JP2011515222A - 超音波を利用した摩擦攪拌接合 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも２つの被加工物を摩擦攪拌接合により接合する、被加工物の接合方法に関し、被加工物の少なくとも１つを接合中に超音波で処理接合することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合線に沿った酸化物粒子からなるバンドの形成を回避する摩擦攪拌接合プロセスに関する。さらに、本発明はこのプロセスで生成される被加工物に関する。

超音波エネルギーは、その発見以来極めて多様な分野で使用されてきた。そのため、更なる開発とバルク材を選択した特許の付与が絶えず行われている。また、近年では超音波を利用したはんだ付けに注目が高まっており、特許出願又は特許付与につながっている。前世紀の中頃以降において、融接プロセスの際に超音波処理により接合線の質を改善できることが既に知られていた。このため、結晶化プロセスに有利となるよう、固化の間に溶解物を超音波で処理することが行われている。処理材料を遊離状態又は液体状態のいずれかとすることは、これら全てのアプローチにおいて欠かすことができない。

対照的に、溶解していない固体材料は超音波による処理では変化しない、とこれまでに考えられてきた。例えば、超音波検査の間にも検査対象の固形物は変化しない。

摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）プロセスは、英国のＴＷＩ（Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、英国溶接研究所）において１９９１年に開発され、それ以来軽金属を接合する分野で確立されるに至った。摩擦攪拌接合は造船や航空、列車、自動車の製造において既に使用されている。

通常、摩擦攪拌接合処理過程は次のステップを有する：まず、ツールのショルダ部が被加工物表面に当接するまで、２つの被加工物が接する位置において被加工物同士の間に回転ツールを強い力で押圧する。回転ツールを数秒間、圧入した位置に置いたままとする。ツールのショルダ部と接合片の間に摩擦が生じるため、材料はショルダ部の下で接合片の融点直下に加熱されるが、溶融又は液化しない。しかし結果としてはこの温度上昇により強度が低下し、材料が可塑化し、接合領域が混ざり合う。ここでツールを高い接触圧で接合領域に沿って移動させる。ツールの前側と後側の間に圧力勾配が生じる。回転移動により、ツールの周りで可塑化した材料が移動し、材料が混ざり合い、継目が形成される。継目の終点で、接合領域からツールを引き抜く。

アルミニウム合金の表面は、室温で酸化及び不動態化することにより、ほぼ直後に（１秒未満で）薄いアモルファス酸化物層で被覆され、更なる過程において大気中の酸素と反応し、酸化物層の厚さが約１０ｎｍとなる。高温では、５００℃から６００℃に予熱した前駆材料としての大きな棒状のアルミニウムを熱間圧延すると、酸化物層の厚さは１００μｍにまで達する（非特許文献１；非特許文献２）。

摩擦攪拌接合プロセスにより、これらの酸化物の付着物は接合ナゲットに組み込まれる。酸化物粒子は定着して接合線全体に沿って特徴的なバンドを形成するが、これは断面において１つの線としてはっきりと検出できる。しかし、高圧で押圧した要素の安全性に関して厳密に述べると、接合線における何らかのタイプの不整は、危険が及ぶ可能性のある箇所であることを示す。

一方、接合線に関して生じる問題が、文献によって世界的に注目を浴びた。この現象は「底部裂傷」又は「ナゲット裂傷」として、また「線型の特徴」、「レイジーＳ（Ｌａｚｙ−Ｓ）」、「ジグザグライン」として特に知られている。最近では、摩擦攪拌接合ナゲットにおけるこれら酸化物バンドを示すものとして「接合線の痕跡」が使用されている。

検査したＦＳＷ接合線全てにおいて「底部裂傷」が発生し、一部のアルミニウム合金では、幾つかのサイクル中に底部裂傷が開いて引張強度が大幅に低下するとともに周期的変形（疲労）に対する耐性が大幅に低下することが、いくつかの研究で証明されている。

この不整の発生を現在の最先端の技術により回避するには、接合プロセスの直前に表面酸化物を機械的に除去するしかない（非特許文献３；非特許文献４；非特許文献５）。機械による除去は、時間ばかりでなく、機械にかかる費用も増大することを意味している。プロセスの前処理は生産計画において別途考慮することが必要であり、結果的によりコストがかかることになる。

独国特許第１９８ １０ ５０９ Ｃ２号

Sato，Ｙ．S．ら、"摩擦攪拌接合を行ったアルミニウム合金１０５０におけるkissing‐bond（攪拌不足欠陥）の特性（Characteristics of the kissing-bond in friction stir welded Al alloy 1050）"Materials Science and Engineering A 405 (2005)、333〜338頁 Sato，Ｙ．S．ら、"摩擦攪拌接合を行ったアルミニウム合金の底部における酸化物配列についてのＦＩＢを用いたＴＥＭ研究（FIB-assisted TEM study of an oxide array in the root of a friction stir welded aluminium alloy）"、Scripta Materialia 50 (2003)、365〜369頁 Okumara, Ｈ．ら、"アルミニウム合金の摩擦攪拌接合中の酸化物の挙動及びその機械的特性への影響（Behaviour of oxides during friction stir welding of aluminium alloy and their effect on its mechanical properties）"Welding International 16.4 (2002)、266〜275頁 Leonard, A. J.及びS. A. Lockyer、"摩擦攪拌接合における裂傷（Flaws in Friction Stir Welds）"、2003年5月14日、米国パークシティ、TWI、2003年、第１〜第１０巻 Jene, T. ら、"接合の質へのパラメータの影響を示すための摩擦攪拌接合プロセスのモニタリング（Monitoring of the Friction Stir Welding Process to Describe Parameter Effects on Joint Quality）"TWI、2007年

従って本発明の目的は、このような酸化物バンドの発生を回避するとともに、コストのかかる前処理を必要とすることなく、材料の耐疲弊性を大幅に高めることのできる摩擦攪拌接合プロセスを示すことである。

この目的は請求項１による方法、請求項１２による接合装置、及び請求項１４による接合被加工物によって達成される。それぞれの従属請求項は、方法、接合装置、そして接合被加工物を有利に展開したものを示す。

従来の摩擦攪拌接合の場合、接合力はｘ、ｙ、及びｚ方向で振動する。これらの力はレトロフィット対応の動力計により測定できる。酸化物粒子はツールの一回転あたりの供給率（ｖ_ｆ）に対応したパターンで配列する。

発明の基礎となる新規な知見は、接合中に被加工物の少なくとも１つを超音波で処理すれば、摩擦攪拌接合中に材料が溶解していない固体のままであっても、酸化物バンドの形成を回避できることである。超音波は被加工物同士を接合する領域に導入するのが好ましい。

全体のプロセス中の摩擦攪拌接合過程において存在する固体材料に対して、超音波が良い影響を及ぼすことは驚くべきことである。

摩擦攪拌接合プロセスは、１８年以上にわたって周知のプロセスである。しかし、それは融接プロセスと共に知られており、超音波処理によって摩擦攪拌接合の継目の質を向上させることについては、非溶解材料を対象としたこの手順はこれまでの知識に完全に矛盾するため、試行されることがなかった。従って、接合プロセスに超音波を付加するというアプローチは、完全に新規的な方法と見なされるべきである。

更に、特に疲労挙動に対して非常に影響力を持つ酸化物ラインについては、ようやく最近になってその部分全てがわかるようになってきた。超音波処理により固体状態の微小構造が改良されると共に、摩擦攪拌接合物の準静的な挙動、詳細には周期的な挙動が改良されたことは、既に述べた通り相当新規性のある、劇的に新しいアプローチであることを示している。

超音波の周波数を１７ｋＨｚ以上、好ましくは３０ｋＨｚ以上、好ましくは５０ｋＨｚ以上とすれば、特に適切且つ好適である。更に、超音波の周波数を１２０ｋＨｚ以下、好適には１００ｋＨｚ以下、好適には８０ｋＨｚ以下であるようにすれば、好適である。

超音波の振幅を３μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上とすれば有利であることがわかった。更に、振幅を６０μｍ以下、好適には５０μｍ以下、好適には４μｍ以下とすることが好ましい。

１つ以上の被加工物に超音波を導入することに対して、種々の手順が考えられる。１つの可能な手順は、ソノトロードを使用して１つ以上の被加工物に超音波を導入することである。被加工物のうちの１つにおいて、被加工物の両方において、及び／又は接合を生じる継目においてソノトロードを使用する。継目の長手方向に垂直に、及び／又は接合する被加工物の表面に垂直に振動するようソノトロードを使用することが可能である。一方、接合する被加工物同士の接触面に平行に、即ち継目の長手方向に振動するようにソノトロードを使用することもできる。

代替的に又は追加的に、１つ以上の被加工物に対して接合ツール自体が超音波を導入するようにすることができる。ツールは被加工物の表面に対して実質的に、若しくは正確に垂直な方向に、接合線の長手方向及び／又は被加工物同士の接触面の長手方向に対して実質的に、若しくは正確に垂直な方向に、超音波の周波数で振動することができる。一方、ツールは接触面に平行であって接合線に対して垂直に、及び／又は接合線に平行に振動することもできる。

超音波は、接合線又は接合する被加工物同士の接触面の長手方向に平行に導入することが好適である。接合線の長手方向に平行に伝播するように、及び／又は接合ツールが移動する表面の一平面において伝播するように、超音波を導入できる。超音波は体積的に伝播することができる、即ち１つ以上の被加工物における全ての空間的方向に伝播することができる。

超音波は更に、摩擦攪拌接合の接合線の長手方向に垂直に導入することができる。継目の長手方向に平行に超音波が伝播するように、及び／又は接合線の一平面において、即ち接合する２つの被加工物の当接面の規定する面において超音波が伝播するように、超音波を導入することができる。超音波は更に、この面に垂直な方向に伝播することができる。

本発明によれば、超音波は縦波及び／又は横波として導入することができる。縦波の場合には、上述のように超音波は１つ以上の被加工物において伝播することができる。横波の場合には更に、接合ツールが移動する接合対象の被加工物の表面に対してその振幅がほぼ垂直となるよう、超音波を導入することができる。更に横波の場合には、振幅を接合線の表面に対して垂直とする、即ち被加工物同士の接合面に対して垂直とすることができる。詳細には、超音波は１つ以上の被加工物においてせん断波として伝播することができる。

本発明によって、上述の方法により生成される接合被加工物を更に提供する。この被加工物は接合線に沿って酸化物バンドがなく、好適である。ただし、被加工物は少なくとも接合線の一部に沿って酸化物バンドを有さない。

本発明による方法は特に軽金属、詳細にはアルミニウムに適しているため、被加工物は例えばアルミニウム又はそれを含むもの等の軽金属を有するのが有利である。

超音波を利用するため、摩擦攪拌接合プロセスを大幅に改良することができる。これまでは、コストのかかる前処理によって接合ナゲットにおいて酸化物ラインを回避するしかなかった。提案する解決法により、この前処理作業を省くことができる。超音波を利用した摩擦攪拌接合は、未処理の要素を接合することができ、酸化物ラインも検出されない。

酸化物ラインを回避できるという直接的な利点と、その結果生じる機械的特性の向上により、超音波を利用することで、その他の態様における接合プロセスにプラスの効果が生じる。よって、追加的なエネルギー供給によって、例えば接合の速度をより速くすることができる。

内部又は外部の発振システムを摩擦攪拌接合プロセスに統合することにより、この方法を大幅に改良することができる。プロセスにおいて積極的に関与することで、非破壊試験や、例えば管状孔のようなその他の不整に関して継目内部を検査することに対して、導入する超音波を同時に使用するという可能性も更に存在する。このような非破壊試験は、例えば特許文献１に記載されている。

更に、上記方法を実行するための接合装置も本発明によるものである。従ってこの接合装置は、摩擦攪拌接合を実行する少なくとも１つのツールを有する。更に、この装置は１つ以上の被加工物を超音波で処理できる少なくとも１つの装置を有する。

本発明による方法を実行する本発明による接合装置を示す図である。 本発明による方法を実行する本発明による更なる接合装置を示す図である。 Ｒ＝０でのＡｌＭｇ_３Ｍｎ接合のヴェーラー応力線を示す図である。 超音波を利用しない場合のＨＡＺの断面図（図４Ａ）と、超音波を利用した場合のＨＡＺの断面図（図４Ｂ）を示す図である。 Ｒ≒０での更なるＡｌＭｇ_３Ｍｎ接合のヴェーラー応力線を示す図である。

図面を参照して本発明の一例を以下に説明する。

図１は、本発明による摩擦攪拌接合プロセスを実行する本発明による装置を示す。２つの被加工物１及び２を、接合線３に沿って接合する。このため、摩擦攪拌接合プロセスを実行する回転ツール４を、接合する被加工物１及び２に超音波を供給できるソノトロード６に向かう方向５に移動させる。図示の例では、超音波は振動方向７の縦波として導入する。従って超音波は接合線３の長手方向に平行な方向に導入することになる。図示の例では、ツール４は被加工物１及び２の表面同士が示す面に対して垂直である。ツール４はピン８を有し、これを接合片１と２の間に押圧する。ピン８の全長を接合線３中に侵入させると、ツール４のショルダ部９が、接合する被加工物１と２の表面に位置する。

図２は、本発明による方法を実行する本発明によるツールの更なる実施形態を示す。図１と同じ参照番号で示す構成要素は、図１のものに対応することを示す。図２に示す例では、ツール４の振動によって超音波を接合片１及び２に導入する。このため、ツール４は方向７ａに、即ちその長手方向に振動する。従って、接合する被加工物１及び２の表面に垂直であると共に接合線３の長手方向に垂直な振幅を有するよう、超音波を導入する。よって被加工物内部に縦波が伝播する。更に、接合する被加工物１及び２の表面上で横波が伝播できる。接合線３において方向５にツールを誘導する。

図３は、Ｒ＝０（適用する応力の平均）で、周波数２０ｋＨｚ及び振幅４０μmの超音波をｘ、ｙ、ｚ方向に導入してＡｌＭｇ_３Ｍｎ接合を行った際のヴェーラー線図を示す。

従って、Ｒは低応力対高応力の応力比を示す。Ｒ＝０の値は低応力０で操作を行ったことを示し、Ｒ＝０で応力振幅が１００ＭＰａであるということは、平均応力が１００ＭＰａで高応力が２００ＭＰａであることを示している。

曲線１１は酸化物バンドを有さない接合線に対するヴェーラー線、曲線１２は酸化物バンドを有する接合線のヴェーラー線である。破線は傾向を示し、点は測定結果を示す。Ｓｉｇｍａ_０は公称応力振幅を示し、Ｎ_Ｂは接合線が破断したサイクル数を示す。酸化物バンドが検出されないサンプルの曲線１１を、従来的に摩擦攪拌接合した酸化物ラインを有するサンプルの曲線１２と比較すると、曲線１１の破断応力サイクル（破断までのサイクル数）は約５０％多くなっていることがはっきりとわかる。酸化物ラインのない接合は、酸化物を事前に除去することにより生成された。本発明による方法は、最先端の摩擦攪拌接合プロセス以上に接合の耐久性を大幅に高める。

２００ＭＰａ及び２４０ＭＰａにおける最も右の２つの丸い点は、本発明による方法で生じたものである。堆積物を細かく分配することは、酸化物膜を事前に除去することなく酸化物ラインが検出されないようにすることに対して、更に重要な役割を果たす。ここに示す試験では、酸化物ラインを有するＦＳＷ継目のサイクル数の３倍又は３．５倍の破断サイクル数を達成した。

従来の方法で接合した摩擦攪拌接合継目と超音波を利用して生成した摩擦攪拌接合継目との量的な粒子サイズを分析したところ、熱発生領域（ＨＡＺ）でも継目、即ちナゲットの中心でも大きな差はなかった。

しかし、材料中で堆積物がより細かく分配されたのは、超音波を利用したためである。図４Ａ及び図４Ｂでは、これらの堆積物を暗領域として可視化している。従来の方法で接合した継目のＨＡＺの写真（図４Ａ）では幾つかの大きい堆積物が認められるが、超音波を利用することで堆積物は大幅に細かく分配されている（図４Ｂ）。堆積物がこのように細かく分配されれば、疲労強度に大きなプラスの影響が及ぼされる。

ＦＳＷ接合に超音波を利用する重大な利点を図５にも示す。図５におけるこれらの測定でも、周波数２０ｋＨｚ、振幅４０μｍの超音波を使用した。超音波を使用して処理すると、より高い破壊応力サイクル数Ｎ_Ｂへと曲線が移行する特徴を有するため、摩擦攪接合で生成された接合物の疲労特性が大幅に改善されることがすぐにわかる。

左の曲線（三角形）は、断面画像で酸化物ラインを示す摩擦攪拌接合されたアルミニウムサンプルの疲労挙動を示し、中央の曲線（ひし形）は、摩擦攪拌接合後に酸化物ラインを有さないアルミニウムサンプルの疲労挙動を示す。左の曲線に比べて、酸化物ラインが存在しなければ疲労挙動が増大する。右の曲線（丸）は中央の曲線のサンプルのようなサンプルに更に超音波処理を施した成功事例を示す。

従って例えば１１０ＭＰａの負荷をかけた破壊応力サイクル数Ｎ_Ｂは、酸化物ラインを有するサンプルの場合の１０^５から、中央の曲線の１×１０^５を介して、超音波処理した摩擦攪拌接合サンプルの２×１０^５へと増大する。これは、超音波処理により耐用年数が２倍に増えることに相当する。

１、２ 被加工物
３ 接合線
４ 回転ツール
６ ソノトロード
８ ピン
９ ショルダ部

Claims (16)

1. 少なくとも２つの被加工物を摩擦攪拌接合によって接合する、被加工物の接合方法であって、接合中に前記被加工物のうちの少なくとも１つを超音波で処理すること、を特徴とする方法。
2. 前記少なくとも２つの被加工物を、接合する少なくとも１つの領域において超音波で処理すること、を特徴とする先行する請求項に記載の方法。
3. １７ｋＨｚ以上、好ましくは３０ｋＨｚ以上、好ましくは５０ｋＨｚ以上の周波数の超音波で処理を行うこと、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
4. １２０ｋＨｚ以下、好ましくは１００ｋＨｚ以下、好ましくは８０ｋＨｚ以下の周波数の超音波で処理を行うこと、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
5. ３μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上の振幅を有する超音波で処理を行うこと、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
6. ６０μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、好ましくは４０μｍ以下の振幅を有する超音波で処理を行うこと、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
7. 少なくとも１つのソノトロードにより超音波を導入すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
8. 前記摩擦攪拌接合の接合線の長手方向に水平に超音波を導入すること、及び／又は前記接合線の前記長手方向に水平に伝播するよう超音波を導入すること、及び／又は前記被加工物のうちの少なくとも１つの表面の一平面において伝播するよう、及び／又は前記被加工物のうちの少なくとも１つの体積において伝播するよう超音波を導入すること、
   を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
9. 前記摩擦攪拌接合の接合線の長手方向に垂直に超音波を導入すること、及び／又は前記接合線の前記長手方向に平行に伝播するよう、及び／又は前記接合線の一平面において伝播するよう、及び／又は前記接合線の一平面に対して垂直に伝播するよう、超音波を導入すること、
   を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
10. 前記超音波を縦波及び／又は横波として導入すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
11. 前記摩擦攪拌接合を実行するツールにより超音波を導入すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の方法。
12. 摩擦攪拌接合プロセスを実行する少なくとも１つのツールと、少なくとも１つの被加工物を超音波で処理できる少なくとも１つの装置と、を有することを特徴とする接合装置。
13. 請求項１から１１のうちの一項に記載の方法を実行できること、を特徴とする先行する請求項に記載の接合装置。
14. 請求項１から１１のうちの１つによって生成されること、を特徴とする接合被加工物。
15. 接合線に沿った酸化物バンドがないこと、を特徴とする摩擦攪拌接合によって接合される接合被加工物。
16. 前記被加工物が軽金属、詳細にはアルミニウム又はアルミニウムを含むものを有すること、を特徴とする先行する請求項に記載の接合被加工物。

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