JP2005021967A - Friction stirring and joining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム合金等の金属材料の摩擦撹拌接合方法に関し、特に、厚さが異なる部材同士を接合する差厚継手摩擦撹拌接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding method for a metal material such as an aluminum alloy, and more particularly to a differential thickness joint friction stir welding method for joining members having different thicknesses.
摩擦撹拌接合法は、部材より硬質な材料で形成されたピン部が設けらている接合工具を使用し、このピン部を回転させながら相互に突き合わされた1対の部材に押し込み、接合線に沿って接合工具を回転しながら移動させることにより、部材同士を接合する方法である。このとき、部材に押し込まれたピン部の周囲には摩擦熱による加熱され、接合工具の回転による塑性流動が生じる。このため、接合工具を突き合わせ面に沿って移動させると、ピン部の前面の金属が塑性流動しながらピン後方に移動して接合組織が形成される。前記摩擦撹拌接合方法は、継手強度が大きく、歪みが小さいため残留応力が少なく、溶接割れを生じやすい材料、鋳物、複合材料及び異種材質等の接合が可能であるため、種々の材料の接合に使用されている。 The friction stir welding method uses a joining tool provided with a pin portion made of a material harder than the member, and pushes the pin portion into a pair of members that are abutted with each other while rotating the pin portion. In this method, the members are joined together by moving the joining tool while rotating. At this time, the periphery of the pin portion pushed into the member is heated by frictional heat, and plastic flow is generated by the rotation of the joining tool. For this reason, when the joining tool is moved along the abutting surface, the metal on the front surface of the pin portion moves to the rear of the pin while plastically flowing to form a joint structure. The friction stir welding method has a high joint strength and a small strain, so there is little residual stress, and it is possible to join materials, castings, composite materials and dissimilar materials that are susceptible to weld cracking. in use.
従来、摩擦撹拌接合は、ピン部を部材に対して垂直に挿入していたため、厚さが異なる部材を接合する場合は、撹拌された材料が飛散する等の問題があった。そこで、従来の摩擦撹拌接合方法においては、厚さが異なる部材を接合する際は、突き合わせ面に対してピン部を斜めに挿入する方法が適用されている(例えば、特許文献1及び2参照)。図4(a)は特許文献1に記載の摩擦撹拌接合方法を示す断面図であり、図4(b)は特許文献2に記載の摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。図4(a)に示すように、特許文献1に記載の摩擦接合方法は、接合工具11を薄板材12側に傾斜させた状態でピン部11aを挿入する方法である。一方、図4(b)に示すように、特許文献2に記載の摩擦接合方法は、接合工具11の角度は変えず、部材(薄板材12及び厚板材13)を密着させた状態で斜めに配置してピン部11aを挿入する方法である。また、ピン挿入面を平坦にして接合する方法もある(例えば、特許文献3参照)。図5は特許文献3に記載摩擦撹拌接合方法を示す断面図である。図5に示すように、特許文献3に記載の摩擦接合方法は、薄板材12の厚さと厚板材13の厚さとの差と同じ高さの段差が形成された裏当て14の上に、薄板材12及び厚板材13を配置することにより上面(ピン挿入面)を平坦にして、その状態でピン11aを垂直に挿入して接合する方法である。
Conventionally, in the friction stir welding, since the pin portion is inserted perpendicularly to the member, when the members having different thicknesses are joined, there is a problem that the agitated material is scattered. Therefore, in the conventional friction stir welding method, when members having different thicknesses are joined, a method of inserting the pin portion obliquely with respect to the abutting surface is applied (see, for example,
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。特許文献1に記載の方法の場合、接合工具11を部材の突き合わせ面に対して2方向に傾斜させる必要性があるため、直交3軸以外に傾斜用の2軸を有する加工機が必要になる。また、特許文献2に記載の方法の場合、部材を傾斜させるような治具設計が必要である。更に、特許文献3に記載の方法は、工具11は通常仕様のものが使用可能であるが、薄板材12を面合わせするための治具に工夫が必要であり、操作が煩雑である。
However, the conventional techniques described above have the following problems. In the case of the method described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、優れた継手強度が得られ、接合部にバリ等を発生させずに厚さの異なる金属材料同士を接合することができる摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and has excellent joint strength, and friction stir welding capable of joining metal materials having different thicknesses without generating burrs or the like at the joint. It aims to provide a method.
本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、円柱状のショルダー部とこのショルダー部の端面に同軸的に形成され前記ショルダー部より小径のピン部とが設けられた接合工具を使用し、第1の部材とこの第1の部材より厚い第2の部材とを突き合わせる工程と、前記ピン部を前記第1の部材と前記第2の部材との突き合わせ部に接触させ前記接合工具を回転させながら前記突き合わせ部に向けて押圧することにより前記ピン部を前記突き合わせ部に進入させる工程と、前記接合工具を回転させながら前記ピン部が前記突き合わせ面を通過するように前記接合工具を前進角θで移動させることにより前記第1の部材と前記第2の部材とを接合する工程と、を有し、前記第1の部材の厚さをt1、前記第2の部材の厚さをt2、前記ショルダー部の直径をdとするとき、前進角θが下記数式1を満たすことを特徴とする。
The friction stir welding method according to the present invention uses a joining tool provided with a cylindrical shoulder portion and a pin portion coaxially formed on the end surface of the shoulder portion and having a smaller diameter than the shoulder portion. And the step of abutting the second member thicker than the first member, and the abutting portion while rotating the joining tool by bringing the pin portion into contact with the abutting portion of the first member and the second member A step of causing the pin portion to enter the abutting portion by pressing toward the portion, and moving the joining tool at a forward angle θ so that the pin portion passes the abutting surface while rotating the joining tool. A step of joining the first member and the second member to each other, wherein the thickness of the first member is t 1 , the thickness of the second member is t 2 , and the shoulder Part diameter When the d, advancing angle θ is characterized by satisfying
本発明者等は、摩擦撹拌接合方法について鋭意実験研究した結果、板厚が異なる板状部材同士を、段差がある面からピン部を進入させて摩擦攪拌接合する場合、板厚が等しい板状部材を接合する際と前進角を同じにすると、差厚接合部に充分な攪拌金属を充填することができないということを見出した。そこで、本発明においては、ピン部の前進角θを上記数式1の範囲にすることにより、ショルダー部の下端部を第2の部材に進入させる。ピン部と同様にショルダー部も回転しているため、このショルダー部が進入した部分にも塑性流動が生じて、接合部の空隙が充填される。
As a result of diligent experimental research on the friction stir welding method, the present inventors have found that plate members having different plate thicknesses are joined together by friction stir welding by causing the pin portion to enter from a surface with a step. It has been found that if the advancing angle is the same as when the members are joined, the difference thickness joint cannot be filled with sufficient stirring metal. Therefore, in the present invention, the lower end portion of the shoulder portion is caused to enter the second member by setting the advancing angle θ of the pin portion within the range of the above
なお、前記第1及び第2の部材は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金製である。 The first and second members are made of, for example, aluminum or an aluminum alloy.
本発明の摩擦撹拌接合方法によれば、板厚さの半分から薄板の上面までの範囲にショルダー部の端部が位置するように前進角を調整することにより、接合用工具を薄板側に傾斜させたり、部材を傾斜させて配置したりせずに、厚さの異なる部材同士を摩擦撹拌接合方法により突き合わせ継手することができるため、加工機の軸の増加及び拘束治具等の煩雑さが解消される。また、本発明の摩擦撹拌接合方法で接合することにより、継手強度に優れ、バリ等がない優れた突き合わせ継手が得られる。 According to the friction stir welding method of the present invention, the welding tool is inclined to the thin plate side by adjusting the advance angle so that the end of the shoulder portion is located in the range from half the plate thickness to the upper surface of the thin plate. The members with different thicknesses can be butt-joined by the friction stir welding method without causing the members to be inclined or disposed, so that the increase in the shaft of the processing machine and the complexity of the restraining jig, etc. It will be resolved. Further, by joining by the friction stir welding method of the present invention, an excellent butt joint having excellent joint strength and no burr can be obtained.
以下、本発明の実施の形態に係る摩擦撹拌接合方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1(a)は本実施形態の摩擦撹拌接合方法を示す側面図であり、図1(b)は図1(a)に示すA−A線による断面図である。また、図2(a)は本発明の実施形態の摩擦撹拌接合方法で使用される接合工具を示す断面図であり、図2(b)はこの接合工具が部材に挿入された状態を示す断面図である。本実施形態の摩擦撹拌接合方法においては、厚さがt1である薄板材3とこの薄板材3より厚い厚板材4とを、直径がdである円柱状のショルダー部1の端面に、ショルダー部1と同軸で、ショルダー部1より小径のピン部2が設けられた接合工具を使用して接合する。この接合工具におけるピン部2の材料としては、部材である薄板材3及び厚板材4より硬い材料が使用される。なお、本実施形態における薄板材3及び厚板材4は、例えば、アルミニウム板及びアルミニウム合金板等を使用することができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、摩擦撹拌接合が可能な金属板であればよい。
Hereinafter, a friction stir welding method according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. Fig.1 (a) is a side view which shows the friction stir welding method of this embodiment, FIG.1 (b) is sectional drawing by the AA line shown to Fig.1 (a). 2A is a cross-sectional view showing a welding tool used in the friction stir welding method according to the embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing a state in which the welding tool is inserted into a member. FIG. In the friction stir welding method of the present embodiment, a
先ず、薄板材3及び厚板材4の接合面を突き合わせて、これらの底面が同一平面になるように配置する。このとき、上面には段差が生じる。次に、薄板材3と厚板材4の突き合わせ部にピン部2を、接合方向5と逆の方向に角度θ傾かせた状態で接触させ、接合工具を回転させながら突き合わせ部に向かって押圧することにより、ピン部2を突き合わせ部に進入させる。このとき、ショルダー部1の端部も厚板材4に押し込まれる。ショルダー部1の押し込み量は、薄板材3と厚板材4とにより形成される段差の半分の位置から、薄板材3の上面までであることが好ましく、押し込み量を示す(d/2)×sinθは上記数式1の範囲内とする。ショルダー部1の押し込み量が、薄板材3と厚板材4との板厚差の半分以下であると、継手が形成されない。また、ショルダー部1を薄板材3にまで押し込むと、バリ等の発生量が増加する。
First, the joining surfaces of the
そして、ピン部2が突き合わせ面を通過するように、接合工具を回転させながら前進角θで移動させる。このとき、ピン部2及びショルダー部1の周囲は摩擦熱による加熱されて塑性流動が生じるため、ピン部2を突き合わせ面に沿って移動させることにより、ピン部2及びショルダー部1の前方の金属が塑性流動しながらこれらの後方に移動して接合組織が形成される。
Then, the joining tool is rotated and moved at the advance angle θ so that the
また、ピン部2の長さLは、(t2/cosθ)より短いことが好ましい。ピン部2の長さLが(t2/cosθ)より長いと、ピン部2が部材を突き抜けてしまう。また、ピン部2の長さLを(t2/cosθ)にすると、接合部における未撹拌部分をなくすことはできるが、ピン部2が部材を突き抜けてしまう可能性がある。よって、ピン部2の長さLは(t2/cosθ)よりも0.1乃至0.2mm程度短くすることが好ましい。
Further, the length L of the
本実施形態においては、厚さが異なる部材(薄板材2及び厚板材3)を、段差がある面からピン部2を進入させて摩擦攪拌接合する際の前進角θを、上記数式1の範囲内になるようにする。これにより、ショルダー部1の端部が厚板材3に押し込まれるため、このショルダ−部1が進入した部分も、ピン部2の周囲と同様に塑性流動が生じて接合組織が形成される。その結果、従来の摩擦撹拌接合方法のようにピン部2を接合面に対して傾けて進入させなくても、継手強度が優れ、接合部にバリがない継手を作製することができる。
In the present embodiment, the advancing angle θ when the members (
以下、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。本発明の実施例として、ショルダー部1の直径が12.5mmである接合工具を使用し、前進角θが3°(比較例1)、6°(実施例1)、9°(実施例2)の3水準で、厚さ1.0mmアルミニウム合金板と、厚さが2.0mmのアルミニウム合金板との突き合わせ継手を作製した。図3(a)乃至(c)は本発明の実施例の摩擦接合方法における前進角を示す模式図である。また、表1には本実施例で使用したアルミニウム合金(A5182P−O)の組成を示す。これらのアルミニウム合金板の継手について、接合部の観察及び引張試験を行った。その結果を表2に示す。
Examples of the present invention will be specifically described below in comparison with comparative examples that are out of the scope of the present invention. As an example of the present invention, a joining tool in which the diameter of the
表2に示すように、前進角が本発明の範囲より小さい3°である比較例1の突き合わせ継手は、塑性流動する金属の絶対量が少ないために、表面に開口するような線状欠陥が残存した。そのため、継手としては利用できないレベルであった。一方、前進角が6°である実施例1の突き合わせ継手は、塑性流動する金属量が確保されるため、良好な接合部が形成されていた。また、前進角が9°である実施例2の突き合わせ継手においては、接合部の形成がやや乱れるものの充分な金属の塑性流動が得られた。また、引張試験においては、前進角が3°である比較例1の継手は十分な接合強度が得られなかった。一方、前進角が6°及び9°である実施例1及び2の突き合わせ継手は、薄板材側で破断が生じ、優れた接合強度を示した。 As shown in Table 2, the butt joint of Comparative Example 1 whose advancing angle is 3 ° smaller than the range of the present invention has a small amount of metal that plastically flows, and therefore has a linear defect that opens to the surface. Remained. Therefore, it was a level which cannot be used as a joint. On the other hand, in the butt joint of Example 1 having an advance angle of 6 °, the amount of metal that plastically flows was ensured, so that a good joint was formed. Moreover, in the butt joint of Example 2 whose advancing angle is 9 °, sufficient metal plastic flow was obtained although the formation of the joint portion was somewhat disturbed. Further, in the tensile test, the joint of Comparative Example 1 having an advancing angle of 3 ° did not provide sufficient joint strength. On the other hand, the butt joints of Examples 1 and 2 with the advance angles of 6 ° and 9 ° were broken on the thin plate material side, and exhibited excellent bonding strength.
以上の結果より、異なる厚さの部材を摩擦撹拌接合方法により接合する場合、部材により形成される段差の半分より薄板側に回転部材のショルダー部の端部が位置するように前進角θを設定することにより、良好な接合状態が得られることがわかった。 From the above results, when joining members with different thicknesses by the friction stir welding method, the advance angle θ is set so that the end of the shoulder portion of the rotating member is located on the thin plate side from half of the step formed by the members. As a result, it was found that a good bonded state can be obtained.
1;ショルダー部
2、11a;ピン部
3、12;薄板材
4、13;厚板材
5;接合方向
11;接合工具
14;裏当て
DESCRIPTION OF
Claims (2)
Using a joining tool provided with a cylindrical shoulder portion and a pin portion having a smaller diameter than the shoulder portion formed coaxially on the end surface of the shoulder portion, the first member and the second member thicker than the first member are used. The step of abutting the member with the first member and the pin portion by contacting the pin portion with the abutting portion of the first member and the second member and pressing the pin against the abutting portion while rotating the joining tool The first member and the first member by moving the joining tool at a forward angle θ so that the pin part passes through the abutting surface while rotating the joining tool. A step of joining the two members, and when the thickness of the first member is t 1 , the thickness of the second member is t 2 , and the diameter of the shoulder portion is d, the advancing Angle θ is the following number Friction stir welding method characterized by satisfying.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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