高融点材料のアウト−オブ−ポジション摩擦攪拌溶接
【課題】 高融点の平らでない材料の摩擦攪拌溶接を行うためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】 本プロセスは、配管、フランジ、タンク、及びシュラウド等の物体に長さ方向及び横方向で溶接を行うために提供される。積極的又は受動的マンドレルが摩擦攪拌溶接プロセスに対して支持を提供する。
【解決手段】 本プロセスは、配管、フランジ、タンク、及びシュラウド等の物体に長さ方向及び横方向で溶接を行うために提供される。積極的又は受動的マンドレルが摩擦攪拌溶接プロセスに対して支持を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、工具の回転しているピンを加工物に押し付けることによって溶接部を形成するための熱を発生する、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）に関する。更に詳細には、本質的には、摩擦攪拌溶接プロセスで使用した場合に、本発明により、現在の摩擦攪拌溶接プロセス及び工具では機能的に溶接できない材料を溶接できるようにする、新たな工具及びこの工具の新たな用途に関する。このような材料には、ステンレス鋼等の鉄合金、鉄を少量しか又は全く含まない高融点の超合金が含まれる。予めやすり掛けを行うことにより、平らな溶接部を形成する。しかしながら、この新たなプロセス及び装置により、ステンレス鋼管、フランジ、タンク、シュラウド等の平らでない表面の摩擦攪拌溶接が可能になる。本発明は、かくして、高融点合金に長さ方向溶接、半径方向溶接、溶接修復、特定の微小構造を得るための摩擦攪拌加工等を行うために摩擦攪拌溶接技術を適用できる。
【背景技術】
【０００２】
摩擦溶接は産業で多年に亘って使用されてきた。これは、従来の融接プロセスでの溶融材料の急速凝固と関連した多くの問題点をなくすため、経済的に大きな利益をもたらすソリッドステートプロセスである。
【０００３】
摩擦溶接の一例は、二つの配管の端部を、一方の配管をしっかりと保持し、他方の配管をこれに押し付けて回転させながら互いに押し付けるときに行われる。摩擦によって熱が発生したとき、配管の端部が可塑化する。配管の回転を急速に停止することによって二つの配管を互いに融着する。この場合、接合されるべき二つの部品の相対的回転によって摩擦熱が発生するということに着目されたい。
【０００４】
本発明は、上文中に説明したオービタル摩擦攪拌溶接プロセスに直接適用できる。高融点材料を摩擦攪拌溶接する上での単なる背景技術を以下に説明する。
オービタル溶接プロセスとは対照的に、図１は、摩擦攪拌突き合わせ溶接に使用される、肩部１２及びこの肩部から外方に延びるピン１４を持つ全体に円筒形の工具１０を含むことを特徴とする工具の斜視図である。十分な熱が発生するまで、ピン１４を加工物１６に当てて回転し、工具のピンを可塑化した加工物材料に押し付ける。加工物１６は、多くの場合、二枚のシート又はプレート状の材料であり、接合線１８のところで互いに突き合わせられる。ピン１４を接合線１８のところで加工物１６に押し付ける。ピン１４を材料１６に当てて回転移動させることによって発生した摩擦熱により、加工物材料を融点に達することなく軟化する。工具１０を接合線１８に沿って横方向に移動することによって、可塑化した材料がピンの周囲で前縁から後縁まで流れるときに溶接部を形成する。その結果、加工物材料１６とほぼ区別が付かない固相結合部２０が接合線１８のところに形成される。
【０００５】
従来技術には、多くの摩擦攪拌溶接の特許がある。これらの特許は、その当時の融接技術を越える利点を持つ溶接部を得るための技術を使用することの利点を教示している。これらの利点には、長い溶接部での変形が小さく、溶接ヒュームがなく、小孔がなく、スプラッターがなく、引張強度に関する優れた機械的特性が含まれる。更にこのプロセスには、消費される工具が使用されず、充填材ワイヤを必要とせず、ガスシールドを必要とせず、溶接領域での酸素の存在等の不完全な溶接に対する許容度等の利点がある。このプロセスは、溶接される材料の元の材料の性質を変化させる大きな熱損傷等をなくす上で特に有用である。
【０００６】
しかしながら、産業では、現在は摩擦攪拌溶接では機能的に溶接できない材料を溶接できることが長いこと所望であった。かくして、摩擦攪拌溶接は、アルミニウム、真鍮、及び青銅等の非鉄合金を溶接する上で非常に有利であるが、融点が更に高い材料を機能的に溶接できる工具はなかった。機能的に溶接できる材料は、摩擦攪拌溶接を使用して呼称長さ以上で、工具を破壊せずに溶接できる材料であるということは理解されるべきである。
【０００７】
残念なことに、融接は、合金を溶接部のところで変化させ、又は損傷し、これによって、溶接プロセス中に溶接部に欠陥や有害相が形成され、これにより溶接部が損なわれる。幾つかの場合には、元の加工物材料に接合されて合金を形成する非金属強化材料は、溶接部のところで劣化する。その結果、溶接部の特性及び特徴は、元の加工物材料の変化を受けていない領域と異なることとなる。
【０００８】
現在まで、従来の摩擦攪拌溶接工具即ちプローブを使用する摩擦攪拌溶接には、大幅に磨耗するという性質があり、そのためＭＭＣｓ、鉄合金、及び超合金等の材料を機能的に溶接できない。多くの工具は、単に、ＭＭＣｓ、鉄合金、及び超合金で全く役立たない。従来の工具が摩擦攪拌溶接を開始すると、磨耗が非常に大きくなるため、ほんの短い距離の後にプローブが擦れて離れてしまう。例えば、幾つかの合金は、ほんの数インチの距離に亘って溶接した後、プローブをもはや機能しない程磨耗させてしまう。
【０００９】
残念なことに、一般的には、単に新たな工具を挿入し、前にプローブが破損した場所で摩擦攪拌溶接プロセスを開始することはできない。溶接部が連続しておらず、中断していない場合には、機械的に弱いため、役に立たない。更に、工具の一部が、代表的には、加工物材料内に残ってしまう。これもまた、機械的弱さの原因となる。
【００１０】
従って、摩擦攪拌溶接プロセスで使用するための、従来技術の工具では短い距離の後に破損してしまう材料の長く連続した中断していない溶接（機能的溶接）を可能にする新たな工具を提供するのが従来技術を上回る利点である。更に、従来の摩擦攪拌溶接工具では、これまで溶接が非常に困難であった材料を新たな工具により摩擦攪拌溶接できるのであれば、これもまた、従来技術を上回る利点である。工具についての磨耗特性が改善された、従来の加工物材料で摩擦攪拌溶接を行うことができる工具を提供するのが従来技術を上回る利点である。
【００１１】
摩擦攪拌溶接するのが望ましいが、従来技術の工具では機能的に溶接できない第１等級の材料は、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣｓ）である。ＭＭＣは、金属相及びセラミック相を持つ材料である。セラミック相の例にはシリコンカーバイド及びホウ素カーバイドが含まれる。ＭＭＣで一般的に使用される金属はアルミニウムである。
【００１２】
ＭＭＣｓは、所望の剛性及び耐磨耗性を備えているが、耐破靱性が低く、そのため用途が限られている。ＭＭＣｓの使用の良好な例は、車輛のディスクブレーキのロータでの使用である。この場合、剛性、強度、及び耐磨耗性が従来技術の材料よりも優れており、比較的脆性であるという性質は、全体として、問題とならない。ＭＭＣにより、ロータは鋳鉄よりも軽量になり、シリコンカーバイド等のセラミック相により耐磨耗性を向上できる。
【００１３】
ＭＭＣｓのこの他の重要な用途には、駆動シャフト、シリンダのライナ、エンジンの連結ロッド、航空機の着陸装置、航空機のエンジン構成要素、自転車のフレーム、ゴルフクラブ、放射熱シールド構成要素、衛星、及び航空構造が含まれるが、これらに限定されると考えられるべきではない。
【００１４】
摩擦攪拌溶接するのが望ましい、産業的用途が遙かに広い第２等級の材料は鉄合金である。鉄合金には、鋼及びステンレス鋼が含まれる。可能な用途は非常に広く、これには、造船産業、航空宇宙産業、鉄道産業、建設産業、及び輸送産業が含まれる。ステンレス鋼の市場だけでも、アルミニウム合金の市場の少なくとも５倍である。鋼及びステンレス鋼は、溶接製品の８０％以上を占め、摩擦攪拌溶接が非常に望ましいということが確認されている。
【００１５】
最後に、摩擦攪拌溶接が望ましく、産業的用途が広く、融点が鉄合金よりも高く、鉄を少量しか含まないか或いは全く含まない第３等級の材料は超合金である。超合金は、一般的に約５３７．８℃（約１０００0F）以上で使用されるニッケル−鉄−ニッケル、及びコバルトを基材とした合金である。超合金で一般的に含まれる追加の元素には、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタニウム、ニオブ、タンタル、及びレーニウムが含まれるがこれらに限定されない。
【００１６】
チタニウムもまた、摩擦攪拌溶接に望ましい材料であるということに着目されたい。チタニウムは非鉄材料であるが、他の非鉄材料よりも融点が高い。
様々な試みがなされてきたけれども、ＭＭＣｓ、鉄合金、及び超合金を機能的に溶接できる工具は形成されなかった。これらの試みの幾つかは、実験中、本発明者が非鉄合金を摩擦攪拌溶接できる現存の工具を変更しようと初めて試みたときに明らかになった。読者が本発明を実施できるように工具のこれらの試み及び進化を論じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、配管、フランジ、タンク、及びシュラウド等の平らでない表面として形成された高融点材料を摩擦攪拌溶接するためのシステム及び方法を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、平らでない表面を長さ方向及び半径方向で溶接を行う場合に、高融点材料を摩擦攪拌溶接するためのシステム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
好ましい実施例では、本発明は、融点が高い平らでない材料の摩擦攪拌溶接を行うためのシステム及び方法において、配管、フランジ、タンク、及びシュラウド等の物体で長さ方向溶接及び半径方向溶接を行うためのプロセスを提供すること、及び積極的又は受動的マンドレルが摩擦攪拌溶接プロセスに対して支持を提供することである。
【００２０】
本発明のこれらの及び他の目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより、当業者に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に添付図面を参照する。これらの図には本発明の様々な実施例に参照番号が付してあり、当業者が本発明を形成し使用できるように本発明を論じる。以下の説明は本発明の原理の単なる例示であって、特許請求の範囲を狭めるものであると考えられるべきではないということは理解されるべきである。
【００２２】
アルミニウムの摩擦攪拌溶接は、対費用効果に優れた高品質の接合方法として良好に確立された方法である。アルミニウムＦＳＷの別の展開は、アルミニウム製の配管を特定の用途について接合することであった。これらの方法は、多くの文献に記載されているが、用途が限られているために商業的価値がほとんどなかった。
【００２３】
これとは対照的に、鋼管は、遙かに多くの様々な用途で、及び更に重要な目的で広く使用されている。更に、圧力や腐食性流体を取り扱う上で、及び配管の破損により生命を脅かす怪我が起こらないようにするため、溶接品質が重要である。この目的のため、配管の多くの用途では、超音波探傷及びＸ線探傷を行って溶接部が適正であることを確認する必要がある。鋼管の溶接は、ＭＩＧ、ＴＩＧ、レーザー、等の融接によって行われる。
【００２４】
鉄及び他の高温合金は、現在、本願がその優先権の基礎としている特許出願に教示されているように、ＰＣＢＮ工具によって摩擦攪拌溶接できる。これらの工具を使用する用途が現在開発されている。しかしながら、以前に行われた開発は、平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うのが困難であるため、平らな即ち平面溶接に集中されてきた。
【００２５】
平面摩擦攪拌溶接プロセスをステンレス鋼製の配管、フランジ、タンク、シュラウド、等の平らでない表面の溶接の用途に適用することは、石油化学、輸送、食品、防衛産業等の産業にとって非常に有利である。しかしながらアウト−オブ−ポジションＦＳＷは適用できなかった。これは、摩擦攪拌溶接機技術及び工具技術及び方法が組み合わせられてこなかったためである。オービタル融接及びアルミニウムオービタルＦＳＷは良好に確立された方法であるが、平らでない表面を形成する高融点材料の摩擦攪拌溶接を行うために新たな方法及びシステムが必要とされている。
【００２６】
添付図面に示す器具は、長さ方向溶接、半径方向溶接、溶接による修理、特定の微小構造を形成するための摩擦攪拌加工、等に使用できる。この方法は、溶接を行うために配管を予熱する必要並びに溶接後熱処理をなくす。これは、固体状態で適用されるためである。
【００２７】
図１で説明を始める。この図は、配管の外径（ＯＤ）を溶接するように配置された第１摩擦攪拌溶接スピンドルヘッドを使用する摩擦攪拌溶接システムを示す。図１は、クランプ部材１０、及びスピンドルヘッド１４によって保持された工具１２を示す。向き合ったクランプ部材（図示せず）が第１配管をクランプ部材１０とともに所定位置に保持する。第２配管を保持するため、二つの他のクランプ部材（図示せず）がフレーム１６の位置１８に取り付けられている。工具１２をスピンドルヘッド１４によって下ろし、第１及び第２の配管の接合部に当て、摩擦攪拌溶接を行う。第１及び第２の配管はクランプ部材によってしっかりと保持され、この際、工具１２を配管の周囲に亘って回転させる。クランプ部材は、カラー１７と一体の部品であってもよいし別体の部品であってもよいということに着目されたい。
【００２８】
図２は、図１のシステムを反対側から見た図である。着目されるべき重要事項は、カラー１７に設けられた歯車歯１９である。これらの歯車歯１９により、クランプ部材を配管に固定した状態でフレーム１６を配管周囲で回転させることができる。フレーム１６は、スピンドルヘッド１４及び工具１２を配管間の継ぎ目に沿って位置決めする。
【００２９】
図３は、図１のシステムの別の斜視図を提供する。この図は、スピンドルヘッド１４の上方から見た図である。
図４は、配管２３と２６との間の継ぎ目の内側にこの継ぎ目に沿って配置されたアンビルアッセンブリ２１の斜視図である。アンビルアッセンブリ２１は、配管のＯＤ上の工具１２（図１参照）により配管２３及び２６が潰されることがないように、配管２３及び２６の内径（ＩＤ）に逆方向の力を提供する。アンビルアッセンブリ２１は、二つの外ハブ２０、２２、及び内ホイール２４を含む。内ホイール２４は、配管２３及び２６のＩＤに力を及ぼす。
【００３０】
実際には、内ホイール２４を配管２３及び２６のＩＤに押し付けるため、幾つかのピストン２８を作動させるようになっている。内ホイール２４は、配管２３及び２６のＯＤ上で摩擦攪拌溶接プロセスを行うためのアンビルとして機能する。
【００３１】
図示の状態では、３つのピストンが作動させてあり、５つの残りのピストン２８は作動させてない。内ホイール２４の内側に設けられたピストン２８が内ホイールを配管２３及び２６のＩＤに押し付ける。三つのピストンを使用する。これは、配管２３及び２６のＩＤの幾つかの位置の間で力を拡げることができるという利点が得られるためである。力を拡げることにより、配管２３及び２６が挫屈する危険が減少する。これは、壁厚が比較的薄い配管に対して特に重要である。摩擦攪拌溶接を行うため、工具１２は配管２３及び２６にかなりの圧力を及ぼすということに着目すべきである。
【００３２】
３つのピストン２８を作動させることによって、ハブ２０、２２の逆方向の力がこれらの図で力の三角形を形成することがわかる。第１の接触点は、内ホイール２４と配管２３及び２６のＩＤとの接触点にあり、他の二つの接触点は、二つのハブ２０、２２とＩＤとの接触点にある。
【００３３】
更に、内ホイール２４は、内ホイール２４と配管２３及び２６のＩＤとの間に配置される別の材料２８を含んでもよい。この材料は、重要な利点を提供する。例えば、材料２８には、図５に示すようにディンプル３０が設けられていてもよい。
【００３４】
ディンプル３０により、工具１２を、内ホイール２４と接触することなく、配管２３及び２６のＩＤを越えて押すことができる。ＩＤを越えて押すことにより、工具１２は摩擦攪拌溶接で形成されるルート欠陥をなくすことができる。
【００３５】
本発明の重要な特徴には、配管２３及び２６のＩＤと接触した内ホイール２４に材料を適用することが含まれる。材料は、配管２３及び２６の摩擦攪拌溶接中にアンビルアッセンブリのアンビル（内ホイール２４）と配管２３及び２６との間が拡散結合しないようにするため、適用される。
【００３６】
図１乃至図４は、摩擦攪拌溶接を配管２３及び２６のＯＤから行い、プロセス中に及ぼされた力によって配管が潰れないようにするためにアンビルアッセンブリ２１がマンドレルとして機能する、本発明の特徴を示す。しかしながら、本発明には、構成要素の位置を逆にしてもよいという特徴がある。換言すると、摩擦攪拌溶接構成要素が配管内に配置された状態で様々な種類のアンビルアッセンブリを使用して圧力を配管２３及び２６のＯＤに加えてもよい。その結果、摩擦攪拌溶接はＩＤに行われる。
【００３７】
このような形体には多くの利点がある。例えば、配管のＯＤにアクセスできないけれども幾つかの種類のアンビルアッセンブリを適用できる場合がある。例えば、図６に示すようにバンド３２がＯＤの周囲に配置された配管２３及び２６を考えられたい。この図では、摩擦攪拌溶接工具１２は、摩擦攪拌溶接アッセンブリ３４の部分として示してある。この場合、工具１２はアーム３６に沿って配置される。このアームは、ローラー４０を一端に備えたアーム３８を有する。アーム３８及びローラー４０は、工具１２が配管２３及び２６のＩＤに押し付けられるときに工具１２によって加えられる力とは逆方向の力を提供する。アーム３６は、摩擦攪拌溶接アッセンブリ３４を配管２３と２６との間の継ぎ目４２に沿って回転する。バンド３２は、配管２３及び２６が損傷しないようにするため、工具１２、及びアーム３８及びローラー４０に逆方向の力を加える。
【００３８】
図６に示すシステムは、配管の溶接に使用できるばかりでなく、亀裂の修復にも使用できる。摩擦攪拌溶接アッセンブリ３４を配管の内側に沿って長さ方向に所望の位置に達するまで移動し、摩擦攪拌溶接又は摩擦攪拌修復を行う。このシステムは、配管のＯＤに達するのが困難である場合に特に有利であるが、バンド３２を、必要な逆方向の力を締め付けによって提供できる位置に達するまで配管の長さ方向に沿って摺動できる。
【００３９】
バンド３２は、必要な逆方向の力を加える任意の他の種類のシステムと同様に形成できるということに着目すべきである。例えば、図７は、配管５０が、この配管５０自体と接触していない大きなリング５２によって取り囲まれていることを示す。大きなリング５２は、この大きなリング５２に沿って移動でき且つ配管５０のＯＤに圧力を加えることができる少なくとも二つのアンビル５４を有する。圧力は、配管５０内に配置された摩擦攪拌溶接アッセンブリ５６によって力が加えられるＩＤ上の任意の位置と真逆のＯＤ上の所定位置に加えられる。アンビル５４の数は、配管５０のＩＤに加えられる全ての力に対抗する力を提供するように増やすことができる。
【００４０】
図８は、平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行う場合に引込み式ピンを使用する概念を例示する。この断面図では、工具６０は、ボディ即ち肩部６２、ピンハウジング６４、及び引込み式ピン６６を含む。引込み式ピン６６は、継ぎ目７０に沿って配管６８に押し付けられる。アンビル７２が配管６８に関して引込み式ピン６６の反対側に配置される。
【００４１】
引込み式ピン６６を使用することは、配管等の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行う上で特に有用である。これは、溶接される材料から引込み式ピン６６をきれいに除去するランオフタブ又は他の手段が設けられていないためである。
【００４２】
図９は、摩擦攪拌溶接が行われるべき配管９０等の平らでない表面の内面に支持を提供するための別の手段を示す。詳細には、膨張可能な内嚢８２を配管８０内に配置する。膨張可能な嚢８２と配管８０との間には少なくとも一つのコイル状シート材料８４が配置してある。膨張可能な嚢８２を膨張させて拡張し、圧力をコイル状シート８４に加える。コイル状シートは、配管８４のＩＤに押し付けられるまで拡張する。詳細には、摩擦攪拌溶接時に配管８４のＩＤに拡散結合しないようにコイル状シート８４の表面にコーティングを施すのが重要である。
【００４３】
別の態様では、膨張可能な嚢８２に対して追加の保護を提供し、嚢が誤って破れたり溶けたりしないようにするため、一つ以上のコイル状シート８４を膨張可能な嚢８２の周囲に配置してもよい。
【００４４】
図１０は、セグメント状マンドレル９０を示す。セグメント状マンドレル９０は、配管９２内に配置される。セグメント状マンドレル９０の長さは、必要に応じて変化させることができる。本発明の重要な特徴は、セグメント状マンドレル９０が摩擦攪拌溶接又は修復プロセスで配管９２のＯＤに加えられる力に対抗するアンビルとして機能するように、セグメント状マンドレル９０を拡張するための手段を提供できるということである。
【００４５】
セグメント状マンドレル９０が配管９２のＩＤ全体に力を加えるのでないため、セグメント状マンドレル９０を必要に応じて移動させなければならない。
図１１は、平らでない表面で所望の摩擦攪拌溶接を行うのに使用できる別の種類のアンビルの図である。この場合、消費可能なマンドレル１００が配管１０２の内部に配置される。消費可能なマンドレル１００は、ＯＤに摩擦攪拌溶接が行われるときに配管のＩＤに必要な逆方向の力を提供できる任意の材料でできていてもよい。消費可能なマンドレル１００は、摩擦攪拌溶接を行った後に配管１０２の内部から除去できる高圧塩又は他の溶解性材料でできている。消費可能なマンドレル１００は、かくして、配管１０２から文字通り洗い出される。消費可能なマンドレル１００の材料を配管１０２内に形成でき、又は配管１０２に単一のユニットとして挿入できる。
【００４６】
図１２は、ＯＤに摩擦攪拌溶接を行うとき、必要な逆方向の力を配管１１２のＩＤに提供するために遊星歯車１１０のシステムを使用する概念を例示する。遊星歯車１１０は、これらの遊星歯車を回転させることによって、これらの遊星歯車で外リング１１４を配管１１２のＩＤに押し付けられるまで均等に拡張するための手段を提供することによって使用される。当業者は、遊星歯車で外リング１１４を拡張するための機械的手段をよく知っている。
【００４７】
別の態様では、遊星歯車を使用し、外リング１１４を不均等に拡張することができる。かくして、外リング１１４は、配管１１２のＩＤの一部だけに押し付けられる。
図１３は、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する別の手段として提供される。この図は、配管１２２のＩＤに対して操作される楔１２０を示す。この種のアンビルの利点は、移動が容易であるということである。楔１２０が動かないようにするため、追加の支持が必要とされる。
【００４８】
図１４は、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する更に別の手段として提供される。この図では、工具１３０はボビンを含むように変更してある。この工具１３０の性質のため、工具は半径方向摩擦攪拌溶接で使用されない。しかしながら、工具１３０は、工具を加工物から明らかに離した位置で前記端部を摩擦攪拌溶接する上で役立つ。例えば、工具１３０は、配管１３４の長さに沿った長さ方向溶接で使用するのに適している。かくして、工具１３４は、配管１３４の端部から離される。次いで出口場所を加工し、ギザギザの縁部を除去する。
【００４９】
図１５は、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する更に別の手段として提供される。ここに示す概念は、プランジャー１４０を配管１４２の内側に配置することである。圧縮性材料１４４をプランジャー１４０のハンドル１４６の周囲にリングとして配置する。圧縮性材料１４４は、金属製又は任意の他の適当な材料であってもよい。幾つかの金属を、これらがマンドレルの圧縮性材料として機能できるのに十分な程度まで弾性変形させることができる。
【００５０】
ストップリング１４８をハンドル１４６の周囲に配置する。ハンドルは、プランジャー１４０を圧縮性材料１４４に抗して後方に引っ張るのに使用される。圧縮性材料１４４は、ストップリング１４８に押し付けられる。圧縮性材料は、プランジャー１４０及びストップリング１４８に力が加えられるため、拡張する。
【００５１】
プランジャー１４０を圧縮性材料１４４に抗して後方に引っ張る一つの方法は、ハンドル１４６のねじ山を備えた部分１５０を提供することである。ハンドル１４６を回してプランジャー１４０を引っ張る。圧縮性材料１４４のセグメントは、ＯＤに対する摩擦攪拌溶接によって押し付けられる配管のＩＤの表面積に応じて、必要とされるように挿入したり取り除いたりできるということに着目すべきである。
【００５２】
図１乃至図１３及び図１５は、摩擦攪拌溶接が行われる表面とは反対側の平らでない表面の側部に逆方向の力を提供する様々なシステム及び方法を明瞭に示す。これらのシステムのうちの幾つかは、配管の内部に配置された場合にだけ作動し、その他のシステムは、配管の外側又は他の平らでない表面に使用されるように適用できる。図１４は、逆方向の力を必要としないという点で異なる。
【００５３】
図１６のＡ及びＢは、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する更に別の手段として提供される。図１６のＡでは、マンドレル１６２は、明らかに、配管１６０の厚さが十分に薄く、摩擦攪拌溶接プロセス中に工具１６６により加えられる圧力によりこれらの配管を挫屈させてしまう場合に配管１６０、１６４を支持するアンビルを提供するのに使用される。
【００５４】
これとは対照的に、図１６のＢは、配管１６４、１６８の壁厚が、工具１６６を配管に押し付けるときに摩擦攪拌溶接プロセスを支持するのに十分である場合、マンドレルが必要とされないということを示す。
【００５５】
図１６のＡ及びＢに示す重ね溶接の重要な特徴を、更に、図１６のＣに示す。詳細には、第１ピン１７２及び第２ピン１７４を持つように工具１７０が変更してある。第１ピン１７２は、第２配管１７６に侵入している。第２ピン１７４は、二つの配管１７６、１７８の材料の混合の大部分を行うため、重要である。第２ピン１７４は、更に、材料が第２配管１７６から溶接部内に「持ち上げ（ｈｏｏｋｉｎｇ ｕｐ）」られないようにする。
【００５６】
本発明の別の特徴は、詳細には、二つの平らでない物体の接合に関する。図１７の二つの配管１８０、１８２を考える。摩擦攪拌溶接を行うためにこれらの配管１８０、１８２整合するのは困難である。更に、摩擦攪拌溶接の開始後にこれらの配管１８０、１８２を整合状態に保持することは困難である。
【００５７】
この困難を解決するため、本発明の別の特徴は、接合される物体を整合する材料を導入することである。この考えの例示として、配管１８０、１８２を使用し、リング１８４をこれらの配管１８０、１８２の端部間に配置した状態で示す。リングは、配管１８０、１８２の端部が嵌着する溝１８６を含む。リング１８４は、明らかに、配管１８０、１８２のＯＤの上側及びＩＤの内側に材料を有する。
【００５８】
この形状は、有用な機能を果たすことができる。例えば、多くの溶接仕様には、溶接工具は配管のＩＤの内側を貫通してはならないと書かれている。しかしながら、摩擦攪拌溶接では、貫通がなされないとルート欠陥が生じ易い。しかし、図１７のリング１８４を使用することによって、摩擦攪拌溶接工具は、実際上ＩＤを貫通せずにルート欠陥をなくすことができる。
【００５９】
リング１８４の別の有用な機能は、配管１８０、１８２と同じ材料を溶接部に導入できること、又は新たな材料を溶接部に導入できることである。新たな材料は、リング１８４で使用された材料に応じて溶接部自体の特徴を変化させる、例えば硬化又は軟化するのに使用できる。リングの材料は、溶接部内に消費される。
【００６０】
必ずしも完全なリングを使用しなくてもよいということにも着目されるべきである。例えば、リングはセグメントやロール状の材料に代えてもよい。
図１８は、図１７に示す配管１８０、１８２及びリング１８４の斜視図である。
【００６１】
図１９は、リング１８４の一部の断面斜視図である。
図１７、図１８、及び図１９に示すリング１８４は、配管１８０、１８２のＯＤ及びＩＤの上下に材料のリングを提供する。しかしながら、用途に応じてこの他の形状のリングを使用してもよい。例えば、図２０は、内押縁を持つが配管のＯＤの上方に突出する押縁を備えていないリング２００を示す。図２１は、丁度逆を示す。リング２０２はＯＤの上方の押縁を含むが、ＩＤの下に突出した押縁を備えていない。図２２は、押縁を備えていないリング２０４を示す。このリング２０４は配管の整合を補助しないが、同じ又は新たな材料を配管間の溶接部に導入するのに役立つ。
【００６２】
本発明の他の特徴に言及する。本発明は、高融点材料の平らでない表面の摩擦攪拌溶接を行うためのシステムを示す。本発明は、摩擦攪拌溶接によって加えられる圧力に対して逆方向の力を提供するための積極的アンビル及び受動的アンビルの両方を提供する。マンドレルは、配管のＯＤ及びＩＤの両方に示してあり、拡散結合が起こらないようにコーティングが施されているのがよい。
【００６３】
本発明とアルミニウム用摩擦攪拌溶接システムとの間の重要な相違は、ＰＣＢＮ工具、積極的工具冷却、工具温度制御、負荷制御、及び支持スピンドル、及び負荷及び動力学を取り扱わなければならないフレームが必要とされるということである。
【００６４】
本発明の別の特徴は、摩擦攪拌溶接工具の回転方向が、結果的に得られる溶接部の品質に影響を及ぼすことがあるということを発見したことである。このことは、摩擦攪拌溶接を加工物の両側に行う場合に特にいえる。これは、加工物での材料の流れが、結果的に得られる溶接部の性質に直接影響を及ぼすためである。これは、流れが材料を溶接部の内外に移動するためである。従って、本発明の別の特徴は、溶接部の所望の特徴に応じて摩擦攪拌溶接工具を時計廻り方向又は反時計廻り方向に回転させることである。
【００６５】
上述の構成は、本発明の原理の適用の単なる例示であるということは理解されるべきである。当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、多くの変形及び変更を思いつくであろう。特許請求の範囲は、このような変形及び変更を含もうとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１摩擦攪拌溶接スピンドルヘッドが、配管の外径（ＯＤ）を溶接するように配置された、本発明の第１実施例の斜視図である。
【図２】図１の別の斜視図である。
【図３】図１の別の斜視図である。
【図４】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うため、高融点配管のＯＤに押し付けられた工具に対して逆方向の力を提供するために配管内に配置された積極的マンドレルの斜視図である。
【図５】アンビルでディンプルを使用することを示す、断面図である。
【図６】摩擦攪拌溶接アッセンブリが配管のＩＤに対して作用するように配置されており且つマンドレルがＯＤ上に配置された変形例の断面図である。
【図７】積極的マンドレルが平らでない表面のＯＤ上に配置された変形例の断面図である。
【図８】引込み式のピンを使用して平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うための工具の変形例の部分断面図である。
【図９】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの斜視図である。
【図１０】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの斜視図である。
【図１１】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの斜視図である。
【図１２】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの断面図である。
【図１３】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの断面図である。
【図１４】平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うのにマンドレルを必要としない変形例の断面図である。
【図１５】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの断面図である。
【図１６−Ａ】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルを使用する重ね溶接の断面図である。
【図１６−Ｂ】マンドレルの使用を必要としない重ね溶接の断面図である。
【図１６−Ｃ】摩擦攪拌溶接工具を使用して重ね溶接を行うように変更した工具の拡大断面図である。
【図１７】平らでない表面の摩擦攪拌溶接用のリングの断面図である。
【図１８】図１７のリング及び配管の斜視図である。
【図１９】図１７及び図１８のリングの拡大斜視図である。
【図２０】リングの変形例の断面斜視図である。
【図２１】リングの変形例の断面斜視図である。
【図２２】リングの変形例の断面斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ クランプ部材
１２ 工具
１４ スピンドルヘッド
１６ フレーム
１７ カラー
１８ 位置
１９ 歯車歯
２３、２６ 配管
２１ アンビルアッセンブリ
２０、２２ 外ハブ
２４ 内ホイール
２８ ピストン
３０ ディンプル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、工具の回転しているピンを加工物に押し付けることによって溶接部を形成するための熱を発生する、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）に関する。更に詳細には、本質的には、摩擦攪拌溶接プロセスで使用した場合に、本発明により、現在の摩擦攪拌溶接プロセス及び工具では機能的に溶接できない材料を溶接できるようにする、新たな工具及びこの工具の新たな用途に関する。このような材料には、ステンレス鋼等の鉄合金、鉄を少量しか又は全く含まない高融点の超合金が含まれる。予めやすり掛けを行うことにより、平らな溶接部を形成する。しかしながら、この新たなプロセス及び装置により、ステンレス鋼管、フランジ、タンク、シュラウド等の平らでない表面の摩擦攪拌溶接が可能になる。本発明は、かくして、高融点合金に長さ方向溶接、半径方向溶接、溶接修復、特定の微小構造を得るための摩擦攪拌加工等を行うために摩擦攪拌溶接技術を適用できる。
【背景技術】
【０００２】
摩擦溶接は産業で多年に亘って使用されてきた。これは、従来の融接プロセスでの溶融材料の急速凝固と関連した多くの問題点をなくすため、経済的に大きな利益をもたらすソリッドステートプロセスである。
【０００３】
摩擦溶接の一例は、二つの配管の端部を、一方の配管をしっかりと保持し、他方の配管をこれに押し付けて回転させながら互いに押し付けるときに行われる。摩擦によって熱が発生したとき、配管の端部が可塑化する。配管の回転を急速に停止することによって二つの配管を互いに融着する。この場合、接合されるべき二つの部品の相対的回転によって摩擦熱が発生するということに着目されたい。
【０００４】
本発明は、上文中に説明したオービタル摩擦攪拌溶接プロセスに直接適用できる。高融点材料を摩擦攪拌溶接する上での単なる背景技術を以下に説明する。
オービタル溶接プロセスとは対照的に、図１は、摩擦攪拌突き合わせ溶接に使用される、肩部１２及びこの肩部から外方に延びるピン１４を持つ全体に円筒形の工具１０を含むことを特徴とする工具の斜視図である。十分な熱が発生するまで、ピン１４を加工物１６に当てて回転し、工具のピンを可塑化した加工物材料に押し付ける。加工物１６は、多くの場合、二枚のシート又はプレート状の材料であり、接合線１８のところで互いに突き合わせられる。ピン１４を接合線１８のところで加工物１６に押し付ける。ピン１４を材料１６に当てて回転移動させることによって発生した摩擦熱により、加工物材料を融点に達することなく軟化する。工具１０を接合線１８に沿って横方向に移動することによって、可塑化した材料がピンの周囲で前縁から後縁まで流れるときに溶接部を形成する。その結果、加工物材料１６とほぼ区別が付かない固相結合部２０が接合線１８のところに形成される。
【０００５】
従来技術には、多くの摩擦攪拌溶接の特許がある。これらの特許は、その当時の融接技術を越える利点を持つ溶接部を得るための技術を使用することの利点を教示している。これらの利点には、長い溶接部での変形が小さく、溶接ヒュームがなく、小孔がなく、スプラッターがなく、引張強度に関する優れた機械的特性が含まれる。更にこのプロセスには、消費される工具が使用されず、充填材ワイヤを必要とせず、ガスシールドを必要とせず、溶接領域での酸素の存在等の不完全な溶接に対する許容度等の利点がある。このプロセスは、溶接される材料の元の材料の性質を変化させる大きな熱損傷等をなくす上で特に有用である。
【０００６】
しかしながら、産業では、現在は摩擦攪拌溶接では機能的に溶接できない材料を溶接できることが長いこと所望であった。かくして、摩擦攪拌溶接は、アルミニウム、真鍮、及び青銅等の非鉄合金を溶接する上で非常に有利であるが、融点が更に高い材料を機能的に溶接できる工具はなかった。機能的に溶接できる材料は、摩擦攪拌溶接を使用して呼称長さ以上で、工具を破壊せずに溶接できる材料であるということは理解されるべきである。
【０００７】
残念なことに、融接は、合金を溶接部のところで変化させ、又は損傷し、これによって、溶接プロセス中に溶接部に欠陥や有害相が形成され、これにより溶接部が損なわれる。幾つかの場合には、元の加工物材料に接合されて合金を形成する非金属強化材料は、溶接部のところで劣化する。その結果、溶接部の特性及び特徴は、元の加工物材料の変化を受けていない領域と異なることとなる。
【０００８】
現在まで、従来の摩擦攪拌溶接工具即ちプローブを使用する摩擦攪拌溶接には、大幅に磨耗するという性質があり、そのためＭＭＣｓ、鉄合金、及び超合金等の材料を機能的に溶接できない。多くの工具は、単に、ＭＭＣｓ、鉄合金、及び超合金で全く役立たない。従来の工具が摩擦攪拌溶接を開始すると、磨耗が非常に大きくなるため、ほんの短い距離の後にプローブが擦れて離れてしまう。例えば、幾つかの合金は、ほんの数インチの距離に亘って溶接した後、プローブをもはや機能しない程磨耗させてしまう。
【０００９】
残念なことに、一般的には、単に新たな工具を挿入し、前にプローブが破損した場所で摩擦攪拌溶接プロセスを開始することはできない。溶接部が連続しておらず、中断していない場合には、機械的に弱いため、役に立たない。更に、工具の一部が、代表的には、加工物材料内に残ってしまう。これもまた、機械的弱さの原因となる。
【００１０】
従って、摩擦攪拌溶接プロセスで使用するための、従来技術の工具では短い距離の後に破損してしまう材料の長く連続した中断していない溶接（機能的溶接）を可能にする新たな工具を提供するのが従来技術を上回る利点である。更に、従来の摩擦攪拌溶接工具では、これまで溶接が非常に困難であった材料を新たな工具により摩擦攪拌溶接できるのであれば、これもまた、従来技術を上回る利点である。工具についての磨耗特性が改善された、従来の加工物材料で摩擦攪拌溶接を行うことができる工具を提供するのが従来技術を上回る利点である。
【００１１】
摩擦攪拌溶接するのが望ましいが、従来技術の工具では機能的に溶接できない第１等級の材料は、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣｓ）である。ＭＭＣは、金属相及びセラミック相を持つ材料である。セラミック相の例にはシリコンカーバイド及びホウ素カーバイドが含まれる。ＭＭＣで一般的に使用される金属はアルミニウムである。
【００１２】
ＭＭＣｓは、所望の剛性及び耐磨耗性を備えているが、耐破靱性が低く、そのため用途が限られている。ＭＭＣｓの使用の良好な例は、車輛のディスクブレーキのロータでの使用である。この場合、剛性、強度、及び耐磨耗性が従来技術の材料よりも優れており、比較的脆性であるという性質は、全体として、問題とならない。ＭＭＣにより、ロータは鋳鉄よりも軽量になり、シリコンカーバイド等のセラミック相により耐磨耗性を向上できる。
【００１３】
ＭＭＣｓのこの他の重要な用途には、駆動シャフト、シリンダのライナ、エンジンの連結ロッド、航空機の着陸装置、航空機のエンジン構成要素、自転車のフレーム、ゴルフクラブ、放射熱シールド構成要素、衛星、及び航空構造が含まれるが、これらに限定されると考えられるべきではない。
【００１４】
摩擦攪拌溶接するのが望ましい、産業的用途が遙かに広い第２等級の材料は鉄合金である。鉄合金には、鋼及びステンレス鋼が含まれる。可能な用途は非常に広く、これには、造船産業、航空宇宙産業、鉄道産業、建設産業、及び輸送産業が含まれる。ステンレス鋼の市場だけでも、アルミニウム合金の市場の少なくとも５倍である。鋼及びステンレス鋼は、溶接製品の８０％以上を占め、摩擦攪拌溶接が非常に望ましいということが確認されている。
【００１５】
最後に、摩擦攪拌溶接が望ましく、産業的用途が広く、融点が鉄合金よりも高く、鉄を少量しか含まないか或いは全く含まない第３等級の材料は超合金である。超合金は、一般的に約５３７．８℃（約１０００0F）以上で使用されるニッケル−鉄−ニッケル、及びコバルトを基材とした合金である。超合金で一般的に含まれる追加の元素には、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタニウム、ニオブ、タンタル、及びレーニウムが含まれるがこれらに限定されない。
【００１６】
チタニウムもまた、摩擦攪拌溶接に望ましい材料であるということに着目されたい。チタニウムは非鉄材料であるが、他の非鉄材料よりも融点が高い。
様々な試みがなされてきたけれども、ＭＭＣｓ、鉄合金、及び超合金を機能的に溶接できる工具は形成されなかった。これらの試みの幾つかは、実験中、本発明者が非鉄合金を摩擦攪拌溶接できる現存の工具を変更しようと初めて試みたときに明らかになった。読者が本発明を実施できるように工具のこれらの試み及び進化を論じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、配管、フランジ、タンク、及びシュラウド等の平らでない表面として形成された高融点材料を摩擦攪拌溶接するためのシステム及び方法を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、平らでない表面を長さ方向及び半径方向で溶接を行う場合に、高融点材料を摩擦攪拌溶接するためのシステム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
好ましい実施例では、本発明は、融点が高い平らでない材料の摩擦攪拌溶接を行うためのシステム及び方法において、配管、フランジ、タンク、及びシュラウド等の物体で長さ方向溶接及び半径方向溶接を行うためのプロセスを提供すること、及び積極的又は受動的マンドレルが摩擦攪拌溶接プロセスに対して支持を提供することである。
【００２０】
本発明のこれらの及び他の目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより、当業者に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に添付図面を参照する。これらの図には本発明の様々な実施例に参照番号が付してあり、当業者が本発明を形成し使用できるように本発明を論じる。以下の説明は本発明の原理の単なる例示であって、特許請求の範囲を狭めるものであると考えられるべきではないということは理解されるべきである。
【００２２】
アルミニウムの摩擦攪拌溶接は、対費用効果に優れた高品質の接合方法として良好に確立された方法である。アルミニウムＦＳＷの別の展開は、アルミニウム製の配管を特定の用途について接合することであった。これらの方法は、多くの文献に記載されているが、用途が限られているために商業的価値がほとんどなかった。
【００２３】
これとは対照的に、鋼管は、遙かに多くの様々な用途で、及び更に重要な目的で広く使用されている。更に、圧力や腐食性流体を取り扱う上で、及び配管の破損により生命を脅かす怪我が起こらないようにするため、溶接品質が重要である。この目的のため、配管の多くの用途では、超音波探傷及びＸ線探傷を行って溶接部が適正であることを確認する必要がある。鋼管の溶接は、ＭＩＧ、ＴＩＧ、レーザー、等の融接によって行われる。
【００２４】
鉄及び他の高温合金は、現在、本願がその優先権の基礎としている特許出願に教示されているように、ＰＣＢＮ工具によって摩擦攪拌溶接できる。これらの工具を使用する用途が現在開発されている。しかしながら、以前に行われた開発は、平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うのが困難であるため、平らな即ち平面溶接に集中されてきた。
【００２５】
平面摩擦攪拌溶接プロセスをステンレス鋼製の配管、フランジ、タンク、シュラウド、等の平らでない表面の溶接の用途に適用することは、石油化学、輸送、食品、防衛産業等の産業にとって非常に有利である。しかしながらアウト−オブ−ポジションＦＳＷは適用できなかった。これは、摩擦攪拌溶接機技術及び工具技術及び方法が組み合わせられてこなかったためである。オービタル融接及びアルミニウムオービタルＦＳＷは良好に確立された方法であるが、平らでない表面を形成する高融点材料の摩擦攪拌溶接を行うために新たな方法及びシステムが必要とされている。
【００２６】
添付図面に示す器具は、長さ方向溶接、半径方向溶接、溶接による修理、特定の微小構造を形成するための摩擦攪拌加工、等に使用できる。この方法は、溶接を行うために配管を予熱する必要並びに溶接後熱処理をなくす。これは、固体状態で適用されるためである。
【００２７】
図１で説明を始める。この図は、配管の外径（ＯＤ）を溶接するように配置された第１摩擦攪拌溶接スピンドルヘッドを使用する摩擦攪拌溶接システムを示す。図１は、クランプ部材１０、及びスピンドルヘッド１４によって保持された工具１２を示す。向き合ったクランプ部材（図示せず）が第１配管をクランプ部材１０とともに所定位置に保持する。第２配管を保持するため、二つの他のクランプ部材（図示せず）がフレーム１６の位置１８に取り付けられている。工具１２をスピンドルヘッド１４によって下ろし、第１及び第２の配管の接合部に当て、摩擦攪拌溶接を行う。第１及び第２の配管はクランプ部材によってしっかりと保持され、この際、工具１２を配管の周囲に亘って回転させる。クランプ部材は、カラー１７と一体の部品であってもよいし別体の部品であってもよいということに着目されたい。
【００２８】
図２は、図１のシステムを反対側から見た図である。着目されるべき重要事項は、カラー１７に設けられた歯車歯１９である。これらの歯車歯１９により、クランプ部材を配管に固定した状態でフレーム１６を配管周囲で回転させることができる。フレーム１６は、スピンドルヘッド１４及び工具１２を配管間の継ぎ目に沿って位置決めする。
【００２９】
図３は、図１のシステムの別の斜視図を提供する。この図は、スピンドルヘッド１４の上方から見た図である。
図４は、配管２３と２６との間の継ぎ目の内側にこの継ぎ目に沿って配置されたアンビルアッセンブリ２１の斜視図である。アンビルアッセンブリ２１は、配管のＯＤ上の工具１２（図１参照）により配管２３及び２６が潰されることがないように、配管２３及び２６の内径（ＩＤ）に逆方向の力を提供する。アンビルアッセンブリ２１は、二つの外ハブ２０、２２、及び内ホイール２４を含む。内ホイール２４は、配管２３及び２６のＩＤに力を及ぼす。
【００３０】
実際には、内ホイール２４を配管２３及び２６のＩＤに押し付けるため、幾つかのピストン２８を作動させるようになっている。内ホイール２４は、配管２３及び２６のＯＤ上で摩擦攪拌溶接プロセスを行うためのアンビルとして機能する。
【００３１】
図示の状態では、３つのピストンが作動させてあり、５つの残りのピストン２８は作動させてない。内ホイール２４の内側に設けられたピストン２８が内ホイールを配管２３及び２６のＩＤに押し付ける。三つのピストンを使用する。これは、配管２３及び２６のＩＤの幾つかの位置の間で力を拡げることができるという利点が得られるためである。力を拡げることにより、配管２３及び２６が挫屈する危険が減少する。これは、壁厚が比較的薄い配管に対して特に重要である。摩擦攪拌溶接を行うため、工具１２は配管２３及び２６にかなりの圧力を及ぼすということに着目すべきである。
【００３２】
３つのピストン２８を作動させることによって、ハブ２０、２２の逆方向の力がこれらの図で力の三角形を形成することがわかる。第１の接触点は、内ホイール２４と配管２３及び２６のＩＤとの接触点にあり、他の二つの接触点は、二つのハブ２０、２２とＩＤとの接触点にある。
【００３３】
更に、内ホイール２４は、内ホイール２４と配管２３及び２６のＩＤとの間に配置される別の材料２８を含んでもよい。この材料は、重要な利点を提供する。例えば、材料２８には、図５に示すようにディンプル３０が設けられていてもよい。
【００３４】
ディンプル３０により、工具１２を、内ホイール２４と接触することなく、配管２３及び２６のＩＤを越えて押すことができる。ＩＤを越えて押すことにより、工具１２は摩擦攪拌溶接で形成されるルート欠陥をなくすことができる。
【００３５】
本発明の重要な特徴には、配管２３及び２６のＩＤと接触した内ホイール２４に材料を適用することが含まれる。材料は、配管２３及び２６の摩擦攪拌溶接中にアンビルアッセンブリのアンビル（内ホイール２４）と配管２３及び２６との間が拡散結合しないようにするため、適用される。
【００３６】
図１乃至図４は、摩擦攪拌溶接を配管２３及び２６のＯＤから行い、プロセス中に及ぼされた力によって配管が潰れないようにするためにアンビルアッセンブリ２１がマンドレルとして機能する、本発明の特徴を示す。しかしながら、本発明には、構成要素の位置を逆にしてもよいという特徴がある。換言すると、摩擦攪拌溶接構成要素が配管内に配置された状態で様々な種類のアンビルアッセンブリを使用して圧力を配管２３及び２６のＯＤに加えてもよい。その結果、摩擦攪拌溶接はＩＤに行われる。
【００３７】
このような形体には多くの利点がある。例えば、配管のＯＤにアクセスできないけれども幾つかの種類のアンビルアッセンブリを適用できる場合がある。例えば、図６に示すようにバンド３２がＯＤの周囲に配置された配管２３及び２６を考えられたい。この図では、摩擦攪拌溶接工具１２は、摩擦攪拌溶接アッセンブリ３４の部分として示してある。この場合、工具１２はアーム３６に沿って配置される。このアームは、ローラー４０を一端に備えたアーム３８を有する。アーム３８及びローラー４０は、工具１２が配管２３及び２６のＩＤに押し付けられるときに工具１２によって加えられる力とは逆方向の力を提供する。アーム３６は、摩擦攪拌溶接アッセンブリ３４を配管２３と２６との間の継ぎ目４２に沿って回転する。バンド３２は、配管２３及び２６が損傷しないようにするため、工具１２、及びアーム３８及びローラー４０に逆方向の力を加える。
【００３８】
図６に示すシステムは、配管の溶接に使用できるばかりでなく、亀裂の修復にも使用できる。摩擦攪拌溶接アッセンブリ３４を配管の内側に沿って長さ方向に所望の位置に達するまで移動し、摩擦攪拌溶接又は摩擦攪拌修復を行う。このシステムは、配管のＯＤに達するのが困難である場合に特に有利であるが、バンド３２を、必要な逆方向の力を締め付けによって提供できる位置に達するまで配管の長さ方向に沿って摺動できる。
【００３９】
バンド３２は、必要な逆方向の力を加える任意の他の種類のシステムと同様に形成できるということに着目すべきである。例えば、図７は、配管５０が、この配管５０自体と接触していない大きなリング５２によって取り囲まれていることを示す。大きなリング５２は、この大きなリング５２に沿って移動でき且つ配管５０のＯＤに圧力を加えることができる少なくとも二つのアンビル５４を有する。圧力は、配管５０内に配置された摩擦攪拌溶接アッセンブリ５６によって力が加えられるＩＤ上の任意の位置と真逆のＯＤ上の所定位置に加えられる。アンビル５４の数は、配管５０のＩＤに加えられる全ての力に対抗する力を提供するように増やすことができる。
【００４０】
図８は、平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行う場合に引込み式ピンを使用する概念を例示する。この断面図では、工具６０は、ボディ即ち肩部６２、ピンハウジング６４、及び引込み式ピン６６を含む。引込み式ピン６６は、継ぎ目７０に沿って配管６８に押し付けられる。アンビル７２が配管６８に関して引込み式ピン６６の反対側に配置される。
【００４１】
引込み式ピン６６を使用することは、配管等の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行う上で特に有用である。これは、溶接される材料から引込み式ピン６６をきれいに除去するランオフタブ又は他の手段が設けられていないためである。
【００４２】
図９は、摩擦攪拌溶接が行われるべき配管９０等の平らでない表面の内面に支持を提供するための別の手段を示す。詳細には、膨張可能な内嚢８２を配管８０内に配置する。膨張可能な嚢８２と配管８０との間には少なくとも一つのコイル状シート材料８４が配置してある。膨張可能な嚢８２を膨張させて拡張し、圧力をコイル状シート８４に加える。コイル状シートは、配管８４のＩＤに押し付けられるまで拡張する。詳細には、摩擦攪拌溶接時に配管８４のＩＤに拡散結合しないようにコイル状シート８４の表面にコーティングを施すのが重要である。
【００４３】
別の態様では、膨張可能な嚢８２に対して追加の保護を提供し、嚢が誤って破れたり溶けたりしないようにするため、一つ以上のコイル状シート８４を膨張可能な嚢８２の周囲に配置してもよい。
【００４４】
図１０は、セグメント状マンドレル９０を示す。セグメント状マンドレル９０は、配管９２内に配置される。セグメント状マンドレル９０の長さは、必要に応じて変化させることができる。本発明の重要な特徴は、セグメント状マンドレル９０が摩擦攪拌溶接又は修復プロセスで配管９２のＯＤに加えられる力に対抗するアンビルとして機能するように、セグメント状マンドレル９０を拡張するための手段を提供できるということである。
【００４５】
セグメント状マンドレル９０が配管９２のＩＤ全体に力を加えるのでないため、セグメント状マンドレル９０を必要に応じて移動させなければならない。
図１１は、平らでない表面で所望の摩擦攪拌溶接を行うのに使用できる別の種類のアンビルの図である。この場合、消費可能なマンドレル１００が配管１０２の内部に配置される。消費可能なマンドレル１００は、ＯＤに摩擦攪拌溶接が行われるときに配管のＩＤに必要な逆方向の力を提供できる任意の材料でできていてもよい。消費可能なマンドレル１００は、摩擦攪拌溶接を行った後に配管１０２の内部から除去できる高圧塩又は他の溶解性材料でできている。消費可能なマンドレル１００は、かくして、配管１０２から文字通り洗い出される。消費可能なマンドレル１００の材料を配管１０２内に形成でき、又は配管１０２に単一のユニットとして挿入できる。
【００４６】
図１２は、ＯＤに摩擦攪拌溶接を行うとき、必要な逆方向の力を配管１１２のＩＤに提供するために遊星歯車１１０のシステムを使用する概念を例示する。遊星歯車１１０は、これらの遊星歯車を回転させることによって、これらの遊星歯車で外リング１１４を配管１１２のＩＤに押し付けられるまで均等に拡張するための手段を提供することによって使用される。当業者は、遊星歯車で外リング１１４を拡張するための機械的手段をよく知っている。
【００４７】
別の態様では、遊星歯車を使用し、外リング１１４を不均等に拡張することができる。かくして、外リング１１４は、配管１１２のＩＤの一部だけに押し付けられる。
図１３は、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する別の手段として提供される。この図は、配管１２２のＩＤに対して操作される楔１２０を示す。この種のアンビルの利点は、移動が容易であるということである。楔１２０が動かないようにするため、追加の支持が必要とされる。
【００４８】
図１４は、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する更に別の手段として提供される。この図では、工具１３０はボビンを含むように変更してある。この工具１３０の性質のため、工具は半径方向摩擦攪拌溶接で使用されない。しかしながら、工具１３０は、工具を加工物から明らかに離した位置で前記端部を摩擦攪拌溶接する上で役立つ。例えば、工具１３０は、配管１３４の長さに沿った長さ方向溶接で使用するのに適している。かくして、工具１３４は、配管１３４の端部から離される。次いで出口場所を加工し、ギザギザの縁部を除去する。
【００４９】
図１５は、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する更に別の手段として提供される。ここに示す概念は、プランジャー１４０を配管１４２の内側に配置することである。圧縮性材料１４４をプランジャー１４０のハンドル１４６の周囲にリングとして配置する。圧縮性材料１４４は、金属製又は任意の他の適当な材料であってもよい。幾つかの金属を、これらがマンドレルの圧縮性材料として機能できるのに十分な程度まで弾性変形させることができる。
【００５０】
ストップリング１４８をハンドル１４６の周囲に配置する。ハンドルは、プランジャー１４０を圧縮性材料１４４に抗して後方に引っ張るのに使用される。圧縮性材料１４４は、ストップリング１４８に押し付けられる。圧縮性材料は、プランジャー１４０及びストップリング１４８に力が加えられるため、拡張する。
【００５１】
プランジャー１４０を圧縮性材料１４４に抗して後方に引っ張る一つの方法は、ハンドル１４６のねじ山を備えた部分１５０を提供することである。ハンドル１４６を回してプランジャー１４０を引っ張る。圧縮性材料１４４のセグメントは、ＯＤに対する摩擦攪拌溶接によって押し付けられる配管のＩＤの表面積に応じて、必要とされるように挿入したり取り除いたりできるということに着目すべきである。
【００５２】
図１乃至図１３及び図１５は、摩擦攪拌溶接が行われる表面とは反対側の平らでない表面の側部に逆方向の力を提供する様々なシステム及び方法を明瞭に示す。これらのシステムのうちの幾つかは、配管の内部に配置された場合にだけ作動し、その他のシステムは、配管の外側又は他の平らでない表面に使用されるように適用できる。図１４は、逆方向の力を必要としないという点で異なる。
【００５３】
図１６のＡ及びＢは、摩擦攪拌溶接を平らでない表面に行うことができるように配管のＩＤに逆方向の力を提供する更に別の手段として提供される。図１６のＡでは、マンドレル１６２は、明らかに、配管１６０の厚さが十分に薄く、摩擦攪拌溶接プロセス中に工具１６６により加えられる圧力によりこれらの配管を挫屈させてしまう場合に配管１６０、１６４を支持するアンビルを提供するのに使用される。
【００５４】
これとは対照的に、図１６のＢは、配管１６４、１６８の壁厚が、工具１６６を配管に押し付けるときに摩擦攪拌溶接プロセスを支持するのに十分である場合、マンドレルが必要とされないということを示す。
【００５５】
図１６のＡ及びＢに示す重ね溶接の重要な特徴を、更に、図１６のＣに示す。詳細には、第１ピン１７２及び第２ピン１７４を持つように工具１７０が変更してある。第１ピン１７２は、第２配管１７６に侵入している。第２ピン１７４は、二つの配管１７６、１７８の材料の混合の大部分を行うため、重要である。第２ピン１７４は、更に、材料が第２配管１７６から溶接部内に「持ち上げ（ｈｏｏｋｉｎｇ ｕｐ）」られないようにする。
【００５６】
本発明の別の特徴は、詳細には、二つの平らでない物体の接合に関する。図１７の二つの配管１８０、１８２を考える。摩擦攪拌溶接を行うためにこれらの配管１８０、１８２整合するのは困難である。更に、摩擦攪拌溶接の開始後にこれらの配管１８０、１８２を整合状態に保持することは困難である。
【００５７】
この困難を解決するため、本発明の別の特徴は、接合される物体を整合する材料を導入することである。この考えの例示として、配管１８０、１８２を使用し、リング１８４をこれらの配管１８０、１８２の端部間に配置した状態で示す。リングは、配管１８０、１８２の端部が嵌着する溝１８６を含む。リング１８４は、明らかに、配管１８０、１８２のＯＤの上側及びＩＤの内側に材料を有する。
【００５８】
この形状は、有用な機能を果たすことができる。例えば、多くの溶接仕様には、溶接工具は配管のＩＤの内側を貫通してはならないと書かれている。しかしながら、摩擦攪拌溶接では、貫通がなされないとルート欠陥が生じ易い。しかし、図１７のリング１８４を使用することによって、摩擦攪拌溶接工具は、実際上ＩＤを貫通せずにルート欠陥をなくすことができる。
【００５９】
リング１８４の別の有用な機能は、配管１８０、１８２と同じ材料を溶接部に導入できること、又は新たな材料を溶接部に導入できることである。新たな材料は、リング１８４で使用された材料に応じて溶接部自体の特徴を変化させる、例えば硬化又は軟化するのに使用できる。リングの材料は、溶接部内に消費される。
【００６０】
必ずしも完全なリングを使用しなくてもよいということにも着目されるべきである。例えば、リングはセグメントやロール状の材料に代えてもよい。
図１８は、図１７に示す配管１８０、１８２及びリング１８４の斜視図である。
【００６１】
図１９は、リング１８４の一部の断面斜視図である。
図１７、図１８、及び図１９に示すリング１８４は、配管１８０、１８２のＯＤ及びＩＤの上下に材料のリングを提供する。しかしながら、用途に応じてこの他の形状のリングを使用してもよい。例えば、図２０は、内押縁を持つが配管のＯＤの上方に突出する押縁を備えていないリング２００を示す。図２１は、丁度逆を示す。リング２０２はＯＤの上方の押縁を含むが、ＩＤの下に突出した押縁を備えていない。図２２は、押縁を備えていないリング２０４を示す。このリング２０４は配管の整合を補助しないが、同じ又は新たな材料を配管間の溶接部に導入するのに役立つ。
【００６２】
本発明の他の特徴に言及する。本発明は、高融点材料の平らでない表面の摩擦攪拌溶接を行うためのシステムを示す。本発明は、摩擦攪拌溶接によって加えられる圧力に対して逆方向の力を提供するための積極的アンビル及び受動的アンビルの両方を提供する。マンドレルは、配管のＯＤ及びＩＤの両方に示してあり、拡散結合が起こらないようにコーティングが施されているのがよい。
【００６３】
本発明とアルミニウム用摩擦攪拌溶接システムとの間の重要な相違は、ＰＣＢＮ工具、積極的工具冷却、工具温度制御、負荷制御、及び支持スピンドル、及び負荷及び動力学を取り扱わなければならないフレームが必要とされるということである。
【００６４】
本発明の別の特徴は、摩擦攪拌溶接工具の回転方向が、結果的に得られる溶接部の品質に影響を及ぼすことがあるということを発見したことである。このことは、摩擦攪拌溶接を加工物の両側に行う場合に特にいえる。これは、加工物での材料の流れが、結果的に得られる溶接部の性質に直接影響を及ぼすためである。これは、流れが材料を溶接部の内外に移動するためである。従って、本発明の別の特徴は、溶接部の所望の特徴に応じて摩擦攪拌溶接工具を時計廻り方向又は反時計廻り方向に回転させることである。
【００６５】
上述の構成は、本発明の原理の適用の単なる例示であるということは理解されるべきである。当業者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、多くの変形及び変更を思いつくであろう。特許請求の範囲は、このような変形及び変更を含もうとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１摩擦攪拌溶接スピンドルヘッドが、配管の外径（ＯＤ）を溶接するように配置された、本発明の第１実施例の斜視図である。
【図２】図１の別の斜視図である。
【図３】図１の別の斜視図である。
【図４】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うため、高融点配管のＯＤに押し付けられた工具に対して逆方向の力を提供するために配管内に配置された積極的マンドレルの斜視図である。
【図５】アンビルでディンプルを使用することを示す、断面図である。
【図６】摩擦攪拌溶接アッセンブリが配管のＩＤに対して作用するように配置されており且つマンドレルがＯＤ上に配置された変形例の断面図である。
【図７】積極的マンドレルが平らでない表面のＯＤ上に配置された変形例の断面図である。
【図８】引込み式のピンを使用して平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うための工具の変形例の部分断面図である。
【図９】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの斜視図である。
【図１０】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの斜視図である。
【図１１】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの斜視図である。
【図１２】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの断面図である。
【図１３】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの断面図である。
【図１４】平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うのにマンドレルを必要としない変形例の断面図である。
【図１５】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルの断面図である。
【図１６−Ａ】配管の平らでない表面に摩擦攪拌溶接を行うために高融点配管のＯＤを押圧する工具に対して逆方向の力を提供するため、配管内に配置された変形例のマンドレルを使用する重ね溶接の断面図である。
【図１６−Ｂ】マンドレルの使用を必要としない重ね溶接の断面図である。
【図１６−Ｃ】摩擦攪拌溶接工具を使用して重ね溶接を行うように変更した工具の拡大断面図である。
【図１７】平らでない表面の摩擦攪拌溶接用のリングの断面図である。
【図１８】図１７のリング及び配管の斜視図である。
【図１９】図１７及び図１８のリングの拡大斜視図である。
【図２０】リングの変形例の断面斜視図である。
【図２１】リングの変形例の断面斜視図である。
【図２２】リングの変形例の断面斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０ クランプ部材
１２ 工具
１４ スピンドルヘッド
１６ フレーム
１７ カラー
１８ 位置
１９ 歯車歯
２３、２６ 配管
２１ アンビルアッセンブリ
２０、２２ 外ハブ
２４ 内ホイール
２８ ピストン
３０ ディンプル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点の鉄合金及び非鉄合金、及び超合金の平らでない表面の摩擦攪拌溶接を機能的に行うことができる摩擦攪拌溶接システムにおいて、
少なくとも一部に配置された超研磨材、肩部、及びピンを含み、前記超研磨材は第１状態及び第２状態を有し、配管の平らでない表面の外径（ＯＤ）に配置された、摩擦攪拌溶接工具、
前記摩擦攪拌溶接工具を冷却するように配置された冷却システム、及び
前記摩擦攪拌溶接工具によってＯＤに加えられた力に抗するように前記配管の内径（ＩＤ）に当てて配置された支持マンドレルを有し、この支持マンドレルは、前記配管との拡散溶接が起こらないようにするコーティングを含む、摩擦攪拌溶接システム。
【請求項１】
高融点の鉄合金及び非鉄合金、及び超合金の平らでない表面の摩擦攪拌溶接を機能的に行うことができる摩擦攪拌溶接システムにおいて、
少なくとも一部に配置された超研磨材、肩部、及びピンを含み、前記超研磨材は第１状態及び第２状態を有し、配管の平らでない表面の外径（ＯＤ）に配置された、摩擦攪拌溶接工具、
前記摩擦攪拌溶接工具を冷却するように配置された冷却システム、及び
前記摩擦攪拌溶接工具によってＯＤに加えられた力に抗するように前記配管の内径（ＩＤ）に当てて配置された支持マンドレルを有し、この支持マンドレルは、前記配管との拡散溶接が起こらないようにするコーティングを含む、摩擦攪拌溶接システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公表番号】特表２００６−５１８６７１（Ｐ２００６−５１８６７１Ａ）
【公表日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０３２２８（Ｐ２００６−５０３２２８）
【出願日】平成１６年１月３０日（２００４．１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００２８３６
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０６７２１８
【国際公開日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（５０１０６１８２５）スミス インターナショナル、インコーポレテッド (1)
【出願人】（５０５２８９６５０）アドバンスト・メタル・プロダクツ・インコーポレーテッド (5)
【出願人】（５９２０８７６４７）ブリガム・ヤング・ユニバーシティ (34)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＩＧＨＡＭ ＹＯＵＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１月３０日（２００４．１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００２８３６
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０６７２１８
【国際公開日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（５０１０６１８２５）スミス インターナショナル、インコーポレテッド (1)
【出願人】（５０５２８９６５０）アドバンスト・メタル・プロダクツ・インコーポレーテッド (5)
【出願人】（５９２０８７６４７）ブリガム・ヤング・ユニバーシティ (34)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＩＧＨＡＭ ＹＯＵＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]