(57)【要約】【課題】クランプ装置を有し、様々な工作機械間で簡単かつ容易に交換することのできる摩擦溶接工具を提供する【解決手段】自己クランプ式摩擦溶接工具１は、クランプ装置５が、ピン３の長手方向軸７周りに自由に回転でき、かつピンが長手方向軸の方向に動くことを防ぐような方法で、ピンに保持されているカウンターベアリング２１を有すること、クランプ装置は、ピンを包囲し、係合端部１１に対向するカウンターベアリングの側に配置され、およびワークピース構成を圧迫するために設けられている支持面３３を有する押さえ要素２７を有していること、押さえ要素とカウンターベアリングとの間にばね要素３７が設けられること、およびピンは、その結合端部９に、工作機械の回転出力軸に解放可能に回転固定結合するための結合部分１３を有していることで実現される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合端部（９）と、結合端部（９）の反対側に位置する係合端部（１１）とを有し、その長手方向軸（７）周りの回転動作を実行するために設けられ、前記長手方向軸は、結合端部（９）と係合端部（１１）との間に伸びており、同時に、その係合端部（１１）によって、ワークピース構成の表面に係合するために設けられているピン（３）を有すると共に、前記ピン（３）を包囲し、ピン（３）の長手方向軸（７）に沿って動くことができ、前記ワークピース構成の表面に圧力を加えるために設けられているクランプ装置（５）を有する、摩擦溶接工具（１）であって、
前記クランプ装置（５）が、ピン（３）の長手方向軸（７）周りに自由に回転でき、かつピン（３）が長手方向軸（７）の方向に動くことを防ぐような方法で、結合端部（９）と係合端部（１１）との間でピン（３）に保持されるカウンターベアリング（２１）を有すると共に、
前記クランプ装置（５）は、ピン（３）を包囲し、係合端部（１１）に対向するカウンターベアリング（２１）の側に配置され、前記ワークピース構成を圧迫するために設けられている支持面（３３）を有する押さえ要素（２７）を有し、
前記押さえ要素（２７）とカウンターベアリング（２１）との間にばね要素（３７）が設けられ、それによって押さえ要素（２７）が、ピン（３）の長手方向軸（７）に沿って弾性的に滑動可能であるようにピン（３）に取り付けられると共に、
前記ピン（３）は、その結合端部（９）に、工作機械の回転出力軸に解放可能に回転固定結合するための結合部分（１３）を有している、
ことを特徴とする摩擦溶接工具。
【請求項２】
前記係合端部（１１）は、長手方向軸（７）に直角に伸びる摩擦面（１７）を有することを特徴とする請求項１に記載の摩擦溶接工具。
【請求項３】
前記係合端部（１１）は、長手方向軸（７）の方向に伸びる摩擦ピン（４７）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦溶接工具。
【請求項４】
前記係合端部（１１）が長手方向軸（７）の方向に伸びる穴（４５）を有し、前記摩擦ピン（４７）が穴（４５）に滑動可能な方法で収容されることを特徴とする請求項３に記載の摩擦溶接工具。
【請求項５】
前記ピン（３）が、長手方向軸（７）に直角に伸び、穴（４５）に対して開いており、取付けねじ（５１）がそのねじ穴にねじ込まれるねじ穴（４９）を有することを特徴とする請求項４に記載の摩擦溶接工具。
【請求項６】
前記ピン（３）が、長手方向軸（７）の方向に伸び、結合端部（９）を起点とし、穴（４５）に対して開いており、その中に調節ねじ（５３）がねじ込まれるねじ付き調節穴（５５）を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の摩擦溶接工具。
【請求項７】
前記ばね要素（３７）は、らせんばね（３９）としてデザインされることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の摩擦溶接工具。
【請求項８】
前記ばね要素（３７）は、その長手方向軸（７）の方向における寸法が可変である環状の容積（５７）を有し、該容積（５７）は、制御可能な圧力源（６３）に流体的に連通していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の摩擦溶接工具。
【請求項９】
前記ピン（３）は、半径方向包囲突出部を有し、カウンターベアリング（２１）は、半径方向包囲凹部（２９）を備えるベアリングハウジング（２５）を有し、凹部（２９）は、ピン（３）がその長手方向軸（７）周りにカウンターベアリング（２１）に対して自由回転運動が可能であり、かつピン（３）のその長手方向軸（７）に沿うカウンターベアリング（２１）に対する軸方向運動が防止されるように、ピン（３）の突出部（１９）に係合することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の摩擦溶接工具。
【請求項１０】
前記ばね要素（３７）は、押さえ要素（２７）とベアリングハウジング（２５）との間に設けられ、カウンターベアリング（２１）は、押さえ要素（２７）が、ベアリングハウジング（２５）に対して、ピン（３）の長手方向軸（７）に沿って案内されるような方法で滑動可能であるように、押さえ要素（２７）に係合する線形ガイド（３５）を有することを特徴とする請求項９に記載の摩擦溶接工具。
【請求項１１】
前記ベアリング要素（３１）は、ピン（３）の突出部（１９）とベアリングハウジング（２５）との間に設けられることを特徴とする請求項９又は１０に記載の摩擦溶接工具。
【請求項１２】
前記押さえ要素（２７）の支持面（３３）は、可塑化した材料を受け容れるために、ピン（３）の長手方向軸（７）周りに同軸に配置される凹部（４１）を有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。
【請求項１３】
ストリッパー要素（４３）、好ましくは、セラミック要素が、ピン（３）と押さえ要素（２７）との間に配置され、ピン（３）の長手方向軸（７）に直角な平面に関して明確な係合状態でピン（３）に載っていることを特徴とする請求項１乃至１２の一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。
【請求項１４】
前記ばね要素（３７）の弛緩状態において、ピン（３）は、係合端部（１１）が支持面（３３）その中に位置する平面に対して結合端部（９）の方向にずらされて配置されるように、クランプ装置（５）に対して配置されることを特徴とする請求項１乃至１３の一項に記載の摩擦攪拌溶接工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結合端部と、該結合端部の反対側に位置する係合端部とを有し、およびその長手方向軸周りの回転動作を実行するために設けられ、前記長手方向軸は、該結合端部と該係合端部との間に伸びており、および同時に、その係合端部によって、ワークピース構成の表面に係合するために設けられているピンを有し、かつ該ピンを包囲し、該ピンの長手方向軸に沿って動くことができ、および該ワークピース構成の表面に圧力を加えるために設けられているクランプ装置を有する自己クランプ式摩擦溶接工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、摩擦溶接は、互いに密接する２つのワークピースを互いに対して動かすことを伴い、生じる摩擦は、その摩擦ゾーン内で、該ワークピースの物質の加熱および可塑化をもたらす。それら２つのワークピースが、互いに接触して置かれ、または互いに押し付けられると、それら２つのワークピースの可塑化した物質は、その接触領域において結合する。摩擦溶接の特有の利点のうちの１つは、多数の異なる物質を一緒に接合できること、およびその溶接プロセスの影響を受ける該ワークピースの領域が比較的小さく、および比較的低い温度にさらされるということである。
【０００３】
摩擦溶接プロセスの改良は、この基本的原理を根幹として進展してきた。例えば、摩擦攪拌溶接においては、２つのワークピース間の支持面に沿って、または該支持面近傍で接合される該２つのワークピースの物質を通過する耐摩耗性の回転工具によって摩擦エネルギが生じ、その結果、該物質は、該工具の作動経路に沿って、または該作動経路の近傍で可塑化され、このことも同様に、この領域での該２つのワークピースの接合を可能にする。
【０００４】
従来技術、例えば、特許文献１は、その長手方向軸周りに自転して駆動されるピンを有し、および結合端部と、該結合端部の反対側に位置する係合端部とを有する摩擦溶接装置を開示しており、この場合、該結合端部は、該摩擦溶接装置の出力に堅く接続されており、また、該係合端部は、互いに接触して置かれた２つのワークピースの表面に係合するために、かつ前記ワークピースの物質を貫通するために設けられている。この公報はさらに、該摩擦溶接装置にクランプ装置を設けることを開示しており、前記装置は、該ピンを包囲し、および該ワークピースに圧力をかけるための、該摩擦溶接装置の長手方向軸に沿った該ピンに対する動きが可能である。該クランプ装置は、該摩擦溶接装置のマシンフレームに取り付けられており、それによって該ピンとは無関係に動くことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０１／２８７３２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来技術によるこの種の摩擦溶接装置に伴う欠点は、少なくとも該クランプ装置は、その工作機械の固定部分であり、および該工作機械から取外すことができないため、他の用途、例えば、穿孔またはフライス加工するための工作機械として使用することができないということである。しかし一方では、ワークピースが溶接プロセス中に互いに対して違ったふうに動く可能性があり、または、望ましくないギャップを形成する可能性があるため、クランプ装置が欠かせない。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、従来技術を根幹として、クランプ装置を有し、および回転駆動出力装置、例えば、出力軸を有する工作機械に結合することができ、および多くの工作機械間で簡単かつ容易に交換することのできる摩擦溶接工具を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、該クランプ装置が、該ピンの長手方向軸周りに自由に回転でき、かつ該ピンが該長手方向軸の方向に動くことを防ぐような方法で、該結合端部と該係合端部との間で該ピンに保持されているカウンターベアリングを有すること、該クランプ装置が、該ピンを包囲し、該係合端部に対向する該カウンターベアリングの側に配置され、および該ワークピース構成を圧迫するために設けられている支持面を有する押さえ要素を有していること、該押さえ要素と該カウンターベアリングとの間にばね要素が設けられ、それによって該押さえ要素が、該ピンの長手方向軸に沿って弾性的に滑動可能であるように該ピンに取り付けられること、および該ピンがその結合端部に、工作機械の回転出力軸に解放可能に回転固定結合するための結合部分を有することで実現される。
【０００９】
これに関連して、本発明に関する意味でのばね要素は、一般的に、該長手方向軸の方向における変形とは逆の力を作用させる弾性的に変形可能な要素を意味することを理解すべきであり、この場合、その変形と該力の関係は、必ずしも線形である必要はない。したがって、該ばね要素は、必ずしもコイルばね等としてデザインする必要はない。
【００１０】
接合部の形成のための該摩擦溶接工具の稼働中に、該ピンの結合端部は、従来の穿孔またはフライス加工機械のチャックに、または、従来のロボットの出力軸のチャックにクランプされる。そして、それぞれの出力軸または出力機構は、該押さえ要素の支持面がまず、接合すべきワークピースのワークピース構成の表面に載るように移動される。
【００１１】
次いで、該ピンは、回転させられて、該ワークピース構成の表面に向かって移動され、それによって、該カウンターベアリングと該押さえ要素との間に配置された該ばね要素に事前に負荷をかける。該ばね要素に対する事前負荷力もまた、該押さえ要素を介して、該ワークピース構成の表面に伝達され、それによって、該ワークピース構成の個々のワークピースを一緒にクランプし、および該ピンが該表面に向かってさらに移動して、該ピンが遂に該ワークピースに係合したときに、それらのワークピースが滑るのを防ぐ。
【００１２】
本発明によれば、「該ワークピース構成の表面に係合する」という言い回しは、該ワークピースの表面での該ピンの摩擦と、該ワークピースの表面下での該ワークピースの物質への該ピンの貫通の両方を意味することを理解されたい。
【００１３】
また、本発明に関する意味での「ワークピース構成」という言い回しは、１つ以上のワークピースを意味することを理解されたい。これに関連して、とりわけ１つの可能性は、該摩擦溶接工具の該ピンが、最も上のワークピースの表面に接触して擦られている状態で、２つのワークピースが部分的に重なり、該ピンに対向し、または、該表面を貫通し、およびそれによって、下にある該ワークピースの領域を少なくとも部分的に可塑化するように、該２つのワークピースが互いに接触して置かれることである。この場合、該押さえ要素の支持面は、１つのワークピースのみに載る。しかし、「ワークピース構成」という言い回しは、突合せ継ぎ手を形成するように、および該摩擦溶接工具の該ピンが、該ワークピースの物質中で、該２つのワークピースのこの接触面と平行に移動され、または、該ワークピースの表面に接触して擦り、それによって該２つのワークピースの該接触面に沿って、該ワークピースの領域を可塑化するように、それらのワークピースが互いに接触して置かれる状況も含む。ここで、それによって該押さえ要素の支持面が同時に複数のワークピースの上に載る。
【００１４】
本発明による摩擦溶接工具は、スポット溶接による接合部、すなわち、不連続な箇所における接合部を形成するのに適している。例えば、その要件は、溶接プロセスを迅速化するために、または、熱の影響を受けるゾーンを最小限にするため、スポット溶接によってのみ２つのワークピースを接合することとすることができる。
【００１５】
該ピンの結合部分において、本発明による摩擦溶接工具は、マシニングセンタ、ボール盤またはフライス盤、および手工具も含む様々な工作機械のいずれにも接続することができる。したがって、ハンドドリルまたはルータマシンのチャックに該工具が固定されることが想定される。それらの可能性は、該クランプ装置が、該ピンに直接保持されることによって広がる。
【００１６】
好適な実施形態において、該係合端部は、該ピンの長手方向軸に対して直角に拡がる摩擦面を有する。この摩擦面は、例えば、「自己クランプハイブリッド摩擦拡散接合」（Ｓｅｌｆ  Ｃｌａｍｐｉｎｇ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｂｏｎｄｉｎｇ：ＳＣＨＦＤＢ）を用いる場合に、該ワークピース構成の表面に回転摩擦を及ぼすために設けられる。この場合、該摩擦面は、好ましくは、より効果的な摩擦作用を可能にする、すなわち、該ワークピース構成の材料の可塑化を速める構造を有する。
【００１７】
別の好適な実施形態においては、該ピンの係合端部は、その長手方向軸の方向に伸びる摩擦ピンを有し、そのピンは、ワークピースの表面を貫通することができる。ここでは、該ピンの係合端部が、該長手方向軸の方向に伸びる穴を有し、および該摩擦ピンは、該穴に滑動可能な方法で収容されて、該摩擦ピンが、該ピンの係合端部を越えて突出する長さを調節すること、すなわち、該摩擦ピンが、該ワークピース構成の表面を貫通する深さを調節することが可能であることが特に好適である。
【００１８】
さらに、該ピンが、該長手方向軸に直角に伸び、および該穴に対して開いているねじ穴を有し、取付けねじがそのねじ穴にねじ込まれ、そのねじ穴を用いて、該ピンに対する該摩擦ピンの角度位置を固定することができることが特に好適である。別の好適なオプションは、該ピンが、該長手方向軸の方向に伸び、該結合端部を起点とし、該穴に対して開いており、その中に調節ねじがねじ込まれるねじ付き調節穴を有するものである。その結果、該調節ねじは、該摩擦ピンが、該ワークピース構成の表面を貫通する量を設定する際の調節ストップとして機能する。
【００１９】
好適な実施形態において、該ピンの係合端部に設けられている該摩擦ピンは、摩擦攪拌溶接プロセス、例えば、「自己クランプ摩擦攪拌スポット溶接（Ｓｅｌｆ  Ｃｌａｍｐｉｎｇ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｓｐｏｔ  Ｗｅｌｄｉｎｇ：ＳＣＦＳＳＷ）」を実行するとともに、該ワークピースの周囲の材料を、その回転によって可塑化する際に、該ワークピース構成の下の、該ワークピースまたは複数のワークピースの材料を貫通するのに適している。該摩擦ピンは、その周方向面に沿って、より効果的な摩擦作用を可能にする、すなわち、該ワークピースの材料の可塑化を速める構造化表面を有することができる。ここでは、該穴内の該摩擦ピンの位置は、好ましくは、上述した調節ねじを用いて調節することができ、および該取付けねじによって固定することができる。この場合、該摩擦ピンは、該ピンの係合端部を越えて突出し、および該摩擦ピンが該ワークピースの材料を貫通する程度まで該穴から突出する。一旦、この最大貫通深さに達すると、該ピンの係合端部は、該ワークピース構成の表面にぶつかって、それ以上の貫通が阻止される。
【００２０】
好適な実施形態において、該ばね要素は、らせんばねとしてデザインされており、この場合、該押さえ要素によって該ワークピース構成に及ぼされる接触圧力は、該ばねの寸法設計によって規定することができる。しかし、該ばね要素は、弾性材料からなるリングとしてデザインされることも考えられる。該らせんばね、および該弾性材料からなるリングはともに、該ピンの周りに配置することができ、すなわち、該ピンは、該らせんばねおよび該リングによって囲まれたキャビティ内を通る。該らせんばねは、実質的に線形の弾性特性を有している、すなわち、その変形に関して一定のばね剛性を有しており、一方、該弾性材料からなるリングのばね剛性は、一定にすることができるが、該リングの変形の増大に伴って変化することも可能である。
【００２１】
別の好適な実施形態において、該ばね要素は、その長手方向軸の方向における寸法が可変であり、および流体が充填されている環状の容積を有しており、この場合、その容積は、制御可能な圧力源に流体的に連通している。したがって、該ばね要素またはその剛性は、制御可能な油圧、空気圧または油空圧ポンプによって規定され、この場合、流体圧力、すなわち、該ばね要素内の液体圧および／またはガス圧は、特定の入力に応動する該ポンプによって設定される。例えば、該剛性は小さくすることができ、すなわち、該クランプ装置によって該ワークピースにかけられる圧力を、例えば、個々のワークピース間のせん断力に適合させるために、該摩擦ピンが該材料内を貫通すればするほど、該ピンにかかるトルクが小さくなる。このようにして、該ワークピースの互いに対する滑りを該溶接プロセスの全ての段階で防止することができる。
【００２２】
好適な実施形態において、該ピンは、半径方向包囲突出部を有し、また、該カウンターベアリングは、半径方向包囲凹部を備えるベアリングハウジングを有し、該凹部は、該ピンのその長手方向軸周りの該カウンターベアリングに対する自由回転運動が可能であり、および該ピンのその長手方向軸周りの該カウンターベアリングに対する軸方向運動が防止されるように、該ピンの該突出部に係合する。ここでは、該ばね要素が該押さえ要素と該ベアリングハウジングとの間に設けられ、および該カウンターベアリングは、該押さえ要素が該カウンターベアリングに対して該ピンの長手方向軸に沿って案内されるような方法で滑動可能であるように、該押さえ要素に係合する線形ガイドを有することが特に好適である。
【００２３】
さらに、該ベアリング要素が該ピンの該突出部と該ベアリングハウジングとの間に設けられて、該ピンと該ベアリングハウジングとの間の摩擦が低減されることが特に好適である。
【００２４】
したがって、該ばね要素は、該押さえ要素が該カウンターベアリングに対して該線形ガイドに沿った該ピンの長手方向軸の方向に移動される場合、予め負荷が加えられる。該ピンの突出部と、該ベアリングハウジングとの間の該ベアリング要素は、好ましくは、回転接触部または滑り接触ベアリングとしてデザインされる。これらは、該カウンターベアリングに対する該ピンのその長手方向軸周りの動作を容易にし、また安定化し、および該カウンターベアリングに対する該ピンのその長手方向軸に沿った位置を決める。
【００２５】
好ましくは、該ピンおよび該クランプ装置の両方、すなわち、該カウンターベアリングおよび該押さえ要素は、該ピンの長手方向軸に対して実質的に回転可能な対称断面を有している。該ピン、該ばね要素、該押さえ要素および該カウンターベアリングは、該ばね要素が該ピンを同軸に囲み、および該押さえ要素および／または該カウンターベアリングが、該ばね要素を同軸に囲むように、互いに配置されることがさらに好適である。
【００２６】
好適な実施形態において、該押さえ要素の支持面は凹部を有しており、該凹部は、可塑化した材料を受け容れるために、該ピンの長手方向軸周りに同軸に配置される。該ワークピース構成の表面との係合中に、該ピンまたは摩擦ピンによって既に変位されている可塑化された材料は、この材料によって該ワークピース構成の表面から強制的に離すことなく、該押さえ要素をこの凹部に収容することができる。また、このようにして可塑化した材料にスポット溶接による接合部を際立たせる制御された所定の形状が与えられる。
【００２７】
別の好適な実施形態においては、ストリッパー要素、好ましくは、セラミック要素が、該ピンと該押さえ要素との間に配置され、該ピンの長手方向軸に直角な平面に関して明確な係合状態で該ピンに載っている。該ストリッパー要素は、該ピンに付着した可塑化されたワークピース材料を該ピンから剥ぎ取るために、すなわち、該材料を除去し、および必要に応じて、該材料を該押さえ装置の凹部に案内するために設けられている。加えて、該ストリッパー要素は、可塑化された材料が接合プロセス中に該工具の内部へ侵入するのを防ぐシールとしても機能する。
【００２８】
該ばね要素の弛緩状態において、該ピンは、好ましくは、該係合端部が、該支持面がその中に位置する平面に対して該結合端部の方向にずらされて配置されるように、該クランプ装置に対して配置される。このことは、該ピンが該ワークピース構成に係合するために該ワークピース構成の表面に触れたときに、該押さえ要素が該ワークピース構成を固定するために特定の力で既に該ワークピース構成の表面を圧迫していることを確実にする。このずれのサイズは、所要のクランプ力および／またはばね剛性に適合させなければならない。
【発明の効果】
【００２９】
このようにして、摩擦溶接工具が実現され、そのクランプ装置は、該ピンのみに保持され、および弾性的に支持され、それによって、該ピンおよび該クランプ装置は、様々な工作機械に接続できるようになり、または、該ピンの結合部分を工作機械の出力軸に簡単に結合することにより、共通システムとして、様々な工作機械によって作動させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による摩擦溶接工具の第１の実施形態のピンの長手方向軸に沿った断面図を示す。
【図２】図１の実施形態の側面図を示す。
【図３】該ピンの長手方向軸の方向における図１の実施形態の平面図を示す。
【図４】図１の実施形態の斜視図を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態の該ピンの長手方向軸に沿った断面図を示す。
【図６】本発明の第３の実施形態の該ピンの長手方向軸に沿った断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
好適な実施形態例のみを示す図面に基づいて、本発明を以下に説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１〜図４は、本発明による摩擦溶接工具１の第１の実施形態を示す。摩擦溶接工具１は、ピン３と、回転運動を可能にするように該ピンに保持されているクランプ装置５を有している。
【００３３】
ピン３は、その長手方向軸７に対して実質的に回転対称であり、および結合端部９と、結合端部９の反対側に位置する係合端部１１を有している。その結合端部９において、ピン３は結合部分１３を有し、該結合部分は、工作機械の回転出力装置、例えば、出力軸に取付けられたチャックに着脱可能に結合するために設けられている。このような工作機械は、例えば、マシニングセンタ、ボール盤、フライス盤または手工具とすることができる。このため、係合凹部１５が、ここで図示されている好適な例示的実施形態の結合部分１３の周方向面に設けられており、前記凹部は、該出力装置、すなわち、例えば、チャックへの回転可能な取付け結合を可能にするように機能する。
【００３４】
ピン３の係合端部１１は、場合によっては、直接上下に、または互いに並んで配置された１つ以上のワークピースからなるワークピース構成（図示せず）の表面に係合するために設けられている。
【００３５】
第１の例示的な実施形態の場合、ピン３はその係合端部１１上の長手方向軸７に直角に位置する摩擦面１７（図１を参照）を有し、前記面は、該ワークピース構成の表面と、少なくとも該ワークピース構成の最上のワークピースの少なくとも部分的に可塑化された下にある材料とを擦るために設けられている。このため、摩擦面１７は、より効果的な摩擦作用を可能する、すなわち、該ワークピース構成の材料の可塑化を強めて加速させる構造、例えば、径方向に伸びる突出部を有していることが好適である。
【００３６】
ピン３はさらに、長手方向軸７に対して半径方向に伸びている包囲突出部１９を有し、前記突出部は、クランプ装置５のカウンターベアリング２１に係合するために設けられている。
【００３７】
クランプ装置５は、上方ディスク２３およびベアリングハウジング２５を有するカウンターベアリング２１に加えて、押さえ要素２７を備えている。
【００３８】
カウンターベアリング２１のベアリングハウジング２５はピン３の長手方向軸７の半径方向に配置された包囲凹部２９を有し、前記凹部はピン３の突出部１９に係合するために設けられ、その結果、クランプ装置５の上方ディスク２３およびベアリングハウジング２５からなるカウンターベアリング２１をピン３の長手方向軸７の周りで該ピン３に対して自由に回転させることができるが、該ベアリングは、その長手方向軸７の方向の動きを防止するように、前記ピンに保持されている。
【００３９】
このため、ベアリング要素３１、好ましくは、回転接触ベアリングまたは滑り接触ベアリングが、ピン３の突出部１９とベアリングハウジング２５との間に設けられている。これらのベアリング要素３１は、ベアリングハウジング２５に対する突出部１９の動き、すなわち、クランプ装置５に対するピン３の回転を容易にし、および安定化させる。カウンターベアリング２１に対するピン３の長手方向軸７の方向での動きは、ベアリングハウジング２５および上方ディスク２３の突出部１９との係合によって阻止され、ベアリング要素３１が、ベアリングハウジング２５に対する突出部１９の遊びを防いでいる。
【００４０】
ピン３の係合端部１１に対向するカウンターベアリング２１の側に配置されている押さえ要素２７は、ワークピース構成に圧力を及ぼすために設けられており、また、ピン３の係合端部１１の方向に面する側には、ワークピース構成の表面を圧迫するために設けられている支持面３３を有している。
【００４１】
カウンターベアリング２１はピン３の長手方向軸７に対して軸方向に位置合わせされた線形ガイドを有し、前記ガイドは、ベアリングハウジング２５および上方ディスク２３に対して移動可能に取り付けられ、および該ピンの長手方向軸７に平行に伸びているガイドピン３５の形態になっており、これらのピンもまた同様に、押さえ要素２７にしっかりと取付けられており、それによって、押さえ要素３５がカウンターベアリング２１またはベアリングハウジング２５および上方ディスク２３に対してピン３の長手方向軸７に沿って案内されるように動けるようになっている（図２を参照）。同時に、ピン３の長手方向軸７の方向ではない押さえ要素２７のいかなる動きも、該線形ガイドを構成するガイドピン３５によって阻止される。
【００４２】
ばね要素３７は、押さえ要素２７と、カウンターベアリング２１またはベアリングハウジング２５との間に配置されており、前記ばねは、押さえ要素２７が線形ガイド４５に沿ってカウンターベアリング２１の方へ動く際に、予め負荷が加えられる。
【００４３】
図に示されているように、クランプ装置５もまた同様に、ピン３の長手方向軸７に対して実質的に回転対称構造であり（図３を参照）、ピン３はばね要素３７によって包囲されており、ばね要素３７は押さえ要素２７および／またはカウンターベアリング２１によって包囲されている（図１）。
【００４４】
押さえ要素２７の支持面３３は、ピン３の長手方向軸７の周りに同軸に環状凹部４１を有しており、該凹部は、ピン３の該ワークピース構成の表面との係合によって跳ね上げられた可塑化した材料を収容し、および該ワークピース構成の表面の係合箇所を際立たせる所定の形状を与えるために設けられている（図４を参照）。
【００４５】
ストリッパー要素４３は、ピン３と押さえ要素２７との間に配置されており、ピン３の長手方向軸７に垂直な平面に関して明確な係合を形成しており、前記ストリッパー要素は、ピン３および押さえ要素２７に支えられており、好ましくは、セラミック材料で形成される。ストリッパー要素４３は、押さえ要素２７がピン３に対して係合端部１１の方へ動いたときに、すなわち、係合端部１１が該ワークピース構成の表面から離れたときに、ピン３の周方向面に付着している可塑化した材料を剥ぎ取るために設けられている。加えて、ストリッパー要素４３は、該接合プロセス中に可塑化された材料が該工具内部へ侵入することを防ぐシールとして機能する。
【００４６】
ばね要素３７の弛緩状態において、ピン３は、支持面３３がその中に拡がっている平面に対して、ピン３の係合端部１１が結合端部９の方向にずれて配置されるように、クランプ装置５に対して配置される。したがって、ばね要素３７の弛緩状態において、係合端部１１および摩擦面１７は、図１を見ても分かるように、支持面３３に対して後退される。
【００４７】
その結果として、ばね要素３７にはすでに予圧がかけられており、すなわち、押さえ要素２７はピン３が該ワークピース構成の表面に係合したときすでに特定のクランプ力で該ワークピース構成の表面を圧迫している。このようにして、ピン３の回転運動によって引き起こされる該ワークピース間のせん断力による該ワークピースの滑りを防ぐことができる。
【００４８】
摩擦溶接工具１は以下のように用いることができる。まず、係合凹部１５が該出力機構の要素に明確に係合する状態で、その結合部分１３によってピン３が工作機械の出力装置に回転可能に取付け接続される。
【００４９】
次に、摩擦溶接工具１は、ピン３の係合端部１１が最初に、係合端部１１と支持面３３との間のずれのために、接合部がその上に形成される該ワークピースの領域上のある距離に配置された状態で、押さえ要素２７の支持面３３が該ワークピース構成の表面を強く圧迫するように、該ワークピース構成に接触して配置される。
【００５０】
該ワークピース構成は、例えば支持体上に載っている、上下に配置された、または重なっている１つ以上のプレート状ワークピースを有することができ、そのため、前記ワークピースは、押さえ要素２７により、最上のワークピースの表面で高まった圧力によって一緒に保持または一緒にクランプされ、それに伴って、容易に滑ることなく、互いに対してそれらの定位置に固定される。
【００５１】
次いで、ピン３は、該工作機械の回転出力装置によって回転させられる。その結果、押さえ要素２７が、その支持面３３によってすでに該ワークピース構成の表面を圧迫して、それによって、この動作に追従しないため、ピン３は、突出部１９がベアリングハウジング２５内で回転する状態で、クランプ装置５に対しても回転する。
【００５２】
そして、該出力装置およびピン３は、ピン３の係合端部１１が、該ワークピース構成の表面に係合するまで、該ワークピース構成の表面の方向に動かされる。この動作の間、カウンターベアリング２１は、押さえ要素２７に対して、および線形ガイドを構成するガイドピン３５によって該押さえ要素の方へ案内され、およびピン３とともに回転しない。該カウンターベアリングと該押さえ要素のこの相対運動の間、ばね要素３７を構成するらせんばね３９は予圧され、およびこの予圧の力は該ワークピース構成の表面に伝達される。
【００５３】
支持面３３がその中に位置している平面に対するピン３の係合端部１１のずれと、らせんばね３９の剛性は、ピン３が、その係合端部１１によって、該ワークピース構成の表面に係合する場合でも、該ワークピース構成に作用する押さえ要素２７からの十分なクランプ力があり、それによって、該ワークピースが互いに滑ることができず、間隙を形成することができないように、適合させるべきである。
【００５４】
ピン３と該ワークピース構成の表面との係合中に跳ね上げられた可塑化した材料は、押さえ要素２７の支持面３３内の凹部４１によって収容することができ、また、該可塑化した材料には、一定の方法で接合箇所を際立たせる所定の形状を与えることができる。一旦該ワークピースの材料が所要の接合部を形成するように十分に可塑化されると、ピン３に付着した可塑化した材料が、ストリッパー要素４３によってピン３から剥ぎ取られて、凹部４１に案内されながら、ピン３は、該ワークピース構成から離れて、その結合端部９の方向に移動される。このプロセスの間、ストリッパー要素４３もシールとして機能する。
【００５５】
本発明の第１の例示的な実施形態に関する上記の説明から明らかなように、本発明による摩擦溶接工具１は、例えば、追加的なクランプ装置を用意することなく、結合端部１１を用いて、従来の工作機械または従来のロボットの出力軸に簡単に取付けることができる。
【実施例２】
【００５６】
図５は、本発明による摩擦溶接工具１’の第２の実施形態を示し、この場合、第１の実施形態と同一の部材には、同じ参照符号が与えられている。
【００５７】
摩擦溶接工具１’の第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に、その長手方向軸７に対して実質的に回転対称であり、および長手方向軸７に対して、半径方向に伸びている突出部１９を有するピン３を有している。突出部１９は、同様に、凹部２９によって、カウンターベアリング２１のベアリングハウジング２５内に嵌合し、その結果、該ピンは、回転できるが、長手方向軸７の軸方向には動くことができず、およびここでもまた、ベアリング要素３１が設けられて、遊びのない回転運動が確実にできるように、カウンターベアリング２１内に保持される。
【００５８】
この例示的な実施形態においても、押さえ要素２７は、長手方向軸７の方向に動けるように、ガイドピン３５によって形成された線形ガイドによって、カウンターベアリング２１に保持され、押さえ要素２７は凹部４１がその中に設けられている支持面３３を有している。さらに、らせんばね３９の形態のばね要素３７が押さえ要素２７とカウンターベアリング２１との間に設けられている。
【００５９】
一方、該ピンは、結合部分１３と、その中に形成された係合凹部１５を有する結合端部９を有し、それによって、結合部分１３を回転駆動される出力機構に取り付けることができるようになっている。結合端部９から遠く離れている係合端部１１には摩擦面１７が設けられているが、この好適な例示的実施形態においては、該係合端部は、ピン３の長手方向軸７と平行な軸方向に伸びる穴４５を有している。摩擦面１７を越えて伸びている摩擦ピン４７は穴４５に収容され、係合端部１１がワークピース構成の表面に係合する場合、前記表面を貫通する。
【００６０】
さらに、ピン３の長手方向軸７に対して半径方向に伸びているねじ穴４９が、突出部１９の領域内において、摩擦溶接工具１’の第２の実施形態のピン３に設けられており、該ねじ穴は、摩擦ピン４７をピン３に対して固く捻って固定するように作用する取付けねじ５１を収容する。
【００６１】
さらに、ねじ式調節穴５３がピン３内に形成されており、該穴は結合端部９から伸びており、また、調節ねじ５５が前記穴に収容されている。調節ねじ５５は摩擦ピン４７のための後方ストップを形成し、それによって、摩擦ピン４７が摩擦面１７を越えて突出する量を設定するために、調節ねじ５５の位置を利用することができる。摩擦ピン４７は、より効果的な摩擦作用を実現して、それによって該材料をより迅速かつより集中的に可塑化するために、その外周に沿って構造化された面を有することができる。
【００６２】
第１の実施形態と同様に、第２の実施形態はピン３を確実に包囲するストリッパー要素４３を有する。
【００６３】
摩擦溶接工具１’の第２の実施形態は第１の実施形態と同様の方法で用いることができ、ただし、唯一の違いは、摩擦ピン４７が該ワークピース構成のワークピースの材料を貫通することであり、それにより、とりわけ、摩擦攪拌溶接プロセスを用いて、該ワークピースおよび／または複数のワークピースの材料がより大きな深さまで可塑化される状態で、突合せ継ぎ手または重なり接合部を形成することが可能である。
【００６４】
しかし、いかなる場合においても、この実施形態にも、摩擦溶接工具１’を簡単な方法で工作機械の出力機構に結合することができ、また、該工作機械に追加的なクランプ装置を設ける必要はないという効果がある。
【実施例３】
【００６５】
最後に、図６は、ばね要素３７のデザインが第２の例示的な実施形態とは異なっているが、他は同様の構造である、本発明による摩擦溶接工具１”の第３の実施形態を示し、したがって、同一の構成要素は同じ参照符号で示されている。
【００６６】
最初の２つの実施形態においては、ばね要素３７はらせんばね３９としてデザインされていたが、本発明による摩擦溶接工具１”の第３の実施形態におけるばね要素３７は、押さえ要素２７が、閉じた環状容積５７を有し、その長手方向軸７の方向における寸法が可変であり、およびその中には、圧力接続フランジ５９を介して流体を導入することができるように構成されている。環状容積５７の長手方向軸７の方向における可変性は、ベアリングハウジング２５上のリング要素６１がその中に部分的に伸びている、押さえ要素２７内の凹部によって容積５７を形成することによって得られ、それによって、環状容積５７は、完全に包囲され、すなわち、押さえ要素２７、リング要素６１、ピン３およびストリッパー要素４３によって閉じられる。
【００６７】
この構成において、環状容積５７は制御可能な圧力源６３に流体的に連通しており、制御可能な方法で該流体を加圧することが可能である。それにより、該環状容積内の流体の圧力によって、押さえ要素２７とカウンターベアリング２１との間に作用するばね力を制御することが可能である。したがって、例えば溶接プロセス中に、所要の方法で、ばね要素３７によって加えられる接触圧力を調整することが可能である。このことは、該ワークピースおよび／または複数のワークピースの材料がまだ可塑化されていない場合、接触圧力が、その初期に特に高くなり、その後、可塑化の増大および該材料の軟化に伴って低下するように実施することができる。
【００６８】
らせんばね３９、または、加圧流体が充填された環状容積５７が、上述した実施形態においてばね要素３７に用いられているが、例えば、弾性材料からなるリングまたはいくつかのばね要素からなる構成を代わりに用いることも同様に想定可能であり、本発明は、前述の実現性に限定されない。
【符号の説明】
【００６９】
１  摩擦溶接工具
３  ピン
５  クランプ装置
７  長手方向軸
９  結合端部
１１  係合端部
１３  結合部分
１５  係合凹部
１７  摩擦面
１９  包囲突出部
２１  カウンターベアリング
２３  上方ディスク
２５  ベアリングハウジング
２７  押さえ要素
２９  包囲凹部
３１  ベアリング要素
３３  支持面
３５  ガイドピン
３７  ばね要素
３９  らせんばね
４１  環状凹部
４３  ストリッパー要素
４５  穴
４７  摩擦ピン
４９  ねじ穴
５３  ねじ式調節穴
５５  調節ねじ
５７  環状容積
５９  圧力接続フランジ
６１  リング要素
６３  圧力源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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