(57)【要約】【課題】溶接シームの特性をより良く設定するのに使用できる摩擦攪拌溶接装置および方法を提供する。【解決手段】本発明は、ピン（３）と第１の摩擦面セグメント（４）とを持ち、ピン（３）と第１の摩擦面セグメント（４）は回転軸（６）を中心に回転駆動され、第１の摩擦面セグメント（４）は加工物（２）に載る第１の摩擦面（５）を持つ、摩擦攪拌溶接装置、および摩擦攪拌溶接方法を図示し、説明する。溶接シームの特性をより良く設定することができる摩擦攪拌溶接装置および方法を提供するという目的は、溶加材を溶接シームに導入する送り装置が存在するという事実により、達成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピン（３）と第１の摩擦面セグメント（４）とを持ち、ピン（３）と第１の摩擦面セグメント（４）は回転軸（６）を中心に回転駆動され、第１の摩擦面セグメント（４）は加工物（２）に載る第１の摩擦面（５）を持つ、摩擦攪拌溶接装置であって、溶加材を可塑化区域に導入する送り装置があることを特徴とする摩擦攪拌溶接装置。
【請求項２】
送り装置は外通路（７）として構成され、外通路（７）は第１の摩擦面セグメント（４）の、ピン（３）と平行に延びた外面に隣接して配置された出口開口（８）を持つことを特徴とする請求項１の摩擦攪拌溶接装置。
【請求項３】
送り装置はピン（３）内の中央通路として形成され、中央通路は出口開口を持ち、出口開口は第１の摩擦面（５）を越えて突出しているピン（３）の部分に配置されていることを特徴とする請求項１または２の摩擦攪拌溶接装置。
【請求項４】
中央通路は、ピン（３）が延びている方向において回転軸（６）に平行に延在する第１の部分（１０）と、第１の部分（２）の末端からピン（３）の周面まで延びている端部（１１、１１’）を有していることを特徴とする請求項３の摩擦攪拌溶接装置。
【請求項５】
送り装置は、第１の摩擦面セグメント（４）に設けられた出口開口を持つ摩擦面通路（１２）として構成され、出口開口は第１の摩擦面（５）に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの摩擦攪拌溶接装置。
【請求項６】
送り装置は、回転軸（６）の方向の、第１の摩擦面セグメント（４）に隣接する内隙間により形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの摩擦攪拌溶接装置。
【請求項７】
第１の外セグメント（１５）があり、第１の外セグメント（１５）は第１の摩擦面セグメント（４）を囲んでおり、送り装置は第１の摩擦面セグメント（４）と第１の外セグメント（１５）との間に形成された外隙間により形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの摩擦攪拌溶接装置。
【請求項８】
第１の加工物（２）が設けられ、第１の加工物の区域が回転軸（６）を中心に回転するピン（３）により可塑化される摩擦攪拌溶接方法であって、溶加材が可塑化区域に導入されることを特徴とする摩擦攪拌溶接方法。
【請求項９】
第２の加工物が設けられ、第２の加工物は接合面に沿って第１の加工物に当てられ、接合面に沿って延びる第１の加工物および／または第２の加工物の区域が可塑化されることを特徴とする請求項８の摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１０】
溶加材が可塑化区域の内部に導入されることを特徴とする請求項８および９のいずれかの摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１１】
溶加材はピン（３）内の中央通路を通されることを特徴とする請求項１０の摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１２】
溶加材は可塑化区域の表面に適用されることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかの摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１３】
少なくとも部分的に加工物に載る摩擦面（５）を持つ摩擦面セグメント（４）は回転軸（６）を中心に回転され、溶加材は摩擦面（５）に直面する加工物（２）の表面に適用されることを特徴とする請求項１２の摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１４】
ピン（３）は、回転軸（６）が加工物（２）の表面に対する直角に対して角度をなして通っているように、第１および第２の加工物に対し案内されていることを特徴とする請求項１３の摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１５】
溶加材は摩擦面セグメント（４）を貫通している摩擦面通路（１２）を通されることを特徴とする請求項１３または１４の摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１６】
溶加材は摩擦面セグメント（４）に隣接する隙間を通されることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれかの摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１７】
溶加材は、摩擦面セグメント（４）と摩擦面セグメント（４）を囲む外セグメント（１５）との間の隙間を通されることを特徴とする請求項１６の摩擦攪拌溶接方法。
【請求項１８】
溶加材は銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛および酸化アルミニウムからなる群から選ばれた材料であることを特徴とする請求項８乃至１７のいずれかの摩擦攪拌溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピンと第１の摩擦面セグメントとを備えた摩擦攪拌溶接装置であって、前記ピンと第１の摩擦面セグメントは回転軸を中心に回転駆動され、前記第１の摩擦面セグメントは加工物上に載る第１の摩擦面を有する摩擦攪拌溶接装置、及び摩擦攪拌溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
摩擦溶接の原理は長年、従来技術から知られており、２つの加工物同士を接触線に沿って互いに押し付けながら、これらの加工物間の相対運動を行うことである。摩擦は、接触線に沿って可塑化された帯域を発生させるので、相対運動が停止すると、可塑化帯域は固化でき、加工物同士は互いに接合される。この手法は、特にアルミニウムやその合金を溶接する際に有利である。従来の溶接手法では、これらの材料は大気中の酸素と結合して、充分な強度の溶接シーム（溶接接合部）の形成を妨げる酸化物を形成する恐れがある。対照的に、この酸化物形成の破壊的作用は摩擦溶接時には起こらない。
【０００３】
しかしながら、摩擦溶接の１つの欠点として、接合対象である加工物同士の間に相対運動が必要とされる。このため特に、大きな加工物同士を接合する場合に問題が起こる。すなわち、加工物同士全体を保持し、互いに対し移動させなければならない装置と取付具が要求される、という問題である。この問題を回避するため、摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）への動きがあった。互いに隣接し、互いに溶接されるべき加工物同士の間の継ぎ目にピンを導入し、次にこのピンを回転させることは、特許文献１から知られており、このピンは加工物の材料より高い硬度と高い融点を持つものである。ピンの回転中に、加工物同士が互いに押し付けられので、ピンと加工物同士との摩擦が両加工物の縁部を可塑化させる。ピンを継ぎ目に沿って前方へ移動させると、可塑化された材料は再び固化する。このようにして、溶接シームを作ることが可能である。
【０００４】
継ぎ目の表面に近い領域においても充分な摩擦を達成するには、ピンの上方および／または下方に肩部を設けることが有利であることが証明されている。この肩部は、接合対象の加工物同士の表面に載せられ、ピンと共に材料に対し擦りつけられるものである。そのためには、肩部が加工物同士の上側と下側に別個に押し付けられる力を制御して、継ぎ目の断面部に熱を最適に分布させることが、特許文献２から知られている。
【０００５】
同様に、特許文献３は、上肩部および下肩部が加工物の表面に押し付けられる圧力と、加工物に対する肩部の位置を制御することを開示している。さらに、下肩部は離脱可能にピンに接続されているので、下肩部は容易に離脱でき、そのため、加工物同士が基部に載っている状況でも本装置は使用できる。
【０００６】
もう一つの問題は、溶接シームの特性が温度分布と、ピン、肩部および加工物の間の摩擦により引き起こされる物質移動により決定されるということである。したがって、溶接シームの特性は、ピンと肩部の回転速度、およびピンが継ぎ目に沿って直線移動される速度を変えることによってのみ影響を受ける可能性があるので、この特性に影響を及ぼすという目的が達成できるのには限度がある。
【０００７】
しかしながら、ある状況では、摩擦により導入されるエネルギーのパラメータを変更することが必要であるだけでなく、溶接シームの特性を改善するためには、溶接シームの領域における化学量論に影響を与えることも必要であろう。
【特許文献１】国際公開第９３／１０９３５号パンフレット
【特許文献２】米国特許第６１９９７４５号明細書
【特許文献３】米国特許第６７５８３８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明は、溶接シームの特性をより良く設定するのに使用できる摩擦攪拌溶接装置および方法を提供するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
装置については、この目的は、溶加材を溶接シームに導入する送り装置が存在するという事実により、達成される。
【００１０】
送り装置は、溶接シームの特性に影響を及ぼす溶加材の所望の導入を可能にし、その結果、一時的に可塑化された区域の機械的特性が改善できる。特に、引張強さ、一時的に可塑化された区域におけるその後の溶接性、耐食性、破壊強度を局部的に変えることができる。こういうわけで、この影響を及ぼすことが局部的に限られているのは、特に有益である。したがって、本発明に係る装置は、二つの加工物を接合するのに使用できるだけでなく、限られた部分を規定されたように変更する場合にも用いることができる。
【００１１】
アルミニウムまたはその合金から作られた加工物同士の摩擦攪拌溶接の場合、溶加材は特に、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛または酸化アルミニウムでよい。この場合、銅は、溶接シームの領域における引張強度を増大させるという利点がある。マンガンは、延性の喪失を招かずに強度を増大させる。ケイ素を溶接シームの領域に導入すると、溶接シームを形成する材料の融点を低下させる。溶加材としてのマグネシウムは、接合される加工物同士のアルミニウムに比べ、溶接シームの材料の強度と耐食性を増大させる利点と関連する。亜鉛とマグネシウムも引張強さを向上させる。最後に、溶加材としての酸化アルミニウムは、表面硬さと耐磨耗性の向上と、強度の増大をもたらす。
【００１２】
好適な実施形態において、送り装置は、第１の摩擦面セグメントの外面（ピンに平行に延びている）に隣接して配置された出口開口を持つ外通路として構成されている。このため、溶加材が、構造上の大きな出費を伴わずに、単純な方法で可塑化区域に供給できる。
【００１３】
他の好適な実施形態では、溶加材は、ピン内部の中央通路として形成された送り装置により可塑化区域の内部に導入され、前記中央通路は出口開口を持ち、出口開口は第１の摩擦面を越えて突出しているピンの部分に配置されている。このように、溶接シームの内部特性に故意に影響を与えることができる。この場合、導入される溶加材は、ピンからさらに可塑化区域内部に拡散できる。
【００１４】
ここで、中央通路が、ピンが延びている方向において回転軸に平行に延在する第１の部分と、第１の部分の末端からピンの周面まで延びている端部を有していると、特に好ましい。ピンの回転軸と一致している中央通路は、技術的に複雑な貫通孔を設ける必要がないことを意味する。
【００１５】
これとは別に、またはこれに加え、溶加材は可塑化区域の表面にも適用できるので、特に、溶接シームにおいて表面近傍の部分の組成が変更できる。この目的のため、好適な実施形態において、送り装置は、第１の摩擦面セグメントに設けられ、第１の摩擦面に配置された出口開口を持つ摩擦面通路として構成されている。これに関連して、表面に適用された後の溶加材は、可塑化区域上を移動する第１の摩擦面セグメントにより分布されるという利点がある。
【００１６】
さらに、送り装置は、第１の摩擦面セグメントに隣接し回転軸に向かう内隙間により形成されることが好ましい。この場合、溶加材用の貫通孔は必要ない。送り装置が、第１の摩擦面セグメントと第１の外セグメントとの間に形成された外隙間により形成されていても、同様の利点が得られる。
【００１７】
さらに、上記の目的は、第１の加工物が設けられ、第１の加工物の区域が回転軸を中心に回転するピンにより可塑化され、溶加材が可塑化区域に導入される、摩擦攪拌溶接方法により達成される。
【００１８】
上述の装置に関連して既に述べた利点は、この方法にも等しく当てはまる。したがって、本発明に係る方法は所望の仕方で加工物の材料特性に局部的に影響を与えるために用いることができ、この方法は二つの加工物の接合には限られない。
【００１９】
本発明に係る方法の好適な実施形態においては、第２の加工物が設けられ、第２の加工物が接合面に沿って第１の加工物に当たって置かれ、接合面に沿って延びる第１の加工物および／または第２の加工物の区域が可塑化される。このようにして、本発明に係る方法は二つの加工物同士を溶接するのに使用でき、溶接シームの材料特性は溶加材の添加により所望の仕方で影響を受けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明を図面に基づき説明するが、この図面は好ましい例示の実施形態を図示しただけである：
【００２１】
図１は、本発明に係る摩擦攪拌溶接装置１Ａの第１の例示的実施形態を示す。装置１Ａは継ぎ目に沿って導かれ、二つの加工物２は継ぎ目に沿って互いに当たっている。しかしながら、装置１Ａは二つの加工物を接合するのに用いられることに制限されず、加工物２の限られた区域の材料特性を変更するのに使用することもできる。
【００２２】
装置１Ａはピン３と第１の摩擦面セグメント４からなり、第１の摩擦面セグメント４は第１の摩擦面５を持ち、第１の摩擦面５は加工物２の表面に載っている。第１の摩擦面セグメント４とピン３は、共通の回転軸６を中心に回転駆動される。装置１Ａも溶加材の送り装置からなり、本例示的実施形態においては、送り装置は外通路７として形成され、外通路７は摩擦面要素４の外面９（ピン３と平行）に隣接して配置された出口開口８を持っている。
【００２３】
外通路７は溶加材を加工物２の表面と第１の摩擦面５との間に導入するのに用いることができるので、ピン３と第１の摩擦面５が回転軸６を中心に回転することにより形成される溶接シームに溶加材が導入され、摩擦により加工物２の区域がまず可塑化され、この加工物２の区域が次に再び固化する。アルミニウムまたはその合金から作られた加工物２の摩擦攪拌溶接の場合には、溶加材は特に銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛または酸化アルミニウムでよい。
【００２４】
装置１Ａは、以下のような仕方で使用することもできる：第２の加工物（図示せず）が設けられ；第２の加工物が接合面に沿って第１の加工物２に当てて置かれ；この接合面に沿って延びる第１の加工物２および／または第２の加工物の区域が、接合面に沿って移動する回転中のピン３により可塑化される。この方法の実施中、加工物同士は互いに押し付けられるので、一時的に可塑化された区域の固化により溶接シームが形成され、溶接シームの材料特性は溶加材の添加により所望の仕方で影響を受けることができる。
【００２５】
図２は、本発明に係る装置の第２の例示的実施形態を示す。この装置１Ｂも、ピン３と第１の摩擦面セグメント４からなり、第１の摩擦面セグメント４は、加工物２上に載る第１の摩擦面５を持つ。この場合、第１の摩擦面セグメント４は円形リングの形状で構成され、ピン３を囲んでいる。ピン３と第１の摩擦面セグメント４は、共通の回転軸６を中心に回転駆動される。この点で好ましいこの例示的実施形態において、送り装置は、一方ではピン３の内部に通った中央通路として形成され、ピン３が延びている方向において回転軸６と平行に延設された第１の部分１０と、第１の部分１０の末端からピン３の周面まで延びた端部１１、１１’とを含んでいる。したがって、出口開口は、第１の摩擦面５を越えて突出したピン３の部分に配置されている。
【００２６】
さらに、送り装置は摩擦面通路１２からなり、摩擦面通路１２は摩擦面セグメント４に設けられ、摩擦面通路１２の出口開口は第１の摩擦面５に配置される。溶加材は、ピン３の周面に終わる端部１１、１１’を持つ中央通路を介してピン３により可塑化された加工物２の領域の内部に導入できる。あるいは、摩擦面通路１２を通して表面近傍の溶接シームの領域に導入できる。後者の場合、表面での溶加材の分布は、第１の摩擦面５の回転運動により補助される。
【００２７】
外通路７または中央通路または摩擦面通路１２を設ける可能性に加えて、本発明によると、溶加材を第１の摩擦面セグメント４に隣接する隙間を通して回転軸６の方へ供給することもできる。これは特に、第１の摩擦面セグメント４とピン３との隙間に関している。あるいは、第１の摩擦面セグメント４を囲む第１の外セグメント（図示せず）を設けることも可能であり、第１の摩擦面セグメント４と第１の外セグメントとの間に形成された外隙間を通して溶加材が導入されることも可能である。
【００２８】
二つの加工物２は接合面に沿って互いに接合できる。この際、接合面に隣接して配置された第１の加工物２および／または第２の加工物の区域が、回転軸６を中心に回転するピンにより可塑化されるようにして接合される。この場合、一方では、接合面が二つの加工物が互いに接触している継ぎ目に沿って延びていることが考えられる。この場合、回転軸６を中心に回転しているピン３と摩擦面セグメント４を持つ装置１Ａまたは１Ｂが接合面に沿って移動され、二つの加工物２における接合面に隣接する区域を可塑化する。装置１Ａまたは１Ｂが接合面に沿って移動するので、溶加材が可塑化区域に導入される。これは、図１に図示した第１の例示的実施形態では、外通路７を通して行われ、第１の摩擦面セグメント４の外周に配置された出口開口８を通して可塑化区域の表面に溶加材が適用される。
【００２９】
図１に示したように、ピン３は、回転軸６が加工物２の表面に対する直角に対して角度をつけて通っているように、第１および第２の加工物２に対し案内されているのが好ましい。したがって、ピン３は、第１の摩擦面５が両方の加工物２上に完全には載っていないように角度をつけて案内されている。このように、溶加材は第１の摩擦面５の下に導入できるので、可塑化区域の表面上に良好に分布させることができる。
【００３０】
図２に示したような第２の例示的実施形態に係る装置１Ｂを用いると、溶加材が一方では、第１の部分１０と端部１１、１１’を持つ中央通路を通して供給されることにより可塑化区域の内部に導入できる。他方、溶加材は摩擦面通路１２に通されることにより可塑化区域の表面にも適用できる。このように、表面に適用された溶加材と異なる溶加材が溶接シームの内部に導入されることが考えられる。
【００３１】
したがって、本発明に係る装置１Ａ、１Ｂは加工物２の限られた区域の材料特性または溶接シームの材料特性が所望の仕方で変更または影響を受けるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】は本発明に係る摩擦攪拌溶接装置の第１の実施形態を示し、
【図２】は本発明に係る摩擦攪拌溶接装置の第２の実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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