JP2005088080A - 可変速度のピンによる摩擦攪拌溶接のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 材料が最適に混合され微細化された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。
【解決手段】 加工物６０において摩擦攪拌溶接継手８０を形成するための方法及び装置が提供され、この装置１０は、肩部２２とそこから延びる回転可能なピン２４とを有する摩擦攪拌溶接工具２０を備えており、ピン２４の回転速度は、ピン２４が加工物６０の可塑化された材料を混合するように、例えば周期的に及び／又は所定スケジュールに従って、摩擦攪拌溶接工程中に調節することが可能であり、加工物６０は、摩擦攪拌溶接前に予加熱することができるようになっている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、摩擦溶接に関し、特に、可変回転速度を有するピンで摩擦攪拌溶接するための方法及び装置に関するものである。

摩擦攪拌溶接は、ピンもしくはプローブのような回転工具を強制して加工物の中に入れ及び／又は加工物を通し、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、扁平であるか、凹状であるか、さもなければ他の形状とすることができる肩部から延びており、この肩部は加工物に押し当てられて、ピンがその中に強制されるようになっている。その後、このピンは強制されて加工物の中を通り、連続的な溶接継手を形成するようにしている。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している。この工具は、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°傾けることが可能となっている。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ことになる。摩擦攪拌溶接工具により出される力の大きさは、要求された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。
米国特許第５,４６０,３１７号

摩擦攪拌溶接ピンの中には、右ねじ、左ねじ、又はそれらの組合せとし得る螺旋のねじ山を画成したものがある。一般的に、ねじ山は、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ものである。更に、摩擦攪拌溶接工具により出され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ている。この肩部及び裏当て装置は、溶接工具により発生される摩擦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のが一般的である。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ものである。

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て加工物に通すため、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、ある程度、加工物の厚さ、加工物の材料、工具のピンの長さ及び直径、工具の回転速度、加工物を通る工具の速度等に左右される。特定の溶接継手を実現するのに必要とされる力は、溶接機が作動する速度、従って、継手が形成される速度を制限することが可能である。更に、特に溶接機及び工具にかかる力が大きい場合、溶接機及び工具は、定期的な保守及び／又は交換を必要とするのが一般的である。

従って、従来の摩擦攪拌溶接装置では、加工物の材料が可塑化されると共に混合される溶接継手を形成し、その結果として得られる溶接継手の粒状組織が微細化されることは示されている。しかしながら、材料が最適に混合され微細化された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依然として存在している。この工具は、多種の溶接機及び工具を使用しながら、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、材料を効果的に可塑化すると共に混合できなければならない。また、工具は、好ましくは、溶接中に工具や溶接機にかかる力を減少させるための特徴及び方法と両立すべきである。

本発明は、加工物において摩擦攪拌溶接継手を形成するための方法及び装置を提供するものである。この装置は、回転されると共に、強制されて加工物に当たる摩擦攪拌溶接ピンを備えている。更に、この摩擦攪拌溶接ピンの回転速度は、周期的に及び／又は所定スケジュールに従って、調節されるようになっている。

本発明の一実施形態によると、この方法は、摩擦攪拌溶接ピンの回転速度を周期的に及び／又は所定スケジュールに従って所定の第１及び第２速度の間に調節する調節ステップを含んでおり、第１速度はピンの平均速度の９９％未満であり、第２速度はピンの平均速度の１０１％よりも大きい。更に、ピンの回転方向は、作動中、周期的に反転することが可能となっている。ピンの回転速度は、約０.１Ｈｚ〜１００Ｈｚの頻度もしくは周波数で周期的に調節することが可能であり、周期的な調節は正弦波のようにすることができる。例えば、ピンの回転速度は、該ピンを回転させるアクチュエータに供給される電流を変えることにより調節可能である。更に、加工物は、例えば誘導加熱器により、摩擦攪拌溶接前に加熱されていても良い。

加工物は、アルミニウム、アルミ合金、チタニウム、チタン合金、鋼、又は鉄―ニッケル合金のような種々の材料から形成することが可能である。

本発明はまた、加工物を摩擦攪拌溶接するために強制されて該加工物に当たるように構成された回転可能なピンと、該ピンを回転させるように構成されたアクチュエータと、所定スケジュールに従って前記アクチュエータを制御し、それにより前記ピンの回転速度を調節するように構成されたコントローラとを備える、摩擦攪拌溶接装置を提供している。このコントローラは、前記アクチュエータを周期的に制御し、それにより、例えばアクチュエータに供給される電流を調節して、回転速度を第１及び第２速度の間に調節するように構成することが可能である。また、この装置は、加工物を加熱するように構成された誘導加熱器のようなヒータを備えていても良い。

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連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。

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、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、同様の要素を示している。

次に図面、特に図１を参照すると、本発明の一実施形態に従って加工物６０を摩擦攪拌溶接するための装置１０が示されている。この摩擦攪拌溶接装置１０は、摩擦攪拌溶接工具２０と、摩擦溶接継手８０を形成するために当該工具２０を回転させ、且つ加工物６０を通って移動させるための少なくとも１つのアクチュエータ３０とを備えている。例えば、摩擦攪拌溶接工具２０は、アクチュエータ３０に結合されたチャック、スピンドル又はその他の部材３２に係合することが可能となっている。このアクチュエータ３０は、機械的リンク機構をそれぞれ有する電気的、液圧又は空圧装置を含む種々の形式の作動装置の一部とすることが可能である。例えば、アクチュエータ３０は、摩擦攪拌溶接工具２０を回転及び移動させるように構成されたフライス盤又はドリルのような機械の一部とすることができる。アクチュエータ３０は、手動で作動されてよいが、コンピュータソフトウエアプログラムに保存されたスケジュール又は同コンピュータソフトウエアプログラムにより発生されたスケジュールに従って作動するようにプログラムすることが可能なコンピュータ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はその他のコントローラ５０により作動されるのが好ましい。

用語“加工物”は、制限的な意味をもつのではなく、加工物６０は、種々の外形に構成することが可能な１つ以上の構造部材６２，６４を有していても良いことが分かる。例えば、図１に示すように、２つの構造部材６２，６４の縁６６，６８は、突合せ接触してそれらの間に境界面７０を形成するように配置され、この境界面が溶接されて、例えば、図１に示すような突合せ溶接継手である継手８０を形成することが可能である。或いは、本発明の装置１０を使用して他の形式の継手８０も同様に形成することが可能である。例えば、境界面に沿って延びる重ね継手を形成するために、構造部材６２，６４のぴったり合う表面をオーバーラップさせると共に、該ぴったり合う表面の境界面を端から端まで溶接することにより、重ね継手が形成されている。構造部材６２，６４はまた、他の配置で位置決めして溶接することが可能である上、任意の数の構造部材６２，６４を継手８０により接合することが可能である。別の実施形態において、加工物６０は、単一の構造部材としても良く、摩擦攪拌溶接装置１０は、この部材に溶接継手を形成して、例えば、そこにある割れ、穴又はその他の欠陥を修復したり、或いは構造部材の材料特性に影響を及ぼしたりするのに使用することが可能である。

構造部材６２，６４は、限定はされないが、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されている。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、摩擦攪拌溶接装置１０で溶接することが可能である。更に、加工物６０は、類似又は非類似材料の部材を含むことができ、例えば、構造部材６２，６４は、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ても良い。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製造することになる。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合金が含まれている。摩擦攪拌溶接の使用は、溶接不向きの材料から形成される加工物が確実に接合されることを可能にしている。また、摩擦攪拌溶接は、溶接可能な材料を他の溶接可能な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ることができる。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することが可能であり、それにより加工物６０やそれから形成された構造組立体の全重量の減少が容易となる。

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、外皮、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することが可能である。本発明の摩擦攪拌溶接装置１０は、大型の加工物と幾何学的曲線形状をもつ加工物とを摩擦攪拌溶接するのに使用することが可能である。ある用途の場合、構造部材６２，６４は、加工物６０の両側面にアクセスすることを難しくするか或いは阻止するような幾何学的形状において連結されている。例えば、構造部材６２，６４は、チューブ又は航空機翼のように、部分的に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ても良い。

図１に例示されているように、摩擦攪拌溶接工具２０は、肩部２２と、そこから延びるピン２４とを備えている。これらピン２４及び肩部２２は、高強度及び高熱抵抗を有する材料から形成されているのが好ましい。限定ではなく、一例としてのみの目的であるが、ピン２４及び／又は肩部２２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、及び鉄−ニッケル合金から構成することが可能である。肩部２２は、ピン２４が加工物６０、例えば、図１に示すように境界面７０に挿入されるように、加工物６０に強制的に当接されるように構成されている。本発明の他の実施形態において、工具２０は、対向して配置された状態で構成されている第１及び第２肩部（部分）を備え、ピンが両肩部間に延びており、該肩部が加工物６０に対峙して配置されていると共に、それらの間の加工物６０の対向表面に摩擦係合されるようになっている。いずれの場合も、装置１０の各肩部２２は、例えば、加工物６０に係合するため、及び工具２０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２２の周囲の外側へと半径方向に押圧される“すき起こし（plowing)”を防止するために、ほぼ平坦であるか、テーパが付いているか、凹状であるか、凸状であるか、或いはその他の形状である表面を画成することが可能となっている。更に、各肩部２２は、例えば、加工物６０に摩擦係合するように構成されたねじ山、突起又はリブのような隆起した部分或いは表面である１つ以上の摩擦配置を画成することが可能である。例えば、加工物６０に係合するため、螺旋のねじ山を各肩部２２に形成することが可能である。また、ピン２４は、溶接中、加工物６０に係合している攪拌部を画成している。ピン２４の攪拌部は、円筒形とすることが可能であり、或いは螺旋のねじ山、周方向の溝、隆起、先細、段部等を含む種々の形状及び輪郭を画成することが可能である。

アクチュエータ３０は、工具２０、従ってピン２４をコントローラ５０により制御できる可変の回転速度で回転させるように構成されている。例えば、本発明の一実施形態において、アクチュエータ３０は、ピン２４をどちらの回転方向でも毎分約０〜３０００回転（ＲＰＭ）の平均速度Ｓ_avgで回転させるように構成されているが、一部の実施形態においては、ピン２４は、前述した範囲の速度よりも速い速度で回転しても良い。更に、ピン２４の回転速度は、溶接工程の全体を通じて変更可能である。例えば、図２に例示したように、ピン２４の回転速度は、溶接工程の開始時に時間Ｔ₀〜Ｔ₁の間の初期期間１００中、上昇させられる。その後、ピン２４の回転速度は、最低速度Ｓ_min及び最高速度Ｓ_maxの間で周期的に調節又は調整される。例えば、ピン２４の回転速度は、時間Ｔ₂，Ｔ₄，Ｔ₆で最低速度Ｓ_minに減少され、時間Ｔ₃，Ｔ₅，Ｔ₇で最高速度Ｓ_maxに上昇されることが可能である。

周期的変動は、図２に例示したような正弦波とすることが可能であり、従って、ピン２４の回転速度が最低速度Ｓ_min及び最高速度Ｓ_maxの間で変動すると共に、それらの間の平均回転速度Ｓ_avgを有している。変動の頻度もしくは周波数は、毎秒当りの変動周期の数で定義され、ヘルツ（Ｈｚ）により表わされる。一回の変動周期の間、ピン２４の回転速度は最低速度Ｓ_minから最高速度Ｓ_maxまで増加し、その後、最高速度Ｓ_maxから最低速度Ｓ_minまで低下している。ピン２４の回転速度の変動頻度は、加工物６０の厚さ、材質，又はその他の機械的特性や、溶接部を形成するためにピン２４が境界面７０を通って移動する速度や、ピン２４の大きさ及び表面輪郭や、加工物６０の温度や、ピン２４の回転速度及び速度変化や、形成されつつある溶接継手８０の大きさ及び形式や、溶接継手８０の所望の機械的特性等に応じて調整することが可能となっている。例えば、変動の頻度は、非類似の粒径のような異なる材料特性をもつ構造部材６０，６２を有する加工物６０を溶接するために、高くすることが可能である。更に、変動の頻度は、ピン２４に沿って軸方向に広がるプレーナー表面のようなピン２４上の特徴の分離角(angular separation)に応じて、又はピン２４により規定されたねじ山のピッチに応じて、ある程度決定することができる。本発明の一実施形態によると、変動の頻度は、約０.１Ｈｚ〜１００Ｈｚとすることが可能である。

また、回転速度の変動の幅は、変動の頻度を決定するのに用いられたのと同一又は異なるファクターに応じて、調節することが可能である。例えば、この幅は、より広い又はより狭い溶接継手８０に対し、それに相応して増大又は減少させることが可能である。この幅は、平均速度Ｓ_avgと最高又は最低速度Ｓ_max，Ｓ_minとの間の速度差に相当している。即ち、幅は、最高速度Ｓ_max及び最低速度Ｓ_minの間の差の二分の一である。本発明の一実施形態によると、ピン２４は、約１００〜３０００ＲＰＭの速度で回転し、幅は、ピン２４の平均回転速度Ｓ_avgの約１％〜２００％である。従って、最低回転速度Ｓ_minは、平均回転速度Ｓ_avgの９９％未満とすることが可能であり、最高回転速度Ｓ_maxは、ピン２４の平均回転速度Ｓ_avgの１０１％よりも大きくすることが可能である。例えば、ピン２４の平均回転速度Ｓ_avgが時計方向に１００ＲＰＭであり、回転速度の変動の幅が平均回転速度Ｓ_avgの５０％であれば、最低速度Ｓ_minは約５０ＲＰＭ（時計方向）であり、最高速度Ｓ_maxは約１５０ＲＰＭ（時計方向）である。

更に、回転速度の変動幅は、ピン２４の回転方向が作動中に変化するように、ピン２４の平均回転速度Ｓ_avgよりも大きくすることが可能である。本発明の一実施形態によると、平均回転速度Ｓ_avgは、１００ＲＰＭ未満であり、約１００〜１０００ＲＰＭの変動幅を有している。従って、ピン２４は、回転方向を周期的に反転して、ゼロであるか或いはゼロよりも大きくすることができる平均速度で、時計方向及び反時計方向に交互に回転するようになっている。例えば、ピン２４の平均回転速度Ｓ_avgが時計方向に約１００ＲＰＭであり、且つ回転速度の変動の幅が平均回転速度Ｓ_avgの約１５０％であれば、最低速度Ｓ_minは反時計方向に約５０ＲＰＭであり、最高速度Ｓ_maxは時計方向に約２５０ＲＰＭである。代案として、図３に例示されているように、ピン２４は、平均回転速度Ｓ_avgを有していない（即ち、Ｓ_avg＝０ＲＰＭ）ことが可能であり、ゼロよりも大きな幅を有することができる。従って、ピン２４は、図３に例示した作動中に時間Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，Ｔ₄，Ｔ₅で方向を反転して、時計方向及び反時計方向に連続的に回転し、各方向において最高速度Ｓ_max及び最低速度Ｓ_minにそれぞれ等しい最高速度及び最低速度に到達することになる。

ピン２４の回転速度の減少は、ピン２４及び加工物６０の間に発生される摩擦熱を一般的に減少させるものである。従って、ピン２４の回転速度が少なくともある作動時間中に１００ＲＰＭ未満である場合、例えば、ピン２４の回転方向が周期的に反転する場合、工具２０の肩部２２は、加工物６０を可塑化するため或いは加工物６０をほぼ可塑化するため、加工物６０に十分に摩擦係合するように構成することが可能であるので、ピン２４の回転速度が減少しているときであっても、ピン２４は、加工物６０を通って移動することが可能となる。例えば、肩部２２がピン２４の直ぐ近くの比較的に大きな面積に対して作用するように、肩部２２の直径はピン２４の直径の５倍か、或いはそれ以上とすることができる。

ピン２４の回転速度は、図２及び図３に例示した正弦波状の変動の他に、他の変動パターン又はモデルに従って調節することが可能である。例えば、この変動は、のこ歯状、傾斜路状、矩形又は三角形階段状等の形状を特徴とすることができる。また、ピン２４の速度は、連続変動中に、異なる最低及び最高速度に減速及び増速することが可能である。例えば、回転速度は、所定の速度又は無作為に選択した速度に減速及び増速できる。更に、変動の頻度は、溶接工程を通じて一定であっても良いし、変更されても良い。例えば、ピン２４の回転速度は、ある期間中は一定とし、他の期間中に変更することができる。

ピン２４の回転速度の調節は、例えば、コントローラ５０のメモリに保存されたスケジュール又はプログラムに基づいて、コントローラ５０により制御されるようになっている。この点について、コントローラ５０は、電力をアクチュエータ３０に供給する電源装置４２のような電源と通信することが可能となっている。更に、コントローラ５０は、アクチュエータ３０に供給される電流を変化させ、それによりアクチュエータ３０の速度及びピン２４の回転速度を調整するための電流又は電圧調整装置としても機能することになる。或いは、コントローラ５０は、例えば、ピン２４の回転速度を制御するためにディジタル電子信号をアクチュエータ３０に送信することにより、アクチュエータ３０をディジタル制御することが可能となっている。

更に、図１に示すように、装置１０は、溶接工程中に加工物６０の材料を加熱するための誘導加熱器４０のようなヒータを備えていても良い。この誘導加熱器４０は、電源装置４２に電気的に接続されていると共に、加工物６０中に電流を誘導するように構成されているので、加工物６０は所望温度まで抵抗加熱されることになる。代案として、レーザ、電気抵抗ヒータ、ガス又はその他の火炎ヒータ等のような他の形式のヒータを使用することができる。場合によっては、インダクタンス加熱を使用して厚い加工物をその厚さの端から端まで均一に加熱することが可能であり、また、薄い加工物を加熱するためにはレーザのようなその他の表面加熱器を使用することができる。加工物６０は、装置１０において使用されるヒータ４０の形式に関係なく、工具２０による摩擦攪拌溶接の前、間、及び／又は後に所望温度まで加熱されることになる。

本発明の一実施形態によると、誘導加熱器４０は、摩擦攪拌溶接の前に加工物６０を所望温度まで予加熱するのに用いられている。加工物６０の予加熱により、加工物６０の材料を可塑化して加工物６０を摩擦攪拌溶接するために、ピン２４と加工物６０との間に必要とされる摩擦を低下させることが可能となる。従って、ある実施形態の場合、予加熱は、ピン２４が加工物６０を通り移動する速度を増大させ、及び／又は、加工物６０を溶接するためにピン２４を介して加えなければならない力を減少させることができる。必要とされる予加熱の量は、加工物６０の厚さ、材質又はその他の機械的特性や、ピン２４の回転速度や、溶接継手８０を形成するためにピン２４が境界面７０を通り移動する速度や、ピン２４の大きさや、加工物６０の初期温度や、形成されつつある溶接継手８０の種類や、溶接継手８０の所要の機械的特性等に基づいて変えることが可能である。誘導加熱器４０は、加工物６０の可塑化温度よりも低い“予加熱温度”まで加工物６０を加熱するのに使用可能である。例えば、誘導加熱器４０は、加工物６０の可塑化温度よりも低い温度まで少なくとも２７.８℃（５０°Ｆ）だけ加工物６０を加熱することが可能となっている。

誘導加熱器４０は、摩擦攪拌溶接工具２０の直ぐ近くに配置することが可能であり、一度に加工物６０の一部のみを加熱するように構成されている。更に、誘導加熱器４０は、摩擦攪拌溶接工具２０の運動に先行する通路を加工物６０に沿って移動するように構成されている。従って、誘導加熱器４０は、ピン２４に直ぐ近い加工物６０の部分のみを加熱するように配置することが可能であるので、摩擦攪拌溶接継手８０の領域から離れたところにある加工物６０の諸部分は最小限だけ加熱されるか、又は全く加熱されないことになる。一部の実施形態において、誘導加熱器４０は、摩擦攪拌溶接工具２０又はアクチュエータ３０に接続され、或いはさもなければ摩擦攪拌溶接工具２０から一定距離に維持されることが可能である。従って、誘導加熱器４０は、摩擦攪拌溶接工具２０と同時にほぼ同じ速度で移動することが可能となる。代案として、誘導加熱器４０は、例えばコントローラ５０により、摩擦攪拌溶接工具２０とは別個に制御可能であるので、誘導加熱器４０は溶接工具２０とは独立して移動することになる。従って、誘導加熱器４０は、工具２０とは異なる速度で移動し得ると共に、加熱の必要度に応じて工具２０からより近く又はより遠くに調節することが可能となる。更に、誘導加熱器４０により行われる加工物６０の加熱の量は、溶接工程中に、例えば、種々の個所における加工物６０の物理的特性の違い、ピン２４の回転速度の調整量、加工物６０を通るピン２４の速度等に応じて調節することが可能である。

本発明は何ら特定の作動理論に限定されるものではないが、ピン２４の回転速度の変化は、溶接中の加工物６０の可塑化された材料の動きに影響を与えると考えられる。特に、ピン２４の回転速度の増加及び減少は、加工物６０の可塑化された材料の混合を実質的に向上させる結果になると考えられる。更に、誘導加熱器４０による加工物６０の加熱は、加工物６０が可塑化されるのを引き続き許容しながら、ピン２４及び加工物６０間の摩擦を減少させることができると考えられる。従って、ピン２４の回転速度の変化は、例えば、誘導加熱器４０による加工物６０の加熱のために、ピン２４と可塑化された材料との間の摩擦力がたとえ減少しても、可塑化された材料の混合を向上させることができる。本発明の他の実施形態において、ピン２４の回転速度は、誘導加熱器４０を使用することなく変えることができる。

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２４の攪拌部及び肩部２２が加工物６０に摩擦接触するように、回転している摩擦攪拌溶接工具２０を加工物６０との接触状態にして動かすことにより形成されている。回転している摩擦攪拌溶接工具２０は、所定通路に沿って加工物６０の中を移動することができ、それにより細長い溶接継手８０を形成している。従って、加工物６０の材料はピン２４によって混合され、材料の粒度は微細化されることが可能となり、それにより継手８０における材料の特性が向上することになる。

例えば、溶接工具２０は、加工物６０の縁のところに設置することが可能であり、符号１２で表わされた方向に回転し、加工物６０の中を符号１４で表わされた方向に推し進めることが可能であるので、肩部２２が加工物６０の表面に接触し、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が抑えられることになる。代案として、溶接継手８０が加工物６０の縁から内側の個所で開始又は終了されるべきであれば、溶接工具２０は、溶接継手８０の開始時に加工物６０の中に強制する又は“突っ込む”ことが可能であり、及び／又は続いて加工物６０の溶接後に加工物６０から退出させることができる。いずれの場合も、加工物６０に対する肩部２２の強制力に対抗するものとして、肩部２２に対峙して配置されるアンビル又はその他の支持装置が設けられるか、或いはピン２４に接続されると共に肩部６０と肩部２２の反対側に配置される第２の肩部が設けられている。従って、加工物６０は、摩擦攪拌溶接中、ピン２４の直ぐ近くで肩部２２と別の肩部又は他の支持装置との間に“挟持”されることになる。有利なのは、肩部２２と別の肩部又は他の支持装置とがシールを形成して、可塑化された材料がそこから押し出されるのを防止できることである。従って、溶接継手８０のところには、加工物６０の両側面上に平面又はその他所望の輪郭が形成されることになる。２つの肩部がピン２４に取り付けられていれば、当該２つの肩部は、溶接中に溶接工具２０に殆ど又は全く軸力をかける必要がないように、加工物６０に対して工具２０を軸方向に抑止することが可能である。工具２０が符号１４で表わされる方向に強制されるときに、誘導加熱器４０は、加工物６０を加熱すると共に工具２０を進める通路において符号１６で表わされた方向に移動され、加工物６０が誘導加熱器４０によって予加熱されると共に、工具２０によって連続して可塑化されるようにしている。更に、方向１２への工具２０の回転速度は、上述したように周期的に調節され、それにより加工物６０の可塑化された材料を混合している。

本発明の別の実施形態によると、ピン２４は、個々に回転可能である１つよりも多い部分を有している。例えば、図４に例示した工具のピン２４は、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂを有している。第２部分２５ｂは、第１部分２５ａが肩部２２と第１アクチュエータ３０ａに係合可能であるのに対して、第２部分２５ｂが第２アクチュエータ３０ｂにより係合されるように、第１部分２５ａにより画成された開口２６を貫いて延びる軸２８に接続されている。アクチュエータ３０ａ，３０ｂは、２つの部分２５ａ，２５ｂを異なる周期的変動で又は異なる所定スケジュールに基づいて回転させることが可能である。例えば、アクチュエータ３０ａ，３０ｂは、２つの部分２５ａ，２５ｂを同一又は異なる平均速度、最低又は最高速度、回転方向、変動の頻度、変動の大きさ、変動プロフィール又は特性、変動のタイミング、及び／又はその他の回転の状況で回転させることが可能である。更に、第１部分２５ａは、第１の構造部材６２を実質的に貫いて延びるように構成され、第２部分２５ｂは、第２の構造部材６４を実質的に貫いて延びるように構成されている。従って、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂは、それぞれ第１及び第２の構造部材６２，６４の材料特性に基づいて回転することが可能であるので、各部分２５ａ，２５ｂは各構造部材６２，６４の材料を効果的に可塑化すると共に混合することになる。

代案として、２つの部分２５ａ，２５ｂは、一体化部材とすることが可能であり、或いはさもなければ、同部分２５ａ，２５ｂが同じ回転速度で且つ同じ変動で一緒に回転するように結合されても良い。例えば、図５に示すように、２つの部分２５ａ，２５ｂは、肩部２２から延びる単一部材とすることが可能である。更に、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂは、構造部材６２，６４の材料特性、形成されつつある溶接継手８０の種類等に基づいて選択又は形成することが可能である。例えば、第１構造部分２５ａの直径は、ピン２４が第１の構造部材６２における材料と第２の構造部材６４よりも多く摩擦接触するように、第２部分２５ｂの直径よりも大きくすることが可能である。２つの部分２５ａ，２５ｂの直径が異なる結果として、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂを同じ回転速度で回転させることにより、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂの外面の速度が異なることになる。特に、第１部分２５ａの外面は、第２部分２５ｂの外面よりも速く加工物６０に対して移動することになる。更に、異なる直径をもつ２つの部分２５ａ，２５ｂは、例えば図４に関連して記載したように、異なる回転速度で回転されるように構成することが可能である。

本発明の他の実施形態において、ピン２４は、各々が異なる直径を画定しており、及び／又は、独立して回転可能に構成されている、３つ以上の部分を備えることができる。例えば、図６は、第１部分２５ａ、第２部分２５ｂ及び第３部分２５ｃを備えたピン２４を有する工具２０を例示している。図示のように、第１部分２５ａ及び第３部分２５ｃは第２部分２５ｂよりも大きな直径を有している。従って、第１部分２５ａ及び第３部分２５ｃは、加工物６０においてより広い範囲の材料と摩擦係合し、及び／又は、加工物６０の対峙する表面にチャンネルを画成するのに使用することができる。部分２５ａ，２５ｂ，２５ｃの各々は、別個に回転することができ、或いは、他の部分２５ａ，２５ｂ，２５ｃのうちの１つ以上に接続されてそれと共に回転することができる。

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。

２つの加工物を摩擦攪拌溶接するために構成された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斜視図である。 本発明の一実施形態に基づく摩擦攪拌溶接中のピンの回転速度の変動を例示するグラフである。 本発明の別の実施形態に基づく摩擦攪拌溶接中のピンの回転速度の変動を例示するグラフであり、ピンは周期的に方向を反転している。 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り、この工具は別個に回転可能である２つの部分をもつピンを有している。 本発明のもう１つ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り、この工具は異なる直径の２つの部分をもつピンを有している。 本発明の更に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り、この工具は３つの部分をもつピンを有している。

符号の説明

１０ 摩擦攪拌溶接装置
２０ 摩擦攪拌溶接工具
２２ 肩部
２４ ピン
２５ａ 第１部分
２５ｂ 第２部分
２５ｃ 第３部分
３０ アクチュエータ
３０ａ 第１アクチュエータ
３０ｂ 第２アクチュエータ
４０ ヒータもしくは誘導加熱器
５０ コントローラ
６０ 加工物
Ｓ_min 最低速度（第１速度）
Ｓ_avg 平均回転速度
Ｓ_max 最高速度（第２速度）

Claims (38)

1. 加工物を摩擦攪拌溶接する方法であって、
   摩擦攪拌溶接ピンを強制して前記加工物に当てる強制ステップと、
   前記摩擦攪拌溶接ピンを回転させる回転ステップと、
   前記摩擦攪拌溶接ピンの回転速度を周期的に調節し、それにより前記加工物を摩擦攪拌溶接する調節ステップとを有し、
   前記調節ステップは前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を約０.１Ｈｚ〜１００Ｈｚの頻度で周期的に調節することを含む、方法。
2. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間で周期的に調節することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間で周期的に調節することを含み、前記第１速度は少なくとも約１００ＲＰＭであり、前記第２速度は前記第１速度よりも大きい、請求項１に記載の方法。
4. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間で周期的に調節することを含み、前記第１速度は前記摩擦攪拌溶接ピンの平均回転速度の９９％未満であり、前記第２速度は前記摩擦攪拌溶接ピンの前記平均回転速度の１０１％よりも大きい、請求項１に記載の方法。
5. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を正弦波状の速度変動に基づいて周期的に調節することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転方向を周期的に反転させることを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンを回転させるためのアクチュエータに変動電流を供給することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記強制ステップの前に前記加工物を予加熱温度まで加熱することを更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記加熱ステップは誘導加熱器を付勢することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記加熱ステップは、前記加工物を同加工物の可塑化温度よりも低い温度まで少なくとも２７.８℃（５０°Ｆ）だけ加熱することを含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記加工物を用意するステップを更に含み、前記加工物は、アルミニウム、アルミ合金、チタニウム、チタン合金、及び鋼からなるグループのうちの少なくとも１つから構成される、請求項１に記載の方法。
12. 前記回転ステップは、別個に回転可能な第１及び第２部分を有する摩擦攪拌溶接ピンを回転させることを含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記調節ステップは、前記第１及び第２部分が、前記調節ステップの少なくとも一部分の間、異なる速度で回転するように、前記摩擦攪拌溶接ピンの各部分の回転速度を周期的に調節することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記摩擦攪拌溶接ピンを用意するステップを更に含み、該摩擦攪拌溶接ピンは、異なる直径を規定する少なくとも２つの部分を有している、請求項１に記載の方法。
15. 加工物を摩擦攪拌溶接する方法であって、
    摩擦攪拌溶接ピンを強制して前記加工物に当てる強制ステップと、
    前記摩擦攪拌溶接ピンを回転させる回転ステップと、
    前記摩擦攪拌溶接ピンの回転速度を所定スケジュールに従って調節し、それにより前記加工物を摩擦攪拌溶接する調節ステップとを有し、
    前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を約０.１Ｈｚ〜１００Ｈｚの頻度で調節することを含む、方法。
16. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間で調節することを含み、前記第１速度は少なくとも約１００ＲＰＭであり、前記第２速度は前記第１速度よりも大きい、請求項１５に記載の方法。
17. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンの前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間で調節することを含み、前記第１速度は前記摩擦攪拌溶接ピンの平均回転速度の９９％未満であり、前記第２速度は前記摩擦攪拌溶接ピンの前記平均回転速度の１０１％よりも大きい、請求項１５に記載の方法。
18. 前記調節ステップは前記摩擦攪拌溶接ピンの回転方向を反転させることを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記調節ステップは、前記摩擦攪拌溶接ピンを回転させるためのアクチュエータに変動電流を供給することを含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記強制ステップの前に前記加工物を予加熱温度まで加熱することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
21. 前記加熱ステップは誘導加熱器を付勢することを含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記加熱ステップは、前記加工物を同加工物の可塑化温度よりも低い温度まで少なくとも２７.８℃（５０°Ｆ）だけ加熱することを含む、請求項２０に記載の方法。
23. 前記加工物を用意するステップを更に含み、前記加工物は、アルミニウム、アルミ合金、チタニウム、チタン合金、及び鋼からなるグループのうちの少なくとも１つから構成される、請求項１５に記載の方法。
24. 前記回転ステップは、別個に回転可能な第１及び第２部分を有する摩擦攪拌溶接ピンを回転させることを含む、請求項１５に記載の方法。
25. 前記調節ステップは、前記第１及び第２部分が、前記調節ステップの少なくとも一部分の間、異なる速度で回転するように、前記摩擦攪拌溶接ピンの各部分の回転速度を所定スケジュールに従って調節することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記摩擦攪拌溶接ピンを用意するステップを更に含み、該摩擦攪拌溶接ピンは、異なる直径を規定する少なくとも２つの部分を有している、請求項１５に記載の方法。
27. 加工物を摩擦攪拌溶接するために強制されて該加工物に当たるように構成される回転可能なピンと、
    該ピンを回転させるように構成されたアクチュエータと、
    所定スケジュールに従って前記アクチュエータを制御し、それにより前記ピンの回転速度を調節するように構成されたコントローラとを備え、
    前記コントローラは、前記アクチュエータを周期的に調節し、それにより前記ピンの前記回転速度を約０.１Ｈｚ〜１００Ｈｚの頻度で調節するようになっている、摩擦攪拌溶接装置。
28. 前記コントローラは、前記アクチュエータを周期的に調節し、それにより前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間に調節するように構成されている、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
29. 前記コントローラは、前記アクチュエータを周期的に調節し、それにより前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間に調節するように構成されており、前記第１速度は約１００ＲＰＭであり、前記第２速度は前記第１速度よりも大きく設定されている、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
30. 前記コントローラは、前記アクチュエータを周期的に調節し、それにより前記ピンの前記回転速度を所定の第１及び第２速度の間に調節するように構成されており、前記第１速度は前記ピンの平均回転速度の９９％未満であり、前記第２速度は前記ピンの前記平均回転速度の１０１％よりも大きく設定されている、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
31. 前記コントローラは、前記アクチュエータを周期的に調節し、それにより前記ピンの前記回転速度を正弦波状に調節するように構成されている、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
32. 前記コントローラは、前記ピンの回転方向を周期的に反転させるように構成されている、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
33. 前記コントローラは、前記アクチュエータに供給される電流を調節するように構成されている、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
34. 前記加工物を加熱するように構成されたヒータを更に備える、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
35. 前記ヒータは誘導加熱器である、請求項３４に記載の摩擦攪拌溶接装置。
36. 前記ピンは別個に回転可能な第１及び第２部分を有している、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
37. 前記ピンは、該ピンの前記第１及び第２部分を別個に回転させるための第１及び第２アクチュエータを備えている、請求項３６に記載の摩擦攪拌溶接装置。
38. 前記ピンは、異なる直径を規定する少なくとも２つの部分を画定している、請求項２７に記載の摩擦攪拌溶接装置。
    

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