に移動させて摩擦攪拌接合しつつ、
前記接合した部分を該接合部の幅方向の中央部が凹んだ状態に切削しつつ、
前記凹部に媒質液を塗布しつつ、
超音波式探傷子を内蔵したローラを前記媒質液を塗布した面に対して転動させることによって非破壊検査を行い、
前記非破壊検査によって欠陥を検出した際に、欠陥位置の近傍の前記部材に塗料でマーキングすること、
を特徴とする非破壊検査方法。
【請求項２】
請求項１の非破壊検査方法において、
前記切削は、前記接合した部分およびその周辺を含めて外面側を実質的に平に切削し、次に、該切削面をブラシで切削すること、
を特徴とする非破壊検査方法。
【請求項３】
請求項１の非破壊検査方法において、
前記超音波式探傷子は、前記切削した面を転動するローラの内部に下向きになるように、前記ローラの回転軸に回転自在に設置されており、前記ローラの内部にエチレングリコールが注入されていること、
を特徴とする非破壊検査方法。
【請求項４】
被検査物の接合した部分を該接合部の幅方向の中央部が凹んだ状態に切削しながら、
前記凹部に媒質液を塗布しつつ、
超音波式探傷子を内蔵したローラを前記媒質液を塗布した面に対して転動させることによって非破壊検査を行い、
前記非破壊検査によって欠陥を検出した際に、欠陥位置の近傍の前記部材に塗料でマーキングすること、
を特徴とする非破壊検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、摩擦攪拌接合等で接合した部分を非破壊検査する方法に関するものであり、例えば、鉄道車両や建築物等に使用されるアルミニウム合金製部材を摩擦攪拌接合した部分に対する非破壊検査に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
摩擦攪拌接合方法は、接合すべき部材に挿入した丸棒（回転工具という）を回転させながら接合線に沿って移動させ、接合部を発熱、軟化させ、塑性流動させ、固相接合する方法である。回転工具は大径部と小径部からなる。小径部を部材に挿入し、大径部の端面を部材に接触させている。２つの部材間に隙間がある場合の補填材として、接合部に予め凸部を設けている。回転工具の軸心は若干傾斜している。また、回転工具の大径部に切削用の刃を設置して、接合しつつ前記凸部を切削するようにしている。凸部の上面から切粉を除くために空気で吹き飛ばすようにしている。これらは特開2001-47262号（EP1057575A2）に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
溶接によって接合した場合、溶接部にボイドが発生することがある。これは一般に球形であるので、強度的には重大な障害にならない。
【０００４】
摩擦攪拌接合の場合は球形の欠陥にはならない。特に、欠陥が発生すると、連続した欠陥になりやすい。この場合は強度的に重大な欠陥となる。
【０００５】
一般に、非破壊検査は超音波を発生する探傷子を接合部に沿って手動で滑らせて行うので、熟練を必要としている。
【０００６】
また、摩擦攪拌接合の接合部の両側にバリが発生する。また、接合部の表面に半円状の文様が発生し、これもバリとなりやすい。このため、接合部の表面からの検査が困難である。また、接合部の表面は半円状の凹みができ、この点も検査を困難にしている。
【０００７】
このため、摩擦攪拌接合が終了した後、別工程で、バリ等を切削し、そして検査することが考えられる。これによれば、時間がかかり、高価になる。
【０００８】
本開発の第１の目的は、摩擦攪拌接合部における非破壊検査作業を自動化することにある。
【０００９】
本発明第２の目的は、接合部の検査を安価にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的は、回転工具を接合すべき部材に対して相対的に移動させて摩擦攪拌接合を行いつつ、接合した部分を切削しつつ、それよりも後方において非破壊検査を行うこと、によって達成できる。
【００１１】
上記第２の目的は、接合した部分を切削しつつ、それよりも後方において非破壊検査を行うこと、によって達成できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１〜図８によって説明する。図１、図２、図３、図４において、装置は右側に走行する。
【００１３】
架台２０の上面に接合すべき一対の部材３０，３０を固定している。一対の部材の突き合わせ部を摩擦攪拌接合する。摩擦攪拌接合装置１００、非破壊検査装置２００は架台２０を跨いで走行する走行体１１０，２１０に設置している。装置１００，２００は走行体の梁１０５，２０５に沿って走行できる。また、装置１００，２００の回転工具、検査装置等は梁１０５，２０５に対して昇降できる。摩擦攪拌接合の方向において、前方（先頭）から摩擦攪拌接合装置１００、非破壊検査装置２００が順次ある。
【００１４】
部材３０，３０は板３１の端部に凸部３３を有する押出し形材である。凸部３３は上方を向いている。凸部３３を有する端部を突き合わせて、架台２０に固定している。突き合わせた部分には隙間がないのが望ましい。
【００１５】
摩擦攪拌接合装置１００は、摩擦攪拌接合の方向において、前方（先頭）から、押さえローラ１１１、光学センサ１２０、空気噴出口１３０、遮蔽板１３５、回転工具１４０、押さえローラ１１５等が順次ある。押さえローラ１１１，１１５は２つの凸部３３，３３を押さえる。ローラ１１１，１１５は凸部を所定の力で押さえるように弾性支持されている。
【００１６】
光学センサ１２０は凸部３３，３３の幅の位置、または突き合わせた部分の位置を検出し、突き合わせた部分に回転工具１４０の軸心が一致するように、回転工具１４０を誘導する。また、凸部３３の上面の位置またはその近傍の板３１の上面の位置を検出し、突き合わせた部分に対する回転工具１４０の挿入量を所定値にする。
【００１７】
回転工具１４０は大径部１４１と、その先端（下端）の小径部１４２と、大径部１４１の下端の外周に設置した複数の刃１４５と、からなる。大径部１４１の径は２つの凸部を合わせた幅よりも小さい。刃１４５による切削の最大径は２つの凸部３３，３３の幅よりも大きい。刃１４５はその下面が主とした切れ刃になっている。小径部１４２は雄ねじである。大径部１４１と小径部１４２との境の大径部１４１の面は大径部側に凹んでいる。
【００１８】
摩擦攪拌接合の際、回転工具１４０の軸心は接合方向に対して傾斜している。小径部１４２の先端側が大径部１４１側よりも先行する方向に傾斜している。この状態において、大径部１４１の最も下端は板３１の上面の延長線と凸部３３の頂との間にある。この大径部１４１の最下端の位置が接合部の面の位置となる。刃１４５の最も下端は板３１の上面と前記接合部の上面との間にある。
【００１９】
摩擦攪拌接合装置１００を動作させると、突き合わせた部分は摩擦攪拌接合され、凸部３３，３３の上面は凹部となる。大径部１４１の外周部と凸部３３，３３との間から金属のバリが発生する。刃１４５は刃１４５の下面よりも上方の凸部３３，３３を切削する。これによって刃１４５より上方の凸部３３，３３およびバリが除かれる。結果的に凸部３３，３３の上面は円弧状の凹部に切削される。
【００２０】
刃１４５による切削によって生じた切粉は遮蔽板１３５および空気噴出口１３０からの空気流によって遮蔽し、光学センサ１２０、押さえローラ１１１側に行かないようにしている。上方から見ると、遮蔽板１３５はＬ状で、走行方向に沿った片を光学センサ１２０の側面に固定している。回転工具１４０と光学センサ１２０との間の片は走行方向に対して斜めになっている。空気噴出口１３０からの空気は走行方向に沿った遮蔽板１３５の片に向けて噴出され、斜めの片に沿って流出する。この片の下方から光学センサ１２０側に入った切粉を横に吹き飛ばす。また、遮蔽板１３５の下方の隙間から回転工具１４０側に空気が流出し、ここから入ろうとする切粉を抑制する。
【００２１】
非破壊検査装置２００は接合方向において摩擦攪拌接合装置１００の後方にある。非破壊検査装置２００は、摩擦攪拌接合の方向において、前方（先頭）から、押さえローラ２１１、遮蔽板２１８、凸部の上面に接する回転ブラシ２２０、切粉の吸引口２２５、光学センサ２３０、媒質液の塗布口２４０、押さえローラ２１５、非破壊検査用のローラ２５０、マーキング装置２７０、媒質液の吸引口２８０等が順次ある。ローラ２１１，２１５，２５０は凸部３３，３３を所定の力で押さえるように弾性支持されている。
【００２２】
回転ブラシ２２０は刃１４５による切削によって生じた小さなバリを切削するもので、電動機で回転させている。回転ブラシ２２０の回転軸心は垂直方向にある。また、刃１４５による切削面には切削によって半円状の文様ができるが、この文様もブラシ２２０でできるだけ除く。このようにバリ等を除いているので、検査用ローラ２５０が転動した際に可撓性のゴムタイヤ２６３の傷付きを防止できる。タイヤ２６３はシリコンゴムで構成している。タイヤ２６３が転動する切削面は円弧状に凹んでいるが、可撓性のタイヤ２６３を転動させるので、容易に検査できるものである。また、切削面のバリを除いているので、可撓性のタイヤを用いることができるものである。
【００２３】
光学センサ２３０は凸部３３，３３の幅の位置を検出し、この幅の中心に装置２００を誘導する。特に、検査用ローラ２５０を幅方向の位置を所定位置にする。
【００２４】
非破壊検査方法は超音波式であり、検査用ローラ２５０は超音波式探傷子２５１を備えている。探傷子２５１はローラ２５０の内部に設置している。装置２００から吊り下げたフレーム２６０に回転自在に設置した軸２６１に探傷子２５１を設置している。探傷子２５１は振動子と受信部とからなり、下方に向けて設置している。探傷子２５１はその重力によって常に下方に向くようにしている。凸部３３，３３の上面に接するタイヤ２６３はその両側のホイール２６５に固定されている。タイヤ２６３の両側面を押え金２６６によってホイール２６５に押さえて固定している。ホイール２６５は軸受２６８を介して軸２６１に固定されている。タイヤ２６３はシリコン製である。タイヤ２６３とホイール２６５、２６５とからなる空間に探傷子２５１を配置し、不凍液のエチレングリコールを若干注入している。２６７はグリコールを注入する注入口である。
【００２５】
探傷子２５１のリード線は軸２６１の内部を通過して外部に取り出されている。図５において、探傷子２５１は垂直方向に探傷する探傷子を用いるとよい。垂直型探傷子であれば、凸部３３，３３の上から探傷でき、また、ローラ２５０の幅を小さくできる。斜角探傷子の場合は幅が大きくなり、凸部３３，３３から探傷するのが困難になりやすい。探傷子２５１の振動子はタイヤ２６３を透過し易いように、また、部材３０，３０がアルミであることから、周波数４〜５MHzの低周波を用いる。尚、コンポジット振動子を用いることにより感度を良くすることが可能である。
【００２６】
摩擦攪拌接合の場合、欠陥位置は経験的に予想できる。例えば、図８のように、欠陥Ｘの位置は接合部の中心よりも幅方向の一方側にある。これは回転工具１４０の回転方向によって決まる。回転工具１４０の小径部１４２のねじが左ねじで、回転工具１４０を右回転させている場合は左側に欠陥が発生しやすい。このため、探傷子２５１はこの欠陥の発生しやすい位置を検査するようにすることができる。図８は接合部の断面を模式的に説明するものである。ハッチングは攪拌領域を示している。探傷子２５１は攪拌領域内の欠陥の予想領域を検査する。
【００２７】
媒質液供給装置２４０は検査用ローラ２５０の転動面である凸部３３，３３の上面に媒質液を塗布するものである。装置２４０は媒質液を凸部３３，３３の上面（接合面）に向けて霧状に噴出する。媒質液は例えば水である。刃１４５を有する回転工具１４０の軸心は傾斜しているので、切削面は若干中央部が凹んでいる。このため、検査用ローラ２５０が切削面を転動しても、媒質液が板３１，３１に流れることが少ない。このため吸引装置２８０による媒質液の回収を容易に行うことができる。
【００２８】
マーキング装置２７０は摩擦攪拌接合部に欠陥があった場合、その欠陥の位置に塗料を塗布する装置である。検査用ローラ２５０によって得たデータを制御装置で判断して欠陥の有無を決める。欠陥を検出したら、その欠陥位置から塗布を開始し、欠陥の終了位置まで連続して塗布する。塗料は、目視で確認しやすく、アルミニウム合金に付着しやすく、速乾性があり、アルミニウム合金に対して悪影響を与えないものとする。マーキング装置２７０は、例えば、インクジェットプリンターである。塗布は一方の板３１に対して行う。マーキング装置２７０は検査用ローラ２５０よりも後方に有るので、装置２００の移動量または移動時間を求め、欠陥位置にマーキングできるようにする。
【００２９】
媒質液の吸引用口２８０は凸部３３，３３の上面およびその周囲の板３１，３１の媒質液を吸引する。吸引口の下端には柔らかいブラシが吊り下げてある。吸引口２８０は吸引装置に接続している。
【００３０】
摩擦攪拌接合装置１００が摩擦攪拌接合を介して所定距離進むと、非破壊検査装置２００を摩擦攪拌接合の開始位置から、装置１００の移動速度で追従させる。装置２００のブラシは刃１４５で切削した切削面のバリ等を除く。この切粉を吸引口２２５から吸引する。光学センサ２３０で検査用ローラ２５０を誘導する。供給口２４０から媒質液を切削面に供給し、検査用ローラ２５０で接合部を検査する。欠陥を検出すると、塗布装置２７０で板３１に連続線を印刷する。吸引口２８０で媒質液を吸引する。
【００３１】
このようにして、摩擦攪拌接合し、検査した後、マーキングした部分があれば、この摩擦攪拌接合を行った場所、またはこの接合した部材を他の場所に移して、補修作業を行う。
【００３２】
先ず、マーキングした部分の接合部を上方から、欠陥位置までまたは他面側まで切削する。次に、切削した部分をＭＩＧまたはＴＩＧで溶接する。溶接は実質的に凸部の頂と同一高さまで行う。
【００３３】
車体の外面側や外観上または機能上平滑な面が必要になる面であれば、凸部３３，３３（前記補修部を含む。）を切削し、板３１，３１の面と実質的に同一面にする。
【００３４】
これによれば摩擦攪拌接合とともに接合部の検査をすることができるものである。摩擦攪拌接合は低温で行われるので、現状の材料を用いて、接合と検査を実質的に同時にできるものである。
【００３５】
非破壊検査装置２００の位置を説明する。摩擦攪拌接合の場合は、接合部の金属を塑性流動させることができればよいので、約４５０℃〜約５００℃の比較的低温の加熱でよい。このため、常温の雰囲気中で摩擦攪拌接合した場合は、速やかに温度が低下する。このため、接合部の近傍で検査装置を接合部に接触させて非破壊検査ができる。例えば、厚さ約３ｍｍのアウミニウム合金の板の突き合わせ部を摩擦攪拌接合する場合、接合してから約１００秒（回転工具の移動速度：約０．６ｍ／ｍｉｎ）経過すると、約７５℃に低下する。これは接合部から約１.０ｍの位置である。この温度であれば、非破壊検査装置２００を接合部に接触させて検査ができる。
【００３６】
欠陥部を表示する位置は板部ではなく、凸部の上面にできる。この場合は、媒質液を回収する位置よりも後方において、マーキングする。
【００３７】
上記切削の前に欠陥の深さ位置を求める検査を行うと、切削量を少なくできる。検査用ローラ２５０による検査では欠陥位置の深さが不明確のためである。欠陥位置を表示したマーキング部分の板３１の表面に沿って、かつ、凸部３３に沿って探傷子を手で移動させて深さを求める。この探傷子の側面を凸部３３に接触させて移動させると、直線状に移動させることができ、欠陥の検出が容易である。
【００３８】
回転ブラシ２２０の回転軸心は水平方向にし、切粉を後方側に飛ばすように設けることができる。マーキング装置２７０は欠陥部を連続線で表示しているが、断続的に表示してもよい。また、欠陥の開始点と終了点のマークの形状を異ならせて途中のマークを除くことができる。また、媒質液の回収装置は、接合面を転動するローラを設け、ローラの外周面に多孔質の部材を設け、回転軸を吸引装置に接続する。また、溶接した部分の検査は、低温になったが行えば同様にできる。
【００３９】
本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の各請求項に記載の文言あるいは課題を解決するための手段の項に記載の文言に限定されず、当業者がそれから容易に置き換えられる範囲にも及ぶものである。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、接合部を自動的の検査でき、特に、摩擦攪拌接合を行うものにおいては摩擦攪拌接合しつつ検査できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接合および検査を行う装置の斜視図である。
【図２】図１の接合装置の側面図である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】図１の検査装置の側面図である。
【図５】図１の検査用ローラの縦断面図である。
【図６】図５の中央縦断面図である。
【図７】図１の接合すべき部分の縦断面図である。
【図８】図１の接合部の検査時の縦断面図である。
【符号の説明】
３０  部材
１００  接合装置
１４０  回転工具
１４５  刃
２００  非破壊検査装置
２２０  回転ブラシ
２２５  切粉の吸引口
２３０  光学センサ
２４０  媒質液の供給口
２５０  検査用ローラ
２７０  マーキング装置
２８０  媒質液の吸引口
【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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【図７】
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【図８】
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