JP2018030175A - 摩擦溶接プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦溶接プロセスを提供すること。
【解決手段】摩擦溶接プロセスで使用するための工作物が、溶接面を備える。溶接面は、溶接面に沿って延在する中央隆起面を含み、中央隆起面は、各側がそれぞれ第１の角錐面および第２の角錐面と隣接している。
第１の角錐面は、中央隆起面と第１の角錐角度を形成し、第２の角錐面は、中央隆起面と第２の角錐角度を形成する。
第１の角錐面は、第３の角錐面とさらに隣接し、第２の角錐面は、第４の角錐面とさらに隣接し、第３の角錐面は、中央隆起面と第３の角錐角度を形成し、第４の角錐面は、中央隆起面と第４の角錐角度を形成する。第３の角錐角度および第４の角錐角度のそれぞれは、９０°未満である。
【選択図】図３

Description

本開示は、摩擦溶接プロセスに関し、詳細には、しかし限定的ではないが、この方法で使用するための溶接スタブ幾何形状とともに、線形摩擦溶接プロセスに関する。

線形摩擦溶接（Ｌｉｎｅａｒ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ：ＬＦＷ）は、それら自体でまたは互いに溶接される金属または非金属の材料の規則的および不規則な部分同士を接合するための固体溶接プロセスである。

溶接は、接触面に印加されるアプセット推力により部品同士が押し付けられている間に一方の部品をもう一方の部品に対して所定の周波数で線形振動させることによってもたらされる。

ＬＦＷプロセス中、構成要素は、相対振動運動とアプセット推力との組合せによってもたらされる摩擦力により、接触帯において局所的に加熱される。接触帯の温度が上昇するにつれて、材料は可塑性を強め、振動運動およびアプセット推力の作用の下で溶接帯からバリが押し出される。

ＬＦＷプロセス中にアプセット推力を継続的に印加することにより、各構成要素は、振動運動の方向に対して垂直の方向により接近し合う。この距離の短縮は、構成要素材料が可塑性の反応を示す限り生じる。

構成要素が所望の距離の短縮（溶融距離（ｂｕｒｎ−ｏｆｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ）として知られる）に達すると、振動振幅は徐々にゼロまで下げられ、部品は、溶接部が冷却する間、所定の時間にわたりアプセット推力によって互いに熱間鍛造される。

従来のＬＦＷプロセスでは、構成要素は、平坦な溶接継手面を有して形成される。この構成は、図１に示されるように、かなりの溶融の後でも溶接継手内に汚染物質を保留することが示されてきた。図１の従来技術の構成では、溶接スタブ１、２は、溶接界面６を有する。溶接界面の中心線は、４として示される。ＬＦＷプロセス中に溶接スタブ１、２が互いに押し付けられると、材料が継手からバリ３として排出される。材料の長さに沿う中心線４は、継手の左右に材料が排出される領域をおおよそ分割する。

中心線４上または中心線４の近くに位置するいかなる汚染物質５も、スタブ１と２との間の溶接部から排出され得ず、したがって、バリ３内に押し出されず、代わりに溶接継手内に残留する。そのような残留汚染物質は、溶接部の完全性を低下させ得る。

縁部剥離（ｅｄｇｅ ｂｒｅａｋａｗａｙ）は、母材のうちの大きな低温部分が破断して、塑性流動に対する局所的制約を解放し、材料が溶接部を横切って優先的に引っ張られることを可能にするような、ＬＦＷスタブの縁部の変形を特徴とする溶接特徴である。これは、加熱中に溶接界面において形成される大気汚染物質に溶接継手全体をさらすことにより、例えばチタン合金における硬いアルファ粒子の形成により、溶接部の完全性を低下させる可能性がある。

ＬＦＷスタブの縁部の変形は、溶接部からの汚染物質の押出しおよび排出のための最適状態を損ない得る。極端な状況では、変形したスタブ隅部が分離して、最適な材料流動状態をさらに損ない得る。このスタブ隅部の変形および分離は、対称的にまたは非対称的に生じ得る。

図２Ａから２Ｃは、溶接スタブ１のうちの１つが傾斜面幾何形状１０を備えている場合にどのようにしてスタブ隅部の変形または分離が生じるかを示す、典型的なＬＦＷプロセスの概略的な経過を図示する。溶接界面におけるこの勾配付きの領域は、流動様式を平坦な表面の使用によって予期されるであろう流動様式から変更することにより、汚染物質を界面６から排出する。これは、バリ３の量を増大させることにより、溶接界面６における汚染物質の介在を防ぐことができる。しかし、傾斜面のスタブ１が、対向する平坦面のスタブ２内に入り込むにつれて（図２Ｂに示される）、溶接界面６からの材料の一部が、溶接界面６の縁部１２、１４において変形させられる。

ＬＦＷプロセスが進行するにつれて、この変形した材料１２，１４は、溶接スタブ２から分離して、バリ１６、１８内に排出される。
スタブ隅部の変形および分離をもたらす状況は、異類の合金材料から成る２つの工作物を溶接することによって悪化する可能性がある。

本開示の第１の態様によれば、溶接面を備える、摩擦溶接プロセスで使用するための工作物であって、
溶接面が、溶接面に沿って延在する中央隆起面を含み、中央隆起面の各側が、それぞれ第１の角錐面および第２の角錐面と隣接し、第１の角錐面が、中央隆起面と第１の角錐角度（ｐｙｒａｍｉｄａｌ ａｎｇｌｅ）を形成し、第２の角錐面が、中央隆起面と第２の角錐角度を形成し、第１の角錐面が、第３の角錐面とさらに隣接し、第２の角錐面が、第４の角錐面とさらに隣接し、第３の角錐面が、中央隆起面と第３の角錐角度を形成し、第４の角錐面が、中央隆起面と第４の角錐角度を形成し、第３の角錐角度および第４の角錐角度のそれぞれが９０°未満である、工作物が提供される。

第１および第２の角錐面と第３および第４の角錐面との組合せを溶接面に提供することにより、工作物は、ＬＦＷプロセスを受けることが可能になり、得られる溶接継手は、継手の中心領域に捕獲された汚染物質を有することがなく、また、溶接継手は、継手の縁部における変形および分離を被ることがない。

溶接スタブの２重角錐の幾何形状（ｄｏｕｂｌｅ ｐｙｒａｍｉｄａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）は、溶接界面の縁部に追加的な横方向支持を提供することにより、材料の変形および分離が発生するのを防ぐ。この追加的な支持は、溶接界面から放出された材料が溶接スタブから変形および分離するのを防ぐ。

任意選択で、第１の角錐角度は、第２の角錐角度に等しい。
第１の角錐角度を第２の角錐角度に等しくすることにより、接触帯に最も近い工作物の部分に対称的な断面幾何形状が提供される。これは、溶接材料が溶接プロセス中に接触帯から対称的に排出されることを確実にする。

任意選択で、第３の角錐角度は、第４の角錐角度に等しい。
第３の角錐角度を第４の角錐角度に等しくすることにより、接触帯から最も遠い工作物の部分に対称的な断面幾何形状が提供される。これは、溶接材料が接触帯から対称的に排出されること、および、溶接継手が継手の縁部における変形および分離を被らないことを確実にする。

任意選択で、中央隆起面は、約１ｍｍから５ｍｍの間の横方向幅を有する。
中央隆起の横方向幅を５ｍｍ未満に保持することにより、溶接帯からの表面汚染物質の排出がより効果的に実現される。しかし、本開示の代替構成では、中央隆起面は、最大で約９ｍｍまでの横方向幅を有し得る。

任意選択で、第１の角錐角度および第２の角錐角度のそれぞれは、約６°から１２°の間である。
第１の角錐角度および第２の角錐角度を約６°から１２°の間の範囲内に保持することにより、溶接帯からの表面汚染物質の除去を確実にすることと、溶接プロセス中にバリとして継手から排出されなければならない材料の量を最小限に抑えることとのつり合いが提供される。

任意選択で、第１の角錐角度および第２の角錐角度のそれぞれは、約６°から３０°の間である。
第１の角錐角度および第２の角錐角度を約６°から３０°の間の範囲内に保持することにより、溶接帯からの表面汚染物質の除去を確実にすることと、溶接プロセス中にバリとして継手から排出されなければならない材料の量を最小限に抑えることとのつり合いが提供される。

任意選択で、第３の角錐角度および第４の角錐角度のそれぞれは、約３０°から６５°の間である。
第３の角錐角度および第４の角錐角度を約３０°から６５°の間であるように選択することにより、変形条件および分離条件が生じるのを避けるためにスタブ隅部に十分な機械的支持が存在することが確実になる。

任意選択で、第３の角錐角度および第４の角錐角度のそれぞれは、約３０°から９０°の間である。
第３の角錐角度および第４の角錐角度を６５°より大きくかつ約９０°未満であるように選択することにより、変形条件および分離条件が生じるのを最小限に抑えるためのスタブ隅部における追加的な機械的支持と、摩擦溶接プロセスに続いて機械加工されて取り除かれなければならない可能性のある工作物へ材料の追加を最小限に抑えることとのつり合いが提供される。

任意選択で、溶接面は、曲線から成る。
例えば羽根付きディスクを形成するために、ＬＦＷプロセスを使用してディスクに羽根を接合する場合、溶接面は曲線から成る。

任意選択で、工作物は、チタン合金またはニッケル合金から形成される。
変形および分離のプロセスは、加熱中に溶接界面において形成される大気汚染物質に溶接継手をさらす可能性があり、かつ、溶接継手からの汚染物質の押出しおよび排出のための最適状態を損なう可能性がある。このことの具体的な例は、チタン合金における硬いアルファ粒子の形成である。

本開示の第２の態様によれば、線形摩擦溶接の方法であって、
第１および第２の工作物を用意するステップであって、第１の工作物が、第１の溶接面を備え、第２の工作物が、第２の溶接面を備え、第１の工作物および第２の工作物のうちの少なくとも一方が、第１の態様による工作物を含むステップと、
第１の溶接面が第２の溶接面と係合した状態で、第１の工作物を第２の工作物に隣接して位置決めするステップと、
第１の溶接面および第２の溶接面のうちの少なくとも一方が第１の溶接面および第２の溶接面のうちのもう一方に対して移動し、それにより第１および第２の溶接面の温度が上昇して溶接界面を作り出すように、第１の工作物および第２の工作物を互いに往復運動させるステップと、
往復運動を止め、第１の工作物および第２の工作物を冷却させて、第１の工作物および第２の工作物を互いに溶接するステップと、
を含む方法が提供される。

しかし、溶接スタブのうちの一方に対して角錐の幾何形状が使用された場合、変形および分離の問題が生じることが示されている。
第１および第２の角錐面と第３および第４の角錐面との組合せを溶接面に提供することにより、工作物は、ＬＦＷプロセスを受けることが可能になり、得られる溶接継手は、継手の中心領域に捕獲された汚染物質を有することがなく、また、溶接継手は、継手の縁部における変形および分離を被ることがない。

任意選択で、第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、第１の工作物が、第１の溶接面を備え、第２の工作物が、第２の溶接面を備え、第１の工作物および第２の工作物のうちの少なくとも一方が、第１の態様による工作物を含むステップは、
第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、第１の工作物が、第１の溶接面を備え、第２の工作物が、第２の溶接面を備え、第１の工作物および第２の工作物のそれぞれが、第１の態様による工作物を含むステップ
を含む。

方法の一代替実施形態では、第１の工作物および第２の工作物のそれぞれは、第１の溶接面および第２の溶接面をそれぞれ備え、第１の溶接面および第２の溶接面のそれぞれは、本開示の第１の態様による２重角錐の幾何形状を有する。

任意選択で、第１の工作物は、第１の強度パラメータを有する第１の材料から形成され、第２の工作物は、第２の強度パラメータを有する材料から形成され、第１の工作物の第１の角錐角度と第２の工作物の第１の角錐角度および第２の角錐角度のうちの対応する一方との間に第１の比率が画定され、第１の工作物の第２の角錐角度と第２の工作物の第１の角錐角度および第２の角錐角度のうちのもう一方との間に第２の比率が画定され、第１の比率および第２の比率のそれぞれは、第１の強度パラメータと第２の強度パラメータとの間の第３の比率の関数である。

上述のように、第１および第２の角錐角度の選択は、バリにおける溶接帯からの表面汚染物質の排出を助ける。しかし、第１の工作物および第２の工作物が異なる材料から形成されている場合、得られる摩擦溶接部が溶接帯全体にわたって形成されることを確実にするために、第２の工作物のそれらとは異なる第１および第２の角錐角度を第１の工作物に提供することが必要であり得る。

したがって、第１の工作物の第１および第２の角錐角度と第２の工作物の対応する第１および第２の角錐角度との間の比率が第１および第２の工作物の材料の強度パラメータ間の比率に対応するように、第１および第２の工作物の幾何形状を調整することが必要であり得る。

任意選択で、第１の工作物は、第１の強度パラメータを有する第１の材料から形成され、第２の工作物は、第２の強度パラメータを有する材料から形成され、第１の工作物の第３の角錐角度と第２の工作物の第３の角錐角度および第４の角錐角度のうちの対応する一方との間に第１の比率が画定され、第１の工作物の第４の角錐角度と第２の工作物の第３の角錐角度および第４の角錐角度のうちのもう一方との間に第２の比率が画定され、第１の比率および第２の比率のそれぞれは、第１の強度パラメータと第２の強度パラメータとの間の第３の比率の関数である。

上で概説したように、第３の角錐角度および第４の角錐角度は、工作物の外側縁部領域に向上された機械的支持を提供し、したがって、工作物の隅部の変形または分離の可能性を減少させる。

第１の工作物および第２の工作物が異類の材料から形成される状況では、第１の工作物に対する材料特性は、第２の工作物に対する材料特性とは異なることになる。第１の工作物と第２の工作物との間のこの材料特性の違いは、第１の工作物と第２の工作物との間に、摩擦溶接プロセス中の非対称のアプセット挙動をもたらす。第１の工作物および第２の工作物がどちらも同一の幾何形状を有する場合、得られる摩擦溶接部は、例えば硬い方の工作物が柔らかい方の工作物に「潜り込んだ」状態で、溶接界面にわたって非対称となり、質の悪い溶接継手が作り出される。

したがって、第１の工作物の第３および第４の角錐角度と第２の工作物の対応する第３および第４の角錐角度との間の比率が第１および第２の工作物の材料の強度パラメータ間の比率に対応するように、第１および第２の工作物の幾何形状を調整することが必要である。

１つの実施形態では、第１の工作物の第３および第４の角錐角度と第２の工作物のそれぞれ第３および第４の角錐角度との間の比率は、第１の工作物および第２の工作物が同一の幾何形状を有するときの第１および第２の工作物のそれぞれの相対的アプセットに基づいて決定され得る。

任意選択で、強度パラメータは、流動応力、降伏応力、および最大引張応力（最大抗張力）から成る群から選択される。
上で概説したように、経験的な相対的アプセットデータが、第１の工作物の第３および第４の角錐角度と第２の工作物のそれぞれ第３および第４の角錐角度との間の比率を決定するために使用され得る。あるいは、この比率は、解析的モデリング技法を使用して決定され得る。そのような技法は、流動応力、降伏応力、または最大引張応力（最大抗張力）などの材料パラメータを使用して、摩擦溶接プロセス中の材料の流動挙動をモデル化する。

任意選択で、第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、第１の工作物が、第１の溶接面を備え、第２の工作物が、第２の溶接面を備え、第１の工作物および第２の工作物のうちの少なくとも一方が、第１の態様による工作物を含むステップは、
第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、第１の工作物が、第１の溶接面を備え、第２の工作物が、第２の溶接面を備え、第１の工作物が、第１の態様による工作物を含み、第２の溶接面が、各側がそれぞれ第１のフランク面および第２のフランク面と隣接している中央面を備え、第１のフランク面が、中央面と第１のフランク角度を形成し、第２のフランク面が、中央面と第２のフランク角度を形成し、第１のフランク角度および第２のフランク角度のそれぞれが９０°未満であるステップ
を含む。

この構成では、第１の工作物は、上記で詳述されたような２重角錐の工作物幾何形状を有し、第２の工作物は、各側がそれぞれ第１および第２のフランク面と隣接している、平坦な中央面を有する。

２重角錐の幾何形状に対して上で説明されたのと同様に、第１および第２のフランク面は、第２の工作物の外側縁部領域に向上された機械的支持を提供し、したがって、第２の工作物の隅部の変形または分離の可能性を減少させる。

本開示の第３の態様によれば、第１の工作物および第２の工作物を含む、摩擦溶接プロセスで使用するための一対の摩擦溶接工作物であって、第１の工作物が、第１の溶接面を備え、第２の工作物が、第２の溶接面を備え、第１の溶接面が、溶接面に沿って延在する中央隆起面を含み、中央隆起面の各側が、それぞれ第１の角錐面および第２の角錐面と隣接し、第１の角錐面が、中央隆起面と第１の角錐角度を形成し、第２の角錐面が、中央隆起面と第２の角錐角度を形成し、第１の角錐面が、第１の側面とさらに隣接し、第２の角錐面が、第２の側面とさらに隣接し、第１および第２の側面のそれぞれが、中央隆起面に対して垂直であり、第２の溶接面が、各側がそれぞれ第１のフランク面および第２のフランク面と隣接している中央面を含み、第１のフランク面が、中央面と第１のフランク角度を形成し、第２のフランク面が、中央面と第２のフランク角度を形成し、第１のフランク角度および第２のフランク角度のそれぞれが９０°未満であり、第１の溶接面が、第２の溶接面と係合、例えば、共形係合（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）して位置決めされる、一対の摩擦溶接工作物が提供される。

この構成では、第１の工作物および第２の工作物は、それぞれが同一の材料から形成され得る。第１の工作物の幾何形状が第３および第４の角錐面を含むのを妨げる、第１の工作物の横方向幅に対する設計制限が存在する場合がある。言い換えれば、第１の工作物は、中央隆起面に対して垂直な第１および第２の側面を備える。この構成では、第２の工作物は、傾斜した第１および第２のフランク面を備え得る。これらの第１および第２のフランク面は、溶接界面の縁部に追加的な横方向支持を提供する働きをする。このようにして、第１および第２のフランク面は、溶接界面の縁部における変形および分離を防ぐ働きをする。

任意選択で、中央隆起面は、約１ｍｍから５ｍｍの間の横方向幅を有する。
中央隆起の横方向幅を５ｍｍ未満に保持することにより、溶接帯からの表面汚染物質の排出がより効果的に実現される。

任意選択で、第１の角錐角度および第２の角錐角度のそれぞれは、約６°から３０°の間である。
第１の角錐角度および第２の角錐角度を約６°から３０°の範囲内に保持することにより、溶接帯からの表面汚染物質の除去を確実にすることと、溶接プロセス中にバリとして継手から排出されなければならない材料の量を最小限に抑えることとのつり合いが提供される。

任意選択で、往復運動は、線形往復運動である。
１つの構成では、第１の工作物と第２の工作物との間の相対運動は、線形往復運動である。

他の構成では、第１の工作物と第２の工作物との間の相対運動は、正弦曲線の往復運動または楕円の往復運動などの、非線形のものである。
任意選択で、溶接面は、曲線から成る。

任意選択で、第１の工作物および第２の工作物のそれぞれは、チタン合金から形成される。
任意選択で、第１の工作物は、回転子であり、第２の工作物は、回転子羽根である。

任意選択で、回転子は、ファンディスクであり、羽根は、ファン羽根である。
任意選択で、回転子は、圧縮機ディスクまたは圧縮機ドラムであり、羽根は、圧縮機羽根である。

本開示の第４の態様によれば、コンピュータによって読み取られたときに本開示の第２の態様による方法の実行をもたらす、コンピュータプログラムが提供される。
本開示の第５の態様によれば、コンピュータ可読命令を含む一時的でないコンピュータ可読記憶媒体が提供され、このコンピュータ可読命令は、コンピュータによって読み取られたときに、本開示の第２の態様による方法の実行をもたらす。

本開示の第６の態様によれば、コンピュータ可読命令を含む信号が提供され、このコンピュータ可読命令は、コンピュータによって読み取られたときに、本開示の第２の態様による方法の実行をもたらす。

本開示の他の態様は、本明細書で説明された作用のうちの一部または全てを含みかつ／または実施する、デバイス、方法、およびシステムを提供する。本開示の例示的態様は、本明細書で説明される問題のうちの１つまたは複数、および／または、論じられない１つまたは複数の他の問題を解決するように設計される。

次いで以下に、非限定的な例として、添付の図面を参照しながら本開示の実施形態を説明する。

従来技術による線形摩擦溶接された継手の概略断面図である。 図２Ａは、一方のスタブ部分が単一角錐の幾何形状を有する、従来技術による線形摩擦溶接された継手の概略図である。図２Ｂは、継手隅部の変形の問題を示す、従来技術による線形摩擦溶接された継手の概略図である。図２Ｃは、継手隅部の分離の問題を示す、従来技術による線形摩擦された継手の概略図である。 本開示の第１の実施形態による溶接スタブの概略斜視図である。 図３の溶接スタブの断面図である。 それぞれが本開示の第１の実施形態によるものである２つの対向した溶接スタブの概略斜視図であり、かつ、軸方向および横方向の運動の配向を示す図である。 互いに接触している、図５の２つの対向した溶接スタブの図である。 図３から６の開示による溶接スタブを具現化する、回転子および回転子羽根の概略斜視図である。 それぞれが本開示の第２の実施形態によるものである２つの対向した溶接スタブの概略断面図である。 それぞれが本開示の第３の実施形態によるものである２つの対向した溶接スタブの概略断面図である。 それぞれが本開示の第４の実施形態によるものである２つの対向した溶接スタブの概略断面図である。 それぞれが本開示の第５の実施形態によるものである２つの対向した溶接スタブの概略断面図である。

各図面は一定の縮尺ではない場合もあることに留意されたい。各図面は、本開示の典型的な態様だけを図示するように意図されたものであり、したがって、本開示の範囲を限定するものと見なされるべきではない。各図面において、同様の番号は、各図面間の同様の要素を表す。

図３から図５を参照すると、本開示の第１の実施形態による摩擦溶接プロセスで使用するための工作物が、参照番号１００によって全体的に示されている。
工作物１００は、溶接スタブ１００の形態をとり、かつ、溶接面１１０を備える。溶接面１１０は、溶接面１１０に沿って延在する中央隆起面１２０を含む。中央隆起面１２０は、溶接面１１０の横方向幅１２２と交差して直線的に延在する。示された実施形態では、中央隆起面１２０は、４ｍｍの横方向幅１２２を有する。中央隆起面１２０は、各側がそれぞれ第１の角錐面１３０および第２の角錐面１４０と隣接している。

第１の角錐面１３０は、中央隆起面１２０と共に第１の角錐角度１３２を形成する。第２の角錐面１４０は、中央隆起面１２０と共に第２の角錐角度１４２を形成する。第１および第２の角錐面１３０、１４０は、中央隆起面１２０と一緒に、この実施形態では８ｍｍの値を有する上部角錐幅１４６を画定する。

第１の角錐面１３０は、第１の角錐面１３０の中央隆起面１２０から遠位の側において、第３の角錐面１５０とさらに隣接している。第２の角錐面１４０は、第２の角錐面１４０の中央隆起面１２０から遠位の側において、第４の角錐面１６０とさらに隣接している。第３および第４の角錐面１５０、１６０は、中央隆起面１２０と一緒に、この実施形態では１４ｍｍの値を有する下部角錐幅１６６を画定する。

第３の角錐面１５０は、中央隆起面１２０と共に第３の角錐角度１５２を形成する。第４の角錐面１６０は、中央隆起面１２０と共に第４の角錐角度１６２を形成する。
中央隆起面１２０の対向側に第１および第２の角錐面１３０、１４０が隣接し、ひいては第１および第２の角錐面１３０、１４０の対向側に第３および第４の角錐面１５、１６０が隣接するこの構成は、２重角錐の断面幾何形状を工作物１００に提供する。

図３から図５に示された構成では、第１の角錐角度１３２は、第２の角錐角度１４２に等しい。この構成では、第１および第２の角錐角度１３２、１４２は、それぞれが鋭角であり、かつ、中央隆起面１２０に対して８°から１２°の間の値を有する。

図３から図５に示された構成では、第３の角錐角度１５２は、第４の角錐角度１６２に等しい。この構成では、第３および第４の角錐角度１５２、１６２は、それぞれが鋭角であり、かつ、中央隆起面１２０に対して３０°から６５°の間の値を有する。

図５は、第１の工作物１００および第２の工作物１０２を含む溶接継手の概略斜視図を示す。この構成では、第１の工作物１００および第２の工作物１０２のそれぞれが、図３および４に示された工作物１００に関して上述された特徴を備える。

第１の工作物１００および第２の工作物１０２は、各工作物１００、１０２の中央隆起面１２０が位置合わせされて互いに接触するようにまとめられて、溶接界面１７０を画定する。

次いで、第１および第２の工作物１００、１０２のそれぞれの中央隆起面１２０間の接触面に垂直に交わる圧縮力を印加すると同時に第１の工作物１００と第２の工作物１０２との間に相対的な往復運動をも提供することにより、線形摩擦溶接プロセスが開始される。これは、従来の線形摩擦溶接法の操作に従うものであり、この操作の詳細は当業者にはよく知られているので、本明細書ではこれ以上論じられない。

図に示された構成では、往復運動は、図５中の特徴１９０によって示されるように横方向におけるものである。
本開示の第２の実施形態による工作物が、図８に示されている。この構成では、第１の工作物１００は、第１の硬度値を有する第１の材料から形成され、第２の工作物１０２は、第２の硬度値を有する第２の材料から形成され、第１の硬度は、第２の硬度未満である。例えば、第１の工作物１００は、第１のチタン合金から形成されてもよく、第２の工作物１０２は、第２のチタン合金から形成されてもよく、この場合、第１のチタン合金は、第２のチタン合金よりも高い硬度を有する。

第１の工作物１００および第２の工作物１０２の両方が、本開示の第１の実施形態に関して上で概説されたような２重角錐の断面幾何形状を有する。
第１の工作物１００および第２の工作物１０２のそれぞれは、横方向幅１２２Ａ、１２２Ｂを有する中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂを備え、中央隆起面１２０Ａの各側には、第１の角錐面１３０Ａおよび第２の角錐面１４０Ａがそれぞれ隣接し、中央隆起面１２０Ｂの各側には、第１の角錐面１３０Ｂおよび第２の角錐面１４０Ｂがそれぞれ隣接する。この実施形態では、中央隆起面１２０Ａは、４ｍｍの横方向幅１２２Ａを有し、中央隆起面１２０Ｂは、２ｍｍの横方向幅１２２Ｂを有する。

第１の角錐面１３０Ａ、１３０Ｂは、中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂと共に第１の角錐角度１３２Ａ、１３２Ｂを形成する。第２の角錐面１４０Ａ、１４０Ｂは、中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂと共に第２の角錐角度１４２Ａ、１４２Ｂを形成する。この実施形態では、第１の角錐角度１３２Ａは、第１の角錐角度１３２Ｂに等しく、ひいては、第２の角錐角度１４２Ａ、１４２Ｂのそれぞれに等しい。この実施形態では、第１および第２の角錐角度１３２Ａ、１３２Ｂ；１４２Ａ、１４２Ｂは、それぞれの中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂに対して１４°の角度を形成する。

各第１の角錐面１３０Ａ、１３０Ｂは、第１の角錐面１３０Ａ、１３０Ｂの中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂから遠位の側において、第３の角錐面１５０Ａ、１５０Ｂとさらに隣接している。各第２の角錐面１４０Ａ、１４０Ｂは、第２の角錐面１４０Ａ、１４０Ｂの中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂから遠位の側において、第４の角錐面１６０Ａ、１６０Ｂとさらに隣接している。

第３の角錐面１５０Ａ、１５０Ｂは、中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂと共に第３の角錐角度１５２Ａ、１５２Ｂを形成する。第４の角錐面１６０Ａ、１６０Ｂは、中央隆起面１２０Ａ、１２０Ｂと共に第４の角錐角度１６２Ａ、１６２Ｂを形成する。

この実施形態では、第３の角錐角度１５２Ａは、第４の角錐角度１６２Ａに等しく、またそれぞれが、中央隆起面１２０Ａに対して４０°の角度を形成する。加えて、第３の角錐角度１５２Ｂは、第４の角錐角度１６２Ｂに等しく、またそれぞれが、中央隆起面１２０Ｂに対して７０°の角度を形成する。

第１の工作物１００の硬度に対してより高い第２の工作物１０２の硬度は、第２の工作物１０２の第３および第４の角錐角度１５２Ｂ、１６２Ｂが、第１の工作物１００の対応する第３および第４の角錐角度１５２Ａ、１６２Ａよりも大きくされ得ることを意味する。これは、第２の工作物１０２のより高い硬度が、下位隅部の変形または分離を防ぐために、より抑えた機械的支持を必要とするためである。

図９は、本開示の工作物の第３の実施形態を示す。図９の工作物は、工作物の第２の実施形態に関して上述されたのと同一の２重角錐の断面幾何形状を有する。
図９の実施形態は、第１および第２の角錐角度１３２Ａ、１４２Ａに関してのみ、図８の実施形態とは異なる。図９の実施形態では、第１の角錐角度１３２Ａは、第２の角錐角度１４２Ａに等しく、またそれぞれ、中央隆起面１２０Ａに対して２５°の角度を形成する。

前で説明したように、第３および第４の角錐面（１５０Ａ、１５０Ｂ；１６０Ａ、１６０Ｂ）は、溶接界面の縁部に追加的な横方向支持を提供することにより、溶接界面において材料の変形および分離が発生するのを防ぐ。この追加的な機械的支持は、溶接界面から排出された材料が溶接スタブから変形および分離するのを防ぐ。

第１および第２の材料は互いに異なる硬度値を有するので、第１の工作物１００の第３および第４の角錐角度には、第２の工作物１０２のそれらとは異なる値を提供することが必要である。

第１および第２の工作物１００、１０２のそれぞれのための第３および第４の角錐角度１５２Ａ、１５２Ｂ；１６２Ａ、１６２Ｂの決定は、第１の工作物１００と第２の工作物１０２との間の相対的なアプセットから決定され得る。言い換えれば、第１および第２の材料のそれぞれのアプセット挙動を知ることにより、例えば標準的な幾何形状の場合、第１および第２の工作物１００、１０２のそれぞれのための第３および第４の角錐角度１５２Ａ、１５２Ｂ；１６２Ａ、１６２Ｂの大きさを決定することが可能である。

一例として、第１の工作物１００が第２の工作物１０２よりも硬い材料から形成される場合、第１の工作物１００のための第３および第４の角錐角度１５２Ａ；１６２Ａは、対応する第２の工作物１０２のための第３および第４の角錐角度１５２Ｂ；１６２Ｂよりも大きく（すなわち、さらに９０°に近く）なる。

第２および第３の実施形態（図８および９に示される）は、第１および第２の工作物１００、１０２が異なる硬度を有する材料から形成される状況に関するが、本開示の工作物の幾何形状は、第１の工作物１００および第２の工作物１０２が同一の硬度を有する材料から形成される状況にも等しく適用され得る。例えば、第１の工作物および第２の工作物は、それぞれがチタン合金から形成されてもよい。

図１０および１１は、第１の工作物２００、３００および第２の工作物２０２、３０２が同一の硬度を有する材料から形成される、本開示の第４および第５の実施形態をそれぞれ示す。

図１０は、第１の工作物２００が第１の材料から形成され、第２の工作物２０２が第２の材料から形成され、第１および第２の材料が同一の硬度を有する、本開示の第４の実施形態を示す。

第１の工作物２００は、横方向幅２２２を有する中央隆起面２２０を備え、中央隆起面２２０は、各側が第１の角錐面２３０および第２の角錐面２４０と隣接している。第１の角錐面２３０は、中央隆起面２２０と共に第１の角錐角度２３２を形成し、第２の角錐面２４０は、中央隆起面２２０と共に第２の角錐角度２４２を形成する。この実施形態では、第１の角錐角度２３２および第２の角錐角度２４２のそれぞれは、１０°である。

第１の角錐面２３０は、第１の角錐面２３０の中央隆起面２２０から遠位の側において、第３の角錐面２５０とさらに隣接している。第２の角錐面２４０は、第２の角錐面２４０の中央隆起面２２０から遠位の側において、第４の角錐面２６０とさらに隣接している。

第３の角錐面２５０は、中央隆起面２２０と共に第３の角錐角度２５２を形成する。第４の角錐面２６０は、中央隆起面２２０と共に第４の角錐角度２６２を形成する。この実施形態では、第３の角錐角度２５２は、第４の角錐角度２６２に等しく、またそれぞれが、中央隆起面２２０に対して４０°の角度を形成する。

第２の工作物２０２は、約２４ｍｍの横方向幅２２６を有する中央面２２４を備え、中央面２２４は、各側がそれぞれ第１のフランク面２３４および第２のフランク面２４４と隣接している。第１のフランク面２３４および第２のフランク面２４４のそれぞれは、中央面２２４に対して、対応する第１のフランク角度２３５および第２のフランク角度２４５を形成する。この構成では、第１のフランク角度２３５は、第２のフランク角度２４５に等しく、４０°の値を有する。

図１１は、第１の工作物３００が第１の材料から形成され、第２の工作物３０２が第２の材料から形成され、第１および第２の材料が同一の硬度を有する、本開示の第５の実施形態を示す。

第１の工作物３００は、横方向幅３２２を有する中央隆起面３２０を備え、中央隆起面３２０は、各側が第１の角錐面３３０および第２の角錐面３４０と隣接している。第１の角錐面３３０は、中央隆起面３２０と共に第１の角錐角度３３２を形成し、第２の角錐面３４０は、中央隆起面３２０と共に第２の角錐角度３４２を形成する。この実施形態では、第１の角錐角度３３２および第２の角錐角度３４２のそれぞれは、１０°である。

第１の角錐面３３０は、中央隆起面３２０から第１の角錐面３３０の遠位の側において、第１の側面３５０とさらに隣接している。第２の角錐面３４０は、中央隆起面３２０から第２の角錐面３４０の遠位の側において、第２の側面３６０とさらに隣接している。

第１の側面３５０および第２の側面３６０のそれぞれは、中央隆起面３２０に対して９０°に（すなわち、垂直に）配向される。
第２の工作物３０２は、約２４ｍｍの横方向幅３２６を有する中央面３２４を備え、中央面３２４は、各側がそれぞれ第１のフランク面３３４および第２のフランク面３４４と隣接している。第１のフランク面３３４および第２のフランク面３４４のそれぞれは、中央面３２４に対して対応する第１のフランク角度３３５および第２のフランク角度３４５を形成する。この構成では、第１のフランク角度３３５は、第２のフランク角度３４５に等しく、４０°の値を有する。

本開示の工作物および方法は、様々な線形摩擦溶接の状況に適用され得る。図７は、回転子４００が回転子羽根４１０に接合される、そのような適用の一例を示す。次いで複数のファン回転子羽根４１０が回転子４００に接合され、それにより羽根付きファンディスク４０２が形成され得る。一代替形態では、複数の圧縮機羽根４１２が、圧縮機ドラム４０６に接合されて、圧縮機ディスク４０４を形成し得る。

互いに矛盾する場合を除き、各特徴のいずれもが、単独で、または任意の他の特徴との組合せで用いられてもよく、また、本開示は、本明細書で説明された１つまたは複数の特徴のあらゆる組合せおよび部分的組合せに及び、かつそれらを含む。

本開示の様々な態様に関する上述の説明は、例示および説明の目的のために提示された。完全を期すこと、または開示された正確な形態への開示を限定することを意図したものではなく、当然ながら、多くの修正形態および変形形態が考えられる。当業者には明らかであろうそのような修正形態および変形形態は、添付の特許請求の範囲によって定められる本開示の範囲に含まれる。

１ 溶接スタブ
２ 溶接スタブ
３ バリ
４ 中心線
６ 溶接界面
１０ 傾斜面幾何形状
１２ 縁部、変形した材料
１４ 縁部、変形した材料
１６ バリ
１８ バリ
１００ 工作物、溶接スタブ、第１の工作物
１０２ 第２の工作物
１１０ 溶接面
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ 中央隆起面
１２２、１２２Ａ、１２２Ｂ 横方向幅
１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ 第１の角錐面
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ 第１の角錐角度
１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ 第２の角錐面
１４２、１４２Ａ、１４２Ｂ 第２の角錐角度
１４６ 上部角錐幅
１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ 第３の角錐面
１５２、１５２Ａ、１５２Ｂ 第３の角錐角度
１６０、１６０Ａ、１６０Ｂ 第４の角錐面
１６２、１６２Ａ、１６２Ｂ 第４の角錐角度
１６６ 下部角錐幅
１７０ 溶接界面
１９０ 特徴
２００ 第１の工作物
２０２ 第２の工作物
２２０ 中央隆起面
２２２ 横方向幅
２２４ 中央面
２２６ 横方向幅
２３０ 第１の角錐面
２３２ 第１の角錐角度
２３４ 第１のフランク面
２３５ 第１のフランク角度
２４０ 第２の角錐面
２４２ 第２の角錐角度
２４４ 第２のフランク面
２４５ 第２のフランク角度
２５０ 第３の角錐面
２５２ 第３の角錐角度
２６０ 第４の角錐面
２６２ 第４の角錐角度
３００ 第１の工作物
３０２ 第２の工作物
３２０ 中央隆起面
３２２ 横方向幅
３２４ 中央面
３２６ 横方向幅
３３０ 第１の角錐面
３３２ 第１の角錐角度
３３４ 第１のフランク面
３３５ 第１のフランク角度
３４０ 第２の角錐面
３４２ 第２の角錐角度
３４４ 第２のフランク面
３４５ 第２のフランク角度
３５０ 第１の側面
３６０ 第２の側面
４００ 回転子
４０２ 羽根付きファンディスク
４０４ 圧縮機ディスク
４０６ 圧縮機ドラム
４１０ 回転子羽根、ファン回転子羽根
４１２ 圧縮機羽根

Claims (18)

1. 溶接面を備える、摩擦溶接プロセスで使用するための工作物であって、
   前記溶接面が、前記溶接面に沿って延在する中央隆起面を含み、
   前記中央隆起面の各側が、それぞれ第１の角錐面および第２の角錐面と隣接し、
   前記第１の角錐面が、前記中央隆起面と共に第１の角錐角度を形成し、
   前記第２の角錐面が、前記中央隆起面と共に第２の角錐角度を形成し、
   前記第１の角錐面が、第３の角錐面とさらに隣接し、
   前記第２の角錐面が、第４の角錐面とさらに隣接し、
   前記第３の角錐面が、前記中央隆起面と共に第３の角錐角度を形成し、
   前記第４の角錐面が、前記中央隆起面と共に第４の角錐角度を形成し、前記第３の角錐角度および前記第４の角錐角度のそれぞれが９０°未満であることを特徴とする工作物。
2. 請求項１に記載の工作物において、
   前記第１の角錐角度が、前記第２の角錐角度に等しいことを特徴とする工作物。
3. 請求項１または２に記載の工作物において、
   前記第３の角錐角度が、前記第４の角錐角度に等しいことを特徴とする工作物。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の工作物において、
   前記中央隆起面が、約１ｍｍから５ｍｍの間の横方向幅を有することを特徴とする工作物。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の工作物において、
   前記第１の角錐角度および前記第２の角錐角度のそれぞれが、約６°から１２°の間であることを特徴とする工作物。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の工作物において、
   前記第１の角錐角度および前記第２の角錐角度のそれぞれが、約６°から３０°の間であることを特徴とする工作物。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の工作物において、
   前記第３の角錐角度および前記第４の角錐角度のそれぞれが、約３０°から６５°の間であることを特徴とする工作物。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載の工作物において、
   前記第３の角錐角度および前記第４の角錐角度のそれぞれが、約３０°から９０°の間であることを特徴とする工作物。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の工作物において、
   前記工作物が、チタン合金またはニッケル合金から形成されることを特徴とする工作物。
10. 線形摩擦溶接の方法であって、該方法は、
    第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、前記第１の工作物が、第１の溶接面を備え、前記第２の工作物が、第２の溶接面を備え、前記第１の工作物および前記第２の工作物のうちの少なくとも一方が、請求項１から９のいずれか一項に記載の工作物を含むステップと、
    前記第１の溶接面が前記第２の溶接面と係合した状態で、前記第１の工作物を前記第２の工作物に隣接して位置決めするステップと、
    前記第１の溶接面および前記第２の溶接面のうちの少なくとも一方が、前記第１の溶接面および前記第２の溶接面のうちのもう一方に対して移動し、それにより前記第１および第２の溶接面の温度が上昇して溶接界面を作り出すように、前記第１の工作物および前記第２の工作物を互いに往復運動させるステップと、
    前記往復運動を止め、前記第１の工作物および前記第２の工作物を冷却させて、前記第１の工作物および前記第２の工作物を互いに溶接するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、前記第１の工作物が第１の溶接面を備え、前記第２の工作物が第２の溶接面を備え、前記第１の工作物および前記第２の工作物のうちの少なくとも一方が、請求項１から９のいずれか一項に記載の工作物を含む、前記ステップが、
    第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、前記第１の工作物が第１の溶接面を備え、前記第２の工作物が第２の溶接面を備え、前記第１の工作物および前記第２の工作物のそれぞれが、請求項１から９のいずれか一項に記載の工作物を含むステップを含むこと特徴とする方法。
12. 請求項１０または１１に記載の方法において、
    前記第１の工作物が、第１の強度パラメータを有する第１の材料から形成され、
    前記第２の工作物が、第２の強度パラメータを有する材料から形成され、
    前記第１の工作物の前記第１の角錐角度と前記第２の工作物の前記第１の角錐角度および第２の角錐角度のうちの対応する一方との間に第１の比率が画定され、
    前記第１の工作物の前記第２の角錐角度と前記第２の工作物の前記第１の角錐角度および第２の角錐角度のうちのもう一方との間に第２の比率が画定され、
    前記第１の比率および前記第２の比率のそれぞれが、前記第１の強度パラメータと前記第２の強度パラメータとの間の第３の比率の関数であることを特徴とする方法。
13. 請求項１０または１１に記載の方法において、
    前記第１の工作物が、第１の強度パラメータを有する第１の材料から形成され、
    前記第２の工作物が、第２の強度パラメータを有する材料から形成され、
    前記第１の工作物の前記第３の角錐角度と前記第２の工作物の前記第３の角錐角度および第４の角錐角度のうちの対応する一方との間に第１の比率が画定され、
    前記第１の工作物の前記第４の角錐角度と前記第２の工作物の前記第３の角錐角度および第４の角錐角度のうちのもう一方との間に第２の比率が画定され、
    前記第１の比率および前記第２の比率のそれぞれが、前記第１の強度パラメータと前記第２の強度パラメータとの間の第３の比率の関数であることを特徴とする方法。
14. 請求項１２または１３に記載の方法において、
    前記強度パラメータが、流動応力、降伏応力、および最大引張応力から成る群から選択されることを特徴とする方法。
15. 請求項１０に記載の方法において、
    第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、前記第１の工作物が、第１の溶接面を備え、前記第２の工作物が、第２の溶接面を備え、前記第１の工作物および前記第２の工作物のうちの少なくとも一方が、請求項１から９のいずれか一項に記載の工作物を含む、前記ステップが、
    第１の工作物および第２の工作物を用意するステップであって、
    前記第１の工作物が、第１の溶接面を備え、
    前記第２の工作物が、第２の溶接面を備え、
    前記第１の工作物が、請求項１から９のいずれか一項に記載の工作物を含み、
    前記第２の溶接面が、各側がそれぞれ第１のフランク面および第２のフランク面と隣接している中央面を備え、
    前記第１のフランク面が、前記中央面と共に第１のフランク角度を形成し、
    前記第２のフランク面が、前記中央面と共に第２のフランク角度を形成し、前記第１のフランク角度および前記第２のフランク角度のそれぞれが９０°未満であるステップ
    を含むことを特徴とする方法。
16. 第１の工作物および第２の工作物を含む、摩擦溶接プロセスで使用するための一対の摩擦溶接工作物であって、
    前記第１の工作物が、第１の溶接面を備え、
    前記第２の工作物が、第２の溶接面を備え、
    前記第１の溶接面が、前記溶接面に沿って延在する中央隆起面を含み、
    前記中央隆起面の各側が、それぞれ第１の角錐面および第２の角錐面と隣接し、
    前記第１の角錐面が、前記中央隆起面と共に第１の角錐角度を形成し、
    前記第２の角錐面が、前記中央隆起面と共に第２の角錐角度を形成し、
    前記第１の角錐面が、第１の側面とさらに隣接し、
    前記第２の角錐面が、第２の側面とさらに隣接し、
    前記第１および第２の側面のそれぞれが、前記中央隆起面に対して垂直であり、
    前記第２の溶接面が、各側がそれぞれ第１のフランク面および第２のフランク面と隣接している中央面を含み、
    前記第１のフランク面が、前記中央面と共に第１のフランク角度を形成し、
    前記第２のフランク面が、前記中央面と共に第２のフランク角度を形成し、
    前記第１のフランク角度および前記第２のフランク角度のそれぞれが９０°未満であり、
    前記第１の溶接面が、前記第２の溶接面と共形係合して位置決めされることを特徴とする一対の摩擦溶接工作物。
17. 請求項１６に記載の一対の摩擦溶接工作物において、
    前記中央隆起面が、約１ｍｍから５ｍｍの間の横方向幅を有することを特徴とする一対の摩擦溶接工作物。
18. 請求項１６に記載の一対の摩擦溶接工作物において、
    前記第１の角錐角度および前記第２の角錐角度のそれぞれが、約６°から３０°の間であることを特徴とする一対の摩擦溶接工作物。

Images