JP2004255420A - Friction stir welding method for different metallic material - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異種金属間の摩擦撹拌接合に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、アルミニウム材を中心に摩擦撹拌接合法(Friction Stir Welding法)による接合が知られている。この摩擦撹拌接合法は、二材料を突合わせて固定し、この突合せ部に回転ピンを押し込み、回転しながらこれを移動することによって、固相状態による塑性流動現象を生じさせて接合する方法である。
【0003】
この二材料が十分に塑性流動を起して良好な接合を得るためには、融点や硬度が近似していることが条件とされ、多くの場合、アルミニウムーアルミニウムなど同種材料に適用されている。
【0004】
最近、摩擦撹拌接合法について異種金属材料間への適用が検討されている。
非特許文献1では、異種金属である銅材(無酸素銅)とアルミニウム材(JIS規格1100)との接合を試みている。ここでは、ピンの円周面に螺旋ねじを形成し、このピンを塑性流動現象を生じやすいアルミニウム材側に挿入し、ピンの螺旋ねじを銅材界面に押し当てながら摩擦接合している。これにより、アルミニウムの母材と同等の引張り強度が得られたとしている。
【0005】
非特許文献2では、異種金属である鋼材(JIS規格SS400)とアルミニウム材(JIS規格A5083)との接合を試みている。ここでは、ピンにスターロッドとして常用されている工具鋼を使用している。突合わせ線から0.2mmだけ鋼材側に入り込み、大部分がアルミニウム材側にあるように配置して挿入した試験を行っている。試験の結果、ピンの回転速度が250rpmで引張り強度の一番大きな接合力が得られ、回転速度が1250rpmでは、接合部に欠陥が多く、接合できなかったとしている。また、ピンが、突合わせ線から0.2mmだけ鋼材側に入り込み、ピンのほとんどがアルミニウム材側にあるように挿入した試験を行い、突合わせ線からのその入り込み距離(以下、変位量という。)が0.2mmの場合に高い接合力が得られたとしている。そして、変位量が0.2mmより大きくなると、かえって引張り強度が低下していることを報告している。
【0006】
【非特許文献1】岡村久宣 青田欣也 青野泰久,「摩擦撹拌作用を利用した異種金属の摩擦拡散接合(第1報)」,溶接学会全国大会講演概要,社団法人溶接学会,平成14年9月3日,第71集 p.442,p.443
【非特許文献2】渡辺健彦 柳沢敦 高山博史,「界面活性凝着接合法による鉄鋼とアルミニウム合金の接合 回転ニードルによる異種金属材料の界面活性凝着接合法(第1報),溶接学会全国大会講演概要,社団法人溶接学会,平成14年9月3日,第71集 p.446,p.447
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献1に示された銅材とアルミニウムとの摩擦撹拌法では、良好な接合がなされたと報告されている。しかし、例えば、鋼材とアルミニウム材との接合に適用すると、十分な接合力を得ることができず、その適用は接合する材料間の硬度差が小さいものに限定されている。
【0008】
非特許文献2に示された摩擦撹拌法では、鋼材とアルミニウム材との接合を試みたものであるが、ピンとして、工具鋼(SKD)を使用しており、その硬さはビッカース硬度(Hv)で600kgf/mm2程度である。一方、硬質材である鋼材の硬さはHv200kgf/mm2程度であって、硬質材との硬度比(ピン/鋼材)が3程度のピンを使用している。そして、ピンの突合わせ線からの変位量が0.2mmの場合に高い接合力が得られるとしている一方、変位量が0.6mmでは、その接合力が約10分の1程度まで極めて小さくなることも報告している。従って、非特許文献2に示された発明による接合方法では、ピンの突合わせ線から鋼材側への変位量に対して極めて敏感であり、接合距離が長くなると、安定した接合力が得られないおそれがある。また、250rpmの低速の回転速度が望ましいとされ、1250rpmと高速回転では接合しないとされている。さらに、最も高い引張り強度を示した入込み距離が0.2mmの試験においても、接合強度が母材強度にまで至っていない。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明では、硬質材と、硬質材より硬度の小さな軟質材からなる異種金属材を突合わせて、突合わせ面を摩擦撹拌接合により接合する接合方法において、硬質材との硬度比が5以上のスターロッドのピンを、硬質材と軟質材を突合わせて形成される突合わせ線に対して、硬質材側に0.05mm以上入り込み、大部分を軟質材側に変位して配置し、また、ピンを、ピンの移動方向で硬質材から軟質材側に向かう方向に回転しながら、突合わせ線の方向に移動する。
【0010】
なお、この明細書では、「硬質材」の語を、接合する二つの材料の内硬い材料を意味し、相対的な概念で使用している。同様に「軟質材」の語は、接合する二つの材料の対比において軟らかい方の材料を意味する。例えば、鋼材とアルミニウム材との接合においては、硬質材は鋼材であり、軟質材はアルミニウム材を意味する。また、変位量とは、硬質材と軟質材を突合わせて形成される突合わせ線に対して、大部分を軟質材側に挿入するピンが硬質材側に入り込んだ距離をいう。
【0011】
硬質材と軟質材とを突合わせると、両端面により形成される突合わせ線に対して、スターロッドのピンが0.05mm以上硬質材側に入り込んで、大部分を軟質材側になるようにピンを配置する。次に、スターロッドをピンの移動方向に対して前側で硬質材料から軟質材料側に向かって回転する方向に回転しながら、ピンを両材料の表面から押し込める。そして、突合わせ線に対して平行に移動して摩擦接合を行う。
【0012】
硬質材側にわずかに入り込んでいるピンは、硬質材の端面を削り、新しい界面を削り出す。ピンが硬質材界面を削って、新しい界面の削り出しを十分に行なうには、硬質材との硬度比が大きい必要があり、硬質材との硬度比が5以上のものを使用する。硬度比が5未満では、ピンが激しく摩耗して耐久性に欠けるばかりか、ピンから生じる粗大な摩耗片が摩擦流動した軟質材中に混在して、接合強度を低下させる。硬質材が鋼材の場合には、高温硬度および靱性にも優れた超硬合金やサーメットを使用することができる。また、硬質材が硬度Hv80kgf/mm2程度の銅材の場合には、硬度Hv600kgf/mm2の工具鋼を使用することができる。
【0013】
ピンは硬質材側にわずかに入り込んでいるために、ピンが硬質材の新しい界面を削り出すと同時に、ピンと接触している軟質材の近傍の領域では、塑性流動する。ピンの進行方向に対して後側となる領域では、塑性流動した軟質材が大きな圧縮力を受けて、新しく露出した清浄な硬質材表面との間で接合がなされる。また、ピンの硬質材側への変位量は、硬質材の界面がピンによって削られて新しい界面が十分に露出する0.05mm以上あればよい。また、変位量を大きくしても、その接合力には影響しないが、ピンの耐久性の向上などの問題から0.05mm以上1.0mm以下が望ましい。特に、0.05mm以上0.5mm以下が望ましい
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、硬質材として鋼材を、軟質材としてアルミニウム材とした実施の形態を詳細に説明する。
【0015】
(回転方向による影響試験)
回転方向が摩擦接合に及ぼす影響を試験した。
鋼材は、硬度Hvが200kgf/mm2の一般構造鋼材(JIS規格 SS400)、アルミニウム材はアルミニウムダイキャスト材(JIS規格 ADC12)を、ともに20mm×200mm×8mmの寸法にフライス加工して、試験片を製作した。
【0016】
摩擦撹拌加工装置として、エンシュウ株式会社製、S400型のマシニングセンターを使用した。また、スターロッド1は、硬度Hvが1400kgf/mm2の超硬合金(JIS規格 K10)を使用した。超硬合金は、従来スターロッドとして広く知られている工具鋼よりもはるかに硬質であり、靱性に優れている。また、接合対象である鋼材との比較において、その硬度差が極めて大きいことから使用した。図1に示すように、スターロッド1の先端のショルダー部2を直径10mmとし、ピン3を長さ2.5mm、直径4.0mmのストレートピン3の形状に一体成形品を使用した。
【0017】
試験は、図1に示すように、摩擦撹拌加工装置に鋼材Hとアルミニウム材Sの試験片の端面を突合わせた。突き合わせた両界面によって形成される突合わせ線mからピン3が鋼材H側に入り込んだ変位量δを0.1mmにピン3を位置させ、また、スターロッド1を試験片に対して垂直方向、すなわち前進角を0°にセットした。また、ピン3の先端の押込み深さを2.3mm、スターロッド1の回転数を6000rpm、接合速度を50mm/min.として、突合わせ線mに対して平行に移動して摩擦撹拌接合を行った。
【0018】
試験は、図2に示すように、移動方向に対して前側で硬質材の鋼材H側から軟質材であるアルミニウム材Sに向かって回転する方向(以下、正回転方向という。)と、これとは逆に、図3に示すように、移動方向に対して前側がアルミニウム材S側から鋼材H側に向かって回転する方向(以下、逆回転方向という。)について調べた。その結果、正回転方向で実施すると、十分な接合強度が得られた。一方、逆回転方向での試験では十分な接合強度が得られなかった。
【0019】
スターロッド1の回転方向により相違する結果が得られた理由として、以下のメカニズムが推定される。正回転方向における実施では、図2に示すように、スターロッド1の進行方向に対して先端の領域Haでは、ピン3が鋼材界面を削って、新しい界面の削り出しが行われる。また、アルミニウム材のピン3と接触している近傍の領域Saでは、ピン3の回転によって撹拌が行われて塑性流動している。スターロッド1の進行方向に対して後側となる領域Sbでは、塑性流動したアルミニウム材Sがピン3の回転力によって大きな圧縮力を受け、新しい清浄な鋼材界面との間で接合がなされる。
【0020】
一方、図3に示すように、逆回転方向における実施において、アルミニウム材Sがピン3と接触している近傍の領域Sbでは、ピン3の回転に伴いアルミニウム材Sが塑性流動している。そして、スターロッド1の進行方向に対して先端の領域Saでは、塑性流動したアルミニウム材Sが鋼材Hの界面に衝突し、大きな圧縮力を受ける。しかし、ピン3は、突合わせ面の鋼材H側にわずかに侵入して配置されているために、鋼材Hの面を削り、新しい面の削り出しが行われる。従って、接合が行われるスターロッドの進行方向に対して後側となる領域Sbでは、塑性流動したアルミニウム材に大きな圧縮力が加えられていない状態で接合がなされる。このメカニズムによって、逆回転方向で実施するとアルミニウム材に大きな圧縮力が加えられていないために十分な接合強度が得られない。
【0021】
(ピン3の鋼材側に侵入する距離が及ぼす影響試験)
鋼材Hとアルミニウム材Sとの突合わせ線mに対して、ピン3の入込み距離δが接合に及ぼす影響を試験した。
【0022】
試験材料、スターロッド1、摩擦撹拌加工装置などの多くについては、上述した回転方向による影響試験に使用したものと同じ条件、同じものを使用した。
【0023】
試験は、図4に示すように、鋼材Hとアルミニウム材Sの試験片の突合せ面により形成される突合せ線mに対して、スターロッド1のピン3の変位量δを変化させて摩擦撹拌接合を行った。なお、スターロッド1の回転はいずれも正回転方向とした。摩擦接合して得られた各試験片を引張り試験用の試料に切り出して引張り試験を行い、その接合力を測定した。
【0024】
試験の結果、表及び図5に示す結果が得られた。
【0025】
【表】
【0026】
突合せ線mからのピン3の変位量δが、−0.3mmと−0.2mmとした鋼材Hの界面から大きく離れている比較例1及び比較例2では、外観上は接合されているが、その接合力(引張り強度)は極めて弱く、引張り試験用の試験片に切り出す際に破断するなど、実質的に接合していない。比較例3では、ピン3が鋼材Hの界面から離れているとはいえ、極めて近いために、鋼材端面の凹凸などによって、鋼材の界面の一部が削られて新しい界面を削り出している結果、摩擦撹拌接合が突合せ面の一部において行われていると考えられる。比較例4では、ピン3が鋼材Hの界面にあり、鋼材の界面の一部が削られて新しい界面を削り出している結果、摩擦撹拌接合が突合せ面の一部において行われていると考えられる。このため、上記入込み距離δが0mmに近くなるに従って、引張り強度が高くなっている。また、実施例1〜実施例4では、引張り試験による破断位置がアルミニウム材の母材側で生じており、接合部では、アルミニウム母材よりも高い接合力を示している。なお、実施例3の引張り強度が126MPaとわずかに小さいが、これは試験に使用したアルミニウム材がダイキャスト材であり、アルミニウム母材のばらつきと思われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】摩擦撹拌している状態の断面図
【図2】ピンが正回転方向の場合の説明図
【図3】ピンが逆回転方向の場合の説明図
【図4】ピンの配設位置を説明する説明図
【図5】試験結果を示すグラフ
【符号の説明】
1…スターロッド
2…ショルダー部
3…ピン
H…硬質材
S…軟質材
δ…変位量
m…突合せ線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to friction stir welding between dissimilar metals.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, joining by a friction stir welding method (Friction Stir Welding method) mainly on an aluminum material has been known. This friction stir welding method is a method in which two materials are butted and fixed, and a rotating pin is pushed into the butted portion and moved while rotating, thereby causing a plastic flow phenomenon in a solid state to join. is there.
[0003]
In order for these two materials to cause sufficient plastic flow and obtain good bonding, it is a condition that melting points and hardness are close to each other, and in many cases, they are applied to similar materials such as aluminum-aluminum. .
[0004]
Recently, application of friction stir welding to dissimilar metal materials has been studied.
Non-Patent
[0005]
Non-Patent
[0006]
[Non-Patent Document 1] Hisabu Okamura Kinya Aota Yasuhisa Aono, "Friction diffusion bonding of dissimilar metals using friction stir action (1st report)", Outline of the National Meeting of the Welding Society of Japan, Welding Society of Japan, September 2002 March 3rd, p. 71 p. 442, p. 443
[Non-Patent Document 2] Takehiko Watanabe Atsushi Yanagisawa Hiroshi Takayama, "Joining Steel and Aluminum Alloy by Surface Active Adhesion Bonding Method Surface Active Adhesion Bonding Method of Dissimilar Metallic Materials Using Rotary Needle (Report 1), National Meeting of Japan Welding Society" Outline of the lecture, Japan Welding Society, September 3, 2002, Vol. 71, p.446, p.447
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
It has been reported that the friction stir method between a copper material and aluminum shown in Non-Patent
[0008]
The friction stir method disclosed in Non-Patent
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, in a joining method in which a hard material and a dissimilar metal material made of a soft material having a lower hardness than the hard material are butted and the butted surfaces are joined by friction stir welding, the hardness ratio of the hard material to the hard material is 5 or more. The pin of the star rod is inserted into the hard material side at least 0.05 mm with respect to the butt line formed by butting the hard material and the soft material, and most of the pins are displaced to the soft material side, The pin moves in the direction of the butting line while rotating in the direction from the hard material toward the soft material in the direction of movement of the pin.
[0010]
In this specification, the term “hard material” means a hard material of two materials to be joined, and is used as a relative concept. Similarly, the term "soft material" means a material that is softer in comparison between the two materials to be joined. For example, in joining a steel material and an aluminum material, the hard material is a steel material, and the soft material is an aluminum material. Further, the displacement amount refers to a distance between a butting line formed by abutting a hard material and a soft material and a pin inserted into the soft material side for the most part into the hard material side.
[0011]
When the hard material and the soft material butt, the pin of the star rod enters the hard material side more than 0.05mm with respect to the butt line formed by both end faces, so that the majority is on the soft material side Place pins. Next, the pin is pushed in from the surface of both materials while rotating the star rod in the direction rotating from the hard material toward the soft material side on the front side with respect to the moving direction of the pin. Then, frictional welding is performed by moving in parallel to the butting line.
[0012]
Pins that penetrate slightly into the hard material cut the end surface of the hard material and cut out a new interface. In order for the pin to cut the hard material interface and to sufficiently cut a new interface, the hardness ratio with the hard material needs to be large, and a material having a hardness ratio of 5 or more with the hard material is used. If the hardness ratio is less than 5, not only the pins will be severely worn but lack durability, but also coarse wear pieces generated from the pins will be mixed in the frictionally flowed soft material to lower the bonding strength. When the hard material is a steel material, a cemented carbide or cermet excellent in high-temperature hardness and toughness can be used. Further, when the hard material is hardness Hv80kgf / mm 2 approximately of the copper material can be used tool steel hardness Hv600kgf / mm 2.
[0013]
Since the pin penetrates slightly into the hard material side, the pin cuts out a new interface of the hard material, and at the same time, plastically flows in a region near the soft material in contact with the pin. In the region on the rear side with respect to the traveling direction of the pin, the soft material that has plastically flowed receives a large compressive force, and is joined to the newly exposed clean hard material surface. Further, the displacement amount of the pin toward the hard material side may be 0.05 mm or more at which the interface of the hard material is shaved by the pin and a new interface is sufficiently exposed. Further, even if the displacement amount is increased, the joining force is not affected, but it is preferably 0.05 mm or more and 1.0 mm or less from the viewpoint of improving the durability of the pin. In particular, the thickness is preferably 0.05 mm or more and 0.5 mm or less.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which a steel material is used as a hard material and an aluminum material is used as a soft material will be described in detail.
[0015]
(Effect test by rotation direction)
The effect of rotating direction on friction welding was tested.
The steel material is a general structural steel material (JIS SS400) having a hardness Hv of 200 kgf / mm 2 , and the aluminum material is an aluminum die-cast material (JIS standard ADC12), both of which are milled to a size of 20 mm × 200 mm × 8 mm. Was made.
[0016]
As a friction stir processing apparatus, an S400 type machining center manufactured by Enshu Co., Ltd. was used. The
[0017]
In the test, as shown in FIG. 1, the end faces of the test pieces of the steel material H and the aluminum material S were butted against a friction stir processing apparatus. The
[0018]
In the test, as shown in FIG. 2, a direction (hereinafter, referred to as a normal rotation direction) in which the steel material H, which is a hard material, is rotated toward the aluminum material S, which is a soft material, on the front side with respect to the moving direction. Conversely, as shown in FIG. 3, a direction in which the front side rotates from the aluminum material S side toward the steel material H side with respect to the moving direction (hereinafter, referred to as a reverse rotation direction) was examined. As a result, when performed in the normal rotation direction, sufficient bonding strength was obtained. On the other hand, a sufficient joint strength was not obtained in the test in the reverse rotation direction.
[0019]
The following mechanism is presumed as the reason that the result different depending on the rotation direction of the
[0020]
On the other hand, as shown in FIG. 3, in the reverse rotation direction, in the region Sb near the contact of the aluminum material S with the
[0021]
(Effect test of the distance of the
The effect of the insertion distance δ of the
[0022]
For many of the test materials, the
[0023]
As shown in FIG. 4, the friction stir welding was performed by changing the displacement δ of the
[0024]
As a result of the test, the results shown in the table and FIG. 5 were obtained.
[0025]
【table】
[0026]
In Comparative Examples 1 and 2, in which the displacement amount δ of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a state in which friction stirring is performed. FIG. 2 is an explanatory view when a pin is in a forward rotation direction. FIG. 3 is an explanatory view when a pin is in a reverse rotation direction. FIG. 5 is a graph showing test results.
DESCRIPTION OF
Claims (3)
硬質材との硬度比が5以上のスターロッドのピンを、前記硬質材と前記軟質材を突合わせて形成される突合わせ線に対して、該硬質材側に0.05mm以上入り込み、大部分を前記軟質材側に配置し、また、前記ピンを、該ピンの移動方向で該硬質材から該軟質材側に向かう方向に回転しながら、該突合わせ線の方向に移動することを特徴とする異種材を摩擦撹拌接合する接合方法。In a joining method in which a hard material and a dissimilar metal material made of a soft material having a smaller hardness than the hard material are butted, and the butted surfaces are joined by friction stir welding,
A star rod pin having a hardness ratio of 5 or more with respect to the hard material is inserted into the hard material side at a distance of 0.05 mm or more with respect to a butt line formed by abutting the hard material and the soft material. Is disposed on the soft material side, and the pin moves in the direction of the butting line while rotating in the direction of movement of the pin from the hard material toward the soft material side. Joining method for friction stir welding of dissimilar materials.
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