JP2015502264A - 軽金属の固相接合のための装置 - Google Patents

Abstract

アルミニウムのような軽金属の固相接合のための装置が説明される。装置は、接合される各部品を分離しているグルーブへ、フィラー金属のストリングを付加するために連続押出し、及び、グルーブにおける表面酸化物の除去のために剪断変形、の原理を利用する。装置は、駆動スピンドル・ヘッド（１４）で終端する回転駆動スピンドル（１３）を備える。押出しチャンバ（１６）を構成する円弧形状を有したグルーブは、駆動スピンドル・ヘッド（１４）の外表面（１５）中に機械加工される。押出しチャンバ（１６）は、駆動スピンドル・ヘッド（１４）を取り囲む環状の固定金属シュー（１７）によって半径方向の外側に向けて制限される。押出しチャンバ（１６）は、アルミニウムの向きを、押出しチャンバ（１６）内の円形移動からダイ・オリフィス（１９）を通過して変える、一体型（固定された）又は交換可能な接合部材（１８）で終端する。

Description

本発明は、複数の軽金属部品及び合金の接合のための装置に関し、特に、複数のアルミニウムの合金、及び、複数の軽金属特にアルミニウムを含有している複数のハイブリッド材料／複合材料の合金を含む、複数のアルミニウム部品、の接合のための装置に関する。装置は、接合される複数の部品を分離しているグルーブ（溝、開先）へフィラー金属のストリングを付加する連続押出し、及び、グルーブの表面酸化物除去のための剪断変形の原理を利用する。

背景
従来、複数の金属部品を接合する技術は、複数の鉄系金属の接合のために最初に開発された複数の技術を適用することによりもたらされてきた。

複数の金属の接合は、主に溶融接合（溶接）と関連付けられてきた。溶融接合では、ベース金属及び使用可能なフィラー金属の両方が、電気アーク、電子ビーム又はレーザービーム、によって融解され、具現化の間に溶融物溜まりのひきずる部分（trailing part）で金属−金属ボンディングが達成されていた。溶融接合では、供給されるエネルギーの一部分だけが、溶融とその溶融されることによるボンディングに寄与している。供給されるエネルギーのほとんどは、ベース金属の局部的加熱、及び溶融接合部の周囲でのいわゆる熱影響ゾーン（文献では一般にＨＡＺと呼ばれる）の形成、をもたらす。このゾーンは、結果として生じる微構造変化が母材の恒久的な機械的劣化をもたらすため、問題を呈している。このように、溶接ゾーンの特性は、工学的設計での制限要因となり、実際には、部品の耐荷重能力を決定することになる。また、供給される過剰なエネルギー（すなわち熱）は、溶接領域における高い残留応力だけでなく、全体的な変形及び歪みをもたらす。これらの問題は、アルミニウム溶接例えばベース金属の化学成分を調整してＨＡＺの微構造を変更することによるような、必要な予防動作をとれる可能性がより難しくなるため、アルミニウム溶接の場合のほうが鋼溶接の場合よりもより重大になる。

一般に、レーザー溶接及び電子ビーム溶接のようなより効果的な溶接プロセスの使用は、非常に狭いＨＡＺを提供し、この点で著しい改善を示す。しかしながら、これらの技術は、溶融ゾーンにおける熱クラッキング（割れ）抵抗性及びポア（細孔）形成に関連した他の問題を発生させる。また、それらは、高コストで、用途がより制限されるという機器に不利益をもたらす。更に、フィラー金属を通常は付加しないという事実により、精度の要求が一層厳しくなる。

従来、複数の軽金属の接合のための代替技術を開発するためにいくつかの試み、その中では、摩擦溶接（別称：摩擦圧接）、すなわち摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ：Friction Stir Welding:（別称：摩擦攪拌接合））として公知の変形態様、がおそらく最も知られている、がなされてきた。ＦＳＷでは、共に接合される２つのプレートが互いにしっかりと加圧され、その際に回転するツールがそれらの間の境界面（縁部）に沿って移動し、表面上に常に存在するであろう酸化物層−少なくともアルミニウムでは−を除去する。回転ツールと母材の複数アルミニウムプレートとの間の境界面では、かなりの摩擦熱が発生するが、供給されるエネルギー、そしてそれにより発生する熱は、溶融接合の場合よりも小さく、その結果、接合部近傍のベース金属は融解せず、液体状態に至らない。したがって、摩擦攪拌溶接は、これにより一般的な問題のいくつか、すなわち高い残留応力及び熱クラックの発生、ポア形成並びに低い腐食抵抗、が減少するため、固相接合技術の溶融接合と比較して改善が示される一例である。一方、この新規な技術はいくつかの不都合を有し、その１つが、フィラー金属を使用する可能性がないため、接合される表面を互いに正確に一致させる必要があることが要求されることである。別の不都合は、接合される複数部品が、かなりの力で互いに加圧される必要があることであり、これは、この方法が重くて剛性のある機器を必要とすることを意味する。最後に、このタイプの摩擦溶接であっても、幅広いＨＡＺの形成を生じさせ、そこでは、結果として生じた微細構造の変化により、促進強化された金属の恒久的な軟化がもたらされる。

他の接合方法の中では、ろう付け、鋲着及び接着ボンディングを言及すべきであろう。これらの方法の１つ以上は、適用のいくつかの領域で好都合な場合があるが、一般に、それらは故障に対して低い安全性を示し、したがって、荷重又は重量を担う構造での溶接の現実的な代替方法にはならない。

WO 03/043 775には、アルミニウムなどの軽金属等の複数部品を接合するための特定の方法が記述されている。この方法は、連続押出しの原理に基づいており、その目的は、ＦＳＷ法及び他の従来技術の方法に関連して、過度な加熱の不都合を減少又は排除することである。WO 03/043 775では、また、適切な装置が主に記述されている。この方法が有望と見込まれたが、装置はこの方法の工業的使用を可能にするレベルまで開発されなかった。

したがって、押出しに基づく、複数のアルミニウム部品及び複数の他の軽金属部品の接合の、工業的規模で有用な装置の必要性が依然として存在する。

目的
本発明の目的は、押出しの原理に基づき、複数の軽金属部品を工業的規模で接合するための装置を提供することであり、結果として、高い残留応力、変形、熱クラック又は腐食の異常の問題のような、過度な加熱の不都合を排除することで、主要な問題がなくなる。

最後に、複数の軽金属部品の工業的規模での、（簡単に大規模化又は小規模化が可能で）自動化することができ、単純であり、安価であり、信頼性が高く、そして強健な、接合のための装置を提供することを目的とする。

本発明
本発明は、請求項１に述べられた特色によって特徴づけられる装置に関する。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項により開示される。

装置は、本発明のコアを構成する特別に設計された押出機ヘッドを備える。また、装置は、スピンドル用のモータ及び駆動装置を備え、押出されるストリング用の保持及び供給機構も備える。これらの構成要素は、従来技術における公知の任意の形状を有することができ、したがって、本文献では更なる記述は行わない。

本明細書で使用される用語「軽金属」とは、その軽金属自体、及び、その軽金属、特にアルミニウムの合金、並びに、その合金を含むもの、と解釈される。

要求されるボンディングの温度は、例えば、電気抵抗加熱、誘導加熱（又はレーザービームでの加熱）の形でのような、局部的な加熱と任意に組み合わされた、変形及び摩擦から発生する熱とを利用して達成される。

本発明による装置を使用して、フィラー金属のストリングは、接合される複数の部品間の接合部（グルーブ）に付加される。複数の部品には強い力を加える必要がなく、装置を、小型かつ単純に製造することができ、そして、必要であれば、携帯使用又は自動化された使用に適したものにすることができる。

フィラー金属のストリング（例えばアルミニウム）は、押出しプロセスによって可塑化し、簡単にダイ（型）を通過することができ、そしてストリングを方向付けられたグルーブに充填することができる。ダイ・オリフィスによって定められた寸法を有するフィラーが、僅かに狭いグルーブに入るので、剪断変形が発生して、接合される複数の部品の酸化物層を除去し、それにより、接合される複数の部品とフィラー金属のストリングの各原子間の緊密な接触及び金属ボンディングが可能となる。したがって、複数の部品の過度な加熱及び結果として生じる不都合なしに、溶接的なボンディングが形成される。局部的な加熱がダイ・オリフィスから離れたフィラー金属に加えられるときでも、接合される複数の部品の加熱は緩やかである。

本発明は、ここで更に、以下の図面を参照にして、非限定的な実施形態の形で記述される。

本発明による押出機ヘッドの一実施形態の側面断面図である。 それぞれ押出し前及び押出し中の、押出しチャンバ及びフィラー金属のストリングの断面の模式図である。 それぞれ押出し前及び押出し中の、押出しチャンバ及びフィラー金属のストリングの断面の模式図である。 図１の押出機ヘッドの端部断面図である。 本発明による押出機ヘッドの斜視図である。

図１は、回転可能な駆動スピンドル１３がコア要素である押出機ヘッド１２を示す。下端では、駆動スピンドル１３が、滑らかな外表面１５を有する駆動スピンドル・ヘッド１４まで延在し、その表面は、典型的には円錐台形だが円筒形でもよい。駆動スピンドル・ヘッドの周方向には、３６０度のグルーブが、以下により詳細に記述するように、押出しチャンバ１６の各部を形成するように機械加工される。フィラー金属ストリングの入口点１６ａの位置に応じて、実際の押出しチャンバは、駆動スピンドル・ヘッド１４の表面１５の周囲に、典型的には１８０度以上、より典型的には約２７０度で延在することができ、そして入口点１６ａで開始されて、ダイ・オリフィス１９で終端される。したがって、押出しチャンバ１６は、図３により良く示されるように、円周全体よりもむしろ円弧の一般的な形状を有する。

押出しチャンバ１６の終端は、ダイ・オリフィス１９に隣接するグルーブに配置され、好ましくは、以下で更に記述される方法での動作の間、所定の位置にしっかりと保持される、別個の接合部材１８によって、効果的に作られる。接合部材１８の機能は、円形運動から押出しチャンバを通過して引き出離され、可塑化金属ストリングの向きを変え、オリフィス１９を通過して出すことである。金属ストリングの可塑化に寄与し、金属ストリングがダイ・オリフィス１９を通過して押出機のヘッドを離れ易くする接合部材の前で、圧力の上昇があることは避けられない。

押出しチャンバ１６の半径方向外側には、固定金属シュー１７が、押出しチャンバの半径方向外側の範囲を定めるように配置される。駆動スピンドル・ヘッド１４の表面１５に面した金属シュー１７の表面は、主に締まり嵌めを形成させるために、押出しチャンバ１６の周辺のエリア内が、表面１５の傾斜に対応する角度で傾斜させられる。しかしながら、上記のエリアでは、２つの表面間の摩擦を不所望に増加させる、２つの表面間の必要以上の大きな接触を回避するように、金属シュー１７の傾斜が、駆動スピンドル・ヘッドの傾斜から逸れることが好ましい。したがって、駆動スピンドル・ヘッド１４を取り囲む固定金属シュー１７は、押出しチャンバ１６の両側の制限されたエリア内で、駆動スピンドル・ヘッド１４の表面にタイトに接触するように、駆動スピンドル・ヘッド１４の円錐台形又は円筒形の表面に適合された内側表面を有することが好ましい。

金属シューは、接合部材と共に一体化された部品として形成され得るが、接合部材の摩耗は著しく、したがって、別個の交換可能な部材として接合部材１８を有することがより好都合である。固定金属シュー１７の金属は、好ましくは硬化された鋼合金である。

押出機ヘッドは、要求されるものではないが、結果としてシステムの圧力及びそれによる各部品の摩耗を減少させるために、ダイ・オリフィス１９の局部的な加熱手段と共に提供されることが非常に好ましい。このような局部的な加熱手段は、電気抵抗加熱の形を有することができ、好ましくは、ダイ・オリフィスから離れた金属が電気回路の一部であるように配置される。局部的な加熱のための他の手段は、誘導加熱の形（又は局部的なレーザー加熱の形）とすることができる。

押出機のヘッドの各機能部分については、既に説明された。実用目的及び安全目的のために、押出機ヘッドは、各部品を共に保持するのに部分的に利用でき、重要な各部品を埃及び破損から部分的に保護し、人員を負傷から部分的に保護するハウジングによって保護される。ハウジングは、回転可能な駆動スピンドルを取り囲む環状のスピンドル・ハウジング２１、並びに駆動スピンドル・ヘッド１４及び金属シュー１７を取り囲む環状のスピンドル・ヘッド・ハウジング２２を含むことができ、スピンドル・ハウジング２１及びスピンドル・ヘッド・ハウジング２２は、ねじ切りされたナット２３によってタイトに取り付けられる。好ましくは、ベアリング２４、例えば真鍮製ベアリングが、押出機ヘッドの低摩擦及び高剛性を確実にするために、駆動スピンドル１３とスピンドル・ハウジング２１との間に提供される。

押出機ヘッドの向きは変化し得るため、本明細書で使用される用語「上」及び「下」は、図面にちょうど対応することに留意する必要がある。但し、押出機ヘッドは、使用のために、実質的に垂直に位置するように典型的に配置され、実用目的のために有利になるように、ダイ・オリフィス開口部だけが接合される各部品と接触するように垂直位置から数度傾けられ、各部品は、典型的には押出機ヘッドの下の水平面に配置される。

図２ａは、押出しチャンバ１６の典型的な主要部の正方形の断面を示し、押出しチャンバは、その各壁のうちの３枚が駆動スピンドル・ヘッド１４により構成され、４枚目の壁が金属シュー１７により構成される。図２ａに同様に示されるフィラー金属のストリング２６は、主に円形の断面、及び押出しチャンバの直線的長さ寸法より僅かに大きな直径を有する。図２ａは、ストリングが押出しチャンバに入る前の断面を示す。

押出しチャンバに入るときに、金属ストリングは、図２ｂに示されるようにほぼ正方形の断面形状となるように押出しチャンバ１６の壁によって押し潰される。フィラー金属ストリングの直径は、断面積の領域で、金属ストリング２６のほうが押出しチャンバ１６の正方形全体より僅かに小さくなるように選択され、それにより、押出しチャンバ１６の角には、小さな開いた空隙が存在することになる。フィラー金属ストリングの直径を押出しチャンバの寸法に適合させることは、試行錯誤によって達成され得る重要な実用的要素である。フィラー金属ストリングの寸法は、一方で、望ましい押し潰しを提供するのに十分な大きさであることが重要であり、他方で、ストリングが押出しチャンバに入ることを阻止されるほど大きくてはならない。大きさの目安としては、金属ストリング２６の直径が正方形の押出しチャンバの直線的長さ寸法より７％大きい場合に、正方形の押出しチャンバの断面積がストリング２６の断面積より１０％大きくなる。

ストリングは、押出しチャンバ１６の運動方向へと引っ張る３枚の壁によって取り囲まれ、その各壁からの摩擦力によって保持されて引っ張られるとき、その間に、その運動を減速させるか又は運動に対抗しようとする摩擦力を加える１枚の固定壁、すなわち金属シュー１７、による押し潰しも行われる。後者の金属シュー１７の摩擦力は、ストリングの運動を止めるには不十分だが、それらの加熱及び可塑化に寄与する。そのため、いずれにしても、押出しチャンバ内の入口１６ａから及びダイ・オリフィス１９へむけて、金属ストリング２６の可塑性が連続的に増加するようになる。

実際には、駆動スピンドル・ヘッド１４の外側側部に対する金属シュー１７のフィッティングは、押出しチャンバ１６からの可塑化された軽金属の僅かな「漏れ」を許容し、可塑化された軽金属は、相互に移動するスピンドル・ヘッド１４と金属シュー１７との間の潤滑剤的に機能する。

フィラー金属及び合金組成物の選択は、いつでも、フィラー金属及び合金組成物の特性が接合される金属部品の特性に一致するように行われる。

図３は、図１の押出機ヘッドの端部断面図である。図３では、駆動スピンドル・ヘッド１４の下端を視認でき、同様に、接合押出しチャンバ１６、金属シュー１７、接合部材１８、ダイ・オリフィス１９及びスピンドル・ヘッド・ハウジング２２も視認することができる。

図４は、駆動スピンドル・ヘッドの斜視図であり、主要な視認できる要素は、再度の駆動スピンドル・ヘッド１４、押出しチャンバへの入口１６ａ、金属シュー１７、上部スピンドルハウジング２１及び下部スピンドルハウジング２２、ナット２３、及び、接合のためのフィラー金属として使用され、可塑化される金属のストリング２６である。図４に見られるように、固定された金属シュー１７は、駆動スピンドル・ヘッド１４の、フリーであり、円形であり、及び、実質的に平面状である側部に配置される。

フィラー金属は、機械的又は電気的特性を改善するために、異なる金属及び要素を任意に含んでもよい。一般的に、使用されるフィラー金属は、ベース金属と適合する必要があり、接合動作中又は接合動作後に、例えば押出し性、降伏強度及び引張強度、靱性、延性、疲労強度、並びに、腐食抵抗のような特性を最適化するために、ベース金属に従って調整され得る。そのため、フィラー金属は、押出しの実施、及び、例えば再結晶を抑制したり析出を高めることが知られている工業的熱処理から、初めに異なる要素又は相を含んでもよく、それにより、自然な又は人工的なエージングをもたらす更なる強度を回復する。このような軽微な偏差を除いて、化学成分は、所望の腐食特性を得るために、ベース金属の化学成分に可能な限り近づけるべきである。

本発明による方法は、従来の溶接プロセス及び溶接方法によって接合可能な全てのタイプのシート、管及びプロファイルの接合、並びに全ての位置での接合に主に適している。本発明による方法は、原則として、電気抵抗溶接、鋲着、又は他の形の機械的接合の代替方法として（同様に、接着ボンディングと組み合わせて）シートのスポット溶接に適用可能である。更なる態様は、本方法を、小型で、軽量で、かつ安価な機器で予め形成できることである。

Claims (13)

1. アルミニウムのような複数の軽金属の固相接合のための装置であり、接合される前記複数軽金属部品を分離しているグルーブへフィラー金属のストリングを付加するために連続押出しの原理を利用し、駆動スピンドル・ヘッド（１４）で終端する回転駆動スピンドル（１３）を備える装置であって、
   前記駆動スピンドル・ヘッド（１４）の外表面（１５）に機械加工され、押出しチャンバ（１６）を構成する円弧形状を有したグルーブと、
   前記押出しチャンバ（１６）が、前記駆動スピンドル・ヘッド（１４）を取り囲む環状の固定金属シュー（１７）によって、半径方向外側が制限されること、
   前記押出しチャンバ（１６）が、前記フィラー金属のストリング（２６）の向きを、前記押出しチャンバ（１６）内の円形移動から、ダイ・オリフィス（１９）を通過する外向きに変える、一体型、又は、交換可能な接合部材（１８）で終端すること、
   を特徴とする装置。
2. 前記固定金属シュー（１７）の中の前記ダイ・オリフィス（１９）が、
   前記駆動スピンドル・ヘッド（１４）の、自由で、円形で、及び、実質的に平面状の側部に配置されること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記駆動スピンドル・ヘッド（１４）が、
   円錐台形、又は、円筒形状を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記駆動スピンドル・ヘッド（１４）を取り囲む前記固定金属シュー（１７）が、
   前記押出しチャンバ（１６）の両側の制限されたエリア内における、前記駆動スピンドル・ヘッド（１４）の表面にタイトに接触するように、前記駆動スピンドル・ヘッド（１４）の前記円錐台形又は円筒形の表面に適合された内側表面を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記装置が、
   前記ダイ・オリフィス（１９）、及び、前記接合される各部品、から離れている、前記フィラー金属のストリング（２６）の局部的な加熱手段（２０）と共に提供されること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記局部的な加熱（２０）手段が、
   前記接合される各部品、及び、前記ダイ・オリフィス（１９）から離れている前記フィラー金属（２６）のストリングが、所与の温度まで加熱され得るように配置された、電気抵抗加熱、誘導加熱手段、又は、他のジュール加熱手段を含むこと、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記駆動スピンドル（１３）が、
   前記金属シュー（１７）に、一端で取り付けられるように配置された、環状のスピンドル・ハウジング（２１）によって保護されること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記駆動スピンドル（１３）と前記環状のスピンドル・ハウジング（２１）との間にベアリング（２４）を備えること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記押出しチャンバ（１６）を構成する前記グルーブの幅が、
   押出される前記フィラー金属（２６）のストリングの直径に慎重に適合されること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記押出しチャンバ（１６）を形成する前記グルーブの幅及び深さが、
    前記フィラー金属のストリング（２６）の直径より小さく、その一方で、前記グルーブの断面積が、前記フィラー金属ストリングの断面積より僅かに大きいこと、
    を特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記固定金属シュー（１７）の前記金属が、
    硬化された鋼合金であること、
    を特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記接合部材（１８）は、
    取り外し及び交換が容易に可能であるように、前記接合部材の自由端が、前記金属シュー（１７）のスロット内に保持されること、
    を特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記接合部材（１８）が、
    前記金属シュー（１７）と一体化された部品であること、
    を特徴とする請求項１に記載の装置。

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