CN101437642A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接合方法，把被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部后，对于该接合部进行熔化焊接或电阻焊接，一边使惰性保护气体流动一边对所述被接合部件进行摩擦搅拌接合，或者对于所述接合部一边施加超声波一边进行熔化焊接或电阻焊接。

Description

接合方法

技术领域

本发明涉及利用摩擦搅拌接合的接合方法，详细地说，涉及对由铝等构成的被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部，在把其他被接合部件向该接合部进行熔化焊接时、或是把该接合部的焊接缺陷进行熔化焊接修补时，减少气孔的产生。

本申请根据2006年3月9日向日本国申请的日本特愿2006-064151号而主张优先权，其内容被在此引用。

背景技术

例如在日本特开2000-301363号公报所记载的那样，摩擦搅拌接合(Friction Stir Welding)是这样的接合技术：一边使在前端具有突起(探头)的圆筒状旋转子(工具)旋转，一边以强力向母材之间的接合面按压，利用由此而产生的摩擦热使母材软化，同时把探头贯入，通过探头的旋转力使接合部周围塑性流动，并由搅拌混合而把母材形成为一体。

能够通过摩擦搅拌接合而进行接合的母材一般是软化温度比较低的轻金属，铝合金中，不仅是非热处理型铝合金的1000系列、5000系列(以上是JIS规格)能够由此进行接合，而且作为难接合材料的热处理型铝合金的2000系列、6000系列、7000系列(以上是JIS规格)、铸造材料的ADC12(JIS规格)也能够接合。由于铝的线膨胀系数大，所以由于焊接产生应变而变形变大，但摩擦搅拌接合时没有过度的发热，所以有应变小的优点。

除了铝以外，镁合金的AZ31、AZ61(以上是JIS规格)、钛及其合金、铜及其合金、镍及其合金、软钢、铅、钢铁材料、塑料也能够进行接合。这样，对于摩擦搅拌接合，能够适当地对所适用的母材范围、探头形状、探头材质等方面进行改良。

摩擦搅拌接合中，由于能够抑制应变的产生而进行接合，所以被适用于以轻量化为目的的机车车辆、客机的机体上。

但这种接合中，由于需要沿母材之间的接合面按压工具，所以是适用于直线的接合部、而不适合于复杂形状的接合方法。并且，由于在接合部的开始端和终止端残留有由工具的探头形状而造成的凹部，所以需要把开始端和终止端设置在制品之外，对于细小的接合不适合。由于把工具以载重200kg到5000kg左右向母材按压，所以还需要把母材牢固固定。因此，能够在接合工序的初期，例如把板材在长度方向上接合时等有效利用摩擦搅拌接合。

在制造车辆的主体等时，在摩擦搅拌接合以后的工序中，需要对由摩擦搅拌接合形成的接合部安装托架、手柄等各种其他部件。由于该安装不能使用摩擦搅拌接合，所以要进行TIG(Tungsten Inert Gas：钨极惰性气体保护焊)焊接等焊接接合。

并且在进行过摩擦搅拌接合的部位发生不良现象的情况下，要进行TIG焊接等修补。

但在向摩擦搅拌接合的接合部适当安装其他部件时、或把摩擦搅拌接合的部位进行修补时，要对摩擦搅拌接合所形成的接合部进行TIG焊接等熔化焊接，有产生气孔(blowhole)而该部分的强度变弱的问题。

通过本发明者等研究而发现：由于在进行摩擦搅拌接合时探头等搅拌部把水分等大气所包含的成分卷入到熔化金属中，且搅拌部把焊缝根部面、肩部接触面形成的氧化膜卷入，产生水合物和氧化物，出现强度变弱的问题。

专利文献1：日本特开2000-301363号公报

发明内容

本发明的课题在于，对于由摩擦搅拌接合而形成的接合部，在随后进行熔化焊接或电阻焊接时，抑制在该接合部产生气孔。

为了解决该课题，本发明提供一种接合方法，一边使惰性保护气体流动一边把被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部，之后，对该接合部进行熔化焊接。

本发明提供一种接合方法，对被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部，之后，对于该接合部一边施加超声波一边进行熔化焊接。

本发明提供一种接合方法，一边使惰性保护气体流动一边对被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部，之后，对该接合部一边施加超声波一边进行熔化焊接。

本发明中超声波的频率优选设定为1～30kHz。

本发明中优选把其他被接合部件向所述接合部进行熔化焊接。

本发明中被接合部件优选：铝、铝合金、镁或镁合金、镍、镍合金、钛、钛合金、铜、铜合金、铅或钢铁材料。

本发明中，通过在摩擦搅拌接合时使用惰性气体而把接合部屏蔽，使水分等大气所包含的成分不会卷入到熔化金属中。并且熔化金属不被氧化，所以同样地没有氧化膜进入到熔化金属中。因此，造成气孔的原因不会出现，即使其后进行TIG焊接等熔化焊接或电阻焊接，也能够变成气孔少的接合部，能够抑制接合部强度的降低。

在TIG焊接等熔化焊接时通过施加超声波，利用超声波振动而从熔化初期开始就强制产生空穴现象，能够把气体从熔化部进行脱气。由此，能够把由于通常熔化焊接的溶解度差引起的、在即将凝固前而产生的气孔产生原因预先去除。能够最终减轻残存的气孔，能够变成气孔少的接合部，得到接合部本来的强度。

附图说明

图1是表示本发明使用的摩擦搅拌接合装置一例的简略结构图；

图2是表示本发明其他被接合部件接合形式例的简略立体图；

图3是表示本发明使用的超声波TIG焊接装置例的简略结构图；

图4是表示本发明的由施加超声波而除去气孔机理的说明图；

图5是表示实验1结果的接合部的剖面照片；

图6是表示实验2结果的接合部的剖面照片；

图7是表示实验3结果的接合部的剖面照片；

图8是表示实验4结果的接合部的剖面照片；

图9是表示实验5结果的接合部的剖面照片；

图10是表示超声波频率与气孔产生个数和气孔的气孔径关系的图。

符号说明

1 旋转子   2 探头    3 罩    4 保护气体管    A、B被接合部件

C 接合部    D 其他被接合部件

具体实施方式

(实施例1)

图1表示本发明的摩擦搅拌接合所使用的装置的一例。

该例的装置大体包括：被称为工具的圆柱状旋转子1、在该旋转子1的底面中心部突出设置的小直径圆柱状的探头2、覆盖所述旋转子1下部的罩3、向该罩3内的空间供给保护气体的保护气体管4。

在旋转子1的上部设置未图示的加压旋转驱动部，把旋转子1整体向下方按压的同时使旋转子1旋转。

图中的符号A和B表示板状的被接合部件，这些被接合部件A、B以其端面贴紧的状态被固定，贴紧的端面之间就成为接合部位。

所述探头2通过旋转、加压而利用摩擦来搅拌接合部位的接合面，把被接合部件A、B进行接合。这时，设置有探头2的旋转子1的台阶部(肩部)与接合部位的搅拌部接触。

在使用该装置把被接合部件A、B接合而形成接合部C时，使探头2位于上述接合部位上，在该状态下一边对旋转子1加压旋转一边把探头2向上述接合部位压入。同时从保护气体管4把惰性保护气体向罩3内的空间供给而使该空间成为惰性气体环境。使旋转子1一边自转一边沿上述接合部位逐渐移动。这样，就形成被接合部件A、B接合而成的接合部C。

被接合部件A、B使用上述非热处理型铝合金的1000系列、5000系列、作为难接合材料的热处理型铝合金的2000系列、6000系列、7000系列、铸造材料的ADC12、镁合金的AZ31、AZ61、钛及其合金、铜及其合金、镍及其合金、钢铁材料、铅等。作为被接合部件A、B，除了同种类材料之间以外，不同种类材料之间也能够适用。

旋转子1的转速是200～3000rpm、载重是500～5000kg左右。保护气体使用氙、氦等惰性气体或把这些惰性气体与氮、干燥空气等混合的混合气体，其供给量没有特别限定，但旋转子1下部附近的空间实质上要成为惰性气体环境，即氧的浓度要在0.1％体积以下。

旋转子1的移动速度被设定为0.5～220cm/分左右。

接着，对于这样形成的接合部C来接合图2所示的其他被接合部件D。

图2所示的例表示了在接合部C上交叉地竖立其他接合部件D的托架，把它与被接合部件A、B和接合部C焊接接合。

作为其他被接合部件D，其形状没有特别限定，作为其接合形式除了该例这样向被接合部件A、B和接合部C同时焊接之外，也可以是把其他被接合部件D的一部分或全部向接合部C焊接。

该其他被接合部件D的焊接，本实施例能够适用通常的TIG焊接、MIG(Metal Inert Gas：金属惰性气体保护焊)焊接等气体保护焊、电子束焊接、激光焊接等，且把这些组合的熔化焊接能够原封不动地适用。点焊、缝焊等电阻焊接也能够适用。

作为被接合部件D的材质而能够使用铝及其合金、镁及其镁合金、钛及其合金、铜及其合金、镍及其合金、钢铁材料和铅等。

该实施例1中，一边使惰性保护气体流动一边对被接合部件A、B进行摩擦搅拌接合而形成接合部C，然后把其他被接合部件D相对该接合部C进行熔化焊接。这样，在摩擦搅拌接合时熔化金属中没有空气中的水分卷入。且由于熔化金属没被氧化，所以同样地熔化金属中没有氧化膜进入。这样，气孔的形成原因不会出现，即使以后进行TIG焊接等熔化焊接也能够成为气孔少的接合部C，能够抑制接合部C强度的降低。

以上的说明举出把其他被接合部件D相对接合部C进行熔化焊接的形式，但并不限定于此，在接合部C有焊接缺陷时，把该焊接缺陷利用TIG焊接等进行修补时的实施方式中也进行同样的操作，能够使气孔的产生减少。

(实施例2)

本实施例的摩擦搅拌接合不使惰性保护气体流动，而是在与空气接触的状态下进行接合部C的形成。用于摩擦搅拌接合的装置能够原封不动地使用图1所示的装置，不从保护气体管4供给保护气体即可。

在下一道工序的其他被接合部件D的焊接中，采用一边向焊接部位施加或照射超声波一边进行TIG焊接、MIG焊接等气体保护焊、电子束焊接、激光焊接等熔化焊接的方法。该熔化焊接的方式与先前图2所示的实施例1相同。

图3表示用于一边向焊接部位施加或照射超声波一边进行TIG焊接的焊接装置的一例。该焊接装置具备：交流电源部11、用于进行脉冲幅度调制(PWM)的波形控制部12、直流电源部13，所述交流电源部11包括：把商用交流电进行整流的整流器、把由该整流器得到的直流变换成交流的由高速IGBT(绝缘栅型双极晶体管)构成的变换器、高频变压器。对于交流电源部11的变换器产生的50Hz或60Hz的交流电，由来自波形控制部12的频率为1kHz～30kHz的高频波调制而成的高频电流，把得到的高频电流向焊接焊枪的电极14施加。符号15表示上述接合部C(被接合部件A、B)。仅在焊接开始时的起弧时向电极14施加来自直流电源部13的直流电流。

该焊接装置作为焊接电流波形而输出1kHz～30kHz的高频，按照重叠有焊接电弧的1kHz～30kHz的频率来ON-OFF，根据推测，由此而电弧反复收缩、膨胀，并以此为起因，向熔化池加以1kHz～30kHz的超声波，但准确的机理现在仍不明朗。

在使用该焊接装置的TIG焊接中，在起弧时向电极14施加来自直流电源部13的直流电流，在被接合部件A、B是铝材、镁材时，把其表面形成的氧化膜除去后，再把施加电流切换成高频电流进行焊接。其焊接条件与通常的TIG焊接没有不同之处，作为保护气体使用氩气等惰性气体，使用钨电极，以50～640A的焊接电流进行便可。但存在即使焊接电流稍微低也能够形成熔化池的倾向。

超声波的频率是1kHz～30kHz，优选15kHz～25kHz，通过施加频率为1kHz～30kHz的超声波而如从后述实施例也可明了的那样，确认在接合部C处生成的气孔变少。

图3所示的焊接装置是交流型，在被接合部件A、B是钢铁材料的情况下，对使用直流电源的TIG焊接机的直流电流进行脉冲幅度调制，使用重叠了高频的直流电流，由此也能够使电弧的强度变化而产生超声波。

该实施例2中，通过在TIG焊接等熔化焊接时施加超声波而如图4所示那样，从熔化初期开始就利用超声波振动而强制产生空穴现象，能够使气体从熔化部被脱气。由此，能够把由于通常熔化焊接的溶解度差引起的、在即将凝固之前产生的气孔产生原因预先去除。能够减轻最终残存的气孔，能够变成气孔少的接合部C，能够得到接合部C本来的强度。

以上的说明也举出把其他被接合部件D相对接合部C进行熔化焊接的形式，但并不限定于此，在接合部C有焊接缺陷时，把该焊接缺陷由TIG焊接等进行修补时的实施方式中也进行同样的施加超声波操作，能够使气孔的产生减少。

作为施加超声波的方法，除了图3所示的装置之外，使超声波振动子碰到焊接部位而直接施加超声波的方法也能够得到同样的效果。

(实施例3)

实施例3在上述实施例1的一边使保护气体流动一边进行摩擦搅拌接合而形成接合部C后，进行实施例2的施加超声波来进行TIG焊接等熔化焊接，把其他被接合部件D进行接合或修补接合部C的缺欠。

因此，其操作方法、作用效果与实施例1、2相同，故省略其详细说明。

实施例

以下表示具体例

按下面的条件进行摩擦搅拌接合而形成接合部C，对于该接合部C进行TIG焊接，对接合部C产生的气孔进行确认。

本实验中，起因于由于摩擦搅拌接合而产生的水合物和氧化物、伴随TIG焊接而产生的气孔有可能从熔化金属脱出，因此，首先向下进行摩擦搅拌接合，然后进行横向的TIG焊接。其结果是，由于摩擦搅拌接合而产生的气孔向熔化金属的一侧上升，能够确认本发明的效果。

试验材料：铝材，A5083(JIS规格)(100mm×50mm×5mm)

《摩擦搅拌接合的条件》

旋转速度：600rpm

移动速度：100mm/min

保护气体：氩气/无

保护气体流量：50升/min

接合姿势：向下

《TIG焊接的条件》

电流：通常TIG：100A

     超声波TIG：约75A(得到与通常TIG同样熔化池幅度的条件)

频率：通常TIG：60Hz

      超声波TIG：20Hz

电极：钨+2％ThO₂

电弧长度：3mm

保护气体：氩气

保护气体流量：10升/min

接合姿势：横向

焊接速度：180mm/min

本实验不仅对由摩擦搅拌接合形成的接合部C来焊接其他被接合部件D，而且为了容易进行焊接部位实验后的观察而单独利用TIG焊接在接合部C上形成焊道(走向)并作为评价对象。

评价方法如下进行：把TIG焊接后的接合部C在与焊接方向正交的方向上切断成薄片状，对该薄片的截面进行摄影，观察得到的图像中气孔产生的状况。图5到图9所示的七张照片是切断位置分别不同的薄片。

实验1是用于比较而进行的，是目前通常进行的TIG焊接。其结果表示在图5。

实验2是现有技术的方法。在摩擦搅拌接合时不使保护气体流动，然后进行通常的TIG焊接。其结果表示在图6。

实验3是本发明的方法，在摩擦搅拌接合时作为保护气体而使氩气流动，然后进行通常的TIG焊接。其结果表示在图7。

实验4是本发明的其他方法，在摩擦搅拌接合时不使保护气体流动，然后施加超声波而进行TIG焊接。其结果表示在图8。

实验5也是本发明的其他方法，在摩擦搅拌接合时作为保护气体而使氩气流动，然后施加超声波而进行TIG焊接。其结果表示在图9。

这些照片图像中完全黑的点表示气孔。

从图5可以看出，通常的TIG焊接中几乎没有黑点，不存在气孔。

图6是实验2的照片。可以看出在方向向下的摩擦搅拌接合时混入的氧化物、水合物等杂质大致均匀地存在于熔化金属中。然后通过横向的TIG焊接而产生气孔并汇集在熔化金属的上侧，可以看出气孔彼此融合而进一步扩大化。

图7是实验3的截面照片。从该照片可见，虽然存在气孔，但与图6相比气孔的大小和数量少，在摩擦搅拌接合时使保护气体流动的效果显现。这表示出利用保护气体而减少了气孔产生的原因，所以整体上气孔减少了(实现了气孔发生原因减少的效果)。

图8是实验4的截面照片。该照片中虽然存在气孔，但与图7相比气孔不是分散存在，且数量少。特别是在熔化金属部的中下部气孔几乎消失，可见是超声波TIG焊接的效果。这表示产生初期的气孔通过超声波空穴现象而向熔化池外逃脱的情况被加速(加速除去效果)。

图9是实验5的截面照片。从该照片可以看出，存在有若干气孔，但与图8相比则气孔的数量更少，可见，在摩擦搅拌接合时使保护气体流动，且进行超声波TIG焊接，会取得相当不错的效果。这是把气孔产生原因的减少效果和已产生的气孔的除去加速效果这两个不同效果进行组合，而能够得到更大的效果。

然后，为了求出适合TIG焊接的超声波频率，同样地使用图3的装置进行实验。作为频率以15kHz、20kHz、30kHz、35kHz、40kHz进行。不使保护气体流动地进行摩擦搅拌接合。为了进行比较，进行通常的60kHz的TIG焊接。其结果表示在图10。

从图10可以看出，超声波TIG焊接比通常的TIG焊接能够减少气孔。且频率变小则气孔减少，在20kHz中成为最少，但若频率进一步变小(15kHz)则气孔稍微有增加。

可见，为了减少接合部C的气孔优选20kHz以下的频率。由于若超过30kHz则频率的作用降低，所以可以说1～30kHz是有效的。由于15kHz以下则噪音变大，所以考虑作业环境而实用上15kHz～25kHz是优选的。

上述实验中，是在以向下焊接的方式进行了摩擦搅拌接合后，以横向焊接进行熔化焊接，当然，焊接姿势没有限定。

本实验以铝合金即A5083进行的，但对于非热处理型铝合金的1000系列、作为难接合材料的热处理型铝合金的2000系列、6000系列、7000系列、铸造材料的ADC12、镁合金的AZ31、AZ61、钛及其合金、铜及其合金、镍及其合金、不锈钢等钢铁材料、铅等也有效。在摩擦搅拌接合时作为保护气体而使用了氩气，但其他惰性气体、在氩气等惰性气体中混合了其他气体的混合气体也有效。在点摩擦搅拌接合中也能够适用本发明，本发明中点摩擦搅拌接合被摩擦搅拌接合所包括。

本发明中，摩擦搅拌接合时流动的保护气体在本实验中使用的是向工具与保护罩之间供给保护气体的方法，但当然只要能够把接合部C与大气分隔便可，从工具侧面设置的气体供给孔供给保护气体或通过气体供给喷嘴从周围供给保护气体的方法也有效。优选在接合工序时使保护气体连续流动，但在后工序中预先判断通过熔化焊接而确定的其他被接合部件D的安装位置时，为了减少保护气体也可以仅使保护气体在该部分流动。为了有效使用保护气体，也可以把探头行进方向相反一侧的接合部C覆盖，设置维持保护气体浓厚状态的后保护夹具。

根据本发明，对于由摩擦搅拌接合形成的接合部C，在其后进行熔化焊接或电阻焊接时，能够抑制在该接合部C产生气孔，所以在产业上是有用的。

Claims (6)

1、一种接合方法，一边使惰性保护气体流动、一边对被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部，之后，对该接合部进行熔化焊接或电阻焊接。

2、一种接合方法，对被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部后，对于该接合部，一边施加超声波一边进行熔化焊接或电阻焊接。

3、一种接合方法，一边使惰性保护气体流动、一边对被接合部件进行摩擦搅拌接合而形成接合部，之后，对该接合部，一边施加超声波一边进行熔化焊接或电阻焊接。

4、如权利要求2或3所述的接合方法，其特征在于，超声波的频率设定为1～30kHz。

5、如权利要求1至3中任一项所述的接合方法，其特征在于，把其他被接合部件向所述接合部进行熔化焊接或电阻焊接。

6、如权利要求1至3中任一项所述的接合方法，其特征在于，被接合部件是：铝、铝合金、镁、镁合金、镍、镍合金、钛、钛合金、铜、铜合金、铅或钢铁材料。

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