JPWO2016147668A1 - 構造用鋼の摩擦撹拌接合装置 - Google Patents
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Abstract
Description
c)レーザなどのエネルギー密度の高い熱源を用いることで、予熱処理プロセスでの加熱領域の表面温度、面積、位置を厳密に制御し、また必要に応じて加熱領域の厚さ方向における温度についても適正に制御する。それにより、接合継手強度等の接合継手特性の劣化を招くことなく、接合施工性を向上できるとの知見を得た。
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り、該鋼板の未接合部に挿入されて回転しながら接合方向に移動し、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撹拌することにより塑性流動を生じさせる回転ツールと、
接合方向へ移動する該回転ツールの前方に設けられ、該鋼板を加熱する加熱装置と、を有し、
該加熱により該鋼板の表面の温度TS(℃)が、
TS ≧ 0.8×TA1 (TA1は下記の式(1)に示す)
となる領域を加熱領域としたとき、該鋼板の表面における、該加熱領域と該回転ツールとの最小距離を、該回転ツールの肩部の直径以下とし、
また該鋼板の表面における該加熱領域の面積を、該回転ツールのピン部の最大径部の面積以下とし、
さらに該加熱領域の面積の50%以上が、該鋼板の表面において、該回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行で、かつアドバンシングサイドへ該回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線、との間に位置する構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
記
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]
+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] ・・・(1)
ただし、[%M]は、被加工材である鋼板におけるM元素の含有量(質量%)である。
2.前記加熱領域の厚さ方向の領域に関し、温度TD(℃)が、
TD ≧ 0.8×TA1 (TA1は下記の式(1)に示す)
を満足する領域における前記鋼板の表面からの最大深さを加熱領域の深さDとしたとき、該加熱領域の深さDが、前記鋼板の合計厚さtの30%以上となる前記1に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
記
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]
+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] ・・・(1)
ただし、[%M]は、被加工材である鋼板におけるM元素の含有量(質量%)である。
3.前記加熱装置が、レーザ加熱装置である前記1または2に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
4.接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に設けられ、前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱装置を有する前記1〜3のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
5.前記回転ツールの後方で、かつ前記後方加熱装置の後に設けられ、前記鋼板の接合部を冷却する冷却装置を有する前記4に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
6.接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に設けられ、前記鋼板の接合部を冷却する冷却装置を有する前記1〜3のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
7.接合方向へ移動する前記回転ツールの後方で、かつ前記冷却装置の後に設けられ、前記鋼板の接合部を再加熱する後方加熱装置を有する前記6に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
本発明の摩擦撹拌接合装置により摩擦攪拌接合する鋼板は、図3に示すように、通常、鋼の変態温度であるTA1の80%程度の温度では、常温時の強度の30%程度の強度となる。また、この温度より高くなると、さらに強度が低下する。よって、鋼板の表面温度を0.8×TA1℃以上として鋼板を予め軟化させ、当該鋼板を撹拌し、塑性流動を促進することで、回転ツールにかかる負荷を低減し、また接合速度も高速度化することができる。このため、本発明では、加熱領域12における鋼板の表面温度TS(℃)を、0.8×TA1℃以上とする。なお、TA1(℃)は次式(1)により求めることができる。
+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] ・・・(1)
[%M]は、被加工材である鋼板におけるM元素の含有量(質量%)であり、含有しない場合は0とする。
鋼板の表面における加熱領域と回転ツールとの間隔が大きくなり過ぎると、接合前に加熱領域における温度が低下してしまい、予熱による効果が十分に得られない。このため、鋼板の表面における加熱領域と接合方向へ移動する回転ツールとの最小距離Xは、回転ツールの肩部の直径以下とする。
加熱領域12が大きくなり過ぎると当該領域およびその周辺領域のミクロ組織が変化する。特に、マルテンサイト組織により強化された高張力鋼板の場合は、フェライト−オーステナイト変態温度以下での加熱であっても、マルテンサイトが焼き戻されることで軟化を生じ、接合継手強度を大幅に低下させてしまう。このため、鋼板の表面における加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下とする。
鋼材の摩擦撹拌接合においては、塑性流動の始点はアドバンシングサイドであり、回転ツールの回転方向に沿って、接合方向前方、リトリーティングサイド、接合方向後方を通り、アドバンシングサイドが終点となる。このように、アドバンシングサイドは塑性流動の始点となるため、被加工材である鋼板の加熱不足が生じ易く、塑性流動が不十分で欠陥が発生する場合には、その殆どがアドバンシングサイドで発生する。
前述したように、本発明の摩擦撹拌接合装置で接合する鋼板は、通常、鋼の変態温度であるTA1の80%程度の温度では、常温時の強度の30%程度の強度となる。また、この温度より高くなると、さらに強度が低下する。よって、加熱領域の厚さ方向の領域においても、温度を0.8×TA1℃以上として鋼板を予め軟化させ、当該鋼板を撹拌し、塑性流動を促進することで、回転ツールにかかる負荷をさらに低減し、また接合速度も一層高速度化させることが好ましい。従って、後述する加熱領域の深さDを規定する加熱領域の厚さ方向の温度TDは、0.8×TA1℃以上として定義するものとした。なお、TA1(℃)は次式(1)により求めることができる。
+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] ・・・(1)
ここで、[%M]は、被加工材である鋼板におけるM元素の含有量(質量%)である。
加熱領域の深さDは、上記した加熱領域の厚さ方向の温度TDが0.8×TA1℃以上となる領域における、被加工材である鋼板の表面からの最大深さで規定される。ここで、この加熱領域の深さDは、鋼板の合計厚さの30%以上とすることが好ましい。というのは、加熱領域の深さDを鋼板の合計厚さの30%以上とすることで、塑性流動がさらに促進されるので、回転ツールにかかる負荷低減および接合速度の高速度化において、一層有利となるからである。より好ましくは鋼板の合計厚さの50%以上である。
板厚1.6mmの表1に示す化学組成、引張強さの鋼板を用いて、摩擦撹拌接合を実施した。継手突合せ面は、角度をつけないいわゆるI型開先でフライス加工程度の表面状態により片面1パスで接合を行った。摩擦撹拌接合の接合条件を表2に示す。図4に断面寸法を示す炭化タングステン(WC)を素材とした回転ツール(肩部直径a:12mm、ピン部の最大径b:4.0mm、プローブ長さc:1.4mm)を用い、接合時にはアルゴンガスにより接合部をシールドし、表面の酸化を防止した。
接合に先立ち、レーザを熱源に用いた予熱による加熱領域を確認するため、表1の鋼板1に対して、表3に示す各照射条件(レーザ移動速度、レーザ出力およびビーム径)でレーザ光を照射して、表面温度をサーモグラフィにより測定した。レーザ照射部の断面を観察し、ナイタール腐食液によるミクロ組織観察を行った。
表4に示すように、サーモグラフィによる表面温度測定結果から、照射条件Aにおいて、0.8×TA1℃以上となる領域は直径3.5mmの円形状であった。ここで用いた回転ツールのピン部の最大径は4.0mmであるため、鋼板表面における加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下となる。
表6より、発明例1〜10では、接合速度を高速化した場合であっても、母材となる鋼板の引張強さの85%以上の強度が得られるとともに、回転ツールのトルクが75 N・m以下と、塑性流動性も良好であった。特に、接合後に冷却・再加熱を行った発明例6および7では、母材の引張強さの99%以上の強度が得られた。
実施例1と同様に板厚1.6mmの表1に示す化学組成、引張強さの鋼板を用いて、継手突合せ面に角度をつけないいわゆるI型開先でフライス加工程度の表面状態により片面1パスで摩擦撹拌接合を実施した。摩擦撹拌接合の接合条件を表7に示す。また、実施例1と同様に、図4に断面寸法を示す炭化タングステン(WC)を素材とした回転ツール(肩部直径a:12mm、ピン部の最大径b:4.0mm、プローブ長さc:1.4mm)を用い、接合時にはアルゴンガスにより接合部をシールドし、表面の酸化を防止した。
接合に先立ち、レーザを熱源に用いた予熱による加熱領域を確認するため、表1の鋼板1に対して、表8に示す各照射条件(レーザ移動速度、レーザ出力およびビーム径)でレーザ光を照射して、表面温度をサーモグラフィにより測定した。さらに、レーザ照射部の断面を観察し、実施例1と同様に、ナイタール腐食液によるミクロ組織観察を行い、変態点(TA1℃)以上となった領域の深さD0、および0.8×TA1℃以上となった領域の深さ(加熱領域の深さD)を測定した。
表9に示すように、サーモグラフィによる表面温度測定結果から、照射条件Dにおいて、0.8×TA1℃以上となる領域は、レーザ移動方向が長径、レーザ移動方向と直角方向が短径となる楕円径となり、長径は3.8mm、短径は3.2mmであった。ここで用いた回転ツールのピン部の最大径は4.0mmであるため、鋼板表面における加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下となる。
表11より、発明例11〜20では、接合速度を1000mm/minに高速化した場合であっても、回転ツールのトルクを100N・m以下として接合することができ、また母材となる鋼板の引張強さの85%以上の強度が達成でき、健全な継手が得られた。特に、接合後に冷却・再加熱を行った発明例16および17では、母材の引張強さの99%以上の強度が得られた。
2 回転軸
3 鋼板
4 接合部
5 加熱装置
6 冷却装置
7 後方加熱装置
8 回転ツールの肩部
9 回転ツールのピン部
10 接合中央線
11 AS線
12 加熱領域
13 冷却領域
14 再加熱領域
a 回転ツールの肩部直径
b 回転ツールのピン部の最大径
c 回転ツールのプローブ長さ
X 加熱領域と回転ツールとの最小距離
D 加熱領域の深さ
t 鋼板の厚さ
α 回転ツール傾斜角度
Claims (7)
- 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り、該鋼板の未接合部に挿入されて回転しながら接合方向に移動し、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撹拌することにより塑性流動を生じさせる回転ツールと、
接合方向へ移動する該回転ツールの前方に設けられ、該鋼板を加熱する加熱装置と、を有し、
該加熱により該鋼板の表面の温度TS(℃)が、
TS ≧ 0.8×TA1 (TA1は下記の式(1)に示す)
となる領域を加熱領域としたとき、該鋼板の表面における、該加熱領域と該回転ツールとの最小距離を、該回転ツールの肩部の直径以下とし、
また該鋼板の表面における該加熱領域の面積を、該回転ツールのピン部の最大径部の面積以下とし、
さらに該加熱領域の面積の50%以上が、該鋼板の表面において、該回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行で、かつアドバンシングサイドへ該回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線、との間に位置する構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
記
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]
+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] ・・・(1)
ただし、[%M]は、被加工材である鋼板におけるM元素の含有量(質量%)である。 - 前記加熱領域の厚さ方向の領域に関し、温度TD(℃)が、
TD ≧ 0.8×TA1 (TA1は下記の式(1)に示す)
を満足する領域における前記鋼板の表面からの最大深さを加熱領域の深さDとしたとき、該加熱領域の深さDが、前記鋼板の合計厚さtの30%以上となる請求項1に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
記
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]
+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W] ・・・(1)
ただし、[%M]は、被加工材である鋼板におけるM元素の含有量(質量%)である。 - 前記加熱装置が、レーザ加熱装置である請求項1または2に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
- 接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に設けられ、前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱装置を有する請求項1〜3のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
- 前記回転ツールの後方で、かつ前記後方加熱装置の後に設けられ、前記鋼板の接合部を冷却する冷却装置を有する請求項4に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
- 接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に設けられ、前記鋼板の接合部を冷却する冷却装置を有する請求項1〜3のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
- 接合方向へ移動する前記回転ツールの後方で、かつ前記冷却装置の後に設けられ、前記鋼板の接合部を再加熱する後方加熱装置を有する請求項6に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
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