结构用钢的摩擦搅拌接合方法及结构用钢的接合接头的制造方法技术

本发明专利技术的目的在于在结构用钢的摩擦搅拌接合时，有利地消除被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，实现充分的强度而且实现接合施工性的提高。在本发明专利技术中，形成如下构成，即，在结构用钢的摩擦搅拌接合时，利用设置在旋转工具(1)的前方的加热装置(5)，实施对成为被加工材料的钢板(3)进行加热的预热处理工艺，严格控制该预热处理工艺中的加热区域的表面温度、面积、位置等，该旋转工具(1)沿接合方向移动。

【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摩擦搅拌接合方法，该方法是将旋转工具插入被加工材料的未接合部，边使其旋转边移动，利用与该旋转工具的摩擦热使被加工材料软化，通过旋转工具搅拌该软化部而产生塑性流动，在不添加填充材料的情况下进行接合。另外，本专利技术可有利地消除特别是将该摩擦搅拌接合方法应用于结构用钢的接合时所担心的因被加工材料的加热不足所致的塑性流动不良，从而可实现足够的强度、同时提高接合施工性。应予说明，本说明书中，例如将处于钢板仅抵接而尚未接合的状态的抵接部分称为“未接合部”，另一方面，将通过塑性流动而接合一体化的部分称为“接合部”。
技术介绍
作为摩擦焊接法，专利文献1中公开了如下技术：通过将一对金属材料的两方或一方旋转，边使金属材料产生摩擦热使之软化，边搅拌该软化的部位而引起塑性流动，由此将金属材料接合。然而，由于该技术是使作为接合对象的金属材料旋转，因此，接合的金属材料的形状、尺寸有限。另一方面，专利文献2中提出了如下方法：将由实质上比被加工材料硬的材质构成的工具插入被加工材料的未接合部，使该工具一边旋转一边移动，由此，通过在工具与被加工材料之间产生的热和塑性流动，将被加工材料在长度方向连续地接合。专利文献1中记载的摩擦焊接法是使被加工材料彼此旋转而通过被加工材料彼此的摩擦热进行焊接的方法。另一方面，专利文献2中公开的摩擦搅拌接合法是在固定接合部件的状态下通过边使工具旋转边移动来进行接合。因此，具有对实质上相对于焊接方向无限长的部件也能够在其长度方向连续地固相接合的优点。另外，由于是利用了由旋转工具和接合部件的摩擦热而产生的金属塑性流动的固相接合，所以可在不使接合部熔融的情况下进行接合。此外，具有如下很多优点：由于加热温度低，因而接合后的变形少，并且由于接合部不发生熔融因而缺陷少，并且无需填充材料等。摩擦搅拌接合法作为以铝合金、镁合金为代表的低熔点金属材料的接合法，可在飞机、船舶、火车及汽车等领域中广泛利用。作为其理由，这些低熔点金属材料如果使用以往的电弧焊接法则很难得到接合部的令人满意的特性，通过应用摩擦搅拌接合法能够提高生产率，并且能够得到高品质的接合部。另一方面，对作为建筑物、船舶、重型机械、管线、汽车等结构物的原材料而主要使用的结构用钢应用摩擦搅拌接合法，可避免在以往的熔融焊接中成为课题的凝固破裂、氢破裂，并且还可抑制钢材的组织变化，因此可期待接头性能优异。另外，通过利用旋转工具对接合界面进行搅拌，从而可制造出清洁面使清洁面彼此接触，所以还期待具有无需扩散接合这样的前准备工序的优点。这样，对结构用钢应用摩擦搅拌接合法，可期待诸多优点。但是，由于在接合时的缺陷产生的抑制、接合速度的高速度化等接合施工性上还存在问题，因此与低熔点金属材料相比尚未被普及。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中记载，现状是使用多晶氮化硼(PCBN)、氮化硅(SiN4)等高耐磨损性材料作为旋转工具。然而，由于这些陶瓷较脆，所以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显著受到限制。另外，在专利文献5和6中公开了以提高接合施工性为目的，在旋转工具与被接合材料间产生的摩擦热以外附加加热装置的接合方法。例如，在专利文献5中公开了一种摩擦搅拌接合法的加热装置，其具有采用了感应加热装置的加热装置，在接合前后进行被加工材料的加热，由此实现了接合速度的高速度化、接合部破裂的消除。另外，专利文献6中公开了一种摩擦搅拌接合装置，其具有采用了激光装置的加热装置，在即将接合之前对被加工材料局部加热，由此，在抑制了因预热引起的加热区域周边的微组织变化的同时可实现接合速度的高速度化。然而，在专利文献5和6的技术中，对接合前的加热所致的被加工材料的加热区域的表面温度、深度等未加以注视，因此，无法得到充分的接合施工性。进而，有时由于过度加热使加热区域周边的微组织发生变化，对接合接头特性，特别是对接合接头强度带来负面影响。因此，在得到充分的强度的同时提高接合施工性的实际的摩擦搅拌接合方法，目前尚未出现。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
技术实现思路
本专利技术鉴于上述的现状而进行开发，其目的在于在结构用钢的摩擦搅拌接合时，有利地消除因被加工材料的加热不足所引起的塑性流动不良，从而实现充分的强度并且提高接合施工性。而且因此提供一种特别是对预热处理工艺条件进行严格审核的摩擦搅拌接合方法。于是，专利技术人等为了解决上述课题，反复进行深入研究，结果得到以下所述的见解。a)在通常的摩擦搅拌接合中，接合所需要的热源仅为在旋转工具与被加工材料之间产生的摩擦热。因此，利用摩擦搅拌接合法对结构用钢进行接合时，无法充分确保对使作为被加工材料的结构用钢软化所必要的热量。其结果，在接合部不能得到充分的塑性流动，可能发生接合速度的降低、接合缺陷的产生等的接合施工性的劣化。为了避免在将上述本技术进行工业化时非常重要的接合施工性的劣化，认为有效的是摩擦搅拌接合前的预热处理工艺。b)然而，进行摩擦搅拌接合前的预热处理工艺时，如果预热热量过量，则产生加热区域周边的微组织发生变化这种问题。特别是对于通过马氏体组织强化而成的高张力钢板而言，加热区域周边即使在铁素体-奥氏体变态温度以下进行加热，由于马氏体回火而产生软化，使接合接头强度显著降低。因此，专利技术人等对摩擦搅拌接合前的预热处理工艺条件进行各种研究。其结果，得到如下见解：c)通过使用激光等能量密度高的热源，从而严格控制在预热处理工艺的加热区域的表面温度、面积、位置，并根据需要也适当地控制加热区域在厚度方向的温度。由此，在不导致接合接头强度等接合接头特性的劣化的情况下可提高接合施工性。d)另外，在通常的摩擦搅拌接合中，在接合结束后，接合部处于自然放冷状态，因此，存在无法应用在钢材制造时的轧制工艺中进行的利用热历程管理进行的微组织控制的问题。但是，在接合刚结束之后，通过对接合部实施组合了加热处理和冷却处理的工艺，从而可进一步提高接合接头特性。本专利技术是基于上述见解而进行的。即，本专利技术的主旨构成如下。1.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，是将旋转工具插入该钢板的未接合部边使其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，是将旋转工具插入该钢板的未接合部边使其旋转边沿接合方向移动，利用该旋转工具与该钢板的摩擦热使该钢板软化，并利用该旋转工具对该软化的部位进行搅拌从而产生塑性流动，将该钢板接合的结构用钢的摩擦搅拌接合方法，所述旋转工具包含肩部和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，至少该肩部和该销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，利用设置于沿接合方向移动的该旋转工具的前方的加热装置，对该钢板进行加热，将由于该加热而该钢板的表面温度TS成为TS≥0.8×TA1的区域作为加热区域时，使该钢板表面的该加热区域与该旋转工具的最小距离为该旋转工具的肩部的直径以下，其中，TA1在下述式(1)中示出，TS的单位为℃，并且，使该钢板表面的该加热区域的面积为该旋转工具的销部的最大直径部的面积以下，并且，该加热区域的面积的50％以上在该钢板的表面中位于通过该旋转工具的旋转轴且与接合方向平行的直线即接合中心线、和与该接合中心线平行且向前进侧仅隔着与该旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线之间；TA1℃＝723‑10.7[％Mn]‑16.9[％Ni]+29.1[％Si]+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)其中，[％M]是作为被加工材料的钢板中的M元素的含量，即质量％。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.30 JP 2013-205235;2013.10.29 JP 2013-224541.一种结构用钢的摩擦搅拌接合方法，是将旋转工具插入该钢板的未接合部边使其旋
转边沿接合方向移动，利用该旋转工具与该钢板的摩擦热使该钢板软化，并利用该旋转工
具对该软化的部位进行搅拌从而产生塑性流动，将该钢板接合的结构用钢的摩擦搅拌接合
方法，
所述旋转工具包含肩部和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，至少该肩部和
该销部由比作为被加工材料的钢板硬的材质构成，
利用设置于沿接合方向移动的该旋转工具的前方的加热装置，对该钢板进行加热，将
由于该加热而该钢板的表面温度TS成为TS≥0.8×TA1的区域作为加热区域时，使该钢板表
面的该加热区域与该旋转工具的最小距离为该旋转工具的肩部的直径以下，其中，TA1在下
述式(1)中示出，TS的单位为℃，
并且，使该钢板表面的该加热区域的面积为该旋转工具的销部的最大直径部的面积以
下，
并且，该加热区域的面积的50％以上在该钢板的表面中位于通过该旋转工具的旋转轴
且与接合方向平行的直线即接合中心线、和与该接合中心线平行且向前进侧仅隔着与该旋
转工具的销部的最大半径相同的距离的直线之间；
TA1℃＝723-10.7[％Mn]-16.9[％Ni]+29.1[％Si]
+16.9[％Cr]+290[％As]+6.38[％W]···(1)
其中，[％M]是作为被加工材料的钢板中的M元素的含量，即质量％。
2.根据权利要求1所述的结构用钢...

【专利技术属性】
技术研发人员：松下宗生，谷口公一，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