CN110997212B - 金属板的双面摩擦搅拌接合方法以及双面摩擦搅拌接合装置 - Google Patents

金属板的双面摩擦搅拌接合方法以及双面摩擦搅拌接合装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供金属板的双面摩擦搅拌接合方法以及双面摩擦搅拌接合装置，能够在进行双面摩擦搅拌接合时，获得足够的塑性流动以便在金属板的厚度方向上均匀地实现接合状态，能够抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速度化，能够确保足够的强度的同时提高接合施工性。本发明将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即对接部或者重叠部的表面侧与背面侧，在对接部或者重叠部中使一对的旋转工具旋转并且沿接合方向移动，借助旋转工具与金属板的摩擦热使金属板软化，并且利用旋转工具来搅拌该软化了的部位由此产生塑性流动而使金属板彼此接合。

Description

金属板的双面摩擦搅拌接合方法以及双面摩擦搅拌接合装置
技术领域
本发明涉及将金属板彼此接合的双面摩擦搅拌接合方法以及用于进行该双面摩擦搅拌接合的双面摩擦搅拌接合装置。在摩擦搅拌接合方法中，使相互对置的一对的旋转工具配置为分别对置于作为金属板的接合部的对接部或者重叠部的表面侧与背面侧，在对接部或者重叠部中使一对的旋转工具旋转并且沿接合方向移动，借助旋转工具与金属板的摩擦热使金属板软化并且利用旋转工具来搅拌该软化的部位。由此，在接合部产生塑性流动而使金属板彼此接合。
另外，本发明解决的问题为，在将该摩擦搅拌接合方法应用于金属板的接合的情况下或者在将摩擦搅拌接合装置使用于金属板的接合的情况下，因沿接合部处的金属板的厚度方向产生的温度以及塑性流动的差异而引起的接合部内的局部塑性流动不良。由此，有利地消除了接合缺陷，得到足够的强度(接头强度)，并且实现了接合施工性的提高，特别是实现了接合速度的提高。
另外以下将处于仅使金属板(例如钢板等)对接(或者重叠)而未进行接合的状态的对接部分(或者重叠部分)称为“未接合部”，另一方面，将借助塑性流动被接合而一体化的部分称为“接合部”。
背景技术
作为摩擦焊接法，专利文献1公开了一种技术，该技术使一对的金属材料双方或者单方旋转，由此使金属材料产生摩擦热而软化，并且搅拌该软化的部位来产生塑性流动，由此来接合金属材料。然而，该技术使被接合的金属材料旋转，所以该金属材料的形状、尺寸存在限制。
另一方面，专利文献2公开了一种方法，该方法将由实际上比金属板更硬的材质构成的旋转工具插入到金属板的未接合部，使该旋转工具旋转并且移动，利用由此而在旋转工具与金属板之间产生的热和塑性流动，使金属板在长边方向连续地接合。该技术在固定金属板的状态下，使旋转工具旋转并且移动由此来接合金属板。因此，具有即使是沿着接合方向实际上无限长的部件，也能够在该长边方向连续地固相接合这样的优点。另外，因为是利用因旋转工具与金属板的摩擦热而产生的金属的塑性流动的固相接合，所以能够不使接合部熔融而进行接合。并且，具有因加热温度较低而接合后的变形较少，还因接合部没有被熔融所以缺陷较少，此外也不需要填充材料等很多优点。
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板的接合法，在航空器、船舶、铁道车辆以及汽车等领域中被广泛利用。作为其理由，是因为上述低熔点金属板在现有的电弧焊接法中很难得到接合部的令人满意的特性，但应用摩擦搅拌接合法由此能够提高生产率，并且能够得到品质较高的接合部。
另一方面，针对主要作为建筑物、船舶、重机、管线以及汽车这样的构造物的坯料而应用的构造用钢板应用摩擦搅拌接合法，能够避免在现有的熔融焊接中成为问题的凝固裂纹、氢致裂纹，并且还能够抑制钢板的组织变化，所以能够期待接头性能的提高。另外，通过利用旋转工具来搅拌接合界面从而能够制造出清洁面并使清洁面彼此接触，所以还期待有不需要扩散接合那样的预先的准备工序这样的优点。这样，针对构造用钢板应用摩擦搅拌接合法的很多优点被期待。然而，在接合时的缺陷产生的抑制、以及接合速度(即旋转工具的移动速度)的高速度化这样的接合施工性还存在问题，所以与针对低熔点金属板应用摩擦搅拌接合法相比较，摩擦搅拌接合法还没有被普及。
作为专利文献2所记载的摩擦搅拌接合法中的缺陷产生的主要原因，可列举出沿金属板的厚度方向产生的温度以及塑性流动的差异。在对金属板的接合部的一方的面侧按压旋转工具，使旋转工具旋转并且沿接合方向移动从而进行接合的情况下，因旋转工具的肩部的旋转而产生的足够的温度上升和因剪切应力的负荷而在高温下产生较大的变形被施加于旋转工具的肩部被按压的面侧，从而在接合界面制造出清洁面。而且通过使清洁面彼此接触，能够得到足够的塑性流动以实现冶金接合状态。另一方面，在其相反的面侧，是相对的低温，负荷的剪切应力变小，所以容易陷入无法得到足以实现冶金接合状态的塑性流动的状态。
在将专利文献2所记载的摩擦搅拌接合法的技术应用于构造用钢板的情况下，构造用钢板的高温下的强度高，所以在热输入低并且接合速度较高的情况下，成为无法得到上述那样的足够的塑性流动的状态的趋势较强。因此，抑制接合时的缺陷产生并且接合速度的高速度化是困难的。
专利文献3、专利文献4以及专利文献5公开了双面摩擦搅拌接合方法。在双面摩擦搅拌接合方法中，相互对置的一对的旋转工具的肩部被按压于金属板的接合部的表面侧与背面侧，使因肩部的旋转而导致的足够的温度上升和因剪切应力而在高温下产生的较大的变形被施加于金属板的接合部的两面。由此，被认为能够得到足够的塑性流动以在金属板的厚度方向上实现均质的接合状态，并能够抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速度化。然而关于专利文献3、专利文献4以及专利文献5所记载的技术，在将相互对置的一对的旋转工具的肩部按压于金属板的接合部的表面侧与背面侧时，关于对得到足够的温度上升和剪切应力以便实现接合状态而言具有重要意义的一对的旋转工具的肩部间的间隙，没有任何考虑。
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：日本专利第3261433号
专利文献4：日本专利第4838385号
专利文献5：日本专利第4838388号
发明内容
本发明的目的是提供一种解决现有技术的问题点的摩擦搅拌接合方法、以及用于进行该摩擦搅拌接合的优选的摩擦搅拌接合装置。即在本发明中，在进行双面摩擦搅拌接合时，相互对置的一对的旋转工具的肩部被按压于金属板的接合部的表面侧与背面侧，使得因肩部的旋转而产生的足够的温度上升和因剪切应力而在高温下产生的较大的变形施加于金属板的接合部的两面，由此能够得到足够的塑性流动以在金属板的厚度方向上实现均质的接合状态。其结果是，提供一种能够抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速度化，并能够确保足够的强度(接头强度)的同时提高接合施工性的技术。特别是目的在于提供一种摩擦搅拌接合方法、以及实现该方法的摩擦搅拌接合装置，在摩擦搅拌接合方法中详细调查对为了实现接合状态而得到足够的温度上升和剪切应力来说是重要的、相互对置的一对的旋转工具的肩部间的间隙。
此外，在本发明中“接合状态”是指跨越金属板的接合部界面连续地形成晶粒，且金属板的界面在微观上消失的状态。“实现接合状态”或者“得到接合状态”是指实现上述状态，或者得到上述状态。
于是，本发明者们为了解决上述问题而反复深入研究的结果，得到了以下所述的见解(a)～(d)。
(a)在双面摩擦搅拌接合中，在抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速度化的方面上，为了使得到接合状态的足够的温度上升和剪切应力在金属板的厚度方向上均匀地分布，需要管理相互对置的一对的旋转工具的肩部彼此的间隙。特别是，在对一对的旋转工具形成倾斜角度的情况下，除了金属板的厚度之外，调整旋转工具的肩部的直径以及倾斜角度是有效的。
(b)对于相互对置的一对的旋转工具而言，若在表面侧与背面侧将旋转方向设为同方向，则一方的旋转工具相对于另一方的旋转工具的相对速度是零。因此，在旋转工具的肩部彼此的间隙中金属板的塑性流动越接近均质状态则塑性变形越小，无法得到因金属板的塑性变形而引起的发热，所以不能实现良好的接合状态。因此，为了在金属板的厚度方向上均匀地得到实现良好的接合状态的足够的温度上升和剪切应力，需要在表面侧与背面侧将一对的旋转工具的旋转方向设为相反方向。
(c)对于相互对置的一对的旋转工具而言，通过管理销部的顶端间的间隙，能够在金属板的厚度方向上均匀地得到温度上升和剪切应力，能够抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速度化。并且，通过调整金属板的厚度、以及旋转工具的肩部的直径，由此显著地发挥效果。
(d)对于相互对置的一对的旋转工具而言，通过管理肩部的直径，能够在金属板的厚度方向上均匀地得到温度上升和剪切应力，能够抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速度化。特别是，通过与金属板厚度关联地限定肩部的直径从而能够得到显著的效果。
本发明正是立足于这样的见解而完成的。
即本发明是一种双面摩擦搅拌接合方法，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即对接部或者重叠部的表面侧与背面侧，在对接部或重叠部中使一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助旋转工具与金属板的摩擦热使金属板软化，并且利用旋转工具来搅拌该软化的部位由此产生塑性流动而使金属板彼此接合，
作为一对的旋转工具，使用如下这样的部件：具备肩部、以及被配置于该肩部且与肩部共有旋转轴的销部，并且至少肩部与销部由比金属板更硬的材质形成，
利用把持装置来固定金属板，并且使一对的旋转工具分别按压于金属板的表面与背面，使旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，
并且通过在一对的旋转工具的销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生肩部的间隙G(mm)，该间隙G(mm)相对于金属板的厚度t(mm)满足：
0.5×t≤G≤t，
进一步使一对的旋转工具沿相互相反方向旋转，来进行摩擦搅拌接合。
而且本发明是一种双面摩擦搅拌接合方法，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即对接部或者重叠部的表面侧与背面侧，在对接部或者重叠部中使一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助旋转工具与金属板的摩擦热使金属板软化，并且利用旋转工具来搅拌该软化的部位由此产生塑性流动而使金属板彼此接合，
作为一对的旋转工具，使用如下这样的部件：具备肩部、以及被配置于该肩部且与肩部共有旋转轴的销部，并且至少肩部与销部由比金属板更硬的材质形成，
利用把持装置来固定金属板，并且使一对的旋转工具按压于金属板的表面与背面，使旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，
并且使一对的旋转工具的旋转轴从相对于金属板铅垂方向朝向相对于接合方向先行的一侧以倾斜角度α(°)倾斜，该倾斜角度α满足：
0＜α≤3，
并且通过在一对的旋转工具的销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生肩部的间隙G(mm)，该间隙G(mm)相对于金属板的厚度t(mm)以及旋转工具的肩部的直径D(mm)满足：
(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)，
进一步使一对的旋转工具沿相互相反方向旋转，来进行摩擦搅拌接合。
在本发明的双面摩擦搅拌接合方法中，优选肩部的直径D(mm)相对于金属板的厚度t(mm)满足：
4×t≤D≤20×t，
优选间隙g(mm)，在对接的情况下相对于金属板的厚度t(mm)，或者在重叠的情况下相对于重叠的金属板的总厚度t(mm)以及旋转工具的上述肩部的直径D(mm)满足
[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g
≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。
而且本发明是一种双面摩擦搅拌接合装置，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即对接部或者重叠部的表面侧与背面侧，在对接部或者重叠部中使一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助旋转工具与金属板的摩擦热使金属板软化，并且利用旋转工具来搅拌该软化的部位由此产生塑性流动而使金属板彼此接合，
旋转工具具备肩部以及被配置于该肩部且与肩部共有旋转轴的销部，并且至少肩部与销部由比金属板更硬的材质形成，
双面摩擦搅拌接合装置具备在使一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动的期间，固定金属板的把持装置，
通过在一对的旋转工具的销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生肩部的间隙G(mm)，在对接的情况下间隙G(mm)相对于金属板的厚度t(mm)，或者在重叠的情况下间隙G(mm)相对于重叠的金属板的总厚度t(mm)满足：
0.5×t≤G≤t，
双面摩擦搅拌接合装置还具备使一对的旋转工具沿相互相反方向旋转的旋转驱动装置。
而且本发明是一种双面摩擦搅拌接合装置，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即对接部或者重叠部的表面侧与背面侧，在对接部或者重叠部中使一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助旋转工具与金属板的摩擦热使金属板软化，并且利用旋转工具来搅拌该软化的部位由此产生塑性流动而使金属板彼此接合，
旋转工具具备肩部以及被配置于该肩部且与肩部共有旋转轴的销部，并且至少肩部与销部由比金属板更硬的材质形成，
双面摩擦搅拌接合装置具备在使一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动的期间，固定金属板的把持装置，
使一对的旋转工具的旋转轴从相对于金属板铅垂方向朝向相对于接合方向先行的一侧以倾斜角度α(°)倾斜，该倾斜角度α满足：
0＜α≤3，
并且通过在一对的旋转工具的销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生肩部的间隙G(mm)，在对接的情况下间隙G(mm)相对于金属板的厚度t(mm)，或者在重叠的情况下间隙G(mm)相对于重叠的金属板的总厚度t(mm)以及旋转工具的肩部的直径D(mm)满足：
(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)，
双面摩擦搅拌接合装置还具备使一对的旋转工具沿相互相反方向旋转的旋转驱动装置。
在本发明的双面摩擦搅拌接合装置中，优选肩部的直径D(mm)，在对接的情况下相对于金属板的厚度t(mm)，或者在重叠的情况下相对于重叠的金属板的总厚度t(mm)满足：
4×t≤D≤20×t，
优选间隙g(mm)，在对接的情况下相对于金属板的厚度t(mm)，或者在重叠的情况下相对于重叠的金属板的总厚度t(mm)以及旋转工具的上述肩部的直径D(mm)满足
[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g
≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。
根据本发明，在进行双面摩擦搅拌接合时，相互对置的一对的旋转工具的肩部被按压于金属板的接合部的表面与背面，使得因肩部的旋转而产生的足够的温度上升和因剪切应力而在高温下产生的较大的变形施加于金属板的接合部的两面，从而能够在金属板的厚度方向上均匀地促进塑性流动，能够实现良好的接合状态。其结果是，能够抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速度化，能够确保足够的强度的同时提高接合施工性，所以在工业上具有显著的效果。
附图说明
图1是示意性表示本发明的旋转工具与金属板的配置的例子的立体图。
图2的(1)是表示图1中的旋转工具与金属板的一部分的俯视图，图2的(2)是图2的(1)所示的A-A方向的剖视图。
图3的(1)以及图3的(2)是表示在实施例中使用的旋转工具的剖面尺寸的剖视图。
具体实施方式
在本发明中，使两张金属板对接，或者使两张金属板重叠，在该对接部或者重叠部的表面侧与背面侧配置一对的旋转工具，来进行双面摩擦搅拌接合。
以下，参照图1以及图2具体地说明进行对接部的双面摩擦搅拌接合的情况。
如图1所示，将一对的旋转工具1、8相互对置地配置于对接的两张金属板3的表面侧与背面侧，将旋转工具1、8从金属板3的表面侧与背面侧双方插入于未接合部12，而且使其一边旋转一边沿接合方向移动。图1中的箭头P表示旋转工具1、8的行进方向(即接合方向)，箭头Q表示被配置于表面侧的旋转工具1的旋转方向，箭头R表示被配置于背面侧的旋转工具8的旋转方向。
而且，使相互对抗的一对的旋转工具1、8旋转而产生摩擦热，使金属板3软化并且利用一对的旋转工具1、8来搅拌该软化的部位，由此产生塑性流动，使金属板3接合。这样得到的接合部4沿着旋转工具1、8的行进方向被形成为线状。从图1中的未接合部12向接合部4的宽度中央延伸的直线7(以下，称为接合中央线)与朝向箭头P的方向行进的旋转工具1、8的轨迹一致(参照图2的(1))。
两张金属板3在旋转工具1、8沿着接合中央线7行进时，均被把持装置(未图示)把持，被固定于规定的位置。另外把持装置只要使用能够防止金属板3的位置随着旋转工具1、8的行进而进行变动的部件即可，所以其结构没有被特别限定。
如图2的(2)所示，表面侧的旋转工具1的销部6顶端不与背面侧的旋转工具8的销部10顶端抵接，形成间隙g(mm)。另外，在由旋转工具1、8的直径D(mm)与销部6、10的直径a(mm)之差产生的阶梯5、9(以下，称为肩部)之间产生间隙G(mm)。
并且，相对于表面侧的旋转工具1的旋转方向(即箭头Q)使背面侧的旋转工具8向相反方向(即箭头R)旋转。例如如图2(1)所示，在从金属板3的表面侧观察的俯视图中，在使旋转工具1沿顺时针方向旋转的情况下，使旋转工具8沿逆时针方向旋转。虽省略了图示，但在使旋转工具1沿逆时针方向旋转的情况下，使旋转工具8沿顺时针方向旋转。
这样，在旋转工具1的销部6顶端与旋转工具8的销部10顶端设置间隙g，在旋转工具1的肩部5与旋转工具8的肩部9设置间隙G，并且使旋转工具1与旋转工具8逆向旋转。由此，足够的温度上升和剪切应力被从金属板3的两面施加，能够降低接合部4在金属板3的厚度方向上产生的温度以及塑性流动的差异，能够实现均匀的接合状态。另外，通过消除在接合部4内局部地产生的塑性流动不良从而有利地消除接合缺陷，能够确保足够的强度同时实现接合施工性的提高，特别是实现接合速度的提高。
表面侧的旋转工具1具备肩部5、以及被配置于该肩部5并且与肩部5共有旋转轴2的销部6。背面侧的旋转工具8具备肩部9、以及被配置于该肩部9并且与肩部9共有旋转轴11的销部10。而且，至少肩部5、9与销部6、10由比金属板3更硬的材质形成。
另外，通过将相互对置的旋转工具1、8的旋转方向Q、R在表面侧与背面侧设为相反方向，从而能够利用旋转工具1、8的旋转抵消被施加于金属板3的旋转扭矩。若与现有的从一方面侧按压旋转工具而进行接合的摩擦搅拌接合法比较，则能够简化限制金属板3的夹具的构造。
另一方面，若将相互对置的旋转工具1、8的旋转方向在表面侧与背面侧设为相同方向，则背面侧的旋转工具8相对于表面侧的旋转工具1的相对速度是零。因此，在旋转工具1、8的肩部5、9间金属板3的塑性流动越接近均质状态则塑性变形越小，而无法得到因金属板3的塑性变形而产生的发热，所以不能实现良好的接合状态。
由此，为了在被加工材的厚度方向上均匀地得到用于实现良好的接合状态的足够的温度上升和剪切应力，而将相互对置的旋转工具1、8的旋转方向Q、R在表面侧与背面侧设为相反方向。
并且，在本发明中，通过以下面的方式调整旋转工具的配置，由此在实现旋转工具寿命的提高、接合缺陷产生的抑制以及接合速度的高速化的方面是有效的。
首先，对表面侧以及背面侧的旋转工具的倾斜角度α(°)进行说明。
使旋转工具1、8的旋转轴2、11从相对于金属板3铅垂的方向以角度α(°)倾斜，使销部6、10顶端相对于接合方向P先行，从而能够将针对旋转工具1、8的负荷作为被压缩在旋转轴2、11方向上的分力由旋转工具1、8承受。一对的旋转工具1、8需要由比金属板3更硬的材质形成，在使用陶瓷等缺乏韧性的材料的情况下，若对销部6、10施加弯曲方向的力，则应力集中在局部而导致破坏。因此，通过使一对的旋转工具1、8的旋转轴2、11以角度α(以下，称为倾斜角度)倾斜从而能够将施加于旋转工具1、8的负荷作为被压缩在旋转轴2、11方向上的分力来承受，能够降低弯曲方向的力，能够避免旋转工具1、8的破损。
若倾斜角度α超过0°则能够得到上述的效果，但若超过3°则接合部的表背面成为凹形，对接合接头强度造成不良影响，所以将3°设为上限。即优选倾斜角度是0°＜α≤3°。更优选是0.5°≤α≤2.0°。
此外，即使倾斜角度α是0°，也能够实现接合状态。
接下来，对表面侧以及背面侧的旋转工具的肩部间的间隙G(mm)进行说明。
在双面摩擦搅拌接合中，在抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速化的方面，为了在金属板3的厚度方向上均匀地得到用于实现接合状态的足够的温度上升和剪切应力，重要的是需要严格地管理一对的旋转工具1、8的肩部5、9间的间隙G。
在表面侧以及背面侧的旋转工具1、8的倾斜角度α是0°的情况下，相对于在对接接合中金属板3的厚度t(mm)、在重叠接合中重叠的金属板3的总厚度t(mm)，间隙G限定在0.5×t以上并且t以下的范围。其结果是，相互对置的旋转工具1、8的肩部5、9以足够的载荷被按压于金属板3的表面侧以及背面侧，利用由旋转工具1、8的肩部5、9产生的摩擦和朝向剪切方向的塑性变形来促进发热和塑性流动。由此，能够在金属板3的厚度方向上均匀地促进塑性流动，能够实现良好的接合状态。若一对的旋转工具1、8的肩部5、9间的间隙G超过t，则旋转工具1、8的肩部5、9无法以足够的载荷按压于金属板3的表面侧以及背面侧，不能得到上述的效果。另一方面，若肩部5、9间的间隙G小于0.5×t，则接合部的表面与背面成为凹形，对接合接头强度造成不良影响。因此，在倾斜角度为α＝0°的情况下，需要将间隙G设为0.5×t以上并且t以下。
并且，在相互对置的旋转工具1、8的倾斜角度α为0°＜α≤3°的情况下，为了使一对的旋转工具1、8的肩部5、9在较宽的范围与金属板3的表面与背面接触，需要较小地设定表面侧以及背面侧的旋转工具1、8的肩部5、9间的间隙G。因此，在形成倾斜角度α的情况下，需要将间隙G除了相对于金属板3的厚度t(对接接合时)或者重叠的金属板的总厚度t(重叠接合时)以外，相对于旋转工具1、8的肩部5、9的直径D(mm)、倾斜角度α(°)，设定为(0.5×t)-(0.2×D×sinα)以上并且t-(0.2×D×sinα)以下。
若间隙G小于(0.5×t)-(0.2×D×sinα)，则接合部的表面与背面成为凹形，对接合接头强度造成不良影响。若间隙G超过t-(0.2×D×sinα)，则旋转工具1、8的肩部5、9无法以足够的载荷按压于金属板3的表面侧以及背面侧，不能得到上述的效果。另外，优选间隙G为(0.6×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤(0.9×t)-(0.2×D×sinα)。
即间隙G在α＝0°的情况下，被设为0.5×t≤G≤t，在0°＜α≤3°的情况下，被设为(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)。
接下来，对表面侧以及背面侧的旋转工具的销部顶端的间隙g(mm)进行说明。
为了在金属板3的厚度方向上均匀地得到温度上升和剪切应力，抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速化，而管理相互对置的旋转工具1、8的销部6、10顶端的间隙g是有效的。特别是，在旋转工具1、8的肩部5、9的直径D与金属板3的厚度t(对接接合的情况下)或者重叠的金属板的总厚度t(重叠接合的情况下)之比(D/t)较小的情况下，在厚度方向上很难均匀地产生塑性流动。因此，将销部6、10顶端的间隙g限定在[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t以上且[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t以下是有效的。
若销部6、10顶端的间隙g小于[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t，则存在相互对置的旋转工具1、8的销部6、10顶端接触、损伤的担忧，所以不优选。另外，若销部6、10顶端的间隙g超过[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t，则在厚度方向上无法有效地得到均匀的塑性流动。即优选间隙g被设为[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。此外，更优选间隙g被设为[0.12-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g≤[0.9-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。
接下来，对表面侧以及背面侧的旋转工具的肩部的直径D(mm)进行说明。
除了已经说明的间隙G、g之外，严格地管理相互对置的旋转工具1、8的肩部5、9的直径D，对于在金属板3的厚度方向上均匀地得到温度上升和剪切应力从而抑制接合时的缺陷产生并且实现接合速度的高速化而言是有效的。特别是，直径D(mm)相对于金属板3的厚度t(mm)被限定为4×t以上且20×t以下，从而能够得到效果。
若直径D(mm)小于4×t，则在金属板3的厚度方向上无法有效地得到均匀的塑性流动。另一方面，若直径D(mm)超过20×t，则仅扩展不需要产生塑性流动的区域，并对装置施加过大的负荷，所以不优选。即直径D设为4×t≤D≤20×t。另外厚度t是指在对接接合中金属板3的厚度t(mm)、在重叠接合中重叠的金属板3的总厚度t(mm)。此外，更优选直径D设为5×t≤D≤18×t。
另外，表面侧以及背面侧的旋转工具1、8的销部6、10的长度b根据倾斜角度α、肩部间的间隙G、销部顶端的间隙g、肩部的直径D、厚度t适当地决定即可。
关于上述以外的接合条件只要按照常规方法即可。由此，能够将相互对置的旋转工具1、8的转速设为100～5000转/分钟的范围，能够将接合速度高速化到1000mm/分钟以上。
另外，本发明作为对象的金属板3优选能够应用于一般的构造用钢、碳钢板，例如相当于JIS G 3106、JIS G 4051的钢板等。另外，在拉伸强度是800MPa以上的高强度构造用钢板中也可以有利地应用，即使在该情况下，在接合部中，也能够得到钢板的拉伸强度的85％以上的强度，甚至能够得到90％以上的强度。
实施例
使用表1所示的厚度、化学组成以及拉伸强度的钢板，进行了摩擦搅拌接合。在对接接合的情况下，接头对接面在铣削加工出不形成角度的所谓的I型坡口的程度的表面状态下，从钢板对接部的表面侧以及背面侧双方按压旋转工具来进行接合。在重叠接合的情况下，重叠两张相同种类的钢板，从钢板重叠部的表面侧以及背面侧双方按压旋转工具进行接合。在表2示出了摩擦搅拌接合的接合条件。对于旋转工具的旋转方向而言，从表面侧观察相对置的表面侧、背面侧的旋转工具，在表面侧的旋转工具是顺时针，背面侧的旋转工具是逆时针的情况下，还有在表面侧、背面侧的旋转工具都是顺时针的情况下进行接合。另外，这里使用了两种将碳化钨(WC)作为坯料的旋转工具，这两种旋转工具在图3的(1)以及图3的(2)中具有剖面形状。
[表1]
Figure BDA0002379463050000131
[表2]
Figure BDA0002379463050000141
在表3中分别示出了接合时的接头外观观察下的表面缺陷的有无、接头剖面观察下的内部缺陷的有无、以及从得到的接合接头选取由JIS Z3121规定的1号试件的尺寸的拉伸试件并进行拉伸试验时的拉伸强度。
此外，表面缺陷以及内部缺陷的评价如下那样进行。
＜表面缺陷的评价＞
对于观察而言，使用所得到的接合接头的接合速度为表2所记载的值的部位。对于表面缺陷的有无而言，通过目视来判定是否因塑性流动不足而观察到槽状的未接合状态，或者是否因接合工具的肩部间的间隙G过窄而观察到接合部成为凹形状的状态。作为表面缺陷，在观察到槽状的未接合状态或者接合部的凹形状的状态的情况下，使用激光位移仪计来测定、评价其深度Dd(mm)。
·无：均没有观察到上述记载的表面缺陷。
·良好：虽观察到上述记载的表面缺陷的任一个，但上述深度Dd(mm)与钢板的厚度t(mm)的比率(Dd/t)是0.1以下。
·有：观察到上述记载的表面缺陷的任一个，并且上述深度Dd(mm)与钢板的厚度t(mm)的比率(Dd/t)超过0.1。或者槽状的未接合状态从表面贯通到背面。此外，在贯通的情况下，被视为接合不成立，不进行内部缺陷以及接头强度的评价。
＜内部缺陷的评价＞
对于观察而言，在所得到的接合接头的接合速度为表2记载的值的部位，分别切断距离接合开始侧的端部20mm的位置、距离接合结束侧的端部20mm的位置、以及成为两端部的中间的位置的剖面，作为试件。使用光学显微镜(倍率：10倍)是否观察到因塑性流动不足而在接合部内部形成的未接合状态来评价内部缺陷的有无。
·无：在上述记载的三个地方的任何位置，都没有观察到形成为隧道状的未接合状态。
·良好：在上述记载的三个地方的位置，观察到一处在接合部内部形成的未接合状态。
·有：在上述记载的三个地方的位置，观察到两处以上在接合部内部形成的未接合状态。
[表3]
表面缺陷的有无 内部缺陷的有无 拉伸强度(MPa)
发明例1 无 无 1000
发明例2 无 无 1003
发明例3 无 无 998
发明例4 无 无 1007
发明例5 无 无 1005
发明例6 无 无 1002
发明例7 无 无 405
发明例8 无 无 417
发明例9 无 无 420
发明例10 无 无 420
发明例11 无 无 997
发明例12 无 无 1005
发明例13 无 无 1003
比较例1 有(未接合部) 有 468
比较例2 有(凹形) 有 513
比较例3 有(凹形) 无 631
比较例4 有(未接合部) 无 577
比较例5 良好 有 225
比较例6 有(凹形) 无 263
比较例7 良好 有 241
比较例8 有(未接合部) 无 649
比较例9 良好 有 565
比较例10 有(贯通) - -
比较例11 有(贯通) - -
如表3所示那样，在对接接头的发明例1～10、以及重叠接头的发明例11～13中，即使在将接合速度高速化为1m/分钟以上的情况下，在接头外观观察中也没有发现表面缺陷，在接头剖面观察中也没有发现内部缺陷，确认能够得到健全的接合状态。并且，关于接头强度，能够得到作为母材的钢板的拉伸强度的95％以上。此外，“健全的接合状态”是指在表面缺陷、内部缺陷的评价中都是“良好”或者“无”的评价。
另一方面，在对接接头的比较例1～7、以及重叠接头的比较例8、9中，发现了在接头外观观察中的表面缺陷、在接头剖面观察中的内部缺陷的任一个缺陷或者两个缺陷，无法得到健全的接合状态。在比较例10、11中，在表面缺陷的评价中，因为是“贯通”所以视为接合不成立，没有进行内部缺陷以及接头强度的评价。
并且，接头强度是作为母材的钢板的拉伸强度的70％以下。
附图标记的说明
1…表面侧的旋转工具；2…表面侧的旋转工具的旋转轴；3…金属板；4…接合部；5…表面侧的旋转工具的肩部；6…表面侧的旋转工具的销部；7…接合中央线；8…背面侧的旋转工具；9…背面侧的旋转工具的肩部；10…背面侧的旋转工具的销部；11…背面侧的旋转工具的旋转轴；12…未接合部。

Claims (12)

1.一种双面摩擦搅拌接合方法，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即对接部的表面侧与背面侧，在所述对接部中使所述一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助所述旋转工具与所述金属板的摩擦热使所述金属板软化，并且利用所述旋转工具来搅拌该软化了的部位由此产生塑性流动而使所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合方法的特征在于，
作为所述一对的旋转工具，使用如下这样的部件：具备肩部、以及被配置于该肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且至少所述肩部与所述销部由比所述金属板更硬的材质形成，
利用把持装置来固定所述金属板，并且使所述一对的旋转工具分别按压于所述金属板的表面与背面，使所述旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，
并且使所述一对的旋转工具的所述旋转轴从相对于所述金属板铅垂方向朝向相对于接合方向先行的一侧以倾斜角度α(°)倾斜，该倾斜角度α满足：
0≤α≤3，
并且通过在所述一对的旋转工具的所述销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生所述肩部的间隙G(mm)，该间隙G(mm)相对于所述金属板的厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
(((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤((2.20/2.4)×t)-(0.2×D×sinα)，
进一步使所述一对的旋转工具沿相互相反方向旋转，来进行所述摩擦搅拌接合。
2.根据权利要求1所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
所述肩部的直径D(mm)相对于所述金属板的厚度t(mm)满足：
4×t≤D≤20×t。
3.根据权利要求1或2所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
所述间隙g(mm)相对于所述金属板的厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。
4.一种双面摩擦搅拌接合方法，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即重叠部的表面侧与背面侧，在所述重叠部中使所述一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助所述旋转工具与所述金属板的摩擦热使所述金属板软化，并且利用所述旋转工具来搅拌该软化了的部位由此产生塑性流动而使所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合方法的特征在于，
作为所述一对的旋转工具，使用如下这样的部件：具备肩部、以及被配置于该肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且至少所述肩部与所述销部由比所述金属板更硬的材质形成，
利用把持装置来固定所述金属板，并且使所述一对的旋转工具分别按压于所述金属板的表面与背面，使所述旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，
并且使所述一对的旋转工具的所述旋转轴从相对于所述金属板铅垂方向朝向相对于接合方向先行的一侧以倾斜角度α(°)倾斜，该倾斜角度α满足：
0≤α≤3，
并且通过在所述一对的旋转工具的所述销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生所述肩部的间隙G(mm)，该间隙G(mm)相对于所述重叠的金属板的总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
(((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤((2.20/2.4)×t)-(0.2×D×sinα)，
进一步使所述一对的旋转工具沿相互相反方向旋转，来进行所述摩擦搅拌接合。
5.根据权利要求4所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
所述肩部的直径D(mm)相对于所述重叠的金属板的总厚度t(mm)满足：
4×t≤D≤20×t。
6.根据权利要求4或5所述的双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，
所述间隙g(mm)相对于所述重叠的金属板的总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。
7.一种双面摩擦搅拌接合装置，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即对接部的表面侧与背面侧，在所述对接部中使所述一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助所述旋转工具与所述金属板的摩擦热使所述金属板软化，并且利用所述旋转工具来搅拌该软化了的部位由此产生塑性流动而使所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合装置的特征在于，
所述旋转工具具备肩部、以及被配置于该肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且至少所述肩部与所述销部由比所述金属板更硬的材质形成，
所述双面摩擦搅拌接合装置具备在使所述一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动的期间将所述金属板固定的把持装置，
使所述一对的旋转工具的所述旋转轴从相对于所述金属板铅垂方向朝向相对于接合方向先行的一侧以倾斜角度α(°)倾斜，该倾斜角度α满足：
0≤α≤3，
并且通过在所述一对的旋转工具的所述销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生所述肩部的间隙G(mm)，该间隙G(mm)相对于所述金属板的厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
(((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤((2.20/2.4)×t)-(0.2×D×sinα)，
所述双面摩擦搅拌接合装置还具备使所述一对的旋转工具沿相互相反方向旋转的旋转驱动装置。
8.根据权利要求7所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，
所述肩部的直径D(mm)相对于所述金属板的厚度t(mm)满足：
4×t≤D≤20×t。
9.根据权利要求7或8所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，
所述间隙g(mm)相对于所述金属板的厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。
10.一种双面摩擦搅拌接合装置，将相互对置的一对的旋转工具分别配置于两张金属板的接合部亦即重叠部的表面侧与背面侧，在所述重叠部中使所述一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，借助所述旋转工具与所述金属板的摩擦热使所述金属板软化，并且利用所述旋转工具来搅拌该软化了的部位由此产生塑性流动而使所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合装置的特征在于，
所述旋转工具具备肩部、以及被配置于该肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且至少所述肩部与所述销部由比所述金属板更硬的材质形成，
所述双面摩擦搅拌接合装置具备在使所述一对的旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动的期间将所述金属板固定的把持装置，
使所述一对的旋转工具的所述旋转轴从相对于所述金属板铅垂方向朝向相对于接合方向先行的一侧以倾斜角度α(°)倾斜，该倾斜角度α满足：
0≤α≤3，
并且通过在所述一对的旋转工具的所述销部的顶端间形成间隙g(mm)由此产生所述肩部的间隙G(mm)，该间隙G(mm)相对于所述重叠的金属板的总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
(((0.90+(0.2×12×sin1.5°))/1.6)×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤((2.20/2.4)×t)-(0.2×D×sinα)，
所述双面摩擦搅拌接合装置还具备使所述一对的旋转工具沿相互相反方向旋转的旋转驱动装置。
11.根据权利要求10所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，
所述肩部的直径D(mm)相对于所述重叠的金属板的总厚度t(mm)满足：
4×t≤D≤20×t。
12.根据权利要求10或11所述的双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，
所述间隙g(mm)相对于所述重叠的金属板的总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足：
[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)2}]×t≤g≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)2}]×t。
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