(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高溶融温度材料と共に使用されていて制御プログラムによって運転されている摩擦攪拌溶接機械の制御パラメータを修正するための方法において、前記制御プログラムが、
１）高溶融温度工作物材料に対し使用されている摩擦攪拌溶接工具の温度を判定する段階と、
２）前記工具温度を工具温度設定点と比較する段階と、
３）前記工具温度が前記工具温度設定点と同じでない場合は現在の制御パラメータを修正し段階４）へ進むか、又は、前記工具温度が同じであり且つ制御パラメータの境界に到達していない制御パラメータが存在する場合は段階１）へ戻るか、又は、すべての制御パラメータの境界に到達するとともに摩擦攪拌溶接を自動的に終了させるか若しくは作業員に摩擦攪拌溶接を続行すべきか判断させることを許容する、段階と、
４）前記現在の制御パラメータの最小若しくは最大境界値に到達したか否かを判定し、前記現在の制御パラメータの前記最小若しくは最大境界値に到達していない場合は、段階１）へ戻るか、又は、記現在の制御パラメータの前記最小若しくは最大境界値に到達した場合は、段階５）へ進む段階と、
５）前記現在の制御パラメータを次の制御パラメータに変更して段階１）へ戻り、次の制御パラメータを前記工具温度を修正するのに使用された現在の制御パラメータにする以外の、前記段階の全てを繰り返す段階とを有する、方法。
【請求項２】
前記方法は、
前記現在の制御パラメータを次の制御パラメータへ変更し、段階１）に戻り、次の制御パラメータを前記工具温度を修正するのに使用された現在の制御パラメータにする以外の、前記段階の全てを繰り返すことは、入れ子型制御ループに従うことによって複数の制御パラメータから各制御パラメータを選択することを更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記方法は、
前記制御パラメータの全てが最小又は最大境界値に到達したとき、前記制御プログラムを終了させる段階を更に有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記制御パラメータは、Ｚ軸方向荷重、Ｚ軸方向位置、横断速度、横断荷重、及び工具ＲＰＭを有する制御パラメータの群から選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記方法は、前記制御プログラムが少なくとも２つの制御パラメータを使用して前記工具温度に到達できるように、少なくとも第２の制御パラメータを、前記現在の制御パラメータと同時に修正する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記方法は、前記現在の制御パラメータの前記最小又は前記最大境界値を、オンザフライで修正する段階を更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法は、前記工具温度が前記工具温度設定点に到達するまで、予測温度制御を使用することを更に有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
摩擦攪拌溶接を通して実現される溶接の再現性を、制御プログラムによって運転されている摩擦攪拌溶接機械の制御パラメータを修正することによって改善するための方法において、前記制御プログラムが、
１）工具の温度を判定する段階と、
２）前記工具温度を工具温度設定点と比較する段階と、
３）前記工具温度が前記工具温度設定点と同じでない場合は現在の制御パラメータを修正し段階４）へ進むか、又は、前記工具温度が同じであり且つ制御パラメータの境界に到達していない制御パラメータが存在する場合は段階１）へ戻るか、又は、すべての制御パラメータの境界に到達するとともに摩擦攪拌溶接を自動的に終了させるか若しくは作業員に摩擦攪拌溶接を続行すべきか判断させることを許容する、段階と、
４）前記現在の制御パラメータの最小若しくは最大境界値に到達したか否かを判定し、前記現在の制御パラメータの前記最小若しくは最大境界値に到達していない場合は、段階１）へ戻るか、又は、記現在の制御パラメータの前記最小若しくは最大境界値に到達した場合は、段階５）へ進む段階と、
５）前記現在の制御パラメータを次の制御パラメータに変更して段階１）へ戻り、次の制御パラメータを前記工具温度を修正するのに使用された現在の制御パラメータにする以外の、前記段階の全てを繰り返す段階とを有する、方法。
【請求項９】
高温材料の加工に使用されている摩擦攪拌溶接機械を運転するために、制御変数を修正するための方法において、
１）前記摩擦攪拌溶接機械を運転している間に監視するべき少なくとも１つの制御変数を選択する段階であって、前記摩擦攪拌溶接機械を運転している間は前記制御変数は設定点に維持されるのが望ましい、制御変数を選択する段階と、
２）前記少なくとも１つの制御変数を前記設定点に維持するために調節することができる複数の制御変数を提供する段階であって、前記複数の制御変数のそれぞれは、入れ子型制御ループを使用して、他の制御変数から独立して調節されることによって、前記複数の制御変数のうちの第１の制御変数がそれ以上調節できなくなるまで調節され、前記第１の制御変数がそれ以上調節できなくなった時点で、前記複数の制御変数のうちの第２の制御変数がそれ以上調節できなくなるまで調節される、複数の制御変数を提供する段階と、を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００８年８月１１日出願の米国仮特許出願第６１／０８８，００１号に対し優先権を主張するとともに、その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）、摩擦攪拌混和（ＦＳＭ）、及び摩擦攪拌点溶接（ＦＳＳＷ）を含む、その変型の全て（以下、総称的に「摩擦攪拌溶接」と呼ぶ）に関する。厳密には、本発明は、高温材料の摩擦攪拌に固有の問題に関する。アルミニウムの様な低温材料の摩擦攪拌溶接についての制御及びプロセスの判定基準は、高溶融温度材料の摩擦攪拌溶接中の工具周囲の臨界的且つ動的なプロセスを管理するには不十分である。
【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。ＦＳＷプロセスには、多くの場合、２つの隣接する工作物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、双方の接合面の材料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。ＦＳＰを介して別の材料を加工する場合には、ＦＳＷチップを、ピン無し肩部のみの工具としても使用することもできる。
【０００４】
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せ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枚のシート又は板である。この例では、ピンは接合線１８のところで工作物１６へ突き刺されている。
【０００５】
図２は、工具１０の断面図である。カラー２２は、シャンク８と肩部１２及びピン１４を備えるＦＳＷチップ２４の両方を把持していることが示されている。工具１０を回転させると、トルクが回転するシャンク８からカラー２２へ、そして次にＦＳＷチップ２４へと伝わってゆく。工具１０が、鋼の様な高溶融温度材料の工作物に対し使用されている場合、ＦＳＷチップ２４は、多くの状況では、回転しながら、摩擦熱で軟化した鋼を横断してゆく際、摂氏１０００度を超える温度に曝される。
【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に沿って横に動かされると、それにより、可塑化した材料がピン周りを先導端から追従端へ流れてゆくことで、溶接が作り出される。その結果、接合線１８に固相結合部２０が得られるが、この結合部は、一般に、他の従来の技法を使用する溶接とは対照的に、工作物材料１６そのものと見分けがつかないものとなる。また、混和が起こるせいで、固相結合部２０が元の工作物材料１６より優れていることもあり得る。更に、工作物材料が異なる材料を備えている場合には、得られる混和材料は、同様に、２つの元の工作物材料の何れ
よりも優れている可能性がある。
【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の周りの材料のより大きな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の流れ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、工具が所望の溶接接合長さを横断するように動かされる。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、狭い区画内で工作物材料１６に沿って横に動き、その間、金属をピン１４の先導端からその追従端へ運びながら、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。常にそうとは限らないが、得られた溶接は、溶接の区域に形成された欠陥のない再結晶化した細粒微細構造である場合が多い。
【０００９】
走行速度は、典型的には、回転速度２００から２０００ｒｐｍで１０から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、材料の熱的属性と高温流れ応力と貫入深さの関数である。
【００１０】
摩擦攪拌溶接は、融解溶接に勝る幾つかの利点があるが、その理由は、１）溶加材がない、２）プロセスが完全自動化されており、作業員の技量レベルは比較的低いレベルしか要しない、３）加熱は全て工具／工作物界面に起こるため、エネルギー入力の効率が良い、４）ＦＳＷの固体状態の特質と極めて高い再現性により、最小限の溶接後検査しか要しない、５）ＦＳＷは界面ギャップに寛容であり、よって、溶接前の下処理を殆ど要しない、６）除去すべき溶接飛散物がない、７）溶接後の表面の仕上がりは、ずば抜けて平滑なものとなり、鋳ばりが殆ど又は全くない、８）多くの場合、孔隙や酸素汚染がない、９）周辺材料の歪みが殆ど又は全くない、１０）有害物質の放出がないので、作業員の防護が不要である、及び１１）多くの場合、溶接属性が向上する、からである。本文献全体を通して、摩擦攪拌溶接は、摩擦攪拌加工、摩擦攪拌点溶接、及び摩擦攪拌混和を含め、摩擦攪拌溶接工具を使用して行われ得る全てのプロセスを含むものと見なすことにする。
【００１１】
これまでの特許文献は、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行うことが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、融解溶接可能でないものもあれば、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。
【００１２】
チタンも摩擦攪拌溶接にとって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。
【００１３】
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製することを教示している。幾つかの実施形態では、超砥粒が工具に、時には被覆として、使用された。
【００１４】
本発明の実施形態は、概括的には、これらの機能上溶接できない材料はもとより超合金にも関係しており、それらの材料を、以下、本文献全体を通して「高溶融温度」材料と呼んでいる。とはいえ、ここに教示しようとする工具は、低溶融温度材料が使用されている場合のそれほど過酷でない摩擦攪拌溶接環境でも使用することができる。
【００１５】
本発明は、多くの用途で使用されている工具に有用であるが、とりわけ抜きんでて、高溶融温度材料の摩擦攪拌加工を行う場合に有用である。
【００１６】
高温摩擦攪拌溶接工具
液相から固相への変態を要する材料の作製に付随する問題に関連して、摩擦攪拌溶接技術の最近の進歩は、鋼やステンレス鋼の様な高溶融温度材料を摩擦攪拌溶接の固体状態接合プロセス中に一体に接合するのに使用することができる工具をもたらした。
【００１７】
この工具を使用すると、様々な材料の摩擦攪拌溶接に効果を発揮する。この工具設計は、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）及び多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）の他に各種工具チップ材料を使用した場合でも有効である。これらの材料の幾つかには、タングステン、レニウム、イリジウム、チタン、モリブデンなどの様な難溶性物質が含まれる。
【００１８】
これまでに説明されている様に、摩擦攪拌溶接は、回転する工具を使用し、工具が互いに隣接して配置されている２つの金属体の間の接合線を横断することで摩擦熱を発生させる、固体状態接合プロセスである。接合のためのこの方法は、接合される両金属体を溶かして固化させる融解溶接に勝る優れた接合を提供する。ＦＳＷは今や商業的に、造船、石油・ガス、及び航空宇宙を含む様々な産業で、材料を接合するのに使用されている。
【００１９】
高溶融温度材料を接合するのに使用される摩擦攪拌溶接機器は、軸方向又はＺ軸荷重と軸方向又はＺ軸位置という２つの支配的な制御パラメータを有している。これらの２つの制御パラメータは、摩擦攪拌溶接接合を生成するＦＳＷプロセス中の工具横断速度及び工具回転速度と共に使用される。一般的に、全部で４つのこれらの制御パラメータ（Ｚ軸荷重、Ｚ軸位置、工具横断速度、及び工具回転速度）は、互いに独立しており、プログラムされている閉ループフィードバックアルゴリズムによって、それぞれの制御パラメータについての規定された設定点に向けて制御される。現時点でのＦＳＷ生成における用途の殆どは、アルミニウムの摩擦攪拌溶接される要素を備えており、往々にしてＦＳＷ生成プロセス中に作業員の介入が必要になる。殆どのアルミニウム用途では、アルミニウムの流れと延性は高く、ＦＳＷプロセス中に発生する熱は、アルミニウムの高い熱伝導率のせいで、工具の経路から急速に奪われてゆく点で、ＦＳＷはより寛大なプロセスである。
【００２０】
ＦＳＷが、高強度高溶融温度材料用途に進んでいくと、欠陥がなく高信頼度の溶接接合部を作成するプロセスウインドウは、アルミニウムの場合よりずっと小さくなる。この様にプロセスウインドウが小さくなるのは、工具周囲のより険しい温度勾配、接合される材料の比較的低い熱伝導率、高い流れ応力、及び／又は低い材料延性に起因する。
【００２１】
温度勾配がより険しくなるのは、材料の低い熱伝導率が、工具周囲の材料の流れを可塑化するのに必要なより高い温度と組み合わさった結果である。アルミニウムでは、熱移動は、材料を通るのが圧倒的であるが、鋼の様な高溶融温度材料では、熱は、材料を通り、材料の裏面を通り、表面から内部反射されて相互作用し、工具を通って流れる。また、ＦＳＷ中に工具に掛かる熱的及び機械的荷重は強烈であり、磨滅又は破損による工具失陥を防止するためだけでなく、予測できる一貫した接合属性を生み出すためにも、精密なプロセス制御が要求される。アルミニウムの様なＦＳＷ低温材料についての制御及びプロセスの判定基準は、高溶融温度材料のＦＳＷ中の工具周囲の臨界的且つ動的なプロセスを管理するには不十分である。
【００２２】
高溶融温度材料の摩擦攪拌溶接の制御パラメータ及び動的プロセスを管理し、それによって工具寿命及び溶接の品質を改善するシステムを創出することが、先行技術に勝る利点となるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／０８８，００１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の１つの態様は、他の変数に従属する制御判定基準と組み合わされている新しい制御変数を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の１つの実施形態では、新しい制御変数が導入されており、当該制御変数が、それまでの他の変数に従属する制御判定基準と組み合わされたとき、ＦＳＷ工具の磨滅を最小限にしながら優れた溶接を作り出すことができる制御プログラムが得られ、当該制御プログラムでは、流れ応力と工具荷重は温度によって御され、従属制御ループは材料の差異と摩擦攪拌溶接全体を通して変化する場所の異なる速度で移動する熱を勘案しているため、工具は、１つ１つの繰り返される溶接シーケンス中、規定された制御ウインドウ内で繰り返し同じ熱的及び機械的な荷重を受ける。
【００２６】
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態様、特徴、及び利点が自明となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】先行技術で教示されている摩擦攪拌溶接用の工具の斜視図である。
【図２】先行技術によるＦＳＷチップ、固定用カラー、及びシャンクの切断側面図である。
【図３】摩擦攪拌溶接機械の構成要素の概略図である。
【図４】摩擦攪拌溶接プロセスを、制御変数の代入された値を試行及び維持する入れ子型制御ループを使用することによって制御するための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
これより図面を参照してゆくが、図面では、本発明の実施形態の様々な構成要素には符号を付し、当業者がそれら実施形態を作製及び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、本発明の原理を例示しているに過ぎず、以下に続く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されたい。
【００２９】
第１の実施形態では、本発明は、摩擦攪拌溶接材料が、既に開示されている様に青銅やアルミニウムよりも高い溶融温度を有しているものである場合に、優れた溶接と向上した工具寿命を実現するように設計されている。この部類の材料には、限定するわけではないが、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、非鉄材料、超合金、チタン、典型的には耐摩耗加工で使用されるコバルト合金、及び空気焼き入れ又は高速鋼が含まれる。
【００３０】
本発明は、他の変数に従属する制御判定基準と組み合わされている新しい制御変数の追加から成る。本発明がどの様に作用するかを理解するには、摩擦攪拌溶接機械の構成要素の簡略図を示すのが有用である。摩擦攪拌溶接機械は、典型的には、枠３０と、枠に連結
されている工具保持部３２と、工具保持部の下に配置されている、工作物材料を支持するための台３４を備えている。摩擦攪拌溶接工具１０は、工具保持部３２に配置されている。工具保持部３２は、工具１０を所望の位置へと操縦し、工具が工作物の中へ突入してゆけるように工具に回転速度を印加する。工具保持部３２と台３４は、工具１０を台３４に載せられた工作物材料に押し付けることができるようにしている。
【００３１】
工具保持部３２と台３４は、摩擦攪拌溶接機械を運転するのに使用される制御プログラムの指揮の下に作動する。制御プログラムは、作業員の介入を最小限又は無しにして、摩擦攪拌溶接を行うことができるのが理想である。このため、摩擦攪拌溶接プロセスを分析し、制御プログラムが最小限のユーザー介入で機械が作動するように調節を行うためには、何の出力変数を監視し、制御プログラムへのフィードバックとして使用することができるかを割り出した。これらの調節は、優れた溶接を生成するため、再現可能である溶接を生成するため、及び工具寿命を最大化にするためになされた。
【００３２】
いつ定常状態プロセスが実現されるかを確定するための出力変数として、工具温度を監視すればよいことが判明した。この事例では、定常状態プロセスは、摩擦攪拌溶接工具が、以下で工具１０の温度設定点と呼ばれている一定又は一定に近い温度を保ちながら溶接を行っているプロセスである。
【００３３】
工具３４の温度設定点は、当業者に既知の多くのやり方で監視することができる。例えば、工具１０内に温度サーモカプルを配置してもよいであろう。温度を求める方法は、本発明の態様ではないが、正確に且つリアルタイムで求められているものと仮定しよう。
【００３４】
工具温度は、本発明の所望の目的の全てに直接影響を及ぼす。工具温度は、工具への荷重、接合部の欠陥、及び接合される工作物材料の流れ応力に直接関係する。摩擦攪拌溶接は、溶接プロセス中にリアルタイム温度を提供することができる点で類を見ない。
【００３５】
摩擦攪拌溶接機械の運転を制御するために、コンピュータ制御プログラムが使用されている。コンピュータ制御プログラムは、所望の工具温度設定点に基づく入れ子型制御ループを採用している。換言すれば、制御プログラムに入れ子型制御ループを作成することにより、制御プログラムは、制御パラメータを、それらがそれ以上修正され得なくなるまで修正する。例えば、制御プログラムは、制御パラメータの値で、超過してはいけないことになっている値に到達する。こうして、制御パラメータをそれ以上調節することができなくなると、制御プログラムは、まだ修正することができる次の制御パラメータに移る。制御プログラムは、次に、当該制御パラメータに調節を行って、再度試行し、工具温度設定点を所望の値に持っていく。この新たな制御パラメータの修正が成功すれば、制御プログラムは異なる制御パラメータには移らない。不成功であれば、制御プログラムは、当該制御パラメータを、別の制御パラメータの境界に到達するまで修正する。
【００３６】
制御パラメータを次々に移るこのプロセスは、調節されていない制御パラメータがまだ存在している限り、制御パラメータの境界に到達するまで又は工具温度設定点が最終的に到達されるまで継続する。制御プログラムは、従って、それぞれのループが異なる制御パラメータを表している、入れ子型制御ループを採用している。
【００３７】
図４は、単一の制御パラメータを任意の所与の時点で修正することができるときに、制御プログラムが従うべきプロセスの概要として提供されている。開始の後、制御プログラムは、項目４０で、工具が所望の設定点温度にあるか否かを判定する。そうであれば、制御プログラムは、同じステップまでループを引き返し、摩擦攪拌溶接機械に、工具温度が設定点にあるか否かを問い続ける。工具温度が工具温度設定点から外れてしまうと、次に制御プログラムは項目４２に進む。項目４２で、制御プログラムは、制御パラメータＮ（
この事例では、それがループを通して初めてであるため、第１の制御パラメータである）を修正する。
【００３８】
次の項目４４のステップは、制御パラメータが、その値が最小又は最大値に到達するように修正されたか否かを判定することである。最小又は最大値に到達していなければ、そこで制御プログラムは項目４０に戻って、工具が設定点温度に復帰したか否かを判定する。復帰していなければ、制御パラメータは項目４２で再度修正され、次に制御プログラムは、項目４４で境界に到達したか否かを判定する。境界に到達しておれば、当該制御パラメータはもはや修正され得ない。次のステップは、項目４６に進み、修正されるべき次の制御パラメータに増分することである。制御プログラムは、次に項目４０に戻り、再度、工具が設定点温度に復帰したか否かを判定する。
【００３９】
上述の方法は、定常状態工具温度が実現されるまで、摩擦攪拌溶接プロセスが完了してしまうまで、又は境界に到達するまで制御パラメータの全てが修正されてしまうまで、継続される。そうなった時点で、制御プログラムは、摩擦攪拌溶接オペレーションを自動的に停止するか、或いは摩擦攪拌溶接を続行するべきか否かをユーザーに判断させるかの何れかを行うことができる。
【００４０】
入れ子型制御ループは、摩擦攪拌溶接機械の制御プログラムによって修正され得る任意の数の制御パラメータを採用することができる。例えば、工具温度設定点を修正するために、Ｚ軸方向荷重、Ｚ軸方向位置、横断速度、横断荷重、及び工具ＲＰＭ又は回転速度の制御パラメータを修正することが可能である。しかしながら、他の摩擦攪拌溶接機械には、摩擦攪拌溶接の他の態様を制御する能力があるかもしれない。従って、制御可能なパラメータは全て、本発明の範囲に含まれるものと考えられるべきである。
【００４１】
本発明のもう１つの態様は、制御パラメータが制御プログラムによって修正され得る順序である。ユーザーは、所望の摩擦攪拌溶接結果を得るために、制御パラメータを採用する順序を選択することができる。
【００４２】
制御プログラムを、一度に１つより多くの制御パラメータを制御するように修正することができる。こうして、望ましいことに、２つの制御パラメータを同時に修正することができる。これらの制御パラメータのうち一方がパラメータ境界に到達してしまうと、本発明は、これらのパラメータの両方の修正を停止して別の入れ子型制御ループに移るか、或いはパラメータ境界に到達していない方の制御パラメータの修正を継続するかの何れかを行うことができる。
【００４３】
一旦、制御プログラムが、現在の入れ子型制御ループ内の制御パラメータの両方の修正を停止する必要があると判定してしまうと、制御プログラムは次の入れ子型制御ループに移る。この次の入れ子型制御ループは、やはり同様に、単一の又は複数の制御パラメータの修正を含んでいてもよい。覚えておくべき重要なことは、制御プログラムによって修正することのできる制御パラメータの総数、及び同時に修正することのできる制御パラメータの総数は、本発明によって制限されていないということである。
【００４４】
以下は、本発明の第１の実施形態を、全部で４つの入れ子型制御ループを使用してどのように実施するかの一例であり、それぞれの入れ子型制御ループは、一度に１つの制御パラメータの修正を有効にする。工具温度設定点は７５０℃の値に指定される。最大及び最小許容可能工具温度設定点は作成される。工具温度設定点は、境界値から等距離にある必要はない。しかしながら、この実施例については、工具温度設定点は＋／−５℃である。この実施例で使用されている工具温度設定点は、例示目的であるに過ぎず、限定と考えられてはならない。よって、工具温度設定点境界は、所与の値より大きい場合もあれば小さ
い場合もあり得る。こうして、工具温度が増加し始めると、制御プログラムは、工具の温度を７５０℃に引き戻すために、制御パラメータの調節を行う。この実施例については、制御プログラムが修正しようとする第１の制御パラメータはＲＰＭである。
【００４５】
制御パラメータは、工具ＲＰＭを修正するのに使用することができる設定点範囲を与えられることになる。例えば、制御プログラムは、工具ＲＰＭを＋／−２５ＲＰＭだけ修正する能力を与えられてもよいであろう。工具ＲＰＭに変更が加えられている間、工具温度が所望の方向に変化しているか否かを判定するため、工具温度が監視される。しかしながら、工具ＲＰＭが最大設定点に到達すれば、次に制御プログラムは、工具温度の所望の変化を実現するために、次の従属変数又は制御パラメータへ移ろうとする。
【００４６】
この実施例では、制御プログラムは次に横断速度を使用する。横断速度は、横断設定点範囲内で、最大又は最小設定点に到達するまで、或いは工具温度が工具温度設定点に復帰するまで、増減されることになる。
【００４７】
工具温度が上昇し続ければ、そのときは、Ｚ軸方向荷重が減らされることになる。Ｚ軸方向荷重の境界値に到達してもなお制御プログラムが所望の工具温度設定点に到達していなければ、次に制御プログラムは最終の入れ子型制御ループに移り、そこで最終の制御パラメータが調節されることになる。こうして、制御プログラムは、最小及び最大設定点内でＺ軸方向位置を調節することができる。
【００４８】
摩擦攪拌溶接機械の運転中は、制御パラメータ全てとそれぞれについての最小及び最大設定点を示すことができる状態ウインドウに、全ての設定点が表示されることが望ましい。
【００４９】
本発明の或る代わりの実施形態では、それぞれの制御パラメータについての最小及び最大設定点は、オンザフライで修正することができる。作業員は、よって、制御プログラムをオーバーライドし、境界を超えさせるか、或いは境界に到達していないからということで制御プログラムがなお通常通り動作するように境界の値を修正するかの何れかを行うことが必要になるかもしれない。
【００５０】
もう１つの代わりの実施形態では、望ましいことに、制御プログラムが使用されている間の制御パラメータを入れ子にする順序を変更することができる。これでユーザーは最も有利な制御パラメータを修正できるようになる。
【００５１】
制御プログラムの実施により、結果として、摩擦攪拌溶接のプロセスは、作業員の介入が全くないか又は介入が最小限の「押しボタン」操作になった。工具は、１つ１つの繰り返される溶接シーケンス中、規定された制御ウインドウ内で同じ熱的及び機械的な荷重を受け、溶接品質は向上した。分析は、流れ応力及び工具荷重が工具温度によって御されること、そして従属制御ループが、工作物材料の差異と、溶接全体を通して変化する場所の異なる速度で移動する熱を勘案することができること、を示している。
【００５２】
制御プログラムが制御パラメータを修正する順序は、典型的には、異なった工作物材料毎に異なるであろう。制御パラメータ境界のカタログと制御パラメータが適用される順序は、従って作業員がアクセスできるデータベースの一部になっている。よって、本発明は、何らの特定の制御パラメータ順序にも言及していない。入れ子型制御ループは、こうして、実験によって確定された最も有利な順序で提供される。それにもかかわらず、作業員には更に、定常状態工具温度を実現するために、如何なる事前に設定された制御パラメータ値並び制御パラメータが適用される順序をもオーバーライドする自由が与えられている。
【００５３】
本発明の追加の制御特性は、工具温度が定常状態に到達するのに要する時間を考慮に入れることである。これは、溶接シーケンス開始時の予測温度制御と呼ばれており、工具が定常又は定常に近い状態に到達するまで採用される。予測温度制御は、工具がＦＳＷ中の温度変化に応えるのに要する時間を求めるのにも使用することができる。こうして、温度プロファイルを、工具自体について求めることができ、特定の工具の熱キャパシタンスについてプログラムする場合には「ラグ」タイムが勘案される。
【００５４】
本発明の概念は、ＦＳＷのみならず、材料の属性を、回転する工具を使用して修正する如何なる他の用途にも適用される。
【００５５】
以上に説明した配置構造と実施形態は、本発明の原理の適用を例示的に説明しているに過ぎないと理解されたい。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】
【００５６】
８  シャンク
１０  工具
１２  肩部
１４  ピン
１６  工作物
１８  接合線
２０  固相結合部
２２  カラー
２４  ＦＳＷチップ
３０  枠
３２  工具保持部
３４  台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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