JP2015174138A - Friction-agitation joining tool, and friction-agitation joining method - Google Patents
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Description
この発明は、摩擦攪拌接合用ツールおよび摩擦攪拌接合方法に関し、特に重ね継ぎ手の接合に好適なものである。 The present invention relates to a friction stir welding tool and a friction stir welding method, and is particularly suitable for joining lap joints.
摩擦攪拌接合は、接合部にツールと呼ばれる回転工具を挿入し、回転させながら接合線に沿って移動させることにより、接合部を攪拌させることで固相接合する方法である。摩擦攪拌接合は、溶融温度以下で接合可能であるため、金属組織の変態による接合部の強度低下や、変形が小さいなど多くの利点がある。しかし、攪拌が不十分な場合、欠陥の発生、接合強度の低下を引き起こす可能性がある。一般的な摩擦攪拌接合用ツールではツールの回転方向に対する攪拌力は大きいが、回転軸方向の攪拌力は小さい。特に重ね継ぎ手の接合の摩擦攪拌接合において、接合面の攪拌不足による強度低下が問題となる。 Friction stir welding is a method in which a solid tool is joined by inserting a rotating tool called a tool into a joint and moving the joint along a joining line while rotating the tool. Since the friction stir welding can be performed at a melting temperature or lower, there are many advantages such as a decrease in strength of the joint due to transformation of the metal structure and small deformation. However, inadequate agitation may cause defects and decrease in bonding strength. In a general friction stir welding tool, the stirring force in the rotation direction of the tool is large, but the stirring force in the rotation axis direction is small. In particular, in friction stir welding for joining lap joints, there is a problem of strength reduction due to insufficient stirring of the joint surfaces.
この問題の対策として、重ね継ぎ手部に傾斜をつけ、重ね面に対して摩擦攪拌接合用ツールを傾斜した状態で挿入し、摩擦攪拌接合する方法が開示されている(例えば、特許文献1)。 As a countermeasure against this problem, a method is disclosed in which the lap joint portion is inclined, the friction stir welding tool is inserted in an inclined state with respect to the overlap surface, and the friction stir welding is performed (for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1の開示発明では、摩擦攪拌接合前に被接合部材への加工が必要となるため、接合時の加工コストが高くなる問題がある。
However, in the disclosed invention of
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、被接合部材を加工することなく、ツール回転軸方向の攪拌力を増大できる摩擦攪拌接合用ツールおよび摩擦攪拌接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A friction stir welding tool and a friction stir welding method capable of increasing the stirring force in the tool rotation axis direction without processing a member to be joined. The purpose is to provide.
この発明に係る摩擦攪拌接合用ツールは、大径のショルダとショルダに連結された小径のプローブで構成され、プローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有するものである。 The friction stir welding tool according to the present invention is composed of a large-diameter shoulder and a small-diameter probe connected to the shoulder, and the probe has an inversely tapered portion that decreases in diameter toward the shoulder.
この発明に係る摩擦攪拌接合方法は、ショルダに連結されたプローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する摩擦攪拌接合用ツールを用い、摩擦攪拌接合用ツールを回転させて第1被接合部材と第2被接合部材間に挿入する挿入工程と、摩擦攪拌接合用ツールを回転させながら、接合線に沿って移動させて摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合工程と、摩擦攪拌接合用ツールを回転させて第1被接合部材と第2被接合部材から引き抜く引抜工程と、から成るものである。 In the friction stir welding method according to the present invention, the probe connected to the shoulder uses a friction stir welding tool having a reverse taper-shaped portion whose diameter decreases toward the shoulder, and the friction stir welding tool is rotated to rotate the first tool. An insertion step of inserting between the member to be joined and the second member to be joined, a friction stir welding step of performing friction stir welding by moving along the joining line while rotating the tool for friction stir welding, and for friction stir welding And a drawing step in which the tool is rotated and pulled out from the first and second members to be joined.
この発明に係る摩擦攪拌接合用ツールは、上記のように構成されているため、回転軸方向の攪拌力が増大し、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。 Since the friction stir welding tool according to the present invention is configured as described above, the stirring force in the rotational axis direction increases, internal defects due to insufficient stirring can be eliminated, and the bonding strength can be increased. it can. Moreover, since it is not necessary to process into the joining surface of a to-be-joined member, the cost of friction stir welding can be reduced.
この発明に係る摩擦攪拌接合方法は、上記のような工程から成るため、回転軸方向の攪拌力が増大し、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。 Since the friction stir welding method according to the present invention includes the steps as described above, the stirring force in the direction of the rotation axis increases, internal defects due to insufficient stirring can be eliminated, and the bonding strength can be increased. Moreover, since it is not necessary to process into the joining surface of a to-be-joined member, the cost of friction stir welding can be reduced.
実施の形態1.
実施の形態1は、大径のショルダとショルダに連結された小径のプローブで構成され、プローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する摩擦攪拌接合用ツールに関するものである。
The first embodiment relates to a friction stir welding tool that includes a large-diameter shoulder and a small-diameter probe connected to the shoulder, and the probe has a reverse tapered shape portion that decreases in diameter toward the shoulder.
以下、本願発明の実施の形態1に係る摩擦攪拌接合用ツール1の構成、機能について、摩擦攪拌接合用ツールの構成図である図1、比較用説明図である図2から図4、攪拌説明図である図5、接合形状模式図である図6、加工例図である図7、および加工例の接合形状模式図である図8に基づいて説明する。
Hereinafter, with respect to the configuration and function of the friction
図1は、本発明の実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1の基本構成を示す。
図1において、摩擦攪拌接合用ツール1は、大径のショルダ2と、ショルダ2に連結された小径のプローブ3と、ショルダ2の上部に相当するツール保持部4とから構成される。プローブ3はショルダ2に向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有する。ツール保持部4は、回転装置(図示なし)に把持され、摩擦攪拌接合用ツール1に回転力が与えられる。
ショルダ2は、一般的にツール保持部4の下部のプローブ3が連結される部分であり、ショルダ面と称される場合がある。
なお、摩擦攪拌接合用ツールは、摩擦攪拌接合用であることが明確な場合は、適宜、接合用ツールあるいはツールと記載する。
FIG. 1 shows a basic configuration of a friction
In FIG. 1, the friction
The
In addition, when it is clear that the friction stir welding tool is for friction stir welding, the tool is appropriately described as a welding tool or a tool.
まず、摩擦攪拌接合と摩擦攪拌接合用ツールについて概要と特徴を説明する。
摩擦攪拌接合は、摩擦攪拌接合用ツールと呼ばれる棒状の工具を高速で回転させながら被接合部材と接触させて、被接合部材と摩擦攪拌接合用ツールの摩擦熱を利用して接合する接合法である。摩擦攪拌接合は、固相状態で接合する手法であり、接合最高到達温度は融点以下である。このため、融接に比べ、接合部における強度の低下が小さい、接合変形が小さいなどの多くの利点がある。
First, the outline and features of the friction stir welding and the friction stir welding tool will be described.
Friction stir welding is a joining method in which a rod-shaped tool called a friction stir welding tool is brought into contact with a member to be joined while rotating at high speed, and the friction heat of the member to be joined and the friction stir welding tool is used for joining. is there. Friction stir welding is a technique for joining in a solid state, and the highest joining temperature is below the melting point. For this reason, compared with fusion welding, there are many advantages such as a decrease in strength at the joint and a small joint deformation.
摩擦攪拌接合に使用される摩擦攪拌接合用ツールは、一般的に円筒形状であり、直径の大きいショルダと、その先端に小径のプローブから構成される。接合中は、プローブを被接合部材内に挿入し、接合線に沿って移動させる。摩擦熱で軟化させた被接合部材を摩擦攪拌接合用ツールで攪拌し、塑性流動を起こして接合する。 A friction stir welding tool used for friction stir welding is generally cylindrical, and includes a shoulder having a large diameter and a probe having a small diameter at the tip thereof. During bonding, the probe is inserted into the member to be bonded and moved along the bonding line. The members to be joined that have been softened by frictional heat are agitated with a friction stir welding tool, and are joined by causing plastic flow.
摩擦攪拌接合用ツールには、被接合部材より融点が高く、高温強度の高い材料が必要である。アルミニウム合金を接合する場合、SKD61等のSK(炭素工具鋼)あるいはSKD(合金工具鋼)を使用するのが一般的である。また、近年、軟鋼やステンレス鋼にも摩擦攪拌接合が利用されており、その場合、摩擦攪拌接合用ツールはコバルト合金や超硬合金が使用されている。 The friction stir welding tool requires a material having a higher melting point and higher high-temperature strength than the members to be joined. When joining an aluminum alloy, it is common to use SK (carbon tool steel) or SKD (alloy tool steel) such as SKD61. In recent years, friction stir welding is also used for mild steel and stainless steel. In this case, a cobalt alloy or a cemented carbide is used as a friction stir welding tool.
摩擦攪拌接合は、被接合部材を摩擦攪拌接合用ツールで攪拌して接合する方法であるため、摩擦攪拌接合用ツールの攪拌力が小さい場合は、トンネル状の内部欠陥や、未接合部分が生じ、接合強度が低下する。攪拌力は、回転速度、接合速度、摩擦攪拌接合用ツールの挿入深さなど、摩擦攪拌接合の条件と、摩擦攪拌接合用ツールの形状によって変化する。 Friction stir welding is a method in which the members to be joined are agitated and joined with a friction stir welding tool, so if the stirring force of the friction stir welding tool is small, tunnel-like internal defects or unjoined parts occur. , The bonding strength decreases. The stirring force varies depending on the friction stir welding conditions such as the rotation speed, the joining speed, the insertion depth of the friction stir welding tool, and the shape of the friction stir welding tool.
摩擦攪拌接合は摩擦熱を利用するため、摩擦攪拌接合の摩擦熱はプローブの直径に依存し、直径が大きいほど、発熱量が大きくなる。また、流体内に温度勾配が生じた場合、温度差による流れが発生する。そのため、プローブの直径に差を設けることで、ツール回転軸方向の接合領域内に温度差が生じ、回転軸方向に被接合部材を攪拌することができる。つまり、摩擦攪拌接合用ツールのプローブにテーパ形状を設けることで、回転軸方向の攪拌力が増大する。 Since friction stir welding uses friction heat, the friction heat of friction stir welding depends on the diameter of the probe, and the larger the diameter, the greater the amount of heat generated. In addition, when a temperature gradient occurs in the fluid, a flow due to a temperature difference occurs. Therefore, by providing a difference in the diameter of the probe, a temperature difference is generated in the joining region in the tool rotation axis direction, and the members to be joined can be stirred in the rotation axis direction. That is, by providing the probe of the friction stir welding tool with a taper shape, the stirring force in the rotation axis direction increases.
次に、従来の摩擦攪拌接合用ツールと比較しながら、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1の機能を説明する。
まず、従来の摩擦攪拌接合用ツールの構成、および機能を説明する。
図2は、従来の摩擦攪拌接合用ツールの構成図である。図2(a)では、摩擦攪拌接合用ツール101は大径のショルダ102と、ショルダ102に連結された小径のプローブ103と、ショルダ102の上部のツール保持部104とから構成される。
図2(b)では、摩擦攪拌接合用ツール121は大径のショルダ122と、ショルダ122に連結された小径のプローブ123と、ショルダ122の上部のツール保持部124とから構成される。
図2(a)の摩擦攪拌接合用ツール101と図2(b)の摩擦攪拌接合用ツール121との相違点はプローブの形状である。摩擦攪拌接合用ツール101のプローブ103は、先細りのテーパ形状をしているが、摩擦攪拌接合用ツール121のプローブ123は、ストレート形状である。
Next, the function of the friction
First, the configuration and function of a conventional friction stir welding tool will be described.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional friction stir welding tool. In FIG. 2A, the friction
In FIG. 2B, the friction
The difference between the friction
図3は、従来の摩擦攪拌接合用ツール101を使用して、摩擦攪拌接合を行う場合の攪拌説明図である。第1被接合部材5に対して、摩擦攪拌接合用ツール101のプローブ103を回転挿入した状態を表している。
プローブ103が回転して、摩擦熱が発生し、プローブ103の回りの第1被接合部材5を攪拌して、接合領域107が形成されている。プローブ103の直径が大きい部分(ショルダ102の端面部)の温度がプローブ103の直径が小さい部分(プローブ103の先端部)より高くなる。
FIG. 3 is an explanatory diagram of stirring when performing friction stir welding using the conventional friction
The
図4は、図3の状態から摩擦攪拌接合用ツール101を引き抜いた後の接合形状を表している。
FIG. 4 shows a joining shape after the friction
次に、従来の摩擦攪拌接合用ツール101、121を使用した場合の摩擦攪拌部の状態を具体的に説明する。
図2(a)に示す先端が先細りになるテーパ形状のプローブ103の場合、ショルダ102側がプローブ103の先端より発熱量が大きくなる。このため、接合領域107の上部が高温、下部が低温となるため、図3に示すような攪拌が生じる。つまり、接合領域107の上部は高温となり比重が軽くなるため、上向きの攪拌108の流れが生じる。接合領域107の下部は低温となり比重が重くなるため、下向きの攪拌109の流れが生じる。
これは、被接合部材を上下に分離するような攪拌方向であり、図4に示すように接合断面に内部欠陥110が発生する。
Next, the state of the friction stirrer when the conventional friction
In the case of the tapered
This is a stirring direction that separates the members to be joined vertically, and an
図2(b)に示すようなストレート形状のプローブの場合、プローブ123での発熱量がほぼ一定であり、温度差による回転軸方向の攪拌力は寄与しない。そのため、摩擦攪拌接合用ツールの回転軸方向に対する攪拌が不足し、図4と同様に内部欠陥が存在する接合断面になる可能性が高い。内部欠陥が生じない場合でも、アルミニウム合金や、ステンレス鋼のように強力な酸化皮膜を有する第1被接合部材5の場合、酸化皮膜が接合面に残り、接合強度を低下させる可能性がある。
In the case of a straight probe as shown in FIG. 2B, the amount of heat generated by the
実際に、A6063(アルミ合金材)を図2(a)、(b)に示した摩擦攪拌接合用ツール(プローブがストレート形状のもの、プローブが先端に向けて先細りのテーパ形状になっているもの)で摩擦攪拌接合した場合、全ての条件(回転数:500−2500rpm、接合速度:100−2000mm/min)で内部欠陥が確認された。
また、内部欠陥がない場合でも、接合が不十分となり、接合強度が低下する可能性が高い。
したがって、図2(a)、(b)に示した従来の摩擦攪拌接合用ツール101および121では、特に重ね合わせ継手の摩擦攪拌接合の強度不足が懸念される。
Actually, A6063 (aluminum alloy material) is a friction stir welding tool shown in FIGS. 2A and 2B (the probe has a straight shape, and the probe has a taper shape tapered toward the tip). ), Internal defects were confirmed under all conditions (rotation speed: 500-2500 rpm, welding speed: 100-2000 mm / min).
Moreover, even when there is no internal defect, there is a high possibility that the bonding becomes insufficient and the bonding strength is lowered.
Therefore, in the conventional friction
従来の摩擦攪拌接合用ツールのこの欠点を補うために、摩擦攪拌接合用ツールの回転軸方向の攪拌力を向上させるために、プローブに逆ネジなどの凹凸を設けることがある。しかし、プローブに凹凸を設けることによって攪拌力は向上するが、プローブをネジ形状に加工するのは難しく、摩擦攪拌接合用ツールが高価になる。摩擦攪拌接合において、摩擦攪拌接合用ツールは消耗品であるため、ツールコストの増大は加工コストに大きく影響を与える。 In order to compensate for this drawback of the conventional friction stir welding tool, the probe may be provided with irregularities such as a reverse screw in order to improve the stirring force in the rotation axis direction of the friction stir welding tool. However, although the stirring force is improved by providing irregularities on the probe, it is difficult to process the probe into a screw shape, and the friction stir welding tool becomes expensive. In the friction stir welding, since the friction stir welding tool is a consumable item, the increase in the tool cost greatly affects the processing cost.
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1は、シンプルな形状でツール回転軸方向の攪拌力を増大するために開発したものである。
この摩擦攪拌接合用ツール1の機能と特徴を図5、6に基づいて説明する。
摩擦攪拌接合用ツール1は、図1で説明したようにショルダ2とプローブ3で構成されており、プローブ3はショルダ2に向けて直径が細くなる逆テーパ形状となっている。
The friction
Functions and features of the friction
As described with reference to FIG. 1, the friction
図5は、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1を使用して、摩擦攪拌接合を行う場合の攪拌説明図である。第1被接合部材5に対して、摩擦攪拌接合用ツール1のプローブ3を回転挿入した状態を表している。
プローブ3が回転して、摩擦熱が発生し、プローブ3の回りの第1被接合部材5を攪拌して、接合領域7が形成されている。プローブ3の直径が大きい部分(プローブ3の先端部)の温度がプローブ3の直径が小さい部分(ショルダ2との連結部)より高くなる。
FIG. 5 is an explanatory diagram of stirring when the friction stir welding is performed using the friction
The
図6は、図5の状態から摩擦攪拌接合用ツール101を引き抜いた後の接合形状を表している。
FIG. 6 shows a joining shape after the friction
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1のプローブ3は、ショルダ2に向けて直径が細くなる逆テーパ形状であるため、ショルダ2側がプローブ3の先端部より発熱量が小さくなる。このため、接合領域7の上部が低温、下部が高温となり、図5に示すような攪拌が生じる。
つまり、接合領域7の下部は高温となり比重が軽くなるため、上向きの攪拌8の流れが生じる。接合領域7の上部は低温となり比重が重くなるため、下向きの攪拌9の流れが生じる。これは、被接合部材を上下から混ざり合うような攪拌方向である。
Since the
That is, since the lower part of the joining
このプローブ3を有する摩擦攪拌接合用ツール1は回転軸方向に接合部が混ざり合うように攪拌できるため、内部欠陥の発生が抑制でき、図6に示すような健全な接合部が得られる。さらに、第1被接合部材5の上部が押し下げられるように攪拌されることにより、バリの発生を抑制する効果も得られる。
Since the friction
以上説明したように、プローブ3に逆テーパ形状を設けることにより、回転軸方向の攪拌力が向上し、攪拌不足による内部欠陥、バリの発生を抑制し、接合強度の低下を抑制できる。
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1は、特に重ね合わせ継手の摩擦攪拌接合に有効である。
As described above, by providing the
The friction
次に、摩擦攪拌接合用ツール1を重ね合わせ継手の接合に適用した具体例を図7、8に基づいて説明する。
図7は、第1被接合部材5と第2被接合部材6からなる重ね合わせ継手に摩擦攪拌接合用ツール1を用いて、摩擦攪拌接合を行う場合の構成を示す。
図8は、摩擦攪拌接合用ツール1のプローブ3を第1被接合部材5と第2被接合部材6からなる重ね合わせ継手に挿入し、摩擦攪拌接合を行い、プローブ3を引き抜いた状態を表す。内部欠陥のない接合領域7が形成されている。
Next, a specific example in which the friction
FIG. 7 shows a configuration in which friction stir welding is performed using the friction
FIG. 8 shows a state in which the
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1では、プローブ3はショルダ2に向けて直径が細くなる逆テーパ形状のものを説明したが、この逆テーパ形状はプローブ3の一部分であっても同様の効果を奏する。
また、プローブ3に逆ネジなどの凹凸を設けることによって、さらに攪拌力を増大させることができる。
In the friction
Further, by providing the
以上説明したように、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1は、大径のショルダとショルダに連結された小径のプローブで構成され、プローブはショルダに向けて直径が細くなる逆テーパ形状部を有するものである。したがって、回転軸方向の攪拌力が増大するため、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。
As described above, the friction
さらに、摩擦攪拌接合の作業効率、すなわち生産性が向上し、製品の歩留まりを向上させることができる。 Furthermore, the working efficiency of the friction stir welding, that is, the productivity is improved, and the yield of products can be improved.
実施の形態2.
実施の形態2の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部の直径をショルダ連結部の直径より小さくしたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態2の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図9に基づいて、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図9において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
Although the friction stir welding tool of the second embodiment has an inversely tapered shape, it includes a probe in which the diameter of the probe tip is smaller than the diameter of the shoulder connecting portion.
Hereinafter, the configuration and function of the friction stir welding tool of the second embodiment will be described based on FIG. 9 which is a configuration diagram, focusing on the differences from the friction stir welding tool of the first embodiment.
In FIG. 9, the same or corresponding parts as in FIG.
図9は、本発明の実施の形態2の摩擦攪拌接合用ツール21の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール21は、大径のショルダ2と、ショルダ2に連結された小径のプローブ23と、ショルダ2の上部に相当するツール保持部4とから構成される。
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1とは、プローブの形状が異なっている。プローブ23は、ショルダ2との連結部から先端に向けて先細りのテーパ形状を有し、途中から逆テーパ形状を有する。ショルダ2との連結部の直径をd1、プローブ3先端部の直径をd2とすると、d1>d2の関係がある。
FIG. 9 shows the configuration of the friction
The friction
The shape of the probe is different from the friction
摩擦攪拌接合では、回転した摩擦攪拌接合用ツールを第1被接合部材5に挿入する際、第1被接合部材5は摩擦攪拌接合用ツールとの摩擦熱によって、加熱、軟化されるが、ツール挿入時は第1被接合部材5の温度が十分に上昇していないため、高い剛性を持っている。そのため、特にツール挿入時は、大きな加重が加わり、摩擦攪拌接合用ツールが破損する可能性がある。
In friction stir welding, when the rotated friction stir welding tool is inserted into the first welded
実施の形態2の摩擦攪拌接合用ツール21は、挿入時に加わるツール荷重を低減することができ、ツール挿入時における摩擦攪拌接合用ツールの損傷を抑制することが可能である。
図9で説明したように摩擦攪拌接合用ツール21は、プローブ3の先端の直径が、ショルダ2との連結部の直径より小さいことが特徴である。
The friction
As described with reference to FIG. 9, the friction
ツール挿入時は、ツール挿入方向に大きなツール荷重が加わり、このツール挿入方向の荷重は、第1被接合部材5へプローブを挿入したときに最大となった。また、ツール挿入方向の加重は、プローブ先端の直径に依存しており、プローブの先端部の直径が大きいほど、挿入方向のツール加重も増大した。つまり、ツール挿入方向の加重による摩擦攪拌接合用ツールの損傷を抑制するには、プローブ先端の直径を小さくする必要がある。
When the tool was inserted, a large tool load was applied in the tool insertion direction, and the load in the tool insertion direction was maximized when the probe was inserted into the
実施の形態2の摩擦攪拌接合用ツール21で、プローブ23の直径(ショルダとの連結部および先端部)を変更して摩擦攪拌接合を実施した結果を表1に示す。なお、ショルダ2の直径12mm、プローブ23の長さ3mm、回転速度3000rpm、接合速度500mm/min、挿入速度10mm/minの接合条件で、摩擦攪拌接合対象材料にA6063を用いた結果である。
Table 1 shows the results of the friction stir welding performed by changing the diameter of the probe 23 (the connecting portion with the shoulder and the tip) with the friction
表1に示すように、プローブ23先端の直径d2がショルダ2との連結部の直径d1より大きい場合、および先端部の直径d2とショルダ2との連結部の直径d1が同じの場合は、プローブ23が損傷する可能性があった。
As shown in Table 1, when the diameter d2 of the tip of the
一方、プローブ23先端の直径d2がショルダ2との連結部の直径d1より小さい場合、プローブ23の損傷はなかった。プローブ23の損傷は、摩擦熱によるプローブ23の温度上昇と、挿入方向のツール加重が原因である。温度上昇によって、プローブ23の強度が低下し、その強度以上にツール加重が加わることにより、プローブ23が損傷する。
On the other hand, when the diameter d2 at the tip of the
実施の形態2の摩擦攪拌接合用ツール21の場合、プローブ23先端の直径が小さいため、プローブ23の温度上昇および挿入方向のツール加重を抑制できる。さらに、プローブ23先端より、ショルダ2との連結部の直径を大きくすることにより、プローブ23の熱容量が増大し、プローブ23の損傷を抑制できる。
したがって、摩擦攪拌接合用ツール21を用いることで、プローブが損傷することなく、攪拌不足による接合強度の低下がない摩擦攪拌接合が可能である。
In the case of the friction
Therefore, by using the friction
以上説明したように、実施の形態2の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部の直径をショルダ連結部の直径より小さくしたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態1の効果に加えて、ツール加重を抑制でき、プローブの損傷を抑制できる。 As described above, the friction stir welding tool of the second embodiment has an inverted taper shape, but includes a probe in which the diameter of the probe tip is smaller than the diameter of the shoulder connecting portion. Therefore, in addition to the effects of the first embodiment, tool weight can be suppressed, and damage to the probe can be suppressed.
実施の形態3.
実施の形態3の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部を面取りしてプローブ先端部の直径を小さくしたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態3の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図10に基づいて、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図10において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
The friction stir welding tool according to the third embodiment has an inverted taper shape, but includes a probe in which the probe tip is chamfered to reduce the diameter of the probe tip.
Hereinafter, the configuration and function of the friction stir welding tool of the third embodiment will be described based on FIG. 10 which is a configuration diagram, focusing on the differences from the friction stir welding tool of the first embodiment.
In FIG. 10, the same or corresponding parts as those in FIG.
図10は、本発明の実施の形態3の摩擦攪拌接合用ツール31の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール31は、大径のショルダ2と、ショルダ2に連結された小径のプローブ33と、ショルダ2の上部に相当するツール保持部4とから構成される。
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1とは、プローブの形状が異なっている。プローブ33は、ショルダ2から先端に向けて逆テーパ形状を有するが、先端部を面取りしてプローブ33の先端部の直径を細くしている。
FIG. 10 shows the configuration of the friction
The friction
The shape of the probe is different from the friction
上述した通り、挿入時に加わる挿入方向へのツール荷重は、プローブの先端の直径に依存し、直径が大きい場合、プローブが損傷する可能性がある。実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1では、攪拌力不足による接合強度の低下、および内部欠陥の発生を抑制できた。また、テーパの角度を増大することにより、その効果が向上したが、プローブ3の先端部の直径が大きすぎると、プローブが損傷した。
As described above, the tool load in the insertion direction applied during insertion depends on the diameter of the tip of the probe, and if the diameter is large, the probe may be damaged. In the friction
実施の形態3の摩擦攪拌接合用ツール31は、プローブが損傷することなく、攪拌力不足による接合強度の低下、および内部欠陥の発生の抑制効果を増大することができる。
図10の摩擦攪拌接合用ツール31は、プローブ33がショルダ2との連結部からプローブ33の先端に向かって拡がる逆テーパ形状で、プローブ33の先端に面取りを施すことにより、プローブ33の先端が先細り形状になっている。面取りは、C面取りあるいはR面取りどちらでも良い。
The friction
The friction
プローブ33の先端を面取りすることで、プローブ33先端の直径を細くすることが可能で、挿入方向のツール加重を抑制できる。このとき、プローブ33先端の直径がショルダ2との連結部の直径より、小さくすることが望ましい。また、プローブ33を逆テーパ形状にすることにより、第1被接合部材5を押し下げる方向に攪拌するこができるため、内部欠陥の発生を抑制することができる。
By chamfering the tip of the
以上説明したように、実施の形態3の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有するが、プローブ先端部を面取りしてプローブ先端部の直径を小さくしたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態1の効果に加えて、ツール加重を抑制でき、プローブの損傷を抑制できる。 As described above, the friction stir welding tool according to the third embodiment has an inverted taper shape, but includes a probe in which the probe tip is chamfered to reduce the diameter of the probe tip. Therefore, in addition to the effects of the first embodiment, tool weight can be suppressed, and damage to the probe can be suppressed.
実施の形態4.
実施の形態4の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブ先端部の最大直径dmaxをショルダとの連結部の最小直径dminに対して1.1から2倍としたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態4の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図11に基づいて、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図11において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
The tool for friction stir welding according to the fourth embodiment includes a probe having a reverse taper shape, in which the maximum diameter dmax of the probe tip is 1.1 to 2 times the minimum diameter dmin of the connecting portion with the shoulder. Is.
Hereinafter, the configuration and function of the friction stir welding tool of the fourth embodiment will be described based on FIG. 11 which is a configuration diagram, focusing on the differences from the friction stir welding tool of the first embodiment.
In FIG. 11, the same or corresponding parts as in FIG.
図11は、本発明の実施の形態4の摩擦攪拌接合用ツール41の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール41は、大径のショルダ2と、ショルダ2に連結された小径のプローブ43と、ショルダ2の上部に相当するツール保持部4とから構成される。
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1とは、プローブの形状が異なっている。プローブ43は、ショルダ2から先端に向けて逆テーパ形状を有するが、ショルダ2との連結部の直径(最小直径)をdmin、プローブ43先端部の直径(最大直径)をdmaxとすると、1.1dmin<dmax<2dminの関係がある。
FIG. 11 shows a configuration of a friction
The friction
The shape of the probe is different from the friction
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1のプローブ3に、ショルダ2との連結部から先端に向かって直径が拡がるように逆テーパ形状を設けることによって、摩擦攪拌接合用ツール1の回転軸方向の攪拌力が増大する。しかし、過大な逆テーパ形状にすると、ツール加重が増大し、プローブ3が損傷した。
The
そこで、プローブ3の最大直径と、最小直径を変更した摩擦攪拌接合用ツール1を準備し、良好な接合が可能なプローブ3の逆テーパ形状を調査した。表2に実験結果を示す。 なお、ショルダ2の直径12mm、プローブ3の長さ3mm、回転速度3000rpm、接合速度500mm/min、挿入速度10mm/minの接合条件で、摩擦攪拌接合対象材料にA6063を用いた結果である。
Therefore, a friction
実験結果より、プローブ3の最大直径dmaxが最小直径dminの1.1倍以下の場合、攪拌力がほとんど増大せず、攪拌不足となり、接合内部に欠陥が発生した。また、最大直径dmaxが最小直径dminの2倍以上の場合、発熱量が高くなり、プローブ3が損傷した。プローブ3の最大直径dmaxを最小直径dminの1.1から2倍とすることによって、良好な接合が可能になる。
From the experimental results, when the maximum diameter dmax of the
実施の形態4の説明では、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツールへの適用を中心に説明したが、実施の形態2および実施の形態3の摩擦攪拌接合用ツールへも同様に適用できる。 In the description of the fourth embodiment, the application to the friction stir welding tool of the first embodiment has been mainly described. However, the present invention can be similarly applied to the friction stir welding tool of the second and third embodiments.
以上説明したように、実施の形態4の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブ先端部の最大直径dmaxをショルダとの連結部の最小直径dminに対して1.1から2倍としたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態1の効果に加えて、ツール加重を抑制でき、プローブの損傷を抑制できる。 As described above, the friction stir welding tool of the fourth embodiment has an inversely tapered shape, and the maximum diameter dmax of the probe tip is 1.1 to 2 with respect to the minimum diameter dmin of the connecting portion with the shoulder. A doubled probe is provided. Therefore, in addition to the effects of the first embodiment, tool weight can be suppressed, and damage to the probe can be suppressed.
実施の形態5.
実施の形態5の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブの長さLに対してショルダ連結部の直径d1をd1>Lとしたプローブを備えるものである。
以下、実施の形態5の摩擦攪拌接合用ツールの構成、機能について、構成図である図12に基づいて、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツールとの差異を中心に説明する。
なお、図12において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
The friction stir welding tool of the fifth embodiment has a reverse taper shape and includes a probe in which the diameter d1 of the shoulder connecting portion is d1> L with respect to the length L of the probe.
Hereinafter, the configuration and function of the friction stir welding tool of the fifth embodiment will be described based on FIG. 12 which is a configuration diagram, focusing on the differences from the friction stir welding tool of the first embodiment.
In FIG. 12, the same or corresponding parts as those in FIG.
図12は、本発明の実施の形態5の摩擦攪拌接合用ツール51の構成を示す。
摩擦攪拌接合用ツール51は、大径のショルダ2と、ショルダ2に連結された小径のプローブ53と、ショルダ2の上部に相当するツール保持部4とから構成される。
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1とは、プローブの形状が異なっている。プローブ53は、ショルダ2から先端に向けて逆テーパ形状を有するが、ショルダ2との連結部の直径(最小直径)をd1、プローブ43の長さをLとすると、d1>Lの関係がある。
FIG. 12 shows the configuration of a friction
The friction
The shape of the probe is different from the friction
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1のプローブ3に、ショルダ2との連結部から先端に向かって直径が拡がるように逆テーパ形状を設けることによって、摩擦攪拌接合用ツール1の回転軸方向の攪拌力が増大する。しかし、摩擦攪拌接合は、接合中に接合方向に数kNの加重が加わるため、プローブ3の直径が細すぎる場合、プローブ3の剛性不足によって、接合中に加わるツール荷重に耐え切れず、損傷する可能性がある。
The
摩擦攪拌接合中のプローブ3は、片持ち梁のように曲げ応力が加わる。この曲げ応力は、プローブ3の断面積と長さに依存し、プローブ3の断面積が大きく、長さが長いほど、接合方向のツール加重が増大する。曲げ応力にプローブ3が耐え切れないときに、プローブ3は損傷する。なお、プローブ3の剛性は、プローブ3の最小直径に依存している。
The
実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1は、プローブ3がショルダ2の連結部より、先端部の直径が大きいため、従来の摩擦攪拌接合用ツールよりプローブ3に大きな曲げ応力が加わり、プローブ3の長さが長い場合、プローブ3が損傷することがあった。
In the friction
そこで、プローブ3の長さと、最小直径を変更した摩擦攪拌接合用ツール1を準備し、実験した結果を表3に示す。なお、ショルダ2の直径12mm、回転速度3000rpm、接合速度500mm/min、挿入速度10mm/minの接合条件で、摩擦攪拌接合対象材料にA6063を用いた結果である。
Accordingly, the friction
実験結果より、プローブ3の最小直径よりプローブ3の長さが短い場合、プローブ3の損傷がなく、良好な接合が可能であった。
From the experimental results, when the length of the
実施の形態5の説明では、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツールへの適用を中心に説明したが、実施の形態2から実施の形態4の摩擦攪拌接合用ツールへも同様に適用できる。 In the description of the fifth embodiment, the application to the friction stir welding tool of the first embodiment has been mainly described, but the present invention can be similarly applied to the friction stir welding tool of the second to fourth embodiments.
以上説明したように、実施の形態5の摩擦攪拌接合用ツールは、逆テーパ形状を有し、プローブの長さLに対してショルダ連結部の直径d1をd1>Lとしたプローブを備えるものである。したがって、実施の形態1の効果に加えて、プローブの損傷を抑制することができる。 As described above, the friction stir welding tool of the fifth embodiment has a reverse tapered shape and includes a probe in which the diameter d1 of the shoulder connecting portion is d1> L with respect to the length L of the probe. is there. Therefore, in addition to the effects of the first embodiment, damage to the probe can be suppressed.
実施の形態6.
実施の形態6の摩擦攪拌接合方法は、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1を用いて、挿入工程と、摩擦攪拌接合工程と、引抜工程とから成るものである。
以下、実施の形態6の摩擦攪拌接合方法について、図13のフローチャートに基づき、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1の構成図である図1、攪拌説明図である図5、および加工例図である図7、8を参照して説明する。
The friction stir welding method according to the sixth embodiment includes an insertion process, a friction stir welding process, and a drawing process using the friction
Hereinafter, with respect to the friction stir welding method of the sixth embodiment, based on the flowchart of FIG. 13, FIG. 1 is a configuration diagram of the friction
処理が開始されると、まずステップ1(S01)において、摩擦攪拌接合用ツール1を所定の回転速度で回転させて第1被接合部材5および第2被接合部材6からなる重ね合わせ継手に所定の挿入速度で挿入する(挿入工程)。
次に、ステップ2(S02)において、摩擦攪拌接合用ツール1を回転させながら、接合線に沿って所定の接合速度で移動させて摩擦攪拌接合を行う(摩擦攪拌接合工程)。
次に、ステップ3(S03)において、摩擦攪拌接合用ツール1を回転させて第1被接合部材5および第2被接合部材6からなる重ね合わせ継手から引き抜く(引抜工程)。
なお、挿入工程(S01)において、摩擦攪拌接合用ツール1のプローブ3を挿入する際、ショルダ2を第1被接合部材5の上面に接触して押し付けることを想定している(図5参照)。
When the process is started, first, in step 1 (S01), the friction
Next, in step 2 (S02), the friction stir welding is performed by rotating the friction
Next, in step 3 (S03), the friction
In the insertion step (S01), when the
各作業工程により摩擦攪拌接合用ツール1の回転速度を変更する必要はないが、挿入工程で回転速度を速くすることによって、ツール回転軸方向のツール加重を低減できる。このため、摩擦攪拌接合用ツール1の損傷を抑制するために、挿入工程の回転速度を速くすることが望ましい。
Although it is not necessary to change the rotation speed of the friction
実施の形態6の摩擦攪拌接合方法の説明では、実施の形態1の摩擦攪拌接合用ツール1を用いたが、実施の形態2から実施の形態5で説明した摩擦攪拌接合用ツール21から接合用ツール51を用いることができる。
In the description of the friction stir welding method according to the sixth embodiment, the friction
以上説明したように、実施の形態6の摩擦攪拌接合方法は、摩擦攪拌接合用ツール1を用いて、挿入工程と摩擦攪拌接合工程と引抜工程とからなるものである。したがって、回転軸方向の攪拌力が増大するため、攪拌不足による内部欠陥を解消することができ、接合強度を増加させることができる。また、被接合部材の接合面に加工する必要がないため、摩擦攪拌接合のコストを低減できる。
As described above, the friction stir welding method according to the sixth embodiment includes the insertion step, the friction stir welding step, and the drawing step using the friction
実施の形態7.
実施の形態7の摩擦攪拌接合方法は、実施の形態6の摩擦攪拌接合方法において、挿入工程で摩擦攪拌接合用ツールのプローブを挿入する際、ショルダを第1被接合部材の上面に接触させないものである。
以下、実施の形態7の摩擦攪拌接合方法について、説明図である図14、および比較説明図である図15に基づき、適宜実施の形態1の図面を参照して説明する。
The friction stir welding method according to the seventh embodiment is the friction stir welding method according to the sixth embodiment in which the shoulder is not brought into contact with the upper surface of the first member to be joined when the probe of the friction stir welding tool is inserted in the insertion step. It is.
Hereinafter, the friction stir welding method of the seventh embodiment will be described with reference to the drawings of the first embodiment as appropriate based on FIG. 14 which is an explanatory diagram and FIG. 15 which is a comparative explanatory diagram.
図14は、本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、実施の形態7の摩擦攪拌接合方法を適用した場合の摩擦攪拌接合の模式図である。図15は、従来の摩擦攪拌接合用ツールを用いて、実施の形態7の摩擦攪拌接合方法を適用した場合の摩擦攪拌接合の模式図である。 FIG. 14 is a schematic diagram of friction stir welding when the friction stir welding method of the seventh embodiment is applied using the friction stir welding tool of the present invention. FIG. 15 is a schematic diagram of friction stir welding when the friction stir welding method of the seventh embodiment is applied using a conventional friction stir welding tool.
摩擦攪拌接合の第1被接合部材5上面の接合幅は、ショルダの直径とほぼ同等になる(図3、図5参照)。これは、摩擦攪拌接合中に第1被接合部材5の接合部が飛び出さないように、ショルダで押さえ付けているからである。
The joint width of the upper surface of the
上述した通り、摩擦攪拌接合中は、摩擦攪拌接合用ツールに数kNの加重が加わる。そのため、過剰にショルダの直径を小さくすると、摩擦攪拌接合用ツールが損傷する。また、外に飛び出そうとする接合部を抑制することができず、バリが多量に発生する。そのため、ショルダの直径を細くするのは困難で、摩擦攪拌接合は接合幅が大きくなる。 As described above, during friction stir welding, a load of several kN is applied to the friction stir welding tool. Therefore, if the shoulder diameter is excessively reduced, the friction stir welding tool is damaged. Moreover, the joint part which tries to jump out cannot be suppressed, and a burr | flash generate | occur | produces in large quantities. For this reason, it is difficult to reduce the diameter of the shoulder, and the friction stir welding has a large joining width.
実施の形態7の摩擦攪拌接合方法は、ショルダ2を第1被接合部材5に接触させることなく接合する手法であり、接合幅の狭い摩擦攪拌接合が可能である(図14参照)。なお、ショルダ2と第1被接合部材5の隙間は、0.1〜0.5mm空けることが望ましい。
The friction stir welding method according to the seventh embodiment is a technique for joining the
従来の摩擦攪拌接合用ツール101を用いてショルダ102と第1被接合部材5の間に隙間を設けた場合、多量のバリ111が発生する(図15参照)。また、攪拌した第1被接合部材5の接合部を抑えられないため、接合部に内部欠陥が生じる。
When a gap is provided between the
本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いた場合、図5に示したように、第1被接合部材5上面の接合部が押し下げられるように攪拌される。そのため、図14に示すように、ショルダ2と第1被接合部材5の間に隙間を設けても、バリが発生することなく、良好な接合が可能である。
When the friction stir welding tool of the present invention is used, as shown in FIG. 5, stirring is performed so that the joint portion on the upper surface of the
実施の形態7の摩擦攪拌接合方法は、接合幅がショルダ2の直径に依存しないため、接合幅を狭くすることが可能である。これにより、従来適用できなかったような狭隘な接合部にも摩擦攪拌接合を使用できるようになる。
In the friction stir welding method according to the seventh embodiment, since the joining width does not depend on the diameter of the
以上説明したように、実施の形態7の摩擦攪拌接合方法では、挿入工程において摩擦攪拌接合用ツールのプローブを挿入する際、ショルダを第1被接合部材の上面に接触させない。したがって、実施の形態6の効果に加えて、接合幅を狭くすることができ、従来適用できなかったような狭隘な接合部にも適用できる。 As described above, in the friction stir welding method according to the seventh embodiment, when the probe of the friction stir welding tool is inserted in the insertion step, the shoulder is not brought into contact with the upper surface of the first member to be joined. Therefore, in addition to the effects of the sixth embodiment, the joint width can be narrowed, and the present invention can also be applied to a narrow joint that cannot be applied conventionally.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 Note that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and the embodiments can be modified or omitted as appropriate.
1,21,31,41,51,101,121 摩擦攪拌接合用ツール、
2,102,122 ショルダ、
3,23,33,43,53,103,123 プローブ、
4,104,124 ツール保持部、5 第1被接合部材、6 第2被接合部材、
7,107 接合領域、8,108 上向きの攪拌、9,109 下向きの攪拌、
110 内部欠陥、111 バリ。
1, 21, 31, 41, 51, 101, 121 Friction stir welding tool,
2,102,122 shoulder,
3, 23, 33, 43, 53, 103, 123 probes,
4, 104, 124 Tool holding part, 5 First member to be joined, 6 Second member to be joined,
7,107 bonding area, 8,108 upward stirring, 9,109 downward stirring,
110 Internal defect, 111 flash.
Claims (7)
前記摩擦攪拌接合用ツールを回転させて第1被接合部材と第2被接合部材間に挿入する挿入工程と、
前記摩擦攪拌接合用ツールを回転させながら、接合線に沿って移動させて摩擦攪拌接合を行う摩擦攪拌接合工程と、
前記摩擦攪拌接合用ツールを回転させて前記第1被接合部材と前記第2被接合部材から引き抜く引抜工程と、
を備える摩擦攪拌接合方法。 The probe connected to the shoulder uses a friction stir welding tool having a reverse tapered shape portion whose diameter is reduced toward the shoulder,
An insertion step of rotating the friction stir welding tool and inserting it between the first member to be joined and the second member to be joined;
While rotating the friction stir welding tool, a friction stir welding step of moving along the joining line and performing friction stir welding,
A drawing step in which the friction stir welding tool is rotated and pulled out from the first and second members to be joined;
A friction stir welding method comprising:
Priority Applications (1)
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JP2014054795A JP2015174138A (en) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | Friction-agitation joining tool, and friction-agitation joining method |
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Cited By (2)
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CN111299797A (en) * | 2020-03-13 | 2020-06-19 | 天津金键航天设备有限公司 | Diffusion welding method for aluminum or aluminum alloy and high-hardness metal or alloy and product |
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