(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの技術効果が材料において達成されるまで、工程（a）〜(c)を繰り返す工程：
(a)制御されたインパルスエネルギー処置の初期部分を材料の一領域に超音波衝撃ツールを用いて施す工程であって、該処置が、該エネルギーのインパルスおよび該インパルスの間の休止からなる、工程;
(b)該処置の該初期部分に対する該材料の応答をモニタリングする工程;および
(c)該処置の該初期部分に対する該材料の該応答に基づき該処置の振幅、周波数および/またはパルス幅を変調して、該材料が該処置の該初期部分に対し最小の抵抗を示すように該処置の適応部分の個々のインパルスおよび個々の休止を該材料における該応答と同期および適応させる工程であって、材料のインパルス処置に対する応答は磁歪フィードバック信号を基に決定され、該信号を使用して、該制御されたインパルスエネルギー処置のエネルギー信号のパラメータを制御して処置の間に該エネルギー信号を変調し、かつ該最小抵抗は該処置の該初期部分により処理される該領域における材料とツールから成る振動システムのQ係数の飽和により識別される、工程
を含む、材料において少なくとも1つの技術効果を達成するために、インパルス処理により、材料において少なくとも1つの既定の特性を改変または生成する方法であって、
該処置が、超音波衝撃処置であり、かつ該少なくとも1つの技術的効果が、少なくとも、降伏点および極限強度、一定方向の相対可変形性、平面応力状態および容積的応力状態における引張、圧縮、ねじり、曲げおよび剪断における、垂直応力および剪断応力による変形に対する延性および抵抗性により記述される材料限定的物理機械特性の増加；延性および衝撃強度の安定化および増加；疲労耐性およびクラック耐性の増加；接触応力耐性の増加；熱機械応力耐性の増加；熱機械疲労および時効現象耐性の増加；応力腐食不良耐性の増加；腐食-疲労不良耐性の増加；溶接金属および鋳造合金の構造の品質および均質性の増加；冷却時の金属収縮により引き起こされる危険な残留引張応力の、有利な圧縮応力への置換；構造が変態温度の領域における加熱後のクエンチングで形成された、材料の延性の増加；材料およびジョイントの熱生成プロセスおよび加工中の安定な相状態および安定な構造形成率の増加；材料の固溶体中の拡散水素量の減少；材料の歪み硬化の提供；材料の歪み合金化の提供；超微粉体の延性マトリクス中への導入に基づく材料の拡散合金化の提供；高強度複合物の形成；材料特性の熱機械的改変の提供；材料表面の硬化金属およびより延性のベースにより形成される層構造による機械強度、疲労強度および接触強度を含む機械部品の寿命および動作信頼度の増加、機械部品の熱処理の省略；機械加工により仕上げた機械部品の表面の残留引張応力の、有利な圧縮応力への置換；最小粗さを提供すること、圧縮応力を付与すること、およびその均一な分布を得ることによる、機械部品の表面品質の増加；表面に規則的かつ均一に分配されたマイクロレリーフおよびマクロレリーフを形成することによる機械部品および摩擦対の品質および寿命の制御の提供；危険なプロセス誘導残留応力の減少および再分配；製造および維持中のプロセス誘導残留応力を有する負荷保持製品および構造のサイズおよび歪み安定性の増加；部品、構造およびジョイントの製造、維持および修復における熱プロセスおよび温度勾配により引き起こされる残留応力および変形の減少および補償；応力集中領域の遷移形状を最適化し、有利な残留応力を誘導することによる危険な応力の非集中化；コーティング中の接着剤強度の増加；表面コーティングの強度、粘度および品質の増加；異種材料のメッキおよび接合；ならびにこれらの任意の組み合わせのうち少なくとも１つである、方法。
【請求項２】
インパルスが材料状態インパルス活性化期間を含み、休止が緩和期間を含み、インパルスエネルギー処置の規則的パルスは、該材料状態インパルス活性化期間の間に材料へ衝撃を提供し、一連の規格化インパルス処置により少なくとも1つの技術効果が達成される、請求項1記載の方法。
【請求項３】
材料がインパルスに対する最小抵抗に到達するまで、該インパルスを該材料に適用し、その直後に休止が開始され、該インパルスおよび該休止は、処理された領域におけるQ係数の飽和により決定される最小抵抗を有する該材料における応答と同期する、請求項1記載の方法。
【請求項４】
インパルスエネルギー処置がキャリヤエネルギー信号を含み、該キャリヤエネルギー信号の波形が、キャリヤエネルギー信号の波形が維持され、処置に対する抵抗が最小となるインパルスで処理された材料領域でのQ係数の飽和に一致する少なくとも1つの技術効果との整合性に基づくものとなるように、マイナス1(-1)から0を超える値の応力比範囲内で変化する、請求項1記載の方法。
【請求項５】
インパルスエネルギー処置が、該処置の個々のインパルスの振幅および長さを調節することにより規格化される、請求項1または2記載の方法。
【請求項６】
材料に対するインパルスの個々のインパルスに対する最小抵抗が、単一インパルスエネルギー規格化の基準となり、少なくとも1つの技術効果が該材料で達成される、請求項1記載の方法。
【請求項７】
休止の個々の休止時間長が、少なくとも1つの技術効果が達成される前に材料において変化し、インパルスからの該材料における変化を緩和するために必要とされる時間が、休止の時間長の基準となる、請求項1または2記載の方法。
【請求項８】
材料において少なくとも1つの技術効果を達成するのに必要とされる該材料への処置のエネルギーの完全なレベルが、インパルスおよび休止を規格化する基準となり、かつ、インパルス処置の繰り返し率を決定する基準となり、かつ、最小抵抗が、該休止の間の該インパルスに対する該材料の応答の漸近損失減少および個々の比例減衰により決定される、請求項1記載の方法。
【請求項９】
インパルスの個々のインパルスおよび休止の個々の休止のエネルギーおよび長さが、ランダムなものから、振幅、該インパルスの長さと該休止の長さとの比率、および繰り返し率の変化により制御されるものまでの範囲内で調節される、請求項1記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも1つの技術効果が、複数の超音波衝撃パラメータを制御することにより達成され、超音波衝撃に対する材料の応答のインプロセス制御が、0から1およびその逆の範囲内の該パラメータに対する制御確率係数の制御範囲内にある、請求項1記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも1つの技術効果を生じるための状態が、超音波衝撃により提供される誘導および/または残留変形および応力、インパルス、交互および繰り返しの応力、塑性変形、再結晶化、緩和または拡散を含み、該少なくとも1つの技術効果が、複数の超音波衝撃パラメータを制御することにより達成され、超音波衝撃に対する材料の応答のインプロセス制御が、0から1およびその逆の範囲内の該パラメータに対する制御確率係数の制御範囲内にある、請求項1記載の方法。
【請求項１２】
材料に対する超音波衝撃の物理的効果が、単独または集合的のいずれかで、少なくとも1つの技術効果を達成する少なくとも1つの状態を決定し、該少なくとも1つの状態が、
-該材料への超音波伝達のための最適状態の創出、
-拡散抵抗の減少、
-該材料のモザイクブロックサイズの減少、
-超音波衝撃中の変形抵抗の減少、
-空格子点、転位および剪断面の活性化、
-該材料における塑性変形および得られる応力の深さおよび分布の規格化、
-二次応力の分布、
-該材料のメソ構造の規格化および衝撃による動的不良に対するメソ構造の保護、
-微細硬度および該材料の深さを通した微細硬度の分布の規格化、
-該材料の再結晶化、脱ガス、ならびに構造欠陥および溶離の欠陥の形成に対する耐性の増加、
-鋳造合金および溶接ジョイントにおける結晶化状態および粒子サイズの規格化、
-該材料の構造的アモルファス化、
-応力緩和、
-変形の補償、および方向付けられた分配および再分配、
-構造欠陥の除去、ならびに
-白層の作製
のうち少なくとも1つを含む、請求項10または11記載の方法。
【請求項１３】
超音波衝撃の少なくとも1つの技術効果が、材料、製品、構造またはジョイントの製造、維持、更新または修復の条件下で得られる、請求項1記載の方法。
【請求項１４】
超音波衝撃に対する材料の応答と同期性および/または同相の該超音波衝撃の制御パラメータのセットが、該材料における処理領域でのQ係数の飽和により識別される少なくとも1つの技術効果が達成される際の該材料の該超音波衝撃に対する最小抵抗基準に基づいており、該制御パラメータのセットが下記パラメータの1つまたは複数を含む、請求項10または11記載の方法:
-圧子が同時に材料および超音波トランスデューサー先端に接触する累積時間である、超音波衝撃長、ならびに、該材料と該超音波トランスデューサ先端の間の間隙における圧子の超音波振動、
-超音波衝撃の合間の休止期間、
-所定の衝撃長または衝撃の合間の休止での衝撃の繰り返し率またはオフデューティ（off-duty）係数、
-超音波衝撃による処理表面の単位面積または処理の単位時間に関連する衝撃密度、
-材料に誘導された単一の圧痕の面積もしくは体積または塑性変形を伴う材料の体積を含む、衝撃効率、
-キャリヤ超音波振動の振幅および周波数、
-超音波周波数のキャリヤの振動により引き起こされる衝撃跳ね返りの振幅、
-材料表面に与えられ、超音波衝撃開始のプロセスを伴う静的圧力、
-超音波機械的振動のシステム供給源におけるカップリングレベル、
-等価質量、固有周波数および衝撃点における該等価質量の等価弾性、ならびに
-衝撃要素の音響弾性、質量および構成。
【請求項１５】
インプロセス制御が、下記の一連の工程を含む、請求項10または11記載の方法:
-超音波衝撃励起中の負荷条件下での、超音波振動振幅、衝撃周波数および衝撃長、電流パラメータ、少なくとも1つの技術効果を達成する際のインパルス処置に対する材料の応答および材料の品質の変化を特徴づける、超音波衝撃の合間の休止における、超音波共鳴ボディと衝撃要素と処理材料とを含むUIMシステムにおける、電流パラメータおよび固有振動の減衰率を測定することによる、実験参照データの予備決定
-超音波衝撃励起中の負荷条件下の振動振幅、衝撃周波数および長さ、電流パラメータ、実際の電流データを得るための超音波衝撃の適用による実際の動作プロセスの間の、該材料の該処置に対する該応答および該材料の任意の品質変化を特徴づける超音波衝撃の合間の休止におけるUIMの基本振動の電流および減衰係数を含む、UIMの振動パラメータの測定;
-UIMの該振動パラメータと該実験参照データとの比較;
-該参照データと該実際の電流データとを比較することにより得られる該実験参照データと該実際の電流データとの間の一致の計算、および該少なくとも1つの技術効果に基づく該一致の較正;
-一致データの制御コードへの変換;
-材料の処置への応答および該材料の処理領域でのQ係数の飽和の動力学からの制御アルゴリズムおよび制御信号の作成;および
-該少なくとも1つの技術効果を達成するのに十分な、UIMにおける超音波衝撃パラメータの自動制御。
【請求項１６】
超音波衝撃が、該超音波衝撃の効果に対する材料の応答と同期して、および/または同相で作用し、超音波衝撃パラメータが、請求項15の一連の工程により選択され、材料の容積内で少なくとも1つの技術効果を達成するのに十分なインパルスエネルギー処置の最小抵抗に従い、該最小抵抗は、該材料における処理領域でのQ係数の飽和に基づき識別される、請求項15記載の方法。
【請求項１７】
超音波が、超音波衝撃により引き起こされる超音波塑性変形領域を通じて材料中に伝達され、該超音波塑性変形領域が、Q係数の飽和が該領域で達成されるまで材料に対する一連の制御インパルス処置により形成される、請求項10または11記載の方法。
【請求項１８】
材料における処理領域の表面および容積内で少なくとも1つの技術効果を達成するのに十分な材料特性の均一分布が、処理結果の基準となり、該材料特性が請求項15記載の一連の工程の活性化インプロセス制御により得られる、請求項15記載の方法。
【請求項１９】
インパルス処理が容積的インパルス処理であり、材料の該容積的インパルス処理が、材料に対し固定された超音波衝撃ツールを用いて実施され、該超音波衝撃ツールが、間に休止を有するインパルスおよび活性化インプロセス制御により発生する材料の基本振動周波数のインパルスエネルギーの処置を開始させ、一方、該材料が、真空または不活性ガス中、特定の環境を有するチャンバ内、プロセス浴中、または戸外で、分散された静圧、分散された動的負荷、分散された熱に曝露される、または曝露されない、請求項10または11記載の方法。
【請求項２０】
材料への超音波衝撃の物理的効果が、少なくとも1つの技術効果を達成する少なくとも1つの状態を決定し、サブ表面細孔、微小クラック、大粒、樹枝状晶、拡散水素、隠れた構造応力集中、メソ構造欠陥、およびラミネーションの少なくとも1つを含む構造欠陥の除去を含み、該構造欠陥が、材料上での局所的または容積的効果により除去され、該欠陥除去が、拡散活性化、塑性変形、再結晶化、緩和および/または材料中の危険な空格子点および転位状態の最適化により引き起こされ、該効果が、超音波衝撃、該材料上の超音波衝撃波および振動、弾性または塑性変形による、該材料の表面または容積内でのインパルスエネルギー処置の組み合わせの、または独立した効果により支配され、該材料が、真空または不活性ガス中、特別な環境を有するチャンバ内、プロセス浴中、または戸外で、分散された静圧、分散された動的負荷、分散された熱に曝露される、または曝露されない、請求項10または11記載の方法。
【請求項２１】
応力集中、低い疲労耐性および低いクラック形成耐性を有する領域が、超音波衝撃ならびに得られる材料の塑性変形、幾何学的応力分散、有利な残留圧縮応力場の創出、危険な引張応力の有利な圧縮応力による置換、不利な残留引張応力の緩和、サブ表面欠陥の除去、材料構造改変、準静的、動的、サイクル的および交互負荷の条件下での材料延性の増加、これによる該材料の疲労耐性、腐食疲労耐性および/または応力腐食耐性の改善により減少し、または除去される、請求項10または11記載の方法。
【請求項２２】
制御確率因子が、超音波衝撃パラメータの繰り返し数と超音波衝撃数との間の比率により表される無次元関数であり、インパルスエネルギー処置により処理される領域において少なくとも1つの技術効果を達成するのに十分かつ必要である、請求項10または11記載の方法。
【請求項２３】
インパルスエネルギーのインパルス処置が金属および合金を加工し、変形中心での応力変動が最初に測定され、チューニングされた音響振動システムが構築され、該システムの工具-加工品負荷に対する応答が測定され、応答パラメータと同期する、および/または同相の超音波インパルスが生成され、インプロセス制御が活性化される、請求項10または11記載の方法。
【請求項２４】
熱処理される材料の処置に対する応答の検出手段として、およびインプロセス制御のアルゴリズムに基づく該材料における拡散および構造変化を活性化するのに十分な、規格化超音波インパルスおよびその間の休止の供給源として、超音波衝撃ツールを用いて材料が熱処理される、請求項10または11記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、材料/物体に対するインパルス処置を適応的に制御することにより、材料もしくは溶接ジョイントなどの物体の少なくとも1つの特定の特性を改変するかもしくは生じる、または少なくとも1つの特定の特性を有する材料もしくは物体を作製するインパルス処理の方法に関する。インパルス処置は、規格化されたインパルスおよび休止、すなわち、材料状態インパルス活性化の期間と、その合間にある緩和/休止期間との制御された適応的な交互変化を含む。インパルスおよび等価の衝撃処置のエネルギーは、様々な供給源から発生させることができるが、本発明の方法は、超音波衝撃によりエネルギーを生じさせて送達する場合に特に有利であり、この場合、エネルギーは任意の適した材料または物体、例えば、ジョイントに適用され、それにより、材料または物体の少なくとも1つの特性が、一連の制御されたインパルス処置により処理された領域において改変されるかまたは生じ、所望の技術効果が達成される。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
特定の物理的、機械的および構造的特性を有する材料およびジョイントを提供するための、材料およびジョイントの1つまたは複数の特性の改変（これは必然的に1つまたは複数の状態および/または構造の改変をもたらす）、およびその製造は、一般に、材料に対しある種のエネルギーなどの連続的処置を適用することにより、または材料に対するこの処置の確率的変換により一般に達成されてきている。そのようなものとして、材料およびジョイントの特性を変更または改変するために、ならびに、特定の特性を有する材料およびジョイントを製造する方法を提供するためにも、様々な技術が開発されている。これらの異なる技術の多くは、結果および目的が異なる技術的効果を生成する分野で開発されているが、その技術に関係なく、材料およびジョイントにおいて特定の特性および特徴を達成するという単一の統一概念により事実上統合される。この概念は、各プロセスの動作手順パラメータを制御する方法に関係なく、所望の技術効果を達成するための材料への直接的な非適応処置に基づく、技術のストリンジェントなプロセスのバリエーションに基づいている。
【０００３】
慣例により、これらの技術は2つの主な群に分けられる:(1)容積的、および(2)局所的。容積的技術は、例えば、炉加熱処理、浴メッキ、加熱溶融、および他のプロセスなどの、製品、材料またはジョイント全体への同時作用を伴う技術である。局所的技術は、溶接、超音波衝撃処理または他のプロセスなどの、製品、材料またはジョイント上での局所作用、すなわち、特定の領域への作用を伴う技術である。
【０００４】
先行技術のこれらの技術は、処置の効果、すなわち、エネルギーまたは技術への材料の応答を考慮しない「ストリンジェントな」アルゴリズムに基づき実行される。これらの技術のいくつかでは、プロセスパラメータの逸脱がモニタされ、パラメータはあらかじめ特定された値と適合するように較正される。そのようなものとして、インプロセス（in-process）制御は、処置中の材料の特性、状態または構造の変化は制御しないが、これらの技術と関連するプロセス条件は形式的に、かつストリンジェントに維持する。
【０００５】
例えば、炉加熱処理は、容積的技術の一例である。炉加熱処理中、材料は徐々に加熱され、相変態温度で維持され、その後、徐々に冷却される。長期加熱処理ランは、プロセス全体を通し、炉内および材料容積内で熱の均一な分布が必要なことに起因している。しかしながら、実際の条件下では、材料の表面および表面近くの容積から熱が逃げる望ましくない結果を補うために今度は材料の過熱を必要とする、温度勾配のための必要条件が存在する。このように、この典型的な容積プロセスは、過剰なエネルギー消費、非均一な加熱ならびに、付随する、ほとんどの場合引っ張り性である望ましくない残留応力および変形の場の形成を伴う場合がある。
【０００６】
「ストリンジェントな」局所的技術の例は、超音波表面ピーニング(「UP」と呼ばれる)である。この技術を用いると、負荷下での超音波トランスデューサと圧子との間の軽度カップリングにより起きるランダムな単一衝撃の条件下での表面の塑性変形により、所望の技術的効果が得られる。超音波表面ピーニング中のランダム衝撃の確率的性質は、不均一な表面処理をもたらし、この状態は、材料表面が完全に処理痕で覆われるまで、視覚的に、または参照試料を用いて制御される。これを達成するために、オペレータは、過剰な表面変形および起こり得る過剰硬化のための条件を生じ得るツールを用いて別のパスを使用し得る。このように、この局所的技術プロセスは、材料のメソ構造を損傷するという問題を伴い、様々な材料の特性を制限するレベルでの不均一処理、ならびに金属および合金材料の初期強度といった材料の初期強度により限定される適用領域の制限をもたらす。
【０００７】
プロセスアルゴリズムにより本質的に規定される「ストリンジェントな」技術の共通問題は、材料への作用（すなわちそのパラメータ）と、予測される効果、（すなわち材料に産み出された特性）との間の特定の関係に起こりうる外乱である。この結果、適切でないエネルギー消費、構造不良の可能性、処理された材料の表面全体および容積内における処理効果の不均一な分布、結果の大幅な分散、ならびに技術品質および信頼性の低下の可能性が生じる。
【０００８】
他の先行技術としては、圧力拡散、拡散溶接、摩擦溶接、超音波溶接、温度拡散、超音波拡散および衝撃拡散が含まれるが、それらに限定されない。圧力拡散は、接合させる材料において必要な塑性変形を生じるのに十分な静的負荷により引き起こされる拡散プロセスである。拡散溶接は、比較的長い高温への曝露および中程度の塑性変形による接触材料の原子の相互拡散により遂行される圧接である。摩擦溶接は、材料の溶接領域を、材料の接触面の摩擦で放出される熱を通じ塑性状態まで加熱するプロセスである。超音波溶接は、超音波振動下での圧接であり、この場合、溶接領域での材料加熱を伴う高周波数の機械的振動、および接合される材料の表面に垂直に適用される圧縮圧力の処置の組合わせにより溶接が行われる。温度拡散は、高温への曝露により引き起こされる拡散プロセスである。超音波拡散は、特にコーティングを適用する際の、超音波振動により引き起こされる拡散プロセスである。衝撃拡散は、衝撃処置により引き起こされる拡散プロセスである。
【０００９】
基本的な金属構造変態現象の基礎的メカニズムも先行技術で公知である。これらには、塑性変形、メソ構造の形成、金属および合金中での拡散、残留応力緩和ならびに腐食が含まれるが、それらに限定されない。塑性変形は、不連続性導入を伴わない、負荷された材料主要部の形状または寸法の残留変化である。メソ構造の形成は、金属構造材料が、約10-3〜約10μmの間のサイズを有する、外部作用に抵抗性のある比較的粗い構成物のレベルにある箇所である。金属および合金中での拡散は、格子間隔よりも大きな距離の結晶材料の原子の変位の基本プロセスである。残留応力緩和は、材料の一定の総変形、すなわち弾性変形および塑性変形を伴う逐次的な応力減少である。腐食は、化学的または電気化学的環境による攻撃の下での金属表面の劣化である。
【００１０】
金属構造変態機構に対する超音波処理の効果もまた、先行技術で公知である。多くの特性は超音波衝撃処理技術と関連する。これらの特性のいくつかには下記が含まれる：選択した処理バリエーションに依存してより大きなまたは小さな程度の、金属塑性変形のプロセスの改善；処理された材料の表面層へかなりの圧縮応力を導入することによる材料の疲労強度の改善；材料のサイジング処理および硬化処理の様々なプロセスにおける補助；処理された材料の表面層での蜂の巣状メソ構造の形成による強度特性の改善；金属中での拡散プロセスの促進；金属構造中での残留応力の緩和；ならびに、材料の処理された表面の腐食耐性の改善。材料の超音波衝撃処理と関連するこれらの特性はすべて、処理された材料の品質および信頼性を増加させ、それにより、構造および機械部品の品質および信頼性を増加させる。
【００１１】
これらの先行技術のプロセスにおいて消費されるエネルギーは、特定の技術特性を得る際の材料構造特徴および構造的挙動により律される固有のエネルギー閾値を超えるためだけでなく、処置に対する材料の応答とは関係しない非制御処置中の、抵抗における非制御(過剰)増加を克服するために、および、材料に対する処置により引き起こされる材料状態の変動を克服するために費やされる。このように、「ストリンジェントな」アルゴリズムを使用する場合、総エネルギー消費量は、特定の技術的効果を得る際の材料構造状態の固有のエネルギー閾値を超えるための総エネルギー消費量の2倍より大きい。
【００１２】
超音波衝撃処理の先行技術法を含む先行技術法は、表面処理、ランダム衝撃の確率的開始機構、処理結果の非均一分布、衝撃パラメータの限定的制御、衝撃の複雑な最適化、および材料表面に対する効果への処理条件の複雑な適合に限定される。
【００１３】
したがって、本発明は、先行技術の欠点を解決しようとするものであり、これにより、最小エネルギー消費量で所望の技術的効果を達成し、材料に時間内にエネルギーを最適に分布させ、材料の一定容積およびその表面で特定の処理結果を均一に分布させる、適応的インパルス処理法を提供する。本発明はまた、処置に対する材料の応答を直接考慮することにより衝撃インパルスを制御し所望の技術効果に対してインパルスパラメータを適合させるインパルス処理法を提供することにより、先行技術の欠点を解決しようとするものである。
【発明の開示】
【００１４】
発明の目的および概要
本発明は、材料/物体へのインパルス処置を開始し、適応的に制御することにより、材料もしくは物体(例えば、溶接ジョイント)の少なくとも1つの特定の特性を改変するか、または少なくとも1つの特定の物理的、機械的もしくは構造的特性を有する材料もしくは物体を改変もしくは作製するインパルス処理法に関する。インパルス処置は、規格化されたインパルスおよび休止、すなわち、材料状態インパルス活性化期間と、その合間にある緩和/中止期間との、制御された適応的な交互変化を含む。本発明の好ましい態様では、インパルス処置はエネルギー源のキャリヤエネルギー信号である。インパルス処理法において使用される適応的に制御されたインパルス処置のエネルギー源は、一連の制御された超音波衝撃処理インパルス処置であり、これは、任意の適した材料または物体、最も好都合には溶接ジョイントに適用されてよく、それにより、材料または物体の少なくとも1つの特定の特性が、一連の制御されたインパルス処置により処理された領域で改変されるかまたは生じ、所望の技術効果が達成される。超音波衝撃処理は、本発明のインパルス処理法により使用されるインパルス処置の好ましいエネルギー型の1つであるが、任意のエネルギー源および任意の適した材料/物体を、本発明の方法により使用してもよい。さらに、本明細書において、材料または物体において少なくとも1つの特性を改変する、または生じると言及する場合、そのような材料または物体に関する特定の状態または構造を改変または生成することをも指すことが理解されるべきである。1つの特性の改変または生成は必然的に、材料または物体の別の局面に影響を与える。
【００１５】
本発明のインパルス処理法は、材料において、所望の技術的効果、すなわち少なくとも1つの既定の特性が得られるように、様々な材料を改変または製造する際に使用され得る。本発明について、以下、材料の特定の特性を変更または改変する観点から記述するが、本発明の方法はまた、同様に、かつ同じ様式で、別に記載がない限り、特定の特性を有する材料の製造にも適用される。
【００１６】
本発明のインパルス処理法は、一連の適応的に制御されたエネルギーインパルスを、インパルス処置の形態で材料の標的領域に適用する工程を含む。インパルス処置は、規格化されたインパルスおよび休止、すなわち、材料状態インパルス活性化期間と、その合間にある緩和/休止期間との、制御された適応的な交互変化を含む。インパルスは、その振幅および長さをインパルスの周波数と共に調節することにより、制御、すなわち規格化される。このようにして、各インパルスは、規則的パルスが材料に規則的衝撃を提供するように制御され、それにより、一連の制御されたインパルスは材料の少なくとも1つの特定の特性を変更し、所望の技術的効果が達成され、インパルス処理を通じて材料による抵抗は最小となる。インパルスおよび休止は、インパルス処置に対する材料の応答と同期し、処理された領域における材料品質飽和により決定される抵抗は最小となる。
【００１７】
各インパルスは、先行技術の適用に比べ、小さなエネルギーの適用である。材料状態インパルス活性化などの各インパルスは、材料の処理領域が抵抗点に到達するまで適用される。断続的なインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化により発生する抵抗は最小となり、これにより、材料における「ソフトな」変化がもたらされる。一定の最小抵抗が材料の処理領域で生じると、インパルス処置のインパルス、すなわち、材料状態インパルス活性化が除去され、緩和/休止期間が後に続く。各緩和/休止期間により、材料は前のインパルス処置のインパルス、すなわち、材料状態インパルス活性化から回復することができ、その後、次のインパルス処置の次のインパルス、すなわち、材料状態インパルス活性化が適用され、それにより、材料は、次のインパルス処置の次のインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化を受けるための最適状態となる。各インパルスによる材料の変化は小さいので、材料の非抵抗状態に至るまでの抵抗の散逸が短い時間で得られる。したがって、インパルスおよび休止の協調が提供され、処理された材料において所望の変化または改変が達成され、材料による抵抗は最小となる。各インパルス中、すなわち材料状態インパルス活性化の期間に少量のエネルギーが適用されることにより、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化に対する材料の抵抗が最小化されるので、各インパルス後に必要とされる緩和/休止期間が最小となるため、高い周波数のインパルスが可能である。
【００１８】
本発明のインパルス処理法は、特定のエネルギー源または特定の技術に限定されない。このように、本発明は任意のエネルギー源および任意の適した技術と共に使用してもよい。例えば、本発明の方法と共に使用してもよいエネルギー源としては、一定の一連の熱、電磁気、ビーム、コヒーレント、準静的、音響、熱力学、超音波、および他の可能な作用が含まれるが、それらに限定されず、かつ、本発明の方法と共に使用してもよい技術としては、熱および冶金学的プロセス、機械的作用、電流の直接使用、様々な範囲の形状および周波数の任意の振動モード、インパルス作用、音波ならびにビームエネルギーが含まれるが、それらに限定されない。さらに、本発明の方法を使用して、金属、合金、プラスチック、アモルファス、セラミックおよび粉末材料、クラッド材料および複合物、同種および異種材料の非分離性ジョイント、ハンダ付け、溶接および拡散ジョイントなどの、しかしそれらに限定されない任意の適した材料を処理してもよい。
【００１９】
本発明の主目的は、処理材料に対し所望の技術的効果が達成されるように、制御された衝撃インパルス、処理結果の均一な分布、制御された衝撃パラメータ、処理材料への衝撃インパルスの最適化、および、前のインパルスに由来する材料への効果に基づきその後のインパルスを提供することにおける処理条件の適合、のメカニズムを有するインパルス処理法を提供することである。
【００２０】
本発明の別の主目的は、各インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化の期間中、少量の適応的に制御されたエネルギーが適用されるため、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化に対する材料による抵抗が最小化されるので、インパルスの合間にある緩和/休止期間が最小となり、そのため高周波数のインパルスを有する、インパルス処理法を提供することである。
【００２１】
本発明の別の目的は、規則的パルスが材料に対し規則的衝撃を提供するように各インパルスの周波数、振幅および長さを制御し、それにより、一連の適応的に制御されたインパルスが、材料の少なくとも1つの特定の特性を変化させるかまたは改変して、所望の技術効果を達成し、インパルス処理を通じて材料による抵抗が最小となる、インパルス処理法を提供することである。
【００２２】
本発明の別の目的は、パラメータ制御を、各インパルス処置のインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化に対する材料の応答に基づき改変し、それにより、材料が次のインパルス処置のインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化を受けるために最適な状態となる、インパルス処理法を提供することである。
【００２３】
本発明の別の目的は、各インパルスに由来する材料における変化または改変が小さく、それにより、材料の非抵抗状態に至るまでの、材料の抵抗の散逸が短時間で達成され、これにより、材料の処理領域において所望の技術効果を達成するのに必要とされる時間が減少する、インパルス処理法を提供することである。
【００２４】
本発明の別の目的は、材料もしくは溶接ジョイントの少なくとも1つの特定の特性、状態および/もしくは構造を改変する、または少なくとも1つの特定の物理的、機械的もしくは構造的特性を有する材料もしくはジョイントを作製する、より効率的な方法であり、先行技術と比べて必要とされる時間、エネルギーおよび費用が少ない、インパルス処理法を提供することである。
【００２５】
好ましい態様の詳細な説明
本発明は、材料または物体に対してインパルス処置を開始し、かつ適応的に制御することにより、溶接ジョイントなどの材料または物体の少なくとも1つの特定の特性、状態および/または構造を改変するか、または少なくとも1つの特定の物理的、機械的または構造的特性を備える材料または物体を作製する、インパルス処理法である。説明を簡略にするために、「材料」の処理について言及するが、しかしながら、明細書および特許請求の範囲におけるそのような記述は、溶接ジョイントなどの物体の処理もまた含むことが理解されるべきである。本発明の方法は、処理材料の特性と、実時間での操作手順中のインパルス処理の作用に対する材料の応答とに基づく。本方法はまた、制御プロセス装置の操作条件と処理される材料に産み出された特性との間の直接的な関連を説明する。このように、物理的性質および本方法のメカニズムは、操作手順中の材料の物理的状態について、適切なパラメータを用いる関数関係を提供する。
【００２６】
記述全体を通して、インパルス処置に対する材料抵抗の2つの種類は、下記である:(1)衝撃中の跳ね返り（rebound）パラメータにより表される、インパルス、例えば、力のインパルスに対する材料抵抗、および(2)衝撃中の構造レベルでの内部摩擦パラメータにより表される、インパルス処置中の材料の状態における変化に対する材料抵抗。インパルス、例えば、力のインパルスに対する材料抵抗は減少し、一方、プロセスシステムのQ係数は処置、例えば衝撃処置中の塑性変形などの蓄積に伴い増加する。インパルス、例えば、力のインパルスで処置中の材料の状態における変化に対する材料抵抗は増加し、一方、プロセスシステムQ係数の増加は、衝撃インパルスなどの処置中に緩慢になる。これは、そのQ係数が飽和する1つの理由である。複数のインパルスの合間の休止期間中、材料状態変化に対する抵抗は減少し(緩和)、一方、緩和プロセス中の内部摩擦損失の減少を通じ、材料のQ係数が飽和まで増加する。これは、下記で記述するように図2においてグラフにより、さらに説明する。
【００２７】
さらに、本発明の説明全体を通して、3つの種類のQ係数が存在すると考えるべきである。第1の種類のQ係数は、振動システムのQ係数であり、処理表面からのツールの跳ね返り中に現れる。第2の種類のQ係数は、負荷下での振動システムの関連Q係数であり、超音波衝撃の圧子(intender)がコンセントレータ先端および加工品表面の両方と接触する時などの、衝撃中、すなわち、インパルスを導入する振動ボディと処理ボディとの接触中に現れる。第3の種類のQ係数は、衝撃中に変化し、かつ負荷下の振動システムの関連Q係数に寄与する、材料Q係数である。材料に対する処置の緩和の結果、材料Q係数は休止中に安定する。
【００２８】
このように、本発明の、特性を改変し、特定の特性を有する材料を作製する方法は、以下を含む：(1)エネルギー源、例えば適応的に制御されたインパルス処置により、材料に影響を与える工程、(2)一連の基準に基づき作用に対する材料の応答を評価する工程、(3)材料の表面および容積内へ、高品質で安定性と一貫性がありかつ均一な分布となる作用を提供して、材料による抵抗を最小とし、したがって、時間およびエネルギーの消費を最小にするために、処置に対する材料の応答に基づいて材料に対するエネルギー源の処置を変調、同期、かつ適応させる工程、(4)変調、同期および適応させたエネルギー源の処置により、材料に影響を与える工程、および、(5)材料において所望の技術効果が達成されるまで工程(2)〜(4)を繰り返す工程。このように、実時間での処置に対する材料の応答に由来するプロセスパラメータに対して、フレキシブルな制御アルゴリズムを利用することができる。
【００２９】
特定の特性を有する材料を改変および作製する方法では、エネルギー信号、例えば一定の一連の熱、電磁気、ビーム、コヒーレント、準静的、音響、熱力学、超音波および他の適したエネルギー型を材料に適用して作用させ、この作用の付与中に、材料内に固有抵抗応答を生じさせる。抵抗が増加するにつれ、この応答は一定のエネルギー閾値を超えるまで続き、作用が続く限り繰り返される。最終的には、構造レベルでエネルギー閾値を超え、少なくとも1つの所望の技術効果が達成される。
【００３０】
本発明による、インパルス処理により材料における特定の特性および状態を改変および作製する方法の好ましい態様を図1に示す。具体的には、エネルギー信号の形態のエネルギー源を、材料、例えば物体に、その材料への初期処置、すなわち初期インパルス処置として適用し、この場合、材料はこの初期処置に応答する。その後、この応答を評価する。その結果、制御信号が発生し、変調の型が選択される。変調の型は、処置の振幅、周波数およびパルス幅に基づく。初期処置に対する材料の応答に基づき、インパルス処置の振幅、周波数および/またはパルス幅を改変してもよい。その後、変調を同期化してもよく、適応的インパルス処置を材料に適用してもよい。その後、材料は適応的処置に応答する。その後、この応答を評価して、処置抵抗制御、品質表示、および励起調節および材料の処置を決定する。1つまたは複数の変調要素を再び改変し、同期化し、適応的インパルス処置の形態で材料に適用してもよく、この場合、材料は再び適応的インパルス処置に応答する。この一連の工程は、所望の技術効果が材料において達成されるまで行われ得る。本発明の方法の好ましい態様の工程については、以下、より詳細に記述する。
【００３１】
本発明のインパルス処理法では、エネルギー源、および対応するエネルギー信号は、処置として材料の標的領域に適用されるエネルギーのインパルスであり、ここで、処置はエネルギー信号に含まれてもよく、またはそれらと並列であってもよい。インパルス処置は、規格化されたインパルスおよび休止、すなわち、材料状態インパルス活性化期間と、その合間にある緩和/休止期間との、制御された適応的な交互変化を含む。インパルスは、その周波数、振幅、および/または長さを調節することにより、制御、すなわち規格化される。このように、各インパルスは、規則的パルスが材料に規則的衝撃を提供するように制御され、それにより、一連の適応的に制御されたインパルスは材料の少なくとも1つの特定の特性を変更し、所望の技術的効果が達成され、一連の制御されたインパルス、すなわちインパルス処理またはインパルス処置全体を通し、材料による抵抗は最小となる。インパルスおよび休止はインパルス処置に対する材料における応答と同期し、処理領域内の材料品質飽和により決定される抵抗は最小となる。
【００３２】
各インパルスは、先行技術の適用と比べ、小さなエネルギーの適用である。各インパルス処置の各インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化は、材料が抵抗点に到達するまで適用される。断続的なインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化により生じる抵抗は最小となり、材料の「ソフトな」変化をもたらす。「ソフトな」とは、抵抗が最初に感知され、材料の処理領域で一定の最小抵抗が生じる時点での、材料状態に関する。この時点で、インパルス、すなわち、材料状態インパルス活性化が除去され、緩和/休止期間が後に続く。各緩和期間により、材料は、前のインパルス、すなわち、材料状態インパルス活性化から回復することができ、その後に、次のインパルス処置のインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化が適用され、それにより、材料が次のインパルス処置のインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化を受けるために最適な状態となる。各インパルスに由来する材料の変化は小さいので、材料の非抵抗状態に至るまでの抵抗の散逸が短時間で達成される。したがって、インパルスおよび休止の協調、すなわち、材料状態インパルス活性化期間と緩和期間との、制御され、かつ適応的な交互変化の協調が提供されると、処理材料において所望の変化または改変が達成され、材料による抵抗は最小となる。各インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化の期間の後に必要な緩和/休止期間は最小となるので高周波数のインパルスが可能であり、これは、各インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化の期間中に適用されるエネルギー量が少ないため、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化に対する材料による抵抗が最小に抑えられるからである。最小抵抗は、好ましくは、インパルス処置に対する材料の応答の、漸近的損失の減少および個々の比例減衰により決定される。
【００３３】
このように、材料に対する任意の作用は、作用抵抗の変動、すなわち、インパルスまたは材料状態インパルス活性化期間と、これらの変動の合間の休止における(材料抵抗により引き起こされる)材料状態の緩和とを伴う。このように、特徴または特性の変化に関連する、材料に対する任意の作用は、材料状態の変動の発生を律し、所望の技術効果が得られる。このようにして、材料または材料セグメントの表面および容積内の両方において、構造レベルで、生じる状態変動とその応力波への変換とを超える明確に定義された周波数のエネルギー閾値を伴う特定の作用により引き起こされる、特定の材料の固有の(個々の)特性を獲得することができる。
【００３４】
材料へのエネルギー源の作用は、抵抗の変動と、同期性および/または同相である。この同期性により、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間の合間の、休止、すなわち緩和期間における過剰な作用が除去され、このため、所望の技術効果の達成の際の材料による抵抗が最小化される。この同期性により、局所的(部分的)周波数および振幅感応性の共振を発生させることもまた可能となり、これにより、超音波変形と同様に、特に変形作用に対する抵抗および拡散の促進を減少させ得る。
【００３５】
作用およびそれに対する材料の応答を同期させる3つの可能な方法があり、好ましくは、下記の信号を用いて実時間での抵抗変動、すなわちインパルスまたは材料状態インパルス活性化期間の観点で表現される：中で起きている方向付けられた状態変化中の材料のリスニング、処理領域における変化動力学および材料品質飽和のモニタリング、および/または作用に対する材料の巨視的応答の記録。これらの信号は、材料の固有のパラメータと、材料の挙動および材料が影響を受ける同調制御プロセス装置についての情報を含む関連パラメータとの両方を表すことができる。作用およびそれに対する材料の応答を同期させる3つの方法は下記である：(1)構造上のノイズの、音響信号の直接測定;(2)所望の技術効果を達成するのに十分である一定の処置下での、抵抗変動の合間、すなわちインパルスまたは材料状態インパルス活性化期間の合間の休止における材料品質の測定;または、(3)処置に対する材料の応答と同期性および/または同相の、処置の合間の休止における材料の基本振動の減衰の記録。3つの方法のいずれを使用してもよいが、どの同期性を使用するかは、材料の特定の特性を改変する、または特定の性質を有する材料を作製する、特定のタスクにより決定され得る。
【００３６】
本発明の方法は、実時間での処置に対する材料の物理的応答に関する情報を使用することに基づき、この情報を使用して、既存の材料の特定の特性を改変する、または特定の特性を有する材料を作製する方法およびプロセス条件を特定する。さらに、応答は、材料の改変または材料の作製の間の処理領域の材料抵抗基準から評価される。
【００３７】
図2は最小抵抗基準に基づく、本発明の処理法実施の概略図である。図2を参照すると、各インパルス処置(T1)は、インパルスまたは材料状態インパルス活性化期間、すなわち、特定の技術効果を達成するための材料抵抗に関する固有の時間(t1)と、緩和/休止期間、すなわち、処置抵抗を緩和するための固有の時間(T1-t1)とを含む。図2に示されるように、インパルスまたは材料状態インパルス活性化期間(t1)の間、材料に適用されるエネルギー源のエネルギー信号出力W(1)が増加する。同一の期間中、得られる品質Q(2)もまた、所望の技術効果レベルに向けて増加するが、衝撃処置抵抗Ri(3)、すなわち抵抗活性化は所望の技術効果レベルに向かって減少する。材料状態インパルス活性化期間(t1)の初期には、処置に対する材料による抵抗Rch(4)は低く、所望の技術効果レベル付近であるが、しかしその後、インパルスまたは材料状態インパルス活性化期間(t1)の終末に向け、著しく増加する。
【００３８】
インパルス処置(T1)の緩和/休止期間(T1-t1)の間、エネルギー信号出力W(1)が材料から除去され、得られる材料品質Q(2)は増加し、所望の技術効果レベル付近で一定のままであるが、衝撃処置抵抗Ri(3)、すなわち抵抗活性化は低く、所望の技術効果レベル付近に減少したままである。また、処置に対する材料による抵抗Rch(4)は、各インパルス処置(T1)の緩和/休止期間(T1-t1)を通して所望の技術効果レベルに向かって著しく減少する。材料による抵抗は、処理領域の材料品質から実時間で評価されるが、得られた結果の基準として、最小の材料品質が、材料の損失特性の飽和から評価される。
【００３９】
材料に影響を与える様式は、材料への作用に対する材料の応答の性質およびパラメータに関して選択されるが、応答は、材料の特定の特性の改変または特定の特性を有する材料の作製中の、作用に対する抵抗の観点から表現される。
【００４０】
このように、材料に対するインパルス作用の条件は、材料において特定の改変効果を達成する、または作用に対する抵抗が最少である特定の特性を有する材料を作製する条件について、どのインパルスエネルギーパラメータ(振幅および長さ)が選択されたかにより特定される。一方、処理領域の材料状態を緩和するのに十分であるように、各インパルス処置の各インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間の合間の休止が選択され、これにより処置に対する材料による抵抗が減少し、それにより、材料は次のインパルス処置のインパルス、すなわち材料状態インパルス活性化を受けるために最適な状態となる。
【００４１】
キャリヤエネルギー信号の周波数、振幅および長さを含む、キャリヤエネルギー信号、すなわちインパルス処置のパラメータを、その後、決定する。具体的には、キャリヤエネルギー信号の周波数は、所望の技術効果が達成されるように影響を受ける材料への最適エネルギー移動の状態に基づき、インパルス繰り返し率の倍数として設定される。振幅は、材料または物体において特定の特性を改変または作製するタスクにより規定されるインパルスエネルギーを提供するのに十分であるように特定され、決定される。所定の振幅では、長さ、すなわちパルス幅は、単一のインパルスに関連する所望の技術効果が、この単一処置に対する材料の抵抗が最小となって達成されるように特定され、決定される。
【００４２】
キャリヤエネルギー信号パラメータ、すなわち、インパルス処置パラメータが一旦決定されると、周波数、振幅、パルス幅またはそれらの組み合わせを変調することにより、信号インパルスを発生させるための方法が選択される。そうする場合、達成すべき所望の技術効果に照らし、材料の特性の分析に基づき設定された基本変調パラメータを考慮しなければならない。
【００４３】
図3は、本発明の、材料品質飽和基準、すなわち、得られる材料品質Qに基づくエネルギーキャリヤ信号の形状変化の概略図である。好ましい態様では、キャリヤエネルギー信号の波形は、波形が維持され、かつ処置に対する抵抗が最小になる処置領域での材料品質飽和に従う所望の技術効果との整合性に基づくように、「-1」から0を超える値の応力比範囲内で変化する。最大応力比値はプラス1(+1)である。しかしながら、そのようなレベルでは振動は存在せず、波形は静的であるため、この最大範囲は実際の物理的意味においては重要ではない。図3を参照すると、応力比は下記のように表される:
0005552209.tif 000002
。さらに、処置に対する材料の固有の抵抗は得られる材料品質に類似する。従って、これらはどちらも、期間(T1-t1)の終わりでの材料の最小損失に間接的に比例する。これは、式では下記のように表される:
0005552209.tif 000003
。
【００４４】
キャリヤエネルギー信号のパラメータおよび変調インパルスを制御するために、電流を使用することができる場合には、所望の技術効果が達成されるのに従って、処置に対する材料の応答を、キャリヤエネルギー信号の電流から決定することもできる。図4は、キャリヤエネルギー信号の電流からの材料応答測定の概略図である。図4に示されるように、特定の技術効果が達成されるための材料抵抗に対する固有の期間(t1)、すなわち、インパルスまたは材料状態インパルス活性化期間中、電流強度I(1)は増加し、一方、得られる材料品質Q(2)は所望の技術効果レベルに向かって増加し、処置に対する材料の固有の抵抗Rch(3)は、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間(t1)の初めには低くかつ所望の技術効果レベル付近であり、その後、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間(t1)の終わりに向かって著しく増加する。インパルス処置(T1)の、緩和/休止期間、すなわち処置抵抗を緩和するための固有の期間(T1-t1)中に、電流強度I(1)が除去され、得られる材料品質Q(2)は、増加したまま、所望の技術効果レベル付近で一定であり、かつ処置に対する材料構造の抵抗Rch(3)は、所望の技術効果レベルに向かって著しく減少する。
【００４５】
所望の技術効果に到達するための特定の条件下での固有の材料の特性に従い、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化のエネルギーおよび長さ、ならびにそれらの間の休止の長さが、以下のパラメータの全範囲内で制御される：タスクにより規定されるように、ランダムな確率的なものから振幅の変化により制御されたものまでの、オフデューティ（off-duty）係数(インパルスと休止との間の比率、すなわち、材料状態インパルス活性化長と衝撃の合間の休止期間との間の比率)、および繰り返し率、すなわち、頻度。特定の構造、状態、または特性を達成するように材料を改変する所望の技術効果を達成する間、この効果に対する材料の抵抗の動力学変化を考慮して、材料へのインパルス作用の一連の制御を決定する。図5は、ランダムな確率論を反映しかつ特許請求に係る発明の特徴における制御を反映しないランダムパラメータ範囲と比較した場合の、制御パラメータ範囲の全パラメータ範囲にわたる、インパルスエネルギー、インパルス長および合間の休止の制御を示す。
【００４６】
好ましい態様では、超音波衝撃に対する材料の応答と同期する、および/または同相の、超音波衝撃の制御されたパラメータは、材料の処理領域での材料品質飽和により識別される少なくとも1つの技術効果が達成される際の材料への超音波衝撃に対する最小抵抗基準に基づく。制御されたパラメータは好ましくは下記パラメータの1つまたは複数を含む：圧子が同時に材料および超音波トランスデューサー先端に接触する累積時間である、超音波衝撃長、ならびに、材料と超音波トランスデューサ先端の間の間隙における圧子の超音波振動;超音波衝撃の合間の休止期間;所定の衝撃長または衝撃の合間の休止での衝撃の繰り返し率またはオフデューティ係数;超音波衝撃による処理された表面の単位面積または処理の単位時間に関連する衝撃密度;材料に誘導された単一の圧痕の面積もしくは体積または塑性変形を伴う材料の体積を含む、衝撃効率;キャリヤ超音波振動の振幅および周波数;超音波周波数のキャリヤの振動により引き起こされる衝撃跳ね返りの振幅;材料表面に与えられ、超音波衝撃開始のプロセスを伴う静的圧力;超音波機械的振動のシステム供給源におけるカップリングレベル;等価質量、固有周波数および衝撃点における等価質量の等価弾性、ならびに音響弾性、衝撃要素の質量および構成。
【００４７】
図6について言及すると、本発明の方法によれば、材料へのインパルス処置のパラメータを制御するアルゴリズム基準は、所望の技術効果の条件下での材料の固有の特性の分析結果に基づく抵抗パラメータの分散を反映する確率制御因子である。したがって、確率的制御係数(ki)は、インパルス処置に対する応答のパラメータ数、すなわち、パラメータ繰り返し数(ri)と、所望の技術効果が達成されるのに十分なインパルスの総数、すなわち衝撃数(ni)との間の比率により表される無次元関数である。これに基づき、本発明の方法を実行および規定する基本条件により、0から1への、および逆への制御確率係数の変化の範囲内で材料に対する処置のパラメータを制御することが可能であり、一方、この係数は、所望の技術効果が達成される際の処置に対する材料抵抗の固有のパラメータにより決定される。
【００４８】
本発明の方法は、所望の技術効果が達成されるのに従って、材料に影響を与える過程にわたるインプロセス制御のために必要な全ての条件を提供する。本発明の方法の好ましい態様では、所望の技術効果を達成するために材料に影響を与える過程にわたるインプロセス制御のために必要な全ての条件は、エネルギー源として超音波を使用して達成され得る。図7(a)および7(b)を参照すると、好ましいインプロセス制御は下記の通りである:
(1)超音波衝撃励起中の負荷条件下での、超音波振動振幅、衝撃周波数および衝撃長、電流パラメータ、ならびに、所望の物理および/もしくは技術効果またはそれらの相互依存的組み合わせを達成する際の、処置に対する材料の応答およびその関連した品質の変化を特徴づける、超音波衝撃の合間の休止における、超音波共鳴ボディと衝撃要素と処理材料と(UIM)を含むシステムにおける、電流パラメータおよび固有振動の減衰率を測定することによる、実験参照データの規定および予備決定;
(2)超音波衝撃励起中の負荷条件下の振動振幅、衝撃周波数および長さ、ならびに電流パラメータ、ならびに、超音波衝撃処理の適用による実際の操作プロセス中の、処置に対する材料の応答およびその関連した品質の変化を特徴づける、超音波衝撃の合間の休止におけるUIMシステムの電流および固有または基本振動の減衰係数の測定;
(3)実際のプロセス中のUIMシステムの振動パラメータと実験参照データとの比較;
(4)比較により得られる実験参照データと実際の電流データとの間の一致の決定(計算)、および、所望の技術効果に基づくこの較正;
(5)データの制御コードへの変換;
(6)処置に対する材料の応答および影響を受けた領域での関連する品質飽和の動力学からの、制御アルゴリズムおよび制御信号の生成;および
(7)所望の技術効果を得るのに十分な、UIMにおける超音波衝撃パラメータの自動的制御。
【００４９】
本発明の方法の適用の下記実施例は、本発明を説明するものであり、いかなる意味においても本発明を制限するものではない。
【００５０】
金属機械加工
金属機械加工は、連続した一連の弾性および塑性変形、硬化、過剰硬化、チップルートでの処理表面の金属引き剥がし、および機械加工中に切削ツールの前に常に形成される前方向クラックを伴う。本発明の方法を使用すると、変形中心で高負荷の応力変動を引き起こすこれらの繰り返しプロセスは、下記でさらに詳細に記述するように「加工品-ツール-機械」システムの要素の音響的チューニングにより、一定の条件下で、チップルートにおける切削ツールおよび応力領域の共鳴変位の好ましい同期および同相の交換を、容易にもたらすことができる。具体的には、変形中心での応力変動を測定し、チューニングされた音響振動システムを構築し、本システムのツール-加工品負荷への応答を測定し、応答パラメータと同期したおよび/または同相の超音波インパルスを発生させ、インプロセス制御を作動させる。これにより、高強度鋼および合金を含む鋼鉄の切断抵抗の倍数的な減少、機械加工精度およびツール寿命の改善、および機械性能の拡大がもたらされる。この例では、本発明の方法により、変調、変形中心での固有応力変動の効率および調節された切削抵抗の減少が、最小のエネルギー消費を伴って、外部エネルギー源由来の超音波インパルスにより増強される。
【００５１】
図8について言及すると、音響活性化機械加工プロセスの概略図が示されている。このように、図8は、変形、変形中心での応力パルセーション周波数測定(作用抵抗)、励起調節および作用マッチングと、機械加工プロセスと共に使用した本発明の超音波インパルスの発生との関係をグラフにより示したものである。
【００５２】
アーク溶接
アーク溶接は、溶融金属および母材の強い加熱、溶接部からの熱遮断、および温度勾配の形成を伴う。これらの相互依存的プロセスは、適正温度を達成し、より冷たい領域での溶接可能性を提供するために、溶融プールへの追加のエネルギーの導入を必要とするが、過剰なエネルギー、および従って入熱により、溶融プールおよび溶接金属の冷却時に、望ましくない残留応力および変形を有する領域が形成される。このように、上記状況により表される溶融金属の固有の抵抗は、溶接プロセス効率をある程度制限する。
【００５３】
本発明の方法は、溶融金属および溶接部に導入されるエネルギーに対する抵抗を、各インパルスにおけるそのレベルを最小に抑えることにより、および次のインパルスの前の休止において溶接部の状態を緩和することにより、最小化する。したがって、入熱最小化、ならびに、インパルスの合間の休止における溶融金属および溶接金属の状態の緩和は、溶接されたジョイント金属の構造およびその変形モードに対し好ましい効果を有する。本発明の方法により特定される効率は、そのタスクにより規定される、溶接電流エネルギーインパルスの繰り返し率、もしくは溶接電極または溶接材料、例えば溶加材の振動を選択することにより提供される。具体的には、アーク（arc）溶接は、本発明の方法に従い、入熱最小化、溶接金属および溶接付近ゾーンの特定の品質、残留応力および変形の最小化の関連基準に基づき設定された振幅、長さおよび繰り返し率を有する正規化インパルスにより変調される超音波周波数の電流を用いることにより、ならびに特定のプロセス効率を提供することにより、実施される。
【００５４】
図9は超音波周波数の電流を用いたアーク溶接の概略図である。示されるように、単一溶滴形成期間は各インパルス処置のインパルス、すなわち、材料状態インパルス活性化期間に対応する。また、溶融プールへの単一溶滴移動期間は各インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間の合間の緩和または休止の期間に対応する。
【００５５】
超音波衝撃処理(UIT)
従来の超音波衝撃処理(UIT)は、プロセスの全ての有益な特性と共に、非均一的な処理の可能性、多すぎるパスの使用による金属の処理領域の過剰硬化の可能性、望ましいメソ構造の破損の可能性、ならびに処理材料への超音波の好ましい導入の合間におけるエネルギー過剰消費および非均一特性を生じる、ランダム衝撃事象を伴う。本発明の方法はUITのこれらの問題を解決する。具体的には、UITと共に使用する場合、本発明の方法は、制御された衝撃、材料の均一な処理、材料の処理領域の過剰硬化の可能性の減少、強化されたメソ構造、材料の処理領域に導入される超音波の合間における最小エネルギー消費および均一特性を提供する。本発明の方法はまた、プロセスの互換性、規格化および一貫性に対する厳密な要求を伴う工業条件下でのこの先進的UIT技術の適用領域を拡大し、これは、広範囲の機械および航空、海洋、宇宙、自動車および鉄道輸送における製造につながる。図10に示されるように、UITの適合、すなわち、本発明の方法により使用されるUITにより、確率的衝撃UITで得られる特性に比べ、より精密で、より規定され、より均一な範囲の所望の特性が得られる。
【００５６】
UITによる超音波の導入
上記の詳細に加え、超音波衝撃処理(UIT)は、超音波衝撃を伴い、その長さは、例えば、超音波ピーニング中に生じる単一衝撃の長さとは非常に異なる。超音波衝撃は、金属などの材料中へ超音波を運ぶ効果的な方法である。本発明の方法によれば、UITは材料中への超音波の導入を最適化し、導入パラメータおよび作用の持続期間を制御する。このように、超音波は、超音波塑性変形領域を通じて材料中に伝達され、いかなる表面状態の導入とも独立であって、これは図11(a)〜11(c)に示される通りである。具体的には、図11(a)〜11(c)は超音波衝撃による超音波の発生の一例を示したものである。超音波塑性変形領域(T)、すなわち、インパルスまたは材料状態インパルス活性化期間では、衝撃領域の応力(σ)および得られる材料品質(Q)は減少し、その後、超音波緩和領域、すなわち緩和期間中は実質的に一定のままである。
【００５７】
塑性変形を有する超音波衝撃領域での金属飽和を伴う、材料中への超音波の効果的な導入のための基本条件は、このプロセスに伴う「ツール-物体」振動システムの品質の改善(最大飽和まで)である。具体的には、磁歪フィードバック信号は、トランスデューサにおける損失およびそれに音響的に付随した物体の質量についての客観的な情報源である。処理プロセスでは、物理的状態および付随した質量は変化する。したがって、「ツール-物体」振動システムの全(得られる)Q係数もまた変化する。塑性変形が累積することを考慮すると、処置領域における物体表面の反射力は増加する(飽和まで)。その後、処置による物体振動に対する抵抗は減少するが、この常に変形する振動システムにおいては損失が減少するということの証拠として、Q係数は、飽和と称されるある値まで一定に増加し、これは所望の技術効果に対応する。
【００５８】
今や、本発明の方法による超音波衝撃処理を使用して、疲労、応力腐食、接触および研磨不良、時効現象（aging）、腐食および熱機械的疲労に対する耐性の増加、負荷容量の増加、空気中および侵食環境中の材料強度のレベルにおける動的、可変および準静的負荷に対する耐性、残留応力および変形作用に対する補償、緩和、この作用により条件付けられるプロセスにおける拡散速度の増加、鋳造、溶接金属、粉末、複合物およびクラッド材料の品質および構造の向上、非分離性ジョイントおよび保護コーティングにおける材料構造品質および接着効率の改善などの、しかしそれらに限定されない、増えつつある工学的問題に対処し得る。
【００５９】
容積的超音波処理(VUT)
容積的超音波処理(VUT)は、定位置に強固に固定された超音波衝撃ツールを用いた超音波衝撃による超音波処理の実行である。材料は、上記のように発生された基本周波数で、超音波によりインパルスの影響を受ける。本発明の方法によれば、材料状態、特性または構造の改変は、プロセス中に制御される。
【００６０】
VUTは、材料への分散された静圧、分散された動的負荷、分散された加熱の下で、またはそれら無しで、真空または不活性ガス中で、特別な環境を有するチャンバ内で、処理槽において、または屋外で、実施される。VUT適用の1つの例は複雑な形状の大きな構造物の有益な緩和処理である。本発明の方法によれば、容積的超音波処理により残留応力および変形が減少し、熱処理を省略することができる。VUTは材料中での超音波および応力インパルスの均一な分布を伴い、材料の容積に直接影響するので、このプロセスにおいて、エネルギー消費量は数桁減少し、これは、周囲空気への熱の損失を伴う熱処理とは異なる。
【００６１】
図12(a)〜12(e)は、材料への容積的超音波処理の一例、および必要な超音波応力振幅と緩和中の残留応力レベルとの関係を示す。具体的には、多くの溶接構造は、例えば疲労に対し、臨界値付近(材料の降伏点の0.7倍付近またはそれ以上)の残留応力プロファイルを有する。そのような状況では、残留応力がより大きいほど、構造の応力プロファイルを変化させる正の作用を有するのに必要な超音波応力がより小さい。残留応力プロファイルがより小さく、かつ例えば使用時における幾何学的安定性のために、緩和(材料の降伏点の0.5倍付近およびそれ以下)が必要な別の場合では、残留応力がより低い場合、応力プロファイルの正の変化のために必要とされる超音波応力はより大きい。
【００６２】
構造欠陥の超音波除去
本発明の方法は、処理される材料への局所的または容積的効果による構造欠陥の除去を提供する。これらの欠陥としては、サブ表面細孔、微小クラック、危険な空格子点および転位クラウド、大粒、樹枝状晶、拡散水素、隠れた構造応力集中、メソ構造欠陥、およびラミネーションが挙げられる。超音波欠陥除去の効果は、材料内での拡散、塑性変形、再結晶化、および緩和プロセスの強化に基づく。この効果は、真空または不活性ガス中、特別な環境を有するチャンバ内、処理槽中、または屋外における、材料表面または容積への超音波および振動、材料への分散された静圧、分散された動的負荷、分散された加熱の下またはそれら無しでの超音波衝撃により引き起こされる弾性および塑性変形の、組み合わせ、または独立な効果により支配される。
【００６３】
図13は、本発明の方法による超音波衝撃の効果による構造欠陥の除去を示した図である。本発明の方法による超音波衝撃により、材料の処理領域中の構造欠陥が減少する。具体的には、超音波変形と共に力分散を受けた材料は、力分散のみを受けた材料よりも、相対変形中の応力の数値がより小さい。さらに、図13に示されるように、拡散抵抗の減少は、超音波拡散のみまたは熱機械的拡散に比べ、衝撃により引き起こされる超音波拡散により、より短い量の時間で達成される。
【００６４】
熱処理(HT)
熱処理のいくつかの特徴はすでに上記で記述している。熱処理プロセス中に使用した本発明の方法により、効果が増加し、材料における特定の相変態が可能となる許容温度間隔の範囲が拡大する。この結果は、熱作用に対する材料の固有の抵抗を考慮し、この作用に単一の超音波インパルスにより引き起こされる材料構造の外乱を緩和するのに十分な休止を有するチューニングされた超音波インパルスのインパルスを伴わせることにより達成される。具体的には、本発明の方法によれば、処置に対する材料の応答の検出手段として、および、インプロセス制御のアルゴリズムに基づくタスクにより規定されるように材料における拡散および構造変化を活性化させるのに十分な規格化された超音波インパルスおよびその合間の休止の源として、超音波衝撃ツールを用いて材料を加熱処理する。
【００６５】
熱処理制御および活性化の概略図を図14(a)〜14(c)に示す。図14(a)〜14(c)を参照すると、各インパルス処置(T1)、すなわち単一処置の期間は、特定の技術効果を達成するための材料抵抗に関する固有の時間(t1)、すなわちインパルスまたは材料状態インパルス活性化期間、ならびに処置抵抗を緩和するための固有の時間(T1-t1)、すなわち緩和/休止期間を含む。図14(a)に示されるように、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間(t1)中、電流による超音波衝撃に対する振動システムの応答(4)は増加する。同じ期間中、得られる材料品質(1)は技術効果レベルに向かって増加するが、衝撃処置抵抗(2)、すなわち抵抗活性化は、この期間の最初に高く、その後、技術効果レベルに向かって著しく減少する。処置に対する材料の固有の抵抗(3)は、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間(t1)の最初では低く、技術効果レベル付近であるが、その後、インパルス、すなわち材料状態インパルス活性化期間(t1)の終わり付近で著しく増加する。
【００６６】
インパルス処置(T1)の、処置を緩和するための固有の時間(T1-t1)、すなわち緩和/休止期間中、電流による超音波衝撃に対する振動システムの応答(4)が材料から除去され、得られる材料品質(1)は増加したまま、所望の技術効果レベル付近で一定であるが、衝撃処置抵抗(2)、すなわち抵抗活性化は、低くかつ所望の技術効果レベル付近に減少したままである。また、処置に対する材料の固有の抵抗(3)は、各インパルス処置(T1)の緩和/休止時間(T1-t1)を通じて所望の技術効果レベルに向かって著しく減少する。図14(b)は温度が技術効果領域にどのように影響するかを示し、図14(c)は時間が技術効果領域にどのように影響するかを示す。
【００６７】
上記実施例は本発明の方法の適用の実例であって、本方法の好ましい態様は、アーク溶接、熱溶接、抵抗溶接、摩擦溶接、摩擦撹拌溶接、超音波溶接、拡散溶接、圧接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、熱処理、熱機械的処理、電気火花処理、超音波処理、超音波衝撃処理、メッキ、特定の物理的および機械的特性のコーティングの適用、表面仕上げ、ハンダ付け、金属と非金属との間の接着ジョイントの製造、接着金属コーティングの適用、特定の特性を有する鋳造合金および鋳造物を製造するアーク法、機械加工、金属および合金の形成、ならびに任意の他の適した用途に適用してもよいが、これらに限定されない。
【００６８】
本発明の方法は様々な適用について使用され得るが、本方法の実現可能な適用分野は、インパルス処理、すなわちインパルス処置により達成される、材料の構造、状態または特性に対する、単独または集合的いずれかの、所望の技術効果に依存する。好ましい態様では、本発明の方法は超音波衝撃処理と共に使用される。図15〜27は、超音波衝撃処理の所望の技術効果を達成する物理的作用および状態のいくつかを示したものである。超音波衝撃処置のこれらの技術効果は下記を含む:材料または物体、例えばジョイントへの超音波伝達のための最適状態の創出;拡散抵抗の減少;材料のモザイクブロックサイズの減少;超音波衝撃中の変形抵抗の減少;空格子点、転位および剪断面の活性化;塑性変形および得られる応力;材料におけるその深さおよび分布の規格化;第2種の応力、すなわち材料の微視的領域内で形成される残留応力の分布;材料メソ構造の規格化および衝撃による動的不良に対する保護;微細硬度および材料の深さを通じての分布の規格化;材料の再結晶化;脱ガス;構造欠陥および溶離の欠陥の形成に対する耐性の増加;鋳造合金および溶接ジョイントにおける結晶化状態および粒子サイズの規格化;材料の構造のアモルファス化、すなわち材料またはジョイントの構造のアモルファス状態への変態;応力緩和;変形の補償、方向付けられた分配および再分配;構造欠陥の除去;および白層の作製。
【００６９】
図15〜27は、本発明の方法による、上記で記述したような、超音波衝撃処置のこれらの様々な技術効果のいくつかを示したものである。例えば、図15は超音波の材料中への移動を示す。図16は拡散抵抗減少の技術効果を示す。具体的には、拡散速度は、超音波処理していない材料と比べ、超音波処理した材料における方が大きい。図17(a)および17(b)は、材料を超音波(インパルス)処理した後の、所望の技術効果である、材料におけるモザイクブロックサイズの減少およびその高密度化を示す。具体的には、超音波処理により材料のモザイクブロックサイズが減少する。図18は超音波衝撃中の転位抵抗の減少という技術効果を示す。具体的には、本発明の方法により材料に超音波が適用されると、超音波が適用されない材料の応力に比べ、材料における応力が著しく減少する。
【００７０】
図19(a)および19(b)は、空格子点、転位および剪断面の活性化の技術効果を示す。具体的には、材料の相対的な変形は、超音波作用の下では、超音波作用無しの場合に比べ、著しく増加する。さらに、相対変形の可動転位の平均速度もまた、超音波作用の下では、超音波作用無しに比べ、増加する。図20は、超音波の適用有りおよび無しの場合の、材料の深さ全体にわたる圧縮応力分布を規格化することの技術効果を示す。具体的には、材料の深さ全体にわたる圧縮応力分布の規格化は、超音波処理有りの場合、超音波処理無しの場合と比べ、より高いものとなる。
【００７１】
図21は、超音波の適用有りおよび無しの場合の、材料の深さ全体を通じた二次応力の分布の技術効果を示す。具体的には、材料に超音波を適用すると、超音波の適用無しの場合に比べ、二次応力、すなわち微視的領域内で形成される残留応力の量がより多くなる。図22は、本発明の方法による超音波の適用による、材料の、メソ構造の規格化、再結晶化、および粒子サイズの規格化の技術効果を示す。図23は超音波の適用有りおよび無しの材料における微細硬度分布の規格化の技術効果を示す。具体的には、材料は、超音波で処理された場合、超音波処理無しに比べ、その深さ全体を通じて、より大きな微細硬度を有する。
【００７２】
本明細書で使用されるように、「白層」という用語は、金相構造識別のためにエッチングされた場合に、材料がエッチングせず、すなわちエッチングできず、したがって顕微鏡写真に白い層として現れるような材料の状態を意味する。言い換えれば、材料のこの状態は、金属に関する典型的な構造を有さず、特定の特徴に基づき、アモルファスと呼ばれ得る。白層領域の金属は、下記などの、しかしそれらに限定されない独特の寄与性能により特徴付けられる:未処理材料よりもより大きな降伏および極限強度;摩擦、接触動的および静的負荷に対する大きな抵抗;および全面腐食、応力腐食および腐食疲労に対する大きな抵抗。
【００７３】
例えば超音波衝撃中を含むインパルス処置の局所領域における材料に対する、下記の組み合わされかつ同時の作用が、インパルス処置中に多くの金属合金において白層が形成される主な原因である:1つの「スポット」での複数のインパルスによる、局所処理領域での高温(相変態のレベル);処理される金属上でのインパルス処置の局所「スポット」からの迅速な熱の散逸;ならびに、インパルス処置領域での、および超音波衝撃中の、高いレベルで作用する機械応力による「スポット」の塑性変形の大きな形成速度、超音波衝撃動力学による高いレベルの機械応力による「スポット」の超音波塑性変形領域の大きな形成速度。図24は、本発明の方法による、超音波を用いて処理した材料の構造アモルファス化および白層形成の技術効果を示す。白層は、材料の変化または変態が超音波の適用中に生じる層である。
【００７４】
図25は超音波処理中の応力緩和の技術効果を示したものであり、冷却時の金属収縮により引き起こされる危険な残留引張応力が、有利な圧縮応力により置換される。図26は、本発明の方法により超音波で処理された材料の変形の補償、方向付けられた分配および再分配の技術効果を示す。図27は本発明の方法に従う、超音波の適用による構造欠陥の除去の技術効果を示す。
【００７５】
本発明の超音波衝撃法を使用して、材料の処理領域において様々な所望の技術効果を達成し得る。材料の処理領域に、単独または集合的のいずれかで、直接影響を与える超音波衝撃のこれらの所望の技術効果は、好ましくは下記を含む:材料の表面および容積内での効果の均一な分布の提供;降伏点および極限強度と、一定方向の相対可変形性と、平面応力状態および容積的応力状態における引張、圧縮、ねじり、曲げおよび剪断における、垂直応力および剪断応力による変形に対する延性および抵抗性とを含む、記述された材料限定的物理機械特性の増加;延性および衝撃強度の安定化および増加;疲労耐性およびクラック耐性の増加;接触応力耐性の増加;熱機械応力耐性の増加;熱機械疲労および時効現象耐性の増加;応力腐食不良耐性の増加;腐食-疲労不良耐性の増加;材料、溶接金属および鋳造合金の構造の品質および均質性の増加;冷却時の金属収縮により引き起こされる危険な残留引張応力の、有利な圧縮応力による置換;その構造が変態温度の領域における加熱後のクエンチングで形成された、材料の延性の増加;材料およびジョイントの熱生成プロセスおよび加工中の安定な相状態および安定な構造形成率の増加;材料またはジョイントの固溶体中の拡散水素量の減少;材料およびジョイントの歪み硬化の提供;材料の歪み(動的)合金化の提供;超微粉体の延性マトリクス中への導入に基づく材料の拡散合金化の提供;高強度複合物の形成;材料特性の熱機械的改変の提供;材料表面の硬化金属およびより延性のベースにより形成される層構造による機械強度、疲労強度および接触強度を含む機械部品の寿命および動作信頼度の増加、ならびにこれに基づく、機械部品の熱処理の省略;機械加工により仕上げた機械部品の表面の残留引張応力の、有利な圧縮応力への置換;最小粗さを提供すること、圧縮応力を付与すること、およびその非常に均一な分布を得ることによる、機械部品の表面品質の増加;表面に規則的かつ均一に分配されたマイクロレリーフおよびマクロレリーフを形成することによる機械部品および摩擦対の品質および寿命の制御の提供;危険なプロセス誘導残留応力の減少および再分配;製造および維持中のプロセス誘導残留応力を有する負荷保持製品および構造のサイズおよび歪み安定性の増加;部品、構造およびジョイントの製造、維持および修復における熱プロセスおよび温度勾配により引き起こされる残留応力および変形の減少および補償;応力集中領域の遷移形状を最適化し、有利な残留応力を誘導することによる危険な応力の非集中化;コーティング中の接着剤強度の増加;表面コーティングの強度、粘度および品質の増加;異種材料のメッキおよび接合;ならびに、新規製品、材料、構造およびジョイントの製造、維持、更新および修復条件下での、上記の結果のいずれかの獲得。
【００７６】
図28は本発明の方法により使用され得る超音波衝撃パラメータの概略図である。具体的には、衝撃密度(D)は、衝撃周波数(fim)、加工品速度(V)、処理効果(E)および衝撃エネルギー(W)に直接関連する。処理効果(E)は圧入領域(Sind)、圧入容積(Vind)および衝撃エネルギー(W)に直接関連する。
【００７７】
本発明の方法による超音波衝撃を用いた材料または物体への処置のアルゴリズムを図29のブロック図に示す。初期処置が材料または物体に作用し、ここで、材料/物体は初期処置に応答する。この応答に基づき、その後、材料/物体により所望の技術効果が達成されるように衝撃パラメータが選択され得る。材料/物体により所望の技術効果が達成されるまで、このシリーズが繰り返され得る。所望の技術効果は、処置に対する材料の最小抵抗(Rmin)および得られる材料品質(Q)に直接関連する。
【００７８】
図30(a)〜30(d)は、本発明の方法に係る超音波衝撃処理による応力および疲労挙動改善の技術効果の概略図である。図30(a)は、超音波の適用が有りおよび無しのS-N曲線、すなわち応力-サイクル曲線を示す。具体的には、S-N曲線は、超音波処理した材料では、超音波処理無しの材料よりも上方にある。図30(b)は、超音波衝撃処理(UIT)溝（groove）の関数としての応力集中係数を示す。具体的には、応力集中係数(Kt)は、半径(R)が増加するにつれ、著しく減少するが、1より大きいままである。図30(c)は極限応力図を示す。極限応力は下記のように規定することができる:
0005552209.tif 000004
式中、αは極限応力であり、σmaxは最大応力であり、σmは平均応力であり、Rσは応力比である。図30(c)では、曲線1および2は様々な応力比に対する材料の疲労限界を規定し、ここで、曲線1は超音波処理無しの場合であり、曲線2は超音波処理の後である。曲線1および曲線2を比較すると、超音波処理後の対称負荷サイクルでの耐久限度(σ-12)は、超音波処理無しの対称負荷サイクルでの耐久限度(σ-11)より高い。超音波処理した材料の降伏点(σT2)は、未処理材料の降伏点(σT1)より大きい。また、超音波処理した材料の極限抵抗(σB2)は、未処理材料の極限抵抗(σB1)より大きい。さらに、R'σ2は超音波処理材料のσ'に対応する応力比であり、R'σ1は未処理材料のσ'に対応する応力比である。これらから、超音波処理した構造の負荷保持容量が増加する領域は、曲線1(超音波処理無し)および曲線2(超音波処理後)により記述される領域の間の比に比例して増加することが証明される。
【００７９】
図30(d)は、超音波処理前および超音波処理後の応力集中分布図を示す。図示されるように、応力集中は本質的に、超音波衝撃処理後に除去される。
【００８０】
溶接装置、超音波衝撃ツール、金属加工、冶金、鋳造、圧延、ダイ鋳造、メッキ、電子ビーム、電気パルス、熱機械、磁気パルス、真空およびレーザ装置が含まれるが、それらに限定されない、様々な種類の機器および装置を本発明の方法と共に使用してもよい。任意の適した機器または装置を本発明の方法と組み合わせて使用してもよい。
【００８１】
本明細書で開示されている例示的な態様は、網羅的なものではなく、本発明の範囲を不必要に制限することを意図しない。他の当業者が本発明を実施し得るように、本発明の原理を説明するために例示的な態様を選択し、記述した。当業者には明らかなように、上記の記述の範囲内で様々な改変をなすことが可能である。そのような改変は当業者の能力の範囲内であり、本発明の一部を形成し、添付の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
図面を参照。
【図１】本発明の、材料およびジョイントなどの物体の特定の特性および状態を改変するか、または、材料および物体における特定の特性を生じる方法のブロック図である。
【図２】最小抵抗基準に基づく、本発明の処理法の実施の概略図である。
【図３】本発明による、材料品質飽和基準に基づくエネルギーキャリヤ信号の形状変化の概略図である。
【図４】本発明による、エネルギーキャリヤ信号の電流からの材料応答測定の概略図である。
【図５】本発明による、全パラメータ範囲にわたる、インパルスエネルギー、インパルス長および休止の制御の概略図である。
【図６】本発明による、材料に対するインパルス処置のパラメータのアルゴリズム制御基準の概略図である。
【図７】図7(a)〜(b)は、本発明による、参照データおよび実際のインパルス処理プロセス中のパラメータの測定、ならびにインプロセス制御アルゴリズムの概略図である。
【図８】本発明による機械加工プロセスの音響活性化の概略図である。
【図９】本発明による超音波周波数の電流によるアーク溶接の概略図である。
【図１０】本発明による超音波衝撃処理(UIT)の適合の概略図である。
【図１１】図11(a)〜(c)は、本発明による超音波衝撃による超音波の発生の概略図である。
【図１２】図12(a)〜(e)は、本発明による容積的超音波処理の概略図である。
【図１３】本発明による、超音波衝撃の作用による構造欠陥の除去の概略図である。
【図１４】図14(a)〜(c)は、本発明による熱処理制御および活性化の概略図である。
【図１５】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、材料中への超音波の移動の概略図である。
【図１６】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、拡散抵抗の減少の概略図である。
【図１７】図17(a)〜(b)は、本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、材料のモザイクブロックサイズの移動の減少の概略図である。
【図１８】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、超音波衝撃中の転位抵抗の減少の概略図である。
【図１９】図19(a)〜(b)は、本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、空格子点、転位および剪断面の活性化の概略図である。
【図２０】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、圧縮応力分布の規格化の概略図である。
【図２１】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、第2種の応力の分布の概略図である。
【図２２】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、材料の、メソ構造の規格化、再結晶化、および粒子サイズの規格化を示す。
【図２３】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、微細硬度分布の規格化の概略図である。
【図２４】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、材料の白層およびアモルファス構造の概略図である。
【図２５】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、引張応力と圧縮応力との間の応力緩和を示す。
【図２６】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、変形の補償、方向付けられた分布および再分布の概略図である。
【図２７】本発明による、超音波衝撃処置の可能な技術効果である、構造欠陥の除去を示す。
【図２８】本発明による超音波衝撃パラメータの概略図である。
【図２９】本発明による物体/材料に対する処置のアルゴリズムのブロック図である。
【図３０】図30(a)〜(d)は、本発明による、超音波衝撃処理による極限応力および疲労挙動改善の概略図である。
【図１】
0005552209.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
0005552209.tif 000011
【図７ｂ】
0005552209.tif 000012
【図８】
0005552209.tif 000013
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005552209.tif 000017
【図１３】
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【図１４ａ】
0005552209.tif 000019
【図１４ｂ】
0005552209.tif 000020
【図１４ｃ】
0005552209.tif 000021
【図１５】
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【図１６】
0005552209.tif 000023
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
0005552209.tif 000029
【図２３】
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【図２４】
0005552209.tif 000031
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
0005552209.tif 000036
【図３０ａ】
0005552209.tif 000037
【図３０ｂ】
0005552209.tif 000038
【図３０ｃ】
0005552209.tif 000039
【図３０ｄ】
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