JP2023068730A - Tool for friction stir welding and friction stir spot welding method - Google Patents

Tool for friction stir welding and friction stir spot welding method Download PDF

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寧緒 麻
Ning Xu Ma
培皓 耿
Peihao Geng
英俊 藤井
Hidetoshi Fujii
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Osaka University NUC
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Abstract

To provide a tool for friction stir welding which can be suitably used for spot welding of dissimilar materials of resin and metal by friction stir spot welding, can form uniform temperature distribution at a welded interface, and can obtain a good junction with a low load, and further, to provide a friction stir welding method for resin and metal that uses the tool for friction stir welding.SOLUTION: A tool for friction stir welding has a stem having a substantially columnar shape, and a friction stir face comprising an end face of the stem, and has a disk-like recess at a center of the friction stir face. The tool for friction stir welding has an annular recess in the friction stir face, the annular recess is formed outside the disk-like recess with the disk-like recess as a center, and preferably, the tool has an annular protrusion, of which a height is same as the end face, between the disk-like recess and the annular recess.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

新規性喪失の例外適用申請有り There is an application for exception to loss of novelty

本発明は摩擦攪拌接合用ツール及び当該ツールを用いた摩擦攪拌点接合方法に関し、より具体的には、樹脂と金属の異材点接合に好適に用いることができる摩擦攪拌接合用ツール及び当該ツールを用いた樹脂と金属の摩擦攪拌点接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding tool and a friction stir spot welding method using the tool, and more specifically, a friction stir welding tool that can be suitably used for spot welding of dissimilar materials of resin and metal, and the tool. It relates to a method of friction stir spot welding of resin and metal used.

燃費の向上及び環境負荷低減等の観点から各種輸送用機器の軽量化が切望されており、航空機や自動車への炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の樹脂材の使用が盛んに検討されている。 From the viewpoint of improving fuel efficiency and reducing environmental load, there is a strong desire to reduce the weight of various transportation equipment, and the use of resin materials such as carbon fiber reinforced plastics (CFRP) for aircraft and automobiles is being actively studied.

このような背景から、各種金属材と樹脂材との接合技術を確立することが必要不可欠であり、鋼やアルミニウム合金等の金属材と樹脂材とを接合する技術の開発が進められている。 Against this background, it is essential to establish techniques for bonding various metal materials and resin materials, and techniques for bonding metal materials such as steel and aluminum alloys and resin materials are being developed.

ここで、ボルト等を用いて機械的に締結する場合、被接合材への加工が必要になることに加えて、締結部材による重量増加を避けることができない。また、接着剤を用いて接合する場合、接合部に十分な接合強度や信頼性を付与することができない。 Here, in the case of mechanical fastening using a bolt or the like, in addition to the need to process the material to be joined, an increase in weight due to the fastening member cannot be avoided. In addition, when bonding using an adhesive, sufficient bonding strength and reliability cannot be imparted to the bonded portion.

これに対し、例えば特許文献1(特開2012-170975号公報)においては、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させずに即ち直接的に接合可能な金属部材と樹脂部材との接合方法、及び金属部材と樹脂部材との接合継手を提供することを目的として、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させ、回転している回転ツールを金属部材の表面の法線に対する回転ツールの軸線の傾斜角θが0°<θ≦5°の条件を満足するように傾斜させて金属部材の表面に押し付けた状態にすることにより金属部材に付与された摩擦エネルギーによって、金属部材と樹脂部材とを接合することを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法、が提案されている。 On the other hand, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-170975), a metal member and a resin member that can be directly joined without interposing a resin layer between them. and a joining joint between a metal member and a resin member. It is applied to the metal member by pressing it against the surface of the metal member so that the inclination angle θ of the axis of the rotating tool with respect to the normal to the surface of the metal member satisfies the condition of 0° < θ ≤ 5°. A method for joining a metal member and a resin member has been proposed, characterized in that the metal member and the resin member are joined by the frictional energy generated.

上記特許文献1に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法においては、金属部材と樹脂部材とを両者の間に樹脂層を介在させないで接触させるので、樹脂層を用いない分、安価に且つ容易に接合を行うことができ、金属部材と接合可能な樹脂部材の種類が増加する。更に、金属部材と樹脂部材とを任意の箇所で接合することができる、とされている。 In the method for joining a metal member and a resin member described in Patent Document 1, the metal member and the resin member are brought into contact with each other without a resin layer interposed therebetween. Bonding can be easily performed, and the types of resin members that can be bonded to metal members increase. Furthermore, it is described that the metal member and the resin member can be joined at any position.

また、特許文献2(特開2017-13084号公報)においては、樹脂部材と金属部材との接合を十分な強度で達成することができる金属部材と樹脂部材との接合方法を提供すること、を目的として、金属部材と樹脂部材とを重ね合わせ、回転ツールを回転させつつ、金属部材に押圧して摩擦熱を発生させ、該摩擦熱により樹脂部材を軟化および溶融させた後、固化させて接合を行う摩擦撹拌接合方法による金属部材と樹脂部材との接合方法であって、前記金属部材として、少なくとも樹脂部材側表面の回転ツール直下領域に水酸化物皮膜を有する金属部材を用いる、ことを特徴とする金属部材と樹脂部材との接合方法、が提案されている。 In addition, in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-13084), it is proposed to provide a method for joining a metal member and a resin member that can achieve joining of the resin member and the metal member with sufficient strength. The purpose is to superimpose a metal member and a resin member, press the metal member while rotating a rotating tool to generate frictional heat, soften and melt the resin member by the frictional heat, and then solidify and join. A method for joining a metal member and a resin member by a friction stir welding method that performs A method for joining a metal member and a resin member is proposed.

上記特許文献2に記載の金属部材と樹脂部材との接合方法においては、接合時において樹脂部材と金属部材の水酸化物皮膜との間で相互作用がさらに働くようになり、接着強度をさらに向上させることができる、とされている。 In the method for joining the metal member and the resin member described in Patent Document 2, the interaction between the resin member and the hydroxide film of the metal member is further enhanced during joining, and the bonding strength is further improved. It is said that

特開2012-170975号公報JP 2012-170975 A 特開2017-13084号公報JP 2017-13084 A

上記特許文献1及び2においては摩擦攪拌現象を用いて金属材と樹脂材を直接接合することができるが、使用されている摩擦攪拌接合用ツールは円柱状の基部の底面中央に突起(プローブ)を有する一般的な摩擦攪拌接合用ツールであり、良好な接合部を得ることや接合プロセス最適化等を目的としたツール形状の検討はなされていない。 In the above Patent Documents 1 and 2, a metal material and a resin material can be directly joined using the friction stir phenomenon, but the friction stir welding tool used has a projection (probe) at the center of the bottom surface of the cylindrical base. It is a general friction stir welding tool that has a , and the shape of the tool has not been studied for the purpose of obtaining a good weld or optimizing the welding process.

ここで、摩擦攪拌接合を用いて金属と樹脂を直接接合する場合、得られる接合部の強度及び信頼性等は、接合中の被接合界面の温度(接合温度)の値と温度分布の均一性、及び当該被接合界面に印加される接合圧力によって主に決定される。 Here, when directly joining metal and resin using friction stir welding, the strength and reliability of the joint obtained depends on the value of the temperature (joining temperature) at the interface to be joined during joining and the uniformity of the temperature distribution. , and the bonding pressure applied to the bonded interface.

特に、ツールを横方向に移動させない点接合においては、ツール外周部と内周部の周速度や抜熱状況の差異により温度分布が形成されやすく、被接合界面における温度を均一化することが極めて困難である。また、当該接合状況を実現するために摩擦攪拌接合用ツールに印加する荷重が大きくなる場合、接合装置が大型かつ高価になり、産業的に使用することが困難となる。 In particular, in point welding where the tool is not moved laterally, temperature distribution tends to be formed due to the difference in peripheral speed and heat extraction conditions between the outer and inner circumferences of the tool, and it is extremely difficult to equalize the temperature at the interface to be welded. Have difficulty. In addition, when the load applied to the friction stir welding tool is increased in order to realize the welding state, the welding apparatus becomes large and expensive, making it difficult to use it industrially.

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、摩擦攪拌点接合による樹脂と金属の異材点接合に好適に用いることができる摩擦攪拌接合用ツールであって、被接合界面に均一な温度分布を形成できると共に、低荷重で良好な接合部を得ることができる摩擦攪拌接合用ツールを提供することにある。また、本発明は、本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いた樹脂と金属の摩擦攪拌点接合方法を提供することも目的としている。 In view of the problems in the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a friction stir welding tool that can be suitably used for spot welding of dissimilar materials between resin and metal by friction stir spot welding. To provide a friction stir welding tool capable of forming a uniform temperature distribution and obtaining a good joint with a low load. Another object of the present invention is to provide a method for friction stir spot welding of resin and metal using the friction stir welding tool of the present invention.

本発明者は上記目的を達成すべく、摩擦攪拌接合用ツールの摩擦攪拌面(ツール端面)の形状等について鋭意研究を重ねた結果、一般的な摩擦攪拌接合用ツールがツール端面中央部に有する凸状のプローブを設けることなく、それとは反対に、ツール端面中央部に凹部を設けること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 In order to achieve the above object, the present inventors have extensively studied the shape of the friction stir surface (tool end surface) of the friction stir welding tool, etc. As a result, a general friction stir welding tool has at the center of the tool end surface The inventors have found that it is extremely effective to provide a concave portion in the center of the tool end face, instead of providing a convex probe, and have arrived at the present invention.

即ち、本発明は、
略円柱状を呈する基部と、
前記基部の端面からなる摩擦攪拌面と、を有し、
前記摩擦攪拌面の中央に円盤状凹部を有すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合用ツール、を提供する。
That is, the present invention
a substantially cylindrical base;
a friction stir surface consisting of an end surface of the base,
Having a disk-shaped recess in the center of the friction stir surface;
A friction stir welding tool characterized by:

本発明者がプローブのないフラットな摩擦攪拌面を有する単純な円柱状のツールを用い、金属板と樹脂板を重ね合わせた状態で樹脂板側から当該ツールを回転させつつ圧入したところ、被接合界面の温度はツール底面の中央部で高く、外周部で低くなることが明らかとなった。これに対し、本発明の摩擦攪拌接合用ツールは摩擦攪拌面の中央が円盤状凹部となっており、当該円盤状凹部における摩擦発熱量が低くなることで被接合界面における温度を均一化することができる。加えて、円盤状凹部によって、ツールに印加する押込み荷重を低減することができる。 When the present inventor used a simple cylindrical tool having a flat friction stir surface without a probe and press-fitted the metal plate and the resin plate on top of each other from the resin plate side while rotating the tool, the object to be welded It was found that the temperature of the interface is high at the center of the bottom of the tool and low at the periphery. In contrast, the friction stir welding tool of the present invention has a disk-shaped recess in the center of the friction stir surface, and the temperature at the interface to be welded can be uniformed by reducing the amount of frictional heat generated in the disk-shaped recess. can be done. In addition, the disk-shaped recess can reduce the pressing load applied to the tool.

本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、前記摩擦攪拌面に円環状凹部を有し、前記円環状凹部が前記円盤状凹部を中心として前記円盤状凹部の外側に形成され、前記円盤状凹部と前記円環状凹部の間には前記端面と同じ高さの円環状凸部を有すること、が好ましい。 In the friction stir welding tool of the present invention, the friction stir surface has an annular recess, and the annular recess is formed outside the disk-shaped recess around the disk-shaped recess. It is preferable that between the annular concave portions there is provided an annular convex portion having the same height as the end surface.

円盤状凹部の外側に円環状の凹部を有することで、接合中における被接合界面の温度分布をより均一化することができ、円環状の凹部によってツールに印加する押込み荷重(接合荷重)をより低減することができる。また、ツール端面の凸部が同じ高さとなっていることで、接合中にツールに印加されるトルクの増大を抑制できると共に、円滑な材料流動を形成させることができる。 By having the annular recess on the outside of the disk-shaped recess, the temperature distribution of the interface to be joined during welding can be made more uniform, and the indentation load (bonding load) applied to the tool by the annular recess can be made more uniform. can be reduced. In addition, since the protrusions on the tool end face are at the same height, it is possible to suppress an increase in the torque applied to the tool during welding, and to form a smooth material flow.

また、本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、内径及び外径の異なる前記円環状凹部を2つ以上有し、前記円盤状凹部を中心として前記円環状凹部が形成され、前記円環状凹部同士の間には前記端面と同じ高さの円環状凸部を有すること、が好ましい。 Further, in the friction stir welding tool of the present invention, it has two or more of the annular recesses having different inner and outer diameters, the annular recesses are formed around the disk-shaped recesses, and the annular recesses are formed with each other. It is preferable to have an annular convex portion having the same height as the end surface between them.

複数の円環状凹部を有することで、接合中における被接合界面の温度分布を更に均一化することができることに加え、複数の円環状の凹部によってツールに印加する押込み荷重を更に低減することができる。 By having a plurality of annular recesses, the temperature distribution of the interface to be joined during welding can be made more uniform, and the pressing load applied to the tool can be further reduced by the plurality of annular recesses. .

また、本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、前記円盤状凹部及び前記円環状凹部の深さが0.1~0.3mmであること、が好ましい。凹部の深さを0.1mm以上とすることで当該凹部形状に起因する被接合界面温度の均一化及び接合荷重の低下を確実に得ることができる。また、凹部の深さを0.3mm以下とすることで、当該凹部への材料の入り込み等に起因する材料流動の乱れやプロセストルクの増大等を抑制することができる。 Further, in the friction stir welding tool of the present invention, it is preferable that the depth of the disk-shaped concave portion and the annular concave portion is 0.1 to 0.3 mm. By setting the depth of the recess to 0.1 mm or more, it is possible to reliably obtain a uniform temperature of the interface to be bonded and a decrease in the bonding load due to the shape of the recess. Further, by setting the depth of the recess to 0.3 mm or less, it is possible to suppress disturbance of material flow, increase in process torque, and the like caused by material entering the recess.

また、本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、前記円盤状凹部の直径が3~9mmであること、が好ましい。円盤状凹部の直径を3mm以上とすることで当該凹部形状に起因する被接合界面温度の均一化及び接合荷重の低下を確実に得ることができる。また、円盤状凹部の直径を9mm以下とすることで、当該凹部への材料の入り込み等に起因する材料流動の乱れやプロセストルクの増大等を抑制することができる。 Further, in the friction stir welding tool of the present invention, it is preferable that the diameter of the disk-shaped concave portion is 3 to 9 mm. By setting the diameter of the disk-shaped recessed portion to 3 mm or more, it is possible to reliably obtain a uniform temperature of the interface to be joined and a decrease in the bonding load due to the shape of the recessed portion. Further, by setting the diameter of the disk-shaped recessed portion to 9 mm or less, it is possible to suppress disturbance of material flow and increase in process torque caused by material entering the recessed portion.

また、本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、前記円環状凹部の幅が1~1.5mmであること、が好ましい。円環状凹部の幅を1mm以上とすることで当該凹部形状に起因する被接合界面温度の均一化及び接合荷重の低下を確実に得ることができる。また、円環状凹部の幅を1.5mm以下とすることで、当該凹部への材料の入り込み等に起因する材料流動の乱れやプロセストルクの増大等を抑制することができる。 Further, in the friction stir welding tool of the present invention, it is preferable that the width of the annular concave portion is 1 to 1.5 mm. By setting the width of the annular concave portion to 1 mm or more, it is possible to reliably obtain a uniform temperature of the interface to be joined and a decrease in the bonding load due to the shape of the concave portion. Further, by setting the width of the annular recess to 1.5 mm or less, it is possible to suppress disturbance of material flow, increase in process torque, and the like caused by material entering the recess.

また、本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、前記円環状凸部の幅が1~1.5mmであること、が好ましい。円環状凸部の幅を1mm以上とすることで、接合に必要な摩擦発熱を効率的に得ることができる。また、円環状凸部の幅を1.5mm以下とすることで、過剰な摩擦発熱による被接合界面における接合温度の不均一化や接合荷重の増大等を抑制することができる。 Further, in the friction stir welding tool of the present invention, it is preferable that the width of the annular convex portion is 1 to 1.5 mm. By setting the width of the annular protrusion to 1 mm or more, it is possible to efficiently obtain frictional heat generation necessary for joining. Further, by setting the width of the annular convex portion to 1.5 mm or less, it is possible to suppress non-uniform bonding temperature at the interface to be bonded due to excessive frictional heat generation, an increase in bonding load, and the like.

更に、本発明の摩擦攪拌接合用ツールにおいては、前記基部の直径が10~30mmであること、が好ましい。基部の直径を10mm以上とすることで接合に必要な摩擦発熱を効率的に得ることができると共に、実用上要求される接合強度を発現し得る十分に広い接合面積を得ることができる。一方で、基部の直径を30mm以下とすることで、周速度の差異等に起因する接合温度の不均一化を抑制することができることに加え、接合荷重の増大を抑制することができる。 Furthermore, in the friction stir welding tool of the present invention, it is preferable that the base has a diameter of 10 to 30 mm. By setting the diameter of the base to 10 mm or more, it is possible to efficiently obtain the frictional heat required for bonding, and to obtain a sufficiently large bonding area capable of developing the bonding strength required for practical use. On the other hand, by setting the diameter of the base portion to 30 mm or less, it is possible to suppress non-uniform bonding temperature due to a difference in peripheral speed, etc., and to suppress an increase in bonding load.

なお、本発明の摩擦攪拌接合用ツールは摩擦攪拌点接合用ツールとして好適に使用できるが、これに限られるものではなく、線接合に用いてもよい。 Although the friction stir welding tool of the present invention can be suitably used as a friction stir spot welding tool, it is not limited to this and may be used for line welding.

また、本発明は、
金属板と熱可塑性樹脂板とを重ね合わせて被接合界面を形成させる第一工程と、
前記金属板の表面から回転させた摩擦攪拌接合用ツールを圧入して接合界面を形成させる第二工程と、を有し、
前記摩擦攪拌接合用ツールに請求項1~9のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツールを用いること、
を特徴とする摩擦攪拌点接合方法、も提供する。
In addition, the present invention
a first step of overlapping a metal plate and a thermoplastic resin plate to form a bonded interface;
a second step of press-fitting a friction stir welding tool rotated from the surface of the metal plate to form a weld interface,
Using the friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 9 for the friction stir welding tool,
Also provided is a friction stir spot welding method characterized by:

本発明の摩擦攪拌点接合方法においては、本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いることから、接合中の被接合界面の温度を均一化することができると共に、低い接合荷重で金属板と熱可塑性樹脂板の重ね合わせ領域に良好な点接合部を形成することができる。ここで、金属板の表面から圧入した摩擦攪拌接合用ツールは、良好な接合界面が形成された後にそのまま上方に引き抜くことが好ましいが、必要に応じて横方向に移動させてもよい。 In the friction stir spot welding method of the present invention, since the friction stir welding tool of the present invention is used, the temperature of the interface to be welded during welding can be made uniform, and the metal plate and the thermoplastic material can be bonded at a low welding load. A good point joint can be formed in the overlapping region of the resin plates. Here, the friction stir welding tool press-fitted from the surface of the metal plate is preferably pulled out upward as it is after a good weld interface is formed, but it may be moved laterally as necessary.

また、本発明の摩擦攪拌点接合方法においては、前記第二工程において、前記摩擦攪拌接合用ツールに印加する押込み荷重を500kgf以下とすること、が好ましい。押込み荷重を500kgf以下とすることで、汎用の接合用ロボットを使用することができる。 In the friction stir spot welding method of the present invention, it is preferable that in the second step, the indentation load applied to the friction stir welding tool is 500 kgf or less. A general-purpose bonding robot can be used by setting the indentation load to 500 kgf or less.

また、本発明の摩擦攪拌点接合方法においては、前記第二工程において、前記接合界面の最高到達温度を前記熱可塑性樹脂板の完全熱分解温度未満とすること、が好ましい。完全熱分解温度とは、熱可塑性樹脂板の母材である熱可塑性樹脂の熱分解が完全に進行を開始する温度であり、例えば、熱可塑性樹脂版がポリアミド6の場合、当該完全熱分解温度は500℃となる。接合界面の最高到達温度を完全熱分解温度未満とすることで、一般的な熱可塑性樹脂の強度低下を抑制することができる。 Moreover, in the friction stir spot welding method of the present invention, in the second step, it is preferable that the highest temperature reached at the joint interface is lower than the complete thermal decomposition temperature of the thermoplastic resin plate. The complete thermal decomposition temperature is the temperature at which the thermal decomposition of the thermoplastic resin, which is the base material of the thermoplastic resin plate, starts to progress completely. For example, when the thermoplastic resin plate is polyamide 6, the complete thermal decomposition temperature is 500°C. By setting the maximum temperature of the joint interface to be less than the complete thermal decomposition temperature, it is possible to suppress a decrease in the strength of general thermoplastic resins.

更に、本発明の摩擦攪拌点接合方法においては、前記熱可塑性樹脂板を炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とすること、が好ましい。本発明の摩擦攪拌点接合方法においては、接合中の被接合界面の温度を正確かつ均一に制御することができるため、接合温度によって接合部の機械的性質が大きく変化する炭素繊維強化プラスチック(CFRP)であっても、良好な接合部を得ることができる。 Furthermore, in the friction stir spot welding method of the present invention, it is preferable that the thermoplastic resin plate is made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP). In the friction stir spot welding method of the present invention, the temperature of the interface to be welded during welding can be controlled accurately and uniformly. ), a good joint can be obtained.

本発明によれば、摩擦攪拌点接合による樹脂と金属の異材点接合に好適に用いることができる摩擦攪拌接合用ツールであって、被接合界面に均一な温度分布を形成できると共に、低荷重で良好な接合部を得ることができる摩擦攪拌接合用ツールを提供することができる。また、本発明によれば、本発明の摩擦攪拌接合用ツールを用いた樹脂と金属の摩擦攪拌点接合方法を提供することもできる。 According to the present invention, there is provided a friction stir welding tool that can be suitably used for spot welding of dissimilar materials of resin and metal by friction stir spot welding, and is capable of forming a uniform temperature distribution at the interface to be welded and applying a low load. It is possible to provide a friction stir welding tool capable of obtaining a good joint. According to the present invention, it is also possible to provide a method for friction stir spot welding of resin and metal using the friction stir welding tool of the present invention.

本発明の摩擦攪拌接合用ツールの一態様を示す外観図である。1 is an external view showing one mode of a friction stir welding tool of the present invention; FIG. 本発明の摩擦攪拌接合用ツールのその他の態様を示す外観図である。FIG. 4 is an external view showing another aspect of the friction stir welding tool of the present invention; 一般的に使用されている摩擦攪拌接合用ツールの外観図である。1 is an external view of a generally used friction stir welding tool; FIG. 摩擦攪拌プロセスに汎用されている摩擦攪拌用ツールの外観図である。1 is an external view of a friction stir tool commonly used in a friction stir process; FIG. 本発明の摩擦攪拌点接合方法の一態様を示す模式図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows one aspect|mode of the friction stir spot welding method of this invention. 実施例1における被接合材の配置状況を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of members to be joined in Example 1; 実施例1で用いた摩擦攪拌接合用ツールの外観写真である。1 is an external photograph of a friction stir welding tool used in Example 1. FIG. 実施例1で用いた摩擦攪拌接合用ツールの底面図及び側面図である。FIG. 2 is a bottom view and a side view of the friction stir welding tool used in Example 1. FIG. 実施例1で得られた継手の外観写真である。1 is an appearance photograph of a joint obtained in Example 1. FIG. 引張試験の模式図である。It is a schematic diagram of a tensile test. 引張試験後の継手の外観写真である。4 is an appearance photograph of a joint after a tensile test. 実施例1におけるシミュレーション結果である。It is a simulation result in Example 1. FIG. 実施例2で用いた摩擦攪拌接合用ツールの外観写真である。4 is an appearance photograph of a friction stir welding tool used in Example 2. FIG. 実施例2で用いた摩擦攪拌接合用ツールの底面図及び側面図である。FIG. 4 is a bottom view and a side view of a friction stir welding tool used in Example 2; 実施例2におけるシミュレーション結果である。It is a simulation result in Example 2. 比較例で用いた摩擦攪拌接合用ツールの外観写真である。4 is an appearance photograph of a friction stir welding tool used in a comparative example. 比較例におけるシミュレーション結果である。It is a simulation result in a comparative example.

以下、図面を参照しながら本発明の摩擦攪拌接合用ツール及び摩擦攪拌点接合方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。 Hereinafter, representative embodiments of the friction stir welding tool and the friction stir spot welding method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. Also, since the drawings are for the purpose of conceptually explaining the present invention, the dimensions and ratios of the depicted components may differ from the actual ones.

(1)摩擦攪拌接合用ツール
本発明の摩擦攪拌接合用ツールの外観図を図1及び図2に示す。また、一般的に使用されている摩擦攪拌接合用ツールの外観図を図3に、摩擦攪拌プロセスに汎用されている摩擦攪拌接合用ツールの外観を図4に示す。なお、図1~図4においては、摩擦攪拌面となるツール基部の端面を下側としている。
(1) Friction Stir Welding Tool External views of the friction stir welding tool of the present invention are shown in FIGS. 1 and 2. FIG. Further, FIG. 3 shows an external view of a generally used friction stir welding tool, and FIG. 4 shows an external view of a friction stir welding tool that is widely used in the friction stir process. In addition, in FIGS. 1 to 4, the end surface of the tool base serving as the friction stir surface is the lower side.

一般的に使用されている汎用摩擦攪拌接合用ツール2においては、基部4の端面(摩擦攪拌面6)の中央に、凸形状のプローブ部8が備えられている。プローブ部8の長さは被接合材の板厚や接合態様(突合せ接合や重ね合わせ接合等)によって異なるが、当該板厚と同じ長さ又は僅かに短い長さとされることが多い。 A generally used general-purpose friction stir welding tool 2 has a convex probe portion 8 at the center of the end surface (friction stir surface 6 ) of the base portion 4 . The length of the probe portion 8 varies depending on the plate thickness of the material to be joined and the joining mode (butt joint, lap joint, etc.), but is often the same length as the plate thickness or a slightly shorter length.

例えば、汎用摩擦攪拌接合用ツール2を用いて突合せ接合を行う場合、プローブ部8によって突合せ界面を被接合材の表面側から裏面側まで摩擦攪拌することで、欠陥のない良好な攪拌部を形成することができる。 For example, when butt welding is performed using the general-purpose friction stir welding tool 2, the butt interface is friction-stirred from the surface side to the back side of the material to be welded by the probe part 8, thereby forming a good stir zone with no defects. can do.

一方で、プローブ部8が長くなると汎用摩擦攪拌接合用ツール2が破損しやすくなることから、表面改質を目的とする摩擦攪拌プロセスを施す場合、図4に示すようにプローブ部8を設けないフラット状態の摩擦攪拌面6を有する摩擦攪拌プロセス用ツール10が使用されている。 On the other hand, if the probe portion 8 is long, the general-purpose friction stir welding tool 2 is likely to be damaged. Therefore, when performing a friction stir process for the purpose of surface modification, the probe portion 8 is not provided as shown in FIG. A friction stir process tool 10 having a flat friction stir surface 6 is used.

これらに対し、本発明の摩擦攪拌接合用ツール12は、摩擦攪拌面6の中央に円盤状凹部14を有することが最大の特徴となっている。円盤状凹部14によって摩擦攪拌面6の中央における摩擦発熱が抑制され、当該円盤状凹部14に対応する被接合界面の温度上昇を抑制することができる。その結果、接合中における接合界面の温度分布が均一化され、良好な接合部を得ることができる。摩擦攪拌面6の周速は外周部の方が早くなり、摩擦発熱量は大きくなるところ、摩擦攪拌面6の中央部分の摩擦発熱量を低減させることで接合温度分布が均一化する理由については必ずしも明らかにはなっていないが、摩擦発熱と熱伝導や材料流動等による抜熱が動的にバランスする結果であると考えられる。 In contrast to these, the friction stir welding tool 12 of the present invention is most characterized by having a disk-shaped concave portion 14 in the center of the friction stir surface 6 . Frictional heat generation at the center of the friction stir surface 6 is suppressed by the disk-shaped recess 14 , and temperature rise at the interface to be welded corresponding to the disk-shaped recess 14 can be suppressed. As a result, the temperature distribution at the bonding interface during bonding is made uniform, and a good bonded portion can be obtained. The peripheral speed of the friction stir surface 6 is faster in the outer peripheral portion, and the amount of frictional heat generation is greater. Although it is not necessarily clear, it is thought that this is the result of the dynamic balance between frictional heat generation and heat removal due to heat conduction and material flow.

円盤状凹部14は厳密に円盤状である必要はなく、例えば、球冠状や円錐台形状であってもよい。 The disk-shaped recess 14 does not have to be strictly disk-shaped, and may be, for example, spherical crown-shaped or truncated cone-shaped.

ここで、本発明者が、サーモメカニカルモデルを組み込んだ非線形有限要素解析ソフトウェア(Ls-Dyna)を用いて接合温度分布を鋭意検討した結果、プローブ部8が設けられていないフラット状態の摩擦攪拌面6を有する摩擦攪拌プロセス用ツール10を用いて金属板と樹脂板の重ね摩擦攪拌点接合を施す場合、摩擦攪拌面6の外周側と比較して、中央部に対応する被接合界面の温度が高くなることが明らかとなった。当該結果の詳細については、Journal of Materials Research and Technology 2021;12:1777-1793に開示されている。 Here, as a result of intensive study of the welding temperature distribution using nonlinear finite element analysis software (Ls-Dyna) incorporating a thermomechanical model, the inventors of the present invention found that the friction stir surface in a flat state in which the probe portion 8 is not provided When performing lap friction stir spot welding of a metal plate and a resin plate using the friction stir process tool 10 having 6, the temperature of the interface to be welded corresponding to the central portion is higher than that of the outer peripheral side of the friction stir surface 6. turned out to be higher. Details of the results are disclosed in Journal of Materials Research and Technology 2021; 12: 1777-1793.

これに対し、摩擦攪拌面6の中央に円盤状凹部14を有する本発明の摩擦攪拌接合用ツール12においては、フラット状態の摩擦攪拌面6を有する摩擦攪拌プロセス用ツール10を用いた場合と比較して、被接合界面全体に均一な温度分布を付与することができる。 On the other hand, in the friction stir welding tool 12 of the present invention having the disk-shaped recess 14 in the center of the friction stir surface 6, compared with the case of using the friction stir process tool 10 having the friction stir surface 6 in the flat state As a result, a uniform temperature distribution can be imparted to the entire interface to be joined.

また、図2に示すように、摩擦攪拌接合用ツール12においては、摩擦攪拌面6に円環状凹部16を有し、円環状凹部16が円盤状凹部14を中心として円盤状凹部14の外側に形成され、円盤状凹部14と円環状凹部16の間には基部4の端面(摩擦攪拌面6)と同じ高さの円環状凸部18を有することが好ましい。 As shown in FIG. 2 , the friction stir welding tool 12 has an annular recess 16 on the friction stir surface 6 , and the annular recess 16 extends outside the disk-shaped recess 14 around the disk-shaped recess 14 . It is preferable that an annular protrusion 18 having the same height as the end face (friction stir surface 6) of the base 4 is formed between the disk-shaped recess 14 and the annular recess 16 .

円盤状凹部14の外側に円環状凹部16を有することで、接合中における被接合界面の温度分布をより均一化することができ、円環状凹部16によってツールに印加する押込み荷重をより低減することができる。また、ツール端面の凸部が同じ高さとなっていることで、接合中にツールに印加されるトルクの増大を抑制できると共に、円滑な材料流動を形成させることができる。 By having the annular recess 16 outside the disk-shaped recess 14, the temperature distribution of the interface to be joined during welding can be made more uniform, and the pressing load applied to the tool by the annular recess 16 can be further reduced. can be done. In addition, since the protrusions on the tool end face are at the same height, it is possible to suppress an increase in the torque applied to the tool during welding, and to form a smooth material flow.

また、摩擦攪拌接合用ツール12においては、内径及び外径の異なる円環状凹部16を2つ以上有し、円盤状凹部14を中心として円環状凹部16が形成され、円環状凹部16同士の間には基部4の端面(摩擦攪拌面6)と同じ高さの円環状凸部18を有することが好ましい。 In addition, the friction stir welding tool 12 has two or more annular recesses 16 having different inner and outer diameters. preferably has an annular projection 18 having the same height as the end surface of the base 4 (friction stir surface 6).

複数の円環状凹部16を有することで、接合中における被接合界面の温度分布を更に均一化することができることに加え、複数の円環状凹部16によってツールに印加する押込み荷重を更に低減することができる。 By having the plurality of annular recesses 16, the temperature distribution of the interface to be joined during welding can be made more uniform, and the indentation load applied to the tool can be further reduced by the plurality of annular recesses 16. can.

また、摩擦攪拌接合用ツール12においては、円盤状凹部14及び円環状凹部16の深さが0.1~0.3mmであることが好ましい。凹部の深さを0.1mm以上とすることで当該凹部形状に起因する被接合界面温度の均一化及び接合荷重の低下を確実に得ることができる。また、凹部の深さを0.3mm以下とすることで、当該凹部への材料の入り込み等に起因する材料流動の乱れやプロセストルクの増大等を抑制することができる。ここで、より好ましい円盤状凹部14及び円環状凹部16の深さは0.15~0.25mmである。 Further, in the friction stir welding tool 12, the depth of the disk-shaped recess 14 and the annular recess 16 is preferably 0.1 to 0.3 mm. By setting the depth of the recess to 0.1 mm or more, it is possible to reliably obtain a uniform temperature of the interface to be bonded and a decrease in the bonding load due to the shape of the recess. Further, by setting the depth of the recess to 0.3 mm or less, it is possible to suppress disturbance of material flow, increase in process torque, and the like caused by material entering the recess. Here, the more preferable depths of the disk-shaped concave portion 14 and the annular concave portion 16 are 0.15 to 0.25 mm.

また、摩擦攪拌接合用ツール12においては、円盤状凹部14の直径が3~9mmであることが好ましい。円盤状凹部14の直径を3mm以上とすることで当該凹部形状に起因する被接合界面温度の均一化及び接合荷重の低下を確実に得ることができる。また、円盤状凹部14の直径を9mm以下とすることで、当該凹部への材料の入り込み等に起因する材料流動の乱れやプロセストルクの増大等を抑制することができる。ここで、より好ましい円盤状凹部の直径は4~8mmであり、最も好ましい直径は5~7mmである。 Further, in the friction stir welding tool 12, the diameter of the disk-shaped concave portion 14 is preferably 3 to 9 mm. By setting the diameter of the disk-shaped concave portion 14 to 3 mm or more, uniformity of the temperature of the interface to be joined and reduction of the bonding load due to the shape of the concave portion can be reliably obtained. Further, by setting the diameter of the disk-shaped recess 14 to 9 mm or less, it is possible to suppress disturbance of material flow and increase in process torque caused by material entering the recess. Here, the diameter of the disc-shaped recess is more preferably 4-8 mm, and most preferably 5-7 mm.

また、摩擦攪拌接合用ツール12においては、円環状凹部16の幅が1~1.5mmであることが好ましい。円環状凹部16の幅を1mm以上とすることで当該凹部形状に起因する被接合界面温度の均一化及び接合荷重の低下を確実に得ることができる。また、円環状凹部16の幅を1.5mm以下とすることで、当該凹部への材料の入り込み等に起因する材料流動の乱れやプロセストルクの増大等を抑制することができる。ここで、円環状凹部16のより好ましい幅は1.2~1.3mmである。 Further, in the friction stir welding tool 12, the width of the annular concave portion 16 is preferably 1 to 1.5 mm. By setting the width of the annular recess 16 to 1 mm or more, it is possible to reliably obtain a uniform temperature of the interface to be joined and a decrease in the joining load due to the shape of the recess. Further, by setting the width of the annular concave portion 16 to 1.5 mm or less, it is possible to suppress disturbance of material flow and increase in process torque caused by material entering the concave portion. Here, a more preferable width of the annular concave portion 16 is 1.2 to 1.3 mm.

また、摩擦攪拌接合用ツール12においては、円環状凸部18の幅が1~1.5mmであることが好ましい。円環状凸部の幅を1mm以上とすることで、接合に必要な摩擦発熱を効率的に得ることができる。また、円環状凸部18の幅を1.5mm以下とすることで、過剰な摩擦発熱による被接合界面における接合温度の不均一化や接合荷重の増大等を抑制することができる。ここで、円環状凸部18のより好ましい幅は1.2~1.3mmである。 Further, in the friction stir welding tool 12, the width of the annular protrusion 18 is preferably 1 to 1.5 mm. By setting the width of the annular protrusion to 1 mm or more, it is possible to efficiently obtain frictional heat generation necessary for joining. In addition, by setting the width of the annular projection 18 to 1.5 mm or less, it is possible to suppress non-uniform bonding temperature at the interface to be bonded and an increase in bonding load due to excessive frictional heat generation. Here, a more preferable width of the annular protrusion 18 is 1.2 to 1.3 mm.

更に、摩擦攪拌接合用ツール12においては、基部の直径が10~30mmであること、が好ましい。基部4の直径を10mm以上とすることで接合に必要な摩擦発熱を効率的に得ることができると共に、実用上要求される接合強度を発現し得る十分に広い接合面積を得ることができる。一方で、基部4の直径を30mm以下とすることで、周速度の差異等に起因する接合温度の不均一化を抑制することができることに加え、接合荷重の増大を抑制することができる。ここで、より好ましい基部4の直径は12~28mmであり、最も好ましい直径は15~25mmである。 Furthermore, in the friction stir welding tool 12, it is preferable that the diameter of the base is 10 to 30 mm. By setting the diameter of the base portion 4 to 10 mm or more, it is possible to efficiently obtain frictional heat required for bonding, and to obtain a sufficiently large bonding area capable of developing the bonding strength required for practical use. On the other hand, by setting the diameter of the base portion 4 to 30 mm or less, it is possible to suppress non-uniform bonding temperature due to differences in peripheral speed, etc., and to suppress an increase in bonding load. Here, the more preferred diameter of the base 4 is 12-28 mm, and the most preferred diameter is 15-25 mm.

摩擦攪拌接合用ツール12の素材は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、摩擦攪拌接合用ツールに用いられている従来公知の種々の素材とすることができる。また、摩擦攪拌接合用ツール12は全てを同一の素材で形成してもよく、複数の素材を組み合わせてもよい。例えば、摩擦攪拌面6を基材4と異なる素材としてもよく、摩擦攪拌面6に適当な被膜を形成させてもよい。摩擦攪拌接合用ツール12の素材としては、例えば、工具鋼、超硬合金及び各種セラミックス等を用いることができる。 The material of the friction stir welding tool 12 is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known materials used for friction stir welding tools can be used. Further, the friction stir welding tool 12 may be entirely made of the same material, or may be made of a combination of multiple materials. For example, the friction stir surface 6 may be made of a material different from that of the base material 4, and the friction stir surface 6 may be coated with an appropriate film. As the material of the friction stir welding tool 12, for example, tool steel, cemented carbide, various ceramics, and the like can be used.

(2)摩擦攪拌点接合方法
本発明の摩擦攪拌点接合方法は、金属板と熱可塑性樹脂板とを重ね合わせて点接合部を形成する方法であり、本発明の摩擦攪拌接合用ツール12を用いることを最大の特徴としている。本発明の摩擦攪拌点接合方法の一態様を示す模式図を図5に示す。
(2) Friction Stir Point Welding Method The friction stir point welding method of the present invention is a method of forming a spot joint by superimposing a metal plate and a thermoplastic resin plate. The most important feature is to use FIG. 5 shows a schematic diagram showing one aspect of the friction stir spot welding method of the present invention.

本発明の摩擦攪拌点接合方法は、金属板20と熱可塑性樹脂板22とを重ね合わせて被接合界面を形成させる第一工程と、金属板20の表面から回転させた摩擦攪拌接合用ツール12を圧入して接合界面を形成させる第二工程と、を有している。 The friction stir spot welding method of the present invention includes a first step of overlapping a metal plate 20 and a thermoplastic resin plate 22 to form a welded interface, and a friction stir welding tool 12 rotated from the surface of the metal plate 20. and a second step of press-fitting to form a bonding interface.

被接合材として用いる金属板20の材質は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、摩擦攪拌接合の対象とされている従来公知の種々の金属材とすることができる。ここで、金属板20をアルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅及び銅合金とすることで、工具鋼製の安価な摩擦攪拌接合用ツール12を用いて容易に摩擦攪拌を施すことができる。 The material of the metal plate 20 used as the material to be welded is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known metal materials that are subject to friction stir welding can be used. Here, by using aluminum, an aluminum alloy, magnesium, a magnesium alloy, copper, or a copper alloy as the metal plate 20, friction stir welding can be easily performed using an inexpensive friction stir welding tool 12 made of tool steel. .

金属板20の厚さは所望の構造物に応じて適宜決定すればよいが、1~5mmとすることが好ましく、1.5~3mmとすることがより好ましい。金属板20の厚さを1mm以上とすることで、摩擦攪拌接合用ツール12を挿入する際の金属板20の不要な塑性変形を抑制することができることに加え、得られる継手に十分な強度及び信頼性を付与することができる。また、金属板20の厚さを5mm以下とすることで、摩擦攪拌面6と金属板20との相互作用によって生じる摩擦発熱及び加工発熱によって、被接合界面を容易かつ効率的に昇温することができる。 The thickness of the metal plate 20 may be appropriately determined according to the desired structure, preferably 1 to 5 mm, more preferably 1.5 to 3 mm. By setting the thickness of the metal plate 20 to 1 mm or more, unnecessary plastic deformation of the metal plate 20 when inserting the friction stir welding tool 12 can be suppressed. Credibility can be imparted. In addition, by setting the thickness of the metal plate 20 to 5 mm or less, the temperature of the interface to be welded can be easily and efficiently raised by the heat generated by friction and heat generated by the interaction between the friction stir surface 6 and the metal plate 20. can be done.

また、熱可塑性樹脂板22の材質も、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の熱可塑性樹脂とすることができる。ここで、熱可塑性樹脂板22は炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とすることが好ましい。熱可塑性樹脂板22を炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とすることで、接合部に高い強度と信頼性を付与することができる。また、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の種類は特に限定されず、種々の熱可塑性樹脂マトリックス及び炭素繊維からなるものを使用することができる。また、炭素繊維の含有量や配置状態等についても、特に限定されない。 Also, the material of the thermoplastic resin plate 22 is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and conventionally known various thermoplastic resins can be used. Here, the thermoplastic resin plate 22 is preferably carbon fiber reinforced plastic (CFRP). By using carbon fiber reinforced plastic (CFRP) as the thermoplastic resin plate 22, high strength and reliability can be imparted to the joint. Also, the type of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is not particularly limited, and those composed of various thermoplastic resin matrices and carbon fibers can be used. In addition, the content of the carbon fibers, the state of arrangement, and the like are not particularly limited.

熱可塑性樹脂板22の厚さは所望の構造物に応じて適宜決定すればよいが、1~6mmとすることが好ましく、2~5mmとすることがより好ましい。熱可塑性樹脂板22の厚さを1mm以上とすることで、接合部の強度及び信頼性を担保することができ、6mm以下とすることで、不要な板厚の増加に起因する材料コストの増加を抑制することができる。 The thickness of the thermoplastic resin plate 22 may be appropriately determined depending on the desired structure, preferably 1 to 6 mm, more preferably 2 to 5 mm. By setting the thickness of the thermoplastic resin plate 22 to 1 mm or more, the strength and reliability of the joint can be ensured, and by setting the thickness to 6 mm or less, material costs increase due to an unnecessary increase in plate thickness. can be suppressed.

第一工程においては、熱可塑性樹脂板22の表面に金属板20を重畳させて被接合界面を形成させ、摩擦攪拌接合用ツール12を挿入する金属板20の表面側には十分な空間を設けておくことが好ましい。また、熱可塑性樹脂板22及び金属板20を適当なクランプ機構等で固定し、摩擦攪拌接合用ツール12を挿入する際の位置変化や不要な箇所における塑性変形等を抑制することが好ましい。 In the first step, the metal plate 20 is superimposed on the surface of the thermoplastic resin plate 22 to form an interface to be welded, and a sufficient space is provided on the surface side of the metal plate 20 into which the friction stir welding tool 12 is inserted. It is preferable to keep In addition, it is preferable to fix the thermoplastic resin plate 22 and the metal plate 20 by a suitable clamping mechanism or the like to suppress positional change when inserting the friction stir welding tool 12 and plastic deformation at unnecessary portions.

第二工程においては、第一工程で形成させた被接合界面に対応する金属板20の表面側から摩擦攪拌接合用ツール12を挿入する。ここで、摩擦攪拌接合用ツール12を挿入する位置(挿入量)は、金属板20及び熱可塑性樹脂板22の材質や厚さ、及びツール回転速度等のその他の接合条件によって適宜調整すればよいが、金属板20の板厚の範囲とし、被接合界面に摩擦攪拌面6が直接作用しないようにする必要がある。 In the second step, the friction stir welding tool 12 is inserted from the surface side of the metal plate 20 corresponding to the interface to be welded formed in the first step. Here, the insertion position (insertion amount) of the friction stir welding tool 12 may be appropriately adjusted depending on the material and thickness of the metal plate 20 and the thermoplastic resin plate 22, and other welding conditions such as the tool rotation speed. However, it is necessary to keep the thickness within the range of the metal plate 20 so that the friction stir surface 6 does not directly act on the interface to be welded.

金属板20への摩擦攪拌接合用ツール12の挿入量は、例えば、2mm厚のアルミニウム合金板を用いた場合、0.05~0.5mmとすることが好ましく、0.1~0.3mmとすることがより好ましい。ツール挿入量を0.05mm以上とすることで、摩擦攪拌面6とアルミニウム合金板の表面との相互作用によって安定的に摩擦熱及び/又は加工発熱を発生させることができる。また、ツール挿入量を0.5mm以下とすることで、接合部における凹部の形成を抑制することができると共に、ツールトルクやツール押込み荷重の増大を抑制することができる。 The amount of insertion of the friction stir welding tool 12 into the metal plate 20 is preferably 0.05 to 0.5 mm, more preferably 0.1 to 0.3 mm, when a 2 mm thick aluminum alloy plate is used, for example. is more preferable. By setting the tool insertion amount to 0.05 mm or more, the interaction between the friction stir surface 6 and the surface of the aluminum alloy plate can stably generate frictional heat and/or heat generated by processing. Further, by setting the tool insertion amount to 0.5 mm or less, it is possible to suppress the formation of recesses in the joint portion and to suppress increases in tool torque and tool pushing load.

ツール挿入量以外の主要な接合条件として、ツール回転速度、ツール挿入速度及び設定したツール挿入位置における保持時間等が存在するが、これらは金属板20及び熱可塑性樹脂板22の材質や厚さ、及びその他の接合条件によって適宜調整すればよい。例えば、ツール回転速度は100~3000rpm、ツール挿入速度は0.01~1mm/s、保持時間は0~10秒とすることができる。 Main joining conditions other than the tool insertion amount include the tool rotation speed, the tool insertion speed, and the retention time at the set tool insertion position. and other joining conditions. For example, the tool rotation speed can be 100-3000 rpm, the tool insertion speed can be 0.01-1 mm/s, and the holding time can be 0-10 seconds.

また、第二工程においては、摩擦攪拌接合用ツール12に印加する押込荷重を500kgf以下とすることが好ましい。押込み荷重を500kgf以下とすることで、汎用の接合用ロボットを使用することができる。ここで、摩擦攪拌接合用ツール12を用いることで、簡便かつ効率的に、押込み荷重を500kgf以下とすることができる。 Moreover, in the second step, the pressing load applied to the friction stir welding tool 12 is preferably 500 kgf or less. A general-purpose bonding robot can be used by setting the indentation load to 500 kgf or less. Here, by using the friction stir welding tool 12, the indentation load can be easily and efficiently reduced to 500 kgf or less.

また、第二工程においては、接合界面の最高到達温度を熱可塑性樹脂板22の完全熱分解温度未満とすることが好ましい。完全熱分解温度とは、熱可塑性樹脂板22の母材である熱可塑性樹脂の熱分解が完全に進行を開始する温度であり、例えば、熱可塑性樹脂版22がポリアミド6の場合、当該完全熱分解温度は500℃となる。接合界面の最高到達温度を完全熱分解温度未満とすることで、一般的な熱可塑性樹脂の強度低下を抑制することができる。ここで、摩擦攪拌接合用ツール12を用いることで、接合界面の温度分布を均一化できることから、最高到達温度の制御が容易となり、ツール回転速度やツール圧入量等によって簡単に最高到達温度を500℃未満とすることができる。 Moreover, in the second step, it is preferable that the highest temperature reached at the joint interface be lower than the complete thermal decomposition temperature of the thermoplastic resin plate 22 . The complete thermal decomposition temperature is the temperature at which the thermal decomposition of the thermoplastic resin, which is the base material of the thermoplastic resin plate 22, starts to progress completely. The decomposition temperature is 500°C. By setting the maximum temperature of the joint interface to be less than the complete thermal decomposition temperature, it is possible to suppress a decrease in the strength of general thermoplastic resins. Here, by using the friction stir welding tool 12, the temperature distribution of the weld interface can be made uniform, so the maximum temperature can be easily controlled, and the maximum temperature can be easily adjusted to 500 by changing the tool rotation speed, the tool press-in amount, etc. °C.

金属板20へツール挿入する際は大気中で行ってもよいが、接合部における金属板20の酸化や摩擦攪拌接合用ツール12の劣化等を抑制したい場合は、アルゴンガス等の不活性ガスをシールドガスとして用いることが好ましい。 When inserting the tool into the metal plate 20, it may be performed in the atmosphere. However, if it is desired to suppress oxidation of the metal plate 20 at the joint and deterioration of the friction stir welding tool 12, etc., an inert gas such as argon gas is used. It is preferably used as a shielding gas.

第二工程の後、金属板20に圧入した摩擦攪拌接合用ツールは挿入時と逆の経路を辿って元の位置に戻せばよいが、接合領域を拡大したい場合等は、接合位置から横方向に移動させてもよい。 After the second step, the friction stir welding tool that has been press-fitted into the metal plate 20 can be returned to its original position by following the path reversed from the time of insertion. You can move it to

摩擦攪拌点接合方法に用いる摩擦攪拌接合装置は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の摩擦攪拌接合装置を用いることができる。例えば、摩擦攪拌接合装置には位置制御方式、荷重制御方式及びトルク制御方式が存在するが、何れの装置を用いてもよい。 The friction stir welding apparatus used in the friction stir spot welding method is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known friction stir welding apparatuses can be used. For example, there are a position control system, a load control system, and a torque control system in the friction stir welding apparatus, and any of them may be used.

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。 Although representative embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various design changes are possible, and all such design changes are included in the technical scope of the present invention. be

≪実施例1≫
炭素繊維強化プラスチック板の上にA6061-T6アルミニウム合金板を重ね合わせ、アルミニウム合金板の表面から摩擦攪拌接合用ツールを圧入して摩擦攪拌点接合を施した。炭素繊維強化プラスチックはポリアミド6をマトリクスとし、20wt%の短炭素繊維がランダムに分散したものである。炭素繊維強化プラスチック板は100mm×25mm×3mm、アルミニウム合金板は100mm×25mm×2mmであり、各板の端部(50mm×50mm)を重畳させた。被接合材の配置状況の模式図を図6に示す。
<<Example 1>>
An A6061-T6 aluminum alloy plate was placed on a carbon fiber reinforced plastic plate, and friction stir spot welding was performed by press-fitting a friction stir welding tool from the surface of the aluminum alloy plate. The carbon fiber reinforced plastic has polyamide 6 as a matrix and 20 wt % of short carbon fibers are randomly dispersed. The carbon fiber reinforced plastic plate was 100 mm x 25 mm x 3 mm, the aluminum alloy plate was 100 mm x 25 mm x 2 mm, and the edges of each plate (50 mm x 50 mm) were overlapped. FIG. 6 shows a schematic diagram of the arrangement of the members to be joined.

摩擦攪拌接合用ツールの外観写真を図7、底面図及び側面図を図8にそれぞれ示す。図7においては摩擦攪拌面が上側となっている。摩擦攪拌接合用ツールは工具鋼製で直径が20mmの円柱状であり、摩擦攪拌接合面の中央に円盤状凹部を有している。円盤状凹部の直径は12mm、深さは0.2mmである。 FIG. 7 shows a photograph of the appearance of the friction stir welding tool, and FIG. 8 shows a bottom view and a side view of the tool. In FIG. 7, the friction stir surface is on the upper side. The friction stir welding tool is made of tool steel, has a cylindrical shape with a diameter of 20 mm, and has a disk-shaped recess in the center of the friction stir welding surface. The disc-shaped recess has a diameter of 12 mm and a depth of 0.2 mm.

摩擦攪拌点接合の条件は、ツール回転速度:1500rpm、ツール挿入速度:0.1mm/s、ツール挿入量:0.3mmとし、0.3mmのツール挿入量に到達後、直ちに上方に引き抜いた。ここで、挿入時のZ軸荷重(ツール印加荷重)を測定したところ、最大値は360~380kgfであった。 The conditions for friction stir spot welding were tool rotation speed: 1500 rpm, tool insertion speed: 0.1 mm/s, and tool insertion depth: 0.3 mm. Here, when the Z-axis load (tool applied load) during insertion was measured, the maximum value was 360 to 380 kgf.

得られた継手のアルミニウム合金板側からの外観写真を図9に示す。なお、炭素繊維強化プラスチック板との重畳領域に対応するアルミニウム合金板の表面は温度測定を目的として黒化処理を施しているが、当該重畳領域の中央に摩擦攪拌点接合部が形成されていることが確認できる。 A photograph of the appearance of the obtained joint from the aluminum alloy plate side is shown in FIG. The surface of the aluminum alloy plate corresponding to the overlapping area with the carbon fiber reinforced plastic plate is blackened for the purpose of temperature measurement, but a friction stir point joint is formed in the center of the overlapping area. can be confirmed.

得られた継手に対して図10に示す態様で引張試験を行ったところ、引張りせん断強度は6300~7000Nとなった。また、0.3mmのツール挿入量に到達後、当該位置において10秒間保持した後に上方に引き抜いたこと以外は上記と同様にして継手を作製し、当該継手に対しても引張試験を行ったところ、引張りせん断強度は8000~9000Nとなった。引張試験後の継手外観を図11に示すが、炭素繊維強化プラスチック板の母材破断となっている。 When a tensile test was performed on the obtained joint in the manner shown in FIG. 10, the tensile shear strength was 6300 to 7000N. In addition, after reaching the tool insertion amount of 0.3 mm, a joint was produced in the same manner as above except that it was held at that position for 10 seconds and then pulled upward, and a tensile test was also performed on the joint. , the tensile shear strength was 8000-9000N. Fig. 11 shows the appearance of the joint after the tensile test.

各被接合材及び摩擦攪拌接合用ツールの材質及び形状等を基に、サーモメカニカルモデルを組み込んだ非線形有限要素解析ソフトウェア(Ls-Dyna)を用いて接合温度分布をシミュレーションした結果を図12に示す。摩擦攪拌面の外周領域に広い範囲で接合温度が220~340℃となる領域が形成されており、当該領域において強固な接合界面が形成されたものと考えられる。なお、シミュレーション方法の詳細については、Journal of Materials Research and Technology 2021;12:1777-1793に開示されている。 Fig. 12 shows the results of simulating the welding temperature distribution using nonlinear finite element analysis software (Ls-Dyna) incorporating a thermomechanical model based on the materials and shapes of the materials to be welded and the friction stir welding tool. . A region with a welding temperature of 220 to 340° C. was formed over a wide range in the outer peripheral region of the friction stir surface, and it is considered that a strong joint interface was formed in this region. Details of the simulation method are disclosed in Journal of Materials Research and Technology 2021; 12: 1777-1793.

≪実施例2≫
図13の外観を有する摩擦攪拌接合用ツールを用いたこと以外は実施例1と同様にして、継手を得た。なお、摩擦攪拌接合用ツールは0.3mmのツール挿入量に到達後、直ちに上方に引き抜いた。ここで、挿入時のZ軸荷重(ツール印加荷重)を測定したところ、最大値は380~400kgfであった。
<<Example 2>>
A joint was obtained in the same manner as in Example 1 except that a friction stir welding tool having the appearance of FIG. 13 was used. The friction stir welding tool was pulled upward immediately after reaching the tool insertion amount of 0.3 mm. Here, when the Z-axis load (tool applied load) during insertion was measured, the maximum value was 380 to 400 kgf.

当該摩擦攪拌接合用ツールの底面図及び側面図を図14に示す。摩擦攪拌面の中央に円盤状凹部を有し、当該円盤状凹部の外周に2つの円環状凹部が設けられている。円盤状凹部の直径は6mm、円環状凹部の外径は11mm及び16mmである。 FIG. 14 shows a bottom view and a side view of the friction stir welding tool. A disk-shaped recess is provided in the center of the friction stir surface, and two annular recesses are provided on the outer periphery of the disk-shaped recess. The diameter of the disk-shaped recess is 6 mm, and the outer diameters of the annular recess are 11 mm and 16 mm.

実施例1と同様にして得られた継手の引張試験を行ったところ、引張りせん断強度は6000~6500Nとなった。また、実施例1と同様にして接合温度分布をシミュレーションした結果を図15に示す。実施例1の場合と同様に、摩擦攪拌面の外周領域に広い範囲で接合温度が220~340℃となる領域が形成されており、当該領域において強固な接合界面が形成されたものと考えられる。 A joint obtained in the same manner as in Example 1 was subjected to a tensile test, and the tensile shear strength was 6000 to 6500N. FIG. 15 shows the result of simulating the junction temperature distribution in the same manner as in Example 1. In FIG. As in the case of Example 1, a region where the welding temperature is 220 to 340 ° C. is formed in a wide range in the outer peripheral region of the friction stir surface, and it is considered that a strong joint interface was formed in this region. .

≪比較例≫
図16の外観を有する摩擦攪拌接合用ツールを用いたこと以外は実施例1と同様にして、継手を得た。当該摩擦攪拌接合用ツールは単純なφ20mmの円柱状となっており、摩擦攪拌面は凹部や凸部の無いフラットな形状を有している。なお、摩擦攪拌接合用ツールは0.3mmのツール挿入量に到達後、直ちに上方に引き抜いた。
≪Comparative example≫
A joint was obtained in the same manner as in Example 1 except that a friction stir welding tool having the appearance of FIG. 16 was used. The friction stir welding tool has a simple cylindrical shape with a diameter of 20 mm, and the friction stir surface has a flat shape without concave portions or convex portions. The friction stir welding tool was pulled upward immediately after reaching the tool insertion amount of 0.3 mm.

実施例1と同様にして得られた継手の引張試験を行ったところ、引張りせん断強度は4500~5200Nとなり、十分に高い値を得ることができなかった。実施例1と同様にして接合温度分布をシミュレーションした結果を図17に示す。実施例1及び実施例2の場合とは異なり、摩擦攪拌面の中央に500℃以上の高温領域が形成されている。加えて、ツール回転速度、ツール圧入荷重及びツール保持時間等の接合条件を種々調整した場合であっても、220~340℃となる領域を形成させつつ500℃以上の領域を除去することはできなかった。 When the joint obtained in the same manner as in Example 1 was subjected to a tensile test, the tensile shear strength was 4500 to 5200 N, which was not sufficiently high. FIG. 17 shows the result of simulating the junction temperature distribution in the same manner as in Example 1. In FIG. Unlike the cases of Examples 1 and 2, a high temperature region of 500° C. or higher is formed in the center of the friction stir surface. In addition, even when welding conditions such as tool rotation speed, tool press-fitting load, and tool holding time are variously adjusted, it is not possible to remove the region of 500°C or higher while forming the region of 220 to 340°C. I didn't.

ここで、炭素繊維強化プラスチックのマトリックスであるポリアミド6は500℃以上の高温に保持されると著しく強度低下することが知られており、フラットな摩擦攪拌面を有する摩擦攪拌接合用ツールでは、接合部の強度と信頼性を担保するために必要な良好な接合界面を広域に形成させることはできないことが分かる。 Here, polyamide 6, which is the matrix of carbon fiber reinforced plastic, is known to significantly decrease in strength when kept at a high temperature of 500°C or higher. It can be seen that it is not possible to form a good bonding interface over a wide area, which is necessary to ensure the strength and reliability of the part.

2・・・汎用摩擦攪拌接合用ツール、
4・・・基部、
6・・・摩擦攪拌面、
8・・・プローブ部、
10・・・摩擦攪拌プロセス用ツール、
12・・・摩擦攪拌接合用ツール、
14・・・円盤状凹部、
16・・・円環状凹部、
18・・・円環状凸部、
20・・・金属板、
22・・・熱可塑性樹脂板。
2... Tools for general-purpose friction stir welding,
4 ... base,
6 Friction stir surface,
8 ... probe part,
10 Tools for friction stir process,
12 . . . Tools for friction stir welding,
14... Disc-shaped recessed part,
16 Annular concave portion,
18 Annular projection,
20... metal plate,
22... Thermoplastic resin plate.

Claims (12)

略円柱状を呈する基部と、
前記基部の端面からなる摩擦攪拌面と、を有し、
前記摩擦攪拌面の中央に円盤状凹部を有すること、
を特徴とする摩擦攪拌接合用ツール。
a substantially cylindrical base;
a friction stir surface consisting of an end surface of the base,
Having a disk-shaped recess in the center of the friction stir surface;
A friction stir welding tool characterized by:
前記摩擦攪拌面に円環状凹部を有し、
前記円環状凹部が前記円盤状凹部を中心として前記円盤状凹部の外側に形成され、
前記円盤状凹部と前記円環状凹部の間には前記端面と同じ高さの円環状凸部を有すること、
を特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
Having an annular concave portion on the friction stir surface,
The annular recess is formed outside the disk-shaped recess centered on the disk-shaped recess,
having an annular protrusion having the same height as the end face between the disk-shaped recess and the annular recess;
The friction stir welding tool according to claim 1, characterized by:
内径及び外径の異なる前記円環状凹部を2つ以上有し、
前記円盤状凹部を中心として前記円環状凹部が形成され、
前記円環状凹部同士の間には前記端面と同じ高さの円環状凸部を有すること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の摩擦攪拌接合用ツール。
Having two or more annular recesses having different inner and outer diameters,
The annular concave portion is formed around the disk-shaped concave portion,
Having an annular projection having the same height as the end face between the annular recesses;
The friction stir welding tool according to claim 1 or 2, characterized by:
前記円盤状凹部及び前記円環状凹部の深さが0.1~0.3mmであること、
を特徴とする請求項1~3のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
The disc-shaped recess and the annular recess have a depth of 0.1 to 0.3 mm,
The tool for friction stir welding according to any one of claims 1 to 3, characterized by:
前記円盤状凹部の直径が3~9mmであること、
を特徴とする請求項1~4のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
the diameter of the disk-shaped recess is 3 to 9 mm;
The tool for friction stir welding according to any one of claims 1 to 4, characterized by:
前記円環状凹部の幅が1~1.5mmであること、
を特徴とする請求項2~5のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
The width of the annular concave portion is 1 to 1.5 mm,
The tool for friction stir welding according to any one of claims 2 to 5, characterized by:
前記円環状凸部の幅が1~1.5mmであること、
を特徴とする請求項2~6のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
The width of the annular protrusion is 1 to 1.5 mm,
The tool for friction stir welding according to any one of claims 2 to 6, characterized by:
前記基部の直径が10~30mmであること、
を特徴とする請求項1~7のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツール。
the base has a diameter of 10 to 30 mm;
The tool for friction stir welding according to any one of claims 1 to 7, characterized by:
金属板と熱可塑性樹脂板とを重ね合わせて被接合界面を形成させる第一工程と、
前記金属板の表面から回転させた摩擦攪拌接合用ツールを圧入して接合界面を形成させる第二工程と、を有し、
前記摩擦攪拌接合用ツールに請求項1~8のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌接合用ツールを用いること、
を特徴とする摩擦攪拌点接合方法。
a first step of overlapping a metal plate and a thermoplastic resin plate to form a bonded interface;
a second step of press-fitting a friction stir welding tool rotated from the surface of the metal plate to form a weld interface,
Using the friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 8 for the friction stir welding tool,
A friction stir spot welding method characterized by:
前記第二工程において、前記摩擦攪拌接合用ツールに印加する押込荷重を500kgf以下とすること、
を特徴とする請求項9に記載の摩擦攪拌点接合方法。
In the second step, the indentation load applied to the friction stir welding tool is 500 kgf or less;
The friction stir spot welding method according to claim 9, characterized in that:
前記第二工程において、前記接合界面の最高到達温度を前記熱可塑性樹脂板の完全熱分解温度未満とすること、
を特徴とする請求項9又は10に記載の摩擦攪拌点接合方法。
In the second step, setting the highest temperature reached at the joint interface to be less than the complete thermal decomposition temperature of the thermoplastic resin plate;
The friction stir spot welding method according to claim 9 or 10, characterized in that:
前記熱可塑性樹脂板を炭素繊維強化プラスチック(CFRP)とすること、
を特徴とする請求項9~11のうちのいずれかに記載の摩擦攪拌点接合方法。
using carbon fiber reinforced plastic (CFRP) as the thermoplastic resin plate;
The friction stir spot welding method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that:
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