JP5091303B2 - Friction stir welding method - Google Patents
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Description
2つの金属製のワークの当接部を摩擦撹拌接合によって接合する摩擦撹拌接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding method in which contact portions of two metal workpieces are joined by friction stir welding.
摩擦撹拌接合は、当接したワーク同士を固相接合する接合方法の一種であり、広汎に採用されるに至っている。摩擦撹拌接合では、摩擦撹拌接合用工具が回転動作され、該摩擦撹拌接合用工具の先端部に設けられたプローブがワーク同士の当接箇所に埋没される。これに伴って当接箇所の周辺に摩擦熱が発生し、この摩擦熱によって端面を含む端部同士の肉が塑性流動を起こすことにより、ワーク同士が接合一体化される。 Friction stir welding is a kind of joining method in which the abutted workpieces are solid-phase joined and has been widely adopted. In the friction stir welding, the friction stir welding tool is rotated, and the probe provided at the tip of the friction stir welding tool is buried in the contact position between the workpieces. Along with this, frictional heat is generated in the vicinity of the contact portion, and the meat between the end portions including the end face causes plastic flow by this frictional heat, so that the workpieces are joined and integrated.
図9に示すように、従来の摩擦撹拌接合用工具500のプローブ502には、ワーク504、506に対して塑性流動を促進させるためにねじ部508が設けられることがある。このねじ部508の作用によって、ワーク504、506の塑性流動が促進され、しかもワーク504、506に対してプローブ502を容易に挿入することができる。
As shown in FIG. 9 , the
ところで、プローブ502にねじ部508が設けられている場合、ワーク504、506は上方に向かい、クロスハッチングで模式的に示すように塑性流動を起こす。これにより、表側のワーク504が薄肉化されて強度上重要な接続高さCが小さくなり、引張試験、剪断試験結果によれば、この部分に応力集中が発生しやすく、接合強度が低下することがある。また、表側のワーク504の塑性流動を起こした組織の一部がバリ510となって表面に表れることがある。
By the way, when the
このような観点から、プローブに多数の扁平な菱形のボスを設け、均一な塑性流動を発生させる工具が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 From such a viewpoint, a tool has been proposed in which a number of flat rhombus bosses are provided on a probe to generate a uniform plastic flow (for example, see Patent Document 1).
前記の特許文献1で開示されている工具を用いて摩擦撹拌接合を行う場合、表側のワークが薄肉化されることが防止されて接合強度が螺旋ねじ形状をもつものに比べて大きくなるとともに、バリの発生を抑えることができる。 When performing friction stir welding using the tool disclosed in Patent Document 1 described above, the work on the front side is prevented from being thinned and the bonding strength is greater than that having a helical screw shape, Generation of burrs can be suppressed.
しかしながら、この工具には摩擦撹拌接合用工具500(図9参照)のようなねじ部508がないことからワークに対して挿入しにくい。
However, since this tool does not have the
また、菱形のボスが多数存在することから、正ねじ部と逆ねじ部とが混在していることとなる。従って、ワークの塑性流動の方向が不規則、不均一となり、接合強度が不十分であり、接合の品質向上の観点からより一層大きい接合強度でワークを接合させることのできる摩擦撹拌接合用工具の開発が望まれている。 In addition, since there are many rhombus bosses, the forward screw portion and the reverse screw portion are mixed. Therefore, the direction of the plastic flow of the workpiece becomes irregular and uneven, the bonding strength is insufficient, and the friction stir welding tool capable of bonding the workpiece with a larger bonding strength from the viewpoint of improving the bonding quality. Development is desired.
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ワークにおける塑性流動の方向を均一化し、しかもより大きい接合強度でワークを接合させることのできる摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such problems, and an object thereof is to provide a friction stir welding method capable of uniforming the direction of plastic flow in a workpiece and joining the workpiece with higher joining strength. And
本発明は、プローブを有する摩擦撹拌接合用工具を回転させることで第1と第2の金属製のワークを摩擦撹拌接合により接合する摩擦撹拌接合方法において、前記プローブは、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第1と第2ねじ部を有し、前記第1と第2のワークの接合時に前記プローブを回転させて塑性流動を発生させながら所定位置まで挿入する第1の工程と、前記所定位置において前記プローブの回転を維持して前記第1ねじ部の回転による塑性流動と前記第2ねじ部の回転による塑性流動のバランスをとりながら前記第1と第2のワークを接合する第2の工程と、を有することを特徴とする。 The present invention relates to a friction stir welding method in which the first and second metal workpieces are joined by friction stir welding by rotating a friction stir welding tool having a probe, and the probes are mutually connected along an axial direction. A first step of having first and second screw portions that are screwed in opposite directions, and inserting the probe to a predetermined position while generating a plastic flow by rotating the probe at the time of joining the first and second workpieces; The first and second workpieces are joined while maintaining the rotation of the probe at the predetermined position and balancing the plastic flow caused by the rotation of the first screw portion and the plastic flow caused by the rotation of the second screw portion. And a second step.
このように、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第1と第2ねじ部を有するプローブを回転させることにより、より大きい接合強度でワークを接合させることができる。 Thus, by rotating the probe having the first and second screw portions that are spirally wound in the opposite directions along the axial direction, the workpiece can be joined with a greater joining strength.
この場合、前記第1と第2のワークは互いに積層されて接合されるものであって、前記第1ねじ部と前記第2ねじ部との境界部が前記第1と第2のワークの重ね合わせ面に一致する所定位置で前記プローブの回転を維持すると好適である。 In this case, the first and second workpieces are stacked and joined to each other, and a boundary portion between the first screw portion and the second screw portion overlaps the first and second workpieces. It is preferable to maintain the rotation of the probe at a predetermined position coinciding with the mating surface.
このように、第1ねじ部と第2ねじ部との境界部が第1と第2のワークの重ね合わせ面に一致する所定位置でプローブの回転が維持されることで、第1ねじ部が下方に向けて移動する力と第2ねじ部が発生する抗力がバランスする。これにより、プローブが不必要に下降することが防止されるからである。 Thus, the rotation of the probe is maintained at a predetermined position where the boundary between the first screw portion and the second screw portion coincides with the overlapping surface of the first and second workpieces, so that the first screw portion is The force that moves downward and the drag generated by the second screw portion are balanced. This is because the probe is prevented from descending unnecessarily.
また、前記第1ねじ部によって第1の方向に塑性流動する第1の流動体と前記第2ねじ部によって第1の方向とは逆の方向に塑性流動する第2の流動体とは前記第1ねじ部と第2ねじ部の境界部で合流し、前記重ね合わせ面に沿うように前記プローブの外径方向に押し出される。 Further, the first fluid that plastically flows in the first direction by the first screw portion and the second fluid that plastically flows in the direction opposite to the first direction by the second screw portion are the first and second fluids. The joints are joined at the boundary between the first screw portion and the second screw portion, and pushed out in the outer diameter direction of the probe along the overlapping surface.
これによって、第1の流動体と第2の流動体が第1ねじ部と第2ねじ部の境界部で合流し、重ね合わせ面に沿うように外径方向に押し出されて、重ね合わせ面の部分が重点的に撹拌されることとなり、第1と第2のワークとも薄板化されることがなく、広い面積が確実に接合される。 As a result, the first fluid and the second fluid merge at the boundary between the first screw portion and the second screw portion, and are pushed out in the outer diameter direction along the overlapping surface. The portion is agitated mainly, and the first and second workpieces are not thinned, and a large area is reliably joined.
本発明に係る摩擦撹拌接合方法によれば、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第1と第2ねじ部を有するプローブを回転させることにより、ワークにおける塑性流動の方向を均一化することができ、しかもより大きい接合強度でワークを接合させることができる。また、接合するワークからのバリの発生を抑制できる効果が得られる。 According to the friction stir welding method of the present invention, the direction of the plastic flow in the workpiece is made uniform by rotating the probe having the first and second screw portions that are spirally wound in the opposite directions along the axial direction. In addition, the workpieces can be bonded with higher bonding strength. Moreover, the effect which can suppress generation | occurrence | production of the burr | flash from the workpiece | work to join is acquired.
以下、本発明に係る摩擦撹拌接合方法についてそれを実施する工具との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図1〜図8を参照しながら説明する。 Hereinafter, DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment in relation to the tool carrying it for FSW method according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1-8 of the accompanying drawings.
図1に示すように、本実施の形態に係る摩擦撹拌接合用工具10は、重ね合わされた2枚の金属製(例えば、アルミニウム)のワーク12及び14の当接部を摩擦撹拌接合によって接合するためのものであり、表側のワーク12を押さえる円筒体16と、該円筒体16の先端部に同軸状に形成されてワーク12及び14に挿入されるプローブ18とを有する。ワーク12及び14は板形状であって、円筒凹部15aを有する支持台15上に固定されている。円筒凹部15aの内径はプローブ18の外径よりも大きく、円筒凹部15aとプローブ18は同軸状に設定されている。
As shown in FIG. 1, the friction
プローブ18の先端部には、右ねじの螺旋形状である第1ねじ部20と、該第1ねじ部20よりも後側に設けられ、左ねじの螺旋形状である第2ねじ部22とを有する。摩擦撹拌接合用工具10の材質としては、例えば、高速度工具鋼を挙げることができる。
The distal end portion of the
摩擦撹拌接合用工具10は、摩擦撹拌接合を行う際には上から見て時計方向に回転するように駆動される。
The friction
第1ねじ部20と第2ねじ部22との境界線24から円筒体16の端面16aまでの距離Hは、表側のワーク12の厚みから後述する幅H1を差し引いた値と等しく設定されている。幅H1は僅かな値であることから、実際上、距離Hをワーク12の厚みと等しく設定してもよい。
A distance H from the
また、第1ねじ部20のねじ山20aと第2ねじ部22のねじ山22aは連続している。すなわち、プローブ18の側面を展開して模式的に示すと、図2に示すように、ねじ山20aとねじ山22aは、境界線24の点Pで接続されている。ねじ山20aとねじ山22bとの間には、細い溝等が設けられていてもよく、ねじ山20aとねじ山22bが実質的に点Pで接続されていればよい。
Further, the
第1ねじ部20及び第2ねじ部22には、ねじ山20a及びねじ山22a以外の他のねじ山20b及び22bを設け、2条のねじとしてもよい。
The
図1及び図2から明らかなように、第1ねじ部20と第2ねじ部22のねじピッチは等しく設定されるとともに、第1ねじ部20と第2ねじ部22の軸方向長さHは等しく設定されている。つまり、図2において、ねじ山20aとねじ山22aは境界線24を中心とした対称形となっている。
As apparent from FIGS. 1 and 2, the screw pitches of the
なお、図1及び図2においては、理解を容易にするために境界線24を一点鎖線で示しているが、該境界線24は実際には存在しない仮想の線である。
In FIGS. 1 and 2, the
次に、このように構成される摩擦撹拌接合用工具10を用いて、重ね合わされたワーク12とワーク14とを摩擦撹拌接合する工程について説明する。
Next, a description will be given of a process of performing friction stir welding of the
先ず、摩擦撹拌接合用工具10を図示しない駆動装置に取り付ける。該駆動装置は、摩擦撹拌接合用工具10を回転させる機能と、昇降させる機能とを有し、摩擦撹拌接合用工具10を下降させる際には、時計方向に回転させることができる。
First, the friction
次に、ワーク12とワーク14とを重ね合わせた状態で、摩擦撹拌接合用工具10の下方の位置に固定した後、前記の駆動装置によって摩擦撹拌接合用工具10を回転させる。
Next, in a state where the
次いで、図3に示すように、回転を維持したまま摩擦撹拌接合用工具10を下降させ、表側のワーク12に対してプローブ18を加圧して挿入させる。このとき該プローブ18の先端に設けられた第1ねじ部20は右ねじであることから、ワーク12に対してボルトを挿入する(又は、タップを切る)如くスムーズに挿入される。
Next, as shown in FIG. 3, the friction
摩擦撹拌接合においては、最初に摩擦撹拌接合用工具10をワーク12の表面に当接させて挿入を開始するときに所定の加圧力が必要となるが、このときに第1ねじ部20の作用によってプローブ18がスムーズに挿入されることから、摩擦撹拌接合用工具10に必要とされる押圧力が小さく、該摩擦撹拌接合用工具10の高寿命化を図ることができる。
In the friction stir welding, when a friction
図4に示すように、円筒体16の端面16aがワーク12の表面に対して、僅かな幅H1だけ食い込むまで摩擦撹拌接合用工具10をさらに下降させる。この際、摩擦撹拌接合用工具10は時計方向に回転しているが、第2ねじ部22は左ねじであることから、該第2ねじ部22はワーク12に対して挿入を阻止する抗力を発生する。この抗力は、第2ねじ部22がワーク12に挿入されるに従って大きくなる。
As shown in FIG. 4, the friction
一方、前記のとおり第1ねじ部20は右ねじであることから、摩擦撹拌接合用工具10を時計方向に回転させることによって、第1ねじ部20は下方に向けて移動する力を発生する。第1ねじ部20と第2ねじ部22のねじピッチは等しく設定されるとともに、第1ねじ部20と第2ねじ部22の軸方向長さHは等しく設定されていることから、第1ねじ部20が下方に向けて移動する力と第2ねじ部22が発生する抗力とがやがてバランスする。
On the other hand, since the
少なくとも、境界線24がワーク12の表面に達するまでは、ワーク12及びワーク14に対して、第1ねじ部20の作用によってプローブ18がスムーズに挿入され、駆動装置による加圧力は小さくてすむ。
At least until the
また、プローブ18を回転及び下降させる際に、ワーク12及びワーク14は第1ねじ部20によって上方へ浮き上がる力を受ける一方、第2ねじ部22によって下へ向かって押し付けられる。これにより、ワーク12及びワーク14の浮き上がりを防止できる。
Further, when the
次に、端面16aがワーク12よりも幅H1だけ食い込むまで下降した後、摩擦撹拌接合用工具10の回転を維持したまま、下降動作のみを停止させる。この際、第1ねじ部20が下方に向けて移動する力と第2ねじ部22が発生する抗力がバランスすることから、プローブ18が不必要に下降することが防止される。また、このときプローブ18における第1ねじ部20と第2ねじ部22との境界線24は、ワーク12とワーク14との重ね合わせ面26に一致する。境界線24と重ね合わせ面26は、略一致していればよい。
Next, after the
この際、ワーク14の塑性流動した肉を支持台15の円筒凹部15aに流入させるようにしているので、積層部における撹拌領域が大きくなる。このため、各ワーク12、14の当接部位が大きく撹拌されて冷却固化するので、接合強度が良好な有摩擦撹拌接合部部材を得ることができる。
At this time, since the plastically flowed meat of the
さらに、図4の矢印A1及びA2で模式的に示すように、裏面側のワーク14におけるプローブ18の近傍部は、第1ねじ部20によって上方へ巻き上げられる。一方、矢印B1及びB2で模式的に示すように、表側のワーク12におけるプローブ18の近傍部は、第2ねじ部22によって下方へ押し下げられる。
Furthermore, as schematically shown by arrows A1 and A2 in FIG. 4, the vicinity of the
次に、図5に示すように、ワーク12においては矢印B1、B2の方向に,ワーク14においては矢印A1及びA2の方向に、それぞれ塑性流動が発生する。これらの塑性流動は、矢印A1、A2、B1及びB2の方向に沿った均一な塑性流動となる。なお、図5(及び後述する図6)におけるクロスハッチング部は、塑性流動が発生する箇所を模式的に示すものである。
Next, as shown in FIG. 5, plastic flow occurs in the direction of arrows B <b> 1 and B <b> 2 in the
第1ねじ部20によって上方へ巻き上げられる流動体と第2ねじ部22によって押し下げられる流動体は、境界線24の付近で合流し、重ね合わせ面26に沿うように外径方向に押し出される。
The fluid wound upward by the
また、上記のとおり、第1ねじ部20と第2ねじ部22のねじピッチは等しく設定されるとともに、第1ねじ部20と第2ねじ部22の軸方向長さHは等しく設定されていることから、第1ねじ部20による塑性流動と第2ねじ部22による塑性流動がバランスよく発生し、境界線24付近における塑性流動が促進される。
As described above, the screw pitches of the
このように、ワーク12とワーク14は、重ね合わせ面26の部分が重点的に撹拌されることとなり、しかも、ワーク12及びワーク14とも薄板化されることがなく、広い面積が確実に接合される。特に、プローブ18における第1ねじ部20と第2ねじ部22の各ねじ山20a及び22aは点Pで接続されている(図2参照)ことから、重ね合わせ面26の付近における塑性流動が促進され、流動体がより一層外方へ向かって押し出される。
As described above, the
ワーク12の薄肉化が防止されることから、接合部の高さH2はワーク12の板厚と略等しくなる。従って、荷重は広い面積に分散することとなり、接合強度が向上する。また、重ね合わせ面26の部分が広い面積に渡って撹拌接合されることから、剪断力以外に引張強度も大きくなる。
Since the thinning of the
さらに、表側のワーク12におけるプローブ18の近傍部は、第2ねじ部22によって下方へ押し下げられるように塑性流動することから、流動体がワーク12の表面へ膨出することがなく、バリの発生を抑制することができる。
Furthermore, since the vicinity of the
このようにして、ワーク12とワーク14とを接合した後、駆動装置によって摩擦撹拌接合用工具10を上方に引き上げて摩擦撹拌接合を終了する。この場合、ワーク12とワーク14とは摩擦撹拌接合用工具10が挿入された点が接合され、いわゆるスポット接合として接合される。
After joining the
なお、仮に、摩擦撹拌接合用工具10を反時計方向に回転させる場合には重ね合わせ面26の部分で発生する撹拌接合が狭い面積となり、しかも、ワーク12の表面にバリが発生するおそれがある。つまり、摩擦撹拌接合用工具10を時計方向に回転させることによって上記の効果が得られるのである。回転方向を反時計回りとする場合には、ねじの向きが逆の摩擦撹拌接合用工具10a(図6参照)を用いるとよい。
If the friction
また、上述の説明では、摩擦撹拌接合用工具10は駆動装置によって時計方向に回転駆動されるものとして説明したが、駆動装置が反時計方向に回転させるものである場合には、図6に示す摩擦撹拌接合用工具10aのように、前記第1ねじ部20に相当する第1ねじ部30を左ねじとし、前記第2ねじ部22に相当する第2ねじ部32を右ねじにするとよい。このように、前記摩擦撹拌接合用工具10に対してねじの向きを逆にするとともに、反時計方向に回転させることにより、摩擦撹拌接合用工具10aは摩擦撹拌接合用工具10と同様の効果を奏する。
In the above description, the friction
さらに、上述の説明では、第1ねじ部20のねじ山20aと第2ねじ部22のねじ山22aは、点P(図2参照)で接続されているものとして説明したが、必要に応じて、図7に示すようにねじ山20aの先端部とねじ山22aの先端部を周方向に離間させてもよい。さらにまた、図8に示すようにねじ山20aの先端部とねじ山22aの先端部、及びねじ山20bの先端部とねじ山22bの先端部を軸方向に多少離間させてもよい。
Further, in the above description, the
なお、以上の説明では、便宜上、上下方向の表記を図面に従って記したが、ワークの向きは任意方向に設定可能であって、摩擦撹拌接合用工具10、10aはワークに対して略直角となるように押圧、挿入させればよい。
In the above description, for convenience, notation in the vertical direction is described according to the drawings. However, the direction of the workpiece can be set in an arbitrary direction, and the friction
本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 Of course, the friction stir welding method according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
10、10a…摩擦撹拌接合用工具 12、12a、14、14a…ワーク
16…円筒体 16a…端面
18…プローブ 20、30…第1ねじ部
20a、20b、22a、22b…ねじ山
22、32…第2ねじ部 24…境界線
26…重ね合わせ面
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記プローブは、軸方向に沿って互いに逆方向に螺回する第1と第2ねじ部を有し、
前記第1と第2のワークの接合時に前記プローブを回転させて塑性流動を発生させながら所定位置まで挿入する第1の工程と、
前記所定位置において前記プローブの回転を維持して前記第1ねじ部の回転による塑性流動と前記第2ねじ部の回転による塑性流動のバランスをとりながら、前記支持台上に形成された凹部に塑性流動した肉を流入させて前記第1と第2のワークを接合する第2の工程と、を有することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 First and arranged on the second metal workpiece by a laminated together on a support table, by friction stir welding said first and second word over click by rotating the friction stir welding tool having a probe In the friction stir welding method for joining,
The probe has first and second screw portions that are screwed in opposite directions along the axial direction,
A first step of inserting the probe to a predetermined position while rotating the probe at the time of joining the first and second workpieces to generate plastic flow;
While maintaining the rotation of the probe at the predetermined position to balance the plastic flow caused by the rotation of the first screw portion and the plastic flow caused by the rotation of the second screw portion, the recess is formed in the recess formed on the support base. A friction stir welding method, comprising: a second step of joining the first and second workpieces by flowing in fluidized meat .
前記第1ねじ部と前記第2ねじ部との境界部が前記第1と第2のワークの重ね合わせ面に一致する所定位置で前記プローブの回転が維持されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 In the friction stir welding method according to claim 1 ,
Friction stir, characterized in that rotation of said probe at a predetermined position where the boundary coincides with the first and superposed surfaces of the second work with the previous SL said second threaded portion and the first threaded portion is maintained Joining method.
前記第1ねじ部によって第1の方向に塑性流動する第1の流動体と前記第2ねじ部によって第1の方向とは逆の方向に塑性流動する第2の流動体とは前記第1ねじ部と第2ねじ部の境界部で合流し、前記重ね合わせ面に沿うように前記プローブの外径方向に押し出されることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 In the friction stir welding method according to claim 2,
The first fluid that plastically flows in the first direction by the first screw portion and the second fluid that plastically flows in the direction opposite to the first direction by the second screw portion are the first screw. The friction stir welding method is characterized by joining at a boundary portion between the first screw portion and the second screw portion and pushing out in the outer diameter direction of the probe along the overlapping surface.
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