CN105592969A - 结构用钢的摩擦搅拌接合方法及结构用钢的接合接头的制造方法 - Google Patents

结构用钢的摩擦搅拌接合方法及结构用钢的接合接头的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于在结构用钢的摩擦搅拌接合时，有利地消除被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，实现充分的强度而且实现接合施工性的提高。在本发明中，形成如下构成，即，在结构用钢的摩擦搅拌接合时，利用设置在旋转工具(1)的前方的加热装置(5)，实施对成为被加工材料的钢板(3)进行加热的预热处理工艺，严格控制该预热处理工艺中的加热区域的表面温度、面积、位置等，该旋转工具(1)沿接合方向移动。

Description

结构用钢的摩擦搅拌接合方法及结构用钢的接合接头的制造方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦搅拌接合方法，该方法是将旋转工具插入被加工材料的未接合部，边使其旋转边移动，利用与该旋转工具的摩擦热使被加工材料软化，通过旋转工具搅拌该软化部而产生塑性流动，在不添加填充材料的情况下进行接合。另外，本发明可有利地消除特别是将该摩擦搅拌接合方法应用于结构用钢的接合时所担心的因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，从而可实现足够的强度、同时提高接合施工性。
应予说明，本说明书中，例如将处于钢板仅抵接而尚未接合的状态的抵接部分称为“未接合部”，另一方面，将通过塑性流动而接合一体化的部分称为“接合部”。
背景技术
作为摩擦焊接法，专利文献1中公开了如下技术：通过将一对金属材料的两方或一方旋转，边使金属材料产生摩擦热使之软化，边搅拌该软化的部位而引起塑性流动，由此将金属材料接合。
然而，由于该技术是使作为接合对象的金属材料旋转，因此，接合的金属材料的形状、尺寸有限。
另一方面，专利文献2中提出了如下方法：将由实质上比被加工材料硬的材质构成的工具插入被加工材料的未接合部，使该工具一边旋转一边移动，由此，通过在工具与被加工材料之间产生的热和塑性流动，将被加工材料在长度方向连续地接合。
专利文献1中记载的摩擦焊接法是使被加工材料彼此旋转而通过被加工材料彼此的摩擦热进行焊接的方法。另一方面，专利文献2中公开的摩擦搅拌接合法是在固定接合部件的状态下通过边使工具旋转边移动来进行接合。因此，具有对实质上相对于焊接方向无限长的部件也能够在其长度方向连续地固相接合的优点。另外，由于是利用了由旋转工具和接合部件的摩擦热而产生的金属塑性流动的固相接合，所以可在不使接合部熔融的情况下进行接合。此外，具有如下很多优点：由于加热温度低，因而接合后的变形少，并且由于接合部不发生熔融因而缺陷少，并且无需填充材料等。
摩擦搅拌接合法作为以铝合金、镁合金为代表的低熔点金属材料的接合法，可在飞机、船舶、火车及汽车等领域中广泛利用。作为其理由，这些低熔点金属材料如果使用以往的电弧焊接法则很难得到接合部的令人满意的特性，通过应用摩擦搅拌接合法能够提高生产率，并且能够得到高品质的接合部。
另一方面，对作为建筑物、船舶、重型机械、管线、汽车等结构物的原材料而主要使用的结构用钢应用摩擦搅拌接合法，可避免在以往的熔融焊接中成为课题的凝固破裂、氢破裂，并且还可抑制钢材的组织变化，因此可期待接头性能优异。另外，通过利用旋转工具对接合界面进行搅拌，从而可制造出清洁面使清洁面彼此接触，所以还期待具有无需扩散接合这样的前准备工序的优点。这样，对结构用钢应用摩擦搅拌接合法，可期待诸多优点。但是，由于在接合时的缺陷产生的抑制、接合速度的高速度化等接合施工性上还存在问题，因此与低熔点金属材料相比尚未被普及。
在结构用钢的摩擦搅拌接合中，如专利文献3和专利文献4中记载，现状是使用多晶氮化硼(PCBN)、氮化硅(SiN4)等高耐磨损性材料作为旋转工具。然而，由于这些陶瓷较脆，所以为了防止旋转工具的破损，进行接合的钢板的板厚及其施工条件显著受到限制。
另外，在专利文献5和6中公开了以提高接合施工性为目的，在旋转工具与被接合材料间产生的摩擦热以外附加加热装置的接合方法。
例如，在专利文献5中公开了一种摩擦搅拌接合法的加热装置，其具有采用了感应加热装置的加热装置，在接合前后进行被加工材料的加热，由此实现了接合速度的高速度化、接合部破裂的消除。
另外，专利文献6中公开了一种摩擦搅拌接合装置，其具有采用了激光装置的加热装置，在即将接合之前对被加工材料局部加热，由此，在抑制了因预热引起的加热区域周边的微组织变化的同时可实现接合速度的高速度化。
然而，在专利文献5和6的技术中，对接合前的加热所致的被加工材料的加热区域的表面温度、深度等未加以注视，因此，无法得到充分的接合施工性。进而，有时由于过度加热使加热区域周边的微组织发生变化，对接合接头特性，特别是对接合接头强度带来负面影响。因此，在得到充分的强度的同时提高接合施工性的实际的摩擦搅拌接合方法，目前尚未出现。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭62-183979号公报
专利文献2:日本特表平7-505090号公报
专利文献3:日本特表2003-532542号公报
专利文献4:日本特表2003-532543号公报
专利文献5:日本特开2003-94175号公报
专利文献6:日本特开2005-288474号公报
发明内容
本发明鉴于上述的现状而进行开发，其目的在于在结构用钢的摩擦搅拌接合时，有利地消除因被加工材料的加热不足所引起的塑性流动不良，从而实现充分的强度并且提高接合施工性。而且因此提供一种特别是对预热处理工艺条件进行严格审核的摩擦搅拌接合方法。
于是，发明人等为了解决上述课题，反复进行深入研究，结果得到以下所述的见解。
a)在通常的摩擦搅拌接合中，接合所需要的热源仅为在旋转工具与被加工材料之间产生的摩擦热。因此，利用摩擦搅拌接合法对结构用钢进行接合时，无法充分确保对使作为被加工材料的结构用钢软化所必要的热量。其结果，在接合部不能得到充分的塑性流动，可能发生接合速度的降低、接合缺陷的产生等的接合施工性的劣化。
为了避免在将上述本技术进行工业化时非常重要的接合施工性的劣化，认为有效的是摩擦搅拌接合前的预热处理工艺。
b)然而，进行摩擦搅拌接合前的预热处理工艺时，如果预热热量过量，则产生加热区域周边的微组织发生变化这种问题。特别是对于通过马氏体组织强化而成的高张力钢板而言，加热区域周边即使在铁素体-奥氏体变态温度以下进行加热，由于马氏体回火而产生软化，使接合接头强度显著降低。
因此，发明人等对摩擦搅拌接合前的预热处理工艺条件进行各种研究。
其结果，得到如下见解：
c)通过使用激光等能量密度高的热源，从而严格控制在预热处理工艺的加热区域的表面温度、面积、位置，并根据需要也适当地控制加热区域在厚度方向的温度。由此，在不导致接合接头强度等接合接头特性的劣化的情况下可提高接合施工性。
d)另外，在通常的摩擦搅拌接合中，在接合结束后，接合部处于自然放冷状态，因此，存在无法应用在钢材制造时的轧制工艺中进行的利用热历程管理进行的微组织控制的问题。但是，在接合刚结束之后，通过对接合部实施组合了加热处理和冷却处理的工艺，从而可进一步提高接合接头特性。
本发明是基于上述见解而进行的。
即，本发明的主旨构成如下。
1.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，是将旋转工具插入该钢板的未接合部边使其旋转边沿接合方向移动，利用该旋转工具与该钢板的摩擦热使该钢板软化，并利用该旋转工具对该软化的部位进行搅拌从而产生塑性流动，将该钢板接合的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，
所述旋转工具包含肩部和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，至少该肩部和该销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，
利用设置于沿接合方向移动的该旋转工具的前方的加热装置，对该钢板进行加热，将由于该加热而该钢板的表面温度TS(℃)成为TS≥0.8×TA1(TA1在下述式(1)中示出)的区域作为加热区域时，使该钢板表面的该加热区域与该旋转工具的最小距离为该旋转工具的肩部的直径以下，
并且，使该钢板表面的该加热区域的面积为该旋转工具的销部的最大直径部的面积以下，
并且，该加热区域的面积的50％以上在该钢板的表面中位于通过该旋转工具的旋转轴且与接合方向平行的直线即接合中心线、和与该接合中心线平行且向前进侧(advancingside)仅隔着与该旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线之间。
TA1(℃)＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]是作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)。
2.根据上述1中记载的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，对于上述加热区域的厚度方向的区域而言，将温度TD(℃)满足TD≥0.8×TA1(TA1在下述式(1)中示出)的区域中的距离上述钢板表面的最大深度设为加热区域的深度D时，该加热区域的深度D为上述钢板的合计厚度t的30％以上。
TA1(℃)＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]是作为被加工材料的钢板的M元素的含量(质量％)。
3.根据上述1或2中记载的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，上述加热装置为激光加热装置。
4.根据上述1～3中任一项记载的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，在沿接合方向移动的上述旋转工具的后方设置后方加热装置，利用该后方加热装置对上述钢板的接合部进行加热。
5.根据上述4中记载的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，在上述旋转工具的后方且在上述后方加热装置之后设置冷却装置，利用该冷却装置对上述钢板的接合部进行冷却。
6.根据上述1～3中任一项记载的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，在沿接合方向移动的上述旋转工具的后方设置冷却装置，利用该冷却装置对上述钢板的接合部进行冷却。
7.根据上述6中记载的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，在沿接合方向移动的上述旋转工具的后方且在上述冷却装置之后设置后方加热装置，利用该后方加热装置对上述钢板的接合部进行再加热。
8.一种结构用钢的接合接头的制造方法，其使用上述1～7中任一项记载的摩擦搅拌接合方法。
根据本发明，在结构用钢的摩擦搅拌接合时，可有利地消除以往所担心的因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，可实现接合施工性的提高，进而还可抑制微组织的变化，能够在接合部得到高的接头强度。
附图说明
图1是说明本发明的摩擦搅拌接合方法的简图。
图2是表示预热工艺中的加热区域、在接合后进行的工艺中的冷却区域以及再加热区域的一个例子的图(俯视图和A-A截面图)。
图3是表示在本发明的摩擦搅拌接合方法中针对作为对象的结构用钢的一个例子的温度与拉伸强度的关系的图。
图4是表示实施例中使用的旋转工具的截面尺寸的图。
具体实施方式
以下，具体说明本发明。
本发明是结构用钢的摩擦搅拌接合方法，如图1所示，将旋转工具插入钢板的未接合部边使其旋转边沿着接合方向移动。由此，利用旋转工具与钢板的摩擦热使该钢板软化，并利用旋转工具对该软化的部位进行搅拌从而产生塑性流动来将钢板接合。此处，旋转工具包含肩部和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，至少肩部和销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质形成。
图中，符号1为旋转工具，2为旋转轴，3为钢板，4为接合部，5为加热装置，6为冷却装置，7为后方加热装置，8为旋转工具的肩部，9为旋转工具的销部，用α表示旋转工具倾斜角度。应予说明，“AS”和“RS”分别表示前进侧和返回侧。
此处，前进侧是指工具旋转方向与接合方向一致的一侧；返回侧是指工具旋转方向与接合方向相反的一侧。
而且，在本发明的摩擦搅拌接合方法中，通过设置在沿接合方向移动的该旋转工具的前方的加热装置来对钢板进行加热的预热处理工艺尤为重要。以下，对于该预热处理工艺条件，边参照图2边进行说明。
应予说明，图中，符号10为接合中心线，该接合中心线表示在钢板的表面通过旋转工具的旋转轴与接合方向平行的直线。另外，11表示与接合中心线平行且在前进侧仅隔着与旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线(以下，也称为AS线)，12表示加热区域，13表示冷却区域，14表示再加热区域，用a表示旋转工具的肩部直径，用b表示旋转工具的销部的最大直径，用X表示加热区域与旋转工具的最小距离，用D表示加热区域的深度，用t表示钢板的厚度。
加热区域中的钢板的表面温度TS：TS≥0.8×TA1
如图3所示，用本发明的摩擦搅拌接合方法进行接合的钢板，通常在钢的变态温度即TA1的80％左右的温度下成为常温时的强度的30％左右的强度。另外，如果高于该温度，则强度进一步降低。因此，通过使钢板的表面温度为0.8×TA1℃以上使钢板预先软化，对该钢板进行搅拌，促进塑性流动，由此减少施加于旋转工具的负荷，并且接合速度也能够高速度化。因此，在本发明中，使加热区域中的钢板的表面温度TS(℃)为0.8×TA1℃以上。应予说明，TA1(℃)可通过下式(1)求出。
TA1(℃)＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
此处，[％M]是作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)。
但是，为了确保在厚度方向的加热区域，可以在加热区域的表面存在温度梯度，该情况下，优选加热区域中的钢板的表面温度为1.5×TM℃以下。进而，为了避免因接合部的温度过度上升而导致旋转工具的损伤、微组织的变质，优选将加热区域中的钢板的表面温度设为小于TM℃直至与通过该加热区域的旋转工具接触。
应予说明，TM(℃)是作为被加工材料的钢板的熔点。
钢板表面中的加热区域与旋转工具的最小距离：旋转工具的肩部的直径以下
如果钢板表面中的加热区域与旋转工具的间隔变得过大，则在接合前加热区域的温度降低，无法充分得到由预热带来的效果。因此，将钢板表面中的加热区域与沿接合方向移动的旋转工具的最小距离设为旋转工具的肩部的直径以下。
但是，如果加热区域与旋转工具的间隔变得过小，则旋转工具可能会被加热装置产生的热损伤，所以钢板表面中的加热区域与沿接合方向移动的旋转工具的最小距离优选设为旋转工具的肩部的直径的0.1倍以上。
应予说明，旋转工具的肩部的直径为8～60mm左右。
钢板表面中的加热区域的面积：旋转工具的销部的最大直径部的面积以下
如果加热区域变得过大，则该区域和其周边区域的微组织发生变化。特别是对于通过马氏体组织强化而成的高张力钢板而言，即使进行在铁素体-奥氏体变态温度以下的加热，也由于马氏体回火而产生软化，使接合接头强度大幅度降低。因此，将钢板表面中的加热区域的面积设为旋转工具的销部的最大直径部的面积以下。
另一方面，如果加热区域的面积变得过小，则无法充分得到由预热带来的效果。由此，钢板表面中的加热区域的面积优选设为旋转工具的销部的最大直径部的面积的0.1倍以上。
应予说明，旋转工具的销部的最大直径为2～50mm左右。
钢板的表面中，位于接合中心线与AS线之间的加热区域的面积：钢板表面的加热区域的面积的50％以上
在钢材的摩擦搅拌接合中，塑性流动的起点为前进侧，沿旋转工具的旋转方向通过接合方向前方、返回侧、接合方向后方，前进侧为终点。这样，前进侧成为塑性流动的起点，因此，在作为被加工材料的钢板容易产生加热不足，塑性流动不充分而产生缺陷的情况下，其大部分在前进侧发生。
因此，在钢板的表面，使加热区域的面积的50％以上位于接合中心线和与该接合中心线平行的AS线之间，通过优先对前进侧进行加热，从而促进塑性流动，抑制缺陷的发生，可实现接合速度的高速化。优选为加热区域的面积的60％以上，更优选为80％以上的范围。应予说明，也可以为100％。
另外，从优先对前进侧进行加热的观点考虑，使加热区域的中心位于通过接合中心线与AS线的中间点的直线和AS线之间。换言之，优选使加热区域的中心位于与接合中心线相比靠前进侧的位置，进而将从加热区域中心至接合中心线的距离设为旋转工具的销部的最大半径的0.5倍～1倍。
加热区域的厚度方向的区域中的温度TD：TD≥0.8×TA1
如上所述，用本发明的摩擦搅拌接合方法进行接合的钢板，通常在作为钢的变态温度即TA1的80％左右的温度下成为常温时的强度的30％左右的强度。另外，如果高于该温度，则强度进一步降低。由此，在加热区域的厚度方向的区域，也将温度设为0.8×TA1℃以上使钢板预先软化。而且，优选通过对该钢板进行搅拌，促进塑性流动，从而进一步减少施加于旋转工具的负荷，并且接合速度也更高速度化。因此，将后述规定加热区域的深度D的加热区域的厚度方向的温度TD定义为0.8×TA1℃以上。应予说明，TA1(℃)可通过下式(1)求得。
TA1(℃)＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
此处，[％M]是作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)。
但是，为了确保沿厚度方向的加热区域，可以在加热区域的厚度方向存在温度梯度，该情况下，优选加热区域中的钢板的厚度方向的温度为1.5×TM℃以下。进而，为了避免因接合部的温度过度上升而导致的旋转工具的损伤、微组织的变质，加热区域中的钢板厚度方向的温度优选设为小于TM℃直至与通过该加热区域的旋转工具接触。
应予说明，TM(℃)是作为被加工材料的钢板的熔点。
加热区域的深度D：钢板的合计厚度的30％以上
加热区域的深度D如下规定：上述加热区域的厚度方向的温度TD成为0.8×TA1℃以上的区域中的距离作为被加工材料的钢板的表面的最大深度。此处，该加热区域的深度D优选设为钢板的合计厚度的30％以上。这是由于，通过将加热区域的深度D设为钢板的合计厚度的30％以上，从而可进一步促进塑性流动。由此，在施加于旋转工具的负荷的减少和接合速度的高速度化中变得更为有利。更优选为钢板的合计厚度的50％以上。
然而，如果加热区域的深度D超过钢板的合计厚度的90％，则可能加热过量使微组织发生变化，所以优选加热区域的深度D设为钢板的合计厚度的90％以下。
另外，预热处理工艺中使用的加热装置没有特别限定，但优选使用激光加热装置。
这是由于，通过将能量密度高的激光用作热源，从而可更准确地进行预热处理工艺条件的控制，在不损害接合接头特性的情况下实现接合施工性的提高。
应予说明，对于上述以外的条件没有特别限定，例如在预热处理工艺中使用的加热装置的移动速度与接合速度为同程度即可。另外，在该加热装置使用激光加热装置的情况下，其激光输出、光束直径根据接合条件适当地设定即可。
以上，对本发明的摩擦搅拌接合方法中的预热处理工艺进行说明，但在本发明的摩擦搅拌接合方法中，在沿接合方向移动的旋转工具的后方设置冷却装置，利用该冷却装置可改善接合接头强度。
这是由于，通常在接合结束后，接合部成为自然放冷状态，因此，作为被加工材料的钢材的淬硬性低的情况下，存在无法充分得到接合接头的强度的问题。对于该问题，利用设置在沿接合方向移动的上述旋转工具的后方的冷却装置，将上述钢板的接合部冷却，并适当控制此时的冷却速度，从而可实现淬硬带来的强度提高。作为具体的冷却装置，优选利用非活性气体的喷出的冷却。作为该情况下的冷却速度，例如优选在800℃～500℃的范围设为30～300℃/s。
另一方面，作为被加工材料的钢材的淬硬性高的情况下，存在有可能过度硬化而使接合接头的韧性降低这种问题。关于该问题，通过设置对与旋转工具接近的后方部分进行加热的后方加热装置，适当控制冷却速度来进行缓冷，从而可抑制过度的硬化。作为具体的加热装置，优选的是高频感应加热、将激光作为热源的加热。作为该情况下的缓冷速度，例如优选在800℃～500℃的范围设为10～30℃/s。
另外，也可以在沿接合方向移动的旋转工具的后方且在上述冷却装置的后面设置后方加热装置，利用该后方加热装置对钢板的接合部进行再加热。
由此，在接合部被冷却装置的冷却淬硬并过度硬化的情况下，通过用该后方加热装置进行回火，从而可抑制硬度，实现兼具强度和韧性的接头特性。作为该情况下的冷却速度，优选例如在800℃～500℃的范围设为30～300℃/s，作为再加热温度，例如优选设为550～650℃。
进而，在沿接合方向移动的旋转工具的后方且在上述后方加热装置的后面设置冷却装置，可以利用该冷却装置对钢板的接合部进行冷却。
此时，在刚接合之后，通过用后方加热装置降低冷却速度，其后，用冷却装置增大冷却速度，从而可将组织复合化，能够实现兼具强度和延展性的接头特性。作为该情况下的冷却速度，例如优选将在800℃～600℃的范围设为10～30℃/s左右，其后，在600℃～400℃的范围设为30～300℃/s左右。
对于上述以外的接合条件，根据常法即可，但由于旋转工具的扭矩越大，钢板的塑性流动性变得越低，所以变得容易产生缺陷等。
因此，在本发明中，以将旋转工具的转速设为100～1000rpm的范围，抑制旋转工具的扭矩，并将接合速度高速化为1000mm/min以上为目标。
另外，作为本发明的对象钢种，可优选使用一般结构用钢或碳钢，例如JISG3106的焊接结构用轧制钢材、JISG4051的机械结构用碳钢等。另外，也可以优选用于拉伸强度为800MPa以上的高强度结构用钢，在该情况下，在接合部可得到钢板(母材)的拉伸强度的85％以上的强度、甚至90％以上的强度。
另外，根据使用上述摩擦搅拌接合方法的结构用钢的接合接头的制造方法，能够在提高接合施工性的同时制造具有高接头强度的结构用钢的接合接头。
实施例
实施例1
使用板厚1.6mm的表1所示的化学组成、拉伸强度的钢板，实施摩擦搅拌接合。接头抵接面是不带角度的所谓的I型坡口，通过铣削加工程度的表面状态以单面1道次进行接合。将摩擦搅拌接合的接合条件在表2中示出。另外，此处，使用图4中显示截面尺寸的以碳化钨(WC)作为原材料的旋转工具(肩部直径a：12mm，销部的最大直径b：4mm，探头长度c：1.4mm)，在接合时利用氩气对接合部进行屏蔽，防止表面的氧化。
表1
表2
另外，在接合之前，为了确认将激光用作热源的预热所致的加热区域，对表1的钢板1，以表3所示的各照射条件(激光移动速度、激光输出以及光束直径)照射激光，并利用红外热像仪测定表面温度。进而，观察激光照射部的截面，进行利用硝酸乙醇腐蚀液的微组织观察。
此处，由于成为变态点(TA1℃)以上的区域被蚀刻得最重，存在于其外侧的小于变态点(TA1℃)但母材中的马氏体等的高硬度组织回火的区域被蚀刻得较轻，因此，可分别识别变态点(TA1℃)以上的区域、小于变态点(TA1℃)的回火区域、母材的区域。进而，根据钢铁的热处理的常识，可知小于变态点(TA1℃)的回火区域与0.8×TA1℃以上且小于TA1℃的区域一致。通过这样的利用硝酸乙醇腐蚀液的微组织观察，测定变态点(TA1℃)以上的区域的深度D0、以及成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)。
将这些测定结果示于表4。
表3
表4
如表4所示，根据利用红外热像仪的表面温度测定结果，在照射条件A中，成为0.8×TA1℃以上的区域为直径3.5mm的圆形状。此处，由于使用的旋转工具的销部的最大直径为4.0mm，因此钢板表面中的加热区域的面积为旋转工具的销部的最大直径部的面积以下。
另外，在照射条件B中，成为0.8×TA1℃以上的区域为直径2.0mm的圆形状。因此，与上述同样地，钢板表面中的加热区域的面积为旋转工具的销部的最大直径部的面积以下。
另一方面，在照射条件C中，成为0.8×TA1℃以上的区域为直径4.5mm的圆形状。此处，由于使用的旋转工具的销部的最大直径为4.0mm，因此，钢板表面中的加热区域的面积超过旋转工具的销部的最大直径部的面积。
另外，如表4所示，根据激光照射部的截面观察，在照射条件A下，成为TA1℃以上的区域的深度D0和成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.28、0.30mm。由于作为被加工材料的钢板的厚度t为1.6mm，因此，成为0.8×TA1℃以上的区域的深度即加热区域的深度D为钢板的厚度t的约18.8％。
在照射条件B下，成为TA1℃以上的区域的深度D0和成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.47、0.50mm。由于作为被加工材料的钢板的厚度t为1.6mm，所以，加热区域的深度D为钢板的厚度t的约31.3％。
另一方面，在照射条件C下，成为TA1℃以上的区域的深度D0和成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.09、0.10mm。由于作为被加工材料的钢板的厚度t为1.6mm，所以，加热区域的深度D为钢板的厚度t的约6.3％。
接下来，在表5中示出了在被加工材料的接合前进行的利用激光照射的预热工艺条件和在接合后进行的工艺条件。此处，对于在接合后进行的工艺中的冷却而言进行利用气体喷出的冷却，对于加热(和再加热)而言进行感应加热。
应予说明，表5中，预热工艺条件和接合后进行的工艺条件中的“-”分别表示不进行预热工艺和不进行冷却、加热等接合后的工艺。另外，从接合中心线至加热区域中心的距离中的“(AS)”、“(RS)”的记载表示加热区域的中心相对于接合中心线分别位于前进侧、返回侧。
表5
另外，表6中示出了实施接合时的旋转工具的扭矩的测定值，和从得到的接合接头采取JISZ3121中规定的1号实验片的尺寸的拉伸实验片进行拉伸试验时的拉伸强度。
应予说明，可以说旋转工具的扭矩越大，塑性流动性越低，越容易产生缺陷等。
表6
根据表6，在发明例1～10中，即使在将接合速度高速化的情况下，也可得到母材钢板的拉伸强度的85％以上的强度，并且，旋转工具的扭矩为75N·m以下时，塑性流动性也良好。特别是在接合后进行冷却·再加热的发明例6和7中，可得到母材的拉伸强度的99％以上的强度。
另一方面，在比较例1～5中，旋转工具的扭矩为80N·m以上，塑性流动性差。
实施例2
与实施例1同样地，使用板厚1.6mm的表1所示的化学组成、拉伸强度的钢板，在接头抵接面不带角度的所谓的I型坡口，以铣削加工程度的表面状态以单面1道次实施摩擦搅拌接合。将摩擦搅拌接合的接合条件示于表7。另外，与实施例1同样地，使用图4中显示截面尺寸的以碳化钨(WC)作为原材料的旋转工具(肩部直径a：12mm，销部的最大直径b：4mm，探头长度c：1.4mm)，在接合时利用氩气对接合部进行屏蔽，防止表面的氧化。
表7
另外，在接合之前，为了确认将激光用作热源的预热所致的加热区域，对表1的钢板1以表8所示的各照射条件(激光移动速度、激光输出以及光束直径)照射激光，并利用红外热像仪测定表面温度。进而，观察激光照射部的截面，与实施例1同样地，进行利用硝酸乙醇腐蚀液的微组织观察，测定成为变态点(TA1℃)以上的区域的深度D0和成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)。
将这些测定结果示于表9。
表8
表9
如表9所示，根据利用红外热像仪测定的表面温度的结果，在照射条件D下，成为0.8×TA1℃以上的区域是激光移动方向为长径、与激光移动方向成直角的方向为短径的椭圆形，长径为3.8mm，短径为3.2mm。此处使用的旋转工具的销部的最大直径为4.0mm，因此，钢板表面中的加热区域的面积为旋转工具的销部的最大直径部的面积以下。
另外，在照射条件E下，成为0.8×TA1℃以上的区域是激光移动方向为长径、与激光移动方向成直角的方向为短径的椭圆形，长径为2.2mm，短径为1.8mm。因此，与上述同样地，钢板表面中的加热区域的面积为旋转工具的销部的最大直径部的面积以下。
另一方面，在照射条件F下，成为0.8×TA1℃以上的区域是激光移动方向为长径、与激光移动方向成直角的方向为短径的椭圆形，长径为4.9mm，短径为4.1mm。此处使用的旋转工具的销部的最大直径为4.0mm，因此，钢板表面中的加热区域的面积超过旋转工具的销部的最大直径部的面积。
另外，如表9所示，根据激光照射部的截面观察，在照射条件D下，成为TA1℃以上的区域的深度D0和成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.30、0.32mm。作为被加工材料的钢板的厚度t为1.6mm，因此，成为0.8×TA1℃以上的区域的深度即加热区域的深度D为钢板厚度t的约20.0％。
在照射条件E下，成为TA1℃以上的区域的深度D0和成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.51、0.54mm。作为被加工材料的钢板的厚度t为1.6mm，因此，加热区域的深度D为钢板厚度t的约33.8％。
另一方面，在照射条件F下，成为TA1℃以上的区域的深度D0和成为0.8×TA1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.10、0.11mm。作为被加工材料的钢板的厚度t为1.6mm，因此，加热区域的深度D为钢板厚度t的约6.9％。
接下来，在表10中示出了在被加工材料的接合前进行的利用激光照射的预热工艺条件、以及在接合后进行的工艺条件。此处，对于在接合后进行的工艺中的冷却而言进行利用气体喷出的冷却，对于加热(以及再加热)而言进行感应加热。
应予说明，在表10中，预热工艺条件和接合后进行的工艺条件中的“-”分别表示不进行预热工艺和不进行冷却、加热等接合后的工艺。另外，从接合中心线至加热区域中心的距离中的“(AS)”、“(RS)”的记载表示加热区域的中心相对于接合中心线分别位于前进侧、返回侧。
表10
另外，表11中示出了实施接合时的旋转工具的扭矩的测定值，和从得到的接合接头采取JISZ3121中规定的1号实验片的尺寸的拉伸实验片进行拉伸试验时的拉伸强度。
应予说明，可以说旋转工具的扭矩越大，塑性流动性越低，越容易产生缺陷等。
表11
根据表11，在发明例11～20中，即使将接合速度高速化为1000mm/min的情况下，也可以使旋转工具的扭矩为100N·m以下进行接合，并能够实现母材钢板的拉伸强度的85％以上的强度，得到健全的接头。特别是，在接合后进行冷却·再加热的发明例16和17中，可得到母材的拉伸强度的99％以上的强度。
另一方面，在比较例6中，旋转工具在接合中发生破损而无法接合。另外，比较例7～10成为残留有未接合部分的状态而无法接合，因此，得不到健全的接头。因此，在比较例6～10中，未进行旋转工具扭矩等的测定。
符号说明
1旋转工具
2旋转轴
3钢板
4接合部
5加热装置
6冷却装置
7后方加热装置
8旋转工具的肩部
9旋转工具的销部
10接合中心线
11AS线
12加热区域
13冷却区域
14再加热区域
a旋转工具的肩部直径
b旋转工具的销部的最大直径
c旋转工具的探头长度
X加热区域与旋转工具的最小距离
D加热区域的深度
t钢板的厚度
α旋转工具倾斜角度

Claims (8)

1.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，是将旋转工具插入该钢板的未接合部边使其旋转边沿接合方向移动，利用该旋转工具与该钢板的摩擦热使该钢板软化，并利用该旋转工具对该软化的部位进行搅拌从而产生塑性流动，将该钢板接合的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，
所述旋转工具包含肩部和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，至少该肩部和该销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，
利用设置于沿接合方向移动的该旋转工具的前方的加热装置，对该钢板进行加热，将由于该加热而该钢板的表面温度TS成为TS≥0.8×TA1的区域作为加热区域时，使该钢板表面的该加热区域与该旋转工具的最小距离为该旋转工具的肩部的直径以下，其中，TA1在下述式(1)中示出，TS的单位为℃，
并且，使该钢板表面的该加热区域的面积为该旋转工具的销部的最大直径部的面积以下，
并且，该加热区域的面积的50％以上在该钢板的表面中位于通过该旋转工具的旋转轴且与接合方向平行的直线即接合中心线、和与该接合中心线平行且向前进侧仅隔着与该旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线之间；
TA1℃＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]
+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]是作为被加工材料的钢板中的M元素的含量，即质量％。
2.根据权利要求1所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，对于所述加热区域的厚度方向的区域而言，将温度TD满足TD≥0.8×TA1的区域中的距离所述钢板表面的最大深度设为加热区域的深度D时，该加热区域的深度D为所述钢板的合计厚度t的30％以上，TA1在下述式(1)中示出，TD的单位为℃，
TA1℃＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]
+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]是作为被加工材料的钢板的M元素的含量，即质量％。
3.根据权利要求1或2所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，所述加热装置为激光加热装置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在沿接合方向移动的所述旋转工具的后方设置后方加热装置，利用该后方加热装置对所述钢板的接合部进行加热。
5.根据权利要求4所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述旋转工具的后方且在所述后方加热装置之后设置冷却装置，利用该冷却装置对所述钢板的接合部进行冷却。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在沿接合方向移动的所述旋转工具的后方设置冷却装置，利用该冷却装置对所述钢板的接合部进行冷却。
7.根据权利要求6所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在沿接合方向移动的所述旋转工具的后方且在所述冷却装置之后设置后方加热装置，利用该后方加热装置对所述钢板的接合部进行再加热。
8.一种结构用钢的接合接头的制造方法，使用权利要求1～7中任一项所述的摩擦搅拌接合方法。
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