JP3861719B2 - Friction stir welding method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塑性流動性のある金属や樹脂等の材料からなる接合部材を使用して鉄鋼材料等の難塑性流動材の接合を行う摩擦撹拌接合法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に突き合せ状態又は重ね合せ状態に配置した2個の接合部材を接合する摩擦撹拌接合法は、固相接合法の一つであり、接合部材の突き合せ部又は重ね合せ部に回転しているプローブを挿入し、このプローブとの接触部を摩擦熱にて軟化させ撹拌しながら、プローブを突き合せ部又は重ね合せ部に沿って移動させながら冷却固化し、両者を接合させるものである。即ち、プローブの移動に伴って、軟化撹拌部分がプローブの進行圧力を受けてプローブの通過溝で受けるように、即ちプローブの進行方向後方へと回り込むように塑性流動したのち摩擦熱を急速に失って冷却固化される。この現象がプローブの移動に伴って順次繰り返されていき、最終的に両接合部材が突き合せ部又は重ね合せ部において接合一体化される。
【0003】
このような摩擦撹拌接合法は、固相接合であるため、接合部材の材料の種類に制限を受けないとか、MIG、TIG、レーザ溶接等といった溶融溶接法と比較して接合時の熱歪みによる変形が少ない等の利点がある。
【0004】
そして、このような従来技術として特許第2792233号公報による摩擦撹拌溶接方法が知られている。この方法は、同一方向に回転する1本のプローブピンを接合部材の接合部に押し当てて、その接触部の材料を摩擦熱により塑性流動撹拌させて接合するものである。これは接合部材を溶融させずに固相の状態で拡散接合させる画期的な接合法である。しかしながら、その接合部材の材料の適用範囲は、AlやCuなどの低温で塑性流動し易い材料に限定されており、鉄鋼材料等の難塑性流動材への適用は制限されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、その目的は、鉄鋼材料等の難塑性流動材料における摩擦撹拌接合を可能にすること、及び従来の溶接技術では実現不可能であった材料の組み合わせの接合を可能にする摩擦撹拌接合法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の摩擦撹拌接合法を提供する。
請求項1に記載の摩擦撹拌接合法は、一方の接合部材が難塑性流動材料で、他方の接合部材が塑性流動し易い材料からなっていて、一方の接合部材の接合面には両者の接合を補佐するために、断面形状が開放側が短辺である台形状で、接合部に沿って所定の間隔で複数形成されている第1の凹部と、断面形状が一方の接合部材の厚さ方向に断面V字状である第2の凹部とが形成されており、ツールのプローブを他方の接合部材側に当接させて、接合部に沿って相対的に移動するようにしたものである。これにより、塑性流動し易い材料の他方の接合部材が、難塑性流動材料の一方の接合部材の第1,2の凹部の形状に沿って塑性流動し、両者の強固な接合が実現できる。また、これにより、従来の技術では実施できない材料の接合が可能となった。更に、3次元のどの方向に応力が作用しても容易に破断しない、強固な結合を得ることができる。
【0008】
請求項2の摩擦撹拌接合法は、難塑性材料の接合部材が塑性流動し易い材料の接合部材を両側から挟み込むように配置したものであり、これにより、塑性流動し易い材料の接合部材を介して、難塑性材料の接合部材同志を接合することが可能となる。
請求項3の摩擦撹拌接合法は、ツールのプローブを、接合部に近接した塑性流動し易い材料の接合部材の両側部位に当接して、接合部に沿って相対移動させるものであり、これにより、両者の一層信頼性の高い接合が可能となる。
【0009】
請求項4に記載の摩擦撹拌接合法は、難塑性流動材料の2枚の重ね合わせた接合部材に、その内側面に凸部を有する開口部を形成し、塑性流動し易い材料の接合部材をその開口部に挿入してツールのプローブを一点で当接し回転させることで、2枚の接合部材を接合させるものであり、これにより、難塑性流動材料の2枚の接合部材の点接合を可能にしたものである。
請求項5の摩擦撹拌接合法は、ツールのプローブを一点に固定しないで、開口部の周辺に放射状に相対移動させるものであり、これにより、開口部の開口面積が或る程度の大きさを有する場合であっても、難塑性流動材料の2枚の接合部材を強固に接合させることができる。
【0010】
請求項6の摩擦撹拌接合法は、開口部の形状を鼓状とし、塑性流動し易い材料の接合部材の形状を円柱状と特定したものである。
請求項7の摩擦撹拌接合法は、塑性流動し易い材料の接合部材の体積が、両接合部材がセットされたときに生じる隙間分の体積だけ増加されているものであり、これにより、両接合部材が接合後に、塑性流動し易い材料の接合部材の板厚方向の減少をなくすことができる。
請求項8の摩擦撹拌接合法は、ツールの横に押さえ板を設置し、軟化した材料が接合部材の上面から食み出さないようにしたものであり、これにより、塑性流動し易い材料の接合部材が軟化して、接合部材の上面から食み出すことなく、接合部材間の隙間に効率よく塑性流動し、信頼性のある接合が可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の摩擦撹拌接合法を説明する。図1は、難塑性流動材料からなる接合部材の継手形状を示しており、図2及び図3、図1の接合部材の接合面に形成された凹部の形状を説明する拡大図である。図4は、塑性流動し易い材料からなる接合部材(中間部材)の斜視図である。図5は、図1と図4に示された各接合部材を組み合わせて、本発明の第1の実施形態の摩擦撹拌接合法により両部材を線接合する方法を説明する図である。
【0012】
鉄鋼材料等の難塑性流動材料からなる接合部材1A,1Bの接合面11には、凹部12a,12bが形成されている。図2は、この第1の凹部12aの実施例の拡大図である。第1の凹部12aは図1,2に示されるように、接合部に沿って所定の間隔で、接合部材1A,1Bの厚さ方向にその板厚と同じ長さでアリ溝状に形成されており、その断面形状は、接合面の開放側が短辺である台形状である。この第1の凹部12aは、図1に矢印Eで示されるように、応力の作用方向が接合部と平行に作用する場合に有効である。
【0013】
図3は、接合部材1A,1Bの接合面11に形成される第2の凹部12bの実施例の拡大図である。第2の凹部12bは、接合部材1A,1Bの厚さ方向に断面V字状に形成され、図1に示される例においては、接合面11の両端部側に形成されている。この第2の凹部12bは、接合部材1A,1Bを接合する場合においては、図3に示されるように部材の厚み方向の中央部が広く、部材の表面部を狭めた形状になるため、矢印Fで示されるように応力の作用方向が部材の厚み方向(接合部と直交する方向)に作用する場合に有効である。
なお、図1に示される実施例においては、第1の凹部12aと第2の凹部12bとを一緒に形成しているが、必要に応じ一方の凹部のみを使用してもよいものである。また、図2、図3は第1、第2の凹部12a,12bの1つの例を示しているにすぎず、凹部の形状は適宜変更可能である。
【0014】
図4は、AlやCuなどの塑性流動し易い材料からなる接合部材(中間部材)2の1実施例を示している。この場合においては、中間部材2は直方体に形成されている。
【0015】
本発明の第1実施形態の摩擦撹拌接合法は、図5に示すようにして行われる。即ち、難塑性流動材料の接合部材1A,1Bが、互いにその接合面11を対峙する形で、塑性流動し易い材料の中間部材2を挟み込むようにして配置され、図示されないクランプ部材により基台上にクランプされる。
ツール3は、円柱状の回転体31と、この回転体31の端部軸線上に一体に突出された小径のピン状のプローブ32とを有し、回転体31とプローブ32とは一体的に回転するようになっている。また、回転体31とプローブ32とは、接合部材である中間部材2よりも硬質でかつ接合時に発生する摩擦熱に耐えられる耐熱材料によって形成されている。
【0016】
このように構成されたツール3のプローブ32を接合部に近接した中間部材2上に押し当て、プローブ32を回転しながら接合部に沿って接合の進行方向に移動させる。この場合、ツール3の移動位置としては、図6に示されるように、中間部材2の中央に沿って移動させてもよいし、又は中間部材2の両側に偏位させて側辺に沿って移動させてもよい。中間部材2の材質にもよるが、中間部材2の幅が比較的狭いものにおいては、中央に沿ったツール3の移動のみで、接合部材1A,1Bとの接合を行うことが可能であるが、中間部材2の幅が比較的大きいもの及び信頼性の高い接合を必要とするものにおいては、中間部材2の左側及び右側の位置にプローブ32の当接位置を偏位させて側辺に沿って移動させる方が好適である。
【0017】
このように塑性流動し易い材料の中間部材2上をツール3で加圧し回転及び直線的に移動させることで、中間部材2の材料を接合部材1A,1Bの接合面の凹部12a,12bにならうように塑性流動させることで、強固な接合が可能となる。
なお、上記説明では、中間部材2を接合部材1A,1Bで挟持して接合する場合について説明しているが、単に中間部材と1つの接合部材を当接させて接合させる場合にも、当然利用可能なものである。
【0018】
図7〜9は、本発明の第2実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図である。第1実施形態は、2つの接合部材1A,1Bの側面同志を中間部材2を使用して線接合するものであるが、第2実施形態は、2つの接合部材1A,1Bを重ね合わせて中間部材2を使用して点接合している。
図7に示すように、難塑性流動材料の2枚の接合部材1A,1Bが重ね合わされており、この重ね合わされた接合部材1A,1Bには、点接合用の開口部13が形成される。この開口部13の内側面には、凸部13aが環状に形成されている。即ちこの開口部13の形状は、接合部材1A,1Bの表側と裏側の開口面積が大きく、中央部が狭窄した鼓状をしている。
【0019】
図8は、塑性流動し易い材料からなる中間部材2を示しており、この中間部材2の形状は、開口部13の狭窄部分を挿通出来る外径をもつ円柱体である。
【0020】
図9に示されるように、第2実施形態の摩擦撹拌接合法においては、2枚の重ね合わされた接合部材1A,1Bに形成された開口部13内に中間部材2が挿通されてセットされる。第1実施形態と同様にツール3のプローブ32を中間部材2上に押し当て、プローブ32を回転させて、中間材料(塑性流動し易い材料)上を摩擦撹拌させることによって、中間材料を開口部13の鼓形状にならうように塑性流動させることで、接合部材1A,1B同志の強固な点接合状態が実現できる。
【0021】
この点接合の場合、開口部13の開口面積が小さい、即ち中間材料2の外径が小さいものにあっては、プローブ32を中間部材2の一点で当接させて回転させるだけで十分に点接合が可能であるが、中間部材2の外径が或る程度大きいものや、より信頼性の高い点接合が必要とされる場合においては、図9に示すようにプローブ32を中間部材2の外周縁(開口部の周辺)に向けて放射状に移動させることにより、より強固な信頼性の高い点接合が可能である。
【0022】
通常、摩擦撹拌接合法では、中間材料を塑性流動させることによって中間部材2の板厚方向の寸法が減少するというデメリットが発生するが、その対策法の一例が図10に示されている。即ち、接合後の中間部材2の板厚方向寸法の減少をなくすために、中間部材2の体積を予め多く、例えば、接合部材1A,1Bの板厚よりも高く、しておく。この増加分の体積は、接合部材1A,1Bと中間部材2とをセットしたときに、両者の部材間に生じる隙間g分の体積とすることが好適である。しかしながら、この状態で摩擦撹拌させると図11に示すように、軟化した中間材料が接合部材1A,1Bの上面から食み出すため、適切な接合ができない。
【0023】
そこで、本実施形態の摩擦撹拌接合法では、図12及び図13に示すようにツール3の横に軟化した中間材料を押さえる押さえ板4を設置し、この押さえ板4を上面から押さえながら摩擦撹拌させることによって、軟化した中間材料が接合部材1A,1Bの上面からはみ出すことなく、接合部材1A,1Bと中間部材2との間に形成される隙間gに効率よく塑性流動し、信頼性のある強固な接合が行えるように改良を加えている。
【0024】
図12の点接合の場合においては、押さえ板4は、ツール3が挿通できる穴41が形成された環状をしている。この場合においては、ツール3の放射状への移動は制約を受ける。
図13の線接合の場合においては、ツール3の進行方向(移動方向)に開いた馬蹄形の押さえ板4を使用し、ツール3の移動速度と同一の移動速度で押さえ板4を移動させることによって、隙間gに効率よく中間材料を塑性流動させることが可能となり、信頼性の高い接合が行える。
なお、上記実施形態においては、接合部材側を固定し、ツール側を移動させることで説明しているが、ツール側を固定させ、接合部材側を移動させるようにしてもよい。要は、両者が相対的に移動すればよいものである。
【0025】
以上説明したように、本発明の摩擦撹拌接合法により、従来では不可能であった鉄鋼材料等の難塑性流動材料の摩擦撹拌接合が可能となり、更には、従来では不可能であった材料の組み合わせの接合も可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】線接合における接合部材の接合部の継手形状を説明する図である。
【図2】接合部材の接合面に形成される1つの実施例である第1の凹部の拡大図である。
【図3】接合部材の接合面に形成される1つの実施例である第2の凹部の拡大図であり、図1のA部を拡大して示している。
【図4】線接合における中間部材の斜視図である。
【図5】本発明の第1実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図である。
【図6】線接合におけるツールの移動位置を説明する図である。
【図7】点接合における接合部材の継手形状を説明する図である。
【図8】点接合における中間部材の斜視図である。
【図9】本発明の第2実施形態の摩擦撹拌接合法を説明する図である。
【図10】接合後の中間部材の板厚方向の寸法の減少に対する対応策を説明する図である。
【図11】軟化した中間材料の食み出し現象を説明する図である。
【図12】点接合における押さえ板の実施例を示す図である。
【図13】線接合における押さえ板の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1A,1B…接合部材(難塑性流動材料の接合部材)
11…接合面
12a,12b…第1、第2の凹部
13…開口部
13a…凸部
2…中間部材(塑性流動し易い材料の接合部材)
3…ツール
32…プローブ
4…押さえ板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a friction stir welding method in which a non-plastic fluid material such as a steel material is joined using a joining member made of a plastic fluid material such as metal or resin.
[0002]
[Prior art]
Generally, the friction stir welding method for joining two joining members arranged in a butted state or a superposed state is one of solid phase joining methods, and is rotated to a butted portion or a superposed portion of the joined member. A probe is inserted, while the contact portion with the probe is softened by frictional heat and stirred, the probe is cooled and solidified while being moved along the abutting portion or the overlapping portion, and both are joined. That is, as the probe moves, the softened stirring portion receives the pressure of the probe and is received by the probe passage groove, that is, plastically flows around the probe in the direction of travel, and then rapidly loses frictional heat. To cool and solidify. This phenomenon is sequentially repeated with the movement of the probe, and finally, both the joining members are joined and integrated at the butting portion or the overlapping portion.
[0003]
Since such a friction stir welding method is solid phase bonding, it is not limited by the type of material of the joining member, or due to thermal distortion at the time of joining compared to fusion welding methods such as MIG, TIG, laser welding, etc. There are advantages such as less deformation.
[0004]
As such a prior art, a friction stir welding method according to Japanese Patent No. 2794233 is known. In this method, one probe pin that rotates in the same direction is pressed against a joint portion of a joining member, and the material of the contact portion is joined by plastic flow stirring by frictional heat. This is an epoch-making joining method in which the joining member is diffusion-bonded in a solid state without melting. However, the application range of the material of the joining member is limited to a material that easily plastically flows at a low temperature, such as Al and Cu, and application to a hardly plastic fluid material such as a steel material is limited.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to enable friction stir welding in a hardly plastic fluid material such as a steel material, and a combination of materials that cannot be realized by conventional welding techniques. It is an object to provide a friction stir welding method that makes it possible to perform welding.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides the friction stir welding method according to each of the claims as means for solving the above-mentioned problems.
In the friction stir welding method according to claim 1, one joining member is made of a hardly plastic flow material, and the other joining member is made of a material that is easy to plastically flow. In order to assist, the first recess is formed in a trapezoidal shape with a short side on the open side, and at a predetermined interval along the joint, and the cross-sectional shape is the thickness direction of one joining member. A second concave portion having a V-shaped cross section is formed on the other, and the probe of the tool is brought into contact with the other joining member side so as to move relatively along the joining portion. Thereby, the other joining member of the material which is easy to plastic flow plastically flows along the shape of the first and second recesses of the one joining member of the hardly plastic fluid material, and thus it is possible to realize a firm joint between them. In addition, this makes it possible to join materials that cannot be performed by the conventional technology. Further, it is possible to obtain a strong bond that does not easily break even if stress is applied in any direction in the three dimensions.
[0008]
The friction stir welding method according to
In the friction stir welding method according to
[0009]
In the friction stir welding method according to
The friction stir welding method according to claim 5 is a method in which the probe of the tool is not moved to a single point and is relatively moved radially around the opening, whereby the opening area of the opening has a certain size. Even if it has, the two joining members of a hardly plastic fluid material can be joined firmly.
[0010]
In the friction stir welding method according to the sixth aspect of the invention, the shape of the opening portion is a drum shape, and the shape of the joining member made of a material that easily plastically flows is specified as a cylindrical shape.
In the friction stir welding method according to claim 7 , the volume of the joining member made of a material that is easy to plastically flow is increased by a volume corresponding to a gap generated when both the joining members are set. After the members are joined, the reduction in the thickness direction of the joining member made of a material that easily plastically flows can be eliminated.
The friction stir welding method according to
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a friction stir welding method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the joint shape of a joining member made of a hardly plastic flow material, and is an enlarged view for explaining the shape of a recess formed on the joining surface of the joining member of FIGS. 2, 3, and 1. FIG. 4 is a perspective view of a joining member (intermediate member) made of a material that easily plastically flows. FIG. 5 is a diagram for explaining a method of wire-joining both members by the friction stir welding method according to the first embodiment of the present invention by combining the joining members shown in FIGS. 1 and 4.
[0012]
[0013]
FIG. 3 is an enlarged view of an embodiment of the
In the embodiment shown in FIG. 1, the
[0014]
FIG. 4 shows an embodiment of a joining member (intermediate member) 2 made of a material that easily plastically flows, such as Al or Cu. In this case, the
[0015]
The friction stir welding method according to the first embodiment of the present invention is performed as shown in FIG. That is, the joining
The
[0016]
The
[0017]
In this way, the material of the
In the above description, the case where the
[0018]
7-9 is a figure explaining the friction stir welding method of 2nd Embodiment of this invention. In the first embodiment, the side surfaces of the two joining
As shown in FIG. 7, two joining
[0019]
FIG. 8 shows the
[0020]
As shown in FIG. 9, in the friction stir welding method of the second embodiment, the
[0021]
In the case of this point joining, in the case where the opening area of the
[0022]
Normally, in the friction stir welding method, there is a demerit that the dimension in the thickness direction of the
[0023]
Therefore, in the friction stir welding method of this embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, a
[0024]
In the case of the point joining shown in FIG. 12, the
In the case of line joining in FIG. 13, by using a horseshoe-shaped
In addition, in the said embodiment, although demonstrated by fixing the joining member side and moving the tool side, you may make it fix the tool side and move the joining member side. The point is that the two need only move relatively.
[0025]
As described above, the friction stir welding method of the present invention enables friction stir welding of difficult-to-plastic flow materials such as steel materials, which was impossible in the past, and further, Combination bonding is also possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a joint shape of a joint portion of a joining member in line joining.
FIG. 2 is an enlarged view of a first concave portion that is one embodiment formed on a joining surface of a joining member.
FIG. 3 is an enlarged view of a second concave portion that is one embodiment formed on the joining surface of the joining member, and shows an A portion of FIG. 1 in an enlarged manner.
FIG. 4 is a perspective view of an intermediate member in line joining.
FIG. 5 is a diagram illustrating a friction stir welding method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining a movement position of a tool in line joining.
FIG. 7 is a diagram illustrating a joint shape of a joining member in point joining.
FIG. 8 is a perspective view of an intermediate member in point joining.
FIG. 9 is a diagram illustrating a friction stir welding method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a countermeasure against a decrease in dimension in the plate thickness direction of the intermediate member after joining.
FIG. 11 is a diagram for explaining a protrusion phenomenon of a softened intermediate material.
FIG. 12 is a view showing an example of a pressing plate in point joining.
FIG. 13 is a view showing an example of a pressing plate in line joining.
[Explanation of symbols]
1A, 1B ... Joining member (joining member of non-plastic flow material)
DESCRIPTION OF
3 ...
Claims (8)
一方の接合部材が難塑性流動材料からなり、他方の接合部材が塑性流動し易い材料からなると共に、前記一方の接合部材の接合面には、両者の結合を補佐するように第1の凹部と第2の凹部とが形成されていて、
前記第1の凹部が、接合部に沿って所定の間隔で複数形成され、その断面形状が開放側が短辺である台形状であり、また
前記第2の凹部の形状が、前記一方の接合部材の厚さ方向に断面V字状に形成されており、
ツールのプローブが前記他方の接合部材側に当接して、接合部に沿って相対的に移動することを特徴とする摩擦撹拌接合法。By contacting the probe of the rotating tool in the vicinity of the joint part of both joint members, softening the contact part with the probe with friction heat and moving the probe relatively along the joint part in a contact state while stirring, In the friction stir welding method to join the joints,
One joining member is made of a hardly plastic fluid material, and the other joining member is made of a material that easily plastically flows, and the joining surface of the one joining member is provided with a first recess so as to assist the coupling between the two. a second recess be formed,
A plurality of the first concave portions are formed at predetermined intervals along the joint portion, and the cross-sectional shape thereof is a trapezoidal shape having a short side on the open side, and
The shape of the second recess is formed in a V-shaped cross section in the thickness direction of the one joining member,
A friction stir welding method characterized in that a probe of a tool abuts against the other joining member side and moves relatively along the joining portion.
前記2枚の接合部材が難塑性流動材料からなり、この重ね合わされた前記2枚の接合部材に、その内側面に凸部を有する開口部を形成し、塑性流動し易い材料からなる接合部材を前記開口部に挿入して、前記ツールのプローブを前記塑性流動し易い接合部材に一点で当接し回転させる前記2枚の接合部材を点接合させることを特徴とする摩擦撹拌接合法。Friction stir welding method in which two joining members are spot-joined while overlapping the two joining members and abutting the probe of the rotating tool in the vicinity of the joining portion and softening and stirring the contact portion with the probe by frictional heat In
The two joining members are made of a hardly plastic flow material, and an opening having a convex portion is formed on the inner side surface of the two joining members, and a joining member made of a material that is easy to plastically flow is formed. A friction stir welding method comprising inserting the two probe members into the opening portion and causing the probe of the tool to contact and rotate at one point with the joining member that is easy to plastically flow.
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