(57)【要約】【課題】  金属、合金又はその他の材料を溶接する摩擦撹拌溶接装置（１０）を提供する。【解決手段】  本摩擦撹拌溶接装置（１０）は、ピン工具ホルダ（１４）と、ピン工具ホルダ（１４）に結合された、表面を有するショルダ（１６）と、ピン工具ホルダ（１４）に結合されたピン工具（１２）とを含み、ピン工具（１２）は、ショルダ（１６）の表面から部分的に突出し、ピン工具（１２）は、消耗ピン工具材料で作られる。任意選択的に、ショルダ（１６）は、所定の回転速度で回転しかつ一定速度でピン工具ホルダ（１４）内に引込可能／ピン工具ホルダ（１４）から伸長可能である。任意選択的に、ショルダ（１６）は、溶接することになる接合部のボリューム内に少なくとも部分的に混ぜ込まれる消耗ショルダ材料で作られる。消耗ショルダ材料又は消耗ピン工具材料は、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一、類似又は異なる材料を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ又はそれ以上の金属、合金又はその他の材料を溶接するのに実施可能な摩擦撹拌溶接装置（１０）であって、
ピン工具ホルダ（１４）と、
表面及び内径を有するショルダ（１６）と、
前記ピン工具ホルダ（１４）に結合されたピン工具（１２）と、を含み、
前記ピン工具（１２）が、前記ショルダ（１６）の内径内部に少なくとも部分的に配置されかつ前記ショルダ（１６）の表面から少なくとも部分的に突出し、
前記ピン工具（１２）が消耗ピン工具材料を含む、
摩擦撹拌溶接装置（１０）。
【請求項２】
前記ショルダが所定の回転速度で回転する、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項３】
前記ショルダが、前記ピン工具ホルダ内に引込可能／前記ピン工具ホルダから伸長可能である、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項４】
前記ショルダが、ほぼ一定速度で前記ピン工具ホルダ内に引込可能／前記ピン工具ホルダから伸長可能である、請求項３記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項５】
前記ショルダが消耗ショルダ材料を含む、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項６】
前記消耗ショルダ材料が、溶接することになる接合部のボリューム内に少なくとも部分的に混ぜ込まれる、請求項５記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項７】
前記消耗ショルダ材料が、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一である材料を含む、請求項５記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項８】
前記消耗ショルダ材料が、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と類似する材料を含む、請求項５記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項９】
前記消耗ショルダ材料が、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と異なる材料を含む、請求項５記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１０】
前記ピン工具が所定の回転速度で回転する、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１１】
前記ピン工具が、前記ショルダの表面内に引込可能／前記ショルダの表面から伸長可能である、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１２】
前記ピン工具が、ほぼ一定速度で前記ショルダの表面内に引込可能／前記ショルダの表面から伸長可能である、請求項１１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１３】
前記消耗ピン工具材料が、溶接することになる接合部のボリューム内に少なくとも部分的に混ぜ込まれる、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１４】
前記消耗ピン工具材料が、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一である材料を含む、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１５】
前記消耗ピン工具材料が、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と類似する材料を含む、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１６】
前記消耗ピン工具材料が、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と異なる材料を含む、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１７】
前記ショルダがほぼ円筒状の形状を有する、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１８】
前記ピン工具が、ほぼ円筒状、ほぼ棒状及びほぼ円錐状から成る群から選ばれた形状を有する、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項１９】
前記ピン工具が、先端半径を含むほぼテーパ状の形状を有する、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項２０】
前記ショルダに結合された第１の軸荷重フィードバック制御装置をさらに含み、前記第１の軸荷重フィードバック制御装置が、前記ショルダの送り速度を制御するように動作可能である、請求項１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項２１】
前記ピン工具に結合された第２の軸荷重フィードバック制御装置をさらに含み、前記第２の軸荷重フィードバック制御装置が、前記ピン工具の送り速度を制御するように動作可能である、請求項２０記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項２２】
前記第２の軸荷重フィードバック制御装置が、前記第1の軸荷重フィードバック制御装置を含む、請求項２１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【請求項２３】
前記ショルダの送り速度が、前記ピン工具の送り速度と等しい、請求項２１記載の摩擦撹拌溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には摩擦撹拌溶接するための装置及び方法に関する。より具体的には、本発明は、消耗ピン工具を用いて摩擦撹拌溶接するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦撹拌溶接は、当業者にはよく知られた固相接合法である。一般的に、摩擦撹拌溶接は、溶接困難な金属、合金（アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル合金等のような）及びその他の材料を接合するのに用いられる。例えば、一部のアルミニウム合金は、溶接時に母材が固相線と液相線との間の温度に達したような可塑化熱影響域において影響を受けやすい。この領域では、結晶粒界における部分溶融により、脆性化合物を含有する網状組織が形成される。その結果、溶接部の延性が、大きく低下する。同様に、他の従来の接合法では、溶接時に加工物内に生じる高い温度勾配のために溶接接合部付近で周辺ひずみが発生するおそれがある。これらのひずみは、加工物内にひずみ及び他の寸法欠陥を引き起こし、同時に熱影響域又は溶接接合部における割れにより、ラメラティアにより、或いは一部の金属及び合金における応力腐食割れにより早期破損を引き起こす可能性がある残留応力を生じるおそれがある。その上に、一部の金属、合金、その他の材料及び溶接継手の種類によっては、平坦な位置を除いて接合するのが困難である。
【０００３】
摩擦撹拌溶接法は、他の従来の接合法で直面する多くの問題を克服する。摩擦撹拌溶接では、円筒状の非消耗回転ピン工具をしっかりと固締した加工物内に突入させかつ溶接することになる接合部に沿って横進させる。ピン工具は、摩擦熱と熱機械加工との組合せをもたらして溶接部を完成するように特別に設計される。ピン工具を溶接することになる接合部に沿って横進させると、可塑化した金属、合金又はその他の材料が、ピン工具の前縁から該ピン工具の後縁に移送されて、ピン工具の通った跡に強固な固相溶接接合部を形成する。鋼、チタン合金及びニッケル合金のような硬金属及び超硬合金の摩擦撹拌溶接の間、ピン工具及びピン工具ホルダ内に高温が発生する。このような状態の下では、ピン工具の劣化が深刻な問題である。ピン工具摩耗及びピン工具デブリの取込みは、欠陥の無い溶接継手を得るために対処しなければならない問題である。
【０００４】
従来の摩擦撹拌溶接装置及び方法は、少なくとも部分的にはこれらの問題の幾つかに対処するように設計されてまずまずの成功を収めてきた。例えば、特許文献１には、摩擦撹拌溶接において使用するための装置が開示されており、この装置は、ショルダ及び該ショルダから中央下向きに延びた非消耗溶接ピンを有する摩擦撹拌ツールと、裏当て加工物上に配置された第１の加工物と、裏当て加工物上で第１の加工物から所定の距離に設置された第２の加工物と、裏当て加工物上で第１の加工物と第２の加工物との間に配置された中間ストリップとを含み、中間ストリップと第１の加工物との間の接触区域又は空間により第１の接合面を形成し、また中間ストリップと第２の加工物との間の接触区域又は空間により第２の接合面を形成し、非消耗溶接ピンを第１の接合面及び第２の接合面上で回転させて、中間ストリップ材料が溶接部の一部として混ぜ込まれた状態で第１の加工物を第２の加工物に溶接するようになっている。
【０００５】
特許文献２には、摩擦撹拌溶接ツールが開示されており、この摩擦撹拌溶接ツールは、入口開口を形成した上面と下面とを有する本体と、出口開口を形成した下面を有しかつ本体の下面から延びるピンとを含む。この摩擦撹拌溶接ツールはさらに、本体及びピンによって入口開口から出口開口まで形成された通路を含み、その通路によって溶加材を通すことができる。摩擦撹拌溶接方法は、加工物に摩擦加熱源を加えて該加工物のボリュームを可塑化させる段階と、溶加材に摩擦加熱源を加えて該溶加材を可塑化させる段階とを含む。摩擦撹拌溶接方法はさらに、加工物のボリューム内に溶加材を導入する段階と、加工物のボリューム内に溶加材を混ぜ込む段階とを含む。
【０００６】
特許文献３には、内部流れ空洞を有する摩擦撹拌溶接ピンが開示されている。このピンは、従来の摩擦撹拌溶接機械によって駆動されるようになっており、可塑化材料を溶接ルートに向かって強制的に押し進めるための雄ネジ山を含むことができる。中心線に沿って設置されかつ末端に向かって開口する内部空洞により、加工物材料が溶接ルートにおいて変形することが可能になる。ピンの側壁から内部流れ空洞まで延びる１つ又はそれ以上の流路は、ピンを通る可塑化材料の連続通路を含む。この内部空洞は、可塑化材料を溶接ルートに向かって強制的に押し進めるのをさらに助けるために雌ネジ山を含むことができる。このピンは、加工物厚さの公差が厳しくないアルミニウム加工物を溶接するのに特に有用である。
【特許文献１】米国特許出願第２００３／００７５５８４号
【特許文献２】米国特許第６５４３６７１号
【特許文献３】米国特許第６２０６２６８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、従来の摩擦撹拌溶接装置及び方法は、ピン工具劣化の問題に対処できていない。幾つかのケースでは、ピン工具は、ピン工具劣化を最少にするためにモリブデン合金、タングステン合金等のような比較的硬質の耐熱合金で製造される。しかしながら、ピン工具摩耗及びピン工具デブリの取込みが依然として起こり、欠陥を有する溶接継手を生じることになる。本発明は、これらの問題及び課題に対処する摩擦撹拌溶接装置及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
様々な実施形態では、本発明は、消耗ピン工具を用いる摩擦撹拌溶接装置及び方法を提供する。消耗ピン工具は、摩擦撹拌溶接することになる加工物と同一、類似又は異なる材料で製造される。消耗ピン工具は、溶接することになる接合部内に実質的に連続して送り込まれ、溶接接合部内に混ぜ込まれる。消耗ピン工具の送り込みは、その中心を通して消耗ピン工具を前進させる環状の円筒状ショルダを含む伸縮自在ピン工具ホルダを用いて達成される。ショルダは、消耗性又は非消耗性のものとすることができる。
【０００９】
好都合なことに、本発明の摩擦撹拌溶接装置及び方法は、ピン工具デブリが取込まれていない、欠陥の無い溶接継手を提供する。その結果、溶接継手は、改善された機械的性質（例えば、機械的強度）を示す。本発明の１つの実施形態では、溶加材は加工物材料と同一又は類似しているので、溶接継手は、改善されたミクロ組織を示す。本発明の別の実施形態では、溶加材は加工物材料と異なっているので、基体の材料の化学的性質は、局所的に変えることができかつ／又はクラッド層或いは類似のものを付加することができる。本発明の摩擦撹拌溶接装置及び方法では、溶加材を添加することができるため、複雑な継手、突合せ継手以外の継手、及び最適とは言い難い取付けになった（例えば、大きい接合部隙間又は形状不一致になった）加工物の溶接が可能になる。結局、本発明の摩擦撹拌溶接装置及び方法は、溶接接合部の厚さを局所的に増大させることを可能にし、従って接合効率を向上させる。
【００１０】
本発明の１つの実施形態では、１つ又はそれ以上の金属、合金又はその他の材料を溶接するのに実施可能な摩擦撹拌溶接装置は、ピン工具ホルダと、ピン工具ホルダに結合された、表面を有するショルダと、ピン工具ホルダに結合されたピン工具とを含み、ピン工具は、ショルダの表面から少なくとも部分的に突出し、ピン工具は、消耗ピン工具材料で作られる。任意選択的に、ショルダは、所定の回転速度で回転しかつほぼ一定速度でピン工具ホルダ内に引込可能／ピン工具ホルダから伸長可能である。任意選択的に、ショルダはまた、溶接することになる接合部のボリューム内に少なくとも部分的に混ぜ込まれる消耗ショルダ材料で作られる。消耗ショルダ材料は、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一、類似又は異なる材料を含む。ピン工具は、所定の回転速度で回転しかつほぼ一定速度でショルダの表面内に引込可能／ショルダの表面から伸長可能であるのが好ましい。消耗ピン工具材料は、溶接することになる接合部のボリューム内に少なくとも部分的に混ぜ込まれる。消耗ピン工具材料は、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一、類似又は異なる材料を含む。ショルダは、ほぼ円筒状の形状を有し、またピン工具は、ほぼ円筒状、ほぼ棒状又はほぼ円錐状の形状を有する。任意選択的に、ピン工具は、テーパ、１つ又はそれ以上の切頭部、複数のネジ山及び／又は半径付き先端を含む。
【００１１】
本発明の別の実施形態では、１つ又はそれ以上の金属、合金又はその他の材料を溶接するのに実施可能な摩擦撹拌溶接装置は、ピン工具ホルダと、ピン工具ホルダに結合された、表面を有するショルダと、ピン工具ホルダに結合されたピン工具とを含み、ピン工具は、ショルダの表面から少なくとも部分的に突出しかつほぼ一定速度でショルダの表面内に引込可能／ショルダの表面から伸長可能であり、ピン工具は第１の所定の回転速度で回転し、またピン工具は、消耗ピン工具材料で作られる。任意選択的に、ショルダは、第２の所定の回転速度で回転しかつほぼ一定速度でピン工具ホルダ内に引込可能／ピン工具ホルダから伸長可能である。任意選択的に、ショルダはまた、溶接することになる接合部のボリューム内に少なくとも部分的に混ぜ込まれる消耗ショルダ材料で作られる。消耗ショルダ材料は、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一、類似又は異なる材料を含む。消耗ピン工具材料は、溶接することになる接合部のボリューム内に少なくとも部分的に混ぜ込まれる。消耗ピン工具材料は、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一、類似又は異なる材料を含む。ショルダは、ほぼ円筒状の形状を有し、またピン工具は、ほぼ円筒状、ほぼ棒状又はほぼ円錐状の形状を有する。任意選択的に、ピン工具は、テーパ、１つ又はそれ以上の切頭部、複数のネジ山及び／又は半径付き先端を含む。
【００１２】
本発明のさらに別の実施形態では、１つ又はそれ以上の金属、合金又はその他の材料を摩擦撹拌溶接する方法は、ピン工具ホルダを準備する段階と、表面を有するショルダをピン工具ホルダに結合させて設ける段階と、消耗ピン工具材料で作られたピン工具をピン工具ホルダに結合させかつショルダの表面から少なくとも部分的に突出させて設ける段階と、溶接することになる接合部のボリューム内に消耗ピン工具材料の少なくとも一部を混ぜ込ませる段階とを含む。任意選択的に、ショルダを設ける段階は、所定の回転速度でショルダを回転させる段階と、ほぼ一定速度でショルダをピン工具ホルダ内に引込む／ピン工具ホルダから伸長させる段階とを含む。任意選択的に、ショルダもまた消耗ショルダ材料で作られており、本方法はさらに、溶接することになる接合部のボリューム内に消耗ショルダ材料の少なくとも一部を混ぜ込ませる段階を含む。消耗ショルダ材料は、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一、類似又は異なる材料を含む。ピン工具を設ける段階はさらに、所定の回転速度でピン工具を回転させる段階と、ほぼ一定速度でピン工具をショルダの表面内に引込む／ショルダの表面から伸長させる段階とを含むのが好ましい。消耗ピン工具材料は、摩擦撹拌溶接することになる加工物を含む１つ又はそれ以上の材料と同一、類似又は異なる材料を含む。ショルダは、ほぼ円筒状の形状を有し、またピン工具は、ほぼ円筒状、ほぼ棒状又はほぼ円錐状の形状を有する。任意選択的に、ピン工具は、テーパ、１つ又はそれ以上の切頭部、複数のネジ山及び／又は半径付き先端を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１及び図２を参照すると、１つの実施形態では、本発明の摩擦撹拌溶接装置１０は、ピン工具ホルダ１４内部に選択的に配置された消耗ピン工具１２を含む。ピン工具１２は、第1の引込位置１２’と第２の伸長位置１２”との間で選択的かつ連続的に移動可能である。第２の伸長位置１２”において、ピン工具１２は、該ピン工具１２及びピン工具ホルダ１４と組み合わされたショルダ１６の表面を越えて少なくとも部分的に突出する。ピン工具１２は、ほぼ円筒状、棒状又は円錐状の形状を有することが好ましい。例えば、ピン工具１２は、約４５度のテーパ状になったほぼ尖った形状を有することができる。任意選択的に、ピン工具１２は、ネジが切られかつ／又は１つ或いはそれ以上の鋭角端縁及び／又は平坦面が組み入れられる。ピン工具１２はまた、部分的に又は全体的に中空にすることができる。ほぼ円筒状又は棒状の構成においては、部分的に又は全体的に溶接部内に混ぜ込まれる前のピン工具１２の初期直径及び長さは、完全溶込み溶接の場合、摩擦撹拌溶接することになる加工物の厚さにほぼ等しい。部分溶込み溶接の場合には、ピン工具１２の初期直径及び長さは、摩擦撹拌溶接することになる加工物の厚さよりも小さい。ピン工具１２は、ステムピース２０によって駆動機構に結合される。ステムピース２０は、ほぼ円筒状の形状を有するのが好ましいが、他の好適な形状を用いることもできる。駆動機構１８は、ピン工具１２、ショルダ１６及びピン工具ホルダ１４の軸線２２の周りで、ピン工具１２を、また任意選択的にショルダ１６を回転させるように作動可能である。一般的には、摩擦撹拌溶接時にピン工具１２を約１５０ｒｐｍ〜約１０００ｒｐｍの間の速度で回転させる。回転速度は、摩擦撹拌溶接することになる加工物の厚さに応じて決まり、より薄いセクションはより高い回転速度を必要とし、またより厚いセクションはより低い回転速度を必要とすることに注目されたい。ピン工具１２は、摩擦撹拌溶接することになる加工物と同一、類似又は異なる材料で作られる。例えば、金属又は合金が摩擦撹拌溶接される場合、ピン工具１２は、材料が溶接部内に混ぜ込まれたときに所望の特性が得られるような同一の金属又は合金、別の類似の金属又は合金、或いは他の任意の異な材料で作ることができる。
【００１４】
ショルダ１６は、それを通してピン工具１２が送り込まれる環状の構造を含む。ショルダ１６は、ほぼ円筒状の形状を有するのが好ましいが、他の好適な形状を用いることもできる。ピン工具１２を拘束及び／又は固着せずに受け入れるために、ショルダ１６は、ピン工具１２の直径よりも僅かに大きい内径を有する。ショルダ１６は、ピン工具１２の直径よりも約２〜３倍大きい外径を有するが、任意の好適な寸法を用いることもできる。ショルダ１６は、ピン工具ホルダから約０．５インチだけ突出するが、任意の好適な寸法を用いることもできる。ショルダ１６は、非消耗性でありかつ耐熱合金（モリブデン基合金、タングステン基合金又は類似のもののような）で作られるのが好ましい。別の実施形態では、ショルダ１６は、消耗性でありかつ摩擦撹拌溶接することになる加工物と同一、類似又は異なる材料で作られる。上述のように、ショルダ１６は、ピン工具１２、ショルダ１６及びピン工具ホルダ１４の軸線２２の周りで回転させてもよい。任意選択的に、ショルダ１６の回転は、ピン工具１２の回転から独立している。一般的には、摩擦撹拌溶接時にショルダ１６を約１５０ｒｐｍ〜約１０００ｒｐｍの間の速度で回転させる。また、ピン工具１２の引込／伸長と関連させて或いはそれと独立して選択的かつ連続的に、ショルダ１６をピン工具ホルダ１４内に引込む／ピン工具ホルダ１４から伸長させることもできる。
【００１５】
また、ピン工具ホルダ１４は、それを通してピン工具１２が送り込まれる環状の構造を含む。ピン工具ホルダ１４は、スピンドル２４と、ピン工具１２、駆動機構１８、ステムピース２０及びショルダ１６を保持しかつ案内するように構成された複数の端部セクション２６、２８とを含む。スピンドル２４はほぼ円筒状の形状を有するのが好ましいが、他の好適な形状を用いることもできる。スピンドル２４は、干渉を避けるためにピン工具１２及び駆動機構１８の直径よりも僅かに大きい内径を有する。スピンドル２４の長さは、位置精度及び溶接品質／健全性に影響も与えるおそれがあるスピンドルの振れを防止するために可能な限り短くする。しかしながら、スピンドル２４の長さは、有効連続長さの溶接部を形成するために供給材料（すなわち、ピン工具１２）の充分な長さを得ることができるのに十分な長さになっている。スピンドル２４は、工具鋼又は類似のもので作られるのが好ましい。スピンドルの内部表面３０、駆動機構１８及びステムピース２０によって、それを通して冷却流体が流れる１つ又はそれ以上のチャネルが形成される。冷却流体は、ピン工具１２及び／又はショルダ１６を冷却するように作動可能であり、空気、水、冷却油又は他の任意の好適な冷却流体を含む。消耗ピン工具１２の場合には、ピン工具１２の先端の温度は、ピン工具材料が実質的に可塑性である範囲内に維持されることが好ましい。例えば、ピン工具１２の先端の温度は、チタン合金の場合には約１６５０°Ｆ〜約１９９０°Ｆの間、また鋼及びニッケル合金の場合には約１８００°Ｆ〜約２２００°Ｆの間の範囲内に維持される。同様に、消耗ショルダ１６を用いる場合には、ショルダ１６の温度は、ショルダ材料が実質的に可塑性である範囲内に維持される。例えば、ショルダ１６の温度は、チタン合金の場合には約１６５０°Ｆ〜約１９９０°Ｆの間、また鋼及びニッケル合金の場合には約１８００°Ｆ〜約２２００°Ｆの間の範囲内に維持される。冷却流体は、外部取付けショルダホルダ冷却装置の入口及び出口（図示せず）とスピンドル２４内に配置された同軸のピン工具入口３２とを介して１つ又はそれ以上のチャネル内に導入される。回転構成部品がある状態で１つ又はそれ以上のチャネル内部に冷却流体を収容するために、オーリングシール又は類似のもののような１つ又はそれ以上のシール３４が用いられる。当業者には良く知られている他の好適な冷却機構を用いることもできる。
【００１６】
上に本発明の摩擦撹拌溶接装置１０の１つの好ましい実施形態を例示しかつ説明してきたが、回転型の移動可能消耗ピン工具１２と回転又は非回転型の移動可能又は移動不能消耗又は非消耗ショルダ１６とを備えた任意の好適な構成部品又は装置を用いることもできることに注目されたい。
【００１７】
上述のように、ピン工具１２を、しっかりと固締した加工物中に突入させかつ溶接することになる接合部に沿って横進させる。ピン工具１２は、摩擦熱と熱機械加工との組合せをもたらして溶接部を完成する。ピン工具１２を溶接することになる接合部に沿って横進させると、可塑化した金属、合金又はその他の材料が、ピン工具１２の前縁から該ピン工具１２の後縁に移送されて、ピン工具１２の通った跡に強固な固相溶接接合部を形成する。ピン工具１２は、溶接することになる接合部内に実質的に連続して送り込まれ、溶加材として溶接接合部内に混ぜ込まれる。ピン工具１２は、欠肉又は大きな余盛がない状態で開先加工（例えば、Ｉ形グルーブ、Ｖ形グルーブ又はＪ形グルーブ）を充填するのに十分な速度で、溶接することになる接合部内に送り込まれるのが好ましい。本発明の摩擦撹拌溶接法は、比較的少ない母材溶込みで肉盛溶接を施すのに用いることができる利点がある。ピン工具１２の送り速度は、継手の種類及び接合される材料に基づいて変化することに注目されたい。ピン工具１２及びショルダ１６の両方に対して、独立した軸荷重フィードバック制御が用いられる。ピン工具荷重制御は、ピン工具１２の送り速度を制御するために必要であり、またショルダ荷重制御は、摩擦撹拌溶接装置１０が加工物内に埋め込まれるのを防止するために必要である。一般的には、ショルダ１６は、従来の摩擦撹拌溶接装置のショルダと同じ機能を果たす、つまり、摩擦撹拌溶接時に連続的フォージング作用を生じてバリを最少にする。本発明のショルダ１６はまた、接合部内部に溶加材を均等に配分する。消耗ショルダ１６を用いる場合には、ショルダ材料は、溶加材として溶接接合部内に混ぜ込まれるか、又は、その代わりに溶接部の表面上に層になって配置される。
【００１８】
本発明の摩擦撹拌溶接装置１０は、ピン工具デブリが取込まれていない、欠陥の無い溶接継手を提供する利点がある。その結果、溶接継手は、改善された機械的性質（例えば、機械的強度）を示す。本発明の１つの実施形態では、溶加材は加工物材料と同一又は類似しているので、溶接継手は改善されたミクロ組織を示す。ピン工具１２によってもたらされる局所的塑性変形及び溶加材により、比較的細粒子かつ低間隙率を特徴とするミクロ組織が生じる。また、溶加材が接合することになる２つの異なる材料と比較して中間の性質を有するように該溶加材を選択して、摩擦撹拌溶接を可能にすることができる。本発明の別の実施形態では、溶加材は加工物材料と異なるので、基体の材料の化学的性質は、局所的に変えることができかつ／又は消耗ショルダ１６を用いてクラッド層或いは類似のものを付加することができる。本発明のさらに別の実施形態では、接合することになる２つの異なる材料のいずれかより優れた特性を有する溶加材を選択して、優れた性質を備えた継手を形成することができる。本発明の摩擦撹拌溶接装置１０では、溶加材を添加することができるため、複雑な継手、突合せ継手以外の継手、及び最適とは言い難い取付けになった（例えば、大きい接合部隙間又は形状不一致になった）加工物の溶接が可能になる。結局、本発明の摩擦撹拌溶接装置１０は、接合部の厚さを局所的に増大させることを可能にし、従って接合効率を向上させる。
【００１９】
好ましい実施形態及びその実施例を参照して本発明をこれまで例示しかつ説明してきたが、他の実施形態及び実施例が同様な機能を果たしかつ／又は同様な結果を達成することができることは、当業者には容易に分かるであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】消耗ピン工具の構成及び作動を強調した、本発明の摩擦撹拌溶接装置の１つの実施形態の断面側面図。
【図２】図１の摩擦撹拌溶接装置の一部分の側面図及び端面図。
【図３】本発明の消耗ピン工具の別の実施形態の斜視図。
【図４】図３の消耗ピン工具の側面図。
【符号の説明】
【００２１】
１０  摩擦撹拌溶接装置
１２  ピン工具
１２’  ピン工具の引込位置
１２”  ピン工具の伸長位置
１４  ピン工具ホルダ
１６  ショルダ
１８  駆動機構
２０  ステムピース
２２  ピン工具軸線
２４  スピンドル
２６、２８  ピン工具ホルダの端部セクション
３０  スピンドルの内部表面
３２  ピン工具入口
３４  シール
【図１】
2005074520.tif 000003
【図２】
2005074520.tif 000004
【図３】
2005074520.tif 000005
【図４】
2005074520.tif 000006