JPH09508073A - 摩擦攪拌溶接 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 摩擦攪拌溶接の改善された方法は、部材の表面に沿って垂直な力を形成された可塑性の材料に加え、可塑性の材料をプローブの後ろで凝固させる垂直な方向のプローブピンに沿って材料を同時に流出させることにより、近接の組み立てられる材料の縦方向の延長部材に垂直に可塑性の材料を強力に流出させることに基づいている。非消耗性のプローブ（１）はねじ状の表面構造を有した取替可能なピン（２４）を有する凹面の底面部分（２３）を備えており、二個以上の横方向に突き出たブレードを備えた好ましい実施態様から成る。

Description

【発明の詳細な説明】 摩擦攪拌溶接 本発明は（金属）部材を接合するための摩擦溶接法に関し、より詳細にはより 硬い材料から成るプローブと接合される部材との間で行う相対的な摩擦運動に基 づくいわゆる摩擦攪拌溶接に関している。本発明は更に摩擦溶接過程で使用され る改善された道具にも関している。 十分な量の熱を発生するため接合される物体に対し“摩擦”の原理に基づく摩 擦溶接、即ち近接表面内に可塑状態を作ることは周知であり数十年間使用されて いる。摩擦熱は接合される二つの成分により単独に発生する。しかし、これによ り生ずる溶接の継ぎ目は使用された該過程で多数の好ましくない事を受ける。摩 擦溶接の適応性をかなり制限する主な欠点は溶接される少なくとも一つの成分を 軸対称にする必要がある事である。従って、この種の過程は例えば縦方向に連結 した溶接を用意する事が必要な構造の応用に使用することができない。 この溶接を改善した溶接、いわゆる摩擦攪拌溶接はＷ０９３／１０９３５によ り知られている。処理されるワークよりも硬い材料のプローブ（サードボディ） が溶接過程で使用されている。摩擦攪拌溶接は該プローブと該ワークとの間で相 対的に周期的に動かし、該プローブとワークを一緒にし発生した摩擦熱によりワ ーク領域内に可塑性の領域を作り、該相対的な周期運動を止め、該可塑性の材料 を凝固させる事に基づいている。このように 、接合されるワーク間の相対的な動きによっては熱は発生しない。この方法は種 々のワーク材料（プラスチック、金属）、応用（クラック、シーリング、接合の 修理）及び使用されたプローブの実施態様の幾つかの例により説明されている。 前述の開示された方法と装置は押し出し成形された構造を重要な応用に用いる 構造内に接合するため使用する時、構造体の部品に対するボイド及び特有な冶金 的なボンディングのない完全性の高い溶接に対する要望と、重なった配置で溶接 を行う要求のいずれも満たすことができない。 溶接金属に特有な圧密を与えるため、プローブの底面部分（肩）は接合される 部材の表面と密接な接触を有し全ての溶接動作（前進運動）の間保持する必要が ある。この前進運動の間該肩が一時的に該表面から“離れる”ならば、追い出さ れた材料の後ろの空間を満たすために利用できる材料が無いので少量の可塑性の 溶接材料は溶接内にボイドを発生させるプローブの後で追い出される。 更に従来の技術から知られている“スムースな”溶接プローブを使用する事に 関係した他の制限がある、即ち速度の遅い溶接が材料に十分な摩擦熱を与え（プ ローブと接合される部材の間の接触時間）、可塑性の溶接材料が十分に流れる様 にするため必要である。 それ故、本発明の目的はボイドの無い完全性の高い溶 接を行いスムースな特質の表面を示す改善された摩擦攪拌溶接法を提示する事で ある。 更に本発明の目的は現在知られている摩擦攪拌突き合わせ溶接法を改善し、重 ね溶接と三個以上の構成部品の接合構造を与える事である。 本発明の更に他の目的は縮小した加熱領域を示す溶接継ぎ目を均質にする新し いタイプのプローブを与える事である。 前述及びその他の目的は本発明に従い添付した請求項１から７に記載の摩擦攪 拌溶接法及び装置（プローブ）をそれぞれ与える事により実現される。 本発明の他の目的及び特別な特徴及び利点は添付した図１から図５に関する好 ましい実施態様に対する以下の詳細な記載により明らかになる。 図１は本発明に使用された溶接装置／過程の概略の斜視図であり、 図２は二つの成分からなるプローブの構造の拡大断面（部分）図であり、 図３は新奇な摩擦攪拌溶接の概略の原理的な特徴を示しており、 図４は溶接と回転速度とプローブ上に加えられた圧力の間の最適な関係を図示 しており、 図５ａから図５ｅは種々のタイプの溶接継ぎ目の断片的で概略的な斜視図であ る。 図、特に図１に関連し、例えばエンジン（図示してい ない）である動力源に接続される上側部分２２とセパレートピン２４が取り付け られた下側部分２３とを有した回転円筒体２を備えた非消耗プローブ１は二つの 台じり毎に配置された部材（金属プレート）３及び４を接合（溶接）するために ある。適当な摩擦熱を与えるため圧力を加え回転しながら部材３と４の間にプロ ーブ１を挿入することにより、バットシーム溶接５が台じりの配置された部材に 沿って遷移運動する間継続的に行われている。 本発明に基づきプローブの底面部分２３（肩）と加えられたピン２４の外側の 形状（構造）の複合的な二つの部分からなるプローブ１の特別に発明された構造 は図２により詳細に示しており、回転円筒体２の底面部分２３は凹面の表面を有 しており、ピン２４の外側の表面は縦軸に沿って交互に出っ張りとへこみのある 部分を備えている。 例え外側のピンの表面の上に従来のねじ山を適用し溶接の品質を改善する場合 でも、該プローブピンの好ましい実施態様においては該表面構造には図に示す様 に垂直に配置されピンの中央部分から横方向に突き出た二つ以上の分離したブレ ード２５を都合よく備えている。 この新奇なタイプのピンにより与えられる溶接継ぎ目の微細構造は材料の乱れ が最小である接合材料の噛み合わせ可塑性セグメントから成る音響接合を示して いる。 従来の周知のプローブであるモノリシックタイプに比 較して分離したプローブピンを備えた応用プローブ１の複合的な設計には幾つか の利点がある。一番目に該道具（プローブ）はピン挿入の深さを調整し、その過 程を柔軟にすることが出来る。二番目に該ピンの部分は種々の道具のユニット部 （肩／ホルダー）の間で容易に取り替えることができ、種々の厚さの壁を有する 部材の溶接に適している。 摩擦攪拌溶接の該新しい道具及び改善された過程の発明上の特徴は図３に示す プローブ及び溶接動作の概略的な図から容易に理解でき、Ｗは溶接される部材の 厚さを、ωは溶接の速度を、Ｒは凹形のプローブの形の曲率半径を、Ｆは該プロ ーブに加えられた下方の力（圧力）を、ｒ_sはプローブの肩の半径を、ｔは溶接 された材料の中に入る肩の“アンダーカット”を示している。 前述のピン２４のねじ構造（図示していない）を有した溶接表面に垂直な関係 に対し若干傾きを示したプローブ１の凹形の底を有する表面２３により、可塑性 の材料は溶接領域内で垂直方向及び横方向に動かされ、溶接の側面を通る種々の レベルの間で金属が変形される。プローブの形が凹形であることにより材料の垂 直な流れ／遷移により生ずる部材の表面に一定の非対称な圧力が与えられる。ピ ンの外側の構造により材料の水平方向の動きと一体であることにより高品質でボ イドの無い継ぎ目が得られる。 図４は滑らかな表面を有し音響ボイドの無い溶接を行 う種々の回転速度におけるプローブに加えられた下向きの圧力Ｆ／π（ｒ_s）²、 Ｎ／ｍｍ²と実際の溶接速度ω（ｍｍ／ｍｉｎ）の間の最適な関係を概略的に示 している。最適な圧力／溶接速度の実際の値は幾つかのファクタ、例えば接合部 材の材料（Ａｌ−合金）、肩の形状等により左右される。 種々の直径を有したプローブで行った幾つかの溶接の試行により、接合部材の 実際の壁の厚さに関係したプローブの肩の直径を少なくすることは溶接速度を増 加させる可能性の他に、得られた接合／継ぎ目の品質に有益な効果を有している ことが示されている。 このように、合金６０８２．５０の３ｍｍの厚さの平らな押し出しの接合に適 用されるプローブの肩の直径を２０ｍｍから１５ｍｍに、更に１０ｍｍに減少さ せることにより、縮小されたＨＡＺ（加熱領域）を示し高品質な穴無し溶接を実 現する溶接速度を０．３ｍ／ｍｉｎから０．８ｍ／ｍｉｎに増加することができ た。これは熱の入力が減少したことと、溶接速度を増加させるため形成された継 ぎ目の近くに向かい中心を合わせることと、歪みの無い溶接構造体に生じプロー ブの上に加えられる下向きの力が減少したことを組み合わせた結果である。 プローブの肩の半径（ｒ_s）と溶接された部材の壁の厚さＷの間の最適な関係 を定める簡単な式は次の様になる： ５（Ｗ／２）≧ｒ_s≧（Ｗ／２） プローブの材料は接合されるワーク／部材より硬い。典型的にはアルミニウム （合金）に応用する場合、該材料は上昇した温度で良好な強度を示し、例えば熱 間加工スチール、高速スチール又はサーメット材料を使用することができる。 図５ａから図５ｅは本発明による方法及びプローブにより与えられる種々のタ イプの溶接の断片的な斜視図を概略的に示している。 図５ａは従来の突き合わせ溶接を示しており、図５ｂは二つの部材の間のＴ型 組立接続を示しており、図５ｃは重ね溶接継ぎ目である。図５ｄは三つの部材を 組み立てたＴ型組立の他の形を示しており、最後に図５ｅは互いに垂直な平面に 配置された二つの部材の間の角溶接を図示している。 このように本発明による新奇で改善された道具のタイプを応用することにより 摩擦熱を十分発生しながら溶接の速度を増すことができる。この効果は溶接材料 の単位体積当りの接触／加熱時間が増えたこと、及び溶接ラインに沿って発生し た熱の局所化が進んだことにより得られている。更に、より本質的な鍛造力（圧 力）が溶接プローブを動かす時材料に加えられる。前述の効果を最適に組み合わ せると溶接全体の断面を通してポロシテーを示さない均質な溶接により冶金的及 び機械的特性の両方に関し高品質の溶接が得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ (72)発明者 サンドヴィク アンデルス ノルウェー国，5474 スクジョルド，ヴェ ストレ（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 特に押し出し成形組立構造を接合するためであり、組み立てられる部材を互 いに向くようにして固定する段階と、摩擦熱を発生する回転運動のもとで接合部 材の材料より硬い材料のプローブを接合ラインに沿って組み立てられる部材に差 し込む段階と、それにより近接部材の材料に可塑領域を作る段階からなる部材の 摩擦攪拌溶接法であって、更に部材の表面に沿って垂直な力を形成された可塑性 の材料に加え、可塑性の材料をプローブの後ろで凝固させる垂直な方向のプロー ブピンに沿って材料を同時に流出させることにより、近接の組み立てられる部材 の縦方向の延長部材に垂直に可塑性の材料を強力に流出させて形成された溶接の 継ぎ目を均質にすることを特徴とする摩擦攪拌溶接法。 ２ プローブの底面部分（２３）が溶接表面に対し垂直から若干傾斜して接合さ れる部材の近接表面と係合していることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３ プローブピン（２４）の外側構造により溶接領域を通り可塑性の材料が垂直 及び横方向に流出することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。 ４ 二個以上の部材がＴ型の溶接接合をなすように溶接されることを特徴とする 前記の請求項のいずれか１つに記載の方法。 ５ 形成された溶接の継ぎ目が重なり溶接接合であることを特徴とする請求項１ から３のいずれか１つに記載の 方法。 ６ 形成された溶接の継ぎ目が実質的に互いにいかなる角度でも配置された二つ の部材を接続する角の溶接であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１ つに記載の方法。 ７ 動力源に接続された上側部分（２２）とピン（２４）を備えた底面部分（２ ３）を有し、回転しほぼ円筒形の本体（２）を備えた部材の攪拌摩擦溶接用非消 耗プローブ（１）であって、該プローブの底面部分（２３）が凹面を有しており 、取り付けられたピン（２４）がねじ状の表面構造を示すプローブの取り替え可 能な部分であることを特徴とする攪拌摩擦用非消耗プローブ。 ８ ピンがピンの中央部分から横方向に突き出ており垂直に配置されたブレード の組を少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項７に記載のプローブ。