[发明专利]摩擦搅拌接合方法及装置

说明书

本发明提供有效消除由被加工材料的加热不足引起的塑性流动不良，从而能够实现充分的强度、并且能够实现接合施工性的提高的摩擦搅拌接合方法及装置。在结构用钢的摩擦搅拌接合时，使用具有与钢板的动摩擦系数为0.6以下的材料的旋转工具，将旋转工具配置于钢板的一面侧和另一面侧，利用设置于旋转工具的前方的加热机构而被加热的加热区域面积的65％以上位于钢板的表面的接合中央线与下述平行于该接合中央线的直线之间，所述接合中央线为穿过旋转工具的旋转轴且平行于接合方向的直线，所述平行于该接合中央线的直线为仅向后退侧隔开与旋转工具的销部的最大半径相同的距离的直线。

技术领域

本发明涉及下述摩擦搅拌接合方法及实现该摩擦搅拌接合方法的装置，所述摩擦搅拌接合方法中，将旋转工具插入被加工材料间的未接合部并使旋转工具在旋转的同时移动，利用与所述旋转工具的摩擦热带来的被加工材料的软化、和通过旋转工具搅拌该软化部所产生的塑性流动，从而在不添加填充材料的情况下进行接合。

背景技术

作为摩擦焊接法，在专利文献1中公开了下述技术：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，同时通过搅拌该软化了的部位而引起塑性流动，由此将金属材料接合。

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。

在专利文献2中公开了下述方法：将由实质上比被加工材料更硬的材质形成的工具插入被加工材料的未接合部，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从而将被加工材料沿着长度方向连续地接合。

专利文献1所记载的摩擦焊接法是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。专利文献2公开的摩擦搅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。像这样，在摩擦搅拌接合法中由于是使工具移动来进行接合，因此具有即使为相对于焊接方向为实质上无限长的部件、也能够沿着其长度方向连续地进行固相接合的优点。此外，因为利用由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相接合，所以能够在不使接合部熔融的情况下进行接合。而且，还存在以下很多优点：因为加热温度低，所以接合后的变形小；因为接合部未熔融，所以缺陷少，不仅如此，还无需填充材料；等等。

摩擦搅拌接合法作为以铝合金、镁合金为代表的低熔点金属材料的接合法，在飞机、船舶、铁路车辆以及汽车等领域中的利用不断扩展。作为其理由，认为是由于这些低熔点金属材料利用以往的弧焊法很难获得接合部的令人满意的特性，而通过使用摩擦搅拌接合法能够提高生产率，并且能够获得高品质的接合部。

另一方面，就摩擦搅拌接合法在主要作为建筑物、船舶、重型机械、管线以及汽车等结构物的材料而被使用的结构用钢中的应用而言，由于能够避免在以往的熔融焊接中成为课题的凝固裂纹、氢致裂纹，并且还能够抑制钢材的组织变化，因此可期待优异的接头性能。此外，在摩擦搅拌接合法中，由于通过利用旋转工具搅拌接合界面来制造出清洁面并使清洁面彼此接触，因此还可期待不需要在扩散接合中所必须的前预备工序的优点。如此，就摩擦搅拌接合法在结构用钢中的应用而言，可期待很多优点。然而，与低熔点金属材料相比，摩擦搅拌接合法在结构用钢中的普及尚未取得进展，这是由于在接合时缺陷产生的抑制、接合速度的高速化这样的接合施工性方面存在问题。

在结构用钢的摩擦搅拌接合中，如专利文献3、专利文献4所记载的那样，作为旋转工具而使用了聚晶立方氮化硼(PCBN)、氮化硅(Si3N4)等高耐磨损性材料。由于这些陶瓷较脆，为了防止旋转工具的破损，待接合的钢板的板厚、其施工条件受到明显的限制。

专利文献5以及专利文献6公开了出于提高接合施工性的目的而附加加热机构的接合方法。

例如，专利文献5公开了下述摩擦搅拌接合法：具有使用感应加热装置的加热机构，在接合前后进行被加工材料的加热，由此来实现接合速度的高速化、接合部裂纹的消除。