JP2009166132A - 金属の表面改質方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属からなる改質部材45に挿入した状態で回転することにより改質部材45を処理する小径部42と、小径部42と一体化され、小径部42が処理している間に改質部材45を押圧する大径部43とを備えた回転工具41により改質部材45の表面を改質する方法であって、大径部43を改質部材45に押圧することにより、押圧された大径部43の一部を改質部材45に肉盛りさせる金属の表面改質方法。
【選択図】図16
Description
本発明はさらに、金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部と、小径部と一体化され、小径部が処理している間に処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により処理対象物の表面を改質する方法であって、処理対象物の表面に肉盛り材を載せ、肉盛り材を貫通して小径部を処理対象物に挿入する金属の表面改質方法をも提供する。
<第1参考例>
図1及び図2は、本発明に対する第1参考例を説明するための図であり、図1は回転工具1を接合部材5に挿入する前の状態を示す図、図2は回転工具1を接合部材5に挿入した後の状態を示す図である。なお、図1は回転工具1の移動方向正面から見た図、図2は回転工具1の移動方向(矢印で示す)側面から見た図である。
図1及び図2において、回転工具1は、いずれも円柱状の大径部2及び小径部3とから構成されている。大径部2及び小径部3は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成され、その回転軸に貫通孔H1が形成されている。回転工具1は、図示しない回転駆動手段により回転軸を中心に回転する。また、回転工具1は、図示しない移動手段により、図中、平面方向、鉛直方向に移動可能となっている。
図示しないレーザ発振器から発振されたレーザビームLは、回転工具1の回転軸を含んで形成されている貫通孔H1を通過して、接合部材5に照射される。したがって、レーザビームLは、回転工具1の投影面内において接合部材5に照射されることになる。
第1参考例による撹拌接合装置10は、接合部材5を載せる基台11を備えている。基台11の左右両側には、レール12が配設されている。レール12上をZ方向に往復移動可能なガントリ13が備えられており、ガントリ13には、モータ14を介して回転工具1が取り付けられている。モータ14は、回転工具1を回転駆動する。モータ14は、ガントリ13に対してX方向、Y方向に移動可能に取り付けられている。
撹拌接合装置10は、レーザ発振器15を備えている。レーザ発振器15から出射されたレーザビームLは、光ファイバ16及び回転工具1を介して接合部材5に照射される。
回転工具1の突合せ部6に対する位置合わせが完了したならば、モータ14を駆動することにより回転工具1を回転するとともに、図1に示すように、レーザ発振器15を駆動して接合部材5に対してレーザビームLを照射する。以後は、前述したように、所定時間レーザビームLを照射した後に回転工具1を接合部材5の突合せ部6に挿入する。回転工具1の挿入後においても、図2に示すように、レーザビームLの照射を継続すると、従来の回転工具1のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができるとともに、回転工具1のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
次に本発明に対する第2参考例について説明する。
上述した第1参考例は、回転工具1の中心軸をレーザビームLが通過することにより、回転工具1の投影面内において接合部材5上にレーザビームLを照射したが、第2参考例は、回転工具1の中心軸から偏心した位置をレーザビームLが通過する形態を開示するものである。
図6及び図7において、回転工具21は、いずれも円柱状の大径部22及び小径部23とから構成されている。大径部22及び小径部23は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成され、その回転軸から偏心した位置に円弧状の貫通孔H2が形成されている。
図示しないレーザ発振器から出射されたレーザビームLは、回転工具21に形成されている貫通孔H2を通過して、接合部材25に照射される。したがって、レーザビームLは、回転工具21の投影面内において接合部材25に照射される。
次に第3参考例を説明する。
第3参考例は、回転工具の中心軸及び中心軸から偏心した位置をレーザビームLが通過する形態を開示するものである。また、第1参考例及び第2参考例はレーザビームLを接合部材5(25)の突合せ部6(26)に照射していたが、第3参考例はレーザビームLを接合部材5(25)の突合せ部6(26)以外の箇所にも照射する。そうすることにより、融点の異なる異種材料の撹拌接合を可能にする。
図11及び図12において、回転工具31は、大径部32及び小径部33とから構成されている。大径部32及び小径部33は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成されている。回転工具31は、その回転軸に貫通孔H3が形成されている。また、回転工具31は、その中心軸から偏心した位置に円弧状の貫通孔H4が形成されている。
したがって、第3参考例によれば、図12に示すように接合部材35の厚さ方向全域にわたって良好な接合状態を得ることができ、従来の回転工具のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができる。また、レーザビームLを照射しながら回転工具31を移動するため、回転工具31のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
また、第3参考例では、貫通孔H3、つまり回転工具31の回転軸からのレーザビームLの照射を行っているが、異種材料の撹拌接合のみを考慮した場合には、回転工具31の回転軸からのレーザビームLの照射を省略することができる。
第1〜第3参考例は2つの接合部材5、25、35を突合せた状態で撹拌接合する例を開示するものであるが、本発明は、金属材料の表面改質に対して適用することもできる。そこで以下では、金属材料の表面改質に適用した形態について説明する。
以上の第4参考例では、回転工具41の回転軸からレーザビームLを改質部材45に対して照射する形態を開示したが、レーザビームLの照射を伴わなくても表面改質を実施することができる(第1形態)。もちろん、レーザビームLの照射を伴う表面改質が望ましい形態であることはいうまでもない。
また、以上の第4参考例では、回転工具41の大径部42が回転工具41の回転に伴って消耗する形態としているが、非消耗タイプの大径部42とすることを許容する。
<実験例1>
第1参考例に従った実験を行った。実験の条件は以下の通りとし、回転工具を接合部材に挿入する際の負荷(挿入時負荷)を測定した。また、及び回転工具を接合部材に挿入した後に移動する際の負荷(移動時負荷)を測定した。その結果を下記するが、レーザビームを照射することにより、挿入時負荷及び移動時負荷が軽減されることがわかる。このように挿入時負荷及び移動時負荷が軽減されることにより、撹拌接合の工数を軽減することができるとともに、設備剛性を軽減することができる。工数低減については、移動時の速度を、レーザビーム照射なしの場合が50〜100mm/minであるのを、100〜150mm/minまで向上することができる。
接合部材材質:軟鋼
接合部材板厚:5〜10mm
回転工具回転数:400rpm
回転工具移動速度:50〜100mm/min
レーザビーム出力:1〜2kW
レーザビーム照射径:1mm
挿入時負荷:レーザビーム照射あり…5〜8ton
レーザビーム照射なし…9〜12ton
移動時負荷:レーザビーム照射あり…5〜8ton
レーザビーム照射なし…6〜9ton
第4参考例、第1形態に従った実験を行った。ただし、大径部を非消耗タイプの大径部とした。実験の条件は以下の通りとし、回転工具を改質部材に挿入した後の移動速度(移動時負荷)を測定した。また、改質部の平均結晶粒径を測定した。その結果を下記するが、レーザビームを照射することにより、回転工具の移動速度を向上することができる。また、レーザビームの照射により、改質部の結晶粒径を微細化することができる。
接合部材材質:軟鋼
接合部材板厚:5〜10mm
回転工具回転数:400rpm
レーザビーム出力:1〜2kW
レーザビーム照射径:1mm
移動速度:レーザビーム照射あり…100〜150mm/min
レーザビーム照射なし…50〜100mm/min
改質部平均結晶粒径:レーザビーム照射あり…5〜10μm
レーザビーム照射なし…10〜15μm
Claims (2)
- 金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により前記処理対象物の表面を改質する方法であって、
前記大径部を前記処理対象物に押圧することにより、押圧された前記大径部の一部を前記処理対象物に肉盛りさせることを特徴とする金属の表面改質方法。 - 金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により前記処理対象物の表面を改質する方法であって、
前記処理対象物の表面に肉盛り材を載せ、前記肉盛り材を貫通して前記小径部を前記処理対象物に挿入することを特徴とする金属の表面改質方法。
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