JP4607133B2 - Friction stir processing tool and method of manufacturing friction stir processed product - Google Patents

Friction stir processing tool and method of manufacturing friction stir processed product Download PDF

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Description

本発明は、チタンまたはチタン合金を摩擦攪拌加工するときに用いる摩擦攪拌加工用ツールおよびこのツールを用いるチタンまたはチタン合金からなる摩擦攪拌加工品の製造方法に関する。ここで、摩擦攪拌加工とは、摩擦攪拌接合および摩擦攪拌改質の両方の加工技術を含む。   The present invention relates to a friction stir processing tool used for friction stir processing of titanium or a titanium alloy, and a method of manufacturing a friction stir processed product made of titanium or a titanium alloy using the tool. Here, the friction stir processing includes processing technologies for both friction stir welding and friction stir modification.

チタンおよびチタン合金は、軽量で高い比強度、耐熱性、高耐食性、非磁性、生体適合性を有するため、非常に有用な金属材料として、例えば航空機、化学プラント、人工骨など多くの用途に用いられている。チタンおよびチタン合金の溶接は、酸素との高い親和性のために容易ではなく、この溶接には、通常、タングステンと不活性ガスを用いたTIG溶接が用いられている。しかし、TIG溶接は高度の溶接技術を必要とし、しかも接合欠陥や接合面の平坦性など加工品質の面でまだ十分ではなく、まだ改善の余地がある。   Titanium and titanium alloys are lightweight and have high specific strength, heat resistance, high corrosion resistance, non-magnetic properties, and biocompatibility, so they are used as a very useful metal material in many applications such as aircraft, chemical plants, and artificial bones. It has been. Titanium and titanium alloy welding is not easy due to its high affinity with oxygen, and TIG welding using tungsten and an inert gas is usually used for this welding. However, TIG welding requires a high level of welding technology, yet is not sufficient in terms of processing quality such as joint defects and flatness of the joint surface, and there is still room for improvement.

一方、ツールのプローブを被加工材に強く押し込みこれを高速回転させ、その時に発生する摩擦熱によりプローブの近傍の被加工材(金属製)を可塑化させ攪拌流動させることにより、この部分の被加工材を接合する技術、あるいは結晶粒径を小さく制御し、それにより被加工材の強度および硬度等を向上させる加工技術が開発されている。前者は摩擦攪拌接合(Friction Stir Welding)と呼ばれ、後者は摩擦攪拌改質(Friction Stir Processing)と呼ばれている(特許文献1および2参照)。   On the other hand, the probe of the tool is pushed firmly into the work piece and rotated at a high speed, and the work material (made of metal) in the vicinity of the probe is plasticized by the frictional heat generated at that time, and stirred and fluidized. Techniques for joining processed materials or processing techniques for controlling the crystal grain size to be small and thereby improving the strength and hardness of the processed materials have been developed. The former is called Friction Stir Welding, and the latter is called Friction Stir Processing (see Patent Documents 1 and 2).

上記摩擦攪拌接合によれば、ツールと被接合材との摩擦熱を利用して接合するので、最高到達温度が融点に達せず固相状態で接合されるため、アーク溶接(TIG溶接)などの溶融溶接に比べて、接合部における強度低下が小さく、熱歪み、気孔、割れなどの接合欠陥が少なく、接合面も比較的平坦である等の利点があり、主にアルミニウム合金板については、すでに鉄道車両、船舶、土木構造物、自動車などの分野で実用化されている。   According to the friction stir welding, since the frictional heat between the tool and the material to be joined is used for joining, the highest temperature does not reach the melting point and the joining is performed in a solid state, so arc welding (TIG welding) or the like. Compared to fusion welding, there are advantages such as less strength reduction at the joint, fewer joint defects such as thermal distortion, pores and cracks, and a relatively flat joint surface. It has been put to practical use in the fields of railway vehicles, ships, civil engineering structures and automobiles.

アルミニウムおよびその合金のような比較的に低融点金属材料の摩擦攪拌加工には、主に硬い工具鋼が使用されているが、高融点金属材料への摩擦攪拌加工への応用も開発されつつある。例えば、鋼板の接合には、タングステン−レニウム合金のツールを用いた例、SiとAlの複合材料であるサイアロンをツールに用いた例、多結晶立方晶窒化ボロンを用いた例が報告されている。これ等のツール材料にあっては、ツールの磨耗、折損、ツール材料の被加工材への混入等が課題とされている。 Hard tool steel is mainly used for friction stir processing of relatively low melting point metal materials such as aluminum and its alloys, but application to friction stir processing for high melting point metal materials is also being developed. . For example, for joining steel plates, an example using a tungsten-rhenium alloy tool, an example using sialon which is a composite material of Si 3 N 4 and Al 2 O 3 , and polycrystalline cubic boron nitride were used. Examples have been reported. In these tool materials, tool wear, breakage, mixing of the tool material into the work material, and the like are problems.

特に、非常に有用な高融点金属材料であるチタンおよびチタン合金の摩擦攪拌加工に適するツール材料として、下記の非特許文献1には、タングステン−レニウム合金からなるツール材料が提案されている。しかしながら、タングステンもレニウムもいずれも高価な金属であるため、摩擦攪拌加工に用いるツール材料として実用化における問題となっている。
特許第2712838号公報 特開2003−64458公報 Zachary Loftus ,Jennifer Takeshita ,Dr.Anthony Reynolds, Dr. Wei Tang' An Overview of Friction Stir Welding TIMETAL 213 Beta Titanium',5th International Symposium on Friction Stir Welding ,Metz,TWI,2004.
In particular, as a tool material suitable for friction stir processing of titanium and titanium alloy, which are very useful high melting point metal materials, the following Non-Patent Document 1 proposes a tool material made of a tungsten-rhenium alloy. However, since both tungsten and rhenium are expensive metals, they are problematic in practical use as tool materials used for friction stir processing.
Japanese Patent No. 2712838 JP 2003-64458 A Zachary Loftus, Jennifer Takeshita, Dr. Anthony Reynolds, Dr. Wei Tang 'An Overview of Friction Stir Welding TIMETAL 213 Beta Titanium', 5th International Symposium on Friction Stir Welding, Metz, TWI, 2004.

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、チタンまたはチタン合金の摩擦攪拌加工用の安価なツールおよびこのツールを用いてチタンまたはチタン合金を安価に接合あるいは改質するチタンまたはチタン合金からなる摩擦攪拌加工品の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an inexpensive tool for friction stir processing of titanium or titanium alloy and titanium or titanium alloy using the tool. Another object of the present invention is to provide a method for producing a friction stir processed product made of titanium or a titanium alloy that can be bonded or modified at low cost.

上記の目的は、次のような特徴を有するチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツールおよび摩擦攪拌加工品の製造方法により達成することができる。   The above object can be achieved by a friction stir processing tool for titanium or a titanium alloy having the following characteristics and a method for manufacturing a friction stir processed product.

すなわち、請求項1に係る発明は、ニッケル合金からなる摩擦攪拌加工用ツールの表面を、ふっ素イオン注入により表面処理してなることを特徴とするチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツールである。   That is, the invention according to claim 1 is a friction stir processing tool for titanium or a titanium alloy, wherein the surface of a friction stir processing tool made of a nickel alloy is surface-treated by fluorine ion implantation. .

請求項2に係る発明は、請求項1に記載の摩擦攪拌加工用ツールにおいて、ニッケル合金が、ニッケルをベースとし少なくともクロムおよび鉄を含む合金からなることを特徴とするチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツールである。   The invention according to claim 2 is the friction stir processing tool according to claim 1, wherein the nickel alloy is made of an alloy containing nickel and containing at least chromium and iron. It is a tool for stirring processing.

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の摩擦攪拌加工用ツールにおいて、ふっ素イオン注入が、パルス周波数1〜2kHz、室温にて、注入時間150〜400分の条件で行われてなることを特徴とするチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツールである。   The invention according to claim 3 is the friction stir processing tool according to claim 1 or 2, wherein the fluorine ion implantation is performed at a pulse frequency of 1 to 2 kHz at room temperature under an implantation time of 150 to 400 minutes. This is a friction stir processing tool for titanium or a titanium alloy.

請求項4に係る発明は、請求項1または2に記載の摩擦攪拌加工用ツールにおいて、ふっ素イオン注入が、パルス周波数1〜2kHz、室温にて、注入時間300〜400分の条件で行われてなることを特徴とするチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツールである。   The invention according to claim 4 is the friction stir processing tool according to claim 1 or 2, wherein the fluorine ion implantation is performed at a pulse frequency of 1 to 2 kHz at room temperature under an implantation time of 300 to 400 minutes. This is a friction stir processing tool for titanium or a titanium alloy.

請求項5に係る発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いてチタンまたはチタン合金を摩擦攪拌加工することを特徴とする摩擦攪拌加工品の製造方法である。   The invention according to claim 5 is a method for producing a friction stir processed product, characterized in that titanium or a titanium alloy is friction stir processed using the friction stir processing tool according to any one of claims 1 to 4. It is.

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図1は本発明の摩擦攪拌加工用ツールの一例を示し、(a)はツールの先端側から見た平面図、(b)は(a)のb−b線における断面図である。図1において、摩擦攪拌加工用ツール1は、把持部2、フランジ部3、ショルダ面4aを有する突出部4およびプローブ5から構成されている。把持部2は、摩擦攪拌加工用ツール1を摩擦攪拌加工装置に取り付ける部分である。フランジ部3は、摩擦攪拌加工用ツール1のハンドリング性や強度の向上のために設けられているものであるが、必ずしも必要なものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1A and 1B show an example of a friction stir processing tool of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view viewed from the tip side of the tool, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line bb in FIG. In FIG. 1, the friction stir processing tool 1 includes a gripping portion 2, a flange portion 3, a protruding portion 4 having a shoulder surface 4a, and a probe 5. The grip part 2 is a part for attaching the friction stir processing tool 1 to the friction stir processing apparatus. The flange portion 3 is provided for improving the handleability and strength of the friction stir processing tool 1, but is not necessarily required.

上記突出部4は、通常、円柱状であり、その先端面の中央部からプローブ5が突出するようにして設けられている。突出部4の先端面のうち、プローブ5が設けられている部分を除いた部分がショルダ面4aである。このショルダ面4aは、摩擦攪拌加工中に被加工材表面と当接する面であって、プローブ5を中心としてやや円錐状に凹んだものが使用されているが、平面であってもよく、逆にやや円錐状に突出したものも使用できる。   The protruding portion 4 is usually cylindrical, and is provided so that the probe 5 protrudes from the central portion of the distal end surface. A portion of the tip surface of the protruding portion 4 excluding a portion where the probe 5 is provided is a shoulder surface 4a. The shoulder surface 4a is a surface that comes into contact with the surface of the workpiece during the friction stir processing, and a surface that is slightly conical with respect to the probe 5 is used. A slightly conical protrusion can also be used.

上記プローブ5は、円柱状でなく先細りした円錐台状であってもよい。ねじが切ってあってもよく、側面又は斜面を面取りしてあってもよい。上記突出部4の直径は12〜25mm程度、高さは9〜10mm程度が好ましく、プローブ5の直径は5〜10程度、長さは被加工材の厚みによるが、プローブ5の先端が被加工材を支える定盤と接触しない程度に、プローブ5の先端が被加工材に深く挿入されるのが好ましい。例えば、厚みが3〜6mm程度の被加工材を使用する場合は、プローブ5の長さは2.8〜5.9mm程度のものが好適に使用される。   The probe 5 may have a truncated cone shape instead of a cylindrical shape. The screw may be cut off, or the side surface or the slope may be chamfered. The diameter of the protrusion 4 is preferably about 12 to 25 mm, and the height is preferably about 9 to 10 mm. The diameter of the probe 5 is about 5 to 10, and the length depends on the thickness of the workpiece, but the tip of the probe 5 is processed. The tip of the probe 5 is preferably inserted deeply into the workpiece so as not to come into contact with the surface plate that supports the material. For example, when a workpiece having a thickness of about 3 to 6 mm is used, a probe having a length of about 2.8 to 5.9 mm is preferably used.

本発明においては、摩擦攪拌加工用ツール1のうち、少なくとも上記突出部4およびプローブ5が、ニッケル合金からなり、その表面がふっ素イオン注入により表面処理されている。ここで、ふっ素イオン注入とは、全方位イオン注入装置のようなイオン注入装置を用い、ふっ素イオンを加速してツール1の表面に衝突させ、ツール1の表面部にふっ素イオンを侵入させることにより、ツール1の表面部の物性を改善することを目的とするものである。   In the present invention, at least the protruding portion 4 and the probe 5 of the friction stir processing tool 1 are made of a nickel alloy, and the surface thereof is surface-treated by fluorine ion implantation. Here, the fluorine ion implantation uses an ion implantation apparatus such as an omnidirectional ion implantation apparatus, accelerates the fluorine ions to collide with the surface of the tool 1, and causes the fluorine ions to penetrate into the surface portion of the tool 1. The object is to improve the physical properties of the surface portion of the tool 1.

ここで、ニッケル合金とは、ニッケルを主成分とする合金であって、高硬度かつ高耐熱性を有する。上記のニッケル合金には、ニッケルを基体とする多相金属間化合物も含まれる。ニッケル合金としては、ニッケルをベースとし少なくともクロムおよび鉄を含む合金が好ましい。ニッケルをベースとし少なくともクロムおよび鉄を含む合金としては、例えば、インコ社(International Nickel Company)のインコネル(Inconel)(商品名)が好ましい。   Here, the nickel alloy is an alloy containing nickel as a main component, and has high hardness and high heat resistance. The nickel alloy includes a multiphase intermetallic compound based on nickel. The nickel alloy is preferably an alloy based on nickel and containing at least chromium and iron. As an alloy containing nickel and containing at least chromium and iron, for example, Inconel (trade name) of International Nickel Company is preferable.

インコネルは、ニッケルをベースとし、鉄、 クロム、ニオブ、モリブデン、チタン、アルミニウム等の合金元素量の差異によって、インコネル600、インコネル625、インコネル718、インコネルX750など様々なものに分けられる。インコネル合金としては、特に、76Ni−16Cr−8Feの組成のものが好ましい。インコネル合金が特に適している理由は、高温で高強度を有しかつ靭性があってツール製作における適度な加工性も有しており、かつ安価であり入手が容易であるからである。   Inconel is based on nickel and can be classified into various types such as Inconel 600, Inconel 625, Inconel 718, and Inconel X750, depending on the amount of alloying elements such as iron, chromium, niobium, molybdenum, titanium, and aluminum. As the inconel alloy, one having a composition of 76Ni-16Cr-8Fe is particularly preferable. The reason why Inconel alloy is particularly suitable is that it has high strength at high temperatures, has toughness, has moderate workability in tool fabrication, is inexpensive, and is easily available.

本発明におけるツールには、摩擦攪拌加工中のツールの磨耗損耗を防ぐために、ニッケル合金からなるツールの表面がふっ素イオン注入により表面処理されていることが必須である。ふっ素イオン注入により表面硬化が行われ高硬度が発現する。この高硬度の発現により、窒素イオン注入や炭素イオン注入に比べて高硬度が得られ耐減耗性が著しく向上し、長時間の摩擦攪拌加工にツールが耐えることができる。ふっ素イオン注入処理には、通常のイオン注入装置、例えば全方位イオン注入装置および条件を用いることができる。ふっ素イオン源としては、通常、四ふっ化メタンが使用されるが、これに限定されない。   In order to prevent wear and wear of the tool during friction stir processing, it is essential for the tool in the present invention that the surface of the tool made of nickel alloy is surface-treated by fluorine ion implantation. Surface hardening is performed by fluorine ion implantation, and high hardness is developed. Due to this high hardness, a higher hardness is obtained compared to nitrogen ion implantation and carbon ion implantation, the wear resistance is remarkably improved, and the tool can withstand long-time friction stir processing. For the fluorine ion implantation process, a normal ion implantation apparatus such as an omnidirectional ion implantation apparatus and conditions can be used. As the fluorine ion source, methane tetrafluoride is usually used, but is not limited thereto.

特に、ふっ素イオン注入による表面処理においては、表面硬化物性に重大な影響を及ぼすイオン注入量およびイオン注入深さが重要で、表面改質が不十分であると、摩擦攪拌接合中にプローブが減耗し、摩擦攪拌領域が被加工材の底部に達せず、被加工材の裏面側にキッシングボンドと呼ばれる攪拌不良による線状の未接着部が生ずることがある。このため表面改質が重要である。   In particular, in the surface treatment by fluorine ion implantation, the amount of ion implantation and the depth of ion implantation that have a significant effect on the physical properties of the hardened surface are important. If the surface modification is insufficient, the probe wears out during friction stir welding. However, the friction stir zone does not reach the bottom of the workpiece, and a linear unbonded portion called a kissing bond due to poor stirring may occur on the back side of the workpiece. For this reason, surface modification is important.

ふっ素イオン注入による表面改質においてイオン注入時間が150分を下回ると、長距離を加工する場合には表面改質が不十分になりやすい。逆に、ふっ素イオのン注入時間が400分を上回る場合は、キッシングボンドの発生は回避できるが、イオン注入装置や操作条件上の制約が出てくる。特に、イオン注入操作における副生成物が生じ、イオン注入による表面改質に不具合が生じる恐れがある。本発明の実験において使用するイオン注入用装置においても、400分を限度として装置のメンテナンスを行うことにより、正常な表面改質層を維持することが可能となっているため、400分を超える操業を行わないことにしている。
したがって、ふっ素イオン注入時間は150〜400分が好ましく、さらに好ましくは300〜400分である。しかし、上記のようなイオン注入用装置における制約が解決されれば、400分を超えるふっ素イオン注入も可能である。なお、イオン注入深さは3〜5μm程度、イオン注入量は1016〜1017ions/cm程度が好ましいが、特に限定されない。
In the surface modification by fluorine ion implantation, if the ion implantation time is less than 150 minutes, the surface modification tends to be insufficient when processing a long distance. On the other hand, if the fluorine ion implantation time exceeds 400 minutes, the occurrence of kissing bonds can be avoided, but restrictions on the ion implantation apparatus and operating conditions arise. In particular, a by-product in the ion implantation operation is generated, and there is a risk that a defect may occur in the surface modification by the ion implantation. Also in the ion implantation apparatus used in the experiment of the present invention, it is possible to maintain a normal surface modified layer by performing the apparatus maintenance for 400 minutes as a limit. Not to do.
Therefore, the fluorine ion implantation time is preferably 150 to 400 minutes, more preferably 300 to 400 minutes. However, if the above limitations on the ion implantation apparatus are solved, fluorine ion implantation exceeding 400 minutes is possible. The ion implantation depth is preferably about 3 to 5 μm, and the ion implantation amount is preferably about 10 16 to 10 17 ions / cm 2, but is not particularly limited.

図2は、本発明の摩擦攪拌加工品の製造方法の一例を示す一部切欠斜視図である。図2において、チタンまたはチタン合金からなる2枚の板状体6a、6bの端部同士が突き合わされて定盤9の上に載置され固定される。この板状体6a、6bの突合わせ部7に、図1に示すような本発明の摩擦攪拌加工用ツール1のプローブ5を圧入し、ツール1の突出部4のショルダ面4aと板状体6a、6bの表面とを接触させ、高速回転するプローブ5およびショルダ面4aとの摩擦によって板状体6a、6bの突合わせ部7の近傍を加熱して軟化させる。   FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing an example of a method for producing a friction stir processed product of the present invention. In FIG. 2, the ends of two plate-like bodies 6 a and 6 b made of titanium or a titanium alloy are abutted with each other and placed on the surface plate 9 and fixed. The probe 5 of the friction stir processing tool 1 of the present invention as shown in FIG. 1 is press-fitted into the abutting portions 7 of the plate-like bodies 6a and 6b, and the shoulder surface 4a of the protruding portion 4 of the tool 1 and the plate-like body 6a and 6b are brought into contact with each other, and the vicinity of the abutting portion 7 of the plate-like bodies 6a and 6b is heated and softened by friction between the probe 5 and the shoulder surface 4a rotating at high speed.

プローブ5を圧入した状態でツール1を引き続き回転させてプローブ5の近傍の板状体6a、6bの突合わせ部7の近傍を攪拌しつつ、ツール1を突合せ部7上を矢印A方向に移動させる。ツール1が移動すると板状体6a、6bの突合わせ部7を含む部分が摩擦発熱し、軟化されると共に攪拌される。そして、ツール1の突出部4が移動した後の板状体6a、6bの突合わせ部7を含む部分は接合されると共に、その部分に、ショルダ面4aの接触によるほぼ円形に近い極く浅い窪みを生じ、それらが次々に断続的にずれて重なるために、並んだ弧状の瘢痕8が残る。   The tool 1 is continuously rotated while the probe 5 is press-fitted to stir the vicinity of the abutting portion 7 of the plate-like bodies 6a and 6b in the vicinity of the probe 5 while moving the tool 1 on the abutting portion 7 in the direction of arrow A. Let When the tool 1 moves, the portions including the abutting portions 7 of the plate-like bodies 6a and 6b generate frictional heat and are softened and stirred. And the part including the abutting part 7 of the plate-like bodies 6a and 6b after the projecting part 4 of the tool 1 is moved is joined, and the part is extremely shallow near a substantially circular shape due to the contact with the shoulder surface 4a. Lined arcuate scars 8 remain, as depressions are created and they are successively displaced and overlapped one after another.

上記ツール1のプローブ前進角は一般に1〜5°程度に設定される。また、ツール1の回転速度は一般に数百〜数千回転/分、接合速度は一般に数十〜数百mm/分の範囲内で、適当な条件に設定される。特に、本発明においては、ツール1の回転速度は600〜800rpm、接合速度は100〜200mm/分とするのが好ましい。   The probe advance angle of the tool 1 is generally set to about 1 to 5 °. The rotation speed of the tool 1 is generally set to appropriate conditions within a range of several hundred to several thousand rotations / minute, and the joining speed is generally within a range of several tens to several hundred mm / minute. In particular, in the present invention, the rotation speed of the tool 1 is preferably 600 to 800 rpm, and the joining speed is preferably 100 to 200 mm / min.

上記板状体6a、6bを構成するチタンまたはチタン合金としては、チタンを主成分とする純チタンまたは他成分(Al、V、Sn、Cr、Mo、Zr、Niなど)を含む合金をいい、例えば、α組織である工業用純チタン、α−β組織であるTi−6Al−4V合金、β組織であるTi−6Al−3Cr−3Sn−3Al合金等が挙げられるが、チタンまたはチタン合金であればよく、特に限定されない。   The titanium or titanium alloy constituting the plate-like bodies 6a and 6b is pure titanium mainly composed of titanium or an alloy containing other components (Al, V, Sn, Cr, Mo, Zr, Ni, etc.), For example, industrial pure titanium having an α structure, Ti-6Al-4V alloy having an α-β structure, Ti-6Al-3Cr-3Sn-3Al alloy having a β structure, and the like may be titanium or a titanium alloy. There is no particular limitation.

上記ツール1は、定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸からなる公知の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、三次元曲面を有する被加工材の加工においては定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸および揺動軸(A)と旋回軸(C)のツール2軸とからなる公知の5軸枠型の摩擦攪拌接合装置に取り付けられて使用される。また、三つの関節軸と二つの回転軸を具備した公知のロボットアームの先端に搭載されたマシンヘッドに取り付けても使用される。   The tool 1 is used by being attached to a known friction stir welding apparatus composed of three machine axes including a platen axis (X), a transverse axis (Y), and a lifting / lowering axis (Z). Further, in processing of a workpiece having a three-dimensional curved surface, the machine axis of the surface plate axis (X), the transverse axis (Y), the lifting axis (Z), the swing axis (A), and the pivot axis (C). It is used by being attached to a known five-axis frame type friction stir welding apparatus comprising two tools. It can also be used by attaching it to a machine head mounted at the tip of a known robot arm having three joint axes and two rotation axes.

なお、上記例においては、チタンまたはチタン合金からなる被加工材を接合する摩擦攪拌接合(FSW)について説明したが、2枚の被接合材に替えて、これと同様な1枚のチタンまたはチタン合金からなる被加工材を用い、その表面に高速回転するツール1のプローブ5を強い力で挿入し、上記ツール10を高速回転させながら加工部に沿って他端に移動させ、その時に発生する摩擦熱により加工部を可塑化して、ツール1のショルダ面4aによる圧力を負荷しながら移動させて加工することにより、被加工材を改質する摩擦攪拌改質(FSP)にも適用できる。   In the above example, friction stir welding (FSW) for joining workpieces made of titanium or a titanium alloy has been described, but instead of two workpieces, one piece of titanium or titanium similar to this is used. Using a workpiece made of an alloy, the probe 5 of the tool 1 that rotates at a high speed is inserted with a strong force on the surface thereof, and the tool 10 is moved to the other end along the processing portion while rotating at a high speed. It can also be applied to friction stir reforming (FSP) in which a workpiece is reformed by plasticizing the processed portion by frictional heat and moving it while applying pressure by the shoulder surface 4a of the tool 1.

本発明の摩擦攪拌加工用ツールは、ニッケル合金からなる摩擦攪拌加工用ツールの表面が、ふっ素イオン注入により表面処理されてなるもので、ツールがニッケル合金からなるので、高硬度かつ高耐熱性を有し、従来のタングステン−レニウム合金からなる摩擦攪拌加工用ツールに比べて安価である。しかも、ニッケル合金からなるツールの表面がふっ素イオン注入により表面処理されているので、表面硬化が行われ高硬度が発現して耐減耗性が向上し、長時間の摩擦攪拌加工にツールが耐えることができる。   In the friction stir processing tool of the present invention, the surface of the friction stir processing tool made of a nickel alloy is surface-treated by fluorine ion implantation. Since the tool is made of a nickel alloy, it has high hardness and high heat resistance. It is inexpensive compared to a conventional friction stir processing tool made of a tungsten-rhenium alloy. In addition, the surface of the tool made of nickel alloy is surface-treated by fluorine ion implantation, so that the surface is hardened, high hardness is developed and wear resistance is improved, and the tool can withstand long-time friction stir processing. Can do.

したがって、本発明の摩擦攪拌加工用ツールを用いると、高融点金属材料であるチタンまたはチタン合金を良好に摩擦攪拌加工することができる。特に、ふっ素イオン注入が、パルス周波数1〜2kHz、室温にて、注入時間150〜400分、好ましくは300〜400分の条件で行われる場合は、表面硬化が確実に行われ高硬度が確実に発現して耐減耗性が著しく向上し、長時間の摩擦攪拌加工にツールが耐えることができる。   Therefore, when the friction stir processing tool of the present invention is used, titanium or a titanium alloy, which is a high melting point metal material, can be satisfactorily friction stir processed. In particular, when fluorine ion implantation is performed at a pulse frequency of 1 to 2 kHz and at room temperature under conditions of implantation time of 150 to 400 minutes, preferably 300 to 400 minutes, surface hardening is reliably performed and high hardness is ensured. It develops and the wear resistance is remarkably improved, and the tool can withstand long-time friction stir processing.

また、本発明の摩擦攪拌加工品の製造方法は、上記のような摩擦攪拌加工用ツールを用いてチタンまたはチタン合金を摩擦攪拌加工するものであるから、従来のタングステン−レニウム合金からなる摩擦攪拌加工用ツールを用いるものに比べて、チタンまたはチタン合金からなる摩擦攪拌加工品を安価に製造することができる。   Further, the manufacturing method of the friction stir processed product of the present invention is a friction stir processing of titanium or a titanium alloy using the friction stir processing tool as described above, so that the friction stir processing made of a conventional tungsten-rhenium alloy is performed. A friction stir processed product made of titanium or a titanium alloy can be manufactured at a lower cost than that using a processing tool.

以下、本発明の具体的な実施例を挙げる。なお、本発明はこれ等の実施例に限定されるものではない。   Specific examples of the present invention will be given below. The present invention is not limited to these examples.

(摩擦攪拌加工用ツールの作製)
INCONEL625合金を、図1に示す形状に切削加工してツールを製作した。このツールの突出部4は、高さ9mm、直径24mmの円柱状とし、プローブ5は突出部4の先端面の中央部に設けられており、わずかに先細りした円錐台状で、ねじは切ってなく、側面の3箇所を面取りしてあり、長さ2.8mm、直径9.1mmである。ショルダ面4aは、プローブ5を中心としてやや円錐状に凹んだ形状とした。
(Production of friction stir processing tool)
A tool was manufactured by cutting the INCONEL625 alloy into the shape shown in FIG. The protruding portion 4 of this tool is a cylindrical shape having a height of 9 mm and a diameter of 24 mm, and the probe 5 is provided at the center of the distal end surface of the protruding portion 4, and has a slightly tapered truncated cone shape. Rather, the three sides are chamfered and have a length of 2.8 mm and a diameter of 9.1 mm. The shoulder surface 4a has a slightly conical shape with the probe 5 at the center.

こうして製作されたツールの表面に、全方位型イオン注入装置を用いて、ガス種:四ふっ化メタン、ガス圧力:0.5Pa、RF出力0.5kW、パルス電圧:−20kVとし、パルス周波数:1kHz、ツール温度:常温、注入時間:300分の条件でふっ素イオンを注入し、摩擦攪拌加工用ツール1を作製した。   On the surface of the tool manufactured in this way, using an omnidirectional ion implantation apparatus, gas type: methane tetrafluoride, gas pressure: 0.5 Pa, RF output 0.5 kW, pulse voltage: −20 kV, pulse frequency: Fluorine ions were injected under the conditions of 1 kHz, tool temperature: normal temperature, injection time: 300 minutes, and a friction stir processing tool 1 was produced.

(比較例1)
実施例1において、四ふっ化メタンガスを用いる代わりにアンモニアガスを用いること以外は、実施例1と同様にしてツール表面に窒素イオンを注入して、摩擦攪拌加工用ツールを作製した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, except that ammonia gas was used in place of tetrafluoromethane gas, nitrogen ions were implanted into the tool surface in the same manner as in Example 1 to produce a friction stir processing tool.

(比較例2)
実施例1と同じ形状のINCONEL625合金からなる摩擦攪拌加工用ツールを作製した。この場合、ふっ素イオン注入の表面処理は行わなかった。
(Comparative Example 2)
A friction stir processing tool made of INCONEL625 alloy having the same shape as that of Example 1 was prepared. In this case, the surface treatment of fluorine ion implantation was not performed.

(比較例3)
実施例1と同じ形状のタングステン−レニウムら合金(レニウム含量5重量%)からなる摩擦攪拌加工用ツールを作製した。この場合、ふっ素イオン注入の表面処理は行わなかった。
(Comparative Example 3)
A tool for friction stir processing made of a tungsten-rhenium alloy (rhenium content: 5% by weight) having the same shape as in Example 1 was prepared. In this case, the surface treatment of fluorine ion implantation was not performed.

(摩擦攪拌接合試験1)
実施例1および比較例1〜3で得られた摩擦攪拌加工用ツールを用いて、摩擦攪拌接合を図2に示す方法により行った。摩擦攪拌接合される板状体6a、6bとしては、長さ300mm×幅75mm×厚み3mmのJIS2級工業用純チタン板(JIS H 4600 2種)を用いた。
(Friction stir welding test 1)
Using the friction stir processing tools obtained in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, friction stir welding was performed by the method shown in FIG. As plate-like bodies 6a and 6b to be friction stir welded, JIS class 2 industrial pure titanium plates (JIS H 4600, 2 types) having a length of 300 mm, a width of 75 mm and a thickness of 3 mm were used.

定盤軸(X)と横行軸(Y)と昇降軸(Z)の機械3軸の摩擦攪拌接合装置(図示せず)の定盤9に、上記二枚の板状体6a、6bを、長さ300mmの辺同士を突き合わせて固定した。その後、上記の摩擦攪拌接合装置に、実施例1の摩擦攪拌加工用ツール1を取り付け、ツール1の回転数600rpm、移動速度100mm/分、負荷荷重2トン、前進角3度の条件で、アルゴンガス噴射環境下で突き合わせ7を230mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行った。   The two plate-like bodies 6a and 6b are attached to the surface plate 9 of the friction stir welding apparatus (not shown) of the machine 3 axes of the surface plate axis (X), the transverse axis (Y), and the lifting and lowering axis (Z). The sides of 300 mm in length were butted together and fixed. Thereafter, the friction stir welding tool 1 of Example 1 was attached to the above friction stir welding apparatus, and argon was applied under the conditions of the rotation speed of the tool 1 of 600 rpm, the moving speed of 100 mm / min, the load load of 2 tons, and the advance angle of 3 degrees. The butt 7 was subjected to friction stir welding over a distance of 230 mm in a gas injection environment.

その後、上記の板状体6a、6bを摩擦攪拌接合装置の定盤9から取り外し、次いで、新たに上記と同様の板状体6a、6bを上記と同様にして定盤9に取り付け、ツールの回転数800rpm、移動速度50mm/分としたこと以外は、上記と同様にして摩擦攪拌接合を行った。   Thereafter, the plate-like bodies 6a and 6b are removed from the platen 9 of the friction stir welding apparatus, and then the plate-like bodies 6a and 6b similar to the above are newly attached to the platen 9 in the same manner as described above. Friction stir welding was performed in the same manner as above except that the rotation speed was 800 rpm and the moving speed was 50 mm / min.

次に、実施例1の摩擦攪拌加工用ツール1に代えて、比較例1、2および3で作製した摩擦攪拌加工用ツールを用いた以外は、上記と同様にしてツールの回転数600rpm、移動速度100mm/分の条件および回転数800rpm、移動速度50mm/分の条件で摩擦攪拌接合を行った。   Next, in place of the friction stir processing tool 1 of Example 1, the tool rotation speed was 600 rpm and moved in the same manner as above except that the friction stir processing tool prepared in Comparative Examples 1, 2, and 3 was used. Friction stir welding was performed under conditions of a speed of 100 mm / min, a rotation speed of 800 rpm, and a moving speed of 50 mm / min.

摩擦攪拌接合により得られた板状体の突合せ部の外観写真を、図3および図4に示した。図3は、回転数600rpm、移動速度100mm/分で摩擦攪拌接合したもの、図4は、回転数800rpm、移動速度50mm/分で摩擦攪拌接合したものである。   The external appearance photograph of the butted part of the plate-like body obtained by friction stir welding is shown in FIGS. FIG. 3 shows a friction stir weld with a rotational speed of 600 rpm and a moving speed of 100 mm / min, and FIG. 4 shows a friction stir weld with a rotational speed of 800 rpm and a moving speed of 50 mm / min.

突合わせ部の外観写真は、プローブ5が圧入された側(表面側)から見たものを Front sideとし、プローブ5が圧入された側の反対側(裏面側)から見たものをBack sideとして示した。使用した摩擦攪拌加工用ツール(Tool)は、実施例1のものをInconel(F ion injected)、比較例1のものをInconel(N+C ion injected)、比較例2のものを単にInconelとして示した。   The appearance photograph of the butted portion is the front side viewed from the side where the probe 5 is press-fitted (front side), and the side viewed from the side opposite to the side where the probe 5 is pressed-in (back side) as back side. Indicated. The friction stir processing tool (Tool) used was shown as Inconel (Fion injected) in Example 1, Inconel (N + C ion injected) in Comparative Example 1, and simply Inconel in Comparative Example 2.

図3を見ると、Front sideにおいては、実施例1、比較例1および比較例2のいずれのツールを用いたものにおいても、突合わせ部が接合していることが判る。しかし、Back sideにおいては、比較例2のツールを用いたもの(左端の単にInconelとして示されているもの)では、突合わせ部の接合が不十分であり、突合わせの線が明確に観察されるが、実施例1のInconel(F ion injected)のもの、比較例1のInconel(N+C ion injected)のものでは、突合わせの線が明確に観察されるようなことはなく、突合わせ部の接合が十分に進んでいることが判る。   As can be seen from FIG. 3, in the front side, the butt portion is joined in any of the tools of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2. However, in the back side, using the tool of Comparative Example 2 (shown as simply Inconel at the left end), the joining of the butt portion is insufficient, and the butt line is clearly observed. However, in the Inconel (Fion injected) of Example 1 and the Inconel (N + Cion injected) of Comparative Example 1, the butt line is not clearly observed, and It can be seen that the joining is sufficiently advanced.

図4を見ると、Front sideにおいては、実施例1、比較例1および比較例2のいずれのツールを用いたものにおいても、突合わせ部が接合している。しかし、Back sideにおいては、比較例2のツールを用いたもの(左端の単にInconelとして示されているもの)では、右端近傍の○囲み部分の突合わせ部の接合が不十分であり、突合せの線が明確に観察されるが、実施例1のInconel(F ion injected)のものでは、突合わせの線が観察されず、突合わせ部の接合が十分に進んでいることが判る。   Referring to FIG. 4, in the front side, the butt portion is joined in any of the tools of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. However, in the back side, the one using the tool of Comparative Example 2 (shown simply as Inconel on the left end) is insufficient in joining the butt portion of the circled portion near the right end, Although the line is clearly observed, in the case of Inconel (Fion injected) of Example 1, the butt line is not observed, and it can be seen that the joining of the butt portion is sufficiently advanced.

なお、比較例1のInconel(N+C ion injected)のものでは、右端近傍の○囲み部分に突合わせの線が観察されるが、比較例2のツールのものよりも明確ではなく、比較例2のものよりも突合わせ部の接合が進んでいるが、実施例1に比べると突合わせ部の接合状態が劣ることが判る。   In the case of Inconel (N + C ion injected) of Comparative Example 1, a butting line is observed in the circled portion near the right end, but it is not clearer than that of the tool of Comparative Example 2, and Although the joining of the butt portion is proceeding more than that of the first embodiment, it can be seen that the joining state of the butt portion is inferior to that of Example 1.

(摩擦攪拌接合試験2)
上記の摩擦攪拌接合試験1で最も良好とされた実施例1の摩擦攪拌加工用ツール1をそのまま用い、さらに上記の摩擦攪拌接合試験1で最も良好とされた接合条件、すなわちツールの回転数600rpm、移動速度100mm/分、負荷荷重2トン、前進角3度の条件で、アルゴンガス噴射環境下で突合わせ部7を230mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行った。冷却後にツール1を摩擦攪拌接合装置から取り外して、板状体6a、6bを新しいものに交換して同様の操作を行い、この操作を2回繰り返して、合計690mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行った。
(Friction stir welding test 2)
The friction stir processing tool 1 of Example 1 that was the best in the friction stir welding test 1 was used as it was, and the welding conditions that were the best in the friction stir welding test 1 above, that is, the rotation speed of the tool was 600 rpm. Friction stir welding was performed on the butt 7 over a distance of 230 mm under an argon gas injection environment under the conditions of a moving speed of 100 mm / min, a load of 2 tons, and a forward angle of 3 degrees. After cooling, remove the tool 1 from the friction stir welding apparatus, replace the plate-like bodies 6a and 6b with new ones, perform the same operation, repeat this operation twice, and perform friction stir welding over a total distance of 690 mm. It was.

また、実施例1のツールに替えて比較例3のタングステン−レニウム合金からなるからなる摩擦攪拌加工用ツールツールを用い、それ以外は上記と同様にして合計690mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行った。   In addition, the friction stir welding tool tool made of the tungsten-rhenium alloy of Comparative Example 3 was used instead of the tool of Example 1, and the friction stir welding was performed over a total distance of 690 mm in the same manner as above. .

板状体6a、6bの突合わせ部の外観は、プローブ5が圧入された表面側、プローブ5が圧入された側の反対側である裏面側のどちらの面も、摩擦攪拌による接合状態は実施例1の摩擦攪拌加工用ツールを用いたものも、比較例3のタングステン−レニウム合金からなるツールを用いたものとの間に差異は認められなかった。また、摩擦攪拌接合の終了後のツールの外観を観察すると、ツールの磨耗状態も実施例1の摩擦攪拌加工用ツールを用いたものも、比較例3のタングステン−レニウム合金からなるツールを用いたものとの間に差異は認められなかった。   The appearance of the abutting part of the plate-like bodies 6a and 6b is that the surface side where the probe 5 is press-fitted and the back side opposite to the side where the probe 5 is pressed-in are both joined by friction stirring. No difference was found between the one using the friction stir processing tool of Example 1 and the one using the tungsten-rhenium alloy tool of Comparative Example 3. Moreover, when the external appearance of the tool after completion | finish of friction stir welding was observed, the tool which consists of the tungsten-rhenium alloy of the comparative example 3 used what also used the tool for friction stir processing of Example 1 for the abrasion state of a tool. There was no difference between the two.

ふっ素イオン注入条件の最適化を目指して、ガス種:四ふっ化メタン、ガス圧力:0.5Pa、RF出力0.5kW、パルス電圧:−20kVとし、四ふっ化メタンの注入時間、パルス周波数、ツール温度を下記の表1に示すように変更して、四つの条件1〜4で4種類の摩擦攪拌加工用ツールを作製し、前記実施例1で最も良好とされた接合条件、すなわちツールの回転数600rpm、移動速度100mm/分、負荷荷重2トン、前進角3度の条件で、アルゴンガス噴射環境下で突合わせ部7を230mmの距離にわたって1回の操作で摩擦攪拌接合を行った。得られた板状体の突合わせ部の外観写真を図5に示す。   Aiming at optimization of fluorine ion implantation conditions, gas type: tetrafluoromethane, gas pressure: 0.5 Pa, RF output 0.5 kW, pulse voltage: -20 kV, tetrafluoromethane injection time, pulse frequency, By changing the tool temperature as shown in Table 1 below, four types of friction stir processing tools were prepared under four conditions 1 to 4, and the welding conditions that were considered to be the best in the first embodiment, that is, the tool Friction stir welding was performed in a single operation over a distance of 230 mm under the argon gas injection environment under the conditions of a rotational speed of 600 rpm, a moving speed of 100 mm / min, a load of 2 tons, and a forward angle of 3 degrees. An external view photograph of the butted portion of the obtained plate-like body is shown in FIG.

得られた板状体の突合わせ部の引張強度試験を行った。
図6のように接合試料から番号1〜5の部分につき接合線と直交方向に長手軸方向を向けて図7に示す試料形状に切り出した。これを引張強度試験機にセットし、クロスヘッド速度3mm/分の条件で室温にて測定し、番号1〜5の部分(採取位置)の試料の平均値を表1に示した。なお、JIS2級工業用純チタン板(JIS H 4600 2種)自体の引張強度は374MPaであった。
The tensile strength test of the butted part of the obtained plate-like body was performed.
As shown in FIG. 6, the numbers 1 to 5 were cut from the bonded sample into the sample shape shown in FIG. 7 with the longitudinal axis direction perpendicular to the bonding line. This was set in a tensile strength tester and measured at room temperature under the condition of a crosshead speed of 3 mm / min. Table 1 shows the average values of the samples of Nos. 1 to 5 (collecting positions). In addition, the tensile strength of the JIS class 2 industrial pure titanium plate (JIS H 4600 type 2) itself was 374 MPa.

また、ツールの摩耗減量につき測定した。上記のようにツールの回転数600rpm、移動速度100mm/分、負荷荷重2トン、前進角3度の条件で、アルゴンガス噴射環境下で突合わせ部7を230mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行ったが、その際冷却後にツール1を摩擦攪拌接合装置から取り外して、摩擦攪拌接合前後のツールの重量を測定することにより、その減量を求め、摩耗量(g)として表1に示した。なお、条件1(注入時間300分)において、摩擦攪拌接合の操作を3回繰り返して、合計690mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行ったが、摩擦攪拌前後におけるツール磨耗量(ツール減量)は0.796gであった。また、条件3(注入時間150分)において、摩擦攪拌接合の操作を3回繰り返して、合計690mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行った場合は、ツール磨耗量は0.995gであった。   In addition, the weight loss of the tool was measured. As described above, the friction stir welding was performed on the butt portion 7 over a distance of 230 mm under the argon gas injection environment under the conditions of the rotational speed of the tool of 600 rpm, the moving speed of 100 mm / min, the applied load of 2 tons, and the forward angle of 3 degrees. However, after cooling, the tool 1 was removed from the friction stir welding apparatus and the weight of the tool before and after the friction stir welding was measured to determine the weight loss. The amount of wear (g) is shown in Table 1. In addition, in condition 1 (injection time 300 minutes), the friction stir welding operation was repeated three times and the friction stir welding was performed over a total distance of 690 mm. It was 796 g. Further, in the condition 3 (injection time 150 minutes), when the friction stir welding operation was repeated three times and the friction stir welding was performed over a total distance of 690 mm, the tool wear amount was 0.995 g.

フッ素イオン注入による表面処理は、物性に重大な影響を及ぼすイオン注入量およびイオン注入深さに着目し、条件1(標準条件)を基準として、条件2は条件1に比べてふっ素イオン注入量多くした条件、条件3は条件1に比べてふっ素イオン注入量を少なくした条件、条件4は条件1に比べてふっ素イオン注入量は少ないが、その拡散距離が広い条件(イオン注入深さが深い条件)を設定した。   Surface treatment by fluorine ion implantation focuses on the ion implantation amount and ion implantation depth that have a significant effect on physical properties, and condition 2 (standard condition) is used as a reference, and condition 2 has a larger fluorine ion implantation amount than condition 1 Condition 3, Condition 3 is a condition in which the amount of fluorine ion implantation is smaller than that in Condition 1, Condition 4 is a condition in which the amount of fluorine ion implantation is smaller than that in Condition 1, but the diffusion distance is wide (condition where the ion implantation depth is deep) )It was set.

図5において、F1 conditionは表1の条件1による摩擦攪拌接合写真であり、プローブ5が圧入された側(表面側)から見たものをfront、プローブ5が圧入された側の反対側(裏面側)から見たものをbackとして示した。同様にF2 conditionは表1の条件2、F3 conditionは表1の条件3、F4 conditionは表1の条件4を表している。図5から明らかなように、表側と裏側との接合外観はいずれも良好で各条件間に顕著な差異は認められない。しかし、表1から明らかなように、引張強度、伸度、ツール摩耗量の測定結果を勘案すると条件1が最も優れている。   In FIG. 5, F1 condition is a friction stir welding photograph according to condition 1 in Table 1. The front viewed from the side where the probe 5 is press-fitted (front side) is the front side, and the side opposite to the side where the probe 5 is press-fitted (back side) The side viewed from the side is shown as back. Similarly, F2 condition represents condition 2 in Table 1, F3 condition represents condition 3 in Table 1, and F4 condition represents condition 4 in Table 1. As is apparent from FIG. 5, the appearance of joining the front side and the back side is good, and no significant difference is observed between the conditions. However, as is apparent from Table 1, Condition 1 is the best when the measurement results of tensile strength, elongation, and tool wear amount are taken into consideration.

さらに、ふっ素イオン注入条件の最適化を目指して、ガス種:四ふっ化メタン、ガス圧力:0.5Pa、RF出力0.5kW、パルス電圧:−20kVとし、またパルス周波数:1kHz、ツール温度:常温とし、四ふっ化メタンの注入時間を150分、200分、250分、300分の四つの条件で4種類の摩擦攪拌加工用ツールを作製し、前記実施例1で最も良好とされた接合条件、すなわちツールの回転数600rpm、移動速度100mm/分、負荷荷重2トン、前進角3度の条件で、アルゴンガス噴射環境下で突き合わせ7を230mmの距離にわたって摩擦攪拌接合を行った。   Furthermore, with the aim of optimizing the fluorine ion implantation conditions, gas type: tetrafluoromethane, gas pressure: 0.5 Pa, RF output 0.5 kW, pulse voltage: -20 kV, pulse frequency: 1 kHz, tool temperature: Four types of friction stir processing tools were prepared under four conditions of normal temperature and injection time of chlorotetrafluoromethane of 150 minutes, 200 minutes, 250 minutes, and 300 minutes. Friction stir welding was performed over a distance of 230 mm in an argon gas injection environment under the conditions, that is, the rotational speed of the tool was 600 rpm, the moving speed was 100 mm / min, the applied load was 2 tons, and the advance angle was 3 degrees.

得られた板状体の突合わせ部の外観写真を図8〜図15に示す。ここで、図8は注入時間が150分の場合の摩擦攪拌接合後の表面側写真、図9はその裏面側写真である。図10は注入時間が200分の場合の摩擦攪拌接合後の表面側写真、図11はその裏面側写真である。図12は注入時間が250分の場合の摩擦攪拌接合後の表面側写真、図13はその裏面側写真である。図14は注入時間が300分の場合の摩擦攪拌接合後の表面側写真、図15はその裏面側写真である。   The external appearance photograph of the butted part of the obtained plate-like body is shown in FIGS. Here, FIG. 8 is a front side photograph after friction stir welding when the injection time is 150 minutes, and FIG. 9 is a back side photograph thereof. FIG. 10 is a front side photograph after friction stir welding when the injection time is 200 minutes, and FIG. 11 is a back side photograph thereof. FIG. 12 is a front side photograph after friction stir welding when the injection time is 250 minutes, and FIG. 13 is a back side photograph thereof. FIG. 14 is a front side photograph after friction stir welding when the injection time is 300 minutes, and FIG. 15 is a back side photograph thereof.

図8〜図15から明らかなように、表面側と裏面側との接合外観はいずれの場合も良好であった。裏面側の突合わせ線を観察するにおいて、その突合わせ線が明確であるかないかが問題となる。接合が良好である場合はツールから一番遠い面となる裏面でも攪拌が十分に行われるため、突合わせ線が完全には消失しないが、明瞭でなくなる。図9、11、13、15の裏面側の突合わせ線を見ると、ふっ素イオンの注入時間が長くなるにつれて、突合わせ線が消失している範囲が長くなり、突合わせ線が認められる接合操作の後半でも、その範囲は短くなり、さらに突合わせ線が不明確になる。これらの結果から、ふっ素イオンの注入時間が長いツールほど、良好な接合状態が得られるといえる。   As is apparent from FIGS. 8 to 15, the appearance of bonding between the front surface side and the back surface side was good in all cases. In observing the butt line on the back side, it becomes a problem whether the butt line is clear or not. When the bonding is good, the agitation is sufficiently performed even on the back surface, which is the surface farthest from the tool, and the butt line is not completely lost, but is not clear. 9, 11, 13, and 15, as the fluorine ion implantation time becomes longer, the range in which the butt line disappears becomes longer and the joining operation in which the butt line is recognized is seen. Even in the second half, the range becomes shorter and the butt line becomes unclear. From these results, it can be said that a better bonding state can be obtained with a tool having a longer fluorine ion implantation time.

このように、ふっ素イオンの注入時間が長いほど良好な接合状態が得られる。しかし、注入時間が400分を超える場合は、イオン注入装置や操作条件上の制約が出てくる。特に、イオン注入操作において副生成物が生じ、イオン注入による表面改質に不具合が生じる恐れがある。本イオン注入用装置においても、400分を限度として装置のメンテナンスを行うことにより、正常な表面改質層を維持することが可能となっているため、400分を超えないことが好ましい。   As described above, the longer the fluorine ion implantation time, the better the bonding state. However, when the implantation time exceeds 400 minutes, there are restrictions on the ion implantation apparatus and operating conditions. In particular, by-products are generated in the ion implantation operation, and there is a risk that defects may occur in surface modification by ion implantation. Also in this ion implantation apparatus, it is possible to maintain a normal surface modified layer by performing maintenance of the apparatus for 400 minutes as a limit. Therefore, it is preferable not to exceed 400 minutes.

さらに、前記のふっ素イオン注入時間300分の条件で摩擦攪拌接合操作を行った後のツールのショルダ面4aについて、ビッカース硬さ試験機により荷重0.49Nの条件で5箇所の測定を行った。平均のビッカース硬さは790(Hv)であった。なお、ふっ素イオン注入を行わない場合は、平均のビッカース硬さは233(Hv)であった。
以上の試験結果を総合的に勘案すると、最適なふっ素イオン注入時間は150〜400分、好ましくは300〜400分と判断される。
Further, the shoulder surface 4a of the tool after performing the friction stir welding operation under the condition of 300 minutes of the fluorine ion implantation time was measured at five locations with a Vickers hardness tester under a load of 0.49N. The average Vickers hardness was 790 (Hv). In addition, when fluorine ion implantation was not performed, the average Vickers hardness was 233 (Hv).
Considering the above test results comprehensively, the optimum fluorine ion implantation time is determined to be 150 to 400 minutes, preferably 300 to 400 minutes.

本発明の摩擦攪拌加工用ツールの一例を示し、(a)はツールの先端側から見た平面図、(b)は(a)のb−b線における断面図である。An example of the tool for friction stir processing of this invention is shown, (a) is the top view seen from the front end side of the tool, (b) is sectional drawing in the bb line of (a). 本発明の摩擦攪拌加工品の製造方法の一例を示す一部切欠斜視図である。It is a partially cutaway perspective view showing an example of a method for producing a friction stir processed product of the present invention. 摩擦攪拌加工用ツールの回転数600rpm、移動速度100mm/分摩擦攪拌接合して得られた板状体の突合わせ部の外観写真である。It is an external appearance photograph of the butting part of the plate-like body obtained by friction stir welding of the friction stir processing tool at a rotational speed of 600 rpm and a moving speed of 100 mm / min. 摩擦攪拌加工用ツールの回転数800rpm、移動速度50mm/分摩擦攪拌接合して得られた板状体の突合わせ部の外観写真である。It is an external appearance photograph of the butting part of the plate-like body obtained by friction stir welding with a rotational speed of 800 rpm and a moving speed of 50 mm / min of the friction stir processing tool. 注入時間、パルス周波数およびツール温度を変更した4条件による摩擦攪拌加工用ツールを用いて得られた板状体の突合わせ部の外観写真である。It is an external appearance photograph of the butt | matching part of the plate-shaped body obtained using the tool for friction stirring processing by 4 conditions which changed injection | pouring time, pulse frequency, and tool temperature. 接合した板状体から引張試験用試験片を切り出す際の採取位置を示す図面である。It is drawing which shows the collection position at the time of cutting out the test piece for a tensile test from the joined plate-shaped object. 引張試験用試験片の形状を示す図面である。It is drawing which shows the shape of the test piece for a tensile test. 注入時間が150分の条件による摩擦攪拌加工用ツールを用いて得られた板状体の突合わせ部の表面側写真である。It is the surface side photograph of the butt | matching part of the plate-shaped body obtained using the tool for friction stir processing by the conditions for injection | pouring time for 150 minutes. 図6における裏面側写真である。It is a back surface side photograph in FIG. 注入時間が200分の条件による摩擦攪拌加工用ツールを用いて得られた板状体の突合わせ部の表面側写真である。It is the surface side photograph of the butt | matching part of the plate-shaped body obtained using the tool for friction stir processing by the conditions for injection | pouring time for 200 minutes. 図10における裏面側写真である。It is a back surface side photograph in FIG. 注入時間が250分の条件による摩擦攪拌加工用ツールを用いて得られた板状体の突合わせ部の表面側写真である。It is the surface side photograph of the butt | matching part of the plate-shaped body obtained using the tool for friction stir processing on condition of injection | pouring time for 250 minutes. 図12における裏面側写真である。It is a back surface side photograph in FIG. 注入時間が300分の条件による摩擦攪拌加工用ツールを用いて得られた板状体の突合わせ部の表面側写真である。It is the surface side photograph of the butt | matching part of the plate-shaped body obtained using the tool for friction stirring processing by the conditions for injection | pouring time for 300 minutes. 図14における裏面側写真であるIt is the back side photograph in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 摩擦攪拌加工用ツール
2 把持部
3 フランジ部
4 突出部
4a ショルダ面
5 プローブ
6a チタン製板状体
6b チタン製板状体
7 突合わせ部
8 瘢痕
9 定盤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Friction stirring processing tool 2 Gripping part 3 Flange part 4 Protrusion part 4a Shoulder surface 5 Probe 6a Titanium plate 6b Titanium plate 7 Butting part 8 Scar 9 Surface plate

Claims (5)

ニッケル合金からなる摩擦攪拌加工用ツールの表面を、ふっ素イオン注入により表面処理してなることを特徴とするチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツール。   A friction stir processing tool for titanium or a titanium alloy, wherein the surface of a friction stir processing tool made of a nickel alloy is surface-treated by fluorine ion implantation. ニッケル合金が、ニッケルをベースとし少なくともクロムおよび鉄を含む合金からなることを特徴とする請求項1記載のチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツール。   2. The friction stir processing tool for titanium or titanium alloy according to claim 1, wherein the nickel alloy is made of an alloy containing nickel and containing at least chromium and iron. ふっ素イオン注入が、パルス周波数1〜2kHz、室温にて、注入時間150〜400分の条件で行われてなることを特徴とする請求項1または2に記載のチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツール。   3. The friction stir processing for titanium or titanium alloy according to claim 1 or 2, wherein the fluorine ion implantation is performed at a pulse frequency of 1 to 2 kHz at room temperature under an implantation time of 150 to 400 minutes. Tools. ふっ素イオン注入が、パルス周波数1〜2kHz、室温にて、注入時間300〜400分の条件で行われてなることを特徴とする請求項1または2に記載のチタンまたはチタン合金用の摩擦攪拌加工用ツール。   3. The friction stir processing for titanium or titanium alloy according to claim 1 or 2, wherein the fluorine ion implantation is performed at a pulse frequency of 1 to 2 kHz and at room temperature under an implantation time of 300 to 400 minutes. Tools. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の摩擦攪拌加工用ツールを用いてチタンまたはチタン合金を摩擦攪拌加工することを特徴とする摩擦攪拌加工品の製造方法。   A method for producing a friction stir processed product, characterized by subjecting titanium or a titanium alloy to friction stir processing using the friction stir processing tool according to any one of claims 1 to 4.
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