高强度钢板的摩擦搅拌接合方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种如下摩擦揽拌接合方法:将旋转工具插入被加工材料的接合部， 并且使旋转工具一边旋转一边移动，当被加工材料因与该旋转工具的摩擦热而软化时，使 用旋转工具揽拌该软化部而产生塑性流动，由此，不添加填充金属地将被加工材料接合起 来。
[0002] 特别是，是一种有利于消除在将该摩擦揽拌接合方法应用在高强度结构用钢的接 合作业中的情况下所令人担忧的、揽拌部内部的加热状态、塑性流动状态的不均匀性，在实 现充分的强度的同时，实现机械特性尤其是初性的均匀化。
【背景技术】
[0003] 作为摩擦焊接法，在专利文献1中公开了如下技术:通过使一对金属材料双方或者 一方旋转，在金属材料上产生摩擦热而使其软化，通过揽拌该软化的部位而引起塑性流动， 由此将金属材料接合起来。
[0004] 然而，由于该技术是使作为接合对象的金属材料旋转的技术，因此在所接合的金 属材料的形状、尺寸方面存在限制。
[0005] 另一方面，在专利文献2中公开了如下技术:将由比被加工材料实质上更硬的材质 构成的工具插入被加工材料的接合部，通过使该工具一边旋转一边移动，利用在工具与被 加工材料之间产生的热和塑性流动，将被加工材料沿着长度方向连续地接合起来。
[0006] 专利文献2所记载的接合法被称为摩擦焊接法、摩擦接合法、摩擦揽拌焊接法W及 摩擦揽拌接合法等，W下，将运些方法统称为摩擦揽拌接合法。
[0007] 专利文献1所记载的摩擦焊接法是一种使被加工材料彼此旋转，并且利用被加工 材料彼此之间的摩擦热进行焊接的方法。另一方面，专利文献2公开的摩擦揽拌接合法是在 将接合部件固定的状态下，能够通过使工具一边旋转一边移动来进行接合的方法。因此，对 于焊接方向而言，存在实质上能够将无限长的部件沿着其长度方向连续地接合的优点。此 夕h因为利用由旋转工具和接合部件的摩擦热引起的金属的塑性流动来进行固态接合，所 W能够不使接合部烙融地进行接合。而且，存在W下大量优点：因为加热溫度低，所W接合 后的变形小;另外，因为接合部未烙融，所W缺陷少;而且，无需填充金属等。
[000引摩擦揽拌接合法作为W侣合金、儀合金为代表的低烙点金属材料的接合法，能够 在飞机、轮船、火车W及汽车等领域广泛使用。其理由是:运些低烙点金属材料利用现有的 电弧焊接法很难获得接合部的满意特性，而通过使用摩擦揽拌接合法能够提高生产性，并 且能够获得高品质的接合部。
[0009] 另一方面，对于作为建筑物、船舶、重型机械、管道W及汽车等结构物的原材料大 量使用的低合金焊接结构用钢的摩擦揽拌接合法的应用，因为在施工性和接头特性方面存 在问题，与低烙点金属材料相比未能普及。
[0010] 在低合金焊接结构用钢的摩擦揽拌接合中，如专利文献3、专利文献4所记载的那 样，其现状是：作为旋转工具使用聚晶立方氮化棚（PCBN)、氮化娃（SiN4)等高耐磨耗性材 料。
[0011] 但是，由于运些陶瓷较脆，为了防止旋转工具的破损，要实施接合的钢板的板厚、 其施工条件受到明显的限制。
[0012] 对于接合作业而言，上述可接合板厚、接合条件等的限制越少，还有施工性、即实 际应用的容易程度越高，则被称为实用性强。
[0013] 然而，与在钢铁的接合中广泛使用的电弧焊接等焊接相比，针对摩擦揽拌接合法 的钢铁的施工性不能满足上述条件。
[0014] 为了克服该缺点，在专利文献5中，提出一种低合金焊接结构用钢，除了C、Mn、P、S 之类的构成低合金钢的基本元素 W外，限制作为铁素体(ferrite)稳定化元素的Si、Al、Ti 的含量，并且在70(TCW上的平衡状态下，使铁素体单相的溫度域宽度与作为奥氏体相和铁 素体相运两相的溫度域宽度的总和达到20(TCW上。由此，使摩擦揽拌接合时的变形阻力减 少，并且使低合金焊接结构用钢的摩擦揽拌接合法的施工性提高。
[0015] 另一方面，对于接头特性的问题而言，如非专利文献1也有所记载的那样，在摩擦 揽拌接合法中，在揽拌部内部的塑性流动状态并非均匀，在加热状态、塑性加工状态下将会 局部地变化。公知有如下问题:在低合金结构用钢的接合的情况下，运样的局部变化对揽拌 部内部的机械特性造成较大影响，特别是使得初性不均匀。
[0016] 与此相关，在专利文献6中，其目的在于消除由低合金焊接结构用钢的摩擦揽拌接 合的揽拌部内部的、加热状态、塑性加工状态的局部变化造成的初性不均匀性。其中，公开 一种如下摩擦揽拌接合方法:利用控制接头部的热过程的接合条件，限制使即使在高溫下 也稳定的细微的析出物分散而成的钢成分。
[0017] 然而，现状是：尚未发现在对抗拉强度为800M化W上的高强度结构用钢进行摩擦 揽拌接合的情况下，能够使揽拌部具有充分的强度，并且能够消除揽拌部内部的初性的不 均匀性的满意的解决方法。
[0018] 专利文献1:日本特开开昭62-183979号公报
[0019] 专利文献2:日本特表平7-505090号公报
[0020] 专利文献3:日本特表2003-532542号公报
[0021] 专利文献4:日本特表2003-532543号公报
[0022] 专利文献5:日本特开2008-031494号公报
[0023] 专利文献6:日本特愿2012-086924号说明书
[0024] 非专利文献1:焊接学会全国大会讲演要领第87集(2010)331
【发明内容】
[0025] 本发明是鉴于上述现状而开发出来的。其中，其目的在于在对抗拉强度为800M化 W上的高强度结构用钢进行摩擦揽拌接合的情况下，能够使揽拌部具有充分的强度，并且 能够消除由加热状态、塑性加工状态的局部变化造成的初性的不均匀性。而且，提供一种对 钢成分和摩擦揽拌接合条件进行严格管理的摩擦揽拌接合方法。
[0026] 此外，发明者们为了解决上述课题而反复进行深刻研究的结果是，获得了如下所 述的见解。
[0027] a)在摩擦揽拌接合法中，根据工具的转速、工具的转矩、接合速度W及被接合材料 的板厚等，利用工具旋转的做功量能够计算出投入到接头的热量。即、利用工具的转速和工 具的转矩的乘积获得单位时间的做功量，通过将该单位时间的做功量除W接合速度，能够 获得接合方向的单位长度的做功量。该单位长度的做功量相当于接合热量输入。在本发明 中，该接合热量输入记为HI，并且W如下式子(2)来表示。
[002引 HI (kj/mm) = (6.28 X RT X RS)/TS/1000 ……(2)
[00巧]其中，RT为工具的转矩(N-m)
[0030] RS为工具的转速(巧m)
[0031] TS 为接合速度(mm/min)
[0032] 而且，通过管理该接合热量输入HI,能够控制摩擦揽拌接合部的热过程。
[0033] b)在钢材的强度、初性等机械性质方面，微粒组织发挥较大影响。在抗拉强度为 800M化W上的高强度结构用钢的摩擦揽拌接合中，为了实现足够的接合接头的强度、消除 揽拌部的初性的不均匀性W实现均匀的高初性，需要使揽拌部形成为主要由细微贝氏体组 织构成的微粒组织。
[0034] C)在钢材的摩擦揽拌接合中，将揽拌部加热到奥氏体-铁素体相变溫度W上。虽然 利用在之后的冷却过程中的奥氏体-铁素体相变形成常溫时的微粒组织，但是该情况深受 从800°C到500°C为止的冷却时间的影响。如果冷却时间较长，则变为铁素体-珠光体组织， 随着冷却时间变短，那么在更低的溫度下按照粗大贝氏体、细微贝氏体W及马氏体的顺序 生成物质，并且向高强度的组织转换。
[0035] 如上所述，通过对接合热量输入HI进行管理，能够控制摩擦揽拌接合部的热过程， 只要从800°C到500°C为止的冷却时间处于能够获得细微贝氏体的范围即可。
[0036] d)然而，冷却时间和奥氏体-铁素体相变的关系受到钢成分影响。
[0037] 因此，发明者们通过和将合金元素的含量作为参数的泽火性指标化m之间的关系， 来限定用利用揽拌部能够获得细微贝氏体的接合热量输入HI的范围，在高强度结构用钢的 摩擦揽拌接合中，能够实现揽拌部的足够强度，并且消除由加热状态、塑性加工状态的局部 变化造成的初性的不均匀性W实现均匀的高初性。
[0038] 本发明是基于上述见解而做出的。
[0039] 旨P、本发明的主旨结构如下所述。
[0040] 1.本发明是一种摩擦揽拌接合方法，在该摩擦揽拌接合方法中，将旋转工具插入 钢板的接合部且使旋转工具一边旋转一边移动，利用该旋转工具与该钢板的摩擦热使该钢 板软化，并且利用该旋转工具揽拌该软化了的部位而使之产生塑性流动，而将该钢板接合 起来，该旋转工具具有肩部和配置于该肩部且与该肩部共有旋转轴的销部，至少该肩部和 该销部由比作为被加工材料