(57)【要約】      （修正有）【課題】摩擦撹拌溶接法に使用するための改良された摩擦撹拌溶接工具を提供する。【解決手段】摩擦撹拌溶接工具は、軸の周りに回転可能で、肩部を規定する端部を有する支持体３２と、支持体の前記端部から肩部の下方へ伸長する回転ピン３６と、底部支持部材５４にして、前記回転ピンが支持体と当該底部支持部材との間に配置されるように該ピンの先端部に連結される底部支持部材とを備える。底部支持部材は、前記軸の周りに回転可能で、かつ支持体の肩部４０に向く底肩部５６を含む。底部支持部材の底肩部及び支持体の肩部は、テーパーが付けられ、かつ少なくとも一つの溝６０が形成された面を含む。【選択図】図４
2008221338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦撹拌溶接工具であって、
軸の周りに回転可能で、肩部を規定する端部を有する支持体と、
支持体の前記端部から肩部の下方へ伸長する回転ピンと、
底部支持部材にして、前記回転ピンが支持体と当該底部支持部材との間に配置されるように該ピンの先端部に連結される底部支持部材とを備え、
底部支持部材は、前記軸の周りに回転可能で、かつ支持体の肩部に向く底肩部を含み、
底部支持部材の底肩部及び支持体の肩部の少なくとも一方は、テーパーが付けられ、
底部支持部材の底肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、底部支持部材の外側縁からピンに向かって上方に延長し、かつ該テーパー底肩部は少なくとも一の溝が形成された面を含み、
支持体の肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、支持体の外側縁からピンに向かって下方に延長し、かつ該テーパー肩部は少なくとも一つの溝が形成された面を含む摩擦撹拌溶接工具。
【請求項２】
前記テーパーが付けられた底肩部又はテーパーが付けられた肩部に形成された前記少なくとも一つの溝は、螺旋形状溝及び複数の同心状溝から成る群から選択される請求項１の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項３】
前記支持体肩部及び／又は底部支持部材肩部のテーパーは、前記軸に垂直な面から１〜６０度の角度で形成される請求項１の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項４】
前記支持体、ピン及び底部支持部材は一体形成される請求項１の摩擦撹拌工具。
【請求項５】
摩擦撹拌溶接工具であって、
軸の周りに回転可能で、肩部を規定する端部を有する支持体と、
支持体の前記端部から肩部の下方へ伸長する回転ピンと、
底部支持部材にして、前記回転ピンが支持体と当該底部支持部材との間に配置されるように該ピンの先端部に連結される底部支持部材とを備え、
底部支持部材は、前記軸の周りに回転可能で、かつ支持体の肩部に向く底肩部を含み、
底部支持部材の底肩部及び支持体の肩部の少なくとも一方は、テーパーが付けられる少なくとも一つの区域を含み、
底部支持部材の底肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、底部支持部材の外側縁からピンに向かって上方に延長し、かつ該テーパー底肩部は少なくとも一の溝が形成された面を含み、
支持体の肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、支持体の外側縁からピンに向かって下方に延長し、かつ該テーパー肩部は少なくとも一つの溝が形成された面を含む摩擦撹拌溶接工具。
【請求項６】
前記テーパーが付けられた底肩部又はテーパーが付けられた肩部に形成された前記少なくとも一つの溝は、螺旋形状溝及び複数の同心状溝から成る群から選択される請求項５の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項７】
前記支持体、ピン及び底部支持部材は一体形成される請求項５の摩擦撹拌工具。
【請求項８】
前記支持体肩部及び／又は底部支持部材肩部のテーパーは、前記軸に垂直な面から１〜６０度の角度で形成される請求項５の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項９】
前記底部支持部材の底肩部にテーパーが付けられる場合、該底肩部は、（ａ）扁平区域と、（ｂ）ピンに向かって上方に延長するテーパーを有するテーパー区域とを含み、扁平区域及びテーパー区域は同心状で、ピンから底部支持部材の外側縁へと半径方向にずらされ、扁平区域及びテーパー区域の少なくとも一方は、そこに形成された少なくとも一つの溝を含み、
前記支持体の肩部にテーパーが付けられる場合、該肩部は、（ａ）扁平区域と、（ｂ）ピンに向かって下方に延長するテーパーを有するテーパー区域とを含み、扁平区域及びテーパー区域は同心状で、ピンから支持体の外側縁へと半径方向にずらされ、扁平区域及びテーパー区域の少なくとも一方は、そこに形成された少なくとも一つの溝を含む請求項５の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１０】
前記扁平区域はピンに隣接して設けられ、前記テーパー区域は支持体又は底部支持部材の外側縁に隣接して設けられる請求項９の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１１】
前記扁平区域及びテーパー区域は、少なくとも一つの溝が形成された面を含む請求項９の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの溝は、螺旋形状溝及び複数の同心状溝から成る群から選択される請求項１１の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１３】
前記底部支持部材の底肩部にテーパーが付けられる場合、該底肩部は、ピンに向かって上方に延長し、かつ、前記軸に垂直な面から第１の角度で形成される第１のテーパーを有する第１テーパー区域と、ピンに向かって上方に延長し、かつ、前記軸に垂直な面から第１の角度とは異なる第２の角度で形成される第２のテーパーを有する第２テーパー区域とを含み、第１及び第２テーパー区域は同心状で、ピンから底部支持部材の外側縁へと半径方向にずらされ、第１及び第２テーパー区域の少なくとも一方は、そこに形成された少なくとも一の溝を含み、
前記支持体の肩部にテーパーが付けられる場合、該肩部は、ピンに向かって下方に延長し、かつ、前記軸に垂直な面から第１の角度で形成される第１のテーパーを有する第１テーパー区域と、ピンに向かって下方に延長し、かつ、前記軸に垂直な面から第１の角度とは異なる第２の角度で形成される第２のテーパーを有する第２テーパー区域とを含み、第１及び第２テーパー区域は同心状で、ピンから支持体の外側縁へと半径方向にずらされ、第１及び第２テーパー区域の少なくとも一方は、そこに形成された少なくとも一の溝を含む請求項５の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１４】
前記第２の角度は第１の角度より大きく、前記第１テーパー区域はピンに隣接して設けられ、第２テーパー区域は支持体又は底部支持部材の外側縁に隣接して設けられる請求項１３の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１５】
前記第１及び第２テーパー区域各々は、少なくとも一つの溝が形成された面を含む請求項１３の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１６】
前記少なくとも一つの溝は、螺旋形状溝及び複数の同心状溝から成る群から選択される請求項１５の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１７】
前記底部支持部材の底肩部にテーパーが付けられる場合、該底肩部は、ピンに向かって上方に延長し、かつ、前記軸に垂直な面から第３の角度で形成される第３のテーパーを有する第３テーパー区域を更に含み、第１、第２及び第３テーパー区域は同心状で、ピンから底部支持部材の外側縁へと半径方向にずらされ、
前記支持体の肩部にテーパーが付けられる場合、該肩部は、ピンに向かって下方に延長し、かつ、前記軸に垂直な面から第３の角度で形成される第３のテーパーを有する第３テーパー区域を更に含み、第１、第２及び第３テーパー区域は同心状で、ピンから支持体の外側縁へと半径方向にずらされる請求項１３の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１８】
前記第２の角度は第１及び第３の角度より大きく、前記第１テーパー区域はピンに隣接して設けられ、第３テーパー区域は支持体又は底部支持部材の外側縁に隣接して設けられ、かつ、第２テーパー区域は第１及び第３テーパー区域間に設けられる請求項１７の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項１９】
前記第３の角度は第１の角度と等しいか又はそれより大きい請求項１８の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項２０】
前記第３の角度は、第１の角度より大きく、第１の角度は、第１テーパー区域が扁平区域から成るように０度である請求項１８の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項２１】
各第１、第２及び第３テーパー区域は、少なくとも一つの溝が形成された面を含む請求項１７の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項２２】
前記第１、第２及び第３テーパー区域の各面に形成された前記少なくとも一つの溝は、螺旋形状溝及び複数の同心状溝から成る群から選択される請求項２１の摩擦撹拌溶接工具。
【請求項２３】
前記第１、第２及び第３テーパー区域の各面に形成された前記少なくとも一つの溝は、該第１、第２及び第３の面それぞれに対し直角に形成される請求項２２の摩擦撹拌溶接工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、摩擦撹拌溶接に向けられ、更に詳しくは、摩擦撹拌溶接法に使用するための改良された工具に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌溶接は、回転非消耗性ピンと加工物との間に発生した熱と、変形され混合される加工物材料から塑性加工の結果として生じる熱とを含む摩擦熱を利用し、（複数の）加工品を共に溶接する方法である。発生した摩擦熱は、加工品材料を可塑化し、それらを固め、もともと二つであったものの一体型の材料を作り出す。摩擦撹拌溶接は、金属、プラスチック、及び、摩擦熱適用下で軟化し、固まって一体に結合されることとなる他の材料といった材料の種々の部分を共に接合するために使用される。摩擦撹拌溶接は、突合わせ接合及び角接合に一般に適用されているが、重ね接合及び他の種類の接合にも、並びに、与えられた材料におけるひび割れを除去する、すなわち閉じるため、及び、材料の二つの側部を共に接合し、管のような中空区域を形成するためにも適用され得る。
【０００３】
摩擦撹拌溶接用の先行技術装置は、一般に図１に示される。装置１０は、軸線１２の周りに回転可能であり、支持体１４と、支持体１４の先端から伸長する非消耗性ピン１６とを含む。図１に示されるように、二つの加工品１８及び２０は、共に溶接される加工品の縁が、境界面２２で直接接触して保持されるように整列される。回転装置１０が加工品１８及び２０間の境界面２２と接触するようにされると、回転ピン１６は、図１に示されるように、加工品１８及び２０の両方の材料と接触するように強制される。ピン１６は、支持体１４の先端の平肩部２４が加工品１８及び２０の上面と接するまで加工品１８及び２０の材料内に挿入される。装置１０が該材料を通って移動されると、材料におけるピン１６の回転、加工品１８及び２０の上面に対する平肩部２４の摩擦、並びに、変形され混合される加工品材料から結果として生じる塑性加工は、加工品境界面２２の付近に大量の摩擦熱を生成する。この摩擦熱は、回転ピン１６及び肩部２４の付近の加工品１８及び２０の材料を軟化し、可塑化領域を作り出し、かつ該材料の混合をもたらし、これは、硬化し次第、溶接部２６を形成する。装置１０が境界面２２に沿って長手方向に移動されると、溶接部２６は、加工品１８及び２０間の境界面２２に沿って形成され、これにより、加工品１８及び２０を共に接合する。支持体１４の平肩部２４は、加工品からの軟化材料が上方に逃げるのを防ぎ、該材料を可塑化領域内へと押しやる。溶接が終了すると、装置１０は取り去られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先行技術摩擦撹拌溶接工具は、溶接接合箇所にわたる加工品の厚さに最小の差異を要求する。従って、加工品の境界面における厚さのばらつきは、摩擦撹拌溶接法によって形成される溶接部の一体性を損ない得る。同様に、先行技術摩擦撹拌溶接工具は、材料を適切に可塑化するのに十分な摩擦熱を発生させるため、該工具の位置が加工品の上面を基準として正確に制御されることを要求する。十分な摩擦熱の発生に対する怠りも、溶接接合箇所の一体性を損なう。
【０００５】
加えて、先行技術ボビン型摩擦撹拌溶接工具では、ピン及び後肩部が加工品の後面を基準として正確に制御されなければならない。従って、該ピンは、前肩部、例えば摩擦撹拌溶接工具の支持体１４に対して軸方向に独立に移動可能でなければならない。
【０００６】
本発明は、一又は複数の上記問題点を克服することに向けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、摩擦撹拌溶接法を利用して（複数の）加工品同士を共に接合するための摩擦撹拌溶接工具が提供される。本発明の工具は、第１軸（第１軸線）の周りに回転可能で、かつ、肩部を形成する先端部を有する支持体を含む。回転可能ピンは、支持体の先端部から肩部の下方へと伸長する。支持体の肩部は、ピンに向かって下方へと延長するテーパーが付けられる少なくとも一の部分を含む。
【０００８】
本発明の一の形態において、肩部は、少なくとも一の溝が形成された面（表面）を含む。該少なくとも一の溝は、肩部の該面に形成された螺旋形状溝又は複数の同心状溝のいずれかを含み得る。
【０００９】
本発明の別の形態において、肩部は、実質的に扁平な区域（実質的扁平区域）と、ピンに向かって下方に延長するテーパーを有するテーパー区域とを含む。実質的扁平区域及びテーパー区域は同心状で、ピンから支持体の外側縁へと半径方向に配置される。好ましくは、実質的扁平区域はピンに隣接して設けられ、テーパー区域は、支持体の外側縁に隣接して設けられる。しかしながら、逆の配置が利用され得る。
【００１０】
本発明の更に別の形態において、肩部は、第１及び第２テーパー区域を含む。第１テーパー区域は、ピンに向かって下方に延長する第１のテーパーを有する。第１のテーパーは、第１軸に垂直な面を基準として第１の角度で形成される。第２テーパー区域は、これもピンに向かって下方に延長する第２のテーパーを有する。第２のテーパーは、第１軸に垂直な面を基準として、第１の角度より大きい第２の角度で形成される。第１及び第２テーパー区域は同心状で、ピンから支持体の外側縁へと半径方向に配置される。好ましくは、第１テーパー区域はピンに隣接して設けられ、第２テーパー区域は支持体の外側縁に隣接して設けられる。しかしながら、該区域の逆の配置が利用され得る。
【００１１】
本発明の更に別の形態において、肩部は、ピンに向かって下方に延長する第３のテーパーを有する第３テーパー区域を追加的に含む。第３のテーパーは、第１軸に垂直な面を基準として、第１及び第２の角度とは異なる第３の角度で形成される。第１、第２及び第３テーパー区域は同心状で、ピンから支持体の外側縁へと半径方向に配置される。好ましくは、第２の角度は、第１及び第３の角度の両方よりも大きく、第１テーパー区域はピンに隣接して設けられ、第３テーパー区域は支持体の外側縁に隣接して設けられ、また、第２テーパー区域は、第１及び第３テーパー区域間に設けられる。しかしながら、これら区域の逆の配置が利用され得る。
【００１２】
第３の角度は、第１の角度より大きいか又は等しい角度であり得る。本発明の更なる形態において、第１テーパー区域が実質上平らであるように第１の角度は実質上０°である。
【００１３】
本発明の追加の形態において、第１、第２及び第３テーパー区域の各々は、少なくとも一の溝が形成された面（表面）を含む。第１、第２及び第３区域の面の各々に形成された少なくとも一の該溝は、螺旋形状溝又は複数の同心状溝のいずれかを含み得る。一の形態において、該溝は、第１、第２及び第３区域の面それぞれに対し直角（垂直）に形成される。
【００１４】
本発明の別の実施形態において、摩擦撹拌溶接工具は、ピンの先端部に連結される底部支持部材を更に含み、ピンは支持体と底部支持部材との間に配置される。この実施形態において、本発明の工具は、ボビン型摩擦撹拌溶接工具として構成される。底部支持部材も第１軸の周りに回転可能で、支持体の肩部に向く底肩部を含む。底部支持部材の底肩部は、テーパーが付けられる少なくとも一の部分を含み、該テーパーは、ピンに向かって上方に延長する。
【００１５】
別の一の実施形態において、テーパー付けは、支持体の肩部及び底部支持部材の底肩が相互の鏡像のように形成されるように行われる。
【００１６】
別の実施形態において、底肩部は、少なくとも一の溝が形成された面を含む。該少なくとも一の溝は、底肩部の該面に形成された螺旋形状溝又は複数の同心状溝のいずれかを含み得る。
【００１７】
本発明の工具がボビン型溶接工具として構成されると共に、支持体、ピン及び底部支持部材は、一体に形成されるか、又は慣用の連結手段によって連結され得る。
【００１８】
本発明の目的は、接合される加工品の境界面における継ぎ目（接合）の不整合に対する許容誤差を改善した摩擦撹拌溶接工具を提供することである。
【００１９】
本発明の更なる目的は、熱発生特性が高められた摩擦撹拌溶接工具を提供することである。
【００２０】
本発明の更に別の目的は、溶接プロセスの操作特性が頑強である摩擦撹拌溶接工具を提供することである。
【００２１】
本発明の更に別の目的は、固定ピン−ロビン型溶接を容易化可能な摩擦撹拌溶接工具を提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的、側面及び利点は、明細書、図面及び特許請求の範囲の検討から得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図２を参照して、本発明に従う摩擦撹拌溶接工具が一般に３０で示される。摩擦撹拌溶接工具３０は、軸線３４の周りに回転可能な支持体３２と、支持体３２に取り付けられ、かつ、支持体３２の端部３８から伸長する非消耗性ピン３６とを含む。支持体３２の端部３８は肩部４０を規定し、ピン３６は、支持体３２の端部３８から下方で肩部４０から離れる矢印４１方向に伸長する。一般に、支持体３２は、断面が円形であり、ピン３６は、ピン３６も軸線３４の周りに回転するように支持体３２の中心に置かれる。しかしながら、ピン３６は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、支持体３２の中心から外され得る。
【００２４】
図２に示されるように、肩部４０は、テーパーが付けられ、該テーパーは、支持体３２の外側縁４２から、軸線３４に垂直な平面４４を基準に角度θでピン３６に向かって矢印４１方向の下方に伸長する。加えて、テーパー肩部４０は、肩部４０の正面へと機械加工された複数の溝４６を含む。溝４６は、渦形（スクロール）肩部として摩擦撹拌溶接技術において一般に知られている。溝４６は、螺旋形状溝又は複数の同心溝のように肩部４０の表面へと機械加工され得、加えて、肩部４０の表面に普通に機械加工され得る。
【００２５】
支持体３２及びピン３６は、一般に、接合される加工品材料より硬い材料から成る。図３に示されるように、ピン３６は、接合領域、すなわち、接合される二つの加工品５０及び５２間の境界面４８内に挿入され、肩部４０は、加工品５０及び５２の上面に接触する。軸線３４の周りの摩擦撹拌溶接工具３０の回転は、摩擦熱の発生をもたらし、該摩擦熱は、摩擦撹拌溶接工具３０（特にピン３６及び肩部４０）と加工品５０及び５２との間に発生した熱と、変形され混ぜられる加工品材料からの塑性加工の結果として発生した熱とを含み、加工品５０及び５２を境界面４８の近くの領域で可塑化させる。摩擦撹拌溶接工具３０が境界面４８に沿って移動されると、加工品５０及び５２は可塑化され、次に硬化して、溶接部を形成し加工品５０及び５２を共に接合する。摩擦撹拌溶接法は、金属及び合金、ＭＭＣｓ（金属基複合材料）のような強化金属、熱可塑性型材料を含む広範囲の材料を接合するために利用されている。摩擦撹拌溶接は、一般に、突合わせ接合及び角接合に適用されるが、該方法は、重ね接合及び他の種類の接合、並びに、材料のひび割れを閉じるために使用され得る。
【００２６】
本発明の工具３０のテーパー肩部設計は、図３から理解され得るような、先行技術摩擦撹拌溶接工具を上回るいつくかの利点を提供する。第１に、本発明の設計は、可変有効直径Ｄeを有する溶接工具３０をもたらす。平肩部を有する先行技術摩擦撹拌溶接工具は、材料の厚さ、ピンの直径及び他の因子に依存する異なる固定肩部直径によって一般に構成される。しかしながら、本発明の工具３０のテーパー肩部設計は、加工品５０及び５２への溶接工具３０の貫入深さ変えることにより、可変有効直径Ｄeを簡単に作り出すことができる。加工品５０及び５２への工具３０の貫入深さを増すと、有効直径Ｄeが拡大する。同様に、加工品５０及び５２への工具３０の貫入深さを減らすと、有効直径Ｄeが縮小する。この有効直径Ｄeの増減は、溶接工具３０が境界面４８に沿って移動される際の「進行中に」行われ得る。
【００２７】
テーパー肩部設計の第２の利点は、溶接工具３０が、溶接部の品質の変化をほとんど又は全く伴わずに、少なくとも溶接部の上方部分に関する限り、材料厚さのばらつき、又は、加工品５０及び５２への工具３０の突っ込み深さ（貫入深さ）の計画されていないばらつきを吸収することである。一般に、先行技術摩擦撹拌溶接工具では、溶接工具と加工品の表面との間の空間的関係が非常に小さい許容誤差内に維持されることが極めて重要である。加工品材料が接合境界面に沿う厚さを万一減らしたら、その際、従来摩擦撹拌溶接工具の肩部は、加工品の上面から持ち上がり、結果として生じる溶接部に即座のかつ大きな欠陥をもたらし得る。他方、加工品の厚さが通常のばらつきの結果、接合境界面に沿って大きくなるなら、従来溶接工具の肩部の前縁が加工品の表面下に突っ込み得、過剰なばりをもたらし、また、加工品の厚さを縮小する。しかしながら、図３から理解され得るように、たとえ加工品５０、５２厚さＴwが増減しても、本発明の工具３０は、加工品５０及び５２の上面に対する工具３０の貫入深さに応じる可変有効肩部直径Ｄeで簡単に続行する。有効直径Ｄeは、加工品の厚さＴwに比例して増減する。本発明の工具３０の適切な操作を保証するため、操作者は、ピン３６の端部と金床（図示せず）との間の間隙を維持すること、及び、テーパー肩部４０の長さが、加工品５０及び５２の厚さにおけるどのような通常の又は設計上のばらつきをも吸収するのに十分であることを確保することのみをしなければならない。
【００２８】
本発明の設計の第３の利点は、肩部４０に形成された溝４６によって引き起こされる可塑化材料の流れ及び摩擦熱の増加である。通常、先行技術摩擦撹拌溶接工具において、渦形溝は、溶接工具の進行中のピンによって「けり上げられる」加工品材料のみによって与えられる。本発明のテーパー肩部設計では、肩部４０の下向きのテーパーが、加工品材料を全有効直径Ｄeにわたる進行中の溝へと押しやり、加工品材料の撹拌及び該材料を可塑化する発生摩擦熱において該渦形をより一層有効にし、より良い全体的な溶接部を形成する。角度θは実施的に任意の角度であり得るが、一形態において角度θは約１°〜約６０°である。しかしながら、他のテーパー角度が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに企図され、利用され得る。
【００２９】
最終的に、本発明のテーパー肩部設計の追加の利点は、それが、自動的に反応する溶接工具としても知られている一般に３０’で示されたボビン型摩擦撹拌溶接工具を簡易化することである。図４において、図２と同様の構成要素が同じ参照番号で示され、一方、変更を必要とする構成要素は、プライム符号（’）を用いて示される。
【００３０】
図４に示された溶接工具３０’は、ピン３６’の先端部に連結された底部支持部材５４を含む。底部支持部材５４は、ピン３６’が支持体３２と底部支持部材５４との間に配置されるように、支持体３２から離隔され、かつ支持体３２の肩部４０を向く底肩部５６を含む。底肩部５６もテーパーが付けられ、該テーパーは、底部支持部材５４の外側縁５８から矢印５９方向の上方に、軸線３４に垂直な面４４から角度φでピン３６’に向かって延長する。加えて、底肩部５６は、その表面に、上方体３２の肩部４０に機械加工された溝と同様に機械加工された溝６０を含む。
【００３１】
一形態において、角度θ＝角度φのように肩部４０及び５６のテーパー角度は等しい。この場合、工具３０’の肩部４０及び底肩部５６は、相互の鏡像のように形成される。しかしながら、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、異なるテーパー角度θ及びφが、肩部４０及び５６にそれぞれ利用され得る。
【００３２】
図４に示された本発明の工具３０’は、ことによると摩擦溶接法の最初の始動時を除き、支持体３２と底部支持部材５４との間の積極的な相対運動関係を必要としない。ピン３６’は、支持体３２及び底部支持部材５４の両方に、これらの間に発生する相対運動を全く伴わずに、固定して取り付けられ得る。これは、テーパー肩部４０及び５６によって可能となり、これは、加工品５０及び５２への貫入深さにほとんど関係なく溶接を成し遂げ得る。支持体３２及び底部支持部材５４は、加工品厚さＴwのばらつきを吸収するため、ピン３６’に対して移動するように作動される必要はない。図４に示された固定肩部ボビン工具３０’は、ピン３６’の中央を、おおよそ加工品厚さＴwの中央に維持するため、簡単に制御され得る。加工品厚さＴwの小さなばらつきは、テーパー肩部４０及び５６によって自動的に吸収され、結果として生じる溶接部にはほとんど又は全く欠陥がもたらされない。支持体３２、ピン３６’及び底部支持部材５４は、一体的に形成されるか又は慣用の連結手段を介して連結され得る。
【００３３】
本発明による摩擦撹拌溶接工具３０は、試験され、良好な溶接部を生成することが分かった。一の溶接部は、全長にわたって厚さに０.０３インチ（０．７６２ｍｍ）のばらつきを有する材料に形成された。従来の摩擦撹拌溶接工具を利用すると、この厚さのばらつきは、良好な溶接接合を生成することを困難にするであろう。しかしながら、本発明の摩擦撹拌溶接工具３０は、単に不定溶接クラウン幅を有する溶接部を生成し、該幅は局所的な材料厚さに依存する。工具３０の突入深さは、ピン３６端部と金床との間に適切な間隙を与えるであろう値に設定され、溶接工具３０のテーパー肩部外形は、該溶接部の長さに沿って加工品厚さを変えることに応じ、不定幅の溶接部を生成した。０．０３インチ（０．７６２ｍｍ）の不整合（一方の側部が他方より厚い）を有する加工品の追加試験も図示され、本発明の溶接工具３０は、該不整合がテーパー区域の垂直長さを超えなければ、いかなるばり又は放出された材料をも作り出すことなく、そのような不整合を吸収することができる。
【００３４】
図５を参照して、これは、溝４６が省かれた図３の溶接工具３０であり、溶接工具３０のテーパー肩部は、種々のパラメーターに基づいて異なる有効直径Ｄeをもたらすことができる。図５に示されるように、テーパー肩部４０は、外径Ｄoと内径Ｄiと有効直径Ｄeとを有し、有効直径Ｄeは、テーパー肩部４０と加工品５０及び５２の上面との境界によって定義される。テーパー肩部４０は、突入深さｐだけ加工品５０及び５２内へと達し、また、垂直長さΔｌ及びテーパー角度θを有する。これらのパラメーターを用いて、テーパー肩部４０の有効直径Ｄeは次のように計算され得る。
【数１】
2008221338.tif 000003
【数２】
2008221338.tif 000004
式１と式２を組み合わせると、テーパー肩部によってもたらされた有効直径Ｄeは、次式によって計算され得る。
【数３】
2008221338.tif 000005
【００３５】
摩擦撹拌溶接工具３０が、有効直径Ｄeに大きな変化がなく、突入深さｐに大きな変動を有する加工品材料に効果的な溶接をもたらすことができるようになるため、大きい垂直テーパー長Δｌを有する肩部４０で工具３０を構成することが一般に望ましいであろう。この性質は、突入深さｐに対する有効直径Ｄeの微分をとることによって理解され得る。
【数４】
2008221338.tif 000006
【００３６】
一般に、内径Ｄiは、本発明の工具３０の外形（断面）では、ピン３６の直径又はそのシャンク（軸部）の直径に固定される。従って、突入深さｐに対する有効直径Ｄeの変動を低減するため、式４から、大きい垂直長さΔｌを有することがこの目的を達成することは明らかである。
【００３７】
他の工具外形が、一般テーパー肩部概念から派生され得る。図５と同様な構成要素が同じ参照番号で示された図６に示されるように、支持体６４を有する摩擦撹拌溶接工具６２が図示され、支持体６４は、ピン３６から支持体６４の外側縁７０まで延長する第１及び第２同心肩部区域６６及び６８を含む。第１肩部区域６６は、実質上扁平なものとして図示される一方、第２肩部区域６８はテーパーが付けられ、該テーパーは、支持体６４の外側縁７０からピン３６に向かって、軸線３４に垂直な面４４を基準にある角度で下方に延長する。第２肩部区域６８は、比較的大きいテーパー角度α、従って比較的大きい垂直テーパー長Δｌを有する。図６の二重区域設計は、ピン３６の溶接効果を損なうであろうため、非常に長い垂直テーパー長Ａｌを有することが、特に薄い加工品にとって望ましくないということを考慮に入れる。しかしながら、工具６２の有効直径Ｄeにおいて突入深さｐの変動（ばらつき）の影響を減じるため、急勾配のテーパー角度、従って比較的長い垂直テーパー長Ａｌを有することが望ましい。図６に示された断面図はこれを実現する。角度αは実質的に任意の角度であり得るが、一の形態において、該角度αは約１°〜約６０°である。しかしながら、本発明の精神及び目的の範囲から逸脱することなく、他のテーパー角度が企図され、また利用され得る。加えて、第１肩部区域６６は、実質上扁平なものとして図６に示され、これも、第２肩部区域６８のテーパー角度よりも一般に小さい角度でピン３６に向かって下方にテーパーが付けられ得る。更に、図６には示されないが、肩部区域６６及び６８の一方又は両方は、それぞれの表面へと機械加工された螺旋状又は同心状の溝（図示せず）を含み得る。更に、該溝は、これらが各区域６６及び６８のそれぞれの表面に対し直角であるように機械加工され得る。
【００３８】
別の工具断面が、図５と同様な構成要素が同じ参照番号で示されて図７に例示され、これは、浅いテーパー断面が突入力において大きい変動（ばらつき）をもたらすという事実から派生する。これは、過度の突っ込みを防ぐための負荷制御溶接状況において有益であろう。図７に示された摩擦撹拌溶接工具７２は、そのような使用のために設計される。工具７２は、ピン３６から支持体７４の外側縁８２へと半径方向に延長する第１、第２及び第３同心肩部区域７６、７８及び８０を有する支持体７４を含む。各肩部区域７６、７８及び８０は、テーパーが付けられ、該テーパーは、軸線３４に垂直な面４４を基準としたあるテーパー角度でピン３６に向かって下方に延長する。図７に示されるように、第１肩部区域７６はテーパー角度βを含み、第２肩部区域７８はテーパー角度γを含み、また第３肩部区域８０は、テーパー角度ωを含む。一般に、角度γは、角度ω又は角度βのいずれかよりも大きい。第３肩部区域８０のテーパー角度ωは、過度の突っ込みから保護するため、一般に比較的小さい。種々の要因に応答して溶接工具７２の突入深さが増加するにつれ、小テーパー肩部区域８０は、加工品５０及び５２と接触する肩部区域８０の領域が拡大するため、突入力の要求が突入深さに対して急速に増えるようにする。この増加は、肩部区域８０における小さいテーパーのため、突入深さの小さい変化にわたって発生し、結果として、より安定した貫入深さをもたらす。テーパー角度ω及びテーパー角度βは、種々の用途に応じて、互いに等しくても又は異なってもよい。更に、第１肩部区域７６は、図７にテーパーが付けられて示されるが、実質上平坦であり得る。加えて、各肩部区域７６、７８及び８０は、そこに機械加工される螺旋状又は同心状の溝（図示せず）を含み得る。更に、該溝は、各区域７６、７８及び８０のそれぞれの面に対し直角に機械加工され得る。
【００３９】
図７に示された溶接工具７２の種々のテーパー区域の構成を容易にするため、そのような工具は、図８に示されるような二つの部品から構成され得る。図８に示された溶接工具７２’は、第１及び第２区域８４及び８６を含む支持体７４’を含む。第１区域８４は、肩部区域７６及び７８を含むのに対し、第２区域８６は、肩部区域８０を含む。第１及び第２区域８４及び８６は、慣用に取り付けられ得る。図８に示されるように、各肩部区域７６、７８及び８０は、そこに機械加工された溝８８を含む。溝８８は、螺旋形状又は同心状であり得、その上、各区域７６、７８及び８０のそれぞれの表面に対し直角に機械加工され得る。
【００４０】
本発明は、図面を特に参照して説明されたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされ得ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】先行技術の摩擦撹拌溶接装置の斜視図である。
【図２】本発明に係る摩擦撹拌溶接工具の断面図である。
【図３】使用中の図２の摩擦撹拌溶接工具の断面図である。
【図４】ボビン型溶接工具として実現された本発明に係る摩擦撹拌溶接工具の断面図である。
【図５】関連する種々の直径及びパラメーターを例示する、渦形が省かれた図２の摩擦撹拌溶接工具の断面図である。
【図６】本発明の追加の形態に従う摩擦撹拌溶接工具の断面図である。
【図７】本発明の更なる形態に従う摩擦撹拌溶接工具の断面図である。
【図８】本発明の更に別の形態に従う複合部品摩擦撹拌溶接工具の断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
３０  摩擦撹拌溶接工具
３２  支持体
３４  軸線
３６  ピン
４０  肩部
４６、６０  溝
５０、５２  加工品
５４  底部支持部材
５６  底肩
【図１】
2008221338.tif 000007
【図２】
2008221338.tif 000008
【図３】
2008221338.tif 000009
【図４】
2008221338.tif 000010
【図５】
2008221338.tif 000011
【図６】
2008221338.tif 000012
【図７】
2008221338.tif 000013
【図８】
2008221338.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月16日(2008.5.16)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
摩擦撹拌溶接工具であって、
軸の周りに回転可能で、肩部を規定する下端部を有する支持体と、
支持体の下端部から、支持体から離れる方向である下方へ伸長する回転ピンと、
底部支持部材にして、前記回転ピンが支持体と当該底部支持部材との間に配置されるように該ピンの先端部に連結される底部支持部材とを備え、
底部支持部材は、前記軸の周りに回転可能で、かつ支持体の肩部に向く底肩部を含み、
底部支持部材の底肩部及び支持体の肩部の少なくとも一方は、テーパーが付けられ、
底部支持部材の底肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、底部支持部材の外側縁からピンに向かって上方に延長し、かつ該テーパー底肩部は少なくとも一の溝が形成された面を含み、
支持体の肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、支持体の外側縁からピンに向かって下方に延長し、かつ該テーパー肩部は少なくとも一つの溝が形成された面を含む摩擦撹拌溶接工具。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
摩擦撹拌溶接工具であって、
軸の周りに回転可能で、肩部を規定する下端部を有する支持体と、
支持体の下端部から、支持体から離れる方向である下方へ伸長する回転ピンと、
底部支持部材にして、前記回転ピンが支持体と当該底部支持部材との間に配置されるように該ピンの先端部に連結される底部支持部材とを備え、
底部支持部材は、前記軸の周りに回転可能で、かつ支持体の肩部に向く底肩部を含み、
底部支持部材の底肩部及び支持体の肩部の少なくとも一方は、テーパーが付けられる少なくとも一つの区域を含み、
底部支持部材の底肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、底部支持部材の外側縁からピンに向かって上方に延長し、かつ該テーパー底肩部は少なくとも一の溝が形成された面を含み、
支持体の肩部にテーパーが付けられる場合、該テーパーは、支持体の外側縁からピンに向かって下方に延長し、かつ該テーパー肩部は少なくとも一つの溝が形成された面を含む摩擦撹拌溶接工具。