CN105473269A - 搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在搅拌摩擦焊接时被认为是难焊接材料的铝合金制铸件、2000系、4000系、5000系以及7000系铝合金材料中的同种或不同种材质的两件材料中能够有利于获得具有无焊接缺陷的完好的焊接部的焊接产品的搅拌摩擦焊接方法。在第一构件(2)与第二构件(4)之间的被焊接部位(对接部(6))的焊接开始端侧的端面，抵接由1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的开始引板(20)，旋转工具(10)的搅拌针(16)经由该开始引板(20)进入到这两个构件(2、4)之间的对接部(6)，从而实施第一构件(2)与第二构件(4)之间的搅拌摩擦焊接操作。

Description

搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊接方法，特别是涉及一种有利于使用像双轴肩工具、自适应工具那样一边利用两个轴肩构件进行挤压一边进行搅拌摩擦焊接的类型的旋转工具，对在搅拌摩擦焊接中被称作难焊接材料的铝合金制铸件、2000系铝合金材料、4000系铝合金材料、5000系铝合金材料或7000系铝合金材料进行搅拌摩擦焊接的方法。
背景技术
近年来，自从在日本特表平7－505090号公报等中提出了通过一边使旋转工具(具体为搅拌针(日文：プローブ或者ピン))旋转一边向两个构件的应该焊接的部位进行插入、并利用摩擦热量使材料搅拌流动来对这些被焊接构件以不熔融的方式进行固相焊接的搅拌摩擦焊接方法(FSW)以来，由于焊接部处的热量的产生比通常的熔融焊接方法少，因此难以产生热应变，而且未伴有在熔融之后凝固这样的熔融焊接方法特有的相变，能够以固体状态进行焊接，由此，从焊接部的完好性的方面考虑，受到了关注，特别是在铝材料的焊接中采用该搅拌摩擦焊接方法的领域逐年扩大。例如，通过在汽车、铁道车辆等输送用车辆骨架体的焊接、IT设备壳体等的焊接中利用这种搅拌摩擦焊接方法，为扩大作为轻量化的领先者的铝材料的用途做出了巨大的贡献。
可是，在上述搅拌摩擦焊接方法所使用的旋转工具中，一般来说，采用了在圆柱状的轴肩构件的顶端中心部配置被称作搅拌针的预定长度的突起而成的构造，于是，采用了包括以下步骤的方法，且在前面的日本特表平7－505090号公报中也明确了该方法：一边使旋转工具的轴肩构件绕轴心旋转，一边将其搅拌针顶端向焊接部位插入，然后一边施加基于轴肩构件的轴肩面的压力，一边进行线焊接或点焊接。但是，在使用了具有这种构造的旋转工具的搅拌摩擦焊接方式中，需要在供旋转工具的搅拌针插入的焊接部位的背面侧配置平台等垫板，一边承受该旋转工具的按压力，一边进行焊接操作，若不这样的话，则存在如下问题：应该焊接的材料因旋转工具的压力而变形，无法进行焊接。因此，在难以配置垫板的中空构件的焊接中，难以采用这种搅拌摩擦焊接方法。
因此，作为不需要这种垫板的工具，已经提出了一种在自圆柱状的轴肩构件(第一)突出设置的搅拌针的顶端也设置与该轴肩构件(第一)相对的第二轴肩构件、并利用这两个轴肩构件在被焊接构件的焊接部位的表面、背面两个面上同时分别作用有基于这些轴肩构件的压力而进行搅拌摩擦焊接的旋转工具。例如，在日本特开2003－154471号公报等中，明确了一种使用了所谓的双轴肩工具的搅拌摩擦焊接方法，所谓的双轴肩工具是两个轴肩构件利用搅拌针固定连结而成的构造的工具，另外在日本特开2003－181654号公报、日本特开2009－18312号公报等中提出了一种所谓的自适应工具，所谓的自适应工具是将两个轴肩构件中的任一者以能够沿搅拌针的轴向移动的方式设于搅拌针而能够改变这两个轴肩构件之间的间隔的工具。而且，通过使用这种旋转工具，从而没有垫板也能够焊接中空材料等，从而使搅拌摩擦焊接方法的适用范围进一步扩大。
可是，在作为应该焊接的构件而使用的铝材料中，均难以进行金属的摩擦搅拌的、铝合金制铸件、分别是日本JIS标准的铝合金名称的2000系、4000系、5000系及7000系的铝合金材料，也由于摩擦搅拌作用所引起的金属的流动性不充分，而成为不容易进行搅拌摩擦焊接的难焊接材料。而且，为此，若使用像上述双轴肩工具、自适应工具这样具有两个轴肩构件的旋转工具对这种铝材料进行搅拌摩擦焊接，则相对于该焊接的行进方向，金属向旋转工具的后方侧的蔓延并不充分，从而存在如下的不良情况：在通过这种焊接操作而形成的焊接部(接头部)处，产生了未填充有金属的孔，或者产生了未焊接部位、不完全焊接部位等缺陷，无法形成完好的焊接部，此外导致毛刺的产生较明显、焊接部的外观变差等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表平7－505090号公报
专利文献2：日本特开2003－154471号公报
专利文献3：日本特开2003－181654号公报
专利文献4：日本特开2009－18312号公报
发明内容
发明要解决的问题
在此，本发明是以该情况为背景而做成的，其要解决的问题在于，提供一种使用在搅拌摩擦焊接时被认为是难焊接材料的铝合金制铸件、2000系铝合金材料、4000系铝合金材料、5000系铝合金材料以及7000系铝合金材料中的同种或不同种材质的两件材料、并在利用具有两个轴肩构件的旋转工具对这些材料进行搅拌摩擦焊接时、能够有利于获得具有无焊接缺陷的完好的焊接部的焊接产品的方法。
用于解决问题的方案
而且，在本发明中，为了解决这种问题，其主旨在于提供一种搅拌摩擦焊接方法，其中，一边利用旋转工具的在杆状的搅拌针的轴向上隔开预定的间隔地配置的两个轴肩构件对从包括铝合金制铸件、2000系铝合金材料、4000系铝合金材料、5000系铝合金材料以及7000系铝合金材料的组中选定的同种或不同种材质的第一构件与第二构件之间的焊接部位进行挤压，一边通过该旋转工具的旋转，使与这两个轴肩构件一起旋转的所述搅拌针沿焊接方向进行移动，从而对所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位进行搅拌摩擦焊接，此时，在所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位的焊接开始端侧的端面抵接由1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的开始引板，所述旋转工具的搅拌针经由该开始引板进入到该第一构件与该第二构件之间的所述焊接部位。
另外，根据基于该本发明的搅拌摩擦焊接方法的期望的技术方案之一，所述开始引板是在所述旋转工具对所述第一构件及所述第二构件进行焊接的焊接方向上具有所述轴肩构件的直径的4倍以上的长度、并且在与该焊接方向成直角的方向上具有该轴肩构件的直径的两倍以上的宽度的板材。
另外，根据基于该本发明的搅拌摩擦焊接方法的期望的其他技术方案之一，所述旋转工具的搅拌针的直径设为所述开始引板的厚度的两倍以上。
而且，除了例如将所述第一构件与所述第二构件对接、并针对该对接部位实施基于本发明的搅拌摩擦焊接方法之外，还将所述第一构件与所述第二构件叠合、并针对该叠合部位实施基于本发明的搅拌摩擦焊接方法。
进而，作为在本发明中优选使用的旋转工具，一般来说，有将所述两个轴肩构件以隔开预定的间隔的方式相对于所述搅拌针固定地安装而成的双轴肩工具，或者有将所述两个轴肩构件中的一者相对于所述搅拌针固定、并将所述两个轴肩构件中的另一者设为能够相对于所述搅拌针沿该搅拌针的轴向移动，从而能够改变这两个轴肩构件的间隔的自适应工具。
而且，在本发明中，宜追加采用如下结构：将由1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的结束引板抵接于所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位的焊接结束端侧的端面，所述旋转工具的搅拌针被从所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位引导至该结束引板后结束所述搅拌摩擦焊接。
另外，在这样的本发明中追加采用的结构中，期望的是，所述结束引板是在所述旋转工具对所述第一构件及所述第二构件进行焊接的焊接方向上具有所述轴肩构件的直径的4倍以上的长度、并且在与该焊接方向成直角的方向上具有该轴肩构件的直径的两倍以上的宽度的板材。
另外，这种结束引板宜设为所述旋转工具的搅拌针的直径的1/2以下的厚度。
发明的效果
这样，在本发明中，在使用具备两个轴肩构件的旋转工具对搅拌摩擦焊接并不容易的预定的铝材料的焊接部位进行搅拌摩擦焊接时，在该焊接部位的焊接开始端侧的端面抵接金属的搅拌较容易的、由日本JIS标准的1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的开始引板，使旋转工具的搅拌针经由该开始引板进行移动而进入到焊接部位，因此伴随着搅拌摩擦焊接的开始，在开始引板部位，容易实现金属的朝向在旋转工具的相对的行进方向上比旋转工具靠后方侧的流动，于是，旋转工具在有效地进行了这种金属向旋转工具的后方侧的蔓延的状态下向搅拌摩擦焊接并不容易的预定的铝材料的被焊接部位移动。
而且，在该搅拌摩擦焊接并不容易的预定的铝材料的被焊接部位，也接着利用这种旋转工具的搅拌针来进行摩擦搅拌，从而金属在该旋转工具的相对的行进方向上也有效地蔓延到后方侧，因此，在形成于旋转工具的后方侧的焊接部(接头部)处，不会形成由金属的填充不足导致的空腔，而且也不会产生未焊接部位、不完全焊接部位等焊接缺陷，能够有效地进行搅拌摩擦焊接操作。而且，由此，能够有利于获得具有避免了孔、焊接缺陷的产生的完好的焊接部的焊接产品，而且，通过这样有效地改善金属的搅拌并不容易的预定的铝材料的焊接部位处的、金属的流动性，也能够有利于解决多余的金属被向焊接部位的表面压出而成为毛刺这样的问题。
附图说明
图1是表示基于本发明的搅拌摩擦焊接方法中的焊接开始前的焊接开始端侧的一个形态的立体说明图。
图2是表示旋转工具在基于本发明的搅拌摩擦焊接方法中的焊接开始端侧的一个移动形态的平面说明图。
图3是表示基于本发明的搅拌摩擦焊接方法中的焊接结束端侧的一例子的形态的立体说明图。
图4是表示用于搅拌摩擦焊接的旋转工具在图3所示的焊接结束端侧的一个移动形态的平面说明图。
图5是表示在本发明中使用的旋转工具的一例子的纵剖面说明图，图5的(a)是双轴肩工具的一例子的纵剖面说明图，图5的(b)是自适应工具的一例子的纵剖面说明图。
图6是表示能够应用本发明的、搅拌摩擦焊接方法的另一例子的立体说明图。
具体实施方式
以下，为了更加具体地明确本发明，参照附图详细说明本发明的搅拌摩擦焊接方法的结构。
首先，在图1中示出了实施基于本发明的搅拌摩擦焊接方法时的焊接开始端侧的一个形态。在此，第一构件2与第二构件4在它们的板状部进行对接，针对该对接部6实施搅拌摩擦焊接操作，从而对该第一构件2及第二构件4进行线焊接，能够获得一体的焊接产品。
在此，作为被焊接材料的第一构件2及第二构件4各自都是由作为难焊接材料的铝合金制铸件、日本JIS中的铝合金名称为2000系(Al－Cu系)、4000系(Al－Si系)、5000系(Al－Mg系)以及7000系(Al－Zn－Mg系)的铝合金材料中的任一者构成的构件，该第一构件2及第二构件4彼此既可以是同种的材质，也可以是不同种材质，丝毫没有影响。另外，作为铝合金制铸件，使用有如下的铸件：利用通常的铸造法对在日本JIS名称中用在AC的后面标注数字和字母而成的符号表示的铝合金进行铸造而得到的具有板状部的铸件、使用在日本JIS名称中用在ADC的后面标注数字而成的符号表示的铝合金进行压力铸造而得到的具有板状部的铸件等。另外，上述2000系、4000系、5000系或7000系的铝合金材料分别在轧制板材、挤压材料等、具有板状部的各种形变材料的形态下进行使用。
而且，为了对成为该第一构件2与第二构件4之间的焊接部位的对接部6进行搅拌摩擦焊接，使用了如图1所示的旋转工具10。即，该旋转工具10是具有与以往相同的构造的双轴肩类型的工具，特别是在此，该旋转工具10是具有同一直径D的上侧轴肩构件12与下侧轴肩构件14在隔开预定距离地同轴相对的形态下利用杆状的搅拌针16相连结、且能够绕轴心一体旋转而成的工具。因而，一边利用该上侧轴肩构件12的上侧轴肩面12a与下侧轴肩构件14的下侧轴肩面14a从上下方向挤压第一构件2与第二构件4之间的对接部6，一边使旋转的搅拌针16进入到对接部6内，从而使该对接部6的金属摩擦搅拌流动，使这两个构件2、4能够相互焊接在一起。
可是，使用这种双轴肩类型的旋转工具10，若欲使其搅拌针16直接进入到该第一构件2与第二构件4之间的对接部6内，使其向对接部6所延伸的方向(焊接方向)移动而进行线焊接，则由于该第一构件2及第二构件4的材质是金属的流动性对于摩擦搅拌作用并不充分的铝合金，因此在搅拌摩擦焊接的开始端侧的部位，金属向旋转工具10的相对的行进方向上的后方侧的蔓延或者供给并不充分，在此，引起了并不存在金属的空隙，从而产生了未填充有金属的孔形态或非焊接形态的焊接缺陷部，难以形成完好的焊接部，而且流动性较差的金属被向材料的表面侧压出，在焊接部处产生明显的毛刺。
因此，在本发明中，为了谋求消除这种搅拌摩擦焊接中的、焊接开始端部位处的焊接缺陷、抑制焊接部处的明显的毛刺的产生，如图1所示，使用由金属在摩擦搅拌的作用下易于流动的特定的铝合金材质构成的材料作为开始引板20，并将其抵接配置于第一构件2与第二构件4之间的被焊接部位(对接部6)的焊接开始端侧的端面，双轴肩类型的旋转工具10的搅拌针16经由该开始引板20进入到该第一构件2与第二构件4之间的被焊接部位(对接部6)，并沿焊接方向进行移动，从而对该对接部6进行线焊接。
在此，作为这种抵接于焊接开始端侧的端面的开始引板20，以适当的形状及尺寸使用了由作为日本JIS名称的铝合金的1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的构件，但是一般来说，优选使用呈如图所示的矩形形状的构件。另外，制成该开始引板20的上述特定的铝合金均在摩擦搅拌时显示出金属的良好的流动性，因此旋转工具10从这种材质的开始引板20开始进行搅拌摩擦焊接操作，横穿该开始引板20，然后进入到第一构件2与第二构件4之间的对接部6，从而在旋转工具10移动时，开始引板20的金属容易向旋转工具10的行进方向(焊接方向)后方侧流动并蔓延而填充该后方侧，由此，旋转工具10在完全不会引起未存在金属的缺陷部的情况下进行移动，并进一步进入到第一构件2与第二构件4之间的对接部6。
在图2中示出了旋转工具10一边进行摩擦搅拌、一边从开始引板20移动到对接部6的形态，在此，旋转工具10一边绕轴线旋转，一边从开始引板20的与第一构件2及第二构件4所在侧相反的一侧的端部进入到开始引板20内，进行摩擦搅拌，一边朝向第一构件2与第二构件4之间的对接部6相对地前进移动。即，通过将开始引板20的端部压入到旋转工具10的上侧轴肩构件12的上侧轴肩面12a与下侧轴肩构件14的下侧轴肩面14a之间的间隙(参照图1)内，从而使搅拌针16进入到开始引板20内，然后，由于两个轴肩构件12、14的轴肩面12a、14a之间的形成得比开始引板20的板厚窄一定程度的间隙，开始引板20一边受到这两个轴肩构件12、14所引起的挤压作用，一边通过两个轴肩构件12、14与搅拌针16的旋转而被摩擦搅拌。而且，在这种开始引板20的摩擦搅拌中，即使使旋转工具10朝向对接部6进行相对移动，由于开始引板20被设为金属的流动性良好的预定的铝合金材质，因此金属也容易向旋转工具10的移动方向后方侧蔓延，不会出现在此产生未填充有金属的缺陷部这样的情况，而形成完好的摩擦搅拌部。
然后，在旋转工具10通过开始引板20，到达第一构件2与第二构件4之间的对接部6，针对该对接部6的焊接开始端开始由旋转工具10的两个轴肩构件12、14与搅拌针16的旋转引起的摩擦搅拌时，在旋转工具10的移动方向后方侧填充有自开始引板20产生的金属，在此，由于丝毫的空隙都不存在，因此自第一构件2及第二构件4产生的金属随着两个轴肩构件12、14与搅拌针16的旋转而被有效地向旋转工具10的移动方向后方侧引导，由此，即使进入到第一构件2与第二构件4之间的对接部6内，也能够继续向旋转工具10的移动方向后方侧有效地填充金属，能够有效地阻止在此产生金属填充不足的缺陷部，从而形成完好的搅拌摩擦焊接部(接头部)8。而且，即使在这样的第一构件2与第二构件4之间的对接部6的搅拌摩擦焊接中，通过实现金属的有效的填充，也能够有利于抑制或阻止金属向搅拌摩擦焊接部8的周缘喷出而产生毛刺。
另外，一般来说，被实施该搅拌摩擦焊接操作的第一构件2与第二构件4在其板状部的相同板厚t的部位进行对接，形成对接部6，而且对于与第一构件2及第二构件4这两者的成为这样的对接部6的焊接开始端侧的端面相抵接的开始引板20的厚度Ts，也构成为与该对接部6的板厚t大致相等。另外，该开始引板20的尺寸以能够达到本发明的目的的方式适当地选定，如图1所示，期望的是，该开始引板20在第一构件2及第二构件4这两者的焊接方向、即对接部6的延伸方向上的长度Ls一般设为旋转工具10的轴肩构件12、14的直径D、换言之各个轴肩面12a、14a的直径的4倍以上的长度，而且，期望的是，该开始引板20在与这样的焊接方向上的长度Ls成直角的方向上的长度、即宽度Ws设为旋转工具10的轴肩构件12、14的直径D的两倍以上的尺寸。以满足该长度Ls与宽度Ws的条件的方式适当地选定开始引板20的大小、形状。而且，期望的是，旋转工具10的搅拌针16的直径d设为开始引板20的厚度Ts的两倍以上，由此，能够更有利于进行基于本发明的搅拌摩擦焊接操作。
另外，在此，旋转工具10的轴肩构件12、14成为具有相同直径的构件，但是也能够使这些构件的直径相差一定程度，在该情况下，期望的是，使上侧轴肩构件12的直径大于下侧轴肩构件14的直径，而且上述轴肩构件12、14的直径D采用轴肩面的直径较大一者的直径。另外，该轴肩构件12、14的直径D一般设为比搅拌针16的直径d至少大4mm以上的尺寸。而且，在如上所述使轴肩构件12、14的直径不同的情况下，其较小一者的轴肩构件14的直径被设定为不小于搅拌针16的直径d加上2mm后的值。
可是，如上所述，在金属的摩擦搅拌并不容易的第一构件2与第二构件4之间的对接部6的搅拌摩擦焊接中，金属易于粘着于旋转工具10的搅拌针16的周围，因此，在由于搅拌摩擦焊接操作的结束而自对接部6脱离的旋转工具10的轴肩面12a、14a、搅拌针16的周围，金属附着或者凝结，其去除花费工夫，因此，宜采用如下结构：在搅拌摩擦焊接的结束端侧，如图3所示，也配置有由与前面的开始引板20相同的铝合金材质构成的板状的结束引板22，将旋转工具10的搅拌针16从对接部6引导至该结束引板22，而结束搅拌摩擦焊接。
即，作为结束引板22，使用了由分别作为日本JIS名称的铝合金的、1000系(纯铝系)铝合金、3000系(Al－Mn系)铝合金、6000系(Al－Mg－Si系)铝合金或8000系铝合金构成的板材，在其同第一构件2与第二构件4之间的对接部6(被焊接部位)的焊接结束端侧的端面相抵接的状态下，旋转工具10的搅拌针16被引导到结束引板22，从而在该旋转工具10的搅拌针16的周围等凝结的金属于在结束引板22上移动的期间被去除。
总之，如图4所示，旋转工具10一边在其上侧轴肩构件12与下侧轴肩构件14之间挤压第一构件2与第二构件4之间的对接部6，一边相对于第一构件2及第二构件4沿着对接部6进行相对移动，从而对该对接部6进行搅拌摩擦焊接，此后，旋转工具10从对接部6的结束端进入到结束引板22，使旋转工具10保持原来的状态进行旋转，一边对结束引板22的金属进行摩擦搅拌，一边通过该结束引板22，从而在第一构件2与第二构件4之间的对接部6的搅拌摩擦焊接操作中凝结在旋转工具10的搅拌针16的周围等的金属在通过结束引板22时的金属的搅拌的作用下被有效地去除。然后，由此，在自结束引板22脱离并向外侧取出的旋转工具10中，几乎不存在附着的金属，因此，不必实施自旋转工具10去除金属的麻烦的操作，而且能够进行将这样的旋转工具10直接用于下一个搅拌摩擦焊接操作这样的、重复的使用。
另外，该结束引板22的尺寸为了能够达到其配置目的而适当地选定，一般来说，采用与上述开始引板20相同的尺寸。即，构成为，在图3中，结束引板22的焊接方向上的长度Le设为旋转工具10的轴肩构件12、14的直径D的4倍以上，而且结束引板22在与焊接方向成直角的方向上的宽度We为轴肩构件12、14的直径D的两倍以上。而且，构成为，该结束引板22的厚度Te为旋转工具10的搅拌针16的直径d的1/2以下。通过使用这种尺寸的结束引板22，能够有效地去除附着于旋转工具10的来自第一构件2及第二构件4的金属。
另外，作为如上所述在搅拌摩擦焊接操作中使用的旋转工具10，能够适当地使用能够一边利用在杆状的搅拌针的轴向上隔开预定的间隔配置的两个轴肩构件12、14挤压第一构件2与第二构件4之间的对接部(被焊接部位)6、一边通过该旋转工具的旋转而进行搅拌摩擦焊接的、公知的各种旋转工具，例如，如图5的(a)所示，使用有所谓的双轴肩工具10，其是上侧轴肩构件12与下侧轴肩构件14在隔开预定的间隔相对的形态下，利用搅拌针16同轴连结固定而成的构造的工具。在此，下侧轴肩构件14螺纹结合于搅拌针16，限定了搅拌针16的长度，并且进一步利用螺纹结合的固定螺母18进行固定以使得下侧轴肩构件14不会移动。而且，此外，如图5的(b)所示，也能够使用所谓的自适应工具11，其是形成为如下构造的工具：搅拌针17同轴固定于两个轴肩构件中的下侧轴肩构件15，并且，搅拌针17能够相对于上侧轴肩构件13沿搅拌针17的轴向进行移动，而能够改变该上侧轴肩构件13与下侧轴肩构件15之间的间隔。
另外，该两个轴肩构件12、14之间的间隙(搅拌针16的长度)、该两个轴肩构件13、15之间的间隙(搅拌针17的长度)以能够对成为焊接部位的对接部6施加合适的挤压作用的方式构成为比该对接部6(开始引板20)的厚度小一定程度。另外，在自适应工具11中，上侧轴肩构件13与下侧轴肩构件15沿同一方向进行旋转，除此之外，也可以沿不同方向旋转，丝毫没有关系。而且，使用了像该双轴肩工具10、自适应工具11这样的基于本发明的旋转工具10的搅拌摩擦焊接操作宜在焊接部位的厚度、例如第一构件2及第二构件4的厚度t一般为2mm以上的情况下采用。另外，在本发明中，该第一构件2及第二构件4的厚度t的上限一般设为10mm左右。
另外，在上述实施方式中，针对第一构件2与第二构件4之间的对接部6实施搅拌摩擦焊接操作，将这些构件2、4线焊接在一起，但是如图6所示，针对将用于制成中空构造体30的呈帽子状截面形状的上侧构件32(第一构件)的板状的凸缘部32a与呈帽子状截面形状的下侧构件34(第二构件)的板状的凸缘部34a叠合、并对其叠合部位36实施搅拌摩擦焊接操作的方式，也能够应用本发明。而且，在此，在具有与叠合部36相同程度的厚度的开始引板24抵接保持于这些板状凸缘部32a、34a的叠合部36的侧面而成的状态下，旋转工具10通过这样的开始引板24，并被向这些板状凸缘部32a、34a的叠合部36引导，然后，沿该叠合部36的延伸方向进行搅拌摩擦焊接。因而，旋转工具10一边绕其轴心旋转，一边从开始引板24进入到叠合部36，然后，成直角地转换方向，沿叠合部36的延伸方向相对移动，并进行搅拌摩擦焊接，但是此时，由于按照本发明经由开始引板24对叠合部36进行搅拌摩擦焊接，因此与前面的实施方式的情况相同地有利于形成完好的搅拌摩擦焊接部38。
而且，在该图6所示的实施方式中，开始引板24抵接于凸缘部32a、34a的叠合部36的宽度方向上的侧面，但是也能够将开始引板24抵接于该叠合部36的长度方向上的端面，从该开始引板24沿叠合部36的延伸方向，利用旋转工具10呈直线地实施搅拌摩擦焊接操作，在该情况下，也能够享受到相同的效果。
另外，通过如上所述那样进行搅拌摩擦焊接，能够获得搅拌摩擦焊接部8、38的完好性优异的焊接产品，但是另外，在这种焊接产品中，开始引板20在被摩擦搅拌的金属的作用下粘着于焊接产品的焊接开始端侧，而且根据情况，在焊接结束端侧也粘着有结束引板22。但是，该开始引板20、结束引板22能够简单地机械折取，因此，能够容易地实现具有完好的焊接部8的焊接产品，但是根据进一步需要，在本发明中还宜采用如下方法：在去除了这种引板20、22之后，利用研磨机等切削机切削去除粘着于第一构件2及第二构件4这两者的端面的金属，对端面进行精加工。
而且，通过在利用如上所述的搅拌摩擦焊接方法获得的焊接产品中消除焊接缺陷，本发明能够有利于适用于例如对板材、挤压材料等形变材料、铸件进行焊接而制造大型材料的技术，另外，如此获得的焊接产品能够有利于采用为铁道车辆骨架体、汽车的副车架等结构构件等而发挥其特征。
实施例
以下，示出本发明的实施例，更加具体地明确本发明，但是当然本发明也并不因这样的实施例的记载而受到丝毫限制。另外，在本发明中，应该理解为除了以下实施例以外，而且除了上述具体的结构以外，只要不脱离本发明的主旨，就能够根据本领域技术人员的知识施加各种变更、修改、改进等。
－实施例1－
使用具有板厚t：2.8mm～9.2mm、板宽：300mm、长度：5000mm的尺寸的、下述表1～表2所示的各种铝材质的板状的第一构件2和第二构件4，使这些构件的在板宽方向上相对的侧面对接，并将它们分别固定、保持于以间隙位于该对接部6的下方的方式设置间隙而成的工作台上。另外，在该对接的两个构件2、4的对接部6的焊接开始端侧的端部，使用如下述表1～表2所示的、具有板厚Ts、焊接方向长度Ls以及与焊接方向成直角的方向上的宽度Ws的各种铝材质的板状的开始引板20，如图1所示进行对接，并与前面的两个构件2、4相同地固定、保持于工作台上。
另一方面，作为旋转工具10，使用下述表1～表2所示的、具备两个轴肩构件12、14的直径D、两个轴肩面12a、14a之间的搅拌针16的长度以及搅拌针16的直径d的、如图5的(a)所示的双轴肩工具，在下述表1～表2所示的转速和焊接速度的条件下，如图2所示，将开始引板20的端部向双轴肩工具10的两个轴肩面12a、14a之间压入，并使双轴肩工具10朝向对接部6进行移动，从而一边沿开始引板20的长度方向对其进行摩擦搅拌一边通过开始引板20，此后，进入到两个构件2、4的对接部6，使双轴肩工具10进一步向该对接部6的延伸方向进行移动，从而对该对接部6实施搅拌摩擦焊接。
对于如此获得的第一构件2及第二构件4与开始引板20的各种铝材质的材料的组合中的各种搅拌摩擦焊接产品，分别实施拉伸剪切试验，调查接头强度。具体地说，调查断裂材质与断裂位置，并且以断裂强度较小一者的材质为基准求出接头效率。将这些结果示出在下述表1和表2中。
[表1]
※HAZ:热影响部
[表2]
※HAZ:热影响部
如该表1和表2的结果明确所示，发现了：像FSW试验例1～11那样，在利用双轴肩工具10对从包括铝合金制铸件、2000系铝合金材料、4000系铝合金材料、5000系铝合金材料以及7000系铝合金材料的组中选定的同种或不同种材质的第一构件2与第二构件4之间的对接部位6进行搅拌摩擦焊接时，抵接由1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的板材来作为开始引板20，双轴肩工具10的搅拌针16经由该开始引板进入到两个构件2、4之间的对接部位6，从而能够获得无焊接缺陷、而且较少产生毛刺的完好的焊接部。
与此相对，明确可知，像FSW试验例12～22那样，在未使用开始引板20的情况下、或者虽然使用开始引板20但将与两个构件2、4相同种类的铝材质的板材等作为开始引板的情况下，产生了两个构件2、4的搅拌摩擦焊接自身无法进行、或者在焊接部位产生了间隙或断裂部等缺陷部、或者还明显产生了毛刺等的问题，无法获得完好的焊接部。
－实施例2－
使用两张板厚t：4.0mm、板宽：300mm、长度：5000mm、材质：5454－O的铝轧制板材作为第一构件2及第二构件4，将这些构件沿宽度方向进行对接，并将其分别固定、保持于以间隙位于该对接部6的下方的方式设置间隙而成的工作台上。然后，将由具有下述表3所示的各种焊接方向长度Ls和与其成直角的方向的宽度方向长度Ws的、板厚Ts：4.0mm、铝材质：1200构成的开始引板20对接于这两张板材2、4的对接部6的焊接开始端侧的端部，与两张板材2、4相同地分别将其固定、保持。
接着，作为旋转工具，使用除将上侧轴肩面12a与下侧轴肩面14a之间的距离、即搅拌针16的轴向长度变更为3.7mm以外、具有与实施例1相同的尺寸的双轴肩工具10，实施与实施例1相同的搅拌摩擦焊接操作，并将其结果一并示出在下述表3中。
[表3]
如该表3的结果明确所示，通过将开始引板20的焊接方向长度Ls设为双轴肩工具10的轴肩构件12、14的直径D的4倍以上的长度，并且将开始引板20的与焊接方向成直角的方向上的宽度Ws设为该轴肩构件12、14的直径D的两倍以上，能够有利于提高搅拌摩擦焊接部8的完好性。
－实施例3－
与实施例1中的FSW试验例1～20相同地开始搅拌摩擦焊接操作，另一方面，将具有下述表4～表5所示的、焊接方向长度Le、与焊接方向成直角的方向上的宽度We以及板厚Te的各种铝材质的板状的结束引板22抵接于两张板材2、4的对接部6的焊接结束端侧的端面，在该对接部6整个长度上移动后的双轴肩工具10如图4所示那样被从对接部6的末端向结束引板22引导，接着，在沿焊接方向在该结束引板22上进行了引导之后，结束搅拌摩擦焊接。然后，对这种搅拌摩擦焊接结束时的双轴肩工具10处的金属的附着程度进行观察，另一方面，直接使用这种搅拌摩擦焊接操作结束后的双轴肩工具10，再次实施相同的搅拌摩擦焊接操作，并求出该第2次搅拌摩擦焊接操作的成功率，将其结果一并示出在下述表3中。另外，在评价金属的附着程度时，采用了“○：几乎没有发现金属附着；△：发现有金属附着；×：金属的附着明显”这样的基准。
[表4]
[表5]
如该表4和表5的结果明确所示，确认了：像FSW试验例31～41这样，作为结束引板22的材质，使用1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金，从而能够有效地抑制或阻止金属向双轴肩工具10的凝结，因此，能够将搅拌摩擦焊接操作结束后的双轴肩工具10接着用于接下来的两个构件2、4的搅拌摩擦焊接操作。
－实施例4－
在所述实施例3中的FSW试验例31的搅拌摩擦焊接操作中，除了使第一构件2及第二构件4的板厚t和开始引板20的板厚Ts发生变化、并且使结束引板22的焊接方向长度Le和与其成直角的方向上的宽度We的尺寸如下述表6所示那样发生改变以外，与实施例3相同地实施摩擦搅拌操作，然后在双轴肩工具10通过了结束引板22之后，结束搅拌摩擦焊接操作。然后，对这种搅拌摩擦焊接操作结束后的双轴肩工具10的金属凝结状况进行观察，与实施例3相同地进行评价，将其结果一并示出在下述表6中。
[表6]
如该表6的结果明确所示，发现了：通过使结束引板22的焊接方向长度Le具有双轴肩工具10的轴肩构件12、14的直径D的4倍以上的长度，并且将结束引板22的与该焊接方向成直角的方向上的宽度We设为轴肩构件12、14的直径D的两倍以上，能够有效地抑制或阻止金属向双轴肩工具10的凝结。
附图标记说明
2第一构件；4第二构件；6对接部；8搅拌摩擦焊接部；10旋转工具(双轴肩工具)；11自适应工具；12、13上侧轴肩构件；14、15下侧轴肩构件；12a上侧轴肩面；14a下侧轴肩面；16、17搅拌针；18固定螺母；20、24开始引板；22结束引板；30中空构造体；32上侧构件；32a、34a凸缘部；34下侧构件；36叠合部。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，
一边利用旋转工具的在杆状的搅拌针的轴向上隔开预定的间隔地配置的两个轴肩构件对从包括铝合金制铸件、2000系铝合金材料、4000系铝合金材料、5000系铝合金材料以及7000系铝合金材料的组中选定的同种或不同种材质的第一构件与第二构件之间的焊接部位进行挤压，一边通过该旋转工具的旋转，使与这两个轴肩构件一起旋转的所述搅拌针沿焊接方向进行移动，从而对所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位进行搅拌摩擦焊接，此时，
在所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位的焊接开始端侧的端面抵接由1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的开始引板，所述旋转工具的搅拌针经由该开始引板进入到该第一构件与该第二构件之间的所述焊接部位。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
所述开始引板是在所述旋转工具对所述第一构件及所述第二构件进行焊接的焊接方向上具有所述轴肩构件的直径的4倍以上的长度、并且在与该焊接方向成直角的方向上具有该轴肩构件的直径的两倍以上的宽度的板材。
3.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
所述旋转工具的搅拌针的直径是所述开始引板的厚度的两倍以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
将所述第一构件与所述第二构件对接，针对该对接部位实施所述搅拌摩擦焊接。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
将所述第一构件与所述第二构件叠合，针对该叠合部位实施所述搅拌摩擦焊接。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
所述旋转工具是将所述两个轴肩构件以隔开预定的间隔的方式相对于所述搅拌针固定地安装而成的双轴肩工具。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
所述旋转工具是将所述两个轴肩构件中的一者相对于所述搅拌针固定、并将所述两个轴肩构件中的另一者设为能够相对于所述搅拌针沿该搅拌针的轴向移动，从而能够改变这两个轴肩构件的间隔的自适应工具。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
将由1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的结束引板抵接于所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位的焊接结束端侧的端面，所述旋转工具的搅拌针被从所述第一构件与所述第二构件之间的焊接部位引导至该结束引板后结束所述搅拌摩擦焊接。
9.根据权利要求8所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
所述结束引板是在所述旋转工具对所述第一构件及所述第二构件进行焊接的焊接方向上具有所述轴肩构件的直径的4倍以上的长度、并且在与该焊接方向成直角的方向上具有该轴肩构件的直径的两倍以上的宽度的板材。
10.根据权利要求8或9所述的搅拌摩擦焊接方法，其中，
所述结束引板设为所述旋转工具的搅拌针的直径的1/2以下的厚度。
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