JP2007167902A - Friction stir joining method and rotary tool for friction stir joining - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム合金板等の被接合部材を摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合方法及び摩擦攪拌接合用回転ツールに関する。 The present invention relates to a friction stir welding method for friction stir welding of members to be joined such as an aluminum alloy plate and a rotary tool for friction stir welding.
従来から、板状の被接合部材を接合する方法としては、ボルトやリベットによる機械的接合或いは抵抗スポット溶接がある。この抵抗スポット溶接は、ボルトやリベットによる機械的接合に比べ、製品が軽量化され、工数も少なくかつ装置が比較的簡単で広く利用されている。 Conventionally, as a method of joining plate-like members to be joined, there are mechanical joining using bolts and rivets or resistance spot welding. This resistance spot welding has a lighter product, fewer man-hours, and a relatively simple and widely used apparatus compared to mechanical joining using bolts and rivets.
しかし、抵抗スポット溶接は、重ねられた接合すべき被接合部材を対向する溶接電極間で挟み通電し、その抵抗発熱によって接合部をほぼ溶融温度に加熱し、かつ電極間で加圧して接合することから、接合時に大容量の電力を必要とすると共に溶接電極は汚染や消耗に起因して寿命が短く、更に溶接電力以外に冷却用の冷却水やエアの配管、及び使用に伴い消耗して変形した溶接電極の頂部を成形するためのチップドレッサ等の付帯設備を要し、高い設備コスト及びランニングコストやメンテナンスコストが要求される。また、接合作業時に飛散するスパッタ等による作業環境への影響が懸念される。 However, in resistance spot welding, the overlapped members to be joined are sandwiched between the welding electrodes facing each other, and the joined portion is heated to almost the melting temperature by the resistance heat generation, and is pressed and joined between the electrodes. Therefore, the welding electrode requires a large amount of electric power at the time of joining and the life of the welding electrode is short due to contamination and wear, and in addition to the welding power, the cooling water and air piping for cooling, and the wear electrode are consumed with use. Ancillary equipment such as a tip dresser for forming the top of the deformed welding electrode is required, and high equipment cost, running cost and maintenance cost are required. In addition, there is a concern about the influence on the working environment due to sputtering or the like scattered during the joining work.
特に、アルミニウム合金板等の抵抗スポット溶接時には、溶接電極の消耗が激しく、また溶接打点が近接すると、通電時にその近接する溶接打点に電流が流れる分流減少が生じて溶接接合性能が不安定になることから、各溶接打点間を近接することができず連続打点性能に乏しく所期の接合強度が得られないことがある。 In particular, during resistance spot welding of aluminum alloy plates, etc., the welding electrode is heavily consumed, and if the welding spot is close, the current flow is reduced to the adjacent welding spot when energized, resulting in unstable welding joint performance. For this reason, the welding points cannot be brought close to each other, the continuous spot performance is poor, and the desired joint strength may not be obtained.
この対策として、例えば特許文献1に示されるように、被接合部材より硬い材質でつくられた回転ツールを回転させながら接合点に押圧し、摩擦熱と圧力によって接合点を加熱、軟化させると共に接合点付近の被接合部材を攪拌して接合する摩擦攪拌接合がある。
As a countermeasure, for example, as shown in
図9は、この摩擦攪拌接合に用いる回転ツールの先端部を示す図、図10は摩擦攪拌接合方法を示す図である。 FIG. 9 is a view showing a tip portion of a rotary tool used for the friction stir welding, and FIG. 10 is a view showing a friction stir welding method.
回転ツール101は円柱状であって、その先端に円柱状のショルダー部102が形成されている。ショルダー部102の底面103は、中央が基端側に凹むように逆円錐状に形成され、最も凹んだ中央部からピン部106が軸線Lに沿って先端方向に突出する。また、ショルダー部102の外周面104から底面103に亘る角部105には円弧状に滑らかに連なる、いわゆるショルダーRが形成され、底面103とピン部106とが連なる部分107も円弧状に滑らかに連なるように、いわゆる隅Rが形成される。
The
この回転ツール101を用いる摩擦攪拌接合方法は、図10(a)に示すように、摩擦攪拌接合装置100のワーク受け部材111の受け面111a上に2枚の被接合部材121、122の接合点Pが軸線Lに一致するように重ねて配置する。そして回転ツール101を高速で回転させながら軸線Lに沿って下降させる。
As shown in FIG. 10A, the friction stir welding method using the
回転ツール101のピン部106が被接合部材121に達すると、回転するピン部106と被接合部材121との摩擦熱によって被接合部材121が加熱されて軟化し、ピン部106が挿入される。ピン部106が挿入されると、ショルダー部102の底面103も被接合部材121に接触し、この底面103と被接合部材121とによる摩擦熱によって接合点P近傍が更に加熱される。このようにして加熱されて軟化した被接合部材121にピン部106が挿入された状態で回転することによって塑性流動が誘起され、回転するピン部106によって接合点P近傍の母材が攪拌される。
When the
このようにしてピン部106の先端106aが被接合部材121と被接合部材122との境界面123を越えた状態で、回転ツール101を回転させることによって接合点P付近が攪拌されて母材による塑性流動域が形成され、被接合部材121と122が接合点Pで一体となる。所定の時間攪拌後、図10(b)に示すように、回転ツール101を被接合部材121及び122から引き抜く。ピン部106を引き抜くと、塑性流動していた母材が硬化し、接合点Pにおいて被接合部材121と122が接合される。
In this manner, the vicinity of the joining point P is agitated by rotating the
また、摩擦攪拌接合にあたり図11に示すように、回転ツール101のピン部106及びショルダー部102を被接合部材121、122へ挿入すると、ピン部106及びショルダー部102により押し出されて排出された母材124aにより図12に示すように、バリ124が被接合部材121の表面に生成される。この被接合部材121の表面に発生したバリ124を除去するためのバリ取りカッターを回転ツールの先端外周に備える摩擦攪拌接合用回転ツールも知られている(例えば、特許文献2参照)。
Further, as shown in FIG. 11, when the
上記特許文献1の摩擦攪拌接合によると、回転ツール101を高速で回転させながら、被接合部材121と122の接合点Pにピン部106を押し付け、その摩擦熱で加熱、軟化した接合点Pにピン部106を挿入させて母材を攪拌させ、塑性流動により被接合部材121と122の接合点Pを結合することから、抵抗スポット溶接に比べ、極めて小容量の電力でスポット接合できると共に、冷却用の冷却水やエア及びその付帯設備が不要である。また、スパッタ等の発生もなく回転ツール101の汚染や損耗が極めて少なく回転ツール101の長時間使用が可能であり、メンテナンスコスト及びランニングコストの低減が得られる。また、互いの接合点Pを近接配置することが可能で優れた接合強度を確保することができる。
According to the friction stir welding described in
しかし、摩擦攪拌接合にあたり、回転ツール101のピン部106及びショルダー部102を軟化した被接合部材121に挿入することから、回転ツール101を被接合部材121に挿入するために大きな押圧力、即ち接合荷重を付与する必要がある。
However, in the friction stir welding, since the
ここで、発明者は鋭意研究実験の結果、摩擦攪拌接合にあたり、被接合部材121へのピン部106の挿入に要する押圧力、即ち接合荷重に対し、ショルダー部102の被接合部材121への接触及び挿入に伴う接合荷重が極めて大きく、その接合荷重はショルダー部102が被接合部材121に挿入する時間、即ち挿入深さに起因することを見出した。図13は、この摩擦接合における回転ツール101の接合荷重の推移を示す図である。
Here, as a result of earnest research experiments, the inventor made contact with the
また、ピン部106の径dに対しショルダー部102の径Dは、通常約2〜3倍であり、接合時に要する接合荷重による負荷はショルダー部102の径Dに依存する割合が大きい。このとき、特にピン部106及びショルダー部102の挿入に対する抗力が大きい材料の接合においては、接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて大きくなり、設備の大型化を招き設備コスト及びランニングコストの増大要因となる。
Further, the diameter D of the
一方、上記特許文献2によると、摩擦攪拌接合により被接合部材の表面に発生したバリを回転ツールに備えたバリ取りカッターで除去することによって、被接合部材の外観品質が確保できる。しかし、回転ツールにバリ取りカッターを備えることから、回転ツールが複雑になり設備コストの増大を招くと共に、バリ取りカッターで切除されたバリを除去するバリ処理作業が余儀なくされる。
On the other hand, according to
従って、かかる点に鑑みなされた本発明の第1の目的は、摩擦攪拌接合にあたり接合強度を確保しつつ設備負荷の低減が得られる摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転ツールを提供することにある。 Accordingly, a first object of the present invention made in view of such a point is to provide a friction stir welding method and a friction stir welding rotary tool that can reduce the equipment load while ensuring the bonding strength in friction stir welding. It is in.
また、本発明の第2の目的は、上記第1の目的に加え更にバリの発生が抑制できる摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転ツールを提供することにある。 A second object of the present invention is to provide a friction stir welding method and a friction stir welding rotary tool that can further suppress the generation of burrs in addition to the first object.
上記第1の目的を達成する請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法の発明は、円柱状のショルダー部の底面から同軸上で軸線に沿って突出するピン部を備えた回転ツールを有し、重ねられた被接合部材の接合点に上記ピン部を押圧しながら回転ツールを軸線まわりに回転させ、摩擦熱でピン部周囲の上記被接合部材を加熱軟化させてピン部を予め設定されたピン部挿入深さまで挿入すると共に回転するピン部で接合点付近の被接合部材を攪拌して互いの被接合部材を接合点で一体化させた後、軸線に沿って引き抜いて被接合部材を接合点でスポット接合する摩擦攪拌接合方法において、上記ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さより上記ピン部挿入深さが小さいこと特徴とする。
The invention of the friction stir welding method according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法において、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、排出母材体積/ショルダー部体積≧1であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the friction stir welding method according to the first aspect, the member is pushed out between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder portion as the pin portion is inserted into the pin portion insertion depth. The volume of the base material is the volume of the discharged base material, and the volume between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder portion when the pin portion is inserted into the pin portion insertion depth is the shoulder portion volume. The volume is ≧ 1.
上記第2の目的を達成する請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法において、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、1≦排出母材体積/ショルダー部体積≦2であることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項の摩擦攪拌接合方法において、上記ピン部挿入深さにおいて上記ピン部が上記重ねられた被接合部材の境界面に達することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the friction stir welding method according to any one of the first to third aspects, the pin portion reaches a boundary surface of the stacked members to be joined at the pin portion insertion depth. It is characterized by.
上記第1の目的を達成する請求項5に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールの発明は、円柱状のショルダー部の底面から同軸上で軸線に沿って突出するピン部を備え、重ねられた被接合部材の接合点に上記ピン部を押圧しながら軸線まわりに回転させ、摩擦熱でピン部周囲の上記被接合部材を加熱軟化させてピン部を予め設定されたピン部挿入深さまで挿入すると共に回転するピン部で接合点付近の被接合部材を攪拌して互いの被接合部材を接合点で一体化させた後、軸線に沿って引き抜いて被接合部材を接合点でスポット接合する摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ショルダーから突出するピン部のピン部突き出し長さが、上記ピン部挿入深さより大であること特徴とする。 The invention of the rotary tool for friction stir welding according to claim 5 that achieves the first object includes a pin portion that is coaxially projected from the bottom surface of the cylindrical shoulder portion along the axis, and is overlapped. While rotating the pin part while pressing the pin part to the joining point of the joining member, the to-be-joined member around the pin part is heated and softened by frictional heat, and the pin part is inserted to a preset pin part insertion depth. Friction stir welding in which the members to be joined near the joining point are agitated by the rotating pin portion, and the members to be joined are integrated at the joining point, and then the members to be joined are spot-joined at the joining point by drawing along the axis. In the rotary tool for use, the pin portion protruding length of the pin portion protruding from the shoulder is greater than the pin portion insertion depth.
請求項6に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールの発明は、請求項5の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、排出母材体積/ショルダー部体積≧1の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする。 The friction stir welding rotary tool according to claim 6 is the friction stir welding rotary tool according to claim 5, wherein the member to be welded and the shoulder portion are inserted in accordance with the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth. When the volume of the base material extruded between the bottom surface is the discharge base material volume, and the volume between the joined member and the bottom surface of the shoulder portion at the time of inserting the pin portion into the pin portion insertion depth is the shoulder portion volume, It has the pin part which satisfy | fills the conditions of discharge | emission base material volume / shoulder part volume> = 1, and the bottom face of a shoulder part, It is characterized by the above-mentioned.
第2の目的を達成する請求項7に記載の発明は、請求項5の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材の体積を排出母材体積、ピン部挿入深さへのピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間の体積をショルダー部体積とすると、1≦排出母材体積/ショルダー部体積≦2の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする。
The invention according to
請求項8に記載の発明は、請求項5〜7のいずれか1項の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記ピン部が、上記ピン部挿入深さにおいて上記重ねられた被接合部材の境界面に達するピン部突出長さを有することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the friction stir welding rotary tool according to any one of claims 5 to 7, wherein the pin portion is a boundary surface of the members to be joined that overlap each other at the pin portion insertion depth. It has the pin part protrusion length which reaches | attains.
請求項9に記載の発明は、請求項5〜8のいずれか1項の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記軸線と直交する仮想平面と底面とのなすショルダー角をθとすると、θ>0°であることを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the friction stir welding rotary tool according to any one of claims 5 to 8, wherein θ> 0 when a shoulder angle formed between a virtual plane perpendicular to the axis and the bottom surface is θ. It is characterized by °.
請求項1の発明の摩擦攪拌接合方法によると、摩擦攪拌接合において被接合部材に挿入するピン部挿入深さを、ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さよりも小さくする。これによりピン部と被接合部材との摩擦熱及びピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダーの底面との間に押し出される母材とショルダー部の摩擦熱でピン部周囲の被接合部材を加熱軟化させてピン部をピン部挿入深さまで挿入しても、回転ツールのショルダー部が直接被接合部材に接触することがなく、ピン部に加えショルダー部を被接合部材に接触及び挿入して被接合部材を一体化する従来の摩擦攪拌接合方法に比べ、接合時に要する接合荷重を大幅に低減することができる。接合荷重の大幅な低減に伴い接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて小さくなり、設備の小型化が可能になり、設備コスト及びランニングコストやメンテナンスコストの大幅な削減が期待できる。 According to the friction stir welding method of the first aspect of the present invention, the pin portion insertion depth to be inserted into the member to be joined in the friction stir welding is made smaller than the pin portion protrusion length of the pin portion protruding from the shoulder portion. As a result, the frictional heat between the pin portion and the member to be joined and the member to be joined around the pin portion by the frictional heat of the base material and the shoulder portion pushed between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder as the pin portion is inserted. Even if the pin part is inserted to the pin part insertion depth after heat softening, the shoulder part of the rotary tool does not directly contact the member to be joined. Compared to the conventional friction stir welding method in which the members to be joined are integrated, the joining load required at the time of joining can be greatly reduced. Along with a significant reduction in the joining load, the load applied to the equipment at the time of joining, that is, the equipment load becomes extremely small, the equipment can be miniaturized, and the equipment cost, running cost and maintenance cost can be greatly reduced.
請求項2の発明によると、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される排出母材体積に対して、ピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間のショルダー部体積を小さくすることで、ピン部の挿入によって押し出された母材によって被接合部材とショルダーとの間が満たされ、ピン部の挿入による排出母材がショルダー部と被接合部材との間に押し込められて被接合部材の攪拌が促進されて塑性流動域が確保され、接合強度が増大する。
According to the invention of
請求項3の発明によると、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される排出母材体積と、ピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間のショルダー部体積とを、1≦排出母材体積/ショルダー部体積≦2に設定することで、請求項2の発明の効果に加え、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出された母材が、被接合部材とショルダー部との間から外部に流出することが抑制され、バリの発生が減少する。バリの発生の減少によりバリを除去するバリ処理作業の省略、或いはバリ取り作業の軽減が可能になる。
According to invention of
請求項4の発明によると、ピン部が重ねられた被接合部材の境界面に達するピン部挿入深さを有することから、互いの被接合部材間の攪拌及び塑性流動域が確保されて接合強度が増大する。 According to invention of Claim 4, since it has the pin part insertion depth which reaches the boundary surface of the to-be-joined member with which the pin part was piled up, the stirring and plastic flow area between each to-be-joined member are ensured, and joining strength Will increase.
請求項5の発明によると、回転ツールのショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さをピン部挿入深さより大きくする。これによりピン部と被接合部材との間及びピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材とショルダー部との間の摩擦熱でピン部周囲の被接合部材を加熱軟化させてピン部をピン部挿入深さまで挿入しても、回転ツールのショルダー部が直接被接合部材に接触することがなく、従来の摩擦攪拌接合方法に比べ、接合時に要する接合荷重を大幅に低減することができる。接合荷重の低減により接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて小さくなり、設備の小型化が可能になり、設備コスト及びランニングコストやメンテナンスコストの大幅な削減が期待できる。 According to invention of Claim 5, the pin part protrusion length of the pin part which protrudes from the shoulder part of a rotary tool is made larger than the pin part insertion depth. As a result, frictional heat between the base material and the shoulder portion pushed out between the pin portion and the member to be joined and between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder portion with the insertion of the pin portion causes the covering around the pin portion. Even if the joining member is heated and softened and the pin part is inserted to the pin part insertion depth, the shoulder part of the rotary tool does not directly contact the member to be joined. The load can be greatly reduced. By reducing the joining load, the load applied to the equipment at the time of joining, that is, the equipment load becomes extremely small, the equipment can be downsized, and the equipment cost, running cost and maintenance cost can be greatly reduced.
請求項6の発明によると、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される排出母材体積に対して、ピン部の挿入時における被接合部材とショルダー部の底面との間のショルダー部体積を小さくなるようにピン部及びショルダー部の底面を設定する。これによりピン部の挿入によって押し出された母材によって被接合部材とショルダー部との間が満たされ、ピン部の挿入による排出母材が内部に押し込められて被接合部材の攪拌が促進されて塑性流動域が確保され、接合強度が増大する。 According to the invention of claim 6, when the pin portion is inserted with respect to the discharge base material volume pushed out between the joined member and the bottom surface of the shoulder portion with the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth. The bottom surface of the pin portion and the shoulder portion is set so as to reduce the shoulder portion volume between the joined member and the bottom surface of the shoulder portion. As a result, the base material extruded by inserting the pin portion fills the space between the member to be joined and the shoulder portion, the discharge base material by inserting the pin portion is pushed into the inside, and the stirring of the member to be joined is promoted to be plastic. A flow zone is secured, and the bonding strength increases.
請求項7の発明によると、排出母材体積と、ショルダー部体積とを、1≦排出母材体積/ショルダー部体積≦2になるようにピン部及びショルダー部の底面を設定することで、請求項6の発明の効果に加え、ピン部挿入深さへのピン部の挿入に伴って被接合部材とショルダー部の底面との間に押し出される母材が、被接合部材とショルダー部との間から外部に流出することが抑制され、バリの発生が減少し、バリを除去するバリ処理作業の省略、或いはバリ取り作業の軽減が可能になる。
According to the invention of
請求項8の発明によると、ピン部が被接合部材の境界面に達するピン部挿入深さを有することから、互いの被接合部材間の攪拌及び塑性流動域が確保されて接合強度が増大する。 According to the invention of claim 8, since the pin portion has a pin portion insertion depth that reaches the boundary surface of the members to be joined, the stirring and the plastic flow region between the members to be joined are ensured and the joining strength is increased. .
請求項9の発明によると、ショルダー角θを、θ>0°に設定することで、ピン部の挿入によって押し出された母材によって被接合部材とショルダー部との間が満たされ、ピン部の挿入による排出母材が内部に押し込められて被接合部材の攪拌が促進されて塑性流動域が確保されて接合強度が増大する。 According to the invention of claim 9, by setting the shoulder angle θ to θ> 0 °, the space between the member to be joined and the shoulder portion is filled with the base material pushed out by the insertion of the pin portion. The discharged base material by insertion is pushed into the inside, the stirring of the members to be joined is promoted, the plastic flow region is secured, and the joining strength is increased.
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合方法、及び摩擦攪拌接合用回転ツールの実施の形態を図を参照して説明する。 Embodiments of a friction stir welding method and a friction stir welding rotary tool according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、摩擦攪拌接合装置1の要部を示す概念図である。摩擦攪拌接合装置1は、上部に受け面2aを備えたワーク受け部2と、ワーク受け面2aと対向配置されて回転ツール10を上下方向に延在する軸線Lまわりに回転駆動するインダクションモータ等の回転駆動手段3と、回転ツール10を軸線Lに沿って受け面2aに対して接離する上下方向に移動させると共に回転ツール10に接合荷重を付与するサーボモータ等の回転ツール押動手段4とを備えている。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a main part of the friction
回転ツール10は円柱状であって、その先端に円柱状のショルダー部11が形成され、ショルダー部11の底面13の中央から軸線Lに沿って突出するピン部21が形成されている。ショルダー部11の底面13は、図2に断面図を示すように、中央が基端側に凹むように逆円錐状に形成され、最も凹んだ中央部からピン部21が軸線Lに沿って先端方向に突出している。
The
ショルダー部11の外周面12と底面13に亘る環状の角部14における軸線Lに直交する仮想平面Laと底面13とのなす角度θがショルダー角である。このショルダー部11の先端となる外周面12から底面13に亘る角部14は円弧状に滑らかに連続する、いわゆるショルダーRが形成されている。また、底面13とピン部21とが連なる部分15も円弧状に滑らかに連なる、いわゆる隅Rが形成されている。
An angle θ formed by a virtual plane La perpendicular to the axis L and the
ピン部21は円柱状であって、その外周面22に螺旋状のネジ部22が形成され、角部14からピン部21の先端23が角部14より軸線L方向に突出し、角部14からピン部21の先端23までの突出寸法がピン部突き出し長さxである。
The
このように構成された回転ツール10は、回転駆動手段3により回転させながら回転ツール押動手段4によって軸線Lに沿って下降させ、回転するピン部21と被接合部材51との接触による摩擦熱によって被接合部材51、52が加熱されて軟化し、ピン部21を図3に示すようにショルダー部11の角部14が被接合部材51の表面51aに接近するまで挿入し、この被接合部材51に挿入された状態で回転するピン部21によって接合点P近傍の母材を攪拌し、この攪拌により母材に塑性流動域が形成され、被接合部材51と52が接合点Pで一体となる。図3において被接合部材51の表面51aから回転ツール10のピン部21の先端23までがピン部挿入深さyである。
The rotating
ここで、ピン部21のピン部挿入深さyは、被接合部材51と52の境界面53を越えて被接合部材52に達するように設定することが好ましく、このときのピン部21が被接合部材51、52に挿入されるピン部挿入体積をVpとすると、ピン部21の挿入に伴ってピン部21の外周面22に沿って被接合部材51の表面51a上に押し出される母材の体積、即ち排出母材体積もVpとなる(ピン部挿入体積=排出母材体積=Vp)。
Here, the pin portion insertion depth y of the
図3に示すようにピン部21をショルダー部11の角部14が被接合部材51の表面51aに接近するまで挿入し、即ちピン部挿入深さyまで挿入したとき排出母材体積Vpに対する被接合部材51とショルダー部11の底面13とで囲まれる体積、即ちショルダー部体積Vsが1以上、好ましくは1以上でかつ2以下(1≦Vp/Vs≦2)となるようにショルダー部11の径D、ピン部21の径d、ピン部挿入深さy、ショルダー角θ等を設定する。
As shown in FIG. 3, when the
ここで、排出母材体積Vp及びショルダー部体積Vsの算出方法の1例を図4に基づいて説明する。 Here, an example of the calculation method of the discharge | emission base material volume Vp and the shoulder part volume Vs is demonstrated based on FIG.
図4は、図3と対応するピン部21がピン部挿入深さyにおける状態を模式的に示す図である。排出母材体積Vpは次式で表される。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a state where the
排出母材体積Vp=ピン部21の断面積×ピン部挿入深さ
=π(d/2)2×y
一方、図4に示すように底面がショルダー径Dでありショルダー角θで頂点aが軸線Lに達する仮想円錐体の体積をVa、底面がピン部21の径dでありショルダー角θで頂点aが軸線Lに達する仮想円錐体の体積をVb、ショルダー部11内におけるピン部21の体積をVc、ショルダー部11の角部14による仮想平面と被接合部材51の表面51aとの間の仮想環状体の体積をVdとすると、ショルダー部体積Vsは次式で表される。
Discharged base material volume Vp = cross-sectional area of
= Π (d / 2) 2 × y
On the other hand, as shown in FIG. 4, the volume of the virtual cone whose bottom surface is the shoulder diameter D and the vertex a reaches the axis L at the shoulder angle θ is Va, and the bottom surface is the diameter d of the
ショルダー部体積Vs=体積Va−体積Vb−体積Vc+体積Vd
ここで、体積Va={π/3(D/2)2×(D/2)Tanθ}
体積Vb={π/3(d/2)2×(d/2)Tanθ}
体積Vc={(d/2)2π×(D−d)/2×Tanθ)}
体積Vd={(D/2)2π−(d/2)2π}×(x−y)であり、
ショルダー部体積Vs={π/3(D/2)2×(D/2)Tanθ}−{π/3(d/2)2×(d/2)Tanθ}−{(d/2)2π×(D−d)/2×Tanθ)}+{(D/2)2π−(d/2)2π}×(x−y)
(但し、D:ショルダー径、d:ピン部径、θ:ショルダー角、x:突き出し長さ、y:ピン部挿入深さ)
Shoulder part volume Vs = volume Va−volume Vb−volume Vc + volume Vd
Here, volume Va = {π / 3 (D / 2) 2 × (D / 2) Tanθ}
Volume Vb = {π / 3 (d / 2) 2 × (d / 2) Tanθ}
= Volume Vc {(d / 2) 2 π × (D-d) / 2 × Tanθ)}
Volume Vd = {(D / 2) 2 π− (d / 2) 2 π} × (xy),
Shoulder volume Vs = {π / 3 (D / 2) 2 × (D / 2) Tanθ} − {π / 3 (d / 2) 2 × (d / 2) Tanθ} − {(d / 2) 2 π × (D−d) / 2 × Tanθ)} + {(D / 2) 2 π− (d / 2) 2 π} × (xy)
(However, D: shoulder diameter, d: pin portion diameter, θ: shoulder angle, x: protrusion length, y: pin portion insertion depth)
ここで、ピン部21の径dは、攪拌面積に影響することから、ピン部21の径dを大きくすることによって塑性流動域が増大して接合強度が増大するが、ピン部21の挿入による塑性流動域の拡大により被接合部材51の浮き上がりを起こし、被接合部材51と52の境界面53に隙間が生じて接合強度にバラツキが発生する要因となる。一方、ショルダー部11はピン部21の挿入による排出母材を内部に押し込めて攪拌を促進させる機能を有することから、ショルダー部11の径Dを大きくすることで攪拌領域が拡大する結果、塑性流動域が増大して強固な接合強度が得られるが、接合時の接合荷重及び回転駆動力の増大が要求される。ショルダー角θはピン部21の挿入により排出される母材を内部へ押さえ込む際、排出された母材を底面13に沿って内側の攪拌部に円滑に誘導するようにショルダー角θを、θ>0°、例えば15〜30°に設定する。また、ショルダー部11の角部14に形成されるショルダーRは、過度に鋭角であると該部に応力が集中し、亀裂等の発生要因となる一方、ショルダーR及び隅Rを大きくするとピン部21の挿入により排出された母材がショルダー部11の外部へ流出する、いわゆる逃げが発生し易くなることから例えば0.2〜0.4mmに設定される。これらショルダー部11の径D、ピン部21の径d、ショルダー角θ、ショルダーR及び隅Rは実験やシミュレーション等に基づいて設定することが好ましい。
Here, since the diameter d of the
図5は、摩擦攪拌接合方法を示す図である。先ず図1に示すように、アルミニウム合金板からなる2枚の被接合部材51及び52の接合点Pを、軸線Lと一致させて摩擦攪拌接合装置1のワーク受け部2のワーク受け面2a上に重ねて載置し、その状態で被接合部材51、52を図示しないクランプ装置によってワーク受け部2にクランプする。
FIG. 5 is a diagram illustrating a friction stir welding method. First, as shown in FIG. 1, on the
そして、図5(a)に示すように回転ツール10が被接合部材51から離れた上昇位置において、インダクションモータ等の回転駆動手段3により回転ツール10をピン部21の外周23に形成されたネジ部22の螺旋方向と逆方向に、例えば800〜1500rpm程度の高速で回転駆動させる。
Then, as shown in FIG. 5A, the screw formed on the
次に、回転ツール押動手段4によって回転ツール10を軸線Lに沿って下降させる。そして、図5(b)のように回転ツール10のピン部21の先端23が被接合部材51に達して当接すると、回転するピン部21と被接合部材51との摩擦熱によって被接合部材51、52が加熱されて被接合部材51及び52の接合点P付近が軟化する。
Next, the rotary tool push means 4 lowers the
更なる回転ツール押動手段4による押動によって、回転するピン部21が軟化した被接合部材51、52に挿入されて、図5(c)に示すようにピン部21の先端23が被接合部材51と52の境界面53を越えて被接合部材52に達する予め設定されたピン部挿入深さyまで、即ちショルダー部11の角部14が被接合部材51の表面51aに接近して被接合部材51の表面51aと角部14との間に若干の隙間Aを形成する位置に達すると回転ツール押動手段4によるピン部21の挿入が停止する。
By further pressing by the rotating tool pressing means 4, the
このピン部21の被接合部材51、52への挿入にあたり、ピン部21と被接合部材51、52との摩擦熱で加熱され軟化した被接合部材51、52にピン部21の挿入に伴って軟化した母材が、ピン部21のネジ部22即ち外周面に沿って押し出されて被接合部材51とショルダー部11の底面13との間に充填されると共に、ショルダー角θで傾斜する底面13に沿って角部14側に誘導されて被接合部材51側、即ち内部側に押し込められる。このときピン部21の挿入に伴って押し出される排出母材体積Vpに対して被接合部材51とショルダー部11の底面13との間に形成されるショルダー部体積Vsが小さく設定されることから、余剰の母材、即ち余肉が被接合部材51の表面51aと角部14との間に若干の隙間Aから図5(c)に示すように流出する。
When the
この被接合部材51とショルダー部11の底面13との間に充填された母材とショルダー部11の底面13との摩擦熱、及び底面13と被接合部材51との摩擦熱によって加熱されて軟化した被接合部材51、52にピン部21がピン部挿入深さyまで挿入された状態で回転することによって塑性流動が誘起され、回転するピン部21によって接合点P近傍が攪拌される。ここで、被接合部材51とショルダー部11の底面13とで囲まれる体積、即ちショルダー部体積Vsが排出母材体積Vpに対して1/2以上から1以下の範囲(即ち、1≦Vp/Vs≦2)に設定されことから、ピン部21の挿入によって押し出された母材をショルダー部11の底面13によって内部側へ押し込める結果、ピン部21の周辺の母材が密となって被接合部材51及び52が加熱されると共に攪拌されて塑性流動が促進される。
Softened by being heated by frictional heat between the base material filled between the bonded
このようにしてピン部21の先端23が被接合部材51と52との境界面53を越えた状態で、回転ツール10を回転させることによって接合点P付近に攪拌された母材の塑性流動域が形成され、被接合部材51と52が接合点Pで一体となる。所定の時間攪拌後、図5(d)に示すように、回転ツール10を被接合部材51及び52から引き抜く。ピン部21を引き抜くと、塑性流動していた母材が硬化し、接合点Pにおいて被接合部材51と52が接合される。
In this way, the plastic flow region of the base material agitated in the vicinity of the joining point P by rotating the
図6は、接合後の被接合部材51、52の接合点の断面を示す図である。図6に斜線で示すように、ピン部21が挿入された凹所54の周囲及びショルダー部11の底面14によって被接合部材51の表面51a側に凹所54を囲むように環状に隆起した環状部分55において塑性流動して被接合部材51と52が一体となり、ピン部21が挿入されない被接合部材52の表面52aは平滑な面形状が維持されている。
FIG. 6 is a view showing a cross section of the joining points of the joined
また、環状部分55の外周に沿ってバリ56が発生するが、このバリ56はピン部21の挿入に伴って押し出される排出母材体積Vpに対する被接合部材51とショルダー部11の底面13との間に形成されるショルダー部体積Vsの体積差を小さく設定することによって、被接合部材51の表面51aと角部14との隙間Aから流出する余肉を低減させることで小さくすることができる。従ってバリ56を小さくすることによって、接合された被接合部材51、52の品質が向上し、後工程におけるバリ取り工程を省略或いはバリ取り工程におけるバリ取り作業の大幅な軽減ができる。
In addition, burrs 56 are generated along the outer periphery of the
図7は、ショルダー部体積Vsに対する排出母材体積Vpの体積比(排出母材体積Vp/ショルダー部体積Vs)と接合強度の関係を示す図である。この図7における従来回転ツールは、本実施の形態における回転ツールのショルダー部及びピン部と同一径のショルダー部及びピン部を有する回転ツールにより従来の摩擦攪拌接合方法による接合強度である。 FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between the volume ratio of the discharged base material volume Vp to the shoulder portion volume Vs (discharged base material volume Vp / shoulder portion volume Vs) and bonding strength. The conventional rotary tool in FIG. 7 has a bonding strength obtained by a conventional friction stir welding method using a rotary tool having a shoulder portion and a pin portion having the same diameter as the shoulder portion and the pin portion of the rotary tool in the present embodiment.
図7より被接合部材51と52の接合強度は、ショルダー部体積Vsと排出母材体積Vpの体積比と相関が見られ、排出母材体積Vp/ショルダー部体積Vsが1未満では極端に接合強度が減少し、逆に排出母材体積Vp/ショルダー部体積Vsが1以上において接合強度が確保できると共にこの接合強度はほぼ一定であることが確認できる。 From FIG. 7, the bonding strength of the members to be bonded 51 and 52 is correlated with the volume ratio of the shoulder volume Vs and the discharge base material volume Vp. If the discharge base material volume Vp / shoulder volume Vs is less than 1, the bonding strength is extremely high. It can be confirmed that the strength decreases, and conversely, when the discharge base material volume Vp / shoulder volume Vs is 1 or more, the joining strength can be secured and the joining strength is substantially constant.
図8は、ショルダー部体積Vsに対する排出母材体積Vpの体積比(排出母材体積Vp/ショルダー部体積Vs)と接合荷重の関係を示す図である。この図8における従来回転ツールとは、本実施の形態における回転ツールのショルダー部と同一径及びピン部と同一径の回転ツールにより従来の摩擦攪拌接合方法における接合荷重である。 FIG. 8 is a diagram showing a relationship between the volume ratio of the discharged base material volume Vp to the shoulder portion volume Vs (discharged base material volume Vp / shoulder portion volume Vs) and the joining load. The conventional rotating tool in FIG. 8 is a joining load in a conventional friction stir welding method using a rotating tool having the same diameter as the shoulder portion and the same diameter as the pin portion of the rotating tool in the present embodiment.
図8より、接合荷重は、ショルダー部体積Vsと排出母材体積Vpの体積比と相関が見られ、排出母材体積Vp/ショルダー部体積Vsの増加に伴って接合荷重が増加すること確認できる。 FIG. 8 shows that the bonding load is correlated with the volume ratio of the shoulder portion volume Vs and the discharged base material volume Vp, and it can be confirmed that the bonding load increases as the discharged base material volume Vp / shoulder portion volume Vs increases. .
一方、排出母材体積Vp/ショルダー部体積Vsの増大に伴って回転ツール10のショルダー部11の角部14と被接合部材51との隙間Aから外部に押し出される母材が増加してバリが多く発生することを考慮すると、ショルダー部体積Vsに対する排出母材体積Vpの体積比を1以上から2以下の範囲(1≦排出母材体積Vp/ショルダー部体積Vs≦2)に設定することにより、接合荷重の軽減を図りつつ接合強度を確保すると共にバリの発生が抑制でき、良好な摩擦攪拌接合が得られることが確認できる。
On the other hand, as the discharge base material volume Vp / shoulder portion volume Vs increases, the base material pushed out from the gap A between the
このような本発明の摩擦攪拌接合方法によると、摩擦攪拌接合に要する接合荷重が大幅に低減され、接合時に設備に掛かる荷重、即ち設備負荷が極めて小さくなり設備の小型化が可能になり、設備コスト、及びランニングコストやメンテナンスコストの大幅な削減が期待できる。 According to the friction stir welding method of the present invention, the joining load required for the friction stir welding is greatly reduced, the load applied to the equipment at the time of joining, that is, the equipment load becomes extremely small, and the equipment can be downsized. Cost, running costs and maintenance costs can be greatly reduced.
具体的には、例えば設備として多関節型ロボットに摩擦攪拌接合装置を装着することも、また、摩擦攪拌接合装置をバランサによって移動可能に支持し、作業者が摩擦攪拌接合装置を保持してスポット接合作業を行うことができる。 Specifically, for example, a friction stir welding apparatus can be mounted on an articulated robot as equipment, and the friction stir welding apparatus can be supported by a balancer so that an operator can hold the friction stir welding apparatus and spot it. Joining work can be performed.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上記実施の形態における回転ツール10のピン部21の外周にネジ部22を形成したが、十分な塑性流動が確保できる場合にはネジ部を省略して形状の簡素化を図ることができる。また、上記実施の形態ではピン部21をピン部挿入深さyまで挿入された状態で設定時間回転することによって塑性流動を形成したが、このピン部挿入深さyまで挿入した状態で設定時間回転する保持時間を接合強度等を考慮して適宜設定することができる。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. For example, although the
1 摩擦攪拌接合装置
3 回転駆動手段
4 回転ツール押動手段
10 回転ツール
11 ショルダー部
12 外周面
13 底面
14 角部
21 ピン部
22 ネジ部
51、52 被接合部材
53 境界面
L 軸線
P 接合点
x 突き出し長さ
y ピン部挿入深さ
Vp ピン部挿入体積(排出母材体積)
Vs ショルダー部体積
θ ショルダー角
DESCRIPTION OF
Vs Shoulder volume θ Shoulder angle
Claims (9)
上記ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さより上記ピン部挿入深さが小さいことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 It has a rotary tool with a pin part that protrudes along the axis on the same axis from the bottom of the cylindrical shoulder part, and presses the pin part against the joint point of the stacked members to be joined while rotating the rotary tool around the axis The above-mentioned to-be-joined member around the pin part is heated and softened by friction heat, and the pin part is inserted to a preset pin part insertion depth, and the to-be-joined member near the joining point is stirred by the rotating pin part. In the friction stir welding method in which each member to be joined is integrated at the joining point, and then the member to be joined is spot-joined at the joining point by pulling out along the axis.
The friction stir welding method, wherein the pin portion insertion depth is smaller than a pin portion protruding length of the pin portion protruding from the shoulder portion.
排出母材体積/ショルダー部体積≧1
であることを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法。 The volume of the base material pushed between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder portion with the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth is the discharge base material volume, and the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth When the volume between the joined member and the bottom surface of the shoulder portion at the time is the shoulder portion volume,
Discharged base material volume / shoulder volume ≧ 1
The friction stir welding method according to claim 1, wherein:
1≦排出母材体積/ショルダー部体積≦2
であることを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法。 The volume of the base material pushed between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder portion with the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth is the discharge base material volume, and the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth When the volume between the joined member and the bottom surface of the shoulder portion at the time is the shoulder portion volume,
1 ≦ Volume of discharged base material / Volume of shoulder portion ≦ 2
The friction stir welding method according to claim 1, wherein:
上記ショルダー部から突出するピン部のピン部突き出し長さが、上記ピン部挿入深さより大であること特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。 It is provided with a pin portion that projects coaxially from the bottom surface of the cylindrical shoulder portion along the axis, and rotates around the axis while pressing the pin portion against the joining point of the overlapped members, and the pin portion is caused by frictional heat. The surrounding members to be joined are heated and softened to insert the pin portion to a preset pin portion insertion depth, and at the rotating pin portion, the members to be joined in the vicinity of the joining point are agitated to join the members to be joined together. In the rotary tool for friction stir welding that is pulled out along the axis and spot-bonded to-be-joined members at the joint points,
A rotating tool for friction stir welding, wherein a pin portion protruding length of a pin portion protruding from the shoulder portion is larger than the pin portion insertion depth.
排出母材体積/ショルダー部体積≧1
の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする請求項5に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。 The volume of the base material pushed between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder portion with the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth is the discharge base material volume, and the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth When the volume between the joined member and the bottom surface of the shoulder portion at the time is the shoulder portion volume,
Discharged base material volume / shoulder volume ≧ 1
The rotary tool for friction stir welding according to claim 5, comprising a pin portion and a bottom surface of a shoulder portion that satisfy the above condition.
1≦排出母材体積/ショルダー部体積≦2
の条件を満たすピン部及びショルダー部の底面を有することを特徴とする請求項5に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。 The volume of the base material pushed between the member to be joined and the bottom surface of the shoulder portion with the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth is the discharge base material volume, and the insertion of the pin portion into the pin portion insertion depth When the volume between the joined member and the bottom surface of the shoulder portion at the time is the shoulder portion volume,
1 ≦ Volume of discharged base material / Volume of shoulder portion ≦ 2
The rotary tool for friction stir welding according to claim 5, comprising a pin portion and a bottom surface of a shoulder portion that satisfy the above condition.
The rotary tool for friction stir welding according to any one of claims 5 to 8, wherein θ> 0 °, where θ is a shoulder angle between a virtual plane orthogonal to the axis and the bottom surface.
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