JP3876264B2 - ツール、摩擦攪拌溶接継手を形成する装置、摩擦攪拌溶接する方法、および摩擦攪拌溶接重ね継手 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００２年４月２９日出願の米国仮出願番号６０／３７６，７５８の恩典を請求する。

本発明は、摩擦溶接に関し、より詳細には、摩擦撹拌溶接の間溶接継手をバックアップすることに関する。

摩擦撹拌溶接は、回転ツールを使用する比較的新しいプロセスであり、それは、凹状肩部に取り付けられるねじ付きピンあるいはプローブを含み、２つのワークピースを固体状に接合するあるいは単一のワークピースの割れ目を修理する。目下、そのプロセスは、ほぼ例外なく、直線溶接に適用されている。たとえば、そのようなプロセスは、Ｔｈｏｍａｓらへの米国特許第５，４６０，３１７号に記述されており、その内容は、本明細書に参照により組み込まれている。図１Ａに示されるように、摩擦撹拌溶接の間、回転ツール１２のプローブ１０は、摩擦撹拌溶接機械（図示せず）によって、１つのワークピースにあるいは２つのワークピース１４の間に押し込まれ、可塑化された材料の領域を形成するべく、十分な摩擦加熱を発生するために必要とされる抵抗力を生成する。図１Ｂに示されるように、ツール１２は、一般に、１つのワークピースまたは複数のワークピース１４に対してほぼ３゜傾き、そのために、凹状の肩部１６の後縁は、可塑化された材料の中に押し込まれ、そして、強固にする。可塑化された材料の凝固時、ワークピース１４は、溶接継手１８に沿って接合される。摩擦撹拌溶接ツール１２によって用いられる力の大きさは、必要とされる摩擦加熱を発生するために、所定の最小限度以上を維持される必要がある。

摩擦撹拌溶接ツール１２によって用いられる力によるワークピースの変形を防止し、そして、寸法公差を維持するために、ワークピース１４は、溶接継手の裏側をサポート１５で支持する必要がある。さらに、溶接ツールによって発生する摩擦熱が溶接継手内の材料を可塑化するので、その可塑化された材料は、その材料が溶接継手から流出するのを防止するように押し込められる必要があり、そして、さらに、気孔率を最小とし、そして、所望の表面仕上を有する溶接継手をもたらすように強化される必要がある。摩擦撹拌溶接が、比較的ワークピースを平らにするとき、その溶接継手は、接合されるワークピースの下に位置決めされる鋼板などの連続的な平坦な表面によって支持されることが可能である。

摩擦撹拌溶接が、大きなワークピースあるいは曲線形状を有するワークピースであるとき、その溶接継手に適切な支持を供給することは、必要な支持材料の量および／または曲線形状により連続的な支持表面を供給することをもっと難しくさせ、そして、費用がかかることになるので問題である。そのような接合は、軍用機および民間航空機およびロケット燃料タンクを製造するときに必要であることが多い。ある特定の状況では、「道具細工」と一般に呼ばれている組立構造は、摩擦撹拌溶接前にワークピースの内側表面に固定されることが可能である。しかし、重量減少および／またはデザインパラメータは、平滑な内側表面を有する仕上アセンブリを要求することが多い。例として挙げると、道具細工は、たとえば、機械加工によって除去される必要があり、それは、時間のかかることであり、そして、大きな労働力を要し、そして、仕上げアセンブリの製造コストを増大することになる。

摩擦撹拌溶接が遭う別の問題は、固相線温度、硬度および／または熱伝導率などの異なる材料特性を有する異なる材料で形成されるワークピースを接合するときに生ずる。特定の合金の「固相線」温度は、固体だけが安定するそれ以下の温度である。異なる材料特性は、摩擦撹拌溶接ツールが異なる回転スピードで各ワークピース内で回転される、および／または、ワークピースを通る異なる割合のツール前進を有することを必要とすることがあり、それが、摩擦撹拌溶接プロセスを複雑化することになり、そして、接合されることが可能な材料のタイプを制限することになる。たとえば、異なる固相線温度を有する摩擦撹拌溶接ワークピースのとき、摩擦撹拌溶接ツールは、先ず、低い固相線温度を有するワークピースを可塑化し、そのために、高い固相線温度は、強い溶接継手を形成することが必要なとき、他のワークピースと混合されるように十分に可塑化されることができない。

従って、大きなワークピースあるいは曲線形状を有するワークピース間に溶接継手を形成する改良された摩擦撹拌溶接ツールが必要である。そのツールは、効果的に、溶接継手を支持し、そして、摩擦撹拌溶接の間に溶接継手内の可塑化された材料を押し込めることが可能であり、そして、容易に、ワークピース形状およびサイズを変えるのに適合できるべきである。さらに、そのツールは、異なる材料特性を有するワークピースを摩擦撹拌溶接することを可能とする。

本発明は、ワークピースに摩擦撹拌溶接継手を形成するツールを提供する。本発明の１つの実施形態によれば、そのツールは、少なくとも部分的に摩擦撹拌溶接継手を形成するように、第１の端部と第２の端部とを有し、そして、それらの間に、そのワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定する回転ピンを含む。そのツールは、それを通って、ピンの第１の端部をスライド可能に受容するように構成される開口を画定する回転可能な第１の肩部を含む。そのツールは、さらに、ピンが第１の肩部と第２の肩部との間に延在するように、かつ、第２の肩部が、ピンと回転可能に連絡状態になるように、ピンの第２の端部を受容するように構成される開口を画定する第２の肩部を含む。第１の肩部は、ピンと第２の肩部とは関係なく回転するように構成されている。１つの実施形態において、第１の肩部および第２の肩部は、摩擦撹拌溶接の間ワークピースを相対して支持するように構成されている。別の実施形態において、第２の肩部は、溶接継手から離れて熱を伝えるように構成される複数のフィンを画定する。

本発明の別の実施形態によれば、ツールは、少なくとも部分的に摩擦撹拌溶接継手を形成するように、第１の端部と第２の端部を有し、そして、それらの間に、ワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定する回転ピンを含む。ツールは、それを通って、ピンの第１の端部をスライド可能に受容するように構成される開口を画定する回転可能な第１の肩部を含む。そのツールは、さらに、ピンが、第１の肩部と第２肩部との間に延在するように、かつ、第２の肩部が、ピンと回転可能に連絡状態になるように、ピンの第２の端部を受容するように構成される開口を画定する第２の肩部を含む。第１の肩部および第２の肩部の少なくとも１つは、少なくとも部分的に摩擦撹拌溶接継手を形成するようにワークピースを摩擦係合するように構成される少なくとも１つの膨らんだ部分を画定する表面を有する。第１の肩部および第２の肩部は、摩擦撹拌溶接の間ワークピースを相対して支持するよう構成されている。１つの実施形態において、第１の肩部は、ピンと第２の肩部とは関係なく回転するように構成されている。別の実施形態において、第２の肩部は、溶接継手から離れて熱を伝えるように構成される複数のフィンを画定する。

本発明の別の実施形態によれば、そのツールは、少なくとも部分的に摩擦撹拌溶接継手を形成するように、第１の端部と第２の端部を有し、そして、それらの間に、ワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定する回転ピンを含む。ツールは、それを通って、ピンの第１の端部をスライド可能に受容するように構成される開口を画定する回転可能な第１の肩部を含む。そのツールは、さらに、ピンが、第１の肩部と第２肩部との間に延在し、かつ、第２の肩部が、ピンと回転可能に連絡状態になるように、ピンの第２の端部を受容するように構成される開口を画定する第２の肩部を含む。第２の肩部は、溶接継手から離れて熱を伝えるように構成される複数のフィンを画定する。１つの実施形態において、第１の肩部および第２の肩部は、摩擦撹拌溶接の間ワークピースを相対して支持するように構成されている。別の実施形態において、第１の肩部は、ピンと第２の肩部とは関係なく回転するように構成されている。

ピンの撹拌部分は、様々な形状を備えることが可能である。たとえば、１つの実施形態において、ピンの撹拌部分は、少なくとも１つの平坦な表面を画定する。別の実施形態において、ピンの撹拌部分は、少なくとも１つのねじ付き表面と少なくとも１つの平坦な表面とを画定する。さらに別の実施形態において、ピンの撹拌部分は、第１の方向に方向付けられるねじ山を有する第１のねじ付き表面と、第２の方向に方向付けられるねじ山を有する第２のねじ付き表面とを備え、そして、第１の方向は、第２の方向とは異なっている。

第１の肩部および第２の肩部それぞれは、ワークピースに摩擦係合するように構成される表面を有し、それによって、少なくとも部分的に摩擦撹拌溶接継手を形成する。たとえば、１つの実施形態において、第１の肩部および第２の肩部の表面の少なくとも１つには、ねじ山がつけられている。別の実施形態において、その表面の少なくとも１つは、凸状である。さらに別の実施形態において、その表面の少なくとも１つは、凹状である。さらに別の実施形態において、その表面の少なくとも１つは、ワークピースを摩擦係合するように構成される少なくとも１つの膨らんだ部分を画定する。

ピンは、様々な異なる方法で第２の肩部に接続されることが可能である。たとえば、１つの実施形態において、ピンの第２の端部の少なくとも一部分には、ねじ山がつけられている。同様に、第２の肩部の開口の少なくとも一部分には、ピンの第２の端部をねじ受容するように、ねじ山がつけられている。別の実施形態において、ピンの第２の端部は、多角形の形状を有し、そして、第２の肩部の開口は、ピンの第２の端部の形状に対応する多角形の形状を有する。

本発明は、さらに、ワークピースに摩擦撹拌溶接継手を形成する装置を提供している。１つの実施形態によれば、その装置は、回転可能な内側部分と回転可能な外側部分とを画定するスピンドルを有する機械を含む。その装置は、摩擦撹拌溶接ツールを含む。１つの実施形態において、その摩擦撹拌溶接ツールは、少なくとも部分的に摩擦撹拌継手を形成するように、第１の端部と第２の端部とを有し、そして、それらの間に、ワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定するピンを含む。ピンの第１の端部は、スピンドルの内側部分と回転可能に連絡状態になっている。摩擦撹拌溶接ツールは、それを通って、ピンの第１の端部をスライド可能に受容するように構成される開口を画定する第１の肩部を含む。第１の肩部は、スピンドルの外側部分と回転可能に連絡状態になっている。摩擦撹拌溶接ツールは、さらに、ピンが、第１の肩部と第２の肩部との間に延在し、かつ、第２の肩部が、ピンと回転可能に連絡状態になるように、ピンの第２の端部を受容するように構成される開口を画定する第２の肩部を含む。第１の肩部は、ピンと第２の肩部とは関係なく回転するように構成されている。上記に記述されるように、摩擦撹拌溶接ツールおよび第１の肩部および第２の肩部の多数の変形および変更が可能である。

本発明はさらに、ワークピースを摩擦撹拌溶接する方法を提供している。本発明の１つの実施形態によれば、その方法は、そのワークピースに近接して第１の肩部と第２の肩部とを位置決めするステップを備える。第１の肩部および第２の肩部のそれぞれは、そのワークピースを摩擦係合するように構成される表面を有する。ピンは、そのピンがそれらの間に延在するように、第１の肩部と第２の肩部とに接続されている。ピンは、ワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定する。その後、第１の肩部は、ピン、第１の肩部および第２の肩部のそれぞれの少なくとも一部分が、ワークピースに摩擦係合し、それによって、摩擦撹拌溶接継手を形成するように、第１の角運動速度で回転され、そして、ピンおよび第２の肩部は、第１の角運動速度と異なる第２の角運動速度で回転される。ピンの撹拌部分は、所定の経路に沿ってワークピースの中を移動されることが可能である。

本発明の別の実施形態によれば、その方法は、ワークピースに近接して第１の肩部および第２の肩部を位置決めするステップを含む。第１の肩部および第２の肩部のそれぞれは、ワークピースに摩擦係合するように構成される表面を有する。ピンは、そのピンがそれらの間に延在するように、第１の肩部と第２の肩部とに接続されている。そのピンは、ワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定する。第１の肩部は、回転される。第１の回転するステップと同時に、ピンおよび第２の肩部は、ピン、第１の肩部および第２の肩部のそれぞれの少なくとも一部分が、ワークピースに摩擦係合し、それによって、摩擦撹拌溶接継手を形成するように、第１の肩部とは無関係に回転される。たとえば、第１の回転するステップおよび第２の回転するステップは、第１の角運動速度で第１の肩部を、そして、第２の角運動速度でピンおよび第２の肩部を回転するステップを含み、そして、第２の角運動速度は、第１の角運動速度とは異なっている。ここに使用されるように、「角運動速度」は、スピード成分と方向成分との両方を含む。その方向成分は、「右手の法則」すなわち、逆時計回りの動きに従う動きに対してポジティブであり、そして、反対方向の動き、すなわち、時計回りの動き対してネガティブである。ピンの撹拌部分は、所定の経路に沿ってワークピースの中を移動されることが可能である。

ピンを第１の肩部および第２の肩部に接続する方法は、変えられることが可能である。１つの実施形態において、その接続するステップは、第１の肩部の開口を通ってピンの端部をスライドするステップを備える。接続するステップは、次に、ピンの端部を第２の肩部によって画定されるねじ開口にねじ込むステップを含むことが可能である。別の実施形態において、接続するステップは、ワークピースに開口をあけるステップを備える。ピンの端部は、第１の肩部の開口を通ってスライドされる。ピンの端部は、次に、ワークピースの開口を通って挿入され、そして、第２の肩部に接続される。

第１の肩部および第２の肩部の互いの位置決めは、肩部によってワークピースに用いられる力を調整するために修正されることが可能である。たとえば、１つの実施形態において、ピンは、第２の肩部を第１の肩部の方へ付勢するように、第１の肩部の方へ付勢する。別の実施形態において、第１の肩部は、第２の肩部の方へ付勢する。

本発明は、さらに、回転摩擦撹拌溶接ツールによって形成される摩擦撹拌溶接重ね継手を提供している。その重ね継手は、第１の構造部材と第２の構造部材とを含む。第２の構造部材は、それらの間に中間面を画定するように、少なくとも部分的に第１の構造部材にオーバーラップしている。重ね継手は、その中間面で少なくとも部分的に第１の構造部材と第２の構造部材とを接合する摩擦撹拌溶接継手を含む。その摩擦撹拌溶接継手は、第１の部分と第２の部分とを画定する。摩擦撹拌溶接継手の第１の部分は、第１の角運動速度で摩擦撹拌溶接ツールによって混合され、そして、摩擦撹拌溶接継手の第２の部分は、第２の角運動速度で摩擦撹拌溶接ツールによって混合され、それによって、第１の部分と第２の部分とに異なる精錬の粒状組織を形成する。１つの実施形態において、第１の構造部材および第２の構造部材は、異なる材料を備える。別の実施形態において、第１の構造部材および第２の構造部材は、異なる固相線温度を有する。さらに別の実施形態において、第１の構造部材および第２の構造部材は、異なる硬度を有する。

従って、大きなワークピースあるいは曲線形状を有するワークピースを摩擦撹拌溶接することによって、溶接継手を形成するための摩擦撹拌溶接ツール、装置および関連する製造の方法が提供されている。そのツールは、溶接継手を効果的に支持し、そして、摩擦撹拌溶接の間、溶接継手内の可塑化された材料を押し込めることが可能である。そのツールは、ワークピースの形状およびサイズを容易に変えるように構成されることが可能である。さらに、そのツールは、異なる材料特性を有するワークピースを摩擦撹拌溶接することを可能とする。

本発明の前述のこと、他の利点および特徴、そして、同じことが行われる方法は、必ずしも正確なスケールで描かれていないが、好ましい、そして、例示的な実施形態を示している添付の図面を参照として行われる本発明の以下の詳細な説明を考慮すると、ずっと容易に明らかになるであろう。

本発明は、ここでは、添付の図面を参照として以下にもっと十分に説明されており、そこでは、本発明のすべての実施形態ではないが、いくつかが示されている。実際に、本発明は、多数の異なる形態で実施されることができ、そして、ここに述べられている実施形態に限定されると解釈されるべきでない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が、綿密で、すべての要素を含み、そして、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供されている。同一の番号は、始めから終わりまで同一の要素のことである。

ここでは、図面を、特に、図２Ｂを参照とすると、図２Ａに示されるワークピース２３などの１つのワークピースまたは複数のワークピース２３を摩擦撹拌溶接するための、本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接機器あるいは装置２０が示されている。本発明の摩擦撹拌溶接機器２０は、特に、大きなワークピースおよび曲線形状を有するワークピースを摩擦撹拌溶接するのに適している。摩擦撹拌溶接機器２０は、摩擦撹拌溶接ツール２２と、独立して回転可能であり、かつ、軸方向に並進移動可能な外側部分２１ａおよび内側部分２１ｂを含むことが好ましいスピンドル２１を有するフライス盤あるいはドリルなどの摩擦撹拌溶接ツールを回転するように構成される機器、すなわち、機械（図示せず）とを含む。スピンドル２１の外側部分２１ａおよび内側部分２１ｂは、互いに独立して、軸方向に並進移動されることが可能であることが好ましい。摩擦撹拌溶接ツール２２を回転するように構成される機器あるいは機械は、手動で操作されることが可能であるが、ソフトウェア制御のもとに操作するコンピュータ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどによって操作されることが好ましい。１つの実施形態によれば、摩擦撹拌溶接ツール２２を回転するように構成される機器あるいは機械は、ＥＳＡＢによって製造される５５ＵＡボビンツール接合機械を含む。

図３に示されるように、摩擦撹拌溶接ツール２２は、第１の肩部２４と、第２の肩部２５と、それらの間に延在するピン２６とを含む。図２７〜図３４を参照すると、第１の肩部２４は、さまざまな形状で形成されることが可能であるが、形状が円筒形であることが好ましい。第１の肩部２４は、第１の肩部２４の全長を延在する開口３２を画定する本体２９を有する。第１の肩部２４の本体２９は、高強度と耐熱性とを有する材料で形成されることが好ましい。限定ではなく、単に例のために、第１の肩部２４の本体２９は、工具鋼と、ＴＺＭなどのモリブデン合金と、Ｒｅｎｅ４１（ＵＮＳ Ｎ０７０４１）などのニッケル合金で構成されることが可能である。第１の肩部２４の本体２９の第１の端部２９ａは、第１の肩部がスピンドルと回転可能に連絡状態になるように、スピンドル２１の外側回転部分２１ａと回転可能に連絡状態に構成されている。たとえば、スピンドル２１の外側回転部分２１ａは、第１の肩部２４の本体２９の外側に係合する従来のチャックあるいはコレット（図示せず）を含むことが可能である。別の実施形態（図示せず）において、第１の肩部２４の開口３２は、そのスピンドル２１の外側回転部分２１ａから延在するあるいはそれによって画定される対応するねじ部分にねじ係合するように構成されるねじ部分を第１の端部２９ａに画定する。さらに別の実施形態（図示せず）において、第１の肩部２４の本体２９の外側は、スピンドル２１の外側回転部分２１ａによって画定される対応するねじ部分をねじ係合するように構成されるねじ部分を第１の端部２９ａに画定する。

図２８および図３２に示されているように、第１の肩部２４の開口３２の直径は、本体の第２の端部２９ｂにおけるよりも本体２９の第１の端部２９ａにおいて大きい。より詳細には、その開口３２の直径は、開口３２が直径において比較的急な減少を呈する第１の肩部２４の第２の端部２９ｂの直前まで、第１の肩部２４の第１の端部２９ａから第２の端部２９ｂへ徐々に先細になっている。第１の肩部２４の開口３２の直径における急な減少は、第１の肩部２４の第２の端部２９ｂにおける開口３２に近接する、および、開口３２を取り巻く角度をつけた内側表面３４を画定する。

図２９、図３０、図３３および図３４に示されるように、図２Ｂのワークピース２３に近接する第１の肩部２４の第２の端部２９ｂは、ワークピース２３に摩擦係合するように構成される表面３５を有し、それによって、少なくとも部分的に、摩擦撹拌溶接継手１９を形成する。たとえば、１つの実施形態において、図２９および図３３に示されるように、その表面３５には、ねじ山３６がつけられている。別の実施形態（図示せず）において、その表面３５は、凸状の形状を有する。さらに別の実施形態において、その表面３５は、溶接継手１９において可塑化された材料を捕獲し、そして、強化するために、図１Ｂに示される肩部１６に類似する凹状の形状を有する。さらに別の実施形態において、その表面３５は、ワークピース２３に摩擦係合するように構成されるねじ山３６、隆起あるいはリブなどの１つ以上の膨らんだ部分あるいは表面を画定する。さらに別の実施形態において、その表面は、比較的フラットなあるいは平坦な形状を有する。

図４〜図１７を参照すると、ピン２６は、第１の端部３０と、第２の端部３１と、その第１の端部３０と第２の端部３１との間にピン２６の全長に沿って位置決めされる撹拌部分３７とを有する。そのピン２６は、高強度と耐熱性とを有する材料で形成されることが好ましい。限定ではなく、単に例のために、そのピン２６は、工具鋼と、ＴＺＭなどのモリブデン合金と、Ｒｅｎｅ４１（ＵＮＳ Ｎ０７０４１）などのニッケル合金から構成されることが可能である。図４および図５に示されるように、ピン２６の第１の端部３０は、ねじ部分２８を画定することが好ましく、それは、図２Ｂに示されるように、ピンがスピンドルと回転可能に連絡状態になるように、ピン２８からスピンドル２１の内側回転部分２１ｂへ延在するアダプタあるいはシャフト２７内の対応するねじ開口（図示せず）にねじ係合するように構成されている。別の実施形態（図示せず）において、ピン２６の第１の端部３０は、ねじ接続あるいは従来のチャックまたはコレット（図示せず）を使用してスピンドル２１の内側回転部分２１ｂに直接接続するのに十分な長さである。

図４および図５を参照すると、ピン２６の第１の端部３０は、ピンのねじ部分２８に近接する突出部(突起部)４０を画定する。図４を図２８および図３２と比べると、突出部(突起部)４０は、本体（ボディ）２９の第２の端部２９ｂにおいて第１の肩部（ショルダ）２４の開口３２によって画定される角度をつけた内側表面３４にほぼ対応する、直径が比較的急な減少を有する角度をつけた外側表面４０ａを含む。そのピン２６および突出部４０の寸法は、突出部の外側表面４０ａが開口３２によって画定される角度をつけた内側表面３４に寄り掛かるまで、ピンおよび突出部の第２の端部３１が第１の肩部２４の開口３２を通って第１の端部２９ａから第２の端部２９ｂにスライドするようになっている。この位置決めにおいて、ピン２６の第２の端部３１は、第１の肩部２４の第２の端部２９ｂからそこに画定される開口３２を通して延ばされている。ピン２６および突出部４０は、第１の肩部２４の開口３２内で自由に回転することが好ましい。第１の肩部２４の角度をつけた内側表面３４は、精密な仕上に機械加工され、それにより、第１の肩部２４の本体２９の厚みと協力して、ピン２６と第１の肩部２４との接触表面間のベアリングとして作用し、それらの間の摩擦を低減する。その第１の肩部２４の本体２９の厚みは、約０．３７５インチ（９．５２５ミリ）以上であることが好ましい。

図４、図６、図７、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１４、図１５および図１７を参照すると、ピン２６は、ワークピース１４の寸法および材料特性により様々な形状に形成されることが可能な撹拌部分３７を有する。たとえば、１つの実施形態において、図６、図７、図１０および図１１に示されるように、ピン２６の撹拌部分３７は、１つ以上の平坦な表面５２を画定する。別の実施形態において、図６、図７、図１０および図１１に示されるように、ピン２６の撹拌部分３７は、少なくとも１つのねじ付き表面５４と少なくとも１つの平坦な表面５２とを画定する。別の実施形態において、図４に示されるように、ピン２６の撹拌部分３７は、第１の方向に方向付けられるねじ山を有する第１のねじ付き表面５４ａと、第２の方向に方向付けられるねじ山を有する第２のねじ付き表面５４ｂとを備え、そして、その第１の方向は、第２の方向とは異なっている。さらに別の実施形態において、図８、図９、図１２および図１５に示されるように、ピン２６の撹拌部分３７は、複数の凹状表面５５を備える。

図１８〜図２１および図２３〜図２６を参照すると、第２の肩部２５は、様々な形状で形成されることが可能であるが、形状が円筒形であることが好ましい。第２の肩部２５は、少なくともその第１の端部３９ａにおいて開口４２を画定する本体３９を有する。第２の肩部２５の本体３９は、高強度と熱耐性と高い熱伝導率とを有する材料で形成されることが好ましい。限定ではなく、単に例のために、第２の肩部２５の本体３９は、工具鋼と、ＴＺＭなどのモリブデン合金と、Ｒｅｎｅ４１（ＵＮＳ Ｎ０７０４１）などのニッケル合金から構成されることが可能である。第２の肩部２５の本体３９の第１の端部３９ａは、ピン２６の第２の端部、従って、スピンドル２１の内側回転部分２１ｂと回転可能に連絡状態になるように構成されている。たとえば、図２１および図２２に示されるように、ピン２６の第２の端部３１には、ねじ山３３が付けられることが可能であり、そして、第２の肩部２５の本体３９の開口４２には、ピン２６の第２の端部３１がその開口４２内にねじ受容されるように、ねじ山４６が付けられている。別の方法として、図２６に示されるように、ピン２６の第２の端部３１は、多角形の表面（図示せず）を画定することが可能であり、そして、第２の肩部２５の本体３９の開口４２は、ピン２６の第２の端部３１が開口４２内に噛み合うように受容されるように、対応する多角形の形状４３を画定することが可能である。コッタピンあるいは止めねじなどの機械的ファスナー（図示せず）は、第２の肩部２５の開口４２内にピン２６の第２の端部３１を固定するのに使用されることが可能である。図２１、図２２および図２６に示されるように、第２の肩部２５の本体３９によって画定される開口４２は、ピン２６の第２の端部３１の先端３１ａを受容するように構成されることが可能である。図２１および図２６に示されるように、開口４２は、第１の端部３９ａから第２の端部３９ｂあるいはその部分だけを第２の肩部２５の本体３９の全長を通して延ばすことが可能である。

図１８、図２１、図２３および図２６に示されるように、第２の肩部２５の本体３９は、溶接継手１９から離れて熱を伝えるように構成される１つ以上のフィン５０を画定することが好ましい。そのフィン５０は、１つのワークピースがもう１つよりも低い固相線温度を有するという異なる材料で形成されるワークピース２３を摩擦撹拌溶接するときに特に有利である。そのフィン５０は、低い固相線温度を有する第２の肩部２５に近接するワークピースから離れて熱を伝え、それによって、高い固相線温度を有する第１の肩部２４に近接するワークピースの温度以下にそのワークピースの温度を低下する。別の実施形態（図示せず）において、フィン５０は、第２の肩部２５の代わりに、第１の肩部２４に形成され、そして、低い固相線温度を有するワークピース２３は、第１の肩部２４に近接して位置決めされる。

図１９、図２１、図２４および図２６に示されるように、図２Ｂにおいてワークピースに近接する第２の肩部２５の本体３９の第１の端部３９ａは、そのワークピースに摩擦係合されるように構成される表面４５を有し、それによって、少なくとも部分的に摩擦撹拌溶接継手１９を形成する。たとえば、１つの実施形態において、図１９および図２４に示されるように、その表面４５には、ねじ山４８がつけられている。別の実施形態（図示せず）において、その表面４５は、凸状の形状を有する。さらに別の実施形態において、その表面４５は、図１Ｂに示される肩部１６に類似する凹状の形状を有し、溶接継手１９における可塑化された材料を捕獲し、そして、強化する。さらに別の実施形態において、表面４５は、ワークピース２３に摩擦係合するように構成される、ねじ山４８、隆起あるいはリブなどの１つ以上の膨らんだ部分あるいは表面を画定する。さらに別の実施形態において、その表面４５は、比較的フラット形状あるいは平坦な形状を有する。

摩擦撹拌溶接機器２０の操作の前に、摩擦撹拌溶接ツール２２は、スピンドル２１に固定される。１つの実施形態によれば、ピン２６の第１の端部３０は、先ず、スピンドル２１の内側部分２１ｂに取り付けられる。たとえば、ピン２６の第１の端部３０およびスピンドル２１の内側部分２１ｂは、噛み合いねじを含むことが可能であり、あるいはスピンドル２１の内側部分２１ｂは、従来のチャックあるいはコレットを含むことが可能である。ピン２６の第２の端部３１は、次に、ピン２６の第２の端部３１が第１の肩部の本体２９の第２の端部２９ｂの開口３２を延通するように、第１の肩部２４の本体２９の第１の端部２９ａによって画定される開口３２を通って挿入される。第１の肩部２４は、スピンドル２１の外側部分２１ａに取り付けられる。たとえば、第１の肩部２４およびスピンドル２１の外側部分２１ａは、噛み合いねじを含むことが可能でありあるいはスピンドル２１の外側部分２１ａは、従来のチャックあるいはコレットを含むことが可能である。ピン２６の第２の端部３１は、次に、第２の肩部２５によって画定される開口４２に挿入され、そして、固定される。たとえば、ピン２６の第２の端部３１および第２の肩部２５の開口４２は、噛み合いねじを含むことが可能でありあるいはピン２６の第２の端部３１および第２の肩部の開口４２は、対応する雄および雌の多角形形状を画定することが可能である。従来のコレットピンあるいは止めねじなどの機械的ファスナー（図示せず）は、その開口４２内にピン２６の第２の端部３１を固定するために、第２の肩部２５へ挿入されることが可能である。別の実施形態において、ピン２６の第２の端部３１を受容するように構成される開口（図示せず）は、１つのワークピースまたは複数のワークピース２３に事前に機械加工されることが可能であり、その場合、ピンの第２の端部３１は、その開口を通って挿入され、そして、次に、第２の肩部２５に取り付けられる。

摩擦撹拌溶接ツール２２がスピンドル２１に取り付けられると、摩擦撹拌溶接継手１９が形成される。本発明の１つの実施形態によれば、スピンドル２１の外側部分２１ａが回転され、それによって、第１の肩部２４を回転し、そして、スピンドル２１の内側部分２１ｂが回転され、それによって、ピン２６と第２の肩部２５とを回転する。そのスピンドル２１は、外側部分２１ａおよび内側部分２１ｂの回転のスピードおよび方向、すなわち、「角運動速度」が、互いに関係なく変えられることが可能であるように構成されることが好ましい。たとえば、スピンドル２１の外側部分２１ａは、スピンドル２１の内側部分２１ｂがピン２６と第２の肩部２５とを回転するのと同じ回転の方向およびスピードで第１の肩部２４を回転することが可能である。別の方法として、スピンドル２１の外側部分２１ａは、スピンドル２１の内側部分２１ｂがピン２６と第２の肩部２５とを回転するのと比べて異なるスピードおよび／または方向に第１の肩部２４を回転することが可能である。

摩擦撹拌溶接継手１９を形成するために、回転する摩擦撹拌溶接ツール２２は、第１の肩部２４の回転する表面３５、第２の肩部２５の回転する表面４５のそれぞれおよびピン２６の撹拌部分３７が、１つのワークピースまたは複数のワークピースに摩擦係合するように、１つのワークピースまたは複数のワークピース２３と接触した状態で移動される。回転する摩擦撹拌溶接ツール２２は、所定の経路に沿って１つのワークピースまたは複数のワークピースの中を移動されることが好ましく、それによって、細長い溶接継手を形成する。摩擦撹拌溶接の間、ピン２６に近接する１つのワークピースまたは複数のワークピース２３の部分は、第１の肩部２４と第２の肩部２５との間に「サンドイッチ形にされる」。有利な点として、第１の肩部２４の表面３５と第２の肩部２５の表面４５とによって用いられる力は、ピン２６まわりの１つのワークピースまたは複数のワークピース２３を圧縮し、可塑化された材料が押し出されることを防止するシールを生成する。

本発明の１つの実施形態（図示せず）によれば、摩擦撹拌溶接ツール２２を回転するように構成される機器あるいは機械は、第１の肩部および／または第２の肩部によって１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９に用いられる力の大きさにおける変化に応じて、第１の肩部２４あるいは組み合わされたピン２６と第２の肩部２５あるいは両方を互いに回転し、そして、軸方向に並進移動するように構成されることが可能である。たとえば、摩擦撹拌溶接機器２０は、第１の肩部２４および／または第２の肩部２５によって１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９に用いられる力の大きさを測定する手段を含むことが可能である。その力の大きさを測定する手段は、ソフトウェア制御のもとに操作するコンピュータ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラなどを含むことが可能であり、それは、少なくとも１つのセンサと電気的に連絡状態になっている。そのセンサは、１つのワークピース２３、第１の肩部２４および／または第２の肩部２５に位置決めされるひずみゲージロードセル、圧電ロードセル、力計、空気ロードセルあるいは液圧ロードセルを含むことが可能である。

操作の間、少なくとも１つのセンサからの測定は、周期的に、適切な電気配線あるいは光学配線を介して、コンピュータ、マイクロプロセッサあるいはマイクロコントローラに伝送あるいは連絡される。そのコンピュータ、マイクロプロセッサあるいはマイクロコントローラは、次に、センサによって測定される力の大きさを所定値と比べる。センサから連絡される力の大きさが所定値と異なる場合、その場合、コンピュータ、マイクロプロセッサ、あるいは、マイクロコントローラは、摩擦撹拌溶接ツール２２を回転するように構成される機器あるいは機械に信号を伝送し、第１の肩部２４と第２の肩部２５とによって１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９に用いられる力を修正するように機器あるいは機械に命令する。このプロセスは、力の大きさがあらかじめ定められた値に等しいあるいは近似するまで、センサによってコンピュータ、マイクロプロセッサあるいはマイクロコントローラに伝送されるその後の測定に基づいて繰返されることが可能である。

上記に論じられているように、摩擦撹拌溶接ツール２２を回転するように構成される機器あるいは機械は、ＥＳＡＢによって製造される５５ＵＡボビンツール接合機械を含むことが可能であり、それは、第１の肩部２４を回転し、そして、軸方向に並進移動するように構成される外側部分２１ａと、ピン２６と第２の肩部２５とを回転し、そして、軸方向に並進移動するように構成される内側部分２１ｂとを有するスピンドル２１を含む。その機器あるいは機械は、適切な電気配線あるいは光学配線（図示せず）を使用して、ソフトウェア制御のもとに操作するコンピュータ、マイクロプロセッサ、あるいは、マイクロコントローラなどの機器、あるいは、機械を接続することによって、手動であるいは自動的に操作されることが可能である。

センサから連絡される力の大きさが所定値未満である場合、その場合、コンピュータ、マイクロプロセッサ、あるいはマイクロコントローラは、摩擦撹拌溶接ツール２２を回転するように構成される機器あるいは機械に信号を伝送し、第１の肩部２４と第２の肩部２５とによって１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９に用いられる力を増大するように機器あるいは機械に命令する。たとえば、１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９への力は、第１の肩部の本体２９の第１の端部２９ａから離れた方向にスピンドル２１の内側部分２１ｂを軸方向に並進移動して、ピン２６と第２の肩部２５とを第１の肩部２４の方へ付勢することによって増大されることが可能である。別の方法としてあるいは同時に、１つまたは複数のワークピース２３への力は、第２の肩部２５の方への方向にスピンドル２１の外側部分２１ａを軸方向に並進移動して、第１の肩部２４を第２の肩部２５の方へ付勢することによって増大させることが可能である。

センサから連絡される力の大きさが、所定値よりも大きい場合、その場合、コンピュータ、マイクロプロセッサ、あるいは、マイクロコントローラは、摩擦撹拌溶接ツール２２を回転するように構成される機器あるいは機械に信号を伝送し、第１の肩部２４と第２の肩部２５とによって１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９に用いられる力を減少するように機器あるいは機械に命令する。たとえば、１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９への力は、第１の肩部の本体２９の第１の端部２９ａの方への方向にスピンドル２１の内側部分２１ｂを軸方向に並進移動して、ピン２６と第２の肩部２５とを第１の肩部２４から離れて付勢することによって減少されることが可能である。別の方法としてあるいは同時に、１つまたは複数のワークピース２３および溶接継手１９への力は、第２の肩部から離れた方向にスピンドル２１の外側部分２１ａを軸方向に並進移動して、第１の肩部２４を第２の肩部２５から離れて付勢することによって減少されることが可能である。

本発明の別の実施形態（図示せず）において、摩擦撹拌溶接機器２０は、第１の肩部２４と第２の肩部２５とによって１つまたは複数のワークピースおよび溶接継手１９に用いられる力を修正するために、第２の肩部２５を、１つまたは複数のワークピース２３の方へあるいは１つまたは複数のワークピース２３から離れて軸方向に並進移動するように、第１の肩部２４の第２の端部２９ｂに対してピン２６を軸方向に並進移動する、測定手段に応答する手段を含む。その測定手段に応答する手段は、カムおよび従動部、動力ねじあるいは１つ以上の空気アームあるいは液圧アームなどのアクチュエータアセンブリを含むことが可能である。たとえば、本出願の譲受人は、１９９８年５月２９日出願の「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｄｗｏｎｆｏｒｃｅ Ｄｕｒｉｎｇ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ（摩擦撹拌溶接の間に下降力を制御する方法および装置）」と題が付けられている同一人所有の米国特許出願番号０９／０８７，４１６に開示されるように、摩擦撹拌溶接プローブの位置決めを制御する方法および装置を開発した。その開示全体は、本明細書に参照により組み込まれている。

結合あるいは溶接されるワークピース２３は、本発明によれば、同種のメタルかあるいは異種のメタルのいずれかで形成されることが可能である。有利な点として、ワークピース２３は、摩擦撹拌溶接によって結合されるので、そのワークピース２３は、従来の融接テクニックによって結合するのに対して溶接できないあるいは非経済的な異種のメタルで形成されることが可能である。溶接できない材料は、従来の融接テクニックによって結合されるとき、溶接凝固間に割れ目ができることが多い比較的弱い溶接継手を生成する。そのような材料は、アルミニウムおよびいくつかのアルミニウム合金、特に、ＡＡシリーズ２０００および７０００合金を含む。摩擦撹拌溶接の使用により、溶接できない材料で形成されるワークピース２３が堅固に接合されることを可能にする。摩擦撹拌溶接は、さらに、溶接できる材料を他の溶接できる材料、および、溶接できない材料に堅固に結合するのに使用されることが可能である。たとえば、ワークピース２３の１つあるいは２つは、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、またはチタン合金で形成されることが可能である。従って、ワークピース２３を形成する材料は、広範囲にわたる様々な軽量で、高強度メタルおよび合金から選択されることが可能であり、それによって、結果として生ずる構造アセンブリの重量全体の減少を容易にし、それは、航空宇宙産業における重要な関心事である。

図３５を参照すると、本発明の１つの実施形態により、摩擦撹拌溶接ツール２２を使用して形成される重ね継手５６が示されている。摩擦撹拌溶接ツール２２は、限定するのではないが、突き合せ継手と、へり継手と、重ね継手とを含む様々な異なるタイプの溶接継手を形成するのに使用されることが可能であるとはいえ、本発明は、特に、異なる固相線温度を有する２つ以上のワークピースあるいは構造部材２３ａ、２３ｂで形成される重ね継手およびへり継手を形成するのに有効である。図３５に示されるように、第２の構造部材２３ｂは、それらの間に中間面５７を画定するように、第１の構造部材２３ａに少なくとも部分的にオーバーラップしている。重ね継手５６は、少なくとも部分的に中間面５７において第１の構造部材２３ａと第２の構造部材２３ｂとを接合する摩擦撹拌溶接継手５８を含む。その摩擦撹拌溶接継手５８は、第１の部分５８ａと第２の部分５８ｂとを画定する。摩擦撹拌溶接継手５８の第１の部分５８ａは、摩擦撹拌溶接ツール２２、より詳細には、第２の肩部２５の表面４５によって、第１の角運動速度で混合され、そして、摩擦撹拌溶接継手５８の第２の部分５８ｂは、摩擦撹拌溶接ツール２２、より詳細には、第１の肩部２４の表面３５によって、第２の角運動速度で混合され、それによって、第１の部分５８ａおよび第２の部分５８ｂに異なる精錬の粒状組織を形成する。ここに使用されるように、「角運動速度」は、スピード成分と方向成分との両方を含む。方向成分は、「右手の法則」に従う動き、すなわち、逆時計回りの動きに対してポジティブであり、そして、反対方向の動き、すなわち、時計回りの動きに対してネガティブである。

有利な点として、第１の肩部２４の表面３５および第２の肩部２５の表面４５は、溶接継手１９を形成するときに異なる角運動側で回転されることが可能であるので、第１の構造部材２３ａと第２の構造部材２３ｂとを構成するのに使用される材料が、異種のメタルだけでなく、異なる固相線温度と、異なる硬度を有する材料を含むことが可能であり、従って、さらに、結果として生ずる構造アセンブリを構成するのに使用されることが可能な材料の範囲を拡張する。

図３６を参照すると、本発明の１つの実施形態による摩擦撹拌溶接機器２０を使用して、１つのワークピースまたは複数のワークピース２３を摩擦撹拌溶接するために実行される操作が示されている。その方法は、ワークピースに近接して第１の肩部と第２の肩部とを位置決めするステップを含む。ブロック６０を参照。第１の肩部および第２の肩部のそれぞれは、ワークピースを摩擦係合するように構成される表面を有する。ピンは、そのピンがそれらの間に延在するように第１の肩部と第２の肩部とに接続されている。ブロック６１を参照。そのピンは、ワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定する。その後、第１の肩部は、第１の角運動速度で回転され、そして、ピンおよび第２の肩部は、第１の角運動速度とは異なる第２の角運動速度で回転され、そのために、ピン、第１の肩部および第２の肩部のそれぞれの少なくとも一部分は、ワークピースを摩擦係合し、それによって、摩擦撹拌溶接継手を形成する。ブロック６８を参照。ピンの撹拌部分は、所定の経路に沿ってワークピースの中を移動されることが可能である。ブロック７２を参照。

図３７を参照すると、本発明の別の実施形態による摩擦撹拌溶接機器２０を使用して１つのワークピースまたは複数のワークピース２３を摩擦撹拌溶接するために実行される操作が示されている。その方法は、ワークピースに近接して第１の肩部と第２の肩部とを位置決めするステップを含む。ブロック８０を参照。第１の肩部および第２の肩部のそれぞれは、ワークピースを摩擦係合するように構成される表面を有する。ピンは、そのピンがそれらの間に延在するように第１の肩部と第２の肩部とに接続されている。ブロック８１を参照。そのピンは、ワークピースを摩擦係合するように構成される撹拌部分を画定する。第１の肩部が回転される。ブロック８８を参照。第１の回転するステップと同時に、ピンおよび第２の肩部は、第１の肩部とは関係なく回転され、そのために、ピン、第１の肩部および第２の肩部のそれぞれの少なくとも一部分は、ワークピースに摩擦係合し、それによって、摩擦撹拌溶接継手を形成する。ブロック８９を参照。たとえば、第１の回転するステップおよび第２の回転するステップは、同じ角運動速度で第１の肩部と第２の肩部とを回転することを含むことが可能である。別の実施形態において、第１の回転ステップおよび第２の回転ステップは、第１の角運動速度で第１の肩部を、そして、第２の角運動速度でピンと第２の肩部とを回転することを含み、第２の角運動速度は第１の角運動速度とは異なっている。ブロック９０を参照。ここに使用されるように、「角運動速度」は、スピード成分と方向成分との両方を含む。方向成分は、「右手の法則」に従う動き、すなわち、逆時計回りの動きに対してポジティブであり、そして、反対方向における動き、すなわち、時計回りの動きに対してネガティブである。ピンの撹拌部分は、所定の経路に沿ってワークピースの中を移動されることが可能である。ブロック９４を参照。

図３６および図３７に示されるように、ピンを第１の肩部および第２の肩部に接続する方法は変えられることが可能である。１つの実施形態において、接続するステップは、第１の肩部の開口を通ってピンの端部をスライドするステップを含む。ブロック６２および８２を参照。接続するステップは、次に、第２の肩部によって画定されるねじ開口にピンの端部をねじ込むステップを含むことが可能である。ブロック６３および８３を参照。別の実施形態において、接続するステップは、ワークピースに開口をあけるステップを含む。ブロック６４および８４を参照。ピンの端部は、第１の肩部の開口を通ってスライドされる。ブロック６５および８５を参照。そのピンの端部は、ワークピースの開口を通って挿入され、そして、第２の肩部に接続される。ブロック６６および８６を参照。ピンの端部は、次に、第２の肩部に接続される。ブロック６７および８７を参照。

図３６および図３７に示されるように、互いに第１の肩部と第２の肩部との位置決めは、肩部によってワークピースに用いられる力を調整するために、修正されることが可能である。ブロック６９および９１を参照。たとえば、１つの実施形態において、ピンは、第１の肩部を第１の肩部の方へ付勢するように、第１の肩部の方へ付勢される。ブロック７０および９２を参照。別の実施形態において、第１の肩部は、第２の肩部の方へ付勢される。ブロック７１および９３を参照。

従って、大きなワークピースあるいは曲線形状を有するワークピースを摩擦撹拌溶接することによって、溶接継手を形成する摩擦撹拌溶接ツール、装置および製造の関連方法が提供されている。そのツールは、効果的に溶接継手を支持し、そして、摩擦撹拌溶接の間溶接継手内に可塑化された材料を押し込めることが可能である。そのツールは、ワークピースの形状およびサイズを容易に変えるように構成されることが可能である。さらに、そのツールは、異なる材料特性を有するワークピースを摩擦撹拌溶接することを可能とする。

本発明が前述の説明および関連する図面に呈される教示の恩典を有することに付随する本発明の多数の変更および他の実施形態は、当業者には考えられるであろう。従って、本発明は、開示されている特定の実施形態に限定されるものではなく、変更および他の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれると意図されるということは理解されるべきである。特定の用語がここに使用されているとはいえ、それらは、限定のためでなく、単に、包括的な、そして、説明的な意味で使用されている。

摩擦撹拌溶接の間の肩部およびプローブの位置決めを示している従来の摩擦撹拌溶接ツールの部分斜視図である。 摩擦撹拌溶接の間の肩部およびプローブの位置決めを示している従来の摩擦撹拌溶接ツールの断面図である。 本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接前にそれらの間の中間面を形成するために、２つのワークピースの位置決めを示している斜視図である。 本発明の１つの実施形態による、図２Ａに示される２つのワークピースを摩擦撹拌溶接によって形成される構造アセンブリを示している斜視図である。 本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールを示している立面図である。 本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールのためのピンを示している立面図である。 図４に示されるピンの１つの端部を示している立面図である。 本発明の別の実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールのためのピンを示している立面図である。 線７−７に従って、図６に示されるピンを示している断面図である。 本発明の別の実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールのためのピンを示している立面図である。 線９−９に従って、図８に示されるピンを示している断面図である。 本発明の別の実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールのためのピンを示している立面図である。 線１１−１１に従って、図１０に示されるピンを示している断面図である。 本発明の別の実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールのためのピンを示している立面図である。 図１２に示されるピンの１つの端部を示している立面図である。 線１４−１４に従って、図１２に示されるピンを示している断面図である。 本発明の別の実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールのためのピンを示している立面図である。 図１５に示されるピンの１つの端部を示している立面図である。 線１７−１７に従って、図１５に示されるピンを示している断面図である。 本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールの第２の肩部を示している立面図である。 ワークピースを摩擦係合するように構成される図１８に示される第２の肩部の端部を示している平面図である。 図１８に示される第２の肩部を示している底面図である。 線２１−２１に従って、図１８に示される第２の肩部を示している断面図である。 本発明の１つの実施形態による、第２の肩部に連結するように構成される摩擦撹拌溶接ツールのピンの端部を示している部分立面図である。 本発明の別の実施形態による、摩擦撹拌溶接ツールの第２の肩部を示している立面図である。 ワークピースを摩擦係合するように構成される図２３に示される第２の肩部の端部を示している平面図である。 図２３に示される第２の肩部を示している底面図である。 線２６−２６に従って、図２３に示される第２の肩部を示している断面図である。 本発明の１つの実施形態による、ピンをスライド可能に受容する開口を画定する摩擦撹拌溶接ツールの第１の肩部の端部を示している立面図である。 線２８−２８に従って、図２７に示される第１の肩部を示している断面図である。 ワークピースを摩擦係合するように構成される線２９−２９に従って、図２８に示される第１の肩部の端部を示している立面図である。 線３０−３０に従って、図２９に示される第１の肩部の端部を示している部分断面図である。 本発明の別の実施形態による、ピンをスライド可能に受容する開口を画定する摩擦撹拌溶接ツールの第１の肩部の端部を示している立面図である。 線３２−３２に従って、図３１に示される第１の肩部を示している断面図である。 ワークピースを摩擦係合するように構成される線３３−３３に従って、図３２に示される第１の肩部の端部を示している立面図である。 線３４−３４に従って、図３３に示される第１の肩部の端部を示している部分断面図である。 本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接重ね継手の立面図である。 本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接する操作を示しているフローチャートである。 本発明の１つの実施形態による、摩擦撹拌溶接する操作を示しているフローチャートである。

Claims (55)

1. ワークピースに摩擦攪拌溶接継手を形成するために互いに無関係に回転可能な外側部分および内側部分を有するスピンドルへ取り付けるツールであって、
   第１および第２の端部を有するピンであって、該ピンの該第１の端部は前記スピンドルの前記内側部分と回転が伝わるように接続されているピンと、
   前記ピンの前記第１の端部をスライド可能に受容できる、第１の肩部を通過する開口を画定する第１の肩部であって、該第１の肩部は前記スピンドルの前記外側部分と回転が伝わるように接続されている第１の肩部と、
   前記ピンが前記第１の肩部と第２の肩部との間で延びるように前記ピンの前記第２の端部を受容できる開口を画定する第２の肩部とを備え、
   前記ピンは前記ワークピースと摩擦係合でき前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置する撹拌部分を画定し、前記第１および第２の肩部はそれぞれ、前記ワークピースと摩擦係合できる表面を有し、これによって前記ピンおよび前記第１および第２の肩部が回転されると前記摩擦攪拌溶接継手を形成し、前記ピンおよび前記第２の肩部は一緒に回転でき、前記第１の肩部は前記ピンおよび前記第２の肩部と無関係に回転できるように構成した、ツール。
2. 前記第１の肩部および第２の肩部の前記表面の少なくとも１つには、ねじ山がつけられている、請求項１に記載のツール。
3. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つの平坦な表面を画定する、請求項１に記載のツール。
4. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つのねじ付き表面と少なくとも１つの平坦な表面とを画定する、請求項１に記載のツール。
5. 前記ピンの前記撹拌部分が、第１の方向に方向付けられるねじ山を有する第１のねじ付き表面と、第２の方向に方向付けられるねじ山を有する第２のねじ付き表面とを備え、そして、前記第１の方向が、前記第２の方向とは異なっている、請求項１に記載のツール。
6. 前記第２の肩部が、前記溶接継手から離れて熱を伝えるように構成される複数のフィンを画定する、請求項１に記載のツール。
7. 前記ピンの前記第２の端部の少なくとも一部分には、ねじ山がつけられ、前記第２の肩部の前記開口の少なくとも一部分には、前記ピンの前記第２の端部をねじ受容するように、ねじ山がつけられている、請求項１に記載のツール。
8. 前記ピンの前記第２の端部が、多角形の形状を有し、そして、前記第２の肩部の前記開口が、前記ピンの前記第２の端部の形状に対応する多角形の形状を有する、請求項１に記載のツール。
9. 前記第１の肩部および第２の肩部が、摩擦撹拌溶接の間、前記ワークピースを相対して支持するように構成されている、請求項１に記載のツール。
10. ワークピースに摩擦攪拌溶接継手を形成するために互いに無関係に回転可能であり、かつ軸方向に並進可能である外側部分および内側部分を有するスピンドルに取り付けるツールであって、
    第１および第２の端部を有するピンであって、該ピンの該第１の端部は、前記スピンドルの前記内側部分と回転および軸方向の並進が伝わるように接続され、
    前記ピンの前記第１の端部をスライド可能に受容でき前記第１の肩部を通過する開口を画定する第１の肩部であって、該第１の肩部は前記スピンドルの前記外側部分と回転および軸方向の並進が伝わるように接続されている第１の肩部と、
    前記ピンが前記第１の肩部と第２の肩部との間で延びるように前記ピンの前記第２の端部を受容できる開口を画定する第２の肩部とを備え、
    該第２の肩部は前記ピンと回転が伝わるように接続され、前記ピンは前記ワークピースと摩擦係合でき、前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置する撹拌部分を画定し、前記第１および第２の肩部のうちの少なくとも１つが、前記ワークピースと摩擦係合できる少なくとも１つの隆起部分を画定する表面を有し、これによって、前記ピンと前記第１および第２の肩部とが回転すると前記摩擦攪拌溶接継手を形成し、前記第１の肩部と前記第２の肩部とは、前記摩擦攪拌溶接の間、前記ワークピースを互いに反対方向から支持でき、前記ピンおよび前記第２の肩部は、一緒に回転および軸方向に並進でき、前記第１の肩部は前記ピンおよび前記第２の肩部と無関係に回転できるように構成した、ツール。
11. 前記第１の肩部および第２の肩部の前記表面の少なくとも１つには、ねじ山がつけられている、請求項１０に記載のツール。
12. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つの平坦な表面を画定する、請求項１０に記載のツール。
13. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つのねじ付き表面と少なくとも１つの平坦な表面とを画定する、請求項１０に記載のツール。
14. 前記ピンの前記撹拌部分が、第１の方向に方向付けられるねじ山を有する第１のねじ付き表面と、第２の方向に方向付けられるねじ山を有する第２のねじ付き表面とを備え、前記第１の方向が、前記第２の方向とは異なっている、請求項１０に記載のツール。
15. 前記第２の肩部が、前記溶接継手から離れて熱を伝えるように構成される複数のフィンを画定する、請求項１０に記載のツール。
16. 前記ピンの前記第２の端部の少なくとも一部分には、ねじ山がつけられ、そして、前記第２の肩部の前記開口の少なくとも一部分には、前記ピンの前記第２の端部をねじ受容するように、ねじ山がつけられている、請求項１０に記載のツール。
17. 前記ピンの前記第２の端部が、多角形の形状を有し、そして、前記第２の肩部の前記開口が、前記ピンの前記第２の端部の形状に対応する多角形の形状を有する、請求項１０に記載のツール。
18. 前記第１の肩部が、前記ピンと前記第２の肩部とは関係なく回転するように構成されている、請求項１０に記載のツール。
19. ワークピースに摩擦攪拌溶接継手を形成するために互いに無関係に回転可能な外側部分および内側部分を有するスピンドルに取り付けるツールであって、
    第１および第２の端部を有するピンであって、該ピンの該第１の端部は前記スピンドルの前記内側部分と回転が伝わるように接続されているピンと、
    前記ピンの前記第１の端部をスライド可能に受容でき前記第１の肩部を通過する開口を画定する第１の肩部であって、該第１の肩部は前記スピンドルの前記外側部分と回転が伝わるように接続されている第１の肩部と、
    前記ピンが前記第１の肩部と第２の肩部との間で延びるように前記ピンの前記第２の端部を受容できる開口を画定する第２の肩部とを備え、
    該第２の肩部は前記ピンと回転が伝わるように接続され、前記ピンは前記ワークピースと摩擦係合でき、前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置する撹拌部分を画定し、前記ピンと前記第１および第２の肩部とが回転されると前記摩擦攪拌溶接継手を形成し、前記第２の肩部は前記溶接継手から熱を逃すことができる複数のフィンを画定し、前記ピンおよび前記第２の肩部は一緒に回転でき、第１の肩部は前記ピンおよび前記第２の肩部と無関係に回転できるように構成した、ツール。
20. 前記第１の肩部および前記第２の肩部それぞれが、前記ワークピースを摩擦係合するように構成される表面を有し、それによって、少なくとも部分的に前記摩擦撹拌溶接継手を形成する、請求項１９に記載のツール。
21. 前記第１の肩部および第２の肩部の前記表面の少なくとも１つには、ねじ山がつけられている、請求項２０に記載のツール。
22. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つの平坦な表面を画定する、請求項１９に記載のツール。
23. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つのねじ付き表面と少なくとも１つの平坦な表面とを画定する、請求項１９に記載のツール。
24. 前記ピンの前記撹拌部分が、第１の方向に方向付けられるねじ山を有する第１のねじ付き表面と、第２の方向に方向付けられるねじ山を有する第２のねじ付き表面とを備え、前記第１の方向が、前記第２の方向とは異なっている、請求項１９に記載のツール。
25. 前記ピンの前記第２の端部の少なくとも一部分には、ねじ山がつけられ、そして、前記第２の肩部の前記開口の少なくとも一部分には、前記ピンの前記第２の端部をねじ受容するように、ねじ山がつけられている、請求項１９に記載のツール。
26. 前記ピンの前記第２の端部が、多角形の形状を有し、そして、前記第２の肩部の前記開口が、前記ピンの前記第２の端部の形状に対応する多角形の形状を有する、請求項１９に記載のツール。
27. 前記第１の肩部および第２の肩部が、摩擦撹拌溶接の間、前記ワークピースを相対して支持するよう構成されている、請求項１９に記載のツール。
28. ワークピースに摩擦攪拌溶接継手を形成する装置であって、
    回転可能な内側部分および回転可能な外側部分を画定するスピンドルを有する機械と、
    摩擦攪拌溶接ツールと
    を備え、前記摩擦攪拌溶接ツールが、
    第１および第２の端部を有するピンであって、前記ピンの前記第１の端部は前記スピンドルの前記内側部分と回転が伝わるように接続されているピンと、
    前記ピンの前記第１の端部をスライド可能に受容でき前記第１の肩部を通過して延びる開口を画定する第１の肩部であって、該第１の肩部は前記スピンドルの前記外側部分と回転が伝わるように接続されている第１の肩部と、
    前記ピンが前記第１の肩部と第２の肩部との間で延びるように前記ピンの前記第２の端部を受容できる開口を画定する第２の肩部とを備え、
    該第２の肩部は前記ピンと回転が伝わるように接続され、前記ピンは前記ワークピースと摩擦係合でき、前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置する撹拌部分を画定して、前記ピンと前記第１および第２の肩部とが回転されると前記摩擦攪拌溶接継手を形成し、前記ピンおよび前記第２の肩部は一緒に回転でき、前記第１の肩部は前記ピンおよび前記第２の肩部と無関係に回転できるように構成した、装置。
29. 前記第１の肩部および前記第２の肩部それぞれが、前記ワークピースを摩擦係合するように構成される表面を有し、それによって、少なくとも部分的に前記摩擦撹拌溶接継手を形成する、請求項２８に記載の装置。
30. 前記第１の肩部および第２の肩部の前記表面の少なくとも１つには、ねじ山がつけられている、請求項２９に記載の装置。
31. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つの平坦な表面を画定する、請求項２８に記載の装置。
32. 前記ピンの前記撹拌部分が、少なくとも１つのねじ付き表面と少なくとも１つの平坦な表面とを画定する、請求項２８に記載の装置。
33. 前記ピンの前記撹拌部分が、第１の方向に方向付けられるねじ山を有する第１のねじ付き表面と、第２の方向に方向付けられるねじ山を有する第２のねじ付き表面とを備え、前記第１の方向が、前記第２の方向とは異なっている、請求項２８に記載の装置。
34. 前記第２の肩部が、前記溶接継手から離れて熱を伝えるように構成される複数のフィンを画定する、請求項２８に記載の装置。
35. 前記ピンの前記第２の端部の少なくとも一部分には、ねじ山がつけられ、前記第２の肩部の前記開口の少なくとも一部分には、前記ピンの前記第２の端部をねじ受容するように、ねじ山がつけられている、請求項２８に記載の装置。
36. 前記ピンの前記第２の端部が、多角形の形状を有し、前記第２の肩部の前記開口が、前記ピンの前記第２の端部の形状に対応する多角形の形状を有する、請求項２８に記載の装置。
37. 前記第１の肩部および第２の肩部が、摩擦撹拌溶接の間、前記ワークピースを相対して支持するように構成されている、請求項２８に記載の装置。
38. ワークピースを摩擦攪拌溶接する方法であって、
    前記ワークピースに隣接する第１および第２の肩部を位置決めする位置決めステップであって、該第１及び第２の肩部のそれぞれは、前記ワークピースに摩擦係合できる表面を有する位置決めステップと、
    前記第１の肩部と前記第２の肩部とにピンを接続して前記ピンが前記第１の肩部と前記第２の肩部との間で延びるようにする接続ステップであって、該ピンが、前記ワークピースと摩擦係合できる撹拌部分を画定する接続ステップと、
    スピンドルの外側部分に前記第１の肩部を接続する接続ステップと、
    前記スピンドルの内側部分に前記ピンを接続する接続ステップと、
    次いで、第１の角速度で前記第１の肩部を回転し、前記第１の角速度と異なる第２の角速度で前記ピンおよび前記第２の肩部を回転する回転ステップであって、前記ピン、前記第１の肩部および前記第２の肩部のそれぞれの少なくとも一部が前記ワークピースと摩擦係合して、摩擦攪拌溶接継手を形成する回転ステップとを備える、方法。
39. 前記接続するステップが、前記第１の肩部の開口を通って前記ピンの端部をスライドするステップを備える、請求項３８に記載の方法。
40. 前記接続するステップが、前記ピンの端部を前記第２の肩部によって画定されるねじ開口にねじ込むステップを備える、請求項３８に記載の方法。
41. 前記接続ステップが、前記ワークピースに開口をあけるステップと、
    前記ピンの端部を前記第１の肩部の開口を通ってスライドするステップと、
    前記ピンの端部を前記ワークピースの開口を通って挿入するステップと、および
    前記ピンの端部を前記第２の肩部に接続するステップと
    を備える、請求項３８に記載の方法。
42. 前記ピンの撹拌部分を、所定の経路に沿って前記ワークピースの中を移動するステップを備える、請求項３８に記載の方法。
43. 前記第２の肩部を前記第１の肩部の方へ付勢するように、前記ピンを前記第１の肩部の方へ軸方向に並進運動させるステップを備える、請求項３８に記載の方法。
44. ワークピースを摩擦攪拌溶接する方法であって、
    前記ワークピースに隣接する第１および第２の肩部を位置決めする位置決めステップであって、前記第１および第２の肩部のそれぞれが、前記ワークピースと摩擦係合できる表面を有する位置決めステップと、
    前記第１および第２の肩部にピンを接続して、前記ピンが前記第１の肩部と前記第２の肩部との間で延びるようにする接続ステップであって、前記ピンが、前記ワークピースと摩擦係合できる撹拌部分を画定する接続ステップと、
    スピンドルの外側部分に前記第１の肩部を接続する接続ステップと、
    前記スピンドルの内側部分に前記ピンを接続する接続ステップと、
    前記第１の肩部を回転させる回転ステップと、
    前記第１の肩部を回転させる前記回転ステップと同時に、前記第１の肩部と無関係に前記ピンおよび前記第２の肩部を回転させて、前記ピン、前記第１の肩部および前記第２の肩部のそれぞれの一部が前記ワークピースと摩擦係合して、摩擦攪拌溶接継手を形成するようにする回転ステップとを備える、方法。
45. 前記接続するステップが、前記第１の肩部の開口を通って前記ピンの端部をスライドするステップを備える、請求項４４に記載の方法。
46. 前記接続するステップが、前記ピンの端部を前記第２の肩部によって画定されるねじ開口にねじ込むステップを備えている、請求項４４に記載の方法。
47. 前記接続するステップが、
    前記ワークピースに開口をあけるステップと、
    前記ピンの端部を前記第１の肩部の開口を通ってスライドするステップと、
    前記ピンの端部を前記ワークピースの開口を通って挿入するステップと、および
    前記ピンの端部を前記第２の肩部に接続するステップと
    を備える、請求項４４に記載の方法。
48. 前記ピンの撹拌部分を、所定の経路に沿って前記ワークピースの中を移動するステップを備える、請求項４４に記載の方法。
49. 前記第２の肩部を前記第１の肩部の方へ付勢するように、前記ピンを前記第１の肩部の方へ軸方向に並進運動させるステップを備える、請求項４４に記載の方法。
50. 前記第１の回転するステップおよび第２の回転するステップが、第１の角運動速度で前記第１の肩部を、そして、第２の角運動速度で前記ピンおよび前記第２の肩部を回転するステップを備え、前記第２の角運動速度が、前記第１の角運動速度とは異なっている、請求項４９に記載の方法。
51. 回転摩擦攪拌溶接ツールにより形成される摩擦攪拌溶接重ね継手であって、
    第１の構造部材と、
    第２の構造部材であって、前記第１の構造部材と少なくとも部分的に重なって前記第１の構造部材と前記第２の構造部材との間に境界面を画定する第２の構造部材と、
    前記境界面で少なくとも部分的に前記第１の構造部材と前記第２の構造部材とを接合する摩擦攪拌溶接継手であって、該摩擦攪拌溶接継手が第１および第２の部分を画定し、前記第１の部分が、前記第１の構造部材の一部を成し、前記境界面と向かい合う表面を含み、前記第１の部分は第１の角速度で前記摩擦攪拌溶接ツールにより混合され、前記第２の部分が、前記境界面に隣接する前記第１の構造部材の少なくとも一部と、前記第２の構造部材の少なくとも一部とを含み、前記第２の部分は、第２の角速度で前記摩擦攪拌溶接ツールにより混合されて、前記第１および第２の部分内に互いに異なる微細化度の結晶粒組織を形成する摩擦攪拌溶接継手とを備える、摩擦攪拌溶接重ね継手。
52. 前記第１の構造部材および第２の構造部材が、異なる材料を備える、請求項５１に記載の摩擦撹拌溶接重ね継手。
53. 前記第１の構造部材および第２の構造部材が、異なる融解温度を有する、請求項５１に記載の摩擦撹拌溶接重ね継手。
54. 前記第１の構造部材および第２の構造部材が、異なる硬度を有する、請求項５１に記載の摩擦撹拌溶接重ね継手。
55. 前記スピンドルの前記内側部分が、前記スピンドルの前記外側部分と無関係に軸方向に並進可能である、請求項２８に記載の装置。

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