(57)【要約】【課題】  摩擦攪拌溶接中に、効果的に溶接継手を支持すると共に可塑化された材料を溶接継手内に拘束しておくことができる摩擦攪拌溶接工具を提供する。【解決手段】  加工物に摩擦攪拌溶接継手を形成するための工具１０は、第１端及び第２端を有すると共に、少なくとも部分的に摩擦攪拌溶接継手を形成するように加工物に摩擦係合するべく構成された攪拌部４２を第１端と第２端との間に画成する回転自在のピン４０を含む。このピン４０の攪拌部４２は、少なくとも１つの溝４４及び少なくとも１つの隆起４６を画成し、その各々は、ピン４０の軸線を囲んでほぼ円周方向に延びている。工具１０は、第１肩部２０に対峙する第２肩部３０を含み、ピン４０が両肩部２０、３０間に延びるように構成できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物に摩擦攪拌溶接継手を形成するための工具において、
強制されて前記加工物に当たるように構成された第１肩部と、
該第１肩部から延びる回転自在のピンであって、第１及び第２端を有すると共に、前記摩擦攪拌溶接継手を少なくとも部分的に形成するように前記加工物に摩擦係合するべく構成された攪拌部を前記第１及び第２端間に画成している回転自在のピンとを備え、
前記ピンの攪拌部は、少なくとも１つの溝及び少なくとも１つの隆起を画成し、各溝及び隆起は前記ピンの軸線に対して垂直に延びている、工具。
【請求項２】
前記ピンは、前記溝の少なくとも２つを画成し、該溝のうち相続くものが前記隆起のそれぞれ１つにより分離されている、請求項１に記載の工具。
【請求項３】
各溝は、前記ピンの周りの連続な円周路を延びている、請求項１に記載の工具。
【請求項４】
各溝は、側壁により少なくとも部分的に画成され、各側壁は、各溝が前記ピンの軸線に向かう半径方向内側の方向に幅を減じるように、前記ピンの軸線に対して傾斜角をなして延びている、請求項１に記載の工具。
【請求項５】
各溝は、側壁により少なくとも部分的に画成され、各側壁は、各溝が一様な幅を規定するように前記ピンの軸線に対して垂直に延びている、請求項１に記載の工具。
【請求項６】
各溝は、該溝の内径と各隆起の外径との間の半径方向距離により限定される深さを規定し、各溝は、該溝の外径のところで前記ピンの軸方向における幅を規定し、各溝の該幅は、該溝の深さの少なくとも約２倍である、請求項１に記載の工具。
【請求項７】
各溝は、該溝の外径のところで前記ピンの軸方向における幅を規定し、各溝の該幅は約０.６３５〜６.３５ｍｍの間にある、請求項１に記載の工具。
【請求項８】
前記第１肩部に向き合う第２肩部を更に備え、前記ピンは、前記第１及び第２肩部の間に延びている、請求項１に記載の工具。
【請求項９】
前記肩部のうちの少なくとも１つはそこに少なくとも１つの摩擦特徴を画成している、請求項８に記載の工具。
【請求項１０】
前記第２肩部は、前記両肩部間の前記ピンの前記攪拌部の長さが調節自在に設定されるように、前記第１肩部に対して調節可能である、請求項８に記載の工具。
【請求項１１】
前記肩部のうちの少なくとも１つは、その外周のところにテーパ部を画成している、請求項８に記載の工具。
【請求項１２】
前記溝の各々は、第１直径を有する円形の周囲を規定し、前記隆起の各々は、第２直径を有する円形の周囲を規定している、請求項１に記載の工具。
【請求項１３】
前記ピンは、該ピンの前記攪拌部の長さに少なくとも部分的に沿って延びる少なくとも１つの表面を画成し、該表面が前記ピンの前記溝及び前記隆起を断続させるようになっている、請求項１に記載の工具。
【請求項１４】
加工物に摩擦攪拌溶接継手を形成するための工具において、
強制されて前記加工物に当たるように構成された、対向する第１及び第２肩部と、
該第１及び第２肩部の間に延びて両者間に攪拌部を画成する回転可能のピンであって、前記加工物に摩擦係合すると共に摩擦攪拌溶接継手を少なくとも部分的に形成するように構成された回転可能のピンとを備え、
前記ピンの攪拌部は、少なくとも１つの溝及び少なくとも１つの隆起を画成し、各溝及び隆起は前記ピンの軸線に対して垂直に延びている、工具。
【請求項１５】
前記ピンは、前記溝の少なくとも２つを画成し、該溝のうち相続くものが前記隆起のそれぞれ１つにより分離されている、請求項１４に記載の工具。
【請求項１６】
各溝は、前記ピンの周りの連続な円周路を延びている、請求項１４に記載の工具。
【請求項１７】
各溝は、側壁により少なくとも部分的に画成され、各側壁は、各溝が前記ピンの軸線に向かう半径方向内側の方向に幅を減じるように、前記ピンの軸線に対して傾斜角をなして延びている、請求項１４に記載の工具。
【請求項１８】
各溝は、側壁により少なくとも部分的に画成され、各側壁は、各溝が前記ピンの軸線に向かう半径方向内側の方向に一様な幅を規定するように、前記ピンの軸線に対して垂直に延びている、請求項１４に記載の工具。
【請求項１９】
各溝は、該溝の内径と各隆起の外径との間の半径方向距離により限定される深さを規定し、各溝は、該溝の外径のところで前記ピンの軸方向における幅を規定し、各溝の該幅は、該溝の深さの少なくとも約２倍である、請求項１４に記載の工具。
【請求項２０】
各溝は、該溝の外径のところで前記ピンの軸方向における幅を規定し、各溝の該幅は約０.６３５〜６.３５ｍｍの間にある、請求項１４に記載の工具。
【請求項２１】
前記第１及び第２肩部の各々は、前記加工物に摩擦係合すると共に前記摩擦攪拌溶接継手を少なくとも部分的に形成するように構成された表面を画成している、請求項１４に記載の工具。
【請求項２２】
前記第２肩部は、前記第１肩部に対して調節可能であり、それにより前記両肩部間の前記ピンの前記攪拌部の長さを調節する、請求項１４に記載の工具。
【請求項２３】
前記肩部の各々は、その外周のところにテーパ部を画成している、請求項１４に記載の工具。
【請求項２４】
前記溝の各々は、第１直径を有する円形の周囲を規定し、前記隆起の各々は、第２直径を有する円形の周囲を規定している、請求項１４に記載の工具。
【請求項２５】
前記ピンは、該ピンの前記攪拌部の長さに少なくとも部分的に沿って延びる少なくとも１つの表面を画成し、該表面が前記ピンの前記溝及び前記隆起を断続させるようになっている、請求項１４に記載の工具。
【請求項２６】
加工物に摩擦攪拌溶接継手を形成するための工具において、
強制されて前記加工物に当たるように構成された第１肩部と、
該第１肩部から延びる回転自在のピンであって、第１及び第２端を有すると共に、前記摩擦攪拌溶接継手を少なくとも部分的に形成するように前記加工物に摩擦係合するべく構成された攪拌部を前記第１及び第２端間に画成している回転自在のピンとを備え、
前記ピンの前記攪拌部は、少なくとも２つの分断溝と、該溝の間にあって該溝を分離する隆起とを画成している、工具。
【請求項２７】
各溝は、前記ピンの周りの連続な円周路を延びている、請求項２６に記載の工具。
【請求項２８】
各溝は、側壁により少なくとも部分的に画成され、各側壁は、各溝が前記ピンの軸線に向かう半径方向内側の方向に幅を減少するように、前記ピンの軸線に対して傾斜角をなして延びている、請求項２６に記載の工具。
【請求項２９】
各溝は、側壁により少なくとも部分的に画成され、各側壁は、各溝が一様な幅を規定するように前記ピンの軸線に対して垂直に延びている、請求項２６に記載の工具。
【請求項３０】
各溝は、該溝の内径と各隆起の外径との間の半径方向距離により限定される深さを規定し、各溝は、該溝の外径のところで前記ピンの軸方向における幅を規定し、各溝の該幅は、該溝の深さの少なくとも約２倍である、請求項２６に記載の工具。
【請求項３１】
各溝は、該溝の外径のところで前記ピンの軸方向における幅を規定し、各溝の該幅は約０.６３５〜６.３５ｍｍの間にある、請求項２６に記載の工具。
【請求項３２】
前記第１肩部に向き合う第２肩部を更に備え、前記ピンは前記第１及び第２肩部の間に延びている、請求項２６に記載の工具。
【請求項３３】
前記肩部のうちの少なくとも１つはそこに少なくとも１つの摩擦特徴を規定している、請求項３２に記載の工具。
【請求項３４】
前記第２肩部は、前記両肩部間の前記ピンの前記攪拌部の長さが調節自在に設定されるように、前記第１肩部に対して調節可能である、請求項３２に記載の工具。
【請求項３５】
前記肩部のうちの少なくとも１つは、その外周のところにテーパ部を画成している、請求項３２に記載の工具。
【請求項３６】
前記溝の各々は、第１直径を有する円形の周囲を規定し、前記隆起の各々は、第２直径を有する円形の周囲を規定している、請求項２６に記載の工具。
【請求項３７】
前記ピンは、該ピンの前記攪拌部の長さに少なくとも部分的に沿って延びる少なくとも１つの表面を画成し、該表面が前記ピンの前記溝及び前記隆起を断続させるようになっている、請求項２６に記載の工具。
【請求項３８】
加工物を摩擦攪拌溶接する方法において、
第１肩部から延びるピンを用意するステップであって、該ピンは前記加工物に摩擦係合するように構成された攪拌部を画成し、該攪拌部は少なくとも１つの溝と少なくとも１つの隆起とを画成し、各溝及び隆起は前記ピンの軸線に対して垂直に延びているステップと、
前記ピンの少なくとも前記攪拌部が前記加工物に摩擦係合し、それにより摩擦攪拌溶接継手を形成するように前記ピンを回転させるステップと、
回転している前記ピンを該ピンの軸方向に対してほぼ垂直の方向に強制して前記溝及び隆起により規定される面に対して平行に移動させるステップとを備えている方法。
【請求項３９】
前記用意するステップは、前記第１肩部と該第１肩部に対して対峙する配列になって配置される第２肩部との間に延びるピンを設けるステップから構成され、前記方法は、前記回転させるステップ及び前記強制するステップの間、前記加工物を各肩部に摩擦係合させるステップを更に備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２肩部を前記第１肩部に対して調節し、それにより前記両肩部間の前記ピンの前記攪拌部の長さを調節するステップを更に備えている、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記用意するステップは、
前記加工物に開口を穿つステップと、
前記第１肩部が前記加工物の第１側面に摩擦係合するべく構成されるように前記加工物にある前記開口に前記ピンの結合部を挿通するステップと、
前記第１側面とは反対の前記加工物の第２側面に摩擦係合するよう構成された前記第２肩部に前記ピンの前記結合部を結合するステップとから構成されている、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記ピンの前記攪拌部を移動させて所定路に沿い前記加工物に通すステップを更に備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
異なる材料から形成された少なくとも２つの構造部材を含む加工物を用意するステップを更に備えている、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦溶接に関し、特に、１つ又はそれよりも多い数の溝を有するピンで摩擦攪拌溶接するための装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌溶接は、ねじが切られたピンもしくはプローブのような回転工具を推進して加工物の中に入れ及び／又は加工物に通し、例えば、該加工物の複数の部材を頑丈な状態に接合するか、或いは加工物にある割れを補修するプロセスである。一般的に、ピンは凹状肩部から延び、そしてこの肩部は加工物に押し付けられて、ピンがその中に強制されるようにする。その後、このピンは加工物に力ずくで通されて連続的な溶接継手を形成する。例えば、１回の従来の摩擦攪拌溶接プロセスの間、回転工具のプローブは、摩擦攪拌溶接機（図示せず）により１つの加工物中に或いは２つの加工物間に突入せしめられて、十分な摩擦加熱を起こす所要の抵抗力を発生させ、可塑化された材料の領域を形成する。この工具は、凹状肩部の後縁が可塑化された材料の中に入ってそれを強化するように、加工物に対して約３°傾けられているのが一般的である。可塑化された材料の硬化の際に、加工物の部材同士は溶接継手に沿って接合される。摩擦攪拌溶接工具による力の大きさは、摩擦加熱を起こすために、規定された最小値よりも大きく維持されていなければならない。摩擦攪拌溶接についてはトーマス(Thomas)等に対する特許文献１に更に記載されており、その内容は参照によりここに組み入れられる。
【特許文献１】米国特許第５,４６０,３１７号明細書
【０００３】
溶接継手の領域における可塑化された材料の混合を向上させるために、ピンには、螺旋のねじ山を設けることができる。ピンにある螺旋のねじ山は、右ねじ、左ねじ、又はそれらの組合せとすることができる。代案として、ピンは円筒形にすることができる。いずれにしても、摩擦攪拌溶接工具による力で加工物が変形するのを防止すると共に寸法公差を維持するために、肩部に対峙して設けられる例えば台座もしくはその他の裏当て装置のような支持装置が溶接継手の背後にしばしば設けられる。肩部及び裏当て装置は、溶接工具により発生される熱で可塑化される材料が溶接継手の外に流れ出るのを防止するため、溶接の間、強制されて一緒にされている。また、肩部及び裏当て装置の内向きの締付けは、継手を固めて、間隙率を最小にすると共に、所望の表面仕上げを有する溶接継手を提供する。
【０００４】
摩擦攪拌溶接工具を移動させて加工物に通すのに使用される溶接機は、特定の速度で溶接工具を移動させ加工物に通すため溶接工具にかかる大きな力をしばしば出さねばならない。この力は、一つには、加工物の厚さ、加工物の材料、工具のピンの長さと太さ、工具の回転速度、加工物に通す工具の速度等に左右されうる。一部の例では、溶接工具にかかる力は、大きいことがあり、そして溶接工具及び溶接機の定期的な保守及び修理を必要とすることがあるか、或いは溶接工具及び溶接機の有効寿命を制限することがある。その上、希望の速度で特定の溶接継手を実現するのに必要な力は、一部の溶接機の能力を超えることがあり、そのため、溶接を形成するのにもっと遅い速度、異なる形式の溶接、又は溶接工具を駆動するのに異なる溶接機を必要とする。
【０００５】
従って、加工物間に溶接継手を形成するための改良型摩擦攪拌溶接工具に対する必要性が存在している。この工具は、摩擦攪拌溶接中に、効果的に溶接継手を支持すると共に可塑化された材料を溶接継手内に拘束しておくことができなければならない。工具は、多種の溶接機及び工具を使用し、厚い加工物を含む多様な加工物の摩擦攪拌溶接に備えていなければならない。工具は、溶接中に工具や溶接機にかかる力が減少していることを必要とするのが好ましい。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、加工物に摩擦攪拌溶接継手を形成するための工具及び方法を提供する。この工具は、少なくとも１つの溝及び少なくとも１つの隆起により特徴付けられる攪拌部を画成している回転自在のピンを含む。溝及び隆起の各々は、ピンの長手方向軸線に対して垂直に延び、また、溝の各々は、他の溝から不連続であると共に隆起により分離されている。このピンは、加工物の材料を可塑化するために回転されうると共に、溶接継手を形成するため加工物を通り移動される。一実施形態において、工具を移動させて加工物に通すのに、溝（単数又は複数）のないピンを採用する類似の摩擦攪拌溶接プロセスと比較して減少した力が必要とされる。ピンは、１つの肩部から延び、或いは肩部間に延在し、該肩部の各々は、加工物に係合し、それにより可塑化された材料を拘束するように構成される。
【０００７】
ピンは、２つ又はそれよりも多い数の溝を画成することができ、相続く溝の各々は、隆起のそれぞれ１つにより分離されうる。溝及び隆起の各々は、ピンの周りの連続な円周路に延びることができる。その上、該溝は、該溝の幅が一様であるか減少するようにピンの軸線に対して垂直に又は傾斜角をなして延びる側壁により画成され得る。各溝の幅は、例えば、約０.６３５〜６.３５ｍｍ（０.０２５〜０.２５インチ）の間とすることができ、また、該溝の深さの少なくとも約２倍とすることができる。
【０００８】
本発明の一実施形態によると、ピンは、対向する第１及び第２肩部の間に延びており、その各々は、そこに少なくとも１つの摩擦特徴を画成している。両肩部間のピンの攪拌部の長さが調節できるように、第１肩部に対して第２肩部を調節できる。更に、これら肩部は、その外周のところにテーパ部を画成することができる。
【０００９】
また、本発明は、第１肩部から延びるようにピンが用意された加工物を摩擦攪拌溶接する方法も提供している。少なくとも１つの溝及び少なくとも１つの隆起を画成する前記ピンは、攪拌部が加工物に摩擦係合して摩擦攪拌溶接継手を形成するように、回転される。回転するピンは、該ピンがその溝及び隆起により規定される面に対して平行に移動するように、該ピンの軸方向にほぼ垂直の方向に強制もしくは推進される。第２肩部は、ピンの攪拌部の長さを調節するために第１肩部に対して調節される。一形態によると、開口が加工物に穿たれており、ピンの結合部がこの開口に挿通され、そしてピンの該結合部が第２肩部に結合される。
【００１０】
本発明の上述した利点、特徴及びその他の利点、特徴、並びにそれらを達成する方法は、好適且つ代表的な実施形態を例示するが必ずしも縮尺通りではない添付図面に関してなされる以下の詳細な説明を考慮することにより、容易に明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の全実施形態ではないが、その幾つかを示す添付図面を参照し、本発明について以下により詳しく説明する。実際に、本発明は、種々の異なる形態で実施可能であり、ここに示された実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、その開示内容が徹底しており且つ完全であり、そして本発明の範囲を当業者に十分に伝達するように提示されている。同様の数字は、終始、同様の要素を指している。
【００１２】
図面、特に図１を参照すると、図２及び図２Ａに示された加工物６０のような加工物を摩擦攪拌溶接するための、本発明の一実施形態による摩擦攪拌溶接工具１０が示されている。摩擦攪拌溶接工具１０は、摩擦溶接継手８０を形成すべくこの工具１０を回転させると共に同工具１０を移動させ加工物６０に通すための１つ以上のアクチュエータ（図示せず）を有する機械により作動されるように構成されている。例えば、摩擦攪拌溶接工具１０は、チャック、スピンドル、或いはフライス盤又はドリルのようなマシンのその他の部材に係合されうる結合部１２を含むことができる。摩擦攪拌溶接工具１０を回転させるために構成されたこのマシンを手動で操作することができるが、好ましくは、ソフトウエアの制御を受けて作動するコンピュータ、マイクロコントローラ等により操作される。
【００１３】
用語"加工物"は、限定することを意図しているのではなく、加工物６０は、種々の構造になって構成されうる１つ以上の構造部材を含むことがあると理解されたい。例えば、図２及び図２Ａに示すように、２つの構造部材７０，７２の接合面７４，７６は、オーバーラップして境界領域７８を形成することができ、そして摩擦攪拌溶接工具１０は、境界領域７８に沿って延びる溶接継手８０、特に図２Ａにおける重ね継手を形成し、それにより構造部材７０，７２を接合するのに使用される。その代わりに、構造部材７０，７２は、他の配置になって位置決めされ、また、２つ以上の構造部材７０，７２が単一の継手８０により接合される。別の実施形態では、加工物６０が単一の構造部材を含み、そして摩擦攪拌溶接工具１０は、構造部材において、例えば、その割れ、穴、又はその他の欠陥を修理したり、或いは構造部材の材料特性に影響を与えたりするように、溶接継手８０を形成するのに使用される。
【００１４】
構造部材７０、７２は、限定されないが、アルミニウム、アルミ合金、チタニウム、チタン合金、鋼等を含む種々の材料から形成できる。例えば、ポリマー等のような材料である非金属材料もまた摩擦攪拌溶接工具１０で溶接できる。更に、加工物６０は、例えば、溶接不向きであるか、或いは通常の融接技術により接合するのには経済原理に合わない諸金属を含む異なる金属から形成された構造部材のような、同種又は異種金属の部材を含んでもよい。溶接不向きの材料は、通常の融接技術により接合された場合、溶接固化中に割れ易い比較的に脆弱な溶接継手を造る。このような材料には、アルミニウム及びある種のアルミ合金、特にＡＡシリーズ２０００及び７０００合金が含まれる。摩擦攪拌溶接の使用は、溶接不向きの材料から形成された加工物が確実に接合されることを可能にする。また、摩擦攪拌溶接は、溶接可能の材料を他の溶接可能の材料や溶接不向きの材料に確実に接合するのにも使用され得る。従って、加工物６０を形成する材料は、多種多様の軽量、高強度金属及び合金から選択され、そのため加工物６０やそれから形成された構造組立体の全重量の減少を容易にする。
【００１５】
本発明に基づいて形成された加工物６０は、例えば、航空機及び宇宙船のような航空宇宙構造用、船舶用、車両用等のフレーム、パネル、外板、翼等を含む種々の用途はもちろんのこと、運送業以外のその他の用途にも使用される。本発明の摩擦攪拌溶接工具１０は、大形の加工物６０と幾何学的曲線形状をもつ加工物６０とを摩擦攪拌溶接するのに使用されることができる。ある用途の場合、構造部材７０、７２は、加工物６０の両側面６２、６４にアクセスすることを難しくする或いは阻止する幾何学的形状に連結されている。例えば、構造部材７０、７２は、チューブ又は航空機翼のように部分的又は全体的に閉じた本体を形成するように重なり合って連結されることができる。
【００１６】
図１及び図３に例示されているように、一実施形態の摩擦攪拌溶接工具１０は、第１肩部２０、第２肩部３０及び両者間に延在するピン４０を含んでいる。ピン４０並びに肩部２０及び３０は、高強度及び高熱抵抗を有する材料から形成されるのが好ましい。限定ではなく、一例としてのみの目的であるが、ピン４０及び／又は肩部２０、３０は、工具鋼、ＴＺＭ（タンタル・ジルコニウム・モリブデン合金）のようなモリブデン合金、及びレネ(Rene)４１(UNS N07041)のようなニッケル合金から構成することができる。第１及び第２肩部２０、３０は、種々の構成で形成されると共に、加工物６０の両側面６２、６４に強制的に当接されてそれらの間の加工物６０に摩擦係合するように構成されている。例えば、肩部２０、３０の各々は、加工物６０に面するほぼ平らな凸状又は凹状表面を画成することができる。図３に示すように、肩部２０、３０の各々は、ピン４０の直ぐ近くに平坦部２６、３６を画成すると共に、肩部２０、３０の外周もしくはリム２４、３４のところにテーパ部２２、３２を形成している。一部の実施形態においては、肩部２０、３０のテーパ部２２、３２は、工具１０が加工物６０に沿って動かされるに連れて加工物６０からの可塑化された材料が肩部２０、３０の周囲の外側へと半径方向に押される"すき起こし（plowing)"の発生を防止もしくは軽減することができる。例えば、テーパ部２２、３２は、肩部２０、３０の外側縁２４、３４とピン４０との間に半径方向距離の約半分を超えて延び、また、テーパ部２２、３２は、肩部２０、３０の平坦部２６、３６に対して約３°〜５°の角度を規定することができる。
【００１７】
ピン４０は、肩部２０、３０間に延在すると共に、攪拌部４２を規定している、即ち、溶接中に加工物６０に係合するピン４０の一部分を規定している。ピン４０の攪拌部分４２は、少なくとも１つの溝４４と、少なくとも１つの隆起４６とを画成している。溝４４は、隣接する隆起４６よりも小さいピン４０の直径方向寸法であることを特徴としており、従って、溝４４は、隆起４６と隆起４６との間に、隆起４６により分離されて、規定されている。ピン４０は、任意の数の溝４４及び隆起４６を規定することができる。例えば、図３に例示されているように、ピン４０は、３つの溝４４と、４つの隆起４６とを有している。他の実施形態において、ピン４０は、わずか１つの溝４４を含むか、或いは３つ以上の溝４４を含むことができる。同様に、ピン４０は、わずか２つの隆起４６又は４つ以上の隆起４６を含んでいて、各溝４４が１対の隆起４６間に配置されるようになっていてよい。更に、各隣接の溝４４及び隆起４６は側壁４８により接続されているので、これらの側壁４８は、溝４４を少なくとも部分的に画成する。側壁４８は、各溝４４の幅が溝４４の深さの全部ではないが大部分にわたり一様であるように、ピン４０の軸線に対して垂直である。代案として、図３Ａに例示されているように、側壁４８は、ピン４０の軸線に対して斜めであってよく、例えば、各溝４４の幅がピン４０の軸線に向かって半径方向内方の方向に減少するように側壁４８が半径方向内向きに傾斜していてもよい。その他の実施形態において、各溝４４の側壁４８は、溝４４がほぼＶ形であるように収束することができる。
【００１８】
溝４４の大きさもまた、加工物６０の材料、溶接の希望速度等に基づいて変更し選択することができる。例えば、本発明の一実施形態によると、各溝４４の幅は、溝４４の深さの少なくとも約２倍である。溝の深さは、溝４４の内径と隣接する隆起４６の外径との間の半径方向距離により規定され、溝４４の幅は、ピン４０の外径のところで軸線方向に、即ち、隆起４６と隆起４６との間で測定される。特に、各溝４４の幅は、例えば、約０.２５４〜１２.７ｍｍ（０.０１〜０.５インチ）の間、また、一部の実施形態においては、約１.２７ｍｍ（０.０５インチ）のような約０.６３５〜６.３５ｍｍ（０.０２５〜０.２５インチ）の間とすることができる。図３に例示されているような各溝４４は、幅が約１.１９４ｍｍ（０.０４７インチ）、深さが約０.５０８〜０.６３５ｍｍ（０.０２〜０.０２５インチ）の間である。図３に示された隆起４６は、幅が約０.７６２ｍｍ（０.０３インチ）であり、そして溝４４の深さに等しい高さを有している。従って、図３に示された工具１０は、約６.３５ｍｍ（０.２５インチ）の厚さを有する加工物６０を溶接するのに使用されることができる。本発明の別の実施形態によると、厚さ１２.７ｍｍ（０.５インチ）の加工物を溶接するために使用される工具は、約３.０５〜５.０８ｍｍ（０.１２〜０.２インチ）幅の溝を有する。溝４４及び隆起４６の寸法と形状は、ピン４０の全体にわたり同様とすることができ、或いは一部の溝４４及び隆起４６は、ピン４０のその他の溝４４及び隆起４６とは異なる形状及び／又は大きさを規定することができる。図３及び図３Ａに例示されているように、溝４４及び隆起４６の隅部４５及び縁部４７には、丸みを付けることができる。即ち、当業者には分かるように、すみ肉及び円弧を規定することができる。
【００１９】
通常、溝４４及び隆起４６は、ピン４０を囲む連続的な円周路を延びている。従って、個々の各溝４４及び隆起４６はピン４０の周りを連続的に概して延びているが、各溝４４及び隆起４６は、それぞれ、他の溝４４及び隆起４６との接続を断たれていること、或いは他の溝４４及び隆起４６から離散していることが有利である。ピン４０の軸線に垂直な溝４４及び隆起４６の横断面は、図４に例示されるように円形とすることができ、或いは矩形、正方形、三角形、楕円等のようなその他の多角形状を規定することができる。
【００２０】
本発明の一部の実施形態において、各溝４４及び隆起４６はまた、ピン４０の軸線に対してほぼ垂直に延びている。従って、ピン４０は、その軸線に対して垂直な運動平面において、即ち、溝４４及び隆起４６が運動の方向に対してほぼ平行であるように、加工物６０を通り移動され得る。本発明は、どんな特定の作動理論にも限定されないが、ピン４０にある溝４４の形状は、ピン４０を移動させ加工物６０に通すのに必要な力や、溶接中の可塑化材料の運動に関係すると考えられる。特に、本発明のピン４０にある溝４４の形状は、ピン４０を移動して加工物６０を通過させるのに必要な力を減じると考えられる。更に、溝４４の形状は、加工物６０の両側面６２、６４から軸方向外側への可塑化された材料の動きを低下させると考えられるので、加工物６０の側面６２、６４の形が溶接の間ほぼ維持される。
【００２１】
その上、肩部２０、３０は、工具１０の作動中、加工物６０と摩擦係合するように構成され、それにより摩擦攪拌溶接継手８０を少なくとも部分的に形成する。本発明の一実施形態において、肩部２０、３０の一方又は双方は、加工物６０に摩擦係合するように構成される１つ以上の摩擦特徴もしくはフィーチャー、例えば、ねじ山、突起又はリブのような隆起部もしくは表面を画成する。例えば、図４に例示されているように、螺旋状のねじ山３８が第２肩部３０の平坦部３６に設けられている。他の実施形態において、このようなねじ山は、第１及び／又は第２肩部２０、３０のテーパ部及び／又は平坦部２２、３２、２６、３６に設けることができる。これらの特徴が溶接すべき加工物６０の両側面６２、６４と接触するのを確実にするため、ピン４０の長さ、従って、肩部２０、３０の離隔距離は、通常、接合すべき部材７０、７２の合計厚さにほぼ等しい。
【００２２】
本発明の一実施形態によると、摩擦攪拌溶接継手８０は、ピン４０の攪拌部４２及び肩部２０、３０が加工物６０に摩擦係合するように、回転する摩擦攪拌溶接工具１０を加工物６０との接触状態に移動させることにより、形成される。回転する摩擦攪拌溶接工具１０は所定路に沿って加工物６０を通り移動され、それにより細長い溶接継手８０を形成する。摩擦攪拌溶接中、ピン４０の直ぐ近くの加工物６０の部分は、第１肩部２０と第２肩部３０との間に"挟持"されている。肩部２０、３０は、可塑化された材料がそこから押し出されるのを防止するシールを形成するのが有利である。例えば、図２に示すように、溶接工具１０は、加工物６０の縁部のところに設定され、矢印１４の方向に回転され、そして加工物６０を通り１６の方向に推進される。肩部２０、３０の各々は、図２Ａに示すように、加工物６０の側面６２、６４と接触することができ、それにより加工物６０の可塑化された材料の軸方向の動きを拘束する。このようにして、平坦な輪郭又はその他希望の輪郭が溶接継手８０のところで加工物の両側面６２、６４上に形成される。更に、肩部２０、３０は、軸方向に加工物６０に当接し工具１０を拘束することができるので、溶接中に工具１０に殆ど或いは全く軸方向の力を作用させる必要がない。
【００２３】
肩部２０、３０を、ピン４０に固定的に取り付けられることができ、或いは肩部２０、３０の一方又は双方がピン４０から取り外すことができる。例えば、図５に示すように、ピン４０は、ねじ山或いはその他の結合特徴を有する結合部５０を画成することができる。ねじが切られた穴５２のような対応の結合特徴は、第１肩部２０に設けられて、ピン４０のねじ切り結合部５０を受けることができることである。こうして、第２肩部３０を、ピン４０から取り外すことができ、そしてピン４０は、加工物６０にある穴６６を貫いて延ばされることができる。次いで第２肩部３０をピン４０に取り付けることができ、その後、工具１０は、加工物６０を摩擦溶接するために使用され得る。溶接継手８０が加工物６０の縁で終了していれば、工具１０は、肩部２０、３０のどちらかを加工物６０を通過させることなく、加工物６０から除去され得る。代案として、第２肩部３０は、加工物６０の溶接後にピン４０から取り外され、その後、ピン４０は加工物６０から撤退され得る。別の実施形態において、穴６６よりも大きな１つ以上の穴を加工物６０に設けることができ、各穴は第２肩部３０を受け入れるのに十分な大きさを有しているので、肩部３０は、該肩部３０をピン４０から取り外すことなく加工物６０に対して挿入及び／又は除去することができる。
【００２４】
更に、第２肩部３０は、ピン４０の攪拌部４２の長さを調節できるように、第１肩部２０に対して調節され得る。一部の実施形態において、第２肩部３０は、第１肩部２０及び／又はピン４０とは無関係に回転されるか、或いは別の仕方で作動され得る。例えば、第２肩部３０は、溶接作業中に第１肩部２０に向かって推進されて、２つの肩部２０、３０間に加工物６０を挟むことができる。対向する肩部を独立して作動するための方法及び装置は、本出願人の譲受人に譲渡された西暦２００２年９月９日出願の米国特許願第１０/２３７,５０６号に追加的に提示されており、その全内容は参照によりここに組み込まれる。
【００２５】
本発明のその他の実施形態において、工具１０は、肩部２０、３０の一方又は双方がなくても使用されることができる。例えば、図５に示された工具１０は、ピン４０を延ばし少なくとも部分的に加工物６０に通した状態で第１肩部２０を加工物６０の第１側面６２に押し付けることにより、第２肩部３０なしに作動されることができる。加工物６０に対する第１肩部２０の押付力は、台座又はその他の支持装置に対向させることができ、或いは加工物６０を押付力に対向するのに十分な強度とすることができる。
【００２６】
更に、工具１０の溝４４は、ピン４０の周りに連続的に延びている必要はない。例えば、図６に例示されているように、ピン４０には、溝付きとなっておらず且つピン４０の長さに沿って少なくとも部分的に延びる１つ以上の表面５４を含ませることができるので、該表面５４は溝４４及び隆起４６を断続させる。任意の数の表面５４がピン４０に設けられ、また、各表面５４は、平らにしたり、湾曲したり、或いはその他の形状にしたりすることができる。図６に示すように、２つの表面５４が正反対の位置に設けられると共に、ピン４０の攪拌部４２の全長にわたり延びているが、他の実施形態においては、表面５４はもっと短くすることができ及び／又はその他の仕方でピン４０に設けることができる。
【００２７】
図７は、本発明の一実施形態に従って摩擦攪拌溶接継手８０が既に形成されている厚さ６.３５ｍｍ（０.２５インチ）の単一アルミニウム板を含む加工物６０の一部を例示している。特に、継手８０は、図１に例示されたものと同様のピン４０を使用し、このピン４０を回転させ、加工物６０の第１及び第２側面６２、６４間に延びる方向に配列し、紙面に垂直な方向に強制し加工物６０に通して、形成された。図７に示すように、加工物６０の材料はピン４０によって混合され、材料の粒度は微細化され、そのため継手８０における材料の材料特性が改善された。
【００２８】
本発明についての多くの変形例及びその他の実施形態は、前述の説明及び添付の図面に提示された教示内容の利点を有して、本発明が関係する技術に習熟した者に想到されるであろう。従って、言うまでもなく、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、また、上述の変形例及びその他の実施形態は、特許請求の範囲に含まれるべきものと考えられる。この明細書では特定の用語が用いられているが、それらは、単に一般的且つ説明的意味であり、限定のために使用されているのではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態による摩擦攪拌溶接工具を例示する正面図である。
【図２】２つの構造部材を有する加工物を摩擦攪拌溶接するために構成された、本発明の別の実施形態による摩擦攪拌溶接工具を例示する斜視図である。
【図２Ａ】加工物に部分的に形成された摩擦攪拌溶接継手と共に示されている、図２の摩擦攪拌溶接工具を例示する斜視図である。
【図３】図１の摩擦攪拌溶接工具のピンの一部を例示する拡大正面図である。
【図３Ａ】本発明の別の実施形態による摩擦攪拌溶接工具のピンの一部を例示する拡大正面図である。
【図４】図１の線４−４に沿って見た、図１の摩擦攪拌溶接工具のピン及び肩部を例示する平面図である。
【図５】２つの構造部材を有する加工物を摩擦攪拌溶接するために構成された、本発明の別の実施形態による摩擦攪拌溶接工具を例示する正面図である。
【図６】本発明の更に別の実施形態による摩擦攪拌溶接工具の斜視図であり、この工具が有するピンが、ピンの攪拌部の全長に沿って延びると共に同ピンの溝及び隆起を断続させる２つの表面を規定しているのを示している斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態による図１の摩擦攪拌溶接工具を使用して溶接された加工物の断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  摩擦攪拌溶接工具
１２  結合部
２０  第１肩部
２２、３２  テーパ部
２４、３４  外側縁
２６、３６  平坦部
３０  第２肩部
３８  ねじ山（摩擦特徴）
４０  ピン
４２  攪拌部
４４  溝
４６  隆起
４７  縁部
４８  側壁
５０  結合部
５２  ねじが切られた穴
５４  表面
６０  加工物
６２、６４  側面
６６  穴
７０、７２  構造部材
７４、７６  接合面
７８  境界領域
８０  摩擦攪拌溶接継手
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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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３】
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【図３Ａ】
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【外国語明細書】
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