CN108778602B - 金属材料的低温接合方法和接合构造物 - Google Patents

Abstract

本发明要解决的技术问题在于：提供一种能够有效地抑制各种高张力钢或铝的接合部和热影响部的机械特性的降低的简便的低温接合方法以及利用该低温接合方法得到的接合构造物。本发明解决技术问题的技术方案在于：该金属材料的低温接合方法的特征在于，其使2个金属材料在被接合部相对而形成被接合界面，向被接合部压入以规定的转速旋转的旋转工具，从而将2个金属材料接合，该方法通过使旋转工具的最外周的圆周速度为51mm/s以下，向被接合部导入强形变而降低金属材料本来具有的再结晶温度，使接合温度小于金属材料本来具有的再结晶温度，在被接合界面生成再结晶晶粒。

Description

金属材料的低温接合方法和接合构造物

技术领域

本发明涉及一种将金属材料彼此直接接合的低温接合方法和利用该低温接合方法得到的接合构造物，更具体而言，涉及一种能够有效地抑制接合部和热影响部的机械特性的降低的低温接合方法以及利用该低温接合方法得到的接合构造物。

背景技术

伴随着钢和铝合金等金属材料的高强度化，制约接合构造物的机械特性的接合部上的强度降低已成为深刻的问题。对此，近年来，不使接合中的最高到达温度达到被接合材料的熔点而接合部上的强度降低比现有的熔融焊接小的摩擦搅拌接合受到了注目，并快速地得到了实用化。

然而，在采用属于固相接合的摩擦搅拌接合时，对于高张力钢或热处理型铝合金而言，抑制其接合部的强度降低是困难的，在接合构造物中，无法充分利用这些金属材料本来具有的机械特性。

其中，例如，在专利文献1(日本特开2005－131679号公报)中，公开了一种热处理型铝合金材的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，对热处理型铝合金材进行摩擦搅拌接合，其中，对这样的热处理型铝合金材实施T4调质后，再进行恢复处理，然后，对实施该恢复处理后的处于恢复状态的热处理型铝合金材进行摩擦搅拌接合。

在上述专利文献1所记载的摩擦搅拌接合方法中，能够以搅拌接合部、热影响部和母材之中母材的硬度最小的方式构成接头，防止搅拌接合部和热影响部的断裂，并能够有利地得到延展性乃至加压成型性优异的接合材料。

另外，在专利文献2(日本特开2015－057292号公报)中，公开了一种金属材料的摩擦搅拌接合方法，其特征在于，包括如下的摩擦搅拌接合工序，即，使被接合材料彼此在接合部抵接，向上述接合部***旋转的棒状的工具，向上述接合部供给冷却过的冷媒并且使上述工具移动，由此将上述被接合材料彼此接合，其中，所述被接合材料中的至少一个被接合材料为具有面心立方晶格结构且再结晶温度为300℃以下的金属材料。

在上述专利文献2所记载的摩擦搅拌接合方法中，利用冷媒的强制冷却，能够形成由充分地包含错位的微细等轴晶粒构成的搅拌部，因此，即使是具有面心立方晶格结构且再结晶温度为300℃以下的金属材料，也能够获得与母材同等以上的接头强度。

[现有技术文献]

专利文献

专利文献1：日本特开2005－131679号公报

专利文献2：日本特开2015－057292号公报

发明内容

[发明所要解决的技术问题]

然而，上述专利文献1所公开的摩擦搅拌接合方法中，利用热处理来降低作为基准的母材的硬度，从而使接合部的硬度相对地上升，无法利用铝合金本来具有的机械特性。

另外，即使采用上述专利文献2所公开的摩擦搅拌接合方法，也无法完全抑制高张力钢的接合部上的强度降低，除此以外，还需要准备冷媒和冷媒供给机构。

鉴于如上所述的现有技术的问题点，本发明的目的在于，提供一种能够有效地抑制各种高张力钢或铝的接合部和热影响部的机械特性的降低的简便的低温接合方法以及利用该低温接合方法得到的接合构造物。

[用于解决技术问题的技术方案]

本发明人为了实现上述目的，对在接合界面形成再结晶晶粒而实现接合的方法反复进行了潜心研究，结果发现向接合界面导入强形变并抑制升温等是极其有效的，从而完成了本发明。

即，本发明提供一种金属材料的低温接合方法，其特征在于：使2个金属材料在被接合部相对而形成被接合界面，向上述被接合部压入以规定的转速旋转的旋转工具，从而将上述2个金属材料接合，其中，

通过使上述旋转工具的最外周的圆周速度为51mm/s以下，向上述被接合部导入强形变而降低上述金属材料本来具有的再结晶温度，

使接合温度小于上述金属材料本来具有的再结晶温度，在上述被接合界面生成再结晶晶粒。

为了抑制热影响部的强度降低，优选降低接合温度。在此，在现有的摩擦搅拌接合中，接合温度上升至被接合材料的熔点(K)的约7成左右，但在本发明的低温接合方法中，以在现有的摩擦搅拌接合中不能想到的程度的低转速使旋转工具旋转，从而抑制接合温度的上升并导入强形变，使接合温度小于被接合材料的金属材料本来具有的再结晶温度，从而能够抑制热影响部的强度降低。其中，通过使旋转工具的最外周的圆周速度为51mm/s以下，能够抑制因旋转工具的压入负荷增加而导致的接合温度的上升。另外，“金属材料本来具有的再结晶温度”根据金属材料的不同而不同，通常为金属材料的熔点(K)的约4成左右。

另外，通过使接合温度小于被接合材料的金属材料本来具有的再结晶温度，能够降低因旋转工具的压入而形成的搅拌部的再结晶粒径，并能够利用该微细粒化提高搅拌部的机械特性。

在本发明的金属材料的低温接合方法中，优选利用上述转速的降低和上述压入负荷的增加使上述接合温度降低，使上述再结晶晶粒的粒径成为1μm以下。

已知一般的摩擦搅拌接合中的接合温度与所压入的旋转工具的转速、压入负荷和移动速度密切相关，随着转速和压入负荷的增加以及移动速度的降低，接合温度上升。对此，本发明人发现：将转速设定为极小时，即使增加压入负荷，接合温度也不会大幅度上升，另一方面，向接合界面附近导入的形变因压入负荷的增加而显著上升。

另外，关于旋转工具的移动速度，可以在考虑搅拌部的缺陷形成和接合速度等的情况下适当设定；在点接合的情况下，可以调节旋转工具的压入和拉拔速度；在线接合的情况下，可以调节被接合界面上的移动速度。另外，关于旋转工具的形状，只要不损害本发明的效果，就没有特别限定，可以采用目前公知的各种摩擦搅拌接合用工具的形状。通常使用棒状的旋转工具，也可以使用例如圆盘状的旋转工具。

从接合条件和接合机理等的观点考虑，本发明的低温接合方法是与现有的摩擦搅拌接合完全不同的方法，即，本发明的低温接合方法中，通过在低温下向被接合界面附近导入大的形变，使实际上产生再结晶的温度低于“金属材料本来具有的再结晶温度”，在抑制热影响部的形成的小于“金属材料本来具有的再结晶温度”在被接合界面生成再结晶晶粒，从而实现良好的接合。

另外，在本发明的低温接合方法中，包括如下的(1)～(4)的4种方式和它们的组合：(1)使金属板的端部彼此对接而形成接合部，使旋转工具沿着其加工部的长度方向旋转并移动，从而将金属板彼此接合的接合；(2)使金属板的端部彼此对接而形成接合部，使旋转工具在该接合部旋转而不移动，从而进行接合的点接合；(3)使金属板彼此在接合部重叠，向接合部***旋转工具，使旋转工具在该位置旋转而不移动，从而将金属板彼此接合的点接合；(4)使金属板彼此在接合部重叠，向接合部***旋转工具，使旋转工具沿着该接合部的长度方向旋转并移动，从而将金属板彼此接合的接合。

另外，在本发明的低温接合方法中，优选使上述旋转工具的最外周的圆周速度为32mm/s以下，更优选为19mm/s以下。通过使旋转工具的最外周的圆周速度为32mm/s以下，能够抑制被接合界面附近的温度上升，并能够使接合温度小于金属材料本来具有的再结晶温度。另外，通过使旋转工具的最外周的圆周速度为19mm/s以下，能够更可靠地抑制接合温度的上升。

另外，在本发明的低温接合方法中，优选将上述压入负荷设定为能够将上述旋转工具以不旋转的状态压入于上述金属材料的值以上。在一般的摩擦搅拌接合中，利用因摩擦热而导致的被接合材料的软化来压入旋转工具，但在本发明的低温接合方法中，由于接合温度的上升被抑制，因此，需要以使被接合材料发生塑性变形的方式压入旋转工具。另外，通过以大负荷将旋转工具压入被接合材料，能够将大的形变导入被接合界面。

另外，在本发明的低温接合方法中，优选：在由上述旋转工具施加至上述金属材料的应力为上述被接合部的温度下的上述金属材料的屈服应力以上的范围内，使上述压入负荷随着上述被接合部的温度上升而降低。由于金属材料的屈服应力随着温度的上升而降低，因此，用于将旋转工具压入金属材料所需的最低负荷也随着温度的上升而降低。即，在能够将旋转工具压入金属材料的限度内，使用尽可能小的负荷，由此能够进行节能的低温接合。

另外，在本发明的低温接合方法中，优选上述金属材料为铝或铝合金，更优选上述金属材料为热处理型铝合金、加工强化型铝或加工强化型铝合金。被接合材料为铝或铝合金时，能够抑制因结晶粒径的增加或恢复而导致的接合部的强度降低；被接合材料为热处理型铝合金时，还能够抑制因析出物的粗大化或固溶而导致的接合部的强度降低。进一步而言，被接合材料为加工强化型铝或加工强化型铝合金时，能够更有效地抑制伴随恢复或再结晶而引起的强度降低。另外，本发明的低温接合方法也能够适用于不同材料的接合，在将不同材料接合时，只要至少一个接合材料具有本发明的特征即可。

另外，在本发明的低温接合方法中，优选上述金属材料为铁系金属，更优选为高张力钢。被接合材料为高张力钢时，能够抑制现有的接合技术中曾经成为问题的热影响部的形成，尤其是，通过对母材硬度小于350HV的高张力钢材采用本发明的低温接合方法，能够得到具有与母材硬度大致同等的硬度(基本不发生硬度降低)的接合部。

另外，关于采用本发明的低温接合方法的被接合材料，优选使用上述的金属材料，但在通常的摩擦搅拌接合(接合温度为被接合材料的熔点的7成～8成左右的摩擦搅拌接合)中，优选使用接合部(搅拌部、热加工影响部和热影响部)的强度小于母材强度的金属。通过采用本发明的低温接合方法，也能够有效地抑制该金属材料的强度降低。

另外，与现有的接合方法相比，本发明的低温接合方法能够以极低的温度实现接合，因此，也能够适用于不同材料的接合(而以往在不同材料的接合中，接合界面上的金属间化合物的形成会成为问题)，例如，能够适用于铝材和镁材的接合、以及铝材和钢材的接合。

进一步而言，在本发明的低温接合方法中，优选上述旋转工具为铁系金属制。在现有的摩擦搅拌接合中，当被接合材料为钢时，旋转工具的寿命会成为大问题。对此，虽然已经研究了高熔点金属或陶瓷制的各种旋转工具，但没有获得充分的寿命，并会成为高价的工具。

本发明人着眼于本发明的低温接合方法的接合温度，发现：在该接合温度下，使用比被接合材料(即，钢)高强度的铁系金属制作旋转工具时，能够利用铁系金属制的旋转工具进行钢材的接合。旋转工具为铁系金属制时，与以往被使用于钢的摩擦搅拌接合的旋转工具相比，能够利用极其廉价的旋转工具实现接合。

另外，本发明也提供一种接合构造物，其特征在于，

包括具有小于350HV的母材硬度的高张力钢材的接合部，

上述接合部含有平均粒径为1μm以下的微细等轴再结晶晶粒，

上述接合部和热影响部的硬度大致为上述母材硬度以上。

本发明的接合构造物中，接合部不是机械地接合着，而是冶金地接合着。另外，基本上，接合部由具有与被接合材料的高张力钢材大致相同的组成的微细等轴再结晶晶粒构成，该微细等轴再结晶晶粒的平均粒径为1μm以下，因此，具有不差于母材的机械特性。

另外，通常，在高张力钢材的接合部会形成热影响部，该热影响部的硬度比母材低，但是，在本发明的接合构造物中，热影响部的硬度为母材硬度以上。其结果，接合构造物的强度和可靠性等不被接合部制约，能够充分地利用高张力钢材的机械特性。

另外，本发明也提供一种接合构造物，其特征在于，具有：

至少1个以上的基材部；和

将上述基材部彼此接合的接合部，

上述基材部为高张力钢材或热处理型铝合金材，

上述接合部具有与上述基材部大致相同的组成，

上述接合部含有平均粒径为1μm以下的微细等轴再结晶晶粒，

上述接合部和热影响部的硬度为上述基材部的约8成以上。

在本发明的接合构造物中，接合部不是机械地形成的，而是实现了冶金接合。另外，对于高张力钢材或热处理型铝合金材而言，接合部的机械特性的大幅度的降低会成为深刻的问题，但是在本发明的接合构造物中，由于平均粒径为1μm以下的微细等轴再结晶晶粒而使得被接合界面消失，接合部和热影响部的硬度达到了基材部的约8成以上。

其中，再结晶粒径因温度或形变的经历而发生变化，因此，它们会根据所观察的部位而不同，但只要在接合界面及其附近存在平均粒径为1μm以下的区域即可。另外，关于该平均粒径，例如，可以对通过光学显微镜或扫描电子显微镜而得到的观察图像，利用切片法算出。

在本发明的接合构造物中，优选上述基材部为具有350HV以上的母材硬度的高张力钢材。在使用现有的焊接技术时，在具有350HV以上的母材硬度的高张力钢材的接合部和热影响部，大幅度的硬度降低是不可避免的，但是在本发明的接合构造物中，即使基材部使用具有该高硬度的高张力钢材，也能够有效地抑制接合部和热影响部的硬度降低。

另外，在本发明的接合构造物中，优选：上述基材部为具有小于350HV的母材硬度的高张力钢材，上述接合部和上述热影响部的硬度大致为上述母材硬度以上。基材部为具有小于350HV的硬度的高张力钢材时，基本能完全抑制接合部和热影响部的硬度降低。

进一步而言，在本发明的接合构造物中，优选：上述基材部为热处理型铝合金材，上述接合部和上述热处理部的硬度为上述母材硬度的约9成以上。热处理型铝因焊接时的温度上升而容易发生硬度降低，但是在基材部使用热处理型铝合金材时，接合部和热处理部的硬度也能够维持母材硬度的约9成以上。

另外，利用上述的本发明的金属材料的低温接合方法，能够良好地制造本发明的接合构造物。

[发明效果]

根据本发明，能够提供一种能够有效地抑制各种高张力钢或铝的接合部和热影响部的机械特性的降低的简便的低温接合方法以及利用该低温接合方法得到的接合构造物。

附图说明

图1是表示本发明的金属材料的低温接合方法的一个方式的示意图。

图2是表示本发明的金属材料的低温接合方法的其他方式的示意图。

图3是表示对接接合(线接合)时的状况的概略图。

图4是本发明的接合构造物的接合部附近的概略截面图。

图5是表示点接合时的被接合材料的配置的示意图。

图6是在各温度下进行回火处理后的碳钢板的SEM照片和EBSD晶界像。

图7是实施例1中得到的接合部的截面照片。

图8是实施例2中得到的接合部的截面照片。

图9是实施例3中得到的接合部的截面照片。

图10是实施例4中得到的接合部的截面照片。

图11是实施例5中得到的接合部的截面照片。

图12是实施例6～8中得到的接合部的表面照片。

图13是实施例6中得到的接合部的截面照片。

图14是比较例1中得到的接合部的截面照片。

图15是母材硬度为350HV时的接合部的硬度分布(接合部水平方向)。

图16是母材硬度为450HV时的接合部的硬度分布(接合部水平方向)。

图17是表示接合部的最低硬度与转速的关系的曲线图。

图18是表示接合部的最低硬度与母材硬度的关系的曲线图。

图19是实施例3中得到的接合部的硬度分布(接合部水平方向)。

图20是实施例4中得到的接合部的硬度分布(接合部水平方向)。

图21是实施例6中得到的接合部的硬度分布(接合部水平方向)。

图22是实施例2和比较例2中得到的接头的拉伸剪切强度。

图23是实施例1中得到的接合界面附近的方位图像。

图24是实施例2中得到的接合界面附近的方位图像。

图25是比较例3中得到的接合界面附近的方位图像。

图26是表示接合最高温度与工具转速的关系的曲线图。

图27是表示实施例3的接合中的温度变化的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的金属材料的低温接合方法和接合构造物的代表性的实施方式进行详细说明，但本发明并不只限定于这些实施方式。另外，在以下的说明中，有时对相同或相当的部分标注相同符号，并省略重复的说明。另外，附图是用于概念性地说明本发明的图，因此，有时其所示的各构成要素的尺寸或它们的比例与实际不同。

(1)金属材料的低温接合方法

关于本发明的金属材料的低温接合方法，与摩擦搅拌接合相比，虽然其接合机理不同，但接合工艺与摩擦搅拌接合类似。摩擦搅拌接合被称为FSW(Friction StirWelding)，该方法是通过使所要接合的二个由金属材料构成的被接合材料各自的端部对接，将设置于旋转工具的前端的突起部(探针)***两者的端部之间，沿着这些端部的长度方向使旋转工具旋转并移动，从而将二个金属部件接合的方法。

如上所述，本发明的金属材料的低温接合方法包括如下的(1)～(4)的4种方式和它们的组合：(1)使金属板的端部彼此对接而形成接合部，使旋转工具沿着其加工部的长度方向旋转并移动，从而将金属板彼此接合的接合；(2)使金属板的端部彼此对接而形成接合部，使旋转工具在该接合部旋转而不移动，从而进行接合的点接合；(3)使金属板彼此在接合部重叠，向接合部***旋转工具，使旋转工具在该位置旋转而不移动，从而将金属板彼此接合的点接合；(4)使金属板彼此在接合部重叠，向接合部***旋转工具，使旋转工具沿着该接合部的长度方向旋转并移动，从而将金属板彼此接合的接合。以下，作为代表性的方式，对“(3)使金属板彼此在接合部重叠，向接合部***旋转工具，使旋转工具在该位置旋转而不移动，从而将金属板彼此接合的点接合”进行详细说明。

图1是表示本发明的金属材料的低温接合方法的一个方式的示意图。通过使被接合材料2和被接合材料2’重叠，以大负荷将低速旋转的旋转工具4从一个被接合材料压入，从而形成接合部6。

图1所示的是使用圆柱状的主体部(肩部)8的底面具有圆柱状的突起部(探针部)10的旋转工具4的情形，突起部(探针部)10压入至不穿透配置于下侧的被接合材料2’的程度，由此在主体部(肩部)8的下方且突起部(探针部)10的周围形成接合部6。

另外，图2所示的是使用圆柱状的主体部(肩部)8的底面不具有突起部(探针部)10的旋转工具4的情形，通过将旋转工具4向被接合材料2压入而形成接合部6。其中，不具有突起部(探针部)10时，优选将旋转工具4只压入于配置于上侧的被接合材料2，在旋转工具4的底面下方形成接合部6。

在本发明的金属材料的低温接合方法中，将旋转工具4的转速、压入负荷和移动速度作为控制参数来调节接合温度，使接合温度小于被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度。其中，“被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度”因其组成、加工状态(加工度)等而发生变化，例如，各金属的再结晶温度为W：1200℃、Mo：900℃、Fe：500℃、Cu：200～230℃、Al：150～240℃、Mg：150℃(须藤一等，《金属组织学》，丸善(1972))。另外，关于本发明的“被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度”，根据与被接合材料(2、2’)相对应的金属材料而可以采用目前公知的值，当没有适当的报告值时，也可以对在各温度进行热处理后的被接合材料(2、2’)进行组织观察，确认有无再结晶即可。

另外，在本发明的低温接合方法中，通过在被接合界面生成再结晶晶粒而实现接合的结果，使接合温度小于“被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度”，即，使接合温度成为通常不产生再结晶的温度。在此，在本发明的低温接合方法中，在尽量抑制温度上升的状态下，利用旋转工具4的压入向被接合部导入强形变，从而降低了产生再结晶的温度(实际的再结晶温度)。具体而言，通过使旋转工具4的最外周的圆周速度为51mm/s以下，抑制接合温度的上升，并向上述被接合部导入强形变，降低上述金属材料本来具有的再结晶温度。另外，旋转工具4的肩径为12mm时，通过使转速为80rpm，能够使最外周的圆周速度成为51mm/s。另外，通过使接合温度小于“被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度”，能够抑制形成于接合部的再结晶晶粒的粗大化和热影响部的硬度降低。

关于旋转工具4的形状，在不损害本发明的效果的限度内没有特别的限定，可以使用目前公知的各种摩擦搅拌接合用工具的形状，优选使用在圆柱状的主体部(肩部)的底面具有圆柱状的突起部(探针部)的形状。通过使突起部(探针部)的底面成为大致平面，能够向被接合界面附近有效地导入强形变。

在此，利用旋转工具4的转速的降低和压入负荷的增加而能够降低接合温度，通过设定适当的转速和压入负荷，能够使被接合部的晶粒的粒径成为1μm以下。

关于旋转工具4的转速，只要以使得接合温度小于“被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度”的方式进行适当的调节即可，优选使最外周的圆周速度为32mm/s以下，更优选为19mm/s以下。通过使旋转工具的最外周的圆周速度为32mm/s以下，能够抑制被接合界面附近的温度上升。另外，通过使旋转工具的最外周的圆周速度为19mm/s以下，能够更可靠地抑制接合温度的上升。另外，旋转工具4的肩径为12mm时，通过使其转速为50rpm而能够使其最外周的圆周速度成为32mm/s，通过使气转速为30rpm而能够使其最外周的圆周速度成为19mm/s。

关于旋转工具4的压入负荷，也只要以使得接合温度小于“被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度”的方式进行适当的调节即可，优选将其值设定为能够将旋转工具4以不旋转的状态压入于被接合材料(2、2’)的值以上。在一般的摩擦搅拌接合中，利用因摩擦热而导致的被接合材料(2、2’)的软化来压入旋转工具4，但在本发明的低温接合方法中，由于接合温度的上升被抑制，需要以使被接合材料(2、2’)发生塑性变形的方式压入旋转工具4。另外，通过以大负荷将旋转工具4压入被接合材料(2、2’)，能够将大的形变导入被接合界面。

被接合材料(2、2’)优选为铝或铝合金，被接合材料(2、2’)更优选为热处理型铝合金、加工强化型铝或加工强化型铝合金。被接合材料(2、2’)为铝或铝合金时，能够抑制因结晶粒径的增加或恢复而导致的接合部的强度降低；被接合材料(2、2’)为热处理型铝合金时，也能够抑制因析出物的粗大化或固溶而导致的接合部的强度降低。进一步而言，被接合材料(2、2’)为加工强化型铝或加工强化型铝合金时，能够更有效地抑制伴随恢复或再结晶引起的强度降低。

另外，被接合材料(2、2’)优选为铁系金属，更优选为高张力钢。被接合材料(2、2’)为高张力钢时，能够抑制在现有的接合技术中会成为问题的热影响部的形成，尤其是，通过对母材硬度小于350HV的高张力钢材采用本发明的低温接合方法，能够得到具有与母材硬度大致等同的硬度(几乎不发生硬度降低)的接合部。

另外，关于被接合材料(2、2’)，优选使用在通常的摩擦搅拌接合(接合温度成为被接合材料的熔点的7成～8成左右的摩擦搅拌接合)中接合部(搅拌部、热加工影响部和热影响部)的强度小于母材强度的金属。通过使用本发明的低温接合方法，对于该金属材料，也能够有效地抑制强度降低。进一步，与现有的接合方法相比，本发明的低温接合方法能够以极低的温度实现接合，所以也能够适用于不同材料的接合(而以往在不同材料的接合中，接合界面的金属间化合物的形成会成为问题)，例如，能够适用于铝材与镁材的接合、以及铝材与钢材的接合。

旋转工具4优选为铁系金属制。在现有的摩擦搅拌接合中，当被接合材料(2、2’)为钢时，旋转工具4的寿命会成为大问题。对此，虽然已经研究了高熔点金属或陶瓷制的各种旋转工具4，但没有获得充分的寿命，并会成为高价的工具。

与之相对，在本发明的低温接合方法中，接合温度低至小于“被接合材料(2、2’)本来具有的再结晶温度”，因此，能够利用铁系金属制的旋转工具4进行钢材的接合。通过使旋转工具4为铁系金属制，与以往被使用于钢的摩擦搅拌接合的旋转工具4相比，能够利用极其廉价的旋转工具4实现接合。

在此，在使用铁系金属制的旋转工具4接合高张力钢材时，也可以在接合中利用向旋转工具4施加的剪切应力切断突起部(探针部)，使其埋没于被接合材料(2、2’)的接合部中。在这种情况下，由于突起部(探针部)填充至因突起部(探针部)的压入而形成于接合部的凹部，从接头强度的观点考虑，形成更优选的接合部。另外，由于旋转工具4和被接合材料(2、2’)是同种的材料，在腐蚀等的耐环境性方面，也不会成为深刻的问题。

另外，如上所述，本发明的低温接合方法可以适用于一般的对接接合，在这种情况下，通过以图3所示那样的方式将旋转工具4压入使被接合材料(2、2’)对接而成的区域，并使其沿着对接线移动，能够得到良好的线接合部。

(2)接合构造物

图4表示本发明的接合构造物中的接合部附近的概略截面图。另外，作为本发明的接合构造物中的接合部的代表性的方式，在图4中显示了点接合部。

本发明的接合构造物20具有至少1个以上的基材部22和将基材部22彼此接合的接合部24。基材部22为高张力钢材或热处理型铝合金材，接合部24具有与基材部22大致相同的组成。即，关于接合部24的形成，没有进行其他元素的积极添加等。

接合部24含有平均粒径为1μm以下的微细等轴再结晶晶粒，特别是，接合界面是通过该微细等轴再结晶晶粒的形成而形成的。另外，由于接合部中的微细等轴再结晶晶粒的形成，接合部24和热影响部26的硬度成为基材部22的约8成以上。

另外，接合部24不是机械地形成，而是实现了冶金接合。另外，对于高张力钢材或热处理型铝合金材而言，接合部24中的大幅度的机械特性的降低会成为深刻的问题，但是，在接合构造物20中，由于平均粒径为1μm以下的微细等轴再结晶晶粒而使得被接合界面消失，接合部24和热影响部26的硬度达到了基材部的约8成以上。

另外，在接合构造物20中，优选基材部22为具有350HV以上的母材硬度的高张力钢材。在使用现有的焊接技术时，在具有350HV以上的母材硬度的高张力钢材的接合部24和热影响部26，大幅度的硬度降低是不可避免的，但是在接合构造物20中，即使基材部22使用具有该高硬度的高张力钢材，也能够有效地抑制接合部24和热影响部26的硬度降低。

另外，在接合构造物20中，优选：基材部22为具有小于350HV的母材硬度的高张力钢材，接合部24和热影响部26的硬度约为母材硬度以上。通过对基材部22使用具有小于350HV的硬度的高张力钢材，基本能完全抑制接合部24和热影响部26的硬度降低。

进一步而言，在接合构造物20中，优选：基材部22为热处理型铝合金材，接合部24和热处理部26的硬度为母材硬度的约9成以上。热处理型铝因焊接时的温度上升而容易发生硬度降低，但是在基材部22使用热处理型铝合金材时，接合部24和热处理部26的硬度也维持在母材硬度的约9成以上。

以上，对本发明的代表性的实施方式进行了说明，但本发明并不只限定于这些实施方式，而是能够进行各种设计上的变更，这些设计变更全部包含在本发明的技术范围内。

实施例

[实施例1]

按照图5所示的配置方式使碳钢板(JIS－S45C)彼此重叠，从上侧的碳钢板压入旋转工具以实施点接合。其中，旋转工具使用WC－Ni超硬合金制的圆柱状工具(φ12mm，无探针)，碳钢板的板厚为1.0mm或1.5mm。旋转工具的转速为30rpm或50rpm，负荷为12ton或15ton，接合时间为10秒或30秒。另外，如上所述，Fe的再结晶温度为～500℃，碳钢S45C的再结晶温度约为600℃。

关于用作测试材料的碳钢板，利用400℃、500℃、600℃的各温度下的回火处理来改***度(强度)。图5表示在各温度下进行回火处理后的碳钢板的SEM照片和EBSD晶界像。其中，SEM观察和EBSD测定中使用FE－SEM(日本电子株式会社制造的JSM－7001FA)和TSL公司制造的OIM data Collection ver5.31。

在图6中，伴随着回火温度的上升，确认了小角度晶界和碳化物的减少，400℃时为450HV，500℃时为350HV，600℃时为300HV。另外，通常维氏硬度(Vickers-hardness)的约3倍为拉伸强度(MPa)，因此，相当于具有400℃时1350MPa、500℃时1050MPa、600℃时900MPa的拉伸强度的高张力钢。

[实施例2]

旋转工具使用工具钢制(日立金属，YXR33)的圆柱状工具(φ12mm，探针：φ4mm，长度1.8mm)，将旋转工具的转速设定为50rpm、将负荷设定为15ton、并且将接合时间设定为10秒，除此以外，按照与实施例1同样的方式操作，以实施点接合。

[实施例3]

旋转工具使用工具钢制(JIS－SKD61)的圆柱状工具(φ12mm，探针：φ4mm，长度1.8mm)，被接合材料使用低碳钢板(JIS－SPCC)，使旋转工具的转速为50rpm，使负荷为6ton，使接合时间为60秒，除此以外，按照与实施例1同样的方式操作，以实施点接合。

[实施例4]

按照图5所示的配置方式使铝合金板(JIS－A6061－T6)彼此重叠，从上侧的铝合金板压入旋转工具，以实施点接合。其中，旋转工具使用WC－Ni超硬合金制的圆柱状工具(φ12mm，无探针)，铝合金板的板厚为1.0mm。旋转工具的转速为30～50rpm，负荷为3.5～8ton，接合时间为20秒或30秒。另外，如上所述，Al的再结晶温度为150～240℃，铝合金A6061的再结晶温度为250～350℃。

[实施例5]

旋转工具的形状为φ12mm、探针：φ4mm、长度1mm，除此以外，按照与实施例4同样的方式操作，以实施点接合。

[实施例6]

通过向板厚3mm的纯铝板(A1050H24)压入并移动旋转工具，形成线状的处理区域。旋转工具使用WC－Ni超硬合金制的圆柱状工具(φ12mm，探针：φ4mm，长度0.9mm)。另外，旋转工具的转速为50rpm，移动速度为10mm/min，利用旋转工具的位置控制，实施摩擦搅拌处理。

[实施例7]

将转速设定为10rpm，除此以外，按照与实施例6同样的方式操作，以实施摩擦搅拌处理。

[实施例8]

将转速设定为5rpm，除此以外，按照与实施例6同样的方式操作，以实施摩擦搅拌处理。

[比较例1]

将转速设定为200～1200rpm、将负荷设定为4.5ton、并且将接合时间设定为10秒，除此以外，按照与实施例1同样的方式操作，以实施点接合。

[比较例2]

旋转工具使用WC－Ni超硬合金制的圆柱状工具(φ12mm，探针：φ4mm，长度1.8mm)，除此以外，按照与比较例1同样的方式操作，以实施点接合。

[比较例3]

将转速设定为2500rpm、将负荷设定为0.4ton、并且将接合时间设定为1.2秒，除此以外，按照与实施例4同样的方式操作，以实施点接合。

[接合部的截面观察]

为了确认接合部有无缺陷形成以及接合界面的状况等，利用光学显微镜观察接合部的截面。

将实施例1中得到的接合部(30rpm，15ton，30s)的截面照片示于图7。利用旋转工具的压入，在上侧的碳钢板形成凹部，在该凹部的下方，上侧的碳钢板与下侧的碳钢板被接合。其中，在该接合区域没有观察到缺陷等，可知实现了良好的接合。

将实施例2中得到的接合部的截面照片示于图8。利用具有探针的旋转工具的压入，在上侧的碳钢板形成与该旋转工具的底面形状相对应的凹部，在该凹部的下方，上侧的碳钢板与下侧的碳钢板被接合。其中，在该接合区域没有观察到缺陷等，可知实现了良好的接合。

将实施例3中得到的接合部的截面照片示于图9。利用具有探针的旋转工具的压入，在上侧的碳钢板形成与该旋转工具的底面形状相对应的凹部，断裂后的旋转工具的探针部埋没于该凹部。在该凹部的下方，上侧的碳钢板与下侧的碳钢板被接合，在该接合区域没有观察到缺陷等，可知实现了良好的接合。

将实施例4中得到的接合部(40rpm，7ton，30s)的截面照片示于图10。与实施例1中得到的接合部同样，在上侧的铝合金板形成有凹部，在该凹部的下方，上侧的铝合金板与下侧的铝合金板被接合。其中，在该接合区域没有观察到缺陷等。

将实施例5中得到的接合部(40rpm，6ton，20s)的截面照片示于图11。与实施例2中得到的接合部同样，利用具有探针的旋转工具的压入，在上侧的铝合金板形成与该旋转工具的底面形状相对应的凹部，在该凹部的下方，上侧的铝合金板与下侧的铝合金板被接合。其中，在该接合区域没有观察到缺陷等，可知实现了良好的接合。

将实施例6～8中得到的搅拌部的表面照片示于图12。可知在任意的条件下都形成了线状的搅拌区域。另外，良好地实现了摩擦搅拌，没有观察到沟状缺陷等。

将实施例6中得到的接合部的截面照片示于图13。在截面照片中，也没有观察到缺陷，可知即使在将旋转工具的转速设定为极慢时，也能够形成良好的搅拌部。

将比较例1中得到的接合部(400rpm，4.5ton，10s)的截面照片示于图14。与实施例1中得到的接合部同样，在上侧的碳钢板形成有凹部，在该凹部的下方，上侧的碳钢板与下侧的碳钢板被接合。其中，在该接合区域没有观察到缺陷等。

[硬度测定]

对上述实施例和比较例中得到的接合部的截面进行维氏硬度试验。其中，维氏硬度测定是在负荷：0.1kgf、负荷负载时间：15s的条件下进行的。

图15和图16表示碳钢板的母材硬度为350HV和450HV时的硬度分布(接合部水平方向)。碳钢板的母材硬度为350HV时，在实施例1中得到的接合部中，不存在小于母材硬度的软化区域(热影响部)。另外，碳钢板的母材硬度为450HV时，虽然存在稍微软化了的区域，但与比较例1中得到的接合部相比，则其硬度降低明显减少了。

关于实施例1和比较例1中得到的接合部的最低硬度，将其与旋转工具的转速的关系示于图17。比较例1中得到的接合部(200～1200rpm)的最低硬度不依赖于接合条件，成为远低于母材的硬度的值，但实施例1中得到的接合部的最低硬度显示了高的值。在图17中，转速为80rpm时能够有效地抑制接合部的硬度降低。尤其是，转速为50rpm时该抑制效果显著，另外，转速为30rpm时基本观察不到来自母材的硬度降低。

关于实施例1和比较例1中得到的接合部的最低硬度，将其与母材硬度的关系示于图18。关于比较例1中得到的接合部，来自母材硬度的硬度降低是显著的，但是，关于实施例1中得到的接合部，硬度降低明显减少了。尤其是，转速为30rpm时，在母材硬度成为350HV之前没有发生硬度降低。

图19和图20表示实施例3和实施例4中得到的接合部的硬度分布(接合部水平方向)。采用固相接合即摩擦搅拌接合时，在现有的铝合金板(JIS－A6061－T6)接合部，软化区域(热影响部)的形成是不可避免的，但是，在实施例3和实施例4中得到的接合部没有发现小于母材硬度的软化区域(热影响部)。

图21表示实施例6中得到的接合部的硬度分布(接合部水平方向)。其中，在搅拌部的上部、中部、下部分别进行测定。用作测试材料的纯铝不是O材而是H24材，其搅拌部的硬度显示出远高于母材的值。另外，在接合部没有发现小于母材硬度的软化区域(热影响部)。

[拉伸试验]

对于上述实施例和比较例中得到的接头，测定拉伸剪切强度。测定中使用拉伸试验机(SHIMADZU Autograph AGS－X 10kN)，以十字头速度1mm/min测定接头的拉伸剪切强度。

将实施例2和比较例2中得到的接头的拉伸剪切强度示于图22。由于比较例2中得到的接头从软化区域(热影响部)断裂，因此，拉伸剪切强度停留在约8kN。与之相对，没有形成软化区域(热影响部)的实施例2中得到的接头具有约12kN的拉伸剪切强度。

关于实施例3中得到的接头，接合条件为6ton、50rpm、30秒时的拉伸剪切强度为5.5kN，接合条件为7ton、40rpm、30秒时的拉伸剪切强度为4.8kN。与之相对，比较例3中得到的接头的拉伸剪切强度为2.7kN，可知：与现有的摩擦搅拌点接合相比，在实施例3中得到了具有大幅度提高的拉伸剪切强度的接头。

[接合部的微细组织观察]

为了确认接合部中的晶粒的粒径和形状，进行接合部的截面的EBSD测定。其中，EBSD测定中使用FE－SEM(日本电子株式会社制造的JSM－7001FA)和TSL公司制造的OIMdata Collection ver5.31。

关于实施例1和实施例2中得到的接合部，将接合界面附近的方位图像分别示于图23和图24。在接合界面附近都利用再结晶生成了微细等轴晶粒，平均晶粒粒径远小于1μm(实施例1：0.25μm，实施例2：0.33μm)。

关于比较例3中得到的接合部，将接合界面附近的方位图像示于图25。母材的平均结晶粒径为20μm，相对于此，在接合界面附近生成的微细等轴晶粒的平均结晶粒径为0.24μm。

[接合温度测定]

使用热成像照相机(CINO公司制造CPA－T640)，进行上述实施例和比较例中的接合温度的测定。

将实施例1和比较例1的接合最高温度与工具转速的关系示于图26。实施例1的接合最高温度与比较例1的情况相比是急剧降低的，可知在300℃附近的低温下实现了碳钢板的接合。另外，该结果显示：实现了小于碳钢板(S45C)本来具有的再结晶温度(约600℃)的接合温度。

将实施例3的接合中的温度变化示于图27。可知：从接合开始接合温度上升，在接合时间结束时成为最高温度，40rpm时为92.1℃，30rpm时为69.9℃，停留在极低的温度。另外，该结果显示：实现了小于铝合金板(A6061)本来具有的再结晶温度(250～350℃)的接合温度。

符号说明

2、2’···被接合材料

4···旋转工具

6···接合部

8···主体部(肩部)

10···突起部(探针部)

20···接合构造物

22···基材部

24···接合部

26···热影响部

Claims (14)

1.一种金属材料的低温接合方法，其特征在于：

使2个金属材料在被接合部相对而形成被接合界面，向所述被接合部压入以规定的转速旋转的旋转工具，从而将所述2个金属材料接合，其中，

通过使所述旋转工具的最外周的圆周速度为51mm/s以下，向所述被接合部导入强形变而降低所述金属材料本来具有的再结晶温度，

使接合温度小于所述金属材料本来具有的再结晶温度，在所述被接合界面生成再结晶晶粒。

2.如权利要求1所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

使所述再结晶晶粒的粒径为1μm以下。

3.如权利要求1所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

使所述旋转工具的最外周的圆周速度为32mm/s以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

使所述旋转工具的最外周的圆周速度为19mm/s以下。

5.如权利要求1～3中任一项所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

将所述旋转工具的压入负荷设定为能够将所述旋转工具以不旋转的状态压入于所述金属材料的值以上。

6.如权利要求1～3中任一项所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

在由所述旋转工具施加至所述金属材料的应力在所述被接合部的温度下的所述金属材料的屈服应力以上的范围，使所述压入负荷随着所述被接合部的温度上升而降低。

7.如权利要求1～3中任一项所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

所述金属材料为铝或铝合金。

8.如权利要求1～3中任一项所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

所述金属材料为热处理型铝合金、加工强化型铝或加工强化型铝合金。

9.如权利要求1～3中任一项所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

所述金属材料为铁系金属。

10.如权利要求1～3中任一项所述的金属材料的低温接合方法，其特征在于：

所述旋转工具为铁系金属制。

11.一种接合构造物，其特征在于，

具有：

至少1个以上的基材部；和

将所述基材部彼此接合的接合部，

所述基材部为高张力钢材或热处理型铝合金材，

所述接合部具有与所述基材部相同的组成，

所述接合部含有平均粒径为1μm以下的微细等轴再结晶晶粒，

所述接合部和热影响部的硬度为所述基材部的8成以上。

12.如权利要求11所述的接合构造物，其特征在于：

所述基材部为具有350HV以上的母材硬度的高张力钢材。

13.如权利要求11所述的接合构造物，其特征在于：

所述基材部为具有小于350HV的母材硬度的高张力钢材，

所述接合部和所述热影响部的硬度为所述母材硬度以上。

14.如权利要求11所述的接合构造物，其特征在于：

所述基材部为热处理型铝合金材，

所述接合部和所述热处理部的硬度为母材硬度的9成以上。

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