JPWO2018070316A1 - 摩擦撹拌接合方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
a)通常の摩擦撹拌接合では、接合のために必要な熱源が、回転ツールと被加工材との間で発生する摩擦熱のみである。そのため、構造用鋼を摩擦撹拌接合法により接合する場合には、被加工材である構造用鋼を軟化させるために必要な熱量を十分に確保できない。その結果、接合部において十分な塑性流動が得られず、接合速度の低下や接合欠陥の発生などの接合施工性の劣化が懸念される。
b)しかしながら、摩擦撹拌接合前の予熱処理プロセスを行う際に、予熱熱量が過剰になると、加熱領域周辺のミクロ組織が変化する問題が生じる。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、加熱領域周辺が、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が生じ、接合継手強度を著しく低下させる。
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。
d)特に、上記の被加工材の部分的な加熱の位置に関しては、回転ツールの素材もしくは回転ツールの表面に被覆した素材と被接合材の間の動摩擦係数に支配される摩擦発熱との関係により、接合施工性を向上する効果が生じる領域が変化するとの知見を得た。
e)通常の摩擦撹拌接合では、接合完了後、接合部が自然放冷状態となるので、鋼材製造時の圧延プロセスで行われているような熱履歴管理によるミクロ組織制御を適用できないという問題があった。しかし、接合完了直後に、接合部に対し、加熱処理や冷却処理を組み合わせたプロセスを実施することで、接合継手特性をさらに向上できるとの知見を得た。
[1]肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、前記肩部および前記ピン部が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、鋼板間の未接合部に挿入して回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記鋼板との摩擦熱により前記鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記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鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記回転ツールの素材、もしくは前記回転ツールの表面に被覆された素材と前記鋼板との動摩擦係数がは0.6以下であり、前記回転ツールの接合方向前方に設けられた加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度TS(℃)が下記式(1)を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記回転ツールとの最小距離は、前記回転ツールの肩部の直径以下であり、前記加熱領域の面積は、前記回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、前記加熱領域の面積の65%以上は、前記鋼板の表面における前記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、かつリトリーティングサイドへ前記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、の間に位置する摩擦撹拌接合方法。
TS≧0.8×TA1・・・(1)
TA1は、下記式(2)で示される温度である。
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]・・・(2)
上記[%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。
[2]前記加熱領域の厚さ方向の温度TD(℃)が下記式(3)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、前記加熱領域の深さDは、前記鋼板の厚さの30%以上である請求項1に記載の摩擦撹拌接合方法。
TD≧0.8×TA1・・・(3)
[3]前記加熱手段は、レーザ加熱装置である[1]または[2]に記載の摩擦撹拌接合方法。
[4]前記回転ツールの接合方向後方には後方加熱手段が設けられており、該後方加熱手段は、前記鋼板の接合部を加熱する[1]から[3]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合方法。
[5]前記後方加熱手段の接合方向後方には冷却手段が設けられており、該冷却手段は、前記後方加熱手段により加熱された前記接合部を冷却する[4]に記載の摩擦撹拌接合方法。
[6]前記回転ツールの接合方向後方には冷却手段が設けられており、該冷却手段は、前記鋼板の接合部を冷却する[1]から[3]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合方法。
[7]前記冷却手段の接合方向後方には後方加熱手段が設けられており、該後方加熱手段は、前記冷却手段により冷却された前記接合部を加熱する[6]に記載の摩擦撹拌接合方法。
[8]被加工材である鋼板間の未接合部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、前記肩部および前記ピン部は、前記鋼板よりも硬い材質からなり、前記鋼板間の未接合部に挿入された状態で回転しながら接合方向に移動することで、摩擦熱により前記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、該回転ツールの接合方向前方に設けられ、前記鋼板を加熱する加熱手段と、下記状態1を実現するように前記回転ツール及び前記加熱手段を制御する制御手段と、を有し、前記回転ツールの素材、もしくは前記回転ツールの表面に被覆した素材と前記鋼板との動摩擦係数は0.6以下である摩擦撹拌接合装置。
(状態1)
前記加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度TS(℃)が下記式(1)を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記回転ツールとの最小距離は、前記回転ツールの肩部の直径以下であり、前記加熱領域の面積は、前記回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、前記加熱領域の面積の65%以上は、前記鋼板の表面における前記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、かつリトリーティングサイドへ前記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。
TS≧0.8×TA1・・・(1)
TA1は、下記式(2)で示される温度である。
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]・・・(2)
上記[%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。
[9]前記制御手段は、以下の状態2を実現するように前記回転ツール及び前記加熱手段を制御する[8]に記載の摩擦撹拌接合装置。
(状態2)
前記加熱領域の厚さ方向の温度TD(℃)が下記式(3)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、前記加熱領域の深さDがは、前記鋼板の厚さの30%以上である。
TD≧0.8×TA1・・・(3)
[10]前記加熱手段は、レーザ加熱装置である[8]または[9]に記載の摩擦撹拌接合装置。
[11]前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、該後方加熱手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる[8]から[10]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合装置。
[12]前記接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段は、前記後方加熱手段の接合方向後方に設けられる[11]に記載の摩擦撹拌接合装置。
[13]前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる[8]から[10]のいずれか1つに記載の摩擦撹拌接合装置。
[14]前記接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、該後方加熱手段は、前記冷却手段の接合方向後方に設けられる[13]に記載の摩擦撹拌接合装置。
図3は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法で接合する鋼板の温度と引張強さの関係を示す図である。本実施形態の摩擦撹拌接合方法で接合する鋼板3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、銅板3の強度はさらに低下する。よって、鋼板3の表面温度TSが0.8×TA1℃以上を満足するように鋼板3を予め軟化させ、当該鋼板3を撹拌し、塑性流動を促進する。これにより、回転ツール1にかかる負荷が低減され、接合速度を高速度化できる。このため、本実施形態における摩擦撹拌接合方法では、鋼板3の表面温度TSが下記式(1)を満足する領域を加熱領域12とする。
鋼の変態温度TA1(℃)は、下記式(2)により求めることができる。
上記[%M]は、被加工材である鋼板3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3の表面における加熱領域12と回転ツール1との最小距離Xが大きくなり過ぎると、接合前に加熱領域12における温度が低下し、予熱による効果が十分に得られない。このため、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法において、鋼板3の表面における加熱領域12と接合方向へ移動する回転ツール1との最小距離Xは、回転ツールの肩部8の直径以下である。
加熱領域12が大きくなり過ぎると加熱領域12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る。このため、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法において、鋼板3の表面における加熱領域12の面積は、回転ツールのピン部9の最大径部の面積以下である。
鋼板3の摩擦撹拌接合において、塑性流動はアドバンシングサイドを始点として、回転ツール1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。アドバンシングサイドは、塑性流動の始点となるので、被加工材である鋼板3の加熱不足が生じ易い。このため、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。従って、鋼板3の表面において、アドバンシングサイドを優先的に加熱し、鋼板を軟化させることで塑性流動を促進し、欠陥の発生を抑え、接合速度の高速度化を図ることができる。
前述したように、本実施形態の摩擦撹拌接合方法で接合する鋼板3は、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、鋼板3の強度は、さらに低下する。よって、加熱領域12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3を予め軟化させることが好ましい。これにより、回転ツール1にかかる負荷がさらに低減され、接合速度をさらに高速度化できる。従って、加熱領域12の厚さ方向の領域における温度TDが下記式(3)を満足する領域における鋼板3の表面からの深さを加熱領域12の深さDとした。
TA1(℃)は下記式(2)により求めることができる。
上記[%M]は、被加工材である鋼板3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。
加熱領域12の深さDは、加熱領域12の厚さ方向の温度TDが0.8×TA1℃以上となる領域の鋼板3の表面からの最大深さで規定される。この加熱領域12の深さDは、鋼板3の厚さtの30%以上であることが好ましい。加熱領域12の深さDを鋼板3の厚さtの30%以上とすることで、塑性流動がさらに促進され、回転ツール1にかかる負荷低減および接合速度の高速度化に有利となる。加熱領域12の深さDは、鋼板3の厚さの50%以上であることがより好ましい。
板厚が1.6mmであって、下記表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。実施例1では、図4に示した断面寸法形状(肩部直径a:12mm、ピン部の最大径b:4mm、プローブ長さc:1.4mm)の回転ツールを用いた。実施例1で用いた回転ツールは、炭化タングステン(WC)を素材とし、物理蒸着(PVD)により窒化チタン(TiN)の被覆処理が表面に施された回転ツールである。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。TiNの被覆処理を表面に施したWCの回転ツールの表面と鋼板との動摩擦係数は、0.6以下であった。
(実施例2)
板厚が1.6mmであって、上記表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上記表2に示す。実施例2では、図4に示した断面寸法形状(肩部直径a:12mm、ピン部の最大径b:4mm、プローブ長さc:1.4mm)の回転ツールを用いた。実施例2で用いた回転ツールは、炭化タングステン(WC)を素材とし、被覆処理を施していないもの、炭化タングステン(WC)を素材とし、物理蒸着(PVD)により窒化チタン(TiN)の被覆処理を表面に施したもの、炭化タングステン(WC)を素材とし、表面に窒化アルミクロム(AlCrN)の被覆処理を表面に施したもの、または、立方晶窒化ホウ素(CBN)を素材としたものである。
2 回転軸
3 鋼板
4 接合部
5 加熱手段
6 冷却手段
7 後方加熱手段
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 RS線
12 加熱領域
13 冷却領域
14 再加熱領域
15 制御手段
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 回転ツールの傾斜角度
Claims (14)
- 肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、前記肩部とおよび前記ピン部が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、鋼板間の未接合部に挿入して回転させながら接合方向に移動させ、前記回転ツールと前記鋼板との摩擦熱により前記鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記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鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記回転ツールの素材、もしくは前記回転ツールの表面に被覆された素材と前記鋼板との動摩擦係数は0.6以下であり、
前記回転ツールの接合方向前方に設けられた加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度TS(℃)が下記式(1)を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記回転ツールとの最小距離は、前記回転ツールの肩部の直径以下であり、
前記加熱領域の面積は、前記回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、
前記加熱領域の面積の65%以上は、前記鋼板の表面における前記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、かつリトリーティングサイドへ前記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、の間に位置する摩擦撹拌接合方法。
TS≧0.8×TA1・・・(1)
TA1は、下記式(2)で示される温度である。
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]・・・(2)
上記[%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。 - 前記加熱領域の厚さ方向の温度TD(℃)が下記式(3)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、前記加熱領域の深さDは、前記鋼板の厚さの30%以上である請求項1に記載の摩擦撹拌接合方法。
TD≧0.8×TA1・・・(3) - 前記加熱手段は、レーザ加熱装置である請求項1または請求項2に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記回転ツールの接合方向後方には後方加熱手段が設けられており、該後方加熱手段は、前記鋼板の接合部を加熱する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記後方加熱手段の接合方向後方には冷却手段が設けられており、該冷却手段は、前記後方加熱手段により加熱された前記接合部を冷却する請求項4に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記回転ツールの接合方向後方には冷却手段が設けられており、該冷却手段は、前記鋼板の接合部を冷却する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 前記冷却手段の接合方向後方には後方加熱手段が設けられており、該後方加熱手段は、前記冷却手段により冷却された前記接合部を加熱する請求項6に記載の摩擦撹拌接合方法。
- 被加工材である鋼板間の未接合部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、前記肩部および前記ピン部は、前記鋼板よりも硬い材質からなり、前記鋼板間の未接合部に挿入された状態で回転しながら接合方向に移動することで、摩擦熱により前記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、
該回転ツールの接合方向前方に設けられ、前記鋼板を加熱する加熱手段と、
下記状態1を実現するように前記回転ツール及び前記加熱手段を制御する制御手段と、を有し、
前記回転ツールの素材、もしくは前記回転ツールの表面に被覆した素材と前記鋼板との動摩擦係数は0.6以下である摩擦撹拌接合装置。
(状態1)
前記加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度TS(℃)が下記式(1)を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記回転ツールとの最小距離は、前記回転ツールの肩部の直径以下であり、
前記加熱領域の面積は、前記回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、
前記加熱領域の面積の65%以上は、前記鋼板の表面における前記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、かつリトリーティングサイドへ前記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。
TS≧0.8×TA1・・・(1)
TA1は、下記式(2)で示される温度である。
TA1(℃)=723−10.7[%Mn]−16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]・・・(2)
上記[%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。 - 前記制御手段は、以下の状態2を実現するように前記回転ツール及び前記加熱手段を制御する請求項8に記載の摩擦撹拌接合装置。
(状態2)
前記加熱領域の厚さ方向の温度TD(℃)が下記式(3)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、前記加熱領域の深さDは、前記鋼板の厚さの30%以上である。
TD≧0.8×TA1・・・(3) - 前記加熱手段は、レーザ加熱装置である請求項8または請求項9に記載の摩擦撹拌接合装置。
- 前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、
該後方加熱手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる請求項8から請求項10のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。 - 前記接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、
該冷却手段は、前記後方加熱手段の接合方向後方に設けられる請求項11に記載の摩擦撹拌接合装置。 - 前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、
該冷却手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる請求項8から請求項10のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。 - 前記接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、
該後方加熱手段は、前記冷却手段の接合方向後方に設けられる請求項13に記載の摩擦撹拌接合装置。
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