JP5662953B2 - Joining method - Google Patents

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Description

本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する接合方法に関する。   The present invention relates to a joining method for joining a pair of metal plates using a bobbin tool.

従来、金属板の端面同士を摩擦攪拌接合するツールとしてボビンツールが知られている。ボビンツールは、一対のショルダとこのショルダの間に形成されたピンとを備えている。一対の金属板を接合する際には、金属板を移動不能に拘束した上で、金属板の一端側から高速回転させたボビンツールを挿入し、突き合せ部に沿ってピンを移動させる。これにより、端面同士の周囲の金属が摩擦攪拌されて金属板同士を接合することができる。ボビンツールによれば、金属板の裏面側にもショルダを備えているため、通常、金属板の裏側に配置する裏当部材を省略することができる。特に、中空形材の端部同士を接合する際には、裏当部材を設置する作業が煩雑になるため、作業手間を大幅に省略することができる。   Conventionally, a bobbin tool is known as a tool for friction stir welding of end faces of metal plates. The bobbin tool includes a pair of shoulders and a pin formed between the shoulders. When joining a pair of metal plates, the metal plate is restrained so as not to move, and then a bobbin tool rotated at a high speed from one end side of the metal plate is inserted, and the pin is moved along the abutting portion. Thereby, the metal around the end faces is frictionally stirred, and the metal plates can be joined. According to the bobbin tool, since the shoulder is also provided on the back side of the metal plate, the backing member disposed on the back side of the metal plate can usually be omitted. In particular, when joining the end portions of the hollow shape members, the work of installing the backing member becomes complicated, so that labor can be greatly reduced.

特許第２７１２８３８号公報Japanese Patent No. 2712838

従来の接合方法では、摩擦攪拌の摩擦熱によって金属板が膨張すると、突き合せ部に隙間が生じたり金属板が撓んで端面の高さ位置がずれたりする。このような隙間や位置ずれは接合欠陥が発生する原因となる。また、ショルダ間の距離が、金属板の厚さよりも大きいと、摩擦攪拌によって塑性流動化された金属がショルダの外部に溢れやすくなるため接合欠陥が発生しやすいという問題があった。   In the conventional joining method, when the metal plate expands due to frictional heat of friction stirring, a gap is formed in the butt portion, or the metal plate is bent and the height of the end face is shifted. Such gaps and misalignments cause bonding defects. Further, if the distance between the shoulders is larger than the thickness of the metal plate, the metal plasticized by friction stirring tends to overflow to the outside of the shoulder, so that there is a problem that joint defects are likely to occur.

このような観点から、本発明は、ボビンツールを用いて一対の金属板を接合する際に、接合欠陥の発生を抑制し好適に接合することができる接合方法を提供することを課題とする。   From such a viewpoint, when this invention joins a pair of metal plate using a bobbin tool, it makes it a subject to provide the joining method which can suppress joining generation | occurrence | production and can join suitably.

このような課題を解決するために本発明は、円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、円柱状を呈し、同等の外径からなる一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２）＞０．２・・・・（１）前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールがそのずれに追従して回転軸方向に移動することを特徴とする。 In order to solve such a problem, the present invention is a pair of a slide shaft that is inserted into a cylindrical inner holder and rotates integrally with the inner holder, and a pair of cylinders that have the same outer diameter . A bobbin tool having a shoulder and a pin formed between the shoulders, the bobbin tool being connected to the slide shaft, and the slide shaft moving in the direction of the rotation axis with respect to the internal holder A joining method for joining a pair of metal plates by using a friction stirrer that is enabled, a joining step for joining the end faces of the metal plates, and a butt formed by joining the end faces. A step of friction stir welding the end faces by moving the bobbin tool pin rotated to the mating portion, and the outer diameter of the shoulder is X, and the outer diameter of the outer diameter of the pin When Y, satisfies the following equation, Y 2 / (X 2 -Y 2)> 0.2 ···· (1) In the above bonding step, to set the distance between the shoulder below the thickness of the metal plate and advance, characterized in that the position of said end face and deformed the metal plate by friction agitation when displaced in the axial direction of the bobbin tool, the bobbin tool is moved in the rotation axis direction to follow the deviation And

かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の摩擦熱によって金属板が変形しても、端面の位置ずれに追従してボビンツールが回転軸方向に移動するため、接合する位置がずれるのを防ぐことができる。また、ショルダ間の距離を金属板の厚さ以下に設定することで、摩擦攪拌して塑性流動化した金属がショルダの外部に溢れるのを防ぐことができる。これにより、接合欠陥の発生を抑制することができる。また、ピンが比較的太くなるため折れにくい。 According to such a joining method, even if the metal plate is deformed by frictional heat of friction stirring, the bobbin tool moves in the direction of the rotation axis following the positional deviation of the end face, thereby preventing the joining position from being shifted. it can. Further, by setting the distance between the shoulders to be equal to or less than the thickness of the metal plate, it is possible to prevent the metal that has been friction-stirred and plastically fluidized from overflowing outside the shoulder. Thereby, generation | occurrence | production of a joining defect can be suppressed. In addition, since the pins are relatively thick, they are not easily broken.

また、前記端面同士の隙間を１．００ｍｍ以下に設定する場合、前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．２ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。 When the gap between the end faces is set to 1.00 mm or less, the thickness of the metal plate and the distance between the shoulders are set to 0.2 mm ≦ {(thickness of the metal plate) − (distance between the shoulders). } It is preferable to set so that ≦ 0.8 mm .

かかる接合方法によれば、端面同士に隙間があっても接合欠陥の発生を抑制することができる。
また、本発明は、円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、一対の金属板を接合する接合方法であって、前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、前記端面同士の隙間を１．００ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下に設定する場合、
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．４ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定し、前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、Ｙ ２ ／（Ｘ ２ −Ｙ ２ ）＞０．２・・・・（１）前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールをそのずれに追従して回転軸方向に移動させることを特徴とする。
かかる接合方法によれば、摩擦攪拌の摩擦熱によって金属板が変形しても、端面の位置ずれに追従してボビンツールが回転軸方向に移動するため、接合する位置がずれるのを防ぐことができる。また、ショルダ間の距離を金属板の厚さ以下に設定することで、摩擦攪拌して塑性流動化した金属がショルダの外部に溢れるのを防ぐことができる。これにより、接合欠陥の発生を抑制することができる。また、ピンが比較的太くなるため折れにくい。また、かかる接合方法によれば、端面同士に隙間があっても接合欠陥の発生を抑制することができる。 According to this joining method, it is possible to suppress the occurrence of joining defects even if there is a gap between the end faces.
Further, the present invention is a bobbin tool provided with a slide shaft that is inserted into the cylindrical internal holder and rotates integrally with the internal holder, and a pair of shoulders and a pin formed between the shoulders, The bobbin tool is connected to the slide shaft, and a pair of metal plates are joined using a friction stirrer that allows the slide shaft to move in the direction of the rotation axis with respect to the internal holder. A joining step of abutting end faces of the metal plates, and a pin of the bobbin tool rotated to a butting portion formed by abutting the end faces to move the end faces to each other. A step of friction stir welding, and the gap between the end faces is set to be larger than 1.00 mm and 1.75 mm or less,
The thickness of the metal plate and the distance between the shoulders are set such that 0.4 mm ≦ {(thickness of the metal plate) − (distance between shoulders)} ≦ 0.8 mm, and the outer diameter of the shoulder Where X is X and the outer diameter of the pin is Y, the following equation is satisfied: Y 2 / (X 2 −Y 2 )> 0.2 (1) In the joining step, between the shoulders Is set to be equal to or less than the thickness of the metal plate, and when the metal plate is deformed by friction stirring and the position of the end face is shifted in the rotation axis direction of the bobbin tool, the bobbin tool is shifted. And moving in the direction of the rotation axis.
According to such a joining method, even if the metal plate is deformed by frictional heat of friction stirring, the bobbin tool moves in the direction of the rotation axis following the positional deviation of the end face, thereby preventing the joining position from being shifted. it can. Further, by setting the distance between the shoulders to be equal to or less than the thickness of the metal plate, it is possible to prevent the metal that has been friction-stirred and plastically fluidized from overflowing outside the shoulder. Thereby, generation | occurrence | production of a joining defect can be suppressed. In addition, since the pins are relatively thick, they are not easily broken. Moreover, according to this joining method, even if there is a gap between the end faces, the occurrence of joining defects can be suppressed.

また、前記ショルダの外径を二乗した値を、前記ピンの外径を二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定されていることが好ましい。かかる接合方法によれば、ピンの外径に対するショルダの外径を大きく確保できるため、ショルダ間で塑性流動化した金属を確実に押えることができる。これにより、接合欠陥の発生をより抑制することができる。ショルダの外径を二乗した値を、ピンの外径を二乗した値で除した値が２．０以下であると金属が溢れやすくなり接合欠陥が発生しやすい。   The value obtained by dividing the value obtained by squaring the outer diameter of the shoulder by the value obtained by squaring the outer diameter of the pin is preferably set to be larger than 2.0. According to such a joining method, a large outer diameter of the shoulder relative to the outer diameter of the pin can be secured, so that the plastic fluidized metal can be reliably pressed between the shoulders. Thereby, generation | occurrence | production of a joining defect can be suppressed more. When the value obtained by dividing the square of the outer diameter of the shoulder by the value of the square of the outer diameter of the pin is 2.0 or less, the metal tends to overflow and joint defects are likely to occur.

また、前記ピンの外径を二乗した値を、前記ピンの外径と前記ショルダ間の距離との積で除した値が１．２よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。この値が１．２以下になると、ピンが細くなるため抗折力が不足して折れやすくなるが、１．２よりも大きいとピンが比較的太くなるため折れにくい。   The value obtained by dividing the square of the outer diameter of the pin by the product of the outer diameter of the pin and the distance between the shoulders is preferably set to be larger than 1.2. When this value is 1.2 or less, the pin becomes thin and the bending strength is insufficient and the pin is easily broken. However, when the value is larger than 1.2, the pin is relatively thick and is not easily broken.

また、前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して左側に配置した場合には、前記ボビンツールを右回転させることが好ましい。
また、前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して右側に配置した場合には、前記ボビンツールを左回転させることが好ましい。 Further, in the joining step, when the thickness of the metal plate at the abutted portion is different, the metal plate with the larger thickness of the metal plate is arranged on the left side with respect to the traveling direction of the bobbin tool. In this case, it is preferable to rotate the bobbin tool clockwise.
Further, in the joining step, when the thickness of the metal plate at the abutted portion is different, the metal plate with the larger thickness of the metal plate is arranged on the right side with respect to the traveling direction of the bobbin tool. In this case, it is preferable to rotate the bobbin tool counterclockwise.

摩擦攪拌においては、回転ツールを右回転させた場合、ツールの進行方向左側（シアー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）からツールの進行方向右側（フロー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）に塑性流動化された金属が流れる傾向があるため、仮に、金属板同士の間に隙間がある場合には、シアー側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、金属板の厚さが小さい金属板をシアー側に配置すると、金属が不足して接合後の塑性化領域の中央部の厚さが小さくなる傾向がある。
しかし、金属板の端面同士の厚さが異なる場合は、金属板の厚さが大きい金属板をシアー側に配置することで金属不足を補うことができるため、より好適に接合することができる。 In friction agitation, when the rotary tool is rotated to the right, the tool travel direction left side (shear side: side where the rotational speed of the rotary tool is added to the rotational speed of the rotary tool) to the tool travel direction right side (flow side: Since the plasticized metal tends to flow on the side where the moving speed of the rotating tool is subtracted from the rotating speed of the rotating tool), if there is a gap between the metal plates, the metal on the shear side It is thought that the gap is filled. Therefore, when a metal plate having a small thickness is disposed on the shear side, the metal is insufficient and the thickness of the central portion of the plasticized region after joining tends to be small.
However, when the end faces of the metal plates are different from each other, the metal shortage can be compensated by disposing a metal plate with a large metal plate on the shear side, so that the metal plates can be joined more suitably.

本発明に係る接合方法によれば、接合欠陥の発生を抑制し、好適に接合することができる。   According to the joining method according to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of joining defects and to favorably join.

本実施形態に係るボビンツールと中空形材を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the bobbin tool and hollow shape material which concern on this embodiment. 金属部材の突き合せ状態を示す図であって（ａ）は突き合せ前、（ｂ）は突き合せ後を示す。It is a figure which shows the butt | matching state of a metal member, (a) is before butt | matching, (b) shows after butt | matching. 本実施形態に係るボビンツールを示す一部透過斜視図である。It is a partially transparent perspective view which shows the bobbin tool which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るボビンツールを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the bobbin tool which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るボビンツールを示す側面図であって（ａ）は右回転用、（ｂ）は左回転用を示す。It is a side view which shows the bobbin tool which concerns on this embodiment, (a) is for right rotation, (b) shows for left rotation. 本実施形態に係る接合方法を示す図であって、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ端面図である。It is a figure which shows the joining method which concerns on this embodiment, Comprising: (a) is a sectional side view, (b) is II end elevation of (a). （ａ）は接合方法の第一変形例を示し、（ｂ）は接合方法の第二変形例を示す。(A) shows the 1st modification of a joining method, (b) shows the 2nd modification of a joining method. 第一実施例における試験体の組み合わせを示した表である。It is the table | surface which showed the combination of the test body in a 1st Example. 第一実施例において、試験体Ｈ１の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。In a 1st Example, it is the graph which showed the relationship between the clearance gap between the test bodies H1, and the thickness of a junction part. 第一実施例において、試験体Ｈ３の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。In a 1st Example, it is the graph which showed the relationship between the clearance gap between the test bodies H3, and the thickness of a junction part. 第一実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。In a 1st Example, it is a table | surface which shows the relationship between the thickness of a metal plate and gap which affects joining quality, Comprising: The case where the thickness of Ad side = thickness of Re side is shown. 接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを変化させ、Ｒｅ側の厚さを固定した場合を示す。It is a table | surface which shows the relationship between the thickness of a metal plate which affects joining quality, and a clearance gap, Comprising: The case where the thickness by the side of Ad is changed and the thickness by the side of Re is fixed is shown. 接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを固定し、Ｒｅ側の厚さを変化させた場合を示す。It is a table | surface which shows the relationship between the thickness of the metal plate which influences joining quality, and a clearance gap, Comprising: The case where the thickness on the Ad side is fixed and the thickness on the Re side is changed is shown. 第一実施例において、（ａ）は隙間と中央部の厚さとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は隙間とＡｄ部の厚さとの関係を示したグラフである。In the first embodiment, (a) is a graph showing the relationship between the gap and the thickness of the central portion, and (b) is a graph showing the relationship between the gap and the thickness of the Ad portion. 第一実施例において、（ａ）は隙間とＲｅ部の厚さとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は隙間と平均厚さとの関係を示したグラフである。In the first embodiment, (a) is a graph showing the relationship between the gap and the thickness of the Re portion, and (b) is a graph showing the relationship between the gap and the average thickness. 第二実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。In 2nd Example, it is a table | surface which shows the relationship between the thickness of a metal plate and gap which affects joining quality, Comprising: The case where the thickness of Ad side = thickness of Re side is shown. 第一実施例において、ショルダ間距離を５．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。It is the table | surface which showed the dimension and joining condition of each bobbin tool at the time of fixing the distance between shoulders to 5.8 mm in a 1st Example. 第二実施例において、ショルダ間距離を２．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。In 2nd Example, it is the table | surface which showed the dimension and joining condition of each bobbin tool at the time of fixing the distance between shoulders to 2.8 mm. ショルダ間距離を１１．５ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。It is the table | surface which showed the dimension and joining condition of each bobbin tool at the time of fixing the distance between shoulders to 11.5 mm.

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、突き合わされた一対の金属板の突き合せ部Ｎを摩擦攪拌接合する装置である。摩擦攪拌装置１の先端にはボビンツール５が装着されている。まずは、接合する一対の金属板の説明をする。説明における上下前後左右は図１の矢印に従う。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the friction stirrer 1 according to the present embodiment is a device for friction stir welding the butted portions N of a pair of butted metal plates. A bobbin tool 5 is attached to the tip of the friction stirrer 1. First, a pair of metal plates to be joined will be described. The up, down, front, back, left and right in the description follow the arrows in FIG.

＜中空形材＞
図２の（ａ）に示すように、本実施形態では中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを接合する場合を例示する。中空形材１００Ａは、アルミニウム合金製の押出形材であって、断面視矩形の中空部１００ａを有する長尺部材である。中空形材１００Ａは、中空部１００ａを備えた本体部１０１と、本体部１０１の左側面の上下端からそれぞれ左側（中空形材１００Ｂ側）に張り出した板状端部１０２，１０３とを有する。 <Hollow profile>
As shown to (a) of FIG. 2, this embodiment illustrates the case where the hollow shape member 100A and the hollow shape member 100B are joined. The hollow shape member 100A is an extruded shape member made of an aluminum alloy, and is a long member having a hollow portion 100a having a rectangular cross-sectional view. The hollow shape member 100A includes a main body portion 101 having a hollow portion 100a, and plate-like end portions 102 and 103 projecting from the upper and lower ends of the left side surface of the main body portion 101 to the left side (hollow shape member 100B side).

本体部１０１は、４つの面材１０４，１０５，１０６，１０７で構成され、断面視矩形に形成されている。板状端部１０２，１０３は、板状を呈し面材１０５に対して垂直になっている。板状端部１０２，１０３の左右方向の長さは、面材１０４の半分程度になっている。また、板状端部１０２，１０３は、面材１０４，１０５，１０６，１０７と同等の厚さになっている。板状端部１０２，１０３は、特許請求の範囲の「金属板」に相当する部位である。   The main body 101 is composed of four face materials 104, 105, 106, and 107, and is formed in a rectangular shape in cross section. The plate-like end portions 102 and 103 have a plate shape and are perpendicular to the face material 105. The length in the left-right direction of the plate-like end portions 102 and 103 is about half that of the face material 104. Further, the plate-like end portions 102 and 103 have the same thickness as the face materials 104, 105, 106 and 107. The plate-like end portions 102 and 103 are portions corresponding to the “metal plate” in the claims.

中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の形状を呈する金属部材である。中空形材１００Ｂは、中空形材１００Ａと同等の符号を付して詳細な説明は省略する。   The hollow shape member 100B is a metal member that has the same shape as the hollow shape member 100A. The hollow shape member 100B is denoted by the same reference numeral as the hollow shape member 100A, and detailed description thereof is omitted.

中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせる際には、中空形材１００Ａの板状端部１０２，１０３と中空形材１００Ｂの１０２，１０３とをそれぞれ突き合わせる。より詳しくは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の端面１０２ａと中空形材１００Ｂの板状端部１０２の端面１０２ａとを突き合わせるとともに、中空形材１００Ａの板状端部１０３の端面１０３ａと中空形材１００Ｂの板状端部１０３の端面１０３ａとをそれぞれ突き合わせる。図２の（ｂ）に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせると、端面１０２ａ，１０２ａの高さ方向の中心同士が重なるとともに、板状端部１０２，１０２の上面と下面とがそれぞれ面一になる。   When the hollow shape member 100A and the hollow shape member 100B are abutted, the plate-like end portions 102 and 103 of the hollow shape member 100A and the hollow shapes 100B and 102B are abutted, respectively. More specifically, the end surface 102a of the plate-like end portion 102 of the hollow shape member 100A and the end surface 102a of the plate-like end portion 102 of the hollow shape member 100B are abutted with each other, and the end surface 103a of the plate-like end portion 103 of the hollow shape member 100A. And the end face 103a of the plate-like end portion 103 of the hollow shape member 100B are brought into contact with each other. As shown in FIG. 2B, when the hollow shape member 100A and the hollow shape member 100B are brought into contact with each other, the centers of the end surfaces 102a and 102a in the height direction are overlapped with each other and the upper surfaces of the plate-like end portions 102 and 102 are overlapped. And the bottom surface are flush with each other.

図２の（ｂ）に示すように、端面１０２ａ，１０２ａ、端面１０３ａ，１０３ａがそれぞれ突き合わされた部分を「突き合せ部Ｎ」とする。突き合せ部Ｎを接合する際には、端面１０２ａ，１０２ａが密接していることが好ましいが、中空形材１００Ａ，１００Ｂの公差や、接合時における摩擦熱によって板状端部１０２，１０２が変形し、端面１０２ａ，１０２ａとの間に微細な隙間が生じる場合がある。突き合せ部Ｎとは、端面１０２ａ，１０２ａに微細な隙間が生じている場合も含む概念とする。   As shown in FIG. 2B, a portion where the end faces 102 a and 102 a and the end faces 103 a and 103 a are abutted is referred to as a “butting portion N”. When joining the butt portion N, it is preferable that the end faces 102a and 102a are in close contact with each other, but the plate-like end portions 102 and 102 are deformed due to tolerances of the hollow shape members 100A and 100B and frictional heat at the time of joining. However, a minute gap may be formed between the end faces 102a and 102a. The butt portion N is a concept including a case where a minute gap is generated in the end faces 102a and 102a.

なお、本実施形態では接合する対象として中空形材の板状端部を例示しているが、接合する対象は、摩擦攪拌可能な金属で形成されており、板状を呈する部材であれば特に制限されるものではない。   In addition, in this embodiment, the plate-shaped end portion of the hollow shape material is illustrated as an object to be joined, but the object to be joined is formed of a metal capable of friction stir, and is particularly a member that exhibits a plate shape. It is not limited.

＜摩擦攪拌装置＞
図３及び図４に示すように、摩擦攪拌装置１は、外部ホルダー２と、外部ホルダー２の内部に配設される内部ホルダー３と、内部ホルダー３内に挿通されるスライド軸４と、スライド軸４の先端に取り付けられたボビンツール５とを有する。 <Friction stirrer>
As shown in FIGS. 3 and 4, the friction stirrer 1 includes an external holder 2, an internal holder 3 disposed in the external holder 2, a slide shaft 4 inserted into the internal holder 3, and a slide A bobbin tool 5 attached to the tip of the shaft 4.

外部ホルダー２は、円筒状を呈する部材であって内側に内部ホルダー３を収容する。外部ホルダー２は、摩擦攪拌装置１のチャック部（図示省略）に固定される部位であって、摩擦攪拌装置１の回転駆動に伴って上下方向軸回りに回転する。図４に示すように、内部ホルダー３は、円筒状を呈する部材であって、その外周面には径方向に貫通する長孔３ａが形成されている。内部ホルダー３は、外部ホルダー２に固定されることにより外部ホルダー２と一体的に回転する。   The outer holder 2 is a cylindrical member and houses the inner holder 3 on the inner side. The external holder 2 is a portion that is fixed to a chuck portion (not shown) of the friction stirrer 1 and rotates about the vertical axis as the friction stirrer 1 is driven to rotate. As shown in FIG. 4, the inner holder 3 is a cylindrical member, and a long hole 3 a penetrating in the radial direction is formed on the outer peripheral surface thereof. The inner holder 3 rotates integrally with the outer holder 2 by being fixed to the outer holder 2.

スライド軸４は、内部ホルダー３の内部に挿通される軸部材である。スライド軸４の側面には、外側に向けて突出する突部４ａが形成されている。突部４ａと内部ホルダー３の長孔３ａとが係合することで、内部ホルダー３とスライド軸４とが一体的に回転する。スライド軸４は、内部ホルダー３に対して長孔３ａの範囲内において、上下方向に移動可能になっている。   The slide shaft 4 is a shaft member that is inserted into the inner holder 3. On the side surface of the slide shaft 4, a protrusion 4 a that protrudes outward is formed. When the protrusion 4a and the elongated hole 3a of the inner holder 3 are engaged with each other, the inner holder 3 and the slide shaft 4 are integrally rotated. The slide shaft 4 is movable in the vertical direction with respect to the inner holder 3 within the range of the long hole 3a.

ボビンツール５は、例えば工具鋼で形成されておりスライド軸４に連結されている。ボビンツール５は、スライド軸４の回転に伴って上下方向軸周りに正逆回転する。ボビンツール５は、第一ショルダ１１と、第一ショルダ１１の下方に間をあけて配設された第二ショルダ１２と、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結するピン１３とを有する。   The bobbin tool 5 is made of, for example, tool steel and is connected to the slide shaft 4. The bobbin tool 5 rotates forward and backward around the vertical axis as the slide shaft 4 rotates. The bobbin tool 5 includes a first shoulder 11, a second shoulder 12 disposed below the first shoulder 11, and a pin 13 connecting the first shoulder 11 and the second shoulder 12. .

図５の（ａ）に示すように、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２は、円柱状を呈し、同等の外径を備えている。ピン１３は、円柱状を呈し、第一ショルダ１１と第二ショルダ１２とを連結する。第二ショルダ１２の下端は、第二ショルダ１２を貫通したピン１３がナットで締結されている。ピン１３の外周面には、上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂとが刻設されている。上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂの溝の向きはそれぞれ反対方向に巻回されるように刻設されている。   As shown to (a) of FIG. 5, the 1st shoulder 11 and the 2nd shoulder 12 are exhibiting the column shape, and are equipped with the equivalent outer diameter. The pin 13 has a cylindrical shape and connects the first shoulder 11 and the second shoulder 12. A pin 13 penetrating the second shoulder 12 is fastened to the lower end of the second shoulder 12 with a nut. On the outer peripheral surface of the pin 13, an upper spiral groove 13a and a lower spiral groove 13b are formed. The groove directions of the upper spiral groove 13a and the lower spiral groove 13b are engraved so as to be wound in opposite directions.

上部螺旋溝１３ａは、第一ショルダ１１の下端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、上部螺旋溝１３ａは右ねじで形成されている。つまり、上部螺旋溝１３ａは、上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。   The upper spiral groove 13 a is carved from the lower end of the first shoulder 11 to an intermediate position in the height direction of the pin 13. In this embodiment, in order to rotate the bobbin tool 5 to the right, the upper spiral groove 13a is formed with a right-hand thread. That is, the upper spiral groove 13a is engraved so as to be wound clockwise from top to bottom.

一方、下部螺旋溝１３ｂは、第二ショルダ１２の上端からピン１３の高さ方向の中間位置まで刻設されている。本実施形態ではボビンツール５を右回転させるため、下部螺旋溝１３ｂは左ねじで形成されている。つまり、下部螺旋溝１３ｂは、上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されている。上部螺旋溝１３ａ及び下部螺旋溝１３ｂをこのように形成することで、摩擦攪拌されて塑性流動化した金属が、板状端部１０２の高さの中央部分から上端方向又は下端方向に向かって若干移動するようになっている。なお、これら上下方向への金属の移動は、ボビンツール５のピン１３の回転による周方向での金属の移動に比べて微量に止まるものである。   On the other hand, the lower spiral groove 13 b is carved from the upper end of the second shoulder 12 to an intermediate position in the height direction of the pin 13. In this embodiment, in order to rotate the bobbin tool 5 to the right, the lower spiral groove 13b is formed with a left-hand thread. That is, the lower spiral groove 13b is engraved so as to be wound counterclockwise from the top to the bottom. By forming the upper spiral groove 13a and the lower spiral groove 13b in this manner, the metal that has been frictionally stirred and plastically fluidized is slightly increased from the central portion of the plate-shaped end portion 102 toward the upper end direction or the lower end direction. It is supposed to move. Note that the movement of the metal in the vertical direction is limited to a minute amount compared to the movement of the metal in the circumferential direction due to the rotation of the pin 13 of the bobbin tool 5.

ちなみに、図５の（ｂ）に示すボビンツール５Ａは、ボビンツール５Ａを左回転させる場合に用いるツールである。ボビンツール５Ａの上部螺旋溝１３ｄと下部螺旋溝１３ｅは、前記した右回転用のボビンツール５と螺旋溝の巻き方向が異なる。ボビンツール５Ａの上部螺旋溝１３ｄは、左ねじで形成されている。つまり、ボビンツール５Ａの上部螺旋溝１３ｄは、上から下に向けて左回りに巻回されるように刻設されている。一方、ボビンツール５Ａの下部螺旋溝１３ｅは、右ねじで形成されている。つまり、ボビンツール５Ａの下部螺旋溝１３ｅは、上から下に向けて右回りに巻回されるように刻設されている。   Incidentally, the bobbin tool 5A shown in FIG. 5B is a tool used when the bobbin tool 5A is rotated counterclockwise. The upper spiral groove 13d and the lower spiral groove 13e of the bobbin tool 5A are different in the winding direction of the clockwise rotation bobbin tool 5 and the spiral groove. The upper spiral groove 13d of the bobbin tool 5A is formed with a left-hand thread. That is, the upper spiral groove 13d of the bobbin tool 5A is engraved so as to be wound counterclockwise from the top to the bottom. On the other hand, the lower spiral groove 13e of the bobbin tool 5A is formed with a right-hand thread. That is, the lower spiral groove 13e of the bobbin tool 5A is engraved so as to be wound clockwise from top to bottom.

図５の（ａ）に示すように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚ（ピン１３の長さ）は、中空形材１００Ａの板状端部１０２の厚さＴと同等か、それよりも小さくなっていることが好ましい。例えば、本実施形態では、ショルダ間距離Ｚは、中空形材１００Ａの板状端部１０２の厚さＴよりも０．２ｍｍ小さくなっている。   As shown in FIG. 5A, the distance Z between the shoulders of the bobbin tool 5 (the length of the pin 13) is equal to or smaller than the thickness T of the plate-like end portion 102 of the hollow shape member 100A. It is preferable that For example, in the present embodiment, the distance Z between shoulders is 0.2 mm smaller than the thickness T of the plate-like end portion 102 of the hollow shape member 100A.

なお、突き合せ部Ｎ（図２の（ｂ）参照）の端面１０２ａ，１０２ａの隙間を０．７５ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを同等、つまり、Ｔ−Ｚ＝０と設定しても接合状態を良好にすることができる。   When the gap between the end faces 102a and 102a of the butt portion N (see FIG. 2B) can be set to 0.75 mm or less, the thickness T of the plate-like end portion 102 is equal to the distance Z between the shoulders, That is, even if TZ = 0 is set, the bonding state can be improved.

また、突き合せ部Ｎの端面１０２ａ，１０２ａの隙間を１．００ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．２ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。   When the gap between the end faces 102a, 102a of the butted portion N can be set to 1.00 mm or less, the thickness T of the plate-like end portion 102 and the distance Z between the shoulders are set to 0.2 mm ≦ T−Z ≦ 0. It is preferable to set the distance to 8 mm.

また、突き合せ部Ｎの端面１０２ａ，１０２ａの隙間を１．００より大きく、１．７５ｍｍ以下に設定できる場合、板状端部１０２の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを、０．４ｍｍ≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定することが好ましい。   Further, when the gap between the end faces 102a, 102a of the butt portion N can be set larger than 1.00 and 1.75 mm or less, the thickness T of the plate-like end portion 102 and the distance Z between the shoulders are set to 0.4 mm ≦ It is preferable to set so that TZ ≦ 0.8 mm.

また、ボビンツール５は、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径Ｘを二乗した値をピン１３の外径Ｙを二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、バリとして排出される材料の量を第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２によって抑制できるため、接合欠陥の発生を低減することができる。   The bobbin tool 5 is set so that the value obtained by dividing the value obtained by squaring the outer diameter X of the first shoulder 11 and the second shoulder 12 by the value obtained by squaring the outer diameter Y of the pin 13 is greater than 2.0. It is preferable. According to the bobbin tool 5, since the amount of material discharged as burrs can be suppressed by the first shoulder 11 and the second shoulder 12, the occurrence of joint defects can be reduced.

また、ボビンツール５は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外径Ｘを二乗した値からピン１３の外径Ｙを二乗した値を引いた値で除した値が０．２よりも大きくなるように設定されていることが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール軸方向に発生する材料抵抗に対するピンの抗張力は十分であるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。
また、ボビンツール５は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値をピン１３の外径Ｙとショルダ間距離Ｚとの積で除した値が１．２よりも大きくなるように設定することが好ましい。かかるボビンツール５によれば、接合時にツール進行方向とは逆向きに流れる材料抵抗に対するピンの抗折力は十分であるため、ピン１３の破損を防ぐことができる。これらの根拠については実施例で記載する。 Further, the bobbin tool 5 subtracts the value obtained by squaring the outer diameter Y of the pin 13 from the value obtained by squaring the outer diameter X of the first shoulder 11 and the second shoulder 12. It is preferable that the value divided by the value is set to be larger than 0.2. According to such a bobbin tool 5, since the tensile strength of the pin against the material resistance generated in the tool axis direction at the time of joining is sufficient, damage to the pin 13 can be prevented.
The bobbin tool 5 may be set so that a value obtained by dividing the square of the outer diameter Y of the pin 13 by the product of the outer diameter Y of the pin 13 and the distance Z between the shoulders is greater than 1.2. preferable. According to the bobbin tool 5, since the bending strength of the pin against the material resistance flowing in the direction opposite to the tool traveling direction at the time of joining is sufficient, it is possible to prevent the pin 13 from being damaged. These grounds are described in the examples.

ここで、摩擦攪拌接合を行うと、摩擦熱によって板状端部１０２，１０２の温度が上昇し、板状端部１０２，１０２が上方又は下方に反ってしまう場合がある。ボビンツール５の回転軸方向の位置が不動で、かつ、板状端部１０２が反った状態で摩擦攪拌接合を続行すると、ピン１３の中心１３ｃ（図６の（ａ）参照）と突き合せ部Ｎの中心Ｎｃの高さ位置がずれてしまう。接合位置がずれると接合欠陥が発生する可能性が高くなるので、是正する必要がある。   Here, when friction stir welding is performed, the temperature of the plate-like end portions 102 and 102 increases due to frictional heat, and the plate-like end portions 102 and 102 may warp upward or downward. When the friction stir welding is continued in a state where the position of the bobbin tool 5 in the rotational axis direction is stationary and the plate-like end portion 102 is warped, the center 13c of the pin 13 (see FIG. 6A) and the butted portion The height position of the center Nc of N shifts. If the bonding position is shifted, there is a high possibility that a bonding defect will occur, and it is necessary to correct it.

そこで、本実施形態に係る摩擦攪拌装置１は、スライド軸４が内部ホルダー３内を移動可能に形成されているため、板状端部１０２が例えば上方に反った際に、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ上方に移動するように構成されている。一方、摩擦攪拌装置１は、板状端部１０２が例えば下方に反った際に、その反りに追従してボビンツール５が所定の距離だけ下方に移動するように構成されている。つまり、板状端部１０２が反ったとしても、その反りに応じてボビンツール５（ピン１３）が板状端部１０２の反りに追従して移動することにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃの高さ位置がずれるのを抑制できるようになっている。   Therefore, in the friction stirrer 1 according to the present embodiment, since the slide shaft 4 is formed so as to be movable in the inner holder 3, when the plate-like end portion 102 warps upward, for example, it follows the warpage. The bobbin tool 5 is configured to move upward by a predetermined distance. On the other hand, the friction stirrer 1 is configured such that when the plate-like end portion 102 warps downward, for example, the bobbin tool 5 moves downward by a predetermined distance following the warpage. That is, even if the plate-like end portion 102 is warped, the bobbin tool 5 (pin 13) moves following the warp of the plate-like end portion 102 in accordance with the warp, so that the center 13c of the pin 13 is abutted. The height position of the center Nc of the part N can be suppressed from shifting.

次に、本発明の接合方法について説明する。
本発明に係る接合方法では、中空形材同士を突き合わせる突き合せ工程と、突き合せ部Ｎにボビンツール５を挿入する接合工程と、を行う。 Next, the joining method of the present invention will be described.
In the joining method according to the present invention, a butting process for butting the hollow members together and a joining process for inserting the bobbin tool 5 into the butting part N are performed.

突き合せ工程では、図２に示すように、中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを板状端部１０２同士で対向させ、端面１０２ａ，１０２ａ同士及び端面１０３ａ，１０３ａ同士を面接触させる。より詳しくは、一方の端面１０２ａの中点と、他方の端面１０２ａの中点とが重なるように面接触させる。なお、突き合わせた後は、中空形材１００Ａ，１００Ｂが離間しないように、突き合せ部Ｎに沿って溶接などで仮付けを行ってもよい。中空形材１００Ａと中空形材１００Ｂとを突き合わせたら、両者を移動不能に拘束する。   In the abutting step, as shown in FIG. 2, the hollow shape member 100A and the hollow shape member 100B are opposed to each other at the plate-like end portions 102, and the end surfaces 102a, 102a and the end surfaces 103a, 103a are brought into surface contact. More specifically, surface contact is made so that the midpoint of one end face 102a and the midpoint of the other end face 102a overlap. In addition, after abutting, temporary attachment may be performed by welding or the like along the abutting portion N so that the hollow shape members 100A and 100B are not separated from each other. When the hollow shape member 100A and the hollow shape member 100B are brought into contact with each other, they are restrained so as not to move.

接合工程では、突き合せ部Ｎの外部において、ピン１３の中心１３ｃが、突き合せ部Ｎの中心Ｎｃと重なるように位置させる。そして、図６の（ａ）に示すように、右回転させたボビンツール５を突き合せ部Ｎに沿って移動させる。   In the joining step, the center 13c of the pin 13 is positioned outside the butted portion N so as to overlap the center Nc of the butted portion N. Then, as shown in FIG. 6A, the bobbin tool 5 rotated to the right is moved along the abutting portion N.

ボビンツール５が突き合せ部Ｎに挿入されると、高速回転するピン１３によってピン１３の周囲の金属が摩擦攪拌され、ピン１３の軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。図６の（ａ）に示すように、ボビンツール５によって形成された塑性化領域Ｗは、前記したように上部螺旋溝１３ａと下部螺旋溝１３ｂの螺旋溝の巻回方向が異なるため、塑性流動した金属が突き合せ部Ｎの中心Ｎｃから板状端部１０２の各表面側に向かって移動するようになる。これにより、図６の（ａ）及び（ｂ）に示すように、塑性化領域Ｗは、中心Ｎｃ方向に向けて凸となる円弧状であって、金属の縞模様が上下に略対称となるように形成される。   When the bobbin tool 5 is inserted into the abutting portion N, the metal around the pin 13 is frictionally stirred by the pin 13 that rotates at high speed, and a plasticized region W is formed in the locus of the pin 13. As shown in FIG. 6 (a), the plasticizing region W formed by the bobbin tool 5 has different plastic flow directions because the spiral directions of the upper spiral groove 13a and the lower spiral groove 13b are different as described above. The metal thus moved moves from the center Nc of the butted portion N toward each surface side of the plate-like end portion 102. Accordingly, as shown in FIGS. 6A and 6B, the plasticized region W has an arc shape that is convex toward the center Nc direction, and the metal stripe pattern is substantially symmetrical vertically. Formed as follows.

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって板状端部（金属板）１０２，１０２が反ったとしても、その反りに追従してボビンツール５が上下方向に移動可能になっている。これにより、ピン１３の中心１３ｃと突き合せ部Ｎの中心Ｎｃとの高さ位置がずれるのを抑制できる。よって、接合位置がずれるのを防ぐことができる。また、本実施形態のように、ボビンツール５のショルダ間距離Ｚを板状端部１０２の厚さＴ以下に設定することで、塑性流動化した金属を押えることができ、摩擦攪拌によって塑性流動化した金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２の外部に溢れるのを防ぐことができる。これにより、接合欠陥の発生を抑制することができる。   According to the joining method according to the present embodiment described above, even if the plate-like end portions (metal plates) 102 and 102 are warped by the frictional heat of friction stir welding, the bobbin tool 5 follows the warpage in the vertical direction. Can be moved to. Thereby, it can suppress that the height position of the center 13c of the pin 13 and the center Nc of the butt | matching part N shift | deviates. Therefore, it is possible to prevent the joining position from shifting. Further, as in this embodiment, by setting the distance Z between the shoulders of the bobbin tool 5 to be equal to or less than the thickness T of the plate-like end portion 102, the plastic fluidized metal can be pressed, and the plastic flow is caused by friction stirring. It is possible to prevent the converted metal from overflowing to the outside of the first shoulder 11 and the second shoulder 12. Thereby, generation | occurrence | production of a joining defect can be suppressed.

＜第一変形例＞
第一変形例では、図７の（ａ）に示すように、板状端部１０２Ａと板状端部１０２Ｂとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部１０２Ｂの厚さＴ１は、板状端部１０２Ａの厚さＴ２よりも大きくなっている。第一変形例では、板状端部１０２Ａの高さ方向の中点と、板状端部１０２Ｂの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。 <First modification>
As shown in FIG. 7A, the first modified example is different from the above-described embodiment in that the thickness of the plate-like end portion 102A and the plate-like end portion 102B is different. The thickness T1 of the plate-like end portion 102B is larger than the thickness T2 of the plate-like end portion 102A. In the first modification, the midpoint in the height direction of the plate-like end portion 102A and the midpoint in the height direction of the plate-like end portion 102B are abutted so as to overlap each other.

第一変形例に係る接合工程では、ボビンツール５を右回転させて、板状端部１０２Ｂの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の板状端部１０２Ｂ（金属板）を進行方向に対して左側に配置する。   In the joining step according to the first modified example, the bobbin tool 5 is rotated to the right, and the plate-like end portion 102B (metal plate) having the larger thickness of the butted portion N of the plate-like end portion 102B is moved in the traveling direction. And place it on the left side.

摩擦攪拌においては、回転ツールを右回転させた場合、ツールの進行方向左側（シアー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が加算される側）からツールの進行方向右側（フロー側：回転ツールの回転速度に回転ツールの移動速度が減算される側）に塑性流動化された金属が流れる傾向があるため、仮に、金属板同士の間に隙間がある場合には、シアー側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、シアー側の金属板の厚さが小さいと、金属が不足して接合後の塑性化領域の中央部の厚さが小さくなる傾向がある。ちなみに、回転ツールを左回転させた場合、ツールの進行方向右側がシアー側、左側がフロー側となる。   In friction agitation, when the rotary tool is rotated to the right, the tool travel direction left side (shear side: side where the rotational speed of the rotary tool is added to the rotational speed of the rotary tool) to the tool travel direction right side (flow side: Since the plasticized metal tends to flow on the side where the moving speed of the rotating tool is subtracted from the rotating speed of the rotating tool), if there is a gap between the metal plates, the metal on the shear side It is thought that the gap is filled. Therefore, when the thickness of the metal plate on the shear side is small, the metal is insufficient and the thickness of the central portion of the plasticized region after joining tends to be small. By the way, when the rotating tool is rotated counterclockwise, the right side of the tool traveling direction is the shear side and the left side is the flow side.

第一変形例では、シアー側にあたる板状端部１０２Ｂの厚さＴ１を板状端部１０２Ａの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。   In the first modified example, the thickness T1 of the plate-like end portion 102B corresponding to the shear side is made larger than the thickness T2 of the plate-like end portion 102A, thereby eliminating the shortage of metal in the central portion of the plasticized region W. It can join more suitably.

＜第二変形例＞
第二変形例では、図７の（ｂ）に示すように、板状端部１０２Ｃと板状端部１０２Ｄとの厚さが異なる点で前記した実施形態と相違する。板状端部１０２Ｃの厚さＴ１は、板状端部１０２Ｄの厚さＴ２よりも大きくなっている。第二変形例では、板状端部１０２Ｃの高さ方向の中点と、板状端部１０２Ｄの高さ方向の中点とが重なるように突き合わされている。 <Second modification>
As shown in FIG. 7B, the second modified example is different from the above-described embodiment in that the plate-like end portion 102C and the plate-like end portion 102D have different thicknesses. The thickness T1 of the plate-like end portion 102C is larger than the thickness T2 of the plate-like end portion 102D. In the second modification, the midpoint in the height direction of the plate-like end portion 102C and the midpoint in the height direction of the plate-like end portion 102D are abutted so as to overlap each other.

第二変形例に係る接合工程では、ボビンツール５を左回転させて、板状端部１０２Ｃの突き合せ部Ｎの厚さが大きい方の板状端部１０２Ｃ（金属板）を進行方向に対して右側に配置する。   In the joining step according to the second modification, the bobbin tool 5 is rotated counterclockwise so that the plate-like end portion 102C (metal plate) having the larger thickness of the butted portion N of the plate-like end portion 102C is moved in the traveling direction. To the right.

第二変形例では、第一変形例と同様の原理により、シアー側にあたる板状端部１０２Ｃの厚さＴ１を板状端部１０２Ｄの厚さＴ２よりも大きくすることで、塑性化領域Ｗの中央部の金属の不足を解消してより好適に接合することができる。   In the second modified example, the thickness T1 of the plate-like end portion 102C corresponding to the shear side is made larger than the thickness T2 of the plate-shaped end portion 102D by the same principle as in the first modified example. The shortage of the metal in the central portion can be solved and the bonding can be performed more suitably.

＜実施例１：基本厚さ６．０ｍｍの試験＞
摩擦攪拌接合される金属板（板状端部）の厚さと金属板同士の隙間との関係を調査するための試験を行った。摩擦攪拌接合される一対の金属板の試験体（Ａ６０６３−Ｔ５材）については、基本厚さを６．０ｍｍとし、図８に示すとおり試験体Ｈ１〜Ｈ１９まで用意した。「Ａｄ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が一致する側＝右回転の場合進行方向左側、を意味する。「Ｒｅ側」とは、ボビンツールの回転方向と進行方向が相違する側＝右回転の場合進行方向右側を意味する。 <Example 1: Basic thickness 6.0 mm test>
A test was conducted to investigate the relationship between the thickness of the metal plate (plate-like end) to be friction stir welded and the gap between the metal plates. About the test body (A6063-T5 material) of a pair of metal plates to be friction stir welded, a basic thickness was 6.0 mm, and test bodies H1 to H19 were prepared as shown in FIG. “Ad side” means the side where the rotation direction of the bobbin tool coincides with the traveling direction = the left side of the traveling direction in the case of right rotation. The “Re side” means the right side of the traveling direction when the side where the rotational direction and the traveling direction of the bobbin tool are different = right rotation.

試験体Ｈ１〜Ｈ７は、金属板の厚さがＡｄ側とＲｅ側が同一の場合においてその厚さを変化させている。試験体Ｈ８〜Ｈ１３は、Ａｄ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の金属板の厚さを変化させている。試験体Ｈ１４〜Ｈ１９は、Ｒｅ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の金属板の厚さを変化させている。   The specimens H1 to H7 have different thicknesses when the thickness of the metal plate is the same on the Ad side and the Re side. In the test bodies H8 to H13, the metal plate on the Ad side is fixed to 6.0 mm, and the thickness of the metal plate on the Re side is changed. In the test bodies H14 to H19, the Re-side metal plate is fixed to 6.0 mm, and the thickness of the Re-side metal plate is changed.

金属板同士の隙間は０〜２．０ｍｍまで０．２５ｍｍずつ変化させた。試験に使用したボビンツールは、ショルダ外径２０ｍｍ、ピン外径１２ｍｍ、ショルダ間距離５．８ｍｍに設定した。ボビンツールの回転数は８００ｒｐｍ、移動速度は６００／ｍｉｎ、回転方向は右回転に設定した。また、このボビンツールは、実施形態で記載したように、金属板の反りに追従してボビンツールの高さ位置が変化する形態である。摩擦攪拌接合後、Ｘ線透過試験と断面ミクロ組織から品質を判定した。   The gap between the metal plates was changed by 0.25 mm from 0 to 2.0 mm. The bobbin tool used for the test was set to a shoulder outer diameter of 20 mm, a pin outer diameter of 12 mm, and a distance between shoulders of 5.8 mm. The rotation speed of the bobbin tool was set to 800 rpm, the moving speed was set to 600 / min, and the rotation direction was set to the right rotation. Moreover, this bobbin tool is a form which the height position of a bobbin tool changes following the curvature of a metal plate, as described in the embodiment. After the friction stir welding, the quality was judged from the X-ray transmission test and the cross-sectional microstructure.

図９は、第一実施例において、試験体Ｈ１の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。図１０は、第一実施例において、試験体Ｈ３の隙間と接合部の厚さとの関係を示したグラフである。第一実施例の接合部とは、実施形態における塑性化領域Ｗと同義である。また、第一実施例の接合部の「Ａｄ部」、「中央部」、「Ｒｅ部」とは、図６の（ｂ）に示すように、接合部（塑性化領域Ｗ）のＡｄ側、中央、Ｒｅ側における厚さ（厚さ寸法）を示している。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the gap of the test body H1 and the thickness of the joint in the first example. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the gap of the test body H3 and the thickness of the joint in the first example. The joint part of the first example is synonymous with the plasticized region W in the embodiment. In addition, the “Ad part”, “center part”, and “Re part” of the joint part of the first example are the Ad side of the joint part (plasticization region W), as shown in FIG. The thickness (thickness dimension) on the center and Re side is shown.

図９に示すように、金属板の厚さを６．０ｍｍ同士に設定して接合した場合、隙間０．７５ｍｍ未満ではＡｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少は小さいが、隙間０．７５以上では隙間が増加するに従いＡｄ部、中央部、Ｒｅ部の厚さが減少した。隙間が１．２ｍｍを超えると接合部の厚さは５．８ｍｍ未満になり接合欠陥が発生した。   As shown in FIG. 9, when the thickness of the metal plate is set to 6.0 mm and joined, if the gap is less than 0.75 mm, the decrease in the thickness is small in the Ad part, the center part, and the Re part, but the gap 0 Above .75, the thickness of the Ad, central and Re portions decreased as the gap increased. When the gap exceeded 1.2 mm, the thickness of the joint became less than 5.8 mm, and a joint defect occurred.

図１０に示すように、金属板の厚さが６．４ｍｍ同士に設定して接合した場合、隙間０．７５ｍｍ未満ではＡｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少は小さかった。隙間０．７５〜１．７５までは、Ａｄ部、中央部、Ｒｅ部ともに厚さの減少はするが、接合欠陥は発生しなかった。隙間２．０となると著しく接合部の厚さが減少し接合欠陥が発生した。   As shown in FIG. 10, when the thicknesses of the metal plates were set to 6.4 mm and joined, when the gap was less than 0.75 mm, the decrease in thickness was small in the Ad part, the central part, and the Re part. In the gaps 0.75 to 1.75, the thicknesses of the Ad part, the central part, and the Re part were reduced, but no junction defect occurred. When the gap was 2.0, the thickness of the joint portion was remarkably reduced and a joint defect was generated.

図９及び図１０からは、接合部の中央部の厚さが５．８ｍｍ以下になると接合欠陥が発生することがわかった。つまり、金属板同士の間に隙間があっても、塑性流動によって金属が供給されて、接合部の中央部の厚さが、ショルダ間距離と同等の５．８ｍｍ未満にならなければ健全に接合されることがわかった。以上のことから、接合部の厚さがショルダ間距離以上となるように接合条件を設定する必要がある。   From FIG. 9 and FIG. 10, it was found that when the thickness of the central portion of the joint portion is 5.8 mm or less, a joint defect occurs. In other words, even if there is a gap between the metal plates, the metal is supplied by plastic flow, and if the thickness of the central portion of the joint does not become less than 5.8 mm, which is equal to the distance between the shoulders, the joint is soundly joined. I found out that From the above, it is necessary to set the joining conditions so that the thickness of the joined portion is equal to or greater than the distance between the shoulders.

図１１は、第一実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さ＝Ｒｅ側の厚さの場合を示す。図中、「○」は接合状況が良好、「×」は接合状況が不良である場合を示す。   FIG. 11 is a table showing the relationship between the thickness of the metal plate and the gap on the bonding quality in the first embodiment, and shows the case where the thickness on the Ad side = the thickness on the Re side. In the figure, “◯” indicates that the joining condition is good and “×” indicates that the joining condition is poor.

図１１によれば、隙間が大きくなったとしても、金属板の厚さが大きくなれば、接合状況が良好になる場合があることがわかった。ただし、金属板の厚さとショルダ間距離との差が０．８ｍｍを越える（本実施例では金属板の厚さを６．６ｍｍより大きくする）と、ショルダ間に発生する内圧が大きくなり、ツール寿命が著しく低下することがわかった。   According to FIG. 11, it was found that even when the gap is increased, the joining state may be improved if the thickness of the metal plate is increased. However, if the difference between the thickness of the metal plate and the distance between the shoulders exceeds 0.8 mm (in this embodiment, the thickness of the metal plate is made larger than 6.6 mm), the internal pressure generated between the shoulders increases, and the tool It has been found that the lifetime is significantly reduced.

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０〜０．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが５．８〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。   Further, according to FIG. 11, when the distance between the shoulders is 5.8 mm and the gap between the metal plates is 0 to 0.75 mm or less, the bonding is performed if the thickness of the metal plate is 5.8 to 6.6 mm. The situation was found to be good. That is, it was found that the joining condition was good if the thickness T of the metal plate and the distance Z between the shoulders were set so as to satisfy 0 ≦ TZ ≦ 0.8 mm.

Ｔ−Ｚの値が０よりも小さくなる、つまり、板状端部１０２の厚さＴよりもショルダ間距離Ｚが大きくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部（塑性化領域Ｗ）の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。金属板同士の隙間が０〜０．７５ｍｍ以下であると、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって金属板の温度が上昇し、金属板が膨張することによって隙間が無くなるため、接合状況が概ね良好であると考えられる。   When the value of TZ is smaller than 0, that is, when the distance Z between the shoulders is larger than the thickness T of the plate-like end portion 102, the plastic fluidized metal is removed from the first shoulder 11 and the second shoulder 12. Since it becomes easy to overflow, the density of a junction part (plasticization area | region W) falls. This increases the possibility of junction defects. When the gap between the metal plates is 0 to 0.75 mm or less, the temperature of the metal plate rises due to the frictional heat of the friction stir welding, and the gap disappears when the metal plate expands. it is conceivable that.

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０〜１．０ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．０〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．２≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．２ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。   In addition, according to FIG. 11, when the distance between the shoulders is 5.8 mm, and the gap between the metal plates is 0 to 1.0 mm or less, if the thickness of the metal plate is 6.0 to 6.6 mm, bonding is performed. The situation was found to be good. That is, it has been found that the joining condition is good if the thickness T of the metal plate and the distance Z between the shoulders are set to satisfy 0.2 ≦ TZ ≦ 0.8 mm. When the value of TZ is smaller than 0.2 mm, the plastic fluidized metal tends to overflow from the first shoulder 11 and the second shoulder 12, and the density of the joint portion is reduced. This increases the possibility of junction defects.

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．０ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．２ｍｍ〜６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．４≦Ｔ−Ｚ≦０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．４ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。   Further, according to FIG. 11, when the distance between the shoulders is 5.8 mm and the gap between the metal plates is greater than 1.0 mm and equal to or less than 1.75 mm, the thickness of the metal plate is 6.2 mm to 6.6 mm. If it was, it turned out that the joining condition is favorable. That is, it was found that the joining condition was good if the thickness T of the metal plate and the distance Z between the shoulders were set to satisfy 0.4 ≦ TZ ≦ 0.8 mm. When the value of TZ is smaller than 0.4 mm, the plastic fluidized metal tends to overflow from the first shoulder 11 and the second shoulder 12, and the density of the joint portion is reduced. This increases the possibility of junction defects.

また、図１１によれば、ショルダ間距離５．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．７５ｍｍより大きく２．００ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが６．６ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離ＺとをＴ−Ｚ＝０．８ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．８ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。   In addition, according to FIG. 11, when the distance between the shoulders is 5.8 mm, and the gap between the metal plates is greater than 1.75 mm and less than or equal to 2.00 mm, the thickness of the metal plate is 6.6 mm. Was found to be good. In other words, it was found that the joining condition was good if the thickness T of the metal plate and the distance Z between the shoulders were set so that TZ = 0.8 mm. When the value of TZ is smaller than 0.8 mm, the plastic fluidized metal tends to overflow from the first shoulder 11 and the second shoulder 12, and the density of the joint portion is reduced. This increases the possibility of junction defects.

図１２は、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを変化させ、Ｒｅ側の厚さを固定した場合を示す。図１３は、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側の厚さを固定し、Ｒｅ側の厚さを変化させた場合を示す。   FIG. 12 is a table showing the relationship between the thickness of the metal plate and the gap on the bonding quality, and shows the case where the thickness on the Ad side is changed and the thickness on the Re side is fixed. FIG. 13 is a table showing the relationship between the thickness of the metal plate and the gap on the bonding quality, and shows the case where the thickness on the Ad side is fixed and the thickness on the Re side is changed.

図１２に係る試験ではＲｅ側の厚さを６．０ｍｍに固定し、Ａｄ側の厚さを適宜変化させて摩擦攪拌接合を行った。図１３に係る試験ではＡｄ側の厚さを６．０ｍｍに固定し、Ｒｅ側の厚さを適宜変化させて摩擦攪拌接合を行った。つまり、図１２及び図１３に係る試験では、突き合わせる金属板の左右の厚さを変化させつつ、隙間ごとの接合品質について観察した。   In the test according to FIG. 12, the thickness on the Re side was fixed to 6.0 mm, and the thickness on the Ad side was appropriately changed to perform friction stir welding. In the test according to FIG. 13, the thickness on the Ad side was fixed to 6.0 mm, and the thickness on the Re side was appropriately changed to perform friction stir welding. That is, in the test according to FIG. 12 and FIG. 13, the bonding quality for each gap was observed while changing the thickness of the left and right metal plates to be matched.

図１２及び図１３を対比すると、図１２の方が良好である条件が多い。言い換えると、図１２に示すように、Ｒｅ側の金属板を６．０ｍｍに固定し、Ａｄ側の金属板を６．２ｍｍ以上に変化させた場合に接合状況が良好になる場合が多い。これは、第一実施例ではボビンツールを右回転させているため、塑性流動化した金属は、進行方向左側（Ａｄ側）から右側（Ｒｅ側）に移動しやすくなり、金属板同士の間に隙間がある場合には、Ａｄ側の金属でその隙間が埋められると考えられる。したがって、図１３の条件のように、進行方向左側の金属板の厚さが進行方向右側の金属板の厚さよりも小さいと、接合部の中央の金属が不足して接合不良となる可能性が高い。しかし、図１２の条件のように、進行方向左側の金属板の厚さが進行方向右側の金属板の厚さよりも大きいと、接合部の中央の金属不足を補うことができるため、接合状態を良好にすることができる。   When comparing FIG. 12 and FIG. 13, there are many conditions in which FIG. 12 is better. In other words, as shown in FIG. 12, when the Re-side metal plate is fixed to 6.0 mm and the Ad-side metal plate is changed to 6.2 mm or more, the joining condition is often improved. This is because, in the first embodiment, the bobbin tool is rotated clockwise, so that the plastic fluidized metal easily moves from the left side (Ad side) to the right side (Re side), and between the metal plates. When there is a gap, it is considered that the gap is filled with the metal on the Ad side. Therefore, if the thickness of the metal plate on the left side in the traveling direction is smaller than the thickness of the metal plate on the right side in the traveling direction, as in the condition of FIG. high. However, if the thickness of the metal plate on the left side in the traveling direction is larger than the thickness of the metal plate on the right side in the traveling direction as shown in the condition of FIG. Can be good.

このことは、図１４，１５のグラフからも確認できる。プロット点「◆」は、試験体Ｈ４（Ａｄ側の厚さ＝６．６ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．６ｍｍ）を示している。プロット点「■」は試験体Ｈ１０（Ａｄ側の厚さ＝６．０ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．６ｍｍ）を示し、プロット点「●」は試験体Ｈ１６（Ａｄ側の厚さ＝６．６ｍｍ、Ｒｅ側の厚さ＝６．０ｍｍ）を示している。   This can also be confirmed from the graphs of FIGS. The plotted point “♦” indicates the specimen H4 (Ad side thickness = 6.6 mm, Re side thickness = 6.6 mm). Plot point “■” indicates specimen H10 (Ad side thickness = 6.0 mm, Re side thickness = 6.6 mm), and plot point “●” indicates specimen H16 (Ad side thickness = 6). .6 mm, Re-side thickness = 6.0 mm).

図１４の（ａ）に示すように、接合部の中央部の厚さにおいては、試験体Ｈ４，Ｈ１６，Ｈ１０の順に小さくなるころがわかる。つまり、Ａｄ側の金属板がＲｅ側よりも薄いと、接合部の中央部の厚さが小さくなることがわかった。   As shown to (a) of FIG. 14, in the thickness of the center part of a junction part, it turns out that the roller becomes small in order of the test bodies H4, H16, and H10. That is, it was found that when the metal plate on the Ad side is thinner than the Re side, the thickness of the central portion of the joint portion is reduced.

図１４の（ｂ）に示すように、接合部のＡｄ部の厚さにおいては、試験体Ｈ４，Ｈ１０，Ｈ１６とも５．８ｍｍ前後になっており、接合前の厚さよりも減少していることがわかった。特に、試験体Ｈ４，Ｈ１６を見ると厚さがかなり減少していることがわかった。   As shown in FIG. 14 (b), the thickness of the Ad portion of the joint is about 5.8 mm for all of the specimens H4, H10, and H16, and is smaller than the thickness before joining. I understood. In particular, when the specimens H4 and H16 were observed, it was found that the thickness was considerably reduced.

図１５の（ａ）に示すように、接合部のＲｅ部の厚さにおいては、試験体Ｈ１０，Ｈ１６の厚さはさほど相違ないが、Ｈ４の厚さは総じて大きいことがわかった。また、図１４の（ｂ）と図１５の（ａ）を全体的に対比すると、Ａｄ部よりもＲｅ部の厚さの方が総じて大きいことがわかった。   As shown in FIG. 15 (a), in the thickness of the Re portion of the joint, the thicknesses of the test bodies H10 and H16 are not so different, but the thickness of H4 is generally large. 14B and FIG. 15A as a whole, it has been found that the thickness of the Re portion is generally larger than that of the Ad portion.

図１５の（ｂ）に示すように、接合部の平均厚さは、試験体Ｈ１０，Ｈ１６，Ｈ４の順に大きくなることがわかった。   As shown in (b) of FIG. 15, it was found that the average thickness of the joint portion increased in the order of the test bodies H10, H16, and H4.

図１４，１５に示すように、試験体Ｈ４，Ｈ１６によれば、試験体Ｈ１０よりも中央部の厚さを大きくすることができる。ただし、試験体Ｈ４によると、接合部の厚さを大きくすることができるが、その分ショルダ間の内圧が大きくなってツールの寿命が低下する可能性が高い。したがって、試験体Ｈ１６のように、Ｒｅ側よりもＡｄ側の金属板の厚さを大きくなるように設定することにより、ショルダ間の内圧を低下させつつ、接合部の中央部の厚さを大きくすることができる。   As shown in FIGS. 14 and 15, according to the test bodies H4 and H16, the thickness of the central portion can be made larger than that of the test body H10. However, according to the specimen H4, the thickness of the joint can be increased, but the internal pressure between the shoulders is increased accordingly, and the tool life is likely to be reduced. Accordingly, by setting the thickness of the metal plate on the Ad side to be larger than that on the Re side as in the test body H16, the thickness of the central portion of the joint portion is increased while lowering the internal pressure between the shoulders. can do.

＜実施例２：基本厚さ３．０ｍｍの試験＞
摩擦攪拌接合される金属板（板状端部）の厚さと金属板同士の隙間との関係を調査するための試験を行った。金属板同士の隙間は０〜２．０ｍｍまで０．２５ｍｍずつ変化させた。試験に使用したボビンツールは、ショルダ外径１０ｍｍ、ピン外径６ｍｍ、ショルダ間距離２．８ｍｍに設定した。ボビンツールの回転数は２０００ｒｐｍ、移動速度は１０００ｍｍ／ｍｉｎ、回転方向は右回転に設定した。また、このボビンツールは、実施形態で記載したように、金属板の反りに追従してボビンツールの高さ位置が変化する形態である。摩擦攪拌接合後、Ｘ線透過試験と断面ミクロ組織から品質を判定した。 <Example 2: Test with a basic thickness of 3.0 mm>
A test was conducted to investigate the relationship between the thickness of the metal plate (plate-like end) to be friction stir welded and the gap between the metal plates. The gap between the metal plates was changed by 0.25 mm from 0 to 2.0 mm. The bobbin tool used for the test was set to a shoulder outer diameter of 10 mm, a pin outer diameter of 6 mm, and a distance between shoulders of 2.8 mm. The rotation speed of the bobbin tool was set to 2000 rpm, the moving speed was set to 1000 mm / min, and the rotation direction was set to right rotation. Moreover, this bobbin tool is a form which the height position of a bobbin tool changes following the curvature of a metal plate, as described in the embodiment. After the friction stir welding, the quality was judged from the X-ray transmission test and the cross-sectional microstructure.

摩擦攪拌接合される金属板の試験体（Ａ６０６３−Ｔ５材）については、Ａｄ側とＲｅ側の金属板の厚さを同等とし、３．０ｍｍ、３．２ｍｍ、３．４ｍｍで試験体を作成した。   For metal plate specimens (A6063-T5) to be friction stir welded, the thicknesses of the metal plates on the Ad side and Re side are the same, and the specimens are prepared at 3.0 mm, 3.2 mm, and 3.4 mm. did.

図１６は、第二実施例において、接合品質に及ぼす金属板の厚さと隙間の関係を示す表であって、Ａｄ側＝Ｒｅ側の場合を示す。図中、「○」は接合状況が良好、「×」は接合状況が不良である場合を示す。   FIG. 16 is a table showing the relationship between the thickness of the metal plate and the gap on the bonding quality in the second embodiment, and shows the case where Ad side = Re side. In the figure, “◯” indicates that the joining condition is good and “×” indicates that the joining condition is poor.

図１６によれば、隙間が大きくなったとしても、ショルダ間距離Ｚに対する金属板の厚さが大きくなれば、接合状況が良好になる場合があることがわかった。ただし、金属板の厚さとショルダ間距離Ｚとの差が０．６ｍｍを越える（本実施例では金属板の厚さを３．４ｍｍより大きくする）と、ショルダ間に発生する内圧が大きくなり、ツール寿命が著しく低下することがわかった。   According to FIG. 16, it was found that even when the gap is increased, if the thickness of the metal plate with respect to the distance Z between the shoulders is increased, the joining condition may be improved. However, if the difference between the thickness of the metal plate and the distance Z between the shoulders exceeds 0.6 mm (in this embodiment, the thickness of the metal plate is made larger than 3.4 mm), the internal pressure generated between the shoulders increases, It has been found that the tool life is significantly reduced.

また、図１６によれば、ショルダ間距離Ｚが２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．０ｍｍ〜３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．２≦Ｔ−Ｚ≦０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．２ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。金属板同士の隙間が０．７５ｍｍ以下であると、摩擦攪拌接合の摩擦熱によって金属板の温度が上昇し、金属板が膨張することによって隙間が無くなるため、接合状況が概ね良好であると考えられる。   Further, according to FIG. 16, when the distance Z between the shoulders is 2.8 mm and the gap between the metal plates is 0.75 mm or less, if the thickness of the metal plate is 3.0 mm to 3.4 mm, the bonding is performed. The situation was found to be good. That is, it was found that the joining condition was good if the thickness T of the metal plate and the distance Z between the shoulders were set to satisfy 0.2 ≦ TZ ≦ 0.6 mm. When the value of TZ is smaller than 0.2 mm, the plastic fluidized metal tends to overflow from the first shoulder 11 and the second shoulder 12, and the density of the joint portion is reduced. This increases the possibility of junction defects. If the gap between the metal plates is 0.75 mm or less, the temperature of the metal plate rises due to the frictional heat of friction stir welding, and the gap disappears when the metal plate expands. It is done.

また、図１６によれば、ショルダ間距離２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が０．７５ｍｍより大きく１．５０ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．２〜３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離Ｚとを０．４≦Ｔ−Ｚ≦０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。Ｔ−Ｚの値が０．４ｍｍよりも小さくなると、塑性流動化された金属が第一ショルダ１１及び第二ショルダ１２から溢れやすくなるため、接合部の密度が低下する。これにより接合欠陥が生じる可能性が高くなる。   Further, according to FIG. 16, when the distance between the shoulders is 2.8 mm and the gap between the metal plates is greater than 0.75 mm and equal to or less than 1.50 mm, the thickness of the metal plate is 3.2 to 3.4 mm. If it was, it turned out that the joining condition is favorable. That is, it has been found that the joining condition is good if the thickness T of the metal plate and the distance Z between the shoulders are set to satisfy 0.4 ≦ T−Z ≦ 0.6 mm. When the value of TZ is smaller than 0.4 mm, the plastic fluidized metal tends to overflow from the first shoulder 11 and the second shoulder 12, and the density of the joint portion is reduced. This increases the possibility of junction defects.

また、図１６によれば、ショルダ間距離２．８ｍｍであり、金属板同士の隙間が１．５０ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下である場合、金属板の厚さが３．４ｍｍであれば接合状況は良好であることがわかった。つまり、金属板の厚さＴとショルダ間距離ＺとをＴ−Ｚ＝０．６ｍｍとなるように設定すれば接合状況は良好であることがわかった。   In addition, according to FIG. 16, when the distance between the shoulders is 2.8 mm, and the gap between the metal plates is greater than 1.50 mm and equal to or less than 1.75 mm, the thickness of the metal plate is 3.4 mm. Was found to be good. In other words, it was found that the joining condition was good if the thickness T of the metal plate and the distance Z between the shoulders were set to be TZ = 0.6 mm.

また、図１６によれば、隙間が２．０ｍｍであると、金属板の厚さを３．４ｍｍとしても接合不良になることがわかった。   Further, according to FIG. 16, it was found that when the gap was 2.0 mm, poor bonding occurred even when the thickness of the metal plate was 3.4 mm.

＜ツール形状＞
図１７は、第一実施例において、ショルダ間距離を５．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図１８は、第二実施例において、ショルダ間距離を２．８ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図１９は、ショルダ間距離を１１．５ｍｍに固定した場合の各ボビンツールの寸法と接合状況を示した表である。図１７，１８，１９には、抗張力／材料抵抗、抗折力／材料抵抗、材料保持傾向を示した。 <Tool shape>
FIG. 17 is a table showing dimensions and joining states of each bobbin tool when the distance between the shoulders is fixed at 5.8 mm in the first embodiment. FIG. 18 is a table showing dimensions and joining states of each bobbin tool when the distance between the shoulders is fixed at 2.8 mm in the second embodiment. FIG. 19 is a table showing dimensions and joining states of each bobbin tool when the distance between the shoulders is fixed to 11.5 mm. 17, 18, and 19 show tensile strength / material resistance, bending strength / material resistance, and material retention tendency.

抗張力／材料抵抗は、Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２）で表される。つまり、第一ショルダ１１の下面及び第二ショルダ１２の上面は、摩擦攪拌の際に塑性流動化された金属によって押圧さるため、ピン１３には引張応力が作用する。そこで、抗張力／材料抵抗は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、第一ショルダ１１の下面の面積（第二ショルダ１２の上面）で除した値で表される。 The tensile strength / material resistance is represented by Y 2 / (X 2 −Y 2 ). That is, the lower surface of the first shoulder 11 and the upper surface of the second shoulder 12 are pressed by the plastic fluidized metal during the friction stirring, so that tensile stress acts on the pin 13. Therefore, the tensile strength / material resistance is represented by a value obtained by dividing the square of the outer diameter Y of the pin 13 by the area of the lower surface of the first shoulder 11 (the upper surface of the second shoulder 12).

抗折力／材料抵抗は、Ｙ２／ＹＺで表される。つまり、ボビンツール５が突き合せ部Ｎを移動する際には、ピン１３の軸方向に対して垂直方向の力が作用する。そこで、抗折力／材料抵抗は、ピン１３の外径Ｙを二乗した値を、ピン１３の軸を含む断面の断面積で除した値で表される。 The bending strength / material resistance is represented by Y 2 / YZ. That is, when the bobbin tool 5 moves through the abutting portion N, a force perpendicular to the axial direction of the pin 13 acts. Therefore, the bending strength / material resistance is represented by a value obtained by dividing the square of the outer diameter Y of the pin 13 by the cross-sectional area of the cross section including the axis of the pin 13.

材料保持傾向は、Ｘ２／Ｙ２で表される。つまり、摩擦攪拌の際に塑性流動化された金属は第一ショルダ１１の下面及び第二ショルダ１２の上面によって保持される。そこで、材料保持傾向は、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘを二乗した値を、ピン１３の外径Ｙを二乗した値で除して表される。 The material retention tendency is represented by X 2 / Y 2 . That is, the metal fluidized plastically during the friction stirring is held by the lower surface of the first shoulder 11 and the upper surface of the second shoulder 12. Therefore, the material retention tendency is expressed by dividing the value obtained by squaring the outer diameter X of the first shoulder 11 (second shoulder 12) by the value obtained by squaring the outer diameter Y of the pin 13.

図１７，１８，１９を勘案すると、材料保持傾向（Ｘ２／Ｙ２）が２．０以下であると接合欠陥が発生し易く、２．０よりも大きくなると接合欠陥が発生しないことがわかった。材料保持傾向（Ｘ２／Ｙ２）が２．０以下であると、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘに対するピン１３の外径Ｙが太いため、金属を押えるショルダの面積が小さくなり、摩擦攪拌された金属を十分に押えることができず、金属がバリとなってショルダの外部から溢れ出てしまうためであると考えられる。一方、材料保持傾向（Ｘ２／Ｙ２）が２．０より大きいと、ピン１３の外径Ｙに対して、第一ショルダ１１（第二ショルダ１２）の外径Ｘが大きいため、塑性流動化した金属を両ショルダで十分に押えることができる。これにより、接合欠陥が発生しにくいと考えられる。 17, 18, and 19, it can be seen that if the material retention tendency (X 2 / Y 2 ) is 2.0 or less, a bonding defect is likely to occur, and if it is larger than 2.0, the bonding defect does not occur. It was. If the material retention tendency (X 2 / Y 2 ) is 2.0 or less, the outer diameter Y of the pin 13 with respect to the outer diameter X of the first shoulder 11 (second shoulder 12) is thick, so the area of the shoulder that holds the metal This is considered to be because the metal that has been friction-stirred cannot be sufficiently suppressed, and the metal becomes burrs and overflows from the outside of the shoulder. On the other hand, when the material retention tendency (X 2 / Y 2 ) is larger than 2.0, the outer diameter X of the first shoulder 11 (second shoulder 12) is larger than the outer diameter Y of the pin 13, so that the plastic flow It is possible to hold down the transformed metal sufficiently with both shoulders. Thereby, it is considered that a bonding defect hardly occurs.

また、図１７，１８，１９を勘案すると、抗張力／材料抵抗（Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２））が０．２以下であるとピンが破損し易いことがわかった。これは、抗張力／材料抵抗（Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２））が０．２以下であると、ショルダ外径Ｘに対するピン外径Ｙが小さくなるため、接合時にツール軸方向に発生する材料抵抗に対するピンの抗張力が不十分となり、ピン１３が折れ易くなると考えられる。抗張力／材料抵抗（Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２））が０．２より大きいと、ショルダ外径Ｘに対するピン外径Ｙが大きくなるため、ピン１３が折れにくくなると考えられる。 Further, considering FIGS. 17, 18 and 19, it was found that the pin is easily damaged when the tensile strength / material resistance (Y 2 / (X 2 −Y 2 )) is 0.2 or less. This occurs when the tensile strength / material resistance (Y 2 / (X 2 −Y 2 )) is 0.2 or less, because the pin outer diameter Y with respect to the shoulder outer diameter X becomes smaller, so that it occurs in the tool axis direction at the time of joining. It is considered that the tensile strength of the pin against the material resistance becomes insufficient and the pin 13 is likely to be broken. If the tensile strength / material resistance (Y 2 / (X 2 −Y 2 )) is larger than 0.2, the pin outer diameter Y with respect to the shoulder outer diameter X is increased, so that the pin 13 is considered to be difficult to break.

また、図１７，１８，１９を勘案すると、抗折力／材料抵抗（Ｙ２／ＹＺ）が１．２以下であるとピン１３が破損し易いことがわかった。これは、抗折力／材料抵抗（Ｙ２／ＹＺ）が１．２以下であると、ショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚに対するピン外径Ｙが小さくなるため、接合時にツール進行方向とは逆向きに流れる材料の抵抗に対するピンの抗折力が不十分となり、ピン１３が折れ易くなると考えられる。抗折力／材料抵抗（Ｙ２／ＹＺ）が１．２より大きいと、ショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚに対するピン外径Ｙが大きくなるため、ピン１３が折れにくくなると考えられる。 Further, considering FIGS. 17, 18, and 19, it was found that the pin 13 is easily damaged when the bending strength / material resistance (Y 2 / YZ) is 1.2 or less. This is because if the bending strength / material resistance (Y 2 / YZ) is 1.2 or less, the pin outer diameter Y with respect to the distance between the shoulders (pin length) Z becomes smaller, It is considered that the pin 13 has insufficient bending strength against the resistance of the material flowing in the opposite direction, and the pin 13 is easily broken. If the bending strength / material resistance (Y 2 / YZ) is greater than 1.2, the pin outer diameter Y with respect to the distance between the shoulders (pin length) Z increases, and therefore, the pin 13 is considered to be difficult to break.

また、図１７，１８，１９を勘案すると、抗張力／材料抵抗（Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２））が０．２以下であるか、又は抗折力／材料抵抗（Ｙ２／ＹＺ）が１．２以下である場合、ピンの破損が起こった。しかしながら、抗張力／材料抵抗（Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２））が０．２より大きく、かつ、抗折力／材料抵抗（Ｙ２／ＹＺ）が１．２より大きい場合、ピンの破損は起こらなかった。よって、接合時のボビンツールのピンの破損を防止するためには、ショルダ外径Ｘ、ピン外径Ｙ及びショルダ間距離（ピンの長さ）Ｚについて、以下の式（１）、（２）の両方を満たすようにボビンルーツの形状を設計することが好ましいと結論づけられる。
Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２）＞０．２・・・・（１）
Ｙ２／ＹＺ＞１．２・・・・・・・・（２） Further, when considering the Figure 17, 18 and 19, a tensile strength / material resistance (Y 2 / (X 2 -Y 2)) or of 0.2 or less, or transverse rupture strength / material resistance (Y 2 / YZ) If is less than 1.2, pin breakage occurred. However, tensile strength / material resistance (Y 2 / (X 2 -Y 2)) is greater than 0.2, and, deflecting strength / material resistance (Y 2 / YZ) is greater than 1.2, the pin breakage Did not happen. Therefore, in order to prevent the breakage of the pins of the bobbin tool at the time of joining, the following formulas (1) and (2) for the shoulder outer diameter X, the pin outer diameter Y, and the distance between the shoulders (pin length) Z: It can be concluded that it is preferable to design the shape of the bobbin root to satisfy both of the above.
Y 2 / (X 2 −Y 2 )> 0.2 (1)
Y 2 /YZ>1.2 (2)

１ 摩擦攪拌装置
２ 外部ホルダー
３ 内部ホルダー
４ スライド軸
５ ボビンツール
１１ 第一ショルダ
１２ 第二ショルダ
１３ ピン
１３ａ 上部螺旋溝
１３ｂ 下部螺旋溝
１００Ａ中空形材
１００Ｂ中空形材
Ｎ 突き合せ部
Ｔ 金属板の厚さ
Ｗ 塑性化領域（接合部）
Ｘ ショルダの外径
Ｙ ピンの外径
Ｚ ショルダ間距離（ピンの長さ） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Friction stirrer 2 External holder 3 Internal holder 4 Slide shaft 5 Bobbin tool 11 1st shoulder 12 2nd shoulder 13 Pin 13a Upper spiral groove 13b Lower spiral groove 100A hollow shape material 100B hollow shape material N Butting part T Metal plate Thickness W Plasticization region (joint)
X Shoulder outer diameter Y Pin outer diameter Z Shoulder distance (pin length)

Claims (6)

円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、円柱状を呈し、同等の外径からなる一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、
一対の金属板を接合する接合方法であって、
前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、
前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、
前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、
Ｙ２／（Ｘ２−Ｙ２）＞０．２・・・・（１）
前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールがそのずれに追従して回転軸方向に移動することを特徴とする接合方法。 A slide shaft that is inserted into a cylindrical inner holder and rotates integrally with the inner holder, a pair of shoulders that are cylindrical and have the same outer diameter, and pins that are formed between the shoulders. A friction stirrer, wherein the bobbin tool is connected to the slide shaft, and the slide shaft is movable in the direction of the rotation axis with respect to the internal holder,
A joining method for joining a pair of metal plates,
A butting step of butting the end faces of the metal plates;
A joining step of friction stir welding the end faces by moving a pin of the bobbin tool rotated to the abutting portion formed by abutting the end faces.
When the outer diameter of the shoulder is X and the outer diameter of the pin is Y, the following equation is satisfied:
Y 2 / (X 2 −Y 2 )> 0.2 (1)
In the joining step, the distance between the shoulders is set to be equal to or less than the thickness of the metal plate, and when the metal plate is deformed by friction stirring and the position of the end face is shifted in the rotation axis direction of the bobbin tool. the bonding method of the bobbin tool characterized that you move in the rotational axis direction to follow the deviation. 前記端面同士の隙間を１．００ｍｍ以下に設定する場合、
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．２ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。 When the gap between the end faces is set to 1.00 mm or less,
The thickness of the metal plate and the distance between the shoulders are set so that 0.2 mm ≦ {(thickness of the metal plate) − (distance between shoulders)} ≦ 0.8 mm. Item 2. The joining method according to Item 1. 円筒状を呈する内部ホルダーの内部に挿通され前記内部ホルダーと一体的に回転するスライド軸と、一対のショルダと前記ショルダの間に形成されたピンとを備えたボビンツールと、を有し、前記スライド軸に前記ボビンツールが連結されており、前記内部ホルダーに対して前記スライド軸が回転軸方向に移動可能になっている摩擦撹拌装置を用いて、A slide shaft that is inserted into a cylindrical inner holder and rotates integrally with the inner holder, and a bobbin tool that includes a pair of shoulders and a pin formed between the shoulders, and the slide Using the friction stirrer in which the bobbin tool is coupled to a shaft, and the slide shaft is movable in the direction of the rotation axis with respect to the inner holder,
一対の金属板を接合する接合方法であって、A joining method for joining a pair of metal plates,
前記金属板の端面同士を突き合わせる突き合せ工程と、A butting step of butting the end faces of the metal plates;
前記端面同士を突き合せて形成された突き合せ部に回転させた前記ボビンツールのピンを移動させて前記端面同士を摩擦攪拌接合する接合工程と、を含み、A joining step of friction stir welding the end faces by moving a pin of the bobbin tool rotated to the abutting portion formed by abutting the end faces.
前記端面同士の隙間を１．００ｍｍより大きく１．７５ｍｍ以下に設定する場合、When the gap between the end faces is set to be larger than 1.00 mm and not larger than 1.75 mm,
前記金属板の厚さと前記ショルダ間の距離とを、０．４ｍｍ≦｛（金属板の厚さ）−（ショルダ間の距離）｝≦０．８ｍｍとなるように設定し、The thickness of the metal plate and the distance between the shoulders are set so that 0.4 mm ≦ {(thickness of the metal plate) − (distance between shoulders)} ≦ 0.8 mm,
前記ショルダの外径をＸとし、前記ピンの外径の外径をＹとすると、次式を満たし、When the outer diameter of the shoulder is X and the outer diameter of the pin is Y, the following equation is satisfied:
ＹY ２2 ／（Ｘ/ (X ２2 −Ｙ-Y ２2 ）＞０．２・・・・（１）)> 0.2 (1)
前記接合工程では、ショルダ間の距離を前記金属板の厚さ以下に設定しておき、摩擦攪拌によって前記金属板が変形して前記端面の位置が前記ボビンツールの回転軸方向にずれた際に、前記ボビンツールをそのずれに追従して回転軸方向に移動させることを特徴とする接合方法。In the joining step, the distance between the shoulders is set to be equal to or less than the thickness of the metal plate, and when the metal plate is deformed by friction stirring and the position of the end face is shifted in the rotation axis direction of the bobbin tool. The joining method is characterized in that the bobbin tool is moved in the rotation axis direction following the deviation. 前記ショルダの外径を二乗した値を、前記ピンの外径を二乗した値で除した値が２．０より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の接合方法。   The value obtained by dividing the value obtained by squaring the outer diameter of the shoulder by the value obtained by squaring the outer diameter of the pin is set to be larger than 2.0. The joining method according to any one of the above. 前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して左側に配置した場合には、前記ボビンツールを右回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。   In the joining step, when the thickness of the metal plate at the abutted portion is different, when the metal plate with the larger thickness of the metal plate is arranged on the left side with respect to the traveling direction of the bobbin tool 5. The joining method according to claim 1, wherein the bobbin tool is rotated to the right. 前記接合工程において、突き合わされた部分の前記金属板の厚さが異なる場合に、前記金属板の厚さが大きい方の前記金属板を前記ボビンツールの進行方向に対して右側に配置した場合には、前記ボビンツールを左回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の接合方法。   In the joining step, when the thickness of the metal plate at the abutted portion is different, when the metal plate with the larger thickness of the metal plate is arranged on the right side with respect to the traveling direction of the bobbin tool 5. The joining method according to claim 1, wherein the bobbin tool is rotated counterclockwise.
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