(57)【要約】本発明は、回転式摩擦攪拌溶接工具を用いる摩擦攪拌溶接方法に関し、前記工具はプローブを有し、前記方法は、（ａ）溶接困難な材料から成る加工物の溶接中に、プローブの温度を制御するために温度制御用冷却剤を工具の１つ以上のチャネルに通過させることにより工具の温度を制御し、これにより前記工具及び前記加工物の溶接される領域から過剰な熱を取り除き、（ｂ）前記冷却剤は、前記工具への導入時に、予め定められた第一の温度を有し、（ｃ）前記工具プローブ温度を示す第二の予め定められた温度を測定し、（ｄ）前記工具プローブを、実質的に、予め定められた工具プローブ温度に保持するように溶接プロセスを制御することを含む。本発明は、また、上記方法を実施するためのコンビネーションに関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転式摩擦攪拌溶接工具を用いる摩擦攪拌溶接方法において、
前記工具はプローブを有し、
前記方法は、
（ａ）溶接困難な材料から成る加工物の溶接中に、プローブの温度を制御するために温度制御用冷却剤を工具の１つ以上のチャネルに通過させることにより工具の温度を制御し、これにより前記工具及び前記加工物の溶接される領域から過剰な熱を取り除き、
（ｂ）前記冷却剤は、前記工具への導入時に、予め定められた第一の温度を有し、
（ｃ）前記工具プローブ温度を示す第二の予め定められた温度を測定し、
（ｄ）前記工具プローブを、実質的に、予め定められた工具プローブ温度に保持するように溶接プロセスを制御すること
を含む摩擦攪拌溶接方法。
【請求項２】
前記第二の予め定められた温度は、前記プローブの温度である、請求項１に記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項３】
前記第二の予め定められた温度は、前記工具を出る時の前記冷却剤の温度である、請求項１に記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項４】
前記温度制御用冷却剤は、前記工具を通過した後に冷却され、前記工具中に再循環される、請求項１乃至３のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項５】
前記温度制御用冷却剤の流れは、前記第二の予め定められた温度に応じて制御される、請求項１乃至４のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項６】
溶接速度、即ち、前記加工物が前記溶接工具を通過する際の前記加工物の相対速度は、前記第二の予め定められた温度に応じて制御される、請求項１乃至５のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項７】
溶接速度、即ち、前記溶接工具に対する前記加工物の相対速度は、前記工具プローブ温度の変動に応じて制御される、請求項１乃至６のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項８】
前記冷却剤の流れは、溶接の開始時から始められ、前記プローブの移動速度と、温度制御用冷却剤の温度と、前記プローブを駆動させる力と、プローブの温度と、工具の回転速度が一定に保たれた均衡状態に達した時点を確定するために、前記工具及び前記加工物の温度測定が用いられる、請求項１乃至７のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項９】
前記工具の回転速度は、溶接の間中、一定に保たれる、請求項１乃至８のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１０】
温度制御用冷却剤の第一の予め定められた温度は、均衡状態が達成されるまで変動可能である、請求項１乃至９のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１１】
（ａ）プローブ（２０１）と、ショルダー（２０２）と、工具本体（２１０）とを備えた摩擦溶接工具であって、前記プローブ（２０１）及び前記ショルダー（２０２）は一体に溶接される各加工物と接触しつつ回転する時に摩擦熱を生じるように構成され、前記工具内に、温度制御部（２２０）に冷却剤を接触させるように構成された導管（２２３）を設けた、摩擦溶接工具と、
（ｂ）前記プローブの温度を記録する手段と、
（ｃ）前記冷却剤の第一及び第二の予め定められた温度に応じて、前記プローブを通過する温度制御用冷却剤の流れを調節するための制御手段（２１３）と
を備えた摩擦攪拌溶接のための摩擦攪拌溶接装置。
【請求項１２】
前記プローブの温度を記録する手段は、前記プローブに取り付けた温度測定装置を備えたことを特徴とする請求項１１に記載する摩擦攪拌溶接のための摩擦攪拌溶接装置。
【請求項１３】
前記プローブの温度を記録する手段は、前記プローブを出る際の戻り冷却剤温度を測定するように構成された温度測定装置（２１４）を備えたことを特徴とする請求項１１に記載する摩擦攪拌溶接のための摩擦攪拌溶接装置。
【請求項１４】
制御部（３３０）を更に備えた、請求項１１乃至１３のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接のための摩擦攪拌溶接装置。
【請求項１５】
摩擦攪拌溶接プローブの回転速度を制御する手段は、前記制御部（３３０）により制御されるように構成されたことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接のための摩擦攪拌溶接装置。
【請求項１６】
溶接速度、即ち、前記溶接工具に対する加工物の相対速度を制御する手段は、プローブ温度の変動のフィードバックとして、前記制御部（３３０）により制御されるように構成されたことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれかに記載する摩擦攪拌溶接のための摩擦攪拌溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御を用いた摩擦攪拌溶接（friction stir welding）方法、装置、及び、温度制御装置を備えた摩擦攪拌溶接プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
同一出願人の同時係属(スエーデン）出願０１０１６６３−３には改良された摩擦攪拌溶接プローブが記載されているが、これを参照し、参考として本明細書に組み入れる。
【０００３】
摩擦攪拌溶接は、比較的新しい溶接技術である。例えば接合しようとする金属／合金の厚さなどのために、溶接が困難であった金属及び合金、つまり、特殊なシールドガスが必要という理由、及び、特に厚い材料においては溶接部が冷えるときに空孔及び／又は固化割れ（solidification cracking）欠陥を除く必要があるという理由により、溶接が困難であった金属／合金を溶接するために、この技術は開発された。
【０００４】
一般的に、溶接技術においては、接合しようとする金属／合金の厚みが、良好な溶接を得ることに対するおそらく最大の障害であるといえる。
【０００５】
摩擦攪拌溶接では、回転式ショルダーつき円筒状工具を用い、高速回転する円筒状工具に接触している金属に機械的な摩擦を発生させる。工具と、接合しようとする金属との間の摩擦で熱が発生するため、この機械的な摩擦は、回転する工具と接触している金属を軟化させる。このようなプローブは、EP-A2-0,810,056（特許文献１）に開示されている。
【０００６】
図１Ａ及び図１Ｂには、従来技術の摩擦攪拌溶接プローブが示されている。図示のように、２つの部材１０Ａ’と１０Ｂ’は、一体に溶接されるこれらの部材の端縁同士が直接接触した状態に保持されるように整列される。摩擦攪拌溶接工具は、その末端にショルダー１４’を有し、さらに、このショルダーから中央下向きに延在する非消耗性溶接プローブ１６’を備えている。回転工具Ｗ’がプレート１０Ａ’と１０Ｂ’の間の界面と接触すると、回転するプローブ１６’が、図示のように、両方のプレートの材料と接触する。
【０００７】
プローブは、加工物の材料よりも硬い材料でできており、接合領域と、この接合領域の両側の各加工物の対向部に入り込み、プローブと各加工物との間に、例えば回転運動や往復運動などの相対的な周期的運動を生じさせる。これにより、摩擦熱が発生して各加工物の対向部を軟化させる。溶接部の形成においてプローブは、接合領域の方向に移動する。プローブが移動するにつれ、軟化した金属／合金が固化し、よって加工物が一体に接合される。
【０００８】
摩擦攪拌溶接の他の例が、EP-B-0615480（特許文献２）及びWO95/26254（特許文献３）に記載されている。工具の他の例が、たとえば、GB-A-2306366（特許文献４）、WO99/52669（特許文献５）及びWO99/58288（特許文献６）に記載されている。
【０００９】
更に、発生する熱の問題が、アルミニウムの溶接に関連して、EP-A2-0,810,056（上記特許文献１）に開示されている。ここで直面する問題は、結果として得られる溶接部が粗雑であるため、作成される溶接部に機械加工が必要であることである。アルミニウム合金（本質的に押出加工不可）などの溶接困難な材料を溶接する場合、溶接プロセス中に工具を冷却すると、軟化した金属が工具の回転プローブやショルダーに付着する傾向を抑え、より滑らかな表面が得られることが分かっている。開示された工具は、内部空間すなわち外部ジャケットを備え、これを介して冷却剤が送り込まれ、溶接作業の間、熱を取り除き工具を冷却する。さらに記載された実施例は、溶接工具の末端の外表面上に冷却剤を散布する装置を備え、これにより、溶接中、工具及びその周囲の加工物から熱を取り除く。
【００１０】
摩擦攪拌溶接に用いられる工具は、一般に、円筒状或いはテーパー状のプローブを備え、このプローブは、より大きな直径を有する平坦な或いはドーム状のショルダーから突出している。３ｍｍ厚及び６ｍｍ厚のアルミニウム合金のシート及びプレートを溶接するためには、EP-B-0615480（特許文献２）に最初に開示されたように、プローブ長さ対その通常直径の割合すなわち深さと幅の割合は、１：１程度であり、ショルダーの直径とプローブの長さの割合は約３：１又は４：１程度である。
【００１１】
【特許文献１】
EP-A2-0,810,056
【特許文献２】
EP-B-0615480
【特許文献３】
WO95/26254
【特許文献４】
GB-A-2306366
【特許文献５】
WO99/52669
【特許文献６】
WO99/58288
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
１５ｍｍから２５ｍｍまでのより厚いプレートを１回の行程で溶接するために、すなわち１５から２５ｍｍの間で変化する厚みに対して、長さ／直径の比率が１：１であるタイプのプローブを使うことができる。しかし、このようなプローブは過剰な量の材料を移動させる傾向がある。プレートが厚くなると、それに伴って公知のタイプのプローブは大型化し、更に多量の材料を移動させることになる。これは、問題解決の手段としては推奨されるものではないことが試験により示されている。しかし、より厚い材料を溶接するには、より大きな圧力インプットをプローブに与える必要があり、これは、プローブの幅を広げることなくその長さを延ばすことが問題を生じ得ることを示している。
【００１３】
より大きな寸法の加工物の場合、摩擦攪拌溶接を用いて加工物同士を接合するプロセスにおけるひとつの重要な点は、“突入シーケンス（plunge sequence）”、すなわち、プローブを接合ラインに下降させる溶接プロセスの開始である。問題は、突入シーケンスの際に、発生する熱のほとんどが、銅などの溶接される材料の全体に急速に伝導し、工具がロックされ剪断されるかもしれないことである。
【００１４】
上記に引用した同一出願人の同時係属（スエーデン）出願０１０１６６３−３は２００１年５月１１日に出願され、改良された摩擦攪拌溶接プローブが記載されているが、そこには、摩擦攪拌溶接プロセスにおいて、特に、金属又は金属合金から成る、より厚みのある部材の接合が行なわれる時に発生する熱が、プローブ自体のデザインに改良を加えたとしても、問題になることも示唆されている。
【００１５】
従来技術において、薄い加工物を溶接する時に、工具速度を変えたり、ショルダーとプローブの回転速度を異ならせることは、溶接領域への熱インプットを制御するための優れた方法であると一般に考えられている。しかしながら、特に、プローブ及び接合される加工物の寸法が増加した場合には、溶接における良好な作用を達成するため、材料／プローブの温度を調節する必要があることも指摘されている。
【００１６】
発明者らの研究によれば、プローブの回転速度を毎分４００回転（４００ＲＰＭ）以下に下げると、プローブにかかるトルクが大きくなることがわかった。これは、トルクが大きくなると、プローブの破損を避けるためにプローブの直径を大きくしなければならないことを意味する。
【００１７】
しかし、回転速度を毎分４００回転以上に上げると、加工物の上面の温度が急激に上昇し、下層の溶接材料、例えば銅、が、溶接が起こるのに十分な程度に軟化する前に、この上面が極度に軟化してしまう。このような状況では、工具のショルダーが軟化した上面層の中に過剰に深く貫入或いは突入する恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の目的は、溶接領域を過熱したり過冷したりしないことにより、一定の溶接品質を可能にするために、（安定した溶接条件が達成された後）工具プローブの温度を、決められた範囲内に保持することである。
【００１９】
本発明の更なる目的は、工具の過熱及び／又は工具の高温剪断を避けることである。
【００２０】
本発明の更なる目的は、磨耗が最小限になる作業温度を達成することにより工具プローブの磨耗を抑え、しかも一定の溶接品質を保つことである。
【００２１】
本発明の更なる目的は、プローブひいては溶接される材料の温度制御を可能にし、溶接プロセスにおける最適条件を与える、改良された摩擦攪拌溶接工具のコンビネーションおよび溶接部自体の品質向上を提供することである。
【００２２】
本発明によれば、摩擦攪拌溶接工具と共に用いられる制御された冷却システム、及び、溶接領域の過熱や過冷のいずれかに起因する欠陥を生じることのない一定の溶接品質を与える温度条件を溶接において達成し維持する方法において、上記の目的が達成される。
【００２３】
本発明のこれらの及びその他の目的、利点、特徴は、図面を参照した、下記の好ましい実施例の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明によれば、過剰な熱が攪拌溶接工具から取り除かれ、溶接全体に渡って、改良された溶接構造が達成される。本発明によれば、摩擦攪拌溶接工具及びプロセスのための温度制御装置の実施例が開示される。図２において、摩擦攪拌溶接プローブ２０１とそのショルダー２０２が工具本体２１０に取り付けられている。
【００２５】
この図には、さらに、摩擦攪拌溶接工具が非回転部分２０６，２１０と回転部分２０５，２０２，２０１を有することが示されている。
【００２６】
温度制御装置が示されている。工具本体２１０内部には、工具ショルダーに接触した状態で配置された工具温度制御回路がある。導管２２３が、摩擦攪拌溶接工具の前記回転部分と前記非回転部分の両方を通過している。これを達成するため、回転シール２０４が上記２つの部分の間の界面に配置されている。
【００２７】
冷却部２２０は、冷却剤がプローブ２０１を通過する前に導管２２３内の冷却剤を冷却するための導管２２３内に配置されている。この冷却剤は、液体でも気体でもよい。図は、ひとつの導管のみが示されているが、当業者であれば理解できるように、導管は複数本あってもよく、この場合にも同一の目的を達成する。導管２２３内には、流体メーター２１１と、圧力ゲージ２１２と、流量制御メーター２１３が示されている。戻り冷却剤を測定するための温度測定装置２１４が、導管２２３内に配置されている。
【００２８】
計器ブロック２０３が示され、ここには、工具プローブの温度を記録するデータ記録計が含まれる。上記ブロックは、例えば、熱電対ｅｍｆ（起電力）増幅器を備えていてもよく、熱電対は、工具温度を測定するために用いられる。ｅｍｆ（起電力）は、スリップリングによって回転軸から取り出し、リアルタイムで表示することができる。
【００２９】
上記計器は、本発明にとって格別の重要性をもつものではない。
【００３０】
図３には、溶接中の摩擦攪拌溶接パラメータ、特にプローブの温度を制御するための本発明による制御システムを示す。制御部３３０において、溶接シーケンスを制御するために、摩擦攪拌溶接制御プログラムを作動させてもよい。この制御部３３０は、計器ブロック３０３からのＦＳＷプローブ温度と、戻り冷却剤温度記録装置３１４からの戻り冷却剤温度と、流量メーター３１１からの流量測定値と、圧力ゲージ３１２からの圧力測定値と、冷却部を出て温度制御回路（図示せず）に入る冷却剤の温度などの変動量を受け取る。このように受け取った測定された変動量は、ポンプ３１３により回路内の流れを調節し、冷却部３２０を出る冷却剤の温度を制御し、溶接される加工物に対するプローブ３５０の横断速度３４０を調節することによって、温度制御回路内の流れを制御するために用いられる。より厚みのある銅の部材の溶接に関連して、良好に作用する回転速度を見つけたこと、及び回転速度を増減することは第一の選択肢ではないことを前述したが、他の材料を溶接する他の状況下では、プローブ３５０の回転速度を制御することが選択肢である場合もある。
【００３１】
さて図４を参照すると、本発明による典型的な溶接手順における様々な変動量が示されている。摩擦攪拌溶接工具の回転速度は、実質的に一定に保持されていることが、この例では、曲線（Ｆ）で示されている。冷却された冷却剤の温度は、実質的に１０〜４０℃の間に保持され、曲線（Ｉ）で示されている。請求項では、第一の予め定められた温度として言及されている。
【００３２】
プローブの温度、すなわち曲線（Ｅ）、は、最初、比較的ゆっくりと上昇し、曲線（Ｃ）で示すプローブ横断速度が増加するにつれて、プローブが溶接領域に導入されてから約２〜８分で最大になることが図から分かる。プローブが移動した距離は、曲線（Ａ）として示されている。工具プローブのコア温度、すなわち曲線（Ｅ）は、約７８０から９００℃の間の所望の予め定められた温度まで上昇することが示されている。
【００３３】
本発明によれば、工具プローブの温度又は温度範囲は、請求項では、第二の予め定められた温度として言及されている。
【００３４】
しかしながら、本発明の別の実施例によれば、戻り冷却剤の温度をプローブ温度の測定値として用いることができ、この温度又は温度範囲は、請求項では、第二の予め定められた温度として言及されている。
【００３５】
予め定められた温度は、本発明によれば、間接的にプローブを冷却すること及び／又は移動速度、即ちプローブと加工物の間の相対的な移動を調節することにより制御することができる。
【００３６】
更にこの図では、トルク曲線（Ｃ）が示され、曲線（Ｅ）で示す予め定められた温度が達成されるにつれ、比較的安定したレベルに上昇している。変位、すなわち曲線（Ｂ）、も同様な過程をたどる。この変位は、接合される各加工物に対してのプローブの前方又は後方への移動の測定値であり、プローブの回転移動とまったく同様に、温度上昇を引き起こす。
【００３７】
溶接手順は、摩擦攪拌溶接により接合される各加工物の間の界面に、回転する工具プローブを導入することにより開始される。ショルダーへの接触が確立され、工具プローブと各加工物の相対移動が溶接の方向に開始される。横断速度は、曲線から分かるように、傾斜上昇する。
【００３８】
このように、本発明によれば、溶接条件は、工具プローブ温度がおおむね一定に維持されるように制御される。本発明によれば、これは、冷却システムを用いること、及び、溶接される加工物に対する摩擦攪拌溶接プローブの移動速度を微調整することにより達成される。当業者であれば、回転する固定プローブと移動する加工物は、静止した加工物と移動しながら回転するプローブと等価であることを理解できよう。この制御方法は、生産的溶接にとって大きな利点を有することが明らかである、なぜなら工具プローブ温度の上限及び下限を、フィードバック制御ループを介して、溶接により接合される材料の移動速度を制御するために用いることができるからである。
【００３９】
図５には、溶接についての実際の溶接記録が示されている。図４と同様に、ただし大文字を使用した図４とは対照的に、対応する小文字のみを用いて、曲線が表示されている。
【００４０】
図６には、溶接プロセスを説明するフロー図を示す。まず、プローブが回転し、第一の移動、すなわち初期移動、は急速前進である。摩擦攪拌溶接工具の移動は、溶接界面から１０〜３０ｍｍのところで減速する。その後、工具プローブが、工具ショルダーが溶接される加工物の表面に接触するまで、溶接界面に貫入する。ここで、滞留期間（加熱期間）が開始され、終了時に、加工物の移動が、予め定められた期間（第一の傾斜）にわたって、低い横断速度で実施される。加工物の横断速度は、その後、最適化が達成されるまで増加させる（すなわち傾斜させる）。工具プローブ温度（予め定められた範囲）が、閉ループフィードバック制御システムにより、加工物の横断速度を制御するために用いられる。溶接は、その後、完了まで続けられ、摩擦攪拌溶接工具が、溶接界面から引き出され、そして加工物の移動が停止する。
【００４１】
以上、本発明の実施例を２つのみ説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変形が可能であることが、容易に理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】従来の摩擦攪拌溶接工具の概略図である。
【図１Ｂ】使用状態における、従来の摩擦攪拌溶接工具の概略端面図である。
【図２】温度制御装置を含む、本発明による摩擦攪拌溶接プローブの装置を示す図である。
【図３】本発明による攪拌溶接工具の制御システムの概略図である。
【図４】摩擦攪拌溶接の実施中に測定及び／又は制御されるパラメータの変化過程を明確に示すための理想的な溶接記録を示す。
【図５】工具プローブのコア温度及び冷却された冷却剤温度を、他のパラメータと関連して示した、本発明による溶接の溶接記録を示す。
【図６】本発明による溶接に用いられるプロセスを説明するフロー図を示す。
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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2005506205.tif 000013
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2005506205.tif 000023
2005506205.tif 000024
【国際調査報告】
2005506205.tif 000025
2005506205.tif 000026