CN109803784A

CN109803784A - 摩擦搅拌接合方法及装置

Info

Publication number: CN109803784A
Application number: CN201780056730.5A
Authority: CN
Inventors: 松下宗生; 池田伦正; 谷口公一
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2019-05-24
Anticipated expiration: 2037-10-04
Also published as: CN109803784B; WO2018070317A1; JPWO2018070317A1; KR20190039985A; KR102181820B1; JP6497451B2

Abstract

本发明提供有效消除由被加工材料的加热不足引起的塑性流动不良，从而能够实现充分的强度、并且能够实现接合施工性的提高的摩擦搅拌接合方法及装置。在结构用钢的摩擦搅拌接合时，使用具有与钢板的动摩擦系数为0.6以下的材料的旋转工具，将旋转工具配置于钢板的一面侧和另一面侧，利用设置于旋转工具的前方的加热机构而被加热的加热区域面积的65％以上位于钢板的表面的接合中央线与下述平行于该接合中央线的直线之间，所述接合中央线为穿过旋转工具的旋转轴且平行于接合方向的直线，所述平行于该接合中央线的直线为仅向后退侧隔开与旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线。

Description

摩擦搅拌接合方法及装置

技术领域

本发明涉及下述摩擦搅拌接合方法及实现该摩擦搅拌接合方法的装置，所述摩擦搅拌接合方法中，将旋转工具插入被加工材料间的未接合部并使旋转工具在旋转的同时移动，利用与所述旋转工具的摩擦热带来的被加工材料的软化、和通过旋转工具搅拌该软化部所产生的塑性流动，从而在不添加填充材料的情况下进行接合。

背景技术

作为摩擦焊接法，在专利文献1中公开了下述技术：通过使一对金属材料双方或者一方旋转，在金属材料上产生摩擦热而使其软化，同时通过搅拌该软化了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的技术，因此在所接合的金属材料的形状、尺寸方面存在限制。

在专利文献2中公开了下述方法：将由实质上比被加工材料更硬的材质形成的工具插入被加工材料的未接合部，通过使该工具一边旋转一边移动，利用在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沿着长度方向连续地接合。

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，并且利用被加工材料彼此之间的摩擦热进行焊接的方法。专利文献2公开的摩擦搅拌接合法是在将接合部件固定的状态下，能够通过使工具一边旋转一边移动来进行接合的方法。像这样，在摩擦搅拌接合法中由于是使工具移动来进行接合，因此具有即使为相对于焊接方向为实质上无限长的部件、也能够沿着其长度方向连续地进行固相接合的优点。此外，因为利用由工具和接合部件的摩擦热引起的金属的塑性流动来进行固相接合，所以能够在不使接合部熔融的情况下进行接合。而且，还存在以下很多优点：因为加热温度低，所以接合后的变形小；因为接合部未熔融，所以缺陷少，不仅如此，还无需填充材料；等等。

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，在飞机、船舶、铁路车辆以及汽车等领域中的利用不断扩展。作为其理由，认为是由于这些低熔点金属材料利用以往的弧焊法很难获得接合部的令人满意的特性，而通过使用摩擦搅拌接合法能够提高生产率，并且能够获得高品质的接合部。

另一方面，就摩擦搅拌接合法在主要作为建筑物、船舶、重型机械、管线以及汽车等结构物的材料而被使用的结构用钢中的应用而言，由于能够避免在以往的熔融焊接中成为课题的凝固裂纹、氢致裂纹，并且还能够抑制钢材的组织变化，因此可期待优异的接头性能。此外，在摩擦搅拌接合法中，由于通过利用旋转工具搅拌接合界面来制造出清洁面并使清洁面彼此接触，因此还可期待不需要扩散接合这样的前预备工序的优点。如此，就摩擦搅拌接合法在结构用钢中的应用而言，可期待很多优点。然而，与低熔点金属材料相比，摩擦搅拌接合法在结构用钢中的普及尚未取得进展，这是由于在接合时缺陷产生的抑制、接合速度的高速化这样的接合施工性方面存在问题。

在结构用钢的摩擦搅拌接合中，如专利文献3、专利文献4所记载的那样，作为旋转工具而使用了聚晶立方氮化硼(PCBN)、氮化硅(Si3N4)等高耐磨损性材料。由于这些陶瓷较脆，为了防止旋转工具的破损，待接合的钢板的板厚、其施工条件受到明显的限制。

专利文献5以及专利文献6公开了出于提高接合施工性的目的而附加加热机构的接合方法。

例如，专利文献5公开了下述摩擦搅拌接合法：具有使用感应加热装置的加热机构，在接合前后进行被加工材料的加热，由此来实现接合速度的高速化、接合部裂纹的消除。

专利文献6公开了下述摩擦搅拌接合装置：具有使用激光装置的加热机构，在即将接合前对被加工材料部分地进行加热，由此，在抑制由预热引起的加热区域周边的微组织变化的同时实现了接合速度的高速化。

专利文献7公开了下述摩擦搅拌接合装置：其具有使用激光装置的加热机构，在即将接合前部分地将被加工材料加热时，对被加工材料的加热区域的表面温度、深度等进行严密控制，由此消除由被加工材料的加热不足引起的塑性流动不良，实现充分的强度，并且实现接合施工性的提高。

专利文献8及专利文献9公开了下述两面摩擦搅拌接合方法及装置，其中，上下各具备1个旋转工具，使用以上下彼此相对的方式分别配置于2片金属板的重合部的表面侧和背面侧的旋转工具，在使旋转工具旋转的同时从上下进行按压、并使其沿接合方向移动并进行接合，由此抑制接合不良，提高接合强度，提高接合强度的可靠性，进一步提高工具寿命，且提高旋转工具的经济性。

在摩擦搅拌接合中，一边利用摩擦热使被加工材料软化一边用旋转工具进行搅拌，由此产生塑性流动，被加工材料为结构用钢的情况下，利用旋转工具搅拌被加工材料时，会对旋转工具的销施加较大负荷。该情况会对旋转工具的耐久性、寿命产生较大影响，从而成为限制接合施工性的主要因素。认为专利文献5～7记载的附加摩擦热以外的加热机构的方法对于克服上述问题是有效的，但在被加工材料的表面侧(例如一面侧)、背面侧(例如另一面侧)中，使具备加热机构的一侧和具备旋转工具的一侧为相同侧时，发热源仅存在于任意一面侧。不具备加热机构、旋转工具的一面侧与具备发热源的一面侧相比，温度变得较低，从表面侧到背面侧在被加工材料的厚度方向上产生温度差。就作为被加工材料的金属板而言，由于温度越高其强度越降低，因此，认为摩擦搅拌接合中的旋转工具的负荷随着温度升高而降低。认为通过消除在被加工材料的厚度方向上形成的温度差，能够减少施加于旋转工具的销前端的负荷，而专利文献5～7中对于厚度方向上温度差的消除没有任何考虑。

在摩擦搅拌接合中，作为消除在被加工材料的厚度方向上形成的温度差的方法，认为专利文献8及专利文献9公开的两面摩擦搅拌接合方法是有效的。然而，在上述接合方法中，完全没有考虑到下述情况：利用设置于旋转工具的前方的加热机构将成为被加工材料的钢板加热，使用这种预热处理工序来减轻工具负荷，由此带来接合施工性及工具寿命的提高。

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：国际公开第2015/045299号公报

专利文献8：日本专利3261433号公报

专利文献9：日本专利4838385号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明是鉴于上述现状而作出的，其目的在于，消除在进行摩擦搅拌接合时、由被加工材料的加热不足引起的塑性流动不良，从而实现充分的强度、以及接合施工性的提高。特别是，本发明的课题在于提供如下摩擦搅拌接合方法及实现该摩擦搅拌接合方法的装置，在所述摩擦搅拌接合方法中，考虑了被加工材料的部分加热的位置与摩擦发热(所述摩擦发热是由旋转工具的材料或被覆在旋转工具的表面的材料与被接合材料间的动摩擦系数带来的)的关系对接合施工性所产生的影响，并对预热处理工序条件严密地进行了研究。

用于解决课题的手段

本申请的发明人为了解决上述课题反复进行了深入研究，结果得到了下述见解。

a)在通常的摩擦搅拌接合中，接合所需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将结构用钢接合时，无法充分确保用于使作为被加工材料的结构用钢软化所需的热量。其结果，在接合部无法得到充分的塑性流动，从而可能发生接合速度的降低、接合缺陷的产生等接合施工性的劣化。

为了避免对于将上述技术进行工业化而言非常重要的接合施工性的劣化，认为摩擦搅拌接合前的预热处理工序是有效的。

b)然而，在被加工材料中，将进行预热处理工序的加热机构和旋转工具配置于同一面侧(例如表面侧)时，发热源仅存在于被加工材料的同一面侧。此时，不具备加热机构、旋转工具的一侧，即背面侧的温度低于表面侧，从表面侧到背面侧而在被加工材料的厚度方向上产生温度差。就作为被加工材料的金属板而言，由于温度越高其强度越低，因此认为摩擦搅拌接合中的旋转工具的负荷随着温度升高而降低。因此，认为通过消除在被加工材料的厚度方向上形成的温度差，能够更为有效地减少施加于旋转工具的销前端的负荷。

因此，本申请的发明人对摩擦搅拌接合前的预热处理工序条件进行了各种研究。其结果，得到了下述见解：

c)发现为了消除从被加工材料的表面侧到背面侧的在厚度方向上的温度差，有效的是，除了通过从摩擦搅拌接合前的一面侧进行预热处理以外，还设置下述机构，该机构中，不仅将旋转工具配置于被加工材料的一面侧，还以相对的方式在另一面侧配置旋转工具，并针对被加工材料、从一面侧、另一面侧这两方利用摩擦热对被加工材料进行加热，从而实现摩擦搅拌接合。

d)然而，在摩擦搅拌接合前进行预热处理时，若预热热量变得过多，则会产生加热区域周边的微组织发生变化的问题。尤其是，在利用马氏体组织而得以强化的高张力钢板的情况下，即使进行铁素体-奥氏体相变温度以下的加热，在加热区域周边也会因马氏体回火而产生软化、使接合接头强度显著降低。

因此，本申请的发明人对摩擦搅拌接合前的预热处理工序条件进行了各种研究。

其结果，得到了下述见解：

e)通过使用激光等能量密度高的热源，严密控制预热处理工序中的加热区域的表面温度、面积、位置，而且根据需要对加热区域的厚度方向上的温度也进行适当控制。由此，不会引起接合接头强度等接合接头特性的劣化，而可提高接合施工性。

f)尤其是得到了下述见解：关于上述被加工材料的部分加热的位置，根据与摩擦发热(其受旋转工具的材料或被覆在旋转工具的表面的材料与被接合材料间的动摩擦系数支配)的关系，产生提高接合施工性效果的区域会发生变化。

g)得到了下述见解：在通常的摩擦搅拌接合中，接合完成后，接合部成为自然放冷状态，因此存在无法应用基于在钢材制造时的轧制工序中所实施那样的热历史管理来进行的微组织控制这样的问题。然而，在刚刚接合完成后，通过实施对接合部进行组合了加热处理、冷却处理的工序，可进一步提高接合接头特性。

本发明基于上述见解，尤其是可消除将摩擦搅拌接合方法应用于结构用钢的接合时可能发生的、在被加工材料的板厚方向上产生的温度差所引起的加热不足而产生的塑性流动不良，从而实现充分的强度，并且实现接合施工性的提高。

即，本发明的主旨构成如下。

[1]摩擦搅拌接合方法，其中，将一对旋转工具以相对的方式分别配置于作为被加工材料的钢板的一面侧和另一面侧，在钢板间的未接合部中，使所述一对旋转工具在旋转的同时沿接合方向移动，一边利用所述一对旋转工具与所述钢板的摩擦热使所述钢板软化、一边利用所述一对旋转工具搅拌软化了的部位，由此产生塑性流动从而将钢板彼此接合，

所述一对旋转工具的材料、或被覆在所述一对旋转工具的表面的材料与所述钢板之间的动摩擦系数为0.6以下，

至少配置于一面侧的旋转工具具有肩部、和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，

所述肩部和所述销部由比所述钢板硬的材质形成，

一边将所述钢板固定，一边将所述一对旋转工具推压于所述钢板的一面侧和另一面侧，使所述一对旋转工具在旋转的同时沿接合方向移动，并且

将利用设置在配置于所述一面侧的旋转工具的接合方向前方的加热机构而被加热的所述钢板的表面的温度T_S(℃)满足下述式(1)的区域作为加热区域时，所述加热区域与配置于所述一面侧的旋转工具的最小距离为所述一面侧的旋转工具的肩部的直径以下，

所述加热区域的面积为配置于所述一面侧的旋转工具的销部的最大直径部的面积以下，

所述加热区域的面积的65％以上位于所述钢板的表面的接合中央线与下述平行于该接合中央线的直线之间，所述接合中央线为穿过配置于所述一面侧的旋转工具的旋转轴且平行于接合方向的直线，所述平行于该接合中央线的直线为仅向后退侧隔开与配置于所述一面侧的旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线，

T_S≥0.8×T_A1……(1)

T_A1为下述式(2)所示的温度，

T_A1(℃)＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]……(2)

上述[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的含量(质量％)，不含有的情况下为0。

[2]如[1]所述的摩擦搅拌接合方法，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含所述肩部和所述销部，且所述一对旋转工具的销长为相同长度。

[3]如[1]所述的摩擦搅拌接合方法，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含肩部和所述销部，且配置于所述一面侧的旋转工具的销长短于配置于所述另一面侧的旋转工具的销长。

[4]如[1]～[3]中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，所述一对旋转工具中的至少一方的旋转工具的轴芯向销部在该旋转工具的接合方向上先行的方向倾斜。

[5]如[1]～[4]中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，配置于所述一面侧的旋转工具的旋转方向为配置于所述另一面侧的旋转工具的旋转方向的反方向。

[6]如[1]～[5]中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，将在所述加热区域的厚度方向的温度T_D(℃)满足下述式(3)的区域中的、距所述钢板的表面的深度作为加热区域的深度D时，所述加热区域的深度D为所述钢板的厚度的100％，

T_D≥0.8×T_A1……(3)。

[7]如[1]～[6]中任一项所述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]如[1]～[7]中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在配置于所述一面侧的旋转工具的接合方向后方设置后方加热机构，该后方加热机构对所述钢板的接合部进行加热。

[9]如[8]所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述后方加热机构的接合方向后方设置冷却机构，该冷却机构对利用所述后方加热机构而被加热的所述接合部进行冷却。

[10]如[1]～[7]中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述旋转工具的接合方向后方设置冷却机构，该冷却机构对所述钢板的接合部进行冷却。

[11]如[10]所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述冷却机构的接合方向后方设置后方加热机构，该后方加热机构对利用所述冷却机构而被冷却的所述接合部进行加热。

[12]摩擦搅拌接合装置，其对作为被加工材料的钢板间的未接合部进行接合，所述摩擦搅拌接合装置具有：

握持装置，其对所述钢板进行固定，

一对旋转工具，其以相对的方式配置于所述钢板的一面侧和另一面侧、且在钢板间的未接合部中在旋转的同时能够沿接合方向移动，

加热机构，其设置在配置于所述一面侧的旋转工具的接合方向前方、对所述钢板进行加热，

控制机构，以实现下述状态1的方式对所述旋转工具及所述加热机构进行控制，

所述肩部和所述销部由比所述钢板硬的材质形成，

所述一对旋转工具的材料、或被覆在所述一对旋转工具的表面的材料与所述钢板的动摩擦系数为0.6以下，

(状态1)

将利用所述加热机构而被加热的所述钢板的表面的温度T_S(℃)满足下述式(1)的区域作为加热区域时，所述加热区域与配置于所述一面侧的旋转工具的最小距离为配置于所述一面侧的旋转工具的肩部的直径以下，

所述钢板的表面中的所述加热区域的面积为配置于所述一面侧的旋转工具的销部的最大直径部的面积以下，

T_S≥0.8×T_A1……(1)

T_A1为下述式(2)所示的温度，

[13]如[12]所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含所述肩部和所述销部，且所述一对旋转工具的销长为相同长度。

[14]如[12]所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含所述肩部和所述销部，且配置于所述一面侧的旋转工具的销长短于配置于所述另一面侧的旋转工具的销长。

[15]如[12]～[14]中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述一对旋转工具中的至少一方的旋转工具的轴芯向销部在接合方向上先行的方向倾斜。

[16]如[12]～[15]中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，配置于所述一面侧的旋转工具的旋转方向为配置于所述另一面侧的旋转工具的旋转方向的反方向。

[17]如[12]～[16]中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述控制机构以实现以下的状态2的方式对所述旋转工具及所述加热机构进行控制，

(状态2)

将在所述加热区域的厚度方向的温度T_D(℃)满足下述式(3)的区域中的、距所述钢板的表面的深度作为加热区域的深度D时，所述加热区域的深度D为所述钢板的厚度t的100％，

T_D≥0.8×T_A1……(3)。

[18]如[12]～[17]中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述加热机构为激光加热装置。

[19]如[12]～[18]中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述钢板的接合部进行加热的后方加热机构，

该后方加热机构设置于所述旋转工具的接合方向后方。

[20]如[19]所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述接合部进行冷却的冷却机构，

该冷却机构设置于所述后方加热机构的接合方向后方。

[21]如[12]～[18]中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述钢板的接合部进行冷却的冷却机构，

该冷却机构设置于所述旋转工具的接合方向后方。

[22]如[21]所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述接合部进行加热的后方加热机构，

该后方加热机构设置于所述冷却机构的接合方向后方。

发明的效果

根据本发明，可消除在被加工材料的板厚方向上产生的温度差所引起的塑性流动不良，从而可实现摩擦搅拌接合的接合施工性的提高。进而，还能够抑制加热区域周边的微组织的变化，从而在接合部能够得到高的接头强度。

附图说明

[图1]为说明本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法的示意图。

[图2]为说明握持装置的示意图。

[图3]为表示从表面侧、背面侧这两方利用旋转工具将被加工材料进行摩擦搅拌的区域、预热工序中的加热区域、接合后的冷却区域及再加热区域的一例的图(俯视图及A-A剖面图)。

[图4]为表示利用本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法接合的钢板的温度与拉伸强度的关系的图。

[图5]为表示旋转工具的剖面尺寸的图。

具体实施方式

以下，通过本发明的实施方式具体说明本发明。图1为说明本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法的示意图，图2为说明握持装置的示意图。在图1中，省略握持装置21的记载，在图2中，仅记载钢板3和握持装置21。在本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中，如图1所示，具有利用设置于接合方向前方的加热机构将钢板加热的预热处理工序，将旋转工具以相对的方式分别配置于一面侧和另一面侧，针对作为该被加工材料的钢板而从一面侧、另一面侧这两方将旋转工具插入于钢板间的未接合部，使旋转工具旋转的同时沿接合方向移动，一边利用相对的旋转工具与钢板的摩擦热使该钢板软化，一边利用相对的旋转工具搅拌该软化的部位，由此产生塑性流动从而将钢板彼此接合。

图1中，标记1为表面侧旋转工具，2为表面侧旋转工具的旋转轴，3为钢板，4为接合部，5为加热机构，6为冷却机构，7为后方加热机构，8为表面侧旋转工具的肩部，9为表面侧旋转工具的销部，15为背面侧旋转工具，16为背面侧旋转工具的肩部，17为背面侧旋转工具的销部，19为背面侧旋转工具的旋转轴，20为控制机构。α表示表面侧旋转工具倾斜角度，β表示背面侧旋转工具倾斜角度。“AS”表示前进侧，“RS”表示后退侧。在本实施方式中，将一面侧记载为表面侧，将另一面侧记载为背面侧。有时将表面侧旋转工具1和背面侧旋转工具15统一记载为一对旋转工具。

可分别如下定义，所谓前进侧是指工具旋转方向与接合方向一致的侧，所谓后退侧是指与工具旋转方向与接合方向相反的侧。

本实施方式中，将处于仅使钢板3对合而未接合的状态的对合部分记载为“未接合部”，将利用塑性流动而被接合并一体化的部分记载为“接合部”。

在本实施方式中，如图2所示，使用握持装置21将钢板3从表面及背面固定。握持装置21具有：固定钢板3的背面的下夹具22；固定钢板3的表面的上夹具23；及将上夹具23向下方按压的压板24。

从通过握持装置21而被固定的钢板3的表面侧和背面侧，将相对的表面侧旋转工具的销部9和背面侧旋转工具的销部17插入于未接合部，将相对的表面侧旋转工具的肩部8和背面侧旋转工具的肩部16按压于钢板3的表面侧和背面侧并接合。为了适当进行由肩部进行的摩擦和由销部进行搅拌、并实现健全的接合，还可在相对的表面侧旋转工具的销部9的前端与背面侧旋转工具的销部17的前端之间设置间隙δ。间隙δ优选为0.1mm以上。据此，能够减小搅拌时材料的变形阻力导致的表面侧旋转工具1及背面侧旋转工具15的负荷。另一方面，间隙6过大时，无法利用销部进行适当搅拌的部位成为缺陷。因此，间隙δ优选为0.3mm以下。

在一对旋转工具中，至少表面侧旋转工具1包含肩部、和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，至少肩部及销部由比作为被加工材料的钢板3硬的材质形成。

通过将由旋转工具的销部引起塑性流动的搅拌区域抑制为所需最低限度，能够减少施加于旋转工具的负荷，因此，旋转工具的肩部优选具备朝向旋转方向的外侧而朝向上方的锥体形状。

在以往的摩擦搅拌接合中，从表面侧插入旋转工具并进行接合。因此，销的长度(销长)需要与被加工材料的厚度相同。然而，销的长度越长，施加于销前端的负荷越大，因此为了提高接合施工性及工具寿命，优选销长较短。在本实施方式中，如图5的(1)～(4)的标记c所示，所谓销长是指由销部的前端部与肩部的最高位置之间的高度差所算出的长度。

在本实施方式中，一对旋转工具的销长为相同长度时，销长为钢板3的厚度的一半左右，因此，施加于各个旋转工具的负荷低于仅从一面侧插入旋转工具并接合的情况。

另外，在一对旋转工具的销长中，使表面侧旋转工具1的销长短于背面侧旋转工具15的销长时，能够减少表面侧旋转工具1的负荷。由于能够利用加热机构5对背面侧旋转工具的销部17的前端附近的接合部赋予足够的热，从而还可减少背面侧旋转工具15的负荷。

进而，还可使一对旋转工具的轴芯向销部在接合方向上先行的方向倾斜。由于一对旋转工具由比钢板3硬的材质形成，因此可使用陶瓷等缺乏韧性的材料。因此，对一对旋转工具的销部施加弯曲方向的力时，应力集中于局部从而一对旋转工具被破坏。相对于此，通过使一对旋转工具的轴芯倾斜，使施加于旋转工具的负荷形成在轴向上被压缩的分力，从而可减少弯曲方向的力。由此，可避免旋转工具1的破损。旋转工具1、15的轴芯的倾斜角度例如为1°以上且5°以下。

关于一对旋转工具，可仅使一方旋转工具的轴芯倾斜，也可使两方的旋转工具的轴芯倾斜。一对旋转工具的轴芯的倾斜角度可以各自不同。

通过使一对旋转工具的旋转方向在表面侧与背面侧成为反方向，能够消除由一对旋转工具施加于被接合材料的旋转扭矩，与仅从一面侧按压旋转工具并接合的摩擦搅拌接合法相比，能够将固定钢板3的握持装置21的结构简化。

在本实施方式的摩擦搅拌接合方法中，利用设置于沿接合方向移动的表面侧旋转工具1的前方的加热机构5将钢板3加热的预热处理工序是重要的。以下，参照图3对该预热处理工序条件进行说明。

图3为表示从表面侧、背面侧的两方利用旋转工具对被加工材料进行摩擦搅拌的区域、预热工序中的加热区域、接合后的冷却区域及再加热区域的一例的图(俯视图及A-A剖面图)。图3中，接合中央线10表示穿过钢板3表面的表面侧旋转工具1的旋转轴2且平行于接合方向的直线。RS线11为平行于接合中央线10、且仅向后退侧隔开与旋转工具的销部9的最大半径相同的距离的直线，12为加热区域，13为冷却区域，14为再加热区域。a表示表面侧旋转工具的肩部8的直径，b表示表面侧旋转工具的销部9的最大直径，X表示加热区域12与表面侧旋转工具1的最小距离，D表示加热区域12的深度，t表示钢板3的厚度。

加热区域中的钢板的表面温度T_S：T_S≥0.8×T_A1

图4为表示利用本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法接合的钢板的温度与拉伸强度的关系的图。就利用本实施方式的摩擦搅拌接合方法接合的钢板3而言，如图4所示，通常在作为钢的相变温度的T_A1的80％左右的温度下，成为常温时的强度的30％左右的强度。此外，高于该温度时，铜板3的强度进一步降低。由此，以满足钢板3的表面温度T_S为0.8×T_A1℃以上的方式，使钢板3预软化，搅拌该钢板3，促进塑性流动。由此，施加于一对旋转工具的负荷减少，从而可使接合速度进行高速化。因此，在本实施方式的摩擦搅拌接合方法中，将钢板3的表面温度T_S满足下述式(1)的区域设为加热区域12。

T_S≥0.8×T_A1……(1)

钢的相变温度T_A1(℃)可利用下述式(2)求出。

上述[％M]为作为被加工材料的钢板3中的M元素的含量(质量％)，不含有的情况下为0。

由于高于0.8×T_A1℃时，存在随着温度的上升而钢板3的强度降低的倾向，因此，优选以加热区域12中的钢板3的表面温度T_S不会过度上升的方式进行调节。具体而言，为了确保厚度方向上的加热区域12，在加热区域12的表面可存在温度梯度(表面中温度的偏差)，但在此时，优选加热区域12中钢板3的最高表面温度为1.5×T_M℃以下。而且，在与经过加热区域12的表面侧旋转工具1接触前，优选使加热区域12中的钢板3的表面温度小于T_M℃。由此，可避免接合部4的温度过度上升导致的一对旋转工具的损伤、避免加热区域12周边微组织的变质。T_M(℃)为作为被加工材料的钢板3的熔点。

钢板的表面中的加热区域与具备加热装置的侧的旋转工具的最小距离X：旋转工具的肩部的直径以下

钢板3的表面的加热区域12与表面侧旋转工具1的最小距离X过大时，接合前加热区域12的温度降低，从而无法获得预热带来的效果。因此，在本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中，钢板3的表面中的加热区域12与沿接合方向移动的表面侧旋转工具1的最小距离X为该旋转工具的肩部8的直径以下。

但是，加热区域12与旋转工具1的最小距离X过小时，表面侧旋转工具1可能因加热机构12产生的热而受到损伤，因此，钢板3的表面的加热区域12与沿接合方向移动的表面侧旋转工具1的最小距离X优选为表面侧旋转工具的肩部8的直径的0.1倍以上。本实施方式中的表面侧旋转工具的肩部8的直径例如为8～60mm左右。为了充分得到预热带来的效果，表面侧旋转工具1的移动速度优选为200mm/min以上且3000mm/min以下。

钢板表面的加热区域的面积：具备加热装置的侧的旋转工具的销部的最大直径部的面积以下

加热区域12过大时，加热区域12以及其周边区域的微组织发生变化。尤其是，利用马氏体组织而得以强化的高张力钢板的情况下，即使是铁素体-奥氏体相变温度以下的加热，也会使得马氏体回火而发生软化，接合接头强度大幅降低。因此，在本实施方式涉及的摩擦搅拌接合方法中，钢板3表面的加热区域12的面积为旋转工具的销部9的最大直径部的面积以下。

另一方面，加热区域12的面积过小时，无法充分得到由预热带来的效果。因此，钢板3的表面的加热区域12的面积优选为表面侧旋转工具的销部9的最大直径部的面积的0.1倍以上。

本实施方式中的表面侧旋转工具的销部9的最大直径例如为2～50mm左右。表面侧旋转工具的销部9的最大直径为用与轴线方向垂直的剖面中切割1个销部时的切剖面中所得到的直径中最大的直径。

图5为表示旋转工具的剖面尺寸的图。如图5(1)～(4)所示，表面侧旋转工具的销部9的直径未沿轴线方向变化的情况下，可将销部的上表面的直径(图中为4mm)作为销部9的最大直径。旋转工具的销部9具有锥体形状等、且销直径根据轴线方向的位置的不同而不同的情况下，可将最大直径作为销部的最大直径。

在钢板的表面中，位于接合中央线与RS线之间的加热区域的面积：钢板表面的加热区域面积的65％以上

在钢板3的摩擦搅拌接合中，塑性流动以前进侧为起始点，沿着表面侧旋转工具1的旋转方向，经接合方向前方、后退侧、接合方向后方，并以前进侧为终点。由于前进侧成为塑性流动的起始点，因此作为被加工材料的钢板3易于发生加热不足。因此，因塑性流动不充分而产生缺陷的情况下，其几乎均发生在前进侧。因此，在钢板3的表面中，优先加热前进侧、使钢板软化，由此促进塑性流动，抑制缺陷产生，从而可实现接合速度的高速化。

然而，表面侧旋转工具1的材料、或被覆在表面侧旋转工具1的表面的材料与作为被接合材料的钢板3的动摩擦系数为0.6以下的情况下，表面侧旋转工具1与钢板3之间产生的摩擦热、塑性流动变小。位于表面侧旋转工具1的前方的前进侧为成为塑性流动的起始点的部位，且为大量产生表面侧旋转工具1与钢板3之间的摩擦热的区域。然而，在高温状态下存在动摩擦系数减小的倾向，因此若预热该部位而使其成为高温，在表面侧旋转工具1与钢板3的动摩擦系数小的情况下，将无法得到充分的摩擦发热。另一方面，由于后退侧位于塑性流动的中间，该位置的塑性流动不充分时，会对成为塑性流动的终点的前进侧的缺陷产生带来大幅影响。尤其是，表面侧旋转工具1与钢板3的动摩擦系数小时，无法得到充分的塑性流动。

因此，表面侧旋转工具1的材料、或被覆在旋转工具1的表面的材料与钢板3的动摩擦系数为0.6以下的情况下，在钢板3的表面中，使加热区域12的面积的65％以上位于接合中央线10和与接合中央线10平行的RS线11之间、并优先加热后退侧。由此，可确保成为塑性流动的起始点的前进侧的摩擦发热，同时促进成为塑性流动的中间的后退侧的塑性流动，抑制缺陷的产生，从而能够实现接合速度的高速化。位于接合中央线10和RS线11之间的加热区域12的面积范围更优选为80％以上，还可为100％。

此外，从优先加热后退侧这样的观点考虑，使加热区域12的中心位于穿过接合中央线10与RS线11的中间点的直线、和RS线11之间。换言之，优选使加热区域12的中心位于比接合中央线10更接近后退侧的位置，进一步优选从加热区域12的中心至接合中央线10的距离为旋转工具的销部9中的最大半径的0.5倍以上且1倍以下。

加热区域的厚度方向的区域中的温度T_D：T_D≥0.8×T_A1

如前文所述，就利用本实施方式的摩擦搅拌接合方法接合的钢板3而言，通常在作为钢的相变温度的T_A1的80％左右的温度下，成为常温时的强度的30％左右的强度。此外，高于该温度时，钢板3的强度进一步降低。由此，在加热区域12的厚度方向的区域中，也优选将温度设为0.8×T_A1℃以上来预先将钢板3软化。由此，施加于表面侧旋转工具1的负荷进一步减少，从而能够使接合速度进一步高速化。因此，将加热区域12的厚度方向的区域中的温度T_D满足下述式(3)的区域中的、距钢板3的表面的深度作为加热区域12的深度D。

T_D≥0.8×T_A1……(3)

T_A1(℃)能够利用下述式(2)求出。

但是，由于高于0.8×T_A1℃时，存在随着温度的上升而钢板3的强度降低的倾向，因此优选以加热区域12中钢板3的温度不会过度上升的方式进行调节。具体而言，为了确保厚度方向上的加热区域12，在加热区域12的厚度方向可存在温度梯度(沿厚度方向的温度的偏差)，但在此时，优选加热区域12中钢板3的厚度方向的最高温度为1.5×T_M℃以下。此外，为了避免接合部4的温度过度上升而导致的表面侧旋转工具1的损伤、避免加热区域12周边微组织的变质，优选在与穿过加热区域12的表面侧旋转工具1接触之前，使加热区域12中钢板3的厚度方向的温度小于T_M℃。T_M(℃)为被加工材料即钢板3的熔点。

加热区域的深度D：钢板的厚度t的100％

加热区域12的深度D由加热区域12的厚度方向的温度T_D为0.8×T_A1℃以上的区域距钢板3表面的最大深度来规定。该加热区域12的深度D优选为钢板3的厚度t的50％以上，理想地为100％。通过使加热区域12的深度D为钢板3的厚度t的50％以上，塑性流动被最大限度地促进，有利于施加于旋转工具1负荷的减少以及接合速度的高速化。在仅从设置有进行预热处理的加热机构5的一面侧按压旋转工具并接合的摩擦搅拌接合法中，在另一面侧中，需要利用具有与被接合材料相同或者比其更高的硬度的支承体来支承被接合材料，加热区域12的深度D超过钢板3的厚度t的90％时，被接合材料可能与支承体发生粘接。然而，在本实施方式中，加热区域12的相对侧(另一面侧)成为中空的状态，即使加热区域12的深度D成为钢板3的合计厚度的50～100％也不会发生粘接。

为了实现上述条件，本实施方式涉及的摩擦搅拌接合装置具备控制机构20。控制机构20控制旋转工具和加热机构的动作。控制机构20还可控制后方加热机构7、冷却机构6等的动作。

此外，预热处理工序中使用的加热机构5没有特别限定，优选激光加热装置。通过使用能量密度高的激光作为热源，能够更加正确地实施预热处理工序条件的控制，从而能够在不损害接合接头特性的情况下实现接合施工性的提高。

上述以外的接合条件没有特别限定，例如，在预热处理工序中使用的加热机构5的移动速度可与接合速度为相同程度。此外，在该加热机构5中使用激光加热装置时，其激光输出功率、光束直径可根据接合条件来适当设定。

以上，对本实施方式的摩擦搅拌接合方法以及装置中的预热处理工序进行说明，在本实施方式的摩擦搅拌接合方法以及装置中，也可以在沿接合方向移动的表面侧旋转工具1的后方设置冷却机构6，通过该冷却机构6来改善接合接头强度。

通常，接合完成后，接合部4处于自然放冷状态，因此在作为被加工材料的钢板3的淬硬性低的情况下，无法充分得到接合接头的强度。相对于此，通过在沿接合方向移动的表面侧旋转工具1的接合方向后方设置冷却机构6，利用冷却机构6将钢板3的接合部4冷却，适当控制冷却速度，从而能够实现淬火带来的强度提高。作为具体的冷却机构6，例如优选使用喷出非活性气体的冷却装置。就此时的冷却速度而言，例如优选在800℃～500℃的范围为30～300℃/s。作为非活性气体，例如能够使用氩气、氦气等。

另一方面，作为被加工材料的钢板3的淬硬性高时，可能会过度硬化从而使接合接头的韧性降低。相对于此，通过将对接近表面侧旋转工具1的后方部分进行加热的后方加热机构7设置于表面侧旋转工具1的接合方向后方，并适当控制冷却速度来进行缓冷，从而能够抑制过度硬化。作为具体的后方加热机构7，例如优选使用高频感应加热、以激光作为热源的加热装置。就此时的缓冷速度而言，例如优选在800℃～500℃的范围内为10～30℃/s。

还可在沿接合方向移动的旋转工具的接合方向后方且在冷却机构6的接合方向后方设置后方加热机构7，通过后方加热机构7来将钢板3的接合部4进行再加热。由此，接合部4通过基于冷却机构6的冷却而淬火，过度硬化的情况下，通过用后方加热机构7进行回火来抑制硬度，从而能够得到兼具强度和韧性的接头特性。就此时的冷却速度而言，例如优选800℃～500℃的范围内为30～300℃/s，作为再加热温度，例如优选为550～650℃。

而且，还可在沿接合方向移动的表面侧旋转工具1的接合方向后方且在后方加热机构7的接合方向后方设置冷却机构6，利用冷却机构6将钢板3的接合部4冷却。

这种情况下，在刚刚接合后即利用后方加热机构7进行缓冷，然后，利用冷却机构6进行骤冷，由此能够使组织复合化，可得到兼具强度和延展性的接头特性。就此时的冷却速度而言，例如优选在800℃～600℃的范围(缓冷的范围)内为10～30℃/s左右，然后，在600℃～400℃的范围(骤冷的范围)内为30～300℃/s左右。

关于上述以外的接合条件，根据常规方法实施即可，但由于一对旋转工具的扭矩越大则钢板3的塑性流动性越低，因此，易于产生缺陷等。

因此，对于本实施方式的摩擦搅拌接合方法以及装置而言，其目标为将一对旋转工具的转速设为100～1000rpm的范围，抑制一对旋转工具的扭矩，使接合速度高速化为1000mm/min以上。使接合速度高速化为大于500mm/min且1000mm/min以上的情况下，优选将一对旋转工具的扭矩抑制为90N·m以下。由此，能够避免一对旋转工具在接合中破损、或未接合部分残留的状态。使接合速度为500mm/min以下的情况下，优选将一对旋转工具的扭矩抑制为75N·m以下。由此，在确保塑性流动性的同时能够缓和一对旋转工具的负荷。

此外，作为本实施方式的摩擦搅拌接合方法的对象钢种类，能够使用通常的结构用钢、碳钢，例如JIS(日本工业规格)G 3106的焊接结构用轧制钢材、JIS G 4051的机械结构用碳钢等。还能够应用拉伸强度为800MPa以上的高强度结构用钢，在接合部4中，能够得到钢板(母材)的拉伸强度的85％以上的强度、进一步可得到90％以上的强度。

实施例

(实施例1)

使用板厚为1.6mm、且具有如下述表1所示化学组成、拉伸强度的钢板，实施摩擦搅拌接合。就接头对合面而言，利用没有赋予角度的所谓I型坡口(groove)，在研磨加工程度的表面状态下，从钢板的一面侧和另一面侧这两方按压旋转装置并进行接合。摩擦搅拌接合的接合条件如表2所示。在实施例1中，使用图5(1)～(4)所示的剖面尺寸形状的旋转工具。实施例1中使用的旋转工具为以碳化钨(WC)为材料、利用物理蒸镀(PVD)对表面实施了氮化钛(TiN)的被覆处理的旋转工具。接合时，利用氩气来掩蔽接合部，从而防止表面的氧化。表面实施了TiN的被覆处理的WC的旋转工具的表面与钢板的动摩擦系数为0.6以下。

工具材料表面与钢板的动摩擦系数利用以下的测定方法测定。使用球盘式摩擦磨损试验机，一边使由对象材料形成的圆盘旋转，一边以负荷5N按压于经固定的直径6mm的钢球，以旋转速度100mm/s、滑动距离300m实施试验。试验于室温、无润滑下进行。就试验中使用的钢球而言，为由具有JIS G 4805规定的SUJ2的化学成分的材料形成，且为作为轴承用钢球进行了加工处理的钢球。

[表1]

[表2]

此外，在接合之前，为了确认基于使用激光作为热源的预热所形成的加热区域，相对于表1的钢板I，按照表3所示的各照射条件(激光移动速度、激光输出功率以及光束直径)照射激光，利用热成像(Thermography)测定表面温度。而且，观察激光照射部的剖面，进行基于硝酸乙醇腐蚀液的微组织观察。

[表3]

此处，处于相变点(T_A1℃)以上的区域被蚀刻得最深，存在于该区域外侧的低于相变点(T_A1℃)的、母材中的马氏体等高硬度组织得以回火的区域被蚀刻得比较浅，因此，能够分别识别为处于相变点(T_A1℃)以上的区域、低于相变点(T_A1℃)的回火区域、和母材的区域。而且，由钢铁的热处理的知识可知，低于相变点(T_A1℃)的回火区域与0.8×T_A1℃以上且低于T_A1℃的区域一致。通过这样的基于硝酸乙醇腐蚀液的微组织观察，测定了处于相变点(T_A1℃)以上的区域的深度D₀、以及处于0.8×T_A1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)。

上述测定结果如表4所示。

[表4]

如表4所示，从利用热成像的表面温度测定结果可知，在照射条件A下，成为0.8×T_A1℃以上的区域为直径2.4mm的圆形。此处，由于使用的旋转工具的销部的最大直径为4.0mm，因此照射条件A下的加热区域的面积成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×T_A1℃以上的区域为直径2.0mm的圆形。因此，与上述同样地，照射条件B下的加热区域的面积成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×T_A1℃以上的区域为直径5.4mm的圆形。此处，由于使用的旋转工具的销部的最大直径为4.0mm，因此，照射条件C下的加热区域的面积大于旋转工具的销部的最大直径部的面积。

在照射条件D下，成为0.8×T_A1℃以上的区域成为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3.2mm。此处，由于使用的旋转工具的销部的最大直径为4.0mm，因此，照射条件D下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×T_A1℃以上的区域成为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，照射条件E下的加热区域的面积成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，从激光照射部的剖面观察可知，在照射条件A下，成为T_A1℃以上的区域的深度D₀以及成为0.8×T_A1℃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T_A1℃以上的区域在钢板的整个厚度区域中形成。因此，作为成为0.8×T_A1℃以上的区域的深度的加热区域的深度D成为钢板厚度t的100％。

在照射条件B下，成为T_A1℃以上的区域的深度D₀以及成为0.8×T_A1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.47mm、0.50mm。由于作为被加工材料的钢板厚度t为1.6mm，因此，加热区域的深度D成为钢板厚度t的约31.3％。

在照射条件C下，成为T_A1℃以上的区域的深度D₀以及成为0.8×T_A1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.28mm、0.30mm。由于作为被加工材料的钢板厚度t为1.6mm，因此，加热区域的深度D为钢板厚度t的约18.8％。

在照射条件D下，成为T_A1℃以上的区域的深度D₀以及成为0.8×T_A1℃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T_A1℃以上的区域在钢板的整个厚度区域中形成。因此，作为成为0.8×T_A1℃以上的区域的深度的加热区域的深度D成为钢板厚度t的100％。

在照射条件E下，成为T_A1℃以上的区域的深度D₀以及成为0.8×T_A1℃以上的区域的深度(加热区域的深度D)分别为0.58mm、0.63mm。由于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成为钢板的厚度t的约39.4％。

基于在被加工材料的接合前进行的激光照射的预热工序条件如表5所示，接合后进行的工序条件如表6所示。此处，分别地，就接合后进行的工序中的冷却而言，利用气体喷出进行冷却，就加热(以及再加热)而言，进行感应加热。

表5、表6中，预热工序条件以及接合后进行的工序条件中的“-”分别表示不进行预热工序以及冷却、加热这样的接合后的工序的情况。此外，从接合中央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分别相对于接合中央线而处于前进侧、后退侧。

[表5]

[表6]

此外，表7示出了实施接合时的旋转工具的扭矩的测定值、和所得到的接合接头的拉伸强度的测定值。就接合接头的拉伸强度而言，为采集JIS Z 3121规定的1号试验片的尺寸的拉伸试验片，进行拉伸试验的结果。旋转工具的扭矩越大塑性流动性越低，从而越易于产生缺陷等。

[表7]

由表7可知，在发明例1～11中，即使在接合速度为400mm/min的情况下，也得到了作为母材的钢板的拉伸强度的90％以上的接合接头强度。发明例1～11的表面侧、背面侧的各旋转工具的扭矩均为72N·m以下，塑性流动性也良好。尤其是，在接合后进行冷却·再加热、仅进行冷却或再加热的发明例7～10中，得到了与母材的拉伸强度同等的强度。在接合后进行再加热·冷却的发明例11中，得到了母材的拉伸强度的96％以上的强度。

就比较例1～4的摩擦搅拌接合条件而言，其为满足本发明的范围的从钢板的一面侧、另一面侧这两方按压旋转工具并进行接合的条件，且预热工序条件为不满足本发明的范围的条件。在比较例1～4中，表面侧、背面侧这两方的旋转工具的扭矩大于75N·m，塑性流动性差。

就比较例5的摩擦搅拌接合条件而言，其为不满足本发明的范围的从钢板的一面侧按压旋转工具并进行接合的条件，且预热工序条件为满足本发明的范围的条件。在比较例5中，表面侧的旋转工具的扭矩大于75N·m，塑性流动性差。

在发明例12～21中，即使在将接合速度高速化为1000mm/min的情况下，也得到了母材的拉伸强度的90％以上的接合接头强度，表面侧、背面侧的各旋转工具的扭矩也为90N·m以下。尤其是在接合后进行冷却·再加热、仅进行冷却或再加热的发明例17～20中，可得到与母材的拉伸强度相同的接合接头强度。在接合后进行再加热·冷却的发明例21中，可得到母材的拉伸强度的99％以上的接合接头强度。

就比较例6、比较例7的摩擦搅拌接合条件而言，其为满足本发明的范围的从钢板的一面侧、另一面侧这两方按压旋转工具并进行接合的条件，且预热工序条件为不满足本发明的范围的条件。在比较例6、比较例7中，成为未接合部分残留的状态从而无法接合。因此，在比较例6、比较例7中，未进行旋转工具扭矩等的测定。

就比较例8的摩擦搅拌接合条件而言，其为不满足本发明的范围的从钢板的一面侧按压旋转工具并进行接合的条件，且预热工序条件也为不满足本发明的范围的条件。在比较例8中，虽然得到了母材的拉伸强度的90％以上的接合接头强度，但表面侧的旋转工具的扭矩大于100N·m，塑性流动性差。

(实施例2)

使用板厚为1.6mm、且具有如上述表1所示化学组成、拉伸强度的钢板，实施摩擦搅拌接合。就接头对合面而言，利用没有赋予角度的所谓I型坡口，在研磨加工程度的表面状态下，从钢板的一面侧和另一面侧这两方按压旋转装置并进行接合。摩擦搅拌接合的接合条件如上述表2所示。在实施例2中，使用图5所示的剖面尺寸形状(肩部直径a：12mm、销部的最大直径b：4mm、探头长c：1.4mm)的旋转工具。实施例2中使用的旋转工具为以碳化钨(WC)为材料，且未实施被覆处理的旋转工具；以碳化钨(WC)为材料、利用物理蒸镀(PVD)对表面实施了氮化钛(TiN)的被覆处理的旋转工具；以碳化钨(WC)为材料，且对表面实施了氮化铬铝(AlCrN)的被覆处理的旋转工具；或以立方氮化硼(CBN)为材料的旋转工具。

接合时，利用氩气来掩蔽接合部，从而防止表面的氧化。就旋转工具的表面与钢板的动摩擦系数而言，在以碳化钨(WC)为材料、且未实施被覆处理的旋转工具的情况下为0.7，在以碳化钨(WC)为材料、利用物理蒸镀(PVD)实施了氮化钛(TiN)的被覆处理的旋转工具的情况下为0.5，在以碳化钨(WC)为材料、且实施了氮化铬铝(AlCrN)的被覆处理的旋转工具的情况下为0.4，在以立方氮化硼(CBN)为材料的旋转工具的情况下为0.3。

工具材料表面与钢板的动摩擦系数利用与实施例1相同的测定方法测定。

被加工材料接合前进行的基于激光照射的预热工序条件如表8所示。

[表8]

表8中，将以碳化钨(WC)为材料且未实施被膜处理的旋转工具表示为“WC”，将以碳化钨(WC)为材料且利用物理蒸镀(PVD)实施了氮化钛(TiN)的被覆处理的旋转工具表示为“WC+TiN”，将以碳化钨(WC)为材料且实施了氮化铬铝(AlCrN)的被覆处理的旋转工具表示为“WC+AlCrN”，将以立方氮化硼(CBN)为材料的旋转工具表示为“CBN”。预热工序条件中的激光照射条件如上述表3所示，此外，由各激光照射条件所形成的加热区域的表面形状、深度如上述表4所示。

在实施例2中，未进行接合后的工序。从接合中央线至加热区域中心的距离中的“(AS)”、“(RS)”表示加热区域的中心分别相对于接合中央线而处于前进侧、后退侧的情况。

表9示出了实施接合时的旋转工具的扭矩的测定值、和所得到的接合接头的拉伸强度的测定值。就接合接头的拉伸强度而言，为采集JIS Z 3121规定的1号试验片的尺寸的拉伸试验片，进行拉伸试验的结果。旋转工具的扭矩越大则塑性流动性越低，从而越易于产生缺陷等。

[表9]

由表9可知，在发明例22～27中，即使在接合速度为400mm/min的情况下，也得到了作为母材的钢板的拉伸强度的90％以上的接合接头强度。发明例22～27的表面侧、背面侧的各旋转工具的扭矩均为65N·m以下，塑性流动性也良好。

另一方面，在比较例9、10中，表面侧、背面侧这两方的旋转工具的扭矩均大于75N·m，塑性流动性差。

在发明例28～33中，即使在使接合速度高速化为1000mm/min的情况下，也得到了作为母材的钢板的拉伸强度的93％以上的接合接头强度，表面侧、背面侧的各旋转工具的扭矩也为86N·m以下。另一方面，比较例11、12中，表面侧、背面侧这两方的旋转工具的扭矩均大于90N·m，塑性流动性差。

附图标记说明

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

11 RS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

20 控制机构

21 握持装置

22 下夹具

23 上夹具

24 压板

a 表面侧旋转工具的肩部的直径

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

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

1.摩擦搅拌接合方法，其中，将一对旋转工具以相对的方式分别配置于作为被加工材料的钢板的一面侧和另一面侧，在钢板间的未接合部中，使所述一对旋转工具在旋转的同时沿接合方向移动，一边利用所述一对旋转工具与所述钢板的摩擦热使所述钢板软化、一边利用所述一对旋转工具搅拌软化了的部位，由此产生塑性流动从而将钢板彼此接合，

所述肩部和所述销部由比所述钢板硬的材质形成，

T_S≥0.8×T_A1……(1)

T_A1为下述式(2)所示的温度，

2.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含所述肩部和所述销部，且所述一对旋转工具的销长为相同长度。

3.如权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含肩部和所述销部，且配置于所述一面侧的旋转工具的销长短于配置于所述另一面侧的旋转工具的销长。

4.如权利要求1～3中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，所述一对旋转工具中的至少一方的旋转工具的轴芯向销部在该旋转工具的接合方向上先行的方向倾斜。

5.如权利要求1～4中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，配置于所述一面侧的旋转工具的旋转方向为配置于所述另一面侧的旋转工具的旋转方向的反方向。

6.如权利要求1～5中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，将在所述加热区域的厚度方向的温度T_D(℃)满足下述式(3)的区域中的、距所述钢板的表面的深度作为加热区域的深度D时，所述加热区域的深度D为所述钢板的厚度的100％，

T_D≥0.8×T_A1……(3)。

7.如权利要求1～6中任一项所述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.如权利要求1～7中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在配置于所述一面侧的旋转工具的接合方向后方设置后方加热机构，该后方加热机构对所述钢板的接合部进行加热。

9.如权利要求8所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述后方加热机构的接合方向后方设置冷却机构，该冷却机构对利用所述后方加热机构而被加热的所述接合部进行冷却。

10.如权利要求1～7中任一项所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述旋转工具的接合方向后方设置冷却机构，该冷却机构对所述钢板的接合部进行冷却。

11.如权利要求10所述的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述冷却机构的接合方向后方设置后方加热机构，该后方加热机构对利用所述冷却机构而被冷却的所述接合部进行加热。

12.摩擦搅拌接合装置，其对作为被加工材料的钢板间的未接合部进行接合，所述摩擦搅拌接合装置具有：

握持装置，其对所述钢板进行固定，

所述肩部和所述销部由比所述钢板硬的材质形成，

(状态1)

T_S≥0.8×T_A1……(1)

T_A1为下述式(2)所示的温度，

13.如权利要求12所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含所述肩部和所述销部，且所述一对旋转工具的销长为相同长度。

14.如权利要求12所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述一对旋转工具中的两者均包含所述肩部和所述销部，且配置于所述一面侧的旋转工具的销长短于配置于所述另一面侧的旋转工具的销长。

15.如权利要求12～14中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述一对旋转工具中的至少一方的旋转工具的轴芯向销部在接合方向上先行的方向倾斜。

16.如权利要求12～15中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，配置于所述一面侧的旋转工具的旋转方向为配置于所述另一面侧的旋转工具的旋转方向的反方向。

17.如权利要求12～16中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述控制机构以实现以下的状态2的方式对所述旋转工具及所述加热机构进行控制，

(状态2)

T_D≥0.8×T_A1……(3)。

18.如权利要求12～17中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其中，所述加热机构为激光加热装置。

19.如权利要求12～18中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述钢板的接合部进行加热的后方加热机构，

该后方加热机构设置于所述旋转工具的接合方向后方。

20.如权利要求19所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述接合部进行冷却的冷却机构，

该冷却机构设置于所述后方加热机构的接合方向后方。

21.如权利要求12～18中任一项所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述钢板的接合部进行冷却的冷却机构，

该冷却机构设置于所述旋转工具的接合方向后方。

22.如权利要求21所述的摩擦搅拌接合装置，其还具有对所述接合部进行加热的后方加热机构，

该后方加热机构设置于所述冷却机构的接合方向后方。