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，特別設(shè)及用于實(shí)現(xiàn)接頭強(qiáng)度的提高的 鋼板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(shuō)明，本說(shuō)明書(shū)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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)行基于探頭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(guò)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(kāi)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，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)，在專利文獻(xiàn)1~3中記載的方法中，即使能夠?qū)崿F(xiàn) 接合缺陷的減少或者接合速度的高速化，也遺留有在熱影響部產(chǎn)生回火軟化或固化引起的 脆化，無(wú)法得到充分的接頭強(qiáng)度的問(wèn)題。
[0019] 本發(fā)明有利地解決了上述問(wèn)題，其目的在于提供一種不產(chǎn)生接合缺陷、無(wú)接合工 具的破損且不發(fā)生熱影響部的回火軟化或固化所致的脆化的情況下就能夠在高速的接合 速度下提高接頭強(qiáng)度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(wèn)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(kāi)始之前的溫度分布與接頭狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行調(diào)查。
[0021] 其結(jié)果，得到如下見(jiàn)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，但鋼 板、旋轉(zhuǎn)工具引起的發(fā)熱的影響大，因此，熱影響部的范圍擴(kuò)大，
[0023] (2)相反，加熱的區(qū)域過(guò)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] 因此，本發(fā)明人等為了管理接合之前的溫度范圍，用配置于旋轉(zhuǎn)工具的行進(jìn)方向 的前方的加熱裝置在各種條件下對(duì)被接合部實(shí)施了加熱。而且特別是對(duì)于在開(kāi)始利用旋轉(zhuǎn) 工具的接合的位置的、與行進(jìn)方向垂直的方向的表面溫度分布對(duì)接頭狀態(tài)的影響，進(jìn)行了 深入研究。
[0026] 目P，從組織、硬度W及斷裂形態(tài)等出發(fā)對(duì)如上得到的焊接接頭進(jìn)行了反復(fù)研究，結(jié) 果，通過(guò)將接合開(kāi)始位置的溫度上升至一定的溫度，從而能夠利用鋼板的軟化進(jìn)行高速接 合。但是，另一方面，發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)于上升的情況下，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。
[0027] 另外，接合開(kāi)始位置的溫度未達(dá)到一定溫度時(shí)，由工具引起的發(fā)熱變?yōu)橹黧w，與現(xiàn) 有方法無(wú)變化，結(jié)果，接頭強(qiáng)度得不到改善。另一方面，還判明溫度過(guò)高的情況下，工具的摩 擦熱減少且未引起工具帶來(lái)的溫度分布的變化，而且會(huì)進(jìn)一步被澤透，因此，成為脆化的原 因。
[0028] 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，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。
[0029] 因此，本發(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。
[0030] 本發(fā)明是基于上述見(jiàn)解而進(jìn)行的。
[0031] 旨P，本發(fā)明的要旨構(gòu)成如下。
[0032] 1. 一種摩擦攬拌接合方法，將旋轉(zhuǎn)工具插入使二個(gè)W上的鋼板重疊或?qū)拥奈唇?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(guò)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，
[0033] 通過(guò)配置在所述旋轉(zhuǎn)工具的行進(jìn)方向的前方的加熱裝置，在利用旋轉(zhuǎn)工具的接合 之前對(duì)未接合部進(jìn)行預(yù)先加熱，
[0034] 此時(shí)，在利用旋轉(zhuǎn)工具的接合開(kāi)始的位置中，與行進(jìn)方向垂直的方向的表面的最 高溫度Τυ滿足如下范圍：
[003引 0.6XTac1<Tu<1.8XTac1
[0036] 并且，超過(guò)溫度化= 0.6 XTacI的加熱區(qū)域的寬度L相對(duì)于上述旋轉(zhuǎn)工具的肩部的 直徑d，滿足如下關(guān)系：
[0037] 0.3Xd<L<2.0Xd
[0038] 應(yīng)予說(shuō)明，TaeI是使用鋼板的添加元素量按下式定義的溫度。
[0039] TAci = 723-10.7〔％Mn)-16.9〔％Ni)+29.1〔％Si)+16.9〔％Cr)+290〔％As)+6.38 〔％W)
[0040] 運(yùn)里，〔％M)表示Μ元素的鋼板中的含量(質(zhì)量％)。
[0041] 2.根據(jù)上述1所述的摩擦攬拌接合方法，其中配置于夾持未接合部地與接合工具 對(duì)置的位置的襯板材料的熱傳導(dǎo)率TCb相對(duì)于鋼板的熱傳導(dǎo)率TCs，滿足如下關(guān)系：
[0042] 〇.5XTCs<TCb< l.OXTCso
[0043] 3.根據(jù)上述1或2所述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Z~360曲Z。
[0044] 4.根據(jù)上述1~3中任一項(xiàng)所述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％。
[0045] 5.根據(jù)上述1所述的摩擦攬拌接合方法，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：
[0046] 0.6XTac1<Tp< 1.2XTac1〇
[0047] 應(yīng)予說(shuō)明，TaeI是使用鋼板的添加元素量按下式定義的溫度。
[004引 TAci = 723-10.