(57)【要約】鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、回転工具の進行方向の前方に配置した加熱装置（４）により、回転工具（１０）による接合前に未接合部を予め加熱するものとし、その際、回転工具（１０）による接合が開始される位置における進行方向に垂直な方向における表面温度分布につき、ＴＡｃ１を鋼板のＡｃ１点として、その最高温度（ＴＵ）を、０．６×ＴＡｃ１＜ＴＵ＜１．８×ＴＡｃ１の範囲とし、かつ温度（ＴＬ）＝０．６×ＴＡｃ１を上回る加熱領域の幅をＬとした場合に、ショルダ部の直径ｄに対して、０．３×ｄ≦Ｌ≦２．０×ｄの関係を満足させることにより、接合欠陥の発生や接合ツールの破損のおそれがなく、さらには熱影響部における焼き戻し軟化あるいは硬化による脆化のおそれなしに、高速での接合速度下で継手強度を向上させることができる。
2015045420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚以上の鋼板を重ね合わせた、または突き合わせた未接合部に、回転工具を挿入し、この回転工具を回転させながら接合する部分に沿って移動させ、この回転工具と上記鋼板との摩擦熱によって鋼板に軟化部を形成し、さらにその軟化部を撹拌することにより生じる塑性流動を利用して鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、
上記回転工具の進行方向の前方に配置した加熱装置によって、回転工具による接合前に未接合部を予め加熱するものとし、
その際、回転工具による接合が開始される位置において、進行方向に垂直な方向の表面の最高温度ＴUが、
０．６×ＴAc1＜ＴU＜１．８×ＴAc1
の範囲を満足し、かつ温度ＴL＝０．６×ＴAc1を超える加熱領域の幅Ｌが、上記回転工具のショルダ部の直径ｄに対し、
０．３×ｄ≦Ｌ≦２．０×ｄ
の関係を満足する摩擦撹拌接合方法。
なお、ＴAc1は鋼板の添加元素量を用いて、次式で定義される温度とする。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
請求項１において、未接合部を挟み、接合ツールに対向する位置に配置する裏当て材の熱伝導率ＴＣBが、鋼板の熱伝導率ＴＣSに対して
０．５×ＴＣS≦ＴＣB≦１．０×ＴＣS
の関係を満足する摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１または２において、加熱装置が高周波誘導加熱装置であり、該加熱装置の使用周波数を２０ｋＨｚ以上３６０ｋＨｚ以下とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、二枚以上の鋼板の各Ｃ量のうち、より多量にＣを含有する鋼板のＣ量を０．１質量％以上０．６質量％以下とする鋼板の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
請求項１に記載の摩擦撹拌接合方法において、
回転工具の進行方向の後方に、接合部の再加熱を司る後方加熱装置を配置し、該後方加熱装置により再加熱される領域の再加熱後の最高温度をＴpとするとき、このＴpが、
０．６×ＴAc1≦Ｔp≦１．２×ＴAc1
の関係を満足する鋼板の摩擦撹拌接合方法。
なお、ＴAc1は鋼板の添加元素量を用いて、次式で定義される温度とする。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。
【請求項６】
請求項５において、回転工具と後方加熱装置との間に、接合部の冷却を司る冷却装置を配置して鋼板を冷却する鋼板の摩擦撹拌接合方法。
【請求項７】
請求項1〜６のいずれかに記載の摩擦撹拌接合方法を用いる鋼板の接合継手の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板の摩擦撹拌接合方法に関し、特に継手強度の向上を図ろうとするものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌接合方法は、重ね合わせたまたは突き合わせた被加工材の未接合部に回転工具を挿入し回転させながら移動させ、この回転工具との摩擦熱による被加工材の軟化と、その軟化部を回転工具が撹拌することにより生じる塑性流動を利用して、溶加材を添加することなく接合を行う方法である。
なお、本明細書では、例えば鋼板を突き合わせただけで未だ接合されてない状態にある突き合わせ部分を「未接合部」、一方、塑性流動により接合されて一体化された部分を「接合部」と呼ぶものとする。【０００３】
図１に、突き合わせた鋼板に対して摩擦撹拌接合を実施する場合の一例を示す。
同図に示したとおり、この摩擦撹拌接合方法では、鋼板２１，２２の端面を互いに突き合わせて未接合部２０とし、この未接合部２０に沿って回転工具１０を回転させながら移動させる。回転工具１０は、鋼板２１，２２の上部に配置して、モータ（図示省略）によって回転するよう構成されている。鋼板の下部には裏当て材３０を設置し、回転工具の加圧に対し鋼板を支えている。そして、モータの駆動によって回転する回転工具１０は、プローブ１２が未接合部２０で鋼板２１，２２に接触しながら矢印Ｆ方向に移動する。このときプローブ１２は、その周りに可塑性材の部分領域を作り、回転体上部１１は、上方向から鋼板２１，２２を押圧し、可塑性ゾーンから材料が失われるのを防いでいる。従って、鋼板２１，２２は、未接合部２０の突き合わせ部分が発熱して軟化し、塑性流動してできた可塑性材によって固相接合され、接合部２５が形成される。【０００４】
かような摩擦撹拌接合において、接合の高速化または接合欠陥の低減を目的として、回転工具による接合とは別に加熱を行う方法が検討されてきた。
例えば、特許文献１には、加熱装置としてガス炎を用いた接合方法が提案されている。図２に、加熱装置としてガス炎を用いた場合の摩擦撹拌接合要領を模式で示す。この方式は、酸素アセチレン、酸素プロパン、酸素天然ガス等の各種ガス炎７０を熱源として被接合部材１,２を加熱するものである。この加熱装置７２において、ガス炎７０が噴射される略円筒状のガスノズル部７１は、プローブ６２の移動方向前方の近傍部位に配置されると共に、プローブ６２の動きと連動して移動する。さらに未接合部１３におけるガス炎７０の噴射位置は常に接合装置の移動方向前方に位置するものとされている。また、ガス炎７０の噴射幅は、被接合部材１,２の表面にぶつかってその先端部が広がった状態になったときに回転子６０のショルダ６１の径と略同一寸法になるように設定されている。これにより未接合部１３のうちプローブ６２近傍だけを加熱して、このプローブ近傍及びその周辺領域の温度を上昇させるようになっている。【０００５】
上記の摩擦撹拌接合法における加熱装置の動作について説明する。加熱装置７２のガスノズル部７１からガス炎７０を噴射させると共に、接合装置３の回転子６０を回転させてこれと一体回転するプローブ６２を未接合部１３に挿入し、プローブが挿入された状態のまま突き合わせ部に沿ってプローブ６２を被接合部材１，２に対し相対的に移動させる。これにより、被接合部材１，２が接合されて接合部１４が形成される。
図２に示した加熱装置７２を用いた摩擦撹拌接合では、ガス炎７０の熱によって未接合部が加熱され、プローブ６２及びショルダ６１との接触部を迅速に軟化させて、プローブ６２による接合を容易とすることを狙いとしている。【０００６】
特許文献２は、熱源として誘導加熱装置を用いたものである。ここでは、回転工具による接合が行われるまでの温度を所定の温度とする制御機構を設けることで、摩擦撹拌接合を開始するまでの時間を短縮し、それにより加熱範囲及び加熱温度の制御性の向上と共に、材質に拠らず、接合部位の割れを防止できるとしている。【０００７】
特許文献３は、熱源としてレーザ光を用いたものである。ここでは、回転工具による接合が行われるまでに未接合部を加熱し、未接合部が予め定めた軟化温度に達した後に、レーザ光の照射を停止させることで、接合ツールの摩耗を抑制することができるとしている。
このように、従来の摩擦擦撹拌接合では、施工を行う際の補助熱源として、ガス炎や誘導加熱、レーザ光を用いる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３０８１８０８号公報
【特許文献２】特許第４２３５８７４号公報
【特許文献３】特許第４５３７１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、鋼板の摩擦撹拌接合にあたり、特許文献１〜３に記載の方法では、接合欠陥の低減、あるいは接合速度の高速化が達成できたとしても、熱影響部において焼き戻し軟化あるいは硬化による脆化が生じ、十分な継手強度を得ることができないという問題を残していた。【００１０】
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、接合欠陥の発生や接合ツールの破損のおそれがなく、さらには熱影響部における焼き戻し軟化あるいは硬化による脆化のおそれなしに、高速での接合速度下で継手強度を向上させた鋼板の摩擦撹拌接合方法を提供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るために、鋼板の摩擦撹拌接合において、回転工具による接合が開始される直前の温度分布と継手状態との関係について調査した。
その結果、
（１）加熱される領域が広い場合は、軟化の影響によって良好な接合部が得られるものの、鋼板、回転工具による発熱の影響が大きいために、熱影響部の範囲は拡大する、
（２）逆に、加熱される領域が狭すぎる場合は、回転工具による接合が不十分となり、欠陥を生じやすくなる、
（３）したがって、鋼板の摩擦撹拌接合においては、接合直前における温度範囲の管理が特に重要である
との知見を得た。【００１２】
そこで、発明者らは、接合直前における温度範囲を管理すべく、回転工具の進行方向の前方に配置した加熱装置で被接合部を種々の条件で加熱を施した。そして特に、回転工具による接合が開始される位置における，進行方向に垂直な方向の表面温度分布が継手状態に及ぼす影響について、鋭意検討を重ねた。
すなわち、上記のようにして得られた溶接継手を、組織、硬さおよび破断形態等から鋭意検討したところ、接合開始位置における温度を一定の温度まで上げることで、鋼板の軟化により高速な接合が可能となる。しかし一方で、温度を上げすぎた場合は摩擦撹拌接合の原理である塑性流動が逆に減少して、欠陥の原因となることが分かった。
また、接合開始位置における温度が一定の温度に達しない場合は、ツールによる発熱が主体になり、従来方法と変わらない結果、継手強度は改善されない。一方温度が高すぎる場合にはツールの摩擦熱が減少しツールによる温度分布の変化が起こらず、さらには焼入れされてしまうため、脆化の原因となることも判明した。【００１３】
さらに、高Ｃ鋼の場合、焼入れ性が高いために、接合後の急冷による脆化や拘束から生じる残留応力によって割れが発生する可能性がある。従って、冷却速度の低下や焼戻しによる硬化・脆化の抑制が必要になる場合が考えられる。
そこで、発明者らは、接合後の再加熱、さらには接合後・再加熱前の冷却に関しても併せて検討した結果、その有効性が確認された。
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。
１．二枚以上の鋼板を重ね合わせた、または突き合わせた未接合部に、回転工具を挿入し、この回転工具を回転させながら接合する部分に沿って移動させ、この回転工具と上記鋼板との摩擦熱による鋼板の軟化と、撹拌することにより生じる塑性流動を利用して鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、
上記回転工具の進行方向の前方に配置した加熱装置によって、回転工具による接合前に未接合部を予め加熱するものとし、
その際、回転工具による接合が開始される位置において、進行方向に垂直な方向の表面の最高温度ＴUが、
０．６×ＴAc1＜ＴU＜１．８×ＴAc1
の範囲を満足し、かつ温度ＴL＝０．６×ＴAc1を上回る加熱領域の幅Ｌが、上記回転工具のショルダ部の直径ｄに対し、
０．３×ｄ≦Ｌ≦２．０×ｄ
の関係を満足する摩擦撹拌接合方法。
なお、ＴAc1は鋼板の添加元素量を用いて、次式で定義される温度とする。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。【００１５】
２．前記１において、未接合部を挟み、接合ツールに対向する位置に配置する裏当て材の熱伝導率ＴＣBが、鋼板の熱伝導率ＴＣSに対して
０．５×ＴＣS≦ＴＣB≦１．０×ＴＣS
の関係を満足する摩擦攪拌接合方法。【００１６】
３．前記１または２において、加熱装置が高周波誘導加熱装置であり、該加熱装置の使用周波数を２０ｋＨｚ以上３６０ｋＨｚ以下とする摩擦攪拌接合方法。【００１７】
４．前記１〜３のいずれかにおいて、二枚以上の鋼板の各Ｃ量のうち、より多量にＣを含有する鋼板のＣ量を０．１質量％以上０．６質量％以下とする鋼板の摩擦撹拌接合方法。【００１８】
５．前記１に記載の摩擦撹拌接合方法において、
回転工具の進行方向の後方に、接合部の再加熱を司る後方加熱装置を配置し、該後方加熱装置により再加熱される領域の再加熱後の最高温度をＴpとするとき、このＴpが、
０．６×ＴAc1≦Ｔp≦１．２×ＴAc1
の関係を満足する鋼板の摩擦撹拌接合方法。
なお、ＴAc1は鋼板の添加元素量を用いて、次式で定義される温度とする。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。【００１９】
６．前記５において、回転工具と後方加熱装置との間に、接合部の冷却を司る冷却装置を配置して鋼板を冷却する鋼板の摩擦撹拌接合方法。【００２０】
７．前記１〜６のいずれかに記載の摩擦攪拌接合方法を用いる鋼板の接合継手の製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、速い接合速度の下で、溶接欠陥やツール破損などのない鋼板の接合が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】突き合わせた鋼板に対して摩擦撹拌接合を実施する場合の一般的な接合要領を示した図である。
【図２】加熱装置としてガス炎を用いた場合の摩擦撹拌接合要領を示した図である。
【図３】接合ツールの進行方向の前方において、種々の条件で鋼板を加熱しつつ接合を実施した場合における、接合開始位置での温度条件と接合欠陥やツール破損の有無および継手効率とを関係を示した図である。
【図４】本発明の実施に用いた摩擦撹拌接合装置を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明は、二枚以上の鋼板を重ね合わせた、または突き合わせた未接合部に、回転工具を挿入し、この回転工具を回転させながら接合する部分に沿って移動させ、この回転工具と上記鋼板との摩擦熱による鋼板の軟化と、撹拌することにより生じる塑性流動を利用して鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合に関するものである。この時、使用する摩擦撹拌接合装置としては、回転工具を加圧、回転して鋼板を接合することのできるものであれば何でもよく、位置制御か加圧制御かなどの制御方法は問わない。【００２４】
回転工具としては、通常、ショルダと呼ばれる平坦部と、ショルダと同心であるプローブと呼ばれる突起を有する工具が用いられる。プローブの形状は問わず、ネジ状のスパイラルなどの加工が施されていてもよい。また、材質についても、とくに限定されることはないが、セラミックスや高温強度に優れる金属材が好適である。【００２５】
図３に、接合ツールの進行方向の前方において、種々の条件で鋼板を加熱しつつ接合を実施した場合における、接合開始位置での温度条件と接合欠陥やツール破損の有無および継手効率とを関係について調査した結果を示す。このデータは、ショルダ径ｄが１２ｍｍの接合ツールを用い、接合速度：１ｍ／ｍｉｎで、Ａｃ1温度が７２０℃で板厚が１．０〜３．０ｍｍの鋼板について、突き合わせまたは重ね合わせ接合を種々実施して、得られたものである。【００２６】
同図に示したとおり、接合開始位置では、進行方向に垂直な方向の表面において温度分布が生じるがその中の最高温度をＴUとするとき、このＴUが
０．６×ＴAc1＜ＴU＜１．８×ＴAc1
の範囲を満足し、かつ温度ＴL（＝０．６×ＴAc1）を超える加熱領域の幅Ｌが、回転工具のショルダ部の直径ｄに対し、
０．３×ｄ≦Ｌ≦２．０×ｄ
の関係を満足する場合に、接合欠陥の発生やツールの破損なしに、しかも継手効率として、継手強度が母材強度の８割を超える高強度継手が得られている。
ここに、ＴAc1は、鋼板の添加元素量を用いて次式で定義される温度であり、鋼のＡc1点に相当する。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。【００２７】
最高温度ＴUを０．６×ＴAc1超まで温度を上げることで、鋼板の好適な軟化により高速での接合が可能となる。一方、この最高温度ＴUが１．８×ＴAc1以上に高くなると、摩擦撹拌接合の原理である塑性流動が逆に低減して、溶接欠陥の原因となる。【００２８】
また、加熱手段については、所定の温度までの加熱が可能であればいずれでもよく、特に限定はされないが、高周波誘導加熱やレーザ光などを用いる加熱手段が有利に適合する。
特に、高周波加熱装置を用いる場合は、加熱効率および加熱範囲を考慮すると、使用周波数を２０ｋＨｚ以上３６０ｋＨｚ以下とすることが好ましく、かかる周波数の装置を用いることによって、上記した温度範囲への制御が容易となる。【００２９】
接合ツールと加熱装置との位置関係および加熱範囲については、接合前における温度が重要であるので、進行方向前方であればその距離、範囲は問わない。しかし、加熱効率および鋼板への影響を考慮すると、加熱装置の配置位置はツール前方１ｍｍ以上１００ｍｍまでの距離、また加熱範囲は０．１ｃｍ2から１００ｃｍ2までの範囲とすることが好ましい。
なお、加熱方法は、ツールの移動と別個に、または連動して動作してもよく、例えばツール側が移動する装置の場合には、この装置に取り付けられ、この装置と同じ速度で移動する加熱装置が、また継手側がステージに固定されてステージが動く場合には、このステージに設置された加熱装置が考えられる。加熱装置としては誘導加熱装置やレーザが挙げられる。【００３０】
接合部と加熱装置の位置関係については、上述したとおり、ツールの進行方向前方であれば、その関係は問わないが、一般に摩擦撹拌接合はツールの進行方向と回転方向とが同じである側（アドバンシングサイド、図１では左側）と、進行方向と回転方向が逆である側（リトリーティングサイド、図１では右側）とでは、アドバンシングサイド側の方が、抵抗が高く、欠陥が生じやすいことが知られている。したがって、加熱範囲をアドバンシングサイド側へ移動させることで、高速でも接合性が安定する。加熱範囲をアドバンシングサイド側へずらす場合には、加熱範囲のうち、最高温度に達する位置が、接合部中心線から幾分ずれ、接合部幅以内であることが望ましい。【００３１】
また、接合に際して，裏当て材の熱伝導率（ＴＣB）があまりに高いと、接合時における熱バランスが保てず、欠陥の原因となる。一方、ＴＣBがあまりに低いと、入熱過剰の原因となる。
そして、本発明のＴＣBは、温度分布を適切に制御する観点から、被接合材の熱伝導率（ＴＣS）と以下の関係を満足することが好ましい。
したがって、裏当て材の熱伝導率は被接合材の熱伝導率に対して０．５倍以上１．０倍程度とすることが好ましい。
すなわち、上記ＴＣBとＴＣSとについては、
０．５×ＴＣS≦ＴＣB≦１．０×ＴＣS
の関係を満足させることが好ましい。【００３２】
本発明で対象とする鋼板について、特に制限はないが、本発明による摩擦撹拌接合方法は、添加元素に炭素を０．１質量％以上０．６質量％以下の範囲で含む鋼板に対してとりわけ有効である。
というのは、本発明を適用することで、従来の接合速度に比して、特に高速で接合可能な鋼板だからである。【００３３】
前述したように、本発明で想定する高炭素鋼の場合、急冷による硬化・脆化や残留応力の影響によって接合後に割れが生じる場合がある。この点について、本発明では、接合後に接合部を再加熱することにより割れの発生を抑制することができる。ただし、過剰な再加熱は、より広い範囲における硬化・脆化の原因となるおそれがある。かような硬化等を抑制するために、再加熱したとしても、後方加熱装置により加熱される領域の再加熱後の最高温度Ｔpを、ＴAc1との関係で
０．６×ＴAc1≦Ｔp≦１．２×ＴAc1
の範囲に制御する必要がある。【００３４】
上記の再加熱を行った場合における、接合ツールと後方加熱装置の位置関係および再加熱範囲については、再加熱そのものが重要であるので、進行方向後方であればその距離、範囲は問わない。しかし、効率および鋼板への影響を考慮すると、ツール後方１ｍｍ以上２００ｍｍまでの距離で、加熱範囲は０．１ｃｍ2から１００ｃｍ2までの範囲とすることが好ましい。【００３５】
なお、再加熱方法は、ツールの移動と別個に、または連動して動作してもよく、例えばツール側が移動する装置の場合には、この装置に取り付けられ、この装置と同じ速度で移動する加熱装置が、また継手側がステージに固定されてステージが動く場合には、このステージに設置された加熱装置が考えられる。加熱装置としては誘導加熱装置やレーザが挙げられる。【００３６】
上記の再加熱を行う場合、焼戻しによる割れを防止するためには、接合ツールと後方加熱装置との間に冷却装置を設けることが有利である。この場合の冷却方法としては、ガスやミスト、銅板接触などが考えられる。冷却効率や継手の酸化、サビ発生の影響を考えると、不活性ガスの使用が望ましい。
また、その冷却条件は、冷却速度：５０〜１０００℃／ｓ程度で２００℃以下まで冷却することが好ましい。【００３７】
以上述べたとおり、本発明に従えば、高速での鋼板の接合が可能になる。
すなわち、摩擦撹拌接合における一般的な接合速度は０．０５〜０．２ｍ／ｍｉｎ程度であるが、本発明に従った場合には、高速での接合が難しいとされる高炭素鋼を接合する場合であっても０．５ｍ／ｍｉｎ以上の速度での接合が可能となる。【００３８】
本発明の摩擦撹拌接合法におけるその他の接合条件については次のとおりである。
ツール回転数：１００〜１５００ｒｐｍ
回転ツールと加工物の接合部との間で摩擦熱を発生させ、その熱により軟化した接合部をツールが撹拌することにより生じる塑性流動を発生させるためには、適正なツール回転数に制御する必要がある。このツール回転数が１００ｒｐｍ未満では、発熱と塑性流動が不足し接合部に未接合部が生じたり、回転ツールに過大な負荷が掛かり破損したりする不具合が生じるおそれがある。一方、ツール回転数が１５００ｒｐｍを超えると、発熱と塑性流動が過大となり軟化した金属が接合部からバリとして欠損するため接合部の十分な厚さが得られなかったり、回転ツールが過度に加熱されて破損したりする不具合が生じるおそれがある。よって、ツール回転数は１００〜１５００ｒｐｍの範囲とすることが好ましい。【００３９】
ツール回転トルク：５０〜１０００Ｎ・ｍ
回転ツールと加工物の接合部との間で摩擦熱を発生させ、その熱により軟化した接合部をツールが撹拌することにより生じる塑性流動を発生させるためには、ツール回転トルクを適正範囲に設定する必要がある。このツール回転トルクが５０Ｎ・ｍ未満では、発熱と塑性流動が不足し接合部に未接合部が生じたり、回転ツールに過大な荷重が掛かり破損したりする不具合が生じるおそれがある。一方、ツール回転トルクが１０００Ｎ・ｍを超えると、発熱と塑性流動が過大となり軟化した金属が接合部からバリとして欠損するため接合部の十分な厚さが得られなかったり、回転ツールが過度に加熱されて破損したりする不具合が生じるおそれがある。よって、ツール回転トルクは５０〜１０００Ｎ・ｍの範囲とすることが好ましい。
【実施例】
【００４０】
（実施例１）
図４に、本発明の実施に用いた摩擦撹拌接合装置を示す。この装置は、接合ツール６０の進行方向前方に誘導加熱装置４を、またその後方に誘導加熱装置８を配置し、これらの誘導加熱装置により加熱できる仕組みになっている。ツール６０には、タングステンカーバイドを基材とする突起状のプローブ６２と平坦なショルダ６１を有する形状を用いた。また、接合部の酸化を抑制するため、アルゴンガスをツール６０の進行方向前方より吹き付けつつ接合を行った。
なお、図中、符号９は冷却装置、３５は電源、４０は加熱温度設定パネルである。【００４１】
図４に示した摩擦撹拌接合装置を用い、板厚が１．２ｍｍの鋼板（Ｃ：０．３質量％、Ｓｉ：０．１質量％、Ｍｎ：１．０質量％）に対し、表１に示す条件で摩擦撹拌接合を施した。なお、継手の突き合わせは、角度を付けないいわゆるＩ型開先とした。また、誘導加熱装置により加熱する際の周波数は３０〜３００ｋＨｚとした。
上記の摩擦撹拌接合を実施した場合における接合の可否について調査した結果を、表１に併記する。
接合の可否で、○印はツールが破損せずに接合可能であり、接合全長にわたり目視可能な不良がなかった場合、×印はツールが破損したか、接合全長のどこかに目視可能な不良があった場合を表す。ここで不良とは、撹拌不足または過剰な撹拌によって板厚の半分以上の凹凸や貫通穴がある場合、あるいは溶接部における割れがある場合を指す。【００４２】
【表１】
2015045420.tif 000003
【００４３】
表１に示したように、本発明に従い摩擦撹拌接合した場合には、０．５ｍ／ｍｉｎを超える接合速度であっても、溶接欠陥の発生がなく、また高い継手効率の接合継手を得ることができた。【００４４】
（実施例２）
実施例１と同様、図４に示した摩擦撹拌接合装置を用いて、表２に示す条件で摩擦撹拌接合を実施した。接合条件は、実施例１の場合とほぼ同じであるが、この実施例２では、接合に際して裏当て材を使用した。
上記の摩擦撹拌接合を実施した場合における接合の可否におよび継手効率、さらにビード幅の安定性について調査した結果を、表２に併記する。ビード幅については、最小のビード幅と最大のビード幅を計測し、その差が最小のビード幅の２０％以下であることをもって安定するとした。【００４５】
【表２】
2015045420.tif 000004
【００４６】
表２に示したように、本発明に従い摩擦撹拌接合した場合には、０．５ｍ／ｍｉｎを超える接合速度であっても、安定したビード幅で、溶接欠陥の発生がなく、また高い継手効率の下で接合継手を得ることができた。【００４７】
（実施例３）
実施例１と同様、図４に示した摩擦撹拌接合装置を用い、表３に示す条件で摩擦撹拌接合を実施した。接合条件は、実施例１の場合とほぼ同じであるが、この実施例３では冷却装置９および後方加熱装置８を用いて接合を実施した。
上記の摩擦撹拌接合を実施した場合における継手効率および同一条件で得られた１０本のサンプルの継手効率の標準偏差について調査した結果を、表３に併記する。
接合の可否で、○および◎は接合可能であったものであり、◎印はツールが破損せずに接合可能であり、接合全長にわたり目視可能な不良がなく、さらにビード幅が安定していた場合、○印はツールが破損せずに接合が可能であり、接合部に目視可能な不良がなかった場合、×印はツールが破損したか，接合全長のどこかに目視可能な不良があった場合を表す。ここで不良とは、撹拌不足または過剰な撹拌によって板厚の半分以上の凹凸や貫通穴がある場合、あるいは溶接部における割れがある場合を指す。
サンプルの継手効率の標準偏差は、継手強度を母材強度で除してパーセンテージとし、その値が５％を超えて８％以下であるものを△、３％を超えて５％以下であるものを○、３％以下であるものを◎として評価した。【００４８】
【表３】
2015045420.tif 000005
【００４９】
表３に示したように、本発明に従い摩擦撹拌接合した場合には、０．５ｍ／ｍｉｎを超える接合速度であっても、溶接欠陥の発生がなく、かつ高い継手効率の下で、接合継手を得ることができた。特に、摩擦撹拌接合後、適切な再加熱処理または冷却−再加熱処理を施した場合には、より安定的な接合継手を得ることができた。
【符号の簡単な説明】
【００５０】
１，２  被接合部材
３  接合装置
４  誘導加熱装置
８  後方加熱装置
９  冷却装置
１０  回転工具
１１  回転体上部
１２  プローブ
１３  未接合部
１４  接合部
２０  未接合部
２１，２２  鋼板
２５  接合部
３０  裏当て材
３５  電源
４０  加熱温度設定パネル
６０  接合ツール（回転子）
６１  ショルダ
６２  プローブ
７０  ガス炎
７１  ガスノズル部
７２  加熱装置
【図１】
2015045420.tif 000006
【図２】
2015045420.tif 000007
【図３】
2015045420.tif 000008
【図４】
2015045420.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月9日(2016.3.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚以上の鋼板を重ね合わせた、または突き合わせた未接合部に、回転工具を挿入し、この回転工具を回転させながら接合する部分に沿って移動させ、この回転工具と上記鋼板との摩擦熱によって鋼板に軟化部を形成し、さらにその軟化部を撹拌することにより生じる塑性流動を利用して鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、
上記回転工具の進行方向の前方に配置した加熱装置によって、回転工具による接合前に未接合部を予め加熱するものとし、
その際、回転工具による接合が開始される位置において、進行方向に垂直な方向の表面の最高温度ＴUが、
０．６×ＴAc1＜ＴU＜１．８×ＴAc1
の範囲を満足し、かつ温度ＴL＝０．６×ＴAc1を超える加熱領域の幅Ｌが、上記回転工具のショルダ部の直径ｄに対し、
０．３×ｄ≦Ｌ≦２．０×ｄ
の関係を満足する条件で予熱を行うと共に、
上記回転工具の進行方向の後方に、接合部の冷却を司る冷却装置と接合部の再加熱を司る後方加熱装置をこの順で配置し、該冷却装置により、該接合部を冷却速度：５０〜１０００℃／ｓで冷却したのち、
該後方加熱装置により、再加熱される領域の再加熱後の最高温度をＴpとするとき、このＴpが、
０．６×ＴAc1≦Ｔp≦１．２×ＴAc1
の関係を満足する条件で再加熱を行う鋼板の摩擦撹拌接合方法。
なお、ＴAc1は鋼板の添加元素量を用いて、次式で定義される温度とする。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕
＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
請求項１において、未接合部を挟み、接合ツールに対向する位置に配置する裏当て材の熱伝導率ＴＣBが、鋼板の熱伝導率ＴＣSに対して
０．５×ＴＣS≦ＴＣB≦１．０×ＴＣS
の関係を満足する鋼板の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１または２において、加熱装置が高周波誘導加熱装置であり、該加熱装置の使用周波数を２０ｋＨｚ以上３６０ｋＨｚ以下とする鋼板の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、二枚以上の鋼板の各Ｃ量のうち、より多量にＣを含有する鋼板のＣ量を０．１質量％以上０．６質量％以下とする鋼板の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の鋼板の摩擦撹拌接合方法を用いる鋼板の接合継手の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．二枚以上の鋼板を重ね合わせた、または突き合わせた未接合部に、回転工具を挿入し、この回転工具を回転させながら接合する部分に沿って移動させ、この回転工具と上記鋼板との摩擦熱によって鋼板に軟化部を形成し、さらにその軟化部を撹拌することにより生じる塑性流動を利用して鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、
上記回転工具の進行方向の前方に配置した加熱装置によって、回転工具による接合前に未接合部を予め加熱するものとし、
その際、回転工具による接合が開始される位置において、進行方向に垂直な方向の表面の最高温度ＴUが、
０．６×ＴAc1＜ＴU＜１．８×ＴAc1
の範囲を満足し、かつ温度ＴL＝０．６×ＴAc1を超える加熱領域の幅Ｌが、上記回転工具のショルダ部の直径ｄに対し、
０．３×ｄ≦Ｌ≦２．０×ｄ
の関係を満足する条件で予熱を行うと共に、
上記回転工具の進行方向の後方に、接合部の冷却を司る冷却装置と接合部の再加熱を司る後方加熱装置をこの順で配置し、該冷却装置により、該接合部を冷却速度：５０〜１０００℃／ｓで冷却したのち、
該後方加熱装置により、再加熱される領域の再加熱後の最高温度をＴpとするとき、このＴpが、
０．６×ＴAc1≦Ｔp≦１．２×ＴAc1
の関係を満足する条件で再加熱を行う鋼板の摩擦撹拌接合方法。
なお、ＴAc1は鋼板の添加元素量を用いて、次式で定義される温度とする。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕
＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
２．前記１において、未接合部を挟み、接合ツールに対向する位置に配置する裏当て材の熱伝導率ＴＣBが、鋼板の熱伝導率ＴＣSに対して
０．５×ＴＣS≦ＴＣB≦１．０×ＴＣS
の関係を満足する鋼板の摩擦攪拌接合方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
３．前記１または２において、加熱装置が高周波誘導加熱装置であり、該加熱装置の使用周波数を２０ｋＨｚ以上３６０ｋＨｚ以下とする鋼板の摩擦攪拌接合方法。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
５．前記１〜４のいずれかに記載の鋼板の摩擦攪拌接合方法を用いる鋼板の接合継手の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月15日(2016.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二枚以上の鋼板を重ね合わせた、または突き合わせた未接合部に、回転工具を挿入し、この回転工具を回転させながら接合する部分に沿って移動させ、この回転工具と上記鋼板との摩擦熱によって鋼板に軟化部を形成し、さらにその軟化部を撹拌することにより生じる塑性流動を利用して鋼板同士を接合する摩擦撹拌接合方法において、
上記回転工具の進行方向の前方に配置した加熱装置によって、回転工具による接合前に未接合部を予め加熱するものとし、
その際、回転工具による接合が開始される位置において、進行方向に垂直な方向の表面の最高温度ＴUが、
０．６×ＴAc1＜ＴU＜１．８×ＴAc1
の範囲を満足し、かつ温度ＴL＝０．６×ＴAc1を超える加熱領域の幅Ｌが、上記回転工具のショルダ部の直径ｄに対し、
０．３×ｄ≦Ｌ≦２．０×ｄ
の関係を満足する条件で予熱を行うと共に、
上記回転工具の進行方向の後方に、接合部の冷却を司る冷却装置と接合部の再加熱を司る後方加熱装置をこの順で配置し、該冷却装置により、該接合部を冷却速度：５０〜１０００℃／ｓで２００℃以下まで冷却したのち、
該後方加熱装置により、再加熱される領域の再加熱後の最高温度をＴpとするとき、このＴpが、
０．６×ＴAc1≦Ｔp≦１．２×ＴAc1
の関係を満足する条件で再加熱を行う鋼板の摩擦撹拌接合方法。
なお、ＴAc1は鋼板の添加元素量を用いて、次式で定義される温度とする。
ＴAc1＝７２３−１０．７〔％Ｍｎ〕−１６．９〔％Ｎｉ〕＋２９．１〔％Ｓｉ〕
＋１６．９〔％Ｃｒ〕＋２９０〔％Ａｓ〕＋６．３８〔％Ｗ〕
ここで、〔％Ｍ〕は、Ｍ元素の鋼板中の含有量（質量％）を表す。
【請求項２】
請求項１において、未接合部を挟み、接合ツールに対向する位置に配置する裏当て材の熱伝導率ＴＣBが、鋼板の熱伝導率ＴＣSに対して
０．５×ＴＣS≦ＴＣB≦１．０×ＴＣS
の関係を満足する鋼板の摩擦攪拌接合方法。
【請求項３】
請求項１または２において、加熱装置が高周波誘導加熱装置であり、該加熱装置の使用周波数を２０ｋＨｚ以上３６０ｋＨｚ以下とする鋼板の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、二枚以上の鋼板の各Ｃ量のうち、より多量にＣを含有する鋼板のＣ量を０．１質量％以上０．６質量％以下とする鋼板の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の鋼板の摩擦撹拌接合方法を用いる鋼板の接合継手の製造方法。
【国際調査報告】
2015045420.tif 000010
2015045420.tif 000011
2015045420.tif 000012
2015045420.tif 000013