JP2005534499A - 高分子化合物封止剤を伴った摩擦攪拌溶接等による表面同士の溶接方法ならびに溶接構造物 - Google Patents

Abstract

航空機部品等の組立体（１０）は、例えば摩擦攪拌溶接法（ＦＳＷ）の利用によって、補強部材（１４）と部品（１２）の表皮の内側面との間に重ね合わせ接合部を形成するように、溶接接合部を伴って形成される。モノマー封止剤または接着剤等の封止剤層（２４）は、接合されるべき二面に塗布され、その場所で、フッ素エラストマーコーティング等の、部品（１２）をその溶接部（１６、１８）における腐食から保護するための、エラストマー密着面封止を形成すべく、摩擦工程の高温によって固化される。固化のための付加的な熱は、レーザ（３０）または誘導加熱器（３２）等によって付与される。

Description

本発明は、概して溶接接合部用の表面封止剤に関し、特に、航空機建造において用いられる摩擦攪拌溶接（friction stir welding: FSW）接合部用の高分子密着面封止剤に関する。

重ね合わせ接合部等の溶接接合部は、金属部品同士を接合するために用いられる。重ね合わせ接合部は、材料同士の重ね合わせ部において一またはそれ以上の溶接を用いて、重ね合わせ面同士を接合するために用いられる。重ね合わせ接合部によって組み合わされた結合部または溶接部に隣接した接合された金属の各片の表面は「密着（fay）」面と呼ばれるが、この表面同士は、溶接またはその他の結合手段による接合が完全ではないこと多く、ポリ硫化物またはポリチオエーテル等の組み合わされた面に接合に先立って塗布される従来の密着面封止剤によって腐食から保護されることが多い。このような密着面封止剤はまた、密着面間の摩擦、振動等による機械的および形状的問題を解消すべく用いられ得る。

密着面封止剤は、密着面間に残存するおよび／または毛細管作用によってもたらされる可能性のある湿気、水分を減少させることによって大きい部分の腐食を防止または減少するために、溶接において用いれる。従来の密着面封止剤は、溶接部の特性を低下させる可能性があり、使用中の振動同様に材料の溶接および加工に関係する熱的および機械的反応によって劣化することが多い。溶接部内の密着面の腐食は、検査によって検出することが非常に困難であることが多い。

一般に、溶接技術は、金属同士や合金同士を結合するために、高温を利用する。摩擦攪拌溶接（FSW）は、溶接技術の一つであり、ここでは、摩擦によって材料を加熱および軟化させるべく、回転工具の型部が接合されるべき材料にあてがわれる。この工具は、接合部に突き刺さると共に、材料同士を攪拌する回転ピンを含んでいる。固体接合部は、フィラーやシールドガスを添加することなく、製造される。摩擦攪拌溶接は、例えば横梁やその他の支持材を航空機の表皮面に溶接する等、航空機建造において有利に用いられる。従来のＦＳＷの溶接プロセスは、密着面封止材として溶接の最中およびその後に溶接接合部を覆う抗腐食材料の一領域に適用される。この技術の一例は、Martin等による米国特許第6,045,028号に開示されている。航空機におけるＦＳＷ溶接部内の密着面の腐食は、航空機構造の強度低下の原因となるにも拘わらず、検査によって検出することが非常に困難であるため、非常に危険な状態である。

必要とされることは、例えば飛行機や飛行機の部品の製造等の用途のための改善された耐腐食性を有するＦＳＷ溶接部部品用の新規な密着面封止材技術である。

第１の態様において、本溶接方法は、互いに溶接されるべき表面間にシーラントを位置付ける工程と、これら表面の少なくとも一部同士を溶接してこの表面間でシーラントを固化する工程とを含んでいる。

他の態様において、本溶接構造は、第１の部材と、第１の部材に溶接される第２の部材と、溶接によって第１および第２の部材間で固化される密着面封止剤とを含んでいる。

図１を参照して、この航空機または類似の構造の一部の側断面図は、アルミニウム、スチール、チタン、または合金の表面１２と「Ｌ」字形のアルミニウム、スチール、チタニウム、または合金の支持部材１４等の横梁との間の重ね合わせ接合部１０を示している。重ね合わせ接合部は、模式的なＦＳＷ溶接結合ライン１６、１８、および２０として概略的に示された一またはそれ以上の溶接位置において、ＦＳＷまたはその他の既知の溶接技術によって形成されている。これら結合ラインは、紙面に垂直に延びており、支持部材１４および／または表面１２に対するＦＳＷ溶接工具２２の回転によって形成されている。工具２２の回転は、接合されるべき材料を加熱および溶融する摩擦と、接合部を形成すべく可塑化材料の機械的溶融とを引き起こす。このプロセスからの高温は、封止剤および／または接着剤モノマー層を重合し得、この層は、固化されたときに腐食防止層である密着面封止剤層２４を形成する。

モノマー層は、好ましくは、結合された組立部品の使用目的に適しているだけではなくＦＳＷ溶接プロセスにも適した特性を有している。例えば、モノマー層は、重要領域に塗布、固化することが容易であると共に、溶接によって発生した高温によっても実質的にはダメージを受けないべきである。固化されたとき、封止剤層２４は、例えば毛細管作用による湿気、水分の浸入に抗することにより、接合部の密着面の耐腐食性を奏するべきである。封止剤層２４の特に有効な密着面封止剤材料は、互いに隣接する支持部材１４の密着表面２６と表面１２の密着面２８との間に耐腐食シールドを創造すべく、固化されたときにフッ素エラストマー重合体（fluoro elastomeric polymer）を形成する層の塗布によって形成される。多くの用途において、封止剤層２４の範囲を密着面２６、２８を超えるまで拡大することが好ましいであろう。

重ね合わせ接合部１０は、次のプロセスによって形成される。表皮１２および支持部材１４の表面がＦＳＷ溶接すべく正常に用意され、この後、溶接される表面に塗布すべく封止剤層２４が用意される。ある特に有効なポリマー密着面封止剤は、Pelseal Technologies, LLC of Newtown, PAから入手可能なフッ素エラストマー重合体接着剤PLV 2100の使用によって形成可能である。PLV-2100は、PLV-2100ベース材を２５〜２７重量部に対して硬化促進剤＃４を１重量部の割合で混合される２液式接着剤であり、促進剤はベース材に加えられてから約５分間よく混合される。吹き付け塗布のために、混合されたコーティング剤は、メチルイソブチルケトン（methyl isobutyl ketone: MIBK）またはメチルイソブチルケトン（methyl ethyl ketone: MEK）が重量比１：１で加えられることによって希釈されてもよい。混合物内に大量の空気が混入することを回避することが好ましく、また、混合物からのガス抜きを塗布に先立って１０分間行うことが好ましい。他の好ましいと考えられる材料としては、Pelseal PLV 6032およびThermodyne THP-2000がある。

付加的な表面処理が、本開示のプロセスに併用されてもよい。仮に、装置部品がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、接合部の耐腐食性の向上が望まれる場合には、既存の化成コーティングが、少なくとも溶接されるべき表面に表面封止剤の塗布前に塗布されてもよい。

混合物は、塗布器２９としての硬質ゴムローラ、ブラシ、もしくは好ましくはHPLV吹き付け器によって、補強部材１４の密着面２６および／または表皮１２の密着面２８に塗布されてもよい。接着剤としての封止剤層２４の適当な乾燥前の膜厚は、およそ０．０００５〜０．０１００インチであり、好ましくは、受容し難い溶接部が創られる可能性のある溶接工程中のＦＳＷ工具２２の潜り込みの原因などとなる問題を回避すべく、０．００１〜０．００５インチである。混合物の塗布後、支持部材１４の密着面２６は表皮１２の密着面２８に対して、好ましくは約２０分間以内、クランプされてもよい。もしも、２０分間で固化が完了しなかった場合には、ＭＩＢＫまたはＭＥＫの細かい霧の噴霧によって表面を、コーティング後最長１時間、再び湿らせることが好ましいであろう。この後、それでも固化が完了しなかった場合には、新しいコーティングの塗布がなされることが好ましいであろう。

PLV 2100フッ素エラストマー接着剤は、およそ７５°Ｆ±１０°Ｆ、およそ２４時間で固化されるであろう。ＦＳＷ溶接接合ライン１６、１８、および／または２４を形成するための回転するＦＳＷ工具２２のあてがいは、ポリマー封止剤接着剤がより迅速に固化されるために必要な高温を創り出すことにも働く。ＦＳＷ工具２２と溶接箇所ライン１６、１８、または２４との間の回転接触による摩擦によって発生する熱に加えて、固化時間の短縮のために、ＦＳＷ溶接プロセスに先立ってか、あるいは、このプロセスの一部として、付加的な加熱が、レーザ支援ＦＳＷ（laser-assisted FSW: LAFSW）として知られているプロセスにおけるレーザ３０の利用もしくは誘導ヒータ３２等のヒータの利用によって、行われてもよい。ポリマー密着面封止剤層２４を備えた接合部１０を形成するＦＳＷ溶接後、この封止剤は、非溶接面付近への下塗り等の他の加工を可能にすべく、約４時間の時程範囲内で十分に固化されてもよい。

さて、図２、３、および４を参照して、接合されるべき多様な補強部材と表皮とが図示されており、これらは溶接工程によって固化される封止剤の使用によって改善され得る。図２において、「Ｚ」字形の補給材１５は、ＦＳＷもしくは重ね合わせ接合または他の既知の溶接技術による同様のプロセスと、密着面封止剤層２４を形成すべく固化される好適な接着剤または封止剤の塗布とによって、接合部１６、１８、または２０で表面１２に溶接可能である。

図３を参照して、航空機の翼組立体３４の断面図が示されており、ここでは、補強部材３６が適当な重合化された密着面封止剤２４を形成すべく封止剤そうを固化する溶接工程によって適当な表面に接合される。

図４を参照して、航空機の一般的構造３８の断面図が示されており、ここでは、Ｚ字形の補強部材３７が適当な重合化された密着面封止剤２４を形成すべく封止剤そうを固化する溶接工程によって適当な表面に接合される。

PLV 2100フッ素エラストマー接着剤が密着面封止剤層２４を形成するために塗布されるのに適した材料として使用されたが、固化されても耐腐食性能を持つ層を形成するための溶接工程による加熱によってダメージを受けることがない他の適当な材料が用いられてもよい。フッ素エラストマーは、この目的に特に有効であり、Dupont/Dow社から入手可能なVitonブランド材料を含む。

ＦＳＷ溶接技術は、溶接工程によって固化される密着面封止剤によって保護可能な溶接接合部を製造するために特に有効であるけれども、他の溶接技術が用いられてもよい。同様に、重ね合わせ接合部に加えて、隅肉（フィレット）および密着面または非接接合面領域を製造可能な他のあらゆる接合も、溶接工程によって固化される密着面封止剤によって保護可能である。溶接工程によって少なくとも一部が固化される密着面封止剤の使用は、航空機やその部分組立体（サブアセンブリ）の製造において特に有効であり、他の多くの組立体も加熱硬化密着面封止剤の使用によって恩恵を被るであろう。

金属表面間の重ね合わせ接合部を含む航空機または類似の構造の一部の側断面図であり、耐腐食性を改善するための高分子密着面封止剤と共に模式的なＦＳＷ溶接結合ラインを示す。 図１の構造の側断面図であり、表面に溶接されると共に高分子密着面封止剤によって保護された代替補強部材を示す。 高分子密着面封止材を伴う飛行機翼および補強部材の典型例の断面図である。 高分子密着面封止材を伴う一般的な航空機構造および補強部材の典型例の断面図である。

Claims (11)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金表面間の摩擦攪拌溶接がなされる位置に、封止剤を配する工程と、前記封止剤として、摩擦攪拌溶接中に達する温度においても実質的にダメージを受けないものが選択され、
   前記封止剤が前記表面間で固化するように該封止剤を介して、該表面の少なくとも一部同士を摩擦攪拌溶接する工程とを有することを特徴とする摩擦攪拌溶接方法。
2. 前記面同士を溶接する前に前記封止剤を部分的に固化する工程をさらに有する請求項１に記載の摩擦攪拌溶接方法。
3. 前記封止剤は、接着剤であり、前記方法はさらに、
   摩擦攪拌溶接の前に前記面同士をクランプする工程と、
   溶接前に前記封止剤を部分的に固化する工程とを有する請求項１または２に記載の摩擦攪拌溶接方法。
4. 前記封止剤は、モノマーであり、前記摩擦攪拌溶接はさらに、
   前記モノマー封止剤を重合化する工程を有する請求項１または２に記載の摩擦攪拌溶接方法。
5. 前記封止剤は、フッ素エラストマーである請求項４に記載の摩擦攪拌溶接方法。
6. 前記封止剤を固化するために、付加的な熱を付与する工程をさらに有する請求項１に記載の摩擦攪拌溶接方法。
7. 前記付加的な熱を付与する工程は、前記封止剤を固化するために、レーザーエネルギを付与する工程を有する請求項６に記載の摩擦攪拌溶接方法。
8. 前記付加的な熱を付与する工程は、前記封止剤を固化するために、誘導加熱する工程をさらに有する請求項６に記載の摩擦攪拌溶接方法。
9. 前記付加的な熱を付与する工程は、前記摩擦攪拌溶接中に、加熱をする工程をさらに有する請求項７または８に記載の摩擦攪拌溶接方法。
10. 前記付加的な熱を付与する工程は、前記摩擦攪拌溶接後に、加熱をする工程をさらに有する請求項７または８に記載の摩擦攪拌溶接方法。
11. 前記面同士は、重ね合わせ接合で溶接され、前記封止剤は、該面間における腐食を防ぐ請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の摩擦攪拌溶接方法。
    

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