(57)【要約】先進的高強度鋼（ＡＨＳＳ）製の工作物を接合するのに摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＪ）を使用するためのシステム及び方法であり、第１の実施形態は、表面特徴を有していないＦＳＳＪ工具において、ＦＳＳＪ工具の回転速度が他のＦＳＷ技法で使用されている回転速度より遥かに高く、それにより、ＡＨＳＳの可塑化を小規模に生じさせることによってトルクを低減化する、ＦＳＳＪ工具であり、第２の実施形態では、従来のＦＳＳＪ工具を、それが高硬度を有する導電性工具材料から製造されている場合、従来のＦＳＳＪ速度で使用し、ＦＳＳＪ工具及び／又は工作物を加熱することにより、ＦＳＳＪ工具のＡＨＳＳを機能的に溶接する能力を増強するものである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属工作物の摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＪ）を遂行するための方法において、
１）シャンクと、肩部と、ピンと、から成るＦＳＳＪ工具を提供する段階であって、前記肩部と前記ピンは、平滑な表面を有していて、ＦＳＳＪ工具外形に向かって延びる特徴又はＦＳＳＪ工具外形から突き出る特徴を有していない、ＦＳＳＪ工具を提供する段階と、
２）前記ＦＳＳＪ工具を分当たり回転数（ＲＰＭ）４０００より大きい速度で回転させる段階と、
３）前記ＦＳＳＪ工具を少なくとも２つの金属工作物へ突き刺し、その後、当該ＦＳＳＪ工具を当該金属工作物から抜き去り、前記少なくとも２つの金属工作物の点溶接をもたらす段階と、を備えている方法。
【請求項２】
前記方法は、前記少なくとも２つの金属工作物を、先進的高強度鋼（ＡＨＳＳ）、鋼、及びアルミニウム、から成る材料の群より選択する段階を更に備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、円錐台形状を有するピンを提供する段階を更に備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記方法は、半球体形状を有するピンを提供する段階を更に備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記方法は、前記ＦＳＳＪ工具に掛かるトルクを、当該ＦＳＳＪ工具から表面特徴を取り払うことによって低減化する段階を更に備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記方法は、前記ＦＳＳＪ工具が前記少なくとも２つの工作物の何れかの部分と接触するところに位置する工具／工作物界面を急速に加熱する段階を更に備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法は、前記少なくとも２つの工作物への巨視的摩擦撹拌効果を低減化する段階を更に備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記方法は、前記ＦＳＳＪ工具中に異種工具材料を使用し、それにより、当該ＦＳＳＪ工具の異なった場所に異なった摩擦対が得られるようにする段階を更に備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
金属工作物の摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＪ）を遂行するための方法において、
１）シャンクと、肩部と、ピンと、から成るＦＳＳＪ工具を提供する段階であって、前記肩部と前記ピンは、ＦＳＳＪ工具外形に向かって延びる特徴又はＦＳＳＪ工具外形から突き出る特徴を有している、ＦＳＳＪ工具を提供する段階と、
２）前記ＦＳＳＪ工具を分当たり回転数（ＲＰＭ）４０００より大きい速度で回転させる段階と、
３）前記ＦＳＳＪ工具を少なくとも２つの金属工作物へ突き刺し、その後、当該ＦＳＳＪ工具を当該金属工作物から抜き去り、前記少なくとも２つの金属工作物の点溶接をもたらす段階と、を備えている方法。
【請求項１０】
前記方法は、前記特徴を前記ＦＳＳＪ工具直径の１０％未満とする段階を更に備えている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
金属工作物の摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＪ）を遂行するための方法において、
１）シャンクと、肩部と、ピンと、から成るＦＳＳＪ工具を提供する段階であって、前記肩部と前記ピンは、ＦＳＳＪ工具外形に向かって延びる特徴又はＦＳＳＪ工具外形から突き出る特徴を有している、ＦＳＳＪ工具を提供する段階と、
２）前記ＦＳＳＪ工具を加熱するための手段を提供し、それにより、少なくとも２つの金属工作物の少なくとも前記ＦＳＳＪ工具と接触する部分をより急速に加熱し、それにより、前記ＦＳＳＪ工具の周りの前記少なくとも２つの金属工作物の流動速度を高める段階と、
４）前記ＦＳＳＪ工具を前記少なくとも２つの金属工作物へ突き刺し、その後、当該ＦＳＳＪ工具を当該金属工作物から抜き去り、前記少なくとも２つの金属工作物の点溶接をもたらす段階と、を備えている方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記少なくとも２つの金属工作物を加熱し、それにより、前記ＦＳＳＪ工具の周りの当該少なくとも２つの金属工作物の流動速度を高める段階を更に備えている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、前記ＦＳＳＪ工具及び前記少なくとも２つの工作物を、当該ＦＳＳＪ工具が当該少なくとも２つの工作物に点溶接を作成する前、間、又は後に、選択的に加熱する段階を更に備えている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法は、前記ＦＳＳＪ工具及び前記少なくとも２つの工作物を加熱する手段を、誘導加熱及び抵抗加熱から成る加熱手段の群より選択する段階を更に備えている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
金属工作物の摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＪ）を遂行するためのシステムにおいて、
シャンクと、肩部と、ピンと、から成るＦＳＳＪ工具であって、前記肩部と前記ピンは、平滑な表面を有していて、ＦＳＳＪ工具外形に向かって延びる特徴又はＦＳＳＪ工具外形から突き出る特徴を有していない、ＦＳＳＪ工具と、
前記ＦＳＳＪ工具を分当たり回転数（ＲＰＭ）４０００より大きい速度で回転させるための回転手段と、を備えているシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも２つの金属工作物は、先進的高強度鋼（ＡＨＳＳ）、鋼、及びアルミニウム、から成る材料の群より選択されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ピンは円錐台形状を有している、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ピンは半球体形状を有している、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記ＦＳＳＪ工具は、更に、異種工具材料から成り、それにより、当該ＦＳＳＪ工具の異なった場所に異なった摩擦対が得られるようにしている、請求項１５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、出願番号６１／３６９，９３４号を有する仮特許出願案件整理番号４８３２．ＳＭＩＩ．ＰＲに対する優先権を主張し、同仮特許出願に含まれている主題の全てを参考文献として援用する。
【０００２】
本発明は、概括的には、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）、並びに摩擦攪拌加工（ＦＳＰ）、摩擦攪拌点溶接（ＦＳＳＷ）、摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＪ）、及び摩擦攪拌混和（ＦＳＭ）、を含むその変型（以下、総称的に「摩擦攪拌溶接」と呼ぶ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
摩擦攪拌溶接は、金属類及び合金類を溶接するために開発された技術である。摩擦撹拌溶接は、概して、固体状態プロセスである。固体状態加工は、ここでは、典型的には液相を含まない可塑化状態への一時的変態と定義されている。とはいえ、留意しておきたいこととして、一部の実施形態は１つ又はそれ以上の要素が液相を経ることを許容しており、それでもなお本発明の恩恵を享受する。
【０００４】
摩擦撹拌溶接プロセスには、多くの場合、２つの隣接する工作物材料の双方の接合面を回転する攪拌ピンによって係合させることが係わる。ピンを推し進め工作物を一体化させるために力を働かせると、ピンと肩部と工作物の間の相互作用によって摩擦熱が生じ、材料の双方の接合面に可塑化が引き起こされる。ピンと肩部の組合せ、即ち「ＦＳＷチップ」を接合部に沿って横断させ、進ませながら材料を可塑化させると、進行してゆくＦＳＷチップの後に残される可塑化した材料が冷えて溶接が形成される。ＦＳＷチップは、更に、ピンを持たず肩部が別の材料をＦＳＰにより加工してゆくピン無し工具である場合もある。
【０００５】
図１は、摩擦攪拌溶接に使用されている工具であって、シャンク８と、肩部１２と、肩部から外向きに延びているピン１４と、を有する略円筒形の工具１０を特徴とした工具の斜視図である。ピン１４を工作物１６に押し当てて十分な熱が発生するまで回転させ、十分な熱が発生した時点で、工具のピンを可塑化される工作物材料へ突き刺す。典型的に、ピン１４は、工作物１６へ肩部１２に達するまで突き刺されると、それ以上工作物の中へ突き進めなくなる。工作物１６は、多くの場合、接合線１８のところで一体に突き合わされる２つの薄板材料又は板材料である。この例では、ピン１４は接合線１８のところで工作物１６へ突き刺されている。
【０００６】
図１を参照すると、工作物材料１６に押し当てられたピン１４の回転運動によって生じる摩擦熱は、工作物材料を、溶融点に達することなく軟化させる。工具１０が接合線１８に沿って横切るように動かされると、それにより、可塑化した材料がピンの周りを工具２０の進路２０に沿って先導縁から追従縁へ流動してゆくことで、溶接が作り出される。その結果、工具進路２０に沿って接合線１８に固相結合部が得られるが、この結合部は、一般に、従来の非ＦＳＷ溶接技法を使用した場合に生み出される溶接とは対照的に、工作物材料１６と見分けがつかないものとなる。
【０００７】
肩部１２が工作物の表面に接触したとき、その回転が追加の摩擦熱を生じさせて、差し込まれたピン１４周りのより大きな材料円柱を可塑化させることが観察される。肩部１２は、工具ピン１４によって引き起こされる上向きの金属流動を封じ込める鍛造力を提供する。
【０００８】
摩擦攪拌溶接中、溶接されるべき区域と工具は互いに対して、工具が工具／工作物界面の所望の溶接継手長さを横断するようにして動かされる。回転する摩擦攪拌溶接工具１０は、連続的な高温加工行為を提供し、狭い区画内を基材金属に沿って横切るように動き、その間、金属をピン１４の先導縁からその追従縁へ運びながら、金属を可塑化させてゆく。工具１０が通過する際に液体は一切生まれないので、溶接区画が冷めても典型的に固化は起こらない。いつもというわけではないが多くの場合、結果としてもたらされる溶接は溶接の区域に形成された欠陥のない再結晶化細粒微細構造である。
【０００９】
走行速度は、典型的には、２００乃至２０００ｒｐｍの回転速度で１０乃至５００ｍｍ／分である。到達温度は、大抵は、固相線温度に近いがそれより下である。摩擦攪拌溶接パラメータは、材料の熱的性質と高温流動応力と貫入深さの関数である。
【００１０】
これまでの特許は、以前には機能上溶接できないと考えられていた材料を用いて摩擦攪拌溶接を遂行できることの恩恵を教示している。これらの材料の中には、融解溶接できないものもあれば、とにかく溶接するのが難しいだけのものもある。これらの材料には、例えば、金属マトリックス複合材、鋼やステンレス鋼の様な合金鉄、及び非鉄材料が含まれる。同様に摩擦攪拌溶接の利点を生かすことができる材料のもう１つの部類に超合金がある。超合金は、より高い溶融温度の青銅又はアルミニウムを有する材料のこともあり、更に他の元素が混和されていることもある。超合金の例を幾つか挙げると、ニッケル、鉄−ニッケル、及び一般的に華氏１０００度より上の温度で使用されるコバルトを基材とする合金がある。超合金の中によく見られる追加の元素には、限定するわけではないが、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオビウム、タンタル、及びレニウムが含まれる。
【００１１】
チタンも摩擦攪拌溶接で使用するには望ましい材料であることに留意されたい。チタンは、非鉄材料ではあるが、他の非鉄材料より高い溶融点を有している。これまでの特許は、高温材料を摩擦攪拌溶接するための工具を、摩擦攪拌溶接される材料よりも高い溶融温度を有する一材料又は複数材料で作ることを教示している。幾つかの実施形態では、超砥粒が工具中に時に被覆として使用された。
【００１２】
金属を一体に接合するための最も普及している方法は、機械的締結具を使用するか又は伝統的な溶接法を使用するかのどちらかである。典型的な溶接法には、抵抗溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、及びこれらのプロセスの変型が含まれる。自動車産業では、最も普及している溶接法の１つは、抵抗点溶接を使用することである。これらの溶接は、典型的には、乗用車又はトラックのフレーム構成部品を一体に接合するのに使用されている。これは、乗用車を製造するのに使用される重要不可欠な方法である。例えば、典型的な４ドアセダンには、乗用車のフレーム及び付属構成部品を作成するのに４０００箇所を超える溶接が必要とされる。
【００１３】
自動車産業は、抵抗点溶接を使用している最も目立った産業ではあるが、この接合法を利用している産業は数多くある。既存の問題点並びに本書の中に述べられている発明の新規性を説明する上で、簡潔さを期して、自動車産業を使用することにする。
【００１４】
抵抗点溶接は、今日、産業界で、構造体用板金の様な金属構成部品を一体に接合するのに使用される最も普及している方法の１つである。それは、鋼構成部品を一体に接合する場合に一般に好まれる方法である。ＦＳＳＪは、アルミニウム構造体構成部品を一体に接合するのに使用される、より最近の方法の１つである。構造体用のアルミニウム構成部品は材料費及び接合の費用が高いために、それを使用しているのは自動車産業のほんの一握りであることに留意されたい。従って、アルミニウムは、乗用車に高い出力対重量比を追及するマニア向けに売り込まれる高価なスポーツカーに限定して使用されるのが一般的である。
【００１５】
技術水準においては、ＦＳＳＪは、図２に示されている様な硬化工具鋼製のＦＳＷ工具３０を使用するプロセスである。
図３Ａに示されている様に、工具３０は、上薄板３４と下薄板３６の重ね継手３２（アルミニウム工作物の重なり合い）の上方で回転させられる。図３Ｂでは、工具３０は、上薄板３４を貫いて下薄板３６の中へ途中まで、工具の肩部３８が上薄板と接触するまで突入している。接合される材料は軟化するが溶融せず、代わりに工具３０のピン４０の周りに流動して点継手４２を形成する。図４は、アルミニウムに完成されたＦＳＳＪ点継手４２の近くから見た図である。
【００１６】
先行技術の或る重要な態様は、ＦＳＳＪ中、接合される材料が工具３０の周りに流動するために表面特徴が使用されている、ということである。図５は、ピン４０及び／又は肩部３８上のねじ部、平部、及び工具の表面外形へ向かって延びる又は表面外形から突き出る他の特徴、を含む表面特徴の数例を示しているが、表面特徴はそれらに限定されると考えられてはならない。
【００１７】
アルミニウム工作物を接合するのに使用されるＦＳＳＪプロセスには、２つの決定的な態様のあることが経験から判明している。１つ目の態様は、工具３０は４０００ＲＰＭより下の速さで使用されていることである。ＦＳＷ文献は、工具が概して４００乃至６００ＲＰＭ程度に保たれていることを示す工具ＲＰＭデータで溢れかえっている。
【００１８】
２つ目の態様は、工具３０は、材料を工具の周りに動かすために表面特徴を有していなくてはならないということであり、これらの特徴には、材料の流動、材料の性質、及びＦＳＷ中に発生する可能性のある何らかの欠陥に対し、多大な効果があるというのが理由である。
【００１９】
現行の点溶接技術に付きまとう問題は、鋼の抵抗点溶接に係る問題とアルミニウムのＦＳＳＪに係る問題の２つの部類に分けることができる。アルミニウムの抵抗点溶接については、アルミニウムは、プロセスの液状段階及び固化段階中、自身へ結合溶接されず、また強度もそれほどでないため、抵抗点溶接は試されていない。鋼のＦＳＳＪについては、工具材料の制限及び設備費用がべらぼうに高いせいで成功していない。
【００２０】
鋼の抵抗点溶接に係る問題
とりわけ自動車産業は、米国内の全車両の燃料効率を改善するための政府による厳格な要件が課されており、他の国々も同様の規範を実践している。この燃料効率の目標を達成するための最も簡単なやり方の１つは、車両の重量を削減することによるものである。このことがきっかけとなって、鋼製造業者らは、車両を製作するのにそれぞれの車両型式に対する州政府の安全衝突要件を満たしながらも、より軽量且つより強靭な鋼構成部品が使用できるように、先進的高強度鋼（ＡＨＳＳ：Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｈｉｇｈ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｓｔｅｅｌｓ）を開発するに至った。残念ながら、これらの新しいＡＨＳＳは、溶接するのが極めて困難であるか又は全く溶接できないかのどちらかである。
【００２１】
抵抗点溶接は、均一な点継手強度を維持するために材料のコンシステンシーの度合いが比較的高いことが求められる。ＡＨＳＳは、高強度値を生み出せるように機械的に手が加えられているため、このコンシステンシーを有していない。ＡＨＳＳが溶接プロセス中にひとたび溶融してしまうと、これらの性質は著しく低下する。一般的にいうと、鋼の強度が高いほど、溶接するのは、仮にできたとしても、より困難である。この問題は、高強度を実現するのに必要とされる高い合金含有率に起因する。合金含有率が高いということは焼入性が大きくなることと同じであり、焼入性のレベルが大きいと、衝撃強度に劣り亀裂を生じ易く疲労寿命の短い脆弱な微細構造が生まれる。
【００２２】
鋼のＦＳＳＪもやはり殆ど成功を得られていない。多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ：Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｃｕｂｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）の様な工具材料は、ＡＨＳＳの接合に或る程度の成功を収めている。接合される材料がその様な高強度を有しているので、これらの材料にＰＣＢＮ工具を貫入させるのに要する力は極めて高い。このことが、ロボットのアームへ取り付けられることになるＦＳＳＪ装置のヘッド重量を増加させる。それは同時に、その様な高い荷重場所に引き起こされる撓みが理由で、スロートサイズ又はヘッドのリーチを減少させることにもなる。
【００２３】
簡潔にいうと、抵抗点溶接用のヘッドの現行の幾何学形状を使用するのは無理であり、よりどっしりしたコンパクトなヘッド設計になると、用途先へのアクセスが非常に制限されてしまう。高いスピンドル荷重には、材料が軟化してゆく際にＡＨＳＳ鋼を工具の周りに動かすのに必要とされるトルク要件が高くなることが伴う。それは、軸方向の工具力が高くなり且つ同時に工具軸周りのねじり力が高くなることを意味し、それらを設備は構造及びモーター馬力において引き受けなくてはならないということである。ＰＣＢＮは、高価なダイヤモンドの様な材料であるが、それが今や、ＦＳＳＪサイクルの度毎の高い力とサイクル温度の結果として、その極限材料強度まで追い詰められる。その結果、工具の早期失陥が引き起こされ、経済的利点はもはや失われる。
【００２４】
従って、自動車産業は、命じられた燃料効率基準を満たすことを要求されている車両を製造するにあたり、ＡＨＳＳを抵抗点溶接できないことと、費用効果の良く実効性のあるＦＳＳＪプロセスを持てないことの間で、急速に手詰まり状態に陥りつつある。
【００２５】
アルミニウムのＦＳＳＪに係る問題
アルミニウムでのＦＳＳＪの応用には少数ながら成功しているものもあるとはいえ、技術が更に実践されるのを阻む技術的な障壁が存在している。用途側でアルミニウムが使用にとって最良の材料であると判断されるや、今度はアルミニウムの高い熱伝導率がＦＳＳＪプロセスにとって問題となる。ＦＳＳＪ工具がアルミニウムへ突入してゆく際、工具の周りに材料を軟化させるべく熱を集中させるのが非常に難しい。これは、設備が対応しなくてはならない荷重をつり上げる。工具を回転させて荷重を加えたりプロセスによって発生する力に対応したりするのに、典型的にはＣ型フレームのＦＳＳＪヘッドが使用されている。高い荷重は、プロセス中、工具位置が維持されるように、撓むことのない設備を要求する。加えて、プロセスによって被るねじり荷重に打ち勝つために、スピンドルモーターの馬力要件は高くなる。
【００２６】
従って、必要とされているのは、自動車産業及び他の産業で使用され得るＡＨＳＳを接合する方策である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／３６９，９３４号
【発明の概要】
【００２８】
本発明の目的は、先進的高強度鋼（ＡＨＳＳ）製の工作物を接合するのに摩擦撹拌点接合（ＦＳＳＪ）を使用するためのシステム及び方法を提供することであり、第１の実施形態は、表面特徴を有していないＦＳＳＪ工具において、ＦＳＳＪ工具の回転速度が他のＦＳＷ技法で使用されている回転速度より遥かに高く、それにより、ＡＨＳＳの可塑化を小規模に生じさせることによってトルクを低減化する、ＦＳＳＪ工具であり、第２の実施形態では、従来のＦＳＳＪ工具を、それが高硬度を有する導電性工具材料から製造されている場合、従来のＦＳＳＪ速度で使用し、ＦＳＳＪ工具及び／又は工作物を加熱することにより、ＦＳＳＪ工具のＡＨＳＳを機能的に溶接する能力を増強するものである。
【００２９】
当業者には、以下の詳細な説明を添付図面と併せて考察することにより、本発明の上記及び他の目的、特徴、利点、及び代わりの態様が明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】先行技術の図であり、平板状の工作物の摩擦撹拌溶接を示している。
【図２】先行技術に見られる硬化工具鋼から作られたＦＳＳＪ点溶接工具である。
【図３Ａ】２つのアルミニウム工作物のラップ継手箇所の上でホバリングする図２のＦＳＳＪ点溶接工具の斜視図である。
【図３Ｂ】２つのアルミニウム工作物のラップ継手箇所へ突き刺された図２のＦＳＳＪ点溶接工具の斜視図である。
【図４】摩擦撹拌点継手の近くから見た斜視図である。
【図５】先行技術に見られる表面特徴を有するＦＳＳＪ工具の斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の中に教示されているＦＳＳＪ工具であって、表面特徴を有していないＦＳＳＪ工具の斜視図である。
【図７】ＡＨＳＳのＦＳＳＪを遂行するのに使用することのできる第２の実施形態のピン及び肩部外形の近くから見た斜視図である。
【図８】第３の実施形態であって、ハイブリッド熱生成のための誘導コイルの斜視図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
これより図面を参照してゆくが、図面では、本発明の様々な要素には符号を付し、当業者が本発明を行い使用することができるように本発明を論じてゆく。以下の記述は、本発明の原理の例示に過ぎず、付随の特許請求の範囲を矮小化するものと見るべきではないことを理解しておきたい。
【００３２】
本発明は、ＡＨＳＳ工作物をどうやって接合するかという課題を解くのに２つの異なった手法を使用している。また一方、本発明の創出の主たる動機は、車両を製作する際に強靭でしかも軽量の材料を溶接することで燃費効率の改善がもたらされるようにするために、車両で使用されるＡＨＳＳのＦＳＳＪを可能にすることであるが、本発明の原理はＡＨＳＳのみならず多くの異なった材料に適用できる。
【００３３】
第１の手法は、ＦＳＳＪ工具の工具特徴と作動の組合せである。図６は、本発明のこの第１の実施形態で使用することのできるＦＳＳＪ工具の斜視図である。図２から図５に例示されている先行技術で使用されている工具とは対照的に、本発明は全ての表面特徴を取り払っている。図６に示されている様に、ＦＳＳＪ工具５０は、ピン５２と肩部５４を有し、表面特徴は有していない。排除されている表面特徴は、ピン５２及び／又は肩部５４上のねじ部、平部、及び工具の表面外形へ向かって延びる又は表面外形から突き出る他の特徴である。
【００３４】
表面特徴が、ピン５２及び肩部５４から、或いはピン不存在の場合は肩部からのみ、取り払われてしまえば、ＦＳＳＪ工具５０は他のＦＳＳＪ工具に比して高い速度で回転する。所望通りに作動するためには、ＦＳＳＪ工具５０は４０００ＲＰＭより上の速度で回転する必要のあることが突き止められている。これは、ＦＳＷ中は表面特徴によって「バルク」材料層を工具の周りに動かす、というＦＳＷパラダイムからの劇的な転換である。
【００３５】
表面特徴の無いＦＳＳＪ工具５０を使用し、４０００ＲＰＭより上で回転させた場合、少なくとも２つの有意な結果が起こる。第１に、より高いＲＰＭでは、ＦＳＳＪ工具５０に掛かるトルクは小さくなる。第２に、ＦＳＳＪ工具と工作物の界面（「工具／工作物界面」）は急速加熱を受ける。ＦＳＳＪ工具５０が工作物へ突き刺されると、工作物はこの工具／工作物界面が熱せられ、熱は工具／工作物界面を離れて工具外形の周りのバルク材料を熱する。
【００３６】
特筆すべきことは、実際に、ＦＳＳＪ工具５０の高いＲＰＭが、ＦＳＷに典型的な巨視的規模というよりむしろ微視的規模での軟化をもたらすということである。その結果、自動車製作に使用されている板金の様な工作物が、既存の組み立て用ロボットのロボットアームで作動することのできる工具組立体のＦＳＳＪ工具を使用して接合できるようになる。
【００３７】
本発明の第１の実施形態のもう１つの結果は、ＦＳＳＪ設備を開発及び建造するのに使用されてきた先行技術のＦＳＷ設計パラダイムからの根本的な脱却があろうということである。設備は、５０，０００ＲＰＭという高いＦＳＳＪ工具ＲＰＭに対処することができなくてはならない。また、ＦＳＳＪ工具を精密に保持するには、特殊な精密釣り合い工具保持システムが有用であろうし、スピンドルベアリングは４０００ＲＰＭより上の速度に対応するよう設計されなくてはならず、特殊なスピンドルモーターも必要であるかもしれない。
【００３８】
本発明の或る代わりの実施形態では、この第１の実施形態の変型は、ＦＳＳＪ工具の異なった場所に異なった摩擦対を持てるように、ＦＳＳＪ工具５０を製作するのに異種工具材料を使用することを含んでいる。換言すると、ＦＪＪＳ工具５０の異なった区域に異なった材料を使用することにより、ＦＳＳＪ工具の一部の部分に、ＦＳＳＪ工具の他の部分によるよりも、当該ＦＳＳＪ工具が接触する材料相手にいっそうの加熱を引き起こすよう仕向けることが可能になる。
【００３９】
本発明は、ＡＨＳＳのＦＳＳＪを実施可能にするが、本発明を使用して他の材料を溶接することもできる。これらの材料には、車両の製作に現在使用されているもの全てが含まれ、それらも本発明の範囲内にあるものと見なされるべきである。
【００４０】
本発明の第２の実施形態では、図６のＦＳＳＪ工具５０と関連している別のＦＳＳＪ工具６０が提供されている。図７では、ＦＳＳＪ工具６０もまた「特徴無し」と類別されよう。しかしながら、肩部６４と、エッジ５８のある円錐台形状を有するピン５２と、を含んでいる図６のＦＳＳＪ工具５０とは違い、第２の実施形態のピン６２は、エッジを一切持たない半球体である。
【００４１】
第１の実施形態のＦＳＳＪ工具５０のエッジ５８は、ＦＳＳＪ工具の回転の軌道を阻害してしまう特徴を何も持たないため、ＦＳＳＪ工具の回転を妨げないことに留意されたい。
【００４２】
従って、本発明の一態様は、工作物材料を把持することのできる表面特徴即ち工具周りに引き起こされる流動を増加させることのできる表面特徴を含んでいないＦＳＳＪ工具５０は何れも本発明の範囲内にあると見なされ得るということである。従って、重要な態様は、ＦＳＳＪ工具５０に特徴無しＦＳＳＪ工具が高速で回転して工作物へ突入することによって生じさせたときに起こるであろうとされる以上に工作物材料をかき回すよう仕向ける可能性のある特徴を排除するということである。換言すると、表面特徴を排除することによって、ＦＳＳＪ工具５０は、ＦＳＳＪ工具に掛かるトルクが最小量になって可能な限り速く回転することができる。
【００４３】
本発明の第１の実施形態では、「特徴無し」設計は、基本的に平滑なピンと肩部である。また一方、或る代わりの実施形態では、ＦＳＳＪ工具が４０００ＲＰＭより大きな速度で回転するのを妨げない何らかの特徴を含むこともあり得る。換言すると、回転速度又はＦＳＳＪ工具に掛かるトルクに対する影響が極小さい特徴なら含まれていてもよい。
【００４４】
従って、１つの実施形態では、ＦＳＳＪ工具上の表面特徴は決してＦＳＳＪ工具直径の大凡１０％より大きいということはなく、なお本発明の範囲内に入ろう。
本発明の他の態様では、ＦＳＳＪ工具とＦＳＳＪ工具を把持し回転させている工具保持部の間に絶縁材が配置されている。ＦＳＳＪ工具は、ＦＳＳＪ工具を低温に保つ液体冷却又はガス流を採用することができる。ＦＳＳＪ工具の肩部は凸状である。ＦＳＳＪプロセス中の工作物の流動を改善するべく、ＦＳＳＪ工具の周りに不活性遮蔽ガスを使用することができる。加えて、ピンの先端には、常にＦＳＳＪ工具半径の１．１％より大きい半径を持たせるべきである。
【００４５】
本発明の第２の実施形態では、ＦＳＳＪ工具３０の回転速度を高め表面特徴を取り払う代わりに、工作物７０の流動を生じさせるために使用される従来の表面特徴の何れかを含んでいる従来技術のＦＳＳＪ工具が使用される。従来のＦＳＳＪ工具３０を使用することへの鍵は、工作物７０へ熱を加え、それにより、従来の回転速度下で従来の表面特徴を用いた場合の工作物の流動能を高めるということである。熱印加の１つの方法はコイル７２を介することである。
【００４６】
具体的には、工具への、工作物７０への、又は工具及び工作物への、熱の印加を可能にする修正されたＦＳＳＪ工具３０が使用されており、これにより、ＦＳＳＪ工具の使用を、典型的なＦＳＷ速度で回転させながら鋼及びアルミニウムを機能的に溶接するのに生かせるようになる。この第２の実施形態では、加熱の目的は、ＦＳＳＪプロセス中の工作物７０材料の流動を改善することである。熱を印加することは、ＦＳＳＪプロセスの異なった段階で有効であろう。何時何処に熱を印加するべきかに影響する要因の幾つかには、点溶接される特定の工作物７０材料、ＦＳＳＪ工具３０の構成、遮蔽ガスの行使、及びＦＳＳＪ工具上にある表面特徴、が含まれる。
【００４７】
熱が印加され得る時期と場所には、ＦＳＳＪ以の工作物に対して、ＦＳＳＪ中の工作物に対して、及び／又はＦＳＳＪ後の工作物に対して、が含まれる。同じく、ＦＳＳＪ前、ＦＳＳＪ中、及び／又はＦＳＳＪ後の工具との接触を通して工作物を加熱するために、ＦＳＳＪ工具自体へ熱が印加されてもよい。
【００４８】
ＦＳＳＪ工具及び／又は工作物を加熱するのに採用することのできる何れの手段が使用されてもよく、それらは本発明の特許請求の範囲による範囲内にあると考えられるべきである。加熱法には、誘導加熱及び抵抗加熱が含まれるが、それらに限定されると考えられてはならない。
【００４９】
以上に説明されている配置構造は、本発明の原理の適用の単なる例示であると理解されたい。本発明の精神と範囲を逸脱することなく、数々の修正及び代わりの配置構造が当業者によって考案されるかもしれない。付随の特許請求の範囲は、その様な修正及び配置構造を網羅するものとする。
【符号の説明】
【００５０】
８  シャンク
１０  工具（先行技術）
１２  肩部
１４  ピン
１６  工作物
１８  接合線
２０  工具進路
３０  ＦＳＷ工具
３２  重ね継手
３４  上薄板
３６  下薄板
３８  肩部
４０  ピン
４２  点継手
５０  ＦＳＳＪ工具
５２  ピン
５４  肩部
５８  エッジ
６０  ＦＳＳＪ工具
６２  ピン
６４  肩部
７０  工作物
７２  コイル
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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