CN111050973A - 金属板的双面摩擦搅拌接合方法及双面摩擦搅拌接合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供摩擦搅拌接合方法及用于实施该摩擦搅拌接合的优选的摩擦搅拌接合装置，该方法在进行双面摩擦搅拌接合时，能够在金属板的厚度方向上均匀地获得对于实现接合状态而言充分的塑性流动，抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化，能够实现充分的强度并提高接合施工性。将彼此相对的一对旋转工具分别配置在作为两张金属板的接合部的对合部或重叠部的表面侧和背面侧，在对合部或重叠部处，使一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用旋转工具与金属板的摩擦热来使金属板软化，并且利用旋转工具搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将金属板彼此接合。

Description

金属板的双面摩擦搅拌接合方法及双面摩擦搅拌接合装置

技术领域

本发明涉及将彼此相对的一对旋转工具分别与作为金属板的接合部的对合部或重叠部的表面侧和背面侧相对配置，在对合部或重叠部处使一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用旋转工具与金属板的摩擦热而使金属板软化，并且利用旋转工具搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将金属板彼此接合的双面摩擦搅拌接合方法及用于实施该双面摩擦搅拌接合的双面摩擦搅拌接合装置。

另外，本发明目的在于，通过解决在将该摩擦搅拌接合方法应用于金属板接合的情况下或使用摩擦搅拌接合装置的情况下可能产生的问题(即由在接合部处的金属板的厚度方向上产生的温度、塑性流动的差异引起的接合部内的局部塑性流动不良)，从而有利地消除接合缺陷，实现充分的强度及接合施工性的提高，特别是实现接合速度的提高。

需要说明的是，以下将金属板(例如钢板等)处于仅对合(或重叠)而尚未接合的状态的对合部分(或重叠部分)称为“未接合部”，另一方面，将通过塑性流动而接合并一体化的部分称为“接合部”。

背景技术

作为摩擦焊接法，专利文献1中公开了下述这样的技术：通过使一对金属材料的双方或一方旋转，从而一边使金属材料产生摩擦热而软化，一边对该软化部位进行搅拌以产生塑性流动，由此使金属材料接合。但是，该技术使待接合的金属材料旋转，因此其金属材料的形状、尺寸存在界限。

另一方面，专利文献2提出了下述方法：将由实质上比金属板硬的材质形成的旋转工具插入金属板的未接合部，并使该旋转工具一边旋转一边移动从而利用在旋转工具与金属板之间产生的热和塑性流动，将金属板在长尺寸方向上连续接合。该技术通过在将金属板固定的状态下使旋转工具一边旋转一边移动以使金属板接合。因此其具有下述优点：对于沿着接合方向实质上无限长的构件而言，也能够在其长尺寸方向上连续地固相接合。另外，由于是利用由旋转工具与金属板的摩擦热产生的金属的塑性流动的固相接合，因此无需使接合部熔融就能够接合。此外，具有下述很多优点：由于加热温度低，因此接合后的变形小，另外，接合部由于不熔融而缺陷少，且不需要焊料等。

对于摩擦搅拌接合法而言，其作为以铝合金、镁合金为代表的低熔点金属板的接合法，广泛用于航空器、船舶、铁路车辆及汽车等领域。其理由在于，这些低熔点金属板难以利用现有的电弧焊接法来获得令人满意的接合部特性，而能够通过应用摩擦搅拌接合法来提高生产率并获得高品质的接合部。

另一方面，针对摩擦搅拌接合法在主要用于建筑物、船舶、重型机械、管线、汽车这样的构造物的材料的结构用钢板中的应用，能够避免现有的熔融焊接中成为课题的凝固裂纹、氢致裂纹，且钢板的组织变化也被抑制，因此能够期待接头性能的提高。另外，通过利用旋转工具对接合界面进行搅拌，从而能够形成清洁面并使清洁面彼此接触，因此还能够期待不需要扩散接合这样的事前准备工序的优点。像这样，针对摩擦搅拌接合法在结构用钢板中的应用，可期待许多优点。但是，由于接合时的缺陷产生的抑制、接合速度(即旋转工具的移动速度)的高速化这样的接合施工性存在问题，因此与低熔点金属板相比，未能推进摩擦搅拌接合法在结构用钢板中的普及。

作为专利文献2记载的摩擦搅拌接合法中的缺陷产生的主要原因，可举出在金属板的厚度方向上产生的温度、塑性流动的差异。在将旋转工具向金属板的接合部的一面侧按压并一边使之旋转一边沿接合方向移动以接合的情况下，在旋转工具的肩部被按压的一面侧，通过肩部的旋转而利用充分的温度升高和剪切应力的负荷在高温下施加大的变形，从而在接合界面形成清洁面并使之接触，能够获得对于实现冶金那样的接合状态而言充分的塑性流动。另一方面，在其相反面侧，为较低的温度，并且所施加的剪切应力减小，因此容易陷入无法获得对于实现冶金那样的接合状态而言充分的塑性流动的状态。

在将专利文献2记载的摩擦搅拌接合技术应用于结构用钢板的情况下，由于结构用钢板在高温下的强度很高，因此在低输入热量且接合速度高的情况下成为上述状态的倾向强，难以在抑制接合时的缺陷产生的同时实现接合速度的高速化。

专利文献3、4、5公开了双面摩擦搅拌接合方法。认为：在双面摩擦搅拌接合方法中，彼此相对的一对旋转工具的肩部被按压于金属板的接合部的表面侧和背面侧，通过肩部的旋转而利用充分的温度升高和剪切应力在高温下对两个面施加大的变形，从而能够在金属板的厚度方向上均匀地获得对于实现接合状态而言充分的塑性流动，能够抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化。但是，关于在将彼此相对的一对旋转工具的肩部向金属板的接合部的表面侧和背面侧按压时、在获得对于实现接合状态而言充分的温度升高和剪切应力方面具有重要意义的一对旋转工具的肩间的间隙，专利文献3、4、5记载的技术未作任何考虑。

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

发明要解决的课题

本发明能够解决现有技术的问题，在进行双面摩擦搅拌接合时，彼此相对的一对旋转工具的肩部被按压于金属板的接合部的表面侧和背面侧，通过肩部的旋转而产生充分的温度升高和剪切应力。由此能够在高温下在两个面施加大的变形，能够在金属板的厚度方向上均匀地获得对于实现接合状态而言充分的塑性流动。由此，本发明的目的在于，提供能够抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化，能够实现充分的强度并提高接合施工性的摩擦搅拌接合方法及用于实施该摩擦搅拌接合的优选的摩擦搅拌接合装置。特别是，本发明的目的在于，提供在能够获得对于实现接合状态而言充分的温度升高和剪切应力方面重要的、对彼此相对的一对旋转工具的肩间的间隙严密地精查(strictlyexamined)的摩擦搅拌接合方法及实现该方法的摩擦搅拌接合装置。

用于解决课题的手段

本申请的发明人为了解决上述课题而反复深入研究，结果，获得以下所述的发现(a)～(e)。

(a)在双面摩擦搅拌接合中，在抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化时，为了使对于获得接合状态而言充分的温度升高和剪切应力在金属板的厚度方向上均匀地分布，需要对彼此相对的一对旋转工具的肩部彼此的间隙进行严格管理。特别是，在一对旋转工具被赋予倾斜角度的情况下，有效的是，除了对金属板的厚度进行调节，对旋转工具的肩部的直径、倾斜角度也进行调节。

(b)若在表面侧和背面侧使彼此相对的一对旋转工具的旋转方向为相同方向，则相对于一方的旋转工具而言的另一旋转工具的相对速度为零。因此，在旋转工具的肩部彼此的间隙处，金属板的塑性流动越接近均匀状态则塑性变形越小，也无法获得由金属板的塑性变形产生的发热，因此无法实现良好接合状态。由此，为了在金属板的厚度方向上均匀地获得对于实现良好的接合状态而言充分的温度升高和剪切应力，需要在表面侧和背面侧将一对旋转工具的旋转方向设为反方向。

(c)通过对彼此相对的一对旋转工具的销部的前端间的间隙进行严格管理，从而能够在金属板的厚度方向上均匀地获得温度升高和剪切应力，能够抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化。此外，通过对金属板的厚度、旋转工具的肩部的直径进行调节，从而显著发挥效果。

(d)通过对彼此相对的一对旋转工具的肩部的直径进行严格管理，从而能够在金属板的厚度方向上均匀地获得温度升高和剪切应力，能够抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化。特别是，通过以与金属板的厚度相关的方式限定肩部的直径，从而能够获得显著的效果。

(e)使彼此相对的一对旋转工具的转速相同、对接合速度与转速之比进行严格管理，从而能够在金属板的厚度方向上均匀地获得温度升高和剪切应力，能够抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化。特别是，通过以与旋转工具的肩部彼此的间隙、肩部的直径及金属板的厚度相关的方式对接合速度与转速之比进行限定，从而能够获得显著的效果。

本发明是基于以上发现而做出的。

即，本发明是下述双面摩擦搅拌接合方法，其将彼此相对的一对旋转工具分别配置在作为两张金属板的接合部的对合部或重叠部的表面侧和背面侧，在对合部或重叠部处，使一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用旋转工具与金属板的摩擦热而使金属板软化，并且利用旋转工具搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将金属板彼此接合，在所述双面摩擦搅拌接合方法中，

使用下述这样的一对旋转工具，其具备肩部、及配置在该肩部并与肩部共有旋转轴的销部，并且至少肩部和销部由比金属板硬的材质形成，

在利用握持装置固定金属板的同时，将一对旋转工具按压于金属板的表面和背面，使旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，并且，

使一对旋转工具的旋转轴相对于金属板从铅直方向以倾斜角度α(°)向销前端在接合方向上先行的一侧倾斜，倾斜角度α满足

0＜α≤3，

并且，因在一对旋转工具的销部的前端间形成间隙g(mm)而产生的肩部的间隙G(mm)相对于在对合情况下的金属板的厚度t(mm)、或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度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)，

肩部的直径D(mm)相对于对合情况下的金属板的厚度t(mm)、或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度t(mm)满足

4×t≤D≤20×t，

间隙g相对于对合情况下的金属板的厚度t(mm)或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度t(mm)以及旋转工具的肩部的直径D(mm)满足

[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t≤g

≤[1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，

进一步地，使一对旋转工具在反方向上旋转来进行摩擦搅拌接合，

且一对在反方向上旋转的旋转工具的转速S(转/分钟)相同，利用旋转工具进行接合的接合速度T(m/分钟)与旋转工具的转速S之比T/S相对于肩部的间隙G(mm)、肩部的直径D(mm)、对合情况下的金属板的厚度t(mm)或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度t(mm)满足

T/S≤(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}。

另外，本发明为双面摩擦搅拌接合装置，其将彼此相对的一对旋转工具分别配置在作为两张金属板的接合部的对合部或重叠部的表面侧和背面侧，在对合部或重叠部处，使一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用旋转工具与金属板的摩擦热而使金属板软化，并且利用旋转工具搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将金属板彼此接合，在该双面摩擦搅拌接合装置中，

旋转工具具备肩部、及配置在该肩部并与肩部共有旋转轴的销部，并且至少肩部和销部由比金属板硬的材质形成，

双面摩擦搅拌接合装置具备在使一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动的期间、对金属板进行固定的握持装置，

使一对旋转工具的旋转轴相对于金属板从铅直方向以倾斜角度α(°)向销前端在接合方向上先行一侧倾斜，倾斜角度α满足

0＜α≤3，

因在一对旋转工具的销部的前端间形成间隙g(mm)而产生的肩部的间隙G(mm)相对于对合情况下的金属板的厚度t(mm)或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度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)，

肩部的直径D(mm)相对于对合情况下的金属板的厚度t(mm)或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度t(mm)满足

4×t≤D≤20×t，

间隙g相对于对合情况下的金属板的厚度t(mm)或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度t(mm)以及旋转工具的肩部的直径D(mm)满足

[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t≤g

≤[1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，

进一步地，双面摩擦搅拌接合装置还具备使一对旋转工具彼此在反方向上旋转的旋转驱动装置，

并且，一对在反方向上旋转的旋转工具的转速S(转/分钟)相同，利用旋转工具进行接合的接合速度T(m/分钟)与旋转工具的转速S之比T/S相对于肩部的间隙G(mm)、肩部的直径D(mm)、对合情况下的金属板的厚度t(mm)或重叠情况下的叠合的金属板的总厚度t(mm)满足

T/S≤(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}。

发明效果

根据本发明，在进行双面摩擦搅拌接合时，彼此相对的一对旋转工具的肩部被按压在金属板的接合部的表面和背面，通过肩部的旋转而产生充分的温度升高和剪切应力。由此，通过在高温下对双面施加大的变形，从而能够在金属板的在厚度方向上均匀地促进塑性流动，并实现良好的接合状态。其结果，能够抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化，能够实现充分的强度并提高接合施工性，因此在工业上具有显著的效果。

附图说明

[图1]图1是示意性示出本发明中的旋转工具和金属板的配置的例子的立体图。(1)是对合接合的情况，(2)是重叠接合的情况。

[图2]图2的(1)是图1中的旋转工具和金属板的俯视图，图2的(2)是A-A向视的剖视图。

[图3]图3是示出在实施例中使用的旋转工具的截面尺寸的剖视图。

[图4]图4示出相对的旋转工具的轴负荷与肩部的间隙的关系。

[图5]图5示出轴负荷与接合速度及转速的关系。

具体实施方式

在本发明中，使两张金属板对合或重合，在该对合部或重叠部的表面侧和背面侧配置一对旋转工具，进行双面摩擦搅拌接合。

以下参照图1、2，对进行对合部的双面摩擦搅拌接合的情况进行具体说明。

如图1所示，在对合的两张金属板3的表面侧和背面侧将一对旋转工具1、8彼此相对配置，将旋转工具1、8从金属板3的表面侧和背面侧这两侧插入未接合部12，进而使之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表示在表面侧配置的旋转工具1的旋转方向，箭头R表示在背面侧配置的旋转工具8的旋转方向。

并且，使彼此相对的一对旋转工具1、8旋转以产生摩擦热使金属板3软化，并且利用一对旋转工具1、8搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将金属板3接合。按照这种方式获得的接合部4沿着旋转工具1、8的行进方向以线状形成。从图1中的未接合部12在接合部4的宽度中央延伸的直线7(以下称为接合中央线)与沿箭头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行进时均由握持装置(未图示)握持，并被固定在规定的位置。需要说明的是，握持装置使用能够防止与旋转工具1、8的行进相伴的金属板3的位置变动的装置即可，因此其构成并无特别限定。

表面侧的旋转工具1的销部6的前端与背面侧的旋转工具8的销部10的前端不抵接，而是如图2的(2)所示形成间隙g(mm)。另外，在由于旋转工具1、8的直径D(mm)与销部6、10的前端的直径a(mm)的差而形成的层差5、9(以下称为肩部)之间产生间隙G(mm)。

此外，从表面侧观察，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向反方向(即箭头R)旋转。例如图2的(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。

按照这种方式，在旋转工具1的销部6的前端与旋转工具8的销部10的前端设有间隙g，在旋转工具1的肩部5与旋转工具8的肩部9之间设有间隙G，且使旋转工具1和旋转工具8向反方向旋转，从而能够从两个面施加充分的温度升高和剪切应力，能够减小在接合部4处的金属板3的厚度方向上产生的温度、塑性流动的差异并实现均匀的接合状态。另外，通过消除在接合部4内局部产生的塑性流动不良而有利地消除接合缺陷，能够在实现充分强度的同时实现接合施工性提高，特别是实现接合速度提高。

表面侧的旋转工具1包括肩部5及配置在该肩部5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及配置在该肩部9且与肩部9共有旋转轴11的销部10。并且，至少肩部5、9和销部6、10由比金属板3硬的材质形成。

另外，通过将彼此相对的旋转工具1、8的旋转方向Q、R在表面侧和背面侧设为反方向，从而能够抵消通过旋转工具1、8的旋转而施加于金属板3的旋转转矩，与现有的从一面侧按压旋转工具进行接合的摩擦搅拌接合法相比较，能够简化约束金属板3的夹具的构造。

另一方面，若将彼此相对的旋转工具1、8的旋转方向在表面侧和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而言的相对速度为零，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匀状态则塑性变形越小，也无法获得由金属板3的塑性变形产生的发热，因而无法实现良好的接合状态。

由此，为了在被加工材料的厚度方向上均匀地获得对于实现良好的接合状态而言充分的温度升高和剪切应力，使彼此相对的旋转工具1、8的旋转方向Q、R在表面侧和背面侧成为反方向。

此外，在本发明中，通过按照以下方式调节旋转工具的配置，从而在实现旋转工具寿命提高、接合缺陷产生的抑制、接合速度的高速化方面是有效的。

首先说明表面侧及背面侧的旋转工具的倾斜角度α(°)。

使旋转工具1、8的旋转轴2、11从相对于金属板3而言的铅直方向以角度α(°)倾斜，使销部6、10的前端在接合方向P上先行，从而使旋转工具1、8以在旋转轴2、11方向上压缩的分力的形式承受对旋转工具1、8施加的负荷。一对旋转工具1、8需要由比金属板3硬的材质形成，在使用陶瓷等韧性差的材料的情况下，若对销部6、10施加弯曲方向的力，则应力集中于局部而导致破坏。由此，通过使一对旋转工具1、8的旋转轴2、11以角度α(以下称为倾斜角度)倾斜，从而使施加于旋转工具1、8的负荷以在旋转轴2、11方向上压缩的分力的形式被承受，能够减小弯曲方向的力，能够避免旋转工具1、8破损。

若倾斜角度α超过0°则能够获得上述效果，但若超过3°，则接合部的表背面变为凹形，对接合接头强度产生不良影响，因此将3°设为上限。即为0＜α≤3的范围内。

接下来说明表面侧及背面侧的旋转工具的肩部间的间隙G(mm)。

在双面摩擦搅拌接合中，在抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化时，为了在金属板3的厚度方向上均匀地获得对于实现接合状态而言充分的温度升高和剪切应力，此时重要的是需要对一对旋转工具1、8的肩部5、9间的间隙G进行严格管理。

通过将表面侧及背面侧的旋转工具1、8的倾斜角度α设为0°＜α≤3°，相对于对合接合的情况下的金属板3的厚度t(mm)、重叠接合的情况下的叠合的金属板3的总厚度t(mm)、旋转工具1、8的肩部5、9的直径D(mm)，将间隙G(mm)设为(0.5×t)-(0.2×D×sinα)以上且为t-(0.2×D×sinα)以下的范围内，从而彼此相对的旋转工具1、8的肩部5、9成为与金属板3的表面侧及背面侧紧密接触或被压入的状态，作为结果，金属板3从表面侧及背面侧被旋转工具1、8的肩部5、9以充分的负荷按压。

图4表示下述情况时的表面侧、背面侧的旋转工具的肩部间的间隙G、轴负荷F：使用表1的标记1表示的厚度、化学组成、拉伸强度的钢板，使用不带角度的所谓I型坡口按照铣削加工程度的表面状态使钢板对合，将具有图3的(1)的截面形状并以碳化钨(WC)为材料的旋转工具配置在表面侧、背面侧双方，将倾斜角度α设为1.5°进行按压，将表面侧、背面侧的旋转工具的转速设为1000rpm、将接合速度设为2m/min进行摩擦搅拌接合。此时的间隙G的限定范围为0.74mm以上且为1.54mm以下，通过将间隙G设为1.54mm以下，从而能够使轴负荷F成为10kN以上。通过以充分的负荷进行按压，从而利用由旋转工具1、8的肩部5、9产生的摩擦和在剪切方向上的塑性变形来促进发热和塑性流动。由此，能够在厚度方向上均匀地促进塑性流动并实现良好的接合状态。若一对旋转工具1、8的肩部5、9间的间隙G超过t-(0.2×D×sinα)，则旋转工具1、8的肩部5、9无法以充分的负荷按压金属板3的表面侧及背面侧，无法获得上述效果。另一方面，若低于(0.5×t)-(0.2×D×sinα)，则接合部的表面和背面变为凹形，对接合接头强度产生不良影响。因此，设定为(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)。

接下来，说明表面侧及背面侧的旋转工具的销部前端的间隙g(mm)。

为了在金属板3的厚度方向上均匀地获得温度升高和剪切应力，抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化，有效的是，对彼此相对的旋转工具1、8的销部6、10前端的间隙g进行严格管理。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(mm)(在对合接合的情况下)或叠合的金属板的总厚度t(mm)(在重叠接合的情况下)之比(D/t)小的情况下，在表面侧及背面侧的旋转工具的肩部产生的摩擦发热难以在厚度方向上传递，不发生由来自肩部的加热引起的材料软化，从而难以在厚度方向上均匀地产生塑性流动。由此，需要从销部产生对于获得接合状态而言所需的充分的摩擦发热和塑性流动，因此将销部6、10前端的间隙g限定为[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t以上且为[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)²}]×t以下是有效的。根据该式，D/t越小，则间隙g的上限和下限被控制为越小的值。对于间隙g的调节而言，其能够通过使表面侧及背面侧的旋转工具的位置或双方旋转工具的销部的长度b变化来实现。

若销部6、10前端的间隙g低于[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，则存在彼此相对的旋转工具1、8的销部6、10前端接触并损伤的可能，因此不理想。另外，若超过[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，则无法在厚度方向上有效获得均匀的塑性流动、摩擦发热。因此，间隙g设为[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t≤g≤[1-0.9×exp{-0.011×(D/t)²}]×t。

接下来，说明表面侧及背面侧的旋转工具的肩部的直径D(mm)。

除了已说明的间隙G、g以外，对彼此相对的旋转工具1、8的肩部5、9的直径D进行严格管理，这对于在金属板3的厚度方向上均匀地获得温度升高和剪切应力、并且在抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化方面也是有效的。在直径D与t之比减小的情况下，在表面侧及背面侧的旋转工具的肩部产生的摩擦发热难以在厚度方向上传递，不发生由来自肩部的加热引起的材料软化，从而难以在厚度方向上均匀地产生塑性流动。由此，特别是，相对于金属板3的厚度t(mm)限定为4×t以上且为20×t以下，由此能够获得效果。

若直径D低于4×t，则无法在厚度方向上有效获得均匀的塑性流动。另一方面，若超过20×t，则仅仅使产生塑性流动的区域超过必要限度以上地扩大，对装置造成过大负荷，因此不优选。因此直径D为4×t≤D≤20×t。需要说明的是，厚度t在对合接合中是指金属板3的厚度t，在重叠接合中是指叠合的金属板3的总厚度t。

接下来，说明表面侧及背面侧的利用旋转工具进行接合的接合速度T(m/分钟)与旋转工具的转速S之比T/S。

为了在金属板3的厚度方向上均匀地获得温度升高和剪切应力、抑制接合时的缺陷产生并实现接合速度的高速化，对利用彼此相对的旋转工具1、8进行接合的接合速度T(m/分钟)与旋转工具的转速S(次/分钟)之比T/S进行严格管理是有效的。

在双面摩擦搅拌接合中，由于表面侧、背面侧的旋转工具的轴负荷F、肩部的直径D或旋转速度S的上升而使得单位时间的摩擦发热Q_time上升。因此，考虑下述关系。

Q_time(J/分钟)∝F×D×S

此外，将单位时间的摩擦发热除以接合速度T(m/分钟)、板厚t(mm)，从而能够以接合方向及板厚方向的距离使热量标准化。

Q_J-t(J/mm²)＝Q_time/(T×t)∝F×D×S/(1000×T×t)

在此，关于轴负荷F(kN)，需要考虑图4所示的表面侧、背面侧的旋转工具的肩部间的间隙G与轴负荷F的关系，并考虑图5所示的接合速度T、表面侧、背面侧的旋转工具的转速S的关系。

图5表示下述情况时的轴负荷F(kN)与接合速度T×1000/转速S(mm)的关系：使用表1的标记1表示的厚度、化学组成、拉伸强度的钢板，并且使用不带角度的所谓I型坡口按照铣削加工程度的表面状态来将钢板对合，并且，将具有图3的(1)的截面形状的以碳化钨(WC)为材料的旋转工具配置在表面侧、背面侧双方，将倾斜角度α设为1.5°进行按压，将旋转工具的肩部间的间隙G设为1.0mm，将表面侧、背面侧的旋转工具的转速设为2000～3000转/分钟，将接合速度设为4～5m/分钟进行摩擦搅拌接合。其中，显示出了随着接合速度T/转速S的上升而轴负荷F上升的倾向。

根据图4、5所示的实验倾向，轴负荷F由接合速度T、表面侧、背面侧的旋转工具的转速S、接合速度T、转速S、板厚t以下述算式表示。

F＝3.4×T×1000/S-32.2×G/t+34.5

由此，若表示上述的QJ-t，则能够获得下式。

Q_J-t(J/mm²)∝F×D×S/(1000×T×t)

＝(3.4×T×1000/S-32.2×G/t+34.5)×D×S/(1000×T×t)

使用表1的标记1表示的厚度、化学组成、拉伸强度的钢板，并且使用不带角度的所谓I型坡口按照铣削加工程度的表面状态将钢板对合，将具有图3的(1)的截面形状的以碳化钨(WC)为材料的旋转工具配置在表面侧、背面侧双方，将倾斜角度α设为1.5°进行按压，将旋转工具的肩部间的间隙G设为0.8～1.5mm，将表面侧、背面侧的旋转工具的转速设为400～3000rpm，将接合速度设为1～5m/min进行摩擦搅拌接合时，在与Q_J-t存在比例关系的上式的右边满足下式的情况下，输入热量变得充分且获得了无缺陷的合格接头：

(3.4×T×1000/S-32.2×G/t+34.5)×D×S/(1000×T×t)≥53。

对上述式进行变形，则

T/S≤(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}，

接合速度T(m/分钟)与旋转工具的转速S(转/分钟)之比T/S由比D/t与比G/t的关系来表示，其中，该比D/t为表面侧、背面侧的旋转工具的肩部的直径D(mm)与金属板3的厚度t(mm)(在对合的情况下)或叠合的金属板3的总厚度t(mm)(在重叠的情况下)之比，该比G/t为旋转工具1、8的肩部5、9间的间隙G(mm)与金属板3的厚度t(mm)(对合的情况)或叠合的金属板3的总厚度t(mm)(重叠的情况)之比。

特别是，旋转工具1、8的肩部5、9的直径D与金属板3的厚度t(在对合的情况下)或叠合的金属板3的总厚度t(在重叠的情况下)之比D/t小的情况下，即在由表面侧及背面侧的旋转工具的肩部产生的摩擦发热难以在厚度方向上传递、不发生由来自肩部的加热引起的材料的软化的情况下、在旋转工具1、8的肩部5、9间的间隙G与金属板3的厚度t(在对合的情况下)或叠合的金属板3的总厚度t(重叠的情况)之比G/t大的情况下，即表面侧及背面侧的旋转工具的轴负荷相对于厚度t小而旋转工具与材料间的摩擦发热减小的情况下，难以在厚度方向上均匀地发生塑性流动，因此将利用彼此相对的旋转工具1、8进行接合的接合速度T与旋转工具的转速S之比T/S限定为(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}以下是有效的。需要说明的是，彼此相对的旋转工具1、8的转速S相同。

另外，表面侧及背面侧的旋转工具1、8的销部能够从与肩部的边界到前端而形成为锥状。该销部6、10的长度b根据倾斜角度α、间隙G、间隙g、直径D、厚度t适当确定即可。另外，该销部6、10的前端部的直径a(mm)采用本领域技术人员的常规设计即可。

关于上述以外的其他接合条件，采用本领域技术人员的常规设计即可。通过设为这种方式，从而能够将彼此相对的旋转工具1、8的转速设为100～5000转/分钟的范围，并使接合速度高速化为1000mm/分钟以上。

另外，作为本发明的对象的金属板3能够合适地应用于通常的结构用钢、碳素钢板例如与JIS G 3106、JIS G 4051相当的钢板等。另外，也能够有效应用于拉伸强度为800MPa以上的高强度结构用钢板，在该情况下，也能够在接合部处获得钢板的拉伸强度的85％以上的强度、甚至是90％以上的强度。

实施例

使用表1所示的厚度、化学组成、拉伸强度的钢板进行摩擦搅拌接合。在对合接合的情况下，对于接头对合面而言，使用不带角度的所谓I型坡口并按照铣削加工程度的表面状态，从钢板对合部的表面侧、背面侧双方按压旋转工具并进行接合。在重叠接合的情况下，将同种的两张钢板重叠，从钢板重叠部的表面侧、背面侧双方按压旋转工具进行接合。表面侧、背面侧的旋转工具的旋转方向如图2的(1)所示，在从钢板(金属板3)的表面侧观察的俯视图中，使表面侧旋转工具(旋转工具1)沿顺时针方向旋转，使表面侧旋转工具(旋转工具8)沿逆时针方向旋转。将摩擦搅拌接合的接合条件示出在表2中。另外，在此，使用具有图3的(1)、(2)的截面形状的以碳化钨(WC)为材料的两种旋转工具。

[表1]

[表2]

表3示出接合时的接头外观观察中有无表面缺陷、接头截面观察中有无内部缺陷、及从所制得的接合接头采集由JIS Z 3121规定的1号试验片尺寸的拉伸试验片并进行拉伸试验时的拉伸强度。

[表3]

如表3所示，在对合接头的发明例1～10、重叠接头的发明例11、12中，即使在将接合速度高速化为2m/分钟以上的情况下也未在接头外观观察中确认到表面缺陷，在接头截面观察中也未确认到内部缺陷，而确认到获得合格的接合状态。此外，关于接头强度，达到作为母材的钢板的拉伸强度的95％以上。

另一方面，在对合接头的比较例1～7、重叠接头的比较例8～10中，存在下述情况的一者或两者而未获得合格的接合状态：在接头外观观察中确认到表面缺陷，在接头截面观察中确认到内部缺陷。此外，关于接头强度，为作为母材的钢板的拉伸强度的70％以下。

附图标记说明

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 (4)

1.双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，将彼此相对的一对旋转工具分别配置在作为两张金属板的接合部的对合部的表面侧和背面侧，在所述对合部处，使所述一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用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搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合方法中，

所使用的所述一对旋转工具具备肩部、及配置在该肩部并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所述金属板硬的材质形成，

在利用握持装置固定所述金属板的同时，将所述一对旋转工具按压于所述金属板的表面和背面，使所述旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，并且，

使所述一对旋转工具的所述旋转轴相对于所述金属板从铅直方向以倾斜角度α(°)向销前端在所述接合方向上先行的一侧倾斜，该倾斜角度α满足

0＜α≤3，

并且，因在所述一对旋转工具的所述销部的前端间形成间隙g(mm)而产生的所述肩部的间隙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

(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)，

所述肩部的所述直径D(mm)相对于所述金属板的所述厚度t(mm)满足

4×t≤D≤20×t，

所述间隙g相对于所述金属板的所述厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的所述直径D(mm)满足

[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t≤g≤[1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，

进一步地，使所述一对旋转工具彼此在反方向上旋转来进行所述摩擦搅拌接合，

并且，所述一对在反方向上旋转的所述旋转工具的转速S相同(转/分钟)，利用所述旋转工具进行接合的接合速度T(m/分钟)与所述旋转工具的所述转速S之比T/S相对于所述肩部的所述间隙G(mm)、所述肩部的所述直径D(mm)、所述金属板的所述厚度t(mm)满足

T/S≤(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}。

2.双面摩擦搅拌接合方法，其特征在于，将彼此相对的一对旋转工具分别配置在作为两张金属板的接合部的重叠部的表面侧和背面侧，在所述重叠部处，使所述一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用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搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合方法中，

所使用的所述一对旋转工具具备肩部、及配置在该肩部并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所述金属板硬的材质形成，

在利用握持装置固定所述金属板的同时，将所述一对旋转工具按压于所述金属板的表面和背面，使所述旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动，并且，

使所述一对旋转工具的所述旋转轴相对于所述金属板从铅直方向以倾斜角度α(°)向销前端在所述接合方向上先行的一侧倾斜，该倾斜角度α满足

0＜α≤3，

并且，因在所述一对旋转工具的所述销部的前端间形成间隙g(mm)而产生的所述肩部的间隙G(mm)相对于所叠合的所述金属板的总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足

(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)，

所述肩部的所述直径D(mm)相对于所述金属板的所述总厚度t(mm)满足

4×t≤D≤20×t，

所述间隙g相对于所述金属板的所述总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的所述直径D(mm)满足

[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t≤g≤[1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，

进一步地，使所述一对旋转工具彼此在反方向上旋转来进行所述摩擦搅拌接合，

并且，所述一对在反方向上旋转的所述旋转工具的转速S(转/分钟)相同，利用所述旋转工具进行接合的接合速度T(m/分钟)与所述旋转工具的所述转速S之比T/S相对于所述肩部的所述间隙G(mm)、所述肩部的所述直径D(mm)、所述金属板的所述总厚度t(mm)满足

T/S≤(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}。

3.双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，将彼此相对的一对旋转工具分别配置在作为两张金属板的接合部的对合部的表面侧和背面侧，在所述对合部处，使所述一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用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搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合装置中，

所述旋转工具具备肩部、及配置在该肩部并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所述金属板硬的材质形成，

所述双面摩擦搅拌接合装置具备在使所述一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动的期间、对所述金属板进行固定的握持装置，

所述一对旋转工具的所述旋转轴相对于所述金属板从铅直方向以倾斜角度α(°)向销前端在所述接合方向上先行的一侧倾斜，该倾斜角度α满足

0＜α≤3，

因在所述一对旋转工具的所述销部的前端间形成间隙g(mm)而产生的所述肩部的间隙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

(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)，

所述肩部的所述直径D(mm)相对于所述金属板的所述厚度t(mm)满足

4×t≤D≤20×t，

所述间隙g相对于所述金属板的所述厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的所述直径D(mm)满足

[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t≤g≤[1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，

所述双面摩擦搅拌接合装置还具备使所述一对旋转工具彼此在反方向上旋转的旋转驱动装置，

并且，所述一对在反方向上旋转的所述旋转工具的转速S(转/分钟)相同，利用所述旋转工具进行接合的接合速度T(m/分钟)与所述旋转工具的所述转速S之比T/S相对于所述肩部的所述间隙G(mm)、所述肩部的所述直径D(mm)、所述金属板的所述厚度t(mm)满足

T/S≤(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}。

4.双面摩擦搅拌接合装置，其特征在于，将彼此相对的一对旋转工具分别配置在作为两张金属板的接合部的重叠部的表面侧和背面侧，在所述重叠部处，使所述一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动从而利用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搅拌该软化了的部位，由此产生塑性流动从而将所述金属板彼此接合，所述双面摩擦搅拌接合装置中，

所述旋转工具具备肩部、及配置在该肩部并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所述金属板硬的材质形成，

双面摩擦搅拌接合装置具备在使所述一对旋转工具一边旋转一边沿接合方向移动的期间、对所述金属板进行固定的握持装置，

所述一对旋转工具的所述旋转轴相对于所述金属板从铅直方向以倾斜角度α(°)向销前端在所述接合方向上先行的一侧倾斜，该倾斜角度α满足

0＜α≤3，

因在所述一对旋转工具的所述销部的前端间形成间隙g(mm)而产生的所述肩部的间隙G(mm)相对于所叠合的所述金属板的总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的直径D(mm)满足

(0.5×t)-(0.2×D×sinα)≤G≤t-(0.2×D×sinα)，

所述肩部的所述直径D(mm)相对于所述金属板的所述总厚度t(mm)满足

4×t≤D≤20×t，

所述间隙g相对于所述金属板的所述总厚度t(mm)以及所述旋转工具的所述肩部的所述直径D(mm)满足

[0.1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t≤g≤[1-0.09×exp{-0.011×(D/t)²}]×t，

双面摩擦搅拌接合装置还具备使所述一对旋转工具彼此在反方向上旋转的旋转驱动装置，

并且，所述一对在反方向上旋转的所述旋转工具的转速S(转/分钟)相同，利用所述旋转工具进行接合的接合速度T(m/分钟)与所述旋转工具的所述转速S之比T/S相对于所述肩部的所述间隙G(mm)、所述肩部的所述直径D(mm)、所述金属板的所述总厚度t(mm)满足

T/S≤(1/1000)×(D/t)×{34.5-32.2×(G/t)}/{53-3.4×(D/t)}。

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