JP6739171B2 - Friction stir welding method - Google Patents
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本発明は摩擦攪拌接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding method.
近年、材料の接合手法として摩擦攪拌接合が用いられている(特許文献1参照)。
摩擦攪拌接合では、回転する接合ツールを被接合物に押し当て、摩擦熱で被接合物を流動化させて接合する。
摩擦攪拌接合において、接合ツールは、摩擦攪拌接合装置の主軸に装着され、被接合物の表面と交差方向の回転軸を中心に回転駆動される。そして、回転状態のまま被接合物の表面の接合部分に沿って平行移動される。
In recent years, friction stir welding has been used as a material joining method (see Patent Document 1).
In friction stir welding, a rotating welding tool is pressed against an object to be welded, and the object to be welded is fluidized by friction heat and welded.
In friction stir welding, a welding tool is mounted on a main shaft of a friction stir welding apparatus, and is rotationally driven about a rotation axis that intersects with the surface of an object to be welded. Then, it is translated along the joining portion on the surface of the article to be joined while being rotated.
摩擦攪拌接合装置としては、十分な摩擦熱を得るために、接合ツールの回転に高トルクが必要であり、専用の装置が多用される。一方、高トルクであれば、汎用の工作機械も用いられる。
接合ツールとしては、例えば円柱状のホルダの下端面に、同軸で下向きに円錐状のピンを形成したものが用いられる。ピンの周囲には段差状のショルダーが形成される。
摩擦攪拌接合の動作時には、ピンが被接合物の内部に導入され、ショルダーは被接合物の表面に向かい合う状態に維持される。
As a friction stir welding device, a high torque is required for rotating the welding tool in order to obtain sufficient friction heat, and a dedicated device is often used. On the other hand, if the torque is high, a general-purpose machine tool is also used.
As the joining tool, for example, a tool in which a conical pin that is coaxial and downward is formed on the lower end surface of a cylindrical holder is used. A stepped shoulder is formed around the pin.
During the friction stir welding operation, the pin is introduced inside the object to be welded, and the shoulder is maintained to face the surface of the object to be welded.
摩擦攪拌接合を行う際、被接合物は接合ツールにより流動化される。流動化はピンの周囲で顕著であり、流動化した部分の上面側はショルダーで覆われる。
ところが、状況によって、被接合物の流動化部分が、ピンの周囲から溢れ出ることがある。そして、溢れ出た流動化部分が被接合物の周辺表面まで拡がってしまった場合など、元の流動化部分に戻ることができず、接合ツールが通過した後の被接合物の接合跡が埋められず、接合結果が不良となることがある。
When performing friction stir welding, the objects to be welded are fluidized by the welding tool. The fluidization is remarkable around the pin, and the upper surface side of the fluidized portion is covered with a shoulder.
However, depending on the situation, the fluidized portion of the article to be welded may overflow from around the pin. Then, when the overflowed fluidized part has spread to the peripheral surface of the object to be welded, it cannot return to the original fluidized part, and the welding trace of the object to be welded after the welding tool has passed through is filled. If not, the joining result may be poor.
このような溢れの原因として、被接合物の流動化は、回転するピンに対する摩擦熱による温度上昇に基づくものであり、ピンと被接合物との摩擦状態、周辺の気流による放熱状態によって温度が変化し、接合ツールの移動とピンの周囲の流動化とが必ずしも一定の状態で進行しない等が考えられる。しかし、これらの変化を高精度に測定することは難しく、接合ツールの回転状態や移動状態を精密に制御することは現実的に困難であり、流動化部分の溢れを防止できる方法の開発が求められていた。 As a cause of such overflow, the fluidization of the article to be welded is based on the temperature rise due to frictional heat to the rotating pin, and the temperature changes depending on the friction state between the pin and the article to be welded and the heat radiation state due to the surrounding air flow. However, it is conceivable that the movement of the welding tool and the fluidization around the pin do not always proceed in a constant state. However, it is difficult to measure these changes with high precision, and it is practically difficult to precisely control the rotating state and moving state of the welding tool.Therefore, it is necessary to develop a method that can prevent overflow of the fluidized part. It was being done.
また、前述した摩擦攪拌接合においては、被接合物に十分な摩擦を生じさせるために、接合ツールを被接合物に強く押し付けることが必要である。被接合物の剛性が高い場合、強い押し付けにも耐えられる。しかし、被接合物が薄い板状である場合など、接合ツールの強い押し付けにより、被接合物が変形し、逃げてしまい、所期の摩擦攪拌が得られない可能性があった。従来、このような変形を防止するために、薄い被接合物の下面側(裏面側)にサポートを設けることも行われる。しかし、設備スペースや被接合物の形状によっては、サポートが設置できないこともある。そこで、薄い被接合物における逃げの問題についても、改善が求められていた。 Further, in the friction stir welding described above, it is necessary to strongly press the welding tool against the object to be welded in order to generate sufficient friction on the object. If the objects to be joined have high rigidity, they can withstand strong pressing. However, when the object to be welded has a thin plate shape, the object to be welded may be deformed and escape due to strong pressing of the welding tool, and the desired friction stir may not be obtained. Conventionally, in order to prevent such deformation, a support is also provided on the lower surface side (back surface side) of the thin objects to be joined. However, the support may not be installed depending on the equipment space and the shape of the article to be joined. Therefore, improvement has also been demanded for the problem of escape in thin objects to be joined.
本発明の主な目的は、簡単な補助動作で流動化部分の溢れを防止できる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、薄い被接合物に対しても変形が少ない摩擦攪拌接合方法を提供することにある。
A main object of the present invention is to provide a friction stir welding method capable of preventing overflow of a fluidized portion with a simple auxiliary operation.
Another object of the present invention is to provide a friction stir welding method in which deformation is small even for thin objects to be welded.
本発明は、下向きのピンおよびショルダーを有する接合ツールを用いて一対の被接合物を接合する摩擦攪拌接合方法であって、
前記ピンを前記被接合物中で回転させ、前記ピンの周囲の前記被接合物を流動化させるとともに、
前記接合ツールを前記被接合物の表面に沿って水平に移動させつつ、前記接合ツールを前記被接合物の表面に対して周期的に昇降させ、
前記接合ツールの上昇時に、前記ショルダーで前記被接合物の流動化部分を引き上げ、
前記接合ツールの下降時に、前記ショルダーで前記流動化部分を押圧することを特徴とする。
The present invention is a friction stir welding method for welding a pair of objects to be welded using a welding tool having a downward pin and a shoulder,
While rotating the pin in the object to be joined, to fluidize the object to be joined around the pin,
While horizontally moving the welding tool along the surface of the object to be welded, the welding tool is periodically moved up and down with respect to the surface of the object to be welded,
When the welding tool is raised, the shoulder raises the fluidized portion of the welded object,
During lowering of the bonding tool, characterized in that for pressing the pre-Symbol flow if part the shoulder.
このような本発明では、接合ツールの移動方向前側で、ピンの周囲の流動化部分が溢れ出そうになっても、ショルダーにより押し付けられてピンの周囲に押し戻される。これにより、接合ツールの移動方向後側には、十分な量の流動化部分が押し戻され、再び固化される。その結果、接合ツールが通過した後の被接合物の接合跡は良好な状態とされる。
このように、本発明によれば、簡単な補助動作で流動化部分の溢れを防止でき、接合結果を良好なものとすることができる。
According to the present invention as described above, even if the fluidized portion around the pin is about to overflow on the front side in the moving direction of the welding tool, it is pressed by the shoulder and pushed back around the pin. As a result, a sufficient amount of the fluidized portion is pushed back to the rear side in the moving direction of the welding tool and solidified again. As a result, the welding marks of the objects to be welded after passing through the welding tool are in a good state.
As described above, according to the present invention, the overflow of the fluidized portion can be prevented by a simple auxiliary operation, and the joining result can be improved.
さらに、本発明の摩擦攪拌接合方法は、薄い被接合物に適用した場合、下面側のサポートがなくても、接合後の変形を押さえることができる。すなわち、本発明では接合ツールを昇降させるため、下降時に押し下げられて被接合物が下方へ変形しても、接合ツールの上昇時に母材の変形が弾性限度内で回復し、次の下降時に元の位置で押し付けを受けることができる。その結果、本発明によれば、薄い被接合物に対しても、変形の少ない摩擦攪拌を確実に行うことができる。 Further, when the friction stir welding method of the present invention is applied to a thin object to be welded, deformation after welding can be suppressed even without a support on the lower surface side. That is, in the present invention, since the welding tool is moved up and down, even if the object to be welded is deformed downward by being pushed down when it is lowered, the deformation of the base material is recovered within the elastic limit when the welding tool is raised, and the original material is restored when the welding tool is lowered next time. Can be pressed at the position. As a result, according to the present invention, it is possible to reliably perform friction stir with less deformation even on a thin object to be joined.
本発明の摩擦攪拌接合方法によれば、簡単な補助動作で流動化部分の溢れを防止でき、接合結果を良好なものとすることができる。また、被接合物が薄い場合であっても、摩擦攪拌を確実に行うことができる。 According to the friction stir welding method of the present invention, overflow of the fluidized portion can be prevented with a simple auxiliary operation, and the welding result can be improved. Further, even if the object to be welded is thin, frictional stirring can be reliably performed.
以下、本発明の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図1において、本実施形態は、金属材料製の一対の薄板11,12を被接合物とし、本発明に基づいて摩擦攪拌接合するものである。
薄板11,12は、互いの辺縁11A,12Aを接合線13で突き合わせた状態で、かつ表面が水平な状態となるように、摩擦攪拌接合装置に固定されている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In FIG. 1, in the present embodiment, a pair of
The
本実施形態では、摩擦攪拌接合装置として、図示省略した工作機械を用いる。この工作機械としては、摩擦攪拌接合に十分な高トルクを有するものが選択される。
工作機械の主軸には、摩擦攪拌接合用の接合ツール20が装着されている。
In this embodiment, a machine tool (not shown) is used as the friction stir welding apparatus. As this machine tool, one having a sufficiently high torque for friction stir welding is selected.
A
接合ツール20は、円柱状のホルダ21を有し、その下端面に同軸下向きのピン22を有する。ピン22は円錐状であるが、最大径となる上部であってもホルダ21の外径よりは小さい。このため、ピン22の周囲には、ホルダ21の下端面が段差状に現れ、この段差によりショルダー23が形成されている。
The
接合ツール20は、摩擦攪拌接合装置である工作機械の各軸移動により、ピン22が下向きかつ回転軸が垂直となる状態で、薄板11,12に対して適用される。
すなわち、薄板11,12において、各々の辺縁11A,12Aが接合線13に沿って突き合わせられている。接合ツール20は、回転駆動された状態で、接合線13の一端(図1の下側)に配置され、その先端のピン22が薄板11,12の端面から水平方向に押し付けられる。
ピン22が回転状態で押し付けられることで、薄板11,12には摩擦熱が発生し、薄板11,12は接合線13に沿って流動化する。そして、接合ツール20を接合線13に沿って水平に移動させることで、流動化部分は接合線13に沿って進行する。
The
That is, in the
When the
図2に示すように、ピン22が回転状態で押し付けられることで、ピン22の移動方向前側では、薄板11,12が摩擦熱により流動化する。すなわち、薄板11,12においては、摩擦熱による昇温範囲A1が形成される。そして、高温となるピン22の近傍には流動化領域A2が形成される。
As shown in FIG. 2, when the
一方、ピン22の移動方向後側では、薄板11,12の流動化した部分が混じり合った流動化領域A2が残留する。しかし、ピン22が離れるに従って、流動化していた部分が冷えて再び固まる。そして、薄板11,12の流動化部分が一体で固化して融着領域A3となる。
その結果、接合ツール20が通過した後の接合線13においては、薄板11,12の流動化部分が一体に固化した接合跡14が形成されてゆく。この接合跡14が接合線13の全長にわたって形成されることで、薄板11,12は一体に接合される。
On the other hand, on the rear side in the moving direction of the
As a result, on the joining
このような接合操作を行う際に、本実施形態では、本発明に基づく補助動作を行う。
すなわち、接合ツール20を薄板11,12の表面に沿って水平に移動させつつ、接合ツール20を薄板11,12の表面に対して、所定のパターンPに従って昇降させる。
そして、接合ツール20の下降時に、ショルダー23により薄板11,12の流動化部分を押圧する。
なお、本実施形態において、パターンPは、周期1Hz程度の正弦波振動とされる。
When performing such a joining operation, in the present embodiment, an auxiliary operation based on the present invention is performed.
That is, the
When the
In this embodiment, the pattern P is a sine wave vibration with a period of about 1 Hz.
図3ないし図5には、本発明に基づく接合ツール20の昇降動作およびその作用が示されている。
図3において、接合ツール20を回転させつつ水平移動させてゆくと、薄板11,12においては、ピン22の前側に昇温範囲A1および流動化領域A2が形成され、後側に流動化領域A2および融着領域A3が形成されてゆく。
この際、接合ツール20の回転状態を調整することで、昇温範囲A1は薄板11,12の下面側に到達するものの、流動化領域A2は薄板11,12の下面側に現れることはない。
3 to 5 show the lifting operation of the
In FIG. 3, when the
At this time, by adjusting the rotation state of the
図3において、流動化領域A2は、薄板11,12の材料が流動化した状態となっており、ピン22の特に前側において流動化部分の一部が溢れ15を生じることがある。
しかし、本実施形態では接合ツール20を所定のパターンPで昇降させるため、下降時にショルダー23による押圧が行われ、流動化部分の溢れ15を押し戻すことができる。
In FIG. 3, in the fluidized region A2, the material of the
However, in the present embodiment, since the
図4において、先ず、接合ツール20が上昇することで、ショルダー23の下面も上昇し、流動化領域A2の流動化部分が引き上げられるとともに、周囲にはみ出た溢れ15が内向きに引き寄せられ、流動化領域A2に合流される。
図5において、次に、接合ツール20が下降することで、一旦引き上げられた流動化領域A2の流動化部分および溢れ15が、ショルダー23の下面により下向きに押し付けられ、薄板11,12の間に押し戻される。
In FIG. 4, first, when the
In FIG. 5, when the
このように、接合ツール20の昇降により、流動化領域A2の流動化部分のいわばポンピングが行われ、その際に溢れ15が回収される。
その結果、薄板11,12の周囲に溢れ15が残ることが回避される。さらに、溢れ15の分の材料が、ピン22の後側の融着領域A3に戻されることで、融着領域A3での材料不足が回避され、接合線13の全長にわたって形成される接合跡14を、欠陥のない良好なものとすることができる。
In this way, as the
As a result, it is possible to prevent the
さらに、薄板11,12は、接合ツール20の下降時に押し下げられ、下方へ変形しようとする。しかし、接合ツール20は昇降を行うため、続く接合ツール20の上昇時に母材の変形が弾性限度内で回復する。そして、次の接合ツール20の下降時には、薄板11,12が元の位置で接合ツール20の押し付けを受けることができる。
このように、接合ツール20を昇降させることで、変形し易い薄板11,12であっても、変形の少ない摩擦攪拌を確実に行うことができる。
Further, the
In this way, by raising and lowering the
以上に述べたように、本実施形態によれば、接合ツール20の移動方向前側で、ピン22の周囲の流動化部分が溢れ出そうになっても、ショルダー23により押し付けてピン22の周囲に押し戻すことができる。これにより、接合ツール20の移動方向後側には、十分な量の流動化部分が押し戻され、再び固化される。その結果、接合ツール20が通過した後の被接合物である薄板11,12の接合跡14は、良好な状態とされる。
従って、本実施形態によれば、パターンPによる接合ツール20の昇降という簡単な補助動作で、流動化部分の溢れを防止でき、接合結果を良好なものとすることができる。
As described above, according to the present embodiment, even if the fluidized portion around the
Therefore, according to the present embodiment, the overflow of the fluidized portion can be prevented and the welding result can be improved by a simple auxiliary operation of raising and lowering the
さらに、本実施形態によれば、被加工物が変形し易い薄板11,12であっても、接合ツール20を昇降させることで、下降時の押し付け力による変形を、上昇時に緩和することができ、摩擦攪拌を確実に行うことができる。このため、薄板11,12の下面側にサポートを設けて支持する必要がなく、設備の簡素化が図れるとともに、サポートで支持しにくい形状の被接合物の接合も容易にできる。
Furthermore, according to the present embodiment, even if the work piece is a
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは、本発明に含まれる。
接合ツール20を昇降させるパターンPに関して、その周期を1Hz程度としたが、被接合物である薄板11,12の材質や作業環境の気温などの条件、実際に溢れ15が生じる状態などに応じて、適宜変更すればよい。
周期の変更は、作業開始時に調整してもよいし、溢れ15の状態を見ながら作業中に変更してもよい。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications and the like within a range in which the object of the present invention can be achieved are included in the present invention.
The pattern P for raising and lowering the
The change of the cycle may be adjusted at the start of the work, or may be changed during the work while observing the state of the
接合ツール20の昇降は、前記実施形態のような正弦波状のパターンPに限らず、他の波形であってもよい。
例えば、図6に示すように、パターンPとしては、直線的な昇降となる三角波状としてもよい。
接合ツール20の昇降は、連続的な移動に限らず、断続的な移動による段階的な高さ変化を行うものであってもよい。
例えば、図7に示すように、パターンPとしては、段差状の変化による三角波などであってもよい。
The raising and lowering of the
For example, as shown in FIG. 6, the pattern P may have a triangular wave shape that linearly moves up and down.
The raising and lowering of the
For example, as shown in FIG. 7, the pattern P may be a triangular wave due to a step change.
接合ツール20の昇降は、上昇と下降とが同じ時間(比率が1:1)であるものに限らず、例えば上昇の時間が短く、下降の時間が長いもの等であってもよい。
例えば、図8に示すように、パターンPとしては、周期内の上昇時間が30%で下降時間が70%などとしてもよい。
上昇時間が短い場合、急速な上昇により溢れ15の引き戻しを強くすることができる。また、下降は緩やかであるので、ショルダー23下面の流動化部分が再び溢れ15となることを防止できる。
一方、材料などの条件によっては、上昇時間を長くして溢れ15を緩やかに引き戻し、下降を急速にしてショルダー23による押し下げを強くすることが好ましい場合もある。
The raising and lowering of the
For example, as shown in FIG. 8, the pattern P may have a rise time of 30% and a fall time of 70% in a cycle.
When the rising time is short, the pullback of the
On the other hand, depending on the conditions such as materials, it may be preferable to increase the rising time to gently pull back the
前記実施形態においては、摩擦攪拌接合装置として、摩擦攪拌接合に十分な高トルクを有する工作機械を用いるとしたが、摩擦攪拌接合の専用機を用いてもよい。この場合、接合ツール20の回転駆動、接合ツール20の水平移動(工作機械ではX軸あるいはY軸)のほか、本発明に基づく接合ツール20の昇降が行える機構(工作機械ではZ軸)を備えたものとする必要がある。
In the above-described embodiment, as the friction stir welding apparatus, a machine tool having a sufficiently high torque for friction stir welding is used, but a dedicated machine for friction stir welding may be used. In this case, in addition to the rotational drive of the
前記実施形態では、被接合物として薄板11,12を用いたが、一対のブロック状物その他の形態の被接合物としてもよい。
図9に示すように、被接合物としては、厚みのあるブロック11Bに薄板12を用いてもよい。この場合も、ブロック11Bと薄板12との接合線13に沿って、回転しつつ昇降する接合ツール20を移動させることで、本発明に基づく整った接合跡14を形成することができる。
図10に示すように、被接合物としては、厚みのある一対のブロック11B,12Bを用いてもよい。この場合も、ブロック11B,12Bの接合線13に沿って、回転しつつ昇降する接合ツール20を移動させることで、本発明に基づく整った接合跡14を形成することができる。
Although the
As shown in FIG. 9, the
As shown in FIG. 10, a pair of
本発明は摩擦攪拌接合方法に関し、金属材料などを接合する際に利用できる。 The present invention relates to a friction stir welding method, and can be used when joining metal materials and the like.
11,12…被接合物である薄板、11B,12B…被接合物であるブロック、11A,12A…辺縁、13…接合線、14…接合跡、20…接合ツール、21…ホルダ、22…ピン、23…ショルダー、A1…昇温範囲、A2…流動化領域、A3…融着領域、P…パターン。 11, 12... Thin plates to be joined, 11B, 12B... Blocks to be joined, 11A, 12A... Edges, 13... Joining lines, 14... Joining marks, 20... Joining tools, 21... Holders, 22... Pins, 23... Shoulder, A1... Temperature rising range, A2... Fluidization area, A3... Fusion area, P... Pattern.
Claims (1)
前記摩擦攪拌接合装置により前記ピンを前記被接合物中で回転させ、前記ピンの周囲の前記被接合物を流動化させるとともに、
前記摩擦攪拌接合装置により前記接合ツールを前記被接合物の表面に沿って水平に移動させつつ、前記摩擦攪拌接合装置により前記接合ツールを前記被接合物の表面に対して周期的に昇降させ、
前記接合ツールの上昇時に、前記ショルダーで前記被接合物の流動化部分を引き上げ、
前記接合ツールの下降時に、前記ショルダーで前記流動化部分を押圧することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 A friction stir welding method for joining a pair of objects by using a friction stir welding apparatus equipped with a welding tool having a downward pin and a shoulder,
While rotating the pin in the object to be welded by the friction stir welding device , while fluidizing the object to be welded around the pin,
While horizontally moving the welding tool along the surface of the object to be welded by the friction stir welding apparatus , the friction stir welding apparatus periodically moves the welding tool up and down with respect to the surface of the object to be welded.
When the welding tool is raised, the shoulder raises the fluidized portion of the welded object,
The friction stir welding method characterized in that the fluidized portion is pressed by the shoulder when the welding tool is lowered.
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