JP2021506591A - 円錐台形ピンを用いて摩擦攪拌溶接を行う工具、このような工具を用いて２つの部品を溶接する方法、溶接された製品 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦撹拌溶接ステーション用の工具（１）において、回転可能であり、かつ横断方向表面を画定し、ショルダ（１１）を形成する本体（１０）と、ショルダ（１１）から長手方向軸（Ｚ）に沿って端部（１３）に向かって延在するピン（１２）であって、ショルダ（１１）と端部の間で細くなり、端部（１３）とショルダ（１１）の間の距離がピンの高さに対応するピン（１２）と、を含む工具（１）であって、ピン（１２）が、ショルダ（１１）に隣接し、ショルダ（１１）からピンの高さの少なくとも２０％にわたり端部（１３）に向かって延在する近位部分（１２ｐ）と、端部（１３）に隣接し、端部（１３）からピンの高さの少なくとも１％にわたりショルダ（１１）に向かって延在する遠位部分（１２ｄ）であって、円錐台（１４）に内接しており、この円錐台（１４）が、ショルダ（１１）まで円錐台（１４）を延長させる延長表面（１５）と呼ばれる表面を画定し、この延長表面が円錐台形体積（１６）を境界画定している、遠位部分（１２ｄ）と、を含み、近位部分（１２ｐ）において、ピンが、延長表面（１５）によって境界画定された円錐台形体積（１６）の外部に延在しており、かつピン（１２）が、長手方向軸（Ｚ）に対して平行でかつこの長手方向軸を通る平面内で、近位部分（１２ｐ）内で、曲線（Ｃ）が延長表面（１５）に接するような、曲線（Ｃ）に沿った外形を描く包絡線に内接する外側表面を描く、工具（１）に関する。【選択図】図３Ｃ

Description

本発明の技術分野は、摩擦攪拌溶接である。本発明は詳細には、厚みのある部品の長い長さにわたる溶接に関する。本発明は、構成要素の製造、詳細には航空機産業向けの、特にアルミニウム合金製の構成要素の製造に応用可能である。

通常ＦＳＷ（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）の頭字語で呼称される摩擦攪拌溶接は、１９９０年代に開発されたものである。これは、例えば国際公開第９３／１０９３５号および国際公開第９５／２６２５４号の対象となっている。この技術は、互いに接して配置された２つの金属部品を、これらの部品との関係において回転させられる溶接用工具を用いて組立てることからなる。

図１Ａは、先行技術に係る溶接用工具１Ａを表わしている。この工具は、ショルダ１１を画定する、円筒形の主本体１０と、ピン１２Ａで構成される。工具１Ａは、回転可能であり、回転速度Ｒは毎分１００〜１５００回転である。図１Ｂは、互いに接して維持されアンビル２５上に載置されている２つの部品２１および２２を表わす断面である。部品は、あそび無く互いに接してしっかり固定される。溶接用工具１Ａは、その回転および部品に沿ったその並進運動を可能にする支持体２により担持される。この溶接用工具は、２つの部品の間に延在する界面２３のレベルで、溶接すべき部品と接触させられる。開始段階において、部品上のピン１２Ａの摩耗は局所的加熱を発生させ、これらの部品を構成する材料の軟化をひき起こす。このとき、ピン１２Ａは、工具のショルダ１１が前記部品に対し押しつけられるまで、撹拌された材料を押出しながら、漸進的に部品内に貫入する。このとき、ショルダ１１は、界面２３に沿って、部品２１および２２に圧力を及ぼす。部品の表面に対するショルダの回転は、工具の周りで、材料の局所的加熱を誘発する摩擦を生成する。温度上昇の影響下で、各部品を構成する金属材料は、ピン１２Ａの近傍で塑性変形を起こす。

ピンの運動学は、界面近傍での軟化した材料の攪拌をひき起こす。このとき回転工具は、界面２３に沿って並進運動させられ、並進運動速度つまり前進速度Ｖは概して３０ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分である。図１Ｃは、図１Ｂの上面図を表わし、界面２３に沿った溶接用工具の移動を示し、溶接用工具の運動は、回転速度Ｒでの回転と前進速度Ｖでの並進運動とを組合わせたものである。回転方向は、図１Ｂおよび１Ｃに示されており、工具は、前進側ＡＳ（「ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｓｉｄｅ」）から後退側ＲＳ（「ｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ ｓｉｄｅ」）に向かって回転する。前進側ＡＳは、工具の回転に起因する工具の表面の局所的方向と溶接方向が同一である側であり、部品（２１）は前進側に位置する。後退側は、工具の回転に起因する工具の表面の局所的方向と溶接方向が反対である側であり、部品（２２）は後退側に位置する。

攪拌された材料の冷却によって、界面２３に沿って、継手２４、つまり溶接ビードが形成される。こうして、融解無く、金属／金属間結合によって、溶接が少しずつ実現される。溶接継手２４は、界面に沿った工具の漸進的前進に応じて形成される。溶接作業が完了した時点で、撤去段階によって、組立てられた部品から工具を撤去することができる。図１Ｄは、溶接ステーションの写真である。２つのプレート２１および２２の間にピン１２Ａが導入されている溶接用工具１Ａを維持する支持体２が表わされている。溶接用工具１Ａは回転し、並進運動し、並進運動の軸は、この図に表わされている軸Ｘである。

こうして、溶加材無しで溶接が実現され、部品間の継手２４は、組立てられた部品を形成する材料のみで構成される。ＦＳＷ溶接に関係するもう１つの利点は、通常の溶接方法に比べて温度が低いという点にある。これにより溶接の結果得られる構成要素の機械的特性が改善され、こうして変形は減少する。この方法は同様に、容易に自動化可能であり、リスクはほとんどなく、１回のみのパスで長い長さにわたり、厚みの大きい溶接を実施することを可能にし得る。溶接パラメータが確立された時点で、溶接品質の再現性はこの方法のもう１つの利点となる。

摩擦攪拌溶接は、アルミニウム部品の組立てのための有望な技術である。アルミニウムに適用される摩擦攪拌溶接は、ＩＳＯ ＥＮ２５２３９規格の対象である。この溶接により、高強度アルミニウム合金、例えば２０００、６０００、および７０００系のアルミニウム合金を組立てることができる。

航空機製造技術の分野において、この方法は、翼パネル、小骨または胴体パネルなどの構成要素を製造するため、リベット締めまたはボルト締めなどの従来の固定用手段に対する１つの代替案である。ＦＳＷによる溶接には組立てられる構成要素の質量の削減、ならびに、組立てを実現するための時間の節約を伴う。航空機製造技術の分野以外では、ＦＳＷによる方法は、輸送産業、特に船舶または鉄道輸送ならびに自動車産業においても応用可能である。

ＦＳＷによる溶接は、アルミニウム以外の材料、例えば、照射済み核燃料を閉じ込めるための容器の製造向けの銅にも関係し得る。

ＦＳＷによる溶接の性能を最適化する目的で、多くの研究が行なわれてきた。これらの研究は、工具の形状、詳細にはピンの形状に向けられる可能性がある。実際、ピンは、材料の攪拌および加熱された材料の循環を条件付ける。ピンは概して、円錐形の形状を有する。溶接の質を改善するためのピンの最適化は、本質的に、前記ピンの表面に設けられ得る溝および／または平面部の修正に関係する。溝は、ピン近傍に軟化した材料の流れを生み出すような形で、ピンの表面にネジ山を形成する。ピンに沿って延在する平面部は、主として攪拌を改善することを可能にする。

国際公開第９３／１０９３５号 国際公開第９５／２６２５４号

発明者らは、性能が改善された溶接を行なうことを可能にする摩擦攪拌溶接用の回転工具の具体的形状を構想した。より厳密に言うと、追及されている目的の１つは、１回のみのパスで、すなわち溶接の長さ全体にわたり破断無くあるいは工具交換無しで、数メートルの長さ、詳細には１０メートル超、さらには１５メートル超の長さにわたり、典型的には２０ｍｍまたは２５ｍｍ超の厚みの２つの厚い部品の溶接を行なうことにある。これは以下に述べられている発明の目的である。

本発明の第１の対象は、請求項１に記載の摩擦攪拌溶接ステーション用の工具にある。

工具は、回転可能であり、かつ
− 横断方向表面を画定し、ショルダを形成する好ましくは円筒形の本体と、
− ショルダから好ましくはショルダに直交する長手方向軸に沿って端部に向かって延在するピンであって、ショルダと端部の間で細くなり、端部とショルダの間の距離がピンの高さに対応する、ピンと、
を含む。

ピンは、
− ショルダに隣接し、ショルダからピンの高さの少なくとも１０％または２０％にわたり端部に向かって延在する近位部分と、
− 端部に隣接し、端部からピンの高さの少なくとも１％または２％にわたりショルダに向かって延在する遠位部分であって、この遠位部分が円錐台に内接しており、この円錐台がショルダまで円錐台を延長させる延長表面と呼ばれる円錐形表面を画定し、この延長表面が円錐台形体積を境界画定している、遠位部分と、
を含むことができる。

ピンはこのとき、延長表面によって境界画定された円錐台形体積の外部に延在している。

円錐台に内接するとは、ピンの高さの少なくとも１％または２％にわたり分布する異なる点において円錐台に接していることを意味する。遠位部分は、必ずしもピンの端部に位置している必要はない。遠位部分は、端部から少なくとも１％または２％さらには４％以上離隔し得るが、必ず端部と近位部分の間に位置している必要がある。遠位部分が内接する円錐台は、遠位部分の周りに延在する包絡線を形成する。

ショルダを形成する横断方向表面は、平面であってもよいし、または横断方向平面との関係において湾曲し、平面に対し１０°未満、さらには５°未満の角度を成していてもよい。

好ましくは、近位部分において、
− 円錐形表面は、長手方向軸に直交する半径方向切断平面において、有利には長手方向軸を中心として、特に円形の輪郭を画定する、
− ピンは、切断平面において、円形輪郭の周りに外周が延在するような外周を有する。

近位部分において、延長表面は、ｘ^２＋ｙ^２＝ｚ^２（ｔａｎα）^２タイプの方程式を描くことができ、ピンは、ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）^２＞Ｚ^２（ｔａｎα）^２で、ｘ^２＋ｙ^２＝ｋ^２（ｘ，ｙ，ｚ）となるような点を有する周囲表面を有してしており、ここでｘ、ｙは長手方向軸に直交する半径方向平面内の動径座標であり、ｚは長手方向軸に沿った座標であり、ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）は周囲表面を描くスカラ関数であり、αは円錐台により画定された頂点における半角を表わす。

近位部分において、ピンは、長手方向軸に平行で、かつこの長手方向軸を通る平面内で、曲線が延長表面に接することになるような、曲線の一部に沿って延在する外側表面を描くことができる。好ましくは、曲線はショルダにも接している。好ましくは、曲線は、楕円または双曲線または放物線である。このとき、楕円、双曲線または放物線は、一方では遠位部分が内接する円錐台に対して、および／または他方ではショルダに対して接していてよい。

換言すると、ピンは、長手方向軸（Ｚ）に平行でかつこの長手方向軸を通る平面内において、
− 近位部分内では、曲線、好ましくは、楕円または双曲線または放物線の一部である曲線に沿った外形、
− 遠位部分内では、遠位部分が内接する円錐台に対してすなわち延長表面に対して曲線が接するような、円錐台に沿った外形、
を描く包絡線に内接する外側表面を描く。

好ましくは、楕円または双曲線または放物線の一部である曲線は、延長表面に接している。

好ましくは、曲線はショルダに接している。好ましくは、楕円または双曲線または放物線の一部である曲線は、ショルダに接している。

好ましくは、曲線が、延長表面およびショルダに接している。好ましくは、楕円または双曲線または放物線の一部である曲線は、延長表面およびショルダに接している。

近位部分は、ショルダから、ピンの高さの２５％まで、またはピンの高さの３３％まで、またはピンの高さの５０％まで延在することができる。遠位部分は、端部から、ピンの高さの２％まで、またはピンの高さの５％まで、またはピンの高さの１０％まで、さらには２０または２５％までさえも延在することができる。

一実施形態においては、端部とショルダの間に延在するスクリュまたは螺旋スクリュの全部または一部を形成するネジ山を形成するために、ピンの表面に溝が設けられている。ネジ山は特に、溶接の際に、ピンの端部に軟化した材料を移動させるように配設され得る。単数または複数の平面部がピン内に設けられ、この平面部は端部とショルダの間に延在している。

溶接用工具は特に、支持体との関係において回転可能であるような形で支持体上に配置されるように構成され、支持体と工具は溶接ヘッドを形成する。

ピンおよび／または本体は特に、高温での使用に適合した材料、好ましくは、
− 好ましくはニッケル、クロム、モリブデンまたはバナジウムタイプの合金元素を有する工具鋼タイプの焼入れ鋼、
− タングステン合金、
− ニッケルおよびコバルトの合金、
の中から選択された材料、で構成され得る。

本発明の第２の対象は、本発明の第１の対象に係る工具を用いた２つの部品の摩擦攪拌溶接方法であり、その方法は、
− 部品間の界面を画定するような形で、部品を互いに接して維持するステップと、
− 部品上に圧力を加えながら、これらの部品に対し工具のショルダが押し当てられるまで、ピンが部品の中に貫入するような形で、工具を回転させ界面レベルに工具を適用するステップと、
− 部品間の摩擦攪拌溶接を得るような形で、界面に沿って、このように配置された回転工具を並進運動させるステップと、
を含む。

各部品は、好適には、組み立てるべき２つの部品間で同一であっても異なるものであっても良いアルミニウム合金で製造される。

工具は、１０ｍ超、さらには１５メートルまたは２０メートル超の距離にわたり、部品間界面に沿って並進運動させられ得る。部品の厚みは好ましくは２０ｍｍまたは２５ｍｍ超、さらには３０、３５または４０ｍｍ超であり、厚みは長手方向軸に沿って延在している。溶接は好適には、２つの部品間の界面の長さ全体にわたり一回のみのパスで行なわれ、組立てるべき部品が極めて厚く、例えば７０ｍｍ超の厚みを有する場合、部品の２つの主要面上で実現することができる。後者の場合、溶接はこのとき好適には、組立てるべき部品の各々の主要面上で界面に沿って一回のみのパスで実現される。溶接は同様に、先の形態に適合する本発明の有利な形態にしたがって恒常な前進速度Ｖで、または詳細には国際公開第２０１０／００４１０９号中に記載の通りのパルス型の前進速度Ｖで実現することもできる。

本発明の第３の対象は、２つの部品を溶接するために、本発明の第２の対象に係る方法にしたがって実現された溶接製品にある。２つの部品の各々は、特に、アルミニウム合金で構成され得、各部品の合金は同一であるかまたは異なるものである。

他の利点および特徴は、非限定的な例として提供され、以下で列挙する図に表わされている本発明の特定の実施形態についての以下の説明からより明確になるものである。

先行技術の構成を例示する。図１Ａは、溶接用工具の概略図である。図１Ｂおよび１Ｃは、溶接すべき２つの部品の主要面のうちの１つの上で、これらの部品間の界面で作用する溶接用工具を例示する。図１Ｄは、溶接ステーションの写真である。図１Ｅおよび１Ｆは、溶接用工具の図を示す。 実験的試験中の先行技術の工具の写真を示す。 実験的試験中に先行技術の工具上に加わる応力の時間的推移を表わすグラフである。 先行技術に係る、ならびに拡大型構成と呼ばれる第１の構成に係る、および楕円型構成と呼ばれる第２の構成に係る、溶接用工具の形状の幾何形状をそれぞれ図で表わしており、この最後の構成は本発明の応用例である。 第１の構成に係る溶接用工具の形状の平面図である。この溶接用工具は「拡大型」と呼ばれる。 第２の構成に係る溶接用工具の形状の平面図である。この溶接用工具は「楕円型」と呼ばれる。 ピンが沿って延在している長手方向軸に直交する平面内の、本発明に係るピンの形状の断面を図で表わす。 ピンが沿って延在している長手方向軸に平行で、かつ長手方向軸を通る平面内で、本発明に係るピンの形状の断面を示す。 それぞれ先行技術に係る、および本発明に係るピンの２つの表現である。 実験的に測定され、それぞれ以下のものに加わる応力の時間的推移を表わすグラフである：− 溶接すべき部品間の界面内へのピンの挿入に応じた、拡大型溶接用工具、− 溶接すべき部品間の界面内へのピンの挿入に応じた、楕円型溶接用工具、− ９メートルの溶接距離をたどった後の、楕円型溶接用工具。 拡大型溶接用工具を利用して得られた溶接継手を示す。図５Ａは、継手の写真であり、一方図５Ｂおよび５Ｃは、超音波検査（それぞれＣ走査、Ｂ走査）の結果として得られた画像である。 楕円型溶接用工具を利用して得られた溶接継手を示す。図６Ａは、継手の写真であり、一方図６Ｂおよび６Ｃは、超音波検査（それぞれＣ走査およびＢ走査）の結果として得られた画像である。 １９メートルの長さにわたる溶接の実現前後の楕円型溶接用工具の写真である。 ＦＳＷによる溶接の適用の結果として得られる、４つのゾーンへの材料の分割を図で表わしている。 それぞれ先行技術の工具および楕円型工具を用いて溶接された構成要素の断面の顕微鏡写真である。

「１つ」とは、「少なくとも１つ」を意味する。

発明者らは、長くかつ／または厚みのあるアルミニウム合金製構成要素を実現するために摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）を利用することを望んだ。そのために、発明者らは、図１Ａ〜１Ｆに表わされた通りの、先行技術の溶接ステーションを使用した。プレートの形をした２つのアルミニウム合金製部品２１および２２を、１６メートルの長さにわたり延在する界面２３を画定するような形で、互いにしっかり固定した。第１の部品２１はＡＡ２０５０合金で作製され、第２の部品２２は、ＡＡ７１４０合金で作製された。ＡＡ２０５０およびＡＡ７１４０合金については特に、アルミニウム協会編の「Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｒｄ Ｓｅｒｉｅｓ−Ｔｅａｌ Ｓｈｅｅｔｓ−Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｉｓｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ａｎｄ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ」、特に２０１５年１月改訂版中に記載されている。各部品の厚みは、６８ｍｍである。厚みは、溶接用工具、より厳密には、溶接用工具のピンが沿って延在している長手方向軸Ｚと１つである長手方向軸Ｚに沿って延在する。

図１Ａ、１Ｂ、１Ｅおよび１Ｆは、使用される溶接用工具の幾何形状を示し、この溶接用工具は、先行技術と関連して説明されたように、ショルダ１１を画定する円筒形本体１０ならびに、ピン１２Ａを含む。ピン１２Ａは、図１Ｅに表現され、ピンの端部１３とショルダ１１の間に延在する円錐台１４に内接する。ピンの高さｈは、長手方向軸Ｚに沿った、ショルダ１１と端部１３の間の距離に対応する。この例において、ピンの高さは３５ｍｍである。このピンの高さは概して２０ｍｍ〜５０ｍｍである。部品２１および２２は、平担な上部主要面２１ｓ、２２ｓと平担な下部主要面２１ｉおよび２２ｉの間にそれぞれ延在する。部品の厚みに沿って溶接を実現する目的で、溶接用工具は、図１Ｂに図示されているように、上部主要面２１ｓおよび２２ｓ上に連続的に適用されて、第１の溶接を実現する。その後、溶接用工具は、下部主要面２１ｉおよび２２ｉ上に適用されて、第２の溶接を実現する。上部および下部主要面は、長手方向軸Ｚに直交して延在する。溶接の間、部品２１および２２は、アンビル２５上に載置されている。

円筒形本体１０の材料は、ＡＩＳＩ（米国鉄鋼協会）の分類によるＨ１３タイプの工具鋼である。ピンの材料は、ＭＰ１５９（登録商標）タイプのコバルトとニッケルの合金である。この合金の公称組成は、Ｃｏ：３５．７％（質量分率）、Ｎｉ：２５．５％、Ｃｒ：１９％、Ｍｏ：７％、Ｔｉ：３％、Ｃｂ：０．６％、Ａｌ：０．２％である。ピン１２Ａは、その外側表面に沿って設けられたネジ山１８を形成する溝によって構造化されており、このようなネジ山は図１Ｅに表現されている。ネジ山は、ピンの近傍での、ピンの端部１３に向かう軟化材料の移動を改善することができる。同様に、外側表面に沿って平面部１９を設けることもできる。図示された例において、ピンは、角度的に１２０°ずらされた３つの平面部１９を含む。概して、ネジ山または平面部の深さは５ｍｍ未満であり、例えば１ｍｍ〜２ｍｍの間に含まれる。

図１Ｅ上で、ショルダ１１は、ピン１２Ａが沿って延在する長手方向軸Ｚに直交する平面Ｐに沿って延在する。図１Ｆには、ショルダ１１がほぼ平面Ｐに沿って延在する一変形形態が表わされており、ここで「ほぼ」なる用語は、ショルダが±１０°または±５°の角度範囲にしたがって、平面Ｐとの関係において湾曲し得るということを意味している。

図１Ｄに表わされているような溶接ステーションを使用して、実験的試験が行なわれ、溶接用工具１０の回転速度Ｒおよび前進速度Ｖはそれぞれ毎分１８０〜２２０回転および毎分４０〜６０ｍｍ（平均前進速度）である。使用された工具は、図２Ａに撮影されている。この図には、図１Ｅに関連して説明されたネジ山１８および平面部１９が識別されている。

発明者らは、先行技術の溶接用工具が、長い長さに沿った溶接の実現に適応されていないことを確認した。実際、１２メートルの長さに沿って溶接を行なった後、溶接用工具は、ピン１２Ａとショルダ１１の間の溶接部に対応する、ピン１２Ａのベースのレベルで、壊れた。図２Ｂに、溶接後の、溶接用工具が表わされている。図２Ｃは、５メートルの長さに沿って、類似の条件下で溶接を行なった後の、同じタイプの溶接用工具を表わしている。ショルダの近くで、ピンのベースレベルに亀裂が出現している。これらの観察事実から、先行技術の溶接用工具は、溶接すべき部品の長さが１０メートルを超えた時点で直ちに溶接の実現には適さなくなるということが分かる。

溶接の実現の間、溶接用工具は、並進運動軸、つまり前進軸Ｘに沿って、ならびに並進運動軸に直交するＹ軸に沿って大きな機械的応力を受ける。並進運動軸Ｘの反対側の軸−Ｘに沿って、軸Ｙに沿って、溶接用工具に及ぼされる応力、ならびに回転抵抗を測定するように、溶接用工具を維持する支持体２上に力センサが配置された。図２Ｄおよび２Ｅは、軸−ＸおよびＹに沿ってそれぞれ測定された力ＦｘおよびＦｙの時間的推移、ならびに回転応力を示す。これらの図の各々で、横座標軸は、秒単位で表現された時間を表わし、一方、縦座標軸は、力ＦｘおよびＦｙの強さ（右の目盛、Ｎ単位）および回転応力（Ｎｍ単位、左の目盛）を表わす。図２Ｄは、横座標ｔ＝２５０に対応する、ピンの挿入時点と、横座標ｔ＝７００に至るまでの間の、４５０秒の時間的間隔に対応する測定値を表わす。前進方向Ｘと反対の、軸Ｘに沿って及ぼされる応力は、前進方向に直交する、軸Ｙに沿って及ぼされる応力よりも大きく、これは予期されたことである。図２Ｅは、横座標ｔ＝２２５０秒とｔ＝２７００秒の間の測定値、すなわち、ピンが約９メートルの距離をたどった後の測定値を表わす。並進運動方向Ｘに対抗して及ぼされる、力Ｆｘに対応する信号が、大きな変動を呈し、溶接用工具の劣化を証明していることが分かる。同様に、軸Ｙに沿って加えられる力に影響を及ぼす大きな変動も見られる。

発明者らは、溶接用工具の破壊が、回転の結果としてもたらされる疲労に由来するものと考えている。溶接用工具を、典型的には１５ｍ超の長い距離にわたる使用に適合したものにするため、発明者らは、ピンの形状を修正し、２つの選択肢が企図された。図３Ａは、先行技術に係るピン１２Ａの形状、ならびに先行技術の場合よりもピンがさらに幅広である、拡大型構成と呼ばれる、第１の構成を表わしている（曲線Ｉ）。溶接用工具の形状とは、場合によって存在する平面部および／またはねじ切りを考慮に入れない前記工具の包絡線を意味する。拡大型構成によると、ピンの直径は、その機械的強度を強化するように、均一に２ｍｍだけ増大される。この構成によると、ピンの幾何形状は、ピンがショルダ１１と端部１３の間の円錐形表面に内接するかぎりにおいて、円錐形である。

図３Ａは、同様に、楕円型構成と呼ばれる、第２の構成（曲線ＩＩ）も表わしている。この構成によると、ピン１２の直径は、ピンの近位部分１２ｐと呼ばれる部分においてのみ、先行技術の構成との関係において、増大されている。ピンの近位部分は、ショルダ１１と、ピンの高さｈの少なくとも１０％、有利には２０％、好ましくはピンの高さｈの少なくとも２５％またはピンの高さｈの少なくとも３３％に位置する限界との間に延在するピンの部分に対応する。近位部分１２ｐは、ピンの高さｈの５０％まで、さらにはピンの高さｈの７５％以上まで延在することができる。好ましくは、近位部分１２ｐは、ピンの高さｈの２５％と５０％の間に延在する。ピンは、端部１３からショルダ１１に向かって延在する、遠位部分１２ｄを含む。遠位部分は、ピンの高さｈの少なくとも１％にわたり延在する。有利には、遠位部分１２ｄは、ピンの高さ（ｈ）の２％まで、またはピンの高さの５％まで、またはピンの高さの１０％まで延在する。

第２の構成によると、ピン１２は、遠位部分１２ｄにおいて、先行技術と類似の形で、円錐台１４に内接しながら延在する。円錐台１４は、ショルダ１１まで、すなわち本体１０まで円錐台１４を延長する延長表面と呼ばれる円錐台形表面１５を画定する。近位部分１２ｐにおいて、延長表面１５は、円錐台形体積１６を境界画定する。近位部分１２ｐにおいて、ピンの体積は、円錐台形体積１６を超えて延在する。したがって、近位部分１２ｐにおいて、ピンは、好ましくは漸進的に拡大し、こうして、その外側表面１２ｓは、円錐台形体積１６の外部に位置し曲線Ｃをたどることになる。円錐台形体積１６は、図３Ｅおよび３Ｇ上に灰色で表現されている。

図３Ｂは、テスト対象の第１の構成（「拡大型」と呼ばれる溶接用工具）のピンの平面図である。ピンは、円錐形の包絡線に内接した形状をとり、曲率半径１．５ｍｍの円弧に沿ってショルダ１１の近傍で拡大する。こうして、ショルダ１１から最初の１．５ｍｍ内を除いて、ピンは円錐形表面に内接している。この例では、円錐形表面は、頂点で８°の半角を形成しながら延在する。ピンの端部１３における直径は１１ｍｍであり、先行技術の構成では９ｍｍである。

図３Ｃは、テスト対象の第２の構成に係るピンの平面図であり、この構成は、本発明の実施例に対応する（「楕円型」と呼ばれる溶接用工具）。遠位部分１２ｄにおける、ピンの直径は、先行技術のピンの直径に対応する。端部１３のレベルで、ピンの直径は９ｍｍに達する。この構成によると、ピンは、近位部分１２ｐにおいてのみ先行技術のピンよりも幅広である。長手方向軸Ｚに平行で、長手方向軸を通る中央平面に沿って、近位部分１２ｐ内では、外側表面１２ｓは、楕円形の外形をとる曲線Ｃに沿って内接している。この外形は、長軸が１５ｍｍに等しく短軸が２．４ｍｍである楕円Ｅの一部を描く。楕円Ｅは、図３Ｃにおいて、点線で表わされている。この例において、近位部分１２ｐは、ショルダ１１から１５ｍｍの距離にわたり延在しており、一方、ピンの高さは３５ｍｍになる。こうして近位部分は、ピンの高さｈの約４０％にわたり延在する。こうして、遠位部分１２ｄにおいて、ピンの外側表面１２ｓは、方程式ｘ^２＋ｙ^２＝ｚ^２（ｔａｎα）^２の、円錐台１４に内接しており、ここでｘ、ｙおよびｚはそれぞれ軸Ｘ、ＹおよびＺに沿った座標であり、αはこの場合８°である、円錐台１４の頂点における半角である。近位部分１２ｐにおいて、外側表面１２ｓは、ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）^２＞ｚ^２（ｔａｎα）^２として、ｘ^２＋ｙ^２＝ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）^２タイプの方程式を描く。ｋ（ｘ，ｙ，ｚ）は、近位部分１２ｐにおける外側表面１２ｓの推移を描くスカラ関数である。

好ましくは、楕円Ｅは、ピンの周りの材料の流れを改善するように、延長表面１５に接している。楕円Ｅと延長表面の間の交差表面は、好ましくは、長手方向軸Ｚに直交する平面内に位置する円を描く。交差表面は、遠位部分と近位部分を境界画定することができる。

好ましくは、楕円Ｅはショルダ１１に接している。好ましくは、楕円Ｅは、延長表面１５およびショルダ１１に接している。

それぞれ図３Ｂおよび３Ｃに表現されている２つの構成において、ショルダ１１のレベルにおけるピンの直径は２４ｍｍである。

長手方向軸Ｚに直交する切断平面内で見ると、延長表面１５は、近位部分１２ｐ内で、円形輪郭ｃを描く。ピン１２の外側表面１２ｓは、切断平面内で、円形輪郭ｃを格納する外周ｐを描く。換言すると、横断方向軸Ｚに直交する切断平面に沿って、近位部分１２ｐ内で、延長表面１５の円形輪郭ｃはピン１２の外周ｐ内に包含される。このことが、図３Ｄに表現されている。

図３Ｅおよび３Ｇを見ると分かるように、近位部分１２ｐにおいて、ピンは、延長表面１５により画定された円錐台形体積１６よりも幅広である。概して、近位部分１２ｐにおいて、ピン１２の外側表面１２ｓは、延長表面１５よりも大きい直径を有する。図３Ｅに表現されているように、外側表面１２ｓは、長手方向軸Ｚに平行で、かつこの長手方向軸を通る平面内において、
− 近位部分１２ｐ内では、楕円または双曲線または放物線の一部である、曲線Ｃに沿った外形、
− 遠位部分１２ｄ内では、円錐台１４に沿った外形、
を描く包絡線に内接する。

好ましくは、楕円または双曲線または放物線の一部に沿った外形は、延長表面１５に接している。好ましくは、楕円または双曲線または放物線の一部に沿った外形は、ショルダ１１に接している。

図３Ｅ上には、遠位部分１２ｄにおいてピンが内接する円錐台１４を延長する延長表面１５も表現されている。同様に、延長表面１５により境界画定された、円錐台形体積１６も表現されている。近位部分１２ｐにおいて、ピン１２は円錐台形体積１６を包含し、この円錐台を超えて延在する。

好ましくは、ピン１２は長手方向軸Ｚに対して対称である。

遠位部分１２ｄとショルダ１１の間の、ピンの漸進的拡大によって、近位部分１２ｐのレベルでピン１２を補強しながら、遠位部分１２ｄを比較的細く維持することが可能になっている。図３Ｆおよび３Ｇは、それぞれ先行技術および本発明に係るピンを例示している。図３Ｆ上で、ピン１２Ａの外側表面は、点線で表わされた、円錐台１４に内接している。図３Ｇ上では、遠位部分１２ｄにおいて、ピンの外側表面１２ｓは、円錐台に内接している。円錐台１４は、近位部分１２ｐにおいて、延長表面１５により延長される。延長表面１５により境界画定された、円錐台形体積１６が表現されている。近位部分１２ｐにおいて、ピン１２は円錐台形体積１６を超えて延在する。

構成の如何に関わらず、ネジ山１８および／または平面部１９をピンの外側表面内に設けて、先行技術のピン１２Ａに関連して先に説明したように、撹拌された材料を端部１３に向かって誘導することができる。

図３Ｂおよび３Ｃに表現された２つの構成は、厚み６８ｍｍのプレートの形をした２つのアルミニウム部品２１および２２の溶接に関連して先に説明した実験条件と類似の実験条件にしたがって、テストされた。図４Ａは、「拡大型」構成と呼ばれる、第１の構成に係る工具を使用した、並進運動軸Ｘ、軸Ｙに沿って測定された力の時間的推移、ならびに回転応力を表わしている。軸および単位は、図２Ｄおよび２Ｅに関連して説明したものと類似である。図４Ａで、ピンの挿入は横座標ｔ＝３００秒に対応する。図４Ｂおよび４Ｃは、図４Ａと類似で、第２の「楕円型」構成を利用して得られたものである。図４Ｂは、ピンの挿入（横座標ｔ＝２５０秒）と横座標ｔ＝７００秒の間に含まれる時間的間隔に対応する。図４Ｃは、横座標ｔ＝２３００秒と横座標ｘ＝２７００秒の間に含まれる時間的間隔に対応し、このとき溶接用工具がたどった距離は約９メートルである。

図４Ａおよび４Ｂを比較すると、第１の構成を利用した場合では、第２の構成を利用した場合に比べて、検査対象の応力の如何に関わらず変動がより大きいものであることが分かる。その上、図４Ｃは、この場合９ｍである、長い距離に沿って溶接を実施した後でも、第２の構成に係る溶接用工具の挙動が安定していることを示している。すなわち測定された信号の変動は、たどった距離が短い場合に実現された測定値について観察されたものに匹敵する。図４Ｂを参照のこと。図４Ｃと図２Ｅを比較すると、第２の構成の場合、溶接用工具上に及ぼされる力を表わす測定された信号が、より安定しているということが分かる。こうして、溶接パラメータは、長い長さにわたり安定したものである。

第２の構成は、溶接用工具のピン１２を壊すことなく、先に説明した通りの、プレート２１および２２の溶接を１６メートルの長さにわたり実現するために利用された。別の試験の間に、溶接の長さは１９メートルにも達した。

図５Ａおよび６Ａは、それぞれ第１の構成および第２の構成を利用して得られた溶接継手２４の外観を示しており、ここで溶接の長さは３５０ｍｍである。第１の構成を利用して得られた溶接継手は、図５Ａ上で白色矢印により印付けされた、黒色の痕跡の形で現われる、欠陥を有する。図６Ａでは、第２の構成の結果として得られる溶接継手がより鮮明なものであることが観察される。

図５Ｂおよび５Ｃは、第１の構成を利用した際に形成された溶接継手２４の上方で、横断方向平面ＸＹに沿って、およびピンの挿入軸を通る断面ＸＺに沿って、それぞれ実施された超音波による非破壊構造検査の結果である。図５Ｂおよび５Ｃは、溶接された材料内、特に溶接された部品の表面から約１ｃｍの厚みεの範囲内での多孔性の存在を証明する不均質性を明らかにしている。このような多孔性は、特に航空機産業において使用される溶接部品内には許容できない。図６Ｂおよび６Ｃは、それぞれ図５Ｂおよび５Ｃと類似しており、図６Ａに表されている、第２の構成を利用した結果得られた溶接継手２４についての超音波検査に対応する。図５Ｂおよび５Ｃに見られる多孔性は、図６Ｂおよび６Ｃには存在しないか、または明らかにより小さい規模でしか存在しない。第２の構成に係るピンを利用することにより、溶接は、先行技術のピンに係る場合に比べてより均質になり、多孔性ははるかに少なくなる。

図６Ｄおよび６Ｅはそれぞれ、１６ｍの長さにわたり溶接を実現した後の、第２の構成に係る溶接用工具のピン１２を示す。ピンの外側表面１２ｓ内に設けられたネジ山１８上には摩耗痕跡が現われているものの、ピンの無欠性は保たれている。

図７Ａは、４つの明らかに異なるゾーンへの溶接材料の分割を例示している。界面２３のレベルで、コアと呼ばれる中央ゾーン２６が、特に溶接の際にピン１２が占有するゾーン、ならびにピンに直接隣接するゾーンに対応している。塑性変形が最も大きく温度が最も高いのは、この部分内である。コア２６は、内部の塑性変形が穏やかである熱力学的影響を受けるゾーンと呼ばれるゾーン２７で取り囲まれている。熱力学的影響を受けるゾーンの近傍には、内部で材料の特性が温度上昇によってのみ影響を受ける熱的影響を受けるゾーン２８と呼ばれるゾーンが延在している。このゾーンは、温度上昇によって改質されず変形しない、基本材料を含むゾーン２９によって境界画定されている。図７Ａは、平面ＹＺに沿った断面に対応し、ピンの並進運動は、軸Ｘに沿って実現される。平面ＸＹに沿って、２つの明白に異なる側が、ピンの回転方向に応じて画定される。前進側ＡＳは、工具の回転に起因する工具の表面の局所的方向と溶接の方向とが同一である側であり、部品２１は、前進側に位置する。後退側は、工具の回転に起因する工具の表面の局所的方向と溶接の方向とが反対である側であり、部品２２は後退側に位置する。図７Ｂおよび７Ｃは、それぞれ先行技術の工具およびテスト対象の第２の構成に係るピンを備えた工具を使用することによって溶接された構成要素の断面について実現された顕微鏡写真である。本発明に係る溶接用工具（図７Ｃ参照）が、材料のより均質な分布を得ることを可能にするということが指摘される。これらの図は、工具に沿った、より詳細には前進側ＡＳのショルダに近いゾーン内におけるより均質な材料の流れを明らかにしている。したがって、溶接継手２４の機械的特性は改善される。

第２の構成に係るピンの性能は、先行技術のピンに比べて、以下の点で改善される：
− 堅牢性が増大し、そのため、典型的には１０ｍ、１５ｍ、さらには２０ｍ超の長い長さに沿った溶接を行なうことが可能であり、ここで厚みは２０ｍｍ、２５ｍｍあるいは３０、３５さらには４０ｍｍ超でさえある。
− 近位部分のレベルでの漸進的拡大により、溶接に沿った機械的応力を安定化することができ、こうしてより均質な溶接継手が得られることになる。

溶接用工具を形成する材料は、高温での使用に適合したものである。潜在的に使用可能な材料を選択するためには、刊行物Ｒａｉ Ｒ、「Ｒｅｖｉｅｗ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｏｌｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗｅｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｊｏｉｎｉｎｇ、２０１１、ｖｏｌ．１６ Ｎ°４ ３２５〜３４２を参照することができる。この材料は、特に以下のものであり得る。
− 好ましくはニッケルまたはクロムまたはモリブデンまたはバナジウムタイプの合金元素を有する工具鋼タイプの焼入れ鋼、
− タングステン合金、
− ニッケルおよびコバルトの合金。

本発明は、長い長さの構成要素、例えば航空機産業向けのアルミニウム合金製構成要素、そして特に翼または胴体の製造用の構成要素の製造に応用されるものである。

１ 工具
２ 支持体
１０ 本体
１１ ショルダ
１２ ピン
１２ｐ 近位部分
１２ｄ 遠位部分
１２ｓ 外側表面
１３ 端部
１４ 円錐台
１５ 延長表面
１６ 円錐台形体積
１８ 溝
１９ 平面部
２１、２２ 部品
２３ 界面
Ｃ 曲線
ｈ ピンの高さ
Ｚ 長手方向軸

Claims (14)

1. 摩擦撹拌溶接ステーション用の工具（１）において、回転可能であり、かつ
   − 横断方向表面を画定しショルダ（１１）を形成する本体（１０）と、
   − ショルダ（１１）から長手方向軸（Ｚ）に沿って端部（１３）に向かって延在するピン（１２）であって、ショルダ（１１）と端部の間で細くなり、端部（１３）とショルダ（１１）の間の距離がピンの高さ（ｈ）に対応する、ピン（１２）と、
   を含む工具（１）であって、ピン（１２）が、
   − ショルダ（１１）に隣接し、ショルダ（１１）からピンの高さ（ｈ）の少なくとも２０％にわたり端部（１３）に向かって延在する近位部分（１２ｐ）と、
   − 端部（１３）に隣接し、端部（１３）からピンの高さ（ｈ）の少なくとも１％にわたりショルダ（１１）に向かって延在する遠位部分（１２ｄ）であって、円錐台（１４）に内接しており、この円錐台（１４）がショルダ（１１）まで円錐台（１４）を延長させる延長表面（１５）と呼ばれる表面を画定し、この延長表面が円錐台形体積（１６）を境界画定している、遠位部分（１２ｄ）と、
   を含み、
   − 近位部分（１２ｐ）において、ピンが、延長表面（１５）によって境界画定された円錐台形体積（１６）の外部に延在しており、
   ピン（１２）が、長手方向軸（Ｚ）に対して平行でかつこの長手方向軸を通る平面内において、
   − 近位部分（１２ｐ）内で、曲線（Ｃ）が延長表面（１５）に接するような、曲線（Ｃ）に沿った外形、
   を描く包絡線に内接する外側表面（１２ｓ）を描くことを特徴とする、工具（１）。
2. 曲線（Ｃ）の外形がショルダ（１１）に接している、請求項１に記載の工具。
3. 曲線（Ｃ）が、楕円または双曲線または放物線の一部である、請求項１に記載の工具。
4. 近位部分（１２ｐ）が、ピンの高さ（ｈ）の２５％まで、またはピンの高さの３３％まで、またはピンの高さの５０％まで延在している、請求項１から３のいずれか一つに記載の工具。
5. 遠位部分（１２ｄ）が、ピンの高さ（ｈ）の２％まで、またはピンの高さの５％まで、またはピンの高さの１０％まで延在する、請求項１から４のいずれか一つに記載の工具。
6. 端部（１３）とショルダ（１１）の間に延在する螺旋スクリュの全部または一部を形成するネジ山を形成するために、ピン上に溝（１８）が設けられている、請求項１から５のいずれか一つに記載の工具。
7. 少なくとも１つの平面部（１９）がピン上に設けられ、この平面部が端部（１３）とショルダ（１１）の間に延在している、請求項１から６のいずれか一つに記載の工具。
8. 支持体（２）との関係において回転可能であるような形で支持体（２）上に配置されるように構成され、支持体と工具が溶接ヘッドを形成する、請求項１から７のいずれか一つに記載の工具。
9. ピン（１２）および／または本体（１０）が、高温での使用に適合した材料、好ましくは、
   − 好ましくはニッケルまたはクロムまたはモリブデンまたはバナジウムタイプの合金元素を有する工具鋼タイプの焼入れ鋼、
   − および／またはタングステン合金、
   − および／またはニッケルおよびコバルトの合金、
   の中から選択された材料で構成されている、請求項１から８のいずれか一つに記載の工具。
10. 請求項１から９のいずれか一つに記載の工具（１）を用いた２つの部品（２１、２２）の摩擦攪拌溶接方法において、
    − 部品間の界面（２３）を画定するような形で部品を互いに接して維持するステップと、
    − 部品（２１、２２）に圧力を加えながら、これらの部品に対し工具のショルダ（１１）が押し当てられるまで、ピン（１２）が部品の中に貫入するような形で、工具を回転させ界面レベルに工具を適用するステップと、
    − 部品間の摩擦攪拌溶接を得るような形で、界面（２３）に沿って、このように配置された回転工具を並進運動させるステップと、
    を含む方法。
11. 各部品がアルミニウム合金で形成されている、請求項１０に記載の方法。
12. 工具が、部品間界面（２３）に沿って１０ｍ超、さらには１２メートル超または１５メートル超の距離にわたり並進運動させられる、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 部品の厚みが２５ｍｍ超、好適には３０ｍｍ超、さらに好適には４０ｍｍ超であり、厚みは長手方向軸（Ｚ）に沿って延在している、請求項１０から１２のいずれか一つに記載の方法。
14. 請求項１０から１３のいずれか一つに記載の方法を用いて溶接された製品。
    
    

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