WO2024128228A1 - 摩擦エレメント接合方法 - Google Patents

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WO2024128228A1
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plate
joining
lower plate
tapered portion
joining method
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PCT/JP2023/044455
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Inventor
尚晃 宗村
公一 谷口
Original Assignee
Ｊｆｅスチール株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/24—Preliminary treatment

Definitions

  • the present invention relates to a friction element joining method for joining a plate assembly made of at least two overlapping metal plates by friction element joining.
  • Patent Document 1 discloses an element (corresponding to the "connecting element” in Patent Document 1) in which the tip of the mandrel portion is a substantially flat end surface, with a pin-shaped centering portion protruding from the center of this flat end surface.
  • each connection process is carried out in a manner that targets the connection portion with the pin-shaped centering portion. This makes it possible to concentrate the applied frictional energy at each position of the entering element.
  • Patent Document 2 discloses a joining structure in which multiple overlapping steel members are joined using a connecting member with a shaft.
  • Dmax2 when the maximum diameter of the boundary between the second steel member located at the top and the shaft is Dmax2 and the minimum diameter of the shaft at a location farther from the second steel member than the measurement position of Dmax2 is Dmin, Dmax2 is set to be 1.20 times or more of Dmin.
  • Patent Document 1 only discloses the shape of the pin at the end of the mandrel part of the element. However, when actually joining using the element, it is necessary to set the shape of the element according to the joining conditions, but this is not disclosed in Patent Document 1.
  • Patent Document 2 describes the diameter of the connection member (i.e., the element diameter) and the diameter of the joint, but the relationship between the joining conditions and the shape of the connection member is unclear. Therefore, there is an issue that the resulting joint member may not provide sufficient joint strength.
  • the present invention aims to solve the above problems by providing a friction element joining method that can shorten the joining process and improve the joinability of the resulting joined member without being affected by the composition of the plates or the materials to be joined that make up the plates.
  • the friction element joining method is a joining method for joining a plate set of two or more overlapping metal plates (steel plates) by pressing an element into the plate set while rotating it at high speed, thereby joining the plate set to a friction element.
  • the inventors therefore conducted experiments in which a friction element joining process was developed using a joining method with two or more steps, and in which metal plates, including ultra-high tensile steel, and various elements with different tip shapes were used, varying the pressure and rotation speed in each step.
  • the above objective could be achieved by specifying the optimal relationship between the tip shape of the element and the pressure in each step, thereby speeding up the joining process and producing joints with high strength.
  • the process from when the element penetrates the upper plate of the plate assembly until the tip of the element rotating at high speed abuts against the upper surface of the lower plate of the plate assembly and the element is pressed into the upper surface of the lower plate to form a joint is made into at least two steps.
  • the first step is when the tip of the element abuts against the upper surface of the lower plate of the plate assembly and the element is pressed into the lower plate to a specified position while removing the oxide film present on the upper surface of the lower plate
  • the second step is when the element is further pressed into the lower plate to form a joint.
  • the increment of the pressure force in the second step ( ⁇ P described later) relative to the pressure force in the first step is determined according to the immersion ratio (L/t described later) calculated from the distance from the start position of the element's press-in to the specified position in the first step and the taper height of the element tip.
  • a friction element joining method in which an element having a tapered portion at a tip is pressed into a plate assembly in which two or more metal plates are overlapped, while being rotated, to join the plate assembly,
  • the method includes a first step of removing an oxide film on an upper surface of a lower plate arranged at the bottom of the plate assembly, and a second step of press-fitting the element into the lower plate to form a joint,
  • the pressure force in the first step is P1 (N)
  • the rotation speed in the first step is R1 (rpm)
  • the height of the tapered portion is t (mm)
  • the cylinder position at the time when the tip of the element contacts the upper surface of the lower plate is set to 0
  • the cylinder displacement amount at the end of the first step is L (mm)
  • the immersion ratio obtained by dividing the cylinder displacement amount by the height of the tapered portion is L/t, removing oxides from the upper surface of the
  • the present invention provides a friction element joining method that improves joining performance.
  • the joining method of the present invention allows metal plates to be frictionally joined based on the optimal relationship between the tip shape of the element and the pressure force in each process. This makes it possible to speed up the joining process (i.e., shorten the time) and achieve high-strength joining.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a plate assembly made up of two metal plates joined by the friction element joining method of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the friction element joining method of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of an element shape used in the friction element joining method of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a joining state using a conventional element.
  • Figure 1 is a cross-sectional view showing an example of a plate assembly consisting of two metal plates joined by the friction element joining method of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram explaining the cylinder displacement amount and other aspects of each process in the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view showing an example of an element shape used in the friction element joining method of the present invention.
  • an element having a tapered tip is pressed into a plate assembly made of two or more overlapping metal plates while rotating, to join the plate assembly (see Figure 1).
  • This joining is a friction joining using frictional heat.
  • plate assembly made of two or more overlapping metal plates refers to a plate assembly in which two or more metal plates are stacked.
  • the "upper plate” refers to the uppermost metal plate (members to be joined) that constitute the plate assembly
  • the “lower plate” refers to the lowermost metal plate (members to be joined) that constitute the plate assembly.
  • the upper plate and lower plate can be, for example, plate-shaped parts.
  • the element is pressed into the lower plate, starting the first step of the present invention, the process of removing the oxide film from the upper surface of the lower plate.
  • the tip of the element i.e., the lower surface of the element
  • the tip of the element is brought into contact with the upper surface of the lower plate to remove the oxide film present on the upper surface of the lower plate.
  • the joining conditions for the first step are specified as follows.
  • the oxides on the upper surface of the lower plate are removed using an element that rotates while being controlled so that the immersion ratio (L/t) is 0.5 ⁇ L/t ⁇ 1.3, the rotation speed of the first process is 4000 ⁇ R1 ⁇ 8000, and the pressure force of the first process is 4000 ⁇ P1 ⁇ 8000, where P1 (N) is the pressure applied in the first process, R1 (rpm), t (mm) is the height of the tapered portion of the element, t is the height of the tapered portion of the element, the cylinder position at the end of the first process is 0, L (mm), and L/t is the immersion ratio obtained by dividing the cylinder displacement by the height of the tapered portion.
  • the point when the tip of the element comes into contact with the upper surface of the lower plate is the start of the first step.
  • the cylinder position at the start of this first step (hereinafter also referred to as the "initial cylinder position") is used as the reference value, and this reference value is set to "0".
  • the immersion ratio (L/t) is less than 0.5, the contact surface between the bottom of the element and the top surface of the lower plate will be insufficient, resulting in insufficient removal of the oxide film.
  • the immersion ratio (L/t) is 1.3 or more, the element will penetrate too deeply into the lower plate, which may increase the load on the equipment. Therefore, the immersion ratio should be between 0.5 and 1.3.
  • the rotation speed for the first process is set to 4000 ⁇ R1 ⁇ 8000.
  • the rotation speed in the first step is set to 4000 ⁇ P1 ⁇ 8000.
  • the joint is formed by a friction welding process.
  • the element is pressed into the lower plate while rotating at high speed under the pressure adjusted by the control unit (see (c) in FIG. 2). This starts the friction welding process.
  • the tip of the element that has entered the lower plate plastically deforms the lower plate and the element by frictional heat generation. This process is called the plastic deformation process.
  • the tip of the mandrel part of the element is connected to the lower plate by friction element welding, and the material of the upper plate pushed out by plastic deformation comes into contact with the upper part of the element and is held down by the collar part.
  • the subsequent crimping process mechanically bonds the element to the two or more metal plates that make up the plate assembly (see Figure 1).
  • the control unit applies pressure to the element while stopping the element's rotation, crimping the element to the material of the metal plate that has been extruded by plastic deformation, completing the frictional bonding process.
  • the joining conditions for the second step are determined as follows.
  • the pressing force in the second step is P2 (N) and the increment of the pressing force in the second step relative to the pressing force in the first step is ⁇ P
  • the following is calculated according to the cylinder displacement amount at the end of the first step:
  • the immersion ratio (L/t) is 0.5 or more and less than 0.7
  • the increment ( ⁇ P) satisfies the formula (1)
  • the immersion ratio (L/t) is 0.7 or more and less than 0.9
  • the increment ( ⁇ P) satisfies the formula (2)
  • the pressure (P2) in the second step is increased so that the increment ( ⁇ P) satisfies the formula (3).
  • the pressure force (P2) in the second step is increased so that the increment ( ⁇ P) satisfies formula (1), resulting in plastic deformation caused by frictional heat. As a result, joining is promoted.
  • the increment ( ⁇ P) is 150 or more, i.e., formula (1) satisfies ⁇ P ⁇ 150.
  • the upper limit of the increment ( ⁇ P) is 400 or less, i.e., formula (1) satisfies 400 ⁇ P.
  • the immersion ratio (L/t) is 0.7 or more and less than 0.9
  • the element is more immersed than in the above-mentioned case of 0.5 ⁇ L/t ⁇ 0.7
  • the pressure force (P2) in the second step is increased more gradually than in the above-mentioned formula (1) so that the increment ( ⁇ P) satisfies formula (2).
  • the immersion ratio is 0.7 or more and less than 0.9, if it is less than the right-hand side value of formula (2) (i.e., the value calculated by "(3.6-L) ⁇ ((12000-P1)/100)"), plastic deformation action due to frictional heat cannot be obtained and a sound joint cannot be achieved.
  • the right-hand side value of formula (2) is 120 or more, that is, formula (2) is ⁇ P ⁇ 120.
  • the increment ( ⁇ P) is 300 or less, that is, formula (2) is 300 ⁇ ⁇ P.
  • the immersion ratio (L/t) is 0.9 or more and less than 1.3
  • the element has been immersed to a certain extent, and if the pressure (P2) in the second step is increased too much, the thermal effect will be large. Therefore, the pressure is increased slightly compared to the above formulas (1) and (2).
  • the immersion ratio is 0.9 or more and less than 1.3, if it is less than the right-hand side value of formula (3) (i.e., the value calculated by "0.3 x (9.9 - L) x ((12000 - R1)/100)"
  • the plastic deformation action due to frictional heat is not obtained, and a sound joint cannot be achieved.
  • the right-hand side value of formula (3) is 100 or more, that is, formula (3) is ⁇ P ⁇ 100.
  • the upper limit of the increment ( ⁇ P) when the immersion ratio is in this numerical range is not particularly specified. Since excessive frictional heat is generated and a sound joint cannot be achieved, it is preferable that the upper limit of the increment ( ⁇ P) is 250 or less, that is, formula (3) is 250 ⁇ ⁇ P.
  • the second step ends when the cylinder has been displaced to a preset length (S).
  • the increment ( ⁇ P) of the pressure force in the second step is determined by the immersion ratio (L/t) based on the amount of cylinder displacement (L) at the end of the first step, and each of the above-mentioned processes is performed at this pressure force (constant).
  • the joining method of the present invention achieves a sound joining state between the metal plates and elements that make up the plate assembly.
  • the above-mentioned upper plate entry process is omitted.
  • the overlapping metal plates i.e., the plate group
  • the above-mentioned first and subsequent processes are carried out.
  • ultra-high tensile steel refers to a steel plate with a tensile strength (TS) of 590 MPa or more.
  • TS tensile strength
  • Figure 3 is a longitudinal cross-sectional view taken along a line passing through the center of element 1.
  • Element 1 is used to join two or more overlapping metal plates together by rotating and pressing the element 1 into the plate assembly (see Figure 1).
  • the mandrel portion 2 is provided at the axis of the element 1, and is formed cylindrically except for the tip.
  • the diameter of this cylinder is the diameter (D) (mm) of the element.
  • the tip of the mandrel portion 2 i.e., the element tip
  • This cone-shaped portion becomes the tapered portion 4.
  • the angle between a straight line perpendicular to the axis at the element tip and the tapered side surface is the elevation angle ( ⁇ ) (°).
  • the elevation angle ( ⁇ ) in order to promote the discharge of oxides, it is preferable that the elevation angle ( ⁇ ) is 10 to 45°. If the elevation angle ( ⁇ ) is less than 10°, there is a risk that the effect of discharging oxides will not be obtained. On the other hand, if the elevation angle ( ⁇ ) is more than 45°, there is a risk that the contact area between the lower part of the element and the upper surface of the lower plate will be reduced.
  • the elevation angle is preferably 20° or more, and preferably 30° or less.
  • the tapered portion 4 has a height (t) (mm) of the tapered portion, which is the length from the tip position (t1) of the element to the intersection (t2) of the diameter of the conical base and the axis.
  • the height (t) of the tapered portion is greater than 0 mm and equal to or less than 1.0 mm.
  • the tip of the element will be flat, resulting in the ejection of oxides. In other words, the effect of the present invention will not be obtained.
  • the height (t) of the tapered portion is more than 1.0 mm, the tip will be acute, and it will be necessary to push the element deeper in order to obtain a joint surface approximately equal to the element diameter.
  • the height of the tapered portion is preferably 0.1 mm or more.
  • the total length S (mm) of the mandrel portion 2 is equal to or less than the sum of the thicknesses of all the metal plates that make up the plate assembly 6.
  • the total length S of the mandrel portion 2 may be adjusted appropriately to a length that allows the tip of the mandrel portion 2 to be joined to the lower plate 8.
  • the collar portion 3 is provided on the upper part of the mandrel portion 2, i.e., on the head of the element 1.
  • the shape of the collar portion 3 can be formed into, for example, a wafer or truss shape, as shown in FIG. 3.
  • the collar portion 3 may have any shape that can hold back the material of the upper plate 7 that is extruded by plastic flow.
  • Figure 1 shows an example of a plate assembly consisting of two metal plates joined using the element 1 of the present invention.
  • the conventional example of Figure 4 shows an example of a plate assembly consisting of two metal plates joined using a conventional element 10.
  • the joining method of the present invention described above is used as the joining method.
  • Figures 1 and 4 are cross-sectional views in the plate thickness direction of the obtained joint, cut through the center of the element.
  • a plate assembly 6 consisting of two metal plates (upper plate 7 and lower plate 8 in Figure 4) is joined by the element 10.
  • the upper plate 7 and lower plate 8 are joined by the element 10
  • this gap is caused by the process of removing the oxide film on the surface of the lower plate in the friction element joining method.
  • oxides caused by the oxide film on the upper surface of the lower plate remained at the joining interface between the element 10 and the lower plate 8.
  • the joining condition was unsound. This was caused by the time of the oxide film removal process being insufficient, and the oxide film not being sufficiently removed.
  • the "conventional element” is an element in which the tip of the mandrel portion is cone-shaped. However, there is no provision for a tapered portion as in the present invention.
  • a plate assembly 6 consisting of two metal plates (upper plate 7 and lower plate 8 in Figure 1) is joined by the element 1.
  • the plate assembly 6 consisting of two plate-shaped parts (i.e., upper plate 7 and lower plate 8) is connected to the lower plate 8 by friction element joining at the tip of the mandrel 2, and the material of the upper plate 7 that is plastically deformed and extruded during the joining process is held down by a collar portion 3 provided on the top of the mandrel. This results in a state in which each metal plate 7, 8 and the element 1 are joined.
  • the increment ( ⁇ P) between the pressure force (P2) in the joining step (i.e., the second step) in which the friction joining process is performed and the pressure force (P1) in the preceding step (i.e., the first step) in which oxides are removed from the upper surface of the lower plate is set so as to satisfy the conditional expressions (1) to (3) according to the immersion ratio (L/t).
  • This makes it possible to suppress the heat input to the workpieces while pressing the tip of the element to a specified depth. Therefore, according to the present invention, it is possible to suppress the decrease in the joining strength of the obtained welded joint compared to conventional element joining methods. It is also possible to shorten the joining process time.
  • the metal plates shown in the upper and lower plates in Table 1 were used as test materials, and these were stacked together to form a plate assembly.
  • the upper plate had been subjected to pre-hole processing with a diameter of 7 mm.
  • only the first and second steps were carried out using this plate assembly, and the evaluation described below was carried out.
  • the time required from the start of the first process to the completion of the second process was defined as the "time required to complete the process (required time) (s)."
  • the upper limit of this required time was set to 5 s.
  • start of the first process refers to the point in time when the oxide film removal process on the upper surface of the lower plate described above is started
  • completion of the second process refers to the point in time when the friction welding process described above is completed.

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Abstract

摩擦エレメント接合方法の提供を目的とする。本発明は、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に、先端にテーパー部を有するエレメントを回転させながら圧入して板組の接合を行なう摩擦エレメント接合方法であって、板組の最下層に配置された下板の上面の酸化被膜を除去する第１工程と、下板にエレメントを圧入して接合部を形成する第２工程とを有し、第１工程では、下板におけるエレメントの没入割合：０．５～１．３未満かつ回転数：４０００～８０００ｒｐｍかつ加圧力：４０００～８０００Ｎの範囲に制御して酸化物除去を行い、次いで、第２工程では、第１工程の加圧力に対する第２工程の加圧力の増分が、没入割合に応じて所定の条件式を満たすように、第２工程の加圧力を増加させる。

Description

摩擦エレメント接合方法
　本発明は、少なくとも２枚の金属板を重ね合わせた板組を摩擦エレメント接合によって接合する摩擦エレメント接合方法に関する。
　近年の自動車産業では、車体軽量化による環境負荷低減と安全性の両立を目的として、超ハイテンと呼ばれる高強度鋼板の採用が進んでおり、今後更なる高強度および高加工性を有する鋼板の開発が期待されている。しかしながら、鋼板の高強度化および高加工性化とともに、抵抗スポット溶接などの溶融接合では凝固組織の脆化に起因する継手強度の低下が課題となっている。そのような理由から、高強度鋼板を含む２枚以上の鋼板を、非溶融で接合可能な接合技術が注目されている。
　非溶融での接合技術として、例えば、エレメントを高速で回転させながら板組に圧入し、接合する、ＦＥＷ（Friction Element Welding）の適用が、参考文献１に記載のように検討されている。その摩擦エレメント接合（ＦＥＷ）に用いるエレメントとして、例えば特許文献１および特許文献２に開示される構造が提案されている。
　[参考文献１]
　Jamie D. Skovron, Brandt J.Ruszkiewicz, and Laine Mears,”INVESTIGATION OF THE CLEANING AND WELDING STEPSFROM THE FRICTION ELEMENT WELDING PROCESS”, (ASME 2017 12th InternationalManufacturing Science and Engineering Conference collocated with the JSME/ASME2017 6th International Conference on Materials and Processing 、June 4-8, 2017 Los Angeles,California, USA)
　特許文献１には、エレメント（同文献１の「接続要素」に相当する）のマンドレル部先端が実質的に平坦な端面であり、この平坦な端面の中心からピン状の心出し部が突き出した構造であるエレメントが開示されている。エレメントをこのような構造とすることで、各接続プロセスをピン状の心出し部によって接続部位へと狙いを付けた方法で実行する。これにより、加えられる摩擦エネルギーが、進入するエレメントのそれぞれの位置に集中させることが可能となるというものである。
　特許文献２には、重ね合わせた複数の鋼部材を、軸部を有する接続部材を用いて接合した接合構造が開示されている。この接合構造では、最も上側に配置される第２鋼部材と軸部との境界の最大の直径をＤｍａｘ２、Ｄｍａｘ２の測定位置よりも第２鋼部材から離れた部位における軸部の最小の直径をＤｍｉｎとしたとき、Ｄｍａｘ２はＤｍｉｎの１．２０倍以上とするものである。
特表２０１３－５２７８０４号公報 特許第６７９５１２４号公報
　特許文献１では、エレメントのマンドレル部先端のピンの形状を開示するのみである。しかしながら、エレメントを用いた実際の接合時には、接合条件に応じたエレメントの形状を設定する必要があるが、それについては特許文献１に開示されていない。
　また、エレメントと接合部を形成する下板上面に酸化物が残存していると、接合部内に酸化物が混入し、健全な接合部が形成されず接合強度が低下するといった課題がある。これらの理由から、エレメントを用いた接合時には、エレメントと接合部を形成する下板上面の酸化物（具体的には酸化皮膜）を除去することが求められる。しかしながら、特許文献１に記載のエレメントでは、エレメントのピン状の心出し部と鋼板との接触面積が狭くなる。そのため、心出し部と鋼板とが接触することによる鋼板表面（ここでは下板の上面）の酸化物除去に要する時間が長くなるという課題がある。
　特許文献２には、接続部材の直径（すなわちエレメント直径）と接合部径について記載されているが、接合条件と接続部材の形状との関係は不明確である。ゆえに、得られた接合部材によっては、接合強度を十分得られないという課題がある。
　本発明は、上記の課題を解決するものであって、板組や、板組を構成する被接合材の成分組成に影響を受けることなく、接合工程の短時間化を実現するとともに、得られる接合部材の接合性を向上できる、摩擦エレメント接合方法を提供することを目的とする。
　本発明では、摩擦エレメント接合方法における上記課題を達成するために鋭意検討した。摩擦エレメント接合方法とは、２枚以上の金属板（鋼板）を重ね合わせた板組にエレメントを高速回転させながら圧入することによって、板組の摩擦エレメント接合を行なう接合方法である。
　上記課題に加えて、従来より用いられている先端形状のエレメントを用いた摩擦エレメント接合方法の場合には、エレメントによって上板および下板の接合が達成されてはいるが、エレメント先端が下板の所定の深さに達するまでに時間を要していた。これに起因して、被接合材への入熱が過大となり、得られる接合部材の接合強度が低下するという問題もあった。
　そこで、本発明者らは、摩擦エレメント接合の工程として、２段以上の工程を有する接合方法とし、かつ、超ハイテンを含む金属板と先端形状が異なる様々なエレメントとを用いて各工程の加圧力及び回転数を様々に変化させる実験を行った。その結果、上記課題達成には、エレメントの先端形状と各工程における加圧力との最適な関係を規定することで、接合工程の高速化、および高強度での継手の接合が可能であることを見出した。
　すなわち、エレメントが板組の上板を貫通した後から、高速で回転するエレメントの先端が板組の下板上面に当接し、下板上面にエレメントを圧入させ接合部を形成するまでの過程を、少なくとも２段の工程にする。具体的には、エレメントの先端が板組の下板上面に当接し、下板上面に存在する酸化皮膜を除去しつつ、エレメントが所定位置まで下板に圧入される工程を第１工程とし、エレメントが更に下板に圧入されて接合部を形成する工程を第２工程とする。この際、第１工程におけるエレメントの圧入開始位置から所定位置までの距離と、エレメント先端のテーパー高さとから算出される没入割合（後述するＬ／ｔ）に応じて、第１工程の加圧力に対する第２工程の加圧力の増分（後述する△Ｐ）を規定する。これにより、接合工程全体の接合時間が短時間化する。更には、板組およびエレメントへの熱影響を抑え、これにより継手強度の低下抑制にも有効であることが判明した。
　本発明は、このような知見に基づいて成されたものであり、以下を要旨とする。
［１］　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に、先端にテーパー部を有するエレメントを回転させながら圧入して前記板組の接合を行なう摩擦エレメント接合方法であって、
　前記板組の最下層に配置された下板の上面の酸化被膜を除去する第１工程と、前記下板に前記エレメントを圧入して接合部を形成する第２工程とを有し、
　前記第１工程では、
第１工程の加圧力をＰ１（Ｎ）、第１工程の回転数をＲ１（ｒｐｍ）、前記テーパー部の高さをｔ（ｍｍ）、エレメント先端が前記下板上面に接触した時点のシリンダー位置を０として第１工程終了時点におけるシリンダー変位量をＬ（ｍｍ）、前記シリンダー変位量を前記テーパー部の高さで除した没入割合をＬ／ｔとしたとき、
０．５ ≦ Ｌ／ｔ＜ １．３、かつ４０００ ≦ Ｒ１ ≦ ８０００、かつ４０００ ≦ Ｐ１ ≦ ８０００の範囲に制御して、前記下板上面の酸化物除去を行い、
　次いで、前記第２工程では、
第２工程の加圧力をＰ２（Ｎ）、前記第１工程の加圧力に対する第２工程の加圧力の増分を△Ｐとしたとき、前記第１工程終了時点における、
前記没入割合であるＬ／ｔが０．５以上０．7未満の場合には、前記増分が式（１）を満たし、
前記没入割合であるＬ／ｔが０．７以上０．９未満の場合には、前記増分が式（２）を満たし、
前記没入割合であるＬ／ｔが０．９以上１．３未満の場合には、前記増分が式（３）を満たすように、第２工程での加圧力を増加させる、摩擦エレメント接合方法。
△Ｐ≧２×（２．５－Ｌ）×（（１２０００－Ｐ１）／１００））　…（１）
△Ｐ≧（３．６－Ｌ)×（（１２０００－Ｐ１）／１００）　…（２）
△Ｐ≧０．３×(９．９－Ｌ)×（（１２０００－Ｐ１）／１００）　…（３）
［２］　前記金属板は鋼板であり、当該鋼板の引張強さが５９０ＭＰａ以上である、［１］に記載の摩擦エレメント接合方法。
［３］　前記エレメントは、前記テーパー部の高さが０ｍｍ超え１．０ｍｍ以下であり、前記テーパー部の仰角が１０～４５°である、[１]または[２]に記載の摩擦エレメント接合方法。
　本発明は、接合性を向上させる摩擦エレメント接合方法を提供するものである。本発明の接合方法によれば、エレメントの先端形状と各工程における加圧力との最適な関係に基づいて金属板を摩擦エレメント接合できる。これにより、接合工程の高速化（すなわち短時間化）および高強度での接合が可能となる。
図１は、２枚の金属板で構成された板組が本発明の摩擦エレメント接合方法によって接合された状態の一例を示す概略図である。 図２は、本発明の摩擦エレメント接合方法を説明する概略図である。 図３は、本発明の摩擦エレメント接合方法に用いるエレメント形状の一例を示す断面図である。 図４は、従来のエレメントを用いた接合状態の一例を示す概略図である。
　以下、本発明について説明する。なお、本発明はこの実施形態に限定されない。
　まず、図１～図３を参照して、本発明の一実施形態である摩擦エレメント接合方法について説明する。図１は、本発明の摩擦エレメント接合方法によって２枚の金属板からなる板組が接合された状態の一例を示す断面図である。図２は、本発明における各工程のシリンダー変位量などを説明する図である。図３は、本発明の摩擦エレメント接合方法に用いるエレメント形状の一例を示す断面図である。
　本発明の摩擦エレメント接合方法（以下、「接合方法」と称する場合もある）では、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に、先端にテーパー部を有するエレメントを回転させながら圧入して、当該板組の接合を行なう（図１を参照）。この接合は、摩擦発熱による摩擦接合である。上記の「２枚以上の金属板を重ね合わせた板組」とは、２枚以上の金属板が積層された板組のことを指す。
　また、図３に示すように、本発明に用いるエレメント１はマンドレル部２およびカラー部３を備え、エレメント先端（「マンドレル部先端」とも称する）にテーパー部４を有する。テーパー部４は、テーパー部の高さ（テーパー高さ：ｔ）およびテーパー部の仰角（テーパー角：θ）が後述する形状に形成される。
　なお、以降の説明では、２枚の金属板を重ね合わせて摩擦エレメント接合する場合について述べるが、本発明は３枚以上の金属板を重ね合わせて接合する場合についても、同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
　本発明の接合方法では、上板貫通後から、下板上面にエレメントを圧入させて接合部を形成するまでの過程を、少なくとも２段のプロセスで構成する。１段目の工程（すなわち第１工程）は、下板上面の酸化皮膜を除去する工程であり、２段目の工程（すなわち第２工程）は、エレメントを下板に圧入して接合部を形成する工程であり、これらの２段の工程から成る。第２工程は、具体的には、エレメント先端（すなわちエレメント下面）と下板との接触面における摩擦発熱による塑性変形を生じさせる処理と、圧着による接合を行う処理とを有する。
なお、一例として「２段のプロセス」とする場合について説明するが、上記過程を３段以上のプロセスに分けることもできる。
　ここで、本発明における「上板」とは、板組を構成する金属板（被接合材）のうち、最も上側に配置された最上層の金属板を指し、「下板」とは、板組を構成する金属板（被接合材）のうち、最も下側に配置された最下層の金属板を指す。上板および下板は、例えば板状部品とすることができる。
　以降の説明では、一実施形態として、上述の第１工程および第２工程を有する本発明の接合方法を用いて、金属板を摩擦接合する方法について、詳細に説明する。ここでは、図１および図２に示すように、２枚の金属板（この例では上板および下板）を重ね合わせた板組を用いる。
　図示は省略するが、最初に、板状部品の上板および下板からなる板組が、接合装置に取り付けられたエレメントと対向するように、接合装置の支持台に板組を設置する。エレメントの上面側に、接合装置のシリンダーが当接される。当該シリンダーによって、エレメントを上方から加圧して、下板内に圧入する。続いて、接合装置の制御部によってエレメントの回転速度が調整され、エレメントが回転しながら板状部品の上板に接触し、更に上記制御部によって調整された加圧力を加えてエレメントを上板に押し込む。これにより、上板が摩擦発熱により可塑化し、エレメントのマンドレル部が上板内へ進入し、その後、エレメントが上板を貫通する。この工程を上板進入工程と称する。そして、エレメント下面が下板上面に接触する。
　次いで、エレメントが高速で回転しながら、下板に圧入されることにより、本発明の第１工程である、下板上面の酸化皮膜除去工程が開始される。
　〔第１工程〕
　第１工程では、エレメント先端（すなわちエレメント下面）を下板上面に当接することで、下板上面に存在する酸化皮膜を排出する。
　酸化被膜を除去することによって、エレメントと下板上面間の新生面が露出し、健全な固相接合部を形成することができる。このような作用効果を得るには、上述のように、エレメントの先端形状と、第１工程における加圧力および回転数とが最適な関係となるように調整（制御）することが重要となる。そこで、本発明では、次のように第１工程の接合条件を規定する。
　具体的には、第１工程では、第１工程の加圧力をＰ１（Ｎ）、第１工程の回転数をＲ１（ｒｐｍ）、エレメントのテーパー部の高さをｔ（ｍｍ）、エレメント先端が下板上面に接触した時点のシリンダー位置を０として第１工程終了時点におけるシリンダー変位量をＬ（ｍｍ）、当該シリンダー変位量をテーパー部の高さで除した没入割合をＬ／ｔとしたとき、没入割合（Ｌ／ｔ）が０．５ ≦ Ｌ／ｔ ＜ １．３、かつ、第１工程の回転数が４０００ ≦ Ｒ１ ≦ ８０００、かつ、第１工程の加圧力が４０００≦ Ｐ１ ≦ ８０００の範囲に制御されて回転するエレメントを用いて、下板上面の酸化物除去を行う。
　ここで、図２を用いて、上記のシリンダー変位量について説明する。
　図２中の（ａ）に示すように、エレメント先端が下板上面に接触した時点が第１工程開始時点となる。この第１工程開示時点におけるシリンダー位置（以下、「シリンダー初期位置」とも称する）を基準とし、この基準値を「０」とする。
　第１工程開始後、エレメントは、上記数値範囲内の所定値に制御された加圧力Ｐ１および回転数Ｒ１で回転しながら、シリンダーによってエレメント上方から加圧して下板内に圧入する。図２中の（ｂ）に示すように、予め設定した長さまでシリンダーが変位したら、第１工程を終了する。この第１工程終了時点における、シリンダー初期位置からの変位量が、上記の「シリンダー変位量（Ｌ）」である。
　没入割合（Ｌ／ｔ）が０．５未満の場合、エレメント下部と下板上面の接触面が不十分となり、酸化皮膜の除去が不十分となる。一方、没入割合（Ｌ／ｔ）が１．３以上の場合、エレメントが下板へ深く進入するため装置負荷が大きくなる恐れがある。したがって、没入割合は０．５以上１．３未満とする。
　回転数が４０００ｒｐｍ未満では発熱不足で塑性変形が阻害される恐れがあり、一方、回転数が８０００ｒｐｍ超えでは過剰発熱によりエレメントが変形する恐れがある。したがって、第１工程の回転数は、４０００ ≦ Ｒ１ ≦ ８０００とする。
　また、第１工程の加圧力（Ｐ１）が４０００Ｎ未満となる場合、下板への進入が促進されない恐れがあり、一方、第１工程の加圧力（Ｐ１）が８０００Ｎを超える場合、加熱が不十分な状態でエレメントが進入するため装置負荷が大きくなる恐れがある。したがって、第１工程の回転数は、４０００ ≦ Ｐ１≦ ８０００とする。
　なお、本発明では、第１工程の終了は、エレメントが板厚方向に押込まれることでシリンダー変位量がＬに達した時点を、上記制御部によって下板上面の酸化物除去が完了したと判断する（図２を参照）。
次いで、後続の第２工程が行われる。
　〔第２工程〕
　第２工程では、摩擦接合プロセスによって接合部を形成する。
まず、上記制御部によって調整された加圧力下で、エレメントを高速で回転させながらエレメントを下板に押込む（図２中の（ｃ）を参照）。これにより、摩擦接合プロセスが開始される。摩擦接合プロセスでは、下板内に進入したエレメント先端が摩擦発熱により下板とエレメントとを塑性変形させる。この処理を塑性変形処理と称する。エレメントのマンドレル部先端が摩擦エレメント接合によって下板と接続し、かつ、塑性変形により押し出された上板の材料がエレメント上部と接触してカラー部で押さえられる。
　続けて行われる圧着処理では、エレメントと板組を構成する２枚以上の金属板との機械的接合を達成する（図１を参照）。上記制御部は、最後にエレメントの回転を止めた状態でエレメントに加圧力を加えて、塑性変形により押し出された金属板の材料とエレメントとを圧着させることで、摩擦接合プロセスが完了する。
　上述のように、第２工程では、エレメントの没入割合に応じて、第１工程の加圧力に対する第２工程の加圧力の増分（後述する△Ｐ）を規定することが重要となる。そこで、本発明では、次のように第２工程の接合条件を規定する。
　具体的には、第２工程では、第２工程の加圧力をＰ２（Ｎ）、第１工程の加圧力に対する第２工程の加圧力の増分を△Ｐとしたとき、第１工程終了時点のシリンダー変位量に応じて、
没入割合（Ｌ／ｔ）が０．５以上０．７未満の場合には、増分（△Ｐ）が式（１）を満たし、
没入割合（Ｌ／ｔ）が０．７以上０．９未満の場合には、増分（△Ｐ）が式（２）を満たし、
没入割合（Ｌ／ｔ）が０．９以上１．３未満の場合には、増分（△Ｐ）が式（３）を満たすように、第２工程での加圧力（Ｐ２）を増加させる。
△Ｐ≧２×（２．５－Ｌ）×（（１２０００－Ｐ１）／１００））　…（１）
△Ｐ≧（３．６－Ｌ)×（（１２０００－Ｐ１）／１００）　…（２）
△Ｐ≧０．３×(９．９－Ｌ)×（（１２０００－Ｐ１）／１００）　…（３）
　第２工程の条件式に規定するように、第１工程における没入割合（Ｌ／ｔ）に応じて、第１工程から第２工程への加圧力の増分（△Ｐ）を適切に変化させることで、回転による摩擦発熱を活用し、下板の塑性化を促進させる。これにより、接合部形成を促進させることができる。
　すなわち、没入割合（Ｌ／ｔ）が０．５以上０．７未満の場合には、増分（△Ｐ）が式（１）を満たすように第２工程の加圧力（Ｐ２）を増大させることで、摩擦発熱による塑性変形作用が得られる。その結果、接合が促進される。増分（△Ｐ）は１５０以上、すなわち式（１）は△Ｐ≧１５０とすることが好ましい。没入割合が当該数値範囲にある場合の増分（△Ｐ）の上限値は、特に規定しない。摩擦発熱が過剰となり、健全な接合を達成することができないため、増分（△Ｐ）の上限は４００以下、すなわち式（１）は、４００≧△Ｐとすることが好ましい。
　また、没入割合（Ｌ／ｔ）が０．７以上０．９未満の場合には、上述の０．５≦Ｌ／ｔ＜０．７の場合に比べてエレメントの没入が進んでいるため、増分（△Ｐ）が式（２）を満たすように第２工程の加圧力（Ｐ２）を、上述の式（１）に比べて緩やかに増加させる。没入割合が０．７以上０．９未満の場合、式（２）の右辺値（すなわち、「（３．６－Ｌ）×（（１２０００－Ｐ１）／１００）」で算出される値）未満の場合、摩擦発熱による塑性変形作用が得られず、健全な接合を達成することができない。式（２）の右辺値は１２０以上、すなわち式（２）は△Ｐ≧１２０とすることが好ましい。没入割合が当該数値範囲にある場合の増分（△Ｐ）の上限値は、特に規定しない。摩擦発熱が過剰となり、健全な接合を達成することができないため、増分（△Ｐ）の上限は３００以下、すなわち式（２）は、３００≧△Ｐとすることが好ましい。
　また、没入割合（Ｌ／ｔ）が０．９以上１．３未満の場合には、エレメントの没入がある程度進んでおり、第２工程の加圧力（Ｐ２）を上げすぎると熱影響が大きくなる。そのため、上述の式（１）および式（２）に比べてわずかな加圧力の増加とする。没入割合が０．９以上１．３未満の場合、式（３）の右辺値（すなわち、「０．３×（９．９－Ｌ）×（（１２０００－Ｒ１）／１００）」で算出される値）未満の場合、摩擦発熱による塑性変形作用が得られず、健全な接合を達成することができない。式（３）の右辺値は１００以上、すなわち式（３）は△Ｐ≧１００とすることが好ましい。没入割合が当該数値範囲にある場合の増分（△Ｐ）の上限値は、特に規定しない。摩擦発熱が過剰となり、健全な接合を達成することができないため、増分（△Ｐ）の上限は２５０以下、すなわち式（３）は、２５０≧△Ｐとすることが好ましい。
　なお、図２中の（ｃ）に示すように、第２工程は、予め設定した長さ（Ｓ）までシリンダーが変位したら、第２工程終了となる。第２工程の加圧力は、第１工程終了時点のシリンダー変位量（Ｌ）に基づく没入割合（Ｌ／ｔ）によって増分（△Ｐ）が決まり、この加圧力（一定）で上述の各処理が行われる。
　本発明の接合方法によれば、板組を構成する金属板とエレメントとの健全な接合状態が得られる。
　以上の説明のとおり、エレメント先端形状および、没入割合（Ｌ／ｔ）に応じて第２工程の加圧力の増分（△Ｐ）を変化させることで、接合工程の短時間化および継手強度を確保することが可能となる。
　なお、本発明の接合方法において、上板に下穴として貫通孔を設けた金属板を用いる場合には、上述の上板進入工程は省略される。すなわち、重ね合わせた金属板（すなわち板組）が、接合装置に取り付けられたエレメントと対向するように、接合装置の支持台に板組を設置した後に、上述の第１工程以降の処理が行われる。
　本発明では、上板７および下板８には超ハイテンを含む金属板を適用することができる。本発明において「超ハイテン」とは、引張強さ（ＴＳ）が５９０ＭＰａ以上の鋼板であることを指す。ただし上板に超ハイテンを用いる場合は、予め上述の貫通孔を設ける必要がある。
　次に、図３を用いて、本発明に用いるエレメント形状の一実施形態について説明する。図３は、エレメント１の中心を通るように切断した、長さ方向断面図である。
　エレメント１は、２枚以上の金属板を重ね合わせた板組にエレメント１を回転させながら圧入することによって、板組の摩擦エレメント接合を行なうものである（図１を参照）。
　マンドレル部２は、エレメント１の軸心に設けられ、先端を除く部分が円柱状に形成される。この円柱状の直径が、エレメントの直径（Ｄ）（ｍｍ）である。マンドレル部２の先端（すなわちエレメント先端）は、先端部分が突出するように傾斜しており、円錐状に形成される。この円錐状の部分が、テーパー部４となる。図３の断面図に示すように、テーパー部４では、エレメント先端において軸心に垂直な直線とテーパー状の側面（すなわちテーパー面）とのなす角を、仰角（θ）（°）とする。
　本発明では、酸化物排出促進のために、仰角（θ）を１０～４５°とすることが好ましい。仰角（θ）が１０°未満では、酸化物排出の作用を得られない恐れがある。一方、仰角（θ）が４５°超えでは、エレメント下部と下板上面の接触面積が縮小する恐れがある。仰角は、好ましくは２０°以上であり、好ましくは３０°以下である。
　また図３の断面図に示すように、テーパー部４は、エレメント先端位置（ｔ１）から、円錐状の底面の直径と軸心との交点（ｔ２）までの長さを、テーパー部の高さ（ｔ）（ｍｍ）とする。本発明では、下板上面圧入時のエレメントの芯ブレを抑制するために、テーパー部の高さ（ｔ）を０ｍｍ超え１．０ｍｍ以下とすることが好ましい。
　テーパー部の高さ（ｔ）が０ｍｍでは、エレメント先端は平坦面となり、酸化物の吐出しとなる。すなわち、本発明の作用効果は得られない。一方、テーパー部の高さ（ｔ）が１．０ｍｍ超えでは、先端が鋭角になるため、エレメント径と同程度の接合面を得るためにはエレメントをより深くまで押込む必要がある。テーパー部の高さは、好ましくは０．１ｍｍ以上である。
　マンドレル部２の全長Ｓ（ｍｍ）は、板組６を構成する金属板の全板厚の合計値以下の長さとする。マンドレル部２の全長Ｓは、マンドレル部２の先端と下板８とを接合可能な長さに適宜調整すればよい。
　カラー部３は、マンドレル部２の上部、すなわちエレメント１の頭部に設けられる。カラー部３の形状は、図３に示すように、例えばウェハーまたはトラスなどの形状に形成することができる。カラー部３は、塑性流動によって押し出された上板７の材料を抑えることができる形状であればよい。
　次に、図１および図４を用いて、得られる接合継手の接合状態について説明する。
　図１には、本発明のエレメント１を用いて、２枚の金属板からなる板組が接合された状態の一例を示す。図４の従来例には、従来のエレメント１０を用いて、２枚の金属板からなる板組が接合された状態の一例を示す。図１および図４のいずれも、接合方法として上述の本発明の接合方法を用いる。なお、図１および図４は、得られた接合継手において、エレメントの中心を通るように切断した板厚方向断面図である。
　図４の従来例に示すように、従来のエレメント１０を用いて、本発明の接合方法によって接合した場合には、２枚の金属板（図４中の上板７、下板８）で構成された板組６は、エレメント１０によって接合された状態となる。しかしながら、図４に示すように、エレメント１０によって上板７および下板８の接合が達成されてはいるが、接合プロセスで塑性変形し押し出された上板７の材料とマンドレル上部に設けたカラー部３との間には空隙がある。
　本発明者らは、この空隙は、摩擦エレメント接合方法の下板表面の酸化被膜除去工程に起因していると考える。酸化皮膜除去工程における下板上面に存在する酸化皮膜の排出が十分でない接合継手の接合部分の断面を観察すると、エレメント１０と下板８の接合界面に下板上面の酸化皮膜に起因する酸化物が残存していた。その結果、接合状態が不健全であった。これは、酸化皮膜除去工程の時間が不十分であり、酸化皮膜の排出が十分になされていないことに起因していた。
　ここでは、上記の「従来のエレメント」として、エレメントのマンドレル部先端が円錐形状のものを用いている。ただし、本発明のようなテーパー部の規定は、なされていない。
　これに対し、図１に示すように、上述のテーパー部４を有するエレメント１（図３を参照）を用いて、本発明の接合方法によって接合した場合には、２枚の金属板（図１中の上板７、下板８）で構成された板組６は、エレメント１によって接合された状態となる。具体的には、２枚の板状部品（すなわち上板７、下板８）からなる板組６は、マンドレル２の先端が摩擦エレメント接合によって下板８と接続し、かつ、接合プロセスで塑性変形し押し出された上板７の材料がマンドレル上部に設けたカラー部３で押さえられている。これにより各金属板７、８とエレメント１とが接合された状態となる。
　図１に示すように、上述のエレメント１における接合部分の断面を観察すると、健全な接合状態であることが確認できた。後述の実施例に示すとおり、本発明によれば、図４に示す例のように空隙は存在しない。このことからも、残存酸化物を低減できることが分かった。
　以上に説明したとおり、本発明では、上述のテーパー部の高さ（ｔ）を有するエレメントを用いて被接合材を接合する際、摩擦接合プロセスを行う接合工程（すなわち第２工程）の加圧力（Ｐ２）と、その前工程となる下板上面の酸化物を除去する工程（すなわち第１工程）の加圧力（Ｐ１）との増分（△Ｐ）が、没入割合（Ｌ／ｔ）に応じて式（１）～式（３）の条件式を満足するよう設定して接合する。これにより、被接合材への入熱を抑制しつつ、エレメント先端を所定の深さまで押し込むことが可能となる。したがって、本発明によれば、従来のエレメント接合方法に比べて、得られる溶接継手の接合強度の低下を抑制することができる。また、接合工程の短時間化も実現できる。
　以下、本発明の更なる理解のために実施例を用いて説明する。なお、本実施例は本発明を限定するものではなく、本発明の要旨を満足する限りいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
　供試材として、表１の上板および下板に示す金属板を用い、これらを重ね合わせて板組とした。ここでは、上板には、Φ７ｍｍのプレホール加工を施したものを用いた。本実施例では、当該板組を用いて上記第１工程および第２工程だけを行い、後述の評価を行うものとした。
　第１工程および第２工程では、表２に示す先端形状のエレメントを用い、表２に示す加圧力および回転数、シリンダー変位量（Ｌ）となるように制御して行った。また、エレメントの形状は、エレメント径（Ｄ）を４．５５ｍｍとし、テーパー部の仰角（θ）および高さ（ｔ）を表２に示す値とした（図３を参照）。
　そして、第２工程終了後に、次の評価を行った。
　〔引張試験後破断形態の評価〕
　ＪＩＳ　Ｚ　３１３７に規定される十字引張試験を行ない、破断後の破断形態を調査した。破断形態は、エレメントが接触した領域の破面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察して評価した。ここでは、エレメント径（Ｄ）以上の面積となる延性破面が得られた場合には、記号「〇（合格）」と評価し、一方、エレメント径（Ｄ）未満の面積となる延性破面であった場合には、記号「×（不合格）」と評価とした。なお、延性破面が、エレメント径以上の面積となることで、高い継手強度が得られる。
　〔短時間化の評価〕
　本発明の第１工程開始から第２工程終了までの短時間化の評価は、以下の通り行った。
　本実施例では、第１工程の開始から第２工程の完了までに要した時間を「プロセス完了までに要する時間（所要時間）（ｓ）」とした。なお、本実施例では、この所要時間の上限値は、５ｓと設定した。上記「第１工程の開始」とは、上述した下板上面の酸化皮膜除去工程が開始された時点であり、上記「第２工程の完了」とは、上述した摩擦接合プロセスが完了した時点を指す。
　ここでは、所要時間が、０ｓ以上２ｓ未満であった場合に記号「Ａ」と評価し、所要時間が２ｓ以上３ｓ未満であった場合に記号「Ｂ」と評価し、所要時間が３ｓ以上であった場合に記号「Ｃ」と評価した。なお、第１および第２工程が上記の上限時間内に完了しなかった場合には、記号「Ｆ」と評価した。評価「Ａ」、「Ｂ」が合格であり、「Ａ」が最も優れることを示すものとした。評価「Ｃ」、「Ｆ」が不合格であり、「Ｆ」が最も劣ることを示すものとした。得られた評価結果を、表２に示した。
　なお、表２の「短時間化」欄に示した評価が「－」の実施例（Ｎｏ．７、１４）は、没入割合（Ｌ／ｔ）が１．３であることから上述の条件式の範囲外にあり、５ｓ以内に完了しなかったために評価対象外となった、比較例であった。また、Ｎｏ．２７、２８も、没入割合（Ｌ／ｔ）が上記数値範囲になかったため、同様に評価対象外となった比較例であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、本発明例では、いずれの場合もエレメント径以上の面積となる延性破面を得ることができた。本発明によれば、従来のエレメント接合方法に比べて、得られる溶接継手の接合強度の低下を抑制することができる。また、接合工程の短時間化も実現できる。
　１、１０　　エレメント
　２　　マンドレル部
　３　　カラー部
　４　　テーパー部
　６　　板組
　７　　上板
　８　　下板
　９　　エレメントと下板の接合部界面

Claims (3)

  1. 　２枚以上の金属板を重ね合わせた板組に、先端にテーパー部を有するエレメントを回転させながら圧入して前記板組の接合を行なう摩擦エレメント接合方法であって、
    　前記板組の最下層に配置された下板の上面の酸化被膜を除去する第１工程と、前記下板に前記エレメントを圧入して接合部を形成する第２工程とを有し、
    　前記第１工程では、
    第１工程の加圧力をＰ１（Ｎ）、第１工程の回転数をＲ１（ｒｐｍ）、前記テーパー部の高さをｔ（ｍｍ）、エレメント先端が前記下板上面に接触した時点のシリンダー位置を０として第１工程終了時点におけるシリンダー変位量をＬ（ｍｍ）、前記シリンダー変位量を前記テーパー部の高さで除した没入割合をＬ／ｔとしたとき、
    ０．５ ≦ Ｌ／ｔ＜ １．３、かつ４０００ ≦ Ｒ１ ≦ ８０００、かつ４０００ ≦ Ｐ１ ≦ ８０００の範囲に制御して、前記下板上面の酸化物除去を行い、
    　次いで、前記第２工程では、
    第２工程の加圧力をＰ２（Ｎ）、前記第１工程の加圧力に対する第２工程の加圧力の増分を△Ｐとしたとき、前記第１工程終了時点における、
    前記没入割合であるＬ／ｔが０．５以上０．7未満の場合には、前記増分が式（１）を満たし、
    前記没入割合であるＬ／ｔが０．７以上０．９未満の場合には、前記増分が式（２）を満たし、
    前記没入割合であるＬ／ｔが０．９以上１．３未満の場合には、前記増分が式（３）を満たすように、第２工程での加圧力を増加させる、摩擦エレメント接合方法。
    △Ｐ≧２×（２．５－Ｌ）×（（１２０００－Ｐ１）／１００））　…（１）
    △Ｐ≧（３．６－Ｌ)×（（１２０００－Ｐ１）／１００）　…（２）
    △Ｐ≧０．３×(９．９－Ｌ)×（（１２０００－Ｐ１）／１００）　…（３）
  2. 　前記金属板は鋼板であり、当該鋼板の引張強さが５９０ＭＰａ以上である、請求項１に記載の摩擦エレメント接合方法。
  3. 　前記エレメントは、前記テーパー部の高さが０ｍｍ超え１．０ｍｍ以下であり、前記テーパー部の仰角が１０～４５°である、請求項１または２に記載の摩擦エレメント接合方法。
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