JP7285556B2

JP7285556B2 - キーホールのない摩擦攪拌点接合のための装置及びその方法

Info

Publication number: JP7285556B2
Application number: JP2019152761A
Authority: JP
Inventors: ギュベンヤピシギュネイ; ジャバールイブラヒムバジラネイサム
Original assignee: オジェギンウニベルシテシ
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: JP2021030266A

Description

本発明は、キーホールのない接合を提供する摩擦攪拌点接合のための装置及びその方法に関する。

摩擦攪拌接合ＦＳＷ（ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ）は、隣接する接触面を有する２つの被加工物を、被加工物材料の融点より低い温度で加熱することによって結合させるために、非消耗ツールを用いる固体状態の接合プロセスである。熱は、接合装置の回転ツールのテーパ状のピンと被加工物との間の摩擦によって発生する。発生した熱によって、ピンの近くの領域の被加工物材料は可塑化する。

摩擦攪拌点接合ＦＳＳＷ（ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｓｐｏｔｗｅｌｄｉｎｇ）はＦＳＷの変形であり、ここでは、接合が被加工物表面の点で行われる。ＦＳＳＷでは、一方の被加工物の上に他方の被加工物が配置された２つの被加工物がアンビルの上に配置される。点接合部は、アンビル上で当接している重なった被加工物の上面に、回転ツールを大きな力で押圧することによって生成される。回転及び高い圧力による摩擦熱は、その箇所の被加工物材料を可塑化し、その結果、回転ツールのテーパ状のピンは、２つの被加工物の間の箇所（接合される領域）内を貫通する。回転ツールのテーパ状のピンは、回転ツールを取り囲むショルダが、上の被加工物の表面と接触するまで被加工物内に突き刺さる。回転ツールの回転によってまた、被加工物の可塑化された材料が混合される。ショルダは、可塑化された材料を拘束し、回転ツールは高い鍛圧を加え、それによって、被加工物材料を溶融しないで、被加工物が接合される。最後に、回転ツールは被加工物から引き抜かれて、谷の形態の接合ナゲットを有する点接合部が生じる。

回転ツールを引き抜いた後、キーホール（すなわち、回転ツールを引っこめたときに貫通したピンの容積から生じる出口ホール）が、接合された被加工物に残る。キーホールは、後処理で、又は消耗ピンを使用して、適切な材料で埋めることができる。後処理及び／又は消耗ピンの使用は、最終的な生産コストを増大させる。さらに、充填材と被加工物との間の応力差により、充填材がキーホールから望ましくなく剥がれることがある。キーホールのある現況技術のＦＳＳＷの別の問題は、ＦＳＳＷの接合部は比較的柔軟でないので、キーホールは、接合部に対して弱点を構成する。現況技術のＦＳＳＷのさらに別の問題は、回転ツールのピンは、特定の最小深さで被加工物内を貫通しなければならないので、被加工物の全壁厚が、この特定の最小深さより薄いとＦＳＳＷによって接合することはできない。現況技術のＦＳＳＷのさらに別の問題は、回転ツールのピンが十分長くなければ、回転ツールはアンビルの近くの被加工物内に十分貫通することができない。したがって、上記被加工物は回転ツールによって可塑化及び鍛造することができない。このように貫通していないことによって、疲労亀裂の潜在的な源である接合部の欠陥が生じることがある。

したがって、現況技術において、キーホールのない接合を提供するＦＳＳＷのための装置及びその方法に対する必要性がある。

本発明の例示的な実施形態は、より容易に理解されるように、単なる一例として添付図に示され、その使用は、同様の参照符号が同じ又は類似の要素を示す発明を実施するための形態、及び以下の図を考慮するとより明らかとなろう。

本発明の１つの例示的な実施形態において、接合段階中の、プレス・ヘッドを備えた摩擦攪拌点接合のための装置（ショルダなし）の概略図である。本発明の１つの例示的な実施形態において、接合段階中の、ショルダの形態のプレス・ヘッドを備えた摩擦攪拌点接合のための装置の概略図である。本発明の１つの例示的な実施形態において、接合段階中の、プレス・ヘッド及び鍛造ショルダ（プレス・ヘッドとは異なる）を備えた摩擦攪拌点接合のための装置の概略図である。

本発明の実施形態は、摩擦攪拌点接合のための装置（１）及びその方法に関する。

摩擦攪拌点接合のための装置（１）は、
－本体を有するプレス・ヘッド（２）であって、本体が、中間片（５）、及び中間片（５）に隣接した少なくとも１つの第１の被加工物（３）の一部分を受け入れるための空洞（２．１）を備えた、プレス・ヘッド（２）と、
－押圧するための実質的に平坦な端部（６．１）を備えた回転ツール（６）と
を備える。

プレス・ヘッド（２）及び回転ツール（６）は、少なくとも１つの押圧手段と結合するように構成される。

プレス・ヘッド（２）は、少なくとも１つの第１の被加工物（３）と少なくとも１つの第２の被加工物（４）との間に配置された中間片（５）を備えたサンドイッチ構造体（Ｓ）をアンビル（Ａ）に対して押圧し、その結果、プレス・ヘッド（２）が圧力を加えたときに、中間片（５）が、第２の被加工物（４）と第１の被加工物（３）に形成されたエンボス部（Ｅ）との間に閉じ込められるようにするためのものである。

回転ツール（６）は、中間片（５）、並びに第１の被加工物（３）及び第２の被加工物（４）のそれぞれの少なくとも一部分を可塑化するように、回転中に実質的に平坦な端部（６．１）によってエンボス部（Ｅ）を押圧するためのものである。

本装置（１）の一実施形態の作動原理を下記に詳細に説明する。

少なくとも１つの第１の被加工物（３）と少なくとも１つの第２の被加工物（４）との間に配置／位置決めされた中間片（５）を備えたサンドイッチ構造体（Ｓ）は、アンビル（Ａ）上に配置される。プレス・ヘッド（２）は、サンドイッチ構造体（Ｓ）をアンビル（Ａ）に対して押圧する。空洞（２．１）を有するプレス・ヘッド（２）の端部は、第１の被加工物（３）の表面を押す。中間片（５）、及び中間片（５）に隣接した第１の被加工物（３）（言い換えれば、中間片（５）を部分的に覆う第１の被加工物（３））の部分／領域は、空洞（２．１）内に受け入れられるので、プレス・ヘッド（２）の圧力はそれらには加えられない。中間片（５）の近傍の第１の被加工物（３）の他の領域は、プレス・ヘッド（２）によって空洞（２．１）の縁を通じて第２の被加工物（４）を介して押される。したがって、中間片（５）、及び中間片（５）に隣接した（中間片（５）を部分的に覆った）第１の被加工物（３）の領域は、第１の被加工物（３）にエンボス部（Ｅ）を形成する。

次いで、回転ツール（６）は、回転中にその実質的に平坦な端部（６．１）によってエンボス部（Ｅ）を押圧する。回転ツール（６）の実質的に平坦な端部（６．１）は、中間片（５）、第１の被加工物（３）の少なくとも一部分、及び第２の被加工物（４）の少なくとも一部分が可塑化するように、第２の被加工物（４）及びアンビル（Ａ）に対してエンボス部（Ｅ）を押す。さらに、実質的に平坦な端部（６．１）の回転運動により、可塑化された材料は混合される。第１の被加工物（３）に面する回転ツール（６）の押圧端部が実質的に平坦であるので、押圧する平坦な端部（実質的に平坦な端部（６．１））は、第１の被加工物（３）／エンボス部（Ｅ）内に貫通しない。その代わり、実質的に平坦な端部（６．１）はまた、鍛圧を加えて材料を可塑化してキーホールのない平坦な接合ナゲット（Ｗ）を形成する。

装置（１）の一実施形態（図２参照）では、プレス・ヘッド（２）はショルダ（７）であり、回転ツール（６）を受け入れるための空間（２．２）が、本体の少なくとも一部分を貫通して（本体内に）設けられる。プレス・ヘッド（２）／ショルダ（７）は、第２の被加工物（４）及びアンビル（Ａ）に対してエンボス部（Ｅ）の周囲を押圧するためのものである。空洞（２．１）は、可塑化された中間片（５）、並びに第１の被加工物（３）及び第２の被加工物（４）の（可塑化された）部分を拘束し、それらは、エンボス部（Ｅ）の押圧中、接合ナゲット（Ｗ）を構成する。装置（１）のこの実施形態において、ショルダ（７）の形態のプレス・ヘッド（２）は、可塑化された材料が平坦になるように拘束することによって、鍛圧を加えて材料を可塑化する（接合ナゲット（Ｗ））ことを保証する。この拘束は、第２の被加工物（４）と回転ツール（６）の実質的に平坦な端部（６．１）との間に可塑化された材料を保つためである。さらに、プレス・ヘッド（２）の圧力は、エンボス部（Ｅ）の押圧中／材料の可塑化中、締付効果を与えて、第１の被加工物（３）と第２の被加工物（４）の相対運動を防ぐ。この実施形態では、回転ツール（６）は、ショルダから独立して動くことができなければならない。

装置（１）の別の実施形態（図３参照）では、装置（１）は、プレス・ヘッド（２）とは異なる部品である鍛造ショルダ（８）を備える。鍛造ショルダ（８）は回転ツールを取り囲み、第２の被加工物（４）及びアンビル（Ａ）に対してエンボス部（Ｅ）の周囲を押圧するためのものである。したがって、鍛造ショルダ（８）は、少なくとも１つの押圧手段と結合するように構成される。この実施形態では、エンボス部（Ｅ）に面するための鍛造ショルダ（８）の一端は凹部（８，１）を備える。凹部（８．１）は、中間片（５）、中間片（５）に隣接した第１の被加工物（３）（言い換えれば、中間片（５）を部分的に覆う第１の被加工物（３））の一部分を受け入れるためのものであり、エンボス部（Ｅ）の押圧中、可塑化された中間片（５）、並びに第１の被加工物（３）及び第２の被加工物（４）の（可塑化された）部分を拘束するためのものである。この拘束は、第２の被加工物（４）と回転ツール（６）の実質的に平坦な端部（６．１）との間に可塑化された材料を保つためである。この実施形態では、鍛造ショルダ（８）は、回転ツール（６）から独立して動くことができる。さらに、鍛造ショルダ（８）の圧力は、エンボス部（Ｅ）の押圧中／材料の可塑化中、締付効果を与えて、第１の被加工物（３）と第２の被加工物（４）の相対運動を防ぐ。

ショルダ（７）の形態のプレス・ヘッド（２）と鍛造ショルダ（８）との間の１つの重要な違いは、空洞（２．１）と凹部（８．１）との間の形状及び／又は大きさの違いである。いくつかの用途では、サンドイッチ構造体（Ｓ）を押圧するための空洞（２．１）の適切な形状／大きさは、接合を強化するために鍛圧を調節するように可塑化された材料を鍛造するための凹部の適切な形状／寸法とは実質的に異なることがある。したがって、プレス・ヘッド（２）は、サンドイッチ構造体（Ｓ）を押圧し、エンボス部（Ｅ）を形成するために使用される。次いで、鍛造ショルダ（８）は、可塑化された材料を鍛造するために使用することができる。いくつかの用途では、ショルダ（７）の形態のプレス・ヘッド（２）は、サンドイッチ構造体（Ｓ）を押圧し、エンボス部（Ｅ）を形成するため、及び可塑化された材料を鍛造するための両方に使用することができる。

中間片（５）は、第１の被加工物（３）又は第２の被加工物（４）の材料と同じ、又は異なる材料を含むことができる。中間片（５）及び／又は第１の被加工物（３）及び／又は第２の被加工物（４）は、例えば、限定するものではないが、金属、ポリマ、金属マトリックス複合材、ポリマ・マトリックス複合材とすることができる。

摩擦攪拌点接合の方法は次のステップを含む。
ａ）サンドイッチ構造体（Ｓ）を形成するために、少なくとも１つの第１の被加工物（３）と少なくとも１つの第２の被加工物（４）との間に中間片（５）を配置するステップ
ｂ）中間片（５）が、第２の被加工物（４）と第１の被加工物（３）に形成されたエンボス部（Ｅ）との間に閉じ込められるようにサンドイッチ構造体（Ｓ）を押圧するステップ
ｃ）回転ツール（６）が、中間片（５）、並びに第１の被加工物（３）及び第２の被加工物（４）のそれぞれの少なくとも一部分を可塑化するように、実質的に平坦な端部（６．１）を備える回転ツールによってエンボス部（Ｅ）を押圧するステップ

本方法の一実施形態では、上記のステップｂ）において、サンドイッチ構造体（Ｓ）は、本体を有するプレス・ヘッド（２）によって押圧され、本体は、中間片（５）が、第２の被加工物（４）と第１の被加工物（３）に形成されたエンボス部（Ｅ）との間に閉じ込められるように、中間片（５）及び第１の被加工物（３）の少なくとも一部分を受け入れるための空洞（２．１）を備える。

本方法の別の実施形態では、本方法は次のステップを含む。
ｄ）鍛造ショルダ（８）が、可塑化された第１の被加工物（３）、中間片（５）、及び第２の被加工物（４）を拘束するように、回転ツールを取り囲み、凹部（８．１）を含む鍛造ショルダ（８）によってエンボス部（Ｅ）の周囲を押圧するステップ

本方法の別の実施形態では、プレス・ヘッド（２）はショルダ（７）であり、回転ツール（６）を受け入れるための空間（２．２）が、本体の少なくとも一部分を貫通して（本体内に）設けられ、空洞（２．１）が、ステップｃ）の間に、可塑化された第１の被加工物（３）、中間片（５）、及び第２の被加工物（４）を案内することによって鍛造する。

１装置
２プレス・ヘッド
２．１空洞
２．２空間
３第１の被加工物
４第２の被加工物
５中間片
６回転ツール
６．１実質的に平坦な端部
７ショルダ
８鍛造ショルダ
８．１凹部
Ｓサンドイッチ構造体
Ａアンビル
Ｅエンボス部
Ｗ接合ナゲット

Claims

－本体を有するプレス・ヘッド（２）であって、前記本体が、中間片（５）、及び前記中間片（５）に隣接する少なくとも１つの第１の被加工物（３）の一部分を受け入れるための空洞（２．１）を備えるプレス・ヘッド（２）と、
－押圧するための実質的に平坦な端部（６．１）を備える回転ツール（６）と
を備える摩擦攪拌点接合のために装置（１）であって、
前記プレス・ヘッド（２）及び前記回転ツール（６）は、少なくとも１つの押圧手段と結合するように構成され、
前記プレス・ヘッド（２）は、前記少なくとも１つの第１の被加工物（３）と少なくとも１つの第２の被加工物（４）との間に配置された前記中間片（５）を備えるサンドイッチ構造体（Ｓ）をアンビル（Ａ）に対して押圧し、その結果、前記プレス・ヘッド（２）が圧力を加える場合に、前記中間片（５）が、前記第２の被加工物（４）と前記第１の被加工物（３）に形成されたエンボス部（Ｅ）との間に閉じ込められるようにするためのものであり、
前記回転ツール（６）は、前記中間片（５）、並びに前記第１の被加工物（３）及び前記第２の被加工物（４）の各々の少なくとも一部分を可塑化するように、回転中に前記実質的に平坦な端部（６．１）を介して前記エンボス部（Ｅ）を押圧するためのものである、装置（１）。
前記プレス・ヘッド（２）はショルダ（７）であり、前記回転ツール（６）を受け入れるための空間（２．２）が、前記本体の少なくとも一部分を貫通して設けられ、前記空洞（２．１）は、前記エンボス部（Ｅ）の前記押圧中に、前記可塑化される中間片（５）、並びに前記第１の被加工物（３）及び前記第２の被加工物（４）の部分を拘束する、請求項１に記載の装置（１）。
前記回転ツールを取り囲み、前記エンボス部（Ｅ）の周囲を押圧するための鍛造ショルダ（８）を備え、前記鍛造ショルダ（８）は、前記エンボス部（Ｅ）の前記押圧中に、前記可塑化される第１の被加工物（３）、中間片（５）、及び第２の被加工物（４）を拘束するための凹部（８．１）を含む、請求項１に記載の装置（１）。
ａ）サンドイッチ構造体（Ｓ）を形成するために、少なくとも１つの第１の被加工物（３）と少なくとも１つの第２の被加工物（４）との間に中間片（５）を配置するステップと、
ｂ）前記中間片（５）が、前記第２の被加工物（４）と前記第１の被加工物（３）に形成されたエンボス部（Ｅ）との間に閉じ込められるように前記サンドイッチ構造体（Ｓ）を押圧するステップと、
ｃ）前記中間片（５）、並びに前記第１の被加工物（３）及び前記第２の被加工物（４）の各々の少なくとも一部分を可塑化するように、実質的に平坦な端部（６．１）を備える回転ツールによって前記エンボス部（Ｅ）を押圧するステップと
を含む摩擦攪拌点接合の方法。
ステップｂ）において、前記サンドイッチ構造体（Ｓ）は、本体を有するプレス・ヘッド（２）によって押圧され、前記本体は、前記中間片（５）が、前記第２の被加工物（４）と前記第１の被加工物（３）に形成された前記エンボス部（Ｅ）との間に閉じ込められるように、前記中間片（５）及び前記第１の被加工物（３）の少なくとも一部分を受け入れるための空洞（２．１）を備える、請求項４に記載の方法。
ｄ）鍛造ショルダ（８）が、前記可塑化される第１の被加工物（３）、中間片（５）、及び第２の被加工物（４）を拘束するように、前記回転ツールを取り囲み、凹部（８．１）を含む前記鍛造ショルダ（８）によって前記エンボス部（Ｅ）の周囲を押圧するステップ
を含む、請求項４又は５に記載の方法。
前記プレス・ヘッド（２）はショルダ（７）であり、前記回転ツール（６）を受け入れるための空間（２．２）が、前記本体の少なくとも一部分を貫通して設けられ、前記空洞（２．１）は、ステップｃ）の間に、前記可塑化される第１の被加工物（３）、中間片（５）、及び第２の被加工物（４）を案内することによって拘束する、請求項５に記載の方法。