JP5903612B2 - 摩擦攪拌溶接工具 - Google Patents

Description

本発明は、実質的に円筒形のシャンクを備える摩擦攪拌溶接工具に関する。該シャンクは一端において、該シャンクの肩領域を始点として、より小さい直径を有する突出する釘を備える。

摩擦攪拌溶接は、概ね２０年前から既知である溶接方法である。摩擦攪拌溶接では、冒頭で述べた種類の工具が、接合されるワークピースに釘側の端部によって接して配置され、回転中に移動させられる。釘及び隣接する肩領域の回転によって、又は、該回転によって発生する摩擦熱によって、接合されるワークピースの材料が加熱されると共に練り粉状になる（teigig: pasty）。接合されるワークピースの材料が十分に練り粉状になると、釘によって、接合されるワークピースの材料の完全な混合が接合領域においてもたらされる。その後、ワークピースが釘の係合ゾーンにおいて冷却されると、従来の溶接方法と比較して改善された接合箇所がもたらされ、該接合箇所においては、特に、孔及び／又は望ましくない構造の形成が存在しないことが可能である。

まだ開発されてからの年数が少ない技術であるが、摩擦攪拌溶接は既に多くの応用分野において、特に、溶解しにくい材料、例えばアルミニウム合金から成るワークピースを溶接するために使用されている。

近年では、溶解しやすい材料、例えば鋼の溶接において、摩擦攪拌溶接によって得られる利点の有益性を高めることも試みられている。ただし、溶接温度が高い場合、使用される摩擦攪拌溶接工具が多くの場合に変形するという問題が現在まで存在してきた。さらに、溶接工程において、釘又はピンがシャンクから外れるか若しくは折り取れてしまうか、又は、シャンク自体が破損する可能性も存在する。

本発明の課題は、鋼の溶接のために改良された摩擦攪拌溶接工具を提示するということである。

この課題は、冒頭で述べたような摩擦攪拌溶接工具において、該摩擦攪拌溶接工具が、少なくとも釘の領域において且つ肩領域において、１μｍを超える平均粒径を有する８０重量％〜９８重量％の炭化タングステン、及び２０重量％までのコバルト、並びに、任意選択的に、合計で１８重量％までの炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、及び／又はそれらの混合炭化物を含む硬質金属から形成されており、少なくとも、上記領域のうちの１つにおいて１つ又は複数の層から成るコーティングを備え、特に少なくとも１つの層が好ましくは、主に窒化アルミニウムチタン又は窒化アルミニウムクロムから形成されている場合に解決される。

本発明によって得られる利点は特に、炭化タングステン又はコバルトの意図されている重量比率に基づいて、摩擦攪拌溶接工具が、一方では破損することはほとんどないが、他方では、利用時又は使用時において工具の変形が生じるほど軟らかくもない基板を備えるということに見てとれる。これに関連して、焼結された工具ブランクにおける炭化タングステンの意図されている平均粒径も１μｍよりも実質的に大きいように見える。研究が示しているように、興味深いことに、平均粒径がより小さい場合、望ましい結果には至らない。粒子がより細かい場合、シャンクの必要な熱伝導性が低すぎると推測される。タングステン／レニウムに基づいた既知の解決策と比較すると、さらなる利点は、本発明による摩擦攪拌溶接工具では、溶接される材料、例えば鋼の付着傾向が全く又はほんのわずかしか観察されなかったということに見てとれる。

硬質であるにもかかわらず強靭な基板に関連して、鋼の溶接において、意図されているコーティングによって摩擦攪拌溶接工具の耐用期間が長くなる。これに関して、例えば窒化アルミニウムチタン又は窒化アルミニウムクロムから成る意図されている層が、特に肩エッジの領域において熱バリアとしての、且つ特に隣接する肩領域において磨耗保護部としての役割を果たし、それによって、摩擦攪拌溶接工具の望ましくない加熱及び変形に対しても、磨耗に対しても抵抗する。硬度が高い場合に壊れやすさを低く保つと同時に、使用時の摩擦攪拌溶接工具の変形を可能な限り回避するために、有利には、硬質金属が２重量パーセント〜１５重量パーセントのコバルトを含むように意図することができる。

さらに、硬質金属が、炭化タングステン、及び、２重量パーセント〜１２重量パーセント、好ましくは３重量パーセント〜９重量パーセントのコバルトから成ることが、詳細には上述の理由から有利である。コバルト含有量を最大９重量パーセントに制限することが特に有利である。これは、コバルトが、１０００℃よりも大きい温度においてコーティング内への拡散によって該コーディングの破壊に寄与する可能性があり、コバルト含有量が高いほどこれが促進されてしまうためである。コバルトの含有量を最小にすることは望ましい靭性のために必要であり、関連して、炭化チタン及び／又は炭化タンタル及び／又は炭化ニオブ並びに炭化混合物のようなさらなる炭化物（製造に応じた不純物を除く）の除外が望ましい。これは、これらが脆化をもたらすように作用する可能性があるためである。

炭化タングステンの平均粒径が可能な限り大きく、２μｍよりも大きく、好ましくは２．５μｍよりも大きく、特に２．５μｍ〜８．５μｍであることが、工具の耐用期間に関して特に好ましい。

意図されているコーティングを製造するために、ＣＶＤ法もＰＶＤ法も適用することができる。ＰＶＤ法によってコーティングを製造することが適切であることが分かっている。この理由は、一般的に用いられているコーティング装置を用いた場合、ＣＶＤ法では、摩擦攪拌溶接工具の部分的コーティングが可能でないということにある。これに対して、ＰＶＤ法を用いた場合、特に釘の領域において、肩領域において、且つ同様に、肩領域に隣接するシャンクの各領域内で約１０ｍｍの長さにわたってのみ、部分的コーティングを行うことができる。この部分的コーティングは、シャンクが基本的に熱を良好に放出することができることになっており、また、シャンクが最高温度に曝される各領域においてのみ、すなわち釘の領域、肩の領域、及びそこに隣接するシャンクの領域において、熱バリア及び磨耗保護部としての役割を果たすコーティング又はコーティング層が設けられることになっているという点で望ましい。

コーティングとして、好ましくは、主に窒化アルミニウムチタン又は窒化アルミニウムクロムを含む少なくとも１つの層から成るコーティング又は該少なくとも１つの層を備えるコーティングが使用される。このような層では、窒化アルミニウムの比率が、窒化チタン又は窒化クロムの比率よりも大きい。層のタイプに応じて、これらのコーティングはさらなる相（Phasen: phases）を有することができる。

必要な熱耐性及び磨耗耐性を保証するために、主に窒化アルミニウムチタン又は窒化アルミニウムクロムを含む層の層厚が０．５μｍ〜８μｍであるコーティングが実施される。

コーティングに関しては、窒化アルミニウムチタン及び窒化ケイ素又は窒化アルミニウムクロム及び窒化ケイ素から成る少なくとも１つの層を備えるナノ構造コーティングが特に好ましいことが分かっている。このようなコーティングは、それ自体で既知であり、網状物の壁厚が２ナノメートルよりも小さい、α−Ｓｉ_３Ｎ_４の多孔性網状物を備えることができる。孔においては、粒径が２０ナノメートルよりも小さい窒化アルミニウムチタン及び／又は窒化アルミニウムクロムが分散している。

摩擦攪拌溶接工具の長い耐用期間を考慮すると、コーティングの最も外部の層が、主に窒化アルミニウムチタン又は窒化アルミニウムクロムを含む層であることが特に好ましい。

摩擦攪拌溶接工具は幾何学的には、当該技術水準と同様に実現することができる。釘が実質的に円筒形に形成されている場合、特に長い耐用期間を得ることができることが示されている。ここで、釘は有利には、シャンクの軸上に配置されている。

本発明のさらなる特徴、利点、及び効果は、以下に示される実施例と、参照される図面とから明らかになる。

実質的に円筒形の釘を備える摩擦攪拌溶接工具の図である。 図１における切断線ＩＩ−ＩＩに沿った拡大断面図である。 図１による摩擦攪拌溶接工具のシャンクの一部の図である。 円筒形でない釘を備える摩擦攪拌溶接工具の図である。 図４における切断線Ｖ−Ｖに沿った拡大断面図である。 図４による摩擦攪拌溶接工具の拡大平面図である。 図６における切断線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った拡大断面図である。

図１〜図３及び図４〜図７では、本発明の範囲内で使用することができるような２つの摩擦攪拌溶接工具１が示されている。各摩擦攪拌溶接工具１は、２つの端部５及び６を備える概ね円筒形のシャンク２を備える。第１の端部５は肩領域４と共に形成されており、該肩領域は、最初は縁部又は肩エッジからシャンク２の軸Ｘに向かって１５度までの角度で下降して延在し、次に上昇して、シャンク２の中央軸Ｘ上に配置される突出する釘３又はピンに移行する。ここで、肩領域４から釘３への移行部８は、図２から見てとれるように、丸く形成することができる。釘３は、シャンク２の中央から軸Ｘの方向に観察すると、概ね５度〜１５度、好ましくは７度〜１２度の角度でわずかに先細になって形成されている。シャンク２には、さらに、第２の端部６を始点として案内溝７を設けることができ、それによって、装置における摩擦攪拌溶接工具１の取り付け及び堅固な保持を可能にする。

図１〜図３又は図４〜図７に示されている摩擦攪拌溶接工具１はそれぞれ、全体を硬質金属で製造することができる。該硬質金属は、少なくとも釘３の領域、肩領域４、及び肩領域４に隣接する、シャンク２の側方領域において（約１０ｍｍまで）コーティングされている。摩擦攪拌溶接工具１はしかしながら、２つの部分に分割して形成することもできる。第１の部分は、釘３、肩領域４、及びシャンク２の、約１０ｍｍの長さを有する第１の領域を含み、硬質金属から形成されており、第２の部分は、シャンク２の第２の端部６までの該シャンクの残りの部分を含み、鋼から形成されている。両方の部分は、例えばねじ締め又は材料結合的（stoffschluessig: by material bonding：材料の原子・分子レベルでの結合による）接合によって接合することができる。

図１〜図３に示されているような摩擦攪拌溶接工具１は、炭化タングステンに基づく様々な硬質金属から製造された。組成、ビッカース硬度ＨＶ３０、焼結による工具の製造において使用される炭化タングステン粉末の粒径、すなわちいわゆるフィッシャー粒径、及び硬質金属の厚さは、以下の表１に提示されている。フィッシャー粒径と比較して、焼結後に得られる粒径は、はるかに小さく、例えば平均フィッシャー粒径が９．５μｍの場合、２．５μｍ〜３．０μｍの範囲内にある。

表１による摩擦攪拌溶接工具１のコーティングに関しては、以下の表２に提示されるコーティングタイプを使用した。ここでは、単層コーティング（コーティング番号１及び番号９）も、多層コーティング（例えばコーティング番号４）も使用した。多層コーティングにおける個々の層の厚さ又は堅固さ（Staerke: strength：強度の観点から見た厚さ）は、一連の個々の層と同様に表２から見てとれる。

第１の一連の実験では、表１による組成又は特性を有する様々な摩擦攪拌溶接工具１に対して、釘３の領域において、肩領域４の領域において、また、肩領域４又は端部５から出発して約１０ｍｍの長さだけシャンク２においてコーティングを施した。個々のコーティングと個々の基板Ａ、Ｂ、及びＣとをそれぞれ１つずつ組み合わせて実験を行った。次いで、そのようにして製造された摩擦攪拌溶接工具１を鋼から成るワークピースを溶接するのに使用した。溶接継目の長さは２０ｍｍである。溶接に続いて、個々の摩擦攪拌溶接工具１を光学的に、また冶金的に検査した。

表３には、１つずつ組み合わせて行った実験の結果をまとめてある。この表から見てとれるように、基板Ａを備える摩擦攪拌溶接工具１では、シャンク２が３回破損した。コーティングが設けられていなかった場合は、シャンク２において、亀裂が肩領域４を始点として縦方向に生じた。基板Ｃから成る摩擦攪拌溶接工具１に関しては、コーティング無しの場合又はコーティング番号１の場合では点溶接のみが実施可能であった。これは、肩エッジの大規模な変形が生じたためである。基板Ｃがコーティング番号２、番号３、又は番号４と組み合わされた変形形態に関しては、溶接継目長さが２０ｍｍの場合、釘３が大規模な磨耗を受け、且つ／又は、シャンク２の肩領域４若しくは肩エッジが変形するか、又は、釘３が折り取れる（ピン破損）ことを確認することができた。これに対して、基板Ｂから成る摩擦攪拌溶接工具１は、コーティング番号２、番号５、番号６、番号７、又は番号８をコーティングし、溶接工程の後においても実質的に無傷であった。すなわち、大幅な変形も、釘３又はピンの消耗又は磨耗も確認されなかった。

さらなる一連の実験では、基板Ｂの他に、基板Ｄ、Ｅ、及びＦが同様に様々なコーティングと組み合わされた。鋼部分を１５０ｍｍの溶接継目長さにわたって互いに接合するために、対応する摩擦攪拌溶接工具１を使用した。摩擦攪拌溶接工具１を、第１の一連の実験におけるように光学的に、また冶金学的に検査した。結果を以下の表４に示す。

これらの表に基づいて分かるように、長さが大きい溶接継目を得ることを可能にするために、基板が、一方では実質的に約２重量パーセント〜１５重量パーセントのコバルトから、また他方では（焼結状態において）好ましくは２．０μｍを超える粒径を有する炭化タングステンから作製されており、特に熱耐性があると共に磨耗耐性があるコーティングが、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ、又はそのドーピングされた変異体、例えばＡｌＴｉＳｉＮを含む少なくとも１つの層、すなわち、（例えばＴｉＡｌＮとは異なり）窒化アルミニウムの比率が窒化チタン又は窒化クロムの比率を超える層を設けられていることが有利である。コーディング番号１、番号９、及び番号７と基板Ｂ及びＤとの組合せに関して、溶接継目長さが１５０ｍｍの場合、それぞれコーティング番号１を備える基板Ｂ及びＤのうちの一方に基づくと摩擦攪拌溶接工具１が無傷であることを確認することができた。これに対して、同一基板とコーティング番号７又は番号９との組合せにおいて、基板Ｄの場合には１４５ｍｍ又は８５ｍｍのピン破損が生じた。後者の観察に基づいて、基板Ｂ及びＤを比較して基板Ｂのコバルト含有量が低下することが有利に作用すると推測される。

さらなる一連の実験において、基板Ｂから成る摩擦攪拌溶接工具１に、窒化アルミニウムクロム及び窒化ケイ素から成る、１０μｍまでの厚さのナノ構造のＰＶＤコーティングを設け、タングステン／レニウムに基づいた商慣習上の工具と比較してテストした。それぞれ４ｍｍの厚さを有する鋼板を５５０ｍｍの全溶接長さで溶接する場合、上述したコーティングを備える基板Ｂから成る工具は磨耗の発現を示さず、また、観察された付着は皆無か又はほんのわずかであることができたが、商慣習上の工具においては、明らかな磨耗の発現も付着も確認できた。溶接継目に関しては、本発明による工具の使用時に、優れた質を確認することができた。

Claims (11)

1. 実質的に円筒形のシャンク（２）を備える摩擦攪拌溶接工具（１）であって、該シャンク（２）は一端（５）において、該シャンク（２）の肩領域（４）を始点として、より小さい直径を有する突出する釘（３）を備え、該摩擦攪拌溶接工具（１）は、少なくとも前記釘（３）の領域において且つ前記肩領域（４）において、焼結後に２μｍを超える平均粒径を有する８０重量％〜９８重量％の炭化タングステン、及び２０重量％までのコバルト、並びに、任意選択的に、合計で１８重量％までの炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、及びそれらの混合炭化物の何れかを含む硬質金属から形成されており、少なくとも、前記領域のうちの１つにおいて１つ又は複数の層から成るコーティングを備え、前記コーティングは、少なくとも２つの層を含み、
   前記２つの層のうちの一方は、主に窒化アルミニウムの比率が窒化クロムの比率より大きい窒化アルミニウムクロムおよび窒化シリコンを含む層であり、当該層は、α−Ｓｉ _３ Ｎ _４ の多孔性網状物を含むナノ構造を有し、
   前記２つの層のうちの他方は、主に窒化アルミニウムチタンまたは炭窒化チタンを含む層であることを特徴とする、摩擦攪拌溶接工具。
2. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記硬質金属は、２重量％〜１５重量％のコバルトを含むことを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌溶接工具。
3. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記硬質金属は、炭化タングステン、及び、２重量％〜１２重量％のコバルトから成ることを特徴とする、請求項１又は２に記載の摩擦攪拌溶接工具。
4. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、コバルトは３重量％〜９重量％であることを特徴とする、請求項３に記載の摩擦攪拌溶接工具。
5. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記炭化タングステンの前記平均粒径は、焼結後に２．５μｍよりも大きいことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。
6. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記炭化タングステンの前記平均粒径は、焼結後に２．５μｍ〜８．５μｍであることを特徴とする、請求項５に記載の摩擦攪拌溶接工具。
7. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記コーティングはＰＶＤコーティングであることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。
8. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記主に窒化アルミニウムチタン又は窒化アルミニウムクロムを含む層の層厚は０．５μｍ〜８μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦攪拌溶接工具。
9. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記コーティングの最も外側の層は、主に窒化アルミニウムチタン又は窒化アルミニウムクロムを含む層であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。
10. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記釘（３）は、実質的に円筒形に形成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。
11. 摩擦攪拌溶接工具（１）であって、前記釘（３）は、前記シャンク（２）の（Ｘ）軸上に配置されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。

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