JP2024042668A - Rotating tool for friction stir welding and friction stir welding method - Google Patents

Rotating tool for friction stir welding and friction stir welding method Download PDF

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JP2024042668A JP2023146321A JP2023146321A JP2024042668A JP 2024042668 A JP2024042668 A JP 2024042668A JP 2023146321 A JP2023146321 A JP 2023146321A JP 2023146321 A JP2023146321 A JP 2023146321A JP 2024042668 A JP2024042668 A JP 2024042668A
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公一 谷口
宗生 松下
海 冨田
匠平 岩田
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【課題】鋼板などの高剛性の被接合材を摩擦撹拌接合する場合にも、回転ツールの破損が発生しづらい耐久性の高い摩擦撹拌接合用回転ツールを提供する。【解決手段】2枚の被接合材を摩擦撹拌接合するのに用いる回転ツール1であって、凸状の曲面11を有する先端部10を備え、曲面11は、中央部に配置された円形の第1の平滑面12と、第1の平滑面12の外周に配置された円環状の起伏形状面13と、起伏形状面13の外周に配置された円環状の第2の平滑面14とを有することを特徴とする。【選択図】図1[Problem] To provide a highly durable friction stir welding rotating tool that is less likely to break even when friction stir welding highly rigid workpieces such as steel plates. [Solution] A rotating tool 1 used for friction stir welding two workpieces is provided, comprising a tip portion 10 having a convex curved surface 11, the curved surface 11 being characterized by having a circular first smooth surface 12 located at the center, an annular undulating surface 13 located on the outer periphery of the first smooth surface 12, and an annular second smooth surface 14 located on the outer periphery of the undulating surface 13. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、2枚の鋼板を接合する摩擦撹拌接合に用いる摩擦撹拌接合用回転ツール、及び摩擦撹拌接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding rotating tool used for friction stir welding to join two steel plates, and a friction stir welding method.

摩擦撹拌接合方法は、重ね合わせた又は突き合せた被接合材(例えば鋼板等)の未接合部に回転工具(例えば回転ツール)を挿入し、この回転ツールを回転しながら移動させ、これにより鋼板に摩擦熱を生じさせて軟化させながら、その軟化した部位を回転ツールで撹拌して塑性流動を起こすことによって、鋼板を接合する方法である。 In the friction stir welding method, a rotating tool (e.g., a rotary tool) is inserted into the unwelded part of the materials to be joined (e.g., steel plates, etc.) that are stacked or butted against each other, and the rotating tool is moved while rotating. This is a method of joining steel plates by generating frictional heat to soften the parts, and then stirring the softened parts with a rotating tool to cause plastic flow.

摩擦撹拌接合方法は、回転ツールと被接合材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であるため、未接合部を溶融させることなく接合できる。被接合材が溶融されないため、接合部の欠陥が少ないこと、また加熱温度が低いため接合後の変形が少ないこと、さらに接合に溶加材を必要としないこと等の多くの利点がある。 Since the friction stir welding method is a solid-phase welding method that utilizes plastic flow of metal due to frictional heat between a rotating tool and the materials to be welded, it is possible to join the materials without melting the unwelded parts. There are many advantages such as fewer defects in the joint because the materials to be joined are not melted, less deformation after joining because the heating temperature is low, and no filler metal required for joining.

なお、本明細書では、鋼板等の被接合材を重ね合わせた又は突き合わせただけで未だ接合されていない状態にある、重ね合わせ部分又は突き合わせ部分を「未接合部」と称し、接合されて一体化された部分を「接合部」と称する。 In addition, in this specification, the overlapping part or the butt part where the materials to be joined such as steel plates are overlapped or butted but not yet joined is referred to as the "unjoined part", and it is referred to as the "unjoined part", and it is referred to as the "unjoined part". The converted portion is called a “junction”.

自動車や船舶といった輸送機械において、燃費向上の観点から軽量化が強く求められている。その流れの中で、輸送機械に用いられる部材等として、スポット溶接やレーザ溶接が多く用いられている。しかし、それらは溶融接合であるため、超高張力鋼や高炭素材を溶接すると、溶接部はフルマルテンサイト組織となる。その結果、硬化が顕著となり、脆弱な溶接部となってしまう。 There is a strong demand for weight reduction in transportation machinery such as automobiles and ships from the perspective of improving fuel efficiency. In this trend, spot welding and laser welding are often used for parts used in transportation machines. However, since these are fusion joints, when ultra-high tensile steel or high carbon materials are welded, the welded part becomes a full martensitic structure. As a result, hardening becomes significant, resulting in a weak weld.

摩擦撹拌接合する方法として、例えば下記の特許文献1、2の技術がある。 Examples of friction stir welding methods include the techniques described in Patent Documents 1 and 2 below.

特許文献1には、摩擦撹拌接合方法をアルミニウム材のテーラードブランク部材へ適用することが記載されている。特許文献1に記載された技術では、回転ツール(接合工具の回転子)の回転軸線を、低位側の接合部材側に傾斜させ、接合部材の合わせ部に挿入する。すなわち、回転ツールは、接合方向に対して垂直方向に向けた状態で、合わせ部に沿って接合方向に移動することによって、接合部材の表面側から接合している。 Patent Document 1 describes applying a friction stir welding method to a tailored blank member made of aluminum material. In the technique described in Patent Document 1, the rotational axis of a rotary tool (rotor of a welding tool) is inclined toward a lower welding member, and the tool is inserted into a mating portion of the welding member. That is, the rotary tool moves in the joining direction along the mating portion in a state perpendicular to the joining direction, thereby joining the joining members from the surface side.

特許文献2には、摩擦撹拌接合方法を、アルミニウムやマグネシウムなどを材料とする被接合材のテーラードブランク部材へ適用することが記載されている。特許文献2に記載された技術においては、回転ツールとして、曲面形状のショルダを有するボビンツールを用いる。このボビンツールは、上基部、上部ショルダ、下基部、下部ショルダ及びショルダ間のプローブが一体に回転可能に構成される。 Patent Document 2 describes that a friction stir welding method is applied to a tailored blank member of a material to be welded made of aluminum, magnesium, or the like. In the technique described in Patent Document 2, a bobbin tool having a curved shoulder is used as the rotating tool. This bobbin tool is configured such that an upper base, an upper shoulder, a lower base, a lower shoulder, and a probe between the shoulders are rotatable together.

上述のように、摩擦撹拌接合方法は、回転ツールによって接合界面を撹拌して鋼板等の被接合材を接合する。回転ツールは接合時に大きな負荷を受けるため、これに起因して継手の接合不良が発生する恐れがある。そのため、回転ツールには、接合時における接合不良の発生を抑制することが求められている。 As described above, in the friction stir welding method, materials to be joined, such as steel plates, are joined by stirring the joining interface using a rotating tool. Since the rotating tool is subjected to a large load during welding, there is a risk that joint failure may occur due to this. Therefore, there is a need for rotary tools to suppress the occurrence of bonding defects during bonding.

接合不良の発生を抑制するものとして、例えば下記の特許文献3、4の技術がある。 As methods for suppressing the occurrence of bonding defects, there are, for example, techniques disclosed in Patent Documents 3 and 4 below.

特許文献3には、摩擦撹拌接合用ツールを被加工物の接合部に回転させながら押圧挿入して移動させる際に生じる、被加工物へのツールの押付け深さの変動に起因する欠陥を抑制するために、ツール深さを一定にする技術が記載されている。特許文献3に記載された技術においては、ショルダ及びピンを有するツールにおいて、被加工物にピンが押圧挿入されたときに該被加工物に接触するショルダの端面の外周側を傾斜面に形成し、この傾斜面によりツール押付け深さを制御する。 Patent Document 3 describes a method for suppressing defects caused by fluctuations in the pressing depth of the tool against the workpiece, which occurs when the friction stir welding tool is rotated and pressed into the welding part of the workpiece and moved. In order to achieve this, techniques have been described to maintain a constant tool depth. In the technique described in Patent Document 3, in a tool having a shoulder and a pin, the outer peripheral side of the end surface of the shoulder that contacts the workpiece when the pin is press-inserted into the workpiece is formed into an inclined surface. , the tool pressing depth is controlled by this inclined surface.

特許文献4には、ショルダ面に渦状の条溝を有する円錐台状に形成されたツールを用いて、接合を行う技術が記載されている。引用文献4に記載された技術においては、上記のツールによって、摩擦撹拌加工時におけるツールのショルダ部の沈み込みの抑制、及び加工部におけるバリの発生や肉厚の減少が少なく、また加工痕を目立ちにくくすることが可能となる。 Patent Document 4 describes a technique for performing joining using a tool formed in a truncated conical shape having a spiral groove on a shoulder surface. In the technology described in Cited Document 4, the above-mentioned tool suppresses the sinking of the shoulder part of the tool during friction stir processing, reduces the occurrence of burrs and decreases in wall thickness in the processed part, and also reduces processing marks. It is possible to make it less noticeable.

特開2002-35961号公報Japanese Patent Application Publication No. 2002-35961 特開2013-761号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-761 特開2003-290937号公報Japanese Patent Application Publication No. 2003-290937 特開2007-301579号公報Japanese Patent Application Publication No. 2007-301579

しかしながら、特許文献1に記載された技術は、接合部材として、アルミニウム又はその合金製を対象としており、例えば鉄鋼材料のような剛性の高い材料については全く考慮されていない。また、特許文献1に記載された技術では、板厚が異なる鋼板の接合時に、回転ツールの回転軸線を低位側の接合部材側(接合方向に対して垂直方向)に傾斜させる。そのため、剛性の高い材料を接合しようとすると、回転ツールを傾斜させることで生じる大きな負荷に耐えられずに回転ツールが破損するため、接合が困難である。また、上述の大きな負荷に耐えるために、回転ツールを設置する装置に十分な剛性が必要である。 However, the technique described in Patent Document 1 targets a bonding member made of aluminum or an alloy thereof, and does not take into consideration materials with high rigidity such as steel materials, for example. Further, in the technique described in Patent Document 1, when joining steel plates having different thicknesses, the rotation axis of the rotary tool is tilted toward the lower joining member (in a direction perpendicular to the joining direction). Therefore, when attempting to join highly rigid materials, it is difficult to join because the rotary tool cannot withstand the large load caused by tilting the rotary tool and breaks. Additionally, the equipment in which the rotary tool is installed needs to have sufficient rigidity to withstand the large loads mentioned above.

特許文献2に記載された技術においては、曲面形状の上部ショルダ及び下部ショルダを有するボビンツールを用いて接合する。しかし、ボビンツールを用いているため、上側及び下側のボビンツールの回転方向が同一となり、これにより塑性流動が上側と下側で同様の動きをする。そのため、特に上側及び下側のボビンツール間の距離が短い薄板の接合時や高速での接合時には、接合方向とボビンツールの回転方向が反対方向となるリトリーティングサイド側で、ボビンツールが通過した際に塑性流動によって空孔が生じ、接合部に線状の欠陥が生じやすくなるという問題がある。 In the technique described in Patent Document 2, joining is performed using a bobbin tool having a curved upper shoulder and lower shoulder. However, since a bobbin tool is used, the rotation directions of the upper and lower bobbin tools are the same, so that the plastic flow moves in the same way on the upper and lower sides. Therefore, especially when welding thin plates with a short distance between the upper and lower bobbin tools or when welding at high speed, the bobbin tool may pass through the retracting side where the welding direction and the rotation direction of the bobbin tool are opposite. In this case, there is a problem in that pores are generated due to plastic flow, and linear defects are likely to occur in the joint.

特許文献3に記載された技術では、装置にツールの押付け深さを制御するための機構が必要である。また、特許文献3に記載された技術では、被加工物としてアルミニウム合金を用いているが、特許文献3にはツールの強度特性に関する言及は特にない。そのため、被加工物として別の金属、特に高融点材や高硬度材を用いる際には、ツールの強度が足りず、接合できない問題がある。 The technique described in Patent Document 3 requires a mechanism for controlling the pressing depth of the tool in the device. Further, in the technique described in Patent Document 3, an aluminum alloy is used as a workpiece, but Patent Document 3 does not specifically mention the strength characteristics of the tool. Therefore, when using another metal, particularly a high melting point material or a high hardness material, as the workpiece, there is a problem that the tool cannot be joined due to insufficient strength.

特許文献4に記載された技術では、軟化した材料が食い込むことによるバリを発生しないようにするため、加工中に軟化した被加工材料を渦状の条溝に食い込ませて、ショルダ面に適度に保持し留める。そのため、特許文献4には、ツールの外周部から中央に近づくほど溝が深い方が良いと記載されている。しかし、ツールに巻き込む金属量が増加すると、鉄鋼材料のような高剛性の材料を対象とする際には、ツールの破損を生じ、接合が困難である。 In the technology described in Patent Document 4, in order to prevent burrs from being generated due to the softened material biting into the material, the softened material is forced into a spiral groove during processing, and is appropriately held and retained on the shoulder surface. For this reason, Patent Document 4 describes that the deeper the groove is, the closer it is to the center of the tool from the outer periphery. However, if the amount of metal wrapped around the tool increases, the tool can break and joining becomes difficult when working with highly rigid materials such as steel.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、鋼板等の高剛性の被接合材を摩擦撹拌接合する場合にも回転ツールの破損が発生しにくい、耐久性の高い摩擦撹拌接合用回転ツールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is a highly durable friction stir welding tool that is less likely to cause damage to the rotating tool even when friction stir welding highly rigid workpieces such as steel plates. The purpose is to provide rotating tools.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した。ここで、図3および図4を用いて、従来の摩擦撹拌接合用回転ツール(以下、単に「回転ツール」とも言う。)について説明する。図3は、従来の回転ツールの一例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。図3に示した回転ツール3は、その先端部30がプローブ31及びショルダ32、33のみで構成された回転ツールである。また、図4は、従来の回転ツールの別の例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。図4に示した回転ツール4は、その先端部40が凸形状の曲面41を有し、曲面41が平滑面のみで形成された回転ツールである。 The present inventors have made extensive studies to solve the above problems. Here, a conventional rotary tool for friction stir welding (hereinafter also simply referred to as a "rotary tool") will be described using FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a conventional rotary tool, in which (a) is a side view and (b) is a plan view. The rotary tool 3 shown in FIG. 3 is a rotary tool whose tip 30 is composed of only a probe 31 and shoulders 32 and 33. Moreover, FIG. 4 is a figure explaining another example of the conventional rotary tool, (a) is a side view, (b) is a top view. The rotary tool 4 shown in FIG. 4 is a rotary tool in which a distal end portion 40 has a convex curved surface 41, and the curved surface 41 is formed only of a smooth surface.

図3に示した従来の回転ツール3を用いて被接合材を摩擦撹拌接合する場合、先端部30がプローブ31を有しているため、接合時にプローブ31に大きな負荷がかかり、回転ツール3の破損が生じやすくなる。また、図4に示した従来の回転ツール4を用いて摩擦撹拌接合する場合、被接合材の撹拌を十分に行うことができず、接合不良が発生しやすくなる。 When friction stir welding the materials to be welded using the conventional rotary tool 3 shown in FIG. Damage is more likely to occur. Further, when friction stir welding is performed using the conventional rotary tool 4 shown in FIG. 4, the materials to be welded cannot be sufficiently stirred, and welding defects are likely to occur.

そこで、本発明者らは、回転ツールの破損の抑制および被接合材の十分な撹拌を実現する手段について鋭意検討を行い、次の結論を得た。 Therefore, the inventors of the present invention conducted extensive studies on means for suppressing damage to the rotary tool and achieving sufficient stirring of the materials to be joined, and came to the following conclusion.

(1)摩擦撹拌接合する場合には、回転ツールの先端部の表面を凸状の平滑な面とすることによって、回転ツールにかかる負荷が低減し、破損しにくくなる。
(2)先端部の中央部(最も先端の部分)と比較して応力負荷の小さい周辺部の表面を起伏形状とすることによって、塑性流動性を高めることができる。
(1) In the case of friction stir welding, by making the surface of the tip of the rotary tool a convex and smooth surface, the load on the rotary tool is reduced and it becomes less likely to be damaged.
(2) Plastic fluidity can be improved by making the surface of the peripheral part, which has a smaller stress load than the central part (the most distal part) of the tip, have an undulating shape.

以上の結論に基づいて、本発明者らは、回転ツールへの負荷が小さく、被接合材を十分に撹拌することができる摩擦撹拌接合用回転ツールを完成させるに至った。 Based on the above conclusion, the present inventors have completed a rotary tool for friction stir welding that places less load on the rotary tool and can sufficiently stir the materials to be welded.

すなわち、上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
[1]2枚の被接合材を摩擦撹拌接合するのに用いる回転ツールであって、
凸状の曲面を有する先端部を備え、
前記曲面は、中央部に配置された円形の第1の平滑面と、前記第1の平滑面の外周に配置された円環状の起伏形状面と、前記起伏形状面の外周に配置された円環状の第2の平滑面とを有することを特徴とする摩擦撹拌接合用回転ツール。
That is, the present invention for solving the above problems is as follows.
[1] A rotary tool used for friction stir welding two pieces of materials to be welded,
Equipped with a tip having a convex curved surface,
The curved surface includes a circular first smooth surface disposed in the center, an annular undulating surface disposed on the outer periphery of the first smooth surface, and a circular undulating surface disposed on the outer periphery of the first smooth surface. A rotary tool for friction stir welding, characterized in that it has an annular second smooth surface.

[2]前記起伏形状面が渦巻き形状を有する、前記[1]に記載の摩擦撹拌接合用回転ツール。 [2] The rotary tool for friction stir welding according to [1] above, wherein the undulating surface has a spiral shape.

[3]前記起伏形状面は、前記回転ツールの半径をrとしたときに、前記回転ツールの中心軸から0.20r~0.90rの範囲に配置されている、前記[2]に記載の摩擦撹拌接合用回転ツール。 [3] The undulating shaped surface is arranged in a range of 0.20r to 0.90r from the central axis of the rotary tool, where r is the radius of the rotary tool. Rotating tool for friction stir welding.

[4]前記回転ツールは、前記被接合材よりも硬い材質で構成されている、前記[1]~[3]のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用回転ツール。 [4] The rotary tool for friction stir welding according to any one of [1] to [3], wherein the rotary tool is made of a harder material than the materials to be welded.

[5]2枚の被接合材を突合せ部または重ね合わせ部の一方面側と他方面側にそれぞれ配置した一対の回転ツールを、互いに逆方向に回転させながら前記被接合材の突合せ部または重ね部に押圧して接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記被接合材の未接合部との摩擦熱により前記被接合材の未接合部を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記被接合材同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
前記回転ツールとして、前記[1]~[4]のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用回転ツールを用いることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
[5] A pair of rotary tools placed on one side and the other side of the abutting or overlapping portion of the two materials to be welded are rotated in opposite directions to rotate the abutting or overlapping portion of the materials to be welded. The unwelded portion of the welded material is softened by the frictional heat between the rotary tool and the unwelded portion of the welded material, and the softened portion is moved with the rotary tool. In a double-sided friction stir welding method in which the materials to be joined are joined by causing plastic flow by stirring,
A friction stir welding method characterized in that the rotary tool for friction stir welding according to any one of [1] to [4] is used as the rotary tool.

本発明によれば、鋼板等の高剛性の被接合材を摩擦撹拌接合する場合にも回転ツールの破損が発生しにくい、耐久性の高い摩擦撹拌接合用回転ツールを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly durable rotary tool for friction stir welding that is unlikely to be damaged even when friction stir welding highly rigid materials to be welded such as steel plates.

本発明による摩擦撹拌接合用回転ツールの一例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure explaining an example of the rotary tool for friction stir welding by this invention, (a) is a side view, (b) is a top view. 本発明による摩擦撹拌接合用回転ツールの別の例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。It is a figure explaining another example of the rotary tool for friction stir welding by this invention, (a) is a side view, (b) is a top view. 従来の回転ツールの一例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。It is a figure explaining an example of the conventional rotary tool, (a) is a side view, (b) is a top view. 従来の回転ツールの別の例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。It is a figure explaining another example of the conventional rotary tool, (a) is a side view, (b) is a top view. 比較例による回転ツールの一例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。It is a figure explaining an example of the rotation tool by a comparative example, (a) is a side view, (b) is a top view. 比較例による回転ツールの別の例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。It is a figure explaining another example of the rotary tool by a comparative example, (a) is a side view, (b) is a top view. 本発明による摩擦撹拌接合方法を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a friction stir welding method according to the present invention.

(摩擦撹拌接合用回転ツール)
以下、各図を参照して、本発明による摩擦撹拌接合用回転ツールの実施形態について説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されない。図1は、本発明による摩擦撹拌接合用回転ツールの一例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。図1に示した回転ツール1は、2枚の被接合材を摩擦撹拌接合するのに用いる回転ツールであって、凸状の曲面11を有する先端部10を備える。ここで、曲面11は、中央部に配置された円形の平滑面(第1の平滑面)12と、第1の平滑面12の外周に配置された円環状の起伏形状面13と、起伏形状面13の外周に配置された円環状の平滑面(第2の平滑面)14とを有することを特徴とする。図1(b)に示すように、回転ツール1の先端部10は、平面視した際に円形である。
(Rotary tool for friction stir welding)
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, with reference to each figure, embodiment of the rotary tool for friction stir welding by this invention is described. Note that the present invention is not limited to this embodiment. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a rotary tool for friction stir welding according to the present invention, in which (a) is a side view and (b) is a plan view. A rotary tool 1 shown in FIG. 1 is a rotary tool used for friction stir welding two pieces of materials to be welded, and includes a tip portion 10 having a convex curved surface 11. Here, the curved surface 11 includes a circular smooth surface (first smooth surface) 12 arranged in the center, an annular undulating surface 13 arranged on the outer periphery of the first smooth surface 12, and an undulating shape. It is characterized by having an annular smooth surface (second smooth surface) 14 arranged on the outer periphery of the surface 13. As shown in FIG. 1(b), the tip portion 10 of the rotary tool 1 has a circular shape when viewed from above.

第1の平滑面12は、回転ツール1の先端部10における最も先端な部分(すなわち、回転ツール1の回転軸付近の部分)の表面である。この部分の表面が平滑面であることによって、鋼板などの高剛性の被接合材を接合する際に回転ツール1への負荷を低減することができ、回転ツール1の破損を抑制することができる。なお、本明細書において、「平滑面」とは、回転ツール1をその回転軸を鉛直方向に沿って配置した際に、回転ツール1の回転軸から径方向外側に向かうにつれて、高さ位置が連続的かつ単調に変化する面を意味している。具体的には、第1の平滑面12は溝や段差などのない面である。 The first smooth surface 12 is the surface of the most distal portion of the distal end portion 10 of the rotary tool 1 (that is, the portion near the rotation axis of the rotary tool 1). Since the surface of this part is smooth, the load on the rotary tool 1 can be reduced when welding highly rigid materials to be welded such as steel plates, and damage to the rotary tool 1 can be suppressed. . In addition, in this specification, a "smooth surface" means that when the rotary tool 1 is arranged with its rotation axis along the vertical direction, the height position increases as it goes radially outward from the rotation axis of the rotary tool 1. It means a surface that changes continuously and monotonically. Specifically, the first smooth surface 12 is a surface without grooves or steps.

起伏形状面13は、第1の平滑面12の外周(すなわち、回転ツール1の回転軸から径方向外側)に配置された部分の表面である。回転ツール1の先端部10が起伏形状面13を有することによって、被接合材の塑性流動を十分に起こすことができ、接合不良を抑制することができる。図1に示した回転ツール1においては、先端部10の凸状の平滑な曲面11に溝Gを設けることによって起伏形状面13が形成されている。なお、本明細書において、「起伏形状面」とは、回転ツール1をその回転軸を鉛直方向に沿って配置した際に、回転ツール1の回転軸から径方向外側に向かうにつれて、高さ位置が不連続に変化する部分を有する面を意味している。具体的には、起伏形状面13は溝や段差などを有する面である。 The undulating surface 13 is a surface of a portion disposed on the outer periphery of the first smooth surface 12 (that is, radially outward from the rotation axis of the rotary tool 1). Since the tip portion 10 of the rotary tool 1 has the undulating surface 13, plastic flow of the materials to be welded can be sufficiently generated, and poor joining can be suppressed. In the rotary tool 1 shown in FIG. 1, an undulating surface 13 is formed by providing a groove G in a convex smooth curved surface 11 of the tip portion 10. As shown in FIG. Note that in this specification, the term "undulating surface" refers to a height position that increases from the rotation axis of the rotation tool 1 toward the outside in the radial direction when the rotation tool 1 is arranged with its rotation axis in the vertical direction. It means a surface that has a part where the value changes discontinuously. Specifically, the undulating surface 13 is a surface having grooves, steps, and the like.

上記溝Gの形状は、特に限定されず、図1に示すような断面が矩形のものや半円状、半楕円状、V字状、多角形状などの任意の形状とすることができる。中でも、被接合材の塑性流動を最も良好に起こすことができることから、矩形形状が好ましい。 The shape of the groove G is not particularly limited, and can be any shape such as a rectangular cross section as shown in FIG. 1, a semicircle, a semiellipse, a V-shape, or a polygonal shape. Among these, a rectangular shape is preferred because it can best induce plastic flow in the materials to be joined.

また、溝Gの幅Gwは、0.1mm以上5mm以下とすることが好ましい。これにより、被接合材の塑性流動を更に起こすことができ、接合不良をより抑制することができる。また、上記溝Gの深さGdは、0.1mm以上3mm以下とすることが好ましい。これにより、被接合材の塑性流動を更に起こすことができ、接合不良をより抑制することができる。上記溝Gの幅Gwは、溝Gの延在方向のどの位置でも上記範囲を満たすことが好ましい。また、溝Gの深さGdは、溝Gの中央部、外周部、内周部のどの位置においても、上記範囲を満たすことが好ましい。 The width Gw of the groove G is preferably 0.1 mm or more and 5 mm or less. This allows the joined materials to further undergo plastic flow, and joining defects can be further suppressed. The depth Gd of the groove G is preferably 0.1 mm or more and 3 mm or less. This allows the joined materials to further undergo plastic flow, and joining defects can be further suppressed. The width Gw of the groove G preferably satisfies the above range at any position in the extension direction of the groove G. The depth Gd of the groove G preferably satisfies the above range at any position in the center, outer periphery, and inner periphery of the groove G.

起伏形状面13は、渦巻き形状(螺旋形状)を有していることが好ましい。これにより、被接合材の塑性流動を更に起こすことができる。そして、摩擦熱によって軟化した金属などの被接合材の材料を回転ツール1の回転軸の中心方向や法線方向へ選択的に流動させることができ、材料の撹拌をより良好に制御することができる。 It is preferable that the undulating surface 13 has a spiral shape (helical shape). Thereby, plastic flow of the welded materials can be further caused. The materials to be welded, such as metals, softened by frictional heat can be selectively flowed toward the center or normal direction of the rotating shaft of the rotary tool 1, and the stirring of the materials can be better controlled. can.

上記渦巻き形状を構成する渦は、回転ツール1の回転方向に対して反対方向に(すなわち、回転方向に沿って中央部(第1の平滑面12)側に向かうように)設けることが好ましい。また、渦の数は、1つ以上設けることが好ましい。渦の数は、先端部10の直径に依存し、先端部10の直径が大きいほど多くし、先端部10の直径が小さいほど少なくすることが好ましい。具体的には、先端部10の直径が6mmより小さい場合には、渦の数を2以下とし、先端部10の直径が6mm以上の場合には、渦の数を3~6とすることが好ましい。なお、図1に示した回転ツール1においては、渦の数は4である。 It is preferable that the vortex constituting the spiral shape be provided in the opposite direction to the rotation direction of the rotary tool 1 (that is, toward the central portion (first smooth surface 12) along the rotation direction). Moreover, it is preferable to provide one or more vortices. The number of vortices depends on the diameter of the tip 10, and it is preferable to increase the number of vortices as the diameter of the tip 10 becomes larger, and to decrease the number as the diameter of the tip 10 becomes smaller. Specifically, when the diameter of the tip 10 is smaller than 6 mm, the number of vortices can be set to 2 or less, and when the diameter of the tip 10 is 6 mm or more, the number of vortices can be set to 3 to 6. preferable. Note that in the rotary tool 1 shown in FIG. 1, the number of vortices is four.

起伏形状面13は、回転ツール1の半径をrとしたときに、回転ツール1の中心軸から0.20r~0.90rの範囲に配置されていることが好ましい。より好ましくは、起伏形状面13は、回転ツール1の半径をrとしたときに、回転ツール1の中心軸から0.20r~0.90rの範囲内にのみ配置される。さらに好ましくは0.40r~0.70rの範囲内にのみ配置される。これにより、回転ツール1への負荷を低減することができ、また被接合材の十分な組成流動性を担保することができる。 The undulating surface 13 is preferably arranged within a range of 0.20r to 0.90r from the central axis of the rotary tool 1, where r is the radius of the rotary tool 1. More preferably, the undulating surface 13 is arranged only within a range of 0.20r to 0.90r from the central axis of the rotary tool 1, where r is the radius of the rotary tool 1. More preferably, it is arranged only within the range of 0.40r to 0.70r. Thereby, the load on the rotary tool 1 can be reduced, and sufficient compositional fluidity of the materials to be joined can be ensured.

第2の平滑面14は、起伏形状面13の外周に配置された面である。回転ツール1の先端部10が第2の平滑面14を有することによって、第1の平滑面12と同様に、鋼板等の高剛性の被接合材を接合する際に回転ツール1への負荷を低減することができ、回転ツール1の破損を抑制することができる。また、起伏形状面13の外周に第2の平滑面14を配置することによって、起伏形状面13による被接合材の塑性流動性を調整することができる。 The second smooth surface 14 is a surface disposed on the outer periphery of the undulating surface 13. Since the tip portion 10 of the rotary tool 1 has the second smooth surface 14, similarly to the first smooth surface 12, the load on the rotary tool 1 is reduced when welding highly rigid workpieces such as steel plates. Therefore, damage to the rotary tool 1 can be suppressed. Further, by arranging the second smooth surface 14 on the outer periphery of the undulating surface 13, the plastic fluidity of the welded materials due to the undulating surface 13 can be adjusted.

回転ツール1は、被接合材よりも硬い材質で構成されていることが好ましい。これにより、鋼板等の被接合材に摩擦熱をより良好に生じさせて軟化させ、軟化した部位を回転ツールで撹拌してより良好に塑性流動を起こして、より良好に接合することができる。なお、鋼板等の被接合材および回転ツール1の上記した硬さは、例えば高温ビッカース硬さ試験方法(JIS Z 2252)を用いて測定することができる。 The rotating tool 1 is preferably made of a material harder than the materials to be joined. This allows frictional heat to be more effectively generated in the materials to be joined, such as steel plates, to be softened, and the softened area can be stirred with the rotating tool to more effectively induce plastic flow and achieve better joining. The above-mentioned hardness of the materials to be joined, such as steel plates, and the rotating tool 1 can be measured, for example, using the high-temperature Vickers hardness test method (JIS Z 2252).

なお、接合対象の被接合材は、特に限定されないが、超ハイテン(高張力鋼板)等の鋼板を好適に接合することができる。また、被接合材の板厚は、20mm以下であることが好ましい。板厚が異なる2枚の被接合材を接合する場合、板厚比(板厚の大きい鋼板の板厚/板厚の小さい鋼板の板厚)は1.6以下が好ましい。被接合材の板厚および板厚比を上記範囲とすることによって、被接合材をより良好に接合することができる。 Note that the materials to be joined are not particularly limited, but steel plates such as ultra-high tensile strength steel plates can be suitably joined. Moreover, it is preferable that the plate thickness of the material to be joined is 20 mm or less. When joining two materials to be joined having different thicknesses, the thickness ratio (thickness of thicker steel plate/thickness of smaller steel plate) is preferably 1.6 or less. By setting the thickness and plate thickness ratio of the materials to be joined within the above range, the materials to be joined can be joined more favorably.

被接合材として鋼板を用いる場合、対象鋼種としては一般的な構造用鋼や炭素鋼、例えばJIS(日本工業規格)G 3106の溶接構造用圧延鋼材、JIS G 4051の機械構造用炭素鋼などを好適に用いることができる。また、引張強さが800MPa以上の高強度構造用鋼も好適に用いることができる。このような鋼板を用いる場合であっても、接合部において、鋼板(母材)の引張強さの85%以上の強度、さらには90%以上の強度、さらに好ましくは95%以上の強度を得ることができる。 When using steel plates as the material to be joined, the applicable steel types are general structural steels and carbon steels, such as JIS (Japanese Industrial Standards) G 3106 rolled steel for welded structures, JIS G 4051 carbon steel for machine structures, etc. It can be suitably used. Further, high-strength structural steel having a tensile strength of 800 MPa or more can also be suitably used. Even when such steel plates are used, a strength of 85% or more of the tensile strength of the steel plate (base material), further 90% or more, more preferably 95% or more of the tensile strength of the steel plate (base material) can be obtained at the joint. be able to.

上記本発明による回転ツール1は、2枚の被接合材を突合せ接合する両面摩擦撹拌接合方法に好適に用いることができる。 The rotary tool 1 according to the present invention described above can be suitably used in a double-sided friction stir welding method in which two pieces of materials to be welded are butt-joined.

このように、本発明による回転ツール1は、その先端部10が凸状の曲面11を有している。これにより、被接合材を接合する際に回転ツール1への負荷が低減し、回転ツール1の破損を抑制することができる。また、先端部10が凸状の曲面11を有していることにより、厚みが同じ2つの被接合材だけでなく厚みが異なる2つの被接合材を良好に接合することもできる。さらに、回転ツール1は、凸状の曲面11が第1の平滑面12の外周に円環状の起伏形状面13を有することにより、被接合材の塑性流動を十分に起こすことができ、接合不良を抑制することができる。 As described above, the rotary tool 1 according to the present invention has a convex curved surface 11 at its tip 10. Thereby, the load on the rotary tool 1 is reduced when joining the materials to be welded, and damage to the rotary tool 1 can be suppressed. Further, since the tip portion 10 has the convex curved surface 11, it is possible to successfully join not only two materials to be joined with the same thickness but also two materials to be joined with different thicknesses. Furthermore, since the convex curved surface 11 has an annular undulating surface 13 on the outer periphery of the first smooth surface 12, the rotary tool 1 can sufficiently cause plastic flow of the materials to be welded, resulting in poor welding. can be suppressed.

図2は、本発明による摩擦撹拌接合用回転ツールの別の例を説明する図であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。図2に示した回転ツール2は、凸状の曲面21を有する先端部20を備える。ここで、曲面21は、中央部に配置された円形の平滑面(第1の平滑面)22と、第1の平滑面22の外周に配置された円環状の起伏形状面23と、起伏形状面23の外周に配置された円環状の平滑面(第2の平滑面)24とを有する。図2(b)に示すように、回転ツール2の先端部20は、平面視した際に円形である。 Figure 2 is a diagram illustrating another example of a rotating tool for friction stir welding according to the present invention, where (a) is a side view and (b) is a plan view. The rotating tool 2 shown in Figure 2 has a tip portion 20 having a convex curved surface 21. Here, the curved surface 21 has a circular smooth surface (first smooth surface) 22 located in the center, an annular undulating surface 23 located on the outer periphery of the first smooth surface 22, and an annular smooth surface (second smooth surface) 24 located on the outer periphery of the undulating surface 23. As shown in Figure 2(b), the tip portion 20 of the rotating tool 2 is circular when viewed in a plan view.

図2に示した回転ツール2においては、起伏形状面23が、段差Sを設けることによって形成されている。図1に示した回転ツール1と同様に、このような起伏形状面23を有する回転ツール2によっても、被接合材の塑性流動を起こすことができ、接合不良を抑制することができる。また、回転ツール2は、その先端部20が凸状の曲面21を有しているため、接合時の回転ツール2への負荷を低減して回転ツール2の破損を抑制することができ、厚みが異なる2つの被接合材についても良好に接合することができる。 In the rotary tool 2 shown in FIG. 2, the undulating surface 23 is formed by providing a step S. As shown in FIG. Similar to the rotary tool 1 shown in FIG. 1, the rotary tool 2 having such an undulating surface 23 can cause plastic flow of the materials to be welded, thereby suppressing joint defects. In addition, since the rotary tool 2 has a convex curved surface 21 at its tip 20, the load on the rotary tool 2 during welding can be reduced and damage to the rotary tool 2 can be suppressed. It is also possible to successfully join two materials to be joined that have different values.

上記段差Sの幅Swは、0.1mm以上5mm以下とすることが好ましい。これにより、被接合材の塑性流動を更に起こすことができ、接合不良をより抑制することができる。また、上記段差Sの深さSdは、0.1mm以上3mm以下とすることが好ましい。これにより、被接合材の塑性流動を更に起こすことができ、接合不良をより抑制することができる。上記段差Sの幅Swは、段差Sの延在方向のどの位置でも上記範囲を満たすことが好ましい。また、段差Sの深さSdは、段差Sの中央部、外周部、内周部のどの位置においても、上記範囲を満たすことが好ましい。 The width Sw of the step S is preferably 0.1 mm or more and 5 mm or less. Thereby, plastic flow of the materials to be joined can be further caused, and joining defects can be further suppressed. Further, the depth Sd of the step S is preferably 0.1 mm or more and 3 mm or less. Thereby, plastic flow of the materials to be joined can be further caused, and joining defects can be further suppressed. It is preferable that the width Sw of the step S satisfies the above range at any position in the extending direction of the step S. Further, it is preferable that the depth Sd of the step S satisfies the above range at any position of the step S at the center, outer periphery, and inner periphery.

(摩擦撹拌接合方法)
本発明による摩擦撹拌接合方法は、2枚の被接合材を突合せ部または重ね合わせ部の一方面側と他方面側にそれぞれ配置した一対の回転ツールを、互いに逆方向に回転させながら被接合材の突合せ部または重ね部に押圧して接合方向に移動させ、回転ツールと被接合材の未接合部との摩擦熱により被接合材の未接合部を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて被接合材同士を接合する摩擦撹拌接合方法である。ここで、上記回転ツールとして、上述した本発明による摩擦撹拌接合用回転ツールを用いることを特徴とする。
(Friction stir welding method)
In the friction stir welding method according to the present invention, a pair of rotary tools, each of which is placed on one side and the other side of an abutting or overlapping part of two pieces of workpieces, are rotated in opposite directions to join the workpieces together. The rotating tool presses against the butt or overlapping part of the material and moves it in the welding direction, softening the unwelded part of the material to be joined by the frictional heat between the rotating tool and the unwelded part of the material to be joined, and then moving the softened part with the rotating tool. This is a friction stir welding method in which materials to be welded are joined together by stirring to create plastic flow. Here, the rotary tool is characterized in that the rotary tool for friction stir welding according to the present invention described above is used as the rotary tool.

上述のように、本発明による回転ツールは、その先端部が凸状の曲面を有している。そのため、本発明による回転ツールを用いて被接合材を接合することによって、回転ツールへの負荷が低減し、回転ツールの破損を抑制することができる。また、厚みが異なる2つの被接合材を良好に接合することもできる。さらに、本発明による回転ツールは、凸状の曲面が第1の平滑面の外周に円環状の起伏形状面を有している。そのため、本発明による回転ツールを用いて被接合材を接合することによって、被接合材の塑性流動を十分に起こすことができ、接合不良を抑制して欠陥のない継手を作製することができる。 As described above, the rotary tool according to the present invention has a convex curved surface at its tip. Therefore, by joining materials to be welded using the rotary tool according to the present invention, the load on the rotary tool can be reduced and damage to the rotary tool can be suppressed. In addition, two materials to be joined having different thicknesses can be joined satisfactorily. Further, in the rotary tool according to the present invention, the convex curved surface has an annular undulating surface on the outer periphery of the first smooth surface. Therefore, by joining the materials to be joined using the rotary tool according to the present invention, it is possible to sufficiently induce plastic flow in the materials to be joined, suppressing joint defects and producing a defect-free joint.

本発明による摩擦撹拌接合方法により、2枚の被接合材を重ね合わせた重ね合わせ部分、および2枚の被接合材を突き合わせた突き合わせ部分の双方について接合を行うことができるが、特に、突き合わせ部分について良好に接合を行うことができる。 By the friction stir welding method according to the present invention, it is possible to join both the overlapping part where two pieces of workpieces are overlapped and the butt part where two pieces of workpieces are butted, but in particular, the butt part It is possible to perform good bonding.

図7は、本発明による摩擦撹拌接合方法の一例を説明する図であり、2枚の鋼板の突合せ部を接合する場合に関する図である。図7に示すように、2枚の鋼板の端面(突き合わせ面)を互いに突き合わせて配置し、把持装置で把持する。次いで、鋼板の未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツール(例えば、図1に示した回転ツール1)を互いに逆方向に回転させ、回転ツールを、接合中央線上に位置する鋼板の未接合部に挿入する。そして、回転ツールを、未接合部において、鋼板を押圧しつつ、回転しながら接合する部分に沿って接合方向に移動させる。これにより、回転ツールと鋼板の摩擦熱によって両鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで撹拌することによって塑性流動を生じさせて、鋼板を接合することができる。突き合わせた部分において接合が完了した部分は接合部である。 FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the friction stir welding method according to the present invention, and is a diagram relating to the case of joining the butt portions of two steel plates. As shown in FIG. 7, two steel plates are arranged so that their end surfaces (butting surfaces) abut against each other, and are gripped by a gripping device. Next, a pair of rotary tools (for example, rotary tool 1 shown in FIG. 1) placed on one side and the other side of the unjoined portion of the steel plates are rotated in opposite directions, and the rotary tools are aligned on the welding center line. Insert into the unjoined part of the steel plate. Then, the rotary tool is moved in the joining direction along the part to be joined while rotating while pressing the steel plate in the unjoined part. Thereby, the steel plates can be joined by softening both steel plates due to frictional heat between the rotating tool and the steel plate, and stirring the softened portion with the rotating tool to generate plastic flow. The portion where the joining is completed in the abutted portion is a joint portion.

接合条件については、本発明による回転ツールを両面摩擦撹拌接合方法で用いた場合には、回転ツールの回転数は100~5000r/minが好ましく、300~3000r/minがより好ましい。回転数を当該範囲内とすることによって、表面形状を良好に保ちながら、過度な熱量の投入による機械特性の低下を抑制する効果がある。 Regarding the welding conditions, when the rotary tool according to the present invention is used in a double-sided friction stir welding method, the rotation speed of the rotary tool is preferably 100 to 5000 r/min, more preferably 300 to 3000 r/min. By controlling the rotational speed within this range, it is possible to maintain a good surface shape while suppressing deterioration of mechanical properties due to excessive input of heat.

また、接合速度は、300mm/min以上が好ましく、500mm/min以上がより好ましい。接合速度を当該範囲内とすることで、過度な熱量の投入による機械特性の低下を抑制する効果がある。 Further, the joining speed is preferably 300 mm/min or more, more preferably 500 mm/min or more. Setting the joining speed within this range has the effect of suppressing deterioration of mechanical properties due to input of excessive heat.

さらに、回転ツールの傾斜角度(回転ツールの回転軸を、鉛直方向の垂線から接合方向後方に傾斜させたときの、回転軸と鉛直方向とのなす角)は、3度以下が好ましい。 Furthermore, the inclination angle of the rotary tool (the angle formed between the rotary axis and the vertical direction when the rotary axis of the rotary tool is tilted backward in the welding direction from the perpendicular line in the vertical direction) is preferably 3 degrees or less.

このように、本発明による回転ツールを用いて被接合材の摩擦撹拌接合を行うことによって、回転ツールへの負荷を軽減が可能となり、かつ欠陥のない継手を作製することができる。 As described above, by performing friction stir welding of materials to be welded using the rotary tool according to the present invention, it is possible to reduce the load on the rotary tool and to produce a defect-free joint.

以下、本発明の作用および効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。 Hereinafter, the functions and effects of the present invention will be explained using Examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.

(発明例1~8)
本発明による摩擦撹拌接合方法により、2枚の被接合材を接合した。その際、被接合材としては、板厚が異なる(板厚1.2mm、1.6mm)1180MPa級冷延鋼板2枚を用いた。なお、鋼板母材に対して測定した5打点の平均ビッカース硬さは401である。
(Invention examples 1 to 8)
Two pieces of materials to be joined were joined by the friction stir welding method according to the present invention. At that time, two 1180 MPa class cold rolled steel plates having different thicknesses (1.2 mm and 1.6 mm) were used as the materials to be joined. Note that the average Vickers hardness at 5 points measured on the steel plate base material was 401.

上記板厚が異なる2枚の鋼板の端面をフライス加工により平坦化し、その端面を図7に示すように突き合せた。次いで、鋼板の未接合部の一方面側と他方面側のそれぞれに、図1に示した回転ツール1を配置した。その際、上面側の回転ツール1は、接合方向に対して垂直方向の傾斜をつけずに(すなわち、回転ツール1の回転軸を鋼板の表面に垂直に)、未接合部の一方面側(上面側)および他方面側(下面側)に一対の回転ツールを配置した。 The end surfaces of the two steel plates having different thicknesses were flattened by milling, and the end surfaces were butted together as shown in FIG. Next, the rotary tool 1 shown in FIG. 1 was placed on each of one side and the other side of the unjoined portion of the steel plates. At that time, the rotating tool 1 on the upper side is not tilted in the direction perpendicular to the welding direction (that is, the rotation axis of the rotating tool 1 is perpendicular to the surface of the steel plate), and the rotating tool 1 on the one side of the unwelded part ( A pair of rotating tools were placed on the upper surface side (upper surface side) and the other surface side (lower surface side).

回転ツール1の寸法は、回転ツール1の径D1:25mm、第1の平滑面12の径D2:12mm、起伏形状面13の径D3:16mm、曲面11の曲率半径:20mmである。また、溝Gの深さGd:0.5mm、溝Gの幅Gw:0.5mmである。なお、上記溝Gの幅Gwおよび深さGdについては、中央の溝Gかつ中央位置の値であり、回転ツール1の形状上、不可避な差異として、±0.1mmの差異がある。以下の実施例についても、同様である。 The dimensions of the rotary tool 1 are a diameter D1 of the rotary tool 1: 25 mm, a diameter D2 of the first smooth surface 12: 12 mm, a diameter D3 of the undulating surface 13: 16 mm, and a radius of curvature of the curved surface 11: 20 mm. Further, the depth Gd of the groove G is 0.5 mm, and the width Gw of the groove G is 0.5 mm. Note that the width Gw and depth Gd of the groove G are the values for the central groove G and the central position, and there is an unavoidable difference of ±0.1 mm due to the shape of the rotary tool 1. The same applies to the following examples.

上述のように配置した上面側の回転ツール1を反時計周りに回転させるとともに、下面側の回転ツール1を時計回りに回転させ、一対の回転ツール1を互いに逆方向に回転させた。この状態で、鋼板の上面側および下面側の両方から回転ツール1を鋼板に押圧し、一対の回転ツール1を接合方向に移動させて、接合長1mの鋼板の接合を50回実施し、接合長50mの接合継手を作製した。接合条件を表1に示す。 The upper rotating tool 1 arranged as described above was rotated counterclockwise, the lower rotating tool 1 was rotated clockwise, and the pair of rotating tools 1 were rotated in opposite directions. In this state, the rotary tool 1 is pressed against the steel plate from both the upper and lower sides of the steel plate, and the pair of rotary tools 1 are moved in the welding direction to join the steel plates with a welding length of 1 m 50 times. A joining joint with a length of 50 m was produced. The bonding conditions are shown in Table 1.

Figure 2024042668000002
Figure 2024042668000002

(発明例9~18)
発明例1~8と同様に、本発明による摩擦撹拌接合方法により、2枚の被接合材を接合した。ただし、回転ツールとしては、図2に示した回転ツール2を用いた。回転ツール2の寸法は、回転ツール2の径D1:25mm、第1の平滑面22の径D2:12mm、起伏形状面23の径D3:16mm、曲面21の曲率半径:20mmである。また、段差Sの深さSd:0.1mm、段差Sの幅Sw:0.5mmである。なお、上記段差Sの深さSdおよび幅Swについては、中央の段差Sかつ中央位置の値であり、回転ツール2の形状上、不可避な差異として、±0.03mmの差異がある。接合条件を表1に示す。
(Invention Examples 9 to 18)
As in Invention Examples 1 to 8, two pieces of materials to be welded were joined by the friction stir welding method according to the present invention. However, as the rotating tool, the rotating tool 2 shown in FIG. 2 was used. The dimensions of the rotary tool 2 are a diameter D1 of the rotary tool 2: 25 mm, a diameter D2 of the first smooth surface 22: 12 mm, a diameter D3 of the undulating surface 23: 16 mm, and a radius of curvature of the curved surface 21: 20 mm. Further, the depth Sd of the step S is 0.1 mm, and the width Sw of the step S is 0.5 mm. Note that the depth Sd and width Sw of the step S are the values at the center step S and the center position, and there is an unavoidable difference of ±0.03 mm due to the shape of the rotary tool 2. The bonding conditions are shown in Table 1.

(従来例1~18)
発明例1~8と同様に、本発明による摩擦撹拌接合方法により、2枚の被接合材を接合した。ただし、従来例1~9の回転ツールは、図3に示した回転ツール3を用いた。また、従来例10~18の回転ツールは、図4に示した回転ツール4を用いた。回転ツール3の寸法は、回転ツール3の径D1:25mm、プローブ31の径D4:5mm、ショルダ32の径D5:10mm、プローブ長さL:0.5mm、凹面深さ(すなわち、図3(a)におけるプローブ31の最下端部の高さ位置と、ショルダ32とショルダ33との接続部の高さ位置との差):0.3mmである。また、回転ツール4の寸法は、回転ツール4の径D1:25mm、曲面41の曲率半径:20mmである。接合条件を表1に示す。
(Conventional examples 1 to 18)
As in Invention Examples 1 to 8, two pieces of materials to be welded were joined by the friction stir welding method according to the present invention. However, for the rotary tools of Conventional Examples 1 to 9, the rotary tool 3 shown in FIG. 3 was used. Further, as the rotary tools of Conventional Examples 10 to 18, the rotary tool 4 shown in FIG. 4 was used. The dimensions of the rotary tool 3 are: diameter D1 of the rotary tool 3: 25 mm, diameter D4 of the probe 31: 5 mm, diameter D5 of the shoulder 32: 10 mm, probe length L: 0.5 mm, and concave depth (i.e., Fig. 3). Difference between the height position of the lowest end of the probe 31 and the height position of the connection part between the shoulders 32 and 33 in a): 0.3 mm. Further, the dimensions of the rotary tool 4 are a diameter D1 of the rotary tool 4: 25 mm, and a radius of curvature of the curved surface 41: 20 mm. The bonding conditions are shown in Table 1.

(比較例1~18)
発明例1~8と同様に、本発明による摩擦撹拌接合方法により、2枚の被接合材を接合した。ただし、比較例1~9の回転ツールは、図5に示した回転ツール5を用いた。また、比較例10~18の回転ツールは、図6に示した回転ツール6を用いた。回転ツール5の寸法は、回転ツール5の径D1:25mm、第1の平滑面52の径D2:12mm、起伏形状面53の径D3:25mm、曲面51の曲率半径:20mmであり、溝Gの深さGd:0.5mm、溝Gの幅Gw:0.5mmである。また、回転ツール6の寸法は、回転ツール6の径D1:25mm、第1の平滑面62の径D2:6mm、起伏形状面63の径D3:25mm、曲面61の曲率半径:20mmであり、溝Gの深さGd:0.5mm、溝Gの幅Gw:0.5mmである。接合条件を表1に示す。
(Comparative Examples 1 to 18)
As in Invention Examples 1 to 8, two pieces of materials to be welded were joined by the friction stir welding method according to the present invention. However, as the rotary tool in Comparative Examples 1 to 9, the rotary tool 5 shown in FIG. 5 was used. Further, as the rotary tool in Comparative Examples 10 to 18, the rotary tool 6 shown in FIG. 6 was used. The dimensions of the rotary tool 5 are a diameter D1 of the rotary tool 5: 25 mm, a diameter D2 of the first smooth surface 52: 12 mm, a diameter D3 of the undulating surface 53: 25 mm, a radius of curvature of the curved surface 51: 20 mm, and a groove G. The depth Gd of the groove G is 0.5 mm, and the width Gw of the groove G is 0.5 mm. The dimensions of the rotary tool 6 are: diameter D1 of the rotary tool 6: 25 mm, diameter D2 of the first smooth surface 62: 6 mm, diameter D3 of the undulating surface 63: 25 mm, radius of curvature of the curved surface 61: 20 mm, The depth Gd of the groove G is 0.5 mm, and the width Gw of the groove G is 0.5 mm. The bonding conditions are shown in Table 1.

なお、上記回転ツール1~6は、その材質として、ビッカース硬さが1090の炭化タングステン(WC)を用いた。 The rotating tools 1 to 6 were made of tungsten carbide (WC) having a Vickers hardness of 1090.

発明例1~18、従来例1~18、比較例1~18に対して得られた接合継手を用いて、以下に示す評価を行った。 The following evaluations were performed using the joints obtained for Invention Examples 1 to 18, Conventional Examples 1 to 18, and Comparative Examples 1 to 18.

10本の回転ツールを用いて上記50mの接合をそれぞれ10回行い、回転ツールの破損、接合材ビード外観の観点で以下の基準で評価した。得られた結果を表2に示す。
<基準>
・◎:回転ツールの破損なし、および、接合材にバリや不均一ビード幅が一度も見られない
・○:回転ツールの破損なし、および、接合材にバリや不均一ビード幅が1回以上見られる
・△:回転ツールの破損なし、および、接合材に線状の表面欠陥が1回以上見られる
・×:回転ツールの破損あり
The above 50 m long welding was performed 10 times using 10 rotary tools, and evaluation was made based on the following criteria in terms of damage to the rotary tools and the appearance of the bead of the bonding material. The results obtained are shown in Table 2.
<Standards>
・◎: There is no damage to the rotating tool, and there is no burr or uneven bead width on the bonding material. ○: There is no damage to the rotating tool, and there is no burr or uneven bead width on the bonding material at least once. Visible・△: No damage to the rotating tool, and linear surface defects are seen on the bonding material one or more times・×: Damage to the rotating tool

Figure 2024042668000003
Figure 2024042668000003

表2から明らかなように、発明例1~発明例18では、回転ツールが破損することなく接合長50mの接合を実施でき、バリや不均一ビード幅が一度も確認されなかった。これに対し、従来例1~従来例18および比較例1~比較例18では、回転ツールの破損が確認されたか、回転ツールの破損は確認されなかったものの、線状の表面欠陥が1回以上確認された。 As is clear from Table 2, in Invention Examples 1 to 18, welding with a welding length of 50 m was possible without damaging the rotary tool, and no burrs or uneven bead widths were observed. On the other hand, in Conventional Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1 to 18, damage to the rotary tool was confirmed, or although no damage to the rotary tool was confirmed, linear surface defects occurred one or more times. confirmed.

本発明によれば、鋼板などの高剛性の被接合材を摩擦撹拌接合する場合にも、回転ツールの破損が発生しにくい耐久性の高い摩擦撹拌接合用回転ツールを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly durable rotary tool for friction stir welding that is unlikely to be damaged even when friction stir welding highly rigid workpieces such as steel plates.

1,2,3,4,5,6 回転ツール
10,20,30,40,50,60 先端部
11,21,41,51,61 凸状の曲面
12,22,52,62 第1の平滑面
13,23,53,63 起伏形状面
14,24 第2の平滑面
31 プローブ
32,33 ショルダ
G 溝
Gd 溝の深さ
Gw 溝の幅
S 段差
Sd 溝の深さ
Sw 溝の幅
1, 2, 3, 4, 5, 6 Rotary tool 10, 20, 30, 40, 50, 60 Tip portion 11, 21, 41, 51, 61 Convex curved surface 12, 22, 52, 62 First smooth Surfaces 13, 23, 53, 63 Contoured surfaces 14, 24 Second smooth surface 31 Probes 32, 33 Shoulder G Groove Gd Groove depth Gw Groove width S Step Sd Groove depth Sw Groove width

Claims (5)

2枚の被接合材を摩擦撹拌接合するのに用いる回転ツールであって、
凸状の曲面を有する先端部を備え、
前記曲面は、中央部に配置された円形の第1の平滑面と、前記第1の平滑面の外周に配置された円環状の起伏形状面と、前記起伏形状面の外周に配置された円環状の第2の平滑面とを有することを特徴とする摩擦撹拌接合用回転ツール。
A rotary tool used for friction stir welding two pieces of materials to be welded,
Equipped with a tip having a convex curved surface,
The curved surface includes a circular first smooth surface disposed in the center, an annular undulating surface disposed on the outer periphery of the first smooth surface, and a circular undulating surface disposed on the outer periphery of the first smooth surface. A rotary tool for friction stir welding, characterized in that it has an annular second smooth surface.
前記起伏形状面が渦巻き形状を有する、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用回転ツール。 The rotary tool for friction stir welding according to claim 1, wherein the undulating surface has a spiral shape. 前記起伏形状面は、前記回転ツールの半径をrとしたときに、前記回転ツールの中心軸から0.20r~0.90rの範囲に配置されている、請求項2に記載の摩擦撹拌接合用回転ツール。 The friction stir welding device according to claim 2, wherein the undulating surface is arranged within a range of 0.20r to 0.90r from the central axis of the rotary tool, where r is the radius of the rotary tool. rotation tool. 前記回転ツールは、前記被接合材よりも硬い材質で構成されている、請求項1~3のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用回転ツール。 The rotary tool for friction stir welding according to any one of claims 1 to 3, wherein the rotary tool is made of a harder material than the materials to be welded. 2枚の被接合材を突合せ部または重ね合わせ部の一方面側と他方面側にそれぞれ配置した一対の回転ツールを、互いに逆方向に回転させながら前記被接合材の突合せ部または重ね部に押圧して接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記被接合材の未接合部との摩擦熱により前記被接合材の未接合部を軟化させつつ、その軟化した部位を前記回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて前記被接合材同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法において、
前記回転ツールとして、請求項1~3のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合用回転ツールを用いることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
A pair of rotary tools placed on one side and the other side of the abutting or overlapping portion of the two materials to be welded, respectively, are pressed against the abutting or overlapping portion of the materials to be joined while rotating in opposite directions. and moving in the welding direction, and while softening the unwelded portion of the welded material due to frictional heat between the rotary tool and the unwelded portion of the welded material, the softened portion is stirred by the rotary tool. In a double-sided friction stir welding method in which the materials to be joined are joined by generating plastic flow,
A friction stir welding method characterized in that the rotary tool for friction stir welding according to any one of claims 1 to 3 is used as the rotary tool.
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