大きな構造体の溶接工程
【課題】摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）技法を利用して、大きな構造体、例えば風車の極めて大きな円筒形のタワーの一部を溶接する溶接方法を提供する。
【解決手段】少なくとも２つの工作物３０，３２の接合面３４を冶金術的に接合することによって、これらの工作物を併せて溶接するステップを含む。工作物が併せて配置されることで、それぞれの接合面が互いに面し、接合面によってその間に接合領域が画定される。その後工作物は併せて摩擦攪拌溶接されるが、これは、接合領域に工具４８を押し込み、その軸を中心として工具を回転させることにより工具を接合領域に侵入させ、接合領域に沿って工具を進めることで、接合面を冶金術的に接合し複数の工作物を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって行なわれる。
【解決手段】少なくとも２つの工作物３０，３２の接合面３４を冶金術的に接合することによって、これらの工作物を併せて溶接するステップを含む。工作物が併せて配置されることで、それぞれの接合面が互いに面し、接合面によってその間に接合領域が画定される。その後工作物は併せて摩擦攪拌溶接されるが、これは、接合領域に工具４８を押し込み、その軸を中心として工具を回転させることにより工具を接合領域に侵入させ、接合領域に沿って工具を進めることで、接合面を冶金術的に接合し複数の工作物を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって行なわれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に溶接方法に関する。より詳細には本発明は、極めて大きな円筒形部分、例えば風車の円筒形のタワーの一部を溶接するのに適しており、その一方で厚みのある壁の一部に溶接部を形成する際に度々直面する問題、例えば欠陥、歪み、有害な熱影響領域（ＨＡＺ）などを克服する溶接工程を対象としている。
【背景技術】
【０００２】
極めて大きな構造体の溶接には、取り組むべき問題が非常にたくさんある。図１は、極めて大きな溶接された構造体の１つの特定の例として風車１０を表している。風車１０は、ハブ１６から半径方向に延在する複数の羽根１４を備えた回転羽根組立体１２を含んでいる。ハブ１６は典型的には、メインシャフト（図示せず）に設置されており、このシャフトは発電機に接続された回転力伝達機構の一部を形成している。メインシャフト、回転力伝達機構および発電機は全て、タワー２２に設置されたナセル２０の中に収容される。タービン１０の大きさによって、タワー２２が極めて大きくなる場合もあり、直径が１０フィート（３メートル）を超えることも多くなる。タワー２２はその高さのために、複数の円筒形部分で構築され、この部分の壁の厚さは、１センチメートル以上になることが多い。この円筒形部分は次いで縦に並べて併せて溶接されるが、その直径が極めて大きいことから極めて長い円周方向の溶接部が必要になる。このように厚みのある部分を、例えばガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ、メタルイナートガス（ＭＩＧ）溶接としても知られている）およびサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）などのアーク溶接によって溶接すると、溶融不足、気孔率、さらには亀裂など溶接部に多くの欠陥が生じる恐れがあり、これによりタワー２２が非常に脆くなる可能性がある。複数の大きな円筒形部分を併せて接合してタワー２２を形成する際には、歪みもまた重大な問題となる。
【０００３】
イナーシャ溶接および摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）などの固相溶接技法は比較的低い温度の冶金接合工程であることから、従来の融解（アーク）溶接工程に対して様々な利点を提供する。ＦＳＷでは、極めて大きな軸方向の力を加えることで溶接すべき接合領域に回転工具を挿入し、この工具が回転する際、工具を接合部に沿ってゆっくりと進めることで摩擦熱を生じさせ、接合部の両側で金属を可塑化させる必要がある。本質的には、高温で可塑化された金属を「攪拌する」ことによって溶接部が形成され、この部分が工具の後の位置で再び結合することで金属を溶融させずに固相溶接部を形成する。固相溶接の特定の利点は、このような技法が、アーク溶接工程の場合は典型的である溶加材やシールドガスを必要としないことから生じている。さらに溶接される母材が固相溶接では熔解しないことから、溶接接合部において母材の再凝固が生じることがない。結果として固相溶接は、基本的にいかなる環境においても溶接接合部を形成することができ、この接合部には欠陥がなく、母材のものと事実上同一の特性と構造を有する。また溶接接合部には典型的に歪みもなく、この工程が適切な作動パラメータの範囲に留まっているならば容易に不具合を回避することができる。
【０００４】
ＦＳＷは上記に述べたような特定の利点を提示するが、風車のタワーの場合のように極めて厚い壁の部分を有する極めて大きな構造体を溶接しようとする場合はいくつかの難題が残っている。例えば厚い壁部分は、回転工具が溶接するのに侵入する深さの点で１つの難題を提起する。さらに溶接するために整列されたタワーの一部は、製造公差およびこの部分のサイズが極めて大きいことに起因して、その接合面同士の間にはかなりの隙間ができることが多い。円周方向の接合部にＦＳＷを行なう際に直面する別の問題は、溶接の終わりに工具が引き抜かれる際、攪拌された材料が工具の後ろの位置で再結合し、工具が占拠していた空間を「埋める」ことがないため、出口穴が形成されやすい点である。
【０００５】
上記を鑑みて、風車の円筒形のタワーの一部および他の極めて大きな構造体を溶接するのに固相溶接技法、とりわけＦＳＷを適合させることができるならば、それが望ましいことである。ＦＳＷがハードウェアを組み立て、設置場所で溶接するのに十分適しているため、そうする能力により、より小型のハードウェアを設置場所に搬送することが可能になる。そういうものなのでタワーの一部を併せて現場溶接することで、風車の設置場所に大きな溶接された組立体を搬送することに関連する運搬上の問題を緩和することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２７９１４６号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、ＦＳＷ技法を利用して、例えば風車の極めて大きな円筒形のタワーの一部などの大きな構造体を溶接する溶接方法を提案しており、このような構造体はそうでなければ、従来のアーク溶接技法を使用して欠陥、歪みおよび気孔率レベルにならないように溶接するのは困難である。
【０００８】
本発明の一態様によると、方法は、少なくとも２つの工作物をその接合面を冶金術により接合することによって併せて溶接するステップを含む。工作物は、それぞれの接合面が互いに面し、この接合面によってその間に接合領域が画定されるように併せて配置される。その後工作物は併せて摩擦攪拌溶接されるが、これは、接合領域に工具を押し込み、工具をその軸を中心として回転させることにより工具を接合領域に侵入させ、摩擦接触により接合面を加熱し、接合領域に沿って工具を進めることで、接合面を冶金術的に接合し、複数の工作物を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって行なわれる。次いで工具に接合領域上に配置された楔の上を進ませることによって、工具が接合領域から引き抜かれる。楔は、好ましくは溶接接合部に重なる部分を形成するように配置され、好ましくは溶接接合部に出口穴を作らずに工具を接合領域から完全に引き抜くように構成される。
【０００９】
本発明の別の態様によると、方法は風車のタワーの作製に採用される。方法は、２つの円筒形部分を併せて配置することで、この円筒形部分が軸方向に互いに当接し、円筒形部分の接合面が互いに面し、この接合面によってその間に接合領域が画定され、この接合領域は円筒形部分を円周方向に囲むようにその間に延在する。接合領域は１センチメートルを超える厚みを有しており、接合面の間におよそ２ミリメートルまでの隙間を有する。円筒形部分が裏当て材によって支持されることにより、円筒形部分は裏当て材と摩擦攪拌溶接工具の間にあり、この工具は、肩部と、肩部から工具の軸方向に突出する探査部を備える。円筒形部分がその後摩擦攪拌溶接を受けることにより、接合面を溶融させずに円筒形部分が併せて溶接される。摩擦攪拌溶接ステップは、摩擦攪拌溶接工具の探査部を接合領域の円周方向の位置において接合領域に押し込むこと、摩擦攪拌溶接工具をその軸を中心として回転させることにより摩擦攪拌溶接工具を接合領域に侵入させること、および摩擦攪拌溶接工具を接合領域に沿って進めることで、接合面を冶金術的に接合し円筒形の部分を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することを含む。
【００１０】
本発明の技術的効果は、ＦＳＷ技法を使用することで、風車の円筒形のタワーの一部の場合のように極めて大きくかつ厚みのある部分を溶接する際に度々直面する様々な溶接品質の問題をなくすことが可能な点である。ＦＳＷ技法を採用することで１回のサイクルだけで深く入り込んだ溶接部を形成することができ、アーク溶接技法に通常必要とされる溶加材やシールドガスなしで実施することができる。ＦＳＷ工程の実施に関わる装備のタイプにより、溶接を現場で行なうことができ、これにより風車のタワーの大きな直径の円筒形部分を設置場所まで個々に、あるいは１／２または１／４ずつ輸送することで運搬をかなり簡素化することができる。また本発明のＦＳＷ技法に関連する利点は、これに限定するものではないが発電、宇宙空間、インフラ、医療および工業的用途で用いられる構造体など様々な他の構造体の構造にも適用することができる。
【００１１】
本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な記載から十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のＦＳＷ工程を使用してそのタワーを構築することができる風車の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＦＳＷ工程の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＦＳＷ工程の概略図である。
【図４】本発明のＦＳＷ工程を使用することができるタイプのＦＳＷ工具の図である。
【図５】本発明の別の実施形態により、出口穴が形成されるのを回避するために楔を使用した場合の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２および図３は、極めて大きな構造体を冶金術的に接合するのに適したＦＳＷ工程を概略的に表しており、この構造体は、例えば１センチメートル以上の比較的厚い部分で溶接する必要がある。非制限的な１つの例として、図１の風車のタワー２２の大きな円筒形部分の場合の典型的なケースでは、１１から２２ミリメートルの厚みに直面することが多い。またＦＳＷ工程は、発電用途で使用される他の多様な構成要素、ならびに宇宙空間、インフラ、医療および工業的用途などを含めた広範な種類のその他の用途を目的とした構成要素を作製するのにも適している。ＦＳＷ工程は好ましくは、欠陥、歪みおよび有害な熱影響領域（ＨＡＺ）をなくすことができる深く入り込んだ溶接接合部を生み出す。
【００１４】
図２および図３は、本発明の一実施形態によるＦＳＷ工程によって一組の工作物３０および３２を溶接する際に行なわれる２つのステップを表している。工作物３０および３２は、成形品、鋳造物、粉末冶金形態であってよく、多様な種類の材料で形成することができ、その非制限的な例には、ニッケル、鉄およびコバルトベースの合金が含まれる。例えば、図１に表されるタイプの風車のタワーの構造には、Ａ５７２などの錬鋼合金が一般に使用される。工作物３０および３２は、溶接接合部３６（図３）によって冶金術的に接合すべき接合面３４を有する。図２および図３では、接合面３４は突き合わせ接合部を形成しているが、これは特に極めて大きな工作物３０および３２を溶接する場合に製造コストの見地から望ましいことである。しかしながら他の接合構成を使用することができることも予見することができる。接合面３４は工作物３０および３２に対向して配置された面３８および４０と隣接しており、その間に各々の工作物３０および３２の板厚が画定される。
【００１５】
図２では、工作物３０および３２が併せて配置された状態で示されることで各々の接合面３４は互いに面しており、接合領域４２は、接合面３４によってその間に画定されるように特定されている。工作物３０および３２がタワー２２の大きな円筒形部分であるような状況では、接合面３４は工作物３０および３２の軸方向の端部に形成され、溶接の準備をする際に互いにもたせ掛けられ、その結果接合領域４２および結果として生じる溶接接合部３６が、工作物３０および３２を円周方向に囲むように延在することになる。工作物３０および３２のサイズが大きいため、接合領域４２はさらに、接合面３４の間に隙間４４を形成するように描かれているが、これはそれぞれの接合面３４は完璧に合わさって合致するように工作物３０および３２を作製することが非現実的であるためである。タワー２２の円筒形部分に関して、このような隙間４４は場所によっては２ミリメートル以上にもなる場合がある。図２および図３はさらに、少なくとも接合領域４２のすぐ下の領域に工作物３０および３２の下に配置された裏当て材４６を示している。裏当て材４６は、溶接作業中に、特に工作物３０および３２が、ＦＳＷ法を使用して工作物３０および３２を冶金術的に接合するのに典型的に必要とされる極めて大きな力を受ける際、工作物３０および３２を支持するように機能する。裏当て材４６は、様々な種類の材料で形成され、多様な構造を有することができるが、さらに詳細には考察しない。
【００１６】
本発明の特定の態様によると、従来の電気によるアーク溶接法を使用しようとする場合、およそ２ミリメートルの接合隙間とおよそ１センチメートル以上の接合厚み（面３８および４０に垂直の）によって特有の課題が提起されるが、本発明は、ＦＳＷ工程を適用することによってこのような問題を克服し、その１つの実施形態が図２および図３に表されている。図２、図３および図４は、ＦＳＷ工程を行なうための工具４８の一例を表している。工具４８は概ね円筒形形状として描かれており、これにより工具の肩部５０と、肩部５０を形成する工具４８の端部から突出する探査部５２が画定される。探査部５２は一般に円錐台形状であり、その遠位端では、探査部５２の基部におけるその最大直径（肩部５０に隣接する）のほぼ１／３の最小直径を有する。図２および図３から明らかなように、回転探査部５２は、工作物３０と３２の間の接合領域４２に力ずくで挿入されるように適合されている。探査部５２の軸方向の長さが溶接接合部３６の最大の侵入深さに影響を与えることから、最適な探査部の長さは個々の用途に左右される。１１から２２ミリメートルの厚さを有する工作物３０および３２に対して実施されるＦＳＷ工程に好ましい軸方向の長さは、およそ１０.５からおよそ２１．６ミリメートルの範囲であるべきと考えられている。肩部５０は図２および図３で、ＦＳＷ工程中に工作物３０および３２の隣接面３８に当接するように描かれており、これにより溶接接合領域に付加的な摩擦熱を与えるように機能する。図５の実施形態では、肩部５０は、環状形状の段の付いた２つの面によって形成されており、これらの面が合わさって工具４８の端部においてその直径のおおよそ１／４から１／３を形成することで、探査部５２の基部が直径のおおよそ２／３から３／４の割合を占めるようになる。
【００１７】
上記から肩部５０が工作物３０および３２の両方の面３８に係合し、探査部５２が図２および図３に記載されるＦＳＷ工程において接合領域４２に侵入することは明らかである。このような理由により、工具４８、または少なくともその肩部５０と探査部５２は好ましくは、強度の高い耐摩耗性材料で形成される。注目すべき例にはタングステン−レニウム合金が含まれ、これは厚みのあるスチール製の部分を溶接する際に工具４８の寿命を延ばすことができる。工具４８の好適な直径は個々の用途に左右されるが、スチール合金で形成され、壁の厚さが１センチメートル以上である風車のタワーの円筒形部分を溶接する場合は、少なくとも３５ミリメートルの直径が好ましいと考えられている。ＦＳＷ工程により厚みのある工作物を冶金術的に接合するのに必要とされる強い力と摩擦が理由で、工具４８内の内部を通路（図示せず）を介して流れる流体冷却剤によって工具４８の内部を冷却することができる。付加的に工作物３０および３２の面３８を、ＦＳＷ工程において、例えばおよそ１．５からおよそ２．５ｇｐｍ（およそ６から１０リットル／分）の速度で流れ、面の下に沈んだ工具４８のおよそ１．５インチ（およそ４ｃｍ）後ろの位置で溶接接合部３６に誘導される冷却剤などの流動する流体冷却剤によって冷却することもできる。
【００１８】
図２および図３から明らかなように、工具４８を接合領域４２に沿って方向「Ｄ」に進ませる一方で、軸方向の力「Ｆ」が工具４８に加えられ、工具４８はその軸を中心に回転させられる。図３は、工具４８の探査部５２が接合領域４２の厚み全体にほとんど侵入しているように描いているが、その厚み全てではなく、例えばそのおよそ９６％に侵入するように描いており、それより深く侵入することもそれより浅く侵入することも可能である。工具４８に加えられる軸方向の力と、工具４８の回転および進行速度は、個々の用途に左右されるが、特に工作物３０および３２の材料および厚さ、ならびに工具４８の材料とサイズに左右される。スチール合金で形成され、壁の厚さが１センチメートル以上の風車のタワーの円筒形部分を溶接する際、好適な軸方向の力は典型的にはおよそ１２，０００ポンド（およそ５３，０００Ｎ）以上であり、例えばおよそ１２，０００からおよそ１４，０００ポンド（およそ５３，０００からおよそ６２，０００Ｎ）であり、好適な回転速度は、およそ１５０からおよそ１６０ｒｐｍであると考えられており、好適な進行速度は、１分当たりおよそ４からおよそ６インチ（およそ１０からおよそ１５ｃｍ）であると考えられている。最適な作動パラメータは、過度に実験を行なわずとも把握することができる。工作物３０および３２に対する工具４８の運動および制御は、工具４８を大きなフライス盤に設置する、または軸方向の力と工具４８が接合領域４２内に侵入し、中で回転しそれに沿って進行するのに必要なトルクを生成することができる他の好適な設備に設置することによって成し遂げることができる。
【００１９】
図２および図３に表されるＦＳＷ工程は、いかなる溶加材も必要としないため、溶接接合部３６全体は、工作物３０および３２の材料から形成され、より具体的には接合面３４におけるおよびその付近の材料から形成される。また図２および図３に表されるＦＳＷ工程ではシールドガスを利用する必要がないが、これは溶接を受ける材料が全く溶融しないためである。しかしながら溶接接合部３６に補助材を組み込むこと、および／またはシールドガスを使用して溶接特性をさらに強化することも可能であると考えられる。しかしながらそうすることで、ＦＳＷ工程が持つ従来のアーク溶接工程に対する利点が損なわれる可能性がある。
【００２０】
当分野で知られるように、ＦＳＷ工程は、溶接作業の完了時に工具４８を取り出す際に、溶接接合部３６に出口穴を形成しやすい。図５に表される特定の一実施形態の発明では、工具４８が出口穴を形成する傾向は、接合領域４２の上に楔５４を置くことによって回避される。楔５４は、図５では、例えば工作物３０および３２が円筒形形状であることにより、接合領域４２および結果として生じる溶接接合部３６が共に環状形状になるように、２つの円筒形部分を溶接する際、ＦＳＷ工程の始めに形成された溶接接合部３６の一部３６Ａの上に重なるように示されている。ＦＳＷ工程の始めに形成された溶接接合部３６の特定の円周方向の位置（溶接部分３６Ａ）に楔５４を置くことによって、工具４８を溶接接合部３６の一部３６Ａに重なるようにし、その後溶接作業が完了したときに溶接接合部３６から引き抜くことができ、その結果、溶接接合部３６は溶接された工作物３０および３２によって形成され、結果として生じた溶接された組立体の外周全体を囲むように切れ目なく続くことになる。楔５４は好ましくは、工具４８が楔５４の上を進む際、工具４８が溶接接合部３６から完全に引き抜かれるように構成されている。この目的のために楔５４の最大の厚さは好ましくは、探査部５２の軸方向の長さと等しいかそれより大きい。楔５４を確実に安定させることを目的とした好適な傾斜（工作物３０および３２の面３８に対する）は、せいぜい１５度であり、好適な傾斜は、およそ５からおよそ１５度であると考えられている。
【００２１】
図５に表されるようにＦＳＷ工程が完了したときに楔５４によって工具４８が溶接接合部３６から引き抜かれることにより、溶接接合部３６が楔５４の中まで延在し、その結果楔５４が溶接された工作物３０および３２によって形成される組立体に溶接されることになる。大抵の状況では、例えば機械加工または研削によって溶接された組立体から楔５４を取り外すことが望ましい。
【００２２】
溶接接合部３６内の欠陥や歪み、および溶接接合部３６を取り囲む工作物３０および３２の材料内の有害なＨＡＺが解消されない場合、図２、図３および図５に表されるＦＳＷ工程は、有意にそれらを減少させることができる。溶接接合部３６の欠陥（例えば気孔率）を減少させるまたはなくすことにより溶接金属特性を助長させ、これにより風車のタワーの場合のように、周期的な作動状況により疲労を受ける構成要素の寿命を延ばすことができる。現在特定の風車のタワーは、ＳＡＷによって形成された溶接接合部によって作製されており、これは複数回の溶接サイクルを必要とする。本発明の場合、１回のサイクルだけで同等の、場合によるとそれよりさらに優れた溶接接合部を形成することができると考えられている。
【００２３】
本発明を、縦に当接した２つの円筒形形状の工作物３０および３２の溶接に関連して記載してきたが、工作物３０および３２を上記に記載されるＦＳＷ工程を使用して作製することもできる。例えば風車のタワーの大きな直径の円筒形部分を、接合領域に沿って併せて溶接されこの部分の長手方向に配向された１／２（半円筒形形状）または１／４の部分から作製することも可能である。このような特性により、工作物ははるかに小型になり、より簡単に輸送され、現場でＦＳＷ溶接することが可能になる。
【００２４】
本発明を特定の実施形態の観点から見て記載してきたが、当業者によって他の形態を適合させることも可能であることは明らかである。したがって本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２５】
１０ 風車
１２ 組立体
１４ 羽根
１６ ハブ
２０ ナセル
２２ タワー
３０ 工作物
３２ 工作物
３４ 面
３６ 接合部
３６Ａ 一部分６
３８ 面
４０ 面
４２ 領域
４４ 隙間４
４６ 材料
４８ 工具
５０ 肩部
５２ 探査部
５４ 楔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に溶接方法に関する。より詳細には本発明は、極めて大きな円筒形部分、例えば風車の円筒形のタワーの一部を溶接するのに適しており、その一方で厚みのある壁の一部に溶接部を形成する際に度々直面する問題、例えば欠陥、歪み、有害な熱影響領域（ＨＡＺ）などを克服する溶接工程を対象としている。
【背景技術】
【０００２】
極めて大きな構造体の溶接には、取り組むべき問題が非常にたくさんある。図１は、極めて大きな溶接された構造体の１つの特定の例として風車１０を表している。風車１０は、ハブ１６から半径方向に延在する複数の羽根１４を備えた回転羽根組立体１２を含んでいる。ハブ１６は典型的には、メインシャフト（図示せず）に設置されており、このシャフトは発電機に接続された回転力伝達機構の一部を形成している。メインシャフト、回転力伝達機構および発電機は全て、タワー２２に設置されたナセル２０の中に収容される。タービン１０の大きさによって、タワー２２が極めて大きくなる場合もあり、直径が１０フィート（３メートル）を超えることも多くなる。タワー２２はその高さのために、複数の円筒形部分で構築され、この部分の壁の厚さは、１センチメートル以上になることが多い。この円筒形部分は次いで縦に並べて併せて溶接されるが、その直径が極めて大きいことから極めて長い円周方向の溶接部が必要になる。このように厚みのある部分を、例えばガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ、メタルイナートガス（ＭＩＧ）溶接としても知られている）およびサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）などのアーク溶接によって溶接すると、溶融不足、気孔率、さらには亀裂など溶接部に多くの欠陥が生じる恐れがあり、これによりタワー２２が非常に脆くなる可能性がある。複数の大きな円筒形部分を併せて接合してタワー２２を形成する際には、歪みもまた重大な問題となる。
【０００３】
イナーシャ溶接および摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）などの固相溶接技法は比較的低い温度の冶金接合工程であることから、従来の融解（アーク）溶接工程に対して様々な利点を提供する。ＦＳＷでは、極めて大きな軸方向の力を加えることで溶接すべき接合領域に回転工具を挿入し、この工具が回転する際、工具を接合部に沿ってゆっくりと進めることで摩擦熱を生じさせ、接合部の両側で金属を可塑化させる必要がある。本質的には、高温で可塑化された金属を「攪拌する」ことによって溶接部が形成され、この部分が工具の後の位置で再び結合することで金属を溶融させずに固相溶接部を形成する。固相溶接の特定の利点は、このような技法が、アーク溶接工程の場合は典型的である溶加材やシールドガスを必要としないことから生じている。さらに溶接される母材が固相溶接では熔解しないことから、溶接接合部において母材の再凝固が生じることがない。結果として固相溶接は、基本的にいかなる環境においても溶接接合部を形成することができ、この接合部には欠陥がなく、母材のものと事実上同一の特性と構造を有する。また溶接接合部には典型的に歪みもなく、この工程が適切な作動パラメータの範囲に留まっているならば容易に不具合を回避することができる。
【０００４】
ＦＳＷは上記に述べたような特定の利点を提示するが、風車のタワーの場合のように極めて厚い壁の部分を有する極めて大きな構造体を溶接しようとする場合はいくつかの難題が残っている。例えば厚い壁部分は、回転工具が溶接するのに侵入する深さの点で１つの難題を提起する。さらに溶接するために整列されたタワーの一部は、製造公差およびこの部分のサイズが極めて大きいことに起因して、その接合面同士の間にはかなりの隙間ができることが多い。円周方向の接合部にＦＳＷを行なう際に直面する別の問題は、溶接の終わりに工具が引き抜かれる際、攪拌された材料が工具の後ろの位置で再結合し、工具が占拠していた空間を「埋める」ことがないため、出口穴が形成されやすい点である。
【０００５】
上記を鑑みて、風車の円筒形のタワーの一部および他の極めて大きな構造体を溶接するのに固相溶接技法、とりわけＦＳＷを適合させることができるならば、それが望ましいことである。ＦＳＷがハードウェアを組み立て、設置場所で溶接するのに十分適しているため、そうする能力により、より小型のハードウェアを設置場所に搬送することが可能になる。そういうものなのでタワーの一部を併せて現場溶接することで、風車の設置場所に大きな溶接された組立体を搬送することに関連する運搬上の問題を緩和することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２７９１４６号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、ＦＳＷ技法を利用して、例えば風車の極めて大きな円筒形のタワーの一部などの大きな構造体を溶接する溶接方法を提案しており、このような構造体はそうでなければ、従来のアーク溶接技法を使用して欠陥、歪みおよび気孔率レベルにならないように溶接するのは困難である。
【０００８】
本発明の一態様によると、方法は、少なくとも２つの工作物をその接合面を冶金術により接合することによって併せて溶接するステップを含む。工作物は、それぞれの接合面が互いに面し、この接合面によってその間に接合領域が画定されるように併せて配置される。その後工作物は併せて摩擦攪拌溶接されるが、これは、接合領域に工具を押し込み、工具をその軸を中心として回転させることにより工具を接合領域に侵入させ、摩擦接触により接合面を加熱し、接合領域に沿って工具を進めることで、接合面を冶金術的に接合し、複数の工作物を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって行なわれる。次いで工具に接合領域上に配置された楔の上を進ませることによって、工具が接合領域から引き抜かれる。楔は、好ましくは溶接接合部に重なる部分を形成するように配置され、好ましくは溶接接合部に出口穴を作らずに工具を接合領域から完全に引き抜くように構成される。
【０００９】
本発明の別の態様によると、方法は風車のタワーの作製に採用される。方法は、２つの円筒形部分を併せて配置することで、この円筒形部分が軸方向に互いに当接し、円筒形部分の接合面が互いに面し、この接合面によってその間に接合領域が画定され、この接合領域は円筒形部分を円周方向に囲むようにその間に延在する。接合領域は１センチメートルを超える厚みを有しており、接合面の間におよそ２ミリメートルまでの隙間を有する。円筒形部分が裏当て材によって支持されることにより、円筒形部分は裏当て材と摩擦攪拌溶接工具の間にあり、この工具は、肩部と、肩部から工具の軸方向に突出する探査部を備える。円筒形部分がその後摩擦攪拌溶接を受けることにより、接合面を溶融させずに円筒形部分が併せて溶接される。摩擦攪拌溶接ステップは、摩擦攪拌溶接工具の探査部を接合領域の円周方向の位置において接合領域に押し込むこと、摩擦攪拌溶接工具をその軸を中心として回転させることにより摩擦攪拌溶接工具を接合領域に侵入させること、および摩擦攪拌溶接工具を接合領域に沿って進めることで、接合面を冶金術的に接合し円筒形の部分を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することを含む。
【００１０】
本発明の技術的効果は、ＦＳＷ技法を使用することで、風車の円筒形のタワーの一部の場合のように極めて大きくかつ厚みのある部分を溶接する際に度々直面する様々な溶接品質の問題をなくすことが可能な点である。ＦＳＷ技法を採用することで１回のサイクルだけで深く入り込んだ溶接部を形成することができ、アーク溶接技法に通常必要とされる溶加材やシールドガスなしで実施することができる。ＦＳＷ工程の実施に関わる装備のタイプにより、溶接を現場で行なうことができ、これにより風車のタワーの大きな直径の円筒形部分を設置場所まで個々に、あるいは１／２または１／４ずつ輸送することで運搬をかなり簡素化することができる。また本発明のＦＳＷ技法に関連する利点は、これに限定するものではないが発電、宇宙空間、インフラ、医療および工業的用途で用いられる構造体など様々な他の構造体の構造にも適用することができる。
【００１１】
本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な記載から十分に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のＦＳＷ工程を使用してそのタワーを構築することができる風車の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＦＳＷ工程の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるＦＳＷ工程の概略図である。
【図４】本発明のＦＳＷ工程を使用することができるタイプのＦＳＷ工具の図である。
【図５】本発明の別の実施形態により、出口穴が形成されるのを回避するために楔を使用した場合の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２および図３は、極めて大きな構造体を冶金術的に接合するのに適したＦＳＷ工程を概略的に表しており、この構造体は、例えば１センチメートル以上の比較的厚い部分で溶接する必要がある。非制限的な１つの例として、図１の風車のタワー２２の大きな円筒形部分の場合の典型的なケースでは、１１から２２ミリメートルの厚みに直面することが多い。またＦＳＷ工程は、発電用途で使用される他の多様な構成要素、ならびに宇宙空間、インフラ、医療および工業的用途などを含めた広範な種類のその他の用途を目的とした構成要素を作製するのにも適している。ＦＳＷ工程は好ましくは、欠陥、歪みおよび有害な熱影響領域（ＨＡＺ）をなくすことができる深く入り込んだ溶接接合部を生み出す。
【００１４】
図２および図３は、本発明の一実施形態によるＦＳＷ工程によって一組の工作物３０および３２を溶接する際に行なわれる２つのステップを表している。工作物３０および３２は、成形品、鋳造物、粉末冶金形態であってよく、多様な種類の材料で形成することができ、その非制限的な例には、ニッケル、鉄およびコバルトベースの合金が含まれる。例えば、図１に表されるタイプの風車のタワーの構造には、Ａ５７２などの錬鋼合金が一般に使用される。工作物３０および３２は、溶接接合部３６（図３）によって冶金術的に接合すべき接合面３４を有する。図２および図３では、接合面３４は突き合わせ接合部を形成しているが、これは特に極めて大きな工作物３０および３２を溶接する場合に製造コストの見地から望ましいことである。しかしながら他の接合構成を使用することができることも予見することができる。接合面３４は工作物３０および３２に対向して配置された面３８および４０と隣接しており、その間に各々の工作物３０および３２の板厚が画定される。
【００１５】
図２では、工作物３０および３２が併せて配置された状態で示されることで各々の接合面３４は互いに面しており、接合領域４２は、接合面３４によってその間に画定されるように特定されている。工作物３０および３２がタワー２２の大きな円筒形部分であるような状況では、接合面３４は工作物３０および３２の軸方向の端部に形成され、溶接の準備をする際に互いにもたせ掛けられ、その結果接合領域４２および結果として生じる溶接接合部３６が、工作物３０および３２を円周方向に囲むように延在することになる。工作物３０および３２のサイズが大きいため、接合領域４２はさらに、接合面３４の間に隙間４４を形成するように描かれているが、これはそれぞれの接合面３４は完璧に合わさって合致するように工作物３０および３２を作製することが非現実的であるためである。タワー２２の円筒形部分に関して、このような隙間４４は場所によっては２ミリメートル以上にもなる場合がある。図２および図３はさらに、少なくとも接合領域４２のすぐ下の領域に工作物３０および３２の下に配置された裏当て材４６を示している。裏当て材４６は、溶接作業中に、特に工作物３０および３２が、ＦＳＷ法を使用して工作物３０および３２を冶金術的に接合するのに典型的に必要とされる極めて大きな力を受ける際、工作物３０および３２を支持するように機能する。裏当て材４６は、様々な種類の材料で形成され、多様な構造を有することができるが、さらに詳細には考察しない。
【００１６】
本発明の特定の態様によると、従来の電気によるアーク溶接法を使用しようとする場合、およそ２ミリメートルの接合隙間とおよそ１センチメートル以上の接合厚み（面３８および４０に垂直の）によって特有の課題が提起されるが、本発明は、ＦＳＷ工程を適用することによってこのような問題を克服し、その１つの実施形態が図２および図３に表されている。図２、図３および図４は、ＦＳＷ工程を行なうための工具４８の一例を表している。工具４８は概ね円筒形形状として描かれており、これにより工具の肩部５０と、肩部５０を形成する工具４８の端部から突出する探査部５２が画定される。探査部５２は一般に円錐台形状であり、その遠位端では、探査部５２の基部におけるその最大直径（肩部５０に隣接する）のほぼ１／３の最小直径を有する。図２および図３から明らかなように、回転探査部５２は、工作物３０と３２の間の接合領域４２に力ずくで挿入されるように適合されている。探査部５２の軸方向の長さが溶接接合部３６の最大の侵入深さに影響を与えることから、最適な探査部の長さは個々の用途に左右される。１１から２２ミリメートルの厚さを有する工作物３０および３２に対して実施されるＦＳＷ工程に好ましい軸方向の長さは、およそ１０.５からおよそ２１．６ミリメートルの範囲であるべきと考えられている。肩部５０は図２および図３で、ＦＳＷ工程中に工作物３０および３２の隣接面３８に当接するように描かれており、これにより溶接接合領域に付加的な摩擦熱を与えるように機能する。図５の実施形態では、肩部５０は、環状形状の段の付いた２つの面によって形成されており、これらの面が合わさって工具４８の端部においてその直径のおおよそ１／４から１／３を形成することで、探査部５２の基部が直径のおおよそ２／３から３／４の割合を占めるようになる。
【００１７】
上記から肩部５０が工作物３０および３２の両方の面３８に係合し、探査部５２が図２および図３に記載されるＦＳＷ工程において接合領域４２に侵入することは明らかである。このような理由により、工具４８、または少なくともその肩部５０と探査部５２は好ましくは、強度の高い耐摩耗性材料で形成される。注目すべき例にはタングステン−レニウム合金が含まれ、これは厚みのあるスチール製の部分を溶接する際に工具４８の寿命を延ばすことができる。工具４８の好適な直径は個々の用途に左右されるが、スチール合金で形成され、壁の厚さが１センチメートル以上である風車のタワーの円筒形部分を溶接する場合は、少なくとも３５ミリメートルの直径が好ましいと考えられている。ＦＳＷ工程により厚みのある工作物を冶金術的に接合するのに必要とされる強い力と摩擦が理由で、工具４８内の内部を通路（図示せず）を介して流れる流体冷却剤によって工具４８の内部を冷却することができる。付加的に工作物３０および３２の面３８を、ＦＳＷ工程において、例えばおよそ１．５からおよそ２．５ｇｐｍ（およそ６から１０リットル／分）の速度で流れ、面の下に沈んだ工具４８のおよそ１．５インチ（およそ４ｃｍ）後ろの位置で溶接接合部３６に誘導される冷却剤などの流動する流体冷却剤によって冷却することもできる。
【００１８】
図２および図３から明らかなように、工具４８を接合領域４２に沿って方向「Ｄ」に進ませる一方で、軸方向の力「Ｆ」が工具４８に加えられ、工具４８はその軸を中心に回転させられる。図３は、工具４８の探査部５２が接合領域４２の厚み全体にほとんど侵入しているように描いているが、その厚み全てではなく、例えばそのおよそ９６％に侵入するように描いており、それより深く侵入することもそれより浅く侵入することも可能である。工具４８に加えられる軸方向の力と、工具４８の回転および進行速度は、個々の用途に左右されるが、特に工作物３０および３２の材料および厚さ、ならびに工具４８の材料とサイズに左右される。スチール合金で形成され、壁の厚さが１センチメートル以上の風車のタワーの円筒形部分を溶接する際、好適な軸方向の力は典型的にはおよそ１２，０００ポンド（およそ５３，０００Ｎ）以上であり、例えばおよそ１２，０００からおよそ１４，０００ポンド（およそ５３，０００からおよそ６２，０００Ｎ）であり、好適な回転速度は、およそ１５０からおよそ１６０ｒｐｍであると考えられており、好適な進行速度は、１分当たりおよそ４からおよそ６インチ（およそ１０からおよそ１５ｃｍ）であると考えられている。最適な作動パラメータは、過度に実験を行なわずとも把握することができる。工作物３０および３２に対する工具４８の運動および制御は、工具４８を大きなフライス盤に設置する、または軸方向の力と工具４８が接合領域４２内に侵入し、中で回転しそれに沿って進行するのに必要なトルクを生成することができる他の好適な設備に設置することによって成し遂げることができる。
【００１９】
図２および図３に表されるＦＳＷ工程は、いかなる溶加材も必要としないため、溶接接合部３６全体は、工作物３０および３２の材料から形成され、より具体的には接合面３４におけるおよびその付近の材料から形成される。また図２および図３に表されるＦＳＷ工程ではシールドガスを利用する必要がないが、これは溶接を受ける材料が全く溶融しないためである。しかしながら溶接接合部３６に補助材を組み込むこと、および／またはシールドガスを使用して溶接特性をさらに強化することも可能であると考えられる。しかしながらそうすることで、ＦＳＷ工程が持つ従来のアーク溶接工程に対する利点が損なわれる可能性がある。
【００２０】
当分野で知られるように、ＦＳＷ工程は、溶接作業の完了時に工具４８を取り出す際に、溶接接合部３６に出口穴を形成しやすい。図５に表される特定の一実施形態の発明では、工具４８が出口穴を形成する傾向は、接合領域４２の上に楔５４を置くことによって回避される。楔５４は、図５では、例えば工作物３０および３２が円筒形形状であることにより、接合領域４２および結果として生じる溶接接合部３６が共に環状形状になるように、２つの円筒形部分を溶接する際、ＦＳＷ工程の始めに形成された溶接接合部３６の一部３６Ａの上に重なるように示されている。ＦＳＷ工程の始めに形成された溶接接合部３６の特定の円周方向の位置（溶接部分３６Ａ）に楔５４を置くことによって、工具４８を溶接接合部３６の一部３６Ａに重なるようにし、その後溶接作業が完了したときに溶接接合部３６から引き抜くことができ、その結果、溶接接合部３６は溶接された工作物３０および３２によって形成され、結果として生じた溶接された組立体の外周全体を囲むように切れ目なく続くことになる。楔５４は好ましくは、工具４８が楔５４の上を進む際、工具４８が溶接接合部３６から完全に引き抜かれるように構成されている。この目的のために楔５４の最大の厚さは好ましくは、探査部５２の軸方向の長さと等しいかそれより大きい。楔５４を確実に安定させることを目的とした好適な傾斜（工作物３０および３２の面３８に対する）は、せいぜい１５度であり、好適な傾斜は、およそ５からおよそ１５度であると考えられている。
【００２１】
図５に表されるようにＦＳＷ工程が完了したときに楔５４によって工具４８が溶接接合部３６から引き抜かれることにより、溶接接合部３６が楔５４の中まで延在し、その結果楔５４が溶接された工作物３０および３２によって形成される組立体に溶接されることになる。大抵の状況では、例えば機械加工または研削によって溶接された組立体から楔５４を取り外すことが望ましい。
【００２２】
溶接接合部３６内の欠陥や歪み、および溶接接合部３６を取り囲む工作物３０および３２の材料内の有害なＨＡＺが解消されない場合、図２、図３および図５に表されるＦＳＷ工程は、有意にそれらを減少させることができる。溶接接合部３６の欠陥（例えば気孔率）を減少させるまたはなくすことにより溶接金属特性を助長させ、これにより風車のタワーの場合のように、周期的な作動状況により疲労を受ける構成要素の寿命を延ばすことができる。現在特定の風車のタワーは、ＳＡＷによって形成された溶接接合部によって作製されており、これは複数回の溶接サイクルを必要とする。本発明の場合、１回のサイクルだけで同等の、場合によるとそれよりさらに優れた溶接接合部を形成することができると考えられている。
【００２３】
本発明を、縦に当接した２つの円筒形形状の工作物３０および３２の溶接に関連して記載してきたが、工作物３０および３２を上記に記載されるＦＳＷ工程を使用して作製することもできる。例えば風車のタワーの大きな直径の円筒形部分を、接合領域に沿って併せて溶接されこの部分の長手方向に配向された１／２（半円筒形形状）または１／４の部分から作製することも可能である。このような特性により、工作物ははるかに小型になり、より簡単に輸送され、現場でＦＳＷ溶接することが可能になる。
【００２４】
本発明を特定の実施形態の観点から見て記載してきたが、当業者によって他の形態を適合させることも可能であることは明らかである。したがって本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２５】
１０ 風車
１２ 組立体
１４ 羽根
１６ ハブ
２０ ナセル
２２ タワー
３０ 工作物
３２ 工作物
３４ 面
３６ 接合部
３６Ａ 一部分６
３８ 面
４０ 面
４２ 領域
４４ 隙間４
４６ 材料
４８ 工具
５０ 肩部
５２ 探査部
５４ 楔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの工作物の接合面を冶金術的に接合することによってこれらの工作物を併せて溶接する方法であって、
前記工作物を併せて配置することで、その前記接合面が互いに面し、前記接合面によってその間に接合領域が画定されるステップと、
前記接合領域に工具を押し込み、該工具をその軸を中心として回転させることにより前記工具の一部分を前記接合領域に侵入させ、摩擦接触により前記接合面を加熱し、前記接合領域に沿って該工具を進めることで、前記接合面を冶金術的に接合し、前記複数の工作物を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって、前記工作物を併せて摩擦攪拌溶接するステップと、
次いで前記工具に前記接合領域上に配置された楔の上を進ませることによって、前記接合領域から前記工具を引き抜くステップであって、前記工具が前記楔の上を進む際に前記溶接接合部に出口穴を作らずに、前記摩擦攪拌溶接工具が前記楔によって前記接合領域から完全に引き抜かれるように前記楔が構成されるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記接合領域が、前記接合面の間におよそ２ミリメートルまでの隙間を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記工具が、肩部と、該肩部から前記工具の軸方向に突出する探査部とを備え、該肩部が前記工作物の隣接面に当接し、該探査部が前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて前記接合領域に侵入する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記楔が、前記引き抜くステップの結果として、前記溶接された組立体に溶接される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記方法が、前記溶接された組立体から前記楔を取り外すステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記工作物を裏当て材によって支持するステップであって、前記工作物が前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて前記工具と該裏当て材との間にあるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌溶接ステップが、前記接合面を溶融しない、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記接合面が、突き合わせ接合部を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記工作物が、スチール合金で形成される、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記接合領域が、１センチメートルを超える厚みを有する、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて、少なくとも５３，０００Ｎの軸方向の力が前記工具に加えられる、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記工具が、前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて、およそ１５０から１６０ｒｐｍで回転される、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記工具が、前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて、前記接合領域に沿って１分当たりおよそ１０から１５センチメートル進む、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記工作物が円筒形工作物であり、軸方向に互いに当接することで前記接合領域を画定し、前記接合領域および前記溶接接合部が前記円筒形工作物を円周方向に囲むように延在し、前記摩擦攪拌溶接ステップが、前記接合領域の特定の円周方向の位置において開始され、前記楔が、前記摩擦攪拌溶接ステップが開始される前記円周方向の位置で前記接合領域上に配置される、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記方法が、請求項１の摩擦攪拌溶接ステップによって、半円筒形工作物を併せて摩擦攪拌溶接することによって前記円筒形工作物を作製するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記溶接された組立体が風車のタワーであり、前記工作物が該風車のタワーの円筒形部分である、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
風車のタワーを作製する方法であって、
２つの円筒形部分を併せて配置することで、該円筒形部分が軸方向に互いに当接し、該円筒形部分の接合面が互いに面し、該接合面によってその間に接合領域が画定され、前記接合領域が該円筒形部分を円周方向に囲むようにその間に延在し、該接合領域が１センチメートルを超える厚みを有し、該接合面の間におよそ２ミリメートルまでの隙間を有するステップと、
前記円筒形部分を裏当て材によって支持することで、前記円筒形部分が該裏当て材と摩擦攪拌溶接工具の間にあり、前記工具が、肩部と、該肩部から前記工具の軸方向に突出する探査部を備えるステップと、
前記摩擦攪拌溶接工具の前記探査部を、前記接合領域の円周方向の位置において前記接合領域に押し込み、前記摩擦攪拌溶接工具をその軸を中心として回転させることで前記摩擦攪拌溶接工具を前記接合領域に侵入させ、摩擦接触により前記接合面を加熱し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記接合領域に沿って進めることで、前記接合面を冶金術的に接合し円筒形部分を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって、前記接合面を溶融させずに前記円筒形部分を併せて摩擦攪拌溶接するステップとを含む方法。
【請求項１８】
前記方法がさらに、
前記摩擦攪拌溶接工具にその円周方向の位置において前記接合領域上に配置された楔の上を進ませることによって、前記摩擦攪拌溶接工具を前記接合領域から引き抜くステップであって、前記摩擦攪拌溶接工具が前記楔上を進む際、前記摩擦攪拌溶接工具が前記楔によって前記接合領域から完全に引き抜かれるように前記楔が構成されており、前記楔が、前記引き抜くステップの結果として前記溶接された組立体に溶接されるステップと、
前記楔を前記溶接された組立体から取り外すステップとを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記接合面が突き合わせ接合部を形成する、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記円筒形部分がスチール合金で形成される、請求項１７記載の方法。
【請求項１】
少なくとも２つの工作物の接合面を冶金術的に接合することによってこれらの工作物を併せて溶接する方法であって、
前記工作物を併せて配置することで、その前記接合面が互いに面し、前記接合面によってその間に接合領域が画定されるステップと、
前記接合領域に工具を押し込み、該工具をその軸を中心として回転させることにより前記工具の一部分を前記接合領域に侵入させ、摩擦接触により前記接合面を加熱し、前記接合領域に沿って該工具を進めることで、前記接合面を冶金術的に接合し、前記複数の工作物を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって、前記工作物を併せて摩擦攪拌溶接するステップと、
次いで前記工具に前記接合領域上に配置された楔の上を進ませることによって、前記接合領域から前記工具を引き抜くステップであって、前記工具が前記楔の上を進む際に前記溶接接合部に出口穴を作らずに、前記摩擦攪拌溶接工具が前記楔によって前記接合領域から完全に引き抜かれるように前記楔が構成されるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記接合領域が、前記接合面の間におよそ２ミリメートルまでの隙間を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記工具が、肩部と、該肩部から前記工具の軸方向に突出する探査部とを備え、該肩部が前記工作物の隣接面に当接し、該探査部が前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて前記接合領域に侵入する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記楔が、前記引き抜くステップの結果として、前記溶接された組立体に溶接される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記方法が、前記溶接された組立体から前記楔を取り外すステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記工作物を裏当て材によって支持するステップであって、前記工作物が前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて前記工具と該裏当て材との間にあるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌溶接ステップが、前記接合面を溶融しない、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記接合面が、突き合わせ接合部を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記工作物が、スチール合金で形成される、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記接合領域が、１センチメートルを超える厚みを有する、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて、少なくとも５３，０００Ｎの軸方向の力が前記工具に加えられる、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記工具が、前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて、およそ１５０から１６０ｒｐｍで回転される、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記工具が、前記摩擦攪拌溶接ステップにおいて、前記接合領域に沿って１分当たりおよそ１０から１５センチメートル進む、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記工作物が円筒形工作物であり、軸方向に互いに当接することで前記接合領域を画定し、前記接合領域および前記溶接接合部が前記円筒形工作物を円周方向に囲むように延在し、前記摩擦攪拌溶接ステップが、前記接合領域の特定の円周方向の位置において開始され、前記楔が、前記摩擦攪拌溶接ステップが開始される前記円周方向の位置で前記接合領域上に配置される、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記方法が、請求項１の摩擦攪拌溶接ステップによって、半円筒形工作物を併せて摩擦攪拌溶接することによって前記円筒形工作物を作製するステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記溶接された組立体が風車のタワーであり、前記工作物が該風車のタワーの円筒形部分である、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
風車のタワーを作製する方法であって、
２つの円筒形部分を併せて配置することで、該円筒形部分が軸方向に互いに当接し、該円筒形部分の接合面が互いに面し、該接合面によってその間に接合領域が画定され、前記接合領域が該円筒形部分を円周方向に囲むようにその間に延在し、該接合領域が１センチメートルを超える厚みを有し、該接合面の間におよそ２ミリメートルまでの隙間を有するステップと、
前記円筒形部分を裏当て材によって支持することで、前記円筒形部分が該裏当て材と摩擦攪拌溶接工具の間にあり、前記工具が、肩部と、該肩部から前記工具の軸方向に突出する探査部を備えるステップと、
前記摩擦攪拌溶接工具の前記探査部を、前記接合領域の円周方向の位置において前記接合領域に押し込み、前記摩擦攪拌溶接工具をその軸を中心として回転させることで前記摩擦攪拌溶接工具を前記接合領域に侵入させ、摩擦接触により前記接合面を加熱し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記接合領域に沿って進めることで、前記接合面を冶金術的に接合し円筒形部分を備えた溶接された組立体を形成する溶接接合部を形成することによって、前記接合面を溶融させずに前記円筒形部分を併せて摩擦攪拌溶接するステップとを含む方法。
【請求項１８】
前記方法がさらに、
前記摩擦攪拌溶接工具にその円周方向の位置において前記接合領域上に配置された楔の上を進ませることによって、前記摩擦攪拌溶接工具を前記接合領域から引き抜くステップであって、前記摩擦攪拌溶接工具が前記楔上を進む際、前記摩擦攪拌溶接工具が前記楔によって前記接合領域から完全に引き抜かれるように前記楔が構成されており、前記楔が、前記引き抜くステップの結果として前記溶接された組立体に溶接されるステップと、
前記楔を前記溶接された組立体から取り外すステップとを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記接合面が突き合わせ接合部を形成する、請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記円筒形部分がスチール合金で形成される、請求項１７記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２８７３１（Ｐ２０１２−２２８７３１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−７５３５０（Ｐ２０１２−７５３５０）
【出願日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−７５３５０（Ｐ２０１２−７５３５０）
【出願日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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