JP5711658B2 - 摩擦撹拌接合（ｆｓｗ）方法およびシステムとそれによって製造される摩擦撹拌接合部品 - Google Patents

Description

ここに開示される実施の形態は、広くは接合方法およびシステムに関し、特に、２つの金属被加工物を互いに接合するのに用いる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）方法およびシステムと、それによって製造される接合加工物に関する。

摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）は、一般にアルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、スチールなどの各種金属で形成された２つ以上の被加工物を互いに接合するのに用いられる。ＦＳＷ技術は、接合重ね継手、接合Ｌ型継手および／もしくは接合Ｔ型継手を良好に形成するために用いることもできる。

従来のＦＳＷプロセス（連続摩擦撹拌接合および分割摩擦撹拌接合(segmented friction sir welding)を含む）では、特有の形状を有するＦＳＷツールが接合される部材に進入し、貫通する。ＦＳＷツールの主要な構造部材として、肩部と肩部より外側に伸長するピン（「プローブ」とも称する）が含まれる。ＦＳＷプロセス中、ピンは継ぎ目に沿って部材を貫通し、肩部は部材に面接触している。ＦＳＷツールの肩部が接触する部材表面を擦って摩擦を起こし、ピンが肩部下方の溶融物質を混ぜることによって、熱が発生する。ＦＳＷプロセス時に溶融物質を混ぜることによって、溶融物質が攪拌領域となる継ぎ目を越えて移動する。ＦＳＷプロセスに影響を与えるプロセス変数として、回転速度や移動速度、ツール設計、方位、位置およびツールの鍛造負荷が考えられる。

米国特許第７，２２５，９６６号明細書（その内容全体が引用により本明細書に組み込まれる）に提示された従来のＦＳＷ技術は、接合される表面にシーリング層を塗布することによって、接合部を有する航空機部品を形成する工程を含む。このシーリング剤は、その後ＦＳＷプロセスによる温度上昇によって適切に硬化する。

米国特許第７，２４０，８２１号明細書は少なくとも２つの被加工物を溶接接合する方法に言及しており、当該方法では、接着剤が第１の被加工物の第１表面に塗布され、当該第１表面が第２の被加工物の表面と接触する。その後、摩擦撹拌接合もしくは摩擦撹拌スポット接合によって当該接着剤が硬化し、第１および第２の被加工物が接合される。米国特許第７，２４０，８２１号明細書記載の技術によれば、接着剤が硬化する間２つの被加工物を密着させておくための接合ツールの使用が不要となる。

しかしながら、従来のＦＳＷ技術では、両側に隙間のある比較的小さな接合領域（「溶接ナゲット」とも称する）しか得られない。これは、ツール肩部が一方の被加工物の上部領域と密接に接触する必要性と、その被加工物に付随する直交面の存在に起因し、さらには、ツールの物理的特性と溶接ナゲットを得るために必要な動きにも起因する。このように、従来のＦＳＷプロセスは、接合される被加工物に対し決まった場所、たとえば上側被加工物に付随する中央フランジ部などにしか接合領域を設けることができない。

これゆえ、従来のＦＳＷプロセスで得られる被加工物間の接合よりも大きな接合が可能なように、ＦＳＷプロセスを用いてより大きな接合領域が形成できれば、なお望ましい。さらに、一方の被加工物の実体部分が不要になることによって、部品の重量が重要な要素となる産業上の応用（たとえば航空機部品の製造など）に向けて実質的な軽量化を図ることができれば、非常に望ましい。本発明はこうしたニーズを満たすことを意図している。

本発明は、ＦＳＷプロセスおよびＦＳＷシステムとそれによって得られる摩擦撹拌接合部品に具現されており、被加工物間により大きな接合領域が形成されることを可能とする。本発明のいくつかの実施の形態によれば、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）によって第１および第２の被加工物を互いに接合する方法が提供され、前記方法は互いに直交する構造部材と、その間に位置し所定の形状の座面を規定する結合領域を有する第１の被加工物を使用する。前記第１の被加工物の前記平面構造部材の一方を第２の被加工物の表面に隣接接触させ、前記第１および第２の被加工物が互いに接合できるようにする。ＦＳＷツールの肩部を前記第１の被加工物の互いに直交する構造部材の間に位置する結合領域の座面に加圧接触（荷重を加えて接触）させ、前記ＦＳＷツールの前記肩部より伸長するピンを前記第１の被加工物の前記構造部材の１つに貫入させ、前記第１と第２の被加工物の間に摩擦撹拌接合領域を形成することによって、接合が良好に実行される。とりわけ好ましい実施の形態では、前記肩部と前記座面とがぴったり係合する形状を有することで、前記第１の被加工物の前記一の平面構造部材によって確立される平面に対し、前記ＦＳＷツールはある角度（たとえば０度より大きく９０度より小さい角度）をもって配置（配向）される。

いくつかの好ましい実施の形態によれば、アーチ状の凹型形状をなす座面が設けられ、その場合、前記ＦＳＷツールの前記肩部は前記座面にぴったり係合する（嵌る）アーチ状の凸型形状をなす。他の好ましい実施の形態によれば、前記座面はアーチ状の凸型形状をなし、その場合、前記ＦＳＷツールの前記肩部は前記座面とぴったり係合する（かみ合う）アーチ状の凹型形状をなす。さらに別の好ましい実施の形態によれば、前記座面と前記ＦＳＷツールの前記肩部はそれぞれ平面である。

前記第１の被加工物の少なくとも一の側縁部および前記第２の被加工物の対応箇所に接触する接着剤ビードもしくは界面シーリング剤が任意に設けられてもよい。いくつかの実施の形態によれば、前記第１の被加工物の向かい合う側縁部および前記第２の被加工物の対応箇所に接触する接着剤ビードもしくは界面シーリング剤が設けられる。

前記第１の被加工物は、Ｚ型梁部材、Ｉ型梁部材、Ｃ型梁部材、Ｌ型梁部材、Ｕ型梁部材、オメガ型梁部材、逆Ｔ型梁部材から選択できるという利点がある。

本発明の他の実施の形態は、第１と第２の被加工物を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）システムであって、前記第１の被加工物は互いに直交する構造部材とその間に位置し所定の形状の座面を規定する結合領域を有し、前記第１の被加工物の前記構造部材の一方が前記第２の被加工物との隣接接触に適応し、両者間の接合を可能にする。ＦＳＷツールは、前記座面にぴったり係合する形状の肩部と前記肩部より伸長するピンを有して設けられる。前記ＦＳＷツールの前記肩部は前記第１の被加工物の互いに直交する前記構造部材間の前記結合領域において前記座面と加圧接触が可能であり、そのため前記肩部より伸長する前記ピンが前記第１の被加工物の前記構造部材の１つに貫入することができ、これによって前記第１と第２の被加工物の間に摩擦撹拌接合領域が形成される。とりわけ好ましい実施の形態によれば、前記ＦＳＷツールの前記肩部と前記座面とがぴたりと係合することで、前記第１の被加工物の前記構造部材の１つによって確立される平面に対しある角度をもって前記ピンを配置できる。

本発明のさらなる実施の形態によれば、第１と第２の接合加工物を設けることができ、前記第１の加工物は互いに直交する構造部材とその間に位置し所定の形状の座面を規定する結合領域を有し、前記第１の被加工物の前記構造部材の一方が前記第２の加工物と隣接接触する。前記第１と第２の接合加工物は、前記第１の加工物の一方の構造部材を前記第２の加工物の隣接部に接合する摩擦撹拌接合領域を含み、当該接合は前記接合領域が前記第１の加工物の互いに直交する前記構造部材間の前記結合領域を包含するようになされる。こうして接合された第１と第２の加工物を備える構造パネルが提供され、当該構造パネルは、たとえば航空機の胴体、尾翼、主翼の少なくとも１つである航空機部品として用いられるという利点がある。

本発明のこれらおよび他の態様と利点は、好ましい例示的態様の以下の詳細な記述を十分に考慮することにより、さらに明瞭となる。

本発明の実施の形態によって互いに接合された被加工物を含む構造部材を示す概略斜視図である。 図２Ａ〜図２Ｃは本発明の実施の形態に従って一方の被加工物を他方の被加工物に接合する方法を示す拡大断面端面図である。 被加工物を互いに接合する、本発明の他の実施の形態を示す拡大断面端面図である。 被加工物を互いに接合する、本発明のさらに他の実施の形態を示す拡大断面端面図である。

以下、添付図面に基づいて説明する。全図面を通して同じ参照番号は同じ構成要素を示す。

添付の図１はパネル１０の一部を示す図であり、そのなかで、第１の被加工物１２は摩擦撹拌接合領域１６によって第２の被加工物１４と結合している。摩擦撹拌接合領域１６は連続領域として示されているが、断続的な（たとえばスポット）接合領域であってもよく、これによって本発明の範囲から逸脱するものではない。端的に言うと、本発明の実施の形態を用いて形成されうる特定のタイプの接合領域は、製造される構造部材、構成材料、その他の要素の最終用途に応じて、当業者の技術範囲内である。

構造パネル１０は、たとえば航空機構造体に付随するパネル（たとえば、機体、尾翼、主翼などのコンポーネントパネル）でもよく、第１の被加工物１２のそれぞれは「縦通材」、第２の被加工物１４は「外板」であってもよい。当然ながら、パネル１０は以下に説明する種々の実施形態の一例である。このように、本発明は航空機部品の製造においてとりわけ有益であるが、自動車、船舶、その他の分野の構造部品を製造する際にも同様に利用できる。

添付の図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の実施の形態に従って第１および第２の被加工物１２、１４を互いに接合する方法をごく詳細に示す。これに関して、第１の被加工物１２は、互いに直交しそれぞれ面１２ｐ_１、１２ｐ_２に沿って設けられた下部加工フランジ１２−１と中央加工ウエブ１２−２を一体的に含むことが観察される。本実施の形態において、第１の被加工物１２はさらに上方部分１２−３を有する。図２Ａ〜図２Ｃでは、上方部分１２−３をフランジとして示しているが、上方部分１２−３は円筒形、正方形など他の形状でもかまわない。

当然ながら、第１の被加工物は他の構成によって設けられてもよく、これによって本発明の範囲から逸脱するものではないと理解される。よって、断面構造において、Ｉ型梁、Ｃ型梁、Ｌ型梁、Ｕ型梁、オメガ型梁、逆Ｔ型梁などの構成も、本発明の実施に際して問題なく使用される。

この例示的実施の形態において、下部フランジ１２−１は第２被加工物１４の平面１４−１と隣接接触する。図に示すように、平面１４−１は被加工物の面１２ｐ_１と下部フランジ１２−１とに平行である。図２Ａに示すように、フランジ１２−１と被加工物表面１４−１は、摩擦撹拌接合に先立って被加工物１２、１４の初期の位置付けをするために、下部フランジ１２−１の側縁部に沿って任意の接着剤ビード１８（もしくは界面シーリング剤(interface sealant)）を含んでいてもよい。

面１２ｐ_１、１２ｐ_２でそれぞれ規定される下部フランジ１２−１とウエブ１２−２の間に設けられた結合領域２０によって、座面２２が確立される。本実施の形態において、座面２２はアーチ状の凹型形状を有している。つまり、図２Ａに示すように半径ｒのアーチ状の凹面となっている。図２Ｂに示すように、結合領域２０にある座面２２のアーチ状凹型形状は、ＦＳＷツール３０に付随するツール肩部３０−１のアーチ状凸型対応形状を収容する。凹型座面２２が凸型ツール肩部３０−１をぴたりと係合するかたちで収容することにより、外向きに伸長するピン３０−２がフランジ１２−１とウエブ１２−２との間の連結領域２０に向けてある角度をもって配置される。つまり、ＦＳＷツール３０とそこから伸長するピン３０−２は、面１２ｐ_１に対して０度より大きく９０度より小さい、好ましくはおよそ１５度から６０度の範囲の角度θを保つ中心線ＣＬを有することになる。よってこのような方法により、図２Ｃに示すように、摩擦撹拌接合領域１６は面１２ｐ_１、１２ｐ_２間の結合領域２２の一部を包含する実質的サイズで形成される。これによって、フランジ１２−１の実質的部分が、ツール３０を収容し被加工物１２、１４間の充分な接合を実現するのに不必要な箇所として除去することができ（たとえば図２Ｃの鎖線で示すように）、同時に軽量化が図れる。さらには、はるかに大きく強固な接合領域１６が得られる。

本発明の他の実施の形態を図３および図４に示す。図３に示すように、ウエブ１２−２’とフランジ１２−１’をつなぐ座面２２’は、面１２ｐ_１’に対しておよそ４５度（プラスマイナス１５度）の角度をつくる平面形状である。よって、座面２２’はＦＳＷツール３０’の平面肩部３０−１’を荷重関係にて無理なく受け入れるよう構成される。さらに、ツール３０’のピン３０−２’は、実質的に面１２ｐ_１’および１２ｐ_２’の結合領域を貫通するように、面１２ｐ_１に対して角度を保つことが観察される。

図４に示す実施の形態において、ウエブ１２−２”とフランジ１２−１”をつなぐ座面２２”は、ＦＳＷツール３０”の肩部３０−１”のアーチ状凹型形状にぴったり合うアーチ状凸型形状である。図３に示す実施の形態同様、ピン３０−２”は、実質的に面１２ｐ_１”および１２ｐ_２”の結合領域２０”を貫通するように、面１２ｐ_１に対して角度を保つ。

よって、図３および図４に示す各実施の形態において、それぞれＦＳＷツール３０’、３０”の動作によって、面１２ｐ_１’、１２ｐ_１”と面１２ｐ_２’、１２ｐ_２”の結合領域２０’、２０”を包含する実質的サイズで摩擦撹拌接合領域（図３、図４には不図示）が形成される。よって、こうした方法により、フランジ１２−１’、１２−１”の終端部（図３、図４において二重鎖線で示す）を除去することができ、それに伴い重量を軽減することができる。さらには、はるかに大きく強固な接合領域が得られる。

本発明は現在最も実用的でかつ好適な実施形態と思われるものに関連して説明してきたが、本発明は開示された実施形態には限定されず、反対に添付特許請求範囲の趣旨ならびに範囲に含まれる様々な改変ならびに等価物を包含することを意図するものであることを理解されたい。

Claims (6)

1. 摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）によって第１の被加工物および第２の被加工物を互いに接合する方法であって、
   （ａ）互いに直交する構造部材と、その間に位置し所定の形状の座面を規定する結合領域と、を有する前記第１の被加工物を設ける工程と、
   （ｂ）前記第１の被加工物の前記構造部材の一方を前記第２の被加工物の表面に隣接接触させる工程と、
   （ｃ）ＦＳＷツールの肩部を前記第１の被加工物の互いに直交する前記構造部材の間に位置する前記結合領域の前記座面に加圧接触させ、前記ＦＳＷツールの前記肩部より伸長するピンを前記第１の被加工物の前記構造部材の１つに対しある角度方向をもって貫入させて、前記第１の被加工物と前記第２の被加工物の間に摩擦撹拌接合領域を形成することによって、前記第１の被加工物と前記第２の被加工物を互いに接合する工程と、
   を備え、
   工程（ｃ）においては、前記ＦＳＷツールのピンは、前記第１の被加工物の前記構造部材の１つによって確立される平面に対し０度より大きく９０度より小さい角度をもって配置され、
   前記座面はアーチ状の凸型形状をなし、前記ＦＳＷツールの前記肩部は前記座面にぴったり係合するアーチ状の凹型形状をなし、
   工程（ｃ）においては、前記ＦＳＷツールのピンを前記第１の被加工物の前記構造部材に対しある角度方向をもって貫入させた状態で、前記ＦＳＷツールを、前記第１の被加工物の長手方向に沿って移動させて摩擦撹拌接合領域を形成する
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第１の被加工物の少なくとも一の側縁部および前記第２の被加工物の対応箇所に接触する接着剤ビードもしくは界面シーリング剤を設ける工程をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の被加工物の向かい合う側縁部および前記第２の被加工物の対応箇所に接触する接着剤ビードもしくは界面シーリング剤を設ける工程をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の被加工物は、Ｚ型梁部材、Ｉ型梁部材、Ｃ型梁部材、Ｌ型梁部材、Ｕ型梁部材、オメガ型梁部材、逆Ｔ型梁部材から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）システムであって、
   第１の被加工物と第２の被加工物であって、
   前記第１の被加工物は互いに直交する構造部材とその間に位置し所定の形状の座面を規定する結合領域を有し、
   前記第１の被加工物の構造部材の一方が第２の被加工物と隣接接触し、両者間の接合を可能にする構造を有する前記第１の被加工物と前記第２の被加工物と、
   前記座面にぴったり係合する形状の肩部と、前記肩部より伸長するピンを有するＦＳＷツールであって、
   前記ＦＳＷツールの前記肩部は、前記肩部より伸長する前記ピンが前記第１の被加工物の構造部材の１つに対しある角度方向をもって貫入することができるよう、前記第１の被加工物の互いに直交する構造部材間の前記結合領域において前記座面と加圧接触が可能であり、これにより前記第１の被加工物と前記第２の被加工物の間に摩擦撹拌接合領域を形成するＦＳＷツールと、
   を備え、
   前記ＦＳＷツールの前記肩部と前記座面とがぴったりと係合することで、前記第１の被加工物の前記構造部材の１つによって確立される平面に対し０度より大きく９０度より小さい角度をもって前記ピンを配置でき、
   前記座面はアーチ状の凸型形状をなし、前記ＦＳＷツールの前記肩部は前記座面にぴったり係合するアーチ状の凹型形状をなすとともに、
   前記ＦＳＷツールは、前記ピンが前記第１の被加工物の前記構造部材の１つに対しある角度方向をもって貫入した状態において、前記第１の被加工物の長手方向に沿って移動する
   ことを特徴とする、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）システム。
6. 前記第１の被加工物は、Ｚ型梁部材、Ｉ型梁部材、Ｃ型梁部材、Ｌ型梁部材、Ｕ型梁部材、オメガ型梁部材、逆Ｔ型梁部材から選択されることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。

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