特許 7211507 接合継手および接合継手の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-16

(45)【発行日】2023-01-24

(54)【発明の名称】接合継手および接合継手の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20230117BHJP

【ＦＩ】

B23K20/12 Z

B23K20/12 D

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021526851

(86)(22)【出願日】2020-06-17

(86)【国際出願番号】 JP2020023837

(87)【国際公開番号】W WO2020256030

(87)【国際公開日】2020-12-24

【審査請求日】2021-11-29

(31)【優先権主張番号】P 2019112004

(32)【優先日】2019-06-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100187702

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 律生

(74)【代理人】

【識別番号】100162204

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 学

(74)【代理人】

【識別番号】100195213

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 健治

(72)【発明者】

【氏名】松井 翔

(72)【発明者】

【氏名】吉永 千智

(72)【発明者】

【氏名】児玉 真二

【審査官】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１６６０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０００－５１０７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１２５２９７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

Ｂ２１Ｊ １５／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸部を有する鋼材と、鋼板とが、摩擦圧接により接合された接合継手であって、
前記鋼板は、前記鋼材の前記軸部との接合部の端部において、マルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織を有する、接合継手。

【請求項2】

ＨＡＺ軟化部を有する、請求項１に記載の接合継手。

【請求項3】

前記鋼板が炭素を０．１５質量％以上含有する、請求項１又は２に記載の接合継手。

【請求項4】

前記鋼板の上面に、樹脂板および金属板のうちの少なくとも１枚の板材が重ね合わされており、
前記鋼材の前記軸部は、前記板材を貫通して前記鋼板と摩擦圧接により接合されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の接合継手。

【請求項5】

前記鋼材は、前記接合部とは反対側の端部に、前記軸部よりも断面径が大きい頭部を有しており、
前記板材は、前記鋼板と前記鋼材の前記頭部とによって挟持されている、請求項４に記載の接合継手。

【請求項6】

前記鋼板の引張強度が５００ＭＰａ以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載の接合継手。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか一項の接合継手の製造方法であって、
前記製造方法は、前記鋼材を回転させながら前記鋼板の上面に押圧する摩擦圧接工程を含み、
前記摩擦圧接工程は、前記鋼材を前記鋼板の上面に押圧するときの加圧力Ｆ（ｋＮ）および回転数Ｒ（ｒｐｍ）が、以下の式（１）～式（３）を満たす、接合継手の製造方法。
Ｆ≧０．４５×Ｄ²－０．５ ・・・（１）
Ｄ＜１２のとき、Ｒ≧３６０００／Ｄ－１０００ ・・・（２）
Ｄ≧１２のとき、Ｒ≧２０００ ・・・（３）
上記式（１）～式（３）中のＤは、前記軸部が円柱の場合は、前記軸部の垂直断面である円の直径（ｍｍ）、前記軸部が多角柱の場合は、前記軸部の垂直断面である多角形の最小包含円の直径（ｍｍ）を表す。

【請求項8】

前記鋼板の引張強度が５００ＭＰａ以上である、請求項７に記載の接合継手の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、摩擦圧接接合により接合された接合継手に関する。

【背景技術】

【0002】

複数枚の金属板を接合する手段として、重ね合わされた複数枚の金属板を、リベットなどの接続部材を用いて接合する技術が知られている。
特に近年では、重ね合わされた上板と下板に対して、接続部材を回転させながら上板の上面に押圧し、上板を貫通させて、接続部材と下板とを摩擦圧接する接合技術などが検討されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、アルミニウム板と鋼板のような強度の異なる２枚の板材を、リベット等の接合要素（すなわち、頭部および軸部を有する接続部材）を用いて、摩擦圧接のプロセスにより接合する技術が開示されている。具体的には、次のようなプロセスを経て、強度の異なる２枚の板材を接合する技術が開示されている。
すなわち、２枚の板材を、強度の低い方の板材を上板にして重ね合わせ、上板の上面に、ホルダーに支持された接続部材をセットし、接続部材を回転させながら下方に移動させて、上板の内部に向けて押圧する。このとき、接続部材と上板との間には、接続部材の回転によって強い摩擦が生じ、接続部材の先端部が加熱されるため、上板が軟化して、接続部材が上板内に進入することが可能となる。
このようにして、回転しながら上板内に進入する接続部材の先端部が、下板の上面に到達すると、接続部材の軸部と下板との間で摩擦圧接のプロセスが進行し、接続部材の軸部と下板が摩擦圧接される。これにより、接続部材と下板が摩擦圧接部（接合部）で接合されるとともに、上板が接続部材の頭部と下板との間で固定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－６２７４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような特許文献１の技術に限らず、鋼製の丸棒を鋼板に摩擦圧接する技術(摩擦スタッド)などによって形成された接合継手においては、特に高い炭素量の鋼板（例えば、引張強度が９８０ＭＰａを超える高強度の鋼板等）を用いると、摩擦圧接部（接合部）の強度が低下してしまい、結果的に接合継手としての継手強度も低下してしまうという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、摩擦圧接接合により接合された接合継手に関し、継手強度に優れた接合継手を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明者らは、摩擦圧接によって接合された接合継手の継手強度が低下する原因について詳細に調べたところ、鋼板が塑性変形することで形成される鋼板の接合部近傍（接合部の端部）の金属組織が、図１に示すように、硬質相（主にマルテンサイト相Ｐ_M）と、該硬質相よりも柔らかい軟質相（主にフェライト相Ｐ_F）とからなる二相の不均一な金属組織（以下、単に「二相組織」と称する。）となっていて、その二相組織の硬質相と軟質相の界面に局所的なひずみが集中しやすく、延性破壊を引き起こしやすくなっていると考えられた。
そこで、本発明者らは、鋼板における接合部の端部の金属組織を所定の均質な組織とすることで、局所的なひずみ集中がなくなり接合継手としての継手強度が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。
ここで、接合部の端部とは、鋼板の表面と塑性変形した鋼板が成す角部を指す（図１（ａ）、図３（ａ）の符号Ｘ₁で示す部分）。また、接合部の端部の金属組織とは、上記鋼板の表面の延長線上における接合部の端部から３０μｍ内側の鋼板内の金属組織を指す（図１（ａ）、図３（ａ）の符号Ｘ₂で示す部分）。

【0008】

本発明の具体的な態様は、以下のとおりである。

【0009】

［１］軸部を有する鋼材と、鋼板とが、摩擦圧接により接合された接合継手であって、前記鋼板は、前記鋼材の前記軸部との接合部の端部において、マルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織を有する、接合継手。

【0010】

［２］ＨＡＺ軟化部を有する、前記［１］の接合継手。

【0011】

［３］前記鋼板が炭素を０．１５質量％以上含有する、前記［１］又は［２］の接合継手。

【0012】

［４］前記鋼板の上面に、樹脂板および金属板のうちの少なくとも１枚の板材が重ね合わされており、前記鋼材の前記軸部は、前記板材を貫通して前記鋼板と摩擦圧接により接合されている、前記［１］～［３］のいずれかの接合継手。

【0013】

［５］前記鋼材は、前記接合部とは反対側の端部に、前記軸部よりも断面径が大きい頭部を有しており、前記板材は、前記鋼板と前記鋼材の前記頭部とによって挟持されている、前記［４］の接合継手。

【0014】

［６］前記鋼板の引張強度が５００ＭＰａ以上である、前記［１］～［５］のいずれかの接合継手。

【0015】

［７］前記［１］～［６］のいずれかの製造方法であって、前記製造方法は、前記鋼材を回転させながら前記鋼板の上面に押圧する摩擦圧接工程を含み、前記摩擦圧接工程は、前記鋼材を前記鋼板の上面に押圧するときの加圧力Ｆ（ｋＮ）および回転数Ｒ（ｒｐｍ）が、以下の式（１）～式（３）を満たす、接合継手の製造方法。
Ｆ≧０．４５×Ｄ²－０．５ ・・・（１）
Ｄ＜１２のとき、Ｒ≧３６０００／Ｄ－１０００ ・・・（２）
Ｄ≧１２のとき、Ｒ≧２０００ ・・・（３）
上記式（１）～式（３）中のＤは、前記軸部が円柱の場合は、前記軸部の垂直断面である円の直径（ｍｍ）、前記軸部が多角柱の場合は、前記軸部の垂直断面である多角形の最小包含円の直径（ｍｍ）を表す。

【0016】

［８］前記鋼板の引張強度が５００ＭＰａ以上である、請求項７に記載の接合継手の製造方法。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、摩擦圧接接合により接合された接合継手に関し、継手強度に優れた接合継手を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、従来の摩擦圧接によって接合された接合継手１０’を示す図であり、図１（ａ）は、従来の接合継手１０’の接合部Ｐおよびその近傍部分の断面図であり、図１（ｂ）は、従来の接合継手１０’における接合部Ｐの端部（図１（ａ）の符号Ｘ₂で示す部分）の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。

【図2】本発明の一実施形態に係る接合継手１０の製造方法を説明するための模式図であり、図２（ａ）は、鋼材１と鋼板２が接合を開始する前の状態であり、図２（ｂ）は、鋼材１を回転させながら下方に移動させて、鋼板２を加圧した状態である。

【図3】図３は、本発明の一実施形態に係る接合継手１０を示す図であり、図３（ａ）は、接合継手１０の接合部Ｐおよびその近傍部分の断面図であり、図３（ｂ）は、接合継手１０における接合部Ｐの端部（図３（ａ）の符号Ｘ₂で示す部分）の金属組織を示す電子顕微鏡写真である。

【図4】図４は、本発明の別の実施形態に係る接合継手を説明するための模式図であり、図４（ａ）は、板材３（上板）を貫通した鋼材１と鋼板２（下板）とを摩擦圧接により接合してなる接合継手１０Ａを示す図であり、図４（ｂ）は、板材３Ｂ（上板）の貫通孔３１を貫通したリベット状の鋼材１Ｂと鋼板２（下板）とを摩擦圧接により接合してなる接合継手１０Ｂを示す図である。

【図5】図５は、本発明の接合継手に用い得る鋼材の例として、軸部の下方側先端部が円錐形状である場合の鋼材を模式的に示す断面図である。

【図6】図６は、本発明の接合継手に用い得る鋼材の他の例として、軸部の下方側先端部が球面形状である場合の鋼材を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の接合継手の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0020】

［接合継手］
図３（ａ）に示すように、本発明の一実施形態に係る接合継手１０は、円柱状の軸部を有する丸棒状の鋼材１と、鋼板２とによって構成されており、鋼材１の軸部の下方側先端部（底面）と鋼板２とが、摩擦圧接により接合されている。

【0021】

そして、接合継手１０の鋼板２は、図３（ｂ）に示すように、鋼材１の軸部の下方側先端部と鋼板２との接合部Ｐの端部において、マルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織を有している。
このように、本実施形態の接合継手１０は、鋼板２における接合部Ｐの端部の金属組織が、マルテンサイト面積率８０％以上の金属組織、すなわち軟質相と硬質相の界面への局所的なひずみ集中が生じにくい均質なマルテンサイトＰ_Mから成る金属組織であるため、優れた継手強度を発揮することができる。
なお、接合継手１０は、上述のマルテンサイトＰ_Mの均質な金属組織によって、高い継手強度が得られるだけでなく、継手強度のばらつきも少なくすることができる。

【0022】

マルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織は、２０％以下の面積率であれば残留オーステナイト等のマルテンサイトＰ_M以外の相を含み得る。また、接合部の端部の金属組織は、マルテンサイトＰ_Mの面積率が９０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがより好ましい。マルテンサイトＰ_Mの面積率が９０％以上、更には９５％以上であれば、より安定して高い継手強度を得ることができる。

【0023】

なお、鋼板における接合部の端部のマルテンサイト面積率８０％以上の金属組織は、接合継手の接合部を板厚方向に沿って切断し、その切断面を研磨してエッチングした後、その表面を走査型電子顕微鏡で拡大観察することにより、確認することができる。エッチング後の表面を拡大観察するに当たっては、鋼板の表面の延長線上における接合部の端部から３０μｍ内側の鋼板内の位置（すなわち、図１（ａ）、図３（ａ）の符号Ｘ₂で示す部分）を中心にして、２０μｍ×２０μｍ以上の広さの観察視野で拡大観察する。

【0024】

このようなマルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織は、鋼材と鋼板とを後述する所定の加圧力および回転数条件下で摩擦圧接することにより、鋼板の母材組織（具体的には、接合部の端部の組織）を、オーステナイト変態を経てマルテンサイト変態させることで得ることができる。
また、このようなマルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織は、鋼材と鋼板の摩擦圧接後に、継手全体を加熱・急冷（焼入れ）することでも得ることができる。

【0025】

しかしながら、継手全体の加熱・急冷は、接合の熱履歴を受けていない母材部まで焼入れされてしまい、母材がもつ特性が損なわれてしまうので好ましくない。したがって、継手全体の加熱・急冷によって母材の特性が広域にわたって損なわれていないという観点からＨＡＺ軟化部が存在している方が好ましい。

【0026】

継手全体が加熱・急冷されていないことは、接合時に生じるＨＡＺ軟化部の有無を確認することで確かめることができる。ＨＡＺ軟化部は接合時の入熱によって焼戻され、熱の影響を受けていない母材部よりも硬さが低い領域のことを指す。したがって、摩擦圧接後に継手全体を加熱・急冷した場合、ＨＡＺ軟化部も焼入れされ、ＨＡＺ軟化部がなくなる。ＨＡＺ軟化部の有無は鋼板の摩擦圧接されている面から板厚方向に０．２ｍｍ深い位置において、母材部から摩擦圧接部中心までの硬さ分布を測定することで確認することができる。この時の測定荷重は例えば２００ｇとし、測定間隔は０．２ｍｍとする。この測定した硬度分布において母材部から摩擦圧接部中心に近づくにつれて硬さが小さくなった後、摩擦圧接により焼入れされた高硬度な領域が見られた場合、ＨＡＺ軟化部が存在していると判断でき、同時に継手全体の加熱・急冷による焼入れが行われていないと判断できる。

【0027】

マルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織を得るためには、鋼板が炭素を０．１５質量％以上含有することが好ましい。炭素の含有量は０．２０質量％以上がより好ましく、０．２５質量％以上がさらに好ましい。

【0028】

［接合継手の製造方法］
本発明の接合継手は、例えば、以下のような摩擦圧接工程を含む製造方法により得ることができる。
なお、かかる製造方法の説明に当たっては、上記実施形態の接合継手１０の製造方法を例示的に用いる。

【0029】

（摩擦圧接工程）
図２に示すように、鋼材１を回転させながら下方側に移動させて、鋼材１の軸部の下方側先端部を鋼板２の上面に接触させる。このとき、鋼材１の軸部の下方側先端部が鋼板２の上面に接触した後に、鋼材１の回転速度と加圧力を調整することで、鋼材１と鋼板２との間に摩擦熱を発生させることができ、鋼材１の軸部の下方側先端部と鋼板２とが摩擦圧接される。

【0030】

この摩擦圧接工程における各種条件に関し、本発明者らは、種々の成分の鋼板について種々の加圧力、回転数および鋼材の半径を変えて実験し、得られた結果を回帰式で表現した。
すなわち、摩擦圧接工程においては、鋼材１を鋼板２の上面に押圧するときの加圧力Ｆ（ｋＮ）および回転数Ｒ（ｒｐｍ）は、以下の式（１）～式（３）を満たすものを採用する。
Ｆ≧０．４５×Ｄ²－０．５ ・・・（１）
Ｄ＜１２のとき、Ｒ≧３６０００／Ｄ－１０００ ・・・（２）
Ｄ≧１２のとき、Ｒ≧２０００ ・・・（３）
上記式（１）～式（３）中のＤは、鋼材１の軸部が円柱の場合は、軸部の垂直断面である円の直径（ｍｍ）、軸部が多角柱の場合は、軸部の垂直断面である多角形の最小包含円の直径（ｍｍ）を表す。

【0031】

この摩擦圧接工程において、鋼材１と鋼板２とを、上記式（１）～式（３）を満たす特定の加圧力および回転数で摩擦圧接することにより、鋼板２への入熱が上昇し、鋼材１の軸部と鋼板２との間に摩擦圧接部（接合部Ｐ）が形成されるとともに、鋼板２における接合部Ｐの端部の組織が、オーステナイト変態を経てマルテンサイト変態し、上述のマルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織が形成される。
このようにして、図３（ａ）に示すような、鋼材１と鋼板２とが接合部Ｐを介して接合された接合継手１０が得られる。

【0032】

なお、上記加圧力および回転数は、鋼材が丸棒状以外の形態（例えば、リベット状等の形態）でも同様である。
また、後述するように接合継手が上板として板材を含む場合も、上記と同様にして鋼材を上記式（１）～式（３）を満たす特定の加圧力および回転数で回転させながら鋼板に押圧することで、同様の接合継手を得ることができる。

【0033】

なお、加圧力Ｆの上限値としては、特に限定されないが、加圧力が高いと設備が大型化してしまうので、５００ｋＮ以下であることが好ましい。
また、回転数Ｒの上限値としては、特に限定されないが、高加圧力の条件では回転数を上げることが難しいとの理由から、Ｄ＜１２のときは１５０００ｒｐｍ以下、Ｄ≧１２のときは５０００ｒｐｍ以下であることが好ましい。

【0034】

以下、本発明の接合継手に用いられる各種構成部材について説明する。

【0035】

［鋼材］
上述の実施形態の接合継手１０では、鋼材として、円柱状の軸部を有する丸棒状の鋼材１が例示的に用いられているが、本発明において、鋼材の形態はこのようなものに限定されない。例えば、鋼材の軸部の形状としては、円柱、および角柱等が挙げられる。なお、摩擦圧接を安定して行うためには、鋼材の軸部の形状は円柱または五角形以上の正多角柱であることが好ましい。
したがって、鋼材としては、例えば、円柱状または多角柱状の軸部を有する棒状の鋼材、あるいは、円柱状または多角柱状の軸部と、該軸部の上方側端部に設けられた、該軸部よりも断面径が大きい頭部と、を有するリベット状の鋼材などを用いてもよい。
つまり鋼材は、当分野において一般的に接続部材として使用されている丸棒やリベットなどを採用することができ、例えば、上述の特許文献１などに開示されている中実構造または中空構造のものを採用することができる。

【0036】

なお、後述する図４（ｂ）に示す本発明の別の実施形態に係る接合継手１０Ｂでは、鋼材としてリベット状の鋼材１Ｂが用いられている。この接合継手１０Ｂにおいては、リベット状の鋼材１Ｂが、接合部Ｐから延びる軸部１１と、該軸部１１の上方側端部に位置し、該軸部１１よりも断面径が大きい頭部１２と、を有しているため、上板として配置された板材３Ｂを、鋼材１Ｂの頭部１２と鋼板２（下板）によって挟持して、より強固に固定することができ、また、鋼材１Ｂと鋼板２との摩擦圧接部（接合部Ｐ）の継手強度も優れることから、板材３Ｂと鋼板２の接合継手としてより優れた継手強度を発揮することができる。

【0037】

このようなリベット状の鋼材を用いる場合、頭部の直径は、軸部の直径の１．５倍以上であることが好ましく、また、軸部の長さは、鋼板（下板）との圧接のしやすさなどの点から、板材（上板）の板厚（上板が複数枚ある場合は、その総板厚）の１．５倍以上であることが好ましい。ここで、軸部および頭部の直径は、軸部の延びる方向に対して直交する平面方向の断面形状が、円形の場合はその直径を意味し、多角形の場合はその最小包含円の直径を意味する。
なお、鋼材の軸部の直径としては、例えば２０ｍｍ未満の直径が挙げられ、好ましくは３．０ｍｍ～８．０ｍｍの直径が挙げられる。

【0038】

また、鋼材の材質については、鋼であればその種類や強度などは特に限定されない。

【0039】

［鋼板］
上述の実施形態の接合継手１０では、鋼板として平板状の鋼板２が用いられている。
鋼板としては、鋼材と摩擦圧接し得る鋼板であれば特に限定されないが、上板として板材を用いる場合は、当該板材の引張強度以上の引張強度を有する鋼板を用いることが好ましい。

【0040】

鋼板の具体的な強度は、特に限定されず、例えば５００ＭＰａ以上の引張強度が挙げられるが、引張強度が９８０ＭＰａを超える高強度の鋼板（高炭素量の鋼板）を用いた場合は、継手強度が低下しやすいため、本発明はこのような高強度の鋼板を用いる場合に、特に有利である。
なお、鋼板の引張強度は、１１８０ＭＰａ以上であることが好ましい。

【0041】

鋼板の引張強度については、鋼板において摩擦圧接接合による熱影響を受けていない箇所から例えばＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に準拠して引張試験を行い測定する。接合部や部材形状の都合でＪＩＳ５号引張試験片が採取できない場合は、各種規格に定められている鋼板の引張試験片形状を採用してもよい。また、各種規格に定められている引張試験片が採取できない場合は、摩擦圧接接合による熱影響を受けていない箇所の断面における、鋼板表面から板厚を４で割った値分だけ深い位置におけるビッカース硬さを測定し、３．２７倍した値を鋼板の引張強度（単位：ＭＰａ）として代用してもよい。

【0042】

また、鋼板としては、めっき鋼板や塗装鋼板などの表面処理鋼板を用いてもよい。
なお、鋼板の構造は、少なくとも接合対象部分が板状の構造を有していればよく、鋼板全体が板状の構造を有していなくてもよい。

【0043】

［板材］
図４（ａ）および（ｂ）に示す本発明の別の実施形態に係る接合継手１０Ａ、１０Ｂでは、鋼板２（下板）の上面に上板として板材３、３Ｂが重ね合わされており、丸棒状の鋼材１の軸部やリベット状の鋼材１Ｂの軸部１１が板材３、３Ｂを貫通して、鋼板２と摩擦圧接により接合されている。なお、図４（ｂ）に示す接合継手１０Ｂにおいては、板材３Ｂは、リベット状の鋼材１Ｂの頭部１２と鋼板２とによって挟持されている。
このように、鋼板の上面に重ね合わされる板材（上板）は、鋼材（具体的には、鋼材の軸部）が貫通して鋼板と摩擦圧接し得るものを用いることができ、例えば、樹脂板や金属板などを用いることができる。ここで、金属板としては、例えば、アルミニウム板やアルミニウム合金板等の軽金属板、鋼板などが挙げられる。樹脂板としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどに加え、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）などの複合材料が挙げられる。
なお、このような板材は、同種または異種の板材を複数枚重ね合わせて用いることもできる。

【0044】

本発明の接合継手は、このような多種多様の板材（上板）を含むものであっても、鋼材と鋼板（下板）の摩擦圧接部（接合部）の継手強度が優れることから、板材（上板）と鋼板（下板）の継手として優れた継手強度を発揮することができる。

【0045】

なお、板材（上板）として鋼板を用いる場合は、鋼材と、下板となる鋼板との摩擦圧接をより確実に行わせるために、下板となる鋼板よりも引張強度が低い鋼板を上板に用いることが好ましい。

【0046】

また、この板材においても、少なくとも接合対象部分が板状の構造を有していればよく、板材全体が板状の構造を有していなくてもよい。

【0047】

さらに、板材は、接合強度や接合精度などの点から、鋼材が貫通する予定の箇所に貫通孔を有していてもよい。なお、板材が複数枚の場合は、すべての板材がこのような貫通孔を有していてもよく、一部の板材のみが貫通孔を有していてもよい。

【0048】

板材に貫通孔を設ける場合、当該貫通孔の直径は、摩擦圧接の際に鋼材の軸部が貫通できれば、鋼材の軸部の直径よりも大きくても、小さくてもよい。

【0049】

［別の実施形態］
以下、上述の実施形態の接合継手１０とは鋼材や板材の態様が異なる、本発明の別の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、接合継手１０と異なる構成以外の構成は、基本的に接合継手１０と同様であるため、説明を省略する。

【0050】

図４（ａ）に示す実施形態では、接合継手１０Ａは、円柱状の軸部のみからなる丸棒状の鋼材１と、鋼板２（下板）と、アルミニウム板からなる板材３（上板）とによって構成されている。
この接合継手１０Ａは、鋼板２の上面に板材３が重ね合わされて、その上方側から丸棒状の鋼材１が板材３を貫通して、鋼材１の下方側先端部（底面）と鋼板２とが摩擦圧接により接合されている。
なお、この接合継手１０Ａにおいては、丸棒状の鋼材１が頭部を有していないため、板材３は、丸棒状の鋼材１と鋼板２との間に挟持されていない。

【0051】

さらに、図４（ｂ）に示す実施形態では、接合継手１０Ｂは、円柱状の軸部１１および当該軸部１１よりも断面径が大きい頭部１２を有するリベット状の鋼材１Ｂと、鋼板２（下板）と、鋼材１Ｂの軸部１１が貫通する箇所に、軸部１１よりも小さい直径を有する貫通孔３１が設けられた板材３Ｂ（上板）と、によって構成されている。
この接合継手１０Ｂは、鋼板２の上面に板材３Ｂが重ね合わされて、その上方側からリベット状の鋼材１Ｂの軸部１１が板材３Ｂの貫通孔３１内を貫通して、鋼材１Ｂの軸部１１の下方側先端部（底面）と鋼板２とが摩擦圧接により接合されている。

【0052】

これらの実施形態の接合継手１０Ａ、１０Ｂにおいても、鋼板２が、丸棒状の鋼材１の軸部やリベット状の鋼材１Ｂの軸部１１と鋼板２との接合部Ｐの端部において、マルテンサイト面積率が８０％以上の金属組織を有しているため、上述の接合継手１０と同様に局所的なひずみ集中が抑制され、優れた継手強度を発揮することができる。

【0053】

また、本発明においては、鋼材の軸部先端部が、円錐形状や角錐形状を有していてもよく、あるいは、球面形状のような曲面を有していてもよい。ここで、図５は、本発明の接合継手に用い得る鋼材の例として、軸部の下方側先端部が円錐形状である場合の鋼材を模式的に示し、図６は、鋼材の他の例として、軸部の下方側先端部が球面形状である場合の鋼材を模式的に示す。
なお、鋼材の軸部先端部がこのような立体形状（すなわち、円錐形状や角錐形状、球面形状などの形状）を有している場合、当該立体形状の頂点１４の位置は、図５および図６に示すように、軸部の中心軸線１３上にあることが望ましい。頂点１４の位置が軸部の中心軸線１３上にあると、安定して摩擦熱を発生させることができ、摩擦圧接が行いやすくなる。

【0054】

なお、本発明の接合継手は、上述した各実施形態や後述する実施例等に制限されることなく、本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜組み合わせや代替、変更等が可能である。

【実施例】

【0055】

以下、本発明例および比較例を例示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこのような発明例のみに限定されるものではない。

【0056】

鋼材として、直径が４．０ｍｍ～６．０ｍｍの範囲で異なる鋼製の丸棒(いずれも長さ７ｍｍ、引張強度１０００ＭＰａ)を用い、鋼板として炭素量が０．３５質量％（引張強度１５００ＭＰａ）の鋼板もしくは炭素量が０．１４質量％（引張強度１０００ＭＰａ）の鋼板（いずれの鋼板も板厚１．６ｍｍ）を用いて、摩擦圧接により鋼材と鋼板とを接合し、本発明例１～５および比較例１～６の接合継手を作製した。
ただし本発明例４では、接合後の前記接合継手に対し加熱・急冷（焼入れ）を行った。具体的には、継手全体を９００℃に加熱して３００秒保持した後、急冷を行った。

【0057】

さらに、作製した本発明例１～５および比較例１～６の接合継手を用いて、鋼板における接合部の端部の金属組織と継手強度との関係について検証した。
なお、摩擦圧接の際の加圧力および回転数は、下記の表１に示すとおりであり、摩擦圧接の際の押込み量は、いずれも２．５ｍｍである。

【0058】

接合部の端部の金属組織は、接合継手の接合部およびその近傍部分を切断して、その切断面を研磨、エッチングした後の表面を、走査型電子顕微鏡で拡大観察することにより確認した。
また、接合継手の継手強度は、接合した丸棒を鋼板から垂直方向に引っ張ることで接合部を破断させた際の最大荷重（ｋＮ）を測定した。
丸棒（鋼材の軸部）の直径、摩擦圧接時の加圧力および回転数、接合部の端部の金属組織、ならびに継手強度の測定結果は、以下の表１に示すとおりである。

【0059】

また、接合継手におけるＨＡＺ軟化部の有無を、鋼板の摩擦圧接されている面から板厚方向に０．２ｍｍ深い位置において、母材部から摩擦圧接部中心までの硬さ分布を測定することで確認した。
ＨＡＺ軟化部の有無、および鋼板の炭素量（質量％）は、以下の表２に示すとおりである。

【0060】

【表1】

【0061】

【表2】

【0062】

表１に示すように、鋼板の接合部の端部がマルテンサイト面積率８０％以上の金属組織である本発明例の接合継手においては、いずれも優れた継手強度を有しているのに対し、鋼板の接合部の端部がマルテンサイト面積率の低い金属組織である比較例の接合継手においては、いずれも継手強度が著しく低いことがわかった。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明によれば、摩擦圧接接合により接合された接合継手において、優れた継手強度を発揮することができるため、例えば、自動車の車体部品や建築物の構造体などの様々な構造部品の製造に適用することが可能である。
したがって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。

【符号の説明】

【0064】

１ 鋼材
２ 鋼板
３ 板材
Ｐ 接合部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】