CN110520238B - 线性摩擦接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以进行接合温度的正确的控制且能够将接合温度低温化的线性摩擦接合方法。一种线性摩擦接合方法，具有使一个构件(2)与另一个构件(4)抵接而形成被接合界面(6)的第一工序；在相对于被接合界面(6)大致垂直地施加压力的状态下，使一个构件(2)和另一个构件(4)在同一轨迹上重复滑动，使溢料(8)从被接合界面(6)排出的第二工序；及停止滑动并形成接合面的第三工序；将压力设定为所期望的接合温度下的一个构件(2)和/或另一个构件(4)的屈服应力以上且拉伸强度以下。

Description

线性摩擦接合方法
技术领域
本发明涉及一种将金属材彼此固相接合的线性摩擦接合方法。
背景技术
随着钢或铝合金等金属材料的高强度化，决定接合构造物的机械特性的接合部中的强度降低成为严重的问题。对此，近年来，接合中的最高到达温度未达到被接合材的熔点，并且接合部中的强度降低比现有的熔融熔接小的固相接合法受到关注，其实用化正在迅速发展。
特别是使金属构件彼此以线性轨迹滑动的线性摩擦接合(LFW：Lineaer FrictionWelding)不需要如摩擦搅拌接合(FSW：Friction Stir Welding)那样使用工具，因此也能够容易地应用于高熔点金属，期待各种产业中的实用化。
然而，有关线性摩擦接合的接合机构或适当的工艺控制方法等并不一定清楚，实际情况为，基于大量的初步试验或经验等，进行对各被接合材的接合条件的最优化。
对此，例如在专利文献1(日本特开2015-164738号公报)中公开了一种摩擦接合装置，其特征在于，是在使一个构件与另一个构件抵接的状态下使它们在同一轨迹上重复相对移动，将所述一个构件摩擦接合于所述另一个构件的摩擦接合装置，具备根据所述一个构件对所述另一个构件的相对移动的停止指令，在从该停止指令的发生到所述一个构件相对于所述另一个构件相对移动一次所述轨迹为止的期间中使所述一个构件对所述另一个构件的相对移动停止的停止单元。
在上述专利文献1所记载的摩擦接合装置中，在使一个构件与另一个构件抵接的状态下使它们在同一轨迹上重复相对移动而进行摩擦接合时，如果在哪个时机产生相对运动的停止命令，则在两个构件成为适当的接合状态的时机，能够容易特定两者的相对运动是否正好停止。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-164738号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，上述专利文献1所公开的摩擦接合方法是缩短从停止指令的产生到致动器的停止所花费的期间并控制摩擦接合量的方法，无法控制极大地影响到接头特性的接合温度。
现有的线性摩擦接合通过从接合界面排出软化的溢料，而使新生面抵接来实现接合，基本上需要通过摩擦热使被接合界面附近充分升温(软化)。即，难以正确地设定所期望的接合温度，特别是低温化更加困难。
鉴于如上所述的现有技术中的问题，本发明的目的在于，提供一种能够进行接合温度的正确的控制并且能够将接合温度低温化的线性摩擦接合方法。
解决问题的技术手段
本发明人为了实现上述目的，对影响到接合温度的接合条件的关系等反复进行了深入研究，结果发现了接合压力和接合温度密切相关，从而到达了本发明。
即，本发明提供一种线性摩擦接合方法，其特征在于，
具有使一个构件与另一个构件抵接而形成被接合界面的第一工序；
在相对于所述被接合界面大致垂直地施加压力的状态下，使所述一个构件和所述另一个构件在同一轨迹上重复滑动，使溢料从所述被接合界面排出的第二工序；以及
停止所述滑动并形成接合面的第三工序，
将所述压力设定为所期望的接合温度下的所述一个构件和/或所述另一个构件的屈服应力以上且拉伸强度以下。
图1中表示显示线性摩擦接合中的状况的示意图。线性摩擦接合是将在使被接合材彼此以线性运动滑配合时产生的摩擦热作为主要的热源的固相接合。在现有的线性摩擦接合中，通过将由升温软化的材料作为溢料从被接合界面排出，从而去除形成在被接合界面的氧化膜，通过使新生面彼此抵接而获得接合部。
在线性摩擦接合中，在通过被接合材彼此的滑动产生摩擦热时，通常认为随着施加压力的增加，发热量增加，接合温度变高。然而，在本发明人进行了深入研究之后，认识到随着施加压力的增加，接合界面附近的温度(所谓“接合温度”)降低这样的现象。
具体而言，在增加线性摩擦接合的施加压力时，该摩擦热增加，但由于软化的材料成为溢料并连续地排出，因此，“接合温度”由施加到软化的材料的压力(排出溢料的力)决定。即，当将施加压力设定得高时，可以将更高的强度(屈服强度更高的状态)的被接合材作为溢料排出。这里，“屈服强度更高的状态”是指“更低温的状态”，因此，通过施加压力的增加，“接合温度”降低。由于屈服强度和温度的关系根据材料而基本上一定，因此，与使用摩擦热的情况相比，可以极其正确地控制接合温度。
即，在本发明中，可以通过将线性摩擦接合时的压力设定为所期望的接合温度下的一个构件和/或另一个构件的屈服应力以上且拉伸强度以下来控制接合温度。这里，通过使线性摩擦接合时的压力为被接合材的屈服应力以上，从而从被接合界面开始排出溢料，如果使该压力在到拉伸强度为止之间增加，则溢料加速排出。与屈服应力同样的，由于特定的温度下的拉伸强度也根据被接合材而基本上一定，因此，可以实现对应于设定的压力的接合温度。
在本发明的线性摩擦接合方法中，优选将线性摩擦接合时的压力设定为所期望的接合温度下的一个构件和/或另一个构件的屈服应力。在线性摩擦接合中，开始溢料的排出的是压力达到屈服应力的瞬间，与使该压力为更高的值(将拉伸强度作为上限)的情况相比，可以更正确地实现所期望的接合温度。
在本发明的线性摩擦接合方法中，优选，使所述一个构件和/或所述另一个构件为铁类金属。由于铁类金属具有能够耐受线性摩擦接合的接合工艺的机械特性，因此，通过使被接合材为铁类金属，可以防止接合工艺中的不需要的部位上的变形等。另外，线性摩擦接合是固相接合，可以抑制在一般的熔融接合中被认为是显著的接合部的机械特性的降低。其中，本发明中所谓铁类金属，是指在组成中以铁为主的金属，例如包括各种钢或铸铁等。
此外，在本发明的线性摩擦接合方法中，优选，使接合温度为用作被接合材的铁类金属的A1点以下。在铁类金属中，通过相变形成脆性马氏体，存在难以接合的情况以及接合部会脆化的情况。对此，通过本发明的线性摩擦接合方法使接合温度为A1点以下，从而不发生相变，因此，可以完全地抑制脆性马氏体的形成。
另外，在本发明的线性摩擦接合方法中，优选，使所述一个构件和/或所述另一个构件为钛或钛合金。由于钛或钛合金具有能够耐受线性摩擦接合的接合工艺的机械特性，因此，通过使被接合材为钛或钛合金，可以防止接合工艺中的不需要的部位上的变形等。此外，线性摩擦接合是固相接合，可以抑制在一般的熔融接合中被认为是显著的接合部的机械特性的降低。
再者，在本发明的线性摩擦接合方法中，优选，将使被接合材为钛或钛合金时的所述接合温度设为所述钛或钛合金的β转变温度以下。通过将接合温度设为钛或钛合金的β转变温度以下，可以将接合部的组织设为微细等轴粒，可以形成兼具高强度和韧性的接合部。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种能够进行接合温度的正确的控制并且能够使接合温度低温化的线性摩擦接合方法。
附图说明
图1是示出本发明的线性摩擦接合的一个方式的示意图。
图2是示出本发明的线性摩擦接合的接合工序的示意图。
图3是示出各温度下的碳钢的变形应力(屈服应力)的图表。
图4是示出各温度下的各种金属的拉伸强度的图表。
图5是由实施例得到的接合部的截面观察结果(100MPa)。
图6是由实施例得到的接合部的截面观察结果(200MPa)。
图7是由实施例得到的接合部的截面观察结果(250MPa)。
图8是由实施例得到的接合部的接合中心部和接合端部的晶界映射和粒径分布(250MPa)。
图9是实施例中使用的被接合材的应力形变曲线。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的线性摩擦接合方法的代表性的实施方式进行详细的说明，但是，本发明不限于此。还有，在以下的说明中，对相同或相当部分标注相同符号，有时省略重复的说明。此外，由于附图用于概念性地说明本发明，因此，也存在表示的各构成要素的尺寸或它们的比与实际的不同的情况。
图2是表示本发明的线性摩擦接合的接合工序的示意图。本发明的线性摩擦接合方法具有使一个构件2与另一个构件4抵接而形成被接合界面6的第一工序；在相对于被接合界面6大致垂直地施加压力的状态下，使一个构件2和另一个构件4在同一轨迹上重复滑动，与滑动的方向大致平行以及大致垂直地从被接合界面排出溢料8的第二工序；以及停止滑动并形成接合面的第三工序。以下，对各个工序进行详细的说明。
(1-1)第一工序
第一工序是使一个构件2与另一个构件4抵接而形成被接合界面6的工序。使一个构件2和/或另一个构件4向期望形成接合部的部位移动，使被接合面彼此抵接，而形成被接合界面6。
一个构件2和另一个构件4的材质只要不损害本发明的效果就没有特别的限定，只要是具有可以通过线性摩擦接合来接合的金属相即可，优选为铁类金属、钛或钛合金。由于铁类金属、钛或钛合金具有能够耐受线性摩擦接合的接合工艺的机械特性，因此，通过使被接合材为这些金属，可以防止接合工艺中的不需要的部位上的变形等。另外，线性摩擦接合是固相接合，可以抑制在一般的熔融接合中被认为是显著的接合部的机械特性的降低。
此外，一个构件2和另一个构件4的形状和尺寸只要不损害本发明的效果就没有特别的限定，只要是通过线性摩擦接合装置能够实现所期望的加压和加振等即可，但优选使被接合界面6为正方形或长方形。通过使被接合界面6为正方形或长方形，从而可以以溢料8的排出状况为指标来决定停止接合(滑动)的时机。
(1-2)第二工序
第二工序是在相对于被接合界面6大致垂直地施加压力P的状态下，使一个构件2和另一个构件4在同一轨迹上重复滑动，与滑动的方向大致平行以及大致垂直地从被接合界面6排出溢料8的工序
使一个构件2和另一个构件4在同一轨迹上重复滑动的方法只要不损害本发明的效果就没有特别的限定，可以使两个构件一起加振，也可以将一个固定并使另一个加振。
这里，在本发明的线性摩擦接合中，通过将线性摩擦接合时的压力P设定为所期望的接合温度下的一个构件和/或另一个构件的屈服应力以上且拉伸强度以下，从而可以控制接合温度。这里，通过使压力P为被接合材的屈服应力以上，从被接合界面6开始排出溢料8，如果在到拉伸强度为止之间使压力P增加，则溢料8加速排出。与屈服应力同样的，由于特定的温度下的拉伸强度也根据被接合材而基本上一定，因此，可以实现对应于设定的压力P的接合温度。
作为具体例，在图3中表示各温度下的碳钢的变形应力(屈服应力)，在图4中表示各温度下的各种金属的拉伸强度。其中，图3是在“钢和铁，第67年(1981)第11号，第140页”中公布的图表，图4是在“钢和铁，第72年(1986)，第6号，第55页”中公布的图表。如这些图所示，特定的温度下的拉伸强度和屈服应力根据材料而基本上一定。
即，在将接合时的压力P设定得高时，可以将更高的屈服强度和拉伸强度的被接合材作为溢料排出，并可以降低接合温度。另外，如图3和4所示，由于特定的温度下的拉伸强度和屈服应力根据材料而基本上一定，因此可以极其正确地控制接合温度。
另外，为了更正确地控制接合温度，优选将压力P设定为所期望的接合温度下的一个构件和/或另一个构件的屈服应力。在线性摩擦接合中，开始溢料8的排出的是压力P达到屈服应力的瞬间，与将该压力P设为更高的值(以拉伸强度为上限)的情况相比，可以更正确地规定接合温度。
换句话说，由于摩擦热所引起的温度上升，被接合材的屈服应力降低，在该屈服应力比压力P低的瞬间，开始溢料8的排出。这里，通过增加使被接合材滑动的振幅或频率，升温速度增加，但是最高到达温度(接合温度)不变化。
在线性摩擦接合中，需要也设定压力P以外的接合参数(将被接合材加振的频率和振幅，接合时间和依赖性等)，但只要不损害本发明的效果，这些值不受到限制，可以根据被接合材的材质、形状和尺寸等适当设定。
在使一个构件2和/或另一个构件4为铁类金属时，优选将接合温度设为用作被接合材的铁类金属的A1点以下。在铁类金属中，通过相变形成脆性马氏体，存在难以接合的情况以及接合部会脆化的情况。对此，通过本发明的线性摩擦接合方法将接合温度设为A1点以下，从而由于不发生相变，因而可以完全地抑制脆性马氏体的形成。
再者，在使一个构件2和/或另一个构件4为钛或钛合金时，优选将接合温度设为钛或钛合金的β转变温度以下。通过将接合温度设为钛或钛合金的β转变温度以下，可以将接合部的组织设为微细等轴粒，可以形成兼具高强度和韧性的接合部。
(1-3)第三工序
第三工序是停止第二工序中的滑动并形成接合面的工序。在本发明的线性摩擦接合方法中，通过在从被接合界面6的整个面排出溢料8之后停止滑动，可以获得良好的接合体。其中，在第二工序中施加到被接合材的压力P可以维持原样，也可以以排出溢料8并且使新生面更强地抵接的目的设为更高的值。
这里，只要是从被接合界面6的整个面排出溢料8之后，停止滑动的时机就不受到限定，但是从相对于滑动的方向大致垂直的方向观察被接合界面6，并在相对于滑动的方向大致平行地排出溢料8的瞬间执行滑动的停止，从而可以将溢料8的排出量抑制为最小限度(将被接合材的消耗抑制为最小限度)并形成良好的接合部。还有，“与滑动的方向大致垂直的方向”和“与滑动的方向大致平行的方向”均是相对于施加压力大致垂直的方向。
除了线性摩擦接合的接合工艺高速地进行之外，还在执行滑动的停止之后，直到动作完全地停止为止，通常经过0.2至0.5秒。因此，将溢料8的排出抑制为最小限度并在被接合界面的整个面形成良好的接合区域是极其困难的，但是能够通过在相对于滑动的方向大致平行地排出溢料8的瞬间执行滑动的停止来实现它(在从相对于滑动的方向大致平行地排出溢料8的瞬间到滑动完全地停止之间，在被接合界面的整个面形成良好的接合区域)。
另外，从相对于滑动的方向大致垂直的方向观察被接合界面6，在相对于滑动的方向大致垂直地排出的溢料8到达被接合界面6的上下两端的瞬间停止滑动，从而与在相对于滑动的方向大致平行地排出溢料8的瞬间停止滑动的情况相比，尽管溢料8的排出量略微变多，但是可以更可靠地实现氧化物等的去除等。
这里，通过从相对于滑动的方向大致垂直的方向观察被接合界面6，能够容易地把握相对于滑动的方向大致垂直地排出的溢料8到达被接合界面6的上下两端的瞬间。具体而言，由于伴随着溢料8的排出，被接合界面6发光，所以可以观察该发光到达被接合界面6的上下两端的瞬间。
以上，对本发明的代表性的实施方式进行了说明，但是本发明不仅限定于它们，可以进行各种设计改变，这些设计改变全部包含在本发明的技术范围内。
实施例
对于被接合材而言使用板厚2.6mm的中碳钢(JIS-S45C：0.48％C-0.77％Mn-0.23％Si-0.08％Cr)来实施线性摩擦接合。其中，被接合材的基材组织是铁氧体·珠光体组织。接合条件是使加振的频率为15Hz、使振幅为2mm而设为一定，使施加压力在100～250MPa的范围内变化。
所获得的接头在切割和研磨后，使用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)进行截面组织观察。其中，SEM使用日本电子株式会社制造的JSM-7001FA。
在图5中示出使施加压力为100MPa而得到的接头接合部截面的光学显微镜照片以及接合部的SEM微组织。其中，SEM微组织的观察位置对应于光学显微镜照片的(a)～(c)。
在使施加压力为100MPa时，在(a)中观察到微细的铁氧体和球形渗碳体，可知在该区域中接合温度成为被接合材的A1点以下。另一方面，在(b)以及(c)中形成马氏体，在这些区域中，接合温度成为A1点以上。
在图6中示出使施加压力为200MPa而得到的接头接合部截面的光学显微镜照片以及接合部的SEM微组织。其中，SEM微组织的观察位置对应于光学显微镜照片的(a)以及(b)。
在使施加压力为200MPa时，在(a)中观察到微细的铁氧体和球形渗碳体，可知在该区域中接合温度成为被接合材的A1点以下。另一方面，在(b)中形成马氏体，在这些区域中，接合温度成为A1点以上。然而，通过光学显微镜观察到白色的马氏体形成的区域相较于100MPa大幅减少，暗示了伴随着施加压力的增加(100MPa→200MPa)，接合温度降低。
在图7中示出使施加压力为250MPa而得到的接头接合部截面的光学显微镜照片以及接合部的SEM微组织。其中SEM微组织的观察位置对应于接合部截面的中心和端部。
在使施加压力为250MPa时，在接合部的全部中观察到由微细的铁氧体和球形渗碳体构成的组织。该结果是指接合温度在接合部的整个区域上成为被接合材的A1点以下。
在图8中示出在使施加压力为250MPa而得到的接头的接合中心部和接合端部的晶界映射和粒径分布。其中，测定使用FE-SEM(日本电子株式会社制造的JSM-7001FA)以及TSL公司制造的OIMdatacollection ver5.31。接合中心部的平均粒径为0.70μm，接合端部的平均粒径为0.48μm，可知均形成有平均粒径为1μm以下的微细粒。
根据使施加压力为100MPa～250MPa时的接合部的组织观察结果，可知随着施加压力的增加，接合温度降低。
另外，使用热成像相机(CINO制造的CPA-T640)测定接合中的最高到达温度(接合温度)。由热成像相机获得的值的绝对值不一定正确，但是可以对影响到接合温度的接合条件的影响把握趋势。
由热成像相机测量的接合温度，在施加压力为100MPa时为864℃，在200MPa时为677℃，在250MPa时为600℃。可以通过热成像相机测定的是接合面附近的温度，但接合温度随着施加压力的增加而明显地减少。
再者，为了明确被接合材的温度与屈服应力和拉伸强度的关系，在各种温度下进行了被接合材的高温拉伸试验。试验温度为在被接合材中成为A1点以下的700℃，成为A1点～A3点的温度的740℃，以及成为A3点以上的800℃，拉伸速度设为在使施加压力为100、200和250MPa而实施线性摩擦接合时的移动速度的平均值的2.8mm/s。在各个温度下进行三次试验，在图9中示出所得到的应力形变曲线。
在任一温度下，均在屈服后进行加工硬化，在达到拉伸强度后应力降低。在表1中表示由图9获得的0.2％耐力(屈服应力)和拉伸强度。伴随着试验温度的上升，0.2％耐力(屈服应力)和拉伸强度降低，在着眼于0.2％耐力(屈服应力)时，在接合部的所有区域中接合温度成为A1点以下的接合条件的施加应力为250MPa，相对于此，700℃(A1点以下)下的屈服应力成为212.6MPa，表示非常好的一致。
[表1]
试验温度(℃) 0.2％耐力(MPa) 拉伸强度(MPa)
700(A<sub>1</sub>)点以下) 212.6 276.9
740(A<sub>1</sub>点～A<sub>3</sub>点) 154.7 193.7
800(A<sub>3</sub>点以上) 89.6 158.6
符号的说明
2…一个构件
4…另一个构件
6…被接合界面
8…溢料。

Claims (6)

1.一种线性摩擦接合方法，其特征在于，
具有：
第一工序，使一个构件与另一个构件抵接而形成被接合界面；
第二工序，在相对于所述被接合界面大致垂直地施加压力的状态下，使所述一个构件和所述另一个构件在同一轨迹上重复滑动，使溢料从所述被接合界面排出，将所述压力设定为所期望的接合温度下的所述一个构件和所述另一个构件中的任一个构件的屈服应力以上且拉伸强度以下；以及
第三工序，停止所述滑动并形成接合面。
2.根据权利要求1所述的线性摩擦接合方法，其特征在于，
将所述压力设定为所期望的所述接合温度下的所述一个构件或所述另一个构件的屈服应力。
3.根据权利要求1或2所述的线性摩擦接合方法，其特征在于，使所述一个构件和/或所述另一个构件为铁类金属。
4.根据权利要求3所述的线性摩擦接合方法，其特征在于，
使所述接合温度为所述铁类金属的A1点以下。
5.根据权利要求1或2所述的线性摩擦接合方法，其特征在于，
使所述一个构件和/或所述另一个构件为钛或钛合金。
6.根据权利要求5所述的线性摩擦接合方法，其特征在于，
使所述接合温度为所述钛或钛合金的β转变温度以下。
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