[發明專利]摩擦攪拌接合方法及裝置

有效

• 申請號: 201780056730.5
• 申請日: 2017-10-04
• 公開（公告）號: CN109803784B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 松下宗生;池田倫正;谷口公一
• 申請（專利權）人: 杰富意鋼鐵株式會社
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 楊宏軍

本發明提供有效消除由被加工材料的加熱不足引起的塑性流動不良，從而能夠實現充分的強度、并且能夠實現接合施工性的提高的摩擦攪拌接合方法及裝置。在結構用鋼的摩擦攪拌接合時，使用具有與鋼板的動摩擦系數為0.6以下的材料的旋轉工具，將旋轉工具配置于鋼板的一面側和另一面側，利用設置于旋轉工具的前方的加熱機構而被加熱的加熱區域面積的65％以上位于鋼板的表面的接合中央線與下述平行于該接合中央線的直線之間，所述接合中央線為穿過旋轉工具的旋轉軸且平行于接合方向的直線，所述平行于該接合中央線的直線為僅向后退側隔開與旋轉工具的銷部的最大半徑相同的距離的直線。

技術領域

本發明涉及下述摩擦攪拌接合方法及實現該摩擦攪拌接合方法的裝置，所述摩擦攪拌接合方法中，將旋轉工具插入被加工材料間的未接合部并使旋轉工具在旋轉的同時移動，利用與所述旋轉工具的摩擦熱帶來的被加工材料的軟化、和通過旋轉工具攪拌該軟化部所產生的塑性流動，從而在不添加填充材料的情況下進行接合。

背景技術

作為摩擦焊接法，在專利文獻1中公開了下述技術：通過使一對金屬材料雙方或者一方旋轉，在金屬材料上產生摩擦熱而使其軟化，同時通過攪拌該軟化了的部位而引起塑性流動，由此將金屬材料接合。

然而，由于該技術是使作為接合對象的金屬材料旋轉的技術，因此在所接合的金屬材料的形狀、尺寸方面存在限制。

在專利文獻2中公開了下述方法：將由實質上比被加工材料更硬的材質形成的工具插入被加工材料的未接合部，通過使該工具一邊旋轉一邊移動，利用在工具與被加工材料之間產生的熱和塑性流動從而將被加工材料沿著長度方向連續地接合。

專利文獻1所記載的摩擦焊接法是使被加工材料彼此旋轉，并且利用被加工材料彼此之間的摩擦熱進行焊接的方法。專利文獻2公開的摩擦攪拌接合法是在將接合部件固定的狀態下，能夠通過使工具一邊旋轉一邊移動來進行接合的方法。像這樣，在摩擦攪拌接合法中由于是使工具移動來進行接合，因此具有即使為相對于焊接方向為實質上無限長的部件、也能夠沿著其長度方向連續地進行固相接合的優點。此外，因為利用由工具和接合部件的摩擦熱引起的金屬的塑性流動來進行固相接合，所以能夠在不使接合部熔融的情況下進行接合。而且，還存在以下很多優點：因為加熱溫度低，所以接合后的變形小；因為接合部未熔融，所以缺陷少，不僅如此，還無需填充材料；等等。

摩擦攪拌接合法作為以鋁合金、鎂合金為代表的低熔點金屬材料的接合法，在飛機、船舶、鐵路車輛以及汽車等領域中的利用不斷擴展。作為其理由，認為是由于這些低熔點金屬材料利用以往的弧焊法很難獲得接合部的令人滿意的特性，而通過使用摩擦攪拌接合法能夠提高生產率，并且能夠獲得高品質的接合部。

另一方面，就摩擦攪拌接合法在主要作為建筑物、船舶、重型機械、管線以及汽車等結構物的材料而被使用的結構用鋼中的應用而言，由于能夠避免在以往的熔融焊接中成為課題的凝固裂紋、氫致裂紋，并且還能夠抑制鋼材的組織變化，因此可期待優異的接頭性能。此外，在摩擦攪拌接合法中，由于通過利用旋轉工具攪拌接合界面來制造出清潔面并使清潔面彼此接觸，因此還可期待不需要在擴散接合中所必須的前預備工序的優點。如此，就摩擦攪拌接合法在結構用鋼中的應用而言，可期待很多優點。然而，與低熔點金屬材料相比，摩擦攪拌接合法在結構用鋼中的普及尚未取得進展，這是由于在接合時缺陷產生的抑制、接合速度的高速化這樣的接合施工性方面存在問題。

在結構用鋼的摩擦攪拌接合中，如專利文獻3、專利文獻4所記載的那樣，作為旋轉工具而使用了聚晶立方氮化硼(PCBN)、氮化硅(Si3N4)等高耐磨損性材料。由于這些陶瓷較脆，為了防止旋轉工具的破損，待接合的鋼板的板厚、其施工條件受到明顯的限制。

專利文獻5以及專利文獻6公開了出于提高接合施工性的目的而附加加熱機構的接合方法。

例如，專利文獻5公開了下述摩擦攪拌接合法：具有使用感應加熱裝置的加熱機構，在接合前后進行被加工材料的加熱，由此來實現接合速度的高速化、接合部裂紋的消除。