JP2019081197A - 低温摩擦攪拌処理中の耐摩耗性を向上させるための装置、システム、及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の相変化を抑制して接合部の一体性を損なわないようにする摩擦撹拌処理方法の提供。【解決手段】摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）方法であって、第１加工物１０４をＦＳＰツール１０２に接触させるステップを含む方法である。第１加工物は、低融点金属又は低融点合金であり、ＦＳＰツールは、ダイヤモンド作業面を有する単体ＦＳＰツールである。また、この方法は、界面で第１加工物に接触するＦＳＰツールを回転させるステップと、第１加工物を加熱するために界面で熱エネルギーを発生させるステップとを含む。さらに、この方法は、ＦＳＰツールを用いて界面から熱エネルギーを逃がすステップと、ＦＳＰツールの温度が８００℃未満の状態で第１加工物を摩擦攪拌するステップとを含む。【選択図】図１

Description

金属の摩擦攪拌処理（「ＦＳＰ」）は、溶接可能な材料を固体接合プロセスで互いに付着させるために使用されている。ＦＳＰは、溶接可能な材料の表面に押し付けられたピンの動きを利用して熱及び摩擦を発生させ、溶接可能な材料を移動させる。材料は、第１材料が接合される第２材料と共に可塑化し、物理的に攪拌することができる。ピン、ピン及び肩部、又は他の「ＦＳＰツール」は、加工物に接触した状態で回転させることができる。ＦＳＰチップに力を与えることによって、ＦＳＰツールが加工物に押し付けられる。ＦＳＰツールが加工物に沿って移動し、加工物の材料を攪拌する。２つのプレートの材料を混合する物理的プロセスは、プレートを接合する。

ＦＳＰは、他の溶接プロセスの潜在的欠陥を多く回避する固体プロセスを利用して、溶接可能な材料を接合する。例えば、ＦＳＰは、ツールの経路に沿って、元の材料と一般的に区別できない攪拌領域を生成する。ＦＳＰは、材料の追加又はシールドガスの使用によらずに、実施することができる。金属不活性ガス（「ＭＩＧ」）溶接等のいくつかの溶接方法では、接合部を生成するために材料を追加的に導入する場合がある。タングステン不活性ガス（「ＴＩＧ」）溶接等の他の溶接方法では、１つ以上の加工物を加熱するために非消耗接点を使用する場合がある。しかしながら、加熱によって、１つ以上の加工物が液相になり、１つ以上の加工物の相変化を引き起こす可能性がある。相変化は、接合部、また、場合によって加工物自体の一体性を損なう可能性がある。相変化又は他の反応の発生を制限するために、ＴＩＧ溶接及び類似のプロセスは、接触領域の周りに不活性ガス「シールド」を使用する。

したがって、ＦＳＰは、様々な用途においてより制御しやすい接合部を提供することができる。ＦＳＰの予測可能性は、操作員が構造体又は装置にアクセスできない可能性のある環境又は用途において使用され、使用中に大きな力を受ける構造体又は装置の製造及び／又は組み立て作業にとって望ましいものである可能性がある。

いくつかの実施形態では、摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）方法は、第１加工物をＦＳＰツールに接触させるステップを含む。ここで、第１加工物は、低融点金属又は低融点合金であり、ＦＳＰツールは、ダイヤモンド作業面を有する単体ＦＳＰツールである。また、この方法は、界面（インターフェース）で第１加工物に接触するＦＳＰツールを回転させるステップと、第１加工物を加熱するために界面で熱エネルギーを発生させるステップとを含む。さらに、この方法は、ＦＳＰツールを用いて界面から熱エネルギーを逃がす（離れた位置に伝導する）ステップと、ＦＳＰツールの温度が８００℃未満の状態で第１加工物を摩擦攪拌するステップとを含む。

他の実施形態では、ＦＳＰ装置は、高温高圧プレスにおける単一のプレスプロセスで形成された単体ツールを含む。単体ツールは、回転軸と、少なくともシャンクとピンとを有する。ピンは、シャンクと一体的に形成され、ピンとシャンクの少なくとも一部とは、多結晶ダイヤモンドを含む。

さらに他の実施形態では、ＦＳＰ装置は、高温高圧プレスにおける単一のプレスプロセスで形成された単体ツールを含む。単体ツールは、回転軸と、少なくともシャンクとピンとを有し、ピン又はシャンクに接続された肩部を有しない。ピンは、シャンクと一体的に形成され、ピンとシャンクの少なくとも一部とは、多結晶ダイヤモンドを含む。

この概要は、詳細な説明でさらに説明される概念の選択を紹介するために提供されるものである。この概要は、特許請求される主題にかかる重要な特徴又は本質的な特徴を特定することは意図しておらず、特許請求される主題の範囲を限定するために使用することも意図していない。

本発明の実施形態にかかる追加の特徴及び様子は、本明細書に記載しており、部分的にはその記載から自明であり、又はその実施形態の実施によって習得することができる。

本発明の先に列挙した特徴及びその他の特徴が得られる方法を説明するように、添付図面に示したその具体的な実施形態を参照しながら、より詳細な説明を行う。理解を容易にするために、各種添付図面を通して、同様の要素には同様の参照番号が振られている。一部の図面は、概念の図式的な表現又は誇張された表現であり得るが、少なくとも一部の図面は、縮尺通りに描かれ得る。図面は、いくつかの例示的な実施形態を示していることを理解されたい。実施形態は、添付図面を通して、更に具体的にかつ詳細に記載され、説明されている。

本発明の少なくとも１つの実施形態による摩擦攪拌処理システムの一実施形態の斜視図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、突合せ継手を溶接する摩擦攪拌処理システムの一実施形態の斜視図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による、重ね継手を溶接する摩擦攪拌処理システムの一実施形態の斜視図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による摩擦攪拌処理ツールの一実施形態の側断面図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による摩擦攪拌処理ツールの他の実施形態の側断面図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による摩擦攪拌処理ツールのさらに他の実施形態の側面図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による摩擦攪拌処理ツールのさらなる実施形態の側断面図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による摩擦攪拌処理ツールの作業面の一実施形態の端面図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態による方法の一実施形態を示すフローチャートである。

本発明は、概して、摩擦攪拌接合、結合、処理、又は他の摩擦攪拌行為用の摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）ツールの耐摩耗性を向上させるための装置、システム、及び方法に関する。より具体的には、本発明は、低融点合金のＦＳＰ中における操作寿命及び効率を向上させるための多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ＦＳＰツールの設計、製造及び使用に関する。例えば、ＰＣＤは、工具鋼と比べてより低い摩擦係数及び／又はより高い熱伝導率を有し、これを少なくとも部分的な原因として、ＰＣＤ ＦＳＰツールは、従来の工具鋼ＦＳＰツールと比べてより高い軸方向荷重及びより高い回転速度で、低融点単相合金をＦＳＰすることができる。ＰＣＤがより低い摩擦係数及び／又はより高い熱伝導率を有するため、加工物及びＦＳＰツールは、従来の工具鋼ＦＳＰツールと同等の軸方向荷重及び回転速度において、より低い温度で作業することができる。したがって、ＰＣＤ ＦＳＰツールは、加工物を溶融することなく、ＦＳＰツールを損傷することなく、より小さな熱影響ゾーンで、又はそれらの組み合わせで、従来の工具鋼ＦＳＰツールと比べてより高い軸方向荷重及び／又はより高い回転速度で作業することができる。

いくつかの実施形態では、増加した回転速度及び／又は軸方向荷重は、加工材料の移動量をより多くすることができる。いくつかの例では、ＦＳＰツールは、加工物と接触した状態で回転し加工材料を摩擦で引くことによって、加工材料をＦＳＰツール加工面の回転と共に実質的に円運動するように流すことができる。他の例では、ＦＳＰツールは、加工材料と機械的にかみ合って加工材料を流すための１つ以上の表面構成要素を、ピン及び／又は肩部に含んでもよい。増加した回転速度及び／又は軸方向荷重は、より多くの量の材料を流すことができる。増加した流量は、より強い溶接を生じさせ、及び／又は加工物表面にわたる並進速度を増加させ、より短い時間で溶接を完了させることができる。

他の実施形態では、このより低い摩擦係数及びより高い熱伝導率によって、ＦＳＰツールの温度がＰＣＤの黒鉛化温度及び／又は酸化温度より低い状態において、ＰＣＤ ＦＳＰツールを用いてＦＳＰをすることができる。例えば、ＰＣＤは、酸素が存在する場合において、摂氏７００度（℃）超の温度で酸化する可能性がある。閉じた容器や不活性ガスのガスシールド等の不活性環境中で行うＦＳＰにおいても、ダイヤモンドは準安定な状態にあり、高温で黒鉛化する可能性がある。

図１は、加工物１０４と接触しているＦＳＰツール１０２を有するＦＳＰシステム１００の一実施形態を示すものである。加工物１０４に接触するＦＳＰツール１０２を回転させることによって、加工物１０４を攪拌ゾーン１０６で攪拌し、攪拌ゾーン１０６を越えて熱影響ゾーン１０８を形成することができる。いくつかの実施形態では、ＦＳＰは、加工材料の攪拌ゾーン１０６及び／又は熱影響ゾーン１０８における粒子構造を微細化するための、加工物１０４の攪拌を指してもよい。例えば、加工材料の結晶構造は、少なくとも部分的に加工物の製造に依存する可能性がある。製造されたままの粒子構造は、仕上り部品にとって望ましくない可能性がある。

いくつかの例では、鋳造された加工物は、各粒子内に変形がほぼ乃至全くない比較的大きな粒子サイズを有するランダムな配向を有する（すなわち、テクスチャ（表面の質感）なしの）場合がある。鋳造アルミニウムのＦＳＰは、粒子サイズを微細化し、より小さな平均粒子サイズを生成する（微細構造の境界密度を増加させる）ことができる。鋳造アルミニウムのＦＳＰは、粒子内において内部歪みを更に生成することができる。粒界密度及び内部歪みの一方又は両方の増加によって、アルミニウムの硬度を増加することができる。

他の例では、押出加工された又は圧延された加工物は、粒子構造にとって好ましいが、仕上げ部品にとって望ましくない可能性のある配向（例えば、アルミニウムにおける＜１０１＞テクスチャ又は＜００１＞テクスチャ）を示す場合がある。例えば、アルミニウム棒を軸として使用する時には、その押出されたテクスチャは、アルミニウムの機械的摩耗率を増加させる可能性がある。アルミニウムのＦＳＰは、アルミニウム棒の粒子構造を機械的に変化し、及び／又は棒表面の押出テクスチャを除去することができる。配向テクスチャは、異方性硬度、異方性靭性、酸化速度等の、加工物の他の機械的又は化学的特性に影響を与える可能性がある。

他の実施形態では、ＦＳＰは、第１加工物の第２加工物への摩擦攪拌接合を指してもよい。例えば、図２は、図１のＦＳＰシステム１００及びＦＳＰツールが突合せ継手を攪拌接合することを示すものである。第１加工物１０４−１は、突合せ継手１１０において第２加工物１０４−２と接触した状態で配置されてもよく、第１加工物１０４−１及び第２加工物１０４−２は、ＦＳＰによって突合せ継手１１０に沿って接合されてもよい。第１加工物１０４‐１と第２加工物１０４‐２とを突合せ継手１１０に沿って機械的に接合するために、ＦＳＰツール１０２は、第１加工材料及び第２加工材料を円形方向で攪拌ゾーン１０６にある突合せ継手１１０に実質的に垂直するように流し、第１加工物１０４−１と第２加工物１０４−２との間で材料を移転させてもよい。

攪拌接合は、第１加工物１０４−１及び第２加工物１０４−２の材料を塑性的に移動させ、第１加工物１０４−１及び第２加工物１０４−２を微細構造レベルで連動させる固体接合プロセスである。いくつかの実施形態では、第１加工物１０４−１及び第２加工物１０４−２は、同じ材料であってもよい。例えば、第１加工物１０４−１及び第２加工物１０４−２は、両方ともＡＡ６０６５アルミニウム合金であってもよい。他の実施形態では、第１加工物１０４−１及び第２加工物１０４−２は、異なる材料であってもよい。例えば、第１加工物１０４−１は単相アルミニウム合金であり、第２加工物１０４−２は単相銅合金であってもよい。他の例では、第１加工物１０４−１はＡＡ６０６３アルミニウム合金であり、第２加工物１０４−２はＡＡ７０７５アルミニウム合金であってもよい。

ＰＣＤ ＦＳＰツールを用いて低融点金属加工物をＦＳＰで攪拌接合することによって、ＦＳＰツールの摩耗がより少なくて、及び／又はより短い時間で、優れた溶接特性を示すことができる。いくつかの実施形態では、低融点金属又は金属合金は、単相金属又は金属合金であってもよい。例えば、単相金属又は金属合金は、体積基準で材料の９８％を超えた主相を有してもよい。他の例では、単相金属又は金属合金は、体積基準で材料の９９％を超えた主相を有してもよい。さらに他の例では、単相金属又は金属合金は、体積基準で材料の約１００％の主相を有してもよい。

さらに他の実施形態では、ＦＳＰによる攪拌接合は、図３に示した実施形態のように、重ね継手において互いに隣接する第１加工物と第２加工物との摩擦攪拌を含んでもよい。ＦＳＰツール１０２は、第１加工物１０４−１の表面と接触した状態で配置されてもよく、ＦＳＰツール１０２は、第１加工物１０４−１、また任意に第２加工物１０４−２に押し込まれ、第１加工材料及び第２加工材料を塑性的に移動させ、第１加工物１０４−１と第２加工物１０４−２とを重ね継手１１１において連動させてもよい。

いくつかの実施形態では、ＦＳＰによる重ね継手溶接は、突合せ継手溶接より大きな軸方向荷重を必要とする場合がある。重ね継手溶接においては、加工物が互いに重なり合っているため、突合せ継手より厚い継手を生成する可能性がある。したがって、重ね継手は、薄い突合せ継手より放熱が遅く、高温によって溶接部及び／又はＦＳＰツールを損傷する可能性を増加させる場合がある。ＰＣＤ ＦＳＰツールは、従来の工具鋼ＦＳＰツールと比べてより速い速度で溶接領域から熱エネルギーを伝導し、８００℃未満のままで、より厚い継手を溶接し、及び／又はＦＳＰツールをより深く押し込んで溶接することができる。

図４は、本発明によるＦＳＰツール２０２の一実施形態の側断面図である。いくつかの実施形態では、ＦＳＰツール２０２は、単体構造物を有してもよい。ＦＳＰツール２０２は、互いに一体的に形成されたピン２１２、肩部２１４、及びシャンク２１６を有してもよい。例えば、ＦＳＰツール２０２は、ピン２１２と肩部２１４とシャンク２１６との全体を形成するように、単一のプレスにおけるＨＰＨＴプレスで形成されてもよい。いくつかの例では、ＦＳＰツール２０２は、１４００℃超の温度及び５．０ＧＰａ超の圧力で、プレスで形成されてもよい。

いくつかの実施形態では、ピン２１２、肩部２１４、及びシャンク２１６の少なくとも一部は、それぞれＰＣＤから形成される。例えば、ＦＳＰツール２０２の回転軸２１８に沿った長手方向にあるピン２１２、肩部２１４、及びシャンク２１６の一部は、ＰＣＤ２２０から一体的に形成される。すなわち、ピン２１２、肩部２１４、及びシャンク２１６の一部は、微細構造的に結合されている。例えば、１つの部分（例えば、ピン２１２）の微細構造は、他の部分（例えば、肩部２１４）の微細構造に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、ピン２１２、肩部２１４、及びシャンク２１６の一部は、モノリシックに形成される（例えば、連続微細構造を共有する）。各部分は、高温高圧における単一のプレスで一体的に形成されてもよい。例えば、ピン２１２、肩部２１４、及びシャンク２１６の一部は、予め形成し、プレスに入れられてもよい。

いくつかの実施形態では、シャンク２１６の第２材料２２２は、（ＰＣＤではないため）モノリシックに形成されていないが、ＰＣＤ２２０と一体的に形成されてもよい。少なくとも１つの例では、第２材料２２２は、炭化タングステンのような炭化物であってもよい。少なくとも１つの他の例では、第２材料２２２は、シャンク２１６に追加的な靭性を与えるための、金属マトリックスを有する二相材料であってもよい。

ＰＣＤ２２０は、ピン２１２から長手方向に第２材料２２２との境界２２４まで続いてもよい。いくつかの実施形態では、ピン２１２の端部から境界２２４までのＰＣＤ長２２６は、ＦＳＰツール２０２の全長２２８に関連してもよい。ＰＣＤ長２２６は、全長２２８の５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、４５％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、ＰＣＤ長２２６は、ＦＳＰツール２０２の全長２２８の５％より大きくてもよい。他の例では、ＰＣＤ長２２６は、ＦＳＰツール２０２の全長２２８の１０％より大きくてもよい。さらに他の例では、ＰＣＤ長２２６は、ＦＳＰツール２０２の全長２２８の１５％より大きくてもよい。少なくとも１つの例では、ＰＣＤ２２０の少なくとも一部は、ＦＳＰツール２０２の全長２２８まで延在してもよい。

図５は、モノリシック構造体を有する単体ＦＳＰツール３０２の一実施形態の断面図である。他の実施形態では、ＦＳＰツールは１００％ＰＣＤであってもよい。例えば、ＦＳＰツール３０２は、単一のモノリシックＰＣＤから形成されたピン３１２、肩部３１４、及びシャンク３１６を含んでもよい。モノリシックＰＣＤ本体は、ＦＳＰツール３０２を通って実質的に均一であってもよい。

いくつかの実施形態では、モノリシックＰＣＤ ＦＳＰツール３０２は、第２材料及び／又は材料間の境界を有するＦＳＰツールと比べてより大きな熱伝導率を有することができる。例えば、ＰＣＤは、５００ワット／メートル・ケルビンを超えた熱伝導率を有してもよい。他の例では、ＰＣＤは、６００ワット／メートル・ケルビンを超えた熱伝導率を有してもよい。さらに他の例では、ＰＣＤは、７００ワット／メートル・ケルビンを超えた熱伝導率を有してもよい。少なくとも１つの例では、ＰＣＤは、１，０００ワット／メートル・ケルビンを超えた熱伝導率を有してもよい。炭化物等の第２材料は、より低い熱伝導率係数を有するため、ＦＳＰツール３０２の全体的な熱伝導率を低下させ、ＰＣＤの酸化温度及び加工物の溶融温度より低い温度でのＦＳＰツール３０２の作業能力を低下させることがある。図４において説明したような境界は、境界を横切るフォノン散乱を招き、ＦＳＰツール３０２の全体的な熱伝導率を低下させる可能性がある。

いくつかの実施形態では、本発明によるＰＣＤ ＦＳＰツールの熱伝導率及び耐摩耗性は、ＦＳＰ作業中における材料のより積極的な移動を可能にすることができる。例えば、本発明によるＦＳＰツールは、従来のＦＳＰツールより大きなピンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ピン３１２は、図５に示したような実質的に円筒状のピンであってもよい。他の実施形態では、ピン３１２は、先細り状のピンであってもよい。さらに他の実施形態では、ピン３１２は、段付きピンであってもよい。例えば、ピン３１２は、一連の積み重ねた円柱又は円錐台であってもよい。本発明によるピン３１２は、ピン３１２が肩部３１４及び／又はシャンク３１６と接触するところに、ＦＳＰツール３０２の全半径３３２の少なくとも１０％であるベース半径３３０を有してもよい。いくつかの実施形態では、ベース半径３３０は、全半径３３２の、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のパーセンテージのものであってもよい。いくつかの例では、ベース半径３３０は、全半径３３２の１０％より大きくてもよい。他の例では、ベース半径３３０は、全半径３３２の５０％未満であってもよい。さらに他の例では、ベース半径３３０は、全半径３３２の１０％〜５０％であってもよい。さらなる例では、ベース半径は、全半径３３２の２５％〜５０％であってもよい。少なくとも１つの例では、ベース半径は、全半径３３２の約１／３であってもよい。

他の実施形態では、ベース半径は、１ミリメートル（ｍｍ）、２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。いくつかの例では、ベース半径３３０は、１ｍｍより大きくてもよい。他の例では、ベース半径３３０は、５０ｍｍ未満であってもよい。さらに他の例では、ベース半径３３０は、１ｍｍから５０ｍｍの範囲内のものであってもよい。さらなる例では、ベース半径３３０は、２ｍｍから４０ｍｍの範囲内のものであってもよい。さらに別の例では、ベース半径３３０は、５ｍｍから３５ｍｍの範囲内のものであってもよい。

いくつかの実施形態では、ピン３１２は、ＦＳＰツール３０２の全半径３３２に関連して長手方向におけるピン長３３４を有してもよい。ピン長３３４は、全半径３３２の５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、４５％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、ピン長３３４は、全半径３３２の１０％より大きくてもよい。他の例では、ピン長３３４は、全半径３３２の２５％より大きくてもよい。さらに他の例では、ピン長３３４は、全半径３３２の５０％より大きくてもよい。いくつかの実施形態では、ピン長３３４は、１ミリメートル（ｍｍ）、２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、３８．１ｍｍ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。いくつかの例では、ピン長３３４は、１ｍｍより大きくてもよい。他の例では、ピン長３３４は、３８．１ｍｍ未満であってもよい。さらに他の例では、ピン長３３４は、１ｍｍから３８．１ｍｍの範囲内のものであってもよい。さらなる例では、ピン長３３４は、２ｍｍから３０ｍｍの範囲内のものであってもよい。さらに別の例では、ピン長３３４は、５ｍｍから２５ｍｍの範囲内のものであってもよい。

図６は、本発明によるＦＳＰツール４０２のさらに他の実施形態の側面図である。いくつかの実施形態では、ＦＳＰツール４０２は、肩部がなく、ピン４１２及びシャンク４１６を含んでもよい。ピン４１２及びシャンク４１６の少なくとも一部は、例えば上記したように、一体的に及び／又はモノリシックにＰＣＤから形成されてもよい。

図６は、先細り状のピン４１２を有するＦＳＰツール４０２を示すものである。いくつかの実施形態では、ピン４１２は、直線状のピン輪郭を有してもよい。他の実施形態では、ピン４１２は、湾曲したピン輪郭を有してもよい。さらに他の実施形態では、ピンは、湾曲部分と直線部分とを有するピン輪郭を有してもよい。例えば、図６に示したピン４１２の実施形態は、湾曲部分４３６と直線部分４３８とを有するピン輪郭を含む。

ピン輪郭の少なくとも一部が直線状である実施形態では、ピン輪郭の直線部分４３８は、回転軸４１８に対して、３０度、４０度、４５度、５０度、６０度、７５度、８０度、８５度、９０度、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内の角度４４０を有してもよい。例えば、直線部分４３８は、３０度を超えた角度４４０で配向されてもよい。他の例では、直線部分４３８は、９０度未満の角度４４０で配向されてもよい。さらに他の例では、直線部分４３８は、３０度〜９０度の角度４４０で配向されてもよい。さらなる例では、直線部分４３８は、４５度〜７５度の角度で配向されてもよい。少なくとも１つの例では、直線部分４３８は、回転軸４１８に対して６０度の角度で配向されてもよい。肩部のないいくつかの実施形態では、ピン４１２は、ＦＳＰツール４０２の全幅である幅を有してもよい。ピン４１２は、ＦＳＰツール４０２の側壁４４２まで続いてもよい。

いくつかの実施形態では、ピン４１２は、ピン４１２の回転中における加工材料の移動を増加させるための、１つ以上のピン表面構成要素４４４を含んでもよい。例えば、図６は、攪拌ゾーン内の材料を、ＦＳＰツール４０２から半径方向に変位させることなく、攪拌ゾーンの半径方向中心に向かって円運動させるような、螺旋ピン表面構成要素４４４を有するピン４１２の一実施形態を示すものである。そのようなピン表面構成要素４４４は、溶接ゾーンにおける加工材料の薄化を低減及び／又は防止することができ、突合せ摩擦攪拌接合において有益である可能性がある。また、ピン輪郭の直線部分４３８及び／又は湾曲部分４３６の角度４４０と組み合わせた螺旋ピン表面構成要素４４４は、加工材料を攪拌領域内に向かって下方へ円運動させることができる。そのようなピン表面構成要素４４４は、攪拌された加工材料を第１加工物から第２加工物に向かって促進し重ね継手を形成することができ、重ね摩擦攪拌接合において有益である可能性がある。

図７は、本発明によるＰＣＤ ＦＳＰツール５０２の他の実施形態を示すものである。ＦＳＰツール５０２は、ピン５１２と肩部５１４とを有し、肩部５１４に肩部表面構成要素５４６が配置されている。ＦＳＰツール５０２の肩部５１４は、作業面輪郭５５２の最低点５５０（長手方向においてピン５１２の端部から最も遠い点）を含み、半径方向外側（例えば、回転軸５１８からさらに遠い位置）にある側壁５４２内の作業面５４８の一部であってもよい。例えば、図６に示した実施形態は、回転軸から側壁まで連続的に傾斜したピン輪郭を含む。ピン５１２は、半径方向外向きに最低点５５０まで連続しており、肩部５１４は、側壁５４２まで半径方向外側に延びる最低点５５０を含む。

図７は、ＦＳＰツール５０２の肩部５１４上に配置された一組の同心円状の肩部表面構成要素５４６を示すものである。いくつかの実施形態では、同心円状の肩部表面構成要素５４６は、ＦＳＰ作業中における加工材料の半径方向の変位を制限することができる。他の実施形態では、同心円状の肩部表面構成要素５４６は、図６において説明したような螺旋ピン表面構成要素又は他のピン表面構成要素と関連して機能し、ピン表面構成要素によって促進された円運動の半径方向外側における加工材料の半径方向の変位を制限することができる。さらに他の実施形態では、他の肩部表面構成要素５４６は、肩部５１４の回転中における加工材料の移動を促進することができる。

図８は、その上に様々な表面構成要素を有するＦＳＰツール６０２の一実施形態の斜視図である。ピン表面構成要素６４４及び肩部表面構成要素６４６は、作業面６４８の半径方向及び／又は回転方向において、突部、凹部、フィン、ポケット、ディンプル、突起、波紋、隆起、又は他の局部表面変化を含んでもよい。肩部６１４は、回転方向、半径方向、長手方向、又はそれらの組み合わせにおいて変化する肩部表面構成要素６４６を含んでもよい。例えば、肩部表面構成要素６４６は、図８に示したように、作業面６４８の長手方向位置が半径方向に変化し、回転方向に一定である円形隆起を含んでもよい。他の例では、肩部表面構成要素６４６は、回転方向の円形隆起における破損６５４のような、回転方向に長手方向の変化を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ピン６１２は、１つ以上のピン表面構成要素６４４を含んでもよい。例えば、ピン６１２は、回転方向、半径方向、長手方向、又はそれらの組み合わせにおいて変化するピン表面構成要素６４４を含んでもよい。ピン表面構成要素６４４は、作業面６４８の長手方向位置が半径方向に一定であり、回転方向に変化する凹部を含んでもよい。他の例では、肩部表面構成要素６４６は、回転方向の円形隆起における破損６５４のような、回転方向に長手方向の変化を含んでもよい。

図９は、低融点金属又は低融点合金を摩擦攪拌処理する方法７５６の一実施形態を示すフローチャートである。方法７５６は、第１加工物をＦＳＰツールに接触させるステップ７５８を含んでもよい。本発明により、第１加工物は、低融点金属又は低融点合金であり、ＦＳＰツールは、少なくともダイヤモンド作業面を有する単体ＦＳＰツールである。

方法７５６は、界面で第１加工物に接触するＦＳＰツールを回転させるステップ７６０と、第１加工物及びＦＳＰツールを加熱するために界面で熱エネルギーを発生させるステップ７６２とを更に含んでもよい。いくつかの実施形態では、ＦＳＰツールの回転速度は、１０回転／分（ＲＰＭ）、５０ＲＰＭ、１００ＲＰＭ、５００ＲＰＭ、１，０００ＲＰＭ、５，０００ＲＰＭ、１０，０００ＲＰＭ、２０，０００ＲＰＭ、３０，０００ＲＰＭ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。いくつかの例では、回転速度は、１０ＲＰＭより大きくてもよい。他の例では、回転速度は、３０，０００ＲＰＭ未満であってもよい。さらに他の例では、回転速度は、１０ＲＰＭから３０，０００ＲＰＭの範囲内のものであってもよい。さらなる例では、回転速度は、５０ＲＰＭから２０，０００ＲＰＭの範囲内のものであってもよい。さらに別の例では、回転速度は、１００ＲＰＭ〜１５，０００ＲＰＭの範囲内のものであってもよい。

いくつかの実施形態では、ＦＳＰツールは、十分な熱エネルギーが発生されるまで開始位置に保持されていてもよい。例えば、加工物の表面をわたるＦＳＰツールの並進は、加工物及び／又はＦＳＰツールが初期温度に達してから開始してもよい。いくつかの実施形態では、初期温度は、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃、８００℃、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、初期温度は、４００℃より高くてもよい。他の例では、初期温度は、８００℃未満であってもよい。さらに他の例では、初期温度は、４００℃から８００℃の範囲内のものであってもよい。さらなる例では、初期温度は、４５０℃から７５０℃の範囲内のものであってもよい。

方法は、ＦＳＰツールを用いて界面から熱エネルギーを伝導するステップ７６４と、ＦＳＰツールの温度が８００℃未満の状態で第１加工物を摩擦攪拌するステップ７６６とを更に含む。

本明細書には、本発明の１つ以上の特定の実施形態が記載されている。これらの記載された実施形態は、本発明にかかる技術の例である。また、これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施形態の全ての特徴を明細書に記載しているわけではない。これらの実際の形態の開発において、あらゆる工学プロジェクト又は設計プロジェクトの開発におけるのと同様に、開発者固有の目的を達成するために、システム関係及びビジネス関係の制約を順守するような、１つ１つの実施形態によって変わる可能性のある多数の実施形態固有の決定が行われることを理解されたい。さらに、このような開発の努力は、複雑で時間がかかるにもかかわらず、本発明の利益を受ける当業者にとっては、日常的な設計、製作、及び製造の仕事であることを理解されたい。

また、本発明の「一実施形態」又は「実施形態」の参照は、列挙した特徴を組み込んだ追加の実施形態の存在を除外するように解釈されることを意図していないことを理解されたい。例えば、本明細書の一実施形態において記載された任意の要素は、本明細書に記載された他の任意の実施形態の任意の要素と組み合わせることができる。本明細書に明記された数値、百分率、比率、又は他の値は、その値、及び「約」又は「およそ」明記された値である他の値を含むように意図することは、本発明の実施形態に包含される分野の当業者によって理解されるであろう。したがって、明記された値は、所望の機能を実行するか又は所望の結果を達成するための明記された値に少なくとも十分に近い値を包含するように、十分な広さを有すると解釈されるべきである。明記された値は、少なくとも適切な製造又は製作プロセスで予想されるばらつきを含み、明記された値の５％以内、１％以内、０．１％以内、又は０．０１％以内の値を含んでもよい。

当業者は、本発明の観点から、同等の構成が本発明の趣旨及び範囲から逸脱しないこと、また、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された実施形態に対して様々な変更、置換、及び修正を行ってもよいことを認識すべきである。機能的な「ミーンズ・プラス・ファンクション」節を含む同等の構成は、同じ方法で動作する構造上の等価物と、同じ機能を提供する同等の構造との両方を含む、列挙した機能を実行するものとして本明細書に記載された構造を包含することが意図される。出願人は、「ための手段」という表現が関連の機能と共に現れる場合を除き、いずれかの請求項においてもミーンズ・プラス・ファンクション又は他の機能的な請求を行わないことを明確に意図している。特許請求の範囲の意味及び範囲に含まれる実施形態に対する各追加、削除、及び修正は、特許請求の範囲に包含されるものとする。

本明細書で使用された「およそ」、「約」及び「実質的に」という用語は、標準的な製造若しくはプロセスの許容範囲内にあるか、又は依然として所望の機能を果たす若しくは所望の結果を達成する、明記された量に近い量を表す。例えば、「およそ」、「約」及び「実質的に」という用語は、明記された量の５％未満の範囲内、１％未満の範囲内、０．１％未満の範囲内、及び０．０１％未満の範囲内の量を表すことができる。さらに、以上の説明における任意の方向又は基準フレームは、単なる相対的な方向又は動きであることを理解されたい。例えば、「上向き」、「下向き」、「上方」、又は「下方」への言及は、単に関連要素の相対的な位置又は動きを説明するに過ぎない。

本発明は、その趣旨又は特徴から逸脱することなく、他の特定の形式で実施することができる。記載された実施形態は、例示的で非限定的なものであると考えるべきである。したがって、本発明の範囲は、以上の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内の変更は、その範囲に包含されるものとする。

１００ ＦＳＰシステム
１０２ ＦＳＰツール
１０４ 加工物
１０４‐１ 第１加工物
１０４‐２ 第２加工物
１０６ 攪拌ゾーン
１０８ 熱影響ゾーン
１１０ 突合せ継手
１１１ 重ね継手
２０２ ＦＳＰツール
２１２ ピン
２１４ 肩部
２１６ シャンク
２１８ 回転軸
２２０ ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）
２２２ 第２材料
２２４ 境界
２２６ ＰＣＤ長
２２８ 全長
３０２ ＦＳＰツール
３１２ ピン
３１４ 肩部
３１６ シャンク
３３０ ベース半径
３３２ 全半径
３３４ ピン長
４０２ ＦＳＰツール
４１２ ピン
４１６ シャンク
４１８ 回転軸
４３６ 湾曲部分
４３８ 直線部分
４４０ 角度
４４２ 側壁
４４４ ピン表面構成要素
５０２ ＦＳＰツール
５１２ ピン
５１４ 肩部
５１８ 回転軸
５４２ 側壁
５４６ 肩部表面構成要素
５４８ 作業面
５５０ 最低点
５５２ 作業面輪郭
６０２ ＦＳＰツール
６１２ ピン
６１４ 肩部
６４６ 肩部表面構成要素
６４８ 作業面
６５４ 破損

Claims (20)

1. 摩擦攪拌処理（ＦＳＰ）方法であって
   第１加工物をＦＳＰツールに接触させるステップであって、前記第１加工物は、低融点金属又は低融点合金であり、前記ＦＳＰツールは、ダイヤモンド作業面を有する単体ＦＳＰツールであるステップと、
   界面で前記第１加工物に接触する前記ＦＳＰツールを回転させるステップと、
   前記第１加工物を加熱するために前記界面で熱エネルギーを発生させるステップと、
   前記ＦＳＰツールを用いて前記界面から熱エネルギーを逃がすステップと、
   前記ＦＳＰツールの温度が８００℃未満の状態で前記第１加工物を摩擦攪拌するステップと、を備える、方法。
2. 前記第１加工物が低融点単相合金である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１加工物がアルミニウム又はアルミニウム合金である、請求項１に記載の方法。
4. 第２加工物を前記第１加工物と接触した状態で配置するステップと、前記ＦＳＰツールの温度が８００℃未満の状態で、前記第１加工物を前記第２加工物に摩擦攪拌接合するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１加工物及び第２加工物は、低融点単相合金である、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１加工物及び第２加工物は、アルミニウム又はアルミニウム合金である、請求項４に記載の方法。
7. 前記ＦＳＰツールを回転させるステップにおいて、前記ＦＳＰツールを１０回転／分より大きい回転速度で回転させる、請求項１に記載の方法。
8. 前記単体ＦＳＰツールは、ピンと、シャンクと、肩部とを含み、前記ピンと前記シャンクの少なくとも一部とは、モノリシック多結晶ダイヤモンドである、請求項１に記載の方法。
9. 摩擦攪拌処理装置であって、
   高温高圧プレスにおける単一のプレスプロセスで形成された単体ツールを備え、
   前記単体ツールは、回転軸を有し、少なくとも
   シャンクと、
   前記シャンクと一体的に形成されたピンと、を含み、
   前記ピンと前記シャンクの少なくとも一部とは、多結晶ダイヤモンドを含む、装置。
10. 前記ピンとシャンクと一体的に形成された肩部を更に備え、前記肩部は、多結晶ダイヤモンドを含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記肩部は、その上に配置された１つ以上の肩部表面構成要素を有する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記多結晶ダイヤモンドは、５００ワット／メートル・ケルビンより大きい熱伝導率を有する、請求項９に記載の装置。
13. 前記多結晶ダイヤモンドは、０．１未満の摩擦係数を有する、請求項９に記載の装置。
14. 前記ピン及びシャンクは、多結晶ダイヤモンドよりモノリシックに形成されている、請求項９に記載の装置。
15. 前記ピンは、前記回転軸に対して前記単体ツールの全半径の１／３より大きいベース半径を有する、請求項９に記載の装置。
16. 前記ピンは、先細り状のピンである、請求項１５に記載の装置。
17. 前記ピンは、その上に１つ以上のピン表面構成要素を有する、請求項９に記載の装置。
18. 摩擦攪拌処理装置であって、
    高温高圧プレスにおける単一のプレスプロセスで形成された単体ツールを備え、
    前記単体ツールは、回転軸を有し、少なくとも
    シャンクと、
    前記シャンクと一体的に形成されたピンであって、前記ピン又はシャンクに連結された肩部を有しないピンと、を含み、
    前記ピンと前記シャンクの少なくとも一部とは、多結晶ダイヤモンドを含む、装置。
19. 前記シャンクは、モノリシックＰＣＤより形成されている、請求項１８に記載の装置。
20. 前記ピンは、その上に配置された少なくとも１つのピン表面構成要素を有する先細り状のピンである、請求項１８に記載の装置。