DP780スチールの摩擦攪拌スポット溶接によるラップジョイントの生成

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Summary

ここでは、デュアルフェーズ780鋼の摩擦攪拌スポット溶接(FSSW)プロトコルを提示する。高速回転を持つツールピンは、摩擦から熱を発生して材料を柔らかくし、ピンが2枚のシートジョイントに突入してラップジョイントを作成します。

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Hsu, T. I., Tsai, M. H. Generating Lap Joints Via Friction Stir Spot Welding on DP780 Steel. J. Vis. Exp. (150), e58633, doi:10.3791/58633 (2019).

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Abstract

摩擦攪拌スポット溶接(FSSW)は、摩擦攪拌溶接(FSW)の誘導体であり、1991年に開発された固体溶接技術です。2003年、自動車のリアドアに使用されていたアルミニウム合金の業界アプリケーションが自動車業界で見つかりました。摩擦攪拌スポット溶接は、主にラップジョイントを作成するためにAl合金で使用されます。摩擦攪拌スポット溶接の利点は、抵抗スポット溶接と比較して水しぶきなしで熱変形溶接を下げるほぼ80%の溶融温度が含まれています。摩擦攪拌スポット溶接は3つのステップを含んでいる:急落、撹拌および引き込み。本研究では、高強度鋼を含む他の材料も、関節を作成するための摩擦攪拌溶接法に用いられる。DP780は、従来の溶接プロセスが抵抗スポット溶接の使用を伴う、自動車産業で使用されるいくつかの高強度鋼材の一つです。本論文では、DP780を摩擦攪拌スポット溶接に用い、その微細構造と微細硬度を測定した。微細構造データは、微粒の融合ゾーンと島のマルテンサイトとの熱効果ゾーンがあることを示した。マイクロ硬度の結果は、中心ゾーンがベースメタルに比べて硬度が高いことを示した。すべてのデータは、二相鋼780で使用される摩擦攪拌スポット溶接が良好なラップジョイントを作成できることを示した。将来的には、工場製造工程に適用される高強度鋼溶接に摩擦攪拌スポット溶接を使用することができます。

Introduction

摩擦攪拌溶接(FSW)は、1991年に英国のアビントン州TWIで最初に報告されました。2003年、PicciniとSvobodaは、商用自動車製造プロセス2で使用するための摩擦攪拌スポット溶接(FSSW)と呼ばれるFSWの利点を高める優れた方法を決定しました。FSSW法では、バルク領域の融解のないスポットラップジョイントを作成します。FSSWの使用のための最も重要な開発は、高温条件下での溶接プロセスでアル合金が変形するアルミニウム合金です。最初の成功例は、マツダのRX-81、3、4のリアドア全体の製造にFSSWが使用された自動車産業でした。

一方、高強度鋼は車体の支配的な材料であり、具体的には二相鋼である。文献は、FSSWで製造されたDP600は、すべての溶接領域が同様の微細構造と硬度5を有するベースメタルと同じ特性を持つことができることを示しています。攪拌ゾーン(SZ)、サーモス機械的影響ゾーン(TMAZ)、およびDP590およびDP600鋼の故障モデルの微細構造にDP鋼を使用するためのFSSW方法は、いくつかの研究者によって研究されています。彼らは、様々な回転速度6、7、8、9、10でDP590およびDP600鋼の微細構造(フェライト、ベイライト、およびマルテンサイト)の一貫性の違いを観察した。一部の研究者は、DP780スチール8、9のためのFSSWとRSWの比較研究を行いました。彼らは、より長い接合時間とより高いツール回転速度は、すべての急落のための結合領域の増加をもたらし、より高いせん断力をもたらし、モードを界面から引き出すためにシフトしたと報告しました。彼らはまた、FSSWはRSWよりも高い強度を持っていると結論付けました。FSSWプロセスには、急落、撹拌、引き込みの3つのステップが含まれています。最初のステップは、ラップジョイントのシートの近くに回転ツールピンで急落し、シートに差し込まれています。FSSWプロセスの回転ツールショルダーは摩擦熱を発生させかねない。第2段階では、熱はシートを柔らかくし、シートにツールピンを差し込むだけでなく、材料に住んで2つのワークを一緒に攪拌し、ピン領域の周りに混合することができます。最後に、工具のショルダープレスからの圧力は、接着を高めることができます。溶接プロセスの後、ピンは鍵穴から引き込むことができる。RSWと比較してFSSWの利点は、より低い溶接温度、水しぶきなし、製造プロセスのより安定性です。

高度高強度鋼(AHSS)のFSSWに関する研究は様々な研究者によって報告されていますが、DP590、DP600、DP780のFSSWに関する研究は、微細構造と様々なプロセスを用いる機械的および故障モデルに焦点を当てています。パラメーター。本研究では、DP780鋼のFSSWを検討した。FSSWプロセスのプロトコルを詳細に報告し、攪拌ゾーン、サーモス機械的影響ゾーン、熱影響ゾーン、およびベースメタルの個々の硬度を測定したマイクロ硬度に基づいて評価した。

自動車および航空宇宙産業における継続的な成長と軽量化に対する重い需要により、自動車産業はAHSSおよびラップジョイントへの関心を高めています。例えば、自動車の従来の鋼体は、平均して、2,000点以上のスポット溶接ラップジョイント11を有する。抵抗スポット溶接、レーザースポット溶接、摩擦スポット溶接12など、業界で使用されるラップジョイントには3つの一般的な溶接プロセスがあります。重量を減らす一つの方法は、高度な高強度鋼(AHSS)を使用することです。最も人気のある材料は、自動車産業13、14、15、16でますます使用されている二相および変換誘発可塑性(TRIP)鋼です。自動車業界は、車載重量の減少に伴う燃費の向上や衝突エネルギー吸収により強度基準を高めているため、異なる材料や溶接工程の使用が重要な課題となっています。

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Protocol

1. 材料の準備

注:厚さ1.6mmのDP780枚を40mm x 125mmのクーポンに加工してください。FSSWの接合箇は機械テストのためのラップせん断の標本として設計されている。RSW標準NF ISO 18278-2に続いて、35 mm×40 mm のオーバーラップで 2 つの 125 mm×40 mm シートを結合します。2005. 切り捨てられたコーンショルダーを持つ幾何学的な設計多結晶ダイヤモンドツール。ジオメトリの設計を図 1aに示します。ピンの直径は5ミリメートルです。長さは2.5mm、肩幅は10mmです。実際のツールピンを図1bに示します。

  1. 安全に関するガイドライン
    1. フードやバッフル、ゴーグル、手袋などのデバイスを保護するために使用します。
    2. フードまたはバッフルの後ろに立つ。ゴーグルと手袋を着用して、スプラッシュ接触や熱損傷を防ぎます。
  2. FSSW マシン設定
    1. MIRDC製の摩擦攪拌溶接機を使用して、すべてのジョイントを製造します。
    2. 埋め込みデータ集録(DAQ)システムを使用して、各結合操作中のZ軸力と貫通深度を記録します。
  3. パラメータ設定
    1. このスタディでは、2,500 rpmのツールピン回転速度、4sのツールピンの留まり時間、およびツールピンのレートpf 0.5 mm/sがシートに突入するというパラメータを使用します。
    2. 演算子のパラメーターを最適化します。回転速度の範囲は1,000- 2,500のrpmである。ドウェル時間の範囲は2-10 sからであり、急落率は0.1-0.5 mm/sにすることができます。

2. 手続き

注: ワークスペースを図2に示します。すべての製造手順は、作業スペースで完了します。手順の前に、溶接プロセスシーケンスは、工具の回転と貫通深さの組み合わせだけでなく、予熱、急落、住居、引き込み、およびポスト加熱を含む一連のシーケンスで構成されています。すべてのステップは、作業フローチャートの形で図 3に示されています。

  1. DP780ワークの準備
    1. 溶接プロセスの前に、ワークを汚染する不純物基板がないことを確認してください。編みのマイクロファイバー生地を使用して、ワークの表面を拭き取り、小さな粒子を除去します。
  2. DP780ワークを置き、クランプ2 DP780シート(サイズ:125 mm x 40 mm)と35mmの重なりを付けます。
  3. 不純な基板汚染を防ぐためにピンが清潔であることを確認します。編み物のマイクロファイバーファブリックを使用して、ツールピンの表面を拭き取り、小さな粒子を除去します。
  4. マシンのクランプでピンを固定します。
    1. ツールピンのクランプのために、ツールピンをしっかりとねじ込みます。
    2. ピンクランプステップに注意してください。危険を避けるために、ピンが機械でしっかりと締め付けされていることを確認します。回転ツールは、クランプ力を加えることによって、溶接の前と溶接中にワークがしっかりと押し付けられる非回転クランプリングで囲まれています。図 3aに示す図では、ツール ピンの固定に使用するクランプ リングを示します。このステップの後、生産はフローチャートに表示されます。
    3. 安全を確保する。
    4. クランプリングのない高速回転ピンが緩むことを確認します。ツールピンを機械に置くときは、安全上の理由から、回転中にツールピンがクランプから離れていないことを確認します。用具ピンは1分で10から100のrpmへの低い回転率を使用する。速度は1分以内に100から1,000のrpmまで加速することができる(図3b)。
  5. マシン設定
    1. 次のパラメータを使用します: 3,000 rpm の回転数、4 s のドウェル、および 0.5 mm/s (図 3c)の急落率。
  6. 溶接位置をキャリブレーションします(図3d図4aに示す実際の製品)。
    1. 攪拌スポット溶接機にピンをセットします。ピンとワークピースの間のギャップは、ジョイント位置を調整するために5cmより小さくなります。位置が確認された後、溶接プロセスに進みます。
  7. 溶接中は、怪我をしないようにゴーグルや手袋を着用してください。
    1. 工具ピンをワークに突っ込むには、高速回転下で工具で溶接プロセスを開始します。ツールショルダーはワークピースに接触し、回転を停止し、ピンを引き込みます。
  8. 急落
    1. 攪拌ボタンをオンにします。機械がウォームアップしたら、工具ピンが2,500rpmの回転速度で一貫して動作していることを確認します。2,500 rpm の高速回転の下でツール ピンがしっかりと締め付けされていることを確認します。ピンは高速回転の下でワークに突入し、肩は高い角度の速度でワークに接触する(図3e)。実際の製品を図4bに示します。
  9. 攪拌
    1. 落ちた工具ピンがワークで撹拌を続けるにつれて、摩擦熱からピンと材料のインターフェースを柔らかくして穀物を作成します。工具ピンの肩がワークピースの上部に接触した場合は、ツールピンの高回転が高温を発生する可能性があるため、プロセスを停止します。動作の安全性を確保する保護具を着用することが重要です(図3fを参照)。実際の製品を図4cに示します。
  10. 取り消し
    1. ツールピンを垂直方向に引き出します。プロシージャの後、ピンはラップジョイントのキーホール溶接スポットを作成します。このステップでは摩擦攪拌スポット溶接が停止します(図3g)。実際の製品を図4eに示します。
  11. ワークを取り外します。
    1. マシンの電源を切ります。
    2. 溶接が完了したら、アンビルからワークを取り外します。亀裂や融合の欠如のためのサンプルを観察します。
    3. ツールピンを取り外します。
    4. 手順の後、クランプリングからツールピンを取り外します。ツールピンの外観を観察し、チェックします(図5)。

3. 機械的特性評価

  1. FSSW溶接の顕微鏡検査 (図 3h)
    1. 顕微鏡サンプル製剤
    2. 光学顕微鏡画像と二次電子画像解析を用いて接合領域の断面積を測定する。接地された炭化ケイ素紙を用いて、200~2,000のグリットサイズで、グリットサイズが200から始まり、順番に増加する顕微鏡サンプルを準備します。室温で7-10 sのための4%の硝液と0.03%のアルミナおよびエッチングでサンプルを磨く。
    3. 顕微鏡観察
    4. 光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡を用いて、微細構造を観察し、特徴付けます。20 kVの電圧と10 μmの作動距離を使用してください。光学顕微鏡検査から、任意の小さな亀裂ラインまたは融合ゾーンの欠如を決定することができます。スキャン電子顕微鏡を使用して、マルテンサイトとオーステナ数分布と粒径を分析します。
  2. マイクロハードネス
    1. マイクロ硬度実験を3回以上確認します。値が小さすぎて、標準偏差を明確に示せていませんでした。
    2. 300gのテスト負荷サンプルおよびテストごとの0.5 mmのビッカースダイヤモンドの圧ペンターを押す。
    3. 300gの負荷と15秒の保持時間を持つマイクロ硬度試験機を使用して、DP780鋼板のマイクロ硬度試験を行います。マイクロ硬度試験では、攪拌帯の硬度分布と個々の硬度値、熱機械影響ゾーン、熱影響ゾーン、溶接部のベースメタルが明らかになりました。

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Representative Results

図3には、摩擦攪拌スポット溶接工程が、急落(図3e)、撹拌(図3f)、および後退(図3g)の3つの部分で構成されていることを示す図があります。我々の研究では、溶接スポットが生成される可能性があります。浸透深度は評価された1つの因子である。図 6aでは、FSSW は中央にキーホールを作成し、2 枚のジョイントを作成します。鍵穴の測定深さは、シート上部から鍵穴底面(図6b)までです。測定値は図 6cに示され、設定値は 2 cm、実際の値は 1.92 ~ 1.98 cm です。図 7の図は、DP780 シートの溶接スポットのキーホール全体像を示しています。ベースメタル微細構造の解析では、フェライトマトリックス中のマルテンサイト諸島を示した(図8a)。鍵穴付近のTMAZの微細構造は、針状のマルテンサイトと微細なアキュラフェライトの混合物を示す(図8b,c)。鍵穴の周りの攪拌領域は、細かい粒状のマルテンサイトと多孔性を明らかにしました(図8d)。

Hsuらは25を元の材料特性と比較してベースメタルの硬度を調べた。HAZ臨界領域では、硬度値は約310~330Hvの範囲であることが判明した。TMAZの硬度は約360Hvであった。摩擦攪拌スポット溶接の攪拌ゾーンの硬度は、他の地域よりも有意に高いです。値は 370 Hv であることが判明しました (9, Hsu et al.25から変更)。溶接プロセスが成功しない場合は、溶接ゾーンにいくつかの亀裂と融合の欠如があります。

Figure 1
図 1.ツール ピンの図。
(a)ツールピンのサイズと形状 (b) 実際のツールピンのサイズとジオメトリをクリックすると、この図の大きなバージョンが表示されます。

Figure 2
図 2.ワークスペースを示す図。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図 3.摩擦攪拌スポット溶接プロセスを示すフローチャート。
(a) クランプピン (b) 安全確認 (c) 機械設定確認 (d) キャリブレーション (e) 急落 (f) 撹拌 (g) 引き込み (h) 関節の機械的特性の検証この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図 4.溶接プロセス。(a) キャリブレーション (b)急落 (c) ※この図の大きなバージョンを見るには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図 5.使用するピンを示す図。ピンは高温で消費されます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図 6.設定の比較を用いて、入り水深度の確認。
(a) 鍵穴を作成する FSSW のマクロ ビュー。(b) 深さを測定する場所を示す図 (c) 住まいの深さは 2 cm に設定されています。実際の測定値の範囲は 1.92 ~ 1.98 cmです。

Figure 7
図 7.摩擦攪拌スポット溶接の全体的なビュー。分析領域には、(I)ベースメタル(II)HAZ(III)TMAZ、および(IV)攪拌ゾーンの4つの部分が含まれていた。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 8
図 8.FSSWを用いて作成されたジョイントの微細構造組成。(a)ベースメタル:ワークのベースメタルはDP 780シートで構成されています。ベースメタルは、材料特性(b)HAZ:熱伝達を伴う溶接部位周辺の熱サイクルに変化を示さない。HAZ ゾーンは、マルテンサイト諸島を示しています。(c) TMAZ: 攪拌ゾーンの周りに熱機械的に影響を受けたゾーン。TMAZゾーンに示される針状のマルテンサイトと細かいアキュラフェライト。(d) 攪拌ゾーン:再結晶粒の形成と溶接プロセスで作成されたピン穴。攪拌ゾーンに10μm未満の微細粒が現れた。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 9
図 9.積載重量300gのビッカース試験機を用いて調べたワークの微細硬度値を15秒保持した。この図は、Hsu et al.25から変更されました。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

急落段階は、FSSWプロセス中に最も重要です。ピンの肩から来る十分な摩擦熱がなければ、ワークを柔らかくし、ピンが骨折します。FSSW プロセスの工具ジオメトリ、回転速度、ドウェルタイム、および工具の浸透深さ26パラメータは、ジョイントの整合性を決定するうえで重要な役割を果たします。TPDおよびツール形状27は、特に溶接性および関節特性に重要な影響を及ぼすと報告された。

ピンの形状は円筒形、ワール、MXトリフルート、フレアドトリフルート、Aスキュー、およびTWI28によって設計された再攪拌でした。彼らは、ツールの動きと溶接トルクは、激しい撹拌によって引き起こされる通過力によって低減することができるので、お尻の溶接には適していますが、ラップ溶接には適していません。フレアトライフルート、Aスキュー、リ攪拌ツールピンはラップ溶接に適しています。この設計は、ピンの掃引量を増やして、より広い作業ラップジョイント29を形成するために攪拌領域を拡大することを意図している。一方、FSSWでは、摩擦が回転工具とワークピースの界面で熱を発生させます。工具ジオメトリと FSSW パラメータは、FSSW 溶接4の強度に影響します。ツールショルダーとピンは、FSSWツール5の主要な部分です。ピンは摩擦熱を発生させ、その周囲の材料を変形させ、加熱された材料6をかき混ぜる。ピンのサイズ7、角度8、糸方向9、長さ10およびプロファイル11は、ナゲット形成に依存する。一方、ツールショルダーは、FSSWプロセス中に熱を発生させ、加熱された材料を鍛造し、材料の追放を防止し、ツール12の周りの材料の動きを支援します。肩の大きさや凹凸も摩擦攪拌スポット溶接13の重要な要因である。

ピン材料は、次のコンポーネントで構成されています: 12% Cr鋼, 低炭素鋼, MoとW合金, W合金, 多結晶三方窒化物 (PCBN), および多結晶三方ホウ素.工具摩耗は溶接の初期段階で急激に発生したため、工具の変形や擦り傷がツールに見つかりました。この問題は、硬く、工具の寿命を高めるためにワークに比べて高温に耐えることができるピンに適した材料を選択することによって解決することができます。研究では、多結晶ダイヤモンドを使用してワークを溶接しました。

ピンの長さと貫通深さは、溶接プロセスの最大荷重に影響を与える要因でもあります。工具の浸透深度が高まり、ピンの長さが減少し、2 が高くなることが示されています。

回転率は、溶接プロセスを開始するワークのピン摩擦につながる重要な要因です。300-1,000 rpmまでの速度は溶接中心区域のおよそ430から470 °Cのピーク温度を検出するために使用することができる。溶接ゾーンから遠く離れて、熱効果ゾーンは、Al合金(6061Al-T6)30に対して温度が350°C低下した。他の参考文献から、スティックで低回転速度での摩擦状況は、高速でスティック/スリップに変換することができます。回転率は、ワークを鍛造するために必要な熱の生成につながる重要な要因です。過去に、研究はアル合金に焦点を当ててきました。しかし、我々の研究では、DPスチールに焦点を当てています。温度を識別するためのテスト値はありません。しかしながら、中心線の微細構造が微細な粒マルテンサイトを示したという事実に基づいて、基板温度がAc3規格を超えたものと推測できる。

過去のFSSWワークの研究は、金属溶接の低融解温度がFSSWを介して固定する必要がある変形と低強度につながるため、アルミニウム合金に集中してきました。FSSWが開発されて以来、軽量鋼を含む様々な材料が使用されてきました。Al合金で溶接されたDP鋼の異なる種類は、調査のための新しい領域です。商用アプリケーションに基づいて、FSSWは時間とコストの両方の面で節約のために工業生産で使用される異なるコンポーネント合金のための有用な方法であることができます。

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Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

我々は、中国鉄鋼会社のK.C.ヤン博士に対し、材料支援に感謝し、実験的なFSSWへの支援に関して、MIRDCのL.D.王、C.K.王、B.Y.ホン氏に感謝の意を表したいと思います。この研究は、台湾の高雄にある金属産業研究開発センターの支援を受けました。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
anvil MIRDC made by MIRDC
DP780 China steel Corporation CSC DP780
stir spot welder machine MIRDC made by MIRDC
tool pin KINIK COMPANY DBN2B005B

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References

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