(57)【要約】  被加工材の加熱不足による塑性流動不良を有利に解消して、十分な強度とともに、接合施工性の向上を図ることのできる摩擦撹拌接合方法および装置を提供する。  構造用鋼の摩擦撹拌接合に際し、鋼板との動摩擦係数が０．６以下となる素材を有する回転ツールを用い、回転ツールを鋼板の一方面側と他方面側とに配置し、回転ツールの前方に設けた加熱手段により加熱される加熱領域の面積の６５％以上が、鋼板の表面における回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行でかつリトリーティングサイドへ回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線と、の間に位置する。
2018070317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の回転ツールを被加工材である鋼板の一方面側と他方面側に対向してそれぞれ配置し、鋼板間の未接合部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記一対の回転ツールと前記鋼板との摩擦熱により前記鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記一対の回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記一対の回転ツールの素材もしくは前記一対の回転ツールの表面に被覆された素材と前記鋼板との動摩擦係数は０．６以下であり、
少なくとも一方面側に配置された回転ツールは、肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、
前記肩部および前記ピン部は、前記鋼板よりも硬い材質により形成され、
前記鋼板を固定しつつ、前記一対の回転ツールを前記鋼板の一方面側と他方面側とに押圧させ、前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、
前記一方面側に配置された回転ツールの接合方向前方に設けられた加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度ＴＳ（℃）が下記式（１）を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記一方面側に配置された回転ツールとの最小距離は、前記一方面側の回転ツールの肩部の直径以下であり、
前記加熱領域の面積は、前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、
前記加熱領域の面積の６５％以上は、前記鋼板の表面における前記一方面側に配置された回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行で、かつリトリーティングサイドへ前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線と、の間に位置する摩擦撹拌接合方法。
ＴＳ≧０．８×ＴＡ１・・・（１）
ＴＡ１は、下記式（２）で示される温度である。
ＴＡ１（℃）＝７２３−１０．７［％Ｍｎ］−１６．９［％Ｎｉ］＋２９．１［％Ｓｉ］＋１６．９［％Ｃｒ］＋２９０［％Ａｓ］＋６．３８［％Ｗ］・・・（２）
上記［％Ｍ］は、被加工材である鋼板におけるＭ元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
【請求項２】
前記一対の回転ツールの両方は、前記肩部と前記ピン部とを含み、前記一対の回転ツールのピン長は同じ長さである請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
前記一対の回転ツールの両方は、肩部と前記ピン部と、を含み、前記一方面側に配置された回転ツールのピン長は、前記他方面側に配置された回転ツールのピン長より短い請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
前記一対の回転ツールの少なくとも一方の回転ツールの軸芯は、該回転ツールの接合方向に対してピン部が先行する方向に傾けられている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
前記一方面側に配置された回転ツールの回転方向は、前記他方面側に配置された回転ツールの回転方向の逆方向である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項６】
前記加熱領域の厚さ方向の温度ＴＤ（℃）が下記式（３）を満足する領域における前記鋼板の表面からの深さを加熱領域の深さＤとしたとき、該加熱領域の深さＤは、前記鋼板の厚さの１００％である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
ＴＤ≧０．８×ＴＡ１・・・（３）
【請求項７】
前記加熱手段は、レーザ加熱装置である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項８】
前記一方面側に配置された回転ツールの接合方向後方には後方加熱手段が設けられ、該後方加熱手段は、前記鋼板の接合部を加熱する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項９】
前記後方加熱手段の接合方向後方には冷却手段が設けられ、該冷却手段は、前記後方加熱手段により加熱された前記接合部を冷却する請求項８に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項１０】
前記回転ツールの接合方向後方には冷却手段が設けられ、該冷却手段は、前記鋼板の接合部を冷却する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項１１】
前記冷却手段の接合方向後方には後方加熱手段が設けられ、該後方加熱手段は、前記冷却手段により冷却された前記接合部を加熱する請求項１０に記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項１２】
被加工材である鋼板間の未接合部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
前記鋼板を固定する把持装置と、
前記鋼板の一方面側と他方面側とに対向して配置され、鋼板間の未接合部において回転しながら接合方向へ移動可能な一対の回転ツールと、
前記一方面側に配置された回転ツールの接合方向前方に設けられ、前記鋼板を加熱する加熱手段と、
下記状態１を実現するように前記回転ツールおよび前記加熱手段を制御する制御手段と、を有し、
少なくとも一方面側に配置された回転ツールは、肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、
前記肩部および前記ピン部は、前記鋼板よりも硬い材質により形成され、
前記一対の回転ツールの素材、もしくは前記一対の回転ツールの表面に被覆された素材と前記鋼板との動摩擦係数は０．６以下である摩擦撹拌接合装置。
（状態１）
前記加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度ＴＳ（℃）が下記式（１）を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記一方面側に配置された回転ツールとの最小距離は、前記一方面側に配置された回転ツールの肩部の直径以下であり、
前記鋼板の表面における前記加熱領域の面積は、前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、
前記加熱領域の面積の６５％以上は、前記鋼板の表面における前記一方面側に配置された回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行で、かつリトリーティングサイドへ前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線と、の間に位置する。
ＴＳ≧０．８×ＴＡ１・・・（１）
ＴＡ１は、下記式（２）で示される温度である。
ＴＡ１（℃）＝７２３−１０．７［％Ｍｎ］−１６．９［％Ｎｉ］＋２９．１［％Ｓｉ］＋１６．９［％Ｃｒ］＋２９０［％Ａｓ］＋６．３８［％Ｗ］・・・（２）
上記［％Ｍ］は、被加工材である鋼板におけるＭ元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
【請求項１３】
前記一対の回転ツールの両方は、前記肩部と前記ピン部とを含み、前記一対の回転ツールのピン長は同じ長さである請求項１２に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項１４】
前記一対の回転ツールの両方は、前記肩部と前記ピン部と、を含み、前記一方面側に配置された回転ツールのピン長は、前記他方面側に配置された回転ツールのピン長より短い請求項１２に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項１５】
前記一対の回転ツールにおける少なくとも一方の回転ツールの軸芯は、接合方向に対してピン部が先行する方向に傾けられる請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項１６】
前記一方面側に配置された回転ツールの回転方向は、前記他方面側に配置された回転ツールの回転方向の逆方向である請求項１２から請求項１５のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項１７】
前記制御手段は、以下の状態２を実現するように前記回転ツール及び前記加熱手段を制御する請求項１２から請求項１６のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
（状態２）
前記加熱領域の厚さ方向の温度ＴＤ（℃）が下記式（３）を満足する領域における前記鋼板の表面からの深さを加熱領域の深さＤとしたとき、該加熱領域の深さＤは、前記鋼板の厚さｔの１００％である。
ＴＤ≧０．８×ＴＡ１・・・（３）
【請求項１８】
前記加熱手段は、レーザ加熱装置である請求項１２から請求項１７のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項１９】
前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、
該後方加熱手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる請求項１２から請求項１８のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２０】
前記接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、
該冷却手段は、前記後方加熱手段の接合方向後方に設けられる請求項１９に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２１】
前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、
該冷却手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる請求項１２から請求項１８のいずれか一項に記載の摩擦撹拌接合装置。
【請求項２２】
前記接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、
該後方加熱手段は、前記冷却手段の接合方向後方に設けられる請求項２１に記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転ツールを被加工材間の未接合部に挿入し回転させながら移動させ、この回転ツールとの摩擦熱による被加工材の軟化と、その軟化部を回転ツールが撹拌することにより生じる塑性流動と、を利用して、溶加材を添加することなく接合を行う摩擦撹拌接合方法および当該摩擦撹拌接合方法を実現する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦溶接法として、特許文献１には、一対の金属材料の両方または片方を回転することにより、金属材料に摩擦熱を生じさせて軟化させながら、その軟化した部位を撹拌して塑性流動を起こすことによって、金属材料を接合する技術が開示されている。【０００３】
しかしながら、この技術は、接合対象とする金属材料を回転させるものであるから、接合する金属材料の形状や寸法に限界がある。【０００４】
特許文献２には、被加工材よりも実質的に硬い材質からなるツールを被加工材の未接合部に挿入し、このツールを回転させながら移動させることにより、ツールと被加工材との間に生じる熱と塑性流動によって、被加工材を長手方向に連続的に接合する方法が開示されている。【０００５】
特許文献１に記載された摩擦溶接法は、被加工材同士を回転させ、被加工材同士の摩擦熱によって溶接する方法である。特許文献２に開示された摩擦撹拌接合法は、接合部材を固定した状態で、ツールを回転させながら移動することにより接合する方法である。このように、摩擦撹拌接合法ではツールを移動させて接合するので溶接方向に対して実質的に無限に長い部材であっても、その長手方向に連続的に固相接合できる利点がある。また、ツールと接合部材との摩擦熱による金属の塑性流動を利用した固相接合であるので、接合部を溶融することなく接合できる。さらに、加熱温度が低いので接合後の変形が少なく、接合部は溶融されないので欠陥が少なく、加えて溶加材を必要としないなど多くの利点がある。【０００６】
摩擦撹拌接合法は、アルミニウム合金やマグネシウム合金に代表される低融点金属材料の接合法として、航空機、船舶、鉄道車輌および自動車等の分野で利用が広がってきている。この理由としては、これらの低融点金属材料は、従来のアーク溶接法では接合部の満足な特性を得ることが難しく、摩擦撹拌接合法を適用することにより生産性が向上すると共に、品質の高い接合部を得ることができるからである。【０００７】
一方、建築物や船舶、重機、パイプライン、自動車といった構造物の素材として主に適用されている構造用鋼に対する摩擦撹拌接合法の適用は、従来の溶融溶接で課題となる凝固割れや水素割れを回避できるとともに鋼材の組織変化をも抑制できるので、継手性能に優れることが期待できる。また、摩擦撹拌接合法では、回転ツールにより接合界面を撹拌することで清浄面を創出して清浄面同士を接触させるので、拡散接合のような前準備工程は不要であるという利点も期待できる。このように、構造用鋼に対する摩擦撹拌接合法の適用は、多くの利点が期待される。しかし、接合時における欠陥発生の抑制や接合速度の高速度化といった接合施工性に問題があることから、低融点金属材料と比較して構造用鋼では摩擦撹拌接合法の普及が進んでいない。【０００８】
構造用鋼の摩擦撹拌接合においては、特許文献３および特許文献４に記載されているように、回転ツールとして多結晶硼素窒化物（ＰＣＢＮ）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの高耐磨耗性材料を用いている。これらのセラミックスは脆いので、回転ツールの破損を防止するために、接合する鋼板の板厚やその施工条件が著しく制限される。【０００９】
特許文献５および特許文献６には、接合施工性の向上を目的として、加熱手段を付加した接合方法が開示されている。【００１０】
例えば、特許文献５には、誘導加熱装置を用いた加熱手段を有し、接合前後に被加工材の加熱を行うことで、接合速度の高速度化や接合部の割れの解消を図った摩擦撹拌接合法が開示されている。【００１１】
特許文献６には、レーザ装置を用いた加熱手段を有し、接合直前に被加工材を部分的に加熱することで、予熱による加熱領域周辺のミクロ組織変化を抑制しつつ接合速度の高速度化を図った摩擦撹拌接合装置が開示されている。【００１２】
特許文献７には、レーザ装置を用いた加熱手段を有し、接合直前に被加工材を部分的に加熱するに際し、被加工材の加熱領域の表面温度や深さ等について厳密に制御することで、被加工材の加熱不足による塑性流動不良を解消して、十分な強度と共に、接合施工性の向上を図った摩擦撹拌接合装置が開示されている。【００１３】
特許文献８および特許文献９には、上下に回転ツールを１本ずつ備え、２枚の金属板の重ね合わせ部の表面側と裏面側に、それぞれ上下に相対向するように配置した回転ツールを用いて、上下より回転ツールを回転させながら押圧し、接合方向へ移動し接合することで接合不良を抑制し、接合強度を高め、接合強度の信頼性を向上し、更にツール寿命を向上し、かつ回転ツールの経済性を向上させる両面摩擦撹拌接合方法および装置が開示されている。【００１４】
摩擦撹拌接合においては、摩擦熱により被加工材を軟化させつつ回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせるが、被加工材が構造用鋼である場合、回転ツールで被加工材を撹拌する際には回転ツールのピンには大きな負荷が掛かる。この事象は回転ツールの耐久性、寿命に大きな影響を及ぼし、接合施工性を制限する主要な要素になっている。特許文献５〜７に記載の摩擦熱以外の加熱手段を付加する方法は、上記課題を克服するために有効であると考えられるが、被加工材の表面側（例えば、一方面側）、裏面側（例えば、他方面側）において、加熱手段を備える側と回転ツールを備える側が同一であるとすると、発熱源はいずれか一方の面側にのみ存在する。加熱手段や回転ツールを備えていない面側では、発熱源を備えた面側と比較してより低温となり、表面側から裏面側では被加工材の厚さ方向に対して温度差が生じる。被加工材である金属板は、より高温となるほど強度が下がるので、摩擦撹拌接合における回転ツールの負荷は高温になるほど下がるものと考えられる。被加工材の厚さ方向に対して形成される温度差を解消することで、回転ツールのピン先端に掛かる負荷を低減できると考えられるが、特許文献５〜７では厚さ方向の温度差の解消については全く考慮されていない。【００１５】
摩擦撹拌接合において、被加工材の厚さ方向に対して形成される温度差を解消する方法としては、特許文献８および特許文献９に開示された両面摩擦撹拌接合方法が有効と考えられる。しかしながら、これらの接合方法では、回転ツールの前方に設けた加熱手段により被加工材となる鋼板を加熱する予熱処理プロセスを用いたツール負荷低減による接合施工性およびツール寿命の向上については、全く考慮されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開昭６２−１８３９７９号公報
【特許文献２】特表平７−５０５０９０号公報
【特許文献３】特表２００３−５３２５４２号公報
【特許文献４】特表２００３−５３２５４３号公報
【特許文献５】特開２００３−９４１７５号公報
【特許文献６】特開２００５−２８８４７４号公報
【特許文献７】国際公開第２０１５／０４５２９９号
【特許文献８】特許３２６１４３３号公報
【特許文献９】特許４８３８３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記現状を鑑みてなされたもので、摩擦撹拌接合に際し、被加工材の加熱不足による塑性流動不良を解消して、十分な強度とともに、接合施工性の向上を図ることを目的とする。特に、被加工材の部分的な加熱の位置と、回転ツールの素材もしくは回転ツールの表面に被覆した素材と被接合材の間の動摩擦係数による摩擦発熱との関係が接合施工性に及ぼす影響を考慮し、予熱処理プロセス条件を厳密に精査した摩擦撹拌接合方法と当該摩擦撹拌接合方法を実現する装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、下記知見を得た。
ａ）通常の摩擦撹拌接合では、接合のために必要な熱源が、回転ツールと被加工材との間で発生する摩擦熱のみである。そのため、構造用鋼を摩擦撹拌接合法により接合する場合には、被加工材である構造用鋼を軟化させるために必要な熱量を十分に確保できない。その結果、接合部において十分な塑性流動が得られず、接合速度の低下や接合欠陥の発生などの接合施工性の劣化が懸念される。【００１９】
上記技術を工業化する上で非常に重要となる接合施工性の劣化を回避するには、摩擦撹拌接合前の予熱処理プロセスが有効であると考えられる。
ｂ）しかしながら、被加工材において、予熱処理プロセスを行う加熱手段と回転ツールとを同一面側（例えば表面側）に配置すると、発熱源が被加工材の同一面側のみに存在する。この場合、加熱手段や回転ツールを備えない側、すなわち、裏面側では表面側より低温となり、表面側から裏面側では、被加工材の厚さ方向に対して温度差が生じる。被加工材である金属板は、より高温になるほど強度が下がるので、摩擦撹拌接合における回転ツールの負荷は、高温になるほど下がると考えられる。よって、被加工材の厚さ方向に対して形成される温度差を解消することで、回転ツールのピン先端に掛かる負荷をより効果的に低減できると考えられる。
そこで、発明者らは、摩擦撹拌接合前の予熱処理プロセス条件について種々検討した。【００２０】
その結果、
ｃ）被加工材の表面側から裏面側における厚さ方向に対する温度差を解消するには、摩擦撹拌接合前の一方面側から予熱処理を行うことに加えて、回転ツールを被加工材の一方面側だけでなく他方面側にも対向して配置し、被加工材に対し一方面側、他方面側の両方から被加工材を摩擦熱により加熱する摩擦撹拌接合を実現する機構とすることが有効であることを見出した。
ｄ）しかしながら、摩擦撹拌接合前に予熱処理を行う際、予熱熱量が過剰になると、加熱領域周辺のミクロ組織が変化する問題が生じる。特に、マルテンサイト組織により強化された高張力鋼板の場合は、加熱領域周辺が、フェライト−オーステナイト変態温度以下での加熱であっても、マルテンサイトが焼き戻されることで軟化が生じ、接合継手強度を著しく低下させる。【００２１】
そこで、発明者らは、摩擦撹拌接合前の予熱処理プロセス条件について種々検討した。【００２２】
その結果、
ｅ）レーザなどのエネルギー密度の高い熱源を用いることで、予熱処理プロセスでの加熱領域の表面温度、面積、位置を厳密に制御し、また必要に応じて加熱領域の厚さ方向における温度についても適正に制御する。それにより、接合継手強度等の接合継手特性の劣化を招くことなく、接合施工性を向上できるとの知見を得た。
ｆ）特に、上記の被加工材の部分的な加熱の位置に関しては、回転ツールの素材もしくは回転ツールの表面に被覆した素材と被接合材の間の動摩擦係数に支配される摩擦発熱との関係により、接合施工性を向上する効果が生じる領域が変化するとの知見を得た。
ｇ）通常の摩擦撹拌接合では、接合完了後、接合部が自然放冷状態となるので、鋼材製造時の圧延プロセスで行われているような熱履歴管理によるミクロ組織制御を適用できないという問題があった。しかし、接合完了直後に、接合部に対し、加熱処理や冷却処理を組み合わせたプロセスを実施することで、接合継手特性をさらに向上できるとの知見を得た。【００２３】
本発明は、上記知見に立脚するものであり、特に、摩擦撹拌接合方法を構造用鋼の接合に適用した場合に懸念される、被加工材の板厚方向に生じる温度差による加熱不足から生じる塑性流動不良を解消して、十分な強度と共に、接合施工性の向上を図るものである。【００２４】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
［１］一対の回転ツールを被加工材である鋼板の一方面側と他方面側に対向してそれぞれ配置し、鋼板間の未接合部において前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させ、前記一対の回転ツールと前記鋼板との摩擦熱により前記鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を前記一対の回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法であって、前記一対の回転ツールの素材もしくは前記一対の回転ツールの表面に被覆された素材と前記鋼板との動摩擦係数は０．６以下であり、少なくとも一方面側に配置された回転ツールは、肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、前記肩部および前記ピン部は、前記鋼板よりも硬い材質により形成され、前記鋼板を固定しつつ、前記一対の回転ツールを前記鋼板の一方面側と他方面側とに押圧させ、前記一対の回転ツールを回転させながら接合方向に移動させるとともに、前記一方面側に配置された回転ツールの接合方向前方に設けられた加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度ＴＳ（℃）が下記式（１）を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記一方面側に配置された回転ツールとの最小距離は、前記一方面側の回転ツールの肩部の直径以下であり、前記加熱領域の面積は、前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、前記加熱領域の面積の６５％以上は、前記鋼板の表面における前記一方面側に配置された回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行で、かつリトリーティングサイドへ前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線と、の間に位置する摩擦撹拌接合方法。
ＴＳ≧０．８×ＴＡ１・・・（１）
ＴＡ１は、下記式（２）で示される温度である。
ＴＡ１（℃）＝７２３−１０．７［％Ｍｎ］−１６．９［％Ｎｉ］＋２９．１［％Ｓｉ］＋１６．９［％Ｃｒ］＋２９０［％Ａｓ］＋６．３８［％Ｗ］・・・（２）
上記［％Ｍ］は、被加工材である鋼板におけるＭ元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
［２］前記一対の回転ツールの両方は、前記肩部と前記ピン部とを含み、前記一対の回転ツールのピン長は同じ長さである［１］に記載の摩擦撹拌接合方法。
［３］前記一対の回転ツールの両方は、肩部と前記ピン部とを含み、前記一方面側に配置された回転ツールのピン長は、前記他方面側に配置された回転ツールのピン長より短い［１］に記載の摩擦撹拌接合方法。
［４］前記一対の回転ツールの少なくとも一方の回転ツールの軸芯は、該回転ツールの接合方向に対してピン部が先行する方向に傾けられている［１］から［３］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
［５］前記一方面側に配置された回転ツールの回転方向は、前記他方面側に配置された回転ツールの回転方向の逆方向である［１］から［４］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
［６］前記加熱領域の厚さ方向の温度ＴＤ（℃）が下記式（３）を満足する領域における前記鋼板の表面からの深さを加熱領域の深さＤとしたとき、該加熱領域の深さＤは、前記鋼板の厚さの１００％である［１］から［５］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
ＴＤ≧０．８×ＴＡ１・・・（３）
［７］前記加熱手段は、レーザ加熱装置である［１］から［６］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
［８］前記一方面側に配置された回転ツールの接合方向後方には後方加熱手段が設けられ、該後方加熱手段は、前記鋼板の接合部を加熱する［１］から［７］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
［９］前記後方加熱手段の接合方向後方には冷却手段が設けられ、該冷却手段は、前記後方加熱手段により加熱された前記接合部を冷却する［８］に記載の摩擦撹拌接合方法。
［１０］前記回転ツールの接合方向後方には冷却手段が設けられ、該冷却手段は、前記鋼板の接合部を冷却する［１］から［７］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
［１１］前記冷却手段の接合方向後方には後方加熱手段が設けられ、該後方加熱手段は、前記冷却手段により冷却された前記接合部を加熱する［１０］に記載の摩擦撹拌接合方法。
［１２］被加工材である鋼板間の未接合部を接合する摩擦撹拌接合装置であって、前記鋼板を固定する把持装置と、前記鋼板の一方面側と他方面側とに対向して配置され、鋼板間の未接合部において回転しながら接合方向へ移動可能な一対の回転ツールと、前記一方面側に配置された回転ツールの接合方向前方に設けられ、前記鋼板を加熱する加熱手段と、下記状態１を実現するように前記回転ツールおよび前記加熱手段を制御する制御手段と、を有し、少なくとも一方面側に配置された回転ツールは、肩部と、該肩部に配され、該肩部と回転軸を共有するピン部と、を含み、前記肩部および前記ピン部は、前記鋼板よりも硬い材質により形成され、前記一対の回転ツールの素材、もしくは前記一対の回転ツールの表面に被覆された素材と前記鋼板との動摩擦係数は０．６以下である摩擦撹拌接合装置。
（状態１）
前記加熱手段により加熱された前記鋼板の表面の温度ＴＳ（℃）が下記式（１）を満足する領域を加熱領域としたとき、前記加熱領域と前記一方面側に配置された回転ツールとの最小距離は、前記一方面側に配置された回転ツールの肩部の直径以下であり、前記鋼板の表面における前記加熱領域の面積は、前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大径部の面積以下であり、前記加熱領域の面積の６５％以上は、前記鋼板の表面における前記一方面側に配置された回転ツールの回転軸を通り接合方向に平行な直線である接合中央線と、該接合中央線に平行で、かつリトリーティングサイドへ前記一方面側に配置された回転ツールのピン部の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線と、の間に位置する。
ＴＳ≧０．８×ＴＡ１・・・（１）
ＴＡ１は、下記式（２）で示される温度である。
ＴＡ１（℃）＝７２３−１０．７［％Ｍｎ］−１６．９［％Ｎｉ］＋２９．１［％Ｓｉ］＋１６．９［％Ｃｒ］＋２９０［％Ａｓ］＋６．３８［％Ｗ］・・・（２）
上記［％Ｍ］は、被加工材である鋼板におけるＭ元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
［１３］前記一対の回転ツールの両方は、前記肩部と前記ピン部と、を含み、前記一対の回転ツールのピン長は同じ長さである［１２］に記載の摩擦撹拌接合装置。
［１４］前記一対の回転ツールの両方は、前記肩部と前記ピン部とを含み、前記一方面側に配置された回転ツールのピン長は、前記他方面側に配置された回転ツールのピン長より短い［１２］に記載の摩擦撹拌接合装置。
［１５］前記一対の回転ツールにおける少なくとも一方の回転ツールの軸芯は、接合方向に対してピン部が先行する方向に傾けられる［１２］から［１４］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
［１６］前記一方面側に配置された回転ツールの回転方向は、前記他方面側に配置された回転ツールの回転方向の逆方向である［１２］から［１５］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
［１７］前記制御手段は、以下の状態２を実現するように前記回転ツール及び前記加熱手段を制御する［１２］から［１６］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
（状態２）
前記加熱領域の厚さ方向の温度ＴＤ（℃）が下記式（３）を満足する領域における前記鋼板の表面からの深さを加熱領域の深さＤとしたとき、該加熱領域の深さＤは、前記鋼板の厚さｔの１００％である。
ＴＤ≧０．８×ＴＡ１・・・（３）
［１８］前記加熱手段は、レーザ加熱装置である［１２］から［１７］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
［１９］前記鋼板の接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、該後方加熱手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる［１２］から［１８］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
［２０］前記接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段は、前記後方加熱手段の接合方向後方に設けられる［１９］に記載の摩擦撹拌接合装置。
［２１］前記鋼板の接合部を冷却する冷却手段をさらに有し、該冷却手段は、前記回転ツールの接合方向後方に設けられる［１２］から［１８］のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合装置。
［２２］前記接合部を加熱する後方加熱手段をさらに有し、該後方加熱手段は、前記冷却手段の接合方向後方に設けられる［２１］に記載の摩擦撹拌接合装置。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、被加工材の板厚方向に生じる温度差による加熱不足から生じる塑性流動不良を解消して、摩擦撹拌接合の接合施工性の向上を図ることができる。さらには、加熱領域周辺のミクロ組織の変化も抑制して、接合部において高い継手強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を説明する概略図である。
【図２】図２は、把持装置を説明する概略図である。
【図３】図３は、表面側、裏面側の両方から被加工材を回転ツールにより摩擦撹拌する領域、予熱プロセスにおける加熱領域、接合後における冷却領域および再加熱領域の一例を示す図（上面図およびＡ−Ａ断面図）である。
【図４】図４は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法で接合する鋼板の温度と引張強さの関係を示す図である。
【図５】図５は、回転ツールの断面寸法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を本発明の実施形態を通じて具体的に説明する。図１は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法を説明する概略図であり、図２は、把持装置を説明する概略図である。図１では、把持装置２１の記載を省略しており、図２では、鋼板３と把持装置２１のみ記載している。本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法では、図１に示すように、接合方向前方に設けた加熱手段により鋼板を加熱する予熱処理プロセスを有し、一方面側と他方面側に対向してそれぞれ配置し、該被加工材である鋼板に対し一方面側、他方面側の両方から回転ツールを、鋼板間の未接合部に挿入して回転させながら接合方向に移動させ、相対向する回転ツールと鋼板との摩擦熱により該鋼板を軟化させつつ、その軟化した部位を相対向する回転ツールで撹拌することにより塑性流動を生じさせて、鋼板同士を接合する。
【００２８】
図１中、符号１は表面側回転ツールであり、２は表面側回転ツールの回転軸であり、３は鋼板であり、４は接合部であり、５は加熱手段であり、６は冷却手段であり、７は後方加熱手段であり、８は表面側回転ツールの肩部であり、９は表面側回転ツールのピン部であり、１５は裏面側回転ツールであり、１６は裏面側回転ツールの肩部であり、１７は裏面側回転ツールのピン部であり、１９は裏面側回転ツールの回転軸であり、２０は制御手段である。αは表面側回転ツール傾斜角度を示し、βは裏面側回転ツール傾斜角度を示す。「ＡＳ」は、アドバンシングサイドを示し、「ＲＳ」は、リトリーティングサイドを示す。本実施形態では、一方面側を表面側と記載し、他方面側を裏面側と記載する。表面側回転ツール１と裏面側回転ツール１５とをまとめて一対の回転ツールと記載する場合がある。
【００２９】
アドバンシングサイドとは、ツール回転方向と接合方向が一致する側であり、リトリーティングサイドとは、ツール回転方向と接合方向が反対となる側であるとそれぞれ定義する。
【００３０】
本実施形態では、鋼板３を突き合わせただけで未だ接合されていない状態にある突き合わせ部分を「未接合部」と記載し、塑性流動により接合されて一体化された部分を「接合部」と記載する。
【００３１】
本実施形態では、図２に示すように、把持装置２１を用いて鋼板３を表裏面から固定している。把持装置２１は、鋼板３の裏面を固定する下治具２２と、鋼板３の表面を固定する上治具２３と、上治具２３を下方に押し付けるクランプ２４とを有する。
【００３２】
把持装置２１によって固定された鋼板３の表面側と裏面側から、対向する表面側回転ツールのピン部９と、裏面側回転ツールのピン部１７と、を未接合部に挿入し、対向する表面側回転ツールの肩部８と、裏面側回転ツールの肩部１６と、を鋼板３の表面側と裏面側に押圧し接合する。肩部による摩擦とピン部による撹拌とが適切に行われ、健全な接合が可能となるように、対向する表面側回転ツールのピン部９の先端と、裏面側回転ツールのピン部１７の先端との間に隙間δを設けてよい。隙間δは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、撹拌時の材料の変形抵抗による表面側回転ツール１および裏面側回転ツール１５の負荷を低減できる。一方、隙間δが大きすぎると、ピン部により適切に撹拌されない部位が欠陥となる。このため、隙間δは、０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
一対の回転ツールのうち、少なくとも表面側回転ツール１は、肩部と、この肩部に配され、この肩部と回転軸を共有するピン部とを含み、少なくとも肩部およびピン部は、被加工材である鋼板３よりも硬い材質により形成される。
【００３４】
回転ツールのピン部により塑性流動される撹拌領域を必要最低限に抑えることで回転ツールにかかる負荷を低減できることから、回転ツールの肩部は、回転方向の外側に向かって上向きとなるテーパー形状を備えることが好ましい。
【００３５】
従来の摩擦撹拌接合では、回転ツールを表面側から挿入し接合を行う。よって、ピンの長さ（ピン長）は、被加工材の厚さと同等である必要があった。しかし、ピンの長さが長い程、ピン先端に掛かる負荷は大きくなるので、接合施工性およびツール寿命を向上させるには、ピン長は短いほうが好ましい。本実施形態においてピン長とは、図５の（１）〜（４）の符号ｃで示すように、ピン部の先端部と肩部の最も高い位置との間の高さの差で算出される長さである。
【００３６】
本実施形態において、一対の回転ツールのピン長が同じ長さである場合、ピン長は鋼板３の厚さの半分程度となるので、それぞれの回転ツールに掛かる負荷は、一方面側からのみ回転ツールを挿入し接合する場合よりも低くなる。
【００３７】
また、一対の回転ツールのピン長のうち、表面側回転ツール１のピン長を裏面側回転ツール１５のピン長より短くすると、表面側回転ツール１の負荷を軽減できる。裏面側回転ツールのピン部１７の先端付近の接合部には、加熱手段５により十分な熱が付与されるので、裏面側回転ツール１５の負荷も低減される。
【００３８】
さらに、一対の回転ツールの軸芯を、接合方向に対してピン部が先行する方向に傾けてもよい。一対の回転ツールは、鋼板３よりも硬い材質により形成されるので、セラミックなどの靭性に乏しい材料が使用される。このため、一対の回転ツールのピン部に対して曲げ方向の力が負荷されると、局部に応力が集中して一対の回転ツールが破壊する。これに対し、一対の回転ツールの軸芯を傾けることで回転ツールにかかる負荷を軸方向に圧縮される分力とし、曲げ方向の力を低減できる。これにより、回転ツール１の破損を回避できる。回転ツール１、１５の軸芯の傾斜角度は、例えば、１°以上５°以下である。
【００３９】
一対の回転ツールについて、一方の回転ツールの軸芯のみを傾けてもよく、両方の回転ツールの軸芯を傾けてもよい。一対の回転ツールの軸芯の傾斜角度をそれぞれ違えてもよい。
【００４０】
一対の回転ツールの回転方向を、表面側と裏面側とで逆方向とすることで、一対の回転ツールから被接合材に加わる回転トルクを打ち消すことができ、一方面側のみから回転ツールを押圧して接合する摩擦撹拌接合法よりも鋼板３を固定する把持装置２１の構造を簡略化できる。
【００４１】
本実施形態の摩擦撹拌接合方法では、接合方向へ移動する表面側回転ツール１の前方に設けた加熱手段５により鋼板３を加熱する予熱処理プロセスが重要である。以下、この予熱処理プロセス条件を図３を参照しながら説明する。
【００４２】
図３は、表面側、裏面側の両方から被加工材を回転ツールにより摩擦撹拌する領域、予熱プロセスにおける加熱領域、接合後における冷却領域および再加熱領域の一例を示す図（上面図およびＡ−Ａ断面図）である。図３中、接合中央線１０は、鋼板３の表面における表面側回転ツール１の回転軸２を通り接合方向に平行な直線を示す。ＲＳ線１１は、接合中央線１０に平行で、かつリトリーティングサイドへ回転ツールのピン部９の最大半径と同じ距離だけ隔てた直線であり、１２は加熱領域であり、１３は冷却領域であり、１４は再加熱領域である。ａは表面側回転ツールの肩部８の直径を示し、ｂは表面側回転ツールのピン部９の最大径を示し、Ｘは加熱領域１２と表面側回転ツール１との最小距離を示し、Ｄは加熱領域１２の深さを示し、ｔは鋼板３の厚さを示す。
【００４３】
加熱領域における鋼板の表面温度ＴＳ：ＴＳ≧０．８×ＴＡ１
図４は、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法で接合する鋼板の温度と引張強さの関係を示す図である。本実施形態の摩擦撹拌接合方法で接合する鋼板３は、図４に示すように、通常、鋼の変態温度であるＴＡ１の８０％程度の温度では、常温時の強度の３０％程度の強度となる。また、この温度より高くなると、銅板３の強度はさらに低下する。よって、鋼板３の表面温度ＴＳが０．８×ＴＡ１℃以上を満足するように鋼板３を予め軟化させ、当該鋼板３を撹拌し、塑性流動を促進する。これにより、一対の回転ツールにかかる負荷が低減され、接合速度を高速度化できる。このため、本実施形態における摩擦撹拌接合方法では、鋼板３の表面温度ＴＳが下記式（１）を満足する領域を加熱領域１２とする。
【００４４】
ＴＳ≧０．８×ＴＡ１・・・（１）
鋼の変態温度ＴＡ１（℃）は、下記式（２）により求めることができる。
【００４５】
ＴＡ１（℃）＝７２３−１０．７［％Ｍｎ］−１６．９［％Ｎｉ］＋２９．１［％Ｓｉ］＋１６．９［％Ｃｒ］＋２９０［％Ａｓ］＋６．３８［％Ｗ］・・・（２）
上記［％Ｍ］は、被加工材である鋼板３におけるＭ元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
【００４６】
０．８×ＴＡ１℃超では温度の上昇と共に鋼板３の強度は低下する傾向があるので、加熱領域１２における鋼板３の表面温度ＴＳが上昇し過ぎないように調節することが好ましい。具体的に、厚さ方向へ加熱領域１２を確保するには加熱領域１２の表面に温度勾配（表面における温度のばらつき）が存在しても良いが、その場合、加熱領域１２において鋼板３の最も高い表面温度は１．５×ＴＭ℃以下であることが好ましい。さらに、加熱領域１２における鋼板３の表面温度を、加熱領域１２を通過する表面側回転ツール１と接触するまでにＴＭ℃未満にすることが好ましい。これにより、接合部４の温度が過度に上昇することによる一対の回転ツールの損傷や、加熱領域１２の周辺のミクロ組織の変質を避けることができる。ＴＭ（℃）は被加工材である鋼板３の融点である。
【００４７】
鋼板の表面における加熱領域と加熱装置を備える側の回転ツールとの最小距離Ｘ：回転ツールの肩部の直径以下
鋼板３の表面における加熱領域１２と表面側回転ツール１との最小距離Ｘが大きくなり過ぎると、接合前に加熱領域１２における温度が低下し、予熱による効果が十分に得られない。このため、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法において、鋼板３の表面における加熱領域１２と接合方向へ移動する表面側回転ツール１との最小距離Ｘは、該回転ツールの肩部８の直径以下である。
【００４８】
ただし、加熱領域１２と回転ツール１の最小距離Ｘが小さくなり過ぎると、表面側回転ツール１が加熱手段１２による熱で損傷する恐れがあるので、鋼板３の表面における加熱領域１２と接合方向へ移動する表面側回転ツール１との最小距離Ｘは、表面側回転ツールの肩部８の直径の０．１倍以上であることが好ましい。本実施形態における表面側回転ツールの肩部８の直径は、例えば、８〜６０ｍｍ程度である。予熱による効果を十分に得るために、表面側回転ツール１の移動速度は、２００ｍｍ／ｍｉｎ以上３０００ｍｍ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。
【００４９】
鋼板の表面における加熱領域の面積：加熱装置を備える側の回転ツールのピン部の最大径部の面積以下
加熱領域１２が大きくなり過ぎると加熱領域１２およびその周辺領域のミクロ組織が変化する。特に、マルテンサイト組織により強化された高張力鋼板の場合は、フェライト−オーステナイト変態温度以下での加熱であっても、マルテンサイトが焼き戻されることで軟化を生じ、接合継手強度を大幅に低下させる。このため、本実施形態に係る摩擦撹拌接合方法において、鋼板３の表面における加熱領域１２の面積は、回転ツールのピン部９の最大径部の面積以下である。
【００５０】
一方、加熱領域１２の面積が小さくなりすぎると、予熱による効果が十分に得られなくなる。よって、鋼板３の表面における加熱領域１２の面積は、表面側回転ツールのピン部９における最大径部の面積の０．１倍以上であることが好ましい。
【００５１】
本実施形態における表面側回転ツールのピン部９の最大径は、例えば、２〜５０ｍｍ程度である。表面側回転ツールのピン部９の最大径は、１つのピン部を軸線方向と垂直な断面で切断した際の切断面で得られる直径のうち最大のものである。
【００５２】
図５は、回転ツールの断面寸法を示す図である。図５（１）〜（４）に示すように、表面側回転ツールのピン部９の直径が軸線方向に沿って変わらない場合には、ピン部の上面の直径（図では４ｍｍ）をピン部の最大径としてよい。回転ツールのピン部９がテーパ形状等を有し、軸線方向の位置によってピン径が異なる場合には、最も大きい直径をピン部の最大径としてよい。加熱領域１２の形状は、円形、楕円形、矩形など任意の形状であってよい。
【００５３】
鋼板の表面において、接合中央線とＲＳ線との間に位置する加熱領域の面積：鋼板の表面における加熱領域の面積の６５％以上
鋼板３の摩擦撹拌接合において、塑性流動はアドバンシングサイドを始点として、表面側回転ツール１の回転方向に沿って、接合方向前方、リトリーティングサイド、接合方向後方を通り、アドバンシングサイドが終点となる。アドバンシングサイドは、塑性流動の始点となるので、被加工材である鋼板３の加熱不足が生じ易い。このため、塑性流動が不十分で欠陥が発生する場合には、その殆どがアドバンシングサイドで発生する。従って、鋼板３の表面において、アドバンシングサイドを優先的に加熱し、鋼板を軟化させることで塑性流動を促進し、欠陥の発生を抑え、接合速度の高速度化を図ることができる。
【００５４】
しかしながら、表面側回転ツール１の素材もしくは表面側回転ツール１の表面に被覆した素材と被接合材である鋼板３との動摩擦係数が０．６以下である場合は、表面側回転ツール１と鋼板３との間に生じる摩擦熱、塑性流動が小さくなる。表面側回転ツール１の前方に位置するアドバンシングサイドは塑性流動の始点となる部位であり、表面側回転ツール１と鋼板３との間の摩擦熱が大きく発生する領域である。しかしながら、高温状態では動摩擦係数は減少する傾向があるので、この部位を予熱により高温とすると、表面側回転ツール１と鋼板３との動摩擦係数が小さい場合には十分な摩擦発熱が得られない。一方、リトリーティングサイドは、塑性流動の中間に位置するので、この位置での塑性流動が不十分となると、塑性流動の終点となるアドバンシングサイドでの欠陥の発生に大きな影響を及ぼす。特に表面側回転ツール１と鋼板３との間の動摩擦係数が小さい場合には、十分な塑性流動が得られない。
【００５５】
従って、表面側回転ツール１の素材、もしくは表面側回転ツール１の表面に被覆した素材と鋼板３との動摩擦係数が０．６以下である場合には、鋼板３の表面において、加熱領域１２の面積の６５％以上を、接合中央線１０と、接合中央線１０に平行なＲＳ線１１との間に位置させ、リトリーティングサイドを優先的に加熱する。これにより、塑性流動の始点となるアドバンシングサイドでの摩擦発熱を確保しながら、塑性流動の中間となるリトリーティングサイドでの塑性流動を促進し、欠陥の発生を抑え、接合速度の高速化を図ることができる。接合中央線１０とＲＳ線１１との間に位置する加熱領域１２の面積の範囲は、８０％以上であることがより好ましく、１００％であってもよい。
【００５６】
また、リトリーティングサイドを優先的に加熱するという観点からは、加熱領域１２の中心を、接合中央線１０とＲＳ線１１の中間点を通る直線と、ＲＳ線１１との間に位置させる。換言すれば、加熱領域１２の中心を接合中央線１０よりもリトリーティングサイドに位置させ、さらに加熱領域１２の中心から接合中央線１０までの距離を、回転ツールのピン部９における最大半径の０．５倍以上１倍以下とすることが好ましい。
【００５７】
加熱領域の厚さ方向の領域における温度ＴＤ：ＴＤ≧０．８×ＴＡ１
前述したように、本実施形態の摩擦撹拌接合方法で接合する鋼板３は、通常、鋼の変態温度であるＴＡ１の８０％程度の温度では、常温時の強度の３０％程度の強度となる。また、この温度より高くなると、鋼板３の強度は、さらに低下する。よって、加熱領域１２の厚さ方向の領域においても、温度を０．８×ＴＡ１℃以上として鋼板３を予め軟化させることが好ましい。これにより、表面側回転ツール１にかかる負荷がさらに低減され、接合速度をさらに高速度化できる。従って、加熱領域１２の厚さ方向の領域における温度ＴＤが下記式（３）を満足する領域における鋼板３の表面からの深さを加熱領域１２の深さＤとした。
【００５８】
ＴＤ≧０．８×ＴＡ１・・・（３）
ＴＡ１（℃）は下記式（２）により求めることができる。
【００５９】
ＴＡ１（℃）＝７２３−１０．７［％Ｍｎ］−１６．９［％Ｎｉ］＋２９．１［％Ｓｉ］＋１６．９［％Ｃｒ］＋２９０［％Ａｓ］＋６．３８［％Ｗ］・・・（２）
上記［％Ｍ］は、被加工材である鋼板３におけるＭ元素の含有量（質量％）であり、含有しない場合は０とする。
【００６０】
ただし、０．８×ＴＡ１℃超では温度の上昇と共に鋼板３の強度は低下する傾向があるので、加熱領域１２における鋼板３の温度が上昇し過ぎないように調節することが好ましい。具体的に、厚さ方向へ加熱領域１２を確保するには加熱領域１２の厚さ方向に温度勾配（厚さ方向に沿った温度のばらつき）が存在してもよいが、その場合、加熱領域１２における鋼板３の厚さ方向の最も高い温度は１．５×ＴＭ℃以下であることが好ましい。さらに、接合部４の温度が過度に上昇することによる表面側回転ツール１の損傷や、加熱領域１２の周辺のミクロ組織の変質を避けるために、加熱領域１２における鋼板３の厚さ方向の温度を、加熱領域１２を通過する表面側回転ツール１と接触するまでにＴＭ℃未満とすることが好ましい。ＴＭ（℃）は、被加工材である鋼板３の融点である。
【００６１】
加熱領域の深さＤ：鋼板の厚さｔの１００％
加熱領域１２の深さＤは、加温熱領域１２の厚さ方向の温度ＴＤが０．８×ＴＡ１℃以上となる領域の鋼板３の表面からの最大深さで規定される。この加熱領域１２の深さＤは、鋼板３の厚さｔの５０％以上であることが好ましく、理想的には１００％である。加熱領域１２の深さＤを鋼板３の厚さｔの５０％以上とすることで、塑性流動が最大限に促進され、回転ツール１にかかる負荷低減および接合速度の高速度化に有利となる。予熱処理を行う加熱手段５が設けられた一方面側のみから回転ツールを押圧して接合する摩擦撹拌接合法では、他方面側において被接合材と同等もしくはそれ以上の硬さを有する支持体により被接合材を支持する必要があり、加熱領域１２の深さＤが鋼板３の厚さｔの９０％を超えると被接合材と支持体が固着する恐れがあった。しかし、本実施形態では、加熱領域１２の反対側（他方面側）は中空の状態になるので、加熱領域１２の深さＤが鋼板３の合計厚さの５０〜１００％としても固着の恐れは無い。
【００６２】
上述した条件を実現するために、本実施形態に係る摩擦撹拌接合装置は、制御手段２０を備える。制御手段２０は、回転ツール及び加熱手段の動作を制御する。制御手段２０は、後方加熱手段７や冷却手段６等の動作を制御してもよい。
【００６３】
また、予熱処理プロセスで使用する加熱手段５は、特に限定されるものではないが、レーザ加熱装置であることが好ましい。エネルギー密度の高いレーザを熱源に用いることで、予熱処理プロセス条件の制御をより正確に行うことができ、接合継手特性を損なうことなく接合施工性の向上を図ることができる。
【００６４】
上記以外の接合条件については特に限定されず、例えば、予熱処理プロセスで使用する加熱手段５の移動速度は、接合速度と同程度としてよい。また、この加熱手段５にレーザ加熱装置を用いる場合、そのレーザ出力やビーム径は、接合条件に応じて適宜設定してよい。
【００６５】
以上、本実施形態の摩擦撹拌接合方法および装置における予熱処理プロセスについて説明したが、本実施形態の摩擦撹拌接合方法および装置では、接合方向へ移動する表面側回転ツール１の後方に冷却手段６を設け、冷却手段６により接合継手強度を改善させてもよい。
【００６６】
通常、接合完了後、接合部４は自然放冷状態となるので、被加工材である鋼板３の焼入れ性が低い場合は、接合継手の強度が十分に得られない。これに対して、接合方向へ移動する表面側回転ツール１の接合方向後方に冷却手段６を設け、冷却手段６で鋼板３の接合部４を冷却し、冷却速度を適切に制御することで、焼入れによる強度向上を図ることができる。具体的な冷却手段６としては、例えば、不活性ガスを噴出する冷却装置を用いること好ましい。この場合の冷却速度は、例えば、８００℃から５００℃の範囲において３０〜３００℃／ｓであることが好ましい不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガス等を用いることができる。
【００６７】
一方、被加工材である鋼板３の焼入れ性が高い場合は、過度に硬化する可能性があり接合継手の靭性を低下させる。これに対して、表面側回転ツール１に近接する後方部分を加熱する後方加熱手段７を表面側回転ツール１の接合方向後方に設け、冷却速度を適切に制御して徐冷することで、過度な硬化を抑制できる。具体的な後方加熱手段７としては、例えば、高周波誘導加熱、レーザを熱源とした加熱装置を用いることが好ましい。この場合の徐冷速度は、例えば、８００℃から５００℃の範囲において１０〜３０℃／ｓであることが好ましい。
【００６８】
接合方向へ移動する回転ツールの接合方向後方でかつ冷却手段６の接合方向後方に後方加熱手段７を設け、後方加熱手段７により鋼板３の接合部４を再加熱してもよい。これにより、接合部４が冷却手段６による冷却で焼入れされて過度に硬化した場合に、後方加熱手段７で焼き戻しすることにより硬度を抑え、強度と靭性を併せ持つ継手特性が得られる。この場合の冷却速度としては、例えば、８００℃から５００℃の範囲において３０〜３００℃／ｓであることが好ましく、再加熱温度としては、例えば、５５０〜６５０℃であることが好ましい。
【００６９】
さらに、接合方向へ移動する表面側回転ツール１の接合方向後方で、かつ後方加熱手段７の接合方向後方に、冷却手段６を設け、冷却手段６により鋼板３の接合部４を冷却してもよい。
【００７０】
この場合には、接合直後において、後方加熱手段７で徐冷を行い、その後、冷却手段６で急冷を行うことで、組織を複合化でき、強度と延性を併せ持つ継手特性が得られる。この場合の冷却速度は、例えば、８００℃から６００℃の範囲（徐冷の範囲）において０〜３０℃／ｓ程度であり、その後、６００℃から４００℃の範囲（急冷の範囲）において３０〜３００℃／ｓ程度であることが好ましい。
【００７１】
上記以外の接合条件については、常法に従えばよいが、一対の回転ツールのトルクが大きいほど鋼板３の塑性流動性は低くなるので、欠陥などが生じ易くなる。
【００７２】
従って、本実施形態の摩擦撹拌接合方法および装置では、一対の回転ツールの回転数を１００〜１０００ｒｐｍの範囲とし、一対の回転ツールのトルクを抑え、接合速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎ以上に高速化することを目標とする。接合速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ超１０００ｍｍ／ｍｉｎ以上に高速化する場合には、一対の回転ツールのトルクを９０Ｎ・ｍ以下に抑えることが好ましい。これにより、一対の回転ツールが接合中に破損する、もしくは未接合部分が残る状態を回避できる。接合速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ以下にする場合には、一対の回転ツールのトルクを７５Ｎ・ｍ以下に抑えることが好ましい。これにより、塑性流動性を確保しつつ一対の回転ツールの負荷を緩和できる。
【００７３】
また、本実施形態の摩擦撹拌接合方法の対象鋼種としては、一般的な構造用鋼や炭素鋼、例えばＪＩＳ（日本工業規格）  Ｇ  ３１０６の溶接構造用圧延鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１の機械構造用炭素鋼などを用いることができる。引張強度が８００ＭＰａ以上の高強度構造用鋼にも適用でき、接合部４において、鋼板（母材）の引張強度の８５％以上の強度、さらには９０％以上の強度が得られる。
【実施例】
【００７４】
（実施例１）
板厚が１．６ｍｍであって、下記表１に示す化学組成、引張強さの鋼板を用いて、摩擦撹拌接合を実施した。継手突合せ面は、角度をつけない、いわゆるＩ型開先でフライス加工程度の表面状態により、鋼板の一方面側、他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行った。摩擦撹拌接合の接合条件を表２に示す。実施例１では、図５（１）〜（４）に示した断面寸法形状の回転ツールを用いた。実施例１で用いた回転ツールは、炭化タングステン（ＷＣ）を素材とし、物理蒸着（ＰＶＤ）により窒化チタン（ＴｉＮ）の被覆処理が表面に施された回転ツールである。接合時にはアルゴンガスにより接合部をシールドし、表面の酸化を防止した。ＴｉＮの被覆処理を表面に施したＷＣの回転ツールの表面と鋼板との動摩擦係数は、０．６以下であった。【００７５】
ツール素材表面と鋼板との動摩擦係数は、以下の測定方法で測定した。ボールオンディスク摩擦摩耗試験機を用いて、対象素材からなるディスクを回転させながら固定された直径６ｍｍの鋼球に荷重５Ｎで押し付け、回転速度１００ｍｍ／ｓで滑り距離３００ｍで試験を行った。試験は室温、無潤滑で行った。試験に用いた鋼球は、ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５で規定されるＳＵＪ２の化学成分を有する素材から成り、軸受け用鋼球として加工処理された鋼球である。【００７６】
【表１】
2018070317.tif 000003
【００７７】
【表２】
2018070317.tif 000004
【００７８】
また、接合に先立ち、レーザを熱源に用いた予熱による加熱領域を確認するため、表１の鋼板Ｉに対して、表３に示す各照射条件（レーザ移動速度、レーザ出力およびビーム径）でレーザ光を照射して、表面温度をサーモグラフィにより測定した。さらに、レーザ照射部の断面を観察し、ナイタール腐食液によるミクロ組織観察を行った。【００７９】
【表３】
2018070317.tif 000005
【００８０】
ここで、変態点（ＴＡ１℃）以上となった領域は最も濃く、その外側に存在する変態点（ＴＡ１℃）未満であるが母材中のマルテンサイトなどの高硬度組織が焼き戻される領域は比較的薄くエッチングされるので、変態点（ＴＡ１℃）以上となった領域と、変態点（ＴＡ１℃）未満での焼き戻し領域と、母材の領域とは、それぞれ識別可能である。さらに、鉄鋼の熱処理の知見より、変態点（ＴＡ１℃）未満での焼き戻し領域は、０．８×ＴＡ１℃以上かつＴＡ１℃未満の領域と一致することが知られている。このようなナイタール腐食液によるミクロ組織観察より、変態点（ＴＡ１℃）以上となった領域の深さＤ０、および０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）を測定した。【００８１】
これらの測定結果を表４に示す。【００８２】
【表４】
2018070317.tif 000006
【００８３】
表４に示すように、サーモグラフィによる表面温度測定結果から、照射条件Ａにおいて、０．８×ＴＡ１℃以上となる領域は、径２．４ｍｍの円形状であった。ここで用いた回転ツールのピン部の最大直径は４．０ｍｍであるので、照射条件Ａにおける加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下となる。【００８４】
照射条件Ｂにおいて、０．８×ＴＡ１℃以上となる領域は、直径２．０ｍｍの円形状であった。従って、上記と同様に、照射条件Ｂにおける加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下となる。【００８５】
照射条件Ｃにおいて、０．８×ＴＡ１℃以上となる領域は、直径５．４ｍｍの円形状であった。ここで用いた回転ツールのピン部の最大直径は４．０ｍｍであるので、照射条件Ｃにおける加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積を超えることとなる。【００８６】
照射条件Ｄにおいて、０．８×ＴＡ１℃以上となる領域は、レーザ移動方向が長径、レーザ移動方向と直角方向が短径となる楕円径となり、長径は１．８ｍｍ、短径は１．２ｍｍであった。ここで用いた回転ツールのピン部の最大直径は４．０ｍｍであるので、照射条件Ｄにおける加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下となる。【００８７】
照射条件Ｅにおいて、０．８×ＴＡ１℃以上となる領域は、レーザ移動方向が長径、レーザ移動方向と直角方向が短径となる楕円径となり、長径は２．３ｍｍ、短径は１．９ｍｍであった。従って、上記と同様に、照射条件Ｅにおける加熱領域の面積は、回転ツールのピン部の最大径部の面積以下となる。【００８８】
また、表４に示すように、レーザ照射部の断面観察から、照射条件Ａにおいて、ＴＡ１℃以上となった領域の深さＤ０および０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）は、それぞれ１．６０ｍｍ、１．６０ｍｍであり、ＴＡ１℃以上となった領域が鋼板の厚さ全域に形成された。よって、０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さである加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの１００％となる。【００８９】
照射条件Ｂにおいて、ＴＡ１℃以上となった領域の深さＤ０および０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）は、それぞれ０．４７ｍｍ、０．５０ｍｍであった。被加工材である鋼板の厚さｔは１．６ｍｍであるので、加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約３１．３％となる。【００９０】
照射条件Ｃにおいて、ＴＡ１℃以上となった領域の深さＤ０および０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）は、それぞれ０．２８ｍｍ、０．３０ｍｍであった。被加工材である鋼板の厚さｔは１．６ｍｍであるので、加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約１８．８％となる。【００９１】
照射条件Ｄにおいて、ＴＡ１℃以上となった領域の深さＤ０および０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）は、それぞれ１．６０ｍｍ、１．６０ｍｍであり、ＴＡ１℃以上となった領域が鋼板の厚さ全域に形成された。よって、０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さである加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの１００％となる。【００９２】
照射条件Ｅにおいて、ＴＡ１℃以上となった領域の深さＤ０および０．８×ＴＡ１℃以上となった領域の深さ（加熱領域の深さＤ）は、それぞれ０．５８ｍｍ、０．６３ｍｍであった。被加工材である鋼板の厚さｔは１．６ｍｍであるので、加熱領域の深さＤは、鋼板の厚さｔの約３９．４％となる。【００９３】
被加工材の接合前に行ったレーザ照射による予熱プロセス条件を表５に示し、接合後に行ったプロセス条件を表６に示す。ここで、接合後に行ったプロセスにおける冷却ではガス噴出による冷却を、加熱（および再加熱）では誘導加熱をそれぞれ行った。【００９４】
表５、表６中、予熱プロセス条件および接合後に行ったプロセス条件における「−」は、それぞれ予熱プロセスおよび冷却や加熱といった接合後のプロセスを行わなかった場合を示す。また、接合中央線から加熱領域中心までの距離における「（ＡＳ）」、「（ＲＳ）」との記載は、加熱領域の中心が、接合中央線からそれぞれアドバンシングサイド、リトリーティングサイドにあることを示す。【００９５】
【表５】
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【００９６】
【表６】
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【００９７】
また、表７に、接合を実施した際の回転ツールのトルクの測定値と、得られた接合継手の引張強さの測定値を示す。接合継手の引張強さは、ＪＩＳ  Ｚ  ３１２１で規定する１号試験片の寸法の引張試験片を採取し、引張試験を行った結果である。回転ツールのトルクが大きいほど塑性流動性が低く、欠陥などが生じ易くなる。【００９８】
【表７】
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【００９９】
表７より、発明例１〜１１では、接合速度を４００ｍｍ／ｍｉｎとした場合であっても、母材となる鋼板の引張強さの９０％以上の接合継手強度が得られた。発明例１〜１１の表面側、裏面側のそれぞれの回転ツールのトルクは、いずれも７２Ｎ・ｍ以下であり、塑性流動性も良好であった。特に、接合後に冷却・再加熱、冷却または再加熱のみを行った発明例７〜１０では、母材の引張強さと同等の強度が得られた。接合後に再加熱・冷却を行った発明例１１では、母材の引張強さの９６％以上の強度が得られた。【０１００】
比較例１〜４の摩擦撹拌接合条件は、本発明の範囲を満足する鋼板の一方面側、他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行う条件で、かつ予熱プロセス条件は本発明の範囲を満足しない条件である。比較例１〜４では、表面側、裏面側の両方の回転ツールのトルクが７５Ｎ・ｍより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。【０１０１】
比較例５の摩擦撹拌接合条件は、本発明の範囲を満足しない鋼板の一方面側から回転ツールを押圧して接合を行う条件で、かつ予熱プロセス条件は本発明の範囲を満足する条件である。比較例５では、表面側の回転ツールのトルクが７５Ｎ・ｍより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。【０１０２】
発明例１２〜２１では、接合速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎに高速度化した場合であっても、母材の引張強さの９０％以上の接合継手強度が得られ、表面側、裏面側のそれぞれの回転ツールのトルクも９０Ｎ・ｍ以下であった。特に、接合後に冷却・再加熱、冷却または再加熱のみを行った発明例１７〜２０では、母材の引張強さと同等の接合継手強度が得られた。接合後に再加熱・冷却を行った発明例２１では、母材の引張強さの９９％以上の接合継手強度が得られた。【０１０３】
比較例６、比較例７の摩擦撹拌接合条件は、本発明の範囲を満足する鋼板の一方面側、他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行う条件で、かつ予熱プロセス条件は本発明の範囲を満足しない条件である。比較例６、比較例７では、未接合部分が残る状態となり接合できなかった。このため、比較例６、比較例７では、回転ツールトルク等の測定は行っていない。【０１０４】
比較例８の摩擦撹拌接合条件は、本発明の範囲を満足しない鋼板の一方面側から回転ツールを押圧して接合を行う条件で、かつ予熱プロセス条件も本発明の範囲を満足しない条件である。比較例８では、母材の引張強さの９０％以上の接合継手強度が得られたが、表面側の回転ツールのトルクが１００Ｎ・ｍより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。
（実施例２）
板厚が１．６ｍｍであって、上記表１に示す化学組成、引張強さの鋼板を用いて、摩擦撹拌接合を実施した。継手突合せ面は、角度をつけない、いわゆるＩ型開先でフライス加工程度の表面状態により、鋼板の一方面側、他方面側の両方から回転ツールを押圧して接合を行った。摩擦撹拌接合の接合条件を上記表２に示す。実施例２では、図５に示した断面寸法形状（肩部直径ａ：１２ｍｍ、ピン部の最大径ｂ：４ｍｍ、プローブ長さｃ：１．４ｍｍ）の回転ツールを用いた。実施例２で用いた回転ツールは、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として被覆処理を施していないもの、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として物理蒸着（ＰＶＤ）により窒化チタン（ＴｉＮ）の被覆処理を表面に施したもの、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として窒化アルミクロム（ＡｌＣｒＮ）の被覆処理を表面に施したもの、または、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）を素材としたものである。【０１０５】
接合時にはアルゴンガスにより接合部をシールドし、表面の酸化を防止した。回転ツールの表面と鋼板との動摩擦係数は炭化タングステン（ＷＣ）を素材として被覆処理を施していないものの場合は０．７、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として物理蒸着（ＰＶＤ）により窒化チタン（ＴｉＮ）の被覆処理を施したものの場合は０．５、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として窒化アルミクロム（ＡｌＣｒＮ）の被覆処理を施したものの場合は０．４、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）を素材としたものの場合は０．３であった。【０１０６】
ツール素材表面と鋼板との動摩擦係数は、実施例１と同じ測定方法で測定した。【０１０７】
被加工材の接合前に行ったレーザ照射による予熱プロセス条件を表８に示す。【０１０８】
【表８】
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【０１０９】
表８中、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として皮膜処理を施していない回転ツールを「ＷＣ」、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として物理蒸着（ＰＶＤ）により窒化チタン（ＴｉＮ）の被覆処理を施した回転ツールを「ＷＣ＋ＴｉＮ」、炭化タングステン（ＷＣ）を素材として窒化アルミクロム（ＡｌＣｒＮ）の被覆処理を施した回転ツールを「ＷＣ＋ＡｌＣｒＮ」、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）を素材とした回転ツールを「ＣＢＮ」と示す。予熱プロセス条件におけるレーザ照射条件は上記表３に示す通りであり、また、各レーザ照射条件により形成される加熱領域の表面形状、深さは上記表４に示す通りである。【０１１０】
実施例２では、接合後のプロセスを行わなかった。接合中央線から加熱領域中心までの距離における「（ＡＳ）」、「（ＲＳ）」は、加熱領域の中心が、接合中央線からそれぞれアドバンシングサイド、リトリーティングサイドにあることを示す。【０１１１】
表９に、接合を実施した際の回転ツールのトルクの測定値と、得られた接合継手の引張強さの測定値を示す。接合継手の引張強さは、ＪＩＳ  Ｚ  ３１２１で規定する１号試験片の寸法の引張試験片を採取し、引張試験を行った結果である。回転ツールのトルクが大きいほど塑性流動性が低く、欠陥などが生じ易くなる。【０１１２】
【表９】
2018070317.tif 000011
【０１１３】
表９より、発明例２２〜２７では、接合速度を４００ｍｍ／ｍｉｎとした場合であっても、母材となる鋼板の引張強さの９０％以上の接合継手強度が得られた。発明例２２〜２７の表面側、裏面側のそれぞれの回転ツールのトルクは、いずれも６５Ｎ・ｍ以下であり、塑性流動性も良好であった。【０１１４】
一方、比較例９、１０では、表面側、裏面側の両方の回転ツールのトルク回転ツールのトルクが７５Ｎ・ｍより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。【０１１５】
発明例２８〜３３では、接合速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎに高速度化した場合であっても、母材となる鋼板の引張強さの９３％以上の接合継手強度が得られ、表面側、裏面側のそれぞれの回転ツールのトルクも８６Ｎ・ｍ以下であった。一方、比較例１１、１２では、表面側、裏面側の両方の回転ツールのトルク回転ツールのトルクが９０Ｎ・ｍより大きくなり、塑性流動性に劣っていた。
【符号の説明】
【０１１６】
１    表面側回転ツール
２    表面側回転ツールの回転軸
３    鋼板
４    接合部
５    加熱手段
６    冷却手段
７    後方加熱手段
８    表面側回転ツールの肩部
９    表面側回転ツールのピン部
１０    接合中央線
１１    ＲＳ線
１２    加熱領域
１３    冷却領域
１４    再加熱領域
１５    裏面側回転ツール
１６    裏面側回転ツールの肩部
１７    裏面側回転ツールのピン部
１９    裏面側回転ツールの回転軸
２０    制御手段
２１    把持装置
２２    下治具
２３    上治具
２４    クランプ
ａ      表面側回転ツールの肩部の直径
ｂ      表面側回転ツールのピン部の最大径
ｃ      表面側回転ツールのピン長
Ｘ      加熱領域と回転ツールとの距離
Ｄ      加熱領域の深さ
ｔ      鋼板の厚さ
α      表面側回転ツール傾斜角度
β      裏面側回転ツール傾斜角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018070317.tif 000014
【図４】
2018070317.tif 000015
【図５】
2018070317.tif 000016
【国際調査報告】
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2018070317.tif 000018
2018070317.tif 000019