鋼板的摩擦攪拌接合方法及接合接頭的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種鋼板的摩擦攬拌接合方法，特別是設(shè)及用于實(shí)現(xiàn)接合速度高速化 的摩擦攬拌接合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 摩擦攬拌接合方法是如下方法:將旋轉(zhuǎn)工具插入于重疊或?qū)拥谋患庸げ牧系奈?接合部，邊使其旋轉(zhuǎn)邊移動(dòng)，利用因與該旋轉(zhuǎn)工具的摩擦熱而被加工材料變軟化和旋轉(zhuǎn)工 具將該軟化部攬拌而產(chǎn)生的塑性流動(dòng)，使其在不添加填充金屬的情況下進(jìn)行接合。
[0003] 應(yīng)予說明，本說明書中，例如將鋼板僅對(duì)接而尚未接合的狀態(tài)的對(duì)接部分稱為"未 接合部"，另一方面，將通過塑性流動(dòng)接合而一體化的部分稱為"接合部"。
[0004] 圖1示出了將對(duì)接鋼板實(shí)施摩擦攬拌接合時(shí)的一個(gè)例子。
[000引如圖1所示，在該摩擦攬拌接合方法中，W將鋼板21、22的端面相互對(duì)接而作為未 接合部20,沿著該未接合部20邊使旋轉(zhuǎn)工具10旋轉(zhuǎn)邊移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)工具10配置于鋼板21、22的 上部，通過馬達(dá)(省略圖示)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的方式構(gòu)成。在鋼板的下部設(shè)置襯板材料30,針對(duì)旋轉(zhuǎn) 工具的加壓支撐鋼板。而且，通過馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工具10的探頭12在未接合部 20-邊與鋼板21、22接觸一邊沿箭頭F方向移動(dòng)。此時(shí)，探頭12在其周圍制作塑性材料的部 分區(qū)域，旋轉(zhuǎn)體上部11從上方方向擠壓鋼板21、22,防止材料從塑性區(qū)域逸失。因此，鋼板 21、22的未接合部20的對(duì)接部分發(fā)熱而軟化并塑性流動(dòng)，使由此得到的塑性材料固相接合， 形成接合部25。
[0006] 在運(yùn)樣的摩擦攬拌接合中，W接合的高速化或減少接合缺陷為目的，在研究與利 用旋轉(zhuǎn)工具的接合獨(dú)立地進(jìn)行加熱的方法。
[0007] 例如，在專利文獻(xiàn)1中提出了使用氣體火焰作為加熱裝置的接合方法。圖2示意地 表示使用氣體火焰作為加熱裝置時(shí)的摩擦攬拌接合要領(lǐng)。該方式使用氧乙烘、氧丙烷、氧天 然氣體等的各種氣體火焰70作為熱源對(duì)被接合部件1、2進(jìn)行加熱。在該加熱裝置72中，噴射 氣體火焰70的大致圓筒狀的氣體噴嘴部71配置于探頭62的移動(dòng)方向前方的附近部位，并且 與探頭62的動(dòng)作連動(dòng)地移動(dòng)。此外，未接合部13的氣體火焰70的噴射位置始終位于接合裝 置的移動(dòng)方向前方。另外，氣體火焰70的噴射寬度設(shè)定為:在觸碰被接合部件1、2的表面而 變?yōu)槠淝岸瞬繑U(kuò)展的狀態(tài)時(shí)，成為與旋轉(zhuǎn)件60的肩部61的直徑大致相同的尺寸。由此，未接 合部13中僅對(duì)探頭62附近進(jìn)行加熱，從而使該探頭附近及其周邊區(qū)域的溫度上升。
[0008] 對(duì)上述的摩擦攬拌接合法中的加熱裝置的動(dòng)作進(jìn)行說明。從加熱裝置72的氣體噴 嘴部71噴射氣體火焰70的同時(shí)，使接合裝置3的旋轉(zhuǎn)件60旋轉(zhuǎn)并將其一體旋轉(zhuǎn)的探頭62插 入未接合部13,在保持插入探頭的狀態(tài)下沿著對(duì)接部使探頭62相對(duì)于被接合部件1、2相對(duì) 地移動(dòng)。由此，被接合部件1、2接合而形成接合部14。
[0009] 在使用圖2中示出的加熱裝置72的摩擦攬拌接合中，利用氣體火焰70的熱量加熱 未接合部，使與探頭62及肩部61的接觸部迅速軟化，其目的在于易于進(jìn)行利用探頭62的接 厶 1=1 〇
[0010] 專利文獻(xiàn)2使用感應(yīng)加熱裝置作為熱源。運(yùn)里，通過設(shè)置將直到利用旋轉(zhuǎn)工具的接 合的溫度設(shè)為規(guī)定的溫度的控制機(jī)構(gòu)，從而可縮短直至開始摩擦攬拌接合的時(shí)間，由此，提 高加熱范圍和加熱溫度的控制性的同時(shí)，不取決于材質(zhì)就能夠防止接合部位的破裂。
[0011] 專利文獻(xiàn)3使用激光作為熱源。運(yùn)里，對(duì)未接合部進(jìn)行加熱直到進(jìn)行利用旋轉(zhuǎn)工具 的接合，使未接合部達(dá)到預(yù)先規(guī)定的軟化溫度后，停止激光的照射，從而可抑制接合工具的 損耗。
[0012] 如此，在現(xiàn)有的摩擦擦攬拌接合中，提出了使用氣體火焰、感應(yīng)加熱、激光作為進(jìn) 行施工時(shí)的輔助熱源的技術(shù)。
[0013] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0014] 專利文獻(xiàn)
[001引專利文獻(xiàn)1:日本專利第3081808號(hào)公報(bào)
[0016] 專利文獻(xiàn)2:日本專利第4235874號(hào)公報(bào)
[0017] 專利文獻(xiàn)3:日本專利第4537132號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 然而，在鋼板的摩擦攬拌接合時(shí)，專利文獻(xiàn)1~3中記載的方法中，即使在一定范圍 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了接合缺陷的減少或者接合速度的高速化，但在進(jìn)行更高速的接合的情況下，仍無 法充分得到軟化效果，遺留有無法得到?jīng)]有缺陷的接頭運(yùn)樣的問題。
[0019] 本發(fā)明有利地解決了上述問題，其目的在于提供一種無接合缺陷、不產(chǎn)生接合工 具的破損就能夠W高速進(jìn)行接合的鋼板的摩擦攬拌接合方法。
[0020] 本發(fā)明人等為了解決上述問題，在鋼板的摩擦攬拌接合中，對(duì)于利用旋轉(zhuǎn)工具的 接合開始之前的溫度分布與接頭狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行了調(diào)查。
[0021] 其結(jié)果，得到了如下見解：
[0022] (1)加熱的區(qū)域廣的情況下，雖然由于軟化的影響能夠得到良好的接合部，但傳遞 給鋼板本身的熱量少，因旋轉(zhuǎn)工具引起的發(fā)熱的影響大，熱影響部的范圍會(huì)擴(kuò)大，
[0023] (2)相反，加熱的區(qū)域過窄的情況下，利用旋轉(zhuǎn)工具的接合變得不充分，變得容易 產(chǎn)生缺陷，
[0024] (3)因此，在鋼板的摩擦攬拌接合中，接合之前的溫度范圍的管理尤為重要。
[0025] 由于摩擦攬拌接合是邊加壓邊進(jìn)行利用接合工具的接合的方法，所W，通常是夾 持鋼板且與旋轉(zhuǎn)工具對(duì)置地使用襯板材料。因此，目前為止的研究中，均提出了高頻感應(yīng)加 熱、電弧、激光等不依存于熱源的從單側(cè)的加熱。
[0026] 然而，在進(jìn)行從單側(cè)的加熱時(shí)，無法避免在鋼板表背面熱分布產(chǎn)生差異，運(yùn)很可能 成為了接合缺陷的原因。
[0027] 因此，本發(fā)明人等，試著制作能夠從鋼板表背面加熱的裝置，對(duì)在接合工具的行進(jìn) 方向W與接合工具同樣的速度移動(dòng)而對(duì)鋼板進(jìn)行加熱時(shí)的鋼板表背面溫度與有無接合缺 陷的關(guān)系進(jìn)行了調(diào)查。
[0028] 其結(jié)果，可判明通過減少在鋼板的表背面的溫度差，從而工具前端和肩部的攬拌 行為之差變小，可進(jìn)行均衡的接合，從而能夠進(jìn)行無缺陷的接合。
[0029] 另外，還可判明通過提高未接合部的溫度，從而通過鋼板的軟化能夠進(jìn)行高速的 接合，另一方面，過度提高溫度的情況下，作為摩擦攬拌接合的原理的塑性流動(dòng)反而減少， 成為缺陷的原因。
[0030] 而且，高C鋼的情況下，由于澤透性高，可能產(chǎn)生因接合后的快速冷卻所致的脆化 W及由束縛產(chǎn)生的殘留應(yīng)力引起的裂縫。因此，認(rèn)為有時(shí)需要抑制冷卻速度的降低和回火 導(dǎo)致的固化·脆化。
[0031] 因此，發(fā)明人等關(guān)于對(duì)接合后的再加熱、W及接合后?再加熱前的冷卻一并進(jìn)行 了研究，結(jié)果確認(rèn)了其有效性。
[0032] 本發(fā)明是基于上述見解而進(jìn)行的。
[0033] 旨P，本發(fā)明的要旨構(gòu)成如下。
[0034] 1. -種鋼板的摩擦攬拌接合方法，是將旋轉(zhuǎn)工具插入使二個(gè)W上的鋼板重疊或?qū)?接的未接合部，使該旋轉(zhuǎn)工具邊旋轉(zhuǎn)邊沿著接合的部分移動(dòng)，通過利用該旋轉(zhuǎn)工具與所述 鋼板的摩擦熱引起的鋼板的軟化和攬拌而產(chǎn)生的塑性流動(dòng)，從而使鋼板彼此接合，其中，
[0035] 所述旋轉(zhuǎn)工具的行進(jìn)方向的前方，利用夾持未接合部在上下成對(duì)地配置的加熱裝 置，在利用旋轉(zhuǎn)工具的接合之前預(yù)先對(duì)未接合部進(jìn)行加熱。
[0036] 2.根據(jù)上述1的鋼板的摩擦攬拌接合方法，將實(shí)施利用旋轉(zhuǎn)工具的接合的位置的 旋轉(zhuǎn)工具側(cè)的鋼板面的最高溫度Tt與鋼板背面的最高溫度Tm之差設(shè)為Δ T時(shí)，該Δ T滿足如 下范圍：
[0037] 〇°C < I ΔΤ| < 200°C。
[0038] 3.根據(jù)上述1或2的鋼板的摩擦攬拌接合方法，將上述Tt和Tm中溫度高的一方設(shè)為Τ 時(shí)，該Τ滿足如下關(guān)系：
[0039] 0.6XTAci<T<0.8XTMeit
[0040] 其中，TMelt為鋼板的烙點(diǎn)，TaeI是使用鋼板的添加元素量按下式定義的溫度。
[0041 ] TAci = 723-10.7〔％Mn)-16.9〔％Ni)+29.1〔％Si)+16.9〔％Cr)+290〔％As)+6.38 〔％W)
[0042] 運(yùn)里，〔％M)表示Μ元素的鋼板中的含量(質(zhì)量％)。
[0043] 4.根據(jù)上述1~3中任一項(xiàng)所述的鋼板的摩擦攬拌接合方法，加熱裝置為高頻感應(yīng) 加熱裝置，將該加熱裝置的使用頻率設(shè)為20曲Ζ~360曲Ζ。
[0044] 5.根據(jù)上述1~4中任一項(xiàng)所述的鋼板的摩擦攬拌接合方法，二個(gè)W上的鋼板的各 C量中，將含有更大量C的鋼板的C量設(shè)為0.1質(zhì)量％~0.6質(zhì)量％。
[004引6.根據(jù)上述1所述的摩擦攬拌接合方法，其中，
[0046] 在旋轉(zhuǎn)工具的行進(jìn)方向的后方，配置用于接合部的再加熱的后方加熱裝置，將利 用該后方加熱裝置進(jìn)行再加熱的區(qū)域的再加熱后的最高溫度設(shè)為Τρ時(shí)，該Τρ滿足如下關(guān)系：
[0047] 0.6XTac1<Tp< 1.2XTac1〇
[0048] 應(yīng)予說明，TacI設(shè)為使用鋼板的添加元素量按下式定義的溫度。
[0049] TAci = 723-10.7〔％Mn)-16.9〔％Ni)+29.1〔％Si)+16.9