(57)【要約】構造部品が、少なくとも２つの側壁とその間の空間とから成る基材を備え、この基材が、熱間ストレッチ成形を利用して成形された所定の曲線形状を有する。この構造部品は、少なくとも２つの側壁の間の空間内に少なくとも部分的に配置された、少なくとも２つの側壁へ線形摩擦溶接された少なくとも１つの補強部材を備える。
2013544651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部品の製造方法であって、
基材が少なくとも２つの側壁とその間の空間とを備えるように前記基材を成形することと、
前記基材が所定の曲線形状を成すように前記基材を熱間ストレッチ成形することと、
少なくとも１つの補強部材が前記少なくとも２つの側壁の間の前記空間内に少なくとも部分的に配置されるように、前記少なくとも１つの補強部材を前記少なくとも２つの側壁へ線形摩擦溶接することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記基材と補強部材のうちの少なくとも１つはチタンまたはチタン合金で形成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基材と補強部材のうちの少なくとも１つはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記基材と補強部材は同一材料で形成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記基材と補強部材は異なる材料で形成されている、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
構造部品の製造方法であって、
少なくとも２つの側壁とその間の空間から成る形材を、ダイが配置されている断熱筐体中に、前記形材が前記ダイの成形距離にあるように配置することと、
前記形材中に電流を流すことにより前記形材を加工温度にまで抵抗加熱することと、
前記形材が前記加工温度にある間に前記形材と前記ダイを互いに相対的に移動して、所定の曲線形状を有する基材を成形することと、
前記曲線状基材を取付アセンブリ上に取り付けることと、
補強部材が前記少なくとも２つの側壁の間の前記空間内に少なくとも部分的に配置されるように、線形摩擦溶接を利用して前記補強部材を前記少なくとも２つの側壁へ貼り付けることと、
を含む方法。
【請求項７】
前記貼り付けのステップが、
前記補強部材と第１の側壁との間の第１の界面と、前記補強部材と第２の側壁との間の第２の界面とを画定するよう、前記補強部材を前記基材と接触させて配置することと、
前記第１の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第１の圧接荷重を、前記第２の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第２の圧接荷重を印加することと、
前記補強部材と前記基材とを加熱するよう、前記補強部材を所定の振動振幅で振動させることと、
前記振動振幅を零まで減少させることと、
前記第１と第２の圧接荷重を所定の設定点にまで上昇させて所定の時間保持することと、
前記第１と第２の圧接荷重を零に減少させることと、
を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記基材と補強部材のうちの少なくとも１つはチタンまたはチタン合金で形成されている、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記基材と前記補強部材のうちの少なくとも１つはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記基材と補強部材は同一材料で形成されている、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記基材と補強部材は異なる材料で形成されている、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも２つの側壁とその間の空間とから成る基材であって、熱間ストレッチ成形を利用して成形された所定の曲線形状を有する基材と、
前記少なくとも２つの側壁の間の前記空間内に少なくとも部分的に配置されるように、少なくとも前記２つの側壁へ線形摩擦溶接された少なくとも１つの補強部材と、
を備える構造部品。
【請求項１３】
前記基材と前記補強部材のうちの少なくとも１つはチタンまたはチタン合金で形成されている、請求項１２に記載の構造部品。
【請求項１４】
前記基材と前記補強部材のうちの少なくとも１つはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている、請求項１２に記載の構造部品。
【請求項１５】
前記基材と補強部材は同一材料で形成されている、請求項１２に記載の構造部品。
【請求項１６】
前記基材と補強部材は異なる材料で形成されている、請求項１２に記載の構造部品。
【請求項１７】
基材であって、
少なくとも２つの側壁とその間の空間とから成る形材を、ダイが配置されている断熱筐体中に、前記形材が前記ダイの成形距離にあるように配置し、
前記形材中に電流を流すことにより前記形材を加工温度にまで抵抗加熱し、
前記形材が前記加工温度にある間に前記形材と前記ダイを互いに相対的に移動させる
ことにより成形される基材と、
前記基材に貼り付けられた少なくとも１つの補強部材であって、
前記補強部材と第１の側壁との間の第１の界面と、前記補強部材と第２の側壁との間の第２の界面とを画定するよう、前記補強部材を前記基材と接触させて配置し、
前記第１の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第１の圧接荷重を、前記第２の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第２の圧接荷重を印加し、
前記補強部材と前記基材とを加熱するよう、前記補強部材を所定の振動振幅で振動させ、
前記振動振幅を零まで減少させ、
前記第１と第２の圧接荷重を所定の設定点にまで上昇させて所定の時間保持し、
前記第１と第２の圧接荷重を零に減少させる、
ことにより貼り付けられる前記補強部材と、
を備える構造部品。
【請求項１８】
前記基材と前記補強部材のうちの少なくとも１つはチタンまたはチタン合金で形成されている、請求項１７に記載の構造部品。
【請求項１９】
前記基材と前記補強部材のうちの少なくとも１つはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている、請求項１７に記載の構造部品。
【請求項２０】
前記基材と補強部材は同一材料で形成されている、請求項１７に記載の構造部品。
【請求項２１】
前記基材と補強部材は異なる材料で形成されている、請求項１７に記載の構造部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に構造部品の分野に関し、特に本発明の実施形態は、基材とそこに貼り付けられた少なくとも１つの補強材から成る改良された構造部品と、そのための製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機産業を含む種々の産業では、相対的に残留応力がなく、破損なく加工できる複雑な構造部品への要求がある。特に、一般的にＬ字型またはＵ字型断面形状を持ち、すみ板、フィン、タブなどの部品の断面形状を長さ方向に一定としない種々の形体を含む、曲線的な機械仕上げ部品に対する要求がある。残念なことに、Ｌ字型またはＵ字型の部材を曲線状の部品に成形し、鍛造、レーザ溶接、融接やその他の既知の方法による従来方法ですみ板やフィンやタブを付加すると、成形及び製造工程中にその部品が受ける不均一な変形を主たる要因として、許容限度を超える残留応力を部品中に有する完成部品になってしまう。部品に残留応力があると、その後の機械加工または使用において破損及び／又は形状変化をもたらし易く、また、基材片と結合要素との間の結合力が推奨されるものよりも弱くなる。これらの欠点のために、これらの部品は先ず部品片の全長に亘って付加部分を含む形状に押し出し成形または圧延を行い、そこから必要に応じて材料を除去して所望の形状を画定する、という形で成形しなければならない。この方法は、部品製造に要する原材料の重量及びコストを大幅に増大させるばかりでなく、最終加工工程において残りの断面から不要材料を取り除くことが、比較的高価な機械設備と熟練とを要する時間のかかる工程であることから、部品製造に要する時間が大幅に増大する。従って、所要の原材料の量とそれに続く加工作業の両方を低減する、改良された構造部品と構造部品の製造方法に対する必要性が未だにある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は構造部品と関連する製造方法を提供する。一実施形態によれば、構造部品の製造方法が、少なくとも２つの側壁とその間の空間とを備えるように基材を成形することを含む。基材は、基材が所定の曲線形状を成すように熱間ストレッチ成形される。少なくとも１つの補強部材が、少なくとも２つの側壁へ線形摩擦溶接されて、補強部材が少なくとも２つの側壁の間の空間内に少なくとも部分的に配置される。
【０００４】
本発明の別の実施形態によれば、構造部品の製造方法が、少なくとも２つの側壁とその間の空間とから成る形材をダイが配置されている断熱筐体中に、形材がダイの成形距離にあるように配置することを含む。形材中に電流を流すことにより形材を加工温度にまで抵抗加熱する。形材が加工温度にある間に形材とダイを互いに相対的に移動して、所定の曲線形状を有する基材を成形する。曲線状基材は取付アセンブリ上に取り付けられる。補強部材が少なくとも２つの側壁の間の空間内に少なくとも部分的に配置されるように、線形摩擦溶接を利用して補強部材を少なくとも２つの側壁へ貼り付ける。一実施形態において貼り付けのステップは、補強部材と第１の側壁との間の第１の界面と、補強部材と第２の側壁との間の第２の界面とを画定するよう、補強部材を基材と接触させて配置することと、第１の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第１の圧接荷重を、第２の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第２の圧接荷重を印加することと、補強部材と基材とを加熱するよう、補強部材を所定の振動振幅で振動させることと、振動振幅を零まで減少させることと、第１と第２の圧接荷重を所定の設定点にまで上昇させて所定の時間保持することと、そして第１と第２の圧接荷重を零に減少させることと、を含む。
【０００５】
本明細書で開示する方法の一実施形態によると、基材と補強部材のうちの少なくとも１つはチタンまたはチタン合金で形成されている。本明細書で開示する方法の別の実施形態によると、基材と補強部材のうちの少なくとも１つはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。本明細書で開示する方法の別の実施形態によると、基材と補強部材は同一材料で形成されている。本明細書で開示する方法のさらに別の実施形態によると、基材と補強部材は異なる材料で形成されている。
【０００６】
本発明の一実施形態によると、構造部品が少なくとも２つの側壁とその間の空間とから成る基材を備え、この基材が、熱間ストレッチ成形を利用して成形された所定の曲線形状を有する。この構造部品はさらに、少なくとも２つの側壁の間の空間内に少なくとも部分的に配置された、少なくとも２つの側壁へ線形摩擦溶接された少なくとも１つの補強部材を備える。
【０００７】
本発明の別の実施形態によると、構造部品が基材を備え、この基材は、少なくとも２つの側壁とその間の空間とから成る形材をダイが配置されている断熱筐体中に形材がダイの成形距離にあるように配置し、形材中に電流を流すことにより形材を加工温度にまで抵抗加熱し、形材が加工温度にある間に形材とダイを互いに相対的に移動させる、ことにより成形される。この構造部品は基材に貼り付けられた少なくとも１つの補強部材を備え、その補強部材は、補強部材と第１の側壁との間の第１の界面と補強部材と第２の側壁との間の第２の界面とを画定するよう補強部材を基材と接触させて配置し、第１の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第１の圧接荷重を、第２の溶接界面に対してある角度で所定の大きさの第２の圧接荷重を印加し、補強部材と基材とを加熱するよう補強部材を所定の振動振幅で振動させ、振動振幅を零まで減少させ、第１と第２の圧接荷重を所定の設定点にまで上昇させて所定の時間保持し、そして第１と第２の圧接荷重を零に減少させる、ことによって貼り付けられる。
【０００８】
本発明の一実施形態によると、基材と補強部材のうちの少なくとも１つはチタンまたはチタン合金で形成されている。本発明の別の実施形態によると、基材と補強部材のうちの少なくとも１つはアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。本発明の別の実施形態によると、基材と補強部材は同一材料で形成されている。本発明のさらに別の実施形態によると、基材と補強部材は異なる材料で形成されている。
【０００９】
このように、所要の原材料の量とそれに続く加工作業の両方を低減する、改良された構造部品および構造部品の製造方法が提供された。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による構造部品を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による形材を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による、図２の形材を成形するのに利用できるストレッチ成形装置を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図３のストレッチ成形装置のダイ筐体内部に配置されたダイを示す部分切欠図である。
【図５】本発明の一実施形態による線形摩擦溶接装置を示す斜視図である。
【図６】図１の線形摩擦溶接装置を示す斜視図である。
【図７】先に成形された形材に直角に溶接される補強部材に対して掛けられる圧接荷重を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態を、そのすべてではないが一部を示している添付の図面を参照してより詳細に説明する。実際に、本発明は多くの異なる形態で具現化することが可能であり、本明細書で提示する実施形態に限定されると考えるべきではない。むしろこれらの実施形態は、適用される法的要件を本開示が充たすために提供されるものである。全体を通じて同じ番号は同じ要素を示す。
【００１２】
図１を参照すると、本発明の実施形態による構造部品１０が示されている。いくつかの実施形態によると、図１に示されているように、構造部品１０は基材１２と少なくとも１つの補強部材１４とを備えている。いくつかの実施形態において、構造部品１０は複数の補強部材１４を備えている。いくつかの実施形態において、構造部品１０は金属でできている。例えば、基材１２及び／又は少なくとも１つの補強部材１４は、チタンまたはチタン合金を含んでいいてもよい。別の実施形態では、基材１２及び／又は少なくとも１つの補強部材１４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を含んでいてもよい。
【００１３】
いくつかの実施形態において、基材１２は底壁１６と、１つまたは複数の側壁１８とから成り、基材１２の断面形状がＬ字型、Ｕ字型、Ｃ字型、Ｔ字型や、そのほかの形状であって基材１２に補強部材１４が貼り付けられる開放領域を画定する任意の形状であってよい。本明細書において、「底壁」、「側壁」という用語は基材１２の部分を指すように使用されているが、これらの用語は基材に対して特定の方向を表わすものではない。すなわち、「底壁」及び／又は「側壁」のそれぞれは総称的な「側壁」を構成し、基材が所期の動作環境及び方向に実装された場合に、側部の壁、または上部の壁、または底部の壁を含み得る。いくつかの実施形態によると、図１に示すように、基材１２は曲線形状を持っていて、基材１２が底壁１６の面に垂直な１つまたは複数の軸について曲がっている。ここで底壁１６は実質的に平面のままである。いくつかの実施形態では、構造部品１０はさらに、１つまたは複数のタブ２２またはフィン２４やそのほかの突起を備えていてもよい。そのようなタブ２２とフィン２４あるいは突起は基材１２と一体的に成形されるか、もしくは以下で詳細を述べるように基材１２に貼り付けられてもよい。
【００１４】
いくつかの実施形態によると、基材１２は、形材２０すなわち金属などの材料片にストレッチ成形処理を行なって成形される。形材２０は、押出加工、ロール鍛造法やそのほかの製造工程により成形されてもよい。こうしていくつかの実施形態において、底壁１６と１つまたは複数の側壁１８で画定される、基材１２の所望の断面形状をした形材から基材１２が成形される。図２に示すように、成形前は形材２０が実質的に直線的な形状をしている。基材１２の曲線形状を実現するために、形材２０はストレッチ成形装置内で加熱され、成形される。ストレッチ成形の概論に関しては、Ｐｏｌｅｎらの米国特許第７，６６９，４５２号を参照されたい。引用によりその全体を本明細書に援用する。
【００１５】
いくつかの実施形態によれば、図３に示すようにストレッチ成形装置３０は主フレーム３２とダイ取付面３４と第１と第２の対向する旋回アーム３６Ａ、３６Ｂ（本明細書においては旋回アーム３６とも称する）を備えている。旋回アーム３６は主フレーム３２に枢動可能に取り付けられ、油圧成形シリンダ３８Ａ、３８Ｂ、すなわち３８に結合されて、油圧引張シリンダ４０Ａ、４０Ｂ（本明細書においては引張シリンダ４０とも称す）を支える。そしてこの引張シリンダ４０Ａ、４０Ｂそれぞれには、そこに取り付けられた油圧で作動可能な相対向する顎アセンブリ４２Ａ、４２Ｂ（本明細書においては顎４２とも称する）がある。加圧された油圧用流体を成形シリンダ３８と引張シリンダ４０と顎４２Ａ、４２Ｂへ供給するために、適当なポンプ、バルブ機構、及び制御部品が設けられてもよい。前述の部品に加えて、断熱されたダイ筐体４４が顎アセンブリ４２Ａと４２Ｂの間のダイ取付面３４に取り付けられている。いくつかの実施形態において、ダイ筐体４４は、形材２０の両端を収納するように構成された、整列して相対向する第１と第２の開口を備えている。さらに、ダイ筐体４４は開放して形材２０をそこへ配置し、そこから取り出すことができる。ただし、閉じている時には、形材２０の両端のための２つの開口を除き、完全に囲まれている。図４を参照するといくつかの実施形態においては、ダイ４６がダイ筐体４４の内部に配置されている。ダイ４６は比較的重量のある構造体であり、その作用面４８はダイ４６のまわりで折り曲げられる形材２０に選択された曲線が付与されるような形状をしている。その詳細を後で説明する。いくつかの実施形態によれば、作用面４８の断面は、概して形材２０の断面形状に合致しており、形材２０がダイ４６の作用面４８に対して同一平面上に配置されるようになっていてもよい。
【００１６】
いくつかの実施形態によれば、ストレッチ成形装置３０を用いて形材２０から構造部品１０の基材１２を成形するために、形材２０がダイ筐体４４中にダイ４６の作用面４８から成形距離にあるように配置される。形材２０の両端がダイ筐体４４の第１と第２の開口をそれぞれ貫通し、形材２０の残りの部分がダイ筐体４４の内部に実質的に完全に取り囲まれるように、形材２０がダイ筐体４４内に配置される。次に顎４２が、ダイ筐体４４の開口から突き出ている形材２０の反対側の両端のそれぞれに対してクランプされる。いくつかの実施形態によると、形材２０は、顎４２及びダイ４６を含む、アセンブリ３０の部品から電気的に絶縁されている。例えば、ダイ４６は溶融シリカのようなセラミック材料の複数片からできていてもよい。ダイ４６は他の耐熱材料でできていてもよいし、または非絶縁性材料でできていて、絶縁層で被覆ないしは包み込まれていてもよい。
【００１７】
いくつかの実施形態によれば、形材２０がアセンブリ内に配置されて両端が顎４２でクランプされると、形材２０に電流が流されて抵抗加熱が行われる。抵抗加熱するために、電源からのコネクタが形材２０の各端部に配置されてもよい。別の実施形態において、前述したように、顎４２を通して直接に加熱電流が接続されてもよい。熱電対またはそのほかの測温デバイスを利用することによって、温度フィードバック信号を利用して、電流源はプログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）で制御可能である。これにより、急速でありながら均一な加熱のためにランプ速度を適切にすることが可能であり、形材２０が目標温度に到達した後の電流の抑制も可能となる。既知の種類の比例積分微分（ＰＩＤ）制御ループを備えることにより、成形サイクル中の形材２０の温度変化に対して自動調整が可能となる。成形サイクル中にこの制御はアクティヴでありプログラム可能であってもよい。こうして、熱電対やそのほかの温度センサからのフィードバックを利用して形材２０の加熱を閉ループ制御して継続し、所望の作業温度設定点に到達させる。設定点までの形材２０の加熱速度は、関連する熱電対からのフィードバックとともに、形材２０の断面積と長さを考慮して決定される。ストレッチ成形作業を行う間、形材２０は約５３８℃（約１０００°Ｆ）かそれ以上にまで加熱される。
【００１８】
作業温度に到達すると、形材２０を基材１２へ成形を開始することができる。いくつかの実施形態によると、引張シリンダ４０が形材２０を長手方向の所望の点まで引き伸ばし、成形シリンダ３８が旋回アーム３６を内側へ枢動させて形材２０をダイ４６に巻き付ける。この間作業温度は必要に応じて制御される。こうして、ダイ４６が基材１２に曲線形状を付与する。引張速度、さまざまな位置での保持時間、及び温度変化は、成形工程の間、制御システムへのフィードバックを介して制御可能である。旋回アーム３６からの位置のフィードバックで、形材２０が最終位置に到達したことが分かると、制御システムは、形材２０が開放できる時までその位置及び／又は張力を維持する。その設定点に至るまでは、制御システムが形材２０の加熱とダイ周りでの成形を継続する。必要に応じて温度制御した状態で、選択された保持時間の間、形材２０をダイ４６に押し付けたままにして、クリープ成形を行ってもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態によると、形材２０は、電流源を介した補助加熱を加えながら、自然冷却よりもゆっくり冷却される。この温度の下降速度はプログラムされていて、温度フィードバックでモニタしながら形材２０を冷却することが可能である。温度が最終設定点に到達すると、形材２０にかかる力が解除され、電流源からの電流が停止される。形材２０から力が除去された後、顎４２が開放され、すべての電気接続が取り外される。そして、完全に成形された基材１２がアセンブリ３０から取り外される。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態においては、成形前に形材２０の加熱を含まないストレッチ成形工程を利用して形材２０から基材１２が成形されてもよいことを理解されたい。実際にいくつかの実施形態において、上記の加熱、冷却プロセスが基材１２の成形に用いられなくてもよい。具体的にはいくつかの実施形態によると、ストレッチ成形装置３０による抵抗加熱かその他のものかに拘らず、形材２０は加熱されない。そうして形材２０をダイ４６に押し付けて、最低作業温度に到達することもまたはそのほかに形材２０を温度制御することもなしに基材１２が成形される。このように、これらの実施形態においては、形材２０からの基材１２の成形が、ストレッチ成形装置３０の場所での気温において行われる。ただし、加熱及び／又は冷却プロセスを用いるかどうかに拘らず、得られる基材１２が好ましくは、それに限定するものではないが基材表面上の引張残留応力も含めて、実質的に残留応力を持たない。
【００２１】
上記のプロセスを利用して構造部品１０の基材１２が成形されると、１つまたは複数の補強部材１４が基材１２に貼り付けられる。いくつかの実施形態によると、補強部材１４のそれぞれは線形摩擦溶接を利用して基材１２に貼り付けられる。別の実施形態によると、単一圧接軸または二軸圧接軸の線形摩擦溶接プロセスが利用されてもよい。この溶接プロセスでは、２片の金属が、一方向または二方向から印加される圧接力とともに、その２片間の振動する線形運動により生じる摩擦による局所的な加熱によって接合可能となる。二軸圧接軸の線形摩擦溶接の概論に関しては、Ａｌｅｓｓｉらの米国特許第７，６２４，９０７号を参照されたい。引用によりその全体を本明細書に援用する。
【００２２】
いくつかの実施形態によると、線形摩擦溶接機械は、線形摩擦溶接プロセスを実行するために利用されてもよい。いくつかの実施形態において、線形摩擦溶接機械は、振動と一軸または二軸の圧接荷重力とを与えるように運転可能な溶接ヘッドを備え、これが溶接を行って補強部材１４を基材１２に貼り付ける。図５と６に示すように、二軸圧接軸線形摩擦溶接機械の溶接ヘッド５０は他の部品を支持するための振動ブロック５２を含んでいる。いくつかの実施形態によれば、２つのＹ軸振動静圧軸受アクチュエータ５４が、振動ブロック５２の対向する両側面に備えられてその中に支持され、４つのＺ軸圧接静圧軸受アクチュエータ５６が振動ブロック５２の上面に備えられ、第１の圧接軸であるＺ軸に沿って圧接荷重を提供する。２つのＸ軸静圧圧接アクチュエータ５８が振動ブロック５２の１つの側面に備えられ、第２の圧接軸であるＸ軸に沿って圧接荷重を提供する。２つのＸ軸カウンタ荷重静圧軸受アクチュエータ６０が２つのＸ軸静圧圧接アクチュエータ５８に対向し、Ｘ軸圧接アクチュエータ５８の圧接荷重に対抗する。４つのＺ軸カウンタ荷重浮動シリンダ６２が振動ブロック５２の各コーナに配置され、Ｚ軸圧接アクチュエータ５６の荷重に対抗する。振動ブロック５２はさらに、振動のために補強部材１４を固定するクランプツール６４の取付面を備える。振動ブロック５２はＹ軸静圧振動アクチュエータ５４と、Ｘ方向の静圧圧接アクチュエータ５８とカウンタ荷重アクチュエータ６０と、Ｚ方向の静圧圧接アクチュエータ５６とカウンタ荷重シリンダ６２との間に保持されている。複数の静圧アクチュエータのそれぞれが好ましくは、作動のためのサーボ弁と、圧力と位置のフィードバックセンサとを装備している。静圧振動アクチュエータが好ましくは速度のフィードバック用の加速度計を備えている。
【００２３】
いくつかの実施形態によると、補強部材１４を基材へ貼り付けて構造部品１０を形成するために、各補強部材１４が溶接ヘッド５０にクランプされ、基材１２の底壁１６と側壁１８に接触して配置される。基材はしっかりと固定されて、溶接ヘッド５０内の補強部材１４を受けられるようになっている。図７に示すように、補強部材１４は、底壁１６と側壁１８の各内面によって画定される面に沿って、基材１２へ直角に溶接される。具体的には、Ｘ軸圧接アクチュエータ５８がＸ軸の圧接軸方向に沿う圧接荷重を与える。Ｘ軸カウンタ荷重静圧軸受アクチュエータ６０が、Ｘ軸方向の静圧軸受上に所望の予荷重が生じるようにカウンタ荷重力を与える。この構成により、溶接ヘッド５０に荷重をかけることなしに、圧接アクチュエータ５８がＸ方向に位置取りして制御維持を可能とした状態で、振動ブロック５２をＸ軸に拘束する。
【００２４】
Ｚ軸圧接アクチュエータ５６がＺ軸の圧接軸方向の圧接荷重を与える。ここで再び、静圧アクチュエータと一体になった静圧軸受に予荷重が必要である。振動ブロック５２が溶接ヘッドのハウジング内に保持されるために、Ｚ軸カウンタ荷重シリンダ６２が、振動ブロックの重量と静圧圧接アクチュエータの予荷重に対抗する力を提供する。この構成により、溶接ヘッド５０に荷重をかけることなしに、静圧圧接アクチュエータがＺ軸方向に位置制御することが可能となる。任意の２組のアクチュエータの連結運動が１つの面運動を提供する。直交する３組のアクチュエータが、溶接ヘッドの３面の運動をもたらす。静圧振動アクチュエータがＹ軸方向のヘッドの高周波往復運動を提供する。
【００２５】
振動ブロックが運動する２軸圧接の溶接プロセスを一般的に考慮すると、予め設定された（調整用の）圧接荷重がＺ軸とＸ軸方向に、溶接界面に対して０から９０度まで、好ましくは実質的に垂直に印加される。振動運動と印加された荷重とで、生じる摩擦が溶接界面を加熱して材料を塑性状態にする。材料が溶接界面から押し出され、それによって溶接面が清浄化される。各圧接軸の移動量が制御システムによってモニタされて、清浄化プロセス中に移動した材料、つまり消耗された材料の量を判定する。清浄化による移動量が予め設定した値に到達すると、振動振幅を減少させてゼロにして、部品を最終的な圧接運動位置に配置する。ゼロまたはゼロ付近の振動において、予め設定された最終圧接荷重がＺ方向とＸ方向に印加される。印加された圧接荷重が部品同士を強制的に押し付ける。いくつかの実施形態によると、圧接荷重の大きさは溶接する長さに依存する。例えば、側壁への溶接が底壁への溶接の３倍長い場合には、側壁への圧接軸に沿って必要な荷重は、底壁への圧接軸に沿って必要な荷重よりも約３倍大きな強度が必要となる。圧接荷重を印加した時に、圧接荷重圧力を相対的に一定に保持する。圧接による移動がモニタされて記録されてもよい。材料が冷えて固化すると、圧接移動が止まる。圧接荷重は圧接移動が止まった後も予め設定された時間だけ維持して、部品位置と溶接品質を確実なものとする。最終の溶接ヘッド位置が記録されてもよい。圧接圧力をゼロに下げ、部品のクランプを外して、溶接ヘッドを後退させる。こうして溶接サイクルが完了する。このように、今述べた二軸圧接線形摩擦溶接プロセスを利用して、補強部材１４が基材１２へ貼り付けられて構造部品１０が形成される。
【００２６】
他の実施形態において、一軸圧接線形摩擦溶接プロセスを利用して補強部材１４を基材１２に貼り付けて、構造部品１０を形成してもよい。実際にいくつかの実施形態によると、補強部材１４、タブ２２、及び／又はフィン２４のいずれも、二軸圧接線形摩擦溶接または一軸圧接線形摩擦溶接のいずれかを利用して基材１２へ貼り付けてもよい。例えば、補強部材１４は二軸圧接線形摩擦溶接を用いて基材１２に貼り付け、所望のタブ２２とフィン２４は一軸圧接線形摩擦溶接を用いて基材１２に貼り付けてもよい。タブ２２及び／又はフィン２４は、基材１２の底壁１６と側壁１８の間の空間に直角に溶接されるよりもむしろ、底壁１６または側壁１８の端部が画定する単一面上へ溶接される。従って、そのようなタブ２２及び／又はフィン２４の溶接には一軸圧接線形摩擦溶接が適切な選択となる。
【００２７】
一軸圧接線形摩擦溶接は、既に説明した二軸圧接線形摩擦溶接と類似の方法で行うことができる。異なるのは、溶接ヘッド６０によりＸ軸とＺ軸の両方に２つの荷重がかけられるのではなく、一方向に単一の圧接荷重のみが印加される点である。例えば、Ｚ方向に単一の圧接荷重が掛けられてもよい。このような実施形態において、溶接ヘッド６０にはＸ軸圧接アクチュエータ５８やＸ軸カウンタ荷重静圧軸受アクチュエータ６０が装備されていなくてもよい。貼り付け予定の部品の振動はこの場合においても、Ｙ軸静圧振動アクチュエータ５４を利用してＹ軸方向に発生し、振動振幅も同じように、予め設定した清浄化移動が達成されるとゼロに向けて低減されて部品を最終圧接運動に備えて位置取りする。ゼロまたはゼロ付近の振動において、予め設定された最終圧接荷重がＺ方向のみに印加されて、部品を基材１２上に押し付ける。圧接荷重をＺ軸方向に印加する時、圧接荷重の圧力を圧接移動が停止した後の予め設定した時間の間一定に維持して、部品の位置と溶接の品質を確実なものとする。このように、一軸圧接線形摩擦溶接を本明細書で説明した二軸圧接線形摩擦溶接の代替としてあるいはその補完物として利用して、１つまたは複数の補強部材１４、タブ２２、フィン２４を基材１２に貼り付けてもよい。
【００２８】
有利には、基材１２に貼り付けられる補強部材１４とタブ２２とフィン２４は、さまざまな金属及び金属合金で形成されていてもよい。この点に関して、補強部材１４とタブ２２とフィン２４と基材１２は、同一または異種の金属及び金属合金で形成されていてもよい。一実施形態においては、基材１２と基材１２に貼り付けられる部材はそれぞれ“溶接不能”の材料で形成されている。これは伝導度が高く溶接の接合点から熱が急速に放散する材料であるか、及び／又は熱膨張による応力の結果として溶接接合点に沿ってクラックが生じるような材料である。溶接不能の材料は、従来の溶融溶接プロセスを用いて溶接した場合、相対的に弱い溶接接合点を形成する。従って、例えば航空機産業などのような高性能な構造体への応用に係わる設計者には大部分が利用不可である。そのような材料として、チタン、アルミニウム、アルミニウム合金、及びチタンのある種の合金、特にＴｉ−６Ａ１−４Ｖ合金、ＡＡ２０００シリーズ合金、ＡＡ７０００シリーズ合金などがある。有利には、これらの材料の多くが特定の用途、特に航空機産業に望ましい腐食、疲労、強度または延性に関する特別の特性を有している。
【００２９】
補強部材１４と基材１２（あるいは該当する場合にはタブ２２、またはフィン２４）との間の振動は、十分な摩擦熱を発生して接触領域に隣接する各部材部分の温度を、約７００°Ｆと、補強部材１４と基材１２を形成する金属の固相線直下の温度との間の温度にまで上昇させる。線形摩擦溶接は激しい変形を起こすが、溶接界面に実質的に残留応力のない、非常に微細化された粒状構造をもたらす。さらに線形摩擦溶接は、いかなる溶融溶接プロセスに比べても熱影響域の範囲がより狭く、従来の溶接に適する特性を持つ特定の合金に限定されない。線形摩擦溶接は、従来の溶接に関する数々の欠陥を取り除く。たとえば、マイクロクラック、低延性、溶融不足、気孔率などであり、最も重要な点は接合された部品部材の形状と公差に対して逆効果を及ぼす歪みを最小化することである。
【００３０】
このように、所要の原材料の量とそれに続く加工作業の両方を低減する、改良された構造部品および構造部品の製造方法が提供された。有利には、基材とそれから得られる構造部品の実施形態は、実質的な残留応力なしで形成される。従って、従来の構造部品にみられる、後続の機械加工または使用時において破損及び／又は形状変化を受けやすいこと、及び／又は基材片と結合要素間の結合強度が推奨されるよりも低いこと、などの従来構造部品の不利な点を持たない。
【００３１】
本発明をここに特定の実施形態で説明した。本明細書で説明した本発明に関して、前述の説明に示された教示及び関連する図面の利益を有する多くの変形及び他の実施形態を、本発明に関連する当業者は思い付くであろう。従って、本発明は開示した特定の実施形態に限定されないこと、及び変形や他の実施形態及び複数の実施形態の組合せは、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。本明細書において特定の用語を使用したが、それらは一般的かつ記述的意味においてのみ使用されており、限定を目的とするものではない。
【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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【国際調査報告】
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