JP2008055486A - Friction pressure-welded component and friction pressure-welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摩擦圧接部品および摩擦圧接方法に関する。 The present invention relates to a friction welding component and a friction welding method.
アッパリンク、ロアリンク、ラジアスロッドなどサスペンションを構成する棒状部品(以下、「サスペンション部品」という。)には、鉄鋼材料が用いられていたが、車両の軽量化という観点から、近年では、アルミニウム合金材料が用いられることも多く、例えば特許文献1には、アルミニウム合金製のパイプ状部材の両端にアルミニウム合金製のエンド部材を摩擦圧接してなるサスペンション部品が開示されている。
Steel materials have been used for rod-like parts (hereinafter referred to as “suspension parts”) such as upper links, lower links, and radius rods. However, in recent years, aluminum alloy materials have been used from the viewpoint of weight reduction of vehicles. For example,
なお、摩擦圧接は、固相接合の一種であることから、溶融溶接に見られる欠陥が発生せず、MIG溶接やTIG溶接のような特殊な技能を必要とせずに種々の部材を一定の品質で接合できることから、広範な分野で使用されている。 Friction welding is a kind of solid-phase bonding, so it does not have the defects found in fusion welding, and it does not require special skills such as MIG welding or TIG welding, so that various members have a certain quality. Because it can be joined with a wide range, it is used in a wide range of fields.
パイプ状部材とエンド部材とを摩擦圧接により接合すると、摩擦熱により軟化した部位がバリとなって排出されるが、このバリを切除せずに残置する場合には、バリが切欠き(断面変化部)となってこの部位に応力が集中し、当該部位における強度(静的強度や疲労強度など)が低下してしまうので、バリによる強度の低下を見込んだうえでサスペンション部品の設計を行う必要がある。 When the pipe-shaped member and the end member are joined by friction welding, the part softened by the frictional heat is discharged as burrs. However, when this burr is left without being cut, the burr is notched (change in cross section). Part), stress concentrates on this part, and the strength (static strength, fatigue strength, etc.) at the part decreases, so it is necessary to design suspension parts in anticipation of the strength reduction due to burrs. There is.
ところで、バリを含む部位の強度(すなわち、応力集中の度合い)は、バリ形状(バリによる切欠きの形状)に依存していて、バリ形状にばらつきがあると、バリを含む部位の強度にもばらつきが生じてしまう。バリを含む部位における強度のばらつきを小さくすることができれば、サスペンション部品の破壊モードや耐久性をより一層正確に把握することが可能となるので、サスペンション部品の設計の合理化を図ることが可能になるが、パイプ状部材およびエンド部材の材料強度、寸法公差、摩擦圧接条件などの僅かな差異によっても、バリ形状にばらつきが発生してしまうので、実際には非常に困難である。 By the way, the strength of the part including the burr (that is, the degree of stress concentration) depends on the burr shape (the shape of the notch due to the burr). Variation will occur. If the variation in strength in the part including burrs can be reduced, the failure mode and durability of the suspension parts can be grasped more accurately, and the design of the suspension parts can be rationalized. However, even a slight difference in the material strength, dimensional tolerance, friction welding conditions, and the like of the pipe-shaped member and the end member causes variation in the burr shape, which is very difficult in practice.
なお、前記した問題は、パイプ状部材とエンド部材とを摩擦圧接してなるサスペンション部品に限らず、第一部材と第二部材とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品にも共通して当てはまる問題である。 The above-mentioned problem is not limited to suspension parts formed by friction welding the pipe-shaped member and the end member, but also applies to friction welding parts formed by friction welding the first member and the second member. It is.
このような観点から、本発明は、バリ形状にばらつきが生じたとしても摩擦圧接部の強度のばらつきが小さく、かつ、強度を正確に把握することが可能な摩擦圧接部品および摩擦圧接方法を提供することを課題とする。 From this point of view, the present invention provides a friction welding component and a friction welding method in which the variation in the strength of the friction welding portion is small and the strength can be accurately grasped even if the burr shape varies. The task is to do.
このような課題を解決する本発明に係る摩擦圧接部品は、第一部材と第二部材とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品であって、前記第一部材側に形成されたバリによる切欠きが、前記第二部材側に形成されたバリによる切欠きよりも小さいことを特徴とする。 A friction welding component according to the present invention for solving such a problem is a friction welding component formed by friction welding a first member and a second member, and is a notch formed by a burr formed on the first member side. Is smaller than the notch formed by the burr formed on the second member side.
要するに、本発明は、第二部材側に形成されるバリよりも急峻なバリを第一部材側に形成することで、接合界面よりも第一部材側の形状係数(応力集中係数)を第二部材側の形状係数よりも大きくするところに特徴がある。すなわち、第一部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度を、第二部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくして、第一部材側の断面変化を第二部材側の断面変化よりも急峻にするところに特徴がある。このようにすると、第一部材側のバリ部分における応力の集中度合いが、第二部材側のバリ部分における応力の集中度合いよりも常に高くなるので、接合部での応力集中は、第一部材側のみを考慮して設計すればよい。これにより、摩擦圧接部品の設計を合理化することが可能となる。 In short, the present invention forms a burr that is steeper than the burr formed on the second member side on the first member side, thereby reducing the shape factor (stress concentration coefficient) on the first member side relative to the bonding interface to the second. It is characterized in that it is larger than the shape factor on the member side. That is, the burr bottom radius and burr bottom angle of the burr formed on the first member side are made smaller than the burr bottom radius and burr bottom angle of the burr formed on the second member side, and the cross section on the first member side It is characterized in that the change is steeper than the cross-sectional change on the second member side. In this way, the stress concentration level in the burr portion on the first member side is always higher than the stress concentration level in the burr portion on the second member side. It is sufficient to design considering only the above. This makes it possible to rationalize the design of the friction welding parts.
第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品においては、前記第一部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくするとよい。 In the friction welding part formed by friction welding the cylindrical part of the first member and the cylindrical part of the second member, the notch formed by the burr formed on the inner peripheral side of the cylindrical part of the first member It is good to make it smaller than the notch by the burr | flash formed in the inner peripheral side of the cylindrical part of a member.
また、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品においては、前記第一部材の円筒部の外径を、前記第二部材の円筒部の外径と等しくするとよい。このようにすると、第一部材の内空側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度が、常に第二部材の内空側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくなるので、破壊モードの特定が容易となる。また、第一部材の円筒部の外周面と第二部材の円筒部の外周面とに段差がなくなるので、外周側に形成されたバリを切除する作業を容易に行うことが可能となる。 In addition, in the friction welding component formed by friction welding the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member, the outer diameter of the cylindrical portion of the first member is set to the outer diameter of the cylindrical portion of the second member. Should be equal. In this way, the burr bottom radius and burr bottom angle of the burr formed on the inner side of the first member are always larger than the burr bottom radius and burr bottom angle of the burr formed on the inner side of the second member. Since it becomes small, it becomes easy to specify the destruction mode. In addition, since there is no step between the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the first member and the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the second member, it is possible to easily perform the work of removing the burrs formed on the outer peripheral side.
前記第一部材および前記第二部材が、JIS規格のアルミニウム合金6061−T6からなる場合には、接合界面よりも前記第一部材側の形状係数を、2.0以上にすることが望ましい。このようにすると、切欠き係数(応力集中がない場合の疲労強度/応力集中がある場合の疲労強度)のばらつきが小さくなるので、第一部材の破壊強度(すなわち、摩擦圧接部品の破壊強度)をより一層的確に把握することが可能となる。なお、前記第一部材側の形状係数を2.0以上にするためには、例えば、前記第一部材側に形成されたバリのバリ底角度を、鋭角にすればよい。 When the first member and the second member are made of JIS standard aluminum alloy 6061-T6, it is desirable that the shape factor on the first member side with respect to the bonding interface is 2.0 or more. This reduces the variation of the notch coefficient (fatigue strength when there is no stress concentration / fatigue strength when there is stress concentration), so the fracture strength of the first member (that is, the fracture strength of the friction welded part) Can be grasped more accurately. In order to set the shape factor on the first member side to 2.0 or more, for example, the burr bottom angle of the burr formed on the first member side may be an acute angle.
本発明においては、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の面積を、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の面積よりも小さくするか、あるいは、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の断面二次モーメントを、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の断面二次モーメントよりも小さくするとよい。また、第一部材と第二部材とが強度差(特に高温強度差)を示す異種金属からなる場合や、同種の金属からなる場合であっても製造工程の差異により明らかな強度差(特に高温強度差)を示すような場合などにおいては、前記第一部材の強度を、前記第二部材の強度よりも低くするとよい。このようにすると、第一部材側に形成されたバリによる切欠きを、簡単かつ確実に、第二部材側に形成されたバリによる切欠きよりも小さくすることが可能となる。すなわち、第一部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度を、簡単かつ確実に、第二部材側に形成されたバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。 In the present invention, the area of the abutting surface of the first member before the friction welding is made smaller than the area of the abutting surface of the second member before the friction welding, or the first member before the friction welding The cross-sectional secondary moment of the abutting surface may be smaller than the cross-sectional secondary moment of the abutting surface of the second member before the friction welding. Even when the first member and the second member are made of dissimilar metals showing a difference in strength (especially high temperature strength difference) or made of the same kind of metal, an apparent strength difference (especially high temperature) In cases such as showing a difference in strength, the strength of the first member may be lower than the strength of the second member. If it does in this way, it becomes possible to make the notch by the burr | flash formed in the 1st member side smaller than the notch by the burr | flash formed in the 2nd member side simply and reliably. In other words, the burr bottom radius and burr bottom angle of the burr formed on the first member side can be easily and reliably made smaller than the burr bottom radius and burr bottom angle of the burr formed on the second member side. It becomes.
なお、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接してなる摩擦圧接部品においては、摩擦圧接前における前記第一部材の円筒部の肉厚を、摩擦圧接前における前記第二部材の円筒部の肉厚よりも小さくすると、第一部材側に形成されるバリのバリ底半径やバリ底角度を、簡単かつ確実に、第二部材側に形成されたバリのバリ底半径やバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。 In the friction welding component formed by friction welding the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member, the thickness of the cylindrical portion of the first member before the friction welding is set to the thickness of the first member before the friction welding. If the thickness is smaller than the wall thickness of the cylindrical part of the two members, the burr bottom radius and burr bottom angle of the burr formed on the first member side can be set easily and reliably on the burr bottom radius of the burr formed on the second member side. It becomes possible to make it smaller than the burr bottom angle.
前記した課題を解決する本発明に係る摩擦圧接方法は、第一部材と第二部材とを摩擦圧接する方法であって、前記第一部材と前記第二部材とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の突合面側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすることを特徴とする。 The friction welding method according to the present invention for solving the above-described problem is a method of friction welding the first member and the second member, and the first member and the second member are abutted while rotating relative to each other. When the first member is fluidized first, the notch formed by the burr formed on the abutting surface side of the first member is made smaller than the notch formed by the burr formed on the second member side. It is characterized by doing.
このような摩擦圧接方法によれば、強度のばらつきが小さく、かつ、強度の大きさを正確に把握することが可能な摩擦圧接部品を得ることが可能となる。すなわち、この摩擦圧接方法により得られた摩擦圧接部品では、第一部材側のバリ部分における応力の集中度合いが、第二部材側のバリ部分における応力の集中度合いよりも常に高くなるので、接合部での応力集中は、第一部材側のみを考慮するだけでよい。 According to such a friction welding method, it is possible to obtain a friction welding component in which variation in strength is small and the magnitude of strength can be accurately grasped. That is, in the friction welded part obtained by this friction welding method, the stress concentration in the burr part on the first member side is always higher than the stress concentration in the burr part on the second member side. For the stress concentration at, only the first member side needs to be considered.
なお、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接する場合には、前記第一部材の円筒部と前記第二部材の円筒部とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすればよい。 When the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member are friction-welded, when the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member are abutted while rotating relative to each other, By first fluidizing the first member, a notch by a burr formed on the inner peripheral side of the cylindrical portion of the first member is formed on the inner peripheral side of the cylindrical portion of the second member. What is necessary is just to make it smaller than the notch by a burr | flash.
第一部材を先に流動化させるには、例えば、前記第一部材を前記第二部材よりも高温にすればよい。また、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の面積を、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の面積よりも小さくしておくか、あるいは、摩擦圧接前における前記第一部材の突合面の断面二次モーメントを、摩擦圧接前における前記第二部材の突合面の断面二次モーメントよりも小さくしておくことでも、第一部材を先に流動化させることができる。さらに、第一部材と第二部材とが強度差(特に高温強度差)を示す異種金属からなる場合や、同種の金属からなる場合であっても製造工程の差異により明らかな強度差(特に高温強度差)を示すような場合などにおいては、前記第二部材よりも強度の低い材料で前記第一部材を形成すれば、第一部材を先に流動化させることができる。 In order to fluidize the first member first, for example, the first member may be heated to a temperature higher than that of the second member. Further, the area of the abutting surface of the first member before the friction welding is made smaller than the area of the abutting surface of the second member before the friction welding, or the abutting of the first member before the friction welding. The first member can also be fluidized first by keeping the cross-sectional secondary moment of the surface smaller than the cross-sectional secondary moment of the abutting surface of the second member before the friction welding. Furthermore, even when the first member and the second member are made of different metals showing a difference in strength (especially, high temperature strength difference), or even when made of the same kind of metal, an apparent strength difference (especially high temperature) In cases such as showing a difference in strength, the first member can be fluidized first by forming the first member with a material having a lower strength than the second member.
なお、第一部材の円筒部と第二部材の円筒部とを摩擦圧接する場合においては、摩擦圧接前における前記第一部材の円筒部の肉厚を、摩擦圧接前における前記第二部材の円筒部の肉厚よりも小さくしておくことで、前記第一部材を先に流動化させることができる。 In addition, in the case of friction welding the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member, the thickness of the cylindrical portion of the first member before the friction welding is set to the cylinder of the second member before the friction welding. By making it smaller than the thickness of the part, the first member can be fluidized first.
本発明に係る摩擦圧接部品によれば、強度のばらつきが小さく、かつ、強度を正確に把握することが可能となる。また、本発明に係る摩擦圧接方法によれば、強度のばらつきが小さく、かつ、強度を正確に把握することが可能な摩擦圧接部品を得ることが可能となる。 According to the friction welding component according to the present invention, the variation in strength is small, and the strength can be accurately grasped. In addition, according to the friction welding method according to the present invention, it is possible to obtain a friction welding component in which variation in strength is small and the strength can be accurately grasped.
本発明を実施するための最良の形態を、添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施形態においては、摩擦圧接部品がサスペンション部品の一種であるサスペンションロッドである場合を例示するが、本発明に係る摩擦圧接部品の用途を限定する趣旨ではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following embodiment, the case where the friction welding component is a suspension rod which is a kind of suspension component is illustrated, but the application of the friction welding component according to the present invention is not limited.
図1の(a)に示すように、本実施形態に係る摩擦圧接部品1は、パイプ状部材である第一部材10の両端にエンド部材である第二部材20,20を摩擦圧接してなるものである。なお、二つの第二部材20,20の主要な構成は同様であるので、以下の説明においては、一方(図1において右側)の第二部材20についてのみ説明を行い、他方の第二部材20については、その詳細な説明を省略する。
As shown in FIG. 1A, the
第一部材10は、図1の(b)に示すように、円管状を呈するアルミニウム合金製の押出形材からなり、本体部12と、この本体部12の両端部の各々に形成された円筒部11とを備えている。摩擦圧接前における円筒部11は、押出方向に断面変化のない円筒状を呈している。本体部12も押出方向に断面変化のない円筒状を呈していて、円筒部11と同じ断面形状を備えている。
As shown in FIG. 1 (b), the
第二部材20は、それぞれ、アルミニウム合金製の押出形材を利用して形成されたものであり、円筒部21と断面変化部22とを備えている。摩擦圧接前における円筒部21は、断面変化のない円筒状を呈している。円筒部21は、第二部材20となる押出形材の一部に切削加工や穴あけ加工を施すことにより円筒状に成形される。
Each of the
なお、アルミニウム合金の種類に特に制限はないが、摩擦圧接部品1をサスペンション部品として用いる場合には、T6処理をしたAl−Mg−Si系合金(JIS規格の6000系アルミニウム合金であって溶体化処理後に焼入れ処理をし、その後に人工時効処理をしたもの)であることが望ましい。特に、T6処理をしたAl−Mg−Si系合金(JIS規格のアルミニウム合金6061−T6)であれば、強度が高く(0.2%耐力が245MPa以上)、耐久性(応力腐食割れ性や耐候性など)も高いので、より一層望ましい。また、第一部材10および第二部材20は、押出形材である必要はなく、鋳造品(ダイカストを含む)であっても差し支えない。ちなみに、鋳造品からなる第一部材10および第二部材20を用いてサスペンション部品を構成する場合には、AC4C系合金やADC3系合金を用いることが望ましい。
The type of the aluminum alloy is not particularly limited. However, when the
本実施形態においては、摩擦圧接前における第一部材10の円筒部11の肉厚t1が、摩擦圧接前における第二部材20の円筒部21の肉厚t2よりも小さくなっている。また、第一部材10の円筒部11の外径が、第二部材20の円筒部21の外径と等しくなっている。すなわち、本実施形態においては、摩擦圧接前における第一部材10の突合面(円筒部11の端面)11cの面積が、摩擦圧接前における第二部材20の突合面(円筒部21の端面)21cの面積よりも小さく、かつ、第一部材10の突合面11cの断面二次モーメントが、第二部材20の突合面21cの断面二次モーメントよりも小さくなっている。換言すれば、摩擦圧接時には第一部材10の円筒部11の先端部は、第二部材20の円筒部21の先端部よりも変形し易くなっている。
In the present embodiment, the thickness t 1 of the
ここで、第一部材10と第二部材20とを摩擦圧接する方法(すなわち、摩擦圧接部品1の製造方法)を説明する。本実施形態に係る摩擦圧接方法は、準備過程と摩擦過程とアプセット過程とを含んでいる。
Here, a method for friction welding the
準備過程では、第一部材10を図示せぬ摩擦圧接装置のクランプで把持するとともに、第二部材20を、その円筒部21の中心軸線が第一部材10の円筒部11の中心軸線と同軸となるように図示せぬ摩擦圧接装置の主軸のチャックで把持する。
In the preparation process, the
摩擦過程では、第一部材10と第二部材20とを相対回転させつつ、第二部材20を第一部材10に向かって前進させて第一部材10の円筒部11の突合面11cと第二部材20の円筒部21の突合面21cとを突き合せ、突合面11c,21cに摩擦圧力を付与する。相対回転数、摩擦圧力、摩擦寄り代、摩擦寄り速度などは、第一部材10,20の材質や円筒部11,21の寸法・形状を考慮しつつ適宜設定すればよい。
In the friction process, while the
円筒部11,21を相対回転させつつ突合面11c,21cに圧力を付与すると、摩擦熱によって突合面11c,21cの周囲に母材よりも軟らかい軟化部が形成され、軟化部の流動性が高まると、円筒部11,21の内外へ押し出されてバリが形成され始める。本実施形態では、第一部材10の突合面11cの面積が第二部材20の突合面21cの面積よりも小さくなっており、第一部材10と第二部材20とが同じ材質なので、第一部材10の円筒部11に発生する応力の方が第二部材20の円筒部21に発生する応力よりも大きく、かつ、第一部材10の方が第二部材20より断面積が小さいために熱伝導による熱拡散が小さく高温となるために変形抵抗が小さい。したがって、第一部材10の円筒部11が先に流動化することになる。すなわち、摩擦圧力によって第一部材10の円筒部11の先端部が第二部材よりも先に変形(塑性流動化)を開始し、その結果、接合界面Jよりも第一部材10側にあるバリによる切欠き(断面変化)が第二部材20側にあるバリによる切欠き(断面変化)よりも急峻なものになる。なお、摩擦圧接前の円筒部11,21の突合面11c,21cに存在している酸化皮膜や付着物などは、バリとともに排出されることになる。
When pressure is applied to the abutting
アプセット過程は、アプセット圧力を付与する過程であり、摩擦過程の終了後または終了直前に実施される。すなわち、円筒部11,21の突合面11c,21cに付与する圧力を摩擦圧力よりも増加させ、所定のアプセット圧力に達したら、このアプセット圧力を所定時間保持して円筒部11,21を圧着する。アプセット圧力を付与すると、摩擦過程に引き続き、摩擦過程で形成された軟化部が円筒部11,21の内外へ押し出され、その結果、図1の(a)に示すように、バリが成長するとともに、酸化皮膜等のない接合界面Jが形成される。
The upset process is a process of applying an upset pressure, and is performed after or just before the end of the friction process. That is, the pressure applied to the abutting
このような過程を経て形成された接合部の形態を、図2を参照してより詳細に説明する。前記したように、第一部材10の円筒部11の方が第二部材20の円筒部21よりも変形し易いので、第一部材10側に形成されたバリ11a,11bによる切欠きが、第二部材20側に形成されたバリ21a,21bによる切欠きよりも小さくなる。すなわち、円筒部11の内周側(内空側)に形成されるバリ11aのバリ底角度θ1aが、円筒部21の内周側に形成されたバリ21aのバリ底角度θ2aよりも小さくなり、バリ11aのバリ底半径R1aが、バリ21aのバリ底半径R2aよりも小さくなる。同様に、円筒部11の外周側に形成されるバリ11bのバリ底角度θ1bが、円筒部21の外周側に形成されたバリ21bのバリ底角度θ2bよりも小さくな り、バリ11bのバリ底半径R1bが、バリ21bのバリ底半径R2bよりも小さくなる。
The form of the joint formed through such a process will be described in more detail with reference to FIG. As described above, since the
なお、バリ底半径R1a,R1b,R2a,R2bとは、バリ11a,11b,21a,21bの立ち上がり部分の断面形状を、肉厚変化点P1,P2,Q1,Q2を通る円弧で近似したときの最小半径を意味し、バリ底角度θ1a,θ1b,θ2a,θ2bとは、前記した円弧とバリ11a,11b,21a,21bの輪郭線との接点(もしくは交点)における前記円弧に対する接線S1a,S1b,S2a,S2bと、円筒部11,21の中心軸線に平行な直線であって肉厚変化点P1,P2,Q1,Q2を通る直線T1a,T1b,T2a,T2bとがなす角度を意味する。
The burr bottom radii R 1a , R 1b , R 2a , and R 2b are cross-sectional shapes of rising portions of the
また、本実施形態においては、第一部材10側に形成されたバリ11a,11bのバリ底角度θ1a,θ1bが、鋭角(π/2(rad)未満)になっている。
In the present embodiment, the burr bottom angles θ 1a and θ 1b of the
なお、摩擦熱によって形成された軟化部は、円筒部11,21の内周側よりも外周側へ押し出され易い傾向にあることから、円筒部11,21の内周側に形成されるバリ11a,21aの容積は、外周側に形成されるバリ11b,21bの容積よりも小さくなり、その結果、円筒部11の内周側の肉厚変化点P1は、外周側の肉厚変化点Q1よりも接合界面Jに近くなり、円筒部21の内周側の肉厚変化点P2は、外周側の肉厚変化点Q2よりも接合界面Jに近くなる。
In addition, since the softening part formed by frictional heat tends to be pushed out to the outer peripheral side rather than the inner peripheral side of the
ところで、圧接時の摩擦熱によって、母材の強度と異なる強度・材質を有する熱影響部(HAZ=Heat Affected Zone)が接合界面Jの周辺に不可避的に発生するが、強度の変質度合いは、接合界面Jに近づくに従って大きくなる傾向にある。なお、熱影響部Hの強度は、第一部材10および第二部材20が熱処理型合金(JIS規格の2000系アルミニウム合金(Al−Cu−Mg系合金)、JIS規格の6000系アルミニウム合金(Al−Mg−Si系合金)、JIS規格の7000系アルミニウム合金(Al−Zn−Mg系合金))からなる場合には、母材よりも小さくなり、非熱処理型合金(JIS規格の1000系アルミニウム合金(純アルミニウム系)、JIS規格の3000系アルミニウム合金(Al−Mn系合金)、JIS規格の5000系アルミニウム合金(Al−Mg系合金))からなる場合には、母材よりも大きくなる。したがって、例えば、第一部材10および第二部材20が熱処理型合金からなる場合には、外周側の肉厚変化点Q1,Q2での強度よりも円筒部11,21の内周側の肉厚変化点P1,P2での強度の方が小さくなる。
By the way, due to frictional heat during pressure welding, a heat affected zone (HAZ = Heat Affected Zone) having a strength and material different from the strength of the base material inevitably occurs around the joint interface J. It tends to increase as it approaches the joint interface J. The strength of the heat affected zone H is such that the
また、本実施形態に係る摩擦圧接部品1においては、その第一部材10側に急峻なバリ11a,11bが形成されていることで、接合界面Jよりも前記第一部材10側の形状係数αが、1.5以上になっている。
Further, in the
形状係数αは、応力集中係数ともいい、肉厚変化点P1を含む断面等における最大応力をσmax、平均応力をσnとすると、次式により定義される。
α=σmax/σn
The shape factor α is also called a stress concentration factor, and is defined by the following equation, where σ max is the maximum stress and σ n is the average stress in the cross section including the wall thickness change point P1.
α = σ max / σ n
なお、図3の(a)および(b)に示す幅広の帯板101と幅狭の帯板102の突合せ溶接継手が引張力Fを受ける場合の形状係数α0は、次式により算出できることが知られている。 The shape factor α 0 when the butt weld joint of the wide strip 101 and the narrow strip 102 shown in FIGS. 3A and 3B receives the tensile force F can be calculated by the following equation. Are known.
接合界面Jよりも第一部材10側のバリによる切欠きの断面形状は、図3に示す突合せ溶接継手の形状に近似しているので、接合界面Jよりも第一部材10側の形状係数αは、次式により算出することができる。
Since the cross-sectional shape of the notch by the burr on the
上式から分かるように、形状係数αは、バリ底角度θ1a,θ1bが小さくなるほど大きくなり、バリ底半径R1a,R1bが小さくなるほど大きくなり、接合界面Jにおける肉厚tJが大きくなるほど大きくなる。なお、参考として、形状係数αが四捨五入をして2.0となる諸元の例を表1に示す。 As can be seen from the above equation, the shape factor α increases as the burr bottom angles θ 1a , θ 1b decrease, increases as the burr bottom radii R 1a , R 1b decrease, and the thickness t J at the joint interface J increases. It gets bigger. For reference, Table 1 shows an example of specifications in which the shape factor α is rounded to 2.0.
耐久性能の指標となる切欠き係数β(=(応力集中がない場合の疲労強度)/(応力集中がある場合の疲労強度)は、応力集中が大きくなるほど、すなわち、形状係数αが大きくなるほど大きくなる傾向にあるが、図4に示すように、切欠き係数βの変化率Δβは、形状係数αが大きくなるに従って小さくなる傾向にある。また、形状係数αの変化率Δαと切欠き係数βの変化率Δβとの比(=Δβ/Δα)は、1以下である。なお、図4に示すグラフは、図3に示す突合せ溶接継手の材質がJIS規格のアルミニウム合金6061−T6(JIS規格の6000系アルミニウム合金(Al−Mg−Si系合金)であって溶体化処理後に焼入れ処理をし、その後に人工時効処理をしたもの)である場合のものである。 The notch coefficient β (= (fatigue strength in the absence of stress concentration) / (fatigue strength in the presence of stress concentration), which is an index of durability performance, increases as the stress concentration increases, that is, as the shape factor α increases. 4, the change rate Δβ of the notch coefficient β tends to decrease as the shape factor α increases, and the change rate Δα of the shape factor α and the notch coefficient β The ratio (= Δβ / Δα) with the change rate Δβ is 1 or less, and the graph shown in Fig. 4 shows that the material of the butt welded joint shown in Fig. 3 is JIS standard aluminum alloy 6061-T6 (JIS standard). 6000 series aluminum alloy (Al-Mg-Si series alloy), which has been subjected to quenching treatment after solution treatment and then artificial aging treatment).
ところで、第一部材10および第二部材20の公差、温度の変化、摩擦圧接条件の僅かな差異によってバリによる切欠きの形状が微妙に変化するので、摩擦圧接部品1ごとに形状係数αがばらつくことになるが、第一部材10および第二部材20がJIS規格のアルミニウム合金6061−T6からなる場合には、形状係数αを2.0以上としておけば、形状係数αのばらつきが切欠き係数βに及ぼす影響が小さいものとなる。すなわち、接合界面Jよりも第一部材10側の形状係数αが2.0以上となるように摩擦圧接をすれば、切欠き係数βの変化率Δβが小さくなるので、摩擦圧接条件等に誤差等が生じたとしても接合部における破壊強度(疲労強度)のばらつきを小さくすることが可能となり、また、接合部の破壊強度の大きさを正確に把握することが可能となる。
By the way, since the shape of the notch due to burrs slightly changes due to slight differences in tolerances, temperature changes, and friction welding conditions of the
以上説明したように、本実施形態に係る摩擦圧接部品1においては、第一部材10側のバリ11a,11bによる切欠き部分における応力の集中度合いが、第二部材20側のバリ部分21a,21bによる切欠き部分における応力の集中度合いよりも常に高くなるので、接合部での応力集中は、第一部材10側のみを考慮するだけでよい。すなわち、摩擦圧接部品1によれば、その強度のばらつきを小さくすることが可能となり、加えて、強度の大きさも正確に把握することが可能となるので、摩擦圧接部品の設計を合理化することが可能となる。
As described above, in the friction-welded
ちなみに、第一部材10および第二部材20が熱処理合金からなる場合には、接合界面Jに近づくに従って強度が低下するので、円筒部11,21の内周側の肉厚変化点P1,P2での強度は、外周側の肉厚変化点Q1,Q2での強度よりも小さくなる。つまり、想定外の荷重が作用する場合には、円筒部11,21の内周側から破壊が進行する可能性が高い。特に本実施形態では、第一部材10の円筒部11の内周側に形成されるバリ11aによる切欠きが第二部材10の円筒部21の内周側に形成されるバリ21aによる切欠きよりも急峻であることから、想定外の荷重が作用する場合には、バリ11aの立ち上がり部分の切欠き(すなわち、第一部材10の円筒部11の内周側の肉厚変化点P1近傍)から破壊が進行する可能性が高い。このように、円筒部11の内周側に形成されるバリ11aのバリ底角度θ1aやバリ底半径R1aを、円筒部21の内周側に形成されるバリ21aのバリ底角度θ2aやバリ底半径R2aよりも小さくしておけば、破壊モードの特定が容易となる。
Incidentally, when the
なお、円筒部11の外径と円筒部21の外径とを等しくしなくとも、円筒部11の内空側に形成されるバリ底角度θ1aやバリ底半径R1aを、円筒部21の内周側に形成されるバリ底角度θ2a やバリ底半径R2aよりも小さくすることはできるが、本実施形態の如く円筒部11,21の外径を等しくして内周面に段差を設けておけば、円筒部11の内周側に形成されるバリ底角度θ1aやバリ底半径R1aが、円筒部21の内周側に形成されるバリ底角度θ2aやバリ底半径R2aよりも小さくなり易くなる。また、円筒部11の外径と円筒部21の外径とを等しくすると、第一部材の円筒部の外周面と第二部材の円筒部の外周面とに段差がなくなるので、外周側に形成されたバリ11b,21bを切除する作業を容易に行うことが可能となる。
Even if the outer diameter of the
また、図5に示すように、接合部の外周側に形成されたバリ11b,21bについては、接合部の外周面を滑らかにするために切除される場合があるが、円筒部11の内周側に形成されるバリ底角度θ1aやバリ底半径R1aを、円筒部21の内周側に形成されるバリ底角度θ2aやバリ底半径R2aよりも小さくしておけば、バリ11b,21bの切除後においても、破壊モードの特定が容易となる。
Further, as shown in FIG. 5, the
また、本実施形態においては、第一部材10および第二部材20をJIS規格のアルミニウム合金6061−T6で形成するとともに、接合界面Jよりも第一部材10側の形状係数αを2.0以上としたので、切欠き係数βにばらつきがなくなる。つまり、摩擦圧接部品1の破壊強度をより的確に把握することが可能となる。
Moreover, in this embodiment, while forming the
なお、前記した実施形態では、摩擦圧接前における第一部材10の円筒部11の肉厚t1を、第二部材20の円筒部21の肉厚t2よりも小さくすることで、摩擦圧接前における第一部材10の突合面11cの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材20の突合面21cの面積および断面二次モーメントよりも小さくしたが、例えば、図6の(a)に示すように、摩擦圧接前における第一部材10の円筒部11の先端部に段差を付けて薄肉部13を形成することで、摩擦圧接前における第一部材10の突合面11cの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材20の突合面21cの面積および断面二次モーメントよりも小さくしてもよい。この場合、第一部材10の円筒部11の肉厚t1と第二部材20の円筒部21の肉厚t2とを同一にしてもよい。
In the above-described embodiment, the thickness t 1 of the
このようにしても、摩擦圧接時に、第一部材10の円筒部11が先に流動化することになるので、図示は省略するが、第一部材10側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材20側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。また、第一部材10の円筒部11に薄肉部13を形成すれば、第二部材20の円筒部21を全長に亘って厚肉にする必要がなくなるので、摩擦圧接部品1の重量が必要以上に増加することがない。
Even if it does in this way, since the
また、図6の(b)に示すように、摩擦圧接前における第二部材20の円筒部21の先端部に段差を付けて厚肉部23を形成することで、摩擦圧接前における第一部材10の突合面11cの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材20の突合面21cの面積および断面二次モーメントよりも小さくしてもよい。この場合、第一部材10の円筒部11の肉厚t1と第二部材20の円筒部21の肉厚t2とを同一にしてもよい。
Further, as shown in FIG. 6B, the first member before friction welding is formed by forming a
このようにしても、摩擦圧接時に、第一部材10の円筒部11が先に流動化することになるので、図示は省略するが、第一部材10側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材20側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。また、第二部材20の円筒部21に厚肉部23を形成すれば、第二部材20の円筒部21を全長に亘って厚肉にする必要がなくなるので、摩擦圧接部品1の重量が必要以上に増加することがない。
Even if it does in this way, since the
また、図6の(c)に示すように、摩擦圧接前における第一部材10の円筒部11の先端部に先細りの傾斜部14を形成することで、摩擦圧接前における第一部材10の突合面11cの面積および断面二次モーメントを、摩擦圧接前における第二部材20の突合面21cの面積および断面二次モーメントよりも小さくしてもよい。この場合においては、第一部材10の円筒部11の肉厚t1と第二部材20の円筒部21の肉厚t2とを同一にしてもよい。
Further, as shown in FIG. 6C, the tapered
このようにしても、摩擦圧接時に、第一部材10の円筒部11が先に流動化することになるので、図示は省略するが、第一部材10側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材20側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。また、第一部材の円筒部11の先端部に傾斜部14を形成すれば、第二部材20の円筒部21を全長に亘って厚肉にする必要がなくなるので、摩擦圧接部品1の重量が必要以上に増加することがない。
Even if it does in this way, since the
また、前記した実施形態では、第一部材10と第二部材20の材質を同質とし、第一部材10の突合面11cの面積を第二部材20の突合面21cの面積よりも小さくすることで、第一部材10の円筒部11を先に流動化させたが、第二部材20よりも強度(特に高温強度)の小さい異種金属で第一部材10を形成すれば、突合面11c,21cの面積が同一であっても、第一部材10の円筒部11を先に流動化させることが可能となる。つまり、第二部材20よりも強度(特に高温強度)の小さい異種金属で第一部材10を形成することでも、図示は省略するが、第一部材10側に形成されるバリのバリ底角度を第二部材20側に形成されるバリのバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。具体的には、例えば、第一部材10をアルミニウム合金製とするとともに、第二部材20をアルミニウム合金よりも高温強度の大きい銅合金製とすれば、突合面11c,21cの面積が同一であっても、第一部材10の円筒部11を先に流動化させることが可能となる。
In the above-described embodiment, the
なお、第一部材10と第二部材20とが同種の金属からなる場合であっても、金属の製造工程の差異によって明らかな強度差(特に高温強度差)がある場合には、第一部材10の円筒部11を先に流動化させることが可能となる。具体的には、例えば、第一部材10を2000系アルミニウム合金(熱処理型合金であるAl−Cu−Mg系合金(ジェラルミンなど))製や4000系アルミニウム合金(非熱処理型合金であるAl−Si系合金)製とするとともに、第二部材20を2000系や4000系のアルミニウム合金よりも高温強度の大きい6000系のアルミニウム合金製とすれば、突合面11c,21cの面積が同一であっても、第一部材10の円筒部11を先に流動化させることが可能となるので、図示は省略するが、第一部材10側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径を第二部材20側に形成されるバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくすることが可能となる。
Even when the
また、第一部材10を第二部材20よりも高温にすることでも、第一部材10を先に流動化させることが可能となる。例えば、第一部材10と第二部材20とが同じ材質で、かつ、突合面11c,21cの面積が同一である場合であっても、摩擦過程において、第一部材10を第二部材20よりも高温にすれば、第一部材10を先に流動化させることが可能となり、ひいては、図示は省略するが、第一部材10側に形成されるバリのバリ底角度を第二部材20側に形成されたバリのバリ底角度よりも小さくすることが可能となる。第一部材10を第二部材20よりも高温にするには、例えば、摩擦過程中に、第二部材20を空冷又は水冷するか、あるいは、第一部材10をチャックしている治具を断熱して第一部材10から治具への熱伝達を防止するか、当該治具を電熱線やバーナー等で加熱すればよい。
Also, the
また、前記した実施形態においては、中空な円筒部11,21の端面を突合面11c,21cとした場合を例示したが、例えば、図7の(a)に示すように、第二部材20に中実な柱部25を設け、その端面を突合面25cとしてもよい。第一部材10と第二部材20とが同じ材質であれば、第一部材10の円筒部11の先端部が第二部材20の柱部25よりも先に流動化することになるので、図示は省略するが、円筒部11に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径は、柱部25の外周側に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくなる。
Further, in the above-described embodiment, the case where the end surfaces of the hollow
また、図7の(b)に示すように、第二部材20だけでなく、第一部材10にも中実な柱部15を設け、その端面を突合面15cとしてもよい。なお、第一部材10と第二部材20とが同じ材質である場合には、第一部材10の柱部15を第二部材20の柱部25よりも小径にする(すなわち、突合面15cの面積を突合面25cの面積よりも小さくする)。このようにすると、第一部材10の柱部15の先端部が第二部材20の柱25よりも先に座屈して流動化することになるので、図示は省略するが、柱部15に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径は、柱部25の外周側に形成されたバリのバリ底角度やバリ底半径よりも小さくなる。
Further, as shown in FIG. 7B, not only the
1 摩擦圧接部品
10 第一部材
11 円筒部
11a,11b バリ
11c 突合面
20 第二部材
21 円筒部
21a,21b バリ
21c 突合面
J 接合界面
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記第一部材側に形成されたバリによる切欠きが、前記第二部材側に形成されたバリによる切欠きよりも小さいことを特徴とする摩擦圧接部品。 A friction welding component formed by friction welding the first member and the second member,
The friction welding part, wherein a notch formed by the burr formed on the first member side is smaller than a notch formed by the burr formed on the second member side.
前記第一部材の円筒部の内周側に形成されたバリによる切欠きが、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されたバリによる切欠きよりも小さいことを特徴とする摩擦圧接部品。 A friction welding component formed by friction welding the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member,
Friction welding, wherein a notch formed by a burr formed on the inner peripheral side of the cylindrical portion of the first member is smaller than a notch formed by a burr formed on the inner peripheral side of the cylindrical portion of the second member. parts.
前記第一部材と前記第二部材とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の突合面側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすることを特徴とする摩擦圧接方法。 A method of friction welding the first member and the second member,
When the first member and the second member are butted while rotating relative to each other, the first member is fluidized first, so that a notch is formed by a burr formed on the abutting surface side of the first member. Is made smaller than a notch formed by a burr formed on the second member side.
前記第一部材の円筒部と前記第二部材の円筒部とを相対回転させつつ突き合せた際に、前記第一部材を先に流動化させることで、前記第一部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きを、前記第二部材の円筒部の内周側に形成されるバリによる切欠きよりも小さくすることを特徴とする摩擦圧接方法。 A method of friction welding the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member,
When the cylindrical portion of the first member and the cylindrical portion of the second member are abutted while rotating relative to each other, the inner periphery of the cylindrical portion of the first member is fluidized first. A friction welding method, wherein a notch formed by a burr formed on the side is made smaller than a notch formed by a burr formed on an inner peripheral side of the cylindrical portion of the second member.
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