JP7357014B2 - 膨張を誘導する熱処理を施して二元金属部品を作製する方法 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、互いに対して２つの構成部材を含む部品、とりわけ構成要素を作製する方法である。本作製は、１つの構成部材又は２つの構成部材の変形を誘導する熱処理を実施する。本方法により、その幾何学形状が参照形に対応する部品を得るように、その誘導変形を考慮することができる。

アルミニウムは、航空構造体において、特に胴体要素又は翼要素において壁板又は縦材の形でよく使用される材料である。飛行機の翼の作製は、翼の上部（上面）の領域に配置される壁板と翼の下部（下面）の領域に配置される壁板とを使用することを想定している。上部壁板及び下部壁板はそれぞれ異なる応力に曝される。上部壁板は、高い圧縮応力に耐えるように良好な静的機械耐性を示さなければならない。下部壁板は、引張応力に曝され得るように高い損傷耐性を示さなければならない。翼において、下部壁板及び上部壁板はとりわけ縦材により繋がれている。これらの縦材は、上面に繋がる縦材の上部分が高い圧縮機械耐性を示し、一方で下面に繋がる縦材の下部分が高い損傷耐性を示すように最適化されていなければならない。

国際公開第２００７０６８９４３号は、構造要素作製方法を記載している。国際公開第９８５８７５９号は、摩擦攪拌溶接による作製方法を記載している。

欧州特許出願公開第１７９９３９１号明細書は、２つの異なるアルミニウム合金を溶接することにより得られ且つそれぞれ高い圧縮機械耐性と高い損傷耐性とを呈する構造要素、例えば縦材を得るのを可能にする作製方法を記載している。２つの合金の溶接はとりわけ、英語用語の摩擦攪拌溶接（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）で表記される摩擦攪拌溶接により実行され得る。摩擦攪拌溶接により、溶接されるべき部品がその間中液相にある、融接方法によっては溶接不可能な合金の組合せを確かに実行することができる。そのように、摩擦攪拌溶接の際、溶接されるべき部品は固相にある。その溶接により、２ＸＸＸ型の合金と７ＸＸＸ型の合金とを組み合わせることができる。２ＸＸＸ型の合金が下面の仕様書に適合しており、一方で７ＸＸＸ型の合金が上面の仕様書に適合していることが知られている。それらの溶接により、下面と上面とを繋ぐのに最適な特徴を有する構造要素を得ることができる。

以前に引用された文献によれば、溶接後の焼き戻しは、幾つかの機械特性、例えば腐食耐性を向上させるように実行される。

国際公開２００７０６８９４３号 国際公開９８５８７５９号 欧州特許出願公開第１７９９３９１号明細書

後に記載される本発明の発明者は、以前に記載された方法の改良を、特に５メートルを超える、さらには１０又は１５メートルをも超えるかなりの長さの部品を作製するための方法の改良を提案する。

本発明の第１の目的は、第１のアルミニウム合金で形成される第１の構成部材と第２のアルミニウム合金で形成される第２の構成部材とを用いて二元金属部品を作製する方法であり、第１及び第２のアルミニウム合金は互いに対して異なっており、第１の構成部材及び第２の構成部材は、
－長手軸に沿って、５メートルを上回る長さに従って、
－及び、その長手軸に垂直な側面軸に沿って、長さの１０分の１を下回る幅に従って
延びており、
本方法は以下の工程：
－組合せ部品を得るように、長手軸に沿って第１の構成部材を第２の構成部材に組み合わせることと、
－組合せ部品に熱処理を１００℃～２５０℃の温度に従って施すことと、その熱処理は組合せ部品の変形を誘導する、第１のアルミニウム合金内の及び／又は第２のアルミニウム合金内の冶金的性質の変化に影響された、いわゆる誘導変形であり、
－その後に上記誘導変形が残存する、室温への冷却と
を含み、
本方法は、組合せの前に、
ａ）作製の終わりに取得したい形に対応する参照形を定義することと、
ｂ）熱処理による組合せ部品の誘導変形を推定することと、
ｃ）熱処理後に部品が参照形に従って延びるように、工程ａ）の際に定義された参照形と工程ｂ）の際に推定された変形とを考慮して、第１の構成部材の初期形と第２の構成部材の初期形とを定義することと、
ｄ）第１の構成部材及び第２の構成部材を、工程ｃ）の際に定義されたそれぞれの初期形に従って得ることと
を含むことを特徴とする。

熱処理は、とりわけ焼き戻しであり得る。組合せは溶接により実行され得る。

合金の冶金的性質の変化とは、例えば、熱処理後に、とりわけ合金が室温に戻る際に存続する合金要素の再結晶化又は可溶化又は析出を意味する。特に凝固相析出が取り上げられ得る。この凝固相析出は、合金により形成された構成部材の変形をもたらし、その変形は合金要素の固溶体から凝固析出物への移行に関連している。

工程ｂ）の際に、組合せ部品の変形の推定はとりわけ数値モデル化により実行され得る。工程ｂ）は以下の副工程：
ｂｉ）仮想の第１の熱膨張率を第１の合金に割り当て、仮想の第２の熱膨張率を第２の合金に割り当て、仮想の時間的温度変動を定義することと、
ｂｉｉ）仮想の第１及び第２の熱膨張率と仮想の時間的温度変動とを考慮して、熱処理の影響下で組み合わされた部品の変形をモデル化することと
を含み得る。

副工程ｂｉ）の際に定義された仮想の時間的温度変動はとりわけ、熱処理の際に組合せ部品が曝される温度変化とは異なる。仮想の温度変動は最小温度と最大温度との間に広がり得る。最小温度と最大温度との間の幅は、熱処理の際に組合せ部品が曝される温度変化とは異なる。

副工程ｂｉ）の際に、仮想の第１の熱膨張率及び仮想の第２の熱膨張率並びに仮想の温度変動は実験的に定義され得る。一実施形態によれば、仮想の第１及び第２の熱膨張率並びに仮想の温度変動は、
－実験的な誘導変形を得るために、組合せ部品を代表する試験部品に熱処理を施すことと、
－モデル化された変形を得るために試験部品を数値でモデル化することと、そのモデル化は仮想の第１の熱膨張率、仮想の第２の熱膨張率及び仮想の温度変動を考慮しており、
－モデル化された変形が試験部品の変形に対応するように、仮想の第１の熱膨張率、仮想の第２の熱膨張率及び仮想の温度変動を調整すること
により定義することができる。

別の実施形態によれば、各々の構成部材の熱処理前と熱処理後との間の寸法差に対応する冶金的変形を膨張率測定により計測することから、仮想の第１の熱膨張率、仮想の第２の熱膨張率及び仮想の温度変動を定義することができる。計測は試験片について実行され、各々の試験片はそれぞれ第１の構成部材及び第２の構成部材を代表するものである。合金間の仮想の熱膨張率の差は、仮想の温度変動の考慮によって、膨張率測定により実行された計測に調整され得る。

工程ｂ）の際に、モデル化は２つの合金の弾性挙動を考慮している。そのモデル化は、各々の合金に対して異なるヤング率を考慮してもよい。

一実施形態によれば、第１の合金は２ＸＸＸ型のアルミニウム合金であり、第２の合金は７ＸＸＸ型のアルミニウム合金である。熱処理が焼き戻しである場合、仮想の第１の熱膨張率は最低限、仮想の第２の熱膨張率を上回り得る。

一実施形態によれば、組合せは溶接により実行され、熱処理は焼き戻しである。本方法は、溶接と焼き戻しとの間の組合せ部品の中間形を定義するために、溶接に起因する組合せ部品の変形を推定する工程ｂ’）を含むことができるので、工程ｃ）の際には、組合せ部品の参照形及び中間形を考慮して、第１の構成部材及び第２の構成部材の初期形を定義する。工程ｂ’）を、とりわけ数値モデル化により実行することができる。その工程は以下の副工程：
ｂ’ｉ）補助的な仮想の第１の熱膨張率を第１の合金に割り当て、補助的な仮想の第２の熱膨張率を第２の合金に割り当て、補助的な仮想の時間的温度変動を定義することと、
ｂ’ｉｉ）補助的な仮想の第１及び第２の熱膨張率と補助的な仮想の時間的温度変動とを考慮して、溶接中の部品の変形をモデル化することと
を含み得る。

本発明の第２の目的は、５メートルを上回る、好ましくは１０メートルを上回る長さにわたり延びている、本発明の第１の目的に従って実現される部品である。

本発明の第３の目的は、輸送車両の構成部材、例えば航空機の構成部材、例えば飛行機の翼又は尾翼の縦材を作製するために本発明による部品を使用することである。

他の利点及び特徴は、限定されない例として与えられ且つ以下に列挙される図上に表される本発明の特定の実施形態の以下の記述からはっきりと判明する。

図１Ａは、作製されるべき二元金属部品、この場合は縦材を示す。 図１Ｂは、二元金属部品の対向する２つの末端の詳細を示す。 図１Ｃは、二元金属部品の対向する２つの末端の詳細を示す。 図１Ｄは、試験部品を示す。 図１Ｅは、部品、いわゆる試験部品を用いて実験で得られた変形を概略的に示す。その図では変形が誇張されている。 図２Ａは、焼き戻しの影響下での部品の変形のモデル化を実行するために考えられた仮想の温度変動を示す。横軸及び縦軸はそれぞれ温度及び時間を表す。 図２Ｂは、焼き戻しの影響下での部品の変形のモデル化を示す。 図３Ａは、第１の実施形態による方法の主工程を示す。 図３Ｂは、第２の実施形態による方法の主工程を示す。 図４Ａは、溶接に起因する変形のモデル化を示す。 図４Ｂは、溶接に起因する変形のモデル化を示す。 図５は、溶接に起因する、さらには焼き戻し、いわゆる溶接後の焼き戻しに起因する部品の変形のモデル化を示す。 図６Ａは、溶接による組合せ部品の形に対応する形、いわゆる中間形のモデル化を示す。 図６Ｂは、図６Ａに示される中間形からの、焼き戻しに起因する変形のモデル化を示す。 図７Ａは、参照形に従って延びている部品を示す。 図７Ｂは、焼き戻し後のその変形により図７Ａで示された参照形を得ることができる、組合せ部品の形を示す。 図７Ｃは、その組合せにより図７Ｂに示された組合せ部品を得ることができる、２つの構成部材を示す。 図８Ａは、図７Ａに示される部品に類似した、参照形に従って延びている部品を示す。 図８Ｂは、溶接後に図８Ａに示される部品を得るのを可能にする２つの構成部材を示す。

図３Ａ、４、５、６Ａ及び６Ｂ、７Ａ～７Ｃ、８Ａ～８Ｂでは、Ｚ軸に沿った変形は、Ｙ軸に用いられる寸法に対して１０倍に増大されている。

他に指定されない限り、合金の表記は、米国アルミニウム協会により規定された表記に対応する。

構造要素とは、装備品の構造体の構成要素を意味する。本請求において構造要素は、例えば飛行機の翼に、とりわけ航空構造物の胴体又は別の要素用の補強芯を特に指し示す。

図１Ａは、第１のアルミニウム合金Ｍ１に従って作製された第１の構成部材１１と、第２のアルミニウム合金Ｍ２に従って作製された第２の構成部材１２とを含む縦材１０を概略的に示す。第１のアルミニウム合金Ｍ１は例えば２ＸＸＸ型の合金であり得るのに対し、第２のアルミニウム合金Ｍ２は７ＸＸＸ型の合金であり得る。第１の構成部材１１及び第２の構成部材１２は、長手軸Ｙに沿って、長さｌの界面１３に沿って互いに対して配置される。本発明は主に、かなりの長さに沿って組み合わされる異なる材料の２つの構成部材を組み合わせることにより作製される部品に関する。界面１３の長さは通常、５ｍ又は１０ｍを上回る。その長さは例えば５ｍ～２０ｍである。縦材１０は長手軸Ｙに沿って、２つの末端ＡとＢとの間に延びており、その末端の各々の詳細は図１Ｂ及び１Ｃに示されている。側面軸Ｚに沿った部品１０の幅は、末端Ａと末端Ｂとの間で、それぞれおよそ５００ｍｍ～８００ｍｍと１５０ｍｍ～４００ｍｍとの間で変化する。横手軸Ｘに沿った部品の厚さは、例えば５０ｍｍと１５０ｍｍとの間である。Ｙ軸及びＺ軸により定義される平面は主平面Ｐ_ＹＺである。

従来技術の作製方法によれば、第１の構成部材１１は溶接により第２の構成部材１２に組み合わされる。従来技術に関連して示されるように、摩擦攪拌溶接は特に、融接方法では溶接され得ないアルミニウム合金の溶接を実行するのに適している。摩擦攪拌溶接は界面１３に沿って行われる。溶接後、縦材１０は、幾つかの特性、特に腐食耐性及び／又は機械耐性を向上させるように焼き戻し、いわゆる溶接後の焼き戻しを施される。焼き戻しは、以下のパラメータ：毎時３０℃での１５５℃までの上昇、続いて１５５℃で１８時間の維持を有し得る。

発明者は、溶接が縦材１０の変形を誘導することを確認した。発明者は同様に思いがけずに、溶接後の焼き戻しが同様に、主平面Ｐ_ＹＺでの曲がりの出現で表される縦材１０の十分な変形を誘導することを確認した。溶接後の焼き戻しの際に２つの変形現象が生じ、組合せ部品の誘導変形に至る。それらは、
－焼き戻し後に室温に戻る際に熱膨張が全く観測されないという意味で可逆性である熱膨張と、
－応力の導入及び緩和、合金要素の再結晶化又は可溶化又は析出のような冶金的性質の変化に起因する冶金的変形である。熱膨張とは異なり、冶金的変形は室温に戻る際に存続する。冶金的変形は、実施される冶金的現象に応じて膨張又は収縮をもたらし得る。例えば、凝固相析出は、合金要素の固溶体から凝固析出物への移行に関連する体積変化に主に原因があるとする変形を誘導する。作製されるべき部品が例えば１メートル程度のわずかな長さの部品である場合、そのような変形はあまり知覚され得ないが、長さが増し、例えば５又は１０メートルを超える場合、対応する寸法の変化は十分になり得る。

熱処理を組合せ部品上に施した後、その組合せ部品の誘導変形はとりわけ、各々の構成部材に影響を及ぼす、以前に記載されたような冶金的変形に起因する。同様に、２つの構成部材が互いに対して繋がっていることに関連する応力を考慮しなければならない。組合せのために、第１の構成部材の変形は、第２の構成部材の弾性により影響を受け、その逆も同様である。

試行実験は、第１の合金Ｍ１が２０５０型合金であり、第２の合金Ｍ２が７１４０型合金であり、界面長が１６ｍに等しい場合、焼き戻しによる部品の変形が、５９ｍｍの矢印Ｆを画定する曲がりをもたらすことを示した。図１Ｄは、焼き戻し前では図１Ａに示されるような直線形に従って現れる試験部品２０を概略的に示す。図１Ｅでは、焼き戻しに起因する変形後の試験部品２０_ｄを主平面Ｐ_ＹＺにおいて示した。

図１Ｅに示されているように、矢印Ｆは、検討される部品、この場合は試験部品２０_ｄとその試験部品の末端を繋ぐ直線Ｄとの間の最大距離に対応する。

そのように、通常５又は１０メートルを上回る長い長さにわたり延びる２つの構成部材の溶接を実行し、そのように組み合わされた部品１０_ａに焼き戻しを実行する際、その形が焼き戻し前の組合せ部品１０_ａの形とはかなり異なる部品を得る。

現時点では、そのような変形のシミュレーションを可能にする計算コードは存在しない。それは、焼き戻し中の合金内での析出に起因する構成部材の膨張を正確にシミュレートするのが困難であるということに由来する。発明者は変形モデルｍｏｄを設定することで、焼き戻しにより生じる変形をモデル化しようとした。

発明者により提案されるモデル化は、仮想の第１の熱膨張率α_１を第１の合金Ｍ１に割り当て、仮想の第２の熱膨張率α_２に第２の合金Ｍ２を割り当てることから成る。検討される実施例では、仮想の第２の熱膨張率α_２は零とみなされる。このように、焼き戻しの影響下の組合せ部品１０_ａの誘導変形は、合金Ｍ１の構成部材１１と合金Ｍ２の構成部材１２との間の冶金的変形の差と、構成部材が組み合わされているために自由に膨張することから解放されていないことにより生じる弾性変形とに原因がある。

本発明者により提案されるモデルｍｏｄによれば、焼き戻しは、時間ｔに応じた単純な温度変動Ｔ（ｔ）と同等にみられる。とりわけ温度の連続変動、例えば線形変動が取り上げられ得る。温度変動Ｔ（ｔ）はモデル化を目的として仮想的に定義されており、焼き戻し中の実際の温度変化には対応していない。その変動を用語「仮想の温度変動」で表記する。モデルｍｏｄは、単純な膨張を考慮しつつ、部品の構成部材のうちの１つを形成する合金の等方性熱膨張のみに基づいて、組合せ部品１０_ａの変形をシミュレートすることを目指す。

発明者により提案されるモデルｍｏｄは、合金Ｍ１及びＭ２の機械特性、例えばヤング率及びポアソン比を考慮している。モデル化は、有限要素法による計算ソフトウェア、例えば出版元ＭＳＣ社により市販のシミュレーションソフトウェアＭＡＲＣにより実行され得る。それにより、仮想の温度変動Ｔ（ｔ）の影響下の各々の構成部材の熱機械的変形を推定することができる。

モデルｍｏｄの目的は、組合せ部品１０_ａが焼き戻し中に被る変形を容易に予想することである。組合せ部品１０_ａの形から、変形部品１０_ｄのモデル化を得るように、焼き戻しにより誘導される変形をモデル化する。モデル化の目的は、焼き戻し後に部品が参照形１０_ｒｅｆに従って延びているように、焼き戻し前の組合せ部品１０_ａの形を定義し得ることである。参照形は、焼き戻し後に部品１０に与えたい形に対応する。

重要な面はモデルｍｏｄのパラメータ表示であり、特にアルミニウム合金Ｍ１及びＭ２の仮想の熱膨張率α_１及びα_２を決定し、仮想の温度変動Ｔ（ｔ）を定義することである。それらのパラメータは、試験部品２０で実行される試行実験に基づいて又は各々の合金に対して同一温度で２つの計測の間で観測される膨張の計測に基づいて実験的に決定される。試験部品２０を用いる場合、この試験部品は、好ましくは組合せ部品１０_ａと同一の寸法及び／又は組成のものである。試験部品２０が組合せ部品１０_ａと全く同一である必要はない。しかしながら試験部品２０の組成は、焼き戻しに由来する変形の十分に精密なモデル化を可能にし得るために、組合せ部品１０_ａの組成を十分に表しているものでなければならない。試験部品２０で行われる試行実験により、図１Ｄ及び１Ｅに概略的に示されているように、実験で決定される変形２０_ｄを得ることができる。観測された変形から、モデルｍｏｄのパラメータ、この場合はα_１、α_２及びＴ（ｔ）を定義することができる。

金属合金の挙動についての利用可能な知識に応じて、モデルｍｏｄの幾つかのパラメータを先験的に固定することができる。例えば、第１の合金Ｍ１が２０５０型であり、第２の合金Ｍ２が７１４０型である場合、先験的にα_２＝０と考えられ得ることを確認した。

本発明の特異性は、本モデルを考慮した仮想の温度変動Ｔ（ｔ）が焼き戻しを左右する温度変化に必ずしも対応していないことである。仮想の温度変動Ｔ（ｔ）は、変形の正しいモデル化を可能にするように実験で観測される変形に基づいて任意に定義される。以下の実施例において、仮想の温度変動Ｔ（ｔ）は線形増加関数である。仮想の、つまり部品で行われる焼き戻しと相関のない温度変動に基づくことにより、組合せ部品の熱機械的変形の現実的なシミュレーションを得るのを可能にする、熱膨張モデルのみに基づいた単純なモデル化を得ることができる。

第１の合金Ｍ１及び第２の合金Ｍ２にそれぞれ割り当てられた仮想の熱膨張率α_１、α_２に関して、それらの仮想の熱膨張率は、本モデルで考慮された仮想の温度変動Ｔ（ｔ）を考慮することで、実験上の変形を正しく推定するのを可能にするように決定される。

一実施例によれば、先験的に、仮想の温度変動Ｔ（ｔ）を定義し、次に第１及び第２の合金にそれぞれ、試験部品２０について実験で観測される変形を正しくモデル化するのを可能にする仮想の熱膨張率α_１、α_２を割り当てる。

モデルｍｏｄのパラメータが固定されている場合、焼き戻し後に参照形１０_ｒｅｆを得るのを可能にする組合せ部品１０_ａの形を定義するように変形をモデル化することができる。

第１の実施例によれば、図１Ａ～１Ｃに示された部品に類似の試験部品２０は焼き戻しを被る。本部品の実験的な変形２０_ｄが観察され、その変形に基づいてモデルｍｏｄのパラメータを決定する。

別の実施例によれば、試験片について実行された膨張率測定による計測に基づいて、モデルｍｏｄのパラメータを決定することができる。その場合、計測された膨張間の差に応じて仮想の第１の熱膨張率と仮想の第２の熱膨張率とを決定する。各々の試験片は第１の合金若しくは第２の合金を代表するものである。そのような計測に基づいて、第２の合金、この場合は合金７１４０に仮想の熱膨張率α_２＝０を割り当てた。図２Ａに表示されるような線形増加する仮想の温度変動Ｔ（ｔ）を定義した。この変動は焼き戻し期間を通して１℃の漸次増加を表している。図２Ａにおいて横軸は時間ｔを表し、座標ｔ＝１は焼き戻しの終了に対応する。縦軸は初期温度からの温度変動を摂氏度で表す。第１の合金（合金２０５０）の仮想の熱膨張率α_１は実験で膨張率測定により決定された。この実施例ではα_１＝０．０５％／℃である。

本モデルにおいて考慮される仮想の温度変動Ｔ（ｔ）が最小温度Ｔ_ｍｉｎと最高温度Ｔ_ｍａｘとの間に広がっていることに注目する。温度較差Ｔ_ｍａｘ－Ｔ_ｍｉｎは１℃である。その温度較差は従って、焼き戻し中に誘導される温度変化ΔＴとは異なる。本モデルにおいて考慮される仮想の温度変動Ｔ（ｔ）の目的は、焼き戻しを通しての実際の温度変化を表すことではない。変形が熱膨張効果のみに起因すると仮定して、その温度変動により、焼き戻しに起因する変形のみをモデル化することができる。

そのように開発されたモデルｍｏｄを、図２Ｂにおいて点線で表されたモデル化された部品１０_ａに適用する。図２Ｂにおいて濃淡表示される変形部品１０_ｄのモデル化を得た。濃淡度は、側面軸Ｚに沿って計測された変形に対応する。そのモデルによれば、５６ｍｍの高さ方向の撓みを得る。実験で計測された値は５９ｍｍに達する。モデルにより及び実験によりそれぞれ得られた撓み値の間の一致は、モデルにより与えられたモデル化の質を証明している。

変形モデルｍｏｄを定義したので、次に、組合せ後に組合せ部品１０_ａを得るのを可能にする第１及び第２の構成部材の初期形１１_ｉ、１２_ｉを得ることができ、焼き戻し後の組合せ部品の形は、先験的に決定された参照形１０_ｒｅｆに対応する。

図３Ａは、本発明による部品作製方法の主工程を概説している。

工程１００：２つの構成部材１１及び１２を組み合わせ、組合せ部品１０_ａに熱処理を実行した後に取得したい参照形１０_ｒｅｆを決定する。

工程１１０：焼き戻し後に部品１０_ｒｅｆを与えることになる第１の構成部材１１及び第２の構成部材１２の組み合わせにより形成される部品１０_ａの変形を反復法により推定するように、変形モデルｍｏｄを適用する。変形モデルｍｏｄはとりわけ、以前に言及され且つ後続の実施例に記載されるような、数値変形モデルである。そのモデルはとりわけコンピュータを用いて実現され得る。

工程１２０：工程１１０に際に推定された変形に応じて、第１の構成部材１１の第１の初期形１１_ｉと第２の構成部材１２の第２の初期形１２_ｉとを定義する。

工程１３０：第１の初期形１１_ｉに従って第１の構成部材１１を得て、第２の初期形１２_ｉに従って第２の構成部材１２を得る。

工程１４０：組合せ部品１０_ａを得るように、第１の構成部材を第２の構成部材に組み合わせる。その組合せを、溶接により、又は第１の構成部材１１と第２の構成部材１２との接着又は締め付けにより得ることができる。

工程１５０：作製された部品１０が焼き戻し後に変形して参照形１０_ｒｅｆを得るように、組合せ部品１０_ａに焼き戻しを施す。

工程１１０は、焼き戻しの際に変形する部品のモデル化を求める必要がある。そのようなモデル化は、工程９０の対象である変形モデルｍｏｄを事前に設けることを想定している。工程９０は以下の２つの副工程を含む。

副工程９２：試験片について膨張率測定による計測を実行する。各々の試験片は第１の合金又は第２の合金を代表するものである。代わりに副工程９２は、以前に記載されたような試験部品の変形を実験で観測することを含んでもよい。

副工程９４：副工程９２による計測から、熱機械的変形モデルのパラメータを定義する。以前に記載されたように、パラメータは仮想の熱膨張率α_１及びα_２並びに仮想の温度変動Ｔ（ｔ）である。

図３Ｂと関連して記載される一実施形態によれば、組み合わせはそれ自体で、例えば膨張を介して第１の構成部材１１及び／又は第２の構成部材１２の変形をもたらす。本方法は、組合せの際の変形を考慮することもあり得る。それはとりわけ、組み合わせが溶接である場合である。変形モデルｍｏｄ_ａｕｘ、いわゆる補助変形モデルにより、組合せの際の変形をモデル化することができる。

その場合、工程１１０は同様に、第１の構成部材１１及び第２の構成部材１２の組合せの際の変形を推定することを含む。工程１２０の際、
－参照形１０_ｒｅｆから、変形モデルｍｏｄにより、焼き戻しに起因する変形を考慮して組合せ部品１０_ａの形、いわゆる中間形１０_ｉｎｔを定義し、
－中間形１０_ｉｎｔから、中間形１０_ｉｎｔから、溶接に関する補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘを考慮して、第１の構成部材の初期形１１_ｉと第２の構成部材の初期形１２_ｉとを定義する。

この場合、工程１１０は、溶接時に変形される部品のモデル化を求める必要がある。そのようなモデル化は、工程８０の対象である補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘを事前に設けることを想定している。補助変形モデルの設定は以下の２つの副工程を含む。

副工程８２：作製されるべき部品１０を代表する試験部品に溶接を実行し、実験的な変形を得る。

副工程８４：実験的な変形から、補助変形モデルのパラメータを定義する。後に記載されるように、パラメータは補助的な仮想の熱膨張率α’_１及びα’_２並びに補助的な仮想の温度変動Ｔ’（ｔ）である。

補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘの設定は、以下に図４と関連付けて記載される。

補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘは、焼き戻しに対応する変形モデルに類似している。そのモデルは、
－仮想の温度変動、いわゆる補助的な仮想の温度変動Ｔ’（ｔ）と、
－第１の構成部材１１に割り当てられる補助的な仮想の第１の熱膨張率α’_１と、
－第２の構成部材１２に割り当てられる補助的な仮想の第２の熱膨張率α’_２と
を考慮している。

補助モデルｍｏｄ_ａｕｘのパラメータ、つまり補助的な仮想の熱膨張率α’_１及びα’_２並びに補助的な仮想の温度変動Ｔ’（ｔ）は、溶接操作を表す試行実験に応じて調整される。工程８０に関連して示されるように、試行実験は試験部品を用いて実行される。溶接中に、試験部品を形成する構成部材は変形し、それらの変形の特徴が表れる。次に、実験で得られた変形の正しいモデル化を可能にする補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘのパラメータを決定する。

実験にて、そのような補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘを定義した。第１の合金、この場合は合金２０５０に補助的な仮想の熱膨張率α’_１＝０を割り当てた。図２Ａに示される温度変動に類似する線形増加する温度変動Ｔ’（ｔ）を定義した。横軸の座標１は溶接の終了に対応する。縦軸は、初期温度からの温度変動を摂氏度で表している。第２の合金（合金７１４０）の補助的な仮想の熱膨張率α’_２は、試験部品の変形のモデル化が、実験で観測される変形によく対応するように決定された。その実施例では、α’_２＝０．１２％／℃である。補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘを設定する際に各々の金属にそれぞれ割り当てられる補助的な仮想の熱膨張率が、変形モデルｍｏｄを設定する際に各々の合金にそれぞれ割り当てられる仮想の熱膨張率とは異なっていることに注目する。

図４Ａ及び４Ｂでは、補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘの第１の構成部材１１及び第２の構成部材１２への適用例を示した。補助変形モデルを適用する前、各々の構成部材は初期の参照形１１_ｉ、１２_ｉに従って延びている（図４Ａを参照）。溶接後、変形部品１０_ｄを得る（図４Ｂを参照）。事前に記載された補助変形モデルによれば、１３ｍｍの高さ方向の撓みを得る。実験で計測された値は１２ｍｍに達する。それは、補助変形モデルが、部品が溶接中に被る変形を正しくシミュレートすることができることを示す。

図５、６Ａ及び６Ｂに関連して記載される実施例は、焼き戻しを表す変形モデルｍｏｄと溶接、この場合は摩擦攪拌溶接を表す補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘの連続した適用を記載している。それらの図では初期部品１０_ｉから、
－まず、溶接に対応する補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘを設定した。このモデルによれば、第１の合金及び第２の合金にそれぞれ補助的な仮想の熱膨張率α’_１＝０％／℃、α’_２＝０．１２％／℃を割り当てる。補助的な仮想の温度変動Ｔ’（ｔ）は、図２Ａに記載されるようなものである。横座標ｔ＝１は、溶接が終了する瞬間を指し示す。
－次に、図３Ａ及び３Ｂに関連して記載される、焼き戻しに対応する変形モデルｍｏｄを設定した。このモデルによれば、第１の合金及び第２の合金にそれぞれ、仮想の熱膨張率α_１＝０．０５％／℃、α_２＝０．０％／℃を割り当てる。仮想の温度変動Ｔ（ｔ）は、図２Ａに記載されるようなものである。横座標ｔ＝１は、溶接が終了する瞬間を指し示す。

図５は、２つの変形モデルを以前に記載されたような部品１０に連続して適用する例を示す。濃淡表示された形は、２つの変形モデルｍｏｄ及びｍｏｄ_ａｕｘを連続して適用した後の変形１０_ｄのモデル化に対応する。濃淡度は、側面軸Ｚに沿って計測された変形に対応する。モデルによれば、４２ｍｍの高さ方向の撓みを得る。実験で計測された値は４７ｍｍに達する。２つのモデルの組み合わせは従って、部品が溶接及び焼き戻し中にそれぞれ連続して被る変形を忠実に表しているものとみなされる。

参照形１０_ｒｅｆを知ることで、中間形１０_{ｉｎｔｅｒ}を得るように変形モデルｍｏｄを適用することができる。この中間形は、焼き戻し後に参照形１０_ｒｅｆを得るのを可能にする組合せ部品の形に対応する。中間形１０_{ｉｎｔｅｒ}を知ることで、初期形１０_ｉｎｉｔを定義するように補助変形モデルを適用する。

図６Ａ及び６Ｂは、２つの変形モデルの連続した適用例を示す。モデルを適用する前は、部品１０が初期形１０_ｉに従って延びているので、溶接及び焼き戻し後、部品１０は参照形１０_ｒｅｆに従って現れる。

図６Ａにおいて濃淡で表示される形は、補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘを適用した後の中間形１０_ｉｎｔに対応する。図６Ｂは、図６Ａに示された中間形１０_ｉｎｔからの、焼き戻しの変形を表す変形モデルｍｏｄを適用した結果の形を示す。濃淡度は、Ｚ軸に沿って計測された変形に対応する。焼き戻しにより生じた変形により、熱処理後に参照形１０_ｒｅｆに沿って延びている部品１０を得ることができる。

図７Ａ、７Ｂ及び７Ｃは、第１の構成部材１１を第２の構成部材１２に組み合わせることで変形が生じていない場合の本発明の適用例を示す。通常は接着による組み合わせが取り上げられる。図７Ａは、得るべき参照形１０_ｒｅｆを示す。図７Ｂは、組合せ部品１０_ａの形を定義するために変形モデルｍｏｄを参照形１０_ｒｅｆに適用することにより得られる。組合せ部品は、第１の構成部材１１と第２の構成部材１２とを接着することにより得られ、その初期形１１_ｉ及び１２_ｉは図７Ｃに示されている。

図８Ａ及び８Ｂは、第１の構成部材１１を第２の構成部材１２に組み合わせることで変形が生じる場合の本発明の適用例を示す。通常は溶接が取り上げられる。図８Ａは、得るべき参照形１０_ｒｅｆを示す。補助変形モデルｍｏｄ_ａｕｘを参照形１０_ｒｅｆに適用することにより、組合せ部品１０_ａの形、いわゆる中間形を定義することができる。組合せ部品の中間形から、補助変形モデルを適用することにより、第１の構成部材の初期形１１_ｉと第２の構成部材の初期形１２_ｉとを得ることができる。初期形１１_ｉ及び１２_ｉは図８Ｂに示されている。

本発明は、特にかなりの長さにわたり、通常は５メートル、さらには１０メートルを上回る長さにわたり延びる構造要素を形成するのに用いられる部品の作製において実施され得る。

１０ 縦材
１１ 第１の構成部材
１２ 第２の構成部材
１３ 界面
２０ 試験部品
Ａ、Ｂ 末端
ｔ 時間
Ｔ（ｔ） 仮想の温度変動
α１、α２ 仮想の熱膨張率

Claims (16)

1. 第１のアルミニウム合金（Ｍ１）で形成される第１の構成部材（１１）と第２のアルミニウム合金（Ｍ２）で形成される第２の構成部材（１２）とを用いて二元金属部品（１０）を作製する方法であって、前記第１及び第２のアルミニウム合金は互いに対して異なっており、前記第１の構成部材及び前記第２の構成部材は、
   －長手軸に沿って、５メートルを上回る長さに従って、
   －及び、その長手軸に垂直な側面軸に沿って、前記長さの１０分の１を下回る幅に従って
   延びており、
   前記方法が以下の工程：
   －組合せ部品（１０_ａ）を得るように前記長手軸に沿って前記第１の構成部材（１１）を前記第２の構成部材（１２）に組み合わせることと、
   －前記組合せ部品（１０_ａ）に熱処理を１００℃～２５０℃の温度に従って施すことと、前記熱処理は前記組合せ部品の変形を誘導する、前記第１のアルミニウム合金内の及び／又は前記第２のアルミニウム合金内の冶金的性質の変化に影響された、いわゆる誘導変形であり、
   －その後に前記誘導変形が残存する、室温への冷却と
   を含み、
   前記方法が、前記組合せの前に、
   ａ）前記作製の終わりに取得したい形に対応する参照形（１０_ｒｅｆ）を決定することと、
   ｂ）前記熱処理による前記組合せ部品（１０_ａ）の誘導変形を推定することと、
   ｃ）前記熱処理の後に前記部品（１０）が前記参照形（１０_ｒｅｆ）に従って延びるように、前記工程ａ）の際に定義された前記参照形と前記工程ｂ）の際に推定された前記誘導変形とを考慮して、前記第１の構成部材の初期形（１１_ｉ）と第２の構成部材の初期形（１２_ｉ）とを定義することと、
   ｄ）前記第１の構成部材（１１）及び前記第２の構成部材（１２）を、前記工程ｃ）の際に定義されたそれぞれの初期形（１１_ｉ、１２_ｉ）に従って得ることと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記熱処理が焼き戻しであり、前記冶金的性質の変化が合金要素の再結晶化又は可溶化又は析出である、請求項１に記載の方法。
3. 前記組合せが溶接により実行される、請求項１から２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記工程ｂ）の際に、前記組合せ部品（１０_ａ）の誘導変形の推定が数値モデル化により実行される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記工程ｂ）が、以下の副工程：
   ｂｉ）仮想の第１の熱膨張率（α_１）を前記第１の合金（Ｍ１）に割り当て、仮想の第２の熱膨張率（α_２）を前記第２の合金（Ｍ２）に割り当て、仮想の時間的温度変動（Ｔ（ｔ））を定義することと、
   ｂｉｉ）前記仮想の第１及び第２の熱膨張率と前記仮想の時間的温度変動（Ｔ（ｔ））とを考慮して、前記熱処理の際の組合せ部品（１０）の変形をモデル化することと
   を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記副工程ｂｉ）の際に定義された前記仮想の温度変動（Ｔ（ｔ））が、前記熱処理の際に前記組合せ部品が曝される温度変化とは異なる、請求項５に記載の方法。
7. 前記副工程ｂｉ）の際に定義された前記仮想の温度変動（Ｔ（ｔ））が最小温度と最大温度との間に広がり、前記最小温度と前記最大温度との間の幅が、前記熱処理の際に前記組合せ部品が曝される前記温度変化とは異なる、請求項６に記載の方法。
8. 前記副工程ｂｉ）の際に、前記仮想の第１の熱膨張率（α_１）、前記仮想の第２の熱膨張率（α_２）及び前記仮想の温度変動（Ｔ（ｔ））が、
   －変形された試験部品（２０_ｄ）を得るために、前記組合せ部品（１０_ａ）を代表する試験部品（２０）に熱処理を施すことと、
   －モデル化された変形を得るために、前記試験部品を数値でモデル化することと、前記モデル化は前記仮想の第１の熱膨張率、前記仮想の第２の熱膨張率及び前記仮想の温度変動を考慮しており、
   －前記モデル化された変形が前記試験部品の変形に対応するように、前記仮想の第１の熱膨張率、前記仮想の第２の熱膨張率及び前記仮想の温度変動を調整すること
   により実験的に定義される、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記副工程ｂｉ）の際に、前記仮想の第１の熱膨張率（α_１）、前記仮想の第２の熱膨張率（α_２）及び前記仮想の温度変動（Ｔ（ｔ））が、試験片についての膨張率測定による計測から実験的に定義され、各々の試験片がそれぞれ前記第１の構成部材及び前記第２の構成部材を代表するものである、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記工程ｂ）の際に、前記モデル化が、それぞれ前記第１の合金（Ｍ１）及び前記第２の合金（Ｍ２）のヤング率を考慮している、請求項４から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１の合金（Ｍ１）が２ＸＸＸ型のアルミニウム合金であり、前記第２の合金（Ｍ２）が７ＸＸＸ型のアルミニウム合金である、請求項５から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１の合金（Ｍ１）が２ＸＸＸ型のアルミニウム合金であり、前記第２の合金（Ｍ２）が７ＸＸＸ型のアルミニウム合金であって、前記熱処理が焼き戻しであり、前記仮想の第１の熱膨張率（α_１）が最低限、前記仮想の第２の熱膨張率（α_２）を上回る、請求項５に記載の方法。
13. 前記組合せが溶接により実行され、前記熱処理が焼き戻しである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記溶接と前記焼き戻しとの間の前記組合せ部品（１０_ａ）の中間形（１０_ｉｎｔ）を定義するために、前記溶接中の前記第１の構成部材（１１）及び／又は前記第２の構成部材（１２）の変形を推定する工程ｂ’）を同様に含むので、前記工程ｃ）の際に、前記組合せ部品（１０_ａ）の参照形（１０_ｒｅｆ）及び中間形（１０_ｉｎｔ）を考慮して、前記第１の構成部材及び前記第２の構成部材の初期形（１１_ｉ）（１２_ｉ）を定義する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記工程ｂ’）が数値モデル化により実行される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記工程ｂ’）が、以下の副工程：
    ｂ’ｉ）補助的な仮想の第１の熱膨張率（α’_１）を前記第１の合金（Ｍ１）に割り当て、補助的な仮想の第２の熱膨張率（α’_２）を前記第２の合金（Ｍ２）に割り当て、補助的な仮想の温度変動（Ｔ’（ｔ））を定義することと、
    ｂ’ｉｉ）前記補助的な仮想の第１及び第２の熱膨張率と前記補助的な仮想の時間的温度変動（Ｔ’（ｔ））とを考慮して、前記溶接中の前記部品の変形をモデル化することと
    を含む、請求項１５に記載の方法。
    

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