JPWO2015068386A1 - 高強度鋼板の摩擦撹拌接合方法 - Google Patents

Abstract

摩擦撹拌接合方法において、鋼板として、成分組成が所定の範囲に調整されるとともに、次式(1)で計算されるＰcm値が0.18≦Ｐcm≦0.30を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる高強度溶接構造用鋼を用いるとともに、摩擦撹拌における接合条件が、ツール回転数：100〜1000rpm、ツール回転トルク：50〜500N・mおよび接合速度：10〜1000mm/minの範囲で、しかも次式(2)で定義されるHIについて、1.5〜20の範囲内で、かつＰcmとの関係で次式(3)の範囲を満足させる。Ｐcm（％）＝Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cr＋Cu)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋５Ｂ ・・・(1)HI(kJ/mm) ＝（6.28×RT×RS）/TS/1000 ・・・ (2)1.5×109×(Ｐcm)13.8≦ HI ≦2.1×108×(Ｐcm)10.6・・・ (3)

Description

本発明は、回転ツールを被加工材の接合部に挿入し回転させながら移動させ、この回転ツールとの摩擦熱による被加工材の軟化と、その軟化部を回転ツールが撹拌することにより生じる塑性流動を利用して、溶加材を添加することなく接合を行う摩擦撹拌接合方法に関する。
特にこの摩擦撹拌接合方法を高強度構造用鋼の接合に適用した場合に懸念される、撹拌部内部の加熱状態、塑性流動状態の不均一性を有利に解消して、十分な強度と共に、機械的特性とくに靱性の均一化を図ろうとするものである。

摩擦溶接法として、特許文献１には、一対の金属材料の両方または片方を回転することにより、金属材料に摩擦熱を生じさせて軟化させながら、その軟化した部位を撹拌して塑性流動を起こすことによって、金属材料を接合する技術が開示されている。
しかしながら、この技術は、接合対象とする金属材料を回転させるものであるから、接合する金属材料の形状や寸法に限界がある。

一方、特許文献２には、被加工材よりも実質的に硬い材質からなるツールを被加工材の接合部に挿入し、このツールを回転させながら移動させることにより、ツールと被加工材との間に生じる熱と塑性流動によって、被加工材を長手方向に連続的に接合する方法が提案されている。
特許文献２に記載された接合法は、摩擦溶接法、摩擦接合法、摩擦撹拌溶接法、摩擦撹拌接合法などと呼称されるが、以下これらを総称して摩擦撹拌接合法と呼ぶ。

特許文献１に記載された摩擦溶接法は、被加工材同士を回転させ、被加工材同士の摩擦熱によって溶接する方法である。一方、特許文献２に開示の摩擦撹拌接合法は、接合部材を固定した状態で、ツールを回転させながら移動することにより接合できる。このため、溶接方向に対して実質的に無限に長い部材にもその長手方向に連続的に固相接合できるという利点がある。また、回転ツールと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合のため、接合部を溶融することなく接合することができる。さらに、加熱温度が低いため接合後の変形が少なく、また接合部は溶融されないため欠陥が少なく、さらに溶加材を必要としないなど多くの利点がある。

摩擦撹拌接合法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属材料の接合法として、航空機、船舶、鉄道車輌および自動車等の分野で利用が広がってきている。この理由としては、これらの低融点金属材料は、従来のアーク溶接法では接合部の満足な特性を得ることが難しく、摩擦撹拌接合法を適用することにより生産性が向上すると共に、品質の高い接合部を得ることができるためである。

一方、建築物や船舶、重機、パイプライン、自動車といった構造物の素材として主に適用されている低合金溶接構造用鋼に対する摩擦撹拌接合法の適用は、施工性と継手特性に課題があるため低融点金属材料と比較して普及が進んでいない。

低合金溶接構造用鋼の摩擦撹拌接合においては、特許文献３、特許文献４に記載されているように、回転ツールとして多結晶硼素窒化物（PCBN）や窒化珪素（SiN₄）などの高耐磨耗性材料を用いているのが現状である。
しかし、これらのセラミックスは脆いので、回転ツールの破損を防止するために、接合する鋼板の板厚やその施工条件が著しく制限される。

接合においては、上記した接合可能板厚や接合条件などの制約が少ないほど、また施工性すなわち実用への供し易さが高いほど実用性に富むと言える。
しかしながら、摩擦撹拌接合法の鉄鋼に対する施工性は、鉄鋼の接合に広く利用されているアーク溶接等の溶接と比較すると、満足できるものではなかった。

これを克服するために、特許文献５では、Ｃ、Mn、Ｐ、Ｓといった低合金鋼を構成する基本元素に加えてフェライト安定化元素であるSi、Al、Tiの含有量を限定し、700℃以上の平衡状態においてフェライト単相となる温度域幅とオーステナイト相とフェライト相の２相である温度域幅の総和を200℃以上とする低合金溶接構造用鋼を提案している。これにより、摩擦撹拌接合時における変形抵抗を低減させて、低合金溶接構造用鋼の摩擦撹拌接合法の施工性を向上させている。

一方、継手特性の課題に関しては、非特許文献１にも記載されているように、摩擦撹拌接合法では、撹拌部内部での塑性流動状態が均一ではなく、加熱状態、塑性加工状態が局所的に変化する。これが低合金構造用鋼の接合の場合には撹拌部内部の機械的特性に大きく影響を及ぼし、特に靭性が不均質となることが知られている。

これに関しては特許文献６では、低合金溶接構造用鋼の摩擦撹拌接合の撹拌部内部における、加熱状態、塑性加工状態の局所的な変化に起因した靭性の不均質性を解消することを目的とする。そこでは、高温でも安定した微細な析出物を分散させる鋼成分を、継手部の熱履歴を支配する接合条件により限定した摩擦撹拌接合方法が開示されている。

しかしながら、引張強度が800MPa以上の高強度構造用鋼を摩擦撹拌接合する場合に、撹拌部において十分な強度を有し、かつ撹拌部内部での靭性の不均質性を解消できる満足な解決方法は、未だ見出せていないのが現状である。

特開昭62-183979号公報 特表平7-505090号公報 特表2003-532542号公報 特表2003-532543号公報 特開2008-031494号公報 特願2012-086924号明細書

溶接学会全国大会講演概要 第87集（2010）331

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたものである。ここでは、引張強度が800MPa以上の高強度構造用鋼の摩擦撹拌接合において、撹拌部において十分な強度を確保し、かつ加熱状態、塑性加工状態の局所的な変化に起因する靭性の不均質性を解消することを目的とする。そして、鋼成分と摩擦撹拌接合条件を厳密に管理した摩擦撹拌接合方法を提供する。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に述べる知見を得た。
ａ）摩擦撹拌接合法では、ツール回転数、ツール回転トルク、接合速度および被接合材の板厚等から、継手に投入される熱量をツール回転の仕事量により換算することができる。すなわち、ツール回転数とツール回転トルクの積により時間当たりの仕事量が得られ、これを接合速度で除することにより、接合方向の単位長さ当たりの仕事量を得ることができる。これが接合入熱に相当すると考えられる。本発明では、この接合入熱をHIと表記し、次式(2)のように表す。
HI(kJ/mm) ＝（6.28×RT×RS）/TS/1000 ・・・ (2)
ただし、RTはツール回転トルク(N・m)
RSはツール回転数(rpm)
TSは接合速度(mm/min)
そして、この接合入熱HIを管理することにより、摩擦撹拌接合部の熱履歴を制御することができる。

ｂ）鋼材の強度、靭性等の機械的性質は、ミクロ組織が大きく影響する。引張強度が800MPa以上の高強度構造用鋼の摩擦撹拌接合において、十分な接合継手の強度と、撹拌部における靭性の不均質性を解消して均質な高靭性を達成するためには、撹拌部を主に微細ベイナイト組織からなるミクロ組織とする必要がある。

ｃ）鋼材の摩擦撹拌接合において、撹拌部はオーステナイト−フェライト変態温度以上に加熱される。その後の冷却過程におけるオーステナイト−フェライト変態により常温時のミクロ組織が形成されるが、その様相は、800℃から500℃までの冷却時間に大きく影響される。冷却時間が長いと、フェライト−パーライト組織となり、冷却時間が短くなるにつれ、粗大ベイナイト、微細ベイナイト、マルテンサイトの順で、より低温で生成し、高強度な組織へと移行する。
上記のとおり接合入熱HIを管理することにより、摩擦撹拌接合部の熱履歴を制御するこができ、800℃から500℃までの冷却時間を微細ベイナイトが得られる範囲にすればよい。

ｄ）しかしながら、冷却時間とオーステナイト−フェライト変態の関係は、鋼成分に影響される。
そこで、発明者らは、撹拌部で微細ベイナイトが得られる接合入熱HIの範囲を、合金元素の含有量をパラメータとする焼入れ性指標Ｐcmとの関係で規定することにより、高強度構造用鋼の摩擦撹拌接合において、撹拌部における十分な強度を達成し、かつ加熱状態、塑性加工状態の局所的な変化に起因する靭性の不均質性を解消して均質な高靭性を達成したのである。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．肩部および該肩部に配され該肩部と回転軸を共有するピン部を含み、少なくとも該肩部と該ピン部は被加工材である鋼板よりも硬い材質からなる回転ツールを、該鋼板の接合部に挿入して回転させながら移動させ、該回転ツールと該鋼板との摩擦熱により該鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を該回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて、該鋼板を接合する摩擦撹拌接合方法において、
該鋼板として、成分組成が質量％で、
Ｃ：0.03〜0.12％、
Si：0.6％以下、
Mn：1.5〜3.0％、
Ｐ：0.015％以下、
Ｓ：0.002％以下、
Al：0.1％以下、
Ti：0.005〜0.030％、
Nb：0.01〜0.10％、
Ｎ：0.001〜0.008％および
Ｏ：0.03％以下
を含有し、下記式(1)で計算されるＰcm値が0.18≦Ｐcm≦0.30を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる高強度溶接構造用鋼を用い、
摩擦撹拌における接合条件が、
ツール回転数：100〜1000（rpm）、
ツール回転トルク：50〜500（N・m）および
接合速度：10〜1000（mm/min）
の範囲で、しかも下記式(2)で定義される溶接入熱HIが、1.5〜20の範囲で、かつＰcmとの関係で下記式(3)の範囲を満足する摩擦撹拌接合方法。
記
Ｐcm（％）＝Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cr＋Cu)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋５Ｂ ・・・(1)
HI(kJ/mm) ＝（6.28×RT×RS）/TS/1000 ・・・ (2)
ただし、RTはツール回転トルク(N・m)
RSはツール回転数(rpm)
TSは接合速度(mm/min)
1.5×10⁹×(Ｐcm)^13.8≦ HI ≦2.1×10⁸×(Ｐcm)^10.6 ・・・ (3)

２．前記１において、前記高強度溶接構造用鋼が、さらに質量％で、
Cu：1.0％以下、
Ni：1.5％以下、
Mo：1.0％以下、
Cr：1.0％以下、
Ｖ：0.10％以下、
Ｗ：0.2〜1.2％および
Ｂ：0.0001〜0.005％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する摩擦撹拌接合方法。

３．前記１または２において、前記高強度溶接構造用鋼が、さらに質量％で、
Ca：0.01％以下、
REM：0.02％以下、
Mg：0.01％以下および
Zr：0.0005〜0.03％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有する摩擦撹拌接合方法。

本発明によれば、引張強度が800MPa以上の高強度構造用鋼の摩擦撹拌接合に際し、撹拌部において十分な強度を確保することができる。のみならず、加熱状態、塑性加工状態の局所的な変化に起因して生じる靭性の不均質性を解消して、均一で良好な靱性を得ることができる。

本発明に従う摩擦撹拌接合要領を示した図である。 板厚６mmの鋼板に対して使用した回転ツールの形状・寸法を示した図である。 板厚12mmの鋼板に対して使用した回転ツールの形状・寸法を示した図である。 摩擦撹拌接合継手からの引張試験片の採取要領と試験片の形状・寸法を示した図である。 摩擦撹拌接合継手からのシャルピー衝撃試験片の採取要領を示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明で接合対象とする高強度溶接構造用鋼の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、特に指定しない限り、質量％を単に％と表す。
Ｃ：0.03〜0.12％
Ｃは、強度を向上させる元素であり、本発明で所望する強度（800MPa以上）を確保するためには0.03％以上の含有を必要とする。一方、0.12％を超えて含有すると母材靱性および溶接性が劣化する。このため、Ｃ量は0.03〜0.12％の範囲とした。好ましくは0.05〜0.09％の範囲である。

Si：0.6％以下
Siは、固溶強化により、母材および溶接熱影響部（HAZ）の強度を上昇させるのに有効な元素である。しかし、0.6％を超えて添加すると靱性が著しく低下するため、Si量の上限は0.6％とした。好ましくは0.5％以下の範囲である。なお、Si量の下限は特に限定されるものではないが、Siは強度を向上させる元素であることから、十分な強度を得るためにはSi量の下限は0.05％とすることが好ましい。

Mn：1.5〜3.0％
Mnは、強度増加に有効な元素であり、所望の強度確保の観点から1.5％以上含有させる必要である。一方、Mn量が3.0％を超えると、圧延後空冷した場合に組織が粗大なベイナイトとなり、母材靱性が低下する。このため、Mn量は1.5〜3.0％の範囲に限定した。好ましくは1.8〜2.8％の範囲である。

Ｐ：0.015％以下、Ｓ：0.002％以下
Ｐ、Ｓはいずれも、鋼中に不可避的不純物として存在する。特にＰ、Ｓは、中心偏析部での偏析が著しい元素であるので、母材の偏析部に起因した靱性の低下を抑制するために、それぞれ上限を0.015％、0.002％とした。好ましくはＰ：0.010％以下、Ｓ：0.0018％以下である。ただし、過度のＰおよびＳの低減はコストの増加を招くため、ＰおよびＳの下限はそれぞれ0.001％、0.0005％程度とすることが望ましい。

Al：0.1％以下
Alは、脱酸元素として作用する。しかし、Alが0.1％を超えて添加されると鋼中の清浄度が低下し、靱性劣化の原因となるため、0.1％以下とした。好ましくは0.06％以下である。なお、Al量の下限は特に限定されるものではないが、脱酸効果を十分に得るためには、Al量の下限は0.005％とすることが好ましい。

Ti：0.005〜0.030％
Tiは、窒化物を形成し、鋼中の固溶Ｎ量を低減するのに有効である。さらには、析出したTiNがピンニング効果でオーステナイト粒の粗大化を抑制防止をすることで、母材およびHAZの靱性向上に寄与する。必要なピンニング効果を得るためにはTi：0.005％以上の添加が必要であるが、0.030％を超えて添加すると炭化物を形成し、その析出硬化によって靱性が著しく劣化するため、上限を0.030％とした。好ましくは0.010〜0.025％の範囲である。

Nb：0.01〜0.10％
Nbは、炭化物を形成することで、特に２回以上の熱サイクルを受ける溶接熱影響部（HAZ）における焼戻し軟化を防止して、必要なHAZ強度を得るために必要な元素である。また、熱間圧延時のオーステナイト未再結晶領域を拡大する効果もあり、特に950℃までを未再結晶領域とするためには0.01％以上の添加が必要である。一方、0.10％を超えて添加するとHAZの靱性を著しく損ねることから、上限を0.10％とした。好ましくは0.02〜0.08％の範囲である。

Ｎ：0.001〜0.008％
Ｎは、通常、不可避的不純物として鋼中に存在する。しかし、前述したとおりTi添加を行うことにより、オーステナイト粒の粗大化を抑制するTiNを形成する。必要とするピンニング効果を得るためには、Ｎは0.001％以上鋼中に存在することが必要である。一方0.008％を超えると、溶接部、特に溶融線近傍で1450℃以上に加熱された領域でTiNが分解した場合、固溶Ｎの悪影響が著しくなる。このため、上限を0.008％とした。好ましくは0.002〜0.006％の範囲である。

Ｏ：0.03％以下
Ｏは、非金属介在物を生成して、鋼の清浄度、靭性を劣化させるため、0.03％以下とした。好ましくは0.02％以下である。ただし、過度のＯの低減はコストの増加を招くため、Ｏの下限は0.0003％程度とすることが望ましい。

以上、本発明の基本成分について説明したが、本発明では、さらに特性を向上させるために、Cu、Ni、Mo、Cr、Ｖ、ＷおよびＢのうちから選んだ一種または二種以上を添加することができる。
Cu：1.0％以下
Cuは、焼入れ性向上元素として作用し、多量のMn添加の代替とすることができる。しかし、1.0％を超えて添加すると、割れの原因になるため、上限を1.0％とした。なお、Cuの添加効果を有利に発現させる観点から、Cu量の下限は0.05％とすることが好ましい。

Ni：1.5％以下
Niもまた、焼入れ性向上元素として作用する他、添加しても靱性の劣化を起こさない有用元素である。しかし、Niは高価な元素であるため、1.5％超の添加は製造コストの上昇を招くので、上限を1.5％とした。なお、Niの添加効果を有利に発現させる観点から、Ni量の下限は0.05％とすることが好ましい。

Mo：1.0％以下
Moは、焼入れ性向上元素として作用し、多量のMn添加の代替とすることができる。しかし、高価な元素であり、かつ1.0％を超えて添加しても強度上昇は飽和するため、添加する場合は、上限を1.0％とした。なお、Moの添加効果を有利に発現させる観点から、Mo量の下限は0.02％とすることが好ましい。

Cr：1.0％以下
Crもまた、焼入れ性向上元素として作用し、多量のMn添加の代替とすることができる。しかし、1.0％を超えて添加するとHAZ靱性が著しく劣化するため、添加する場合は、上限を1.0％とした。なお、Crの添加効果を有利に発現させる観点から、Cr量の下限は0.05％とすることが好ましい。

Ｖ：0.10％以下
Ｖは、Nbとの複合添加により、多重溶接熱サイクル時に析出硬化して、HAZの軟化防止に有効に寄与する。しかし、0.10％を超えて添加すると析出硬化が著しくHAZ靱性の劣化につながるため、添加する場合は、上限を0.10％とした。なお、Ｖの添加効果を有利に発現させる観点から、Ｖ量の下限は0.003％とすることが好ましい。

Ｗ：0.2〜1.2％
Ｗは、鋼の焼入れ性を向上させ、ベイナイト主体の組織を得るのに有効な元素である。また、Ｗの添加は、Ｂ添加による鋼の焼入れ性向上効果をさらに高める効果がある。さらに、ＷをNbと共に添加すると、制御圧延時にオーステナイトの再結晶を抑制して、オーステナイト組織を微細化する効果がある。このような効果を得るためには、Ｗは少なくとも0.2％添加する必要がある。しかし、過剰なＷ添加はHAZ靱性、現地溶接性を劣化させ、さらにＢの焼入れ性向上効果を損なう場合があるので、その上限を1.2％とした。

Ｂ：0.0001〜0.005％
Ｂは、オーステナイト粒界に偏析し、フェライト変態を抑制することで、特にHAZの強度低下防止に寄与する。この効果を得るためには、0.0001％以上の添加を必要とするが、0.005％を超えて添加してもその効果は飽和するため、添加する場合は上限を0.005％とした。

また、本発明では、前記した元素に加えて、さらにCa、REM、MgおよびZrのうちから選んだ一種または二種以上を添加することが可能である。
Ca：0.01％以下
Caは、鋼中の硫化物の形態制御に有効な元素であり、添加することで靱性に有害なMnSの生成を抑制する。しかし、0.01％を超えて添加すると、CaO-CaSのクラスターを形成し、かえって靱性を劣化させるので、添加する場合は、上限を0.01％とした。なお、Caの添加効果を有利に発現させる観点から、Ca量の下限は0.001％とすることが好ましい。

REM：0.02％以下
REMもまた、鋼中の硫化物の形態制御に有効な元素であり、添加することで靱性に有害なMnSの生成を抑制する。しかし、高価な元素であり、かつ0.02％を超えて添加しても効果が飽和するため、添加する場合は、上限を0.02％とした。なお、REMの添加効果を有利に発現させる観点から、REM量の下限は0.001％とすることが好ましい。

Mg：0.01％以下
Mgは、製鋼過程で鋼中に微細な酸化物として生成し、特にHAZにおいてオーステナイト粒の粗大化を抑制するピンニング効果をもたらす。しかし、0.01％を超えて添加すると、鋼中の清浄度が低下し、かえって靱性を低下させるので、添加する場合は、上限を0.01％とした。なお、Mgの添加効果を有利に発現させる観点から、Mg量の下限は0.001％とすることが好ましい。

Zr：0.0005〜0.03％
Zrは、鋼中で炭窒化物を形成し、特に溶接熱影響部においてオーステナイト粒の粗大化を抑制するピンニング効果をもたらす。十分なピンニング効果を得るためには、0.0005％以上の添加が必要であるが、0.03％を超えて添加すると、鋼中の清浄度が著しく低下し、かえって靱性の低下につながるため、添加する場合は、上限を0.03％とした。

Ｐcm：0.18〜0.30
本発明においてＰcmは、溶接割れ感受性を示す指数であり、次式(1)で表される。
Ｐcm（％）＝Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cr＋Cu)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋５Ｂ ・・・(1)
本発明では、継手強度≧800MPaを達成するために、このＰcm値の下限を0.18とする。一方、Ｐcm値が0.30を超えると母材靱性および溶接性が劣化するため、上限を0.30とした。好ましくは0.190〜0.260の範囲である。

次に、摩擦撹拌接合法の接合条件の限定理由について説明すると次のとおりである。
ツール回転数：100〜1000rpm
回転ツールと加工物の接合部との間で摩擦熱を発生させ、その熱により軟化した接合部をツールが撹拌することにより生じる塑性流動を発生させるためには、適正なツール回転数に制御する必要がある。このツール回転数が100rpm未満では、発熱と塑性流動が不足し接合部に未接合部が生じたり、回転ツールに過大な荷重が掛かり破損する不具合が生じるおそれがある。一方、ツール回転数が1000rpmを超えると、発熱と塑性流動が過大となり軟化した金属が接合部からバリとして欠損するため接合部の十分な厚さが得られなかったり、回転ツールが過度に加熱されて破損する不具合が生じるおそれがある。よって、ツール回転数は100〜1000rpmの範囲とした。好ましくは120〜750rpmの範囲である。

ツール回転トルク：50〜500N・m
回転ツールと加工物の接合部との間で摩擦熱を発生させ、その熱により軟化した接合部をツールが撹拌することにより生じる塑性流動を発生させるためには、ツール回転トルクを適正範囲に設定する必要がある。このツール回転トルクが50N・m未満では、発熱と塑性流動が不足し接合部に未接合部が生じたり、回転ツールに過大な荷重が掛かり破損する不具合が生じるおそれがある。一方、ツール回転トルクが500N・mを超えると、発熱と塑性流動が過大となり軟化した金属が接合部からバリとして欠損するため接合部の十分な厚さが得られなかったり、回転ツールが過度に加熱されて破損する不具合が生じるおそれがある。よって、ツール回転トルクは50〜500N・mの範囲とした。好ましくは100〜400N・mの範囲である。

接合速度：10〜1000mm/min
接合速度は、大きいほど施工性の観点からは好ましい。しかし、健全な継手を得る上では適正な範囲が存在する。すなわち、10mm/min未満では、発熱が過大となり接合部の靭性を大きく劣化させる。一方、1000mm/min超では、発熱と塑性流動が不足し接合部に未接合部が生じたり、回転ツールに過大な荷重が掛かり破損する不具合が生じるおそれがある。よって、接合速度は10〜1000mm/minの範囲とした。好ましくは100〜900mm/minの範囲である。

溶接入熱HI：1.5〜20、かつ1.5×10⁹×(Ｐcm)^13.8〜2.1×10⁸×(Ｐcm)^10.6
本発明では、次式(2)で定義される溶接入熱HIを1.5〜20を満足させると共に、Ｐcmとの関係で次式(3)の範囲を満足させる必要がある。
HI(kJ/mm) ＝（6.28×RT×RS）/TS/1000 ・・・ (2)
ただし、RTはツール回転トルク(N・m)
RSはツール回転数(rpm)
TSは接合速度(mm/min)
1.5×10⁹×(Ｐcm)^13.8≦ HI ≦2.1×10⁸×(Ｐcm)^10.6 ・・・ (3)
ツール回転トルク（RT）とツール回転数（RS）の積の接合速度（TS）による商は、接合方向の単位長さ当たりの熱量であり、これを接合入熱HIと定義する。このHIが1.5を下回ると、発熱と塑性流動が不足し接合部に未接合部が生じたり、回転ツールに過大な荷重が掛かり破損する不具合が生じるおそれがある。一方、20を上回ると、発熱が過大となり軟化した材料が回転ツールの周囲に散出し失われるため、接合部に空孔として欠陥を生じさせる。
さらに、HIを1.5×10⁹×(Ｐcm)^13.8〜2.1×10⁸×(Ｐcm)^10.6の範囲に限定することにより、撹拌部を主に微細ベイナイト組織により構成されるミクロ組織とすることができる。これにより、撹拌部における十分な強度を獲得し、さらに加熱状態、塑性加工状態の局所的な変化により出現する靭性の不均質性を解消して、高靭性を均質に達成することができる。
ここで、「主に微細ベイナイト組織により構成される」とは、ベイナイトの平均粒径が５μm以下で、かつ組織全体に占めるベイナイトの面積率が80％以上となることを意味する。なお、組織全体に占めるベイナイトの面積率は100％であってもよい。また、ベイナイトの平均粒径の下限は特に限定されるものではないが、通常、２μm程度である。

表１に示す成分組成の高強度構造用鋼板（板厚：６mm、12mm）を用いて、摩擦撹拌接合を実施した。図１に、摩擦撹拌接合の概略図を示す。図中、符号１が回転ツール、２はその肩部、３はピン部、４は回転軸、５は鋼板、６は接合部であり、αで前進角度を示す。
継手突合せ面は角度を付けないいわゆるＩ型開先とし、フライス加工程度の表面状態で片面１パスで接合を行った。なお、回転ツールとしては、多結晶硼素窒化物（PCBN）を素材として製作したものを用い、また接合時にはアルゴンガスでシールドして接合部の酸化を防止した。

板厚：６mmの鋼板に対しては、図２に示すように、肩部２が凸形状でかつスパイラルを有し、ピン部３にもスパイラルを有する形状・寸法の回転ツールを用い、ツール前進角度αを０°として接合を行った。
一方、板厚：12mmの鋼板に対しては、図３に示すように、肩部２が凹形状でかつスパイラルを有せず、ピン部３にはスパイラルを有する形状・寸法の回転ツールを用い、ツール前進角度αを3.5°として接合を行った。
表２に、供試鋼と接合条件の組み合わせを示す。
表２中、No.１〜７、16〜22、26は、本発明の要件を満たす発明例であり、一方No.８〜15、23〜25は本発明の要件を満たさない比較例である。

また、表２で得られた摩擦撹拌接合継手から、試料を切り出し研磨し、板厚断面について３％ナイタール溶液で組織を現出させ、板厚1/4位置にて走査電子顕微鏡(SEM)を用い3000倍で3視野撮影し、画像処理で各相の面積率を求め、撹拌部のミクロ組織の同定を行った。
さらに、撹拌部のミクロ組織の同定に用いた3000倍のSEM写真にて、板厚方向に対して45°の傾きを有する長さ：80mmの直線を直交するように２本引き、該直線がベイナイト相の各粒と交差する線分の長さをそれぞれ測定して、得られた線分の長さの平均値を求め、この平均値をベイナイトの平均粒径とした。
評価結果を表３に示す。
なお、表３における微細ベイナイトとは、主に微細ベイナイト組織により構成される（すなわち、ベイナイトの平均粒径が5μm以下で、かつ組織全体に占めるベイナイトの面積率が80％以上となる）ミクロ組織を意味する。
また、粗大ベイナイトとは、ベイナイトの平均粒径が15μm超で、かつ組織全体に占めるベイナイトの面積率が60％以上となるミクロ組織を意味する。
さらに、微細ベイナイト＋マルテンサイトとは、組織全体に占めるベイナイトおよびマルテンサイトの面積率が合計で90％以上でかつ、マルテンサイトの面積率が5％以上あり、さらにベイナイトの平均粒径が５μm以下であるミクロ組織を意味する。
加えて、微細ベイナイト＋粗大ベイナイトとは、組織全体に占める平均粒径15μｍ超のベイナイトの面積率が20％より多くかつ60％より少なく、残部が平均粒径5μｍ以下のベイナイトとなるミクロ組織を意味する。

また、表２で得られた摩擦撹拌接合継手から、図４に示す採取位置、寸法にて引張試験片を採取し、撹拌部の引張試験を行った。
また、JIS Z 2202(1998)に記載の幅５mmサブサイズ３号試験片を採取しJIS Z 2242に規定された要領で撹拌部のシャルピー衝撃試験を行った。試験片の採取は、図５に示すように、継手の板厚中央線が試験片幅中央線と重なるように、継手の上面と下面を切削加工して採取した。この試験片に対し、溶接線中央を原点、リトリーティング・サイド（図５中のＲ）方向を負、アドバンシング・サイド（図５中のＡ）方向を正として、−３mm、−１mm、１mm、３mmの４つの異なる位置にノッチ加工を施した。
上記の引張試験および試験温度：−40℃におけるシャルピー衝撃試験により得られた引張強度および−40℃での吸収エネルギーを表３に示す。
なお、表３に記載の吸収エネルギーの値は、幅10mmフルサイズによる値相当に換算するため、幅５mmサブサイズによる吸収エネルギー値を1.5倍した値としている。

表３に示したとおり、No.１〜７、16〜22、26の発明例はいずれも、引張強度が800MPa以上かつ試験温度：−40℃における−３、−１、１、３mmの４つの異なるノッチ位置でのシャルピー吸収エネルギーが全て100Ｊ以上であった。
これに対し、No.８〜15、23〜25の比較例は、引張強度が800MPa満たさない、または試験温度：−40℃における−３、−１、１、３mmの４つの異なるノッチ位置でのシャルピー吸収エネルギーが一箇所もしくは２箇所以上で100Ｊを満たさない、あるいは上記を両方とも満たさない結果となった。

１ 回転ツール
２ 肩部
３ ピン部
４ 回転軸
５ 鋼板
６ 接合部

Ｐcm：0.18〜0.30
Ｐcmは、溶接割れ感受性を示す指数であり、次式(1)で表される。
Ｐcm（％）＝Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cr＋Cu)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋５Ｂ ・・・(1)
本発明では、継手強度≧800MPaを達成するために、このＰcm値の下限を0.18とする。一方、Ｐcm値が0.30を超えると母材靱性および溶接性が劣化するため、上限を0.30とした。好ましくは0.190〜0.260の範囲である。

Claims (3)

1. 肩部および該肩部に配され該肩部と回転軸を共有するピン部を含み、少なくとも該肩部と該ピン部は被加工材である鋼板よりも硬い材質からなる回転ツールを、該鋼板の接合部に挿入して回転させながら移動させ、該回転ツールと該鋼板との摩擦熱により該鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を該回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて、該鋼板を接合する摩擦撹拌接合方法において、
   該鋼板として、成分組成が質量％で、
   Ｃ：0.03〜0.12％、
   Si：0.6％以下、
   Mn：1.5〜3.0％、
   Ｐ：0.015％以下、
   Ｓ：0.002％以下、
   Al：0.1％以下、
   Ti：0.005〜0.030％、
   Nb：0.01〜0.10％、
   Ｎ：0.001〜0.008％および
   Ｏ：0.03％以下
   を含有し、下記式(1)で計算されるＰcm値が0.18≦Ｐcm≦0.30を満足し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる高強度溶接構造用鋼を用い、 摩擦撹拌における接合条件が、
   ツール回転数：100〜1000（rpm）、
   ツール回転トルク：50〜500（N・m）および
   接合速度：10〜1000（mm/min）
   の範囲で、しかも下記式(2)で定義される溶接入熱HIが、1.5〜20の範囲で、かつＰcmとの関係で下記式(3)の範囲を満足する摩擦撹拌接合方法。
   記
   Ｐcm（％）＝Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cr＋Cu)/20
   ＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋５Ｂ ・・・(1)
   HI(kJ/mm) ＝（6.28×RT×RS）/TS/1000 ・・・(2)
   ただし、RTはツール回転トルク(N・m)
   RSはツール回転数(rpm)
   TSは接合速度(mm/min)
   1.5×10⁹×(Ｐcm)^13.8≦ HI ≦2.1×10⁸×(Ｐcm)^10.6 ・・・(3)
2. 請求項１において、前記高強度溶接構造用鋼が、さらに質量％で、
   Cu：1.0％以下、
   Ni：1.5％以下、
   Mo：1.0％以下、
   Cr：1.0％以下、
   Ｖ：0.10％以下、
   Ｗ：0.2〜1.2％および
   Ｂ：0.0001〜0.005％
   のうちから選んだ１種または２種以上を含有する摩擦撹拌接合方法。
3. 請求項１または２において、前記高強度溶接構造用鋼が、さらに質量％で、
   Ca：0.01％以下、
   REM：0.02％以下、
   Mg：0.01％以下および
   Zr：0.0005〜0.03％
   のうちから選んだ１種または２種以上を含有する摩擦撹拌接合方法。

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