结构用钢的摩擦搅拌接合方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术出于消除因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良且实现充分的强度以及接合施工性的提高，以提供尤其是严密地控制预热处理工艺条件的摩擦搅拌接合方法和实现其的装置为课题。在作为被加工材料的钢板(3，3)的摩擦搅拌接合时，将相对置的一对旋转工具(1，15)从钢板(3，3)的一面侧和另一面侧这两侧插入到未接合部，一边使其旋转一边在接合方向移动，且利用设置在旋转工具(1，15)的前方的加热机构(5)，进行将钢板(3，3)加热的预热处理工艺，严密地控制该相对置的一对旋转工具(1，15)的构成和该预热处理工艺中的加热区域的表面温度、面积和位置等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】结构用钢的摩擦搅拌接合方法和装置
本专利技术涉及摩擦搅拌接合方法和实现上述摩擦搅拌接合方法的装置，该摩擦搅拌接合方法是将旋转工具(以下，有时也简称为“工具”)插入到被加工材料的未接合部使其一边旋转一边移动，利用基于与该旋转工具的摩擦热的被加工材料的软化以及因旋转工具搅拌其软化部而产生的塑性流动，不添加填充材料就能进行接合的方法。
技术介绍
作为摩擦焊接法，专利文献1中公开了通过旋转一对金属材料(被加工材料)中的双方或一方，一边使金属材料产生摩擦热而软化，一边搅拌其软化的部位而引起塑性流动，从而接合金属材料的技术。然而，由于该技术使作为接合对象的金属材料旋转，因此对接合的金属材料的形状、尺寸有限制。另一方面，专利文献2中提出了将由实质上比被加工材料硬的材质构成的工具插入到被加工材料的未接合部，使该工具一边旋转一边移动，利用工具与被加工材料之间产生的热和塑性流动，从而将被加工材料在长边方向连续地接合的方法。专利文献1所记载的摩擦焊接法是使被加工材料彼此旋转，利用被加工材料彼此间的摩擦热进行焊接的方法。另一方面，专利文献2所公开的摩擦搅拌接合法可以在固定被加工材料的状态下，通过使工具一边旋转一边移动而进行接合。因此，具有对在焊接方向实质上无限长的被加工材料也能够在其长边方向连续地固相接合的优点。此外，由于是利用基于旋转工具与被加工材料的摩擦热的金属的塑性流动的固相接合，因此能够在不熔融未接合部的状态下进行接合。而且，由于基于加热机构的加热温度低，因此接合后的变形少，此外，由于未接合部没有熔融，所以接合部的缺陷少，除此以外，还有无需填充材料等很多优点。应予说明，本说明书中，例如将仅对接钢板而尚未接合的状态下的对接部分称为“未接合部”，另一方面，将通过塑性流动进行接合而一体化的部分称为“接合部”。作为以铝合金、镁合金为代表的低熔点金属材料的接合法，摩擦搅拌接合法广泛使用在飞机、船舶、铁路车辆和汽车等领域。作为其理由，是因为这些低熔点金属材料在以往的电弧焊接法中接合部难以得到令人满意的特性，而通过应用摩擦搅拌接合法，可以提高生产率，并且能得到品质高的接合部。另一方面，对于主要作为建筑物、船舶、重型设备、输油管、汽车这样的结构物的材料使用的结构用钢，应用摩擦搅拌接合法则可以避免在以往的熔融焊接中成为课题的凝固裂纹、氢致裂纹，并且也抑制钢材的组织变化，因此可以期待接头性能优异。此外，通过利用旋转工具搅拌接合界面，能够造出清洁面而使清洁面彼此接触，因此也可以期待不需要如扩散接合那样的前准备工序这样的优点。如此，对于结构用钢的摩擦搅拌接合法的应用，可以期待很多优点。但是，在接合时的缺陷产生的抑制、接合速度的高速度化这样的接合施工性方面仍有问题，因此与低熔点金属材料中的应用相比并未得到普及。在结构用钢的摩擦搅拌接合中，如专利文献3和专利文献4记载的那样，现状是作为旋转工具使用多结晶氮化硼(PCBN)、氮化硅(Si3N4)等高耐磨性材料。然而，由于这些陶瓷脆，因此，为了防止旋转工具的破损，进行接合的钢板的板厚及其施工条件受到严格限制。专利文献5～7中公开了一种接合方法，其以提高接合施工性为目的，附加了旋转工具与被接合材料间产生的摩擦热以外的加热机构。专利文献5中公开了一种摩擦搅拌接合法，具有使用感应加热装置的加热机构，通过在接合前后进行被加工材料的加热，从而实现接合速度的高速度化以及接合部的裂纹的消除。专利文献6中公开了一种摩擦搅拌接合装置，具有使用激光装置的加热机构，通过在即将接合之前局部加热被加工材料，从而抑制起因于预热的加热区域周边的微观组织变化的同时实现接合速度的高速度化。专利文献7中公开了一种摩擦搅拌接合装置，具有使用激光装置的加热机构，在即将接合之前局部加热被加工材料。加热时，通过对被加工材料的加热区域的表面温度、深度等进行严密的控制，从而可以消除因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，实现充分的强度以及接合施工性的提高。专利文献8、9中公开了一种两面摩擦搅拌接合方法和装置，其上下各具备1个旋转工具，在2片金属板的重叠部的表面侧和背面侧以分别上下对置的方式配置旋转工具。在该两面摩擦搅拌接合方法和装置中，使旋转工具一边旋转一边从上下按压被接合材料，使旋转工具一边向接合方向移动一边接合被接合材料。由此，可以抑制接合不良而提高接合强度，而且，通过延长旋转工具的寿命而能提高旋转工具的经济性。在摩擦搅拌接合中，通过摩擦热使被加工材料软化的同时用旋转工具进行搅拌，从而生成塑性流动。被加工材料为结构用钢时，在用旋转工具搅拌被加工材料时对旋转工具的销施加大的负载。这对旋转工具的耐久性、寿命产生大的影响，成为限制接合施工性的主要因素。专利文献5～7所记载的附加摩擦热以外的加热机构的方法应该是对克服上述课题有效的。但是，专利文献5～7所记载的方法中，在被加工材料的表面侧、背面侧上，具备加热机构的一侧和具备旋转工具的一侧均相同，发热源仅存在于一面侧(例如表面侧)。因此，具备加热机构且具备旋转工具的一侧的相反侧即背面侧，其温度与表面侧相比更加低温，从表面侧到背面侧上，相对于被加工材料的厚度方向产生温度差。作为被加工材料的金属板越是高温，强度越会下降，因此摩擦搅拌接合中的旋转工具的负载越是高温越会下降。因此，通过消除相对于被加工材料的厚度方向形成的温度差，可以减少对旋转工具的销前端施加的负载。但是，专利文献5～7中，对于消除被加工材料的厚度方向的温度差而减少旋转工具的负载，完全没有考虑。另一方面，摩擦搅拌接合中，作为消除相对于被加工材料的厚度方向形成的温度差的方法，专利文献8、9所公开的两面摩擦搅拌接合方法是有效的。但是，这些接合方法中，对于通过使用旋转工具前方的加热机构加热被加工材料的预热处理工艺而减少旋转工具的负载，进而使接合施工性和旋转工具的寿命提高，没有任何考虑。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开昭62-183979号公报专利文献2：日本特表平7-505090号公报专利文献3：日本特表2003-532542号公报专利文献4：日本特表2003-532543号公报专利文献5：日本特开2003-94175号公报专利文献6：日本特开2005-288474号公报专利文献7：国际公开WO2015/045299A1号公报专利文献8：日本专利3261433号专利文献9：日本专利4838385号
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述现状而开发的，其目的在于在结构用钢的摩擦搅拌接合时，消除因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，得到充分的强度的接合部的同时实现接合施工性的提高。为了实现该目的，以提供一种特别严密地规定预热处理工艺条件的摩擦搅拌接合方法和装置作为课题。因此，本专利技术的专利技术人等为了解决上述课题反复进行了深入研究，其结果，得到了以下所述的发现。a)在通常的摩擦搅拌接合中，为了接合而需要的热源仅是在旋转工具与被加工材料之间产生的摩擦热。因此，通过摩擦搅拌接合法接合结构用钢时，无法充分确保为了使作为被加工材料的结构用钢软化而需要的热量。其结果，在接合部无法得到充分的塑性流动，有可能导致接合速度的降低或接合缺陷的产生等的接合施工性劣化。为了避免上述接合施工性的劣化，摩擦搅拌接合前的预热处理工艺应该是有效的。b)然而，在被加工材料的表面侧、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，使旋转工具一边在钢板间的未接合部旋转一边在接合方向移动，利用所述旋转工具与所述钢板的摩擦热使所述钢板软化的同时将其软化的部位用所述旋转工具搅拌，从而产生塑性流动，将钢板彼此接合，所述旋转工具含有肩部和配置于所述肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且，至少所述肩部和所述销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，其中，在所述钢板的一面侧和另一面侧对置地分别配置所述旋转工具，利用把持装置把持所述钢板的同时使对置的旋转工具的各自的肩部按压在钢板的一面侧和另一面侧，将对置的旋转工具的各自的销部从一面侧和另一面侧插入到钢板的未接合部，使旋转工具一边旋转一边在接合方向移动，并且，利用设置在向接合方向移动的所述旋转工具的一面侧的前方的加热机构加热所述钢板，将通过加热而钢板的表面的温度TS成为TS≥0.8×TA1的区域作为加热区域时，将钢板的表面的加热区域与旋转工具的最小距离设为旋转工具的肩部的直径以下，并且，将钢板的表面的加热区域的面积设为旋转工具的销部的最大直径部的面积以下，而且，加热区域的面积的50％以上位于钢板的表面上的接合中央线和与所述接合中央线平行且向前进侧仅隔着与旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线之间，其中，所述接合中央线是通过旋转工具的旋转轴且与接合方向平行的直线，其中，温度TS和TA1的单位为℃，TA1示于下述的式(1)，TA1＝723‑10.7[％Mn]‑16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]…(1)，其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的以质量％计的含量，不含的情况下为0。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.31 JP 2016-0732341.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，使旋转工具一边在钢板间的未接合部旋转一边在接合方向移动，利用所述旋转工具与所述钢板的摩擦热使所述钢板软化的同时将其软化的部位用所述旋转工具搅拌，从而产生塑性流动，将钢板彼此接合，所述旋转工具含有肩部和配置于所述肩部且与所述肩部共有旋转轴的销部，并且，至少所述肩部和所述销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，其中，在所述钢板的一面侧和另一面侧对置地分别配置所述旋转工具，利用把持装置把持所述钢板的同时使对置的旋转工具的各自的肩部按压在钢板的一面侧和另一面侧，将对置的旋转工具的各自的销部从一面侧和另一面侧插入到钢板的未接合部，使旋转工具一边旋转一边在接合方向移动，并且，利用设置在向接合方向移动的所述旋转工具的一面侧的前方的加热机构加热所述钢板，将通过加热而钢板的表面的温度TS成为TS≥0.8×TA1的区域作为加热区域时，将钢板的表面的加热区域与旋转工具的最小距离设为旋转工具的肩部的直径以下，并且，将钢板的表面的加热区域的面积设为旋转工具的销部的最大直径部的面积以下，而且，加热区域的面积的50％以上位于钢板的表面上的接合中央线和与所述接合中央线平行且向前进侧仅隔着与旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线之间，其中，所述接合中央线是通过旋转工具的旋转轴且与接合方向平行的直线，其中，温度TS和TA1的单位为℃，TA1示于下述的式(1)，TA1＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]…(1)，其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的以质量％计的含量，不含的情况下为0。2.根据权利要求1所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，对置的两个旋转工具的销长相同。3.根据权利要求1所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，对置的两个旋转工具的销长中，一面侧的旋转工具的销长比另一面侧的旋转工具的销长短。4.根据权利要求1～3中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，将对置的两个旋转工具的轴芯向各自的销相对于所述旋转工具的行进方向先行的方向倾斜，使所述旋转工具一边旋转一边向接合方向移动而进行摩擦搅拌接合。5.根据权利要求1～4中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在一面侧和另一面侧，将旋转工具的旋转方向设为相反方向。6.根据权利要求1～5中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，关于所述加热区域的厚度方向的区域，将温度TD满足TD≥0.8×TA1的区域的从所述钢板的表面起的深度作为加热区域的深度D时，该加热区域的深度D为所述钢板的厚度t的100％，其中，温度TD和TA1的单位为℃，TA1示于下述的式(1)，TA1＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]…(1)，其中，[％M]为作为被加工材料的钢板中的M元素的以质量％计的含量，不含的情况下为0。7.根据权利要求1～6中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，所述加热机构为激光加热装置。8.根据权利要求1～7中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方设置后方加热机构，利用所述后方加热机构加热所述钢板的接合部。9.根据权利要求8所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在所述旋转工具的后方且所述后方加热机构的后方设置冷却机构，利用所述冷却机构冷却所述钢板的接合部。10.根据权利要求1～7中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方设置冷却机构，利用所述冷却机构冷却所述钢板的接合部。11.根据权利要求9或10所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，在向接合方向移动的所述旋转工具的后方且所述冷却机构的后方设置后方再加热机构，利用所述后方再加热机构再加热所述钢板的接合部。12.根据权利要求1～11中任一项所述的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，其中，所述旋转工具的表面是利用与钢板的动摩擦系数大...

【专利技术属性】
技术研发人员：松下宗生，池田伦正，谷口公一，
申请(专利权)人：杰富意钢铁株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP