WO2017169992A1 - 構造用鋼の摩擦撹拌接合方法及び装置 - Google Patents

Abstract

被加工材の加熱不足による塑性流動不良を解消し、十分な強度とともに、接合施工性の向上を図ることを目的とし、特に予熱処理プロセス条件を厳密に精査した摩擦撹拌接合方法と上記を実現する装置を提供することを課題とする。 被加工材である鋼板（３，３）の摩擦撹拌接合に際し、相対向する一対の回転ツール（１，１５）を鋼板（３，３）の一方面側と他方面側の両方から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、且つ回転ツール（１，１５）の前方に設けた加熱手段（５）により、鋼板（３，３）を加熱する予熱処理プロセスを行い、当該相対向する一対の回転ツール（１，１５）の構成および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。

Description

構造用鋼の摩擦撹拌接合方法及び装置

　本発明は、回転ツール（以下、単に「ツール」と称することもある。）を被加工材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加工材の軟化と、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とを利用して、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および上記を実現する装置に関する。

　摩擦溶接法として、特許文献１には、一対の金属材料（被加工材）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に開示された摩擦撹拌接合法は、被加工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被加工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、回転ツールと被加工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、未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、加熱手段による加熱温度が低いため接合後の変形が少なく、また未接合部は溶融されないため接合部の欠陥が少なく、加えて溶加材を必要としないなど多くの利点がある。

　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（Si₃N₄）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。

　特許文献５～７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手段を付加した接合方法が開示されている。

　特許文献５には、誘導加熱装置を用いた加熱手段を有し、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が開示されている。

　特許文献６には、レーザ装置を用いた加熱手段を有し、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。

　特許文献７には、レーザ装置を用いた加熱手段を有し、接合直前に被加工材を部分的に加熱する摩擦撹拌接合装置が開示されている。加熱に際し、被加工材の加熱領域の表面温度や深さ等について厳密に制御することで、被加工材の加熱不足による塑性流動不良を解消して、十分な強度と共に、接合施工性の向上を図ることができる。

　特許文献８、９には、上下に回転ツールを１本ずつ備え、２枚の金属板の重ね合わせ部の表面側と裏面側に、それぞれ上下に対向するように回転ツールを配置した両面摩擦撹拌接合方法及び装置が開示されている。該両面摩擦撹拌接合方法及び装置では、上下より回転ツールを回転させながら被接合材を押圧し、回転ツールを接合方向へ移動させながら被接合材を接合する。これにより、接合不良を抑制して接合強度を向上させることができ、更に回転ツールの寿命を伸ばすことで回転ツールの経済性を向上させることができる。

　摩擦撹拌接合においては、摩擦熱により被加工材を軟化させつつ回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせる。被加工材が構造用鋼である場合、回転ツールで被加工材を撹拌する際には回転ツールのピンには大きな負荷が掛かる。この事象は回転ツールの耐久性、寿命に大きな影響を及ぼし、接合施工性を制限する主要な要素になっている。特許文献５～７に記載の摩擦熱以外の加熱手段を付加する方法は上記の課題を克服するために有効であると考えられる。しかし、特許文献５～７に記載の方法では、被加工材の表面側、裏面側において、いずれも加熱手段を備える側と回転ツールを備える側が同一であり、発熱源は一方の面側（例えば表面側）にのみ存在する。よって、加熱手段を備え且つ回転ツールを備える側の反対側、すなわち裏面側では表面側と比較しより低温となり、表面側から裏面側では被加工材の厚さ方向に対して温度差を生じることになる。被加工材である金属板はより高温となるほど強度が下がるので、摩擦撹拌接合における回転ツールの負荷は高温となるほど下がるものと考えられる。よって、被加工材の厚さ方向に対して形成される温度差を解消することで、回転ツールのピン先端に掛かる負荷を低減することができると考えられる。しかし、特許文献５～７において、被加工材の厚さ方向における温度差を解消することによる回転ツールの負荷低減については、全く考慮されていない。

　一方、摩擦撹拌接合において、被加工材の厚さ方向に対して形成される温度差を解消する方法としては、特許文献８、９に開示の両面摩擦撹拌接合方法が有効と考えられる。しかしこれらの接合方法では、回転ツール前方の加熱手段を用いて被加工材を加熱する予熱処理プロセスによって、回転ツールの負荷を低減し、さらに接合施工性及び回転ツールの寿命を向上させることに関しては、何ら考慮されていない。

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 国際公開番号WO2015/045299 A1号公報 特許3261433号 特許4838385号

　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解消して、十分な強度の接合部を得るとともに、接合施工性の向上を図ることを目的とする。該目的を実現するために、特に予熱処理プロセス条件を厳密に規定した摩擦撹拌接合方法及び装置を提供することを課題とする。

　さて、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有効であると考えられる。

　b)しかしながら、被加工材の表面側、裏面側において、いずれも予熱処理プロセスの加熱手段を備える側と回転ツールを備える側が同一である場合、発熱源は同一面側（例えば表面側）のみに存在する。これにより、裏面側では表面側と比較しより低温となり、表面側から裏面側では被加工材の厚さ方向に対して温度差を生じることになる。被加工材である金属板はより高温となるほど強度が下がるので、摩擦撹拌接合における回転ツールの負荷は高温となるほど下がる。よって、被加工材の厚さ方向に対して形成される温度差を解消することで、回転ツールのピン先端に掛かる負荷をより効果的に低減することができると考えられる。

　そこで、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)被加工材の表面側から裏面側における厚さ方向に対する温度差を解消するためには、予熱処理が行われる被加工材の一方面側だけでなく他方面側にも回転ツールを対向して配置し、被加工材に対し一方面側及び他方面側の両方から被加工材を摩擦熱により加熱する摩擦撹拌接合を実現する機構とすることが有効であることを見出した。

　d)一方で、上記の摩擦撹拌接合前の予熱処理プロセスを含む接合を行う際に、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、加熱の際における加熱領域周辺の温度が、フェライト－オーステナイト変態温度以下であっても、マルテンサイトが焼き戻されることで軟化を生じ、接合部の強度を著しく低下させる。

　そこで、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、
e)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、接合部の特性（例えば強度等）の劣化を招くことなく、施工性を向上できるとの知見を得た。
f)被加工材の加熱において、回転ツールの表面の素材と被接合材との間の動摩擦係数に支配される摩擦発熱量を調節することにより、施工性を向上させることができるとの知見を得た。
g)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、接合部の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。

　すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．肩部及び前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、少なくとも前記肩部と前記ピン部と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おい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構造用鋼の摩擦撹拌接合方法において、
　前記回転ツールを前記鋼板の一方面側と他方面側とに対向してそれぞれ配置し、
　前記鋼板を把持装置により把持しつつ、対向する回転ツールのそれぞれの肩部を鋼板の一方面側と他方面側とに押圧させ、対向する回転ツールのそれぞれのピン部を一方面側と他方面側とから鋼板の未接合部に挿入して、回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
　接合方向へ移動する前記回転ツールの一方面側の前方に設けた加熱手段により前記鋼板を加熱し、加熱により鋼板の表面の温度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、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を、回転ツールの肩部の直径以下とし、
　また鋼板の表面における加熱領域の面積を、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下とし、
　さらに加熱領域の面積の50％以上が、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である接合中央線と、前記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と、の間に位置する構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
２．対向する両方の回転ツールのピン長が同一である１に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
３．対向する両方の回転ツールのピン長のうち、一方面側の回転ツールのピン長が他方面側の回転ツールのピン長より短い１に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
４．対向する両方の回転ツールの軸芯を、前記回転ツールの進行方向に対してそれぞれのピン部が先行する方向に傾け、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動させて摩擦撹拌接合する１～３のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
５．回転ツールの回転方向を、一方面側と他方面側とで逆方向とする１～４のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
６．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、前記鋼板の厚さｔの100％となる１～５のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
７．前記加熱手段が、レーザ加熱装置である１～６のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
８．接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に後方加熱手段を設け、前記後方加熱手段により前記鋼板の接合部を加熱する１～７のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
９．前記回転ツールの後方でかつ前記後方加熱手段の後方に冷却手段を設け、前記冷却手段により前記鋼板の接合部を冷却する８に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
１０．接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に冷却手段を設け、前記冷却手段により前記鋼板の接合部を冷却する１～７のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
１１．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手段の後方に後方再加熱手段を設け、前記後方再加熱手段により前記鋼板の接合部を再加熱する９又は１０に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
１２．鋼板との動摩擦係数が０．６より大きい素材により、前記回転ツールの表面が形成されてなる１～１１のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
１３．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、
　接合される鋼板を把持する把持装置と、
　肩部及び前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、少なくとも前記肩部と前記ピン部とは鋼板よりも硬い材質からなり、前記鋼板の一方面側と他方面側とに対向して配置され、対向するそれぞれの肩部が鋼板の一方面側と他方面側とを押圧するとともに対向するそれぞれのピン部が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へと移動可能な回転ツールと、
　前記回転ツールの一方面側の接合方向前方に設けられ、鋼板を加熱する加熱手段と、
　以下の状態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、を有する摩擦撹拌接合装置。
（状態１）
　加熱手段を用いた加熱により鋼板の表面の温度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、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が、回転ツールの肩部の直径以下であり、
　また鋼板の表面における加熱領域の面積が、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、
　さらに加熱領域の面積の50％以上が、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である接合中央線と、前記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と、の間に位置する。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
１４．対向する回転ツールの両方が、肩部および前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、且つ対向する両方の回転ツールのピン長が同一である１３に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
１５．対向する回転ツールの両方が、肩部および前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、且つ対向する両方の回転ツールのピン長のうち、一方面側の回転ツールのピン長が他方面側の回転ツールのピン長より短い１３に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
１６．対向する両方の回転ツールの軸芯は、前記回転ツールの進行方向に対してそれぞれのピン部が先行する方向に傾けられてなる１３～１５のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
１７．回転ツールの回転方向が、一方面側と他方面側とで逆方向である１３～１６のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
１８．前記制御手段は、前記状態１に加えて、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１３～１７のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
（状態２）
　前記加熱領域の厚さ方向の領域に関し、温度ＴＤ(℃)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深さを加熱領域の深さＤとしたとき、加熱領域の深さＤが、前記鋼板の厚さｔの100％となる。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
１９．前記加熱手段が、レーザ加熱装置である１３～１８のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
２０．接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に、前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱手段を設ける１３～１９のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
２１．前記回転ツールの後方でかつ前記後方加熱手段の後方に、前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段を設ける２０に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
２２．接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に、前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段を設ける１３～１９のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
２３．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手段の後方に、前記鋼板の接合部を再加熱する後方再加熱手段を設ける２１又は２２に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
２４．鋼板との動摩擦係数が０．６より大きい素材により、前記回転ツールの表面が形成されてなる１３～２３のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。

　本発明によれば、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板厚方向における加熱不足から生じる塑性流動不良を解消することで、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することで、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、一方面側、他方面側の両方から被加工材を回転ツールにより摩擦撹拌する領域、予熱プロセスにおける加熱領域、接合後の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方法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方法および装置であり、図１に示すように、前方に設けた加熱手段によって被加工材（鋼板）を加熱する予熱処理プロセスと、その後段における回転ツールを用いた摩擦撹拌プロセスとを有する。回転ツールは、鋼板の一方面（表面）側と他方面（裏面）側とに対向してそれぞれ配置され、回転時の鋼板との摩擦熱により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て、鋼板を接合する。

　図１において、符号１、１５が回転ツール、２は回転軸、３は鋼板、４は接合部、５は加熱手段、６が冷却手段、７が後方再加熱手段、８、１６が回転ツールの肩部、９、１７は回転ツールのピン部であり、α、βで回転ツールの傾斜角度を示す。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。

　ここで、アドバンシングサイドとは、加熱手段を備えた表面側の回転ツールの回転方向（ツール回転方向）と接合方向が一致する側と定義し、リトリーティングサイドとは、表面側の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。

　本発明において、鋼板（被加工材）３、３は表裏面から把持装置（図示せず）により把持され、被加工材の未接合部の表面側と裏面側から、対向する回転ツールのピン部を未接合部に挿入し、対向する回転ツールの肩部を被加工材の表面側と裏面側に押圧し接合を施す。肩部による摩擦とピン部による撹拌とが適切に行われ、健全な接合が可能となるように、対向する回転ツールのピン部の先端間には適宜隙間δを設けてもよい。撹拌時の材料の変形抵抗による回転ツールへの負荷を低減するためには、隙間δは0.1mm以上とすることが有効である。一方、隙間δが大きすぎるとピン部により適切に撹拌されない部位が欠陥となるので、隙間δを0.3mm以下とすることが好ましい。

　対向する回転ツールは、肩部、およびピン部を含む。ピン部は、肩部に配置され、肩部と回転軸を共有する。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。対向する回転ツールのうち、加熱手段を設けた一方面側の回転ツールは、肩部を含むがピン部を含まない構成とすることもできる。この場合は、一方面側の回転ツールの肩部、並びに他方面側の回転ツールの肩部及びピン部を、被加工材である鋼板よりも硬い材質により形成すればよい。

　尚、図４にて示すように、回転ツールは、略円柱形状の肩部の上に、肩部よりも径の小さい略円柱形状のピン部が設けられた形状を有する。また、図４のように、肩部の表面はテーパ状に形成されていてもよい。

　従来の摩擦撹拌接合では、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回転ツールを鋼板の一方面側のみに配置し、ピン部を鋼板間の未接合部に挿入して接合を行っている。よって、ピン部の軸線方向長さ（ピン長）は被加工材の厚さと同等である必要があった。しかし、ピン長が長い程、ピン部の先端に掛かる負荷は大きくなるので、接合施工性及び回転ツールの寿命を向上させるためには、ピン長は短いほうが好ましい。

　本技術では、対向する両方の回転ツールのピン長が同一である場合、ピン長は被加工材の厚さの半分程度とすることができるので、それぞれの回転ツールに掛かる負荷は一方面側から回転ツールを挿入し接合する場合と比較して低減することができる。

　対向する両方の回転ツールのピン長のうち、加熱手段を備える側の回転ツールのピン長が反対側のツールのピン長より短い場合、加熱手段を備える側の回転ツールはピン長を短くすることで負荷を軽減できる。一方、加熱手段を備える側と反対側の回転ツールにおけるピン先端付近の接合部も、加熱手段により十分な熱が付与されるので、同様にツールの負荷を低減することが出来る。

　対向する回転ツールの軸芯を、回転ツールの進行方向に対してそれぞれのピン部が先行する方向に傾ける（言い換えると、ピン部の先端部がピン部の後端部よりも、回転ツールの進行方向の前方側に位置するように、回転ツールを傾ける）ことで、ツールに対する負荷を軸方向に圧縮される分力とすることができる。ツールの少なくとも肩部とピン部とは、鋼板よりも硬い材質により形成される必要があり、セラミックなどの靭性に乏しい材料を使用することが多いため、ピンに対して曲げ方向の力が負荷されると、局部に応力が集中し破壊に至る。よって、回転ツールの軸心を傾けることでツールに対する負荷を軸方向に圧縮される分力として受け、曲げ方向の力を低減することができ、ツールの破損を回避することができる。尚、ピン部の傾斜角度の一例として、１°以上５°以下を挙げることができる。ピン部の傾斜角度は、回転ツールの軸中心線と鉛直線との間でなす角度のうち、鋭角となるものをいう。

　対向する回転ツールの回転方向を、一方面側と他方面側とで逆方向にすることで、回転ツールより被接合材に加わる回転トルクを打ち消し合うことができる。これにより、従来の一方面側から回転ツールを押圧して接合する摩擦撹拌接合法と比較すると、被接合材を拘束する治具の構造を簡略化することが可能である。

　本発明の摩擦撹拌接合方法および装置では、接合方向へ移動する回転ツールの前方に設けた加熱手段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。

　なお、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。12は加熱領域、13は冷却領域、14は再加熱（後方加熱）領域であり、ａは回転ツールの肩部直径を、ｂは回転ツールのピン部の最大径を、Ｘは加熱領域と回転ツールとの最小距離を、Ｄは加熱領域の深さを、ｔは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≧ 0.8 ×Ｔ_A1］
　本発明の摩擦撹拌接合方法および装置で接合する鋼板の温度と引張強さとの関係を図３に示す。図３のように、通常、鋼の変態温度（フェライト－オーステナイト変態温度）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）
　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％）であり、含有しない場合は０とする。

　ただし、厚さ方向へ加熱領域を確保するためには、加熱領域の表面に温度勾配が存在しても良い。この場合、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、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。
　なお、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一方面側の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は、回転ツールの肩部の直径以下とする。

　ただし、加熱領域と回転ツールの間隔が小さくなり過ぎると、回転ツールが加熱手段による熱で損傷する恐れがある。よって、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。この場合、回転ツールの移動速度は、200mm/min以上3000mm/min以下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：一方面側の回転ツールのピン部の最大径部の面積以下］
　加熱領域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、接合部の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。

　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。

　なお、回転ツールのピン部の最大径は、2～50mm程度である。回転ツールのピン部の最大径は、１つのピン部を軸線方向と垂直な断面で（複数回）切断した際の切断面で得られる径のうち最大のものである。例えば、図４（１）～（４）のように、ピン部の径が軸線方向に沿って変わらない場合にはピン部の上面の径（図では４ｍｍ）をピン部の最大径とすることができる。一方で、ピン部がテーパ形状等を有し、軸線方向の位置によってピン部の径が異なる場合には、複数の断面で得られる径のうち最も大きい径をピン部の最大径とすることができる。
　また、加熱領域の形状は、円形、楕円形、矩形など任意の形状とすることができる。尚、加熱領域の面積を算出する際に、加熱領域の形状が楕円形の場合には長径をピン径として採用することができ、矩形等の場合には円相当径をピン径として採用することができる。

［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、表面側における塑性流動は、アドバンシングサイドを始点とし、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、及び接合方向後方を順に通り、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ので、被加工材である鋼板の加熱不足が生じ易い。よって、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、加熱領域の面積の50％以上を、接合中央線と、接合中央線に平行なＡＳ線との間に位置させ、アドバンシングサイドを優先的に加熱する。これにより、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。接合中央線とＡＳ線との間に位置させるのは、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。

　また、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。尚、前記ＡＳ線とは、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のことをいう。

［回転ツールの表面の素材：鋼板との動摩擦係数が0.6より大きい］
　接合時における塑性流動を十分に発生させて接合欠陥を防ぐという観点から、回転ツールの表面を形成する素材は、鋼板との動摩擦係数が０．６より大きいことが好ましい。尚、回転ツール自体を鋼板との動摩擦係数が０．６より大きい素材により形成してもよいし、回転ツールの表面を鋼板との動摩擦係数が０．６より大きい素材により被覆してもよい。前記素材は、回転ツールの表面のうち、少なくとも摩擦撹拌時に鋼板と接触する面に形成されていればよい。鋼板との動摩擦係数が０．６より大きい材質としては、例えば炭化タングステン（ＷＣ）を挙げることができる。尚、動摩擦係数の測定方法は特に制限されず、例えばボールオンディスク法を用いることができる。

［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方法および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、鋼板の表面だけでなく、厚さ方向においても鋼板を高温化させ、予め軟化させることが好ましい。具体的には、加熱領域の厚さ方向においても、温度を0.8×Ｔ_A1℃以上として鋼板を予め軟化させることが好ましい。これにより、当該鋼板の撹拌及び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することができる。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％）であり、含有しない場合は０とする。

　ただし、厚さ方向へ高温領域を確保するにあたって、加熱領域の厚さ方向に温度勾配が存在しても良い。その場合、加熱手段による加熱時に、加熱領域の厚さ方向における温度は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、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。
　なお、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：鋼板の厚さの100％］
　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、鋼板の厚さの100％とすることが好ましい。加熱領域の深さＤを鋼板の厚さの100％とすることで、塑性流動が最大限に促進されるので、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。予熱処理プロセスの加熱手段と同一面側に回転ツールを押圧して接合する従来の技術では、予熱処理プロセスの加熱手段を備え且つ回転ツールを押圧する側の反対側は、鋼板と同等もしくはそれ以上の硬さを有する支持体により支持する必要がある。一方、Ｄを鋼板の厚さの100％とすることにより、支持体による支持の必要がない。また、加熱領域の深さＤが鋼板の厚さの30%を超えると被接合材と支持体が固着する恐れがあったが、本発明では、加熱領域の反対側に支持体を設けていないので、加熱領域の深さＤが鋼板の厚さの100%としても固着の恐れは無い。

　尚、加熱領域の位置及び面積が上述の条件（状態１）を満たすように、或いは加熱領域の深さＤが上述の条件（状態２）を満たすように、装置の運転条件を制御する制御手段を用いることもできる。具体的に、制御手段は、加熱手段及び回転ツールの運転条件を制御することができる。また、制御手段により、後述する後方加熱手段、冷却手段、及び後方再加熱手段等の運転を制御することもできる。

　予熱処理プロセスで使用する加熱手段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。

　レーザ加熱装置のような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、接合部の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。

　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手段の移動速度は、接合速度と同程度とすればよい。また、この加熱手段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。

　本発明の摩擦撹拌接合方法および装置では、接合方向へ移動する回転ツールの後方に、冷却手段を設け、その冷却手段により、接合部の強度を改善することができる。

　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、接合部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手段により、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。具体的な冷却手段としては、不活性ガスの噴出による冷却が好適である。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。例えば、不活性ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス等を用いることができる。

　一方、被加工材である鋼材の焼入れ性が高い場合は、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手段を設け、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。具体的な後方加熱手段としては高周波誘導加熱、レーザを熱源とした加熱等が好適である。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、かつ上記した冷却手段の後に、後方再加熱手段を設け、後方再加熱手段により鋼板の接合部を再加熱してもよい。

　接合部が冷却手段による冷却で焼入れされ、過度に硬化した場合に、後方再加熱手段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。この場合の冷却手段による冷却速度としては、例えば800℃から500℃の範囲を30～300℃/s、再加熱後の接合部の温度としては、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、かつ上記した後方再加熱手段の後に、冷却手段を設け、該冷却手段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、後方再加熱手段で冷却速度を小さく抑え、その後、冷却手段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。例えば、再加熱手段における冷却速度は、800℃から600℃の範囲を10～30℃/s程度とし、その後、冷却手段における冷却速度は、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が好ましい。

　また、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(日本工業規格) 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。

　板厚1.60mmの表１に示す化学組成（表１の組成以外の残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる）、引張強さの鋼板（１同士又は２同士）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、鋼板の一方面側、もしくは一方面側、他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行った。摩擦撹拌接合の接合条件を表２（及び表５）に示す。L4、H3の条件が鋼板の一方面側から回転ツールを押圧して接合を行った場合（比較例）、L1、L2、L3、H1、H2が鋼板の一方面側、他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行った場合（本発明例）の接合条件である。ここでは、図４(1)、(2)、(3)、(4)に断面寸法を示す4種類の形状の炭化タングステン（ＷＣ）を素材とした回転ツールを用い、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。

　回転ツールの表面の材質としては、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として皮膜処理を施さないもの（発明例１～２４及び比較例１～８）、或いは、炭化タングステンを素材として物理蒸着（ＰＶＤ）により窒化チタン（ＴｉＮ）の表面被覆を施したもの（ＷＣ＋ＴｉＮ）を使用した（発明例２５～２７）。回転ツールの表面と鋼板との摩擦係数は、ＷＣに皮膜処理を施さないものの場合は0.7であり、ＴｉＮの表面被覆を施したものの場合は0.5であった。尚、動摩擦係数を測定する際には、ボールオンディスク摩擦磨耗試験機を用いて、対象素材からなるディスクを回転させながら固定された直径6mmの鋼球に荷重5Nで押し付け、回転速度100mm/sで滑り距離300mで試験を行った。試験は、室温、無潤滑で行った。上記の鋼球に関しては、JIS G 4805で規定されるSUJ2の化学成分を有する素材からなり、軸受け用鋼球として加工処理されたものを用いた。

 

 

　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ことを目的として、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。さらに、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。

　ここで、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ので、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、及び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2.4mm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直径は4.0mmであるので、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においては、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。

　照射条件Ｃにおいては、0.8×Ｔ_A1℃以上となる領域は直径5.4mm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直径は4.0mmであるので、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。尚、照射条件Ａ～Ｃでは、いずれも加熱領域が円形となったので、表４中の短径については記載していない。

　照射条件Ｄにおいては、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1.8mm、短径は1.2mmであった。ここで用いた回転ツールのピン部の最大直径は4.0mmであるので、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においては、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2.3mm、短径は1.9mm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。

　また、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、ＴA1℃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1.60mm、1.60mmであり、Ｔ_A1℃以上となった領域が鋼板の厚さ全域に形成された。よって、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100％となる。

　照射条件Ｂにおいては、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0.47mm、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。

　照射条件Ｃにおいては、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0.28mm、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、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Ｄにおいては、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1.60mm、1.60mmであり、Ｔ_A1℃以上となった領域が鋼板の厚さ全域に形成された。よって、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100％となる。

　照射条件Ｅにおいては、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0.58mm、0.63mm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39.4％となる。

　次に、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、それぞれ撹拌接合前の加熱、及び撹拌接合後の加熱や冷却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、得られた接合継手の引張強さを示す。引張強さは、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、引張試験を行うことにより測定された。

　なお、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１～11では、接合速度を４００ｍｍ／ｍｉｎと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、表面側、裏面側のそれぞれの回転ツールのトルクが80N・m以下と、塑性流動性も良好であった。特に、接合後に冷却及び再加熱を行った発明例７および８では、母材の引張強さの100%以上の強度が得られた。

　比較例１～4は、本発明の範囲を満足する鋼板の一方面側及び他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行う摩擦撹拌接合条件で、かつ予熱プロセス条件は本発明の範囲を満足しない条件であった。比較例１～４では、表面側、裏面側の両方の回転ツールのトルクが80N・mより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。さらに、比較例5では、本発明の範囲を満足しない鋼板の一方面側のみから回転ツールを押圧して接合を行う摩擦撹拌条件で、かつ予熱プロセス条件は本発明の範囲を満足する条件であり、表面側の回転ツールのトルクが80N・mより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。

　表６より、発明例12～21では、接合速度を1000mm/minに高速化しても、表面側、裏面側のそれぞれの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、接合後に冷却及び再加熱を行った発明例17および18では、母材の引張強さの99%以上の強度が得られた。

　比較例6及び7は、本発明の範囲を満足する鋼板の一方面側及び他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行う摩擦撹拌条件で、かつ予熱プロセス条件は本発明の範囲を満足しなかった。比較例6、7では、未接合部分が残る状態となって接合ができず、健全な継手は得られなかった。このため、比較例6、7では、回転ツールのトルク等の測定は行っていない。

　比較例8は、本発明の範囲を満足しない鋼板の一方面側のみから回転ツールを押圧して接合を行う摩擦撹拌条件で、かつ予熱プロセス条件は本発明の範囲を満足しなかった。比較例8では、健全な継手は得られたが表面側の回転ツールのトルクが100N・mより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。

　表６より、発明例２２～２４では、接合速度を1000mm/minに高速化した場合であっても、表面側、裏面側のそれぞれの回転ツールのトルクを95N・m以下として接合することができた。また母材となる鋼板の引張強さの90％以上の強度が達成でき、健全な継手が得られた。一方で、鋼板との動摩擦係数が0.6以下となる材質を用いた発明例２５～２７では、表面側、裏面側のそれぞれの回転ツールのトルクが80N・m以下となった。一方で引張強さは母材となる鋼板の80～85％の強度となり、動摩擦係数以外は同じ条件で実験を行った発明例２２～２４の健全な継手と比較すると劣位となった。

　１　　表面側回転ツール
　２　　表面側回転ツールの回転軸
　３　　鋼板
　４　　接合部
　５　　加熱手段
　６　　冷却手段
　７　　後方再加熱手段
　８　　表面側回転ツールの肩部
　９　　表面側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
　15　　裏面側回転ツール
　16　　裏面側回転ツールの肩部
　17　　裏面側回転ツールのピン部
　19　　裏面側回転ツールの回転軸
 
　ａ　　表面側回転ツールの肩部直径
　ｂ　　表面側回転ツールのピン部の最大径
　ｃ　　表面側回転ツールのピン長さ
　Ｘ　　加熱領域と回転ツールとの距離
　Ｄ　　加熱領域の深さ
　ｔ　　鋼板の厚さ
　α　　表面側回転ツール傾斜角度
　β　　裏面側回転ツール傾斜角度

Claims (24)

1. 　肩部及び前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、少なくとも前記肩部と前記ピン部と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おい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構造用鋼の摩擦撹拌接合方法において、
   　前記回転ツールを前記鋼板の一方面側と他方面側とに対向してそれぞれ配置し、
   　前記鋼板を把持装置により把持しつつ、対向する回転ツールのそれぞれの肩部を鋼板の一方面側と他方面側とに押圧させ、対向する回転ツールのそれぞれのピン部を一方面側と他方面側とから鋼板の未接合部に挿入して、回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
   　接合方向へ移動する前記回転ツールの一方面側の前方に設けた加熱手段により前記鋼板を加熱し、加熱により鋼板の表面の温度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、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を、回転ツールの肩部の直径以下とし、
   　また鋼板の表面における加熱領域の面積を、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下とし、
   　さらに加熱領域の面積の50％以上が、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である接合中央線と、前記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と、の間に位置する構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
2. 　対向する両方の回転ツールのピン長が同一である請求項１に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
3. 　対向する両方の回転ツールのピン長のうち、一方面側の回転ツールのピン長が他方面側の回転ツールのピン長より短い請求項１に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
4. 　対向する両方の回転ツールの軸芯を、前記回転ツールの進行方向に対してそれぞれのピン部が先行する方向に傾け、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動させて摩擦撹拌接合する請求項１～３のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
5. 　回転ツールの回転方向を、一方面側と他方面側とで逆方向とする請求項１～４のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
6. 　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、前記鋼板の厚さｔの100％となる請求項１～５のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
7. 　前記加熱手段が、レーザ加熱装置である請求項１～６のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
8. 　接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に後方加熱手段を設け、前記後方加熱手段により前記鋼板の接合部を加熱する請求項１～７のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
9. 　前記回転ツールの後方でかつ前記後方加熱手段の後方に冷却手段を設け、前記冷却手段により前記鋼板の接合部を冷却する請求項８に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
10. 　接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に冷却手段を設け、前記冷却手段により前記鋼板の接合部を冷却する請求項１～７のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
11. 　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手段の後方に後方再加熱手段を設け、前記後方再加熱手段により前記鋼板の接合部を再加熱する請求項９又は１０に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
12. 　鋼板との動摩擦係数が０．６より大きい素材により、前記回転ツールの表面が形成されてなる請求項１～１１のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合方法。
13. 　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、
    　接合される鋼板を把持する把持装置と、
    　肩部及び前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、少なくとも前記肩部と前記ピン部とは鋼板よりも硬い材質からなり、前記鋼板の一方面側と他方面側とに対向して配置され、対向するそれぞれの肩部が鋼板の一方面側と他方面側とを押圧するとともに対向するそれぞれのピン部が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へと移動可能な回転ツールと、
    　前記回転ツールの一方面側の接合方向前方に設けられ、鋼板を加熱する加熱手段と、
    　以下の状態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、を有する摩擦撹拌接合装置。
    （状態１）
    　加熱手段を用いた加熱により鋼板の表面の温度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、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が、回転ツールの肩部の直径以下であり、
    　また鋼板の表面における加熱領域の面積が、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、
    　さらに加熱領域の面積の50％以上が、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である接合中央線と、前記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と、の間に位置する。
    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
14. 　対向する回転ツールの両方が、肩部および前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、且つ対向する両方の回転ツールのピン長が同一である請求項１３に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
15. 　対向する回転ツールの両方が、肩部および前記肩部に配され前記肩部と回転軸を共有するピン部を含み、且つ対向する両方の回転ツールのピン長のうち、一方面側の回転ツールのピン長が他方面側の回転ツールのピン長より短い請求項１３に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
16. 　対向する両方の回転ツールの軸芯は、前記回転ツールの進行方向に対してそれぞれのピン部が先行する方向に傾けられてなる請求項１３～１５のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
17. 　回転ツールの回転方向が、一方面側と他方面側とで逆方向である請求項１３～１６のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
18. 　前記制御手段は、前記状態１に加えて、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１３～１７のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
    （状態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深さを加熱領域の深さＤとしたとき、加熱領域の深さＤが、前記鋼板の厚さｔの100％となる。
    　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　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％）であり、含有しない場合は０とする。
19. 　前記加熱手段が、レーザ加熱装置である請求項１３～１８のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
20. 　接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に、前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱手段を設ける請求項１３～１９のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
21. 　前記回転ツールの後方でかつ前記後方加熱手段の後方に、前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段を設ける請求項２０に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
22. 　接合方向へ移動する前記回転ツールの後方に、前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段を設ける請求項１３～１９のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
23. 　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手段の後方に、前記鋼板の接合部を再加熱する後方再加熱手段を設ける請求項２１又は２２に記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。
24. 　鋼板との動摩擦係数が０．６より大きい素材により、前記回転ツールの表面が形成されてなる請求項１３～２３のいずれかに記載の構造用鋼の摩擦撹拌接合装置。

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