JP7465057B2 - 摩擦攪拌接合のための備え付けツールハンドラ - Google Patents
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Description
摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）は、金属片に対してＦＳＷツールを回転させることによって金属片を可塑化する。ＦＳＷツールからの摩擦及び圧力は、金属片を加熱して金属を可塑化させることができ、その後、ＦＳＷツールは、金属片に挿入される。２枚の金属片を一緒に溶接する場合は、ＦＳＷツールを継手に配置して両方の金属片を可塑化させ、２枚の金属片のそれぞれの可塑化部分の混合によって金属片を接合することができる。
いくつかの実施形態では、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）ツールは、ヘッドと、ツールホルダと、ヘッドとツールホルダとの間にあり、ヘッドとツールホルダとに取り付けられる本体と、を含む。いくつかの実施形態では、本体は、複数の冷却フィンを含んでもよい。本体の内部は、圧力センサと、温度センサと、トルクセンサと、圧力センサ、温度センサ、及びトルクセンサと電気通信する通信ノードと、を含んでもよい。通信ノードは、演算装置（コンピュータ装置）とＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信してもよい。
他の実施形態では、摩擦攪拌接合のためのシステムは、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラを有する演算装置と、ヘッド、ツールホルダ、及びヘッドとツールホルダとの間にある本体を有する摩擦攪拌接合ツールと、を含んでもよい。本体は、複数の冷却フィンを含んでもよい。本体の内部は、圧力センサと、温度センサと、トルクセンサと、圧力センサ、温度センサ、トルクセンサ、演算装置、及びＰＩＤコントローラと電気通信する通信ノードと、を含んでもよい。
さらに他の実施形態では、摩擦攪拌接合中に測定を行う方法は、摩擦攪拌接合ツールを回転するステップを含む。方法は、圧力センサを使用して摩擦攪拌接合ツールのヘッドにかかる圧力を測定するステップ、摩擦攪拌接合ツールの本体の温度を測定するステップ、及びトルクセンサを使用して摩擦攪拌接合ツールのトルクを測定するステップを含んでもよい。方法は、測定された圧力、測定された温度、及び測定されたトルクを、通信ノードを使用して演算装置に送信するステップを含んでもよい。
この概要は、詳細な説明でさらに説明される概念の選択を紹介するために提供されるものである。この概要は、特許請求される主題にかかる重要な特徴又は本質的な特徴を特定することは意図しておらず、特許請求される主題の範囲を限定するために使用することも意図していない。本発明の実施形態にかかる追加の特徴及び様子は、本明細書に記載しており、部分的にはその記載から自明であり、又はその実施形態の実施によって習得することができる。
本発明の先に列挙した特徴及びその他の特徴が得られる方法を説明するように、添付図面に示したその具体的な実施形態を参照しながら、より詳細な説明を行う。理解を容易にするために、各種添付図面を通して、同様の要素には同様の参照番号が振られている。一部の図面は、概念の図式的な表現又は誇張された表現であり得るが、少なくとも一部の図面は、縮尺通りに描かれ得る。図面は、いくつかの例示的な実施形態を示していることを理解されたい。実施形態は、添付図面を通して、更に具体的にかつ詳細に記載され、説明されている。
本発明は、概して、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）ツールのヘッド付近のＦＳＷ情報を測定するＦＳＷツールのための装置、システム、及び方法に関する。より具体的には、本発明の少なくとも1つの実施形態は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械で使用し得るＦＳＷツールのための装置、システム、及び方法に関する。
図１‐１により、いくつかの実施形態では、ＦＳＷツール１００は、ヘッド１０２と、本体１０４と、ツールホルダ１０６とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ツールホルダ１０６は、ＣＡＴ３０、ＣＡＴ４０、ＣＡＴ５０、ＣＡＴ６０、又は他のＣＡＴツールホルダ等のＣＡＴツールホルダであってもよい。他の実施形態では、ツールホルダ１０６は、ＢＴ３０、ＢＴ４０、ＢＴ５０、又は他のＢＴツールホルダ等のＢＴツールホルダであってもよい。さらなる実施形態では、他のＣＮＣ機械互換ツールホルダを使用してもよい。
いくつかの実施形態では、本体１０４は、複数の冷却フィン１０８を含んでもよい。ＦＳＷ中、ヘッド１０２で熱が生じる。ヘッド１０２で生じた熱は、本体１０４に移動されてもよい。次いで、本体１０４上の熱は、複数の冷却フィン１０８の少なくとも１つに移動されてもよい。いくつかの実施形態では、複数の冷却フィン１０８は、本体１０４の外周を囲んでもよい。いくつかの実施形態では、冷却フィン１０８は、本体１０４の外周を完全に囲んでもよい。すなわち、冷却フィン１０８は、本体１０４の外面の周りで連続した状態であってもよい。他の実施形態では、冷却フィン１０８は、本体１０４の外周を部分的に囲むか、又は本体１０４の外周で部分的に連続した状態であってもよい。例えば、本体１０４の２つの半体を接続するコネクタ１１０は、冷却フィン１０８の連続性を破ってもよい。いくつかの実施形態では、本体１０４は、本体１０４を完全に囲む冷却フィン１０８と、本体１０４を部分的に囲む冷却フィン１０８との両方を含んでもよい。いくつかの実施形態では、本体１０４の全体が冷却フィン１０８を含んでもよい。他の実施形態では、本体１０４の一部が冷却フィンを含んでもよい。
複数の冷却フィン１０８に移動された熱は、伝導媒体冷却を用いて拡散させてもよい。いくつかの実施形態では、冷却フィン１０８が空冷によってＦＳＷツール１００を冷却するように、空気を伝導媒体としてもよい。他の実施形態では、伝導媒体は、伝導媒体冷却で使用される他の任意の伝導媒体であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、ＦＳＷツール１００が回転すると、空気（例えば、空気の柱又は渦）がＦＳＷツール100を取り囲む。空気は冷却フィン１０８を通過し、冷却フィン１０８は空気に熱を移動させることによって冷却フィン１０８を空冷することができる。冷却フィン１０８が空冷されると、本体１０４は冷却フィン１０８に追加の熱を移動させることができる。本体１０４が冷却フィン１０８に熱を移動させると、ヘッド１０２は本体１０４に熱を移動させることができる。したがって、ＦＳＷツール１００を空冷することができる。
いくつかの実施形態では、ヘッド１０２は、円筒形であってもよい。他の実施形態では、ヘッド１０２は、ピラミッド状であってもよい。さらに他の実施形態では、ヘッド１０２は、円錐形であってもよい。さらに他の実施形態では、ヘッド１０２は、他の形状を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ヘッド１０２は、ねじ山を含んでもよい。ねじ山は、ＦＳＷツール１００の回転方向と反対方向に巻かれてもよい。他の実施形態では、ねじ山は、ＦＳＷツール１００の回転方向と同じ方向に巻かれてもよい。いくつかの実施形態では、ヘッド１０２は、任意のＦＳＷヘッドを含んでもよい。
図１‐２は、図１‐１のＦＳＷツール１００の断面図である。いくつかの実施形態では、ヘッド１０２は、少なくとも部分的に、本体１０４の内部に挿入されてもよい。ヘッド１０２は、ヘッド長さ１１２を有する。いくつかの実施形態では、ヘッド長さ１１２は、６．０ミリメートル、１３ミリメートル、２５ミリメートル、５０ミリメートル、１００ミリメートル、１５０ミリメートル、２００ミリメートル、２５０ミリメートル、３００ミリメートル、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、ヘッド長さ１１２は、６．０ミリメートルより大きくてもよい。他の例では、ヘッド長さ１１２は、２００ミリメートル未満であってもよい。さらに他の例では、ヘッド長さ１１２は、６．０ミリメートルから３００ミリメートルの範囲内のものであってもよい。いくつかの実施形態では、ヘッド１０２は、ヘッドアダプタを含んでもよい。ヘッドアダプタは、ヘッド１０２及びツールホルダ１０６と連動してヘッド１０２の長さを伸ばしてもよい。
ヘッド１０２は、ヘッド直径１１４を有する。いくつかの実施形態では、ヘッド直径１１４は、４ミリメートル、１０ミリメートル、１４ミリメートル、２０ミリメートル、２５ミリメートル、２５．４ミリメートル、３０ミリメートル、３５ミリメートル、３８ミリメートル、４０ミリメートル、４５ミリメートル、５０ミリメートル、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、ヘッド直径１１４は、１０ミリメートルより大きくてもよい。他の例では、ヘッド直径１１４は、５０ミリメートル未満であってもよい。さらに他の例では、ヘッド直径１１４は、１０ミリメートルから５０ミリメートルの範囲内のものであってもよい。いくつかの実施形態では、ヘッド１０２は、予め製造されたヘッド１０２の間でヘッド直径１１４を増大させるためのコレットを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、ヘッド１０２の基部１１８に圧力センサ１１６を取り付けてもよい。いくつかの実施形態では、圧力センサ１１６は、基部１１８でヘッド１０２に接触してもよい。すなわち、圧力センサ１１６は、ヘッド１０２のすぐ隣にあってもよく、ヘッド１０２に隣接してもよく、ヘッド１０２に直接隣接してもよい。例えば、ヘッド１０２からの圧力は、圧力センサ１１６に直接移動されてもよい。他の例では、ヘッド１０２から圧力センサ１１６に移動された圧力は、ヘッド１０２の実際の圧力の５％以内であってもよい。圧力センサ１１６は、圧力センサ直径１２０を有する。いくつかの実施形態では、圧力センサ直径１２０は、ヘッド直径１１４と同じであってもよい。圧力センサ１１６がヘッド１０２と同じ直径を有する実施形態は、圧力センサ１１６がヘッド１０２より大きいか又は小さい実施形態に比べて、より正確な測定値を提供することができる。他の実施形態では、圧力センサ１１６は、ヘッド１０２より大きくてもよい。さらに他の実施形態では、圧力センサ１１６は、ヘッド１０２より小さくてもよい。いくつかの実施形態では、圧力センサ１１６は、ヘッド１０２の輪郭に適合するように形成されていてもよい。
いくつかの実施形態では、圧力センサ１１６は、ピエゾ抵抗ストレインゲージであってもよい。他の実施形態では、圧力センサ１１６は、ピエゾ電気圧力センサであってもよい。さらに他の実施形態では、圧力センサ１１６は、ホイートストンブリッジであってもよい。さらに他の実施形態では、圧力センサ１１６は、流体圧力トランスデューサであってもよい。さらなる実施形態では、圧力センサ１１６は、他の任意の圧力センサであってもよい。さらなる実施形態では、圧力センサ１１６は荷重センサであってもよい。
圧力センサ１１６は、負荷容量を有する。負荷容量とは、それを超えると圧力センサ１１６が損傷され、及び／又は信頼できる正確な測定値を提供しなくなる可能性のある負荷である。いくつかの実施形態では、負荷容量は、０．２５キロニュートン（ｋＮ）、０．５ｋＮ、１．０ｋＮ、２．５ｋＮ、５．０ｋＮ、７．５ｋＮ、１５ｋＮ、３０ｋＮ、６０ｋＮ、１５０ｋＮ、３００ｋＮ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、負荷容量は、０．２５ｋＮより大きくてもよい。他の例では、負荷容量は、３００ｋＮ未満であってもよい。さらに他の例では、負荷容量は、０．２５ｋＮと３００ｋＮとの間、又は５．０ｋＮと６０ｋＮとの間のものであってもよい。
いくつかの実施形態では、本体１０４は、ツールホルダ１０６の少なくとも一部を囲んでもよい。いくつかの実施形態では、本体１０４の内部に複数の器械を収容してもよい。例えば、本体１０４の内部には、圧力センサ１１６、温度センサ１２２、及びトルクセンサ１２４のうちの１つ以上を収容してもよい。いくつかの実施形態では、複数の器械のそれぞれは、ヘッド１０２の基部１１８の後方に配置されてもよい。他の実施形態では、複数の器械は、ヘッド１０２とツールホルダ１０６との間で本体１０４の内部に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、温度センサ１２２及び／又はトルクセンサ１２４の少なくとも１つは、本体１０４の肩部１２６と基部１１８との間に配置されてもよい。
複数の器械をできるだけヘッドに近づけて配置する場合は、複数の器械をモータ又は回転機械に配置する場合に比べて、より正確なデータを提供することができる。すなわち、ヘッド１０２にできるだけ近づけて測定値を収集することによって、モータ又は回転機械により近くで収集され得るノイズ、フィードバック、外部情報、又はそれらの組み合わせの量を低減することができる。
いくつかの実施形態では、温度センサ１２２は、熱電対であってもよい。他の実施形態では、温度センサ１２２は、レーザであってもよい。さらに他の実施形態では、温度センサは、赤外線カメラであってもよい。温度センサ１２２は、温度センサ容量を有する。温度センサ容量とは、それを超えると温度センサが正確な及び／又は信頼できる測定値を提供しなくなる可能性のある温度である。いくつかの実施形態では、温度センサ容量は、０℃、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、１，０００℃、１，１００℃、１，２００℃、１，３００℃、１，４００℃、１，５００℃、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、温度センサ容量は、０℃より高くてもよい。他の例では、温度センサ容量は、１，５００℃未満であってもよい。さらに他の例では、温度センサ容量は、０℃から１，５００℃の範囲内のものであってもよい。
いくつかの実施形態では、トルクセンサ１２４は、静トルクと動トルクとの両方を測定するように設計されるストレーンゲージ又は複数のストレーンゲージであってもよい。例えば、トルクセンサ１２４は、ツールホルダの外側にボルト止めされたカラーに取り付けてもよい。他の実施形態では、トルクセンサ１２４は、加速度計であってもよい。トルクセンサ１２４は、トルクセンサ容量を有する。トルクセンサ容量とは、それを超えるとトルクセンサが損傷され、及び／又は信頼できる正確な測定値を提供しなくなる可能性のあるトルクである。いくつかの実施形態では、トルクセンサ容量は、５０ニュートンメートル（N・m）、１００N・m、２５０N・m、５００N・m、１，０００N・m、２，０００N・m、３，０００N・m、４，０００N・m、５，０００N・m、６，０００N・m、７，０００N・m、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、トルクセンサ容量は、５０N・mより大きくてもよい。他の例では、トルクセンサ容量は、７，０００N・m未満であってもよい。さらに他の例では、トルクセンサ容量は、５０N・mから７，０００N・mの範囲内のものであってもよい。
いくつかの実施形態では、本体は、通信装置を有する通信ノード１２８を含んでもよい。いくつかの実施形態では、通信ノード１２８は、圧力センサ１１６、温度センサ１２２、及びトルクセンサ１２４のうちの１つ以上と電気通信してもよい。いくつかの実施形態では、通信ノード１２８、圧力センサ１１６、及びトルクセンサ１２４は、電子機器及び計測器温度容量を有してもよい。電子機器及び計測器温度容量とは、それを超えると、通信ノード１２８、圧力センサ１１６、及びトルクセンサ１２４が過剰な熱によって損傷される可能性のある温度である。いくつかの実施形態では、電子機器及び計測器温度容量は、０℃、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、１，０００℃、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、電子機器及び計測器温度容量は、０℃より高くてもよい。他の例では、電子機器及び計測器温度容量は、１，０００℃未満であってもよい。さらに他の例では、電子機器及び計測器温度容量は、０℃から１，０００℃の範囲内のものであってもよい。
いくつかの実施形態では、通信ノード１２８は、複数の通信チャネルを有してもよい。例えば、通信ノード１２８は、１、２、３、４、５、６、７、８、１６、３２、６４、又はそれ以上のアナログ入力チャネルを有してもよい。アナログ入力チャネルからの情報は、演算装置に送信されてもよい。アナログ入力チャネルによって収集され送信される情報は、温度センサ１２２、トルクセンサ１２４、及び圧力センサ１１６のうちの１つ以上から測定された温度、トルク及び圧力のうちの１つ以上を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、通信ノード１２８は、情報を無線で送信してもよい。例えば、通信ノード１２８は、ＦＭ周波数で情報を送信してもよい。ＦＭ周波数は、最大２キロメートルまでの範囲を有してもよい。他の実施形態では、通信ノード１２８は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｚ波、８０２．１１ｘプロトコル、又は他の無線通信を介して情報を送信してもよい。
いくつかの実施形態では、圧力センサ１１６、温度センサ１２２、トルクセンサ１２４、及び通信ノード１２８のうちの１つ以上は、誘導電力を用いて電力供給されてもよい。いくつかの実施形態では、ＦＳＷツール１００の動作中に、本体はカラーに囲まれてもよい。カラーは、カラーの内周に巻きつけられた第１ワイヤを含んでもよい。本体１０４内には、第２ワイヤを巻きつけてもよい。電流を第１ワイヤに通してカラーの内側に電磁場を作り出すことができる。第２ワイヤは、電磁場から電流を生成することができる。電磁場からの電流は、圧力センサ１１６、温度センサ１２２、トルクセンサ１２４、及び通信ノード１２８のうちの１つ以上に電力を提供することができる。他の実施形態では、バッテリー等の内部電源を介して１つ以上のコンポーネント（構成要素）に電力を供給してもよい。いくつかの実施形態では、内部電源は、再充電可能な電源であってもよい。さらなる実施形態では、１つ以上のコンポーネントが誘導電力によって給電され、１つ以上の他のコンポーネントが誘導電源と電気的に通信していないバッテリーによって給電されてもよい。
図２は、ＦＳＷツール２００の制御装置のネットワーク図である。ＦＳＷツール２００は、複数の器械２３０を含む。複数の器械２３０は、測定データ２３２を通信ノード２２８に送信してもよい。いくつかの実施形態では、通信ノード２２８は、内部記録装置２３４を含んでもよい。測定データ２３２は、内部記録装置２３４に格納されてもよい。このようにして、ＦＳＷツールは、溶接同時記録ツールとして機能することができる。いくつかの実施形態では、測定データ２３２は、演算装置２３６に送信される前に、内部記録装置のキャッシュに格納されてもよい。他の実施形態では、測定データ２３２は、内部記憶装置に格納されずに、通信ノード２２８を介して演算装置２３６に渡されてもよい。
いくつかの実施形態では、演算装置２３６は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ２３８を含んでもよい。ＰＩＤコントローラ２３８は、通信ノードと通信してもよい。いくつかの実施形態では、ＰＩＤコントローラ２３８は、測定データ２３２を記憶データと比較することができる。この比較に対する応答として、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械にコマンド２４０を発行することができる。コマンド２４０は、例えば、ＦＳＷツール２００に加えられた圧力（例えば、プランジ速度）及び／又はＦＳＷツール２００の回転速度等の溶接パラメータを変更するものであってもよい。
例えば、ＰＩＤコントローラ２３８は、測定された圧力を、演算装置のメモリに格納された最適圧力と比較することができる。最適圧力とは、ＦＳＷが最も効果的になる圧力である。測定された圧力が最適圧力より大きい場合、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２（例えば、ＣＮＣ機械）に対してコマンド２４０を発行して、（例えば、プランジ速度を低減させるによって）ＦＳＷツール２００にかかる下向きの圧力を低減させることができる。測定された圧力が最適圧力より小さい場合、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２に対してコマンド２４０を発行して、（例えば、プランジ速度を増加させるによって）ＦＳＷツール２００にかかる下向きの圧力を増加させることができる。
いくつかの実施形態では、最適圧力は、１ギガパスカル（ＧＰａ）、２ＧＰａ、４ＧＰａ、６ＧＰａ、８ＧＰａ、１０ＧＰａ、１２ＧＰａ、１４ＧＰａ、１６ＧＰａ、１８ＧＰａ、２０ＧＰａ、２２ＧＰａ、２４ＧＰａ、２６ＧＰａ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、最適圧力は、１ＧＰａより大きくてもよい。他の例では、最適圧力は、２６ＧＰａ未満であってもよい。さらに他の例では、最適圧力は、１ＧＰａから２６ＧＰａの範囲内のものであってもよい。
他の例では、ＰＩＤコントローラ２３８は、測定された負荷を、最適負荷と比較することができる。最適負荷とは、ＦＳＷが最も効果的になる負荷である。測定された負荷が最適負荷より大きい場合、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２（例えば、ＣＮＣ機械）に対してコマンド２４０を発行して、（例えば、プランジ速度を低減させるによって）ＦＳＷツール２００にかかる下向きの圧力を低減させることができる。測定された負荷が最適負荷より小さい場合、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２に対してコマンド２４０を発行して、（例えば、プランジ速度を増加させるによって）ＦＳＷツール２００にかかる下向きの圧力を増加させることができる。
いくつかの実施形態では、最適負荷は、０．２５ｋＮ、０．５ｋＮ、１．０ｋＮ、２．５ｋＮ、５．０ｋＮ、７．５ｋＮ、１５ｋＮ、３０ｋＮ、６０ｋＮ、１５０ｋＮ、３００ｋＮ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、最適負荷は、０．２５ｋＮより大きくてもよい。他の例では、最適負荷は、３００ｋＮ未満であってもよい。さらに他の例では、最適負荷は、０．２５ｋＮから３００ｋＮの範囲内のものであってもよい。
他の例では、ＰＩＤコントローラ２３８は、測定されたトルクを、演算装置のメモリに格納された最適トルクと比較することができる。最適トルクとは、この条件においてＦＳＷが最も効果的になるトルクである。測定されたトルクが最適トルクより大きい場合、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２に対してコマンド２４０を発行して、ＦＳＷツール２００の下向きの圧力及び／又は回転速度を低減させることができる。測定されたトルクが最適トルクより小さい場合、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２に対してコマンド２４０を発行して、ＦＳＷツール２００の下向きの圧力及び／又は回転速度を増加させることができる。いくつかの実施形態では、最適値は、許容幅を含んでもよい。許容幅は、０．１％、０．５％、１．０％、２．０％、５．０％、１０％、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む下限値、上限値、又は下限値及び上限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、許容幅は、０．１％より大きくてもよい。他の例では、許容幅は、１０％未満であってもよい。さらに他の例では、許容幅は、０．１％から５％の範囲内のものであってもよい。
いくつかの実施形態では、許容幅は、溶接される材料及び形状によって決まってもよい。例えば、鋼のような高い熱容量を有する材料に対して、又は比較的多くの熱を吸収し得る材料の厚い部分に対しては、比較的狭い温度許容幅を使用してもよい。他の例では、アルミニウムのような比較的軟質の材料に対して、又は、圧力及びトルクの影響を比較的受けやすい材料の比較的薄い部分に対しては、広い圧力及び／又はトルク許容幅を使用してもよい。
いくつかの実施形態では、１つの測定値を主要測定値とし、他の２つの測定値を主要測定値の先行指標としてもよい。例えば、温度を主要測定値とし、圧力及びトルクを先行指標としてもよく、先行指標は、最適温度から外れそうなときを示すことができる。他の例では、圧力を主要測定値とし、温度及びトルクを先行指標としてもよい。さらに他の例では、トルクを主要測定値とし、温度及び圧力を先行指標としてもよい。
いくつかの実施形態では、最適トルクは、１ニュートンメートル（Ｎ・ｍ）、１０Ｎ・ｍ、５００Ｎ・ｍ、７５０Ｎ・ｍ、１，０００Ｎ・ｍ、１，５００Ｎ・ｍ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、最適トルクは、５Ｎ・ｍより大きくてもよい。他の例では、最適トルクは、１，５００Ｎ・ｍ未満であってもよい。さらに他の例では、最適トルクは、１Ｎ・ｍから１，５００Ｎ・ｍの範囲内のものであってもよい。
さらに他の例では、ＰＩＤコントローラ２３８は、測定された温度を、演算装置のメモリに格納された最適温度と比較することができる。最適温度とは、ＦＳＷが最も効果的になる温度である。測定された温度が最適温度より高い場合（又は、最適温度に許容幅があり、その許容幅を上回る場合）、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２に対してコマンド２４０を発行して、ＦＳＷツール２００の下向きの圧力及び／又は回転速度を低減させることができる。測定された温度が最適温度より低い場合（又は、最適温度に許容幅があり、その許容幅を下回る場合）、ＰＩＤコントローラ２３８は、ＦＳＷ機械２４２に対してコマンド２４０を発行して、ＦＳＷツール２００の下向きの圧力及び／又は回転速度を増加させることができる。
いくつかの実施形態では、最適温度は、０℃、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、１，０００℃、１，１００℃、１，２００℃、１，３００℃、１，４００℃、１，５００℃、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、最適温度は、０℃より高くてもよい。他の例では、最適温度は、１，５００℃未満であってもよい。さらに他の例では、最適温度は、０℃から１，５００℃の範囲内のものであってもよい。いくつかの例では、２枚の６０６１アルミニウムのＦＳＷを行う場合、最適温度が３００℃であり、最適トルクが７０Ｎ・ｍであり、最適圧力が４．５ｋＮであってもよい。いくつかの実施形態では、２枚の２０６１アルミニウムを接合するＦＳＷを行う場合、最適値のいずれか又はそれぞれを、１０％、２０％、又はそれ以上変化させてもよい。他の例では、炭素鋼対工具鋼のＦＳＷを行う場合、最適温度が８００℃であり、最適トルクが４００Ｎ・ｍであり、最適圧力が１１５ｋＮであってもよい。いくつかの実施形態では、炭素鋼と工具鋼を接合するＦＳＷを行う場合、最適値のいずれか又はそれぞれを、１０％、２０％、又はそれ以上変化させてもよい。
図３は、摩擦攪拌接合中に測定を行う方法の一実施形態の方法３４４である。方法３４４は、ＦＳＷツールを回転するステップ３４６を含んでもよい。回転ステップ３４６は、最大回転速度を有する。いくつかの実施形態では、最大回転速度は、９，０００回転／分（ＲＰＭ）、１０，０００ＲＰＭ、１２，０００ＲＰＭ、１４，０００ＲＰＭ、１６，０００ＲＰＭ、１８，０００ＲＰＭ、２０，０００ＲＰＭ、２２，０００ＲＰＭ、２４，０００ＲＰＭ、２６，０００ＲＰＭ、２８，０００ＲＰＭ、３０，０００ＲＰＭ、又はそれらの間の任意の値のいずれかを含む上限値、下限値、又は上限値及び下限値を有する範囲内のものであってもよい。例えば、最大回転速度は、９，０００ＲＰＭより大きくてもよい。他の例では、最大回転速度は、３０，０００ＲＰＭ未満であってもよい。さらに他の例では、最大回転速度は、９，０００ＲＰＭから３０，０００ＲＰＭの範囲内のものであってもよい。
いくつかの実施形態では、方法３４４は、ＦＳＷツールの状態を測定するステップ３４８を含んでもよい。例えば、方法３４４は、圧力センサ（例えば、ロードセル）を使用してＦＳＷツールのヘッドにかかる圧力を測定するステップ３４８を含んでもよい。方法３４４は、温度センサを使用してＦＳＷツールの本体の温度を測定するステップ３４８を含んでもよい。方法３４４は、トルクを使用してＦＳＷツールのトルクを測定するステップ３４８を含んでもよい。いくつかの実施形態では、方法３４４は、圧力、温度、及びトルクの任意の組み合わせを測定するステップ３４８を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ステップ３４８においてＦＳＷツールの他の状態を測定してもよい。
いくつかの実施形態では、方法３４４は、ステップ３４８で測定された情報を演算装置に送信するステップ３５０を含んでもよい。いくつかの実施形態では、情報を送信するステップ３５０は、無線通信を介して（例えば、ＦＭラジオ送信、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅ、Ｚ波、８０２．１１ｘ無線プロトコル、又は他の無線通信プロトコルを介して）送信するステップ３５０を含んでもよい。他の実施形態では、情報を送信するステップ３５０は、有線接続を使用して送信するステップ３５０を含んでもよい。さらなる実施形態では、情報を送信するステップは、任意の送信方式によって送信するステップ３５０を含んでもよい。
図４は、摩擦攪拌接合中に測定を行う方法の別の実施形態の方法４５２である。いくつかの実施形態では、方法４５２は、図３において説明したステップと同様又は類似の回転ステップ４４６、測定ステップ４４８、及び送信ステップ４５０を含んでもよい。いくつかの実施形態では、方法４５２は、ＦＳＷツールの本体を冷却するステップ４５４を含んでもよい。本体は、本体の外部に複数の冷却フィンを含んでもよい。冷却ステップ４５４では、熱をフィンに移動し、ツールを回転させて周囲の空気に熱を発散させることによってフィンを冷却することができる。
いくつかの実施形態では、ＦＳＷツールは、メモリを含んでもよい。いくつかの実施形態では、通信ノードは、測定された圧力、測定された温度、及び測定されたトルクをメモリに記録してもよい。いくつかの実施形態では、圧力センサ、温度センサ、及びトルクセンサは、メモリに直接記録してもよい。その後、通信ノードは、測定された情報をメモリから送信してもよい。
いくつかの実施形態では、方法４５２は、ＰＩＤコントローラを使用してＦＳＷツールを制御するステップ４５６を含んでもよい。ＰＩＤコントローラは、通信ノードと通信してもよい。通信ノードは、ステップ４４８で測定された情報をＰＩＤコントローラに通信してもよい。いくつかの実施形態では、ＰＩＤコントローラは、メモリを有してもよい。メモリは、一定のＦＳＷ状況に対する、ＦＳＷの最適圧力、ＦＳＷの最適温度、ＦＳＷの最適トルク、１つ以上の値の許容幅、又はそれらの組み合わせを含んでもよい。ＰＩＤコントローラは、測定された値を最適値（いくつかの実施形態では、最適値及び関連する許容幅）と比較して、ＦＳＷの動作を改善するようにＦＳＷツールの圧力及び／又は回転速度を調整することができる。ＰＩＤコントローラを使用する制御ステップ４５６は、本明細書に組み込んだ、図３において説明したステップのいずれか又はそれぞれを含んでもよい。
本明細書には、本発明の1つ以上の特定の実施形態が記載されている。これらの記載された実施形態は、本発明にかかる技術の例である。また、これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施形態の全ての特徴を明細書に記載しているわけではない。これらの実際の形態の開発において、あらゆる工学プロジェクト又は設計プロジェクトの開発におけるのと同様に、開発者固有の目的を達成するために、１つ１つの実施形態によって変わる可能性のあるシステム関係及びビジネス関係の制約を順守するような、多数の実施形態固有の決定が行われることを理解されたい。さらに、このような開発の努力は、複雑で時間がかかるにもかかわらず、本発明の利益を受ける当業者にとっては、日常的な設計、製作、及び製造の仕事であることを理解されたい。
また、本発明の「一実施形態」又は「実施形態」の参照は、列挙した特徴を組み込んだ追加の実施形態の存在を除外するように解釈されることを意図していないことを理解されたい。例えば、本明細書の一実施形態において記載された任意の要素は、本明細書に記載された他の任意の実施形態の任意の要素と組み合わせることができる。本明細書に明記された数値、百分率、比率、又は他の値は、その値、及び「約」又は「およそ」明記された値である他の値を含むように意図することは、本発明の実施形態に包含される分野の当業者によって理解されるであろう。したがって、明記された値は、所望の機能を実行するか又は所望の結果を達成するために明記された値に少なくとも十分に近い値を包含するように、十分な広さを有すると解釈されるべきである。明記された値は、少なくとも適切な製造又は製作プロセスで予想されるばらつきを含み、明記された値の５％以内、１％以内、０．１％以内、又は０．０１％以内の値を含んでもよい。
当業者は、本発明の観点から、同等の構成が本発明の趣旨及び範囲から逸脱しないこと、また、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された実施形態に対して様々な変更、置換、及び修正を行ってもよいことを認識すべきである。機能的な「ミーンズ・プラス・ファンクション」節を含む同等の構成は、同じ方法で動作する構造上の等価物と、同じ機能を提供する同等の構造との両方を含む、列挙した機能を実行するものとして本明細書に記載された構造を包含することが意図される。出願人は、「ための手段」という表現が関連の機能とともに現れる場合を除き、いずれかの請求項においてもミーンズ・プラス・ファンクション又は他の機能的な請求を行わないことを明確に意図している。特許請求の範囲の意味及び範囲に含まれる実施形態に対する各追加、削除、及び修正は、特許請求の範囲に包含されるものとする。
本明細書で使用された「およそ」、「約」及び「実質的に」という用語は、標準的な製造若しくはプロセスの許容範囲内にあるか、又は依然として所望の機能を果たす若しくは所望の結果を達成する、明記された量に近い量を表す。例えば、「およそ」、「約」及び「実質的に」という用語は、明記された量の５％未満の範囲内、１％未満の範囲内、０．１％未満の範囲内、及び０．０１％未満の範囲内の量を表すことができる。さらに、以上の説明における任意の方向又は基準フレームは、単なる相対的な方向又は動きであることを理解されたい。例えば、「上向き」、「下向き」、「上方」、又は「下方」への言及は、単に関連要素の相対的な位置又は動きを説明するに過ぎない。
本発明は、その趣旨又は特徴から逸脱することなく、他の特定の形式で実施することができる。記載された実施形態は、例示的で非限定的なものであると考えるべきである。したがって、本発明の範囲は、以上の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内の変更は、その範囲に包含されるものとする。
１００ ＦＳＷツール
１０２ ヘッド
１０４ 本体
１０６ ツールホルダ
１０８ 冷却フィン
１１０ コネクタ
１１２ ヘッド長さ
１１４ ヘッド直径
１１６ 圧力センサ
１１８ 基部
１２０ 圧力センサ直径
１２２ 温度センサ
１２４ トルクセンサ
１２６ 肩部
１２８ 通信ノード
２００ ＦＳＷツール
２２８ 通信ノード
２３０ 器械
２３２ 測定データ
２３４ 内部記録装置
２３６ 演算装置
２３８ ＰＩＤコントローラ
２４０ コマンド
２４２ ＦＳＷ機械
３４４ 方法
３４６ 回転ステップ
３４８ 測定ステップ
３５０ 送信ステップ
４４６ 回転ステップ
４４８ 測定ステップ
４５０ 送信ステップ
４５２ 方法
４５４ 冷却ステップ
４５６ 制御ステップ
１０２ ヘッド
１０４ 本体
１０６ ツールホルダ
１０８ 冷却フィン
１１０ コネクタ
１１２ ヘッド長さ
１１４ ヘッド直径
１１６ 圧力センサ
１１８ 基部
１２０ 圧力センサ直径
１２２ 温度センサ
１２４ トルクセンサ
１２６ 肩部
１２８ 通信ノード
２００ ＦＳＷツール
２２８ 通信ノード
２３０ 器械
２３２ 測定データ
２３４ 内部記録装置
２３６ 演算装置
２３８ ＰＩＤコントローラ
２４０ コマンド
２４２ ＦＳＷ機械
３４４ 方法
３４６ 回転ステップ
３４８ 測定ステップ
３５０ 送信ステップ
４４６ 回転ステップ
４４８ 測定ステップ
４５０ 送信ステップ
４５２ 方法
４５４ 冷却ステップ
４５６ 制御ステップ
Claims (26)
- 摩擦攪拌接合ツールであって、
ヘッドと、
前記ヘッドが支持される中央凹部を有するツールホルダと、
前記ツールホルダに取り付けられ、摩擦攪拌接合中は前記ツールホルダ及び前記中央凹部に支持された前記ヘッドと共に回転する本体と、を備え、
前記本体の内部は、
前記ツールホルダの前記中央凹部内に支持された前記ヘッドと、隣り合い、隣接し、または当接する、前記ツールホルダの前記中央凹部内の圧力センサと、
温度センサと、
前記圧力センサ及び前記温度センサと電気通信する通信ノードであって、演算装置と無線通信するように構成される通信ノードと、を含む、摩擦攪拌接合ツール。 - 前記圧力センサ、前記温度センサ及び前記通信ノードのうちの１つ以上のための再充電可能な電源を更に備える、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記通信ノードは、８つのアナログ出力チャンネルを有する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記通信ノードは、２キロメートルの無線通信範囲を有する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- ３０キロニュートンの負荷容量を有する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記演算装置は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラを含み、前記ＰＩＤコントローラは、前記通信ノードと通信する、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記圧力センサは、前記ヘッドの輪郭に適合するように形成されている、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記ヘッドは、円筒形であり、２５ミリメートルの直径を有する、請求項７に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記圧力センサ、前記温度センサ及び前記通信ノードは、誘導電力によって給電される、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 摩擦攪拌接合のためのシステムであって、
比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラを含む演算装置と、
摩擦攪拌接合ツールと、を備え、
前記摩擦攪拌接合ツールは、
ヘッドと、
前記ヘッドが支持される中央凹部を有するツールホルダと、
前記ツールホルダに取り付けられ、摩擦攪拌接合中は前記ツールホルダ及び前記中央凹部に支持された前記ヘッドと共に回転する本体と、を含み、
前記本体の内部は、
３０キロニュートンの負荷容量を有し、前記ツールホルダの前記中央凹部内に支持されたヘッドと、隣り合い、隣接し、または当接する、前記ツールホルダの前記中央凹部内の圧力センサと、
温度センサと、
前記圧力センサ、前記温度センサ、及び前記ＰＩＤコントローラと電気通信する通信ノードであって、前記演算装置と無線通信するように構成される通信ノードと、を含む、摩擦攪拌接合のためのシステム。 - 前記通信ノードは、８つのアナログ出力チャンネルを有する、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合システム。
- 前記通信ノードは、２キロメートルの無線範囲を有する、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合システム。
- 前記圧力センサ、前記温度センサ、及び前記通信ノードは、誘導電力を使用して給電される、請求項１０に記載の摩擦攪拌接合システム。
- 請求項１～９のいずれか一項に記載の摩擦攪拌接合ツール、又は請求項１０～１３のいずれか一項に記載のシステムを使用して行われる方法であって、
摩擦攪拌接合中に測定を行う方法であり、
摩擦攪拌接合ツールを回転するステップと、
摩擦攪拌接合ツールの本体の内部の圧力センサを使用して、前記摩擦攪拌接合ツールのヘッドにかかる圧力を測定するステップであって、前記ヘッドの少なくとも一部及び前記圧力センサが前記摩擦攪拌接合ツールのツールホルダの中央凹部内にあり、前記圧力センサが前記ヘッドに隣り合い、隣接し、または当接しているステップと、
前記本体の前記内部の温度センサを使用して、前記摩擦攪拌接合ツールの前記本体の温度を測定するステップと、
測定された圧力、及び測定された温度を、通信ノードを使用して演算装置に送信するステップと、を備える、摩擦攪拌接合中に測定を行う方法。 - 前記測定された圧力、及び前記測定された温度を、本体の中にあるメモリに記録するステップを更に備える、請求項１４に記載の方法。
- 前記本体の外部に複数の冷却フィンがあり、前記複数の冷却フィン上に空気を通すことによって前記本体を冷却するステップを更に備える、請求項１４に記載の方法。
- 比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラを用いて前記摩擦攪拌接合ツールを制御するステップを更に備え、前記ＰＩＤコントローラは、前記通信ノードと通信する、請求項１４に記載の方法。
- 前記ＰＩＤコントローラは、
前記測定された圧力と前記演算装置のメモリに格納された最適圧力との比較、
及び前記測定された温度と前記メモリに格納された最適温度との比較、に応答して前記摩擦攪拌接合ツールを制御する、請求項１７に記載の方法。 - 前記摩擦攪拌接合ツールが最大１２，０００回転／分の回転速度で回転する、請求項１４に記載の方法。
- 前記通信ノードは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ接続を含み、前記測定された圧力、及び前記測定された温度を、前記Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ接続を介して前記演算装置に送信する、請求項１４に記載の方法。
- 前記本体の前記内部にトルクセンサを含む、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記摩擦攪拌接合ツールがトルクセンサを含む、請求項１０に記載のシステム。
- 前記本体の前記内部のトルクセンサで摩擦攪拌接合ツールのトルクを測定するステップと、
前記測定された圧力と、前記測定された温度と、測定されたトルクとを、前記通信ノードを用いて前記演算装置に送信するステップとを更に含む請求項１４に記載の方法。 - 前記ツールホルダは、一体型構造である、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記ツールホルダは、摩擦攪拌溶接機に固定されるように構成された工作機械コネクタ部分を含む、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
- 前記ツールホルダは、ＣＡＴ３０、ＣＡＴ４０、ＣＡＴ５０及びＣＡＴ６０からなる群から選択される工作機械コネクタ部分を含む、請求項１に記載の摩擦攪拌接合ツール。
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