CN106470790A - 旋转工具和接合方法 - Google Patents
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Abstract
一种摩擦点焊工具(1)，用于通过叠置第一部件和第二部件并且从第一部件侧施加压力来对第一部件和第二部件进行摩擦点焊。第一部件和第二部件是具有270至370MPa或更大的抗拉强度的钢板。摩擦点焊工具(1)能够围绕旋转轴线(4)旋转并且配备有：柱状部(2)，其在末端处具有肩部(5)；以及圆柱形或截锥形搅拌头(3)，其沿旋转轴线(4)的延伸方向从肩部(5)突出。当t(mm)为第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)为在从第一部件侧按压摩擦点焊工具(1)时搅拌头(3)插入第二部件中的体积时，V与t之间的关系满足公式(1)。V≥1.73t2+5.12t‑3.56(t≥0.5mm)····(1)。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦点焊工具和使用该工具的接合方法。
背景技术
近年来，作为用于接合两个或更多个薄板的接合方法，在例如日本专利公开No.2001-314982(在下文中称为PTD 1)中已设计出被称作“摩擦点焊”或“摩擦点接合”的接合方法，并且已经开始在机动车车体等中实际使用该接合方法。该技术利用在使末端处具有小直径突起(称为“搅拌头”或“销”)的圆柱形工具旋转的同时将该圆柱形工具按压在接合点上而产生的摩擦热，并且摩擦热导致金属材料在接合点处的软化和塑性流变，从而接合金属材料。
与目前用于机动车车体的主流接合方法的电阻点焊不同，摩擦点焊是在不使待接合部件熔融的情况下使待接合部件在固相的状态下接合的技术。因此，摩擦点焊允许在低温下接合。因此，摩擦点焊具有优于电阻点焊的诸如以下的优点：在接合点处不产生飞溅物或烟雾、待接合部件几乎不变形、低能耗以及能够接合不同类型的材料。
在例如日本专利公开No.2009-131891(在下文中称为PTD 2)中提出了通过改进用于实施摩擦点焊的接合工具(在下文中也称为“摩擦点焊工具”)来获得更高强度的接合部的尝试。PTD 2描述了：使用包括具有非圆形(例如，三角形等)横截面形状的搅拌头的摩擦点焊工具使得能够增加接合期间的搅拌效率，以防止在搅拌区域中沿竖直方向形成被称为“钩线”的未接合区域，并增加接合强度。
此外，日本专利公开No.2013-086175(在下文中称为PTD 3)描述了关于包括截锥形搅拌头的摩擦点焊工具的以下内容。该摩擦点焊工具被设计为使得搅拌头的侧表面与旋转轴线形成的角度、搅拌头的高度以及搅拌头所穿过的钢板的厚度满足一定的关系式。结果，增加了施加到接合点的十字拉伸载荷、抑制了由钩刮(hooking)引起的未接合区域的扩大，并且增加了接合强度。
摩擦点焊工具已经应用于具有低软化温度并且易于被搅拌的铝合金的接合，并且摩擦点焊工具在机动车车体的生产线上的应用正在扩大。
参考列表
专利文献
PTD 1：日本专利公开No.2001-314982
PTD 2：日本专利公开No.2009-131891
PTD 3：日本专利公开No.2013-086175
发明内容
技术问题
钢即使在高温下也具有高硬度并且比诸如铝合金等软金属更加难以塑性流变，因此，难以获得宽的搅拌区域。此外，在由叠置的钢板形成的接口处产生被称为“钩线(hookline)”的未接合区域。因此，当通过摩擦点焊来接合钢板(尤其是高强度钢板)时，难以获得高接合强度。
可以想到，在钢板的摩擦点焊中，使用如PTD 2中所描述的包括具有非圆形横截面形状的搅拌头的摩擦点焊工具，从而增加接合强度。然而，由于搅拌头的横截面形状是非圆形的，因此搅拌头的横截面形状具有拐角部分。因此，在摩擦点焊工具中，由于施加到上述拐角部分(搅拌头的横截面形状的拐角部分)的载荷而很容易发生剥落和磨损，并且存在不能确保搅拌头的足够耐用性的可能性。
此外，如上所述，PTD 3描述了指定搅拌头的形状，并且限定搅拌头与待接合部件之间的关系，从而增加接合强度。然而，在PTD 3中，接合强度的指标是十字拉伸载荷。因此，未考虑作为接合强度的更重要指标的拉伸剪切载荷。
具体地说，在JIS Z 3140：1989中，基于拉伸剪切载荷限定钢板等的接合部的机械性能的等级。因此，拉伸剪切载荷适合作为钢板的接合部的接合强度的指标。然而，尚未提出这样的摩擦点焊工具：具有足够耐用性，并且允许具有接合部所需的高拉伸剪切载荷的钢板接合部的形成。
因此，本发明的目的在于提供在钢板的接合中获得高拉伸剪切载荷的摩擦点焊工具。
解决方法
根据本发明的一个实施例的摩擦点焊工具用于通过叠置第一部件和第二部件并且将所述摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上来实施所述第一部件和所述第二部件的摩擦点焊。所述第一部件和所述第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。所述摩擦点焊工具能够围绕旋转轴线旋转。所述摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿所述旋转轴线的延伸方向从所述肩部突出。当t(mm)表示所述第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在将所述摩擦点焊工具按压在所述第一部件和所述第二部件上时所述搅拌头的插入所述第二部件中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
根据本发明的一个实施例的接合方法是用于通过叠置第一部件和第二部件并且将摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上来实施所述第一部件和所述第二部件的摩擦点焊的接合方法。根据本发明的一个实施例的该接合方法包括叠置所述第一部件和所述第二部件并且将所述摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上的按压步骤。所述第一部件和所述第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。所述摩擦点焊工具能够围绕旋转轴线旋转。所述摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿所述旋转轴线的延伸方向从所述肩部突出。所述按压步骤是这样的步骤：通过在围绕所述旋转轴线旋转所述摩擦点焊工具的同时将所述搅拌头插入到在所述第二部件的厚度方向上比所述第一部件和所述第二部件的接触表面更深的深度，来接合所述第一部件和所述第二部件。当t(mm)表示所述第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在所述按压步骤中所述搅拌头的插入所述第二部件中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
发明的有益效果
根据前述内容，在钢板的接合中获得了高拉伸剪切载荷。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的摩擦点焊工具的一个实例的示意性截面图。
图2是示出这样的状态的示意性截面图：当使用根据本发明的一个实施例的摩擦点焊工具来接合第一部件和第二部件时，搅拌头在按压时已被插入到最深处。
图3是示出以下关系的相关图：当使用均具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板形成接合部时，用作待接合部件的钢板的厚度t分别与接合部的被认为是基于JIS Z 3140：1989中的定义的JIS A级最小值和JIS A级平均值所需的拉伸剪切载荷F1(kN)和拉伸剪切载荷F2(kN)之间的关系。
图4是示出第二部件插入体积V与接合部的拉伸剪切载荷F之间的关系的相关图，该相关图是通过使用摩擦点焊工具形成钢板的接合部的试验而获得的。
具体实施方式
[本发明实施例的说明]
首先，在以下[1]至[10]中将列举并描述本发明的实施例。
[1]根据本发明的一个实施例的摩擦点焊工具，其用于通过叠置第一部件和第二部件并且将所述摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上来实施所述第一部件和所述第二部件的摩擦点焊。所述第一部件和所述第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。所述摩擦点焊工具能够围绕旋转轴线旋转。所述摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿所述旋转轴线的延伸方向从所述肩部突出。当t(mm)表示所述第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在将所述摩擦点焊工具按压在所述第一部件和所述第二部件上时所述搅拌头的插入所述第二部件中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
结果，在钢板的接合中获得高拉伸剪切载荷。
[2]优选地，所述第二部件插入体积V(mm3)与所述第二部件的厚度t(mm)之间的关系满足以下公式(2)：
V≥2.03t2+6.01t-3.74(t≥0.5mm)…(2)。
结果，在钢板的接合中获得更高的拉伸剪切载荷。
[3]优选地，所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面。优选地，所述侧表面相对于所述旋转轴线具有不小于0°且不大于15°的角度θ。结果，能够减少将搅拌头插入待接合部件中所需的载荷。此外，本发明的摩擦点焊工具适合作为通过肩部向第一部件施加足够的表面压力的工具。
[4]优选地，当h(mm)表示所述搅拌头插入所述第二部件中的深度时，h与所述第二部件的厚度t(mm)之间的比率h/t不低于0.25且不高于0.75。结果，在搅拌头末端直径和钩刮高度不过度增加的情况下，满足上述公式(1)或上述公式(2)。
[5]优选地，所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面。优选地，所述肩部从所述肩部的外边缘到所述肩部的与所述侧表面相交的部分具有研钵状的凹陷形状。结果，能够防止在利用按压的接合期间被搅拌头推压的第一部件和第二部件从肩部溢出(脱出)。因此，获得了所形成的接合部分的更好的外观。此外，由于肩部的外边缘压住第一部件，因此能够防止接合期间摩擦点焊工具的振动。
[6]根据本发明的一个实施例的接合方法是用于通过叠置第一部件和第二部件并且将摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上来实施所述第一部件和所述第二部件的摩擦点焊的接合方法。根据本发明的一个实施例的该接合方法包括叠置所述第一部件和所述第二部件并且将所述摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上的按压步骤。所述第一部件和所述第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。所述摩擦点焊工具能够围绕旋转轴线旋转。所述摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿所述旋转轴线的延伸方向从所述肩部突出。所述按压步骤是这样的步骤：通过在围绕所述旋转轴线旋转所述摩擦点焊工具的同时将所述搅拌头插入到在所述第二部件的厚度方向上比所述第一部件和所述第二部件的接触表面更深的深度，来接合所述第一部件和所述第二部件。当t(mm)表示所述第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在所述按压步骤中所述搅拌头的插入所述第二部件中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
结果，在钢板的接合中获得高拉伸剪切载荷。
[7]优选地，所述第二部件插入体积V(mm3)与所述第二部件的厚度t(mm)之间的关系满足以下公式(2)：
V≥2.03t2+6.01t-3.74(t≥0.5mm)…(2)。
结果，在钢板的接合中获得更高拉伸剪切载荷。
[8]优选地，所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面。优选地，所述侧表面相对于所述旋转轴线具有不小于0°且不大于15°的角度θ。结果，能够减少将搅拌头插入待接合部件中所需的载荷。此外，能够通过肩部向第一部件施加足够的表面压力。
[9]优选地，当h(mm)表示所述搅拌头插入所述第二部件中的深度时，h与所述第二部件的厚度t(mm)之间的比率h/t不低于0.25且不高于0.75。结果，在搅拌头末端直径和钩刮高度不过度增加的情况下，满足上述公式(1)或上述公式(2)。
[10]优选地，所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面。优选地，所述肩部从所述肩部的外边缘到所述肩部的与所述侧表面相交的部分具有研钵状的凹陷形状。结果，能够防止在利用按压的接合期间，被搅拌头推压的第一部件和第二部件从肩部溢出(脱出)。因此，获得所形成的接合部分的更好的外观。此外，由于肩部的外边缘压住第一部件，因此能够防止接合期间摩擦点焊工具的振动。
[本发明的实施例的细节]
下面将参考附图对本发明的实施例进行更加详细的说明。
<摩擦点焊工具>
本发明的实施例(在下文中也称为“本实施例”)的摩擦点焊工具用于通过叠置第一部件和第二部件并且将摩擦点焊工具从第一部件侧按压在第一部件和第二部件上来实施第一部件和第二部件的摩擦点焊。第一部件和第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。摩擦点焊工具能够围绕旋转轴线旋转。摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿旋转轴线的延伸方向从肩部突出。当t(mm)表示第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在将摩擦点焊工具按压在第一部件和第二部件上时搅拌头的插入第二部件中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
只要本实施例的摩擦点焊工具包括上述构造，本实施例的摩擦点焊工具还可以包括其它构造。其它构造的实例可以包括形成在摩擦点焊工具的表面上的各种类型的涂覆膜等。
图1是本实施例的摩擦点焊工具的示意性剖视图。如图1所示，本实施例的摩擦点焊工具1能够围绕旋转轴线4旋转。本文中“旋转轴线”是指摩擦点焊工具旋转所围绕的轴线。此外，本实施例的摩擦点焊工具1包括至少一个末端处具有肩部5的柱状部2，以及沿旋转轴线4的延伸方向从肩部5突出的圆柱形或截锥形搅拌头3。在本实施例中，除非另有说明，“摩擦点焊工具”是指具有至少上述柱状部和上述搅拌头的摩擦点焊工具。
下面将对构件进行进一步地详细说明。
(柱状部)
本实施例的摩擦点焊工具1包括末端处具有肩部5的柱状部2。本文中“肩部”是指柱状部的末端部分的在中央部分处具有下述搅拌头的表面。
搅拌头3优选地包括与肩部5连续的侧表面，并且肩部5从肩部5的外边缘到肩部5与搅拌头3的侧表面相交的部分优选地具有研钵状的凹陷形状。本文中“搅拌头的侧表面”是指与搅拌头的圆柱形或截锥形外形(即，圆柱或截锥)的侧表面对应的表面。此外，本文中“外边缘”是指在具有肩部的柱状部中形成肩部的表面的外周。
由于肩部5具有上述形状(从肩部5的外边缘到肩部5与搅拌头3的侧表面相交的部分的研钵状的凹陷形状)，因此能够防止在按压期间被搅拌头3推压的第一部件6和第二部件7(在下文中，第一部件6和第二部件7中的两者或一者可以简单地称为“待接合部件”)从肩部5溢出。因此，获得所形成的接合部分的更好的外观。此外，由于肩部5的外边缘压住待接合部件(例如，第一部件6)，因此能够防止按压期间摩擦点焊工具1的振动。
肩部5的面积优选为不小于60mm2且不大于80mm2。结果，充分地增加了在按压期间通过肩部5施加到待接合部件的表面压力。因此，在待接合部件之间不容易形成间隙。肩部5的面积更优选地为不小于65mm2且不大于70mm2。
(搅拌头)
本实施例的摩擦点焊工具1包括沿旋转轴线4的延伸方向从肩部5突出的圆柱形或截锥形搅拌头3。本文中“截锥形”是指通过从圆锥体去除与圆锥体共享顶点并以类似形状按比例缩小的锥体而获得的形状。此外，“圆柱形”和“截锥形”形状所涉及的“圆”不必限于准确的圆，而是包括大致圆形。此外，“搅拌头”是指插入第一部件和第二部件中以在按压时搅拌待接合部件的部分，并且是指摩擦点焊工具的突出部分。在摩擦点焊工具1中，搅拌头3具有圆柱形或截锥形形状。因此，搅拌头3具有圆形横截面形状，并且因此没有拐角部分。因此，在摩擦点焊工具1中，不存在因施加到搅拌头3的拐角部分的载荷而发生剥落和磨损的可能性。结果，确保了极好的耐用性。
图2是示出这样的状态的示意性截面图：当使用本实施例的摩擦点焊工具1通过按压来接合第一部件6(待接合部件)和第二部件7(待接合部件)时，搅拌头3在按压时已被插入到最深处。尽管图2示出了搅拌头3已被插入最深处的状态，但本实施例不限于此。本实施例可以具有任何状态，只要在按压时将搅拌头3插入到在第二部件7的厚度方向上比第一部件6和第二部件7的接触表面8更深的深度即可。在图2中，搅拌头末端半径r和搅拌头长度l被适当地确定，以便如下文所述地调节按压时的第二部件插入体积V，但没有特别限制。例如，当接合均具有1.2mm的厚度的钢板时，搅拌头末端半径r优选为不小于1.4mm且不大于1.8mm，并且搅拌头长度l优选为不短于2.0mm且不长于2.4mm。结果，能够获得更高拉伸剪切载荷。本文中“搅拌头末端半径r”是指搅拌头的末端表面(即，圆)的半径。此外，“搅拌头长度l”是指搅拌头的末端表面与包括搅拌头的侧表面和肩部所相交的线(交线)的表面之间的距离，假定这些表面彼此平行。
在本实施例中，搅拌头3优选地包括与肩部5连续的侧表面，并且该侧表面相对于旋转轴线4优选地具有不小于0°且不大于15°的角度θ。本文中“角度θ”是指在包括摩擦点焊工具的旋转轴的截面中，搅拌头的侧表面的延伸直线与旋转轴线的延伸直线相交的角度。“角度θ”对应于图2中的θ。在下文中，该角度也称为“搅拌头锥角”。如上文所述，角度θ优选为不小于0°且不大于15°。当角度θ大于15°时，在与包括搅拌头的侧表面和肩部所相交的线的表面对应并且将垂直于旋转轴线的表面作为截面的搅拌头截面(圆形形状)中，圆形形状的直径可能变得更大。因此，将搅拌头插入待接合部件中所需的载荷可能变得太高。此外，当角度θ大于15°时，肩部的面积可能变得相对较小。因此，通过肩部施加到第一部件的表面压力可能变得更低，并且因此，可能在第一部件与第二部件之间形成间隙。
当角度θ不小于0°且不大于15°时，能够减小将搅拌头3插入待接合部件中所需的载荷。此外，能够通过肩部5向第一部件6施加足够的表面压力。角度θ更优选地为不小于5°且不大于10°。
在本实施例中，在搅拌头3的侧表面中可以形成凹槽。此外，搅拌头3可以包括从搅拌头3的末端表面向搅拌头3的侧表面斜切的倾斜表面(所谓的倒角表面)。本文中“搅拌头的末端表面”是指位于搅拌头的在旋转轴线的延伸方向上的末端处的圆形表面。当搅拌头3具有上述形状时，能够进一步增加摩擦点焊工具1的搅拌力。
此外，搅拌头3可以在搅拌头3的末端表面和搅拌头3的侧表面相交的区域处倒圆角。结果，在按压期间搅拌头3的末端处不容易发生剥落。
(摩擦点焊工具的材料)
在本实施例中，作为摩擦点焊工具1的材料，可以使用作为诸如摩擦点焊工具或摩擦搅拌焊接工具等各种类型的接合工具的材料的常规已知材料，而没有任何特别限制。摩擦点焊工具1的材料的实例可以包括例如硬质合金(例如，WC基硬质合金，并且上述“WC基硬质合金”包括含有WC和Co或Ni的硬质合金以及除了WC和Co或Ni之外还含有Ti、Ta、Nb等的碳氮化物等的硬质合金)、金属陶瓷(主要由TiC、TiN、TiCN等构成)、高速钢、工具钢、陶瓷(诸如碳化钛、碳化硅、氮化硅、氮化铝、氧化铝、赛隆、或它们的混合物)、烧结立方氮化硼、烧结金刚石、具有分散于其中的立方氮化硼颗粒的硬质材料、耐热合金等。
在这些材料中，硬质合金相对便宜并且能够延长工具寿命。因此，优选地使用硬质合金作为摩擦点焊工具1的材料。当硬质合金用作摩擦点焊工具1的材料时，硬质合金可以在其结构中包括游离碳或称为η相的异常相。
(涂覆膜)
在本实施例中，可以在摩擦点焊工具1的表面的全部或一部分上形成涂覆膜。结果，能够提高摩擦点焊工具1的抗氧化性或耐磨性。可以使用用作切削工具或摩擦点焊工具的涂覆膜的常规已知的涂覆膜作为涂覆膜。涂覆膜可以由单层形成，或者可以由两个或更多个叠加层形成。
(第一部件和第二部件)
本实施例的摩擦点焊工具1用于第一部件6和第二部件7的摩擦点焊，第一部件6和第二部件7中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。为了实现车体的轻量化以提高燃料效率或减少CO2排放并且为了实现碰撞安全性，具有更高抗拉强度的钢板已经被越来越多的使用，例如，用于例如机动车车体。高拉伸剪切载荷需要具有高抗拉强度的钢板接合部，以便充分利用钢板自身的高抗拉强度。然而，当通过熔融接合(诸如电阻点焊等)来接合均具有不低于270MPa且不高于370MPa的拉伸强度的钢板时，在接合点处容易产生飞溅物(液滴)。因此，飞散的飞溅物附着在车体上，这导致了诸如外观差或工作环境恶劣等问题。另一方面，在本实施例中，通过作为非熔融接合的摩擦点焊来接合具有高抗拉强度的钢板。因此，即使当第一部件6和第二部件7中的每一个具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度时，也能够防止在接合点处产生飞溅物，并且能够获得具有高拉伸剪切载荷和高强度的接合部。
能够用在通过本实施例的摩擦点焊工具1来进行的接合中的第一部件6的厚度没有特别限制。然而，以下厚度适用于能够用在通过本实施例的摩擦点焊工具1来进行的接合中的第二部件7的厚度。除非将第二部件插入深度设定在一定程度以上的值，否则难以控制第二部件插入深度并因此使接合部的拉伸剪切载荷具有宽范围的变化。因此，第二部件7的厚度优选为不小于0.5mm。第一部件6和第二部件7的厚度均更优选为不小于0.8mm且不大于1.5mm。
(第二部件插入体积V与第二部件的厚度t之间的关系)
在本实施例中，当t(mm)表示第二部件7的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在按压时搅拌头3的插入第二部件7中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
在本实施例中，第二部件插入体积V(mm3)与第二部件7的厚度t(mm)之间的关系更优选地满足以下公式(2)：
V≥2.03t2+6.01t-3.74(t≥0.5mm)…(2)。
本文中“第二部件插入体积V”是指：当搅拌头在按压时插入到在厚度方向上比第一部件和第二部件的接触表面更深的深度时，由搅拌头的侧表面和搅拌头的末端表面包围并且从搅拌头的末端表面延伸到等于下述第二部件插入深度的高度的区域所占据的体积。“第二部件插入体积V”表示与图2中的V对应的体积。
第二部件插入体积V能够根据搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ和第二部件插入深度来计算。本文中“第二部件插入深度”是指：当搅拌头在按压时插入到在第二部件的厚度方向上比第一部件和第二部件的接触表面更深的深度时，第一部件和第二部件的接触表面与搅拌头的末端表面之间的距离，假定这些表面彼此平行。“第二部件插入深度”对应于图2中的h。通过测量接合之后的第二部件剩余厚度并且确定第二部件的厚度与第二部件剩余厚度之间的差能够获得第二部件插入深度。本文中“第二部件剩余厚度”是指：当搅拌头在按压时插入到在第二部件的厚度方向上比第一部件和第二部件的接触表面更深的深度时，从第二部件的不与搅拌头接触的表面到搅拌头的末端表面的竖直距离。“第二部件剩余厚度”对应于图2中的t’。
在本实施例中，第二部件7的第二部件插入体积V(mm3)和厚度t(mm)满足上述公式(1)或上述公式(2)，因此，获得具有高强度的接合部。将在后文中对其原因进行说明。
在JIS Z 3140：1989中，基于接合部能够承受的拉伸剪切载荷的上限值(在下文中也称为“接合部的拉伸剪切载荷”)定义了通过电阻点焊来接合两个钢板时接合部的强度的等级。在这些等级中，被认为是“需要特别强度的焊接部分”的接合部所需的拉伸剪切载荷的最小值和平均值分别被定义为JIS A级最小值和JIS A级平均值。图3是示出，当使用均具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板形成接合部时，用作待接合部件的钢板中较薄钢板的厚度t与接合部的被认为是基于JIS Z 3140：1989中的定义的JIS A级最小值所需的拉伸剪切载荷F1(kN)(在下文中也称为“拉伸剪切载荷F1”)和接合部的被认为是基于JIS Z 3140：1989中的定义的JIS A级平均值所需的拉伸剪切载荷F2(kN)(在下文中也称为“拉伸剪切载荷F2”)之间的关系的相关图。
为了导出关于拉伸剪切载荷F1(kN)与钢板中的较薄钢板的厚度t之间的相关性的数学公式以及关于拉伸剪切载荷F2(kN)与钢板中的较薄钢板的厚度t之间的相关性的数学公式，基于图3使用最小二乘法进行二次函数近似。
然后，获得关于拉伸剪切载荷F1(kN)与钢板中较薄钢板的厚度t(mm)之间的关系的以下公式(3)：
F1＝1.26t2+3.74t-0.76…(3)。
此外，获得关于拉伸剪切载荷F2(kN)与钢板中较薄钢板的厚度t(mm)之间的关系的以下公式(4)：
F2＝1.48t2+4.39t-0.89…(4)。
从上述公式(3)可以看出，F(kN)与在本实施例中接合的钢板中较薄钢板的厚度t(mm)之间的关系可以仅满足以下公式(5)，以便将使用本实施例的摩擦点焊工具1获得的接合部的拉伸剪切载荷F(kN)设定为高于或等于拉伸剪切载荷F1(kN)：
F≥1.26t2+3.74t-0.76…(5)。
此外，从上述公式(4)可以看出，F(kN)与在本实施例中接合的钢板中较薄钢板的厚度t(mm)之间的关系可以仅满足以下公式(6)，以便将使用本实施例的摩擦点焊工具1获得的接合部的拉伸剪切载荷F(kN)设定为高于或等于拉伸剪切载荷F2(kN)：
F≥1.48t2+4.39t-0.89…(6)。
现在，假定在本实施例中第二部件的厚度小于或等于第一部件的厚度，则在上述公式(5)和上述公式(6)中用“第二部件的厚度t”代替“接合的钢板中的较薄钢板的厚度t”。
本发明的发明人多方面地改变搅拌头的形状和搅拌头的尺寸以试做多种类型的摩擦点焊工具，并且使用试作的摩擦点焊工具在具有不同抗拉强度或不同尺寸的钢板上执行接合测试，以便能够获得这样的作为接合装置的摩擦点焊工具：在第一部件和第二部件的摩擦点焊中能够获得拉伸剪切载荷高于或等于被认为是JIS A级最小值或JIS A级平均值所需的拉伸剪切载荷的接合部，其中，第一部件和第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。结果，本发明的发明人发现第二部件插入体积V是支配接合部的拉伸剪切载荷的重要因素。图4是示出通过由本发明的发明人执行的试验获得的第二部件插入体积V与接合部的拉伸剪切载荷F之间的关系的相关图。本发明的发明人使用均具有不低于270MPa且不高于980MPa的抗拉强度以及不小于0.6mm且不大于2.0mm的厚度的多种类型的钢板作为第一部件和第二部件，并且使用具有不同搅拌头形状和搅拌头尺寸的摩擦点焊工具来接合第一部件和第二部件，并研究了接合部的第二部件插入体积V与拉伸剪切载荷F之间的关系。结果如图4所示。
从图4可以看出，第二部件插入体积V(mm3)和拉伸剪切载荷F(kN)具有正相关性，而与诸如搅拌头的形状、搅拌头的尺寸、待接合部件(第一部件和第二部件)的抗拉强度以及待接合部件的尺寸等因素无关。通过使用最小二乘法将该相关性近似为线性函数，获得关于第二部件插入体积V(mm3)与拉伸剪切载荷F(kN)之间的关系的以下近似公式(7)。图4中的线段表示由以下公式(7)所表示的直线的一部分。
F＝0.73V+1.84…(7)。
通过将上述公式(7)代入上述公式(5)中并进行计算，能够获得上述公式(1)(表示当使用本实施例的摩擦点焊工具1获得的接合部的拉伸剪切载荷F(kN)变得高于或等于拉伸剪切载荷F1(kN)时，第二部件插入体积V(mm3)与第二部件7的厚度t(mm)(t≥0.5mm)之间的关系的关系公式)。
因此，在摩擦点焊中第二部件插入体积V(mm3)和第二部件的厚度t(mm)满足上述公式(1)，从而，能够获得高于或等于被认为是JIS A级最小值所需的拉伸剪切载荷的拉伸剪切载荷，以作为接合部的拉伸剪切载荷。结果，能够制造具有高接合强度的接合部。
此外，通过将上述公式(7)代入上述公式(6)中并进行计算，能够获得上述公式(2)(表示当使用本实施例的摩擦点焊工具1获得的接合部的拉伸剪切载荷F(kN)变得高于或等于拉伸剪切载荷F2(kN)时，第二部件插入体积(mm3)与第二部件7的厚度t(mm)(t≥0.5mm)之间的关系的关系公式)。
因此，在摩擦点焊中第二部件插入体积V(mm3)和第二部件的厚度t(mm)满足上述公式(2)，从而，能够获得高于或等于被认为是JIS A级平均值所需的拉伸剪切载荷的拉伸剪切载荷，以作为接合部的拉伸剪切载荷。结果，能够制造具有更高接合强度的接合部，因此，这是优选的。
(第二部件插入深度h与第二部件的厚度t之间的比率h/t)
在本实施例的摩擦点焊工具1中，搅拌头3插入第二部件7中的深度h优选为，使得深度h与第二部件7的厚度t之间的比率h/t不低于0.25且不高于0.75。在本说明书中，搅拌头插入第二部件中的深度h也将称为“第二部件插入深度h”。当h/t低于0.25时，搅拌头末端直径d倾向于变得更大以便满足上述公式(1)或上述公式(2)。结果，将搅拌头插入待接合部件中所需的载荷可能变得太高。本文中“搅拌头末端直径d”是指搅拌头的末端表面的直径并且与上述搅拌头末端半径r的两倍的值对应。当h/t高于0.75时，钩刮高度可能变得太高，结果，接合部的拉伸剪切载荷可能变低。本文中“钩刮高度”是指在竖直方向上从第一部件和第二部件的接触表面到作为未接合区域的钩线的上端的距离。“钩刮高度”对应于图2中的H。当h/t设定为不低于0.25且不高于0.75时，在搅拌头末端直径d和钩刮高度H不过度增加的情况下，满足上述公式(1)或上述公式(2)。h/t更加优选地不低于0.4且不高于0.75。
<用于制造摩擦点焊工具的方法>
优选地使用如下所述制造的摩擦点焊工具作为本实施例的摩擦点焊工具1。首先，混合原料粉末。作为原料粉末，可以使用作为诸如摩擦点焊工具或摩擦搅拌焊接工具等各种类型的接合工具的材料的常规已知材料，而没有任何特别限制。接下来，向混合的原料粉末中添加乙醇，并且用磨碎机对混合物搅拌约4小时至10小时。使乙醇挥发，然后将混合物在100MPa的压力下单轴压制，并在1200℃至1700℃下烧结约1小时至3小时。用金刚石磨石等研磨如此获得的烧结体。如此获得摩擦点焊工具。
在本实施例中，可以在摩擦点焊工具的表面的全部或一部分上制造涂覆膜。可以使用任何常规已知的成膜工艺作为涂覆膜的成膜工艺。例如，可以使用PVD(物理气相沉积)法(例如，真空电弧气相沉积法)、CVD(化学气相沉积)法等。作为选择，可以组合两个或更多个常规已知的成膜工艺。
<接合方法>
下面将对本实施例的接合方法进行说明。
本实施例的接合方法是使用上述摩擦点焊工具1的接合方法。具体地说，本实施例的接合方法是这样的接合方法：通过叠置第一部件6和第二部件7并且将摩擦点焊工具1从第一部件6侧按压在第一部件6和第二部件7上来实施第一部件6和第二部件7的摩擦点焊。本实施例的接合方法包括叠置第一部件6和第二部件7并且将摩擦点焊工具1从第一部件6侧按压在第一部件6和第二部件7上的按压步骤。第一部件6和第二部件7中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。摩擦点焊工具1能够围绕旋转轴线4旋转。摩擦点焊工具1包括末端处具有肩部5的柱状部2，以及沿旋转轴线4的延伸方向从肩部5突出的圆柱形或截锥形搅拌头3。按压步骤是这样的步骤：通过在围绕旋转轴线4旋转摩擦点焊工具1的同时将搅拌头3插入到第一部件6和第二部件7中，来接合第一部件6和第二部件7。当t(mm)表示第二部件7的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在按压步骤中搅拌头3的插入第二部件7中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
只要本实施例的接合方法包括上述按压步骤，本实施例的接合方法还可以包括其它步骤。其它步骤的实例可以包括制备第一部件6和第二部件7的步骤等。
(制备第一部件和第二部件的步骤)
本实施例的接合方法可以包括制备第一部件6和第二部件7的步骤(在下文中也称为“制备步骤”)。尽管该制备步骤是制备用于按压步骤中的第一部件6和第二部件7的步骤，但该制备步骤可以包括形成第一部件6和第二部件7的接合点的步骤。作为用于形成接合点的方法，可以叠置第一部件6的一部分和第二部件7的一部分以形成叠置部分并且该叠置部分可以用作接合点。可以叠置第一部件6的全部和第二部件7的全部以形成叠置部分，或者可以叠置第一部件6的全部和第二部件7的一部分以形成叠置部分，或者可以叠置第一部件6的一部分和第二部件7的全部以形成叠置部分。当叠置部分用作接合点时，叠置部分的宽度需要大于或等于肩部5的直径。
第一部件6和第二部件7中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板。
本实施例的接合方法是利用作为非熔融接合的摩擦点焊的接合方法。因此，即使在以均具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的第一部件6和第二部件7作为上述待接合部件时，也能够防止在接合点产生飞溅物，并且能够获得具有高强度的接合部。
(按压步骤)
本实施例的接合方法包括这样的步骤：叠置第一部件6和第二部件7并且将摩擦点焊工具1从第一部件6侧按压在第一部件6和第二部件7上(按压步骤)。
按压步骤是这样的步骤：通过在围绕旋转轴线4旋转摩擦点焊工具1的同时将搅拌头3插入到在第二部件7的厚度方向上比第一部件6和第二部件7的接触表面8更深的深度，来接合第一部件6和第二部件7。作为该步骤的结果，第一部件6和第二部件7接合并形成接合部。
在按压步骤中，在旋转搅拌头3的同时将搅拌头3插入待接合部件中，从而产生摩擦热。摩擦热导致第一部件6和第二部件7在接合点处的软化和塑性流变。结果，第一部件6和第二部件7接合并形成接合部。
在本实施例中，当t(mm)表示第二部件7的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在按压步骤中搅拌头3的插入第二部件7中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)…(1)。
将搅拌头3插入第一部件6和第二部件7的接合点中，使得V与t之间的关系满足上述公式(1)，并且实施利用按压的接合以形成接合部。结果，能够提高接合部的拉伸剪切载荷并且能够提高接合强度。
在本实施例中，第二部件插入体积V(mm3)与第二部件的厚度t(mm)之间的关系优选地满足以下公式(2)：
V≥2.03t2+6.01t-3.74(t≥0.5mm)…(2)。
结果，能够进一步提高接合部的拉伸剪切载荷并且能够进一步提高接合强度。由于上文中描述了对上述公式(1)和上述公式(2)的说明及引入上述公式(1)和上述公式(2)的原因，因此不再重复说明。
在本实施例中，当h(mm)表示搅拌头3插入第二部件7中的深度时，h与第二部件7的厚度t(mm)之间的比率h/t优选为不低于0.25且不高于0.75。结果，在搅拌头末端直径d和钩刮高度H不过度增加的情况下，满足上述公式(1)或上述公式(2)。由于上文中也描述了比率h/t的详细内容，因此不再重复说明。
在用于本实施例的摩擦点焊工具1中，搅拌头3优选地包括与肩部5连续的侧表面，并且该侧表面相对于旋转轴线4优选地具有不小于0°且不大于15°的角度θ。结果，摩擦点焊工具1的形状能够变为这样的形状：使得能够将搅拌头3插入待接合部件中所需的载荷减小，并且使得能够通过肩部5向第一部件6施加足够的表面压力。由于上文中也描述了角度θ的详细内容，因此不再重复说明。
在用于本实施例的摩擦点焊工具1中，搅拌头3优选地包括与肩部5连续的侧表面，并且肩部5从肩部5的外边缘到肩部5与侧表面相交的部分优选地具有研钵状的凹陷形状。结果，能够防止在利用按压的接合期间被搅拌头3推压的第一部件6和第二部件7从肩部5溢出。因此，获得所形成的接头部分的更好的外观。此外，由于肩部5的外边缘压住第一部件6，因此能够防止接合期间摩擦点焊工具1的振动。
在按压步骤中摩擦点焊工具1的转速(在下文中也称为“工具转速”)、通过摩擦点焊工具1施加到接合点的载荷(在下文中也称为“接合载荷”)以及由摩擦点焊工具1所按压的时间(在下文中也称为“接合时间”)没有特别限制，并且可以根据搅拌头3的形状、搅拌头3的尺寸、作为待接合部件的第一部件6和第二部件7的尺寸等而适当地确定。当工具转速、接合载荷和接合时间中的任一个或全部过小时，则不能充分地将搅拌头3推进到待接合部件中，因此难以获得高接合强度。另一方面，当工具转速、接合载荷和接合时间中的一个或全部过大时，则接合部分的温度变得过高，因此可能降低接合部的强度。此外，摩擦点焊工具可能损坏。
实例
下面将参考实例对本发明进行更加详细的说明。然而，本发明不限于这些实例。
<实例1>
制造No.1-1至No.1-6中的每一个中的摩擦点焊工具，并且使用所制造的摩擦点焊工具接合第一部件和第二部件，以评价摩擦点焊工具。
(柱状部)
在No.1-1至No.1-6中的每一个中，所制造的摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿旋转轴线的延伸方向从肩部突出。搅拌头包括与肩部连续的侧表面。肩部从肩部的外边缘到肩部与侧表面相交的部分具有研钵状的凹陷形状，并且肩部的直径(即，柱状部的直径)为10mm。
(搅拌头)
在No.1-1至No.1-6中的每一个中，所制造的摩擦点焊工具的搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l示出在表1中。表1中的“搅拌头形状”表示搅拌头具有圆柱形形状还是截锥形形状。在No.1-1至No.1-6中，搅拌头形状被设定为具有表1中所示的形状，并且搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l被设定为具有表1中所示的值，因此，满足上述公式(1)(表1的“公式(1)的满足”栏示出“满足”)。在No.1-2至No.1-4中，满足上述公式(2)(表1的“公式(2)的满足”栏示出“满足”)。然而，在No.1-1、No.1-5和No.1-6中，不满足上述公式(2)(表1的“公式(2)的满足”栏示出“不满足”)。
(摩擦点焊工具的材料)
在No.1-1至No.1-6中，使用硬质合金作为摩擦点焊工具的材料。硬质合金是通过烧结具有2μm的平均尺寸的WC晶粒而制造的。硬质合金的组成为：Co为3wt％，WC为97wt％。
(用于制造摩擦点焊工具的方法)
在No.1-1至No.1-6中，如下地制造摩擦点焊工具。具体地说，混合上述WC晶粒，并且进一步添加乙醇，并且用磨碎机对混合物搅拌约8小时。使乙醇挥发，然后将混合物在100MPa的压力下单轴压制，并在1500℃下烧结约2小时。用金刚石磨石等研磨如此获得的烧结体。如此制造出摩擦点焊工具。
(涂覆膜)
在No.1-1至No.1-6中，通过真空电弧气相沉积法在摩擦点焊工具的全部表面上形成具有4μm的厚膜的Al0.57Ti0.38Si0.05N膜(涂覆膜)，以防止氧化并提高摩擦点焊工具的耐磨性。
(制备步骤)
在No.1-1至No.1-6中，制备厚度为1.2mm的且抗拉强度为370MPa的一个钢板以用于第一部件(待接合部件)，并且制备厚度为1.2mm且抗拉强度为370MPa的一个钢板以用于第二部件(待接合部件)(表1)。为了通过根据JIS Z 3136：1999的方法的剪切测试来评价接合部的拉伸剪切载荷，将第一部件和第二部件中的每一个的尺寸设定为宽度为30mm且长度为100mm。叠置所制备的第一部件和第二部件以形成30mm的叠置部分，并且叠置部分用作接合点。
(按压步骤)
在围绕旋转轴线旋转摩擦点焊工具的同时将搅拌头插入到在第二部件的厚度方向上比第一部件和第二部件的接触表面更深的深度。结果，接合第一部件和第二部件。工具转速被设定为1000rpm，接合载荷被设定为1000kgf，并且根据摩擦点焊工具的形状，接合时间被调节为在1.5s至3.0s之间，以形成接合部。
(第二部件插入体积V与第二部件的厚度t之间的关系)
在No.1-1至No.1-6中的每一个中，当使用摩擦点焊工具接合第一部件和第二部件时的第二部件剩余厚度t’、第二部件插入深度h、h/t以及第二部件插入体积V示出在表1中。
具体地说，首先使用千分尺(由Mitutoyo公司生产的型号为No.“CPM30-25MJ”)来测量第二部件剩余厚度t’。基于该测量结果(第二部件剩余厚度t’)、第二部件的厚度t、搅拌头末端半径r以及搅拌头锥角θ来计算第二部件插入体积V。
<比较例1>
除了改变搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l外，使用与No.1-1至No.1-6相同的方法来制造表1中的No.1-11至No.1-14中的每一个中所示的摩擦点焊工具，因此，第二部件插入体积V的值与第二部件的厚度t之间的关系不再满足上述公式(1)和上述公式(2)(表1的“公式(1)的满足”栏和“公式(2)的满足”栏示出“不满足”)。
与实例1类似地，使用所制造的摩擦点焊工具接合第一部件和第二部件。表1示出了No.1-11至No.1-14中的第一部件和第二部件的抗拉强度、第二部件的厚度t、搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ、搅拌头长度l、第二部件剩余厚度t’、第二部件插入深度h、h/t以及第二部件插入体积V。
<实例2>
除了改变搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l外，使用与No.1-1至No.1-6相同的方法来制造表1中的No.2-1至No.2-6中的每一个中所示的摩擦点焊工具，使用所制造的摩擦点焊工具进行接合的第一部件和第二部件的厚度、宽度、长度以及叠置部分分别变为1.5mm、40mm、125mm和40mm，并且接合时间调节为2.0s至3.4s之间。与实例1类似地，使用所制造的摩擦点焊工具接合第一部件和第二部件。
表1示出了No.2-1至No.2-6中的第一部件和第二部件的抗拉强度、第二部件的厚度t、搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ、搅拌头长度l、第二部件剩余厚度t’、第二部件插入深度h、h/t以及第二部件插入体积V。在No.2-1至No.2-6中，搅拌头形状被设定为具有表1中所示的形状，并且搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l被设定为具有表1中所示的值，因此，满足上述公式(1)(表1的“公式(1)的满足”栏示出“满足”)。在No.2-3和No.2-4中，满足上述公式(2)(表1的“公式(2)的满足”栏示出“满足”)。然而，在No.2-1、No.2-2、No.2-5和No.2-6中，不满足上述公式(2)(表1的“公式(2)的满足”栏示出“不满足”)。
<比较例2>
除了改变搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l外，使用与No.2-1至No.2-6相同的方法来制造表1中的No.2-11至No.2-13中的每一个中所示的摩擦点焊工具，因此，第二部件插入体积V的值与第二部件的厚度t之间的关系不再满足上述公式(1)和上述公式(2)(表1的“公式(1)的满足”栏和“公式(2)的满足”栏示出“不满足”)。
与实例2类似地，使用所制造的摩擦点焊工具接合第一部件和第二部件。表1示出了No.2-11至No.2-13中的第一部件和第二部件的抗拉强度、第二部件的厚度t、搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ、搅拌头长度l、第二部件剩余厚度t’、第二部件插入深度h、h/t以及第二部件插入体积V。
<实例3>
除了改变搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l外，使用与No.1-1至No.1-6相同的方法来制造表1中的No.3-1至No.3-6中的每一个中所示的摩擦点焊工具，使用所制造的摩擦点焊工具进行接合的第一部件和第二部件的厚度变为1.0mm，第一部件和第二部件中的每一个变为抗拉强度为270MPa的钢板，并且接合载荷变为800kgf。与实例1类似地，使用所制造的摩擦点焊工具接合第一部件和第二部件。
表1示出了No.3-1至No.3-6中的第一部件和第二部件的抗拉强度、第二部件的厚度t、搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ、搅拌头长度l、第二部件剩余厚度t’、第二部件插入深度h、h/t以及第二部件插入体积V。在No.3-1至No.3-6中，搅拌头形状被设定为具有表1中所示的形状，并且搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l被设定为具有表1中所示的值，因此，满足上述公式(1)(表1的“公式(1)的满足”栏示出“满足”)。在No.3-1至No.3-4中，满足上述公式(2)(表1的“公式(2)的满足”栏示出“满足”)。然而，在No.3-5和No.3-6中不满足上述公式(2)(表1的“公式(2)的满足”栏示出“不满足”)。
<比较例3>
除了改变搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ以及搅拌头长度l外，使用与No.3-1至No.3-6相同的方法来制造表1中的No.3-11至No.3-13中的每一个中所示的摩擦点焊工具，因此，第二部件插入体积V的值与第二部件的厚度t之间的关系不再满足上述公式(1)和上述公式(2)(表1的“公式(1)的满足”栏和“公式(2)的满足”栏示出“不满足”)。
与实例3类似地，使用所制造的摩擦点焊工具接合第一部件和第二部件。表1示出了No.3-11至No.3-13中的第一部件和第二部件的抗拉强度、第二部件的厚度t、搅拌头形状、搅拌头末端半径r、搅拌头锥角θ、搅拌头长度l、第二部件剩余厚度t’、第二部件插入深度h、h/t以及第二部件插入体积V。
表1
<评价方法>
在No.1-1至No.1-6、No.2-1至No.2-6和No.3-1至No.3-6以及No.1-11至No.1-14、No.2-11至No.2-13和No.3-11至No.3-13中，根据JIS Z3136：1999的方法在使用摩擦点焊工具形成的接合部上执行剪切测试，以评价拉伸剪切载荷(kN)。结果示出在表1中。
<评价结果>
根据表1，在第二部件插入体积V的值与第二部件的厚度t之间的关系不满足上述公式(1)的全部No.1-11至1-14、No.2-11至No.2-13和No.3-11至No.3-13中，接合部的拉伸剪切载荷低于JIS A级最小值所需的拉伸剪切载荷(表1的“基于JIS Z 3140：1989的拉伸剪切载荷的等级”栏中示出“小于JIS A级最小值”)。另一方面，在满足上述公式(1)的全部No.1-1至No.1-6、No.2-1至No.2-6和No.3-1至No.3-6中，接合部的拉伸剪切载荷大于或等于JIS A级最小值所需的值(表1中“基于JIS Z 3140：1989的拉伸剪切载荷的等级”栏中示出“大于或等于JIS A级最小值”或“大于或等于JIS A级平均值)。因此，很明显，本实例的摩擦点焊工具使得能够增加接合部的拉伸剪切载荷并形成具有高接合强度的接合部。
此外，在第二部件插入体积V的值与第二部件的厚度t之间的关系满足上述公式(2)的全部No.1-2至1-4、No.2-3至No.2-4和No.3-1至No.3-4中，接合部的拉伸剪切载荷大于或等于JIS A级平均值所需的值(表1的“基于JIS Z 3140：1989的拉伸剪切载荷的等级”栏中示出“大于或等于JIS A级平均值”)。因此，很明显，满足上述公式(2)的摩擦点焊工具使得能够进一步增加接合部的拉伸剪切载荷并形成具有更高接合强度的接合部。
尽管上文已描述了本发明的实例的实施例，但上述实施例和实例的构造意在从一开始就适当地组合。
应当理解，本文所公开的实施例和实施在各方面是示例性而非限定性的。本发明的范围由权利要求来限定，而不是由上文的说明来限定，并且本发明旨在涵盖与权利要求等同的含义和范围内的任何更改。
附图标记列表
1摩擦点焊工具；2柱状部；3搅拌头；4旋转轴线；5肩部；6第一部件；7第二部件；8第一部件和第二部件的接触表面。
Claims (10)
1.一种摩擦点焊工具，其用于通过叠置第一部件和第二部件并且将所述摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上来实施所述第一部件和所述第二部件的摩擦点焊，
所述第一部件和所述第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板，
所述摩擦点焊工具能够围绕旋转轴线旋转，
所述摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿所述旋转轴线的延伸方向从所述肩部突出，并且
当t(mm)表示所述第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在将所述摩擦点焊工具按压在所述第一部件和所述第二部件上时所述搅拌头的插入所述第二部件中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)...(1)。
2.根据权利要求1所述的摩擦点焊工具，其中，
所述第二部件插入体积V(mm3)与所述第二部件的厚度t(mm)之间的关系满足以下公式(2)：
V≥2.03t2+6.01t-3.74(t≥0.5mm)...(2)。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦点焊工具，其中，
所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面，并且
所述侧表面相对于所述旋转轴线具有不小于0°且不大于15°的角度θ。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的摩擦点焊工具，其中，
当h(mm)表示所述搅拌头插入所述第二部件中的深度时，h与所述第二部件的厚度t(mm)之间的比率h/t不低于0.25且不高于0.75。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的摩擦点焊工具，其中，
所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面，并且
所述肩部从所述肩部的外边缘到所述肩部的与所述侧表面相交的部分具有研钵状的凹陷形状。
6.一种接合方法，其用于通过叠置第一部件和第二部件并且将摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上来实施所述第一部件和所述第二部件的摩擦点焊，所述接合方法包括：
按压步骤：叠置所述第一部件和所述第二部件并且将所述摩擦点焊工具从所述第一部件侧按压在所述第一部件和所述第二部件上，
所述第一部件和所述第二部件中的每一个是具有不低于270MPa且不高于370MPa的抗拉强度的钢板，
所述摩擦点焊工具能够围绕旋转轴线旋转，
所述摩擦点焊工具包括：柱状部，其在末端处具有肩部；以及圆柱形或截锥形搅拌头，其沿所述旋转轴线的延伸方向从所述肩部突出，
所述按压步骤是这样的步骤：通过在围绕所述旋转轴线旋转所述摩擦点焊工具的同时将所述搅拌头插入到在所述第二部件的厚度方向上比所述第一部件和所述第二部件的接触表面更深的深度，来接合所述第一部件和所述第二部件，并且
当t(mm)表示所述第二部件的厚度，并且第二部件插入体积V(mm3)表示在所述按压步骤中所述搅拌头的插入所述第二部件中的搅拌头体积时，V与t之间的关系满足以下公式(1)：
V≥1.73t2+5.12t-3.56(t≥0.5mm)...(1)。
7.根据权利要求6所述的接合方法，其中，
所述第二部件插入体积V(mm3)与所述第二部件的厚度t(mm)之间的关系满足以下公式(2)：
V≥2.03t2+6.01t-3.74(t≥0.5mm)...(2)。
8.根据权利要求6或7所述的接合方法，其中，
所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面，并且
所述侧表面相对于所述旋转轴线具有不小于0°且不大于15°的角度θ。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的接合方法，其中，
当h(mm)表示所述搅拌头插入所述第二部件中的深度时，h与所述第二部件的厚度t(mm)之间的比率h/t不低于0.25且不高于0.75。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的接合方法，其中，
所述搅拌头包括与所述肩部连续的侧表面，并且
所述肩部从所述肩部的外边缘到所述肩部的与所述侧表面相交的部分具有研钵状的凹陷形状。
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