JP2007296568A

JP2007296568A - 摩擦接合方法

Info

Publication number: JP2007296568A
Application number: JP2006127678A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Gendo; 俊行玄道; Katsuya Nishiguchi; 勝也西口
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2006-05-01
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】複数の鋼製部材を摩擦接合により接合する際に、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる摩擦接合方法を提供する。
【解決手段】第１の鋼製部材Ｗ１と第２の鋼製部材Ｗ２とを重ね合わせ、回転工具１０を回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱で第１及び第２の鋼製部材を軟化せしめて塑性流動させ、第１の鋼製部材と第２の鋼製部材とを接合する摩擦接合方法は、第１の鋼製部材と第２の鋼製部材とが接合された接合部Ｍを形成する接合ステップと、接合ステップによって形成され回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で加熱された接合部を冷却する冷却ステップとを備え、冷却ステップでは、接合部におけるマルテンサイト組織の生成を回避するように高周波加熱手段２２によって接合部を加熱し接合部が徐冷されることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数の鋼製部材の接合に適用し得る摩擦接合方法に関する。

周知のように、例えば自動車等の車体は多くの車体構成部材が接合されて組み立てられている。鋼製の車体構成部材をスポット接合する場合には、複数の鋼製部材を重ね合わせ、該鋼製部材の重ね合わせ部を銅電極で上下から挟み込んで通電し、抵抗発熱により接合する抵抗スポット接合が一般に用いられている。

また、近年では抵抗スポット接合に比して低い温度で接合できる摩擦接合が知られている。かかる摩擦接合では、複数の鋼製部材を重ね合わせ、該鋼製部材の重ね合わせ部に回転工具を回転させながら押し込み、この回転工具の押し込みにより発生した摩擦熱で鋼製部材を軟化せしめて塑性流動させることにより複数の鋼製部材が接合される。

このような摩擦接合により鋼製部材を接合するものとして、例えば特許文献１には、接合ツールの摩耗を低減することを企図して、被接合部分に接合ツールが没入される前にレーザ光を照射して被接合部分を軟化させるスポット接合用摩擦撹拌接合装置が開示されている。
特開２００６ー２１２１７号公報

ところで、例えば自動車等の車体構成部材に関しては、車体の軽量化の要請に応える一環として、従来の軟鋼板に換えて高張力鋼板を鋼製部材として使用する割合が高まっている。高張力鋼板を使用する場合には、軟鋼板を使用する場合に比して、鋼板どうしを接合する際に接合部においてマルテンサイト組織が生成されやすくなる。

図１０は、軟鋼板及び高張力鋼板の連続冷却変態（ＣＣＴ）曲線を示す説明図である。図１０では、冷却時間（対数目盛）を横軸にとり、温度を縦軸にとって表示し、軟鋼板及び高張力鋼板について温度と冷却時間の関係を図示したＣＣＴ曲線Ｌ１及びＬ２がそれぞれ示されている。また、図１０では抵抗スポット接合により接合した接合部の冷却曲線Ｓ１が示されている。

図１０に示すように、高張力鋼板のＣＣＴ曲線Ｌ２に基づくマルテンサイト変態開始温度Ｔ２は、軟鋼板のＣＣＴ曲線Ｌ１に基づく軟鋼板のマルテンサイト変態開始温度Ｔ１に比して温度が低く、また、高張力鋼板のＣＣＴ曲線Ｌ２に基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間ｔ_２は、軟鋼板のＣＣＴ曲線Ｌ１に基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間ｔ_１に比して冷却時間が長くなっている。

抵抗スポット接合により軟鋼板どうしを接合する際には、冷却水が内部に存在する銅電極への伝熱が大きいため接合部における冷却速度が大きく、冷却曲線Ｓ１に示すように、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることになる。また、抵抗スポット接合により高張力鋼板どうしを接合する際においても、冷却曲線Ｓ１に示すように、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることになる。なお、上記冷却曲線Ｓ１は一例として示したものであり、接合部の板厚や形状等に応じて冷却速度は変更される。

これに対し、摩擦接合により鋼板どうしを接合する場合には、抵抗スポット接合に比して低い温度で接合でき、回転工具への伝熱も大きくないため接合部における冷却速度が緩やかとなり、マルテンサイ組織の生成が生じにくくなるが、かかる場合においても、接合される板厚や形状等によってはマルテンサイト組織が生成される畏れがある。特に、焼入れ元素を含有する高張力鋼板を摩擦接合により接合する場合には、マルテンサイト組織を生成する冷却時間が長くなるので、接合部においてはマルテンサイト組織が生成され得る。

このように摩擦接合により鋼板どうしを接合する際に、接合部においてマルテンサイト組織が生成されると、接合部では硬さが上昇し延性が低下することになるので、接合部に応力が付与されると比較的低い応力で破壊される畏れがある。従って、摩擦接合により接合する際に、接合部においてはマルテンサイト組織が生成されることを抑制することが望まれる。

この発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたものであり、複数の鋼製部材を摩擦接合により接合する際に、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることを抑制することができ、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができるようにすることを目的とする。

このため、本願の請求項１に係る摩擦接合方法は、複数の鋼製部材の被接合部に回転工具を回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱で前記鋼製部材を軟化せしめて塑性流動させることにより、複数の前記鋼製部材を接合する摩擦接合方法であって、複数の鋼製部材の被接合部に回転工具を回転させながら押し込み、この前記回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記鋼製部材を軟化せしめて塑性流動させ、複数の前記鋼製部材が接合された接合部を形成する接合ステップと、前記接合ステップによって形成され、前記回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で加熱された前記接合部を冷却する冷却ステップとを備え、前記冷却ステップでは、前記接合部におけるマルテンサイト組織の生成を回避するように加熱手段によって前記接合部を加熱し前記接合部を徐冷することを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明方法は、請求項１に係る発明方法において、前記冷却ステップでは、前記接合部の温度を測定し、この測定された前記接合部の温度に基づいて前記加熱手段の作動を制御し、前記接合部におけるマルテンサイト組織の生成を回避するように前記接合部を徐冷することを特徴としたものである。

更に、本願の請求項３に係る発明方法は、請求項１又は２に係る発明方法において、前記接合部は、複数の前記鋼製部材の重ね合わせ部をスポット状に接合したスポット接合部であることを特徴としたものである。

また更に、本願の請求項４に係る発明方法は、請求項１〜３の何れか一に係る発明方法において、前記鋼製部材が、焼入性を向上させる焼入れ元素を含有する高張力鋼板であることを特徴としたものである。

また更に、本願の請求項５に係る発明方法は、請求項１〜４の何れか一に係る発明方法において、前記加熱手段が、高周波加熱手段であることを特徴としたものである。

また更に、本願の請求項６に係る発明方法は、請求項１〜４の何れか一に係る発明方法において、前記加熱手段が、高密度エネルギを付与する高密度エネルギ熱源手段であることを特徴としたものである。

本願の請求項１に係る摩擦接合方法によれば、回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で加熱された接合部を冷却する冷却ステップでは、加熱手段によって接合部を加熱し接合部を徐冷することにより、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることを抑制することができ、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる。

また、本願の請求項２の発明方法によれば、冷却ステップでは、接合部の温度を測定し、この測定された温度に基づいて加熱手段の作動を制御し接合部を徐冷することにより、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることをより確実に抑制することができ、上記効果をより確実に奏することができる。

更に、本願の請求項３の発明方法によれば、接合部が複数の鋼製部材の重ね合わせ部をスポット状に接合したスポット接合部である場合においても、接合部の冷却を調整することができ、マルテンサイト組織が生成されることを抑制し、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる。

また更に、本願の請求項４の発明方法によれば、焼入性を向上させる焼入れ元素を含有する高張力鋼板を接合する場合においても、接合部の冷却を調整することができ、マルテンサイト組織が生成されることを抑制し、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる。

また更に、本願の請求項５の発明方法によれば、上記加熱手段として高周波加熱手段を用いることにより、上記効果を有効に実現し得る加熱手段を提供することができる。

また更に、本願の請求項６の発明方法によれば、上記加熱手段として高密度エネルギ熱源手段を用いることにより、上記効果を有効に実現し得る加熱手段を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る摩擦接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。この図に示すように、上記接合ガン１は、接合用の工具として回転工具１０と受け具２０とを備えている。

回転工具１０は、その回転中心軸が接合ガン１の接合軸Ｘと一致するように配設されており、ガン本体２に固定された加圧軸モータ４により接合軸Ｘに沿って昇降させられ、且つ、回転軸モータ５により接合軸Ｘと一致した中心軸回りに回転させられるようになっている。回転軸モータ５としては、例えばインダクションモータやサーボモータを好適に用いることができ、また、加圧軸モータ４としては、例えばサーボモータを好適に用いることができる。

受け具２０は、回転工具１０に対向して配置されるもので、この配置状態は、ガン本体２の下部に位置する略Ｌ字状のアーム３の先端に受け具２０を取り付けることにより保持されている。この受け具２０及び回転工具１０は共に、接合ガン１に対して着脱可能に取り付けられている。
なお、以上のような接合ガン１は、例えばロボット装置のアーム若しくは手首などに取り付けて、例えば自動車の車体等に用いられる鋼製部材を重ね合わせた状態で接合する接合工程などで用いることができる。

図２は、上記接合ガン１に取り付けられた回転工具１０及び受け具２０の要部を拡大して、接合される鋼製部材Ｗ１、Ｗ２と共に示した部分断面説明図である。本実施形態では、２枚の板状の鋼製部材Ｗ１、Ｗ２が重ね合わせられ、該鋼製部材Ｗ１、Ｗ２の被接合部である重ね合わせ部がスポット状に接合される。なお、回転工具１０に対向して配置される鋼製部材を第１の鋼製部材（以下、第１の鋼板という）Ｗ１、受け具２０に対向して配置される鋼製部材を第２の鋼製部材（以下、第２の鋼板という）Ｗ２とする。

回転工具１０は、略円柱状の本体部１１と、該本体部１１の先端部１２における中心から突出する円柱状のピン部１３とを備えている。このピン部１３の回転中心軸は本体部１１の回転中心軸と一致しており、両中心軸は接合ガン１の接合軸Ｘと一致するものである。つまり、ピン部１３は、回転工具１０のセンタリング機能を有しているといえる。

一方、受け具２０は、第２の鋼板Ｗ２を受承する受承面２１を備えており、この受承面２１は、好ましくは回転工具１０の先端部１２の外形寸法と略同一若しくはそれ以上の大きさで形成される。また、受け具２０は、高周波加熱熱源２２を備えており、この高周波加熱熱源２２は、受け具２０が第２の鋼板Ｗ２と当接した状態で第１の鋼板Ｗ１及び／又は第２の鋼板Ｗ２の所定位置を加熱できるように構成されている。すなわち、高周波加熱熱源２２は、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とが接合される際にその接合部を加熱することができるように構成されている。

また、上記接合ガン１は、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とが接合される際にその接合部の温度を測定する、例えば温度センサ等の温度測定手段（不図示）を備えている。この温度測定手段は、好ましくは第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２との接合部近傍に位置する回転工具１０又は受け具２０に配設されるが、その他の位置に設けるようにしてもよい。

上記接合ガン１には、加圧軸モータ４及び回転軸モータ５の作動を制御する制御ユニット（不図示）が備えられ、該制御ユニットは、接合される第１及び第２の鋼板Ｗ１、Ｗ２の材質及び板厚等に応じて設定された接合条件に基づいて加圧軸モータ４及び回転軸モータ５の作動を制御するとともに、上記温度測定手段によって測定された温度データ等の制御情報に基づいて高周波加熱手段２２の作動を制御する。なお、上記制御ユニットは、マイクロコンピュータを主要部として構成されている。

本実施形態では、摩擦接合により接合される第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２として、例えばＳｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の焼入性を向上させる焼入れ元素を含有してなる高張力鋼板を使用し、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とは同一の鋼板を使用した。この高張力鋼板として、例えばＤＰ９８０鋼板及びＴＲＩＰ鋼板を使用し、第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２の板厚はそれぞれ１ｍｍのものを使用した。

以下、本実施形態における摩擦接合について説明する。
図３〜図６は、図２の状態から引き続いて行われる一連の接合工程を示す部分断面説明図である。
まず、図２に示された状態から、図３に示すように、受け具２０の受承面２１で第２の鋼板Ｗ２及び第１の鋼板Ｗ１を順に受承させるとともに、回転工具１０を回転させながら第１の鋼板Ｗ１側に（つまり、加圧方向に）前進させる。図３に示すように、回転工具１０のピン部１３が第１の鋼板Ｗ１の表面に当接し、その押し込みが開始されることにより、ピン部１３の先端を中心にした一定範囲の領域Ｎが、ピン部１３の回転による摩擦熱の作用で軟化し始める。

図３の状態から回転工具１０の第１の鋼板Ｗ１内への押し込みが始まると、摩擦熱の作用による軟化の領域Ｎが更に広がるとともに温度も上昇し、摩擦熱で軟化した第１の鋼板Ｗ１の材料が塑性流動し始める。回転工具１０が更に押し込まれると、図４に示すように、本体部１１の先端部１２で第１の鋼板Ｗ１に表面側から剪断応力が作用し、また、回転工具１０の押し込みによる加圧力と摩擦熱及び塑性流動により、第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２が固相接合された接合部Ｍが形成される。

本実施形態では、第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２が固相接合された接合部Ｍが形成される際に、高周波加熱手段２２を作動させ上記接合部Ｍを高周波加熱により加熱する。この後、設定された接合時間が経過すると、図５に示すように、回転工具１０が、回転しながら第１の鋼板Ｗ１から離間させられるが、受け具２０は第２の鋼板Ｗ２に当接した状態で保持される。

回転工具１０が第１の鋼板Ｗ１から離間させられると、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とが接合された接合部Ｍの冷却が開始され、周囲温度に応じて接合部Ｍは冷却されるが、本実施形態では、受け具２０を第２の鋼板Ｗ２に当接させた状態で高周波加熱手段２２によって接合部Ｍを加熱することにより接合部Ｍの冷却速度が調整される。

第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２との接合部Ｍにおいては、高周波加熱手段２２による加熱によってマルテンサイト組織が生成されることを回避するように徐冷される。上記温度測定手段によって測定される接合部Ｍの温度に基づいて、回転工具１０が第１の鋼板Ｗ１から離間してからマルテンサイト変態開始温度までの冷却時間が算出され、この冷却時間が、ＣＣＴ曲線データに基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間より長くなるまで高周波加熱手段２２により加熱される。つまり、接合部Ｍにおいては、マルテンサイト組織が生成されることを回避するように高周波加熱手段２２により加熱される。

上記接合部Ｍにおいて回転工具１０が第１の鋼板Ｗ１から離間してからマルテンサイト変態開始温度までの冷却時間が、マルテンサイト組織を生成する冷却時間より長くなると、図６に示すように、受け具２０が第２の鋼板Ｗ２から離間させられ、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２との摩擦接合が完了される。

以上、説明したように、本実施形態に係る摩擦接合方法では、回転工具１０の押し込みによって発生した摩擦熱で第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２を軟化せしめて塑性流動させ、第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２が接合された接合部Ｍを形成する接合ステップと、接合ステップによって形成され回転工具１０の押し込みによって発生した摩擦熱で加熱された接合部Ｍを冷却する冷却ステップとを備え、冷却ステップでは、接合部Ｍにおけるマルテンサイト組織の生成を回避するように加熱手段２２によって接合部Ｍを加熱し接合部Ｍを徐冷する。上記制御ユニットは、上記温度測定手段によって測定された接合部Ｍの温度に基づいて、マルテンサイト変態開始温度までの冷却時間を算出し、接合部Ｍにおけるマルテンサイト組織の生成を回避するように加熱手段２２の作動を制御する。

図７は、上記摩擦接合の制御を示すフローチャートである。
本実施形態に係る摩擦接合では、先ず、接合される第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２に応じて接合条件が設定される（＃１）。この接合条件は、第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２の材質に応じてＣＣＴ曲線データに基づいて設定されるとともに、接合される板厚等に応じて設定される。接合条件としては、例えば回転数、押し込み量及び接合時間等が設定され、例えば回転数２０００ｒｐｍ、押し込み量１．８ｍｍ、接合時間５秒等が設定される。

＃１において接合条件が設定されると、回転工具１０の回転が開始される（＃２）。そして、受け具２０で第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２が保持され、回転工具１０により第１の鋼板Ｗ１側から第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２が加圧され、回転工具１０の加圧が開始される（＃３）。

＃３において回転工具１０の加圧が開始されると、第１の鋼板Ｗ１に回転工具１０を回転させながら回転工具１０を押し込むことによって発生した摩擦熱で第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２を軟化せしめて塑性流動させ、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とが摩擦接合される（＃４）。次に、＃４において第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とが摩擦接合される際に、高周波加熱手段２２を作動させ、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２の接合部Ｍを加熱させる（＃５）。

＃１において設定された接合時間が経過すると、回転工具１０が回転しながら第１の鋼板Ｗ１から離間させられ開放される（＃６）。そして、この回転工具１０の第１の鋼板Ｗ１からの離間に伴って接合部Ｍの冷却が開始される。なお、受け具２０は、第２の鋼板Ｗ２に当接した状態で接合部Ｍを加熱している。

＃６において回転工具１０が第１の鋼板Ｗ１から離間し接合部Ｍの冷却が開始されると、上記温度測定手段によって接合部Ｍの温度が測定される（＃７）。上記温度測定手段によって測定された接合部の温度に基づいて、上記制御ユニットでは、接合部Ｍにおいてマルテンサイト変態開始温度までの冷却時間が算出される（＃８）。

そして、＃８において算出された冷却時間が、ＣＣＴ曲線データに基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間より長いか否かが判定される（＃９）。＃９での判定結果がＮＯの場合には、＃７〜＃９が繰り返される。一方、＃９での判定結果がＹＥＳになると、受け具２０が第２の鋼板Ｗ２から離間させられ開放され（＃１０）、高周波加熱手段２２が停止されて第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２との摩擦接合が完了される（＃１１）。

図８は、上記摩擦接合により接合した接合部Ｍの冷却曲線を示す説明図である。図８では、冷却時間（対数目盛）を横軸にとり、温度を縦軸にとって表示し、本実施形態に係る摩擦接合により接合した接合部Ｍの冷却曲線を実施例として実線で示している。また、図８では、軟鋼板、ＤＰ９８０鋼板及びＴＲＩＰ鋼板について温度と冷却時間の関係を図示したＣＣＴ曲線Ｌ１、Ｌ２及びＬ３がそれぞれ示されている。

なお、ＤＰ９８０鋼板及びＴＲＩＰ鋼板のマルテンサイト変態開始温度については、ＤＰ９８０鋼板のマルテンサイト変態開始温度Ｔ２が約４２０℃（約６９３Ｋ）であり、ＴＲＩＰ鋼板のマルテンサイト変態開始温度Ｔ３が約４５０℃（約７２３Ｋ）である。また、ＤＰ９８０鋼板についてＣＣＴ曲線Ｌ２に基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間ｔ_２が約９秒であり、ＴＲＩＰ鋼板についてＣＣＴ曲線Ｌ３に基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間ｔ_３が約５秒である。

また、図８では、従来の摩擦接合により接合した接合部の冷却曲線を比較例として一点鎖線で示している。従来の摩擦接合は、上記実施形態と略同様に第１の鋼板と第２の鋼板とが接合されるが、高周波加熱手段による接合部の加熱を行わないものである。すなわち、回転工具が第１の鋼板から離間させられるとともに受け具が第２の鋼板から離間させられ、第１の鋼板と第２の鋼板との接合部が冷却されたものである。

図１１は、従来の摩擦接合により接合された軟鋼板の接合部の硬さを示すグラフであり、図１２は、従来の摩擦接合により接合された高張力鋼板の接合部の硬さを示すグラフである。図１１及び図１２では、硬さ測定位置を横軸にとり、０．３Ｋｇの押付け荷重によるビッカース硬さを縦軸にとって表示し、回転工具が押し込まれる第１の鋼板の硬さを◆印で表示し、受け具で受承される第２の鋼板の硬さを■印で表示している。

図１１に示すように、軟鋼板を摩擦接合により接合した場合には、第１の鋼板及び第２の鋼板ともに、軟鋼板の母材の硬さが約１００Ｈｖであるのに対し接合部の硬さが約２０００Ｈｖと比較的硬さの上昇が少ないが、図１２に示すように、高張力鋼板を摩擦接合により接合した場合には、第１の鋼板及び第２の鋼板ともに、高張力鋼板の母材の硬さが約２６０Ｈｖであるのに対し接合部の硬さが約４５０Ｈｖと硬さが大きく上昇している。

図８における比較例の冷却曲線に示すように、従来の摩擦接合により軟鋼板どうしを接合する際には、接合部においてマルテンサイト組織が生成されないが、従来の摩擦接合により高張力鋼板どうしを接合する際には、接合部においてマルテンサイト組織が生成され、接合部の硬さが上昇している。

これに対し、本実施形態では、摩擦接合により接合された接合部Ｍを冷却する際に高周波加熱手段２２により接合部Ｍを加熱し、図８における実施例の冷却曲線に示すように、比較例の冷却曲線に比して接合部Ｍの冷却曲線を矢印Ａに示すように右側に移動させる、すなわち冷却速度を小さくし、マルテンサイト変態開始温度までの冷却時間を長くする。

第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２としてＤＰ９８０鋼板を使用して第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とを接合する場合には、マルテンサイト変態開始温度Ｔ２までの冷却時間を、ＤＰ９８０鋼板のＣＣＴ曲線Ｌ２に基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間ｔ_２より長くし、接合部Ｍにおいてマルテンサイト組織が生成されることを回避している。

また、第１の鋼板Ｗ１及び第２の鋼板Ｗ２としてＴＲＩＰ鋼板を使用して第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２とを接合する場合においても、マルテンサイト変態開始温度Ｔ３までの冷却時間を、ＴＲＩＰ鋼板のＣＣＴ曲線Ｌ３に基づくマルテンサイト組織を生成する冷却時間ｔ_３より長くし、接合部Ｍにおいてマルテンサイト組織が生成されることを回避している。

このように、本実施形態に係る摩擦接合方法では、例えばＤＰ９８０鋼板及びＴＲＩＰ鋼板など、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ等の焼入れ元素を含有してなる高張力鋼板どうしを摩擦接合する際に、該高張力鋼板の接合部を高周波加熱手段２２により加熱し接合部Ｍを徐冷することで、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることを回避し、高周波加熱手段２２の作動は、接合部Ｍにおいてマルテンサイト組織が生成されることを回避するように制御される。

上記第１の実施形態では、第１の鋼板Ｗ１と第２の鋼板Ｗ２との接合部Ｍを高周波加熱手段２２により加熱しているが、その他の加熱手段を用いて接合部Ｍを加熱するようにしてもよい。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る摩擦接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。この図に示すように、上記接合ガン３０は、図１に示した接合ガン１と略同様の構成を備えているが、受け具４０は高周波加熱手段を備えていない。なお、図９では、上記接合ガン１と同様の構成については同一符号を付している。

上記接合ガン３０は、高周波加熱手段に換えて、例えば電子ビームやレーザビーム等の高密度エネルギを付与する高密度エネルギ熱源５０を備えている。この高密度エネルギ熱源５０は、上記高周波加熱手段と同様に、鋼製部材を摩擦接合により接合する際に接合部を加熱するように構成され、接合部におけるマルテンサイト組織の生成を回避するように上記接合部を加熱する。この高密度エネルギ熱源５０の作動は、第１の実施形態と同様に、制御ユニットによって、接合部の温度に基づいて制御される。

なお、本実施形態では２枚の鋼板を接合しているが、上記摩擦接合方法を３枚以上の鋼板を接合する際に適用することも可能である。また、本実施形態では、鋼板の重ね合わせ部がスポット状に接合されスポット接合部が形成されているが、連続的に接合する連続接合や、鋼板を突き合わせた突き合わせ部を接合する突き合わせ接合に適用することも可能である。

このように、本実施形態に係る摩擦接合方法によれば、回転工具１０の押し込みによって発生した摩擦熱で加熱された接合部Ｍを冷却する冷却ステップでは、加熱手段２２によって接合部Ｍを加熱し接合部Ｍを徐冷することにより、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることを抑制することができ、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる。鋼製部材の板厚や材質等が異なる場合においても、上記鋼製部材に応じて接合部の冷却を調整することができ、上記効果を確実に奏することができる。

また、冷却ステップでは、接合部Ｍの温度を測定し、この測定された接合部Ｍの温度に基づいて加熱手段２２の作動を制御し接合部Ｍを徐冷することにより、接合部においてマルテンサイト組織が生成されることをより確実に抑制することができ、上記効果をより確実に奏することができる。

更に、接合部Ｍが複数の鋼製部材Ｗ１、Ｗ２の重ね合わせ部をスポット状に接合したスポット接合部である場合においても、接合部の冷却を調整することができ、マルテンサイト組織が生成されることを抑制し、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる。

また更に、焼入性を向上させる焼入れ元素を含有する高張力鋼板を接合する場合においても、接合部の冷却を調整することができ、マルテンサイト組織が生成されることを抑制し、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる。

また更に、上記加熱手段として高周波加熱手段を用いることにより、上記効果を有効に実現し得る加熱手段を提供することができる。

また更に、上記加熱手段として高密度エネルギ熱源手段を用いることにより、上記効果を有効に実現し得る加熱手段を提供することができる。

なお、本実施形態では、高張力鋼板を摩擦接合により接合する際に、加熱手段により接合部を加熱し接合部を徐冷しているが、例えば軟鋼板などその他の鋼板を摩擦接合により接合する際に、加熱手段により接合部を加熱し、該接合部においてマルテンサイト組織が生成されることを回避するように接合部を徐冷することも可能である。

以上のように、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、複数の鋼製部材を摩擦接合により接合する際に、接合部の延性を高め接合強度を向上させることができる摩擦接合方法であり、特に、高張力鋼板を摩擦接合により接合する際に有効に利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る摩擦接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。上記接合ガンに取り付けられた回転工具及び受け具の要部を拡大して、接合される鋼製部材と共に示した部分断面説明図である。上記第１の実施形態に係る摩擦接合の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。上記摩擦接合の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。上記摩擦接合の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。上記摩擦接合の接合工程の一部を示す部分断面説明図である。上記摩擦接合の制御を示すフローチャートである。上記摩擦接合により接合された接合部Ｍの冷却曲線を示す説明図である。本発明の第２の実施形態に係る摩擦接合に用いられる接合ガンの構成を概略的に示す説明図である。軟鋼板及び高張力鋼板の連続冷却変態（ＣＣＴ）曲線を示す説明図である。従来の摩擦接合により接合された軟鋼板の接合部の硬さを示すグラフである。従来の摩擦接合により接合された高張力鋼板の接合部の硬さを示すグラフである。

符号の説明

１接合ガン
１０回転工具
２０受け具
２２高周波加熱手段
５０高密度エネルギ熱源手段
Ｍ接合部
Ｗ１、Ｗ２鋼製部材

Claims

複数の鋼製部材の被接合部に回転工具を回転させながら押し込むことによって発生した摩擦熱で前記鋼製部材を軟化せしめて塑性流動させることにより、複数の前記鋼製部材を接合する摩擦接合方法であって、
複数の鋼製部材の被接合部に回転工具を回転させながら押し込み、この前記回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で前記鋼製部材を軟化せしめて塑性流動させ、複数の前記鋼製部材が接合された接合部を形成する接合ステップと、
前記接合ステップによって形成され、前記回転工具の押し込みによって発生した摩擦熱で加熱された前記接合部を冷却する冷却ステップと、
を備え、
前記冷却ステップでは、前記接合部におけるマルテンサイト組織の生成を回避するように加熱手段によって前記接合部を加熱し前記接合部を徐冷する、
ことを特徴とする摩擦接合方法。
前記冷却ステップでは、前記接合部の温度を測定し、この測定された前記接合部の温度に基づいて前記加熱手段の作動を制御し、前記接合部におけるマルテンサイト組織の生成を回避するように前記接合部を徐冷することを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合方法。
前記接合部は、複数の前記鋼製部材の重ね合わせ部をスポット状に接合したスポット接合部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦接合方法。
前記鋼製部材が、焼入性を向上させる焼入れ元素を含有する高張力鋼板であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の摩擦接合方法。
前記加熱手段が、高周波加熱手段であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の摩擦接合方法。
前記加熱手段が、高密度エネルギを付与する高密度エネルギ熱源手段であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の摩擦接合方法。