(57)【要約】      （修正有）【課題】高価な専用機械を設けることなく、従来の加工機を用いて、摩擦攪拌溶接中に被加工品に付加される力を簡単に制御することができる摩擦攪拌溶接システム、摩擦攪拌溶接アセンブリ、制御装置、およびそのような摩擦攪拌溶接作業を行なう方法を提供する。【解決手段】摩擦攪拌溶接システムは摩擦攪拌溶接工具を被加工品に対して移動させるアクチュエータを有する、例えば、ＣＮＣ加工機からなるＦＳＷ装置を備えている。このシステムはさらに摩擦攪拌溶接装置を制御し、アクチュエータを駆動し、摩擦攪拌溶接工具を移動させる制御装置を備えている。アクチュエータは摩擦攪拌溶接工具が被加工品に摩擦攪拌溶接を行なえるように摩擦攪拌溶接工具を被加工品に対して移動させるように駆動される。制御装置はアクチュエータのトルクを監視し、摩擦拡販溶接装置を制御し、アクチュエータをそのトルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように駆動する。【選択図】図１
2006110548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌溶接工具を被加工品に対して移動させるアクチュエータを備える摩擦攪拌溶接装置と、
前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具が前記被加工品に対して摩擦攪拌溶接作業を行なえるように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させる制御装置と
を備えている摩擦攪拌溶接システムにおいて、
前記制御装置は前記アクチュエータのトルクを監視し、かつ前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように前記アクチュエータを駆動するようになっていることを特徴とする摩擦攪拌溶接システム。
【請求項２】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具をプランジ軸に沿って移動させるプランジアクチュエータであり、
前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記プランジアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記プランジアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが減少する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項３】
前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記プランジアクチュエータを駆動し、前記トルクが増加して前記範囲内に戻るまで、前記摩擦攪拌溶接工具の移動が前記プランジ軸に沿った所定の距離を越えない範囲内において、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させていることを特徴とする請求項２に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項４】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦溶接攪拌工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項５】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌装置を制御し、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌装置を制御し、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項６】
被加工品に対して摩擦攪拌溶接作業を行なう摩擦攪拌溶接工具と、
アクチュエータを備える摩擦攪拌溶接装置と
を備えている摩擦攪拌溶接アセンブリにおいて、
前記摩擦攪拌溶接工具が摩擦攪拌溶接作業を行なうことができるように、前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させるように駆動され、前記アクチュエータのトルクは監視され、かつ前記アクチュエータは前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように駆動されていることを特徴とする摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項７】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具をプランジ軸に沿って移動させるように駆動されるプランジアクチュエータであり、
前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プランジアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動され、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなったとき、前記プランジアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが減少する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動されていることを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項８】
前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記トルクが増加して前記範囲内に戻るまで、前記プランジアクチュエータは、前記摩擦攪拌溶接工具の移動が前記プランジ軸に沿った所定の距離を越えない範囲内において、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動されていることを特徴とする請求項７に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項９】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータは前記摩擦溶接攪拌工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させるように駆動され、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させるように駆動されていることを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項１０】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記スピンドルアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させるべく駆動され、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記スピンドルアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させるべく駆動されていることを特徴とする請求項６に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項１１】
摩擦攪拌溶接工具が被加工品に摩擦攪拌溶接作業を行なえるように、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させるようにアクチュエータを駆動するプロセッサ要素を備えている制御装置において、
前記制御装置は前記アクチュエータのトルクを監視し、かつ前記制御装置は前記トルクをトルク設定値の範囲内に維持するように前記アクチュエータを駆動するようになっていることを特徴とする制御装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具をプランジ軸に沿って移動させるプランジアクチュエータであり、
前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記プランジアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなったとき、前記プロセッサ要素は前記プランジアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが減少する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させていることを特徴とする請求項１１に記載の制御装置。
【請求項１３】
前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記プランジアクチュエータを駆動し、前記トルクが増加して前記範囲内に戻るまで、前記摩擦攪拌溶接工具の移動が前記プランジ軸に沿った所定の距離を越えない範囲内において、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させていることを特徴とする請求項１２に記載の制御装置。
【請求項１４】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦溶接攪拌工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記プロセッサ要素は前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させていることを特徴とする請求項１１に記載の制御装置。
【請求項１５】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記プロセッサ要素は前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させていることを特徴とする請求項１１に記載の制御装置。
【請求項１６】
被加工品を摩擦攪拌溶接する方法において、
アクチュエータを駆動し、摩擦攪拌溶接工具が被加工品に対して摩擦攪拌溶接を行なえるように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させる段階と、
前記アクチュエータのトルクを監視する段階と、
前記アクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を駆動している間、前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように前記トルクを制御する段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具をプランジ軸に沿って移動させるプランジアクチュエータであり、
前記トルクを制御する段階は、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プランジアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなったとき、前記プランジアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品内への押し込みが減少する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることによって、前記プランジアクチュエータのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記トルクを制御する段階は、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プランジアクチュエータを駆動し、前記トルクが増加して前記範囲内に戻るまで、前記摩擦攪拌溶接工具の移動が前記プランジ軸に沿った所定の距離を越えない範囲内において、前記摩擦攪拌溶接工具の前記被加工品への押し込みが増加する方向に前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることによって、前記プランジアクチュエータのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記トルクを制御する段階は、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦溶接攪拌工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させることによって、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させることによって、前記スピンドルアクチュエータのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦攪拌溶接を行なうシステムおよび方法に関し、さらに詳細には摩擦攪拌溶接作業を行なうのに用いる機器を制御するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌溶接は、２つの被加工品を接合するのに回転工具を用いる比較的新しいプロセスである。例えば、このようなプロセスは、トーマスらに付与された米国特許第５，４６０，３１７号に記載されている。この特許はその全体を引例することによって本明細書の一部をなすものとする。２つの被加工品を接合するかまたは単一の被加工品の亀裂を補修するのに摩擦攪拌溶接を用いる場合、監視かつ制御の必要のある主要なパラメータの１つは典型的には工具によって複数または１つの被加工品に付加される力である。被加工品を摩擦加熱させるために、工具によって付加される力の大きさは所定の最小値よりも大きな値に維持される必要がある。２つの被加工品を直線状に接合する場合、典型的には、工具を摩擦攪拌溶接機によって摩擦加熱を生じる力を生成するのに必要な深さまで押し込め、この力が生じたら、十分にその力が維持されるように連続的に力を監視する必要がある。
【０００３】
摩擦攪拌溶接を行なう従来のシステムは、被加工品同士を十分に接合するかまたは単一の被加工品の亀裂を十分に補修するように構成されているが、いくつかの欠点を有している。すなわち、従来のシステムは典型的には摩擦攪拌溶接を行なうための高価な専用の機械装置によって構成されている。さらに詳述すると、工具によって１つまたは複数の被加工品に付加される力は、典型的には摩擦攪拌溶接中に監視かつ制御される必要のある主要なパラメータの１つであるが、摩擦攪拌溶接を行なう従来のシステムは典型的にはそのような力を測定する専用の手段を必要とする。例えば、従来のシステムは、典型的には工具によって１つまたは複数の被加工品に付加される力を測定するために歪ゲージ式ロードセル、圧電式ロードセル、動力計、空気圧式ロードセル、および／または流体式ロードセルのような装置を必要とする。あるいは、力を測定するためのこのような専用の手段が設けられていない場合、従来システムは、工具によって１つまたは複数の被加工品に付加される力を制御するための位置制御が必要である。すなわち、このような後者の従来システムは、１つまたは複数の被加工品に対する工具の位置を制御して、適切な力を確実に工具に付加させるような手段が必要である。
【０００４】
前述の欠点に加えて、このような従来システムは、典型的には摩擦攪拌溶接作業を行なうための高価な専用機械を備えているが、これらの機械装置は摩擦攪拌溶接のみにしか用いられないので、１つの摩擦攪拌溶接作業と次の摩擦攪拌溶接作業との間の休止時間が長くなる傾向にあり、その結果、さらに製造効率を低下させ、製造に用いられる機械類の汎用性を低減させるという欠点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、高価な専用機械を用いることなく、従来の加工機を用いて、摩擦攪拌溶接中に被加工品に付加される力を簡単に制御することができる摩擦攪拌溶接システム、摩擦攪拌溶接アセンブリ、制御装置、およびそのような摩擦攪拌溶接作業を行なう方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を解決するために、本発明によれば、摩擦攪拌溶接工具を被加工品の所定の深さに押し込めるために工具によって付加される力、工具が溶接パスに沿って走行する速度、および／または工具の回転速度を被加工品に対して工具を移動させる種々のアクチュエータ（例えば、モータ）のトルクに基づいて間接的に制御するように構成されている。アクチュエータのトルクを制御することによって、高価な専用の機械装置を用いずに、摩擦攪拌溶接作業を行なうことができるという利点がある。さらに詳細には、本発明によれば、力を測定する専用の手段は設けられていないが、通常の機械加工向けの位置制御能力を有しているコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）加工機を摩擦攪拌装置として利用することにより、工具にて付加される力を制御することができる。
【０００７】
本発明の一態様によれば、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）システムが提供されることになる。このＦＳＷシステムは、ＦＳＷ工具を被加工品に対して移動させるアクチュエータを有するＦＳＷ装置を備えている。本システムはさらに、ＦＳＷ装置を制御し、アクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具を被加工品に対して移動させることができる制御装置を備えている。アクチュエータは、ＦＳＷ工具が被加工品に対して摩擦攪拌溶接作業を行なうことができるように駆動されるようになっている。このようなシステムにおいて、好ましくは、制御装置はアクチュエータのトルクを監視し、かつ制御装置は摩擦攪拌溶接装置を制御し、アクチュエータのトルクがトルク設定値の範囲内に維持されるようにアクチュエータを駆動するようになっている。
【０００８】
さらに、アクチュエータはプランジアクチュエータ、少なくとも１つの溶接アクチュエータ、およびスピンドルアクチュエータのいずれかまたは２つ以上から構成されているとよい。プランジアクチュエータはＦＳＷ工具をプランジ軸に沿って移動させることができ、溶接アクチュエータはＦＳＷ工具を溶接パスに沿って移動させることができ、スピンドルアクチュエータはＦＳＷ工具を被加工品に対して回転させることができるようになっている。従って、プランジアクチュエータのトルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、プランジアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具の被加工品内への押し込みが増加する方向にＦＳＷ工具を移動させることが可能である。一方、プランジアクチュエータのトルクがプランジトルク設定値の範囲よりも大きくなったとき、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、プランジアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具の被加工品内への押し込みが減少する方向にＦＳＷ工具を移動させることが可能である。この場合、被加工品内へのＦＳＷ工具の過剰の押し込みを防ぐために、プランジアクチュエータのトルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなったときに、プランジアクチュエータを駆動し、プランジアクチュエータのトルクが増加して範囲内に戻るまで、ＦＳＷ工具の移動がプランジ軸に沿った所定の距離を越えない範囲内において、ＦＳＷ工具の被加工品への押し込みが増加する方向にＦＳＷ工具を移動させるとよい。
【０００９】
上記の構成に加えてまたは上記の構成に代えて、１つまたは複数の溶接アクチュエータの各々がその溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったときに、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、溶接アクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具を溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させるように構成されているとよい。あるいは、１つまたは複数の溶接アクチュエータの各々がその溶接トルク設定値の範囲よりも大きくなったときに、制御装置はＦＳＷ装置を制御して、溶接アクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具を溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させるように構成されているとよい。
【００１０】
さらに、上記の構成に加えてまたは上記の構成に代えて、スピンドルアクチュエータのトルクがスピンドルトルク設定値の範囲よりも小さくなったときに、制御装置はＦＳＷ装置を制御して、スピンドルアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具を被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させるべく構成されているとよい。あるいは、スピンドルアクチュエータのトルクがスピンドルトルク設定値の範囲よりも大きくなったときに、制御装置はＦＳＷ装置を制御して、スピンドルアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具を被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させるべく構成されているとよい。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、摩擦攪拌溶接アセンブリ、制御装置、および摩擦攪拌溶接作業を行なう方法が提供されることになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は以上のように構成されているので、プランジアクチュエータのトルクをＦＳＷ（摩擦攪拌溶接）工具によってプランジ軸に沿って被加工品に付加される力と相互に関連させ、溶接アクチュエータのトルクをＦＳＷ工具によって溶接パスに沿って被加工品に付加される力と相互に関連させ、および／またはスピンドルアクチュエータのトルクをＦＳＷ工具によって被加工品に付加される回転力と相互に関連させることによって、ＦＳＷ装置を通常のＣＮＣ加工機によって構成することができ、摩擦攪拌溶接作業のみならずそれ以外の操作、例えば、部品の機械加工のような操作を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を一般的な用語を用いて説明したが、添付の図面を参照することによって、本発明はさらに明らかになるであろう。なお、図面は必ずしも一定の尺度に基づいて描かれてはいない。
以下、好適な実施形態が示されている添付の図面に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は多くの異なる形態で実施可能であり、ここに述べる実施形態に制限されると解釈されるべきではない。これらの実施形態はその開示内容を明確かつ完全なものとし、当業者に本発明の範囲を十分に理解せしめるためになされたものである。なお、全ての図面を通して同一の参照番号は同一の構成要素を示すものとする。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態によって被加工品１６を摩擦攪拌溶接するためのシステム１０を示している。通常、このシステム１０は、ＦＳＷ（摩擦攪拌溶接）工具１４を操作することが可能なＦＳＷ装置１２を有するＦＳＷアセンブリを備えている。ＦＳＷ装置は、さらに後で詳しく述べるように、ＦＳＷ工具をプランジ軸に沿って移動させて被加工品を摩擦攪拌溶接させるように、駆動可能なプランジアクチェータ１２Ａを備えているとよい。システム１０はまた、通常、本発明の実施形態によってＦＳＷ装置の操作を制御することが可能な制御装置１８を備えている。よく知られているように、従来の摩擦攪拌溶接システムの場合、力を制御して摩擦攪拌溶接を行なうために、専用のＦＳＷ装置と工具が用いられている。一方、本発明の実施形態によるＦＳＷ装置は、後述するように、在来型の加工機、例えば、複数の軸に沿って直進運動可能な通常のＣＮＣフライス加工機によって構成することができるという利点がある。すなわち、従来技術において使用される専用のＦＳＷ装置と違って、本発明によるＦＳＷ装置は、ＦＳＷ工具を被加工品に接触させるようにプランジ軸に沿って移動させるアクチュエータのトルクを制御することによって、所定の力を被加工品に付加させるように構成されている。
【００１５】
ＦＳＷ装置１２は、ＦＳＷ工具１４をその工具が摩擦攪拌溶接を行なえるように操作することができるなら、どのような種類の装置であってもよい。例えば、図２はＦＳＷ工具が摩擦攪拌溶接を行なえるように操作することができる本発明の一実施形態によるＦＳＷ装置の好適な一例を示している。この実施形態によるＦＳＷ装置は、通常、複数の軸に沿って直進運動し、かつ１つ以上の軸を中心として回転可能であるコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）加工機によって構成されている。例えば、ＦＳＷ装置は米国オタワ州のシンシナティ在のミラクラン社によって製造されている２スピンドル／３軸ＣＮＣ加工機であるとよい。摩擦攪拌溶接を行なうのが可能であるのに加え、ＦＳＷ装置は、例えば、従来のＣＮＣ技術によって部品やアセンブリなどを機械加工するのに用いることができる。
【００１６】
図示のＦＳＷ装置１２はＦＳＷ工具１４が取付け可能な工具保持スピンドル２０を有している。このスピンドルは、図３に基づいて詳細に述べるように、ＦＳＷ工具の少なくとも一部を被加工品１６内に押し込むように移動可能となっている。例示の実施例におけるＦＳＷ装置は、３軸縦型ＣＮＣフライス盤によって構成されているが、当業者にとっては明らかなように、本発明は縦型ＣＮＣフライス盤に制限されるものではない。よく知られているように、このフライス盤は主移動体およびその主移動体が移動するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を構成する複数のレールすなわち経路を備えている。主移動体およびスピンドルの移動は複数の適切なアクチュエータ、例えば、モータによってなされている。これらのアクチュエータはすべて、本発明の実施形態によってフライス盤の移動と位置決めを制御する制御装置１８の指令によって、主移動体およびスピンドルをＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿って移動させるために設けられている。本発明の好適な一実施形態によれば、フライス盤の移動は、制御装置によって実行される一組の数値制御（ＮＣ）指令をプログラム化することによって制御されることになる。なお、制御装置において、これらの指令はＦＳＷ装置のＸＹＺ軸に基づく直交座標に関連して設定されている。
【００１７】
ＦＳＷ装置１２と同様、ＦＳＷ工具１４はどのような種類の工具から構成されてもよい。例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、工具保持スピンドル（図２を参照）に取り付けられるＦＳＷ工具は、その遠位端に位置する肩２２およびその肩から中心に沿って外側に延長する非消耗性溶接プローブ２４を備えている。図示するように、この工具は、本発明の一実施形態の摩擦攪拌溶接技術によって、１対の板１６Ａおよび１６Ｂからなる被加工品１６を溶接するのに用いることができる。これらの板を形成する材料の例として、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鋼などが挙げられる。非金属材料、例えば、ポリマーなどもシステム１０によって溶接可能である。さらに、被加工品１６は同一または異なる種類の材料からなる部材、例えば、異なる種類の金属からなる板材であってもよい。この場合、板材を構成する異なる種類の金属は従来の融接技術では溶接が困難かまたは非経済的な金属であってもよい。従来の融接技術による接合では溶接が困難な材料の場合、溶接部の接合が比較的弱く、凝固中に溶接部に亀裂が生じやすい。このような材料として、アルミニウムおよびある種のアルミニウム合金、特にＡＡ規格の２０００系および７０００系合金が挙げられる。摩擦攪拌溶接を適用することによって、このような難溶接の材料からなる被加工品も確実に接合することができる。また、摩擦攪拌溶接を適用することによって、易溶接の材料を他の易溶接の材料または難溶接の材料に確実に接合することができる。従って、被加工品を形成する材料を広い範囲にわたる軽量かつ高張力の金属および合金から選択することによって、被加工品およびその被加工品を含むアセンブリの全体の重量を容易に軽減することが可能となる。
【００１８】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、板１６Ａおよび１６Ｂは、それらの溶接される板端部を直接接触させた状態で裏当て板２６上に配置して保持されている。この場合、必要に応じて、板端部の当接部を封止剤によって封止するようにしてもよい。例示したＦＳＷ工具には裏当て板が適用されているが、当業者にとってよく知られているように、ＦＳＷ工具はボビン式ＦＳＷ工具であってもよい。本発明の実施形態によれば、制御装置１８はＦＳＷ装置１２を制御し、ＦＳＷ工具をプランジ軸、代表的にはＺ軸に沿って移動させるアクチュエータを駆動している。このアクチュエータの駆動によって、回転しているＦＳＷ工具１４は板間の界面と接触し、図示するように、回転しているプローブがそれらの板の材料内に押し込められる。図示の実施形態において、ＦＳＷ装置およびＦＳＷ工具は摩擦攪拌溶接の１つの手法である突当て溶接に適用されているが、これらのＦＳＷ工具およびＦＳＷ工具を他のどのような形式の摩擦攪拌溶接作業、例えば、重ね継手溶接および／またはスポット溶接に適用してもよい。
【００１９】
ＦＳＷ工具１４の回転プローブ２４が板１６Ａ，１６Ｂの材料内に押し込まれると、材料内におけるプローブ２４の回転および材料の上面に対する肩２２の擦過によって、ＦＳＷ工具および板の界面の両方に多量の摩擦熱が生じることになる。この摩擦熱によって回転プローブおよび肩の近傍の板の材料が軟化し、かつ混合され、この混合された材料は凝固中に溶接部を形成する。ＦＳＷ装置１２は、ＦＳＷ工具を板間の界面に沿って長手方向に沿って移動させ、板間の界面に沿って延長する細長の溶接部を形成する。ＦＳＷ工具が板間の界面に沿って移動する間、溶接工具の肩は、板の軟化した材料が上方に逃げるのを妨げ、その材料を溶接部に押し込む。溶接部が得られると、ＦＳＷ装置はＦＳＷ工具を被加工品１６から引き上げる。
【００２０】
前述したように、システム１０は、ＦＳＷ装置１２の操作を制御することが可能な制御装置１８を備えている。この制御装置１８は、以下に詳しく述べるように、本発明の実施形態に基づいてＦＳＷ装置を操作することが可能であれば、どのような種類の制御装置であってもよい。例えば、図４に示すように、制御装置１８はプロセッサ要素およびその関連するメモリ装置から構成されているとよい。プロセッサ要素とその関連するメモリ装置は、通常、ワークステーション２８などからなっている。プロセッサ要素は、ドイツのミュンヘン在のシーメンス社によって製造されているＳＩＮＵＭＥＲＩＫ―８４０Ｄモデル制御装置を含む種々の処理装置のいずれであってもよい。ワークステーションは、本発明の実施形態に基づいてワークステーションを操作するための情報を表示するディスプレイ３０を備えている。本発明の実施形態に基づいてワークステーションを操作するための情報を印刷するために、ワークステーションはさらにプリンタ３２を備えている。
【００２１】
また、ワークステーション２８は、本発明の実施形態に基づいてワークステーションを操作するための情報を近在または遠方に伝送する手段も備えているとよい。例えば、ワークステーションは、他のコンピュータなどに情報を伝送するためのモデム３４を備えているとよい。さらに、ワークステーション２８は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）および／またはワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）のようなネットワークに対するインターフェイス（図示せず）を備えている。例えば、ワークステーションは、ＬＡＮやＷＡＮなどに対して情報を授受するように構成されたイーサネットＰＣメモリーカード国際協会（ＰＣＭＣＩＡ）カードを備えているとよい。
【００２２】
図５は本発明の一実施形態によって摩擦攪拌溶接作業を行なう方法における各工程を示している。この方法は、通常、ＦＳＷ装置１２を制御する制御装置１８によってＦＳＷ装置１２のスピンドル２０を駆動し、ＦＳＷ工具１４を回転させる工程から開始する。典型的には、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、スピンドル、従って、ＦＳＷ工具をどのような従来技術によっても測定可能な一定の回転速度で回転させている。スピンドルを介してＦＳＷ工具が回転すると、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、ＦＳＷ工具をプランジ軸（例えば、Ｚ軸）に沿って移動させるアクチュエータを駆動し、ブロック４０に示すように、ＦＳＷ工具を被加工品１６（例えば、板１６Ａおよび１６Ｂの界面）と接触させ、回転プローブ２４を被加工品内に押し込む。このＦＳＷ工具をプランジ軸に沿って移動させるＦＳＷ装置のアクチェータを「プランジアクチェータ１２Ａ」（図１参照）と呼ぶことにする。
【００２３】
背景技術の箇所で述べたように、ＦＳＷ工具１４によって被加工品１６に付加される力は、通常、摩擦攪拌溶接中に監視かつ制御されるべき主要なパラメータの１つである。このＦＳＷ工具によって付加される力は、典型的には、ＦＳＷ工具の所定の部分（例えば、プローブ２４）が被加工品の材料内に摩擦攪拌溶接作業を行なうのに必要な深さまで押し込められるように監視かつ制御される。従来のＦＳＷシステムでは、ＦＳＷ工具によって被加工品に付加される上記の力を監視するのに、通常、そのような力を測定する専用の手段を必要としている。あるいは、そのような力を測定する専用の手段を備えていない場合、ＦＳＷ工具の所定の部分が被加工品の材料内に押し込まれる深さを制御するために、通常、従来のＦＳＷシステムは被加工品に対するＦＳＷ工具の位置を監視するように構成されている。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、制御装置１８は、被加工品１６の材料内に押し込まれるＦＳＷ工具のプローブ２４の深さをプランジアクチュエータ１２Ａのトルクを制御することによって制御すべく構成されている。プランジアクチェータのトルクを制御することによって、以下の利点を得ることができる。すなわち、力を測定する専用の手段をＦＳＷ装置１２に設けることなく、あるいはＦＳＷ工具の位置を監視することによって深さを制御する必要もなく、プローブ２４の深さを制御することが可能である。さらに具体的に述べると、ＣＮＣ加工機は力を測定するように構成されていないが、後述するように力と相関関係のあるトルクを測定することができるので、そのようなＣＮＣ加工機をＦＳＷ装置として用いることができるという利点が得られる。
【００２５】
プローブを被加工品の材料内に摩擦攪拌溶接作業を行なうのに必要な所定の深さまで押し込むのに必要なトルクを「プランジトルク設定値」と呼ぶ。このプランジトルク設定値はどのような手法によって定められてもよい。一実施形態によれば、ＦＳＷ工具１４によって被加工品１６に付加される力とプランジアクチュエータ１２Ａのトルク間の関係に基づいて、プランジトルク設定値を定めることができる。上記の力とトルク間の関係はどのような手法によって求めてもよい。例えば、摩擦攪拌溶接作業を行なうＦＳＷ装置１２を校正することによって、その関係を求めてもよい。具体的には、各プランジトルク設定値に対して、ＦＳＷ装置を制御して摩擦攪拌溶接作業を行ないながら、プランジアクチュエータ１２ＡのトルクとＦＳＷ工具によって被加工品に付加される力を（例えば、動力計を用いて）繰り返し記録することによって、ＦＳＷ装置１２を校正するとよい。このようにして、ＦＳＷ装置１２によって付加される力とプランジアクチェータ１２Ａのトルク間の関係を定めることができる。次いで、このトルクと力間の関係と摩擦攪拌溶接作業を行なうためにＦＳＷ工具によって被加工品に付加されるべき力に基づいて、プランジトルク設定値を定めることができる。なお、付加される力は従来のどのような技術によって測定してもよい。
【００２６】
プランジトルク設定値をどのような手法によって定めても、プローブ２４が被加工品１６内に押し込められると、ブロック４２に示すように、制御装置１８はプランジアクチェータ１２Ａのトルクを監視し、そのトルクがプランジトルク設定値の範囲内にあるかどうかを判断する。なお、制御装置１８は、プローブが被加工品１６と接触する前からトルクを監視してもよい。例えば、プローブが被加工品の上面から設定距離（例えば、５万分の１インチ）だけ離れた位置に達したときからトルクの監視を始めてもよい。プランジトルク設定値の範囲はどのような範囲、例えば、ＦＳＷ装置１２とＦＳＷ工具１４が摩擦攪拌溶接作業を容易に行うことができ、その結果、所定の特性を有する堅牢な溶接部が得られるような許容範囲であるとよい。しかし、当業者にとっては明らかなように、制御装置は正確な操作が可能であり、上記の範囲がゼロであっても、プランジアクチュエータのトルクを監視し、そのトルクがプランジトルク設定値と等しいかどうかを判断することができる。
【００２７】
当業者にとっては明らかなように、制御装置１８はどのような手法によってもトルクを監視することができる。ＣＮＣ加工機をＦＳＷ装置１２として用いる一実施形態によれば、例えば、制御装置はプランジアクチュエータに付加される出力およびその出力とプランジアクチュエータのトルク間の関係を監視することによってトルクを監視することができる。同様に、種々の技術によって、例えば、適切なＮＣ指令を実行することによって、制御装置がトルクを監視するように構成してよい。具体的に述べると、制御装置がＳＩＭＵＭＥＲＩＫ−８４０Ｄモデル制御装置によって構成されている場合、プランジアクチュエータのトルクの監視を始める距離を特定する「定停止点への移動」（ＦＸＳ）指令を実行することによってトルクを監視するようになっている。この場合、監視を始める距離は被加工品の表面またはその表面からの所定の間隙によって定められるとよい。その後、制御装置にプランジトルク設定値を特定する「定停止点トルク」（ＦＸＳＴ）指令を与えている。当業者にとって明らかなように、ＦＸＳ指令は典型的には被加工品を締付けるための力を定める通常の操作中にＳＩＮＵＭＥＲＩＫ−８４０Ｄモデルによって実行される。例えば、ＦＳＷ装置１２がミラクロン社製の２スピンドル／３軸ＣＮＣ加工機の場合、制御装置に被加工品１６から６．２４３０インチ（約１５．８５７センチメートル）だけ離れた位置を特定するＦＸＳ指令が与えられる。同様に、例えば、制御装置にプランジアクチェータの最大トルクの２９．８５％をトルク値とするＦＸＳＴ指令が与えられる。
【００２８】
所定のトルクで駆動されるプランジアクチュエータ１２Ａは、ＦＳＷ工具１４をそのプランジアクチェータのトルクと関連する力でプランジ軸に沿って移動させている。プランジアクチェータがＦＳＷ工具を被加工品１６内に押し込むと、ＦＳＷ工具および被加工品１６間の摩擦力が増加し、摩擦攪拌溶接に必要な力とプランジアクチュエータのトルクにより制御されるＦＳＷ工具にて付加される力間の差が減少する。従って、プランジアクチェータをプランジトルク設定値以内またはそれを超えるトルクで操作することによってＦＳＷ工具のプローブ２４を被加工品内に接触させると、ブロック４０および４２に示すように、ＦＳＷ工具によって被加工品に付加される力が所定の点まで増加するまで、プローブは被加工品の材料内に押し込まれる。所定の点はＦＳＷ工具によって付加される力が摩擦攪拌溶接作業を行なうために必要な力と等しくなる平衡点である。すなわち、プローブは被加工品の材料内に所定深さまで押し込まれる。所定深さは（プランジアクチェータのトルクによって制御される）、ＦＳＷ工具によって付加される力がＦＳＷ工具および被加工品間の目標とする所望の力と関連する上記の平衡点に達する深さに等しくなるように定められている。このようにして、プランジアクチェータのトルクは、ＦＳＷ工具によって被加工品に付加される所定の力が得られるように監視されることになる。
【００２９】
前述したように、ＦＳＷ工具１４の回転プローブ２４が被加工品１６（例えば、板１６Ａおよび１６Ｂ）の材料内に所定深さまで押し込まれると、材料内におけるプローブの回転と材料の上面に対する肩２２の擦過によって、ＦＳＷ工具および板間の界面の両方に多量の摩擦熱が生成されることになる。この摩擦熱によって回転プローブおよび肩の近傍の板の材料が軟化し、かつ混合され、この混合された材料は凝固中に溶接部を形成している。
【００３０】
被加工品１６の所定の溶接パスに沿って溶接部を形成するために、ＦＳＷ工具１４のプローブ２４が所定の深さに達し、生成した熱が被加工品の材料を軟化させた後、制御装置１８はＦＳＷ装置１２を制御し、ブロック４４に示すように、ＦＳＷ工具を溶接パスの１つ以上の軸に沿って移動させる１つ以上のアクチュエータを駆動し、スピンドル２０、従って、ＦＳＷ工具１４を溶接パスに沿って移動させる。次いで、溶接パスに沿って溶接部を形成するために、ＦＳＷ工具が溶接パスの１つまたは複数の軸に沿って移動している間、制御装置はＦＳＷ装置の制御を継続し、プランジアクチュエータのトルクをプランジトルク設定値の範囲内に維持するようにプランジアクチュエータ１２Ａを駆動する。
【００３１】
プランジアクチュエータ１２Ａのトルクをプランジトルク設定値の範囲内に維持するために、ＦＳＷ工具１４が溶接パスに沿って移動している間、制御装置１８はプランジアクチュエータのトルクの監視を継続する。さらに具体的に述べると、ブロック４６に示すように、制御装置はプランジアクチュエータのトルクの監視を継続し、そのトルクがプランジトルク設定値の範囲内にあるかどうかを判断する。ＦＳＷ工具１４が溶接パスに沿って移動している間に、制御装置１８によって設定されたプランジアクチュエータ１２Ａのトルクがプランジトルク設定値の範囲よりも大きくなった場合、制御装置はＦＳＷ装置１２を制御し、プランジアクチュエータを駆動し、そのトルクが範囲内に戻るようにＦＳＷ工具をプランジ軸に沿って移動させる。さらに具体的に述べると、ブロック４８に示すように、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、プランジアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具の被加工品１６への押し込みを低下させる方向にＦＳＷ工具を移動させる。例えば、ＦＳＷ装置はプランジアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具をプランジ軸に沿って被加工品から離れる方向に移動させる。プランジアクチュエータは、制御装置がそのプランジアクチュエータのトルクが再びプランジトルク設定値の範囲内にあると判断するまで、ＦＳＷ工具を被加工品への押し込みを低下させる方向に継続的に移動させる。
【００３２】
制御装置１８によって設定されたプランジアクチュエータ１２Ａのトルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなった場合、制御装置は再びＦＳＷ装置１２を制御し、プランジアクチュエータを駆動し、トルクが範囲内に戻るようにＦＳＷ工具をプランジ軸に沿って移動させる。さらに具体的に述べると、ブロック５０に示すように、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、プランジアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具の被加工品１６への押し込みを増加させる方向にＦＳＷ工具を移動させる。例えば、ＦＳＷ装置はプランジアクチュエータを駆動し、プローブ２４を被加工品の材料内にさらに押し込む方向にＦＳＷ工具をプランジ軸に沿って移動させる。プランジアクチュエータは、制御装置がそのプランジアクチュエータのトルクが再びプランジトルク設定値の範囲内にあると判断するまで、ＦＳＷ工具を押し込みが増大される方向に継続的に移動させる。従って、プランジアクチュエータのトルクを制御することによって、制御装置はＦＳＷ工具によって被加工品に付加される力を間接的に制御することが可能となる。
【００３３】
当業者にとっては明らかなように、プランジアクチュエータ１２Ａのトルクをプランジトルク設定値の範囲内に戻すことによって、ＦＳＷ工具１４のプローブ２４が被加工品１６の材料内の望ましくない深さにまで押し込まれるような場合が生じる可能性がある。例えば、トルクをプランジトルク設定値の範囲内に戻すことによって、プローブの一部が被加工品の下面から突出して裏当て板２６に接触するような深さに押し込まれる可能性がある。ＦＳＷ工具のプローブが被加工品の材料内の望ましくない深さまで押し込まれるのを防ぐために、アクチュエータがＦＳＷ工具を被加工品への押し込みが増大する方向にさらに押し込む場合、ブロック５２に示すように、制御装置はＦＳＷ工具が所定の距離よりも大きく移動したかどうかを判断するとよい。この所定の距離は適切な基準点に基づく限りどのような手法によって設定されてもよいが、典型的にはＦＳＷ工具のプローブが被加工品の材料内の望ましくない深さにまで延長しない範囲におけるＦＳＷ工具の移動可能な距離を意味している。
【００３４】
制御装置１８は、どのような技術によっても、例えば、適当なＮＣ指令を実行することによって、上記の所定の距離を監視することが可能となっている。例えば、制御装置がＳＩＮＵＭＥＲＩＫ−８４０モデル制御装置によって構成されている場合、「定停止窓への移動」（ＦＸＳＷ）指令を実行することによって上記の所定の距離を監視するように構成されているとよい。ＦＸＳＷ指令は通常の操作中に許容されるプランジ軸に沿ったＦＳＷ工具の移動範囲を特定する指令である。このＦＸＳＷ指令はそのＦＸＳＷ指令によって特定される範囲において基準点を与えるＦＸＳ指令と共に実行されるとよい。例えば、ＦＳＷ装置１２がミラクロン社製の２スピンドル／３軸ＣＮＣ加工機によって構成され、かつ被加工品が０．１００インチ（０．２５４センチメートル）の厚みを有する場合、始点（例えば、ＦＸＳ指令）に基づいて０．２０インチ（０．５０８センチメートル）の範囲を特定するＦＸＳＷ指令が制御装置に与えられるとよい。
【００３５】
制御装置がどのように所定の距離を監視するかに関わらず、ＦＳＷ工具１４が被加工品１６と接触し、そのＦＳＷ工具、さらに具体的には、そのプローブ２４が被加工品の材料内の（所定の距離によって決定される）深さを超えると、プランジアクチュエータ１２Ａは、摩擦攪拌溶接作業を終えるようにＦＳＷ工具を移動させるべく駆動する。プランジアクチュエータはどのような手法によって摩擦攪拌溶接作業を終えるようにＦＳＷ工具を移動させてもよい。例えば、プランジアクチュエータは、ＦＳＷ工具が被加工品と接触しなくなるまでＦＳＷ工具を被加工品から退却させるとよい。この場合、当業者にとっては明らかなように、軟化した材料が硬化すると、ＦＳＷ工具のプローブが固着しないように、ＦＳＷ工具をその回転を継続させながら被加工品から退却させるとよい。
【００３６】
前述したように、プランジアクチュエータ１２Ａのトルクを制御することによって、ＦＳＷ工具１４のプランジ軸に沿った移動が制御されている。しかし、当業者にとって明らかなように、摩擦攪拌溶接作業の品質は被加工品１６の溶接パスに沿ったＦＳＷ工具の移動速度によっても影響されることになる。さらに、摩擦攪拌溶接作業の品質はＦＳＷ装置１２のスピンドル２０の回転速度、従って、ＦＳＷ工具の回転速度によっても影響されることになる。このように、本発明の実施形態によれば、上記の構成に加えて、あるいはその構成に代えて、制御装置１８はＦＳＷ工具を溶接パスに沿って移動させる１つ以上のアクチュエータのトルクを制御するように構成されているとよい。溶接パスは、通常、Ｘ軸および／またはＹ軸（図２を参照）に沿った方向成分を有している。しかし、溶接パスはどのような１つまたは複数の軸に沿った方向成分を有していてもよいと理解されるべきである。
【００３７】
溶接パスに沿ってＦＳＷ工具を移動させる１つまたは複数のアクチュエータのトルクを制御する構成に加えて、またはその構成に代えて、制御装置１８はスピンドル、従って、ＦＳＷ工具１４を回転させるアクチュエータのトルクを制御するように構成されているとよい。以下、ＦＳＷ工具を溶接パスに沿って移動させる１つ以上のアクチュエータを溶接アクチュエータ１２Ｂ（図１を参照）と呼ぶことにする。同様に、ＦＳＷ工具を回転させるアクチュエータをスピンドルアクチュエータ１２Ｃ（図１を参照）と呼ぶことにする。
【００３８】
前述したように、工具パスは２つの軸（例えば、Ｘ軸およびＹ軸）に沿った方向成分を有しているので、ＦＳＷ装置１２は２つの溶接アクチュエータ１２Ｂを備えているとよい。しかし、工具パスは上記の２つの軸のいずれか１つのみに沿って（すなわち、他の軸に沿った方向成分を有せずに）直線状に延長するパスであってもよい。この場合、ＦＳＷ装置は、ＦＳＷ工具を工具パスの直線軸に沿って移動させる１つの溶接アクチュエータのみを備えていればよい。あるいは、ＦＳＷ装置は２つの溶接アクチュエータを備え、１つの溶接アクチュエータを後述のトルクで工具パスの直線軸に沿って移動させ、他の溶接アクチュエータをゼロのトルクで駆動する（すなわち、静止状態を保持するように制御する）ように構成してもよい。
【００３９】
１つまたは複数の溶接アクチュエータ１２Ｂの制御は、具体的には以下のようになされる。すなわち、摩擦攪拌溶接作業において、溶接パスに沿った移動中のＦＳＷ工具１４の速度、従って、ＦＳＷ工具によって溶接パスに沿って被加工品１６に付加される力を制御するように、制御装置１８は１つまたは複数の溶接アクチュエータのトルクを制御することになる。すなわち、ＦＳＷ工具が被加工品１６の溶接パスに沿って移動している間、制御装置１８は、１つまたは複数の溶接アクチュエータ１２Ｂのトルクを制御することによって、ＦＳＷ工具１４、従って、ＦＳＷ工具のプローブ２４の速度を制御することが可能となる。同様に、制御装置１８は、スピンドルアクチュエータのトルクを制御することによって、被加工品と接触しているＦＳＷ工具１４の回転速度、従って、ＦＳＷ工具によって被加工品１６に付加される回転力を制御することが可能となる。このように、１つまたは複数の溶接アクチュエータおよびスピンドルアクチュエータのトルクを制御することによって、制御装置は、ＦＳＷ装置１２に力を測定する専用の手段を設けることなく、溶接パスに沿ったプローブの速度およびそのプローブの回転速度を制御することができる。
【００４０】
プローブを摩擦攪拌溶接作業に必要な所定の速度で被加工品の溶接パスに沿って移動させるために必要なトルクを以下各溶接アクチュエータに対する溶接トルク設定値と呼ぶことにする。この溶接トルク設定値はどのような手法によって設定されてもよい。同様に、ＦＳＷ工具１４を所定の速度で回転させるのに必要なトルクを以下スピンドルトルク設定値と呼ぶことにする。このスピンドルトルク設定値はどのような手法によって設定されてもよい。一実施形態によれば、各溶接アクチュエータに対する溶接トルク設定値は、溶接パスの各軸に沿ってＦＳＷ工具によって被加工品１６に付加される力と溶接アクチュエータのトルクとの間の関係に基づいて設定されるとよい。同様に、一実施形態によれば、スピンドルアクチュエータに対するスピンドルトルク設定値は、ＦＳＷ工具によって被加工品に付加される回転力とスピンドルアクチュエータのトルクとの間の関係に基づいて設定されるとよい。
【００４１】
力およびトルク間の関係はどのような手法、例えば、前述の手法によって定めることができる。例えば、各トルク設定値に対して、ＦＳＷ装置１４を制御して溶接パスに沿った摩擦攪拌溶接作業を行ないながら、各溶接アクチュエータ１２ＢのトルクとＦＳＷ工具によって各軸に沿って付加される力、およびスピンドルアクチュエータ１２ＣのトルクとＦＳＷ工具によって被加工品１６に付加される回転力を繰り返し記録することによって、ＦＳＷ装置１２を校正するとよい。その結果、ＦＳＷ工具によって各軸に沿って付加される力と溶接アクチュエータのトルクとの関係、およびＦＳＷ工具によって被加工品に付加される回転力とスピンドルアクチュエータのトルクとの関係を求めることができる。また、各溶接アクチュエータに対する溶接トルク設定値は、ＦＳＷ工具によって各軸に沿って付加される力と溶接アクチュエータのトルクとの関係、および摩擦攪拌溶接作業を行なうためにＦＳＷ工具によって溶接パスに沿って被加工品に付加されるべき力に基づいて、設定されるとよい。同様に、スピンドルアクチュエータに対するスピンドルトルク設定値は、ＦＳＷ工具によって被加工品に付加される回転力とスピンドルアクチュエータのトルクとの関係、および摩擦攪拌溶接作業を行なうためにＦＳＷ工具によって被加工品に付加されるべき回転力に基づいて、設定されるとよい。なお、溶接パスに沿ってＦＳＷ工具によって付加されるべき力およびＦＳＷ工具によって付加されるべき回転力は、どのような従来技術によって測定されてもよい。
【００４２】
図６に示す実施形態について説明する。溶接アクチュエータ１２Ｂに対する溶接トルク設定値およびスピンドルアクチュエータ１２Ｃに対するスピンドルトルク設定値がどのように設定されるかに関わらず、この実施形態による摩擦攪拌溶接作業は、通常、ブロック５８に示すように、プローブ２４を被加工品１６内に所定深さまで押し込む工程から開始される。プローブはどのような技術によって被加工品内に押し込められてもよいが、好ましい一実施形態によれば、プローブは図５に示す方法によって被加工品内に押し込められるとよい。次いで、ブロック６０に示すように、被加工品内に押し込められたプローブを被加工品の溶接パスに沿って移動させる。プローブが溶接パスに沿って移動するにつれて（図５のブロック４４を参照）、制御装置１８は各溶接アクチュエータのトルクを対応する溶接トルク設定値の範囲内において制御する。前述したように、溶接トルク設定値の範囲はどのような範囲でもよい。例えば、ＦＳＷ装置１２およびＦＳＷ工具１４が摩擦攪拌溶接作業を容易に行うことができ、その結果、所定の特性を有する堅牢な溶接部を形成するような許容範囲であるとよい。ただし、この範囲はゼロであってもよい。さらに、複数の溶接アクチュエータに対する溶接トルク設定値の範囲は同一であってもよいが、本発明の精神および範囲を逸脱しない限り、それらの溶接トルク設定値は異なっていてもよい。
【００４３】
各溶接アクチュエータ１２Ｂをそのトルクが上記の溶接トルク設定値の範囲内に保持されるように駆動させることによって、ＦＳＷ工具１４を溶接パスの各軸に沿って所定の速度で移動させる。この所定の速度はＦＳＷ工具が各溶接アクチュエータのトルクと関連する力を各軸に沿って被加工品に付加させるような速度である。各溶接アクチュエータがＦＳＷ工具を被加工品１６の溶接パスに沿って移動させて溶接パスに沿った溶接部を形成する間、制御装置はＦＳＷ装置１２を継続的に制御し、溶接アクチュエータのトルクを溶接トルク設定値の範囲内に維持するように溶接アクチュエータを駆動する。各溶接アクチュエータ１２Ｂのトルクを溶接トルク設定値の範囲内に維持するために、ＦＳＷ工具が溶接パスに沿って移動している間、制御装置１８は溶接アクチュエータのトルクを継続的に監視する。さらに具体的に述べると、ブロック６２に示すように、制御装置は各溶接アクチュエータのトルクを継続的に監視し、そのトルクが溶接トルク設定値の範囲内にあるのかどうかを判断する。
【００４４】
ＦＳＷ工具１４が溶接パスに沿って移動している間、制御装置１８によって設定された溶接アクチュエータ１２Ｂの片方または両方のトルクが溶接トルク設定値の範囲よりも大きくなった場合、制御装置はＦＳＷ装置１２を制御し、溶接アクチュエータを駆動し、トルクが範囲内に戻るようにＦＳＷ工具を各軸に沿って移動させる。さらに具体的に述べると、ブロック６４に示すように、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、ＦＳＷ工具が溶接パスの各軸に沿って移動する速度を減少させるように、溶接アクチュエータの片方または両方を駆動する。この溶接アクチュエータは、そのトルクが再び溶接トルク設定値の範囲内にあると制御装置が判断するまで、ＦＳＷ工具の速度を継続的に減少させている。
【００４５】
制御装置１８によって設定された２つの溶接アクチュエータ１２Ｂの１つまたは２つのトルクが溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなった場合、制御装置は再びＦＳＷ装置１２を制御し、各溶接アクチュエータを駆動し、トルクが範囲内に戻るようにＦＳＷ工具を各軸に沿って移動させる。さらに具体的に述べると、ブロック６６に示すように、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、溶接アクチュエータの片方または両方を駆動し、ＦＳＷ工具が溶接パスの各軸に沿って移動する速度を増加させる。溶接アクチュエータは、そのトルクが再び溶接トルク設定値の範囲内にあると制御装置が判断するまで、ＦＳＷ工具の速度を継続的に増加させる。従って、１つまたは複数の溶接アクチュエータのトルクを制御することによって、制御装置はＦＳＷ工具から工具パスに沿って被加工品に付加される力を間接的に制御することができる。
【００４６】
プローブ２４が溶接パスに沿って移動している間、制御装置１８はスピンドルアクチュエータのトルクをスピンドルトルク設定値の範囲内に維持するように制御している。前述したように、スピンドルトルク設定値の範囲はどのような範囲であってもよいし、その範囲はゼロであってもよい。スピンドルアクチュエータ１２Ｃはスピンドルトルク設定値の範囲内のトルクで駆動され、ＦＳＷ工具１４が回転力を被加工品に付加させるような回転速度で被加工品１６と接触するように、ＦＳＷ工具を回転させる。次いで、前述したように、各溶接アクチュエータ１２ＢがＦＳＷ工具を被加工品１６の溶接パスに沿って移動させて溶接パスに沿って溶接部を形成する間、制御装置はＦＳＷ装置１２を継続的に制御し、スピンドルアクチュエータのトルクをスピンドルトルク設定値の範囲内に維持するようにスピンドルアクチュエータを駆動する。スピンドルアクチュエータのトルクをスピンドルトルク設定値の範囲内に維持するために、ＦＳＷ工具が溶接パスに沿って移動している間、制御装置はスピンドルアクチュエータのトルクを継続的に監視する。さらに具体的に述べると、ブロック６８に示すように、制御装置はスピンドルアクチュエータのトルクを継続的に監視し、そのトルクがスピンドルトルク設定値の範囲内にあるかどうかを判断する。
【００４７】
ＦＳＷ工具１４が溶接パスに沿って移動している間に、制御装置１８によって設定されたスピンドルアクチュエータ１２Ｃのトルクがスピンドルトルク設定値の範囲よりも大きくなるかまたは小さくなった場合、制御装置はＦＳＷ装置１２を制御し、スピンドルアクチュエータを駆動し、トルクが範囲内に戻るようにＦＳＷ工具を回転させる。例えば、スピンドルアクチュエータのトルクがスピンドルトルク設定値の範囲よりも大きくなった場合、ブロック７０に示すように、制御装置はＦＳＷ装置を制御し、スピンドルアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具の回転速度を増加させる。あるいは、スピンドルアクチュエータのトルクがスピンドルトルク設定値の範囲よりも小さくなった場合、ブロック７２に示すように、制御装置はＦＳＷ装置を制御して、スピンドルアクチュエータを駆動し、ＦＳＷ工具の回転速度を減少させる。スピンドルアクチュエータのトルクが再びスピンドルトルク設定値の範囲内にあると制御装置が判断するまで、スピンドルアクチュエータはＦＳＷ工具の速度を継続的に増加または減少させる。
【００４８】
プランジアクチュエータ１２ＡのトルクをＦＳＷ工具１４によってプランジ軸に沿って被加工品１６に付加される力と相互に関連させ、各溶接アクチュエータ１２ＢのトルクをＦＳＷ工具によって溶接パスに沿って被加工品に付加される力と相互に関連させ、および／またはスピンドルアクチュエータ１２ＣのトルクをＦＳＷ工具によって被加工品に付加される回転力と相互に関連させることによって、本発明の実施形態によるＦＳＷ装置１２は、従来の装置、例えば、従来のＣＮＣ加工機によって構成することができ、摩擦攪拌溶接作業のみならずそれ以外の操作、例えば、部品の機械加工のような操作を行なうことができるという利点を有している。当業者にとって明らかなように、ＣＮＣ加工機のような加工機は専用の摩擦攪拌溶接装置よりも普及している。従って、摩擦攪拌溶接を行なうことを望んでいる多くの企業はすでにＣＮＣ加工機を所有している場合が多く、摩擦攪拌溶接を行なうための専用の摩擦攪拌溶接装置を購入することを望まないことが予想される。さらに摩擦攪拌溶接以外の操作を行なうことができるＦＳＷ装置を用いることによって、ＦＳＷ装置の不稼働時間を低減させ、製造効率を向上させることができる。
【００４９】
前述の説明およびその関連する図面から得られる示唆に基づいて、当業者が本発明の多くの変更例および他の実施形態を考案することが可能である。従って、本発明はここに開示された具体的な実施形態に制限されず、変更例および他の実施形態は請求の範囲内に包含されると理解されるべきである。なお、ここに用いた具体的な用語は包括的かつ叙述的な意味のみしか有せず、本発明をなんら制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態によって摩擦攪拌溶接作業を行なうシステムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態によるＣＮＣボール盤からなる摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）装置の概略斜視図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）工具および被加工品を示す側面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）工具および被加工品を示す側面図である。
【図４】本発明の一実施形態による制御装置の概略ブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による摩擦攪拌溶接作業を行なう方法の工程を示すブロック図である。
【図６】本発明の他の実施形態による摩擦攪拌溶接作業を行なう方法の工程を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  システム
１２  ＦＳＷ装置
１２Ａ  プランジアクチェータ
１２Ｂ  溶接アクチュエータ
１２Ｃ  スピンドルアクチュエータ
１４  ＦＳＷ（摩擦攪拌溶接）工具
１６  被加工品
１６Ａ，１６Ｂ  板
１８  制御装置
２０  工具保持スピンドル
２２  肩
２４  溶接プローブ
２６  裏当て板
２８  ワークステーション
３０  ディスプレイ
３２  プリンタ
３４  モデム
【図１】
2006110548.tif 000003
【図２】
2006110548.tif 000004
【図３Ａ】
2006110548.tif 000005
【図３Ｂ】
2006110548.tif 000006
【図４】
2006110548.tif 000007
【図５】
2006110548.tif 000008
【図６】
2006110548.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月2日(2004.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌溶接工具を被加工品に対して移動させるアクチュエータを備える摩擦攪拌溶接装置であって、前記アクチュエータはプランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることができるプランジアクチュエータを備えている摩擦攪拌溶接装置と、
前記摩擦攪拌溶接装置を制御して前記アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具が前記被加工品に対して摩擦攪拌溶接作業を行なえるように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させることができる制御装置であって、前記制御装置は前記アクチュエータのトルクを監視し、かつ前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御して前記アクチュエータを駆動し、これによって、前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるようにし、更に前記制御装置は摩擦攪拌溶接装置を制御して、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記プランジアクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記プランジアクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動するようになっている制御装置と、
を備えていることを特徴とする摩擦攪拌溶接システム。
【請求項２】
前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記プランジアクチュエータが駆動されて摩擦攪拌溶接工具と前記被加工品との接触面積が増加するように摩擦攪拌溶接工具を移動させ、この移動は、前記トルクのうちの１つが増加して前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項３】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項４】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項５】
被加工品に対して摩擦攪拌溶接作業を行なう摩擦攪拌溶接工具と、
アクチュエータを備える摩擦攪拌溶接アセンブリであって、前記アクチュエータは、前記摩擦攪拌溶接工具が摩擦攪拌溶接作業を行なうことができるように、前記被加工品に対して前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動されることが可能であり、更に前記アクチュエータは、プランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動されることが可能であり、前記アクチュエータのトルクはトルク設定値の範囲内に維持され、前記プランジアクチュエータは、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動されることが可能である摩擦攪拌溶接装置と、
を備えていることを特徴とする摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項６】
前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記プランジアクチュエータは、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、この移動は、前記トルクのうちの１つが増加して前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれるようになっていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項７】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させるように駆動され、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させるように駆動されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項８】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記スピンドルアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させるべく駆動され、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記スピンドルアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させるべく駆動されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項９】
摩擦攪拌溶接工具が被加工品に摩擦攪拌溶接作業を行なえるように、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させるようにアクチュエータを駆動するプロセッサ要素であって、前記アクチュエータはプランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることができるプランジアクチュエータを備え、前記制御装置は前記アクチュエータのトルクを監視し、かつ前記制御装置は、前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように前記アクチュエータを駆動し、前記プロセッサ要素は、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように前記プランジアクチュエータを駆動するようになっていることを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
前記プロセッサ要素は前記プランジアクチュエータを駆動し、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記プランジアクチュエータは、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記摩擦攪拌溶接工具をさらに移動させ、この移動は、トルクのうちの１つが増加して前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれるようになっていることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記プロセッサ要素は前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させていることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記プロセッサ要素は前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させていることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１３】
アクチュエータを駆動する段階であって、被加工品に対して摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記摩擦攪拌溶接工具が前記被加工品に摩擦攪拌溶接作業を行ない、前記アクチュエータはプランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることができるプランジアクチュエータを備えている段階と、
前記アクチュエータのトルクを監視する段階と、
前記アクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるべく駆動される際に前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように前記トルクを制御する段階であって、前記トルクを制御することは、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記アクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動され、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記アクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を動かすように駆動される段階と、
を含むことを特徴とする被加工品を摩擦攪拌溶接する方法。
【請求項１４】
前記トルクを制御する段階は、前記プランジアクチュエータのトルクを制御することを含み、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記アクチュエータは駆動されて、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、この移動は、前記トルクのうちの１つが前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記トルクを制御する段階は、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させることによって、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させることによって、前記スピンドルアクチュエータのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
プランジトルク設定値をどのような手法によって定めても、プローブ２４が被加工品１６内に押し込められると、ブロック４２に示すように、制御装置１８はプランジアクチュエータ１２Ａのトルクを監視し、そのトルクがプランジトルク設定値の範囲内にあるかどうかを判断する。なお、制御装置１８は、プローブが被加工品１６と接触する前からトルクを監視してもよい。例えば、プローブが被加工品の上面から設定距離（例えば、５万分の１インチ（約２万分の１センチメートル））だけ離れた位置に達したときからトルクの監視を始めてもよい。プランジトルク設定値の範囲はどのような範囲、例えば、ＦＳＷ装置１２とＦＳＷ工具１４が摩擦拡攪拌溶接作業を容易に行うことができ、その結果、所定の特性を有する堅牢な溶接部が得られるような許容範囲であるとよい。しかし、当業者にとっては明らかなように、制御装置は正確な操作が可能であり、上記の範囲がゼロであっても、プランジアクチュエータのトルクを監視し、そのトルクがプランジトルク設定値と等しいかどうかを判断することができる。
【手続補正書】
【提出日】平成17年5月24日(2005.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦攪拌溶接工具を被加工品に対して移動させるアクチュエータを備える摩擦攪拌溶接装置であって、前記アクチュエータはプランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることができるプランジアクチュエータを備えている摩擦攪拌溶接装置と、
前記摩擦攪拌溶接装置を制御して前記アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具が前記被加工品に対して摩擦攪拌溶接作業を行なえるように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させることができる制御装置であって、前記制御装置は前記アクチュエータのトルクを監視し、かつ前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御して前記アクチュエータを駆動し、これによって、前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるようにし、更に前記制御装置は摩擦攪拌溶接装置を制御して、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記プランジアクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを増大させる方向に継続的に移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記プランジアクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを低下させる方向に継続的に移動させるように駆動するようになっている制御装置と、
を備えていることを特徴とする摩擦攪拌溶接システム。
【請求項２】
前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記プランジアクチュエータが駆動されて摩擦攪拌溶接工具と前記被加工品との接触面積が増加するように摩擦攪拌溶接工具を移動させ、この移動は、前記トルクのうちの１つが増加して前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項３】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項４】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記制御装置は前記摩擦攪拌溶接装置を制御し、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌溶接システム。
【請求項５】
被加工品に対して摩擦攪拌溶接作業を行なう摩擦攪拌溶接工具と、
アクチュエータを備える摩擦攪拌溶接アセンブリであって、前記アクチュエータは、前記摩擦攪拌溶接工具が摩擦攪拌溶接作業を行なうことができるように、前記被加工品に対して前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動されることが可能であり、更に前記アクチュエータは、プランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるように駆動されることが可能であり、前記アクチュエータのトルクはトルク設定値の範囲内に維持され、前記プランジアクチュエータは、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを増大させる方向に継続的に移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを低下させる方向に継続的に移動させるように駆動されることが可能である摩擦攪拌溶接装置と、
を備えていることを特徴とする摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項６】
前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記プランジアクチュエータは、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、この移動は、前記トルクのうちの１つが増加して前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれるようになっていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項７】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させるように駆動され、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させるように駆動されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項８】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記スピンドルアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させるべく駆動され、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記スピンドルアクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させるべく駆動されていることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌溶接アセンブリ。
【請求項９】
摩擦攪拌溶接工具が被加工品に摩擦攪拌溶接作業を行なえるように、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して移動させるようにアクチュエータを駆動するプロセッサ要素であって、前記アクチュエータはプランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることができるプランジアクチュエータを備え、前記制御装置は前記アクチュエータのトルクを監視し、かつ前記制御装置は、前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように前記アクチュエータを駆動し、前記プロセッサ要素は、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを増大させる方向に継続的に移動させ、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを低下させる方向に継続的に移動させるように前記プランジアクチュエータを駆動するようになっていることを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
前記プロセッサ要素は前記プランジアクチュエータを駆動し、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記プランジアクチュエータは、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記摩擦攪拌溶接工具をさらに移動させ、この移動は、トルクのうちの１つが増加して前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれるようになっていることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記プロセッサ要素は前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させていることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記プロセッサ要素は前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記プロセッサ要素は前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させていることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
【請求項１３】
アクチュエータを駆動する段階であって、被加工品に対して摩擦攪拌溶接工具を移動させ、前記摩擦攪拌溶接工具が前記被加工品に摩擦攪拌溶接作業を行ない、前記アクチュエータはプランジ軸に沿って前記摩擦攪拌溶接工具を移動させることができるプランジアクチュエータを備えている段階と、
前記アクチュエータのトルクを監視する段階と、
前記アクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を移動させるべく駆動される際に前記トルクがトルク設定値の範囲内に維持されるように前記トルクを制御する段階であって、前記トルクを制御することは、前記トルクがプランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が増加するように前記アクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを増大させる方向に継続的に移動させるように駆動され、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも大きくなると、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記アクチュエータが前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品への押し込みを低下させる方向に継続的に動かすように駆動される段階と、
を含むことを特徴とする被加工品を摩擦攪拌溶接する方法。
【請求項１４】
前記トルクを制御する段階は、前記プランジアクチュエータのトルクを制御することを含み、前記トルクが前記プランジトルク設定値の範囲よりも小さくなると、前記アクチュエータは駆動されて、前記被加工品と前記摩擦攪拌溶接工具との接触面積が減少するように前記摩擦攪拌溶接工具を移動させ、この移動は、前記トルクのうちの１つが前記範囲内に入り、かつ前記摩擦攪拌溶接工具が前記プランジ軸に沿って所定の距離よりも長く移動するまで行なわれることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を溶接パスに沿って移動させる少なくとも１つの溶接アクチュエータからなり、
前記トルクを制御する段階は、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクが少なくとも１つの溶接トルク設定値の範囲よりも小さくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が増加する方向に移動させ、前記少なくとも１つのトルクが前記少なくとも１つの溶接トルク設定値よりも大きくなったとき、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記溶接パスに沿ってその速度が減少する方向に移動させることによって、前記少なくとも１つの溶接アクチュエータの少なくとも１つのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記アクチュエータは前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対して回転させるスピンドルアクチュエータからなり、
前記トルクがスピンドルトルク設定値よりも小さくなったとき、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が減少するように回転させ、前記トルクが前記スピンドルトルク設定値よりも大きくなったとき、前記スピンドルアクチュエータを駆動し、前記摩擦攪拌溶接工具を前記被加工品に対するその回転速度が増加するように回転させることによって、前記スピンドルアクチュエータのトルクを制御する段階を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【外国語明細書】
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