JP4672434B2 - Friction stir spot welding method - Google Patents
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Description
本発明は、改良された摩擦撹拌点接合方法に係り、特に、所定の被接合金属部材に2つ若しくはそれ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、それらを摩擦撹拌接合手法にて点接合せしめるに際しての有効な手法に関するものである。 The present invention relates to an improved friction stir spot joining method, and in particular, a method in which each plate-like portion of two or more metal members to be joined is superposed on a predetermined metal member to be joined by friction stir welding. It relates to an effective technique for spot joining.
従来から、自動車の製造において、そのボデー部材や各種部品が、複数の金属板部材を重ね合わせて、それらをリベットや抵抗スポット溶接の如き点接合にて連結して、一体化することにより、製造されてきており、また、そのような点接合による金属板材の連結形式は、鉄道車両を始めとする各種車両や航空機等の輸送機分野において、また家電製品、建材等の構造物等の分野においても、広く採用されてきている。 Conventionally, in the manufacture of automobiles, the body members and various parts are manufactured by superimposing a plurality of metal plate members and connecting them together by point joining such as rivets or resistance spot welding. In addition, the connection method of metal plates by such point joining is used in the field of transportation equipment such as various vehicles such as railway vehicles and aircraft, and in the field of structures such as home appliances and building materials. Has also been widely adopted.
一方、特許文献1等において、接合時の入熱が少なく、軟化や歪みの程度が少ない接合手法として、摩擦熱を利用して、金属部材を接合せしめる摩擦撹拌接合法が提案されるに至り、そのような摩擦撹拌接合手法を採用して、複数の金属板部材の重合せ部位を点接合せしめる技術が検討され、それによって、従来の抵抗スポット溶接やリベットによる接合よりも、継手品質がよく、良好な接合状態が安定して得られるとして、各種の摩擦撹拌点接合方法が、提案されている(特許文献2〜5等参照)。
On the other hand, in Patent Document 1, etc., a friction stir welding method in which a metal member is joined using frictional heat as a joining method with less heat input during joining and less softening or distortion has been proposed. Adopting such a friction stir welding technique, a technique for spot joining the overlapping parts of a plurality of metal plate members has been studied, thereby improving the joint quality compared to conventional resistance spot welding or rivet joining, Various friction stir spot joining methods have been proposed as a good joining state can be stably obtained (see
しかしながら、それら提案された各種の摩擦撹拌点接合方法は、何れも、基本的にはロッド形状の工具本体の先端に、ピン形状の硬質プローブを設けてなる構造のピン型工具(回転工具)を用い、それを高速回転させながら、所定の金属板部材の重合せ部位に差し込み、そして、かかるピン型工具の工具本体の先端部にて構成されるショルダ部を、重合せ部位に押圧することにより、それらショルダ部やプローブと重合せ部位との間に摩擦熱を発生させて、材料を塑性流動せしめ、かかるプローブの周りに撹拌領域を形成することにより、そのようなプローブの差込み部位において、金属板部材の重合せ部位の点接合を行なわしめるものであるが、その点接合されるべき金属板部材が、3枚、或いはそれ以上の枚数にて重ね合わされた重合せ部位における点接合においては、それら3枚以上の金属板部材の接合を均一に行なうことが困難となり、そのために、重ね合わされた金属板部材の重ね合わせ位置において、その結合強度(継手強度)が充分に確保され難いという問題があった。 However, all of these proposed friction stir spot joining methods basically use a pin-type tool (rotary tool) having a structure in which a pin-shaped hard probe is provided at the tip of a rod-shaped tool body. By using it, while rotating it at a high speed, it is inserted into the overlapping part of a predetermined metal plate member, and the shoulder part constituted by the tip of the tool body of the pin type tool is pressed against the overlapping part By generating frictional heat between the shoulder or the probe and the superposition site, the material is plastically flowed, and a stirring region is formed around the probe, so that the metal is inserted at the insertion site of such a probe. It is intended to perform point joining of the overlapping parts of the plate members, but the metal plate members that are to be spot-bonded are overlapped in three or more sheets. In the point joining at the position, it becomes difficult to uniformly join these three or more metal plate members. Therefore, the bonding strength (joint strength) is sufficient at the overlapping position of the overlapped metal plate members. There was a problem that it was difficult to secure.
具体的には、3枚以上の金属板部材を重ね合わせて、その重合せ部を、上述の如きピン型工具を用いて、摩擦撹拌点接合したときに、かかるピン型工具のプローブが差し込まれる最表部(最上段)の板部材と、その直下の板部材との接合界面は、充分に撹拌することが出来、以て、それら板部材間の接合強度は満足できるものであるが、その下の中間板部材同士の接合界面や、中間板部材と最底部(最下段)の板部材との接合界面においては、かかるピン型工具のショルダ部の摩擦発熱や押圧の影響が充分でなく、そのために、撹拌が不充分となり、塑性流動に基づくところの撹拌領域が有効に形成され難いために、それら中間板部材同士や中間板部材と最底部の板部材との間の継手強度(接合強度)が充分でないという問題が、内在している。また、プローブとショルダ部が一体型とされたピン型工具を用いた場合にあっては、被接合金属板部材の最表部に最初に当接されるのが底面積の小さいプローブ部分であるため、摩擦熱が発生し難く、また、ショルダ部が被接合金属板部材の最表部に接するまでにプローブの挿入によって攪拌部から押し出された金属がバリや切粉として排出されてしまい、そのために、攪拌部において材料が塑性流動し難くなり、充分な接合強度が得られなくなるといった問題も、内在しているのである。
Specifically, when three or more metal plate members are overlapped and the overlapped portion is friction stir spot bonded using the pin type tool as described above, the probe of the pin type tool is inserted. The bonding interface between the outermost plate member (uppermost) plate member and the lower plate member can be sufficiently agitated, so that the bonding strength between these plate members is satisfactory. At the bonding interface between the lower intermediate plate members, and the bonding interface between the intermediate plate member and the bottommost plate member (the lowest step), the influence of frictional heat generation and pressing of the shoulder portion of the pin type tool is not sufficient, For this reason, since the stirring is insufficient and it is difficult to effectively form a stirring region based on plastic flow, the joint strength between the intermediate plate members or between the intermediate plate member and the bottom plate member (joint strength) ) Is not enough . Further, in the case of using a pin type tool in which the probe and the shoulder portion are integrated, the probe portion having a small bottom area is first brought into contact with the outermost portion of the metal plate member to be joined. Therefore, the frictional heat hardly occurs, and the metal pushed out from the stirring portion by inserting the probe until the shoulder portion comes into contact with the outermost portion of the metal plate member to be joined is discharged as burrs and chips. , the material becomes difficult to plastically flow in the stirring section, also sufficient bonding strength is a problem not be obtained, Oh Ru since inherent.
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、所定の被接合金属部材の上に2つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、その重合せ部を摩擦撹拌接合法にて点接合するに際して、それら金属部材の重合せ部における何れの接合界面においても、充分な継手強度(接合強度)が確保され得るようにした摩擦撹拌点接合方法を提供することにある。 Here, the present invention has been made in the background of such circumstances, and the problem to be solved is that each plate shape of two or more metal members to be bonded on a predetermined metal member to be bonded. When the overlapping portions are overlapped and the overlapped portion is spot-bonded by the friction stir welding method, sufficient joint strength (bonding strength) can be ensured at any bonding interface in the overlapping portion of the metal members. Another object of the present invention is to provide a friction stir spot joining method.
そして、本発明にあっては、上記した課題の解決のために、所定の被接合金属部材の上に2つ以上の被接合金属部材の各板状部を重ね合わせて、それら3つ以上の被接合金属部材からなる重合せ部の最上部に位置する板状部の側から、軸回りに回転せしめられる回転工具のショルダ部材の中心に同軸的に位置せしめたプローブを、回転させつつ差し込み、それら3つ以上の被接合金属部材を点接合するようにした摩擦攪拌点接合方法にして、前記回転工具として、前記プローブと前記ショルダ部材とを別体に構成し、更に該ショルダ部材を相互に同軸的に挿入可能な複数の円筒状ショルダ部材にて構成して、該複数の円筒状ショルダ部材を前記プローブの周りに順次同軸的に外挿、配置せしめると共に、それらプローブ及び複数の円筒状ショルダ部材を、別個に軸方向に移動可能としてなる複動式回転工具を用い、該プローブと該ショルダ部材の各々の先端面を面一とした状態において、それらを回転させつつ、前記重合せ部の最上部の板状部表面に押し付けることにより、該重合せ部に摩擦発熱部を形成した後、該プローブを差し込み、該重合せ部の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌点接合方法を、その要旨とするものである。
And in this invention, in order to solve the above-mentioned subject, each plate-shaped part of two or more to-be-joined metal members is piled up on a predetermined to-be-joined metal member, and these three or more From the side of the plate-like part located at the uppermost part of the overlapped part made of the metal member to be joined, the probe positioned coaxially at the center of the shoulder member of the rotary tool rotated around the axis is inserted while rotating, these three or more in the friction stir spot joining method to be point bonded to the bonded metallic member, as said rotating tool, and said shoulder member and the probe formed separately, the further cross the shoulder member A plurality of cylindrical shoulder members that can be inserted coaxially are arranged, and the plurality of cylindrical shoulder members are sequentially coaxially extrapolated and arranged around the probe, and the probe and the plurality of cylindrical shoulder members are arranged. Da member, using a double-acting rotary tool comprising a movable separately in the axial direction, in a state in which each of the distal end surface of the probe and the shoulder member and flush, while rotating them, said heavy The friction stirrer is characterized in that after the frictional heat generating part is formed on the overlapped part by pressing against the surface of the uppermost plate-like part of the mating part, the probe is inserted and the overlapped part is subjected to friction stir welding The point joining method is the gist thereof.
また、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の望ましい態様の一つによれば、前記ショルダ部材の外周面にバリ押え筒体が外挿されて、前記重合せ部の最上部の板状部表面に当接せしめられることにより、該ショルダ部材の周りにおけるバリの発生が抑制乃至は阻止され得るようになっている。 Further, according to one of the desirable modes of the friction stir spot joining method according to the present invention, a burr pressing cylinder is extrapolated to the outer peripheral surface of the shoulder member, and the uppermost plate-like portion surface of the superposed portion is placed. By abutting, the generation of burrs around the shoulder member can be suppressed or prevented.
さらに、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の別の好ましい態様の一つにあっては、前記プローブの先端部が、前記重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材にまで差し込まれるようになっている。 Furthermore, in another preferable aspect of the friction stir spot joining method according to the present invention, the tip of the probe is inserted into the joined metal member located at the lowest part of the overlapped portion. It has become.
このように、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法によれば、回転工具として、プローブとショルダ部材とが別体に構成されて、それぞれが別個に軸方向に移動可能とされた複動式回転工具が用いられているところから、かかるプローブとショルダ部材の各々の先端面を面一とした状態として、プローブと共に、ショルダ部材が、重ね合わされた被接合金属部材の最表部に接するようにすることによって、広い面積に亘って、接合を行う重合せ部に対して適度な圧力を加えて、被接合金属部材の各々の接合界面をより密着させながら、摩擦熱が大きな領域で発生せしめられることとなり、もって、摩擦発熱部にて実質的に構成されることとなる軟化領域の拡大が効果的に実現されると共に、かかる発生した摩擦熱を、重ね合わされた被接合金属部材の下方の板にも、効果的に伝達せしめることが可能となるのである。そして、このように、軟化領域が拡大され、また下方の被接合金属部材にも摩擦熱が充分に伝達された状態において、プローブを差し込むことによって、大きな攪拌領域を形成することが出来ることとなるため、各接合界面における攪拌作用を充分に生じさせることが可能となり、以て、接合強度を増大させることが出来るのである。 Thus, according to the friction stir spot joining method according to the present invention, the double-acting rotary tool in which the probe and the shoulder member are configured separately as the rotary tool, and each of them can be moved separately in the axial direction. Since the tip end surfaces of the probe and the shoulder member are flush with each other, the shoulder member and the probe are brought into contact with the outermost portion of the stacked metal members to be joined. Therefore, frictional heat can be generated in a large area while applying an appropriate pressure to the superposed portion to be joined over a wide area, and making the joining interfaces of the metal members to be joined more closely. Thus, the expansion of the softening region that is substantially constituted by the frictional heat generating part is effectively realized, and the generated frictional heat is superposed on the overlapped metal part. The lower plate is also than it is possible allowed to effectively transmitted. In this manner, the softening region is enlarged, and a large stirring region can be formed by inserting the probe in a state where the frictional heat is sufficiently transmitted to the lower metal member to be joined. Therefore, it is possible to sufficiently generate a stirring action at each bonding interface, thereby increasing the bonding strength.
また、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法の望ましい態様の一つによれば、ショルダ部材の外周面にバリ押え筒体が外挿されて、被接合金属部材の重ね合わされた板状部の最上部表面に当接せしめられているところから、摩擦発熱部乃至は摩擦攪拌部へのプローブの差し込みによって、ショルダ部材の周りに摩擦発熱部乃至は摩擦攪拌部から押し出される材料が、バリ押え筒体の当接によって、摩擦発熱部乃至は摩擦攪拌部内に押し込められるようになり、以て、被接合金属部材表面に発生するバリが、効果的に抑制乃至は阻止され得ることとなる。 Further, according to one of the desirable modes of the friction stir spot joining method according to the present invention, the uppermost portion of the plate-like portion where the metal member to be joined is overlapped by extrapolating the burr pressing cylinder on the outer peripheral surface of the shoulder member. The material pushed out from the frictional heat generating part or the friction stirrer around the shoulder member by the insertion of the probe into the frictional heat generating part or the friction agitating part from the surface abutted on the surface of the burr pressing cylinder Due to the contact, the frictional heat generating part or the friction agitating part can be pushed in, so that burrs generated on the surface of the metal member to be joined can be effectively suppressed or prevented.
さらに、本発明の好ましい別の態様の一つに従って、プローブの先端部が、被接合金属部材の重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材にまで差し込まれるようにすることによって、各界面における攪拌が充分に生ぜしめられ得ることとなり、より一層、接合強度を向上することが可能となる。 Furthermore, according to one of the other preferable aspects of the present invention, each interface is formed by inserting the tip of the probe to the bonded metal member positioned at the lowest part of the overlapped portion of the bonded metal member. Can be sufficiently generated, and the bonding strength can be further improved.
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。 Hereinafter, in order to clarify the present invention more specifically, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、図1には、本発明に従う摩擦撹拌点接合方法の一実施形態が、概念図において示されている。そこにおいて、2は、本発明に従って摩擦撹拌点接合せしめられる被接合金属部材の重合せ部であり、この重合せ部2に対して、本発明に従う、回転工具10を用いた摩擦撹拌点接合操作が、実施されるようになっている。
First, FIG. 1 is a conceptual diagram showing an embodiment of a friction stir spot joining method according to the present invention. Therein, 2 is a superposed part of the metal members to be joined that are subjected to friction stir spot joining according to the present invention, and the friction stir spot joining operation using the
より具体的には、重合せ部2は、ここでは、被接合金属部材である金属板材4a,4b及び4cの3枚が上下方向に重ね合わされて、構成されており、そしてそれら3枚の金属板材4a〜4cの重合せ面、つまり、最表部(最上段)の金属板材4aとその下の金属板材4bとの間が接合界面6aとされ、金属板材4bと最底部(最下段)に位置する金属板材4cとの間が接合界面6bとされている。そして、それら3枚の金属板4a〜4cは、目的とする摩擦撹拌点接合を行うために、従来と同様にして、位置固定にクランプされており、また、最下側の金属板4cの裏面には、ここでは図示はしないが、適当な裏当て治具が配置されて、それら3枚の金属板4a〜4cを支持し得るようになっている。
More specifically, the
また、それら重ね合わされた3枚の金属板4a〜4cの上側には、従来と同様な、鋼製の複動式の回転工具10が、配置せしめられている。この回転工具10は、円筒状の外側ショルダ部材12と、かかる外側ショルダ部材12の中心孔に内挿された円筒状の内側ショルダ部材14と、さらにその内側ショルダ部材14の中心孔に挿入位置せしめられたロッド(円柱)状のプローブ16とが同軸的に配置されてなる構造とされ、それらの軸回りに、それぞれ高速回転せしめられ得るようになっていると共に、それらの軸方向に、それぞれ独立して移動せしめられ得るようになっている。なお、これらショルダ部材12,14やプローブ16は、公知の各種の複動式構造において、作動せしめられ得るように構成されていると共に、それらショルダ部材12,14とプローブ16の、少なくとも、金属板4a〜4cに接触乃至は押し付けられ、また差し込まれる部位は、それら金属板4a〜4cよりも硬質の材料にて形成されており、摩擦攪拌接合操作において、それらの損耗が阻止され得るようになっている。
Further, a steel double-acting
そして、それら3枚の金属板4a〜4cを、本発明に従う摩擦撹拌接合手法にて接合せしめるに際しては、先ず、図2の(a)に示されるように、外側ショルダ部材12のショルダ面12aと内側ショルダ部材14のショルダ面14aとプローブ16の先端面16aとが面一とされた状態下において、回転工具10を高速回転させつつ、(b)に示される如く、それらショルダ面12a,14aと先端面16aを最表部の金属板4aの表面に押し当てて、金属板4a〜4cの重合せ部2に適度な圧力を掛けるようにされる。このような押圧によって、金属板4a,4b間の接合界面6aや金属板4b、4c間の接合界面6bをより密着させつつ、金属板4aとプローブ16の先端面16aとの間に加えて、金属板4aとショルダ面12aやショルダ面14aとの間でも摩擦発熱を生じさせて、その摩擦熱が金属板4aから下部の金属板4bや金属板4cに伝達されるのである。そして、そのようにして発生した摩擦熱によって、(c)に示されるように、摩擦発熱部18が広範囲に形成されると共に、外側ショルダ部材12の一部が、金属板材4a内に、ある程度入り込んだ状態となる。なお、その際、回転工具10を構成するショルダ部材12,14とプローブ16とは、一体的に回転せしめられる他、それぞれ独立して、回転させられるようにすることも可能である。
When the three
このように、プローブ16をショルダ部材12,14と面一にした状態で、回転工具10を上側の金属板4a表面に当接せしめて、軸回りに高速回転させることによって、プローブ16の先端面のみを当接せしめて摩擦発熱させるよりも可及的に大なる面積をもって、効果的に大きな範囲を摩擦発熱せしめることが可能となると共に、ショルダ面12a,14aによって金属板4a〜4cに適度な圧力を加えることが出来るため、かかる発生した摩擦熱を、下方の金属板4b,4cに、より効果的に伝達することが出来、以て、大きな摩擦発熱部18乃至は軟化領域を形成することが可能となると共に、従来発生していたプローブ16の差し込み初期のバリの発生を、効果的に抑制乃至は阻止し得る利点を享受することが出来るのである。
Thus, with the
次いで、かかる摩擦発熱部18が形成された後、図3(a)に示される如く、内側ショルダ部材14とプローブ16とが、それらのショルダ面14aと先端面16aとを面一とした状態のまま、金属板4bに達するまで差し込まれる。これによって、摩擦発熱部18を金属板4bにまで拡大した形態において、摩擦攪拌部20が形成されるのである。なおこの際、金属板4a内に入り込んでいた外側ショルダ部材12を僅かに上昇せしめることによって、それら内側ショルダ部材14やプローブ16の挿入によって押し出される金属材料が吸収され、外部にバリとして排出されることが抑えられることとなる。
Next, after the frictional
更にその後、図3(b)に示されるように、プローブ16が内側ショルダ部材14から突出せしめられて、その先端部が最下段の金属板4cに達するまで差し込まれるようにされる。これによって、金属板4a〜4cに亘って、大きな摩擦攪拌部20が形成されることとなり、以て、金属板4a〜4cの重ね合せ部2が摩擦攪拌点接合せしめられるのである。また、この際にも、内側ショルダ部材14の差し込みの際と同様に、プローブ16の差し込みと同時に内側ショルダ部材14を上昇せしめることによって、攪拌・流動せしめられる金属材料を有効に吸収し、それが摩擦攪拌部20から外部に排出されてしまうようなことが、効果的に抑制されることとなる。なお、このプローブ16の差し込み深さは、金属板4cの板厚に応じて、適宜に決定される。
Thereafter, as shown in FIG. 3B, the
かくして、そのように摩擦攪拌接合操作が終了することとなるのであるが、その状態から、回転工具10を離脱せしめるには、単に、回転工具10を攪拌領域部20から引き離すだけでは、内側ショルダ部材14やプローブ16の抜けた穴(プローブ穴)が、そのまま、摩擦撹拌部20に残ってしまうこととなるため、ここでは、回転工具10の引き抜きに際して、以下のような工程が、有利に採用される。即ち、図3(b)に示される状態から、図3(a)の状態を経て、図2(c)の状態に至るように、上記した操作とは逆の操作を行うことにより、或いは、内側ショルダ部材14とプローブ16を同時に若しくは適当な時間的遅れをもって上昇せしめて摩擦攪拌部20から引き抜きつつ、外側ショルダ部材12を下降せしめて、ショルダ面12aにて摩擦撹拌部20の上面を押圧して、押し込むようにすることにより、内側ショルダ部材14やプローブ16の引き抜きによって生じる穴が、摩擦撹拌部20の他の部位からの金属材料の流動によって埋め込まれるようにされる。
Thus, the friction stir welding operation ends as described above. To remove the
このようにして、回転工具10が摩擦撹拌部20から離脱され、また、プローブ穴の埋め込みが終了すると、図3(c)に示されるように、摩擦撹拌部20は、内側ショルダ部材14やプローブ16によって形成される穴が、実質的に消失せしめられた状態となる。尤も、そのようなプローブ穴は、痕跡が残る程度まで、或いはそれが確認できないほど完全に消失せしめられる必要はなく、プローブ16が差し込まれた最大深さにおける底部が充分に覆蓋されるように、摩擦撹拌部20の他の部位から流動せしめられる金属材料によって埋め込まれておれば、ある程度の深さを持った穴として存在していても、何等、差支えない。
In this way, when the
なお、かかるプローブ16の引き抜きによって生じる穴の具体的な埋め込み操作としては、プローブ16の上昇(引き抜き)と同時に、内側ショルダ部材14の下降(押し込み)を行なう他、前者の上昇の開始から少し遅れて、後者の下降を開始したり、或いは、前者の上昇が完了した後、後者の下降を開始する等の操作が、適宜に採用され得、また、回転工具10を摩擦撹拌部20から離脱せしめた後、適当な押圧部材による押圧操作を加えて、摩擦撹拌部20の他の部位からの材料の流動を行なって、プローブ穴が埋め込まれるようにすることも、可能である。
In addition, as a specific embedding operation of the hole generated by pulling out the
このように、本発明に従う摩擦攪拌点接合方法によれば、高速回転せしめられた回転工具10のショルダ部材12,14とプローブ16とを、それらの先端面を面一とした状態で、重ね合わされた被接合金属部材たる金属板4a,4b,4cの最表面の金属板4aに押し当てて、高速回転させることにより、可及的に大なる接触面積をもって摩擦発熱せしめると共に、かかる押圧力で金属板4a〜4c間の接合界面6a,6bを密接させ、ショルダ面12a,14aや先端面16aと金属板4aとの間で発生する摩擦熱を、下方の金属板4b,4cに対しても充分に伝達した状態において、摩擦攪拌接合が行われるところから、可及的に大きな軟化領域が効果的に形成され得て、下方の金属板4bや金属板4cにおいても、差し込まれた内側ショルダ部材14やプローブ16の周りに大きな摩擦攪拌部20が形成され得ることとなり、接合界面6a,6bにおいて金属材料が充分に撹拌乃至は塑性流動せしめられ得、その結果、重合せ部2における点接合部位は、優れた接合強度を有することとなるのである。
As described above, according to the friction stir spot joining method according to the present invention, the
ところで、本発明は、上述の如き形態において実施される他、また、図4に示される如き形態においても、有利に実施され得るものである。即ち、かかる図4に示される摩擦撹拌手法による接合工程においては、回転工具10の外側ショルダ部材12の外周面に、円筒状のバリ押え筒体30が外挿されて、配置されており、このバリ押え筒体30の下降によって、裏当て治具32にて支持されている、重ね合わされた3枚の金属板4a,4b,4cを、上方から押し付け得るようになっている。
By the way, the present invention can be advantageously carried out not only in the above-described form but also in the form shown in FIG. That is, in the joining process by the friction stirring method shown in FIG. 4, the cylindrical
そして、摩擦撹拌接合操作に際しては、回転工具10のショルダ部材12,14やプローブ16の下降と同時に、或いはそれらの下降に先立って、バリ押え筒体30が下降せしめられて、上側の金属板4aの表面を押圧するようにされる。次いで、回転工具10が下降させられて、前例と同様な摩擦撹拌接合操作が実施されることとなるのであるが、その際、外側ショルダ部材12のショルダ面12aや内側ショルダ部材14のショルダ面14a及びプローブ16による摩擦撹拌作用にて形成される摩擦撹拌部20から溢れ出すバリが、バリ押え筒体30の存在によって阻止せしめられるのである。尤も、そのようなバリの溢れ出しが阻止されて、摩擦撹拌部20内に押し止められることによる摩擦撹拌部20の体積の増大を吸収し得るように、外側ショルダ部材12は、摩擦撹拌操作中において、僅かに後退(上昇)せしめられるようになっている。なお、バリ押え筒体30は、回転させられることなく、上側の金属板4aとの間にバリが侵入しないような押圧力を持って、ばね等によって押圧されるようになっているのである。
In the friction stir welding operation, the
その後、この回転工具10による摩擦撹拌操作が終了すると、内側ショルダ部材14とプローブ16の引き抜き(上昇)、外側ショルダ部材12の下降による押し込みが行なわれることにより、それら内側ショルダ部材14とプローブ16の引き抜き穴が、摩擦撹拌部20の他の部位からの金属材料の流動によって、埋め込まれるようにされるのであり、更にその後、バリ押え筒体30の金属板4aに対する押圧が解除されるようにして、目的とする3枚の金属板4a,4b,4cの摩擦撹拌点接合が実現されるのである。
Thereafter, when the friction stir operation by the
これに対して、従来からの回転工具を用いて、図1に示される如き3枚の金属板材4a〜4cを重ね合わせてなる重合せ部2の摩擦撹拌点接合を実施した場合の、図3(a)に対応する状態が、図5に示されているが、そこにおいて、従来と同様な構造の回転工具Rは、単に、ロッド状の工具本体Bの先端部に、同心的に、ロッド状のプローブPを一体に有しているのみであるために、かかるプローブPが重合せ部2に先に差し込まれることとなり、そのため、工具本体Bの下端部(ショルダ部)が後から当接・押圧せしめられても、摩擦発熱が充分でなく、メタルの流動域が狭く、そのために、プローブPの周りに形成される撹拌領域Aも、ワインカップ状となって、必然的に狭くなるのであり、それ故に、上側の接合界面6aはまだしも、下側の接合界面6bにおける接合強度乃至は継手強度を、充分に確保することが困難となるのである。なお、重合せ部2の上面に当接・押圧せしめられる工具本体Bのショルダ部の外径を大きくして、摩擦発熱量を増大せしめても、接合界面における熱移動が充分に行われ得ないところから、下側の接合界面6bまで、充分な熱供給が為され得ず、依然として、図示の如き、ワインカップ状の撹拌領域Aとなり、接合強度(継手強度)の充分な向上を図り得ない他、摩擦撹拌点接合操作の作業性等においても、問題を惹起するようになるのである。
On the other hand, FIG. 3 shows a case where the friction stir spot joining of the superposed
以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。 The exemplary embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the embodiments are merely examples, and the present invention is limited in any way by specific descriptions according to such embodiments. It should be understood that it is not interpreted.
例えば、上記の実施形態では、摩擦撹拌接合手法として、本発明が有利に適用される点接合方法が採用されているが、回転工具10を金属板4a,4b,4cに対して相対的にある程度移動せしめて、摩擦撹拌接合を行なうようにした方法にも、本発明は適用可能である。
For example, in the above embodiment, the point joining method to which the present invention is advantageously applied is adopted as the friction stir welding method. However, the
また、かかる実施形態において用いられる被接合金属部材である複数の金属板材は、何れも、同材質のものであっても、或いは異なる材質のものであっても、何等差支えなく、また、それら金属板材の材質としても、特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム若しくはその合金からなるアルミニウム部材、銅若しくはその合金からなる銅部材、マグネシウム若しくはその合金からなるマグネシウム部材等の、比較的軟質金属からなる部材の他、鉄やスチール等の、比較的硬質の金属部材等の、摩擦撹拌接合可能な公知の材料が、適宜に選択されて用いられることとなる。 In addition, the plurality of metal plate materials that are the metal members to be joined used in the embodiment may be of the same material or different materials, and there is no problem. The material of the plate material is not particularly limited. For example, it is made of a relatively soft metal such as an aluminum member made of aluminum or an alloy thereof, a copper member made of copper or an alloy thereof, or a magnesium member made of magnesium or an alloy thereof. A known material capable of friction stir welding, such as a relatively hard metal member such as iron or steel, is appropriately selected and used.
さらに、そのような被接合金属部材の形状としては、全体が平坦な板材である必要はなく、少なくとも、その重合せ部位が、摩擦撹拌点接合可能な範囲において、平坦な板状を呈しておれば、充分であり、それ故に、それぞれの金属板材に対してプレス成形等の各種の成形操作が施されて、種々なる形状に成形されてなる成形品を、本発明における被接合金属部材として用いることも可能であり、更に、重合せ部位以外の部分が板状ではなく、ブロック状、柱状、筒状、箱状等の各種の形状を有する部材を、被接合金属部材として用いることも可能である。加えて、重合せ部の最下部に位置する被接合金属部材の形状にあっても、上述せる如き金属板材にて与えられる板状形状に限られるものではなく、その上に重ね合わされる2つ以上の被接合金属部材の各板状部が載置され得るように、平坦面を有する部材であれば、ブロック状や箱体形状等の各種形状の部材を、重合せ部における最下部の被接合金属部材として、用いることが可能である。 Furthermore, the shape of such a metal member to be joined does not have to be a flat plate as a whole, and at least the superposition site thereof should be a flat plate as long as friction stir spot welding is possible. Therefore, a molded product formed into various shapes by performing various molding operations such as press molding on each metal plate material is used as the bonded metal member in the present invention. It is also possible to use a member having various shapes such as a block shape, a column shape, a cylindrical shape, a box shape, and the like as a metal member to be joined, instead of a plate-like portion other than the overlapping portion. is there. In addition, the shape of the metal member to be joined located at the lowest part of the overlapped portion is not limited to the plate shape given by the metal plate material as described above, but two superimposed on it. As long as each plate-like part of the metal member to be joined can be placed, a member having a flat surface can be used to attach a member having various shapes such as a block shape or a box shape to the lowermost part of the superposed part. It can be used as a bonding metal member.
更にまた、回転工具10は、前述した実施形態においては、3段の複動式回転工具が用いられていたが、その段数は、重ね合わされる被接合金属部材の枚数や厚さによって、適宜変更されて、採用されるものであって、例えば、外側ショルダ部材12の更に外側にショルダ部材を外挿せしめた4段の複動式回転工具やそれ以上の段数とすることも出来る。その中でも、本発明にあっては、重ね合わされる被接合金属部材の枚数に対応した段数(プローブを1段として加える)の複動式構造としたものが、有利に用いられることとなる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the
加えて、そのような回転工具10としては、公知の各種の複動式回転工具が適宜に用いられ得るところであって、そのプローブ16の形状乃至は構造にあっても、ストレートな円柱形状の他、先端に向かって先細りする円錐形状や円錐台形状等、公知の各種の形状が、何れも採用され得、また、その表面に凸起乃至凸条や凹溝等が設けられたものであっても、何等、差支えないのである。また、ショルダ部材12,14の端面のショルダ面12a,14aの形状にあっても、特に限定されるものではなく、平坦面であっても、中央に向かって湾曲する凹面形状であってもよく、従来から公知の各種の形状が、適宜に採用されることとなる。
In addition, as such a
その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。 In addition, although not enumerated one by one, the present invention is carried out in a mode to which various changes, modifications, improvements, etc. are added based on the knowledge of those skilled in the art. It goes without saying that any one of them falls within the scope of the present invention without departing from the spirit of the present invention.
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、また、言うまでもないところである。 Hereinafter, representative examples of the present invention will be shown to clarify the present invention more specifically, but the present invention is not limited by the description of such examples. It goes without saying.
実施例 1
先ず、被接合金属部材として、板厚が1mmのアルミニウム板(6016−T4材)の3枚を重ね合わせたものを用意し、その最下部の板側に裏当て治具を当接せしめて、所定のクランプ部材を用いて固定した後、回転工具として、図1に示される如き構成の3段の複動式の回転工具を用いて、摩擦攪拌点接合を行った。
Example 1
First, as the metal member to be joined, prepare a laminate of three aluminum plates (6016-T4 material) with a plate thickness of 1 mm, and a backing jig is brought into contact with the lowermost plate side, After fixing using a predetermined clamp member, friction stir spot welding was performed using a three-stage double-acting rotary tool configured as shown in FIG. 1 as the rotary tool.
なお、かかる摩擦攪拌点接合操作は、回転工具を高速回転させつつ、先ず、全ショルダ面及びプローブの先端面が平坦とされた状態(面一とした状態)で、最表部(回転工具側)のアルミニウム板の板厚の1/3の深さまで差し込み、次いで内側のショルダ部材及びプローブを中間のアルミニウム板の板厚の1/3の深さとなるところまで繰り出し、更に最下部(裏当て治具側)のアルミニウム板の板厚の1/3の深さまでプローブの先端が達するところまで差し込んで、摩擦攪拌接合を行った後、逆の工程に従って回転工具を引き抜いた。また、この際、外側ショルダ部材や内側ショルダ部材の後退作動は、図1の場合と同様にして行なった。 In this friction stir spot joining operation, while rotating the rotary tool at a high speed, first, the entire shoulder surface and the tip end surface of the probe are flattened (in a state where they are flush), and the outermost part (rotary tool side) ) Is inserted to a depth of 1/3 of the thickness of the aluminum plate, and then the inner shoulder member and probe are extended to a depth of 1/3 of the thickness of the intermediate aluminum plate, and the lowermost (backing treatment) The probe was inserted until the tip of the probe reached a depth of 1/3 the thickness of the aluminum plate on the tool side), and after friction stir welding, the rotating tool was pulled out according to the reverse process. At this time, the retraction operation of the outer shoulder member and the inner shoulder member was performed in the same manner as in FIG.
そして、この得られた継手の断面組織を調査したところ、その接合界面のそれぞれは、回転工具により撹拌され、元の界面の酸化物が充分に分断されており、以て、それぞれの板が充分に接合されているものと認められた。また、かかる得られた継手について、その接合界面に平行に荷重がかかるようにして、引張試験を行ない、それぞれの接合界面をせん断破壊させたところ、せん断引張強さは、何れも2kNであり、厚さが1mmの板2枚を摩擦攪拌点接合した場合のせん断引張強さと同等であることが確認された。 Then, when the cross-sectional structure of the obtained joint was investigated, each of the joint interfaces was agitated by the rotary tool, and the oxide at the original interface was sufficiently divided, so that each plate was sufficiently It was recognized that they were joined to each other. Further, the obtained joint was subjected to a tensile test so that a load was applied in parallel to the joint interface, and each joint interface was subjected to shear fracture. As a result, the shear tensile strength was 2 kN. It was confirmed that it was equivalent to the shear tensile strength when two plates having a thickness of 1 mm were joined by friction stir spot welding.
実施例 2
板厚が1mmのアルミニウム板(6016−T4合金板材)の4枚を重ね合わせ、最下部の板側に裏当て治具を当接する一方、最表部の板側から、図1に示される如き3段の複動式の回転工具の外側ショルダ部材の更に外側に別のショルダ部材を外挿せしめた4段の複動式回転工具を用いて、以下の手順で摩擦攪拌点接合を行った。
Example 2
4 sheets of aluminum plate (6016-T4 alloy plate material) having a plate thickness of 1 mm are overlaid and a backing jig is brought into contact with the lowermost plate side, while from the uppermost plate side, as shown in FIG. Friction stir spot welding was performed by the following procedure using a four-stage double-acting rotary tool in which another shoulder member was extrapolated on the outer side of the outer shoulder member of the three-stage double-acting rotary tool.
先ず、全てのショルダ面とプローブの先端面とが平坦となった状態で、回転工具を、高速回転させつつ、最表部のアルミニウム板材の板厚の1/3の深さまで差し込み、次いでその状態からプローブを一番下の接合界面、つまり最下部のアルミニウム板材とその一つ上のアルミニウム板材との接合界面の深さまで挿入する。次に、差し込んだプローブを引き抜きながら、プローブの一つ外側のショルダ部材(3段のショルダ部材のうち、最も内側のもの)を、真ん中の界面の深さ(4枚重ねのアルミニウム板材の厚さの半分の深さ)まで挿入せしめた後、かかるショルダ部材を引き抜きながら、かかるショルダ部材の一つ外側のショルダ部材(3段あるショルダ部材のうち、外側から2段目のショルダ部材)を最表部のアルミニウム板材とその一つ下のアルミニウム板材の界面の深さまで挿入せしめる。そして最後に、かかる2段目のショルダ部材を引き抜きつつ、最も外側のショルダ部材を最表部のアルミニウム板材の表面近傍まで当接せしめた後、回転工具を金属板から離脱せしめて、摩擦攪拌点接合を行った。なお、以上の接合動作に要する時間は、4秒とした。 First, in a state where all the shoulder surfaces and the tip surface of the probe are flat, the rotary tool is rotated at a high speed and inserted to a depth of 1/3 of the thickness of the outermost aluminum plate, and then the state Then, the probe is inserted to the depth of the lowermost bonding interface, that is, the bonding interface between the lowermost aluminum plate and the upper aluminum plate. Next, while pulling out the inserted probe, the outer shoulder member (the innermost one of the three shoulder members) is moved to the depth of the middle interface (the thickness of the four-layer aluminum plate). And then pulling out the shoulder member, the outer shoulder member of the shoulder member (the shoulder member of the second step from the outside of the three shoulder members) Insert it to the depth of the interface between the aluminum plate of the part and the aluminum plate below it. Finally, after pulling out the second shoulder member, the outermost shoulder member is brought into contact with the vicinity of the surface of the outermost aluminum plate member, and then the rotary tool is detached from the metal plate to obtain a friction stirring point. Bonding was performed. The time required for the above bonding operation was 4 seconds.
このような工程を経ることによって、回転工具を引き抜いた後にも、最表部のアルミニウム板材の表面にプローブ穴を残さずに、摩擦攪拌点接合することが可能であることを確認出来た。 Through these steps, it was confirmed that even after the rotary tool was pulled out, it was possible to perform friction stir spot welding without leaving a probe hole on the surface of the outermost aluminum plate.
比較例 1
板厚が1mmのアルミニウム板(6016−T4合金板材)の3枚を重ね合わせ、最下部の板側に裏当て治具を当接する一方、最表部の板側から、図5に示す如くプローブとショルダ部材が一体的に形成された回転工具を用いて、それを高速回転させつつ、ショルダ部が最表部の板の厚さの1/3に達するまで4秒で差し込んだ後、引き抜くことにより、摩擦撹拌点接合を実施した。
Comparative Example 1
Three aluminum plates (6016-T4 alloy plate material) with a thickness of 1 mm are stacked, and a backing jig is brought into contact with the lowermost plate side, while the probe as shown in FIG. Using a rotary tool in which the shoulder member is integrally formed, rotate it at a high speed, insert it in 4 seconds until the shoulder reaches 1/3 of the thickness of the outermost plate, and then pull it out. Thus, friction stir spot welding was performed.
その結果、最下部の板と中間の板の接合界面の攪拌部は、実施例1のものよりも小さく、更にそれぞれの接合界面をせん断する引張試験において、最表部の板と中間の板の接合界面のせん断引張強さは2kNであったが、最下部の板と中間の板の接合界面のせん断引張強さは、0.4kNと低いことが確認出来た。 As a result, the stirrer of the bonding interface between the lowermost plate and the intermediate plate is smaller than that of Example 1, and in the tensile test that shears each bonding interface, the outermost plate and the intermediate plate Although the shear tensile strength at the joint interface was 2 kN, it was confirmed that the shear tensile strength at the joint interface between the lowermost plate and the intermediate plate was as low as 0.4 kN.
2 重合せ部
4a,4b,4c 金属板
6a,6b 接合界面
10 回転工具
12 外側ショルダ部材
14 内側ショルダ部材
16 プローブ
18 摩擦発熱部
20 摩擦攪拌部
30 バリ押え筒体
32 裏当て治具
2
Claims (5)
前記回転工具として、前記プローブと前記ショルダ部材とを別体に構成し、更に該ショルダ部材を相互に同軸的に挿入可能な複数の円筒状ショルダ部材にて構成して、該複数の円筒状ショルダ部材を前記プローブの周りに順次同軸的に外挿、配置せしめると共に、それらプローブ及び複数の円筒状ショルダ部材を、別個に軸方向に移動可能としてなる複動式回転工具を用い、該プローブと該ショルダ部材の各々の先端面を面一とした状態において、それらを回転させつつ、前記重合せ部の最上部の板状部表面に押し付けることにより、該重合せ部に摩擦発熱部を形成した後、該プローブを差し込み、該重合せ部の摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする摩擦攪拌点接合方法。 A plate-like portion located on the uppermost part of the overlapped portion made of three or more metal members to be joined by superimposing the plate-like portions of two or more metal members to be joined on a predetermined metal member to be joined. Friction stirrer in which a probe positioned coaxially at the center of a shoulder member of a rotary tool that is rotated around an axis is inserted while being rotated, and three or more metal members to be joined are spot-joined. Use point joining method
As the rotating tool, and said shoulder member and the probe formed separately, further constitute the shoulder member at mutually coaxially insertable plurality of cylindrical shoulder member, said plurality of cylindrical shoulder sequentially coaxially extrapolation about the member probes, with allowed to place, their probes and a plurality of cylindrical shoulder member, using a double-acting rotary tool comprising a movable separately in the axial direction, the probe In the state where the front end surfaces of the shoulder members are flush with each other, the frictional heat generating portion is formed in the overlapped portion by pressing them against the uppermost plate-like surface of the overlapped portion while rotating them. Then, the probe is inserted, and friction stir welding of the superposed part is performed.
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