JP5911172B2 - Friction stir welding method - Google Patents
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Description
本発明は摩擦撹拌接合技術の改良に関する。 The present invention relates to an improvement in friction stir welding technology.
摩擦撹拌接合法は、高速で回転する接合ツールを被接合材に当て、発生する摩擦熱で被接合材同士を接合する接合法である。
ただし、被接合材がめっき鋼板である場合、めっき層の成分が異物として接合部に混入し、接合部が不健全になることがある。対策として、めっき層を予め除去することが推奨される（例えば、特許文献１（図４）参照。）。
The friction stir welding method is a joining method in which a welding tool that rotates at high speed is applied to a material to be joined, and the materials to be joined are joined together by generated frictional heat.
However, when the material to be joined is a plated steel plate, the components of the plating layer may be mixed into the joint as foreign matters, and the joint may become unhealthy. As a countermeasure, it is recommended to remove the plating layer in advance (see, for example, Patent Document 1 (FIG. 4)).
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１４は従来の技術の基本原理を説明する図であり、ホルダ１００に、接合ツール１０１及び切削ツール１０２を設けておき、この切削ツール１０２で予めめっき層１０３を除去する。その後に、接合ツール１０１で被接合材１０４同士を接合する。
FIG. 14 is a diagram for explaining the basic principle of the prior art. A
合金化溶融めっき法によるめっき層１０３の硬さは、３００Ｈｖ前後であり、工具鋼の硬さに匹敵する。そのため、切削ツール１０２の先端に設ける砥石１０５が摩耗する。
このときの摩耗量は、研削長さに比例する。被接合材の長さが、例えば２５０ｍｍであれば、砥石１０５で略２５０ｍｍ分だけめっき層１０３を研削する必要がある。
砥石１０５を高頻度で交換する必要があり、交換の度に装置を止める必要があるため、生産性が低下する。併せて、砥石１０５の交換費用も嵩む。
The hardness of the
The amount of wear at this time is proportional to the grinding length. If the length of the material to be joined is, for example, 250 mm, it is necessary to grind the
Since it is necessary to replace the
しかし、摩擦撹拌接合部材に関する加工コストの低減が求められる中、生産性の低下や砥石の交換費用の高騰は容認され難い。
そこで、めっき鋼板が被接合材であっても、めっき層除去費用を抑えることができる摩擦撹拌接合技術が求められる。
However, while it is required to reduce the processing cost related to the friction stir welding member, it is difficult to accept a decrease in productivity and an increase in the replacement cost of the grindstone.
Thus, there is a need for a friction stir welding technique that can reduce plating layer removal costs even if the plated steel sheet is a material to be joined.
本発明は、めっき鋼板が被接合材であっても、めっき層除去費用を抑えることができる摩擦撹拌接合技術を提供することを課題とする。 This invention makes it a subject to provide the friction stir welding technique which can hold down the plating layer removal expense, even if a plated steel plate is a to-be-joined material.
請求項１に係る発明は、合金化溶融めっき鋼板にアルミニウム合金板を重ね、このアルミニウム合金板側から挿入する接合ツールにより、前記アルミニウム合金板を前記めっき鋼板に接合する摩擦撹拌接合方法において、
めっき層を局部的に除去することにより、前記めっき鋼板に前記接合ツールのピン部の外径より大径の除去部を形成する工程と、
前記除去部に前記アルミニウム合金板を被せるようにして、前記めっき鋼板に前記アルミニウム合金板を重ねる工程と、
回転させた前記接合ツールを、前記除去部に向かって前記アルミニウム合金板側から挿入する工程と、
前記接合ツールの先端が前記除去部に到達したら、前記アルミニウム合金板の面に沿って前記接合ツールを移動させ、前記ピン部の側面でめっき層を除去しながら摩擦撹拌接合を進める工程と、からなることを特徴とする。
The invention according to
Forming a removed portion having a larger diameter than the outer diameter of the pin portion of the joining tool on the plated steel sheet by locally removing the plating layer;
Overlaying the aluminum alloy plate on the plated steel plate so as to cover the aluminum alloy plate on the removal portion;
Inserting the rotated joining tool from the aluminum alloy plate side toward the removal portion;
When the tip of the joining tool reaches the removal portion, the step of moving the joining tool along the surface of the aluminum alloy plate and proceeding the friction stir welding while removing the plating layer on the side surface of the pin portion, It is characterized by becoming.
請求項２に係る摩擦撹拌接合部材における除去部の大きさは、接合ツールのショルダ部より小径であることを特徴とする。
The size of the removal part in the friction stir welding member according to
請求項１は、ピン部の側面でめっき層を除去しながら摩擦撹拌接合を進める工程を含む。始点以外はめっき層が残っているので、このめっき層をピン部の側面で除去する。
ピン部の側面は周速度が大きく、加えて、めっき層は厚さが数μｍであるため、めっき層を厚さ直角方向からピン部の側面で除去することに困難さはない。
この理屈により、接合始点だけめっき層を除去するだけで済ませることができる。
すなわち、請求項１に係る発明では、めっき層の除去に当たり、除去部は接合始点だけに形成する。溶接長さ全部を除去する場合に比較して、本発明では接合始点だけの除去に留めることができる。
よって、本発明によれば、めっき鋼板が被接合材であっても、めっき層除去費用を大幅に低減することができる摩擦撹拌接合技術が提供される。
The first aspect includes a step of proceeding the friction stir welding while removing the plating layer on the side surface of the pin portion. Since the plating layer remains except for the starting point, the plating layer is removed on the side surface of the pin portion.
Since the peripheral speed of the side surface of the pin portion is high and the thickness of the plating layer is several μm, there is no difficulty in removing the plating layer from the side surface of the pin portion from the direction perpendicular to the thickness.
By this reason, it is possible to remove only the plating layer only at the joining start point.
That is, in the invention according to
Therefore, according to this invention, even if a plated steel plate is a to-be-joined material, the friction stir welding technique which can reduce a plating layer removal cost significantly is provided.
請求項２に係る発明では、除去部の径は、ショルダ部の径までに留める。
除去部の径は、ピン部の径以上であれば、大きいほど加工誤差等が吸収できる。しかし除去部の径を大きくするほど研削コストが増加する。そこで、ショルダ部の径を上限とすることで、研削コストの増加を抑制する。
In the invention which concerns on
If the diameter of the removal portion is equal to or larger than the diameter of the pin portion, the processing error and the like can be absorbed as the removal portion becomes larger. However, the grinding cost increases as the diameter of the removal portion increases. Then, the increase in grinding cost is suppressed by making the diameter of a shoulder part into an upper limit.
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図１に示すように、摩擦撹拌接合方法で製造された摩擦撹拌接合部材１０は、合金化溶融めっき鋼板（以下、めっき鋼板と記す。）１１と、このめっき鋼板１１に重ねられたアルミニウム合金板１２と、両部材１１、１２を接合するビード１３とからなる。
As shown in FIG. 1, a friction
図２に示すように、ビード１３の始点に除去部１４の跡が残っている。
図３に示すように、下の合金化溶融めっき鋼板１１にアルミニウム合金板１２が載せられ、両部材１１、１２がビード１３で接合されている。アルミニウム合金板１２は、例えば、厚さが３．０ｍｍのＡＤＣ３−Ｔ５材である。
As shown in FIG. 2, the
As shown in FIG. 3, an
図４に示すように、合金化溶融めっき鋼板１１は、例えば、２７０ＭＰａ級亜鉛鋼板であって、鋼板１５と、この鋼板１５に被せられる合金溶融めっき法によるめっき層１６と、このめっき層１６に被されられるカチオン電着層１７とからなる。例えば、めっき鋼板１１は、厚さが２．０ｍｍである。めっき層１６の厚さは５〜６μｍであり、カチオン電着層１７の厚さは２０μｍ（上限値）である。
As shown in FIG. 4, the
以上の述べた摩擦撹拌接合部材１０の製造方法を次に述べる。
図５（ａ）に示すように、めっき鋼板１１に、外径が１２ｍｍのエンドミル２１を臨ませる。
（ｂ）に示すように、エンドミル２１で、めっき鋼板１１を局部的に切削する。
（ｃ）は（ｂ）の要部拡大図であり、（ｃ）に示すめっき層１６とカチオン電着層１７の合計厚さが３０μｍ未満であるから、０．０３〜０．０５ｍｍ（３０〜５０μｍ）切り込むことで除去部１４を形成することができる。
A method for manufacturing the friction
As shown to Fig.5 (a), the
As shown in (b), the plated
(C) is an enlarged view of the main part of (b). Since the total thickness of the
なお、めっき層１６は、エンドミル２１などの切削工具による機械的除去の他、１０％濃度の塩酸を主成分とするめっき剥離液による化学的除去により、除去するようにしてもよい。めっき剥離液による場合は、マスキングにより、除去部１４の径を確定することができる。
The
（ｃ）のｄ矢視図である（ｄ）に示すように、除去部１４の径Ｄ１は約１２ｍｍとなる。
（ｅ）に示すように、接合ツール２２はショルダ部２３とピン部２４とを備える。ショルダ部２３の外径ｄ２は１６ｍｍでピン部の外径ｄ１は７．２ｍｍである。除去部１４の径Ｄ１は、ｄ１以上でｄ２以下とすることが推奨される。
As shown in (d) of FIG. 8 (d), the diameter D1 of the
As shown in (e), the joining
図６（ａ）に示すように、めっき鋼板１１にアルミニウム合金板１２を重ね、アルミニウム合金板１２に接合ツール２２を臨ませる。
（ｂ）に示すように、高速回転させる接合ツール２２のピン部２４は、アルミニウム合金板１２を貫通して先端が除去部１４に到達する。
As shown in FIG. 6A, the
As shown in (b), the
次に、（ｃ）に示すように、接合ツール２２をアルミニウム合金板１２の上面に沿って白抜き矢印のように移動させる。除去部１４に、めっき層１６が存在しないため、ピン部２４に過度な負担は掛からない。
Next, as shown in (c), the joining
図７（ａ）に示すように、ピン部２４の側面でめっき層１６が除去される。めっき層１６は５〜６μｍ程度であり、周速度が大きなピン部２４の側面で除去することに困難さはない。
結果、（ｂ）に示すように、接合ツール２２を白抜き矢印のように進めることができる。
（ｂ）のｃ−ｃ線断面図である（ｃ）に示すように、ビード１３を介してめっき鋼板１１にアルミニウム合金板１２が接合される。
As shown in FIG. 7A, the
As a result, as shown to (b), the joining
As shown in (c), which is a sectional view taken along the line cc of (b), the
すなわち、本発明方法は、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、めっき層１６を局部的に除去するために、切削工具（エンドミル２１）又はめっき剥離液を用いてめっき鋼板１１に接合ツール２２のピン部２４の外径ｄ１より大径の除去部１４を形成する工程と、図６（ａ）に示すように、除去部１４にアルミニウム合金板１２を被せるようにして、めっき鋼板１１にアルミニウム合金板１２を重ねる工程と、図６（ｂ）に示すように、回転させた接合ツール２２を、除去部１４に向かってアルミニウム合金板１２側から挿入する工程と、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、接合ツール２２の先端が除去部１４に到達したら、アルミニウム合金板１２の面に沿って接合ツール２２を移動させ、ピン部２４の側面でめっき層１６を除去しながら摩擦撹拌接合を進める工程と、からなる。
That is, in the method of the present invention, as shown in FIGS. 5A to 5E, in order to locally remove the
すなわち、めっき層１６の除去に当たり、除去部１４は接合始点だけに形成する。溶接長さ全部を除去する場合に比較して、本発明では接合始点だけの除去に留めることができる。
よって、本発明によれば、めっき鋼板が被接合材であっても、めっき層除去費用を大幅に低減することができる摩擦撹拌接合技術が提供される。
That is, when removing the
Therefore, according to this invention, even if a plated steel plate is a to-be-joined material, the friction stir welding technique which can reduce a plating layer removal cost significantly is provided.
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
(Experimental example)
Experimental examples according to the present invention will be described below. Note that the present invention is not limited to experimental examples.
○供試材：
供試材として、図８（ａ）〜（ｃ）に示す３種を準備した。
すなわち、図８（ａ）に示す供試材Ａは、めっき層を除去しないめっき鋼板１１を使用した。また、図８（ｂ）に示す供試材Ｂは、めっき層を接合長さ分だけ全部除去しためっき鋼板１１を使用した。除去部１４が長くなる。
また、図８（ｃ）に示す供試材Ｃは、接合始点にのみめっき層を除去しためっき鋼板１１を使用した。除去部１４は局部的である。
○ Test material:
Three kinds of test materials shown in FIGS. 8A to 8C were prepared.
That is, the specimen A shown in FIG. 8A used a plated
Moreover, the test material C shown in FIG.8 (c) used the plated
供試材Ａ〜Ｃともに、同一条件（接合ツールの回転速度：毎分１０００回転、移動速度：毎分５００ｍｍ）で摩擦撹拌接合を実施した。 Friction stir welding was performed under the same conditions (rotation speed of the welding tool: 1000 rotations per minute, movement speed: 500 mm per minute) for all of the test materials A to C.
○供試材Ａの場合：
図９（ａ）に示すように、１０個製造した時点で、ピン部が限界まで摩耗した。工具鋼並み硬さの合金めっき層でピン部が摩耗したからである。
○ For sample material A:
As shown in FIG. 9A, the pin part was worn to the limit when 10 pieces were manufactured. This is because the pin portion is worn by the alloy plating layer having the same hardness as tool steel.
○供試材Ｂの場合：
図９（ｂ）に示すように、４０個まで製造できた。めっき層が予め除去されていたからである。
○ In the case of Specimen B:
As shown in FIG. 9B, up to 40 pieces could be manufactured. This is because the plating layer has been removed in advance.
○供試材Ｃの場合：
図９（ｃ）に示すように、３５個まで製造できた。供試材Ｂに比較した１０〜２０％減ではあるが、低コストで摩擦撹拌接合が行えることが確認できた。
○ In the case of sample material C:
As shown in FIG. 9C, up to 35 pieces could be manufactured. Although it was a 10-20% reduction compared with the test material B, it was confirmed that the friction stir welding can be performed at a low cost.
○引張強度の比較：
上記ピン部摩耗の検討に用いた供試材Ａ及び供試材Ｃを利用して、さらに強度比較を行う。
○テストピースの作製：
図１０（ａ）に示すように、供試材Ａ（めっき層有り）を２５ｍｍ幅で切断することにより１０分割し、両端の２個を除く。そして（ｂ）に示すテストピース（Ｔ．Ｐ）を８個得た。Ｗは２５ｍｍである。
同様に、供試材Ｃ（本発明品）とを、を２５ｍｍ幅で切断することにより１０分割し、両端を除いた８個のテストピース（Ｔ．Ｐ）を得た。
○ Comparison of tensile strength:
Using the test material A and the test material C used for examining the pin part wear, the strength is further compared.
○ Preparation of test piece:
As shown in FIG. 10 (a), the test material A (with plating layer) is cut into 25 mm sections and divided into 10 parts, and the two at both ends are removed. And eight test pieces (TP) shown in (b) were obtained. W is 25 mm.
Similarly, the sample material C (product of the present invention) was cut into 25 mm widths and divided into 10 parts to obtain 8 test pieces (TP) excluding both ends.
○供試材Ａでの引張強度：
得られたテストピース（Ｔ．Ｐ）を引張試験機にかけ、引張強度を測定した。ただし、測定値はＰａ（パスカル）ではなく、Ｗ＝２５ｍｍ当たりのＮ（ニュートン）で表示する。
測定結果を、表１に示す。
○ Tensile strength of specimen A:
The obtained test piece (TP) was subjected to a tensile tester and the tensile strength was measured. However, the measured value is displayed not in Pa (Pascal) but in N (Newton) per W = 25 mm.
The measurement results are shown in Table 1.
１個目の供試材Ａから８本のテストピースを切り出したので、８個の測定値（引張強度）が得られた。例えば、１個目の１番が７８２０Ｎで、８番が６０００Ｎであった。８個の測定値中、最小が４８１７Ｎ、最大が９５７７Ｎであり、８個の平均値が７２７４Ｎである。測定値の表示は省略するが、３個目、５個目、７個目における最小、最大、平均を表に示す。 Since eight test pieces were cut out from the first specimen A, eight measurement values (tensile strength) were obtained. For example, the first number was 7820N and the number 8 was 6000N. Among the 8 measured values, the minimum is 4817N, the maximum is 9577N, and the average value of 8 is 7274N. Although display of measured values is omitted, the minimum, maximum, and average of the third, fifth, and seventh items are shown in the table.
○供試材Ｃでの引張強度：
同様に、供試材Ｃについても引張強度を測定し、最小、最大、平均を表２に示す。
○ Tensile strength of sample material C:
Similarly, the tensile strength of the test material C was measured, and the minimum, maximum and average values are shown in Table 2.
○比較：
最小、最大に基づく測定値のばらつきをグラフ化する。
図１１（ａ）に示すように、供試材Ａ（めっき層有り）については、引張強度のばらつきが大きい。これに対して、（ｂ）に示すように、供試材Ｃ（本発明品）については、引張強度のばらつきが大幅に小さくなる。
○ Comparison:
Graph the measurement value variation based on the minimum and maximum.
As shown to Fig.11 (a), about the test material A (with a plating layer), the dispersion | variation in tensile strength is large. On the other hand, as shown in (b), the specimen material C (product of the present invention) has a greatly reduced variation in tensile strength.
また、平均をグラフ化する。
図１２に示すように、供試材Ａ平均に対し、供試材Ｃ平均は大きくなる。
本発明品は、図１１（ｂ）に示すように引張強度のばらつきが少なく、図１２に示すように、引張強度が大きいことが確認できた。
The average is graphed.
As shown in FIG. 12, the specimen C average is larger than the specimen A average.
It was confirmed that the product of the present invention had a small tensile strength variation as shown in FIG. 11B and a high tensile strength as shown in FIG.
尚、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、エンドミル２１でアルミニウム合金板１２を貫通して、下位のめっき鋼板１１に除去部１４を形成する。エンドミル２１を接合ツール２２に交換し、この接合ツール２２で摩擦撹拌接合を実施するようにしてもよい。この場合は、例えば、接合ツール２２のピン部２４の径が７．２ｍｍであれば、８．０ｍｍ径のエンドミル２１を用いる。
As shown in FIGS. 13A to 13C, the
また、切削工具は、エンドミルが好適であるが、フライスや研削砥石であってもよく、種類は任意である。 The cutting tool is preferably an end mill, but may be a milling cutter or a grinding wheel, and the type is arbitrary.
本発明は、車体フレームの接合に好適である。 The present invention is suitable for joining vehicle body frames.
１０…摩擦撹拌接合部材、１１…合金化溶融めっき鋼板（めっき鋼板）、１２…アルミニウム合金板、１３…ビード、１４…除去部、１６…めっき層、２１…切削工具（エンドミル）、２２…接合ツール、２３…ショルダ部、２４…ピン部、Ｄ１…除去部の径、ｄ１…ピン部の外径、ｄ２…ショルダ部の外径。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
めっき層を局部的に除去することにより、前記めっき鋼板に前記接合ツールのピン部の外径より大径の除去部を形成する工程と、
前記除去部に前記アルミニウム合金板を被せるようにして、前記めっき鋼板に前記アルミニウム合金板を重ねる工程と、
回転させた前記接合ツールを、前記除去部に向かって前記アルミニウム合金板側から挿入する工程と、
前記接合ツールの先端が前記除去部に到達したら、前記アルミニウム合金板の面に沿って前記接合ツールを移動させ、前記ピン部の側面でめっき層を除去しながら摩擦撹拌接合を進める工程と、からなることを特徴とする摩擦撹拌接合方法。 In the friction stir welding method for joining the aluminum alloy plate to the plated steel plate, by joining the aluminum alloy plate to the alloyed hot-dip steel plate and joining the aluminum alloy plate from the aluminum alloy plate side ,
Forming a removed portion having a larger diameter than the outer diameter of the pin portion of the joining tool on the plated steel sheet by locally removing the plating layer;
Overlaying the aluminum alloy plate on the plated steel plate so as to cover the aluminum alloy plate on the removal portion;
Inserting the rotated joining tool from the aluminum alloy plate side toward the removal portion;
When the tip of the joining tool reaches the removal portion, the step of moving the joining tool along the surface of the aluminum alloy plate and proceeding the friction stir welding while removing the plating layer on the side surface of the pin portion, A friction stir welding method characterized by comprising:
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