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JP7544683B2 - Friction stir welding tool and friction stir welding method - Google Patents
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JP7544683B2 - Friction stir welding tool and friction stir welding method - Google Patents

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Description

本発明は、プローブの回転による摩擦熱を利用して被接合材を接合するための摩擦撹拌接合用工具、該摩擦撹拌接合用工具を使用した摩擦撹拌接合方法、及び該摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手に関する。 The present invention relates to a friction stir welding tool for joining workpieces using frictional heat generated by the rotation of a probe, a friction stir welding method using the friction stir welding tool, and a friction stir welding joint obtained by the friction stir welding method.

摩擦撹拌接合(FSW:Friction Stir Welding)とは、工具の先端に設けられたプローブを回転させつつ、被接合材の突合せ部にプローブの先端面を押し当て、プローブを被接合材に圧入した状態で突合せ部に沿って移動させ、摩擦熱と撹拌により被接合材を接合する方法である。
しかし、回転するプローブの近傍や流動性の高い材料を被接合材とした場合には、良好な接合が得られるが、プローブから離隔した箇所及び塑性流動性の低い材料は、接合が困難である。また、プローブは一般的に円柱形状であるため、プローブの回転中心近傍においても、塑性流動が生じにくく、良好な接合を得ることが困難である
Friction stir welding (FSW) is a method in which a probe attached to the tip of a tool is rotated while the tip face of the probe is pressed against the butt joint of the materials to be joined, and the probe is moved along the butt joint while pressed into the materials to be joined, thereby joining the materials to be joined by frictional heat and stirring.
However, while good welding can be achieved near the rotating probe or when materials with high fluidity are used as the welding materials, welding is difficult at locations far from the probe or materials with low plastic fluidity. Furthermore, since the probe is generally cylindrical, plastic flow is unlikely to occur even near the center of rotation of the probe, making it difficult to obtain good welding.

そこで、このような摩擦撹拌接合のために用いる工具において、良好な接合品質を得ることを目的として、種々の形状を有するプローブが設けられた工具が提案されている。 Therefore, in order to obtain good welding quality for such friction stir welding, tools equipped with probes of various shapes have been proposed.

例えば、特許文献1には、プローブの外周面に、先端面まで延在した外周凹部が形成されているとともに、先端面に、外周凹部に連通しないように外周面まで延在した先端凹部が形成された摩擦撹拌接合用工具が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a friction stir welding tool in which an outer peripheral recess is formed on the outer peripheral surface of the probe, the outer peripheral surface extending to the tip surface, and a tip recess is formed on the tip surface, the tip recess also extending to the outer peripheral surface so as not to communicate with the outer peripheral recess.

また、特許文献2には、プローブの側面に凹凸形状が設けられた摩擦撹拌ツールが開示されている。上記摩擦撹拌ツールにおける凹凸形状は、プローブの半径方向の内側に向かって軸中心からの距離を急変させる複数のエッジ部と、エッジ部の縁部からプローブの外接円の径に向かって軸中心からの距離が除変する渦巻線の形状を有する径除変部と、を備える形状である。 Patent Document 2 also discloses a friction stir tool in which an uneven shape is provided on the side of the probe. The uneven shape of the friction stir tool is a shape that includes multiple edge portions that abruptly change the distance from the axial center toward the inside of the radial direction of the probe, and a diameter-changing portion having a spiral shape in which the distance from the axial center gradually changes from the edge of the edge portion toward the diameter of the circumscribing circle of the probe.

特開2020-163444号公報JP 2020-163444 A 特許第6329351号公報Patent No. 6329351

図12は、従来の一般的な摩擦撹拌接合方法により一対の板材を接合した場合の継手を示す断面図であり、図13は、図12のAの部分を拡大して示す図である。また、図14は、ルートフローを有する継手に対して、裏曲げ試験を実施した場合の不良の発生を示す模式図である。 Figure 12 is a cross-sectional view showing a joint when a pair of plate materials are joined by a conventional friction stir welding method, and Figure 13 is an enlarged view of part A in Figure 12. Also, Figure 14 is a schematic diagram showing the occurrence of defects when a back bending test is performed on a joint having a root flow.

図12及び図13に示すように、板材21と板材22とを突き合わせて配置し、突合せ部26の表面26a側から摩擦撹拌接合を実施した場合に、プローブによる撹拌が不十分であると、突合せ部26の裏面26b側にルートフロー27と呼ばれる境界線が残存しやすい。なお、突合せ部26の表面26a側とは、プローブを押し当てる面を表し、突合せ部の裏面26b側とは、その反対側の面を表す。 As shown in Figures 12 and 13, when plate materials 21 and 22 are placed butted together and friction stir welding is performed from the front surface 26a side of the butt joint 26, if stirring by the probe is insufficient, a boundary line called a root flow 27 is likely to remain on the back surface 26b side of the butt joint 26. Note that the front surface 26a side of the butt joint 26 refers to the surface against which the probe is pressed, and the back surface 26b side of the butt joint refers to the opposite surface.

また、図14に示すように、ルートフロー27を有する継手20に対して、裏面26b側が凸形状となるようにプレス等の曲げ成形を実施すると、ルートフロー27が亀裂28となり、この亀裂28が進行して割れの起点になることがある。このようなルートフロー27の発生は、上記従来の特許文献1及び2に記載の摩擦撹拌接合用工具又は摩擦撹拌ツールを使用しても、十分に抑制することは困難である。 As shown in FIG. 14, when a joint 20 having a root flow 27 is bent by pressing or the like so that the back surface 26b side has a convex shape, the root flow 27 may become a crack 28, and this crack 28 may progress and become the starting point of a crack. It is difficult to sufficiently suppress the occurrence of such a root flow 27 even if the friction stir welding tool or friction stir tool described in the above-mentioned conventional Patent Documents 1 and 2 is used.

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、被接合材の突合せ部におけるプローブの撹拌を促進し、ルートフローの発生を抑制することができる摩擦撹拌接合用工具、該摩擦撹拌接合用工具を使用した摩擦撹拌接合方法、及び該摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手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 circumstances, and aims to provide a friction stir welding tool that can promote stirring of the probe at the butt joint of the workpieces to be welded and suppress the occurrence of root flow, a friction stir welding method using the friction stir welding tool, and a friction stir welding joint obtained by the friction stir welding method.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、プローブが壁面と連続面とからなる凹部(溝)を有し、離隔部を起点として、連続面が同軸円周方向に沿って、又は径中心方向に向かって先端に近づくように形成されていることより、撹拌効果を著しく向上させることができ、撹拌領域を広げ、ルートフローの発生を抑制することができることを見出した。本発明は、これら知見に基づいてなされたものである。 As a result of intensive research into solving the above problems, the inventors have found that by forming a probe with a recess (groove) consisting of a wall surface and a continuous surface, and by forming the continuous surface starting from the separation portion so that it approaches the tip along the coaxial circumferential direction or toward the radial center, the stirring effect can be significantly improved, the stirring area can be expanded, and the occurrence of root flow can be suppressed. The present invention was made based on these findings.

本発明の上記目的は、摩擦撹拌接合用工具に係る下記[1]の構成により達成される。 The above object of the present invention is achieved by the following configuration [1] for a friction stir welding tool.

[1] 円柱形状のプローブを回転させつつ、被接合材に前記プローブの先端を押し当てることにより摩擦熱を発生させて、前記被接合材を接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
前記プローブは、
前記プローブの先端における略中心から径方向端部まで延び、前記被接合材の表面に線状又は面状で当接する少なくとも1つの当接部と、
前記当接部から前記プローブの軸に対して略平行に延びる少なくとも1つの壁面と、
前記壁面に連続して形成され、前記壁面から離隔する方向に延びる連続面と、を有し、
前記連続面は、前記プローブの先端から最も離隔した位置に離隔部を有し、前記離隔部から前記プローブの同軸円周方向及び前記プローブの径中心方向の少なくとも一方に向かって前記プローブの先端に近づくように形成されている、摩擦撹拌接合用工具。
[1] A friction stir welding tool that rotates a cylindrical probe and presses a tip of the probe against workpieces to generate frictional heat to weld the workpieces,
The probe comprises:
At least one contact portion extending from approximately the center of the tip of the probe to a radial end portion and contacting the surface of the workpiece in a linear or planar manner;
At least one wall surface extending from the abutment portion substantially parallel to an axis of the probe;
a continuous surface formed continuously with the wall surface and extending in a direction away from the wall surface,
A friction stir welding tool, wherein the continuous surface has a separation portion at a position farthest from the tip of the probe, and is formed so as to approach the tip of the probe from the separation portion in at least one of a coaxial circumferential direction of the probe and a radial center direction of the probe.

また、摩擦撹拌接合用工具に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の[2]~[7]に関する。 Furthermore, preferred embodiments of the present invention relating to a friction stir welding tool relate to the following [2] to [7].

[2] 前記プローブは、複数の当接部を有し、
前記複数の当接部の間に前記壁面及び前記連続面が形成されている、[1]に記載の摩擦撹拌接合用工具。
[2] The probe has a plurality of contact portions,
The friction stir welding tool according to [1], wherein the wall surface and the continuous surface are formed between the plurality of abutment portions.

[3] 前記被接合材の表面に当接する前記線状の当接部、又は前記面状の当接部と前記壁面との間の稜線は略直線状であり、前記壁面は略平面状である、[1]又は[2]に記載の摩擦撹拌接合用工具。 [3] The friction stir welding tool according to [1] or [2], in which the linear contact portion that contacts the surface of the workpiece or the ridgeline between the planar contact portion and the wall surface is substantially linear, and the wall surface is substantially planar.

[4] 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に近づく方向に傾斜している、[1]~[3]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合用工具。 [4] The friction stir welding tool described in any one of [1] to [3], in which the continuous surface is inclined from the separation portion toward the radial center of the probe toward the tip.

[5] 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、[1]~[3]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合用工具。 [5] The friction stir welding tool described in any one of [1] to [3], wherein the continuous surface has a stepped shape that gradually approaches the tip from the separated portion toward the radial center of the probe.

[6] 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に近づく方向に傾斜している、[1]~[5]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合用工具。 [6] The friction stir welding tool described in any one of [1] to [5], in which the continuous surface is inclined from the separated portion in a direction approaching the tip along the coaxial circumferential direction of the probe.

[7] 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、[1]~[5]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合用工具。 [7] The friction stir welding tool described in any one of [1] to [5], wherein the continuous surface has a stepped shape that gradually approaches the tip from the separated portion along the coaxial circumferential direction of the probe.

また、本発明の上記目的は、摩擦撹拌接合方法に係る下記[8]の構成により達成される。 The above object of the present invention is also achieved by the following configuration [8] relating to the friction stir welding method.

[8] [1]~[7]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合用工具を用いて一対の板材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
一対の板材を突き合わせて配置し、突合せ部を形成する工程と、
前記板材の板厚から前記プローブの長さを減ずることにより得られる残厚が0(mm)超となるように前記プローブの長さを設定する工程と、
前記プローブを回転させつつ、前記突合せ部における一方の面から押圧し、前記プローブの回転により撹拌される撹拌領域が、前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記突合せ部を摩擦撹拌する工程と、を有する、摩擦撹拌接合方法。
[8] A friction stir welding method for joining a pair of plate materials using the friction stir welding tool according to any one of [1] to [7],
a step of butting a pair of plate materials together to form a butt joint;
setting the length of the probe so that a residual thickness obtained by subtracting the length of the probe from a thickness of the plate material is greater than 0 (mm);
and pressing one surface of the butt joint with the probe while rotating the probe, thereby friction-stirring the butt joint so that a stirring region stirred by the rotation of the probe reaches the other surface of the butt joint.

また、摩擦撹拌接合方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の[9]に関する。 In addition, a preferred embodiment of the present invention relating to the friction stir welding method relates to the following [9].

[9] 前記突合せ部を摩擦撹拌する工程において、前記撹拌領域が前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記プローブの長さ及び回転速度を調整する、[8]に記載の摩擦撹拌接合方法。 [9] The friction stir welding method described in [8], in which, in the step of friction stirring the butt joint, the length and rotation speed of the probe are adjusted so that the stirring area reaches the other surface of the butt joint.

また、本発明の上記目的は、摩擦撹拌接合継手に係る下記[10]の構成により達成される。 The above object of the present invention is also achieved by the following configuration [10] relating to a friction stir welded joint.

[10] [8]又は[9]に記載の摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手であって、
前記突合せ部が延びる方向に直交する断面には、前記一対の板材を構成する粒子の平均粒子径の1/2以下の平均粒子径を有する前記撹拌領域が形成されており、
前記撹拌領域は、前記板材の厚さ方向に直交する方向を長径とし、前記突合せ部の他方の面に向かって突出する円弧を有する半楕円形状部を有し、
前記円弧が前記突合せ部の他方の面に到達している、摩擦撹拌接合継手。
[10] A friction stir welded joint obtained by the friction stir welding method according to [8] or [9],
The stirring region is formed in a cross section perpendicular to the direction in which the butt portions extend, the stirring region having an average particle diameter that is half or less of the average particle diameter of the particles constituting the pair of plate materials,
The stirring region has a semi-elliptical portion having a major axis in a direction perpendicular to the thickness direction of the plate material and an arc protruding toward the other surface of the butt portion,
A friction stir welded joint, wherein the arc reaches the other surface of the butt joint.

また、摩擦撹拌接合継手に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の[11]に関する。 In addition, a preferred embodiment of the present invention relating to a friction stir welded joint relates to the following [11].

[11] 前記半楕円形状部に基づき楕円を想定した場合に、前記楕円の短径に対する長径の比は、3.0以下である、[10]に記載の摩擦撹拌接合継手。 [11] A friction stir welded joint as described in [10], in which, when an ellipse is assumed based on the semi-elliptical portion, the ratio of the major axis to the minor axis of the ellipse is 3.0 or less.

本発明によれば、被接合材の突合せ部におけるプローブの撹拌を促進し、ルートフローの発生を抑制することができる摩擦撹拌接合用工具、該摩擦撹拌接合用工具を使用した摩擦撹拌接合方法、及び該摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手を提供することができる。 The present invention provides a friction stir welding tool that can promote stirring of the probe at the butt joint of the workpieces to be welded and suppress the occurrence of root flow, a friction stir welding method using the friction stir welding tool, and a friction stir welding joint obtained by the friction stir welding method.

図1は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a friction stir welding tool according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1における摩擦撹拌接合用工具の先端形状を拡大して示す斜視図である。FIG. 2 is an enlarged perspective view showing the tip shape of the friction stir welding tool in FIG. 図3は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を用いて、突合せ部を接合する方法について示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing a method for welding a butt joint using the friction stir welding tool according to the embodiment of the present invention. 図4は、プローブの形状例を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing an example of the shape of the probe. 図5は、プローブの他の形状例を示す斜視図である。FIG. 5 is a perspective view showing another example of the shape of the probe. 図6は、プローブのさらに他の形状例を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing still another example of the shape of the probe. 図7は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the friction stir welding method according to this embodiment. 図8は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a friction stir welded joint obtained by the friction stir welding method according to this embodiment. 図9は、図8に示す断面図の一部を拡大して示す図面代用写真である。FIG. 9 is a photograph showing an enlarged view of a part of the cross-sectional view shown in FIG. 図10は、発明例及び比較例の試験片について、裏曲げ試験後の継手の様子を示す図面代用写真である。FIG. 10 is a photograph showing the state of the joints after the back bending test for the test pieces of the invention example and the comparative example. 図11は、発明例及び比較例の試験片について、断面における撹拌領域を示す図面代用写真である。FIG. 11 is a photograph showing the stirring region in cross section of the test pieces of the invention example and the comparative example. 図12は、従来の一般的な摩擦撹拌接合方法により一対の板材を接合した場合の継手を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a joint when a pair of plate materials are joined by a conventional general friction stir welding method. 図13は、図12のAの部分を拡大して示す図である。FIG. 13 is an enlarged view of a portion A in FIG. 図14は、ルートフローを有する継手に対して、裏曲げ試験を実施した場合の不良の発生を示す模式図である。FIG. 14 is a schematic diagram showing the occurrence of defects when a back bending test is performed on a joint having a root flow.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。 The following describes in detail an embodiment of the present invention. Note that the present invention is not limited to the embodiment described below, and can be modified as desired without departing from the spirit of the present invention.

[摩擦撹拌接合用工具]
図1は、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を示す斜視図である。また、図2は、図1における摩擦撹拌接合用工具の先端形状を拡大して示す斜視図である。図1に示すように、摩擦撹拌接合用工具10は、回転駆動用モータ17により回転可能に支持された回転部11と、回転部11の先端に、回転部11と同軸に固定された円柱形状のプローブ12と、回転部11を支持する本体部18と、を有する。
[Friction stir welding tools]
Fig. 1 is a perspective view showing a friction stir welding tool according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a perspective view showing an enlarged tip shape of the friction stir welding tool in Fig. 1. As shown in Fig. 1, the friction stir welding tool 10 has a rotating part 11 rotatably supported by a rotation drive motor 17, a cylindrical probe 12 fixed coaxially with the rotating part 11 at the tip of the rotating part 11, and a main body part 18 supporting the rotating part 11.

また、図2に示すように、プローブ12は、後述する被接合材の上面に線状で当接する4本の当接部13と、各当接部13からプローブ12の軸Sに対して略平行に延びる壁面14と、壁面14に連続して形成され、壁面14から離隔する方向に延びる連続面15と、を有する。 As shown in FIG. 2, the probe 12 has four contact portions 13 that contact the upper surface of the workpiece in a linear manner, wall surfaces 14 that extend from each contact portion 13 approximately parallel to the axis S of the probe 12, and a continuous surface 15 that is formed continuous with the wall surfaces 14 and extends in a direction away from the wall surfaces 14.

連続面15は、プローブ12の先端から最も離隔した位置に離隔部15aを有し、離隔部15aから隣り合う当接部13に向かって、先端に近づくように傾斜しているとともに、プローブ12の径中心方向に向かって、先端に近づくように傾斜している。本実施形態において、離隔部15aは、壁面14と連続面15との境界線14a上であって、プローブ12の最も外径側に位置している。 The continuous surface 15 has a separation portion 15a at a position farthest from the tip of the probe 12, and is inclined from the separation portion 15a toward the adjacent abutment portion 13 so as to approach the tip, and also inclined toward the radial center of the probe 12 so as to approach the tip. In this embodiment, the separation portion 15a is located on the boundary line 14a between the wall surface 14 and the continuous surface 15, and is located on the outermost radial side of the probe 12.

なお、線状の当接部13は、プローブ12の先端における略中心から径方向端部に直線状に延びており、当接部13から延びる連続面15は、平面状となっている。なお、当接部13は、プローブ12の先端における中心を通っていることが好ましいが、厳密に中心である必要はなく、略中心を通っていればよい。また、壁面14は、プローブ12の軸Sに対して厳密に平行に延びているものである必要はなく、軸Sに対して略平行であればよい。 The linear abutment portion 13 extends linearly from approximately the center of the tip of the probe 12 to the radial end, and the continuous surface 15 extending from the abutment portion 13 is planar. Although it is preferable that the abutment portion 13 passes through the center of the tip of the probe 12, it is not necessary for it to be exactly at the center, as long as it passes through approximately the center. Furthermore, the wall surface 14 does not need to extend strictly parallel to the axis S of the probe 12, as long as it is approximately parallel to the axis S.

上記のように構成された摩擦撹拌接合用工具10を用いて、一対のアルミニウム合金板(板材)の突合せ部を接合する方法について、以下に簡単に説明する。なお、図3において、プローブの先端形状は具体的な記載を省略している。
図3に示すように、まず、被接合材である一対のアルミニウム合金板1,2を、その端面同士が対向するように突き合わせて配置し、突合せ部16を形成する。次に、回転部11を回転させつつ、プローブ12を突合せ部16の上面(一方の面)16aに向かって押し当てることにより、プローブ12を突合せ部に16に圧入する。
その後、プローブ12を回転させながら、摩擦撹拌接合用工具10を突合せ部16に沿って図3に示す矢印Yの方向に移動させる。
A method for joining the butt joints of a pair of aluminum alloy plates (plate materials) using the friction stir welding tool 10 configured as described above will be briefly described below. Note that the specific shape of the tip of the probe is omitted in Fig. 3.
3, first, a pair of aluminum alloy plates 1, 2, which are the materials to be joined, are arranged so that their end faces face each other to butt against each other to form an butt joint 16. Next, while rotating the rotating part 11, the probe 12 is pressed against an upper surface (one surface) 16a of the butt joint 16, thereby press-fitting the probe 12 into the butt joint 16.
Thereafter, while rotating the probe 12, the friction stir welding tool 10 is moved along the butted portion 16 in the direction of the arrow Y shown in FIG.

このとき、突合せ部16に圧入されているプローブ12の周囲は、摩擦熱により加熱されて塑性流動が生じる。そして、プローブ12を突合せ部16に沿って移動させることにより、プローブ12の進行方向に沿ってアルミニウム合金板1,2が塑性流動し、アルミニウム合金板1とアルミニウム合金板2とが、突合せ部16において接合される。 At this time, the periphery of the probe 12, which is pressed into the butt joint 16, is heated by frictional heat, causing plastic flow. Then, by moving the probe 12 along the butt joint 16, the aluminum alloy plates 1 and 2 undergo plastic flow along the direction of movement of the probe 12, and the aluminum alloy plates 1 and 2 are joined at the butt joint 16.

本実施形態においては、上述のとおり、プローブ12の先端における4本の当接部13の間に、壁面14及び連続面15からなる溝が形成されている。また、離隔部15aから、プローブ12の円周方向に隣り合う当接部13に向かって、また、プローブ12の同軸円周方向に沿って、先端に近づくように傾斜した連続面15が形成されている。そして、この連続面15は、プローブ12の径中心に向かう方向にも、先端に近づくように傾斜している。 In this embodiment, as described above, a groove consisting of a wall surface 14 and a continuous surface 15 is formed between the four abutment portions 13 at the tip of the probe 12. In addition, a continuous surface 15 is formed that is inclined toward the tip from the separated portion 15a toward the adjacent abutment portion 13 in the circumferential direction of the probe 12 and along the coaxial circumferential direction of the probe 12. This continuous surface 15 is also inclined toward the tip in the direction toward the radial center of the probe 12.

このように、連続面15が傾斜しているとともに、壁面14がプローブ12の軸Sに対して平行に延びていると、プローブ12の回転に伴って、塑性流動した物質(材料)が連続面15に沿って移動した後、壁面14に衝突し、プローブ12の先端方向に移動する。これにより、プローブ12の回転により撹拌される撹拌領域のうち、特に先端側の撹拌領域を広げることができる。その結果、突合せ部16の裏面側に、未接合のルートフローが発生することを防止することができる。 In this way, when the continuous surface 15 is inclined and the wall surface 14 extends parallel to the axis S of the probe 12, as the probe 12 rotates, the plastically flowed material moves along the continuous surface 15, collides with the wall surface 14, and moves toward the tip of the probe 12. This makes it possible to expand the stirring area stirred by the rotation of the probe 12, particularly the stirring area on the tip side. As a result, it is possible to prevent the occurrence of unjoined root flow on the back side of the butt portion 16.

なお、本実施形態においては、線状の当接部13は、プローブ12の先端の中心から径方向端部に直線状に延びているが、当接部13は、プローブの回転方向に凸状となるように湾曲していても、回転方向とは反対の方向に凸状となるように湾曲していてもよい。なお、当接部は面状であってもよく、面状の当接部と壁面との間の稜線においても、プローブの回転方向に凸状となるように湾曲していても、回転方向とは反対の方向に凸状となるように湾曲していてもよい。線状の当接部13又は面上の当接部と壁面との間の稜線は、プローブの回転方向に凸状となるように湾曲しているよりも、直線状である方が撹拌効果を高めることができ、さらに、プローブの回転方向とは反対の方向に凸状となるように湾曲していると、より一層撹拌効果を高めることができる。ただし、プローブ12を加工する際の加工性の観点から、線状の当接部13又は稜線が略直線状であることが好ましい。 In this embodiment, the linear abutment portion 13 extends linearly from the center of the tip of the probe 12 to the radial end, but the abutment portion 13 may be curved so as to be convex in the rotation direction of the probe, or may be curved so as to be convex in the direction opposite to the rotation direction. The abutment portion may be planar, and the ridge between the planar abutment portion and the wall surface may be curved so as to be convex in the rotation direction of the probe, or may be curved so as to be convex in the direction opposite to the rotation direction. The linear abutment portion 13 or the ridge between the planar abutment portion and the wall surface can enhance the stirring effect by being linear rather than curved so as to be convex in the rotation direction of the probe, and further, if it is curved so as to be convex in the direction opposite to the rotation direction of the probe, the stirring effect can be further enhanced. However, from the viewpoint of processability when processing the probe 12, it is preferable that the linear abutment portion 13 or the ridge is approximately linear.

なお、本発明において、連続面15は、離隔部15aからプローブ12の同軸円周方向に沿って、また、径中心方向の両方に向かって先端面に近づくように形成される必要はない。プローブ12の他の形状例について、図4~図6を用いて以下に説明する。 In the present invention, the continuous surface 15 does not need to be formed so as to approach the tip surface from the separated portion 15a along the coaxial circumferential direction of the probe 12, or in the radial center direction. Other examples of the shape of the probe 12 are described below with reference to Figures 4 to 6.

図4に示すプローブ32は、被接合材の上面に面状に当接する4つの当接部33と、各当接部33からプローブ32の軸に対して略平行に延びる壁面34と、壁面34に連続して形成され、壁面34から離隔する方向に延びる連続面35と、を有する。当接部33と壁面34との間の稜線33aは直線状であり、壁面34は平面状に形成されている。また、連続面35は、プローブ32の先端から最も離隔した位置に離隔部35aを有する。 The probe 32 shown in FIG. 4 has four contact portions 33 that contact the upper surface of the workpiece in a planar manner, wall surfaces 34 that extend from each contact portion 33 approximately parallel to the axis of the probe 32, and a continuous surface 35 that is formed continuous with the wall surfaces 34 and extends in a direction away from the wall surfaces 34. The ridge line 33a between the contact portions 33 and the wall surfaces 34 is linear, and the wall surfaces 34 are formed flat. The continuous surface 35 also has a separation portion 35a at a position farthest from the tip of the probe 32.

図4に示す本実施形態において、連続面35は、壁面34に連続して形成され、隣り合う当接部33に到達するまでの全面を示す。また、離隔部35aは、壁面34におけるプローブ32の最も外周面側から、プローブ32の外周面に沿って延びる線状の部分を示す。連続面35は、離隔部35aからプローブ32の径中心方向に向かって、先端に近づくように傾斜している。また、連続面35は、離隔部35aからプローブ32の同軸円周方向に沿って、先端側に段階的に近づく階段形状を有している。 In the present embodiment shown in FIG. 4, the continuous surface 35 is formed continuously with the wall surface 34, and indicates the entire surface up to the adjacent abutment portion 33. The separated portion 35a indicates a linear portion extending from the outermost surface side of the probe 32 on the wall surface 34 along the outer circumferential surface of the probe 32. The continuous surface 35 is inclined from the separated portion 35a toward the radial center of the probe 32 so as to approach the tip. The continuous surface 35 has a stepped shape that gradually approaches the tip side from the separated portion 35a along the coaxial circumferential direction of the probe 32.

また、図5に示すプローブ42においても、前述のプローブ32と同様に、被接合材の上面に面状に当接する4つの当接部43と、各当接部43からプローブ42の軸に対して略平行に延びる壁面44と、壁面44に連続して形成され、壁面44から離隔する方向に延びる連続面45と、を有する。当接部43と壁面44との間の稜線43aは直線状であり、壁面44は平面状に形成されている。 The probe 42 shown in FIG. 5, like the probe 32 described above, has four contact portions 43 that contact the upper surface of the workpiece in a planar manner, wall surfaces 44 that extend from each contact portion 43 approximately parallel to the axis of the probe 42, and a continuous surface 45 that is formed continuous with the wall surfaces 44 and extends in a direction away from the wall surfaces 44. The ridge line 43a between the contact portions 43 and the wall surfaces 44 is linear, and the wall surfaces 44 are formed flat.

図5に示す本実施形態において、連続面45は、壁面44に連続して形成され、隣り合う当接部43に到達するまでの全面を示す。また、連続面45は、プローブ42の先端から最も離隔した位置に、軸に直交する平面状の離隔部45aを有する。本実施形態において、連続面45は、プローブ42の径方向端部から径中心方向に向かって傾斜していない。ただし、連続面45は、離隔部45aからプローブ42の同軸円周方向に沿って、プローブ42の先端側に段階的に近づく螺旋階段形状を有している。 In the present embodiment shown in FIG. 5, the continuous surface 45 is formed continuously with the wall surface 44, and shows the entire surface up to the adjacent abutment portion 43. The continuous surface 45 also has a planar separation portion 45a perpendicular to the axis at the position furthest from the tip of the probe 42. In this embodiment, the continuous surface 45 is not inclined from the radial end of the probe 42 toward the radial center. However, the continuous surface 45 has a spiral staircase shape that gradually approaches the tip side of the probe 42 from the separation portion 45a along the coaxial circumferential direction of the probe 42.

さらに、図6に示すプローブ52は、被接合材の上面に面状に当接する4つの当接部53と、各当接部53からプローブ52の軸に対して略平行に延びる壁面54と、壁面54に連続して形成され、壁面54から離隔する方向に延びる連続面55と、を有する。当接部53と壁面54との間の稜線53aは直線状であり、壁面54は平面状に形成されている。また、連続面55は、プローブ52の先端から最も離隔した位置に離隔部55aを有する。 The probe 52 shown in FIG. 6 has four contact portions 53 that contact the upper surface of the workpiece in a planar manner, wall surfaces 54 that extend from each contact portion 53 approximately parallel to the axis of the probe 52, and a continuous surface 55 that is formed continuous with the wall surfaces 54 and extends in a direction away from the wall surfaces 54. The ridge line 53a between the contact portions 53 and the wall surfaces 54 is linear, and the wall surfaces 54 are formed flat. The continuous surface 55 also has a separation portion 55a at a position farthest from the tip of the probe 52.

図6に示す本実施形態において、離隔部55aは、壁面54におけるプローブ52の最も外周面側から、プローブ52の外周面に沿って延びる線状の部分を示す。そして、連続面55は、離隔部55aからプローブ52の径中心方向に向かって、プローブ52の先端に近づくように傾斜している。なお、連続面55は、壁面54と連続面55との境界線から、プローブ32の同軸円周方向に沿って、傾斜していない。 In the present embodiment shown in FIG. 6, the separation portion 55a is a linear portion extending from the outermost surface side of the probe 52 on the wall surface 54 along the outer circumferential surface of the probe 52. The continuous surface 55 is inclined from the separation portion 55a toward the radial center of the probe 52 so as to approach the tip of the probe 52. Note that the continuous surface 55 is not inclined from the boundary between the wall surface 54 and the continuous surface 55 along the coaxial circumferential direction of the probe 52.

このように、プローブが壁面と連続面とからなる凹部(溝)を有し、離隔部を起点として、連続面が同軸円周方向に沿って、又は径中心方向に向かって先端に近づくように形成されていることより、撹拌効果は著しく向上し、撹拌領域を広げることができる。 In this way, the probe has a recess (groove) consisting of a wall surface and a continuous surface, and the continuous surface is formed so that it approaches the tip along the coaxial circumferential direction or toward the radial center starting from the separation part, thereby significantly improving the stirring effect and expanding the stirring area.

なお、図2及び図4~図6に示すように、連続面は、プローブの同軸円周方向に沿って、プローブの先端に近づくように形成されていてもよいし、プローブの径中心方向に向かってのみ先端に近づくように形成されていてもよい。また、連続面は、傾斜面ではなく、先端に段階的に近づく階段形状であってもよい。さらに、離隔部は点状、線状及び面状のいずれの形状であってもよい。また、当接部は少なくとも1つ存在すればよいが、複数の当接部を有することが、撹拌効率を向上させることができるため好ましい。 As shown in Figures 2 and 4 to 6, the continuous surface may be formed so as to approach the tip of the probe along the coaxial circumferential direction of the probe, or may be formed so as to approach the tip only toward the radial center of the probe. The continuous surface may not be an inclined surface, but may be a stepped shape that approaches the tip in stages. Furthermore, the separation portion may be in the shape of a point, a line, or a surface. Although it is sufficient for there to be at least one contact portion, it is preferable to have multiple contact portions, as this can improve the stirring efficiency.

[摩擦撹拌接合方法]
次に、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法について、図面を用いて具体的に説明する。
本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法は、上記摩擦撹拌接合用工具を用いて、一対の板材を接合する方法である。具体的には、図3及び図7に示すように、まず、一対のアルミニウム合金板(板材)1,2を、その端面同士が対向するように突き合わせて配置し、突合せ部16を形成する。次に、アルミニウム合金板1,2の板厚T1から、プローブ12の長さT2を減じた部分の残厚T3が0(mm)超となるように、すなわち、プローブ12の先端が突合せ部16における裏面(他方の面)16b側に到達しないように、プローブ12の長さT2を設定する。
[Friction stir welding method]
Next, the friction stir welding method according to this embodiment will be specifically described with reference to the drawings.
The friction stir welding method according to the present embodiment is a method for joining a pair of plate materials using the above-mentioned friction stir welding tool. Specifically, as shown in Fig. 3 and Fig. 7, first, a pair of aluminum alloy plates (plate materials) 1, 2 are arranged so that their end faces face each other to form a butt joint 16. Next, the length T2 of the probe 12 is set so that the remaining thickness T3 of the portion obtained by subtracting the length T2 of the probe 12 from the plate thickness T1 of the aluminum alloy plates 1, 2 exceeds 0 (mm), that is, so that the tip of the probe 12 does not reach the back surface (other surface) 16b side of the butt joint 16.

次に、プローブ12を回転させつつ、突合せ部16における上面(一方の面)16a側から押圧し、プローブ12を突合せ部に16に圧入する。その後、プローブ12を回転させた状態を保持しながら、摩擦撹拌接合用工具10を突合せ部16に沿って移動させる。このとき、プローブ12の回転により、プローブ12の下方及び周辺部に、微細な粒子からなる撹拌領域が形成される。本実施形態においては、撹拌領域が、突合せ部16における裏面(他方の面)16b側に到達するように、突合せ部16を摩擦撹拌する。 Next, while rotating the probe 12, pressure is applied from the upper surface (one surface) 16a of the butt joint 16, and the probe 12 is pressed into the butt joint 16. Thereafter, while maintaining the probe 12 rotated, the friction stir welding tool 10 is moved along the butt joint 16. At this time, a stirring region made of fine particles is formed below and around the probe 12 due to the rotation of the probe 12. In this embodiment, the butt joint 16 is friction stirred so that the stirring region reaches the back surface (the other surface) 16b of the butt joint 16.

プローブ12の先端が、突合せ部16における裏面16b側に到達しないようにするとともに、撹拌領域が、裏面16b側に到達するように、摩擦撹拌する方法としては、プローブ12の長さT2及び回転速度を調整する方法が挙げられる。上記のような方法で摩擦撹拌接合を実施することにより、突合せ部16の裏面16b側に、未接合のルートフローが発生することを防止することができる。 As a method of friction stirring so that the tip of the probe 12 does not reach the back surface 16b of the butt joint 16 and the stirring area reaches the back surface 16b, a method of adjusting the length T2 and rotation speed of the probe 12 is included. By performing friction stir welding in the above-mentioned manner, it is possible to prevent the occurrence of unjoined root flow on the back surface 16b of the butt joint 16.

なお、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法は、突合せ継手の接合時に未接合のルートフローが発生することを防止することができるが、継手形状は突合せ継手の接合に限定されず、重ね継手の接合等にも適用することができる。重ね継手の接合の場合には、もともとルートフローの接合不良が発生するおそれはないが、本実施形態によると、撹拌領域がプローブの先端方向に広がるため、深い位置まで撹拌領域を形成することができ、より高強度の継手を得ることができる。 The friction stir welding method according to this embodiment can prevent the occurrence of unjoined root flow when joining a butt joint, but the joint shape is not limited to joining a butt joint, and can also be applied to joining lap joints, etc. When joining a lap joint, there is no risk of poor joining of the root flow to begin with, but according to this embodiment, the stirring region spreads toward the tip of the probe, so the stirring region can be formed deep down, resulting in a joint with higher strength.

[摩擦撹拌接合継手]
次に、本実施形態に係る上記摩擦撹拌接合方法により得られる摩擦撹拌接合継手について、説明する。
図8に示すように、上記摩擦撹拌接合方法により、突合せ部16が延びる方向に直交する断面には、撹拌領域19が形成されている。撹拌領域19は、アルミニウム合金板1,2を構成する粒子よりも微細な粒子により構成された領域を示す。
[Friction stir welded joint]
Next, a friction stir welded joint obtained by the above-described friction stir welding method according to this embodiment will be described.
As shown in Fig. 8, by the above-mentioned friction stir welding method, a stirring region 19 is formed in a cross section perpendicular to the extending direction of the butt portion 16. The stirring region 19 indicates a region constituted by particles finer than the particles constituting the aluminum alloy plates 1 and 2.

突合せ部16が延びる方向に直交する断面において、撹拌領域19は、アルミニウム合金板1,2の厚さ方向に直交する方向を長径Rwとし、突合せ部16の裏面16bに向かって突出する円弧60aを有する半楕円形状部60を有し、突合せ部16の上面16aに近づくにしたがって広がった形状となっている。また、図8では、便宜上、円弧60aは突合せ部16の裏面16b側に到達していないが、上述のとおり、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法によると、撹拌領域19が裏面16b側に到達するように、摩擦撹拌するため、円弧60aは突合せ部16の裏面16b側に到達する。 In a cross section perpendicular to the direction in which the butt joint 16 extends, the stirring region 19 has a semi-elliptical portion 60 with a major axis Rw perpendicular to the thickness direction of the aluminum alloy plates 1 and 2 and an arc 60a protruding toward the back surface 16b of the butt joint 16, and the shape widens as it approaches the upper surface 16a of the butt joint 16. In addition, in FIG. 8, for convenience, the arc 60a does not reach the back surface 16b of the butt joint 16, but as described above, according to the friction stir welding method of this embodiment, friction stirring is performed so that the stirring region 19 reaches the back surface 16b, so that the arc 60a reaches the back surface 16b of the butt joint 16.

なお、撹拌領域19と裏面16bとの距離をH(mm)とするとき、円弧60aが突合せ部16の裏面16b側に到達していない状態を、H>0とする。また、円弧60aの最下端が突合せ部16の裏面16bとちょうど重なった状態、及び円弧60aの最下端が突合せ部16の裏面16bで切れた状態を、H≦0とする。したがって、円弧60aが突合せ部16の裏面(他方の面)16b側に到達することは、H≦0であることを表す。 When the distance between the stirring region 19 and the back surface 16b is H (mm), the state in which the arc 60a has not reached the back surface 16b of the butt joint 16 is H>0. The state in which the bottom end of the arc 60a just overlaps with the back surface 16b of the butt joint 16, and the state in which the bottom end of the arc 60a is cut off by the back surface 16b of the butt joint 16 are H≦0. Therefore, the fact that the arc 60a has reached the back surface (the other surface) 16b of the butt joint 16 indicates that H≦0.

さらに、本実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具10は、プローブ12の先端形状に特徴を有しており、従来の摩擦撹拌接合用工具と比較して、プローブ12の回転により撹拌される撹拌領域19のうち、特に先端側の撹拌領域を広げることができる。したがって、上記半楕円形状部60に基づき、楕円61を想定した場合に、楕円61の短径Rtに対する長径Rwの比(Rw/Rt)は、3.0以下であることが好ましい。 Furthermore, the friction stir welding tool 10 according to this embodiment has a characteristic tip shape of the probe 12, and compared to conventional friction stir welding tools, it is possible to widen the stirring area 19 stirred by the rotation of the probe 12, particularly the stirring area at the tip side. Therefore, when an ellipse 61 is assumed based on the above-mentioned semi-elliptical shaped portion 60, it is preferable that the ratio of the major axis Rw to the minor axis Rt of the ellipse 61 (Rw/Rt) is 3.0 or less.

図9は、図8に示す断面図の一部を拡大して示す図面代用写真である。断面における粒子の状態は、上記断面を電界エッチングし、粒界表面の特性を変化させた後、顕微鏡により観察することができる。図9に示すように、撹拌領域19における領域Bに存在する粒子Pは、アルミニウム合金板2における領域(撹拌領域19から離隔した領域)Aに存在する粒子Pと比較して、粒子の大きさが極めて小さいため、顕微鏡写真を目視することによっても確認することができる。本願明細書においては、上記断面を観察した場合に、アルミニウム合金板1,2を構成する粒子の平均粒子径の1/2以下の平均粒子径を有する領域を、撹拌領域19としている。 9 is a drawing substitute photograph showing an enlarged part of the cross-sectional view shown in FIG. 8. The state of the particles in the cross-section can be observed by a microscope after the cross-section is electrolytically etched to change the characteristics of the grain boundary surface. As shown in FIG. 9, the size of the particles P B present in the region B of the stirring region 19 is extremely small compared to the size of the particles P A present in the region A (region separated from the stirring region 19) in the aluminum alloy plate 2, and therefore it can be confirmed by visually inspecting the micrograph. In the present specification, the region having an average particle size of 1/2 or less of the average particle size of the particles constituting the aluminum alloy plates 1 and 2 when the cross-section is observed is defined as the stirring region 19.

アルミニウム合金板1,2そのものを構成する領域と、撹拌領域19との境界線は、例えば、以下のようにして設定することができる。先ず、目視により仮の境界線62を設定し、仮の境界線62に直交する方向に延びる補助線63を作成する。次に、補助線63内であって、突合せ部16から十分に離隔した位置において、単位長さ(例えば200μm)あたりに存在する粒子の個数、すなわち、アルミニウム合金板1,2を構成する粒子の個数を計測する。そして、単位長さを個数で除することにより、アルミニウム合金板1,2を構成する粒子Pの平均粒子径を算出する。 The boundary between the region constituting the aluminum alloy plates 1, 2 themselves and the stirring region 19 can be set, for example, as follows. First, a tentative boundary line 62 is visually set, and an auxiliary line 63 extending in a direction perpendicular to the tentative boundary line 62 is created. Next, the number of particles present per unit length (e.g., 200 μm) is measured at a position within the auxiliary line 63 and sufficiently separated from the butt joint 16, i.e., the number of particles constituting the aluminum alloy plates 1, 2. Then, the unit length is divided by the number to calculate the average particle diameter of the particles P A constituting the aluminum alloy plates 1, 2.

その後、補助線63内において、測定位置を撹拌領域19に近づけ、同様に、単位長さあたりに存在する粒子の個数から、その位置における粒子の平均粒子径を算出する。そして、得られた平均粒子径がアルミニウム合金板1,2を構成する粒子Pの平均粒子径の1/2以下となった時点で、その単位長さの中央を境界点に設定する。
その後、異なる位置で仮の境界線と補助線とを作成し、同様の方法により複数の境界点を設定して、これらを繋ぎ合わせることにより、アルミニウム合金板1,2そのものを構成する領域と、撹拌領域19との境界線を設定することができ、図8に示す半楕円形状部60における円弧60aを作図することができる。
Thereafter, within the auxiliary line 63, the measurement position is moved closer to the stirring region 19, and the average particle diameter of the particles at that position is calculated from the number of particles present per unit length in the same manner. Then, when the obtained average particle diameter becomes ½ or less of the average particle diameter of the particles P A constituting the aluminum alloy plates 1 and 2, the center of the unit length is set as the boundary point.
Thereafter, temporary boundary lines and auxiliary lines are created at different positions, and multiple boundary points are set in a similar manner. By connecting these, it is possible to set the boundary line between the region constituting the aluminum alloy plates 1, 2 themselves and the stirring region 19, and it is possible to draw the arc 60a in the semi-elliptical portion 60 shown in FIG. 8.

以下、本実施形態に係る発明例及び比較例を挙げて、本発明の効果を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 The effects of the present invention will be specifically explained below using examples of the present invention and comparative examples, but the present invention is not limited to these.

<摩擦撹拌接合>
発明例として、図2に示す形状のプローブ12を有する摩擦撹拌接合用工具10を準備するとともに、比較例として、先端が平面であるプローブを有する摩擦撹拌接合用工具を準備し、それぞれの工具を使用して、図3に示す摩擦撹拌接合方法を用いて摩擦撹拌接合を実施した。具体的には、一対のアルミニウム合金板1,2を、その端面同士が対向するように突き合わせて配置し、突合せ部16を形成した。次に、回転部11を回転させつつ、プローブ12を突合せ部16の上面16aに向かって押し当てることにより、プローブ12を突合せ部に16に圧入した。なお、プローブ12の長さを種々に変更して、残厚T3を変化させた。
その後、プローブ12を回転させながら、摩擦撹拌接合用工具10を突合せ部16に沿って図3に示す矢印Yの方向に移動させることにより、継手を得た。
<Friction stir welding>
As an example of the invention, a friction stir welding tool 10 having a probe 12 shaped as shown in Fig. 2 was prepared, and as a comparative example, a friction stir welding tool having a probe with a flat tip was prepared, and friction stir welding was performed using each tool by using the friction stir welding method shown in Fig. 3. Specifically, a pair of aluminum alloy plates 1, 2 were arranged so that their end faces faced each other, and a butt joint 16 was formed. Next, while rotating the rotating part 11, the probe 12 was pressed against the upper surface 16a of the butt joint 16, thereby pressing the probe 12 into the butt joint 16. The length of the probe 12 was variously changed to change the remaining thickness T3.
Thereafter, the friction stir welding tool 10 was moved along the butted portions 16 in the direction of arrow Y shown in FIG. 3 while rotating the probe 12, thereby obtaining a joint.

<接合部の評価>
(裏曲げ試験)
突合せ部16における裏面16b側が凸状となるように、図14に示すような裏曲げ試験を実施し、ルートフローの有無を観察した。接合時の条件及び評価方法を以下に示す。また、裏曲げ試験後の継手の様子を図10に示す。
<Evaluation of joints>
(Back bending test)
A back bending test was performed as shown in Fig. 14 so that the back surface 16b side of the butt joint 16 would be convex, and the presence or absence of root flow was observed. The joining conditions and evaluation method are shown below. The state of the joint after the back bending test is shown in Fig. 10.

摩擦撹拌接合用工具:発明例(図2に示す形状のプローブ12)、比較例(先端が平面であるプローブ)
工具の移動速度:1.0m/分
回転部の回転数:2000rpm
被接合材:アルミニウム合金板 AA5182-O
被接合材の板厚T1:2.3mm
残厚T3:0.3mm,0.2mm,0.1mm
評価方法:裏曲げ試験(角度 90°、曲げ半径 2.5mm)
Friction stir welding tool: Example of the invention (probe 12 having the shape shown in FIG. 2), comparative example (probe with a flat tip)
Tool movement speed: 1.0 m/min. Rotation speed of rotating part: 2000 rpm
Material to be joined: Aluminum alloy plate AA5182-O
Plate thickness T1 of the workpiece to be joined: 2.3 mm
Residual thickness T3: 0.3mm, 0.2mm, 0.1mm
Evaluation method: Reverse bending test (angle 90°, bending radius 2.5 mm)

(撹拌領域の観察)
また、上記接合方法と同様の条件により、摩擦撹拌接合継手を形成し、突合せ部16が延びる方向に直交する断面に対して、電解エッチングした後、その断面を顕微鏡により観察した。各摩擦撹拌接合継手の断面における撹拌領域を図11に示す。なお、図10及び図11において、発明例とは、本発明の実施形態に係る摩擦撹拌接合用工具を用いた例を示す。
(Observation of the stirring region)
In addition, friction stir welded joints were formed under the same conditions as in the above welding method, and a cross section perpendicular to the direction in which the butt joint 16 extends was electrolytically etched and then observed under a microscope. The stirring region in the cross section of each friction stir welded joint is shown in Figure 11. In Figures 10 and 11, the invention example refers to an example in which the friction stir welding tool according to the embodiment of the present invention is used.

(撹拌領域の大きさ及び裏面からの距離の測定)
図11に示す各試験片の断面を観察し、図8に示すように、目視により半楕円形状部60の円弧60aを作図するとともに、半楕円形状部60に基づいて想定される楕円61を作図し、得られた楕円61の短径Rt及び長径Rwを測定した。また、楕円の短径Rtに対する長径Rwの比(Rw/Rt)を算出した。さらに、撹拌領域19と裏面16bとの距離Hを測定した。なお、撹拌領域19と裏面16bとの距離Hとは、突合せ部16における裏面16bと、撹拌領域19における最も裏面に近い位置(円弧60aの最も突出した位置)との間の距離を示す。測定結果及び算出結果を下記表1に示す。
(Measurement of size of stirring area and distance from back surface)
The cross section of each test piece shown in FIG. 11 was observed, and as shown in FIG. 8, the arc 60a of the semi-elliptical portion 60 was visually drawn, and an ellipse 61 was drawn based on the semi-elliptical portion 60, and the minor axis Rt and major axis Rw of the obtained ellipse 61 were measured. In addition, the ratio of the major axis Rw to the minor axis Rt of the ellipse (Rw/Rt) was calculated. Furthermore, the distance H between the stirring region 19 and the back surface 16b was measured. The distance H between the stirring region 19 and the back surface 16b indicates the distance between the back surface 16b in the butt portion 16 and the position closest to the back surface in the stirring region 19 (the most protruding position of the arc 60a). The measurement results and calculation results are shown in Table 1 below.

(粒子径の測定)
発明例No.2について、図11における発明例No.2及びその拡大図である図9に基づき、撹拌領域内(図9に示す領域B)における粒子の平均粒子径と、撹拌領域から離隔した領域(図9に示す領域A)における粒子の平均粒子径とを比較した。
なお、平均粒子径は、各領域において任意の3つの粒子を選択し、各粒子の粒子径を計測することにより算出した。発明例の各試験片の粒子径及び平均粒子径を下記表2に示す。
(Measurement of particle size)
For Example No. 2, the average particle size of the particles in the stirring region (region B in FIG. 9) was compared with the average particle size of the particles in the region separated from the stirring region (region A in FIG. 9) based on Example No. 2 in FIG. 11 and its enlarged view in FIG. 9.
The average particle size was calculated by measuring the particle size of each of three randomly selected particles in each region. The particle sizes and average particle sizes of the test pieces of the invention examples are shown in Table 2 below.

Figure 0007544683000001
Figure 0007544683000001

Figure 0007544683000002
Figure 0007544683000002

上記表2に示すように、撹拌領域における平均粒子径は、アルミニウム合金板における粒子の平均粒子径の1/2以下となっていた。また、図10、図11及び上記表1に示すように、全ての試験片において、アルミニウム合金板における粒子の平均粒子径の1/2以下である平均粒子径を有し、半楕円形状部を有する撹拌領域を観察することができた。特に、発明例No.3の試験片については、ルートフローが形成されず、裏曲げ試験で優れた結果を得ることができた。 As shown in Table 2 above, the average particle size in the stirring region was 1/2 or less of the average particle size of the particles in the aluminum alloy plate. Also, as shown in Figures 10 and 11 and Table 1 above, in all test pieces, a stirring region having an average particle size that was 1/2 or less of the average particle size of the particles in the aluminum alloy plate and a semi-elliptical portion could be observed. In particular, in the test piece of invention example No. 3, no root flow was formed, and excellent results were obtained in the back bending test.

なお、比較例No.1~3並びに発明例No.1及び2は、図10中に矢印で示す箇所にルートフローが形成されたが、ルートフローの元となる撹拌領域と裏面との距離Hは、いずれの残厚で比較しても、発明例の方が小さくなった。これは、Rw/Rtの結果からも示されるように、発明例の方が、Rw/Rtの値が3.0以下であって、比較例と比較して小さい値となっており、撹拌領域がプローブの先端側に広がっていることを意味している。すなわち、本発明に係る摩擦撹拌接合用工具を使用することにより、残厚が0mm超であっても、撹拌領域の円弧を裏面側に到達させることができ、ルートフローの発生を抑制しやすくすることができた。 In Comparative Examples 1 to 3 and Invention Examples 1 and 2, root flow was formed at the location indicated by the arrow in Figure 10, but the distance H between the stirring region that is the source of root flow and the back surface was smaller in the invention examples at any remaining thickness. This means that, as shown by the results of Rw/Rt, the invention examples have Rw/Rt values of 3.0 or less, which is smaller than the comparative examples, and the stirring region spreads toward the tip side of the probe. In other words, by using the friction stir welding tool according to the present invention, even if the remaining thickness is more than 0 mm, the arc of the stirring region can reach the back surface, making it easier to suppress the occurrence of root flow.

10 摩擦撹拌接合用工具
11 回転部
12 プローブ
13 当接部
14 壁面
14a 境界線
15 連続面
15a 離隔部
S 軸
REFERENCE SIGNS LIST 10 friction stir welding tool 11 rotating part 12 probe 13 contact part 14 wall surface 14a boundary line 15 continuous surface 15a separation part S axis

Claims (10)

円柱形状のプローブを回転させつつ、被接合材に前記プローブの先端を押し当てることにより摩擦熱を発生させて、前記被接合材を接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
前記プローブは、
前記プローブの先端における略中心から径方向端部まで延び、前記被接合材の表面に線状又は面状で当接する少なくとも1つの当接部と、
前記当接部から前記プローブの軸に対して略平行に延びる少なくとも1つの壁面と、
前記壁面に連続して形成され、前記壁面から離隔する方向に延びる連続面と、を有し、
前記連続面は、前記プローブの先端から最も離隔した位置に離隔部を有し、前記離隔部から前記プローブの同軸円周方向及び前記プローブの径中心方向の少なくとも一方に向かって前記プローブの先端に近づくように形成されており、
前記被接合材の表面に当接する前記線状の当接部、又は前記面状の当接部と前記壁面との間の稜線は略直線状であり、前記壁面は略平面状である、摩擦撹拌接合用工具。
A friction stir welding tool that rotates a cylindrical probe and presses a tip of the probe against workpieces to generate frictional heat and join the workpieces,
The probe comprises:
At least one contact portion extending from approximately the center of the tip of the probe to a radial end portion and contacting the surface of the workpiece in a linear or planar manner;
At least one wall surface extending from the abutment portion substantially parallel to an axis of the probe;
a continuous surface formed continuously with the wall surface and extending in a direction away from the wall surface,
the continuous surface has a separated portion at a position farthest from the tip of the probe, and is formed so as to approach the tip of the probe from the separated portion in at least one of a coaxial circumferential direction of the probe and a radial center direction of the probe ,
A friction stir welding tool, wherein the ridgeline between the linear abutment portion that abuts against the surface of the workpiece or the planar abutment portion and the wall surface is approximately linear, and the wall surface is approximately planar .
円柱形状のプローブを回転させつつ、被接合材に前記プローブの先端を押し当てることにより摩擦熱を発生させて、前記被接合材を接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
前記プローブは、
前記プローブの先端における略中心から径方向端部まで延び、前記被接合材の表面に線状又は面状で当接する少なくとも1つの当接部と、
前記当接部から前記プローブの軸に対して略平行に延びる少なくとも1つの壁面と、
前記壁面に連続して形成され、前記壁面から離隔する方向に延びる連続面と、を有し、
前記連続面は、前記プローブの先端から最も離隔した位置に離隔部を有し、前記離隔部から前記プローブの同軸円周方向及び前記プローブの径中心方向の少なくとも一方に向かって前記プローブの先端に近づくように形成されており、
前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、摩擦撹拌接合用工具。
A friction stir welding tool that rotates a cylindrical probe and presses a tip of the probe against workpieces to generate frictional heat and join the workpieces,
The probe comprises:
At least one contact portion extending from approximately the center of the tip of the probe to a radial end portion and contacting the surface of the workpiece in a linear or planar manner;
At least one wall surface extending from the abutment portion substantially parallel to an axis of the probe;
a continuous surface formed continuously with the wall surface and extending in a direction away from the wall surface,
the continuous surface has a separated portion at a position farthest from the tip of the probe, and is formed so as to approach the tip of the probe from the separated portion in at least one of a coaxial circumferential direction of the probe and a radial center direction of the probe ,
A friction stir welding tool , wherein the continuous surface has a stepped shape that approaches the tip in stages from the separated portion toward a radial center of the probe.
円柱形状のプローブを回転させつつ、被接合材に前記プローブの先端を押し当てることにより摩擦熱を発生させて、前記被接合材を接合する摩擦撹拌接合用工具であって、
前記プローブは、
前記プローブの先端における略中心から径方向端部まで延び、前記被接合材の表面に線状又は面状で当接する少なくとも1つの当接部と、
前記当接部から前記プローブの軸に対して略平行に延びる少なくとも1つの壁面と、
前記壁面に連続して形成され、前記壁面から離隔する方向に延びる連続面と、を有し、
前記連続面は、前記プローブの先端から最も離隔した位置に離隔部を有し、前記離隔部から前記プローブの同軸円周方向及び前記プローブの径中心方向の少なくとも一方に向かって前記プローブの先端に近づくように形成されており、
前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、摩擦撹拌接合用工具。
A friction stir welding tool that rotates a cylindrical probe and presses a tip of the probe against workpieces to generate frictional heat and join the workpieces,
The probe comprises:
At least one contact portion extending from approximately the center of the tip of the probe to a radial end portion and contacting the surface of the workpiece in a linear or planar manner;
At least one wall surface extending from the abutment portion substantially parallel to an axis of the probe;
a continuous surface formed continuously with the wall surface and extending in a direction away from the wall surface,
the continuous surface has a separated portion at a position farthest from the tip of the probe, and is formed so as to approach the tip of the probe from the separated portion in at least one of a coaxial circumferential direction of the probe and a radial center direction of the probe ,
A friction stir welding tool , wherein the continuous surface has a stepped shape that approaches the tip in stages from the separated portion along a coaxial circumferential direction of the probe.
前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に近づく方向に傾斜している、請求項1又は3に記載の摩擦撹拌接合用工具。 The friction stir welding tool according to claim 1 or 3 , wherein the continuous surface is inclined from the separated portion toward a radial center of the probe and in a direction approaching the tip. 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの径中心方向に向かって、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、請求項1に記載の摩擦撹拌接合用工具。 The friction stir welding tool according to claim 1 , wherein the continuous surface has a stepped shape that approaches the tip in a stepwise manner from the separated portion toward a radial center of the probe. 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に近づく方向に傾斜している、請求項1又は2に記載の摩擦撹拌接合用工具。 3. The friction stir welding tool according to claim 1 , wherein the continuous surface is inclined from the separated portion toward the tip along a coaxial circumferential direction of the probe. 前記連続面は、前記離隔部から、前記プローブの同軸円周方向に沿って、前記先端に段階的に近づく階段形状を有する、請求項1又は2に記載の摩擦撹拌接合用工具。 The friction stir welding tool according to claim 1 or 2 , wherein the continuous surface has a stepped shape that approaches the tip in a stepwise manner from the separated portion along a coaxial circumferential direction of the probe. 前記プローブは、複数の当接部を有し、
前記複数の当接部の間に前記壁面及び前記連続面が形成されている、請求項1~7のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合用工具。
The probe has a plurality of contact portions,
The friction stir welding tool according to claim 1 , wherein the wall surface and the continuous surface are formed between the plurality of contact portions.
請求項1~のいずれか1項に記載の摩擦撹拌接合用工具を用いて一対の板材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
一対の板材を突き合わせて配置し、突合せ部を形成する工程と、
前記板材の板厚から前記プローブの長さを減ずることにより得られる残厚が0(mm)超となるように前記プローブの長さを設定する工程と、
前記プローブを回転させつつ、前記突合せ部における一方の面から押圧し、前記プローブの回転により撹拌される撹拌領域が、前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記突合せ部を摩擦撹拌する工程と、を有する、摩擦撹拌接合方法。
A friction stir welding method for joining a pair of plate materials using the friction stir welding tool according to any one of claims 1 to 8 ,
a step of butting a pair of plate materials together to form a butt joint;
setting the length of the probe so that a residual thickness obtained by subtracting the length of the probe from a thickness of the plate material is greater than 0 (mm);
and pressing one surface of the butt joint with the probe while rotating the probe, thereby friction-stirring the butt joint so that a stirring region stirred by the rotation of the probe reaches the other surface of the butt joint.
前記突合せ部を摩擦撹拌する工程において、前記撹拌領域が前記突合せ部における他方の面に到達するように、前記プローブの長さ及び回転速度を調整する、請求項に記載の摩擦撹拌接合方法。 The friction stir welding method according to claim 9 , wherein in the step of frictionally stirring the butt joint, a length and a rotation speed of the probe are adjusted so that the stirring region reaches the other surface of the butt joint.
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