JP2019532823A - 摩擦撹拌溶接用部品およびシステムならびに関連プロセス - Google Patents

Abstract

本明細書には、冷却およびクランプシステムを含む、摩擦撹拌溶接のための工具およびシステムが記載されている。また、アルミニウム金属、いくつかの場合では厚いゲージのアルミニウム金属を他の金属に摩擦撹拌溶接するためのプロセスパラメータが開示されている。工具およびプロセスのパラメータは、２〜３例を挙げると、輸送、エレクトロニクス、産業、および自動車の用途で使用され得る。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年８月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／３７７，７２１号の利益を主張し、これはその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、金属溶接、特に摩擦撹拌溶接に関する。

摩擦撹拌溶接（「ＦＳＷ」と称される）は、アルミニウム合金シートまたはプレートなどの第１の金属を、鋼、銅、ニッケルまたは他の金属シートもしくはプレートなどの第２の金属に接合する方法である。シート／プレートは軟化されるが溶融されず、軟化した金属および／または合金は撹拌によって機械的に混合され、ＦＳＷ工具から応力を加えることによって結合されて金属シートまたはプレートを噛み合わせる。

アルミニウム合金は、製造および様々な用途において鋼および他の金属をますます置き換えている。アルミニウム合金の使用の増加は、より厚いゲージなどのアルミニウム合金部品のより広い範囲の特性を必要とする。アルミニウム合金と鋼または他の金属とを接合することは、特により厚いゲージを接合する場合に課題である。

この文書で使用される「発明」、「その発明」、「この発明」および「本発明」という用語は、本特許出願および以下の特許請求の範囲の主題の全てを広く参照することが意図されている。これらの用語を含む記述は、本明細書に記載された主題を限定するものではなく、以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するものではないと理解されるべきである。本発明の網羅された実施形態は、この概要ではなく、特許請求の範囲によって定義される。この概要は、本発明の様々な態様の高レベルの概説であり、以下の詳細な説明の項で更に説明される概念のいくつかを紹介している。この概要は、特許請求された主題の重要なまたは本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定するために単独で使用されることも意図していない。主題は、明細書全体、任意のまたは全ての図面、および各請求項の適切な部分を参照することによって理解されるべきである。

本明細書では、限定されないが、アルミニウム合金および鋼、銅、ニッケルまたは他の金属シートおよびプレートなどのＦＳＷの厚いゲージの異種のおよび／または他の金属シート（すなわち、３．５〜８ｍｍ）およびプレート（すなわち、８〜１６ｍｍ）のための工具が提供される。本明細書で使用される場合、金属という用語は合金を含む。いくつかの場合では、ＦＳＷ工具は、複数の歯によって互いに分離された複数の平坦な表面を有するピンを含む。いくつかの場合では、ピンの先端は湾曲状／ドーム状である。ピンは、いくつかの例では凹状であり得る肩部から延びている。いくつかの場合では、肩部の直径は、ピンの長さに対して増大する。例えば、ピンの長さに対する肩部の直径の比は、約２．５：１を超え、例えば、限定されないが、約３：１または約３．５：１を超え得る。

また、ＦＳＷ中に発生する熱を低減するためのシステムおよび方法が開示される。いくつかの場合では、限定されないが、銅アンビル、および／または冷却ノズルなどのヒートシンクが使用される。いくつかの場合では、システムは、ＦＳＷ中に金属の位置を維持するのを助けるクランプを追加的または代替的に含む。

その上、欠陥のないまたは欠陥が最小限とされた厚いゲージの金属を含む異種金属を溶接する方法が開示される。いくつかの場合では、その方法は、界面においてより厚い（例えば、＜２μｍ）金属間層を形成することなく、層状の金属間混合および強力な噛み合いを有するＦＳＷ接合をもたらす。

一例によるＦＳＷ工具の斜視図である。 図１の工具の概略側面図であり、２つの金属に挿入されることが示されている。 一例によるＦＳＷ用アセンブリの上面斜視図である。 ＦＳＷ中に発生した溶接フラッシュのデジタル画像である。 別の例によるＦＳＷ用アセンブリの上面斜視図である。 一例によるＦＳＷ用システムの冷却ノズルの拡大側面斜視図である。 一例による減少した厚さ領域を有する金属プレートのデジタル画像である。 一例による変形した金属プレートのデジタル画像である。 例示的な方法により形成された溶接部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 ６ｘｘｘアルミニウム合金および鋼と比較した摩擦撹拌溶接の結合強度のグラフである。 変形したＦＳＷ工具のデジタル画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のデジタル画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像である。 突き合わせ構造のアルミニウム合金および鋼の摩擦撹拌溶接のデジタル画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像と、その一部の高倍率画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像と、その一部の高倍率画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像と、その一部の高倍率画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像と、その一部の高倍率画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像と、その一部の高倍率画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像と、その一部の高倍率画像である。 様々な溶接部の硬度を示すグラフである。 腐食前後のＦＳＷワークピースの引張強度のグラフである。 突き合わせ溶接構成のＦＳＷワークピースの引張強度のグラフである。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食試験後のＦＳＷワークピースの接合強度のグラフである。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 本明細書に記載の方法およびアルミニウム合金に従って達成可能な製品の一例の概略図である。 本明細書に記載の方法およびアルミニウム合金に従って達成可能な製品の一例の概略図である。

定義および説明
本明細書で使用される「発明」、「その発明」、「この発明」および「本発明」という用語は、本特許出願および以下の特許請求の範囲の主題の全てを広く参照することが意図されている。これらの用語を含む記述は、本明細書に記載された主題を限定するものではなく、以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するものではないと理解されるべきである。

ＡＡ記号表示
本明細書では、「シリーズ」または「６ｘｘｘ」などのアルミニウム産業記号表示によって特定される合金が参照される。アルミニウムおよびその合金の命名および特定に最も一般的に使用される番号記号表示システムの理解に関しては、両方ともＴｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎによって出版されている、「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ」または「Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｒｄ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｏｒｍ ｏｆ Ｃａｓｔｉｎｇｓ ａｎｄ Ｉｎｇｏｔ」を参照されたい。

本明細書で使用される場合、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」または「その（ｔｈｅ）」の意味は、文脈上他に明確に指示されない限り、単数および複数の言及を含む。

２つのシート、プレートまたは他の金属片を摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）するための工具が開示される。いくつかの場合では、金属の一方または両方が厚いゲージ（例えば、およそ５〜１０ｍｍ）のアルミニウム合金であるが、他の場合では金属の一方または両方が厚いゲージではない。いくつかの場合では、第２の金属は、鋼、銅、ニッケルまたは他の金属などの異なる金属である。いくつかの場合では、第２の金属は、第１の金属とは異なる厚さを有し、いくつかの場合では、第２金属は第１金属よりも薄い。第１および第２の金属は、摩擦撹拌溶接されて、ラップ、縁部、突き合わせ、Ｔ−突き合わせ、ヘム、Ｔ−縁部などを含む任意の好適な構成の溶接部を形成する。

図１は、一例による工具１０の斜視図である。工具１０は、肩部２４から延びるピン２０を含む。いくつかの場合では、図２に見られるように、肩部２４は、約１０°〜約３０°、例えば、限定されないが、約１５°〜約２０°または約１０°〜約１５°の凹部を有する凹状表面２６を有する。凹状表面２６は、ＦＳＷ中にフラッシングを減少させることができ、また材料貯留体としても作用する。肩部２４は、任意の好適な直径２５を有し得る（図１）。いくつかの非限定的な例では、肩部２４の直径２５は、約１５ｍｍ〜２５ｍｍ、例えば、限定されないが、約１７ｍｍ〜約２２ｍｍまたは約１９ｍｍ〜約２１ｍｍである。ピン２０は、ねじ山２７によって互いに分離された複数の平坦なまたは略平坦な側面２２を含む。図１に示される非限定的な例では、ピン２０は、５つの平坦なまたは略平坦な側面２２および５組のねじ山２７を含む。いくつかの場合では、５つ（または他の好適な数）の平坦な側面を有するピンは、ＦＳＷ中に改善された偏心を提供する。

ピン２０は、任意の好適な長さ２８を有し得る。いくつかの非限定的な例では、ピン２０の長さ２８は、約５ｍｍ〜約１１ｍｍ、例えば、限定されないが、約６ｍｍ〜約９ｍｍまたは約５．９ｍｍ〜約９．８ｍｍである。ピン２０は、ドーム状／湾曲状であり得る先端３０を含む。先端３０のドーム形状は、工具１０の寿命を改善するのを助けることができる。ドーム状先端３０はまた、表面積を増加させ、金属ワークピースとのより多くの接触を提供し得、これは溶接されている金属間の改善された噛み合いをもたらし得る。先端３０は、溶接されるべきアルミニウムプレートの厚さに応じて、約５ｍｍ〜約１０ｍｍを含む任意の半径３２（図２参照）を有し得る。

いくつかの非限定的な例では、ピン２０の長さ２８に対する肩部２４の直径２５の比は、従来の工具から増大される。例えば、長さ２８に対する直径２５の比は、２．５：１を超え、例えば、限定されないが、約３：１または約３．５：１を超え、これはＦＳＷ中に発生する熱を低減し得る。

図２は、第２の金属プレート１２０の上面上に配置された第１の金属プレート１１０に挿入された工具１０の概略図である。プレート１１０、１２０は、同一または異なる厚さを有し得る。１つの非限定的な例では、第１の金属プレート１１０は加熱されたアルミニウム合金プレートであり、第２の金属プレート１２０は加熱された鋼プレートである。１つの非限定的な例では、第１の金属プレート１１０は約５〜１０ｍｍの厚さを有する一方で、第２の金属プレート１２０は約２ｍｍの厚さを有するが、プレート１１０および１２０の各々は任意の好適な厚さを有し得る。

ピン２０は、第１の金属プレート１１０を深さ１５０だけ貫通し、第２の金属プレート１２０を深さ１６０だけ貫通する。いくつかの場合では、深さ１５０は、一般に、第１の金属プレート１１０の厚さに相当する。図２に示される例では、深さ１５０は約５ｍｍ〜約１０ｍｍである。深さ１６０は、例えば、約０．０５ｍｍ〜約０．１５ｍｍ、例えば、限定されないが、約０．０７ｍｍ〜約０．１２ｍｍまたは約０．０８ｍｍ〜約０．１０ｍｍを含む任意の好適な深さであり得る。工具１０の肩部２４は、例えば、約０．０５ｍｍ〜約０．１５ｍｍ、例えば、限定されないが、約０．０７ｍｍ〜約０．１２ｍｍまたは約０．０８ｍｍ〜約０．１０ｍｍなどの任意の好適な深さ１８０で第１の金属プレート１１０に突入する。肩部２４の突入深さ１８０は、凹状表面２６の湾曲度に直接関係する。

いくつかの例では、図２に示されるように、工具１０は、垂直軸２２０に対して角度βで傾斜しており、βは約１°〜約４°、例えば、約１°〜約３°、または約１．５°〜約２．５°である。

工具１０は、鋼などの任意の好適な材料で作製され得る。工具１０の組成物の２つの非限定的な例を以下の表１に示すが、任意の好適な材料が使用され得る。

上述したように、第１および第２の金属プレート１１０、１２０は、任意の好適な材料であり得る。一例では、第１の金属プレート１１０はアルミニウム合金である一方で、第２の金属プレート１２０は鋼である。以下の表２は、第１の金属プレート１１０の組成物の２つの非限定的な例を列挙しているが、任意の２ｘｘｘ、５ｘｘｘ、または６ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金を含む任意の好適なアルミニウム合金が使用され得る。１つの非限定的な例として、第２の金属プレート１２０は、ＡＩＳＩ１０１８であり得る。

図３は、第１および第２の金属プレート１１０、１２０をクランプして、工具１０または他の好適な工具がＦＳＷ中に溶接経路３５０に沿って横断するときに金属プレートを固定するために使用され得るクランプシステム３００を示している。第１および第２の金属プレート１１０、１２０は、ＦＳＷ固定具表面３１０上に配置される。いくつかの非限定的な例では、第１および第２の金属プレート１１０および１２０（この画像では第２の金属プレート１２０は不明瞭である）は、鋼または任意の他の好適な金属であり得る２つの硬化金属片３３０の間に置かれ、それにより第１および第２の金属プレート１１０、１２０の各長手方向側は金属片３３０の１つに接触する。金属片３３０に対する第１および第２の金属プレート１１０および１２０の整列を確保および維持するために、端部ストップ３４０は、第１および第２の金属プレート１１０および１２０の一方または両方の端部の少なくとも一部または金属片３３０の一方または両方の端部の少なくとも一部に隣接するように配置され得る。つま先クランプまたは任意の適切なタイプのクランプであり得る複数のクランプ３６０は、金属片３３０と重なり、任意の好適な手法で、例えば、ワッシャ嵌合ボルト３７０を固定具表面３１０のねじ穴３２０に押し込むことによって固定具表面３１０に固定される。クランプ３６０は、約２５ｍｍまたは他の好適な距離など、互いに離間していてもよい。

いくつかの例では、クランプシステム３００はまた、第１および第２の金属プレート１１０および１２０の端部ならびに、いくつかの場合では、端部ストップ３４０を固定する端部クランプ３８０を含む。クランプ３６０と同様に、クランプ３８０は、ワッシャ嵌合ボルト３７０をねじ穴３２０に押し込むことによってそれらを固定具３１０にボルト止めすることを含む、任意の好適な方法で固定され得る。いくつかの場合では、端部クランプ３８０は使用されない。クランプ３６０および／またはクランプ３８０を有するクランプシステム３００を利用することは、第１および第２の金属プレート１１０および１２０を、それらが配置される表面、例えば固定具表面３１０に対して固定するのを助ける。第１および第２の金属プレート１１０、１２０が固定具表面３１０から浮き上がるのを防止することによって、図４に示される溶接フラッシュ４００が防止または低減され得る。クランプシステム３００などのクランプシステムを利用することはまた、ＦＳＷ後に第１および第２の金属プレート１１０、１２０が反ることを防止し得る。

いくつかの場合では、ＦＳＷシステムは、図５に示されるアンビル５００などのヒートシンクまたは他の熱伝達部品を含む。アンビル５００は、銅または熱を伝達するための任意の好適な材料であり得る。いくつかの場合では、アンビル５００は、固定具表面３１０のねじ穴３２０を介して、固定表面３１０などの表面にアンビル５００を固定するための複数の穴５１０を含むが、アンビル５００は任意の好適な手法で固定され得る。図５に示されるように、端部ストップ３４０は、アンビル５００に隣接するように配置され得る。第１および第２のプレート１１０、１２０は、アンビル５００の上面上に配置され、上述のクランプシステム３００またはその他の手法を使用して固定され得る。図５に示されるように、第２のプレート１２０は、アンビル５００の上面上に直接配置される。いくつかの非限定的な例では、アンビル５００は、ＦＳＷ中に第１および第２の金属プレート１１０、１２０の冷却を促進して、ＦＳＷ後に第１および第２の金属プレート１１０、１２０の反り、変形、および／または脱着を低減または排除するためのヒートシンクとして作用する。これは、第１および第２の金属プレート１１０、１２０がアルミニウムおよび鋼などの異種材料である場合に特に有益であるが、その理由は、アルミニウムおよび鋼は、著しく異なる熱膨張係数を有し、それ故、ＦＳＷ中に発生する熱が深刻な反りをもたらし得るからである。

また、ＦＳＷ中の熱流を制御するための冷却システムが開示される。図６は、例示的な冷却媒体送達ノズル６００を示している。ノズル６００は、工具１０が第１および第２の金属プレート１１０、１２０に沿って方向６１０で横断するときにノズル６００が工具１０に追従するように、ＦＳＷ工具、例えば工具１０に隣接して配置される。冷却システムは、第１および第２の金属プレート１１０、１２０で発生した熱を取り除くためにＦＳＷ工具１０の後を追う、溶接経路３５０に沿って液体または気体などの冷却媒体をそれぞれ送達する１つ以上のノズル６００を含み得る。いくつかの非限定的な例では、冷却媒体は強制空気および／または水（いくつかの場合ではミストの形態）である。強制空気は、およそ５Ｌ／分〜およそ２０Ｌ／分（例えば、約１０Ｌ／分〜約１５Ｌ／分）の速度で流れ得る。ＦＳＷ工具１０に隣接する溶接経路３５０に冷却媒体を送達することは、ＦＳＷ後の溶接プレート１１０、１２０の反り、変形および／または脱着を防止し得る。

いくつかの場合では、第１および第２の金属プレート１１０、１２０の一方または両方は、図７に示されるように、減少した厚さの領域７００を有するように変更され得る。減少した厚さの領域７００は、溶接経路３５０（図３および図６）に相当する。いくつかの非限定的な例では、第１の金属プレート１１０の厚さは、約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍ、例えば約０．２１ｍｍ減少される。プレートの厚さを減少させることは、突入深さを調整するための柔軟性をもたらし、ＦＳＷ後の溶接フラッシュ４００（図４）の発生を防止または低減するのを助けることができる。

図８は、ＦＳＷの前に事前に応力が加えられたプレート１２０などのプレートを示している。第１および第２の金属プレート１１０、１２０の一方または両方に事前に応力を加えることは、図８に示すように反ったまたは変形したプレートをもたらす。第１および第２の金属プレート１１０、１２０の一方または両方の反り８００は、元の平面から約１ｍｍ〜約１００ｍｍ、例えば、約３８ｍｍ延びる場合がある。いくつかの非限定的な例では、第２の金属プレート１２０はＦＳＷの前に事前に応力が加えられる。第１および第２の金属プレート１１０、１２０の一方または両方に事前に応力を加えることは、ＦＳＷの後に生じ得るそのような反りを打ち消す変形プレートを提供し得る。

ＦＳＷのための方法およびプロセスもまた開示される。いくつかの場合では、上述したように、ＦＳＷは、異種金属のおよび／または異なる厚さを有するプレート（またはシートおよび／または他のピース）を接合する。本明細書に開示されるプロセスパラメータは、プレート１１０、１２０の機械的および／または腐食特性を損なうことなく、１つ以上の厚いプレート（例えば、およそ５ｍｍ〜およそ１０ｍｍ）を含むプレート間の好適な溶接を提供する。上記のように、いくつかの場合では、第１の金属プレート１１０は、高強度の２ｘｘｘ、５ｘｘｘ、または６ｘｘｘのアルミニウム合金であり得る一方で、第２のプレート１２０は鋼であり得る。

所望の場合、第１および第２の金属プレート１１０、１２０の一方または両方は、ＦＳＷの前に調製され得る。例えば、第１および／または第２の金属プレート１１０、１２０は、研磨パッドおよび／または溶媒によって洗浄され得る。いくつかの非限定的な例では、研磨パッドは、金属、合金、ガラス、ダイヤモンド、ポリマー、天然スポンジなどを含む。いくつかの非限定的な例では、溶媒は有機である。いくつかの更なる非限定的な例では、溶媒は脱脂剤として作用する。いくつかの非限定的な例では、溶媒は、アセトン、イソプロパノール、エタノール、メタノール、ヘキサン、クロロホルム、クロロベンゼンなどを含む。

第１および／または第２の金属プレート１１０、１２０が調製されると、それらは互いに対して配置される。１つの非限定的な例では、第１の金属プレート１１０は、第２の金属プレート１２０と約２５ｍｍだけ重なるが、それらのプレートは任意の好適な重なりを有し得る。第１および第２の金属プレート１１０、１２０が所望に配置されると、プレート１１０、１２０は、上述した工具１０などのＦＳＷ工具を使用して一緒に摩擦撹拌溶接される。クランプシステム３００、ヒートシンク５００、および冷却ノズル６００のいずれか１つ以上は、ＦＳＷ中に用いられ得る。

特に、ＦＳＷ工具（工具１０など）のピン（ピン２０など）は、所望の初期軸力および初期回転速度で突入深さ１５０（図２参照）で第１の金属プレート１１０に挿入される。一例では、初期軸力は、約７〜２５ｋＮ、例えば約１０〜２２ｋＮ、または約１５〜２１ｋＮであり、初期回転速度は、約５０〜１５０ＲＰＭ、例えば約７０〜１２０ＲＰＭまたは約８０〜１００ＲＰＭである。工具１０は、第１の金属プレート１１０の厚さ全体にわたって挿入される。上述したように、工具１０は、約１°〜５°、例えば約１°〜３°、または約１．５°〜２．５°の角度、または他の好適な角度などだけ、垂直軸から傾けられるように第１の金属プレート１１０に挿入され得る。一例では、工具１０は、第１の金属プレート１１０および／または任意のクランプの縁部から十分に離れた距離で第１の金属プレート１１０に挿入される。例えば、ピン２０は、第１の金属プレート１１０および／またはクランプ３６０の縁部から約１０〜２５ｍｍ離れた距離で挿入され得る。

工具１０は、第２の金属プレート１２０内に好適な突入深さ１６０（図２参照）、例えば、約０．０５ｍｍ〜約０．１５ｍｍ、例えば、限定されないが、約０．０７ｍｍ〜約０．１２ｍｍまたは約０．０８ｍｍ〜約０．１０ｍｍまで更に挿入される。所望の突入深さ１６０が達成されると、工具１０の回転速度および軸力の両方が増加する。例えば、所望の突入深さ１６０が達成されると、工具１０の初期軸力は、約７〜２５ｋＮ、例えば約１０〜２２ｋＮ、または約１５〜２１ｋＮの第２の軸力まで増加され得る。同様に、工具１０の初期回転速度は、約４００〜６００ＲＰＭ、例えば約４５０〜５５０ＲＰＭまたは約４８０〜５００ＲＰＭの第２の回転速度に増加され得る。工具１０は、例えば、約５０〜１５０ｍｍ／分、または約７０〜12０ｍｍ／分、または約８０〜１０ｍｍ／分などの好適なスピードで方向６１０（図６）で溶接経路３５０に沿って第１および第２の金属プレート１１０、１２０に沿って横断する。

以下の表３および表４は、好適なプロセスパラメータの２つの非限定的な例を提供する。

上述したように、本方法は、ＦＳＷの前に、アンビル５００などのヒートシンクを第１および第２の金属プレート１１０、１２０の下に配置することを任意に含み得る。本方法は、クランプシステム３００などのクランプシステムを使用して、第１および第２の金属プレート１１０、１２０が配置される固定表面に対して第１および第２の金属プレート１１０、１２０を固定することを追加的または代替的に含み得る。上述したように、本方法は、工具１０がプレートに沿って横断するときに冷却システム（１つ以上の冷却ノズル６００など）を使用して、第１および第２の金属プレート１１０、１２０を冷却することを追加的または代替的に含み得る。所望の溶接長さが達成されると、工具１０は、第１および第２の金属プレート１１０、１２０から取り外される。

工具１０の肩部直径２５（図１）、工具のピン半径３２（図２）、ピン長さ２８、横断速度、回転速度、突入力および／または上述した工具１０の突入深さのうちの１つ以上を制御することは、ＦＳＷ中に発生する熱を低減するのを助けることができる。これは、今度は、ＦＳＷ中の第１および第２の金属プレート１１０、１２０の塑性変形を低減するのを助けることができ、それは、ＦＳＷによって形成される溶接内のより小さな小塊ゾーン９２０（図９）をもたらし得る。小塊ゾーンは、ＦＳＷ中の塑性変形により微細構造が変化する溶接部の歪んだゾーンを指す。いくつかの場合では、図９に示すように、本明細書に記載の装置およびプロセスは、従来の工具およびプロセスパラメータを用いて形成されたものよりも小さい溶接部における小塊ゾーン９２０および層状根元９３０をもたらし得る。例えば、小塊ゾーン９２０は工具肩部とほぼ等しいかそれより小さくすることができ、第１および第２の金属プレート１１０、１２０の間の界面における金属間ゾーンは約２μｍ未満とすることができる。

第１および第２の金属プレート１１０、１２０の間の金属間ゾーンは脆くなり、溶接強度を低下させ得る。開示されたプロセスパラメータは、欠陥のないＦＳＷ接合または最小限の欠陥を有する接合をもたらす。開示された突入力および／または突入深さと組み合わされた工具１０の開示された回転速度および／または横断速度は、改善された成形性および耐腐食性のため、小塊ゾーン９２０における第１および第２の金属プレート１１０、１２０の一方または両方の破砕を軽減または最小化するのを助ける（特に第２の金属プレート１２０が鋼である場合）。

いくつかの場合では、溶接された第１および第２の金属プレート１１０および１２０は、非溶接金属微細構造を乱すことなく、改善された耐腐食性を有する非溶接金属の強度の約６０〜７０％を達成する。図１０は、非溶接（親）第１の金属プレート１１０（左の棒）および第２の金属プレート１２０（中央の棒）と比較した溶接された第１および第２の金属プレート１１０、１２０（右の棒）のＦＳＷ界面結合強度を示すチャートである。この特定の場合では、第１の金属プレート１１０は厚さ１０ｍｍの６ｘｘｘアルミニウム合金であり、第２の金属プレート１２０は厚さ２ｍｍの鋼合金であった。

開示された主題の様々な例について詳細に言及がなされており、その１つ以上の例が上記で説明されている。各例は、主題の説明として提供されたものであり、それを限定するものではない。実際に、当業者は、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、本主題に様々な変更および変化がなされ得ることを理解する。例えば、一例の一部として図示または説明された特徴は、更に別の例を生み出すために他の例と共に使用され得る。

以下の実施例は、本発明を更に説明するのに役立つが、同時にそのいかなる限定も構成しない。それどころか、本明細書の説明を読んだ後に、本発明の趣旨から逸脱することなくそれら自体を当業者に示唆し得る様々な実施形態、変更および均等物に頼ることができることを明確に理解されたい。

実施例１
Ｈ１３鋼で作製されたＦＳＷ工具１０を使用して、アルミニウムプレートおよび鋼プレートを摩擦撹拌溶接した。アルミニウムプレートおよび鋼プレートを、研磨パッドを用いてアセトン中でスクラビングすることによって洗浄した。アルミニウムプレートは、５．８２ｍｍの厚さを有するＡＡ５０８３合金であった。鋼プレートは、２．０ｍｍの厚さを有するＡＩＳＩ１０１８合金であった。溶接１および２のプロセスパラメータを表５に列挙する。

棒クランプを使用して、アルミニウムプレートおよび鋼プレートを所定位置に保持した。ＦＳＷ工具は、ＡＩＳＩ Ｈ１３鋼から作製した（表１参照）。ロックウェルスケールに基づく硬度は４２ＨＲＣであった（ＨＲＣは、軸荷重が１．４７ｋＮの１２０°球状ダイヤモンドで押し込みされた金属を示す）。工具のピン長さは５．９４ｍｍであり、溶接＃１の場合の鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は０．１２ｍｍであった。図４は、溶接＃１の結果のデジタル画像である。不十分な垂直拘束は、溶接の中央でのプレートの浮き上がりおよび溶接の最後の３分の１において表面破損欠陥４２０につながった。その上、プレートの浮き上がりは、ＦＳＷ工具が、アルミニウム合金を溶接部に組み込む代わりにアルミニウムプレートを彫ることを引き起こし、溶接フラッシュ４００をもたらした。

溶接＃２では、プレートの浮き上がりを防止するためにローカルクランプを適用し、ピンの突入深さを０．０７ｍｍに低減した。エアバッグシステムは、ＦＳＷ工具に隣接するローラーに力を加えた。ローラーは、ＦＳＷプロセスの間、ワークピースを所定位置に保持した。溶接＃２は改善されたが、プレートの端部付近で若干の浮き上がりが生じ、フラッシュを引き起こした。ピンの先端は更に摩耗し、ピンの長さは５．８２ｍｍに減少した。図１１は、ピンの変形１１００の程度を示している。４２ＨＲＣの工具硬度は、ＦＳＷプロセスにおける鋼との硬い接触には不十分であるようであった。工具の損傷は、溶接中の鋼から鋼への相互作用への機械的変形および摩耗に起因していた。

実施例２
工具１０を使用して、アルミニウムプレートを鋼プレートと摩擦撹拌溶接した。実施例１は、より厚いゲージ金属のＦＳＷにＨ１３工具鋼から作製された工具を用いる問題を示したため、組成物が高い硬度を提供するのでＭ４２工具鋼のＦＳＷ工具（表１参照）を使用した。アルミニウムプレートは、５．８２ｍｍの厚さを有するＡＡ５０８３合金であった。鋼プレートは、２．０ｍｍの厚さを有するＡＩＳＩ１０１８合金であった。開示されたＦＳＷ工具を用いる溶接パラメータを表６に列挙する。

上述のつま先クランプ３６０を使用したクランプシステム３００を溶接＃３で適用した（図３参照）。端部クランプ３８０は使用されなかった。このクランプシステムは、溶接中にプレートの浮き上がりを防止するのに有効であった。この構成は、ラップ構成ＦＳＷに好適である。ＦＳＷ工具のピン２０で開始された溶接＃３は、鋼プレートに０．０３ｍｍ押し込み、途中で鋼プレートへの溶接深さ１６０を０．０３ｍｍ増加させて、一定の突入深さを維持した。溶接の開始時に適度な量のフラッシュが観察された（突入深さ１６０＝−０．１ｍｍ）が、これは突入深さ１６０が増加するにつれて増加した（突入深さ１６０＝０．０８ｍｍ）。固定具から取り外すとサンプルが反った。図１２は、溶接＃３の断面ＳＥＭ画像である。アルミニウムプレート１１０および鋼プレート１２０の界面１２１５が図１２に示されている。溶接の小塊ゾーン９２０は、撹拌の影響を示すことが明らかである。工具１０の輪郭１２３０も図１２で見ることができる。

溶接＃４は、溶接部全体にわたってつま先クランプ３６０を有する同じクランプシステム３００を用いた。溶接されたプレート１１０、１２０をクランプされたまま周囲温度まで受動的に冷却した。ＦＳＷ工具１０のピン２０で開始された溶接＃４は、鋼プレートに０．０３ｍｍ押し込み（突入深さ１６０＝−０．１２ｍｍ）、途中で溶接深さ１６０が０．０３ｍｍ増加した（突入深さ１６０＝−０．２５ｍｍ）。溶接されたアルミニウムおよび鋼プレートは、固定具内で十分に冷却され、サンプルが冷却されると、大きなポッピング音およびクラック音を聞くことができた。固定具から取り外すと溶接されたプレートは反りを示した。溶接開始および停止点は、アルミニウムプレートと鋼プレートとの間で脱着し、結合不良を示している。

実施例３
より厚いゲージ金属のＦＳＷのためのプロセスの更なる開発が本明細書に記載されている。３つのＦＳＷ試行を実施して、（ｉ）溶接経路の厚さを減少させることによってＦＳＷ工具１０のピン２０の突入深さを減少させること、（ｉｉ）ＦＳＷの前に鋼プレートに応力を加えること、および（ｉｉｉ）ＦＳＷの前に鋼プレートを予熱することの影響を調査した。これらの変更は溶接フラッシュおよび反りを防止するのを助けた。Ｍ４２工具鋼のＦＳＷ工具１０（表１参照）を使用した。アルミニウムプレートは、５．８２ｍｍの厚さを有するＡＡ５０８３合金であった。鋼プレートは、２．０ｍｍの厚さを有するＡＩＳＩ１０１８合金であった。ＦＳＷ用のプロセスパラメータを表７に列挙する。

溶接＃５の溶接パラメータが表７に列挙されている。図７は、ピン２０の突入深さ１６０の減少をもたらす減少した厚さの領域を有するアルミニウムプレート１１０のデジタル画像である。アルミニウムプレート１１０の溶接領域７００を５．８２ｍｍ〜５．６１ｍｍに薄くして、肩部の接触およびフラッシュの発生を低減した。プレートの厚さの減少７００は、フラッシュ発生がなく、滑らかな溶接表面を有し、出口穴にワームホールの兆候がない溶接を生成した。

溶接＃６の溶接パラメータが表７に列挙されている。図７に示されているように、アルミニウムプレート１１０の溶接領域７００を５．８２ｍｍ〜５．６１ｍｍに薄くして、肩部の接触およびフラッシュ４００の発生を低減した。その上、図８に示されているように、溶接前において、鋼プレート１２０は、溶接中に予想される反りの方向とは反対の高さ８００（この場合、３８ｍｍ）だけ変形した。ＦＳＷの後、プレートは平らな鋼プレートで以前の溶接と同じレベルまで反った。

溶接＃７の溶接パラメータが表７に列挙されている。図７に示されているように、アルミニウムプレート１１０の溶接領域７００を５．８２ｍｍ〜５．６１ｍｍに薄くして、肩部の接触およびフラッシュの発生を低減した。ＦＳＷの前に、鋼プレートおよび固定具の表面を１００℃に予熱して、溶接部の冷却速度を低減した。溶接中、工具１０の肩部２４はアルミニウムプレート１１０に深く係合し、大量のフラッシュを発生させた。ワームホールの兆候が出口穴に存在した。

プレートの薄化によってピン２０の突入深さ１６０を減少させることは、溶接フラッシュを減少させるために良好に機能した。溶接荷重は減少した。事前に応力を加えることも予熱も反り低減に大きな影響を及ぼさなかった。

実施例４
より厚いゲージ金属のＦＳＷのためのプロセスの更なる開発が本明細書に記載されている。４つのＦＳＷ試行を実施して、（ｉ）工具回転速度を低下させ、（ｉｉ）ＦＳＷ中に強制空冷する影響を調査した。これらの変更は、反りを防止するのを助けた。ＦＳＷ工具１０Ｍ４２工具鋼（表１参照）を使用した。アルミニウムプレートは、５．８２ｍｍの厚さを有するＡＡ５０８３合金であった。鋼プレートは、２．０ｍｍの厚さを有するＡＩＳＩ１０１８合金であった。クランプシステム３００は、以下の４つの溶接の場合、サイドクランプ３６０および端部クランプ３８０（図３参照）を適用して用いた。プロセスパラメータが表８に列挙されている。

溶接＃８の溶接パラメータが表８に列挙されている。図７に示されているように、アルミニウムプレート１１０の厚さは溶接領域７００において５．８２ｍｍ〜５．２１ｍｍに減少した。ピン２０の突入深さ１６０は０．０５ｍｍであった。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。出口穴は小さいワームホールを示した。クランプ３６０、３８０が取り外されると、プレート１１０、１２０は溶接経路に沿って分離された。

溶接＃９の溶接パラメータが表８に列挙されている。ピン２０の突入深さ１６０は、溶接＃８と比較して０．１ｍｍ増加して０．１５ｍｍとなった。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。クランプ３６０、３８０が取り外されると、溶接部から脱着されたプレート１１０、１２０は、出口穴から１００ｍｍの距離まで出る。アルミニウムプレート１１０は脱着後にシフトした。図１３は、得られた溶接部のデジタル画像であり、鋼プレートおよびアルミニウムプレートの出口穴が整列していないため、出口穴１３００におけるプレートのシフトを示している。

溶接＃１０の溶接パラメータが表８に列挙されている。鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は０．１５ｍｍであった。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。クランプ３６０、３８０が取り外されると、プレートは結合されたままであったが、接合ラインから一連のカチカチ音を発した。

溶接＃１１の溶接パラメータが表８に列挙されている。冷却を増大させるために、図６に示されるノズル６００などの強制空気冷却ジェットをＦＳＷ工具１０の後ろに追加した。鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は０．１５ｍｍであった。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。ワークピースがクランプ３６０、３８０から取り外されると、カチカチまたはポッピングは聞こえなかった。

溶接＃８および＃９が最も熱を発生し、これは低接着強度に寄与した可能性がある。わずかに低い発熱を有する溶接＃１０は、結合したままであったが、局所的な分離が疑われた。溶接＃１１は、強制空気冷却を用い、結合ラインの分離が疑われることなく結合されたままであった。溶接部の冷却速度を上げると、反りの減少を示した。

実施例５
より厚いゲージ金属のＦＳＷのためのプロセスの更なる開発が本明細書に記載されている。４つのＦＳＷ試行を実施して、（ｉ）鋼ワークピースに事前に応力を加えること、（ｉｉ）強制空気で冷却すること、（ｉｉｉ）水ミストで冷却すること、（ｉｖ）工具の回転速度を下げること、および（ｖ）ＦＳＷ中に横断速度を上げることの影響を調査した。変更により、アルミニウムプレート内に見られる反りおよび鋼の破片が防止された。Ｍ４２工具鋼のＦＳＷ工具１０（表１参照）を使用した。アルミニウムプレートは、５．８２ｍｍの厚さを有するＡＡ５０８３合金であった。鋼プレートは、２．０ｍｍの厚さを有するＡＩＳＩ１０１８合金であった。クランプシステム３００は、以下の４つの溶接の場合、サイドクランプ３６０および端部クランプ３８０（図３参照）を適用して用いた。プロセスパラメータが表９に列挙されている。

溶接＃１２の溶接パラメータが表９に列挙されている。鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は０．１５ｍｍであった。５０８ｍｍのプレート長さにわたって４６．５ｍｍの中心高さ８００まで鋼プレートに事前に応力を加えた（図８参照）。クランプ３６０、３８０が取り外されると、プレート１１０、１２０は、突入および出口点の両方から距離１５０ｍｍだけ溶接突入点および溶接出口点から脱着した。上述したように、溶接冷却を助けるために、図６に示されるノズル６００などの１つの強制空気冷却ノズルを工具１０の後ろに使用した。圧縮空気を６．４ｍｍのノズルを通して９０ｐｓｉで供給した。

溶接＃１３の溶接パラメータが表９に列挙されている。鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は０．１５ｍｍであった。４つの水ミスト冷却ノズル（図６に示されるノズル６００など）をＦＳＷ手順の間に材料を冷却するのを助けるためにＦＳＷ工具１０の後ろに使用した。クランプ３６０、３８０が取り外されると、接合ラインからの顕著なクラック音はなかった。アルミニウムおよび鋼プレートは、固定具表面から取り外すと非常に平らなままであった。

溶接＃１４の溶接パラメータが表９に列挙されている。鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は０．１５ｍｍであった。溶接＃１４については冷却は適用されなかった。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。事故なく溶接が完了した。クランプ３６０、３８０が取り外されると、ポッピング音またはクラック音は発しなかった。

溶接＃１５の溶接パラメータが表９に列挙されている。鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は０．１５ｍｍであった。溶接＃１４については冷却は適用されなかった。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。溶接は事故なく完了し、クランプ３６０、３８０の取り外しおよび固定具からの取り外しの際に、ポッピングまたはクラック音は認められなかった。

最も熱が発生したときに脱着が生じ、事前に応力を加えた鋼プレートとの溶接＃１２では内部応力がより大きく、有効ピン先端突入深さ１６０が増加した。ＦＳＷ工具１０の後ろの水ミストの存在によって引き起こされる冷却速度の増加は、溶接プロセスによって引き起こされる反りを低減するのに極めて有効であった。

実施例６
より厚いゲージ金属のＦＳＷのためのプロセスの更なる開発が本明細書に記載されている。２つのＦＳＷ試行を実施して、（ｉ）先の試行からの所見を組み合わせること、および（ｉｉ）ＦＳＷ中でヒートシンクとして銅アンビル５００を用いることの影響を調査した。変更により、アルミニウムプレートおよび鋼プレートの反りが防止された。Ｍ４２工具鋼のＦＳＷ工具（表１参照）を使用した。アルミニウムプレートは、５．８２ｍｍの厚さを有するＡＡ５０８３合金であった。鋼プレートは、２．０ｍｍの厚さを有するＡＩＳＩ１０１８合金であった。プロセスパラメータを表１０に列挙する。

溶接＃１６のパラメータが表１０に列挙されている。鋼プレートへのピンの突入深さ１６０は、溶接＃１５と比較して０．０７ｍｍ減少し、０．０８ｍｍの深さとなった。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。事故なく溶接が完了したが、固定具を冷却している間に軽いポッピング音が認められた。

溶接＃１７のパラメータが表１０に列挙されている。全ての条件は、突入深さ１６０を含む溶接＃１６と同じである。溶接表面は滑らかであり、フラッシュなしで一貫していた。事故なく溶接が完了し、冷却中または固定具から取り外す際にポッピング音またはクラック音は認められなかった。図１４は、溶接＃１７の断面ＳＥＭ画像である。アルミニウムプレート１１０および鋼プレート１２０の界面１２１５が示されている。溶接の小塊ゾーン９２０は、撹拌の影響を示すことが明らかである。ＦＳＷ工具１０の輪郭１２３０も同様に見ることができる。

溶接＃１６−１７の両方の溶接後に銅アンビル５００のわずかな塑性変形が生じた。同一の溶接条件を維持しようと試みたにもかかわらず、溶接間にいくつかの違いが認められた。例えば、溶接＃１６ではわずかにより前進側の材料の構築があり、溶接＃１６ではより歪みがあり、溶接＃１７では可能性のあるワームホールがあった。

実施例７
より厚いゲージ金属のＦＳＷのためのプロセスの更なる開発が本明細書に記載されている。２つのＦＳＷ試行を実施して、ＦＳＷを使用してアルミニウム合金および鋼プレートの突き合わせ溶接を調査した。Ｍ４２工具鋼のＦＳＷ工具１０（表１参照）を使用した。アルミニウムプレートは、５．８２ｍｍの厚さを有するＡＡ５０８３合金であった。鋼プレートは、２．０ｍｍの厚さを有するＡＩＳＩ１０１８合金であった。プロセスパラメータを表１１に列挙する。

溶接＃１８のパラメータが表１１に列挙されている。工具位置の基準点は、鋼プレート１２０の外側縁部であった。図１５は、突き合わせ溶接された金属プレート１１０、１２０のデジタル画像である。溶接経路３５０は、溶接の長さ全体にわたって接合界面にライン１５００を含有していた。溶接の前進側は、ＦＳＷ工具１０が鋼プレートにあまりにも遠くまで挿入されることによって引き起こされた鋼の帯１５１０を含有しているようである。出口穴１３００はワームホールタイプの兆候を含有する。

溶接＃１９のパラメータが表１１に列挙されている。工具位置の基準点は、鋼プレート１２０の外側縁部であった。溶接表面は、溶接の長さ全体にわたって接合界面にラインを含有していた。出口穴はワームホールタイプの兆候を含有する。この溶接の工具傾斜は２°であった。工具のプログラミングに対する変更にもかかわらず、工具は鋼プレートにおよそ０．７ｍｍもの遠くまで突入した（目標は０．２ｍｍであった）。

実施例８
ＦＳＷ接着片の反り、粒構造、硬度、引張強度、および耐腐食性を選択された溶接試行について分析した。

反り
反りの結果が表１２に示されている。反りの量は、平坦な表面に対して溶接した接着物を配置することによって測定した。

粒構造
ＦＳＷ後のサンプルのいくつかの粒構造は、図１２（溶接＃３）および１４（溶接＃１７）に示されている。小塊ゾーン９２０、熱機械的影響ゾーン１２４０、および熱影響ゾーン１２５０が明らかである。

ＳＥＭ
図１６Ａ〜Ｃおよび図１７Ａ〜Ｃは、溶接＃２の断面ＳＥＭ画像である。アルミニウムプレート１１０と鋼プレート１２０との界面１２１５は画像において明らかである。工具１０のドーム状先端３０の輪郭１２３０が明瞭に視認可能である。

硬度
図１８は、溶接＃２、３、４、５、６、７、１０、および１１からの溶接したワークピースについての微細硬度データを示している。サンプルをビッカース硬度試験に供した。軸荷重は５０ｇであった。押し込みの継続時間は１０秒であった。グラフは、ＦＳＷプロセスによる溶接小塊ゾーン全体にわたって硬度の変化を示していない。ＦＳＷは、親材料がその完全性および固有の特性を保持する固相接合法である。溶接＃３および＃５は、鋼破砕のため、根元においていくらかの散乱値を示す。

引張強度
図１９は、腐食環境への曝露の前後の溶接＃２、３、４、５、６、７、１０、１１、１３、１４、１５、１６、および１７の引張強度試験の結果を示している。白丸は塗装または腐食のないサンプルの最大破壊荷重（Ｎ）を示している。白四角は、塗装または腐食のないサンプルの破壊前の伸び（ｍｍ）を示している。白星は、塗装のない腐食したサンプルの最大破壊荷重（Ｎ）を示している。黒いＸは、塗装のない腐食したサンプルの破壊前の伸び（ｍｍ）を示している。白五角形は、塗装および腐食したサンプルの最大破壊荷重（Ｎ）を示している。黒い十字（＋）は、塗装および腐食したサンプルの破壊前の伸び（Ｎ）を示している。図１９に示されるように、ＦＳＷ接合は、中性塩噴霧への５００時間の曝露後でも劣化することなく接合強度を保持する。裸の（コーティングされていない）状態で腐食に供されたサンプルについては強度のわずかな低下が観察されたが、電着された（ｅ−コーティングされた）サンプルについては強度の低下は観察されなかった。

図２０は、突き合わせ溶接された金属プレート（溶接＃１８および＃１９）の引張強度のグラフである。ＦＳＷを使用した突き合わせ溶接金属プレートは、ラップ構成でＦＳＷより弱い結合を生成した。

腐食
溶接された接合の耐腐食性は、ＡＳＴＭ Ｂ１１７規格に従って試験した。溶接されたワークピースを塩噴霧に５００時間曝露した。接合は、受け取ったまま（裸／コーティングなし）および塗装した状態で試験した。電着（ｅコート）法を使用してＣａｔｈｏｇｕａｒｄ５００（ＢＡＳＦによって供給）を適用した。ｅ−コーティングの前に、サンプルを２．５〜３．０ｇ／ｍ^２の目標コーティング重量でＺｎリン酸塩処理に供した。５００時間の試験の後、サンプルを引張試験による残留機械的強度および金属組織断面による腐食形態評価に基づいて評価した。比較の目的で、露出していない裸のおよび塗装されたサンプルも同様に引張試験に供した。

図２１Ａ〜Ｂおよび図２２Ａ〜Ｂは、溶接＃１７のサンプルのアルミニウム−鋼界面におけるＦＳＷ領域で生じた腐食のデジタル画像である。図２１Ａ〜Ｂは、コーティングされたサンプルの腐食試験結果を示している。図２２Ａ〜Ｂは、コーティングされていないサンプルの腐食試験結果を示している。全体として、コーティングされていないサンプルは、より高い腐食度２１００を示した。予想されたように、金属組織断面は、破砕片および溶接領域の両方において鋼の周囲のアルミニウムプレートの腐食の明瞭な徴候を示した。しかしながら、裸の試料の残留強度は、５００時間の塩噴霧曝露後に塗装サンプルに依然として非常に近かった。

図２３は、ＦＳＷおよび任意の塗装後に中性塩噴霧腐食試験に５００時間供されたＡＡ６ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金の接着強度を示している。２つのアルミニウム合金、ＡＡ６０６１（左側のヒストグラムの組）およびＡＡ６１１１（右側のヒストグラムの組）を鋼サンプルに接着させた。結合したアルミニウム−鋼サンプルを切断して２つの試験サンプルを提供した。腐食試験用に調製したサンプルを表１３に要約する。

溶接されたままのサンプルは、比較のために腐食試験に供されなかった。例示的な裸のサンプルを鋼に結合し、腐食試験に供した。例示的なコーティングされたサンプルを鋼に結合し、上述のようにコーティングした。両方の合金について、腐食試験されたサンプルは、腐食していないアルミニウム鋼ＦＳＷサンプルと比較して、接着強度のわずかな減少を実証した。図２４Ａ〜Ｂおよび２５Ａ〜Ｂは、腐食試験後のＦＳＷ接合部の顕微鏡写真を示している。図２４Ａは、鋼に結合され、コーティングされたアルミニウム合金ＡＡ６０６１を示している。顕微鏡写真において、摩擦撹拌溶接およびコーティングされたワークピースの結合領域（すなわち、ＦＳＷ接合部）における腐食に対する優れた耐性が明らかである。図２４Ｂは、鋼に結合され、コーティングされていないアルミニウム合金ＡＡ６０６１を示している。顕微鏡写真において、ＦＳＷ接合部に隣接するアルミニウム合金における孔食が明らかである。また、ＦＳＷ接合部が粒間腐食に耐え得ることを実証する粒間腐食がないことが明らかである。図２５Ａは、鋼に結合され、コーティングされたアルミニウム合金ＡＡ６１１１を示している。顕微鏡写真において、摩擦撹拌溶接およびコーティングされたワークピースのＦＳＷ接合部の周りの腐食に対する優れた耐性が明らかである。図２５Ｂは、鋼に結合され、コーティングされていないアルミニウム合金ＡＡ６１１１を示している。顕微鏡写真において、ＦＳＷ接合部に隣接するアルミニウム合金における孔食が明らかである。また、ＦＳＷ接合部が粒間腐食に耐え得ることを実証する粒間腐食がないことが明らかである。

実施例９
本明細書に記載の合金および方法は、商用車、航空機、造船、自動車、もしくは鉄道用途、または他の用途などの自動車および輸送用途で使用され得る。例えば、合金は、強度を達成するために、シャシー、クロスメンバー、およびシャシー内部品（商用車シャシー内の２つのＣチャンネル間の全ての部品を包含するがこれらに限定されない）に使用することができ、高強度鋼の完全または部分的な置換として機能する。所定の例では、合金は、質別Ｏ、Ｆ、Ｔ４、Ｔ６ｘ、またはＴ８ｘで使用され得る。所定の態様では、合金は、追加の強度を提供するための補強材または挿入物と共に使用される。図２６Ａは、本明細書に記載の方法に従って提供され得るフレームレールの斜視図を示している。図２６Ｂは、本明細書に記載の方法に従って提供され得る補強材を含有するフレームレールの斜視図を示している。補強材は、アルミニウム合金、鋼、それらの任意の組み合わせ、またはフレームレールの剛性を高めることができる任意の好適な金属（例えば、ニッケル、銅など）であり得る。フレームレールに補強材を加えると、フレームレールの剛性が最大およそ８０％増加し得る（例えば、フレームレールは、補強材のないフレームレールよりも曲げおよびねじれに対して８０％耐性である）。

所定の態様では、合金および方法は、自動車の車体部品製品を調製するために使用され得る。例えば、開示された合金および方法は、バンパービーム、サイドビーム、ルーフビーム、クロスビーム、ピラー補強材（例えば、Ａピラー、Ｂピラー、およびＣピラー）、内部パネル、サイドパネル、フロアパネル、トンネル、構造パネル、補強パネル、インナーフード、またはトランクリッドパネルなどの自動車の車体部品を調製するために使用され得る。開示されたアルミニウム合金および方法はまた、航空機、造船、または鉄道車両の用途において、例えば、外部および内部パネルを調製するために使用され得る。所定の態様では、開示された合金は、自動車のバッテリープレート／シェートおよび配線チェイスなどの他の用途に使用され得る。

一例によるＦＳＷ工具の斜視図である。 図１の工具の概略側面図であり、２つの金属に挿入されることが示されている。 一例によるＦＳＷ用アセンブリの上面斜視図である。 ＦＳＷ中に発生した溶接フラッシュのデジタル画像である。 別の例によるＦＳＷ用アセンブリの上面斜視図である。 一例によるＦＳＷ用システムの冷却ノズルの拡大側面斜視図である。 一例による減少した厚さ領域を有する金属プレートのデジタル画像である。 一例による変形した金属プレートのデジタル画像である。 例示的な方法により形成された溶接部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 ６ｘｘｘアルミニウム合金および鋼と比較した摩擦撹拌溶接の結合強度のグラフである。 変形したＦＳＷ工具のデジタル画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のデジタル画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像である。 突き合わせ構造のアルミニウム合金および鋼の摩擦撹拌溶接のデジタル画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像である。 図１６Ａの一部（Ｓ）の高倍率画像である。 図１６Ａの一部（Ｎ）の高倍率画像である。 摩擦撹拌溶接アルミニウム合金および鋼のＳＥＭ画像の低倍率画像である。 図１７Ａの一部（Ｌ）の高倍率画像である。 図１７Ａの一部（Ｐ）の高倍率画像である。 様々な溶接部の硬度を示すグラフである。 腐食前後のＦＳＷワークピースの引張強度のグラフである。 突き合わせ溶接構成のＦＳＷワークピースの引張強度のグラフである。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食試験後のＦＳＷワークピースの接合強度のグラフである。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 腐食したＦＳＷワークピースのデジタル画像である。 本明細書に記載の方法およびアルミニウム合金に従って達成可能な製品の一例の概略図である。 本明細書に記載の方法およびアルミニウム合金に従って達成可能な製品の一例の概略図である。

Claims (30)

1. 摩擦撹拌溶接工具であって、
   直径を含む肩部と、
   前記肩部から延びるピンであって、前記ピンが、前記ピンの先端から前記ピンの基部まで延びる長さを含む、ピンと、を含み、前記肩部の前記直径が、前記ピンの前記長さの３倍よりも大きい、摩擦撹拌溶接工具。
2. 前記肩部の前記直径が、前記ピンの前記長さの約３．５倍よりも大きい、請求項１に記載の摩擦撹拌溶接工具。
3. 前記工具の前記肩部が、凹状表面を含む、請求項１に記載の摩擦撹拌溶接工具。
4. 前記ピンが、ねじ山によって互いに分離した複数の略平坦な表面を含む、請求項１に記載の摩擦撹拌溶接工具。
5. 前記複数の略平坦な表面が、５つの略平坦な表面を含む、請求項４に記載の摩擦撹拌溶接工具。
6. 前記ピンが、その長さに沿って先細になっている、請求項１に記載の摩擦撹拌溶接工具。
7. 前記ピンの前記先端が、前記先端が凹状表面を含むようにドーム状である、請求項１に記載の摩擦撹拌溶接工具。
8. 前記摩擦撹拌溶接工具が、Ｍ４２高速工具鋼から形成されている、請求項１に記載の摩擦撹拌溶接工具。
9. 請求項１に記載の摩擦撹拌溶接工具を含む、摩擦撹拌溶接用システム。
10. 第１の金属プレートと、
    固定具表面上に配置された第２の金属プレートであって、前記第１の金属プレートが前記第２の金属プレートに隣接して配置されている、第２の金属プレートと、
    前記第１の金属プレートおよび前記第２の金属プレートを前記固定具表面に対してクランプし、摩擦撹拌溶接中に前記固定具表面からの前記第１および第２の金属プレートの浮き上がりを防止または低減するように構成された複数のクランプと、を更に含む、請求項９に記載のシステム。
11. 前記複数のクランプが、前記第１および第２の金属プレートの各々の長手方向縁部に沿って配置されたクランプを含み、前記第１および第２の金属プレートの前記長手方向縁部は、前記それぞれの第１および第２の金属プレートの端部間に延びている、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記複数のクランプが、前記第１および第２の金属プレートの各々の前記端部に沿って配置された端部クランプを更に含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第１の金属プレートが、約５ｍｍ〜約１０ｍｍの厚さを有するアルミニウムプレートであり、前記第２の金属プレートが、鋼プレート、銅プレート、ニッケルプレート、または任意の他の好適な金属プレートである、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記第１の金属プレートが、２ｘｘｘ、５ｘｘｘまたは６ｘｘｘ合金である、請求項１０に記載のシステム。
15. 第１の金属プレートと、
    第２の金属プレートであって、前記第１の金属プレートが前記第２の金属プレートに隣接して配置されている、第２の金属プレートと、
    固定表面上に配置され、かつ摩擦撹拌溶接中に発生した熱を伝達するように構成されたヒートシンクであって、前記第２の金属プレートが前記ヒートシンク上に配置されている、前記ヒートシンクと、を更に含む、請求項９に記載のシステム。
16. 前記ヒートシンクが、銅アンビルである、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記第１の金属プレートが、約５ｍｍ〜約１０ｍｍの厚さを有するアルミニウムプレートであり、前記第２の金属プレートが、鋼プレート、銅プレート、ニッケルプレート、または任意の他の好適な金属プレートである、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記第１の金属プレートが、２ｘｘｘ、５ｘｘｘまたは６ｘｘｘ合金である、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記摩擦撹拌溶接工具が溶接経路に沿って横断するときに、前記摩擦撹拌溶接工具の後ろの前記溶接経路に沿って横断するように配置された少なくとも１つの冷却ノズルを更に含む、請求項９に記載のシステム。
20. 前記第１の金属プレートが、溶接経路に対応する減少した厚さの領域を有する、請求項９に記載のシステム。
21. 摩擦撹拌溶接する方法であって、
    第１の金属プレートを第２の金属プレートに隣接して配置することであって、前記第１の金属プレートが、約５ｍｍ〜約１０ｍｍの厚さを有するアルミニウムプレートであり、前記第２の金属プレートが、前記第１の金属プレートの前記厚さより小さい厚さを有する鋼プレート、銅プレート、ニッケルプレート、または任意の他の好適な金属プレートである、配置することと、
    請求項１に記載された摩擦撹拌溶接工具を約５０ＲＰＭ〜約１５０ＲＰＭの初期回転速度で回転させることと、
    前記摩擦撹拌溶接工具を垂直軸から所望の角度で傾斜させることであって、前記所望の角度が１°〜５°である、傾斜させることと、
    約７ｋＮ〜約１５ｋＮの初期軸荷重を加えて、前記摩擦撹拌溶接工具の前記先端を前記第１の金属プレートの厚さを通して前記第１の金属プレートに貫通させ、前記第２の金属プレートに突入深さだけ部分的に貫通させることと、
    前記摩擦撹拌溶接工具の前記初期回転速度を第２の回転速度まで増加させることであって、前記第２の回転速度が、約４００ＲＰＭ〜約６００ＲＰＭである、増加させることと、
    前記摩擦撹拌溶接工具の前記初期軸荷重を約１５ｋＮ〜約２５ｋＮの第２軸荷重に増加させることと、
    前記摩擦撹拌溶接工具を前記第１の金属プレートの溶接経路に沿って横断させることと、を含む、方法。
22. 前記第２の金属プレートを銅ヒートシンク上に直接配置することを更に含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記横断している摩擦撹拌溶接工具の後ろに少なくとも１つの冷却ノズルを横断させて、前記第１の金属プレートを冷却することを更に含む、請求項２１に記載の方法。
24. 前記初期軸荷重が、約７ｋＮである、請求項２１に記載の方法。
25. 前記所望の角度が２°〜３°である、請求項２１に記載の方法。
26. 前記初期回転速度が、約１００ＲＰＭである、請求項２１に記載の方法。
27. 前記第２の軸荷重が、約２０ｋＮ〜約２２ｋＮである、請求項２１に記載の方法。
28. 前記第２の回転速度が、約４８０ＲＰＭ〜約５００ＲＰＭである、請求項２１に記載の方法。
29. 前記突入深さが、約０．０５ｍｍ〜約０．１２ｍｍである、請求項２１に記載の方法。
30. 前記突入深さが、約０．０５ｍｍ〜約０．０７ｍｍである、請求項２９に記載の方法。

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