JP2013542076A - 高速摩擦スポット接合ツールを保持する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、高性能の高強度鋼（ＡＨＳＳ）の摩擦撹拌スポット接合のための高速なツールの回転を可能にするために、振動の抑制、装置の特定の構成要素の精密な製造公差、ならびに受動的な絶縁および能動的な冷却の技術を含む構成要素の熱膨張の抑制技術を利用する。

Description

本発明は、一般に、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）に使用されるツールに関する。詳しくは、本発明は、高速で回転させられる摩擦撹拌スポット接合ツールを保持するための装置に関する。

〔関連出願の相互参照〕
本出願は、米国特許仮出願第６１／３８５，８８４号（事件番号４８６２．ＭＭＡＴ．ＰＲ）の優先権を主張し、この米国特許仮出願に含まれる内容のすべてを援用する。

摩擦撹拌溶接は、金属および金属合金を溶接するために開発された技術である。ＦＳＷプロセスは、多くの場合、接合部の各側に位置する２つの隣接する被加工物の材料を、回転している撹拌ピンによって係合させることを含む。力が、ピンおよび被加工物を押し合わせるように加えられ、ピンと段部と被加工物との間の相互作用によって生じる摩擦熱が、接合部の各側の材料の可塑化をもたらす。ピンと段部との組み合わせ、すなわち「ＦＳＷチップ」が、接合部に沿って移動し、移動の際に材料を可塑化させ、移動するＦＳＷチップの後方に残される可塑化した材料が冷めることで、溶接部が形成される。ＦＳＷチップは、ＦＳＰによって別の材料を処理するためにピンを持たずに段部だけを有するツールであってもよい。

図１が、軸部８と、段部１２と、段部から外へと延びているピン１４とを有しているおおむね円柱形のツール１０を特徴とする摩擦撹拌溶接に使用されているツールの斜視図である。ピン１４が、充分な熱が生じるまで被加工物１６に当接して回転させられ、充分な熱が生じた時点で、ツールのピンが可塑化した被加工物の材料へと押し込まれる。一般的には、ピン１４が、被加工物へのさらなる進入を防止する段部１２に達するまで被加工物１６へと押し込まれる。被加工物１６は、多くの場合、接合線１８において互いに当接させられる材料の２枚のシートまたは板である。この例では、ピン１４が、接合線１８において被加工物１６へと押し込まれている。

ツール１０が回転させられるとき、トルクが回転している軸部８からＦＳＷチップ２４へと伝えられる。ツール１０が鋼などの高い融点の材料である被加工物に使用される場合、ＦＳＷチップ２４は、多くの状況において、回転させられながら摩擦による加熱によって軟化させられた鋼を横切って移動するとき、摂氏１０００度を超える温度に曝される。

図１を参照すると、被加工物の材料１６に当接したピン１４の回転運動によって引き起こされる摩擦熱が、融点に達することなく被加工物の材料の軟化を生じさせる。ツール１０が接合線１８に沿って横方向に移動させられることによって、可塑化した材料が前縁から後縁へとピン１４の周囲を流れるため、溶接部が生成される。結果は、他の従来からの技術を使用する溶接部と対照的に、被加工物の材料１６そのものからの区別が通常は不可能であるかもしれない接合線１８における固相の結合部２０である。また、固相の結合部２０は、生じる混合ゆえに、元の被加工物の材料１６よりも優れているかもしれない。さらに、被加工物の材料が異なる材料を含む場合、やはり得られる混合後の材料が、元の被加工物の２つの材料のどちらよりも優れているかもしれない。

段部１２が被加工物の表面に接触するとき、その回転により、挿入されたピン１４の周囲のより大きな材料の柱を可塑化させる追加の摩擦熱が生じることが観察されている。段部１２が、回転するツールのピン１４によって引き起こされる上方への金属の流れを含む鍛造力をもたらす。

摩擦撹拌溶接の際に、溶接されるべき領域およびツール１０は、ツールが溶接継手の所望の長さを横移動するようにお互いに対して移動させられる。回転する摩擦撹拌溶接ツール１０が、連続的な高温加工の作用をもたらし、被加工物の材料１６に沿って横移動するときに狭い領域の金属を可塑化させる一方で、ピン１４の前縁から後縁へと金属を運ぶ。溶接の領域が冷めるとき、一般的には、ツール１０の通過時に液体が生成されてはいないため、凝固は存在しない。常にではないが、多くの場合、得られる溶接部は、溶接部の領域に形成された欠陥のない再結晶による細粒のマイクロ構造である。

移動の速度は、一般的には、２００〜２０００ｒｐｍの回転速度において１０〜５００ｍｍ／分である。到達温度は、通常は固相線温度に近いが、固相線温度よりも低い。摩擦撹拌溶接のパラメータは、材料の熱的性質、高温の流れの応力、および進入の深さである。

これまでの特許文献は、高温材料の摩擦撹拌溶接のためのツールを、摩擦撹拌溶接される材料よりも高い融点を有する１つ以上の材料で製作するように教示している。いくつかの実施の形態においては、超砥粒が、場合によってはコーティングとして、ツールにおいて使用されている。

〔摩擦撹拌スポット接合〕
この文書は、さらに具体的には、他の従来からの摩擦撹拌ツールと比べて高い速度で回転させられる摩擦撹拌ツールに特有の問題に関する。

摩擦撹拌スポット接合（ＦＳＳＪ）は、重ね継手を生成するために一般的に使用される固体の接合方法である。ＦＳＳＪは、回転するツールを互いに重ね合わせられた２つの材料へと押し込むように使用し、２つの材料を拡散接合を使用して接合できるようにツールの周囲に熱および材料の流れを生じさせる。処理段階は、１）ツールビットを回転させ、２）ツールビットを上側の材料の表面を貫いて第２の材料へと押し込み、３）一定期間後にツールビットを引き戻すことである。

上述のＦＳＳＪスポット溶接プロセスは、自動車産業において、Ｍａｚｄａ ＲＸ７（登録商標）の後部ドアについて、生産ベースですでに実施されている。メーカーが、自社の高級スポーツカーの重量の削減を必要とし、多数の構成部品をアルミで製作することによってそれを可能にした。ＦＳＳＪは、アルミニウムの抵抗溶接が不可能ではないかもしれないが達成困難であるため、アルミニウム部品を接合するための最適な方法であった。接合すべきアルミニウム部品を融解させる他の方法は、同じ致命的な欠陥を有しており、何らかの水準の接合強度をもたらすようにアルミニウムを接合することを妨げている。これが、市販の航空機が融接ではなくてリベットで接合されている理由の１つである。

エネルギーの高いコストゆえ、エネルギーを大量に消費する製造方法を使用する大企業は、競争力を保つためにエネルギー節約計画の実行を必要としている。例えば、自動車産業は、生産されるすべての車両のエネルギー効率を改善するという公衆および新たな政府規制からの圧力に直面している。最も大きな経済的利点を、より小さなエンジンおよび代替のエネルギー装置を使用して車両を動かすことができるように、車両の重量を減らすことによって達成することができる。

重量の削減は、高性能の高強度鋼材（ＡＨＳＳ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｓｔｅｅｌ）の使用によって達成される。例えば、より高い強度の鋼を使用することで、より細い鋼の断面を使用して、車体の重量を減らすことができる。車体またはホワイトボディは、エンジンを除いて車両の最も重い部品である。

〔技術水準〕
アルミニウム部品の接合は、ＦＳＳＪが実行されており、利用可能な最良の接合方法の選択肢であるため、もはや難題ではない。残念ながら、アルミニウムは高価であり、自動車の分野における使用は、車両の全販売のわずかな割合を構成するにすぎない高価な自動車に限られている。

ＡＨＳＳは、車両の構造をもたらすより新しい材料の大多数を構成し、さまざまな強度で製作される。強度が低いほど、自動車の設計者が定める荷重の要件を支えるために、断面がより太くなければならない。ＡＨＳＳの強度が高いほど、同じ荷重の要件を支えるために、断面をより細くすることができる。より低い強度のＡＨＳＳは、現時点において、抵抗スポット溶接を使用して接合されている。自動車産業において、車両の重量をさらに削減し、最大の強度および最小の重量を有する最新のＡＨＳＳを提供するという強い圧力が依然として存在する。

〔現行技術の課題〕
最新のＡＨＳＳが開発され、すぐに生産へと提供できる状態にある。しかしながら、これらの鋼を接合する能力を取り囲む重大な問題が存在する。これらの鋼は、強度を最大にするための特別な化学的性質を、鋼の「加工」または機械的な強化と組み合わせて使用することによって強化されている。この加工硬化させられた材料の使用の結果の例を、洋服ハンガーを９０度の角度に曲げるときに見ることができる。ハンガーを再び真っ直ぐな状態へと曲げ戻すことが、曲げの位置が機械的に強化されており、もはや元の位置へと戻すことができないがゆえに、きわめて困難である。

この加工硬化法が、ＡＨＳＳにおいて材料の強度を高めるために使用されている。残念ながら、鋼が従来からの抵抗スポット溶接プロセスの際に融解させられるとき、加工硬化プロセスの利益のすべてが、スポット接合部の材料が融解させられ、再び凝固するがゆえに、失われてしまう。さらに、スポット接合部の凝固の際に、凝固の地点において強度が低くなる一方で、周囲の材料はより高い強度の加工硬化させられた材料である。これは、スポット接合部における割れおよび接合の不具合につながる。いくつかの試みが、より高い強度のＡＨＳＳについて、この問題を軽減または除去するために行なわれてきた。しかしながら、不具合の根本的原因は、抵抗スポット接合が融解および再凝固した接合部を生じさせるがゆえに、取り除くことが不可能である。

多結晶立方晶チッ化ホウ素（ＰＣＢＮ）のツール材料およびチップ形状を用いる鋼のＦＳＳＪを使用する利点は、この業界において周知である。さらに、ＦＳＳＪは、ツールチップの回転速度を増すことにより、熱の入力を大きくし、接合すべき材料に係合するチップの軸方向の荷重の要件を軽減することによって、より実現可能になる。

しかしながら、高い回転スピンドル速度のツールをＦＳＳＪ製造作業へと実行することに関係する多数の現実的な問題が存在する。早期のＰＣＢＮツールの不具合、スピンドルの軸受の不具合、および安全上の問題が、ＡＨＳＳのＦＳＳＪに高い回転速度のビットを使用することに関係する課題である。これらの課題は、高い回転速度の構成部品が適切に構成されず、釣り合わせられず、適切に保持されない場合に生じる振動に起因する。さらに、多くの場合に、回転するツールのチップをスピンドルの軸受から遠くまで延ばさなければならないことが、チップを適切に保持して動作させることをさらに困難にしている。切削工具の業界が、振動の問題に対処している。しかしながら、生じる高い温度、構成部品の熱膨張、および高い回転速度が、あらゆる業界において実際のＦＳＳＪの応用に成功することを、きわめて難しくしている。

構成部品の振動および熱膨張の問題を克服しつつＡＨＳＳのＦＳＳＪを実行するための装置を提供することが、先行技術に対する優位な点になると考えられる。

本発明の一実施の形態において、ツール保持装置からＦＳＳＪチップへと高い回転速度を加えることを可能にする装置および方法が教示される。本発明は、高性能の高強度鋼（ＡＨＳＳ）の摩擦撹拌スポット接合のための高速なツールの回転を可能にするために、振動の抑制、装置の構成要素の精密な製造公差、ならびに受動的な絶縁および能動的な冷却の技術を含む構成要素の熱膨張の抑制のための技術を利用する。

本発明のこれらの、ならびに他の態様、特徴、および利点が、以下の詳細な説明を添付の図面と組み合わせて検討することによって、当業者にとって明らかになるであろう。

摩擦撹拌溶接のための先行技術に教示のツールの斜視図である。 高速摩擦撹拌スポット接合装置の構成要素および装置に保持されたＦＳＳＪチップの断面の外形図である。 本発明の軸部ホルダの拡大図である。 第１のＦＳＳＪチップの構成を有する延長軸部の第１の冷却の構成ならびに冷却剤の入出ポートを示す端面図である。 第２のＦＳＳＪチップの構成を有する延長軸部の第２の冷却の構成ならびに冷却剤の入出ポートを示す端面図である。 空冷のための外側の冷却溝および／またはフィンを有する第１の延長軸部の構成を示している。延長軸部の軸部ホルダにおける回転を防止するための延長軸部に位置する固定用の平坦部も示されている。 空冷のための外側の冷却溝および／またはフィンを有する第２の延長軸部の構成を示している。延長軸部の軸部ホルダにおける回転を防止するための軸部に位置する固定用の平坦部も示されている。 軸部ホルダにおける延長軸部の回転を防止するために延長軸部の周囲に配置されたコレットを有しているコレット保持装置を示している。 図８のコレット保持装置の断面を示している。 締め付けの際に延長軸部の位置の精度が維持されるようにボールベアリングがコレット保持装置に組み合わせて使用されている別の実施の形態を示している。

次に、本発明の実施の形態の種々の構成要素が参照番号によって指し示されている図面を参照し、本発明を、当業者がそれらの実施の形態を実施および使用できるように説明する。以下の説明が、本発明の原理の例示にすぎず、以下の特許請求の範囲を狭めるものと考えてはならないことを、理解すべきである。

図２が、本発明の第１の実施の形態の構成要素を示している。以下の図が、本発明の原理の１つの実施例を示しているにすぎず、従って本発明を示されている特定の実施の形態に限られると考えてはならないことを、理解すべきである。この実施の形態は、あくまでも例示の目的のためのものにすぎず、変更が可能であり、それでも本発明の技術的範囲に包含されると考えられる。

本発明の構成要素が、図２に示されており、ＦＳＳＪチップまたはツール３０と、セットねじ３２と、延長軸部３４と、軸部ホルダ３６と、スピンドル３８とを含んでいる。次に、これらの構成要素の各々を、これらについて行なわれた改良を理解するために、さらに詳しく説明する。

延長軸部の作業端において、ＦＳＳＪチップ３０と延長軸部３４との間に、ＦＳＳＪチップ空洞４０（以下では、空洞４０）が位置している。ＦＳＳＪチップ３０を囲むＦＳＳＪチップ空洞４０は、円柱形または多面の形状のいずれかとして、精密かつ正確に製作されている。ＦＳＳＪチップ３０が、空洞４０において動くことができないことが重要である。

セットねじ３２が、延長軸部３４を貫いて斜めに配置され、ＦＳＳＪチップ３０を保持するために使用されている。ＦＳＳＪチップ３０および空洞４０の同心度および精度が、振動を防止し、ＦＳＳＪ装置２８の滑らかな動作を維持するために重要である。

図２には示されていないが、考慮すべき本発明の別の構成要素は、ＦＳＳＪチップ３０の定常状態の熱的状況を維持するために、空洞をコーティングし、あるいはＦＳＳＪチップ３０と空洞との間にスリーブを使用することによって、空洞４０の内面に適用することができる熱絶縁材料である。

先行技術と比べたときの第１の実施の形態の大きな相違は、延長軸部３４が、機械加工に使用される一般的な回転ツールと比べたときに、より長い長さを有しており、従ってきわめて高い精度を有さなければならない点にある。延長軸部３４は、閉ループの冷却装置を形成するように延長軸部の本体内に完全に囲まれた少なくとも１つの内部冷却チャネル５０を備えている。内部冷却チャネル５０は、ＦＳＳＪ装置２８の長さを変化させかねない延長軸部３４の軸に沿った熱膨張を防止するために必要である。熱膨張への対処が行なわれない場合、被加工物に対するＦＳＳＪチップ３０の再現性のある配置を達成することができない。冷却チャネル５０を、延長軸部３４を一体に接合される２つの部分にて製作することによって生み出すことができる。

図２に示されているＦＳＳＪ装置２８の最終的な構成要素は、装置のスピンドル３８へと取り付けられる軸部ホルダ３６である。図３が、この軸部ホルダ３６を装置のスピンドル３８の標準的なスピンドル先端の形態へと取り付けることを可能にする一般的な標準の３０のテーパを示している。軸部ホルダ３６は、延長軸部３４のための軸部ホルダ空洞５４（以下では、空洞５４）を備えている。やはり図示されていないが、軸部ホルダ３６内に、延長軸部３４の位置を調節するための調節ストッパが位置している。

セットねじ５２が、ＦＳＳＪの最中の延長軸部３４の回転を防止するために、軸部ホルダ３６の壁に示されている。しかしながら、本発明の技術的範囲から離れることなく、コレットまたはテーパロック機構など、延長軸部３４の回転を防止するための他の手段を、使用することが可能である。

ＦＳＳＪ装置の他の特徴は、振動の測定を可能にすべく軸部ホルダ３６または延長軸部３４に組み合わせられる加速度計または他の振動測定装置を備えることである。振動の測定は、ＦＳＳＪプロセスの最中に非安全または賢明でない振動の態様が検出された場合にユーザまたはＦＳＳＪ装置がＦＳＳＪチップの回転を停止させることを可能にする。

図２に示されるように、冷却剤をＦＳＳＪ装置２８を通過させて戻す閉ループの冷却剤の流れを有するよう、冷却剤が、装置のスピンドル３８から軸部ホルダ３６を通ってチャネル５０に通される。冷却剤が、液体または気体のいずれかであってよく、図示のようにスピンドルから通すことができ、あるいはツール保持装置の外径などの他の位置から通すことができることに、注意することが重要である。

図４および５が、延長軸部３４の断面図として提示されている。これらの図は、延長軸部３４における２つの異なる冷却の構成、ならびに２つの異なるＦＳＳＪチップの構成を示している。いくつかの用途において、他の用途と比べてより多くの冷却チャネル５０が必要とされる可能性があり、冷却チャネルの追加および経路が本発明を限定するものではないことを、示すことが重要である。

図６および７が、内部の液体または気体の冷却の代わりに外側の冷却溝６０および／またはフィンを有している延長軸部３４の構成の２つの異なる断面図を示している。さらに、軸部ホルダ３６における延長軸部の回転を防止するために、延長軸部３４に位置するロック用の平坦部６２も示されている。

図８が、軸部ホルダ３６における延長軸部の回転を防止するために延長軸部３４を保持するために使用されるコレット７０を有しているコレット保持装置を示しているＦＳＳＪ装置２８の別の実施の形態の外形および部分断面図である。

図９が、図８に示したコレット７０を示すＦＳＳＪ装置２８の断面図である。この図は、コレット７０を引き込むことによって延長軸部３４に保持の圧力を加えるＭ１０のボルト７２の例を示している。Ｍ１０のボルト７２に時計方向の運動を使用することで、延長軸部３４が、コレット７０の締め付け時にストッパ位置へと調節される。同様に、Ｍ１０のボルト７２を反時計方向に緩めることで、延長軸部３４が追い出される。

図１０が、延長軸部３４の位置の精度が締め付けの際に維持されるようにボールベアリング７４がコレット７０と組み合わせて使用されている本発明の別の実施の形態の断面図である。締め付け機構のボールベアリングによる支持が、締め付けの際に延長軸部３４の同心度を維持するために使用される。

これらの例示は、本発明の技術的範囲において可能ないくつかの構成にすぎない。ＦＳＳＪチップの保持、延長軸部の設計および構成、ならびに装置のスピンドルへと取り付けられる軸部ホルダが、ＦＳＳＪの最中に直面される荷重、振動、および熱サイクルに対処するための一単位として設計および製作されることに、注意することが重要である。

本発明の別の態様において、設計および動作の原理に従うことによって、一般的なコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マシニングセンタを高精度のＦＳＳＪ装置へと変換でき、従って装置が２つの能力を提供することを可能にできることに、注意すべきである。

これが、自動ツールチェンジャの特徴を、採用されるＦＳＳＪ装置の設計において実行できることも意味することを、理解すべきである。

本発明の重要な態様は、接合すべき被加工物をＦＳＳＪチップへと直接隣接させることが不可能である状況におけるこのＦＳＳＪプロセスの適用である。換言すると、車両などの特定の品目の製造時に、車両の構成要素は、組み立てライン上に残らなければならない。従って、ＦＳＳＪ装置を、接合すべき物体に到達できるように製造しなければならない。

この例では、ロボットが車両の組み立てに使用されることが多い。ロボットは、先行技術において述べた理由ゆえに、適切なＦＳＳＪを実行できていない。しかしながら、本発明は、ロボットがＦＳＳＪチップの回転を生じさせるスピンドルから大幅に大きな距離にＦＳＳＪチップを延ばすことを可能にする。本発明を使用し、今やＦＳＳＪチップをＦＳＳＪ装置からさらに遠く延ばし、ＡＨＳＳを使用して製造される自動車の部品のＦＳＳＪを実行することができる。

ＦＳＳＪ装置２８の動作は、典型的な動作パラメータの理解を含む。例えば、ＦＳＳＪ装置２８の設計は、４０００ＲＰＭよりも上でのＦＳＳＪチップ３０の回転を支持するためにきわめて丈夫である。ＦＳＳＪチップ３０の外径が、円柱、平坦部を有する円柱、あるいは正方形、六角形、八角形、または他の円柱形からの逸脱を形成する一連の平坦部として構成される。ＦＳＳＪチップ３０の構成は、これらの同じ幾何学的構成を有しながら端部から端部へと先細りであってもよい。しかしながら、ＦＳＳＪチップ３０の直径または外側部分に位置する少なくとも１つの平坦部が、駆動用の平坦部を形成することが好ましい。ＦＳＳＪチップ３０の被加工物と係合する側とは反対側の少なくとも一部分が、延長軸部３４に接触する。熱収縮の構成を、延長軸部３４とＦＳＳＪチップ３０との間に使用することができる。

すでに説明した通り、ＦＳＳＪチップ３０と延長軸部３４との間に絶縁または熱バリアが存在する。絶縁は、これに限られるわけではないが好ましくは、０．００００１８Ｗ／ｍＫよりも大きい熱伝導率を有する。ＦＳＳＪチップ３０と延長軸部３４の空洞４０との間のすき間は、好ましくは０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）以下である。逃げまたは同心からの外れは、好ましくは０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）以下である。

本発明の高速動作のために、ＦＳＳＪチップの同心度が０．０００４インチＴ．Ｉ．Ｒ．の範囲内であり、チップの直径が±０．００００８インチの範囲内であり、延長軸部の長さが１５０〜１６０ｍｍの範囲内にとどまり、冷却が延長軸部の長さを安定に保つために重要なだけでなく、スポット溶接作業から到来するスピンドルの加熱も防止するがゆえに、冷却が実行されることが、必須ではないが好ましい。

本発明の別の態様においては、延長軸部３４が、外部の環境に対して閉じられた内部の冷却チャネル５０を有する。冷却は、液体または気体であってよい。フィンまたは溝６０などの造作あるいは他の非平滑な表面が、冷却に空気を利用する。延長軸部３４は、冷却チャネル５０の形成を可能にするために２部品からなる構成によって製作される。延長軸部は、好ましくは、高ＦＳＷの当業者にとって公知の任意の金属またはセラミック材料から製作される。

本発明の別の態様においては、延長軸部３４のＦＳＳＪチップ保持端とは反対側の端部が、軸部ホルダ３６に機械的に取り付けられる。軸部ホルダ３６が、業界標準のテーパ（３０、３５、４０、４５、５０ ＮＭＴＢまたはＩＳＯ）を有する装置のスピンドル３８に取り付けられる。液体または気体による冷却が、流れのパターンの任意の長手方向または横方向の取り付けにて軸部ホルダ３６を通って運ばれる。軸部ホルダ３６は、延長軸部３４の回転を防止するための少なくとも１つのセットねじ５２を有している。延長軸部３４は、セットねじの係合のための少なくとも１つの平坦部を有している。コレット７０による保持方法が、軸部ホルダ３６において延長軸部３４を保持するために使用される。ボールベアリング７４を、精度を維持するために締め付け機構の周囲において軸部ホルダ３６に使用することができる。調節ストッパが、軸部ホルダにおける延長軸部３４の位置を調節するために、軸部ホルダ３６に位置している。加速度計または他の振動測定装置が、振動を測定し、ＦＳＳＪプロセスの最中に非安全または賢明でない振動の態様が生じた場合にＦＳＳＪチップ３０の回転を停止させるために、軸部ホルダ３６または延長軸部３４に組み合わせられる。

本発明の別の態様においては、上述のＦＳＳＪ装置の原理が、既存のマシニングセンタを高精度のＦＳＳＪ装置へと変換するために、既存のマシニングセンタに適用され、既存のマシニングセンタを変更するために使用される。

本発明の別の態様においては、ＦＳＳＪ装置が、ツールとして上述のＦＳＳＪ装置の任意の構成要素をもたらし、自動ツール交換装置における使用に必要な特徴を有する。最後に、ＦＳＳＪ装置が、自動ツール交換装置を有するＦＳＳＪのための専用の装置である。

本発明の最後の態様において、スポット溶接を実行するロボットが、良好な接合のために２つの材料を押し付ける充分なＺ力を加えることができないことが、この業界において知られている。従って、本発明の別の態様は、同じロボットを本発明において使用し続けることができる点にある。これは、技術水準のＦＳＳＪ装置よりも高い速度で回転するＦＳＳＪツールにおいては、適切な接合を得るために必要なＺ力が小さいがゆえに可能である。

上述の構成および実施の形態が、あくまでも本発明の原理の応用の例示にすぎないことを、理解すべきである。多数の変更および代案の構成を、当業者であれば、本発明の技術的思想および技術的範囲から離れることなく、考え出すことが可能である。添付の特許請求の範囲が、そのような変更および構成を包含するように意図されている。

Claims (23)

1. 金属の被加工物を接合するための高速摩擦撹拌スポット接合（ＦＳＳＪ）装置であって、
   軸部、段部及びピンを含むＦＳＳＪチップと、
   前記ＦＳＳＪチップを被加工物に対して保持するための延長軸部と、
   前記延長軸部を保持するための軸部ホルダと、
   当該ＦＳＳＪ装置を少なくとも毎分４０００回転の回転速度で回転させるための手段と
   を含む高速ＦＳＳＪ装置。
2. 前記延長軸部の作業端のＦＳＳＪチップ空洞と、
   前記ＦＳＳＪチップの熱的状態を調節するために前記ＦＳＳＪチップ空洞に配置された熱絶縁材料と
   をさらに含む請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
3. 前記延長軸部が、少なくとも１つの内部冷却チャネルをさらに含み、該少なくとも１つの冷却チャネルに冷却用の液体または気体を通すことによって前記ＦＳＳＪチップの温度を調節し、前記延長軸部の温度を調節して該延長軸部の軸方向の膨張を防止して、当該ＦＳＳＪ装置の精度を向上させる請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
4. 前記延長軸部が、他のＦＳＳＪ装置よりも大きい長さをさらに含み、当該ＦＳＳＪ装置をＦＳＳＪ装置に直接隣接させて配置することができない被加工物について使用することを可能にしている請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
5. 前記軸部ホルダの作業端の軸部ホルダ空洞と、
   前記延長軸部を前記軸部ホルダ空洞に保持するために前記軸部ホルダの壁を貫く少なくとも１つのセットねじと
   をさらに含む請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
6. 前記延長軸部が、該延長軸部の表面を巡る複数の外溝をさらに含み、該延長軸部の温度を調節して該延長軸部の軸方向の膨張を防止し、当該ＦＳＳＪ装置の精度を向上させる請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
7. 前記延長軸部が、該延長軸部の表面を巡る複数の外フィンをさらに含み、該延長軸部の温度を調節して該延長軸部の軸方向の膨張を防止し、当該ＦＳＳＪ装置の精度を向上させる請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
8. 前記延長軸部の一部分の周囲に配置され、前記軸部ホルダに組み合わせられて該軸部ホルダに対する前記延長軸部の回転を防止するコレット保持装置をさらに含む請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
9. 前記コレット保持装置が、前記軸部ホルダに位置するボールベアリングをさらに含み、前記延長軸部が前記軸部ホルダに組み合わせられるときの延長軸部の配置の精度を可能にする請求項８に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
10. 前記ＦＳＳＪチップに望ましくない振動が生じたときにこれを見つけ出し、該ＦＳＳＪチップの回転を停止させることができる振動測定装置をさらに含む請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
11. 当該ＦＳＳＪ装置をスポット接合以外の機械加工の用途に使用できるよう、自動ツール交換装置をさらに含む請求項１に記載の高速ＦＳＳＪ装置。
12. 金属の被加工物の高速摩擦撹拌スポット接合（ＦＳＳＪ）を実行するための方法であって、
    １）軸部と、段部と、ピンとからなるＦＳＳＪチップを用意し、前記ＦＳＳＪチップを被加工物に対して保持するための延長軸部を用意し、前記延長軸部を保持するための軸部ホルダを用意するステップと、
    ２）前記ＦＳＳＪチップを毎分４０００回転（４０００ＲＰＭ）を超える速度で回転させるステップと、
    ３）前記ＦＳＳＪチップを金属の少なくとも２つの被加工物へと押し込み、次いで該金属の少なくとも２つの被加工物から取り除くことによって、ＦＳＳＪプロセスにて該金属の少なくとも２つの被加工物の高速ＦＳＳＪを実行するステップと
    を含む方法。
13. 前記ＦＳＳＪチップを毎分４０００回転を超える速度で回転させるステップをさらに含むことで、前記被加工物として硬化済みの先進高強度鋼（ＡＨＳＳ）を使用する利点を維持する請求項１２に記載の方法。
14. 車両の構造にＡＨＳＳを使用し、ＡＨＳＳ部材をＦＳＳＪを使用して接合することによって、車両の重量を軽減するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記ＦＳＳＪチップの温度を高めるべく熱絶縁材料をもたらすことによってＦＳＳＪプロセスへの熱の入力を大きくするステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
16. 前記延長軸部を冷却するステップをさらに含むことで、該延長軸部の温度を調節して該延長軸部の軸方向の膨張を防止し、ＦＳＳＪ装置の精度を向上させる請求項１２に記載の方法。
17. 前記延長軸部を冷却するステップが、該延長軸部の内部冷却チャネルならびに該延長軸部の外面に配置された複数の溝またはフィンの使用を含む冷却方法のグループから選択される請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＦＳＳＪチップに直接隣接させることが不可能な物体にＦＳＳＪプロセスを到達させることができるよう、前記ＦＳＳＪチップの到達距離を増すために前記延長軸部を用意するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
19. 前記延長軸部の一部分の周囲に配置され、前記軸部ホルダに組み合わせられて該軸部ホルダに対する前記延長軸部の回転を防止するコレット保持装置を用意するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
20. 前記延長軸部が前記軸部ホルダに組み合わせられるときの延長軸部の配置の精度の向上を可能にするボールベアリングを前記軸部ホルダに設けるステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
21. 前記ＦＳＳＪチップに望ましくない振動が生じたときにこれを見つけ出し、該ＦＳＳＪチップの回転を停止させることができる振動測定装置を用意するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
22. ＦＳＳＪ装置をスポット接合以外の機械加工の用途に使用できるよう、自動ツール交換装置を用意するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
23. 装置によってＣＮＣおよびＦＳＳＪの両方の機能を実行できるよう、ＦＳＳＪプロセスを実行するようにＣＮＣマシニングセンタを改良するステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。

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