WO2007102540A1 - 接合方法 - Google Patents

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WO2007102540A1
WO2007102540A1 PCT/JP2007/054429 JP2007054429W WO2007102540A1 WO 2007102540 A1 WO2007102540 A1 WO 2007102540A1 JP 2007054429 W JP2007054429 W JP 2007054429W WO 2007102540 A1 WO2007102540 A1 WO 2007102540A1
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welding
joint
joined
friction stir
gas
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PCT/JP2007/054429
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Inventor
Toyoyuki Sato
Toshimitu Ochiai
Hidetoshi Fujii
Takeshi Ishikawa
Original Assignee
Taiyo Nippon Sanso Corporation
Osaka University
Tokyu Car Corporation
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/14—Preventing or minimising gas access, or using protective gases or vacuum during welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1225—Particular aspects of welding with a non-consumable tool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K28/00—Welding or cutting not covered by any of the preceding groups, e.g. electrolytic welding
    • B23K28/02—Combined welding or cutting procedures or apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a joining method using friction stir welding, and more specifically, a member to be joined made of aluminum or the like is friction stir welded to form a joined portion, and another joined subject is formed on this joined portion.
  • the present invention relates to a material that reduces the occurrence of blowholes when melting and welding a member, or when repairing a weld defect of this joint by fusion welding.
  • Friction Stir Welding for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-301363, is performed by rotating a cylindrical rotor (tool) having a protrusion (probe) at the tip.
  • the base material is pressed against the joint surface between the materials with a strong force, and the base material is softened by the frictional heat generated by this, and the probe is penetrated, and the periphery of the joint is plastically flowed and mixed by the rotational force of the probe. It is a joining technique that integrates materials.
  • the base metal that can be joined by friction stir welding is generally a light metal with a relatively low softening temperature, and in the case of aluminum alloys, non-heat-treatable aluminum alloys 1000 series and 5000 series (above JIS standards) are difficult to join.
  • the heat-treatable aluminum alloys 2000 series, 6000 series, 700 0 series (JIS standards), and forged ADC12 (JIS standards) can be joined.
  • Aluminum has a large coefficient of linear expansion, which causes distortion due to welding and increases deformation.
  • friction stir welding does not apply more heat than necessary, so it has excellent characteristics when there is little distortion.
  • magnesium alloys AZ31, AZ61 JIS standards
  • titanium and its alloys titanium and its alloys, copper and its alloys, nickel and its alloys, mild steel, lead, steel materials, and plastics
  • the range of the applicable base material, the probe shape, the probe material and the like are appropriately improved.
  • Friction stir welding is applicable to train vehicles and passenger aircraft bodies for the purpose of weight reduction because it can be joined with less strain.
  • this joining since it is necessary to press the tool along the joining surface between the base materials, this joining method is suitable for straight joints and is not suitable for complex shapes.
  • the recesses due to the shape of the probe of the tool remain at the start and end of the joint, the start and end must be provided outside the product, which is not suitable for fine joining.
  • the friction stir welding is effectively used at the initial stage of the joining process, for example, when joining plate members in the longitudinal direction.
  • an agitating part such as a probe entrains moisture or other components contained in the atmosphere into the molten metal, and the agitating part entrains an oxide film formed on the root surface or shoulder contact surface.
  • the inventors have found that hydrates and oxides are generated and the strength becomes weak.
  • Patent Document 1 JP 2000-301363 A
  • an object of the present invention is to determine the occurrence of blowholes at the joint when subsequent fusion welding or resistance welding is performed on the joint formed by friction stir welding. is there.
  • the present invention provides a joining method in which a member to be joined is formed by friction stir welding while flowing an inert shielding gas to form a joined portion, and then melt welded to the joined portion.
  • the present invention provides a joining method in which a member to be joined is friction stir welded to form a joint, and then melt welding is performed while applying ultrasonic waves to the joint.
  • the present invention provides a joining method in which a member to be joined is formed by friction stir welding while flowing an inert shielding gas, and then melt welding is performed while applying ultrasonic waves to the joint. .
  • the frequency of the ultrasonic wave is:! To 30 kHz.
  • the member to be joined may be aluminum, aluminum alloy, magnesium or magnesium alloy, nickel, nickel alloy, titanium, titanium alloy, copper, copper alloy, lead or steel material. I like it.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a friction stir welding apparatus used in the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a joining form of another member to be joined in the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of an ultrasonic TIG welding apparatus used in the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a mechanism of blowhole removal by applying ultrasonic waves in the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional photograph of the joint showing the results of Experiment 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional photograph of the joint showing the results of Experiment 2.
  • FIG. 7 is a cross-sectional photograph of the joint showing the results of Experiment 3.
  • FIG. 8 is a cross-sectional photograph of the joint showing the results of Experiment 4.
  • FIG. 9 is a cross-sectional photograph of the joint showing the results of Experiment 5.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the ultrasonic frequency, the number of blow holes generated, and the pore diameter of the blow holes.
  • FIG. 1 shows an example of an apparatus used for friction stir welding in the present invention.
  • the apparatus in this example includes a cylindrical rotor 1 called a tool, a small-diameter cylindrical probe 2 projecting from the center of the bottom surface of the rotor 1, and a cover 3 covering the lower part of the rotor 1.
  • the shield gas pipe 4 for supplying the shield gas to the space in the cover 3 is roughly configured.
  • a pressure rotation driving unit (not shown) is provided on the upper portion of the rotor 1 so as to push down the entire rotor 1 downward and rotate the rotor 1.
  • the probe 2 is rotated and pressurized, so that the joint surface of the joint portion is frictionally applied.
  • the members to be joined 8 and B are joined by stirring.
  • the stepped portion (shoulder) of the rotor 1 on which the probe 2 is provided comes into contact with the stirring portion of the joining portion.
  • the probe 2 is positioned on the joint part and the rotor 1 is pressurized in this state. While rotating, the probe 2 is press-fitted into the joining portion. At the same time, an inert shield gas is supplied from the shield gas pipe 4 to the space in the cover 3 to make this space an inert gas atmosphere. Then, while rotating the rotor 1, the rotor 1 is gradually moved along the joining portion. In this way, a joined portion C is formed in which the joined members 8 and B are joined.
  • non-heat-treatable aluminum alloys 1000 series and 5000 series, the heat-treatable aluminum alloys 2000, 6000, and 7000, which are difficult-to-join materials, ADC12, forged material, magnesium, Alloys AZ31, AZ61, titanium and its alloys, copper and its alloys, nickel and its alloys, steel materials, lead, etc. are used.
  • ADC12 forged material
  • Alloys AZ31, AZ61 titanium and its alloys
  • copper and its alloys, nickel and its alloys, steel materials, lead, etc. are used.
  • it can be applied between different kinds of materials.
  • the rotational speed of the rotor 1 is 200 to 3000 rpm, and the load is about 500 to 5000 kg.
  • an inert gas such as argon or helium or a mixed gas of these inert gas and nitrogen, dry air, or the like is used, and the supply amount is not particularly limited, but the space near the lower part of the rotor 1 is used.
  • a substantially inert gas atmosphere that is, an oxygen concentration is adjusted to 0.1% by volume or less.
  • the moving speed of the rotor 1 is about 0.5 to 220 cm / min.
  • a bracket as another joining member D is erected so as to cross the joining portion C, and this is welded to the joined members 8 and B and the joining portion C. It shows.
  • the shape of other members D to be joined is not particularly limited, and the form of joining is welded to the members to be joined 8, B and joint C simultaneously as in this example. Other than the above, any part or all of the other member D to be joined may be welded to the joint C.
  • normal TIG welding gas shield welding such as MIG (Metal Inert Gas) welding, electron beam welding, laser welding, etc., or a combination thereof
  • MIG Metal Inert Gas
  • the melt welding can be applied as it is.
  • resistance welding such as spot welding and seam welding can be applied.
  • Materials to be joined D include aluminum and its alloys, magnesium and its alloys, titanium and its alloys, copper and its alloys, nickel and its alloys, steel materials and lead.
  • the joined members 8 and B are friction stir joined while flowing an inert shielding gas to form a joined portion C, and then another joined member D is connected to the joined portion C. Melt and weld. Therefore, moisture in the air is not caught in the molten metal during the friction stir welding. Further, since the molten metal is not oxidized, the oxide film is not brought into the molten metal as well. As a result, there is no longer a cause of blowholes, and even if fusion welding such as TIG welding is performed afterwards, it is possible to obtain a joint C with few blowholes, and a reduction in strength of the joint C can be suppressed. .
  • the friction stir welding in this embodiment is performed in a state where the joint C is in contact with air without flowing an inert shielding gas.
  • the equipment shown in Fig. 1 can be used as it is for the friction stir welding, and the shield gas pipe 4 should not be used to supply the shield gas.
  • melt welding such as TIG welding, gas shield welding such as MIG welding, electron beam welding, laser welding, etc. while applying or irradiating ultrasonic waves to the welding site.
  • gas shield welding such as MIG welding
  • electron beam welding laser welding
  • etc. while applying or irradiating ultrasonic waves to the welding site.
  • the method of performing is adopted. This form of fusion welding is the same as that of Embodiment 1 shown in FIG.
  • FIG. 3 shows a welding apparatus for performing TIG welding while applying or irradiating ultrasonic waves to a welding site.
  • This welding apparatus includes an AC power supply unit 11, a waveform control unit 12 for performing pulse width modulation (PWM), and a DC power supply unit 13.
  • the AC power supply unit 11 rectifies commercial AC current. It consists of a rectifier, an inverter consisting of a high-speed IGBT (insulated gate bipolar transistor) that converts the direct current obtained by this rectifier into alternating current, and a high-frequency transformer.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • a high frequency current obtained by modulating a high frequency of lkHz to 30kHz from the waveform control unit 12 to a 50Hz or 60Hz AC current generated by the inverter of the AC power supply unit 11 is applied to the electrode 14 of the welding torch. It has become.
  • Reference numeral 15 denotes the above-described joint portion (joined member B). In addition, it is applied to the electrode 14 only at the time of arc start at the time of starting DC current force welding from the DC power supply unit 13.
  • a high frequency of lkHz to 30kHz is output as a welding current waveform, and the welding arc is turned on and off at a frequency of lkHz to 30kHz superimposed, which causes the arc to shrink.
  • a direct current from the DC power source 13 is applied to the electrode 14 at the time of arc start, and when the members to be joined 8 and B are made of an aluminum material or a magnesium material, After removing the oxide film formed on the surface, welding is performed by switching the applied current to a high-frequency current.
  • the welding conditions are different from those of normal TIG welding.
  • a shielding gas inert gas such as argon gas is used, tungsten electrode is used, and welding current is 50 to 640A. However, even if the welding current is slightly low, a sufficient weld pool tends to be formed.
  • the frequency of the ultrasonic waves is 1 kHz to 30 kHz, preferably 15 kHz to 25 kHz.
  • the welding apparatus shown in FIG. 3 is an AC type, but when the members to be joined 8 and B are steel materials, pulse width modulation is performed on the DC current from the TIG welding machine using a DC power source. It is also possible to generate an ultrasonic wave by changing the strength of the arc by using a direct current superimposed with a high frequency.
  • the gas can be degassed. As a result, it is possible to first remove the cause of blowholes that occur immediately before solidification due to the difference in solubility in normal melt welding. Further, the remaining blowholes can be reduced in the end, the blowholes can be reduced and the joint C can be obtained, and the original strength of the joint C can be obtained.
  • the same effect can be obtained by applying an ultrasonic vibrator to the welding site and directly applying the ultrasonic vibrator.
  • Embodiment 3 friction stir welding is performed while flowing the shield gas in Embodiment 1 described above to form a joint C, and then ultrasonic welding is applied in Embodiment 2 to perform fusion welding such as TIG welding. This is to join the parts D to be joined or to repair defects in the joint C.
  • Friction stir welding was performed under the following conditions to form a joint C, TIG welding was performed on the joint C, and blow holes generated in the joint C were confirmed.
  • Electrode Tungsten + 2% ThO
  • TIG is simply used so that it is possible to easily observe the welded portion of the joint C formed by friction stir welding rather than welding another member D to be welded.
  • An evaluation target was formed by welding (running) a bead on the joint C by welding.
  • the evaluation method is that the joint C after TIG welding is cut into a thin piece in a direction perpendicular to the welding direction, a cross section of the thin piece is photographed, and the occurrence of blowholes in the obtained image is observed. Went in the way. Note that the seven photographs shown in FIGS. 5 to 9 are for slices with different cutting positions.
  • Experiment 2 is a conventional method. Shield gas is not flowed during friction stir welding, then normal TIG welding was performed. The result is shown in Fig. 6.
  • Experiment 3 is the method of the present invention, in which argon gas was passed as a shielding gas during friction stir welding, and then normal TIG welding was performed. The results are shown in Fig. 7.
  • Experiment 4 is another method of the present invention, in which a shield gas was not flowed during friction stir welding, and then ultrasonic waves were applied to perform TIG welding. The results are shown in Fig. 8.
  • Experiment 5 is still another method of the present invention, in which argon gas was passed as a shielding gas during friction stir welding, and then ultrasonic waves were applied to perform TIG welding. The results are shown in Fig. 9.
  • Figure 5 shows that in normal TIG welding, there are almost no black dots and no blowholes.
  • Figure 6 is a photograph of Experiment 2. It seems that impurities such as oxides and hydrates mixed during friction stir welding in the downward direction were present almost uniformly in the weld metal. Later horizontal TIG welding reveals that blowholes are generated and gathered on the upper side of the molten metal.
  • FIG. 7 is a cross-sectional photograph of Experiment 3. From this photograph, the force that blowholes exist is smaller than the size and number of blowholes, and the effect of flowing shield gas during friction stir welding is apparent. This is because the shielding gas, to reduce the causes of blowholes, shows that the overall blowholes is reduced (due reducing effect) 0
  • FIG. 8 is a cross-sectional photograph of Experiment 4. Compared to Fig. 7, the number of blowholes that are dotted with blowholes is smaller than that shown in this photo. In particular, the blowhole has almost disappeared in the middle and lower part of the weld metal, indicating that there is an effect of ultrasonic TIG welding. This indicates that the initial generation of bubbles has been promoted to escape from the molten pool by ultrasonic cavitation (removal promoting effect).
  • FIG. 9 is a cross-sectional photograph of Experiment 5. From this photo, it can be seen that there are some blowholes. Compared to Fig. 8, the number of blowholes is smaller. When friction stir welding is performed, a shield gas is flowed and ultrasonic TIG welding is performed. The result shows that The This is due to the combination of two different effects, the effect of reducing the cause of blowholes and the effect of promoting the removal of blowholes that have occurred, and a greater effect can be obtained.
  • FIG. 10 shows that ultrasonic TIG welding can reduce blowholes more than normal TIG welding. It can also be seen that the blowhole decreases as the frequency decreases, reaches a minimum at 20 kHz, and increases slightly as the frequency is further decreased (15 kHz).
  • a frequency of 20 kHz or less is preferable in order to reduce the blowhole in the junction C. Since the effect of the frequency becomes lower when the frequency exceeds 30 kHz, it can be said that:! ⁇ 30 kHz is effective. In addition, since the noise increases at 15 kHz or less, 15 kHz to 25 kHz is suitable for practical use in consideration of the work environment.
  • the experiment is not limited to the force welding posture in which the fusion stir welding is performed by the lateral welding after the friction stir welding is performed by the downward welding.
  • the shield gas flowing during the friction stir welding of the present invention uses a method of supplying a shield gas between the tool and the protective cover in this experiment, but the joint C is shielded from the atmosphere. If possible, there is a method of supplying shield gas from the gas supply hole provided on the side of the tool or supplying shield gas from the surroundings by gas supply nozzle. Needless to say that it is effective. In addition, it is desirable to continuously flow the shielding gas during the joining process. However, if the attachment position of other joining members D by fusion welding is known in advance in the subsequent process, that part is used to reduce the shielding gas. You can only flow shielding gas. Furthermore, in order to effectively use the shielding gas, an after-shielding jig that covers the joint C on the side opposite to the advancing direction of the probe and maintains the shielding gas rich state may be provided.

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Abstract

　本発明の接合方法は、被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した後、この接合部に対して溶融溶接または抵抗溶接する接合方法であって、前記被接合部材を不活性シールドガスを流しつつ摩擦攪拌接合し、又は、前記接合部に対して、超音波を印加しつつ溶融溶接または抵抗溶接する。

Description

明 細 書
接合方法
技術分野
[0001] 本発明は、摩擦攪拌接合を利用した接合方法に関し、詳しくはアルミニウムなどか らなる被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成し、この接合部に対して、他の 被接合部材を溶融溶接する際や、この接合部の溶接欠陥を溶融溶接して補修する 際に、ブローホールの発生を低減させるようにしたものに関する。
本願は、 2006年 3月 9曰に曰本国に出願された特願 2006— 064151号に基づく 優先権を主張し、その内容をここに援用する。
背景技術
[0002] 摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding)は、例えば特開 2000— 301363号公報に 記載のように、先端に突起（プローブ）のある円筒状の回転子（ツール）を回転させな がら、母材間の接合面に強い力で押し付け、これにより生じる摩擦熱により母材を軟 ィ匕させるとともに、プローブを貫入させ、プローブの回転力によって接合部周辺を塑 性流動させて練り混ぜることにより母材を一体化させる接合技術である。
[0003] 摩擦攪拌接合によって接合可能な母材は、一般に軟化温度が比較的低い軽金属 であり、アルミニウム合金では、非熱処理型アルミニウム合金の 1000系、 5000系（以上 JIS規格）だけではなぐ難接合材の熱処理型アルミニウム合金の 2000系、 6000系、 70 00系（以上 JIS規格）、铸造材の ADC12 (JIS規格)も接合可能である。アルミニウムは 線膨張係数が大きいため、溶接により歪が生じ変形が大きくなるが、摩擦攪拌接合で は必要以上の熱がかかることが無レ、ため歪が少ないとレ、う優れた特徴を有する。
[0004] アルミニウム以外にもマグネシウム合金の AZ31、 AZ61 (以上 JIS規格）、チタンとその 合金、銅とその合金、ニッケルとその合金、軟鋼、鉛、鉄鋼材料、プラスチックでも接 合が可能である。このように、摩擦攪拌接合では、適用母材の範囲、プローブ形状、 プローブ材質等の改良が適宜行われてレ、る。
[0005] 摩擦攪拌接合は、歪の発生を抑えて接合ができるため、軽量化を目的とし、列車の 車両、旅客機のボディに適用されている。 し力しながら、本接合では母材間の接合面に沿ってツールを押し付ける必要がある ため、直線的な接合部に適用され、複雑な形状には不適な接合方法である。また接 合部の始端、終端にはツールのプローブの形状による凹部が残るため、始端、終端 は製品外に設ける必要があり、細かい接合には不適である。またツールを母材に荷 重 200kgから 5000kg程度で押し付けることから、母材をしつ力 と固定する必要もあ る。よって、摩擦攪拌接合は接合工程の初期に、例えば板材を長手方向に接合する 場合などに、有効に利用されている。
[0006] ところで、車両のボディ等を製造するに当たり、摩擦攪拌接合以降の工程において 、摩擦攪拌接合によって形成された接合部に対して、ブラケット、ハンドルなど各種別 部材を取り付ける必要がある。この取付けには摩擦攪拌接合を用いることができない ので、 TIG (Tungsten Inert Gas)溶接などの溶接による接合が行われる。
さらに摩擦攪拌接合を行った箇所に不具合があった場合、 TIG溶接等による補修 が行われている。
[0007] しかしながら、摩擦攪拌接合による接合部に適宜別部材を取り付ける際、また摩擦 攪拌接合の箇所を補修する際に、摩擦攪拌接合によって形成された接合部に TIG 溶接などの溶融溶接を行うと、ブローホール (blowhole)が生じ、この部分の強度が弱 くなる問題がある。
[0008] 摩擦攪拌接合を行う際、プローブなどの攪拌部が水分などの大気に含まれる成分 を溶融金属中に巻き込むこと、また攪拌部がルート面、ショルダー接触面に形成され た酸化皮膜を巻き込むことにより、水和物、酸化物が発生し、強度的に弱くなる問題 が生じることが、本発明者等の検討により判明した。
特許文献 1 :特開 2000— 301363号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] よって、本発明における課題は、摩擦攪拌接合によって形成された接合部に対して その後に溶融溶接または抵抗溶接を行う際に、該接合部でのブローホールの発生を ί卬えることにある。
課題を解決するための手段 [0010] かかる課題を解決するため、
本発明は、不活性シールドガスを流しつつ被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部 を形成した後、この接合部に対して溶融溶接する接合方法を提供する。
[0011] 本発明は、被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した後、この接合部に対 して超音波を印加しつつ溶融溶接する接合方法を提供する。
[0012] 本発明は、不活性シールドガスを流しつつ被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部 を形成した後、この接合部に対して超音波を印加しつつ溶融溶接する接合方法を提 供する。
[0013] また、本発明においては、超音波の周波数を:!〜 30kHzとすることが好ましい。
[0014] また、本発明においては、前記接合部に他の被接合部材を溶融溶接することが好 ましい。
[0015] また、本発明においては，被接合部材がアルミニウム，アルミニウム合金，マグネシ ゥムまたはマグネシウム合金，ニッケル，ニッケル合金，チタン，チタン合金，銅，銅合 金，鉛または鉄鋼材料であることが好ましレ、。
発明の効果
[0016] 本発明にあっては、摩擦攪拌接合の際に不活性ガスを用いて接合部をシールドす ることにより、溶融金属中に水分などの大気に含まれる成分が巻き込まれなくなる。ま た、溶融金属が酸化されないので、酸化皮膜が同様に溶融金属中に持ち込まれるこ とがなくなる。よって、ブローホーノレの原因となるものが生じなくなって、その後 TIG溶 接などの溶融溶接，または抵抗溶接を行ってもブローホールが少なレ、接合部とする ことができ、接合部の強度の低下を抑えることができる。
[0017] また、 TIG溶接などの溶融溶接時に超音波を印加することにより、超音波振動によ りキヤビテーシヨンを溶融初期から強制的に発生させて、溶融部から気体を脱気させ ること力 Sできる。これにより、通常の溶融溶接での溶解度の差により凝固直前に発生 するブローホールの発生原因を先に取り除くことが可能である。また、最終的に残存 するブローホールを軽減することができ、ブローホールの少なレ、接合部とすることが でき、接合部本来の強度を得ることができる。
図面の簡単な説明 [0018] [図 1]本発明で用いられる摩擦攪拌接合装置の一例を示す概略構成図である。
[図 2]本発明における他の被接合部材の接合形態の例を示す概略斜視図である。
[図 3]本発明で用いられる超音波 TIG溶接装置の例を示す概略構成図である。
[図 4]本発明における超音波印加によるブローホール除去のメカニズムを示す説明 図である。
[図 5]実験 1による結果を示す接合部の断面写真である。
[図 6]実験 2による結果を示す接合部の断面写真である。
[図 7]実験 3による結果を示す接合部の断面写真である。
[図 8]実験 4による結果を示す接合部の断面写真である。
[図 9]実験 5による結果を示す接合部の断面写真である。
[図 10]超音波振動数とブローホールの発生個数とブローホールの気孔径の関係を示 す図である。
符号の説明
[0019] 1 · ·回転子、 2 · 'プローブ、 3 · ·力パー、 4 · ·シールドガスパイプ、 Α、 Β · '被接合部 材、 C - '接合部、 D - '他の被接合部材
発明を実施するための最良の形態
[0020] (実施形態 1 )
図 1は、本発明における摩擦攪拌接合に用いられる装置の一例を示すものである。 この例の装置は、ツールと称する円柱状の回転子 1と、この回転子 1の底面の中心 部に突設された小径の円柱状のプローブ 2と、上記回転子 1の下部を覆うカバー 3と
、このカバー 3内の空間にシールドガスを供給するシールドガスパイプ 4とから概略構 成されている。
また、回転子 1の上部には図示しない加圧回転駆動部が設けられており、回転子 1 全体を下方に押し下げるとともに回転子 1を回転させるようになつている。
また、図中符号 Αおよび Βは、板状の被接合部材を示し、これら被接合部材八、 Bは 、その端面が密着された状態で固定され、密着された端面間が接合部位となってい る。
さらに、上記プローブ 2は、回転、加圧されることで、接合部位の接合面を摩擦によ り攪拌し被接合部材八、 Bを接合するものである。その際、プローブ 2が設けられてい る回転子 1の段部（ショルダー）が、接合部位の攪拌部に接触することになる。
[0021] この装置を用いて、被接合部材八、 Bを接合して接合部 Cを形成するには、上記接 合部位の上にプローブ 2を位置させ、この状態で回転子 1を加圧、回転させながら、 プローブ 2を上記接合部位に圧入させる。同時にシールドガスパイプ 4から不活性シ 一ルドガスをカバー 3内の空間に供給してこの空間を不活性ガス雰囲気とする。そし て、回転子 1を自転させつつ、上記接合部位に沿って徐徐に移動させる。このように して、被接合部材八、 Bとが接合した接合部 Cが形成される。
[0022] 被接合部材八、 Bには、上述の非熱処理型アルミニウム合金の 1000系、 5000系、難 接合材の熱処理型アルミニウム合金の 2000系、 6000系、 7000系、铸造材の ADC12、 マグネシウム合金の AZ31、 AZ61、チタンとその合金、銅とその合金、ニッケルとその 合金、鉄鋼材料、鉛などが用レ、られる。また被接合部材八、 Bとして同種材料間の他 に異種材料間にも適用可能である。
[0023] また、回転子 1の回転数は、 200〜3000rpm、荷重は 500〜5000kg程度とされる 。シールドガスには、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスまたはこれら不活性ガスと 窒素、乾燥空気などとの混合ガスが用いられ、その供給量は特に限定されないが、 回転子 1の下部付近の空間が実質的に不活性ガス雰囲気、すなわち酸素濃度が 0. 1体積％以下となるようにされる。
さらに、回転子 1の移動速度は、 0. 5〜220cm/分程度される。
[0024] ついで、このようにして形成された接合部 Cに対して、図 2に示すような他の被接合 部材 Dを接合する。
図 2に示した例は、接合部 Cにクロスするようにして他の接合部材 Dとしてのブラケッ トを立設して、これを被接合部材八、 Bおよび接合部 Cに溶接接合するものを示して いる。
[0025] 他の被接合部材 Dとしては、その形状は特に限定されるものではなぐまた、その接 合形態としては、この例のように、被接合部材八、 Bおよび接合部 Cに同時に溶接す るものの以外に、接合部 Cに他の被接合部材 Dの一部または全部が溶接されるもの であればよい。 [0026] この他の被接合材 Dの溶接には、本形態では、通常の TIG溶接、 MIG (Metal Iner t Gas)溶接等のガスシールド溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接など、またこれらの 組合せの溶融溶接がそのまま適用できる。また，スポット溶接、シーム溶接などの抵 抗溶接が適用できる。
被接合材 Dの材質としては、アルミニウムとその合金，マグネシウムとその合金，チ タンとその合金、銅とその合金，ニッケルとその合金，鉄鋼材料および鉛などが用い られる。
[0027] この実施形態 1では、不活性シールドガスを流しつつ被接合部材八、 Bを摩擦攪拌 接合して接合部 Cを形成した後、この接合部 Cに対して、他の被接合部材 Dを溶融 溶接する。よって、摩擦攪拌接合の際に、溶融金属中に空気中の水分が巻き込まれ なくなる。また、溶融金属が酸化されないので、酸化皮膜が同様に溶融金属中に持 ち込まれることがなくなる。よって、ブローホールの原因となるものが生じなくなって、 その後 TIG溶接などの溶融溶接を行ってもブローホールが少ない接合部 Cとすること ができ、接合部 Cの強度の低下を抑えることができる。
[0028] 以上の説明では、接合部 Cに対して他の被接合部材 Dを溶融溶接する形態を挙げ たが、これに限られず、接合部 Cに溶接欠陥がある場合に、これを TIG溶接などで補 修する際の形態においても同様の操作を行って、ブローホールの発生を低下させる ことが可能である。
[0029] (実施形態 2)
この実施形態での摩擦攪拌接合は、不活性シールドガスを流さずに、接合部 Cの 形成を空気に接した状態で行う。摩擦攪拌接合のための装置には、図 1に示したも のをそのまま転用することができ、シールドガスパイプ 4からシールドガスを供給しな レ、ようにすればよレ、。
そして、次工程での他の被接合材 Dの溶接には、超音波を溶接部位に印加または 照射しつつ、 TIG溶接、 MIG溶接等のガスシールド溶接、電子ビーム溶接、レーザ 溶接などの溶融溶接を行う方法が採用される。この溶融溶接の形態は、先の図 2に 示した実施形態 1と同じである。
[0030] 図 3は、超音波を溶接部位に印加又は照射しつつ TIG溶接を行うための溶接装置 の一例を示すものである。この溶接装置は、交流電源部 11と、パルス幅変調（PWM )を行うための波形制御部 12と、直流電源部 13を具備するもので、前記交流電源部 11は、商用交流電流を整流する整流器と、この整流器で得られた直流を交流に変 換する高速 IGBT (絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるインバータと、高周 波トランスから構成されている。交流電源部 11のインバータで発生した 50Hzまたは 6 0Hzの交流電流に、波形制御部 12からの周波数 lkHz〜30kHzの高周波が変調さ れた高周波電流が、溶接トーチの電極 14に印加されるようになっている。なお、符号 15は上記接合部〇(被接合部材 B)を示す。また、直流電源部 13からの直流電 流力 溶接開始時のアークスタートの時のみに電極 14に印加されるようになっている
[0031] この溶接装置では、溶接電流波形として lkHz〜30kHzの高周波が出力されること になり、溶接アークが重畳された lkHz〜30kHzの振動数で ON— OFFされ、これに よりアークが収縮、膨張を繰り返し、これに起因して溶融池に lkHz〜30kHzの超音 波が加わるものと予想される力 正確なメカニズムは現在不明である。
[0032] この溶接装置を用いた TIG溶接においては、アークスタート時に直流電源部 13か らの直流電流を電極 14に印加し、被接合部材八、 Bがアルミニウム材、マグネシウム 材である場合にその表面に形成されている酸化皮膜を除去したのち、印加電流を高 周波電流に切り替えて溶接を行う。その溶接条件は通常の TIG溶接と異なるところは なぐシールドガスとしてアルゴンガスなどの不活性ガスを用レ、、タングステン電極を 用レ、、溶接電流 50〜640Aとして行えばよい。ただし、溶接電流はやや低めでも十 分な溶融池が形成される傾向がある。
超音波の周波数は、 lkHz〜30kHz、好ましくは 15kHz〜25kHzとされ、周波数 1 kHz〜30kHzの超音波を印加することで、後述の実施例からも明らかなように接合 部 Cでのブローホールの生成が少なくなることが確認されている。
なお、図 3に示した溶接装置は、交流型であるが、被接合部材八、 Bが鉄鋼材料で ある場合には、直流電源を用いた TIG溶接機からの直流電流にパルス幅変調を行つ て、高周波を重畳した直流電流を用い、これによりアークの強さを変化させて超音波 を発生させるようにすることもできる。 [0033] この実施形態 2では、 TIG溶接などの溶融溶接時に超音波を印加することで、図 4 に示すように、超音波振動によりキヤビテーシヨンを溶融初期から強制的に発生させ て、溶融部から気体を脱気させることができる。これにより、通常の溶融溶接での溶解 度の差により凝固直前に発生するブローホールの発生原因を先に取り除くことが可 能である。また、最終的に残存するブローホールを軽減することができ、ブローホー ノレの少なレ、接合部 Cとすることができ、接合部 C本来の強度を得ることができる。
[0034] 以上の説明においても、接合部 Cに対して他の被接合部材 Dを溶融溶接する形態 を挙げたが、これに限られず、接合部 Cに溶接欠陥がある場合に、これを TIG溶接な どで補修する際の形態においても同様の超音波を印加する操作を行って、ブローホ ールの発生を低下させることが可能である。
また、超音波を印加する方法として図 3に示した装置の他に、溶接部位に超音波振 動子を当て、直接印加する方法でも、同様の効果を得ることができる。
[0035] (実施形態 3)
実施形態 3は、上述の実施形態 1におけるシールドガスを流しつつ摩擦攪拌接合 を行って接合部 Cを形成した後、実施形態 2における超音波を印加して TIG溶接な どの溶融溶接を行って他の被接合部材 Dを接合するものあるいは、接合部 Cの欠陥 を補修するものである。
よって、操作方法、作用効果は、実施形態 1、 2と同様であるので、詳しい説明は省 略する。
実施例
[0036] 以下、具体例を示す。
下記の条件で摩擦攪拌接合を行って、接合部 Cを形成し、この接合部 Cに対し、 TI G溶接を行レ、、接合部 Cに発生するブローホールの確認を行った。
本実験では、摩擦攪拌接合により生じた水和物，酸化物に起因して、 TIG溶接に 伴い発生するブローホールが溶融金属から抜けてしまう可能性があるため、まず下 向きにより摩擦攪拌接合を行い、その後、横向きにより TIG溶接を行った。その結果 、摩擦攪拌接合により生じたブローホールは溶融金属の一方に上昇し、本発明の効 果を確認できる。 [0037] 試料：アルミニウム材： A5083 (JIS規格） （ 100mm X 50mm X 5mm)
《摩擦攪拌接合の条件》
回転速度： 600rpm
移動速度： 100mm/ min
シーノレドガス：ァノレゴンガス/なし
シールドガス流量： 50リットル Zmin
接合姿勢:下向き
[0038] 《TIG溶接の条件〉〉
電 流 通常 TIG : 100A
超音波 TIG：約 75A (通常 TIGと同様の溶融池幅を得る条件）
周波数 通常 TIG : 60Hz
超音波 TIG : 20kHz
電極 ：タングステン + 2%ThO
2
/' ~~ク長： 3mm
シーノレドガス：ァノレゴンガス
シールドガス流量： 10リットル/ min
接合姿勢:横向き
溶接速度： 180mm/min
[0039] この実験では、摩擦攪拌接合によって形成された接合部 Cに対して、他の被接合 部材 Dを溶接するのではなぐ溶接部位の実験後の観察が容易に行えるように、単 に TIG溶接で、ビードを接合部 C上に形成した（走らせた)ものを評価対象とした。 また、評価方法は、 TIG溶接後の接合部 Cを、溶接方向と直交する方向に、薄片に 切断し、その薄片の断面を撮影し、得られた画像中のブローホールの発生状況を観 察する方法で行った。なお、図 5ないし図 9に示した 7枚の写真は、切断位置がそれ ぞれ異なる薄片についてのものである。
[0040] 実験 1は、比較のために行ったものであり、従来一般に行われている TIG溶接によ るものである。その結果を図 5に示す。
実験 2は、従来法である。摩擦攪拌接合の際にシールドガスを流さず、その後通常 の TIG溶接を行ったものである。その結果を図 6に示す。
実験 3は、本発明の方法であり、摩擦攪拌接合の際にシールドガスとしてアルゴン ガスを流し、その後、通常の TIG溶接を行ったものである。その結果を図 7に示す。
[0041] 実験 4は、本発明の他の方法であり、摩擦攪拌接合の際にシールドガスを流さず、 その後、超音波を印加して TIG溶接を行ったものである。その結果を図 8に示す。 実験 5は、本発明の更に他の方法であり、摩擦攪拌接合の際にシールドガスとして アルゴンガスを流し、その後、超音波を印加して TIG溶接を行ったものである。その 結果を図 9に示す。
[0042] これらの写真画像中の真黒い点は、ブローホールを示す。
図 5から通常の TIG溶接では、ほとんど黒い点は無ぐブローホールが存在しない ことがわかる。
図 6は、実験 2の写真である。下向きで摩擦攪拌接合の際に混入した酸化物、水和 物などの不純物が溶接金属中にほぼ均一に存在していたと思われる。その後の横向 き TIG溶接により、ブローホールが発生し溶融金属の上側に集まり、ブローホール同 土が融合し、より拡大化していることが判る。
図 7は、実験 3の断面写真である。本写真からブローホールは存在している力 図 6 に比べ、ブローホールの大きさ、および数は少なぐ摩擦攪拌接合の際にシールドガ スを流す効果が現れている。これはシールドガスにより、ブローホールの発生原因を 低減させるため、全体的にブローホールが減少することを示している（原因低減効果 ) 0
[0043] 図 8は、実験 4の断面写真である。本写真からブローホールが存在している力 図 7 に比べ、ブローホールは点在していなぐ数が少ない。特に溶接金属部の中'下部に おいてブローホールがほぼ消失しており、超音波 TIG溶接の効果があることが判る。 これは発生初期の気泡が、超音波キヤビテーシヨンにより溶融池外への逸脱を促進 されたことを示してレ、る（除去促進効果)。
図 9は、実験 5の断面写真である。本写真から若干のブローホールが存在している ことが判る力 S、図 8に比べ、更にブローホールの数が少なぐ摩擦攪拌接合の際にシ 一ルドガスを流し、更に超音波 TIG溶接することにより、力、なりの効果があることが判 る。これはブローホールの発生原因の低減効果と、発生したブローホールの除去促 進効果という 2つの異なった効果を組合せたことによるものであり、より大きな効果を 得ることが可能である。
[0044] 次に、 TIG溶接に適した超音波の周波数を求めるため、同じく図 3の装置を用いて 実験を行った。周波数としては 15kHz、 20kHz, 30kHz, 35kHz, 40k:Hzにて行つ た。摩擦攪拌接合は、シールドガスを流さずにおこなった。また通常の TIG溶接 60H zを比較のために行った。その結果を図 10に示す。
[0045] 図 10力も超音波 TIG溶接は、通常の TIG溶接よりもブローホールを減らすことがで きることが判る。また周波数が小さくなると、ブローホールは減少し、 20kHzにおいて 最小となり、さらに小さくすると（15kHz)若干増えることが判る。
接合部 Cのブローホールを低減するには、 20kHz以下の周波数が好ましいことが わかった。周波数の効果は 30kHzを超えると効果が低くなることから、：!〜 30kHzが 効果的であるといえる。また、 15kHz以下では、騒音が大きくなることから作業環境を 考慮すると実用的には、 15kHz〜 25kHzが好適である。
なお、上記実験では、摩擦攪拌接合を下向き溶接にて行ったあと、溶融溶接を横 向き溶接にて行った力 溶接姿勢に限定されるものではないことは、言うまでもない。
[0046] 本実験は、アルミニウム合金である A5083で行った力 非熱処理型アルミニウム合 金の 1000系、難接合材の熱処理型アルミニウム合金の 2000系、 6000系、 7000系、铸 造材の ADC12、マグネシウム合金の AZ31、 AZ61、チタンとその合金、銅とその合金、 ニッケノレとその合金、ステンレス鋼等の鉄鋼材料、鉛などでも、有効である。また摩擦 攪拌接合の際のシールドガスとしてアルゴンを用いた力 その他の不活性ガス、アル ゴン等の不活性ガスに他のガスを混ぜた混合ガスも有効である。さらにスポット摩擦 攪拌接合においても，本発明は適用可能であり、本発明においてスポット摩擦攪拌 接合は摩擦攪拌接合に含まれる。
[0047] 本発明の摩擦攪拌接合の際に流すシールドガスは、本実験ではツールと保護カバ 一の間にシールドガスを供給する手法を用いているが、接合部 Cを大気から遮断す ることが可能であればよぐツール側面に設けたガス供給孔からシールドガスを供給 することや、ガス供給ノズノレにより周囲からシールドガスを供給するといつた方法も有 効であることは言うまでもなレ、。また、シールドガスを接合工程時に連続的に流すこと が望ましいが、後工程において溶融溶接による他の接合部材 Dの取付け位置が予 め判っている場合には、シールドガスの削減のため、その部分のみシールドガスを流 してもよレ、。さらにシールドガスを有効に使用するためプローブの反進行方向側の接 合部 Cを覆レ、、シールドガスリッチな状態を維持するアフターシールド治具を設けても よい。
産業上の利用可能性
本発明によれば、摩擦攪拌接合によって形成された接合部 Cに対してその後に溶 融溶接または抵抗溶接を行う際に、該接合部 Cでのブローホールの発生を抑えるこ とができるので、産業上有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 不活性シールドガスを流しつつ被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した 後、この接合部に対して溶融溶接または抵抗溶接する接合方法。
[2] 被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した後、この接合部に対して超音波 を印加しつつ溶融溶接または抵抗溶接する接合方法。
[3] 不活性シールドガスを流しつつ被接合部材を摩擦攪拌接合して接合部を形成した 後、この接合部に対して、超音波を印加しつつ溶融溶接または抵抗溶接する接合方 法。
[4] 超音波の周波数を l〜30kHzとすることを特徴とする請求項 2または 3記載の接合 方法。
[5] 請求項 1ないし 3のいずれかに記載の接合方法において、前記接合部に他の被接 合部材を溶融溶接または抵抗溶接することを特徴とする接合方法。
[6] 被接合部材がアルミニウム， アルミニウム合金，マグネシウム，マグネシウム合金，二 ッケル，ニッケル合金，チタン，チタン合金，銅，銅合金，鉛または鉄鋼材料であるこ とを特徴とする請求項 1なレ、し 3のレ、ずれかに記載の接合方法。
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