JP7247996B2 - Rotary tool for double-sided friction stir welding and double-sided friction stir welding method - Google Patents
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Description
本発明は、対向する一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させながら、板厚が異なる2枚の鋼板を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツール、及び両面摩擦撹拌接合方法に関する。 The present invention provides a rotating tool for double-sided friction stir welding and a double-sided friction stir welding method used for double-sided friction stir welding in which two steel plates having different thicknesses are joined while rotating a pair of opposing rotating tools in opposite directions. Regarding.
摩擦攪拌接合方法は、重ね合わせた又は突き合せた被加工材(例えば鋼板等)の未接合部の両面又は片面に回転工具(例えば回転ツール)を挿入し、この回転ツールを回転しながら移動し、これにより鋼板に摩擦熱を生じさせて軟化させながら、その軟化した部位を回転ツールで撹拌して塑性流動を起こすことによって、鋼板を接合する方法である。 In the friction stir welding method, a rotary tool (e.g., rotating tool) is inserted into both or one side of the unjoined part of the work materials (e.g., steel plates, etc.) that are overlapped or butted together, and the rotating tool is moved while rotating. In this method, the steel sheets are joined by generating frictional heat and softening the steel sheets while agitating the softened portions with a rotating tool to cause plastic flow.
摩擦撹拌接合方法は、回転ツールと鋼板との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であるので、未接合部を溶融することなく接合できる。鋼板が溶融されないので接合部の欠陥が少ないこと、また加熱温度が低いので接合後の変形が少ないこと、さらに接合に溶加材を必要としないこと等の多くの利点がある。 Since the friction stir welding method is a solid-state welding utilizing plastic flow of metal due to frictional heat between a rotating tool and a steel plate, the welding can be performed without melting unbonded portions. Since the steel sheets are not melted, there are few defects in the joint, and since the heating temperature is low, there is little deformation after joining, and there are many advantages such as no need for a filler material for joining.
なお、本明細書では、鋼板を重ね合わせた又は突き合わせただけで未だ接合されていない状態にある、重ね合わせ部分又は突き合わせ部分を「未接合部」と称し、接合されて一体化された部分を「接合部」と称する。 In this specification, the overlapped portion or the butted portion in which the steel plates are overlapped or butted but not yet joined is referred to as the “unjoined portion”, and the joined and integrated portion is referred to as the “unjoined portion”. Referred to as "junction".
自動車や船舶といった輸送機械において、燃費向上の観点から軽量化が強く求められている。その流れの中で、輸送機械に用いられる部材等として、異種の鋼板、例えば板厚が異なる2種以上の鋼板を突き合わせて接合し素材とすることで、一枚の素材の中で複数の特性を持つテーラードブランク材の需要がある。 There is a strong demand for weight reduction from the viewpoint of improving fuel efficiency in transportation equipment such as automobiles and ships. In this trend, different types of steel plates, such as two or more types of steel plates with different thicknesses, are butted and joined together to form a material for parts used in transportation machinery, and multiple properties can be obtained from a single material. There is a demand for tailored blank materials with
自動車分野におけるテーラードブランク材の接合では、レーザ溶接が多く用いられている。しかし、レーザ溶接は溶融接合であり、超高張力鋼や高炭素材をレーザ溶接で溶接すると溶接部はフルマルテンサイト組織となり硬化が顕著となる結果、脆弱な溶接部となってしまう。 Laser welding is often used to join tailored blanks in the automotive field. However, laser welding is fusion joining, and when ultra-high-strength steel or high-carbon materials are welded by laser welding, the welded portion becomes a full martensite structure and hardening is remarkable, resulting in a brittle welded portion.
板厚が異なる鋼板を摩擦攪拌接合する方法として、例えば特許文献1、2の技術がある。
As a method of friction stir welding steel plates having different thicknesses, there are, for example, the techniques of
特許文献1には、摩擦撹拌接合方法をアルミニウム材のテーラードブランク部材へ適用することが記載されている。特許文献1では、回転ツール(接合工具の回転子)の回転軸線を、低位側の接合部材側に傾斜させ、接合部材の合わせ部に挿入する。すなわち、回転ツールは接合方向に対して垂直方向に傾斜させた状態で、合わせ部に沿って接合方向に移動することで、接合部材の表面側から接合している。
特許文献2には、摩擦撹拌接合方法を、アルミニウムやマグネシウムなどを材料とする被接合部材のテーラードブランク部材へ適用することが記載されている。特許文献2は、回転ツールとして、曲面形状のショルダーを有するボビンツールを用いる。このボビンツールは、上基部、上部ショルダー、下基部、下部ショルダー及びショルダー間のプローブが一体に回転可能に構成される。
上述のように、摩擦攪拌接合方法は、回転ツールによって接合界面を撹拌して鋼板を接合する。回転ツールは接合時に大きな負荷を受けるため、これに起因して継手の接合不良が発生する恐れがある。そのため、回転ツールには、接合時における接合不良の発生を抑制することが求められている。 As described above, the friction stir welding method joins steel sheets by stirring the joining interface with a rotating tool. Since the rotating tool receives a large load during joining, there is a risk that joint failure may occur due to this. Therefore, the rotary tool is required to suppress the occurrence of defective joining at the time of joining.
接合不良の発生を抑制するものとして、例えば特許文献3、4の技術がある。
For example,
特許文献3には、摩擦攪拌接合用ツールを被加工物の接合部に回転させながら押圧挿入して移動させる際に生じる、被加工物へのツールの押付け深さの変動に起因する欠陥を抑制するために、ツール深さを一定にする技術が記載されている。具体的には、ショルダ及びピンを有するツールにおいて、被加工物にピンが押圧挿入されたときに該被加工物に接触するショルダの端面の外周側を傾斜面に形成する。この傾斜面によりツール押付け深さを制御する。
特許文献4には、ショルダ面に渦状の条溝を有する円錐台状に形成されたツールを用いて、接合を行う技術が記載されている。このツールによって、摩擦攪拌加工時におけるツールのショルダ部の沈み込みの抑制、及び加工部におけるバリの発生や肉厚の減少が少なく、また加工痕を目立ちにくくすることが可能となる。
しかしながら、特許文献1の技術は、接合部材として、アルミニウム又はその合金製を対象としており、例えば鉄鋼材料のような剛性の高い材料については全く考慮されていない。特許文献1は、板厚が異なる鋼板の接合時に、回転ツールの回転軸線を低位側の接合部材側(接合方向に対して垂直方向)に傾斜させるため、剛性の高い材料を接合しようとすると、回転ツールを傾斜させることで生じる大きな負荷に耐えられない。その結果、回転ツールが破損するため、接合が困難である。また、この大きな負荷に耐えるために、回転ツールを設置する装置に十分な剛性が必要である。
However, the technique of
特許文献2の技術は、曲面形状の上部ショルダー及び下部ショルダーを有するボビンツールを用いて接合する。しかし、ボビンツールを用いているため、上側及び下側のボビンツールの回転方向が同一となる。これにより塑性流動が上側と下側で同様の動きをするため、特に上側及び下側のボビンツール間の距離が短い薄板の接合時や高速での接合時には、接合方向とボビンツールの回転方向が反対方向となるリトリーティングサイド側で、ボビンツールが通過した際に塑性流動によって空孔が生じ、接合部に線状の欠陥が生じやすくなるという問題がある。
The technique of
特許文献3の技術では、装置にツールの押付け深さを制御するための機構が必要である。また特許文献3は、被加工物としてアルミニウム合金を用いているが、特許文献3にはツールの強度特性に関する言及は特にない。そのため、被加工物として別の金属、特に高融点材や高硬度材を用いる際には、ツールの強度が足りず、うまく接合できない問題がある。
In the technique of
特許文献4の技術では、軟化した材料が食い込むことによるバリを発生しないようにするため、加工中に軟化した被加工材料を渦状の条溝に食い込ませて、ショルダ面に適度に保持し留める。そのため、特許文献4には、ツールの外周部から中央に近づくほど溝が深い方が良いと記載されている。しかし、ツールに巻き込む金属量が増加すると、鉄鋼材料のような高剛性の材料を対象とする際には、ツールの破損を生じ、接合が困難である。
In the technique of
また、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属材料と比べて、高温強度の高い鉄鋼材料は、低入熱かつ高い接合速度の接合条件で摩擦攪拌接合する場合、未接合部で十分な塑性流動を得られないことが多い。そのため、接合部材として鉄鋼材料を用いる場合であっても、接合時の欠陥発生の抑制、および接合速度の高速度化が求められている。 In addition, compared to low-melting-point metal materials such as aluminum alloys and magnesium alloys, steel materials with high high-temperature strength are sufficiently welded in the unwelded area when friction stir welding is performed under the welding conditions of low heat input and high welding speed. Plastic flow is often not obtained. Therefore, even when steel materials are used as joining members, it is required to suppress the occurrence of defects during joining and to increase the joining speed.
さらに、鋼板の片面に配置した1つの回転ツールで摩擦攪拌接合する場合、未接合部の一方面側では回転ツールにより十分な塑性流動が得られるものの、他方面側では温度上昇およびせん断応力の負荷が十分でなく、十分な塑性流動を得られないことが多い。そのため、被接合部材の板厚方向に対して十分に均質な塑性流動が得られない課題がある。 Furthermore, when friction stir welding is performed with a single rotating tool placed on one side of a steel plate, although sufficient plastic flow can be obtained by the rotating tool on one side of the unwelded portion, the temperature rise and shear stress load on the other side. is not sufficient and sufficient plastic flow cannot be obtained in many cases. Therefore, there is a problem that a sufficiently homogeneous plastic flow cannot be obtained in the plate thickness direction of the member to be joined.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、対向する一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させながら、板厚が異なる2枚の鋼板を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツール、及び両面摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a double-sided friction stir welding method for joining two steel plates having different thicknesses while rotating a pair of opposing rotating tools in opposite directions. It is an object of the present invention to provide a rotary tool for stir welding and a method for double-sided friction stir welding.
本発明では、上記した課題を解決するために鋭意検討した。 In order to solve the above problems, the present invention has been extensively studied.
図13を用いて、従来例である回転ツールについて説明する。
図13(a)及び図13(b)には、従来例である、プローブ101及びショルダー102のみで構成された回転ツール100の概略図を示す。なお、図13(a)には、従来の回転ツール100の一例として、ショルダー102が断面形状で平面に形成された回転ツール100を示す。図13(b)には、従来の回転ツール100の別例として、ショルダー102が断面形状で凹形状に形成された回転ツール100を示す。図13(a)及び図13(b)は、上側に回転ツール100の断面図を示し、下側に回転ツール100の平面図をそれぞれ示す。
A rotating tool, which is a conventional example, will be described with reference to FIG.
FIGS. 13(a) and 13(b) show schematic diagrams of a
図13(a)及び図13(b)に示す従来の回転ツール100を用いて、板厚の異なる鋼板を突き合わせて摩擦攪拌接合する場合、回転ツール100は接合方向に対して垂直な方向に傾斜させて接合する必要がある。板厚差があることによって、板厚の厚い鋼板側ではツールに大きな負荷がかかる。その結果、回転ツール100が破損しやすく、接合部において適正なビード形状の形成が困難となる。
13(a) and 13(b), when friction stir welding is performed by butting steel plates having different thicknesses, the
そこで、本発明者らは、接合部において適正なビード形が得られる手段について鋭意検討を行い、次の結論を得た。 Therefore, the present inventors have made intensive studies on means for obtaining an appropriate bead shape at the joint and obtained the following conclusions.
板厚差を有する2枚の鋼板を両面摩擦攪拌接合する場合には、回転ツールの外周部をテーパ形状とすることで、回転ツール通過時に鋼板の段差は平滑になり、適正なビードを形成できる。すなわち、回転ツールの外周部をテーパ形状にすることが有効である。また、高温強度の高い鋼板を摩擦撹拌接合するためには、該鋼板に触れる回転ツールの特定の領域を鋼板よりも硬い材質とすることが有効である。 When two steel plates with different thicknesses are to be friction stir welded on both sides, by tapering the outer periphery of the rotary tool, the steps of the steel plates become smooth when passing through the rotary tool, and an appropriate bead can be formed. . That is, it is effective to form the outer peripheral portion of the rotating tool in a tapered shape. Further, in order to friction stir weld high-temperature strength steel plates, it is effective to use a material harder than the steel plate for a specific region of the rotary tool that contacts the steel plate.
以上のことから、本発明者らは、板厚差を有する2枚の鋼板を突き合わせて接合する際に、回転ツールの回転軸を接合方向に対して垂直方向に傾斜させる必要がない、両面摩擦撹拌接合用回転ツールを見出した。また、この回転ツールを好適に用いることができる両面摩擦攪拌接合方法を見出した。 From the above, the present inventors found that when two steel plates having different thicknesses are butted and joined together, there is no need to incline the rotation axis of the rotary tool in the direction perpendicular to the joining direction. A rotary tool for stir welding has been found. In addition, the inventors have found a double-sided friction stir welding method in which this rotating tool can be suitably used.
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とするものである。
[1] 板厚が異なる2枚の鋼板を突き合わせた未接合部の一方面側と他方面側に配置した一対の回転ツールを、互いに逆方向に回転させて鋼板同士を接合する両面摩擦撹拌接合に用いる両面摩擦撹拌接合用回転ツールであって、
前記回転ツールは、該回転ツールの中央にある先端部と、該先端部の外側にある外周部を有し、
前記外周部はテーパ形状であり、
前記先端部および前記外周部は、前記鋼板よりも硬い材質であることを特徴とする両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
[2] 前記外周部のテーパ面と前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面とのなす角度が、2~20°であることを特徴とする[1]に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
[3] 前記外周部は、テーパ部分に、前記回転ツールの回転方向と同じ向きあるいは回転方向と逆向きの渦状の凹部および/または凸部を有することを特徴とする[1]または[2]に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
[4] 前記先端部は、円形かつ平面状、円形かつ凸型の曲面状、および円形かつ凹型の曲面状のうちから選択される1種に形成したことを特徴とする[1]~[3]のいずれか1つに記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
[5] 前記先端部は、前記ツールの回転方向と逆向きの渦状の凹部および/または凸部を有することを特徴とする[4]に記載の両面摩擦撹拌接合用回転ツール。
[6] [1]~[5]のいずれか1つに記載の両面摩擦攪拌接合用回転ツールを用いた両面摩擦攪拌接合方法であって、
板厚が異なる2枚の鋼板を、該鋼板の未接合部の一方の面側が板厚方向に段差を有する状態で突き合わせ、前記未接合部の前記段差を有する面側、あるいは前記未接合部の両方の面側に、前記回転ツールを配置し、
前記段差を有する面側に配置した前記回転ツールの回転方向が、板厚の大きい鋼板側で前記回転ツールの移動方向と反対方向となるように、かつ板厚の小さい鋼板側で前記回転ツールの移動方向と同一方向となるように、前記回転ツールを回転させながら前記未接合部に沿って移動させ、該鋼板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法。
The present invention has been made based on the above findings, and has the following gist.
[1] Double-sided friction stir welding in which a pair of rotating tools arranged on one side and the other side of the unjoined portion of two steel plates with different thicknesses are rotated in opposite directions to join the steel plates together. A rotating tool for double-sided friction stir welding used for
the rotary tool has a tip in the center of the rotary tool and an outer periphery outside the tip;
The outer peripheral portion has a tapered shape,
A rotary tool for double-sided friction stir welding, wherein the tip portion and the outer peripheral portion are made of a material harder than that of the steel plate.
[2] For double-sided friction stir welding according to [1], wherein the angle formed by the tapered surface of the outer peripheral portion and the surface perpendicular to the rotation axis of the rotating tool is 2 to 20 °. rotating tool.
[3] [1] or [2], wherein the outer peripheral portion has spiral recesses and/or protrusions in the tapered portion that are oriented in the same direction as or opposite to the direction of rotation of the rotating tool. 2. A rotating tool for double-sided friction stir welding according to .
[4] The tip portion is formed in one type selected from a circular and flat shape, a circular and convex curved surface shape, and a circular and concave curved surface shape [1] to [3] ], the rotary tool for double-sided friction stir welding according to any one of
[5] The rotary tool for double-sided friction stir welding according to [4], wherein the tip portion has spiral concave portions and/or convex portions facing in a direction opposite to the rotating direction of the tool.
[6] A double-sided friction stir welding method using the rotating tool for double-sided friction stir welding according to any one of [1] to [5],
Two steel plates having different plate thicknesses are butted against each other in a state in which one surface side of the unjoined portion of the steel plates has a step in the plate thickness direction, and the surface side of the unjoined portion having the step, or the unjoined portion. Place the rotating tool on both face sides,
The direction of rotation of the rotating tool disposed on the surface side having the step is opposite to the direction of movement of the rotating tool on the side of the steel plate with a large thickness, and the direction of rotation of the rotating tool on the side of the steel plate with a small thickness. A double-sided friction stir welding method in which the rotating tool is rotated and moved along the unjoined portion so that the steel plates are joined together in the same direction as the moving direction.
本発明によれば、板厚が異なる2枚の鋼板を突き合わせて接合する場合であっても、回転軸の角度の調整が不要な両面摩擦攪拌接合用回転ツールを提供できる。
また、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールを用いることにより、対向する一対の回転ツールを互いに逆方向に回転させながら、板厚が異なる2枚の鋼板を接合する両面摩擦攪拌接合方法を提供できる。
According to the present invention, it is possible to provide a rotary tool for double-sided friction stir welding that does not require adjustment of the angle of the rotary shaft even when two steel plates having different thicknesses are butted and joined.
Further, by using the rotary tool for double-sided friction stir welding of the present invention, a double-sided friction stir welding method for joining two steel plates having different plate thicknesses while rotating a pair of opposing rotary tools in opposite directions to each other is provided. can.
以下、各図を参照して、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールについて説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されない。 Hereinafter, the rotating tool for double-sided friction stir welding of the present invention will be described with reference to each drawing. Note that the present invention is not limited to this embodiment.
まず、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールについて説明する。 First, the rotating tool for double-sided friction stir welding of the present invention will be described.
本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツール(以下、回転ツールと称する。)は、板厚の異なる2枚の鋼板を接合する両面摩擦攪拌接合方法に好適に用いることができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The rotary tool for double-sided friction stir welding of the present invention (hereinafter referred to as rotary tool) can be suitably used in a double-sided friction stir welding method for joining two steel plates having different thicknesses.
図1には、板厚方向に段差を設けて突き合せた鋼板に対して両面摩擦攪拌接合を実施する場合の一例を示す。図1に示すように、この両面摩擦攪拌接合方法では、板厚が異なる2枚の鋼板3、4の端面を互いに突き合わせて未接合部6とし、未接合部6の一方面側(上面側)及び他方面側(下面側)に一対の回転ツール1、2を配置する。回転ツール1、2は、互いに逆方向に回転しながら未接合部6に沿って接合方向(図1に示した矢印Fの方向)に移動する。この際、段差を有する面側(図1に示す例では、未接合部6の上面側)に配置した回転ツールの回転方向が、板厚の大きい鋼板側で上記回転ツールの移動方向(矢印Fの方向、接合方向)に対して反対方向となるように、かつ板厚の小さい鋼板側で上記回転ツールの移動方向(矢印Fの方向)に対して同一方向となるように回転させる。回転ツール1、2は未接合部6で鋼板に接触し、突き合せた部分は摩擦熱を生じて軟化し、回転ツールで塑性流動を起こすことで固相接合し、接合部5が形成される。
FIG. 1 shows an example of a case where two-sided friction stir welding is performed on steel plates that are butted against each other with a step provided in the plate thickness direction. As shown in FIG. 1, in this double-sided friction stir welding method, the end faces of two
本発明の回転ツールは、未接合部6の上面側および下面側に配置した一対の回転ツール1、2のうち、少なくとも段差を設けた面側に配置される回転ツールに適用すれば、本発明の効果を得られる。図1に示す例では、鋼板の上面側(一方面側)に板厚方向の段差を設けている。この場合には、未接合部6の上面側に配置される回転ツール1のみに本発明を適用してもよく、あるいは未接合部6の上面側及び下面側に配置される回転ツール1、2に本発明を適用してもよい。
Of the pair of
なお、図1には、2枚の鋼板を突き合せた未接合部に対して両面摩擦攪拌接合を実施する場合を示した。この場合に限らず、本発明は、2枚の鋼板を重ね合わせた未接合部に対して両面摩擦攪拌接合を実施する場合にも、当然に適用できる。 In addition, FIG. 1 shows a case where two-sided friction stir welding is performed on an unjoined portion where two steel plates are butted together. The present invention is naturally applicable not only to this case, but also to the case where two-sided friction stir welding is performed on an unjoined portion in which two steel plates are overlapped.
図2~図10を用いて、本発明の回転ツールにおける各実施形態を説明する。
図2には本発明の回転ツールの第1実施形態を示し、図3(a)および図3(b)には本発明の回転ツールの第2実施形態を示し、図4(a)~図4(c)には本発明の回転ツールの第3実施形態を示し、図5(a)~図5(c)には本発明の回転ツールの第4実施形態を示し、図6(a)~図6(c)には本発明の回転ツールの第5実施形態を示し、図7(a)~図7(c)、図8(a)~図8(c)および図9(a)~図9(c)には本発明の回転ツールの第6実施形態を示し、図10(a)~図10(c)には本発明の回転ツールの第7実施形態を示す。
なお、各図において、上側に示した図が回転ツールを側面視した断面図であり、下側に示した図が回転ツールを上面視した平面図である。未接合部6の上面側に配置された回転ツール1および下面側に配置された回転ツール2は、先端部を中心として点対称の形状であるため、ここでは上面側に配置された回転ツール1のみを示す。
Each embodiment of the rotary tool of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 10. FIG.
2 shows a first embodiment of the rotary tool of the present invention, FIGS. 3(a) and 3(b) show a second embodiment of the rotary tool of the present invention, and FIGS. 4(c) shows a third embodiment of the rotary tool of the present invention, FIGS. 5(a) to 5(c) show a fourth embodiment of the rotary tool of the present invention, and FIG. 6(a). 6(c) show a fifth embodiment of the rotary tool of the present invention, and FIGS. 7(a) to 7(c), 8(a) to 8(c) and 9(a). 9(c) show a sixth embodiment of the rotary tool of the present invention, and FIGS. 10(a) to 10(c) show a seventh embodiment of the rotary tool of the present invention.
In each figure, the top view is a side sectional view of the rotary tool, and the bottom view is a top plan view of the rotary tool. Since the
本発明の回転ツール(図1に示す例では、対向する一対の回転ツール1、2、あるいはいずれか一方(鋼板の上面側)の回転ツール1)は、図2~図10に示すように、回転ツールの中央にある先端部9と、この先端部9の外側にある外周部10を有する。
The rotary tool of the present invention (in the example shown in FIG. 1, a pair of opposing
なお、先端部9は、図2~図3に示すように、その中央にプローブ9aを有していてもよい。この場合には、先端部9は、プローブ9aおよびショルダー部9bからなる。すなわち、図2~図3に示す例では、本発明の回転ツールは、プローブ9aおよびショルダー部9bからなる先端部9と、その外側にある外周部10とを有する。
Note that the
回転ツール1、2の先端部9および外周部10は、接合時に高温状態に晒される。したがって、先端部9および外周部10は、接合される鋼板よりも硬い材質で形成する。これにより、接合時に、回転ツール1、2は先端部9および外周部10の形状を保持したまま鋼板に変形を加えることができる。その結果、高い撹拌能を持続的に実現することができ、適正な接合が可能となる。
なお、鋼板および回転ツールの上記した硬さを比較する際には、例えば高温ビッカース硬さ試験方法(JIS Z 2252)を用いればよい。回転ツール1、2は、その先端部9および外周部10を上記した硬さとしてもよく、あるいは回転ツール1、2全体を上記した硬さとしてもよい。
When comparing the hardness of the steel plate and the rotary tool, for example, the high-temperature Vickers hardness test method (JIS Z 2252) may be used. The
回転ツール1、2の外周部10は、テーパ形状に形成する。図13に示した従来の回転ツール100と比べると、本発明の回転ツール1、2の外周部10はテーパ形状を有していることがわかる。ここで、外周部10におけるテーパ形状とは、図2~図10に示すように円錐台形状に形成されていることを意味する。
The outer
外周部10がテーパ形状に形成されることによって、次の作用効果を得ることができる。図11を用いて説明する。図11には、接合時に鋼板3、4が軟化した部分において、回転ツール1、2が板厚方向で中心位置まで侵入している状態を示す。
By forming the outer
図11に示すように、回転ツール1、2の外周部10は、接合時に鋼板3、4に接触する。外周部10をテーパ形状にすることによって、板厚が異なる2枚の鋼板3、4の段差は回転ツール1、2の通過時に平滑になり、適正なビードを形成できる。その結果、欠陥の無い継手の作製が可能となる。これに対し、上記した特許文献1に開示されたような従来の回転ツールを用いる場合、適正なビードを形成するためには、回転ツールの回転軸を接合方向に対して垂直な方向(回転ツールの回転軸を低位側の鋼板側)に傾ける必要があった。また、高融点材や高硬度材の接合時には、回転ツールを傾斜させることで生じる大きな負荷に耐えられず、回転ツールが破損するため、接合が困難であった。この大きな負荷に耐えるためには、回転ツールを設置する装置に十分な剛性が必要であった。
As shown in FIG. 11, the outer
しかし、本発明では、回転ツールの外周部10がテーパ形状を有することで、板厚の大きい鋼板(厚板)(図11に示す例では鋼板3)および板厚の小さい鋼板(薄板)(図11に示す例では鋼板4)の段差を考慮に入れる必要がなく、適正なビード形成のための回転ツールの回転軸角度の裕度が向上する。すなわち、本発明によれば、従来の回転ツールのように、接合時に、回転ツールの回転軸を接合方向に対して垂直な方向(回転ツールの回転軸を低位側の鋼板側)に傾斜させることなく、接合方向に移動することができる。
However, in the present invention, since the outer
この効果を得るためには、例えば図11に示すように、回転ツールの狙い位置(被接合鋼板と回転ツールの位置関係)を、回転ツールのテーパ形状部(回転ツールの外周部10のテーパ形状部分)が鋼板3、4と回転ツールの接触部の最外部に位置し、かつ、回転ツールの中心部が被接合鋼板の突合せ部から板幅方向に±2mm以内とすることが好ましい。
なお、回転ツールの外周部10がテーパ形状であることによって、ツール狙い位置が接合方向に対して鋼板表面の法線方向にずれた場合においても、ツールのテーパ角度に従って押圧することができるため、予定した適切なビード形状を得られる。
In order to obtain this effect, for example, as shown in FIG. portion) is located at the outermost part of the contact portion between the
Since the outer
本発明の回転ツールは、上述した構成要件を有することによって本発明の効果を得ることができる。なお、より一層効果を向上させることを目的として、上記した構成要件に加えて、更に次の構成要件を有することができる。 The rotary tool of the present invention can obtain the effects of the present invention by having the above-described configuration requirements. For the purpose of further improving the effect, in addition to the above-described constituent elements, the following constituent elements can be provided.
回転ツール1、2の外周部10は、外周部のテーパ面と回転ツールの回転軸に対して垂直な面がなす角度をα(図2を参照)とするとき、2°≦α≦20°の傾き(傾斜)となるテーパを有することができる。
The outer
テーパの角度(傾斜)αが2°より小さい場合には、板厚が異なる2枚の鋼板の突き合わせ部分の段差間を回転ツールが通過する時に、段差部分を平滑にする能力が低下する恐れがある。また、回転ツールの外周部10に大きな応力がかかることで、回転ツールが破損する恐れがある。一方、テーパの角度αが20°より大きい場合には、外周部10と2枚の鋼板との接触面積が減少することで接合能力が低下する。したがって、テーパの角度αは2°以上20°以下とすることが好ましい。より好ましくは8°以上であり、より好ましくは15°以下である。
If the taper angle (inclination) α is less than 2°, when the rotary tool passes through the gap between the butted portions of two steel plates having different thicknesses, the ability to smooth the stepped portion may decrease. be. In addition, the rotary tool may be damaged due to the large stress applied to the outer
なお、図2に示す例のように、本発明の回転ツールは、円錐台形状のテーパ面が外周部10であり、その内側を先端部9とする。テーパ面は、変位計を用いたツール計測により、指定したツール寸法に対して円錐台形状の形状誤差が±0.005mm以内であれば、上記した効果が得られやすい。
As in the example shown in FIG. 2, in the rotary tool of the present invention, the truncated cone-shaped tapered surface is the outer
また、回転ツールの外周部10は、テーパ部分に渦状の凹部および/または凸部11を有することができる。渦状(螺旋状、スパイラル状)の凹部および/または凸部11は、各回転ツール1、2の回転方向に対して同じ向き(同一方向)でもよく、あるいは逆向き(反対方向)でもよい。渦状の凹部および/または凸部11として、例えば溝や段差などを設けることが好ましい。溝として、例えば断面形状が四角状あるいは半円状に形成されたものを挙げることができる。段差として、例えば階段状に形成されたものを挙げることができる。
Also, the
図3(a)および図3(b)には、外周部10に渦状の凹部および/または凸部11を設けた回転ツール1を示しており、図3(a)の回転ツール1は回転方向に対して同じ方向の渦の凹部および/または凸部11を有する例であり、図3(b)の回転ツール1は回転方向に対して逆向きの渦の凹部および/または凸部11を有する例である。ここでは、凹部および/または凸部11として、凹状の溝を設けた一例を示している。
FIGS. 3(a) and 3(b) show a
図3(a)に示すように、回転ツール1、2の回転方向に対して同じ向きの渦状の凹部および/または凸部11を外周部10のテーパ面に設けることで、回転ツール1、2による鋼板(厚板および薄板)の押圧時および撹拌時に生じる、回転ツール1、2の内側から外側へ向かう摩擦熱によって、軟化した金属材料を流動させる。これにより、厚板と薄板との板厚差によって生じる余剰な金属材料を、回転ツール1、2による押圧部分の外側へ流出することができる。その結果、回転ツールにかかる負荷を軽減することが可能となる。
As shown in FIG. 3( a ), by providing spiral recesses and/or
一方、図3(b)に示すように、回転ツール1、2の回転方向に対して逆向きの渦状の凹部および/または凸部11を外周部10に設けることで、回転ツール1、2による鋼板(厚板および薄板)の押圧時および撹拌時に生じる、回転ツール1、2の外側から内側へ向かう摩擦熱によって、軟化した金属材料を流動させる。これにより、金属材料が回転ツール1、2による押圧部分の外側へ流出することを抑制できる。その結果、押圧部分の塑性流動を促進することができる。また、接合部の厚さが母材の板厚との比で減少することを抑止することができる。さらに、バリの少ない接合部表面を形成することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 3( b ), by providing a spiral concave portion and/or
なお、渦状の凹部および/または凸部11は、1つ以上設けることが好ましい。一方、渦状の凹部および/または凸部11は、6つを超えて設けると金属材料の流動を向上する効果が乏しくなる。また、形状が複雑化することによって回転ツール1、2の外周部10の渦状の凹部および/または凸部11が破損しやすくなる恐れがある。このような理由から、6つ以下とすることが好ましい。なお、図3(a)および図3(b)に示す例では、いずれも渦状の凹部および/または凸部11の数は4つである。
One or more spiral recesses and/or
また、上述した作用が得られれば、渦状の凹部および/または凸部11の形状は特に規定しない。
Further, the shape of the spiral concave portion and/or the
回転ツール1、2の先端部9は、円形かつ平面状、円形かつ凸型の曲面状(凸面状)、および円形かつ凹型の曲面状(凹面状)のうちから選択される1種に形成することができる。
図4(a)~図4(c)には、円形かつ凸面状、すなわち先端部9を平面視で円形、かつ側面視で凸面状に形成した回転ツール1を示す。図5(a)~図5(c)には、円形かつ平面状、すなわち先端部9を平面視で円形、かつ側面視で平面状に形成した回転ツール1を示す。図6(a)~図6(c)には、円形かつ凹面状、すなわち先端部9を平面視で円形、かつ側面視で凹面状に形成した回転ツール1を示す。各図(a)は外周部10に渦状の凹部および/または凸部を有しない例であり、各図(b)は外周部10に回転ツール1の回転方向に対して同じ向きの渦状の凹部および/または凸部11を有する例であり、各図(c)は外周部10に回転ツール1の回転方向に対して逆向きの渦状の凹部および/または凸部11を有する例である。
The
FIGS. 4(a) to 4(c) show a
なお、凸面状の先端部9とは、図4に示すように、鋼板と接する先端面が中心方向に向かって膨らむ一つの曲面(放物面、長球面もしくは球面)を意味する。また、凹面状の先端部9とは、図6に示すように、鋼板と接する先端面が中心方向に向かって窪む一つの曲面(放物面、長球面もしくは球面)を意味する。また、平面状の先端部9とは、図5に示すように、鋼板と接する先端部が平坦な面であることを意味する。
In addition, as shown in FIG. 4, the
例えば図13に示すように、従来の先端部にプローブを有する回転ツールでは、鋼板のような高剛性材料を接合対象とした際にプローブに応力が集中し、ツールの耐久性が低下する傾向があった。しかし、本発明のように、先端部9を上述した円形かつ凸面状、円形かつ平面状、あるいは円形かつ凹面状とする場合には、プローブがないことで応力集中が緩和され、ツール耐久性をより一層向上できる。
For example, as shown in FIG. 13, with a conventional rotating tool having a probe at the tip, when a high-rigidity material such as a steel plate is to be joined, stress concentrates on the probe, and the durability of the tool tends to decrease. there were. However, when the
特に、凸面状では凸高さが高いほど、接合時の塑性流動を生じさせる能力が増加するが、凹面状では凹深さが大きいほど、接合時の塑性流動を生じさせる能力が減少する。また、平面状では凸面状時と凹面状時との中間となる塑性流動を生じさせる能力を有する。このように、回転ツールの凸面高さや凹面深さを調整することで塑性流動性を操作することができるため、本発明では、接合材の強度や必要な特性に応じて、適切な先端部9の形状およびサイズを適宜選択すればよい。 In particular, the higher the height of the convex surface, the greater the ability to generate plastic flow during bonding. In addition, when it is flat, it has the ability to produce a plastic flow that is intermediate between that of a convex surface and that of a concave surface. In this way, the plastic fluidity can be controlled by adjusting the height of the convex surface and the depth of the concave surface of the rotary tool. The shape and size of can be selected as appropriate.
また、回転ツールの先端部9は、上述した円形かつ平面状、円形かつ凸面状、および円形かつ凹面状のうちから選択される1種に形成した場合、さらに、先端部9に渦状(螺旋状、スパイラル状)の凹部および/または凸部12を有することができる。渦状の凹部および/または凸部12の形状として、例えば溝や段差などを設けることが好ましい。溝として、例えば断面形状が四角状あるいは半円状に形成されたものを挙げることができる。段差として、例えば階段状に形成されたものを挙げることができる。先端部9に設ける渦状の凹部および/または凸部12は、各回転ツール1、2の回転方向と逆向き(反対方向)に形成する。
In addition, when the
渦状の凹部および/または凸部12は、1つ以上設けることが好ましい。一方、渦状の凹部および/または凸部12は、6つを超えて設けると金属材料の流動を向上する効果が乏しくなる。また、形状が複雑化することによって回転ツール1、2の先端部9が破損しやすくなる恐れがある。このような理由から、6つ以下とすることが好ましい。なお、図7(a)~図7(c)、図8(a)~図8(c)、図9(a)~図9(c)に示す例では、いずれも渦の数は4つであり、また渦状の凹部および/または凸部12として「溝」を設けている。
ここでは「溝」の一例を示したが、例えば図10(a)~図10(c)に示すように「段差」としてもよい。
Preferably, one or more spiral recesses and/or
Although an example of the "groove" is shown here, it may be a "step" as shown in FIGS. 10(a) to 10(c).
前述のように、外周部10および先端部9は、渦状の凹部および/または凸部の有無、および渦状や凸部の形成方向(回転方向と同じ向きあるいは回転方向と逆向き)を選択することで、回転ツールの回転軸の中心方向や法線方向へ摩擦熱によって軟化した金属材料を選択的に流動させることができるため、材料の攪拌を制御することが可能となる。
As described above, for the outer
なお、被接合材は、接合対象として超ハイテンなどの鋼板を対象とすることが好ましい。ただし、被接合材は、この例に限られるものではない。
被接合材の板厚は20mm以下が好ましく、板厚比(板厚の大きい鋼板の板厚/板厚の小さい鋼板の板厚)は1.6以下が好ましい。
In addition, it is preferable that the material to be joined is a steel plate such as an ultra-high tensile strength steel plate as an object to be joined. However, the materials to be joined are not limited to this example.
The plate thickness of the material to be joined is preferably 20 mm or less, and the plate thickness ratio (thickness of large steel plate/thickness of small steel plate) is preferably 1.6 or less.
被接合材として鋼板を用いる場合、対象鋼種としては一般的な構造用鋼や炭素鋼、例えばJIS(日本工業規格)G 3106の溶接構造用圧延鋼材、JIS G 4051の機械構造用炭素鋼などを好適に用いることができる。また、引張強さが800MPa以上の高強度構造用鋼も好適に用いることができる。このような鋼板を用いる場合であっても、接合部において、鋼板(母材)の引張強さの85%以上の強度、さらには90%以上の強度、さらに好ましくは95%以上の強度を得ることができる。 When steel plates are used as the materials to be joined, general structural steels and carbon steels, such as JIS (Japanese Industrial Standards) G 3106 welded structural rolled steels and JIS G 4051 mechanical structural carbon steels, are used. It can be used preferably. Also, high-strength structural steel having a tensile strength of 800 MPa or more can be suitably used. Even when such a steel plate is used, a strength of 85% or more, more preferably 90% or more, more preferably 95% or more of the tensile strength of the steel plate (base material) is obtained at the joint. be able to.
次に、本発明の両面摩擦撹拌接合方法の一実施形態について説明する。
なお、本発明の両面摩擦攪拌接合方法は、上述した両面摩擦撹拌接合用回転ツール(以下、回転ツールと称する。)を好適に用いることができる。ここでは、上述した図1を用い、両面摩擦撹拌接合方法の一例として突合せ接合を実施する場合について説明する。
Next, an embodiment of the double-sided friction stir welding method of the present invention will be described.
The double-sided friction stir welding method of the present invention can suitably use the above-described rotary tool for double-sided friction stir welding (hereinafter referred to as a rotary tool). Here, a case where butt welding is performed as an example of the double-sided friction stir welding method will be described with reference to FIG. 1 described above.
図1に示すように、両面摩擦撹拌接合方法では、1対の回転ツール1、2、把持装置(図示せず)および回転ツール1、2の動作を制御する制御装置(図示せず)を備える両面摩擦撹拌接合装置を用いる。制御装置では、例えば回転ツール1、2の傾斜角度、回転ツール1、2の先端部同士の距離、接合速度、および回転ツール1、2の回転数等を制御する。把持装置では、鋼板3、4を固定することにより、回転ツール1、2の進行に伴う鋼板3、4の位置の変動を防止する。把持装置としてはこの変動を防止できるものを使用すれば良いため、本発明ではその構成を特に限定しない。
As shown in FIG. 1, the double-sided friction stir welding method comprises a pair of
両面摩擦撹拌接合装置の回転ツール1、2は、被接合材である板厚の異なる2枚の鋼板(鋼板3、鋼板4)の一方面側(上面側)と他方面側(下面側)にそれぞれ配置する。なお、以降の説明において、鋼板3、4の上面側に配置される回転ツールを「上面側回転ツール1」と称し、鋼板3、4の下面側に配置される回転ツールを「下面側回転ツール2」と称する場合もある。
The
2枚の鋼板3、4は、板厚方向に段差を有する状態で鋼板3、4の端面(突き合わせ面)を互いに突き合わせて配置し、把持装置(図示せず)で把持する。図1に示す例では、上面側回転ツール1の回転方向TSが接合方向(図1に示した矢印Fの方向)に対して反対方向(逆向き)となる側に鋼板3を配置し、上面側回転ツール1の回転方向TSが接合方向に対して同一方向(同じ向き)となる側に鋼板4を配置する。鋼板3は、鋼板4よりも板厚が大きい。鋼板3、4は、一方面側にのみ段差を有するように突き合わせる。
The two
なお、図12に示すように、鋼板3、4は、一方面側および他方面側(上面側及び下面側)の両方に板厚方向の段差を有するように突き合せてもよい。この際、突き合わせ部分の上面側では鋼板3が鋼板4に対して突出するように段差を設け、突き合わせ部分の下面側では鋼板4が鋼板3に対して突出するように段差を設ける。
As shown in FIG. 12, the
図1に示すように、回転ツール1、2は、接合中央線8上に位置する鋼板3と鋼板4の未接合部6に挿入する。回転ツール1、2は、未接合部6において、鋼板3および鋼板4を押圧しつつ、回転しながら接合する部分に沿って接合方向に移動する。これにより、回転ツール1、2と鋼板3、4の摩擦熱によって両鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツール1、2で撹拌することによって塑性流動を生じさせて、鋼板3と鋼板4を接合する。突き合わせた部分において接合が完了した部分は接合部5である。
As shown in FIG. 1, the
なお、本発明の効果は、未接合部6において、少なくとも鋼板3、4の段差を設けた面側に配置する回転ツールに、本発明の回転ツールを用いることで得ることができる。当然、鋼板3、4の段差を設けた面側および段差を設けない平坦な面側の両方に配置する回転ツールに、本発明の回転ツールを用いても、同様に本発明の効果は得ることができる。
The effect of the present invention can be obtained by using the rotating tool of the present invention as a rotating tool arranged at least on the side of the
図1に示す例では、上面側回転ツール1に上述した本発明の回転ツールを用いる。鋼板の段差を有する面に配置した回転ツール1は、その回転方向TSが、板厚の大きい鋼板3側では、回転ツール1の移動方向(接合方向)と反対方向になるように回転させる。かつ、板厚の小さい鋼板4側では、回転ツール1の移動方向(接合方向)と同一方向となるように回転させる。
In the example shown in FIG. 1, the above-described rotary tool of the present invention is used as the upper
板厚の大きい鋼板(厚板)3側において、接合方向に対して反対方向に回転ツール1を回転させることによって、その金属を接合方向の後方に塑性流動させることになる。接合方向後方への塑性流動は流動のための移動量が少なく、金属量が多い鋼板(厚板)3側においても、十分に塑性流動が得られ、適正な接合が可能になる。また、板厚の小さい鋼板(薄板)4側において、接合方向に対して同一方向に回転ツール1を回転させることによって、金属を接合方向の前方に塑性流動させることになる。接合方向前方への塑性流動は流動のための移動量が大きくなるが、鋼板(薄板)4側では金属量が少ないため、十分に接合が可能である。
By rotating the
しかし、回転ツール1の回転方向が上記した方向と逆になった場合には、板厚の大きい鋼板(厚板)3側において、接合方向に対して同一方向に回転ツール1は回転することとなり、接合方向の前方に塑性流動させることになる。その結果、流動のための移動量が大きくなり、金属量が多い鋼板(厚板)3側では十分に塑性流動が出来ず、接合欠陥が発生する。
However, if the rotation direction of the
なお、対向する回転ツール1、2の回転方向TS、Tbは、図1に示すように、鋼板3、4の上面側(又は下面側)から見て、上面側と下面側で逆方向とする。図1に示す例では、上面側回転ツール1の回転方向を矢印TSで示し、下面側回転ツール2の回転方向を矢印Tbで示している。逆方向とすることにより、回転ツール1、2から鋼板3、4に加わる回転トルクを打ち消し合うことができる。その結果、従来技術である、鋼板の一方面側に配置した1つの回転ツールのみによって未接合部を押圧して接合する摩擦撹拌接合法と比較して、被接合材を拘束する治具の構造を簡略化することが可能となる。
In addition, as shown in FIG. 1, the rotation directions T S and T b of the
これに対し、対向する回転ツール1、2の回転方向は、上面側と下面側で同方向とすると、一方の回転ツールに対する他方の回転ツールの相対速度はゼロに近づく。その結果、鋼板3、4の塑性流動が均質状態に近づくほど塑性変形が小さくなり、金属材料の塑性変形による発熱も得られなくなる。そのため、良好な接合状態を達成することが難しい。よって、良好な接合状態を達成するのに十分な温度上昇とせん断応力を、鋼板の厚さ方向に対して均質的に得るためには、対向する回転ツール1、2の回転方向を上面側と下面側(一方面側と他方面側)で逆方向とすることが有効である。
On the other hand, if the rotation directions of the opposing
上記以外の接合条件については、常法に従えばよい。
例えば、本発明の両面摩擦撹拌接合方法では、回転ツール1、2の回転数は100~5000r/minが好ましく、さらに好ましくは500~3000r/minとする。回転数を当該範囲内とすることで、表面形状を良好に保ちながら過度な熱量の投入による機械特性の低下を抑制する効果がある。
接合速度は、1000mm/min以上が好ましく、さらに好ましくは2000mm/min以上に高速化する。接合速度を当該範囲内とすることで、過度な熱量の投入による機械特性の低下を抑制する効果がある。
回転ツールの傾斜角度(回転ツールの回転軸を、鋼板の鉛直方向の垂線7から接合方向後方に傾斜させたときの、回転軸と鋼板の鉛直方向の垂線とのなす角)は3度以下が好ましい。
Joining conditions other than those described above may be in accordance with conventional methods.
For example, in the double-sided friction stir welding method of the present invention, the rotational speed of the
The joining speed is preferably 1000 mm/min or higher, more preferably 2000 mm/min or higher. By setting the joining speed within this range, there is an effect of suppressing deterioration of mechanical properties due to input of an excessive amount of heat.
The angle of inclination of the rotating tool (the angle between the axis of rotation of the rotating tool and the vertical line of the steel sheet when the axis of rotation of the rotating tool is inclined backward in the joining direction from the
以上説明したように、本発明の両面摩擦撹拌接合用回転ツールにより、異なる板厚の2枚の鋼板に対して、適用板厚によって回転軸の角度を調整する必要なく、欠陥のない継手が作製可能となる。さらに、回転ツールの外周部および先端部のいずれか、または両方に、渦状の凹部および/または凸部を設けることで、撹拌部の塑性流動をより効果的に操作することができる。その結果、例えばバリの排出や抑制が可能となる。 As described above, by using the rotary tool for double-sided friction stir welding of the present invention, a defect-free joint can be produced for two steel plates having different thicknesses without the need to adjust the angle of the rotation axis according to the applied thickness. It becomes possible. Furthermore, by providing spiral recesses and/or protrusions on either or both of the outer peripheral portion and the tip portion of the rotating tool, the plastic flow of the stirring portion can be controlled more effectively. As a result, for example, burrs can be discharged or suppressed.
また上述したように、回転ツールの形状を検討することによって、高速接合速度時においても接合部の欠陥発生を抑制でき、また回転ツールへの負荷を軽減が可能となる。 Further, as described above, by considering the shape of the rotating tool, it is possible to suppress the occurrence of defects in the weld even at high welding speeds, and to reduce the load on the rotating tool.
以下、本発明の作用および効果について、実施例を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されない。 Hereinafter, the action and effects of the present invention will be described using examples. In addition, the present invention is not limited to the following examples.
表1に示す板厚、化学組成、引張強さ、ビッカース硬さの鋼板から2種類を選択し、表2-1~表2-5に示す接合条件で両面摩擦撹拌接合を実施し、接合継手を作製した。 Two types of steel plates with the thickness, chemical composition, tensile strength, and Vickers hardness shown in Table 1 were selected, and double-sided friction stir welding was performed under the welding conditions shown in Tables 2-1 to 2-5. was made.
板厚が異なる2枚の鋼板の端面をフライス加工により平坦化し、その端面を図1に示すように突き合せた。その後、上面側回転ツールは、接合方向に対して垂直方向の傾斜をつけずに(すなわち、回転ツールの回転軸を低位側の鋼板側に傾けずに)、未接合部の一方面側(上面側)および他方面側(下面側)に一対の回転ツールを配置した。鋼板の上面側および下面側の両方から回転ツールを押圧し、接合方向に移動させて接合を行った。 The end faces of two steel plates having different plate thicknesses were flattened by milling, and the end faces were butted together as shown in FIG. After that, the rotating tool on the upper surface side is moved to one side (upper surface A pair of rotating tools were placed on one side (side) and the other side (bottom side). The rotary tool was pressed from both the upper surface side and the lower surface side of the steel plate and moved in the joining direction to perform joining.
なお、本発明の接合を行う際には、上面側回転ツールを反時計周りに回転させ、下面側回転ツールを時計回りに回転させた。また、上面側回転ツールの回転方向が接合方向に対して反対方向となる側に、板厚の大きい鋼板を配置した。この板厚の大きい鋼板を、表2-1~表2-3の中では「供試鋼板A」と称する。一方、上面側回転ツールの回転方向が接合方向に対して同一方向となる側に、板厚の小さい鋼板を配置した。この板厚の小さい鋼板を、表2-1~表2-3の中では「供試鋼板B」と称する。図1に示す例では、鋼板3が供試鋼板Aであり、鋼板4が供試鋼板Bである。
When performing the joining according to the present invention, the upper rotating tool was rotated counterclockwise, and the lower rotating tool was rotated clockwise. In addition, a steel plate having a large thickness was arranged on the side where the rotation direction of the upper surface side rotary tool was opposite to the joining direction. This steel plate having a large thickness is referred to as “test steel plate A” in Tables 2-1 to 2-3. On the other hand, a steel plate with a small thickness was arranged on the side where the rotation direction of the upper side rotary tool is the same as the joining direction. This steel plate with a small thickness is referred to as “test steel plate B” in Tables 2-1 to 2-3. In the example shown in FIG. 1, the
本実施例では、図2、図3(a)~図3(b)、図4(a)~図4(c)、図7(a)~図7(c)に示した9種類の本発明の回転ツールと、図13(b)に示した1種類の従来の回転ツールを用いた。 In this embodiment, nine types of books shown in FIGS. Inventive rotary tools and one type of conventional rotary tool shown in FIG. 13(b) were used.
各回転ツールの寸法は、次の通りである。
図2、図3(a)~図3(b)に示す先端部9にプローブ9aを有する各回転ツールの寸法は、ツール径D1:25mm、プローブ径D3:7mm、ショルダー径D4:12mm、プローブ長さ:0.5mmである。また、図4(a)~図4(c)、図7(a)~図7(c)に示す先端部9を円形かつ凸面状に形成した各回転ツールの寸法は、ツール径D1:25mm、先端部径D2:12mm、凸面高さ:0.5mmである。また、溝を有するすべての図において溝深さ:0.5mm、溝幅:0.5mmである。
図13(b)に示すショルダーを凹面状に形成した従来の回転ツールの寸法は、ツール径D1:25mm、プローブ径D3:7mm、プローブ長さ:0.5mm、凹面深さ:0.3mmである。
The dimensions of each rotary tool are as follows.
The dimensions of each rotary tool having a
The dimensions of the conventional rotary tool with a concave shoulder shown in FIG. 3 mm.
なお、これらの回転ツールは、その素材としてビッカース硬さが1090の炭化タングステン(WC)を用いた。 These rotating tools used tungsten carbide (WC) with a Vickers hardness of 1090 as the material.
また、図3(a)~図3(b)、図4(b)~図4(c)、図7(b)~図7(c)に示す回転ツールは、外周部10のテーパ部分に渦状の凹部および/または凸部11を設けた。外周部10の渦状の凹部および/または凸部11の数は、いずれも4つである。図7(a)~図7(c)に示す回転ツールは、さらに先端部9にも渦状の凹部および/または凸部12を設けた。先端部9の渦状の凹部および/または凸部12の数は、いずれも4つである。
3(a) to 3(b), FIGS. 4(b) to 4(c), and FIGS. A spiral recess and/or
得られた接合継手を用いて、以下に示す評価をそれぞれ行った。 Using the obtained welded joint, the following evaluations were carried out.
(1)継手外観観察での表面欠陥の有無
観察には、得られた接合継手において、接合速度TSが表2-1~表2-5に記載の値となった部位を用いた。表面欠陥の有無は、塑性流動不足によって溝状に未接合状態が見られるか、あるいは接合部が凹形状となる状態が見られるか、否かを目視で判定する。表面欠陥の有無は、溝状の未接合状態あるいは接合部の凹形状の状態が見られる場合には、その溝状あるいは凹形状の深さDd(mm)を、レーザ変位計を用いて測定し、以下の基準により評価した。
<基準>
・無し:上記の表面欠陥がいずれも見られない。
・良好:上記の表面欠陥のいずれかが見られる。しかし、上記深さDd(mm)と鋼板の平均板厚(ここでは、供試鋼板Aと供試鋼板Bの板厚の平均とする。)t(mm)との比率(Dd/t)が0.1以下であった。
・有り:上記の表面欠陥のいずれかが見られる。さらに、上記深さDd(mm)と鋼板の平均板厚t(mm)との比率(Dd/t)が0.1を超えた。
もしくは、溝状の未接合状態が鋼板の表面から裏面に貫通した。ただし、貫通した場合は、接合不成立とみなし、内部欠陥および継手強度の評価は行わない。
(1) Presence or Absence of Surface Defects in Observation of Appearance of Joints For observation, the parts of the obtained welded joints where the welding speed TS was the value shown in Tables 2-1 to 2-5 were used. The presence or absence of surface defects is determined by visual inspection as to whether or not there is a groove-like unbonded state due to insufficient plastic flow or whether or not a bonded portion is concave. For the presence or absence of surface defects, if a groove-shaped unbonded state or a concave-shaped state of the joint is observed, measure the depth D d (mm) of the groove-shaped or concave-shaped shape using a laser displacement meter. and evaluated according to the following criteria.
<Criteria>
- None: None of the above surface defects are observed.
- Good: Any of the above surface defects are observed. However, the ratio (D d / t ) was 0.1 or less.
- Presence: Any of the above surface defects are observed. Furthermore, the ratio (D d /t) between the depth D d (mm) and the average plate thickness t (mm) of the steel plate exceeded 0.1.
Alternatively, the groove-like unbonded state penetrated from the front surface to the back surface of the steel plate. However, if it penetrates, it is considered that the joint is not established, and internal defects and joint strength are not evaluated.
(2)継手断面観察での内部欠陥の有無
観察には、得られた接合継手において、接合速度TSが表2-1~表2-5に記載の値となった部位を用いた。この部位から、接合開始側の端部から20mmの位置、接合終了側の端部から20mmの位置、および両端部(上記開始側の端部と上記終了側の端部)の中間となる位置の3箇所における断面をそれぞれ切断し、試験片とした。内部欠陥の有無は、塑性流動不足により接合部内部に形成した未接合状態が見られるか否かを、光学顕微鏡(倍率:10倍)を用い、以下の基準により評価した。
<基準>
・無し:上記した3箇所のいずれの位置においても、トンネル状に形成した未接合状態が見られない。
・良好:上記した3箇所の位置において、接合部内部に形成した未接合状態が1箇所見られた。
・有り:上記した3箇所の位置において、接合部内部に形成した未接合状態が2箇所以上見られた。
(2) Presence or Absence of Internal Defects in Joint Cross-Section Observation For the observation, the parts of the obtained welded joint where the welding speed TS was the value shown in Tables 2-1 to 2-5 were used. From this part, the position 20 mm from the end on the joining start side, the position 20 mm from the end on the joining end side, and the position intermediate between both ends (the end on the start side and the end on the end side). Cross sections at three locations were cut to obtain test pieces. The presence or absence of internal defects was evaluated based on the following criteria using an optical microscope (magnification: 10 times) to see whether or not an unbonded state formed inside the bonded portion due to insufficient plastic flow was observed.
<Criteria>
- None: No unbonded state formed in a tunnel shape is observed at any of the three positions described above.
- Good: One unbonded state formed inside the bonded portion was observed at the three positions described above.
- Presence: Two or more unbonded states formed inside the bonded portion were observed at the three positions described above.
表3-1及び表3-2に、上記(1)および(2)の評価結果をそれぞれ示す。さらに、次の評価も行った。 Tables 3-1 and 3-2 show the evaluation results of (1) and (2) above, respectively. In addition, we also evaluated the following:
(3)回転ツールが破損するまでの接合回数の評価
この評価では、一対の回転ツール(上面側回転ツール及び下面側回転ツール)を用いて、接合長0.5mの両面摩擦攪拌接合を複数回行い、接合の際に回転ツールが破損したときの接合回数を表3-1及び表3-2に示す。なお、最大接合回数は10回とし、最大接合回数に達するまでに回転ツールが破損しなかった接合条件に対して、表3-1及び表3-2に「無し」と表記した。
(3) Evaluation of the number of welding times until the rotating tool is damaged In this evaluation, a pair of rotating tools (upper surface side rotating tool and lower surface side rotating tool) were used to perform double-sided friction stir welding with a welding length of 0.5 m multiple times. Tables 3-1 and 3-2 show the number of welding times when the rotary tool was damaged during welding. Note that the maximum number of times of welding was set to 10 times, and the welding conditions under which the rotary tool was not damaged before reaching the maximum number of times of welding were indicated as "none" in Tables 3-1 and 3-2.
(4)接合継手の引張強さ
上記(3)の評価において、複数回の接合を行った際に得られた接合継手を用いて引張強さの評価を行った。得られた接合継手からJIS Z 3121に規定する1号試験片の寸法の引張試験片を採取し、この試験片による引張試験(JIS Z 3121)を行い、測定した引張強さを表3-1及び表3-2に示す。なお、1度目の接合で回転ツールが破損し、接合継手が作製できなかった場合は、表3-1及び表3-2に「(測定値)無し」と表記した。
なお、本実施例では、継手強度は、母材の2種類の鋼板のうち、引張強さが低い鋼板の引張強さに対して85%以上の引張強さが得られていれば、健全な接合状態にあると評価できる。
(4) Tensile Strength of Welded Joint In the evaluation of (3) above, the tensile strength was evaluated using the welded joint obtained when joining was performed a plurality of times. A tensile test piece having the dimensions of a No. 1 test piece specified in JIS Z 3121 was taken from the obtained welded joint, a tensile test (JIS Z 3121) was performed using this test piece, and the measured tensile strength is shown in Table 3-1. and shown in Table 3-2. In addition, when the rotating tool was damaged in the first welding and a welded joint could not be produced, it was described as "(measured value) none" in Tables 3-1 and 3-2.
In this example, the joint strength was considered to be sound if a tensile strength of 85% or more of the tensile strength of the steel plate having the lower tensile strength among the two types of base metal steel plates was obtained. It can be evaluated as being in a bonded state.
表3-1及び表3-2より、発明例1~発明例69では、接合速度を1.0m/分以上と高速化した場合であっても、継手外観観察で表面欠陥は認められず、また継手断面観察でも内部欠陥は認められなかった。このことから、健全な接合状態である接合継手を得られたことが確認された。そして、10回の接合を行った際にも、回転ツールは破損しなかった。さらに、継手強度は、母材の2種類の鋼板のうち、引張強さが低い鋼板の引張強さに対して95%以上の引張強さが得られた。 From Tables 3-1 and 3-2, in Invention Examples 1 to 69, even when the joining speed was increased to 1.0 m/min or more, no surface defects were observed in joint appearance observation. In addition, no internal defects were observed by observing the cross section of the joint. From this, it was confirmed that a bonded joint in a sound bonded state was obtained. And the rotating tool did not break even when joining was performed 10 times. Furthermore, the tensile strength of the joint was 95% or more of the tensile strength of the steel sheet having the lowest tensile strength among the two types of steel sheets used as the base materials.
これに対して、比較例1~比較例33では次のとおりであった。 On the other hand, in Comparative Examples 1 to 33, the results are as follows.
比較例1~比較例9では、接合方向とツール回転方向が反対方向となる鋼板(供試鋼板A)が、接合方向とツール回転方向が同一方向となる鋼板(供試鋼板B)より板厚が小さい接合条件で接合を行った。金属量の多い供試鋼板B側において、接合方向に対して同一方向に回転したため、接合方向の前方に塑性流動させることになった。これにより、流動のための金属移動量が大きく、十分な塑性流動が出来なかった。その結果、得られた接合継手には、表面欠陥及び内部欠陥が認められ、健全な接合状態が得られなかった。さらに、継手強度は、母材の2枚の鋼板のうち低い引張強さの鋼板の引張強さに対して80%以下であった。 In Comparative Examples 1 to 9, the steel plate (test steel plate A) in which the welding direction and the tool rotation direction are opposite directions is thicker than the steel plate (test steel plate B) in which the welding direction and the tool rotation direction are the same direction. Bonding was performed under the bonding conditions with a small On the test steel plate B side, which has a large amount of metal, it was rotated in the same direction as the joining direction, so plastic flow was caused forward in the joining direction. As a result, the amount of metal movement for flow was large, and sufficient plastic flow could not be achieved. As a result, surface defects and internal defects were observed in the resulting bonded joint, and a sound bonded state could not be obtained. Furthermore, the joint strength was 80% or less of the tensile strength of the steel sheet having the lower tensile strength among the two steel sheets of the base material.
比較例10~比較例18では、上面側回転ツールとして、外周部に所定のテーパ形状を有しない従来の回転ツールを用いたため、突き合わせ部分の段差を平滑にする能力が低下した。その結果、得られた接合継手は表面欠陥及び内部欠陥が認められ、健全な接合状態が得られなかった。さらに、継手強度は、母材の2枚の鋼板のうち低い引張強さの鋼板の引張強さに対して80%以下となった。 In Comparative Examples 10 to 18, since a conventional rotary tool that does not have a predetermined tapered shape in the outer peripheral portion was used as the upper side rotary tool, the ability to smooth the steps in the butted portion was lowered. As a result, surface defects and internal defects were observed in the resulting bonded joint, and a sound bonded state could not be obtained. Furthermore, the joint strength was 80% or less of the tensile strength of the steel sheet having the lowest tensile strength among the two steel sheets of the base material.
比較例19~27では、上面側回転ツールおよび下面側回転ツールの回転方向を同一方向として接合を行ったため、一方の回転ツールに対する他方の回転ツールの相対速度はゼロに近づく。これにより、被接合部の塑性流動が均質状態に近づくほど塑性変形が小さくなり、材料の塑性変形による発熱も得られなくなった。その結果、得られた接合継手は、表面欠陥及び内部欠陥が認められ、健全な接合状態が得られなかった。さらに、継手強度は、母材の2枚の鋼板のうち低い引張強さの鋼板の引張強さに対して80%以下となった。 In Comparative Examples 19 to 27, since welding was performed with the rotation directions of the upper surface side rotating tool and the lower surface side rotating tool being the same, the relative speed of one rotating tool with respect to the other rotating tool approaches zero. As a result, as the plastic flow of the welded parts approaches a homogeneous state, the plastic deformation becomes smaller, and heat generation due to the plastic deformation of the material is no longer obtained. As a result, surface defects and internal defects were observed in the resulting bonded joint, and a sound bonded state could not be obtained. Furthermore, the joint strength was 80% or less of the tensile strength of the steel sheet having the lowest tensile strength among the two steel sheets of the base material.
比較例28~比較例33では、上面側回転ツールのテーパ角度αが30°であったため、未接合部において回転ツールと鋼板との接触面積が減少し、接合能力が低下した。その結果、得られた接合継手は、表面欠陥及び内部欠陥が認められ、健全な接合状態が得られなかった。さらに、継手強度は、母材の2枚の鋼板のうち低い引張強さの鋼板の引張強さに対して80%以下となった。 In Comparative Examples 28 to 33, since the taper angle α of the upper rotating tool was 30°, the contact area between the rotating tool and the steel plate decreased in the unjoined portion, resulting in lower joining ability. As a result, surface defects and internal defects were observed in the resulting bonded joint, and a sound bonded state could not be obtained. Furthermore, the joint strength was 80% or less of the tensile strength of the steel sheet having the lowest tensile strength among the two steel sheets of the base material.
1、2 回転ツール
3、4 鋼板
5 接合部
6 未接合部
7 鋼板に対して鉛直方向の垂直線
8 接合中央線
9 先端部
9a プローブ部
9b ショルダー部
10 外周部
11、12 渦状の凹部および/または凸部
100 回転ツール
101 プローブ
102 ショルダー
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記回転ツールは、該回転ツールの中央にあるプローブを有しない先端部と、該先端部の外側にある外周部を有し、
前記外周部はテーパ形状であり、かつ、前記外周部のテーパ面と前記回転ツールの回転軸に対して垂直な面とのなす角度が2~20°であり、
前記先端部および前記外周部は、前記鋼板よりも硬い材質であることを特徴とする両面摩擦撹拌接合用回転ツール。 Both sides used for double-sided friction stir welding in which a pair of rotating tools arranged on one side and the other side of the unjoined portion of two steel plates with different thicknesses are rotated in opposite directions to join the steel plates together. A rotary tool for friction stir welding,
the rotary tool has a probeless tip at the center of the rotary tool and a peripheral portion outside the tip;
The outer peripheral portion has a tapered shape , and the angle formed by the tapered surface of the outer peripheral portion and the surface perpendicular to the rotation axis of the rotary tool is 2 to 20°,
A rotary tool for double-sided friction stir welding, wherein the tip portion and the outer peripheral portion are made of a material harder than that of the steel plate.
板厚が異なる2枚の鋼板を、該鋼板の未接合部の一方の面側が板厚方向に段差を有する状態で突き合わせ、前記未接合部の前記段差を有する面側、あるいは前記未接合部の両方の面側に、前記回転ツールを配置し、
前記段差を有する面側に配置した前記回転ツールの回転方向が、板厚の大きい鋼板側で前記回転ツールの移動方向と反対方向となるように、かつ板厚の小さい鋼板側で前記回転ツールの移動方向と同一方向となるように、前記回転ツールを回転させながら前記未接合部に沿って移動させ、該鋼板同士を接合する両面摩擦撹拌接合方法。 A double-sided friction stir welding method using the rotating tool for double-sided friction stir welding according to any one of claims 1 to 4 ,
Two steel plates having different plate thicknesses are butted against each other in a state in which one surface side of the unjoined portion of the steel plates has a step in the plate thickness direction, and the surface side of the unjoined portion having the step, or the unjoined portion. Place the rotating tool on both face sides,
The direction of rotation of the rotating tool disposed on the surface side having the step is opposite to the moving direction of the rotating tool on the side of the steel plate with a large thickness, and the direction of rotation of the rotating tool on the side of the steel plate with a small thickness. A double-sided friction stir welding method in which the rotating tool is rotated and moved along the unjoined portion so that the steel plates are joined together in the same direction as the moving direction.
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