(57)【要約】本発明は、軸（５３２）及びテーパーを有するプローブ（５０４）を備える摩擦攪拌溶接工具であって、前記プローブはプローブの基部（５３０）から先端部（５３１）の方向に伸びる複数の螺旋状ねじれ面（５１２）を有し、プローブの直径は、プローブ（５０４）の縦方向の断面にて、プローブの基部（５３０）から先端部（５３１）にかけて連続的に小さくなる摩擦攪拌溶接工具に関する。【選択図】図５ａ
2004522591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸（５３２）及びテーパーを有するプローブ（５０４）を備える摩擦攪拌溶接工具であって、
前記プローブはプローブの基部（５３０）から先端部（５３１）の方向に伸びる複数の螺旋状ねじれ面（５１２）を有し、
プローブの直径は、プローブ（５０４）の縦方向の断面にて、プローブの基部（５３０）から先端部（５３１）にかけて連続的に小さくなる
摩擦攪拌溶接工具。
【請求項２】
請求項１に係る工具において、
前記螺旋状ねじれ面（５１２）は螺旋状に配列された面（５２３）によって隣接する螺旋状ねじれ面に接続され、
面（５２３）の縦方向はプローブの回転軸（５０７）に対して実質的に共軸（ｃｏ−ｐｌａｎａｒ）である
ことを特徴とする工具。
【請求項３】
請求項１又は２に係る工具において、先行側の螺旋状隆起部（５１３）は、それぞれの螺旋状に配列された面（５２３）と、先端部側の方向に隣接する螺旋状に配列された面（５２３）との間の接続線により形成されることを特徴とする工具。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに係る工具において、プローブ（５０４）の基部（５３０）から先端部（５３１）に移動するとき、直径が常に小さくなり、大きくなることがないことを特徴とする工具。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに係る工具において、螺旋状ねじれ面（５１２）は実質的に凹状形状を有することを特徴とする工具。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに係る工具において、プローブのテーパー角は４５°以下、好ましくは５°から２５°、最も好ましくは１０°から２０°であることを特徴とする工具。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにかかる工具において、プローブの温度を測定及び冷却する手段を特徴とする工具。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに係る工具において、プローブのテーパーを有する部分の基部に設けられるショルダーに隣接するバイパスを提供するために、先行側の螺旋状隆起部のうち少なくともひとつに、圧力緩衝手段（５３１）が形成されることを特徴とする工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は摩擦攪拌溶接（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｔｉｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ）に関し、特に改良したプローブ（ｐｒｏｂｅ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦攪拌溶接は比較的に新しい溶接技術を指す。例えば、接合しようとする金属／合金の厚さや、単に溶接が難しく特殊なシールディングガス（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ  ｇａｓ）が必要という理由により、従来の溶融溶接技術を使っての接合が困難であると判明している金属及び合金を溶接するために、この技術は開発された。溶融溶接で一般に発生するポロシティ（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）や凝固割れ（ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｃｒａｃｋｉｎｇ）のような欠点は、溶接点が冷えるときに避けることができる。
【０００３】
一般に、摩擦攪拌溶接については、接合しようとする金属／合金が厚くなると、欠陥なく溶接するのがより困難になると言われている。
【０００４】
摩擦攪拌溶接では、図１ａに示すようなショルダーつき回転円筒状工具を用いることにより、高速に回転する円筒状工具を金属に接触させて機械的な摩擦を発生させる。工具と接合しようとする金属との間の摩擦で熱が発生するので、機械的な摩擦は工具と接触した金属を軟化する。
【０００５】
プローブは加工材よりも硬い材料でできており、接合領域と、加工材の対になる部分とに入り込む。図２ｂに示すように、接合領域の両側において、プローブと加工材との間で、回転運動や逆回転運動のような相対運動を周期的に（relative cyclic movement）行う間に、加工材の対となる部分が軟化する摩擦熱を発生させる。溶接点を生成しているプローブを接合領域の方向へと移動させる。プローブが移動すると、軟化した金属／合金が流れ出して背後で接合するので、加工材が一体に接合される。
【０００６】
摩擦攪拌溶接の例がEP-B-0615480（特許文献１）及びWO95/26254（特許文献２）に記載されている。工具の例がGB-A-2306366（特許文献３）、WO99/52669（特許文献４）及びWO99/58288（特許文献５）に記載されている。
【０００７】
摩擦攪拌溶接に用いられる工具は円筒状或いは尖塔状のプローブを備える。図１bに示すようにプローブはより大きな直径を有する平坦な或いはドーム状のショルダーから突き出る。３ｍｍ厚及び６ｍｍ厚のアルミニウム合金のシート及びプレートを溶接するためのEP-B-0615480に最初に開示されたように、プローブ長さ対その通常直径の深さと幅の割合は、好ましくは順に１：１であり、ショルダーの直径とプローブの長さの割合は順に３：１から４：１である。
【０００８】
【特許文献１】
EP-B-0615480
【特許文献２】
WO95/26254
【特許文献３】
GB-A-2306366
【特許文献４】
WO99/52669
【特許文献５】
WO99/58288
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
１５ｍｍから２５ｍｍといったより厚い板や、１５ｍｍから２５ｍｍまでで厚さが変化する板を１回で溶接するために、長さと直径の比率が１：１のプローブを使うことができた。しかし、これらのプローブは過剰な量の加工材を移動させる傾向がある。プレートが厚くなると、既知の単純な直円柱状のプローブを大型化したものでは、移動する加工材の量が増えることになり、問題解決の手段としてはふさわしくないとの試験結果が出ている。しかし、より厚い材料を溶接するには、より大きな圧力をプローブに入力する必要があり、プローブの幅を広げることなく長さを伸ばすことが強度を維持する上で問題になる恐れがあることを示している。
【００１０】
より大きな寸法の加工材を溶接する際に、摩擦攪拌溶接を用いて加工材を接合する過程で重要な点は、「プランジシーケンス（ｐｌｕｎｇｅ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）」、すなわち、プローブを接合線に下げるとき溶接工程の最初の段階である。プランジシーケンスの間に起きる問題のひとつに、発生する熱の多くが、大部分の銅を通じて速やかに溶接領域から伝導することにより、工具をロックして剪断変形させるという問題がある。工具プローブが、セメンテッドカーバイドのような延性の低い合金やセラミックスでできているとき、この問題が特に起きる。
【００１１】
より厚い約５０ｍｍ厚の加工材を溶接しようとする際に更に問題となるのは、プローブの基部周辺で表面近くに溶接中に生じる空孔（ｖｏｉｄ）である。恐らく使用したプローブ周辺の一定しない流れによって生じるであろう。こうした空孔は溶接点の表面付近の進行方向側に見られるだろう。
【００１２】
より薄い加工材を溶接する際、工具の移動速度や、ショルダーやプローブの回転速度を変えるのは、溶接領域に入力する熱を制御する良い方法として、一般的に考えられている。しかし、プローブと接合する加工材の寸法が大きくなると、しっかりと溶接するためには、加工材とプローブの温度を調節することも必要だろうとわかっている。
【００１３】
発明者らの知見によれば、プローブの回転速度を毎分４００回転以下に下げると、プローブによるトルクは大きくなる。このことは、プローブが破損しないようにするためには、トルクを大きくしたら、プローブの直径を大きくしなければならないことを意味する。
【００１４】
しかし、回転速度を毎分４００回転以上に上げると、下層の銅が溶接するのに十分なほどに軟化する前に、加工材の表面温度が急激に上昇して極端に軟化する原因となる。このような状況では、工具のショルダーが軟化した表層の中に必要以上に深く貫通或いはめり込む恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
従って、本発明の目的は、例えば、約５０ｍｍ厚或いはそれ以上の厚さを有する加工材のように、従来試みられていたものよりも厚い加工材を溶接することが可能な摩擦攪拌溶接用の工具を提供することである。
【００１６】
こうした寸法の溶接に必要な力に耐え得る工具を提供することもまた目的である。
【００１７】
更に、溶接する際に、加工材を溶接に適した低過ぎず高過ぎない温度に保つと共に、過熱から保護された工具を提供することである。
【００１８】
本発明は、約５０ｍｍ厚までの加工材を摩擦攪拌溶接にて接合するための攪拌溶接プローブを開示する。また、本発明は、溶接後に形成される空孔が発生しにくいプローブを開示する。この工具は上述のような特殊な効果をもつ螺旋形状を有する。
【００１９】
本発明によれば、その目的は軸とテーパーを有するプローブとを備える摩擦攪拌溶接工具により達成される。このプローブは基部から先端部まで伸びる螺旋状の面を複数有し、プローブの直径は、プローブ断面の長さ方向に沿って基部から先端部にかけて連続的に小さくなる。
【００２０】
本発明によれば、更なる目的は、前記螺旋状ねじれ面のそれぞれが隣接する螺旋状ねじれ面に対して螺旋状に配列された面により接続され、その面の縦方向が実質的にプローブの回転軸に対して共軸（ｃｏ−ｐｌａｎａｒ）である摩擦攪拌溶接工具により達成される。
【００２１】
更に、本発明によれば、それぞれの螺旋状に配列された面と、先端部側の方向に隣接する螺旋状に配列された面との間の接続線により形成された先行側の螺旋状隆起部を備えることにより目的が達成される。
【００２２】
本発明によれば、更なる目的は、プローブの基部から先端部に移動したとき、プローブの断面の長さ方向に沿って、プローブの直径は大きくならずに小さくなるようなプローブによって達せられる。
【００２３】
本発明によれば、更なる目的は、螺旋状表面が本質的に凹状形状を有するようなプローブによって達せられる。
【００２４】
本発明によれば、更なる目的は、テーパー角度が４５°までのプローブにより達せられる。テーパー角度は好ましくは５〜２５°であり、最も好ましくは１０〜２０°である。
【００２５】
「連続的に小さくなる」（ｄｉｍｉｎｉｓｈｅｓ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ）という表現は、直径は決して大きくはならないが、互いに隣り合う表面の間の距離よりも短い距離の間はそのままであってもよいと解すべきである。
【００２６】
本発明に従って形成されたプローブは多数の利点を有する。第１に、溶接して一体化しようとする可塑化した物体に、縦溝があるデザインを有するプローブの後続側エッジの後に隙間を残さない。また、本発明のプローブの形状は、溶接中にプローブが移動する際により良好な流路を提供する。
【００２７】
より良好な流路を提供することは、プローブに過剰な力が加わることによるプローブの破壊を避ける意味でも効果がある。
【００２８】
溶接点に同じ微細構造を繰り返し再現すると共に、工具のプローブの信頼性を高めるために、プローブの冷却を行ってもよい。このためには、溶接を行う際にプローブに沿ってできるだけ均一な熱を与えるため、できればプローブ長の数箇所に、モニター装置、プローブの温度を登録する手段が必要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本技術により実行される摩擦攪拌溶接と、従来技術によるプローブを図１に示す。加工材の材料よりも硬い非消耗性プローブ１０３と共に、接合線１０３にて互いに隣あう１組のアルミニウム板１０１及び１０２を示す。プローブ１０４は板の接合線の近くに押し付けられるが、接合する材料を完全に貫通はしない。掘り下げ深さは加工材と接触するショルダー１０７（図１ｂに示す）により制御する。ショルダーと加工材の間のコンタクトゾーン１０６の幅ｄを、半円の波紋の連続として加工材の上面に示す。工具の回転方向を矢印１１０で示し、接合線に沿ってプローブが移動する方向を矢印１１１で示す。
【００３０】
図１ｂは加工材１０１、１０２及びプローブ１０４の側面の概略図である。接合線への掘り下げ深さを制御するショルダー１０７も示す。プローブは、鋭くはない、通常は半球状の先端を有する。この先端はショルダー１０７と加工材１０１及び１０２が接触して掘り下げを制止するまでの間、掘り下げを支援する。
【００３１】
コンタクトゾーン１０６が少なくとも加工材の厚さの３、４倍であることに注意すべきだろう。また、僅かにテーパーを有する円筒形のプローブの名目上の最大直径は、加工材の厚さに対して同程度の比率を有する。
【００３２】
深部での突き合わせ溶接用の既知のプローブ２０４を図２ａに示す。プローブのほぼ先端部にて狭くなるテーパーを有する形状をしている。プローブ２０４は波状の形状を有しており、突出部２１２のような深い螺旋を形成している。突出部２１２はプローブ長さの中でほぼ一周し、突出部２１２の間には始点が異なる３本の隆起部２１３が形成されて、３本の溝或いは縦溝２１２となっている。縦溝の間に形成された隆起部或いはランド２１３は相当の幅を有する。隆起部とプローブ軸のなす螺旋角度は４５°以下である。このプローブは、加工材周辺に対して作用するだけではなく、可塑化した材料をショルダー２０７から下に動かす。
【００３３】
プローブ２０４はその基部にショルダー２０７を有する。ショルダー２０７には螺旋状隆起部２１５設けられている。特に加工材の表面で、これらの螺旋状隆起部は、回転しながら可塑化した材料が流出しようとする傾向を抑制するように中心方向に作用する。また、この隆起部は、例えば、ショルダーの外周に対して平行に伸びることとしてもよい。
【００３４】
図２ｂにプローブ２０４の断面図を示す。３本の隆起部／ランド２１３及び３本の溝／縦溝２１２を示す。
【００３５】
しかしながら、図２に示すプローブは、例えば約５０ｍｍ厚といった相当の厚さを有する銅の加工材に対して摩擦攪拌溶接を試みる際に、不都合が生じる。
【００３６】
５０ｍｍの銅に対して用いられる３本の縦溝を有するプローブの拡大図を図３ａに示す。図３ｂのように、この種のプローブは溶接後の溶接部に空孔を発生させることがあると分かった。図３ｂは矢印で示す空孔を有する溶接部の断面図を示す。
【００３７】
例えば、図３ａのプローブと類似したデザインのプローブを使って銅を溶接したとき、溶接後の溶接部の中にどのようにして空孔が形成されるのかを概略的に図４に示す。三本の縦溝を有するプローブの断面が、可塑化した銅４０２に囲まれている。プローブの先端４０１を示す。このプローブの縦溝４１２は、実質的には、対称なエッジ４１６及び４１７を有する３つの突出したランド４１３から形成される。図示したプローブの回転ではエッジ４１６が先行し、エッジ４１７が後続することになる。プローブが矢印４１０の方向に回転するとき、可塑化した銅は、ランドの後続エッジ４０４の背後にできる空洞４２０を満たさない、言い換えれば、縦溝の先行エッジ４０４の後に空孔４２０が発生する。
【００３８】
図５ａに本発明によるプローブ５０４を示す。プローブの軸の平らな部分をホルダー（不図示）にはめ込んで用いる。
【００３９】
プローブと共に用いるショルダー（不図示）は、プローブ自身に設ける代わりに、ホルダーに設けてもよい。
【００４０】
適切なショルダーを含むプローブとホルダーは、当然ながら、当業者が望むように一体として製作しても構わない。
【００４１】
図に示すように、プローブ５０４は３つの螺旋状ねじれ面５１２を有する。しかし、これらの面の形状は従来技術のプローブの縦溝とは本質的に異なる。従来技術によるランド或いは隆起部５１３は、薄い隆起部５１３であり、その面は本質的にプローブ回転軸４０７と平行であり、隆起部５１３と隣接する螺旋状ねじれ面５１２のそれぞれの間のランド５２３もまた、本質的にプローブ回転軸５０７と平行である。ランド５２３は、隆起部５０６と平行な、螺旋状に曲がった薄い溝５０８を有する。これらの溝或いは薄い隆起部は製造過程の結果だが、別途に摩擦を発生させる工具として摩擦攪拌溶接の一部を担うとも考えられる。しかし、このプローブは磨いても構わないし、それでも十分に機能する。
【００４２】
圧力緩衝手段５３１は、ショルダー（不図示）に隣接するバイパスを提供し、プローブのテーパーを有する部分の基部に設けられ、先行側の螺旋状隆起部５１３のうち少なくともひとつの基部に設けられればよい。
【００４３】
図５ａのプローブの長さ方向の軸に対して垂直な２つの断面図を、図５ｂ及び図５ｃに示す。図５ｂはプローブの基部での断面を表わし、図５ｃはプローブの先端部近くでの断面を表わす。隆起部５１３、ランド５２３、及びねじれ面５１２を図中に示す。プローブの回転方向を矢印５１０にて示す。
【００４４】
図５ｂ及び５ｃに示す断面を見れば、本発明のプローブを用いると何故溶接後の溶接部に不要な空孔が生じないかを理解できるだろう。本発明によるプローブは、隆起部５１３の後続側エッジ後部の可塑化した金属中に、空孔を形成する空間を残さない。隆起部の後続側エッジは本質的に除去されている。
【００４５】
最後に、厚さの異なる加工材と共に用いる長さの頃なるプローブと、ショルダーの間の関係の例を図６に示す。１０ｍｍから５０ｍｍまでの典型的な大きさのプローブを図６のａ〜ｅに示す。テーパー角度１０、１４及び１８°を図６のｆ〜ｈに示す。
【００４６】
上述の好ましい実施の形態についての説明は、添付した請求項にて定義した発明の範囲内に含まれる複数の実施の形態のうちのひとつであると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１ａ】既知の摩擦攪拌溶接のプローブとショルダーである。
【図１ｂ】摩擦攪拌溶接の方法を示す。
【図２ａ】従来のらせん状の溝を有する摩擦攪拌溶接工具である。
【図２ｂ】図２ａの従来の工具の断面図である。
【図３ａ】５０ｍｍ厚銅板用プローブの拡大図である。
【図３ｂ】空孔を有する溶接点の断面図である。
【図４】溶接における空孔の問題を図示する。
【図５ａ】本発明の摩擦攪拌溶接プローブの実施の形態を示す。
【図５ｂ】本発明の摩擦攪拌溶接プローブの実施の形態を示す。
【図５ｃ】本発明の摩擦攪拌溶接プローブの実施の形態を示す。
【図６】ａ〜ｅは異なる厚さの加工材と共に用いたプローブの拡大図を示し、ｆ〜ｈはプローブのテーパー角の拡大図を示す。
【国際公開パンフレット】
2004522591.tif 000003
2004522591.tif 000004
2004522591.tif 000005
2004522591.tif 000006
2004522591.tif 000007
2004522591.tif 000008
2004522591.tif 000009
2004522591.tif 000010
2004522591.tif 000011
2004522591.tif 000012
2004522591.tif 000013
2004522591.tif 000014
2004522591.tif 000015
2004522591.tif 000016
2004522591.tif 000017
2004522591.tif 000018
2004522591.tif 000019
2004522591.tif 000020
2004522591.tif 000021
2004522591.tif 000022
2004522591.tif 000023
2004522591.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月6日(2004.1.6)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸（５３２）及びテーパーを有するプローブ（５０４）を備える摩擦攪拌溶接工具であって、
前記プローブはプローブの基部（５３０）から先端部（５３１）の方向に伸びる複数の螺旋状ねじれ面（５１２）を有し、
プローブの直径は、プローブ（５０４）の縦方向の断面にて、プローブの基部（５３０）から先端部（５３１）にかけて小さくなり、
前記螺旋状ねじれ面（５１２）のそれぞれは、螺旋状に配列された面（５２３）により、プローブ（５０４）の隣接する螺旋状ねじれ面（５１２）に接続され、
面（５２３）の縦方向はプローブの回転軸（５０７）に対して実質的に共軸（ｃｏ−ｐｌａｎａｒ）である
摩擦攪拌溶接工具。
【請求項２】
請求項１に係る工具において、先行側の螺旋状隆起部（５１３）は、それぞれの螺旋状に配列された面（５２３）と、先端部側の方向に隣接する螺旋状に配列された面（５２３）との間の接続線により形成されることを特徴とする工具。
【請求項３】
請求項１又は２に係る工具において、プローブ（５０４）の基部（５３０）から先端部（５３１）に移動するとき、直径が小さくなるか又は実質的にそのままであることを特徴とする工具。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに係る工具において、螺旋状ねじれ面（５１２）は実質的に凹状形状を有することを特徴とする工具。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに係る工具において、プローブのテーパー角は４５°以下、好ましくは５°から２５°、最も好ましくは１０°から２０°であることを特徴とする工具。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにかかる工具において、プローブの温度を測定及び冷却する手段を特徴とする工具。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに係る工具において、プローブのテーパーを有する部分の基部に設けられるショルダーに隣接するバイパスを提供するために、先行側の螺旋状隆起部のうち少なくともひとつに、圧力緩衝手段（５３１）が形成されることを特徴とする工具。
【国際調査報告】
2004522591.tif 000025
2004522591.tif 000026