WO2011007774A1 - 摩擦攪拌接合用回転ツール - Google Patents

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stir welding
probe pin
rotary tool
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隆史 足立
浩之 武久
雄二 佐野
格 千田
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富士重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a rotary tool for friction stir welding used when friction stir welding a member to be joined made of a metal material such as an aluminum alloy, a magnesium alloy, a copper alloy, or a titanium alloy, and is particularly excellent in durability,
  • the present invention relates to a rotary tool for friction stir welding capable of obtaining high-quality friction stir welding.
  • FIG. 8 is a perspective view of the tip of the rotary tool showing an example of the rotary tool for friction stir welding used in the friction stir welding
  • FIG. 9 is a diagram showing the friction stir welding method.
  • the friction stir welding rotary tool 100 has a cylindrical shape, and has a cylindrical shoulder portion 101 at the tip thereof, and the probe pin 102 projects from the tip surface 101 a of the shoulder portion 101.
  • a threaded portion 102 a is formed on the outer periphery of the distal end side of 102.
  • the probe pins 102 protruding from the distal end surface 101 a of the shoulder portion 101 are joined to the joined members W of each other.
  • the front end surface 101a of the shoulder portion 101 is brought into contact with the surface of the member W to be joined. In this state, the friction stir welding tool 100 is bonded along the bonding portion Wa between the members to be bonded W while moving along the bonding portion Wa of the member W to be bonded.
  • the to-be-joined member W is plastically fluidized and fluidized by the frictional heat between the shoulder portion 101 and the probe pin 102 rotating at high speed and the to-be-joined member W.
  • the member W to be joined is stirred by the screw part 102a provided on the outer periphery of the probe pin 102 at the joint part Wa, and then the part is cooled to join the members to be joined W at the joint part Wa.
  • each to-be-joined member W when joining each other to-be-joined member W by friction stir welding, each to-be-joined member W can be joined at low temperature compared with welding, and while being able to suppress the thermal influence at the time of joining, it is joined part Wa.
  • the whole can be joined uniformly, and further, dissimilar materials can be joined easily.
  • hot tool steel is used as a material constituting the shoulder portion 101 and the probe pin 102 in the rotary tool 100 for friction stir welding.
  • the rotary tool 100 for friction stir welding is rotated at a high speed so that the probe pin 102 is press-fitted into the joint portion Wa of each member to be joined W, and the tip surface 101a of the shoulder portion 101 is brought into contact with the member to be joined W.
  • the member W to be joined is plastically fluidized by frictional heat, if the fluidized member W to be welded is welded to the shoulder portion 101 or the probe pin 102, the agitation resistance increases and the probe pin 102 is damaged. Further, the shoulder portion 101 and the probe pin 102 are exposed to a high temperature, and the wear becomes severe and the strength is lowered. The buckling and breakage of the probe pin 102 to which repeated tensile and compressive loads are applied, There is a concern that the joint Wa of the member W is thermally deformed.
  • the member to be joined may be damaged, and the operator may be in danger.
  • measures to prevent the friction stir welding rotary tool from being damaged there are various measures such as increasing the shaft diameter of the friction stir welding rotary tool, increasing the curvature of the stress concentration part, and increasing the strength of the friction stir welding rotary tool material.
  • there is a method of extending the tool life by simplifying the shape of the threaded portion or the like, but in that case, excellent bonding characteristics cannot be realized.
  • Patent Document 1 proposes a rotary tool for friction stir welding that suppresses the wear and breakage of the shoulder portion and the probe pin and suppresses the thermal influence of the joining member.
  • a probe pin and a shoulder portion that come into contact with a member to be joined are made of a WC cemented carbide containing 5 to 18% by weight of Co.
  • the friction stir welding rotary tool is rotated at a high speed so that the probe pin is press-fitted into the joint portion of the member to be joined and the front end surface of the shoulder portion is brought into contact, and the member to be joined is plastically fluidized by frictional heat. Join the members.
  • the probe pin and the shoulder portion formed of the WC cemented carbide are excellent in wear resistance, but have low toughness, and the tensile and compressive load due to use is low. There is concern about damage due to repetition.
  • a friction stir welding rotary tool having a probe pin and a shoulder portion made of a WC-based cemented carbide increases the manufacturing cost thereof, and the manufacturing cost of a product joined by the friction stir welding rotary tool increases. There is concern.
  • shot peening By this shot peening, compressive residual stress can be applied to the probe pin of the rotary tool for friction stir welding formed of relatively inexpensive hot tool steel or heat-resistant alloy. It can also be assumed that a rotating tool is obtained.
  • shot peening involves spraying a small steel ball or the like on the surface, so the surface of the probe pin and the tip of the shoulder is rough due to the shot mark, and the unevenness of the shot mark becomes the fatigue starting point. May decrease. Further, the surface shape accuracy of the probe pin and the tip end surface of the shoulder portion, particularly the screw portion formed on the outer periphery of the tip end of the probe pin, decreases due to shot marks. Due to this decrease in surface shape accuracy, there is a concern that the friction stir resistance between the probe pin and the front end surface of the shoulder portion and the member to be joined increases when joining the member to be joined, and the joining characteristics deteriorate. The
  • the compressive residual stress imparted by shot peening is extremely shallow, and it is difficult to ensure a compressive residual stress sufficient for improving fatigue characteristics. Also, it is difficult to spray a hard sphere with high precision on a minute region by shot peening, and it is difficult to perform shot peening on a friction stir welding rotary tool having a small probe pin that requires surface shape accuracy.
  • pulse laser peening has been developed as a method for applying compressive residual stress in the vicinity of the surface of a metal object.
  • pulse laser peening can control the irradiation spot of the pulse laser beam with high accuracy, is suitable for selectively applying compressive residual stress to a minute region, and the surface shape accompanying the construction process It can be applied to machine parts that are small in change and require surface shape accuracy.
  • the compressive residual stress can be applied deeper, and the compressive residual stress depth can be adjusted by controlling the irradiation conditions of the pulse laser beam such as the pulse energy, the spot diameter, and the number of pulse irradiations.
  • an object of the present invention made in view of such a point is to provide a rotary tool for friction stir welding that is excellent in wear resistance and durability and that provides excellent bonding characteristics.
  • the invention of the rotary tool for friction stir welding comprises a probe pin that protrudes from the distal end surface of a rotating shoulder portion and has a threaded portion on the outer periphery on the distal end side.
  • the friction stir welding rotary tool that press-fits into the joint, moves the probe pin along the joint, and friction stir welds the members to be joined at the joint, pulse laser peening is performed on the outer peripheral surface of the probe pin It is characterized by.
  • the present invention it becomes possible to apply a selective compressive residual stress to a minute region on the outer peripheral surface of a probe pin that is repeatedly subjected to tensile and compressive load stresses during joining, and the surface shape accuracy is small. Is maintained.
  • deep compressive residual stress and hardness increase by pulse laser peening it is possible to suppress the occurrence of cracks in the probe pin to which tensile and compressive stress is repeatedly applied in accordance with friction stir welding. Therefore, buckling and breakage are suppressed and durability is greatly improved.
  • a proximal end side range between a continuous portion continuous from the distal end surface of the shoulder portion on the outer peripheral surface of the probe pin and the screw portion.
  • the present invention by applying pulsed laser peening to the base end side range of the probe pin to which repeated tensile and compressive stresses are concentrated in connection with friction stir welding, particularly compressive residual stress is concentrated by pulsed laser peening.
  • the toughness in the proximal end side range of the probe pin to be applied is maintained, damage due to buckling and thermal deformation is suppressed, and durability is greatly improved.
  • the compressive residual stress applied by the pulse laser peening is at a maximum temperature when the rotary tool for friction stir welding is used. It is characterized by being larger than the applied tensile stress and smaller than the compressive yield stress.
  • the present invention by controlling the compressive residual stress applied by pulse laser peening to a range that is larger than the tensile stress applied at the highest temperature when using the rotary tool for friction stir welding and smaller than the compressive yield stress.
  • the toughness of the probe pin is more reliably maintained, damage due to buckling and thermal deformation is suppressed, and durability is greatly improved.
  • the surface hardness and toughness of the probe pin to which tensile and compressive stress are repeatedly applied in accordance with friction stir welding are maintained, and damage due to buckling and thermal deformation is suppressed and durability is maintained. Is greatly improved. Also, good bonding characteristics can be obtained without impairing the surface shape accuracy of the probe pin.
  • FIG. 1 is a side view showing an outline of a rotary tool for friction stir welding
  • FIG. 2 is a perspective view of a portion A in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a line II in FIG.
  • a friction stir welding rotary tool 10 has a cylindrical shape made of hot tool steel that is rotated around an axis Z by a rotary drive device 1 such as an induction motor (not shown), and its tip.
  • a rotary drive device 1 such as an induction motor (not shown)
  • a cylindrical shoulder portion 11 is formed, and a probe pin 20 protruding along the axis Z from the center of the front end surface 13 of the shoulder portion 11 is formed.
  • the distal end surface 13 of the shoulder portion 11 is formed in an inverted conical shape so that the center is recessed toward the proximal end side, and the probe pin 21 extends along the axis Z from the most recessed central portion. Projects in the tip direction.
  • An annular corner 14 extending from the outer peripheral surface 12 and the front end surface 13 of the shoulder portion 11 is formed with a so-called corner R that smoothly continues in an arc shape.
  • a continuous portion 15 where the distal end surface 13 and the proximal end of the probe pin 20 are continuous is formed with a so-called corner R that is smoothly connected in an arc shape.
  • the probe pin 20 has a cylindrical shape, the proximal end side range 22 of the outer peripheral surface thereof has a perfect circular cross section, and the distal end side range 23 is formed with a helical thread portion 23a.
  • the shoulder portion 11 and the probe pin 20 that are repeatedly subjected to tensile and compressive stress during use, and the shoulder portion that is stressed particularly concentratedly in this embodiment. 11 is subjected to pulsed laser peening on the surface of the base end side range 22 between the continuous portion 15 connected to the tip surface 13 of the eleventh portion and the screw portion 23a.
  • the friction stir welding rotary tool 10 is driven to rotate about the axis Z, and the base end of the probe pin 20 including the continuous portion 15 connected to the front end surface 13 of the shoulder portion 11 of the rotating friction stir welding rotary tool 10 is rotated.
  • the surface of the side range 22 (shown by hatching in FIG. 2) is focused and irradiated with a pulse laser beam, and the circumferential direction in which the friction stir welding rotary tool 10 rotates is scanned as shown in FIG.
  • the scanning direction of the beam spot S is shifted from the proximal end side of the probe pin 20 to the distal end 24 side direction X in the direction Y.
  • the beam spots S are scanned so that the beam spots S overlap each other in the scanning direction Y, and adjacent beam spots S in the X direction overlap each other.
  • the surface of the proximal end side range 22 of the probe pin 20 including the connection portion 15 connected to the distal end surface 13 of the shoulder portion 11 is irradiated with a pulse laser beam to give compressive residual stress, and fatigue strength is increased.
  • the irradiation spot of the pulsed laser beam is controlled so that the surface of the proximal end side range 22 of the probe pin 20 including the continuous portion 15 continuing to the preset distal end surface 13 of the shoulder portion 11 is highly accurate.
  • the compressive residual stress is applied, and the surface shape change of the probe pin 20 including the continuous portion 15 is extremely small, and the surface shape accuracy of the probe pin 20 is maintained.
  • a desired compressive residual stress depth can be secured.
  • the compressive residual stress depth H is about 25% (H ⁇ D / 4) or less with respect to the diameter D of the probe pin 20, the probe pin 20 including the continuous portion 15 connected to the distal end surface 13 of the shoulder portion 11. The toughness is maintained while sufficiently securing the surface hardness.
  • the compressive residual stress applied by the irradiation of the pulse laser beam is preferably set in consideration of a decrease in strength of the rotary tool 10 for friction stir welding due to a temperature rise accompanying friction stir welding.
  • the most load is applied under the maximum temperature exposure during friction stir coupling. It is preferable to set it to be larger than the tensile stress in the proximal end side range 22 of the probe pin 20 and smaller than the compressive yield stress under the maximum temperature exposure.
  • the probe pin 20 of the rotary tool for friction stir welding 10 reaches the joint portion Wa of the members W to be joined, the member W to be joined is heated by frictional heat between the rotating probe pin 20 and the member to be joined W. And the probe pin 20 is inserted.
  • the probe pin 20 is inserted until the corner portion 14 of the shoulder portion 11 comes into contact with the surface of the contacted member W, and the shoulder pin 11 and the probe pin 20 that are rotated in a state of being inserted into the joined member W are joined.
  • the member W to be joined is further heated and softened by frictional heat with the member W, and the member W to be joined at the joint Wa is plastically fluidized by the rotating probe pin 20.
  • the to-be-joined member W fluidized in this way is stirred by the screw part 23a formed in the probe pin 20, and a plastic flow area is formed in the joining part Wa of the to-be-joined member W by this stirring.
  • the friction stir welding rotary tool 10 is moved along the joint portion Wa of the member W to be joined, and sequentially joined along the joint portion Wa of the member W to be joined.
  • the screw portion 23 a is used as the friction stir welding rotary tool. Since the threaded member W is pressed to the back by the action of the screw portion 23a, the tip surface 13 of the shoulder portion 11 is probed from the outer peripheral side. Since the pin 20 is formed so as to be recessed toward the center, the fluidized member W is suppressed from flowing out from the joint Wa, so that a cavity or the like is not formed. Both members to be joined W are uniformly joined at the joint Wa.
  • pulse laser peening is performed on the proximal end side range 22 of the probe pin 20 including the continuous portion 15 continuous with the distal end surface 13 of the shoulder portion 11, thereby
  • the compressive residual stress is applied without impairing the surface shape of the probe pin 20 including the distal end surface 13 and the continuous portion 15 continuous to the distal end surface 13, and the member W to be joined is friction stir welded along the joining portion Wa.
  • the bonded member W is prevented from adhering to the probe pin 20 and the distal end surface 13 of the shoulder portion 11, and wear of the probe pin 20 and the shoulder portion 11 due to friction is reduced.
  • the surface hardness and toughness of the proximal end side range 22 of the probe pin 20 including the portion 15 connected to the distal end surface 13 of the shoulder portion 11 to which tensile and compressive load stress is repeatedly applied in accordance with the friction stir welding is maintained. 11 is prevented from being damaged due to buckling or thermal deformation, and the durability is greatly improved.
  • pulse laser peening is performed only in the range of the proximal end side range 22 of the probe pin 20 including the continuous portion 15 connected to the distal end surface 13 of the shoulder portion 11. Residual stress was applied to the part, but pulsed laser peening was applied over a wide range of the distal end surface 13 of the shoulder portion 11 and the outer peripheral surface of the probe pin 20 in contact with the member W to be joined in accordance with friction stir welding to apply compressive residual stress. May be. Even in this case, the surface shape change of the screw portion 23 is extremely small, and the surface shape accuracy of the entire probe pin 20 including the screw portion 23a is maintained.
  • pulse laser peening treatment was applied to the proximal end side range of the probe pin including the portion connected to the distal end surface of the shoulder portion of the rotating tool for friction stir welding, and residual compressive stress was measured before and under high temperature exposure. .
  • Friction stir welding rotary tool / friction stir welding rotary tool shape The cross section of the main portion of FIG. 6 is shown in FIG. The diameter D from the center is 2 mm, and the length L from the tip surface 13 to the tip 24 is 5 mm.
  • Pulse laser peening processing range Pulse laser peening is performed on the proximal end side range 22 of the probe pin 20 including the continuous portion 15 connected to the distal end surface 13 of the shoulder portion 11 while the rotary tool 10 for friction stir welding is being rotationally driven.
  • Material Table 1 shows the material of the rotary tool 20 for friction stir welding.
  • Hot tool steel having mechanical properties as shown in Table 1, that is, Young's modulus: 210,000 N / mm 2 , tensile strength: 2,650 N / mm 2 , 0.2% proof stress: 1,960 N / mm 2
  • the rotary tool 10 for friction stir welding was formed of hot tool steel having an elongation of 4% and a drawing of 13%. Stress state: The friction stir welding rotary tool 10 is inserted into a joint portion of a member to be joined while rotating at high speed, moves to one side along the joint portion, and repeatedly receives a tensile / compressive load.
  • a tensile / compressive stress of about 400 MPa acts on the proximal end side range 22 that becomes the stress concentration portion of the probe pin 20.
  • Temperature state On the other hand, the rotary tool 10 for friction stir welding is exposed to a high temperature by use from a normal temperature, and the temperature of the probe pin 20 rises to about 400 ° C.
  • Pulse laser peening condition / requirement 1 The probe pin 20 of the rotary tool 10 for friction stir welding is exposed to high temperature during use, and the temperature is about 400 ° C. Therefore, considering that the strength of the probe pin 20 is about 30% lower than that at room temperature, the compressive residual stress applied by pulse laser peening is 30% for a tensile / compressive load of 400 MPa acting before normal high temperature exposure. It needs to be given to a large extent. Therefore, the compressive residual stress applied by pulse laser peening needs to be 571 MPa or more which is about 30% larger than the tensile / compressive load of 400 MPa.
  • the compressive residual stress applied by pulse laser peening is equal to or less than the compressive yield stress under high temperature exposure, that is, 70 of 0.2% proof stress (1,960 MPa) of the material used for the rotary tool in FIG. % Or less, ie, 1,370 MPa or less.
  • pulse laser peening is performed under the pulse laser peening conditions of cases 1 to 9 shown in Table 2, and the compressive residual stress before and after high temperature exposure (400 ° C) is measured. It was measured.
  • the pulse energy shown in Case 7 and Case 8 30 mJ, spot diameter: 0.35 mm, number of times of pulse irradiation: 60pls / mm 2 and 120pls / mm 2 to satisfy the above requirement 1 and requirement 2 can be confirmed in .
  • the spot diameter is 0.2 mm and the number of pulse irradiations is 180 pls / mm 2.
  • the spot diameter is 0.3 mm and the number of pulse irradiations is 90 to 270 pls / mm 2.
  • the pulse energy is 30 mJ, the spot diameter is 0.35 mm and the pulse irradiation frequency is 60 to 120 pls / mm 2.

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Abstract

　耐摩耗性及び耐久性に優れ、優れた接合特性が得られる摩擦攪拌接合用回転ツールを提供する。　摩擦攪拌接合用回転ツール１０におけるショルダー部１１の先端面１３から突出するプローブピン２０の外周面におけるショルダー部１１の先端面１３に連続する連続部分１５からねじ部２３ａとの間の基端側範囲２２にパルスレーザピーニングを施す。摩擦攪拌接合に伴い繰り返し圧縮荷重及び引張荷重が付与されるプローブピン２０の表面硬度及び靱性が維持され、座屈や熱変形による破損が抑制されて耐久性が大幅に向上する。

Description

摩擦攪拌接合用回転ツール
　本発明は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金等の金属材料で構成された被接合部材を摩擦攪拌接合する際に使用する摩擦攪拌接合用回転ツールに関し、特に耐久性に優れると共に、高品質の摩擦攪拌接合が得られる摩擦攪拌接合用回転ツールに関する。
　従来から、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金等の金属材料で構成された被接合部材相互を接合する方法としては、ボルトやリベットによる機械的接合或いは、抵抗スポット溶接、アーク溶接、ガス溶接がある。この抵抗スポット溶接、アーク溶接、ガス溶接等は、ボルトやリベットによる機械的接合に比べ、製品が軽量化され、工数も少なくかつ装置も比較的簡単で広く利用されている。しかし、これらの溶接は、溶接温度が高く接合部がほぼ溶融温度に加熱され、被接合部材に熱的変形、硬化、残留応力、脆化、酸化による接合不良等の種々の熱的影響が懸念される。
　ここで、溶接に代えて、摩擦攪拌によって互いの被接合部材を接合させる摩擦攪拌接合方法が提案されている。
　図８はこの摩擦攪拌接合に用いる摩擦攪拌接合用回転ツールの一例を示す回転ツール先端部の斜視図、図９は摩擦攪拌接合方法を示す図である。
　図８に示すように、摩擦攪拌接合用回転ツール１００は円柱状であって、その先端に円柱状のショルダー部１０１を有し、ショルダー部１０１の先端面１０１ａからプローブピン１０２が突出し、プローブピン１０２の先端側外周にねじ部１０２ａが形成されている。この摩擦攪拌接合用回転ツール１００を図９に示すように回転駆動装置１０５により高速で回転させながら、ショルダー部１０１の先端面１０１ａから突出されたプローブピン１０２を相互の被接合部材Ｗの接合部Ｗａに圧入させると共に、ショルダー部１０１の先端面１０１ａを被接合部材Ｗの表面に接触させる。この状態で、摩擦攪拌接合用ツール１００を被接合部材Ｗの接合部Ｗａに沿って移動させながら、被接合部材Ｗ相互の接合部Ｗａに沿って接合させる。
　即ち、この摩擦攪拌接合用回転ツール１００においては、高速で回転するショルダー部１０１やプローブピン１０２と被接合部材Ｗとの摩擦熱により、被接合部材Ｗを塑性流動化させ、その流動化された被接合部材Ｗをその接合部Ｗａにおいてプローブピン１０２の外周に設けられたねじ部１０２ａにより攪拌し、その後、該部を冷却させて相互の被接合部材Ｗを接合部Ｗａにおいて接合させる。
　このように摩擦攪拌接合により互いの被接合部材Ｗを接合させる場合、溶接に比べ低温で互いの被接合部材Ｗを接合させることができ、接合時の熱的影響が抑制できると共に、接合部Ｗａ全体が均一に接合でき、更に、異種材料の接合も容易に行える。この摩擦攪拌接合用回転ツール１００におけるショルダー部１０１やプローブピン１０２を構成する材料として、一般に熱間工具鋼が使用される。
　しかし、摩擦攪拌接合用回転ツール１００を高速で回転させて、プローブピン１０２を互いの被接合部材Ｗの接合部Ｗａに圧入すると共に、ショルダー部１０１の先端面１０１ａを被接合部材Ｗに接触させ、摩擦熱により被接合部材Ｗを塑性流動化させる場合、流動化された被接合部材Ｗがショルダー部１０１やプローブピン１０２に溶着すると、攪拌抵抗が大きくなりプローブピン１０２が破損する要因となる。また、ショルダー部１０１やプローブピン１０２が高温下に曝露されて摩耗が激しくなると共に強度が低下し、引張及び圧縮荷重が繰り返し付加されるプローブピン１０２の座屈及び破損や、接合された被接合部材Ｗの接合部Ｗａが熱変形することが懸念される。
　また、摩擦攪拌接合用回転ツールのプローブピン等が破損した場合、被接合部材が損傷したり、作業者に危険が及ぶこともある。この摩擦攪拌接合用回転ツールの破損を防ぐ対策として、摩擦攪拌接合用回転ツールの軸径増大、応力集中部の曲率増大、摩擦攪拌接合用回転ツールの材料の高強度化等の種々の方策があるが、これらの変更に伴い発生する不具合の有無確認には多くの費用及び時間を要するだけでなく、接合特性に影響を及ぼすことがある。また、ねじ部等の形状を簡素化して工具寿命を延ばす方法もあるが、その場合優れた接合特性が実現できなくなる。
　そこで、ショルダー部やプローブピンの摩耗や破損を抑制すると共に、接合部材の熱的影響を抑制する摩擦攪拌接合用回転ツールが特許文献１によって提案されている。
　この特許文献１に開示された摩擦攪拌接合用回転ツールは、被接合部材と接触するプローブピン及びショルダー部を、Ｃｏを５～１８重量％含有するＷＣ系の超硬合金で構成する。この摩擦攪拌接合用回転ツールを高速で回転させ、プローブピンを被接合部材の接合部に圧入させると共にショルダー部の先端面を接触させて、摩擦熱により被接合部材を塑性流動化させて被接合部材を接合する。
特開２００５－１９９２８１号公報
　しかし、上記特許文献１の摩擦攪拌接合用回転ツールによると、ＷＣ系の超硬合金で形成されたプローブピン及びショルダー部は耐摩耗性に優れる反面、靱性が低く、使用による引張及び圧縮荷重の繰り返しにより、破損することが懸念される。
　また、ＷＣ系の超硬合金からなるプローブピン及びショルダー部を備えた摩擦攪拌接合用回転ツールは、その製造コストが増大し、摩擦攪拌接合用回転ツールにより接合された製品の製造コストが増大することが懸念される。
　一方、鋼材における繰り返し荷重を受ける部分の疲労強度を向上させる手段として、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与したり、表面部の硬さを向上させる方法がある。このショットピーニングは、鋼材のターゲットとする表面に小さな剛球を吹き付けてそこに塑性変形をもたらすことにより、圧縮残留応力を付与するものである。
　このショットピーニングにより、比較的安価な熱間工具鋼や耐熱合金によって形成した摩擦攪拌接合用回転ツールのプローブピンに圧縮残留応力を付与することができ、安価に耐久性に優れた摩擦攪拌接合用回転ツールを得ることも想定できる。しかし、ショットピーニングは、その表面に小さな鋼球等を吹き付けることから、その吹き付け範囲が広くプローブピンやショルダー部の先端面の表面がショット痕により荒れ、そのショット痕の凹凸が疲労起点となり疲労特性が低下するおそれがある。更にプローブピンやショルダー部の先端面、特にプローブピンの先端外周に形成されるねじ部等がショット痕により表面形状精度が低下する。この表面形状精度の低下に起因して、被接合部材の接合時にプローブピン及びショルダー部の先端面と被接合部材との間の摩擦攪拌抵抗が増大し、かつ接合特性が低下することが懸念される。
　また、ショットピーニングによって付与される圧縮残留応力は極めて浅く、十分な疲労特性の改善に足る圧縮残留応力を確保することが困難である。また、ショットピーニングにより微小領域に精度よく剛球を吹き付けることはできず、表面形状精度が要求される小さなプローブピンを備えた摩擦攪拌接合用回転ツールにショットピーニングを施すことは困難である。
　一方、最近、金属物体の表面近傍に圧縮残留応力を付与する方法としてパルスレーザピーニングが開発されている。パルスレーザピーニングは、ショットピーニングと比較して、パルスレーザビームの照射スポットを高精度で制御することが可能で、微小領域への選択的な圧縮残留応力付与に適し、かつ施工処理に伴う表面形状変化が小さく、表面形状精度が要求される機械部品への適用が可能である。また、より深く圧縮残留応力を付与することが可能であり、パルスエネルギ、スポット径、パルス照射回数等のパルスレーザビームの照射条件を制御することで、圧縮残留応力深さが調整できる。
　従って、かかる点に鑑みなされた本発明の目的は、耐摩耗性及び耐久性に優れ、優れた接合特性が得られる摩擦攪拌接合用回転ツールを提供することにある。
　上記目的を達成する請求項１に記載の摩擦攪拌接合用回転ツールの発明は、回転するショルダー部の先端面から突出され先端側外周にねじ部を備えたプローブピンを、被接合部材の接合部に圧入させ、該接合部に沿ってプローブピンを移動して、接合部における被接合部材を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記プローブピンの外周面にパルスレーザピーニングを施したことを特徴とする。
　この発明によると、接合時に繰り返し引張及び圧縮荷重応力が負荷されるプローブピンの外周面に、微小領域への選択的な圧縮残留応力を付与することが可能となり、表面形状変化が小さく表面形状精度が維持される。また、パルスレーザピーニングにより圧縮残留応力及び硬度上昇を深くまで導入することにより、摩擦攪拌接合に伴い引張及び圧縮応力が繰り返し付与されるプローブピンの亀裂の発生を抑制できる。よって、座屈や破損が抑制されて耐久性が大幅に向上する。
　請求項２に記載の発明は、請求項１の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記プローブピンの外周面におけるショルダー部の先端面に連続する連続部分から上記ねじ部との間の基端側範囲に上記パルスレーザピーニングを施したことを特徴とする。
　この発明によると、摩擦攪拌接合に伴い繰り返し引張及び圧縮応力が集中的に付与されるプローブピンの基端側範囲にパルスレーザピーニングを施すことにより、特にパルスレーザピーニングにより圧縮残留応力が集中的に付与されるプローブピンの基端側範囲の靱性が維持され、座屈や熱変形による破損が抑制されて耐久性が大幅に向上する。
　請求項３に記載の発明は、請求項１または２の摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、上記パルスレーザピーニングにより付与される圧縮残留応力が、摩擦攪拌接合用回転ツールの使用時における最高温度下で付与される引張応力より大きくかつ圧縮降伏応力より小さいことを特徴とする。
　この発明によると、パルスレーザピーニングにより付与される圧縮残留応力が摩擦攪拌接合用回転ツールの使用時における最高温度下で付与される引張応力より大きくかつ圧縮降伏応力より小さくなる範囲に制御することで、より確実にプローブピンの靱性が維持され、座屈や熱変形による破損が抑制されて耐久性が大幅に向上する。
　本発明によるとパルスレーザピーニングを施すことにより、摩擦攪拌接合に伴い引張及び圧縮応力が繰り返し付与されるプローブピンの表面硬度及び靱性が維持され、座屈や熱変形による破損が抑制されて耐久性が大幅に向上する。また、プローブピンの表面形状精度が損なわれることなく良好な接合特性が得られる。
本実施の形態における摩擦攪拌接合用回転ツールの概要を示す側面図である。 図１のＡ部の斜視図である。 図２のＩ－Ｉ線断面図である。 パルスレーザピーニング処理の概要を示す図である。 摩擦攪拌接合の概要を示す図である。 実施例における摩擦攪拌接合用回転ツールの概要を示す断面図である 同じく、残留応力測定結果を示す図である。 従来の摩擦攪拌接合用回転ツールの概要を示す図である。 同じく、摩擦攪拌接合の概要を示す図である。
　以下、本発明による摩擦攪拌接合用回転ツールの実施の形態を図１乃至図５を参照して説明する。
　図１は、摩擦攪拌接合用回転ツールの概要を示す側面図、図２は図１のＡ部の斜視図、図３は図２のＩ－Ｉ線断面図である。
　図１に示すように摩擦攪拌接合用回転ツール１０は、図示されていないインダクションモータ等の回転駆動装置１によって軸線Ｚまわりに回転駆動される熱間工具鋼からなる円柱状であって、その先端に円柱状のショルダー部１１が形成され、ショルダー部１１の先端面１３の中央から軸線Ｚに沿って突出するプローブピン２０が形成されている。
　ショルダー部１１の先端面１３は、図２及び図３に示すように、中央が基端側に凹むように逆円錐状に形成され、最も凹んだ中央部からプローブピン２１が軸線Ｚに沿って先端方向に突出している。ショルダー部１１の外周面１２と先端面１３に亘る環状の角部１４は円弧状に滑らかに連続する、いわゆる隅Ｒが形成されている。また、先端面１３とプローブピン２０の基端とが連続する連続部分１５も円弧状に滑らかに連なる、いわゆる隅Ｒが形成されている。
　プローブピン２０は円柱状であって、その外周面の基端側範囲２２は断面真円状であって、先端側範囲２３には螺旋状のねじ部２３ａが形成されている。
　このように形成された摩擦攪拌接合用回転ツール１０において、使用時に繰り返し引張及び圧縮応力が負荷されるショルダー部１１やプローブピン２０、本実施の形態では特に応力が集中的に負荷されるショルダー部１１の先端面１３に連なる連続部分１５からねじ部２３ａとの間の基端側範囲２２の表面にパルスレーザピーニングを施す。
　パルスレーザピーニングは、例えば摩擦攪拌接合回転ツール１０を軸線Ｚまわりに回転駆動し、回転する摩擦攪拌接合回転ツール１０のショルダー部１１の先端面１３に連なる連続部分１５を含むプローブピン２０の基端側範囲２２（図２にハッチングで示す）の表面に、パルスレーザビームを集光及び照射して図４に要部拡大図を示すように、摩擦攪拌接合回転ツール１０が回転する周方向を走査方向Ｙとし、ビームスポットＳの走査領域をプローブピン２０の基端側から先端２４側方向Ｘにずらしながら行う。走査方向ＹにビームスポットＳは互いに重なりあうようにビームスポットＳを走査し、また、隣接するＸ方向のビームスポットＳも互いに重なりあうようにする。これにより、ショルダー部１１の先端面１３に連なる接続部分１５を含むプローブピン２０の基端側範囲２２の表面にパルスレーザビームが重畳照射されて圧縮残留応力が付与され、疲労強度が高められる。
　このパルスレーザピーニングにあたり、パルスレーザビームの照射スポットを制御することで、予め設定したショルダー部１１の先端面１３に連続する連続部分１５を含むプローブピン２０の基端側範囲２２の表面に高精度で圧縮残留応力が付与され、かつ表面形状変化が極めて小さく連続部分１５を含むプローブピン２０の表面形状精度が維持される。　
　更に、パルスエネルギ、スポット径、パルス照射回数等のパルスレーザビームの照射条件を制御することで、所望の圧縮残留応力深さが確保できる。例えば圧縮残留応力深さＨをプローブピン２０の径Ｄに対し２５％（Ｈ＜Ｄ／４）程度以下に設定することでショルダー部１１の先端面１３に連なる連続部分１５を含むプローブピン２０の表面硬度を十分に確保しつつ、靱性が保持される。
　なお、このパルスレーザビームの照射により付与される圧縮残留応力は、摩擦攪拌接合に伴う温度上昇により摩擦攪拌接合用回転ツール１０の強度が低下することを考慮して設定することが好ましく、摩擦攪拌接合に伴うプローブピン２０の基端側範囲２２の座屈や、プローブピン２０の破損を有効的に回避乃至抑制するには、摩擦攪拌結合の際の最高温度曝露下おいて最も負荷が付与されるプローブピン２０の基端側範囲２２における引張応力より大きく、かつ最高温度曝露下における圧縮降伏応力より小さく設定することが好ましい。
　即ち、圧縮残留応力が下記のようになるようにパルスレーザビームの照射を制御することが好ましい。
　（最高温度曝露下で付与される引張応力＜圧縮残留応力＜最高温度曝露下における圧縮降伏応力）
　このように構成された摩擦攪拌接合用回転ツール１０を用いて互いの被接合部材Ｗを接合部Ｗａにおいて摩擦攪拌接合させるにあたっては、図５に示すように、回転駆動手段１によって摩擦攪拌接合用回転ツール１０を高速で回転させながら軸線Ｚに沿って下降させる。
　そして、摩擦攪拌接合用回転ツール１０のプローブピン２０が互いの被接合部材Ｗの接合部Ｗａに達すると、回転するプローブピン２０と被接合部材Ｗとの摩擦熱によって被接合部材Ｗが加熱されて軟化し、プローブピン２０が挿入される。
　更に、プローブピン２０をショルダー部１１の角部１４が被接触部材Ｗの表面に接触するまで挿入し、この被接合部材Ｗに挿入された状態で回転するショルダー部１１及びプローブピン２０と被接合部材Ｗとの摩擦熱により更に被接合部材Ｗが加熱されて軟化し、かつ回転するプローブピン２０により接合部Ｗａにおける被接合部材Ｗを塑性流動化させる。そして、このように流動化された被接合部材Ｗをプローブピン２０に形成されたねじ部２３ａにより攪拌し、この攪拌によって被接合部材Ｗの接合部Ｗａに塑性流動域が形成される。この状態で、摩擦攪拌接合用回転ツール１０を被接合部材Ｗの接合部Ｗａに沿って移動させ、被接合部材Ｗの接合部Ｗａに沿って順次に接合させる。
　また、摩擦攪拌接合用回転ツール１０において、流動化された被接合部材Ｗをプローブピン２０の先端外周に形成されたねじ部２３ａにより攪拌させる場合に、このねじ部２３ａが摩擦攪拌接合用回転ツール１０の回転方向と逆ねじに形成されているため、流動化された被接合部材Ｗがねじ部２３ａの作用により奥方に押し付けられるようになり、またショルダー部１１の先端面１３を外周側からプロービングピン２０が設けられた中心に向けて凹むように形成しているため、流動化された被接合部材Ｗが接合部Ｗａから外側に流れ出るのが抑制され、空洞等が形成されることがなく、被接合部材Ｗの双方が接合部Ｗａにおいて均一に接合される。
　ここで、摩擦攪拌接合用回転ツール１０においては、ショルダー部１１の先端面１３に連続する連続部分１５を含むプローブピン２０の基端側範囲２２にパルスレーザピーニングを施すことにより、ショルダー部１１の先端面１３及び先端面１３に連続する連続部分１５を含むプローブピン２０の表面形状が損なわれることなく圧縮残留応力が付与され、被接合部材Ｗを接合部Ｗａに沿って摩擦攪拌接合する際に、被接合部材Ｗがプローブピン２０やショルダー部１１の先端面１３に付着するのが抑制されると共に、摩擦によるプローブピン２０やショルダー部１１の摩耗も少なくなる。
　また、摩擦攪拌接合に伴い引張及び圧縮荷重応力が繰り返し付与されるショルダー部１１の先端面１３に連なる部分１５を含むプローブピン２０の基端側範囲２２の表面硬度及び靱性が維持され、ショルダー部１１の座屈や熱変形による破損が抑制されて耐久性が大幅に向上する。
　なお、この実施形態における摩擦攪拌接合用回転ツール１０においては、ショルダー部１１の先端面１３に連なる連続部分１５を含むプローブピン２０の基端側範囲２２の範囲にのみパルスレーザピーニングを施して該部に残留応力を付与したが、摩擦攪拌接合に伴い被接合部材Ｗと接するショルダー部１１の先端面１３及びプローブピン２０の外周面の広範囲に亘りパルスレーザピーニングを施して圧縮残留応力を付与しても良い。この場合においても、ねじ部２３の表面形状変化が極めて小さくねじ部２３ａを含むプローブピン２０全体の表面形状精度が維持される。
　次に、この発明の実施の形態に係る具体的な摩擦攪拌接合用回転ツールの特性を説明する。
　実施例において、摩擦攪拌接合用回転ツールのショルダー部の先端面に連なる部分を含むプローブピンの基端側範囲にパルスレーザピーニング処理を施し、高温曝露前及び高温曝露下における残留圧縮応力測定をした。
（１）摩擦攪拌接合用回転ツール
・摩擦攪拌接合用回転ツール形状：図６に要部断面を示し、かつ図３と対応する部分に同一符号を付すように、ショルダー部１１の先端面１３の中央から径Ｄが２ｍｍ、先端面１３から先端２４までの長さＬが５ｍｍである。
・パルスレーザピーニング処理範囲：摩擦攪拌接合用回転ツール１０を回転駆動状態でショルダー部１１の先端面１３に連なる連続部分１５を含むプローブピン２０の基端側範囲２２にパルスレーザピーニングを施す。
・材質：摩擦攪拌接合用回転ツール２０の材質を表１に示す。表１に示すような機械的特性を有する熱間工具鋼、即ちヤング率：２１０，０００Ｎ／ｍｍ２、引張強さ：２，６５０Ｎ／ｍｍ２、０．２％耐力：１，９６０Ｎ／ｍｍ２、伸び：４％、絞り：１３％の熱間工具鋼により摩擦攪拌接合用回転ツール１０を形成した。
・応力状態：摩擦攪拌接合用回転ツール１０は、高速回転しながら被接合部材の接合部に差し込まれて、接合部に沿って一方に移動し、引張／圧縮荷重を繰り返し受ける。ここで、この摩擦攪拌接合用回転ツール１０の場合、プローブピン２０の応力集中部となる基端側範囲２２に４００ＭＰａ程度の引張／圧縮応力が作用する。
・温度状態：一方、摩擦攪拌接合用回転ツール１０は、通常の温度から使用により高温下に曝露されてプローブピン２０の温度は約４００℃まで上昇する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（２）パルスレーザピーニング条件
・必要条件１：摩擦攪拌接合用回転ツール１０のプローブピン２０は使用時に高温曝露下となり、温度が約４００℃程度となる。したがってプローブピン２０の強度は常温時と比較し約３０％低下することを考慮し、パルスレーザピーニングにより付与される圧縮残留応力を通常の高温曝露前において作用する引張／圧縮荷重４００ＭＰａに対し３０％程度大きく付与する必要がある。よって、パルスレーザピーニングにより付与される圧縮残留応力は引張／圧縮荷重４００ＭＰａに対し３０％程度大きな５７１ＭＰａ以上が必要である。・必要条件２：一方、パルスレーザピーニングにより付与される圧縮残留応力は高温曝露下での圧縮降伏応力以下、すなわち図７における回転ツールの使用材質の０．２％耐力（１，９６０ＭＰａ）の７０％以下、即ち１，３７０ＭＰａ以下に設定する必要がある。
　これら必要条件１及び必要条件２を考慮し、表２に示すケース１～ケース９の各パルスレーザピーニング条件でパルスレーザピーニングを施し、高温曝露前及び高温暴露後（４００℃）における圧縮残留応力を測定した。これらの結果を表２および図７に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　これらの結果より、ケース１に示すパルスエネルギ：１０ｍＪ、スポット径：０．２ｍｍ、パルス照射回数：１８０ｐｌｓ／ｍｍ２において上記必要条件１及び必要条件２を満足することが確認できる。同様に、ケース４乃至ケース６に示すパルスエネルギ：２０ｍＪ、スポット径：０．３ｍｍ、パルス照射回数：９０ｐｌｓ／ｍｍ２、１８０ｐｌｓ／ｍｍ２及び２７０ｐｌｓ／ｍｍ２おいて上記必要条件１及び必要条件２を満足することが確認できる。また、ケース７及びケース８に示すパルスエネルギ：３０ｍＪ、スポット径：０．３５ｍｍ、パルス照射回数：６０ｐｌｓ／ｍｍ２及び１２０ｐｌｓ／ｍｍ２において上記必要条件１及び必要条件２を満足することが確認できる。
　即ち、表１及び表２より次の各パルスレーザピーニング条件で上記必要条件１及び必要条件２を満足することが確認でき、下記のパルスレーザピーニング条件により良好な圧縮残留応力が付与されることが確認できる。
　パルスエネルギ１０ｍＪの場合、スポット径：０．２ｍｍでかつパルス照射回数１８０ｐｌｓ／ｍｍ２
　パルスエネルギ２０ｍＪの場合、スポット径：０．３ｍｍでかつパルス照射回数９０～２７０ｐｌｓ／ｍｍ２
　パルスエネルギ３０ｍＪの場合、スポット径：０．３５ｍｍでかつパルス照射回数６０～１２０ｐｌｓ／ｍｍ２
（３）摩擦攪拌接合用回転ツールの評価
　ケース１、４～８の条件でパルスレーザピーニングを施した摩擦攪拌接合用回転ツールを使用して以下の評価を行い、プローブピン２０の折損がなく、良好な摩擦攪拌接合特性が得られる状態で接合距離も２倍以上延ばせることを確認した。
・パルスレーザピーニングを施したケース１、４～８の摩擦攪拌接合用回転ツールを用いて摩擦攪拌接合した後に引張試験及び疲労試験を行い、強度及び疲労サイクル数を満足していることを確認した。
・所望距離だけ摩擦攪拌接合を行い、プローブピン２０の折損がないことを確認した。
１０　　　　　摩擦攪拌接合用回転ツール
１１　　　　　ショルダー部
１２　　　　　外周面
１３　　　　　先端面
１５　　　　　連続部分
２０　　　　　プローブピン
２２　　　　　基端側範囲
２３　　　　　先端側範囲
２４　　　　　先端
Ｗ　　　　　　被接合部材
Ｗａ　　　　　接合部

Claims (3)

  1. 　回転するショルダー部の先端面から突出され先端側外周にねじ部を備えたプローブピンを、被接合部材の接合部に圧入させ、該接合部に沿ってプローブピンを移動して、接合部における被接合部材を摩擦攪拌接合させる摩擦攪拌接合用回転ツールにおいて、
    　上記プローブピンの外周面にパルスレーザピーニングを施したことを特徴とする摩擦攪拌接合用回転ツール。
  2. 　上記プローブピンの外周面におけるショルダー部の先端面に連続する連続部分から上記ねじ部との間の基端側範囲に上記パルスレーザピーニングを施したことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。
  3. 　上記パルスレーザピーニングにより付与される圧縮残留応力が、摩擦攪拌接合用回転ツールの使用時における最高温度下で付与される引張応力より大きく、かつ上記最高温度下での上記回転ツール使用材質の圧縮降伏応力より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦攪拌接合用回転ツール。
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