(57)【要約】構造の接合に用いる摩擦攪拌接合工具（2）。工具は、肩（4）と、肩から延びるプローブ（6）を有する。プローブは、この長軸の周りに少なくとも３つの区間（8a、8b、8c）を等角度で配置し、各区間に少なくとも３つの連続して配置される平坦部（8）をプローブ（6）の軸（12）の周りに設ける。平坦部の垂直軸がプローブの軸（12）に向う方向で収束するように平坦部（8）を配置し、各区間により略凸状の形状を形成する。プローブ（6）は、隣接する略凸状の非スレッド部（8a、8b、8c）の間にスレッド部（10a、10b、10c）を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌接合工具であって、
肩と、
前記肩から延びるプローブを有し、
前記プローブは、このプローブの長軸の周りに少なくとも３つの区間を等角度で配置して、各区間に少なくとも３つの連続して配置されるように実質的に平坦な部分を前記プローブの軸の周りに設けて、この平坦部の垂直軸が前記プローブの軸に向う方向で収束するように前記平坦部を配置して、さらに、
前記プローブは、隣接する前記区間の各対の間にスレッド部を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合工具。
【請求項２】
前記区間のいずれも、スレッドを有しないことを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合工具。
【請求項３】
前記プローブは、この長さに沿ってテーパ付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合工具。
【請求項４】
前記プローブは、この長さの少なくとも大部分にわたって、ほぼ一定の直径を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合工具。
【請求項５】
前記各区間は、前記プローブの軸の周囲に、少なくとも４つの実質的に平坦な部分を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦攪拌接合工具。
【請求項６】
摩擦攪拌接合工具の製造方法であって、
肩と、この肩から延びるスレッドを設けたプローブを有する工具を用意し、
前記スレッドを設けたプローブから材料を除くように機械加工して、前記プローブの長軸の周りに少なくとも３つの区間を等角度で配置するように形成し、前記各区間に少なくとも３つの連続して配置されるように実質的に平坦な部分を前記プローブの軸の周りに設けて、前記平坦部の垂直軸が前記プローブの軸に向う方向で収束するように前記平坦部を配置する、ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
二つの金属製品を一体に接合する方法であって、
（ａ）１０ｍｍ以上の大きさの厚さを有する二つの金属製品を用意し、
（ｂ）摩擦攪拌接合工具を用意し、この工具は、
肩と、
前記肩から延びるプローブを有し、
前記プローブは、このプローブの長軸の周りに少なくとも３つの区間を等角度で配置して、各区間に少なくとも３つの連続して配置されるように実質的に平坦な部分を前記プローブの軸の周りに設けて、前記平坦部の垂直軸が前記プローブの軸に向う方向で収束するように前記平坦部を配置して、さらに、前記プローブは、隣接する前記区間の各対の間にスレッド部を含み、
（ｃ）前記工具を用いて、前記二つの製品を一体に接合する、ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記製品は、アルミニウム合金から形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記製品は、航空機部品の製造に用いるのに適することを特徴とする請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
部品の製造方法であって、前記部品は金属のブロックから機械加工され、前記金属のブロックは、請求項７〜９のいずれかに記載の方法に従って、二つ又はこれ以上の製品を一体に接合したものから形成されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記部品は、航空機部品であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合（FSW：Friction Stir Welding）の工具と、この工具の製造方法と、二つの金属製品（ワークピース）を一体に接合する方法に関する。本発明は、特に、航空機部品の製造に用いられる、アルミニウム合金のような金属合金から形成された、二つの比較的に厚い製品を一体に接合するためのＦＳＷ工具に関するが、これに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌接合は、比較的に新しい接合処理であり、この背景の概要は、特許文献１〜４に開示されているが、これら開示内容は全て、本明細書に参考として包含される。一般に、「摩擦攪拌接合」という用語は、製品の材料よりも硬い材料のプローブを、製品に対して移動させることで、摩擦熱を発生させて、これによって、プローブの領域内の製品を軟化させて、プローブを効果的に製品内に貫入させる接合方法を広く含む。プローブは、通常、プローブの軸に関し回転して、形成される接合長さに沿って、製品に沿って移動する。
【０００３】
従来、ＦＳＷ工具の形状が接合処理にどのような影響を与えるかについて、研究されている。このような研究の一つが、非特許文献１に開示されている。この報告は、「トリ−フラット（Tri-flat）」工具、「トリ−フルート（Tri-flute）」工具及び「トリ−ベックス（Tri-vex）」工具を含む、様々な工具の形状について記載している。尚、トリ−フラット工具は、この断面が、工具の軸に関して等角度で３つの平坦な領域を有することに特徴があり、トリ−フルート工具は、この断面が、工具の軸に関して等角度で３つの凹状の形状領域を有することに特徴があり、トリ−ベックス工具は、この断面が、工具の軸に関して等角度で３つの凸状の形状領域を有することに特徴がある。この報告は、ＦＳＷ接合を行うのに必要な工具上の負荷を比較した所、トリ−フルート工具と比べて、トリ−ベックス工具では負荷は低下すると論じている。この報告では、６．２ｍｍのピン／プローブ長さを用いて、薄い（６．３５ｍｍの厚さを有する）プレートを接合するために、トリ−ベックス工具を用いた例を示している。次に、トリ−ベックス工具の形状と２０ｍｍのピン長さを有するＦＳＷ工具を用いて、２０ｍｍのオーダーの厚さの製品を一体に接合した場合、欠陥（defect）を含む接合を生じさせたことを示している。トリ−ベックス工具により発生したこの欠陥の大きさは、主軸（スピンドル）の速度を増すことで改良できることが解かったが、この場合、接合部に過度の熱を生じさせて、これが次に機械特性を損わせて、大きな熱の影響を受ける領域を生じさせることが解かった。
【０００４】
従って、厚い製品を結合させるためにトリ−ベックスＦＳＷ工具を用いる場合、十分に質の高い結合を生じさせることが困難なため、航空機の製造に用いられるアルミニウム合金材料を結合させるのに適さなかった。さらに、トリ−ベックスＦＳＷ工具は、工具の周囲の３つの対応する位置で、３つの凸状形状の表面を精密に機械加工して、さらにこの凸状形状の表面上でスレッドを機械加工しなければならないため、費用高で、製造が困難であった。
【特許文献１】米国特許第５，４６０，３１７号（トーマス及び他の者）
【特許文献２】米国特許第５，８１３，５９２号（ミドリング及び他の者）
【特許文献３】国際公開第９３／１０９３５号（ウェルディング・インスティチュート）
【特許文献４】国際公開第９５／２６２５４号（ノースク・ハイドロ・エー．エス．）
【非特許文献１】「サイエンス・アンド・テクノロジー・オブ・ウェルディング・アンド・ジョイニング・２００４」（Ｎｏ．４，Ｖｏｌ．９，第３４５‐３６１頁）の、ピー．エー．コレグローブ及びエイチ．アール．シャークリフにより、二つのパートで発行された（パート１及び２）、題名「トリ−ベックス摩擦攪拌接合工具の発展」の記事
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明は、改良したＦＳＷ工具を提供することを目的とする。これに加えて、又は、これに替えて、本発明は、航空機の製造に用いるのに適する質で、厚い製品を接合できるＦＳＷ工具を提供することを目的とする。これに加えて、又は、これに替えて、本発明は、上述した先行技術のＦＳＷ工具の一つ又は複数と同等か、より良好な質で接合できるとともに、対応する先行技術のＦＳＷ工具を用いる場合と比べて、接合中にＦＳＷ工具上の負荷を減らしたり、及び／又は、結合用の熱の入力を増大させない、ＦＳＷ工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、摩擦攪拌接合工具を提供するが、この工具は、
肩と、
肩から延びるプローブを有し、
プローブは、このプローブの長軸の周りに少なくとも３つの区間を等角度で配置して、各区間に少なくとも３つの連続して配置されるように実質的に平坦な部分をプローブの軸の周りに設けて、この平坦部の垂直軸がプローブの軸に向う方向で収束するように平坦部を配置して、さらに、
プローブは、隣接する区間の各対の間にスレッド部を含むことを特徴とする。
【０００７】
実験では、本発明の実施形態に従うＦＳＷ工具は、上述した先行技術のトリ−フラット及びトリ−フルート形状の工具と比較して、ＦＳＷ工具と、この工具を操作するのに用いるＦＳＷ機械の双方上の負荷を減らしながら、２０ｍｍの厚さのプレート内に（航空機の主要な構造に用いるのに適する）しっかりとした接合を形成できることが解かった。
【０００８】
本発明に従うＦＳＷ工具は、先行技術のトリ−ベックスＦＳＷ工具と一般に類似した形状を有することができ、本発明の工具の各区間の平坦部により、略凸状の輪郭を定める。本発明は、先行技術の工具よりも低い負荷を支えるＦＳＷ工具を提供できるだけでなく、工具が、製造時に凸状の区間を機械加工により除く必要を減らして、先行技術のトリ−ベックスＦＳＷ工具と比べてより容易に製造することができる。尚、各区間の平坦部により略凸状の輪郭を定めるために、各区間の平坦部の垂直軸は、一点で収束する必要がないことを理解されたい。むしろ、この垂直軸は、平坦部の表面からプローブの軸に向う軸に沿って進むにつれて、軸の各対の間の隔たりを減らすという意味で収束することだけを必要とする。
【０００９】
本発明のＦＳＷ工具は、１０ｍｍよりも大きい厚さを有する製品を一体に接合できるように設けられてもよい。このプローブは、１０ｍｍよりも長くてもよい。プローブは、約２０ｍｍか、これ以上でもよい。
【００１０】
プローブの長軸の周りに等角度で配置されるように、３つだけの区間を設けてもよく、これら区間は、０度、１２０度、２４０度で、夫々、中心に位置決めされる。あるいは、プローブの長軸の周りに等角度で配置されるように、４つだけの区間を設けてもよく、これら区間は、０度、９０度、１８０度、２７０度で、夫々、中心に位置決めされる。
【００１１】
好ましくは、各スレッド部は、これが配置される間の区間と連続する。好ましくは、区間のいずれもスレッドを有しない。従って、工具は、この軸に関して、交互に、スレッド領域と非スレッド領域を有してもよい。
【００１２】
プローブは、この長さに沿ってテーパ付けられる形状を有していてもよい。あるいは、プローブは、この長さの少なくとも大部分にわたって、ほぼ一定の直径を有する形状を有していてもよい。プローブは、例えば、略円筒状の形状を有していてもよい。
【００１３】
プローブの長さに沿った平坦部の勾配は、スレッド部の勾配と異なっていてもよい。平坦部は、例えば、スレッド部のものよりも、プローブの長さに沿って、より急な勾配を有していてもよい。これに加えて、又は、これに替えて、平坦部は、スレッド部のものより低い勾配を有していてもよい。プローブの長さに沿った勾配は、隣接する平坦部と比べて異なっていてもよい。（平坦部の勾配は、平坦部に対して垂直で、プローブの軸を含む抽象的な平面と平坦部の間の交差線とプローブの軸の間の角度として測定することができる。）
【００１４】
また、区間毎に、３つ以上の平坦部を設けてもよい。例えば、各区間は、プローブの軸の周囲に、少なくとも４つの実質的に平坦な部位を設けてもよい。区間毎の平坦部の数は、１０以下でもよい。好ましくは、平坦部は、各区間で連続するように配置される。本発明は、区間毎の平坦の数が２だけの場合にも適用できる。さらに、本発明は、肩と、肩から延びるプローブを有する、摩擦攪拌接合工具を用意し、このプローブは、プローブの長軸の周りに、好ましくは等角度で、少なくとも３つの区間を配置して、各区間に複数の連続して配置される実質的に平坦な部分をプローブの軸の周りに設けて、この平坦部の垂直軸がプローブの軸に向う方向で収束するように平坦部を配置する。プローブは、隣接する区間の各対の間に、スレッド部を含むことができる。勿論、本発明の広い特徴に本明細書で説明された本発明の他の特徴を含ませることは可能である。
【００１５】
さらに、本発明は、本明細書で説明された本発明の任意の特徴に従う摩擦攪拌接合工具の製造方法も提供する。この製造方法は、好ましくは、次のステップを含む。即ち、肩と、肩から延びるスレッドを設けたプローブを有する、工具を用意し、スレッドを設けたプローブから材料を除くように機械加工して、プローブの長軸の周りに少なくとも３つの区間を等角度で配置するように形成し、各区間に少なくとも３つの連続して配置されるように実質的に平坦な部分をプローブの軸の周りに設けて、この平坦部の垂直軸がプローブの軸に向う方向で収束するように平坦部を配置する、ステップを含む。通常、工具の製造中、工具は、この中心軸の周りで回転するように取付けられることがあり、工具をこの軸に関して回転させることで、様々な平坦部を除く機械加工を行うことがある。従って、先行技術では、凸状の表面を機械加工するには、精密な形状を得るためにオフセットされた複雑の工具を必要とすることがあるので、本願発明の工具の製造は、上述したトリ−ベックス工具のような工具を製造する場合と比べてかなり簡単にすることができる。平坦部を形成するために、プローブから除くように機械加工される材料の深さは、プローブの長さに沿って変化してもよい。例えば、プローブの基部（ルート）では、この先端部と比べて、より多くの材料が深さにおいて機械加工で除かれるように平坦部を設けてもよい。これに加えて、又は、これに替えて、プローブの基部では、この先端部と比べて、より少ない材料が深さにおいて機械加工で除かれるように平坦部を設けてもよい。このように、プローブに沿った所定長さで機械加工により除かれる材料の深さは、二つの異なる平坦部の間で相違してもよい。
【００１６】
さらに、本発明は、本明細書で定めた本発明の任意の特徴に従う摩擦攪拌接合工具を用いて、二つの金属製品を一体に接合する方法を提供する。この接合方法は、好ましくは、次のステップを含む。即ち、
１０ｍｍ以上の大きさの厚さを有する二つの金属製品を用意し、
本明細書で定めた本発明の任意の特徴に従う摩擦攪拌接合工具を用意し、
この工具を用いて、二つの金属製品を一体に接合する、ステップを含む。
【００１７】
この接合方法は、製品がアルミニウム合金から形成される場合、及び／又は、製品が航空機部品の製造に用いるのに適する場合に、特に利点がある。例えば、金属は、２０００系、６０００系、７０００系のアルミニウム合金や、アルミニウム−リチウム合金のような、航空産業で用いるのに通常の又は適切な合金でもよい。また、二つの製品は、同じタイプの材料でもよいが、これは必須ではない。
【００１８】
さらに、本発明は、本明細書で定めた本発明の任意の特徴に従う摩擦攪拌接合工具を用いて、部品、より好ましくは航空機部品の製造方法を提供する。この製造方法は、好ましくは、次のステップを含む。即ち、部品、より好ましくは航空機部品を機械加工するための金属のブロックを用意し、本明細書で定めた本発明の任意の特徴に従う接合方法を用いて、二つ又はこれ以上の一体に接合された製品から、金属のブロックを形成する、ステップを含む。金属のブロックは、通常、一般的に立方形状を有するが、これは必須ではない。この部品は、例えば、航空機の主要構造の一部を形成してもよい。この部品は、例えば、航空機のウイングボックス用のスパーの少なくとも一部を形成してもよい。尚、本発明を用いて形成される部品は、組付け前に、さらなる処理を必要としてもよいことを理解されたい。従って、この部品は、所定の状況では、最終的な製品として考えられる前の、さらなる処理を要する中間製品でもよい。例えば、この部品は、さらなる機械加工、処理、他の部品との組付け、又は、他の同様の処理を必要としてもよい。従って、本明細書で用いられる用語の部品は、最終的な組付けにすぐに利用できる状態の部品と、部品の製造の初期段階での部品の双方を含むことを理解されたい。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について例示するが、これは例示的にのみ示したに過ぎない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第一の実施形態に係るＦＳＷ工具の背景について理解するため、先行技術の工具の形状について簡単に説明することが有益であると思われる。そこで、先行技術の工具の輪郭について概略的に示している図１ａ〜１ｃを参照すると、「トリ−フルート」工具、「トリ−フラット」工具及び「トリ−ベックス」工具のプローブの略断面形状が、夫々示されている。各々の場合で、略円筒形状の輪郭（図示されていないものの、観念的な円であって、図１ａ〜１ｃで示した形状を滑らかに覆うもの）から、三つの区間が機械加工されて除かれている。図１ａでは、「トリ−フルート」形状の工具１０２が、三つの分離して等角度で配置された凹状領域１０４によって定められることが示されており、図１ｂでは、「トリ−フラット」形状の工具１０６が、三つの分離して等角度で配置された平坦部１０８によって定められることが示されており、図１ｃでは、「トリ−ベックス」形状の工具１１０が、三つの分離して等角度で配置された凸状領域１１２によって定められることが示されている。
【００２０】
次に、図２ａと２ｂを参照すると、本発明の第一の実施形態に従う、三重の「トリ−フラット」ＦＳＷ工具２の断面図と平面図（工具の端部から眺めたもの）が夫々示されている。工具２は、肩部４を有し、ここから、テーパ付けられたピンの形態で、プローブ６を延ばしている。工具２のプローブ６は、円錐形状のスレッドを設けたピンから、平坦部８を除くように機械加工することで形成される。例えば、ピン上のスレッドは、シングルの２０００の６０度のメートル平目ねじ（single 2000 coarse metric 60 degree thread）の形態で、２ｍｍのピッチを有し、プローブ上でスレッドの１０ターンよりも丁度下である。プローブ６は、２０ｍｍの長さｌを有する。また、プローブ６は、肩４から先端まで、約１２度の角度でテーパ付けられており、先端での直径は約９ｍｍである。平坦部８は、３つの区間８ａ、８ｂ、８ｃのグループからなり、各区間は、３つの連続した平坦部８から構成される。各区間の平坦部８は機械加工されて、断面（この際、断面の垂線は、プローブの軸１２と並行になる）として眺めた時に、略凸状の輪郭を形成する。次に、図２ｃを参照すると、本発明の第一の実施形態に従う上記プローブの断面が、概略的なダイアグラムとして示されている。図２ｃでは、プローブの一区間８ａを構成する３つの平坦部８が示されており、プローブの軸１２は、図２ｃでは、十字形で示されている（尚、図２ｃでは、理解を容易にするため、平坦部８の角度の区別と、これらの垂直軸１４は、誇張して示されていることを理解されたい）。図２ｃから理解できるように、平坦部８の垂直軸１４は、プローブ６の軸１２に向う方向で収束し、これにより略凸状の輪郭を定めている（この凸状の輪郭は、図２ｃでは、観念的な凸状の表面１６で示されている）。図２ａと２ｂを参照すると、区間は、夫々、中心に位置決められており、区間がプローブ６の軸１２に関して等角度で（即ち、１２０度で隔てられて）配置されている。３つの平坦部８から夫々構成される、３つの区間８ａ〜８ｃは、スレッド部１０ａ、１０ｂ、１０ｃによって区別されており、隣接する区間の各対の間に、スレッド領域１０を定めている。
【００２１】
次に、図２ａと２ｂに示した工具２を用いて、（航空機の主要構造に使われるのに適切な）２０ｍｍの厚さのアルミニウム合金７１５０プレートに接合を生じさせて、工具によって支えられる負荷を測定した。また、同様の寸法のトリ−フラット、トリ−フルート及びトリ−ベックス形状の工具についても、同じ２０ｍｍの厚さの７１５０プレート上でテストした。この結果、トリ−ベックス工具は、航空機の主要構造用には、十分に良好な質の接合を生じさせなかった。また、接合中に本発明の実施形態の工具２によって支えられる負荷は、同じ大きさのトリ−フラットとトリ−フルート形状の工具によって支えられる負荷よりも小さいことが解かったが、この時のデータを以下の表に示す。
【００２２】
表１
７５ｍｍ/ｍｉｎと１５０ｍｍ/ｍｉｎでトリ−フラット工具と比較した時の負荷の低減（％で示す）
供給割合            横の負荷の低減        トルクの低減        垂直の負荷の低減
７５ｍｍ／ｍｉｎ    ２０％                ５．５％            同じ
１５０ｍｍ／ｍｉｎ  ２０％                ２０％              同じ
【００２３】
表２
７５ｍｍ/ｍｉｎの供給率（１５０ｍｍ/ｍｉｎでは、ＦＳＷは、要求される垂直の負荷が機械性能を超えるため、形成されなかった）でトリ−フルート工具と比較した時の負荷の低減（％で示す）
横の負荷の低減        トルクの低減        垂直の負荷の低減
５４％                １０．５％          ２５％
【００２４】
尚、上記表のいずれにおいても、異なるプローブ構成では、工具領域に対しスイープ領域の割合が厳密に同一でないため、上記パーセンテージは、わずかにずれることがあることを理解されたい（非特許文献１のパート１の記事参照）。
【００２５】
次に、図３を参照すると、本発明の第二の実施形態に従うＦＳＷ工具が示されているが、同図には、ＦＳＷ工具のプローブ２０の要部断面が示されており、このプローブ２０は、スレッド領域２２によって区別されるように、３つの区間を有し、かつ、各区間は７つの平坦部２４から構成されている。これら７つの平坦部２４によって、プローブ２０のスレッド領域２２の間により滑らかな輪郭を形成している。
【００２６】
以上、特定の実施形態に関して、本発明について説明し、図示したが、当該技術分野における当業者ならば、本発明は、本明細書で特に示されていない、多くの様々な変更が可能であることを理解するであろう。以下、上述した実施形態に対する幾つかの変更例について、例示的にのみ説明する。
【００２７】
例えば、本発明の実施形態に従うＦＳＷ工具は、図を参照して上述したものよりも、より厚い製品を接合するのに用いることができる。この場合、同様の大きさの深さまで、材料内に接合を生じさせるために、少なくとも３０ｍｍのプローブ長さを有する工具を用いることができる。また、（図示したような）円錐形状ではなく、工具のプローブは、円筒状の形状でもよい。また、平坦部の区間の間のスレッドの量とスレッドのタイプ（形態、ピッチ及び深さ）は調整可能であって、機械的な実務上、特定の分野に関して達成可能な接合の質を向上させてもよい。また、本発明は、アルミニウム合金以外の合金に関して適用することができる。勿論、他の修正も、当該技術分野における当業者ならば理解できるであろう。
【００２８】
以上の説明において、上述した一体品又は構成要素と、公知、自明又は予測可能な同等物があるならば、このような同等物は、夫々記載されているように、本明細書に参考として包含される。本発明の真の範囲を定めるために、添付した特許請求の範囲を参照する必要があるが、これには、上記同等物が含まれると考えられたい。また、本明細書において、好ましい、利点がある、利便がある等、記載された本発明の一体品又は特徴は、選択的であって、添付した特許請求の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術の３つのＦＳＷ接合工具の概略的な輪郭について、１ａ〜１ｃに分けて示した図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に従うＦＳＷ工具の概略的な形状について、２ａ〜２ｃに分けて示した図である。
【図３】本発明の第二の実施形態に従うＦＳＷ工具の要部の輪郭について概略的に示した図である。
【図１ａ】
2008528293.tif 000003
【図１ｂ】
2008528293.tif 000004
【図１ｃ】
2008528293.tif 000005
【図２ａ】
2008528293.tif 000006
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
2008528293.tif 000008
【図３】
2008528293.tif 000009
【国際調査報告】
2008528293.tif 000010
2008528293.tif 000011
2008528293.tif 000012