JP2019188412A - Friction stir welding method - Google Patents
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Description
本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する摩擦攪拌接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding method for joining metal members together by 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。摩擦攪拌接合とは、回転ツールを回転させつつ金属部材同士の突合せ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せ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。 Friction stir welding (FSW = Friction Stir Welding) is known as a method for joining metal members. Friction stir welding is a process in which the rotating tool is rotated and moved along the abutting portion between the metal members, and the metal at the abutting portion is plastically flowed by the frictional heat between the rotating tool and the metal member, thereby fixing the metal members to each other. Phase joining is performed.
例えば、一対の円筒状の金属部材を接合する場合には、両金属部材の端面同士を突き合わせた状態で突合せ部に沿って周方向に摩擦攪拌接合を行えばよい(特許文献1参照)。図15は、従来の摩擦攪拌接合方法において接合前を示す断面図であり、図16は、従来の摩擦攪拌接合方法において接合中を示す断面図である。 For example, when joining a pair of cylindrical metal members, friction stir welding may be performed in the circumferential direction along the abutting portion in a state where the end surfaces of both metal members are abutted (see Patent Document 1). FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state before joining in the conventional friction stir welding method, and FIG. 16 is a cross-sectional view showing during joining in the conventional friction stir welding method.
従来の摩擦攪拌接合方法としては、図15及び図16に示すように、円柱状の第一金属部材100と円筒状の第二金属部材110の端部同士を突き合わせた後、突合せ部J1に沿って回転ツール120を相対移動させて摩擦攪拌接合するものがある。
As a conventional friction stir welding method, as shown in FIGS. 15 and 16, after the end portions of the columnar
第一金属部材100は、円柱状の大径部101と、大径部101の端部に形成された円柱状の小径部102とを備えている。第二金属部材110の外径は、大径部101の外径と略同等になっている。
第一金属部材100の大径部101の端面101aと、第二金属部材110の端面110aとが突き合わされて突合せ部J1が形成される。第一金属部材100の大径部101の端面101a及び第二金属部材110の端面110aの厚さは略同等になっている。
The
The
図16に示すように、回転ツール120は、円柱状のショルダ部121と、ショルダ部121の下端面から突出した攪拌ピン122とで構成されている。
従来の摩擦攪拌接合方法では、ショルダ部121の下端面を第一金属部材100及び第二金属部材110に数ミリ程度押し込みつつ、回転させた回転ツール120を突合せ部J1に沿って一周させている。
As shown in FIG. 16, the
In the conventional friction stir welding method, the rotated
しかし、前記した従来の摩擦攪拌接合方法では、図16に示すように、ショルダ部121によって第一金属部材100及び第二金属部材110に大きな押圧力が作用するため、塑性流動化した金属材料が内部に流出してしまうという問題がある。金属材料が内部に流出しないようにするには、小径部102の厚さ(高さ)を大きく設定せざるを得ず、設計の自由度が制限されるという問題がある。
However, in the above-described conventional friction stir welding method, as shown in FIG. 16, a large pressing force is applied to the
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、設計の自由度が高い摩擦攪拌接合方法を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to solve the above-mentioned problem and to provide the friction stir welding method with a high freedom degree of design.
前記課題を解決するため、本発明は、大径部の端部に小径部を備えた柱状の第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する筒状の第二金属部材と、を端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して、攪拌ピンを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記回転ツールは、前記攪拌ピンの先端部に形成され、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面と、前記平坦面から突出する突起部と、を備え、前記攪拌ピンのみを前記突合せ部に挿入し、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端を前記第一金属部材の小径部の外周面の位置よりも深く挿入させた状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a columnar first metal member having a small diameter portion at an end of a large diameter portion, and a cylindrical second metal member having an outer diameter substantially equal to the large diameter portion. And a friction stir welding method for performing friction stir using a rotary tool equipped with a stirring pin against a butted portion of the metal member to be joined formed by abutting the end surfaces with each other, wherein the rotating tool includes the stirrer A flat surface that is formed at the tip of the pin and is perpendicular to the rotation axis of the rotary tool, and a protrusion that protrudes from the flat surface, and only the stirring pin is inserted into the butting portion, and the flat surface is The rotating tool is placed in the state where the tip of the protrusion is inserted deeper than the position of the outer peripheral surface of the small diameter portion of the first metal member while being in contact with the first metal member and the second metal member. It is characterized by making a round around the joint metal member
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、従来のように、第一金属部材及び第二金属部材にショルダ部を入り込ませないため、従来よりも塑性化領域の幅を小さくすることができるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に作用する押圧力を低減することができる。これにより、小径部の厚さ(高さ)を小さくしても、被接合金属部材の内部に金属材料が流出するのを防ぐことができるため、設計の自由度を向上させることができる。 According to such a friction stir welding method, the shoulder portion is not allowed to enter the first metal member and the second metal member as in the prior art, so that the width of the plasticized region can be made smaller than in the past, and the first The pressing force acting on the metal member and the second metal member can be reduced. Thereby, even if the thickness (height) of the small-diameter portion is reduced, it is possible to prevent the metal material from flowing out into the bonded metal member, so that the degree of design freedom can be improved.
また、かかる摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンのみを第一金属部材及び第二金属部材に挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部の深い位置を接合することができる。 Moreover, according to this friction stir welding method, since only the stirring pin is inserted into the first metal member and the second metal member, the load applied to the friction stirrer can be reduced as compared with the case where the shoulder portion of the rotary tool is pushed. Can do. In addition, since the load applied to the friction stirrer can be reduced, the deep position of the butt portion can be joined in a state where a large load is not applied to the friction stirrer.
また、かかる摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンの突起部に沿って摩擦攪拌されて突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押さえられる。これにより、突起部周りを確実に摩擦攪拌することができ、第一金属部材の小径部の外周面と、第二金属部材の内周面との間の酸化被膜を確実に分断することができるため、突合せ部の接合強度を高めることができる。 Moreover, according to this friction stir welding method, the plastic fluidized material that has been frictionally stirred along the protrusions of the stirring pin and wound up on the protrusions is pressed down on a flat surface. Thereby, the periphery of the protrusion can be reliably frictionally stirred, and the oxide film between the outer peripheral surface of the small diameter portion of the first metal member and the inner peripheral surface of the second metal member can be reliably divided. Therefore, the joining strength of the butt portion can be increased.
また、前記突合せ部に形成される塑性化領域の始端と終端とがオーバーラップしており、前記塑性化領域の一部が重複していることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the start end and the termination | terminus of the plasticization area | region formed in the said butt | matching part overlap, and a part of said plasticization area | region overlaps.
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、塑性化領域の一部が重複していることにより、接合部の水密性及び気密性を向上させることができる。 According to such a friction stir welding method, a part of the plasticized region overlaps, so that the water tightness and air tightness of the joint can be improved.
また、前記回転ツールの回転中心軸を前記突合せ部よりも前記第一金属部材側に位置させた状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることが好ましい。 In addition, it is preferable that the rotary tool is rotated around the metal member to be joined in a state where the rotation center axis of the rotary tool is positioned on the first metal member side with respect to the abutting portion.
摩擦攪拌接合によって形成される塑性化領域には、接合欠陥が形成されるおそれがあり、当該接合欠陥が中空部材である第二接合金属部材側に形成されると、被接合金属部材の水密性及び気密性が低下するおそれがある。しかし、かかる摩擦攪拌接合方法によれば、接合欠陥が形成されたとしても、第二金属部材から離れた位置に形成されるため、被接合金属部材の水密性及び気密性の低下を抑制することができる。 In the plasticized region formed by friction stir welding, there is a possibility that a bonding defect may be formed. When the bonding defect is formed on the second bonding metal member side which is a hollow member, the water tightness of the metal member to be bonded In addition, airtightness may be reduced. However, according to such a friction stir welding method, even if a bonding defect is formed, it is formed at a position away from the second metal member, so that it is possible to suppress a decrease in water tightness and air tightness of the metal member to be joined. Can do.
また、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向左側に位置する場合、前記回転ツールを右回転させ、前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。 Further, when the first metal member is located on the left side in the advancing direction of the rotary tool, the rotary tool is rotated to the right, and when the first metal member is located on the right side in the advancing direction of the rotary tool, the rotary tool is It is preferable to rotate counterclockwise.
摩擦攪拌接合においては、回転ツールを右回転させると進行方向左側、左回転させると進行方向右側に接合欠陥が発生する可能性があり、中空部材である第二金属部材に近い位置に当該接合欠陥が形成されると、被接合金属部材の水密性及び気密性が低下するおそれがある。しかし、かかる製造方法によれば、接合欠陥が形成されたとしても、第二金属部材から離れた位置に形成されるため、被接合金属部材の水密性及び気密性の低下を抑制することができる。 In friction stir welding, there is a possibility that a joint defect may occur on the left side in the traveling direction when the rotary tool is rotated to the right, and on the right side in the traveling direction when the rotary tool is rotated to the left. If formed, the water tightness and air tightness of the metal member to be joined may be lowered. However, according to such a manufacturing method, even if a bonding defect is formed, since it is formed at a position away from the second metal member, it is possible to suppress a decrease in watertightness and airtightness of the bonded metal member. .
また、前記突合せ部に形成される塑性化領域の終端から前記回転ツールを前記第一金属部材側に向けて移動させて、前記回転ツールの引抜位置を前記第一金属部材に設けることが好ましい。 Further, it is preferable that the rotary tool is moved toward the first metal member from the end of the plasticized region formed in the butting portion, and the drawing position of the rotary tool is provided in the first metal member.
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、被接合金属部材の内部に金属材料が流出するのを防ぐことができる。また、回転ツールの引抜跡が第二金属部材から離れた位置に形成されるため、被接合金属部材の水密性及び気密性の低下を抑制することができる。 According to this friction stir welding method, it is possible to prevent the metal material from flowing into the bonded metal member. Moreover, since the extraction | drawer trace of a rotary tool is formed in the position away from the 2nd metal member, the fall of the watertightness of a to-be-joined metal member and airtightness can be suppressed.
また、前記回転ツールで摩擦攪拌接合する工程に先だって、前記突合せ部の一部を前記回転ツールよりも小型の仮接合用回転ツールを用いて仮接合することが好ましい。 In addition, prior to the step of friction stir welding with the rotary tool, it is preferable that a part of the butting portion is temporarily joined using a temporary joining rotary tool smaller than the rotary tool.
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、前記回転ツールで摩擦攪拌を行う際の第一金属部材と第二金属部材の目開きを防ぐことができる。 According to this friction stir welding method, it is possible to prevent the opening of the first metal member and the second metal member when friction stir is performed with the rotary tool.
また、本発明は、円柱状の大径部の端部に円柱状の小径部を備えた第一金属部材と、前記大径部と略同等の外径を有する円筒状の第二金属部材と、を端面同士で突き合わせて形成された被接合金属部材の突合せ部に対して、攪拌ピンを備える回転ツールを用いて摩擦攪拌を行う摩擦攪拌接合方法であって、前記回転ツールは、前記攪拌ピンの先端部に形成され、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面と、前記平坦面から突出する突起部と、を備え、前記攪拌ピンのみを前記突合せ部に挿入し、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端を前記第一金属部材の小径部の外周面の位置よりも深く挿入させた状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする。 The present invention also provides a first metal member having a columnar small diameter portion at an end of a columnar large diameter portion, and a cylindrical second metal member having an outer diameter substantially equal to the large diameter portion. Is a friction stir welding method for performing friction stir using a rotary tool provided with a stirring pin against a butted portion of the metal member to be joined formed by abutting the end surfaces with each other. A flat surface perpendicular to the rotation axis of the rotary tool, and a protrusion protruding from the flat surface, only the stirring pin is inserted into the butting portion, and the flat surface is The rotating tool is connected to the workpiece while the tip of the protrusion is inserted deeper than the position of the outer peripheral surface of the small diameter portion of the first metal member while being in contact with the first metal member and the second metal member. One round is made around the metal member.
かかる摩擦攪拌接合方法によれば、従来のように、第一金属部材及び第二金属部材にショルダ部を入り込ませないため、従来よりも塑性化領域の幅を小さくすることができるとともに、第一金属部材及び第二金属部材に作用する押圧力を低減することができる。これにより、小径部の厚さ(高さ)を小さくしても、被接合金属部材の内部に金属材料が流出するのを防ぐことができるため、設計の自由度を向上させることができる。 According to such a friction stir welding method, the shoulder portion is not allowed to enter the first metal member and the second metal member as in the prior art, so that the width of the plasticized region can be made smaller than in the past, and the first The pressing force acting on the metal member and the second metal member can be reduced. Thereby, even if the thickness (height) of the small-diameter portion is reduced, it is possible to prevent the metal material from flowing out into the bonded metal member, so that the degree of design freedom can be improved.
また、かかる摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンのみを第一金属部材及び第二金属部材に挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部の深い位置を接合することができる。 Moreover, according to this friction stir welding method, since only the stirring pin is inserted into the first metal member and the second metal member, the load applied to the friction stirrer can be reduced as compared with the case where the shoulder portion of the rotary tool is pushed. Can do. In addition, since the load applied to the friction stirrer can be reduced, the deep position of the butt portion can be joined in a state where a large load is not applied to the friction stirrer.
また、かかる摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンの突起部に沿って摩擦攪拌されて突起部に巻き上げられた塑性流動材は攪拌ピンの平坦面で押さえられる。これにより、突起部周りを確実に摩擦攪拌することができ、第一金属部材の小径部の外周面と、第二金属部材の内周面との間の酸化被膜を確実に分断することができるため、突合せ部の接合強度を高めることができる。 Further, according to the friction stir welding method, the plastic fluidized material that is frictionally stirred along the protruding portion of the stirring pin and wound up on the protruding portion is pressed by the flat surface of the stirring pin. Thereby, the periphery of the protrusion can be reliably frictionally stirred, and the oxide film between the outer peripheral surface of the small diameter portion of the first metal member and the inner peripheral surface of the second metal member can be reliably divided. Therefore, the joining strength of the butt portion can be increased.
本発明の摩擦攪拌接合方法によれば、設計の自由度を向上させることができる。 According to the friction stir welding method of the present invention, the degree of freedom in design can be improved.
本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について、図面を適宜参照して詳細に説明する。
まずは、本実施形態で用いる本接合用回転ツール及び仮接合用回転ツールについて説明する。
A friction stir welding method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
First, the main joining rotary tool and the temporary joining rotary tool used in the present embodiment will be described.
図1に示すように、本接合用回転ツールFは、連結部F1と、攪拌ピンF2とで構成されている。本接合用回転ツールFは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。本接合用回転ツールFは、例えば工具鋼で形成されている。連結部F1は、図2に示す摩擦攪拌装置の回転主軸Dに連結される部位である。連結部F1は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔B,Bが形成されている。 As shown in FIG. 1, the main rotating tool for joining F includes a connecting portion F1 and a stirring pin F2. The main joining rotary tool F corresponds to a “rotary tool” in the claims. The main rotating tool F for joining is formed of, for example, tool steel. The connection part F1 is a part connected to the rotation main shaft D of the friction stirrer shown in FIG. The connecting portion F1 has a cylindrical shape, and is formed with screw holes B and B to which bolts are fastened.
攪拌ピンF2は、連結部F1から垂下しており、連結部F1と同軸になっている。また、攪拌ピンF2は、平坦面F4と、突起部F5とを備えている。攪拌ピンF2は連結部F1から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンF2の長さは、後記する第二金属部材1bの板厚よりも大きくなっている。
攪拌ピンF2の外周面には螺旋溝F3が刻設されている。本実施形態では、本接合用回転ツールFを右回転させるため、螺旋溝F3は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。
The stirring pin F2 hangs down from the connecting portion F1 and is coaxial with the connecting portion F1. Further, the agitation pin F2 includes a flat surface F4 and a protrusion F5. The stirring pin F2 is tapered as it is separated from the connecting portion F1. The length of the stirring pin F2 is larger than the plate thickness of the
A spiral groove F3 is formed on the outer peripheral surface of the stirring pin F2. In the present embodiment, the spiral groove F3 is formed in a counterclockwise direction from the proximal end toward the distal end in order to rotate the main joining rotary tool F to the right.
本接合用回転ツールFは、攪拌ピンF2の先端部に形成された平坦面F4と、平坦面F4から突出する突起部F5とを備えている。平坦面F4は、本接合用回転ツールFの回転中心軸Cに対して垂直な面である。
突起部F5は、平坦面F4の中央部から下方に突出した部位である。突起部F5の形状は特に制限されないが、本実施形態では、円柱状になっている。突起部F5の側面と、平坦面F4とで段差部が形成されている。なお、突起部F5の外周面に螺旋溝を設けてもよい。
The main rotating tool for joining F includes a flat surface F4 formed at the tip of the stirring pin F2, and a protrusion F5 protruding from the flat surface F4. The flat surface F4 is a surface perpendicular to the rotation center axis C of the main welding rotary tool F.
The protruding portion F5 is a portion that protrudes downward from the central portion of the flat surface F4. The shape of the protrusion F5 is not particularly limited, but in the present embodiment, it is a columnar shape. A step portion is formed by the side surface of the protrusion F5 and the flat surface F4. In addition, you may provide a spiral groove in the outer peripheral surface of the projection part F5.
なお、本接合用回転ツールFを左回転させる場合は、螺旋溝F3を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。螺旋溝F3をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝F3によって攪拌ピンF2の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材1(1a,1b)の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。 In addition, when rotating this welding rotation tool F counterclockwise, it is preferable to form the spiral groove F3 in the clockwise direction from the proximal end toward the distal end. By setting the spiral groove F3 in this way, the plastic fluidized metal at the time of frictional stirring is guided to the tip side of the stirring pin F2 by the spiral groove F3. Thereby, the quantity of the metal which overflows to the exterior of the to-be-joined metal member 1 (1a, 1b) can be decreased.
図2に示すように、本接合用回転ツールFを用いて摩擦攪拌接合をする際には、被接合金属部材1に回転した攪拌ピンF2のみを挿入し、被接合金属部材1と連結部F1とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンF2の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。本接合用回転ツールFの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Wが形成される。
As shown in FIG. 2, when the friction stir welding is performed using the rotating tool F for main joining, only the rotated stirring pin F2 is inserted into the
仮接合用回転ツールGは、図3に示すように、ショルダG1と、攪拌ピンG2とで構成されている。仮接合用回転ツールGは、例えば工具鋼で形成されている。仮接合用回転ツールGは、本接合用回転ツールFよりも小型になっている。つまり、攪拌ピンG2の長さ寸法は、攪拌ピンF2の長さ寸法の1/4程度になっている。ショルダG1は、図4に示すように、摩擦攪拌装置の回転主軸Dに連結される部位であるとともに、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダG1は円柱状を呈する。ショルダG1の下端面は、流動化した金属が外部へ流出するのを防ぐために凹状になっている。 As shown in FIG. 3, the temporary bonding rotary tool G includes a shoulder G <b> 1 and a stirring pin G <b> 2. The temporary joining rotary tool G is made of, for example, tool steel. The temporary joining rotary tool G is smaller than the main joining rotary tool F. That is, the length dimension of the stirring pin G2 is about 1/4 of the length dimension of the stirring pin F2. As shown in FIG. 4, the shoulder G <b> 1 is a part that is connected to the rotation main shaft D of the friction stirrer and is a part that holds the plastic fluidized metal. The shoulder G1 has a cylindrical shape. The lower end surface of the shoulder G1 has a concave shape to prevent the fluidized metal from flowing out.
攪拌ピンG2は、ショルダG1から垂下しており、ショルダG1と同軸になっている。攪拌ピンG2はショルダG1から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンG2の外周面には螺旋溝G3が刻設されている。 The stirring pin G2 hangs down from the shoulder G1 and is coaxial with the shoulder G1. The stirring pin G2 is tapered as it is separated from the shoulder G1. A spiral groove G3 is formed on the outer peripheral surface of the stirring pin G2.
図4に示すように、仮接合用回転ツールGを用いて摩擦攪拌接合をする際には、回転した攪拌ピンG2とショルダG1の下端面を被接合金属部材1(1a,1b)に挿入しつつ相対移動させる。仮接合用回転ツールGの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域W1が形成される。 As shown in FIG. 4, when the friction stir welding is performed using the rotary tool G for temporary joining, the rotated stirring pin G2 and the lower end surface of the shoulder G1 are inserted into the metal member 1 (1a, 1b) to be joined. While moving relative. A plasticized region W <b> 1 is formed in the movement locus of the temporary bonding rotary tool G by hardening the friction-stirred metal.
次に、本実施形態で接合される第一金属部材1a及び第二金属部材1bについて説明する。図5及び図6に示すように、本実施形態では、略円柱状の第一金属部材1aと、円筒状の第二金属部材1bとを摩擦攪拌により接合する。
Next, the
第一金属部材1aは、図5に示すように、略円柱状を呈する金属部材であって、大径部2と、大径部2の端面11aに凸設された円柱状を呈する小径部3とを有する。大径部2及び小径部3は、同心軸で形成されている。
第二金属部材1bは、円筒状を呈する金属部材である。第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、略同等の外径からなり、第一金属部材1aの小径部3の外径と、第二金属部材1bの内径は、略同等に形成されている。
As shown in FIG. 5, the
The
第一金属部材1a及び第二金属部材1bは、本実施形態では、同一組成の金属材料であって、例えば、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で形成されている。
In the present embodiment, the
図7に示すように、第一金属部材1aと第二金属部材1bとを突き合わせて形成される被接合金属部材1は、外周面に亘って本接合用回転ツールF(図1参照)を相対移動させて、摩擦攪拌接合によって一体化される。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によって、例えば、密閉容器やトルクロッド等を形成することができる。
As shown in FIG. 7, the to-
次に、本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法について説明する。本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法では、突合せ工程と、仮接合工程と、本接合工程とを行う。 Next, the friction stir welding method according to this embodiment will be described. In the friction stir welding method according to the present embodiment, a butt process, a temporary bonding process, and a main bonding process are performed.
図6に示すように、突合せ工程は、第一金属部材1aと第二金属部材1bとを端面同士で突き合わせて被接合金属部材1を形成する工程である。即ち、第一金属部材1aの端面11aと、第二金属部材1bの端面11bとを密着させる。前記したように、第一金属部材1aの外径(大径部2の外径)と、第二金属部材1bの外径は、略同一に形成されているため、両部材を突き合せると互いの外周面12a,12bが面一になる。また、第一金属部材1aの小径部3の外径と、第二金属部材1bの内径は、略同等に形成されているため、両部材を突き合せると小径部3の外周面13aと、第二金属部材1bの内周面13bとが面接触する。
As shown in FIG. 6, the butting step is a step of forming the
第一金属部材1aの端面11aと、第二金属部材1bの端面11bとが突き合わされることにより、突合せ部J1が形成される。突合せ部J1は、被接合金属部材1の外周面に亘って連続して一周形成される。被接合金属部材1は、軸周りに回転可能な固定治具に移動不能に固定される。
The
図8に示すように、仮接合工程は、突合せ部J1を仮接合する工程である。仮接合工程では、右回転させた仮接合用回転ツールGを突合せ部J1に沿って相対移動させる。本実施形態では、仮接合用回転ツールGを回転軸周りに回転駆動させつつ、被接合金属部材1を軸周りに回転させる。本実施形態では、被接合金属部材1に対して仮接合用回転ツールGが相対移動した際に、進行方向左側に第一金属部材1aが配置されるように設定する。仮接合工程は、突合せ部J1に沿って連続して行ってもよいし、本実施形態のように断続的に行ってもよい。
As shown in FIG. 8, the temporary joining step is a step of temporarily joining the butt joint J1. In the temporary joining step, the temporary joining rotary tool G rotated clockwise is relatively moved along the abutting portion J1. In the present embodiment, the
図9に示すように、本接合工程は、本接合用回転ツールFを用いて突合せ部J1に対して本格的に摩擦攪拌接合を行う工程である。本接合工程では、まず、第一金属部材1aに設定した開始位置s1に右回転させた本接合用回転ツールFを挿入する。そして、突合せ部J1に設定された第一中間点s2に向けて本接合用回転ツールFを相対移動させる。第一中間点s2における塑性化領域の端部(始端Wa)が、特許請求の範囲の「突合せ部に形成される塑性化領域の始端」となる部分である。
As shown in FIG. 9, the main joining step is a step of performing friction stir welding on the butt joint J <b> 1 in earnest using the main welding rotary tool F. In the main joining step, first, the main welding rotating tool F rotated to the right is inserted into the start position s1 set in the
本接合用回転ツールFが第一中間点s2に到達したら、被接合金属部材1を軸周りに回転させる。本実施形態では、本接合用回転ツールFの進行方向に対して、左側に第一金属部材1aが配置されるように被接合金属部材1を回転させる。
なお、本接合用回転ツールFを左回転させる場合は、本接合用回転ツールFの進行方向に対して、右側に第一金属部材1aが配置されるように被接合金属部材1を回転させる。
When the main welding rotary tool F reaches the first intermediate point s2, the
In addition, when rotating the rotation tool F for main joining counterclockwise, the to-
図10に示すように、攪拌ピンF2の挿入深さは、平坦面F4を第一金属部材1a及び第二金属部材1bに接触させつつ、突起部F5の先端が第一金属部材1aの小径部3の外周面13aの位置よりも深く挿入されるように設定する。即ち、攪拌ピンF2の平坦面F4は小径部3の外周面13aから離間させ、突起部F5の先端のみを小径部3の外周面13aに挿入する。
そして、図11に示すように、被接合金属部材1に対して本接合用回転ツールFを一定の高さに保った状態で突合せ部J1に沿って相対移動させる。本接合用回転ツールFの移動軌跡には塑性化領域Wが形成される。
As shown in FIG. 10, the insertion depth of the stirring pin F2 is such that the tip of the protrusion F5 is a small diameter portion of the
Then, as shown in FIG. 11, the main joining rotary tool F is moved relative to the
本接合用回転ツールFが突合せ部J1を一周したら、第一中間点s2を通過させて第二中間点s3まで相対移動させる。図12に示すように、第二中間点s3における塑性化領域の端部(終端Wb)が、特許請求の範囲の「突合せ部に形成される塑性化領域の終端」となる部分である。
本接合用回転ツールFが第二中間点s3に達したら、被接合金属部材1の軸周りの回転を停止させる。そして、第一金属部材1a上に設定された終了位置(引抜位置)e1まで本接合用回転ツールFを相対移動させて、被接合金属部材1から本接合用回転ツールFを離脱させる。
When the rotation tool F for main welding makes a round of the abutting portion J1, the first intermediate point s2 is passed through to the second intermediate point s3. As shown in FIG. 12, the end portion (termination Wb) of the plasticized region at the second intermediate point s3 is a portion that becomes “the end of the plasticized region formed in the butt portion” in the claims.
When the main welding rotary tool F reaches the second intermediate point s3, the rotation of the bonded
被接合金属部材1に本接合用回転ツールFの引抜跡が残存する場合は、例えば、肉盛溶接を行って補修する補修工程を行ってもよい。
When the extraction trace of the main joining rotary tool F remains on the
以上説明した本実施形態に係る摩擦攪拌接合方法によれば、図13に示すように、本接合工程において、従来のように第一金属部材1a及び第二金属部材1bにショルダ部を入り込ませないため、従来よりも塑性化領域Wの幅を小さくすることができるとともに、第一金属部材1a及び第二金属部材1bに作用する押圧力を低減することができる。これにより、小径部3の厚さ(外周面13aの高さ)を小さくしても、被接合金属部材1の内部に金属材料が流出するのを防ぐことができるため、設計の自由度を向上させることができる。
According to the friction stir welding method according to the present embodiment described above, as shown in FIG. 13, in the main joining step, the shoulder portion is not allowed to enter the
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンF2のみを第一金属部材1a及び第二金属部材1bに挿入するため、回転ツールのショルダ部を押し込む場合に比べて摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができる。また、摩擦攪拌装置にかかる負荷を軽減することができるため、摩擦攪拌装置に大きな負荷がかからない状態で、突合せ部J1の深い位置を接合することができる。
Moreover, according to the friction stir welding method of this embodiment, since only the stirring pin F2 is inserted into the
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、攪拌ピンF2の突起部F5に沿って摩擦攪拌されて突起部F5に巻き上げられた塑性流動材は平坦面F4で押さえられる。これにより、突起部F5周りを確実に摩擦攪拌することができ、第一金属部材1aの小径部3の外周面13aと、第二金属部材1bの内周面13bとの間の酸化被膜を確実に分断することができるため、突合せ部J1の接合強度を高めることができる。
Further, according to the friction stir welding method of the present embodiment, the plastic fluid material that is frictionally stirred along the protrusion F5 of the stirring pin F2 and wound up on the protrusion F5 is pressed by the flat surface F4. Thereby, the periphery of the protrusion F5 can be reliably frictionally stirred, and an oxide film between the outer
また、本実施形態の本接合工程では、図12に示すように、塑性化領域Wの始端Waと終端Wbとがオーバーラップして塑性化領域Wの一部が重複していることにより、接合部の水密性及び気密性を向上させることができる。 Further, in the main joining step of the present embodiment, as shown in FIG. 12, the start end Wa and the end end Wb of the plasticized region W overlap and a part of the plasticized region W overlaps. The water tightness and air tightness of the part can be improved.
また、本実施形態のように本接合用回転ツールFを右回転させると、進行方向左側に接合欠陥が発生するおそれがあるが、本実施形態では本接合用回転ツールFの進行方向左側に第一金属部材1aが配置するように設定した。これにより、仮に、接合欠陥が形成されても中実部材である第一金属部材1a側に形成される。つまり、中空部材である第二金属部材1bからは離間した位置に接合欠陥が形成されるため、被接合金属部材1の水密性及び気密性の低下を抑制することができる。
Further, when the main rotating tool F is rotated to the right as in the present embodiment, there is a possibility that a bonding defect may occur on the left side in the advancing direction. It set so that the one
また、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、本接合用回転ツールFを塑性化領域Wに対して第一金属部材1a側に移動させ、第一金属部材1a上で本接合用回転ツールFを引き抜くため、引抜跡を中空部材である第二金属部材1bから遠い位置に形成することができる。これにより、被接合金属部材1の水密性及び気密性の低下を抑制することができる。また、本接合用回転ツールFを塑性化領域Wよりも第二金属部材1b側に移動させると被接合金属部材1の内部に金属材料が流出するおそれがあるが、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、かかる問題を解消することができる。
Further, according to the friction stir welding method of the present embodiment, the main welding rotary tool F is moved to the
また、本接合工程の前に仮接合工程を行うことで、本接合工程の際の第一金属部材1aと第二金属部材1bとの目開きを防ぐことができる。
In addition, by performing the temporary joining step before the main joining step, it is possible to prevent the
<変形例>
次に、本発明の変形例について説明する。
図10示すように、前記した実施形態の本接合工程では、本接合用回転ツールFの回転中心軸Cと突合せ部J1とが重なるように設定して摩擦攪拌接合を行った。変形例の本接合工程では、図13及び図14に示すように、本接合用回転ツールFの回転中心軸Cを突合せ部J1に対して第一金属部材1a側に位置させた状態で摩擦攪拌接合を行う。
<Modification>
Next, a modified example of the present invention will be described.
As shown in FIG. 10, in the main joining step of the above-described embodiment, the friction stir welding was performed by setting the rotation center axis C of the main welding rotary tool F and the butting portion J1 to overlap each other. In the main joining process of the modified example, as shown in FIGS. 13 and 14, the friction stirrer is performed with the rotation center axis C of the main joining rotary tool F positioned on the
図13に示すように、当該本接合工程においても、本接合用回転ツールFを右回転させているため、本接合用回転ツールFの進行方向に対して左側に第一金属部材1aが配置されるように設定する。変形例に係る本接合工程によっても突合せ部J1が摩擦攪拌されて第一金属部材1aと第二金属部材1bとが接合される。
As shown in FIG. 13, also in the main joining process, since the main welding rotary tool F is rotated to the right, the
変形例によれば、本接合用回転ツールFの進行方向左側に接合欠陥が形成されるおそれがあるが、当該接合欠陥を中実部材である第一金属部材1a側に形成することができる。つまり、変形例における接合欠陥は、前記した実施形態よりも第二金属部材1bからさらに離間する位置に形成される。これにより、被接合金属部材1の水密性及び気密性の低下をより抑制することができる。
According to the modification, there is a possibility that a bonding defect is formed on the left side in the traveling direction of the main rotating tool F for bonding, but the bonding defect can be formed on the
以上本発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。
例えば、仮接合工程は、本接合用回転ツールFを用いて行ってもよい。また、仮接合工程は、溶接で行ってもよい。
Although the embodiments and modifications of the present invention have been described above, design changes can be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
For example, the temporary joining step may be performed using the main joining rotating tool F. Moreover, you may perform a temporary joining process by welding.
また、本実施形態では、円柱状の部材と円筒状の部材とを接合したが、これに限定されるものではない。大径部及び当該大径部に小径部を備えた柱状の金属部材と円筒状部材とを接合するものであれば他の形状であってもよい。 Moreover, in this embodiment, although the columnar member and the cylindrical member were joined, it is not limited to this. Other shapes may be used as long as they join a large-diameter portion and a columnar metal member provided with a small-diameter portion in the large-diameter portion and a cylindrical member.
また、本実施形態では、被接合金属部材1を回転させることで、本接合用回転ツールFを突合せ部J1に対して相対移動させているが、被接合金属部材1を回転させることなく、突合せ部J1に対して本接合用回転ツールFを移動させてもよい。
Moreover, in this embodiment, although the to-
また、本実施形態では、本接合用回転ツールFを右回転させたが、左回転させてもよい。この場合は、本接合用回転ツールFの進行方向右側に第一金属部材1aが配置されるように設定する。このように設定することで実施形態と同等の効果を得ることができる。
Moreover, in this embodiment, although the main welding rotation tool F is rotated to the right, it may be rotated to the left. In this case, it sets so that the
また、本実施形態では、突合せ部J1に対して本接合用回転ツールFを一周させたが、二周以上させてもよい。二周させることにより、一周目に発生した接合欠陥を再度摩擦攪拌できるため、水密性及び気密性を高めることができる。また、二周目以降は、第一金属部材1a側に本接合用回転ツールFを偏移させながら摩擦攪拌を行ってもよい。このようにすることで、接合欠陥を確実に補修することができる。
Moreover, in this embodiment, although this rotation tool F for this joining was made to make one round with respect to the butt | matching part J1, you may make it make two or more rounds. By making two rounds, the joint defect generated in the first round can be frictionally stirred again, so that watertightness and airtightness can be improved. Further, after the second round, the friction stirring may be performed while shifting the main welding rotary tool F toward the
また、本接合工程が終了したら、被接合金属部材1の表面に現れるバリを切除するバリ切除工程を行ってもよい。
Moreover, when the main joining process is completed, a burr cutting process for cutting off burrs appearing on the surface of the
1 被接合金属部材
1a 第一金属部材
1b 第二金属部材
2 大径部
3 小径部
C 回転中心軸
D 回転主軸
F 本接合用回転ツール(回転ツール)
F1 連結部
F2 攪拌ピン
F4 平坦面
F5 突起部
G 仮接合用回転ツール
J1 突合せ部
W 塑性化領域
Wa 始端
Wb 終端
DESCRIPTION OF
F1 connecting portion F2 stirring pin F4 flat surface F5 protrusion G rotating tool for temporary joining J1 abutting portion W plasticizing region Wa start end Wb end
Claims (7)
前記回転ツールは、前記攪拌ピンの先端部に形成され、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面と、前記平坦面から突出する突起部と、を備え、
前記攪拌ピンのみを前記突合せ部に挿入し、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端を前記第一金属部材の小径部の外周面の位置よりも深く挿入させた状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 A columnar first metal member having a small-diameter portion at the end of the large-diameter portion and a cylindrical second metal member having an outer diameter substantially equal to the large-diameter portion are formed by abutting each other at the end surfaces. A friction stir welding method for performing friction stir using a rotary tool equipped with a stirrer pin against the butted portion of the metal member to be joined,
The rotating tool includes a flat surface that is formed at a tip portion of the stirring pin and is perpendicular to the rotation axis of the rotating tool, and a protrusion that protrudes from the flat surface,
Only the agitation pin is inserted into the abutting portion, and the tip of the protruding portion is placed on the outer peripheral surface of the small diameter portion of the first metal member while the flat surface is in contact with the first metal member and the second metal member. A friction stir welding method, wherein the rotating tool is rotated around the metal member to be joined in a state of being inserted deeper than the position.
前記第一金属部材が前記回転ツールの進行方向右側に位置する場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合方法。 When the first metal member is located on the left side in the traveling direction of the rotary tool, rotate the rotary tool to the right,
4. The friction stir welding method according to claim 1, wherein when the first metal member is positioned on the right side in the traveling direction of the rotary tool, the rotary tool is rotated counterclockwise.
前記回転ツールは、前記攪拌ピンの先端部に形成され、前記回転ツールの回転軸に垂直な平坦面と、前記平坦面から突出する突起部と、を備え、
前記攪拌ピンのみを前記突合せ部に挿入し、前記平坦面を前記第一金属部材及び前記第二金属部材に接触させつつ、前記突起部の先端を前記第一金属部材の小径部の外周面の位置よりも深く挿入させた状態で、前記回転ツールを前記被接合金属部材の周囲で一周させることを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 A first metal member having a cylindrical small-diameter portion at the end of a cylindrical large-diameter portion and a cylindrical second metal member having an outer diameter substantially equal to the large-diameter portion are abutted against each other. A friction stir welding method for performing friction stir using a rotary tool provided with a stirring pin for the butted portion of the metal member to be joined formed by:
The rotating tool includes a flat surface that is formed at a tip portion of the stirring pin and is perpendicular to a rotation axis of the rotating tool, and a protrusion that protrudes from the flat surface.
Only the agitation pin is inserted into the abutting portion, and the tip of the protruding portion is placed on the outer peripheral surface of the small diameter portion of the first metal member while the flat surface is in contact with the first metal member and the second metal member. A friction stir welding method, wherein the rotating tool is rotated around the metal member to be joined in a state of being inserted deeper than the position.
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