WO2016147668A1

WO2016147668A1 - 構造用鋼の摩擦撹拌接合装置

Info

Publication number: WO2016147668A1
Application number: PCT/JP2016/001542
Authority: WO
Inventors: 松下　宗生; 公一谷口; 池田　倫正
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2016-09-22
Also published as: US10766099B2; JPWO2016147668A1; JP6004147B1; US20180043466A1; CN107405723A; KR101954561B1; EP3251782A4; KR20170109030A; EP3251782A1

Abstract

　被加工材の加熱不足による塑性流動不良を有利に解消して、十分な強度を得るともに、接合施工性の向上を図る。本発明に係る摩擦撹拌接合装置は、構造用鋼の摩擦撹拌接合に際し、接合方向へ移動する回転ツールの前方に設けた加熱装置により、被加工材となる鋼板を加熱する予熱処理プロセスを行い、当該予熱処理プロセスにおける加熱領域の表面温度や面積、位置などを厳密に制御するものである。

Description

構造用鋼の摩擦撹拌接合装置

　本発明は、回転ツールを被接合材間の未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接合材の軟化と、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のための装置において、特に、被接合材が構造用鋼である場合に懸念される、被接合材の加熱不足による塑性流動不良を有利に解消して、十分な強度と共に、接合施工性の向上を図ろうとするための装置に関するものである。

　なお、本明細書では、例えば鋼板を突き合わせただけで未だ接合されていない状態にある突き合わせ部分を「未接合部」、一方、塑性流動により接合されて一体化された部分を「接合部」と呼ぶものとする。

　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未接合部に挿入し、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（摩擦撹拌接合法）が提案されている。

　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であるため、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、加えて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を向上すると共に、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構造用鋼に対する摩擦撹拌接合法の適用は、従来の溶融溶接で課題となる凝固割れや水素割れを回避できるとともに、鋼材の組織変化も抑制されるので、継手性能に優れることが期待できる。また、回転ツールにより接合界面を撹拌することで清浄面を創出して清浄面同士を接触できるので、拡散接合のような前準備工程は不要であるというメリットも期待できる。このように、構造用鋼に対する摩擦撹拌接合法の適用は、多くの利点が期待される。しかし、接合時における欠陥発生の抑制や接合速度の高速度化といった接合施工性に問題を残していたため、低融点金属材料と比較して普及が進んでいない。

　構造用鋼の摩擦撹拌接合においては、特許文献３および特許文献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。しかしながら、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。

　また、特許文献５および６には、接合施工性の向上を目的として、回転ツールと被接合材間に生じる摩擦熱以外の加熱機能を付加した接合方法が開示されている。

　例えば、特許文献５には、誘導加熱装置を用いた加熱機能を有し、接合前後に被加工材の加熱を行うことで、接合速度の高速度化や接合部の割れの解消を図った摩擦撹拌接合法の加熱装置が開示されている。

　また、特許文献６には、レーザ装置を用いた加熱機能を有し、接合直前に被加工材を部分的に加熱することで、予熱による加熱領域周辺のミクロ組織変化を抑制しつつ接合速度の高速度化を図った摩擦撹拌接合装置が開示されている。

　しかしながら、特許文献５および６の技術では、接合前の加熱による被加工材の加熱領域の表面温度や深さ等について注意が払われておらず、そのため、十分な接合施工性が得られない。さらに、過剰加熱により加熱領域周辺のミクロ組織が変化し、接合継手特性、特に接合継手強度に悪影響を及ぼす場合があった。そのため、十分な強度を得るとともに、接合施工性を向上させた実際的な摩擦撹拌接合方法とそれを可能とする装置は、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2003-94175号公報特開2005-288474号公報

　本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、構造用鋼の摩擦撹拌接合に際し、被加工材の加熱不足による塑性流動不良を有利に解消して、十分な強度を得るとともに、接合施工性の向上を図ることができる摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。そしてそのために、特に厳密に規定した予熱処理プロセス条件を実行可能な摩擦撹拌接合装置を提供する。

　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)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することができない。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といった接合施工性の劣化が懸念される。

　上記した本技術を工業化する上で非常に重要となる接合施工性の劣化を回避するためには、摩擦撹拌接合前の予熱処理プロセスが実行可能な摩擦撹拌接合装置が有効であると考えられる。

　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という問題が生じる。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を生じ、接合継手強度を著しく低下させる。

　発明者らは、摩擦撹拌接合前の予熱処理プロセス条件について種々検討した。

　その結果、
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)また、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ため、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することが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。

　本発明は、上記の知見に立脚するものである。

　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Ｔ_Ｓ(℃)が、
　Ｔ_Ｓ ≧ 0.8×Ｔ_A1　(Ｔ_A1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
　Ｔ_A1（℃）＝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Ｔ_Ｄ(℃)が、
　Ｔ_Ｄ ≧ 0.8×Ｔ_A1　(Ｔ_A1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
　Ｔ_A1（℃）＝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。

　本発明による摩擦撹拌接合装置を用いれば、構造用鋼の摩擦撹拌接合に際し、従来懸念された被加工材の加熱不足による塑性流動不良を有利に解消して、接合施工性の向上を図ることができる。さらにはミクロ組織の変化も抑制して、接合部において、高い継手強度を得ることができる。

図１は、本発明の摩擦撹拌接合方法を説明する概略図である。図２は、予熱プロセスにおける加熱領域、接合後に行ったプロセスにおける冷却領域および再加熱領域の一例を示す図（上面図およびＡ－Ａ断面図）である。図３は、本発明の摩擦撹拌接合装置で対象とする構造用鋼の一例についての温度と引張強さの関係を示す図である。図４は、実施例で使用した回転ツールの断面寸法を示す図である。

　以下、本発明を具体的に説明する。

　本発明は、構造用鋼の摩擦撹拌接合装置であり、図１に示すように、回転ツールを、鋼板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、回転ツールと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、鋼板を接合するものである。ここで、回転ツールは、肩部、およびこの肩部に配置され、この肩部と回転軸を共有するピン部を含み、少なくとも肩部とピン部は被加工材である鋼板よりも硬い材質により形成される。

　図中、符号１が回転ツール、２は回転軸、３は鋼板、４は接合部、５は加熱装置、６が冷却装置、７が後方加熱装置、８が回転ツールの肩部、９は回転ツールのピン部であり、αは回転ツール傾斜角度を示す。なお、「ＡＳ」および「ＲＳ」は、それぞれアドバンシングサイドおよびリトリーティングサイドを表す。

　アドバンシングサイドとは、ツール回転方向と接合方向が一致する側と、リトリーティングサイドとは、ツール回転方向と接合方向が反対となる側と、それぞれ定義する。

　本発明の摩擦撹拌接合装置による摩擦攪拌接合では、接合方向へ移動する該回転ツールの前方に設けた加熱装置により鋼板を加熱する予熱処理プロセスが重要である。以下、この予熱処理プロセス条件について、図２を参照しながら説明する。

　図中、符号10は接合中央線であり、この接合中央線は、鋼板の表面において回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線を示す。11は接合中央線に平行で、かつアドバンシングサイドへ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（以下、ＡＳ線と呼ぶものとする）、12は加熱領域、13は冷却領域、14は再加熱領域であり、ａで回転ツールの肩部直径を、ｂで回転ツールのピン部の最大径を、Ｘで加熱領域と回転ツールとの最小距離を、Ｄで加熱領域の最大深さを（以下、加熱領域の深さＤという）、ｔで鋼板の厚さをそれぞれ示す。

　［加熱領域における鋼板の表面温度Ｔ_Ｓ：Ｔ_Ｓ ≧0.8 ×Ｔ_A1］
　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Ｔ_A1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×Ｔ_A1℃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Ｔ_Ｓ(℃)を、0.8×Ｔ_A1℃以上とする。なお、Ｔ_A1（℃）は次式(1)により求めることができる。

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

　厚さ方向へ加熱領域を確保するためには加熱領域の表面には温度勾配が存在しても良い。その場合、加熱領域における鋼板の表面温度は1.5×Ｔ_M℃以下とすることが好ましい。さらに、接合部の温度が過度に上昇することによる回転ツールの損傷やミクロ組織の変質を避けるため、加熱領域における鋼板の表面温度は、該加熱領域を通過する回転ツールと接触するまでにＴ_M℃未満とすることが好ましい。

　Ｔ_M（℃）は被加工材である鋼板の融点である。

　［鋼板の表面における加熱領域と回転ツールとの最小距離：回転ツールの肩部の直径以下］
　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。

　加熱領域と回転ツールの間隔が小さくなり過ぎると、回転ツールが加熱装置による熱で損傷する恐れがある。そのため、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は、回転ツールの肩部の直径の0.1倍以上とすることが好ましい。

　なお、回転ツールの肩部の直径は、8～60mm程度である。

　［鋼板の表面における加熱領域の面積：回転ツールのピン部の最大径部の面積以下］
　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。

　ここで、回転ツールのピン部の最大半径とは、Fig. 4に示すツール形状の投影図においてはbに相当し、他のツール形状においてピン部がテーパ形状などを有し、場所によってピン径が異なる場合は、投影図においてピン径が最大となる位置に相当する。

　一方、加熱領域の面積が小さくなりすぎると、予熱による効果が十分に得られなくなる。よって、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における最大径部の面積の0.1倍以上とすることが好ましい。

　回転ツールのピン部の最大径は、2～50mm程度である。

　［鋼板の表面において、接合中央線とＡＳ線との間に位置する加熱領域の面積：鋼板の表面における加熱領域の面積の50％以上］
　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。

　鋼板の表面において、加熱領域12の面積の50％以上を、接合中央線10と、該接合中央線10に平行なＡＳ線11との間に位置させ、アドバンシングサイドを優先的に加熱することで、塑性流動を促進し、欠陥の発生を抑え、接合速度の高速化を図ることができる。好ましくは加熱領域の面積の60％以上、より好ましくは80％以上の範囲である。なお、100％であってもよい。

　アドバンシングサイドを優先的に加熱するという観点からは、加熱領域の中心を、接合中央線とＡＳ線の中間点を通る直線と、ＡＳ線との間に位置させる。換言すれば、加熱領域の中心を接合中央線よりもアドバンシングサイドに位置させ、さらに加熱領域中心から接合中央線までの距離を、回転ツールのピン部における最大半径の0.5倍以上１倍以下とすることが好ましい。

　［加熱領域の厚さ方向の領域における温度Ｔ_Ｄ：Ｔ_Ｄ ≧0.8×Ｔ_A1］
　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Ｔ_A1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×Ｔ_A1℃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Ｔ_Ｄは、0.8×Ｔ_A1℃以上として定義するものとした。なお、Ｔ_A1（℃）は次式(1)により求めることができる。

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

　厚さ方向へ加熱領域を確保するためには加熱領域の厚さ方向には温度勾配が存在しても良い。その場合、加熱領域における鋼板の厚さ方向の温度は1.5×Ｔ_M℃以下とすることが好ましい。さらに、接合部の温度が過度に上昇することによる回転ツールの損傷やミクロ組織の変質を避けるために、加熱領域における鋼板の厚さ方向の温度は、該加熱領域を通過する回転ツールと接触するまでにＴ_M℃未満とすることが好ましい。

　Ｔ_M（℃）は被加工材である鋼板の融点である。

　［加熱領域の深さＤ：鋼板の合計厚さの30％以上］
　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Ｔ_Ｄが0.8×Ｔ_A1℃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。

　しかしながら、加熱領域の深さＤが、鋼板の合計厚さの90％を超えると、加熱が過多となりミクロ組織の変化が懸念されるので、加熱領域の深さＤは鋼板の合計厚さの90％以下とすることが好ましい。

　また、予熱処理プロセスで使用する加熱装置は特に限定されるものではないが、レーザ加熱装置を用いることが好ましい。

　というのは、エネルギー密度の高いレーザを熱源に用いることで、予熱処理プロセス条件の制御をより正確に行うことができ、接合継手特性を損なうことなく接合施工性の向上を図ることができるからである。

　なお、上記した以外の条件については特に限定されず、例えば予熱処理プロセスで使用する加熱装置の移動速度は、接合速度と同程度とすればよい。また、この加熱装置にレーザ加熱装置を用いる場合、そのレーザ出力やビーム径は、接合条件に応じて適宜設定すればよい。

　以上、本発明の摩擦撹拌接合装置における予熱処理プロセスについて説明したが、本発明の摩擦撹拌接合装置では、接合方向へ移動する回転ツールの後方に、冷却装置を設け、その冷却装置により、接合継手強度を改善することができる。

　というのは、通常、接合完了後、接合部は自然放冷状態となるため、被加工材である鋼材の焼入れ性が低い場合は、接合継手の強度が十分に得られないという問題があった。この点、接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に設けた冷却装置により、前記鋼板の接合部を冷却し、冷却速度を適切に制御することで、焼入れによる強度向上を図ることができる。具体的な冷却装置としては、不活性ガスの噴出による冷却が好適である。この場合の冷却速度としては、例えば800℃から500℃の範囲を30～300℃/sとすることが好適である。

　一方、被加工材である鋼材の焼入れ性が高い場合は、接合部が過度に硬化する可能性があり、接合継手の靭性を低下させるという問題があった。この点、回転ツールに近接する後方部分を加熱する後方加熱装置を設け、冷却速度を適切に制御して徐冷することで、過度な硬化を抑制することができる。具体的な加熱装置としては高周波誘導加熱、レーザを熱源とした加熱が好適である。この場合の徐冷速度としては、例えば800℃から500℃の範囲を10～30℃/sとすることが好適である。

　接合方向へ移動する回転ツールの後方で、かつ上記した冷却装置の後に、後方加熱装置を設け、該後方加熱装置により鋼板の接合部を再加熱してもよい。

　これにより、接合部が冷却装置による冷却で焼入れされ、過度に硬化した場合に、該後方加熱装置で焼き戻しすることにより硬度を抑え、強度と靭性を併せ持つ継手特性を達成することができる。この場合の冷却速度としては、例えば800℃から500℃の範囲を30～300℃/s、再加熱温度としては、例えば550～650℃とすることが好適である。

　さらに、接合方向へ移動する回転ツールの後方で、かつ上記した後方加熱装置の後に、冷却装置を設け、該冷却装置により鋼板の接合部を冷却してもよい。

　この場合には、接合直後において、後方加熱装置で冷却速度を小さく、その後、冷却装置で冷却速度を大きくすることで、組織を複合化することができ、強度と延性を併せ持つ継手特性を達成することができる。この場合の冷却速度としては、例えば、800℃から600℃の範囲を10～30℃/s程度とし、その後、600℃から400℃の範囲を30～300℃/s程度とすることが好適である。

　上記以外の接合条件については、常法に従えばよいが、回転ツールのトルクが大きいほど鋼板の塑性流動性は低いことになるので、欠陥などが生じ易くなる。

　従って、本発明では、回転ツールの回転数を100～1000rpmの範囲とし、回転ツールのトルクを抑え、接合速度を1000mm/min以上に高速化することを目標とする。

　本発明の対象鋼種としては、一般的な構造用鋼や炭素鋼、例えばJIS G 3106の溶接構造用圧延鋼材、JIS G 4051の機械構造用炭素鋼などを好適に用いることができる。また、引張強度が800MPa以上の高強度構造用鋼にも有利に適用でき、この場合であっても、接合部において、鋼板（母材）の引張強度の85％以上の強度、さらには90％以上の強度が得られる。

実施例１
　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。

　変態点（Ｔ_A1℃）以上となった領域は最も濃く、その外側に存在する変態点（Ｔ_A1℃）未満であるが母材中のマルテンサイトなどの高硬度組織が焼き戻される領域は比較的薄くエッチングされるため、変態点（Ｔ_A1℃）以上となった領域、変態点（Ｔ_A1℃）未満での焼き戻し領域、母材の領域はそれぞれ識別可能である。さらに、鉄鋼の熱処理の知見より、変態点（Ｔ_A1℃）未満での焼き戻し領域は、0.8×Ｔ_A1℃以上かつＴ_A1℃未満の領域と一致することが知られている。このようなナイタール腐食液によるミクロ組織観察より、変態点（Ｔ_A1℃）以上となった領域の深さＤ₀、および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）を測定した。

　これらの測定結果を表４に示す。

　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×Ｔ_A1℃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。

　照射条件Ｂにおいて、0.8×Ｔ_A1℃以上となる領域は直径2.0mmの円形状であった。従って、上記と同様に、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。

　一方、照射条件Ｃにおいて、0.8×Ｔ_A1℃以上となる領域は直径4.5mm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を超えることとなる。

　表４に示すように、レーザ照射部の断面観察から、照射条件Ａにおいて、Ｔ_A1℃以上となった領域の深さＤ₀および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）はそれぞれ0.28、0.30mmであった。被加工材である鋼板の厚さｔは1.6mmであるので、0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さである加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約18.8％となる。

　照射条件Ｂにおいて、Ｔ_A1℃以上となった領域の深さＤ₀および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）はそれぞれ0.47、0.50mmであった。被加工材である鋼板の厚さｔは1.6mmであるので、加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約31.3％となる。

　一方、照射条件Ｃにおいて、Ｔ_A1℃以上となった領域の深さＤ₀および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）はそれぞれ0.09、0.10mmであった。被加工材である鋼板の厚さｔは1.6mmであるので、加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約6.3％となる。

　表５に、被加工材の接合前に行ったレーザ照射による予熱プロセス条件、および接合後に行ったプロセス条件を示す。ここで、接合後に行ったプロセスにおける冷却ではガス噴出による冷却を、加熱（および再加熱）では誘導加熱をそれぞれ行った。

　表５中、予熱プロセス条件および接合後に行ったプロセス条件における「－」は、それぞれ予熱プロセスおよび冷却や加熱といった接合後のプロセスを行わなかった場合を示す。また、接合中央線から加熱領域中心までの距離における「（ＡＳ）」、「（ＲＳ）」との記載は、加熱領域の中心が、接合中央線からそれぞれアドバンシングサイド、リトリーティングサイドにあることを示す。

　表６に、接合を実施した際の回転ツールのトルクの測定値と、得られた接合継手よりJIS Z 3121で規定する1号試験片の寸法の引張試験片を採取し、引張試験を行った際の引張強さを示す。

　回転ツールのトルクが大きいほど塑性流動性が低く、欠陥などが生じ易いと言える。

　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。

　一方、比較例１～５では、回転ツールのトルクが80N・m以上となり、塑性流動性に劣っていた。

実施例２
　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（Ｔ_A1℃）以上となった領域の深さＤ₀、および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）を測定した。

　これらの測定結果を表９に示す。

　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×Ｔ_A1℃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。

　照射条件Ｅにおいて、0.8×Ｔ_A1℃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2.2mm、短径は1.8mmであった。従って、上記と同様に、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。

　一方、照射条件Ｆにおいて、0.8×Ｔ_A1℃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4.9mm、短径は4.1mm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を超えることとなる。

　表９に示すように、レーザ照射部の断面観察から、照射条件Ｄにおいて、Ｔ_A1℃以上となった領域の深さＤ₀および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）はそれぞれ0.30、0.32mmであった。被加工材である鋼板の厚さｔは1.6mmであるので、0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さである加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約20.0％となる。

　照射条件Ｅにおいて、Ｔ_A1℃以上となった領域の深さＤ₀および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）はそれぞれ0.51、0.54mmであった。被加工材である鋼板の厚さｔは1.6mmであるので、加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約33.8％となる。

　一方、照射条件Ｆにおいて、Ｔ_A1℃以上となった領域の深さＤ₀および0.8×Ｔ_A1℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）はそれぞれ0.10、0.11mmであった。被加工材である鋼板の厚さｔは1.6mmであるので、加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約6.9％となる。

　表10に、被加工材の接合前に行ったレーザ照射による予熱プロセス条件、および接合後に行ったプロセス条件を示す。ここで、接合後に行ったプロセスにおける冷却ではガス噴出による冷却を、加熱（および再加熱）では誘導加熱をそれぞれ行った。

　表10中、予熱プロセス条件および接合後に行ったプロセス条件における「－」は、それぞれ予熱プロセスおよび冷却や加熱といった接合後のプロセスを行わなかった場合を示す。また、接合中央線から加熱領域中心までの距離における「（ＡＳ）」、「（ＲＳ）」との記載は、加熱領域の中心が、接合中央線からそれぞれアドバンシングサイド、リトリーティングサイドにあることを示す。

　表11に、接合を実施した際の回転ツールのトルクの測定値と、得られた接合継手よりJIS Z 3121で規定する1号試験片の寸法の引張試験片を採取し、引張試験を行った際の引張強さを示す。

　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。

　一方、比較例６では回転ツールが接合中に破損し、接合ができなかった。また、比較例７～10は、未接合部分が残る状態となって接合ができず、従って、健全な継手は得られなかった。このため、比較例６～10では、回転ツールのトルク等の測定は行っていない。

　１　　回転ツール
　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

　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Ｔ_Ｓ(℃)が、
　Ｔ_Ｓ ≧ 0.8×Ｔ_A1　(Ｔ_A1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
　Ｔ_A1（℃）＝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Ｔ_Ｄ(℃)が、
　Ｔ_Ｄ ≧ 0.8×Ｔ_A1　(Ｔ_A1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
　Ｔ_A1（℃）＝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。