JP2012148297A - Friction stir joining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被接合部材同士を突き当てて、この突き当て部分に回転ツールのピンを押圧しながら回転することで発生する摩擦熱で突き当て部分を塑性流動して、冷却後一体的に接合させるようにした摩擦攪拌接合方法に関する。 In the present invention, the members to be joined are brought into contact with each other, and the abutting portion is plastically flowed by frictional heat generated by rotating while pressing the pin of the rotary tool against the abutting portion, and then integrally joined after cooling. The present invention relates to a friction stir welding method.
従来、摩擦攪拌接合方法としては、薄肉のアルミニウム合金板と厚肉のアルミニウム合金板を、これらの被接合側表面の高さが同じになるようにして定盤上で突き合わせ、その被接合箇所から厚肉側へ少しオフセットした位置で回転ツールの先端に設けたピンおよび回転ツールのショルダ部をアルミニウム合金板に押圧しながら回転させ、発生した摩擦熱でその押圧箇所やその近辺部分を塑性流動させて両アルミニウム合金板を接合するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a friction stir welding method, a thin aluminum alloy plate and a thick aluminum alloy plate are abutted on a surface plate so that the height of the surfaces to be joined is the same, and from the place to be joined. The pin provided at the tip of the rotary tool and the shoulder of the rotary tool are rotated while pressing against the aluminum alloy plate at a position slightly offset to the thick wall side, and the generated frictional heat causes the pressed part and its vicinity to plastically flow. There is known a technique in which both aluminum alloy plates are joined (see, for example, Patent Document 1).
上記従来の摩擦攪拌接合方法では、ピンを突き合わせ箇所より厚肉のアルミニウム合金板側へオフセットした位置で押圧・回転させるので、この結果発生する摩擦熱は厚肉のアルミニウム合金板側でより多く発生し、熱容量が小さい薄肉のアルミニウム合金板では少なくなるので、薄肉のアルミニウム合金板の変形を小さく抑えることが可能となる。
しかしながら、この従来の方法を用いて、薄肉の被接合部材と厚肉の被接合部材とを突き合わせ、この突き合わせ箇所からオフセットした位置で摩擦撹拌接合を実施する場合には、接合箇所のどの部分も厚肉側に偏ってしまい、全体の結合強度が劣化してしまうという問題があった。また、たとえばタンク容器のように、漏れがあっては困るものにあっては、ピンの接合終点位置が少なくとも接合開始位置まで戻ってくる摩擦撹拌接合を行う必要があり、接合終点部の外周部分に繰り返し加圧による応力集中が生じてしまって、接合終了時の部分の接合強度が劣化してしまうといった問題があった。
In the above conventional friction stir welding method, the pin is pressed and rotated at a position offset from the butted part to the thick aluminum alloy plate, so that more frictional heat is generated on the thick aluminum alloy plate. However, since the thickness of the aluminum alloy plate having a small heat capacity is small, the deformation of the thin aluminum alloy plate can be suppressed to be small.
However, when using this conventional method, a thin-walled member and a thick-walled member are abutted and friction stir welding is performed at a position offset from this abutting location, any part of the junction location is There is a problem in that it is biased toward the thick wall side and the overall bond strength is deteriorated. In addition, if there is something that should not be leaked, such as a tank container, it is necessary to perform friction stir welding at which the joining end point position of the pin returns to at least the joining start position. In other words, stress concentration due to repeated pressurization occurs, and the bonding strength at the end of the bonding deteriorates.
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、被接合部材がこれらの薄肉部と厚肉部とを突き合わせて接合終了位置が少なくとも接合開始位置まで戻ってくるように摩擦接合する場合にも、その結合強度が低下するのを抑えることができる摩擦攪拌接合方法を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problem, and the object is to join the thin-walled portion and the thick-walled portion so that the joining end position returns to at least the joining start position. Thus, the present invention also provides a friction stir welding method capable of suppressing a decrease in the bonding strength even when performing friction welding.
この目的のため、請求項1に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、
第1被接合部材の薄肉部と第2被接合部材の厚肉部とを突き合わせて、この突き合わせ箇所の部分に、ピンを先端に設けた回転ツールを回転しながら押圧することで発生した摩擦熱で、突き合わせ箇所の部分を塑性流動させて両被接合部材同士を接合するようにした摩擦攪拌接合方法であって、
ピンの接合開始部は、薄肉部と厚肉部の突き合わせ線上の位置とし、続いてピンの接合中心線を、突き合わせ線に対し、ピンによる薄肉部と厚肉部の溶解部がオーバーラップしていく範囲内で、接合開始部から薄肉部側を通って厚肉部側へ向かうようにピンを蛇行させて接合開始部に向かわせた後、ピンの接合終了部を接合開始部又はこの近傍を通り過ぎた位置であって、この位置における接合終了部が先に接合開始部から蛇行させたピンの位置より厚肉部側にある位置とした、
ことを特徴とする。
For this purpose, the friction stir welding method according to the invention as claimed in
Frictional heat generated by abutting the thin part of the first member to be joined and the thick part of the second member to be joined, and pressing the rotating tool provided with a pin at the tip of the abutting part while rotating. Then, it is a friction stir welding method in which the parts to be joined are plastically flowed to join both members to be joined,
The joining start part of the pin is located on the butt line between the thin part and thick part, and then the joining center line of the pin overlaps the butt line with the melted part of the thin part and thick part by the pin. Within a certain range, after the pin meanders from the joining start part to the thick part side through the thin part side to the joining start part, the joining end part of the pin is moved to the joining start part or its vicinity. It is a position that has passed, and the position where the joining end part at this position is on the thick part side from the position of the pin meandered from the joining start part first,
It is characterized by that.
請求項2に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、請求項1に記載の発明において、第2被接合部材の厚肉部が、第1被接合部の薄肉部を係合可能な段差を有するようにしたことを特徴とする。 The friction stir welding method according to the second aspect of the present invention is the friction stir welding method according to the first aspect of the present invention, wherein the thick portion of the second member to be joined has a step that can engage the thin portion of the first joint portion. It is characterized by having it.
請求項3に記載の本発明による摩擦攪拌接合方法は、請求項1又は2に記載の発明において、第1被接合部材および第2被接合部材が円筒状部材であることを特徴とする。
A friction stir welding method according to the present invention as set forth in
請求項1に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、接合開始点から接合終了点の間を蛇行させながらピンを相対移動させるようにしたので、一部の薄肉部側にも厚肉部側より溶融部が寄ることとなって、厚肉部との結合強度を向上させることができる。また、この場合、薄肉部の一部にしか溶融部が偏らないので、応力集中による薄肉部の変形を抑えて漏れを防止することができる。また、接合終了点を、接合開始部又はこの近傍を通り過ぎた位置であって、この位置における接合終了部が先に接合開始部から蛇行させたピンの位置より厚肉部側にある位置としたので、この部分を繰り返し摩擦攪拌接合しても強度的に弱くなるのを抑制できる。 In the friction stir welding method according to the first aspect of the present invention, since the pin is relatively moved while meandering from the joining start point to the joining end point, the thickness of the thin portion is also increased. Since the melted part is closer to the meat part side, the bond strength with the thick part can be improved. Further, in this case, since the melted part is biased to only a part of the thin part, the deformation of the thin part due to the stress concentration can be suppressed and leakage can be prevented. Also, the joining end point is a position that has passed the joining start portion or the vicinity thereof, and the joining end portion at this position is a position on the thick portion side from the position of the pin meandered from the joining start portion first. Therefore, even if this part is repeatedly friction stir welded, it can suppress that it becomes weak in strength.
請求項2に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、第2被接合部材の突き合わせ箇所を厚肉部の段差にかつ第1被接合部材の薄肉部を係合させた状態でこの部分を摩擦接合するようにしたので、強度を高くすることができ、また、摩擦熱による歪みも抑えることができる。さらに、被接合部材がいずれも薄肉であっても、突き合わせ箇所の一方を段差付き厚肉部とすることで、強度が高く歪みも抑えて薄肉の被接合部材同士を摩擦攪拌接合できる。 In the friction stir welding method according to the second aspect of the present invention, in the state where the butted portion of the second member to be joined is engaged with the step of the thick portion and the thin portion of the first member to be joined. Since the portions are friction-bonded, the strength can be increased and distortion due to frictional heat can also be suppressed. Furthermore, even if all the members to be joined are thin, by making one of the butted portions a thick part with a step, the thin members to be joined can be friction stir welded with high strength and reduced distortion.
請求項3に記載の本発明の摩擦攪拌接合方法にあっては、第1被接合部材および第2被接合部材を円筒状部材としたので、容易にタンク等を形成することが可能となる。 In the friction stir welding method according to the third aspect of the present invention, since the first member to be joined and the second member to be joined are cylindrical members, a tank or the like can be easily formed.
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on examples shown in the drawings.
本実施例では、被接合部材Gとして、薄肉円筒体(第1被接合部材)1と、この薄肉円筒体1と外径を同じくする厚肉円筒体(第2被接合部材)2との突き合わせ箇所Pを摩擦攪拌接合する。
まず、上記摩擦攪拌接合方法を実行するための摩擦攪拌接合装置につき、図1、2に基づき説明する。なお、図1,2は摩擦攪拌接合を行う直前の状態を示している。
In this embodiment, as a member to be joined G, a thin cylindrical body (first member to be joined) 1 and a thick cylindrical body (second member to be joined) 2 having the same outer diameter as the thin
First, a friction stir welding apparatus for executing the friction stir welding method will be described with reference to FIGS. 1 and 2 show a state immediately before the friction stir welding is performed.
この摩擦攪拌接合装置は、薄肉円筒体1の開口端部付近の外周面に当接し、薄肉円筒体1を水平状態で回転可能に支持する3つのワーク受けローラ3と、薄肉円筒体1の芯出しをした状態で薄肉円筒体1側を回転自在に支持するセンター出し治具4と、厚肉円筒体2側をチャック装置5で挟持して被接合部材Gを軸心Qまわりに回転させる電動モータ6と、回転ツール7と、回転ツール7を高速回転させる電動モータ7bと、を備える。また、この回転ツール7は、図示を省略した駆動機構により、その軸心方向(水平方向)の進退可能となっている。
This friction stir welding apparatus is in contact with the outer peripheral surface near the opening end of the thin-walled
回転ツール7は、先端部に備えたピン7aとそのショルダ部を、薄肉円筒体1と厚肉円筒体2の突き合わせ箇所Pに対し、その側面から水平状態で押圧し、回転ツール7を電動モータ7aで高速回転させながら被接合部材Gを回転(回転ツール7との相対移動)させることにより、発生した摩擦熱で突き合わせ箇所Pを塑性流動させて該突き合わせ箇所Pを接合する。なお、ピン付き回転ツール7は、この軸心が水平面上にある必要はなく、付き合わせ箇所Pの上方など任意の位置に設置しても良い。
The
被接合部材Gは、図3に詳細に示すように、薄肉円筒体(第1被接合部材)1と、この薄肉円筒体1と外径を同じくする厚肉円筒体(第2被接合部材)2と、からなり、厚肉円筒体2における薄肉円筒体1との突き合わせ箇所P側端面には、段差を設けて形成した小径部2aを有し、この小径部2aを薄肉円筒体1の開口部1a内に差し込み係合した状態で突き合わせ箇所Pの摩擦攪拌接合が行われる。
As shown in detail in FIG. 3, the member G to be joined includes a thin cylindrical body (first joined member) 1 and a thick cylindrical body (second joined member) having the same outer diameter as the thin
次に、上記摩擦攪拌接合装置を用いた実施例1の摩擦攪拌接合方法を図4〜6に基づいて説明する。
まず、図1,2に示すように、被接合部材Gを摩擦攪拌接合装置にセットした状態で、回転ツール7を高速回転しながら前進させ、回転ツール7のピン7aを突き合わせ箇所Pに押圧し、被接合部材Gを回転させて行くことにより、被接合部材Gの突き合わせ箇所Pを摩擦攪拌接合して行く。
その際、まず、ピン7aを押圧する接合開始部K1は、図4、5に示すように、薄肉円筒体1と厚肉円筒体2の突き合わせ線E上の位置とする。なお、図4は、外周面を展開して示した図である。したがって、360°で被接合部材Gが1回転することになる。なお、図4において、線Dは、ピン7aによる溶融部Yにおける薄肉円筒体1側端部である接合基点d1の軌跡を示す。
Next, the friction stir welding method of Example 1 using the friction stir welding apparatus will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIGS. 1 and 2, with the member G to be joined set in the friction stir welding apparatus, the
At that time, first, the joining start portion K1 that presses the
接合開始部K1に続いて、被接合部材Gの回転に伴い、図4に示すように、ピン7aの接合中心線Mを、突き合わせ線Eに対し、ピン7aによる薄肉円筒体1と厚肉円筒体2の溶解部Yがオーバーラップしていく範囲W内で、突き合わせ線E上の接合開始部K1から薄肉円筒体1側を通って被接合部材Gを45°程度回転させた所で厚肉円筒体2側へ向かわせ、90°付近で突き合わせ線Eより厚肉円筒体2側へ寄り始めて、また180°付近で突き合わせ線Eより薄肉円筒体1側へ寄り、270°付近で厚肉側に寄るようにピン7aを緩やかに蛇行させて360°付近で接合開始部K1もしくはその近傍に向かわせる。したがって、この場合、上記従来技術によるものの場合より、薄肉円筒体1側にも溶融部が寄ることで被接合部材G全体の強度が向上することとなる。
Following the joining start portion K1, as shown in FIG. Within the range W where the melted portion Y of the
その後、ピン7aの接合終了部K2を、接合開始部K1を通り過ぎた位置であってこの位置における接合終了部K2が先に接合開始部K1から薄肉円筒体1側へ向けて蛇行させたピン7aの位置mより厚肉円筒体2側にある位置となるように制御する。本実施例では、接合終了部K2は、突き合わせ線E上とする。接合終了部K2では、回転ツール7を後退させてピン7aを突き合わせ箇所Pの溶融部分から引き抜く。その結果、図4(ロ)の接合終了部K2での断面図および図7で明らかなように、接合開始点K1から接合終了部K2の間は、先に薄肉円筒体1側に溶融部Yが形成された後をオーバーラップしながら、再度、摩擦攪拌接合しながらピン7aが相対移動することになるが、この再度の摩擦攪拌接合による溶融部の接合基点d1は、突き合わせ線E上で先の溶融部Yの接合基点より厚肉円筒体2側に位置するので、強度的に強い箇所で摩擦攪拌接合が終了しピン7aが引き抜かれることとなる。
なお、上記溶解部Yが、突き合わせ箇所P、薄肉円筒体1と厚肉円筒体2との両方の部分にオーバーラップするようにするには、突き合わせ線E上にピン7aがあるときのこのピン7aの外径の範囲内W(図5参照)とすることが望ましい。
Thereafter, the joining end portion K2 of the
In addition, in order that the said melt | dissolution part Y may overlap with the both locations of the butting location P and the thin
以上のように、実施例1の摩擦攪拌接合方法にあっては、以下の効果を得ることができる。
(1) ピン7aの接合中心線Mを、突き合わせ線Eに対し、ピン7aによる薄肉円筒体1と厚肉円筒体2の溶解部Yがオーバーラップしていく範囲W内で、接合開始部K1から薄肉円筒体1側を通って厚肉円筒体2側へ向かうようにピン7aを緩やかに蛇行させて接合開始部K1に向かわせるようにした。
これにより、接合箇所が厚肉円筒体2側に偏ることがなく薄肉円筒体1側にも一部寄るようになるため、被接合部材G全体の結合強度の劣化を防止することができる。
As described above, in the friction stir welding method of Example 1, the following effects can be obtained.
(1) The joining start line K1 of the joining center line M of the
As a result, the joining location does not deviate toward the thick
(2) 接合終了部K2におけるピン7aの接合中心線Mの位置が、接合開始部K1を通り過ぎた位置であってこの位置における接合終了部K2が先に接合開始部K1から薄肉円筒体1側へ向けて蛇行させたピン7aの位置mより厚肉円筒体2側にある位置となる。
これにより、接合終了部K2における溶融部Yの薄肉円筒体1側端部である接合基点d1の位置が、先に接合開始部K1から薄肉円筒体1側へ向けて蛇行させた溶融部Yの薄肉円筒体1側端部である接合基点d2の位置より厚肉円筒体2側となるため、接合終了部K2における薄肉円筒体1側における繰り返し加圧による応力集中を抑制して、接合終了部K2の接合強度低下を抑制することができる。
(2) The position of the joining center line M of the
Thereby, the position of the joining base point d1 which is the thin
次に、他の実施例について説明する。なお、この他の実施例の説明にあたっては、上記実施例1と同様の構成部分については図示を省略し、もしくは同一の符号を付けてその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。 Next, another embodiment will be described. In the description of the other embodiments, the same components as those of the first embodiment are not shown, or the same reference numerals are given and the description thereof is omitted, and only the differences are described.
この実施例2の摩擦攪拌接合方法は、図7に示すように、被接合部材Gとして、薄肉円筒体(第1被接合部材)10と、この薄肉円筒体1と外径を同じくする厚肉円柱体(第2被接合部材)20との突き合わせ箇所Pを摩擦攪拌接合するようにした点が、円筒同士の突き合わせ箇所Eを摩擦攪拌接合する実施例1とは相違する。
In the friction stir welding method of Example 2, as shown in FIG. 7, a thin cylindrical body (first bonded member) 10 and a thick wall having the same outer diameter as that of the thin
すなわち、この実施例2では、厚肉円柱体20における薄肉円筒体10との突き合わせ箇P所側端面には、段差を設けて形成した小径部20aを有し、この小径部20aを薄肉円筒体10の開口部10a内に差し込み係合した状態で突き合わせ箇所Pの摩擦攪拌接合が行われる。
従って、この実施例2では、上記実施例1と同様の効果が得られる。
That is, in the second embodiment, the thick
Therefore, in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
この実施例3の摩擦攪拌接合方法は、図8に示すように、被接合部材Gとして、薄肉円筒体(第1被接合部材)11と、この薄肉円筒体11と外径が同じで、接合側端部に段差を設けて形成した、内側に肉厚となる厚肉部21aを有する厚肉円筒体(第2被接合部材)21との突き合わせ箇所Pを摩擦攪拌接合するようにした点が、円筒体同士の突き合わせ箇所Pを摩擦攪拌接合する実施例1とは相違する。
In the friction stir welding method of Example 3, as shown in FIG. 8, the thin member (first member to be joined) 11 is the same as the member to be joined G, and the
すなわち、この実施例3では、厚肉円筒体21の厚肉部21aにおける薄肉円筒体11との突き合わせ箇所P側端面には、小径部21bを有し、この小径部21bを薄肉円筒体11の開口部11a内に差し込み係合した状態で突き合わせ箇所Pの摩擦攪拌接合が行われる。
従って、この実施例3では、上記実施例1と同様の効果が得られる。
That is, in the third embodiment, the thick-
Therefore, in the third embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。 The present invention has been described based on the above embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and is included in the present invention even when there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. .
たとえば、実施例では、被接合部材Gとして円筒体同士を摩擦攪拌接合する場合を示したが、平板同士を摩擦攪拌接合する場合にも本発明を適用することができる。 For example, in the embodiment, the case where the cylindrical bodies are friction stir welded as the members to be joined G has been shown, but the present invention can also be applied to the case where the flat plates are friction stir welded.
また、実施例では、被接合部材Gとして、厚肉部側に薄肉部を重ねる段部(小径部)を有する場合を示したが、図9に示すように、段部を設けず、厚肉板材(第2被接合部材)22と薄肉板材(第1被接合部材)12の端面を単に突き合わせた状態で、突き合わせ箇所Pを摩擦攪拌接合するようにしてもよい。
この場合、段差が設けられた定盤8の上に、厚肉板材22と、薄肉板材12を突き合わせて設置した状態で摩擦攪拌接合を行う。なお、定盤8に設けられている段差の高さは、厚肉板材22と、薄肉板材12の板厚差と同じに設定されることで、厚肉板材22と、薄肉板材12の表面が同じ高さの状態にセットされる。
Moreover, in the Example, although the case where it had the step part (small diameter part) which piles up a thin part on the thick part side as the to-be-joined member G was shown, as shown in FIG. You may make it friction-stir-join the butt | matching location P in the state which faced | matched the board | plate material (2nd to-be-joined member) 22 and the end surface of the thin board | plate material (1st to-be-joined member) 12 only.
In this case, the friction stir welding is performed in a state in which the
1 薄肉円筒体(第1被接合部材)
1a 開口部
2 厚肉円筒体(第2被接合部材)
2a 小径部
3 ワーク受けローラ
4 センター出し治具
5 チャック装置
6 電動モータ
7 回転ツール
7a ピン
7b 電動モータ
8 定盤
10 薄肉円筒体(第1被接合部材)
10a 開口部
11 薄肉円筒体(第1被接合部材)
11a 開口部
12 薄肉板材(第1被接合部材)
20 厚肉円柱体(第2被接合部材)
20a 小径部
21 厚肉円筒体(第2被接合部材)
21a 厚肉部
21b 小径部
22 厚肉板材(第2被接合部材)
D 基準点の線
d1 基準点
d2 基準点
E 付き合わせ線
G 被接合部材
K1 接合開始部
K2 接合終了部
M ピンの接合中心線
m 蛇行させたピンの位置
P 突き合わせ箇所
Q 軸心
W オーバーラップしていく範囲
Y 溶融部
1 Thin cylindrical body (first member to be joined)
2a
20 Thick cylinder (second member to be joined)
20a
21a
D Reference point line d1 Reference point d2 Reference point E Attachment line G Joined member K1 Join start part K2 Join end part M Pin joint center line m Position of meandering pin P Abutting point Q Axis W W Overlapping Range Y Melting zone
Claims (3)
前記ピンの接合開始部は、前記薄肉部と前記厚肉部の突き合わせ線上の位置とし、続いて前記ピンの接合中心線を、前記突き合わせ線に対し、前記ピンによる前記薄肉部と前記厚肉部の溶解部がオーバーラップしていく範囲内で、前記接合開始部から前記薄肉部側を通って前記厚肉部側へ向かうようにピンを蛇行させて前記接合開始部に向かわせた後、前記ピンの接合終了部を前記接合開始部又はこの近傍を通り過ぎた位置であって、この位置における前記接合終了部が先に前記接合開始部から蛇行させた前記ピンの位置より前記厚肉部側にある位置とした、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 Frictional heat generated by abutting the thin part of the first member to be joined and the thick part of the second member to be joined, and pressing the pin provided at the tip of the rotating tool against the part of the abutting part while rotating. Then, a friction stir welding method in which a part of the butt portion is plastically flowed to join both members to be joined,
The joining start part of the pin is positioned on the butt line between the thin part and the thick part, and subsequently, the joining center line of the pin with respect to the butt line is the thin part and the thick part by the pin. In the range where the melted portion overlaps, the pin meanders from the joining start portion to the thick portion side through the thin portion side, and then toward the joining start portion, The position at which the joining end portion of the pin passes the joining start portion or the vicinity thereof, and the joining end portion at this position is closer to the thicker portion than the position of the pin meandered from the joining start portion first. A certain position,
A friction stir welding method characterized by the above.
前記第2被接合部材の厚肉部は、第1被接合部の薄肉部を係合可能な段差を有する、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 In the friction stir welding method according to claim 1,
The thick part of the second member to be joined has a step that can engage the thin part of the first part to be joined.
A friction stir welding method characterized by the above.
前記第1被接合部材および前記第2被接合部材は円筒状部材である、
ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 In the friction stir welding method according to claim 1 or 2,
The first member to be joined and the second member to be joined are cylindrical members.
A friction stir welding method characterized by the above.
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2011
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