JP2007083257A - Friction stirring and joining method using double action type rotary tool - Google Patents
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Description
本発明は、ショルダーとプローブとが複動式の回転工具を用いた摩擦攪拌接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding method using a rotary tool in which a shoulder and a probe are double-acting.
最近、地球環境保護あるいは省エネルギーの観点から、自動車の排出する有毒なガスや二酸化炭素の抑止、燃費の向上が叫ばれている。これらを達成する一つの方法として、自動車の軽量化、即ち軽量材料の使用が最も有効であり、ボディ及び部品の鋼からアルミニウムへの転換が盛んに検討されている。素材をできるだけ節約し、部材の適材適所を図るため、異なる板を接合しプレス成形に供するテーラードブランクの考え方がある。 Recently, from the viewpoint of protecting the global environment or saving energy, the toxic gas and carbon dioxide emitted from automobiles has been screamed and fuel consumption has been improved. One way to achieve these is to reduce the weight of automobiles, that is, to use lightweight materials, and there is a great deal of investigation into the conversion of body and parts from steel to aluminum. There is a concept of tailored blanks in which different plates are joined and used for press molding in order to save materials as much as possible and to make the right parts in the right place.
鋼板のテーラードブランク材は、レーザー溶接やマッシュシーム溶接により実用化されている。アルミニウム合金の場合、レーザー溶接では、レーザー光の反射率が高く、表面状態によるばらつきが大きく、ポロシティが生じやすい等の問題があり、安定な継手が得られない。マッシュシーム溶接も、アルミニウム合金の場合は熱が逃げやすく局部的な溶融しかできないため、プレス成形に耐えうる滑らかな表面を有する継手を得るのは困難である。 Steel plate tailored blanks have been put to practical use by laser welding and mash seam welding. In the case of an aluminum alloy, laser welding has problems such as high reflectivity of laser light, large variations depending on the surface state, and easily generating porosity, and a stable joint cannot be obtained. In the case of mash seam welding, in the case of an aluminum alloy, since heat can easily escape and only local melting can be performed, it is difficult to obtain a joint having a smooth surface that can withstand press forming.
一方、入熱が少なく、軟化や歪みの程度が軽い接合方法として、アルミニウム合金の突き合せ摩擦攪拌接合方法が報告されている(特許文献1)。この方法は、硬質の裏当ての上に、軟質素材を突き合せて拘束し、硬質のピン型工具を突き合せ部分に高速回転させながら差し込み移動させる方法で、接合部が溶融しないのが特徴である。軟らかく、融点が低い金属に向いており、アルミニウム合金の接合に適する。この方法を用いてテーラードブランク材を製造することにより安定な継手特性を得ることが可能となる(特許文献2)。 On the other hand, an aluminum alloy butt friction stir welding method has been reported as a joining method with low heat input and a low degree of softening and strain (Patent Document 1). This method is a method in which a soft material is abutted and constrained on a hard backing, and a hard pin type tool is inserted and moved while rotating at a high speed at the abutting part. is there. It is suitable for metals that are soft and have a low melting point, and is suitable for joining aluminum alloys. A stable joint characteristic can be obtained by manufacturing a tailored blank using this method (Patent Document 2).
アルミニウム合金のテーラードブランクでは対象となる板厚が0.7〜3.0mm程度である。この範囲内の特に薄い領域で等厚または差厚突き合せの接合を摩擦攪拌接合方法により行った場合に、必ずしも健全とは言えない接合状態が得られる場合がある。この原因は、対象とする板厚が薄い場合には、板厚の微妙な変化や裏当て治具の微妙な起伏等が接合状態に大きな影響を与えるためであると考えられる。 In an aluminum alloy tailored blank, the target plate thickness is about 0.7 to 3.0 mm. When joints of equal thickness or differential thickness butt are performed by a friction stir welding method in a particularly thin region within this range, a joining state that is not necessarily sound may be obtained. This is considered to be because, when the target plate thickness is thin, subtle changes in the plate thickness, subtle undulations of the backing jig, and the like greatly affect the joining state.
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、板厚の微妙な変化等の前提条件の微小変化が生じても健全な接合状態を得ることができる摩擦攪拌接合方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a friction stir welding method capable of obtaining a sound joint state even if a minute change in a precondition such as a subtle change in plate thickness occurs. It is what.
本発明は、裏当て治具に載置した、板厚が0.7〜3mmのアルミニウム合金板よりなる2枚の接合部材の端面を突き合せ、その突き合せ部分を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
径大部と、該径大部の端面であるショルダーの回転軸上に設けられた径小のプローブとを有し、上記プローブのショルダーからの突出量を変更可能な複動式回転工具を用い、
該複動式回転工具を回転させながら上記突き合せ部分に差し込んだ後、上記突き合せ部分に沿って上記複動式回転工具を平面方向に移動させるに当たり、
上記複動式回転工具、上記接合部材、又は上記裏当て治具の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブの突出量を変更しながら上記複動式回転工具の移動を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法にある(請求項1)。
The present invention is a friction stir welding method in which the end surfaces of two joining members made of an aluminum alloy plate having a thickness of 0.7 to 3 mm placed on a backing jig are butted and the butted portions are joined. There,
A double-acting rotary tool having a large-diameter portion and a small-diameter probe provided on the rotation shaft of the shoulder, which is the end face of the large-diameter portion, can change the amount of protrusion from the probe shoulder. ,
After inserting the double-acting rotary tool into the abutting portion while rotating the double-acting rotary tool, in moving the double-acting rotary tool in the plane direction along the abutting portion,
The double-acting rotary tool, the joining member, or the backing jig is measured for a minute change indicating a subtle change, and the amount of protrusion of the probe is changed according to the measurement result. The friction stir welding method is characterized in that the rotary tool is moved (Claim 1).
本発明の摩擦攪拌接合方法では、上記複動式回転工具を積極的に採用する。即ち、径大部と、該径大部の端面であるショルダーの回転軸上に設けられた径小のプローブとを有し、上記プローブのショルダーからの突出量を変更可能な複動式回転工具を用いる。そして、該複動式回転工具を回転させながら上記突き合せ部分に差し込んだ後、上記突き合せ部分に沿って上記複動式回転工具を平面方向に移動させる。 In the friction stir welding method of the present invention, the double-acting rotary tool is positively employed. That is, a double-acting rotary tool having a large-diameter portion and a small-diameter probe provided on a rotation shaft of a shoulder that is an end face of the large-diameter portion, and capable of changing the amount of protrusion from the shoulder of the probe Is used. Then, after the double-acting rotary tool is rotated and inserted into the abutting portion, the double-acting rotary tool is moved in the plane direction along the abutting portion.
また、単に上記複動式回転工具を用いるというだけでなく、上記接合部材、又は上記裏当て治具の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブの突出量を変更しながら上記複動式回転工具の移動を行う。そのため、上記微小変化に応じて上記プローブの差込み深さを微調整することができ、この微調整を行わない場合に比べてより健全な接合状態を得ることができる。特に、本発明の接合部材の板厚は0.7〜3mmという薄板であるので、上記摩擦攪拌接合方法が有効である。 Further, not only using the double-acting rotary tool, but also measuring a minute change indicating a subtle change in the state of the joining member or the backing jig, and depending on the measurement result, the probe protrudes. The double-acting rotary tool is moved while changing the amount. Therefore, the insertion depth of the probe can be finely adjusted according to the minute change, and a sounder joined state can be obtained as compared with the case where the fine adjustment is not performed. In particular, since the plate thickness of the joining member of the present invention is a thin plate of 0.7 to 3 mm, the above friction stir welding method is effective.
本発明においては、上記接合部材の板厚を0.7〜3mmの範囲とする。なお、接合すべき2枚の接合部材が同じ板厚の場合だけでなく、異なる板厚の板を突き合せる場合にも本発明を適用することができるが、いずれの場合も両方の接合部材の板厚を0.7〜3mmの範囲とする。
上記接合部材の板厚が0.7mm未満の場合には、摩擦攪拌接合方法の適用自体が困難となる。一方、上記接合部材の板厚が3mmを超える場合には、上記複動式回転工具のプローブの突出量を微小制御することによる効果が十分に得られないおそれがある。
In the present invention, the thickness of the joining member is in the range of 0.7 to 3 mm. Note that the present invention can be applied not only when the two joining members to be joined have the same plate thickness but also when the plates having different plate thicknesses are to be abutted. The plate thickness is in the range of 0.7 to 3 mm.
When the plate thickness of the joining member is less than 0.7 mm, it is difficult to apply the friction stir welding method itself. On the other hand, when the plate thickness of the joining member exceeds 3 mm, there is a possibility that the effect of finely controlling the protruding amount of the probe of the double-acting rotary tool may not be sufficiently obtained.
上記微小変化は、一方又は両方の上記接合部材の板厚変動、上記裏当て治具の起伏変動、上記複動式回転工具を上記接合部材に差し込む方向の荷重変動、上記接合部材又は上記複動式回転工具の温度変化のいずれかであることが好ましい(請求項2)。
これらの微小変化は、接合部材が上記のごとく薄板の場合に接合状態に影響を与えやすい。そのため、これらの微小変化に応じて上記プローブの突出量制御を行うことが好ましい。
The minute change is caused by fluctuations in the thickness of one or both of the joining members, fluctuations in the relief of the backing jig, load fluctuations in the direction in which the double-acting rotary tool is inserted into the joining member, the joining members or the double-acting It is preferably one of the temperature changes of the rotary tool.
These minute changes tend to affect the joining state when the joining member is a thin plate as described above. Therefore, it is preferable to control the protrusion amount of the probe in accordance with these minute changes.
上記板厚変動を測定する方法としては、X線板厚計、超音波板厚計、レーザー変化計等の非接触式板厚計又は、ローラー式のマイクロメーター等の接触式板厚計を上記複動式回転工具と伴に移動させる方法等がある。上記裏当て治具の起伏変動を測定する方法としては、ローラーにより変位をとらえるセンサーを用いる方法等がある。上記複動式回転工具を上記接合部材に差し込む方向の荷重変動を測定する方法としては、ロードセルによる方法、油圧、エアー等による差圧センサーによる方法等がある。上記接合部材又は上記複動式回転工具の温度変化を測定する方法としては、赤外線センサーなどの非接触式温度計または、工具内に埋め込んだ熱伝対等の接触式温度計による方法等がある。 As a method for measuring the plate thickness variation, a non-contact type plate thickness meter such as an X-ray plate thickness meter, an ultrasonic plate thickness meter, a laser change meter, or a contact type plate thickness meter such as a roller type micrometer is used. There are methods such as moving with a double-acting rotary tool. As a method of measuring the undulation fluctuation of the backing jig, there is a method of using a sensor that detects displacement by a roller. As a method for measuring the load fluctuation in the direction in which the double-acting rotary tool is inserted into the joining member, there are a method using a load cell, a method using a differential pressure sensor using hydraulic pressure, air, and the like. As a method for measuring the temperature change of the joining member or the double-acting rotary tool, there is a method using a non-contact thermometer such as an infrared sensor or a contact thermometer such as a thermocouple embedded in the tool.
本発明の実施例にかかる摩擦攪拌接合方法につき、図1〜図6を用いて説明する。なお、本例は、本発明の一実施様態を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。 A friction stir welding method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, this example shows one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to this.
(実施例1)
図1に示すごとく、本例は、第1接合部材21である材質6111合金、質別T4、厚み1mmtの板(500mmW×1mL)と、第2接合部材22である材質6111合金、質別T4、厚み2mmtの板(500mmW×1mL)とを裏当て治具3上に載置して幅方向端面を突き合せて拘束し、その突き合せ部分23を接合する摩擦攪拌接合方法である。
Example 1
As shown in FIG. 1, in this example, the material 6111 alloy, which is the first joining
複動式回転工具1は、ショルダー11とプローブ12とが同軸の別駆動制御、つまり、
それぞれが荷重制御と、位置制御が可能であり、プローブ12をショルダー11に対して、相対的に進退させることができるように構成したものを用いた。そして、図1に示すごとく、この別駆動制御を行う油圧制御装置6は、上記複動式回転工具1に設けた測定装置51、52に電気的に接続され、該測定装置51、52から測定結果に応じて制御を行うように構成した。
The double-acting rotary tool 1 has a separate drive control in which the
Each was configured to be capable of load control and position control, and to be configured so that the
このような摩擦攪拌接合装置4を用いて接合を行うに当たっては、まず、上記第1接合部材21と上記第2接合部材22との突き合せ面200に対して、上記複動式回転工具1の回転軸Cを第1接合部材21の方に角度θ(θ=5度)傾斜させる。さらに、図3に示すごとく、後に行う平面方向への移動方向Aと反対側の方向にも角度α(α=3度)だけ傾斜させた姿勢に上記回転工具1を配置する。そして、複動式回転工具1を、裏当て治具3に対して鉛直な方向から上記突き合せ部分23へと回転させながら真下に差し込んだ後、上記突き合せ部分23に沿って上記複動式回転工具1を平面方向に移動させる。このとき、複動式回転工具1の回転数は1500rpm、その移動速度、つまり接合速度は2m/minとした。
In joining using such a friction
従来ならば、突き合せ接合を行う際には、ショルダーとプローブとが固定された複動式でない回転工具を用いて一定条件で移動させる、あるいは、複動式回転工具を用いても、一旦突き合せ部分に差し込んだ後は、ショルダーとプローブとを動かないように固定して平面方向に移動させる方法がとられていた。これに対し、本例では、複動式回転工具1、第1接合部材、第2接合部材、又は裏当て治具3の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブ12の突出量を変更しながら上記複動式回転工具1の移動を行う。
Conventionally, when butt joining is performed, a non-double-acting rotary tool in which the shoulder and the probe are fixed is moved under a fixed condition, or even if a double-acting rotary tool is used. After being inserted into the mating portion, the shoulder and the probe are fixed so as not to move and moved in the plane direction. On the other hand, in this example, a minute change indicating a subtle change in the state of the double-acting rotary tool 1, the first joining member, the second joining member, or the
図1及び図2に示すごとく、接合には、径大部10と、該径大部10の端面であるショルダー11の回転軸上に設けられた径小のプローブ12とを有し、上記プローブ12のショルダー11からの突出量Lを変更可能な複動式回転工具1を用いる。上記ショルダー11の直径D1は15mm、上記プローブ12の直径D2は3mmである。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the joint has a large-
また、本例では、図1に示すごとく、上記複動式回転工具1を備えた摩擦攪拌接合装置として、ガントリー型の摩擦攪拌接合装置4を用いた。該摩擦攪拌接合装置4は、ガントリー40に上下スライドするベース板を取り付け、複動式回転工具1の傾斜をガントリー40の横柱方向に+−15度振ることができるように、上記ベース板41に、上記複動式回転工具1を固定した接合ヘッド42を取り付けた構造を有する。
Further, in this example, as shown in FIG. 1, a gantry-type friction
上記微小変化測定としては、本例では接合部の差込み深さを一定にしての荷重制御を採用し、その測定は、ロードセルによる荷重測定という方法を採用した。この測定を実現すべく、後述する摩擦攪拌接合装置4には、ロードセルとその値を差込深さにフィードバックするという構成の測定装置51、52を径大部10及びプローブ12に対してそれぞれ設け、その測定結果に基づいて複動式回転工具1のプローブの突出量を変更するように構成した。
As the minute change measurement, in this example, load control with a constant insertion depth of the joint portion is adopted, and the load measurement using a load cell is adopted for the measurement. In order to realize this measurement, the friction
具体的な複動式回転工具1の動作は、図4、図5に示すごとく、接合開始時には上記プローブ12の先端面120と上記ショルダー11とを面一にしておき、上記ショルダー11で接合部材を加熱した後(ショルダー11接触後10秒経過後)、図6に示すごとく、上記プローブ12を突き出し、その後は、複動式回転工具1全体を突き合せ部分23に沿って移動させると共に、上記測定装置51、52の測定結果に応じてプローブ12の突出量Lを微小に変更しながら接合を行った。そして、接合終了位置では、上記プローブ12の突出状態を維持したまま、複動式回転工具1を上方に引き抜いた。
その結果、接合終了位置においては、固定式の回転工具を用いた場合と同様に、プローブ12が存在していた部分が穴状に残存していたが、それ以外の接合部全長にわたって、トンネルポア(長手方向に続いた欠陥)やキッシングボンド(裏面の未接合部)を防ぐことができ、健全な接合が可能であった。
As shown in FIGS. 4 and 5, the specific action of the double-acting rotary tool 1 is such that the
As a result, at the joining end position, the portion where the
(実施例2)
本例では、実施例1と基本的に同じ摩擦攪拌接合方法により、接合終了位置に穴が残らないテーラードブランクを得る具体例を示す。
実施例1と同様の装置を用いて、接合終了位置近傍に到達するまでには、実施例1と同条件(回転数、接合速度、板の大きさ)で行った。接合終了位置の30mm手前からプローブ12の先端面120をショルダー11面まで引っ込め、接合終了時位置では、ショルダー11面を0.1mm差し込んだ。その結果、接合終了位置では、プローブ12が存在していた部分が塞がれた状態となった。
このように本例では、終了部に穴が残らないテーラードブランクを得ることができた。その他は実施例1と同様の作用効果が得られる。
(Example 2)
In this example, a specific example of obtaining a tailored blank in which a hole does not remain at the joining end position by the friction stir welding method basically the same as in Example 1 is shown.
Using the same apparatus as in Example 1, it was performed under the same conditions (rotation speed, bonding speed, plate size) as in Example 1 until the vicinity of the joining end position was reached. The
Thus, in this example, a tailored blank in which no hole remained at the end portion could be obtained. In other respects, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
1 複動式回転工具
10 径大部
11 ショルダー
12 プローブ
120 先端面
200 突き合せ面
21 第1接合部材
22 第2接合部材
23 突き合せ部分
3 裏当て治具
4 摩擦攪拌接合装置
40 ガントリー
42 接合ヘッド
6 油圧制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Double acting
Claims (2)
径大部と、該径大部の端面であるショルダーの回転軸上に設けられた径小のプローブとを有し、上記プローブのショルダーからの突出量を変更可能な複動式回転工具を用い、
該複動式回転工具を回転させながら上記突き合せ部分に差し込んだ後、上記突き合せ部分に沿って上記複動式回転工具を平面方向に移動させるに当たり、
上記複動式回転工具、上記接合部材、又は上記裏当て治具の状態の微妙な変化を示す微小変化を測定し、その測定結果に応じて上記プローブの突出量を変更しながら上記複動式回転工具の移動を行うことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 A friction stir welding method in which end faces of two joining members made of an aluminum alloy plate having a thickness of 0.7 to 3 mm placed on a backing jig are joined, and the joined parts are joined.
A double-acting rotary tool having a large-diameter portion and a small-diameter probe provided on the rotation shaft of the shoulder, which is the end face of the large-diameter portion, can change the amount of protrusion from the probe shoulder. ,
After inserting the double-acting rotary tool into the abutting portion while rotating the double-acting rotary tool, in moving the double-acting rotary tool in the plane direction along the abutting portion,
The double-acting rotary tool, the joining member, or the backing jig is measured for a minute change indicating a subtle change, and the amount of protrusion of the probe is changed according to the measurement result. A friction stir welding method characterized by moving a rotary tool.
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