JP6213956B2 - Joining method and joining apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、金属板等の被接合材の接合方法及び接合装置に関する。   The present invention relates to a bonding method and a bonding apparatus for a material to be bonded such as a metal plate.

近年、地球環境への影響を考慮し、排出ガスの低減や燃費の向上を目的として、自動車業界では自動車を軽量化させるためにAl合金や高張力鋼板を構造部材に用いる必要性が高まっている。自動車産業を始めとした産業分野においては、構造材の連結に抵抗スポット溶接 (Resistance Spot Welding : RSW) が長年用いられており、航空宇宙分野においても、Al合金やTi合金、FRP等の構造材を連結する方法としてリベットを用いる締結や抵抗溶接による接合方法が利用されている。しかしながら、Al合金のような電気抵抗の小さい材料をRSWにより接合するには極めて高い電流が必要であり、大容量の溶接用電源や配電盤が必要となる。   In recent years, considering the impact on the global environment, the need to use Al alloys and high-tensile steel plates as structural members in the automotive industry to reduce the weight of automobiles has been increasing in order to reduce exhaust emissions and improve fuel efficiency. . In the industrial field such as the automobile industry, resistance spot welding (RSW) has been used for many years to connect structural materials. In the aerospace field, structural materials such as Al alloys, Ti alloys, and FRP have been used. As a method of connecting the two, a joining method using a rivet or a resistance welding is used. However, an extremely high current is required to join a material with low electrical resistance such as an Al alloy by RSW, and a large-capacity welding power source and switchboard are required.

Al合金のような金属部材を連結する方法として、抵抗溶接やリベット等の連結材を用いずに行う摩擦攪拌接合方法または摩擦攪拌点接合方法が知られている(特許文献1〜5)。摩擦攪拌点接合方法は、接合しようとする金属部材の位置でプローブ(ピン形状の硬質金属)を高速回転させることにより摩擦熱を発生させ、摩擦熱によって被接合部材を塑性流動させ、プローブの周囲に被接合部材同士の攪拌領域を生じさせて部材を接合する方法であり,摩擦攪拌接合方法より派生した接合方法である。特許文献6はリベットを回転させながら材料に圧入し、特許文献7は分割ピンを材料に回転圧入して、それぞれリベットとピンを材料に残して接合する方法である。   As a method for connecting metal members such as an Al alloy, a friction stir welding method or a friction stir spot welding method that is performed without using a connecting material such as resistance welding or rivet is known (Patent Documents 1 to 5). The friction stir spot joining method generates frictional heat by rotating the probe (pin-shaped hard metal) at a high speed at the position of the metal member to be joined, and plastically flows the member to be joined by frictional heat. This is a method of joining the members by generating a stirring region between the members to be joined, and a joining method derived from the friction stir welding method. Patent Document 6 is a method in which a rivet is pressed into a material while rotating, and Patent Document 7 is a method in which a split pin is rotationally pressed into the material, and the rivet and the pin are left in the material and joined.

特開2003−154472号公報JP 2003-154472 A 特開2006−136906号公報JP 2006-136906 A 特開2007−880号公報JP 2007-880 A 特開2012−196680号公報JP 2012-196680 A 特開平11−156561号公報JP-A-11-156561 米国公開2005/0178816A1Published in the US 2005 / 0178816A1 米国公開2011/0073634A1US release 2011 / 0073634A1

摩擦攪拌接合方法または摩擦攪拌点接合方法を利用して金属板等の部材を接合する方法は、抵抗溶接と比較して省エネルギー化を図ることができ、接合操作が容易であるという利点がある。しかしながら、摩擦攪拌接合方法または摩擦攪拌点接合方法では、接合後にツールを部材から引き抜いた位置または部材を接合した部位にプローブ穴が残るために部分的に部材の厚さが薄くなり、継手部分の強度が低下するという問題や、被接合部分に接合ピンを残す方法は、接合ピンが部材と一体化しないため、接合部分の強度が十分とはいえないという問題があった。   The method of joining members such as metal plates using the friction stir welding method or the friction stir spot joining method has the advantage that energy saving can be achieved as compared with resistance welding, and the joining operation is easy. However, in the friction stir welding method or the friction stir spot joining method, since the probe hole remains at the position where the tool is pulled out from the member after joining or the part where the member is joined, the thickness of the member is partially reduced, The problem that the strength is lowered and the method of leaving the joining pin in the joined portion have a problem that the joining portion is not sufficiently strong because the joining pin is not integrated with the member.

本発明は、これらの課題を解消すべくなされたものであり、摩擦攪拌点接合方法を利用して金属板等の被接合材を確実に接合することを可能にする接合方法及び接合装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve these problems, and provides a joining method and a joining apparatus that can reliably join a material to be joined such as a metal plate using a friction stir spot joining method. The purpose is to do.

本発明に係る接合装置は、被接合材に貫入されるプローブを備えるツールを使用して被接合材を接合する接合装置であって、前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入する駆動装置と、接合操作時に被接合材を支持するとともに、被接合材を貫通した前記プローブの先端部をプローブよりも大径に成形する成形凹部が設けられた金型とを備え、前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入する際に、摩擦攪拌作用により被接合材を接合することを特徴とする。
駆動装置によりツールを回転させながら被接合材に貫入することにより、被接合材は摩擦攪拌作用により接合され、被接合材を貫通したプローブの先端部は金型によりプローブよりも大径に成形されて被接合材は堅固に接合される。
A joining apparatus according to the present invention is a joining apparatus that joins a material to be joined using a tool including a probe that penetrates into a material to be joined, and that drives the probe to penetrate the material to be joined while rotating the tool. The apparatus includes a device and a mold that supports a material to be joined at the time of a joining operation and has a molding concave portion that molds the tip of the probe that penetrates the material to be joined to have a larger diameter than the probe , and rotates the tool. When the probe is penetrated into the material to be joined, the material to be joined is joined by a friction stir action .
When the tool is rotated by the drive device and penetrates into the material to be joined, the material to be joined is joined by the friction stir action, and the tip of the probe that penetrates the material to be joined is formed with a die larger in diameter than the probe. Thus, the materials to be joined are firmly joined.

プローブの先端部をプローブよりも大径に成形するとは、金型の成形凹部にならってプローブの先端を半球状等に成形する際に、プローブの先端の成形部が被接合材を表面側から係止するように成形する意である。したがって、プローブ先端の成形部の形状は、半球状に限るものではなく、多角形体として係止する形態とすることも可能である。
プローブを備えるツールとは、プローブ単体からなるツール、及びプローブとプローブよりも大径のツール本体とからなるツール、の双方を含む意である。プローブとツール本体とからなるツールを使用した場合は、接合操作の際に、金型により成形されたプローブの先端部とツール本体とにより被接合材がかしめ固定され、被接合材がより強固に接合される。
被接合材は下穴を設けずに接合することもできるし、あらかじめ下穴を設けておいて接合することもできる。被接合材に下穴を設けた場合は、被接合材にあらかじめ設けた下穴にプローブを位置合わせし、前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入して接合する。
Molding the tip of the probe to have a larger diameter than the probe means that when the tip of the probe is molded into a hemispherical shape following the molding recess of the mold, the molded part at the tip of the probe It is intended to be molded so as to be locked. Therefore, the shape of the molded part at the tip of the probe is not limited to a hemispherical shape, and can be configured to be locked as a polygonal body.
The tool including a probe is meant to include both a tool composed of a single probe and a tool composed of a probe and a tool body having a diameter larger than that of the probe. When a tool consisting of a probe and a tool body is used, the material to be joined is caulked and fixed by the tip of the probe molded by the mold and the tool body during the joining operation, making the material to be joined stronger. Be joined.
The materials to be joined can be joined without providing a pilot hole, or can be joined with a pilot hole provided in advance. When a prepared hole is provided in the material to be joined, the probe is positioned in a prepared hole provided in advance in the material to be joined, and the probe is penetrated and joined to the material to be joined while rotating the tool.

また、本発明に係る接合方法は、被接合材に貫入されるプローブを備えるツールを使用して被接合材を接合する接合方法であって、前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入して被接合材を接合する際に、被接合材を貫通した前記プローブの先端部を、プローブの先端部が押入される成形凹部を備える金型を用いて、プローブよりも大径に成形し、前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入する際に、摩擦攪拌作用により被接合材を接合することを特徴とする。
前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入する際に、摩擦攪拌作用により被接合材を接合することにより、被接合材を強固に接合することができる。
また、被接合材にあらかじめ設けた下穴にプローブを位置合わせし、前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入することにより、正確に接合位置を位置決めして接合することができる。
また、前記ツールとして、プローブとプローブよりも大径に形成されたツール本体とからなるツールを使用することにより、堅固に被接合材を接合することができる。

The joining method according to the present invention is a joining method for joining a material to be joined using a tool including a probe that penetrates the material to be joined, and the probe is inserted into the material to be joined while rotating the tool. Then, when joining the materials to be joined, the tip of the probe that penetrates the material to be joined is molded to have a diameter larger than that of the probe by using a mold having a molding recess into which the tip of the probe is pushed. When the probe is inserted into the material to be joined while rotating the tool, the material to be joined is joined by a friction stir action .
When the probe is inserted into the material to be bonded while rotating the tool, the material to be bonded can be firmly bonded by bonding the material to be bonded by friction stir action.
Further, by positioning the probe in a prepared hole provided in advance in the material to be joined and penetrating the probe into the material to be joined while rotating the tool, the joining position can be accurately positioned and joined.
Moreover, by using a tool comprising a probe and a tool body formed larger in diameter than the probe as the tool, the materials to be joined can be firmly joined.

本発明に係る接合方法及び接合装置は、板状の金属板等の板材の接合に好適に使用できるが、本発明で接合対象とする被接合材は板材に限られるものではなく、被接合材の材質、形状、厚さ、大きさが限定されるものではない。また、被接合材の接合数(枚数)についても限定されるものではなく、2個(枚)以上の複数個(複数枚)の被接合材の接合に適用することができる。   The joining method and joining apparatus according to the present invention can be suitably used for joining plate materials such as plate-shaped metal plates, but the material to be joined in the present invention is not limited to a plate material, and the material to be joined. The material, shape, thickness, and size are not limited. Further, the number of joined materials (number) is not limited, and the present invention can be applied to joining of two or more (multiple) joined materials.

本発明に係る材料の接合方法及び接合装置によれば、きわめて容易な操作によって、確実にかつ堅固に被接合材を接合することができる。   According to the material joining method and the joining apparatus according to the present invention, the materials to be joined can be reliably and firmly joined by an extremely easy operation.

板材の接合方法についての第1の実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 1st Embodiment about the joining method of a board | plate material. 板材の接合方法についての第2の実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 2nd Embodiment about the joining method of a board | plate material. 板材の接合試験に使用したツールの外観図(a)、(b)と金型の断面図(c)である。It is the external view (a) of a tool used for the joining test of a board | plate material, (b), and sectional drawing (c) of a metal mold | die. 下穴径を3.2mmとしたときの、接合後の板材のツール側と金型側の外観写真である。It is the external appearance photograph of the tool side and metal mold | die side of the board | plate material after joining when a pilot hole diameter is 3.2 mm. 下穴径を2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.4mm、3.6mmとして、円柱形のプローブを用いて接合したときの、接合部分のツール側と金型側の外観写真である。It is the external appearance photograph of the tool side of a joining part, and a metal mold | die side when joining using a cylindrical probe for a pilot hole diameter of 2.8mm, 3.0mm, 3.2mm, 3.4mm, 3.6mm. 下穴径が3.0mm、3.2mm、3.4mmのときの接合部の断面写真である。It is a cross-sectional photograph of the joint when the pilot hole diameter is 3.0 mm, 3.2 mm, and 3.4 mm. ツールの押し込み量を変えたときのプローブの先端形状の変化を示す断面写真である。It is a cross-sectional photograph which shows the change of the front-end | tip shape of a probe when changing the amount of pushing of a tool. 円柱形のプローブを用いて接合した場合と、従来のリベットを用いて接合した場合の引っ張り試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the tension test result at the time of joining when using a cylindrical probe and joining using the conventional rivet. 下穴径を2.5mm、2.6mmとして、ねじ形のプローブを用いて接合したときの、接合部分のツール側と金型側の外観写真である。It is the external appearance photograph of the tool side and metal mold | die side of a joining part when it joins using a screw-shaped probe with a pilot hole diameter of 2.5mm and 2.6mm. 接合部の断面写真である。It is a cross-sectional photograph of a junction part. ねじ形のプローブを備えるツールを用いて接合した場合と、従来のリベットを用いて接合した場合の引っ張り試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the tension test result at the time of joining using the tool provided with a screw-shaped probe and joining using the conventional rivet.

(第1の実施の形態)
図1は本発明に係る板材の接合方法についての第1の実施の形態を示す。
図1に示す板材の接合方法は、金型10上に被接合材である板材12、13をセットし、駆動装置(不図示)により接合用のツール14を回転させながら板材12、13にツール14を貫入することにより、板材12、13を接合する方法である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a method for joining plate members according to the present invention.
In the method for joining plate members shown in FIG. 1, plate members 12 and 13 which are materials to be joined are set on a mold 10, and a tool is attached to the plate members 12 and 13 while rotating a joining tool 14 by a driving device (not shown). This is a method of joining the plate members 12 and 13 by penetrating 14.

ツール14は駆動装置にチャックして保持される円柱形のツール本体14aと、ツール本体14aからツール本体14aよりも細径に延出するプローブ14bとからなる。プローブ14bは、板材12、13を接合する操作の際に、板材12、13を厚さ方向に貫通する長さに設けられる。   The tool 14 includes a cylindrical tool body 14a that is chucked and held by a driving device, and a probe 14b that extends from the tool body 14a to a diameter smaller than that of the tool body 14a. The probe 14b is provided with a length that penetrates the plate members 12 and 13 in the thickness direction during the operation of joining the plate members 12 and 13.

金型10の上面には、皿状(内面が半球状)の成形凹部10aを設ける。この成形凹部10aは、板材12、13を接合操作する際に、板材12、13を厚さ方向に貫通するプローブ14bの先端部分が押入され、先端部分を半球状(リベットの頭部状)に塑性成形するためのものである。成形凹部10aの直径は、プローブ14bの外径よりも大径に設定される。   On the upper surface of the mold 10, a dish-shaped (inner surface is hemispherical) molding recess 10a is provided. When the plate members 12 and 13 are joined to each other, the molding concave portion 10a is inserted into the tip portion of the probe 14b penetrating the plate members 12 and 13 in the thickness direction, and the tip portion is formed into a hemispherical shape (rivet head shape). It is for plastic forming. The diameter of the molding recess 10a is set larger than the outer diameter of the probe 14b.

図1(a)は、金型10に板材12、13をセットし、金型10の成形凹部10aの上方にツール14を位置合わせした状態である。金型10の成形凹部10aの位置が板材12、13を接合する平面位置になる。
ツール14はフライス盤等の駆動装置に支持し、ツール14のプローブ14bと金型10の成形凹部10aの中心を位置合わせし、ツール14を高速回転させながら板材12、13に圧入する。
FIG. 1A shows a state in which the plate materials 12 and 13 are set on the mold 10 and the tool 14 is positioned above the molding recess 10 a of the mold 10. The position of the molding recess 10 a of the mold 10 is a planar position where the plate members 12 and 13 are joined.
The tool 14 is supported by a driving device such as a milling machine, the probe 14b of the tool 14 and the center of the molding recess 10a of the mold 10 are aligned, and the tool 14 is press-fitted into the plate members 12 and 13 while rotating at high speed.

図1(b)は、ツール14を高速回転させながらルール14のプローブ14bを板材12、13を貫入した状態である。プローブ14bの先端が板材12、13を貫通し、成形凹部10a無いに進入している。ツール14を高速回転させながら板材12、13に差し込むようにすると、プローブ14bと板材12、13との摩擦攪拌により、プローブ14bは板材12、13を塑性流動化させながら板材12、13に進入して、板材12、13を貫通する。   FIG. 1B shows a state where the probe 14b of the rule 14 is inserted through the plate members 12 and 13 while rotating the tool 14 at a high speed. The tip of the probe 14b penetrates the plate members 12 and 13 and enters the molding recess 10a. If the tool 14 is inserted into the plate members 12 and 13 while rotating at a high speed, the probe 14b enters the plate members 12 and 13 while plastically fluidizing the plate members 12 and 13 due to frictional stirring between the probe 14b and the plate members 12 and 13. The plate materials 12 and 13 are penetrated.

成形凹部10aに進入したプローブ14bは、さらに押し下げられることにより、金型10の成形凹部10a内面にならって半球状に成形される。
図1(c)は、板材12、13を貫通したプローブ14bの先端を金型10により半球状に成形した後、ツール14の回転を停止し、板材12、13を金型10から上方に引き上げた状態を示す。
板材12、13は、ツール14のプローブ14bの先端が半球状に成形された成形部14cと、ツール本体14aの下面(ショルダー部)との間で厚さ方向にかしめられて締結される。プローブ14bが板材12、13を貫入した部位では、板材12、13が摩擦攪拌作用により接合されて一体的に連結され、プローブ14bにより、厚さ方向にもかしめ固定されることによって板材12、13は堅固に固定される。
The probe 14b that has entered the molding recess 10a is further pressed down to be shaped into a hemisphere following the inner surface of the molding recess 10a of the mold 10.
In FIG. 1C, after the tip of the probe 14 b penetrating the plate materials 12 and 13 is formed into a hemispherical shape by the mold 10, the rotation of the tool 14 is stopped and the plate materials 12 and 13 are pulled upward from the mold 10. Indicates the state.
The plate members 12 and 13 are fastened by caulking in the thickness direction between a forming portion 14c in which the tip of the probe 14b of the tool 14 is formed in a hemispherical shape and a lower surface (shoulder portion) of the tool main body 14a. In the part where the probe 14b penetrates the plate members 12 and 13, the plate members 12 and 13 are joined and integrally connected by friction stir action, and the plate members 12 and 13 are fixed by caulking in the thickness direction by the probe 14b. Is firmly fixed.

この接合方法では、ツール14により、板材12、13を点接合的に摩擦攪拌作用により接合するとともに、厚さ方向にかしめ固定するから、板材12、13を貫通したプローブ14bの成形部14dとツール本体14aによりかしめられるように、板材12、13の厚さに応じてプローブ14bの長さを設定し、また、プローブ14bを金型10の成形凹部10aに押し込む押し込み量を調節する。   In this joining method, the plates 14 and 13 are joined by the tool 14 in a point-joint manner by friction stir action, and are caulked and fixed in the thickness direction. Therefore, the forming portion 14d of the probe 14b penetrating the plates 12 and 13 and the tool The length of the probe 14b is set according to the thickness of the plate members 12 and 13 so as to be caulked by the main body 14a, and the amount of pushing the probe 14b into the molding recess 10a of the mold 10 is adjusted.

板材12、13をツール14により締結した後(図1(c))、ツール本体14aについては必要に応じて除去する操作を行う。板材12、13は摩擦攪拌作用によって固定されているから、板材13上のツール本体14a全体を除去してもよいし、ツール本体14aの突出高さを低くするためにツール本体14aを部分的に削除してもよい。ツール本体14aの高さを、接合操作後に製品に残して支障のない高さにしておけば、接合操作後の後処理は不要である。   After the plate members 12 and 13 are fastened by the tool 14 (FIG. 1 (c)), the tool body 14a is removed as necessary. Since the plate members 12 and 13 are fixed by the friction stir action, the entire tool main body 14a on the plate member 13 may be removed, or the tool main body 14a is partially used to reduce the protruding height of the tool main body 14a. It may be deleted. If the height of the tool body 14a is set to a level that does not hinder the product after the joining operation, post-processing after the joining operation is unnecessary.

(第2の実施の形態)
図2は本発明に係る板材の接合方法についての第2の実施の形態を示す。
本実施形態の板材の接合方法は、板材12、13にあらかじめ下穴12a、13aを設けて、金型10とツール14を用いて接合する方法である。ツール本体14aとプローブ14bからなるツール14を使用すること、プローブ14bの先端部分を成形する成形凹部10aを備える金型10を使用することは上述した第1の実施の形態と同様である。
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a second embodiment of the method for joining plate members according to the present invention.
The method for joining plate members of the present embodiment is a method in which prepared holes 12 a and 13 a are provided in advance in the plate members 12 and 13 and are joined using the mold 10 and the tool 14. The use of the tool 14 including the tool main body 14a and the probe 14b and the use of the mold 10 including the molding recess 10a for molding the tip portion of the probe 14b are the same as in the first embodiment.

図2(a)は、金型10に板材12、13をセットした状態である。板材12、13は、下穴12a、13aの中心を金型10の成形凹部10aの中心に位置合わせしてセットする。
図2(b)は、ツール14を高速回転しながら、ツール14のプローブ14bを板材12、13の下穴12a、13aに貫入し、プローブ14bの先端部を成形凹部10aにまで押入した状態である。
図2(c)は、プローブ14bの先端を成形凹部10aにより成形した後、プローブ14bとツール本体14aとの連結部分を破断した状態を示す。14dが破断部である。
FIG. 2A shows a state in which the plate materials 12 and 13 are set on the mold 10. The plate members 12 and 13 are set by aligning the center of the pilot holes 12 a and 13 a with the center of the molding recess 10 a of the mold 10.
FIG. 2B shows a state in which the probe 14b of the tool 14 is inserted into the pilot holes 12a and 13a of the plate members 12 and 13 while the tip of the probe 14b is pushed into the molding recess 10a while rotating the tool 14 at a high speed. is there.
FIG. 2 (c) shows a state in which the connecting portion between the probe 14b and the tool body 14a is broken after the tip of the probe 14b is formed by the forming recess 10a. 14d is a fracture part.

本実施形態のように、被接合材である板材12、13に下穴12a、13aを設け、摩擦攪拌を利用して板材12、13を接合する方法は、板材12、13に下穴12a、13aを設けずに接合する方法と比較して、プローブ14bを板材12、13に貫入しやすく摩擦攪拌による接合が容易にできること、プローブ14bが下穴12a、13aにガイドされることから正確に接合位置が設定できるという利点がある。ただし、板材12、13に、あらかじめ下穴12a、13aを加工しておかなければならないという問題や、接合時に下穴12a、13aを位置合わせしなければならないといった問題がある。   As in this embodiment, plate holes 12a and 13a are provided in plate members 12 and 13 which are materials to be joined, and a method of bonding plate members 12 and 13 using friction stirrer is as follows. Compared to the method of joining without providing 13a, the probe 14b can be easily penetrated into the plates 12 and 13 and can be easily joined by friction stirring, and the probe 14b is guided by the pilot holes 12a and 13a, so that the joining is accurately performed. There is an advantage that the position can be set. However, there are a problem that the pilot holes 12a and 13a must be processed in advance in the plate members 12 and 13, and a problem that the pilot holes 12a and 13a must be aligned at the time of joining.

なお、第1の実施の形態、及び第2の実施の形態は、ツール本体14aとプローブ14bとを一体化したツール14を用いて、被接合材である板材12、13を接合する例である。接合用のツールとしては、プローブ14aのみからなるツールを使用することもできる。この場合はプローブ14aの基部部分を駆動装置でチャックして支持し、プローブ14aを回転駆動しながら板材12、13に押入し、板材12、13を貫通したプローブ14aの先端部を半球状に成形すればよい。プローブ14aの基部部分は必要に応じて破断操作する。プローブ14aのみからなるツールを使用した場合も、上記例のツール14を使用した場合と同様に、板材12、13を確実にかつ堅固に接合することができる。   In addition, 1st Embodiment and 2nd Embodiment are the examples which join the board | plate materials 12 and 13 which are to-be-joined materials using the tool 14 which integrated the tool main body 14a and the probe 14b. . As a joining tool, a tool including only the probe 14a can be used. In this case, the base portion of the probe 14a is chucked and supported by a driving device, and the probe 14a is pushed into the plate members 12 and 13 while being rotationally driven, and the tip portion of the probe 14a penetrating the plate members 12 and 13 is formed into a hemispherical shape. do it. The base portion of the probe 14a is broken as necessary. Even when a tool including only the probe 14a is used, the plate members 12 and 13 can be reliably and firmly joined as in the case where the tool 14 of the above example is used.

板材に下穴を設けて接合する方法(第2の実施形態の方法)を利用して実際に板材を接合する実験を行った。以下に実験結果について説明する。
図3(a)、(b)は、実験に使用したツールの外観図である。ツールには、円柱形のプローブを備えるもの(図3(a))と、外周面にねじ切りしたプローブを備えるもの(図3(b))を使用した。
ツールにはアルミニウム合金(A7075)を使用した。プローブ径3mm(ねじ:M3)、プローブ長7mm、プローブ本体部分の外径10mmである。
金型には、ダイス鋼(SKD11)を使用し、成形凹部の深さ1mm、成形凹部の直径6mmである(図3(c))。
接合に使用した板材は、板厚2mmのアルミニウム合金(A7075)製である。ツールの駆動装置として、回転数765rpmの汎用立フライス盤を使用した。
An experiment was conducted in which the plate material was actually joined using a method of joining the plate material with a pilot hole (the method of the second embodiment). The experimental results will be described below.
3A and 3B are external views of the tool used in the experiment. As the tool, a tool having a cylindrical probe (FIG. 3A) and a tool having a probe threaded on the outer peripheral surface (FIG. 3B) were used.
The tool was an aluminum alloy (A7075). The probe diameter is 3 mm (screw: M3), the probe length is 7 mm, and the outer diameter of the probe body is 10 mm.
For the mold, die steel (SKD11) is used, the depth of the molding recess is 1 mm, and the diameter of the molding recess is 6 mm (FIG. 3C).
The plate material used for joining is made of an aluminum alloy (A7075) with a plate thickness of 2 mm. A general-purpose vertical milling machine with a rotation speed of 765 rpm was used as a tool driving device.

(円柱形プローブを備えるツールを使用した例)
図4は、板材を接合した後の板材をツール側から見た状態と金型側から見た状態を示す外観写真である。ツール側の板材の表面には、ツール本体が板材の上面に接触して擦られた跡が円形に残り、プローブの上端が破断している。金型側の板材表面では、プローブの先端が成形されて、板材の表面から突出している。
(Example using a tool with a cylindrical probe)
FIG. 4 is an appearance photograph showing a state in which the plate members after bonding the plate members are viewed from the tool side and a state viewed from the mold side. On the surface of the plate material on the tool side, a trace of the tool body contacting and rubbing against the upper surface of the plate material remains in a circular shape, and the upper end of the probe is broken. On the surface of the plate on the mold side, the tip of the probe is formed and protrudes from the surface of the plate.

図5は、接合後の板材の接合部分の外観を示す。それぞれ、下穴径を2.8mm、3.0mm、3.2mm、3.4mm、3.6mmとしたときの、被接合材のツール側と金型側の外観写真である。
図5(a)、(b)は、プローブが板材内で破断し、板材を貫通したプローブの先端が金型と十分に密着せず、また十分に圧縮されなかったため成形されていない状態を示す。
図5(c)〜(f)は、プローブ先端が成形された後、プローブがツールのショルダー付近で破断した例である。板材のツール側の表面にツールのショルダーが接触した痕を残している。
図5(g)、(h)は、プローブ先端が成形された後、プローブがショルダー付近で破断した例である。この場合は、板材からのプローブの突き出し量が、図5(c)〜(f)とくらべて小さかったため、ショルダー痕は残らなかった。
図5(i)、(j)は、下穴がプローブに対して大きいため、接合後にプローブが板材から抜け落ちて接合ができなかった例である。
ツールのプローブ先端が金型により半球状にきれいに成形されたのは、下穴径が3.0mm、3.2mmのときである。
FIG. 5 shows the appearance of the joined portion of the plate material after joining. These are photographs of the external appearance of the tool side and die side of the material to be joined when the pilot hole diameter is 2.8 mm, 3.0 mm, 3.2 mm, 3.4 mm, and 3.6 mm, respectively.
FIGS. 5A and 5B show a state in which the probe is not molded because the probe is broken in the plate material and the tip of the probe penetrating the plate material is not sufficiently adhered to the mold and is not sufficiently compressed. .
FIGS. 5C to 5F show examples in which the probe is broken near the shoulder of the tool after the tip of the probe is formed. The trace which the shoulder of the tool contacted on the tool side surface of a board | plate material is left.
FIGS. 5G and 5H are examples in which the probe is broken near the shoulder after the probe tip is molded. In this case, the amount of protrusion of the probe from the plate material was smaller than that in FIGS.
FIGS. 5 (i) and 5 (j) are examples in which, since the pilot hole is large with respect to the probe, the probe fell off from the plate material after joining and could not be joined.
The probe tip of the tool was neatly shaped into a hemisphere by the mold when the pilot hole diameter was 3.0 mm or 3.2 mm.

図6は、下穴径が3.0mm、3.2mm、3.4mmの接合部の断面写真である。下穴径が増加するに従いプローブの太さが増加し,プローブの先端の変形が大きくなる。
図7は、下穴径が3.2mmのときに、ツールの押し込み量によってプローブの形状がどのように変化するかを示す。すなわち、ツールの挿入量(押し込み量)が増すとともに、プローブの太さが増加し,プローブの先端が金型の成形凹部の形状にならって徐々に拡径され、板材の下面を係止する形態に成形されていくことがわかる。また,プローブ太さが増加し,下穴と接触することにことでプローブの破断が起こっていると考えられる.
FIG. 6 is a cross-sectional photograph of a joint having pilot hole diameters of 3.0 mm, 3.2 mm, and 3.4 mm. As the pilot hole diameter increases, the thickness of the probe increases, and the deformation of the probe tip increases.
FIG. 7 shows how the probe shape changes depending on the amount of pressing of the tool when the pilot hole diameter is 3.2 mm. That is, the insertion amount (pushing amount) of the tool is increased, the thickness of the probe is increased, the tip of the probe is gradually enlarged in accordance with the shape of the molding concave portion of the mold, and the lower surface of the plate material is locked. It can be seen that it will be molded. In addition, the probe is thought to be broken due to the increase in probe thickness and contact with the pilot hole.

図8は、上記接合試験に使用した板材を、リベットを用いて接合(締結)した場合と、上述したツールを用いて接合した場合について引っ張り試験を行った結果を示す。
リベットを用いて接合する比較試験として、丸リベットを使用して接合したサンプルと、ブラインドリベットを使用して接合したサンプルを用意した。
丸リベットとして,呼び径3mm、長さ6mm、材質A1070のものを使用し、板材に3mmの下穴をあけ、ハンマーにより、リベット頭を成形させ、接合してサンプルとした。
ブラインドリベットとして,直径3.2mm、長さ6mm、フランジ部材質A5052のブラインドリベットを使用し、直径3.4mmのすき間穴に挿入し、マンドレルを引くことで接合した。
FIG. 8 shows the results of a tensile test for the case where the plate materials used in the joining test were joined (fastened) using rivets and the case where the plates were joined using the tool described above.
As a comparative test for joining using rivets, a sample joined using a round rivet and a sample joined using a blind rivet were prepared.
A round rivet with a nominal diameter of 3 mm, length of 6 mm, and material A1070 was used. A 3 mm pilot hole was drilled in the plate, and the rivet head was molded with a hammer and joined to form a sample.
As a blind rivet, a blind rivet with a diameter of 3.2 mm, a length of 6 mm, and a flange material A5052 was used. The blind rivet was inserted into a clearance hole with a diameter of 3.4 mm and joined by pulling a mandrel.

図8は、下穴径を3.0mm、3.2mm、3.4mmとして上記ツールを用いて接合したサンプルと、上記丸リベットとブラインドリベットを用いて接合したサンプルについて、接合部に加える荷重とそのときの変位量を測定した結果を示す。
図8の試験結果は、従来の丸リベットとブラインドリベットを用いて接合する方法にくらべて、本発明に係るツールを用いる接合方法がはるかに接合強度、荷重耐久性に優れ、板材の接合方法として有効であることを示している。
FIG. 8 shows the load applied to the joint and the sample at that time for the sample joined using the above tools with pilot hole diameters of 3.0 mm, 3.2 mm, and 3.4 mm, and the sample joined using the round rivet and blind rivet. The result of measuring the amount of displacement is shown.
The test results in FIG. 8 show that the joining method using the tool according to the present invention is far superior in joining strength and load durability compared with the conventional joining method using a round rivet and a blind rivet, and is a plate material joining method. It shows that it is effective.

(ねじ形プローブを備えるツールを使用した例)
図9はねじ形プローブを備えるツールを使用して板材(下穴径2.5mm、2.6mm)を接合したときの、接合部分をツール側と金型側から見た状態を示す。プローブの先端が半球状に成形されていること、ショルダー付近でプローブが破断されていることがわかる。
(Example using a tool with a threaded probe)
FIG. 9 shows a state in which the joined portions are viewed from the tool side and the mold side when the plate materials (the pilot hole diameters of 2.5 mm and 2.6 mm) are joined using a tool having a screw-type probe. It can be seen that the tip of the probe is hemispherical and that the probe is broken near the shoulder.

図10は、接合部の断面写真である(下穴径2.5mm)。下穴にそって板材を貫通したプローブ先端が、半球状に成形されていることがわかる。なお、板材に設けた下穴はツールのプローブよりも細径であるが、挿入の際に板材に対して変形抵抗の小さいねじ山が削れ,プローブ径と下穴は同じ大きさとなっている.   FIG. 10 is a cross-sectional photograph of the joint (prepared hole diameter 2.5 mm). It can be seen that the probe tip penetrating the plate material along the pilot hole is formed in a hemispherical shape. The pilot hole provided in the plate has a smaller diameter than the probe of the tool, but when inserted, the screw thread with a small deformation resistance is cut to the plate, and the probe diameter and pilot hole are the same size.

図11は、下穴径を2.5mm、2.6mmとして、上記ツールを用いて接合したサンプルと、従来のリベット(丸リベット、ブラインドリベット)を用いて接合したサンプルについて、接合部に加える荷重とそのときの変位量を測定した結果を示す。丸リベットとブラインドリベットには前述したものと同一のものを使用した。
図11は、本発明方法のツールを利用して板材を接合する方法が、従来のリベットを用いて板材を接合する方法と比較して、明らかに接合強度が向上することを示している。
FIG. 11 shows the load applied to the joint and the sample for the sample joined using the above tools with the pilot hole diameters of 2.5 mm and 2.6 mm and the sample joined using the conventional rivet (round rivet, blind rivet). The result of measuring the amount of displacement is shown. The same round rivet and blind rivet as described above were used.
FIG. 11 shows that the joining strength of the method of joining plate members using the tool of the method of the present invention is clearly improved as compared with the method of joining plate members using conventional rivets.

10 金型
10a 成形凹部
12、13 板材
12a、13a 下穴
14 ツール
14a ツール本体
14b プローブ
14c 成形部
14d 破断部

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Mold 10a Molding recessed part 12, 13 Plate material 12a, 13a Pilot hole 14 Tool 14a Tool main body 14b Probe 14c Molding part 14d Breaking part

Claims (6)

被接合材に貫入されるプローブを備えるツールを使用して被接合材を接合する接合装置であって、
前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入する駆動装置と、
接合操作時に被接合材を支持するとともに、被接合材を貫通した前記プローブの先端部をプローブよりも大径に成形する成形凹部が設けられた金型とを備え、
前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入する際に、摩擦攪拌作用により被接合材を接合することを特徴とする接合装置。
A joining apparatus for joining a material to be joined using a tool including a probe that penetrates the material to be joined,
A driving device for penetrating the probe into the workpiece while rotating the tool;
A mold provided with a molding concave portion for supporting the material to be joined at the time of the joining operation and molding the tip of the probe penetrating the material to be joined to have a larger diameter than the probe ,
A joining apparatus for joining a material to be joined by a friction stir action when a probe is inserted into the material to be joined while rotating the tool .
プローブとプローブよりも大径に形成されたツール本体とからなるツールを使用することを特徴とする請求項記載の接合装置。 2. The joining apparatus according to claim 1 , wherein a tool comprising a probe and a tool main body having a larger diameter than the probe is used. 被接合材に貫入されるプローブを備えるツールを使用して被接合材を接合する接合方法であって、
前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入して被接合材を接合する際に、被接合材を貫通した前記プローブの先端部を、プローブの先端部が押入される成形凹部を備える金型を用いて、プローブよりも大径に成形し、
前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入する際に、摩擦攪拌作用により被接合材を接合することを特徴とする接合方法。
A joining method for joining materials to be joined using a tool having a probe that penetrates the materials to be joined,
When the probe is inserted into the material to be joined while rotating the tool and the material to be joined is joined, the tip of the probe that has penetrated the material to be joined is provided with a molding concave portion into which the tip of the probe is pushed. Using a mold, mold to a larger diameter than the probe,
A joining method comprising joining a material to be joined by friction stir action when a probe is inserted into the material to be joined while rotating the tool .
被接合材にあらかじめ設けた下穴にプローブを位置合わせして前記ツールを回転させながら被接合材にプローブを貫入することを特徴とする請求項記載の接合方法。 4. The joining method according to claim 3, wherein the probe is inserted into the material to be joined while the tool is rotated by aligning the probe in a prepared hole provided in advance in the material to be joined. 前記ツールとして、プローブとプローブよりも大径に形成されたツール本体とからなるツールを使用することを特徴とする請求項3または4記載の接合方法。 The joining method according to claim 3 or 4 , wherein a tool comprising a probe and a tool body formed larger in diameter than the probe is used as the tool. 前記ツールにより被接合材を接合した後、前記ツール本体の全部あるいは一部を除去することを特徴とする請求項記載の接合方法。 The joining method according to claim 5 , wherein after joining materials to be joined by the tool, all or part of the tool body is removed.
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