JP5966118B2 - Metal material processing method and metal material processing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、金属材の加工方法及び金属材の加工装置に関し、特に棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工方法及び金属材の加工装置に関する。 The present invention relates to a metal material processing method and a metal material processing apparatus, and in particular, a metal material processing method for processing a metal material by rotating the tip of a rod-shaped rotary tool while contacting the metal material processing portion, and The present invention relates to a metal material processing apparatus.
従来の金属材の接合方法においては、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ＝Friction Stir Welding）により金属材を接合する技術が知られている。この摩擦攪拌接合では、円柱状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する。回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備える。回転ツールの先端のプローブ以外の部位はショルダと呼ばれる。この摩擦攪拌接合においては、特にステンレス材等のプロセス温度における硬さが高い金属材を加工する際には、回転ツールの摩耗による変形が大きく、回転ツールの寿命が短いという欠点がある。特に、ショルダの摩耗が進行した場合、プローブの回転ツールの先端から突出した長さ（以下、プローブ突出長と呼ぶことがある）が相対的に大きくなり、最終的にはショルダが金属材の加工部と接触しない長さまでプローブが伸び、摩擦が発生しなくなる。すなわち接合が不可能となる。 In a conventional method for joining metal materials, a technique for joining metal materials by friction stir welding (FSW = Friction Stir Welding) is known. In this friction stir welding, the metal material is processed by rotating the tip of the cylindrical rotary tool while contacting the metal material processing portion. The rotary tool includes a probe protruding from the center of the tip of the rotary tool. The part other than the probe at the tip of the rotary tool is called a shoulder. In this friction stir welding, particularly when processing a metal material having a high hardness at a process temperature such as a stainless steel material, there is a disadvantage that the deformation due to wear of the rotary tool is large and the life of the rotary tool is short. In particular, when the wear of the shoulder progresses, the length of the probe protruding from the tip of the rotating tool (hereinafter sometimes referred to as the probe protrusion length) becomes relatively large, and eventually the shoulder is processed by the metal material. The probe extends to a length that does not come into contact with the portion, and friction is not generated. That is, joining becomes impossible.
そのため、下記の特許文献１では、回転ツールの先端を砥石により研磨することにより、摩耗した回転ツールの形状を摩耗前の形状に復元し再生することで回転ツールの交換頻度を少なくする技術が開示されている。また、特許文献２では、プローブの直径が、その根元から先端に向かうほど縮径し、その先端は、そのプローブの先端における径以上の曲率の丸め加工を施すことにより、回転ツールの摩耗や折損を抑制する技術が開示されている。 Therefore, in the following Patent Document 1, a technique for reducing the replacement frequency of the rotary tool by restoring the shape of the worn rotary tool to the shape before wear by polishing the tip of the rotary tool with a grindstone is disclosed. Has been. Further, in Patent Document 2, the diameter of the probe is reduced as it goes from the base toward the tip, and the tip is rounded with a curvature larger than the diameter at the tip of the probe, thereby causing wear and breakage of the rotary tool. A technique for suppressing the above is disclosed.
しかしながら、特許文献１の技術では、回転ツールの形状を整えるために回転ツールの先端を砥石で研磨する必要があり、大きな労力を要し、加工効率が低下する欠点がある。また、特許文献２の技術では、回転ツールの形状を特殊な形状とする必要があり、労力を要し、コスト高となる欠点があり、また実施例で粒子径は１μｍ程度としているが、具体的なＣｏや添加元素の配合量に関してはなんら言及されていない。またツールの耐久性としては３ｍ程度とされており、耐久性としても満足な性能が得られていない。 However, in the technique of Patent Document 1, it is necessary to polish the tip of the rotary tool with a grindstone in order to adjust the shape of the rotary tool, which requires a large amount of labor and has a drawback of reducing the processing efficiency. Moreover, in the technique of patent document 2, it is necessary to make the shape of the rotary tool into a special shape, which requires labor, and has a disadvantage that the cost is high. In the embodiment, the particle diameter is about 1 μm. No mention is made of the typical amounts of Co and additive elements. Further, the durability of the tool is about 3 m, and satisfactory performance is not obtained as durability.
本発明は、上記課題を考慮してなされたものであり、従来より簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができ、また接合品質を維持し、低コストで回転ツールの寿命を向上させることができる金属材の加工方法及び金属材の加工装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and can process a metal material while controlling the protruding length of the probe by a simpler method than before, and can maintain the bonding quality and rotate at a low cost. It is an object of the present invention to provide a metal material processing method and a metal material processing apparatus capable of improving the tool life.
本発明は、棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工方法であって、回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する金属材の加工方法である。 The present invention is a metal material processing method for processing a metal material by rotating the tip of a rod-shaped rotary tool while contacting the metal material processing portion. The rotary tool is a central portion of the tip of the rotary tool. The metal material is processed while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool. It is a processing method of a metal material.
この構成によれば、棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工方法において、回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、従来より簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。 According to this configuration, in the metal material processing method for processing a metal material by rotating the tip end of a rod-shaped rotary tool while contacting the metal material processing portion, the rotary tool is a central portion of the tip of the rotary tool. The metal material is processed while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool. . Thus, the metal material can be processed while controlling the protruding length of the probe by a simpler method than before.
なお、本発明の金属材の加工方法においては、（１）板状の金属材の端部同士を突き合わせて加工部とし、回転ツールをその加工部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（２）板状の金属材の端部同士を突き合わせて加工部とし、回転ツールをその加工部で移動させずに回転させて接合するスポット摩擦攪拌接合（スポットＦＳＷ）、（３）金属材同士を加工部において重ね合わせ、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその箇所で移動させずに回転させて金属材同士を接合するスポット摩擦攪拌接合、（４）金属材同士を加工部において重ね合わせ、加工部に回転ツールを挿入し、回転ツールをその加工部の長手方向に沿って回転させつつ移動させて金属材同士を接合する摩擦攪拌接合、（５）金属材の表面の加工部に回転ツールを接触させつつ回転させることにより、加工部の金属組織を改質する表面改質の（１）〜（５）の５つの態様およびこれらの組み合わせを含む。 In the metal material processing method of the present invention, (1) the end portions of the plate-like metal material are brought into contact with each other to form a processing portion, and the rotary tool is moved while rotating along the longitudinal direction of the processing portion. Friction stir welding that joins metal materials, (2) Spot friction stir welding that joins by rotating the rotary tool without moving the rotating tool at the processed portion by matching the ends of the plate-like metal materials together ( (Spot FSW), (3) Spot friction stir welding, in which metal materials are overlapped at the processing portion, a rotating tool is inserted into the processing portion, and the rotating tool is rotated without moving at that location to join the metal materials together. (4) Friction stir welding in which metal materials are overlapped at the processing portion, a rotary tool is inserted into the processing portion, and the rotary tool is moved while rotating along the longitudinal direction of the processing portion to join the metal materials together. 5) Five aspects of surface modification (1) to (5) and combinations thereof, which modify the metal structure of the processed part by rotating while rotating the rotating tool in contact with the processed part of the surface of the metal material Including.
この場合、回転ツールの加工部に対する荷重を増大させること及び前記回転ツールの回転速度を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを短くすることが好適である。 In this case, it is preferable to shorten the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by increasing the load on the processing part of the rotary tool and / or decreasing the rotational speed of the rotary tool. .
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重を増大させること及び前記回転ツールの回転速度を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを短くする。これにより、極めて簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。 According to this structure, the length which protruded from the front-end | tip of the rotary tool of a probe is shortened by at least any one of increasing the load with respect to the process part of a rotary tool, and reducing the rotational speed of the said rotary tool. Thereby, it is possible to process the metal material while controlling the protruding length of the probe by an extremely simple method.
また、回転ツールの回転速度を増大させること及び前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを長くすることが好適である。 In addition, it is preferable to increase the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by increasing the rotational speed of the rotary tool and / or decreasing the load on the processed portion of the rotary tool. .
この構成によれば、回転ツールの回転速度を増大させること及び前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを長くする。これにより、極めて簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。 According to this configuration, the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool is increased by increasing the rotational speed of the rotary tool and / or decreasing the load on the processed portion of the rotary tool. Thereby, it is possible to process the metal material while controlling the protruding length of the probe by an extremely simple method.
また、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を断続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。 Also, the metal material is processed while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by intermittently changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool. Is preferred.
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を断続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。このため、荷重又は回転速度の変更を少なくした簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。 According to this configuration, the metal material is controlled while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by intermittently changing at least one of the load on the processing portion of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool. Is processed. For this reason, it is possible to process the metal material while controlling the protruding length of the probe by a simple method with less change in load or rotation speed.
あるいは、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を連続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。 Alternatively, by continuously changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool, the metal material is processed while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool. Is preferred.
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかの変更を連続的に行うことにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長をより高精度に制御しつつ金属材を加工することができる。 According to this configuration, by continuously changing at least one of the load on the processing portion of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool, the metal material is controlled while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool. Is processed. Thereby, a metal material can be processed while controlling the protruding length of the probe with higher accuracy.
また、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを一定範囲内に制御しつつ金属材を加工することが好適である。 In addition, by changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool, the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool can be controlled within a certain range. Is preferred.
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを一定範囲内に制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長を一定範囲内に保ち、回転ツールの寿命を簡単な方法で向上させることができる。 According to this configuration, the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool is controlled within a certain range by changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool. Is processed. Thereby, the protrusion length of the probe can be kept within a certain range, and the life of the rotary tool can be improved by a simple method.
この場合、加工部における金属材の厚さよりもプローブの回転ツールの先端から突出した長さが短くなるように制御しつつ金属材を加工することが好適である。 In this case, it is preferable to process the metal material while controlling the length protruding from the tip of the rotary tool of the probe to be shorter than the thickness of the metal material in the processing portion.
この構成によれば、加工部における金属材の厚さよりもプローブの回転ツールの先端から突出した長さが短くなるように制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長が長くなり過ぎて回転ツールのプローブ以外に部位（ショルダ）が加工部に接触しなくなる等して、加工に不具合が生じることを防ぐことができる。 According to this configuration, the metal material is processed while controlling the length protruding from the tip of the rotary tool of the probe to be shorter than the thickness of the metal material in the processing portion. As a result, it is possible to prevent a problem from occurring due to the protrusion length of the probe being too long and the part (shoulder) other than the probe of the rotary tool not contacting the processing part.
また、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを検出しつつ金属材の加工を行い、検出されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。 Further, the metal material is processed while detecting the length of the probe protruding from the tip of the rotating tool, and based on the detected length of the probe protruding from the tip of the rotating tool, the load on the processing portion of the rotating tool and It is preferable to process the metal material while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by changing at least one of the rotational speeds of the rotary tool.
この構成によれば、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを検出しつつ金属材の加工を行い、検出されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、プローブの突出長をより高精度に制御しつつ金属材を加工することができる。 According to this configuration, the metal material is processed while detecting the length protruding from the tip of the rotating tool of the probe, and the processing of the rotating tool is performed based on the detected length protruding from the tip of the rotating tool of the probe. By changing at least one of the load on the part and the rotation speed of the rotary tool, the metal material is processed while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool. Thereby, a metal material can be processed while controlling the protruding length of the probe with higher accuracy.
あるいは、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを予測しつつ金属材の加工を行い、予測されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工することが好適である。 Alternatively, the metal material is processed while predicting the length protruding from the tip of the rotating tool of the probe, and based on the predicted length protruding from the tip of the rotating tool of the probe, the load on the processing part of the rotating tool and It is preferable to process the metal material while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by changing at least one of the rotational speeds of the rotary tool.
この構成によれば、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを予測しつつ金属材の加工を行い、予測されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ金属材を加工する。これにより、簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。 According to this configuration, the metal material is processed while predicting the length protruding from the tip of the rotating tool of the probe, and the processing of the rotating tool is performed based on the predicted length protruding from the tip of the rotating tool of the probe. By changing at least one of the load on the part and the rotation speed of the rotary tool, the metal material is processed while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool. Thereby, a metal material can be processed while controlling the protruding length of the probe by a simple method.
また、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更するときは、回転ツールが加工部に対して移動する速度を変更することにより、加工部に対する入熱量の変化を一定範囲内に保つことが好適である。 In addition, when changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotational speed of the rotary tool, the change in the heat input to the processing part can be changed by changing the speed at which the rotary tool moves relative to the processing part. It is preferable to keep it within a certain range.
この構成によれば、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更するときは、回転ツールが加工部に対して移動する速度を変更することにより、加工部に対する入熱量の変化を一定範囲内に保つ。これにより、荷重や回転速度の変更に伴う加工部への入熱の変化が抑制されるため、荷重や回転速度の変更に伴う加工部の加工痕の変動を抑制することができる。 According to this configuration, when changing at least one of the load on the processing part of the rotary tool and the rotation speed of the rotary tool, the speed at which the rotary tool moves relative to the processing part is changed to change the input to the processing part. Keep the change in heat quantity within a certain range. Thereby, since the change of the heat input to the process part accompanying the change of a load or a rotation speed is suppressed, the fluctuation | variation of the process trace of the process part accompanying the change of a load or a rotation speed can be suppressed.
また、プローブの材質は、回転ツールの先端のプローブ以外の部位の材質よりも硬さが低いものとすることが好適である。 The material of the probe is preferably lower in hardness than the material of the part other than the probe at the tip of the rotary tool.
この構成によれば、プローブの材質は、回転ツールの先端のプローブ以外の部位の材質よりも硬さが低いものとする。これにより、回転ツールの一回転毎の加工部の金属材に対する摺動距離がプローブよりも長く、より摩耗しやすい傾向がある回転ツールの先端のプローブ以外の部位の摩耗を抑え、プローブとプローブ以外の部位とを同様に摩耗させることにより、プローブの突出長を一定範囲内に制御し易くなる。 According to this configuration, the material of the probe is assumed to be lower in hardness than the material of the portion other than the probe at the tip of the rotary tool. This reduces the wear of parts other than the probe at the tip of the rotating tool, where the sliding distance of the processed part of the rotating tool with respect to the metal material for each rotation is longer than that of the probe and tends to wear out. By similarly wearing the part, it becomes easy to control the protruding length of the probe within a certain range.
また、本発明は、棒状の回転ツールの先端を金属材の加工部に接触させつつ回転させることにより、金属材を加工する金属材の加工装置であって、回転ツールは、回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを検出するプローブ突出長検出手段と、プローブ突出長検出手段により検出されたプローブの回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、回転ツールの加工部に対する荷重及び回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、プローブの回転ツールの先端から突出した長さを制御するプローブ突出長制御手段とをさらに備えた金属材の加工装置である。 The present invention also relates to a metal material processing apparatus for processing a metal material by rotating the tip of a rod-shaped rotary tool while contacting the metal material processing portion. A probe protruding length detecting means for detecting a length protruding from the tip of the probe rotating tool, and a length protruding from the tip of the probe rotating tool detected by the probe protruding length detecting means. And a probe protrusion length control means for controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotating tool by changing at least one of the load on the processing portion of the rotating tool and the rotation speed of the rotating tool. This is a processing apparatus for metal materials.
この場合、プローブの材質は、回転ツールの先端のプローブ以外の部位の材質よりも硬さが低いことが好適である。 In this case, it is preferable that the material of the probe is lower in hardness than the material of the portion other than the probe at the tip of the rotary tool.
また、回転ツールの材質は、ＷＣ−Ｃｏ系合金からなり、ＷＣ粒子径が２μｍ以上１２μｍ以下であり、Ｃｏ量が５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であることが好適である。 Further, the material of the rotary tool is preferably made of a WC—Co-based alloy, the WC particle diameter is 2 μm or more and 12 μm or less, and the Co amount is 5 wt% or more and 15 wt% or less.
この構成によれば、回転ツールの材質は、ＷＣ−Ｃｏ系合金からなり、ＷＣ粒子径が２μｍ以上であるため、ＷＣ粒子径が小さ過ぎる微粒子系となりプローブが変形し過ぎることがなく、ＷＣ粒子径が１２μｍ以下であるため、ＷＣ粒子径が大き過ぎて回転ツールの製作が困難となることがない。また、Ｃｏ量が５ｗｔ％以上であるため、強度が弱く割れやすくなることがなく、Ｃｏ量が１５ｗｔ％以下であるため、変形し過ぎることがない。 According to this configuration, since the material of the rotary tool is made of a WC—Co alloy and the WC particle diameter is 2 μm or more, the WC particle diameter is too small and the probe does not deform too much. Since the diameter is 12 μm or less, the WC particle diameter is not too large to make it difficult to manufacture the rotary tool. In addition, since the Co amount is 5 wt% or more, the strength is weak and does not easily break, and the Co amount is 15 wt% or less, so that the deformation is not excessive.
この場合、回転ツールの材質は、Ｃｒ３Ｃ２を０．０１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下含むＷＣ−Ｃｏ系合金からなることが好適である。 In this case, the material of the rotary tool, it is preferable consisting of WC-Co-based alloy containing Cr 3 C 2 0.01wt% or more 2 wt% or less.
この構成によれば、回転ツールの材質は、Ｃｒ３Ｃ２を０．０１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下含むＷＣ−Ｃｏ系合金からなるため、ショルダの対酸化性を向上させることができる。 According to this construction, the material of the rotary tool, since consisting of WC-Co-based alloy containing Cr 3 C 2 0.01wt% or more 2 wt% or less, it is possible to improve the pairs oxidizing shoulder.
本発明の金属材の加工方法及び金属材の加工装置によれば、従来より簡単な方法でプローブの突出長を制御しつつ金属材を加工することができる。また、接合品質を維持し、低コストで回転ツールの寿命を向上させることができる。 According to the metal material processing method and the metal material processing apparatus of the present invention, the metal material can be processed while controlling the protruding length of the probe by a simpler method. Further, the bonding quality can be maintained, and the life of the rotary tool can be improved at a low cost.
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図１に示すように、本発明の第１実施形態では、加工装置１は、板状の例えばステンレス鋼材１０１，１０２の端部同士を加工部１０３において突き合わせ、加工部１０３の表面側から回転ツール１０ａのプローブ１１を挿入し、ショルダ１２をステンレス鋼材１０１，１０２の表面に当接させて回転させつつステンレス鋼材１０１，１０２同士を摩擦攪拌接合により接合する。なお、加工部１０３の表面側では、回転ツール１０ａを囲繞するようにシールドカバーを配置し、シールドカバー内に不活性ガスを導入し、不活性雰囲気下でステンレス鋼材１０１，１０２同士を接合するようにしても良い。 As shown in FIG. 1, in the first embodiment of the present invention, the processing apparatus 1 is configured such that end portions of plate-shaped, for example, stainless steel materials 101 and 102 are butted together at the processing unit 103, and the rotary tool is started from the surface side of the processing unit 103. The probe 11 of 10a is inserted, and the stainless steel material 101,102 is joined by friction stir welding, rotating the shoulder 12 in contact with the surface of the stainless steel material 101,102. On the surface side of the processed portion 103, a shield cover is disposed so as to surround the rotary tool 10a, an inert gas is introduced into the shield cover, and the stainless steel materials 101 and 102 are joined to each other in an inert atmosphere. Anyway.
回転ツール１０ａは、図１に示すように略円筒状をなし、先端にショルダ１２とショルダ１２より小径であってショルダ１２の中央部より突出した略円柱状のプローブ１１を備えている。回転ツール１０ａの材質は、本実施形態のようにプローブ１１及びショルダ１２を単一の材料で製造する場合は、例えば、ＪＩＳに規格されているＳＫＤ６１鋼等の工具鋼や、タングステンカーバイト（ＷＣ）−コバルト（Ｃｏ）系を代表とする超硬合金や、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｉｒ等の高融点金属からなるものとすることができる。 As shown in FIG. 1, the rotary tool 10 a has a substantially cylindrical shape, and includes a shoulder 12 and a substantially columnar probe 11 that is smaller in diameter than the shoulder 12 and protrudes from the center of the shoulder 12 at the tip. When the probe 11 and the shoulder 12 are made of a single material as in the present embodiment, for example, tool material such as SKD61 steel standardized by JIS, tungsten carbide (WC) ) -Cobalt (Co) -based cemented carbide or a refractory metal such as W, Mo, Co, or Ir.
加工装置１は回転ツール１０ａを把持するチャック２０を備える。回転ツール１０ａを把持したチャック２０は回転ツール駆動部３０により回転速度Ｒにより回転させられ、加工部１０３に対して荷重Ｆを加える。また、回転ツール駆動部３０は、回転ツール１０ａを加工部１０３に対して移動速度（接合速度）Ｓにより移動させる。 The processing apparatus 1 includes a chuck 20 that holds the rotary tool 10a. The chuck 20 holding the rotary tool 10 a is rotated at the rotation speed R by the rotary tool driving unit 30 and applies a load F to the processing unit 103. Further, the rotary tool driving unit 30 moves the rotary tool 10a with respect to the processing unit 103 at a moving speed (joining speed) S.
加工装置１は、加工部１０３及び加工痕１０４を監視するモニタカメラ４０を備える。モニタカメラ４０は加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部において、例えば、回転ツール１０ａのショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がっているか否かを検出する。プローブ１１の突出長がステンレス鋼材１０１，１０２以上に長くなると、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がるため、モニタカメラ４０は加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部を監視することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。加工部１０３の回転ツール１０ａを挿入する側とは反対側に裏板を接触させ、裏板にＳｉ３Ｎ４等の変形し難い回転ツール１０ａより硬質の材質の物を使用することで、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がる現象を顕著に観察することができる。あるいは、モニタカメラ４０は、加工痕１０４の幅を検出することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。加工痕１０４の幅は、プローブ１１の突出長がステンレス鋼材１０１，１０２以上に長くなり、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がると狭くなり、プローブ１１の突出長が短くなると広くなる傾向があるため、モニタカメラ４０は、加工痕１０４の幅を検出することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。 The processing apparatus 1 includes a monitor camera 40 that monitors the processing unit 103 and the processing mark 104. The monitor camera 40 detects, for example, whether or not the shoulder 12 of the rotary tool 10a is lifted without contacting the surfaces of the stainless steel materials 101 and 102 at the contact portion of the processing unit 103 with the rotary tool 10a. When the protruding length of the probe 11 becomes longer than the stainless steel materials 101 and 102, the shoulder 12 floats up without contacting the surfaces of the stainless steel materials 101 and 102, so the monitor camera 40 has a contact portion with the rotary tool 10a of the processing portion 103. By monitoring, the protruding length of the probe 11 can be detected. The back plate is brought into contact with the opposite side of the processing unit 103 from which the rotary tool 10a is inserted, and a material harder than the rotary tool 10a, such as Si 3 N 4 , which is difficult to deform, is used for the shoulder. The phenomenon that 12 floats without contacting the surfaces of the stainless steel materials 101 and 102 can be observed remarkably. Alternatively, the monitor camera 40 can detect the protruding length of the probe 11 by detecting the width of the processing mark 104. The width of the processing mark 104 becomes narrower when the protruding length of the probe 11 becomes longer than the stainless steel materials 101 and 102, and the shoulder 12 rises without contacting the surface of the stainless steel materials 101 and 102, and the protruding length of the probe 11 becomes shorter. Therefore, the monitor camera 40 can detect the protrusion length of the probe 11 by detecting the width of the processing mark 104.
加工装置１は、温度センサ５０を備える。温度センサ５０は加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部の温度を検出する。加工部１０３の温度は、プローブ１１の突出長がステンレス鋼材１０１，１０２以上に長くなり、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がったり、逆にプローブ１１の突出長が短くなると加工部１０３への入熱が減少して温度が低下するため、温度センサ５０は、加工部１０３の回転ツール１０ａとの接触部の温度を検出することにより、プローブ１１の突出長を検出することができる。 The processing apparatus 1 includes a temperature sensor 50. The temperature sensor 50 detects the temperature of the contact portion of the processing portion 103 with the rotary tool 10a. The temperature of the processed portion 103 is such that the protruding length of the probe 11 becomes longer than the stainless steel materials 101 and 102, the shoulder 12 floats up without contacting the surface of the stainless steel materials 101 and 102, and conversely the protruding length of the probe 11 is short. Then, since the heat input to the processing unit 103 decreases and the temperature decreases, the temperature sensor 50 detects the protrusion length of the probe 11 by detecting the temperature of the contact part of the processing unit 103 with the rotary tool 10a. be able to.
制御部６０は、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果に基づいて、プローブ１１の突出長を検出し、後述するように、荷重Ｆ、回転速度Ｒ及び移動速度Ｓを変更することにより、プローブ１１の突出長を制御する。また、制御部６０は、蓄積されたデータに基づいて、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果や、総接合距離からプローブ１１の突出長を予測して、荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ１１の突出長を制御する。例えば、これ以外にも、超音波探傷や透過Ｘ線等の非破壊検査技術を用いて、キッシングボンドの有無を調査したり、裏板中央部（加工部１０３直下）の負荷の変動や回転ツール１０ａを回転させるモータに加わる負荷を測定する等の手法も考えられる。 The control unit 60 detects the protruding length of the probe 11 based on the detection results of the monitor camera 40 and the temperature sensor 50, and changes the load F, the rotational speed R, and the moving speed S as will be described later. 11 protrusion length is controlled. Moreover, the control part 60 estimates the protrusion length of the probe 11 from the detection result by the monitor camera 40 or the temperature sensor 50 based on the accumulated data, and the total joint distance, and changes the load F and the rotation speed R. Thus, the protruding length of the probe 11 is controlled. For example, in addition to this, non-destructive inspection techniques such as ultrasonic flaw detection and transmission X-ray are used to investigate the presence or absence of kissing bonds, load fluctuations at the center of the back plate (directly under the processing portion 103), and rotation tools A method of measuring the load applied to the motor that rotates 10a is also conceivable.
なお、加工装置１の被加工物としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０１Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼あるいは２相ステンレス鋼を適用することができる。あるいは、ステンレス鋼材１０１，１０２として、同種の材料ではなく、異種材料を適用することもできる。あるいは、加工装置１の被加工物としては、ステンレス鋼に限定されず、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金、銅合金、炭素鋼、超硬合金等を加工することができる。 In addition, as a workpiece of the processing apparatus 1, austenitic stainless steel such as SUS304, SUS301L, and SUS316L, ferritic stainless steel such as SUS430, or duplex stainless steel can be applied. Alternatively, as the stainless steel materials 101 and 102, different materials can be applied instead of the same materials. Alternatively, the workpiece of the processing apparatus 1 is not limited to stainless steel, and an aluminum alloy, magnesium alloy, titanium alloy, nickel alloy, copper alloy, carbon steel, cemented carbide, or the like can be processed.
以下、本実施形態の加工装置１の動作について説明する。図２に示すように、加工時には、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の増大を検出した場合は（Ｓ１１）、回転ツール１０ａの母材であるステンレス鋼材１０１，１０２の加工部１０３への荷重Ｆを増大させ、回転速度Ｒを減少させる（Ｓ１２）。図３（ａ）（ｂ）に示すように、加工開始時のプローブ突出長１３は、一般に、回転ツール１０ａの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離はプローブ１１よりもショルダ１２の方が長く、ショルダ１２の方がより摩耗しやすい傾向がある。そのため、図３（ｂ）に示すように、総接合距離の増大に伴い、プローブ突出長１３’は加工開始時のプローブ突出長１３よりも長くなる傾向がある。そこで、本実施形態では、加工装置１の制御部６０は、回転ツール駆動部３０に荷重Ｆを増大させて、図３（ｃ）に示すようにプローブ１１を荷重Ｆにより圧縮変形させるとともに、回転速度Ｒを減少させてショルダ１２の磨耗を抑えて、プローブ突出長１３を加工開始時の長さに戻す。 Hereinafter, operation | movement of the processing apparatus 1 of this embodiment is demonstrated. As shown in FIG. 2, at the time of processing, when the control unit 60 of the processing apparatus 1 detects an increase in the protruding length of the probe 11 (S11), the processing of the stainless steel materials 101 and 102 which are base materials of the rotary tool 10a is performed. The load F to the part 103 is increased and the rotational speed R is decreased (S12). As shown in FIGS. 3A and 3B, the probe protrusion length 13 at the start of machining is generally such that the sliding distance of the rotating tool 10 a with respect to the processing portion 103 for each rotation of the shoulder 12 is larger than that of the probe 11. Longer, the shoulder 12 tends to wear more easily. Therefore, as shown in FIG. 3B, the probe protrusion length 13 'tends to be longer than the probe protrusion length 13 at the start of processing as the total joining distance increases. Therefore, in the present embodiment, the control unit 60 of the processing apparatus 1 increases the load F to the rotary tool driving unit 30 and compresses and deforms the probe 11 with the load F as shown in FIG. The speed R is decreased to suppress the wear of the shoulder 12, and the probe protrusion length 13 is returned to the length at the start of processing.
図２に戻り、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の減少を検出した場合は（Ｓ１３）、回転ツール１０ａの回転速度Ｒを増大させ、荷重Ｆを減少させる（Ｓ１４）。図４（ａ）（ｂ）に示すように、加工開始時のプローブ突出長１３がプローブ突出長１３’’に減少した場合は、図４（ｃ）に示すように回転速度Ｒを増大させることにより、回転ツール１０ａの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離がプローブ１１よりも長く、より磨耗し易いショルダ１２の摩耗を促すとともに、荷重Ｆを減少させてプローブ１１の圧縮変形を抑えて、プローブ１１のショルダ１２に対する相対的な突出長を長くすることにより、プローブ突出長１３を加工開始時の長さに戻す。 Returning to FIG. 2, when the control unit 60 of the processing apparatus 1 detects a decrease in the protruding length of the probe 11 (S13), it increases the rotational speed R of the rotary tool 10a and decreases the load F (S14). As shown in FIGS. 4A and 4B, when the probe protrusion length 13 at the start of processing decreases to the probe protrusion length 13 ″, the rotational speed R is increased as shown in FIG. 4C. As a result, the sliding distance of the rotary tool 10a with respect to the processing portion 103 for each rotation is longer than that of the probe 11, and the wear of the shoulder 12, which is more likely to be worn, is promoted, and the load F is reduced to suppress the compressive deformation of the probe 11. The probe protrusion length 13 is returned to the length at the start of processing by increasing the relative protrusion length of the probe 11 with respect to the shoulder 12.
なお、上記のＳ１１〜Ｓ１４の動作において、制御部６０は、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果に基づいて、逐次、荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更するようにしても良い。あるいは、総接合距離とプローブ突出長との関係を予めデータとして蓄積しておき、上記のＳ１１〜Ｓ１４の動作において、制御部６０は、蓄積されたデータに基づいて、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果や、総接合距離からプローブ１１の突出長を予測して、予め荷重Ｆ、回転速度Ｒ及び移動速度Ｓを変更することにより、プローブ１１の突出長を制御するようにしても良い。 In the operations of S11 to S14 described above, the control unit 60 may sequentially change the load F and the rotation speed R based on the detection results of the monitor camera 40 and the temperature sensor 50. Alternatively, the relationship between the total joining distance and the probe protrusion length is stored in advance as data, and in the operations of S11 to S14, the control unit 60 performs monitoring camera 40 and temperature sensor 50 based on the stored data. The projection length of the probe 11 may be controlled by predicting the projection length of the probe 11 from the detection result of the above and the total joining distance and changing the load F, the rotation speed R, and the movement speed S in advance.
例えば、図５に示すように、制御部６０はプローブ突出長１３について所定の許容最小値や許容最大値を設定し、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果に基づいてプローブ突出長１３が許容最小値や許容最大値付近となったときは、逐次、断続的に荷重Ｆや回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を許容最小値より大きく、許容最大値未満とすることができる。 For example, as shown in FIG. 5, the control unit 60 sets a predetermined allowable minimum value or an allowable maximum value for the probe protrusion length 13, and the probe protrusion length 13 is allowed based on the detection result by the monitor camera 40 or the temperature sensor 50. When near the minimum value or the maximum allowable value, the probe protrusion length 13 can be made larger than the minimum allowable value and less than the maximum allowable value by changing the load F or the rotation speed R intermittently. .
図５に示すように、一般に、回転ツール１０ａによる総接合長がまだ短いときは、プローブ突出長１３が減少する傾向にある。プローブ突出長１３が許容最小値付近となったときは、制御部６０は回転ツール駆動部３０に回転速度Ｒを増大させるとともに、荷重Ｆを減少させてプローブ突出長１３を接合初期の長さに戻す。 As shown in FIG. 5, generally, when the total joint length by the rotary tool 10a is still short, the probe protrusion length 13 tends to decrease. When the probe protrusion length 13 is close to the allowable minimum value, the control unit 60 increases the rotational speed R of the rotary tool drive unit 30 and decreases the load F so that the probe protrusion length 13 becomes the initial joining length. return.
一方、上述したように、一般に総接合長が長くなると、回転ツール１０ａの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離はプローブ１１よりもショルダ１２の方が長く、ショルダ１２の方がより摩耗しやすいため、プローブ突出長１３が長くなる傾向がある。上述したように、プローブ突出長１３がステンレス鋼材１０１，１０２の板厚よりも厚くなると、ショルダ１２がステンレス鋼材１０１，１０２の表面に接触せずに浮き上がり、接合に不具合が生じる。このため、例えば、プローブ突出長１３の許容最大値をステンレス鋼材１０１，１０２の板厚に設定し、プローブ突出長１３が許容最大値付近となったときは、制御部６０は回転ツール駆動部３０に荷重Ｆを増大させるとともに、回転速度Ｒを減少させてプローブ突出長１３を接合初期の長さに戻す。 On the other hand, as described above, generally, when the total joining length becomes longer, the sliding distance of the rotating tool 10a with respect to the processed portion 103 for each rotation is longer for the shoulder 12 than for the probe 11, and the shoulder 12 is more worn. Since it is easy, there exists a tendency for the probe protrusion length 13 to become long. As described above, when the probe protrusion length 13 is thicker than the plate thickness of the stainless steel materials 101 and 102, the shoulder 12 is lifted without contacting the surface of the stainless steel materials 101 and 102, resulting in a failure in joining. For this reason, for example, when the allowable maximum value of the probe protrusion length 13 is set to the plate thickness of the stainless steel materials 101 and 102, and the probe protrusion length 13 is near the allowable maximum value, the control unit 60 rotates the rotary tool driving unit 30. In addition to increasing the load F, the rotational speed R is decreased to return the probe protruding length 13 to the initial joining length.
あるいは、図６に示すように、制御部６０は、蓄積されたデータに基づいて、モニタカメラ４０や温度センサ５０による検出結果や、総接合距離からプローブ１１の突出長を予測し、回転ツール駆動部３０に連続的に回転速度Ｒや荷重Ｆを変更させることにより、プローブ突出長１３を一定に保つこともできる。 Alternatively, as shown in FIG. 6, the control unit 60 predicts the protrusion length of the probe 11 from the detection result by the monitor camera 40 and the temperature sensor 50 and the total joining distance based on the accumulated data, and drives the rotary tool. By causing the portion 30 to continuously change the rotation speed R and the load F, the probe protrusion length 13 can be kept constant.
本実施形態では、棒状の回転ツール１０ａの先端をステンレス鋼材１０１，１０２の加工部１０３に接触させつつ回転させることにより、ステンレス鋼材１０１，１０２を加工する加工方法において、回転ツール１０ａは、回転ツール１０ａの先端の中央部から突出したプローブ１１を備え、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ１１の回転ツールの先端から突出したプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、従来より簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつ金属材を加工することができる。 In the present embodiment, in the processing method of processing the stainless steel materials 101 and 102 by rotating the tip of the rod-shaped rotating tool 10a while contacting the processing portion 103 of the stainless steel materials 101 and 102, the rotating tool 10a is a rotating tool. The probe 11 protruding from the center of the tip of the probe 10a is provided, and the probe protrusion length 13 protruding from the tip of the rotating tool of the probe 11 is controlled by changing the load F and the rotation speed R of the rotating tool 10a on the processing part 103. However, the stainless steel materials 101 and 102 are processed. Thereby, a metal material can be processed while controlling the probe protrusion length 13 by a simpler method than before.
また、本実施形態では、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆを増大させること及び回転ツール１０ａの回転速度Ｒを減少させることの少なくともいずれかにより、プローブ突出長１３を短くする。あるいは、本実施形態では、回転ツール１０ａの回転速度Ｒを増大させること及び前記回転ツールの前記加工部に対する荷重を減少させることの少なくともいずれかにより、プローブ突出長１３を長くする。これにより、極めて簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。 Moreover, in this embodiment, the probe protrusion length 13 is shortened by at least one of increasing the load F with respect to the process part 103 of the rotary tool 10a, and decreasing the rotational speed R of the rotary tool 10a. Alternatively, in the present embodiment, the probe protrusion length 13 is increased by at least one of increasing the rotational speed R of the rotary tool 10a and decreasing the load on the processed portion of the rotary tool. Thereby, the stainless steel materials 101 and 102 can be processed while controlling the probe protrusion length 13 by an extremely simple method.
また、本実施形態では、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒの変更を断続的に行うことにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。このため、荷重Ｆ又は回転速度Ｒの変更を少なくした簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。 Moreover, in this embodiment, the stainless steel materials 101 and 102 are processed while controlling the probe protrusion length 13 by intermittently changing the load F and the rotation speed R on the processing portion 103 of the rotary tool 10a. For this reason, the stainless steel materials 101 and 102 can be processed while controlling the probe protrusion length 13 by a simple method in which the change of the load F or the rotation speed R is reduced.
あるいは、本実施形態によれば、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒの変更を連続的に行うことにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３をより高精度に制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。 Alternatively, according to the present embodiment, the stainless steel materials 101 and 102 are processed while controlling the probe protrusion length 13 by continuously changing the load F and the rotation speed R on the processing portion 103 of the rotary tool 10a. Thereby, the stainless steel materials 101 and 102 can be processed while controlling the probe protrusion length 13 with higher accuracy.
また、本実施形態によれば、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を一定範囲内に制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３を一定範囲内に保ち、回転ツール１０ａの寿命を簡単な方法で向上させることができる。 Further, according to the present embodiment, the stainless steel materials 101 and 102 are machined while the probe protrusion length 13 is controlled within a certain range by changing the load F and the rotational speed R of the rotary tool 10a on the machining part 103. Thereby, the probe protrusion length 13 can be kept within a certain range, and the lifetime of the rotary tool 10a can be improved by a simple method.
特に本実施形態によれば、加工部１０３におけるステンレス鋼材１０１，１０２の厚さよりもプローブ突出長１３が短くなるように制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３が長くなり過ぎてショルダ１２が加工部１０３に接触しなくなる等して、加工に不具合が生じることを防ぐことができる。 In particular, according to the present embodiment, the stainless steel materials 101 and 102 are processed while controlling the probe protrusion length 13 to be shorter than the thickness of the stainless steel materials 101 and 102 in the processing portion 103. As a result, it is possible to prevent problems in processing such as the probe protrusion length 13 becoming too long and the shoulder 12 no longer contacting the processing portion 103.
また、本実施形態によれば、プローブ突出長１３を検出しつつステンレス鋼材１０１，１０２の加工を行い、検出されたプローブ突出長１３に基づいて、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、プローブ突出長１３をより高精度に制御しつつ金属材を加工することができる。 Further, according to the present embodiment, the stainless steel materials 101 and 102 are processed while detecting the probe protrusion length 13, and based on the detected probe protrusion length 13, the load F and rotation on the processing portion 103 of the rotary tool 10a. By changing the speed R, the stainless steel materials 101 and 102 are processed while controlling the probe protrusion length 13. Thereby, a metal material can be processed while controlling the probe protrusion length 13 with higher accuracy.
あるいは、本実施形態によれば、プローブ突出長１３を予測しつつステンレス鋼材１０１，１０２の加工を行い、予測されたプローブ突出長１３に基づいて、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更することにより、プローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工する。これにより、簡単な方法でプローブ突出長１３を制御しつつステンレス鋼材１０１，１０２を加工することができる。 Alternatively, according to the present embodiment, the stainless steel materials 101 and 102 are processed while predicting the probe protrusion length 13, and the load F and rotation on the processing portion 103 of the rotary tool 10 a based on the predicted probe protrusion length 13. By changing the speed R, the stainless steel materials 101 and 102 are processed while controlling the probe protrusion length 13. Thereby, the stainless steel materials 101 and 102 can be processed while controlling the probe protrusion length 13 by a simple method.
以下、本発明の第２実施形態について説明する。図７に示すように、本実施形態では、加工時には、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の増大を検出した場合は（Ｓ２１）、回転ツール１０ａのステンレス鋼材１０１，１０２の加工部１０３への荷重Ｆを増大させ、回転速度Ｒを減少させるとともに、移動速度Ｓを変化させて、加工部１０３への入熱量を一定に保つ（Ｓ２２）。入熱量を一定に保つことにより、荷重Ｆを増大させた場合でも、加工痕１０４の変化を抑制することができる。一方、加工装置１の制御部６０は、プローブ１１の突出長の減少を検出した場合は（Ｓ２３）、回転ツール１０ａの回転速度Ｒを増大させ、荷重Ｆを減少させるとともに、移動速度Ｓを増大させて、加工部１０３への入熱量を一定に保つ（Ｓ２４）。入熱量を一定に保つことにより、回転速度Ｒ及び荷重Ｆを変更した場合でも、加工痕１０４の変化を抑制することができる。なお、加工部１０３への入熱量Ｑ（Ｊ／ｍｍ）については、荷重Ｆ（Ｎ／ｍ２）、回転速度Ｒ（ｒａｄ／ｓｅｃ）、移動速度Ｓ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ショルダ１２の直径（ｍ）、摩擦係数μ及び所定の定数αに対して下式（１）が成り立つため、入熱量Ｑが一定となるように荷重Ｆ、回転速度Ｒの変更に応じて移動速度Ｓを変更することにより、加工痕１０４の変化を抑制することができる。
Ｑ＝（４／３）αμπ2ＦＲｒ３／Ｓ （１）
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 7, in the present embodiment, at the time of machining, when the control unit 60 of the machining apparatus 1 detects an increase in the protruding length of the probe 11 (S21), the stainless steel materials 101 and 102 of the rotary tool 10a are detected. The load F to the processing unit 103 is increased, the rotational speed R is decreased, and the moving speed S is changed to keep the heat input to the processing unit 103 constant (S22). By keeping the heat input constant, even when the load F is increased, the change of the machining mark 104 can be suppressed. On the other hand, when the control unit 60 of the processing apparatus 1 detects a decrease in the protruding length of the probe 11 (S23), it increases the rotation speed R of the rotary tool 10a, decreases the load F, and increases the movement speed S. Thus, the amount of heat input to the processing unit 103 is kept constant (S24). By keeping the heat input constant, even when the rotational speed R and the load F are changed, the change of the machining mark 104 can be suppressed. In addition, about the heat input Q (J / mm) to the process part 103, load F (N / m < 2 >), rotational speed R (rad / sec), moving speed S (mm / sec), the diameter of the shoulder 12 ( m) Since the following equation (1) is established for the friction coefficient μ and the predetermined constant α, the moving speed S is changed according to the change of the load F and the rotational speed R so that the heat input Q is constant. Thus, the change of the processing mark 104 can be suppressed.
Q = (4/3) αμπ 2 FRr 3 / S (1)
本実施形態では、回転ツール１０ａの加工部１０３に対する荷重Ｆ及び回転速度Ｒを変更するときは、移動速度Ｓを変更することにより、加工部１０３に対する入熱量の変化を一定に保つ。これにより、荷重Ｆや回転速度Ｒの変更に伴う加工部１０３への入熱の変化が抑制されるため、荷重Ｆや回転速度Ｒの変更に伴う加工部１０３の加工痕１０４の変動を抑制することができ、良好な接合等が得られる。 In this embodiment, when changing the load F and the rotational speed R with respect to the process part 103 of the rotary tool 10a, the change of the heat input amount with respect to the process part 103 is kept constant by changing the moving speed S. Thereby, since the change of the heat input to the process part 103 accompanying the change of the load F or the rotational speed R is suppressed, the fluctuation | variation of the process mark 104 of the process part 103 accompanying the change of the load F or the rotational speed R is suppressed. And good bonding and the like can be obtained.
本発明においては、上記第１及び第２実施形態のように回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させる摩擦攪拌接合により２枚の板材を接合する態様に限定されず、回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させずに接合を行なっても良い。 In the present invention, as in the first and second embodiments, the rotary tool 10a is not limited to the mode of joining two plate members by friction stir welding in which the rotary tool 10a is moved by the processing unit 103. It is also possible to perform the joining without moving it.
あるいは図８に示す本発明の第３実施形態のように、ステンレス鋼材１０１，１０２を加工部１０３にて重ね合わせ、ステンレス鋼材１０１の表面から加工部１０３に回転ツール１０ａを挿入し、回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させずに回転させることによりステンレス鋼材１０１，１０２を接合するスポット摩擦攪拌接合を行うことも可能である。この場合、プロセス時間の変更で加工部１０３の入熱量及び温度を制御する。あるいは、図９に示す本発明の第４実施形態のように、ステンレス鋼材１０１の表面から加工部１０３に回転ツール１０ａを挿入し、回転ツール１０ａを加工部１０３で移動させつつ回転させることによりステンレス鋼材１０１，１０２を接合する摩擦攪拌接合も可能である。 Alternatively, as in the third embodiment of the present invention shown in FIG. 8, the stainless steel materials 101 and 102 are overlapped at the processing portion 103, and the rotary tool 10 a is inserted into the processing portion 103 from the surface of the stainless steel material 101. It is also possible to perform spot friction stir welding for joining the stainless steel materials 101 and 102 by rotating without moving them in the processing portion 103. In this case, the heat input amount and temperature of the processing unit 103 are controlled by changing the process time. Alternatively, as in the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 9, stainless steel can be obtained by inserting the rotary tool 10 a from the surface of the stainless steel material 101 into the processing unit 103 and rotating the rotary tool 10 a while moving the processing unit 103. Friction stir welding for joining the steel materials 101 and 102 is also possible.
さらに、図１０に示す本発明の第５実施形態のように、ステンレス鋼材１０１の表面の加工部１０３に回転ツール１０ａの先端を当接させつつ回転させることにより、ステンレス鋼材１０１の加工部１０３の金属組織を改質することも可能である。以上のいずれの態様においても、上記第１及び第２実施形態と同様に制御部６０は回転ツール１０ａの荷重Ｆ、回転速度Ｒ及び移動速度Ｓを変更することにより、プローブ突出長１３を制御することができる。 Further, as in the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 10, the processed portion 103 of the stainless steel material 101 is rotated by causing the processed portion 103 on the surface of the stainless steel material 101 to rotate while contacting the tip of the rotary tool 10 a. It is also possible to modify the metal structure. In any of the above aspects, the control unit 60 controls the probe protrusion length 13 by changing the load F, the rotation speed R, and the movement speed S of the rotary tool 10a as in the first and second embodiments. be able to.
以下、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態においては、図１１に示すように、回転ツール１０ｂは、別材質のプローブ１１とショルダ１２を有する。プローブ１１はＷＣ−Ｃｏ合金からなり、ショルダ１２はＳｉ３Ｎ４といったプローブ１１よりも高い硬さのセラミックス等からなる。このように、プローブ１１の硬さをショルダ１２よりも低くすることにより、上述したようにプローブ１１よりも磨耗し易いショルダ１２の磨耗を抑えるとともに、プローブ１１を荷重Ｆにより圧縮変形させ易くすることができる。 The sixth embodiment of the present invention will be described below. In the present embodiment, as shown in FIG. 11, the rotary tool 10 b includes a probe 11 and a shoulder 12 made of different materials. The probe 11 is made of a WC—Co alloy, and the shoulder 12 is made of ceramics having a hardness higher than that of the probe 11 such as Si 3 N 4 . Thus, by making the hardness of the probe 11 lower than that of the shoulder 12, it is possible to suppress wear of the shoulder 12 that is more easily worn than the probe 11, as described above, and to make the probe 11 easy to be compressed and deformed by the load F. Can do.
本実施形態では、プローブ１１の硬さをショルダ１２よりも低くすれば、ショルダ１２はＳｉ３Ｎ４等のセラミックスとすることができる。あるいは、プローブ１１とショルダ１２とを同じＷＣ−Ｃｏ合金等で形成し、それぞれの組成を異なるものとすることにより、プローブ１１とショルダ１２との硬さを異なるものとすることもできる。例えば、図１２に示すように、材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４においては、ＷＣ−Ｃｏ合金におけるＷＣ粒子径やＣｏ量がそれぞれ異なっている。そのため、これらの材料の特性は図１３に示すように異なるものとなる。なお、材料Ｎｏ．３の硬さは、８８．５ＨｒＡである。材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３は、ＷＣ−Ｃｏ系の材料でＣｏの残部はＷＣである。また、材料Ｎｏ．４は、ＷＣ−Ｃｏ系の材料にＶＣ（０．４ｗｔ％）とＣｒ３Ｃ２（０．２ｗｔ％）が添加された物である。 In this embodiment, if the hardness of the probe 11 is made lower than that of the shoulder 12, the shoulder 12 can be made of ceramics such as Si 3 N 4 . Alternatively, the probe 11 and the shoulder 12 can be made of different hardness by forming the probe 11 and the shoulder 12 with the same WC—Co alloy or the like and making the respective compositions different. For example, as shown in FIG. 1-No. In WC, the WC particle diameter and Co amount in the WC-Co alloy are different. Therefore, the characteristics of these materials are different as shown in FIG. In addition, material No. The hardness of 3 is 88.5 HrA. Material No. 1-No. 3 is a WC-Co based material, and the balance of Co is WC. In addition, the material No. 4 is a material in which VC (0.4 wt%) and Cr 3 C 2 (0.2 wt%) are added to a WC—Co based material.
ここで、材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３で作られた回転ツール１０ａにより同じ移動速度Ｓ＝６００ｍｍ／ｍｉｎ、回転速度Ｒ＝９００ｒｐｍ及び荷重Ｆ＝２０００ｋｇとして摩擦攪拌接合をそれぞれ行うと、図１４に示すように、接合距離に対する回転ツール１０ａの全長すなわちプローブ突出長１３は、ＷＣ粒子径が小さい材料Ｎｏ．１が最も変化が大きいことが判る。すなわち、材料Ｎｏ．１の回転ツール１０ａではプローブ１１の短縮が大きい。これはＷＣ粒子径が小さい材料ほど、プローブ１１の磨耗が大きいか、あるいは組織のすべりが発生し易く高温での塑性変形が生じやすいと考えられる。一方、図１５に示すように、接合距離に対するショルダ１２の長さは各材料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３においてほとんど相違がないことが判る。これより、例えば、材料Ｎｏ．１のように、ＷＣ粒子径がショルダ１２よりも小さいＷＣ−Ｃｏ合金によりプローブ１１を形成することにより、プローブ１１よりも磨耗し易いショルダ１２の磨耗を抑えるとともに、プローブ１１の磨耗を促し、さらにプローブ１１を荷重Ｆにより圧縮変形させ易くすることができる。 Here, the material No. 1-No. When the friction stir welding is performed with the same moving speed S = 600 mm / min, the rotational speed R = 900 rpm, and the load F = 2000 kg by the rotary tool 10a made in step 3, as shown in FIG. The length of the probe No. 13, that is, the probe protrusion length 13 is the material No. It can be seen that 1 is the largest change. That is, the material No. In the first rotating tool 10a, the shortening of the probe 11 is large. This is probably because the smaller the WC particle diameter, the greater the wear of the probe 11 or the more likely the structure slips, and the easier the plastic deformation occurs at a high temperature. On the other hand, as shown in FIG. 1-No. 3 shows almost no difference. From this, for example, the material No. 1, by forming the probe 11 from a WC—Co alloy having a WC particle diameter smaller than that of the shoulder 12, the wear of the shoulder 12, which is more easily worn than the probe 11, is suppressed, and the wear of the probe 11 is further promoted. The probe 11 can be easily compressed and deformed by the load F.
本実施形態によれば、プローブ１１の材質は、回転ツール１０ｂのショルダ１２の材質よりもプロセス温度での硬さが低いものとする。これにより、回転ツール１０ｂの一回転毎の加工部１０３に対する摺動距離がプローブ１１よりも長く、より摩耗しやすい傾向があるショルダ１２の摩耗を抑え、プローブ１１とショルダ１２とを同様に摩耗させることにより、プローブ突出長１３を一定範囲内に制御し易くなる。 According to this embodiment, the material of the probe 11 is assumed to have a lower hardness at the process temperature than the material of the shoulder 12 of the rotary tool 10b. Thereby, the sliding distance with respect to the process part 103 for every rotation of the rotary tool 10b is longer than the probe 11, and the wear of the shoulder 12 which tends to wear is suppressed, and the probe 11 and the shoulder 12 are similarly worn. As a result, the probe protrusion length 13 can be easily controlled within a certain range.
また、本実施形態では、回転ツール１０ｂの材質は、ＷＣ−Ｃｏ系合金からなり、ＷＣ粒子径が２μｍ以上であるため、ＷＣ粒子径が小さ過ぎる微粒子系となりプローブ１２が変形し過ぎることがなく、ＷＣ粒子径が１２μｍ以下であるため、ＷＣ粒子径が大き過ぎて回転ツール１０ｂの製作が困難となることがない。また、Ｃｏ量が５ｗｔ％以上であるため、強度が弱く割れやすくなることがなく、Ｃｏ量が１５ｗｔ％以下であるため、変形し過ぎることがない。 In the present embodiment, the material of the rotary tool 10b is made of a WC—Co alloy and the WC particle diameter is 2 μm or more. Therefore, the WC particle diameter is too small and the probe 12 is not deformed excessively. In addition, since the WC particle diameter is 12 μm or less, the WC particle diameter is not too large to make it difficult to manufacture the rotary tool 10b. In addition, since the Co amount is 5 wt% or more, the strength is weak and does not easily break, and the Co amount is 15 wt% or less, so that the deformation is not excessive.
また、本実施形態によれば、回転ツール１０ｂの材質は、Ｃｒ３Ｃ２を０．０１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下含むＷＣ−Ｃｏ系合金からなるため、ショルダの対酸化性を向上させることができる。なお、これらの回転ツール１０ｂの材質は、上記第１〜５実施形態のように、回転ツール１０ａを単一の材料で製造する場合にも適用することができる。 Further, according to this embodiment, the material of the rotary tool 10b is to become a WC-Co-based alloy containing Cr 3 C 2 0.01wt% or more 2 wt% or less, it is possible to improve the pairs oxidizing shoulder . In addition, the material of these rotary tools 10b is applicable also when manufacturing the rotary tool 10a with a single material like the said 1st-5th embodiment.
以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 As mentioned above, although one suitable embodiment of the present invention was described in detail, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
（実験例）
以下、本発明の実験例について説明する。図１に示す加工装置１によってステンレス鋼材１０１，１０２の摩擦攪拌接合を行った。回転ツール１０ａの材質はＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金製で、ショルダ１２の径は１２．０ｍｍとし、プローブ１１の径は６．０ｍｍとし、プローブ突出長１３は１．５ｍｍとした。接合条件は、移動速度Ｓ＝６００ｍｍ、回転速度Ｒ＝９００ｒｐｍ及び荷重Ｆ＝２０００ｋｇとした。ステンレス鋼材１０１，１０２としては厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ３０４鋼を用い、接合長４００ｍｍの摩擦攪拌接合後にショルダ１２の長さ、プローブ長（回転ツール１０ａの全長）及びプローブ突出長１３の測定を行った。
(Experimental example)
Hereinafter, experimental examples of the present invention will be described. Friction stir welding of the stainless steel materials 101 and 102 was performed by the processing apparatus 1 shown in FIG. The material of the rotary tool 10a is made of a WC-Co cemented carbide, the diameter of the shoulder 12 is 12.0 mm, the diameter of the probe 11 is 6.0 mm, and the probe protrusion length 13 is 1.5 mm. The joining conditions were moving speed S = 600 mm, rotational speed R = 900 rpm, and load F = 2000 kg. As stainless steel materials 101 and 102, SUS304 steel having a thickness of 2.0 mm is used, and the length of the shoulder 12, the probe length (the total length of the rotary tool 10a), and the probe protrusion length 13 are measured after the friction stir welding with a joining length of 400 mm. It was.
実験例においては、総接合長が４０００ｍｍとなった時点で荷重Ｆを２０００ｋｇから３０００ｋｇに瞬時的に増加させた。一方、比較例として、実験例と同じ条件で摩擦攪拌接合を行ない、接合条件を変化させずに接合を行なった。 In the experimental example, when the total joint length reached 4000 mm, the load F was instantaneously increased from 2000 kg to 3000 kg. On the other hand, as a comparative example, friction stir welding was performed under the same conditions as in the experimental example, and bonding was performed without changing the welding conditions.
図１６に示すように、実験例の回転ツール１０ａでは、総接合長４０００ｍｍの時点で荷重Ｆを増加させたため、１．５５ｍｍ以上に増大していたプローブ突出長１３は１．４５ｍｍ以下に減少し、その後の接合により増加したものの、１．５ｍｍ以下に留まっている。一方、図１７に示すように、同じ条件により接合を継続した比較例の回転ツール１０ａは、総接合長が７０００ｍｍ近くになった時点で、プローブ突出長１３が１．６ｍｍ近くまで増大していた。また、総接合長４０００ｍｍの時点で形状を制御した回転ツール１０ａは、磨耗により回転ツール１０ａの成分が加工部１０３に混入したことが予想されたが、接合後の加工部１０３には外観に欠陥は無かった。さらに、実験例における試験片に対して引張試験を行ったところ、加工部１０３以外の母材が破断し、図１８及び図１９に示すように高い引張強度の良好な継手が得られた。 As shown in FIG. 16, in the rotary tool 10a of the experimental example, since the load F was increased at the time when the total joint length was 4000 mm, the probe protrusion length 13 that had increased to 1.55 mm or more decreased to 1.45 mm or less. Although it increased by subsequent joining, it remains at 1.5 mm or less. On the other hand, as shown in FIG. 17, in the rotary tool 10a of the comparative example that continued to be joined under the same conditions, the probe protrusion length 13 increased to near 1.6 mm when the total joint length became close to 7000 mm. . In addition, the rotary tool 10a whose shape was controlled when the total joint length was 4000 mm was expected to have components of the rotary tool 10a mixed into the processed part 103 due to wear, but the processed part 103 after joining was defective in appearance. There was no. Further, when a tensile test was performed on the test piece in the experimental example, the base material other than the processed portion 103 was broken, and a joint having a high tensile strength was obtained as shown in FIGS. 18 and 19.
１…加工装置、１０ａ，１０ｂ…回転ツール、１１…プローブ、１２…ショルダ、２０…チャック、３０…回転ツール駆動部、４０…モニタカメラ、５０…温度センサ、６０…制御部、１０１，１０２…ステンレス材、１０３…加工部、１０４…加工痕、Ｒ…回転速度、Ｆ…荷重、Ｓ…移動速度（接合速度）。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Processing apparatus, 10a, 10b ... Rotary tool, 11 ... Probe, 12 ... Shoulder, 20 ... Chuck, 30 ... Rotary tool drive part, 40 ... Monitor camera, 50 ... Temperature sensor, 60 ... Control part, 101, 102 ... Stainless steel material 103 ... processing part 104 ... processing mark, R ... rotation speed, F ... load, S ... movement speed (joining speed).
Claims (15)
前記回転ツールは、前記回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、
前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御しつつ前記金属材を加工する金属材の加工方法。 A metal material processing method for processing the metal material by rotating the rod-shaped rotating tool while contacting the tip of the metal material processing portion,
The rotary tool includes a probe protruding from the center of the tip of the rotary tool,
Metal that processes the metal material while controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool by changing at least one of the load on the processing portion of the rotary tool and the rotational speed of the rotary tool Material processing method.
前記回転ツールは、前記回転ツールの先端の中央部から突出したプローブを備え、
前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを検出するプローブ突出長検出手段と、
前記プローブ突出長検出手段により検出された前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さに基づいて、前記回転ツールの前記加工部に対する荷重及び前記回転ツールの回転速度の少なくともいずれかを変更することにより、前記プローブの前記回転ツールの先端から突出した長さを制御するプローブ突出長制御手段と、をさらに備えた金属材の加工装置。 A metal material processing apparatus for processing the metal material by rotating the rod-shaped rotary tool while contacting the tip of the metal material processing portion,
The rotary tool includes a probe protruding from the center of the tip of the rotary tool,
Probe protrusion length detection means for detecting the length of the probe protruding from the tip of the rotating tool;
Based on the length of the probe protruding from the tip of the rotating tool detected by the probe protruding length detecting means, at least one of the load on the processing portion of the rotating tool and the rotation speed of the rotating tool is changed. Thus, the metal material processing apparatus further comprising probe protrusion length control means for controlling the length of the probe protruding from the tip of the rotary tool.
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