(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-28
(45)【発行日】2024-01-12
(54)【発明の名称】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
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20240104BHJP
【FI】
B23K20/12 344
B23K20/12 320
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2018160482
(22)【出願日】2018-08-29
【審査請求日】2021-08-12
(32)【優先日】2017-08-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】511035487
【氏名又は名称】メガスター・テクノロジーズ・エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100154003
【氏名又は名称】片岡 憲一郎
(72)【発明者】
【氏名】ロドニー デール フレック
(72)【発明者】
【氏名】ラッセル ジェイ スティール
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】特開2006-136945(JP,A)
【文献】特開2000-301361(JP,A)
【文献】特開2004-276054(JP,A)
【文献】特開2002-096183(JP,A)
【文献】特開2017-022425(JP,A)
【文献】国際公開第2017/135401(WO,A1)
【文献】特表2015-515373(JP,A)
【文献】特開平07-299752(JP,A)
【文献】特開2003-326372(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 20/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
摩擦攪拌処理(FSP)方法であって
低融点金属又は低融点合金である第1加工物を、
中実のピンと、中実のシャンクと、肩部とを含むFSPツールに接触させるステップと、
前記第1加工物に接触する前記FSPツール
の前記ピンと前記肩部と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FSPツール
の前記ピンと
前記FSPツールの前記肩部と第1加工物との界面で前記FSPツールを回転させることによって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FSPツールを回転させて前記第1加工物を摩擦攪拌するステップと、を備え、
前記FSPツールは、
ダイヤモンド作業面を有する単体FSPツールであり、前記ピンと、前記シャンクの少なくとも一部分とが、モノリシック多結晶ダイヤモンドである方法。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項8】
前記ピン
と、前記肩部
と、前記シャンクの少なくとも一部
とが、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。
【請求項9】
摩擦攪拌処理装置であって、
回転軸を有する単体ツールを備え、
前記単体ツールは、少なくとも
中実のシャンクと、
前記シャンクと一体的に形成された
中実のピンと、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によりモノリシックに形成されている装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項14】
前記単体ツールは、高温高圧プレスにおける単一プレスプロセスで形成されている請求項9に記載の装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項18】
摩擦攪拌処理装置であって、
回転軸を有する単体ツールを備え、
前記単体ツールは、少なくとも
中実のシャンクと、
肩部と、
前記シャンクと前記肩部とが一体的に形成された
中実のピンと、を含み、
前記ピン、前記シャンク及び前記肩部は、多結晶ダイヤモンドによりモノリシックに形成されている装置。
【請求項19】
前記単体ツールは、高温高圧プレスにおける単一プレスプロセスで形成されている請求項18に記載の装置。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
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。
【0002】
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。
【0003】
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。
【発明の概要】
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】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。
【
図2】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。
【
図3】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。
【
図4】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。
【
図5】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。
【
図6】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。
【
図7】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。
【
図8】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。
【
図9】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。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【符号の説明】
【0048】
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