CN109070262A - 结构用钢的摩擦搅拌接合方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种摩擦搅拌接合方法和装置，其有利地消除因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，实现充分的强度以及接合施工性的提高。在作为被加工材料的钢板(3，3)的摩擦搅拌接合时，将相对置的一对旋转工具(1，15)从钢板(3，3)的一面侧和另一面侧这两侧插入到未接合部使其一边旋转，一边向接合方向移动，且利用设置在旋转工具(1，15)的前方的加热机构(5)，进行将钢板(3，3)加热的预热处理工艺，严密地控制该相对置的一对旋转工具(1，15)的构成和该预热处理工艺中的加热区域的表面温度、面积、位置等。

Description

结构用钢的摩擦搅拌接合方法和装置
技术领域
本发明涉及摩擦搅拌接合方法和实现上述摩擦搅拌接合方法的装置，该摩擦搅拌接合方法是将旋转工具(以下，有时也简称为“工具”)插入到被加工材料的未接合部使其一边旋转一边移动，利用基于与该旋转工具的摩擦热的被加工材料的软化以及因旋转工具搅拌其软化部而产生的塑性流动，不添加填充材料就能进行接合的方法。
背景技术
作为摩擦焊接法，专利文献1中公开了通过旋转一对金属材料(被加工材料)中的双方或一方，一边使金属材料产生摩擦热而软化，一边搅拌其软化的部位而引起塑性流动，从而接合金属材料的技术。
然而，由于该技术使作为接合对象的金属材料旋转，因此对接合的金属材料的形状、尺寸有限制。
另一方面，专利文献2中提出了将由实质上比被加工材料硬的材质构成的工具插入到被加工材料的未接合部，使该工具一边旋转一边移动，利用工具与被加工材料之间产生的热和塑性流动，从而将被加工材料在长边方向连续地接合的方法。
专利文献1所记载的摩擦焊接法是使被加工材料彼此旋转，利用被加工材料彼此间的摩擦热进行焊接的方法。另一方面，专利文献2所公开的摩擦搅拌接合法可以在固定被加工材料的状态下，通过使工具一边旋转一边移动而进行接合。因此，具有对在焊接方向实质上无限长的被加工材料也能够在其长边方向连续地固相接合的优点。此外，由于是利用基于旋转工具与被加工材料的摩擦热的金属的塑性流动的固相接合，因此能够在不熔融未接合部的状态下进行接合。而且，由于基于加热机构的加热温度低，因此接合后的变形少，此外，由于未接合部没有熔融，所以接合部的缺陷少，除此以外，还有无需填充材料等很多优点。
应予说明，本说明书中，例如将仅对接钢板而尚未接合的状态下的对接部分称为“未接合部”，另一方面，将通过塑性流动进行接合而一体化的部分称为“接合部”。
作为以铝合金、镁合金为代表的低熔点金属材料的接合法，摩擦搅拌接合法广泛使用在飞机、船舶、铁路车辆和汽车等领域。作为其理由，是因为这些低熔点金属材料在以往的电弧焊接法中接合部难以得到令人满意的特性，而通过应用摩擦搅拌接合法，可以提高生产率，并且能得到品质高的接合部。
另一方面，对于主要作为建筑物、船舶、重型设备、输油管、汽车这样的结构物的材料使用的结构用钢，应用摩擦搅拌接合法则可以避免在以往的熔融焊接中成为课题的凝固裂纹、氢致裂纹，并且也抑制钢材的组织变化，因此可以期待接头性能优异。此外，通过利用旋转工具搅拌接合界面，能够造出清洁面而使清洁面彼此接触，因此也可以期待不需要如扩散接合那样的前准备工序这样的优点。如此，对于结构用钢的摩擦搅拌接合法的应用，可以期待很多优点。但是，在接合时的缺陷产生的抑制、接合速度的高速度化这样的接合施工性方面仍有问题，因此与低熔点金属材料中的应用相比并未得到普及。
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记载的那样，现状是作为旋转工具使用多结晶氮化硼(PCBN)、氮化硅(Si3N4)等高耐磨性材料。然而，由于这些陶瓷脆，因此，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受到严格限制。
专利文献5～7中公开了一种接合方法，其以提高接合施工性为目的，附加了旋转工具与被接合材料间产生的摩擦热以外的加热机构。
专利文献5中公开了一种摩擦搅拌接合法，具有使用感应加热装置的加热机构，通过在接合前后进行被加工材料的加热，从而实现接合速度的高速度化以及接合部的裂纹的消除。
专利文献6中公开了一种摩擦搅拌接合装置，具有使用激光装置的加热机构，通过在即将接合之前局部加热被加工材料，从而抑制起因于预热的加热区域周边的微观组织变化的同时实现接合速度的高速度化。
专利文献7中公开了一种摩擦搅拌接合装置，具有使用激光装置的加热机构，在即将接合之前局部加热被加工材料。加热时，通过对被加工材料的加热区域的表面温度、深度等进行严密的控制，从而可以消除因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，实现充分的强度以及接合施工性的提高。
专利文献8、9中公开了一种两面摩擦搅拌接合方法和装置，其上下各具备1个旋转工具，在2片金属板的重叠部的表面侧和背面侧以分别上下对置的方式配置旋转工具。在该两面摩擦搅拌接合方法和装置中，使旋转工具一边旋转一边从上下按压被接合材料，使旋转工具一边向接合方向移动一边接合被接合材料。由此，可以抑制接合不良而提高接合强度，而且，通过延长旋转工具的寿命而能提高旋转工具的经济性。
在摩擦搅拌接合中，通过摩擦热使被加工材料软化的同时用旋转工具进行搅拌，从而生成塑性流动。被加工材料为结构用钢时，在用旋转工具搅拌被加工材料时对旋转工具的销施加大的负载。这对旋转工具的耐久性、寿命产生大的影响，成为限制接合施工性的主要因素。专利文献5～7所记载的附加摩擦热以外的加热机构的方法应该是对克服上述课题有效的。但是，专利文献5～7所记载的方法中，在被加工材料的表面侧、背面侧上，具备加热机构的一侧和具备旋转工具的一侧均相同，发热源仅存在于一面侧(例如表面侧)。因此，具备加热机构且具备旋转工具的一侧的相反侧即背面侧，其温度与表面侧相比更加低温，从表面侧到背面侧上，相对于被加工材料的厚度方向产生温度差。作为被加工材料的金属板越是高温，强度越会下降，因此摩擦搅拌接合中的旋转工具的负载越是高温越会下降。因此，通过消除相对于被加工材料的厚度方向形成的温度差，可以减少对旋转工具的销前端施加的负载。但是，专利文献5～7中，对于消除被加工材料的厚度方向的温度差而减少旋转工具的负载，完全没有考虑。
另一方面，摩擦搅拌接合中，作为消除相对于被加工材料的厚度方向形成的温度差的方法，专利文献8、9所公开的两面摩擦搅拌接合方法是有效的。但是，这些接合方法中，对于通过使用旋转工具前方的加热机构加热被加工材料的预热处理工艺而减少旋转工具的负载，进而使接合施工性和旋转工具的寿命提高，没有任何考虑。
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
专利文献7：国际公开WO2015/045299A1号公报
专利文献8：日本专利3261433号
专利文献9：日本专利4838385号
发明内容
本发明是鉴于上述现状而开发的，其目的在于在结构用钢的摩擦搅拌接合时，消除因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，得到充分的强度的接合部的同时实现接合施工性的提高。为了实现该目的，以提供一种特别严密地规定预热处理工艺条件的摩擦搅拌接合方法和装置作为课题。
因此，本发明的发明人等为了解决上述课题反复进行了深入研究，其结果，得到了以下所述的发现。
a)在通常的摩擦搅拌接合中，为了接合而需要的热源仅是在旋转工具与被加工材料之间产生的摩擦热。因此，通过摩擦搅拌接合法接合结构用钢时，无法充分确保为了使作为被加工材料的结构用钢软化而需要的热量。其结果，在接合部无法得到充分的塑性流动，有可能导致接合速度的降低或接合缺陷的产生等的接合施工性劣化。
为了避免上述接合施工性的劣化，摩擦搅拌接合前的预热处理工艺应该是有效的。
b)然而，在被加工材料的表面侧、背面侧中，具备预热处理工艺的加热机构的一侧和具备旋转工具的一侧均相同时，发热源仅存在于相同面侧(例如表面侧)。由此，背面侧的温度与表面侧相比为更低，从表面侧到背面侧上，相对于被加工材料的厚度方向产生温度差。作为被加工材料的金属板越是高温，强度越会下降，因此摩擦搅拌接合中的旋转工具的负载越是高温越会下降。因此，通过消除相对于被加工材料的厚度方向形成的温度差，可以更加有效地减少对旋转工具的销前端施加的负载。
因此，本发明的发明人等对摩擦搅拌接合前的预热处理工艺条件进行了各种研究。
其结果：
c)发现为了消除从被加工材料的表面侧到背面侧上的相对于厚度方向的温度差，有效的是设为如下机制：对于进行预热处理的被加工材料，不仅在一面侧，另一面侧也对置地配置旋转工具，从而实现对被加工材料从一面侧和另一面侧这两侧通过摩擦热来加热被加工材料的摩擦搅拌接合。
d)另一方面，在进行包括上述摩擦搅拌接合前的预热处理工艺的接合时，若预热热量过剩，则会产生加热区域周边的微观组织发生变化的问题。尤其是对于利用马氏体组织进行强化的高张力钢板而言，即使加热时的加热区域周边的温度为铁素体－奥氏体相变温度以下，也会因马氏体的回火而产生软化，使接合部的强度显著降低。
因此，本发明的发明人等对摩擦搅拌接合前的预热处理工艺条件进行了各种研究。
其结果：
e)发现通过使用激光等能量密度高的热源而严密地控制预热处理工艺中的加热区域的表面温度、面积、位置，此外，根据需要对加热区域的厚度方向的温度也适当地控制，由此，不引起接合部的特性(例如强度等)的劣化就能够提高施工性。
f)发现在被加工材料的加热中，通过调节旋转工具的表面的材料与被接合材料之间的动摩擦系数所支配的摩擦发热量，能够提高施工性。
g)在通常的摩擦搅拌接合中，接合结束后，接合部成为自然放冷状态，因此存在无法应用微观组织控制的问题，所述微观组织控制是基于钢材制造时的轧制工艺那样的热历程管理来进行的。但是，发现结束接合后立即对接合部实施组合了加热处理和冷却处理的工艺，则能够进一步提高接合部的特性。
本发明是基于上述发现实现的。
即，本发明的主旨构成如下所述。
1.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，使旋转工具一边在钢板间的未接合部旋转一边在接合方向移动，利用上述旋转工具与上述钢板的摩擦热使上述钢板软化的同时将其软化的部位用上述旋转工具搅拌，从而产生塑性流动而将钢板彼此接合，上述旋转工具含有肩部和配置于上述肩部且与上述肩部共有旋转轴的销部，并且，至少上述肩部和上述销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，
其中，在上述钢板的一面侧和另一面侧对置地分别配置上述旋转工具，
利用把持装置把持上述钢板的同时使对置的旋转工具的各自的肩部按压在钢板的一面侧和另一面侧，将对置的旋转工具的各自的销部从一面侧和另一面侧插入到钢板的未接合部，使旋转工具一边旋转一边向接合方向移动，
并且，利用设置在向接合方向移动的上述旋转工具的一面侧的前方的加热机构加热上述钢板，将通过加热而该钢板的表面的温度TS(℃)成为TS≥0.8×TA1(TA1示于下述的式(1))的区域作为加热区域时，
将钢板的表面的加热区域与旋转工具的最小距离设为旋转工具的肩部的直径以下，
并且，将钢板的表面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。
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)，在不含的情况下为0。
2.根据1所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，对置的两个旋转工具的销长相同。
3.根据1所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在对置的两个旋转工具的销长中，一面侧的旋转工具的销长比另一面侧的旋转工具的销长短。
4.根据1～3中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，将对置的两个旋转工具的轴芯向各自的销相对于上述旋转工具的行进方向先行的方向倾斜，使上述旋转工具一边旋转一边向接合方向移动而进行摩擦搅拌接合。
5.根据1～4中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在一面侧和另一面侧，将旋转工具的旋转方向设为相反方向。
6.根据1～5中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，关于上述加热区域的厚度方向的区域，将温度TD(℃)满足TD≥0.8×TA1(TA1示于下述的式(1))的区域的从上述钢板的表面起的深度作为加热区域的深度D时，该加热区域的深度D为上述钢板的厚度t的100％。
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)，在不含的情况下为0。
7.根据1～6中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，上述加热机构为激光加热装置。
8.根据1～7中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的上述旋转工具的后方设置后方加热机构，利用上述后方加热机构加热上述钢板的接合部。
9.根据8所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在上述旋转工具的后方且上述后方加热机构的后方设置冷却机构，利用上述冷却机构冷却上述钢板的接合部。
10.根据1～7中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的上述旋转工具的后方设置冷却机构，利用上述冷却机构冷却上述钢板的接合部。
11.根据9或10所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的上述旋转工具的后方且上述冷却机构的后方设置后方再加热机构，利用上述后方再加热机构再加热上述钢板的接合部。
12.根据1～11中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，上述旋转工具的表面是利用与钢板的动摩擦系数大于0.6的材料形成的。
13.一种摩擦搅拌接合装置，是接合作为被加工材料的钢板间的未接合部的摩擦搅拌接合装置，具有：
把持装置，把持接合的钢板；
旋转工具，含有肩部和配置于上述肩部且与上述肩部共有旋转轴的销部，至少上述肩部和上述销部由比钢板硬的材质构成，并且，所述旋转工具在上述钢板的一面侧和另一面侧对置地配置，能够以对置的各自的肩部按压钢板的一面侧和另一面侧且对置的各自的销部插入到钢板间的未接合部的状态，一边旋转一边向接合方向移动；
加热机构，设置在上述旋转工具的一面侧的接合方向前方，对钢板进行加热；以及
控制机构，控制上述旋转工具和上述加热机构以实现以下状态1，
(状态1)
将通过使用加热机构的加热而钢板的表面的温度TS(℃)成为TS≥0.8×TA1(TA1示于下述的式(1))的区域作为加热区域时，
钢板的表面的加热区域与旋转工具的最小距离为旋转工具的肩部的直径以下，
并且，钢板的表面的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。
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)，在不含的情况下为0。
14.根据13所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，两个对置的旋转工具含有肩部和配置于上述肩部且与上述肩部共有旋转轴的销部，并且，对置的两个旋转工具的销长相同。
15.根据13所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，两个对置的旋转工具含有肩部和配置于上述肩部且与上述肩部共有旋转轴的销部，并且，在对置的两个旋转工具的销长中，一面侧的旋转工具的销长比另一面侧的旋转工具的销长短。
16.根据13～15中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，对置的两个旋转工具的轴芯是向各自的销部相对于上述旋转工具的行进方向先行的方向倾斜而成的。
17.根据13～16中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在一面侧和另一面侧，旋转工具的旋转方向为相反方向。
18.根据13～17中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，上述控制机构控制上述旋转工具和上述加热机构实现上述状态1以外，还实现以下状态2。
(状态2)
关于上述加热区域的厚度方向的区域，将温度TD(℃)满足TD≥0.8×TA1(TA1示于下述式(1))的区域的从上述钢板的表面起的深度作为加热区域的深度D时，加热区域的深度D为上述钢板的厚度t的100％。
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)，在不含的情况下为0。
19.根据13～18中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，上述加热机构为激光加热装置。
20.根据13～19中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在向接合方向移动的上述旋转工具的后方设置对上述钢板的接合部进行加热的后方加热机构。
21.根据20所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在上述旋转工具的后方且上述后方加热机构的后方设置对上述钢板的接合部进行冷却的冷却机构。
22.根据13～19中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在向接合方向移动的上述旋转工具的后方设置对上述钢板的接合部进行冷却的冷却机构。
23.根据21或22所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在向接合方向移动的上述旋转工具的后方且上述冷却机构的后方设置对上述钢板的接合部进行再加热的后方再加热机构。
24.根据13～23中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，上述旋转工具的表面是利用与钢板的动摩擦系数大于0.6的材料形成的。
根据本发明，在结构用钢的摩擦搅拌接合时，通过消除以往担心的因被加工材料的板厚方向上的加热不足产生的塑性流动不良，可以实现接合施工性的提高。而且，还通过抑制微观组织的变化，可以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要图。
图2是表示从一面侧和另一面侧这两侧利用旋转工具将被加工材料进行摩擦搅拌的区域、预热工艺中的加热区域、接合后的冷却区域和再加热区域的一个例子的图(俯视图和A－A断面图)。
图3是关于本发明的摩擦搅拌接合方法中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断面尺寸的图。
具体实施方式
以下，具体地说明本发明。
本发明是结构用钢的摩擦搅拌接合方法和装置，如图1所示，具有：利用设置在前方的加热机构加热被加工材料(钢板)的预热处理工艺以及使用其后段的旋转工具的摩擦搅拌工艺。旋转工具在钢板的一面(表面)侧和另一面(背面)侧分别对置地配置，一边利用旋转时的与钢板的摩擦热使钢板软化，一边搅拌其软化的部位，从而产生塑性流动而将钢板进行接合。
在图1中，符号1、15为旋转工具，2为旋转轴，3为钢板，4为接合部，5为加热机构，6为冷却机构，7为后方再加热机构，8、16为旋转工具的肩部，9、17为旋转工具的销部，以α、β表示旋转工具的倾斜角度。应予说明，“AS”和“RS”分别表示前进侧和返回侧。
这里，前进侧定义为具备加热机构的表面侧的旋转工具的旋转方向(工具旋转方向)与接合方向一致的一侧，返回侧定义为表面侧的工具旋转方向与接合方向相反的一侧。
本发明中，钢板(被加工材料)3，3从表面和背面被把持装置(未图示)把持，从被加工材料的未接合部的表面侧和背面侧将对置的旋转工具的销部插入到未接合部，将对置的旋转工具的肩部向被加工材料的表面侧和背面侧按压而实施接合。也可以在对置的旋转工具的销部的前端间适当设置间隙δ以适当地进行基于肩部的摩擦和基于销部的搅拌而能够进行健全的接合。为了减少因搅拌时的材料的变形阻力所致的对旋转工具的负载，间隙δ设为0.1mm以上是有效的。另一方面，若间隙δ过大，则没有被销部适当地搅拌的部位成为缺陷，因此优选将间隙δ设为0.3mm以下。
对置的旋转工具含有肩部和销部。销部配置于肩部，与肩部共有旋转轴。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。在对置的旋转工具中，设置有加热机构的一面侧的旋转工具也可以为含有肩部但不含销部的构成。在这种情况下，只要利用比作为被加工材料的钢板硬的材质形成一面侧的旋转工具的肩部、及另一面侧的旋转工具的肩部和销部即可。
另外，如图4所示，旋转工具具有如下形状：在大致圆柱形状的肩部上设置有直径比肩部小的大致圆柱形状的销部。此外，如图4所示，肩部的表面也可以形成为锥形。
在以往的摩擦搅拌接合中，将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的旋转工具仅配置在钢板的一面侧，将销部插入到钢板间的未接合部而进行接合。因此，销部的轴线方向长度(销长)需要与被加工材料的厚度相等。但是，销长越长，对销部的前端施加的负载越大，因此，为了提高接合施工性和旋转工具的寿命，销长优选较短。
本发明中，在对置的两个旋转工具的销长相同时，销长可以设为被加工材料的厚度的一半左右，因此，与仅从一面侧插入旋转工具的销部而进行接合的情况相比，能够减少对各个旋转工具施加的负载。
在对置的两者的旋转工具的销长中，当具备加热机构的一侧的旋转工具的销长短于相反侧的工具的销长时，对于具备加热机构的一侧的旋转工具，可以通过缩短销长而减轻负载。另一方面，与具备加热机构的一侧为相反侧的旋转工具中的销前端附近的接合部也能被加热机构赋予充分的热，因此，同样地可以减少工具的负载。
通过将对置的旋转工具的轴芯向各自的销部相对于旋转工具的行进方向先行的方向倾斜(换言之，以销部的前端部较之销部的后端部位于旋转工具的行进方向的前方侧的方式倾斜旋转工具)，可以形成将对工具的负载向轴向压缩的分力。工具的至少肩部和销部需要由比钢板硬的材质形成，大多使用陶瓷等缺乏韧性的材料，因此若对销负载弯曲方向的力，则应力局部地集中而导致破坏。因此，通过倾斜旋转工具的轴心，可将对工具的负载作为在轴向压缩的分力承受，可以减少弯曲方向的力，可以避免工具的破损。另外，作为销部的倾斜角度的一个例子，可举出1°～5°。销部的倾斜角度是指在旋转工具的轴中心线与垂直线之间形成的锐角的角度。
通过使对置的旋转工具的旋转方向在一面侧和另一面侧设为相反方向，可以消除由旋转工具对被接合材料施加的转矩。由此，与以往的仅由一面侧按压旋转工具而进行接合的摩擦搅拌接合法相比，能够简化拘束被接合材料的夹具的结构。
本发明的摩擦搅拌接合方法和装置中，利用设置在向接合方向移动的旋转工具的前方的加热机构加热钢板的预热处理工艺是重要的。以下，关于该预热处理工艺条件，参照图2进行说明。
应予说明，图中，符号10为接合中央线，该接合中央线表示在钢板的表面通过旋转工具的旋转轴且与接合方向平行的直线。12为加热区域，13为冷却区域，14为再加热(后方加热)区域，a表示旋转工具的肩部直径，b表示旋转工具的销部的最大直径，X表示加热区域与旋转工具的最小距离，D表示加热区域的深度，t表示钢板的厚度。
[加热区域中的钢板的表面温度TS≥0.8×TA1]
将通过本发明的摩擦搅拌接合方法和装置接合的钢板的温度与拉伸强度的关系示于图3。如图3所示，通常，在属于钢的相变温度(铁素体－奥氏体相变温度)的TA1的80％左右的温度中，强度为常温时的强度的30％左右。此外，若高于该温度，则强度进一步降低。因此，通过将钢板的表面温度设为0.8×TA1℃以上使钢板预先软化，搅拌该钢板，促进塑性流动，从而减少对旋转工具施加的负载，此外，也能够使接合速度高速度化。因此，本发明中，将加热区域的钢板的表面温度TS(℃)设为0.8×TA1℃以上。应予说明，TA1(℃)可根据下式(1)求出。
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
这里，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)，在不含的情况下为0。
但是，为了在厚度方向确保加热区域，可以在加热区域的表面存在温度梯度。在这种情况下，加热区域的钢板的表面温度优选设为1.5×TM℃以下。而且，为了避免因接合部的温度过度上升所致的旋转工具的损伤以及微观组织的变质，加热区域的钢板的表面温度优选直至与通过加热区域的旋转工具接触为止小于TM℃。
应予说明，TM(℃)是作为被加工材料的钢板的熔点。
[钢板的表面的加热区域与一面侧的旋转工具的最小距离：旋转工具的肩部的直径以下]
若钢板的表面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，无法充分得到预热的效果。因此，钢板的表面的加热区域与向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，若加热区域与旋转工具的间隔变得过小，则旋转工具有可能因加热机构所产生的热而受到损伤。因此，钢板的表面的加热区域与向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。在这种情况下，旋转工具的移动速度优选设为200mm/min～3000mm/min。
应予说明，旋转工具的肩部的直径为8～60mm左右。
[钢板的表面的加热区域的面积：一面侧的旋转工具的销部的最大直径部的面积以下]
若加热区域变得过大，则该区域和其周边区域的微观组织发生变化。尤其是在利用马氏体组织强化的高张力钢板的情况下，即使是在铁素体－奥氏体相变温度以下的加热，也会因马氏体的回火，产生软化，使接合部的强度大幅度降低。因此，钢板的表面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，若加热区域的面积变得过小，则无法充分得到预热的效果。因此，钢板的表面的加热区域的面积优选设为旋转工具的销部中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(销径)为2～50mm左右。旋转工具的销部的最大直径是以与轴线方向垂直的断面(多次)切断1个销部而在切断面得到的直径中最大的直径。例如，如图4(1)～(4)所示，在销部的直径沿着轴线方向没有变化时，可以将销部的上表面的直径(图中为4mm)作为销部的最大直径。另一方面，在销部具有锥形状等，销部的直径根据轴线方向的位置而不同时，可以将多个断面中得到的直径中的最大的直径作为销部的最大直径。
此外，加热区域的形状可以设为圆形、椭圆形、矩形等任意的形状。另外，在计算加热区域的面积时，在加热区域的形状为椭圆形的情况下可以采用长径作为销径，在矩形等的情况下可以采用等效圆直径作为销径。
[加热区域的厚度方向的区域的温度TD：TD≥0.8×TA1]
如上所述，通过本发明的摩擦搅拌接合方法和装置接合的钢板通常在属于钢的相变温度的TA1的80％左右的温度中其强度为常温时的强度的30％左右。此外，若高于该温度，则强度进一步降低。因此，优选不仅在钢板的表面，而且在厚度方向也使钢板高温化，使其预先软化。具体而言，优选在加热区域的厚度方向也使温度为0.8×TA1℃以上而预先软化钢板。由此，通过促进该钢板的搅拌和塑性流动，可进一步减少对旋转工具施加的负载，此外，也可以使接合速度进一步高速度化。因此，规定后述的加热区域的深度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(℃)可以根据下式(1)求出。
TA1(℃)＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
这里，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)，在不含的情况下为0。
但是，在厚度方向确保高温区域时，也可以在加热区域的厚度方向存在温度梯度。在这种情况下，利用加热机构的加热时，优选将加热区域的厚度方向的温度设为1.5×TM℃以下。而且，为了避免因接合部的温度过度上升所致的旋转工具的损伤以及微观组织的变质，加热区域的钢板的厚度方向的温度优选直至与通过加热区域的旋转工具接触为止设为小于TM℃。
应予说明，TM(℃)为作为被加工材料的钢板的熔点。
[加热区域的深度D：钢板的厚度的100％]
将加热区域的深度D规定为上述加热区域的厚度方向的温度TD成为0.8×TA1℃以上的区域的从作为被加工材料的钢板的表面起的最大深度。这里，该加热区域的深度D优选设为钢板的厚度的100％。通过将加热区域的深度D设为钢板的厚度的100％，可最大限度地促进塑性流动，因此在减少对旋转工具施加的负载和接合速度的高速度化方面更加有利。在与预热处理工艺的加热机构相同面侧按压旋转工具而进行接合的以往的技术中，在具备预热处理工艺的加热机构且按压旋转工具的一侧的相反侧需要由具有与钢板同等或者其以上的硬度的支撑体来进行支撑。而通过将D设为钢板的厚度的100％，无需利用这样的支撑体进行支撑。此外，若加热区域的深度D超过钢板的厚度的30％，则钢板与支撑体有可能固着，但是，在本发明中，在加热区域的相反侧未设置支撑体，因此即使将加热区域的深度D设为钢板的厚度的100％也不用担心固着。
另外，也可以使用以加热区域的位置和面积满足上述条件(状态1)的方式或者以加热区域的深度D满足上述条件(状态2)的方式控制装置的运转条件的控制机构。具体而言，控制机构可以控制加热机构和旋转工具的运转条件。此外，也可以利用控制机构控制后述的后方加热机构、冷却机构和后方再加热机构等的运转。
[旋转工具的表面的材料：与钢板的动摩擦系数大于0.6]
钢板的摩擦搅拌接合中，在表面侧的塑性流动以前进侧为起始点，沿着旋转工具的旋转方向依次通过接合方向前方、返回侧和接合方向后方，前进侧成为终点。尤其是，为了提高接合速度而提高施工效率，重要的是在接近塑性流动的起始点的前进侧和接合方向前方，产生充分的摩擦发热，促进塑性流动。从这种观点出发，优选形成旋转工具的表面的材料的与钢板的动摩擦系数大于0.6。另外，可以由与钢板的动摩擦系数大于0.6的材料形成旋转工具本身，也可以利用与钢板的动摩擦系数大于0.6的材料被覆旋转工具的表面。上述材料只要形成于旋转工具的表面中的至少摩擦搅拌时与钢板接触的面即可。作为与钢板的动摩擦系数大于0.6的材质，例如可举出碳化钨(WC)。另外，动摩擦系数的测定方法没有特别限制，例如可使用球盘(Ball-on-disc)法。
另外，预热处理工艺中使用的加热机构没有特别限定，优选使用激光加热装置。
通过将如激光加热装置这样的能量密度高的激光用于热源，可以更加准确地进行预热处理工艺条件的控制，可以在不损害接合部的特性的情况下实现接合施工性的提高。
另外，对上述以外的条件没有特别限定，例如将预热处理工艺中使用的加热机构的移动速度设为与接合速度同程度即可。此外，在该加热机构中使用激光加热装置时，其激光输出、光束直径等可根据接合条件适当设定。
本发明的摩擦搅拌接合方法和装置中，可以在向接合方向移动的旋转工具的后方设置冷却机构，利用该冷却机构改善接合部的强度。
通常，在接合结束后，接合部成为自然放冷状态，因此，当作为被加工材料的钢材的淬透性低的情况下，存在无法充分得到接合部的强度的问题。对于该问题，利用设置在向接合方向移动的上述旋转工具的后方的冷却机构冷却上述钢板的接合部，并适当地控制冷却速度，从而可以实现基于淬火的强度提高。作为具体的冷却机构，优选利用非活性气体的喷出的冷却。作为冷却速度，例如优选在800℃～500℃的范围为30～300℃/s。作为非活性气体，例如，可使用氩气、氦气等。
另一方面，在作为被加工材料的钢材的淬透性高的情况下，有可能过度硬化，存在使接合接头的韧性降低的问题。关于该问题，设置对与旋转工具接近的后方部分进行加热的后方加热机构，适当地控制冷却速度来进行缓冷，从而可以抑制过度的硬化。作为具体的后方加热机构，优选为高频感应加热、将激光作为热源的加热等。作为缓冷速度，例如优选在800℃～500℃的范围为10～30℃/s。
也可以在向接合方向移动的旋转工具的后方且上述冷却机构的后方设置后方再加热机构，利用后方再加热机构将钢板的接合部再加热。
在接合部在基于冷却机构的冷却进行淬火而过度硬化时，通过用后方再加热机构进行回火，从而可以抑制硬度，实现兼具强度和韧性的接头特性。作为在这种情况下的基于冷却机构的冷却速度，例如优选在800℃～500℃的范围为30～300℃/s，作为再加热后的接合部的温度，例如优选设为550～650℃。
而且，也可以在向接合方向移动的旋转工具的后方且上述后方再加热机构的后方设置冷却机构，利用该冷却机构冷却钢板的接合部。
在这种情况下，在接合后立即通过用后方再加热机构将冷却速度抑制得小，其后，用冷却机构增大冷却速度，从而可以将组织复合化，可以实现兼具强度和延展性的接头特性。例如，对于再加热机构中的冷却速度，优选在800℃～600℃的范围为10～30℃/s左右，其后，冷却机构中的冷却速度优选在600℃～400℃的范围为30～300℃/s左右。
对于上述以外的接合条件，按照常规方法即可，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，本发明中，优选将旋转工具的转速设为100～1000rpm的范围，抑制旋转工具的扭矩，将接合速度高速化为1000mm/min以上。
此外，作为本发明的对象钢种，可以优选使用一般的结构用钢或碳钢，例如JIS(日本工业标准)G 3106的焊接结构用轧制钢材、JIS G 4051的机械结构用碳钢等。此外，也可以很好地应用于拉伸强度为800MPa以上的高强度结构用钢，即使在这种情况下，在接合部中也可得到钢板(母材)的拉伸强度的85％以上甚至90％以上的强度。
实施例
使用板厚1.60mm的表1所示的化学组成(表1的组成以外的剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成)、拉伸强度的钢板(1彼此或2彼此)实施摩擦搅拌接合。接头对接面是不带角度的所谓的I型坡口，以铣削加工程度的表面状态，从钢板的一面侧或者一面侧和另一面侧这两侧按压旋转工具而进行接合。将摩擦搅拌接合的接合条件示于表2(和表5)。L4、H3的条件为从钢板的一面侧按压旋转工具而进行接合时(比较例)的接合条件，L1、L2、L3、H1、H2为从钢板的一面侧和另一面侧这两侧按压旋转工具而进行接合时(本发明例)的接合条件。这里，使用图4(1)、(2)、(3)、(4)中显示断面尺寸的4种形状的以碳化钨(WC)为材料的旋转工具，在接合时利用氩气保护接合部，防止表面的氧化。
作为旋转工具的表面的材质，使用将碳化钨(WC)作为材料而不实施皮膜处理的材质(发明例1～24和比较例1～7)，或者将碳化钨作为材料而通过物理蒸镀(PVD)实施氮化钛(TiN)的表面被覆的材质(WC+TiN)(发明例25～27)。旋转工具的表面与钢板的摩擦系数在对WC未实施皮膜处理的情况下为0.7，在实施了TiN的表面被覆的情况下为0.5。另外，在测定动摩擦系数时，使用球盘摩擦磨损试验机，一边使由对象材料构成的盘旋转一边以负载5N按压所固定的直径6mm的钢球，以旋转速度100mm/s在滑动距离300m进行试验。试验是在室温下无润滑地进行的。关于上述钢球，使用由具有JIS G 4805中规定的SUJ2的化学成分的材料构成的作为轴承用钢球加工处理的钢球。
[表1]
[表2]
在接合之前，以确认基于以激光作为热源的预热的加热区域为目的，对表1的钢板1在表3所示的各照射条件(激光移动速度、激光输出和光束直径)下照射激光，利用红外热像仪测定表面温度。进而，观察激光照射部的断面，进行利用硝酸乙醇腐蚀液的微观组织观察。
由于成为相变点(TA1℃)以上的区域被蚀刻得最重，存在于其外侧的小于相变点(TA1℃)但母材中的马氏体等的高硬度组织回火的区域被蚀刻的较轻，因此，可以分别识别成为相变点(TA1℃)以上的区域、小于相变点(TA1℃)的回火区域和母材的区域。进而，根据钢铁的热处理的常识，已知小于相变点(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观组织观察，测定成为相变点(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下，成为0.8×TA1℃以上的区域为直径2.4mm的圆形状。这里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。
在照射条件B下，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。
在照射条件C下，成为0.8×TA1℃以上的区域为直径5.4mm的圆形状。这里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。应予说明，在照射条件A～C下，加热区域均为圆形，因此表4中对短径没有记载。
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、与激光移动方向垂直的方向为短径的椭圆形，长径为1.8mm，短径为1.2mm。这里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。
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、与激光移动方向垂直的方向为短径的椭圆形，长径为2.3mm，短径为1.9mm。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。
此外，如表4所示，根据激光照射部的断面观察，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1.60mm、1.60mm，成为TA1℃以上的区域形成在钢板的厚度整个区域。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100％。
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0.47mm、0.50mm。作为被加工材料的钢板的厚度t为1.60mm，因此加热区域的深度D为钢板的厚度t的约31.3％。
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0.28mm、0.30mm。作为被加工材料的钢板的厚度t为1.60mm，因此加热区域的深度D为钢板的厚度t的约18.8％。
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1.60mm、1.60mm，成为TA1℃以上的区域形成在钢板的厚度整个区域。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100％。
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0.58mm、0.63mm。作为被加工材料的钢板的厚度t为1.60mm，因此加热区域的深度D为钢板的厚度t的约39.4％。
接着，将在进行被加工材料的接合前进行的基于激光照射的预热工艺条件和在接合后进行的工艺条件示于表5。这里，接合后进行的工艺中的冷却中，进行利用气体喷出的冷却，在加热(以及再加热)中，进行感应加热。
表5中，预热工艺条件和接合后进行的工艺条件中的“－”分别表示未进行搅拌接合前的加热和搅拌接合后的加热、冷却的情况。
[表5]
将实施接合时的旋转工具的扭矩的测定值和所得的接合接头的拉伸强度示于表6。拉伸强度通过采样JIS Z 3121中规定的1号试验片的尺寸的拉伸试验片并进行拉伸试验而测定。
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，发明例1～11中，即使将接合速度设为400mm/min的情况下，也可得到作为母材的钢板的拉伸强度的85％以上的强度，并且表面侧、背面侧的各个旋转工具的扭矩为80N·m以下，塑性流动性也良好。尤其是，在接合后进行了冷却和再加热的发明例7和8中，可得到母材的拉伸强度的99％以上的强度。
比较例1～3为满足本发明的范围的从钢板的一面侧和另一面侧这两侧按压旋转工具进行接合的摩擦搅拌接合条件，接合速度为400mm/min，且预热工艺条件为不满足本发明的范围的条件。比较例1～3中，表面侧、背面侧这两侧的旋转工具的扭矩大于80N·m，塑性流动性差。而比较例4为不满足本发明的范围的仅从钢板的一面侧按压旋转工具进行接合的摩擦搅拌条件，且预热工艺条件为满足本发明的范围的条件，其表面侧的旋转工具的扭矩大于80N·m，塑性流动性差。
根据表6，发明例12～21中，即使将接合速度高速化为1000mm/min，也可以使表面侧、背面侧的各个旋转工具的扭矩为100N·m以下而进行接合，此外，可实现作为母材的钢板的拉伸强度的85％以上的强度，可得到健全的接头。尤其是，在接合后进行了冷却和再加热的发明例17和18中，可得到母材的拉伸强度的100％的强度。
比较例5和6为满足本发明的范围的从钢板的一面侧和另一面侧这两者按压旋转工具进行接合的摩擦搅拌条件，且预热工艺条件未满足本发明的范围。比较例7为不满足本发明的范围的仅从钢板的一面侧按压旋转工具进行接合的摩擦搅拌条件，且预热工艺条件满足本发明的范围。比较例5～7中，成为残留未接合部分的状态，未能接合，无法得到健全的接头。因此，比较例5～7中，未进行旋转工具的扭矩等的测定。
根据表6，在发明例22～24中，即使在将接合速度高速化为1000mm/min的情况下，也可以使表面侧、背面侧的各个旋转工具的扭矩为95N·m以下而进行接合。此外，可实现作为母材的钢板的拉伸强度的90％以上的强度，可得到健全的接头。另一方面，在使用与钢板的动摩擦系数为0.6以下的材质的发明例25～27中，表面侧、背面侧的各个旋转工具的扭矩为76N·m以下。另一方面，拉伸强度为作为母材的钢板的75～80％的强度，除动摩擦系数以外，与在相同条件下进行实验的发明例22～24的健全的接头相比处于劣位。
符号说明
1 表面侧旋转工具
2 表面侧旋转工具的旋转轴
3 钢板
4 接合部
5 加热机构
6 冷却机构
7 后方再加热机构
8 表面侧旋转工具的肩部
9 表面侧旋转工具的销部
10 接合中央线
12 加热区域
13 冷却区域
14 再加热区域
15 背面侧旋转工具
16 背面侧旋转工具的肩部
17 背面侧旋转工具的销部
19 背面侧旋转工具的旋转轴
a 表面侧旋转工具的肩部直径
b 表面侧旋转工具的销部的最大直径
c 表面侧旋转工具的销长度
X 加热区域与旋转工具的距离
D 加热区域的深度
t 钢板的厚度
α 表面侧旋转工具倾斜角度
β 背面侧旋转工具倾斜角度

Claims (24)

1.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，使旋转工具一边在钢板间的未接合部旋转一边在接合方向移动，利用所述旋转工具与所述钢板的摩擦热使所述钢板软化的同时将其软化的部位用所述旋转工具搅拌，从而产生塑性流动而将钢板彼此接合，所述旋转工具含有肩部和配置于所述肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且，至少所述肩部和所述销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，
其中，在所述钢板的一面侧和另一面侧对置地分别配置所述旋转工具，
利用把持装置把持所述钢板的同时使对置的旋转工具的各自的肩部按压在钢板的一面侧和另一面侧，将对置的旋转工具的各自的销部从一面侧和另一面侧插入到钢板的未接合部，使旋转工具一边旋转一边在接合方向移动，
并且，利用设置在向接合方向移动的所述旋转工具的一面侧的前方的加热机构加热所述钢板，将通过加热而该钢板的表面的温度TS成为TS≥0.8×TA1的区域作为加热区域时，
将钢板的表面的加热区域与旋转工具的最小距离设为旋转工具的肩部的直径以下，
并且，将钢板的表面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，
其中，温度TS和TA1的单位为℃，TA1示于下述的式(1)，
TA1＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]…(1)，
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的以质量％计的含量，不含的情况下为0。
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，对置的两个旋转工具的销长相同。
3.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，在对置的两个旋转工具的销长中，一面侧的旋转工具的销长比另一面侧的旋转工具的销长短。
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，将对置的两个旋转工具的轴芯向各自的销相对于所述旋转工具的行进方向先行的方向倾斜，使所述旋转工具一边旋转一边向接合方向移动而进行摩擦搅拌接合。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在一面侧和另一面侧，将旋转工具的旋转方向设为相反方向。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，关于所述加热区域的厚度方向的区域，将温度TD满足TD≥0.8×TA1的区域的从所述钢板的表面起的深度作为加热区域的深度D时，
该加热区域的深度D为所述钢板的厚度t的100％，
其中，温度TD和TA1的单位为℃，TA1示于下述的式(1)，
TA1＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]…(1)，
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的以质量％计的含量，不含的情况下为0。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，所述加热机构为激光加热装置。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方设置后方加热机构，利用所述后方加热机构加热所述钢板的接合部。
9.根据权利要求8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所述后方加热机构的后方设置冷却机构，利用所述冷却机构冷却所述钢板的接合部。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方设置冷却机构，利用所述冷却机构冷却所述钢板的接合部。
11.根据权利要求9或10所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方且所述冷却机构的后方设置后方再加热机构，利用所述后方再加热机构再加热所述钢板的接合部。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，所述旋转工具的表面是利用与钢板的动摩擦系数大于0.6的材料形成的。
13.一种摩擦搅拌接合装置，是接合作为被加工材料的钢板间的未接合部的摩擦搅拌接合装置，具有：
把持装置，把持接合的钢板；
旋转工具，含有肩部和配置于所述肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且，至少所述肩部和所述销部由比钢板硬的材质构成，并且，所述旋转工具在所述钢板的一面侧和另一面侧对置地配置，能够以对置的各自的肩部按压钢板的一面侧和另一面侧且对置的各自的销部插入到钢板间的未接合部的状态，一边旋转一边向接合方向移动；
加热机构，设置在所述旋转工具的一面侧的接合方向前方，对钢板进行加热；以及
控制机构，控制所述旋转工具和所述加热机构以实现以下状态1，
状态1：
将通过使用加热机构的加热而钢板的表面的温度TS成为TS≥0.8×TA1的区域作为加热区域时，
钢板的表面的加热区域与旋转工具的最小距离为旋转工具的肩部的直径以下，
并且，钢板的表面的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，
其中，温度TS和TA1的单位为℃，TA1示于下述的式(1)，
TA1＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]…(1)，
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的以质量％计的含量，不含的情况下为0。
14.根据权利要求13所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，两个对置的旋转工具含有肩部和配置于所述肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且，对置的两个旋转工具的销长相同。
15.根据权利要求13所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，两个对置的旋转工具含有肩部和配置于所述肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且在对置的两个旋转工具的销长中，一面侧的旋转工具的销长比另一面侧的旋转工具的销长短。
16.根据权利要求13～15中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，对置的两个旋转工具的轴芯是向各自的销部相对于所述旋转工具的行进方向先行的方向倾斜而成的。
17.根据权利要求13～16中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在一面侧和另一面侧旋转工具的旋转方向为相反方向。
18.根据权利要求13～17中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，所述控制机构控制所述旋转工具和所述加热机构实现所述状态1以外，还实现以下状态2，
状态2：
关于所述加热区域的厚度方向的区域，将温度TD满足TD≥0.8×TA1的区域的从所述钢板的表面起的深度作为加热区域的深度D时，
加热区域的深度D为所述钢板的厚度t的100％，
其中，温度TD和TA1的单位为℃，TA1示于下述的式(1)，
TA1＝723－10.7[％Mn]－16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]…(1)，
其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的以质量％计的含量，不含的情况下为0。
19.根据权利要求13～18中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，所述加热机构为激光加热装置。
20.根据权利要求13～19中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方设置对所述钢板的接合部进行加热的后方加热机构。
21.根据权利要求20所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在所述旋转工具的后方且所述后方加热机构的后方设置对所述钢板的接合部进行冷却的冷却机构。
22.根据权利要求13～19中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方设置对所述钢板的接合部进行冷却的冷却机构。
23.根据权利要求21或22所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方且所述冷却机构的后方设置对所述钢板的接合部进行再加热的后方再加热机构。
24.根据权利要求13～23中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合装置，其中，所述旋转工具的表面是利用与钢板的动摩擦系数大于0.6的材料形成的。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114761172A (zh) * 2019-12-02 2022-07-15 日本轻金属株式会社 传热板的制造方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3703888A4 (en) * 2017-10-31 2021-08-18 Meld Manufacturing Corporation SYSTEM FOR GENERATIVE SOLIDS MANUFACTURING AND MATERIAL COMPOSITIONS AND STRUCTURES
JP6992773B2 (ja) * 2019-02-06 2022-01-13 Ｊｆｅスチール株式会社 両面摩擦攪拌接合方法および両面摩擦攪拌接合装置
CN114939714B (zh) * 2022-06-08 2023-05-16 南昌航空大学 一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置及方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1313238C (zh) * 2003-09-11 2007-05-02 波音公司 带变速探头的搅拌摩擦焊装置及方法
CN102481659A (zh) * 2009-08-31 2012-05-30 三菱日立制铁机械株式会社 双面摩擦搅拌接合方法、接合装置、冷轧设备的金属板接合方法及冷轧设备
CN102601516A (zh) * 2012-03-29 2012-07-25 哈尔滨工业大学 双面对称搅拌摩擦焊接方法
CN103008896A (zh) * 2012-12-31 2013-04-03 中国科学院半导体研究所 一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法
WO2015045299A1 (ja) * 2013-09-30 2015-04-02 Ｊｆｅスチール株式会社 構造用鋼の摩擦撹拌接合方法および構造用鋼の接合継手の製造方法
WO2015045420A1 (ja) * 2013-09-30 2015-04-02 Ｊｆｅスチール株式会社 鋼板の摩擦撹拌接合方法及び接合継手の製造方法
CN104551379A (zh) * 2014-12-19 2015-04-29 董春林 一种热源辅助搅拌摩擦焊接方法
WO2015198910A1 (ja) * 2014-06-25 2015-12-30 三菱重工業株式会社 摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4838385B1 (zh) 1969-02-25 1973-11-16
GB8601083D0 (en) 1986-01-17 1986-02-19 Welding Inst Friction welding
GB9125978D0 (en) 1991-12-06 1992-02-05 Welding Inst Hot shear butt welding
JP3261433B2 (ja) 1999-05-25 2002-03-04 川崎重工業株式会社 接合装置及び接合方法
EP1341637B1 (en) 2000-05-08 2008-07-09 Brigham Young University Friction stir welding of metal matrix composites, ferrous alloys, non-ferrous alloys, and superalloys using a superabrasive tool
DE10036170C1 (de) * 2000-07-25 2001-12-06 Eads Deutschland Gmbh Laserunterstütztes Reibrührschweißverfahren
IL142101A0 (en) * 2001-03-19 2002-03-10 Rotem Ind Ltd Improved process and apparatus for friction stir welding
JP4541600B2 (ja) 2001-07-11 2010-09-08 キヤノン株式会社 撮像装置及び露出制御方法
JP4235874B2 (ja) 2001-09-20 2009-03-11 株式会社安川電機 摩擦撹拌接合法の加熱装置
JP3864888B2 (ja) * 2002-10-28 2007-01-10 マツダ株式会社 摩擦撹拌を用いた接合方法
JP4313714B2 (ja) 2004-03-31 2009-08-12 日本車輌製造株式会社 摩擦撹拌接合装置及び摩擦撹拌接合方法
US7078647B2 (en) * 2004-10-21 2006-07-18 Wisconsin Alumni Research Foundation Arc-enhanced friction stir welding
AT506133B1 (de) * 2007-11-16 2009-11-15 Boehlerit Gmbh & Co Kg Reibrührschweisswerkzeug
US20100136369A1 (en) * 2008-11-18 2010-06-03 Raghavan Ayer High strength and toughness steel structures by friction stir welding
US8464926B2 (en) * 2009-10-30 2013-06-18 Wisconsin Alumni Research Foundation Method of friction stir welding dissimilar metals and workpiece assemblies formed thereby
US11072035B2 (en) * 2010-05-21 2021-07-27 Illinois Tool Works Inc. Auxiliary welding heating system
JP2012130947A (ja) * 2010-12-22 2012-07-12 Sumitomo Electric Ind Ltd 回転ツール
DE102013110034B4 (de) * 2013-09-12 2022-10-06 Universität Stuttgart Verfahren zum Stumpfverschweißen
KR20160051895A (ko) * 2013-09-30 2016-05-11 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 강판의 마찰 교반 접합 방법 및 접합 이음매의 제조 방법
JP6403515B2 (ja) * 2014-09-24 2018-10-10 三菱重工業株式会社 接合部処理方法及びドーム部材
US10440784B2 (en) * 2014-10-14 2019-10-08 Illinois Tool Works Inc. Reduced-distortion hybrid induction heating/welding assembly
WO2016147668A1 (ja) 2015-03-19 2016-09-22 Ｊｆｅスチール株式会社 構造用鋼の摩擦撹拌接合装置
US10589375B2 (en) * 2015-06-02 2020-03-17 Honda Motor Co., Ltd. Friction stir weld tool and method

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1313238C (zh) * 2003-09-11 2007-05-02 波音公司 带变速探头的搅拌摩擦焊装置及方法
CN102481659A (zh) * 2009-08-31 2012-05-30 三菱日立制铁机械株式会社 双面摩擦搅拌接合方法、接合装置、冷轧设备的金属板接合方法及冷轧设备
CN102601516A (zh) * 2012-03-29 2012-07-25 哈尔滨工业大学 双面对称搅拌摩擦焊接方法
CN103008896A (zh) * 2012-12-31 2013-04-03 中国科学院半导体研究所 一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法
WO2015045299A1 (ja) * 2013-09-30 2015-04-02 Ｊｆｅスチール株式会社 構造用鋼の摩擦撹拌接合方法および構造用鋼の接合継手の製造方法
WO2015045420A1 (ja) * 2013-09-30 2015-04-02 Ｊｆｅスチール株式会社 鋼板の摩擦撹拌接合方法及び接合継手の製造方法
WO2015198910A1 (ja) * 2014-06-25 2015-12-30 三菱重工業株式会社 摩擦撹拌接合方法及び摩擦撹拌接合装置
CN104551379A (zh) * 2014-12-19 2015-04-29 董春林 一种热源辅助搅拌摩擦焊接方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114761172A (zh) * 2019-12-02 2022-07-15 日本轻金属株式会社 传热板的制造方法
CN114761172B (zh) * 2019-12-02 2024-03-08 日本轻金属株式会社 传热板的制造方法

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JP6332562B2 (ja) 2018-05-30
KR20180119635A (ko) 2018-11-02

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