JP4573108B2 - 溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、二つの金属素材を一体に溶接することに関する。特に、本発明は、航空機の部品を製造するために用意された、金属合金から形成された二つの比較的厚い素材を一体に溶接することに関するが、この場合に限定されるわけではない。

航空機の部品を製造する際、しばしば、例えば５０ｍｍ又はこれ以上の厚さを有するアルミニウム合金の中実ブロックのような、厚い素材を一体に溶接することが必要とされたり、望まれることがある。典型的には、この合金は、航空機の部品の製造にこの合金が使われるのに適切なように、必要な所定の機械的特性を備えるように処理されたアルミニウム合金である。このため、この合金のミクロ構造は、一般に互いに対し平行に配向されるように、比較的きめが荒く（coarse）、伸びた結晶粒（grain）状に形成されている。一般に、このような厚さのアルミニウムのブロックを溶接することは、例えば電子ビーム（ＥＢ：electron beam）溶接プロセスのような、融接プロセスによって行われている。通常、このような方法でアルミニウムのブロックを結合させると、溶接領域内又はこの近くでクラック（例えば、ミクロクラック）が形成されていた。このようなクラック（割れ）は、特に疲労荷重（fatigue loading）下で、溶接部品を弱化させていた。

本発明は、上述した従来技術で公知な方法と比べて、溶接プロセス時にクラックを形成することを防ぐ又は減少させるように、二つの素材を一体に溶接させる方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、二つの金属素材を一体に溶接させる方法を提供するが、この方法は次ぎのステップを有する。即ち、
二つの金属素材を用意し、
素材の各々に部位を用意するが、この用意には、外面から素材内まで延びる領域が、この領域の外側の素材の結晶粒の構造と比べて、より細かい（finer）結晶粒の構造を有するように表面処理を施すことが含まれ、
二つの素材の対応する、上記用意された部位を結合させるように、融接プロセスによって、これら素材を一体に溶接させ、
この際、上記領域は、融接プロセス時に溶融される材料の深さを超える深さまで素材内に延びるものとする。

溶接結合が形成される領域内で、金属を上記のように処理することにより、クラックの形成に関する問題を軽減できることが解かっている。また、従来技術に係る方法において少なくとも幾つかのクラックを形成させることは、溶接時に生じる熱により合金を部分的に液化させる領域内で、合金と溶接部の間の界面の近くの素材内で生じる傾向があることが解かっている。このようなクラックは、液化割れ（liquation crack）と呼ばれることがあり、典型的には、合金内の隣り合う結晶粒の間の境界で生じている。従来、このようなクラックは（合金の結晶粒の融点よりも低い温度で）結晶粒界に液体を形成することに起因していると考えられており、これは、溶接時とこの後の温度変化に基いて生じる張力のストレスを支持することができず、結晶粒界に沿ってクラックを形成させていると考えられている。

上記表面処理が施される領域の外側の素材内の結晶粒の平均的な最大寸法は、好ましくは、上記領域内の素材内の結晶粒の平均的な最大寸法と比較して、少なくとも５倍は大きい。又は、あるいはさらに、少なくとも一つの断面内では、上記表面処理が施される領域の外側の素材内の材料の結晶粒度番号（grain size number）と、上記領域内の素材内の材料の結晶粒度番号との間の差が、４よりも大きいか等しいように、上記方法は行われる。上記材料の結晶粒度番号Ｇは、ｎ＝２^G-1の公式によって定められるが、この際、ｎは、１００Ｘの倍率で、平方インチ毎における結晶粒の数である（つまり、０．０６４５ｍｍ²の領域内の結晶粒の数）。

また、素材を用意する際、必要があれば、各素材の表面処理された領域に処理又は機械加工を行って、一方の素材に表面を形成して、他方の素材の対応する表面と融接できるようにするステップを含んでいてもよい。上記表面処理が行われる領域は、例えば、ほぼ平らな表面が得られるようにスキム処理されてもよい。この素材のスキム処理は、例えば、フライス盤を用いて行われてもよい。このスキム処理では、通常、素材の表面から材料の層を取り除くことがあるが、この層は、上記素材に表面処理が行われない場合、約０．５ｍｍの厚さを有することがある。勿論、スキム処理時に取り除かれる材料の深さは、平らな表面を形成するために取り除かれる必要のある材料の量に基いており、これは勿論、用いられる表面処理に基いている。

好ましくは、金属の表面処理は、融接プロセス時に融解される領域を取り囲む領域内で行われる。この融解される領域は、例えば、溶接接合部のいずれの側に対しても、少なくとも約２ｍｍ、また高くて５ｍｍでもよい（又は、用いられる融接法によってはこれ以上高くてもよい）。接合部のいずれの側までの融接時の液化の深さが２ｍｍの場合には、予め行われる金属の表面処理はこの深さを超える必要があり、例えば、少なくとも５ｍｍの深さまで行われる。表面処理と融接のステップの間で、素材の表面がスキム処理される場合には、上記表面処理が行われる材料の深さは勿論減少される。この表面処理は、少なくとも１０ｍｍの深さまで行うことができる。また、この表面処理は、１００ｍｍよりも小さな深さまで行うようにしてもよい。例えば、この表面処理は、５ｍｍと４０ｍｍの間の深さまで行うようにしてもよく、また、より好ましくは、１０ｍｍと３０ｍｍの間の深さまで行うようにしてもよい。尚、用語の表面処理は、この処理が素材の表面の近くで行われることのみに関し、この処理は、素材の表面の特性のみを影響を与えるものに限定されないことを理解されたい。

尚、上記表面処理が施される金属の深さに基いて、融接プロセスが熱により影響を受ける領域（つまり、溶接時に生じる熱によって、例えばハードネスのような、金属／合金の機械的な特性を変化させる領域）を生じさせてもよく、これは、上記表面処理の施される金属の境界を越えて延びることを理解されたい。

好ましくは、上記表面処理は、金属の温度が金属素材の溶融温度に達しないように行われる。効果的には、この表面処理は、金属の温度が共融状態の溶融温度を超えないように行われる。好ましくは、この表面処理は、金属の温度が結晶粒界内の金属の液化温度を超えないように行われる。

効果的には、上記表面処理を行うことによって金属の可塑化（plasticization）を実現させるが、好ましくは、実質的に液化や流体化を生じさせないようにする。好ましくは、上記表面処理によって実質的に金属の溶融を生じさせないようにする。

効果的には、上記表面処理は、摩擦かくはん接合（friction stir welding）プロセスを用いて行われる。このプロセスとして、例えば、米国特許第５，４６０，３１７号（トーマスと他のものによるもの）、米国特許第５，８１３，５９２号（ミドリングと他のものによるもの）、国際公開第９３／１０９３５号（ウェルディングインスティテュートによるもの）、及び国際公開第９５／２６２５４号（ノースコ ハイドロ エー．エス．によるもの）の公報に開示されたものがあるが、これら明細書に開示された内容は全て、本明細書に参考として包含されるものとする。上記摩擦かくはん接合プロセスは、これら引用文献のうち任意のものに開示されたものでもよい。尚、用語“摩擦かくはん接合”は、素材の材料よりも硬い材料の探触子（probe）が素材に対して移動されて、摩擦熱を生じさせ、探触子の領域内の素材を可塑化させて、探触子が効果的に素材に入るようにする任意の溶接方法を含むことを理解されたい。通常、探触子は探触子軸に関して回転して、溶接が形成される長手方向に沿って、素材に沿って移動する。

通常、融接プロセスは電子ビーム溶接プロセスを用いて行われる。他の溶接プロセスも利用可能であるが、現在利用可能な方法のなかでは電子ビーム溶接が好ましい。この理由は、この溶接では、比較的に小さな溶接幅で溶接深さを達成できるためである。

上記素材は、密度の低い合金から形成されていてもよい。例えば、金属の密度は、好ましくは５，０００Ｋｇｍ^-3よりも小さく、より好ましくは４，０００Ｋｇｍ^-3よりも小さく、さらに好ましくは３，０００Ｋｇｍ^-3よりも小さいものとする。好ましくは、重量の軽い合金から素材を形成する。この素材はアルミニウム合金から形成されていてもよい。また、この素材は冷間加工金属（cold-worked metal）から形成されていてもよい。この冷間加工合金は、例えば転造加工を施されていてもよい。この方法は、特に、航空機又は航空宇宙機の部品の製造に素材が用いられるのに適切なように実施される。例えば、この金属は、航空宇宙産業で用いられている、通常の又は適当な合金でもよく、例えば、２０００シリーズ、６０００シリーズ、７０００シリーズのアルミニウム合金や、アルミニウム−リチウム合金でもよい。従来、このような合金は、特に溶接される接合部の深さが約５０ｍｍよりも大きいか等しい場合には、十分に一体に溶接させることは困難であると見なされていた。このような合金が十分に溶接されることが困難になり得る理由として、ａ）合金のシステムの複雑さ、ｂ）合金に対して前もって施される特定の熱処理、ｃ）材料の機械的／化学的な構造／構成、ｄ）合金内の様々な相や合金内に形成される析出物の特定の構成、及び／又は、ｅ）合金材料の結晶粒の粒度及び／又は向きを含む、様々な要因の一つ又は複数がある。

二つの素材は同じタイプの材料でもよいが、この必要性はない。本発明に係る方法は、例えば、この長所として、異なる金属や合金を一体に溶接することができる。例えば、本発明に係る方法は、部品の製造時に、この一方が機械的／物理的な特性の一つのセットを有し、部品の他方が機械的／物理的な特性の異なるセットを有することが必要な場合に用いることができる。

勿論、この方法は、一つ又は複数の他の素材を一体に溶接するように行われてもよく、例えば、同時に複数の素材を一体に溶接してもよく、又は、連続して（一連の作業で）複数の素材を一体に溶接してもよい。

この素材は、材料のブロックの形態でもよい。また、この材料のブロックは、一体に溶接された後、例えば機械加工されて部品にされてもよい。従って、本発明は、例えば航空機の部品のような、部品の製造方法も提供し、この際、この部品は金属のブロックから機械加工されるが、この金属のブロックは、上述のような本発明に係る方法に従って、二つ又は複数の素材を一体に溶接されて形成されるものとする。一つ又は複数のブロックは、一般に立方形の形状を有するが、この必要性はない。また、一体に溶接される素材の大きさと形状は、用いられる融接プロセスの限界によって、又はこれのみによって限定されてもよい。例えば、１２０ｋＷ（１０００ｍＡまで１２０ｋＶで操作される）の電子ビーム溶接装置を用いて、４５０ｍｍの深さまで溶接することは可能である。このような装置を用いることで、シングルパスの電子ビーム溶接によって、４５０ｍｍの厚さを有する二つの素材を一体に溶接することが可能になる。また、デュアルパス（即ち、溶接される結合部の各側に一つの溶接パスを設ける）の電子ビーム溶接プロセスを用いる場合には、結合される素材の厚さを９００ｍｍまでのばすことができる。また、よりパワフルな融接装置を用いることで、より厚い材料を一体に溶接することが可能になる。デュアルパスの電子ビーム溶接プロセスを用いることは可能だが、シングルパスのプロセスを用いることが好ましい。この理由は、デュアルパスの場合、二つの電子ビームの溶接の界面における領域内で高品質の溶接結合を保つことが潜在的に困難なためである。

本発明に係る方法を用いた後、素材をトリム処理したり、及び／又は機械加工してもよく、このため、この後に取り除かれることになる素材の領域内の溶接結合部の完全性は重要ではない。また、他の理由によって、素材の間の結合部の完全性が重要ではない他の領域がある。例えば、一度結合された素材を機械加工して、使用時に負荷／ストレスに晒される部品にして、必要とされる溶接結合部の強度が結合部を横切って変化するようにしてもよい。このような場合、本発明に係る方法に従って一体に溶接される対応する素材の部分は、実際には表面処理や同様の処理に晒されるより大きな領域内に含まれてもよい。

また、本発明は、他の特徴として、次のステップに従って航空機の部品を製造する方法を提供する。即ち、
二つの金属素材を用意し、
素材の各々に部位を用意するが、この用意には、外面から素材内まで延びる領域が、この領域の外側の素材の結晶粒の構造と比べて、より細かい結晶粒の構造を有するように表面処理を施すことが含まれ、
二つの素材の対応する、用意された部位を結合させるように、融接プロセスによって、これら素材を一体に溶接させ、
この際、上記領域は、融接プロセス時に溶融される材料の深さを超える深さまで素材内に延びるものとする。

また、本発明は、さらなる特徴として、航空機の部品の製造時に用いるのに適切な、重量の軽い合金から形成される、二つの金属素材を次のステップに従って一体に溶接する方法を提供する。即ち、
二つの金属素材を用意し、
素材の各々に部位を用意するが、この用意には、外面から素材内まで延びる領域が、この領域の外側の素材の結晶粒の構造と比べて、より細かい結晶粒の構造を有するように表面処理を施すことが含まれ、
二つの素材の対応する、用意された部位を結合させるように、融接プロセスによって、これら素材を一体に溶接させ、
この際、上記領域は、融接プロセス時に溶融される材料の深さを超える深さまで素材内に延びるものとする。また、本発明は、本明細書に記載するような、本発明に係る方法に従って、二つの素材を一体に溶接させることで得られる部品を提供する。この部品は、航空宇宙用の部品や、航空用の部品、または、同様の合金材料の特性を有することを必要とする他の部品の形態を有していてもよい。例えば、この部品は、航空機のウイングボックス用のスパーの形態を有していてもよい。このスパーは、１０メートル以上の長さを有していてもよい。また、航空産業に供給される合金のビレットは、最大で５メートルの直径を有していてもよい。このようなスパーは、例えば、本発明に係る方法に従って、複数、例えば３つの上記ビレットを、これらビレットの端部同士を溶接させて、この後、得られたブロックからスパーを機械加工するように製造されてもよい。

さらに、本発明は、部品のある部分を部品の近接する部分に結合させ、この結合される領域内の部品が、夫々摩擦かくはん接合された二つの部分の間で融接され、サンドイッチされた部分を有するように、部品を提供してもよい。この部品は、航空宇宙用の部品や、航空機用の部品、又は他の同様の部品の形態を有していてもよい。

尚、本発明の一面に関する特徴は、本発明の他の面にも適用可能であることを理解されたい。例えば、本発明に係る部品、例えば航空機用の部品は、本発明に係る方法に従って形成されていてもよい。

また、本発明に係る方法に従って形成された部品は、組付け前にさらなる処理を必要としてもよいことを理解されたい。従って、この部品は、状況によっては、最終製品として認められる前にさらなる処理を必要とする、中間物として想定されていてもよい。例えば、この部品は、さらなる機械加工、処理、他の部品との組付け、又は他の同様のプロセスを必要としてもよい。従って、本明細書で用いられる用語の部品には、最終的な組付けにすぐに利用可能な状態の部品と、部品の製造段階では初期の段階にある部品の双方が含まれることを理解されたい。

また、本発明に係る好適な特徴では、次のステップを含むように、二つの素材を一体に溶接する方法を提供する。即ち、
二つの金属素材を用意し、
各素材の領域を摩擦かくはん接合させ、
各素材の摩擦かくはん接合された領域を用意させて、一方の素材に表面を形成して、他方の素材の対応する表面に対して融接できるようにし、
これら二つの素材の対応する用意された表面を一体に融接させることで、これら素材を結合させる。
以下、添付した、本発明に関する好適な実施形態について単に例示的に示した図を参照して、本発明に関する実施形態について説明する。

本発明に係る第一の実施形態は、二つの転造加工されたプレートを一体に溶接することに関する。図１ａには、結合される前の転造加工されたプレート１が概略的に示されている。このプレートは、プレートの長手方向（図面では、矢印Ｌで示されている）に転造加工されている。プレートの幅の方向は、矢印ＬＴ（Long Transverse）で示されている。また、プレートの厚さの方向は、矢印ＳＴ（Short Transverse）で示されている。この転造加工されたプレート１は、１５０ｍｍの厚さｔ（ＳＴ方向で）を有している。このプレートは、Ｔ７６５１テンパー状態の、７０００シリーズのアルミニウムの合金から形成されている。この合金は、アルミニウム、亜鉛、銅及びマグネシウムを含んでいる。また、この合金は、比較的高い濃度の亜鉛（＞６ｗｔ．％）を含んでいる。この合金が選ばれた理由は、合金を融接させることに関して知られている困難性に基いている。

結合されるプレート１の対応する側部２のミクロ構造は、摩擦かくはん接合プロセスを用いて修正されている。摩擦かくはん接合プロセスに用いられるツールは、３０ｍｍの直径のショルダーと１２．０５ｍｍの長さのピンを有する。用いられるピンは、この長さに沿ってテーパー付けられるような断面を有し（この断面は漸次的に小さくなる）、このテーパー角度は１０度であり、このテーパーはピン（ショルダーのすぐ真下）の頂部の最も広い場所で、１４ｍｍの直径から開始している。各プレート１の側部２のＬＴ方向（Long Transverse）で行われる、１０のオーバーラップする、プレート上のビードの溶接のパスは、次の溶接パラメータを用いている。つまり、ツールの回転＝１９０ｒｐｍ、溶接速度＝１５０ｍｍ／ｍｉｎ、そして、垂直方向（つまり、ツールの長手方向の下方に向う）の力＝６１ｋＮである。また、溶接プロセス時に材料がオーバーヒートすることを避けるため、各溶接のパス（各プレート上のビードの溶接）の終了時に、次の溶接のパスが行われる前に、プレートを室内温度まで冷やしている。図１ｂには、溶接後のプレートの側部２を含む、プレート１の一部が概略的に示されている。図１ｃには、プレートの断面（この断面は、ＬＴ方向と平行な垂直軸を有する平面Ｃ−Ｃを横切るように選ばれている）が示されている。図１ｃから理解できるように、連続する溶接のパス３は、隣接する溶接の中心線ｗ₁、ｗ₂、ｗ₃・・・ｗ₁₀の間に１０ｍｍの間隔ｗｓを設けるように行われている。また、このツールは、１２ｍｍの溶接の浸透が行われるようにしている。従って、図１ｂから理解できるように、少なくとも１００ｍｍの幅ｗｗ（ＳＴ方向で）と、約１２ｍｍの距離の深さｗｄ（Ｌ方向で）を有するように溶接領域が形成されている。このため、（きめの荒い結晶粒の構造を有する）元の材料の構造は、（きめの細かい結晶粒の構造を有する）典型的な摩擦かくはん接合構造に変化されている。

上記摩擦かくはん接合ステップが行われた後、溶接部の頂面がスキム処理されており、このため、一体に溶接される側部２から約１．０−１．５ｍｍの材料が取り除かれて、滑らかな平らな表面が形成されるようにしている。双方のプレートともこれらの厚さ（ＳＴ方向で）がトリム処理されるように機械加工されて、溶接されるプレート１の側部２の表面は１００ｍｍの厚さにされて、側部２の全表面が摩擦かくはん接合プロセスによって影響を受けるようにしている（このため、きめの細かい結晶粒の構造を提供する）。

二つのプレート１はバキュームチャンバ内で組付けられるが、この際、タック溶接を用いて、１００ｍｍの厚さ（ＳＴ方向で）で、ＬＴ方向に走る突合せ継手を形成する。パスの内側とパスの外側のプレートは突合せ継手の各側に設けられ、結合部はバッキングプレートによって裏あてされる。そして、垂直方向にビームを用いながら、ＬＴ方向で、水平方向に電子ビーム溶接が行われるが、この際、次の溶接パラメータが用いられる。即ち、加速電圧＝６０ｋＶ、ビーム電流＝４５０ｍＡ、焦点電流＝６１０ｍＡ、溶接速度＝２４０ｍｍ／ｍｉｎ、チャンバ内のバキューム＝２×１０^-4トル、ビームの振幅＝１．２ｍｍの直径の円、そして、振幅の周波数＝８００Ｈｚである。

溶接結合は、図２ａから２ｇに示すように行われる。図２ａには、溶接結合部の断面が示されているが、この断面はＳＴとＬ方向に平行で、かつ、ＬＴ方向と平行な垂直軸を有する平面に沿ってとられている。図２ｇには、溶接の様々な領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを示すように、図２ａの一部が（９０度回転して）示されている。図２ａと２ｇから理解できるように、電子ビーム溶接（領域Ｄ）は二つのプレート１の間で形成されて、対応するプレート１の各々の摩擦かくはん接合領域Ａの間でサンドイッチされる。また、領域Ｃに示されるように、摩擦かくはん接合領域Ａを越えて、プレート１の元の合金がある。領域ＡとＣの間の界面は、領域Ｂとして示されている。図２ｇに示されるように、領域Ｂは領域ＡとＣと比べて比較的狭く、領域ＡとＣを区別する破線状の白色の線で示されている。

電子ビーム溶接の平均的な幅は約５ｍｍである。組合わされた領域Ａ−Ｄ−Ａの平均的な幅は約２０ｍｍである。電子ビーム溶接の熱の影響を受ける領域の幅は、非常に大凡で３０ｍｍである。

図２ｂには、摩擦かくはん接合領域Ａと元の合金（領域Ｃ）との間の界面（領域Ｂ）における結晶粒の構造を拡大して示すように、図２ａの領域が示されている。図２ｂの左側の領域は、合金のせん断（shearing）を示しており、領域Ｃ（図２ｂの右側）から領域Ａ（図２ｂの左側）に向うにつれて、結晶粒が漸次的に小さくなることを示している。図３には、領域Ａ、Ｂ及びＣにおける結晶粒経と配向をより鮮明に示すように、断面の別のサンプルが示されている。図３からより明らかに理解できるように、領域Ａ（摩擦かくはん接合された領域）の結晶粒は、（溶接されない元の合金の）領域Ｃのきめが荒い結晶粒よりもよりきめが細かい。尚、図２ｂ又は３のいずれにもクラックが存在しないことを理解されたい。また、領域Ａの合金の結晶粒度番号Ｇ_Aと、領域Ｃの結晶粒度番号Ｇ_Cとの間の差は、３よりも大きい。

図２ｃには、二つの隣接する摩擦かくはん接合部と元の合金（領域Ｃ）の間の界面（領域Ｂ）における結晶粒の構造を示すために、（図２ｂと同じ拡大の度合で）拡大された図２ａの領域が示されている。尚、結晶粒はせん断されて、元の合金（図２ｃの右側）と隣接する摩擦かくはん接合領域（図２ｃの左側）の間の遷移は漸次的である。ここでも、クラックが存在しないことを理解されたい。

図２ｄには、摩擦かくはん接合領域Ａにおける結晶粒の構造を示すために、（図２ｂ及び２ｃと比べて約２．５倍の拡大の度合で）拡大された図２ａの領域が示されている。領域Ａの結晶粒は、領域Ｃの結晶粒と比べて比較的にきめが細かい（図２ｂ及び２ｃの拡大の度合と、図２ｄの拡大の度合の相違を考慮する）。ここでも、クラックや欠損が存在しないことを理解されたい。

図２ｅには、摩擦かくはん接合領域Ａ（図２ｅの右側）と電子ビーム溶接領域Ｄ（図２ｅの左側）の間の界面での結晶粒の構造を示すために、（図２ｄと同じ拡大の度合で）拡大された図２ａの領域が示されている。この界面領域における結晶粒は、比較的にきめが細かい。二つの領域の間の界面は漸次的であって、特に、各領域における結晶粒経と向きが非常に似ている場合、識別することが困難になっている。但し、図２ｅには、電子ビーム溶接と摩擦かくはん接合の領域の間の界面が非常に高精度に示されている。尚、ここでも、クラックや欠損が存在しないことを理解されたい。

図２ｆには、電子ビーム溶接領域Ｄ内の結晶粒の構造を示すために、（図２ｄ及び２ｅと同じ拡大の度合で）拡大された図２ａの領域が示されている。ここでも、この界面領域内の結晶粒は比較的にきめが細かく、摩擦かくはん接合領域Ａ内の結晶粒と比べて、似たような大きさを有するが、但し、非常にわずかに大きい。いずれの場合でも認められなかったように、この領域Ｄには、クラックが認められないことを理解されたい。

図２ａから２ｇには、任意の十分な厚さを有する結合部上に溶接を形成することが、不可能ではなくても、一般に困難と考えられている場合でも、本発明の実施形態は、合金に対して液化クラックを生じさせることなく、高精度の溶接を行えることが示されている。本発明の実施形態における接合部の厚さの限界は、通常、融接プロセス（この実施形態では、電子ビーム溶接）が十分に効果的に行える厚さの限界によって定められる。

ここで、比較上、図４には、摩擦かくはん接合ステップを行わないで、第一の実施形態に用いられるものと同じ合金の二つのプレートの間に形成された結合部の断面が示されている。電子ビーム溶接は領域Ｄとして示されており、（夫々の、二つのプレートの）元の合金の二つの領域Ｃの間に直接サンドイッチされている。図４から理解できるように、電子ビーム溶接の結果、クラックＥが形成されている。

図５には、本発明の第二の実施形態が概略的に示されている。この場合、航空機の部品を形成するのに適するアルミニウム合金の３つのビレット１の端部同士を互いに溶接させて、アルミニウム合金の細長いブロックを形成している。図示した実施形態では、各ビレットは、５ｍ×２ｍ×２００ｍｍの寸法を有している。ビレット１の端面２に隣接して、本発明の第一の実施形態について上述したのと同様な方法によって、互いに溶接させている。隣接するビレットに対して溶接される各ビレットの端面２の各々の全表面は、大体、２５ｍｍの深さまで摩擦かくはん接合される。このように接合された端面は、フライス盤を用いてスキム処理されて、端面から約１ｍｍの材料を取り除いている。端面と隣接する、頂面と底面は、次のステップを用意するために同様にスキム処理される。次に、電子ビーム溶接プロセスを用いて、隣接するビレットを互いに溶接させて、約１５ｍ×２ｍ×２００ｍｍの寸法を有する、合金の中実ブロックを形成する。そして、この単一の中実ブロックに機械加工を行って、航空機のウイング用のスパーが得られるようにする。このスパーは、約１４ｍの長さを有している。

図６には、本発明の第三の実施形態が概略的に示されている。この場合、上記本発明の第二の実施形態の方法に従って、異なる合金の材料の二つのビレットを一体に溶接させているが、この実施形態では、二つのビレットだけを接合させている。第一のビレットは１００ｍｍ×１ｍ×１０ｍの寸法を有する２０００シリーズの合金であり、同様に１００ｍｍ×１ｍ×１０ｍの寸法を有する７０００シリーズの合金の第二のビレットと接合されて、１００ｍｍ×２ｍ×１０ｍの寸法を有する材料のブロックを形成している。この結果として得られるブロックは、次に機械加工されて、図６に示すスパーを得られるようにしている。このスパーの上方部４は、強度が必要とされており、高強度の領域を提供できるように、７０００シリーズの合金から形成されており、また、この下方部５は、強度よりも高い損傷許容（damage tolerance）が必要とされており、２０００シリーズの合金から形成されている。図６では、これら二つの部位４、５の間の溶接ラインは、参照番号６を用いて示されている。勿論、本発明の技術思想から逸脱することなく、上述した本発明に関する好適な実施形態に対して、様々な修正等を行うことは可能であることを理解されたい。例えば、一度一体に溶接されたアルミニウムのビレットに機械加工を行って、ウイングのスパーではなく、他の部品（例えば、ウイングのリムやウイングのスキンの一部）を得られるようにしてもよい。また、電子ビーム溶接ではなく、例えばレーザー溶接のような、他の融接プロセスを利用してもよい。さらに、本発明を実施する上で、アルミニウム以外の合金、例えば、マグネシウム合金を利用してもよい。当該技術分野において通常の知識を有する者ならば、他の修正を当然に思料することができるであろう。

本発明の第一の実施形態に従って、二つの金属製のプレートを一体に溶接することを概略的に示した図である。 摩擦かくはん接合時の、図１ａに示したプレートの一方の部位を示した図である。 図１ｂに示したプレートの一部の断面図である。 本発明の第一の実施形態に従って形成された、最終的な溶接接合部の断面図である。 図２ａの要部拡大図である。 図２ａの要部拡大図である。 図２ａの要部拡大図である。 図２ａの要部拡大図である。 図２ａの要部拡大図である。 溶接部の様々な領域を示す図２ａの部位を示す図である。 摩擦かくはん接合された合金の要部拡大図である。 従来技術に従って電子ビーム溶接された合金の要部拡大図である。 本発明の第二の実施形態に従って、３つのアルミニウムのビレットを一体に溶接することを概略的に示す図である。 本発明の第三の実施形態に従って、二つのビレットからウイングスパーを機械加工することを示す図である。

符号の説明

Ｌ 長手方向
ＬＴ 幅方向
ＳＴ 厚さ方向
ｗｄ 溶接深さ
ｗｓ 溶接間隔
ｗｗ 溶接幅
１ プレート（ビレット）
２ 側部（端面）
３ 溶接のパス
４ 上方部
５ 下方部
６ 溶接ライン

Claims (18)

1. 二つの金属素材を一体に溶接する方法であって、
   二つの金属素材を用意し、
   摩擦かくはん接合プロセスを行って、前記素材の各々に部位を用意し、外面から素材内まで延びる摩擦かくはん接合領域が、この領域の外側の素材の結晶粒の構造と比べて、より細かい結晶粒の構造を有するようにし、
   前記二つの素材の対応する用意された部位を結合させるように、融接プロセスを用いて前記素材を一体に溶接させ、
   この際、前記素材内に延びる領域は、前記融接プロセス時に溶融される材料の深さを超える深さまで延びる、各ステップを有することを特徴とする方法。
2. さらに、摩擦かくはん接合が他の摩擦かくはん接合に隣接するように、二つの金属素材の摩擦かくはん接合の領域を位置合わせするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記摩擦かくはん接合は、前記各素材に対し少なくとも１０ｍｍの深さまで行われ、この際、前記融接される結合部の深さは５０ｍｍよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記摩擦かくはん接合は、前記表面処理の行われる領域の外側の前記素材内の材料の結晶粒度番号と、前記領域内の前記素材内の材料の結晶粒度番号との間の差が４よりも大きいか又は等しい、少なくとも一つの断面を有するように行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記素材を用意するステップでは、前記素材の各々の表面処理された領域に処理又は機械加工を行って、前記素材上に表面を形成して、他方の素材の対応する表面と融接できるようにしたステップを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記融接プロセスは、電気ビーム溶接プロセスを用いて行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記素材はアルミニウム合金から形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記素材は冷間加工金属から形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記素材は、航空機の部品を製造するのに適することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記摩擦かくはん接合の範囲は、各素材の一方向だけに延びていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. さらに、摩擦かくはん接合が他の摩擦かくはん接合に隣接するように、二つの金属素材の摩擦かくはん接合の領域を位置合わせするステップを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記融接は、融接プロセス中に融解する素材の融接領域が、少なくとも一部素材の摩擦かくはん接合内に取り囲まれるように行うことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 二つの金属素材を一体に溶接する方法であって、
    二つの金属素材を用意し、
    前記素材の各々に部位を用意するが、この用意には表面処理が含まれ、この結果、外面から素材内まで延びる領域が、この領域の外側の素材の結晶粒の構造と比べて、より細かい結晶粒の構造を有するようにし、
    前記素材の二つの対応する用意された部位を結合させるように、融接プロセスを用いて前記素材を一体に溶接させ、
    この際、前記素材内に延びる領域は、前記融接プロセス時に溶融される材料の深さを超える深さまで延びる、各ステップを有することを特徴とする方法。
14. 前記表面処理は、各素材の摩擦かくはん接合領域であり、摩擦かくはん接合領域を有するようになることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 航空機の部品の製造方法であって、この際、前記航空機の部品は金属のブロックから機械加工され、前記金属のブロックは請求項１〜１４のいずれかに記載の方法に従って、二つ又はこれ以上の数の素材を一体に溶接することで形成されることを特徴とする方法。
16. 請求項１〜１４のいずれかに記載の方法に従って、二つの素材を一体に溶接することで形成されることを特徴とする部品。
17. 部品の一部を隣接する部品の他の部位に対して接合した溶接部を含む部品であって、前記結合部の領域内の部品は、融接部の形成に先立って夫々摩擦かくはん接合される二つの部位の間で融接され、サンドイッチされる部位を有することを特徴とする部品。
18. 前記部品は、航空機用の部品であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の部品。

Images