(57)【要約】【課題】鋼板を撹拌接合する場合に、良好な継手強度を得ることができる摩擦撹拌接合方法を提供する。【解決手段】二枚以上の鋼製部材を重ね合わせ、その片側から回転工具を回転させつつ圧入して、該鋼製部材を加熱・撹拌することにより接合を行うに際し、接合部の周囲を、酸素濃度が１vol％以下の保護ガスで覆いつつ摩擦接合を行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚以上の鋼製部材を重ね合わせ、その片側から回転工具を回転させつつ圧入して、該鋼製部材を加熱・撹拌することにより接合を行う摩擦撹拌接合方法において、接合部の周囲を、酸素濃度が１vol％以下の保護ガスで覆いつつ摩擦接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
前記摩擦接合が、前記鋼製部材の重ね合わせ部をスポット的に接合する点接合であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記鋼製部材のうち少なくとも一枚が、引張強度が440 MPa以上の高張力鋼板であることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦撹拌接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦撹拌接合方法に関し、とくに鋼製部材を摩擦撹拌接合した場合に懸念される接合部における強度低下を効果的に回避しようとするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、二枚以上の薄板を接合する方法として、抵抗スポット溶接が知られており、自動車や鉄道、家電製品などの薄板を使用する機器・構造物の分野において広く用いられてきた。
しかしながら、上記の技術分野では、近年、抵抗スポット溶接では接合が困難な樹脂材や有機被覆鋼板、アルミニウム材などの採用が進み、これらの部材を接合する方法として種々の接合法が検討されてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１には、摩擦熱と撹拌を利用して金属部材を接合する摩擦撹拌接合法が提案されている。
この接合法は、二枚以上の金属部材を重ね合わせるか突き合わせたのち、金属部材よりも硬い材質からなる工具を回転させながら圧入、移動させ、該工具と金属部材との間に生じる熱と塑性流動により摩擦撹拌領域を形成して、金属部材を長手方向に連続して接合する方法であり、他の溶融接合法に比べて低い温度で接合できる利点がある。
【０００４】
また、かかる摩擦撹拌接合を薄板に適用したものとして、特許文献２において、回転工具を圧入後移動させずに接合する、いわゆる摩擦撹拌点接合法が提案された。
【０００５】
さらに、従来の溶接法よりも入熱が少なく、熱影響部における軟化や歪の発生を軽減できることから、良好な継手を作ることが可能であるとして、その他にも種々の摩擦撹拌点接合法が提案されている（例えば、特許文献３，４）。
【０００６】
ここに、摩擦撹拌点接合による継手強度は、特許文献５に記載されているように、撹拌領域の寸法と、被接合部材の間を伸びる未接合の境界線長さで決定されると考えられる。実際、撹拌領域の寸法は、塑性流動による二枚の板の接合の進行を示し、その拡大は継手強度の向上に結びつく一方、未接合の境界線は撹拌領域の外側を回り込むように進行するため、その長大化は主に十字引張強度を低下させる要因となる。
【０００７】
ところで、自動車用構造部材では、最近、車体軽量化の要請から高張力鋼板を採用する比率が高まっている。この高張力鋼板は、従来の対象であったアルミニウムなどの材料と異なり、塑性変形しづらいため、塑性流動により板間の空隙を埋めることが極めて難しい。この事実は、上述した未接合境界線の成長の抑制を困難にしており、このため摩擦撹拌接合法で作製した高張力鋼板継手の十字引張強度の低下に重大な悪影響を及ぼしていると考えられる。
【０００８】
従って、未接合の境界線の成長を抑制することが、継手強度の向上に対して有効と考えられるものの、現在までのところ、適切な対処法は開発されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２７１２８３８号公報
【特許文献２】特許第３６８１１５６号公報
【特許文献３】特許第３７０９９７２号公報
【特許文献４】特許第３４００４０９号公報
【特許文献５】特開２００５−１８６０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、未接合の境界線の成長を効果的に抑制して、高張力鋼板を撹拌接合する場合においても、良好な継手強度を得ることができる摩擦撹拌接合方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく、高張力鋼板を素材として撹拌接合を行った場合における、接合部の接合状態について調査を行った。
その結果、撹拌部周囲における未接合の境界線（未接合界面ともいう）は、特に回転工具の直下領域では、たとえ空隙が形成されていない場合であっても、酸化膜が形成されていたり、酸化物が点在している状態にあり、これが継手強度の低下原因であることを突き止めた。
【００１２】
図１に、二枚のアルミニウム板を撹拌接合した場合(a)と、同じく二枚の高張力鋼板を撹拌接合した場合(b)における接合状態の違いを比較して示す。図中、破線で点在する酸化物を、また実線で酸化膜を示す。
軟質なアルミニウムの場合は、容易に塑性流動が生じるため、未接合部の形成は僅かであり、図１(a)に示したように、接合界面に点在する酸化物も僅かある。
これに対し、高張力鋼板の場合は、変形領域が小さく、また接合作業中に鋼板の表面（特に、接合部に近い二枚の鋼板の表面）に新たな酸化膜が形成されやすいことから、接合界面には既存の酸化物の分散のみならず、新たに形成された酸化膜がそのまま残ることがあり、この場合には、酸化膜の残存領域がそのまま未接合界面となる。
【００１３】
従って、撹拌部周囲における酸化膜や点在酸化物の形成を、防止あるいは軽減することにより、未接合界面の成長を抑制して、継手強度の向上が図れると考えられる。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１４】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．二枚以上の鋼製部材を重ね合わせ、その片側から回転工具を回転させつつ圧入して、該鋼製部材を加熱・撹拌することにより接合を行う摩擦撹拌接合方法において、接合部の周囲を、酸素濃度が１vol％以下の保護ガスで覆いつつ摩擦接合を行うことを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【００１５】
２．前記摩擦接合が、前記鋼製部材の重ね合わせ部をスポット的に接合する点接合であることを特徴とする上記１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【００１６】
３．前記鋼製部材のうち少なくとも一枚が、引張強度が440 MPa以上の高張力鋼板であることを特徴とする上記１または２に記載の摩擦撹拌接合方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の摩擦撹拌接合方法によれば、回転工具の圧入によって発生する摩擦熱に起因した鋼板表面における新たな酸化膜の形成を効果的に抑制することができ、その結果、撹拌部周囲の未接合界面の成長を抑制して、継手強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】アルミニウムを撹拌接合した場合(a)と高張力鋼板を撹拌接合した場合(b)における接合状態の違いを比較して示した図である。
【図２】本発明の実施に用いて好適な摩擦撹拌接合装置の模式図である。
【図３】本発明の実施に用いて好適な摩擦撹拌接合装置の別例の模式図である。
【図４】実施例におけるプローブおよび受け具の寸法を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体的に説明する。
図２，３に、本発明の実施に用いて好適な摩擦撹拌接合装置を模式で示す。図中、符号１はＣ字状のアーム、２は加圧軸モータ、３は回転軸モータ、４は回転軸モータの先端に取り付けられた回転工具、５は、回転工具４と対向してＣ字状アーム１の一端部に設けられた受け具である。なお、これら回転工具４および受け具５はそれぞれ脱着可能に取り付けられている。そして、６が撹拌接合部を包囲してその雰囲気を適正に維持するための容器であり、この容器６には、その内部雰囲気を調整するための雰囲気調整装置７と接続されている。
【００２０】
図２，３に示した摩擦撹拌接合装置（以下、接合ガンという）において、回転軸モータ３および加圧軸モータ２は、それぞれ独立駆動型式になっているので、回転工具４を接合軸に一致させて圧入することは勿論のこと、接合軸と同軸で移動させることもできる。
また、Ｃ字状アーム１の一端部に設けられた受け具５は、回転工具４と対向して設置されているので、回転工具の圧力および回転力、さらにはそれによって発生する熱に耐えることができる。
なお、上述したような接合ガンは、ロボット装置のアームもしくは手首などに装着して、自動車用などの鋼製部材の接合に用いられるものである。
【００２１】
本発明では、かような接合ガンに対して、作製しようとする継手の周囲を完全に覆うことができる容器を独立して設置し、さらにこの容器の内部を低酸素状態にすることのできる雰囲気調整装置と接続してある。
かような容器としては、鋼材が小さい場合には、図２や図３に示したように、接合ガンに取り付け可能な大きさのもので良いが、鋼材が大きい場合にはロボット装置全体を覆う大きさのもの（図示省略）とすることもできる。
また、容器の内部を低酸素状態にする雰囲気調整装置としては、その内部を減圧するための真空ポンプや、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを供給するためのボンベなどが考えられる。
【００２２】
上記したような、接合部の雰囲気調整が可能な接合ガンを用いて、接合部を低酸素雰囲気に保持した状態で撹拌接合を行うことにより、撹拌部周囲における新たな酸化物の生成が抑制され、その結果、従来よりも継手強度の高い継手を作製することができる。
その際、容器の内部雰囲気すなわち接合部周囲の雰囲気は、酸素濃度を極力低減しておくことが望ましいが、１vol％以下であれば、本発明の目的を達成することができる。この１vol％以下という濃度は、産業上の適用を試みた場合、接合部材の交換や多少の空気漏れがあったとしても達成することが十分に可能な酸素濃度である。より好ましくは 0.2vol％以下である。
【００２３】
また、本発明は、摩擦接合が複数の鋼製部材の重ね合わせ部をスポット的に接合する点接合である場合にも、同様に、接合部周囲の酸素濃度を１vol％以下に低減して、撹拌部周囲の新たな酸化物の生成を抑制することにより、従来よりも継手強度の高い継手を作製することができる。
【００２４】
さらに、本発明は、従来、継手溶接した場合における強度低下があまり懸念されなかった軟鋼を接合する場合にも、勿論適用することが可能であるが、従来、継手溶接した場合に大幅な強度低下が懸念された高張力鋼板、特に引張強度が440 MPa以上の高張力鋼板を接合する場合に適用して、より威力を発揮する。
【実施例】
【００２５】
実施例１
試験片として、JIS Z 3137に規定した十字引張試験に適合する、幅：50mm、長さ：150mm、厚み：1.2mmの鋼板を用いた。また、かかる鋼板としては、軟鋼（引張強度270 MPa），引張強度440 MPa級，780 MPa級および980 MPa級の４種類の鋼板を用いた。接合ガンの回転工具としては、Si3N4 のセラミックを用いた。この回転工具は、10mmの平坦なショルダー部と、ショルダー部と同心の直径：3.8mm、高さ：1.7mmのプロープ（図４参照）をそなえており、逆ネジが切られている。受け具としては、同様にSi3N4のセラミックを用い、回転工具の軸に対して面が水平になるように配置した。
接合ガンの設定については、加圧力：6000 N、回転数：3000 rpmとし、また接合時間はそれぞれ２秒、３秒とした。
【００２６】
容器としては、上記試験片を十分に覆うことのできる容器を作製した。
従来知見と比較するため、まず大気雰囲気中にて上記の設定条件下で接合を行った後、引張試験に供した。
次に、図３に示したように、容器の下方からアルゴンガスを注入するチューブを設置し、またその上方には内部ガス（大気）を排出させる排気孔を設け、容器の下方からアルゴンガスを注入しつつ、その上方から内部ガスを排出することにより、酸素濃度が１vol％
、0.2vol％、0.01vol％の状態で、同様の接合を行い、その後引張試験に供した。
得られた結果を表１に示す。なお，十字引張強度の評価に際しては、同じ鋼板の組み合わせにおける同じ接合条件の強度よりも、十字引張強度が高く、かつ強度改善代が1kN未満までの場合を○、また強度改善代が1kN以上の場合を◎として記した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
表１に示したように、同一の設定条件で摩擦撹拌接合を行ったところ、本発明に従い、接合部周囲の酸素濃度を１vol％以下に低減した場合はいずれも、鋼種の組み合わせの如何にかかわらず、従来よりも高い十字引張強度を得ることができた。
そして、接合部周囲の酸素濃度をより低減することにより、十字引張強度はさらに向上することが分かった。
【符号の説明】
【００２９】
１  Ｃ字状のアーム
２  加圧軸モータ
３  回転軸モータ
４  回転工具
５  受け具
６  容器
７  雰囲気調整装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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