JP2004504158A

JP2004504158A - 摩擦攪拌溶接の方法

Info

Publication number: JP2004504158A
Application number: JP2002513644A
Authority: JP
Inventors: シェグルマン，ゲルハルト; パルム，フランク; レーサー，クラウス
Original assignee: エーアーデーエス・ドイッチェランド・ゲゼルシャフト　ミット　ベシュレンクテル　ハフツング
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: CN1216714C; ES2233683T3; CA2414915C; DE10035332C1; EP1301308B1; JP5058424B2; US6772935B2; RU2270083C2; WO2002007923A1; CN1441710A; US20030111515A1; DE50105074D1; EP1301308A1; CA2414915A1

Abstract

本発明の課題は、摩擦攪拌溶接の方法であって、酸素親和力の高い合金を溶接することおよび／またはこれを高い可塑化エネルギーによって行うことが可能であり、溶接箇所からの熱流出を良好に制御できるような方法を得ることである。この課題は本発明では次のようにして解決する。すなわち、ピン・ツール（１）に付随走行する冷却リング（２）により、溶接箇所の後続領域、およびピン・ツール（１）に隣接する側面領域に場所を限定して、冷却液を吹き付ける。それに加えてピン・ツールに付随走行するガス・ノズル（３）から、ピン・ツール（１）、および冷却リング（２）から流出する冷却水に対して、前方から冷却ガスを吹き付ける。（図１）

Description

【０００１】
本発明は請求項１のプリアンブルに記載の摩擦攪拌溶接の方法に関する。
【０００２】
摩擦攪拌溶接プロセス（ＦＳＷ（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）プロセス）の際に結合される材料の冷却は、公知の方法で、この溶接動作を完全に水中で実行することによって行われる。この方法では、特にＡｌ／Ｍｇ合金は、酸素親和力が強いこと、および冷却水に酸素が含まれることにより、良好な品質で溶接できないという欠点がある。さらに冷却水は、この冷却技術の場合、プロセスからあまりにも多くの熱を奪うので、接合される材料の十分な可塑化が得られない。したがって材料の移動が不十分なため、溶接継ぎ目にたとえば細孔といった欠陥が生じることがあり、技術的に完璧な溶接継ぎ目の生成がこの欠陥によって妨げられる。
【０００３】
しかしＡｌ／Ｍｇ合金の冷却摩擦攪拌溶接の可能性は、特に、たとえば航空機製造の際に行われるような大面積金属板の接合では、経済的に重要性が大きいであろう。
【０００４】
公知の方法のもう１つの欠点として、冷却せずにプロセスを行うと強いひずみを生じ、溶接された対象物に後処理を行う結果となることがある。
【０００５】
本発明の課題は、酸素親和力の高い合金の溶接および／または高い可塑化エネルギーの生成が可能であり、溶接箇所からの熱流出が良好に制御できるような摩擦攪拌溶接の方法を得ることである。
【０００６】
この課題は本発明の請求項１の諸特徴によって解決される。本発明の発展形を従属請求項に記載した。本方法を実施する装置を請求項６に記載した。
【０００７】
本発明による解決法は、有利な方法としてガス冷却と水冷却の組合せを使用する。ここではピン・ツールへの水供給を、ピン・ツールの後続領域と側面領域に限定し、溶接箇所がまだ閉じていないピン・ツール前面に生じる可能性のある水膜形成を、前方から作用するガス流によって防止する。
【０００８】
この場合、本発明による解決法は、溶接継ぎ目の特定の位置に限定されず、水平な溶接継ぎ目の生成にも応用できる。
【０００９】
ガス冷却と水冷却を組み合わせれば、さらにガス流と水流をたがいに適合させることによって、溶接箇所からの熱流出を良好に制御することができる。そして溶接継ぎ目における強度を目的に合わせて設定し、通常なら熱影響域（ＷＥＺ（ＨＡＺ／Ｈｅａｔ−ＡｆｆｅｃｔｅｄＺｏｎｅ））に生じる強度低下（局所強度低下）の軽減も可能である。これは、プロセスに熱が必要なところには熱を加え、プロセスに熱が有害なところでは熱を排出させることによって行う。
【００１０】
本発明による冷却のもう１つの利点は、レーザ光線、アーク放電または火炎による加熱を先行して行い、これと摩擦攪拌溶接を組み合わせることができることである。これは水槽で冷却する場合には不可能なことである。
【００１１】
加工困難な材料に対しても、本発明による冷却を行う摩擦攪拌溶接プロセスと、先行して行われるレーザ光線溶接プロセスとからなる、組合せ溶接プロセスを行うことができる。
【００１２】
下記に図面を用いて本発明の１つの実施形態をさらに詳しく説明する。
【００１３】
図１に示す摩擦攪拌溶接の方法では、前進方向に付随走行する冷却リング２が水を用いて、前進方向に付随走行するガス・ノズル３が空気を用いて、ピン・ツール１を冷却する。
【００１４】
ピン・ツール１はそのピン４を、該ピン４の縦軸５を中心とする回転−回転矢印６−および被溶接部品７への押圧により、被溶接部品７の表面に押し込まれ、回転を維持しながら、溶接継ぎ目に沿って方向矢印１１の方向に動かされる。ピン・ツール１の縦軸５は、前進方向に対して垂直線から若干後方に傾いている。
【００１５】
ピン・ツール１の上記の運動と縦軸５の傾斜は、摩擦攪拌溶接の知られている方法の特徴である。
【００１６】
冷却リング２とガス・ノズル３は、調節可能な保持具を介して、ピン・ツール１の前送りキャリッジに固く連結されている。図１では図を単純化するため、この前送りキャリッジと保持具の図示を省いている。
【００１７】
ピン・ツール１の後続領域および隣接する側面領域では、付随走行する冷却リング２から冷却水が、方向矢印８で示すように流出する。付随走行するガス・ノズル３は、方向矢印９で示すように前方から、ピン・ツール１と、冷却リング２から流出する冷却水とに対して冷却空気を吹き出す。
【００１８】
冷却水に対する冷却空気の吹き付けは、冷却効果を得られるだけでなく、次のような効果も持つ。すなわち冷却水は、後方に傾くピン・ツール１と被溶接部品７との間のくさび状の空隙１０に毛管作用で侵入することが防止され、したがって本発明による解決法の基礎となる目的、溶接箇所の摩砕および加熱された材料が冷却水に触れないようにするという目的がサポートされる。この方法により、摩砕された溶接材料が水中の酸素によって腐食するのを防止できる。
【００１９】
図２は冷却リング２の下面図であって、被溶接部品７からリング面を見た図である。このリング面には冷却水が流出する個々のノズル１２が配置されている。冷却水はホース１３を経由して冷却リング２に供給される。
【００２０】
この実施形態では冷却リング２は、たとえばピン・ツール１を囲む、閉じたリングとしては形成されず、ガス・ノズル３に向かってＵ字形に開いている。したがって前方から流れて来る冷却空気は、冷却リング２によって妨げられることなくピン・ツール１に流れることができる。
【００２１】
冷却水ノズル１１の配置は冷却リングの後方領域に限られているので、ピン・ツールの後続領域と側面領域だけが冷却水を加えられる。
【００２２】
図３に示されている略図は、摩擦攪拌溶接の際の材料域であって、熱機械変形域（ＴＭＺ／ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙｄｅｆｏｒｍｅｄＺｏｎｅ）１４、熱影響域（ＷＥＺ）１５および母材１６からなる。溶接継ぎ目が冷めてからも、溶接継ぎ目両側の熱影響域には、通常は望ましからざる強度低下が残る。
【００２３】
合金ＡＡ６０１３−Ｔ４およびＡＡ６０１３−Ｔ６から成る金属板に本発明による解決法を適用したところ、この強度低下を明らかに軽減することができた。前記金属板厚さは４ｍｍであった。ピン・ツール１における回転数の前進速度に対する比は３．５回転／ｍｍであったが、これは必要に応じて約１回転／ｍｍ〜約１０回転／ｍｍの間で変化させることができる。
【００２４】
先行して行われるレーザ光線加熱を摩擦攪拌溶接と組み合わせることは、水槽中で従来型の冷却を行う場合は不可能だったであろう。しかし本発明による摩擦攪拌溶接と組み合わせれば、摩擦攪拌溶接の際に摩擦によって生じる熱は、レーザ光線加熱によってさらに目的に合わせて強化される。これにより溶接箇所の加熱を、最適な溶接継ぎ目が得られるように設定することができる。そのために、レーザ光源を前進方向手前で、たとえば約２〜３ｃｍのある一定の間隔で、このピン・ツールに堅く連結して配置する。
【００２５】
上記のレーザ光線加熱で述べたのと同じ配置を、先行して行われるレーザ光線溶接プロセスと本発明による摩擦攪拌溶接との組合せの場合に行う。ここでは加熱のためのレーザ光源の代わりに溶接のためのレーザ光源を、ピン・ツールと堅く連結する。この場合先行するレーザ光線溶接プロセスにより第１の溶接継ぎ目を生じ、その上に、後続の摩擦攪拌溶接プロセスにより第２の溶接継ぎ目を生じる。
【００２６】
冷却水と冷却空気を上記のように使用する代わりに、本発明による冷却リング２とガス・ノズル３とにより、冷却用の異なる含水冷却水及び異なるガスを使用することができる。そのためには、溶接技術において公知のすべての冷却液と保護ガス又は不活性ガスが考慮の対象となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による摩擦攪拌溶接の方法を示す図である。
【図２】
水冷却のための冷却リングの下面図である。
【図３】
摩擦攪拌溶接の際の異なった材料域の略図である。

Claims

液体冷却を利用する摩擦攪拌溶接法において、ピン・ツール（１）に付随走行する冷却リング（２）により、溶接箇所の後続領域、およびピン・ツール（１）に隣接する側面領域に場所を限定して、冷却液を吹き付けること、およびそれに加えてピン・ツールに付随走行するガス・ノズル（３）から、ピン・ツール（１）、および冷却リング（２）から流出する冷却水に対して、前方から冷却ガスを吹き付けることを特徴とする摩擦攪拌溶接法。
冷却液として水を、冷却ガスとして空気を使用することを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌溶接法。
Ａｌ／Ｍｇ金属板を溶接するとき、ピン・ツール（１）における回転数と前進速度の比の数値が、約１回転／ｍｍ〜約１０回転／ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の摩擦攪拌溶接法。
摩擦攪拌溶接を、ピン・ツール（１）に先行して行われるレーザ光線加熱と組み合わせることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌溶接法。
摩擦攪拌溶接を、ピン・ツール（１）に先行して行われるレーザ光線溶接プロセスと組み合わせることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦攪拌溶接法。
ガス冷却と液体冷却を組み合わせて行う、請求項１に記載の摩擦攪拌溶接法を行う装置において、付随走行する冷却リング（２）がピン・ツール（１）を囲むこと、および冷却液が冷却リング（２）の複数のノズル（１２）から流出し、このノズルを冷却リング上に配置するにあたっては、冷却液の流出が、ピン・ツール（１）の後続領域、およびピン・ツール（１）に隣接する側面領域に場所を限定して行われるように配置することを特徴とする装置。
冷却リング（２）は前方を開いた状態とし、したがってガス・ノズル（３）が妨げられることなく、前方からピン・ツール（１）に冷却ガスを吹き付けることができることを特徴とする、請求項６に記載の装置。