(57)【要約】      （修正有）【課題】補修部分に充分な量の材料を供給することができ、且つ、摩擦攪拌溶接で使用される回転ツールへの機械的負荷を低減できる亀裂補修方法を提供する。【解決手段】本発明による亀裂補修方法は、（Ａ）母材１の亀裂２の周辺に、溶加材５を溶融した状態で供給するステップと、（Ｂ）前記母材１の前記溶加材５が供給された部分に対して摩擦攪拌溶接を行うことによって前記亀裂２を補修するステップとを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）母材に形成された亀裂の周辺に、溶加材を溶融した状態で供給するステップと、
（Ｂ）前記母材の前記溶加材が供給された部分に対して摩擦攪拌溶接を行うことによって前記亀裂を補修するステップ
とを具備する
亀裂補修方法。
【請求項２】
請求項１に記載の亀裂補修方法であって、
前記（Ａ）ステップは、
粉体の状態の前記溶加材にレーザ光を照射することによって前記溶加材を溶融するステップを含む
亀裂補修方法。
【請求項３】
請求項２に記載の亀裂補修方法であって、
前記レーザ光は、前記母材の表面から前記亀裂の底の部分までが溶融するように照射される
亀裂補修方法。
【請求項４】
請求項３に記載の亀裂補修方法であって、
前記亀裂のうちの前記母材の表面に近い部分は摩擦攪拌溶接によって補修され、前記母材の表面から離れた部分は前記母材が溶融されることによって補修される
亀裂補修方法。
【請求項５】
請求項１に記載の亀裂補修方法であって、
前記（Ａ）ステップは、
前記溶加材を溶射することによって前記溶加材を前記亀裂の周辺に供給するステップを含む
亀裂補修方法。
【請求項６】
（Ｃ）母材の亀裂を被覆するように、摩擦肉盛によって肉盛部を形成するステップと、
（Ｄ）前記母材の前記肉盛部が形成された部分に対して摩擦攪拌溶接を行うことによって前記亀裂を補修するステップ
とを具備する
亀裂補修方法。
【請求項７】
（Ｅ）母材の表面部のうち亀裂を含む部分を除去して開口を形成するステップと、
（Ｆ）前記開口に粉末の溶加材を充填するステップと、
（Ｇ）前記溶加材の表層部を溶融するステップと、
（Ｈ）前記溶加材が充填された開口に対して摩擦攪拌溶接を行うことにより、前記開口を埋めるステップ
とを具備する
亀裂補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亀裂補修方法に関しており、特に、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ：friction stir welding）を用いて金属部材の亀裂を補修する亀裂補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌溶接は、英国ＴＷＩ（The Welding Institute）によって開発された比較的に新しい溶接方法である。摩擦攪拌溶接は、回転ツールと呼ばれる円柱状工具を回転させながら被接合材料に所定の深さまで挿入し、接合線に沿って回転ツールを移動させることによって被接合材料を接合するというものである。回転ツール近傍の被接合材料は、回転ツールと被接合材料間で発生する摩擦熱および加工熱により昇温されて軟化し、軟化した被接合材料が回転ツールの回転により攪拌される。これにより、被接合材料が回転ツールの後方で固相的に接合される。
【０００３】
摩擦攪拌溶接には、下記のような２つの利点がある。第１の利点は、被接合材料を溶融させずに接合可能であるため、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接のような溶融溶接の場合よりも、残留応力や変形量が小さいということである。これは、ニッケル基合金のように、割れの生じやすい材料を溶接するために好適な特徴である。第２の利点は、アルミ合金や、銅合金のような難溶接材料の溶接を行うことができる点である。
【０００４】
この摩擦攪拌溶接を亀裂等の損傷の補修に応用することが提案されている。例えば、特開２００２−２１９５８５号公報は、回転ツールを亀裂に挿入して回転することにより、亀裂を補修する補修方法を開示している。この公報は、更に、損傷部を除去して開先を形成した後、その開先に当て金を挿入し、その当て金と母材とを摩擦攪拌溶接によって溶接することにより損傷を補修する技術を開示している。
【０００５】
特開２００３−１２６９７１号公報は、摩擦攪拌溶接を用いた表面割れ状欠陥の損傷について、塑性流動する金属の体積が不足する（即ち、亀裂を埋めるための材料が不足する）という課題があることを指摘している。亀裂を埋めるための材料が不足すると、補修部分に凹みができるため好ましくない。この課題を解決するために、当該公報は、表面割れ状欠陥に粉体状の接合材料を充填した状態で摩擦攪拌溶接を行うことを開示している。さらに、更にこの公報は、かかる技術は、粉体状の接合材料の中を接合工具が進行するため、補修中の回転ツールへの機械的負荷を軽減するということを開示している。
【０００６】
しかしながら、発明者の検討によれば、補修部分への材料の供給方法や、補修中の回転ツールへの機械的負荷の低減には、更に改善の余地がある。特開２００３−１２６９７１号公報に開示された技術では、充分な量の材料を補修部分に供給することは実際上難しい。なぜなら、摩擦攪拌溶接では回転ツールが高速に回転されるため、粉体状の接合材料が亀裂から吹き飛ばされてしまうからである。更に、発明者の検討によれば、回転ツールの機械的負荷を軽減するためのアプローチとしては、他の適切な方法が存在する。
【特許文献１】特開２００２−２１９５８５号公報
【特許文献２】特開２００３−１２６９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、補修部分に充分な量の材料を供給することができ、且つ、摩擦攪拌溶接で使用される回転ツールへの機械的負荷を低減できる亀裂補修方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
【０００９】
一の観点において、本発明による亀裂補修方法は、
（Ａ）母材（１）の亀裂（２）の周辺に、溶加材（５）を溶融した状態で供給するステップと、
（Ｂ）前記母材（１）の前記溶加材（５）が供給された部分に対して摩擦攪拌溶接を行うことによって前記亀裂（２）を補修するステップ
とを具備する。
【００１０】
このような亀裂補修方法では、溶加材（５）が溶融した状態で供給されるため母材（１）に充分な付着力で付着し、溶加材（５）が摩擦攪拌溶接で使用される回転ツール（３）によって吹き飛ばされることを防ぐことができる。更に、溶加材（５）が溶融した状態で供給されるために母材（１）が摩擦攪拌溶接の前に予熱される。これは、母材（１）を軟化させ、回転ツール（３）への機械的負荷を有効に低減する。
【００１１】
一の好適な実施形態では、粉体の状態の溶加材（５）にレーザ光（７）を照射することによって溶加材（５）が溶融される。
【００１２】
レーザ光（７）が使用される場合には、レーザ光（７）は、母材（１）の表面から亀裂（２）の底の部分までが溶融するように照射されてもよい。この場合、亀裂（２）のうちの母材（１）の表面に近い部分は摩擦攪拌溶接によって補修され、母材（１）の表面から離れた部分は母材（１）がレーザ光（７）によって溶融されることによって補修されることが好適である。このような亀裂補修方法は、深い亀裂（２）を補修する際の回転ツール（３）への機械的負荷を有効に低減させる。
【００１３】
他の好適な実施形態では、溶加材（５）は、溶射によって亀裂（２）の周辺に供給される。このような方法でも、溶加材（５）が母材（１）に充分な付着力で付着し、溶加材（５）が摩擦攪拌溶接で使用される回転ツール（３）によって吹き飛ばされることを防ぐことができる。更に、溶射によって溶加材（５）が供給されるために母材（１）が摩擦攪拌溶接の前に予熱され、回転ツール（３）への機械的負荷を有効に低減することができる。
【００１４】
他の観点において、本発明による亀裂補修方法は、
（Ｃ）母材（１）の亀裂（２）を被覆するように、摩擦肉盛によって肉盛部（８）を形成するステップと、
（Ｄ）前記母材（１）の肉盛部（８）が形成された部分に対して摩擦攪拌溶接を行うことによって亀裂（２）を補修するステップ
とを具備する。
【００１５】
このような亀裂補修方法では、溶加材として機能する肉盛部（８）が摩擦肉盛によって供給されるために母材（１）に充分な付着力で付着し、溶加材が摩擦攪拌溶接で使用される回転ツール（３）によって吹き飛ばされることを防ぐことができる。更に、摩擦肉盛が行われるために母材（１）が摩擦攪拌溶接の前に予熱され、回転ツール（３）への機械的負荷を有効に低減することができる。
【００１６】
更に他の観点において、本発明による亀裂補修方法は、
（Ｅ）母材（１）の表面部のうち亀裂（２）を含む部分を除去して開口（１３）を形成するステップと、
（Ｆ）前記開口に粉末の溶加材（５）を充填するステップと、
（Ｇ）前記溶加材（５）の表層部を溶融するステップと、
（Ｈ）前記溶加材（５）が充填された開口に対して摩擦攪拌溶接を行うことにより、前記開口を埋めるステップ
とを具備する。
【００１７】
このような亀裂補修方法では、開口（１３）に充填された粉末の溶加材（５）の表層部が溶融されるため、溶加材（５）が摩擦攪拌溶接で使用される回転ツール（３）によって吹き飛ばされることを防ぐことができる。更に、粉体の溶加材（５）に対して摩擦攪拌溶接が行われるため、回転ツール（３）への機械的負荷を有効に低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、補修部分に充分な量の材料を供給することができ、且つ、摩擦攪拌溶接で使用される回転ツールへの機械的負荷を低減できる亀裂補修方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る亀裂補修方法を示す図である。本実施形態では、ニッケル基合金やＳＵＳ（ステンレス鋼）のような材料で形成された母材１の表面部に形成された亀裂が、摩擦攪拌溶接を用いて補修される。
【００２０】
より具体的には、回転ツール３の先端に設けられたピン４を母材１に挿入し、回転ツール３を母材１に向かって押し付けた状態で回転させながら亀裂２に沿って所定の進行方向に移動させることにより、亀裂２が補修される。本実施形態では、母材１と回転ツール３とが接触する部分が、セラミックス、具体的には、ＰＣＢＮ（polycrystalline cubic boron nitride）で形成された回転ツール３が使用される。摩擦攪拌溶接を行うためには、回転ツール３の母材１との接触部が母材１よりも堅い材料で形成されている必要があることに留意されたい。
【００２１】
上述のように、亀裂２の補修の際には、補修部分に充分な量の材料を供給することが望ましい。この要求を達成するために、第１の実施形態では、母材１と同一の材料で形成された溶加材５が、粉末の状態で粉末供給ノズル６によって噴射され、これにより、溶加材５が母材１の回転ツール３の進行方向前方の位置に供給される。
【００２２】
加えて、溶加材５が母材１に供給される位置にレーザ光７が照射される。これにより、図２に示されているように、溶加材５は、レーザ光７によって溶融された状態で母材１に付着し、肉盛部８が形成される。溶加材５としては、母材１と同一の材料が使用される。溶加材５が溶融されて付着されるので、溶加材５は充分な強度で母材１に付着し、回転ツール３によって吹き飛ばされない。これは、補修部分に充分な量の材料を供給することを可能にする。
【００２３】
溶加材５の付着力を強めるためには、レーザ光７は、母材１の表面部を選択的に溶融するような強度で照射されることが好適である。レーザ光７の照射によって母材１の表面部に溶融部９が形成されることにより、溶加材５の母材１への付着力が増大される。
【００２４】
図１に戻り、レーザ光７は、溶加材５を溶融する役割に加え、摩擦攪拌溶接によって補修される補修部分を予熱する役割も有している。補修部分を予熱することは、母材１の補修部分を軟化させ、回転ツール３に印加される機械的負荷を低減するために有効である。
【００２５】
回転ツール３は、粉末供給ノズル６及びレーザ光７と共に進行方向に沿って走査され、これにより、亀裂２が逐次に補修される。図１では、摩擦攪拌溶接による補修後の部分が、攪拌補修部１０として図示されている。
【００２６】
母材１に加わる熱ストレスを低減し、割れの再発生を防ぐためには、母材１のレーザ光７によって溶融される部分を少なくすることが好適である。このためには、レーザ光７の発生にファイバを光共振器として使用するファイバーレーザを使用し、これにより、レーザ光７の照射面積を小さくすることが望ましい。
【００２７】
回転ツール３を用いた摩擦攪拌溶接によって亀裂２が補修された後、補修部分は、急冷されることが好ましい。補修部分の急冷は、残留応力の低減に有効である。急冷は、例えば、ドライアイスや液体窒素等の冷媒を補修部分に供給することによって行うことが可能である。
【００２８】
亀裂２が深い場合には、摩擦攪拌溶接によっては亀裂２を完全に補修できない場合がある。これは、回転ツール３に加わる荷重の観点から、回転ツール３のピン４を挿入可能な深さには制限があるからである。深い亀裂２を補修するためには、ピン４を深く挿入する必要があり、これは、回転ツール３に加わる負荷を非現実的に増大させることがある。
【００２９】
このような場合、図３に示されているように、レーザ光７によって母材１が亀裂２の底部まで溶融され、その後、回転ツール３を用いた摩擦攪拌溶接によって亀裂２が補修されることが好ましい。図４Ａに示されているように、レーザ光７によって母材１が亀裂２の底部まで溶融されるとともに、溶融部９の上部に溶加材５が供給されることによって肉盛部８が形成される。その後、回転ツール３を用いて摩擦攪拌溶接が行われる。この結果、図４Ｂに示されているように、亀裂２の上部は摩擦攪拌溶接によって補修され、亀裂２の底部はレーザ光７によって溶融されることによって補修される。図３及び図４Ｂでは、摩擦攪拌溶接による補修後の部分が、攪拌補修部１０として図示されている。このような補修方法により、深い亀裂２であっても、回転ツール３に加わる負荷を低減させながら完全に補修することができる。
【００３０】
このように、本実施形態に係る亀裂補修方法では、溶加材５がレーザ光７によって溶融された状態で母材１に付着される。これにより、回転ツール３によって溶加材５が吹き飛ばされることを有効に防止し、補修部分に充分な量の材料を供給することができる。加えて、レーザ光７が照射されることによって補修部分が予熱され、母材１が軟化される。これは、回転ツール３への機械的付加を有効に低減させる。
【００３１】
加えて、亀裂２の底部まで溶融するようにレーザ光７の強度や照射位置が制御されることにより、亀裂２が深い場合にも亀裂２を完全に補修することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る亀裂補修方法を示す図である。第２の実施形態では、粉末供給ノズル６によって粉末状の溶加材５を供給する代わりに、溶射トーチ１１によって溶加材５が溶射される。溶射トーチ１１は、回転ツール３の進行方向前方に位置しながら回転ツール３と共に進行方向に走査され、これにより、回転ツール３の前方に肉盛部８が形成される。
【００３３】
肉盛部８の形成の後、回転ツール３によって摩擦攪拌溶接が行われ、これにより、これにより、亀裂２が逐次に補修される。図５では、摩擦攪拌溶接による補修後の部分が、攪拌補修部１０として図示されている。
【００３４】
本実施形態においても、溶加材５が溶融されて付着されるので、溶加材５は充分な強度で母材１に付着し、回転ツール３によって吹き飛ばされない。これは、補修部分に充分な量の材料を供給することを可能にする。
【００３５】
加えて、溶加材５が溶射されて補修部分に供給されるため、母材１の補修部分が予熱される。補修部分を予熱することは、母材１の補修部分を軟化させ、回転ツール３に印加される機械的負荷を低減するために有効である。
【００３６】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る亀裂補修方法を示す図である。第３の実施形態では、粉末供給ノズル６によって粉末状の溶加材５を供給する代わりに、摩擦肉盛によって母材１の表面部に肉盛部８が形成される。肉盛部８は、亀裂２を埋めるための溶加材として使用される。
【００３７】
具体的には、回転ツール３の進行方向の前方において、母材１と同一の材料で形成された消耗ロッド１２が回転しながら母材１に押し当てられ、消耗ロッド１２が回転ツール３と共に亀裂２に沿って走査される。これにより、亀裂２を塞ぐ肉盛部８が形成される。摩擦肉盛で使用される消耗ロッド１２は、回転ツール３とは異なってそれ自体が消耗し、肉盛部８として再構成される点に留意されたい。摩擦肉盛によって形成される肉盛部８は、充分に大きな強度で母材１に付着している。
【００３８】
肉盛部８の形成の後、回転ツール３によって摩擦攪拌溶接が行われ、これにより、これにより、亀裂２が逐次に補修される。図６では、摩擦攪拌溶接による補修後の部分が、攪拌補修部１０として図示されている。
【００３９】
本実施形態の亀裂補修方法では、溶加材として機能する肉盛部８が摩擦肉盛によって形成され、肉盛部８が充分に大きな強度で母材１に付着される。溶加材は回転ツール３によって吹き飛ばされない。これは、補修部分に充分な量の材料を供給することを可能にする。
【００４０】
加えて、摩擦肉盛による肉盛部８の形成は、摩擦熱によって母材１の補修部分を予熱する役割を果たす。補修部分を予熱することは、母材１の補修部分を軟化させ、回転ツール３に印加される機械的負荷を低減するために有効である。
【００４１】
（第４の実施形態）
図７Ａ〜図７Ｅは、本発明の第４の実施形態に係る亀裂補修方法を示す図である。本実施形態の亀裂補修方法では、図７Ａに示されているように、第１〜第３の実施形態と同様に、摩擦攪拌溶接を用いて母材１に形成された亀裂２が補修される。しかしながら、亀裂２を補修する手順が第１〜第３の実施形態と相違する。
【００４２】
図７Ｂを参照して、第４の実施形態の亀裂補修方法では、まず、母材１から亀裂２の周辺部を除去することによって、溝状の開口１３が形成される。本実施形態では、開口１３は、直方体状の形状を有している。
【００４３】
続いて、図７Ｃに示されているように、粉体状の溶加材１４が開口１３に充填される。溶加材１４は、母材１と同一の材料で形成される。溶加材１４は、必要に応じて、開口１３から盛り上がるように充填されることも可能である。溶加材１４が粉体であるため、溶加材１４の開口１３への充填率は、完全には１００％には到達しない。従って、摩擦攪拌溶接が行われた後に開口１３を完全に埋めるためには、溶加材１４は、開口１３から多少盛り上がるように充填されることが好ましい。
【００４４】
続いて、図７Ｄに示されているように、溶加材１４にレーザ光が照射されることによって溶加材１４の表層が溶融され、溶融部１５が形成される。
【００４５】
続いて、図７Ｅに示されているように、摩擦攪拌接合によって開口１３が埋められる。より具体的には、回転ツール３の先端に設けられたピン４が開口１３に挿入され、且つ、回転ツール３を母材１に向かって押し付けた状態で回転させながら回転ツール３が亀裂２に沿って所定の進行方向に移動され、これにより、開口１３が埋められる。これにより、亀裂２の補修が完了する。
【００４６】
溶加材１４の表層に溶融部１５が形成されていることは、摩擦攪拌接合の工程において回転ツール３によって溶加材１４が吹き飛ばされることを防ぐために重要である。溶加材１４が粉体であるため、溶融部１５が形成されない場合には、高速で回転する回転ツール３によって溶加材１４が吹き飛ばされることがある。溶融部１５の形成は、溶加材１４が吹き飛ばされることを有効に防止し、補修部分に充分な量の材料を供給することを可能にする。
【００４７】
加えて、本実施形態では、回転ツール３が、主として粉体である溶加材１４を攪拌するため、回転ツール３に加わる機械的負荷が小さい。これは、特に、ニッケル基合金のような高融点の金属で形成された部材の補修に有効である。
【００４８】
以上に説明されているように、本実施形態の亀裂補修方法は、補修部分に充分な量の材料を供給しながら、回転ツール３に加わる機械的負荷を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る亀裂補修方法を示す断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態における、肉盛部と溶融部との構造を示す断面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態の亀裂補修方法の好適な変形例を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図３に示された亀裂補修方法に係る肉盛部と溶融部との構造を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図３に示された亀裂補修方法に係る攪拌補修部と溶融部との構造を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る亀裂補修方法を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係る亀裂補修方法を示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第４の実施形態に係る亀裂補修方法を示す俯瞰図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第４の実施形態に係る亀裂補修方法を示す俯瞰図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の第４の実施形態に係る亀裂補修方法を示す俯瞰図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の第４の実施形態に係る亀裂補修方法を示す断面図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、本発明の第４の実施形態に係る亀裂補修方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：母材
２：亀裂
３：回転ツール
４：ピン
５：溶加材
６：粉末供給ノズル
７：レーザ光
８：肉盛部
９：溶融部
１０：攪拌補修部
１１：溶射トーチ
１２：消耗ロッド
１３：開口
１４：溶加材
１５：溶融部
【図１】
2007185683.tif 000003
【図２】
2007185683.tif 000004
【図３】
2007185683.tif 000005
【図４Ａ】
2007185683.tif 000006
【図４Ｂ】
2007185683.tif 000007
【図５】
2007185683.tif 000008
【図６】
2007185683.tif 000009
【図７Ａ】
2007185683.tif 000010
【図７Ｂ】
2007185683.tif 000011
【図７Ｃ】
2007185683.tif 000012
【図７Ｄ】
2007185683.tif 000013
【図７Ｅ】
2007185683.tif 000014