JP6068804B2 - Friction stir welding method and railcar frame manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦攪拌接合方法及び鉄道車両台枠の製造方法に関し、特に7N01材を接合する摩擦攪拌接合及び鉄道車両台枠の製造方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding method and a manufacturing method of a railcar frame, and more particularly to a friction stir welding and a railcar frame manufacturing method of joining 7N01 materials.
アルミニウム合金は、鉄及び鉄鋼等の材料と比較して軽量であるため、自動車や鉄道車両等の輸送機器における構造材として多く用いられる。このようなアルミニウム合金等の金属材の接合方法の一つとして摩擦攪拌接合(FSW:Friction Stir Welding)が知られている。摩擦攪拌接合では、金属材同士の当接部分に回転ツールを押し込んで回転させ、摩擦熱による金属部分の塑性流動によって金属材同士を接合させる。回転ツールを当接部分に沿って移動させていく場合には連続接合部が形成され、回転ツールを移動させない場合には点接合部が形成される。例えば、特許文献1には、工具鋼製の回転ツールを用いてアルミニウム合金の摩擦攪拌接合を行う技術が開示されている。
Aluminum alloys are lighter than materials such as iron and steel, and are therefore often used as structural materials in transportation equipment such as automobiles and railway vehicles. Such friction 攪拌joined as one method for joining metallic materials aluminum alloy (FSW: Friction Stir Welding) is known. The friction 攪拌接case, rotate and push the rotational tool contact portion between the metal member, thereby joining the metal member to each other by plastic flow of the metal part due to frictional heat. A continuous joint is formed when the rotary tool is moved along the contact portion, and a point joint is formed when the rotary tool is not moved. For example,
ところで、鉄道車両の場合、鉄道車両台枠の構成材料としてJIS H4100に規定のアルミニウム合金である7N01材が使用されている。7N01材は高強度で、溶接後に常温放置することで母材強度に近いところまで回復する。現状の鉄道車両台枠は、溶接作業者がアーク溶接で中厚板のアルミニウム合金製部材同士を接合し、製造している。 By the way, in the case of a railway vehicle, 7N01 material, which is an aluminum alloy specified in JIS H4100, is used as a constituent material of a railway vehicle frame. The 7N01 material has high strength and can be recovered to a point close to the strength of the base material by leaving it at room temperature after welding. The current railcar underframe is manufactured by welding workers joining medium thick aluminum alloy members by arc welding.
ところで、上記のようなアーク溶接等の溶融溶接で発生するブローホール等の溶接欠陥を少なくする為、鉄道車両台枠を構成する7N01材についても摩擦攪拌接合等の固相接合の適用が考えられる。しかし、7N01材は、6N01材等のアルミニウム合金と比較して、変形抵抗が高い為、特に中厚板への摩擦攪拌接合の適用は困難である。また、変形抵抗が高い材料に摩擦攪拌接合を適用すると、回転ツールの磨耗が促進し、摩擦攪拌接合ツールの寿命は低下する。 By the way, in order to reduce welding defects such as blow holes that occur in fusion welding such as arc welding as described above, solid-state bonding such as friction stir welding can be applied to the 7N01 material constituting the railcar frame. . However, 7N01 material, as compared with aluminum alloy such as 6N01 material, since deformation resistance is high, the application of friction 攪拌接case of the medium-thick plate particularly is difficult. Further, when the friction stir welding is applied to a material having a high deformation resistance, wear of the rotary tool is promoted, and the life of the friction stir welding tool is reduced.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、回転ツールの寿命を向上させることが可能な摩擦攪拌接合方法及び鉄道車両台枠の製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the friction stir welding method and the manufacturing method of a railcar frame which can improve the lifetime of a rotary tool.
本発明は、円柱状の裏当材の周面上にJIS H 4100に規定の7N01材同士の当接部分を配置し、裏当材の反対側から当接部分に、セラミックスを有する円柱状の本体部と本体部の先端の中央部に突出したセラミックスを有するプローブ部とを備え、裏当材の周面の幅と本体部の直径とが一致した回転ツールのプローブ部を押し込み、回転ツールを回転させつつ、回転ツールの位置と裏当材の位置とを同期させながら当接部分に沿って移動させることによって当接部分を接合する摩擦攪拌接合方法である。 In the present invention, a contact portion between 7N01 materials defined in JIS H 4100 is arranged on the peripheral surface of a cylindrical backing material , and a cylindrical shape having ceramics on the contact portion from the opposite side of the backing material . The main body part and a probe part having ceramics protruding from the center part of the front end of the main body part, the probe part of the rotary tool whose width of the peripheral surface of the backing material matches the diameter of the main body part is pushed in, and the rotary tool This is a friction stir welding method in which the contact portion is joined by moving along the contact portion while rotating the position of the rotating tool and the position of the backing material while rotating the tool .
この構成によれば、6N01材等のAl合金と比較して変形抵抗が高く、回転ツールの磨耗が生じやすい7N01材の摩擦攪拌接合において、耐磨耗性に優れたセラミックス製の回転ツールを用いることで、ツール寿命が長くなり、高い接合速度での接合が可能となる。 According to this configuration, a ceramic rotary tool having excellent wear resistance is used in friction stir welding of 7N01 material, which has high deformation resistance compared to an Al alloy such as 6N01 material and is likely to cause wear of the rotary tool. As a result, the tool life is extended and bonding at a high bonding speed becomes possible.
この場合、7N01材は厚さt(mm)の板材であり、7N01材の板材の端部同士の当接部分に、本体部の先端の周辺部が7N01材の板材の表面に最初に当接する部位から前記本体部の回転軸に沿ったプローブ部の先端までの長さがプローブ長p(mm)であって、t−0.2(mm)<p≦tを満たす回転ツールのプローブ部を押し込むことが好適である。 In this case, the 7N01 material is a plate material having a thickness t (mm), and the peripheral portion at the front end of the main body portion first contacts the surface of the 7N01 material plate material at the contact portion between the end portions of the 7N01 material plate material. A probe part of a rotary tool in which the length from the part to the tip of the probe part along the rotation axis of the main body part is a probe length p (mm) and satisfies t−0.2 (mm) <p ≦ t. It is preferable to push in.
この構成によれば、7N01材の摩擦攪拌接合を行う際に、7N01材の板厚の大小に関わらず、板材のプローブ部を押し込んだ側とは反対の面とプローブ部の先端とのクリアランスが最適な範囲に保たれながら接合されることになる。このため、キッシングボンド等の溶接欠陥を防止することができる。また、当接部分のプローブ部を押し込んだ側とは反対の面に裏当材を当接させて当接部分を支持する場合に、プローブ部の先端が裏当材に接触することを防止することができる。 According to this configuration, when the friction stir welding of the 7N01 material is performed, the clearance between the surface opposite to the side where the probe portion of the plate material is pushed in and the tip of the probe portion is maintained regardless of the thickness of the 7N01 material. It is joined while being kept in the optimum range. For this reason, welding defects such as kissing bonds can be prevented. In addition, when the backing material is supported on the surface of the contact portion opposite to the side where the probe portion is pushed in to support the contact portion, the tip of the probe portion is prevented from contacting the backing material. be able to.
また、セラミックスはSi3N4及びAl2O3のいずれかを含むことが好適である。 Also, ceramics suitably comprises any the Si 3 N 4 and Al 2 O 3.
この構成によれば、回転ツールを構成するセラミックスとしてSi3N4及びAl2O3のいずれかを用いることにより、回転ツールを耐摩耗性が高く且つ安価なものとできる。 According to this configuration, by using any of Si 3 N 4 and Al 2 O 3 as ceramics constituting the rotary tool, the rotary tool can be made highly wear-resistant and inexpensive.
また、本発明は、上記本発明の摩擦攪拌接合方法により、7N01材同士を接合して、7N01材を含む鉄道車両台枠を製造する鉄道車両台枠の製造方法である。 Moreover, this invention is a manufacturing method of the rail vehicle frame which joins 7N01 material by the friction stir welding method of the said invention, and manufactures the rail vehicle frame containing 7N01 material.
この構成によれば、7N01材を含む鉄道車両台枠を摩擦攪拌接合により製造することができる。このため、ブローホール等の溶接欠陥が少ない高い信頼性を持つ鉄道車両台枠の製造が可能となる。また、摩擦攪拌接合は、接合速度、回転ツールの回転数等を制御することによって自動溶接が可能である。そのため、従来のアーク溶接による施工とは異なり、溶接作業員の技量に接合品質が左右されず、安定した高い接合品質での接合が可能となる。 According to this configuration, the railcar frame including the 7N01 material can be manufactured by friction stir welding. For this reason, it is possible to manufacture a railcar frame with high reliability with few welding defects such as blow holes. In addition, the friction stir welding can be automatically welded by controlling the welding speed, the rotational speed of the rotary tool, and the like. Therefore, unlike the conventional arc welding construction, the joining quality is not affected by the skill of the welding worker, and the joining with stable and high joining quality is possible.
本発明の摩擦攪拌接合方法によれば、ツール寿命が長くなり、高い接合速度での接合が可能となる。また、本発明の鉄道車両台枠の製造方法によれば、ブローホール等の溶接欠陥が少ない高い信頼性を持つ鉄道車両台枠の製造が可能となり、安定した高い接合品質での接合が可能となる。 According to the friction 攪拌bonding method of the present invention, the tool life is prolonged, it is possible to bond at a high welding speed. In addition, according to the method for manufacturing a railcar frame according to the present invention, it is possible to manufacture a railcar frame with high reliability with few welding defects such as blowholes, and it is possible to bond with stable and high joint quality. Become.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る摩擦攪拌接合方法及び鉄道車両台枠の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, with reference to the drawings, preferred embodiments of a friction stir welding method and a railcar frame manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
図1は、本発明に係る摩擦攪拌接合装置の概略を示す図である。図1に示すように、摩擦攪拌接合装置1は、回転ツール11を用いることにより、板状の7N01材2,2同士の突き合わせ部分Pに沿って接合部3を形成する荷重制御方式の装置である。接合の対象である7N01材2は、例えば鉄道車両台枠に用いられる。鉄道車両台枠の摩擦攪拌接合装置1による接合箇所は、例えば、マクラと当て板との接合部、補強材の接合部、車体ダンパ受けにおける接合部などが挙げられる。
Figure 1 is a diagram showing an outline of a friction 攪拌接coupling device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the frictional 攪拌
この摩擦攪拌接合装置1は、例えば回転ツール11を保持するツールホルダ(不図示)と、回転ツール11を回転軸A周りに回転させる回転モータ4と、回転ツール11を突き合わせ部分Pに沿って移動させる移動モータ5と、回転ツール11を突き合わせ部分に対して押圧する押圧機構6と、各モータを制御するコントローラ7とを含んで構成されている。
The friction 攪拌接
ツールホルダは、金属などの延性材料によって略円柱形状に形成されている。ツールホルダは、7N01材2の法線方向に対し、接合方向と反対側に約3度傾けられている。ツールホルダの下端部には、回転ツール11の差込口が形成されており、この差込口に回転ツール11を差し込むことによって回転ツール11がツールホルダに保持されるようになっている。
The tool holder is formed in a substantially cylindrical shape by a ductile material such as metal. The tool holder is inclined about 3 degrees on the opposite side to the joining direction with respect to the normal direction of the
なお、図示しないが、ツールホルダの近傍には、回転ツール11に向けてシールドガスを供給するガス供給ノズルが配置されている。シールドガスとしては、例えばアルゴンなどの不活性ガスが用いられる。シールドガスの供給により、空気中の酸素及び窒素と接触することによる接合部3の粒界脆化を防止でき、より良好な接合が得られる。また、ツールホルダには、接合中に回転ツール11から伝わる熱を逃がすための冷却ホルダが取り付けられていることが好ましい。
Although not shown, a gas supply nozzle that supplies a shielding gas toward the
図1に示すように、円柱状の裏当材19の周面上に7N01材2,2の突き合わせ部分Pを配置し、回転ツール11の位置と裏当材19の位置とを同期させながら突き合わせ部分Pに沿って移動させることにより、接合部3を形成するようにしてもよい。さらに、例えば図1に示すように、円柱状の裏当材19の周面の幅を本体部12の本体部直径φ4(後述する)に略一致させてもよい。このような態様によっても、簡単な構成で接合部を形成することができる。 As shown in FIG. 1, the abutting portion P of the
このような摩擦攪拌接合装置1を用いて接合を行う場合、まず、7N01材2,2同士を裏当材19上で突き合わせた後、回転ツール11を突き合わせ部分Pの上方に配置し、回転ツール11のプローブ部14(後述する)を突き合わせ部分Pの一端に押し込む。そして、シールドガスを供給すると共に、回転ツール11を回転させながら突き合わせ部分Pの他端まで移動させる。これにより、プローブ部14と7N01材2との間で発生する摩擦熱が突き合わせ部分Pに入熱し、摩擦熱による塑性流動によって突き合わせ部分Pに接合部3が形成される。
When performing bonding using such friction 攪拌接
次に、摩擦攪拌接合装置1に適用される回転ツール11について詳細に説明する。図2に示すように、回転ツール11は、略円柱状をなす本体部12を備えている。回転ツール11は、Si3N4及びAl2O3等のセラミックスから形成されている。本体部12の先端側には、図2及び図3に示すように、ショルダ部13と、プローブ部14と、凹部15とが設けられている。
Next, the
ショルダ部13は、プローブ部14の周りで環状に隆起する部分である。ショルダ部13の頂部の断面形状は、鈍角かつ曲面形状となっている。ショルダ部13の基部の外周部分は、本体部12の先端周縁を面取りすることにより形成されている。そのため、ショルダ部直径φ3は、本体部12の本体部直径φ4よりも小さい直径とされている。
The
本実施形態では、ショルダ部13の頂部の断面形状が鈍角かつ曲面形状となってため、ショルダ部の頂部が角部となっている場合に比べて、接合時にショルダ部13に過剰な応力がかかることが防止され、回転ツール11の回転数や走査速度を低下させることなくクラックの発生を抑制できる。
In this embodiment, since the cross-sectional shape of the top part of the
また、ショルダ部13の外周部分13cは、本体部12の先端周縁が面取りされている。これにより、接合時にショルダ部13にかかる応力が一層緩和され、クラックの発生をより好適に抑制できる。
Further, the outer peripheral portion 13 c of the
プローブ部14は、頂部が曲率半径SRの球面状で基部が錘状をなし、本体部12の先端側の略中心部分に位置している。プローブ部14は先端に行くにつれて、直径が小さくなる。そのため、プローブ頂部直径φ1はプローブ基部直径φ2よりも小さい直径とされている。
The
プローブ部14の頂部は、ショルダ部13の頂部から本体部12の回転軸Aに沿った長さがプローブ長pの長さで突出している。つまり、ショルダ部13が7N01材2の板材の表面に最初に当接する部位から本体部12の回転軸に沿ったプローブ部の先端までの長さがプローブ長pとされている。
The top portion of the
凹部15は、プローブ部14の基部とショルダ部13の基部との間で環状に形成されている。ショルダ部13の頂部から凹部15の底部に至る傾斜面は、回転軸Aと垂直な面に対して傾斜角θの角度を有する。凹部15の底部の断面形状は、鈍角かつ曲面形状となっている。プローブ部14の基部とショルダ部13の基部とによって形成される環状の凹部15がプローブ部14の周りに形成され、この凹部15の断面形状も鈍角かつ曲面形状となっているため、接合時に凹部15内で7N01材2を十分な量でかつスムーズに塑性流動させることが可能となる。したがって、この回転ツール11を適用した摩擦攪拌接合装置1では、接合速度を十分に向上できる。
The
本実施形態では、例えば、厚さt=6(mm)の7N01材2の摩擦攪拌接合を行う場合、プローブ頂部直径φ1=4(mm)、プローブ基部直径φ2=8(mm)、ショルダ部直径φ3=16(mm)、本体部直径φ4=20(mm)、プローブ長p=5.9(mm)、傾斜角θ=10°、曲率半径SR=5.4(mm)とすることができる。本実施形態では、7N01材2の厚さtがいずれの値であっても、下式(1)を満たすものとする。7N01材2の厚さt(mm)に応じて下式(1)を満たすプローブ長p(mm)を設定し、7N01材2の下面とプローブ部14の頂部とのクリアランスを所定の範囲内に保つことが高い接合品質を得るために好ましい。
t−0.2(mm)<p≦t …(1)
In this embodiment, for example, when performing friction stir welding of
t−0.2 (mm) <p ≦ t (1)
なお、回転ツール11のショルダ部、プローブ部14、凹部15の形状パラメータは、接合対象である7N01材2の厚さtなどに応じて、適宜設計変更できる。形状パラメータの設計にあたっては、まず、プローブ部14の頂部のプローブ頂部直径φ1と曲率半径SRを決定する。プローブ頂部直径φ1と曲率半径SRの値は、経験則によって決定され、7N01材2の厚さtが数mm程度の範囲では、7N01材2の材質にかかわらず、例えば、上述したようにプローブ頂部直径φ1=4.0(mm)、曲率半径SR=5.4(mm)である。
The shape parameters of the shoulder portion, the
また、7N01材2の厚さtにより、以下の式(2)を用いてショルダ部直径φ3を求める。式(2)において、DB及びtBには、公知の定数を代入する。例えば、7N01材2の場合は、DB=15.0(mm)、tB=5.0(mm)である。
φ3=DB(t/tB)1/3 …(2)
Further, the shoulder diameter φ3 is obtained from the thickness t of the
φ3 = D B (t / t B ) 1/3 (2)
傾斜角θは、10°以上30°以下の範囲で決定されることが好ましい。ショルダ部直径φ3を求めた後、以下の式(3)を用いて回転ツール11による入熱量Qを求め、ツール設計の妥当性を確認する。式(3)は、フリガードの式と呼ばれる関係式であり、μは摩擦係数、Pは面圧(ツール荷重/ツール断面積)、Nは回転速度である。良好な接合継手を得るには、想定する接合条件範囲において、回転ツール11から7N01材2に加わる入熱量Qが接合に必要な熱量を上回る必要がある。
Q=(4/3)・πPN(φ3/2)3 …(3)
The inclination angle θ is preferably determined in the range of 10 ° to 30 °. After obtaining the shoulder portion diameter φ3, the amount of heat input Q by the
Q = (4/3) · πPN (φ3 / 2) 3 (3)
また、プローブ基部直径φ2を決定する。プローブ基部直径φ2は、経験則によって構築される以下の式(4)を用いて求められる。
φ3:φ2=2:1 …(4)
Also, the probe base diameter φ2 is determined. The probe base diameter φ2 is obtained using the following formula (4) constructed by an empirical rule.
φ3: φ2 = 2: 1 (4)
本体部直径φ4は、摩擦攪拌接合装置1の態様に応じて決定される。
The main body diameter φ4 is determined according to the mode of the friction
以下、本実施形態の摩擦攪拌接合方法の適用例として、鉄道車両台枠の製造の一例を説明する。図4に示す鉄道車両台枠100は、車両の重量が加わる部位である。図4に示すように、鉄道車両台枠100では、一対のマクラ101の間に当て板102が接合されている。当て板102には、空気バネを設置するための丸穴部である一対の空気バネ座103が設けられている。鉄道車両台枠100は、強度の確保のために主に7N01材の中厚板で構成される。例えば、マクラ101及び当て板102の厚さは、6(mm)とすることができる。
Hereinafter, as an application example of the friction stir welding method of the present embodiment, an example of manufacturing a railcar frame will be described. The
図5に示すように、マクラ101と当て板102との接合部3に、上記本実施形態の摩擦攪拌接合方法を適用することができる。鉄道車両台枠への適用箇所としては、他にも、補強部同士の接合部、車体間ダンパ受け、端バリ補強等に適用することができる。適用箇所の7N01材の板厚は5〜20(mm)程度とされる。例えば、補強部同士の接合部では、厚さ12(mm)程度であり、車体間ダンパ受けでは、厚さ7(mm)及び厚さ16(mm)程度であり、端バリ補強では、厚さ6(mm)及び厚さ12(mm)である。
As shown in FIG. 5, the friction stir welding method of the present embodiment can be applied to the
本実施形態では、6N01材等のAl合金と比較して変形抵抗が高く、回転ツール11の磨耗が生じやすい7N01材2の摩擦攪拌接合において、耐磨耗性に優れたセラミックス製の回転ツール11を用いることで、ツール寿命が長くなり、高い接合速度での接合が可能となる。特に、本実施形態では、回転ツール11を構成するセラミックスとしてSi3N4及びAl2O3のいずれかを用いることにより、回転ツール11を耐摩耗性が高く且つ安価なものとできる。
In the present embodiment, the
本実施形態では、7N01材2の厚さt(mm)、プローブ長p(mm)に対して、t−0.2(mm)<p≦tが満たされるようにプローブ長pを設定する。このため、7N01材2の摩擦攪拌接合を行う際に、7N01材2の板厚の大小に関わらず、板材のプローブ部14を押し込んだ側とは反対の面とプローブ部14の先端とのクリアランスが最適な範囲に保たれながら接合されることになる。このため、キッシングボンド等の溶接欠陥を防止することができる。また、突き合わせ部分Pのプローブ部14を押し込んだ側とは反対の面に裏当材19を当接させて突き合わせ部分Pを支持する場合に、プローブ部14の先端が裏当材19に接触することを防止することができる。
In the present embodiment, the probe length p is set so that t−0.2 (mm) <p ≦ t is satisfied with respect to the thickness t (mm) of the
本実施形態では、7N01材2を含む鉄道車両台枠100を摩擦攪拌接合により製造することができる。このため、ブローホール等の溶接欠陥が少ない高い信頼性を持つ鉄道車両台枠100の製造が可能となる。また、摩擦攪拌接合は、接合速度、回転ツールの回転数等を制御することによって自動溶接が可能である。そのため、従来のアーク溶接による施工とは異なり、溶接作業員の技量に接合品質が左右されず、安定した高い接合品質での接合が可能となる。
In the present embodiment, the
図1に示す例では、仮にプローブ長pが7N01材2の厚さtに対して長い場合でも、裏当材19にプローブ部14が当たること等による傷の発生が生じにくい。また、図1に示す例では、裏当材19の小型化が図られる。
In the example shown in FIG. 1 , even when the probe length p is longer than the thickness t of the
1…摩擦攪拌接合装置、2…7N01材、3…接合部、11…回転ツール、12…本体部、13…ショルダ部、14…プローブ部、15…凹部、19…裏当材、100…鉄道車両台枠、101…マクラ、102…当て板、103…空気バネ座、p…プローブ長、回転軸…A、P…突き合わせ部分(当接部分)。 1 ... friction 攪拌接coupling device, 2 ... 7N01 material, 3 ... junction, 11 ... rotary tool, 12 ... main body, 13 ... shoulder, 14 ... probe portion, 15 ... recess, 19 ... backing material, 100 ... Railcar frame, 101 ... Makura, 102 ... Watt plate, 103 ... Air spring seat, p ... Probe length, rotation axis ... A, P ... Abutting part (contact part) .
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