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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Reibrührschweißwerkzeug
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und ein Reibrührschweißverfahren.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung im Allgemeinen
ein Reibrührschweißwerkzeug,
das zum Verschweißen
von Fügeteilen
verwendet wird, die aus Metall hergestellt sind, wie Aluminium oder
seine Legierung, und betrifft auch ein Reibrührschweißverfahren, welches das vorstehend
genannte Schweißwerkzeug
verwendet.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein
Werkzeug des oben genannten Typs ist beispielsweise aus der
EP 0 653 265 A2 bekannt.
Die
US 6053391 offenbart
ein Rührschweißwerkzeug, das
zum Zusammenschweißen
zweier Metallstücke durch
Reibungswärme
mittels Drehen des Rührschweißwerkzeugs
verwendet wird, um eine mechanische Reibung in dem in Kontakt mit
einem sich rasch drehenden Stift stehenden Metal zu erzeugen. Die
WO 99/52669 offenbart ein
Reibrührschweißwerkzeug,
das einen Körper
aufweist, der eine Schulter definiert, von der aus sich eine Sonde
erstreckt. Die Sonde weist entlang ihrer Länge zumindest drei Nuten auf.
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Ein
Reibrührschweißverfahren
ist als ein festphasiges Schweißverfahren
klassifiziert und weist Vorteile derart auf, dass das Verfahren
für jegliche
Arten metallischer Materialien verwendet werden kann und dass das
Verfahren wenig thermische Belastung aufgrund des Verbindens verursacht.
Daher wird in jüngster
Zeit das Reibrührschweißverfahren bei
verschiedenen Montagepositionen von Konstruktionen, wie Behältern, Automobilen,
Eisenbahnfahrzeugen und Verkleidungsstrukturen, angewendet.
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5 zeigt
zwei plattenförmige
metallische Fügeteile,
welche mittels eines Reibrührschweißverfahrens
aneinander stoßend
verbunden werden.
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In 5 bezeichnen
die Bezugszeichen 101 und 102 plattenförmige metallische
Fügeteile.
Beide Fügeteile 101 und 102 weisen
die gleiche Dicke auf und sind in einer aneinander stoßenden Stellung
angeordnet. Das Bezugszeichen 110 bezeichnet ein Reibrührschweißwerkzeug.
Das Schweißwerkzeug 110 ist
mit einem säulenförmigen Rotor 111 und
einer stiftförmigen
Sonde 112, die einen kleineren Durchmesser als die Sonde
aufweist, ausgestattet. Die stiftförmige Sonde 112 steht
von einem Abschnitt der Endfläche 111a des
Rotors 111 aus hervor. Um die Materialien beider Fügeteile 101 und 102 effizient
zur Aufweichung durch Reibungshitze zu rühren und zu mischen, sind Rührvorsprünge (nicht
gezeigt) auf der Umfangsfläche
der Gesamtlänge
der Sonde 112 ausgebildet.
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Beim
Verbinden beider Fügeteile 101 und 102 in
einer aneinander stoßenden
Stellung mit dem vorstehend genannten Schweißwerkzeug 110 wird die
Sonde 112 entsprechend der Drehung des Rotors 111 gedreht.
Dann wird die rotierende Sonde 112 in den aneinander stoßenden Abschnitt 103 beider
Fügeteile 101 und 102 eingebracht,
wobei die Endfläche 111a des
rotierenden Rotors 111 getrieben wird, um auf die Oberfläche beider
Fügeteile 101 und 102 gepresst
zu werden. Beim Halten dieser Stellung wird die Sonde 112 relativ
zu beiden Fügeteilen 101 und 102 entlang
des aneinander stoßenden
Abschnitts 103 vorgerückt.
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Infolgedessen
wird ein Abschnitt beider Fügeteile 101 und 102,
in dem die Sonde 112 mit ihnen in Verbindung tritt, und
seine nahe Umgebung von der Reibungshitze aufgeweicht, die aufgrund
der Drehung der Sonde 112 und des Kontakts zwischen der
Endfläche 111a des
Rotors 111 und der Fläche der
Fügeteile 101 und 102 erzeugt
wird. Entsprechend der vorrückenden
Bewegung der Sonde 112 werden die aufgeweichten und gerührten Materialien der
Fügeteile 101 und 102 plastisch
verflüssigt,
damit sie um die Sonde 112 herum gelangen und eine hinter
der Sonde 112 ausgebildete Nut füllen, wenn sie sich bewegt.
Dann werden die Materialien durch die sofortige Minderung der Reibungshitze
abgekühlt und
verfestigt. Dieses Phänomen
wird mit der vorrückenden
Bewegung der Sonde 112 wiederholt, was bewirkt, dass die
Fügeteile 101 und 102 entlang
der Gesamtlänge
des aneinander stoßenden
Abschnitts 103 integral verbunden werden. Das Bezugszeichen 109 bezeichnet
den verbundenen Abschnitt der Fügeteile 101 und 102.
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6 zeigt
die geschichteten zwei Fügeteile,
die mittels des vorstehend genannten Schweißwerkzeugs 110 verbunden
werden.
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In 6 bezeichnen
die Bezugszeichen 105 und 106 entsprechende plattenförmige metallische Fügeteile.
Beide Fügeteile 105 und 106 sind übereinander
geschichtet. Das Bezugszeichen 107 bezeichnet die dazwischen
liegende Grenzfläche
der Fügeteile 105 und 106.
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Wenn
beide Fügeteile 105 und 106 in
einer geschichteten Stellung mit dem vorstehend genannten Schweißwerkzeug 110 verbunden
werden, entstehen die folgenden Probleme.
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Wie
vorstehend erwähnt
ist die Sonde 112 mit den vorstehend genannten Rührvorsprüngen auf der
Umfangsfläche
ihrer Gesamtlänge
versehen. Wenn die rotierende Sonde 112 in beide Fügeteile 105 und 106 von
der oberen Fläche
des oberen Fügeteils 105 aus
eingebracht wird, werden die von der Reibungshitze aufgeweichten
Materialien des oberen und des unteren Fügeteils 105 und 106 von
den Rührvorsprüngen gerührt. Dadurch
quillt die obere Fläche
des oberen Fügeteils 105 auf.
Andererseits wird die obere Fläche
des oberen Fügeteils 105 durch
die Endfläche 111a des
Rotors 111 heruntergedrückt,
um abgeflacht zu werden. Infolgedessen nimmt die Dicke des verbundenen
Abschnitts 109 des oberen Fügeteils 105 und seine
nahe Umgebung ab. Dies verschlechtert die Festigkeit der verbundenen
Teile.
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Da
ferner natürliche
Oxidationsschichten 105a und 106a im Allgemeinen
in der dazwischen liegenden Grenzfläche der Fügeteile 105 und 106,
wie in 7A gezeigt ist, ausgebildet
sind, werden die natürlichen
Oxidationsschichten 105a und 106a von den Rührvorsprüngen im
Zeitpunkt des Verbindens gerührt.
Wie in 7B gezeigt ist, werden daher
die natürlichen
Oxidationsschichten in der Nähe
des verbundenen Abschnitts 109 angeschnitten. Dies verursacht
eine leichte Generierung von Ermüdungsrissen mit
dem Ergebnis einer Verschlechterung der Dauerfestigkeit der erzielten
geschichteten Verbindung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reibrührschweißwerkzeug,
welches eine Verschlechterung der Festigkeit der verbundenen Teile, wie
eine Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit und der Dauerfestigkeit,
verhindern kann, um ein verbundenes Teil mit Festigkeitsbeständigkeit
zu erhalten, und auch ein Reibrührschweißverfahren
bereitzustellen, welches ein solches Schweißwerkzeug verwendet.
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Zu
diesem Zweck stellt die Erfindung ein Reibrührschweißwerkzeug gemäß Anspruch
1 bereit und sieht ein Reibrührschweißverfahren
gemäß Anspruch
11 vor. Weitere Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Mit
diesem Schweißwerkzeug
wird im Zeitpunkt des Verbindens die Sonde in zwei metallische, übereinander
geschichtete Fügeteile
eingebracht, so dass die Sonde beide Fügeteile durchschreitet. Dadurch
ist die Nut im Allgemeinen senkrecht zu der dazwischen liegenden
Grenzfläche
der geschichteten Fügeteile
angeordnet. Aus diesem Grund wird die natürliche Oxidationsschicht, die
auf der dazwischen liegenden Grenzfläche jedes Fügeteils ausgebildet wird, minuziös mit der
Kante der Nut abgeschliffen. Infolgedessen wird die auftretende
natürliche
Oxidationsschicht, die in Nähe
des verbundenen Abschnitts auftreten kann, unterdrückt, was
die Dauerfestigkeit der erzielten geschichteten Verbindung erhöht.
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Bei
der vorstehend genannten Nut ist die Nut derart ausgebildet, dass
die Breite der Nut in Richtung zum Basisende der Sonde schrittweise
schmaler wird. Mit dieser bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, das
Phänomen
zu minimieren, dass die Materialien der Fügeteile, die in die Nut eintreten, durch
die Nut während
des Verbindens aus den Fügeteilen
heraus befördert
werden. Dies kann eine Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit
aufgrund des Mangels an Materialien verhindern.
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Ferner
ist es bei der oben genannten bevorzugten Ausführungsform bevorzugt, die Breite
W der Nut derart festzulegen, dass sie die folgende Ungleichung
erfüllt: 5/100 ≤ (W1 – W2)/(2t0) ≤ 15/100,wobei
W1 die Breite des Endes der Nut am Spitzenende der Sonde ist, W2
die Breite des anderen Endes der Nut an dem Basisendabschnitt der
Sonde ist, und t0 die Gesamtdicke der Fügeteile ist. Durch Festlegung
der Breite W, wie vorstehend erwähnt,
wird es möglich,
eine Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit aufgrund des Mangels
an Materialien sicher zu verhindern.
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Bei
dem oben genannten Schweißwerkzeug gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, die Breite W
der Nut derart festzulegen, dass sie die folgende Ungleichung erfüllt: 1/20 ≤ W/D2 ≤ 1/8,wobei
D2 der Durchmesser der Sonde ist. Dies ermöglicht, dass die natürliche Oxidationsschicht
vollständig
in feine Teilchen abgeschliffen werden kann.
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Bei
dem oben genannten Schweißwerkzeug gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, die Tiefe H
der Nut derart festzulegen, dass sie die folgende Ungleichung erfüllt: 0,5 ≤ H/W ≤ 1,5,wobei
W die Breite der Nut ist. Dies ermöglicht, dass die natürliche Oxidationsschicht
vollständig
in feine Teilchen abgeschliffen werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist es bevorzugt, dass sich der Vorsprung aus den gleichen Gründen wie
vorstehend erwähnt
schraubenförmige erstreckt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist es bevorzugt, dass eine Umfangsfläche des ersten Schaftabschnitts
und die des zweiten Schaftabschnitts über eine sich verjüngende Fläche verbunden
sind. Mit diesem Schweißwerkzeug
kann der erste Schaftabschnitt problemlos und leicht in die Fügeteile
eingebracht werden.
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Ferner
ist es bei diesem Schweißwerkzeug bevorzugt,
dass ein Spitzenwinkel der sich verjüngenden Fläche relativ zur Achse der Sonde
in einen Bereich von 20° bis
30° fällt. Mit
diesem Schweißwerkzeug
kann der erste Schaftabschnitt problemloser und leichter in die
Fügeteile
eingebracht werden.
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Mit
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird verhindert, dass die
Materialien an dem Spitzenendabschnitt der Sonde von dem Vorsprung gerührt werden,
da der Rührvorsprung
nur in eines der Fügeteile,
das an dem Basisendabschnitt der Sonde angeordnet ist, und nicht
in das andere der Fügeteile,
das an dem Spitzenendabschnitt der Sonde angeordnet ist, eingebettet
ist. Dies verringert das Aufquellen der Außenfläche des Fügeteils, das an dem Basisendabschnitt
der Sonde angeordnet ist. Dementsprechend kann die Verschlechterung
der Verbindungsfestigkeit aufgrund der verringerten Dicke des Fügeteils
an dem Sondenbasisendabschnitt unterdrückt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehend genannten Zweckbestimmungen und weitere Zweckbestimmungen,
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
vollständig
beschrieben und besser verstanden, in denen:
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1 eine
zum Teil aufgebrochene Seitenansicht des Hauptabschnitts des Reibrührschweißwerkzeuges
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
vergrößerte Schnittsansicht
entlang der Linie 2-2 in 1 ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht ist, die den Zustand zeigt, bei dem geschichtete
zwei Fügeteile
mittels des vorstehend genannten Reibrührschweißwerkzeuges verbunden werden;
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4 eine
vergrößerte Schnittansicht
entlang der Linie 4-4 in 3 ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht ist, die den Zustand zeigt, bei dem geschichtete
zwei Fügeteile
mittels eines Reibrührschweißwerkzeuges
nach dem Stand der Technik verbunden werden;
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6 eine
Schnittansicht ist, die den Zustand der geschichteten zwei Fügeteile
nach dem Verbinden mittels des Reibrührschweißwerkzeuges nach dem Stand
der Technik darstellt;
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7A eine
vergrößerte Ansicht
des Abschnitts 150 ist, der in 6 gezeigt
ist; und
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7B eine
vergrößerte Ansicht
des Abschnitts 151 ist, der in 6 gezeigt
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Als
nächstes
wird die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 10 ein Reibrührschweißwerkzeuges gemäß dieser
Ausführungsform.
Dieses Schweißwerkzeug 10 ist
mit einem säulenförmigen Rotor 11 und
einer stiftförmigen Sonde 12,
die einen kleineren Durchmesser als der Rotor 11 aufweist,
ausgestattet. Die Sonde 12 ragt aus dem Rotationszentrum
der Endfläche 11a des Rotors 11 entlang
dessen Rotationsachse hervor. Der Rotor 11 und die Sonde 12 drehen
sich integral.
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Demgegenüber bezeichnen
in 3 und in 4 die Bezugszeichen 1 und 2 zwei
Fügeteile,
die von dem oben genannten Schweißwerkzeug 10 verbunden
werden sollen. Jedes Fügeteile 1 und 2 ist ein
plattenförmiges
Aluminiumteil oder eine Legierung davon. Beide Fügeteile 1 und 2 sind übereinander
angeordnet. In diesen Figuren wird die rotierende Sonde 12 des
Schweißwerkzeugs 10 in
beide Fügeteile 1 und 2 von
der Außenfläche des
oberen Fügeteils 1 aus
so eingesetzt, dass die Sonde 12 beide Fügeteile 1 und 2 durchschreitet.
Die Endfläche 11a des
Rotors 11 drückt
in einem Rotationszustand auf die Außenfläche des oberen Fügeteils 1.
In dieser Stellung wird die Sonde 12 in die vorbestimmte
Richtung bewegt.
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Entsprechend
dieser vorrückenden
Bewegung dieser Sonde 12 werden die Fügeteile 1 und 2 ununterbrochen
an dem Sondendurchlaufabschnitt mittels der Sonde 12 verbunden.
In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 9 einen
verbundenen Abschnitt beider Fügeteile 1 und 2.
Der Bezugsbuchstabe „Y" bezeichnet einen
vorbestimmten, zu verbindenden Abschnitt. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet
die zwischen beiden Fügeteilen 1 und 2 liegende Grenzfläche.
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Bei
dem oben genannten Schweißwerkzeug 10 sind
der Rotor 11 und die Sonde 12 aus wärmebeständigen Materialien
hergestellt, die härter
als die Materialien beider Fügeteile 1 und 2 sind
und die der Reibungshitze widerstehen können, die im Zeitpunkt des
Verbindens erzeugt wird.
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Die
Endfläche 11a des
Rotors 11 ist derart ausgebildet, um von dem Außenrand
aus in Richtung zum Rotationszentrumsabschnitt niedergedrückt zu werden.
Außerdem
ist der Eckabschnitt zwischen der Umfangsfläche des Rotors 11 und
dessen Endfläche 11a abgeschrägt, um die
Außenfläche des
oberen Fügeteils 1 nicht
zu verunstalten, wenn der Eckabschnitt damit in Verbindung tritt.
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Die
Sonde 12 umfasst einen ersten Schaftabschnitt 12a und
einen zweiten Schaftabschnitt 12b, der einen kleineren
Durchmesser als der erste Schaftabschnitt aufweist. Der erste Schaftabschnitt 12a bildet
einen Bereich vom Basisendabschnitt der Sonde bis zum Längsmittelabschnitt
der Sonde. Der zweite Schaftabschnitt 12b bildet einen
Bereich vom Längsmittelabschnitt
bis zum Spitzenendabschnitt der Sonde. Der erste Schaftabschnitt 12a und
der zweite Schaftabschnitt 12b sind auf der gleichen Achse
ausgebildet. Ferner sind die Umfangsfläche des ersten Schaftabschnitts 12a und
die des zweiten Schaftabschnitts 12b über eine sich verjüngende Fläche verbunden.
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Da
diese Sonde 12 aus dem ersten Schaftabschnitt 12a und
aus dem zweiten Schaftabschnitt 12b besteht, wird auf den
durch die Reibungswärme aufgeweichten
Abschnitt der Fügeteile
im Zeitpunkt des Verbindens durch den abgestuften Abschnitt C, der
zwischen dem ersten Schaftabschnitt 12a und dem zweiten
Schaftabschnitt 12b ausgebildet ist, Druck ausgeübt. Dementsprechend
werden die Materialien beider Fügeteile 1 und 2 mit
dem Ergebnis eines guten Verbindungsabschnitts 9 gerührt.
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Darüberhinaus
erstreckt sich auf der Umfangsfläche
des ersten Schaftabschnitts 12a ein Rührvorsprung 14 mit
einem dreieckigen Querschnitt schraubenförmig entlang der gesamten Länge des ersten
Schaftabschnitts 12a. Demgegenüber ist ein solcher Rührvorsprung
auf der Umfangsfläche
des zweiten Schaftabschnitts 12b nicht vorgesehen. Dieser
Rührvorsprung 14 ist
vorgesehen, um eine Rührmischung
der Materialien beider Fügeteile 1 und 2, die
durch die Reibungswärme
aufgeweicht sind, effektiv durchzuführen. Um diesen Verwendungszweck zu
erreichen, ist es besonders bevorzugt, die Höhe des Vorsprungs 14 derart
festzulegen, dass die Höhe innerhalb
des Bereiches von 0,5 bis 2 mm fällt.
In dieser Ausführungsform
ist ein M5 × 0,8
Schraubengewinde auf der Umfangsfläche des ersten Schaftabschnitts 12a ausgebildet.
Dieses Schraubengewinde stellt einen Rührvorsprung 14 dar.
Darüberhinaus
ist zwischen den benachbarten Rührvorsprüngen 14 in Richtung
zu der Sondenachse ein vertiefter Abschnitt 13 mit einem
dreieckigen Querschnitt ausgebildet, um sich, ähnlich wie der Vorsprung, schraubenförmig zu
erstrecken. Die Schraubenrichtung des Rührvorsprungs 14 ist
derart definiert, dass die Sonde 12 vorrückt, wenn
die Sonde 12 sich in die vorbestimmte Richtung dreht (in
die Rotationsrichtung 20).
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Die
Gesamtlänge
L0 dieser Sonde 12 ist derart festgelegt, dass sie die
folgende Ungleichung erfüllt: t1 < L0 < t1 + t2 (d. h.
t1 < L0 < t0),wobei
t1 die Dicke des oberen Fügeteils 1 ist,
t2 die Dicke des unteren Fügeteile 2 ist,
und t0 die Gesamtdicke beider Fügeteile 1 und 2 (d.
h. t0 = t1 + t2) ist (siehe 4).
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Darüberhinaus
ist es bevorzugt, die Gesamtlänge
L1 des Rührvorsprungs,
der einen Abschnitt der Sonde 12 bildet (und zwar die Gesamtlänge des ersten
Schaftabschnitts 12a), derart festzulegen, dass sie die
folgende Ungleichung erfüllt: 3/4 × L1/t1 × 1.
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Der
Grund ist folgender: Falls der Wert von L1/t1 kleiner als 3/4 ist,
wenn die Sonde 12 in beide Fügeteile 1 und 2 eingebracht
ist, wird der Abstand zwischen dem Rührvorsprung 14 und
dem unteren Fügeteil 2 zu
groß,
um die Materialien beider Fügeteile 1 und 2 zu
rühren.
Falls demgegenüber
der Wert von L1/t1 den Wert 1 übersteigt,
wenn die Sonde 12 in beide Fügeteile 1 und 2 eingebracht
ist, wird ein Abschnitt des Rührvorsprungs 14 in
das untere Fügeteil 2 eingebettet.
Folglich ist es wünschenswert,
L1 derart festzulegen, dass sie die folgende Ungleichung erfüllt: 3/4 ≤ L1/t1 ≤ 1.
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Da
ferner die Umfangsfläche
des ersten Schaftabschnitts 12a und die des zweiten Schaftabschnitts 12b über die
sich verjüngende
Fläche
verbunden sind, wie oben erwähnt,
können
der erste Schaftabschnitt 12a und der Rührvorsprung 14 in
das obere Fügeteile 1 problemlos
und leicht eingebracht werden. Ferner ist es bevorzugt, dass der
Neigungswinkel bzw. der Spitzwinkel der oben genanten sich verjüngenden
Fläche
relativ zu der Sondenachse in den Bereich von 20 bis 30° fällt. Wenn
der Neigungswinkel derart festgelegt wird, wie vorstehend genannt,
können
der erste Schaftabschnitt 12a und der Rührvorsprung 14 in
das obere Fügeteil 1 problemloser
und leichter eingebracht werden.
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Ferner
ist es bevorzugt, den Durchmesser D2 des ersten Schaftabschnitts 12a derart
festzulegen, dass er die folgende Ungleichung erfüllt: 0,27 ≤ D2/D1 ≤ 0,35,wobei
D1 der Durchmesser des Rotors 11 ist. Durch Festlegen des
Durchmessers D1, wie vorstehend erwähnt, kann der Einbringungsvorgang
des ersten Schaftabschnitts 12a und des Rührvorsprungs 14 leicht
durchgeführt
werden, wobei der Pressvorgang der Endfläche 11a des Rotors 11 gegen
die Außenfläche des
oberen Fügeteils 1 mit
dem Ergebnis eines guten Verbindungsabschnitts 9 leicht
durchgeführt
werden kann. In dieser Ausführungsform
ist D2 in dem Bereich von 3,5 bis 4,2 mm festgelegt, wobei D1 in
dem Bereich von 12 bis 13 mm festgelegt ist.
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Ferner
sind auf der Umfangsfläche
der Sonde 12 zwei Nuten 15 und 15, die
einen dreieckigen Querschnitts aufweisen und sich parallel zu der
Sondenachse erstrecken, mit einem Phasendifferenzwinkel von 180° entlang
der Gesamtlänge
der Sonde 12 ausgebildet. Jede Nut 15 ist derart
gestaltet, dass der Rand der Nut die natürliche Oxidationsschicht (siehe 7A, 105a und 106a),
die auf der dazwischen liegenden Grenzfläche der Fügeteile 1 und 2 ausgebildet
ist, abschleift. Da sich bei dieser Sonde 12 die Nut 15 parallel
zu der Sondenachse erstreckt, wenn die Sonde 12 in beide
Fügeteile 1 und 2 eingebracht ist,
kann die Nut 15 sicher positioniert werden, um die dazwischen
liegende Grenzfläche 3 beider
Fügeteile 1 und 2 senkrecht
zu durchschreiten. Dies kann die natürliche Oxidationsschicht sicher
und zuverlässig in
winzige Stücke
durch die Kante der Nut 15 abschleifen. Hingegen wird der
pulverisierte Staub der natürlichen
Oxidationsschicht in dem aufgeweichten Abschnitt beider Fügeteile 1 und 2 durch
die Rotationskraft der Sonde 12 verteilt.
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Ferner
ist diese Nut 15 derart ausgebildet, dass die Breite schrittweise
in Richtung von dem Spitzenende zu dem Basisende der Sonde 12 schmaler
wird. Daher wird es möglich,
das Phänomen
zu minimieren, dass die Materialien der Fügeteile 1 und 2,
die in die Nut 15 eindringen, durch die Nut 15 während des
Verbindens aus den Fügeteilen 1 und 2 heraus
befördert
werden. Dies kann eine Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit
aufgrund des Mangels an Material verhindern. Insbesondere ist es
bevorzugt, die Breite W der Nut 15 derart festzulegen,
dass sie die folgende Ungleichung erfüllt: 5/100 ≤ (W1 – W2)/(2t0) ≤ 15/100,wobei
W1 die Breite des Endes der Nut am Spitzenende der Sonde ist, und
W2 die Breite des anderen Endes der Nut an der Basisendseite der
Sonde ist. Durch Festlegen der Breite W kann das vorstehend genannte
Phänomen
sicher unterdrückt
werden.
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Ferner
ist es bevorzugt, die Breite W der Nut 15 derart festzulegen,
dass sie die folgende Ungleichung erfüllt: 1/20 ≤ W/D2 ≤ 1/8,wobei
D2 der Durchmesser der Sonde ist, wobei auch die Tiefe H der Nut 15 derart
festgelegt ist, dass sie die folgende Ungleichung erfüllt: 0,5 ≤ H/W ≤ 1,5,wobei
W die Breite der Nut ist. Dieses ermöglicht, dass die natürliche Oxidationsschicht
vollständig
in feine Teilchen abgeschliffen wird. Daher kann durch Festlegung
von W und H, wie vorstehend erwähnt, die
natürliche
Oxidationsschicht sicher minutiös
abgeschliffen werden.
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Als
nächstes
wird das Verbinden der geschichteten Fügeteile 1 und 2 mittels
des vorstehend erwähnten
Schweißwerkzeugs 10 nachstehend
erläutert.
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Zuerst
wird der Rotor 11 angetrieben, um die Sonde 12 zu
drehen. Dann wird die Sonde 12 in beide Fügeteile 1 und 2 vom
oberen Fügeteil 1 aus
eingebracht, um beide Fügeteile 1 und 2 zu
durchschreiten, wobei die Endfläche 11a des
Rotors 11 auf die Außenfläche des
oberen Fügeteils 1 gepresst
wird. Durch diesen Sondeneinbringungsvorgang durchschreitet die
Nut 15 senkrecht die dazwischen liegende Grenzfläche 3 der
Fügeteile 1 und 2,
wobei der Rührvorsprung 14 nur
im oberen Fügeteile 1 eingebettet
ist. Da ferner die Umfangsfläche
des ersten Schaftabschnitts 12a und die des zweiten Schaftabschnitts 12b über die
sich verjüngende
Fläche
verbunden sind, kann die Sonde 12 problemlos und leicht
eingebracht werden. Dann wird der Rotor 11 leicht in Richtung
zur Richtung, die der Verbindungsrichtung gegenüberliegt, geneigt. In dieser
Stellung wird die Sonde 12 entlang des vorbestimmten Verbindungsabschnitts
Y bewegt. Währenddessen
kann die Sonde 12 in beide Fügeteile 1 und 2 von
der Endfläche
davon eingebracht werden, was unnötig zu sagen ist.
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Dann
erweichen die Reibungshitze, die entsprechend der Rotation der Sonde 12 erzeugt
wird, und die Reibungshitze, die entsprechend beim Gleiten zwischen
der Endfläche 11a des
Rotors 11 und der Außenfläche des
oberen Fügeteils 1 erzeugt wird,
einen Abschnitt beider Fügeteile 1 und 2 in Nähe der Sonde.
Ferner wird die natürliche
Oxidationsschicht, die in der dazwischen liegenden Grenzfläche der
Fügeteile 1 und 2 ausgebildet
ist, durch die Kante der Nut 15 minuziös abgeschliffen, wobei dieser
pulverisierte Staub in den erweichten Abschnitt der Fügeteile 1 und 2,
der durch die Reibungshitze erweicht ist, verteilt wird. In diesem
Zustand werden beide Fügeteile 1 und 2 von
der Sonde 12 gerührt.
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Da
der Rührvorsprung 14 auf
der Umfangsfläche
des ersten Schaftabschnitts 12a der Sonde 12 bereitgestellt
ist, wird die Rührmischung
effektiv durchgeführt.
Ferner wird der erweichte Abschnitt der Fügeteile 1 und 2 durch
den gestuften Abschnitt C unter Druck gesetzt. Infolgedessen wird
die Rührmischung
viel effektiver durchgeführt.
Da ferner der Rührvorsprung 14 nur
im oberen Fügeteil 1 und
nicht im unteren Fügeteil 2 eingebettet
ist, wird verhindert, dass die Materialien des unteren Fügeteils 2 gerührt werden.
Daher kann die Ausbuchtung der Außenfläche des oberen Fügeteils 1 verringert
werden. Demgegenüber
wird die Außenfläche des
aufgequollenen oberen Fügeteils 1 durch
die Endfläche 11a des
Rotors 11 gepresst, um abgeflacht zu werden. Da wie vorstehend
erwähnt
die aufgequollene Menge der Außenfläche des
oberen Fügeteils 1 in
diesem Zeitpunkt verringert wird, selbst wenn die Außenfläche des
oberen Fügeteils 1 abgeflacht
wird, verringert sich die Dicke des oberen Fügeteils 1 kaum und
behält
die Ursprungsdicke bei.
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Beim
Rühren
werden die erweichten und gerührten
Materialien der Fügeteile 1 und 2 plastisch verflüssigt, damit
sie um die Sonde 12 herum gelangen und eine Nut füllen, die
hinter der Sonde 12 ausgebildet wird, wenn sie sich bewegt.
Dann werden die Materialien durch die sofortige Minderung der Reibungshitze
abgekühlt
und verfestigt. Dieses Phänomen
wird mit der vorrückenden
Bewegung der Sonde 12 wiederholt, was bewirkt, dass die
Fügeteile 1 und 2 entlang
des von der Sonde durchschrittenen Abschnitts integral verbunden
werden.
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Da
die natürliche
Oxidationsschicht, die in der dazwischen liegenden Grenzfläche zwischen
beiden Fügeteilen 1 und 2 ausgebildet
ist, von der Kante der Nut 15 minutiös abgeschliffen wird, wird
in der erhaltenen geschichteten Verbindung kaum eine Neubildung
der natürlichen
Oxidationsschicht in Nähe des
Verbindungsabschnitts 9 eintreten. Folglich erhöht sich
die Dauerfestigkeit.
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Da
sich ferner die Dicke des Abschnitts in Nähe des verbundenen Abschnitts 9 des
oberen Fügeteils 1 nicht
verringert, ist die Verbindung auch in der Festigkeit hoch.
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Da
die Rührmischung
effektiv durchgeführt wird,
wird ein guter Verbindungsabschnitt 9 ausgebildet und die
Verbindungsfestigkeit ist weiter erhöht worden.
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Wie
vorstehend erwähnt
ist, kann durch Verbinden der geschichteten Fügeteile mittels dieses Schweißwerkzeuges 10 eine
geschichtete Verbindung mit hervorragender Beanspruchungszuverlässigkeit
erzielt werden.
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Obgleich
zwei Nuten 15 auf der Umfangsfläche der Sonde 12 in
der vorstehend genannten Ausführungsform
vorgesehen sind, können
in der vorliegenden Erfindung eine Nut 15 oder drei oder
mehrere Nuten 15 ausgebildet sein. Insbesondere ist es
bevorzugt, eine bis vier Nuten 15 vorzusehen.
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Obgleich
in dieser Ausführungsform
ferner die Nut 15 auf der Umfangsfläche der Sonde 12 entlang
deren Gesamtlänge
vorgesehen ist, kann gemäß der vorliegenden
Erfindung die Nut 15 nur im Mittelabschnitt in Richtung
zu der Sondenachse vorgesehen sein.
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In
dem Beispiel dieser Ausführungsform
wird der Verbindungsvorgang durch Bewegen der Sonde 12,
die in beide Fügeteile 1 und 2 eingebracht
wird, durchgeführt.
Allerdings können
bei der vorliegenden Erfindung in einer Lage, in der die Position
der in beide Fügeteile 1 und 2 eingebrachten
Sonde 12 fixiert ist, beide Fügeteile 1 und 2 verschoben
werden.
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Wie
aus dem vorstehend genannten hervorgeht, kann in Fällen, bei
denen ein geschichtetes Verbinden mittels eines Schweißwerkzeug
gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, die natürliche Oxidationsschicht,
die in der dazwischen liegenden Grenzfläche jedes Fügeteils ausgebildet ist, durch
die Kante der Nut minuziös
abgeschliffen werden, wobei die Neubildung der natürlichen
Oxidationsschicht, die in Nähe
des verbundenen Abschnitts erzeugt werden kann, unterdrückt werden
kann. Infolgedessen kann die Dauerfestigkeit der geschichteten Verbindung
erhöht
werden.
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In
Fällen,
bei denen das geschichtete Verbinden mittels des Schweißwerkzeugs
gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, kann die an dem Abschnitt
in Nähe
des verbundenen Abschnitts auftretende Dickenreduzierung des Fügeteils,
das am Basisende der Sonde angeordnet ist, unterdrückt werden.
Dies erhöht
die Verbindungsfestigkeit der geschichteten Verbindung.
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In
Fällen,
bei denen das geschichtete Verbinden mittels des Schweißwerkzeugs
gemäß dem dritten
Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, kann die Dauerfestigkeit
der geschichteten Verbindung erhöht
werden.
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In
Fällen,
bei denen das geschichtete Verbinden mittels des Schweißwerkzeugs
gemäß dem vierten
Aspekt der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, kann der erweichte
Abschnitt beider Fügeteile, der
durch die Reibungshitze aufgeweicht wird, durch den Stufenabschnitt,
der zwischen dem ersten Schaftabschnitt und dem zweiten Schaftabschnitt ausgebildet
ist, unter Druck gesetzt werden, wobei die Materialien beider Fügeteile
effektiv gerührt
werden können.
Dies bewirkt einen gut verbundenen Abschnitt mit dem Ergebnis einer
weiteren erhöhten Dauerfestigkeit
und Verbindungsfestigkeit der geschichteten Verbindung.
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Entsprechend
dem Reibrührschweißverfahren
gemäß dem fünften Aspekt
der vorliegenden Erfindung kann eine geschichtete Verbindung mit
ausgezeichneter Dauerfestigkeit erzielt werden.
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Entsprechend
dem Reibrührschweißverfahren
gemäß dem sechsten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine geschichtete Verbindung
mit ausgezeichneter Dauerfestigkeit erzielt werden.
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Entsprechend
dem Reibrührschweißerfahren
gemäß dem siebten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine geschichtete Verbindung
mit ausgezeichneter Dauerfestigkeit und eine Schichtverbindung erzielt
werden.
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Entsprechend
dem Reibrührschweißverfahren
gemäß dem achten
Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine geschichtete Verbindung
mit ausgezeichneter Dauerfestigkeit und eine Schichtverbindung erzielt
werden.
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-161528 , die
am 31. Mai 2000 angemeldet wurde.
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Die
Begriffe und die Ausdrücke,
welche hierin verwendet wurden, sind als Begriffe zur Beschreibung
und nicht als Beschränkung
verwendet worden, und es ist nicht durch die Verwendung solcher
Begriffe und Ausdrücke
beabsichtigt, irgendwelche Äquivalente
der gezeigten und beschriebenen Merkmale und Teile davon auszuschließen, wobei
es allerdings verstanden sein sollte, dass verschiedene Modifikationen
möglich
sind, die in den Geltungsbereich bzw. Anwendungsbereich der wie
beanspruchten Erfindung fallen.