JP2009101401A - Joining method - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦攪拌を利用した金属部材の接合方法に関する。 The present invention relates to a method for joining metal members using friction stirring.
金属部材同士を接合する方法として、摩擦攪拌接合(FSW=Friction Stir Welding)が知られている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合部に沿って移動させ、回転ツールと金属部材との摩擦熱により突合部の金属を塑性流動させることで、金属部材同士を固相接合させるものである。なお、回転ツールは、円柱状を呈するショルダ部の下端面に攪拌ピン(プローブ)を突設してなるものが一般的である。 Friction stir welding (FSW = Friction Stir Welding) is known as a method for joining metal members. Friction stir welding is a process of rotating a rotating tool along the abutting portion between metal members, and plastically flowing the metal at the abutting portion by frictional heat between the rotating tool and the metal member, so that the metal members are solid-phased. It is what is joined. In general, the rotating tool is formed by protruding a stirring pin (probe) on the lower end surface of a cylindrical shoulder portion.
ここで図12は、一対の金属部材に摩擦攪拌接合を施した従来の接合方法を示した斜視図である。図12に示すように、接合すべき金属部材101,101の肉厚が図示しない回転ツールの攪拌ピンの長さよりも大きい場合には、金属部材101の表面102側から摩擦攪拌接合を行った後に、裏面103側からも摩擦攪拌接合を行う場合がある。
即ち、従来の接合方法は、金属部材101,101の突合部104(二点鎖線)に沿って表面102及び裏面103の両側から摩擦攪拌接合を行い、摩擦攪拌接合によって形成された塑性化領域105,106の厚さ方向の中央部分が接触するように接合するものである。これにより、突合部104においては、隙間なく接合することができる。
FIG. 12 is a perspective view showing a conventional joining method in which friction stir welding is performed on a pair of metal members. As shown in FIG. 12, when the thickness of the
That is, in the conventional joining method, the friction stir welding is performed from both sides of the
しかしながら、従来の接合方法は、図12に示すように、塑性化領域105,106において、一方の側面107から他方の側面108に連続するトンネル状の空洞欠陥(以下、トンネル状空洞欠陥109という)が生じる可能性がある。トンネル状空洞欠陥109は、突合部104の微細な隙間を充填するためにメタルが不足したり、摩擦攪拌によってバリが発生したりすることにより生じるものである。かかる空洞欠陥109は、金属部材101,111の水密性及び気密性を低下させる一因となっていた。
However, in the conventional bonding method, as shown in FIG. 12, in the
このような観点から本発明は、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行うとともに金属部材の気密性及び水密性を向上させることが可能な接合方法を提供することを課題とする。 From such a viewpoint, the present invention provides a joining method capable of performing frictional stirring on the abutting portion between metal members from the front surface side and the back surface side of the metal member and improving the air tightness and water tightness of the metal member. This is the issue.
このような課題を解決する本発明に係る接合方法は、一対の金属部材の端面同士を突き合わせて被接合金属部材を形成する突合工程と、前記被接合金属部材の突合部に対して前記被接合金属部材の表面から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、前記突合部に対して前記被接合金属部材の側面から溶接を行う溶接接合工程と、を含み、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域とを重複させるとともに、前記溶接接合工程において、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域を溶接金属で密閉することを特徴とする。 The joining method according to the present invention that solves such a problem includes a joining step in which end surfaces of a pair of metal members are butted to form a joined metal member, and the joined parts to the joined part of the joined metal member A first main joining step in which friction agitation is performed from the surface of the metal member; a second main joining step in which friction agitation is performed from the back surface of the metal member to be joined to the abutting portion; and the joint to be joined to the abutting portion. A welding joining step for welding from the side of the metal member, and overlapping the front side plasticizing region formed in the first main joining step and the back side plasticizing region formed in the second main joining step In addition, in the welding joining step, the front surface side plasticized region and the back surface side plasticized region are sealed with a weld metal.
かかる接合方法によれば、表面側塑性化領域及び裏面側塑性化領域を重複させているので、突合部において未塑性化領域のない被接合金属部材を形成することができるとともに、被接合金属部材の側面に露出するトンネル状空洞欠陥については溶接により溶接金属で密閉するため、被接合金属部材の気密性及び水密性を高めることができる。 According to this joining method, since the front side plasticized region and the back side plasticized region are overlapped, it is possible to form a joined metal member having no unplasticized region at the butt portion, and to join the joined metal member. Since the tunnel-like cavity defect exposed on the side surface of the metal is sealed with weld metal by welding, the airtightness and watertightness of the metal member to be joined can be improved.
また、本接合方法では、前記溶接接合工程の前に、前記被接合金属部材の側面の前記突合部に沿って凹溝を形成する凹溝形成工程を含み、前記溶接接合工程の際に、前記凹溝に前記溶接金属を充填することが好ましい。 Further, the present joining method includes a concave groove forming step of forming a concave groove along the abutting portion of the side surface of the metal member to be joined before the welding joining step, and in the welding joining step, It is preferable to fill the groove with the weld metal.
かかる接合方法によれば、被接合金属部材の側面側に酸化皮膜が形成されていたとしても、凹溝を形成する際に除去することができる。 According to such a joining method, even if an oxide film is formed on the side surface of the metal member to be joined, it can be removed when the concave groove is formed.
また、本接合方法では、前記凹溝の幅は、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域の幅よりも小さいことが好ましい。 Moreover, in this joining method, it is preferable that the width | variety of the said ditch | groove is smaller than the width | variety of the said surface side plasticization area | region and the said back surface side plasticization area | region.
かかる接合方法によれば、凹溝を形成する作業手間を低減することができるとともに、溶接金属の充填量を小さくすることができるため、材料コストの低減を図ることができる。 According to such a joining method, it is possible to reduce the labor for forming the concave groove and to reduce the filling amount of the weld metal, thereby reducing the material cost.
また、本接合方法では、前記溶接接合工程において、前記溶接金属のうち前記被接合金属部材の側面から突出した部分を切除する切除工程を含むことが好ましい。 Moreover, in this joining method, it is preferable that the said welding joining process includes the excision process of excising the part which protruded from the side surface of the said to-be-joined metal member among the said weld metals.
かかる接合方法によれば、側面から突出した溶接金属を切除することにより、仕上がり面を平滑に成形することができる。なお、溶接金属のうち被接合金属部材の側面から突出した部分を以下、肉盛部ともいう。 According to this joining method, the finished surface can be formed smoothly by cutting away the weld metal protruding from the side surface. In addition, the part which protruded from the side surface of the to-be-joined metal member among weld metals is also hereafter called a build-up part.
また、本接合方法では、摩擦攪拌を行う回転ツールの挿入予定位置に予め下穴を形成することが好ましい。かかる接合方法によれば、回転ツールを押し込む際の圧入抵抗を低減することができる。これにより、摩擦攪拌接合の精度を高めるとともに、迅速に接合作業を行うことができる。 Moreover, in this joining method, it is preferable to form a pilot hole in advance at a planned insertion position of the rotary tool that performs friction stirring. According to such a joining method, it is possible to reduce press-fit resistance when the rotary tool is pushed in. Thereby, while improving the precision of friction stir welding, a joining operation can be performed rapidly.
本発明に係る接合方法によれば、金属部材同士の突合部を金属部材の表面側及び裏面側から摩擦攪拌を行うとともに金属部材の気密性及び水密性を向上させることができる。 According to the joining method according to the present invention, the abutting portions between the metal members can be frictionally stirred from the front surface side and the back surface side of the metal members, and the air tightness and water tightness of the metal members can be improved.
本発明に係る接合方法は、図1に示すように、第一金属部材1a及び第二金属部材1bの端面同士を突き合わせてなる被接合金属部材1の突合部J1に対して、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bから摩擦攪拌をするとともに、両側面に形成された凹溝K,Kに溶接金属Tを充填することを特徴とするものである。まず、被接合金属部材1、摩擦攪拌の際に用いるタブ材及び回転ツールについて詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the joining method according to the present invention is a metal member to be joined with respect to the abutting portion J <b> 1 of the
被接合金属部材1は、図2に示すように、略同等の形状からなる第一金属部材1a及び第二金属部材1bの端面同士を突き合わせて形成されている。第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金など摩擦攪拌可能な金属材料からなる。第一金属部材1a及び第二金属部材1bの形状・寸法に特に制限はないが、少なくとも突合部J1における厚さ寸法を同一にすることが望ましい。
As shown in FIG. 2, the
第一タブ材2および第二タブ材3は、図2に示すように、被接合金属部材1の突合部J1を挟むように配置されるものであって、それぞれ、被接合金属部材1に添設され、両側面に現れる継ぎ目(境界線)を覆い隠す。第一タブ材2及び第二タブ材3の材質に特に制限はないが、本実施形態では、被接合金属部材1と同一組成の金属材料で形成している。また、第一タブ材2および第二タブ材3の形状・寸法にも特に制限はないが、本実施形態では、その厚さ寸法を突合部J1における被接合金属部材1の厚さ寸法と同一にしている。
As shown in FIG. 2, the
次に、図3を参照して、仮接合に用いる回転ツールF(以下、「仮接合用回転ツールF」という。)および本接合に用いる回転ツールG(以下、「本接合用回転ツールG」という。)を詳細に説明する。 Next, referring to FIG. 3, a rotary tool F used for temporary joining (hereinafter referred to as “temporary joining rotary tool F”) and a rotary tool G used for main joining (hereinafter referred to as “main joining rotational tool G”). Will be described in detail.
図3の(a)に示す仮接合用回転ツールFは、工具鋼など被接合金属部材1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部F1と、このショルダ部F1の下端面F11に突設された攪拌ピン(プローブ)F2とを備えて構成されている。仮接合用回転ツールFの寸法・形状は、被接合金属部材1の材質や厚さ等に応じて設定すればよいが、少なくとも、後記する第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールG(図3の(b)参照)よりも小型にする。このようにすると、本接合よりも小さな負荷で仮接合を行うことが可能となるので、仮接合時に摩擦攪拌装置に掛かる負荷を低減することが可能となり、さらには、仮接合用回転ツールFの移動速度(送り速度)を本接合用回転ツールGの移動速度よりも高速にすることも可能になるので、仮接合に要する作業時間やコストを低減することが可能となる。
A temporary tool F for temporary joining shown in FIG. 3A is made of a metal material harder than the
ショルダ部F1の下端面F11は、塑性流動化した金属を押えて周囲への飛散を防止する役割を担う部位であり、本実施形態では、凹面状に成形されている。ショルダ部F1の外径X1の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、本接合用回転ツールGのショルダ部G1の外径Y1よりも小さくなっている。 The lower end surface F11 of the shoulder portion F1 is a portion that plays a role of pressing the plastic fluidized metal and preventing scattering to the surroundings, and is formed in a concave shape in this embodiment. There is no particular limitation on the size of the outer diameter X 1 of the shoulder portion F1, in this embodiment, is smaller than the outer diameter Y 1 of the shoulder portion G1 of the joining rotation tool G.
攪拌ピンF2は、ショルダ部F1の下端面F11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンF2の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンF2の外径の大きさに特に制限はないが、本実施形態では、最大外径(上端径)X2が本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2の最大外径(上端径)Y2よりも小さく、かつ、最小外径(下端径)X3が攪拌ピンG2の最小外径(下端径)Y3よりも小さい。攪拌ピンF2の長さLAは、突合部J1(図3の(b)参照)における被接合金属部材1の厚さtの3〜15%とすることが望ましいが、少なくとも、本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2の長さL1よりも小さくすることが望ましい。
The stirring pin F2 hangs down from the center of the lower end surface F11 of the shoulder portion F1, and is formed into a tapered truncated cone shape in this embodiment. In addition, a stirring blade engraved in a spiral shape is formed on the peripheral surface of the stirring pin F2. There is no particular limitation on the size of the outer diameter of the stirring pin F2, in the present embodiment, the maximum outer diameter (upper diameter) X 2 is the maximum outer diameter of the stirring pin G2 of the rotary tool G for the joint (upper end diameter) Y 2 smaller than, and the minimum outer diameter (bottom diameter) X 3 is smaller than the minimum outer diameter (bottom diameter) Y 3 of the stirring pin G2. The length L A of the stirring pin F2 is preferably 3 to 15% of the thickness t of the
図3の(b)に示す本接合用回転ツールGは、工具鋼など金属部材1よりも硬質の金属材料からなり、円柱状を呈するショルダ部G1と、このショルダ部G1の下端面G11に突設された攪拌ピン(プローブ)G2とを備えて構成されている。
3B is made of a metal material harder than the
ショルダ部G1の下端面G11は、仮接合用回転ツールFと同様に、凹面状に成形されている。攪拌ピンG2は、ショルダ部G1の下端面G11の中央から垂下しており、本実施形態では、先細りの円錐台状に成形されている。また、攪拌ピンG2の周面には、螺旋状に刻設された攪拌翼が形成されている。攪拌ピンG2の長さL1は、突合部J1(図2の(c)参照)における被接合金属部材1の肉厚tの1/2以上3/4以下となるように設定することが望ましく、より好適には、1.01≦2L1/t≦1.10という関係を満たすように設定することが望ましい。
The lower end surface G11 of the shoulder portion G1 is formed in a concave shape like the temporary joining rotary tool F. The stirring pin G2 hangs down from the center of the lower end surface G11 of the shoulder portion G1, and is formed into a tapered truncated cone shape in this embodiment. In addition, a stirring blade engraved in a spiral shape is formed on the peripheral surface of the stirring pin G2. The length L 1 of the stirring pin G2 is preferably set to be 1/2 or more 3/4 of the thickness t of the
以下に本実施形態に係る接合方法を詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法は、(1)突合工程、(2)仮接合工程、(3)第一本接合工程、(4)第二本接合工程、(5)凹溝形成工程、(6)溶接接合工程を含むものである。なお、説明における上下前後左右は、図1の矢印に従う。 The joining method according to this embodiment will be described in detail below. The bonding method according to the present embodiment includes (1) a butt process, (2) a temporary bonding process, (3) a first main bonding process, (4) a second main bonding process, (5) a groove forming process, (6 ) Includes a welding process. In the description, the top, bottom, front, back, left, and right follow the arrows in FIG.
(1)突合工程
突合工程は、第一金属部材1a及び第二金属部材1bの両端面を突き合わせて被接合金属部材1を形成する突合工程と、被接合金属部材1の両側面にタブ材を配置するタブ材配置工程とを含むものである。
(1) Butting process The butting process includes a butting process in which both end surfaces of the
突合工程では、図2の(a)〜(c)に示すように、第一金属部材1aと第二金属部材1bの両端面11a及び11bを突き合わせて被接合金属部材1を形成する。図2の(c)に示すように、第一金属部材1aの表面12aと第二金属部材1bの表面12bとを面一にするとともに、第一金属部材1aの裏面13aと第二金属部材1bの裏面13bとを面一に形成する。さらに、図3の(b)に示すように、第一金属部材1aの一方の側面14aと第二金属部材1bの一方の側面14bとを面一にするとともに、第一金属部材1aの他方の側面15aと第二金属部材1bの他方の側面15bとを面一にする。第一金属部材1a及び第二金属部材1bの突合せ面には突合部J1が形成されている。
ここで、被接合金属部材1の表面を表面A、裏面を裏面B、一方の側面を第一側面C、他方の側面を第二側面Dとする。
In the abutting step, as shown in FIGS. 2A to 2C, the bonded
Here, the surface of the
タブ材配置工程では、図2の(a)及び(b)に示すように、被接合金属部材1の両側面に露出する突合部J1に沿って、第一タブ材2及び第二タブ材3を配置する。第一タブ材2は、図2の(b)に示すように、第一タブ材2の当接面21が第二側面Dに当接するように配置される。第二タブ材3は、第二タブ材3の当接面31が第一側面Cに当接するように配置される。第一タブ材2及び第二タブ材3の表面及び裏面は、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bと面一に形成されている。また、図2の(a)に示すように、被接合金属部材1と第一タブ材2との突合せ面には突合部J2が形成され、被接合金属部材1と第二タブ材3との突合せ面には突合部J3が形成されている。
In the tab material arranging step, as shown in FIGS. 2A and 2B, the
本実施形態においては、第一タブ材2と被接合金属部材1とで形成された入り隅部2a,2aを溶接によって仮接合する。これにより、第一タブ材2と被接合金属部材1を摩擦攪拌する際の目開きを防止することができる。同様に、第二タブ材3と被接合金属部材1とで形成された入り隅部3a,3aを溶接によって仮接合する。
突合工程が終了したら、タブ材を仮接合した被接合金属部材1を図示せぬ摩擦攪拌装置の架台に載置し、クランプ等の治具を用いて移動不能に拘束する。
In the present embodiment, the
When the abutting step is completed, the
(2)仮接合工程
仮接合工程は、突合部J2,突合部J1及び突合部J3に沿って摩擦攪拌を行う仮接合工程と、第二タブ材3の表面に下穴を形成する下穴形成工程とを含むものである。
(2) Temporary joining process The temporary joining process includes a temporary joining process in which friction stirring is performed along the abutting part J2, the abutting part J1 and the abutting part J3, and a pilot hole formation for forming a pilot hole on the surface of the
仮接合工程では、図4に示すように、一の仮接合用回転ツールFを一筆書きの移動軌跡(ビード)を形成するように移動させて、突合部J2,J1,J3に対して連続して摩擦攪拌を行う。即ち、摩擦攪拌の開始位置SPに挿入した仮接合用回転ツールFの攪拌ピンF2(図3の(a)参照)を途中で離脱させることなく終了位置EPまで移動させる。
なお、本実施形態では、第一タブ材2に摩擦攪拌の開始位置SPを設け、第二タブ材3に終了位置EPを設けているが、開始位置SPと終了位置EPの位置を限定する趣旨ではない。
In the temporary joining step, as shown in FIG. 4, one temporary joining rotary tool F is moved so as to form a one-stroke writing movement trajectory (bead), and continuously with respect to the abutting portions J2, J1, and J3. And friction stir. That is moved to the end position E P without disengaging the starting position of the friction stir S P to the inserted rotating temporary welding tool stirring pin F F2 (shown in FIG. 3 (a) refer) to the middle.
In the present embodiment, the start position S P output friction stir
仮接合工程は、まず、第一タブ材2の適所に設けた開始位置SPの直上に仮接合用回転ツールFを位置させ、続いて、仮接合用回転ツールFを右回転させつつ下降させて攪拌ピンF2を開始位置SPに押し付ける。攪拌ピンF2の全体が第一タブ材2に入り込み、かつ、ショルダ部F1の下端面F11の全面が第一タブ材2の表面22に接触したら、図4に示すように、仮接合用回転ツールFを回転させつつ始点s2に向けて相対移動させる。
Provisional bonding step, first, to position the rotary tool F for temporary bonding directly on the start position S P provided in place of the
始点s2まで連続して摩擦攪拌を行ったら、始点s2で仮接合用回転ツールFを離脱させずにそのまま突合部J2に沿って接合用回転ツールFを移動させ、突合部J2を摩擦攪拌する。仮接合用回転ツールFを右回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に微細な接合欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に被接合金属部材1が位置するように始点s2と終点e2の位置を設定することが望ましい。このようにすると、被接合金属部材1側に接合欠陥が発生し難くなるので、高品質の接合体を得ることが可能となる。
When the friction stir is continuously performed up to the starting point s2, the rotating tool F for welding is moved as it is along the abutting portion J2 without detaching the rotating tool F for temporary joining at the starting point s2, and the abutting portion J2 is frictionally stirred. When the rotary tool F for temporary bonding is rotated to the right, there is a possibility that a fine bonding defect may occur on the left side of the moving direction of the temporary bonding rotary tool F. It is desirable to set the positions of the start point s2 and the end point e2 so that the
ちなみに、仮接合用回転ツールFを左回転させた場合には、仮接合用回転ツールFの進行方向の右側に微細な接合欠陥が発生する虞があるので、仮接合用回転ツールFの進行方向の左側に被接合金属部材1が位置するように始点と終点の位置を設定することが望ましい。具体的には、図示は省略するが、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の終点e2の位置に始点を設け、仮接合用回転ツールFを右回転させた場合の始点s2の位置に終点を設ければよい。
By the way, when the temporary bonding rotary tool F is rotated counterclockwise, there is a possibility that a fine bonding defect may occur on the right side of the moving direction of the temporary bonding rotary tool F. It is desirable to set the position of the start point and the end point so that the
仮接合用回転ツールFが終点e2に達したら、仮接合用回転ツールFを離脱させずに、一旦第一タブ材2側に入り込ませて、始点s1まで移動させる。仮接合用回転ツールFが始点s1に達したら、突合部J1に沿って仮接合用回転ツールFを移動させ、突合部J1の全長に亘って連続して摩擦攪拌を行う。
When the temporary joining rotary tool F reaches the end point e2, the temporary joining rotary tool F is temporarily moved into the
仮接合用回転ツールFが終点e1に達したら、一旦第二タブ材3に入り込ませて、始点s3まで仮接合用回転ツールFを離脱させずに摩擦攪拌を継続し、突合部J3の摩擦攪拌に移行する。仮接合用回転ツールFが終点e3に達したら第二タブ材3の内部に設定した終了位置EPまで仮接合用回転ツールFを移動させて、第二タブ材3から仮接合用回転ツールFを離脱させる。
なお、本実施形態では、被接合金属部材1の突合部J1の延長線上に終了位置EPを設けている。ちなみに、終了位置EPは、後記する第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置SM1でもある。また、本実施形態では、前記したように仮接合のルートを設定したがこれに限定されるものではなく、他のルートであっても構わない。
When the temporary welding rotary tool F reaches the end point e1, it temporarily enters the
In the present embodiment, it is provided with end position E P on the extension of the butting portion J1 of the joined
下穴形成工程では、図3の(b)に示すように、第一本接合工程における摩擦攪拌の開始位置SM1に下穴P1を形成する。即ち、下穴形成工程は、本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2の挿入予定位置に下穴P1を形成する工程である。これにより、本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2の挿入抵抗(圧入抵抗)を低減することができる。
下穴P1の形態に特に制限はないが、本実施形態では、円筒状としている。下穴P1の最大穴径Z1は、本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2の最大外径(上端径)Y2よりも小さく形成されている。
Under the hole forming step, as shown in FIG. 3 (b), to form a prepared hole P1 at the start position S M1 of the friction stir in the single bonding step. That is, the pilot hole forming step is a step of forming the pilot hole P1 at a position where the stirring pin G2 of the main rotating tool G is to be inserted. Thereby, the insertion resistance (press-fit resistance) of the stirring pin G2 of the rotating tool G for main joining can be reduced.
Although there is no restriction | limiting in particular in the form of the pilot hole P1, In this embodiment, it is cylindrical. Maximum bore diameter Z 1 of the prepared hole P1 is smaller than the maximum outer diameter (upper end diameter) Y 2 of the stirring pin G2 of the joining rotation tool G.
(3)第一本接合工程
第一本接合工程では、被接合金属部材1の突合部J1に対して、本接合用回転ツールGを用いて表面Aから本格的に摩擦攪拌する。
第一本接合工程では、図5の(a)〜(c)に示すように、開始位置SM1に形成した下穴P1に本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した攪拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM1まで移動させる。なお、本実施形態では、第二タブ材3に摩擦攪拌の開始位置SM1を設け、第一タブ材2に終了位置EM1を設けているが、開始位置SM1と終了位置EM1の位置を限定する趣旨ではない。
(3) First Main Joining Process In the first main joining process, the abutting portion J1 of the
In the first one bonding step, as shown in (a) ~ (c) of FIG. 5, the stirring pin G2 of the joining rotation tool G inserted (press-fitted) into the prepared hole P1 formed in the start position S M1, The inserted stirring pin G2 is moved to the end position E M1 without being removed halfway. In this embodiment, the
図5の(a)〜(c)を参照して第一本接合工程をより詳細に説明する。
まず、図5の(a)に示すように、下穴P1(開始位置SM1)の直上に本接合用回転ツールGを位置させ、続いて、本接合用回転ツールGを右回転させつつ下降させて攪拌ピンG2の先端を下穴P1に挿入する。攪拌ピンG2を下穴P1に入り込ませると、攪拌ピンG2の周面(側面)が下穴P1の穴壁に当接し、穴壁から金属が塑性流動化する。このような状態になると、塑性流動化した金属を攪拌ピンG2の周面で押し退けながら、攪拌ピンG2が圧入されることになるので、圧入初期段階における圧入抵抗を低減することが可能となり、また、本接合用回転ツールGのショルダ部G1が第二タブ材3の表面32に当接する前に攪拌ピンG2が下穴P1の穴壁に当接して摩擦熱が発生するので、塑性流動化するまでの時間を短縮することが可能となる。
The first main joining process will be described in more detail with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 5A, the main welding rotary tool G is positioned immediately above the pilot hole P1 (start position S M1 ), and then the main welding rotary tool G is rotated clockwise and lowered. The tip of the stirring pin G2 is inserted into the pilot hole P1. When the stirring pin G2 enters the pilot hole P1, the peripheral surface (side surface) of the stirring pin G2 comes into contact with the hole wall of the pilot hole P1, and the metal fluidizes plastically from the hole wall. In such a state, the agitation pin G2 is press-fitted while pushing the plastic fluidized metal away from the peripheral surface of the agitation pin G2, so that it is possible to reduce the press-fitting resistance in the initial press-fitting stage. Since the stirring pin G2 contacts the hole wall of the pilot hole P1 and the frictional heat is generated before the shoulder portion G1 of the rotating tool G for main bonding contacts the
攪拌ピンG2の全体が第二タブ材3に入り込み、かつ、ショルダ部G1の下端面G11の全面が第二タブ材3の表面32に接触したら、図5の(b)に示すように、摩擦攪拌を行いながら被接合金属部材1の突合部J1の一端に向けて本接合用回転ツールGを相対移動させ、さらに、突合部J3を横切らせて突合部J1に突入させる。本接合用回転ツールGを移動させると、その攪拌ピンG2の周囲にある金属が順次塑性流動化するとともに、攪拌ピンG2から離れた位置では、塑性流動化していた金属が再び硬化して塑性化領域W1(以下、「表面側塑性化領域W1」という。)が形成される。
When the entire stirring pin G2 enters the
被接合金属部材1への入熱量が過大になる虞がある場合には、本接合用回転ツールGの周囲に水を供給するなどして冷却することが望ましい。なお、被接合金属部材1の突合部J1の隙間に冷却水が入り込むと、接合面に酸化皮膜を発生させる虞があるが、本実施形態においては、仮接合工程を実行して被接合金属部材1の突合部J1の目地を閉塞しているので、突合部J1の隙間に冷却水が入り込み難く、したがって、接合部の品質を劣化させる虞がない。
When there is a possibility that the amount of heat input to the
突合部J1の他端まで本接合用回転ツールGを相対移動させたら、摩擦攪拌を行いながら突合部J2を横切らせ、そのまま終了位置EM1に向けて相対移動させる。本接合用回転ツールGが終了位置EM1に達したら、図5の(c)に示すように、本接合用回転ツールGを回転させつつ上昇させて攪拌ピンG2を終了位置EM1から離脱させる。 When the main rotation tool G is relatively moved to the other end of the abutting portion J1, the abutting portion J2 is moved across the abutting portion J2 while performing frictional stirring, and is then relatively moved toward the end position E M1 . When the main welding rotary tool G reaches the end position E M1 , as shown in FIG. 5C, the main welding rotary tool G is raised while rotating to disengage the stirring pin G <b> 2 from the end position E M1 . .
(4)第二本接合工程
第二本接合工程では、被接合金属部材1の突合部J1に対して、本接合用回転ツールGを用いて裏面Bから本格的に摩擦攪拌する。
まず、第一本接合工程が終了したら、図示しない摩擦攪拌装置から被接合金属部材1を一旦外し、図1に示す前後方向の軸に沿って半回転させて裏面Bを上方に向けた状態にして、再度固定する。なお、第二本接合工程に先だって、第二タブ材3の裏面33に下穴P2を形成する。
(4) Second Main Joining Step In the second main joining step, the abutting portion J1 of the
First, after the first main joining process is completed, the
第二本接合工程では、図6の(a)〜(c)に示すように、第二タブ材3に設定した開始位置SM2に形成した下穴P2に右回転させた本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2を挿入(圧入)し、挿入した攪拌ピンG2を途中で離脱させることなく終了位置EM2まで移動させる。なお、本実施形態では、第二タブ材3に摩擦攪拌の開始位置SM2を設け、第一タブ材2に終了位置EM2を設けているが、開始位置SM2と終了位置EM2の位置を限定する趣旨ではない。
In the second main joining step, as shown in FIGS. 6A to 6C, the main joining rotating tool rotated to the right in the pilot hole P <b > 2 formed at the start position SM < b> 2 set in the
第二本接合工程は、第一本接合工程と略同等であるため、重複する部分については説明を省略する。第二本接合工程では、摩擦攪拌によって裏面側塑性化領域W2が形成される。第二本接合工程では、図6の(b)及び(c)に示すように、表面側塑性化領域W1と裏面側塑性化領域W2とが重複するように摩擦攪拌を行う。即ち、表面側塑性化領域W1の深さW1dと裏面側塑性化領域W2の深さW2dとの和は、被接合金属部材1の厚さtよりも大きくなるように形成されている。これにより、突合部J1の隙間を全て摩擦攪拌することができるため、被接合金属部材1の気密性及び水密性を高めることができる。
なお、第二本接合工程を行う前に、前記した仮接合工程を行って、突合部J1,J2,J3を仮接合してもよい。
Since the second main joining process is substantially the same as the first main joining process, the description of the overlapping parts is omitted. In the second main joining step, the back side plasticized region W2 is formed by friction stirring. In the second main joining step, as shown in FIGS. 6B and 6C, friction stir is performed so that the front surface side plasticized region W1 and the back surface side plasticized region W2 overlap. That is, the sum of the depth W1d of the front side plasticizing region W1 and the depth W2d of the back side plasticizing region W2 is formed to be larger than the thickness t of the
In addition, before performing a 2nd main joining process, the above-mentioned temporary joining process may be performed and the joining parts J1, J2, and J3 may be temporarily joined.
第二本接合工程が終了したら、図7に示すように、第一タブ材2及び第二タブ材3を被接合金属部材1から切除する。被接合金属部材1の表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2には、トンネル状空洞欠陥R及び酸化皮膜Uが形成されている。トンネル状空洞欠陥Rは、第一側面Cから第二側面Dに連通する空洞欠陥であって、本実施形態においては本接合用回転ツールGを右回転させているため、本接合用回転ツールGの進行方向左側に形成される。即ち、表面側塑性化領域W1には、第二金属部材1bにトンネル状空洞欠陥Rが形成されている。また、裏面側塑性化領域W2には、第一金属部材1aにトンネル状空洞欠陥Rが形成されている。トンネル状空洞欠陥Rの両端は、第一側面C及び第二側面Dに露出している。
When the second main joining process is completed, as shown in FIG. 7, the
酸化皮膜Uは、本接合用回転ツールGが突合部J2及びJ3を通過する際に、タブ材と被接合金属部材1との間に存する酸化皮膜を被接合金属部材1側に巻き込むため、塑性化領域の両端側に形成される。酸化皮膜Uは、本実施形態においては、本接合用回転ツールGを右回転させているため、裏面側塑性化領域W2においては、第一側面C上の第一金属部材1a及び第二側面D上の第二金属部材1bに形成されている。また、表面側塑性化領域W1においては、第一側面C上の第二金属部材1b及び第二側面D上の第一金属部材1aに形成されている。
The oxide film U is plastic because the oxide film existing between the tab material and the
(5)凹溝形成工程
凹溝形成工程では、被接合金属部材1の第一側面C及び第二側面Dにおいて、突合部J1に沿って凹溝K,Kを形成する。凹溝Kは、後記する溶接接合工程において、溶接金属を充填させる凹部である。凹溝Kは、本実施形態においては公知のエンドミル等を用いて、一定の幅Ka、深さKbで裏面Bから表面Aに亘って連続して形成されている。
(5) Concave groove forming process In the concavity groove forming process, the concave grooves K and K are formed along the abutting portion J1 on the first side surface C and the second side surface D of the
凹溝Kを設けることで、後記する溶接接合を行う際に、溶接金属を好適に充填させることができるとともに、酸化皮膜U(図7参照)を取り除くことができる。凹溝Kの幅Ka及び深さKbは、酸化皮膜Uの大きさ(範囲)に応じて適宜設定すればよい。また、凹溝Kの幅Kaと、裏面側塑性化領域W2の幅Waは、Ka<Waとなるように形成されるのが好ましい。これにより、溶接接合の際に溶接金属を充填する範囲を小さくすることができるため、作業効率を高めることができる。なお、凹溝Kは、本実施形態においては、断面視矩形に形成したがこれに限定されるものではなく他の形状であってもよい。 By providing the concave groove K, it is possible to suitably fill the weld metal and to remove the oxide film U (see FIG. 7) when performing welding joining described later. The width Ka and the depth Kb of the concave groove K may be appropriately set according to the size (range) of the oxide film U. Moreover, it is preferable that the width Ka of the concave groove K and the width Wa of the back surface plasticizing region W2 are formed such that Ka <Wa. Thereby, since the range which fills a weld metal in the case of welding joining can be made small, working efficiency can be improved. In addition, in this embodiment, although the ditch | groove K was formed in the cross sectional view rectangle, it is not limited to this, Other shapes may be sufficient.
(6)溶接接合工程
溶接接合工程は、図9に示すように、第二側面D及び第一側面C(図8参照)に形成された凹溝Kに対して溶接接合を行う溶接接合工程と、肉盛部を切除する切除工程(以下、肉盛部切除工程ともいう)とを含む。
溶接接合工程では、TIG溶接、MIG溶接などによって肉盛溶接接合を行って、凹溝Kに溶接金属Tを充填させる。これにより、凹溝Kを溶接金属Tで確実に密閉するとともに、接合箇所の強度を高めることができる。また、第一側面Cから第二側面Dに連続するトンネル状空洞欠陥Rが形成されたとしても、凹溝Kに溶接金属Tが充填されることによりトンネル状空洞欠陥Rを分断し、被接合金属部材1中に封入することができる。なお、溶接材料は、被接合金属部材1と異なっていてもよいが、本実施形態においては同一の材料を用いている。
(6) Welding and joining process As shown in FIG. 9, the welding and joining process includes a welding and joining process in which welding is performed with respect to the groove K formed on the second side surface D and the first side surface C (see FIG. 8). And a cutting process for cutting off the built-up part (hereinafter also referred to as a built-up part cutting process).
In the welding joining process, overlay welding is performed by TIG welding, MIG welding, or the like, and the groove K is filled with the weld metal T. Thereby, the groove K can be reliably sealed with the weld metal T, and the strength of the joint portion can be increased. Further, even if a tunnel-like cavity defect R continuous from the first side face C to the second side face D is formed, the tunnel-like cavity defect R is divided by filling the groove K with the weld metal T and joined. The
なお、溶接接合工程を行ったとしても、被接合金属部材1の表面A及び裏面Bに酸化皮膜Uが残存する場合には、酸化皮膜Uに対して溶接を行い、溶接金属Tで密閉してもよい。
In addition, even if it performs a welding joining process, when the oxide film U remains on the surface A and the back surface B of the to-
肉盛部切除工程は、図10に示すように、溶接接合工程で充填された溶接金属Tのうち、第一側面C又は第二側面Dの表面から突出する部分(肉盛部T’)を切除する工程である。かかる肉盛部T’を切除することにより、第一側面C又は第二側面Dの表面を平滑に成形することができる。 As shown in FIG. 10, the build-up portion excision step includes a portion protruding from the surface of the first side surface C or the second side surface D (the build-up portion T ′) of the weld metal T filled in the welding joining step. It is a process of excision. The surface of the first side surface C or the second side surface D can be formed smoothly by cutting off the build-up portion T ′.
以上説明した本発明に係る接合方法によれば、表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2を重複させることで、突合部J1の隙間を全て摩擦攪拌することができるとともに、被接合金属部材1の両側面に露出するトンネル状空洞欠陥Rについては溶接金属Tで密閉するため、被接合金属部材1の気密性及び水密性を高めることができる。
According to the joining method according to the present invention described above, the front-side plasticized region W1 and the back-side plasticized region W2 can be overlapped to frictionally stir all gaps of the abutting portion J1, and the metal to be joined. Since the tunnel-like cavity defect R exposed on both side surfaces of the
また、摩擦攪拌の際に被接合金属部材1に形成される酸化皮膜Uは、凹溝形成工程で切除されるため、被接合金属部材1の気密性及び水密性をより高めることができる。また、凹溝Kに溶接金属Tを充填させることで、突合部J1の接合強度を高めることができる。
Moreover, since the oxide film U formed on the bonded
以上本発明の最良の実施形態について説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜変更が可能である。
例えば、第一本接合工程と第二本接合工程とで異なる形態の本接合用回転ツールGを用いてもよい。例えば図11の(a)および(b)に示すように、第一本接合工程で用いる本接合用回転ツールGの攪拌ピンG2の長さL1と第二本接合工程で用いる本接合用回転ツールG’の攪拌ピンG2’の長さL2の和を、突合部J1における被接合金属部材1の肉厚t以上に設定してもよい。なお、攪拌ピンG2,G2’の長さL1,L2が、それぞれ肉厚t未満であることは言うまでもない。このようにすれば、第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域W1の深部が、第二本接合工程で使用する本接合用回転ツールG’の攪拌ピンG2’によって再び摩擦攪拌されることになるので、表面側塑性化領域W1の深部に接合欠陥が連続的に形成されていたとしても、当該接合欠陥を分断して不連続にすることが可能となり、ひいては、接合部における気密性や水密性を向上させることが可能となる。
Although the best embodiment of the present invention has been described above, modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
For example, you may use the rotary tool G for main joining which differs in a 1st main joining process and a 2nd main joining process. For example, as shown in (a) and (b) of FIG. 11, rotating the junction with stirring pin G2 length L 1 of the joining rotation tool G used in the first present bonding step used in the first two bonding step the sum of the length L 2 of the 'stirring pin G2 of the' tools G, may be set to more than the thickness of the joining metallic member 1 t in the butting portion J1. Needless to say, the lengths L 1 and L 2 of the stirring pins G2 and G2 ′ are each less than the wall thickness t. In this way, the deep portion of the surface side plasticizing region W1 formed in the first main joining step is frictionally stirred again by the stirring pin G2 ′ of the main welding rotary tool G ′ used in the second main joining step. Therefore, even if the joint defect is continuously formed in the deep part of the surface side plasticized region W1, the joint defect can be divided and made discontinuous. And water tightness can be improved.
また例えば、本実施形態においては、被接合金属部材1の側面に凹溝Kを形成したが、凹溝Kを形成せずに溶接接合工程を行ってもよい。即ち、図7に示すように、第二本接合工程を終えた段階で、第一側面C及び第二側面Dに露出する表面側塑性化領域W1及び裏面側塑性化領域W2に対してTIG溶接等を行った後、肉盛部を切除してもよい。これにより、トンネル状空洞欠陥R及び酸化皮膜Uを溶接金属で密閉することができるため、水密性及び気密性を高めることができる。
For example, in this embodiment, although the ditch | groove K was formed in the side surface of the to-
また、溶接接合工程は、本実施形態では被接合金属部材1の両面に行ったが、どちらか一方に行うだけでもよい。また、仮接合用回転ツールF及び本接合用回転ツールGの回転方向や進行方向は、前記した形態に限定するものではない。
Moreover, although the welding joining process was performed to both surfaces of the to-
1 被接合金属部材
1a 第一金属部材
1b 第二金属部材
2 第一タブ材
3 第二タブ材
A 表面
B 裏面
C 第一側面
D 第二側面
F 仮接合用回転ツール
G 本接合用回転ツール
J1 突合部
K 凹溝
P1 下穴
T 溶接金属
W1 表面側塑性化領域
W2 裏面側塑性化領域
SM 本接合工程の開始位置
EM 本接合工程の終了位置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記被接合金属部材の突合部に対して前記被接合金属部材の表面から摩擦攪拌を行う第一本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の裏面から摩擦攪拌を行う第二本接合工程と、
前記突合部に対して前記被接合金属部材の側面から溶接を行う溶接接合工程と、を含み、
第一本接合工程で形成された表面側塑性化領域と、第二本接合工程で形成された裏面側塑性化領域とを重複させるとともに、
前記溶接接合工程において、前記表面側塑性化領域及び前記裏面側塑性化領域を溶接金属で密閉することを特徴とする接合方法。 A butting step of butting the end faces of a pair of metal members to form a metal member to be joined;
A first main joining step in which friction agitation is performed from the surface of the metal member to be bonded to the butted portion of the metal member to be bonded;
A second main joining step in which friction agitation is performed from the back surface of the metal member to be joined to the abutting portion;
A welding joint step of performing welding from the side surface of the joined metal member to the abutting portion,
While overlapping the surface side plasticized region formed in the first main joining step and the back side plasticized region formed in the second main joining step,
In the welding and joining step, the front side plasticization region and the back side plasticization region are sealed with a weld metal.
前記溶接接合工程の際に、前記凹溝に前記溶接金属を充填することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。 Before the welding joining step, including a groove forming step of forming a groove along the abutting portion of the side surface of the metal member to be joined,
The joining method according to claim 1, wherein the weld metal is filled in the concave groove during the welding joining process.
The joining method according to any one of claims 1 to 4, wherein a pilot hole is formed in advance at a position where a rotary tool for frictional stirring is to be inserted.
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