[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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，本发明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”。

背景技术

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