JP5853472B2 - Friction stir welding tool - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦撹拌接合用ツールに関し、特に、先端にプローブを有している摩擦撹拌接合用ツールに関する。 The present invention relates to a friction stir welding tool, and more particularly, to a friction stir welding tool having a probe at a tip.
アルミニウムなどの金属製構造材の接合方法の一つとして摩擦撹拌接合法がある。この摩擦撹拌接合法は、たとえば特開2001−314982号公報(特許文献1)に開示されている。 One method of joining metal structural materials such as aluminum is a friction stir welding method. This friction stir welding method is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-314982 (Patent Document 1).
この特開2001−314982号公報に記載の接合方法によれば、重ねて配置された2つの被接合材に上方から、回転する摩擦撹拌接合用ツールの先端が押し付けられる。この押し付けによる摩擦熱でツール先端周囲の被接合材が加熱、軟化されてツール先端が被接合材に挿入される。回転するツールの先端で被接合材が撹拌されることにより、被接合材が接合点で一体化されて接合される。 According to the joining method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-314982, the tip of a rotating friction stir welding tool is pressed from above onto two workpieces arranged in a stacked manner. The material to be welded around the tool tip is heated and softened by the frictional heat generated by the pressing, and the tool tip is inserted into the material to be joined. By agitating the material to be joined at the tip of the rotating tool, the materials to be joined are integrated and joined at the joining point.
この摩擦撹拌接合に用いられるツールは、たとえば特表平7−505090号公報(特許文献2)、特開平11−33750号公報(特許文献3)に開示されている。 A tool used for this friction stir welding is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-505090 (Patent Document 2) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-33750 (Patent Document 3).
特表平7−505090号公報には、摩擦撹拌接合用のツールとして、先端が鋭角である円錐形状、先端が平らな円錐台形状および先端が曲率を有す略円柱形状である3種類のプローブが開示されている。 JP-A-7-505090 discloses three types of probes as friction stir welding tools having a conical shape with a sharp tip, a truncated cone shape with a flat tip, and a substantially cylindrical shape with a tip having a curvature. Is disclosed.
特開平11−33750号公報には、摩擦撹拌接合用のツールとして、円柱状部分の底面に円形の底面よりも小さい直径の円を底面とした円錐が設けられたプローブが開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-33750 discloses a probe in which a cone having a bottom surface of a circle having a smaller diameter than a circular bottom surface is provided on the bottom surface of a cylindrical portion as a tool for friction stir welding.
特表平7−505090号公報に記載されている先端が鋭角である円錐形状のプローブは、先端が鋭角であるためプローブの先端の強度が低い。このプローブを使って、鋼などの硬度の高い材料を接合する場合には、プローブが曲がったり欠損しやすくなる。 The cone-shaped probe having a sharp tip described in Japanese Patent Publication No. 7-505090 has a low tip strength because the tip has a sharp angle. When using this probe to join a material with high hardness such as steel, the probe tends to bend or break.
特表平7−505090号公報に記載されている先端が平らな円錐台形状であるプローブは、先端が平らであるために、被接合材に対するプローブの食いつきが良くない。この食いつきが良くないと、プローブと被接合材が接触するときに、プローブに無理な力がかかるので、プローブが欠損しやすくなる。 The probe having a truncated cone shape described in Japanese Patent Publication No. 7-505090 has a flat truncated cone, and the probe does not bite well against the material to be joined. If this bite is not good, an excessive force is applied to the probe when the probe and the material to be joined come into contact with each other, so that the probe tends to be lost.
特表平7−505090号公報に記載されている先端が曲率を有する略円柱形状のプローブは、たとえば高張力鋼などの硬い被接合材料を接合する場合には、接合位置が狙いの位置からずれたり、プローブが欠損しやすくなる。 In the case of a substantially cylindrical probe having a curvature at the tip described in Japanese Patent Publication No. 7-505090, when joining a hard material such as high-tensile steel, the joining position deviates from the target position. Or the probe is easily lost.
特開平11−33750号公報に記載のプローブは、円錐の先端角度が90°〜120°であるために、プローブの先端の強度が弱く欠損しやすい。 The probe described in Japanese Patent Laid-Open No. 11-33750 has a conical tip angle of 90 ° to 120 °, so that the strength of the tip of the probe is weak and easily lost.
それゆえに、本発明の主たる目的は、硬い被接合材料を接合する場合にも欠損しにくい摩擦撹拌接合用ツールを提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a friction stir welding tool that is not easily lost even when a hard material to be joined is joined.
本発明に係る摩擦撹拌接合用ツールは、先端にプローブを備えている。プローブは、上面が円形の台部と、台部の上面を底面とする円錐部とを含んでいる。底面の直径は上面の直径と同一である。円錐部の先端の角度が130°以上170°以下である。 The friction stir welding tool according to the present invention includes a probe at the tip. The probe includes a base portion having a circular upper surface and a conical portion whose bottom surface is the upper surface of the base portion. The bottom diameter is the same as the top diameter. The angle of the tip of the conical part is 130 ° or more and 170 ° or less.
本発明に係る摩擦撹拌接合用ツールによれば、円錐部の先端の角度が130°以上であるために、先端の角度が120°以下の場合と比較してプローブの強度が高い。また、円錐部の先端の角度が170°以下であるために、先端が平坦な場合と比較して、プローブが被接合材にスムーズに挿入される。そのため、プローブに無理な力がかからないので、プローブが折損したり変形したりしにくい。また、プローブ先端の形状が円錐であるために、先端が平坦な場合と比較して、被接合材への食いつきが良く、接合位置の狙いからはずれにくい。さらに、円錐部の先端の角度が130°以上であるために、先端の角度が120°以下の場合と比較して円錐部の高さが短いために、接合に関与する台部の長さを長くすることができる。そのため、被接合材の接合強度が高くなる。 According to the friction stir welding tool according to the present invention, the angle of the tip of the conical portion is 130 ° or more, and therefore the strength of the probe is high compared to the case where the angle of the tip is 120 ° or less. Further, since the angle of the tip of the conical portion is 170 ° or less, the probe is smoothly inserted into the material to be joined as compared with the case where the tip is flat. Therefore, an excessive force is not applied to the probe, so that the probe is not easily broken or deformed. In addition, since the tip of the probe is a cone, compared to a case where the tip is flat, the material to be joined is better bitten, and it is difficult to deviate from the aim of the joining position. Furthermore, since the angle of the tip of the cone is 130 ° or more, the height of the cone is shorter compared to the case where the angle of the tip is 120 ° or less. Can be long. Therefore, the bonding strength of the material to be bonded is increased.
上記の摩擦撹拌接合用ツールにおいて好ましくは、台部は円柱である。
上記の摩擦撹拌接合用ツールにおいて好ましくは、台部は先端に向かって径が小さくなる円錐台である。これにより、ツールを被接合材から引き抜く際の抵抗が小さくなり、被接合材を持ち上げにくくなり、プローブが折損しにくくなる。
In the friction stir welding tool described above, the platform is preferably a cylinder.
In the friction stir welding tool described above, the platform is preferably a truncated cone whose diameter decreases toward the tip. As a result, resistance when the tool is pulled out from the material to be bonded is reduced, the material to be bonded is difficult to lift, and the probe is difficult to break.
上記の摩擦撹拌接合用ツールにおいて好ましくは、プローブの側面に螺旋状のネジ溝部を有している。 Preferably, the friction stir welding tool has a spiral thread groove on the side surface of the probe.
これにより、被接合材を接合するときに被接合材の塑性流動が促進されるため、高い強度で被接合材を接合することができる。 Thereby, since the plastic flow of a to-be-joined material is promoted when joining a to-be-joined material, a to-be-joined material can be joined with high intensity | strength.
上記の摩擦撹拌接合用ツールにおいて好ましくは、台部の下面に接し、下面に接する面の径が下面の径よりも大きいショルダーをさらに備えている。これにより、ショルダーと被接合材の摩擦により被接合材が加熱され、塑性流動が促進され、接合強度が向上する。 Preferably, the friction stir welding tool further includes a shoulder that is in contact with the lower surface of the pedestal and has a diameter that is larger than the diameter of the lower surface. Thereby, the material to be joined is heated by the friction between the shoulder and the material to be joined, the plastic flow is promoted, and the joining strength is improved.
上記の摩擦撹拌接合用ツールにおいて好ましくは、摩擦撹拌接合用ツールは引張強度340MPa以上の高張力鋼を接合するために用いられる。 In the friction stir welding tool described above, the friction stir welding tool is preferably used for joining high strength steel having a tensile strength of 340 MPa or more.
これによれば、引張強度340MPa以上の高張力鋼に対しても食いつきが良いので、打点位置がずれにくく、プローブも折損しづらい。 According to this, since it bites well against high-tensile steel having a tensile strength of 340 MPa or more, the position of the hitting point is difficult to shift and the probe is not easily broken.
上記の摩擦撹拌接合用ツールにおいて好ましくは、摩擦撹拌接合用ツールは点接合に用いられる。 In the friction stir welding tool described above, the friction stir welding tool is preferably used for spot welding.
摩擦撹拌点接合では、被接合材に対するプローブの挿入と引抜を繰り返すため、プローブが被接合材に接触する回数が多くなる。従来のプローブを用いて接合する場合は、プローブが欠損したり変形したりしやすいが、この摩擦撹拌接合用ツールによれば、プローブへの負荷が低いために、欠損したり変形したりしにくく、ツールの寿命も永くなる。 In friction stir spot welding, since the probe is repeatedly inserted into and pulled out from the material to be joined, the number of times the probe contacts the material to be joined increases. When joining with a conventional probe, the probe is likely to be damaged or deformed. However, according to this friction stir welding tool, the load on the probe is low, so it is difficult to be damaged or deformed. , Tool life is also prolonged.
本発明に係る摩擦撹拌接合用ツールによれば、硬い被接合材を接合する場合においても、プローブが欠損したり変形することを効果的に防止することができる。 According to the friction stir welding tool of the present invention, it is possible to effectively prevent the probe from being lost or deformed even when a hard material to be joined is joined.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
まず、本発明の一実施の形態における摩擦撹拌接合用ツールを用いた摩擦撹拌接合装置の構成について、図1を用いて説明する。 First, the structure of the friction stir welding apparatus using the friction stir welding tool in one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に示すように、摩擦撹拌接合装置10は、摩擦撹拌により被接合材を接合するためのものであり、摩擦撹拌接合用ツール1と、回転体11と、軸受け12と、インダクションモータ13と、ガイドレール14と、サーボモータ15と、フレーム16とを主に有している。
As shown in FIG. 1, the friction
摩擦撹拌接合用ツール1は、上記摩擦撹拌を生じさせるために、被接合材に対して回転可能および上下動可能に構成されている。
The friction
摩擦撹拌接合用ツール1を回転させる機構は、回転体11、軸受け12、およびインダクションモータ13を有している。回転体11は、摩擦撹拌接合用ツール1を固定して支持するためのものである。軸受け12は、略円筒の形状をしており、回転体11を内部に収容して回転自在に支持している。インダクションモータ13は、回転体11と接続されることにより回転体11に回転のための駆動力を与えることができるように構成されている。
The mechanism for rotating the friction
摩擦撹拌接合用ツール1を上下動させる機構は、ガイドレール14およびサーボモータ15を有している。ガイドレール14は、摩擦撹拌接合用ツール1の回転中心となる軸線Xに沿って、インダクションモータ13および軸受け12の上下方向の移動をガイドする部分である。サーボモータ15は、ガイドレール14に沿ってインダクションモータ13および軸受け12を上下動させるための動力源である。
The mechanism for moving the friction
なおフレーム16は、内部にサーボモータ15を収容しガイドレール14を介してインダクションモータ13や軸受け12を支持している。受け部材17は、フレーム16の下側に固定されており被接合材を搭載する部分である。
The frame 16 accommodates the
次に、本発明の実施の形態における摩擦撹拌接合用ツール1の構成について、図2〜図5を用いて説明する。
Next, the structure of the friction
(実施の形態1)
図2に示すように、本実施の形態1における摩擦撹拌接合用ツール1は、プローブ4とショルダー5とを有している。プローブ4は、2つの被接合材を接合するときに最初に被接合材に接触する部分であり、プローブ4は、台部3と円錐部2とを有している。台部3は円錐部2とショルダー5との間に設けられており、円錐部2を支持している。台部3の上面の形状は円である。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 2, the friction
本実施の形態1では台部3は円柱であるが、台部3の形状は円柱に限られない。台部3の形状は、上面が円であればよく、台部3の形状としては、たとえば円筒であってもよい。円錐部2は、台部3の上面を底面とする円錐状の部分である。台部3の上面と円錐部2の底面は同一の直径をしている。円錐部2の先端の角度は、円錐の頂点と底面の中心点を通る平面で円錐を切断したときにできる三角形の先端の角度θである。先端の角度θは、130°以上170°以下である。
In the first embodiment, the
円柱状の台部3と円錐部2とは通常一体で形成されている。この場合、円柱状の台部3の上面と円錐部2の底面とは、円柱形状の部分(台部3)と円錐形状の部分(円錐部2)との境界面(一点鎖線A−Aで示す面)のことである。この境界面A−Aを円柱状の台部3としてみると円柱状の台部3の上面であり、円錐部2として見ると円錐部2の底面である。後述する実施の形態2〜4における台部3の上面と円錐部2の底面についても上記と同様である。
The
次に、実施の形態1の摩擦撹拌接合用ツール1の作用効果について説明する。
本実施の形態1の摩擦撹拌接合用ツール1によれば、円錐部2の先端の角度θが130°以上であるために、先端の角度θが120°以下の場合と比較してプローブ4の強度が高い。プローブ4の強度が高くなるため、硬度の高い材料を摩擦撹拌接合する場合にもプローブ4の曲がりや欠損を抑制することができる。また、円錐部2の先端の角度θが170°以下であるために、先端が平坦な場合と比較して、プローブ4が被接合材にスムーズに挿入される。そのため、プローブ4を被接合材に挿入する際にプローブ4に無理な力がかからないので、プローブ4が折損したり変形したりしにくい。
Next, the effect of the friction
According to the friction
また、プローブ4の先端の形状が円錐であるために、先端の形状が平坦な場合または先端が曲率を有する場合と比較して、被接合材への食いつきが良く、接合位置の狙いからはずれにくい。このため、プローブ4と被接合材とが接触するときにプローブ4に無理な力がかかることを抑制されるのでプローブ4の欠損が抑制される。
Further, since the tip shape of the
さらに、円錐部2の先端の角度θが130°以上であるために、先端の角度θが120°以下の場合と比較して円錐部2の高さを短くすることができ、その分、接合に関与する台部3の長さを長くすることができる。そのため、被接合材の接合強度が高くなる。
Furthermore, since the angle θ of the tip of the
(実施の形態2)
図3に示すように、本実施の形態2における摩擦撹拌接合用ツール1の台部3の形状は円錐台である。つまり、円錐台の径はツールの先端(いいかえれば円錐部2の頂点)に向かうにつれて小さくなっている。台部3の円錐部2に接する側の面の形状は円であり、台部3のショルダー5に接する側の面の形状も円である。円錐台の上面には、円錐台の上面を底面とした円錐部2が設けられている。円錐部2の先端の角度θは、130°以上170°以下である。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 3, the shape of the
本実施の形態2の構成は、実施の形態1の構成と比較して台部3の形状において異なっている。これ以外の実施の形態2の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
The configuration of the second embodiment is different from the configuration of the first embodiment in the shape of the
(実施の形態3)
図4に示すように、本実施の形態3における摩擦撹拌接合用ツール1のプローブ4は、円柱状の台部3と円錐部2とを有している。台部3の側面には螺旋状のネジ溝部6が設けられている。ネジ溝部6はプローブ4が回転する方向に対して逆ネジとなるような螺旋状であることが好ましい。プローブ4の回転する方向に対して逆ネジとなるような螺旋状のネジ溝とは、プローブ4をネジにたとえた場合、プローブ4が回転するときにプローブ4が手前側(いいかえればプローブの先端と反対側)に移動するような螺旋状のネジ溝のことである。
(Embodiment 3)
As shown in FIG. 4, the
本実施の形態3の構成は、実施の形態1の構成と比較してネジ溝部6の有無において異なっている。実施の形態3はネジ溝部6を有しているが、実施の形態1はネジ溝部6を有していない。これ以外の実施の形態3の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
The configuration of the third embodiment differs from the configuration of the first embodiment in the presence or absence of the
本実施の形態3では、台部3の側面にネジ溝部6を形成することにより、2つの被接合材を接合するときに被接合材の塑性流動が促進されるため、高い強度で被接合材を接合することができる。
In this
(実施の形態4)
図5に示すように、本実施の形態4における摩擦撹拌接合用ツール1のプローブ4は、円錐台状の台部3と円錐部2とを有している。台部3の側面に螺旋状のネジ溝部6が設けられている。ネジ溝部6はプローブ4が回転する方向に対して逆ネジとなるような螺旋状であることが好ましい。逆ネジの定義は上述の実施の形態3で説明した定義と同じである。
(Embodiment 4)
As shown in FIG. 5, the
本実施の形態4の構成は、実施の形態2の構成と比較してネジ溝部6の有無において異なっている。実施の形態4はネジ溝部6を有しているが、実施の形態2はネジ溝部6を有していない。これ以外の実施の形態4の構成は、上述した実施の形態2の構成と同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
The configuration of the fourth embodiment differs from the configuration of the second embodiment in the presence or absence of the
本実施の形態4においても、台部3の側面にネジ溝部6を形成したことにより、実施の形態3と同様、2つの被接合材を接合するときに被接合材の塑性流動が促進されるため、高い強度で被接合材を接合することができる。
Also in the fourth embodiment, by forming the
実施の形態1〜4に記載の摩擦撹拌接合用ツール1は、引張強度340MPa以上の高張力鋼を接合するために用いられることが好ましい。これらの摩擦撹拌接合用ツール1は、引張強度340MPa以上の高張力鋼に対しても食いつきが良いので、打点位置がずれにくく、プローブ4も折損しづらい。
The friction
実施の形態1〜4に記載の摩擦撹拌接合用ツール1は、点接合に用いられることが好ましい。摩擦撹拌点接合では、被接合材に対するプローブ4の挿入と引抜とを繰り返すため、プローブ4が被接合材に接触する回数が多くなる。従来のプローブを用いて接合する場合は、プローブ4が欠損したり変形したりしやすいが、本発明に係る摩擦撹拌接合用ツール1によれば、プローブ4への負荷が低いために、欠損したり変形したりしにくく、摩擦撹拌接合用ツール1の寿命も永くなる。
The friction
次に、本発明の実施の形態1〜4における摩擦撹拌接合用ツール1を使って2つの被接合材を点接合する方法について、図6を用いて実施の形態1を例に挙げて説明する。
Next, a method for spot-joining two materials to be joined using the friction
図6に示すように、まず2つの被接合材30、31が上下に重ねて配置される。摩擦撹拌接合用ツール1が被接合材30、31の接合位置の上に配置される。この後、インダクションモータ13(図1)が駆動されて摩擦撹拌接合用ツール1が回転方向34に回転される。摩擦撹拌接合用ツール1が回転した状態で摩擦撹拌接合用ツール1が軸線X方向の下向きに移動される。摩擦撹拌接合用ツール1のプローブ4の先端が被接合材30の表面に到達すると、回転するプローブ4と被接合材30との摩擦によって摩擦熱が発生する。その摩擦熱によって被接合材30の一部が軟化し、プローブ4が被接合材30の中に挿入されていく。
As shown in FIG. 6, first, the two materials to be joined 30, 31 are arranged one above the other. The friction
プローブ4が被接合材30の中に挿入された後に、摩擦撹拌接合用ツール1をさらに降下させるとショルダー5の下面も被接合材30に接触する。このショルダー5と被接合材30とによる摩擦により摩擦熱が発生し、接合部付近32がさらに加熱される。摩擦熱によって加熱された被接合材30にプローブ4とショルダー5とが挿入された状態で回転することによって、被接合材30に塑性流動が起き接合点近傍が撹拌される。
When the friction
被接合材30、31を接合点で一体化させた後に、プローブ4が引抜方向35に沿って被接合材30、31から引き抜かれることにより、2つの被接合材は接合点でスポット溶接される。
After integrating the materials to be joined 30 and 31 at the joining point, the
次に、本発明の実施の形態1〜4における摩擦撹拌接合用ツール1を使って2つの被接合材を線接合する方法について、図7を用いて実施の形態1を例に挙げて説明する。
Next, a method for wire-joining two materials to be joined using the friction
図7に示すように、まず2つの被接合材21、22が互いに突き合わされるように配置される。摩擦撹拌接合用ツール1は、2つの被接合材21、22の突き合わせ部分23の上方に配置される。インダクションモータ13が駆動されて摩擦撹拌接合用ツール1が回転方向25に回転される。摩擦撹拌接合用ツール1が回転した状態で摩擦撹拌接合用ツール1が軸線X方向の下向きに移動されると、摩擦撹拌接合用ツール1のプローブ4の先端が被接合材21、22に接触する。
As shown in FIG. 7, first, the two
プローブ4を回転させながら、被接合材21、22の突き合わせ部分23に沿ってプローブが矢印24の方向へ移動される。プローブ4と被接合材21、22との摩擦熱およびプローブ4の回転によって被接合材21、22に塑性流動が起きて接合部付近が撹拌される。プローブ4が矢印24の横方向へ移動すると撹拌されていた部分が自然冷却されて被接合材21、22が固まることにより、2つの被接合材21、22が線接合される。
While rotating the
次に、本発明の実施例について説明する。
摩擦撹拌接合用ツール1のプローブ4の形状と、プローブ4の強度、プローブ4の被接合材に対する食いつきの良さおよび被接合材の接合強度との関係について調べた。
Next, examples of the present invention will be described.
The relationship between the shape of the
この実験に用いる摩擦撹拌接合用ツール1の材質を、WC(タングステンカーバイト)粒度2μm、Co(コバルト)量6wt%(重量パーセント)の超硬合金とした。台部3の形状、円錐部2の先端の角度θなどを変えた実施例1−1〜1−9の摩擦撹拌接合用ツール1を準備した。摩擦撹拌接合用ツール1の全長を32mmとし、摩擦撹拌接合用ツール1をSKD61製のツールホルダに焼きばめによって固定した。焼きばめ部の長さを20mmとした。ショルダー5の径を10mm、プローブ先端からショルダー面までの長さを2.0mmとした。
The material of the friction
実施例1−1〜1−4の摩擦撹拌接合用ツール1の各々を、上面が円形の台部3と、台部3の上面を底面とする円錐部2を有する形状とした。台部3の形状を直径4mmの円柱とした。円錐部2の底面の直径を4mmとした。円錐部2の先端の角度を、それぞれ130°、140°、160°、170°とした。
Each of the friction
実施例1−5〜1−7の摩擦撹拌接合用ツール1の各々を、上面が円形の台部3と、台部3の上面を底面とする円錐部2を有する形状とした。台部3の形状を円錐台とした。台部3の上面(プローブ4の先端側)を直径3mmの円とした。台部3の下面(プローブ4の先端側と反対側)を直径4.5mmの円とした。円錐台の底面の直径を3mmとした。円錐部2の先端の角度を、それぞれ140°、150°、160°とした。
Each of the friction
実施例1−8の摩擦撹拌接合用ツール1として、実施例1−2の摩擦撹拌接合用ツール1の台部3の側面に、摩擦撹拌接合用ツール1の回転方向に対し逆ネジとなる螺旋状のネジ溝部6を形成したツールを準備した。実施例1−9の摩擦撹拌接合用ツール1として、実施例1−6の摩擦撹拌接合用ツール1の台部3の側面に、摩擦撹拌接合用ツール1の回転方向に対し逆ネジとなる螺旋状のネジ溝部6を形成したツールを準備した。ネジのピッチは、0.7mmとした。
As a friction
比較のため、比較例1−1〜1−4の摩擦撹拌接合用ツール1を準備した。摩擦撹拌接合用ツール1の材質を実施例1−1〜1−9と同じ材料とした。摩擦撹拌接合用ツール1の全長、ショルダの径、プローブ先端からショルダー面までの長さについても、実施例1−1〜1−9と同じとした。
For comparison, the friction
比較例1−1〜1−3の摩擦撹拌接合用ツール1の各々を、実施例1−1〜1−4と同様に、上面が円形の台部3と、台部3の上面を底面とする円錐部2を有する形状とした。ただし、プローブ4の先端の角度を130°未満か170°よりも大きくした。比較例1−4のプローブ4を、円柱状の台部3と、台部3の上面に台部3の上面の径よりも小さい径の底面を有する円錐部を有する形状とした。円柱状の台部3の直径を4mmとした。円錐部の底面の直径を2mmとした。円錐部の高さを1mmとし、円錐の先端の角度を90°(言い換えれば錐面の傾斜角度は45°)とした。
In each of the friction
次に、実験内容について説明する。
摩擦撹拌接合用ツール1の耐久性と被接合材への食いつきの良さの評価を、摩擦撹拌点接合装置を使って鋼板を2枚重ねて接合することにより行った。被接合材として、1.2mmの厚みを有する340MPa級高張力鋼板を使用した。摩擦撹拌点接合用の摩擦撹拌接合用ツール1の回転数を3000rpmとし、接合荷重を600kgfとした。接合時間を2.5秒とし、打点数を最大1000打点とした。
Next, the contents of the experiment will be described.
The durability of the friction
被接合材の接合強度の評価を、日本工業規格の評価方法(JIS Z3136)に従って実施した。被接合材の板幅が30mm、重ねしろが30mm、試験片長さが100mmである通常幅試験片を用いてせん断試験を実施した。 Evaluation of the joining strength of the materials to be joined was carried out in accordance with the Japanese Industrial Standards evaluation method (JIS Z3136). A shear test was performed using a normal width test piece having a plate width of 30 mm, a stacking margin of 30 mm, and a test piece length of 100 mm.
次に、実験結果について表1を用いて説明する。 Next, experimental results will be described using Table 1.
まず、摩擦撹拌接合用ツール1の耐久試験の結果について説明する。本発明の実施例1−1〜1−9の摩擦撹拌接合用ツール1においては、いずれも1000打点の接合試験の後もプローブ4に大きな欠損や折損は観察されず、良好な耐久性を有することが確認された。一方、比較例1−1〜1−4の摩擦撹拌接合用ツール1においては、1000打点の接合試験が終了する前にプローブに欠損または折損があることが確認された。具体的には、点接合試験開始から12打点目から67打点目までの間に、比較例1−1〜1−4のプローブは欠損または折損した。
First, the result of the durability test of the friction
次に、摩擦撹拌接合用ツール1の被接合材に対する食いつきの良さの結果について説明する。食いつきの良さは、実際の接合位置が狙いからどれくらいずれているかを調べることによって評価した。接合位置が狙いの位置からどれだけずれているかを調べるために、上述した接合試験の1打点目から10打点目の打点について、打点中心の狙いからのズレを測定して10点の平均値を求めた。表1に示すように、本発明の実施例1−1〜1−9の摩擦撹拌接合用ツール1においては、いずれも打点中心の狙いからのズレが0.4mm以下であり、狙い位置からのズレが小さいことが確認できた。一方、比較例1−1と比較例1−3においては、摩擦撹拌接合用ツール1の被接合材への食いつきが悪く、打点中心の狙いからのズレが1.6〜1.8mmであった。比較例1−2と比較例1−4においては、打点中心の狙いからのズレは小さかったが、耐久試験の途中でプローブ4が欠損または折損した。
Next, the result of the good bite with respect to the to-be-joined material of the
次に、被接合材の接合強度の結果について説明する。本発明の実施例1−1〜1−9の摩擦撹拌接合用ツール1においては、せん断強度6.1〜9.6kNの良好な接合強度を有することが確認された。実施例1−8、1−9の摩擦撹拌接合用ツール1は、台部3の側面に螺旋状のネジ溝部6を形成したツールであり、同じプローブ4の形状であり螺旋状のネジ溝部6のない実施例1−2、実施例1−6の摩擦撹拌接合用ツール1と比較して高い接合強度が得られた。一方、比較例1−2の摩擦撹拌接合用ツール1においては円錐部の長さが長く、接合に関与する円柱部の長さが短いため、接合強度は4.9kNであった。比較例1−4は、円錐部の長さが1mmと長く接合に関与する円柱部の長さが短いため、接合強度は5.1kNであった。
Next, the result of the bonding strength of the materials to be bonded will be described. It was confirmed that the friction
以上の結果より、上面が円形の台部3と、台部3の上面を底面とする円錐部2とを有するプローブ4であって、円錐部2の先端の角度θが130°以上170°以下の摩擦撹拌接合用ツール1は、良好な耐久性を有し、被接合材に対する食いつきも良く、高い被接合材の接合強度を得られることが確認された。
From the above results, the
次に、本発明の他の実施例について説明する。
摩擦撹拌接合用ツール1のプローブ4の形状とプローブ4の強度との関係について調べた。
Next, another embodiment of the present invention will be described.
The relationship between the shape of the
本実験に用いる摩擦撹拌接合用ツール1として、実施例1で使用した摩擦撹拌接合用ツール1と同じ形状、材質の摩擦撹拌接合用ツール1を用いた。
As the friction
次に、実験内容について説明する。
図7で説明したような摩擦撹拌線接合装置にて、被接合材である鋼板を2枚突く合せて、2枚の鋼板を線接合し、摩擦撹拌接合用ツール1の耐久性を調べた。被接合材として2.5mmの厚みを有する340MPa級高張力鋼板を使用した。摩擦撹拌接合用ツールの回転数を800rpmとした。接合速度を毎秒2mmとし、摩擦撹拌接合用ツールの傾斜角を2°とした。摩擦撹拌接合用ツール押し込み量を2.2mmとし、接合距離を最大4m(4000mm)とした。板材の長さを500mmとし、400mm接合毎に板材を取り換えるとともに、摩擦撹拌接合用ツールに損傷がないか確認を行った。
Next, the contents of the experiment will be described.
In the friction stir welding apparatus as described with reference to FIG. 7, two steel plates as the materials to be joined were butted together, and the two steel plates were wire joined, and the durability of the friction
次に、実験結果について表2を用いて説明する。 Next, experimental results will be described with reference to Table 2.
上記線接合試験において、本発明の実施例2−1〜2−9の摩擦撹拌接合用ツール1においては、いずれの摩擦撹拌接合用ツール1も4m(4000mm)の接合後においても摩擦撹拌接合用ツール1に大きな異常は観察されず、良好な耐久性を有することが確認された。比較のため、比較例1−1〜1−3で用いたものと同じ材質、形状の摩擦撹拌接合用ツール1を用いて線接合の試験を行った。比較例2−1の摩擦撹拌接合用ツール1においてにおいては、プローブ4の先端が平らなため、被接合材への食いつきが悪く、被接合材への負荷が大きなため、1000mm接合時点でプローブ4が折損した。比較例2−2の摩擦撹拌接合用ツール1においては、プローブ4の先端の角度が120°と小さいため先端部の強度が弱く、800mm接合時点でプローブ先端が欠損していた。比較例2−3の摩擦撹拌接合用ツールにおいては、先端角が175°と大きいため、被接合材への食いつきが悪く、1200mmの接合時点でプローブ4が折損した。
In the above-described line joining test, in the friction
以上の結果より、上面が円形の台部3と、台部3の上面を底面とする円錐部2とを有するプローブ4であって、円錐部2の先端の角度θが130°以上170°以下の摩擦撹拌接合用ツール1は、摩擦撹拌線接合においても良好な耐久性を有することが確認された。
From the above results, the
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、摩擦撹拌接合用ツールに好適に利用することができる。 The present invention can be suitably used for a friction stir welding tool.
1 摩擦撹拌接合用ツール、2 円錐部、3 台部、4 プローブ、5 ショルダー、6 ネジ溝部、10 摩擦撹拌接合装置、11 回転体、12 軸受け、13 インダクションモータ、14 ガイドレール、15 サーボモータ、16 フレーム、17 受け部材、21,22 被接合材、23 突き合わせ部、24 移動方向、25 回転方向、30,31 被接合材、32 接合部付近、33 接合点、34 回転方向、35 引抜方向。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記プローブは、
上面が円形の台部と、
前記上面を底面とする円錐部とを含み、
前記底面の直径は前記上面の直径と同一であり、
前記円錐部の前記先端の角度が130°以上170°以下であり、
前記台部は前記先端に向かって径が小さくなる円錐台であり、
前記摩擦撹拌接合用ツールは引張強度340MPa以上の高張力鋼を接合するために用いられ、
前記摩擦撹拌接合用ツールは点接合に用いられる、摩擦撹拌接合用ツール。 A friction stir welding tool with a probe at the tip,
The probe is
A base with a circular top surface;
A conical portion having the upper surface as a bottom surface,
The bottom surface has the same diameter as the top surface;
Ri said angle der 130 ° or 170 ° or less of the tip of the conical portion,
The base part is a truncated cone whose diameter decreases toward the tip,
The friction stir welding tool is used for joining high strength steel having a tensile strength of 340 MPa or more,
The friction stir welding tool is used for spot welding .
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