JP4865830B2 - Metal surface modification method - Google Patents

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JP4865830B2 JP2009104687A JP2009104687A JP4865830B2 JP 4865830 B2 JP4865830 B2 JP 4865830B2 JP 2009104687 A JP2009104687 A JP 2009104687A JP 2009104687 A JP2009104687 A JP 2009104687A JP 4865830 B2 JP4865830 B2 JP 4865830B2
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Description

本発明は、回転工具を用いて金属の表面改質を行う方法に関するものである。   The present invention relates to a method for surface modification of a metal using a rotary tool.

例えば特表平7−505090号公報(特許文献1)には、摩擦撹拌による固相接合方法として長尺材同士の新規な接合方法が開示されている。この接合方法は、加工物より実質的に硬い材質からなる回転工具を加工物の突合せ部に挿入し、回転工具を回転させながら移動することにより、回転工具と加工物との間に生じる摩擦熱による塑性流動によって加工物を接合する方法が開示されている。この撹拌接合方法は、接合部材を固相状態で、回転工具を回転させながら移動させつつ軟化させた固相部分を一体化しながら接合できるために、熱歪みがなく接合方向に対して実質的に無限に長い長尺材でもその長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。さらに、回転工具と接合部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のため、突合せ部を溶融させることなく接合できる。また、加熱温度が低いため、接合後の変形が少ない。突合せ部は溶融されないため、欠陥が少ないなどの多くの利点がある。   For example, JP 7-505090 A (Patent Document 1) discloses a novel method for joining long materials as a solid phase joining method by friction stirring. In this joining method, frictional heat generated between the rotary tool and the workpiece is obtained by inserting a rotary tool made of a material substantially harder than the workpiece into the butt portion of the workpiece and moving the rotary tool while rotating. Discloses a method of joining workpieces by plastic flow. In this stir welding method, since the joining member can be joined in a solid phase state while integrating the softened solid phase portion that is moved while rotating the rotary tool, there is no thermal distortion and the joining direction is substantially reduced. There is an advantage that even infinitely long materials can be continuously solid-phase bonded in the longitudinal direction. Furthermore, since the solid-phase bonding utilizing the plastic flow of metal caused by frictional heat between the rotary tool and the bonding member, bonding can be performed without melting the butt portion. Further, since the heating temperature is low, deformation after joining is small. Since the butt portion is not melted, there are many advantages such as fewer defects.

また、特開平10−225781号公報(特許文献2)は、以上の撹拌接合方法において、突合せ部の回転工具の移動方向前方部分を外部熱源、例えばレーザビームにより加熱しながら、回転工具を移動させる方法が開示されている。特許文献2によれば、摩擦熱が分散しやすい状況下でも、接合不良を生じることなく良好に接合することができ、しかも接合速度を向上させることができる。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-225781 (Patent Document 2) moves the rotary tool while heating the front portion of the abutting portion in the moving direction of the rotating tool with an external heat source, for example, a laser beam. A method is disclosed. According to Patent Document 2, it is possible to perform good bonding without causing poor bonding even in a situation where frictional heat is likely to disperse, and to improve the bonding speed.

特開2004−154790号公報(特許文献3)も、特許文献2と同様に、回転工具による接合部材の撹拌性を向上させるために、回転工具で接合する前に高周波加熱を用いて接合部材を加熱している。   Japanese Patent Laying-Open No. 2004-154790 (Patent Document 3) also discloses that, as in Patent Document 2, in order to improve the stirrability of the joining member by the rotating tool, the joining member is used by using high-frequency heating before joining by the rotating tool. Heating.

特表平7−505090号公報JP 7-505090 Gazette 特開平10−225781号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-225781 特開2004−154790号公報JP 2004-154790 A

特許文献2及び特許文献3に開示された発明では、回転工具とレーザ加熱位置又は高周波加熱位置に距離があるため、せっかく加熱した部分が接合する際には冷却されてしまい、加熱効果が薄い。さらに、この方法は接合部材表面しか加熱されず、接合部材の内部まで加熱することが難しい。そのためにかえって、板厚方向に温度差が生じてしまい、均一な接合が難しくなるおそれもある。   In the inventions disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, since there is a distance between the rotary tool and the laser heating position or the high-frequency heating position, the heated portion is cooled when bonded, and the heating effect is low. Furthermore, in this method, only the surface of the joining member is heated, and it is difficult to heat the inside of the joining member. For this reason, a temperature difference occurs in the plate thickness direction, and uniform bonding may be difficult.

特許文献1及び特許文献2は、回転工具の移動方向前方にレーザビームあるいは高周波加熱といった入熱手段を設けているために、加熱効果が薄いといった問題があった。しかるに本発明者等は、回転工具を用いれば、入熱手段による加熱を施すことなく金属の表面改質ができることを確認した。   Patent Documents 1 and 2 have a problem that the heating effect is small because a heat input means such as a laser beam or high-frequency heating is provided in front of the moving direction of the rotary tool. However, the present inventors have confirmed that if a rotating tool is used, the surface of the metal can be modified without heating by the heat input means.

本発明は、金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより処理対象物を処理する小径部と、小径部と一体化され、小径部が処理している間に処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により処理対象物の表面を改質する方法であって、回転工具を処理対象物に対向させ、かつ小径部を処理対象物に挿入する前に、回転工具に形成された貫通孔を通過したレーザビームを処理対象物に照射しておき、大径部を処理対象物に押圧することにより、押圧された大径部の一部を処理対象物に肉盛りさせる金属の表面改質方法を提供する。 The present invention integrates a small-diameter portion that processes a processing object by rotating in a state inserted in the processing object made of metal, and presses the processing object while the small-diameter portion is processing. The surface of the object to be processed is modified by a rotating tool having a large diameter portion that is made to face the rotating tool and before the small diameter portion is inserted into the processing object. The processing object is irradiated with a laser beam that has passed through the through-hole formed in the substrate, and the large-diameter portion is pressed against the processing object, so that a part of the pressed large-diameter portion is built up on the processing object. Provided is a method for surface modification of a metal to be produced.

本発明によれば、回転工具を用いて金属の表面改質処理を行うことができる。   According to the present invention, a metal surface modification treatment can be performed using a rotary tool.

第1参考例を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入する前の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating a 1st reference example, Comprising: It is a figure which shows the state before inserting a rotary tool in a joining member. 第1参考例を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating a 1st reference example, Comprising: It is a figure which shows the state after inserting a rotary tool in a joining member. 第1参考例による撹拌接合装置の構成概要を示す図である。It is a figure which shows the structure outline | summary of the stir welding apparatus by a 1st reference example. 第1参考例に適用するレーザビームの形態を示す図である。It is a figure which shows the form of the laser beam applied to a 1st reference example. 第1参考例に適用するレーザビームの他の形態を示す図である。It is a figure which shows the other form of the laser beam applied to a 1st reference example. 第2参考例を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入する前の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating a 2nd reference example, Comprising: It is a figure which shows the state before inserting a rotary tool in a joining member. 第2参考例を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating a 2nd reference example, Comprising: It is a figure which shows the state after inserting a rotary tool in a joining member. 第2参考例において、レーザビームを照射している状態を示す図である。It is a figure which shows the state which is irradiating the laser beam in the 2nd reference example. 第2参考例において、レーザビームの照射を停止している状態を示す図である。It is a figure which shows the state which has stopped irradiation of the laser beam in the 2nd reference example. 第2参考例によるレーザビームの照射方法を説明する図である。It is a figure explaining the irradiation method of the laser beam by the 2nd reference example. 第3参考例を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入する前の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating a 3rd reference example, Comprising: It is a figure which shows the state before inserting a rotary tool in a joining member. 第3参考例を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating the 3rd reference example, Comprising: It is a figure which shows the state after inserting a rotary tool in a joining member. 第3参考例を説明するための図であって、回転工具を接合部材に挿入した後の他の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating a 3rd reference example, Comprising: It is a figure which shows the other state after inserting a rotary tool in a joining member. 第3参考例におけるレーザビームの照射パターンを示す図である。It is a figure which shows the irradiation pattern of the laser beam in a 3rd reference example. 第4参考例を説明するための図であって、回転工具を改質部材に挿入する前の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating a 4th reference example, Comprising: It is a figure which shows the state before inserting a rotary tool in a modifying member. 第4参考例を説明するための図であって、回転工具を改質部材に挿入した後の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating the 4th reference example, Comprising: It is a figure which shows the state after inserting a rotary tool in a modifying member. 第4参考例の変形例を説明するための図であって、回転工具を改質部材に挿入した後の状態を示す図である。It is a figure for demonstrating the modification of a 4th reference example, Comprising: It is a figure which shows the state after inserting a rotary tool in a modification | reformation member.

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
<第1参考例>
図1及び図2は、本発明に対する第1参考例を説明するための図であり、図1は回転工具1を接合部材5に挿入する前の状態を示す図、図2は回転工具1を接合部材5に挿入した後の状態を示す図である。なお、図1は回転工具1の移動方向正面から見た図、図2は回転工具1の移動方向(矢印で示す)側面から見た図である。
図1及び図2において、回転工具1は、いずれも円柱状の大径部2及び小径部3とから構成されている。大径部2及び小径部3は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成され、その回転軸に貫通孔H1が形成されている。回転工具1は、図示しない回転駆動手段により回転軸を中心に回転する。また、回転工具1は、図示しない移動手段により、図中、平面方向、鉛直方向に移動可能となっている。
図示しないレーザ発振器から発振されたレーザビームLは、回転工具1の回転軸を含んで形成されている貫通孔H1を通過して、接合部材5に照射される。したがって、レーザビームLは、回転工具1の投影面内において接合部材5に照射されることになる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
<First Reference Example>
1 and 2 are views for explaining a first reference example for the present invention. FIG. 1 is a view showing a state before the rotary tool 1 is inserted into the joining member 5, and FIG. It is a figure which shows the state after inserting in the joining member 5. FIG. FIG. 1 is a view seen from the front in the moving direction of the rotary tool 1, and FIG. 2 is a view seen from the side of the moving direction (indicated by an arrow) of the rotary tool 1.
1 and 2, the rotary tool 1 is composed of a cylindrical large diameter portion 2 and a small diameter portion 3. The large-diameter portion 2 and the small-diameter portion 3 are integrally formed from a tool material such as die steel, and a through hole H1 is formed on the rotation shaft thereof. The rotary tool 1 is rotated around a rotation axis by a rotation driving means (not shown). Further, the rotary tool 1 can be moved in the plane direction and the vertical direction in the drawing by a moving means (not shown).
A laser beam L oscillated from a laser oscillator (not shown) passes through a through hole H <b> 1 formed including the rotation axis of the rotary tool 1 and is irradiated to the bonding member 5. Therefore, the laser beam L is applied to the bonding member 5 within the projection plane of the rotary tool 1.

図1に示すように、回転工具1を接合部材5に挿入する前であって、回転工具1が接合部材5に対向しかつ離間している段階で、レーザビームLを接合部材5に照射する。レーザビームLは接合部材5同士の突合せ部6に対して照射される。したがって、接合部材5のレーザビームLが照射された部分及びその近傍A1は加熱昇温により軟化するため、回転工具1を接合部材5に挿入する際の負荷を低減することができる。   As shown in FIG. 1, before the rotary tool 1 is inserted into the bonding member 5, the laser beam L is applied to the bonding member 5 when the rotary tool 1 faces and is separated from the bonding member 5. . The laser beam L is applied to the abutting portion 6 between the joining members 5. Accordingly, the portion of the joining member 5 irradiated with the laser beam L and its vicinity A1 are softened by heating and heating, so that the load when the rotary tool 1 is inserted into the joining member 5 can be reduced.

回転工具1を接合部材5に挿入する前に所定時間だけレーザビームLを照射した後に、図2に示すように、回転工具1を挿入する。第1形態では、回転工具1を接合部材5中に挿入した後も、レーザビームLを照射し続ける。その結果、接合部材5の厚さ方向中心部よりも低い部分(図中、A3で示す)も加熱昇温することができる。この部分は回転工具1の小径部3による熱影響が及ばないか又は及びにくい部分である。したがって、第1形態によれば、図2中、A2で示すように接合部材5の厚さ方向全域にわたって良好な接合状態を得ることができ、従来の回転工具のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができる。また、レーザビームLを照射しながら回転工具1を移動するため、回転工具1のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。   After irradiating the laser beam L for a predetermined time before inserting the rotary tool 1 into the joining member 5, the rotary tool 1 is inserted as shown in FIG. In the first embodiment, the laser beam L is continuously irradiated even after the rotary tool 1 is inserted into the joining member 5. As a result, a temperature lower than the central portion of the joining member 5 in the thickness direction (indicated by A3 in the figure) can be heated. This portion is a portion that is not or hardly affected by the thermal effect of the small diameter portion 3 of the rotary tool 1. Therefore, according to the first embodiment, as shown by A2 in FIG. 2, a good joining state can be obtained over the entire thickness direction of the joining member 5, and joining is performed as compared with the conventional stirring joining method using only a rotary tool. Defects can be reduced. Moreover, since the rotary tool 1 is moved while irradiating the laser beam L, the moving speed can be increased as compared with the stirring joining method using only the rotary tool 1.

図3は、以上の第1参考例による撹拌接合方法を実施するための撹拌接合装置10の構成概要を示している。
第1参考例による撹拌接合装置10は、接合部材5を載せる基台11を備えている。基台11の左右両側には、レール12が配設されている。レール12上をZ方向に往復移動可能なガントリ13が備えられており、ガントリ13には、モータ14を介して回転工具1が取り付けられている。モータ14は、回転工具1を回転駆動する。モータ14は、ガントリ13に対してX方向、Y方向に移動可能に取り付けられている。
撹拌接合装置10は、レーザ発振器15を備えている。レーザ発振器15から出射されたレーザビームLは、光ファイバ16及び回転工具1を介して接合部材5に照射される。
FIG. 3 shows a schematic configuration of the stir welding apparatus 10 for carrying out the stir welding method according to the first reference example.
The stir welding apparatus 10 according to the first reference example includes a base 11 on which the bonding member 5 is placed. Rails 12 are disposed on the left and right sides of the base 11. A gantry 13 capable of reciprocating in the Z direction on the rail 12 is provided, and the rotary tool 1 is attached to the gantry 13 via a motor 14. The motor 14 rotationally drives the rotary tool 1. The motor 14 is attached to the gantry 13 so as to be movable in the X direction and the Y direction.
The stir welding apparatus 10 includes a laser oscillator 15. The laser beam L emitted from the laser oscillator 15 is applied to the bonding member 5 through the optical fiber 16 and the rotary tool 1.

撹拌接合装置10により接合部材5を接合する場合、まず、2つの接合部材5をその突合せ部6を突合せて配置する。その後、ガントリ13の位置、ガントリ13に対するモータ14の位置を調整することにより、回転工具1を接合部材5の突合せ部6に対して位置合わせする。
回転工具1の突合せ部6に対する位置合わせが完了したならば、モータ14を駆動することにより回転工具1を回転するとともに、図1に示すように、レーザ発振器15を駆動して接合部材5に対してレーザビームLを照射する。以後は、前述したように、所定時間レーザビームLを照射した後に回転工具1を接合部材5の突合せ部6に挿入する。回転工具1の挿入後においても、図2に示すように、レーザビームLの照射を継続すると、従来の回転工具1のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができるとともに、回転工具1のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
When the joining member 5 is joined by the stir welding apparatus 10, first, the two joining members 5 are arranged with their butted portions 6 butted. Thereafter, the rotary tool 1 is aligned with the butting portion 6 of the joining member 5 by adjusting the position of the gantry 13 and the position of the motor 14 with respect to the gantry 13.
When the positioning of the rotary tool 1 with respect to the abutting portion 6 is completed, the rotary tool 1 is rotated by driving the motor 14, and the laser oscillator 15 is driven to the joining member 5 as shown in FIG. Then, the laser beam L is irradiated. Thereafter, as described above, after the laser beam L is irradiated for a predetermined time, the rotary tool 1 is inserted into the abutting portion 6 of the joining member 5. Even after the rotary tool 1 is inserted, if irradiation with the laser beam L is continued as shown in FIG. 2, joint defects can be reduced as compared to the conventional stir welding method using only the rotary tool 1, and the rotary tool can be reduced. The moving speed can be increased as compared with the stir welding method using only one.

以上では、回転工具1の接合部材5への挿入前及び挿入後におけるレーザビームLの照射は連続的なものとして説明した。しかし、レーザビームLの照射による所期の目的を達成できるのであれば、レーザビームLの照射を断続的なものとすることができる。また、回転工具1の接合部材5への挿入前及び挿入後に照射されるレーザビームLの強度は、一定であってもよいし、変動させてもよい。接合部材5への挿入前及び挿入後によってレーザビームLの強度を変えることもできる。   In the above description, the irradiation of the laser beam L before and after insertion of the rotary tool 1 into the joining member 5 has been described as continuous. However, if the intended purpose by the irradiation of the laser beam L can be achieved, the irradiation of the laser beam L can be made intermittent. Further, the intensity of the laser beam L irradiated before and after insertion of the rotary tool 1 into the joining member 5 may be constant or may be varied. The intensity of the laser beam L can be changed before and after insertion into the bonding member 5.

第1参考例において、接合部材5に照射されるレーザビームLは、図4に示すように、焦点を接合部材5の表面に焦点が一致するようにレンズ17によって集光する形態とすることができる。また、接合部材5に照射されるレーザビームLは、図5に示すように、接合部材5の表面に平行ビームを照射できるようにレンズ18及びレンズ19を用いる形態とすることもできる。   In the first reference example, the laser beam L applied to the bonding member 5 may be focused by the lens 17 so that the focal point coincides with the surface of the bonding member 5 as shown in FIG. it can. Further, as shown in FIG. 5, the laser beam L applied to the bonding member 5 may be configured to use a lens 18 and a lens 19 so that the surface of the bonding member 5 can be irradiated with a parallel beam.

<第2参考例>
次に本発明に対する第2参考例について説明する。
上述した第1参考例は、回転工具1の中心軸をレーザビームLが通過することにより、回転工具1の投影面内において接合部材5上にレーザビームLを照射したが、第2参考例は、回転工具1の中心軸から偏心した位置をレーザビームLが通過する形態を開示するものである。
<Second Reference Example>
Next, a second reference example for the present invention will be described.
In the first reference example described above, the laser beam L passes through the central axis of the rotary tool 1 to irradiate the laser beam L onto the joining member 5 in the projection plane of the rotary tool 1. A mode in which the laser beam L passes through a position eccentric from the central axis of the rotary tool 1 is disclosed.

図6及び図7は、本発明に対する第2参考例を説明するための図であり、図6は回転工具21を接合部材25に挿入する前の状態を示す図、図7は回転工具21を接合部材25に挿入した後の状態を示す図である。なお、図6は回転工具21の移動方向正面から見た図、図7は回転工具21の移動方向(矢印で示す)側面から見た図である。また、図8は回転工具21を接合部材25に挿入した後の状態を示す斜視図である。
図6及び図7において、回転工具21は、いずれも円柱状の大径部22及び小径部23とから構成されている。大径部22及び小径部23は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成され、その回転軸から偏心した位置に円弧状の貫通孔H2が形成されている。
図示しないレーザ発振器から出射されたレーザビームLは、回転工具21に形成されている貫通孔H2を通過して、接合部材25に照射される。したがって、レーザビームLは、回転工具21の投影面内において接合部材25に照射される。
6 and 7 are views for explaining a second reference example for the present invention. FIG. 6 is a view showing a state before the rotary tool 21 is inserted into the joining member 25. FIG. It is a figure which shows the state after inserting in the joining member 25. FIG. 6 is a view seen from the front of the moving direction of the rotary tool 21, and FIG. 7 is a view seen from the side of the moving direction of the rotary tool 21 (indicated by an arrow). FIG. 8 is a perspective view showing a state after the rotary tool 21 is inserted into the joining member 25.
6 and 7, each of the rotary tools 21 includes a cylindrical large diameter portion 22 and a small diameter portion 23. The large-diameter portion 22 and the small-diameter portion 23 are integrally formed from a tool material such as die steel, and an arc-shaped through hole H2 is formed at a position eccentric from the rotation axis.
A laser beam L emitted from a laser oscillator (not shown) passes through a through hole H <b> 2 formed in the rotary tool 21 and is irradiated to the bonding member 25. Accordingly, the joining member 25 is irradiated with the laser beam L within the projection plane of the rotary tool 21.

第2参考例も第1参考例と同様に、図6に示すように、回転工具21を接合部材25に挿入する前であって、回転工具21が接合部材25から離間している段階で、レーザビームLを接合部材25に照射する。レーザビームLは接合部材25同士の突合せ部26に対して照射される。レーザビームLの照射は、小径部23より回転工具21の移動方向前方に対して行われる。したがって、接合部材25のレーザビームLが照射された部分及びその近傍A4は加熱昇温するため、回転工具21を接合部材25に挿入し、又は回転工具21を移動する際の負荷を低減することができる。   Similarly to the first reference example, the second reference example is also before the rotary tool 21 is inserted into the joining member 25, as shown in FIG. The joining member 25 is irradiated with a laser beam L. The laser beam L is applied to the butting portion 26 between the bonding members 25. The irradiation with the laser beam L is performed from the small diameter portion 23 to the front in the moving direction of the rotary tool 21. Therefore, since the portion of the joining member 25 irradiated with the laser beam L and its vicinity A4 is heated and heated, the rotational tool 21 is inserted into the joining member 25 or the load when the rotational tool 21 is moved is reduced. Can do.

ここで、第2参考例は、貫通孔H2が回転工具21の回転軸から偏心した位置に形成されているため、第1参考例のように、レーザビームLを連続的に照射していない。つまり、図8に示すように、光ファイバFを突合せ部26上に固定し、貫通孔H2がこの固定位置を通過しているときにのみレーザビームLを照射する。一方、図9に示すように、貫通孔H2がこの固定位置とは異なる位置に存在している場合には、レーザビームLの照射を停止する。つまり、第2参考例では、小径部23より回転工具21の移動方向前方に対して、貫通孔H2の位置に応じてレーザビームLを断続的に照射する。   Here, in the second reference example, since the through hole H2 is formed at a position eccentric from the rotation axis of the rotary tool 21, the laser beam L is not continuously irradiated as in the first reference example. That is, as shown in FIG. 8, the optical fiber F is fixed on the butting portion 26, and the laser beam L is irradiated only when the through hole H2 passes through this fixed position. On the other hand, as shown in FIG. 9, when the through hole H2 exists at a position different from the fixed position, the irradiation of the laser beam L is stopped. That is, in the second reference example, the laser beam L is intermittently emitted from the small diameter portion 23 to the front in the moving direction of the rotary tool 21 according to the position of the through hole H2.

回転工具21を接合部材25に挿入する前に所定時間だけレーザビームLを照射した後に、図7に示すように、回転工具21を挿入する。第2形態では、回転工具21を接合部材25中に挿入した後も、レーザビームLを断続的に照射する。したがって、回転工具21の移動方向であって、かつ小径部23の前方が軟化されるため、移動負荷を軽減することができる。結果として、回転工具21のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。   After irradiating the laser beam L for a predetermined time before inserting the rotary tool 21 into the joining member 25, the rotary tool 21 is inserted as shown in FIG. In the second embodiment, the laser beam L is intermittently irradiated even after the rotary tool 21 is inserted into the joining member 25. Accordingly, the moving direction of the rotary tool 21 and the front of the small-diameter portion 23 are softened, so that the moving load can be reduced. As a result, the moving speed can be increased as compared with the stir welding method using only the rotary tool 21.

以上ではレーザビームLの照射位置を固定した例について説明したが、図10に示す構成を採用することにより、レーザビームLの照射位置を固定することなく、回転工具21の回転軸からの偏心量を半径とする円上にレーザビームLを照射することができる。すなわち、図10において、ミラーM1及びミラーM2を組み合わせることにより、レーザビームLを回転工具21の貫通孔H2に誘導する。ミラーM1及びミラーM2は、ミラーM1を中心として回転可能に構成されている。この回転の中心は、回転工具21の回転軸と一致している。回転工具21の回転速度とミラーM1及びミラーM2の回転速度とを一致させ、かつミラーM1及びミラーM2を介してレーザビームLを照射すると、接合部材25上には、レーザビームLを円周状に照射することができる。   The example in which the irradiation position of the laser beam L is fixed has been described above, but by adopting the configuration shown in FIG. 10, the amount of eccentricity from the rotation axis of the rotary tool 21 without fixing the irradiation position of the laser beam L. The laser beam L can be irradiated on a circle having a radius of. That is, in FIG. 10, the laser beam L is guided to the through hole H2 of the rotary tool 21 by combining the mirror M1 and the mirror M2. The mirror M1 and the mirror M2 are configured to be rotatable about the mirror M1. The center of rotation coincides with the rotation axis of the rotary tool 21. When the rotational speed of the rotary tool 21 and the rotational speed of the mirror M1 and the mirror M2 are matched and the laser beam L is irradiated via the mirror M1 and the mirror M2, the laser beam L is circumferentially formed on the bonding member 25. Can be irradiated.

<第3参考例>
次に第3参考例を説明する。
第3参考例は、回転工具の中心軸及び中心軸から偏心した位置をレーザビームLが通過する形態を開示するものである。また、第1参考例及び第2参考例はレーザビームLを接合部材5(25)の突合せ部6(26)に照射していたが、第3参考例はレーザビームLを接合部材5(25)の突合せ部6(26)以外の箇所にも照射する。そうすることにより、融点の異なる異種材料の撹拌接合を可能にする。
<Third reference example>
Next, a third reference example will be described.
The third reference example discloses a form in which the laser beam L passes through the center axis of the rotary tool and a position eccentric from the center axis. In the first reference example and the second reference example, the laser beam L is applied to the abutting portion 6 (26) of the bonding member 5 (25). In the third reference example, the laser beam L is irradiated to the bonding member 5 (25). 2) other than the butting portion 6 (26). By doing so, it is possible to stir and bond dissimilar materials having different melting points.

図11及び図12は、第3参考例を説明するための図であり、図11は回転工具31を接合部材35に挿入する前の状態を示す図、図12は回転工具31を接合部材35に挿入した後の状態を示す図である。なお、図11は回転工具31の移動方向正面から見た図、図12は回転工具31の移動方向(矢印で示す)側面から見た図である。
図11及び図12において、回転工具31は、大径部32及び小径部33とから構成されている。大径部32及び小径部33は、ダイス鋼等の工具材料から一体的に構成されている。回転工具31は、その回転軸に貫通孔H3が形成されている。また、回転工具31は、その中心軸から偏心した位置に円弧状の貫通孔H4が形成されている。
11 and 12 are diagrams for explaining a third reference example. FIG. 11 is a diagram showing a state before the rotary tool 31 is inserted into the joining member 35, and FIG. It is a figure which shows the state after inserting in. FIG. 11 is a view seen from the front in the moving direction of the rotary tool 31, and FIG. 12 is a view seen from the side of the moving direction (indicated by an arrow) of the rotary tool 31.
11 and 12, the rotary tool 31 includes a large diameter portion 32 and a small diameter portion 33. The large diameter portion 32 and the small diameter portion 33 are integrally formed of a tool material such as die steel. The rotary tool 31 has a through hole H3 formed on the rotation shaft thereof. Further, the rotary tool 31 has an arc-shaped through hole H4 formed at a position eccentric from the central axis.

図示しないレーザ発振器から出射されたレーザビームLは、回転工具31に形成されている貫通孔H3及びH4を通過して、接合部材35に照射される。したがって、レーザビームLは、回転工具31の投影面内において接合部材35に照射される。   A laser beam L emitted from a laser oscillator (not shown) passes through the through holes H3 and H4 formed in the rotary tool 31 and is irradiated to the bonding member 35. Therefore, the laser beam L is applied to the bonding member 35 within the projection plane of the rotary tool 31.

第3参考例も第1、2参考例と同様に、図11に示すように、回転工具31を接合部材35に挿入する前であって、回転工具31が接合部材35から離間している段階で、貫通孔H3を介してレーザビームLを接合部材35に照射する。ここで、第3参考例は、例えば一方の接合部材35を鋼(以下、接合部材35−1)、他方の接合部材35をアルミニウム合金(以下、接合部材35−2)というように、融点の異なる異種材料を接合対象とする。   Similarly to the first and second reference examples, the third reference example is a stage where the rotary tool 31 is separated from the joining member 35 before the rotary tool 31 is inserted into the joining member 35 as shown in FIG. Thus, the joining member 35 is irradiated with the laser beam L through the through hole H3. Here, in the third reference example, for example, one joining member 35 is made of steel (hereinafter, joining member 35-1), and the other joining member 35 is made of an aluminum alloy (hereinafter, joining member 35-2). Different dissimilar materials are to be joined.

回転工具31を接合部材35−1と接合部材35−2との突合せ部36に挿入する前に所定時間だけレーザビームLを照射した後に、図12に示すように、回転工具31を挿入する。第3参考例では、回転工具31を接合部材35−1と接合部材35−2との突合せ部36に挿入した後も、貫通孔H3を介するレーザビームLの照射を継続する。その結果、接合部材35−1及び接合部材35−2の厚さ方向中心部よりも低い部分(図中、A8で示す)をも加熱昇温することができる。この部分は回転工具31の小径部33による熱影響が及ばないか又は及びにくい部分である。
したがって、第3参考例によれば、図12に示すように接合部材35の厚さ方向全域にわたって良好な接合状態を得ることができ、従来の回転工具のみによる撹拌接合法に比べて接合欠陥を低減することができる。また、レーザビームLを照射しながら回転工具31を移動するため、回転工具31のみによる撹拌接合法に比べて移動速度を速くすることができる。
After irradiating the laser beam L for a predetermined time before inserting the rotary tool 31 into the abutting portion 36 of the joining member 35-1 and the joining member 35-2, the rotary tool 31 is inserted as shown in FIG. In the third reference example, irradiation of the laser beam L through the through hole H3 is continued even after the rotary tool 31 is inserted into the abutting portion 36 of the joining member 35-1 and the joining member 35-2. As a result, it is possible to raise the temperature of the portions (indicated by A8 in the figure) that are lower than the thickness direction center portions of the joining member 35-1 and the joining member 35-2. This portion is a portion that is not or hardly affected by the thermal effect of the small diameter portion 33 of the rotary tool 31.
Therefore, according to the third reference example, as shown in FIG. 12, a good joining state can be obtained over the entire thickness direction of the joining member 35, and joining defects are reduced as compared with the conventional stirring joining method using only a rotary tool. Can be reduced. Moreover, since the rotary tool 31 is moved while irradiating the laser beam L, the moving speed can be increased as compared with the stir welding method using only the rotary tool 31.

第3参考例は、回転工具31を接合部材35−1と接合部材35−2との突合せ部36に挿入した後に、貫通孔H4を介してレーザビームLを接合部材35−1に対して照射する。したがって、レーザビームLによって接合部材35−1のA9で示す領域は軟化する。ここで、図13に示すように、貫通孔H4が接合部材35−2の領域に位置する場合がある。このときは、貫通孔H4を通過するレーザビームLの照射を停止する。つまり、貫通孔H4を通過するレーザビームLの照射を制御することにより、鋼からなる接合部材35−1を加熱昇温するが、アルミニウム合金からなる接合部材35−2は貫通孔H4を通過するレーザビームLでは加熱しない。このとき、アルミニウム合金からなる接合部材35−2は直接的な加熱昇温がなされていない。ここで、鋼の軟化温度は800℃程度、アルミニウム合金の軟化温度は400℃程度であり、この軟化温度の差が両者の撹拌接合を困難にしていた。ところが、第3参考例では、軟化温度の高い鋼製の接合部材35−1にレーザビームLを照射することにより、アルミニウム合金製の接合部材35−2よりも接合部材35−1を高い温度にすることができる。したがって、接合対象物の軟化温度が相違していても、貫通孔H4を通過するレーザビームLの照射を制御することにより、接合部材35−1及び接合部材35−2の両者を同時に軟化させることが可能となる。   In the third reference example, after the rotary tool 31 is inserted into the abutting portion 36 of the joining member 35-1 and the joining member 35-2, the laser beam L is irradiated to the joining member 35-1 through the through hole H4. To do. Therefore, the region indicated by A9 of the bonding member 35-1 is softened by the laser beam L. Here, as shown in FIG. 13, the through-hole H4 may be located in the region of the joining member 35-2. At this time, the irradiation of the laser beam L passing through the through hole H4 is stopped. That is, by controlling the irradiation of the laser beam L that passes through the through-hole H4, the temperature of the joining member 35-1 made of steel is heated, but the joining member 35-2 made of an aluminum alloy passes through the through-hole H4. The laser beam L is not heated. At this time, the joining member 35-2 made of an aluminum alloy is not directly heated and heated. Here, the softening temperature of the steel is about 800 ° C., and the softening temperature of the aluminum alloy is about 400 ° C. The difference in the softening temperatures makes it difficult to stir and join the two. However, in the third reference example, the joining member 35-1 is heated to a higher temperature than the joining member 35-2 made of aluminum alloy by irradiating the steel joining member 35-1 having a high softening temperature with the laser beam L. can do. Therefore, even if the softening temperatures of the objects to be joined are different, both the joining member 35-1 and the joining member 35-2 can be simultaneously softened by controlling the irradiation of the laser beam L passing through the through hole H4. Is possible.

以上の例では、図13の状態では貫通孔H4からのレーザビームLの照射を停止したが、停止する形態に限定されない。例えば、図13の状態では貫通孔H4からのレーザビームLの出力エネルギを弱くすることも可能である。その場合、レーザビームLの照射パターンは、図14に示すように、パルス状とすることになる。
また、第3参考例では、貫通孔H3、つまり回転工具31の回転軸からのレーザビームLの照射を行っているが、異種材料の撹拌接合のみを考慮した場合には、回転工具31の回転軸からのレーザビームLの照射を省略することができる。
In the above example, the irradiation of the laser beam L from the through hole H4 is stopped in the state shown in FIG. 13, but the present invention is not limited to this mode. For example, in the state of FIG. 13, the output energy of the laser beam L from the through hole H4 can be weakened. In that case, the irradiation pattern of the laser beam L has a pulse shape as shown in FIG.
In the third reference example, the laser beam L is irradiated from the through hole H3, that is, the rotating shaft of the rotating tool 31, but when only the stir welding of different materials is considered, the rotating tool 31 rotates. Irradiation of the laser beam L from the shaft can be omitted.

<第4参考例、第1、2形態>
第1〜第3参考例は2つの接合部材5、25、35を突合せた状態で撹拌接合する例を開示するものであるが、本発明は、金属材料の表面改質に対して適用することもできる。そこで以下では、金属材料の表面改質に適用した形態について説明する。
<Fourth reference example, first and second forms>
The first to third reference examples disclose examples in which the two joining members 5, 25, and 35 are abutted and joined while stirring, but the present invention is applied to surface modification of a metal material. You can also. Therefore, in the following, a form applied to surface modification of a metal material will be described.

図15及び図16は、第4参考例を説明するための図であり、図15は回転工具41を改質部材45に挿入する前の状態を示す図、図16は回転工具41を改質部材45に挿入した後の状態を示す図である。なお、図15は回転工具41の移動方向正面から見た図、図16は回転工具41の移動方向(矢印で示す)側面から見た図である。   FIGS. 15 and 16 are diagrams for explaining a fourth reference example. FIG. 15 is a diagram illustrating a state before the rotary tool 41 is inserted into the reforming member 45, and FIG. It is a figure which shows the state after inserting in the member 45. FIG. 15 is a diagram seen from the front of the rotary tool 41 in the moving direction, and FIG. 16 is a diagram seen from the side of the rotary tool 41 in the moving direction (indicated by an arrow).

図15及び図16において、回転工具41は、ともに円筒状の大径部43及び小径部42とから構成されている。大径部43は改質部材45の表面に対する肉盛り材から構成されている。肉盛り材としては、例えば高Cr基合金、Ni基合金、Co基合金等を用いることができる。小径部42はダイス鋼等の工具材料から構成されている。大径部43小径部42の周囲に焼きばめ、その他の手段によって接合されている。大径部43の中心軸(回転工具41の回転中心)には、レーザビームLが通過する貫通孔H5が形成されている。 15 and 16, the rotary tool 41 is composed of a cylindrical large-diameter portion 43 and a small-diameter portion 42 . The large diameter portion 43 is composed of a build-up material with respect to the surface of the reforming member 45. As the build-up material, for example, a high Cr base alloy, a Ni base alloy, a Co base alloy, or the like can be used. The small diameter portion 42 is made of a tool material such as die steel. The large diameter portion 43 is shrink-fitted around the small diameter portion 42 and joined by other means. A through hole H5 through which the laser beam L passes is formed in the central axis of the large diameter portion 43 (the rotation center of the rotary tool 41).

第4参考例も第1参考例と同様に、図15に示すように、回転工具41を改質部材45に挿入する前であって、回転工具41が改質部材45から離間している段階で、レーザビームLを改質部材45の表面に照射する。したがって、改質部材45のレーザビームLが照射された部分及びその近傍A10は加熱昇温して軟化するため、回転工具41を改質部材45に挿入する際の負荷を低減することができる。   Similarly to the first reference example, in the fourth reference example, as shown in FIG. 15, the rotary tool 41 is separated from the reforming member 45 before the rotating tool 41 is inserted into the reforming member 45. Then, the surface of the modifying member 45 is irradiated with the laser beam L. Accordingly, the portion of the modifying member 45 irradiated with the laser beam L and its vicinity A10 are heated and heated to soften, so that the load when the rotary tool 41 is inserted into the modifying member 45 can be reduced.

回転工具41を改質部材45に挿入する前に所定時間だけレーザビームLを照射した後に、図16に示すように、回転工具41を挿入する。第4参考例では、回転工具41を改質部材45中に挿入した後も、レーザビームLを連続的又は断続的に照射することができるし、レーザビームLの照射を停止することもできる。回転工具41を改質部材45に挿入した後、回転工具41を改質部材45に所定の圧力で押し付けつつ回転工具41を回転させる。この過程で、改質部材45に接触している大径部43は肉盛り材として改質部材45の表面に供給させる。すなわち、大径部43は、回転工具41の回転に伴って消耗する。一方で小径部42による改質部材45表面の撹拌により、大径部43から肉盛り材として供給された材料と改質部材45とが混合又は合金化することにより、改質部材45の表面を改質部Kとすることができる。 After irradiating the laser beam L for a predetermined time before inserting the rotary tool 41 into the reforming member 45, the rotary tool 41 is inserted as shown in FIG. In the fourth reference example, even after the rotary tool 41 is inserted into the modifying member 45, the laser beam L can be irradiated continuously or intermittently, and the irradiation of the laser beam L can be stopped. After the rotary tool 41 is inserted into the reforming member 45, the rotary tool 41 is rotated while pressing the rotary tool 41 against the reforming member 45 with a predetermined pressure. In this process, the large diameter portion 43 in contact with the reforming member 45 is supplied to the surface of the reforming member 45 as a build-up material. That is, the large diameter portion 43 is consumed as the rotary tool 41 rotates. On the other hand, when the surface of the reforming member 45 is stirred by the small diameter portion 42, the material supplied as the build-up material from the large diameter portion 43 and the reforming member 45 are mixed or alloyed. The reforming part K can be used.

回転工具41を改質部材45中に挿入した後も、レーザビームLを照射すれば、回転工具41を改質部材45に対してより深く挿入することができる。そのため、改質部材45における改質層の深さを深くすることができる。
以上の第4参考例では、回転工具41の回転軸からレーザビームLを改質部材45に対して照射する形態を開示したが、レーザビームLの照射を伴わなくても表面改質を実施することができる(第1形態)。もちろん、レーザビームLの照射を伴う表面改質が望ましい形態であることはいうまでもない。
また、以上の第4参考例では、回転工具41の大径部42が回転工具41の回転に伴って消耗する形態としているが、非消耗タイプの大径部42とすることを許容する。
Even after the rotary tool 41 is inserted into the reforming member 45, if the laser beam L is irradiated, the rotary tool 41 can be inserted deeper into the reforming member 45. Therefore, the depth of the modified layer in the reforming member 45 can be increased.
In the fourth reference example described above, the mode in which the laser beam L is irradiated onto the modifying member 45 from the rotating shaft of the rotary tool 41 is disclosed. However, the surface modification is performed without the laser beam L being irradiated. (First form). Of course, it is needless to say that surface modification with irradiation of the laser beam L is a desirable form.
In the fourth reference example described above, the large-diameter portion 42 of the rotary tool 41 is consumed as the rotary tool 41 rotates. However, the non-consumable large-diameter portion 42 is allowed.

さらに、以上の第4参考例では、回転工具41の大径部43が回転工具41の回転に伴って消耗する形態とし、大径部43から肉盛り材を供給する形態としているが、大径部52を小径部53と同様の素材から構成して非消耗タイプのものとし、さらに図17に示すように肉盛り材を板材56から供給することもできる(第2形態)。つまり、改質部材55の表面に肉盛り材となる板材56を載せた状態で、回転工具51を板材56及び改質部材55に挿入し、かつ回転させる。そうすることにより、板材56及び改質部材55表面の撹拌により、板材56と改質部材55とが混合又は合金化することにより、改質部材55の表面を改質部Kとすることができる。 Further, in the above fourth reference example, the large-diameter portion 43 of the rotary tool 41 is consumed as the rotary tool 41 rotates, and the build-up material is supplied from the large-diameter portion 43. The portion 52 is made of the same material as that of the small diameter portion 53 and is of a non-consumable type, and the overlay material can also be supplied from the plate material 56 as shown in FIG. 17 (second embodiment). That is, the rotary tool 51 is inserted into the plate material 56 and the reforming member 55 and rotated with the plate material 56 serving as a build-up material placed on the surface of the reforming member 55. By doing so, the plate material 56 and the reforming member 55 are mixed or alloyed by stirring the surfaces of the plate material 56 and the reforming member 55, whereby the surface of the reforming member 55 can be used as the reforming portion K. .

以下本発明の具体的な実施例を説明する。
<実験例1>
第1参考例に従った実験を行った。実験の条件は以下の通りとし、回転工具を接合部材に挿入する際の負荷(挿入時負荷)を測定した。また、及び回転工具を接合部材に挿入した後に移動する際の負荷(移動時負荷)を測定した。その結果を下記するが、レーザビームを照射することにより、挿入時負荷及び移動時負荷が軽減されることがわかる。このように挿入時負荷及び移動時負荷が軽減されることにより、撹拌接合の工数を軽減することができるとともに、設備剛性を軽減することができる。工数低減については、移動時の速度を、レーザビーム照射なしの場合が50〜100mm/minであるのを、100〜150mm/minまで向上することができる。
Specific examples of the present invention will be described below.
<Experimental example 1>
An experiment according to the first reference example was performed. The experimental conditions were as follows, and the load (load during insertion) when the rotary tool was inserted into the joining member was measured. Moreover, the load at the time of moving after inserting a rotary tool in a joining member (load at the time of movement) was measured. The results are described below. It can be seen that the load during insertion and the load during movement are reduced by irradiating the laser beam. Thus, by reducing the load at the time of insertion and the load at the time of movement, the man-hour of the stir welding can be reduced, and the equipment rigidity can be reduced. Regarding the man-hour reduction, the speed during movement can be improved from 50 to 100 mm / min in the case of no laser beam irradiation to 100 to 150 mm / min.

撹拌接合条件
接合部材材質:軟鋼
接合部材板厚:5〜10mm
回転工具回転数:400rpm
回転工具移動速度:50〜100mm/min
レーザビーム出力:1〜2kW
レーザビーム照射径:1mm
Stir welding conditions Joining member material: Mild steel Joining member plate thickness: 5-10mm
Rotating tool rotation speed: 400rpm
Rotary tool moving speed: 50-100mm / min
Laser beam output: 1-2 kW
Laser beam irradiation diameter: 1 mm

測定結果
挿入時負荷:レーザビーム照射あり…5〜8ton
レーザビーム照射なし…9〜12ton
移動時負荷:レーザビーム照射あり…5〜8ton
レーザビーム照射なし…6〜9ton
Measurement result Insertion load: With laser beam irradiation ... 5 to 8 tons
No laser beam irradiation ... 9-12ton
Moving load: With laser beam irradiation ... 5 to 8 tons
No laser beam irradiation ... 6-9ton

<実験例2>
第4参考例、第1形態に従った実験を行った。ただし、大径部を非消耗タイプの大径部とした。実験の条件は以下の通りとし、回転工具を改質部材に挿入した後の移動速度(移動時負荷)を測定した。また、改質部の平均結晶粒径を測定した。その結果を下記するが、レーザビームを照射することにより、回転工具の移動速度を向上することができる。また、レーザビームの照射により、改質部の結晶粒径を微細化することができる。
<Experimental example 2>
An experiment according to the fourth reference example, the first embodiment was performed. However, the large diameter portion was a non-consumable type large diameter portion. The experimental conditions were as follows, and the moving speed (load during movement) after inserting the rotary tool into the reforming member was measured. Moreover, the average crystal grain size of the modified part was measured. The result will be described below. By moving the laser beam, the moving speed of the rotary tool can be improved. Further, the crystal grain size of the modified portion can be reduced by laser beam irradiation.

撹拌接合条件
接合部材材質:軟鋼
接合部材板厚:5〜10mm
回転工具回転数:400rpm
レーザビーム出力:1〜2kW
レーザビーム照射径:1mm
Stir welding conditions Joining member material: Mild steel Joining member plate thickness: 5-10mm
Rotating tool rotation speed: 400rpm
Laser beam output: 1-2 kW
Laser beam irradiation diameter: 1 mm

測定結果
移動速度:レーザビーム照射あり…100〜150mm/min
レーザビーム照射なし…50〜100mm/min
改質部平均結晶粒径:レーザビーム照射あり…5〜10μm
レーザビーム照射なし…10〜15μm
Measurement result Moving speed: With laser beam irradiation ... 100-150mm / min
No laser beam irradiation ... 50-100mm / min
Modified part average crystal grain size: with laser beam irradiation 5-10 μm
No laser beam irradiation ... 10-15 μm

1,21,31,41,51…回転工具、2,22,32,43,52…大径部、3,23,33,42,53…小径部、5,25,35…接合部材、45,55…改質部材、6,26,36…突合せ部、56…板材、H1,H2,H3,H4,H5…貫通孔、K…改質部、L…レーザビーム 1, 2, 31, 41, 51... Rotating tool, 2, 22, 32, 43 , 52... Large diameter portion, 3, 23, 33, 42 , 53... Small diameter portion, 5, 25, 35. , 55 ... reforming member, 6, 26, 36 ... butting part, 56 ... plate material, H1, H2, H3, H4, H5 ... through hole, K ... reforming part, L ... laser beam

Claims (1)

金属からなる処理対象物に挿入した状態で回転することにより前記処理対象物を処理する小径部と、前記小径部と一体化され、前記小径部が処理している間に前記処理対象物を押圧する大径部とを備えた回転工具により前記処理対象物の表面を改質する方法であって、
前記回転工具を前記処理対象物に対向させ、かつ前記小径部を前記処理対象物に挿入する前に、前記回転工具に形成された貫通孔を通過したレーザビームを前記処理対象物に照射しておき、
前記大径部を前記処理対象物に押圧することにより、押圧された前記大径部の一部を前記処理対象物に肉盛りさせることを特徴とする金属の表面改質方法。
A small-diameter portion that processes the processing object by rotating in a state of being inserted into the processing object made of metal, and is integrated with the small-diameter portion, and presses the processing object while the small-diameter portion is being processed. A method of modifying the surface of the object to be processed with a rotary tool provided with a large diameter portion,
Before the rotary tool is opposed to the processing object and the small diameter portion is inserted into the processing object, the processing object is irradiated with a laser beam that has passed through a through hole formed in the rotating tool. Every
A metal surface modification method characterized in that a part of the pressed large-diameter portion is built up on the processing object by pressing the large-diameter part against the processing object.
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