(57)【要約】摩擦攪拌接合用アンビル（１４）及び該アンビルの被加工物（１０Ａ，１０Ｂ）への拡散又は機械的接着を防止する摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法が提供される。このアンビルを製造する方法の代案は、酸化物、窒化物、インターメタリクス及び又は超硬合金のような材料による拡散障壁によりアンビルを被覆すること、そのような材料で全体的に又は部分的にアンビルを製造すること、又はアンビルと被加工物との間に薄いシート状又は粉末状をした前記材料による被覆（２６）を設けることを含む。こうしてアンビルは８００℃を超える温度でさえ、高い強度と硬度を表し、アンビルの被加工物への機械的な拡散接着を防止し、またアンビルの変形を最小限に減ずる。
2004528990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌接合用のアンビルであって、
摩擦攪拌接合によって接合される材料を支持するコアと、
（ｉ）該コア及び
（ｉｉ）該コアの少なくとも一部分に施される被覆
の一方に含まれる化学的に不活性の材料とを含む、摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項２】
前記被覆は、
（ｉ）周期律表のグループIIIAから選ばれた元素、
（ｉｉ）周期律表のグループIVAから選ばれた元素、
（ｉｉｉ）周期律表のグループIIIBから選ばれた元素及び
（ｉＶ）周期律表のグループIVBから選ばれた元素
の１つからなる、請求項１に記載のアンビル。
【請求項３】
前記被覆は、
(ｉ)ダイヤモンド、
(ｉｉ)インターメタリック及び
(ｉｉｉ)超硬合金
の１つからなる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項４】
前記アンビルは、接合される材料と摩擦攪拌接合を行うときの前記アンビルの面との間に拡散障壁を形成する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項５】
前記アンビルは接合する材料の完全な溶け込みを可能にする、請求項１記載の摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項６】
前記アンビルは摩擦攪拌接行中変形に抵抗する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項７】
前記アンビルは該アンビルと前記材料との間の機械的接着を防止する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項８】
前記化学的に不活性な材料は、酸化物、窒化物、炭化物及びケイ酸塩の１つからなる、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項９】
前記コアは、プレート及び回転輪の一方である、請求項１に記載の摩擦攪拌接合用アンビル。
【請求項１０】
高温度材料を摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法であって、摩擦攪拌接合によって接合される材料を支持するアンビルコアを用意すること、
（ｉ）該アンビルコア及び
（ｉｉ）該アンビルコアの少なくとも一部分に施される被覆
の一方に化学的に不活性の材料を使用することを含む、摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１１】
前記化学的に不活性な材料を使用するステップは、
(ｉ)  スプレー被覆、
(ｉｉ)  蒸着、
(ｉｉｉ)  陽極酸化、
(ｉＶ)  イオンビーム燒結
(Ｖ)  スラリー法及び
(ＶＩ)  化学反応
の１つを含む、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１２】
前記化学的に不活性な材料を使用するステップは、粉末被覆法を使用して前記コアの少なくとも一部分を被覆するステップを含み、前記化学的に不活性な材料は粉末状である、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１３】
前記化学的に不活性な材料は金属及び酸素を含む、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１４】
前記化学的に不活性な材料は金属及び窒化物を含む、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１５】
前記化学的に不活性な材料は金属及び炭化物を含む、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１６】
前記化学的に不活性な材料は金属及びケイ素を含む、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１７】
平らなプレート及び回転する輪の一方にコアを形成するステップを含む、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法。
【請求項１８】
摩擦攪拌接合用アンビルを準備する方法であって、コアを有するアンビルを用意すること、
前記アンビル上に摩擦攪拌接合される材料を置くこと、該材料を摩擦攪拌接合すること及び
接合の温度を監視することを含む、摩擦攪拌接合用アンビルを準備する方法。
【請求項１９】
前記アンビルを用意するステップは、前記コアに空洞を形成すること、及び該空洞に導管を取りつけることを含む、請求項１８に記載のアンビルを準備する方法。
【請求項２０】
前記接合の温度を監視するステップは、前記アンビルの温度を調整するために前記空洞に流体を循環させるステップを含む、請求項１９に記載のアンビルを準備する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌接合に関し、特に、高温度材料すなわち被加工物の摩擦攪拌接合時に変形に抵抗することができ、また摩擦攪拌接合工具又は被加工物との拡散接着又は機械的接着を防止することができる物質で作るか被覆された摩擦攪拌接合用アンビル関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦接合は接合分野において使用されている。例えば、２つの管の端部が互いに押しつけられて逆方向へ同時に回転されると、熱が生じて管の端部を軟化させ、接着させる。２つの管の急な回転停止は管を溶かす。
【０００３】
他方、摩擦攪拌接合は、比較的新しい技術であり、１９９５年１０月２４日発行の米国特許第５４６０３１７号明細書に最初に記載された。摩擦攪拌接合は、２つの被加工物が互いに接触する点に該加工物に対する探査端（probed end）すなわちピンを備えた消耗しない摩擦攪拌接合工具を圧することを含む。前記工具のピンの周期的運動はこれが２つの被加工物に圧せられたとき熱を発する。前記工具のピンは、ピンの摩擦によって生じた軟化域において、２つの被加工物中に入り込む。そのピンは次いで２つの被加工物が互いに突き合う部域へゆっくり動かされ、これにより２つの被加工物間の部域であってピンの下にある部域を固化させる。
【０００４】
摩擦攪拌接合には多くの利益がある。それらには、摩擦攪拌接合中に加熱された材料は燃焼生成物にさらされないということが含まれる。このことは、工具及び副産物との接触による被加工物の化学変化を減ずる。他の摩擦攪拌接合の利益の１つは、加熱域においてさえ、被加工物の温度は従来の接合方法による温度のように高くないことである。この低下した温度は、雰囲気による被加工物の酸化を減じ、これにより接合場所に不活性雰囲気を形成する必要を減ずる。
【０００５】
摩擦攪拌接合は、ピンの摩耗のゆえに、伝統的にアルミニウム合金、銅合金、鉛及びマグネシウム合金のような低溶融温度材料の接合に限られてきた。これらの材料は標準的なスチール製の支持物であるアンビルの使用と結びついている。しかし、最近の技術の進歩は、より硬質の、かつて接合不可能の材料の摩擦攪拌接合を可能にした。鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金又はチタン合金のような所謂「高温度材料」を接合するために、増大した高い温度と力を適用することが必要である。これらの増大した温度と力は新たな問題を提起する。例えば、そのような所謂高温度材料は、拡散又は被加工物のアンビルへの機械的接着を引き起こす。さらに、所謂高温度材料すなわち高温度被加工物の摩擦攪拌接合は、アンビルの不本意な、付加された変形を引き起こすおそれがある。
【０００６】
所謂高温度材料を接合する技術の今日の傾向は、拡散やアンビルへの被加工物の機械的接合が生じるのを減ずるためにピンによる完全貫入すなわち完全溶け込み（full penetration）を避けていることである。あいにく、ピンが結合部にわずかな量のみ貫入すると、結合部の一部のみが加熱され、接合され、接合は結合部全体に完全に貫入するときほど強くない。加えて、材料は全接合継目で完全に軟化されず、被加工物の一方の材料がその他方の材料に重なるが該材料と完全に接合しない部域の一部分を重ね継手の形にする。このような接合の弱点は必ずしも明白らかではなく、また少なくとも事前の検査で目に見えるとは限らない。
【０００７】
この技術における最近の傾向は完全貫入接合を達成することを試みる。多数の発明がアンビル又は被加工物に面取りし又は溝を設けることで対処している（米国特許第５６１１４７９号及び同第５７６９３０６号明細書参照）。また、多くの特許がピンの深さを制御するためのフィードバック制御システムを使用することに向けられている（米国特許第６１６８０６６、同第６１７３８８０号明細書参照）。
【０００８】
米国特許第６１６８０６６号は、磁界を感知するためのセラミックセンサープレートに関し、軟らかい非磁気材料における磁気摩擦攪拌接合の深さを制御することに向けられている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある実施例は、摩擦攪拌接合時に被加工物とアンビルとの間に拡散障壁を形成する摩擦攪拌接合用アンビルを提供する。
【００１０】
また、本発明のある実施例は、普通硬直（rigid）と考えられ、従来の摩擦攪拌接合用アンビルでは接合することが困難である材料及び被加工物の接合を可能にする、改良された摩擦攪拌接合用アンビルを提供する。
【００１１】
さらに、本発明のある実施例は、従来の摩擦攪拌接合用アンビルによっては摩擦攪拌接合することが現に困難である材料の完全貫入接合又は完全溶け込み接合を可能にする摩擦攪拌接合用アンビルを提供する。
【００１２】
さらに、本発明のある実施例は、高温度被加工物及び高温度材料の摩擦攪拌接合時にアンビルに起因する通常の変形に抵抗する改良された摩擦攪拌接合用アンビルを提供する。
【００１３】
さらに、本発明のある実施例は、摩擦攪拌接合時における被加工物とアンビルとの間の拡散接着を防止する摩擦攪拌接合用アンビルを提供する。
【００１４】
さらに、本発明のある実施例は、摩擦攪拌接合時における被加工物とアンビルとの間の機械的接着を防止する摩擦攪拌接合用アンビルを提供する。
【００１５】
さらに、本発明のある実施例は、被加工物とアンビルとの間に拡散障壁を形成することを可能にする少なくとも１つの化学的に不活性の材料で被覆され又は該材料で作られた摩擦攪拌接合用アンビルを提供する。
【００１６】
加えて、本発明のある実施例は、現在の摩擦攪拌接合用アンビルに比較して一層優れた性能を可能にする、アンビルを被覆又は製造するために使用することができる多くの材料を提供する。
【００１７】
好ましい実施例において、摩擦攪拌接合用アンビルが酸化物、窒化物、炭化物又はケイ酸塩のような化学的に不活性の材料から製造されるシステムが提供される。その実施例において、アンビルは、摩擦攪拌接合中被加工物を支持する、全体に平らなプレート又は回転輪である。別の例では、前記材料からなるアンビルに代え、化学的に不活性の材料がアンビルを被覆するために用いられる。
【００１８】
下記の例は、上記の材料を使用するアンビルの製造方法に代るものである。１実施例において、アンビルは、化学的に不活性な材料を金属製アンビルコアに直接吹き付けて被覆することにより作られる。代りに、アンビルは化学蒸着又は蒸着により化学的に不活性な材料で被覆されもする。アンビルは、また、陽極酸化により化学的に不活性な材料で被覆され、又はイオンビーム燒結により不活性な材料で被覆されてもよい。さらに、アンビルは、化学的に不活性な材料からなる完全なインサートであるか、粉末状の化学的に不活性な材料で被覆されるものである。さらに、アンビルは粉末状の化学的に不活性な材料のスラリーで被覆される。これに代え、アンビルは、反応又は変質により同時的に化学的に不活性な材料を生成しかつ接着することにより、化学的に不活性な材料で被覆される。
本発明の実施例に従って、アンビルの幾何学又は形状は、アンビルが化学的に不活性な材料で少なくとも部分的に被覆されているか又は該材料からなる限り、より具体的な目的を達成するために変更することができる。さらに、酸化物、窒化物、炭化物又はケイ酸塩をそれぞれ形成する第２、際３の成分としての酸素、窒素、炭素、ケイ素と結合した金属を含むいずれの化学的に不活性な被覆も本発明の実施例に従ってアンビルの性能を改善する。
【００１９】
さらに、例えばダイヤモンドのような化学的に不活性な材料を含むいずれの化学的に不活性な被覆も本発明の実施例に従ったアンビルの性能を改善する。
本発明の実施例の原理は、工具がアンビル及び被加工物にくっつかず、増強された接合が達成されるため、鋼、チタニウム、その他の高温度材料のような、従来の摩擦攪拌接合が可能な材料の摩擦攪拌接行中、全貫入を可能にする。
本発明は、その一面において、摩擦攪拌接合用アンビルと、該アンビルの被加工物への拡散又は機械的接着を防止する摩擦攪拌接合用アンビルの製造方法とを提供する。このアンビルを製造する方法の代案は、酸化物、窒化物、インターメタリクス及び又は超硬合金のような材料による拡散障壁によりアンビルを被覆すること、そのような材料で全体的に又は部分的にアンビルを製造すること、又はアンビルと被加工物との間に薄いシート状又は粉末状をした前記材料による被覆を設けることを含む。本発明によれば、アンビルは８００℃を超える温度でさえ、高い強度と硬度を表し、これによりアンビルの被加工物への機械的な拡散接着を防止し、またアンビルの変形を最小限に減ずる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下の説明は、本発明の原理の理解に供するもので、請求項に記載の発明の技術的範囲を限定するためのものではない。
本発明の実施例は、ステンレス鋼のような高温度材料の摩擦攪拌接合中に完全又は部分的な貫入又は溶け込みを与える。摩擦攪拌接合の装置及び方法に使用される工具の新たな進歩により、過去に用いられたものより高溶融の材料によって、今や異なる材料の摩擦攪拌接合を成功させている。高温度材料又は高温度被加工物を接合するために必要な高い温度及び圧力が、被加工物間の拡散接着を排除し、またアンビルの変形を防ぐために、被加工物と支持物との間に拡散障壁を備えることを必要にする。実験は、高温度材料を摩擦攪拌接合するとき、被加工物と従来の又は標準的な鋼製アンビルとの間に拡散接着、機械的接着及び変形が生じることを明らかにしている。したがって、ここに記載の実施例は、摩擦攪拌接合中アンビルの被加工物への接着を防止し、アンビルの変形を、除去できなくても、最小限にする。
【００２１】
この明細書及び特許請求の範囲の記載において、「高温度材料」とは、従来の摩擦攪拌接合工具を使用しては容易に摩擦攪拌接合されない合成物（composition）又は被加工物を指している。この合成物は、限定ではなく例示として、鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタニウム合金である。これらの材料を摩擦攪拌接合するとき、１３００℃を超える温度及び１０ｔoｎｆを超える圧力が代表的である。
図１は、接合される面を経る横断面図で、２つの被加工物とこれを支持するアンビル１４を示している。この図１は、接合部１２で互いに突き合う被加工物である板１０Ａ、１０Ｂを示している。
図２は、摩擦攪拌接合工具２２及び板１０Ａ、１０Ｂを示している。工具２２のピン１６は、材料を摩擦によって軟化させ、板を接合する。高温度材料を接合するとき、従来の技術では、接合されない部分１８を残し、完全な貫入を回避する。そのような貫入不足は、図３に示す断面２４を有する接合となり、接合部１８の底部分は接合が完全であるか否かを決定する簡単な試験にも困難がある。
【００２２】
図４は本発明の実施例の原理に従って結合された接合部の断面２４を示している。図４には、被加工物のアンビルへの拡散接着又は機械的接着のリスクなしに完全な貫入を可能にする、被覆されたアンビル１４が示されている。このアンビルはそのコアが拡散接着に抵抗する不活性材料で被覆されている。
【００２３】
本発明の１実施例において、吹き付け被覆がされた平らな矩形アンビルが使用される。図５はそのような被覆アンビルの断面図を示している。図示のアンビルは拡散接着に抵抗するように不活性被覆２６が吹き付けによって形成された従来の鋼製のコア２８を含んでいる。
【００２４】
本発明によれば、化学蒸着は、従来の鋼製コアに材料を付着するための代替方法である。この材料は、例えば、炭化物、窒化物、酸化物、ケイ酸塩である。
【００２５】
図５に示された不活性被覆は例えば粉末被覆法により従来の鋼製コアに施される。不活性粉末は、摩擦攪拌接合のために準備された位置に被加工物を置く前に既存の鋼製アンビル上に散布される。被加工物がアンビルを横切って移動する際、粉末は被加工物の底部を被覆し、接着に抵抗する。
【００２６】
図５に示した被覆は、代替的に、陽極酸化（anodization）によって施しても良い。したがって、アンビルは陽極として電解質浴中に吊るされ、電流はこれを通して流れる。この方法は、酸化物層を形成するように金属と反応する陽極面に酸素を生成する。
【００２７】
図６は、完全に不活性材料２６からなるアンビルを示す。実施例は、インサートとしてのアンビルの使用を包含する。アンビルの代替は、例えば、水平面内で回転可能のシリンダー又はローラーである。このような又は他の幾何学的配置は本発明の実施例の範囲内に含むよう意図されている。
【００２８】
不活性化学品で覆われ又はこれを含むアンビルの提供は、高温度材料で完全な貫入又は溶け込みを試すことの多くを許さない、摩擦攪拌接合ビットのハイコスト及び経済的プレッシャーのために、従来技術から離れてなされる。
【００２９】
アンビルがあらゆるタイプの材料からなるとき、被覆は一般的にアンビルの変形を防ぐことはできないが、被覆はたいていのタイプの材料からなるアンビルにおける拡散接着を一般的に防止する。加えて、拡散接着及び変形の防止は、熱変形に対する抵抗が非常に高く、また本発明の実施例に従って被覆された材料で作られたアンビルによって達成される。変形したテーブル又はアンビル上での引き続く接合は、面の位置に関する厳しい問題を引き起こすが、本発明の実施例は、高められた温度で弾性係数を維持し、また拡散接合（すなわち、３０ミリオンpsi鋼以上）をしない、被覆された又は被覆のない固体アンビル材料を含む。これらの材料のあるものは、上記の拡散障壁用の材料から作られる。本発明の実施例は、また、大理石及び／又は花崗岩を含む。被加工物が配置されるアンビル又はテーブルの液体冷却は、接合品質のコントロールパラメーターとしてまた摩擦攪拌接合中テーブルの弾性係数を維持するために使用することができる熱の流れを調整する。固体のセラミック材料はそれらの熱伝導性に基づいて熱の流れを制御するために本発明の実施例に従って使用することができる。固体セラミック材料は、アンビルとしても使用することができ、一般に拡散接着や変形を生じさせない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】接合される面の横断面図で、被加工物の接合線及び支持アンビルをも示す。
【図２】接合される面の他の横断面図で、被加工物内で作用する摩擦攪拌接合工具を示す。
【図３】従来のアンビルによる接合後の面を示す横断面図。
【図４】本発明の実施例による接合後の面を示す横断面図。
【図５】接合される面及びアンビル上の被覆された拡散障壁を示す横断面図。
【図６】接合される面及び不活性拡散障壁からなるアンビルを示す他の横断面図。
【符号の説明】
【００３１】
１０Ａ、１０Ｂ    プレート
１４    アンビル
１６    ピン
１８    接合部
２６    被覆
２８    コア
【国際公開パンフレット】
2004528990.tif 000003
2004528990.tif 000004
2004528990.tif 000005
2004528990.tif 000006
2004528990.tif 000007
2004528990.tif 000008
2004528990.tif 000009
2004528990.tif 000010
2004528990.tif 000011
2004528990.tif 000012
2004528990.tif 000013
2004528990.tif 000014
2004528990.tif 000015
2004528990.tif 000016
【国際調査報告】
2004528990.tif 000017