JP2018111107A - 継手 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度に優れた継手を提供することを課題とする。【解決手段】一方の鋼板１と他方の鋼板２とが重ね合わされた接合部２３を備え、接合部２３には一方の鋼板１と他方の鋼板２との界面１０が存在し、界面１０は、接合部２３の断面において、一方の鋼板１と他方の鋼板２との境界の延長にある平行界面１１と、接合部２３の平面視中央に近づくに従って平行界面１１から一方の鋼板１側に曲げられた中央界面１２とがあり、中央界面１２から接合部２３の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域の平均硬度が３５０〜４５０ＨＶであり、平行界面１１と中央界面１２との境界点Ｍから接合部２３の平面視中央側に向かう平行界面１１の延長線上の平均硬度が４００〜５５０ＨＶである、継手２１を採用する。【選択図】図６

Description

本発明は金属板を重ねて接合された接合部に金属板の曲がった界面が存在する継手に関する。

金属板を重ねて接合継手とする方法には、スポット溶接、摩擦撹拌接合等がある。その中でも重ね合わされた複数の鋼板を摩擦撹拌点接合することによって、継手を製作することがある。摩擦撹拌中、鋼板の点接合部は、摩擦熱でオーステナイト変態が生じる程度にまで昇温する。接合完了後にツールを抜くと点接合部が冷却され、点接合部が硬化する場合があり、継手強度の低下を招くおそれがある。

特許文献１では、点接合部がＡ３変態点以上に昇温すると、ツールを母材に挿したままでツールの回転速度を低減し、点接合部を徐冷していく。点接合部がＡ１変態点まで降温すると、ツールを抜き、点接合部を自然冷却させる。このような手法を採ることで冷却を遅らせ、点接合部の硬化を抑制し、接合強度の低下の抑制を図っている。
特許文献２には、摩擦撹拌点接合の条件を最適化することで、生産性を低下させずに接合強度の向上を図る技術が記載されている。

特開２０１１−１１５８４２号公報 特開２００９−２４１０８４号公報

しかし、特許文献１、２に記載の方法であっても、接合強度の低下の抑制は十分ではなかった。そこで本発明は、接合強度に優れた継手を提供することを課題とする。

摩擦撹拌点接合によって複数の鋼板を接合させて継手とし、この継手に対して引張せん断試験を行い、試験後の接合部の破断状況を観察すると、接合部の断面において、接合部の引張方向一方側では、鋼板同士の旧界面が剥離し、他方側では引っ張り方向に沿ってせん断が起きていることを知見した。ところで、図５に一般的な抵抗スポット溶接によって得られた継手のせん断強さ及び剥離強さと、接合部硬度（接合部硬さ）との関係を示す。抵抗スポット溶接継手のせん断強さと剥離強さはいずれも、それぞれ接合部硬さがある値の場合に最大となる。せん断強さが最大となる接合部硬さは、剥離強さが最大となる接合部硬さより高い。これを踏まえて、摩擦撹拌点接合部において、せん断が起きる部分の硬度と、剥離が起きる部分の硬度とを適正に調整したところ、引張せん断時の接合強度が大幅に向上し、更に、十字引張時の接合強度も向上することを見出した。この知見に基づき、本発明は以下の構成を採用する。

［１］ 一方の鋼板と他方の鋼板とが重ね合わされた接合部を備え、
前記接合部には前記一方の鋼板と前記他方の鋼板との界面が存在し、前記界面は、前記接合部の断面において、前記一方の鋼板と他方の鋼板との境界の延長にある平行界面と、前記接合部の平面視中央に近づくに従って前記平行界面から前記一方の鋼板側に曲げられた中央界面とがあり、
前記中央界面から前記接合部の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域の平均硬度が３５０〜４５０ＨＶであり、
前記平行界面と前記中央界面との境界点から前記接合部の平面視中央側に向かう前記平行界面の延長線上の平均硬度が４００〜５５０ＨＶである、継手。
［２］ 前記接合部の断面において、
前記中央界面によって囲まれ、かつ、前記中央界面から前記接合部の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上離れた領域の平均硬度が３５０〜４５０ＨＶである、［１］に記載の継手。
［３］ 前記一方の鋼板と前記他方の鋼板の少なくとも片方のＣ含有量が０．３質量％以上である［１］又は［２］に記載の継手。
［４］ 前記接合部の前記中央界面より平面視中央側には、前記一方の鋼板を貫通し、前記他方の鋼板を途中まで穿つ穴が存在する［１］乃至［３］のいずれか一項に記載の継手。

本発明によれば、せん断強さ、剥離強さのいずれの接合強度にも優れた継手を提供できる。

図１は、重ね合わせた鋼板に摩擦撹拌点接合を施して得られた継手の接合部の断面模式図である。 図２は、図１に示す継手に対して引張せん断試験を行った後の接合部の断面模式図である。 図３は、図１に示す継手に対して十字引張試験を行った後の接合部の断面模式図である。 図４は、図１に示す継手の接合部の拡大写真である。 図５は、抵抗スポット溶接継手における接合部硬さと接合強度との関係を示すグラフである。 図６は、本発明の第１実施形態である継手を示す断面模式図である。 図７は、摩擦撹拌点接合の手順を示す工程図である。 図８は、本発明の第２実施形態である継手を示す断面模式図である。 図９は、本発明の第３実施形態である継手を示す断面模式図である。 図１０は、本発明の第４実施形態である継手を示す断面模式図である。

本発明の実施形態である継手を説明するにあたり、発明者によって得られた種々の知見について説明する。図１には、重ね合わせた鋼板に摩擦撹拌点接合を施すことによって得られた一般的な継手の断面模式図である。図１に示す継手は、相互に重ね合わされた２枚の鋼板１、２と、各鋼板１、２の間に設けられた接合部３とが備えられている。また、鋼板１、２には、摩擦撹拌接合時に、ツールによって形成された平面視円形の凹部４が設けられている。凹部４を囲む領域が接合部３とされている。接合部３は、摩擦撹拌接合時に各鋼板１、２の材料が軟化して塑性流動が生じた部位を含んでおり、この接合部３において各鋼板１、２が接合されている。また、接合部３の更に外周側には図示略の熱影響部が形成されている。

接合部３には、一方の鋼板１と他方の鋼板２との界面１０が存在している。界面１０には、平行界面１１と、平行界面１１から一方の鋼板１側に曲げられた中央界面１２とがある。
平行界面１１は、一方の鋼板１及び他方の鋼板２の境界面１３の延長上にあり、連続した空隙が存在する界面である。平行界面１１では、摩擦撹拌点接合時の材料の塑性流動の影響が小さく、接合前の鋼板の境界面の痕跡を残している。図４（ａ）に、接合部断面における平行界面１１の電子顕微鏡写真を示す。図４（ａ）には、平行界面１１と、鋼板の境界面１３と、後述する別の界面１４を示している。
一方、中央界面１２は、図１では点線で示されており、断続的にボイドが生じている場合があるものの、連続した空隙が存在しない界面であり、一方の鋼板１と他方の鋼板２とが金属的に接合された界面である。中央界面１２は、平行界面１１から上側の鋼板１の板厚方向に向けて立ち上がっているように見える界面である。この中央界面１２は、接合前の各鋼板の突き合わせ面であったもので、摩擦撹拌点接合時に材料が塑性流動した結果、図１に示すように鋼板厚み方向に立ち上がったように曲げられている。図４（ｂ）に、接合部断面における中央界面１２の電子顕微鏡写真を示す。図４（ｂ）に示すように、中央界面１２には連続した空隙が存在していない。

なお、接合部３の近傍には、平行界面１１から枝分かれしように見える別の界面１４もある。この界面１４には、連続した隙間が存在している。この別の界面１４は、摩擦撹拌点接合工程の初期にツールが押し込まれて上側の鋼板１が変形した際に、変形部分が鋼板１、２同士の間に張り出し、その後、接合工程の中期以降に鋼板１、２同士の隙間が潰され、変形部分が上側の鋼板１に折り込まれたことにより形成されたものであり、鋼板同士の摩擦撹拌点接合時にはよく見られる界面である。この別の界面１４は、中央界面１２の位置とは異なる位置に形成され、また、連続した空隙が存在するので、連続した空隙が存在しない中央界面１２とは明確に区別できる。
更に、接合部３近傍には、平行界面１１と中央界面１２の境界付近に、平行界面１１から枝分かれしたように見える比較的短い更に別の界面が観察される場合もある。この更に別の界面は、中央界面１２に比べて短いものであり、中央界面１２とは容易に区別できる。
以上、図１〜図４を参照して説明した摩擦撹拌点接合による一般的な接合部３の詳細な形態は、本発明に係る継手にも共通する形態である。

ここで、一般的な方法で製作された摩擦撹拌点接合による継手に対して、引張せん断試験及び十字引張試験を実施すると、試験後の継手の形態は図２または図３のようになる。図２は、引張せん断試験によって破断した後の接合部の断面模式図であり、図３は、十字引張試験によって破断した後の接合部の断面模式図である。

図２に示すように、摩擦撹拌点接合した継手に対して引張せん断応力を加えて継手を破断させると、接合部の引張方向一方側（図中右側）では、中央界面１２が剥離し、他方側では平行界面１１の延長線に沿って接合部にせん断が起きることがわかる。図２における剥離箇所を符号Ｐで示し、せん断箇所を符号Ｓで示す。
一方、図３に示すように、摩擦撹拌点接合した継手に対して十字引張応力を加えて継手を破断させると、接合部の中央界面１２が剥離し、せん断は起きないことがわかる。図３における剥離箇所を符号Ｐで示す。
特に、図２に見られるような現象は、炭素量が比較的高い鋼板を用いた場合に見られ、特に、炭素量０．３質量％以上の鋼板を用いた場合に見られる。

このような現象から、摩擦撹拌点接合によって得られた継手の接合強度を高めるには、中央界面１２の剥離強度と、平行界面１１の延長上の接合部のせん断強度の両方を高める必要があることがわかる。ここで、一般的な抵抗スポット溶接によって得られる継手では、せん断強さと接合部硬度（接合部硬さ）の関係と、剥離強さと接合部硬度との関係は異なっている。図５のグラフに示すように、抵抗スポット溶接継手のせん断強さ及び剥離強さはいずれも、それぞれ接合部硬さがある値の場合に最大となる。せん断強さが最大となる接合部硬さは、剥離強さが最大となる接合部硬さより高くなる傾向にある。これを踏まえて、摩擦撹拌点接合された継手において、中央界面１２近傍の硬度と、平行界面１１の延長線上にある接合部の硬度を調整したところ、十字引張時の接合強度と引張せん断時の接合強度の両方が大幅に向上することを見出した。より具体的には、中央界面１２近傍の平均硬度を３５０〜４５０ＨＶとし、平行界面１１と中央界面１２の境界点から平行界面１１の延長線上にある接合部３の平均硬度を４００〜５５０ＨＶとするとよい。なお、中央界面１２近傍の平均硬度は３７０〜４３０ＨＶとし、平行界面１１と中央界面１２の境界点から平行界面１１の延長線上にある接合部３の平均硬度を４００〜５００ＨＶとする方が、更に継手強度が高いので望ましい。

以下、本発明の実施形態の継手について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図６に、本実施形態の継手の断面模式図を示す。図６に示す継手２１は、相互に重ね合わされた２枚の鋼板１、２と、各鋼板１、２の間に設けられた接合部２３とが備えられている、図６に示す接合部２３は、摩擦撹拌点接合によって形成され、その後の加工によりツール痕（凹部）が埋められたものとなっている。接合部２３は、摩擦撹拌接合時に各鋼板の材料が軟化して塑性流動が生じた部位を含んでおり、この接合部２３において各鋼板１、２が接合されている。また、接合部の更に外周側には図示略の熱影響部が形成されている。

鋼板１、２は、特に限定するものではないが、一方の鋼板１と他方の鋼板２の少なくとも片方の鋼板については、Ｃ含有量が０．３質量％以上であることが好ましい。Ｃ含有量が０．３質量％以上の中高炭素鋼板に対して摩擦撹拌点接合を実施すると、接合部２３が硬くなって接合強度が低下するため、本発明を適用することが特に効果的である。ただし、炭素量が０．７０質量％を超える鋼板については、本発明を適用したとしても接合強度の向上の効果が小さくなる可能性がある。

図１における説明と同様に、図６に示す接合部２３には、一方の鋼板１と他方の鋼板２との界面１０が存在している。界面１０には、平行界面１１と、平行界面１１から一方の鋼板１側に曲げられた中央界面１２とがある。継手２１の断面においては、平行界面１１と中央界面１２とが境界点Ｍを介して連続してつながっているように見える。

平行界面１１は、一方の鋼板１及び他方の鋼板２の境界面１３の延長上にあり、連続した空隙が存在する界面である。平行界面１１では、摩擦撹拌点接合時の材料の塑性流動の影響が小さく、接合前の鋼板１、２の境界面の痕跡を残している。
一方、中央界面１２は、断続的にボイドが生じている場合があるものの、連続した空隙は存在しない界面であり、一方の鋼板１と他方の鋼板２とが金属的に接合された界面である。中央界面１２は、平行界面１１から上側の鋼板１の板厚方向に向けて立ち上がっているように見える界面である。この中央界面１２は、接合前の段階では各鋼板１、２の突き合わせ面であったものであり、摩擦撹拌点接合時に材料が塑性流動した結果、図６に示すように鋼板厚み方向に立ち上がったように曲げられたものである。

また、接合部２３近傍には、平行界面１１から枝分かれしように見える別の界面１４も存在する。この界面１４は、図１において説明した別の界面１４と同種の界面である。

次に、本実施形態の継手２１の接合部２３における硬度分布について説明する。
本実施形態の継手２１は、図６に示すように、中央界面１２から接合部２３の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域（以下、領域Ａという）の平均硬度と、平行界面１１と中央界面１２との境界点Ｍから接合部２３の平面視中央側に向かう平行界面１１の延長線上の領域（以下、領域Ｂという）の平均硬度をそれぞれ、所定の範囲に設定する。

領域Ａは、継手２１に対して引張せん断応力または十字引張応力を与えた際に剥離が生じる箇所に対応し、中央界面１２の長手方向に沿って延在する領域である。領域Ａを、中央界面１２から接合部２３の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域と定義したのは、本来は中央界面１２における平均硬度を定義すべきところだが、中央界面１２の直上でビッカース硬度を測定すると、中央界面１２に存在する酸化物やボイドの影響で硬度に大きなばらつきが生じるおそれがあるので、中央界面１２から接合部２３の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域とした。中央界面１２から０．０５ｍｍ以上離れれば硬度のばらつきが小さくなり、また、中央界面１２から０．５ｍｍ以内の領域であれば剥離が起きやすい領域の硬度を代表するものとなる。

領域Ａの平均硬度はビッカース硬度で３５０〜４５０ＨＶの範囲である。なぜなら、領域Ａの平均高度が３５０ＨＶ未満であったり、４５０ＨＶを超えたりすると、領域Ａにおける剥離強度が低下し、継手２１の接合強度が低下するからである。なお、領域Ａの平均硬度は前記の境界条件近くより、ビッカース硬度で３７０〜４３０ＨＶの範囲であることが更に望ましい。

領域Ｂは、継手２１に対して引張せん断応力を与えた際にせん断が生じる箇所に対応し、平行界面１１から接合部２３の中央方向に向いた延長線上の領域である。領域Ｂの平均硬度はビッカース硬度で４００〜５５０ＨＶの範囲である。なぜなら領域Ｂの平均高度が４５０ＨＶ未満であったり、５５０ＨＶを超えたりすると、領域Ｂにおけるせん断強度が低下し、継手２１の接合強度が低下するからである。なお、領域Ｂの平均硬度は前記の境界条件近くより、ビッカース硬度で４００〜５００ＨＶの範囲であるのが更に望ましい。

領域Ａの平均硬度の測定は例えば次のようにして行う。継手２１の接合部２３の断面を露出させ、適当なエッチング処理を行う。エッチング処理は、例えば、露出後の断面を鏡面研磨し、ナイタール液（硝酸とエチルアルコールの混合液）やピクリン酸飽和水溶液で数秒腐食する。また、界面にボイドが多く観察される場合はエッチング処理は省略してよい。そして、断面を光学顕微鏡で観察することにより、界面１０の位置を特定する。更に、平行界面１１及び中央界面１２を特定する。更に領域Ａを特定し、領域Ａの長手方向に沿って複数の測定位置を等間隔に設定して硬度を測定する。各測定位置における硬度の平均値を領域Ａの平均硬度とする。測定位置は少なくとも５箇所確保する。好ましくは１０箇所以上確保する。また、測定位置の設置間隔は、例えば０．１ｍｍに設定すればよい。一つの断面で必要な数だけ硬度を測定できない場合、接合部の中心を挟んだ別の面でサンプルを切り出し硬度測定して測定箇所を増やしてもよい。

また、領域Ｂの平均硬度を測定するには、平行界面１１の位置から領域Ｂを特定し、領域Ｂの長手方向に沿って複数の測定位置を等間隔に設定して硬度を測定する。各測定位置における硬度の平均値を領域Ｂの平均硬度とする。領域Ａの場合と同様に、測定位置は少なくとも５箇所確保する。好ましくは１０箇所以上確保する。また、測定位置の設置間隔は、例えば０．１ｍｍに設定すればよい。一つの断面で必要な数だけ硬度を測定できない場合、接合部の中心を挟んだ別の面でサンプルを切り出し硬度測定して測定箇所を増やしてもよい。

次に、本実施形態の継手２１の製造方法について説明する。
まず、被接合材となる鋼板１、２を用意する。鋼板１、２は、板状に限らず、プレス加工等により部品形状に成形されたものであってもよい。

次に、鋼板１、２に対して摩擦撹拌点接合を行う。図７（ａ）に示すように、被接合材である鋼板１、２を重ねて載置し、接合用のツール１０５の回転軸１０６が鋼板１、２の表面に対して垂直になるようにツール１０５を位置決めし、図示略の回転駆動手段によってツール１０５を所定の回転数（例えば２７５０〜３２５０ｒｐｍ）で回転させる。
次いで、図７（ｂ）に示すように、ツール１０５を回転させながら、所定の加圧力（例えば２０〜４０ｋＮ）で鋼板１にツールを押し付ける。これにより、ツール１０５と鋼板１との間に摩擦熱が発生し、鋼板１の一部が軟化（図７（ｂ）中の符合Ｔ参照）し、鋼板１にツール１０５の先端１０５ａが圧入され、更に図７（ｃ）に示すように、ツール１０５の先端１０５ａが鋼板１、２に入り込む。この際、図７（ｃ）に示すように、ツールの先端１０５ａの周囲にある材料は、塑性流動される（図７（ｃ）中の符号Ｕ参照）。
その後、図７（ｄ）に示すように、ツール１０５を上方に引き上げて鋼板１、２から引き抜くことで、接合処理を完了する。このとき、ツールの引き上げに伴い接合部２３の温度が急速に低下し、接合部２３は比較的高い硬度を有するものとなる。以上により、一対の鋼板１、２が接合部２３の位置で接合された状態となる。

本実施形態の継手２１は、ツール１０５の押し込みによって形成された凹部２４に、金属材料を充填して埋めることが望ましい。何故なら、凹部２４が存在する状態では、局所的な板厚減少により継手強度が低下する場合が有るためである。凹部２４を金属材料等で充填することで、継手の外観も良好になり、また異物の付着も防止できる。凹部２４を埋める材料に要求される特性は、凹部２４と容易に剥離しないことと、継手２１の凹部周辺の材料と同等の機械特性を備えることである。機械特性とは応力−歪み特性である。応力−歪み特性の代わりに硬さで機械特性を評価しても良い。従って、凹部２４を埋めた箇所の領域Ｂの硬度は、凹部２４外周側の領域Ｂの硬度と同じように、４００〜５５０ＨＶである。同様に、凹部２４を埋めた箇所の領域Ａの硬度は、凹部２４外周側の領域Ａの硬度と同じように、３５０〜４５０ＨＶである。以上を満たしていれば、凹部２４に充填される材料の組成にはこだわらない。
また、ツール１０５の押し込みに伴い、下側の鋼板２の接合部直下の部分が鋼板から突出した場合は、上述した特性を満たすのなら、突出した部分を押し戻すことにより凹部２５を埋め戻してもよい。

次に、摩擦撹拌点接合した継手２１の断面における硬度分布が好ましい範囲になるように調整する。摩擦撹拌点接合した継手２１の接合部２３の硬度が好ましい範囲よりも高い場合の調整手段としては、たとえば、周波数を調整した高周波加熱でもよく、接合部２３の上側に発熱体を接触させて伝熱により加熱してもよく、炉加熱でもレーザ加熱でもよい。いずれの加熱方法においても、ツール１０５を挿入した側から継手２１を加熱することで、鋼板１、２の板厚方向に沿って温度分布を生じさせるとよい。これにより、領域Ｂに対する加熱温度が、ツール１０５の挿入側にある領域Ａに対する加熱温度よりも低くなり、領域Ｂにおける硬度の低下量は領域Ａにおける硬度の低下量よりも小さくなる。その結果、領域Ａは比較的高い温度まで加熱され、領域Ｂは比較的低い温度で加熱されることになる。そして、加熱条件を適宜調整することにより、領域Ａの平均硬度を３５０〜４５０ＨＶの範囲とし、領域Ｂの平均硬度を４００〜５５０ＨＶの範囲とすればよい。

ツール１０５を挿入した側から継手２１を加熱する手段について説明したが、本発明では、ツール１０５を挿入した側とは反対側から継手２１を加熱する手段を採用してもよい。例えば、目的とする硬度範囲よりも過剰に軟質な継手を焼入れ硬化させる場合や、接合によって硬くなり過ぎた継手を二相域温度からの再焼入れで軟化（硬さ調整）させる場合が考えられる。このような場合は、ツール１０５を挿入した側とは反対側から加熱して、加熱時の各領域の温度を領域Ｂ＞領域Ａの関係にする。

本実施形態の継手２１によれば、中央界面１２から接合部２３の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域Ａの平均硬度を、剥離強度に優れる３５０〜４５０ＨＶの範囲とし、平行界面１１と中央界面１２との境界点Ｍから接合部２３の平面視中央側に向かう平行界面の延長線上の領域Ｂの平均硬度を、せん断強度に優れる４００〜５５０ＨＶの範囲とすることで、十字引張強度及び引張せん断強度の両方に優れた継手２１とすることができる。

（第２実施形態）
図８には、本発明の第２実施形態である継手を断面模式図で示す。図８に示す継手３１と、図６に示す継手２１との違いは、図８の継手３１において領域Ａの範囲を広げた点である。本実施形態における領域Ａは、中央界面１２によって囲まれ、かつ、中央界面１２から接合部３４の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上離れた領域とされている。そして、この領域Ａの平均硬度が３５０〜４５０ＨＶの範囲とされている。領域Ａを本実施形態のように設定することで、中央界面１２から比較的離れた箇所での硬度が３５０〜４５０ＨＶの範囲となり、これにより、応力が印加された場合の継手３１の変形が図６に示した例よりも抑制され、継手３１の接合強度をより高めることができる。

図８に示す継手の製造方法としては、以下に説明する方法のうちの何れかを採用するとよい。

摩擦攪拌点接合工程の後、ツールによって設けられた凹部２４を埋戻す前に、先に説明したように硬度調整を行い、その後に金属材料を充填する。充填する金属材料は、充填時の温度から冷却されて室温に至る間の平均硬さが３５０〜４５０ＨＶとなるように組成を調整したものとする。また、充填後の冷却速度を調整することで、埋め戻す金属材料の硬度を調整し、図８に示す継手を得る。

摩擦攪拌点接合工程中に、ツールを挿入した側とは反対側に、ツールによって突出した部分が形成された場合は、この突出した部分を押し戻すことにより凹部２４を埋め戻す。この場合の継手は、領域Ａ、Ｂの全体が硬化した状態にある。その後、ツールを挿入した側から継手を加熱し、更に焼戻しを行って硬さ分布を調整する。ツールを挿入した側から継手を加熱する方法としては、レーザ加熱、高周波加熱、高温物体を押し当てるなどの方法でよい。

摩擦攪拌点接合工程後に冷却を行って、接合部の硬度が好ましい範囲より高くなった場合は、例えば鋼板と同じ成分の金属溶湯を凹部２４に注入して充填し、冷却後、上方から加熱して、焼戻により硬さ調整する。金属溶湯の注入方法としては、消耗電極でのアーク溶接、フィラーを溶融させてプローブ孔を埋めるなどの手段がある。

凹部２４に金属溶湯を充填する際、領域Ａと領域Ｂで成分を調整し、冷却する。その後、全体を焼戻処理して硬さを調整する。領域Ａと領域Ｂで成分を調整するには、例えばＣ量のやや高いフィラーを領域Ｂに埋めて、Ｃ量のやや低いフィラーで領域Ａを埋めるといった方法を例示できる。

摩擦攪拌点接合工程に用いるツールとして、消耗式のツールを用い、接合後にツール材を凹部２４に充填し、冷却後、上方から加熱し、焼戻により硬さ調整する。

（第３実施形態）
図９には、本発明の第３実施形態である継手４１を断面模式図で示す。図９に示す継手４１と、図６に示す継手２１との違いは、図９の継手４１においてツール１０５によって設けられた凹部２４を残した点である。凹部２４は、一方の鋼板１を貫通し、他方の鋼板２を途中まで穿つ穴となっている。本実施形態によれば、凹部２４を埋める作業が軽減されるので、継手４１の生産性を向上させることができる。

（第４実施形態）
図１０には、本発明の第４実施形態である継手５１を断面模式図で示す。図１０に示す継手５１と、図８に示す継手３１との違いは、図１０の継手５１においてツール１０５によって設けられた凹部２４を残した点である。凹部２４は、一方の鋼板１を貫通し、他方の鋼板２を途中まで穿つ穴となっている。本実施形態によれば、凹部２４を埋める作業が軽減されるので、継手５１の生産性を向上させることができる。

（実施例１）
鋼板として、炭素量０．４５質量％のＪＩＳ Ｓ４５Ｃ材を用いて摩擦撹拌接合を行い、図１に示すような継手を製造した。継手の接合条件は、ツールの回転速度を７５０ｒｐｍとし、摩擦時間を２．３秒とし、加圧力を２９．４ｋＮとした。得られた継手に対して、加熱処理を行って、接合部近傍の硬度を調整した。領域Ａ、Ｂの平均硬度を求めたところ、領域Ａの平均硬度は３８０ＨＶであり、領域Ｂの平均硬度は４４０ＨＶであった。

（比較例１）
実施例と同じ鋼板を用いて摩擦撹拌接合を行い、図１に示すような継手を製造した。継手の接合条件は実施例と同じとした。硬度の調整は実施しなかった。得られた継手の領域Ａ、Ｂの平均硬度を求めたところ、領域Ａの平均硬度は６４０ＨＶであり、領域Ｂの平均硬度は５９０ＨＶであった。

（比較例２）
実施例と同じ鋼板を用いて摩擦撹拌接合を行い、図１に示すような継手を製造した。継手の接合条件は実施例と同じとした。得られた継手に対して、加熱処理を行って、接合部近傍の硬度を調整した。領域Ａ、Ｂの平均硬度を求めたところ、領域Ａの平均硬度は５３０ＨＶであり、領域Ｂの平均硬度は３９０ＨＶであった。

（評価）
実施例１及び比較例１、２の継手について、引張せん断試験及び十字引張試験をそれぞれ実施し、引張せん断強度（ＴＳＳ）及び十字引張強度（ＣＴＳ）をそれぞれ測定した。結果を下記表１に示す。

表１に示すように、接合部の硬度を調整し、領域Ａ及びＢの平均硬度が本発明の範囲にある実施例１は、接合部の硬度を調整しなかった比較例１に対して、引張せん断強度（ＴＳＳ）及び十字引張強度（ＣＴＳ）が大幅に向上していることがわかる。
一方、比較例２は、硬度を調整する際に加熱を過剰に行ったため、領域Ｂの硬度が発明範囲から外れてしまった。このため、剥離強度が大きく影響する十字引張強度（ＣＴＳ）では実施例とほぼ同程度であったが、せん断強度が影響する引張せん断強度（ＴＳＳ）では実施例に比べて大幅に低下した。

以上の実施形態では、摩擦撹拌点接合による継手について説明したが、本発明の対象は摩擦撹拌点接合による継手に限らない。例えば摩擦攪拌接合により金属板を重ね溶接した場合には、接合ツールの通過後に、ツールの押し込みによって形成された凹部２４には、前方から押し流された（塑性流動した）材料が充填されるため、接合終端部以外の位置における接合方向に直交する断面は、図６および図８と同様の、凹部２４がなく曲がった界面が存在する接合部となる。この場合にも上述した硬度の配置とすることで良好な継手を得る事ができる。

１…一方の鋼板、２…他方の鋼板、１０…界面、１１…平行界面、１２…中央界面、２１、３１，４１、５１…継手、２３…接合部、２４…凹部（穴）、Ａ…領域（中央界面から平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域）、Ｂ…領域（平行界面の延長線上の領域）。

Claims (4)

1. 一方の鋼板と他方の鋼板とが重ね合わされた接合部を備え、
   前記接合部には前記一方の鋼板と前記他方の鋼板との界面が存在し、前記界面は、前記接合部の断面において、前記一方の鋼板と他方の鋼板との境界の延長にある平行界面と、前記接合部の平面視中央に近づくに従って前記平行界面から前記一方の鋼板側に曲げられた中央界面とがあり、
   前記中央界面から前記接合部の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下離れた領域の平均硬度が３５０〜４５０ＨＶであり、
   前記平行界面と前記中央界面との境界点から前記接合部の平面視中央側に向かう前記平行界面の延長線上の平均硬度が４００〜５５０ＨＶである、継手。
2. 前記接合部の断面において、
   前記中央界面によって囲まれ、かつ、前記中央界面から前記接合部の平面視中央側に板面平行方向に０．０５ｍｍ以上離れた領域の平均硬度が３５０〜４５０ＨＶである、請求項１に記載の継手。
3. 前記一方の鋼板と前記他方の鋼板の少なくとも片方のＣ含有量が０．３質量％以上である請求項１又は請求項２に記載の継手。
4. 前記接合部の前記中央界面より平面視中央側には、前記一方の鋼板を貫通し、前記他方の鋼板を途中まで穿つ穴が存在する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の継手。