JP5426923B2 - Friction stir welding tool and joining method - Google Patents
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本発明は、重ね合わせた被接合材同士を摩擦攪拌接合する固定ピン式の接合用工具及びその接合用工具を使用した接合方法に関し、特に攪拌軸に環状溝を形成した接合用工具を使用して行う摩擦攪拌接合の接合効果を向上させるための接合用工具及び接合方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fixed pin type welding tool for friction stir welding of overlapped materials to be joined and a joining method using the joining tool, and in particular, using a joining tool in which an annular groove is formed on a stirring shaft. The present invention relates to a joining tool and a joining method for improving the joining effect of the friction stir welding performed.
一組の被接合材を重ね合わせた接合部に対する摩擦攪拌接合では、図5に示すような固定ピン式の接合用工具を用いた接合境界面の接合が行われる。接合用工具100は、円柱状の工具本体101と、その下端のショルダ面110から下方に突き出したピン状の攪拌軸102とを備えている。摩擦攪拌接合では、被接合材201,202を重ねた接合部210に、接合用工具100の攪拌軸102が回転しながら挿入される。ショルダ面110が被接合材201上面に押し付けられ、接合部210を加圧したまま接合用工具210が回転しながら進行する。被接合材201,202の接合部210は、攪拌軸102の摩擦熱によって軟化した材料が塑性流動化し、攪拌軸102の後方で互いに混じり合った可塑性材が摩擦熱を失って急速に冷却固化して接合される。
In the friction stir welding for the joint portion where a set of materials to be joined is overlapped, the joining boundary surface is joined using a fixed pin type joining tool as shown in FIG. The
ところで、上下に重ねた被接合材201,202に対する摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌による材料の流れが攪拌軸102の回転方向に平行な流れだけではなく、接合境界面220を介して上下するような流れを生じさせることが好ましい。下記特許文献2には、攪拌軸表面に螺旋状のネジが具体的に記載され、その他にも環状溝や凹凸粗面について言及されている。こうして攪拌軸の表面形状を工夫することで軟化した材料が上下方向に変動すれば、接合を阻害する接合境界面220上の酸化皮膜を破壊しやすくなり、より安定した接合品質が得られるからである。また、酸化皮膜を破壊するだけに留まらず、接合部210に生じる材料の塑性流動にも大きく関わり接合の効率に影響するからである。
By the way, in the friction stir welding with respect to the
摩擦攪拌接合は、溶融溶接と異なり溶加材を使用しない接合方法である。そのため、接合境界面220の隙間を埋めるのは軟化した被接合材201,202の材料自身であるが、外部から溶加材を充填しないで隙間が大きくなってしまうと、軟化した材料がこの隙間に充分に流れ込まなくなり接合不良を起こしやすくなる。この問題対策としては、接合境界を密着させる以外に、軟化した材料が接合境界面220に充分に流れ込むような塑性流動を生じさせることが挙げられる。
Friction stir welding is a joining method that does not use a filler metal, unlike fusion welding. Therefore, it is the material itself of the softened
そこで、本願発明者は、攪拌軸の表面形状について、ネジのような上下一方向に材料の流れを生じさせるものではなく、上下両方向に材料の流れを生じさせる環状溝に着目した。表面に環状溝を形成した攪拌軸によれば、回転方向に材料の流れを生じさせる他、軸方向に沿った上下方向の流れも生じさせる。しかし、従来の接合用工具や接合方法では、そうした上下方向の材料の流れに関して、環状溝の山や谷の位置によって部分的に如何なる流れの変化が生じているかまで考慮されていなかった。そこで、本願発明者は、重ねた被接合材同士の接合境界面と、攪拌軸に形成する環状溝との関係について検討した。 Therefore, the inventor of the present application paid attention to an annular groove that does not cause a material flow in one vertical direction, such as a screw, on the surface shape of the stirring shaft, but causes a material flow in both the vertical direction. According to the stirring shaft having an annular groove formed on the surface, in addition to causing a material flow in the rotation direction, a vertical flow along the axial direction is also generated. However, in the conventional welding tool and the joining method, with respect to the flow of such vertical material, it has not been considered until either partially of any flow varies with the position of the annular groove peaks and valleys occurs. Then, this inventor examined the relationship between the joining boundary surface of the to-be-joined materials overlapped, and the annular groove formed in a stirring shaft.
本発明は、そうした攪拌軸の環状溝と接合境界面との関係に基づき接合効果の高い摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a joining tool and a joining method for friction stir welding having a high joining effect based on the relationship between the annular groove of the stirring shaft and the joining boundary surface.
本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具は、工具本体のショルダ面からピン状の攪拌軸を突き出したものであって、被接合材同士を重ねた接合部に対して前記ショルダ面を押し当て、前記攪拌軸によって当該接合部の材料を塑性流動させて摩擦攪拌接合するものであって、前記攪拌軸が、表面に軸方向と直交する方向に環状溝である谷部を軸方向に複数有し、隣合う前記谷部同士の間に複数の山部を有し、前記摩擦攪拌接合時の状態で、重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に当該攪拌軸の先端から見て第一の山部のみが位置するようにしたものであり、前記第一の山部から当該攪拌軸の先端にかけて当該攪拌軸の径が小さくなる方向に変化するものであることを特徴とする。 A welding tool for friction stir welding according to the present invention is a tool in which a pin-shaped stirring shaft is projected from a shoulder surface of a tool body, and the shoulder surface is pressed against a joint portion in which materials to be joined are stacked. Friction stir welding is performed by plastically flowing the material of the joint portion by the stirring shaft, and the stirring shaft has a plurality of trough portions in the axial direction that are annular grooves in a direction perpendicular to the axial direction on the surface. And having a plurality of crests between the adjacent valleys, and in the state at the time of the friction stir welding, the joint boundary surface of the stacked materials to be joined is viewed from the tip of the stirring shaft. all SANYO only one mountain portion was positioned, characterized in that to the tip of the stirring shaft from the first crest in which the diameter of the stirring shaft is changed in the direction to become smaller.
本発明に係る摩擦攪拌接合の接合方法は、工具本体のショルダ面からピン状の攪拌軸が突き出し、その攪拌軸表面に軸方向に直交する方向に環状溝である谷部が軸方向に複数形成され且つ隣合う前記谷部同士の間に複数の山部が形成されていて、当該撹拌軸の先端から見て第一の山部から当該攪拌軸の先端にかけて当該攪拌軸の径が小さくなる方向に変化する接合用工具を使用し、被接合材同士を重ねた接合部に対して前記ショルダ面を押し当て、前記攪拌軸によって当該接合部の材料を塑性流動させて摩擦攪拌接合するものであって、前記ショルダ面を前記被接合材に押し当て、前記攪拌軸の第一の山部のみが重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に位置するようにした状態で、前記接合用工具を回転させ、接合部に沿って所定方向に進行させることを特徴とする。 In the joining method of friction stir welding according to the present invention, a pin-like stirring shaft protrudes from the shoulder surface of the tool body, and a plurality of troughs that are annular grooves in the direction perpendicular to the axial direction are formed in the axial direction on the stirring shaft surface. A plurality of peaks are formed between the adjacent valleys, and the diameter of the stirring shaft decreases from the first peak to the tip of the stirring shaft when viewed from the tip of the stirring shaft. Using the welding tool that changes to the above, the shoulder surface is pressed against the joint portion where the materials to be joined are stacked, and the material of the joint portion is plastically flowed by the stirring shaft to perform friction stir welding. The welding tool in a state where the shoulder surface is pressed against the material to be joined and only the first peak portion of the stirring shaft is positioned on the joining boundary surface between the materials to be joined. And rotate in the specified direction along the joint. Characterized in that to the row.
本発明によれば、接合境界面に対して環状溝よる山部の位置を合わせるようにしたので、摩擦撹拌接合時に、重ねた被接合材の接合境界面付近に材料が上下から集まり、接合境界面に隙間があったとしても、そこに材料が流れ込んで接合強度を確保した接合が可能になる。また、接合境界面に位置する山部を攪拌軸の先端から見て第一の山部にすること、又は更にその山部から先端までの径を小さく変化させることにより、接合境界面の下側では材料が上下に大きく移動し、接合を阻害する接合境界面上の酸化皮膜を効果的に破壊することで、より安定した品質の接合が可能になる。 According to the present invention, since the position of the peak portion due to the annular groove is aligned with the joint boundary surface, during friction stir welding, the material gathers from above and below the joint boundary surface of the overlapped materials to be joined. Even if there is a gap in the surface, the material flows into the surface, and the bonding with the bonding strength secured becomes possible. In addition, the lower part of the joint boundary surface can be obtained by making the peak part located at the joint boundary surface the first peak part when viewed from the tip of the stirring shaft, or by further changing the diameter from the peak part to the tip. Then, the material moves greatly up and down, and by effectively destroying the oxide film on the bonding interface that hinders bonding, bonding with more stable quality becomes possible.
次に、本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法について、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態の接合用工具は、図5に示した従来例のものと同様に、円柱状の工具本体と、その下端のショルダ面から攪拌軸が突き出した固定ピン式であって、特に上下に重ねた被接合材201,202の接合部210に対して摩擦攪拌接合するものである。図1は、本実施形態の接合用工具を他の接合工具と比較して示した図であり、特に工具本体を省略して特徴となる攪拌軸のみを示している。
Next, an embodiment of a welding tool and a joining method for friction stir welding according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The joining tool of the present embodiment is a cylindrical tool body and a fixed pin type with a stirring shaft protruding from the shoulder surface at the lower end thereof, similar to the conventional example shown in FIG. Friction stir welding is performed with respect to the
図1の(a)(b)に示した接合用工具の攪拌軸1,2は、その表面に環状溝10が上下に複数形成されており、これによって攪拌軸表面に谷部11と山部12とが軸方向(上下)に交互に存在する。図1では、攪拌軸1,2の両接合用工具ともショルダ面5の高さ位置を揃え、不図示の被接合材同士の接合境界面21(図5に示す接合境界面220に対応する)が同じ高さになるように表されている。そして、両方の攪拌軸1,2は、同じ軸径及び長さであって、環状溝10のピッチも同じ寸法で形成されている。
The
ただし、攪拌軸1,2に形成された環状溝10は、それによる谷部11と山部12との軸方向の位置が異なっており、そのためショルダ面5との連結部分15,25と、下端部16,26の形状が異なっている。図1(a)に示す攪拌軸1が本実施形態であり、図1(b)に示す攪拌軸2が比較形態であるが、その違いは、攪拌軸1は、接合境界面21の位置に環状溝10による山部12が位置し、攪拌軸2は、接合境界面21に谷部11が位置している点である。
However, the
本実施形態の接合用工具は、こうして攪拌軸1に形成された山部12が、接合境界面21の高さに合わせられるように形成されている。特に、複数ある環状溝1による山部12のうち、下端面17から見て第一の山部12aが接合境界面21の高さに合うように形成されている。よって、攪拌軸1は、ショルダ面5から山部12aの中央までが上側被接合材の厚さ寸法であって、その山部12aの中央から先端までが下側被接合材へ入り込む分になる。一方の攪拌軸2は、接合境界面21の高さに谷部11の途中が位置し、下端部26は下端面27に向けて径が広がった形状になっている。
The joining tool of the present embodiment is formed so that the
次に、図2及び図3は、攪拌軸1,2の各接合用工具による摩擦攪拌接合のシミュレーション結果を示した図である。特に、攪拌軸1,2の近傍に生じる被接合材の材料の流れを示したものであり、図2が本実施形態の攪拌軸1の場合を示し、図3が比較形態の攪拌軸2の場合を示している。各図のグラフは、縦軸に被接合材の位置を示し、横軸に材料の速度を示している。縦軸の位置は、ゼロ点が攪拌軸1,2の下端面17,27の位置であり、その上に位置する二点鎖線で示した位置が接合境界面21である。そして横軸の速度は、正の値が上向きの流れを示し、負の値が逆に下向きの流れを示している。
Next, FIG. 2 and FIG. 3 are diagrams showing simulation results of friction stir welding using the welding tools for the stirring
図2及び図3のグラフに示した実線と破線は、同図に各々示した攪拌軸1,2の側面形状に対応しており、太実線が山部12の軸方向の中央位置を示し、太破線が谷部11の最小径位置を示している。ところで、図2及び図3には、攪拌軸1,2の側面形状に対応した被接合材の材料の流れの向きを矢印によって模式的に示している。
環状溝10を形成した攪拌軸1,2による摩擦攪拌接合では、山部12へ向けて上下方向からの流れが生じ、谷部11では、逆に材料がその部分から上下方向への流れが生じている。従ってこのことから、山部12へは上下方向から周囲の材料が吸い寄せられる一方で、谷部11からは材料が離れる傾向にあることが分かる。
The solid line and the broken line shown in the graphs of FIG. 2 and FIG. 3 correspond to the side shapes of the stirring
In the friction stir welding by the stirring
また、図2及び図3のグラフに示した縦軸ゼロ位置の細線が、攪拌軸1,2の下端面17,27に対応する位置を示している。その下端面17,27の位置で生じる材料の流れについて攪拌軸1,2を比較すると、何れも値が正を示し上向きの流れが生じていることが分かる。そして、その流れは本実施形態の攪拌軸1の方が値が大きく、比較形態の攪拌軸2よりも上向きに強い流れが生じていることが分かる。
Moreover, the thin line of the vertical axis | shaft zero position shown to the graph of FIG.2 and FIG.3 has shown the position corresponding to the lower end surfaces 17 and 27 of the stirring
ここで、図4は、シミュレーションによって被接合材の接合部における材料の塑性流動を可視化したものであり、被接合材の接合境界面に配置したパーティクルが攪拌によって移動した結果をパーティクルトレースで示したものである。図4(a)が本実施形態の攪拌軸1を備えた接合用工具で摩擦攪拌した結果であり、図4(b)が比較形態の攪拌軸2を備えた接合用工具で摩擦攪拌した結果である。そして、いずれの場合も図中に示した二点鎖線が被接合材による接合境界面21の位置を示している。
Here, FIG. 4 is a visualization of the plastic flow of the material in the joint portion of the material to be joined by simulation, and the result of the particles arranged on the joining boundary surface of the material to be joined moved by agitation is shown by particle trace. Is. FIG. 4 (a) shows the result of friction stirring with the welding tool provided with the stirring
図4に示すシミュレーション結果からは、図4(a)に示す攪拌軸1の場合の方が、図4(b)の攪拌軸2よりもパーティクルが接合境界面21の下側に多く分布している。これは、図2に示す下端面17付近で起こる上向きの強い流れに伴うカウンターフローによって逆に下向きの流れが発生していると考えられる。そしてこのことから、図4(b)の攪拌軸2は、接合境界面21の材料の移動が小さく、対する図4(a)に示す攪拌軸1は、接合境界面21の材料が大きく下方へ移動していることが分かる。
From the simulation results shown in FIG. 4, the particles in the case of the stirring
次に、接合境界面21での材料の流れは、図2及び図3のP1,P2に示すように、攪拌軸2で上向きの流速が大きく、攪拌軸1はゼロに近い流速であることを示している。従って、攪拌軸2は、接合境界面21を挟んだ上下の範囲の材料が全体的に上へ移動してしまう。そして、図4(b)に示すように、パーティクルが接合境界面21の上側に流れて分布してしまい、その接合境界面21には下の被接合材から材料が流れ込むことになる。一方で、攪拌軸1は、パーティクルが多少上昇しているが、山部12を対応させた接合境界面21付近に材料が集まる流れになっていると考えられる。
Next, as shown in P1 and P2 in FIGS. 2 and 3, the material flow at the joining
従って、本実施形態の接合用工具は、図1に示すように、工具本体のショルダ面5から突き出した攪拌軸1に複数の環状溝10が形成されたものである。特に、攪拌軸1の下端面17から最初の山部12aが、重ね合わせた被接合材の接合境界面21に位置するように形成されている。そのため、ショルダ面5から山部12aの中央までの寸法h1が、上から重ねられる被接合材の厚さ寸法に合わせて形成される。また、山部12aから下の寸法h2は、山部12aが第1の山部になるようであれば下端面17が谷部11のどの位置でもよいが、本実施形態のように下端面17が最小径になることが好ましい。すなわち、攪拌軸1の径が下端面17に向けて小さくなるように変化することが好ましい。
Therefore, as shown in FIG. 1, the welding tool of the present embodiment has a plurality of
そして、攪拌軸1をもった接合用工具によって行う摩擦攪拌接合は、例えば図5に示すように、上下に重ねた被接合材201,202の接合部210に対し、接合用工具を回転させながら上側から攪拌軸1が挿入され、ショルダ面5が上側の被接合材201上面に押し付けられる。このとき、攪拌軸1は、下端部16が下側の被接合材202内に入り込み、下端面17から見て第一の山部12aが接合境界面220(図1の接合境界面21)に位置する。そして、接合用工具が回転しながら接合部210に沿って進行する。その際、ショルダ面5を介して被接合材201,202に荷重をかけながら、攪拌軸1が接合部210を摩擦熱によって軟化させた材料が塑性流動化し、攪拌軸1の後方で互いに混じり合った可塑性材が摩擦熱を失って急速に冷却固化して接合される。
Then, the friction stir welding performed by the welding tool having the stirring
よって、本実施形態の接合用工具および接合方法による摩擦攪拌接合では、接合境界面21に対して環状溝10による山部12aを位置させることにより、接合境界面21付近に材料を集める流れをつくる。そのため、接合境界面21に隙間があったとしても、そこへ材料が流れ込んで隙間を埋め、よって接合強度を確保した安定した接合が可能になる。また、接合境界面21に材料が集まる他、接合境界面21の下側では材料が上下に大きく移動することにより、接合を阻害する接合境界面21上の酸化皮膜を効果的に破壊することで、より安定した品質の接合が可能になる。
Therefore, in the friction stir welding by the joining tool and the joining method of the present embodiment, the flow of collecting the material in the vicinity of the joining
以上、本発明に係る摩擦攪拌接合の接合用工具および接合方法について実施形態を示したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
また、前記実施形態の攪拌軸1では複数の環状溝10を形成したが、例えば、下端面17から見て一番目の山部12aのみを残し、それ以外の山部12を省略した形状の攪拌軸としてもよい。
Above, although the embodiments the bonding tool and a bonding method of friction stir welding according to the present invention, the present invention is not limited thereto, Ru can der various changes without departing the spirit .
Moreover, although the some
1 攪拌軸
5 ショルダ面
10 環状溝
11 谷部
12,12a 山部
16 下端部
17 下端面
21 接合境界面
201,202 被接合材
210 接合部
220 接合境界面
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記攪拌軸は、表面に軸方向と直交する方向に環状溝である谷部を軸方向に複数有し、隣合う前記谷部同士の間に複数の山部を有し、前記摩擦攪拌接合時の状態で、重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に当該攪拌軸の先端から見て第一の山部のみが位置するようにしたものであり、前記第一の山部から当該攪拌軸の先端にかけて当該攪拌軸の径が小さくなる方向に変化するものであることを特徴とする摩擦攪拌接合の接合用工具。 A pin-shaped stirring shaft is protruded from the shoulder surface of the tool body, and the shoulder surface is pressed against the joint portion where the materials to be joined are stacked, and the material of the joint portion is plastically flowed by the stirring shaft. In a welding tool for friction stir welding,
The stirring shaft has a plurality of troughs in the axial direction on the surface in a direction perpendicular to the axial direction, and has a plurality of crests between the adjacent troughs, during the friction stir welding in the state state, and are those that only the first crest watching the superimposed on the bonding interface between the bonding material from the tip of the stirring shaft is located, said from the first crest A welding tool for friction stir welding, wherein the diameter of the stirring shaft changes in a direction of decreasing toward the tip of the stirring shaft .
前記ショルダ面を前記被接合材に押し当て、前記攪拌軸の第一の山部のみが重ねられた前記被接合材同士の接合境界面に位置するようにした状態で、前記接合用工具を回転させ、接合部に沿って所定方向に進行させることを特徴とする摩擦攪拌接合の接合方法。 A pin-shaped stirring shaft protrudes from the shoulder surface of the tool body, and a plurality of valleys that are annular grooves are formed in the axial direction in the direction orthogonal to the axial direction on the surface of the stirring shaft. Using a welding tool that changes in a direction in which the diameter of the stirring shaft decreases from the first peak portion to the tip of the stirring shaft when viewed from the tip of the stirring shaft. A method of pressing the shoulder surface against a joint portion where materials are stacked, and friction stir welding by plastically flowing the material of the joint portion with the stirring shaft,
The shoulder surface is pressed against the material to be joined, and the joining tool is rotated in a state where only the first peak portion of the stirring shaft is positioned on the joining boundary surface between the materials to be joined. And a friction stir welding method characterized in that the method proceeds in a predetermined direction along the joint.
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