JP2011230160A - Tool for friction stir welding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、円形のショルダー部と、このショルダー部の中心軸上に設けられたプローブとを有する摩擦攪拌接合用ツールに関する。 The present invention relates to a friction stir welding tool having a circular shoulder portion and a probe provided on the central axis of the shoulder portion.
摩擦攪拌接合法は、先端にプローブ(突起部)のある円筒状の回転工具(摩擦攪拌接合用ツール)を回転させながら強い力で押し付けることで、接合させる部材(母材)の接合部にプローブを貫入させ、これによって摩擦熱を発生させて母材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで複数の部材を一体化させる接合法である(例えば、下記特許文献1参照)。 In the friction stir welding method, a cylindrical rotating tool (friction stir welding tool) with a probe (protrusion) at the tip is pressed with a strong force while rotating, and the probe is applied to the joint of the member (base material) to be joined. Is a joining method in which a plurality of members are integrated by softening the base material by generating frictional heat and softening the periphery of the joint by the rotational force of the tool and kneading and mixing (for example, See Patent Document 1 below).
特許文献1に記載された回転工具は、円形のショルダー部と、当該ショルダー部より小径に形成されたプローブとを有し、ショルダー部には、プローブの外周部からショルダー部の外縁部まで円弧状に延在する溝が設けられている。このような溝が設けられた回転工具を用いて摩擦攪拌接合を行う際、接合部材の一部(材料)は円弧状の溝の作用により回転工具の外周側から中心側に巻き込むように流動する。すなわち、材料は回転工具の中心側に集められる。 The rotary tool described in Patent Document 1 has a circular shoulder portion and a probe having a smaller diameter than the shoulder portion, and the shoulder portion has an arc shape from the outer peripheral portion of the probe to the outer edge portion of the shoulder portion. There is a groove extending to the surface. When friction stir welding is performed using a rotary tool provided with such a groove, a part (material) of the joining member flows so as to be wound from the outer peripheral side to the center side of the rotary tool by the action of the arc-shaped groove. . That is, the material is collected on the center side of the rotary tool.
ところで、例えば鉄鋼系材料のような比較的硬い材料の摩擦攪拌接合を実施するに際して、特許文献1に記載された回転工具を用いた場合、中心のプローブが壁となり、摩擦熱によって高温となった材料が高圧となることで、プローブの周囲部における磨耗量が他の部分よりも多くなり、この結果、プローブの周辺部にドーナツ状の磨耗部が形成される。すなわち、偏磨耗を生じる。このため、ショルダー部における面粗度が不均一となる。この面粗度の不均一は、回転工具の寿命を短くする一因となる。 By the way, when performing the friction stir welding of a relatively hard material such as a steel-based material, for example, when the rotary tool described in Patent Document 1 is used, the center probe becomes a wall and the temperature is increased by frictional heat. Due to the high pressure of the material, the amount of wear at the peripheral portion of the probe is larger than that at other portions, and as a result, a donut-shaped wear portion is formed at the peripheral portion of the probe. That is, uneven wear occurs. For this reason, the surface roughness in a shoulder part becomes non-uniform | heterogenous. This uneven surface roughness contributes to shortening the life of the rotary tool.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、プローブの周辺部での偏磨耗を防止することで寿命を延ばすことが可能な摩擦攪拌接合用ツールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a friction stir welding tool capable of extending the life by preventing uneven wear around the probe.
上記の課題を解決するため、本発明は、摩擦攪拌接合用ツールであって、円形のショルダー部と、前記ショルダー部よりも小径に形成され、前記ショルダー部の中心軸上に設けられたプローブとを備え、前記ショルダー部は、前記プローブを囲む平坦部と、周方向に間隔を置いて形成され、前記平坦部から前記ショルダー部の外周側に向かって弧を描くように延びる複数の凸部と、前記複数の凸部間に形成された複数の凹部とを有する、ことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a friction stir welding tool, comprising: a circular shoulder portion; a probe formed on a smaller diameter than the shoulder portion and provided on the central axis of the shoulder portion; The shoulder portion includes a flat portion surrounding the probe, and a plurality of convex portions formed at intervals in the circumferential direction and extending in an arc from the flat portion toward the outer peripheral side of the shoulder portion. And a plurality of concave portions formed between the plurality of convex portions.
上記の構成によれば、ショルダー部に平坦部が設けられているので、プローブの周囲部で圧力が高くなりすぎることによる偏磨耗の発生が効果的に抑止される。そして、偏磨耗の発生が抑止されることで、ショルダー部における平坦部とその他の部位との面粗度が均一となり、磨耗・劣化に関する条件が同じになる。この結果、接合用ツールの寿命を延ばすことが可能となる。 According to said structure, since the flat part is provided in the shoulder part, generation | occurrence | production of the partial wear by the pressure becoming high too much in the peripheral part of a probe is suppressed effectively. Further, by suppressing the occurrence of uneven wear, the surface roughness of the flat portion and other portions in the shoulder portion becomes uniform, and the conditions regarding wear and deterioration are the same. As a result, the life of the joining tool can be extended.
前記凸部は、前記平坦部の周りを一周しない範囲で延在するとよい。 The convex portion may extend within a range that does not go around the flat portion.
上記の構成によれば、凸部の幅が狭くなりすぎることがなく、凸部の幅が適度に確保されるので、接合用ツールの寿命向上を図ることができる。 According to said structure, since the width | variety of a convex part does not become narrow too much and the width | variety of a convex part is ensured moderately, the lifetime improvement of the tool for joining can be aimed at.
前記凹部は、前記凸部よりも広く設定されるとよい。 The concave portion may be set wider than the convex portion.
上記の構成によれば、凹部を広くすることで、材料を平坦部側に効果的に導くことができるとともに、一旦平坦部から流出した材料も戻って来やすいため、ショルダー部の中心側に材料を効果的に集めることができる。これにより、接合ビードが形成された箇所が接合材料に対して凹むことを防止でき、外観品質及び接合品質を向上できる。また、凸部が凹部よりも小さいことにより、接合部材に対する押圧力が大きくなり過ぎなく、このため、接合部材には適度な押圧力が付与され、材料の塑性流動が促進され、良好な接合を実施することができる。 According to the above configuration, by widening the concave portion, the material can be effectively guided to the flat portion side, and the material that has once flowed out of the flat portion easily returns, so the material on the center side of the shoulder portion. Can be collected effectively. Thereby, it can prevent that the location in which the joining bead was formed is dented with respect to joining material, and can improve external appearance quality and joining quality. Further, since the convex portion is smaller than the concave portion, the pressing force against the joining member does not become excessively large, and therefore, an appropriate pressing force is applied to the joining member, the plastic flow of the material is promoted, and good joining is achieved. Can be implemented.
前記凸部は、前記プローブ側の端部で前記プローブの周囲方向に沿って延在する内端辺部と、当該凸部の湾曲の内周側を構成する内周辺部とを有し、前記内端辺部と前記内周辺部とが接続する箇所にある隅部が、略円弧形状に形成されているとよい。 The convex portion has an inner end side portion extending along a peripheral direction of the probe at an end portion on the probe side, and an inner peripheral portion constituting an inner peripheral side of the curved portion of the convex portion, The corner portion at the location where the inner end side portion and the inner peripheral portion are connected may be formed in a substantially arc shape.
上記の構成によれば、凸部の隅部が、略円弧形状に形成されているので、凹部により寄せ集めた材料を平坦部に滑らかに誘導することができ、これにより材料を一層効果的に寄せ集めることができ、接合ビードの凹み形状の発生を好適に防止でき、外観品質をより向上できる。 According to said structure, since the corner part of a convex part is formed in the substantially circular arc shape, the material gathered together by the recessed part can be guide | induced smoothly to a flat part, and this makes material more effective. They can be gathered together, the formation of the concave shape of the joining bead can be suitably prevented, and the appearance quality can be further improved.
本発明の摩擦攪拌接合用ツールによれば、プローブの周辺部での偏磨耗を防止し、ツールの寿命を延ばすことができる。 According to the friction stir welding tool of the present invention, uneven wear at the periphery of the probe can be prevented, and the tool life can be extended.
以下、本発明に係る摩擦攪拌接合用ツールについて好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a friction stir welding tool according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る摩擦攪拌接合用ツール10(以下、接合用ツール10という)の一部省略斜視図である。図2は、接合用ツール10の一部省略側面図である。なお、添付図面において、接合用ツール10に関して、その軸線方向を矢印Aで示し、特に、先端側をA1で示し、基端側をA2で示す。また、接合用ツール10を用いて摩擦攪拌接合を実施する際の接合用ツール10の回転方向を矢印Rで示す。
FIG. 1 is a partially omitted perspective view of a friction stir welding tool 10 (hereinafter referred to as a welding tool 10) according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partially omitted side view of the
図1及び図2に示すように、接合用ツール10は、円柱状のツール本体12と、このツール本体12よりも小径に形成され、ツール本体12の軸線(中心線)C上でツール本体12の先端面から突出したプローブ14とを備える。図示例のツール本体12は、胴部16と、この胴部16よりも大径のヘッド部18とを有する。ヘッド部18の先端面は、ショルダー部20として構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
プローブ14は、接合用ツール10の中で最も先端側に突出した部分であり、図示例では、高さの低い略円錐台状に形成されている。なお、接合対象となる接合部材の厚さ等の諸条件によっては、プローブ14は軸線方向に長尺のピン状に形成されてもよい。
The
ショルダー部20は、プローブ14を囲む平坦部22と、平坦部22よりも半径方向外側に設けられた複数の凸部24及び凹部26とを有する。
The
平坦部22の軸線方向の位置(高さ)は、プローブ14のそれよりも基端側となっている。平坦部22は、プローブ14の根元部から半径方向外側に広がり、プローブ14の周りを完全に一周するように円形のリング状に延在している。図示例において、平坦部22は、半径方向外側に向かうに従い基端側(A2方向)に寄るように僅かに傾斜しているが、軸線方向に対して略垂直となるように形成されてもよい。平坦部22は、平坦部22の位置まで凸部24がある場合に磨耗が生じる範囲に設けるとよい。なお、平坦部22を設ける範囲の設定方法の詳細については、後述する。
The position (height) in the axial direction of the
各凸部24は、平坦部22の周りに周方向に間隔を置いて形成され、平坦部22からショルダー部20の外周側に向かって弧を描くように延びている。具体的には、凸部24は、半径方向外側に向かうに従って接合用ツール10の回転方向R側に寄るように湾曲している。本実施の形態において、凸部24は、渦巻状となっておらず、すなわち、平坦部22の周りを一周しない範囲で延在している。図示例において、凸部24は、平坦部22の周りに等間隔に4箇所に配置されているが、凸部24を設ける箇所は、4箇所に限られず、2、3または5箇所以上であってもよい。
Each
凸部24は、その半径方向内端で平坦部22の外周部と接続し、半径方向外側に向かって湾曲して延在し、半径方向外端がショルダー部20の外周縁部まで達している。凸部24の半径方向内端は、平坦部22が存在する分だけ、プローブ14の外周部から離間している。
The
図示例において、凸部24の幅Wは、凸部24の延在方向に亘って略一定であるが、半径方向外方に向かうに従って大きくしてもよく、あるいは、半径方向外方に向かうに従って小さくしてもよい。
In the illustrated example, the width W of the
凸部24は、プローブ14側の端部でプローブ14の周囲方向に沿って延在する内端辺部28と、当該凸部24の湾曲の内周側の辺を構成する内周辺部30と、当該凸部24の湾曲の外周側の辺を構成する外周辺部32とを有する。ショルダー部20の中心側で外周辺部32と内端辺部28とが接続する箇所にある隅部34は、鋭角状に形成されている。これに対し、ショルダー部20の中心側で内端辺部28と内周辺部30とが接続する箇所にある隅部36は、略円弧形状に形成されている。すなわち、隅部36では角が削除されてR(丸み)が設けられている。また、各凸部24における隅部36以外の稜線部分には面取りによって微小Rが設けられている。この微小Rは隅部36のRよりも小さくてよい。このような微小Rを設けることにより、その部分での磨耗量が多くなることを抑制できる。なお、隅部36だけでなく、隅部34についても略円弧状に形成してもよい。
The
図3は、図1におけるIII−III線での断面図である。図3に示すように、凸部24の表面を、ショルダー部20の中心側から外周側へ辿ると、平坦部22の外周部から半径方向外側に向かって、A1方向側に寄って平坦部22よりも先端側に位置する頂点24aに達し、頂点24aからA2方向側に寄るように傾斜してショルダー部20の外周縁部に達する。このように、凸部24は、接合用ツール10の軸線C(中心線)に対して垂直な平面内に存在するのではなく、全体として、軸線C側に近づくに従ってA1方向に盛り上がって形成されている。
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. As shown in FIG. 3, when the surface of the
なお、図示例では、各凸部24の大きさ及び形状は同一であるが、必要に応じて、一部または全部の大きさまたは形状を異ならせてもよい。
In the illustrated example, the size and shape of each
図1及び図2に示すように、各凹部26は、平坦部22の周りであって凸部24間に周方向に間隔を置いて形成され、平坦部22からショルダー部20の外周側に向かって弧を描くように延びている。凹部26は、その半径方向内端で平坦部22の外周部と接続し、半径方向外側に向かってR方向に湾曲して延在し、半径方向外端がショルダー部20の外周縁部まで達している。
As shown in FIGS. 1 and 2, each
凹部26は、半径方向外側に向かうに従って周方向の幅が広くなるように形成されている。また、本実施の形態では、図1に示すように、凹部26は凸部24よりも広く(大きく)形成されている。勿論、複数の凹部26の総面積は、複数の凸部24の総面積よりも大きい。なお、図示例では、各凹部26の大きさ及び形状は同一であるが、必要に応じて、一部または全部の大きさまたは形状を異ならせてもよい。
The
図3に示すように、凹部26の表面を、ショルダー部20の中心側から外周側へ辿ると、平坦部22の外周部から半径方向外側に向かうにつれて、基端側(A2方向側)に寄るように傾斜してショルダー部20の外周縁部に達する。このように、凹部26は、接合用ツール10の軸線C(中心線)に対して垂直な平面内に存在するのではなく、全体として、軸線C側に近づくに従ってA1方向に盛り上がって形成されている。
As shown in FIG. 3, when the surface of the
本発明の一実施形態に係る接合用ツール10は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、その作用及び効果について説明する。
The joining
接合用ツール10を用いて、接合部材40、42を摩擦攪拌接合するには、図4に示すように、接合部材40、42を突き合せ部で突き合わせて位置決めし、図示しない回転駆動源の駆動作用下に、接合用ツール10を軸線Cを中心にR方向に回転させながら下降させ、プローブ14を付き合せ部44上の材料表面に押し付ける。これにより、接合用ツール10と接合部材との摩擦により摩擦熱が発生し、この熱で材料が軟化する。接合用ツール10は、所定の加圧力で材料に押し付けられているため、軟化した材料中に挿入されていき、最終的にはプローブ14が完全に材料中に埋没し、ショルダー部20が部材表面に接触した状態となる。
In order to frictionally stir the joining
接合部材40、42の軟化した材料は、円弧状の凸部24の作用によりショルダー部20の外周側から中心側に巻き込むように流動する。すなわち、材料は接合用ツール10の中心側に集められ、プローブ14の周囲で攪拌される。この場合、凹部26が凸部24よりも広いため、材料を寄せ集めやすく、材料を効率的にショルダー部20の中心側に誘導できる。また、本実施の形態に係る接合用ツール10の場合、凸部24の隅部36(図1参照)は、略円弧形状に形成されているので、凹部26により寄せ集めた材料は平坦部22側に滑らかに誘導される。
The softened material of the joining
また、この場合、プローブ14の周囲に設けた平坦部22が材料を逃がす部分として機能するため、当該平坦部22に磨耗が集中することがない。すなわち、従来のツールのように、プローブ14の外周部に平坦部22ではなく凸部が存在する場合には、当該凸部の箇所で高温高圧となった材料が集中することで当該凸部が他の部分よりも磨耗し、偏磨耗を生じる。これに対し、本実施の形態に係る接合用ツール10では、偏磨耗を生じる箇所がそもそも存在せず、また、平坦部22により材料を適度に逃がすため、平坦部22の箇所での圧力が大きくなりすぎることがない。これにより、偏磨耗の発生が効果的に抑止される。
In this case, since the
プローブ14周辺の軟化した材料は、接合用ツール10の回転に引きずられることで塑性流動し、攪拌される。そして、接合用ツール10の回転と加圧を維持しながら付き合せ部に沿って接合用ツール10を矢印B方向に移動させることにより、接合部材40、42が摩擦攪拌接合されて一体化される。接合部材40、42の摩擦攪拌接合された箇所には、接合ビード46が形成される。
The softened material around the
以上説明したように、接合用ツール10によれば、ショルダー部20に平坦部22が設けられているので、プローブ14の周囲部で圧力が高くなりすぎることによる偏磨耗の発生が効果的に抑止される。そして、偏磨耗の発生が抑止されることで、ショルダー部20における平坦部22とその他の部位との面粗度が均一となり、磨耗・劣化に関する条件が同じになる。この結果、接合用ツール10の寿命を延ばすことが可能となる。
As described above, according to the
ここで、平坦部22を設ける範囲について説明する。本願発明者は、平坦部22に相当する箇所に凸部が形成された実験用の接合用ツールを対象に、リング状の磨耗が生じる範囲(磨耗範囲)と、接合不良の発生の有無との関係を調べた。この結果、接触総面積(接合用ツールと接合部材とが接触している部分の面積)に対する、接合部材と接触する部分のショルダー部の面積の割合が、40%を下回るとき、ショルダー部による材料の寄せ集めが不十分となり、接合不良が生じやすくなることが確認された。
Here, the range in which the
そこで、接合用ツール10において、平坦部22を設ける範囲は、接触総面積をA1、接合部材と接触する部分のショルダー部20の面積をA2とした場合、A1×0.4≦A2の関係を満たすように設定することが好ましい。これにより、ショルダー部20の面積の不足に起因する接合不良の発生を効果的に防止することができる。
Therefore, in the
また、本実施の形態に係る接合用ツール10によれば、凸部24は、平坦部22の周りを一周しない範囲で延在している(渦巻状になっていない)ことにより、接合用ツール10の寿命向上を図ることができる。すなわち、凸部24が渦巻状に形成された場合、凸部24の幅が狭くなり、寿命への影響が出る可能性があるが、本実施の形態に係る接合用ツール10のように、凸部24を設ける範囲(延在範囲)を平坦部22の周りを一周しない範囲にすると、凸部24の幅が狭くなりすぎることがなく、凸部24の幅が適度に確保されるので、接合用ツール10の寿命向上を図ることができる。
Further, according to the
また、本実施の形態に係る接合用ツール10によれば、凹部26が凸部24よりも広く形成されているため、材料を寄せ集めやすい。すなわち、広く形成した凹部26により、材料を平坦部22側に効果的に導くことができるとともに、一旦平坦部22から流出した材料も戻って来やすいため、ショルダー部20の中心側に材料を効果的に集めることができる。これにより、接合ビード46が形成された箇所が接合材料に対して凹んで形成されることを防止できる。すなわち、従来の接合用ツールを用いた場合には、接合ビードが形成された箇所が接合材料に対して凹むことがあるが、本実施の形態に係る接合用ツール10によれば、材料を効果的に寄せ集めることが可能であるため、接合ビード46の凹み形状の発生を防止でき、外観品質及び接合品質を向上できる。
In addition, according to the
さらに、本実施の形態に係る接合用ツール10によれば、凸部24の隅部36(図1参照)が略円弧形状に形成されているので、凹部26により寄せ集めた材料を平坦部22に滑らかに誘導することができ、これにより材料を一層効果的に寄せ集めることができ、接合ビード46の凹み形状の発生を好適に防止でき、外観品質をより向上できる。
Furthermore, according to the
さらにまた、本実施の形態に係る接合用ツール10によれば、凸部24が凹部26よりも小さいことにより、接合部材40、42に対する押圧力が大きくなり過ぎない。このため、接合部材40、42には適度な押圧力が付与され、材料の塑性流動が促進され、良好な接合を実施することができる。
Furthermore, according to the
上記において、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。 In the above description, the present invention has been described with reference to preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Needless to say.
10…摩擦攪拌接合用ツール 14…プローブ
20…ショルダー部 22…平坦部
24…凸部 26…凹部
28…内端辺部 30…内周辺部
36…隅部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
円形のショルダー部と、
前記ショルダー部よりも小径に形成され、前記ショルダー部の中心軸上に設けられたプローブとを備え、
前記ショルダー部は、
前記プローブを囲む平坦部と、
周方向に間隔を置いて形成され、前記平坦部から前記ショルダー部の外周側に向かって弧を描くように延びる複数の凸部と、
前記複数の凸部間に形成された複数の凹部とを有する、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。 A friction stir welding tool,
A circular shoulder,
A probe having a smaller diameter than the shoulder portion and provided on the central axis of the shoulder portion;
The shoulder portion is
A flat portion surrounding the probe;
A plurality of convex portions formed at intervals in the circumferential direction and extending so as to draw an arc from the flat portion toward the outer peripheral side of the shoulder portion;
Having a plurality of recesses formed between the plurality of protrusions,
A friction stir welding tool characterized by that.
前記凸部は、前記平坦部の周りを一周しない範囲で延在する、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。 In the friction stir welding tool according to claim 1,
The convex portion extends in a range that does not go around the flat portion.
A friction stir welding tool characterized by that.
前記凹部は、前記凸部よりも広い、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。 The friction stir welding tool according to claim 1 or 2,
The concave portion is wider than the convex portion,
A friction stir welding tool characterized by that.
前記凸部は、前記プローブ側の端部で前記プローブの周囲方向に沿って延在する内端辺部と、当該凸部の湾曲の内周側を構成する内周辺部とを有し、
前記内端辺部と前記内周辺部とが接続する箇所にある隅部が、略円弧形状に形成されている、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。 In the friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 3,
The convex portion has an inner end side portion extending along a peripheral direction of the probe at an end portion on the probe side, and an inner peripheral portion constituting an inner peripheral side of the curved portion of the convex portion,
A corner portion at a location where the inner end side portion and the inner peripheral portion are connected is formed in a substantially arc shape,
A friction stir welding tool characterized by that.
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