JP2002028792A - 熱溶接における改善 - Google Patents

熱溶接における改善

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JP2002028792A
JP2002028792A JP2001136259A JP2001136259A JP2002028792A JP 2002028792 A JP2002028792 A JP 2002028792A JP 2001136259 A JP2001136259 A JP 2001136259A JP 2001136259 A JP2001136259 A JP 2001136259A JP 2002028792 A JP2002028792 A JP 2002028792A
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Jacek Tadeusz Gabzdyl
ジャセック・タデウスズ・ガブズディル
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    • 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
    • B23K20/122—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 using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/123—Controlling or monitoring the welding process
    • B23K20/1235—Controlling or monitoring the welding process with temperature control during joining
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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱溶接における改善 【解決手段】 少なくとも１つのジェットの形である冷
却剤を、加熱溶接帯で、もしくはそれに隣接して適用す
る工程を含む、少なくとも２つの金属ワークピースを摩
擦スティア溶接する方法。摩擦スティア溶接プロセスに
おいて、溶接すべき２つのプレート以外のシャンク、本
体、肩およびピンを含んでなる工具が使用される。ピン
を、接合される２つのプレートの上に降ろす。ピンの回
転が、金属を、それが軟化するまで加熱する。これで、
肩は、大きな容積の金属を加熱し始める。最後には、十
分な金属が十分柔らかくなり、ピンが金属プレートを通
過できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱溶接プロセスに
関し、特に熱溶接プロセス中にワークピースを冷却する
方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】金属ワークピースの熱
溶接中、合格溶接部を生じるためには高熱入力が必要と
される。しかし、この高熱入力は、有意なレベルの溶接
されるワークピースの変形を生じ得るという欠点を有す
る。
【０００３】アーク溶接プロセス中に強制冷却をもたら
すためにガスを使用することは、既知である。しかし、
冷却ガスを使用する結果は、ガス流の冷却能力が比較的
低いので、限られている。
【０００４】ワークピース、比較的軟質金属ならびにア
ルミニウムなどの合金および特に変形および引張強さ減
少が起こりやすいアルミニウム合金のワークピースの熱
変形なしで、高品質溶接部を急速に製造するために、ア
ーク溶接（すなわち、融接）プロセスに強制冷却をもた
らす目的で、冷却剤、特に液体冷却剤、および固体二酸
化炭素を使用してきた。そのような冷却を用いる融接溶
接プロセスは、例えば、ＧＢ−Ａ−１５５２６６０；Ｇ
Ｂ−Ａ−０７６４３３６；ＷＯ−Ａ−９５／２３６６
９；ＣＮ−Ａ−１１１０２０６；ＪＰ−Ａ−０４−０２
８８９９１；ＪＰ−Ａ−０２−００５２１７３；ＪＰ−
Ａ−６０−００３３８８１；ＪＰ−Ａ−６０−００１８
２９２；ＪＰ−Ａ−５２−００７６２４３およびＳＵ−
Ａ−４１４０６６に記載されている。
【０００５】極低温冷却液のそのような使用の欠陥は、
溶接アークを妨害する傾向があり、したがって、溶接プ
ロセスを崩壊させる傾向があることである。したがっ
て、上に引用した先行文献は、２つのワークピースを接
合するときに応力および歪みのない溶接部の確実かつ急
速な形成の問題を解決しない。
【０００６】摩擦スティア溶接（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓ
ｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）は、電気アーク溶接に対する
代替溶接プロセスである。摩擦スティア溶接の例は、Ｗ
Ｏ−Ａ−９５／２６２５４、ＵＳ−Ａ−５４６０３１７
およびＵＳ−Ａ−５８１３５９２に開示されている。し
かし、２つのワークピースを摩擦スティア溶接により接
合するときに、応力および歪みのない溶接部を確実かつ
急速に形成することにおいて、やはり困難が生じる。
【０００７】摩擦スティア溶接プロセスにおいて、溶接
すべき２つのプレート以外のシャンク（ｓｈａｎｋ）、
本体（時には冷却ひれ付き）、肩およびピンを含んでな
る工具が使用される。広範囲におよぶ種々の異なる工具
設計がある。工具は、通常工具スチールから作られ、特
別なコーティングを有してもよい。工具は、本質におい
てフライス盤であるものに挿入される。ピンを、接合さ
れる２つのプレートの上に降ろす。ピンの回転が、金属
を、それが軟化するまで加熱する。この時に、ピンを、
肩が金属プレートと接触するように、下方に押す。肩
は、工具がピンにより置き換えられた可塑化金属を配置
するように、くぼんだ輪郭を有する。これで、肩は、大
きな容積の金属を加熱し始める。最後には、十分な金属
が十分柔らかくなり、ピンが金属プレートを通過できる
ようにする。ピンは、それを囲む可塑性金属を攪拌し、
したがって２つのプレートを接合する。ついで、プロセ
スは、金属が可塑化されるように金属を加熱するピンお
よび肩、ならびに金属プレートを攪拌して合わせるピン
で続行する。
【０００８】摩擦スティア溶接プロセスの別の態様とし
て、ブレードを溶接すべき２つのプレートの間に挿入
し、そのブレードを往復運動させながら溶接すべき２つ
のプレートの間を移動し、発生して摩擦熱により２つの
プレートを溶接する。摩擦スティア溶接は、他の方法で
あっても良い。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なく
とも２つの金属ワークピースを摩擦スティア溶接（ｆｒ
ｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）する方法
は、少なくとも１つの冷却剤噴射を、加熱溶接帯で、も
しくはそれに隣接して適用する工程を含む。
【００１０】冷却剤は、液体冷却剤、例えば、液体窒素
もしくは液体アルゴンの形であり得る。代替的かつ好ま
しくは、冷却剤は、固体二酸化炭素であり得る。好まし
くは、冷却剤は、複数のノズルを通して溶接帯に適用さ
れる。
【００１１】摩擦スティア溶接（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓ
ｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）において、必要な熱は、攪拌
ピンの作動により内部で発生する。金属の融接はなく、
ワークピースの少なくとも１つが可塑化される。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の実施態様を、下記図面を
参照して実施例により記載する。図１を参照すると、突
合せ溶接される２つの金属プレート１、２が、図示され
るように並べて配置され、攪拌溶接ピン４が、２つのプ
レートの境を接する表面に配置される。溶接ピン４は、
本質的に既知の方法で活性化され、その回転の結果、２
つの金属プレートの接合点に沿った溶接帯に熱を発生す
る。ＷＯ−Ａ−９５／２６２５４、ＵＳ−Ａ−５４６０
３１７およびＵＳ−Ａ−５８１３５９２に開示される摩
擦スティア溶接および装置はいずれも、この目的で使用
することができる。同時に、冷却剤を、２つの噴射６、
７の形で溶接帯に適用し、それぞれがノズル８、９を通
過する。
【００１３】冷却剤は、液体冷却剤、例えば、液体窒素
もしくは液体アルゴンの形であり得る。代替的に、冷却
剤は、固体二酸化炭素もしくは固体二酸化炭素と液体冷
却剤との混合物であり得る。
【００１４】溶接される金属部材を冷却するために冷却
剤を使用することにより、下記効果が観察されることが
わかった。 ａ）変形レベルの減少もしくは制御； ｂ）引張応力の減少； ｃ）溶接帯に近い感熱部材の保護； ｄ）熱の結果による化学的崩壊の作用の減少； ｅ）冶金学特性の制御（すなわち、結晶粒成長の制
御）； ｆ）より急速な冷却、それにより従来の方法よりも速く
溶接後のワークピースの取り扱いを可能とする。この利
点は、溶接作業場の総合的生産性における増大を可能と
する；および ｇ）アーク溶接プロセスの場合と違って、溶接プロセス
を妨害する冷却液になんら問題が生じない。
【００１５】冷却剤の選択は、プロセスおよび溶接され
る金属プレートの材料次第である。冷却剤が適用される
冷却および場所の量は、所望の効果を達成するために厳
重に制御される。これは、冷却剤を溶接されるワークピ
ースの表面に指向されたノズル（単数もしくは複数）を
通して適用することにより、達成される。ノズルの大き
さおよび配置は、冷却噴射の位置および配向同様、冷却
フットプリントを制御するための決定的な要因である。
【００１６】
【実施例】図面の図２を参照し、それぞれ６．３５ｍｍ
厚さの２つのアルミニウム合金プレート２０の突合せ接
合部を、摩擦スティア溶接工具２２を用いて摩擦スティ
ア溶接により作った。固体二酸化炭素粒子の噴射を、ノ
ズル２４から溶接部の上面に適用した。二酸化炭素の適
用の点を、およそ２０ｍｍだけ溶接点をトレールするよ
う設置した。ノズル２４の先端と溶接部との間の垂直の
離れた距離は、２０ｍｍだった。ノズル２４は、１ｍｍ
の直径を有していた。固体二酸化炭素粒子の噴射は、従
来のようにして形成された（例えば、二酸化炭素の加圧
液体流を、その源（図示せず）から、ノズル２４を通し
てソレノイドバルブ２６により流すことにより）。二酸
化炭素を、１．５ｋｇ／分の速度および２２バールの供
給圧で供給した。摩擦スティア溶接工具２２を、１分に
つき３５５回転数の速度で回転させ、１分につき９５．
２ｍｍ移動させた。
【００１７】仕上げ溶接部を通して縦になされた中性子
散乱法による残留応力測定は、明らかに中央溶接帯にお
ける応力に対する極低温冷却の有利な効果を示す。図３
は、本発明による極低温冷却あり、およびなしで作られ
た溶接試料間の相違を示す。図３は、溶接帯における引
張応力の実質的減少を示す。さらに、冷却は、現実にこ
の領域で圧縮応力を造った。そのような圧縮応力の創造
は、当業界では非常に望ましい特徴と認識される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により突合せ溶接される２つの金属プ
レートの略図である。
【図２】 本発明による方法で使用される突合せ溶接装
置の模式斜視図である。
【図３】 摩擦スティア溶接法により作られた溶接部に
おける縦残留引張応力減少において、本発明による方法
の効果を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャセック・タデウスズ・ガブズディル イギリス国ジーユー16・５ティーアール, サリー，フリムリー，コーチ・ハウス・ク ローズ，バジャーズ Ｆターム(参考） 4E067 AA05 BG00 BG06

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つの噴射の形である冷却剤
    を、加熱溶接帯で、もしくはそれに隣接して適用する工
    程を含む、少なくとも２つの金属ワークピースを摩擦ス
    ティア溶接する方法。
  2. 【請求項２】 冷却剤が液体冷却剤である、請求項１に
    記載の方法。
  3. 【請求項３】 液体冷却剤が窒素である、請求項２に記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 液体冷却剤がアルゴンである、請求項２
    に記載の方法。
  5. 【請求項５】 冷却剤が固体二酸化炭素である、請求項
    １に記載の方法。
  6. 【請求項６】 冷却剤が固体二酸化炭素および液体冷却
    剤の混合物である、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 ワークピースがアルミニウムもしくはア
    ルミニウム合金からできている、請求項１〜６のいずれ
    か１つに記載の方法。
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