JPWO2018003740A1 - 摩擦攪拌点接合方法および摩擦攪拌点接合装置 - Google Patents

Abstract

摩擦攪拌接合方法は、複数の鋼板材を摩擦攪拌点接合する方法であって、鋼板材の点接合部にツールを回転させながら押圧し、摩擦熱で点接合部を塑性流動させる摩擦攪拌工程と、摩擦攪拌工程の後、点接合部を冷却して、点接合部でマルテンサイト変態を生じさせる冷却工程と、冷却工程の後、再び点接合部にツールを回転させながら押圧し、摩擦熱で点接合部を焼戻しする焼戻し工程と、を備える。

Description

本発明は、摩擦攪拌点接合を行う方法および装置に関する。

重ね合わされた複数の鋼板材を摩擦攪拌点接合することによって、継手を製作することがある。摩擦攪拌中、鋼板材の点接合部は、摩擦熱でオーステナイト変態が生じる程度にまで昇温する。ツールを抜くと、点接合部は降温していく。その過程でマルテンサイト変態が生じれば、点接合部が硬化および脆化し、それにより継手強度の低下を招く。

特許文献１では、点接合部（被接合部）がＡ３変態点以上に昇温すると、ツールを母材に挿したままでツールの回転速度を低減し、被接合部を徐冷していく。被接合部がＡ１変態点まで降温すると、ツールを抜き、被接合部を自然冷却する。このような手法を採ることで冷却を遅らせ、マルテンサイト形成の抑制、継手強度低下の抑制を図っている。

特開２０１１−１１５８４２号公報

鋼板材の焼入れ性が高いと、マルテンサイト形成の阻止に必要とされる冷却時間は長くなる。例えば、中高炭素鋼あるいは合金鋼が母材である場合、マルテンサイト形成を阻止するためには、Ａ３変態点から室温に戻すまでに数分かける必要がある。

よって、上記手法は継手の生産性に難がある。生産性の向上には、冷却時間を犠牲にせざるを得ないが、マルテンサイト形成を抑制できなくなるので、継手強度を高く維持することが困難となる。

本発明は、鋼板材に摩擦攪拌点接合を行う場合に、継手の強度向上と生産性向上とを両立することを目的としている。

本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合方法は、複数の鋼板材を摩擦攪拌点接合する方法であって、前記鋼板材の点接合部にツールを回転させながら押圧し、摩擦熱で前記点接合部を塑性流動させる摩擦攪拌工程と、前記摩擦攪拌工程の後、前記点接合部を冷却して、前記点接合部でマルテンサイト変態を生じさせる冷却工程と、前記冷却工程の後、再び前記点接合部に前記ツールを回転させながら押圧し、摩擦熱で前記点接合部を焼戻しする焼戻し工程と、を備える。

なお、本書では、用語「点接合部」を、摩擦攪拌点接合を行う予定としている部分、摩擦攪拌点接合が行われている最中の部分、および摩擦攪拌点接合済の部分、これらに対し特段の区別なく用い得るものとしている。

前記構成によれば、摩擦熱で点接合部に塑性流動を生じさせた後、冷却によって点接合部を焼入れし、その後、ツールで点接合部を焼戻しする。このため、点接合部の硬度低下および強靭化を達成でき、継手の強度を向上できる。

焼戻し工程を必要とするが、摩擦攪拌工程で使ったツールを焼戻し工程でもそのまま用いているので、摩擦攪拌から焼戻しまでの工程を順次円滑に進行できる。したがって、継手の生産性も良好となる。

前記冷却工程において、前記鋼板材の上部臨界冷却速度以上の速度で前記点接合部を冷却してもよい。

前記構成によれば、点接合部にマルテンサイトが安定的に形成され、継手の強度を高く保つことができる。また、冷却時間が短くなり、継手の生産性が向上する。

前記冷却工程において、前記点接合部を前記鋼板材のマルテンサイト変態終了温度以下まで降温させてもよい。

前記構成によれば、点接合部にマルテンサイトが安定的に形成され、継手の強度を高く保つことができる。

前記冷却工程が、前記ツールを引き上げて、前記ツールと前記点接合部との間に空間を形成することを含み、前記ツールを引き上げる際、前記ツールの引上げ量をピン孔深さよりも小さくしてもよい。

前記構成によれば、ツールとピン孔との間の位置ずれを抑制でき、焼戻し工程を行うためツールを点接合部に再押圧するとき、ツールが鋼板材に不所望に干渉するのを防止でき、ツールの破損を予防できる。

前記焼戻し工程において、前記点接合部を５５０〜６５０℃まで昇温してから降温してもよい。

前記構成によれば、高温での焼戻しを行うことで、点接合部の硬度低下および強靭化を好適に達成できる。

前記焼戻し工程において、前記ツールの回転数を前記摩擦攪拌工程での前記ツールの回転数よりも高く設定してもよい。

前記構成によれば、焼戻し工程における再加熱速度が高くなり、焼戻し工程の所要時間が短くなる。

前記鋼板材は、炭素含有量が0.06％以上、又は引張強度が590MPa以上であってもよい。

前記構成によれば、上記した方法を実行することで、点接合部の硬度低下および強靭化が好適に達成され、継手強度を改善できるので有益である。

本発明の一態様に係る摩擦攪拌点接合装置は、複数の鋼板材を摩擦攪拌点接合する装置であって、前記鋼板材の点接合部とツールとを互いに相対変位させる変位駆動器と、前記ツールを回転させる回転駆動器と、制御器と、を備え、前記制御器が、前記変位駆動器および前記回転駆動器を動作させ、前記点接合部に前記ツールを回転させながら押圧して、摩擦熱で前記点接合部を塑性流動させる摩擦攪拌工程を実行し、前記変位駆動器および前記回転駆動器の少なくともいずれか一方を動作させ、前記ツールを引き上げて且つ／又は前記ツールの回転数を低減して、前記点接合部を冷却する冷却工程を実行し、かつ、前記変位駆動器および前記回転駆動器を動作させ、再び前記点接合部に前記ツールを回転させながら押圧して、前記点接合部を焼戻しする焼戻し工程を実行するように構成されている。

本発明によれば、鋼板材に摩擦攪拌点接合を行う場合に、継手の強度向上と生産性向上とを両立できる。

第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合装置を概略的に示す構成図である。 第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を示すフローチャートである。 図３Ａは、図１の部分拡大図であって、位置決め工程の完了状態を示す図である。図３Ｂは、図３Ａ中のＢ矢視図、すなわち、摩擦攪拌点接合装置に対して位置決めされた鋼板材を板厚方向に見て示す図である。 図４Ａは圧入工程を示し、図４Ｂは摩擦攪拌工程を示し、図４Ｃは冷却工程を示し、図４Ｄは焼戻し工程を示す。 第１実施形態に係る冷却工程を示すフローチャートである。 点接合工程のタイムチャートである。 鋼板材のＣＣＴ曲線である。 点接合工程の完了状態を示す図である。 点接合部の硬さ分布を示すグラフである。 点接合部における継手強度を示すグラフである。 点接合部に対する十字引張試験における荷重−ストローク線図である。 鋼板材の炭素量・引張強度と継手強度との関係性を示すグラフである。 第２実施形態に係る摩擦攪拌点接合装置の冷却装置、および第２実施形態に係る冷却工程を示す図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。全図を通じて同一又は対応する要素には同一の符号を付して重複する詳細な説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合装置１を概略的に示す構成図である。本実施形態では、摩擦攪拌点接合装置１が、略円柱状のツール１０を回転および変位させ、互いに重ね合わされた２枚の鋼板材５１，５２を摩擦攪拌点接合する。複数の点接合部５３が２枚の鋼板材５１，５２に設定または形成され、２枚の鋼板材５１，５２は複数の点接合部５３において互いに接合される。

（摩擦攪拌点接合装置）
摩擦攪拌点接合装置１は、基体１１、可動体１２、およびツール保持体１３を備えている。可動体１２は、ツール保持体１３の軸線の方向に移動可能に基体１１に取り付けられている。ツール保持体１３は、その軸線周りに回転可能であり、かつ、可動体１２と一体となってその軸線の方向に移動可能である。ツール１０は、ツール保持体１３の先端部に着脱可能に保持され、ツール保持体１３と同軸状に配される。

以下、ツール保持体１３の軸線、およびこれに保持されたツール１０の軸線を「ツール軸Ａ」と呼ぶ。ツール軸Ａの延在方向を「ツール軸方向」と呼ぶ。

摩擦攪拌点接合装置１は、フレーム１４および支持台１５を備えている。フレーム１４は、基体１１に固定され、Ｌ字またはＣ字を成すよう湾曲しながら基体１１から延びている。フレーム１４の先端部は、ツール１０とツール軸方向に対向する。支持台１５は、フレーム１４の先端部に設けられ、鋼板材５１，５２（特に、その点接合部５３）を支持する。

摩擦攪拌点接合装置１は、直動駆動器１６および回転駆動器１７を備えている。直動駆動器１６は、可動体１２をツール軸方向に直動させる。それにより、ツール１０が、支持台１５に支持されている鋼板材５１，５２に対してツール軸方向に変位する。回転駆動器１７は、ツール保持体１３およびツール１０をツール軸Ａ周りに回転させる。直動駆動器１６および回転駆動器１７は、例えば電動モータである。

基体１１は、多関節ロボット１９のアーム１９ａの先端部に着脱可能に取り付けられる。アーム１９ａが動作すると、基体１１が多関節ロボット１９の基台（図示せず）に対して相対変位し、それによりツール１０が鋼板材５１，５２に対して相対変位する。多関節ロボット１９のアーム１９ａは、直動駆動器１６と共に、ツール１０と鋼板材５１，５２の点接合部５３とを互いに相対変位させる変位駆動器１８としての役目を果たす。

摩擦攪拌点接合装置１は、点接合部５３を冷却する冷却装置２０を備えている。本実施形態では、冷却装置２０が、流体を噴射するノズル２１を有している。ノズル２１は、流体源２２に配管２３を介して接続される。配管２３には、ノズル２１からの流体噴射の可否を切り換える切換器２４が介在する。例えば、流体源２２は、流体を大気圧よりも高圧で蓄えるタンクであり、切換器２４は、電磁開閉弁である。この場合、切換器２４としての電磁開閉弁が開弁すると流体がノズル２１から噴射され、閉弁すると流体の噴射が止まる。ノズル２１は、基体１１に設けられており、ノズル２１の噴射口は、ツール保持体１３の先端部に向けられている。流体源２２は基体１１に取り付けられていてもよいし、基体１１の外に離れて設置されていてもよい。

摩擦攪拌点接合装置１は、回転駆動器１７、変位駆動器１８および冷却装置２０（本実施形態では、特に切換器２４）を制御する制御器３０を備える。制御器３０は、１つの制御ユニットに機能が集約されたものとしてもよいし、複数の制御ユニットに機能が分散された構成としてもよい。制御器３０は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有する。制御器３０は、図示しない入力装置（例えば、コンピュータ、ティーチングペンダント又は操作盤等）からＩ／Ｏインターフェースを介して入力された指令に応答し、不揮発性メモリに保存された動作プログラムに基づいてプロセッサが揮発性メモリを用いて演算し、Ｉ／Ｏインターフェースを介して回転駆動器１７、変位駆動器１８および冷却装置２０と通信する。

（摩擦攪拌点接合方法）
上記摩擦攪拌点接合装置１によって実行される摩擦攪拌点接合方法の大まかな流れを説明する。図２は、第１実施形態に係る摩擦攪拌点接合方法を示すフローチャートである。先ず、１つの点接合部５３が支持台１５で支持されてツール１０とツール軸方向に対向するように、鋼板材５１，５２を摩擦攪拌点接合装置１に対して位置決めする（位置決め工程Ｓ１）。位置決め工程Ｓ１では、多関節ロボット１９のアーム１９ａを作動させて基体１１を変位させてもよく、鋼板材５１，５２がワーク搬送装置（図示せず）によって基体１１に対して変位してもよく、これら両方の変位が複合されてもよい。

次に、支持台１５に支持された１つの点接合部５３に対して摩擦攪拌点接合が行われる（点接合工程Ｓ２）。１回の点接合工程Ｓ２の中で、圧入工程Ｓ２１、摩擦攪拌工程Ｓ２２、冷却工程Ｓ２３および焼戻し工程Ｓ２４が、この順で実行されていく。

点接合工程Ｓ２が完了すると、位置決め工程Ｓ１に戻り、次に施工されるべき点接合部５３が支持台１５で支持されるように、鋼板材５１，５２を摩擦攪拌点接合装置１に対して位置決めする。位置決め工程Ｓ１と点接合工程Ｓ２とを繰り返していくうちに、鋼板材５１，５２が複数の点接合部５３にて互いに接合されていく。詳細図示を省略するが、規定数の点接合工程Ｓ２が完了する、あるいは、メンテナンスを要する等、何らかの条件を充たせば、摩擦攪拌点接合方法が終了する。

図３Ａは、図１の拡大図であって、位置決め工程Ｓ１の完了状態を示している。２枚の鋼板材５１，５２は、板厚方向および重合せ方向をツール軸方向と一致させた姿勢で、支持台１５に支持される。鋼板材５２が支持台１５の支持面上に載せられ、もう片方の鋼板材５１が鋼板材５２の上に重ねられている。ツール１０は、円柱形状のツール本体部１０ａと、ツール本体部１０ａの中心から突出するピン部１０ｂとを有する。ピン部１０ｂはツール本体部１０ａよりも小径である。以下、ツール本体部１０ａのツール軸方向の端面であってピン部１０ｂを取り囲む円環状の面を「ショルダ面１０ｃ」と呼ぶ。

図３Ｂは、図３Ａ中のＢ矢視図であって、鋼板材５１，５２を板厚方向（すなわち、ツール軸方向）に見て示す図である。図示された３つの点接合部５３のうち下のものは、点接合工程Ｓ２を終えた点接合部５３である（符号５３ａ，５３ｂは後述）。中央は、位置決め工程Ｓ１が完了して点接合工程Ｓ２が実行される前の点接合部５３である。上は、例えば中央の点接合部５３に対する点接合工程Ｓ２を終えた後、新たに位置決め工程Ｓ１および点接合工程Ｓ２の対象となるべき点接合部５３である。

＜圧入工程＞
図４Ａおよび４Ｂに示すように、圧入工程Ｓ２１では、ツール１０をツール軸Ａ周りに回転させながらツール軸方向に移動させる。そうすることで、ツール１０を鋼板材５１，５２に圧入させる。

回転しているツール１０が移動していく過程において、まず、ピン部１０ｂが鋼板材５１の表面（図では上面）に押し当てられる。鋼板材５１は、ピン部１０ｂが押し当てられている部分において摩擦熱で軟化する。軟化のため、ピン部１０ｂは、鋼板材５１の表面からツール軸方向へ更に移動していくことができる。ピン部１０ｂは、鋼板材５１内へと没入して鋼板材５１を貫通し、鋼板材５２の表面（図では上面）に達する。ここでも、鋼板材５２が摩擦熱で軟化し、ピン部１０ｂは、鋼板材５２の表面からツール軸方向へ更に移動し、鋼板材５２内へと没入する。

ツール１０は、ショルダ面１０ｃが鋼板材５１の表面（図では上面）に押し当てられるまで移動する。ショルダ面１０ｃが鋼板材５１に押し当てられた状態において、ピン部１０ｂは鋼板材５１を貫通して鋼板材５２に没入する。本実施形態では、鋼板材５２は非貫通とされている。

＜摩擦攪拌工程＞
図４Ｂに示すように、摩擦攪拌工程Ｓ２２では、ツール１０を回転させながらツール１０で点接合部５３を押圧し、摩擦熱で点接合部５３を塑性流動させる。ピン部１０ｂは鋼板材５２まで達しているので、鋼板材５１と鋼板材５２とが点接合部５３において練り混ぜられる（図４Ｂ中のクロスハッチ域を参照）。

なお、摩擦攪拌工程Ｓ２２においてツール１０から鋼板材５１，５２に付与される「加圧力」は、特段断らない限り、ツール１０から鋼板材５１に付与されるツール軸方向（図では下向き）の力［Ｎ］としている。

＜冷却工程＞
図４Ｃおよび図５に示すように、冷却工程Ｓ２３では、ツール１０を一旦引き上げ、ツール１０と点接合部５３との間に空間５４を形成する（ツール引上げ工程Ｓ２３ａ）。次に、形成された空間５４に流体を流し、点接合部５３を強制冷却する（流体供給工程Ｓ２３ｂ）。ツール引上げ工程Ｓ２３ａでは、ツール１０がツール軸方向に移動して点接合部５３から退出する。このとき、ツール１０の回転は止めてもよいし、止めていなくてもよく、圧入時と逆方向に回転させていてもよい。流体供給工程Ｓ２３ｂでは、冷却装置２０が作動する。本実施形態では、ノズル２１から流体が噴射される。流体は、液体でも気体でもよい。気体の場合、冷却された空気、あるいは窒素やアルゴンなどの不活性ガスを好適に利用でき、不活性ガスも周辺空気よりも低温に冷却されたものであってもよい。

図４Ｃに示すように、ツール１０の引上げ量Ｘは、ピン孔深さＹよりも小さい。ピン孔５３ａは、ツール１０を引き上げた際に点接合部５３に形成されるピン部１０ｂの没入痕であり、円形状の非貫通孔である。ピン孔深さＹは、ピン孔５３ａの上縁部からピン孔５３ａの底面までの板厚方向（ツール軸方向）の長さであり、ピン孔５３ａの上縁部は、ピン部１０ｂの外周面とショルダ面１０ｃとが成すコーナーが当たっていた部分と対応する。

引上げ量Ｘがピン孔深さＹよりも小さいと、ピン部１０ｂの先端は、ピン孔５３ａの上縁部よりも下方で留まる。ショルダ面１０ｃは鋼板材５１から上方に離隔してピン部１０ｂはピン孔５３ａの底面から上方に離隔する一方、ピン部１０ｂは部分的にピン孔５３ａに入った状態となり、ピン部１０ｂとピン孔５３ａの上縁部との間に隙間が形成される。ノズル２１から噴射された流体は、この隙間を介してピン孔５３ａ内へと到達でき、それによりピン孔５３ａの内周面およびその内部を流体で強制冷却できる。

＜焼戻し工程＞
図４Ｄに示すように、焼戻し工程Ｓ２４では、ツール１０を回転させながら点接合部５３に押圧し、摩擦熱で点接合部５３を焼戻しする。本実施形態では、冷却工程Ｓ２３で、ツール１０を一旦点接合部５３から引き上げている。このため、焼戻し工程Ｓ２４では、ツール１０を再びツール軸方向に移動させ、ツール１０をピン孔５３ａに嵌め込み直す。そのうえで、ツール１０で点接合部５３を押圧する。これにより、点接合部５３は摩擦熱で再加熱される。再加熱後、ツール１０を引き上げる。点接合部５３は冷却されていく。これにより、１回の点接合工程Ｓ２が完了する。

＜温度・回転数・加圧力＞
図６は、点接合工程Ｓ２のタイムチャートである。上に点接合部５３の温度、中央にツール１０の回転数、下にツール１０から点接合部５３に付与される加圧力を示す。

図６に示すように、摩擦攪拌工程Ｓ２２の実行中、第１回転数Ｎ１でツール１０が回転し、第１加圧力Ｆ１が点接合部５３に付与される（図４Ｂも参照）。これら第１回転数Ｎ１および第１加圧力Ｆ１は、点接合部５３で塑性流動を生じさせるために十分な値である。摩擦攪拌工程Ｓ２２では、点接合部５３を、摩擦熱でAc3変態点（加熱時におけるオーステナイト変態完了温度）以上の第１温度Ｔ１まで昇温させる。このため、摩擦攪拌工程Ｓ２２において、点接合部５３においてオーステナイト変態が生じる。

図７は、鋼板材５１，５２の一例としてのＳ４５Ｃ鋼の連続冷却変態（ＣＣＴ）曲線である。線ＣＲ１は上部臨界冷却速度を示し、線ＣＲ２は下部臨界冷却速度を示す。上部臨界冷却速度ＣＲ１は、冷却後の組織がマルテンサイトのみとなる最小の冷却速度である。下部臨界冷却速度ＣＲ２は、マルテンサイト変態を生じるために必要とされる最小の冷却速度である。

冷却速度が下部臨界冷却速度ＣＲ２よりも小さいと、冷却中にマルテンサイト変態が生じるのを阻止できる。従来は、点接合部５３に焼きが入るのを抑制するため、摩擦攪拌後の冷却をなるべく遅らせていた。焼入れを有効に抑制するためには、冷却速度を下部臨界冷却速度ＣＲ２近辺に設定する必要があるが、その場合、Ac3変態点から室温に戻すまでに数分要する。また、徐冷のためツール１０を鋼板材５１，５２に挿し込んだままとすれば、その間、次の点接合部５３の位置決め工程Ｓ１に移ることもできない。

これに対し、図６および７に示すように、本実施形態に係る冷却工程Ｓ２３では、点接合部５３が、上部臨界冷却速度ＣＲ１以上の冷却速度ＣＲで冷却される（便宜上、冷却速度ＣＲが上部臨界冷却速度ＣＲ１を超えている場合を例示するが、冷却速度ＣＲはＣＲ１と等しくてもよい）。急冷の実現のため、冷却工程Ｓ２３では、上記のとおり、冷却装置２０による強制冷却を採用している。

冷却工程Ｓ２３では、点接合部５３を、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以下の第２温度Ｔ２まで冷却する。速やかにこのような第２温度Ｔ２まで点接合部５３を冷却することで、点接合部５３に積極的に焼きが入り、点接合部５３にマルテンサイトを安定的に形成できる。

焼戻し工程Ｓ２４では、第２回転数Ｎ２でツール１０を回転させ、第２加圧力Ｆ２が点接合部５３に付与される（図４Ｄも参照）。焼戻し工程Ｓ２４では、点接合部５３への加圧力（第２加圧力Ｆ２）が、摩擦攪拌工程Ｓ２２における点接合部５３への加圧力（第１加圧力Ｆ１）よりも小さい。これにより、ツール１０を再没入させるときに、ツール１０に作用する衝撃を和らげることができる。一方で、焼戻し工程Ｓ２４では、ツール１０の回転数（第２回転数Ｎ２）は、摩擦攪拌工程Ｓ２２におけるツール１０の回転数（第１回転数Ｎ１）よりも高い。これにより、焼戻し工程Ｓ２４における点接合部５３の加熱速度が大きくなり、焼戻し工程Ｓ２４の所要時間を短縮できる。一例として、第２加圧力Ｆ２は、第１加圧力Ｆ１の１／５〜１／７程度、第２回転数Ｎ２は、第１回転数Ｎ１の３〜５倍程度となっている。

焼戻し工程Ｓ２４では、点接合部５３を、Ac1変態点（加熱時におけるオーステナイト生成開始温度）未満の第３温度Ｔ３まで昇温させ、その後降温させる。第３温度Ｔ３は、例えば５５０〜６５０℃の範囲内に設定される。焼戻し工程Ｓ２４では、焼戻しの一類型として、高温焼戻し又は調質を行っている。降温は、ツール１０を引き抜くことによって行われる。自然冷却でもよいし、冷却工程Ｓ２３と同様、冷却装置２０により流体を点接合部５３に吹き付けて点接合部５３を強制冷却してもよい。このような焼戻し工程Ｓ２４を行うことで、点接合部５３の硬度低下および強靭化が図られる。また、冷却工程Ｓ２３で発生した残留応力を除去もしくは軽減できる。更に、冷却工程Ｓ２３後にオーステナイト組織が残ったとしても、焼戻しによって組織を安定化できる。

上記のとおり摩擦攪拌工程Ｓ２２、冷却工程Ｓ２３および焼戻し工程Ｓ２４では、点接合部５３の温度、加熱速度、又は冷却速度が一定の条件を充たすことを求められる。制御器３０は、点接合部５３の温度を検知する温度センサの検出値を監視しながら、各工程の開始および終了タイミング、ツール１０の挿入または引上げタイミングを決定してもよい。

回転数および加圧力を調整しながら何度も実験を重ねることで、温度が上記条件を充たすような工程の開始・終了タイミングを事前に把握することが可能である。そのため、制御器３０は、温度情報を入力せず、事前に把握されたタイミングに応じて作動または停止するように、変位駆動器１８および回転駆動器１７に動作指令を与えるだけでもよい。

（工程完了後の点接合部）
図８は、点接合工程Ｓ２を終えた点接合部５３の断面図（すなわち、図３Ｂの下に示された点接合部５３の断面図）である。点接合工程Ｓ２が完了すると、点接合部５３にはピン孔５３ａが形成されている。ピン孔５３ａはピン部１０ｂ（図３Ａ参照）の挿入痕であり、円形状の非貫通孔である。鋼板材５１の表面（図では上面）には、ショルダ面１０ｃ（図３Ａ参照）の外縁部が当接した部位に円環状の突条５３ｂが形成される。

点接合部５３の内部では、この突条５３ｂの内方であって鋼板材５１の表面近傍で、焼戻し工程Ｓ２４で第３温度Ｔ３を超えて加熱された高加熱域５３ｃが形成される。高加熱域５３ｃの外側に、焼戻し域５３ｄが形成される。焼戻し域５３ｄでは、上記のとおり焼戻し工程Ｓ２４で第３温度Ｔ３まで昇温され、それにより硬度低下および強靭化が図られる。焼戻し域５３ｄは、鋼板材５１，５２の原質部界面と接している。硬度低下および強靭化された焼戻し域５３ｄが界面と接することで、後述のとおり、継手強度、特に剥離強度が向上する。

なお、高加熱域５３ｃは、焼戻し工程Ｓ２４でツール１０を点接合部５３に押圧したときに、局所的に大きな加圧力を受け、摩擦熱の主発生源となっていたことを示す。ツール１０および点接合部５３は、冷却工程Ｓ２３において熱収縮する。特に、点接合部５３では、組織変化に伴う体積変動も生じる。図８に示す高加熱域５３ｃは、冷却工程Ｓ２３中のツール１０の収縮量が点接合部５３（ピン孔５３ａ）の収縮量（熱収縮と組織変化とを含む）よりも小さいために生じたものと考えられる。つまり、焼戻し工程Ｓ２４においてショルダ面１０ｃから鋼板材５１に付与される加圧力が相対的に大きくなったため、鋼板材５１の表面で大きな摩擦熱が発生したものと考えられる。このようなツール１０の収縮量、および点接合部５３の収縮量の違いを利用し、ツール１０の熱膨張率の選択により摩擦発熱源の位置を変えることができる。

（作用）
図９−１１は、本実施形態に係る摩擦点接合方法を用いて製作された鋼板材の継手の特性を示すグラフである。冷却工程Ｓ２３および焼戻し工程Ｓ２４を行わずに製作された継手を比較例として併せて示している。

図９は、点接合部５３（およびその近辺部位）の硬さ分布を示す。横軸は、ピン孔５３ａの内周面からの横方向（板厚方向に直交する方向）の距離（図８も参照）、縦軸は、ビッカース硬さである。ピン孔５３ａの内周面から第１距離Ｄ以上遠ざかれば、本実施形態と比較例との間で硬度に大きな相違がない。この部分は、いわゆる原質部（点接合工程Ｓ２を行っても攪拌が行われず、また、摩擦熱の入熱が比較的小さく目立った組織変化が生じなかった部分）であると考えられる。逆に、ピン孔５３ａの内周面から第１距離Ｄの圏内では、攪拌が行われた部分、または、実際に攪拌が生じなかったとしても摩擦熱で組織変化を生じる等の熱的影響を受けた部分であると考えられる。かかる部位において、本実施形態では、比較例よりも硬度が低下する。

図１０は継手強度を示す。図１０の左側は引張せん断試験結果、右側は十字引張試験結果を示し、縦軸は破断に要した荷重である。図１１は、十字引張試験における荷重−ストローク線図を示す。図１０が示すとおり、本実施形態は、比較例に対し、引張せん断強度も剥離強度も改善されており、特に剥離強度が大きく向上している。図１１が示すとおり、破断するまでの伸び（点接合部５３における延性）も大きく改善している。

本実施形態では、摩擦熱で点接合部５３に塑性流動を生じさせた後、冷却によって点接合部５３を焼入れし、その後、ツール１０で点接合部５３を焼戻しする。これにより、点接合部５３における硬度低下および強靭化を実現でき、継手の強度を向上できることがわかる。

焼戻し工程Ｓ２４を必要としてはいるが、圧入工程Ｓ２１および摩擦攪拌工程Ｓ２２で使ったツール１０を焼戻し工程Ｓ２４でそのまま用いているので、圧入および摩擦攪拌から焼戻しまでの工程Ｓ２１〜Ｓ２４を順次円滑に進行できる。特に、本実施形態では、塑性流動後の冷却は強制冷却とし、冷却時間をなるべく短くしている。このため、プロセス全体の所要時間を短く保つことができる。したがって、継手の生産性も良好である。点接合工程Ｓ２の所要時間Ｔ（図６参照）は数秒程度に抑えることが可能である。

冷却工程Ｓ２３では、鋼板材５１，５２の上部臨界冷却速度ＣＲ１以上の速度ＣＲで点接合部５３を冷却している。そのため、点接合部５３にマルテンサイトを安定的に形成でき、継手の強度を高く保つことができる。また、冷却時間が短くなるので、継手の生産性が向上する。

冷却工程Ｓ２３では、点接合部５３を鋼板材５１，５２のマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以下まで降温させている。そのため、点接合部５３にマルテンサイトを安定的に形成でき、継手の強度を高く保つことができる。

本実施形態では、冷却工程Ｓ２３が、ツール引上げ工程Ｓ２３ａと、流体供給工程Ｓ２３ｂとを含み、ツール引上げ工程Ｓ２３ａにおいて、ツール１０の引上げ量Ｘをピン孔深さＹよりも小さくしている。この冷却工程Ｓ２３の後には、焼戻し工程Ｓ２４が控えている。ツール１０の引上げ量Ｘをピン孔深さＹよりも小さくしていると、ツール１０とピン孔５３ａとの間の位置ずれを抑制できるので、ツール１０を点接合部５３に再押圧するときにツール１０が鋼板材５１と不所望に衝突するのを防止できる。

焼戻し工程Ｓ２４において、ツール１０の回転数（第２回転数Ｎ２）を摩擦攪拌工程Ｓ２２でのツール１０の回転数（第１回転数Ｎ１）よりも高く設定している。そのため、焼戻し工程Ｓ２４における再加熱速度を高くすることができ、焼戻し工程Ｓ２４の所要時間を短くできる。

図１２は、鋼板材の炭素量又は引張強度と、摩擦攪拌点接合による継手の剥離強度との関係を示すグラフである。図１２の破線は、本実施形態のような冷却工程および焼戻し工程を採用しない場合を示している。この場合、炭素量が0.06%、引張強度が590MPaであるときに、剥離強度向上の効果が高い。炭素量がこれよりも低くなると、母材の焼入れ硬さが低いため剥離強度向上効果は小さい。炭素量がこれよりも高くなると、焼入れ性の上昇によって摩擦攪拌工程後に点接合部５３が硬化および脆化しやすくなり、剥離強度の低下を招く。本実施形態は、焼戻し工程Ｓ２４の採用により点接合部５３の強靭化を促すものであるから、炭素量が0.06%以上、あるいは引張強度が590MPa以上の鋼板材の点接合に適用されると好ましい。すると、図１２に実線で示すように、点接合部５３の硬度低下および強靭化によって剥離強度を改善でき、従前の炭素量・引張強度と継手剥離強度との関係性が改善される。

［第２実施形態］
図１３は第２実施形態を示す。第２実施形態は、第１実施形態に対し、冷却装置７０の構成と冷却工程Ｓ７２の手順が異なる。以下、この相違を中心に第２実施形態について説明する。

図１３に示すように、冷却装置７０は、冷媒が通流する冷媒通路７１と、冷媒を冷却する冷却器７２と、冷媒を圧送する冷媒圧送器７３と、を備える。冷却器７２は、周辺空気との熱交換によって冷媒から熱を奪う熱交換器（もしくは放熱器）でもよい。冷媒通路７１は、閉回路でも開回路でもどちらでもよい。冷媒は液体が好ましいが、特に限定されるものではない。制御器８０は、冷却装置７０（特に、冷媒圧送器７３）を制御する。

冷媒通路７１は、ツール６０の内部を通過するように形成されて冷媒を通流させる第１冷媒通路７１ａ、および、支持台６５の内部を通過するように形成されて冷媒を通流させる第２冷媒通路７１ｂの少なくともいずれか一方を含む。一例として、両方含む場合を示すが、その場合、第１冷媒通路７１ａと第２冷媒通路７２ｂとが、冷却器７２に対して並列に接続されていてもよい。つまり、冷却器７２の下流でツール６０に向かう通路と、支持台６５に向かう通路とに分岐し、２つの通路がツール６０および支持台６５それぞれの下流かつ冷却器７２の上流で合流してもよい。

本実施形態では、摩擦攪拌点接合方法の全体的な流れは図２に示すとおりである一方、そのうちの冷却工程が図４Ｃおよび図５に示したものと相違する。図１３に示すように、本実施形態の冷却工程Ｓ７２では、ツール６０を引き抜かず、ツール６０の回転数を低減する、またはツール６０の回転を止める。冷媒圧送器７３が作動して冷媒が冷媒通路７１を循環する。これにより、ツール６０内および支持台６５内を流れる冷媒が点接合部５３から熱を奪い、点接合部５３が強制冷却される。点接合部５３から熱を奪って昇温した冷媒は、冷却器７２で冷却され、冷却された冷媒がツール６０および支持台６５に供給され続ける。

この場合、ツール６０の引抜き作業およびツール６０の再嵌込み作業を省略でき、点接合工程Ｓ２の所要時間短縮が図られる。

［変形例］
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、冷却工程での強制冷却は必須でなく、必要な冷却速度が得られるのであれば自然冷却であってもよい。自然冷却の場合は、ツールを鋼板材から引き上げる必要があるが、その場合も、ツールの引上げ量をピン孔深さよりも小さくすることで、焼戻し工程でのツール破損を防止できる。また、互いに重ね合わされて点接合される鋼板材の枚数は３枚以上でもよい。

１ 摩擦攪拌点接合装置
１０，６０ ツール
１７ 回転駆動器
１８ 変位駆動器
２０，７０ 冷却装置
３０，８０ 制御器
５１，５２ 鋼板材
５３ 点接合部
５４ 空間
Ｓ２２ 摩擦攪拌工程
Ｓ２３ 冷却工程
Ｓ２３ａ ツール引上げ工程
Ｓ２４ 焼戻し工程
ＣＲ１ 上部臨界冷却速度
Ｍｆ マルテンサイト変態終了温度
Ｎ１ 第１回転数（摩擦攪拌工程でのツールの回転数）
Ｎ２ 第２回転数（焼戻し工程でのツールの回転数）
Ｘ ツールの引上げ量
Ｙ ピン孔深さ

Claims (8)

1. 複数の鋼板材を摩擦攪拌点接合する方法であって、
   前記鋼板材の点接合部にツールを回転させながら押圧し、摩擦熱で前記点接合部を塑性流動させる摩擦攪拌工程と、
   前記摩擦攪拌工程の後、前記点接合部を冷却して、前記点接合部でマルテンサイト変態を生じさせる冷却工程と、
   前記冷却工程の後、再び前記点接合部に前記ツールを回転させながら押圧し、摩擦熱で前記点接合部を焼戻しする焼戻し工程と、を備える、摩擦攪拌点接合方法。
2. 前記冷却工程において、前記鋼板材の上部臨界冷却速度以上の速度で前記点接合部を冷却する、請求項１に記載の摩擦攪拌点接合方法。
3. 前記冷却工程において、前記点接合部を前記鋼板材のマルテンサイト変態終了温度以下まで降温させる、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌点接合方法。
4. 前記冷却工程が、前記ツールを引き上げて、前記ツールと前記点接合部との間に空間を形成することを含み、
   前記ツールを引き上げる際、前記ツールの引上げ量をピン孔深さよりも小さくする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法。
5. 前記焼戻し工程において、前記点接合部を５５０〜６５０℃まで昇温してから降温する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法。
6. 前記焼戻し工程において、前記ツールの回転数を前記摩擦攪拌工程での前記ツールの回転数よりも高く設定する、請求項５に記載の摩擦攪拌点接合方法。
7. 前記鋼板材は、炭素含有量が0.06％以上である、又は引張強度が590MPa以上である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の摩擦攪拌点接合方法。
8. 複数の鋼板材を摩擦攪拌点接合する装置であって、
   前記鋼板材の点接合部とツールとを互いに相対変位させる変位駆動器と、
   前記ツールを回転させる回転駆動器と、
   制御器と、を備え、前記制御器が、
   前記変位駆動器および前記回転駆動器を動作させ、前記点接合部に前記ツールを回転させながら押圧して、摩擦熱で前記点接合部を塑性流動させる摩擦攪拌工程を実行し、
   前記変位駆動器および前記回転駆動器の少なくともいずれか一方を動作させ、前記ツールを引き上げて且つ／又は前記ツールの回転数を低減して、前記点接合部を冷却する冷却工程を実行し、かつ、
   前記変位駆動器および前記回転駆動器を動作させ、再び前記点接合部に前記ツールを回転させながら押圧して、前記点接合部を焼戻しする焼戻し工程を実行するように構成されている、摩擦攪拌点接合装置。

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