JP2013082007A - Method for manufacturing tool for friction stir welding - Google Patents
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Description
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding)するための摩擦攪拌接合用工具の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a friction stir welding tool for friction stir welding of high melting point members.
金属の接合方法として、摩擦攪拌接合法の技術が開示されている(例えば、特許文献1又は2を参照。)。摩擦攪拌接合法については、融点が比較的低いアルミニウム又はアルミニウム合金を対象とした接合が多く検討されており、1350℃以上の高融点を有する金属又は合金を被接合部材として摩擦攪拌接合法を適用した報告例は少ない。しかし、本出願人は、高融点を有する白金又は白金基合金の摩擦攪拌接合法を提案している(例えば、特許文献3を参照。)。また、白金若しくは白金基合金又はステンレス鋼などの高融点部材を摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用工具を提案している(例えば、特許文献4又は5を参照。)。
As a metal joining method, a technique of a friction stir welding method is disclosed (for example, refer to
白金若しくは白金基合金又はステンレス鋼などの高融点部材を摩擦攪拌接合するための摩擦攪拌接合用工具は、摩擦によって高温に発熱させてもそれに耐える化学的安定性、耐熱強度、耐摩耗性及び耐熱衝撃性を有する材料で形成することが必要である。反面、これらの材料は、加工が難しく、これまで摩擦攪拌接合に適する工具の具体的な製造方法について開示されていない。 Friction stir welding tools for friction stir welding of high melting point materials such as platinum or platinum-based alloys or stainless steel are resistant to chemical stability, heat resistance, wear resistance and heat resistance even when heated to high temperatures by friction. It is necessary to form with the material which has impact property. On the other hand, these materials are difficult to process, and no specific method for manufacturing a tool suitable for friction stir welding has been disclosed so far.
本発明の目的は、高融点部材を摩擦攪拌接合できる摩擦攪拌接合用工具の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a friction stir welding tool capable of friction stir welding high melting point members.
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法は、円柱状のシャンク部と、該シャンク部の端部に形成されたショルダ部と、該ショルダ部の端部に形成されたピン部とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具の製造方法において、イリジウム基合金からなるインゴットを形成する工程1と、該インゴットから工具用円柱体を形成する工程3と、該工具用円柱体を加工して、前記ショルダ部及び前記ピン部を形成する工程4と、を有することを特徴とする。
A method of manufacturing a friction stir welding tool according to the present invention includes a cylindrical shank portion, a shoulder portion formed at an end portion of the shank portion, and a pin portion formed at an end portion of the shoulder portion. In the method of manufacturing a friction stir welding tool made of an iridium-based alloy, a
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記ピン部を、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。ピン部の表面を、摩擦攪拌接合に適した粗さに加工することができる。 In the method for manufacturing a friction stir welding tool according to the present invention, the pin portion is preferably formed by at least one of grinding, electric discharge, cutting, laser processing, and water jet processing. The surface of the pin portion can be processed to a roughness suitable for friction stir welding.
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程1と前記工程3との間に、前記インゴットを塑性加工する工程2を更に有することが好ましい。さらに高硬度で高温にて高強度な工具を得ることができる。
In the method for manufacturing a friction stir welding tool according to the present invention, it is preferable to further include a
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程4が、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記工具用円柱体と共通の主軸を有し、かつ、前記工具用円柱体の一方の端面側に該工具用円柱体の直径よりも小さい直径を有する先端部円柱体を形成する工程4Aを含み、該工程4Aは、前記ピン部の粗加工工程であることが好ましい。効率よく工具を製造することができる。
In the method for manufacturing a friction stir welding tool according to the present invention, the
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程4Aの後に、放電加工、研削加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記ショルダ部及び前記ピン部に深さ0.1mm以上の溝を設けずに、前記ショルダ部及び前記ピン部の仕上げ加工をするピン仕上げ工程4Bを有することが好ましい。溝なしタイプの工具を精度よく製造することができる。 In the method for manufacturing a friction stir welding tool according to the present invention, after the step 4A, the shoulder portion and the above-described method are performed by at least one of electric discharge machining, grinding, cutting, laser machining, and water jet machining. It is preferable to have a pin finishing step 4B for finishing the shoulder portion and the pin portion without providing a groove having a depth of 0.1 mm or more in the pin portion. A grooveless type tool can be manufactured with high accuracy.
本発明に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、前記工程4Aの後に、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、前記ショルダ部及び前記ピン部に深さ0.1mm以上の溝を設けて、前記ショルダ部及び前記ピン部の仕上げ加工をするピン仕上げ工程4Cを有することが好ましい。溝ありタイプの工具を精度よく製造することができる。 In the friction stir welding tool manufacturing method according to the present invention, after the step 4A, the shoulder portion and the pin portion are deepened by at least one of electric discharge machining, grinding, cutting, or laser machining. It is preferable to have a pin finishing step 4C in which a groove of 0.1 mm or more is provided to finish the shoulder portion and the pin portion. A grooved type tool can be manufactured with high accuracy.
本発明は、高融点部材を摩擦攪拌接合できる摩擦攪拌接合用工具の製造方法を提供することができる。 The present invention can provide a method for manufacturing a friction stir welding tool capable of friction stir welding high melting point members.
次に本発明について実施形態を示して詳細に説明するが本発明はこれらの記載に限定して解釈されない。本発明の効果を奏する限り、実施形態は種々の変形をしてもよい。 Next, although an embodiment is shown and explained in detail about the present invention, the present invention is limited to these descriptions and is not interpreted. As long as the effect of the present invention is exhibited, the embodiment may be variously modified.
図1は、摩擦攪拌接合法の機構の一形態を示す概略図である。図2は、工程1を説明するための概略図である。図3は、工程3を説明するための概略図である。図4は、工程4Aを説明するための概略図である。図5は、ピン部の第一形態例を示す正面図である。図6は、ピン部の第二形態例を示す正面図である。図7は、ピン部の第三形態例を示す正面図である。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3の製造方法は、図1に示すように、円柱状のシャンク部5と、シャンク部5の端部に形成されたショルダ部9と、ショルダ部9の端部に形成されたピン部4とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具において、図2に示すようにイリジウム基合金からなるインゴット10を形成する工程1と、図3に示すようにインゴット10から工具用円柱体20を形成する工程3と、図4〜図7に示すように工具用円柱体20を加工して、ショルダ部9及びピン部4を形成する工程4と、を有する。
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the mechanism of the friction stir welding method. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the
次に、各工程について順に説明する。 Next, each step will be described in order.
(工程1)
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3の製造方法は、図2に示すように、工程1として、イリジウム基合金からなるインゴット10を形成する工程を有する。インゴット10は、例えば、IrとIr以外の金属種とを所定の質量比率で配合し、これを溶解して形成することが好ましい。溶解方法としては、例えば、アーク溶解、高周波溶解、プラズマ溶解、真空溶解である。インゴット10の形状は、図2に示す円柱状の他、例えば、楕円柱状、角柱状である。
(Process 1)
The manufacturing method of the friction
(工程2)
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3の製造方法は、前記した工程1と後述する工程3との間に、工程2として、インゴット10を塑性加工する工程を有することが好ましい。塑性加工の目的は、溶解欠陥の消失、結晶粒の微細化、結晶粒の均一化及び機械的特性の向上である。塑性加工は、例えば、熱間鍛造、熱間圧延である。塑性加工が、熱間圧延である場合には、インゴットを加熱してから圧延を行い、加熱温度は材質によって異なるが、インゴットを形成するイリジウム基合金の再結晶化温度以上で行うことが好ましい。ここで、再結晶化温度とは、金属材料を塑性加工した後、再び加熱すると塑性加工で発生した金属材料の内部歪みが取れて、金属材料が柔らかくなる時の温度をいう。また、熱間圧延において、加熱は、例えば、大気雰囲気中、アルゴン雰囲気中で行うことができるが、アルゴン雰囲気中で行うことがより好ましい。
(Process 2)
The method for manufacturing the friction
(工程3)
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3の製造方法は、工程3として、インゴット10から工具用円柱体20を形成する工程を有する。
(Process 3)
The method for manufacturing the friction
工程3は、図3に示すように、インゴット10から工具用円柱体20を切り出す。工具用円柱体20の切り出しは、ワイヤー放電加工などの放電加工、レーザー切断加工又はウォータージェット切断加工のいずれか一つの加工方法で行うことが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。
In
(シャンク部の仕上げ工程)
この工程3で切り出した工具用円柱体20の一部をそのままシャンク部5としてもよいが、本実施形態では、工具用円柱体20の外周を更に仕上げ加工する工程を経てシャンク部5を形成することがより好ましい。シャンク部5の仕上げ工程を行うことで、シャンク部5の外周の真円精度を高めることができ、芯ぶれのより小さい工具3を得ることができる。シャンク部5の仕上げ加工は、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。なお、シャンク部5の仕上げ工程を行う場合は、工具用円柱体20を冶具に取付けた状態のまま取り外すことなく、次に行う工程4におけるショルダ部9及びピン部4の加工を、一連の工程で行うことが好ましい。シャンク部5、ショルダ部9及びピン部4の主軸を同軸とすることができ、芯ぶれの更に小さい工具3を得ることができる。また、シャンク部5の仕上げ工程を行う場合は、シャンク部5の仕上げ加工と、工程4におけるショルダ部9の加工と、ピン部4の加工とは、作業効率の観点から同じ加工方法を採用することがより好ましい。
(Shank finishing process)
A part of the
(工程4)
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3の製造方法は、工程4として、工具用円柱体20を加工して、ショルダ部9及びピン部4を形成する工程を有する。
(Process 4)
The method for manufacturing the friction
ショルダ部9は、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
The
ピン部4は、研削加工、放電加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって形成することが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
The
ショルダ部9の加工及びピン部4の加工は、工具用円柱体20を冶具に取付けたまま取り外すことなく、一連の工程で行うことが好ましい。冶具から取り外さずに一連の工程で加工することで、作業効率を向上することができる。また、ショルダ部9及びピン部4の主軸Oを同軸に形成することができ、芯ぶれのより小さい工具3を得ることができる。また、ショルダ部9の加工とピン部4の加工とは、作業効率の観点から同じ加工方法を採用することがより好ましい。
The processing of the
(工程4A)
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3の製造方法では、工程4が、工程4Aとして、ピン部4の粗加工工程を含むことが好ましい。ピン部4の粗加工工程は、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、図4に示すように、工具用円柱体20と共通の主軸Oを有し、かつ、工具用円柱体20の一方の端面側に工具用円柱体20の直径D1よりも小さい直径D2を有する先端部円柱体23を形成する工程である。この工程4Aを有することで、工具3を効率よく製造することができる。ピン部4の粗加工工程は、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工のうち一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
(Step 4A)
In the method for manufacturing the friction
工程4Aで形成した先端部円柱体23をそのままピン部4としてもよいが、本実施形態では、ピン仕上げ加工4B又はピン仕上げ工程4Cを経て形成することがより好ましい。ピン仕上げ工程4B又はピン仕上げ工程4Cは、ピン部4の形状に応じていずれか一方を行う。
The tip
(ピン仕上げ工程4B)
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、工程4Aの後に、放電加工、研削加工、切削加工、レーザー加工又はウォータージェット加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、図5に示すようにショルダ部9及びピン部4に深さ0.1mm以上の溝を設けずに、ショルダ部9及びピン部4の仕上げ加工をするピン仕上げ工程4Bを有することが好ましい。このピン仕上げ工程4Bを有することで、工具3を精度よく製造することができる。ピン仕上げ工程4Bは、前記した加工方法のうち一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
(Pin finishing process 4B)
In the method for manufacturing a friction stir welding tool according to the present embodiment, as shown in FIG. 5, after step 4A, at least one of electric discharge machining, grinding, cutting, laser machining, and water jet machining is used. It is preferable to have a pin finishing step 4B for finishing the
(ピン仕上げ工程4C)
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具の製造方法では、工程4Aの後に、放電加工、研削加工、切削加工又はレーザー加工の少なくともいずれか一つの加工方法によって、図6又は図7に示すようにショルダ部9及びピン部4に深さ0.1mm以上の溝21(21a,21b)を設けて、ショルダ部9及びピン部4の仕上げ加工をするピン仕上げ工程4Cを有することが好ましい。溝21は、例えば、図6に示すような環状溝21a又は図7に示すようなねじ21bである。ここでいう、ねじ21bの形状としては、階段状の多段の段差を含む。このピン仕上げ工程4Cを有することで、工具3を精度よく製造することができる。ピン仕上げ工程4Cは、前記した加工方法のうち一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、研削加工、切削加工がより好ましい。
(Pin finishing process 4C)
In the method for manufacturing a friction stir welding tool according to the present embodiment, as shown in FIG. 6 or FIG. 7, after
(固定部の形成工程)
図8は、固定部の形成工程を説明するための図であり、図5に示すピン部を有する工具用円柱体の外周に固定部を形成した状態を示す正面図である。本実施形態に係る攪拌接合用工具3の製造方法では、図8に示すように、工具用円柱体20の外周を加工して、シャンク部5の一部に、工具3を摩擦攪拌接合装置に取付けるための固定部22を形成する工程を有することが好ましい。固定部22の形成工程は、工程4の後に行うことがより好ましい。固定部22の形成工程を工程4の後に行うことで、工具用円柱体20を冶具から取り外すことなく一連の工程で、シャンク部5、ショルダ部9及びピン部4を加工することができるため、精度のより高い工具3を得ることができる。また、工具3の主軸に対応して固定部22を形成することができるため、接合時の芯ぶれをより小さくすることができる。固定部22の形成は、研削加工、切削加工又はワイヤー放電加工などの放電加工のいずれか一つの加工方法で行うことが好ましい。これらの加工方法は、一つだけを適用するか、又は2つ以上を組み合わせて適用してもよい。この中で、放電加工、研削加工がより好ましい。
(Fixing part forming process)
FIG. 8 is a view for explaining a fixing portion forming process, and is a front view showing a state in which the fixing portion is formed on the outer periphery of the tool cylinder having the pin portion shown in FIG. 5. In the manufacturing method of the
次に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3について説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3は、図5、図6又は図7に示すように、円柱状のシャンク部5と、シャンク部5の端部に形成されたショルダ部9と、ショルダ部9の端部に形成されたピン部4とを含み、イリジウム基合金からなる摩擦攪拌接合用工具である。
Next, the friction
本実施形態に係る摩擦攪拌接合用工具3は、少なくとも被接合部材1A,1Bと接触する部分のJIS Z 2244:2009「ビッカース硬さ試験−試験方法」に従って測定したビッカース硬度が、200Hv以上であることが好ましい。より好ましくは、300Hv以上である。なお、ビッカース硬度の上限は、加工性の点で、1200Hvとすることが好ましい。上限は、より好ましくは1100Hvである。ビッカース硬度は、例えば、ビッカース硬さ試験機(HV−112 ミツトヨ社製)を用いて測定する。
The friction
次に、再び図1を参照して、摩擦攪拌接合法のプロセスについて説明する。 Next, the process of the friction stir welding method will be described with reference to FIG. 1 again.
摩擦攪拌接合法は、被接合部材1A,1Bを相互に当接又はほぼ当接させて細長の結合領域2を規定する工程と、摩擦攪拌接合用工具3を回転させながら結合領域2に挿入して摩擦攪拌接合用工具3と結合領域2との間で摩擦熱を発生させ、発熱させた結合領域中に可塑性領域を発生させて被接合部材1A,1B同士を接合する工程とを含む。
In the friction stir welding method, the
まず、被接合部材1A,1Bを相互に当接又は摩擦が行われることを条件にほぼ当接する。また、結合領域2は細長として、スポット接合ではなく連続した接合を行う。これによって、高融点部材を摩擦攪拌接合できる。被接合部材1A,1Bとして、例えば、1600℃以上の高融点を有する金属又は合金を包含する。1600℃以上の高融点を有する金属又は合金としては、例えば、チタン、チタン基合金、白金、白金基合金又は酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウムなどの酸化物微粒子を分散させた酸化物分散強化型の金属若しくはその合金である。本実施形態では、被接合部材1A,1Bとして、当然に、1600℃未満の融点を有する金属又は合金も包含する。1600℃未満の融点を有する金属又は合金としては、例えば、ステンレス鋼又は炭素含有量が2質量%以下の鋼である。なお、被接合部材1A,1Bは、同質の材料とするか、又は異なる材料としてもよい。また、バックプレート6が被接合部材1A,1Bの裏面側に配置される。
First, the joined
次に、摩擦攪拌接合用工具3を回転させ、ピン部4をゆっくりと結合領域2に挿入する。このとき、ショルダ部9と被接合部材1A,1Bの表面とが当接している。摩擦攪拌接合用工具3は、シャンク部5の一部に形成された固定部(不図示)で装置のモータ7に取付けられて、モータ7によって回転する。ピン部4が結合領域2に挿入した状態で、摩擦攪拌接合用工具3が回転すると、摩擦によって接触点の材料を急速に加熱して、その結果、材料の機械的強度が低下する。摩擦攪拌接合用工具3は、材料をこね、押し出しながら、その進行方向8に沿って移動する。結合領域2では、ピン部4とショルダ部9とが当接しながら回転することで発生した摩擦熱が、ピン部4とショルダ部9との周りの金属に高温の可塑性領域を形成する。被接合部材1A,1Bが摩擦攪拌接合用工具3の動きと反対方向に動くかその逆に動くと、塑性化した金属は摩擦攪拌接合用工具3の進行方向8の前端で潰れ、機械的攪拌及び摩擦攪拌接合用工具3の形状と回転方向による鍛造作用によって後端へ移動する。この結果、摩擦攪拌接合用工具3の前面の接合部を加熱し、可塑性領域を作り出す。そして、被接合部材1A,1Bに存在する酸化膜を破壊し潰れた金属を攪拌しながら、摩擦攪拌接合用工具3の後端で可塑性領域は冷却されて固体状の溶着を形成するに至る。この現象はすべて被接合部材1A,1Bの融点よりも低い温度で生じる。
Next, the friction
摩擦攪拌接合法では、亀裂発生がなくなり、溶着金属の蒸発による合金要素のロスが無く、合金成分をそのまま保持でき、さらに溶接器具の圧入、攪拌及び鍛造作用によって微細な粒状組織が溶着金属に形成されるというメリットがある。 In the friction stir welding method, cracks are eliminated, there is no loss of alloy elements due to evaporation of the weld metal, the alloy components can be held as they are, and a fine granular structure is formed in the weld metal by press-fitting, stirring and forging action of the welding tool. There is a merit that
1A,1B 被接合部材
2 結合領域
3 摩擦攪拌接合用工具
4 ピン部
5 シャンク部
6 バックプレート
7 モータ
8 摩擦攪拌接合用工具の進行方向
9 ショルダ部
10 インゴット
20 工具用円柱体
21 溝
21a 環状溝
21b ねじ
22 固定部
23 先端部円柱体
1A, 1B Joined
Claims (6)
イリジウム基合金からなるインゴットを形成する工程1と、
該インゴットから工具用円柱体を形成する工程3と、
該工具用円柱体を加工して、前記ショルダ部及び前記ピン部を形成する工程4と、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合用工具の製造方法。 A method for manufacturing a friction stir welding tool made of an iridium-based alloy, comprising: a cylindrical shank portion; a shoulder portion formed at an end portion of the shank portion; and a pin portion formed at an end portion of the shoulder portion. In
Step 1 of forming an ingot made of an iridium-based alloy;
Forming a tool cylinder from the ingot; and
And a step 4 of forming the shoulder portion and the pin portion by processing the cylindrical body for the tool, and a method for producing a friction stir welding tool.
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