結(jié)構(gòu)用鋼的摩擦攪拌接合方法及結(jié)構(gòu)用鋼的接合接頭的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種摩擦攬拌接合方法，該方法是將旋轉(zhuǎn)工具插入被加工材料的未接 合部，邊使其旋轉(zhuǎn)邊移動(dòng)，利用與該旋轉(zhuǎn)工具的摩擦熱使被加工材料軟化，通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具攬 拌該軟化部而產(chǎn)生塑性流動(dòng)，在不添加填充材料的情況下進(jìn)行接合。另外，本發(fā)明可有利地 消除特別是將該摩擦攬拌接合方法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)用鋼的接合時(shí)所擔(dān)屯、的因被加工材料的加 熱不足所致的塑性流動(dòng)不良，從而可實(shí)現(xiàn)足夠的強(qiáng)度、同時(shí)提高接合施工性。
[0002] 應(yīng)予說(shuō)明，本說(shuō)明書(shū)中，例如將處于鋼板僅抵接而尚未接合的狀態(tài)的抵接部分稱(chēng) 為"未接合部"，另一方面，將通過(guò)塑性流動(dòng)而接合一體化的部分稱(chēng)為"接合部"。
【背景技術(shù)】
[0003] 作為摩擦焊接法，專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了如下技術(shù):通過(guò)將一對(duì)金屬材料的兩方或一 方旋轉(zhuǎn)，邊使金屬材料產(chǎn)生摩擦熱使之軟化，邊攬拌該軟化的部位而引起塑性流動(dòng)，由此將 金屬材料接合。
[0004] 然而，由于該技術(shù)是使作為接合對(duì)象的金屬材料旋轉(zhuǎn)，因此，接合的金屬材料的形 狀、尺寸有限。
[000引另一方面，專(zhuān)利文獻(xiàn)2中提出了如下方法:將由實(shí)質(zhì)上比被加工材料硬的材質(zhì)構(gòu)成 的工具插入被加工材料的未接合部，使該工具一邊旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng)，由此，通過(guò)在工具與被加 工材料之間產(chǎn)生的熱和塑性流動(dòng)，將被加工材料在長(zhǎng)度方向連續(xù)地接合。
[0006] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1中記載的摩擦焊接法是使被加工材料彼此旋轉(zhuǎn)而通過(guò)被加工材料彼此 的摩擦熱進(jìn)行焊接的方法。另一方面，專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)的摩擦攬拌接合法是在固定接合部 件的狀態(tài)下通過(guò)邊使工具旋轉(zhuǎn)邊移動(dòng)來(lái)進(jìn)行接合。因此，具有對(duì)實(shí)質(zhì)上相對(duì)于焊接方向無(wú) 限長(zhǎng)的部件也能夠在其長(zhǎng)度方向連續(xù)地固相接合的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于是利用了由旋轉(zhuǎn)工具 和接合部件的摩擦熱而產(chǎn)生的金屬塑性流動(dòng)的固相接合，所W可在不使接合部烙融的情況 下進(jìn)行接合。此外，具有如下很多優(yōu)點(diǎn)：由于加熱溫度低，因而接合后的變形少，并且由于接 合部不發(fā)生烙融因而缺陷少，并且無(wú)需填充材料等。
[0007] 摩擦攬拌接合法作為W侶合金、儀合金為代表的低烙點(diǎn)金屬材料的接合法，可在 飛機(jī)、船舶、火車(chē)及汽車(chē)等領(lǐng)域中廣泛利用。作為其理由，運(yùn)些低烙點(diǎn)金屬材料如果使用W 往的電弧焊接法則很難得到接合部的令人滿意的特性，通過(guò)應(yīng)用摩擦攬拌接合法能夠提高 生產(chǎn)率，并且能夠得到高品質(zhì)的接合部。
[0008] 另一方面，對(duì)作為建筑物、船舶、重型機(jī)械、管線、汽車(chē)等結(jié)構(gòu)物的原材料而主要使 用的結(jié)構(gòu)用鋼應(yīng)用摩擦攬拌接合法，可避免在W往的烙融焊接中成為課題的凝固破裂、氨 破裂，并且還可抑制鋼材的組織變化，因此可期待接頭性能優(yōu)異。另外，通過(guò)利用旋轉(zhuǎn)工具 對(duì)接合界面進(jìn)行攬拌，從而可制造出清潔面使清潔面彼此接觸，所W還期待具有無(wú)需擴(kuò)散 接合運(yùn)樣的前準(zhǔn)備工序的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)樣，對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼應(yīng)用摩擦攬拌接合法，可期待諸多優(yōu)點(diǎn)。 但是，由于在接合時(shí)的缺陷產(chǎn)生的抑制、接合速度的高速度化等接合施工性上還存在問(wèn)題， 因此與低烙點(diǎn)金屬材料相比尚未被普及。
[0009] 在結(jié)構(gòu)用鋼的摩擦攬拌接合中，如專(zhuān)利文獻(xiàn)3和專(zhuān)利文獻(xiàn)4中記載，現(xiàn)狀是使用多 晶氮化棚(PCBN)、氮化娃（SiN4)等高耐磨損性材料作為旋轉(zhuǎn)工具。然而，由于運(yùn)些陶瓷較 脆，所W為了防止旋轉(zhuǎn)工具的破損，進(jìn)行接合的鋼板的板厚及其施工條件顯著受到限制。
[0010] 另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)5和6中公開(kāi)了 W提高接合施工性為目的，在旋轉(zhuǎn)工具與被接合 材料間產(chǎn)生的摩擦熱W外附加加熱裝置的接合方法。
[0011] 例如，在專(zhuān)利文獻(xiàn)5中公開(kāi)了一種摩擦攬拌接合法的加熱裝置，其具有采用了感應(yīng) 加熱裝置的加熱裝置，在接合前后進(jìn)行被加工材料的加熱，由此實(shí)現(xiàn)了接合速度的高速度 化、接合部破裂的消除。
[0012] 另外，專(zhuān)利文獻(xiàn)6中公開(kāi)了一種摩擦攬拌接合裝置，其具有采用了激光裝置的加熱 裝置，在即將接合之前對(duì)被加工材料局部加熱，由此，在抑制了因預(yù)熱引起的加熱區(qū)域周邊 的微組織變化的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)接合速度的高速度化。
[0013] 然而，在專(zhuān)利文獻(xiàn)5和6的技術(shù)中，對(duì)接合前的加熱所致的被加工材料的加熱區(qū)域 的表面溫度、深度等未加W注視，因此，無(wú)法得到充分的接合施工性。進(jìn)而，有時(shí)由于過(guò)度加 熱使加熱區(qū)域周邊的微組織發(fā)生變化，對(duì)接合接頭特性，特別是對(duì)接合接頭強(qiáng)度帶來(lái)負(fù)面 影響。因此，在得到充分的強(qiáng)度的同時(shí)提高接合施工性的實(shí)際的摩擦攬拌接合方法，目前尚 未出現(xiàn)。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) [001引專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0016] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)昭62-183979號(hào)公報(bào)
[0017] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本特表平7-505090號(hào)公報(bào)
[0018] 專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本特表2003-532542號(hào)公報(bào)
[0019] 專(zhuān)利文獻(xiàn)4:日本特表2003-532543號(hào)公報(bào)
[0020] 專(zhuān)利文獻(xiàn)5:日本特開(kāi)2003-94175號(hào)公報(bào) [0021 ] 專(zhuān)利文獻(xiàn)6:日本特開(kāi)2005-288474號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 本發(fā)明鑒于上述的現(xiàn)狀而進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其目的在于在結(jié)構(gòu)用鋼的摩擦攬拌接合時(shí)， 有利地消除因被加工材料的加熱不足所引起的塑性流動(dòng)不良，從而實(shí)現(xiàn)充分的強(qiáng)度并且提 高接合施工性。而且因此提供一種特別是對(duì)預(yù)熱處理工藝條件進(jìn)行嚴(yán)格審核的摩擦攬拌接 合方法。
[0023] 于是，發(fā)明人等為了解決上述課題，反復(fù)進(jìn)行深入研究，結(jié)果得到W下所述的見(jiàn) 解。
[0024] a)在通常的摩擦攬拌接合中，接合所需要的熱源僅為在旋轉(zhuǎn)工具與被加工材料之 間產(chǎn)生的摩擦熱。因此，利用摩擦攬拌接合法對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼進(jìn)行接合時(shí)，無(wú)法充分確保對(duì)使作 為被加工材料的結(jié)構(gòu)用鋼軟化所必要的熱量。其結(jié)果，在接合部不能得到充分的塑性流動(dòng)， 可能發(fā)生接合速度的降低、接合缺陷的產(chǎn)生等的接合施工性的劣化。
[0025] 為了避免在將上述本技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化時(shí)非常重要的接合施工性的劣化，認(rèn)為有效 的是摩擦攬拌接合前的預(yù)熱處理工藝。
[0026] b)然而，進(jìn)行摩擦攬拌接合前的預(yù)熱處理工藝時(shí)，如果預(yù)熱熱量過(guò)量，則產(chǎn)生加熱 區(qū)域周邊的微組織發(fā)生變化運(yùn)種問(wèn)題。特別是對(duì)于通過(guò)馬氏體組織強(qiáng)化而成的高張力鋼板 而言，加熱區(qū)域周邊即使在鐵素體-奧氏體變態(tài)溫度W下進(jìn)行加熱，由于馬氏體回火而產(chǎn)生 軟化，使接合接頭強(qiáng)度顯著降低。
[0027] 因此，發(fā)明人等對(duì)摩擦攬拌接合前的預(yù)熱處理工藝條件進(jìn)行各種研究。
[0028] 其結(jié)果，得到如下見(jiàn)解：
[0029] C)通過(guò)使用激光等能量密度高的熱源，從而嚴(yán)格控制在預(yù)熱處理工藝的加熱區(qū)域 的表面溫度、面積、位置，并根據(jù)需要也適當(dāng)?shù)乜刂萍訜釁^(qū)域在厚度方向的溫度。由此，在不 導(dǎo)致接合接頭強(qiáng)度等接合接頭特性的劣化的情況下可提高接合施工性。
[0030] d)另外，在通常的摩擦攬拌接合中，在接合結(jié)束后，接合部處于自然放冷狀態(tài)，因 此，存在無(wú)法應(yīng)用在鋼材制造時(shí)的社制工藝中進(jìn)行的利用熱歷程管理進(jìn)行的微組織控制的 問(wèn)題。但是，在接合剛結(jié)束之后，通過(guò)對(duì)接合部實(shí)施組合了加熱處理和冷卻處理的工藝，從 而可進(jìn)一步提高接合接頭特性。
[0031 ]本發(fā)明是基于上述見(jiàn)解而進(jìn)行的。
[0032] 旨P，本發(fā)明的主旨構(gòu)成如下。
[0033] 1.-種結(jié)構(gòu)用鋼的摩擦攬拌接合方法，是將旋轉(zhuǎn)工具插入該鋼板的未接合部邊使 其旋轉(zhuǎn)邊沿接合方向移動(dòng)，利用該旋轉(zhuǎn)工具與該鋼板的摩擦熱使該鋼板軟化，并利用該旋 轉(zhuǎn)工具對(duì)該軟化的部位進(jìn)行攬拌從而產(chǎn)生塑性流動(dòng)，將該鋼板接合的結(jié)構(gòu)用鋼的摩擦攬拌 接合方法，
[0034] 所述旋轉(zhuǎn)工具包含肩部和配置于該肩部且與該肩部共有旋轉(zhuǎn)軸的銷(xiāo)部，至少該肩 部和該銷(xiāo)部由比作為被加工材料的鋼板硬的材質(zhì)構(gòu)成，
[0035] 利用設(shè)置于沿接合方向移動(dòng)的該旋轉(zhuǎn)工具的前方的加熱裝置，對(duì)該鋼板進(jìn)行加 熱，將由于該加熱而該鋼板的表面溫度Ts(°C)成為T(mén)s>0.8XTai(Ta姐下述式（1)中示出）的 區(qū)域作為加熱區(qū)域時(shí)，使該鋼板表面的該加熱區(qū)域與該旋轉(zhuǎn)工具的最小距離為該旋轉(zhuǎn)工具 的肩部的直徑W下，
[0036] 并且，使該鋼板表面的該加熱區(qū)域的面積為該旋轉(zhuǎn)工具的銷(xiāo)部的最大直徑部的面 積W下，
[0037] 并且，該加熱區(qū)域的面積的50% W上在該鋼板的表面中位于通過(guò)該旋轉(zhuǎn)工具的旋 轉(zhuǎn)軸且與接合方向平行的直線即接合中屯、線、和與該接合中屯、線平行且向前進(jìn)側(cè) (advancing side)僅隔著與該旋轉(zhuǎn)工具的銷(xiāo)部的最大半徑相同的距離的直線之間。
[0038] TAi(°C)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si] + 16.9[%Cr]+290[%As] + 6.38[%W] ???(!)
[0039] 其中，[%M]是作為被加工材料的鋼板中的M元素的含量(質(zhì)量％ )。
[0040] 2.根據(jù)上述1中記載的結(jié)構(gòu)用鋼的摩擦攬拌接合方法，對(duì)于上述加熱區(qū)域的厚度 方向的區(qū)域而言，將溫度Td(°C)滿足Td含0.8XTai(Tai在下述式（1)中示出）的區(qū)域中的距離 上述鋼板表面的最大深度設(shè)為加熱區(qū)域的深度D時(shí)，該加熱區(qū)域的深度D為上述鋼板的合計(jì) 厚度t的30% W上。
[0041 ] TAi(°C)=723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si] + 16.9[%Cr]+290[%As] + 6.38[%W] ???(!)
[0042] 其中，[%M]是作為被加工材料的鋼板的M元素的含量(質(zhì)量％ )。
[0043] 3.根據(jù)上述1或2中記載的結(jié)構(gòu)用鋼的摩擦攬