JP2007029979A - Double acting type rotary tool for friction stir spot welding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摩擦撹拌点接合用複動式回転工具に係り、特に、プローブとショルダ部材とが別体に構成されて、それぞれ、軸回りに回転可能に且つ軸方向に別個に移動可能とされた複動式構造の摩擦撹拌点接合用回転工具の改良に関するものである。 The present invention relates to a double-acting rotary tool for friction stir spot joining, and in particular, a probe and a shoulder member are configured separately, and can be rotated around an axis and separately moved in an axial direction. Further, the present invention relates to improvement of a rotary tool for friction stir spot welding having a double-acting structure.
従来から、自動車の製造工程においては、そのボデー部材や各種部品が、複数の金属板部材を重ね合わせて、それらをリベットや抵抗スポット溶接の如き点接合にて連結して、一体化することにより、製造されてきており、また、そのような点接合による金属板材の連結形式は、鉄道車両を始めとする各種車両や、航空機等の輸送機分野において、また、家電製品、建材等の構造物等の分野においても、広く採用されてきている。 Conventionally, in the automobile manufacturing process, the body member and various parts are integrated by overlapping a plurality of metal plate members and connecting them by point joining such as rivets and resistance spot welding. In addition, the connection method of the metal plate material by such point joining is used in various vehicles such as railway vehicles, transportation equipment such as aircraft, and structures such as home appliances and building materials. In such fields as well, it has been widely adopted.
一方、特許文献1等において、接合時の入熱が少なく、軟化や歪みの程度が少ない接合手法として、摩擦熱を利用して、金属部材を接合せしめるようにした摩擦撹拌接合法が提案されるに至り、更に、そのような摩擦撹拌接合手法を採用して、複数の金属板部材の重合せ部位を点接合せしめる技術が検討され、それによって、従来の抵抗スポット溶接やリベットによる接合よりも、継手品質がよく、良好な接合状態が安定して得られるとして、各種の摩擦撹拌点接合方法(Friction Stir Spot Welding)が、提案されている(特許文献2〜4等参照)。 On the other hand, in Patent Document 1 and the like, a friction stir welding method is proposed in which metal members are joined using frictional heat as a joining method with less heat input during joining and less degree of softening or distortion. In addition, by adopting such a friction stir welding technique, a technique for spot joining the overlapping portions of a plurality of metal plate members has been studied, thereby, rather than conventional resistance spot welding or joining by rivets, Various friction stir spot welding methods (Friction Stir Spot Welding) have been proposed (see Patent Documents 2 to 4 and the like), because joint quality is good and a good joining state can be stably obtained.
しかしながら、それら提案された各種の摩擦撹拌点接合法は、何れも、基本的には、ロッド形状の工具本体の先端に、ピン形状の硬質プローブを一体的に設けてなる構造のピン型工具(回転工具)を用い、それを高速回転させながら、所定の金属板部材の重合せ部位に差し込み、そして、かかるピン型工具の工具本体の先端部にて構成されるショルダ部を重合せ部位に押圧することにより、それらショルダ部やプローブと重合せ部位との間に摩擦熱を発生させて、材料を塑性流動せしめ、かかるプローブの周りに撹拌領域を形成することによって、そのようなプローブの差し込み部位において、金属板部材の重合せ部位の点接合を行なわしめるようにしたものであるが、そのような点接合操作においては、かかるピン型工具を点接合の終了後に、金属板部材の重合せ部位に形成される撹拌領域(撹拌部)から引き抜くと、そこに、ピン型工具の先端のプローブを含む差し込み部分に対応した形状の凹所(穴)が残り、これが、塗装時における液溜まりの問題を惹起したり、接合されるべき金属板部材の継手強度(結合強度)にも悪影響をもたらす等という問題を内在していた。 However, all of these proposed various friction stir spot joining methods are basically pin-type tools having a structure in which a pin-shaped hard probe is integrally provided at the tip of a rod-shaped tool body ( Rotating tool), rotating it at high speed, inserting it into the overlapping part of the predetermined metal plate member, and pressing the shoulder part composed of the tip of the tool body of such pin type tool against the overlapping part By inserting frictional heat between the shoulder and probe and the superposition site, the material is plastically flowed, and a stirring region is formed around the probe, thereby inserting the probe. In such a point joining operation, the pin type tool is attached after the point joining is completed. When the metal plate member is pulled out from the stirring region (stirring portion) formed in the overlapping portion, a recess (hole) having a shape corresponding to the insertion portion including the probe at the tip of the pin type tool remains there. There are inherent problems such as causing a problem of liquid pool during coating, and adversely affecting the joint strength (bonding strength) of the metal plate members to be joined.
このため、本願出願人は、先に、特許文献5において、プローブとショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能とされた複動式構造の回転工具を用い、接合されるべき金属板部材の重合せ部に対して、それぞれ、回転せしめられたプローブとショルダ部材の差し込み(突き出し)と当接によって、かかる重合せ部に摩擦撹拌領域を形成して、それら複数の金属板部材の接合を図った後、プローブを摩擦撹拌領域から引き抜きつつ、ショルダ部材を前進させて、摩擦撹拌領域の表面を押圧することによって、プローブ穴内に周囲の摩擦撹拌領域の材料を流れ込ませて、かかるプローブ穴を埋め、そして、プローブとショルダ部材のショルダ面とが面一となったところで、回転工具を重合せ部から離脱させるようにした手法を、明らかにした。 For this reason, the applicant of the present application first uses a rotary tool having a double-acting structure in which the probe and the shoulder member are separately configured in Patent Document 5 and separately movable in the axial direction. A friction stir zone is formed in the overlapped portion of the overlapped portion of the metal plate member to be formed by inserting and projecting the rotated probe and the shoulder member, respectively. After joining the metal plate members, the shoulder member is advanced while the probe is pulled out of the friction stir zone, and the surface of the friction stir zone is pressed, so that the material of the surrounding friction stir zone flows into the probe hole. Then, when the probe hole is filled, and the probe and the shoulder surface of the shoulder member are flush with each other, a method in which the rotary tool is detached from the overlapping portion, It was to Raka.
しかしながら、そのような複動式の回転工具を用いた摩擦撹拌点接合方法によれば、接合されるべき金属板部材の板厚が種々変化しても、一つの回転工具にて対応することが出来る特徴に加えて、摩擦撹拌領域にて与えられる接合部には、プローブの引き抜き穴が残ることが、効果的に回避され得ることとなるところから、接合強度の低下の問題や塗装時における液溜りの問題等も、有利に解消され得る特徴が発揮されるのであるが、用いる回転工具が複動式構造であるが故に、プローブとショルダ部材との間には、必然的にクリアランス(隙間)が存在することとなり、そのために、そのようなクリアランスに、摩擦撹拌領域(接合部)を構成する被接合金属板部材の材料が入り込み、凝着する問題があり、そしてそれによって、プローブとショルダ部材との間における、互いに独立した作動(移動)が困難となったり、ひいては、摩擦撹拌点接合操作を繰り返して行なうことが不可能となる問題が、内在している。 However, according to the friction stir spot joining method using such a double-acting rotary tool, even if the plate thickness of the metal plate members to be joined changes variously, it is possible to cope with one rotary tool. In addition to the features that can be achieved, it is possible to effectively avoid the fact that probe pull-out holes remain in the joint provided in the friction stir zone. Although the problem that the accumulation problem etc. can be advantageously solved is exhibited, since the rotary tool to be used has a double-acting structure, there is inevitably a clearance (gap) between the probe and the shoulder member. Therefore, there is a problem that the material of the bonded metal plate member constituting the friction stir zone (joining portion) enters and adheres to such clearance, and thereby the probe Between the shoulder member, or a mutually independent operation (movement) difficult, thus, a problem that it is impossible to perform repeated friction stir spot joining operation, are inherent.
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、プローブとショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能とされた複動式構造の摩擦撹拌点接合用回転工具において、プローブとショルダ部材との間の隙間に入り込む材料を外部に排出して、それらの隙間に凝着しないようにした摩擦撹拌点接合用複動式回転工具を提供することにある。 Here, the present invention has been made in the background of such circumstances, the problem to be solved is that the probe and the shoulder member are configured separately and can be moved separately in the axial direction. In a friction stir spot joining rotary tool for a friction stir spot joining with a double-acting structure in which the material that enters the gap between the probe and the shoulder member is discharged to the outside so that it does not adhere to the gap. It is to provide a double-acting rotary tool.
そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、複数の被接合金属部材を重ね合わせ、その重合せ部の一方の側から回転せしめられつつ差し込まれるロッド状のプローブと、該プローブの周りに外嵌されて同軸的に位置し、該一方の側の面に回転状態下に当接せしめられるショルダ面を有する円筒状のショルダ部材とを備え、該プローブと該ショルダ部材とが別体に構成されて、別個に軸方向に移動可能とされた複動式構造の摩擦撹拌点接合用回転工具において、前記プローブと前記ショルダ部材との間に侵入した前記被接合金属部材の材料を外部に排出せしめる凝着防止/解消手段を設けたことを特徴とする摩擦撹拌点接合用複動式回転工具を、その要旨とするものである。 In the present invention, in order to solve such a problem, a rod-shaped probe that is inserted while being overlapped with a plurality of metal members to be joined and rotated from one side of the overlapping portion, and the probe A cylindrical shoulder member having a shoulder surface that is fitted around and coaxially positioned on the one side and is brought into contact with the surface of the one side under rotation, and the probe and the shoulder member are separated from each other. In the rotary tool for friction stir spot welding of a double-acting structure constructed in a body and separately movable in the axial direction, the material of the metal member to be joined that has entered between the probe and the shoulder member is used. The gist of the present invention is a double-acting rotary tool for friction stir spot joining, characterized in that an adhesion preventing / dissolving means for discharging to the outside is provided.
なお、かかる本発明に従う摩擦撹拌点接合用複動式回転工具の望ましい態様の一つによれば、前記凝着防止/解消手段は、前記プローブの外周面に形成された、先端面よりも基部側が大径となる段付き部にて構成されており、摩擦撹拌点接合操作の後において、該プローブが前記ショルダ部材に対して相対的に突き出されることによって、前記侵入材料が外部に排出されるように構成されている一方、別の望ましい態様の一つによれば、前記凝着防止/解消手段は、前記プローブの外周面に形成されたネジ部によって構成されており、摩擦撹拌点接合操作の後において、該プローブが回転せしめられ、或いは前記ショルダ部材に対して相対的に突き出されることによって、前記侵入材料が外部に排出されるように、構成されている。 In addition, according to one of the desirable modes of the double-acting rotary tool for friction stir spot joining according to the present invention, the adhesion preventing / dissolving means is formed on the outer peripheral surface of the probe rather than the tip surface. The side is composed of a stepped portion having a large diameter, and after the friction stir spot joining operation, the probe protrudes relative to the shoulder member, whereby the intrusion material is discharged to the outside. On the other hand, according to another desirable mode, the adhesion preventing / dissolving means is constituted by a screw portion formed on the outer peripheral surface of the probe, After the operation, the intrusion material is discharged to the outside by rotating the probe or protruding relative to the shoulder member.
また、このような本発明に従う摩擦撹拌点接合用複動式回転工具の好ましい態様の他の一つによれば、前記凝着防止/解消手段は、前記プローブの外周面に摺接して、付着した前記侵入材料を除去し得るブラシ手段にて構成され、摩擦撹拌点接合操作の後において、該プローブが前記ショルダ部材に対して相対的に突き出され、そしてその突き出されたプローブの外周面に対して該ブラシ手段が相対的に摺接せしめられるようになっている。 According to another preferred embodiment of the double-acting rotary tool for friction stir spot joining according to the present invention, the adhesion preventing / eliminating means is in sliding contact with the outer peripheral surface of the probe and adheres to it. The brush means is capable of removing the intruding material, and after the friction stir spot joining operation, the probe protrudes relative to the shoulder member, and against the outer peripheral surface of the protruding probe. Thus, the brush means can be relatively brought into sliding contact.
さらに、本発明に従う摩擦撹拌点接合用複動式回転工具の別の好ましい態様の一つによれば、前記凝着防止/解消手段は、前記ショルダ部材の筒壁部を貫通するように設けられた排出孔にて構成され、該排出孔を通じて、前記侵入材料が外部に排出されるようになっている一方、さらに別の好ましい態様の一つによれば、前記凝着防止/解消手段は、前記プローブと前記ショルダ部材との間の隙間に基部側から先端側に向って気体を吹き込む気体吹込み手段にて構成されており、摩擦撹拌点接合操作の後において、該気体吹込み手段による気体の吹き込みによって、前記侵入材料が外部に排出されるようになっている。 Furthermore, according to another preferable aspect of the double-acting rotary tool for friction stir spot joining according to the present invention, the adhesion preventing / eliminating means is provided so as to penetrate the cylindrical wall portion of the shoulder member. The intrusion material is discharged to the outside through the discharge hole, and according to still another preferred embodiment, the adhesion preventing / resolving means comprises: Gas blowing means for blowing gas into the gap between the probe and the shoulder member from the base side toward the tip side, and after the friction stir spot joining operation, the gas by the gas blowing means The intrusion material is discharged to the outside by blowing.
このように、本発明に従う摩擦撹拌点接合用複動式回転工具によれば、プローブとショルダ部材とが別体で構成されて、別個に軸方向に移動可能とされた複動式構造とされ、それらの間、即ち、プローブの外周面とショルダ部材の内周面との間に隙間が存在していても、凝着防止/解消手段によって、そのような隙間に入り込んだ被接合金属部材の材料が外部に排出せしめられることとなるところから、かかる隙間に侵入した材料が凝着し、プローブとショルダ部材とを固着せしめることによって惹起されるトラブルが、効果的に抑制乃至は阻止され得るようになるのである。 As described above, according to the double-acting rotary tool for friction stir spot joining according to the present invention, the probe and the shoulder member are configured as separate bodies, and have a double-acting structure that can be separately moved in the axial direction. Even if there is a gap between them, that is, between the outer peripheral surface of the probe and the inner peripheral surface of the shoulder member, the adhesion preventing / resolving means prevents the metal member to be joined that has entered such a gap. Since the material is discharged to the outside, the trouble that is caused by the adhesion of the material that has entered the gap and fixing the probe to the shoulder member can be effectively suppressed or prevented. It becomes.
なお、本発明に従う望ましい態様の一つに従って、摩擦撹拌要点接合用複動式回転工具のプローブの外周面に、その先端側よりも大径となる段付部を基部側において形成することによって、プローブをショルダ部材から突き出した際に、プローブの先端側の外周面とショルダ部材の外周面との間の隙間に侵入した被接合金属部材の材料を、プローブに形成された段付部の端面で押圧し、そのような隙間に侵入した金属材料を、効果的に、それらの隙間内から外部に排出せしめることが出来るのである。一方、かかる本発明に従う別の望ましい態様に従って、プローブの外周面にネジ部を形成することにより、前述した段付部と同様に、かかるネジ部の山部によって隙間に侵入した材料を外部に押し出したり、或いはプローブが回転せしめられることによって、ネジ山の送り作用によって、プローブとショルダ部材の隙間、換言すれば、ネジ部の谷部とショルダ部材の内周面との間に侵入した金属材料を、効果的に外部に排出することが出来る。 In addition, according to one of the desirable embodiments according to the present invention, on the outer peripheral surface of the probe of the double-acting rotary tool for friction stir point junction, by forming a stepped portion having a larger diameter than the tip side on the base side, When the probe protrudes from the shoulder member, the material of the metal member to be joined that has entered the gap between the outer peripheral surface of the probe tip side and the outer peripheral surface of the shoulder member is removed from the end surface of the stepped portion formed on the probe. The metal material that has been pressed and penetrated into such a gap can be effectively discharged out of the gap. On the other hand, according to another desirable mode according to the present invention, by forming a threaded portion on the outer peripheral surface of the probe, the material that has entered the gap by the threaded portion of the threaded portion is extruded to the outside in the same manner as the stepped portion described above. Or by rotating the probe, the screw feed action causes the gap between the probe and the shoulder member, in other words, the metal material that has entered between the valley of the screw portion and the inner peripheral surface of the shoulder member. , Can be effectively discharged to the outside.
さらに、別の好ましい態様に従って、プローブの外周面に摺接するようにブラシ部材を設けることにより、プローブをショルダ部材から突き出して、かかる突き出されたプローブの外周面を、そのようなブラシ部材にて擦ることで、摩擦撹拌点接合操作によって、プローブの外周面とショルダ部材の内周面との間に侵入し、プローブ部材の外周面に凝着せしめられた金属材料を、効果的に取り去ることが出来るのである。 Further, according to another preferred embodiment, by providing a brush member so as to be in sliding contact with the outer peripheral surface of the probe, the probe protrudes from the shoulder member, and the outer peripheral surface of the protruded probe is rubbed with such a brush member. Thus, by the friction stir spot joining operation, it is possible to effectively remove the metal material that penetrates between the outer peripheral surface of the probe and the inner peripheral surface of the shoulder member and adheres to the outer peripheral surface of the probe member. It is.
更にまた、本発明に従う摩擦撹拌要点接合用複動式回転工具の別の望ましい態様の一つに従って、ショルダ部材に、その筒壁部を貫通するように排出孔を設けることにより、そのような排出孔を通じて、摩擦撹拌接合時にプローブとショルダ部材の隙間に侵入した材料が外部に排出されることとなる。また、更に別の望ましい態様の一つに従って、プローブの外周面とショルダ部材の内周面に形成される隙間に対して、回転工具の基部側から先端側に向かって気体吹込み手段を用いて気体を吹き込むことで、そのような隙間に侵入してきた材料を気体の圧力により、効果的に外部に排出せしめることが出来ると共に、摩擦撹拌点接合操作中にも、金属材料が隙間に侵入することを防ぐことが可能となるのである。 Furthermore, according to one of the other desirable modes of the double-acting rotary tool for friction stir point according to the present invention, such discharge is provided by providing a discharge hole in the shoulder member so as to penetrate the cylindrical wall portion. Through the hole, the material that has entered the gap between the probe and the shoulder member during friction stir welding is discharged to the outside. Further, according to one of the other desirable embodiments, a gas blowing means is used from the base side to the tip side of the rotary tool with respect to the gap formed on the outer peripheral surface of the probe and the inner peripheral surface of the shoulder member. By blowing in gas, the material that has entered into such a gap can be effectively discharged to the outside by the pressure of the gas, and metal materials can also enter into the gap during the friction stir spot welding operation. It becomes possible to prevent.
要するに、かかる本発明に従う摩擦撹拌用点接合用複動式回転工具によれば、プローブの内周面とショルダ部材の外周面との間に形成される隙間に、摩擦撹拌点接合操作時に撹拌流動せしめられる金属材料が侵入したとしても、そのような侵入材料が、凝着防止手段によって効果的に外部に排出せしめられるようになっているところから、隙間における材料の凝着によるトラブルの発生を回避しつつ、摩擦撹拌点接合操作を、連続的に、繰返し行なうことが可能となるのである。 In short, according to the double-acting rotary tool for friction stir point joining according to the present invention, the stirring flow during the friction stir spot joining operation is performed in the gap formed between the inner peripheral surface of the probe and the outer peripheral surface of the shoulder member. Even if a metal material to be squeezed in, such an intrusion material can be effectively discharged to the outside by means of anti-adhesion means, thereby avoiding troubles due to material adhesion in the gap. However, the friction stir spot joining operation can be performed continuously and repeatedly.
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。 Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、図1には、本発明に従う摩擦撹拌点接合用回転工具の一例が、その先端部を拡大して概略的に示されている。かかる図1において、摩擦撹拌点接合用の回転工具10が、被接合金属部材たる金属板2a,2b重ね合わせ部位の上方に位置せしめられている一方、下側の金属板2bの裏側(下側)には、図示しない裏当て治具が配置されている。そして、回転工具10は、先端部位が段付き形状とされたプローブ12の外側にショルダ部材14を外挿せしめて、それらが同軸的に配置されてなる構造において、構成されている。
First, FIG. 1 schematically shows an example of a friction stir spot welding rotary tool according to the present invention with its tip portion enlarged. In FIG. 1, a
より具体的には、プローブ12は、図1において上下方向に軸方向が位置するようにして、細長な細径、丸棒状のプローブ先端部12aと、このプローブ先端部12aよりも大径の、基部側(図において、上側)の丸棒状のプローブ基部12bとを一体形成してなる、段付き構造を有しており、かかるプローブ基部12bとプローブ先端部12aの段差部分が、端面16とされている。そして、このような段付き構造によって、本発明に従う凝着防止手段が、構成されているのである。なお、このプローブ12は、従来と同様に、プローブ基部12b側に連結される、図示しない回転駆動装置によって、その軸回りに高速回転せしめられ得るようになっていると共に、軸方向に往復移動(突き出し作動及び引き込み作動)が可能とされている。
More specifically, the
また、そのようなプローブ12に外挿されるショルダ部材14は、円筒形状とされ、その中心孔の直径は、プローブ12のプローブ基部12b部位の外径よりも僅かに大きくされて、形成されており、プローブ12が、かかる中心孔内で、容易に回転させられ、且つ軸方向に移動可能とされている。そして、このショルダ部材14にあっても、プローブ12と同様に、図示しない回転駆動機構によって、プローブ12と連動して、或いはプローブ12とは別個に、軸回りに高速回転せしめられ得るようになっていると共に、軸方向に往復移動(突き出し作動+引き込み作動)が可能とされているのである。
Further, the
なお、かかるショルダ部材14の、少なくとも金属板2a,2b(被接合金属部材)に接する部位と、プローブ12におけるプローブ先端部12aの、少なくとも金属板2a,2bに接する部位は、それら金属板2a,2bの材質よりも硬い材質の材料にて形成されて、摩擦撹拌点接合操作において、それらの損耗が阻止され得るようになっており、例えば、金属板2a,2b(被接合金属部材)がアルミ材質の場合にあっては、鋼材質にて形成されることとなる。
It should be noted that the portion of the
ところで、かくの如き本発明に従う回転工具10を用いて、被接合金属部材たる金属板2a,2bを摩擦撹拌点接合せしめるに際しては、例えば、図2に示される如き工程に従って、行われることとなるのである。なお、そこにおいて、金属板2a,2bは、図示しない所定の裏当て治具上に重ね合わされて配置され、そして所定のクランプ部材によって位置固定にクランプされている。また、それら2枚の金属板2a,2bの材質は、何れも、摩擦撹拌接合が可能な金属材質のものであって、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅、銅合金、鉄若しくはその合金等からなるものであり、更に、それら金属板2a,2bには、同材質のものや、異なる材質のものが、適宜に選択されて用いられることとなる。
By the way, using the
そして、そこでは、先ず、図2(a)に示されるように、回転工具10のプローブ12とショルダ部材14とを高速回転させつつ、上側の金属板2aの表面に押し当て、プローブ12の先端面やショルダ部材14のショルダ面と金属板2a表面との間で摩擦発熱させて、摩擦発熱部を形成し、その後、プローブ12を下側の金属板2bに達するまで差し込み、金属板2a,2bに亘って摩擦撹拌領域20を形成して、金属板2a,2bの摩擦撹拌点接合を行うのである(図2(b)参照)。なお、回転工具10の金属板2a表面への当接に際しては、プローブ12の先端面とショルダ部材14のショルダ面とを面一とした状態下で、金属板2a表面に押し当て、その後、プローブ12をショルダ部材14から突出させて、金属板2a,2b内に差し込むようにしたり、或いは、プローブ12をショルダ部材14から突出した状態にて、プローブ12の先端面を金属板2aに当接せしめて、摩擦発熱部を形成した後、プローブ12を金属板2bに達するまで差し込んで、摩擦撹拌領域20を形成するようにしてもよい。なお、回転工具10を構成するプローブ12とショルダ部材14は、一体的に回転せしめられる他、それぞれ独立して、回転させられるようにすることも可能であり、また、プローブ12の差し込み深さは、金属板2a,2bの板厚に応じて、適宜に決定されることとなる。
Then, first, as shown in FIG. 2A, the
こうして、回転工具10による摩擦撹拌操作が終了すると、図2(c)に示されるように、プローブ12が引き抜かれる(上昇する)と共に、ショルダ部材14により押し込みが行なわれることによって、プローブ12の引き抜きによって生じる穴が、摩擦撹拌領域20の他の部位からの金属材料の流動によって埋め込まれることとなり、その後、ショルダ部材14のショルダ面とプローブ12の先端面とを面一とした状態で摩擦撹拌領域20を押さえつけた後に、金属板2aの表面から回転工具10を離脱せしめることによって、略平坦な接合部22が形成されて、目的とする金属板2a,2bの摩擦撹拌点接合が、実現されるのである。
When the friction stir operation by the
しかしながら、このような摩擦撹拌点接合操作を行うに際して、プローブ12とショルダ部材14との間、より詳細には、プローブ12先端の外周面とショルダ部材14の内周面との間に、摩擦撹拌時に摩擦撹拌領域20で流動せしめられる金属材料が侵入して、それら内、外周面に凝着し、それによって摩擦撹拌点接合操作を困難とする恐れが生じるのであるが、ここでは、凝着防止手段として、プローブ12に段付き構造が採用されているところから、そのような間隙に侵入した金属材料は、例えば、以下のような工程によって、排出せしめられ得るのである。
However, when performing such a friction stir spot joining operation, friction stir between the
すなわち、図3(a)に示されるように、前記した摩擦撹拌接合操作が終了した後に、回転工具10が金属板2a,2b(被接合金属部材)に対して干渉しない位置において、プローブ12が、ショルダ部材14から、相対的に突き出されるようにするのである。そうすると、図3(b)に示されるように、プローブ12のプローブ先端部12aとプローブ基部12bとの間に形成されている段付部の端面16によって、間隙に侵入して凝着している金属材料(24)が押出し圧力を受けるようになり、そしてそのような状態下で、プローブ12の突き出し動作を更に進めることにより、凝着金属材料(24)が、下方に押し出されて、外部に排出されるようになる。
That is, as shown in FIG. 3A, after the friction stir welding operation is completed, the
そして、図3(c)に示されるように、プローブ先端部12a全体がショルダ部材14から突出せしめられることによって、間隙に侵入し、凝着していた金属材料(24)が、プローブ12とショルダ部材14との間の間隙から外部に排出せしめられることとなるのであり、更にその後、その突き出していたプローブ12を、元の位置まで引き戻すと共に、回転工具10を、次の接合操作を行う箇所に移動せしめることによって、連続して、摩擦撹拌点接合操作を行うことが出来るのである[図3(d)参照]。なお、このようなプローブ12のショルダ部材14からの突き出し操作は、プローブ12やショルダ部材14をそれぞれ回転させつつ行ったり、或いは片方のみを回転させたり、更には、何れをも回転させることなく、行うことも、可能である。
Then, as shown in FIG. 3C, when the
このように、本発明に従う摩擦撹拌点接合用回転工具によれば、プローブ12の外周面に形成された、凝着防止手段たる段付き構造における段差部の端面16によって、複動式回転工具のプローブ12とショルダ部材14との間に必然的に存在する間隙に入り込んで凝着している金属材料(24)を、単にプローブ12の突き出し操作を行うのみで、そのような間隙から外部へと押し出して排出することが可能となるところから、間隙への金属材料(24)の凝着によるプローブ12やショルダ部材14の回転不良等のトラブルの発生を有利に回避することが出来、以て、摩擦撹拌点接合操作を、連続的に、繰返し行なうことが可能となるのである。
As described above, according to the rotary tool for friction stir spot joining according to the present invention, the
なお、ここで、凝着防止/解消手段として採用されているプローブ12の段付き構造において、その段差部の高さ(先端部12aと基部12bの外径差)が高く(大きく)なり過ぎると、金属材料(24)の侵入量が多くなり、またその高さが低く(小さく)なり過ぎると、凝着した金属材料(24)の排出作用を充分に発揮することが困難となるところから、一般に0.01〜0.5mm程度、好ましくは0.03〜0.2mm程度の高さとすることが望ましい。
Here, in the stepped structure of the
以上、本発明に従うところの凝着防止/解消手段の代表的な一実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る凝着防止/解消手段のみに、何等限定的に解釈されるものではないことは言うまでもないところであり、例えば、以下に例示の如き凝着防止/解消手段も、同様に採用可能であることが、理解されるべきである。 As mentioned above, although one typical embodiment of the adhesion preventing / dissolving means according to the present invention has been described in detail, it is merely an example, and the present invention relates to such an embodiment. Needless to say, the present invention is not limited to the anti-adhesion / elimination means, and for example, the anti-adhesion / elimination means exemplified below can be similarly employed. Should be understood.
具体的には、前述の実施形態においては、丸棒状のプローブ12は細径のプローブ先端部12aと太径のプローブ基部12bとからなる段付き構造とされていたが、図4に示されるように、プローブ12の外周面にネジ部が形成されてなる構造とすることも、可能である。このようにプローブ12の外周面にネジ部30を形成し、プローブ12をショルダ部材14から突き出すことによって、かかるネジ部30のねじ山部分で、プローブ12とショルダ部材14との間隙に侵入して凝着した金属材料(24)を外部へ押し出したり、或いはプローブ12を突き出しつつ、回転せしめることによって、ネジ部30の送り作用で、間隙に侵入して凝着した金属材料(24)を外部に押し出すことが出来るのである。
Specifically, in the above-described embodiment, the round bar-shaped
また、図5に示されるように、ショルダ部材14から突き出されたプローブ12の外周面を摺接するようにブラシ32を設けることにより、摩擦撹拌点接合操作によってプローブ12の外周面に付着した金属材料24を、プローブ12をショルダ部材14から突き出すと共に、ブラシ32によって擦り落とすようにすることも、可能である。
Further, as shown in FIG. 5, by providing a
更にまた、図6に示す如く、円筒状のショルダ部材14の筒壁部を貫通するように、排出孔34を設けて、ショルダ部材14の先端面側から、プローブ12とショルダ部材14との間隙内に侵入してきた金属材料(24)を、かかる排出孔34を通じて、間隙内から排出するようにしてもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 6, a
加えて、図7に示されるように、回転工具10の基部側に設けた気体送り込み装置を用いて、プローブ12とショルダ部材14との間の隙間18に、プローブ基部側から先端側に向かって、圧力気体を吹き込むことで、かかる隙間18に入り込んだ金属材料(24)を押し出したり、或いは、隙間18に侵入してくるのを阻止するようにすることも、可能である。
In addition, as shown in FIG. 7, using a gas feeding device provided on the base side of the
ところで、このような回転工具10を用いて摩擦撹拌点接合操作を行う被接合金属部材の形状としては、全体が平坦な板材である必要はなく、少なくとも、その重合せ部位が、摩擦撹拌点接合可能な範囲において、平坦な板状を呈しておれば充分であり、それ故に、それぞれの金属板材に対してプレス成形等の各種の成形操作が施されて、種々なる形状に成形されてなる成形品を、本発明における被接合金属部材として用いることも可能であり、更に、重合せ部位以外の部分が板状ではなく、ブロック状、柱状、筒状、箱状等の各種の形状を有する部材を、被接合金属部材として用いることも可能である。加えて、重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材の形状にあっても、上述せる如き金属板材にて与えられる板状形状に限られるものではなく、その上に重ね合わされる2つ以上の被接合金属部材の各板状部が載置され得るように、平坦面を有する部材であれば、ブロック状や箱体形状等の各種形状の部材を、重合せ部における最下部の被接合金属部材として、用いることが可能である。
By the way, as a shape of the to-be-joined metal member which performs friction stir spot joining operation using such a
その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。 In addition, although not enumerated one by one, the present invention is carried out in a mode to which various changes, modifications, improvements, etc. are added based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that any one of them falls within the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention.
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、また、言うまでもないところである。 Hereinafter, representative examples of the present invention will be shown to clarify the present invention more specifically, but the present invention is not limited by the description of such examples. It goes without saying.
先ず、被接合金属部材として、板厚が1mmのアルミニウム板(6016−T4材)の2枚を重ね合わせたものを用意した後、その下板側に裏当て治具を当接せしめ、それらを所定のクランプ部材を用いて固定した後、回転工具として、図1に示される如き構成の2段の複動式の回転工具を用いて、摩擦撹拌点接合を行った。なお、かかる摩擦撹拌点接合操作は、回転工具を高速回転させつつ、先ず、ショルダ部材のショルダ面及びプローブの先端面が平坦とされた状態(面一とした状態)で、上側(回転工具側)のアルミニウム板に当接せしめて、その後、プローブを下側のアルミニウム板の板厚の1/3の深さまで差し込み、摩擦撹拌接合を行った後、プローブをアルミニウム板から引き抜きつつ、ショルダ部材を押さえ込み、プローブ穴の残らない摩擦撹拌点接合部を形成した。 First, as a metal member to be joined, two aluminum plates having a thickness of 1 mm (6016-T4 material) were prepared, and then a backing jig was brought into contact with the lower plate, After fixing using a predetermined clamp member, friction stir spot welding was performed using a double-acting rotary tool having two stages as shown in FIG. 1 as the rotary tool. The friction stir spot joining operation is performed by rotating the rotary tool at a high speed, with the shoulder surface of the shoulder member and the tip end surface of the probe being flat (in a state of being flush with each other). Then, the probe is inserted to a depth of 1/3 of the thickness of the lower aluminum plate, friction stir welding is performed, and then the shoulder member is pulled out while pulling the probe out of the aluminum plate. A friction stir spot joint with no probe hole remaining was formed.
そして、このような摩擦撹拌点接合操作を連続して100回行ったところ、プローブとショルダ部材との間にアルミが凝着し、プローブを駆動する負荷が大きくなり、リミッタが作動して、装置が停止した。このため、図3に示されるように、プローブをショルダ部材から突き出すことにより、間隙内に凝着したアルミがリング状に剥離し、除去されることを確認した。また、そのような凝着したアルミを除去した後、100回の連続しての摩擦撹拌点接合操作が可能であることを確認した。 Then, when the friction stir spot joining operation is continuously performed 100 times, aluminum adheres between the probe and the shoulder member, the load for driving the probe increases, the limiter operates, and the device Stopped. Therefore, as shown in FIG. 3, it was confirmed that by sticking the probe out of the shoulder member, the aluminum adhered in the gap was peeled off in a ring shape and removed. Moreover, after removing such agglomerated aluminum, it was confirmed that 100 continuous friction stir spot joining operations were possible.
10 回転工具
12 プローブ
12a プローブ先端部
12b プローブ基部
14 ショルダ部材
16 端面
18 隙間
20 摩擦撹拌領域
22 接合部
24 金属材料
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記プローブと前記ショルダ部材との間に侵入した前記被接合金属部材の材料を外部に排出せしめる凝着防止/解消手段を設けたことを特徴とする摩擦撹拌点接合用複動式回転工具。 A plurality of metal members to be joined, and a rod-like probe that is inserted while being rotated from one side of the overlapped portion, and is fitted around and coaxially positioned around the probe, A cylindrical shoulder member having a shoulder surface that is brought into contact with the surface in a rotating state, and the probe and the shoulder member are configured separately and are separately movable in the axial direction. In the rotary tool for friction stir spot welding of dynamic structure,
A double-acting rotary tool for friction stir spot joining, characterized in that it is provided with adhesion preventing / eliminating means for discharging the material of the metal member to be joined that has entered between the probe and the shoulder member to the outside.
The adhesion preventing / releasing means is constituted by gas blowing means for blowing gas from the base side toward the tip side into the gap between the probe and the shoulder member, and after the friction stir spot joining operation 2. The double-acting rotary tool for friction stir spot welding according to claim 1, wherein the intrusion material is discharged to the outside by gas blowing by the gas blowing means.
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