钢板的摩擦搅拌接合方法及接合接头的制造方法技术

本发明专利技术的将钢板彼此接合的摩擦搅拌接合方法中，利用配置在旋转工具的行进方向的前方的加热装置(4)，在利用旋转工具(10)进行接合前对未接合部进行预先加热，此时，在利用旋转工具(10)的接合开始的位置的与行进方向垂直的方向上的表面温度分布中，将TAc1作为钢板的Ac1点，将其最高温度(TU)设为0.6×TAc1＜TU＜1.8×TAc1的范围，并且将超过温度(TL)＝0.6×TAc1的加热区域的宽度设为L时，使肩部的直径d满足0.3×d≤L≤2.0×d的关系，从而在不产生接合缺陷和接合工具的破损以及不发生热影响部的回火软化或固化引起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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种钢板的摩擦搅拌接合方法，特别涉及用于实现接头强度的提高的钢板的摩擦搅拌接合方法。
技术介绍
摩擦搅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搅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。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”。图1示出了将对接钢板实施摩擦搅拌接合时的一个例子。如图1所示，在该摩擦搅拌接合方法中，以将钢板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20一边与钢板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。在这样的摩擦搅拌接合中，以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。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搅拌接合要领。该方式使用氧乙炔、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温度上升。对上述的摩擦搅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。在使用图2中示出的加热装置72的摩擦搅拌接合中，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的接合。专利文献2使用感应加热装置作为热源。这里，通过设置将直到利用旋转工具的接合的温度设为规定的温度的控制机构，从而可缩短直至开始摩擦搅拌接合的时间，由此，提高加热范围和加热温度的控制性的同时，不取决于材质就能够防止接合部位的破裂。专利文献3使用激光作为热源。这里，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温度后，停止激光的照射，从而可抑制接合工具的损耗。如此，在现有的摩擦擦搅拌接合中，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。现有技术文献专利文献专利文献1:日本专利第3081808号公报专利文献2:日本专利第4235874号公报专利文献3:日本专利第4537132号公报
技术实现思路
然而，在钢板的摩擦搅拌接合时，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。本专利技术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搅拌接合方法。本专利技术人等为了解决上述问题，在钢板的摩擦搅拌接合中，对于利用旋转工具的接合开始之前的温度分布与接头状态的关系进行调查。其结果，得到如下见解：(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，(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，(3)因此，在钢板的摩擦搅拌接合中，接合之前的温度范围的管理尤为重要。因此，本专利技术人等为了管理接合之前的温度范围，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温度分布对接头状态的影响，进行了深入研究。即，从组织、硬度以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温度上升至一定的温度，从而能够利用钢板的软化进行高速接合。但是，另一方面，发现温度过于上升的情况下，作为摩擦搅拌接合的原理的塑性流动反而减少，成为缺陷的原因。另外，接合开始位置的温度未达到一定温度时，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，还判明温度过高的情况下，工具的摩擦热减少且未引起工具带来的温度分布的变化，而且会进一步被淬透，因此，成为脆化的原因。而且，高C钢的情况下，由于淬透性高，可能产生因接合后的快速冷却所致的脆化以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。因此，本专利技术人等关于对接合后的再加热以及接合后·再加热前的冷却一并进行了研究，结果确认了其有效性。本专利技术是基于上述见解而进行的。即，本专利技术的要旨构成如下。1.一种摩擦搅拌接合方法，将旋转工具插入使二个以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搅拌而产生的塑性流动，从而使钢板彼此接合，其中，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，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温度TU满足如下范围：0.6×TAc1＜TU＜1.8×TAc1并且，超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦搅拌接合方法，将旋转工具插入使二个以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，通过该旋转工具与所述钢板的摩擦热在钢板形成软化部，进而利用对其软化部进行搅拌而产生的塑性流动，从而使钢板彼此接合，其中，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，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温度TU满足如下范围：0.6×TAc1＜TU＜1.8×TAc1并且，超过温度TL＝0.6×TAc1的加热区域的宽度L相对于所述旋转工具的肩部的直径d，满足如下关系：0.3×d≤L≤2.0×d应予说明，TAc1是使用钢板的添加元素量按下式定义的温度；TAc1＝723－10.7〔％Mn〕－16.9〔％Ni〕+29.1〔％Si〕+16.9〔％Cr〕+290〔％As〕+6.38〔％W〕这里，〔％M〕表示M元素的钢板中的以质量％计的含量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.30 JP 2013-204505;2013.10.31 JP 2013-227491.一种摩擦搅拌接合方法，将旋转工具插入使二个以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，通过该旋转工具与所述钢板的摩擦热在
钢板形成软化部，进而利用对其软化部进行搅拌而产生的塑性流动，从而使钢板彼此接合，
其中，
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，
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温
度TU满足如下范围：
0.6×TAc1＜TU＜1.8×TAc1并且，超过温度TL＝0.6×TAc1的加热区域的宽度L相对于所述旋转工具的肩部的直径d，
满足如下关系：
0.3×d≤L≤2.0×d
应予说明，TAc1是使用钢板的添加元素量按下式定义的温度；
TAc1＝723－10.7〔％Mn〕－16.9〔％Ni〕+29.1〔％Si〕+16.9〔％Cr〕+290〔％As〕+6.38〔％
W〕
这里，〔％M〕表示M元素的钢板中的以质量％计的含量。
2.根据权利要求1所述的摩擦搅拌接合方法，其中，配置于夹持未接合部地与接合工具<...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷口公一，松下宗生，池田伦正，
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