JP2002066760A - Joining method of metal and joining device - Google Patents

Joining method of metal and joining device

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JP2002066760A
JP2002066760A JP2000263842A JP2000263842A JP2002066760A JP 2002066760 A JP2002066760 A JP 2002066760A JP 2000263842 A JP2000263842 A JP 2000263842A JP 2000263842 A JP2000263842 A JP 2000263842A JP 2002066760 A JP2002066760 A JP 2002066760A
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metal
joining
metal member
rotary tool
tip
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JP2000263842A
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Japanese (ja)
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Seiji Nomura
誠治 野村
Toshiyuki Gendo
俊行 玄道
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify a deburring process after joining of a metal member. SOLUTION: In a joining device of metal where the first metal member W1 and the second metal member W2 are lapped and joined by a frictional agitation in non-melted state, a rotational member 1, which processes a surface part where the joining part of the second metal member W2 corresponds to the first metal member W1 while rotating, and a removal measure 1b, which removes a burr generated at the peripheral of the rotation member 1 in the first metal member, are provided. The joining device is equipped with control measure to control the rotational member 1 to join the first and second metal member W1, W2 by a frictional agitation at the joining part of the first and second metallic member W1, W2, using the rotational member 1 and the removal measure 1b.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
製鋳物や板材等の金属の接合方法及び接合装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for joining metals such as aluminum alloy castings and sheet materials.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の接合技術は、板材や予め3次元形
状にプレス成形された金属部材を重ね合わせ、電気抵抗
溶接やアーク溶接、接着剤、ボルト締結、リベット等に
よって接合している。
2. Description of the Related Art In the conventional joining technique, a sheet material or a metal member which has been previously press-formed into a three-dimensional shape is overlapped and joined by electric resistance welding, arc welding, adhesive, bolt fastening, rivets, or the like.

【0003】そして、金属部材が複雑な3次元形状の場
合、複数点在する接合部分に対して局所的に接合できる
スポット溶接が用いられる。
[0003] When the metal member has a complicated three-dimensional shape, spot welding that can be locally joined to a plurality of joints is used.

【0004】また、他の接合技術として、非溶融の状態
で摩擦撹拌する接合方法が特許第2712838号公報
に開示されている。この接合技術は、2つの部材を突き
合わせた接合面にプローブと呼ばれる突出部を回転させ
ながら挿入及び並進させ、接合面近傍の金属組織を摩擦
熱により可塑化させて結合するものである。
[0004] As another joining technique, a joining method of friction stirring in a non-molten state is disclosed in Japanese Patent No. 2712838. In this joining technique, a projection called a probe is rotated and inserted and translated into a joining surface where two members are joined to each other, and the metal structure near the joining surface is plasticized by frictional heat and joined.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報記載の接合技術を金属部材の重ね合わせ接合に適用す
る場合、回転部材の押圧により金属部材における回転部
材の周囲にバリが発生し、部材の接合後に接合面に別途
バリ取りを行う必要があった。
However, when the joining technique described in the above publication is applied to overlap joining of metal members, burrs are generated around the rotating member in the metal member due to the pressing of the rotating member, and the joining of the members is performed. Later, it was necessary to perform deburring separately on the bonding surface.

【0006】本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その
目的は、金属部材の接合後のバリ取り工程を簡略化でき
る金属の接合方法及び接合装置を提供することである。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a metal bonding method and a metal bonding apparatus which can simplify a deburring step after bonding a metal member.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の金属の接合方法は、第1
金属部材と第2金属部材とを重ね合わせて、非溶融の状
態で摩擦により撹拌させて接合する金属の接合方法にお
いて、前記第1金属部材における前記第2金属部材との
接合部分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、前記
回転部材の回転により、前記第1及び第2金属部材の接
合部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させ、前記回転
部材の回転及び押圧により該第1金属部材における該回
転部材の周囲に発生するバリを除去しつつ、該第1及び
第2金属部材を接合する。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, a method of joining metals according to the present invention comprises the following steps.
In a metal joining method in which a metal member and a second metal member are overlapped and agitated by friction in a non-molten state and joined, a surface corresponding to a joint portion of the first metal member with the second metal member is provided. The rotating member is pressed against the portion, and the rotation of the rotating member causes the joint portion of the first and second metal members to be stirred by friction in a non-molten state, and the rotation and pressing of the rotating member cause the first metal member to rotate. The first and second metal members are joined together while removing the burrs generated around the rotating member in the above.

【0008】また、好ましくは、前記回転部材の先端が
平面状に形成されている。
[0008] Preferably, a tip of the rotating member is formed in a flat shape.

【0009】また、好ましくは、前記回転部材の外周に
は、該回転部材の先端に対して段差を形成するバリ除去
手段が設けられている。
Preferably, a flash removing means for forming a step with respect to the tip of the rotary member is provided on the outer periphery of the rotary member.

【0010】本発明の金属の接合装置は、第1金属部材
と第2金属部材とを重ね合わせて、非溶融の状態で摩擦
により撹拌させて接合する金属の接合装置において、前
記第1金属部材における前記第2金属部材との接合部分
に相当する表面部位を回転しながら押圧する回転部材
と、前記回転部材に同期して、該回転部材の押圧により
該第1金属部材における該回転部材の周囲に発生するバ
リを除去する除去手段と、前記回転部材により、前記第
1及び第2金属部材の接合部分を非溶融の状態で摩擦に
より撹拌させて、該第1及び第2金属部材を接合するよ
う前記回転部材を制御する制御手段とを具備する。
The metal joining apparatus according to the present invention is a metal joining apparatus in which a first metal member and a second metal member are overlapped with each other and joined by stirring in a non-molten state by friction. A rotating member that presses while rotating a surface portion corresponding to a joint portion with the second metal member in the above, and a periphery of the rotating member in the first metal member that is pressed by the rotating member in synchronization with the rotating member. The first and second metal members are joined by frictionally agitating the joining portion of the first and second metal members in a non-molten state by a removing means for removing burrs generated on the substrate and the rotating member. Control means for controlling the rotating member.

【0011】[0011]

【発明の効果】以上説明のように、請求項1、4の発明
によれば、第1金属部材における第2金属部材との接合
部分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、回転部材
の回転により、第1及び第2金属部材の接合部分を非溶
融の状態で摩擦により撹拌させ、回転部材の回転及び押
圧により第1金属部材における回転部材の周囲に発生す
るバリを除去しつつ、第1及び第2金属部材を接合する
ことにより、金属部材の接合後のバリ取り工程を簡略化
できる。
As described above, according to the first and fourth aspects of the present invention, the rotating member is pressed against the surface of the first metal member corresponding to the joint portion with the second metal member. By rotating, the joining portion of the first and second metal members is agitated by friction in a non-molten state in a non-molten state, while removing burrs generated around the rotating member in the first metal member due to rotation and pressing of the rotating member, By joining the first and second metal members, the deburring step after joining the metal members can be simplified.

【0012】請求項2の発明によれば、回転部材の先端
が平面状に形成されていることにより、接合跡として穴
が残らず、工具の加工も容易で安価にできる。
According to the second aspect of the present invention, since the tip of the rotating member is formed in a flat shape, no hole remains as a joint mark, and machining of a tool can be performed easily and at low cost.

【0013】請求項3の発明によれば、回転部材の外周
には、回転部材の先端に対して段差を形成するバリ除去
手段が設けられていることにより、金属部材の接合後に
バリを押し潰すので、切り屑が発生せず、工具が安価に
できる。
According to the third aspect of the present invention, the burrs are crushed after the metal members are joined by providing the burr removing means on the outer periphery of the rotating member to form a step with respect to the tip of the rotating member. Therefore, no chips are generated and the tool can be manufactured at low cost.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0015】尚、以下に説明する実施の形態は、本発明
の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を
逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したもの
に適用可能である。
The embodiment described below is an example as a means for realizing the present invention, and the present invention can be applied to a modification or modification of the following embodiment without departing from the gist thereof. .

【0016】図1は、本発明に係る実施形態の重ね合わ
せ接合方法を説明する回転工具付近の拡大図である。
FIG. 1 is an enlarged view of the vicinity of a rotary tool for explaining an overlap joining method according to an embodiment of the present invention.

【0017】本実施形態の接合方法は、アルミニウム合
金製の板材や予め3次元形状にプレス成形された金属部
材の接合に適用され、少なくとも2枚の金属部材を重ね
合わせて、最外表面の第1金属部材W1に回転工具1を
押圧することにより、重ね合わされた第1及び第2金属
部材W1、W2間の金属組織を摩擦熱により非溶融で撹
拌して接合するものである。
The joining method of the present embodiment is applied to joining of a plate material made of an aluminum alloy or a metal member that has been press-formed into a three-dimensional shape in advance. By pressing the rotary tool 1 against the one metal member W1, the metal structure between the superposed first and second metal members W1, W2 is agitated in a non-melting manner by frictional heat and joined.

【0018】そして、非溶融で撹拌するので、電気抵抗
溶接等で発生する熱歪み等の問題を解消することができ
る。
Since the stirring is performed in a non-melting state, problems such as thermal distortion generated by electric resistance welding or the like can be solved.

【0019】ここで、非溶融で攪拌する状態とは、母材
に含有される各成分或いは共晶化合物の中で最も融点が
低いものよりもさらに低い温度下で摩擦熱により金属組
織を軟化させて攪拌することを意味する。
Here, the non-melting and stirring state means that the metal structure is softened by frictional heat at a temperature lower than the lowest melting point among the components or eutectic compounds contained in the base material. Means to stir.

【0020】図1に示すように、摩擦撹拌による接合方
法は、少なくとも2枚の金属部材W1、W2を重ね合わ
せ、先端部3が平面状の円筒状の回転工具1を、その軸
心周りに回転させながら、先端部3を最外表面の第1金
属部材W1に押し付けて、第1金属部材W1、W2を非
溶融の状態で摩擦により撹拌させて非溶融撹拌層を形成
すると共に、第2金属部材W2にまで非溶融摩擦撹拌層
を拡大して第1及び第2金属部材W1、W2を接合す
る。
As shown in FIG. 1, in the joining method by friction stirring, at least two metal members W1 and W2 are overlapped, and a cylindrical rotary tool 1 having a flat tip 3 is placed around its axis. While rotating, the tip 3 is pressed against the first metal member W1 on the outermost surface, and the first metal members W1 and W2 are stirred by friction in a non-molten state to form a non-melted stirrer layer. The first and second metal members W1, W2 are joined by expanding the non-melting friction stir layer to the metal member W2.

【0021】従来の突き合わせ接合では、プローブによ
り金属組織を軟化させ、軟化した金属組織をショルダで
抑えるのに対して、本実施形態の重ね合わせ接合では先
端部3が金属組織を軟化させ、塑性流動させる機能を有
している。
In the conventional butt joint, the metal structure is softened by the probe and the softened metal structure is suppressed by the shoulder, whereas in the lap joint of the present embodiment, the tip portion 3 softens the metal structure and causes plastic flow. It has a function to make it work.

【0022】また、第1及び第2金属部材W1、W2を
挟むように回転工具1の先端部3に対向するよう受け部
材4が配置されている。受け部材4の外径は、回転工具
1の外径以上に設計されている。
A receiving member 4 is disposed so as to face the distal end portion 3 of the rotary tool 1 so as to sandwich the first and second metal members W1 and W2. The outer diameter of the receiving member 4 is designed to be larger than the outer diameter of the rotary tool 1.

【0023】回転工具1は直径φ1が10〜15mm程
度である。回転工具1及び受け部材4は、金属部材より
も硬度の高い鋼材(超硬合金等)で形成された非摩耗型
工具であるが、金属部材は回転工具1より軟質の材質で
あれば、アルミニウム合金に限定されない。
The rotary tool 1 has a diameter φ1 of about 10 to 15 mm. The rotary tool 1 and the receiving member 4 are non-wear type tools formed of a steel material (hard metal or the like) having a higher hardness than the metal member. It is not limited to alloys.

【0024】また、図2に示すように、回転工具1は、
先端部3の略中央に凹部3aが形成されている。また、
受け部材4の先端部5の略中央にも凹部5aが形成され
ている。
As shown in FIG. 2, the rotary tool 1
A concave portion 3 a is formed substantially at the center of the tip portion 3. Also,
A recess 5 a is also formed substantially at the center of the tip 5 of the receiving member 4.

【0025】尚、回転工具1の凹部3aと受け部材4の
凹部5aとは、いずれか一方又は両方に設けることがで
きる。また、凹部3aの代わりにピン状の凸部を設ける
こともできる。
The recess 3a of the rotary tool 1 and the recess 5a of the receiving member 4 can be provided in one or both. Further, a pin-shaped convex portion may be provided instead of the concave portion 3a.

【0026】図3乃至図5は、回転工具1の先端部3の
他の形状を例示する図であり、(a)は側面図、(b)
は先端部の正面図である。
FIGS. 3 to 5 are diagrams illustrating other shapes of the distal end portion 3 of the rotary tool 1, wherein (a) is a side view and (b).
Is a front view of the tip.

【0027】図3に示す回転工具1は、先端部3が金属
部材との接触面に対して傾斜して形成され、接触面から
の高さが変化するよう構成されている。また、図4に示
す回転工具1は、先端部3の高さが周方向で相異するよ
うに、平面状の先端部3に対して、その先端中心から外
周に向けて放射状に複数の突出部(又は溝部)3bが形
成されている。また、図5に示す回転工具1は、先端部
3の高さが周方向で相異するように、平面状の先端部3
に対して、その先端中心から外周に向けて少なくとも1
つの溝部(又は突出部)3cが形成されている。
The rotating tool 1 shown in FIG. 3 has a tip 3 formed to be inclined with respect to the contact surface with the metal member, and is configured so that the height from the contact surface changes. In addition, the rotating tool 1 shown in FIG. 4 has a plurality of projections radially extending from the center of the tip toward the outer circumference so that the height of the tip 3 is different in the circumferential direction. A portion (or a groove) 3b is formed. The rotary tool 1 shown in FIG. 5 has a flat tip 3 so that the height of the tip 3 is different in the circumferential direction.
At least 1 from the center of the tip to the outer periphery.
Three grooves (or protrusions) 3c are formed.

【0028】尚、回転工具1は、先端部の周方向に凹凸
や波状が形成できればよく、例えば、図2に示す凹部3
aと図3乃至図5に示す先端部3の形状とを組み合わせ
て構成したり、図4及び図5に示す形状では、突出部と
溝部とを組み合わせて構成することもできる。突出部の
高さや溝部の深さが大きすぎる場合には、金属組織の撹
拌性が悪化するため不適である。
The rotary tool 1 only needs to be able to form irregularities or waves in the circumferential direction of the tip.
a and the shape of the distal end portion 3 shown in FIGS. 3 to 5, or the shapes shown in FIGS. 4 and 5 can be configured by combining the protrusion and the groove. If the height of the protruding portion or the depth of the groove portion is too large, the agitation of the metal structure deteriorates, which is not suitable.

【0029】回転工具1は、以下に説明する多関節ロボ
ット10のアームに回転可能に取り付られ、接合される
金属部材が複雑な3次元形状の場合、複数点在する接合
部分に対してスポット的に(局所的に)接合できるよう
構成されている。
The rotary tool 1 is rotatably mounted on an arm of the articulated robot 10 described below, and when the metal member to be bonded has a complicated three-dimensional shape, a spot is formed on a plurality of joints. It is configured so that it can be joined locally (locally).

【0030】図6は、回転工具を保持及び駆動する多関
節ロボットの概略図である。
FIG. 6 is a schematic diagram of an articulated robot that holds and drives a rotary tool.

【0031】図6に示すように、多関節ロボット10
は、ベース11に設けられた関節12に連結されてy軸
中心に揺動すると共に、関節13でz軸中心に回転する
第1アーム14と、関節15を介して第1アーム14に
連結されてy軸中心に揺動すると共に、関節16でx軸
中心に回転する第2アーム17と、関節18を介して第
2アーム17に連結されてy軸中心に揺動する第3アー
ム19とを有する。
As shown in FIG. 6, the articulated robot 10
Is connected to a joint 12 provided on a base 11 and swings about a y-axis, and is rotated by a joint 13 about a z-axis. The first arm 14 is connected to a first arm 14 via a joint 15. A second arm 17 swinging about the y-axis and rotating about the x-axis at a joint 16, and a third arm 19 connected to the second arm 17 via a joint 18 and swinging about the y-axis. Having.

【0032】第3アーム19は、回転工具1が回転可能
に取り付けられると共に、回転工具1を回転駆動するモ
ータ20と、回転工具1の先端部3に対向するよう配置
される受け部材4とを備える。回転工具1の先端部3と
受け部材4の先端部との間隔はアクチュエータ22によ
り可変となっており、接合時の金属部材に対する押圧力
や3枚以上重ね合わせた金属部材でも対応できるよう設
計されている。
The third arm 19 includes a motor 20 for rotatably mounting the rotary tool 1, a motor 20 for rotating the rotary tool 1, and a receiving member 4 arranged to face the tip 3 of the rotary tool 1. Prepare. The distance between the distal end 3 of the rotary tool 1 and the distal end of the receiving member 4 is variable by the actuator 22, and is designed so as to be able to cope with the pressing force against the metal members at the time of joining and the metal members stacked three or more. ing.

【0033】多関節ロボット10の各アーム、モータ、
アクチュエータの動作は、予めティーチングされて制御
部30がコントロールする。
Each arm, motor,
The operation of the actuator is previously taught and controlled by the control unit 30.

【0034】回転工具1の金属部材に対する押圧力は、
金属部材の総板厚や重ね合わせ枚数等に基づいて接合部
分ごとに設定され、個々の金属部材の板厚が異なる場合
にも適用できる。
The pressing force of the rotary tool 1 against the metal member is
It is set for each joint based on the total plate thickness of the metal members, the number of sheets to be superimposed, and the like, and can be applied to the case where the plate thickness of each metal member is different.

【0035】また、図7に示すように、3枚以上の第1
乃至第3金属部材W1〜W3を接合する場合には、同一
外径を有する一対の回転工具1A,1Bで金属部材を挟
み込んで接合する。この場合、図2の受け部材4に代え
て回転工具1Bを回転可能に多関節ロボット10に取り
付けて、互いに対向する回転工具1A,1Bの先端部3
A,3Bで第1乃至第3金属部材W1〜W3を挟み込み
ながら、各回転工具1A,1Bを逆回転させる。
As shown in FIG. 7, three or more first
When joining the third to third metal members W1 to W3, the metal members are sandwiched and joined by a pair of rotary tools 1A and 1B having the same outer diameter. In this case, the rotary tool 1B is rotatably attached to the articulated robot 10 in place of the receiving member 4 of FIG. 2, and the distal end portions 3 of the rotary tools 1A and 1B opposed to each other.
While rotating the first to third metal members W1 to W3 with A and 3B, the rotary tools 1A and 1B are rotated in reverse.

【0036】また、第1及び第2金属部材W1、W2の
板厚が異なる場合でも接合可能であるが、特に、薄肉側
から回転工具1を押圧させるとより撹拌しやすくなり、
均一な接合処理が実現できる。 [接合時の金属組織の塑性流動]図8は、回転工具の先
端部が平滑な場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す
図である。図9は、回転工具の先端部に凹部を形成した
場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。図
10は、回転工具の先端部に突出部又は溝部を形成した
場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
The joining can be performed even when the first and second metal members W1 and W2 have different plate thicknesses. In particular, when the rotary tool 1 is pressed from the thin side, the stirring becomes easier.
Uniform bonding processing can be realized. [Plastic Flow of Metal Structure at the Time of Joining] FIG. 8 is a diagram showing a state of plastic flow inside the metal member when the tip of the rotary tool is smooth. FIG. 9 is a diagram showing a plastic flow state inside the metal member when a concave portion is formed at the tip of the rotary tool. FIG. 10 is a diagram illustrating a plastic flow state inside the metal member when a protruding portion or a groove is formed at the tip of the rotary tool.

【0037】図8に示すように、先端部3が平滑な回転
工具1を用いた場合(受け部材4の先端部5は、説明の
便宜上平滑とする)、所定回転数で回転する回転工具1
を第1金属部材W1に略垂直に押し当てていくと、回転
工具1と第1金属部材W1との間に摩擦が生じて、その
表面が軟化して第1及び第2金属部材W1、W2間の金
属組織が非溶融の状態で回転方向に撹拌されていく。そ
して、更に回転工具1による第1金属部材W1に対する
押圧力を高めていくと、回転工具1に非接触の金属部材
W2にまで非溶融の摩擦撹拌層が拡大して、最終的に重
ね合わされた第1及び第2金属部材W1、W2が溶融さ
れることなく接合される。
As shown in FIG. 8, when the rotating tool 1 having a smooth distal end 3 is used (the distal end 5 of the receiving member 4 is smooth for convenience of explanation), the rotating tool 1 rotating at a predetermined rotation speed is used.
Is pressed substantially perpendicularly to the first metal member W1, friction occurs between the rotary tool 1 and the first metal member W1, the surface thereof is softened, and the first and second metal members W1, W2 The metal structure between them is stirred in the rotational direction in a non-molten state. When the pressing force of the rotating tool 1 against the first metal member W1 is further increased, the non-melting friction stir layer is expanded to the metal member W2 that is not in contact with the rotating tool 1, and is finally overlapped. The first and second metal members W1, W2 are joined without being melted.

【0038】図9に示すように、先端部3に凹部3aが
形成された回転工具1を用いた場合(受け部材4の先端
部5は、説明の便宜上平滑とする)には、金属組織は工
具1の回転方向に撹拌されると共に、凹部3aの直下及
び周辺で上下方向(金属部材の接合面と交差する方向)
に3次元的な縦渦の塑性流動が発生して撹拌されて、最
終的に重ね合わされた第1及び第2金属部材W1、W2
が溶融されることなく接合される。
As shown in FIG. 9, when the rotary tool 1 having the concave portion 3a formed in the distal end portion 3 is used (the distal end portion 5 of the receiving member 4 is smooth for convenience of explanation), the metal structure is While being agitated in the rotation direction of the tool 1, the vertical direction (direction intersecting the joining surface of the metal member) immediately below and around the concave portion 3a.
A three-dimensional vertical vortex plastic flow is generated and agitated, and finally the first and second metal members W1, W2 superimposed.
Are joined without being melted.

【0039】また、回転工具1の凹部3aは撹拌される
金属組織の周速が略ゼロとなる凹部内での塑性流動を促
進し、受け部材4の凹部5aを設けた場合には回転工具
1に接触しない金属部材の塑性流動を促進する。
The concave portion 3a of the rotary tool 1 promotes plastic flow in the concave portion where the peripheral speed of the metal structure to be agitated becomes substantially zero, and when the concave portion 5a of the receiving member 4 is provided, the rotary tool 1 It promotes plastic flow of metal members that do not come into contact with.

【0040】更に、図10に示すように、先端部3に突
出部(又は溝部)3bが形成された回転工具1を用いた
場合(受け部材4の先端部5は、説明の便宜上平滑とす
る)には、先端部3の放射状の凹凸により、金属組織は
工具1の回転方向に撹拌されると共に、第1金属部材W
1と第2金属部材W2との界面にて回転応じて周期的変
化する上下方向(金属部材の接合面と交差する方向)に
塑性流動が加えられ、この周期的な上下方向の流動によ
り、両金属部材の界面の拡散が促進され、最終的に重ね
合わされた第1及び第2金属部材W1、W2が溶融され
ることなく接合される。
Further, as shown in FIG. 10, when the rotary tool 1 having the protruding portion (or groove) 3b formed on the tip 3 is used (the tip 5 of the receiving member 4 is smooth for convenience of explanation). ), The metal structure is agitated in the rotational direction of the tool 1 by the radial unevenness of the tip 3 and the first metal member W
At the interface between the first metal member W2 and the second metal member W2, a plastic flow is added in a vertical direction (a direction intersecting the joining surface of the metal members) that periodically changes in accordance with the rotation. Diffusion at the interface of the metal members is promoted, and the first and second metal members W1, W2 that are finally superimposed are joined without being melted.

【0041】上述のように、回転工具1の先端部3に凹
部3aを設けた場合には、接合すべき金属組織の全てが
十分に撹拌されて、接合強度が高まるのに対して、凹部
3aを設けないで平滑な場合には、金属部材の接合面と
交差する方向への撹拌が不十分なため、接合強度は弱い
ものとなる。
As described above, when the concave portion 3a is provided in the distal end portion 3 of the rotary tool 1, all the metal structures to be joined are sufficiently stirred to increase the joining strength, whereas the concave portion 3a is provided. In the case where the metal member is smooth without being provided, the agitation in the direction intersecting with the bonding surface of the metal member is insufficient, so that the bonding strength is weak.

【0042】また、回転工具1に放射状に凹凸を形成し
た場合、凹部3aを形成した場合と比較して、回転工具
1の先端部の金属組織に対する当接状態が異なり、中央
部で撹拌される金属組織の角速度が周辺部の角速度より
小さくなるよう設定できるため、撹拌性が高いと共に、
先端部の広い範囲で回転方向及び上下方向への三次元的
な塑性流動を発生させやすいという利点がある。 [試験結果]本実施形態の接合処理では、金属部材とし
てJISで規格化された6000系鋼板(Al-Mg-Si鋼
板)を一例として用いるが、5000系鋼板(Al-Mg鋼
板)や他の金属部材でも適用可能である。
When the rotary tool 1 is formed with irregularities radially, the state of contact of the tip of the rotary tool 1 with the metal structure is different from the case where the recess 3a is formed, and the rotary tool 1 is stirred at the center. Since the angular velocity of the metal structure can be set to be smaller than the angular velocity of the peripheral part, the stirring performance is high,
There is an advantage that a three-dimensional plastic flow in the rotational direction and the vertical direction is easily generated in a wide range of the tip. [Test Results] In the joining process of the present embodiment, a 6000 series steel sheet (Al-Mg-Si steel sheet) standardized by JIS is used as an example of a metal member, but a 5000 series steel sheet (Al-Mg steel sheet) and other A metal member is also applicable.

【0043】図11は、本実施形態の非溶融摩擦撹拌に
よる接合強度試験方法を示す図である。図12は、図1
1の接合強度試験方法による結果を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a method for testing the bonding strength by non-melting friction stirring in the present embodiment. FIG.
It is a figure showing the result by the joining strength test method of No. 1.

【0044】図11の接合強度試験は、接合された第1
及び第2金属部材W1、W2を互いに相反する方向に引
張って、接合面が剥がれた時点での引張力を接合強度と
して測定している。
The joint strength test shown in FIG.
The second metal member W1 and the second metal member W2 are pulled in directions opposite to each other, and the tensile force at the time when the bonding surface is separated is measured as the bonding strength.

【0045】また、接合条件は、工具回転数が2000
rpm、回転工具1の先端部3の直径がφ10mm、押
圧保持時間は0.2mm押し込み後の時間、金属部材は
6000系、板厚が1mmのものを用いた。
The joining condition is that the tool rotation speed is 2000
rpm, the diameter of the tip portion 3 of the rotary tool 1 was 10 mm in diameter, the pressing and holding time was 0.2 mm, the time after pressing, the metal member used was 6000 series, and the plate thickness was 1 mm.

【0046】図12に示すように、先端部3に凹部3a
が形成された回転工具1を用いた方が、先端部3が平滑
な工具の場合に比べて、接合強度が高くなって要求強度
を満たす。
As shown in FIG. 12, the tip 3 has a recess 3a.
The use of the rotary tool 1 on which the joints are formed increases the joining strength and satisfies the required strength as compared with a case where the tip 3 is a smooth tool.

【0047】また、先端部3が平滑な工具の場合では、
図15に示すように、破壊時に金属部材の接合面から剥
がれる剥離破断となるのに対して、先端部3に凹部3a
が形成された工具を用いた場合には、図13及び図14
に示すように、破壊時に接合面は剥がれずに、回転工具
1の周囲に対応する部分Waから破断するボタン破断と
なるため、接合強度が高いことがわかる。
When the tip 3 is a smooth tool,
As shown in FIG. 15, when the metal member is peeled off at the time of destruction, the distal end portion 3 has a concave portion 3a.
13 and FIG. 14 when the tool with
As shown in FIG. 7, the joint surface does not peel off at the time of destruction, and the button breaks from the portion Wa corresponding to the periphery of the rotary tool 1, so that the joint strength is high.

【0048】更に、図16乃至図19に示すように、先
端部3に凹部3aが形成された工具を用いて接合した場
合には、金属組織の接合界面が均一になるよう十分撹拌
されて接合されるため、接合強度が高くなる。
Further, as shown in FIGS. 16 to 19, when joining is performed using a tool having a concave portion 3a formed at the distal end portion 3, the joining is sufficiently stirred so that the joining interface of the metallographic structure becomes uniform. Therefore, the bonding strength is increased.

【0049】また、回転工具1の金属部材に対する押圧
保持時間が長いほど接合強度は高くなるが、約10秒以
上押圧保持すると、先端部3に凹部3aが形成された回
転工具1を用いた場合でも、先端部3が平滑な工具の場
合でも接合強度は略同じとなる。 [合金材料を介在させた接合]第1及び第2金属部材
は、両金属部材の間に合金材料を介在させて接合するこ
ともできる。
The longer the pressing and holding time of the rotary tool 1 against the metal member, the higher the bonding strength becomes. However, when the rotary tool 1 is pressed and held for about 10 seconds or more, when the rotary tool 1 having the concave portion 3a at the tip 3 is used. However, even when the tip 3 is a smooth tool, the joining strength is substantially the same. [Joining with an alloy material interposed] The first and second metal members can be joined with an alloy material interposed between the two metal members.

【0050】図20は、合金材料を介在させた第1及び
第2金属部材の接合方法を説明する図である。図21
は、第1及び第2金属部材の接合部分Pにおいて合金材
料が拡散していく様子を説明する図である。
FIG. 20 is a view for explaining a method of joining the first and second metal members with an alloy material interposed. FIG.
FIG. 4 is a view for explaining a state in which an alloy material is diffused at a joint portion P between the first and second metal members.

【0051】図20及び図21に示すように、例えば、
第1金属部材W1はアルミニウム合金板で、第2金属部
材W2は、合金材料としてZn−5Al層又はZn溶融
メッキ層WcがZn−Fe−Al又はZn−Fe合金層
Wdを介して形成されたFe鋼板である。Zn−5Al
層は、約95重量%のZn成分と約5重量%のAl成分
との共晶組成からなる。また、好ましくは、アルミニウ
ム合金にZn−5Al合金材料を被覆したものが最適で
ある。Zn溶融メッキ層は、一般に防錆のために金属部
材に被覆された状態で市販されている。
As shown in FIGS. 20 and 21, for example,
The first metal member W1 is an aluminum alloy plate, and the second metal member W2 has a Zn-5Al layer or a Zn hot-dip layer Wc formed as an alloy material via a Zn-Fe-Al or Zn-Fe alloy layer Wd. It is an Fe steel plate. Zn-5Al
The layer consists of a eutectic composition of about 95% by weight Zn component and about 5% by weight Al component. Preferably, an aluminum alloy coated with a Zn-5Al alloy material is most suitable. The Zn hot-dip plating layer is generally commercially available in a state of being coated with a metal member for rust prevention.

【0052】第1及び第2金属部材W1、W2を合金材
料としてのZn−5Al層又はZn溶融メッキ層Wcを
介して重ね合わせ、第1金属部材W1における第2金属
部材W2との接合部分Pに相当する表面部位に回転工具
1を押圧していくと、アルミニウム合金が摩擦により撹
拌されて塑性流動を開始する。塑性流動が促進される
と、アルミニウム合金表面の酸化被膜が破壊されて、Z
n−5Al層又はZn溶融メッキ層Wcとアルミニウム
合金とが相互に拡散してAl,Al−Zn,Zn−A
l,Fe−Zn,Feとからなる拡散層を形成し、更に
塑性流動が促進されてAl−Zn−Fe合金層Weとな
ってアルミニウム合金板W1と鋼板W2とがAl−Zn
−Fe合金層Weを介して接合される。
The first and second metal members W1 and W2 are overlapped with each other via a Zn-5Al layer or a Zn hot-dip layer Wc as an alloy material, and a joining portion P of the first metal member W1 with the second metal member W2 is formed. When the rotating tool 1 is pressed against the surface portion corresponding to the above, the aluminum alloy is stirred by friction and starts plastic flow. When plastic flow is promoted, the oxide film on the surface of the aluminum alloy is broken, and Z
The n-5Al layer or Zn hot-dip layer Wc and the aluminum alloy diffuse into each other, and Al, Al-Zn, Zn-A
1, a diffusion layer composed of Fe-Zn and Fe is formed, and further, plastic flow is promoted to form an Al-Zn-Fe alloy layer We, and the aluminum alloy sheet W1 and the steel sheet W2 are formed of Al-Zn.
-Joined via the Fe alloy layer We.

【0053】尚、Zn−5Al層又はZn溶融メッキ層
Wcが被覆されていない鋼板とアルミニウム合金板とを
接合する場合には、両部材の接合部分PにZn−5Al
層又はZn合金箔等の合金材料を別途介在させてもよ
い。また、合金材料としてZn−Alの他に、Mg−A
l合金材料を形成してもよい。
When a steel sheet not covered with the Zn-5Al layer or the Zn hot-dip layer Wc is joined to an aluminum alloy sheet, the joining part P of the two members is joined to the Zn-5Al layer.
A layer or an alloy material such as a Zn alloy foil may be separately provided. Further, in addition to Zn-Al as an alloy material, Mg-A
An alloy material may be formed.

【0054】回転工具1は、その先端部が平面状の他、
上述した様々な形状の工具を用いることができる。ま
た、先端部にプローブと呼ばれる突出部2を設けた回転
工具を用いてもよい。
The rotating tool 1 has a flat tip end,
Tools of various shapes described above can be used. Alternatively, a rotating tool having a protruding portion 2 called a probe at the tip may be used.

【0055】また、回転工具1は、第1金属部材W1と
第2金属部材W2のうち、融点の低い方から押圧して摩
擦により撹拌させる。
The rotary tool 1 is pressed from the lower melting point of the first metal member W1 and the second metal member W2 to stir by friction.

【0056】このように、アルミニウム合金と比較して
融点及び高温強度が高い鋼板よりも、少ない入熱で軟化
するアルミニウム合金側から回転工具を押圧することに
より、短時間で接合でき、工具への熱的・機械的負荷が
低減できるため、工具寿命を延長できるという利点があ
る。
Thus, by pressing the rotating tool from the aluminum alloy side, which softens with less heat input, than the steel sheet having a higher melting point and high-temperature strength than the aluminum alloy, the joining can be performed in a short time, and Since the thermal and mechanical loads can be reduced, there is an advantage that the tool life can be extended.

【0057】また、図22乃至図25に示すように、回
転工具1の金属部材への回転数は、1000rpm程度
で一定(図22、23)又はアルミニウム合金の酸化被
膜の破壊を促進させるために周期的に変化させてもよい
(図24、25)。回転数を減少させていくと接合に時
間を要するため好ましくない。
As shown in FIGS. 22 to 25, the number of rotations of the rotary tool 1 to the metal member is constant at about 1000 rpm (FIGS. 22 and 23) or in order to promote the destruction of the oxide film of the aluminum alloy. It may be changed periodically (FIGS. 24 and 25). Decreasing the number of revolutions is not preferable because it takes time for joining.

【0058】また、回転工具1の金属部材への押圧力は
一定(図22、24)又は漸増させる(図23、2
5)。押圧力を減少させていくと塑性流動が不十分とな
り、十分な接合強度は得られなくなる。
The pressing force of the rotary tool 1 against the metal member is constant (FIGS. 22 and 24) or gradually increased (FIGS. 23 and 2).
5). As the pressing force is reduced, the plastic flow becomes insufficient, and sufficient bonding strength cannot be obtained.

【0059】回転数と押圧力との関係は、金属組織が軟
化しただけ、押圧力を高くしていくことが必要となる。 [合金材料の拡散接合]図26(a)〜(d)は、Zn
−5Al層とアルミニウム合金とが相互に拡散してA
l,Al−Zn,Zn−Al,Fe−Zn,Feとから
なる拡散層を形成し、更に塑性流動が促進されてAl−
Zn−Fe合金層Weとなってアルミニウム合金板W1
と鋼板W2とがAl−Zn−Fe合金層Weを介して接
合される様子を示す図である。
As for the relationship between the number of rotations and the pressing force, it is necessary to increase the pressing force as the metal structure is softened. [Diffusion Bonding of Alloy Material] FIGS.
-5 Al layer and aluminum alloy diffuse into each other and A
A diffusion layer composed of 1, Al-Zn, Zn-Al, Fe-Zn, and Fe is formed.
The aluminum alloy plate W1 becomes the Zn—Fe alloy layer We.
FIG. 5 is a view showing a state in which a steel sheet W2 is joined to a steel sheet W2 via an Al—Zn—Fe alloy layer We.

【0060】図26(a)に示すアルミニウム合金板と
Fe鋼板とをZn−5Al層を介在させて重ね合わせた
状態から回転工具1により非溶融で摩擦撹拌されると、
図26(b)に示すようにアルミニウム合金の下層に
は、Al及びZn−5Al層からなる拡散層が形成され
Fe鋼板の上層には、Fe及びZn−5Al層からなる
拡散層が形成される。
When the aluminum alloy plate and the Fe steel plate shown in FIG. 26 (a) are superposed with the Zn-5Al layer interposed therebetween and are frictionally stirred in a non-melting manner by the rotary tool 1,
As shown in FIG. 26 (b), a diffusion layer composed of Al and Zn-5Al layers is formed below the aluminum alloy, and a diffusion layer composed of Fe and Zn-5Al layers is formed above the Fe steel plate. .

【0061】更に、撹拌により塑性流動が進んでいく
と、図26(c)に示すようにZn−5Al層のZn成
分がアルミニウム合金及びFe鋼にさらに拡散し、この
拡散反応により、Zn−5Al層のZn成分の割合は低
下(Al成分の割合が増加)していく。
Further, as the plastic flow proceeds by stirring, the Zn component of the Zn-5Al layer further diffuses into the aluminum alloy and the Fe steel as shown in FIG. 26 (c), and the Zn-5Al The ratio of the Zn component in the layer decreases (the ratio of the Al component increases).

【0062】次に、図26(c)に示す状態から、更に
塑性流動が進むことにより、アルミニウム合金側の拡散
層とFe鋼板側の拡散層同士の拡散反応が行われ、結果
として図26(d)に示すAl−Zn−Fe合金層が形
成される。
Next, from the state shown in FIG. 26 (c), the plastic flow further proceeds, so that a diffusion reaction between the diffusion layer on the aluminum alloy side and the diffusion layer on the Fe steel sheet side is performed. As a result, FIG. An Al-Zn-Fe alloy layer shown in d) is formed.

【0063】以上のように、第1及び第2金属部材W
1、W2は、Al−Zn−Feの3元素系の合金層を介
して接合される。これにより、第1及び第2金属部材W
1、W2は、その接合面にFe−Alという脆い金属間
化合物が生成されるのを防止することができ、Fe−A
l−Znの3元素系合金層により接合強度を非常に高く
することができる。 [金属部材形状]本実施形態では、予め3次元形状にプ
レス成形された金属部材の接合に適している。即ち、図
27に示す自動車の車体フレームW1と補強部材W2の
接合のように、プレス成形により金属部材が複雑な3次
元形状を有し、回転工具1を連続して移動できないよう
な複数点在する接合部分Pに対して、本実施形態の接合
方法を用いることにより局所的に溶接でき、プレス成形
後であっても接合可能となる。 [バリ除去構造]図28は、回転工具に切削用チップを
設けた回転工具の先端部を示す図である。図29は、回
転工具にバリ抑制用段差を設けた回転工具の先端部を示
す図である。
As described above, the first and second metal members W
1 and W2 are joined via a three-element alloy layer of Al-Zn-Fe. Thereby, the first and second metal members W
1, W2 can prevent the formation of a brittle intermetallic compound called Fe-Al on its joint surface,
The bonding strength can be extremely increased by the three-element alloy layer of l-Zn. [Metal Member Shape] This embodiment is suitable for joining a metal member that has been press-formed into a three-dimensional shape in advance. That is, like the joining of the vehicle body frame W1 and the reinforcing member W2 of the automobile shown in FIG. By using the joining method of the present embodiment, the joining portion P can be locally welded, and can be joined even after press forming. [Burr Removal Structure] FIG. 28 is a view showing a tip of a rotary tool provided with a cutting tip on the rotary tool. FIG. 29 is a diagram illustrating a tip portion of a rotating tool provided with a burr suppressing step in the rotating tool.

【0064】接合時に金属部材に発生するばりWb(図
13参照)を取り除くために、図28及び図29に示す
ように、回転工具1の先端近傍の外周面に拡径する切削
用チップ1a又はバリ抑制用段差1bを一体的又は後付
けで形成してもよい。
As shown in FIGS. 28 and 29, in order to remove the burrs Wb (see FIG. 13) generated on the metal member at the time of joining, as shown in FIGS. The burr suppressing step 1b may be formed integrally or later.

【0065】切削用チップ1bは先端部3に平行な平面
状で、回転工具1の先端近傍の外周面に90°ごとに等
間隔で4つ設けられている。尚、切削用チップ1bは、
平面状ではなく、例えば、らせん状の切り刃状にもで
き、また、チップ数は金属部材の成分や押し込み量に応
じて任意に設定できる。
The cutting tips 1 b are in a plane parallel to the tip 3, and are provided on the outer peripheral surface near the tip of the rotary tool 1 at equal intervals of 90 °. In addition, the cutting tip 1b is
Instead of a planar shape, for example, a spiral cutting blade shape can be used, and the number of chips can be arbitrarily set according to the components of the metal member and the amount of pushing.

【0066】また、バリ抑制用段差1cは先端部3に平
行な平面状で回転工具1の先端近傍の外周面に全周に亘
って形成されている。
The burr suppressing step 1c is formed in a flat shape parallel to the distal end portion 3 and on the outer peripheral surface near the distal end of the rotary tool 1 over the entire circumference.

【0067】図31は、回転工具に切削用チップを設け
た場合のバリ取り方法を説明する図である。図32は、
回転工具にバリ抑制用段差を設けた場合のバリ取り方法
を説明する図である。
FIG. 31 is a view for explaining a deburring method when a cutting tip is provided on a rotary tool. FIG.
It is a figure explaining a deburring method when a rotating tool is provided with a burr-suppression step.

【0068】切削用チップ1bによりバリWbを除去す
る場合、図31に示すように、回転工具1の回転及び押
圧により第1金属部材W1における回転工具1の周囲に
発生するバリWbを切削して除去する。
When the burrs Wb are removed by the cutting tip 1b, as shown in FIG. 31, the burrs Wb generated around the rotary tool 1 in the first metal member W1 by the rotation and pressing of the rotary tool 1 are cut. Remove.

【0069】バリ抑制用段差1cによりバリWbを除去
する場合、図32示すように、回転工具1の回転及び押
圧により第1金属部材W1における回転工具1の周囲に
発生するバリWbを押し潰して除去する。
When the burr Wb is removed by the burr suppressing step 1c, as shown in FIG. 32, the burr Wb generated around the rotating tool 1 in the first metal member W1 by the rotation and pressing of the rotating tool 1 is crushed. Remove.

【0070】これら切削用チップ1b又はバリ抑制用段
差1cの軸心方向の位置は、図30に示すように、金属
部材W1に押し込まれる先端部3の押し込み量tだけ上
方に形成される。
As shown in FIG. 30, the position of the cutting tip 1b or the burr suppressing step 1c in the axial direction is formed upward by the pushing amount t of the tip 3 pushed into the metal member W1.

【0071】切削用チップ1bでは、バリを完全に除去
できる反面、切り屑Wbが発生し、硬質の切削用チップ
1bを用いるため回転工具1が高価となる。それに対し
て、バリ抑制用段差1cでは、押し潰されたバリWbが
残るために外観が若干劣るが、回転工具1が安価で切り
屑が発生しないという利点がある。
In the cutting tip 1b, although burrs can be completely removed, chips Wb are generated, and the rotary tool 1 is expensive because the hard cutting tip 1b is used. On the other hand, in the burr suppressing step 1c, the appearance is slightly inferior because the crushed burr Wb remains, but there is an advantage that the rotary tool 1 is inexpensive and no chips are generated.

【0072】また、切削用チップ1b又はバリ抑制用段
差1cを回転工具1に対して固定しないで、回転工具1
の回転軸と同軸に昇降可能に構成してもよい。
Further, the cutting tip 1b or the burr suppressing step 1c is not fixed to the rotary tool 1, but the rotary tool 1
May be configured to be able to ascend and descend coaxially with the rotation axis of.

【0073】図33は、切削用チップ1b又はバリ抑制
用段差1cを回転工具に対して昇降可能に設けた例及び
バリ除去方法を示す図である。
FIG. 33 is a view showing an example in which the cutting tip 1b or the burr suppressing step 1c is provided so as to be able to move up and down with respect to the rotary tool, and a burr removing method.

【0074】図33に示すように、切削用チップ1b又
はバリ抑制用段差1cは、回転工具1の回転軸と同軸
に、その外周面に対して昇降可能(回転可能としてもよ
い)な中空軸41の先端部に設けられている。
As shown in FIG. 33, the cutting tip 1b or the burr suppressing step 1c is coaxial with the rotary shaft of the rotary tool 1, and is a hollow shaft which can be raised and lowered with respect to the outer peripheral surface (or may be rotatable). 41 are provided at the tip.

【0075】この昇降式の切削用チップ1b又はバリ抑
制用段差1cによりバリWbを除去する場合、図33
(a)、(b)に示す接合時には上昇させて接合部分か
ら離間させ、図33(c)、(d)に示すように、接合
完了後に、切削用チップ1b又はバリ抑制用段差1cを
下降してバリWbを切削又は押し潰して除去する。
When the burr Wb is removed by the vertically movable cutting tip 1b or the burr suppressing step 1c, FIG.
At the time of joining shown in (a) and (b), it is raised and separated from the joining portion, and as shown in FIGS. 33 (c) and (d), after the joining is completed, the cutting tip 1b or the burr suppressing step 1c is lowered. The burrs Wb are removed by cutting or crushing.

【0076】切削用チップ1b又はバリ抑制用段差1c
を可動式にすることにより、固定式と比較して設備が複
雑で高価となるが、金属部材に応じて回転工具の押し込
み量を変える場合でも同一の工具で対応できるという利
点がある。 [連続接合]上記実施形態では、回転工具1を接合部分
に押圧して移動させないスポット接合の例を説明した
が、図34に示すように、回転工具1を前進又は揺動さ
せながら連続的に接合してもよい。
Cutting tip 1b or burr suppressing step 1c
Is more complicated and more expensive than the fixed type, but has the advantage that the same tool can be used even when the amount of pushing of the rotary tool is changed according to the metal member. [Continuous Joining] In the above embodiment, an example of spot joining in which the rotating tool 1 is pressed against the joining portion and is not moved has been described. However, as shown in FIG. You may join.

【0077】図34で回転工具1を前進させる場合に
は、図35に示すように、前進方向に対して後方に約1
°傾斜させて移動させると、金属部材W1に垂直に押し
当てる場合に比べて傾斜した分だけ撹拌性が向上する。 [変形例]本実施形態の変形例として、金属部材の歪み
を抑制するために、金属部材の接合部分を冷却しながら
接合することもできる。冷却方法としては、冷却水中で
接合したり、接合部分に冷却水を供給すればよい。 [表面処理]本実施形態の接合技術は、金属部材の表面
処理にも応用できる。
When the rotary tool 1 is advanced in FIG. 34, as shown in FIG.
When the metal member W1 is moved while being inclined, the stirring performance is improved by the amount of the inclination as compared with the case where the metal member W1 is pressed vertically. [Modification] As a modification of the present embodiment, in order to suppress the distortion of the metal members, the metal members can be joined while being cooled. As a cooling method, bonding may be performed in cooling water, or cooling water may be supplied to a bonding portion. [Surface Treatment] The joining technique of the present embodiment can also be applied to the surface treatment of a metal member.

【0078】表面処理ではアルミニウム合金製鋳物を対
象とし、特に自動車のシリンダヘッドに形成される隣り
合うポート間(弁間部)やピストン、ブレーキディスク
等の表面改質処理に用いられ、アルミニウム合金製鋳物
の表面改質領域を摩擦熱により溶融させることなく撹拌
させることにより、金属組織の微細化や共晶シリコン
(Si)粒子の均一分散化、鋳造欠陥の減少を図り、熱
疲労(低サイクル疲労)寿命や伸び、耐衝撃性等の材料
特性において従来のリメルト処理以上のものを得ること
ができる。
In the surface treatment, an aluminum alloy casting is used. In particular, the aluminum alloy casting is used for surface modification between adjacent ports (valve portions) formed in a cylinder head of an automobile, a piston, a brake disk, and the like. By agitating the surface modified area of the casting without melting it by frictional heat, the metal structure can be refined, the eutectic silicon (Si) particles can be uniformly dispersed, casting defects can be reduced, and thermal fatigue (low cycle fatigue) can be achieved. ) The material properties such as life, elongation, impact resistance and the like can be obtained more than conventional remelt treatment.

【0079】また、本実施形態の表面処理では、図36
に示すように、JISで規格化されたアルミニウム合金
であるAC4Dを一例として用いるが、アルミニウム合
金鋳物としては、アルミニウム合金のマグネシウム(M
g)含有率として0.2〜1.5重量%、シリコン(S
i)含有率として1〜24重量%、好ましくは4〜13
重量%の範囲で組成比率を変更可能である。他にAC4
B,AC2B、ピストンに用いるAC8A等も利用でき
る。シリコン含有率の上限を24%に設定する理由は、
それ以上シリコンを増加しても材料特性や鋳造性が飽和
すると共に、攪拌性が悪化するからである。
In the surface treatment of the present embodiment, FIG.
As shown in FIG. 1, AC4D which is an aluminum alloy standardized by JIS is used as an example. As an aluminum alloy casting, magnesium (M
g) 0.2-1.5% by weight as content, silicon (S
i) The content is 1 to 24% by weight, preferably 4 to 13% by weight.
The composition ratio can be changed within the range of weight%. AC4
B, AC2B, AC8A used for a piston, etc. can also be used. The reason for setting the upper limit of silicon content to 24% is
This is because, even if silicon is further increased, material properties and castability are saturated, and agitation is deteriorated.

【0080】マグネシウムを含有するアルミニウム合金
鋳物は、熱処理によりMg2Siを析出させて強度が高
まる。ところが、リメルト処理のように溶融させて金属
組織を微細化させる場合には、低融点(650℃)のマ
グネシウムが蒸発して含有量が低下することがある。そ
して、マグネシウム含有量が低下すると熱処理を施して
も硬さや強度が低下して所望の材料特性が得られないこ
とになる。
An aluminum alloy casting containing magnesium precipitates Mg 2 Si by heat treatment, thereby increasing strength. However, when the metal structure is refined by melting as in a remelt treatment, magnesium having a low melting point (650 ° C.) may evaporate to reduce the content. When the magnesium content is reduced, the hardness and strength are reduced even if heat treatment is performed, so that desired material properties cannot be obtained.

【0081】一方、摩擦撹拌による表面処理では、金属
組織を溶融させないのでマグネシウムが蒸発することも
ないため、アルミニウム合金鋳物は熱処理によりMg2
Siを析出させて強度が高められるのである。
[0081] On the other hand, the surface treatment by friction stir, since magnesium does not melt the metal structure nor evaporates, Mg 2 of the aluminum alloy casting heat treatment
The strength is increased by precipitating Si.

【0082】アルミニウム合金にシリコンを添加するこ
とにより、鋳造性(溶湯の流動性、引け特性、耐熱間割
れ性)は向上するが、共晶シリコンが一種の欠陥として
作用して機械的特性(伸び)が低下する。
By adding silicon to the aluminum alloy, the castability (fluidity of the molten metal, shrinkage properties, hot cracking resistance) is improved, but the eutectic silicon acts as a kind of defect to provide mechanical properties (elongation). ) Decreases.

【0083】共晶シリコンは硬くて脆く、亀裂発生の起
点や伝播経路となるため伸びが低下する。また、弁間部
のように繰り返し熱応力を受ける部位ではその疲労寿命
が低下する。そして、金属組織ではデンドライトに沿っ
て共晶シリコンが連なった形態を呈しているが、共晶シ
リコンを微細化し、均一に分散させることによって応力
集中による亀裂の発生と、発生した亀裂の伝播を抑制す
ることが可能となる。
Eutectic silicon is hard and brittle, and serves as a starting point of crack generation and a propagation path, so that elongation is reduced. In addition, the fatigue life of a portion that is repeatedly subjected to thermal stress, such as an inter-valve portion, is reduced. In the metal structure, eutectic silicon is connected along the dendrite.However, cracking due to stress concentration and propagation of the generated cracks are suppressed by miniaturizing and uniformly dispersing the eutectic silicon. It is possible to do.

【0084】図37は、表面処理への適用例として、自
動車のシリンダヘッドに形成される隣り合うポート間
(弁間部)の表面改質処理方法を説明する図である。
FIG. 37 is a view for explaining a surface modification method between adjacent ports (valves) formed in a cylinder head of an automobile as an example of application to the surface treatment.

【0085】図37に示すように、表面改質処理は、回
転工具1を隣り合うポートの弁間部において、処理軌跡
F1〜F3に沿って弁間部を縦断するよう摩擦により撹
拌しながら移動させる。
As shown in FIG. 37, in the surface reforming process, the rotary tool 1 is moved in the inter-valve portion of the adjacent port while stirring by friction so as to longitudinally cut the inter-valve portion along the processing trajectories F1 to F3. Let it.

【0086】尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲
で上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能であ
る。
The present invention can be applied to a modification or modification of the above embodiment without departing from the gist of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る実施形態の重ね合わせ接合方法を
説明する回転工具付近の拡大図である。
FIG. 1 is an enlarged view of the vicinity of a rotary tool for explaining an overlap joining method according to an embodiment of the present invention.

【図2】金属部材の接合方法を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a method of joining metal members.

【図3】FIG. 3

【図4】FIG. 4

【図5】回転工具の先端部の他の形状を例示する図であ
り、(a)は側面図、(b)は先端部の正面図である。
5A and 5B are diagrams illustrating other shapes of the tip of the rotary tool, wherein FIG. 5A is a side view and FIG. 5B is a front view of the tip.

【図6】回転工具を保持及び駆動する多関節ロボットの
概略図である。
FIG. 6 is a schematic diagram of an articulated robot that holds and drives a rotary tool.

【図7】3枚以上の金属部材の接合方法を説明する図で
ある。
FIG. 7 is a diagram illustrating a method of joining three or more metal members.

【図8】回転工具の先端部が平滑な場合の金属部材内部
の塑性流動状態を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a state of plastic flow inside a metal member when the tip of the rotary tool is smooth.

【図9】回転工具の先端部に凹部を形成した場合の金属
部材内部の塑性流動状態を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a state of plastic flow inside the metal member when a concave portion is formed at the tip of the rotary tool.

【図10】回転工具の先端部に突出部又は溝部を形成し
た場合の金属部材内部の塑性流動状態を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a state of plastic flow inside a metal member when a protruding portion or a groove is formed at the tip of the rotary tool.

【図11】本実施形態の非溶融摩擦撹拌による接合強度
試験方法を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a bonding strength test method by non-melting friction stirring of the present embodiment.

【図12】図11の接合強度試験方法による結果を示す
図である。
FIG. 12 is a diagram showing the results of the bonding strength test method of FIG.

【図13】本実施形態により接合された金属部材の接合
部分の金属組織を示す断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a metal structure of a joint portion of the metal members joined according to the present embodiment.

【図14】接合強度試験によるボタン破断時の金属部材
の状態を示す図である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a state of a metal member when a button is broken by a bonding strength test.

【図15】接合強度試験による剥離破断時の金属部材の
状態を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a state of a metal member at the time of peeling breakage in a bonding strength test.

【図16】図13に対応し、本実施形態により接合され
た金属部材の接合部分の金属組織の断面写真を示す図で
ある。
FIG. 16 is a view corresponding to FIG. 13 and showing a cross-sectional photograph of the metal structure of the joint portion of the metal members joined according to the present embodiment.

【図17】図16のI部の拡大写真を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing an enlarged photograph of a portion I in FIG. 16;

【図18】図17のII部の金属部材の金属組織の断面
写真を示す図である。
18 is a view showing a cross-sectional photograph of the metal structure of the metal member of Part II in FIG. 17;

【図19】図18の拡大写真を示す図である。FIG. 19 is a view showing an enlarged photograph of FIG. 18;

【図20】合金材料を介在させた第1及び第2金属部材
の接合方法を説明する図である。
FIG. 20 is a diagram illustrating a method for joining the first and second metal members with an alloy material interposed therebetween.

【図21】第1及び第2金属部材の接合部分Pにおいて
合金材料が拡散していく様子を説明する図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating a state in which an alloy material is diffused at a joint portion P between the first and second metal members.

【図22】FIG.

【図23】FIG. 23

【図24】FIG. 24

【図25】金属部材の接合における回転工具の回転数及
び押圧力の制御例を示す図である。
FIG. 25 is a diagram illustrating a control example of the rotation speed and the pressing force of the rotary tool in joining metal members.

【図26】Zn−5Al層とアルミニウム合金とが相互
に拡散してAl,Al−Zn,Zn−Al,Fe−Z
n,Feとからなる拡散層を形成し、Al−Zn−Fe
合金層となって金属部材同士が接合される様子を示す図
である。
FIG. 26 shows that a Zn-5Al layer and an aluminum alloy are mutually diffused and Al, Al—Zn, Zn—Al, Fe—Z
A diffusion layer comprising n and Fe is formed, and Al-Zn-Fe
It is a figure which shows a mode that a metal member is joined as an alloy layer.

【図27】予め3次元形状にプレス成形された金属部材
として、自動車の車体フレームを接合する場合について
示す図である。
FIG. 27 is a diagram illustrating a case where a vehicle body frame is joined to a metal member that has been press-formed into a three-dimensional shape in advance.

【図28】回転工具に切削用チップを設けた回転工具の
先端部を示す図である。
FIG. 28 is a diagram showing a tip portion of a rotary tool provided with a cutting tip on the rotary tool.

【図29】回転工具にバリ抑制用段差を設けた回転工具
の先端部を示す図である。
FIG. 29 is a view showing a tip of a rotary tool provided with a burr suppressing step in the rotary tool.

【図30】切削用チップ又はバリ抑制用段差の回転工具
に対する取り付け位置を説明する図である。
FIG. 30 is a diagram for explaining a mounting position of a cutting tip or a burr suppressing step on a rotary tool.

【図31】回転工具に切削用チップを設けた場合のバリ
取り方法を説明する図である。
FIG. 31 is a diagram illustrating a deburring method when a cutting tip is provided on a rotary tool.

【図32】回転工具にバリ抑制用段差を設けた場合のバ
リ取り方法を説明する図である。
FIG. 32 is a diagram illustrating a deburring method when a rotary tool is provided with a burr suppression step.

【図33】切削用チップ又はバリ抑制用段差を回転工具
に対して昇降可能に設けた例及びバリ取り方法を示す図
である。
FIG. 33 is a diagram showing an example in which a cutting tip or a burr suppressing step is provided so as to be able to move up and down with respect to a rotary tool, and a deburring method.

【図34】回転工具を前進させながら連続的に接合する
場合を説明する回転工具付近の拡大図である。
FIG. 34 is an enlarged view of the vicinity of the rotary tool for explaining a case where the rotary tool is continuously joined while being advanced.

【図35】回転工具を前進させながら連続的に接合する
場合の金属部材の接合方法を説明する図である。
FIG. 35 is a diagram illustrating a method of joining metal members when the rotary tool is continuously joined while being advanced.

【図36】表面処理に用いるアルミニウム合金鋳物の成
分比率を示す図である。
FIG. 36 is a diagram showing a component ratio of an aluminum alloy casting used for surface treatment.

【図37】表面処理への適用例として、自動車のシリン
ダヘッドに形成される隣り合うポート間(弁間部)の表
面改質処理方法を説明する図である。
FIG. 37 is a diagram illustrating a surface modification method between adjacent ports (an inter-valve portion) formed in a cylinder head of an automobile as an example of application to the surface treatment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 回転工具 2 突出部 3 先端部 4 受け部材 10 多関節ロボット W1〜W3 金属部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotary tool 2 Projection part 3 Tip part 4 Receiving member 10 Articulated robot W1-W3 Metal member

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1金属部材と第2金属部材とを重ね合
わせて、非溶融の状態で摩擦により撹拌させて接合する
金属の接合方法において、 前記第1金属部材における前記第2金属部材との接合部
分に相当する表面部位に回転部材を押圧し、 前記回転部材の回転により、前記第1及び第2金属部材
の接合部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させ、 前記回転部材の回転及び押圧により該第1金属部材にお
ける該回転部材の周囲に発生するバリを除去しつつ、該
第1及び第2金属部材を接合することを特徴とする金属
の接合方法。
1. A method for joining metals by superimposing a first metal member and a second metal member and agitating and joining them in a non-molten state by friction, wherein the first metal member and the second metal member in the first metal member are joined together. The rotating member is pressed against a surface portion corresponding to the joining portion of the above, and by the rotation of the rotating member, the joining portion of the first and second metal members is stirred by friction in a non-molten state, and the rotation of the rotating member and A method for joining metals, wherein the first and second metal members are joined while removing burrs generated around the rotating member in the first metal member by pressing.
【請求項2】 前記回転部材の先端が平面状に形成され
ていることを特徴とする請求項1に記載の金属の接合方
法。
2. The method according to claim 1, wherein a tip of the rotating member is formed in a flat shape.
【請求項3】 前記回転部材の外周には、該回転部材の
先端に対して段差を形成するバリ除去手段が設けられて
いることを特徴とする請求項1又は2に記載の金属の接
合方法。
3. The metal joining method according to claim 1, wherein a burr removing unit that forms a step with respect to a tip of the rotating member is provided on an outer periphery of the rotating member. .
【請求項4】 第1金属部材と第2金属部材とを重ね合
わせて、非溶融の状態で摩擦により撹拌させて接合する
金属の接合装置において、 前記第1金属部材における前記第2金属部材との接合部
分に相当する表面部位を回転しながら押圧する回転部材
と、 前記回転部材に同期して、該回転部材の押圧により該第
1金属部材における該回転部材の周囲に発生するバリを
除去する除去手段と、 前記回転部材により、前記第1及び第2金属部材の接合
部分を非溶融の状態で摩擦により撹拌させて、該第1及
び第2金属部材を接合するよう前記回転部材を制御する
制御手段とを具備することを特徴とする金属の接合装
置。
4. A metal joining apparatus for joining a first metal member and a second metal member in a superposed state and agitating them by friction in a non-molten state, wherein the second metal member and the second metal member in the first metal member are joined together. A rotating member that presses while rotating a surface portion corresponding to a joining portion of the first and second members; and, in synchronization with the rotating member, removes a burr generated around the rotating member in the first metal member due to the pressing of the rotating member. The removing unit and the rotating member control the rotating member so as to join the first and second metal members by agitating the joined portion of the first and second metal members in a non-molten state by friction. A metal joining device, comprising: a control unit.
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