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WO2025022797A1 - 摩擦攪拌接合方法、摩擦攪拌接合装置および接合部材の製造方法 - Google Patents

摩擦攪拌接合方法、摩擦攪拌接合装置および接合部材の製造方法 Download PDF

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WO2025022797A1
WO2025022797A1 PCT/JP2024/019444 JP2024019444W WO2025022797A1 WO 2025022797 A1 WO2025022797 A1 WO 2025022797A1 JP 2024019444 W JP2024019444 W JP 2024019444W WO 2025022797 A1 WO2025022797 A1 WO 2025022797A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
friction stir
stir welding
tool
load
rotating tool
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/019444
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
公一 谷口
海 冨田
Original Assignee
Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ｊｆｅスチール株式会社 filed Critical Ｊｆｅスチール株式会社
Priority to JP2024545258A priority Critical patent/JP7578216B1/ja
Publication of WO2025022797A1 publication Critical patent/WO2025022797A1/ja

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding

Definitions

  • the present invention relates to a friction stir welding method, a friction stir welding device, and a method for manufacturing welded members.
  • the workpieces are joined as follows. That is, a pair of rotating tools are placed on the front and back sides of the workpieces, which have at least two metal plates. The rotating tools are then pressed against the front and back sides of the workpieces, respectively, and moved in the joining direction while rotating. This softens the metal plates with frictional heat between the rotating tool and the workpieces, and the softened parts are stirred with the rotating tool. Plastic flow is then induced in the area of the workpieces that will become the joint, and the workpieces are joined.
  • the unjoined area the area where the workpieces are butted or overlapped and not yet joined
  • the area that has been joined and integrated is referred to as the "joined area.”
  • Patent Document 1 describes: "The coefficient of dynamic friction between the material of the rotary tool or the material coated on the surface of the rotary tool and the steel plate is 0.6 or less,
  • a heating region is defined as a region in which a temperature TS (°C) of a surface of the steel plate heated by a heating means provided in front of the joining direction of the rotating tool satisfies the following formula (1), a minimum distance between the heating region and the rotating tool is equal to or less than a diameter of a shoulder portion of the rotating tool, an area of the heating region is equal to or smaller than an area of a maximum diameter portion of the pin portion of the rotary tool;
  • a friction stir welding method in which 65% or more of the area of the heating region is located between a weld center line, which is a straight line on the surface of the steel plate that passes through the rotation axis of the rotating tool and is parallel to the welding direction, and a straight line that is parallel to the weld center line and is separated toward
  • T A1 is the temperature represented by the following formula (2).
  • T A1 (°C) 723-10.7[%Mn]-16.9[%Ni]+29.1[%Si]+16.9[%Cr]+290[%As]+6.38[%W]...(2)
  • the above [%M] is the content (mass%) of the M element in the steel plate that is the processed material, and if it is not contained, it is set to 0. has been disclosed.
  • the shoulder and pin of the rotating tool share the same rotation axis and are made of a material harder than the steel plate.
  • a double-sided friction stir welding method characterized in that friction stir welding is performed by controlling the steel plate surface temperature TP (°C) in the heating region so as to satisfy formulas (1) to (3), and the gap G (mm) between the opposing shoulder portions and the thickness t (mm) of the steel plate so as to satisfy formula (5).
  • TP steel plate surface temperature
  • W (mm) is the position away from the center line of the joint in the width direction of the joint
  • D (mm) is the diameter of the shoulder of the rotating tool
  • G (mm) is the shoulder clearance
  • t (mm) indicates the thickness of the steel plate. has been disclosed.
  • Patent Document 3 A rotating tool is pressed against an unjoined portion, which is an abutting portion or an overlapping portion between an end of a first electromagnetic steel strip and an end of a second electromagnetic steel strip, from both sides of the unjoined portion while rotating in opposite directions to each other, Next, the rotating tool is moved in a joining direction to join the first electromagnetic steel strip and the second electromagnetic steel strip together; Further, a diameter D (mm) of a shoulder portion of the rotary tool satisfies the relationship of the following formula (1), a rotation speed RS (revolutions/min) of the rotating tool, a diameter D (mm) of the shoulder of the rotating tool, and a joining speed JS (mm/min), which represents a ratio RS ⁇ D3 /JS, satisfying the relationship of the following formula (2).
  • TJ is When the unjoined portion is a butt portion, the average value (mm) of the sheet thickness of the first electromagnetic steel strip and the sheet thickness of the second electromagnetic steel strip, If the unjoined portion is an overlapping portion, it is the thickness of the overlapping portion (mm). has been disclosed.
  • the present invention has been developed in light of the above-mentioned current situation, and aims to provide a friction stir welding method (hereinafter also referred to as a friction stir welding method with excellent stability of joint characteristics) that makes it possible to obtain stable and good joint characteristics of a joint even when a high melting point steel plate is used as the welded material.
  • the present invention also aims to provide a friction stir welding device that can be suitably used for the above-mentioned friction stir welding method.
  • the present invention also aims to provide a manufacturing method for welded members. Note that in this specification, all numerical ranges expressed using " ⁇ " mean ranges that include the numerical values written before and after " ⁇ " as the lower and upper limits, respectively.
  • the inventors have conducted extensive research to achieve the above object.
  • the inventors investigated the cause of deterioration of the joint characteristics of the joint when a high-melting point steel plate is used as the material to be joined in a conventional friction stir welding method.
  • the inventors have obtained the following findings. That is, when a high-melting point steel plate is used as the material to be joined, the rotating tool is prone to wear and damage (hereinafter also referred to as wear, etc.). Insufficient heat input and poor plastic flow due to wear, etc. of the rotating tool cause deterioration of the joint characteristics of the joint.
  • the gist and configuration of the present invention are as follows. 1.
  • a friction stir welding method in which a pair of opposing rotary tools is pressed against the front and back surfaces of workpieces, respectively, and the workpieces are joined by moving the rotary tools in a joining direction while rotating the rotary tools,
  • a friction stir welding method wherein a load on the rotating tool and a separation distance of the rotating tool satisfy the following relationship: ⁇ When 0.01 ⁇ dL ⁇ 0.10, dL ⁇ 0.1 ⁇ dD ⁇ dL ⁇ 1.0 ⁇ When 0.10 ⁇ dL ⁇ 0.30, dL ⁇ 0.2-0.01 ⁇ dD ⁇ dL ⁇ 1.2-0.02 ⁇ When 0.30 ⁇ dL ⁇ 0.70, dL ⁇ 0.4-0.07 ⁇ dD ⁇ dL ⁇ 1.4-0.08
  • dL ⁇ L/Lint
  • Lint is the initial value of the load of the rotary tool
  • ⁇ L is the change in the load of the rotary tool from Lint.
  • dD ⁇ D/Dint, where Din
  • a friction stir welding apparatus used in the friction stir welding method according to any one of 1 to 3, A pair of opposing rotary tools; a measuring device for measuring a load on the rotary tool; A calculation device that calculates a control range of the separation distance of the rotary tool based on the equation described in 1 from the load of the rotary tool measured by the measurement device; a position adjustment mechanism that changes a position of the rotation tool within a control range of the separation distance of the rotation tool calculated by the calculation device; and
  • the friction stir welding apparatus has
  • a method for manufacturing a welded member which includes joining workpieces by the friction stir welding method described in any one of 1 to 3 above to obtain a welded member.
  • the present invention even when high melting point steel plate is used as the joined material, it is possible to avoid deterioration of the joint characteristics of the joint and obtain stable and good joint characteristics of the joint. This makes it possible to stably manufacture high-quality joined components regardless of the type of joined material, and has great industrial value.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of friction stir welding.
  • Friction Stir Welding Method First, a friction stir welding method according to one embodiment of the present invention will be described.
  • a pair of rotating tools are placed on the front side and the back side of the workpieces having at least two or more metal plates.
  • the rotating tool placed on the front side of the workpieces is referred to as the front side rotating tool.
  • the rotating tool placed on the back side of the workpieces is referred to as the back side rotating tool.
  • reference numeral 1 denotes the rotating tool (front side rotating tool)
  • 2 denotes the rotating tool (back side rotating tool)
  • 3 denotes the workpieces.
  • the front side rotating tool is pressed against the front side of the workpieces, and the back side rotating tool is pressed against the back side of the workpieces, respectively, and these rotating tools are moved in the joining direction while rotating.
  • the metal plates are softened by the frictional heat between the rotating tool and the workpieces, and the softened part is stirred by the rotating tool. Then, plastic flow is generated in the area that will become the joining part of the workpieces, and the workpieces are joined.
  • the rotating tool when friction stir welding is performed using high melting point steel plates as the materials to be joined, the rotating tool is likely to wear out.
  • the wear of the rotating tool causes insufficient heat input and poor plastic flow, which leads to deterioration of the joint characteristics of the joint.
  • the separation distance of the rotating tool is controlled so as to satisfy the relationship of the above formula (1) (consisting of three formulas divided into cases), preferably the following formula (2), depending on the load of the rotating tool during joining, which is correlated with the progress of wear of the rotating tool. This makes it possible to stably manufacture high-quality joined members regardless of the progress of wear of the rotating tool.
  • the separation distance D of the rotating tools is the separation distance (shortest distance) between the front side rotating tool and the back side rotating tool in the thickness direction of the materials to be joined (hereinafter also referred to as the thickness direction), as shown in Figure 1.
  • Lint may be the load on the rotating tool when, for example, the rotating tool is not worn, the separation distance of the rotating tool is set to an initial value (Dint), and joining is performed under the same joining conditions (planned for actual joining) as in actual joining. Lint can be obtained, for example, by performing a preliminary joining test in advance.
  • ⁇ L Lint - LT.
  • ⁇ L can be said to be the reduction in the load on the rotating tool from Lint.
  • Dint may be determined based on the materials to be joined and the joining conditions planned for the actual joining.
  • Dint is preferably 0.01 x t to 0.5 x t.
  • Dint is more preferably 0.05 x t or more.
  • Dint is more preferably 0.3 x t or less.
  • t is the thickness (mm) of the materials to be joined. In the case of butt joining, t is the average thickness of the materials to be joined, and in the case of lap joining, t is the thickness of the overlapping part of the materials to be joined.
  • ⁇ D Dint - DT.
  • ⁇ D can be said to be the reduction in the separation distance of the rotating tool from Dint.
  • the load of the rotating tool is preferably, for example, the load value in the axial direction of the rotating tool, the load value in the joining direction, or the torque value in the rotational direction.
  • the load value in the axial direction of the rotating tool, the load value in the joining direction, or the torque value in the rotational direction each include values derived from these values (for example, values in which the control range of dD according to the above formula (1) is the same as when the load value in the axial direction of the rotating tool, the load value in the joining direction, or the torque value in the rotational direction is used).
  • the load value in the axial direction of the rotating tool, the load value in the joining direction, or the torque value in the rotational direction can be measured using a general load measuring device or torque measuring device.
  • monitoring the load of the rotating tool means measuring the load of the rotating tool at a predetermined interval.
  • the measurement interval is not particularly limited, and is preferably set to, for example, 0.1 to 1.0 seconds. Note that the measurement interval may or may not be constant.
  • the rotation speed of the rotary tool is preferably 300 to 2000 rpm.
  • the rotation directions of the rotary tools are preferably opposite for the front side rotary tool and the back side rotary tool. From the viewpoint of improving the efficiency of the work, the joining speed is preferably 0.5 m/min or more, and more preferably 0.8 m/min or more.
  • the positions of the tips of the front side rotary tool and the back side rotary tool may be set appropriately in accordance with conventional methods so as to satisfy the relationship of the above formula (1). For example, it is preferable that the positions of the tips of the front side rotary tool and the back side rotary tool are symmetrical in the thickness direction with respect to the center position of the thickness of the materials to be joined.
  • joining methods include butt joining and lap joining.
  • butt joining the end faces of the materials to be joined are placed opposite each other, and a rotating tool is pressed against the butt portion, which includes the end faces (butt surfaces), while rotating. The rotating tool is then moved in the joining direction in this state to join the materials to be joined.
  • lap joining at least a portion of the ends of the materials to be joined are overlapped, and the rotating tool is pressed against the overlap portion while rotating. The rotating tool is then moved in the joining direction in this state to join the materials to be joined.
  • the rotating tool used is not particularly limited, and a general rotating tool used in double-sided friction stir welding can be used. It is preferable to use a material for the tip of the rotating tool that is harder than the materials to be joined.
  • the metal plate used for the material to be joined is also not particularly limited.
  • the metal plate used for the material to be joined is preferably a high melting point steel plate with a melting point of 1350°C or higher (particularly 1400°C or higher) at which wear of the rotary tool is particularly likely to occur, for example, a steel plate with a Si content of 2.0 to 5.0 mass%.
  • An example of the composition of such a steel plate is, in mass%, C: 0.1% or less, Si: 2.0 to 5.0%, Al: 2.0% or less, and Mn: 1.0% or less, with the remainder being Fe and unavoidable impurities.
  • the unavoidable impurities are, for example, P: 0.2% or less, S: 0.01% or less, and N: 0.01% or less.
  • the above composition may contain at least one selected from the group consisting of Cr: 1% or less, Ni: 1% or less, Cu: 1% or less, Sn: 0.2% or less, Sb: 0.2% or less, Ca: 0.01% or less, REM: 0.05% or less, and Mg: 0.01% or less, in mass %. All elements other than Si and Fe may be 0 mass %.
  • the C content is more preferably 0.001 mass % or more.
  • the Mn content and Al content are more preferably 0.01 mass % or more.
  • the metal plates used for the joined materials may be the same steel type or different steel types. Furthermore, the thickness of each metal plate used for the joined materials is preferably 0.2 to 3.2 mm.
  • a friction stir welding apparatus is a friction stir welding apparatus that can be suitably used in the friction stir welding method of the above [1], A pair of opposing rotary tools; a measuring device for measuring a load on the rotary tool; a calculation device that calculates a control range of the separation distance of the rotary tool based on the load of the rotary tool measured by the measurement device, based on the above formula (1), preferably the above formula (2); a position adjustment mechanism that changes a position of the rotation tool within a control range of the separation distance of the rotation tool calculated by the calculation device; and has.
  • the configuration of the rotation tool is as described above.
  • the type of the measuring device is not particularly limited.
  • Examples of measuring devices include general load measuring devices and torque measuring devices capable of measuring the load value in the axial direction of the rotating tool, the load value in the joining direction, or the torque value in the rotation direction.
  • load measuring devices and torque measuring devices capable of monitoring (measuring at predetermined intervals) the load value in the axial direction of the rotating tool, the load value in the joining direction, or the torque value in the rotation direction are suitable as measuring devices.
  • Examples of the calculation device include an input section for inputting data such as various settings and the load of the rotary tool measured at predetermined intervals by a measuring device, a calculation section for processing the input data, a storage device for storing the data, and an output section for outputting an operating signal to the position adjustment mechanism based on the results of the calculation processing by the calculation section.
  • the form of the position adjustment mechanism is not particularly limited.
  • an electric drive device that moves the rotating tool in the axial direction is an example of the position adjustment mechanism.
  • the device configuration other than that described above is not particularly limited, and may be the same as that of a conventionally known friction stir welding device.
  • a manufacturing method of a welded member according to one embodiment of the present invention is to weld workpieces by a friction stir welding method to obtain a welded member.
  • the welded member has two or more base materials (workpieces) and a welded portion between the base materials (a welded portion that welds the base materials together).
  • Each base material is composed of a metal plate that is a welded material.
  • the welded portion is a region that has become a recrystallized structure by hot working due to frictional heat between a rotary tool and workpieces and plastic flow.
  • the number of base materials to be welded at one welded portion may be two or more.
  • the number of base materials to be welded at one welded portion may be, for example, two, or may be three to five.
  • the friction stir welding device described in [2] above was used. Then, while monitoring the load on the rotating tool, the distance between the rotating tool was controlled to satisfy the above formula (1) according to the load on the rotating tool, and welding was performed. Lint was the load on the rotating tool measured in a preliminary welding test. That is, in the preliminary welding test, the rotating tool was not worn out, the rotating tool was set to a distance of 0.400 mm, and welding was performed according to the welding conditions planned for the actual welding, and the load on the rotating tool was measured at that time. On the other hand, in the comparative example No. 2, welding was performed with the rotating tool distance kept at Dint. In the comparative example No. 3, the rotating tool distance was appropriately changed outside the range of the above formula (1), and welding was performed. The other conditions were in accordance with the usual method. The load on the rotating tool was the load value in the axial direction of the rotating tool.
  • the breaking strength of the joint was measured as follows. That is, from each position of the joint of the obtained joint member, a test piece having the same shape as the No. 1 test piece specified in JIS Z 3121 (2013) was taken so that the joining direction and the thickness direction were perpendicular to the longitudinal direction of the test piece and the joint part was located at the center of the parallel part. Next, a tensile test in accordance with JIS Z 3121 (2013) was performed using the taken test piece to determine the maximum test force (N). The value obtained by dividing the determined maximum test force (N) by the cross-sectional area (mm 2 ) of the parallel part of the test piece was determined as the breaking strength of the joint at each position.
  • the breaking strength of the base material can also be referred to as the tensile strength (TS) of the base material (material to be joined).
  • TS tensile strength
  • the breaking strength of the base material can be measured by conducting a tensile test in accordance with JIS Z 2241 (2022). For example, a JIS No. 5 test piece is taken from the base material or the same material as the base material. Then, a tensile test is conducted using the taken test piece at a crosshead speed of 10 mm/min to measure the tensile strength (TS). Note that if the breaking strength differs depending on the base material, the maximum breaking strength of each base material is used in the evaluation of joint efficiency.
  • dL 0.05, 0.09, 0.10, 0.20, 0.30, 0.50 and 0.69
  • the desired stability of the joint characteristics of the joints was not obtained.
  • Rotation tool front side rotation tool
  • Rotation tool reverse side rotation tool

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

高融点の鋼板を被接合材として使用する場合であっても、安定して良好な接合部の継手特性を得ることを可能ならしめる摩擦攪拌接合方法を提供する。回転ツールの負荷と回転ツールの離間距離とについて、所定の関係を満足させる。

Description

摩擦攪拌接合方法、摩擦攪拌接合装置および接合部材の製造方法
　本発明は、摩擦攪拌接合方法、摩擦攪拌接合装置および接合部材の製造方法に関する。
　摩擦攪拌接合、例えば、両面摩擦攪拌接合では、以下のようにして、被接合材を接合する。すなわち、一対の回転ツールを、少なくとも２枚以上の金属板を有する被接合材の表面側と裏面側に配置する。そして、回転ツールを被接合材の表面および裏面にそれぞれ押圧し、回転ツールを回転させながら接合方向に移動する。これにより、回転ツールと被接合材との摩擦熱で金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで攪拌する。そして、被接合材の接合部となる領域で塑性流動を生じさせ、被接合材を接合する。以下、被接合材を突合わせた、または、重ね合わせた部分で未だ接合されていない状態にある領域を「未接合部」と称し、接合されて一体化された領域を「接合部」と称する。
　このような摩擦攪拌接合に関する技術として、例えば、特許文献１には、
「回転ツールの素材、もしくは前記回転ツールの表面に被覆された素材と鋼板との動摩擦係数は０．６以下であり、
　前記回転ツールの接合方向前方に設けられた加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度ＴＳ（℃）が下記式（１）を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記回転ツールとの最小距離は、前記回転ツールの肩部の直径以下であり、
　前記加熱領域の面積は、前記回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、
　前記加熱領域の面積の６５％以上は、前記鋼板の表面における前記回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行で、かつリトリーティングサイドへ前記回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線と、の間に位置する摩擦攪拌接合方法。
　ＴＳ≧０．８×ＴＡ１・・・（１）
　ＴＡ１は、下記式（２）で示される温度である。
　ＴＡ１（℃）＝７２３－１０．７［％Ｍｎ］－１６．９［％Ｎｉ］＋２９．１［％Ｓｉ］＋１６．９［％Ｃｒ］＋２９０［％Ａｓ］＋６．３８［％Ｗ］・・・（２）
　上記［％Ｍ］は、被加工材である鋼板におけるＭ元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。」
が開示されている。
　特許文献２には、
「回転ツールの肩部およびピン部は、回転軸を共有し、かつ鋼板よりも硬い材質であり、
　前記回転ツールの一方の接合方向前方に設けられた加熱装置により加熱された前記鋼板の表面側の領域を加熱領域としたとき、加熱する際に、
　前記加熱領域における、鋼板表面温度ＴＰ（℃）が式（１）～式（３）を満たし、対向する前記肩部の隙間Ｇ（mm）と前記鋼板の厚さｔ（mm）が式（５）を満たすように制御し、摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする両面摩擦攪拌接合方法。
-0.5×Ｄ≦Ｗ＜-0.1×Ｄの範囲において、40≦ＴＰ≦1200　・・・（１）
-0.1×Ｄ≦Ｗ≦0.1×Ｄの範囲において、100≦ＴＰ≦1200　・・・（２）
0.1×Ｄ＜Ｗ≦0.5×Ｄの範囲において、40≦ＴＰ≦1200　　・・・（３）
0.4×t≦Ｇ≦ｔ　　・・・（５）
ここで、Ｗ(mm)は、接合中央線から接合部の幅方向に離間する位置、
　　　　Ｄ(mm)は、回転ツールの肩部の直径、
　　　　Ｇ(mm)は、肩部の隙間、
　　　　ｔ(mm)は、鋼板の厚さ、をそれぞれ示す。」
が開示されている。
　特許文献３には、
「第１の電磁鋼帯の端部と第２の電磁鋼帯の端部との突合せ部、または、重ね合せ部である未接合部に、回転ツールを、該未接合部の両面から互いに逆方向に回転させながら押圧し、
　ついで、前記回転ツールを接合方向に移動させることにより、前記第１の電磁鋼帯と前記第２の電磁鋼帯とを接合し、
　また、前記回転ツールの肩部の直径Ｄ（ｍｍ）が、次式（１）の関係を満足し、かつ、
　前記回転ツールの回転数ＲＳ（回／分）、前記回転ツールの肩部の直径Ｄ（ｍｍ）および接合速度ＪＳ（ｍｍ／分）により表されるＲＳ×Ｄ３／ＪＳが、次式（２）の関係を満足する、電磁鋼帯の摩擦攪拌接合方法。
　４×ＴＪ≦Ｄ≦１０×ＴＪ　・・・（１）
　２００×ＴＪ≦ＲＳ×Ｄ３／ＪＳ≦２０００×ＴＪ　・・・（２）
　ここで、ＴＪは、
　未接合部が突合せ部の場合、第１の電磁鋼帯の板厚および第２の電磁鋼帯の板厚の平均値（ｍｍ）であり、
　未接合部が重ね合せ部の場合、重ね合せ部の厚さ（ｍｍ）である。」
が開示されている。
国際公開２０１８／０７０３１６号 特開２０２０－１２４７３９号公報 特開２０２３－０４１５５６号公報
　しかしながら、特許文献１などの従来の摩擦攪拌接合方法において、高融点の鋼板、例えば、Ｓｉ含有量が２．０～５．０質量％の鋼板を被接合材として使用する場合、接合部の継手特性が劣化する場合があった。そのため、この点の改善が望まれているのが現状である。
　本発明は、上記の現状に鑑み開発ざれたものであって、高融点の鋼板を被接合材として使用する場合であっても、安定して良好な接合部の継手特性を得ることを可能ならしめる摩擦攪拌接合方法（以下、接合部の継手特性の安定性に優れる摩擦攪拌接合方法ともいう）を提供することを目的とする。また、本発明は、上記の摩擦攪拌接合方法に好適に用いることができる、摩擦攪拌接合装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、接合部材の製造方法を提供することを目的とする。なお、本明細書において、「～」を用いて表す数値範囲はいずれも、「～」の前後に記載される数値をそれぞれ下限値および上限値として含む範囲を意味する。
　さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた。まず、発明者らは、従来の摩擦攪拌接合方法において、高融点の鋼板を被接合材として使用する場合に、接合部の継手特性が劣化する原因を調査した。その結果、発明者らは、以下の知見を得た。すなわち、高融点の鋼板を被接合材として使用する場合には回転ツールの摩耗や損傷（以下、摩耗などともいう）が生じ易い。この回転ツールの摩耗などによる入熱不足や塑性流動不良が原因となって、接合部の継手特性の劣化が生じる。
　そこで、発明者らは、上記の知見に基づき、さらに検討を重ねた。その結果、発明者らは、以下の知見を得た。
・回転ツールの摩耗の進行状況と接合時の回転ツールの負荷との間には、相関関係がある。
・回転ツールの負荷に応じて、所定の関係を満足するように回転ツールの離間距離を制御することにより、高融点の鋼板を被接合材として使用する場合であっても、安定して良好な接合部の継手特性を得ることが可能となる。
　本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。
　すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．対向する一対の回転ツールを被接合材の表面および裏面にそれぞれ押圧し、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動することにより、前記被接合材を接合する、摩擦攪拌接合方法であって、
　前記回転ツールの負荷と、前記回転ツールの離間距離とが次式の関係を満足する、摩擦攪拌接合方法。
・０.０１≦ｄＬ＜０．１０の場合
　　ｄＬ×０．１≦ｄＤ≦ｄＬ×１．０
・０．１０≦ｄＬ＜０．３０の場合
　　ｄＬ×０．２－０．０１≦ｄＤ≦ｄＬ×１．２－０．０２
・０．３０≦ｄＬ＜０．７０の場合
　　ｄＬ×０．４－０．０７≦ｄＤ≦ｄＬ×１．４－０．０８
　ここで、ｄＬ＝ΔＬ／Ｌｉｎｔである。Ｌｉｎｔは、回転ツールの負荷の初期値である。ΔＬは、Ｌｉｎｔからの回転ツールの負荷の変化量である。
　また、ｄＤ＝ΔＤ／Ｄｉｎｔである。Ｄｉｎｔは、回転ツールの離間距離の初期値である。ΔＤは、Ｄｉｎｔからの回転ツールの離間距離の変化量である。
２．前記回転ツールの負荷が、前記回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値である、前記１に記載の摩擦攪拌接合方法。
３．突合せ接合または重ね接合である、前記１または２に記載の摩擦攪拌接合方法。
４．前記１～３のいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法に用いられる、摩擦攪拌接合装置であって、
　対向する一対の回転ツールと、
　前記回転ツールの負荷を測定する、測定装置と、
　前記測定装置により測定した前記回転ツールの負荷から、前記１に記載の式に基づき、前記回転ツールの離間距離の制御範囲を計算する、計算装置と、
　前記計算装置により計算した前記回転ツールの離間距離の制御範囲内で、前記回転ツールの位置を変化させる、位置調整機構と、
を有する、摩擦攪拌接合装置。
５．前記１～３のいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法により被接合材を接合し、接合部材を得る、接合部材の製造方法。
　本発明によれば、高融点の鋼板を被接合材として使用する場合であっても、接合部の継手特性の劣化を回避し、安定して良好な接合部の継手特性を得ることが可能となる。これにより、被接合材の種類によらず、安定して高品質の接合部材を製造することが可能となり、産業上の利用価値は極めて大きい。
摩擦攪拌接合の一例を示す模式図である。
　本発明を、以下の実施形態に基づき説明する。
［１］摩擦攪拌接合方法
　まず、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合方法について、説明する。
　上述したように、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合では、図１に示すように、一対の回転ツールを、少なくとも２枚以上の金属板を有する被接合材の表面側と裏面側に配置する。以下、被接合材の表面側に配置する回転ツールを、表面側回転ツールと称する。また、被接合材の裏面側に配置する回転ツールを、裏面側回転ツールと称する。図１中、符号１が回転ツール（表面側回転ツール）、２が回転ツール（裏面側回転ツール）、３が被接合材である。そして、対向する一対の回転ツールを被接合材の表面および裏面にそれぞれ押圧し、回転ツールを回転させながら接合方向に移動する。すなわち、表面側回転ツールを被接合材の表面に、裏面側回転ツールを被接合材の裏面にそれぞれ押圧し、これらの回転ツールを回転させながら接合方向に移動する。これにより、回転ツールと被接合材との摩擦熱で金属板を軟化させつつ、その軟化した部位を回転ツールで攪拌する。そして、被接合材の接合部となる領域で塑性流動を生じさせ、被接合材を接合する。
　そして、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合では、接合中に、回転ツールの負荷を監視し、（監視した）回転ツールの負荷に応じて、（場合分けした３つの式からなる）次式（１）の関係を満足するように、回転ツールの離間距離を制御することが極めて重要である。
・０.０１≦ｄＬ＜０．１０の場合
　　ｄＬ×０．１≦ｄＤ≦ｄＬ×１．０
・０．１０≦ｄＬ＜０．３０の場合
　　ｄＬ×０．２－０．０１≦ｄＤ≦ｄＬ×１．２－０．０２　　　　・・・（１）
・０．３０≦ｄＬ＜０．７０の場合
　　ｄＬ×０．４－０．０７≦ｄＤ≦ｄＬ×１．４－０．０８
　ここで、ｄＬ＝ΔＬ／Ｌｉｎｔである。Ｌｉｎｔは、回転ツールの負荷の初期値である。ΔＬは、Ｌｉｎｔからの回転ツールの負荷の変化量である。また、ｄＤ＝ΔＤ／Ｄｉｎｔである。Ｄｉｎｔは、回転ツールの離間距離の初期値である。ΔＤは、Ｄｉｎｔからの回転ツールの離間距離の変化量である。
　すなわち、高融点の鋼板を被接合材として摩擦攪拌接合を行うと、回転ツールの摩耗などが生じ易い。この回転ツールの摩耗などによる入熱不足や塑性流動不良が原因となって、接合部の継手特性の劣化が生じる。この点、回転ツールの摩耗の進行状況と相関関係のある接合時の回転ツールの負荷に応じて、（場合分けした３つの式からなる）上掲式（１）の関係、好ましくは次式（２）の関係を満足するように回転ツールの離間距離を制御する。これにより、回転ツールの摩耗の進行状況によらず、安定して高品質の接合部材を製造することが可能となる。
・０.０１≦ｄＬ＜０．１０の場合
　　ｄＬ×０．１２≦ｄＤ≦ｄＬ×０．９
・０．１０≦ｄＬ＜０．３０の場合
　　ｄＬ×０．２４－０．０１２≦ｄＤ≦ｄＬ×１．１－０．０２　・・・（２）
・０．３０≦ｄＬ＜０．７０の場合
　　ｄＬ×０．４８－０．０８４≦ｄＤ≦ｄＬ×１．３－０．０８
　なお、ｄＬが０．０１未満となる場合には、回転ツールの離間距離をＤｉｎｔのまま、つまり、ｄＤ＝０として、接合を行えばよい。また、接合初期には、回転ツールに塑性流動した被接合材が付着し、ツール負荷が増加する場合があるが、この場合も、回転ツールの離間距離をＤｉｎｔのまま、つまり、ｄＤ＝０として、接合を行えばよい。なお、ｄＬが０．７０以上となる場合には、回転ツールを交換することが推奨される。ここで、回転ツールの離間距離であるＤは、図１に示すように、被接合材の厚さ方向（以下、厚さ方向ともいう）における表面側回転ツールと裏面側回転ツールの離間距離（最短距離）である。
　また、Ｌｉｎｔは、例えば、回転ツールに摩耗などが生じていない状態で、回転ツールの離間距離を初期値（Ｄｉｎｔ）に設定し、実際の接合と同じ（実際の接合で予定している）接合条件に従い接合を行った際の回転ツールの負荷とすればよい。Ｌｉｎｔは、例えば、事前に予備接合試験を行うことにより、求めることができる。
　ΔＬは、時間Ｔでの回転ツールの負荷をＬＴとした場合、ΔＬ＝Ｌｉｎｔ－ＬＴと表すことができる。すなわち、ΔＬは、Ｌｉｎｔからの回転ツールの負荷の減少量ということができる。
　Ｄｉｎｔは、被接合材や実際の接合で予定している接合条件の基づき、決定すればよい。例えば、Ｄｉｎｔは、好ましくは０．０１×ｔ～０．５×ｔである。Ｄｉｎｔは、より好ましくは０．０５×ｔ以上である。また、Ｄｉｎｔは、より好ましくは０．３×ｔ以下である。ここで、ｔは被接合材の厚さ（ｍｍ）である。なお、ｔは、突合せ接合の場合には、被接合材の平均厚さであり、重ね接合の場合には、被接合材の重ね部での厚さである。
　ΔＤは、時間Ｔでの回転ツールの離間距離をＤＴとした場合、ΔＤ＝Ｄｉｎｔ－ＤＴと表すことができる。すなわち、ΔＤは、Ｄｉｎｔからの回転ツールの離間距離の減少量ということができる。
　また、回転ツールの負荷は、例えば、回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値が好ましい。なお、回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値にはそれぞれ、これらの値から導出される値（例えば、回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値を使用した場合と、上掲式（１）に従うｄＤの制御範囲が同じ値となるもの）も含むものとする。また、回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値は、一般的な荷重測定器やトルク測定器を使用して測定することができる。
　加えて、回転ツールの負荷が表面側回転ツールと裏面側回転ツールとで異なる場合には、表面側回転ツールの両方でそれぞれ、上掲式（１）（好ましくは上掲式（２））の関係を満足させる。
　なお、回転ツールの負荷を監視するとは、所定の間隔で回転ツールの負荷を測定することを意味する。測定間隔は特に限定されず、例えば、０．１～１．０秒とすることが好適である。なお、測定間隔は、一定であっても一定でなくてもよい。
　上記以外の接合条件は、特に限定されず、常法に従えばよい。例えば、回転ツールの回転速度は、好ましく３００～２０００ｒｐｍである。また、回転ツールの回転方向は、表面側回転ツールと裏面側回転ツールとで、逆方向にすることが好ましい。接合速度は、施工能率の向上の観点から、好ましくは０．５ｍ／分以上、より好ましくは０．８ｍ／分以上である。表面側回転ツールおよび裏面側回転ツールの先端部の位置は、上掲式（１）の関係を満足するように、常法に従い、適宜、設定すればよい。例えば、表面側回転ツールおよび裏面側回転ツールの先端部の位置は、被接合材の厚さ中心位置を基準として厚さ方向に対称となるようにすることが好ましい。
　接合方式としては、突合せ接合および重ね接合を例示できる。突合せ接合とは、被接合材の端面同士を対向させた状態で、被接合材の端面（突合せ面）を含む突合せ部に回転ツールを回転させながら押圧する。そして、その状態で、回転ツールを接合方向に移動させることにより、被接合材を接合するものである。重ね接合とは、被接合材の端部の少なくとも一部を重ね合せ、重ね合せ部に回転ツールを回転させながら押圧する。そして、その状態で、回転ツールを接合方向に移動させることにより、被接合材を接合するものである。
　使用する回転ツールも、特に限定されず、両面摩擦攪拌接合に使用される一般的な回転ツールを使用することができる。なお、回転ツールの先端部には、被接合材よりも硬い材質を使用することが好ましい。
　被接合材に使用する金属板も、特に限定されない。被接合材に使用する金属板は、例えば、回転ツールの摩耗が特に生じやすい融点が１３５０℃以上（特には、融点が１４００℃以上）の高融点の鋼板、例えば、Ｓｉ含有量が２．０～５．０質量％の鋼板が好適である。このような鋼板の成分組成としては、質量％で、Ｃ：０．１％以下、Ｓｉ：２．０～５．０％、Ａｌ：２．０％以下およびＭｎ：１．０％以下であり、残部がＦｅおよび不可避的不純物である成分組成を例示できる。不可避的不純物は、例えば、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．０１％以下、および、Ｎ：０．０１％以下である。上記の成分組成には、質量％で、任意に、Ｃｒ：１％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｓｎ：０．２％以下、Ｓｂ：０．２％以下、Ｃａ：０．０１％以下、ＲＥＭ：０．０５％以下、および、Ｍｇ：０．０１％以下からなる群から選ばれる少なくとも１つを含有させることができる。なお、ＳｉおよびＦｅ以外の元素はいずれも０質量％であってもよい。Ｃ含有量は、より好ましくは０．００１質量％以上である。Ｍｎ含有量およびＡｌ含有量はそれぞれ、より好ましくは０．０１質量％以上である。また、被接合材に使用する金属板は、同じ鋼種であってもよいし、異なる鋼種であってもよい。さらに、被接合材に使用する金属板１枚あたりの厚さは、０．２～３．２ｍｍが好適である。
［２］摩擦攪拌接合装置
　次に、本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合装置を、説明する。
　本発明の一実施形態に従う摩擦攪拌接合装置は、上記［１］の摩擦攪拌接合方法に好適に用いることができる、摩擦攪拌接合装置であって、
　対向する一対の回転ツールと、
　前記回転ツールの負荷を測定する、測定装置と、
　前記測定装置により測定した前記回転ツールの負荷から、上掲式（１）、好ましくは上掲式（２）に基づき、前記回転ツールの離間距離の制御範囲を計算する、計算装置と、
　前記計算装置により計算した前記回転ツールの離間距離の制御範囲内で、前記回転ツールの位置を変化させる、位置調整機構と、
を有する。
　回転ツールの態様は、上述のとおりである。
　測定装置の態様は特に限定されない。測定装置として、例えば、回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値を測定することが可能な一般的な荷重測定器やトルク測定器が挙げられる。測定装置として、特には、回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値を監視（所定の間隔で測定）することが可能な荷重測定器やトルク測定器が好適である。
　計算装置の態様としては、各種設定や測定装置において所定の間隔で測定した回転ツールの負荷などのデータを入力する入力部と、入力されたデータを演算処理する演算部と、データ等を記憶する記憶装置と、演算部での演算処理結果に基づき、位置調整機構への動作信号を出力する出力部と、を有するものが挙げられる。
　位置調整機構の態様は特に限定されない。位置調整機構として、例えば、回転ツールを軸方向に移動する電動駆動装置が挙げられる。
　なお、上記以外の装置構成などについては特に限定されず、従来公知の摩擦攪拌接合装置と同様の装置構成とすればよい。
［３］接合部材の製造方法
　次に、本発明の一実施形態に従う接合部材の製造方法を、説明する。
　本発明の一実施形態に従う接合部材の製造方法は、摩擦攪拌接合方法により被接合材を接合し、接合部材を得るというものである。ここで、接合部材は、２以上の母材（被接合材）と、母材同士の接合部（母材同士を接合する接合部）とを有する。各母材は、被接合材とする各金属板によって構成される。接合部は、回転ツールと被接合材との摩擦熱と塑性流動による熱間加工を受けて再結晶組織となった領域である。上記以外の条件については特に限定されず、常法に従えばよい。なお、１の接合部で接合される母材の数は、２以上であればよい。１の接合部で接合される母材の数は、例えば、２であっても、３～５であってもよい。
　被接合材となる融点：１４５０℃（Ｓｉ含有量：４．０質量％）、板厚：２ｍｍの２枚の鋼板を突合せて、表１に示す条件で、両面摩擦攪拌接合を行った。なお、接合は、それぞれの条件において、回転ツールのｄＬが０．７０に達するまで実施した。回転ツール（表面側回転ツールおよび裏面側回転ツール）は、いずれの条件でも、ＷＣ製先端フラット型ツールを使用した。明記していない条件などについては、上記の記載または常法に従うものとした。また、いずれも場合も、接合条件は、両面ともほぼ同じであるため、表１では、一方のみを代表して記載している。加えて、後述する外観観察は、接合部材の接合部の両面でそれぞれ行った。
　ここで、Ｎｏ．１の発明例では、上記［２］の摩擦攪拌接合装置を使用した。そして、回転ツールの負荷を監視しつつ、回転ツールの負荷に応じて、上掲式（１）を満足するように回転ツールの離間距離を制御して接合を行った。また、Ｌｉｎｔは、事前の予備接合試験で測定した回転ツールの負荷とした。すなわち、予備接合試験では、回転ツールに摩耗などが生じていない状態で、回転ツールの離間距離を０．４００ｍｍとして実際の接合で予定している接合条件に従って接合を行い、その際の回転ツールの負荷を測定した。一方、Ｎｏ．２の比較例では、回転ツールの離間距離をＤｉｎｔのまま、接合を行った。また、Ｎｏ．３の比較例では、回転ツールの離間距離を上掲式（１）の範囲外で適宜変更し、接合を行った。上記以外の条件については、常法に従うものとした。回転ツールの負荷には、回転ツールの軸方向の荷重値を使用した。
　かくして得られた接合部材の接合部について、ｄＬ＝０．０５、０．０９、０．１０、０．２０、０．３０、０．５０および０．６９となった各位置で、外観観察および継手効率の評価を行った。評価結果を表１に併記する。なお、全ての位置において、外観観察および継手効率の評価が「良好」である場合に、優れた接合部の継手特性の安定性が得られたと判断した。
　ここで、外観観察では、接合部材の接合部の各位置において、目視によりバリおよび欠陥が確認されなかったものを「良好」、バリおよび欠陥のいずれかが確認されたものを「不良」と評価した。
　継手効率の評価では、継手効率（＝接合部の破断強度／母材の破断強度×１００）が９０％超であるものを「優」、７０％以上９０％以下であるものを「良好」、７０％未満であるものを「不良」と評価した。
　ここで、接合部の破断強度は、以下のようにして測定した。すなわち、得られた接合部材の接合部の各位置から、接合方向および厚さ方向が試験片の長手方向と直角となり、かつ、継手部が平行部の中央に位置するように、ＪＩＳ　Ｚ　３１２１（２０１３）に規定する１号試験片と同じ形状の試験片を採取した。ついで、採取した試験片を用いてＪＩＳ　Ｚ　３１２１（２０１３）に準拠した引張試験を行い、最大試験力（Ｎ）を求めた。そして、求めた最大試験力（Ｎ）を試験片の平行部の断面積（ｍｍ２）で除した値を、各位置での接合部の破断強度とした。
　また、母材の破断強度は、母材（被接合材）の引張強さ（ＴＳ）ということもできる。すなわち、母材の破断強度は、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１（２０２２）に準拠した引張試験を行って測定すればよい。例えば、母材または母材と同じ材料からＪＩＳ５号試験片を採取する。ついで、採取した試験片を用いて、クロスヘッド速度：１０ｍｍ／ｍｉｎの条件で引張試験を行い、引張強さ（ＴＳ）を測定する。なお、母材によって破断強度が異なる場合、継手効率の評価では、各母材の破断強度のうち、最大のものを使用する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示したように、発明例では、接合後に得られた接合部材の接合部について、ｄＬ＝０．０５、０．０９、０．１０、０．２０、０．３０、０．５０および０．６９となった全ての位置において、外観観察および継手効率の評価が良好であり、優れた接合部の継手特性の安定性が得られた。一方、比較例では、ｄＬ＝０．０５、０．０９、０．１０、０．２０、０．３０、０．５０および０．６９となった位置において、外観観察および継手効率の少なくとも一方の評価が不良であり、所望とする接合部の継手特性の安定性が得られなかった。
　また、種々の高融点の鋼板（上記の好適成分組成を有し、融点：１４００～１５３０℃、厚さ：０．２～３．２ｍｍの種々の鋼板）を被接合材として突合せ接合または重ね接合を行ったところ、回転ツールの負荷として回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値を使用して上掲式（１）を満足するように回転ツールの負荷と回転ツールの離間距離とを制御した場合には、優れた接合部の継手特性の安定性が得られた。
　１　回転ツール（表面側回転ツール）
　２　回転ツール（裏面側回転ツール）
　３　被接合材

Claims (6)

  1. 　対向する一対の回転ツールを被接合材の表面および裏面にそれぞれ押圧し、前記回転ツールを回転させながら接合方向に移動することにより、前記被接合材を接合する、摩擦攪拌接合方法であって、
    　前記回転ツールの負荷と、前記回転ツールの離間距離とが次式の関係を満足する、摩擦攪拌接合方法。
    ・０.０１≦ｄＬ＜０．１０の場合
    　　ｄＬ×０．１≦ｄＤ≦ｄＬ×１．０
    ・０．１０≦ｄＬ＜０．３０の場合
    　　ｄＬ×０．２－０．０１≦ｄＤ≦ｄＬ×１．２－０．０２
    ・０．３０≦ｄＬ＜０．７０の場合
    　　ｄＬ×０．４－０．０７≦ｄＤ≦ｄＬ×１．４－０．０８
    　ここで、ｄＬ＝ΔＬ／Ｌｉｎｔである。Ｌｉｎｔは、回転ツールの負荷の初期値である。ΔＬは、Ｌｉｎｔからの回転ツールの負荷の変化量である。
    　また、ｄＤ＝ΔＤ／Ｄｉｎｔである。Ｄｉｎｔは、回転ツールの離間距離の初期値である。ΔＤは、Ｄｉｎｔからの回転ツールの離間距離の変化量である。
  2. 　前記回転ツールの負荷が、前記回転ツールの軸方向の荷重値、接合方向の荷重値または回転方向のトルク値である、請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
  3. 　突合せ接合または重ね接合である、請求項１に記載の摩擦攪拌接合方法。
  4. 　突合せ接合または重ね接合である、請求項２に記載の摩擦攪拌接合方法。
  5. 　請求項１～４のいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法に用いられる、摩擦攪拌接合装置であって、
    　対向する一対の回転ツールと、
    　前記回転ツールの負荷を測定する、測定装置と、
    　前記測定装置により測定した前記回転ツールの負荷から、請求項１に記載の式に基づき、前記回転ツールの離間距離の制御範囲を計算する、計算装置と、
    　前記計算装置により計算した前記回転ツールの離間距離の制御範囲内で、前記回転ツールの位置を変化させる、位置調整機構と、
    を有する、摩擦攪拌接合装置。
  6. 　請求項１～４のいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法により被接合材を接合し、接合部材を得る、接合部材の製造方法。
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