JP2009534192A - 軌道の終りで引き込み格納自在ピンを格納させる、引き込み格納自在ピンの付いた装置を用いた摩擦攪拌による溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、引き込み格納自在ピン（２９）を備えた溶接装置（２５）を用いた二枚のパネル（２０、２１）の摩擦攪拌による溶接方法に関するものであり、その方法は、−溶接後に所望の位置関係となる相対的位置で重ね合わせゾーン（２４）に沿って接触する二枚のパネル（２０、２１）を配置し、そして維持する段階と、−溶接接合部の始点で上部パネル（２１）と溶接装置（２５）を接触させる段階と、−溶接接合部の終端に至るまで溶接装置（２５）を移動させることにより二枚のパネル（２０、２１）を長手方向に溶接する段階と、−溶接接合部の終端を超えて延びる軌道に沿って溶接装置（２５）の移動を続行する段階と、−溶接接合部の終端を超えて延びる溶接装置（２５）の軌道の一部分で、溶接孔の出現を回避するような形で引き込み格納自在ピン（２９）を格納する段階とを含むものである。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、摩擦攪拌による溶接方法に関するものである。より厳密に言うと、本発明は、その接触面の全体または一部の上で互いに対して並置された二枚のパネルを溶接することを可能にする、このような溶接方法に関するものである。本発明は、特に金属板、スチフナなどの溶接のために、航空機産業において適用される。

摩擦溶接とは、溶接に必要な熱が軸心方向の圧力下にある組立てるべき対象の双方の部材を互いに対して摩擦させるかまたは回転させることによって供給される、機械的な溶接方法である。

容易に回転させることのできない比較的嵩張る部材を互いに溶接することができるようにするには、摩擦攪拌による溶接を利用することが知られている。摩擦攪拌溶接は、特定の断面をもつピンと肩部を備える回転装置を利用する。ピンは、肩部が溶接対象の双方の材料の表面に触れるまで、溶接対象の部材の材料に押込まれる。この母材は、それが容易に変形することができる温度まで摩擦によって加熱される。溶接装置が前進すると、母材はピンの軌道の前方から後方へと流れて溶接接合部を形成する。ここで、前方から後方へというのは、前記溶接作業中の溶接装置の前進方向との関係を意味する。また、溶接接合部というのは、ペースト状にある場合に、溶接装置のピンの前進によって移動される溶接対象の表面の材料を意味する。

摩擦攪拌による溶接方法は、その性質上、数多くの利点を有する。特に、その溶接方法は、気体または金属といったようないかなる追加材料の助けも必要としない。反面、前記溶接方法がペースト相で行なわれるかぎり、溶接対象の部材の母材の溶融はない。同様に、変形は小さく、ブローホール、熱間亀裂、不純物等のおそれは著しく減少する。さらに、到達温度が溶接対象の材料の融点未満にとどまるかぎり、最終的なアセンブリの機械的特性は向上し、そして多くのケースにおいて、従来の溶接方法で得られる機械的特性を上回る。

しかしながら、現在知られている摩擦攪拌による溶接方法を利用して得られる溶接接合部の仕上げは、必ずしも満足のいくものとは言えない。

実際、技術的現状についての図１に表わされているように、溶接接合部は、前記上部パネルの縁部の上またはその手前または向こう側で開始または終結された場合、ペースト状の母材が上部パネル２の縁部に流れることから、それぞれ下部１および上部２である溶接対象のパネルの被覆ゾーンの縁部の一方から他方まで走行することができない。ここで、パネルというのは、パネルの他の寸法と比較して、小さい厚みと広い表面積を具備するあらゆる部材を意味する。

したがって、上部パネル２は、少なくとも部分的に下部パネル１を重ね合わせ、それにより下部パネル１の表面の少なくとも一部分が、溶接接合部の各端部の近接で溶接接合部なしで、上部パネル２の表面の一部分によって重ね合わせられる。

摩擦攪拌による溶接装置３が、二枚のパネル１、２を溶接するために利用される。溶接装置３は、前記溶接装置３の本体７の肩部８上に突出したピン４を具備している。ピン４は、溶接装置３の本体７に対して固定された、突出した付属物である。溶接装置３は高速に回転させられ、図示されていない工具により所望の組立て位置に配置、そして維持された二枚のパネル１および２上を摩擦する。パネル１、２上の溶接装置３の摩擦は、熱へと変換され、前記二枚のパネル１、２の母材の軟化を誘発し、その母材は、このとき、局部的にペースト状となる。ピン４は、溶接対象の上部パネル２と下部１パネルとの間の界面において接合部平面に侵入するのに適した長さを有する。ピン４はその回転運動および並進運動過程の間で、前記母材の鍛造と押出し加工とを組合せた工程作用により、パネル１、２二枚の母材を密に混合させる。組立ては少しずつ行なわれる。

ピン４の前方から後方に向かって軟化した母材が流れるおそれがあるため、上部パネル２の後方端部５の部位で摩擦攪拌により溶接を開始することも、正確に前方端部６の部位で前記溶接を終結することも不可能である。

また、溶接の終了時に、溶接装置３を撤去することが必要である。かくして撤去の際に、ピン４は、得られた溶接接合部の前方端部の部位に、溶接済みパネル１、２の中に窪みまたは溶接孔を残す。この溶接孔の存在は、二枚のパネル１と２の間の結びつきを脆化する。その上、溶接孔における腐食および亀裂のおそれは増大する。

溶接接合部の終点での溶接孔をなくすために、溶接されたパネルは、一般的には、所望の寸法を上回る寸法で作り出され、この上回る寸法部分は、両パネルの組立完了後に、切り落とされるのであり、このとき、前記両パネルは、溶接孔と共に切除されることになる一つのゾーンで溶接を終結するように注意しながら、作業される。

縁部同士の溶接の場合、そして溶接接合部が再度それ自体の上に戻るような軌道をたどる場合には、溶接孔が形成するパネルのゾーンを除去することで溶接孔を削除することは不可能である。この場合、技術的現状について図２にその詳細が表わされ、引き込み格納自在ピン１２を備えた摩擦攪拌による溶接装置１０を利用することが知られている。

溶接装置１０は少なくとも二つの部分を備えている。第一の部分１１は、溶接に必要な熱を摩擦によって生成する肩部を形成する。第二の部分は、肩部１１の内部で溶接装置１０の回転の軸心に沿って可動式に取付けられている引き込み格納自在ピン１２によって構成されている。引き込み格納自在ピン１２は、かくして、制御に応じて、接合部平面内に多かれ少なかれ押込まれていてよい、すなわち縁部同士が隣接するパネルの厚みに多かれ少なかれ深く侵入することができる。溶接工具１０の軌道が、自身の上に戻る軌道を走行した後に、その出発点に戻った際に、摩擦攪拌による溶接装置１０のユーザーは、肩部１１がパネルの表面と接触しないうちに引き込み格納自在ピン１２が完全に格納されるようにして、引き込み格納自在ピン１２の漸進的な格納を指令制御する。

当然の事ながら、開放ラインに沿って溶接接合部を作り出すために引き込み格納自在ピン１２を具備した溶接装置１０を利用することも可能であるが、しかしこの場合に得られる溶接接合部は、ピンが格納される溶接端部の部位で品質が劣っており、溶接接合部の特性は、パネルの厚みへのピンの侵入深度が少なくなると同時に低下する。

実際、図２を見ればわかるように、ピン１２が格納されるにつれてパネル１３の厚み内への引き込み格納自在ピン１２の侵入深度はより一層少なくなり、その後ゼロとなり、かくして縁部同士が隣接するパネルの母材と攪拌され混合されるパネル１３の母材の数量は徐々に少なくなる。したがって得られる溶接接合部の堅固さも徐々に低下する。溶接接合部とパネルに関連する縁部は弱体化されてしまい、固定ピン４を備えた溶接装置３を利用する溶接方法で遭遇する問題は解決されない。溶接対象の部材が溶接作業前に最終的な寸法を有し、そして得られる溶接接合部の部位で修正切断することができない場合、結果として、得られる溶接部材は弱いものとなる。

本発明は、従来技術の摩擦攪拌による溶接方法を改良しようとするものである。特に、その長さ全体に渡って溶接接合部の優れた品質を保証しつつ、溶接接合部の終点での溶接孔をなくすことのできる、二枚のパネルの摩擦攪拌による溶接方法を提供しようとしている。溶接接合部の長さというのは、溶接接合部の、いわゆる後方始端からいわゆる前方終端まで延びる前記接合部の寸法を意味する。ここで、溶接接合部の、前方端部または終端というのは、溶接方法の終了時に得られる溶接接合部の部分を意味する。

そのため、本発明においては、軌道が溶接接合部の前方端部を超えて延びており、そして引き込み格納自在ピンが、溶接接合部のゾーンで開始するかまたは開始しない溶接接合部の前方端部を超えて延びる軌道の部分で格納される、引き込み格納自在ピンを具備した摩擦攪拌による溶接装置が利用されている。本方法は、溶接接合部がその部位で終結するはずのその前方端部の漸進的に薄くなった縁部を、溶接装置が走行する自由面をもつパネルである上部パネル上に、上述の溶接接合部を作り出すことに結び付けることができるのである。ここで、漸進的な薄化というのは、初期の厚みからゼロの厚みまで、パネルの厚みを漸進的に減少させるようにして、前方端部が様々な厚みを呈することを意味している。例えば、上部パネルの前方端部は、傾斜小口を形成する面取りを具備している。あるいは、前方端部は、面取りにより連結されているかまたはされていない一連の段を具備している。上部パネル上を摩擦攪拌による溶接装置が前進するにつれて、薄くなった前方端部の部位で、例えば下部パネル内への押込み深度をほぼ一定に維持しながら、引き込み格納自在ピンを格納させる。このようにして、溶接装置の引き込み格納自在ピンの突出および格納を管理することで、下部パネルの厚み内へのほぼ一定の侵入が得られる。このとき、溶接接合部の形成に参与する下部パネルの母材の厚みは、溶接接合部の長さ全体に渡って同じである。したがって溶接接合部の機械的特性は均質であり、溶接パネルは劣化しないのである。

したがって、溶接の終点で溶接孔が存続することなく所望の長さ全体に渡って溶接接合部を作り出すために、本発明は、それぞれ上部パネルおよび下部パネルである、二枚のパネルの摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法であり、前記溶接接合部が、引き込み格納自在ピンをもつ溶接装置を用いて、始端と呼ばれる第一の端部とこの第一の端部とは別の終端と呼ばれる第二の端部との間で作り出されており、以下の
−溶接後に所望の位置関係となる相対的位置において重ね合わせゾーンに沿って接触する二枚のパネルを配置し、そして維持する段階と、
−前記溶接接合部の始点に近いゾーンで溶接装置を一枚または複数のパネルと接触させる段階と、
−前記溶接接合部の終端に至るまで溶接装置を移動させることにより二枚のパネルを長手方向に溶接する段階と、
−前記溶接接合部の終端を超えて延びる軌道に沿って溶接装置の移動を続行する段階と、
−前記溶接接合部の終端を超えて延びる溶接装置の軌道の一部分で、溶接孔の出現を回避するように引き込み格納自在ピンを格納する段階と、
から成るものである。

上部パネルの縁部の溶接接合部の特性を改善するために、上部パネルは、有利には、溶接接合部の終端の側で前記パネルの縁部に位置づけされ、漸進的に薄くされた前縁部を備えている。

この場合、引き込み格納自在ピンは、下部パネルへの所望の侵入深度を保つため、薄くされた前縁部で溶接装置の位置に応じて格納される。

特に、引き込み格納自在ピンは、溶接接合部の始端と終端の間の下部パネルの厚みの中でほぼ一定の撹拌深度を維持するために格納される。

本発明に係る方法の特定の実施態様の一つにおいては、前縁部は、傾斜小口を用いて薄くされており、その傾斜小口の長さは、好ましくは、溶接作業によりペースト状にされた母材の流出のおそれを制限するために、上部パネルの厚みの５〜１５倍の間に含まれる。

摩擦による適正なエネルギー提供を確保するために、溶接装置の軸心は、前記溶接装置の軌道の全ての箇所、特に薄くされた縁部で、パネルアセンブリとの接触面にほぼ直交するように維持されるよう方向づけされている。

特に、溶接接合部の終端を超えて延びる、溶接装置が沿う軌道部分は、パネルの前方露出ゾーンで作り出されており、また、前記軌道部分は、ほぼ溶接接合部の延長部分に、あるいは逆に、溶接接合部の方向とはほぼ異なる方向に例えば前方露出ゾーンの側に位置づけられている下部パネルの縁部に対してほぼ平行な方向に沿って、方向づけされている。

代替的には、溶接装置の移動方向は、溶接接合部の終端を超えて延びる溶接装置が沿う軌道部分が、溶接対象の二枚のパネルの重ね合わせゾーンの領域に位置づけられるようにして修正される。

この場合、引き込み格納自在ピンは、有利には、溶接接合部の終点の後溶接装置が沿う軌道部分の過程の間、溶接接合部の終点におけるその位置から格納される。引き込み格納自在ピンは同様に、溶接孔の形成を回避するために引き込み格納自在ピンを格納する前に溶接接合部の終端から溶接装置が沿う軌道部分の少なくとも一部分に渡り、例えばすでに作り出された溶接接合部の部分において、パネル材料の撹拌を確実に行うために外部に向かって再び出され得る。

接合部が開始されるその端部における溶接接合部の品質を改善するために、そして、特に溶接されていない長さあるいはその溶接の特性が最適なものでない長さを最大限に削減するために、本方法は、溶接接合部の始端と溶接接合部の終端の間の溶接装置の軌道の手前に、組立てている過程の最中の一枚または複数のパネルと前記溶接装置の接触点を起点とし溶接接合部の始端に至る軌道部分が先行している過程の段階を、さらに備えている。

溶接装置の前記接触点は、例えば二枚のパネルの重ね合わせゾーンの領域でか、あるいは逆に、下部パネルの前方露出ゾーンで選択される。

上部パネルは、溶接接合部の始端の側で前記パネルの縁部に位置づけられている後方縁部を備えており、この後方縁部は、例えば、上部パネルの厚みの５〜１５倍の間に有利に含まれる長さの傾斜小口を用いて漸進的に薄くすることが有利である。

これらのケースでは、引き込み格納自在ピンは、下部パネルへの所望の侵入深度を保つために薄くなった後方縁部の溶接装置の位置に応じて再び出される。

さらに、溶接装置の軸心は、一枚または複数のパネルとの前記溶接装置の接触点と上部パネルの厚みがほぼ一定である軌道のゾーンとの間の軌道部分で前記溶接装置の軌道の全ての箇所において、パネルのアセンブリとの接触面にほぼ直交するように維持されるために方向づけされている。

本発明に係る溶接方法は、有利には、例えば航空機の胴体といったような構造体の外板といった、長さと同じ位の大きさの幅をもつ大きな寸法のパネルに、例えば構造的スチフナといったような長さと幅の比率が１０以上である細長いパネルを溶接するために実施される。

本発明は、以下の記述を読み、それに付随する図を検討することにより、さらに良く理解される。これらの図は、本発明を制限するものでは全くなく、例示を目的として提示されるものである。
−図１：すでに前述した従来技術の固定ピンを備えた摩擦攪拌による溶接装置の概略図である。
−図２：すでに前述した従来技術の引き込み格納自在ピンを備えた摩擦攪拌による溶接装置の概略図である。
−図３ａおよび３ｂ：引き込み格納自在ピンの最終的な格納が一つの溶接端部の部位に位置づけられている、本発明による二枚のパネルを溶接するための摩擦攪拌による溶接装置の二つの概略図である。
−図４ａおよび４ｂ：引き込み格納自在ピンの最終的な格納がパネルの重ね合わせゾーンの部位に位置づけられている、本発明による二枚のパネルを溶接するための摩擦攪拌による溶接装置の二つの概略図である。
−図５：引き込み格納自在ピンの最終的な格納がパネルの重ね合わせゾーンの部位に位置づけられている、本発明による二枚のパネルを溶接するための摩擦攪拌による溶接装置のもう一つの概略図である。

図３ａには、上部パネル２１によって少なくとも部分的に被覆されている下部パネル２０が示されている。ここで、上部パネルというのは、上部面と呼ばれるその面の一つにおいて摩擦攪拌による溶接装置の作用を直接受けるパネルのことである。また、下部パネルというのは、溶接装置の作用を直接受ける上部パネルの面とは反対側の上部パネルの下部面の下に位置付けられるパネルを意味する。

下部パネル２０は、例えば、航空機の胴体といったような構造体の外部被覆を構成するパネルに対応し、そして上部パネル２１は、前記コーティングに固定されるべきスチフナのベースプレートに対応する。下部パネル２０の寸法は、上部パネル２１の寸法を完全に上回っており、この下部パネル２０は、重ね合わせゾーン２４の上流側に位置づけられている後方露出ゾーン２２および重ね合わせゾーン２４の下流側にある前方露出ゾーン２３を備える。重ね合わせゾーンというのは、上部パネル２１が下部パネル２０に重ね合わされているゾーンを意味する。ここで、上流および下流というのは、上部パネル２１の後方縁部２６から前方縁部２７までの溶接接合部を作り出す際に前記溶接装置２５が前進する方向および位置に対する、溶接装置２５の後方と前方をそれぞれ意味している。

本発明に係る摩擦攪拌による溶接方法は、引き込み格納自在ピン２９を備える溶接装置２５に、少なくとも溶接接合部の下流端部の側で溶接接合部の端部と厳密には対応しない点で停止されている溶接対象の両パネルとともに接触軌道を付与することから構成される。

本発明に係る方法の第一の実施態様においては、溶接装置は、ピン２９が外に出た位置にある状態で、上部パネル２１の前方縁部２７に至るまで従来の方法にしたがって溶接を実施し、そして、この地点から、溶接孔を残したまま溶接装置が撤去される従来の方法とは異なり、溶接装置２５にピン２９が格納されるのと同時に後方縁部２６の方向に戻るために、溶接装置の軌道は反転される。

この方法により、溶接は、溶接接合部の所望の品質を得るために必要とされる深度で、できるかぎり縁部２７の近くで実施することが可能であり、また、一切の溶接孔がない状態でピンを格納することが可能である。

溶接装置である溶接工具２５の軌道が反転される距離は、良好な条件で引き込み格納自在ピン２９を格納できるのに十分なものでなくてはならず、実際には、溶接工具２５の肩部の直径の０．５〜５倍である。この距離の最小値は、考慮される対象の材料の厚みおよびパネルを構成する材料のタイプに左右されるものであり、個々の事例で実験的に確認することが有利である。

溶接孔の問題が提起されないことから、溶接接合部の開始点における溶接工具の侵入はさほど重要ではないが、有利には、溶接作業の開始時点において同様の方法を利用することができる。かくして、溶接工具は、上部パネル２１の端部２６の下流側に位置づけられる地点においてこの上部パネル２１と接触させられ、その長さ全体にわたり溶接接合部を作り出すために、この端部２６の方向で軌道に沿うことから始め、次にパネル２１の端部２７に向かって移動する。溶接工具２５の軌道の出発点でこの方法によることにより、工具を上部パネル２１の縁部２６に最も近いところに導き、その出発端部から均等な品質の溶接接合部を得ることが可能である。

溶接工具２５の軌道が反転されている段階に際して、溶接工具は、有利にも、溶接接合部に対応する軌道と重なり合う軌道に沿うことができる。

他の実施態様の一つにおいては、溶接装置２５は、上部パネル２１の後方端部２６から前方端部２７まで、下部パネル２０に上部パネル２１を溶接することができる。

この方法によると、上部パネル２１の前方端部２７は、漸進的に薄くなっている縁部、例えば図３ａに例示されているような傾斜小口を呈する縁部を形成するようになっている。この場合、前方傾斜小口縁部２７の部位に到達すると、溶接装置２５は傾斜させられ、前記溶接装置の回転の軸心が、前記前方傾斜小口縁部２７の勾配または上部パネル２１の厚みの変動に従い、かつ前記溶接工具２５の肩部２８を上部パネル２１の表面と接触した状態に維持するようにして、組立てられたパネル２０および２１の自由面にほぼ直交するようにして維持される。溶接装置の軸心の所望の傾斜は、特に数値制御式機械加工の分野では一般的に利用されている方向づけ可能な主軸心上に溶接装置を取付けることによって、難なく作り出される。従来の溶接方法とは異なり、この方法では、溶接工具に与えられている軌道は、二枚のパネル２０および２１が重なり合うゾーンで制限されてはおらず、最も大きなパネル２０の自由面に続いている。上部パネル２１の可変厚みの縁部２７上を溶接装置２５が進行するにつれ、溶接装置２５の移動には、引き込み格納自在ピン２９の漸進的な格納が付随し、かくして引き込み格納自在ピン２９は下部パネルに侵入し続けて二枚のパネル２０および２１の材料の適正な攪拌を保証する。最後の段階で、溶接接合部が重ね合わせゾーン２４の下流側部分の限界まで完全に作り出された時点で、ピンは漸進的に、溶接装置の移動の過程の間に完全に格納される。

上部パネル（２１）が傾斜小口を用いて薄くされる場合、傾斜小口の角度は、溶接作業の際に材料がペースト状であるときに、勾配のせいで流出することがないよう、十分に小さい値で選択されなくてはならない。したがってこの段階における材料の流動性は、考慮される前記材料の特性に左右される不可欠のパラメータである。一般に傾斜小口の長さは、上部パネル２１の厚みの５〜１５倍の間に含まれる。それより大きい長さを利用することもできるが、一般的には、実際に利用することのできる空間をより良く利用するには、この長さを制限することが望ましい。

図３ａに表わされている例では、引き込み格納自在ピン２９は、溶接装置２５が下部パネル２０の前方露出ゾーン２３に位置づけられている場合、完全に格納される。したがって引き込み格納自在ピン２９は、重ね合わせゾーン２４を超えて下部パネル２０の母材に押込まれ、かくして攪拌されたゾーンは前方露出ゾーン２３で終結するもう一つの実施例では、溶接装置２５が前方傾斜小口付き境界２７の端に到達したときに引き込み格納自在ピン２９が完全に格納されるような、引き込み格納自在ピン２９の格納の運動を想定することが可能である。かくして、溶接接合部は、下部パネル２０の重ね合わせゾーン２４と前方露出ゾーン２３の間の溶接部で終結する。この最後の実施態様は、特に下部パネル２０が、前記下部パネルにおいて溶接接合部を終結するのに十分な空間を露出ゾーン２３にもたない場合にあてはまる。

好ましくは、引き込み格納自在ピン２９の漸進的な格納は、上部パネル２１と下部パネル２０の間で、重ね合わせ面２４に位置づけられる溶接接合部の長さ全体にわたり、下部パネル２０への引き込み格納自在ピン２９の押込み深度をほぼ一定に、そして溶接接合部の実施の間に求められているものとほぼ等しく維持されるようにして実施される。かくして、前記溶接接合部の長さ全体にわたって一定な溶接接合部の品質が保証されるとともに、パネル２０、２１の特性の無欠性が保証されるのである。

図３ｂに表わされている例では、上部パネル２１には、傾斜小口付きリムといったような、同様に漸進的に薄くなっている後方リム２６を具備している。このとき、下部パネル２０の後方露出ゾーン２２の部位で攪拌を開始させることが可能である。溶接装置２５の引き込み格納自在ピン２９は、まず最初に、後方露出ゾーン２２の部位で下部パネル２０のみに侵入する。その後、溶接装置２５は、溶接装置２５の軸心を組立てられた部材２０および２１の自由面に対してほぼ直交する状態に維持するために、前記装置２５の傾斜を遵守しながら、前記上部パネルの後方傾斜小口縁部２６のものといったような上部パネル２１の厚み変動に従う。当初、引き込み格納自在ピン２９は、下部パネル２０への所望の侵入深度に対応する長さだけ溶接工具からはみ出すような位置に置かれ、次に溶接装置２５が後方傾斜小口縁部２６の勾配を再上昇するに従い、引き込み格納自在ピン２９はパネル２０、２１の方向で溶接装置２５の肩部から再度外へ出て、上部パネル２１を貫通し下部パネル２０に侵入し続けるようになる。

有利には、引き込み格納自在ピン２９は、下部パネル２０の厚みで引き込み格納自在ピン２９の一定の押込み深度を維持するために、溶接装置２５の前進速度と上部パネル２１の厚み変動に応じて、パネル２０、２１の方向に再度出される。このパネル２０における一定の押込み深度は、有利には、実施態様の長さ全体にわたるこの前記溶接接合部を作り出すために選択される深度である。

同様に、特に下部パネル２０の寸法が攪拌をより上流側で開始する可能性を制限する場合、正確に重ね合わせゾーン２４の後方端部の部位で、すなわち上部パネル２１の後方傾斜小口縁部２６の後方端部の部位で、溶接接合部を開始させることも可能である。

したがって、本発明の溶接方法によると、後方２６および前方２７の二つのリムに傾斜小口がついている上部パネル２１を用いて、前記上部パネル２１の後方端部から前方端部まで至る溶接接合部を得ることが可能である。このことは、前記パネル２０、２１の重ね合わせ長さ全体にわたり、二枚のパネル２０、２１の間の優れた結びつきを保証する。

図４には、本発明に係る摩擦攪拌による溶接方法のもう一つの実施態様が表わされている。この特定の実施態様によると、溶接装置の軌道は、例えば傾斜小口のような漸進的な薄化を呈する前方縁部２７を呈する下部パネル２０の前方露出ゾーン２３を通過して溶接接合部を作り出した後に、重ね合わせゾーン２４の部位で終結する。

そのために、当初、溶接装置２５は、先行の方法実施態様の場合と同じ段階にしたがって、上部パネル２１の前方薄化縁部２７を通って溶接接合部の上流側から下部パネル２０の前方露出ゾーン２３に至るまで移動させられる。しかしながら、先行の実施態様とは異なり、引き込み格納自在ピン２９は、溶接装置２５が前方露出ゾーン２３にあるにもかかわらず格納されることはなく、溶接装置２５の移動は前記溶接装置を重ね合わせゾーン２４に向かって戻すために反転させられる。

反転した方向に沿ったこの移動の過程の間、溶接装置は好ましくは、溶接接合部の母材の攪拌を増強するため溶接接合部を作り出す間に追従した軌道に沿う。

有利には、反転した方向での溶接装置２５の移動に際して、前記装置２５の進行制御を肩部の応力基準値から前記肩部の位置基準値に移行させる。実際、溶接装置２５が溶接接合部を作り出す間に沿った軌道を再び通過するということにより、すでに攪拌された母材に溶接装置２５の肩部が押込まれるおそれがある。同様に、材料特性の修正を免がれるようにして、肩部を応力ではなくむしろ位置で進行制御する。かくして、材料に前記肩部が過度に陥るのを回避しながら、材料への肩部のある一定の侵入深度が課される。

引き込み格納自在ピン２９は、前記ピンが下部パネル２０の厚みに十分に侵入するよう十分な長さを維持しながら、上部パネル２１の前方薄化縁部２７の勾配を溶接装置２５が下降する際に、初めて格納される。溶接装置が沿う軌道が反転され、前記装置が前方薄化縁部２７により形成された勾配を再上昇する際に、引き込み格納自在ピンは、漸進的に完全に格納されて溶接孔の形成を回避することができる。

代替的には、引き込み格納自在ピン２９は、溶接接合部を作り出すため攪拌された影響のある深度を著しく超えて下部パネル２０に侵入することなく、大きい深度にわたりピンが攪拌を行ない続けるような形で、前方薄化縁部２７により形成された勾配を上昇するにつれてパネル２０、２１の方向で溶接装置２５の肩部から外に再度改めて出される。このとき引き込み格納自在ピン２９の最終的な格納は、重ね合わせゾーン２４の部位で作り出される。したがって溶接作業は、重ね合わせゾーン２４で終結される。

有利には、摩擦攪拌による溶接方法のこの実施態様は、溶接接合部の出発点の部位で、前方縁部２７に向かっての移動を実施する前に後方縁部２６の方向への第一の移動を含むパネル２１の上部面の軌道を溶接装置に作り出させること、あるいは、薄くされている後方縁部を有する上部パネル２１を使用し、後方露出ゾーン２２で攪拌を開始することから成る記述された態様の一つに結びつけられる。このようにして、上部パネル２１の前方端部は、下部パネル２０上に完全に溶接される。

図４ｂに概略的に表わされているように、後方および前方の二つの縁部２６、２７の部位で薄くされている上部パネル２０とすでに提示された溶接装置の二つの運動を組合せることにより、溶接接合部を作り出すことを開始することも同じく可能である。

そのためには、重ね合わせゾーン２４で溶接接合部を開始させる。溶接装置２５は、この初期定着点から下部パネル２０の後方露出ゾーン２２へと導かれ、上部コーティング２１の厚みおよび勾配の変動に従う。引き込み格納自在ピン２９の位置は、前述したとおり、パネル２０および２１の母材の適正な攪拌を保証するため、移動の過程中に修正される。後方露出ゾーン２２から、溶接装置２５の軌道は反転される。溶接装置２５は、肩部２８と接触する表面にほぼ直交する状態で溶接装置２５の軸心を維持する傾斜をつねに維持しながら、かつ、引き込み格納自在ピンがパネル２０および２１の厚みで所望の深度だけ侵入するようにその位置をつねに守りながら、改めて、ただし、上昇方向でパネル２１の後方縁部２６の厚み変動に従い、その後に、前記溶接装置は、溶接接合部の形成を続行するようにして、前方傾斜小口縁部２７に向かって駆動される。前方傾斜小口縁部２７の部位に到達すると、溶接接合部は、溶接孔の形成を回避するため上記の方法のうちの一つに従って終結される。

本発明の特定の実施態様においては、溶接接合部を作り出す方向に対してその方向が反転されている、軌道を通過する際の溶接装置の運動は、溶接接合部に重なり合う軌道に沿ってではなく、例えば平行かまたは任意の方向の異なる軌道に沿って実施される。例えば、下部パネル２０の露出ゾーン２３上の引き込み格納自在ピン２９の最終的な格納は、特に上部パネル２１の縁部と下部パネル２０の縁部との間の距離が、溶接接合部の延長部分における移動を保ちながら満足のいく形で格納作業を実施するのに十分でない場合に、パネル２０の縁部とほぼ平行な溶接装置の軌道に沿って実施される。

本発明に係る溶接接合部を作り出す方法の特定の実施例を、ここで、図５に表わされた例に照らしてさらに詳細に示す。

下部パネル２０は、航空機の外板であり、上部パネル２１はスチフナであり、パネルの各々は約１．６ｍｍの厚みを有する。当然のことながら、異なる厚みの下部パネル２０および上部パネル２１を用いることも可能である。

二つの溶接された要素のアルミニウム合金は、同じ性質であっても異なる性質のものであってもよい。例えば、均質な溶接の場合、２０２４ Ｔ３か、２１３９ Ｔ３またはＴ８の圧延合金板を用いることができる。不均質溶接の場合には、下部パネル２０として圧延合金板２１３９ Ｔ８の外板と、上部パネル２１として押出し成形されたスチフナＰＡ７６５ Ｔ７９（７０００シリーズ）を用いることができる。不均質溶接の場合には、両要素は好ましくは、最終的使用熱状態で溶接される。

二枚のパネル２０、２１は同じ長さを有していてよく、あるいは、スチフナ２１が外板２０よりも短かくてもよい。

２００〜１０００ｍｍの長さが溶接された。

利用された進行制御様式は、肩部の応力（８．２５ｋＮ）での進行制御および、肩部の位置に対するピンの位置での進行制御である。

このとき、以下の段階にしたがって進行させ、その間、溶接装置２５は溶接対象のパネル２０、２１の表面と直交する状態に維持される：
−ピン２９が肩部の表面との関係において２ｍｍだけ出されている状態で、（ピン２９の軸心に対して）スチフナ２１の基部で後方縁部２６の位置から１５ｍｍのところで溶接を開始させる。
−溶接装置２５の位置を１０ｍｍだけ後方へ、つまりスチフナ２１の基部の後方縁部２６の方向に前進させ（Ａ）、かくして直径１０ｍｍの肩部２８の前縁がスチフナ２１の基部の後方縁部２６に近接するようにする。
−このとき溶接装置の前進方向をスチフナ２１の基部の前方縁部２７の方向に反転させ（Ｂ）、溶接装置２５の肩部２８の前縁がスチフナ２１の基部の前方縁部２７に近接するまで、スチフナ２１の長さ全体にわたり溶接を続行する（Ｃ）。
−このとき、１０ｍｍの長さにわたり、スチフナ２１の基部において引き込み格納自在ピン２９を漸進的に格納しながら、溶接装置２５の前進方向を新たに反転させる（Ｄ）。引き込み格納自在ピン２９が漸進的に格納されるこの１０ｍｍの行程の後に、前記引き込み格納自在ピン２９は完全に格納され、例えば溶接装置２５の肩部２８と同一レベルになる。

従来の固定ピン付きの摩擦攪拌溶接装置の概略図 従来の格納式ピン付きの摩擦攪拌溶接装置の概略図 本発明に係る摩擦攪拌による溶接装置の概略図 本発明に係る摩擦攪拌による溶接装置の概略図 本発明に係る摩擦攪拌による溶接装置の概略図 本発明に係る摩擦攪拌による溶接装置の概略図 本発明に係る摩擦攪拌による溶接装置の概略図

符号の説明

１ 下部パネル
２ 上部パネル
３ 溶接装置
４ ピン
５ 後方端部
６ 前方端部
７ 本体
８ 肩部
１０ 溶接装置
１１ 第一の部分
１２ 引き込み格納自在ピン
１３ パネル

２０ 下部パネル
２１ 上部パネル
２２ 後方露出ゾーン
２３ 前方露出ゾーン
２４ 重ね合わせゾーン
２５ 溶接装置 溶接工具
２６ 後方縁部
２７ 前方縁部
２８ 肩部
２９ 引き込み格納自在ピン

Claims (23)

1. それぞれ上部パネル（２１）および下部パネル（２０）である、二枚のパネル（２０、２１）の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法であり、前記溶接接合部が、引き込み格納自在ピン（２９）をもつ溶接装置（２５）を用いて、始端と呼ばれる第一の端部と、この第一の端部とは別の終端と呼ばれる第二の端部との間で作り出されており、以下の
   −溶接後に所望の位置関係となる相対的位置において重ね合わせゾーン（２４）に沿って接触する二枚のパネル（２０、２１）を配置し、そして維持する段階と、
   −前記溶接接合部の始点に近いゾーンで溶接装置を一枚または複数のパネルと接触させる段階と、
   −前記溶接接合部の終端に至るまで溶接装置を移動させることにより二枚のパネルを長手方向に溶接する段階と、
   −前記溶接接合部の終端を超えて延びる軌道に沿って溶接装置（２５）の移動を続行する段階と、
   −前記溶接接合部の終端を超えて延びる溶接装置（２５）の軌道の一部分で、溶接孔の出現を回避するように引き込み格納自在ピン（２９）を格納する段階と、
   から成ることを特徴とする、摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
2. 前記上部パネル（２１）が、溶接接合部の終端の側で前記パネルの縁部に位置づけされ漸進的に薄くされている前縁部（２７）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
3. 前記引き込み格納自在ピン（２９）が、下部パネル（２０）への所望の侵入深度を保つため、薄くされた前縁部で溶接装置の位置に応じて格納されることを特徴とする、請求項２に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
4. 前記引き込み格納自在ピン（２９）が、溶接接合部の始端と終端の間の下部パネル（２０）の厚みの中でほぼ一定の撹拌深度を維持するために溶接装置の位置に応じて格納されることを特徴とする、請求項３に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
5. 前記前縁部（２７）が、傾斜小口を用いて薄くされていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
6. 前記傾斜小口の長さが、上部パネル（２１）の厚みの５〜１５倍の間に含まれていることを特徴とする、請求項５に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
7. 前記溶接装置（２５）の軸心が、前記溶接装置の軌道の全ての箇所でパネル（２０、２１）のアセンブリとの接触面にほぼ直交するように維持されるよう方向づけされていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
8. 前記溶接接合部の終端を超えて延びる溶接装置（２５）が沿う軌道部分が、パネル（２０）の前方露出ゾーン（２３）に位置づけられていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
9. 前記溶接接合部の終端を超えて延びる軌道部分が、ほぼ溶接接合部の延長部分に方向づけされていることを特徴とする、請求項８に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
10. 前記溶接接合部の終端を超えて延びる軌道部分が、溶接接合部の方向とはほぼ異なる方向に向けられていることを特徴とする、請求項８に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
11. 前記溶接接合部の終端を超えて延びる軌道部分が、前方露出ゾーン（２３）の側にあるパネル（２０）の縁部に対してほぼ平行な方向に沿って方向づけされていることを特徴とする、請求項８に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
12. 前記溶接接合部の終端を超えて延びる、溶接装置（２５）が沿う軌道部分が、二枚のパネル（２０、２１）の重ね合わせゾーン（２４）の領域に位置づけられることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
13. 前記引き込み格納自在ピン（２９）が、溶接接合部の終点から後溶接装置（２５）が沿う軌道部分の過程の間、その位置から格納されることを特徴とする、請求項１２に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
14. 前記引き込み格納自在ピン（２９）が、引き込み格納自在ピン（２９）を格納する前に、溶接接合部の終端から溶接装置（２５）が沿う軌道部分の少なくとも一部分において、パネル（２０、２１）材料の撹拌を確実に行うために外部に向かって再び出されることを特徴とする、請求項１２に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
15. 前記溶接接合部の始端と溶接接合部の終端の間の溶接装置（２５）の軌道の手前に、組立てている過程の最中の一枚または複数のパネル（２０、２１）と前記溶接装置の接触点を起点とし溶接接合部の始端に至る軌道部分が先行していることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
16. 前記溶接装置の前記接触点が、二枚のパネル（２０、２１）の重ね合わせゾーン（２４）の領域に位置づけられることを特徴とする、請求項１５に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
17. 前記溶接装置の接触点が、パネル（２０）の前方露出ゾーン（２３）に位置づけられることを特徴とする、請求項１５に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
18. 前記上部パネル（２１）が、漸進的に薄くされた溶接接合部の始端の側で前記上部パネルの縁部に位置づけられている後方縁部（２６）を備えていることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
19. 前記引き込み格納自在ピン（２９）が、下部パネル（２０）への所望の侵入深度を保つために薄くされた後方縁部（２６）の溶接装置の位置に応じて再び出されることを特徴とする、請求項１８に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
20. 前記後方縁部（２６）が、傾斜小口を用いて薄くされていることを特徴とする、請求項１８または請求項１９に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
21. 前記傾斜小口の長さが、上部パネル（２１）の厚みの５〜１５倍の間に含まれていることを特徴とする、請求項２０に記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
22. 前記溶接装置（２５）の軸心が、一枚または複数のパネル（２０、２１）との前記溶接装置の接触点と上部パネル（２１）の厚みがほぼ一定である軌道のゾーンとの間の軌道部分で前記溶接装置の軌道の全ての箇所において、パネル（２０、２１）のアセンブリとの接触面にほぼ直交するように維持されるために方向づけされていることを特徴とする、請求項１８〜２１のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。
23. 前記下部パネル（２０）が、長さと同じ位の大きさの幅をもつ大きなパネルであること、そして上部パネル（２１）が、長さと幅との比率が１０以上である細長いパネルであることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか一つに記載の摩擦攪拌による溶接接合部を作り出す方法。

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