(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌溶接接合部を強化する方法であって、
摩擦攪拌溶接接合部を、第１および第２のワークピースの間に、第１および第２のワークピースが少なくとも１つの界面ノッチをその間に規定するように形成するステップと、
前記形成するステップと同時に、第１および第２のワークピースの間に位置付けられた界面層を少なくとも部分的に溶かすステップとを含み、界面層は第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有し、前記方法はさらに、
界面層の溶けた部分を冷却するステップと、
前記冷却するステップと同時に、少なくとも１つの界面ノッチを溶接接合部から遠ざけるよう移動させ、それにより溶接接合部付近の応力集中を低減させるステップとを含む、摩擦攪拌溶接接合部強化方法。
【請求項２】
前記冷却するステップと同時に、溶接接合部を界面層で少なくとも部分的に覆い、それにより溶接接合部の腐食抵抗を向上させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
溶接接合部に隣接して境界層を形成するステップをさらに含み、境界層は溶接接合部の硬度よりも低い硬度を有し、それにより溶接接合部の亀裂抵抗を向上させる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
界面層を溶接接合部へ部分的に拡散させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
構造アセンブリを製造する方法であって、
第１の接合面を規定する第１のワークピースを提供するステップと、
第２の接合面を規定する第２のワークピースを提供するステップと、
界面層を提供するステップとを含み、界面層は第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含んでおり、前記方法はさらに、
第１のワークピースの第１の接合面を第２のワークピースの第２の接合面に隣接して位置付け、界面層がその間に位置付けられるようにするステップと、
第１および第２のワークピースを固定して、第１のワークピースの第２のワークピースに対する動きを防止するステップと、
回転する摩擦攪拌溶接プローブを、第１のワークピースと界面層とを貫通して第２のワークピースへと挿入し、第１および第２のワークピース間に摩擦攪拌溶接接合部を形成し、プローブの近くの界面層を少なくとも部分的に溶かして、それにより溶接接合部の強度
および破壊靭性を増大させるステップとを含む、構造アセンブリの製造方法。
【請求項６】
第１のワークピースの第１の接合面と第２のワークピースの第２の接合面のうちの少なくとも１つの上に界面層を配置するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記配置するステップは、少なくとも１つのホイル層を第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つの上に位置付けるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記配置するステップは、第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つを界面層で少なくとも部分的にコーティングするステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
界面層を冷却して溶接接合部を界面層で少なくとも部分的に覆い、それにより溶接接合部の腐食抵抗を向上させるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
溶接接合部に隣接して境界層を形成するステップをさらに含み、境界層は溶接接合部の硬度よりも低い硬度を有し、それにより溶接接合部の亀裂抵抗を向上させる、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
界面層を溶接接合部に部分的に拡散させるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
構造アセンブリであって、
第１のワークピースと、
第２のワークピースとを含み、前記第１および第２のワークピースはその間に界面を規定するよう、少なくとも部分的に互いに隣接して位置付けられており、前記構造アセンブリはさらに、
前記第１および第２のワークピースを接合する摩擦攪拌溶接接合部と、
前記第１および第２のワークピースの間に位置付けられた界面層とを含み、前記界面層は前記第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含み、前記界面層は前記摩擦攪拌溶接接合部の近くの前記界面を少なくとも部分的に充填し、それにより前記溶接接合部の強度および破壊靭性を増大させる、構造アセンブリ。
【請求項１３】
構造アセンブリであって、
第１のワークピースと、
第２のワークピースとを含み、前記第１および第２のワークピースはその間に界面を規定するよう、少なくとも部分的に互いに隣接して位置付けられており、前記構造アセンブリはさらに、
前記第１および第２のワークピースを接合する摩擦攪拌溶接接合部と、
前記第１および第２のワークピースの間に位置付けられた界面層とを含み、前記界面層は前記第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含み、前記界面層は前記摩擦攪拌溶接接合部の近くの前記界面を少なくとも部分的に充填し、それにより前記溶接接合部の強度および破壊靭性を増大させ、
前記界面層は、錫ベースの合金および亜鉛ベースの合金からなるグループから選択された材料で形成されている、構造アセンブリ。
【請求項１４】
構造アセンブリであって、
第１のワークピースと、
第２のワークピースとを含み、前記第１および第２のワークピースはその間に界面を規定するよう、少なくとも部分的に互いに隣接して位置付けられており、前記構造アセンブリはさらに、
前記第１および第２のワークピースを接合する摩擦攪拌溶接接合部と、
前記第１および第２のワークピースの間に位置付けられた界面層とを含み、前記界面層は前記第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含み、前記界面層は前記摩擦攪拌溶接接合部の近くの前記界面を少なくとも部分的に充填し、それにより前記溶接接合部の強度および破壊靭性を増大させ、
前記界面層は約２．５４×１０-3ｃｍ〜約１２．７×１０-3ｃｍの厚さを有する、構造アセンブリ。
【請求項１５】
前記第１および第２のワークピースは異なる金属を含む、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【請求項１６】
前記第１および第２のワークピースは、チタン、アルミニウム、ＡＡ２０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ５０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ６０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ７０００シリーズアルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、鉄合金、青銅、および銅からなるグループから選択された材料で形成されている、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【請求項１７】
前記第１および第２のワークピースを接合する複数の摩擦攪拌溶接接合部を含む、請求項１２から１６のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【請求項１８】
前記第１および第２のワークピースのうちの少なくとも１つが溶接不能な材料から構成されている、請求項１２から１７のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【請求項１９】
前記界面層は多層である、請求項１２から１８のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【請求項２０】
前記界面層は金属基質にセラミック微粒子を含む、請求項１２から１９のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【請求項２１】
前記界面層は、第１および第２のワークピースのうちの少なくとも１つの導電率とほぼ等しい導電率を有する金属を含む、請求項１２から２０のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【請求項２２】
前記界面層は、約５００℃より低い溶解温度を有する、請求項１２から２１のいずれか１項に記載の構造アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は、摩擦攪拌溶接接合部に関し、より特定的には、溶接接合部の材料特性を界面作成（ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ）を通して向上させることに関する。
【０００２】
【発明の背景】
摩擦攪拌溶接は比較的新しい工程であり、ピンまたはプローブと凹形の肩とを有する回転するツールを用いて、固体状態にある２つのワークピースを接合し、または単一のワークピースにおける亀裂を修復する。たとえば、そのような工程がトーマス（Ｔｈｏｍａｓ）他への米国特許第５，４６０，３１７号に記載されており、その内容をここに引用として援用する。摩擦攪拌溶接の最中、回転するプローブは、摩擦攪拌溶接装置によって１つのワークピースに、または２つのワークピースの間に突っ込まれ、十分な摩擦加熱を発生させるために必要な抵抗力を作り出して、可塑化された材料の領域を形成する。プローブは通常、可塑化された材料の混合をもたらすために進められ、その結果、均質な溶接接合部を作り出す。この混合動作は、異なる材料から形成されたワークピースを溶接する際に特に有利である。ツールは通常、ワークピースに対し、ある角度に傾けられ、ツールの肩の後端が可塑化された材料に押し付けられてそれを固めるようになっている。可塑化された材料が冷えると、ワークピースは溶接接合部に沿って接合される。摩擦攪拌溶接ツールによって及ぼされる力の強さは、必要な摩擦加熱を発生させるために、所定の最低値より上で維持されなければならない。
【０００３】
摩擦攪拌溶接は、突き合わせ接合、Ｔ接合、コーナー接合、縁接合、重ね継ぎ、およびそれらの組合せを含むさまざまな接合形状を溶接するのに好適である。図１は、２つのワークピース間の典型的な突き合わせ接合を図示しており、２つのワークピースの接合面、すなわち合わせて接合されるべきワークピースの面が、摩擦攪拌溶接ツール１７の軸１５に平行な平面にある界面１３を規定する。摩擦攪拌溶接ツール１７は、界面１３の近くのワークピース材料を可塑化し、材料を左右および上下に混合する。溶接パラメータが一定に保たれ、摩擦攪拌溶接ツール１７が２つのワークピース１１により規定される界面１３の中心線上にあり続けるならば、この混合動作はかなり均一で対称的であり続ける。
【０００４】
これに対し、図２（Ａ）〜（Ｅ）に図示されているように、Ｔ接合、縁接合、コーナー接合、および重ね継ぎをそれぞれ形成するワークピース１１の接合面の少なくともいくつかは、摩擦攪拌溶接ツール１７の軸１５に対しほぼ垂直な、または横向きの、もしくはその両方となる平面にある界面１３を規定する。図３に図示されているように、垂直または横向きのワークピース界面１３を通る、摩擦攪拌溶接ツール１７のプローブ１７ａの混合動作は、摩擦攪拌溶接ツール１７から最も遠いワークピース１１ｂからの材料の隆起を作り出す。材料が隆起すると、摩擦攪拌溶接ツール１７に最も近いワークピース１１ａを薄くしてしまう。加えて、「界面ノッチ」２１、すなわち溶接微細構造において消耗されない溶接接合部１９付近のワークピース界面１３の部分が通常、隆起された材料とともにワークピース１１ａの縁へ向かって動かされ、溶接接合部付近に応力集中をもたらす。これらの状態は、引張りおよび疲労強度が低く、破壊靭性が低い溶接接合部１９をもたらす。
【０００５】
さらに、摩擦攪拌溶接の後、溶接接合部１９と熱の影響を受けた領域、つまりワークピース１１ａ、１１ｂの溶接接合部に隣接する部分とは、周囲環境からの腐食攻撃をより受けやすい。図３に図示されているように、界面１３の消耗されていない部分は結合されていないため、湿気が界面に下りてきて溶接接合部１９に隣接する界面ノッチ２１に集まるおそれがある。この状態は、結果として腐食抵抗が低減した構造アセンブリにつながるであろう。
【０００６】
このように、摩擦攪拌溶接ツールの軸に垂直または横向きな界面を有する構造アセンブリを摩擦攪拌溶接する、改良された方法に対する要求がある。この改良された方法は、高い強度および破壊靭性だけでなく、亀裂成長に対する抵抗および腐食抵抗を含むその他の改良された機械的および化学的特性も、溶接接合部に提供すべきである。
【０００７】
【発明の概要】
この発明は、摩擦攪拌溶接接合部を強化する方法を提供する。一実施例によれば、この方法は、摩擦攪拌溶接接合部を、第１および第２のワークピースの間に、第１および第２のワークピースが少なくとも１つの界面ノッチをその間に規定するように形成するステップを含む。上述のように、「界面ノッチ」とは、溶接微細構造において消耗されない溶接接合部付近のワークピース界面の部分のことである。形成するステップと同時に、第１および第２のワークピースの間に位置付けられた界面層が、少なくとも部分的に溶ける。界面層は第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有しているため、第１および第２のワークピースが摩擦攪拌溶接ツールのプローブと肩とにより可塑化されるにつれ、界面層は、摩擦攪拌溶接工程を通して生成された熱で溶ける。界面層の溶けた部分は次に冷却される。冷却するステップと同時に、少なくとも１つの界面ノッチが溶接接合部から遠ざかるよう移動され、それにより溶接接合部付近の応力集中が低減する。一実施例では、溶接接合部は、冷却するステップと同時に、界面層で少なくとも部分的に覆われ、それにより溶接接合部の腐食抵抗が向上する。別の実施例では、境界層が溶接接合部に隣接して形成され、境界層は溶接接合部の硬度よりも低い硬度を有し、それにより溶接接合部の亀裂抵抗が向上する。さらに別の実施例では、界面層は溶接接合部へ部分的に拡散し、それにより溶接接合部の機械的および／または化学的特性が向上する。
【０００８】
この発明は、構造アセンブリを製造する方法も提供する。一実施例によれば、この方法は、第１の接合面を規定する第１のワークピースを提供するステップを含む。第２の接合面を規定する第２のワークピースが提供される。界面層が提供され、界面層は第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含んでいるため、第１および第２のワークピースが摩擦攪拌溶接ツールのプローブと肩とにより可塑化されるにつれ、界面層は、摩擦攪拌溶接工程を通して生成された熱で溶ける。一実施例では、この方法は、第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つの上に界面層を配置するステップを含む。一実施例では、配置するステップは、少なくとも１つのホイル層を第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つの上に位置付けるステップを含む。別の実施例では、配置するステップは、第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つを界面層で少なくとも部分的にコーティングするステップを含む。第１のワークピースの第１の接合面は、第２のワークピースの第２の接合面に隣接して位置付けられ、界面層がその間に位置付けられるようになっている。第１および第２のワークピースは固定され、第１のワークピースの第２のワークピースに対する動きが防止される。回転する摩擦攪拌溶接プローブが次に、第１のワークピースと界面層とを貫通して第２のワークピースへと挿入され、第１および第２のワークピース間に摩擦攪拌溶接接合部を形成し、プローブの近くの界面層を少なくとも部分的に溶かして、それにより溶接接合部の強度および破壊靭性を増大させる。一実地例では、この方法は、界面層を冷却して溶接接合部を界面層で少なくとも部分的に覆い、それにより溶接接合部の腐食抵抗を向上させるステップを含む。別の実施例では、境界層が溶接接合部に隣接して形成され、境界層は溶接接合部の硬度よりも低い硬度を有し、それにより溶接接合部の亀裂抵抗が向上する。さらに別の実施例では、界面層は溶接接合部に部分的に拡散し、それにより溶接接合部の機械的および／または化学的特性が高まる。
【０００９】
この発明はまた、第１のワークピースと第２のワークピースとを含む構造アセンブリを提供する。第１および第２のワークピースは、その間に界面を規定するよう、少なくとも部分的に互いに隣接して位置付けられている。一実施例では、第１および第２のワークピースは異なる金属を含む。別の実施例では、第１および第２のワークピースは、チタン、アルミニウム、ＡＡ２０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ５０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ６０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ７０００シリーズアルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、鉄合金、青銅、および／または銅から形成される。一実施例では、第１および第２のワークピースのうちの少なくとも１つは、溶接不能な材料、つまり、一般に従来の融接手法では溶接可能とならない材料から構成される。アセンブリは、第１および第２のワークピースを接合する摩擦攪拌溶接接合部を含む。
一実施例では、アセンブリは、第１および第２のワークピースを接合する複数の摩擦攪拌溶接接合部を含む。アセンブリは、第１および第２のワークピースの間に位置付けられた界面層も含む。界面層は、第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含む。一実施例では、界面層は、約５００℃より低い溶解温度を有する。一実施例では、界面層は、錫ベースの合金または亜鉛ベースの合金を含む。別の実施例では、界面層は金属基質にセラミック微粒子を含む。別の実施例では、界面層は多層である。さらに別の実施例では、界面層は、第１および第２のワークピースのうちの少なくとも１つの導電率とほぼ等しい導電率を有する金属を含む。さらに別の実施例では、界面層は約２．５４×１０-3ｃｍ〜約１２．７×１０-3ｃｍ（約１ミル〜約５ミル）の厚さを有する。有利なことには、界面層は摩擦攪拌溶接接合部の近くの界面を少なくとも部分的に充填し、それにより溶接接合部の強度および破壊靭性だけでなく、亀裂成長に対する抵抗および腐食抵抗を含むその他の機械的および化学的特性も増大させる。
【００１０】
よって、摩擦攪拌溶接ツールの軸に垂直または横向きである界面を有する構造アセンブリを摩擦攪拌溶接する、改良された方法が提供されてきた。この改良された方法は、高い強度および破壊靭性だけでなく、亀裂成長に対する抵抗および腐食抵抗を含むその他の改良された機械的および化学的特性も、溶接接合部に提供するであろう。
【００１１】
この発明の前述およびその他の利点ならびに特徴と、それが達成される方法とは、以下の発明の詳細な説明を添付図面とともに検討することにより、より簡単に明らかになるであろう。添付図面は好ましく例示的な実施例を図示しており、必ずしも一律の縮尺に従って描かれてはいない。
【００１２】
【詳細な説明】
この発明の好ましい実施例が示された添付図面を参照して、この発明を以下により十分に説明する。しかし、この発明は多くの異なる形態で実現化されてもよく、ここに記載された実施例に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が完璧かつ完全なものであり、この発明の範囲を当業者に十分伝えるよう提供されている。全体を通して、同じ数字は同じ要素を示す。
【００１３】
図面、特に図６を参照すると、この発明の一実施例に従った構造アセンブリ１０が図示されている。構造アセンブリ１０は、第１のワークピース１２ａと第２のワークピース１２ｂとを含む。２つのワークピースが図に示されているが、この発明は３つまたはそれ以上の積み重ねられたワークピースを含む接合部にも適用可能であることが、当業者には理解されるべきである。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂは、その間に界面１４を規定するよう、少なくとも部分的に互いに隣接して位置づけられている。たとえば、図６に図示されているように、第２のワークピース１２ｂは少なくとも部分的に第１のワークピース１２ａの下にあり、それにより界面１４を規定している。支持構造１０の向きおよび特定の用途次第で、第２のワークピース１２ｂが第１のワークピース１２ａの上に重なることが可能であり、またはこれに代えて、第１および第２のワークピースが並んで位置づけられ、どちらのワークピースも他方の「上に重なって」いないようにすることもできる。このように、図６は例示のみを目的とし、限定する目的はない。なぜなら、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの向きの違いは、この発明の範囲内であると考えられるからである。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂは各々、周知の製造手段を介して、単一の鋳造、鍛造、または押出し成形されたワークピースから、特定の設計荷重および仕様により要求されるような所定の形状および厚さに機械加工することが可能である。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂを、周知の製造手段を介して、曲線形状に形成することもできる。
【００１４】
第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂは、チタン、アルミニウム、ＡＡ２０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ５０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ６０００シリーズアルミニウム合金、ＡＡ７０００シリーズアルミニウム合金、アルミニウム−リチウム合金、鉄合金、青銅、および／または銅を含むさまざまな材料から形成可能である。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂは、同じベースメタルの同様のまたは異なる合金から形成可能である。摩擦攪拌溶接は固体状態溶接工程であるため、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂは、他の手段では溶接不能な、または接合するのに非経済的な金属から形成可能である。「溶接不能な」材料とは、高い導電率を有し、溶接接合部から熱をすばやく放散する材料、および／または熱膨張により生じる応力の結果、溶接接合部に沿って亀裂を呈する材料のことである。そのような材料は、チタン、アルミニウム、アルミニウム合金、およびいくつかのチタン合金、特にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、ＡＡ２０００および７０００シリーズ合金を含み得る。有利なことに、これらの材料の多くは、ある用途において望まれる特殊な腐食、疲労、強度、または延性特性を有する。このように、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂを形成する材料は、軽量で強度の高いさまざまな金属および合金から選択可能であり、それにより構造アセンブリの総重量の低減を容易にする。重量と強度とは、航空宇宙業界において重要事項である。
【００１５】
図６に図示されているように、構造アセンブリ１０は、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの間に位置づけられた界面層１６も含む。界面層１６はさまざまな材料から形成可能である。たとえば、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂがアルミニウム合金で形成されている場合、界面層１６は錫ベースの合金、または亜鉛ベースの合金から形成可能である。界面層１６は、好ましくは、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含む。ある特定の合金の「固相線」温度とは、それ未満では固体のみが安定している温度のことである。それゆえ、界面層１６の組成と対応する溶解温度とは、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの組成とそれらの対応する固相線温度とに左右される。限定のためではなく例示のみを目的とすると、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂがアルミニウム合金から形成されている場合、界面層１６は一般に約５００℃より低い溶解温度を有する。たとえば、亜鉛ベースの合金は通常、約４２０℃より低い溶解温度を有し、錫ベースの合金は約２４０℃より低い溶解温度を有する。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂが青銅または銅の合金から形成されている場合、界面層１６の溶解温度は約１０００℃未満でなければならない。界面１４の完全な流れおよび充填を促進し、同時に特定用途の構造上の要件を満たすのに十分な凝固強度を有するよう、界面層１６の溶解温度は、好ましくは、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの固相線温度に比べ、比較的低い。
【００１６】
ある用途においては、構造アセンブリ１０がある電気特性を有することが望まれ得る。このように、この発明の一実施例によれば、界面層１６は比較的高い導電率を有する材料を含み得る。限定のためではなく例示のみを目的とすると、界面層１６は、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂのうちの少なくとも１つの導電率とほぼ等しい導電率を有する材料を含み得る。
【００１７】
図４（Ａ）および（Ｂ）に図示されているように、構造アセンブリ１０は、界面層１６を第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの一方または両方の接合面１２ｃの上に配置することにより構成される。たとえば、界面層１６は、対応する接合面の上に、異なる手段によって接合面１２ｃをコーティングすることにより配置可能である。限定のためではなく例示のみを目的とすると、対応する接合面１２ｃは、化学気相成長法、プラズマスプレー法、物理蒸着法、および／または電気化学堆積法によりコーティング可能である。界面層１６の所望の厚さを達成するため、多層のコーティングを施すことが可能である。またこれに代えて、界面層１６は、対応するワークピース１２ａ、１２ｂの接合面１２ｃの上に位置づけられた１つまたはそれ以上のホイル層を含み得る。さらに別の実施例では、界面層１６は、対応するワークピース１２ａ、１２ｂの接合面１２ｃの上に配置された金属粉末を含み得る。界面層１６の厚さは、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの材料組成および寸法、界面層の材料組成、および／または特定用途の構造的化学的特性要件などの要因によって変わり得る。一実施例では、界面層１６は約２．５４×１０-3ｃｍ〜約１２．７×１０-3ｃｍ（約１ミルから約５ミル）の厚さを有するが、厚さはこの範囲より大きくても、または小さくてもよい。
【００１８】
図４（Ｂ）に図示されているように、第１のワークピース１２ａの接合面１２ｃは次に、第２のワークピース１２ｂの接合面１２ｃに隣接して位置づけられ、界面層１６がその間に位置づけられるようになっている。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂはそれから、第１のワークピース１２ａの第２のワークピース１２ｂに対する動きを防ぐよう固定される。たとえば、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂは、スポット溶接により互いに固定されてもよい。次に、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂは、従来のクランプ（図示せず）により、作業台または他の裏当て装置に固定されてもよい。
【００１９】
第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂはそれから、摩擦攪拌溶接により接合される。詳細には、図５の矢印により図示されているように、摩擦攪拌溶接ツール１７の回転するプローブ１７ａが、第１のワークピース１２ａと界面層１６とを貫通して第２のワークピース１２ｂへ押し込まれる。回転するプローブ１７ａにより生成される摩擦熱が、可塑化された領域を作り出し、これが摩擦攪拌溶接ツール１７の肩１７ｂにより固められる。図６に図示されるように、可塑化された領域は第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの間で冷え、摩擦攪拌溶接接合部２２を形成する。回転するプローブ１７ａは、好ましくは、所定経路に沿って第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂと界面層１６とを通過するよう動かされ、それにより、第１および第２のワークピースの長さに沿って連続する摩擦攪拌溶接接合部２２を形成する。この摩擦攪拌溶接工程はそれから必要に応じて繰返すことが可能である。摩擦攪拌溶接の一般的な説明については、ここではその内容を引用により援用する、トーマス（Ｔｈｏｍａｓ  ）他への米国特許第５，４６０，３１７号を参照されたい。
【００２０】
上述のように、および図３に図示されるように、ワークピース１１ａとワークピース１１ｂとの間の鋭い界面ノッチ２１は通常、摩擦攪拌溶接接合部を形成する際に、摩擦攪拌溶接ツール１７の軸１５に垂直または横向きであるワークピース界面１３を通り抜けて作られる。そのような界面ノッチ２１は普通、溶接接合部１９の付近に応力集中を発生させ、これは溶接接合部の引張りおよび疲労強度と破壊靭性とに悪影響を与え得る。有利なことには、この発明は、第１および第２のワークピースにより規定される界面ノッチを、溶接接合部から遠ざけるよう移動させる。図６に図示されるように、摩擦攪拌溶接の最中、界面層１６の一部が、回転する摩擦攪拌溶接ツール１７によって消耗され、溶接接合部２２全体に均質に分布される。しかし、溶接接合部２２に隣接する熱の影響を受けた領域では、温度は比較的高く、プローブが通過するにつれ、熱の影響を受けた領域内の界面層１６の部分が少なくとも部分的に溶け、次に界面１４内で凝固するようになっている。より詳細には、回転するプローブ１７ａの近くの界面層１６の部分は、回転するプローブにより生成される摩擦熱の結果、溶ける。界面層１６の溶けた部分は、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂ間の溶接接合部２２に隣接する界面領域２４を、比較的柔らかく延性のある金属または境界層２６で充填する。界面層１６の溶けた部分が、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂ間の溶接接合部２２に隣接する界面領域２４を充填するにつれ、第１および第２のワークピースにより規定される界面ノッチは、溶接接合部２２から遠ざかるよう移動される。
【００２１】
その上、界面層１６が比較的柔らかく延性のある金属であるため、第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂと界面層１６の境界層２６部分との間の界面ノッチは尖っていない。より詳細には、溶けた場合、界面層１６は接合面１２ｃと反応し、または接合面１２ｃに拡散して、比較的強い材料結合を形成する。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂと界面層１６との材料結合はそれぞれ、各々好ましくは、界面層が降伏し、第１および第２のワークピースと界面層の境界層２６部分との間のいかなる界面ノッチも尖らなくなるよう、界面層の降伏強度とほぼ同等またはそれより大きい強度を有する。
【００２２】
界面層１６は、溶接接合部２２の機械的および化学的特性を向上させるという点で、その他の利点も提供している。たとえば、溶接接合部２２の金属基質２０への界面層１６の拡散を用いて、過飽和溶体を有する溶接接合部を形成し、それにより溶接接合部の機械的および化学的特性を向上させることが可能である。さらに、回転する摩擦攪拌溶接ツール１７の混合動作を用いて、界面層を溶接接合部２２の金属基質２０へ機械的に混合し、それにより溶接接合部の機械的および化学的特性を向上させることが可能である。この発明の一実施例によれば、図７に図示されるように、界面層１６は、回転する摩擦攪拌溶接ツール１７の混合動作により溶接接合部２２の金属基質２０に機械的に混合されるセラミック微粒子１８を含む得る。セラミック微粒子１８は、溶接接合部２２における転位の動きを妨害し、それにより溶接接合部の引張り強度および硬度をさらに高める。
【００２３】
有利なことには、界面層１６はまた、向上した腐食抵抗と亀裂成長に対する向上した抵抗とを溶接接合部に提供するだけでなく、上部シートの薄膜化（ｔｈｉｎｎｉｎｇ）の影響も低減させる。第１および第２のワークピース１２ａ、１２ｂの間の界面層１６の溶けた部分が冷えると、溶接接合部２２は、上述のように、比較的柔らかく延性のある金属または境界層２６を含むことになり、それが、溶接接合部に隣接する変形した領域を含む界面領域２４を充填する。境界層２６の導入は、少なくとも部分的に溶接接合部２２を覆い、それにより溶接接合部の一部を周囲環境から封止して、増大した腐食抵抗を提供する。さらに、比較的柔らかく延性のある境界層２６は、好ましくは、溶接接合部を通る亀裂伝搬を通常もたらすであろう応力に応答して境界層が降伏し、それにより溶接接合部の亀裂成長に対する抵抗を向上させるように、溶接接合部２２の硬度よりも低い硬度を有する。界面領域２４をさらなる材料で充填することにより、界面層１６は上部シートの薄膜化の影響も低減させる。
【００２４】
この発明は、摩擦攪拌溶接ツールの軸に垂直または横向きである界面を有する構造アセンブリを溶接するために特に有利な方法を提供する。しかし、この発明の方法は、摩擦攪拌溶接ツールの軸に平行な界面を溶接するためにも、そのような溶接接合部の機械的および／または化学的特性を向上させるために使用してもよい。
【００２５】
図８を参照すると、この発明は、摩擦攪拌溶接接合部を強化する方法も提供する。一実施例によれば、この方法は、摩擦攪拌溶接接合部を、第１および第２のワークピースの間に、第１および第２のワークピースが少なくとも１つの界面ノッチをその間に規定するように形成するステップを含む。ブロック４０を参照されたい。上述のように、「界面ノッチ」とは、溶接微細構造において消耗されない溶接接合部付近のワークピース界面の部分のことである。形成するステップと同時に、第１および第２のワークピースの間に位置付けられた界面層が、少なくとも部分的に溶ける。ブロック４２を参照されたい。界面層は第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有しているため、第１および第２のワークピースが摩擦攪拌溶接ツールのプローブと肩とにより可塑化されるにつれ、界面層は、摩擦攪拌溶接工程を通して生成された熱で溶ける。界面層の溶けた部分は次に冷却される。ブロック４４を参照されたい。冷却するステップと同時に、少なくとも１つの界面ノッチが溶接接合部から遠ざかるよう移動され、それにより溶接接合部付近の応力集中が低減する。ブロック４６を参照されたい。一実施例では、溶接接合部は、冷却するステップと同時に、界面層で少なくとも部分的に覆われ、それにより溶接接合部の腐食抵抗が向上する。ブロック４８を参照されたい。別の実施例では、境界層が溶接接合部に隣接して形成され、境界層は溶接接合部の硬度よりも低い硬度を有し、それにより溶接接合部の亀裂抵抗が向上する。ブロック５０を参照されたい。さらに別の実施例では、界面層は溶接接合部へ部分的に拡散し、それにより溶接接合部の機械的および／または化学的特性が向上する。ブロック５２を参照されたい。
【００２６】
図９を参照すると、この発明は、構造アセンブリを製造する方法も提供する。一実施例によれば、この方法は、第１の接合面を規定する第１のワークピースを提供するステップを含む。ブロック６０を参照されたい。第２の接合面を規定する第２のワークピースが提供される。ブロック６２を参照されたい。界面層が提供され、界面層は第１および第２のワークピースの固相線温度よりも低い溶解温度を有する材料を含んでいるため、第１および第２のワークピースが摩擦攪拌溶接ツールのプローブと肩とにより可塑化されるにつれ、界面層は、摩擦攪拌溶接工程を通して生成された熱で溶ける。ブロック６４を参照されたい。一実施例では、この方法は、第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つの上に界面層を配置するステップを含む。ブロック６６を参照されたい。一実施例では、配置するステップは、少なくとも１つのホイル層を第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つの上に位置付けるステップを含む。ブロック６８を参照されたい。別の実施例では、配置するステップは、第１および第２の接合面のうちの少なくとも１つを界面層で少なくとも部分的にコーティングするステップを含む。ブロック７０を参照されたい。次に第１のワークピースの第１の接合面が、第２のワークピースの第２の接合面に隣接して位置付けられ、界面層がその間に位置付けられるようになっている。ブロック７２を参照されたい。第１および第２のワークピースは固定され、第１のワークピースの第２のワークピースに対する動きが防止される。ブロック７４を参照されたい。回転する摩擦攪拌溶接プローブが次に、第１のワークピースと界面層とを貫通して第２のワークピースへと挿入され、第１および第２のワークピース間に摩擦攪拌溶接接合部を形成し、プローブの近くの界面層を少なくとも部分的に溶かして、それにより溶接接合部の強度および破壊靭性を増大させる。ブロック７６を参照されたい。一実地例では、この方法は、界面層を冷却して溶接接合部を界面層で少なくとも部分的に覆い、それにより溶接接合部の腐食抵抗を向上させるステップを含む。ブロック７８を参照されたい。別の実施例では、境界層が溶接接合部に隣接して形成され、境界層は溶接接合部の硬度よりも低い硬度を有し、それにより溶接接合部の亀裂抵抗が向上する。ブロック８０を参照されたい。さらに別の実施例では、界面層は溶接接合部に部分的に拡散し、それにより溶接接合部の機械的および／または化学的特性が高まる。ブロック８２を参照されたい。
【００２７】
よって、摩擦攪拌溶接ツールの軸に垂直または横向きである界面を有する構造アセンブリを摩擦攪拌溶接する、改良された方法が提供されてきた。この発明の数多くの変更およびその他の実施例が、前述の説明および添付図面に表わされた教示の恩恵を有する、この発明が属する技術の熟練者の脳裏に浮かぶであろう。したがって、この発明は開示された特定の実施例に限定されるものではなく、変更およびその他の実施例が特許請求の範囲内に含まれるよう意図されていることが、理解されるべきである。特定の用語がここに採用されているが、それらは一般的および説明的な意味においてのみ用いられており、限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】当該技術分野で公知の突き合わせ接合を図示する立面図である。
【図２】図２（Ａ）は、当該技術分野で公知のＴ接合を図示する立面図であり、図２（Ｂ）は、当該技術分野で公知の縁接合を図示する立面図であり、図２（Ｃ）は、当該技術分野で公知のコーナー接合を図示する立面図であり、図２（Ｄ）は、当該技術分野で公知の重ね継ぎを図示する立面図であり、図２（Ｅ）は、当該技術分野で公知の突き合わせ接合と重ね継ぎの組合せを図示する立面図である。
【図３】当該技術分野で公知の、ツールのプローブの軸に垂直または横向きな界面を有するワークピースを摩擦攪拌溶接する際の薄膜化の影響を図示する部分断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、この発明の一実施例に従って、界面層を２つのワークピースの間に配置することを図示する部分断面図であり、図４（Ｂ）は、間に図４（Ａ）の界面層を備える第１および第２のワークピースの位置付けを図示する部分断面図である。
【図５】摩擦攪拌溶接前の、図４（Ｂ）のワークピースと界面層とを図示する部分断面図である。
【図６】回転する摩擦攪拌溶接ツールを用いて、図４（Ｂ）のワークピースと界面層との間に形成される摩擦攪拌溶接接合部を図示する部分断面図である。
【図７】この発明の一実施例に従った、界面層が金属基質にセラミック微粒子を含む場合に２つのワークピースと界面層との間に形成される摩擦攪拌溶接接合部を図示する部分断面図である。
【図８】この発明の一実施例に従った、摩擦攪拌溶接接合部を強化するためのステップを図示するフローチャートである。
【図９】この発明の一実施例に従った、構造アセンブリを製造するためのステップを図示するフローチャートである。
【符号の説明】
１２ａ  第１のワークピース、１２ｂ  第２のワークピース、１６  界面層、２２  溶接接合部。
【図１】
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【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７】
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【図８】
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【図９】
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