JP6794703B2 - Joining method - Google Patents
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Description
本発明は、金属部材同士を摩擦攪拌で接合する接合方法に関する。 The present invention relates to a joining method for joining metal members by friction stir welding.
例えば、特許文献１には、第一金属部材と第二金属部材を重ね合わせて重合部を形成した後、第二金属部材の表面から回転ツールを挿入して重合部を摩擦攪拌接合する接合方法が記載されている。当該摩擦攪拌接合では、攪拌ピンのみを第二金属部材に接触させた状態で摩擦攪拌を行うというものである。
For example,
従来の接合方法であると、塑性流動化した金属を回転ツールのショルダ部で押さえないため、塑性流動化した金属が外部に溢れ出し接合部が金属不足になり、第二金属部材の表面に凹溝が形成されるという問題がある。 In the conventional joining method, since the plastically fluidized metal is not pressed by the shoulder portion of the rotating tool, the plastically fluidized metal overflows to the outside, the joint portion becomes short of metal, and the surface of the second metal member is recessed. There is a problem that grooves are formed.
そこで、本発明は、接合部の金属不足を防ぐことができる接合方法を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a joining method capable of preventing a metal shortage at the joining portion.
このような課題を解決するために本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、少なくとも裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合せて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、前記第二金属部材の表面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材及び前記補助部材、又は、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、前記摩擦攪拌工程では、前記回転ツールの回転中心軸と前記基準線とが重なるように前記攪拌ピンを相対移動させるとともに、バリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする。 In order to solve such a problem, the present invention is a joining method for joining a first metal member and a second metal member using a rotating tool equipped with a stirring pin, and at least the height of the surface changes. A polymerization step of superimposing the back surface of the second metal member whose height changes at least on the front surface of the first metal member to form a polymerized portion whose height changes, and on the surface of the second metal member. The arrangement step of arranging the auxiliary members so as to make surface contact, and the rotating stirring pin is inserted from the surface side of the auxiliary member, and only the stirring pin of the rotating tool is the second metal member and the auxiliary member, or , The rotating tool is relatively moved in contact with the first metal member, the second metal member, and the auxiliary member to join the first metal member, the second metal member, and the auxiliary member. A line including a step and a removing step of removing the auxiliary member on which burrs are formed from the second metal member, passing through the end face of the auxiliary member and orthogonal to the first metal member and the second metal member. When the reference line is used, in the friction stirring step, the stirring pin is relatively moved so that the rotation center axis of the rotation tool and the reference line overlap, and the joining condition is such that burrs are formed on the auxiliary member. and said that you set up.
かかる方法によれば、高さが変化する重合部が接合されるとともに、高さが変化する第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。これにより、第二金属部材の表面に凹溝ができるのを防ぐことができる。
また、バリを補助部材ごと除去することができる。
更に、回転ツールに対して片側にのみ補助部材が残存するため、除去工程を容易に行うことができる。
According to this method, the polymerized portion whose height changes is joined, and in addition to the first metal member and the second metal member whose height changes, the auxiliary member is also friction-stir welded at the same time to join the joined portion. It is possible to prevent metal shortage. This makes it possible to prevent the formation of concave grooves on the surface of the second metal member.
Moreover, the burr can be removed together with the auxiliary member.
Further, since the auxiliary member remains on only one side of the rotating tool, the removal step can be easily performed.
また、本発明は、攪拌ピンを備えた回転ツールを用いて第一金属部材と第二金属部材とを接合する接合方法であって、少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、少なくとも裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合せて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、前記第二金属部材の表面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材及び前記補助部材、又は、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、バリが形成された前記補助部材を前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、前記摩擦攪拌工程では、前記摩擦攪拌工程を行った後に前記回転ツールの片側にのみ補助部材が残存する程度に前記回転ツールの回転中心軸を前記基準線よりもわずかに前記補助部材の中央側に偏移させて相対移動させるとともに、残存する前記補助部材にバリが形成されるように接合条件を設定することを特徴とする。 Further, the present invention is a joining method for joining a first metal member and a second metal member using a rotating tool provided with a stirring pin, and the surface of the first metal member whose surface height changes at least. In addition, at least a polymerization step of superimposing the back surfaces of the second metal member whose height changes on the back surface to form a polymerized portion whose height changes, and an auxiliary member so as to make surface contact with the front surface of the second metal member. The second metal member and the auxiliary member, or the first metal member, the rotating tool is inserted from the surface side of the auxiliary member, and only the stirring pin of the rotation tool is inserted. A burr is formed with a friction stirring step of joining the first metal member, the second metal member, and the auxiliary member by relatively moving the rotating tool in contact with the second metal member and the auxiliary member. When the line including the removal step of removing the auxiliary member from the second metal member and passing through the end face of the auxiliary member and orthogonal to the first metal member and the second metal member is used as a reference line. In the friction stirring step, the rotation center axis of the rotating tool is slightly biased toward the center side of the auxiliary member with respect to the reference line to the extent that the auxiliary member remains only on one side of the rotating tool after the friction stirring step is performed. It is characterized in that the joining conditions are set so that burrs are formed on the remaining auxiliary member while being moved and relatively moved.
かかる方法によれば、高さが変化する重合部が接合されるとともに、高さが変化する第一金属部材及び第二金属部材に加え、補助部材も同時に摩擦攪拌接合することにより、接合部の金属不足を防ぐことができる。これにより、第二金属部材の表面に凹溝ができるのを防ぐことができる。また、バリを補助部材ごと除去することができる。更に、回転ツールに対して方側にのみ補助部材が残存するため、除去工程を容易に行うことができる。また、回転ツールの回転中心軸が基準線よりも補助部材の中央側に偏移しているため接合部の金属不足をより確実に防ぐことができる。また、補助部材に回転ツールを容易に挿入することができる。 According to this method, the polymerized portion whose height changes is joined, and in addition to the first metal member and the second metal member whose height changes, the auxiliary member is also friction-stir welded at the same time to join the joined portion. It is possible to prevent metal shortage. This makes it possible to prevent the formation of concave grooves on the surface of the second metal member. In addition, burrs can be removed together with the auxiliary member. Further, since the auxiliary member remains only on the side with respect to the rotation tool, the removal step can be easily performed. Further, since the rotation center axis of the rotation tool is shifted to the center side of the auxiliary member from the reference line, it is possible to more reliably prevent the metal shortage of the joint portion. In addition, the rotation tool can be easily inserted into the auxiliary member.
本発明に係る接合方法によれば、接合部の金属不足を防ぐことができる。 According to the joining method according to the present invention, it is possible to prevent a metal shortage at the joint.
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係る接合方法では、重合工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程と、を行う。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。
[First Embodiment]
The joining method according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the joining method according to the present embodiment, a polymerization step, a placement step, a friction stir step, and a removal step are performed. In the following description, the "front surface" means the surface opposite to the "back surface".
重合工程は、図１に示すように第一金属部材１と第二金属部材１０とを重ね合わせる工程である第一金属部材１及び第二金属部材１０は、金属製の板状部材である。第一金属部材１及び第二金属部材１０の材料は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金等から適宜選択すればよい。第一金属部材１の板厚は、第二金属部材１０の板厚よりも厚くなっている。
As shown in FIG. 1, the polymerization step is a step of superimposing the
第一金属部材１は、直方体を呈する本体部２と、本体部２の上に形成され断面台形状を呈する凸部３とで構成されている。凸部３の表面３ａは、本体部２の表面２ａ，２ｂよりも上方に位置している。凸部３の第一表面３ｂは、傾斜しており本体部２の表面２ａと凸部３の表面３ａとを連結している。また、凸部３の第二表面３ｃは、傾斜しており本体部２の表面２ｂと凸部３の表面３ａとを連結している。
The
第二金属部材１０は、第一金属部材１よりも薄く、一定の板厚で形成された高さの異なる板状部材である。第二金属部材１０は、基部１１，１１と、中央部１２と、傾斜部１３，１４とで構成されている。中央部１２は、基部１１，１１の中央において、基部１１，１１よりも高い位置に形成されている。傾斜部１３は、一方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。傾斜部１４は、他方の基部１１と中央部１２とを斜めに連結している。
The
重合工程では、図２に示すように、第一金属部材１の表面に、第二金属部材１０の裏面を重ね合わせて重合部Ｊ１を形成する。より詳しくは、本体部２の表面２ａ，２ｂと、基部１１，１１の裏面１１ｂ，１１ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の表面３ａと中央部１２の裏面１２ｂとを重ね合わせる。また、凸部３の第一表面３ｂと傾斜部１３の裏面１３ｂとを重ね合わせるとともに、凸部３の第二表面３ｃと傾斜部１４の裏面１４ｂとを重ね合わせる。
In the polymerization step, as shown in FIG. 2, the back surface of the
第一金属部材１と第二金属部材１０とはほぼ隙間なく重ね合わされる。重合部Ｊ１は、その高さ位置が変化するように形成される。つまり、重合部Ｊ１は、摩擦攪拌の始点（挿入位置）の高さ（標高）を基準高さとすると、始点から終点に至るまでに基準高さと高さの異なる区間が存在している。本実施形態では、重合部Ｊ１は、第一平部Ｊａと、第一傾斜部Ｊｂと、第二平部Ｊｃと、第二傾斜部Ｊｄと、第三平部Ｊｅとで構成されている。
The
配置工程は、図１に示す第二金属部材１０に補助部材２０を配置する工程である。補助部材２０は金属製の板状部材である。補助部材２０は摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態では第一金属部材１及び第二金属部材１０と同じ材料になっている。補助部材２０の板厚は、後記する摩擦攪拌工程後の塑性化領域Ｗが金属不足にならないように適宜設定する。本実施形態では、補助部材２０の板厚は第二金属部材１０よりも薄く設定している。
The arranging step is a step of arranging the
補助部材２０は、一定の板厚で形成された高さの異なる板状部材である。補助部材２０は、基部２１，２１と、中央部２２と、傾斜部２３，２４とで構成されている。中央部２２は、基部２１，２１の中央において、基部２１，２１よりも高い位置に形成されている。傾斜部２３は、一方の基部２１と中央部２２とを斜めに連結している。傾斜部２４は、他方の基部２１と中央部２２とを斜めに連結している。また、基部２１，２１のそれぞれの端部の中央付近には、スリット２５，２５が設けられている。
The
配置工程では、図３に示すように、第二金属部材１０の表面の長手方向の中央部に沿って、補助部材２０の裏面を面接触させる。より詳しくは、図２に示すように、第二金属部材１０の基部１１，１１の表面１１ａ，１１ａと、補助部材２０の基部２１，２１の裏面２１ｂ，２１ｂとを重ね合わせるとともに、中央部１２の表面１２ａと中央部２２の裏面２２ｂとを重ね合わせる。また、傾斜部１３の第一表面１３ａと傾斜部２３の裏面２３ｂとを重ね合わせるとともに、傾斜部１４の第二表面１４ａと傾斜部２４の裏面２４ｂとを重ね合わせる。
In the arranging step, as shown in FIG. 3, the back surface of the
また、第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０を治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束する。なお、補助部材２０は本実施形態では高さの異なる板状としているが、他の形状であってもよい。
Further, the
摩擦攪拌工程は、図３に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０との重合部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。接合用回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。接合用回転ツールＦは、特許請求の範囲の「回転ツール」に相当する。接合用回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置の回転軸（図示省略）に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈している。
As shown in FIG. 3, the friction stir welding step is a step of joining the superposed portion J1 of the
攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。 The stirring pin F2 hangs down from the connecting portion F1 and is coaxial with the connecting portion F1. The stirring pin F2 is tapered as it is separated from the connecting portion F1. A spiral groove is engraved on the outer peripheral surface of the stirring pin F2. In the present embodiment, in order to rotate the joining rotation tool F clockwise, the spiral groove is formed counterclockwise from the base end to the tip end. In other words, the spiral groove is formed counterclockwise when viewed from above when the spiral groove is traced from the base end to the tip end.
なお、接合用回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。
When the joint rotation tool F is rotated counterclockwise, it is preferable to form the spiral groove clockwise from the base end to the tip end. In other words, the spiral groove in this case is formed clockwise when viewed from above when the spiral groove is traced from the base end to the tip end. By setting the spiral groove in this way, the metal plastically fluidized during friction stir welding is guided to the tip end side of the stirring pin F2 by the spiral groove. As a result, the amount of metal that overflows to the outside of the metal member to be joined (
接合用回転ツールＦは、マシニングセンタ等の摩擦攪拌装置に取り付けてもよいが、例えば、先端にスピンドルユニット等の回転手段を備えたアームロボットに取り付けてもよい。アームロボットに接合用回転ツールＦを取り付けることにより接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを容易に傾斜させることができる。 The joining rotary tool F may be attached to a friction stir device such as a machining center, or may be attached to, for example, an arm robot having a rotating means such as a spindle unit at the tip. By attaching the joining rotation tool F to the arm robot, the rotation center axis Fc of the joining rotation tool F can be easily tilted.
摩擦攪拌工程では、図３に示す補助部材２０の表面に設定した開始位置Ｓｐに、右回転させた接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を、図４に示すように重合部Ｊ１まで挿入する。この攪拌ピンＦ２の挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１に達するように設定している。また、接合用回転ツールＦの回転中心軸が、常に鉛直軸と平行となる状態で摩擦攪拌を行う。なお、攪拌ピンＦ２を第二金属部材１０及び補助部材２０のみに接触させた状態で重合部Ｊ１を摩擦攪拌するようにしてもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材１０及び補助部材２０との摩擦熱によって重合部Ｊ１が塑性流動化して接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には、補助部材２０に塑性化領域Ｗが形成される。
In the friction stir welding step, the stirring pin F2 of the joining rotation tool F rotated clockwise is inserted up to the polymerization portion J1 as shown in FIG. 4 at the start position Sp set on the surface of the
つまり、摩擦攪拌工程では、図４に示すように、重合部Ｊ１に対する攪拌ピンＦ２の挿入深さをほぼ一定に保ちつつ、攪拌ピンＦ２のみを補助部材２０、第一金属部材１及び第二金属部材１０に接触させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態に係る摩擦攪拌工程では、補助部材２０、第一金属部材１及び第二金属部材１０が固定された架台（図示省略）に対して接合用回転ツールＦを、補助部材２０の上下に高さ（標高）が異なる表面を、上下動させることにより摩擦攪拌を行う。
That is, in the friction stir welding step, as shown in FIG. 4, while keeping the insertion depth of the stirring pin F2 into the overlapping portion J1 substantially constant, only the stirring pin F2 is used as the
これにより、第一平部Ｊａの塑性化領域Ｗの深さＺａ、第一傾斜部Ｊｂの塑性化領域Ｗの深さＺｂ（傾斜部２３の表面２３ａと直交する線上における塑性化領域Ｗの深さ）及び第二平部Ｊｃの塑性化領域Ｗの深さＺｃをほぼ同等にすることができる。攪拌ピンＦ２の「挿入深さ」とは、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃ上における補助部材２０の表面から攪拌ピンＦ２の先端までの距離を意味する。
As a result, the depth Za of the plasticized region W of the first flat portion Ja and the depth Zb of the plasticized region W of the first inclined portion Jb (the depth of the plasticized region W on the line orthogonal to the
上記の摩擦攪拌工程によって攪拌ピンＦ２の周囲が摩擦攪拌され、第一金属部材１と第二金属部材１０とが接合される。この際、図５及び図６に示すように、補助部材２０の表面部にバリＶが形成される。なお、本実施形態では、接合用回転ツールＦを高速回転させているため、バリは後述するシアー側に比べてフロー側の方に多く発生する傾向にある。なお、攪拌ピンＦ２を第二金属部材１０及び補助部材２０のみに接触させて（第一金属部材１には達しないようにして）摩擦攪拌を行ってもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材１０及び補助部材２０との摩擦熱によって重合部Ｊ１が塑性流動化して接合される。
By the above friction stirring step, the periphery of the stirring pin F2 is frictionally stirred, and the
除去工程は、図７及び図８に示すように、補助部材２０を第二金属部材１０から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材２０を第二金属部材１０から離間する方向に両側から折り曲げて第二金属部材１０から除去する。この際、補助部材２０のスリット２５，２５（図３参照）の一方を起点として端部をめくり上げつつ、折り曲げるようにして除去する。
The removing step is a step of removing the
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材１０１とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材１０に加え、補助部材２０も同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。これにより、第二金属部材１０の表面に凹溝が形成されるのを防ぐことができる。
According to the joining method according to the present embodiment described above, the
また、補助部材２０の中央部から攪拌ピンＦ２を挿入することにより、接合部の金属不足をより確実に防ぐことができるとともに、金属をバランスよく補充することができる。また、補助部材２０の中央部から攪拌ピンＦ２を挿入することにより、攪拌ピンＦ２を補助部材２０に容易に挿入することができる。
Further, by inserting the stirring pin F2 from the central portion of the
また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって分断された補助部材２０，２０にそれぞれバリＶ，Ｖが形成されるが、除去工程において補助部材２０，２０ごと取り除くことができる。これにより、バリを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材２０は除去装置等を用いて除去してもよいが、本実施形態では手作業で補助部材２０を容易に取り除くことができる。
Further, according to the present embodiment, burrs V and V are formed on the
ここで、本実施形態に係る接合方法では、補助部材２０を第一金属部材１及び第二金属部材１０よりも薄く設定しているため、従来のように回転ツールのショルダ部を金属部材に押し込みながら摩擦攪拌を行うと、ショルダ部と補助部材２０との接触により補助部材２０が外部に飛ばされてしまい接合部の金属不足を補うことができない。しかし、本実施形態では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０に接触させつつ摩擦攪拌を行うため、補助部材２０が外部に飛ばされることなく接合部の金属不足を補うことができる。また、本実施形態によれば、回転ツールのショルダ部を接触させる場合に比べて摩擦攪拌装置に作用する負荷を低減した状態で、深い位置にある重合部Ｊ１を接合することができる。
Here, in the joining method according to the present embodiment, since the
［変形例］
図９は、第一実施形態に係る接合方法の変形例の摩擦攪拌工程を示す断面図である。図９に示すように、変形例では、摩擦攪拌工程を行う際に、接合用回転ツールＦを接合面に対して垂直に挿入しつつ摩擦攪拌を行う。変形例の摩擦攪拌工程では、第一平部Ｊａ、第二平部Ｊｃ及び第三平部Ｊｅにおいては、第一実施形態と同様に接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを鉛直軸と平行にした状態で摩擦攪拌を行う。一方、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄにおいては、接合用回転ツールＦを鉛直軸に対して傾斜させて、第一傾斜部Ｊｂ及び第二傾斜部Ｊｄの接合面に対して接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを垂直にした状態で摩擦攪拌を行う。
[Modification example]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a friction stir step of a modified example of the joining method according to the first embodiment. As shown in FIG. 9, in the modified example, when the friction stir step is performed, the friction stir is performed while the joint rotation tool F is inserted perpendicularly to the joint surface. In the friction stir welding step of the modified example, in the first flat portion Ja, the second flat portion Jc, and the third flat portion Je, the rotation center axis Fc of the joining rotation tool F is parallel to the vertical axis as in the first embodiment. Friction stir welding is performed in this state. On the other hand, in the first inclined portion Jb and the second inclined portion Jd, the rotating tool F for joining is tilted with respect to the vertical axis for joining with respect to the joining surface of the first inclined portion Jb and the second inclined portion Jd. Friction stirring is performed with the rotation center axis Fc of the rotation tool F vertical.
変形例を行う場合は、例えば、先端にスピンドルユニット等の駆動手段を備えたロボットアームに接合用回転ツールＦを取り付けて摩擦攪拌を行うことが好ましい。このような摩擦攪拌装置によれば、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃの角度を容易に変更することができる。これにより、重合部Ｊ１の高さが変化する場合においても、摩擦攪拌中に鉛直軸に対する接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃの角度を変更することで、接合面に対して接合用回転ツールＦを常に垂直にした状態で連続して摩擦攪拌を行うことができる。 When performing a modification, for example, it is preferable to attach the joining rotary tool F to a robot arm having a driving means such as a spindle unit at the tip to perform friction stir welding. According to such a friction stirrer, the angle of the rotation center axis Fc of the joining rotation tool F can be easily changed. As a result, even when the height of the overlapping portion J1 changes, by changing the angle of the rotation center axis Fc of the joining rotation tool F with respect to the vertical axis during friction stir welding, the joining rotation tool with respect to the joining surface Friction stir welding can be continuously performed with F always vertical.
前記した変形例であっても、第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、接合用回転ツールＦを各接合面に対して垂直に挿入することができるため、傾斜面であっても重合部Ｊ１の深い位置まで摩擦攪拌を行うことができる。 Even in the above-described modification, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, since the rotary tool F for joining can be inserted perpendicularly to each joining surface, friction stirring can be performed to a deep position of the polymerization portion J1 even on an inclined surface.
［第二実施形態］
次に、第二実施形態に係る接合方法について説明する。第二実施形態に係る接合方法は、図１０に示す補助部材２０Ａの端面２０ａから接合用回転ツールＦを挿入する点で第一実施形態と相違する。また、補助部材２０Ａには、スリット２５，２５が形成されていない点が相違する。第二実施形態に係る接合方法では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。
[Second Embodiment]
Next, the joining method according to the second embodiment will be described. The joining method according to the second embodiment is different from the first embodiment in that the rotary tool F for joining is inserted from the
本実施形態に係る接合方法は、重合工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。重合工程は、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。配置工程では、図１０及び図１１に示すように、第一実施形態と同じ要領で第二金属部材１０の表面に補助部材２０Ａを配置する。第二実施形態の補助部材２０Ａは、第一実施形態の補助部材２０の半分程度の幅になっている。
The joining method according to the present embodiment includes a polymerization step, an arrangement step, a friction stir step, and a removal step. Since the polymerization step is the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted. In the arranging step, as shown in FIGS. 10 and 11, the
摩擦攪拌工程は、図１１及び図１２に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０との重合部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。本実施形態では、接合用回転ツールＦを左回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は、基端から先端に向かうにつれて右回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端から先端に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。
As shown in FIGS. 11 and 12, the friction stir welding step is a step of joining the superposed portion J1 of the
摩擦攪拌工程では、左回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌接合を行う。ここで、図１０に示すように、補助部材２０Ａの端面２０ａを通り第一金属部材１及び第二金属部材１０に直交する線を基準線Ｚとする。摩擦攪拌工程では、図１１に示すように、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを基準線Ｚに重ねた状態で、かつ、第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０Ａと攪拌ピンＦ２とを接触させた状態で接合用回転ツールＦを相対移動させる。
In the friction stir welding step, only the stirring pin F2 rotated counterclockwise is inserted, and the metal member to be joined and the connecting portion F1 are relatively moved while being separated from each other. In other words, friction stir welding is performed with the base end portion of the stirring pin F2 exposed. Here, as shown in FIG. 10, a line passing through the
本実施形態では、接合用回転ツールＦのシアー側（advancing side：回転ツールの外周における接線速度に回転ツールの移動速度が加算される側）が進行方向右側となるように、接合用回転ツールＦの移動方向と回転方向を設定している。接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向は前記したものに限定されるものではなく適宜設定すればよい。 In the present embodiment, the joining rotation tool F is set so that the shear side of the joining rotation tool F (advancing side: the side where the moving speed of the rotating tool is added to the tangential velocity on the outer circumference of the rotating tool) is on the right side in the traveling direction. The movement direction and rotation direction of are set. The rotation direction and the traveling direction of the joining rotation tool F are not limited to those described above, and may be appropriately set.
例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が遅い場合では、塑性化領域Ｗのフロー側（retreating side：回転ツールの外周における接線速度から回転ツールの移動速度が減算される側）に比べてシアー側の方が塑性流動材の温度が上昇しやすくなるため、塑性化領域Ｗ外のシアー側にバリＶが多く発生する傾向にある。一方、例えば、接合用回転ツールＦの回転速度が速い場合、シアー側の方が塑性流動材の温度が上昇するものの、回転速度が速い分、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。 For example, when the rotation speed of the joining rotation tool F is slow, the shear side is compared with the flow side (retreating side: the side where the movement speed of the rotation tool is subtracted from the tangential velocity on the outer circumference of the rotation tool) of the plasticized region W. In this case, the temperature of the plastic fluid material tends to rise, so that a large amount of burr V tends to occur on the shear side outside the plasticized region W. On the other hand, for example, when the rotation speed of the joining rotation tool F is high, the temperature of the plastic fluid material rises on the shear side, but the rotation speed is high, so that there are many burrs V on the flow side outside the plasticization region W. It tends to occur.
本実施形態では、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、図１２に示すように、塑性化領域Ｗ外のフロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。また、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定することにより、接合用回転ツールＦの移動速度（送り速度）を高めることができる。これにより、接合サイクルを短くすることができる。 In the present embodiment, since the rotation speed of the joining rotation tool F is set to be high, as shown in FIG. 12, a large amount of burrs V tend to occur on the flow side outside the plasticization region W. Further, by setting the rotation speed of the joining rotation tool F to be high, the moving speed (feeding speed) of the joining rotation tool F can be increased. As a result, the joining cycle can be shortened.
摩擦攪拌工程の際に、接合用回転ツールＦの進行方向のどちら側にバリＶが多く発生するかは接合条件によって異なる。当該接合条件とは、接合用回転ツールＦの回転速度、回転方向、移動速度（送り速度）、攪拌ピンＦ２の傾斜角度（テーパー角度）、第一金属部材１、第二金属部材１０及び補助部材２０Ａの材質、厚さ等の各要素とこれらの要素の組み合わせで決定される。摩擦攪拌工程では、バリＶが補助部材２０Ａに形成されるように接合条件を設定することが好ましい。
In the friction stir step, which side of the joining rotary tool F in which the burr V is generated in the traveling direction depends on the joining conditions. The joining conditions include the rotation speed, rotation direction, movement speed (feed speed) of the joining rotation tool F, the inclination angle (taper angle) of the stirring pin F2, the
攪拌ピンＦ２の挿入深さは、本実施形態では、攪拌ピンＦ２が第一金属部材１に達するように設定している。なお、攪拌ピンＦ２を第二金属部材１０及び補助部材２０Ａのみに接触させた状態で重合部Ｊ１を摩擦攪拌するようにしてもよい。この場合は、攪拌ピンＦ２と第二金属部材１０及び補助部材２０Ａとの摩擦熱によって重合部Ｊ１が塑性流動化して接合される。接合用回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗが形成される。
In the present embodiment, the insertion depth of the stirring pin F2 is set so that the stirring pin F2 reaches the
除去工程は、図１３に示すように、補助部材２０Ａを第二金属部材１０から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材２０Ａを矢印で示すように第二金属部材１０から離間する方向に折り曲げて第二金属部材１０から除去する。これにより、第一金属部材１及び第二金属部材１０が板厚方向に接合される。
The removing step is a step of removing the
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材１０とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材１０に加え、補助部材２０Ａも同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。これにより、第二金属部材１０の表面に凹溝が形成されるのを防ぐことができる。
According to the joining method according to the present embodiment described above, the
また、本実施形態によれば、摩擦攪拌工程によって補助部材２０ＡにバリＶが形成されるが、除去工程において補助部材２０Ａごと取り除くことができる。これにより、バリＶを除去する作業を容易に行うことができる。補助部材２０Ａは除去装置等を用いて除去してもよいが、本実施形態では矢印で示す方向に、手作業で容易に補助部材２０Ａを取り除くことができる。
Further, according to the present embodiment, the burr V is formed on the
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る接合方法について説明する。図１４〜図１７に示すように、第三実施形態に係る接合方法では、攪拌ピンＦ２の挿入位置が第二実施形態と主に相違する。第三実施形態に係る接合方法では、第二実施形態と相違する点を中心に説明する。第三実施形態に係る接合方法は、重合工程と、配置工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。
[Third Embodiment]
Next, the joining method according to the third embodiment of the present invention will be described. As shown in FIGS. 14 to 17, in the joining method according to the third embodiment, the insertion position of the stirring pin F2 is mainly different from that of the second embodiment. The joining method according to the third embodiment will mainly explain the differences from the second embodiment. The joining method according to the third embodiment includes a polymerization step, an arrangement step, a friction stir welding step, and a removal step.
重合工程は、第二実施形態と同じであるため説明を省略する。図１４に示すように、配置工程では、第一実施形態と同じ要領で第二金属部材１０の表面に補助部材２０Ｂを配置する。補助部材２０Ｂは、第一実施形態の補助部材２０の半分程度の幅になっている。
Since the polymerization step is the same as that of the second embodiment, the description thereof will be omitted. As shown in FIG. 14, in the arrangement step, the
摩擦攪拌工程は、図１５に示すように、接合用回転ツールＦを用いて第一金属部材１と第二金属部材１０との重合部Ｊ１を摩擦攪拌によって接合する工程である。本実施形態では、接合用回転ツールＦを右回転させるため、攪拌ピンＦ２の螺旋溝は基端から先端に向かうにつれて左回りに形成されている。
As shown in FIG. 15, the friction stir welding step is a step of joining the superposed portion J1 of the
摩擦攪拌工程では、図１４に示すように、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃを、補助部材２０Ｂの端面２０ａを通る基準線Ｚよりもわずかに補助部材２０Ｂの中央側となるように位置させつつ、重合部Ｊ１に右回転させた攪拌ピンＦ２のみを挿入し、被接合金属部材と連結部Ｆ１とは離間させつつ相対移動させる。本実施形態では、図１５に示すように、接合用回転ツールＦの進行方向右側に補助部材２０Ｂが位置するように接合用回転ツールＦの進行方向を設定し、高速回転させる。これにより、本実施形態では、図１６に示すように、補助部材２０Ｂ側がフロー側となり、補助部材２０ＢにバリＶが発生する。本実施形態における接合用回転ツールＦの挿入位置（接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃと基準線Ｚとの距離）は、摩擦攪拌工程を行った後に接合用回転ツールＦの片側にのみ補助部材２０Ｂが残存する程度に適宜調節する。
In the friction stir welding step, as shown in FIG. 14, the rotation center axis Fc of the joining rotation tool F is positioned so as to be slightly closer to the center side of the
除去工程は、図１７に示すように、補助部材２０Ｂを第二金属部材１０から除去する工程である。除去工程では、例えば手作業により、補助部材２０Ｂを第二金属部材１０から離間する方向（矢印方向）に折り曲げて第二金属部材１０から除去する。
The removing step is a step of removing the
以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、第一金属部材１と第二金属部材１０とが接合されるとともに、第一金属部材１及び第二金属部材１０に加え、補助部材２０Ｂも同時に摩擦攪拌接合されることにより、接合部（塑性化領域Ｗ）の金属不足を防ぐことができる。
According to the joining method according to the present embodiment described above, the
また、本実施形態の接合条件によれば、接合用回転ツールＦの回転速度を速く設定しているため、フロー側にバリＶが多く発生する傾向にある。つまり、本実施形態ではバリＶが補助部材２０Ｂに多く形成されるように接合用回転ツールＦの回転方向及び進行方向等（接合条件）を設定している。これにより、補助部材２０Ｂに形成されたバリＶは、補助部材２０Ｂごと除去されるため、バリ除去工程をより容易に行うことができる。補助部材２０Ｂは除去装置等を用いてもよいが、本実施形態では手作業で容易に補助部材２０Ｂを取り除くことができる。
Further, according to the joining conditions of the present embodiment, since the rotation speed of the joining rotation tool F is set to be high, a large number of burrs V tend to occur on the flow side. That is, in the present embodiment, the rotation direction, the traveling direction, and the like (joining conditions) of the joining rotation tool F are set so that a large number of burrs V are formed on the
ここで、前記した第一実施形態の除去工程では、塑性化領域Ｗの中央を挟んで両側にある補助部材２０，２０除去する必要がある。しかし、本実施形態では摩擦攪拌工程後に一方側（接合用回転ツールＦの進行方向左側）に補助部材２０Ｂが残存しないように攪拌ピンＦ２の挿入位置を調節しているため、除去工程では他方側に残存する補助部材２０Ｂを除去するだけでよい。これにより除去工程の作業手間を少なくすることができる。また、回転中心軸Ｆｃが、基準線Ｚよりもわずかに補助部材２０Ｂの中央側に偏移しているため、接合部の金属不足をバランス良く、かつ、より確実に防ぐことができる。また、回転中心軸Ｆｃが、基準線Ｚよりもわずかに補助部材２０Ｂの中央側に偏移しているため、攪拌ピンＦ２を補助部材２０Ｂに容易に挿入することができる。
Here, in the removal step of the first embodiment described above, it is necessary to remove the
［他の実施形態］
次に、本発明の他の実施形態について説明する。他の実施形態に係る接合方法では、重合工程と、摩擦攪拌工程と、除去工程とを行う。他の実施形態では、金属部材同士が上下に湾曲している点で第一実施形態〜第三実施形態と相違する。
[Other Embodiments]
Next, other embodiments of the present invention will be described. In the joining method according to another embodiment, a polymerization step, a friction stir welding step, and a removal step are performed. The other embodiment differs from the first to third embodiments in that the metal members are curved vertically.
図１８に示すように、重合工程では、第一金属部材３０と、第二金属部材４０とを重ね合わせる。第一金属部材３０及び第二金属部材４０は、摩擦攪拌可能な金属で形成されるとともに、第一金属部材３０の表面３０ａと、板状の第二金属部材４０の表面４０ａ及び裏面４０ｂとが、同等の曲率半径で湾曲形成されている。第一金属部材３０の表面３０ａと、第二金属部材４０の裏面４０ｂとを重ね合わせることにより、重合部Ｊ２が形成される。
As shown in FIG. 18, in the polymerization step, the
配置工程では、第二金属部材４０と同形状に湾曲した板状の補助部材５０の裏面５０ｂを、第二金属部材４０の表面４０ａに面接触させる。なお、第一金属部材３０、第二金属部材４０及び補助部材５０は、治具（図示省略）を用いて架台Ｔに移動不能に拘束される。
In the arranging step, the
摩擦攪拌工程は、接合用回転ツールＦを用いて重合部Ｊ２を摩擦攪拌接合する工程である。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの攪拌ピンＦ２を補助部材５０の表面５０ａから第二金属部材４０を介して第一金属部材３０まで挿入し、重合部Ｊ２に沿って接合用回転ツールＦを相対移動させる。摩擦攪拌工程では、接合用回転ツールＦの回転中心軸Ｆｃが補助部材５０及び第二金属部材４０の法線と重なるように、接合用回転ツールＦの傾斜角度を漸次変更する。また、摩擦攪拌工程では、塑性化領域Ｗ１が一定になるように攪拌ピンＦ２の挿入深さを設定する。除去工程は、第一実施形態と同等であるため説明を省略する。
The friction stir welding step is a step of friction stir welding the polymerized portion J2 using the joining rotary tool F. In the friction stir welding step, the stirring pin F2 of the joining rotation tool F is inserted from the
以上説明した他の実施形態に係る接合方法のように、重合部Ｊ２が上下方向に湾曲して高さが変化する場合であっても、第一実施形態〜第三実施形態と略同等の効果を奏することができる。 Even when the polymerized portion J2 is curved in the vertical direction and the height changes as in the joining method according to the other embodiments described above, the effect is substantially the same as that of the first to third embodiments. Can be played.
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。例えば、本実施形態では除去工程を行ったが、補助部材を除去せずに、第二金属部材にそのまま存置してもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the design can be appropriately changed within a range not contrary to the gist of the present invention. For example, although the removal step was performed in the present embodiment, the auxiliary member may be left as it is in the second metal member without being removed.
１，３０ 第一金属部材
１０，４０ 第二金属部材
２０，５０ 補助部材
Ｆ 接合用回転ツール（回転ツール）
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｆｃ 回転中心軸
Ｊ１，Ｊ２ 重合部
Ｖ バリ
Ｗ 塑性化領域
Ｚ 基準線
1,30
F1 Connection part F2 Stirring pin Fc Rotation center axis J1, J2 Polymerization part V Bali W Plasticization area Z Reference line
Claims (2)
少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、少なくとも裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合せて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、
前記第二金属部材の表面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材及び前記補助部材、又は、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、
バリが形成された前記補助部材を前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、
前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、
前記摩擦攪拌工程では、前記回転ツールの回転中心軸と前記基準線とが重なるように前記攪拌ピンを相対移動させるとともに、バリが前記補助部材に形成されるように接合条件を設定することを特徴とする接合方法。 A joining method for joining a first metal member and a second metal member using a rotating tool equipped with a stirring pin.
A polymerization step of superimposing at least the back surface of the second metal member whose height changes on the back surface on the surface of the first metal member whose surface height changes to form a polymerized portion whose height changes.
An arrangement step of arranging the auxiliary member so as to make surface contact with the surface of the second metal member, and
The rotating stirring pin is inserted from the surface side of the auxiliary member, and only the stirring pin of the rotating tool is inserted into the second metal member and the auxiliary member, or the first metal member, the second metal member, and the said. A friction stir step of joining the first metal member, the second metal member, and the auxiliary member by relatively moving the rotating tool in contact with the auxiliary member.
Including a removal step of removing the burr-formed auxiliary member from the second metal member.
When a line passing through the end face of the auxiliary member and orthogonal to the first metal member and the second metal member is used as a reference line.
In the friction stirring step, the stirring pin so that the rotational center axis and said reference line is overlapped causes relative movement of the rotary tool, that you set the welding conditions such burrs are formed in the auxiliary member A characteristic joining method.
少なくとも表面の高さが変化する前記第一金属部材の表面に、少なくとも裏面の高さが変化する前記第二金属部材の裏面を重ね合せて高さが変化する重合部を形成する重合工程と、A polymerization step of superimposing at least the back surface of the second metal member whose height changes on the back surface on the surface of the first metal member whose surface height changes to form a polymerized portion whose height changes.
前記第二金属部材の表面に面接触するように補助部材を配置する配置工程と、An arrangement step of arranging the auxiliary member so as to make surface contact with the surface of the second metal member, and
回転する前記攪拌ピンを前記補助部材の表面側から挿入し、前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記第二金属部材及び前記補助部材、又は、前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記第一金属部材、前記第二金属部材及び前記補助部材を接合する摩擦攪拌工程と、The rotating stirring pin is inserted from the surface side of the auxiliary member, and only the stirring pin of the rotating tool is inserted into the second metal member and the auxiliary member, or the first metal member, the second metal member, and the said. A friction stir step of joining the first metal member, the second metal member, and the auxiliary member by relatively moving the rotating tool in contact with the auxiliary member.
バリが形成された前記補助部材を前記第二金属部材から除去する除去工程と、を含み、Including a removal step of removing the burr-formed auxiliary member from the second metal member.
前記補助部材の端面を通り前記第一金属部材及び前記第二金属部材に直交する線を基準線とした場合、When a line passing through the end face of the auxiliary member and orthogonal to the first metal member and the second metal member is used as a reference line.
前記摩擦攪拌工程では、前記摩擦攪拌工程を行った後に前記回転ツールの片側にのみ補助部材が残存する程度に前記回転ツールの回転中心軸を前記基準線よりもわずかに前記補助部材の中央側に偏移させて相対移動させるとともに、残存する前記補助部材にバリが形成されるように接合条件を設定することを特徴とする接合方法。In the friction stir welding step, the rotation center axis of the rotation tool is slightly closer to the center side of the auxiliary member than the reference line to the extent that the auxiliary member remains only on one side of the rotary tool after the friction stir welding step. A joining method characterized in that the joining conditions are set so that burrs are formed on the remaining auxiliary member while being shifted and moved relative to each other.
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