JP6188789B2 - 少なくとも２つの層を溶接する方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも第１の接合表面において少なくとも２つの層を一体に溶接するための方法に関する。

１９９１年に、Ｔｈｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅは、従来の溶融溶接によって溶接することが困難である金属合金を接合するために、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ、Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）として知られる技術を開発した。ピンを有する回転ツールは接合される必要のある２つのクランプされた個片間の突合せ継手に沿って通過する。回転するピンが２つの個片に侵入し、撹拌される材料（典型的には金属材料）を、溶融させることなく軟化させる。このプロセスは、基材の動的な再結晶化を伴う。ＦＳＷは、固体接合プロセスである。接合する２つの個片の２つの材料はプロセスの間溶融しない。

摩擦撹拌研磨接合（ＦＳＬＷ、Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｌａｐ Ｗｅｌｄｉｎｇ）は、典型的には金属層である少なくとも２つの層を接合することを目的とする場合のＦＳＷの応用である（非特許文献１）。ＦＳＷの場合と同様に、ピンを有する回転ツールが、異なる層の材料を機械的に混合するためのこの技術において使用される。そのため、ＦＳＬＷもまた固体接合技術である。非特許文献２に報告されているように、ＦＳＬＷは、接合される異なる層間の界面に沿ってボイドを発生させるなどのいくつかの欠点を呈する。異なる層間の機械的な混合を可能とするために異なる層に侵入しなければならない回転ツールのピンもまた、プロセスの間に実質的に損傷を受ける。ピンの消耗を防ぐために、ピンのない回転ツールを使用することも可能であるが、その場合には異なる層間の機械的な混合が不十分になり、接合強度が非常に弱くなってしまう。

そのため、Ｚｈａｎｇ Ｇｕｉｆｅｎｇらは非特許文献２において摩擦撹拌ろう接（ＦＳＢ、Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｂｒａｚｉｎｇ）と名付けられたプロセスを提案した。このプロセスにおいて、ピンのない回転ツールが使用され、上層の上面上を通過する。ろう付け層が接合される２つの層の間に配置される。Ｚｎが低融点であるため、ろう付け層として典型的にはＺｎ箔が選択される。Ｚｈａｎｇ Ｇｕｉｆｅｎｇらの文献において、Ｚｎ箔がアルミニウム（Ａｌ）層を鋼鉄層に接合するために使用される。Ａｌ層は上層であり、これは回転ツールがＡｌ層の上面上を通過することを意味する。（ピンのない）回転ツールが上層の上面上に押し付けられて通過され、熱が摩擦によって回転ツールの下で発生する。この熱が、Ｚｎ箔の溶融をもたらし、（この具体例の場合はＡｌ及び鋼鉄の）２つの層を接合することを可能にする。厚さ全体に沿ってＺｎ箔すべてを完全に溶融させるために、Ｚｎ箔の厚さは小さいものでなければならない（通常、約０．１ｍｍ）。Ｚｈａｎｇ Ｇｕｉｆｅｎｇらの文献（例えば図３及び段落ＩＩＩＡ、Ｄ）に示され、説明されるように、回転ツールが上層の上面を通過してＺｎ箔の溶融をもたらすと、Ｚｎの大部分は回転ツールによって外側に絞り出される。

ＦＳＢは、接合する２つの層間にろう付け層の存在を必要とする。このろう付け層は典型的にはＺｎ層である。このことは別の欠点をもたらす。第１に、追加的な材料が必要となるため、コストが増大する。第２に、特に熱処理が、後で多層構造に印加される場合には、ろう付け層の存在が、接合される２つの層への汚染を招く可能性がある。

特許文献１は、熱可塑性ポリマー層を金属層と接合する方法を記載している。これらの２つの部材は重ねられ、回転する摩擦撹拌ツールが金属部材側から押し付けられ、２つの部材が摩擦の熱によって接続される。ポリマーが摩擦熱によって溶融した後、温度が低下するにしたがって樹脂が接合表面に沿って金属部材と融合し、そのため界面接合を形成する。特許文献１の接合方法はいくつかの欠点を呈する。２つの層間の界面接合表面において、２つの層の厚さに沿った特性（熱伝導率や電気抵抗など）が、界面のレベルで鋭い不連続性を呈する。多くの応用例において、厚さ方向に渡る全体的な性能を悪化させることにつながるため、これらの特性の不連続性は望ましいものではない。さらに、２つの層間の明確な界面は２つの層間の接合の機械的な抵抗を弱める。

国際公開第２０１０／０６７７９６号

R.S. Mishraら著、Mater. Sci. Eng. R 50 (2005), 1-78 Zhang Guifengら著、Metall. Mater. Trans. A Vol 42, Isuue 9, pp 2850-2861

２つの層間の接合表面において改善した連続性を得る少なくとも２つの層の接合のための方法を提供することを、本発明の目的とする。この目的を達成するために、発明者は以下の方法を提案する。

少なくとも２つの層を少なくとも第１の接続表面上で一体に溶接するための方法であって、
（ａ）第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１を有する第１の材料の第１の層であって、前記第１の層が前記第１の層の厚さｔ_１によって離隔された上面及び下面を有する、第１の層を提供する段階と、
（ｂ）前記第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１よりも低い第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２を有する第２の材料の第２の層であって、前記第２の層が前記第２の層の厚さｔ_２によって離隔された上面及び下面を有する、第２の層を提供する段階と、
（ｃ）前記第１の層の前記下面が前記第２の層の前記上面に接触し少なくとも部分的に重なり合って界面を形成するように前記第１及び第２の層を積層して積層体を形成する段階と、
（ｄ）前記第１の層の前記上面の少なくとも１つの摩擦部であって、前記摩擦部と合致する前記界面の部分が前記第１の接続表面を画定する前記摩擦部の上に、回転ツールを押し付けて通過させ、摩擦によって前記第１の層の前記上面の少なくとも１つの前記摩擦部の温度を上昇させ、前記第１の接続表面に含まれた前記第２の層の前記上面の少なくとも一部が達する温度が前記第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高くなるように熱を前記第１の層の厚さｔ_１を介して前記第２の層へ伝導させる段階と、
（ｅ）溶融した第２の材料が前記積層体の外へ流れだすのを防ぐための制限手段を提供する段階と、を含む。
本発明の方法は、前記第１の層及び前記第２の層の前記第１の材料及び前記第２の材料が、以下の材料、金属、半金属または半導体から選択されることを特徴とする。

金属、半金属及び半導体という用語は当業者に知られており、電子バンド理論に従って定義可能である。金属は部分的に満たされた伝導バンドＣＢによって特徴づけられ、フェルミレベルにおいて大きな状態密度を有する電子バンド構造を有する。
半金属は、伝導バンドＣＢの底部と価電子バンドＶＢの頂部との間の重なりが小さいことによって特徴づけられる電子バンド構造を有する。半金属はバンドギャップＥ_ｇを有さず、フェルミレベルにおける状態密度は無視できる。半金属においては、伝導バンドＣＢの底部は、一般に価電子バンドＶＢの頂部とは運動量空間の異なる部分（異なるｋベクトル）にある。半金属は両方の種類の電荷キャリア：ホール及び電子を有する。半導体は比較的狭いバンドギャップＥ_ｇによって空の伝導バンドＣＢから隔てられた、０Ｋにおいて満たされた価電子バンドＶＢを有し、Ｅ_ｇは一般に４ｅＶよりも小さい。

第１及び第２の材料が金属、半金属または半導体から選択されるので、本発明に従う方法で、中間相が、第１及び第２の層の間に形成されてそれらを接続する。中間相は固体のままである第１の層と上面の少なくとも一部に沿って溶融した第２の層との間に発生する反応の結果によるものである。第１の層の原子または分子が第２の層の液相内に拡散し、温度が低下すると「化学的な」中間相を形成する。同時にまたは代替的に、結晶が１つの層から界面を横切って成長し、第２の層内に侵入し、そのため「物理的な」中間相を形成する。代替的に、第１及び第２の層の両方の原子または分子が他の層へ拡散して中間相を形成しうる。そのような中間相はそのため第１及び第２の層とは異なる化学的組成及び／またはこれら２つの層とは異なる物理的構成を有することができる。そのため、特許文献１（２つの相のみを含む）の方法で得られた組み合わせとは対照的に、３つの異なる領域を有する組合せが、本発明の方法によって最終的に得られる。１つの領域は第１の層の相に相当し、１つの領域は第２の層の相に相当し、１つの相は中間相に相当する。好適には、これら３つの異なる領域は３つの異なる相である。この中間相は、界面接続で得られるので、鋭い不連続性ではなく、組み合わせの特性の勾配を得ることができる。化学的組成の勾配もまた得ることができる。最終的に、２つの相の間の第１の接続表面における改善された連続性によって、その組み合わせの全体的な性能を向上させる結果が得られる。特に、第１の接続表面の機械的抵抗が、第１及び第２の層の間の中間相の存在のためにより高くなる。

本発明の方法において、第１及び第２の層を接続するためにろう付け層は用いられない。回転ツールによって発生する熱のために、第２の層が溶融して第１の層に溶接することを可能にする。本発明の方法は溶融した第２の材料が積層体の外に流れ出すのを防ぐための制限手段を用いるので、この第２の材料の存在は接続プロセス（または本発明の方法）の最後において維持される。仮に制限手段が用いられない場合、ＦＳＢにおけるＺｎ層の場合のように、第２の層の第２の材料の大部分が接続プロセスの間に外へ絞り出されることとなるであろう。制限手段の使用はまた、異なる層の厚さの高度な制御を可能にする。

本発明の方法は、他の利点も有する。ＦＳＷまたはＦＳＬＷとは対照的に、本発明の方法は回転ツールを第２の層まで貫通させることを必要としない。回転ツール下で摩擦により発生した熱が第１の層の厚さｔ_１を通して第２の層まで伝導によって移送されることを必要とするのみである。そのため、ＦＳＷまたはＦＳＬＷと比較して、あまり洗練されていない回転ツールを本発明の方法に関して使用することができる。回転ツールは本発明の方法ではより単純であるため、この技術はＦＳＷまたはＦＳＬＷよりも安くなる。本発明の方法はまた、回転ツールが第１の層の厚さｔ_１の全体を貫通する必要がないので、ＦＳＷまたはＦＳＬＷと比較して回転ツールに対してより破壊的でない。

好適には、前記制限手段が、前記積層体が嵌め込まれる、側壁を有するキャビティを含む。この好適な実施形態において、積層体（または積層）が配置されるキャビティの側壁は溶融した第２の材料が積層体（または積層）の外に流れ出すのを防ぐ。

好適には、前記制限手段によって、回転ツールが前記第１の層の前記上面の周縁部の少なくとも一部に沿って延在する縁の部分に到達するのを防ぐ。この好適な実施形態において、回転ツールは第１の上面の周縁部の少なくとも一部をめぐる縁の部分の上に押し付けられ、通過することはない。このことにより、第２の層は厚さｔ_２に対して垂直な平面全体で溶融しない。第２の層の溶融しない部分は溶融した第２の材料が積層体の外に流れ出すのを制限する。より好適には、回転ツールは第１の上面の周縁部全体に渡って押し付けられ、通過することはない。

好適には、前記制限手段が前記第２の層の固体下面を含む。この好適な実施形態において、第２の層の第２の下面が達する温度が第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも低いため、第２の層はその厚さｔ_２の全体に沿って溶融しない。そのような状況はＦＳＢにおいて発生するものとは異なる。従って、この好適な実施形態において、第２の層の溶融しない部分が防ぐため、溶融した第２の材料は積層体の外に流れ出さない。

好適には、前記第１の層及び前記第２の層の前記第１及び第２の材料の少なくとも１つが金属である。そのため、中間金属層は好適には第１及び第２の層の間に形成される。

好適には、前記少なくとも２つの層が金属層である。より好適には、前記第１の材料が鋼鉄であり、前記第２の材料がアルミニウムである。従って、Ｇｕｉｆｅｎｇ Ｚｈａｎｇらの文献に開示されたＦＳＢとは異なり、回転ツールが押し付けられ通過する第１の層はこの好適な実施形態においてはアルミニウムよりもむしろ鋼鉄を含む。

好適には、前記第１の溶融温度と前記第２の溶融温度との比Ｔ_ｍ，１／Ｔ_ｍ，２が１．２より高い。好適には、前記第１の層の厚さｔ_１及び前記第２の層の厚さｔ_２が０．３ｍｍから２ｍｍの間に含まれる。好適には、前記回転ツールが超硬カーバイドを含む材料からなる。好適には、前記回転ツールが１０ｍｍから２０ｍｍの間に含まれる外径を有する円筒形状を有する。好適には、前記回転ツールが、前記第１の層の前記上面の少なくとも１つの前記摩擦部の上を、５０ｍｍ／分から１０００ｍｍ／分の間に含まれる速度で通過する。より好適には、前記回転ツールが、前記第１の層の前記上面の少なくとも１つの前記摩擦部の上を、１００ｍｍ／分から５００ｍｍ／分の間に含まれる速度で通過する。好適には、前記回転ツールが、１分あたり１０００から３０００回転の間に含まれる回転速度を有する。

好適には、
本発明の方法がさらに、前記段階（ｂ）と（ｃ）との間に、前記第２の層の前記第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高い第３の溶融温度Ｔ_ｍ，３を有する第３の材料の第３の層であって、上面及び下面を有する、第３の層を提供する段階を含み、
前記段階（ｃ）において、前記積層体が前記第３の層をさらに含み、前記第３の層の前記上面が前記第１の接続表面と合致する前記第２の層の前記下面の一部と接触し少なくともその部分を覆い、
前記段階（ｄ）において、前記回転ツールが、前記第２の層の前記下面の温度を、その前記第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高い値まで上昇させる。本発明の方法のこの好適な態様は、２つより多い層の溶接を可能とする。この場合、第２の層の少なくとも一部が厚さｔ_２の全体に渡って溶融する。この好適な実施形態において、制限手段は好適には固体の状態を維持する第３の層を含む。

好適には、前記第３の材料がバナジウムである。好適には、前記第３の材料が鋼鉄である。

本発明のこれら及びさらなる態様は例として、以下の添付した図面を参照してより詳細に説明される。

第１の層の上面上に押し付けられ通過する回転ツールと共に、２つの層の積層体を概略的に示す。 回転ツールが第１の層の上面上に押し付けられたときの、図１の２つの層の厚さに沿って回転ツールの下部に誘導される温度のプロファイルの例を概略的に示す。 第１の層が第２の層全体に重ならない構成の例を示す。 第１の層の上面に対してどのように回転ツールが位置することができるかを概略的に示す。 少なくとも２つの層を含む積層体が嵌め込まれて配置された側壁を有するキャビティを概略的に示す。 マスクによって覆われた第１の層の上面を概略的に示す。 第２の層の下面が固体である場合の２つの層の積層体を概略的に示す。 本発明の方法に従って溶接された２つの層の微細構造の像を示す。 本発明の方法に従って溶接された２つの層の微細構造の像を示す。 ３つの層の積層体を概略的に示す。 本発明の方法に従って溶接された３つの層の微細構造の像を示す。

図はスケールどおりに図示されていない。一般的に、同一の構成要素は図面の中で同一の参照符号によって表される。

本発明の方法は、２つの異なる材料の少なくとも２つの層を接合するための溶接方法である。従って、これはろう付け法でもはんだ付け法でもない。一般的に、当業者は充填金属またははんだを溶融し、２つの層間の界面に流し込むことによって少なくとも２つの層（同一の材料を含むことができ、含まなくてもよい）を接合するための技術をはんだ付け法と呼ぶ。充填金属またははんだは、接合する２つの層よりも低い溶融温度を有する。そのため、はんだ付けは、充填金属またははんだが冷却されると、２つの層間に固体接合を得ることができ、熱接着材プロセスのようである。ろう付け技術は、はんだ付けの特殊な場合であり、典型的には、接合する２つの層間に強い接合を得ることができるようにはんだを溶融するために比較的高温を必要とするはんだ付け法に該当する。ろう付け材料の例は、大気圧で約４２０℃で溶融するＺｎである。

図１は本発明の方法がどのように実施されるかを、２次元図に沿って概略的に示している。まず、溶接する少なくとも２つの層が提供される。図１の場合には、第１の層２０及び第２の層３０が接続されまたは溶接されるものと仮定される。第１の層２０（第２の層３０）は第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１（第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２）を有する第１の材料（第２の材料）を含む。第２の材料の第２の溶融温度は、第１の材料の第１の溶融温度よりも低く、Ｔ_ｍ，１＞Ｔ_ｍ，２である。「溶融温度」との用語は、当業者に知られている。第１の層２０及び第２の層３０の第１及び第２の材料は、以下の材料から選択される。金属、半金属または半導体である。第１の層２０は第１の層２０の厚さｔ_１で離隔された上面２０ｕ及び下面２０ｂを有する。第２の層３０は、第２の層３０の厚さｔ_２で離隔された上面３０ｕ及び下面３０ｂを有する。

図１に示されるように、積層体５０（または積層）は、第１の層２０の下面２０ｂが第２の層３０の上面３０ｕと接触し、少なくとも部分的に重なるようにして、第１及び第２の層（２０、３０）を積層することによって形成されなければならない。第１の層２０の第２の層３０への重なりは、界面１７を画定する。図１において、第１の層２０の下面２０ｂは第２の層３０の上面３０ｕと完全に重なるものと仮定される。しかしながら、本発明の方法に関してこれは必須ではない。図３は、本発明の方法を実施するために形成される積層体５０の他の例を示している。この例において、第１の層２０の下面２０ｂは、第２の層３０の上面３０ｕと完全には重なっていない。この場合、界面１７は、第１の層２０の下面２０ｂ及び第２の層３０の上面３０ｕの面積よりも小さな面積を有する。第１の層２０の下面２０ｂ、第２の層３０の上面３０ｕ、及び界面１７は、平面であっても、平滑であっても粗面であってもよい。実際には、これらの表面の具体的な形状は、本発明の方法を実施するにあたって必須ではない。

回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの少なくとも摩擦部１５上に押し付けられ、通過する。積層体５０は好適には、回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの少なくとも摩擦部１５上に押し付けられ、通過する際には、受け板に強固にクランプされる。図３に示されるように、摩擦部１５と合致する界面１７の部分は、少なくとも２つの層（２０、３０）が溶接されまたは接続される第１の接続表面１０を画定する。「合致する」という用語は、回転ツール７０が通過する第１の層２０の上面２０ｕの摩擦部１５が、第１の層２０の上面２０ｕ上への第１の接続表面１０の正射影を含むことを意味する。図１において、第１の接続表面１０は界面１７と等価である。図３において、第１の接続表面１０は界面１７よりも小さい。

図２は、回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕに押し付けられたときの、積層体５０の厚さ（ｔ_１＋ｔ_２）に沿い、回転ツール７０の下に誘導可能である異なる温度プロファイルを示している。回転ツール７０の回転及び通過のために、摩擦部１５の温度は摩擦によって上昇する。発生する熱は第１の層２０の厚さｔ_１を通って第２の層３０へ移送される。本発明の方法に関して、第２の層３０の上面３０ｕの少なくとも一部が到達する温度は、摩擦部１５に沿った回転ツール７０の通過のために、第２の層３０（または第２の材料）の第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高くなければならない。Ｔ_ｍ，２よりも高い温度に到達しなければならない第２の層３０の上面３０ｕの少なくとも一部は、第１の接続表面１０内に含まれる。従って、第２の材料の液相が、第１の接続表面１０に含まれる第２の層３０の上面３０ｕの一部に形成される。図２において、温度プロファイル１３０は、第２の層３０の上面３０ｕの一部がＴ_ｍ，２よりも高い温度に到達する状況に対応してはいない。しかしながら、温度プロファイル１２０、１１０及び１００は、第２の層３０の上面３０ｕの一部において第２の材料の液相を得ることを可能にする。特に、第２の層３０の上面３０ｕの少なくとも一部は、これらの場合においてＴ_ｍ，２よりも高い温度に到達する。そのため、そのような温度プロファイルは、本発明の方法が実施される場合には通常の条件に対応する。温度プロファイル１００は、第２の層３０がその全体の厚さｔ_２に渡って溶融される状況に対応する。この場合には、第２の層３０の下面３０ｂの少なくとも一部はＴ_ｍ，２よりも高い温度に到達する。Ｔ_ｍ，２よりも高い温度に到達した第２の層３０の上面３０ｕの部分がこの温度Ｔ_ｍ，２よりも低い温度まで冷却すると、２つの層（２０、３０）は溶接され、中間相が第１の層２０と第２の層３０との間に形成される。中間相は、固体のままである第１の層２０と第２の層３の上面３０ｕの少なくとも一部において溶融した第２の層３０との間で発生する反応の結果生成する。第１の層２０の原子または分子は第２の層３０の液相内に拡散し、温度が低下すると「化学的な」中間相を形成する。同時にまたは代替的に、結晶が一方の層から界面を横切り第２の層に侵入して成長し、「物理的な」中間相を形成しうる。代替的に、第１の層２０及び第２の層３０の両方の原子または分子が他方の層に拡散して中間相を形成する。そのため、そのような中間相は第１の層２０及び第２の層３０とは異なる化学的組成及び／またはこれら２つの層（２０、３０）とは異なる物理的構成を有することができる。

抑制手段が、第２の層３０の溶融した第２の材料が積層体５０の外に流れ出すのを防ぐことを可能にする。抑制手段の異なる例が以下に挙げられる。そのため、ＦＳＢ技術とは対照的に、溶融した層は接続する層の１つである。ＦＳＢ技術においては、溶融する層ははんだとして働くのみであり、接続プロセスの間に絞り出される。

第１の層２０の上面２０ｕの少なくとも摩擦部１５の上に押し付けられ、通過する回転ツール７０は、第１の層２０の上面２０ｕに対して垂直である軸に対して角度αだけ傾けることができる。これは、図４に示されている。好適には、角度αは０°から５°の間であり、より好適には０．５°から１°の間である。第１の層２０の上面２０ｕに対して垂直な軸に対して回転ツール７０を傾けると、このツール７０と第１の層２０の上面２０ｕとの間の良好な機械的接触が確実になる。さらに、回転ツール７０の傾斜によって、その後ろにより平滑な表面を得ることが可能となる。

第１の層２０の上面２０ｕに対する回転ツール７０の距離（図４におけるパラメータｚ）は、力（圧力）または位置制御によって調整可能である。力によって制御する場合、回転ツール７０を保持する機械は自動的にその位置を第１の層２０の上面２０ｕに印加される圧力を一定に保つように調整する。位置制御を用いる場合、回転ツール７０の位置は命令に従うが、第１の層２０の上面２０ｕ上に回転ツール７０によって印加される圧力は変化しうる。図４におけるパラメータｚは当業者には一般的に「プランジ」と呼ばれる。好適には、プランジｚは摩擦により十分な熱を発生させるために負である。負のプランジｚは、回転ツール７０が第１の層２０に侵入することを意味する。好適には、プランジｚは−０．７ｍｍから０ｍｍの間に含まれ、より好適には−０．５５ｍｍに等しい。さらにより好適には、ｚは−０．２ｍｍから０ｍｍの間に含まれ、さらにより好適には−０．０８ｍｍから−０．０１ｍｍの間に含まれる。回転ツール７０は様々な形状を有することができる。好適には、円筒形状を有する。

図５は、溶融した第２の材料が積層体５０の外に流れ出すことを防ぐための制限手段の一例を示している。この例において、この制限手段は積層体５０が嵌め込まれる、側壁９５を有するキャビティ９０を含む。そのため、回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの少なくとも摩擦部１５上に押し付けられ、その上を通過する際に、溶融した第２の材料は側壁９５のために積層体５０内に留められる。

図６は、溶融した第２の材料が積層体５０から流れ出すことを防ぐための制限手段の別の例を示している。この場合には、マスク２００が第１の層２０の上面２０ｕの上部に配置され、回転ツール７０は第１の層２０の上面２０ｕの周縁部２０ｐに沿って延設する縁の部分に到達することができない。従って、この場合回転ツール７０は図６の斜線を引かれた表面上に押し付けられ、通過する。回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの周縁部２０ｐに到達しないので、第１の材料の領域は、積層体５０の境界に近い部分で固体のままである部分があり、溶融した第２の材料が積層体５０から流れ出すのを防ぐ。代替的に、コンピュータまたは中央処理ユニット（ＣＰＵ）によって制御される手段によって、回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの周縁部２０ｐに沿って延設する縁の部分に到達するのを防ぐことができる。

図７は、溶融した第２の材料が積層体５０の外に流れ出すのを防ぐための制限手段の別の例を示している。この場合、第２の層３０の下面３０ｂは固体のままである。そのため、第２の層３０の下面３０ｂが到達する温度はＴ_ｍ，２よりも低い。この固体表面によって、溶融した第２の材料が積層体５０の外に流れ出すのを防ぐことが可能となる。本発明の方法のこの好適な実施形態において、第２の層３０は図７に示されるように液体領域３１及び固体領域３２を含む。図５から７に示された制限手段の３つの例のそれぞれはたがいに組み合わされてもよい。そのため、積層体５０を側壁９５を有するキャビティ内に配置し、第１の層２０の上面２０ｕ上にマスク２００を提供することができる。代替的に、図６のマスク２００を使用し、第２の層３０の下面３０ｂが固体のままであるように実験パラメータを選択することもできる。

好適には、２つの層（２０、３０）は２つの金属層である。これは、第１の層２０及び第２の層３０が好適には金属材料を含むことを意味する。より好適には、第１の層２０の第１の材料は鋼鉄であり第２の層３０の第２の材料はアルミニウムである。そのような場合には、第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１は典型的には１３００℃から１４００℃の間に含まれ、その一方第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２は約６６０℃またはそれ未満であることができる。好適には、第１の層２０の第１の材料は２０℃において１Ｗ／（ｍ＊Ｋ）より高く、より好適には１０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも高い熱伝導率を有する。

好適には、第１の材料の第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１はＴ_ｍ，２＋５０℃よりも高く、Ｔ_ｍ，２は第２の層３０の第２の材料の第２の溶融温度である。より好適には、比Ｔ_ｍ，１／Ｔ_ｍ，２は１．２よりも高く、より好適には１．５よりも高い。

好適には、第１の層２０の厚さｔ_１及び第２の層３０の厚さｔ_２は０．１から５ｍｍの間に含まれ、より好適には０．３から２ｍｍの間に含まれる。さらにより好適には、ｔ_１およびｔ_２は０．６から１．４ｍｍの間に含まれる。しかしながら、厚さｔ_１及びｔ_２の他の値も使用可能である。特に、厚さｔ_２のどのような値も使用可能である。

好適には、回転ツール７０は超硬カーバイドまたはタングステンカーバイドを含む材料からなる。好適には、回転ツール７０は１０から２０ｍｍの間、より好適には１２から１６ｍｍの間に含まれる外径を有する円筒形状を有する。

好適には、回転ツール７０は第１の層２０の上面２０ｕの少なくとも１つの摩擦部１５の上を、５０ｍｍ／分から１０００ｍｍ／分の間、より好適には１００ｍｍ／分から５００ｍｍ／分の間に含まれる速度で通過する。５００ｍｍ／分よりも高い速度（より好適には１０００ｍｍ／分に等しい通過速度）を用いることによって中間相の品質を向上させることができる。さらに、より小さい厚さを有する中間相を得ることができる。中間金属層２２０が第１の層２０と第２の層３０との間に形成されると、その厚さは５００ｍｍ／分から１０００ｍｍ／分の間に含まれる回転ツール７０の通過速度を用いることによって、その厚さが低減される。さらにより好適には、この通過速度は２００ｍｍ／分から４００ｍｍ／分の間に含まれ、さらにより好適には３００ｍｍ／分に等しい。第１の層２０の上面２０ｕの摩擦部１５上の回転ツール７０の通過速度が増加すると、第１の層２０内に誘導される温度上昇が低下する。

好適には、回転ツール７０の回転速度は１分あたり１０００から４０００回転の間、より好適には１分あたり２０００から３０００回転の間に含まれ、さらにより好適には１分あたり２５００回転に等しい。

好適には、第１の層２０及び第２の層３０の第１の材料及び第２の材料の以下の組み合わせが用いられる。
ＵＬＣ鋼（第１の層２０）とＡｌ２０２４（第２の層３０）、
ＵＬＣ鋼（第１の層２０）とＡｌ６０６１（第２の層３０）
ＦｅＶ（Ｖが３３原子パーセント）−Ａｌ。

第１の層２０及び第２の層３０は、好適には本発明の方法を実施する前に表面処理にかけられる。より好適には、これらの層（２０、３０）の少なくとも１つは、電気めっきされた鋼鉄または陽極処理されたアルミニウムであることができる。

本発明の方法で２つの層を溶接するいくつかの例がこれから提示される。これらの例に関して、上側の層２０はＵＬＣ（超低炭素）鋼を含み、第２の層３０は高純度のアルミニウム（アルミニウム１０５０、純度９９．５％）を含む。第１の層２０の厚さｔ_１は０．８ｍｍに等しくその一方第２の層３０の厚さｔ_２は０．６ｍｍに等しい。第１の層２０及び第２の層３０を含む積層体５０は受け板に強固にクランプされた。この場合、第２の層３０は厚さｔ_２の全体に渡っては溶融しなかった。そのため、制限手段はこの場合には第２の層３０の固体下面３０ｂを含む。回転ツール７０は、タングステンカーバイドを含み、１６ｍｍに等しい外径を有する円筒であった。回転ツール７０の回転速度は１分あたり２０００回転に等しかった。回転ツール７０は、第１の層２０の上面２０ｕに対して垂直な軸に対して０．５°に等しい角度αで第１の鋼鉄の層２０の上面２０ｕ上を通過した。（どのように角度αが定義されるかについては図４を参照のこと）。

図８及び９は、本発明の方法に従って溶接された２つの層の微細構造の画像を示している。これらの例に関して、溶接プロセスの間積層体の厚さ（ｔ_１＋ｔ_２）に沿って導入された温度プロファイルは曲線１２０または１１０に対応する。図８及び９の画像は、後方散乱電子（ＢＳＥ）を検出するＳＥＭ（走査電子顕微鏡）技術によって得られた。このような技術は当業者に既知である。重元素（高原子番号）後方散乱電子は軽元素（低原子番号）よりも強く、そのため画像内ではより明るく見える。図８及び９に見られ、溶接された２つの層は、前述の段落に詳細に説明された特性を有する。図８（図９）は、第１の層２０の上面２０ｕ上の回転ツール７０の通過速度が２００ｍｍ／分（４００ｍｍ／分）に等しい場合に対応する。その他の実験パラメータは前述の段落に詳細に説明された。第２のアルミニウム層３０の固体化部２１０の構造が図８及び９の両方に、第１の鋼鉄層２０との界面の隣（第２のアルミニウム層３０の右側の部分）に観察できる。そのため、アルミニウムはこの領域２１０で溶融したものである。両方の場合（図８及び９）において、Ｆｅ及びＡｌを含む中間金属層２２０が２つの層（２０、３０）の間の境界の隣に形成される。そのような中間金属層２２０は、アルミニウムと鋼鉄との間の化学反応が発生して第２の層３０のアルミニウムが溶融したことを示している。回転ツール７０の通過速度が２００ｍｍ／分に等しい場合（図８の場合）、中間金属層２２０は約６μｍの厚さを有する。回転ツール７０の通過速度が４００ｍｍ／分に等しい場合（図９の場合）、中間金属層２２０は約３μｍの厚さを有する。図８及び９の場合の間の中間金属層２２０の厚さのこの違いは、第１の層２０の上面２０ｕ上の回転ツール７０の通過速度の値が異なるためである。回転ツール７０下であって第２の層３０の温度上昇は、この回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの上をより小さな通過速度で通過するときに、より高くなる。好適には、本発明の方法で第１の層２０と第２の層３０との間に形成される中間金属層２２０の厚さは、０．５から１．５μｍの間に含まれる。図８及び９に示される例において、中間金属層２２０は、第１の層２０と第２の層３０との間の中間相である。

他の好適な実施形態において、本発明の方法は３つの層を溶接するために使用される（図１０を参照）。この場合、第３の材料の第３の層４０が提供される。この第３の材料は、第２の層３０の第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高い第３の溶融温度Ｔ_ｍ，３を有する。図１０に示されるように、この時形成される積層体５０は３つの層（２０、３０、４０）を含む。第３の層４０の上面４０ｕは、第１の接合表面１０と合致する第２の層３０の下面３０ｂの部分と接触し少なくともその部分を覆う。図１０において、第１の接続表面１０は第１の層２０の下面２０ｂ全体を含む（または等価には摩擦部１５が第１の層２０の上面２０ｕの全体を含む）。しかしながら、図３で説明されたようにこれは本発明の方法に関して必須ではない。３つの層を溶接するための発明の方法の好適な実施形態において、第１の層２０の上面２０ｕの少なくとも摩擦部１５の上に押し付けられ通過する回転ツール７０は、第２の層３０の下面３０ｂの温度を第２の層３０の第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高い値まで上昇させる。そのため、第２の層３０は、この場合にはその厚さｔ_２の全体に渡って溶融する。上で例示された制限手段によって、溶融した第２の材料が積層体５０の外に流れ出すのを防ぐことができる。本発明の方法が３つの層を溶接するために使用される場合、第２の層３０の厚さｔ_２は好適には０．１ｍｍから３０ｍｍの間、より好適には０．５ｍｍから２０ｍｍの間に含まれる。本発明の方法が３つの層を溶接するために使用される場合、第１の層２０の熱伝導率は好適には２０℃において１Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも高く、より好適には２０℃において１０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも高く、さらにより好適には２０℃において１００Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも高い。本発明の方法が３つの相を溶接するために使用される場合、第２の層の熱伝導率は好適には２０℃において１Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも高く、より好適には２０℃において１０Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも高く、さらにより好適には１００Ｗ／（ｍ＊Ｋ）よりも高い。第３の層４０に関してどのような材料も使用可能である。好適には、第３の層４０の材料は以下の材料、セラミック、ポリマー、金属、半金属または半導体から選択される。

好適には、図１０の第３の層４０の第３の材料はバナジウムである。より好適には、第３の材料は鋼鉄である。

図１１は、本発明の方法がこのような３つの層の溶接に関して使用される場合の、３つの層（２０、３０、４０）の微細構造の画像を示している。これらの画像は、ＢＳＥを用いたＳＥＭ技術によって得られた。この例において、第１の層２０はＵＬＣ鋼を含み、第２の層３０はアルミニウムを含み、第３の層４０はバナジウム（純度９９．８％）を含む。図１１の左側の部分は第３の層４０及び第２の層３０の一部を示しており、その一方図１１の右側の部分は第２の層３０及び第１の層２０の一部を示している。第２の層２０の厚さｔ_１は０．８ｍｍに等しく、第２の層３０の厚さｔ_２は０．６ｍｍに等しく、第３の層４０の厚さｔ_３は０．５ｍｍに等しい。３つの層（２０、３０、４０）の全ては長さ２００ｍｍであり大きさ６０ｍｍである。そのような３つの層（２０、３０、４０）の溶接に関して、回転ツール７０は第１の層２０の上面２０ｕの全体に渡って通過しなかった。そのため、この場合の制限手段は、回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの周縁部２０ｐに沿って延在する縁の部分に到達するのを防ぐ手段（及びより正確には受け板上に積層体５０を保持するためのクランプシステム）に対応する。

図１１から、アルミニウムの第２の層３０が厚さｔ_２の全体に渡って溶融したことが分かる。異なる層間の材料の間の化学的親和性が各層（２０、３０、４０）間の中間金属層２２０の厚さに強く影響することもわかる。第３の層４０と第２の層３０との間の中間金属層２２０の厚さは約１μｍである一方で、第２の層３０と第１の層２０との間の中間金属層２２０の厚さは約５０μｍである。

本発明は具体的な実施形態に関して説明されたが、これらは本発明を例示するものであり、限定するものとして解釈されるべきではない。より一般的には、本発明は本明細書において具体的に示され及び／または説明されたものによって限定されないことを、当業者であれば理解するであろう。特許請求の範囲における参照符号は保護範囲を制限するものではない。「備える」、「含む」、「からなる」との用語またはその他の変形例の使用は、そのそれぞれの活用形とともに、言及されたもの以外の要素の存在を排除するものではない。要素に先立つ「１つの」または「この」との記載の使用は、そのような要素が複数存在することを排除しない。

結論として、本発明は、以下のように説明されうる。本発明の方法は第１の層２０と第２の層３０とを一体に溶接するための方法に関する。第２の層３０の第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２は第１の層２０の第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１よりも低い。第２の層３０の上部に第１の層２０を配置することによって積層体５０を形成した後、回転ツール７０が第１の層２０の上面２０ｕの少なくとも摩擦部１５上に押し付けられて通過し、第２の層３０の上面３０ｕの少なくとも一部が到達する温度は第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高い。制限手段は、溶融した第２の材料が積層体５０の外に流れ出すのを防ぐことができる。第１の層２０及び第２の層３０の材料は、以下の材料、金属、半金属及び半導体から選択される。第１の層２０及び第２の層３０の少なくとも１つは金属であることが好適である。より好適には両方の層（２０、３０）が金属である。特に、第１の層２０及び第２の層３０は好適にはアルミニウム、鋼鉄、銅、バナジウムからなることができる。

１０ 第１の接続表面
１５ 摩擦部
１７ 界面
２０ 第１の層
２０ｕ 上面
２０ｂ 下面
３０ 第２の層
３０ｕ 上面
３０ｂ 下面
４０ 第３の層
５０ 積層体
７０ 回転ツール
１００、１１０、１２０、１３０ 温度プロファイル
９０ キャビティ
９５ 側壁
２００ マスク
２２０ 中間金属層

Claims (18)

1. 少なくとも２つの層を少なくとも第１の接続表面（１０）上で一体に溶接するための方法であって、
   （ａ）第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１を有する第１の材料の第１の層（２０）であって、前記第１の層（２０）が前記第１の層（２０）の厚さｔ_１によって離隔された上面（２０ｕ）及び下面（２０ｂ）を有する、第１の層（２０）を提供する段階と、
   （ｂ）前記第１の溶融温度Ｔ_ｍ，１よりも低い第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２を有する第２の材料の第２の層（３０）であって、前記第２の層（３０）が前記第２の層（３０）の厚さｔ_２によって離隔された上面（３０ｕ）及び下面（３０ｂ）を有する、第２の層（３０）を提供する段階と、
   （ｃ）前記第１の層（２０）の前記下面（２０ｂ）が前記第２の層（３０）の前記上面（３０ｕ）に接触し少なくとも部分的に重なり合って界面（１７）を形成するように前記第１及び第２の層（２０、３０）を積層して積層体（５０）を形成する段階と、
   （ｄ）前記第１の層（２０）の前記上面（２０ｕ）の少なくとも１つの摩擦部（１５）であって、前記摩擦部（１５）と合致する前記界面（１７）の部分が前記第１の接続表面（１０）を画定する前記摩擦部（１５）の上に、回転ツール（７０）を押し付けて通過させ、摩擦によって前記第１の層（２０）の前記上面（２０ｕ）の少なくとも１つの前記摩擦部（１５）の温度を上昇させ、前記第１の接続表面（１０）に含まれた前記第２の層（３０）の前記上面（３０ｕ）の少なくとも一部が達する温度が前記第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高くなるように熱を前記第１の層（２０）の厚さｔ_１を介して前記第２の層（３０）へ伝導させる段階と、
   （ｅ）溶融した第２の材料が前記積層体（５０）の外へ流れだすのを防ぐための制限手段を提供する段階と、を含み、
   前記第１の層（２０）及び前記第２の層（３０）の前記第１の材料及び前記第２の材料が、以下の材料、金属、半金属または半導体から選択されることを特徴とする、方法。
2. 前記制限手段が、前記積層体（５０）が嵌め込まれる、側壁（９５）を有するキャビティ（９０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記制限手段によって、前記回転ツール（７０）が前記第１の層（２０）の前記上面（２０ｕ）の周縁部（２０ｐ）の少なくとも一部に沿って延在する縁の部分に到達するのを防ぐことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記制限手段が前記第２の層（３０）の固体下面（３０ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１の層（２０）と前記第２の層（３０）との間に中間相が形成され、前記中間相が前記第１の層（２０）及び前記第２の層（３０）と異なる化学的組成及び／または前記第１の層（２０）及び前記第２の層（３０）と異なる物理的構成を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１の層（２０）及び前記第２の層（３０）の前記第１及び第２の材料の少なくとも１つが金属であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記少なくとも２つの層が金属層であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第１の層（２０）と前記第２の層（３０）との間に中間金属層（２２０）が形成されることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記第１の材料が鋼鉄であり、前記第２の材料がアルミニウムであることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１の溶融温度と前記第２の溶融温度との比Ｔ_ｍ，１／Ｔ_ｍ，２が１．２より高いことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１の層（２０）の厚さｔ_１及び前記第２の層（２０）の厚さｔ_２が０．３ｍｍから２ｍｍの間に含まれることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記回転ツール（７０）が超硬カーバイドを含む材料からなることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記回転ツール（７０）が１０ｍｍから２０ｍｍの間に含まれる外径を有する円筒形状を有することを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記回転ツール（７０）が、前記第１の層（２０）の前記上面（２０ｕ）の少なくとも１つの前記摩擦部（１５）の上を、５０ｍｍ／分から１０００ｍｍ／分の間、好適には１００ｍｍ／分から５００ｍｍ／分の間に含まれる速度で通過することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記回転ツール（７０）が、１分あたり１０００から３０００回転の間に含まれる回転速度を有することを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記方法がさらに、前記段階（ｂ）と（ｃ）との間に、前記第２の層（３０）の前記第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高い第３の溶融温度Ｔ_ｍ，３を有する第３の材料の第３の層（４０）であって、上面（４０ｕ）及び下面（４０ｂ）を有する、第３の層（４０）を提供する段階をさらに含み、
    前記段階（ｃ）において、前記積層体（５０）が前記第３の層（４０）をさらに含み、前記第３の層（４０）の前記上面（４０ｕ）が前記第１の接続表面（１０）と合致する前記第２の層（３０）の前記下面（３０ｂ）の一部と接触し少なくともその部分を覆い、
    前記段階（ｄ）において、前記回転ツール（７０）が、前記第２の層（３０）の前記下面（３０ｂ）の温度を、その前記第２の溶融温度Ｔ_ｍ，２よりも高い値まで上昇させることを特徴とする、請求項１から３または請求項５から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記第３の材料がバナジウムであることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第３の材料が鋼鉄であることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。

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