(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基複合材料（ＭＭＣｓ）、鉄合金、非鉄合金又は超合金を摩擦攪拌接合することができる摩擦攪拌接合工具であって、
軸部、肩部及びピンと、前記肩部及びピンの少なくとも一部分に配置された高耐摩耗性材料とを含み、
前記肩部は該肩部の前記軸部に対する回転運動を防ぐために前記軸部に機械的に固定され、
前記高耐摩耗性材料は第１相及び第２相を有し、前記高耐摩耗性材料は超高温及び超高圧の下で製造され、
前記高耐摩耗性材料は、元素の周期表のＩＩＩＡ、ＩＶＡ、ＶＡ、ＶＩＡ、ＩＩＩＢ、ＩＶＢ及びＶＢ族の元素を含む化合物からなる材料の群から選択される、摩擦攪拌接合工具。
【請求項２】
前記高耐摩耗性材料として多結晶硼素窒化物（ＰＣＢＮ）又は多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を選択することを含む、請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項３】
前記高耐摩耗性材料の急熱急冷脆化を防止するためにウィスカー補強の高耐摩耗性材料を用いることを含む、請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項４】
前記工具の化学的摩耗と機械的摩耗との間に所望のバランスを得るように前記高耐摩耗性材料を選択することを含む、請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項５】
前記軸部の材料が、セメンテッド・タングステン・カーバイド、鋼及び高耐摩耗性材料を含む材料の群から選択される、請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項６】
前記工具を冷却するための内部冷却システムを含む、請求項１に記載の工具。
【請求項７】
高耐摩耗性被覆上に配置された少なくとも第２の材料を含み、これにより第２の材料の特性を高耐摩耗性被覆に与える、請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項８】
前記肩部と前記軸部との間に配置された第１の熱流障壁を含み、これにより前記肩部から前記軸部への熱の動きを管理する、請求項１に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項９】
前記肩部を前記軸部に機械的に固定する固定カラーを含み、これにより前記肩部の前記軸部に対する回転運動を防ぐ、請求項８に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１０】
前記固定カラーと前記肩部及び前記軸部の一部分との間に配置された第２の熱流障壁を含み、これにより前記肩部及び前記軸部から前記固定カラーへの熱の動きを管理する、請求項９に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１１】
前記第１及び第２の熱流障壁はチタン合金からなる、請求項１０に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１２】
前記軸部は、前記肩部、前記ピン及び前記固定カラーより小さい熱伝導性の材料からなる、請求項１１に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１３】
前記軸部の材料は、セメンテッド・タングステン・カーバイド、タングステン合金、鋼、モリブデン合金又は超合金を含む材料の群から選択される、請求項１２に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１４】
前記工具の長手方向軸線に沿って配置された少なくとも１つの固定手段を有し、該固定手段は前記肩部及び前記軸部を同じ相対的位置に確実に保持する、請求項１３に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１５】
フラット面、スプライン、キー溝、キー、固定ピン、蟻溝及び歯の少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１６】
肩部作業端部と肩部取付け端部との間に機械的固定手段を含み、該機械的固定手段は蟻溝、スプライン及び歯を含む機械的固定手段の群から選択される、請求項１５に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１７】
作業端部に肩部のＲ面取りを含み、該肩部のＲ面取りは高耐摩耗性材料のクラック止めとして作用する、請求項１６に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１８】
前記肩部を前記軸部に機械的に固定する手段はスプライン、固定ピン、蟻溝及び歯を含む機械的固定手段の群から選択される、請求項１７に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項１９】
固定カラーを含み、該固定カラーのために選択される材料は超合金である、請求項１８に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項２０】
固定カラーを含み、該固定カラーのために選択される材料は、ニッケルコバルト及びコバルトクロミウムを含む材料の群から選択される、請求項１９に記載の摩擦撹拌接合工具。
【請求項２１】
金属基複合材料（ＭＭＣｓ）、鉄合金、非鉄合金又は超合金を摩擦攪拌接合することができる、単一体からなる摩擦攪拌接合工具であって、
シャフト取付け端部及びシャフト作業端部を有する軸部と、
前記シャフト作業端部に形成された肩部であって、作業端部を有し、該作業端部がＲ面取りとして形成されている肩部と、
前記肩部に形成されたピンと、
前記肩部及びピンの少なくとも一部分に配置された高耐摩耗性材料とを含み、  前記ピンは前記肩部からその外方へ伸びる長さ方向軸線と同軸的かつ平行であり、第１のピンのＲ面取りが前記肩部と前記ピンとの境界に形成され、第２のピンのＲ面取りがピン作業端部に形成されている、摩擦攪拌接合工具。
【請求項２２】
金属基複合材料（ＭＭＣｓ）、鉄合金、非鉄合金又は超合金の加工物に摩擦接合工具を押し込む方法であって、
（１）軸部、肩部及びピンであって金属基複合材料（ＭＭＣｓ）、鉄合金、非鉄合金又は超合金に押し込むことができるピンを有する摩擦攪拌接合工具を用意すること、
（２）前記肩部及び前記ピンの少なくとも一部分に高耐摩耗性材料を配置すること、
（３）摩擦撹拌接合工具を加工物に押し込むことを含み、
前記高耐摩耗性材料は第１相及び第２相を有し、前記高耐摩耗性材料は超高温及び超高圧の下で製造され、前記ＭＭＣｓ、鉄合金、非鉄合金又は超合金は固相の変換を受ける、加工物に摩擦接合工具を押し込む方法。
【請求項２３】
前記高耐摩耗性材料を元素の周期表のIIIA, IVA, VA, VIA, IIIB, IVB及びVB族の元素を含む化合物を含む材料の群から選択することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記高耐摩耗性材料として多結晶硼素窒化物（ＰＣＢＮ）又は多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を選択することを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ウィスカー補強の高耐摩耗性材料を用いることにより前記高耐摩耗性材料の急熱急冷脆化を防止することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
第１の割合の第１相と第２割合の第２相とを有する高耐摩耗性材料を選択することにより、前記摩擦攪拌接合工具の化学的摩耗と機械的摩耗との間のバランスを図ることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記軸部のために硬化した材料を選択することを含み、前記軸部の材料は、セメンテッド・タングステン・カーバイド、鋼及び高耐摩耗性材料を含む材料の群から選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
高耐摩耗性被覆上に少なくとも第２の材料を配置して該第２の材料の特性を高耐摩耗性被覆に与える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
ＣＶＤ、イオンビーム注入及びＰＶＤを含む方法の群から選択される方法により前記高耐摩耗性被覆上に少なくとも第２の材料を付与することを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記肩部と前記軸部との間に第一の熱流障壁を配置することにより前記肩部と前記軸部との間の熱の動きを管理することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記肩部を前記軸部に機械的に固定する固定カラーを備えることにより前記軸部に対する前記肩部の回転運動を防止することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記固定カラーと前記肩部及び前記軸部の一部分との間に第２の熱流障壁を備えることにより前記肩部から前記固定カラーへの熱の動きを管理することを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
第１の熱流障壁及び第２の熱流障壁としてチタン合金を用いることを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記肩部、前記ピン及び前記固定カラーより熱伝導性が低い材料を前記軸部のために選択することにより前記摩擦攪拌接合工具内における熱の動きを管理することを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
セメンテッド・タングステン・カーバイド、タングステン合金、鋼、モリブデン合金又は超合金からなる材料の群から前記軸部の材料を選択することを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記肩部の作業端部の周りに肩部のＲ面取りを配置することにより前記肩部に高耐磨耗性材料における亀裂の成長を防ぐことを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記肩部の前記軸部に対する回転運動を防止するように前記固定カラーのために超合金を選択することを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
ニッケルコバルト及びコバルトクロミウムを含む超合金の群から前記固定カラーための超合金を選択することを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
高耐磨耗性材料のクラックの成長を防止するために前記肩部及び前記ピン上のストレスライザーを減ずることを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４０】
（１）ほぼ円柱状のものとして前記軸部を形成すること、
（２）ディスク状のものとして前記肩部を形成することを含み、
前記ピンは全体に円柱状であり、前記ピンは前記肩部から伸びるその長手方向軸線と同軸でありかつ該軸線と並行である、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記軸部に対する前記肩部の回転運動を防ぐために前記肩部を前記軸部に対して機械的に固定する固定カラーを設けることを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
（１）作業端部とシャフト取付け端部とを有する軸部であって、軸部穴が前記作業端部から前記シャフト取付け端部に配置されている軸部を用意すること、
（２）ディスク状の肩部であって、肩部穴が前記軸部穴と整列している肩部を用意すること、
（３）前記肩部穴に配置され、前記軸部穴に少なくとも部分的に配置されたピンを用意することを含み、
前記軸部穴は長手方向軸線と同軸的であり、前記肩部は前記軸部に結合され、前記肩部は前記軸部に機械的に固定されて前記肩部の前記軸部に対する回転運動を防止され、前記ピンの一部分は前記肩部穴の外側に配置され、前記ピンは前記軸部に機械的に固定されて該ピンの前記軸部に対する回転運動を防止される、請求項２３に記載の方法。
【請求項４３】
ピンの形状を選択することにより、接合を改善するために摩擦攪拌接合中に前記ピンの周りの材料の流速を増すことを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４４】
前記ピンの周りに遷移流又は乱流を生じさせることを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
低摩擦係数を有する高耐磨耗性材料を用いることによって摩擦攪拌溶接工具の磨耗を減ずることを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４６】
前記方法は、ＭＭＣｓ、鉄合金、非鉄合金又は超合金を摩擦攪拌接合する方法であり、摩擦攪拌接合工具の熱磨耗を調整するために熱管理をすることを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項４７】
摩擦攪拌接合工具の機械的磨耗及び化学的磨耗を減ずるために高耐磨耗性材料を用いることを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
摩擦攪拌接合工具内の熱の動きを管理するために熱流障壁を設けることを含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
高耐磨耗性材料の使用を可能にするために摩擦攪拌接合工具の形状を制御することを含む、請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、接合に要する熱が工具の回転するピンを加工物に押し込むことによって生じる摩擦攪拌接合に関する。より詳しくは、本発明は、従来の摩擦攪拌接合方法及び工具を使用しては接合できない材料、すなわちステンレス鋼のような鉄合金及び鉄を少量含むか又はこれを含まない高融点超合金を含む材料に摩擦攪拌接合を適合させうる、新しい摩擦攪拌接合用工具に関する。
【０００２】
（発明の背景）
摩擦接合は数年来産業で使用されてきた。それは、伝統的な溶融溶接法に生じる溶融材料の急速な凝固と関係する多くの問題を避けるために大きな経済的利益をもたらす固相プロセスである。
【０００３】
摩擦接合の一例は、一方のパイプが所定位置に剛的に保持され、他方のパイプが前記一方のパイプに対して圧せられかつ回転されて、２つのパイプの端部が互いに押圧されているときに起こる。熱が摩擦により生じるので、パイプの端部は柔らかくなる。パイプの回転を急に止めることにより、２つのパイプは互いに融合する。この場合、摩擦熱は接合される２つの部分の相対運動によって生じる。
【０００４】
図１は、肩部１２及び該肩部から外方へ伸びるピン１４を有する全体に柱状の工具１０に特徴付けられた、摩擦攪拌接合用工具の斜視図である。工具のピン１４は十分な熱が発生するまで加工物１６に抗して回転され、該ピンは柔らかくなった加工物材料中に押し込まれる。加工物１６は、接合線１８で互いに突き合わされた２枚のシート材又は板材である。加工物１６に対するピン１４の回転運動によって生じる摩擦熱は、加工物材料を融点に達することなしに軟化させる。工具１０は、接合線１８に沿って横に動かされ、これにより軟化した材料がピンの周りを先縁部から後縁部へ流れるとき接合が生じる。その結果は、全体に加工物材料１６から区別することができる、接合線１８における固相接合部２０である。
【０００５】
先行技術は、当時の溶融溶接法を超える有益な特性を備える接合を得るために、この技術を用いることの利益を教える摩擦撹拌接合特許で満ちている。その利益は、長い接合における低歪み、無発煙、非多孔性、
無スプラッター及び引っ張り強さに関する優れた機械的性質を含む。さらに、その方法は、消費しない工具を使用すること、溶接金属線やガスシールドを要しないこと、接合部に酸素が存在するような不完全な接合準備に対して寛容であることの有利性をもつ。その方法は、熱による損害を防ぐために又は接合される原材の特性の変更を防ぐために有用である。
【０００６】
しかし、今日、摩擦攪拌接合によっては機能上接合できない材料を接合できるようにすることが産業上望まれている。アルミニウム、真ちゅう及び青銅のような非鉄合金を接合するために非常に有利な技術ではあるが、高い融点を有する材料を機能上接合することができる工具はなかった。機能上接合できる材料は、摩擦攪拌接合を使用して通常より長い長さにおいて摩擦攪拌接合を使用しかつ工具を破壊することなしに接合できる材料であると理解されるべきである。
【０００７】
あいにく、融解溶接は溶接部で合金を変化させ又は損傷させ、これにより溶接中に溶接部に形成の欠陥又は逆相として溶接部を危険にさらす。ある場合、合金を造るために原加工物材料と結合される非鉄金属補強材料は溶接部で消耗する。その結果、溶接部は原加工物材料の変化しない部分とは異なる特性を有する。
【０００８】
今まで、摩擦攪拌接合工具又はプローブは著しく磨耗し、ＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金のような材料の機能的な接合を妨げるというのが摩擦攪拌接合の性質であった。たいていの工具は、ＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金では少しも働かない。仮に、従来の工具が摩擦攪拌接合を開始したとすれば、磨耗が著しく、プローブはわずかな短い距離の後に破壊される。例えば、ある合金がわずか数インチの距離の接合の後にプローブを機能できなくするようなプローブの磨耗を引き起こす。
【０００９】
不幸にして、先のプローブが失敗した場合、新しい工具を挿入し、そして摩擦攪拌接合を開始することは不可能であるというのが一般である。接合が連続的でないなら、機械的弱さのゆえに役に立たない。さらに、工具の一部分が加工物材料中に残され、同様に機械的弱さの一因となる。
【００１０】
したがって、従来、工具を短い距離の接合の後に使えなくする材料の長い連続した接合（機能的な接合）を可能にする摩擦攪拌接合に使用する新しい工具の提供は、先行技術をしのぐ利益である。また、従来の摩擦撹拌接合工具によっては接合が余りにも困難であった材料を摩擦攪拌接合することをその新しい工具が可能にするならば、それも、先行技術をしのぐ利益である。さらに、工具は改良された摩耗特性を表すものの、従来の加工物材料に摩擦攪拌接合を可能にする工具を提供することも利益である。
【００１１】
摩擦撹拌接合には望ましいが従来の工具では接合できない第１の種類の材料は、金属基複合材料（ＭＭＣｓ）として知られている。ＭＭＣｓは、金属相及びセラミック相を有する材料である。セラミック相はシリコンカーバイド及び炭化硼素を含む。ＭＭＣｓに使用される共通の金属はアルミニウムである。
【００１２】
ＭＭＣｓは、望ましい剛性と摩耗特性を有するが、破損靱性が低いためにそのその使用に制限がある。ＭＭＣｓの用途の好例は、車両のディスクブレーキローターにあり、ここでの剛性、強度及び摩耗は、現在の材料を超える利益を与え、また脆い性質は一般に問題ではない。ＭＭＣｓは、前記ローターを鋳鉄より軽くし、シリコンカーバイドのようなセラミック相はより大きな耐摩耗性をもたらす。
ＭＭＣｓの他の重要な用途は、例えば、駆動軸、シリンダ・ライナー、エンジンの連結棒、航空機の着陸装置、航空機のエンジンの構成材、自転車のフレーム、ゴルフクラブ、放射線遮蔽構成材、人工衛星、航空構造物等を含む。
【００１３】
摩擦攪拌接合をすることが望まれかつ一層広い産業上の用途がある第２の種類の材料は、鉄合金である。鉄合金は、鋼及びステンレス鋼を含む。可能な適用は広範で、造船、航空宇宙、鉄道、建設及び輸送産業を含む。ステンレス鋼の市場は、アルミニウム合金の市場より少なくとも５倍大きい。鋼及びステンレス鋼は、溶接製品の８０％以上を示しており、摩擦攪拌接合を高度に望ましいものにする。
【００１４】
最後に、摩擦攪拌接合をすることが望まれる第３の種類の材料は、広範な産業上の用途を有し、鉄合金より高い融点を有し、また少量の鉄を含むか又はこれを含まないもので、超合金である。超合金は、一般に１０００°Ｆより高い温度で使用されるニッケル、鉄−ニッケル及びコバルトをベースとする合金である。超合金に共通して見られる付加的な元素は、制限的ではないが、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、タンタル及びレニウムを含む。
【００１５】
チタンもまた摩擦攪拌接合をすることが望ましい材料である。チタンは非鉄材料であるが、他の非鉄材料より高い融点をもつ。
【００１６】
これまでに、ＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金を機能上接合できる工具の創作を妨げる挑戦があった。そのあるものは、発明者らが非鉄合金を摩擦攪拌接合できる既存の工具を改造するように最初に企てたとき、実験を通じてのみ明らかになった。その挑戦と工具の展開を以下において説明する。
【００１７】
（発明の要約）
本発明の目的は、従来の工具をしのぐ改良された耐磨耗特性を有する摩擦攪拌接合用工具を提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、非鉄合金のほか、ＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金の摩擦攪拌接合を可能にする高耐摩耗性材料を含む工具を提供することにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、非鉄合金のための改良された接合特性を可能にする工具を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、接合材料の仕上げコストを軽減することを可能にする工具を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、ＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金を摩擦攪拌接合するときの工具の摩耗を減ずる改良された形状を有する工具を提供することにある。
【００２２】
本発明の他の目的は前記工具の熱的、機械的及び化学的摩耗を減ずることにある。
【００２３】
本発明の他の目的は、前記工具のための熱管理法を提供することにある。
【００２４】
好ましい実施例において、本発明はＭＭＣｓ、鉄合金、非鉄合金及び超合金を摩擦攪拌接合する工具であって、該工具は、軸部と、肩部と、該肩部を経て前記軸部に配置されたピンとを含み、少なくとも前記ピン及び肩部は高耐摩耗性材料の被覆を備え、前記ピン及び肩部はストレスの発生を減ずるように設計され、軸部に対する肩部の回転運動を防ぐように肩部及び軸部の一部分の周りにカラーが配置され、肩部と軸部との間及びカラーと工具との間に熱流障壁を設けることにより熱的管理をする。
【００２５】
本発明の第１の面において、軸部、肩部及びピンは別々の構成部分で、これらは摩擦攪拌接合工具を形成するように一体に結合されており、肩部と軸部とは高耐摩耗性材料の被覆を含む。
【００２６】
本発明の第２の面において、軸部及び肩部は単一体要素であり、該要素は少なくともその一部分に高耐摩耗性材料の被覆を含み、また高耐摩耗性材料の被覆を有する別個のピンを備える。
【００２７】
本発明の第３の面において、軸部、肩部及びピンは、それらの少なくとも一部分を覆う高耐摩耗性材料の被覆を有する単一体要素である。
【００２８】
本発明の第４の面において、工具内の熱流障壁を使用する熱の管理は、工具を熱損傷から守る間に摩擦攪拌接合を可能にするために十分な熱をピンに発生させることができる。
【００２９】
本発明の第５の面において、ピンでのストレスの発生は減ぜられ、肩部にはより大きな直径が設定され、ピンにはより大きな半径が設定され、ＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金の摩擦攪拌接合を可能にする。
本発明の第６の面において、工具は、高耐摩耗性材料の被覆の上に配置された少なくとも１層のＣＶＤ被覆、イオンビームを含む被覆及び／又はＰＶＤ被覆を含み、これにより化学的又は機械的摩耗に対する抵抗を増大する。
本発明の第７の面において、工具は、高耐摩耗性材料の被覆の急熱急冷脆化を減ずるために、ウイスカー補強の高耐摩耗性材料被覆が施されている。
【００３０】
本発明の第８の面において、フラット面が工具の長手方向軸線に沿って配置されており、工具の並進運動中に該工具が複数の構成部品に分離するのを防ぐ。
【００３１】
本発明の第９の面において、高耐摩耗性材料の被覆は化学的摩耗と機械的摩耗との間の所望のバランスに基づいて選択される。
【００３２】
本発明の第１０の面において、高耐摩耗性被覆は、加工物材料が工具に付着するのを防いで工具の摩耗を減ずるように、低摩擦係数を有する特性に基づいて選択される。
【００３３】
上記及び他の目的、特徴、利益及び本発明の他の面は、添付図面を参照しての以下の説明により当業者に明らかとなろう。
【００３４】
（詳細な説明）
図面を参照しての以下の説明は、本発明の原理の単なる典型例についてするもので、保護の範囲を狭めるように解されてはならない。
【００３５】
本発明の好ましい実施例は工具であり、該工具は、ピン及び肩部の高耐摩耗性材料と結合するものであり、またこれまで機能上接合できなかった材料の摩擦攪拌接合を可能にするように内部に熱的管理を利用するものである。したがって、本発明は、工具の著しい減損を受けることなしに、ＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金の長いかつ連続した接合を可能にする。
【００３６】
結果的にＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金を機能上接合することができた本発明の工具に関する出来事の連続は、壊れた工具での試験に始まった。この壊れた工具では、ＭＭＣｓの加工物材料の接合中にピンが破断した。したがって、ＣＢＮの高くした肩部のみが固定カラーによって加工物材料上に配置された。発明者らは、肩部が鉄材上の化学的又は機械的摩耗に抵抗するとは決して期待しなかったが、一体何が起こるだろうと思った。驚いたことに、肩部は高い融点を有する加工物上での長く連続した移行の後、著しい摩耗の兆候を示さなかったことである。
【００３７】
試験の成功は、発明者らを、壊れた工具の驚くべき摩耗及び熱的抵抗の結果を利用することができる工具の特性を確認しようと努め、種々の工具の具体例による実験に導いた。
【００３８】
図２Ａは、その試験の結果である本発明の好ましい実施例の諸要素を示す縦断面図である。機械的な要素から始めるに、工具２８は、全体に円柱状の軸部３０を含む。この軸部３０に結合されているのはピン３４と一体の肩部３２である。一体のピン３４を備える肩部３２及び軸部３０の一部分の周りに結合されているのは、カラー３６である。軸部３０と、一体のピン３４をもつ肩部３２との間に熱流障壁３８が配置されている。カラー３６と、軸部３０の一部分及びピン３４を一体に持つ肩部３２との間にも熱流障壁４０が配置されている。
【００３９】
この好ましい実施例はいくつかの新規な要素と結合しており、そのあるものは図２Ａから明らかである。まず、工具２８の構造に使用される好ましい材料は、本発明にとって重要である。軸部３０は好ましくはセメンテッド・タングステン・カーバイド（ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ｃａｒｂｉｄｅ）である。セメンテッド・タングステン・カーバイドはその強度ゆえに選択され、また工具２８に使用される他の材料に対する強度を維持するために軸部の適当な冷却を可能にする高い熱伝導性のゆえに選択される。
【００４０】
高耐摩耗性材料の１つの有利な特性はその高い熱伝導性にある。しかし、熱伝導性は、どう管理されるかによって、工具に有用又は有害であることを理解することが大切である。熱の管理は成功する摩擦攪拌接合用工具を作り出すために重要であることを実験は示した。
【００４１】
例えば、ピン３４が高耐摩耗性材料で被覆されているとき、著しい量の熱が接合部から引き出される結果となる。補うために、工具２８は、接合部により多くの熱が生じるように必要以上に激しく駆動されねばならない。したがって、成功を収める工具は固相接合を可能にするために接合部に十分な熱を送らねばならず、一方同時に高熱伝導性の接合部を得るために、接合部が可能な限り冷たく維持されるよう熱を制限しなければならない。換言すれば、高耐摩耗性材料の高熱伝導性により、工具は、該工具からの所望の熱の流れを調整するように設計することができ、これにより設計を柔軟にすることができる。対照的に、低い熱伝導性は、熱伝導性のそれ自体の値又はそれより下の値に制限される。
【００４２】
要求された実行パラメーターにより多量の熱が工具により発生する場合、工具の外部冷却に頼ることが必要かもしれない。目的は、早く冷却する接合を含む最善の接合特性を得るために熱流特性を改善することができる工具をもつことである。
【００４３】
熱の管理のスキームが、工具と接合部に近い工作物との間で摩擦により発生する熱を維持するために開発された。このスキームの一面は、工具２８の取付け端部４２を把持する工具ホールダ（図示せず）へのピン３４からの熱の流れを制限することである。工具ホールダは、工具２８を回転させ、熱により損傷を受ける。熱の管理スキームは、摩擦攪拌接合中、運動力に十分に抵抗するように軸部にクールさを保つ。
【００４４】
軸部３０のセメンテッド・タングステン・カーバイドに代えて、鋼を用いることができるが、鋼は肩部３２及びこれと一体のピン３４から少ない熱エネルギーしか導出しないので、軸部をより高い熱で働かせ、その強度を減じさせる。しかし、鋼は適当な冷却によって機能する。
【００４５】
ピン３４を工作物に対して回転させることが摩擦攪拌接合プロセスのために熱を発生することを可能にするのであれば、どんな回転速度が機能的な接合をもたらすかについて知ることが大切である。ピン３４を一体に備える肩部３２の回転速度は、接合される材料、工具の直径及び工具２８の諸要素の合成に拠り、５０ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍであることが好ましい。なお、工具の好ましい面速度は、毎分７フィート〜毎分４００フィートである。
【００４６】
回転速度と共に、摩擦攪拌接合方法のタイミングも重要である。ピン３４は塑性化された接合部を形成するように十分に加熱されたときにのみ加工物中に押し込まれることが大切である。しかし、このタイミングは、使用される材料、工具の形状及び使用される工程パラメーターによって変わる。
【００４７】
熱流障壁３８の目的は熱流管理に関する前記の説明に照らして理解されよう。工具２８を介して引き出すことがないように、熱を工作物に集中させ続けるよう適切に管理することが大切である。好ましい実施例において、チタン又はチタン合金は熱流障壁３８の材料として選択される。チタン合金は、工具２８がさらされる温度に対する抵抗性及び比較的低い熱伝導性のゆえに選択される。それでも、チタン合金は使用できる唯一の材料ではない。これは例示で、同様の機能を持つ他の材料を使用することができる。
【００４８】
ピン３４を一体に備える肩部３２は、その組立に使用される材料及びその形状（形状）のゆえに最も新規な要素である。これらの要素は、摩擦攪拌接合法における非常な熱的、機械的及び化学的摩耗を克服するために選択される。一つのタイプの摩耗は他のタイプの磨耗より必ずしも重要ではなく、それらは正に数タイプの失敗に帰着する。
【００４９】
材料に関して、肩部３２及びピン３４に高耐摩耗性材料を使用することは、ＭＭＣｓ、鉄合金、非鉄合金及び超合金の機能的な接合を達成することを可能にしたという経験を経て決定された。特に、好ましい実施例において、多結晶立方窒化硼素（ＰＣＢＮ）がピン３４を一体に備える肩部３２に下地材料を覆う高耐摩耗性被覆として使用される。
【００５０】
ＰＣＢＮの被覆が下地材料上の高耐摩耗性被覆として利用されることを述べることは適用法が重要でないことを暗示する。これはその場合から遠い。被覆は、単に、室温プロセスを使用して塗り広げられる物質ではない。むしろ、高温と超高圧が適用される。さらに、高耐摩耗性材料が適用される表面の形状は、その高耐磨耗性材料の良好な耐磨耗性能及びクラックによる故障を避ける性能に大いに関係する。したがって、本発明の重要な一面は高耐摩耗性被覆から最善の結果を得る工具の形状にある。本発明の他の重要な一面は使用可能な高耐摩耗性材料にある。以下、その被覆がどう施されるかについての一例を説明する。
【００５１】
ＰＣＢＮは、六窒化硼素から超高温・超高圧（ＵＨＴＰ）プレス（１４００℃又は１６７３Ｋ、１００万psi）の作用で造られる。時間及び温度は、特別な用途に最適な寸法、形状及び脆性を有する立方窒化硼素結晶体を造るように調整することができる。結晶体は直径が１ミクロン未満〜約５０ミクロンの範囲にある。
【００５２】
肩部３２及びこれと一体のピン３４を造るために、立方窒化硼素（ＣＢＮ）結晶体は別のすなわち第２相の材料の粉と混ぜられる。第２相の材料はセラミック・ベース又はメタル・ベースのものである。ＣＢＮは機械的強度を与え、セラミックは化学的摩耗に抵抗する。したがって、第２相の材料に対するＣＢＮの割合は、図られるべき機械的摩耗抵抗と化学的摩擦抵抗との間のバランスによる。
【００５３】
第２相の材料は、一般にＰＣＢＮに靱性と化学的安定性とを加える。靱性は、一部、クラックの成長を防ぐ第２相の能力に依る。ＣＢＮは、急熱急冷脆化に抵抗するので、ここでも役に立つ。 ＣＢＮの低含有は、一般に、より大きな化学的耐摩耗性と小さな機械的耐摩耗性とを必要とする硬化した高温超合金の加工作業のために使用される。ＣＢＮの高含有は、第２相が付加される靱性のために一般的に金属である場合、耐摩耗性のために使用される。
【００５４】
ＣＢＮ結晶体は、ダイヤモンドに似た硬さ値、熱伝導性、熱膨張性、摩擦計数値、破損靱性及び横軸破損値をもつことが大切である。これらの特性は、特定の適用要件を満たす第２相材料を使用して巧みに実行される。
【００５５】
混合された粉体は、超硬合金コンテナー中に、セメンテッド・タングステン・カーバイドのような下地又は独立したＰＣＢＮブランクと共に置かれる。このコンテナーは、密封され、かつ、粉体がＰＣＢＮ工具ブランクを形成するように下地と共に及び該下地に対して焼結されるＵＨＴＰプレスに戻される。ＰＣＢＮ工具ブランクは、次いで、用途に従って、研磨され、包装され、所望の形状及び寸法に放電加工機（ＥＤＭ）によりワイヤ切断され、或いはレーザー切断される。
【００５６】
高耐摩耗性材料は、高温及び超高圧下で処理された材料と定義される。高耐摩耗性材料は、ＰＣＢＮ及び多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を含む。これらの材料は、周期表に見られ、IIIA, IVA, VA, VIA, IIIB, IVB及びVB族の元素を含む化合物として識別される。
【００５７】
高耐摩耗性材料は、硬い一次すなわち第１の相を有し、一次相の結晶構造の焼結及び変質を容易にする第２の触媒相を有する。高耐摩耗性材料は、電導性であってもなくても良い。高耐摩耗性材料は、ウイスカー補強を用いて強化することができる。また、高耐摩耗性材料は、高い温度及び圧力で処理する間に固相の変換を経験する材料であり、またバインダーにより又はよらずに、焼結プロセスによって生じる材料と考えられる。
【００５８】
本発明の他の面は肩部３２に関する。その作り方により、肩部の高摩耗性材料は、比較的薄くすることができる。これは、高摩耗性材料が所望の形に仕上げられているならば、重要になる。この仕上げられた形が、この実施例に示すように、斜めの、傾斜した或いは角度的な面又は他の同様な構造を含むならば、その傾斜が高耐摩耗性材料を貫通しないことが重要である。したがって、高耐摩耗性材料の厚さは、下地材料に達することなしに所望の傾斜を与えるのに十分でなければならない。
【００５９】
本発明がされた当時、アルミニウムの摩擦攪拌接合用に設計された工具が鉄合金に使用された。工具はピンにおいて不首尾であった。これは、高い融点の材料を摩擦攪拌接合するとき及び高耐摩耗性材料で被覆された肩部及びピンを使用するとき、考慮されねばならない形状上の問題があることによる。したがって、本発明の他の新規な特徴は、１）歪みを生じさせるもの（ストレスライザー）の除去、２）より大きな円弧すなわちＲ面取りの使用、３）より一様なストレスの分配、４）ピンの直径の増大を含む。
【００６０】
ストレスライザーに関し、多くの先行特許が、ネジ溝付きピン及び鋭い縁部や角度をもつものを含むピンのデザインを教示している。ピンに設けられたネジ溝は、該溝が加工物材料をその加工物に押し込んで撹拌作用及びより良好な接合を生じさせるので一般的に望ましい。しかし、これらの形状は、高耐摩耗性被覆にクラックを生じさせるように働くので本発明においては一般的に望ましくないが、ストレスライザーを最小限にするよう改善した形で使用することができる。したがって、肩部３２及びピン３４の面取りすなわち大きな円弧のＲ面取りは望ましい。この大きなＲ面取りは図２Ａに示されている。
【００６１】
ピンの直径に関し、好ましい実施例のピン３４は、直径が従来の工具より大きい。これは、ある程度、ピン３４がＭＭＣｓ、鉄合金及び超合金を摩擦攪拌接合する際に遭遇するより大きなストレスによる。ピンの直径は、ピンの長さに対するピンの直径の比として恐らく最もよく表される。好ましい実施例において、その範囲は、０．２：１ないし３０：１である。
【００６２】
肩部３２は加工物に対するフラット面として示されていないことも注目される。肩部３２は実際に凹面状である。この形状は、塑性化した加工物材料がより容易に置き換えられかつピン３４の周りに流動することを可能にする。この凹面形状は、また、塑性化した加工物材料を加工物中に戻させもする。
【００６３】
比較的平らな領域４４は、肩部３２の外径と内径との間に示されており、この領域４４は凹面又は凸面を形成するように湾曲させることもできる。肩部３２は加工物に対して凸状又は平らにすることもできる。
【００６４】
摩擦攪拌接合法は、工具ホルダーを工具２８に対して押し下げることを必要とする。この軸線方向の圧力は、一般的に、構成部分３０，３２，３４を軸線方向へ一緒に十分に保持する。しかし、工具２８が加工物に関して平行に移動されるとき、著しい回転力が軸部３０を肩部３２に対して運動させる。前記構成部分は互いに他に対して回転しないことが重要である。相対的な回転運動は、ピンが加工物の接合領域に十分な摩擦熱を発生するのを妨げるからである。
【００６５】
したがって、前記構成部分が機械的に固定されることを要求することが、本発明の新規な要素である。機械的固定は、構成部分を一緒に鑞付けすることが工具２８の弱点としてしか働かないので、必要である。これは、鑞付け材料が、恐らく、摩擦攪拌接合が行われる温度に近い温度の融点をもつからである。
【００６６】
機械的固定は初期の実験において蟻溝により行われた。しかし、蟻溝は工具２８の諸部分にクラックの生成を増やした。したがって、図２Ｂに示すようにフラット部４６を使用することが好ましい。このフラット部４６は、固定カラーと組み合わせて、工具２８の構成部分３０，３２，３４相互の滑りを防ぐ。２つのフラット部が図示されているが、工具２８に所望の数のフラット部を配置することができる。
【００６７】
その例に代え、フラット部４６は、互いに他に対して静止した状態にある位置に工具構成部分３０，３２，３４を機械的に固定できる他の面の固定手段に置き換えることができる。他の面の固定手段は、スプライン、摩擦溶接、拡散溶接、軸部の後部上又は外径上のものの使用を含む。
【００６８】
この好ましい実施例の最後の構成部分は、カラー３６及び熱流障壁４０である。実験に使用した最初のカラー材料の一つは、チタン合金で形成された。不利益なことに、チタン合金は引くことができ、また高温下でクリープや流動を生じる。チタンカラーによる最初の試験は、チタン合金カラーが、工具の接合作業中に、肩部及びピンの周りで加工物上に実際に落下したことを示した。
【００６９】
したがって、肩部３２及び軸部３０を共に固定するために、それらの周りに他の材料が固定されることが決定された。加えて、チタン合金は、新しいカラー材料の肩部３２及びピン３４の高温からの断熱のためになお存在する。この断熱は、加工物の接合部に所望の温度を維持するための熱管理を助けた。現在の好ましい実施例は、カラー３６の材料に超合金を利用する。例えば、ニッケルコバル或いはコバルトクロミウムは適当な超合金材料である。
【００７０】
図２Ｂは、工具２８の端面図である。この図に見ることができる構成部材は、ピン３４，肩部３２、チタン合金の熱流障壁４０及びカラー３６である。
【００７１】
この実施例は肩部３２及びピン３４への高耐摩耗性被覆としてＣＢＮの使用を教えるが、使用できるのは高耐摩耗性材料ばかりではない。例えば、ＣＢＮの最善の代替材料の一つは多結晶ダイヤモンドである。ＰＣＤがＣＢＮの多くの特性を表すことはよく知られている。
【００７２】
好ましい実施例の寸法は、例としてのみ示される。ピンの直径は０．９３ｃｍ（0.37"）である。肩部の直径は1"である。チタン合金の熱流障壁３８，４０の厚さは０．１５２ｃｍ（0.060"）であり、カラー３６の直径は４．１４ｃｍ（1.63"）である。カラー３６の角度は２５°で、肩部の角度は６°であるとして示されている。図は例示目的のみで、制限と考えられるべきでない。ここに示した寸法も全ての用途のためではない。
【００７３】
本発明の利点及び要件の全てについての理解を得るために、また本発明の好ましい実施例がいかに開発されたかについて説明することを必要とする種々の問題がある。
【００７４】
工具２８についての一つの重要な考察は、ＣＢＮは鋼を摩擦攪拌接合するためによい材料であるが、鋼の他のものには良くない材料かもしれないということである。したがって、代りの実施例に示されるように、肩部とピンとを混ぜかつ調和させることを可能にするのが本発明の一要素である。
【００７５】
他の考察は、いくつかの高耐摩耗性材料はある材料に可溶であるということである。例えば、ＰＣＤは摩擦攪拌接合温度でチタン合金と化学反応をする。したがって、ダイヤモンドは、到達する最高温度が可溶点より低くない限り、炭化物フォーマーである材料を接合するために使用することはできない。
【００７６】
本発明の肩部３２及びピン３４に高耐摩耗性材料を使用することに２つの明確な利点がある。第一に、ＣＢＮ及びダイヤモンドの摩擦係数は非常に低い（０．０５〜０．１）。これに対して、鋼の摩擦係数は０．８である。この低摩擦係数は、加工物材料が工具２８に付着しないで該工具に沿って滑ることができるようにする。その結果は多くの仕上げ作業を必要としない非常にきれいな仕上げとなる。仕上げコストは、特に鉄合金及び超合金の場合高くつく。低摩擦係数は、工具の摩耗低減に結びつく。
【００７７】
第２に、ＣＢＮ及びＰＣＤの熱伝導性は、鋼の約４８Watts/meter-K（ワット毎メートル毎ケルビン）に比較して高く、約１００〜５５０Watts/meter-Kである。その結果、接合部はよりクールである。よりクールである接合部は、その接合部が融点から離れて形成され、したがって液状接合相の全ての問題を回避するので望ましい。本発明の直接的な利益の一つは、接合部が従来のアーク溶接による接合部に比較して引っ張り強度が大きいことであることが試験で実証された。もちろん、ＣＢＮの高い熱伝導性は、熱が加工物の接合部から逃げるのを防ぐために、熱流障壁３８，４０を使用する理由でもある。
【００７８】
肩部及びピンの下地は高耐摩耗性材料で被覆されていると説明した。多重被覆を可能にすることは本発明の他の新規な要素である。この被覆は、ＣＶＤ、イオン注入又はＰＶＤプロセスを使用して施すことができる。被覆の目的は、高耐摩耗性材料が経験する各種の摩耗に抵抗するように高耐摩耗性材料を助ける特長を備えさせることである。例えば、第２の被覆は化学的摩耗抵抗を高める。
【００７９】
耐摩耗性工具産業において、０．０７６ｃｍ〜０．１２７ｃｍ（0.030"〜0.050"）の被覆は厚い被覆と考えられ、０．００２ｃｍ（0.001"）より小さい被覆は薄い被覆と考えられるが、他の厚さが被覆材料の最適性能のために必要とされるかもしれないことが本発明の一面である。固体のＣＢＮはプレスがされ、被覆を有しない。このＣＢＮは、ＵＨＴＰプロセスが通常直径１０．１６ｃｍ（４インチ）、長さ１０．１６ｃｍ（４インチ）まで許す大きさの体積に圧せられる。しかし、この固体ＣＢＮは強度と靱性を加える下地の利益を有する。
【００８０】
熱の管理は、本発明の好ましい実施例の新規な要素であるが、工具の冷却も別の理由で重要である。熱の管理は、熱が吸い上げられないようにすることによって十分な熱が接合部に向けられるのを確実にするために使用される。しかし、肩部及びピンから伝導することができる熱にとって、あるタイプの積極的な冷却を行うことが屡々必要である。冷却は、工具の外部で向けられる霧又は空気による。しかし、冷却は、内部システムによる内部プロセスとすることもできる。したがって、ある材料にとって、軸部の一部分を経る冷却チャンネルを設けることによって内部冷却をすることが必要である。工具ホルダーを冷却することも可能である。冷却は、加工物自体にも及ぼさせることができる。熱は接合のために必要であるが、冷たい接合部は本質的により強く、摩擦攪拌接合は固相プロセスであるということを常に念頭に置くべきである。
【００８１】
実績上の問題を理解するために考察しなければならないいくつかの代替的な実施例がある。現在の好ましい実施例は、２つの構成部分すなわち軸部３０と一体のピン３４をもつ肩部３２とを有する工具を教えている。しかし、実験は、ピン３４は通常肩部３２より先に摩耗することを示した。仮に両者が一体であるとすれば、肩部３２及びピン３４の全体を一緒に交換しなければならない。これは資源の浪費である。
【００８２】
したがって、図３は肩部５０がピン５２と一体でない実施例を示す縦断面である。これらの構成部分は、別々に作られ、軸部４８に結合される。図３に示すように、ピン５２は軸部４８に穿たれた穴５４内に配置されている。熱流障壁３８，４０は、ピン５２が軸部４８中に伸び込む場所を除き、なお所定位置にある。しかし、ピン５２が穴５４の外側である部分に高耐摩耗性被覆を有するのみであるならば、ピン５２のセメンテッド・タングステン・カーバイド（又は他の適当な材料の）下地は、軸部４８に対する良好な熱伝導体ではない。それでも、代替的な実施例では、熱流障壁は穴中に伸ばすことができる。
【００８３】
ピン５２を軸部４８に結合することは些細なことではない。好ましくは、ピン５２は押し嵌めを用いて穴５４中に配置される。しかし、六角形又は四角形の穴が望ましい。ピン５２が残留圧縮応力下で入れられる場合、ピン５２に強度を加えることが可能である。
【００８４】
残留圧縮強度は、例えば工具を加熱することにより生じさせることができる。工具が加熱されるとき、工具は膨張する。ピンの直径は、工具が冷却するときにピンに正の機械的圧力を及ぼすように選択される。
【００８５】
他の取付け方法は、ピン５２に対するネジを配置することである。このネジは工具の後端を経てピンを引き込むために使用される。
【００８６】
図４は本発明の他の実施例を示す。図３との差異は、穴６２が軸部全体に伸びていることである。この実施例の主たる利点の一つは、ピン６４の取り換えを、単に、あるツールを穴６２に挿入して軸部６０からピン６４を押し出してすることである。この設計はコストを低減することができ、また工具を多くの用途のために再使用可能にする。したがって、適当な長さのピン６４を挿入することが必要なだけである。
【００８７】
本発明の、説明されていない一面はピンが交換可能な品目であるときのピンの構成である。好ましくは、ピンはセメンテッド・タングステン・カーバイドで造られ、適当な高耐摩耗性材料で被覆される。しかし、ピンは固体の高耐摩耗性材料で造ることができ、また所望の被覆がされた炭化物であることでもよい。
【００８８】
ピンの他の一面は、補強できることである。ピンが加工物の厚さゆえに異常に長い場合、ピンを補強することは望ましい。補強はまたピンの材料がセメンテッド・タングステン・カーバイドのような材料強度を本質的に有しない場合に必要である。
【００８９】
同様に、軸部も高耐摩耗性材料で造ることができ、また高耐摩耗性材料で被覆された炭化物であることでもよい。
【００９０】
図５は本発明の他の実施例を示し、別個の構成部分を備えることに代え、工具７０は単一体である。しかし、工具全体を単一体として製造することは極めて高価につく。他の実施例の利点から、この実施例が広く使用されるということはありそうもない。それでも、肩部７２及びピン７４の領域に施された高耐摩耗性被覆をもつ、セメンテッド・タングステン・カーバイドで工具を形成するのも一つの選択である。その使用における困難は、高耐摩耗性材料を使用する際に重要と見られる熱の管理であろう。したがって、熱障壁の挿入は重要であるが、それは単一体設計の目的に沿わない。
【００９１】
本発明の他の実施例は、工具中に挿入されるピンの種類である。図６Ａは、螺旋状のエンドミルブランク８０の外径を示している。エンドミルブランク８０の下地は、螺旋状溝８２に配置されたＰＣＢＮ又は他の高耐摩耗性材料を備える、接合された炭化タングステンであることが好ましい。図６Ｂは、エンドミルブランク８０の端面図で、高耐摩耗性材料が配置される螺旋状溝８２を示している。
【００９２】
ＰＣＢＮの肩部又はＰＣＢＮ被覆の肩部を軸部に結合するために、他の手段を要することが予想される。図７Ａは、別個の固定カラーを使用しないで、本発明の望ましい特性の全てを提供する他の工具の実施例を示す縦断面図である。この図中、固定カラーは、軸部自体と一体である軸部の部分に置き換えられている。
【００９３】
詳しくは、軸部９０は、図示の実施例において、軸部の作業端部９４に部分的に配置された穴９２を有する。この穴９２の深さは、肩部及びピン９６の深さ方向寸法に基づいて選択される。この実施例において、肩部及びピン９６は一体である。しかし、肩部とピン９６とは先の実施例に示したように別個の構成部分とすることもできる。この実施例について重要であることは、穴９２の周りの壁９８が固定カラーとして作用し、これにより肩部及びピン９６の軸部９０に対する相対的回転の防止を助けることである。これは、例えば、肩部及びピン９６の軸部９０への押し嵌めによって行うことができる。熱流障壁１００が肩部及びピン９６から軸部９０への熱の管理を可能にするために所定位置にある。
【００９４】
しかし、ある負荷条件の下では、肩部及びピン９６は、押し嵌めにもかかわらず滑ることがある。したがって、この実施例は、肩部及びピン９６の背面１０２を軸部９０に機械的に固定するための他の手段の使用を含むことが予想される。これは、先に説明した技術のどれかを使用して行うことができる。例えば、機械的固定は、相補的なインターロッキングにより相対的な回転運動を防ぐ背面１０２及び穴９２の底面１０４に設けられる相補形の歯、スプライン又は他の物理的手段によって行うことができる。
【００９５】
図７Ｂ、７Ｃは、肩部及びピン９６の背面１０２を軸部９０の穴９２の底部に機械的に固定する２つの例を示す。図中、穴スプライン１０６が穴９２の底面１０４に形成され、相補的なスプライン１０８が肩部及びピン９６の背面１０２に形成されている。
【００９６】
本発明の重要かつ新規な面は、工具のピン周りでの加工物の材料の流れに関係する。摩擦攪拌接合は固相プロセスとして生じると称されるが、加工物材料はなお流体のような動くこと、すなわち流動することができる。最善の接合を得ようと試みるとき、ピン周りの加工物材料の流れの速度を増すことが重要である。
【００９７】
層流は乱れのない流体の流れと定義される。あいにく、加工物材料の層流は最低速である。したがって、ピン周りの加工物材料の層流の増速に帰着するピンの如何なる形状も、改善された特性を有する接合に帰着する。したがって、加工物材料の流れは、乱流であるか、または、乱れ特性を有する流れと定義される遷移流であることが望ましい。さらに、考えられる最も低い工具回転速度で、また最も簡単な工具形状で、遷移流又は乱流を得ることが望ましい。
【００９８】
したがって、加工物材料の遷移流又は乱流に帰着するピンの形状を教えることが本発明の一面である。図８は、ピンの周りに加工物材料の少なくとも遷移流又は乱流を得るように設計され、物理的に変形されたピンを示す図である。図示のように、ピン１２０は、ゴルフボールのディンプルのような、多数のディンプルで覆われている。ディンプル１２２の数、寸法及び深さは、加工物材料に所望の流動特性を得るために変更することが必要である。
【００９９】
同様に、図９Ａは、ピンの周りに遷移流又は乱流を発生させるように設計されたピン１２６及び肩部１２８の端面図である。ピン１２６はその側部に単一のフラット部１３０を備える。フラット部１３０の総数及び幅は、加工物に所望の流動特性を得るように調整することが予想される。また、平らな面に代え、不整な面がピンの長さ方向へ広がり、一様な面でないことも予想される。例えば、図９Ｂはピン１３２及び肩部１３４の他の実施例の端面を示し、不整な面１３６は平らではない。
【０１００】
ピンの周りに遷移流又は乱流を得ることに関する本発明の他の一面が図１０に示されている。図１０は工具１４０の外形を示し、ピン１４２は工具の長手方向軸線１４４に平行に配置されているが、軸線１４４と同軸的ではない。ピン１４２は偏心しており、ために、加工物材料に遷移流又は乱流を生じさせるように設計されたカムの輪郭を作成する。偏心の程度は図示目的のために誇張されている。実際の偏心は工具と加工物の特性とに依る。
【０１０１】
また、多くの有用なピンの形状及び工具が本発明の原理に従って採用しうることが予想される。例えば、調整可能な長さのピンを有する工具は多くの利益をもたらす。工具は、ストレスライザーを軽減するために改良され、肩部又はピンが高耐摩耗性材料で被覆されるか、又は固体の高耐摩耗性材料で造られ、そして本発明で教示したような熱管理技術を用いる。
【０１０２】
本発明の残る一面は、工具を近似正味形状にプレスをする主題である。近似正味形状は、プレス後に最終製品を得るために非常にわずかな仕上げを必要とする工具を指す。現在好ましい実施例において、ピン、肩部、一体のピン及び肩部、補強を有するピンは、近似正味形状にプレスがされる。
【０１０３】
前記は本発明の原理の適用例についての説明にすぎない。多くの修正及び変更が本発明の思想及び範囲から逸脱することなく当業者により容易に工夫されうる。それらの修正及び変更は添付の特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２枚の板材を接合する従来の摩擦接合工具の斜視図。
【図２Ａ】  本発明の原理に従って造られた、好ましい実施例に係る工具の縦断面図。
【図２Ｂ】  図２Ａに示した工具の端面図。
【図３】  軸部、肩部及びピンの全てが別々の構成部分である、本発明の他の実施例に係る工具の縦断面図。
【図４】  穴がピンの取り替えを助けるために軸部を経てその長さ方向に配置されている、本発明の他の実施例に係る工具の縦断面図。
【図５】  軸部、肩部及びピンが単一体要素である、本発明の他の実施例に係る工具の縦断面図。
【図６Ａ】  高耐摩耗性材料が配置されている螺旋状溝を有するピンとして作用するエンドミルブランクの側面図。
【図６Ｂ】  図６Ａに示したエンドミルブランクの端面図。
【図７Ａ】  軸部も固定カラーとして作用する、本発明の他の実施例に係る工具の縦断面図。
【図７Ｂ】  肩部の軸部に対する滑りを防ぐために機械的な固定を可能にする面の凹凸を拡大して示す図。
【図７Ｃ】  肩部の軸部に対するスリップを防ぐために機械的な固定を可能にする面の凹凸を拡大して示す他の図。
【図８】  加工物材料においてピンの周りの遷移流又は乱流を生じるように設計された面変形部をもつピンの側面図。
【図９Ａ】  ピンの周りに遷移流又は乱流を生じるように設計された、フラット状の面変形部を含むピンの端面図。
【図９Ｂ】  ピンの周りに遷移流又は乱流を生じるように設計された、不整な面変形部を含むピンの端面図。
【図１０】  ピンの周りに遷移流又は乱流を生じるように設計された偏心したピン又はカムを有する工具の縦断面図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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