钢板的摩擦搅拌接合方法及接合接头的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种钢板的摩擦揽拌接合方法，特别设及用于实现接头强度的提高的 钢板的摩擦揽拌接合方法。
【背景技术】
[0002] 摩擦揽拌接合方法是如下方法:将旋转工具插入于重叠或对接的被加工材料的未 接合部，边使其旋转边移动，利用因与该旋转工具的摩擦热而被加工材料变软化和旋转工 具将该软化部揽拌而产生的塑性流动，使其在不添加填充金属的情况下进行接合。
[0003] 应予说明，本说明书中，例如将钢板仅对接而尚未接合的状态的对接部分称为"未 接合部"，另一方面，将通过塑性流动接合而一体化的部分称为"接合部"。
[0004] 图1示出了将对接钢板实施摩擦揽拌接合时的一个例子。
[000引如图1所示，在该摩擦揽拌接合方法中，W将钢板21、22的端面相互对接而作为未 接合部20,沿着该未接合部20边使旋转工具10旋转边移动。旋转工具10配置于钢板21、22的 上部，通过马达(省略图示)进行旋转的方式构成。在钢板的下部设置衬板材料30,针对旋转 工具的加压支撑钢板。而且，通过马达的驱动进行旋转的旋转工具10的探头12在未接合部 20-边与钢板21、22接触一边沿箭头F方向移动。此时，探头12在其周围制作塑性材料的部 分区域，旋转体上部11从上方方向挤压钢板21、22,防止材料从塑性区域逸失。因此，钢板 21、22的未接合部20的对接部分发热而软化并塑性流动，使由此得到的塑性材料固相接合， 形成接合部25。
[0006] 在运样的摩擦揽拌接合中，W接合的高速化或减少接合缺陷为目的，在研究与利 用旋转工具的接合独立地进行加热的方法。
[0007] 例如，在专利文献1中提出了使用气体火焰作为加热装置的接合方法。图2示意地 表示使用气体火焰作为加热装置时的摩擦揽拌接合要领。该方式使用氧乙烘、氧丙烷、氧天 然气体等的各种气体火焰70作为热源对被接合部件1、2进行加热。在该加热装置72中，喷射 气体火焰70的大致圆筒状的气体喷嘴部71配置于探头62的移动方向前方的附近部位，并且 与探头62的动作连动地移动。此外，未接合部13的气体火焰70的喷射位置始终位于接合装 置的移动方向前方。另外，气体火焰70的喷射宽度设定为:在触碰被接合部件1、2的表面而 变为其前端部扩展的状态时，成为与旋转件60的肩部61的直径大致相同的尺寸。由此，未接 合部13中仅对探头62附近进行加热，从而使该探头附近及其周边区域的溫度上升。
[0008] 对上述的摩擦揽拌接合法中的加热装置的动作进行说明。从加热装置72的气体喷 嘴部71喷射气体火焰70的同时，使接合装置3的旋转件60旋转并将其一体旋转的探头62插 入未接合部13,在保持插入探头的状态下沿着对接部使探头62相对于被接合部件1、2相对 地移动。由此，被接合部件1、2接合而形成接合部14。
[0009] 在使用图2中示出的加热装置72的摩擦揽拌接合中，利用气体火焰70的热量加热 未接合部，使与探头62及肩部61的接触部迅速软化，其目的在于易于进行基于探头62的接 厶 1=1 〇
[0010] 专利文献2使用感应加热装置作为热源。运里，通过设置将直到利用旋转工具的接 合的溫度设为规定的溫度的控制机构，从而可缩短直至开始摩擦揽拌接合的时间，由此，提 高加热范围和加热溫度的控制性的同时，不取决于材质就能够防止接合部位的破裂。
[0011] 专利文献3使用激光作为热源。运里，对未接合部进行加热直到进行利用旋转工具 的接合，未接合部达到预先规定的软化溫度后，停止激光的照射，从而可抑制接合工具的损 耗。
[0012] 如此，在现有的摩擦擦揽拌接合中，提出了使用气体火焰、感应加热、激光作为进 行施工时的辅助热源的技术。
[0013] 现有技术文献
[0014] 专利文献
[001引专利文献1:日本专利第3081808号公报
[0016] 专利文献2:日本专利第4235874号公报
[0017] 专利文献3:日本专利第4537132号公报
【发明内容】
[0018] 然而，在钢板的摩擦揽拌接合时，在专利文献1~3中记载的方法中，即使能够实现 接合缺陷的减少或者接合速度的高速化，也遗留有在热影响部产生回火软化或固化引起的 脆化，无法得到充分的接头强度的问题。
[0019] 本发明有利地解决了上述问题，其目的在于提供一种不产生接合缺陷、无接合工 具的破损且不发生热影响部的回火软化或固化所致的脆化的情况下就能够在高速的接合 速度下提高接头强度的钢板的摩擦揽拌接合方法。
[0020] 本发明人等为了解决上述问题，在钢板的摩擦揽拌接合中，对于利用旋转工具的 接合开始之前的溫度分布与接头状态的关系进行调查。
[0021] 其结果，得到如下见解：
[0022] (1)加热的区域广的情况下，虽然由于软化的影响能够得到良好的接合部，但钢 板、旋转工具引起的发热的影响大，因此，热影响部的范围扩大，
[0023] (2)相反，加热的区域过窄的情况下，利用旋转工具的接合变得不充分，变得容易 产生缺陷，
[0024] (3)因此，在钢板的摩擦揽拌接合中，接合之前的溫度范围的管理尤为重要。
[0025] 因此，本发明人等为了管理接合之前的溫度范围，用配置于旋转工具的行进方向 的前方的加热装置在各种条件下对被接合部实施了加热。而且特别是对于在开始利用旋转 工具的接合的位置的、与行进方向垂直的方向的表面溫度分布对接头状态的影响，进行了 深入研究。
[0026] 目P，从组织、硬度W及断裂形态等出发对如上得到的焊接接头进行了反复研究，结 果，通过将接合开始位置的溫度上升至一定的溫度，从而能够利用钢板的软化进行高速接 合。但是，另一方面，发现溫度过于上升的情况下，作为摩擦揽拌接合的原理的塑性流动反 而减少，成为缺陷的原因。
[0027] 另外，接合开始位置的溫度未达到一定溫度时，由工具引起的发热变为主体，与现 有方法无变化，结果，接头强度得不到改善。另一方面，还判明溫度过高的情况下，工具的摩 擦热减少且未引起工具带来的溫度分布的变化，而且会进一步被泽透，因此，成为脆化的原 因。
[0028] 而且，高C钢的情况下，由于泽透性高，可能产生因接合后的快速冷却所致的脆化 W及由束缚产生的残留应力引起的裂缝。因此，有时需要抑制冷却速度的降低和回火导致 的固化?脆化。
[0029] 因此，本发明人等关于对接合后的再加热W及接合后.再加热前的冷却一并进行 了研究，结果确认了其有效性。
[0030] 本发明是基于上述见解而进行的。
[0031] 旨P，本发明的要旨构成如下。
[0032] 1. 一种摩擦揽拌接合方法，将旋转工具插入使二个W上的钢板重叠或对接的未接 合部，使该旋转工具边旋转边沿着接合的部分移动，通过利用该旋转工具与所述钢板的摩 擦热引起的钢板的软化和揽拌而产生的塑性流动，从而使钢板彼此接合，其中，
[0033] 通过配置在所述旋转工具的行进方向的前方的加热装置，在利用旋转工具的接合 之前对未接合部进行预先加热，
[0034] 此时，在利用旋转工具的接合开始的位置中，与行进方向垂直的方向的表面的最 高溫度Τυ满足如下范围：
[003引 0.6XTac1<Tu<1.8XTac1
[0036] 并且，超过溫度化= 0.6 XTacI的加热区域的宽度L相对于上述旋转工具的肩部的 直径d，满足如下关系：
[0037] 0.3Xd<L<2.0Xd
[0038] 应予说明，TaeI是使用钢板的添加元素量按下式定义的溫度。
[0039] TAci = 723-10.7〔％Mn)-16.9〔％Ni)+29.1〔％Si)+16.9〔％Cr)+290〔％As)+6.38 〔％W)
[0040] 运里，〔％M)表示Μ元素的钢板中的含量(质量％)。
[0041] 2.根据上述1所述的摩擦揽拌接合方法，其中配置于夹持未接合部地与接合工具 对置的位置的衬板材料的热传导率TCb相对于钢板的热传导率TCs，满足如下关系：
[0042] 〇.5XTCs<TCb< l.OXTCso
[0043] 3.根据上述1或2所述的摩擦揽拌接合方法，加热装置为高频感应加热装置，将该 加热装置的使用频率设为20曲Z~360曲Z。
[0044] 4.根据上述1~3中任一项所述的摩擦揽拌接合方法，二个W上的钢板的各C量中， 将含有更大量C的钢板的C量设为0.1质量％~0.6质量％。
[0045] 5.根据上述1所述的摩擦揽拌接合方法，在旋转工具的行进方向的后方，配置用于 接合部的再加热的后方加热装置，将利用该后方加热装置进行再加热的区域的再加热后的 最高溫度设为Τρ时，该Τρ满足如下关系：
[0046] 0.6XTac1<Tp< 1.2XTac1〇
[0047] 应予说明，TaeI是使用钢板的添加元素量按下式定义的溫度。
[004引 TAci = 723-10.