JP4607481B2 - Ｔ型継手を摩擦攪拌接合する方法、摩擦攪拌接合方法、およびｔ型継手 - Google Patents

Description

発明の背景
この発明は、摩擦攪拌接合（friction stir welding）、および摩擦攪拌接合されたアセンブリに関する。より特定的には、この発明は、比較的薄いリブ部材を材料の比較的薄いシート部に接続する攪拌接合されたＴ型継手に関する。

摩擦攪拌接合は、他の接合方法を上回る利点を提供する。おそらく最も著しい利点は、摩擦攪拌接合部が、接合された部材の材料に関連する著しい割合の強度を維持することである。これは、その後のアニールおよび熱処理を必要とすることなく、強力に接合された継手を可能にする。このため、アセンブリをアニールおよび／または熱処理できない状況において、摩擦攪拌接合は、そのようなアセンブリを接合する唯一容認可能な方法であろう。

これらの利点にもかかわらず、摩擦攪拌接合に関連する欠点もいくつかある。そのような欠点の１つは、攪拌接合部を形成するために利用される攪拌接合ツールが、攪拌接合プロセス中にかなりの量の力をアセンブリに及ぼすということである。このため、この力はアセンブリによって反作用されなければならず、アセンブリは、破損および／または容認できない撓みを回避するよう十分に強く堅くなければならない。別の欠点は、アセンブリの構成要素に対する攪拌接合ツールの動きが、構成要素の互いに対する望ましくない動きをもたらすおそれがあるということである。さらに別の欠点は、接合中には攪拌接合ツールの比較的精密な動きが必要となり、その結果、この動きは一般に、ＣＮＣ縦型または多軸フライス盤といった複雑な機械を用いて自動化されなければならないということである。

発明の概要
この発明は、先行技術の攪拌接合手法に関連する欠点のいくつかに対処している。特にこの発明は、比較的薄い壁のリブとスキンシートとの間に攪拌接合されたＴ型継手を形成することに関連する問題を解決する。加えて、この発明は、そのようなアセンブリの攪拌接合部を形成する際に必要なツールに関連する問題に対処している。

この発明の第１の局面では、Ｔ型継手を攪拌接合する方法は、第１の部材を第２の部材に組立てるステップと、第１の部材を第２の部材に攪拌接合するステップとを備える。第１の部材は、逆向きの第１および第２の面を有する材料の薄いシート部を備え、シート部の第１の面に対してある角度で方向付けされた対向する制止表面も備えている。第２の部材は、末端に端縁を有するリブを備えている。第１の部材を第２の部材に組立てるステップは、第２の部材のリブが第１の部材の第１の面から離れる方向にある角度で延びるような、および、端縁が第１の部材の制止表面同士の間に位置付けられるような態様で、第２の部材のリブの端縁を第１の部材と係合させるステップを備えている。攪拌接合するステップは、第１の部材の第２の面に対して攪拌接合ツールを係合させるステップを含み、上述のように第１および第２の部材が互いに組立てられた状態で起こる。攪拌接合中、第１の部材の制止表面は、第１の部材に対する第２の部材の端縁の動きを制限する。

この発明の別の局面では、攪拌接合方法は、材料から第１および第２の部材を形成する
ステップを備える。第１および第２の部材の一方は、それぞれの部材の材料の連続的な一部として形成されたツール部を備える。第１の部材は、第１の部材の材料の連続的な一部として形成された薄いシート部を備え、第２の部材は、第２の部材の材料の連続的な一部として形成されたリブを備える。リブは末端の端縁を有する。この方法はさらに、攪拌接合装置を利用して、攪拌接合されたＴ型継手を形成する態様で、第２の部材のリブの端縁を第１の部材のシート部に攪拌接合するステップを備える。攪拌接合中、第１および第２の部材はツール部を介して攪拌接合装置に固定される。この方法はさらに、攪拌接合されたＴ型継手を形成した後で、第１および第２の部材からツール部を分離するステップも備える。

この発明のさらに別の局面では、Ｔ型継手は、リブ部材とシート部材とを備える。リブ部材は、逆向きの第１および第２の面を有する。シート部材は、逆向きの第１および第２の面を有する材料の薄いシート部を備え、シート部の第１の面に対してある角度で方向付けされた少なくとも２つの制止表面も備える。シート部材の制止表面の少なくとも１つはリブ部材の第１の面と係合されており、シート部材の制止表面の少なくとも１つはリブ部材の第２の面と係合されている。シート部材はリブ部材に攪拌接合されている。

この発明の主な利点および特徴を上に説明したが、以下に続く図面および実施例の詳細な説明を参照することによって、さらなる特徴および利点が得られるであろう。

明細書における参照符号は、図面全体を通して示される対応する項目を示す。

発明の好ましい実施例の詳細な説明
この発明を実践する好ましい方法は、第１の部材と第２の部材とを攪拌接合することに関する。第１の部材２０および第２の部材２２を、各々独立して図１および図２に示す。第１の部材２０および第２の部材２２の各々は好ましくは、連続的な材料の単一の一体構造片として形成される。材料は好ましくはアルミニウムであるが、スチールまたはプラスチックといった攪拌接合に好適な他の材料がアルミニウムの代わりに使用可能である。

第１の部材２０は好ましくは、シート部２４と、ツール部２６と、複数の隆起２８とを備える。第１の部材２０のシート部２４は、逆向きの第１の面３０および第２の面３２を有する、概して薄い壁の構造である。シート部２４はまた、好ましくは平面状である。ツール部２６は好ましくは、シート部２４を包囲する材料の比較的堅いループを備える。ツール部２６はまた、好ましくは、第１の部材２０と第２の部材２２とを組立て、整列させるために使用される複数の取付孔３４も備える。隆起２８は好ましくは伸長された突出部であり、好ましくは、図４に最も明確に示されているように、断面が矩形である。隆起２８は好ましくは対になってグループ分けされており、好ましくはシート部２４の第１の面３０から垂直に延びている。隆起２８の各対はその間に、隆起の対向する表面３７によって部分的に規定される溝３６を形成する。

第２の部材は好ましくは、複数のリブ３８と、シート部４０と、ツール部４２とを備える。第１の部材２０と同様に、第２の部材２２のシート部４０は、逆向きの第１の面４４および第２の面４６を有する、概して薄い壁の構造であり、また、好ましくは平面状である。また、第１の部材２０と同様に、第２の部材２２のツール部４２は好ましくは、シート部４０を包囲する材料の比較的堅いループを備え、好ましくは、第１の部材２０と第２の部材２２とを組立て、整列させる同じ目的のために使用される複数の取付孔４８を備える。第２の部材２２のリブ３８はシート部４０の第１の面４４から延びており、好ましくは、逆向きの第１の面５０および第２の面５２を有する薄壁構造である。リブ３８は好ましくは断面が矩形であり、好ましくはシート部４０に対して垂直に延び、最後には端縁５
４で終わる。

第１の部材２０および第２の部材２２は、好ましくは、高速フライス盤を使用して各々板材から機械加工される。しかしながら、成形などの他の手法を用いて第１の部材２０および第２の部材２２を形成できるということが認識されるべきである。高速での機械加工中、それぞれの部材２０、２２のツール部２６の取付孔３４、４８は、部材をフライス加工装置に固定するために利用される。フライス加工および接合プロセス中の薄壁構造の過度の歪みを防止するために、部材の各々のツール部２６、４２は、それぞれの部材の残りの部分に比べてかなり頑強になっている。

第１の部材２０および第２の部材２２の形成後、それらは次に、図３および図４に示すように互いに組立てられる。第１の部材２０および第２の部材２２の取付孔３４、４８は、部材の整列を容易にし、また、それらを通って延びるボルトを用いて、部材を互いにおよび攪拌接合装置（図示せず）に固定させる。組立てられると、各リブ３８の端縁５４は、第１の部材２０の隆起によって形成された溝３６のうちの１つに位置付けられる。各溝３６は、それぞれのリブ３８の第１の面５０と第２の面５２との間の距離と幅が等しくなるよう、または若干幅広くなるよう寸法決めされる。このため、溝３６を形成する隆起２８の対向する表面３７は、リブ３８に係合してそれが第１の部材２０に対して（図４を参照して）左右に平行移動しないようにできる制止表面として作用するということが認識されるべきである。

第１の部材２０および第２の部材２２が互いに組立てられ、攪拌接合装置に固定された後で、それらは次に互いに攪拌接合される。好ましくは、第１の部材２０または第２の部材２２を形成するために使用された同じフライス盤が、攪拌接合装置として利用される。接合部を形成するために、図４−６に概略的に示す攪拌接合ツール５６が、第１の部材２０のシート部２４の第２の面３２に押し付けられる。接合中、攪拌接合ツール５６は、それが溝３６およびリブ３８と整列されたままとなるような態様で回転し、動かされる。攪拌接合ツール５６の先端部は第１の部材２０のシート部２４を通って延びており、そこでそれは（図４に示す中央のリブの上に図示されるように）それぞれのリブ３８の端縁５４と係合する。これにより、第１の部材２０のシート部２４、および好ましくは隆起２８も、リブ３８の端縁５４に融着するようになり、それにより（図４の最も右のリブの上に図示されるように）攪拌接合部５８が形成される。リブ３８を第１の部材２０に接合するこのプロセスの間、隆起２８は、他の方法では起こり得るであろう、リブが撓んで攪拌接合ツール５６から離れることを防止する。このため、攪拌接合プロセス中にリブ３８と第１の部材２０との間の相対的な位置を維持するために追加ツールが必要とされないということが認識されるべきである。さらに、第１の部材２０および第２の部材２２のツール部２６、４２は、部材を互いにおよび攪拌接合装置に堅く固定しており、それにより、そのような目的用の追加ツールに対する必要性を排除している。

攪拌接合が完了した後で、第１の部材２０および第２の部材２２のツール部２６、４２は、接合されたアセンブリから分離される。これは好ましくは、攪拌接合を行なうために使用された同じフライス盤の上に設けられた切削ツールを用いて行なわれる。一旦これが行なわれると、アセンブリは完成する。

図５は、第１および第２の部材の代替的な一実施例を示す。一般に、この実施例は、図１−４に示された実施例を参照して説明されたものと同じ特徴を有する。しかしながら、第１の部材の隆起と第２の部材のリブの端縁とは、攪拌接合動作中に第１の部材と第２の部材とを互いにより一層固定するように構成された異なる構成を有する。基本的に、リブの端縁は、断面が矩形というよりもむしろＴ字形をしており、隆起によって形成される溝も同様である。これは、（図示されるように）第１の部材が垂直に動いて第２の部材から
離れることを防止するように協働する、隆起上の係止表面６０およびリブ上の係止表面６２の形成をもたらす。この実施例は、第１および第２の部材の互いへの最初の組立中に第２の部材のリブが第１の部材の溝に滑り込むことができるように、第１および第２の部材が構成されることを必要とする、ということが認識されるべきである。このため、この実施例の溝はすべて互いに平行であること、および、溝はそれへのリブの挿入および摺動を可能にするように一端が開いていることが仮定される。

図６は、第１および第２の部材のさらに別の代替的な実施例を示す。図５に示す実施例と同様に、第１の部材の溝と第２の部材のリブとはＴ字形の断面を有する。ここでも、（図示されるように）第１の部材が垂直に動いて第２の部材から離れることを防止するように協働する、隆起上の係止表面６４およびリブ３８上の係止表面６８が形成される。しかしながら、この実施例の隆起は、カミング表面（傾斜面）６８を含むようにも形作られている。カミング表面６８は、第１の部材のシート部の第１の面に対して傾斜している。溝を形成する１対の隆起の各隆起は、１対の隆起のカミング表面同士が第１の部材のシート部に向かって延びるにつれ１対の隆起のうちの他方のカミング表面に向かう方向に一点に集まるように傾斜するカミング表面６８を有する。カミング表面６８は、リブを溝に（図示されるように垂直に）スナップ留めすることによって、第１および第２の部材が最初に互いに組立てられるように構成されている。リブが溝に挿入されるにつれ、リブの端縁がカミング表面６８に係合し、カミング表面６８は、それらの傾斜した構成のため、その溝に関連する隆起同士を離して広げるよう作用する力を作り出す。隆起は、リブのＴ字形の端縁がその間を通ることができるように隆起が十分離れて広がり得るように、および、リブの係止表面６６が隆起の係止表面６４を一旦通ると隆起が互いに向けて戻るように、弾性的に撓むことができるように形成されている。このため、図５に示す実施例とは異なり、第２の部材のリブはすべて平行である必要はない。リブが平行でないと仮定すると、リブを溝にスナップ留めすれば第１の部材は第２の部材に対して十分に制止されるということも認識されるべきである。このため、攪拌接合動作中に第１または第２の部材をともにより一層固定するために、ツールは必ずしも必要とされない。

他者がこの発明を実践できるよう十分詳細にこの発明を説明してきたが、上述の説明に含まれた、または添付図面に示されたすべての事柄は例示として解釈されるよう意図されており、限定的な意味ではないということ、および、装置と方法とのさまざまな変更および変形が、特許請求の範囲によって規定されるこの発明の範囲から逸脱することなく採用されてもよいということが理解されるべきである。たとえば、この発明を実践する好ましい方法のすべてのステップが必ずしも各請求項によって必要とされているわけではないということが認識されるべきである。このため、変形および変更を加えて、この発明に従った他の方法および装置が認識されるべきである。

さらに、この発明の要素をこの発明の特許請求の範囲に、または好ましい実施例の上述の説明に導入する場合に、「備える」、「含む」および「有する」という用語は制約がないように意図されており、列挙された要素以外の追加要素があってもよいということを意味している。同様に、「部」という用語が特許請求の範囲において使用される、または補正によって追加される範囲において、そのような用語は、それが修飾する項目または要素の一部もしくはすべてを意味するとして解釈されるべきである。

この発明に従った薄いシート部を有する第１の部材の斜視図である。 この発明に従ったリブを有する第２の部材の斜視図である。 この発明に従って第２の部材に組立てられた第１の部材の斜視図であって、この発明を説明するために第１の部材の一部が取外された状態の図である。 攪拌接合プロセスを示す第１および第２の部材の部分断面図である。 この発明に従った第１および第２の部材の代替的な一実施例の部分断面図である。 この発明に従った第１および第２の部材のさらに別の代替的な実施例の部分断面図である。

符号の説明

２０ 第１の部材、２２ 第２の部材、２４ シート部、２６ ツール部、３０ 第１の面、３２ 第２の面、３７ 制止表面、３８ リブ、４２ ツール部、５０ 第１の面、５２ 第２の面、５４ 端縁、５６ 攪拌接合ツール。

Claims (8)

1. Ｔ型継手を攪拌接合する方法であって、
   第１の部材を第２の部材に組立てるステップを備え、
   第１の部材は、逆向きの第１および第２の面を有する材料の薄いシート部を備え、シート部の第１の面に対してある角度で方向付けされた対向する制止表面も備えており、第２の部材は末端に端縁を有するリブを備えており、第１の部材は、第１の部材のシート部の第１の面に対向する１対の係止表面をさらに備え、第１の部材の制止表面は係止表面と第１の面との間に位置付けられており、リブは逆向きの第１および第２の面を有し、リブの端縁は１対の係止表面を備え、リブの第１および第２の面はリブの係止表面同士の間に位置付けられており、
   組立てるステップは、第２の部材のリブが第１の部材の第１の面から離れる方向にある角度で延びるような態様で、第２の部材のリブの端縁を第１の部材の対向する制止表面同士の間に形成された溝に挿入するステップと、第１の部材の第１の面から離れるリブの動きを制限する態様で、第１の部材の係止表面を第２の部材のリブの係止表面と係合させるステップとを備えており、
   前記方法はさらに、
   第１の部材の第２の面に対して攪拌接合ツールを係合させることによって、第１の部材を第２の部材に攪拌接合するステップを備え、攪拌接合は、第１の部材を第２の部材に組立てる前述のステップに従って第１および第２の部材が互いに組立てられた状態で起こり、攪拌接合中、第１の部材の制止表面は、第１の部材に対する第２の部材のリブの端縁の動きを制限する、Ｔ型継手を攪拌接合する方法。
2. 第１および第２の部材は各々、連続的な材料の単一の一体構造片として形成され、第１の部材はその上に対向する制止表面が形成されるシート部を有し、第２の部材はその上にリブが形成されるシート部を有し、第１および第２の部材の一方は、その一方の部材のシート部を囲むツール部を備えており、
   前記方法は、第１の部材を第２の部材に攪拌接合するステップ中に、ツール部を介して第１および第２の部材を攪拌接合装置に固定するステップと、第１の部材を第２の部材に攪拌接合した後で、第１および第２の部材からツール部を分離するステップとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. ツール部は、第１および第２の部材から分離される前に、第２の部材の一体構造片の一部を形成し、第２の部材のリブのまわりにループを形成する、請求項２に記載の方法。
4. 第１の部材は、第１の部材のシート部を囲む第１のツール部を有し、第２の部材は、第２の部材のシート部を囲む第２のツール部を有しており、
   前記方法は、第１の部材を第２の部材に攪拌接合するステップ中に、第１および第２のツール部を介して第１および第２の部材を互いに固定するステップと、第１の部材を第２の部材に攪拌接合した後で、第１および第２の部材から第１のツール部および第２のツール部を分離するステップとをさらに備える、請求項２に記載の方法。
5. 組立てるステップは、第２の部材のリブの端縁が第１の部材の溝に挿入されるにつれ、第１の部材の係止表面同士を互いから離れるよう弾性的に撓ませるステップと、第２の部材のリブの係止表面が第１の部材の係止表面と第１の部材のシート部との間に位置付けられるような態様で、第１の部材の係止表面同士を互いに向けて弾性的に動かすステップとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
6. Ｔ型継手であって、
   逆向きの第１および第２の面を有するリブ部材と、シート部材とを備え、
   シート部材は逆向きの第１および第２の面を有する材料の薄いシート部を備え、シート部の第１の面に対してある角度で方向付けされた少なくとも２つの対向する制止表面も備えており、リブ部材の一部は、シート部材の対向する制止表面間に形成された溝内に位置付けられ、シート部材は、シート部の第１の面に対向する１対の係止表面をさらに備え、シート部材の制止表面はシート部材の係止表面とシート部の第１の面との間に位置付けられており、リブ部材は１対の係止表面を備え、リブ部材の係止表面はシート部材の係止表面とシート部の第１の面との間に位置付けられ、シート部材はリブ部材に攪拌接合されている、Ｔ型継手。
7. シート部材は１対のカミング表面をさらに備え、シート部材の係止表面の各々は、カミング表面の一方とシート部との間に位置付けられ、カミング表面は、それらがシート部材のシート部に向かって延びるにつれ、互いに向けて一点に集まるような態様で方向付けされている、請求項６に記載のＴ型継手。
8. リブ部材は、シート部材のシート部の第１の面に対して垂直に延びる、請求項６に記載のＴ型継手。

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