专利名称：摩擦搅拌接合用旋转工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在对由铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等金属材料构成的被接合部件进行摩擦搅拌接合时使用的摩擦搅拌接合用旋转工具，特别地，涉及一种耐久性优良， 并且能够得到高品质的摩擦搅拌接合的摩擦搅拌接合用旋转工具。
背景技术：
当前，作为将由铝合金、镁合金、铜合金、钛合金等金属材料构成的被接合部件彼此进行接合的方法，存在利用螺栓或铆钉的机械接合、或者电阻点焊、电弧焊、气焊。该电阻点焊、电弧焊、气焊等与利用螺栓或铆钉的机械接合相比，使产品重量轻，工时也较少且装置也比较简单，因此，被广泛利用。但是，在上述的焊接中，焊接温度较高，接合部被加热至大致熔融温度，担心在被接合部件中产生由热变形、硬化、残留应力、脆化、氧化导致的接合不良等各种热影响。在这里，提出了一种取代焊接，而通过摩擦搅拌使被接合部件彼此接合的摩擦搅拌接合方法。图8是表示在该摩擦搅拌接合中使用的摩擦搅拌接合用旋转工具的一个例子的旋转工具前端部的斜视图，图9是表示摩擦搅拌接合方法的图。如图8所示，摩擦搅拌接合用旋转工具100为圆柱状，在其前端具有圆柱状的轴肩部101，探头销102从轴肩部101的前端面IOla凸出，在探头销102的前端侧外周形成螺纹部10加。如图9所示利用旋转驱动装置105使该摩擦搅拌接合用旋转工具100高速地旋转，同时将从轴肩部101的前端面IOla凸出的探头销102向被接合部件W彼此的接合部 Wa中压入，并且使轴肩部101的前端面IOla与被接合部件W的表面接触。在该状态下，使摩擦搅拌接合用旋转工具100 —边沿被接合部件W的接合部Wa移动，一边沿被接合部件W 彼此的接合部Wa进行接合。S卩，在该摩擦搅拌接合用旋转工具100中，利用进行高速旋转的轴肩部101、探头销102和被接合部件W的摩擦热，使被接合部件W塑性流动化，该流动化的被接合部件W在其接合部Wa处，被设置在探头销102的外周上的螺纹部10 搅拌，然后，使该部分冷却，从而使被接合部件W彼此在接合部Wa处接合。在如上所述通过摩擦搅拌接合而使被接合部件W彼此接合的情况下，与焊接相比，可以在低温下使被接合部件W彼此接合，可以抑制接合时的热影响，并且，可以使接合部Wa整体均勻地接合，并且，也可以容易地进行不同种类材料的接合。作为构成该摩擦搅拌接合用旋转工具100中的轴肩部101和探头销102的材料，通常使用热锻模具钢。但是，在使摩擦搅拌接合用旋转工具100高速旋转，将探头销102向被接合部件W 彼此的接合部Wa中压入，并且使轴肩部101的前端面IOla与被接合部件W接触，利用摩擦热使被接合部件W塑性流动化的情况下，如果流动化的被接合部件W与轴肩部101或探头销102熔接，则搅拌阻力变大，成为探头销102损坏的主要原因。另外，轴肩部101及探头销102暴露于高温下，磨损变得剧烈，并且强度下降，担心被反复施加拉伸及压缩负载的探头销102的压曲以及损坏、接合后的被接合部件W的接合部Wa发生热变形。另外，在摩擦搅拌接合用旋转工具的探头销等损坏的情况下，有时被接合部件损伤，或者危及作业人员安全。作为防止该摩擦搅拌接合用旋转工具损坏的对策，存在增大摩擦搅拌接合用旋转工具的轴径、增大应力集中部的曲率、将摩擦搅拌接合用旋转工具的材料高强度化等各种方案，但为了确认有无与上述变更相伴产生的不良情况，不仅需要大量的费用以及时间，而且有时对接合特性产生影响。另外，也存在将螺纹部等的形状简化，延长工具寿命的方法，但在此情况下难以实现优良的接合特性。因此，通过专利文献1，提出了一种摩擦搅拌接合用旋转工具，其抑制轴肩部和探头销的磨损或损坏，并且抑制接合部件的热影响。在该专利文献1所公开的摩擦搅拌接合用旋转工具中，与被接合部件接触的探头销以及轴肩部，由含有5 18重量％的Co的WC类超硬合金构成。使该摩擦搅拌接合用旋转工具高速旋转，将探头销向被接合部件的接合部中压入，并且使轴肩部的前端面接触，利用摩擦热使被接合部件塑性流动化，从而将被接合部件接合。专利文献1 日本特开2005_19拟81号公报
发明内容
但是，对于上述专利文献1的摩擦搅拌接合用旋转工具，由WC类超硬合金形成的探头销以及轴肩部耐磨损性优良，但另一方面，韧性较低，担心由于使用中的反复拉伸以及压缩负载而损坏。另外，具有由WC类超硬合金构成的探头销以及轴肩部的摩擦搅拌接合用旋转工具，其制造成本增加，担心使利用摩擦搅拌接合用旋转工具进行接合的制品的制造成本增加。另一方面，作为使钢材中的反复承受负载的部分的疲劳强度提高的方法，存在利用喷丸硬化处理施加压缩残留应力，或者提高表面部的硬度的方法。在该喷丸硬化处理中， 通过向钢材的作为标靶的表面喷射较小的钢球，使该处塑性变形，从而施加压缩残留应力。通过该喷丸硬化处理，可以向由比较廉价的热锻模具钢或耐热合金形成的摩擦搅拌接合用旋转工具的探头销施加压缩残留应力，也可以设想到获得廉价且耐久性优良的摩擦搅拌接合用旋转工具。但是，在喷丸硬化处理中，由于向其表面喷射较小的钢球等，因此其喷射范围较宽，探头销或轴肩部的前端面的表面由于喷射痕迹而变得粗糙，该喷射痕迹的凹凸成为疲劳起点，可能使疲劳特性下降。并且，在探头销或轴肩部的前端面、特别是在探头销的前端外周形成的螺纹部等，由于喷射痕迹而使表面形状精度下降。担心由于该表面形状精度下降而导致在被接合部件的接合时探头销以及轴肩部的前端面与被接合部件之间的摩擦搅拌阻力增大，且接合特性下降。另外，通过喷丸硬化处理施加的压缩残留应力极浅，难以确保充分改善疲劳特性所需的压缩残留应力。另外，无法通过喷丸硬化处理向微小区域高精度地喷射钢球，难以对要求表面形状精度且具有较小的探头销的摩擦搅拌接合用旋转工具实施喷丸硬化处理。另一方面，最近，作为向金属物体的表面附近施加压缩残留应力的方法，开发了一种脉冲激光喷丸硬化处理。脉冲激光喷丸硬化处理与喷丸硬化处理相比，可以高精度地控制脉冲激光束的照射斑，适于向微小区域选择性地施加压缩残留应力，且与施工处理相伴的表面形状变化较小，可以适用于要求表面形状精度的机械部件。另外，可以更深地施加压缩残留应力，通过对脉冲能量、光斑直径、脉冲照射次数等脉冲激光束的照射条件进行控制，可以调整压缩残留应力深度。因此，鉴于上述问题点而提出的本发明的目的在于，提供一种摩擦搅拌接合用旋转工具，其耐磨损性以及耐久性优良，能够得到优良的接合特性。用于实现上述目的的技术方案1所记载的摩擦搅拌接合用旋转工具的发明，使从进行旋转的轴肩部的前端面凸出且在前端侧外周上具有螺纹部的探头销，压入至被接合部件的接合部，沿该接合部使探头销移动，使接合部处的被接合部件进行摩擦搅拌接合，其特征在于，向所述探头销的外周面实施脉冲激光喷丸硬化处理。根据本发明，可以向接合时反复承受拉伸以及压缩负载应力的探头销的外周面， 针对微小区域选择性地施加压缩残留应力，表面形状变化较小，维持表面形状精度。另外， 通过利用脉冲激光喷丸硬化处理将压缩残留应力以及硬度上升导入至深处，从而可以抑制与摩擦搅拌接合相伴而反复被施加拉伸以及压缩应力的探头销的龟裂产生。由此，抑制压曲和损坏，大幅度地提高耐久性。技术方案2所述的发明的特征在于，在技术方案1的摩擦搅拌接合用旋转工具中， 向所述探头销的外周面的、从与轴肩部的前端面相连续的连续部分至所述螺纹部之间的基端侧范围内，实施所述脉冲激光喷丸硬化处理。根据本发明，通过向与摩擦搅拌接合相伴而被反复集中施加拉伸以及压缩应力的探头销的基端侧范围内，实施脉冲激光喷丸硬化处理，特别地通过脉冲激光喷丸硬化处理， 维持被集中施加压缩残留应力的探头销的基端侧范围的韧性，抑制由于压曲或热变形导致的损坏，大幅度地提高耐久性。技术方案3所述的发明的特征在于，在技术方案1或2的摩擦搅拌接合用旋转工具中，通过所述脉冲激光喷丸硬化处理施加的压缩残留应力，大于摩擦搅拌接合用旋转工具被使用时的最高温度下施加的拉伸应力，且小于压缩屈服应力。根据本发明，通过将由脉冲激光喷丸硬化处理施加的压缩残留应力控制在大于摩擦搅拌接合用旋转工具被使用时的最高温度下施加的拉伸应力且小于压缩屈服应力的范围内，从而更可靠地维持探头销的韧性，抑制由于压曲或热变形导致的损坏，大幅度地提高耐久性。发明的效果根据本发明，通过实施脉冲激光喷丸硬化处理，从而可以维持与摩擦搅拌接合相伴而反复被施加拉伸以及压缩应力的探头销的表面硬度以及韧性，抑制由于压曲或热变形导致的损坏，大幅度地提高耐久性。另外，能够得到良好的接合特性而不损失探头销的表面形状精度。
图1是表示本实施方式中的摩擦搅拌接合用旋转工具的概要的侧视图。图2是图1的A部的斜视图。图3是图2的I-I线剖面图。图4是表示脉冲激光喷丸硬化处理的概要的图。
图5是表示摩擦搅拌接合的概要的图。图6是表示实施例中的摩擦搅拌接合用旋转工具的概要的剖面图。图7是表示该残留应力测定结果的图。图8是表示现有的摩擦搅拌接合用旋转工具的概要的图。图9是表示该摩擦搅拌接合的概要的图。符号的说明10摩擦搅拌接合用旋转工具11轴肩部12外周面13前端面15连续部分20探头销22基端侧范围23前端侧范围24 前端W被接合部件Wa接合部
具体实施例方式下面，参照图1至图5，说明本发明所涉及的摩擦搅拌接合用旋转工具的实施方式。图1是表示摩擦搅拌接合用旋转工具的概要的侧视图，图2是图1的A部的斜视图，图3是图2的I-I线剖面图。如图1所示，摩擦搅拌接合用旋转工具10，是由通过未图示的感应电动机等旋转驱动装置1而围绕轴线Z进行旋转驱动的热锻模具钢构成的圆柱状，在其前端形成圆柱状的轴肩部11，并形成从轴肩部11的前端面13的中央沿轴线Z凸出的探头销20。轴肩部11的前端面13如图2及图3所示，以中央向基端侧凹陷的方式形成为倒圆锥状，探头销20从最凹陷的中央部沿轴线Z向前端方向凸出。轴肩部11的外周面12和前端面13之间的环状的角部14圆滑地以圆弧状连续，形成所谓的倒角R。另外，前端面13 和探头销20的基端相连续的连续部分15也圆滑地以圆弧状连续，形成所谓的倒角R。探头销20为圆柱状，其外周面的基端侧范围22的剖面为正圆状，在前端侧范围23 处形成有螺旋状的螺纹部23a。在如上所述形成的摩擦搅拌接合用旋转工具10中，向使用时反复承受拉伸以及压缩应力的轴肩部11和探头销20，特别地，在本实施方式中向集中承受应力的与轴肩部11 的前端部13相连续的连续部分15至螺纹部23a之间的基端侧范围22的表面，实施脉冲激光喷丸硬化处理。脉冲激光喷丸硬化处理如下所述进行，即，例如使摩擦搅拌接合旋转工具10围绕轴线Z进行旋转驱动，向进行旋转的摩擦搅拌接合旋转工具10的包含与轴肩部11的前端面13相连续的连续部分15在内的探头销20的基端侧范围22(图2中由剖面线示出)的表面，聚光及照射脉冲激光束，如图4中示出的要部放大图所示，将摩擦搅拌接合旋转工具 10进行旋转的周向作为扫描方向Y，一边使束斑S的扫描区域从探头销20的基端侧朝向前端M侧方向X偏移一边进行扫描。在扫描方向Y上以使束斑S彼此重合的方式对束斑S 进行扫描，另外，使相邻的X方向的束斑S也彼此重合。由此，向包含与轴肩部11的前端面 13相连续的连续部分15在内的探头销20的基端侧范围22的表面，重叠照射脉冲激光束， 施加压缩残留应力，提高疲劳强度。在进行该脉冲激光喷丸硬化处理时，通过控制脉冲激光束的照射斑，而向包含预先设定的与轴肩部11的前端面13相连续的连续部分15在内的探头销20的基端侧范围22 的表面，高精度地施加压缩残留应力，且表面形状变化极小，维持包含连续部分15在内的探头销20的表面形状精度。并且，通过控制脉冲能量、光斑直径、脉冲照射次数等脉冲激光束的照射条件，从而可以确保期望的压缩残留应力深度。例如，通过将压缩残留应力深度H设定为小于或等于探头销20的直径D的25% (H < D/4)程度，从而充分地确保包含与轴肩部11的前端面 13相连续的连续部分15在内的探头销20的表面强度，同时保持韧性。另外，优选对于利用该脉冲激光束的照射而施加的压缩残留应力，考虑由于与摩擦搅拌接合相伴的温度上升而导致摩擦搅拌接合用旋转工具10的强度下降这一点而进行设定，为了有效地避免乃至抑制与摩擦搅拌接合相伴的探头销20的基端侧范围22的压曲、 和探头销20的损坏，优选设定为，大于在摩擦搅拌接合时的最高温度暴露下最被施加负载的探头销20的基端侧范围22处的拉伸应力，且小于最高温度暴露下的压缩屈服应力。S卩，优选对脉冲激光束的照射进行控制，以使得压缩残留应力如下所述形成。(在最高温度暴露下施加的拉伸应力<压缩残留应力 < 最高温度暴露下的压缩屈服应力)在利用如上所述构成的摩擦搅拌接合用旋转工具10，使被接合部件W彼此在接合部Wa处进行摩擦搅拌接合时，如图5所示，利用旋转驱动单元1使摩擦搅拌接合用旋转工具10高速旋转，同时沿轴线Z下降。并且，如果摩擦搅拌接合用旋转工具10的探头销20到达被接合部件W彼此的接合部Wa，则利用进行旋转的探头销20和被接合部件W的摩擦热，对被接合部件W进行加热而使其软化，从而使探头销20插入。并且，将探头销20插入直至轴肩部11的角部14与被接合部件W的表面接触为止， 利用以插入至该被接合部件W的状态进行旋转的轴肩部11及探头销20与被接合部件W之间的摩擦热，进一步对被接合部件W加热而使其软化，且通过进行旋转的探头销20，使接合部Wa处的被接合部件W塑性流动化。并且，利用形成在探头销20上的螺纹部23a对如上所述流动化的被接合部件W进行搅拌，通过该搅拌，在被接合部件W的接合部Wa处形成塑性流动区域。在该状态下，使摩擦搅拌接合用旋转工具10沿被接合部件W的接合部Wa移动，并沿被接合部件W的接合部Wa依次进行接合。另外，在摩擦搅拌接合用旋转工具10中，在利用形成在探头销20的前端外周上的螺纹部23a对流动化的被接合部件W进行搅拌的情况下，由于该螺纹部23a形成为与摩擦搅拌接合用旋转工具10的旋转方向相反的螺纹，所以流动化的被接合部件W在螺纹部23a 的作用下被向内侧按压，另外由于轴肩部11的前端面13形成为从外周侧朝向设置有探头销20的中心凹陷，因此，抑制流动化的被接合部件W从接合部Wa向外侧流出，被接合部件 W的双方在接合部Wa处均勻地接合而不会形成空洞等。在这里，在摩擦搅拌接合用旋转工具10中，通过向包含与轴肩部11的前端面13 相连续的连续部分15在内的探头销20的基端侧范围22实施脉冲激光喷丸硬化处理，从而施加压缩残留应力而不会损坏轴肩部11的前端面13以及包含与前端面13相连续的连续部分15在内的探头销20的表面形状，在沿接合部Wa对被接合部件W进行摩擦搅拌接合时， 抑制被接合部件W向探头销20或轴肩部11的前端面13附着，并且也减少由于摩擦导致的探头销20或轴肩部11的磨损。另外，维持与摩擦搅拌接合相伴而反复被施加拉伸以及压缩负载应力的、包含与轴肩部11的前端面13相连续的连续部分15在内的探头销20的基端侧范围22的表面硬度以及韧性，抑制由于轴肩部11的压曲或热变形所导致的损坏，大幅度地提高耐久性。另外，在本实施方式的摩擦搅拌接合用旋转工具10中，仅向包含与轴肩部11的前端面13相连续的连续部分15在内的探头销20的基端侧范围22的范围内实施脉冲激光喷丸硬化处理，向该部分施加残留应力，但也可以向伴随摩擦搅拌接合，与被接合部件W接触的轴肩部11的前端面13以及探头销20的外周面的宽广范围内实施脉冲激光喷丸硬化处理，施加压缩残留应力。在此情况下，螺纹部23的表面形状变化极小，维持包含螺纹部23a 在内的探头销20整体的表面形状精度。实施例下面，说明本发明的实施方式所涉及的具体的摩擦搅拌接合用旋转工具的特性。在实施例中，在摩擦搅拌接合用旋转工具的包含与轴肩部的前端面相连续的部分在内的探头销的基端侧范围内，实施脉冲激光喷丸硬化处理，并进行了高温暴露前以及高温暴露下的残留压缩应力测定。(1)摩擦搅拌接合用旋转工具 摩擦搅拌接合用旋转工具形状在图6中示出要部剖面，且对于与图3对应的部分标注同一标号，以轴肩部11的前端面13的中央为中心的直径D为2mm，从前端面13至前端M的长度L为5mm。·脉冲激光喷丸硬化处理范围在对摩擦搅拌接合用旋转工具10进行旋转驱动的状态下，向包含与轴肩部11的前端面13相连续的连续部分15在内的探头销20的基端侧范围22内实施脉冲激光喷丸硬化处理。·材质表1中示出摩擦搅拌接合用旋转工具10的材质。利用具有如表1所示的机械特性的热锻模具钢，即杨氏模量210，ΟΟΟΝ/mm2、拉伸强度2，650N/mm2、0. 2%耐力 l，960N/mm2、伸长率4%、颈缩率13%的热锻模具钢，形成摩擦搅拌接合用旋转工具10。·应力状态摩擦搅拌接合用旋转工具10 —边高速地进行旋转一边插入至被接合部件的接合部，沿接合部向一侧移动，反复承受拉伸/压缩负载。在这里，在该摩擦搅拌接合用旋转工具10的情况下，向探头销20的成为应力集中部的基端侧范围22作用400MPa 左右的拉伸/压缩应力。 温度状态另一方面，摩擦搅拌接合用旋转工具10由于使用而暴露于高温下，探头销20的温度从通常的温度上升至大约400°C。表1
热锻模具钢机械特性
权利要求
1.一种摩擦搅拌接合用旋转工具，其使从进行旋转的轴肩部的前端面凸出且在前端侧外周上具有螺纹部的探头销，压入至被接合部件的接合部，沿该接合部使探头销移动，使接合部处的被接合部件进行摩擦搅拌接合，其特征在于，对所述探头销的外周面实施脉冲激光喷丸硬化处理。
2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合用旋转工具，其特征在于，对所述探头销的外周面的、从与轴肩部的前端面相连续的连续部分至所述螺纹部之间的基端侧范围内，实施所述脉冲激光喷丸硬化处理。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦搅拌接合用旋转工具，其特征在于，通过所述脉冲激光喷丸硬化处理施加的压缩残留应力，大于摩擦搅拌接合用旋转工具被使用时的最高温度下施加的拉伸应力，且小于所述最高温度下的所述旋转工具使用材质的压缩屈服应力。
全文摘要
提供一种耐磨损性以及耐久性优良且能够得到优良的接合特性的摩擦搅拌接合用旋转工具。对摩擦搅拌接合用旋转工具(10)的从轴肩部(11)的前端面(13)凸出的探头销(20)的外周面上的、从与轴肩部(11)的前端面(13)相连续的连续部分(15)至螺纹部(23a)之间的基端侧范围(22)内，实施脉冲激光喷丸硬化处理。维持与摩擦搅拌接合相伴而反复被施加压缩负载以及拉伸负载的探头销(20)的表面硬度以及韧性，抑制由于压曲或热变形导致的损坏，大幅度地提高耐久性。
文档编号B23K26/00GK102470480SQ20108003168
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月13日 优先权日2009年7月14日
发明者佐野雄二, 千田格, 武久浩之, 足立隆史 申请人:富士重工业株式会社