(57)【要約】      （修正有）【課題】構造部材を摩擦溶接する装置と方法を提供する。【解決手段】装置は互いに連結されたシャンク２０とプローブ２２を備えている。プローブは吸収面３２とその吸収面から延長されるキャビティ２６を画成している。吸収面は光源またはＲＦ発生源のような電磁放射源５０からの電磁放射を受けるように構成されている。電磁放射はプローブを加熱し、プローブと構造部材６２間の摩擦によって生成した熱を補足し、プローブによって構造部材を摩擦溶接する速度を高めることができる。【選択図】図２
2006136945.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャンクと、
前記シャンクに接続され、前記シャンクによって少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接するように作動されるプローブと
を備え、
前記シャンクおよび前記プローブの少なくとも１つが吸収面および前記吸収面から延長されるキャビティを画成し、前記吸収面が電磁放射を受けて前記プローブを加熱していることを特徴とする、少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項２】
前記シャンクに回転可能に連結される回転可能アクチュエータをさらに備え、前記回転可能なアクチュエータによって前記シャンクが前記プローブの長軸を中心として回転し、前記プローブが摩擦攪拌溶接ピンであることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項３】
前記シャンクに往復動可能に連結される往復動可能なアクチュエータをさらに備え、前記プローブが摩擦攪拌溶接ブレードであることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項４】
前記吸収面を照射し、前記プローブを加熱する電磁放射源をさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項５】
前記電磁放射源が前記吸収面に光を導く光源であることを特徴とする、請求項４に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項６】
前記光源によって放射された光を前記吸収面に向かって導く光ファイバケーブルをさらに備えていることを特徴とする、請求項５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項７】
前記電磁放射源が高周波を前記吸収面に導く高周波発生源であることを特徴とする、請求項４に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項８】
前記高周波源によって放射された電磁放射を前記吸収面に向けて導く導波管をさらに備えていることを特徴とする、請求項７に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項９】
前記キャビティが前記プローブの少なくとも一部を通って長手方向に沿って延長され、前記電磁放射源が電磁放射を前記プローブの長手方向に沿って放射していることを特徴とする、請求項４に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項１０】
前記キャビティが前記シャンクを通って延長されていることを特徴とする、請求項９に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項１１】
前記キャビティは、前記シャンク内よりも前記プローブ内においてより大きい断面寸法を有していることを特徴とする、請求項１０に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項１２】
前記吸収面が前記電磁放射源から放射される電磁放射の伝播方向に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項１３】
前記吸収面が湾曲していることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項１４】
前記吸収面が円錐状であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置。
【請求項１５】
シャンクと、
前記シャンクに接続され、内部吸収面を有し、前記シャンクと協働で前記吸収面に延長されるキャビティを画成するプローブと、
前記シャンクおよび前記プローブを作動し、少なくとも１つの構造部材を溶接するように構成されたアクチュエータと、
前記吸収面を照射して前記プローブを加熱するように構成された電磁放射源と
を備え、
前記キャビティが前記プローブの一部を通って長手方向に沿って延長され、前記電磁放射源が電磁放射を前記プローブの長手方向に沿って放射するように構成されていることを特徴とする少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項１６】
前記プローブが摩擦攪拌溶接ピンであり、前記アクチュエータが前記シャンクに回転可能に連結される回転可能なアクチュエータであり、前記回転可能なアクチュエータによって前記摩擦攪拌溶接ピンが該摩擦攪拌溶接ピンの長軸を中心として回転可能であることを特徴とする、請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項１７】
前記プローブが摩擦攪拌溶接ブレードであり、前記アクチュエータが前記シャンクに往復動可能に連結される往復動可能なアクチュエータであり、前記アクチュエータによって前記摩擦攪拌溶接ブレードが該摩擦攪拌溶接ブレードと平行となる方向に往復動可能であることを特徴とする、請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項１８】
前記電磁放射源が前記吸収面に光を導く光源であることを特徴とする、請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項１９】
前記光源によって放射された光を前記吸収面に向かって導く光ファイバケーブルをさらに備えていることを特徴とする、請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項２０】
前記電磁放射源が高周波を前記吸収面に導く高周波発生源であることを特徴とする、請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項２１】
前記高周波源によって放射された電磁放射を前記吸収面に向けて導く導波管をさらに備えていることを特徴とする、請求項２０に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項２２】
前記吸収面が前記電磁放射源から放射される電磁放射の伝播方向に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項２３】
前記吸収面が湾曲していることを特徴とする、請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項２４】
前記吸収面は円錐状であることを特徴とする請求項１５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する摩擦溶接工具。
【請求項２５】
摩擦溶接プローブを少なくとも１つの構造部材内に付勢する段階と、
前記摩擦溶接プローブを作動させて前記少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する段階と、
前記摩擦溶接プローブの吸収面に電磁放射を照射して、前記プローブを加熱する段階と
を含むことを特徴とする、少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項２６】
少なくとも８００℃の温度で塑性化する材料からなる少なくとも１つの構造部材を準備する段階をさらに備え、前記照射する段階が前記少なくとも１つの構成部材の少なくとも一部を少なくとも８００℃の温度に加熱する段階であることを特徴とする、請求項２５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項２７】
前記プローブが摩擦攪拌溶接ピンであり、前記作動させる段階が前記摩擦攪拌溶接ピンをその長軸を中心として回転させる段階であり、前記照射する段階が電磁放射を前記摩擦攪拌溶接ピンに向けて前記摩擦攪拌溶接ピンの長手方向に沿って導く段階であることを特徴とする、請求項２５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項２８】
前記プローブが摩擦攪拌溶接ブレードであり、前記作動する段階が前記ブレードを前記少なくとも１つの構造部材によって画成された界面内において往復動する段階であることを特徴とする、請求項２５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項２９】
前記照射する段階が前記プローブによって画成されたキャビティ内を経由して前記プローブを照射する段階であり、前記吸収面が少なくとも前記キャビティを部分的に画成する内面であることを特徴とする、請求項２５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項３０】
前記照射する段階が前記吸収面に対して傾斜した方向に電磁放射を導く段階であることを特徴とする、請求項２５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項３１】
前記照射する段階が前記吸収面を光で照射する段階であることを特徴とする、請求項２５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項３２】
前記照射する段階が前記吸収面を高周波で照射する段階であることを特徴とする、請求項２５に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦溶接に関し、詳細には電磁放射を用いて摩擦溶接中に熱を与える装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦溶接は、当該技術分野において知られているように、工具と１つ以上の構造部材からなる加工物間に摩擦力を発生させ、構造部材内に塑性化領域を形成している。その塑性化領域において、構造部材は塑性化され、混合され、冷却されることによって、摩擦溶接接合部が形成されるようになる。従来の一つの方法によれば、工具は回転可能なシャンクとピンを備える摩擦攪拌溶接工具のような回転工具である。シャンクとピンは回転され、ピンが構造部材の１つまたは隣接する構造部材間の界面内に付勢されることになる。ピンが回転すると、そのピンと構造部材間に生じた摩擦が構造部材を加熱し、塑性化領域を形成するようになる。その塑性化領域において、構造部材の材料は塑性化するが、通常は溶融しない。ピンの回転運動はその塑性領域において構造部材の材料を混合している。ピンは、構造部材内または界面に沿って直進移動し、線状の摩擦攪拌溶接接合部を形成することになる。従来の他の方法によれば、摩擦溶接工具は回転せずに往復動するように構成されている。
【０００３】
摩擦溶接は強靭かつ信頼性の高い溶接接合部を形成することができ、かつ鋼、チタン、アルミニウム、およびそれらの合金を含む種々の材料、特にアーク溶接のような他の溶接法では接合が困難な材料にも適用することができる。従って、摩擦溶接は、ネジ、ボルト、リベットなどの締付具を用いる接合法や他の溶接法に代わる接合法である。しかし、摩擦溶接の速度、従って、費用効果は、構造部材内において工具を直進移動させる速度によって制限される。工具を余り迅速に直進移動させると、工具と構造部材間に生じた摩擦熱は構造部材を十分に塑性化させることができず、溶接接合部の品質を劣化させることになる。従って、工具を直進移動させる速度は摩擦熱を工具と構造部材間に生成させるのに必要な速度を超えることができない。
【０００４】
構造部材に付加的な熱を与え、摩擦溶接工具によって生じた摩擦熱を補足する摩擦溶接法が提案されている。例えば、電流を構造部材内に流し、構造部材を抵抗加熱する方法、あるいは誘導加熱器またはレーザを用いて構造部材を加熱する方法が知られている。しかし、これらの方法において、構造部材を加熱する効率は、個々の構造部材の特性に依存することになる。例えば、構造部材の抵抗、インダクタンス、および表面反射によって、抵抗加熱、誘導加熱、およびレーザ加熱によって生じる加熱量がそれぞれ影響される。さらに、加熱は溶接接合部の近傍の領域に限らず、構造部材の広い領域に影響を及ぼすことがある。この領域は、通常、「熱影響部」と呼ばれている。熱影響部には、加熱による材料特性の劣化、例えば、脆化が生じることになる。付加的な加熱によって生じた広い熱影響部は、溶接接合部の品質を低減させ、本来の材料特性を回復させるために付加的な処理を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、種々の材料内に強靭かつ信頼性の高い溶接接合部を形成することができる摩擦溶接装置および方法が必要とされている。これらの装置および方法は、摩擦溶接工具と構造部材間に生じる摩擦熱を補足し、最大溶接速度を増すように構造部材を加熱するように構成されるべきである。また、これらの装置と方法は、異なる構造部材を同じように加熱し、かつ加熱がそれらの構造部材の特定の領域に偏らないように構成されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する装置を提供している。この装置は、シャンクとそのシャンクに接続されるプローブを備えている。プローブは、シャンクによって少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接するように作動されている。シャンクおよびプローブの少なくとも１つは、吸収面およびその吸収面から延長されるキャビティを画成している。吸収面は、電磁放射源(electromagnetic radiation source)から電磁放射を受け、プローブを加熱している。吸収面は電磁放射源から受ける電磁放射の方向に対して内側におよび／または傾斜して配置されるとよい。また、吸収面は、湾曲および／または円錐状であるとよい。本発明の一つの態様によれば、プローブは吸収面内を貫く少なくとも１つの開口を有し、電磁放射は、キャビティからこの開口内を伝播して構造部材に入射している。
【０００７】
また、装置は吸収面を照射し、プローブおよび構造部材を加熱する電磁放射源を備えているとよい。電磁放射源は、光源または高周波源であるとよい。また、光ファイバケーブルまたは導波管が電磁放射を吸収面に向かって導くために設けられるとよい。キャビティは、プローブの長手方向に沿って延長され、電磁放射源は電磁放射をプローブの長手方向に沿って放射するように構成されるとよい。
【０００８】
本発明の一つの態様によれば、プローブは、摩擦攪拌溶接ピンからなり、装置はシャンクに回転可能に連結される回転可能なアクチュエータを備えている。回転可能なアクチュエータは、シャンクをプローブの長軸を中心として回転させている。本発明の他の態様によれば、プローブは、摩擦攪拌溶接ブレードからなり、装置はシャンクに往復動可能に連結される往復動可能なアクチュエータを備えている。
【０００９】
本発明では、さらに少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法を提供している。この方法は、少なくとも８００℃の温度で塑性化する材料からなる少なくとも１つの構造部材を準備する段階を備えている。摩擦溶接プローブは、少なくとも１つの構造部材内に付勢され、少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接するように作動されている。プローブと熱的に通じているシャンクの吸収面は、光または高周波のような電磁放射によって照射され、プローブを加熱している。例えば、光は吸収面に対して傾斜した方向に沿って導かれるとよい。少なくとも１つの構造部材は、少なくとも８００℃の温度に加熱されるとよい。
【００１０】
本発明の一つの態様によれば、プローブは、その長軸を中心にして回転する摩擦攪拌ピンであり、電磁放射は、ピンに向かってピンの長軸に沿って導かれている。他の態様によれば、プローブは少なくとも１つの構造部材によって画成される界面内で往復動する摩擦攪拌溶接ブレードである。
【００１１】
本発明を総括的な用語を用いて説明したが、添付の図面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いない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施例が示されている添付の図面に基づいて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、ここに述べる実施例に制限されると解釈されるべきではない。これらの実施例は、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。
【００１３】
図１は、本発明の一つの実施形態による摩擦溶接工具１０を示している。摩擦溶接工具１０は、シャンク２０およびそれに取り付けられるプローブ２２を備えている。プローブ２２は、例えば、摩擦攪拌溶接ピンで形成されている。後述するように、プローブ２２は、内部吸収面３２を備えている。内部吸収面３２は、少なくともシャンク２０内を延長するキャビティ２６の一部を画成している。図示するように、吸収面３２は、光ファイバケーブル５６を介して伝播方向５４に延長するビーム経路５２に沿って導かれる電磁放射、例えば、光を受けるように構成されている。
【００１４】
図２に示すように、摩擦溶接工具１０は、２つの構造部材６０および６２を接合するように構成されている。構造部材６０および６２は、互いに当接され、それらの間に界面(interface)６４が形成されるように位置決めされている。図示の実施例において、構造部材６０および６２間の界面６４は、プローブ２２の長軸と平行に位置しているが、構造部材６０および６２が他の配置であってもよい。例えば、構造部材６０および６２は、互いに重ねられ、界面６４がプローブ２２の長軸と略直交する方向に延長し、プローブ２２が界面６４を介して第１構造部材６０内に延長し、少なくとも部分的に第２構造部材６２内に突出するように配置されてもよい。
【００１５】
本発明の摩擦溶接工具１０を用いることによって、どのような数の構造部材６０および６２も接合することができる。構造部材６０および６２は、種々の材料、例えば、鋼、チタン、アルミニウム、およびそれらの合金から形成されていてもよい。また、構造部材６０および６２は、異なる材料、特に従来の非摩擦溶接技術を用いて接合させることが困難または不可能な異なる材料の組合せから形成されていてもよい。さらに、構造部材６０および６２は、高温で塑性化される材料、従って、従来の摩擦溶接によれば通常その溶接速度が制限されるような材料から形成されていてもよい。例えば、構造部材６０および６２の１つまたは両方は、チタンおよびある種の鋼のように少なくとも８００℃の温度で塑性化する材料から形成されていてもよい。
【００１６】
シャンク２０は、電動モータのようなアクチュエータ（図示せず）によって作動される駆動シャフト（図示せず）に接続されている。駆動シャフトは、シャンク２０をプローブ２２の長手方向に沿って付勢(urge)し、プローブ２２を界面６４内に付勢するように構成されている。構造部材６０および６２に対するプローブ２２およびシャンク２０の付勢力を受けるために、平台４０のような裏当て部材が構造部材６０および６２の反対側に配置されるとよい。この構成によって、構造部材６０および６２が付勢力によって変形するのを防ぐことができる。駆動シャフトは、シャンク２０およびプローブ２２を方向４６に示すように回転させ、シャンク２０およびプローブ２２を方向４４に示すように界面６４に沿って直進移動させるように構成されている。プローブ２２を回転させながら界面６４内を直進移動させると、プローブ２２と構造部材６０および６２間の摩擦が熱を生じ、この熱が界面６４の近くの構造部材６０および６２の材料を塑性化し、材料の塑性化領域を形成するようになる。この材料の塑性化領域は、プローブ２２によって混合される。塑性化された材料が冷却によって硬化すると、構造部材６０および６２を接続する摩擦溶接接合部６６が形成されることになる。なお、従来の摩擦溶接はトーマスらに付与された米国特許第５、４６０、３１７号において検討されている。この特許の全体は引用によって本明細書の一部をなすものとする。
【００１７】
シャンク２０およびプローブ２２は、個別の部材として形成した後に接合されてもよいし、単一の一体部材として形成されてもよい。これらのシャンク２０およびプローブ２２は、種々の材料から形成することができる。好ましくは、少なくともプローブ２２は難融性材料、すなわち、高温摩擦溶接中に溶融しない材料から形成されるとよい。また、好ましくは、プローブ２２は高硬度および耐摩耗性を有しているとよい。例えば、プローブ２２および/またはシャンク２０は、タングステン、モリブデン、チタン、ニッケル、鋼、それらの合金、単結晶または多結晶ダイヤモンド、あるいはニッケル基超合金(nickel-based superalloys)から形成され、好ましくは、高い作動温度において強靭であるとよい。さらに、プローブ２２は、例えば、耐摩耗性を向上させ、または摩擦特性を改善するために、蒸着(vapor phase deposition)によって形成されるダイヤモンド膜のような皮膜が施されているとよい。プローブ２２の外面は、溶接中にプローブ２２と構造部材６０および６２間に所定の摩擦を生じるのに必要な粗さまたは滑らかさを有しているとよい。
【００１８】
電磁放射源、例えば、図２に示すような高強度光源(high intensity light source)は、電磁放射をキャビティ２６内に伝達するように構成されている。高強度光源５０は、レーザ、高輝度レーザダイオード、レーザダイオードアレイ、アークランプ、または高出力光ビームを伝達する他の装置からなるとよい。具体的に、高強度光源５０は、２酸化炭素レーザ、１酸化炭素レーザ、ネオジウムドープ・イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ、または高出力半導体ダイオードのような通常の工業用レーザからなるとよい。あるいは、高周波線（ＲＦ）のような他の電磁放射を伝達する電磁放射源であってもよい。電磁放射源から生じる電磁放射の量は、例えば、構造部材６０および６２の厚みおよび塑性温度に依存して選定されるとよい。例えば、高強度光源５０は、約１００から１００、０００ワットの範囲の電磁放射を生成するとよい。好ましくは、高強度光源５０は、シャンク２０および駆動シャフトから離れて配置され、高強度光源５０からの光は１つ以上のミラーまたは他の反射面、中空チューブ、レンズ、光ファイバケーブル、光ダクト、または他の光誘導要素によってキャビティ２６内に導かれている。しかし、高強度光源５０または他の電磁波源は、必要に応じて、シャンク２０および／または駆動シャフトと一体化されてもよい。
【００１９】
電磁波源からの電磁波を受けるキャビティ２６は、少なくとも部分的にプローブ２２の吸収面３２を画成している。好ましくは、摩擦溶接工具１０は、プローブ２２の長軸がキャビティ２６内を延長するように構成されている。さらに一つの実施例において、キャビティ２６の中心を通る長軸に対してキャビティ２６が線対称となるように、キャビティ２６は配置されている。キャビティ２６は、シャンク２０内に延長し、吸収面３２は、シャンク２０に面するプローブ２２の近位端に形成されてもよいが、代表的な実施例において、キャビティ２６は、シャンク２０のみならずプローブ２２の少なくとも一部内にまで延長している。この代表的な実施例において、吸収面３２は、図１および図２に示すように、プローブ２２の内面に形成されている。図１および図２に示すように、キャビティ２６は、プローブ２２からプローブ開口３０を介してシャンク２０内に、さらにシャンク２０を介してシャンク開口２８に延長している。キャビティ２６の断面寸法は概してシャンク２０内におけるほうがプローブ２２内におけるよりも大きいが、必要に応じて、キャビティ２６は、シャンク２０およびプローブ２２内において同じ断面寸法を有していてもよい。キャビティ２６の内面は、電磁放射を吸収するので、その吸収率を制御するように処理されるとよい。例えば、吸収面３２の吸収性をキャビティ２６の他の面の吸収性よりも高めるために、吸収面３２は炭素基皮膜(carbon-based coating)、塗料、またはセラミックのような高吸収材料で被覆されるとよい。
【００２０】
高強度光源５０は、少なくとも吸収面３２を照射することによって、吸収面３２、従って、プローブ２２および構造部材６０および６２を加熱するように構成されている。好ましくは、吸収面３２は、高強度光源５０から受ける光の方向に対して傾斜しているとよい。例えば、吸収面３２は、図１に示すような円錐凹状、または円錐凸状であるとよい。他の実施例として、吸収面３２は、放物面のような曲面、光に対して傾斜する１つ以上の平面、または窪んだ面や粗面のような不規則な面からなるとよい。好ましくは、吸収面３２を傾斜させることによって、高強度光源５０に直接戻る吸収面３２からの光の反射を低減させることができる。すなわち、吸収面３２から反射した光は、キャビティ２６の他の部分に導かれるようになる。例えば、図１の方向５４に沿って導かれて円錐状の吸収面３２によって部分的に反射した光は、主に吸収面３２の他の部分に向かって反射し、その吸収面３２の他の部分において部分的に吸収され、かつ再び部分的に反射するようになる。光の一部は、高強度光源５０に戻るように反射するが、吸収面３２から高強度光源５０への直接的な一次反射を防いでいるので、その高強度光源５０に戻る光の量は少なく、高強度光源５０の加熱および損耗を低減させることができる。また、高強度光源５０に向かって反射する前にキャビティ２６内おいて生じる反射の回数を増やすことによって、吸収面３２における光の加熱効果を向上させることができる。さらに、吸収面３２は、高強度光源５０から照射される光の方向に対して直交していないので、光はビーム経路５２の断面よりも大きな吸収面３２の面積の全体にわたって広がり、その結果、吸収面３２の近傍のプローブ２２への熱ストレスを低減することができる。また、吸収面３２に高吸収処理を施し、高強度光源５０に保護レンズを設け、または吸収面３２に照射される光を散乱させることによって、高強度光源５０を過剰な反射光から保護することができる。なお、キャビティ２６からの光の漏れを防ぐために、シャンク開口２８および／またはプローブ開口３０の断面の寸法をキャビティ２６の他の部分の断面の寸法よりも小さく設定してもよい。ミラー、レンズ、およびフィルタのような１つ以上の光学装置を用いて、吸収面３２に入射する光の焦点、ビーム幅、散乱、およびコヒーレンスを調整することもできる。
【００２１】
図３に示す摩擦溶接工具１０は、ＲＦ発生源からなる電磁放射源５０ａおよび摩擦溶接ブレードからなるプローブ２２ａを備えている。図２の切断装置１０に関連して述べたように、ＲＦ発生源５０ａは、吸収面３２を照射し、プローブ２２ａを加熱するように構成されている。同軸ケーブルまたは中空パイプからなる導波管５６ａは、発生源５０ａからのＲＦ波をキャビティ２６内にプローブ２２ａの吸収面３２に向かって導く。ＲＦレンズ５８ａは、ＲＦ波を矩形のプローブ開口３０内に集束させる。プローブ２２ａは、構造部材６０および６２間の界面６４内に挿入または付勢され、プローブ２２ａと構造部材６０および６２間に摩擦を生じるように往復運動し、構造部材６０および６２の材料を塑性化し、塑性化した材料を混合し、構造部材６０および６２を接合する溶接接合部６６を形成する。工具１０の駆動シャフトは、往復動可能なアクチュエータ（図示せず）に接続され、界面６４内にプローブ２２ａを付勢し、プローブ２２ａを方向４８に沿って回転させながら方向４４に沿って直進移動させるように構成される。図示される工具１０の長軸は、プローブ２２ａおよび界面６４と平行に延長しているが、シャンク２０、駆動シャフト、および光源５０の１つ以上をプローブ２２ａに対して所定の角度だけ傾斜させて、例えば、直交させて配置してもよい。なお、当該技術分野において知られているように、プローブ２２ａを界面６４に対して所定の角度だけ傾斜して配置させることもできる。
【００２２】
代表的な一つの作動法において、摩擦溶接工具１０は、摩擦溶接接合部６６を形成することによって２つの構造部材６０および６２を接合するために用いられる。構造部材６０および６２は、それらの間に界面６４を形成するように配置されてから互いに付勢されるようになる。摩擦溶接プローブ２２または２２ａは、例えば、それらのプローブ２２または２２ａをその長手方向に沿って界面６４内に付勢することによって構造部材６０および６２内に付勢される。摩擦溶接プローブ２２または２２ａは、例えば、アクチュエータを用いて作動される。具体的には、アクチュエータによって、シャンク２０およびプローブ２２または２２ａは回転または往復動しながら界面６４に沿って直進移動する。電磁放射源５０または５０ａは、吸収面３２に向かって電磁放射を放射し、その吸収面３２を照射している。電磁放射源５０または５０ａから吸収面３２に入射する電磁放射は、吸収面３２を加熱し、例えば、吸収面３２とプローブ２２または２２ａ間の熱伝導によってプローブ２２または２２ａの全体を加熱している。電磁放射からプローブ２２または２２ａに与えられた熱エネルギーは、プローブ２２または２２ａによって生成した摩擦熱を補足し、摩擦加熱のみによるよりも迅速に構造部材６０および６２を加熱することができる。その結果、塑性化された領域が迅速に構造部材６０および６２内に形成され、プローブ２２または２２ａをそれらの構造部材６０および６２内においてより容易にかつプローブ２２または２２ａのみによる摩擦加熱と比べてより迅速に直進移動させることができる。
【００２３】
上記の説明および関連する図面に基づく示唆によって、当業者は多くの変更例および他の実施例をなすことが可能であろう。従って、本発明は、ここに開示された具体的な実施例に制限されるものではなく、それらの実施例の変更例および付加的な他の実施例は添付の請求の範囲に包含されると理解すべきである。ここに用いられた用語は本発明を総称的かつ叙述的に説明するための用語であり、これらの用語によって本発明は制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一つの実施例による摩擦溶接工具の透視図である。
【図２】本発明の一つの実施例によって２つの構造部材を接合する摩擦攪拌溶接接合部を形成するように構成された図１の摩擦溶接工具の透視図である。
【図３】本発明の他の実施例によって２つの構造部材を接合する摩擦溶接接合部を形成するように構成された往復動可能な摩擦溶接工具の透視図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  摩擦溶接工具
２０  シャンク
２２  プローブ
２６  キャビティ
２８  シャンク開口
３０  プローブ開口
３２  吸収面
４０  平台
４４  方向
４６  方向
４８  方向
５０  高強度光源
５２  ビーム経路
５４  方向
６０  構造部材
６２  構造部材
６６  摩擦溶接接合部
【図１】
2006136945.tif 000003
【図２】
2006136945.tif 000004
【図３】
2006136945.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年1月17日(2006.1.17)
【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】
摩擦溶接プローブを少なくとも１つの構造部材内に付勢する段階と、
前記摩擦溶接プローブを作動させて前記少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する段階と、
前記摩擦溶接プローブの吸収面に電磁放射を照射して、前記プローブを加熱する段階と
を含むことを特徴とする、少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項２】
少なくとも８００℃の温度で塑性化する材料からなる少なくとも１つの構造部材を準備する段階をさらに備え、前記照射する段階が前記少なくとも１つの構成部材の少なくとも一部を少なくとも８００℃の温度に加熱する段階であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項３】
前記プローブが摩擦攪拌溶接ピンであり、前記作動させる段階が前記摩擦攪拌溶接ピンをその長軸を中心として回転させる段階であり、前記照射する段階が電磁放射を前記摩擦攪拌溶接ピンに向けて前記摩擦攪拌溶接ピンの長手方向に沿って導く段階であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項４】
前記プローブが摩擦攪拌溶接ブレードであり、前記作動する段階が前記ブレードを前記少なくとも１つの構造部材によって画成された界面内において往復動する段階であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項５】
前記照射する段階が前記プローブによって画成されたキャビティ内を経由して前記プローブを照射する段階であり、前記吸収面が少なくとも前記キャビティを部分的に画成する内面であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項６】
前記照射する段階が前記吸収面に対して傾斜した方向に電磁放射を導く段階であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項７】
前記照射する段階が前記吸収面を光で照射する段階であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。
【請求項８】
前記照射する段階が前記吸収面を高周波で照射する段階であることを特徴とする、請求項１に記載の少なくとも１つの構造部材を摩擦溶接する方法。