KR20170109030A

KR20170109030A - 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치

Info

Publication number: KR20170109030A
Application number: KR1020177024293A
Authority: KR
Inventors: 무네오 마츠시타; 코이치 타니구치; 린세이 이케다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-27
Also published as: US20180043466A1; WO2016147668A1; JPWO2016147668A1; EP3251782A4; JP6004147B1; KR101954561B1; CN107405723A; US10766099B2; EP3251782A1

Abstract

피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 충분한 강도를 얻음과 동시에, 접합 시공성의 향상을 도모한다. 본 발명에 관계되는 마찰 교반 접합 장치는, 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 전방에 설치된 가열 장치에 의해, 피가공재가 되는 강판을 가열하는 예열 처리 프로세스를 실시하고, 해당 예열 처리 프로세스에 있어서의 가열 영역의 표면 온도나 면적, 위치 등을 엄밀하게 제어하는 것이다.

Description

구조용 강의 마찰 교반 접합 장치{FRICTION STIR WELDING APPARATUS FOR STRUCTURAL STEEL}

본 발명은, 회전 툴을 피접합재간의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 이동시키고, 이 회전 툴과의 마찰열에 의한 피접합재의 연화와, 그 연화부를 회전 툴이 교반하는 것에 의해 발생하는 소성 유동을 이용하여, 용가재를 첨가하는 일 없이 접합을 실시하는 마찰 교반 접합 방법을 위한 장치에 있어서, 특히, 피접합재가 구조용 강인 경우에 염려되는, 피접합재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 접합 시공성의 향상을 도모하기 위한 장치에 관한 것이다.

또한, 본 명세서에서는, 예를 들면 강판을 맞대었을 뿐으로 아직 접합되지 않은 상태에 있는 맞댐 부분을 「미접합부」, 한편, 소성 유동에 의해 접합되어 일체화된 부분을 「접합부」라고 부르기로 한다

마찰 용접법으로서, 특허문헌 1에는, 한 쌍의 금속재료의 양쪽 또는 한쪽을 회전하는 것에 의해, 금속재료에 마찰열을 발생시켜 연화시키면서, 그 연화한 부위를 교반하여 소성 유동을 일으키는 것에 의해, 금속재료를 접합하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 이 기술은, 접합 대상으로 하는 금속재료를 회전시키는 것이기 때문에, 접합하는 금속재료의 형상이나 치수에 한계가 있다.

한편, 특허문헌 2에는, 피가공재보다도 실질적으로 단단한 재질로 이루어지는 툴을 피가공재의 미접합부에 삽입하고, 이 툴을 회전시키면서 이동시키는 것에 의해, 툴과 피가공재와의 사이에 발생하는 열과 소성 유동에 의하여, 피가공재를 길이 방향으로 연속적으로 접합하는 방법(마찰 교반 접합법)이 제안되어 있다.

특허문헌 1에 기재된 마찰 용접법은, 피가공재끼리를 회전시켜, 피가공재끼리의 마찰열에 의해 용접하는 방법이다. 한편, 특허문헌 2에 개시된 마찰 교반 접합법은, 접합 부재를 고정한 상태로, 툴을 회전시키면서 이동하는 것에 의해 접합할 수 있다. 이 때문에, 용접 방향에 대해서 실질적으로 무한하게 긴 부재에도 그 길이 방향으로 연속적으로 고상 접합할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 회전 툴과 접합 부재와의 마찰열에 의한 금속의 소성 유동을 이용한 고상 접합이기 때문에, 접합부를 용융하는 일 없이 접합할 수 있다. 또한, 가열 온도가 낮기 때문에 접합 후의 변형이 적고, 또한 접합부는 용융되지 않기 때문에 결함이 적고, 더하여 용가재(溶加材)를 필요로 하지 않는 등 많은 이점이 있다.

마찰 교반 접합법은, 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금으로 대표되는 저융점 금속재료의 접합법으로서, 항공기, 선박, 철도 차량 및 자동차 등의 분야에서 이용이 확산되어 오고 있다. 이 이유로서는, 이들 저융점 금속재료는, 종래의 아크 용접법에서는 접합부의 만족스러운 특성을 얻는 것이 어렵고, 마찰 교반 접합법을 적용하는 것에 의해 생산성을 향상시킴과 동시에, 고품질의 접합부를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 건축물이나 선박, 중기, 파이프라인, 자동차라고 하는 구조물의 소재로서 주로 적용되고 있는 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 종래의 용융 용접에서 과제가 되는 응고 균열이나 수소 균열을 회피할 수 있음과 동시에, 강재의 조직 변화도 억제되므로, 이음새 성능이 뛰어날 것을 기대할 수 있다. 또한, 회전 툴에 의해 접합계면을 교반함으로써 청정면을 창출하여 청정면끼리를 접촉할 수 있으므로, 확산 접합과 같은 전(前)준비 공정은 불필요하다는 메리트도 기대할 수 있다. 이와 같이, 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 많은 이점이 기대된다. 그러나, 접합시에 있어서의 결함 발생의 억제나 접합 속도의 고속도화라고 하는 접합 시공성에 문제를 남기고 있었기 때문에, 저융점 금속재료와 비교하여 보급이 진행되지 않았다.

구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서는, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 기재되어 있듯이, 회전 툴로서 다결정 붕소 질화물(PCBN)이나 질화규소(SiN₄) 등의 고내마모성 재료를 이용하고 있는 것이 현상이다. 그러나, 이들 세라믹스는 취약하므로, 회전 툴의 파손을 방지하기 위해서, 접합하는 강판의 판 두께나 그 시공 조건이 현저하게 제한된다.

또한, 특허문헌 5 및 6에는, 접합 시공성의 향상을 목적으로 하여, 회전 툴과 피접합재 사이에 생기는 마찰열 이외의 가열 기능을 부가한 접합 방법이 개시되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 5에는, 유도 가열 장치를 이용한 가열 기능을 가지고, 접합 전후에 피가공재의 가열을 실시함으로써, 접합 속도의 고속도화나 접합부의 균열의 해소를 도모한 마찰 교반 접합법의 가열 장치가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 6에는, 레이저 장치를 이용한 가열 기능을 가지고, 접합 직전에 피가공재를 부분적으로 가열함으로써, 예열에 의한 가열 영역 주변의 미크로 조직 변화를 억제하면서 접합 속도의 고속도화를 도모한 마찰 교반 접합 장치가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 5 및 6의 기술에서는, 접합 전의 가열에 의한 피가공재의 가열 영역의 표면 온도나 깊이 등에 관하여 주의가 기울여지지 않았고, 그 때문에, 충분한 접합 시공성을 얻을 수 없다. 또한, 과잉 가열에 의해 가열 영역 주변의 미크로 조직이 변화하여, 접합 이음새 특성, 특히 접합 이음새 강도에 악영향을 미치는 경우가 있었다. 그 때문에, 충분한 강도를 얻음과 동시에, 접합 시공성을 향상시킨 실제적인 마찰 교반 접합 방법과 그것을 가능하게 하는 장치는, 아직 찾아내지 못한 것이 현상이다.

특허문헌 1: 일본 특허공개공보 특개소62-183979호 특허문헌 2: 일본 특허공개공보 특표평7-505090호 특허문헌 3: 일본 특허공개공보 특표2003-532542호 특허문헌 4: 일본 특허공개공보 특표2003-532543호 특허문헌 5: 일본 특허공개공보 특개2003-94175호 특허문헌 6: 일본 특허공개공보 특개2005-288474호

본 발명은, 상기의 현상을 감안하여 개발된 것으로, 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하여, 충분한 강도를 얻음과 동시에, 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있는 마찰 교반 접합 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그리고 그 때문에, 특히 엄밀하게 규정한 예열 처리 프로세스 조건을 실행 가능한 마찰 교반 접합 장치를 제공한다.

발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위하여 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 서술하는 지견을 얻었다.

a)통상의 마찰 교반 접합에서는, 접합을 위하여 필요한 열원이, 회전 툴과 피가공재의 사이에서 발생하는 마찰열뿐이다. 그 때문에, 구조용 강을 마찰 교반 접합법에 의해 접합하는 경우에는, 피가공재인 구조용 강을 연화시키기 위해 필요한 열량을 충분히 확보할 수 없다. 그 결과, 접합부에 있어서 충분한 소성 유동을 얻지 못하고, 접합 속도의 저하나 접합 결함의 발생 등이라고 하는 접합 시공성의 열화가 우려된다.

상기한 본 기술을 공업화하는데 있어서 매우 중요해지는 접합 시공성의 열화를 회피하기 위해서는, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스가 실행 가능한 마찰 교반 접합 장치가 유효하다고 생각된다.

b)그러나, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스를 실시할 때에, 예열 열량이 과잉이 되면, 가열 영역 주변의 미크로 조직이 변화한다는 문제가 발생한다. 특히, 마르텐사이트 조직에 의해 강화된 고장력 강판의 경우는, 가열 영역 주변이, 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하에서의 가열이어도, 마르텐사이트가 소려됨으로써 연화를 일으켜, 접합 이음새 강도를 현저하게 저하시킨다.

발명자들은, 마찰 교반 접합 전의 예열 처리 프로세스 조건에 관하여 여러 가지 검토했다.

그 결과,

c)레이저 등의 에너지 밀도가 높은 열원을 이용함으로써, 예열 처리 프로세스에서의 가열 영역의 표면 온도, 면적, 위치를 엄밀하게 제어하고, 또한 필요에 따라서 가열 영역의 두께 방향에 있어서의 온도에 관해서도 적정하게 제어한다. 그에 의해, 접합 이음새 강도 등의 접합 이음새 특성의 열화를 초래하는 일 없이, 접합 시공성을 향상할 수 있다는 지견을 얻었다.

d)또한, 통상의 마찰 교반 접합에서는, 접합 완료 후, 접합부가 자연 방냉 상태가 되기 때문에, 강재 제조시의 압연 프로세스에서 실시되고 있는 것 같은 열이력 관리에 의한 미크로 조직 제어를 적용할 수 없다라고 하는 문제가 있었다. 그러나, 접합 완료 직후에, 접합부에 대해, 가열 처리나 냉각 처리를 조합한 프로세스를 실시함으로써, 접합 이음새 특성을 더욱 향상할 수 있다는 지견을 얻었다.

본 발명은, 상기의 지견에 입각하는 것이다.

본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 어깨부 및 그 어깨부에 배치되어 그 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 그 어깨부와 그 핀부는 피가공재인 강판보다도 단단한 재질로 이루어지며, 그 강판의 미접합부에 삽입되어 회전하면서 접합 방향으로 이동하여, 그 강판과의 마찰열에 의해 그 강판을 연화시키면서, 그 연화한 부위를 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시키는 회전 툴과,

접합 방향으로 이동하는 그 회전 툴의 전방에 설치되며, 그 강판을 가열하는 가열 장치를 가지고,

그 가열에 의해 그 강판의 표면의 온도 T_S(℃)가,

T_S≥0.8×T_A1 (T_A1는 하기 식(1)에 나타낸다)

이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 그 강판의 표면에 있어서의, 그 가열 영역과 그 회전 툴과의 최소 거리를, 그 회전 툴의 어깨부의 직경 이하로 하고,

또한 그 강판의 표면에 있어서의 그 가열 영역의 면적을, 그 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하로 하고,

또한 그 가열 영역의 면적의 50% 이상이, 그 강판의 표면에 있어서, 그 회전 툴의 회전축을 통과하여 접합 방향으로 평행한 직선인 접합 중앙선과, 그 접합 중앙선에 평행하고, 또한 진입측(advancing side)으로 그 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선과의 사이에 위치하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.

　　　　　　　　　　　　　　　　　하기

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]

　　　+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(1)

단, [%M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이다.

2. 상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 T_D(℃)가,

T_D=0.8×T_A1 (T_A1는 하기 식(1)에 나타낸다)

을 만족하는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이(D)로 했을 때, 그 가열 영역의 깊이(D)가, 상기 강판의 합계 두께(t)의 30% 이상이 되는 상기 1에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.

　　　　　　　　　　　　　　　　　하기

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]

　　　+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(1)

3. 상기 가열 장치가, 레이저 가열 장치인 상기 1 또는 2에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.

4. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 설치되고, 상기 강판의 접합부를 가열하는 후방 가열 장치를 가지는 상기 1∼3 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.

5. 상기 회전 툴의 후방이며, 또한 상기 후방 가열 장치의 뒤에 설치되어, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 장치를 가지는 상기 4에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.

6. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 설치되어, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 장치를 가지는 상기 1∼3 중 어느 하나에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.

7. 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방이며, 또한 상기 냉각 장치의 뒤에 설치되어, 상기 강판의 접합부를 재가열하는 후방 가열 장치를 가지는 상기 6에 기재된 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.

본 발명에 의한 마찰 교반 접합 장치를 이용하면, 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 종래 염려된 피가공재의 가열 부족에 의한 소성 유동 불량을 유리하게 해소하고, 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있다. 또한 미크로 조직의 변화도 억제하여, 접합부에 있어서, 높은 이음새 강도를 얻을 수 있다.

[도 1] 도 1은, 본 발명의 마찰 교반 접합 방법을 설명하는 개략도이다.
[도 2] 도 2는, 예열 프로세스에 있어서의 가열 영역, 접합 후에 실시한 프로세스에 있어서의 냉각 영역 및 재가열 영역의 일례를 나타내는 도면(상면도 및 A-A 단면도)이다.
[도 3] 도 3은, 본 발명의 마찰 교반 접합 장치에서 대상으로 하는 구조용 강의 일례에 관한 온도와 인장 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
[도 4] 도 4는, 실시예에서 사용한 회전 툴의 단면 치수를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은, 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치이며, 도 1에 나타내듯이, 회전 툴을, 강판의 미접합부에 삽입하여 회전시키면서 접합 방향으로 이동시켜, 회전 툴과 강판과의 마찰열에 의해 그 강판을 연화시키면서, 그 연화한 부위를 회전 툴로 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시켜, 강판을 접합하는 것이다. 여기서, 회전 툴은, 어깨부, 및 이 어깨부에 배치되며, 이 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 어깨부와 핀부는 피가공재인 강판보다 단단한 재질에 의해 형성된다.

도면 중, 부호 1이 회전 툴, 2는 회전축, 3은 강판, 4는 접합부, 5는 가열 장치, 6이 냉각 장치, 7이 후방 가열 장치, 8이 회전 툴의 어깨부, 9는 회전 툴의 핀부이며, α는 회전 툴 경사 각도를 나타낸다. 또한, 「AS」 및 「RS」는, 각각 진입측 및 퇴거측(retreating side)을 나타낸다.

진입측이란, 툴 회전 방향과 접합 방향이 일치하는 측으로, 퇴거측이란, 툴 회전 방향과 접합 방향이 반대가 되는 측으로, 각각 정의한다.

본 발명의 마찰 교반 접합 장치에 의한 마찰 교반 접합에서는, 접합 방향으로 이동하는 그 회전 툴의 전방에 설치한 가열 장치에 의해 강판을 가열하는 예열 처리 프로세스가 중요하다. 이하, 이 예열 처리 프로세스 조건에 관하여, 도 2를 참조하면서 설명한다.

도면 중, 부호 10은 접합 중앙선이며, 이 접합 중앙선은, 강판의 표면에 있어서 회전 툴의 회전축을 통과하여 접합 방향으로 평행한 직선을 나타낸다. 11은 접합 중앙선에 평행하고, 또한 진입측으로 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선(이하, AS선이라고 칭하기로 한다), 12는 가열 영역, 13은 냉각 영역, 14는 재가열 영역이며, a로 회전 툴의 어깨부 직경을, b로 회전 툴의 핀부의 최대 지름을, X로 가열 영역과 회전 툴과의 최소 거리를, D로 가열 영역의 최대 깊이를(이하, 가열 영역의 깊이(D)라고 한다), t로 강판의 두께를 각각 나타낸다.

[가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도 T_S:T_S≥0.8×T_A1]

본 발명의 마찰 교반 접합 장치에 의해 마찰 교반 접합하는 강판은, 도 3에 나타내듯이, 통상, 강의 변태 온도인 T_A1의 80% 정도의 온도에서는, 상온시의 강도의 30% 정도의 강도가 된다. 또한, 이 온도보다 높아지면, 더욱 강도가 저하한다. 따라서, 강판의 표면 온도를 0.8×T_A1℃ 이상으로 하여 강판을 미리 연화시켜, 해당 강판을 교반하고, 소성 유동을 촉진함으로써, 회전 툴에 걸리는 부하를 저감하고, 또한 접합 속도도 고속도화 할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에서는, 가열 영역(12)에 있어서의 강판의 표면 온도 T_S(℃)를, 0.8×T_A1℃ 이상으로 한다. 또한, T_A1(℃)는 다음 식(1)에 의해 구할 수 있다.

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]

　　　+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(1)

[%M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이며, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.

두께 방향으로 가열 영역을 확보하기 위해서는 가열 영역의 표면에는 온도 기울기가 존재해도 된다. 그 경우, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도는 1.5×T_M℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 접합부의 온도가 과도하게 상승하는 것에 의한 회전 툴의 손상이나 미크로 조직의 변질을 피하기 위하여, 가열 영역에 있어서의 강판의 표면 온도는, 그 가열 영역을 통과하는 회전 툴과 접촉하기까지 T_M℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

T_M(℃)는 피가공재인 강판의 융점이다.

[강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 회전 툴과의 최소 거리: 회전 툴의 어깨부의 직경 이하]

강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 회전 툴과의 간격이 너무 커지면, 접합 전에 가열 영역에 있어서의 온도가 저하해 버려, 예열에 의한 효과를 충분히 얻을 수 없다. 이 때문에, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴과의 최소 거리 X는, 회전 툴의 어깨부의 직경 이하로 한다.

가열 영역과 회전 툴의 간격이 너무 작아지면, 회전 툴이 가열 장치에 의한 열로 손상될 우려가 있다. 그 때문에, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역과 접합 방향으로 이동하는 회전 툴과의 최소 거리는, 회전 툴의 어깨부의 직경의 0.1배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 회전 툴의 어깨부의 직경은, 8∼60mm 정도이다.

[강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적: 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하]

가열 영역(12)이 너무 커지면 해당 영역 및 그 주변 영역의 미크로 조직이 변화한다. 특히, 마르텐사이트 조직에 의해 강화된 고장력 강판의 경우는, 페라이트-오스테나이트 변태 온도 이하에서의 가열이어도, 마르텐사이트가 소려됨으로써 연화를 일으켜, 접합 이음새 강도를 큰 폭으로 저하시켜 버린다. 이 때문에, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하로 한다.

여기서, 회전 툴의 핀부의 최대 반경이란, 도 4에 나타내는 툴 형상의 투영도에 있어서는 b에 상당하고, 다른 툴 형상에 있어서 핀부가 테이퍼 형상 등을 가지며, 장소에 따라 핀 지름이 다른 경우는, 투영도에 있어서 핀 지름이 최대가 되는 위치에 상당한다.

한편, 가열 영역의 면적이 너무 작아지면, 예열에 의한 효과를 충분히 얻을 수 없게 된다. 따라서, 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부에 있어서의 최대 지름부의 면적의 0.1배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

회전 툴의 핀부의 최대 지름은, 2∼50mm 정도이다.

[강판의 표면에 있어서, 접합 중앙선과 AS선의 사이에 위치하는 가열 영역의 면적: 강판의 표면에 있어서의 가열 영역의 면적의 50% 이상]

강재의 마찰 교반 접합에 있어서는, 소성 유동의 시점은 진입측이며, 회전 툴의 회전 방향에 따라, 접합 방향 전방, 퇴거측, 접합 방향 후방을 통과하여, 진입측이 종점이 된다. 이와 같이, 진입측은 소성 유동의 시점이 되기 때문에, 피가공재인 강판의 가열 부족이 발생하기 쉽고, 소성 유동이 불충분하여 결함이 발생하는 경우에는, 그 대부분이 진입측에서 발생한다.

강판의 표면에 있어서, 가열 영역(12)의 면적의 50% 이상을, 접합 중앙선(10)과, 그 접합 중앙선(10)에 평행한 AS선(11)의 사이에 위치시켜, 진입측을 우선적으로 가열함으로써, 소성 유동을 촉진하고, 결함의 발생을 억제하여, 접합 속도의 고속화를 도모할 수 있다. 바람직하게는 가열 영역의 면적의 60% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상의 범위이다. 또한, 100%이어도 된다.

진입측을 우선적으로 가열한다는 관점에서는, 가열 영역의 중심을, 접합 중앙선과 AS선의 중간점을 통과하는 직선과, AS선과의 사이에 위치시킨다. 바꾸어 말하면, 가열 영역의 중심을 접합 중앙선보다도 진입측으로 위치시키고, 또한 가열 영역 중심으로부터 접합 중앙선까지의 거리를, 회전 툴의 핀부에 있어서의 최대 반경의 0.5배 이상 1배 이하로 하는 것이 바람직하다.

[가열 영역의 두께 방향의 영역에 있어서의 온도 T_D:T_D≥0.8×T_A1]

상술한 바와 같이, 본 발명의 마찰 교반 접합 장치로 접합하는 강판은, 통상, 강의 변태 온도인 T_A1의 80% 정도의 온도에서는, 상온시의 강도의 30% 정도의 강도가 된다. 또한, 이 온도보다 높아지면, 더욱 강도가 저하한다. 따라서, 가열 영역의 두께 방향의 영역에 있어서도, 온도를 0.8×T_A1℃ 이상으로 하여 강판을 미리 연화시켜, 해당 강판을 교반하여, 소성 유동을 촉진함으로써, 회전 툴에 걸리는 부하를 더욱 저감하고, 또한 접합 속도도 한층 고속도화시키는 것이 바람직하다. 따라서, 후술하는 가열 영역의 깊이(D)를 규정하는 가열 영역의 두께 방향의 온도 T_D는, 0.8×T_A1℃ 이상으로서 정의하는 것으로 했다. 또한, T_A1(℃)는 다음 식(1)에 의해 구할 수 있다.

T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]

　　　 +16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(1)

여기서,[%M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이다.

두께 방향으로 가열 영역을 확보하기 위해서는 가열 영역의 두께 방향으로는 온도 기울기가 존재해도 된다. 그 경우, 가열 영역에 있어서의 강판의 두께 방향의 온도는 1.5×T_M℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 접합부의 온도가 과도하게 상승하는 것에 의한 회전 툴의 손상이나 미크로 조직의 변질을 피하기 위해서, 가열 영역에 있어서의 강판의 두께 방향의 온도는, 그 가열 영역을 통과하는 회전 툴과 접촉하기까지 T_M℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

T_M(℃)는 피가공재인 강판의 융점이다.

[가열 영역의 깊이(D): 강판의 합계 두께의 30% 이상]

가열 영역의 깊이(D)는, 상기한 가열 영역의 두께 방향의 온도 T_D가 0.8×T_A1℃ 이상이 되는 영역에 있어서의, 피가공재인 강판의 표면으로부터의 최대 깊이로 규정된다. 여기서, 이 가열 영역의 깊이(D)는, 강판의 합계 두께의 30% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇다는 것은, 가열 영역의 깊이(D)를 강판의 합계 두께의 30% 이상으로 함으로써, 소성 유동이 더욱 촉진되므로, 회전 툴에 걸리는 부하 저감 및 접합 속도의 고속도화에 있어서, 한층 유리하게 되기 때문이다. 보다 바람직하게는 강판의 합계 두께의 50% 이상이다.

그러나, 가열 영역의 깊이(D)가, 강판의 합계 두께의 90%를 넘으면, 가열이 과다하게 되어 미크로 조직의 변화가 염려되므로, 가열 영역의 깊이(D)는 강판의 합계 두께의 90% 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 장치는 특별히 한정되는 것은 아니나, 레이저 가열 장치를 이용하는 것이 바람직하다.

그렇다는 것은, 에너지 밀도가 높은 레이저를 열원으로 이용함으로써, 예열 처리 프로세스 조건의 제어를 보다 정확하게 실시할 수 있고, 접합 이음새 특성을 해하는 일 없이 접합 시공성의 향상을 도모할 수 있기 때문이다.

또한, 상기한 이외의 조건에 관하여는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 예열 처리 프로세스에서 사용하는 가열 장치의 이동 속도는, 접합 속도와 동일 정도로 하면 된다. 또한, 이 가열 장치로 레이저 가열 장치를 이용하는 경우, 그 레이저 출력이나 빔 지름은, 접합 조건에 따라 적절히 설정하면 된다.

이상, 본 발명의 마찰 교반 접합 장치에 있어서의 예열 처리 프로세스에 관하여 설명했지만, 본 발명의 마찰 교반 접합 장치에서는, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방에, 냉각 장치를 설치하고, 그 냉각 장치에 의해, 접합 이음새 강도를 개선할 수 있다.

그렇다는 것은, 통상, 접합 완료 후, 접합부는 자연 방냉 상태가 되기 때문에, 피가공재인 강재의 소입성(燒入性)이 낮은 경우는, 접합 이음새의 강도를 충분히 얻을 수 없다는 문제가 있었다. 이 점, 접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 설치한 냉각 장치에 의해, 상기 강판의 접합부를 냉각하고, 냉각 속도를 적절히 제어함으로써, 소입(燒入)에 의한 강도 향상을 도모할 수 있다. 구체적인 냉각 장치로서는, 불활성 가스의 분출에 의한 냉각이 적합하다. 이 경우의 냉각 속도로서는, 예를 들면 800℃에서 500℃의 범위를 30∼300℃/s로 하는 것이 적합하다.

한편, 피가공재인 강재의 소입성이 높은 경우는, 접합부가 과도하게 경화할 가능성이 있어, 접합 이음새의 인성을 저하시킨다는 문제가 있었다. 이 점, 회전 툴에 근접하는 후방 부분을 가열하는 후방 가열 장치를 설치하여, 냉각 속도를 적절히 제어하여 서서히 냉각함으로써, 과도한 경화를 억제할 수 있다. 구체적인 가열 장치로서는 고주파 유도 가열, 레이저를 열원으로 한 가열이 적합하다. 이 경우의 서서히 냉각하는 속도로서는, 예를 들면 800℃에서 500℃의 범위를 10∼30℃/s로 하는 것이 적합하다.

접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방이며, 또한 상기한 냉각 장치의 뒤에, 후방 가열 장치를 설치하고, 그 후방 가열 장치에 의해 강판의 접합부를 재가열해도 된다.

이에 의해, 접합부가 냉각 장치에 의한 냉각으로 소입되어, 과도하게 경화된 경우에, 그 후방 가열 장치로 소려하는 것에 의해 경도를 억제하여, 강도와 인성을 겸비하는 이음새 특성을 달성할 수 있다. 이 경우의 냉각 속도로서는, 예를 들면 800℃에서 500℃의 범위를 30∼300℃/s, 재가열 온도로서는, 예를 들면 550∼650℃으로 하는 것이 적합하다.

또한, 접합 방향으로 이동하는 회전 툴의 후방이며, 또한 상기한 후방 가열 장치의 뒤에, 냉각 장치를 설치하고, 그 냉각 장치에 의해 강판의 접합부를 냉각해도 된다.

이 경우에는, 접합 직후에 있어서, 후방 가열 장치로 냉각 속도를 작게, 그 후, 냉각 장치로 냉각 속도를 크게 함으로써, 조직을 복합화할 수 있어, 강도와 연성을 겸비하는 이음새 특성을 달성할 수 있다. 이 경우의 냉각 속도로서는, 예를 들면, 800℃에서 600℃의 범위를 10∼30℃/s정도로 하고, 그 후, 600℃에서 400℃의 범위를 30∼300℃/s정도로 하는 것이 적합하다.

상기 이외의 접합 조건에 관하여는, 상법(常法)에 따르면 되지만, 회전 툴의 토크가 클수록 강판의 소성 유동성은 낮아지므로, 결함 등이 발생하기 쉬워진다.

따라서, 본 발명에서는, 회전 툴의 회전수를 100∼1000rpm의 범위로 하고, 회전 툴의 토크를 억제하여, 접합 속도를 1000mm/min 이상으로 고속화하는 것을 목표로 한다.

본 발명의 대상 강종으로서는, 일반적인 구조용 강이나 탄소강, 예를 들면 JIS G 3106의 용접 구조용 압연 강재, JIS G 4051의 기계 구조용 탄소강 등을 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 인장 강도가 800MPa 이상의 고강도 구조용 강에도 유리하게 적용할 수 있으며, 이 경우여도, 접합부에 있어서, 강판(모재)의 인장 강도의 85% 이상의 강도, 나아가 90% 이상의 강도를 얻을 수 있다.

실시예

실시예 1

판 두께 1.6mm의 표 1에 나타내는 화학 조성, 인장 강도의 강판을 이용하여, 마찰 교반 접합을 실시했다. 이음새 맞댐 면은, 각도를 부여하지 않은 이른바 I형 개선(開先)으로 프라이스 가공 정도의 표면 상태에 의해 편면 1 패스로 접합을 실시했다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 표 2에 나타낸다. 도 4에 단면 치수를 나타내는 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 한 회전 툴(어깨부 직경 a: 12mm, 핀부의 최대 지름 b: 4.0mm, 프로브 길이 c: 1.4mm)을 이용하고, 접합시에는 아르곤 가스에 의해 접합부를 보호하여, 표면의 산화를 방지했다.

접합에 앞서, 레이저를 열원으로 이용한 예열에 의한 가열 영역을 확인하기 위해, 표 1의 강판 1에 대해서, 표 3에 나타내는 각 조사 조건(레이저 이동 속도, 레이저 출력 및 빔 지름)으로 레이저광을 조사하고, 표면 온도를 서모그래피에 의해 측정했다. 레이저 조사부의 단면을 관찰하여, 나이탈 부식액에 의한 미크로 조직 관찰을 실시했다.

변태점(T_A1℃) 이상이 된 영역은 가장 진하고, 그 외측에 존재하는 변태점(T_A1℃) 미만이나 모재 중의 마르텐사이트 등의 고경도 조직이 소려되는 영역은 비교적 묽게 에칭되기 때문에, 변태점(T_A1℃) 이상이 된 영역, 변태점(T_A1℃) 미만에서의 소려 영역, 모재의 영역은 각각 식별 가능하다. 또한, 철강의 열처리의 지견으로부터, 변태점(T_A1℃) 미만에서의 소려 영역은, 0.8×T_A1℃ 이상 또한 T_A1℃ 미만인 영역과 일치하는 것이 알려져 있다. 이러한 나이탈 부식액에 의한 미크로 조직 관찰에 의해, 변태점(T_A1℃) 이상이 된 영역의 깊이(D₀), 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))를 측정했다.

이들의 측정 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4에 나타내듯이, 서모그래피에 의한 표면 온도 측정 결과로부터, 조사 조건 A에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상이 되는 영역은 직경 3.5mm의 원형 모양이었다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 지름은 4.0mm이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.

조사 조건 B에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상이 되는 영역은 직경 2.0mm의 원형 모양이었다. 따라서, 상기와 동일하게, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.

한편, 조사 조건 C에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상이 되는 영역은 직경 4.5mm의 원형 모양이었다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 지름은 4.0mm이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적을 초과하게 된다.

표 4에 나타내듯이, 레이저 조사부의 단면 관찰로부터, 조사 조건 A에 있어서, T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(D₀) 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))는 각각 0.28, 0.30mm였다. 피가공재인 강판의 두께(t)는 1.6mm이므로, 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이(D)는, 강판의 두께(t)의 약 18.8%가 된다.

조사 조건 B에 있어서, T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(D₀) 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))는 각각 0.47, 0.50mm였다. 피가공재인 강판의 두께(t)는 1.6mm이므로, 가열 영역의 깊이(D)는, 강판의 두께(t)의 약 31.3%가 된다.

한편, 조사 조건 C에 있어서, T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(D₀) 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))는 각각 0.09, 0.10mm였다. 피가공재인 강판의 두께(t)는 1.6mm이므로, 가열 영역의 깊이(D)는, 강판의 두께(t)의 약 6.3%가 된다.

표 5에, 피가공재의 접합 전에 실시한 레이저 조사에 의한 예열 프로세스 조건, 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건을 나타낸다. 여기서, 접합 후에 실시한 프로세스에 있어서의 냉각에서는 가스 분출에 의한 냉각을, 가열(및 재가열)에서는 유도 가열을 각각 실시했다.

표 5 중, 예열 프로세스 조건 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건에 있어서의 「-」은, 각각 예열 프로세스 및 냉각이나 가열이라고 하는 접합 후의 프로세스를 실시하지 않았던 경우를 나타낸다. 또한, 접합 중앙선에서 가열 영역 중심까지의 거리에 있어서의 「(AS)」, 「(RS)」라는 기재는, 가열 영역의 중심이, 접합 중앙선으로부터 각각 진입측, 퇴거측에 있는 것을 나타낸다.

표 6에, 접합을 실시했을 때의 회전 툴의 토크의 측정값과, 얻어진 접합 이음새로부터 JIS Z 3121에서 규정하는 1호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하여, 인장 시험을 실시했을 때의 인장 강도를 나타낸다.

회전 툴의 토크가 클수록 소성 유동성이 낮고, 결함 등이 생기고 쉽다고 말할 수 있다.

표 6으로부터, 발명예 1∼10에서는, 접합 속도를 고속화한 경우여도, 모재가 되는 강판의 인장 강도의 85% 이상의 강도를 얻을 수 있음과 동시에, 회전 툴의 토크가 75N·m 이하와, 소성 유동성도 양호했다. 특히, 접합 후에 냉각·재가열을 실시한 발명예 6 및 7에서는, 모재의 인장 강도의 99% 이상의 강도를 얻을 수 있었다.

한편, 비교예 1∼5에서는, 회전 툴의 토크가 80N·m 이상이 되어, 소성 유동성이 뒤떨어지고 있었다.

실시예 2

실시예 1과 동일하게 판 두께 1.6mm의 표 1에 나타내는 화학 조성, 인장 강도의 강판을 이용하여, 이음새 맞댐 면에 각도를 부여하지 않은 이른바 I형 개선으로 프라이스 가공 정도의 표면 상태에 의해 편면 1 패스로 마찰 교반 접합을 실시했다. 마찰 교반 접합의 접합 조건을 표 7에 나타낸다. 또한, 실시예 1과 동일하게, 도 4에 단면 치수를 나타내는 탄화 텅스텐(WC)을 소재로 한 회전 툴(어깨부 직경 a: 12mm, 핀부의 최대 지름 b: 4.0mm, 프로브 길이 c: 1.4mm)을 이용하여, 접합시에는 아르곤 가스에 의해 접합부를 보호하여, 표면의 산화를 방지했다.

접합에 앞서, 레이저를 열원으로 이용한 예열에 의한 가열 영역을 확인하기 위하여, 표 1의 강판 1에 대해서, 표 8에 나타내는 각 조사 조건(레이저 이동 속도, 레이저 출력 및 빔 지름)으로 레이저광을 조사하고, 표면 온도를 서모그래피에 의해 측정했다. 또한, 레이저 조사부의 단면을 관찰하고, 실시예 1과 동일하게, 나이탈 부식액에 의한 미크로 조직 관찰을 실시하여, 변태점(T_A1℃) 이상이 된 영역의 깊이(D₀), 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))를 측정했다.

이들의 측정 결과를 표 9에 나타낸다.

표 9에 나타내듯이, 서모그래피에 의한 표면 온도 측정 결과로부터, 조사 조건 D에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상이 되는 영역은, 레이저 이동 방향이 장경(長徑), 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경(短徑)이 되는 타원 지름이 되며, 장경은 3.8mm, 단경은 3.2mm였다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 지름은 4.0mm이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.

조사 조건 E에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상이 되는 영역은 레이저 이동 방향이 장경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경이 되는 타원 지름이 되며, 장경은 2.2mm, 단경은 1.8mm였다. 따라서, 상기와 동일하게, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하가 된다.

한편, 조사 조건 F에 있어서, 0.8×T_A1℃ 이상이 되는 영역은 레이저 이동 방향이 장경, 레이저 이동 방향과 직각 방향이 단경이 되는 타원 지름이 되며, 장경은 4.9mm, 단경은 4.1mm였다. 여기서 이용한 회전 툴의 핀부의 최대 지름은 4.0mm이기 때문에, 강판 표면에 있어서의 가열 영역의 면적은, 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적을 초과하게 된다.

표 9에 나타내듯이, 레이저 조사부의 단면 관찰로부터, 조사 조건 D에 있어서, T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(D₀) 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))는 각각 0.30, 0.32mm였다. 피가공재인 강판의 두께(t)는 1.6mm이므로, 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이인 가열 영역의 깊이(D)는, 강판의 두께(t)의 약 20.0%가 된다.

조사 조건 E에 있어서, T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(D₀) 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))는 각각 0.51, 0.54mm였다. 피가공재인 강판의 두께(t)는 1.6mm이므로, 가열 영역의 깊이(D)는, 강판의 두께(t)의 약 33.8%가 된다.

한편, 조사 조건 F에 있어서, T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(D₀) 및 0.8×T_A1℃ 이상이 된 영역의 깊이(가열 영역의 깊이(D))는 각각 0.10, 0.11mm였다. 피가공재인 강판의 두께(t)는 1.6mm이므로, 가열 영역의 깊이(D)는, 강판의 두께(t)의 약 6.9%가 된다.

표 10에, 피가공재의 접합 전에 실시한 레이저 조사에 의한 예열 프로세스 조건, 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건을 나타낸다. 여기서, 접합 후에 실시한 프로세스에 있어서의 냉각에서는 가스 분출에 의한 냉각을, 가열(및 재가열)에서는 유도 가열을 각각 실시했다.

표 10 중, 예열 프로세스 조건 및 접합 후에 실시한 프로세스 조건에 있어서의 「-」은, 각각 예열 프로세스 및 냉각이나 가열이라고 하는 접합 후의 프로세스를 실시하지 않았던 경우를 나타낸다. 또한, 접합 중앙선에서 가열 영역 중심까지의 거리에 있어서의 「(AS)」, 「(RS)」이라는 기재는, 가열 영역의 중심이, 접합 중앙선으로부터 각각 진입측, 퇴거측에 있는 것을 나타낸다.

표 11에, 접합을 실시했을 때의 회전 툴의 토크의 측정값과, 얻어진 접합 이음새로부터 JIS Z 3121에서 규정하는 1호 시험편의 치수의 인장 시험편을 채취하여, 인장 시험을 실시했을 때의 인장 강도를 나타낸다.

회전 툴의 토크가 클수록 소성 유동성이 낮고, 결함 등이 생기기 쉽다고 말할 수 있다.

표 11로부터, 발명예 11∼20에서는, 접합 속도를 1000mm/min로 고속화한 경우여도, 회전 툴의 토크를 100N·m 이하로 하여 접합할 수 있고, 또한 모재가 되는 강판의 인장 강도의 85% 이상의 강도를 달성할 수 있어, 건전한 이음새를 얻을 수 있었다. 특히, 접합 후에 냉각·재가열을 실시한 발명예 16 및 17에서는, 모재의 인장 강도의 99% 이상의 강도를 얻을 수 있었다.

한편, 비교예 6에서는 회전 툴이 접합 중에 파손되어, 접합할 수 없었다. 또한, 비교예 7∼10은, 미접합 부분이 남는 상태가 되어 접합할 수 없었고, 따라서, 건전한 이음새는 얻을 수 없었다. 이 때문에, 비교예 6∼10에서는, 회전 툴의 토크 등의 측정은 실시하지 않았다.

1 회전 툴
2 회전축
3 강판
4 접합부
5 가열 장치
6 냉각 장치
7 후방 가열 장치
8 회전 툴의 어깨부
9 회전 툴의 핀부
10 접합 중앙선
11 AS선
12 가열 영역
13 냉각 영역
14 재가열 영역
a 회전 툴의 어깨부 직경
b 회전 툴의 핀부의 최대 지름
c 회전 툴의 프로브 길이
X 가열 영역과 회전 툴의 최소 거리
D 가열 영역의 깊이
t 강판의 두께
α 회전 툴 경사 각도

Claims

어깨부 및 그 어깨부에 배치되어 그 어깨부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 그 어깨부와 그 핀부는 피가공재인 강판보다도 단단한 재질로 이루어지며, 그 강판의 미접합부에 삽입되어 회전하면서 접합 방향으로 이동하여, 그 강판과의 마찰열에 의해 그 강판을 연화시키면서, 그 연화한 부위를 교반하는 것에 의해 소성 유동을 발생시키는 회전 툴과,
접합 방향으로 이동하는 그 회전 툴의 전방에 설치되며, 그 강판을 가열하는 가열 장치를 가지고,
그 가열에 의해 그 강판의 표면의 온도 T_S(℃)가,
T_S≥0.8×T_A1 (T_A1는 하기 식(1)에 나타낸다)
이 되는 영역을 가열 영역으로 했을 때, 그 강판의 표면에 있어서의, 그 가열 영역과 그 회전 툴과의 최소 거리를, 그 회전 툴의 어깨부의 직경 이하로 하고,
또한 그 강판의 표면에 있어서의 그 가열 영역의 면적을, 그 회전 툴의 핀부의 최대 지름부의 면적 이하로 하고,
또한 그 가열 영역의 면적의 50% 이상이, 그 강판의 표면에 있어서, 그 회전 툴의 회전축을 통과하여 접합 방향으로 평행한 직선인 접합 중앙선과, 그 접합 중앙선에 평행하고, 또한 진입측으로 그 회전 툴의 핀부의 최대 반경과 동일한 거리만큼 떨어진 직선과의 사이에 위치하는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
　　　　　　　　　　　　　　　　　하기
T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]
　　　+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(1)
단, [%M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이다.
청구항 1에 있어서,
상기 가열 영역의 두께 방향의 영역에 관하여, 온도 T_D(℃)가,
T_D≥0.8×T_A1 (T_A1는 하기 식(1)에 나타낸다)
을 만족하는 영역에 있어서의 상기 강판의 표면으로부터의 최대 깊이를 가열 영역의 깊이(D)로 했을 때, 그 가열 영역의 깊이(D)가, 상기 강판의 합계 두께(t)의 30% 이상이 되는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
　　　　　　　　　　　　　　　　　하기
T_A1(℃)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]
　　　+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]…(1)
단, [%M]은, 피가공재인 강판에 있어서의 M원소의 함유량(질량%)이다.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 가열 장치가, 레이저 가열 장치인 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 설치되고, 상기 강판의 접합부를 가열하는 후방 가열 장치를 가지는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 회전 툴의 후방이며, 또한 상기 후방 가열 장치의 뒤에 설치되어, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 장치를 가지는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방에 설치되어, 상기 강판의 접합부를 냉각하는 냉각 장치를 가지는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.
청구항 6에 있어서,
접합 방향으로 이동하는 상기 회전 툴의 후방이며, 또한 상기 냉각 장치의 뒤에 설치되어, 상기 강판의 접합부를 재가열하는 후방 가열 장치를 가지는 구조용 강의 마찰 교반 접합 장치.