(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦撹拌溶接物並びに該溶接物を製造するシステム及び方法を提供する。【解決手段】金属製品は、第１中心−中立軸１１５を有する第１金属プレート１１０と、第２中心−中立軸１２５を有する第２金属プレート１２０と、第１金属プレート及び第２金属プレートを結合する摩擦撹拌角溶接部と、を含んでおり、第１金属プレートの第１中心−中立軸は第２金属プレートの第２中心−中立軸に対して傾斜している。摩擦撹拌溶接物を作製するシステム１５０は、第１支持面１６２及び第２支持面１６４を有するバックアップアンビル１６０を含んでおり、第１支持面は第１金属プレートを受けて支持することができ、第２支持面は第２金属プレートを受けて支持することができ、第１金属プレートの中心−中立軸は第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１中心−中立軸を有する第１金属プレートと、
第２中心−中立軸を有する第２金属プレートと、
第１金属プレートと第２金属プレートを結合する摩擦撹拌角溶接部と、
を具えており、第１金属プレートの第１中心−中立軸は第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜している、金属製品。
【請求項２】
第１中心−中立軸と第２中心−中立軸が交差する角度は、約５°〜約８５°又は約９５°〜約１７５°である請求項１の金属製品。
【請求項３】
角溶接部は、上面と基底面を有しており、基底面近傍の角溶接部の角度は、約５°〜約８５°又は約９５°〜約１７５°である請求項１の金属製品。
【請求項４】
第１金属プレートは第１アルミニウム合金を含み、第２金属プレートは第２アルミニウム合金を含んでいる請求項１の金属製品。
【請求項５】
第１アルミニウム合金と第２アルミニウム合金とは異なる合金である請求項４の金属製品。
【請求項６】
第１支持面及び第２支持面を有するバックアップアンビルであって、第２支持面は第１支持面と対向し、第１支持面は第１金属プレートを受けて支持することができ、第２支持面は第２金属プレートを受けて支持することができるようになし、第１金属プレートの中心−中立軸は第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜しているバックアップアンビルと、
第１金属プレートをバックアップアンビルの第１支持面上で制限的に拘束することができる第１セットの拘束部材と、
第２金属プレートをバックアップアンビルの第２支持面上で制限的に拘束することができる第２セットの拘束部材と、
第１金属プレートと第２金属プレートを溶接することができる摩擦撹拌溶接ツールであって、第１金属プレートの中心−中立軸が第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜した摩擦撹拌角溶接部を有する摩擦撹拌溶接物を作製する摩擦撹拌溶接ツールと、
を具えているシステム。
【請求項７】
第１支持面と第２支持面との間に開口空間をさらに有している請求項６のシステム。
【請求項８】
摩擦撹拌溶接ツールはボビン型ツールであって、摩擦撹拌溶接中、ボビン型ツールの一部は開口空間を通過することができる請求項７のシステム。
【請求項９】
第１セットの拘束部材のうちの１つは、第１金属プレートの側部を制限的に拘束することができる請求項６のシステム。
【請求項１０】
第１セットの拘束部材のうちの１つは、第１金属プレートの上面部を制限的に拘束することができる請求項６のシステム。
【請求項１１】
バックアップアンビルは尖端部を含んでいる請求項６のシステム。
【請求項１２】
バックアップアンビルは平らな上面部を含んでいる請求項７のシステム。
【請求項１３】
摩擦撹拌溶接物を作製する方法であって、
第１対向端部及び中心−中立軸を有する第１金属プレートをバックアップアンビルに対して第１の方向に拘束する第１拘束ステップと、
第２対向端部及び中心−中立軸を有する第２金属プレートをバックアップアンビルに対して第２の方向に拘束する第２拘束ステップと、を含み、
第２拘束ステップの後、第１金属プレートの第１対向端部は第２金属プレートの第２対向端部に当接し、第１金属プレートの中心−中立軸は第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜するようになし、
摩擦撹拌溶接ツールにより、第１及び第２対向端部で第１金属プレートと第２金属プレートを溶接するステップを含み、これによって、第１金属プレートの中心−中立軸が第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜する摩擦撹拌溶接物を作製する、方法。
【請求項１４】
第１拘束ステップの前に、第１金属プレートを調製するステップをさらに含んでおり、
前記調製ステップは、第１金属プレートの端部を機械加工して第１対向端部を作成することを含んでおり、機械加工の後、第１対向端部と第２対向端部は、第１金属プレートの中心−中立軸が第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜するように当接することができる請求項１３の方法。
【請求項１５】
第１金属プレートを機械加工するステップは、第１金属プレートの上面部を機械加工してメイティング面を作成することを含んでおり、メイティング面は摩擦撹拌溶接ツールが当てられる面である請求項１４の方法。
【請求項１６】
第２金属プレートの端部を機械加工して、第２対向端部を作成することをさらに含んでいる請求項１４の方法。
【請求項１７】
メイティング面は第１メイティング面であり、
第２金属プレートの上面部を機械加工して第２メイティング面を作成することをさらに含んでおり、第２メイティング面は摩擦撹拌溶接ツールが当てられる面である請求項１５の方法。
【請求項１８】
第１拘束ステップ及び第２拘束ステップの後、第１及び第２金属プレートの第１メイティング面及び第２メイティング面は、略平らな表面を画定し、略平らな表面は摩擦撹拌溶接ツールが当てられる面である請求項１７の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
摩擦撹拌溶接は、一般的には、２以上の金属ピースを、溶融を伴うことなく接合する溶接方法であり、主として、溶接熱による金属特性の変化が最小であることが必要とされる溶接仕事に適用される。プロセスは、回転ツールを、溶接が所望される位置で２以上の金属ピースの中に圧入することを含んでいる。摩擦による熱及び変形により、回転ツール近傍の金属が可塑化する。可塑化された部位は、融合して健全な金属接合が形成される。
【発明の概要】
【０００２】
広義において、本発明は、非直線的で非直交である摩擦撹拌角溶接部を有する摩擦撹拌溶接物並びに該溶接物を製造するシステム及び方法に関する。摩擦撹拌溶接物は、非直線的で非直交の摩擦撹拌角溶接部の存在により、様々な産業用途に適用される。
【０００３】
一態様において、摩擦撹拌溶接物を含む金属製品を提供するものである。一態様において、製品は、第１中心−中立軸を有する第１金属プレートと、第２中心−中立軸を有する第２金属プレートと、第１金属プレート及び第２金属プレートを結合する摩擦撹拌角溶接部と、を含んでおり、第１金属プレートの第１中心−中立軸は、第２金属プレートの第２中心−中立軸に対して傾斜している。それゆえ、金属製品は、角溶接されたものと考えられる。一実施例において、第１中心−中立軸と第２中心−中立軸との交差により、約５°〜約８５°又は約９５°〜約１７５°の角度が画定される。一実施例において、角溶接部は、上面と基底面を有しており、基底面に近い角溶接部の角度は約５°〜約８５°又は約９５°〜約１７５°である。
【０００４】
金属プレートの材料は、摩擦撹拌溶接ツールによって溶接されるのに適した材料であれば何でもよい。一実施例において、第１金属プレートは第１アルミニウム合金を含んでおり、第２金属プレートは第２アルミニウム合金を含んでいる。一実施例において、第１アルミニウム合金は第２アルミニウム合金とは異なる(例えば、異なる例を２つを挙げると、組成又は質別(temper)である)。一実施例において、第１アルミニウム合金は、第２アルミニウムと同じである。
【０００５】
他の態様において、摩擦撹拌溶接物を作製するシステムを提供する。一手法において、システムは、第１支持面及び第２支持面を有するバックアップアンビルと、第１金属プレートをバックアップアンビルの第１支持面上に拘束することができる第１セットの拘束部材と、第２金属プレートをバックアップアンビルの第２支持面上に拘束することができる第２セットの拘束部材と、第１金属プレートを第２金属プレートに溶接して、角溶接部を有する摩擦撹拌溶接物を作成できる摩擦撹拌溶接ツールと、を含んでいる。この態様では、第２支持面は、一般的には、第１支持面に対向している。第１支持面は、第１金属プレートを受けて支持する作用を有し、第２支持面は、一般的には、第２金属プレートを受けて支持する作用を有する。支持面の向きは、溶接後、第１金属プレートの中心−中立軸が第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜するようにしている。
【０００６】
拘束部材は、溶接中、金属プレートの移動を制限できるあらゆる適当な向きに構成される。一実施例において、第１セット又は第２セットの拘束部材の何れか一方が金属プレートの側部を制限的に拘束することができる。関連する実施例において、第１セット及び第２セットの拘束部材の他方が金属プレートの上面部を拘束することができる。
【０００７】
バックアップアンビルは、溶接中、金属プレートを支持できるように構成されており、溶接後、第１金属プレートの中心−中立軸は第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜している。一実施例において、バックアップアンビルは尖端部(pointed tip)を含んでいる。一実施例において、バックアップアンビルは平らな上面部を含んでいる。
【０００８】
一実施例において、システムは、第１支持面と第２支持面の間に開口空間を含んでいる。一実施例において、摩擦撹拌溶接ツールはボビン型ツールであり、開口空間は、摩擦撹拌溶接中、その中をボビン型ツールの一部分が通過できるようにしている。
【０００９】
他の態様において、摩擦撹拌溶接物を作製する方法を提供する。当該方法は、一実施例において、第１対向端部及び中心−中立軸を有する第１金属プレートをバックアップアンビルに対して第１の方向に拘束する第１の拘束ステップと、第２対向端部及び中心−中立軸を有する第２金属プレートをバックアップアンビルに対して第２の方向に拘束する第２の拘束ステップを含み、第２の拘束ステップの後、第１金属プレートの第１対向端部が第２金属プレートの第２対向端部に当接し、第１金属プレートの中心−中立軸が第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜するようになし、摩擦撹拌溶接ツールにより、第１及び第２対向端部で第１金属プレートを第２金属プレートに溶接するステップを含んでおり、これによって、第１金属プレートの中心−中立軸が第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜する摩擦撹拌溶接物を作製する。
【００１０】
拘束及び／又は溶接を行なう前に、プレートを調製することができる。一実施例において、方法は、拘束ステップの前に、金属プレートを調製することを含んでいる。調製ステップは、金属プレートの一端を機械加工して対向端部を作成することを含んでいる。機械加工ステップの後、対向端部は別の対向端部に当接することができるので、対向端部を含むプレートの中心−中立軸は互いに傾いている。方法は、一実施例において、他方の金属プレートの一端を機械加工して他方の対向端部を作成することを含んでいる。一実施例において、金属プレートの機械加工ステップは、金属プレートの上面部を機械加工してメイティング面(mating surface)を作成することを含んでいる。メイティング面は、摩擦撹拌溶接ツールが当てられる面である。一実施例において、メイティング面は第１のメイティング面であり、方法は、別の金属プレートの上面部を機械加工して、別のメイティング面を作成することを含んでいる。この別のメイティング面も、摩擦撹拌溶接ツールを当てられる面である。一実施例において、金属プレートが拘束された後、これらのメイティング面が略平らな表面を画定し、前記略平らな表面は摩擦撹拌溶接ツールが当てられる面となる。
【００１１】
前述した本発明の様々な態様を組み合わせて、様々な摩擦撹拌溶接物が作製されることは理解されるであろう。本発明について、部分的には明細書に以下に記載されるこれらの並びにその他の態様、利点及び新規な特徴は、当該分野の専門家であれば、発明の実施に際して、以下の説明及び図示によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１ａ】摩擦撹拌角溶接部を有する摩擦撹拌溶接物の一実施例を示す斜視図である。
【００１３】
【図１ｂ】図１ａの摩擦撹拌角溶接部の拡大図である。
【００１４】
【図２】摩擦撹拌溶接物を作製するシステムの一実施例を模式的に示す斜視図である。
【００１５】
【図３】摩擦撹拌溶接物を作製するシステムの他の実施例を模式的に示す断面図である。
【００１６】
【図４】摩擦撹拌溶接物を作製するシステムの他の実施例を模式的に示す断面図である。
【００１７】
【図５】摩擦撹拌溶接物を作製するシステムの他の実施例を模式的に示す断面図である。
【００１８】
【図６】摩擦撹拌溶接物を作製するシステムの他の実施例を模式的に示す斜視図である。
【００１９】
【図７】摩擦撹拌溶接物を作製するシステムの他の実施例を模式的に示す断面図である。
【００２０】
【図８】摩擦撹拌溶接物を作製する方法の実施例を示すフローチャートである。
【００２１】
【図９】金属プレートを調製する方法の実施例を示すフローチャートである。
【００２２】
【図１０】調製された様々な金属プレートを示す模式図である。
【００２３】
【図１１ａ】摩擦撹拌溶接物の上面を示す写真である。
【００２４】
【図１１ｂ】摩擦撹拌溶接物の基底面を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
＜詳細な説明＞
本発明について、様々な態様、手法及び具体的表現の記載を補助するために、以下の限定されない定義がこの明細書の中で用いられる。
【００２６】
「摩擦撹拌溶接(friction-stir welding」は、２以上の金属製品を互いに接合する固相接合プロセスを意味する。接合は、回転する摩擦撹拌溶接ツールを、接合する部位に圧入することによって行われ、ツールに近接した部位にある金属が可塑化される。可塑化された部位は一体化して冶金学的に健全な接合が得られる。
【００２７】
「可塑化(plasticize)」は、金属を実質的に液化及び／又は溶融することなく金属を軟化させることを意味する。
【００２８】
「摩擦撹拌溶接ツール(friction-stir welding tool)」は、摩擦撹拌溶接を行なうことができるあらゆる装置を意味し、例えば、公知のシングルプローブツール又はボビン型ツールがある。
【００２９】
「摩擦撹拌角溶接部(friction-stir corner weld)」は、摩擦撹拌溶接ツールによって第１金属製品と第２金属製品を接合して得られる摩擦撹拌溶接部であって、溶接後、第１金属製品の中心−中立軸は、第２金属製品の中心−中立軸に対して傾斜している。摩擦撹拌角溶接部は上面(top-face side)を含むことができる。完全溶込み溶接部の場合、摩擦撹拌角溶接部は基底面(bottom-root side)を含むことができる。摩擦撹拌角溶接部は、一実施例において、第１金属製品と第２金属製品の中心−中立軸との交差角度は、約５°〜約８５°又は約９５°〜約１７５°である。
【００３０】
「傾斜(transverse)」は、２つの平面が交差することによって形成される角度が非直交であることを意味し、約５°〜約８５°及び約９５°〜約１７５°の範囲の全ての角度を含んでいる。
【００３１】
「中心−中立軸(central-neutral axis)」は、材料(例えば、プレート)の中心部を通って延びる軸を意味する。
【００３２】
「金属プレート」は、約０.５インチ以上の厚さを有する金属製品を意味する。
【００３３】
「ＦＳＷ」は、摩擦撹拌溶接(friction-stir welding)を意味する。
【００３４】
「摩擦撹拌溶接物(friction stir weldment)」又は「ＦＳ溶接物(FSWeldment)」は、摩擦撹拌によって作られた製品を意味する。ＦＳ溶接物は、摩擦撹拌角溶接によって第２金属プレートに接合された第１金属プレートを含むことができる。
【００３５】
「アルミニウム合金」は、アルミニウムに少なくとも他の一種の金属が合金化されたアルミニウム金属を意味する。アルミニウム合金は、限定するものではないが、アルミニウム協会(Aluminum Association, Inc.)に規定される１ＸＸＸ〜８ＸＸＸ系アルミニウム合金を挙げることができる。
【００３６】
「バックアップアンビル(Backup anvil)」は、ＦＳＷツールによって付与される鍛造力(forging force)(Ｆｚ)に少なくとも部分的に反作用するブロックを意味し、摩擦撹拌角溶接部を形成するのに適した表面を有している。
【００３７】
「拘束部材(restraining member)」は、摩擦撹拌溶接中、ピース(例えば、金属プレート)を拘束するのに利用可能なあらゆる種類の装置又はシステム(例えば、クランプ)を意味する。拘束部材は、摩擦撹拌溶接されるピースを位置決めしてしっかりと保持するもので、摩擦撹拌溶接されるピースは、その当接する部位で移動及び／又は分離しない。
【００３８】
「当接(abutment)」は、２つの物体間における接触を意味する。
【００３９】
「Ｚ力(Z-force)」又は「プランジ力(plunging force)」又は「Ｆｚ」は、摩擦撹拌溶接されるピース及びＦＳＷツールの周りの溶接部位で略垂直方向に可塑化された材料に対して、摩擦撹拌溶接ツールから作用する力を意味する。
【００４０】
「移動速度(speed of travel)」は、摩擦撹拌溶接における摩擦撹拌溶接ツールの前進速度を意味する。
【００４１】
「Ｘ力(X-force)」又は「前進力(advancing force)」又は「Ｆｘ」は、摩擦撹拌溶接の際、摩擦撹拌溶接ツールをその移動速度でピースの中を移動させるのに必要な力を意味する。
【００４２】
「継手効率(joint efficiency)」は、元のピースの最大抗張力に対する溶接継手の最大抗張力の比を意味する。
【００４３】
「最大抗張力(ultimate tensile strength)」は、材料が耐えることができる最大応力を意味し、例えば、ASTM E8M-04, April 2004によって測定されることができる。
【００４４】
添付の図面は、本発明の様々な実施例を例示する上で少なくとも手助けとなるものであり、それを参照して以下に詳細に説明する。摩擦撹拌溶接ツールによって作られたＦＳ溶接物の一実施例を図１ａ及び図１ｂに示している。図示の実施例において、ＦＳ溶接物(100)は、第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)を含んでいる。摩擦撹拌角溶接部(130)は、第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)を結合する。摩擦撹拌角溶接部(130)は、摩擦撹拌溶接ツールによって作られる。図示の実施例において、第１金属プレート(110)の中心−中立軸(115)は、第２金属プレート(120)の中心−中立軸(125)に対して傾斜している。それゆえ、ＦＳ溶接物の摩擦撹拌角溶接部は、非直線的で非直交である。ＦＳ溶接物の作製については、以下で詳細に説明するように、ＦＳＷツールとバックアップアンビルを用いて、第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)の突合せ面(本明細書中では、対向端部(complementary ends)と称することもある)が接合される。
【００４５】
摩擦撹拌角溶接部(130)は、以下に詳細に説明するように、摩擦撹拌溶接ツールによって作られる。これについては、摩擦撹拌角溶接部(130)は、一般的には、上面(132)を含んでおり、例えば完全溶込み摩擦撹拌溶接部の形成が完了したとき、基底面(134)を含むこともできる。図１ｂに示される実施例において、摩擦撹拌角溶接部(130)は、上面(132)と基底面(134)を含んでいる。第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)は、互いに、非直交で非直線的な態様で接合され、角度(136)で示される摩擦撹拌角溶接部(130)が形成される。角度(136)は、１°〜８９°の間の任意の角度又は１７９°〜９１°の間の任意の角度であってよい。一実施例において、角度(136)は、約９５°〜約１７５°である。他の実施例において、角度(136)は約５°〜約８５°である。図示の実施例において、角度は約１６６°である。
【００４６】
第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)は、摩擦撹拌溶接によって互いに接合されるのに適したものであればどんな金属プレートでもよい。一実施例において、第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)は同じ金属である。他の実施例において、第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)は異なる金属である。一実施例において、金属プレートの少なくとも一方は、アルミニウム合金(例えば、アルミニウム協会に規定される２ＸＸＸ、３ＸＸＸ、５ＸＸＸ、６ＸＸＸ、または７ＸＸＸ系アルミニウム合金)である。一実施例において、第１金属プレート(110)は、５ＸＸＸ及び６ＸＸＸ系アルミニウム合金のうちの１種であり、第２金属プレート(120)は、５ＸＸＸ及び６ＸＸＸ系アルミニウム合金のうちの１種である。
【００４７】
ＦＳ溶接物(100)は、様々な用途に利用されることができる。例えば幾つか例を挙げると、軍事用(例えば、装甲車)、船舶用(例えば、船のハル)、エネルギー用(貯蔵タンク)に用いられることができる。ＦＳ溶接物(100)は、一般的には、約５５％以上の継手効率(joint efficiency)を有しており、これは、合金の組合せ及び溶接前後における質別(tempers)に依存する。一実施例において、ＦＳ溶接物(100)は、一般的には約５５％〜約９０％の範囲の継手効率を有している。
【００４８】
本発明はまた、ＦＳ溶接物(100)を作製するシステムを提供するもので、その一実施例を図２に示している。図示の実施例において、システム(150)は、バックアップアンビル(160)と、第１セットの拘束部材(170)(２つの側部拘束部材(175)及び２つの上面拘束部材(174)を含む)と、第２セットの拘束部材(180)(２つの側部拘束部材(185)及び２つの上面拘束部材(184)を含む)とを含んでいる。システムはまた、摩擦撹拌溶接ツール(190)(縮尺とおりではない)を含んでいる。
【００４９】
側部拘束部材(175)(185)は、第１金属プレート(110)の遠位側部(112)及び第２金属プレート(120)の遠位側部(122)の少なくとも一部分を拘束する作用を有する。上面拘束部材(174)(184)は、第１金属プレート(110)の上面部(114)及び第２金属プレート(120)の上面部(124)の少なくとも一部分を拘束する作用を有する。側部拘束部材(175)(185)及び上面拘束部材(174)(184)は、第１金属プレート(110)及び第２金属プレート(120)を位置決めしてしっかりと保持できるように構成され、第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)が夫々の近位側部(113)(123)の突合せ部で分離するのを防止し、摩擦撹拌溶接中に制御不能となって任意の方向に移動するのを防止する。側部拘束部材(175)(185)の各々は、選択的に位置決め可能な部材(176)(186)(例えば、ネジ)に相互連結可能であって、遠位側部(112)(122)に関する側部拘束部材(175)(185)の位置を選択的に決めることができる。選択的に位置決め可能な部材(176)(186)は、選択的に前進及び後退し、ヘッド(図３参照)の移動(例えば、回転)等による金属プレート(110)(120)との接触が円滑に行われる。
【００５０】
図示の如く、１枚の金属プレートについて４つの拘束部材が用いられる。実際には、１枚の金属プレートについて、少なくとも１つ、好ましくは複数の拘束部材が用いられる。拘束部材の種類と個数は、例えば、摩擦撹拌溶接される金属プレートの形状及び寸法(例えば、長さ、幅及び／又は厚さ)によって決められる。図示の如く、第１セット及び第２セットの拘束部材(170)(180)は、２つの上面クランプ(174)(184)と、２つの側部クランプ(175)(185)を含んでいる。しかしながら、他の適当な拘束部材を用いることもできる。
【００５１】
バックアップアンビル(160)は、第１面(162)と第２面(164)を含んでいる。第１面(162)は、第２面(164)と対向しており、第２面(164)の上軸(165)に対して傾斜する上軸(163)を有している。第１面(162)は、摩擦撹拌溶接中、第１金属プレート(110)を支持する作用を有し、第２面(164)は、摩擦撹拌溶接中、第２金属プレート(120)を支持する作用を有する。バックアップアンビル(160)は、第１面(162)の上軸(163)と第２面(164)の上軸(165)が交差して画定される尖端部(167)を含むことができる。以下に詳細に説明するように、他の実施例において、バックアップアンビル(160)は平らな上面部を含むことができる。バックアップアンビルは、ＦＳＷツールによってもたらされる鍛造力に反作用するのに十分に強固な材料からなり、この材料は、例えば、金属(例えば、スチール、鉄等)、セラミック又は他の適当に強固な材料である。
【００５２】
以下に詳細に説明するように、摩擦撹拌角溶接部の製作を円滑に行なえるようにするために、溶接が行われる前に、金属プレート(110)(120)の少なくとも一方の１又は複数の表面を例えば機械加工することによって、機械加工表面(116)(126)が作られる。機械加工後(必要に応じて)、第１及び第２金属プレートは、バックアップアンビル(160)の上に置かれる。図示の実施例において、第１金属プレート(110)は、その中心−中立軸(115)が、アンビル(160)の第１面(162)の上軸(163)と一致する向きである(例えば、平行であるか又は僅かに上軸(163)から外れる程度)。第２金属プレート(120)の中心−中立軸(125)は、アンビル(160)の第２面(164)の上軸(165)と一致する。従って、摩擦撹拌溶接の場合の位置と同じように、第１金属プレート(110)の中心−中立軸(115)は第２金属プレート(120)の中心−中立軸(125)に対して傾斜している。第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)の近位側部(113)(123)は、夫々、互いに接近しており(例えば、当接している)、これにより、摩擦撹拌溶接ツール(190)によって摩擦撹拌溶接部(130)(図２には示されていない)の形成を容易に行なうことができる。このようにして、摩擦撹拌角溶接部を有するＦＳ溶接物が作られる。
【００５３】
実施に際し、第１セットの拘束部材(170)は、一方のプレート(120)を拘束するために配置され、第２セットの拘束部材(180)は、他方の金属プレート(110)を拘束するために配置される。次に、摩擦撹拌溶接ツール(190)のピン(192)が第１金属プレート(110)の近位側部(113)と第２金属プレート(120)の近位側部(123)の間に押し込まれ(plunged)、摩擦撹拌角溶接部(130)が作られ、このようにして、ＦＳ溶接物が作られる。摩擦撹拌溶接のパラメータは用途に応じて変更されることができる。一実施例において、従来の摩擦撹拌溶接工程では、約13,000 ｌｂｆ以下のＺ力を利用し、約2,000 ｌｂｆ以下のＸ力を生成する。関連実施例において、摩擦撹拌溶接ツールの回転数は約250 ＲＰＭ以下であり、移動速度は約６インチ／分以下である。
【００５４】
ボビン型の摩擦撹拌溶接ツール(以下で説明する)に関しては、溶接工程ではＺ力をする。このＺ力は、摩擦撹拌溶接ツールの２箇所の肩部の間の摩擦撹拌溶接領域における部分及び可塑化された材料に加えられる力で、約1,000 ｌｂｆ以下であり、約1,300 ｌｂｆ以下のＸ力を生成する。この実施例において、回転数は約225 ＲＰＭ以下であり、移動速度は約４インチ／分以下である。
【００５５】
上記の如く、尖端部(167)を含むバックアップアンビル(160)は、同じような尖った底部溶接面(例えば、第１及び第２金属面(162)(164)の上軸(top axis))が、近位側部(113)(123)の近傍位置又は境界面で交差する)を有する摩擦撹拌角溶接部(130)の形成を容易に行なうことができる。他の実施例において、平らな上面を有するバックアップアンビルは、平らな底部溶接面を有する摩擦撹拌角溶接部の形成を容易に行なうことができる。例えば、図３を参照すると、システム(155)は、第１面(162')と第２面(164')を有するバックアップアンビル(160')を含んでいるが、第１及び第２面(162')(164')の上軸(図示せず)は、第１及び第２金属プレート(110)(120)の近位側部(113)(123)間の境界面では交差しない。このように、平らな上面部(168)はバックアップアンビル(160')に含められることもできる。平らな上面部(168)は、第１及び第２金属プレート(110)(120)の少なくとも一方の底面と同一平面にすることにより、摩擦撹拌溶接中に底面を支持することができる。このようにして、平らな表面を有する摩擦撹拌角溶接面(例えば、内面又は外面)を有するＦＳ溶接物を作ることができる。
【００５６】
他の形状のバックアップアンビルを用いることもできる。例えば、図４を参照すると、バックアップアンビル(160'')は、金属プレート(110)(120)の上面部を支持するのに用いられ、空間(199)は金属プレートの下方に含まれており、そこを通る摩擦撹拌溶接ツール(190)の動きを円滑に行なうことができる。図示の実施例において、アンビルは金属プレート(110)(120)と同一平面にあり、プレート(110)(120)を安定化し拘束する。金属プレート(169)を用いることにより、溶接ゾーンの近傍でアンビルと金属プレート(110)(120)の接触を容易に行なうことができる。この実施例では、上クランプは必要でない。図示の実施例において、従来の拘束装置(197)(例えば、真空チャンネルとガスケットが交互にある)をアンビル(160)の表面に埋設することにより、プレート(110)(120)の拘束を容易に行なえる。摩擦撹拌溶接ツール(190)はまた、適当な肩部(193)を設けることにより、摩擦撹拌角溶接部の形成作業中における金属プレート(110)(120)の当接を向上させることができる。
【００５７】
図５に示す他の実施例のバックアップアンビル(160''')は、内側に拘束機構を用いることなく金属プレート(110)(120)を両方とも支持することができる。この実施例において、アンビル自体は、溶接物の形状を対称にすることによってプレートを支持する作用を有する。第１及び第２クランプ(178)(188)を用いることにより、アンビル(160''')からの作用方向とは反対の方向から、第１及び第２金属プレート(110)(120)を拘束する。図４に示されるように、摩擦撹拌溶接ツール(190)は、適当な肩部(193)を設けることにより、金属プレート(110)(120)との当接が高められ、摩擦撹拌角溶接部の形成が促進される。図示の実施例において、摩擦撹拌溶接ツール(190)のピン(192)は、図２、３及び４に示されるものよりも細長い。このピン(192)は、例えば、より深い溶接部が必要なときに用いられことができる。
【００５８】
上記実施例では、摩擦撹拌角溶接部を形成するのに、従来の摩擦撹拌溶接ツールを用いている。他の実施例において、摩擦撹拌角溶接部を形成するのにボビン型摩擦撹拌溶接ツールを用いることができる。例えば、図６を参照すると、システム(250)は、第１部分(262)及び第２部分(264)を有するバックアップアンビル(260)を含んでいる。第１部分(262)は、ボビン型摩擦撹拌溶接ツール(290)(縮尺とおりではない)によって摩擦撹拌溶接されるべき第１金属プレート(110)を少なくとも部分的に支持するための第１面(266)を含んでいる。第１部分(262)は、上軸(263)をさらに含んでいる。第２部分(264)は、第２金属プレート(120)を少なくとも部分的に支持するための第２面(267)を含んでいる。第２部分(264)は、上軸(265)をさらに含んでいる。上軸(263)と上軸(265)の交差部は、非直線的で非直交であるので、摩擦撹拌角溶接部の形成を容易に行なうことができる。第１部分(262)と第２部分(264)は拘束されているので、摩擦撹拌溶接中は移動することができない。例えば、第１部分(262)と第２部分(264)は、下にあるフレームにボルト留めされるか、及び／又は拘束部材は空間(299)内にあるから、第１部分(262)と第２部分(264)は、溶接中、互いに離れる方向に移動することはできない。バックアップアンビル(260)は、開口空間(299)をさらに含み、その中をボビンツール(299)が移動することができる。第１セットの拘束部材(170)と第２セットの拘束部材(180)を用いることにより、摩擦撹拌溶接中、金属プレート(110)(120)を拘束することができる。
【００５９】
システム(250)は、図２を参照して説明したシステム(150)と同様な作用を有するが、システム(150)と異なるのは、ボビン型摩擦撹拌溶接ツール(290)は、第１金属プレート(110)と第２金属プレート(120)の突合せ端部(113)(123)によって形成される継手の中に入り、その中を移動することである。ボビン型システム(250)に関しては、摩擦撹拌角溶接部の中心面は、ボビンツール(290)の溶接ピンの中心線と略平行であってよいが、第１及び第２金属プレート(110)(120)の中心−中立軸(115)(125)は、バックアップアンビル(260)の形状により、互いに傾斜している。このように、摩擦撹拌角溶接部を有するＦＳ溶接物は、ボビン型摩擦撹拌溶接ツールによって作られることができる。図６に示される如く、バックアップアンビルは、２つの分離したピースに分割されることができる。他の実施例において、バックアップアンビル(260')は単一材料であってよく、開口空間(299')は、図７に示される如く、前記材料内に含まれることができる。
【００６０】
本発明はまた、溶接された金属プレートを作製する方法を提供するもので、その一実施例が図８に示されている。図示の実施例において、当該方法は、第１及び／又は第２金属プレートをバックアップアンビル(820)に拘束するステップと、摩擦撹拌溶接装置(830)により第１金属プレートを第２金属プレートに溶接するステップを含んでいる。方法は、所望により、第１及び／又は第２金属プレート(810)を、拘束ステップ(820)及び／又は溶接ステップ(830)のために調製するステップを含むことができる。
【００６１】
第１及び／又は第２金属プレートを調製するステップ(810)に関しては、図９を参照すると、金属プレートは、第１及び／又は第２金属プレート(812)に１又は複数の対向端部を作成することによって調製されることができる。一手法として、前記端部は、公知の機械加工装置／プロセスによって機械加工される(813)。第１及び／又は第２金属プレートはまた、第１及び／又は第２金属プレート(814)上に１又は複数のメイティング面を作成することによって調製される。一手法において、メイティング面は、公知の機械加工装置／プロセス等の機械加工(813)によって作られる。一実施例において、メイティング面は略平らな表面(816)であって、これにより、摩擦撹拌溶接ツールのピンの押付けが容易に行われる。なお、メイティング面は対向端部を作成する前に作られることもできるし、対向端部とメイティング面を同時に作成することもできる。
【００６２】
ＦＳ溶接物の形成を容易にするための対向端部及びメイティング面を作成する方法の一例は図１０に示されている。図示の実施例において、基部金属プレート(1000)の第１端部(1005)を機械加工して、金属プレート(1010)の対向端部(1015)が作成される。この対向端部(1015)は、摩擦撹拌溶接物の摩擦撹拌角溶接部を適当な角度にするために、適当なテーパ形状に機械加工されることができる。メイティング面は、プレート表面と摩擦撹拌ツールとの接触を向上させることができる。対向端部(1015)とメイティング面(1025)を有する金属プレート(1020)が、対向端部(2015)とメイティング面(2025)を有する別の金属プレート(2020)に当接するとき、対向端部(1015)(2015)は略同一平面で互いに当接し、メイティング面(1025)(2025)は略平らな面(例えば、平らな上面及び／又は底面)を形成する。略平らな表面は摩擦撹拌溶接ツールのピンとの接触を良好にすることができる。ボビン型ツールを用いるとき、メイティング面は金属プレートの上面及び底面に形成される。１又は複数のプレートの他方の面を機械加工することにより、ＦＳ溶接物の形成が容易に行なえる。例えば、１又は複数のプレートの境界面となる上面、底面又は側面を機械加工することにより、バックアップアンビル及び／又は拘束部材との接触が良好になる。一手法において、プレートの遠位側部が機械加工されると、側部拘束部材と金属プレートの遠位側部との接触が向上する(例えば、図３参照)。
【００６３】
第１及び第２金属プレートをアンビルに拘束するステップ(820)に関して、図８を再び参照すると、例えば前述の如くの適当な要領にて、第１金属プレートはアンビルの第１面に拘束され、第２金属プレートはアンビルの第２面に拘束される。一実施例において、少なくとも１つの拘束部材を用いて、第１及び／又は第２金属プレートをアンビルに拘束することができる。拘束ステップ(820)では、一般的に、第１金属プレートの中心−中立軸は第２金属プレートの中心−中立軸に対して傾斜している(822)。このようにして、溶接ステップが完了すると(830)、後記する如く、金属プレートは、摩擦撹拌溶接物の中で互いに傾斜することになる。
【００６４】
溶接ステップ(830)は、あらゆる公知の摩擦撹拌溶接装置によって行なうことができる。一実施例において、公知の摩擦撹拌溶接装置は、第１金属プレートと第２金属プレートの当接端部の間に挿入され、前記当接端部を可塑化して、摩擦撹拌角溶接部が作成される。
【実施例】
【００６５】
＜実施例１＞  アルミニウム合金プレートの使用によるＦＳ溶接物の作製
【００６６】
(ａ)  図２と同様なシステムを準備する。第１プレートは６０１３−Ｔ６系アルミニウム合金で厚さ０.８４インチであり、第２プレートは６０１３−Ｔ６系アルミニウム合金で厚さ０.８４インチである。両プレートの突合せ端部は、突合せ部で厚さ０.７５インチである。摩擦撹拌溶接ツールを用いて、第１プレートが第２プレートに溶接される。バックアップアンビルは、プレートの突合せ部で測定した角度が１６５°である。動作パラメータは、移動速度５インチ／分、ツール回転速度２２４ＲＰＭ、ＦＳＷツール角度２°、鍛造力(Ｆｚ)約11,100ｌｂｆであって移動するＦＳＷツールへの作用力(Ｆｘ)が2,100ｌｂｆであり、これによって摩擦撹拌角溶接部を有するＦＳＷ溶接物が作られる。摩擦撹拌角溶接部は、図１１ａ及び図１１ｂに示される如く、上面と基底面を有している。ＦＳＷ溶接物は、内角が約１６６°である。
【００６７】
(ｂ)  図２と同様なシステムを準備する。第１プレートは５０８３−Ｏプレートで厚さ０.８４インチであり、第２プレートは５０８３−Ｏプレートで厚さ０.８４インチである。両プレートの当接端部は、突合せ部で厚さ０.７５インチである。摩擦撹拌溶接ツールを用いて、第１プレートが第２プレートに溶接される。バックアップアンビルは、プレートの突合せ部で測定した角度が１６５°である。動作パラメータは、移動速度３.５インチ／分、ツール回転速度１４０ＲＰＭ、ＦＳＷツール角度２°、鍛造力(Ｆｚ)約13,100ｌｂｆであって移動するＦＳＷツールへの作用力(Ｆｘ)が2,200ｌｂｆであり、これによって摩擦撹拌角溶接部を有するＦＳＷ溶接物が作られる。
【００６８】
(ｃ)  図２と同様なシステムを準備する。第１プレートは５０８３−Ｏプレートで厚さ０.８４インチであり、第２プレートは６０１３−Ｔ６プレートで厚さ０.８４インチである。両プレートの突合せ端部は、突合せ部で厚さ０.７５インチである。摩擦撹拌溶接ツールを用いて、第１プレートが第２プレートに溶接される。バックアップアンビルは、プレートの突合せ部で測定した角度が１６５°である。動作パラメータは、移動速度３.５インチ／分、ツール回転速度１４０ＲＰＭ、ＦＳＷツール角度２°、鍛造力(Ｆｚ)約12,500ｌｂｆであって移動するＦＳＷツールへの作用力(Ｆｘ)が2,000ｌｂｆであり、これによって摩擦撹拌角溶接部を有するＦＳＷ溶接物が作られる。
【００６９】
＜実施例２＞  ボビン型摩擦撹拌溶接ツールの使用による摩擦撹拌角溶接部の形成
【００７０】
(ａ)  図６と同様なシステムを準備する。第１プレートは６０１３−Ｔ６のプレートで厚さ０.８４インチであり、第２プレートは６０１３−Ｔ６のプレートで厚さ０.８４インチである。両プレートの突合せ端部は、突合せ部で厚さ０.７５インチである。ボビン型摩擦撹拌溶接ツールを用いて、第１プレートが第２プレートに溶接される。バックアップアンビルは、プレートの突合せ部で測定した角度が１６５°である。動作パラメータは、移動速度３.５インチ／分、ツール回転速度２２４ＲＰＭ、ＦＳＷツール角度２°、鍛造力(Ｆｚ)約1,00ｌｂｆであって移動するＦＳＷツールへの作用力(Ｆｘ)が1,300ｌｂｆであり、これによって摩擦撹拌角溶接部を有するＦＳＷ溶接物が作られる。
【００７１】
本発明の様々な実施例を詳細に説明したが、当該分野の専門家であれば、これら実施例の変形及び適用は明らかであろう。なお、そのような変形及び適用は、本発明の精神及び範囲内であることは理解されるべきである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【外国語明細書】
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