CN101176944B - 摩擦搅拌接合用工具以及摩擦搅拌接合装置 - Google Patents

Abstract

提供一种摩擦搅拌接合用工具，其从铝等低熔点金属材料到钢铁材料等高熔点金属材料，能够广泛地进行摩擦搅拌接合。将摩擦搅拌接合用工具的整体或包含销部的前端部分，由具有Mo和金属间化合物Mo₅SiB₂的二相混合组织的Mo合金形成。Mo合金的组成优选，Si量为6.0～10.0mol％，B量为10.0～20.0mol％，Mo相的体积含量为20～60％。该Mo合金制工具，高温强度以及耐磨损性优良，即使用于铁系材料的接合，也不容易变形以及磨损。

Description

摩擦搅拌接合用工具以及摩擦搅拌接合装置

技术领域

本发明涉及用于摩擦搅拌接合的工具以及摩擦搅拌接合装置。 

背景技术

作为不熔化被接合材料而接合的一个接合方法，有摩擦搅拌接合方法。摩擦搅拌接合方法是这样一种方法：一边使材质实质上比被接合材料硬的圆柱状构件构成的搅拌工具旋转，一边插入到被接合材料的接合部，通过一边使该搅拌工具旋转一边移动，利用搅拌工具与被接合材料之间产生的摩擦热进行接合。摩擦搅拌接合通过搅拌工具与被接合材料之间的摩擦热使被接合材料软化，利用的是伴随着搅拌工具旋转的塑性流动现象，与熔化被接合材料进行焊接的电弧焊接方法等基于不同原理。 

关于用于摩擦搅拌接合的工具材料，公知有利用作为陶瓷的PCBN制作的工具(例如，参照专利文献1)，以含有Re之类的固溶强化材料的W基材料制作的工具(例如，参照专利文献2)，以含有Co的WC系的超硬合金制作的工具(例如，参照专利文献3)等。 

专利文献1：日本特表2003-532543号公报 

专利文献2：日本特开2004-358556号公报 

专利文献3：日本特开2005-199281号公报 

摩擦搅拌接合，在像铝合金之类的熔点比较低的金属材料的接合中已经达到了实用化，在像钢铁材料之类的熔点高的金属材料的接合中也有较多的报告。但是，钢铁材料的摩擦搅拌接合的研究报告例要远远少于铝合金等的研究报告。一个很大的原因是没有合适的搅拌工具。 

高熔点金属材料的摩擦搅拌接合中，要求搅拌工具材料具有高温强度、耐磨损性、非反应性等，但以往的搅拌工具材料，在用于高熔点金属材料的接合时，容易产生磨损以及变形，不能进行良好的接合。 

发明内容

本发明的目的是，提供一种摩擦搅拌接合用工具以及具备该工具的摩擦搅拌接合装置，其从铝等低熔点金属材料到钢铁材料等高熔点金属材料，能够广泛地进行摩擦搅拌接合。 

本发明提供一种摩擦搅拌接合用工具，其在圆柱状构件的端面突出设有销部，其特征在于，至少所述销部由具有Mo和金属间化合物Mo₅SiB₂的二相混合组织的Mo合金形成，所述Mo合金中，Si量为6.0～10.0mol％，B量为10.0～20.0mol％，Mo相的体积含量为20～60％，所述Mo合金的结晶组织由岛状的Mo相和金属间化合物即Mo₅SiB₂相矩阵构成。 

另外，本发明提供一种摩擦搅拌接合装置，其具备在圆柱状构件的端面突出设有销部的工具和工具旋转机构，在使所述工具上的所述销部旋转的状态下，将其插入被接合材料的接合部，从而进行接合，其特征在于，所述工具的至少所述销部由具有Mo和金属间化合物Mo₅SiB₂的二相混合组织的Mo合金形成。所述Mo合金中，Si量为6.0～10.0mol％，B量为10.0～20.0mol％，Mo相的体积含量为20～60％，所述Mo合金的结晶组织由岛状的Mo相和金属间化合物即Mo₅SiB₂相矩阵构成。 

发明效果 

本发明的摩擦搅拌接合用工具，高温强度以及耐磨损性优良，从铝等低熔点金属材料到钢铁材料等高熔点金属材料，能够广泛地适用。 

图1是表示本发明一个实施例的摩擦搅拌接合用工具的概略图； 

附图说明

图2是表示本发明其他实施例的摩擦搅拌接合用工具的概略图； 

图3是表示本发明的摩擦搅拌接合用工具的另外实施例的概略图； 

图4是表示通过电弧熔化制作工具前端部分的方法的说明图； 

图5是表示通过粉末烧结制作工具前端部分的方法的概略图； 

图6是表示Mo合金的结晶组织的模式图； 

图7是表示摩擦搅拌接合装置的一个例子的装置构成图。 

图中， 

52-加工台；53-工作头；54-主轴电动机；56-工具；101-摩擦搅拌接合用工具；102-柄部；103-肩部；104-销部；201-工具前端部分；202-柄部；203-固定件；204-销部；301-工具前端部分；302-柄部；305-摩擦搅拌接合用工具；306-销部；401-熔化炉；402-Mo坯料；403-Si坯料；404-B坯料；405-电弧；406-熔化坯料；407-模具；501-模具；502-原料粉末坯料；503-压力。 

具体实施方式

通过用Mo和Mo₅SiB₂的二相混合组织构成的Mo合金形成摩擦搅拌接合用工具，0.2％耐力以及破坏应力变高，即使是在铁系材料的摩擦搅拌接合中的接合温度约1200℃下，也表现出优秀的高温强度以及耐磨损性。其结果是，在对钢铁材料之类的熔点高的材料进行摩擦搅拌接合时，可以减少搅拌工具的磨损。 

由Mo和Mo₅SiB₂的二相混合组织构成的Mo合金，优选Si量为6.0～10.0mol％，B量为10.0～20.0mol％，Mo相的体积含量为20～60％的组成范围。由此，0.2％耐力以及破坏应力显著变高，可以显著发挥高温强度和耐磨损性提高的效果。 

本发明的摩擦搅拌接合用工具，适用于铝合金、镁合金、铜合金、钢铁材料、钛合金、Ni合金、Ni基超合金等被接合材料的接合。 

以下，参照附图说明本发明的实施方式。 

【实施例1】 

图1表示本发明的摩擦搅拌接合用工具101的一个实施例。本实施例的摩擦搅拌接合用工具101由以下构成：与接合装置的主轴连接的柄部102；接合时与被接合材料的表面接触的肩部103；以及接合时被插入到被接合材料中的销部104。柄部102、肩部103和销部104，由具有Mo和Mo₅SiB₂二相混合组织的Mo合金形成为一体。Mo合金是Mo-8.7Si-17.4B的组成，单位均为mol％。Mo合金的结晶组织，如图6所示的模式图，由岛状的Mo相601和金属间化合物即Mo₅SiB₂相602矩阵构成。 

制作摩擦搅拌接合用工具，其具有如下尺寸：肩部103的直径为15mm，销部104在连接于肩部103的部分105处的销部104直径为5mm，销部104的前端部分106的直径是3mm，销部104的长度、即从肩部突出部分的高度是2.5mm。进行铁系材料SS400的摩擦搅拌接合。设被接合材 料的厚度为3mm。设接合条件为，摩擦搅拌接合用工具101的旋转速度为800转/分，接合速度为200mm/分。 

另外，为了与本发明的摩擦搅拌接合用工具进行性能的比较评价，利用以往公知的各种材质构成的搅拌工具，在与本发明同样的条件下，进行了铁系材料SS400的摩擦搅拌接合。使用的工具材料为工具钢、PCBN、W-0.002％K、WC-Co这4种。 

使用工具钢工具时，与被接合材料SS400接触，在产生摩擦热的同时，销部马上变形，甚至不能插入工具。 

使用PCBN(美国MegaStir制的polycrystalline cubic boron nitride)工具时，通过反复插入及拔出工具，在PCBN工具的表面或销部产生裂纹，经常产生PCBN崩口。其原因可以认为是，该PCBN材料为陶瓷，不耐热冲击。 

使用W-0.002％K工具的情况下，通过插入工具，销部变形很大。销的长度变短、销径变粗，不能接合到目标接合深度。其原因可以认为是，W-0.002％K材料的在接合温度下的屈服应力低。 

在使用WC-Co工具的情况下，判断为WC-Co工具的肩部磨损很大。 

相对于此，在使用本发明的Mo合金工具时，在摩擦搅拌接合后几乎没有产生变形或磨损。 

通过以上结果，得知本发明的Mo合金工具，非常适合于铁系材料SS400的摩擦搅拌接合。由该结果还暗示了，对SS400以外的钢铁材料的摩擦搅拌接合也有效果。 

下面，利用具有所述组成的本发明的摩擦搅拌接合用工具，进行Ti-6Al-4V构成的钛合金以及Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al构成的钛合金的接合。为了比较，也进行了使用PCBN工具和W-0.002％K工具的接合。 

在使用PCBN工具的接合实验中，观察到PCBN工具的磨损大，工具变形明显。认为这是因为PCBN与Ti发生了反应。另外，在使用W-0.002％K工具的情况下，得知与接合SS400材料时同样，在插入工具后销部马上变形，由于行进磨损也很厉害。相对于此，使用本发明的Mo合金工具，接合后几乎没有发现形状变化。 

根据该结果，确认了本发明的Mo合金制工具，对纯钛或钛合金的摩擦搅拌接合也有效。 

本发明的摩擦搅拌接合用工具，也可以用Mo合金制造只是包含销部的一部分。 

图2表示由Mo合金形成包含销部204和肩部的工具前端部分201，利用柄部202和固定件203固定的摩擦搅拌接合用工具。柄部202的材质，优选采用高温强度高的铬镍铁合金(inconel)600等Ni基超合金或SKD61等的工具钢。 

在图2中销部204的形状为直线状，但是不限于此，也可以是如图1那样的形状。 

图3表示由Mo合金形成包含销部306的工具前端部分301，利用柄部302和螺钉固定的摩擦搅拌接合用工具305。在工具前端部分301与柄部302连接的部分303，以及在柄部302与工具前端部分301连接的部分304，分别施加螺纹加工，工具前端部分301与柄部302通过螺纹固定。实施螺纹加工，使得摩擦搅拌接合用工具305的旋转方向和螺纹方向相反。此时作为柄部302的材质，与图2的情况同样，适用高温强度高的Ni基超合金或SKD61等的工具钢。 

通过使用具有上述构成的本发明的Mo合金制工具，对高熔点材料进行摩擦搅拌接合，由此判断出与熔化焊接相比，焊接变形、溅射以及残留应力变少。本发明的工具，可以适用于汽车面板构件或管等构造物的摩擦搅拌接合。另外不限于接合，也可以用于材料的改质，例如缺陷或破损的修复。 

【实施例2】 

在该实施例中，如图2及图3所示，在由Mo合金制作工具前端部分，具有将其与柄部通过螺纹固定或采用固定件固定的构造的摩擦搅拌接合用工具中，说明用Mo合金制作工具前端部分的方法。 

图4是表示通过电弧熔化制作工具前端部分的方法的说明图。将Mo坯料402、Si坯料403以及B坯料404装入熔化炉401，将这些材料用电弧405熔化。将熔化的各坯料在熔化炉401内部混合。混合后的熔化坯料406被投入具有工具前端部分形状的多个模具407。通过这样的流程，制 作工具前端部分。模具407优选预先被加热至熔化坯料406的熔点以上的温度。由此，可以防止将熔化坯料406投入模具407之后不久急剧凝固，而产生气孔等缺陷。代替电弧熔化，也可以进行电子束熔化。 

图5不是电弧熔化或电子束熔化等熔化方法，而是表示通过粉末烧结制作工具前端部分的方法。如图5所示，将Mo粉末坯料、Si粉末坯料以及B粉末坯料构成的原料粉末坯料502，装入与工具前端部分形状几乎相同的模具501。之后，施加压力503进行烧结。如果和原料粉末坯料502一起混合粘接剂材料进行烧结，则更有效果。粘接剂材料可以使用Al、Ti等。 

【实施例3】 

图7表示具备本发明的摩擦搅拌接合用工具的摩擦搅拌接合装置的一个例子。该接合装置是三维接合装置，组装有修正机构57，该修正机构57对工具56与被接合材料的相对距离进行修正，该接合装置是对柱式的五轴加工中心进行改造而制作的柱式装置。本接合装置具有正交三轴(X、Y、Z)、绕Z轴的旋转C轴以及前端部的腕A轴这五个轴。在摩擦搅拌接合中，由于强制地向被接合材料中插入工具进行接合，所以接合装置为了能够耐住该反作用力而需要高的刚性。虽然接合负荷由被接合材料的材质、板厚、工具形状、工具转速、接合速度等很多因素决定，但一般来说板厚越大则负荷越高。因此，本接合装置的支柱50向Y方向、设置被接合材料的加工台52向X方向、分别在台51上移动。还有，工作头53向Z方向移动。并且在工作头53的下部，具备承担旋转C轴以及腕A轴的齿轮箱(gear box)55。工具56由作为工具旋转机构的主轴电动机54驱动。在工具56与齿轮箱55之间组装有修正机构57，修正机构57对工具56与被接合材料的相对距离进行修正。 

在具备以上构成的摩擦搅拌接合装置的加工台上设置被接合材料，使工作头53下降插入到被接合材料的接合部，通过使工具56移动，可以进行摩擦搅拌接合。并且，该接合装置不过是一个例子，并不限定于此。 

Claims (4)

1.一种摩擦搅拌接合用工具，其在圆柱状构件的端面突出设有销部，其特征在于，

至少所述销部由具有Mo和金属间化合物Mo₅SiB₂的二相混合组织的Mo合金形成，

所述Mo合金中，Si量为6.0～10.0mol％，B量为10.0～20.0mol％，Mo相的体积含量为20～60％，

所述Mo合金的结晶组织由岛状的Mo相和金属间化合物即Mo₅SiB₂相矩阵构成。

2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述工具由具有Mo和金属间化合物Mo₅SiB₂的二相混合组织的Mo合金一体形成。

3.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合用工具，其特征在于，

所述工具由呈圆柱状的柄部、肩部以及所述销部构成，

所述销部与所述肩部由所述Mo合金形成为一体，并通过螺纹或固定件被固定于所述柄部。

4.一种摩擦搅拌接合装置，

其具备在圆柱状构件的端面突出设有销部的工具和工具旋转机构，

在使所述工具上的所述销部旋转的状态下，将其插入被接合材料的接合部，从而进行接合，

其特征在于，

所述工具的至少所述销部由具有Mo和金属间化合物Mo₅SiB₂的二相混合组织的Mo合金形成，

所述Mo合金中，Si量为6.0～10.0mol％，B量为10.0～20.0mol％，Mo相的体积含量为20～60％，

所述Mo合金的结晶组织由岛状的Mo相和金属间化合物即Mo₅SiB₂相矩阵构成。

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