JP2005205496A - Tool for friction stir welding, backing plate for friction stir welding and friction stir welding method - Google Patents
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Description
本発明は、曲面部を有するアルミニウム又はアルミニウム合金材(以下、総称してアルミニウムという)の摩擦撹拌接合に使用する摩擦撹拌接合用ツール、摩擦撹拌接合用裏当て及び摩擦撹拌接合方法に関する。 The present invention relates to a friction stir welding tool, a friction stir welding backing, and a friction stir welding method used for friction stir welding of aluminum or an aluminum alloy material (hereinafter collectively referred to as aluminum) having a curved surface.
車両、自動車、二輪車、架装材等の輸送機に使用される構造材には、軽量化を目的としてアルミニウム材の使用が進んでいる。アルミニウム材を使用してこれらの構造材を製造する場合、アルミニウム材同士を接合する際に、従来はミグ及びティグ等のアーク溶接、レーザー溶接、及びリベット等の機械的接合方法が使用されていた。一方、床材及び屋根材等の構造材並びに内外装材等は、その表面の剛性を向上させるために、又は意匠性を具備させるために、曲面を有するアルミニウム板が使用されている。このアルミニウム板と、骨格部材との接合においては、溶接及びリベット接合等、種々の方法が適用可能であるが、表面の美観性、人が触れたときの感触の良さ、又は空気抵抗が少ないこと等が要求される場合には、表面に接合痕を残さない接合方法を採用することが必要である。 For structural materials used in transportation equipment such as vehicles, automobiles, two-wheeled vehicles, and bodywork materials, aluminum materials are being used for the purpose of weight reduction. When manufacturing these structural materials using aluminum materials, when joining the aluminum materials, conventionally, arc welding such as MIG and TIG, laser welding, and mechanical joining methods such as rivets have been used. . On the other hand, structural materials such as floor materials and roof materials, and interior / exterior materials, etc., use an aluminum plate having a curved surface in order to improve the rigidity of the surface or to provide design properties. Various methods such as welding and riveting can be applied to join the aluminum plate to the skeleton member, but the surface aesthetics, good touch when touched, or low air resistance. Etc. are required, it is necessary to adopt a joining method that does not leave a joining mark on the surface.
近年、新たな接合方法として、摩擦撹拌接合が開発されているが、これは特許第2792233号(特許文献1)に示されるように、ツールを被接合材に挿入して固相状態で撹拌することによって接合する技術であり、接合部周辺の熱影響が少ないという利点がある。この摩擦撹拌接合は、施工条件によっては裏面に接合痕が残らないため、アーク及びリベットによる接合方法よりも優れている。図4は従来の摩擦撹拌ツールを示す正面図である。円柱状の本体部1が摩擦撹拌接合装置に支持され、回転駆動される。この本体部1のショルダー部3の表面の中央には、ピン2が設けられており、本体部1を回転駆動し、回転するピン2を被接合部材に挿入することによりピン2と被接合部材との間で発生する摩擦熱により、被接合部材を接合する。このとき、ショルダー部3は、被接合部材を押圧する必要があり、このショルダー部3の面は、ピン2を中心とした円錐状に凹んだものとなっている。
In recent years, friction stir welding has been developed as a new joining method. As shown in Japanese Patent No. 2792233 (Patent Document 1), a tool is inserted into a material to be joined and stirred in a solid state. Therefore, there is an advantage that there is little thermal influence around the joint. This friction stir welding is superior to the welding method using arc and rivet because there is no bonding mark on the back surface depending on the construction conditions. FIG. 4 is a front view showing a conventional friction stirring tool. A cylindrical
而して、曲面を有する被接合部材の外面を美麗に仕上げるために、内部から摩擦撹拌接合を行う技術として、特開平11―267858号公報(特許文献2)に記載されたものがある。この文献に記載された摩擦撹拌接合方法においては、図4に示す摩擦撹拌接合ツールを使用し、凹湾曲した内面の接合部位を、局部的に平坦に成形することにより、図4に示すショルダー部3が平面のツールの使用を可能にしている。 Thus, as a technique for performing friction stir welding from the inside in order to beautifully finish the outer surface of the member to be joined having a curved surface, there is one described in JP-A-11-267858 (Patent Document 2). In the friction stir welding method described in this document, by using the friction stir welding tool shown in FIG. 4, the joint portion of the concavely curved inner surface is locally flattened to form the shoulder portion shown in FIG. 4. 3 allows the use of planar tools.
しかし、摩擦撹拌接合は、被接合材に高い押圧力でツールを挿入するため、ツールのショルダー部による接合痕が残る。接合痕は、鋭い凹凸が刻まれた状態であるため、接合後の部材を輸送機構造材に使用した場合は、使用時の振動などにより接合部に繰返し応力がかかった場合、接合痕の鋭い凹凸から亀裂が発生し、疲労強度が低くなってしまう虞がある。 However, in the friction stir welding, the tool is inserted into the material to be joined with a high pressing force, so that a joining mark due to the shoulder portion of the tool remains. Since the joint marks are in a state where sharp irregularities are carved, when the joined member is used for a transport aircraft structural material, if the joint is repeatedly stressed by vibration during use, the joint mark is sharp. Cracks may occur from the unevenness, and the fatigue strength may be lowered.
これを防止するため、被接合材の端部に予め厚肉部を設けておき、厚肉部にツールを挿入して摩擦撹拌接合した後に厚肉部表面を削除する技術が知られている(特許文献3:特開平10−216964)。 In order to prevent this, a technique is known in which a thick part is provided in advance at the end of the material to be joined, and after the tool is inserted into the thick part and friction stir welding is performed, the surface of the thick part is deleted ( Patent Document 3: JP-A-10-216964).
しかしながら、この特許文献2に記載の従来方法においては、水平部を設けるため、接合部材の重量が重くなる。特に、曲率半径が比較的小さな部材を接合する場合には、被接合部材の単重が低いために、この水平部を設けることによる被接合部材における重量増の割合(影響)が大きくなってしまう。更に、被接合部材の内面に、部分的に平面を設ける場合、押出形材のように、部分的な材料厚さを自在に設計できるような素材を使用する必要があり、安価な板材を使用することができない。
However, in the conventional method described in
また、特許文献3に記載の従来方法のように、被接合材の端部に予め厚肉部を設けておき、厚肉部にツールを挿入して摩擦撹拌接合した後に厚肉部の表面を削除する方法では、工程が増えるため、接合コストが高くなるという問題点がある。
Further, as in the conventional method described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、被溶接材が曲面を有し、この曲面で相互に摩擦撹拌接合する必要がある場合、被接合材に接合跡が残らず、余分な重量増をもたらさず、表面が美麗な状態で接合可能であると共に、接合コストの上昇を回避できる摩擦撹拌接合用ツール、摩擦撹拌接合用裏当て及び摩擦撹拌接合方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and when the materials to be welded have curved surfaces, and these surfaces need to be friction stir welded to each other, there is no bonding trace left on the materials to be joined, An object of the present invention is to provide a friction stir welding tool, a friction stir welding backing, and a friction stir welding method that can be joined with a beautiful surface without causing a significant increase in weight and avoiding an increase in joining cost. To do.
本発明に係る摩擦撹拌接合用ツールは、凹曲面を有する被接合部材同士を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌ツールにおいて、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有し、前記ショルダー部の表面は凸曲面であることを特徴とする。 The friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir tool for friction stir welding members to be joined having concave curved surfaces, a rotating main body portion, and a shoulder portion provided on the to-be-joined member side of the main body portion. And a pin provided at the center of the shoulder portion, and the surface of the shoulder portion is a convex curved surface.
この摩擦撹拌ツールにおいて、前記ショルダー部の表面は、前記被接合部材の前記凹曲面に整合して湾曲した凸曲面であることが好ましい。この凸曲面が凹曲面に整合するとは、被接合部材の凹曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で凸形状に湾曲していることを意味する。 In this friction stir tool, the surface of the shoulder portion is preferably a convex curved surface that is curved in alignment with the concave curved surface of the member to be joined. The matching of the convex curved surface with the concave curved surface means that the convex curved surface has a curvature radius substantially equal to the curvature radius of the concave curved surface of the member to be joined.
本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、凹曲面を有する被接合部材同士を突き合わせ又は重ねた後、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられ表面が凸曲面であるショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有する摩擦撹拌ツールを、前記被接合部材の前記凹曲面の内面側に配置し、前記本体部を回転させて前記ピンを前記被接合部材に挿入することにより前記被接合部材同士を接合することを特徴とする。 The friction stir welding method according to the present invention includes a main body portion that rotates after abutting or overlapping bonded members having concave curved surfaces, and a shoulder portion that has a convex curved surface provided on the bonded member side of the main body portion. And a friction stir tool having a pin provided at the center of the shoulder portion is arranged on the inner surface side of the concave curved surface of the member to be joined, and the body portion is rotated to insert the pin into the member to be joined. By doing so, the members to be joined are joined together.
この摩擦撹拌接合方法において、前記被接合部材の外面側にこの外面に整合する凹曲面を有する裏当材を配置することが好ましい。 In this friction stir welding method, it is preferable that a backing material having a concave curved surface matching the outer surface is disposed on the outer surface side of the member to be bonded.
また、本発明に係る他の摩擦撹拌接合用ツールは、被接合部材を突き合わせて摩擦撹拌接合により凹曲面接合に仕上げるための摩擦撹拌接合用ツールにおいて、回転する本体部と、この本体部の被接合部材側に設けられたショルダー部と、このショルダー部の中心に設けられたピンとを有し、前記ショルダー部の表面は凸曲面であることを特徴とする。 Further, another friction stir welding tool according to the present invention is a friction stir welding tool for abutting members to be joined and finishing them into a concave curved surface joint by friction stir welding. It has a shoulder portion provided on the joining member side and a pin provided in the center of the shoulder portion, and the surface of the shoulder portion is a convex curved surface.
更に、本発明に係る摩擦撹拌接合用裏当ては、上記摩擦撹拌接合用ツールを使用して前記被接合部材を突き合わせ接合する際に、前記被接合部材の突き合わせ部の裏面に配置される裏当てにおいて、前記摩擦撹拌接合用ツールの前記ショルダー部の凸曲面に整合する凹曲面を有し、前記凹曲面とその隣接する面がなだらかに連続していることを特徴とする。なお、この裏当ての凹曲面がツールのショルダー部の凸曲面に整合するということは、裏当ての凹曲面がショルダー部の凸曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で凹形状に湾曲していることを意味する。 Furthermore, the backing for friction stir welding according to the present invention is a backing disposed on the back surface of the butt portion of the member to be joined when the member to be joined is butt joined using the friction stir welding tool. And a concave curved surface that matches the convex curved surface of the shoulder portion of the tool for friction stir welding, and the concave curved surface and its adjacent surface are gently continuous. The fact that the concave curved surface of the backing matches the convex curved surface of the shoulder portion of the tool means that the concave curved surface of the backing is curved into a concave shape with a radius of curvature substantially equal to the radius of curvature of the convex curved surface of the shoulder portion. Means that.
更に、本発明に係る摩擦撹拌接合方法は、上記摩擦撹拌接合用ツールを使用し、前記被接合部材の突き合わせ部の裏面に上記摩擦撹拌接合用裏当てを配置し、前記本体部を回転させて前記ピンを前記被接合部材に挿入し、前記ショルダー部の凸曲面で前記被接合部材同士を接合し、摩擦撹拌接合した部分とその周囲の部分とがなだらかに連続するように接合することを特徴とする。なお、このなだらかに連続するようにとは、ツールのショルダー部による鋭い凹凸が無く、かつ、断面において矩形上の段差が生じていないことを意味する。 Further, in the friction stir welding method according to the present invention, the friction stir welding tool is used, the friction stir welding backing is disposed on the back surface of the butt portion of the member to be joined, and the main body is rotated. The pins are inserted into the members to be joined, the members to be joined are joined by the convex curved surface of the shoulder portion, and the friction stir welded portion and the surrounding portion are joined so as to be smoothly continuous. And It should be noted that the smooth continuous means that there is no sharp unevenness due to the shoulder portion of the tool, and no rectangular step is generated in the cross section.
本発明によれば、ツールのショルダー部を被接合部材の内面側曲面形状に適合させることにより、摩擦力を効率よく発生させることができ、必要最低限の押し付け力で接合が可能となる。これにより、特許文献1に記載のような特段の厚肉部を設けなくても、薄肉部材の接合が可能となる。従って、板材同士の突合せ接合はもちろん、板材同士の重ね接合、板材と押出形材の突合せ接合、又は重ね接合などに、本発明を適用することができる。このため、表面側の表面仕上げが要求される箇所に、摩擦撹拌接合による種々の継手を適用することができる。
According to the present invention, by adapting the shoulder portion of the tool to the curved shape on the inner surface side of the member to be joined, a frictional force can be efficiently generated, and joining can be performed with a minimum necessary pressing force. Thereby, even if it does not provide the special thick part as described in
また、内面側曲面形状に適合させることにより、撹拌部分が最適化され、ツールと接合素材の不必要な接触が低減されるため、従来のツールで内周曲面を摩擦撹拌接合した場合に起こるバリの発生及び工作物の熱変形も抑制することができる。これにより、高品質の接合物を得ることができる。更に、工作物と工具との間の空間から生じる押し付け圧力の低下を防ぎ、これに起因した接合欠陥の抑制も可能である。 Also, by adapting to the curved shape on the inner surface side, the agitation part is optimized, and unnecessary contact between the tool and the joining material is reduced. Generation and thermal deformation of the workpiece can also be suppressed. Thereby, a high quality bonded product can be obtained. Furthermore, it is possible to prevent a decrease in the pressing pressure generated from the space between the workpiece and the tool, and to suppress bonding defects caused by this.
更に、本発明によれば、ツールのショルダー部に凸曲面が設けられていることにより、摩擦撹拌接合後の被接合材には表面の段差がなく、これを輸送機等に使用した場合にも亀裂発生などが起こりにくくなる。従って、板材同士の突合せ接合はもちろん、板材同士の重ね接合、板材と押出形材の突合せ接合、又は重ね接合などに、本発明を適用することができる。このため、輸送機構造部材など、使用時に振動が付加され、高い疲労強度が要求される箇所に、摩擦撹拌接合による種々の継手を適用することができる。 Furthermore, according to the present invention, since a convex curved surface is provided in the shoulder portion of the tool, there is no surface level difference in the material to be joined after friction stir welding, and even when this is used for a transportation machine or the like. Cracks are less likely to occur. Therefore, the present invention can be applied not only to butt joining of plate materials but also to lap joining of plate materials, butt joining of plate materials and extruded shape members, or lap joining. For this reason, various joints by friction stir welding can be applied to places where vibration is applied during use and high fatigue strength is required, such as a transport structural member.
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る摩擦撹拌接合ツールを示す正面図である。回転駆動装置に支持された本体部1は円柱状をなし、この本体部1の先端にショルダー部4が設けられ、このショルダー部4の中心にピン2が設けられている。本実施形態においては、ショルダー部4はその表面が湾曲した半球状の曲面を有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a front view showing a friction stir welding tool according to a first embodiment of the present invention. The
次に、この摩擦撹拌ツールを使用して重ね接合を行う方法について説明する。図2はこの重ね接合方法を示す断面図である。本実施形態は、骨格部材10に対して、板材12を接合する場合のものであり、いずれもアルミニウム合金材である。この骨格部材10は例えば押出により成形される。この骨格部材10の上端には外側に湾曲する湾曲部11が形成されており、この湾曲部11の外面に板材12の先端の湾曲部を重ね、更に、板材12の裏面に裏当金14を配置して、湾曲部11の内側から、図1に示す摩擦撹拌ツールを使用して、骨格部材10と板材12とを摩擦撹拌接合する。
Next, a method for performing lap joining using this friction stir tool will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing this lap joining method. In the present embodiment, the
この場合に、先ず、ツールを回転駆動し、先端のピン2を骨格部材10の湾曲部11に挿入し、更に板材12まで挿入する。これにより、ツールと被接合部材との間の摩擦熱により、ピン2が挿入された部位を中心として、骨格部材10と板材12とが接合する。そして、ショルダー部4で湾曲部11を板材12に向けて押圧しつつ、ツールを骨格部材10の長手方向(押出方向)に移動させ、この長手方向に沿って骨格部材10と板材12とを摩擦撹拌接合する。
In this case, first, the tool is rotationally driven, and the
本実施形態においては、ツールのショルダー部4の表面が凸曲面であり、被接合部材の湾曲部11の凹曲面に重ねたときに、この凹曲面に接触又は密着させることができ、湾曲部11に格別の平面部を成形することなく、湾曲した接合部材を容易に接合することができる。これにより、被接合部材の外表面に接合痕を残すことなく、接合することができる。
In the present embodiment, the surface of the
本発明は、ショルダー部の表面を凸曲面にすることを特徴とするが、このショルダー部4の表面の凸曲面は、被接合部材の凹曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で凸形状に湾曲していることが望ましい。即ち、ショルダー部4の表面の凸曲面は、被接合部材の凹曲面と整合した形状で凸状に湾曲していることが望ましい。このように、ツールのショルダー部4の表面形状を、被接合部材(湾曲部11及び板材12)の内面側曲面形状に適合させることにより、撹拌部分が最適化され、ツールと接合素材の不必要な接触が低減されるため、従来のツールで内周曲面を摩擦撹拌接合した場合に起こるバリの発生及び工作物の熱変形も抑制することができる。これにより、高品質の接合物を得ることができる。更に、工作物と工具との間の空間から生じる押し付け圧力の低下を防ぎ、これに起因した接合欠陥も抑制することができる。なお、ショルダー部4の表面の凸曲面における被接合部材の凹曲面の曲率半径とほぼ等しい曲率半径で湾曲する部分は、ショルダー部4の全面である必要はない。摩擦撹拌接合に寄与する領域において、このように被接合部材の内面側曲面形状に適合させることにより、上述の効果を得ることができる。
The present invention is characterized in that the surface of the shoulder portion has a convex curved surface, and the convex curved surface of the surface of the
次に、突き合わせ接合に本発明を適用した本発明の第2実施形態について図3を参照して説明する。図3の断面図に示すように、断面形状が接合部で1/4円弧状に湾曲した被接合部材の板材13を突き合わせ、その湾曲外側に裏当金14を配置し、湾曲内側に本実施形態のツールを配置し、このツールを回転駆動しつつ、ピン2を板材13の接合部に挿入する。そして、このツールにより板材13を裏当金14に押圧しつつ、ツールを突き合わせ端面に沿って移動させる。
Next, a second embodiment of the present invention in which the present invention is applied to the butt joint will be described with reference to FIG. As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the
本実施形態においては、板材13の湾曲外面の湾曲面と同一形状に湾曲する裏当金14を板材13の湾曲外面に当て、板材13の湾曲内面にツールのショルダー部4を当てて、ツールと裏当金14との間で挟持しつつ板材13同士を突き合わせ接合するので、接合後の形状、特に板材13の外表面の接合部の表面形状が極めて美麗なものとなる。
In the present embodiment, the backing
次に、本発明の第3実施形態について図4及び図5を参照して説明する。使用する摩擦撹拌接合ツールは、図1に示すものと同様である。図4は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用裏当て20を示す断面図である。裏当て20の表面の中央部には、摩擦撹拌ツールのショルダー部4の凸曲面に整合する凹曲面21が形成されており、その周囲の表面22は平面であり、凹曲面21と表面22とが、段差無くなだらかに連続している。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The friction stir welding tool used is the same as that shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the friction
次に、この摩擦撹拌ツール及び裏当てを使用して突合せ接合を行う方法について説明する。図5はこの突合せ接合方法を示す断面図である。本実施形態は、被接合部材としての板材23を突き合わせ、裏当て20の凹曲面21と板材23の凸曲面とを重ねるようにして、突き合わせ部の裏面に裏当て20を配置する。そして、突き合わせ部の表面側に摩擦撹拌接合用ツールを配置し、このツールを回転駆動しつつ、ピン2を板材23の接合部に挿入する。そして、このツールにより板材23を裏当て20に押圧しつつ、ツールを突き合わせ端面に沿って移動させる。これにより、板材23同士が、摩擦撹拌接合される。
Next, a method for performing butt joining using this friction stir tool and backing will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing this butt joining method. In the present embodiment, the
本実施形態においては、ツールのショルダー部4の表面(凸曲面)及びこのショルダー部4の表面に整合した凹曲面21を有する裏当て20との間で板材23を挟持しつつ、板材23同士を突き合わせ接合するので、接合後の形状、特に板材23の接合部裏面の表面形状が美麗となり、更にこの接合部裏面に段差が生じないため、接合した部材は繰返し応力を受けても亀裂が発生せず、疲労強度に優れるものとなる。
In the present embodiment, the
本発明は、湾曲した被接合部材の摩擦撹拌接合に極めて有益である。 The present invention is extremely useful for friction stir welding of curved members to be joined.
1:本体部
2:ピン
3:ショルダー部(平面)
4:ショルダー部(湾曲)
10:骨格部材
12、13,23:板材
14:裏当金
20:裏当て
21:凹曲面
22:表面
1: Body part 2: Pin 3: Shoulder part (plane)
4: Shoulder (curved)
10:
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