摩擦攪拌処理技術を使用する３物体の接合
部分的に消耗可能なピンを使用して摩擦攪拌リベット締結を実施するための摩擦攪拌工具が提供され、このピンは、その底部表面に切削縁部を含み、この工具は第２の材料と重なり合う第１の材料内にピンによって切り込むことを可能にするように第１の速度で回転させられ、ピンが十分な深さまで切削した後、この工具の回転速度は増加させられ、それによって消耗可能なピン、第１の材料、および第２の材料の可塑化を可能にし、次いでこの工具は停止するまで急速に減速され、ピン、第１の材料、および第２の材料の間の拡散結合が可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、摩擦攪拌接合方法に関する。より詳しくは、本発明は、少なくとも部分的に消耗可能なピンを有する消耗可能な摩擦攪拌工具を使用して金属加工物を互いに接合する方法であり、このピンは、第１の速度で回転させられるとき、第１の加工物材料を貫通して切削する切削縁部を有する。少なくとも第１の加工物材料を十分な深さまで切削した後、工具の回転速度は、接合される第１と第２の加工物材料のみならず、ピン自体の可塑化を生じさせるように変更される。第１と第２の加工物材料およびピンの十分な加熱の後、ピンと第１と第２の加工物材料の結合が可能になるように、工具の回転は急速に減速されまたは完全に停止される。このプロセスは、この文献の最初から最後まで摩擦攪拌リベット締結（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｒｉｖｅｔｉｎｇ）と呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００６年６月１３日に出願の米国特許出願第６０／８０４，６２８号、および２００６年６月２３日に出願の米国特許出願第６０／８１６，３９６号の優先権を主張し、それらの主題の全てを参照により本明細書に組み込む。
【０００３】
金属加工物を一緒に接合するための多くの方法が存在する。それらのいくつかには溶接、スポット溶接、（ねじとボルトなどの）留め具、摩擦攪拌溶接等が含まれる。全ての接合方法を支配する３つの基本的な原理には、機械的取付け、融解接合（溶接）、および固体（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）接合（摩擦溶接）が含まれる。各々の原理的な技術は、利点を有する。しかしながら、ある用途のためにしばしば選択される方法は、許容可能な欠点が最も少ない方法によって決定される。機械的な加工物接合方法の例には、ねじ、ナットとボルト、蟻接ぎ、スェージング、リベット締結、締付けによる取付け（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）等が含まれる。多くの用途は、ねじが限られた荷重担持能力しか有さないこと、複数の構成部品および組み立て品の高コスト、加工物内に配置しなければならない穴のコストおよび／または留め具のために要するスペースのために、ねじまたはボルトを使用できない。蟻接ぎおよび他の加工物固定方法は、特定の方向に固定するが、他の方向に離れて摺動または回転することができる。リベットは、おそらく任意の機械的留め具のうちで単位面積および容積当たり最大の接合強度を有するが、リベットヘッドの機械的な変形は、伸びのみならずエネルギ吸収能力も減少させる。
【０００４】
機械的方法が受け入れ可能な接合技術でないとき、加工物が溶接可能でないと見なされない限り融解溶接方法が利用される。例えば、７０００シリーズアルミニウムから作られる航空機構成部品は、結果として得られる溶接部の強度がベースになっている金属の特性の５０％と同じくらい低くなるので、溶接可能とは見なされない。鋼、ステンレス鋼およびニッケルベースの合金などの高溶融温度材料（ＨＭＴＭ）は溶接することができるが、接合部の強度は融解溶接に関連する問題点のために限定される。これらの問題点には、限定的ではないが、凝固欠陥、溶接部マクロ構造体内の硬い／軟らかいゾーン、液体から固体への相変態から結果として生じる残留応力、空隙率、割れ、非均一なかつ予想できないミクロ構造、腐食敏感性、加工物変形、および加工物ベース材料特性の喪失が含まれる。変形を修復するためまたは溶接部非破壊性を評価するために溶接後工程がしばしば必要になり、このプロセスにコストを加える。その上、適切な安全処置が付随しない場合、作業者に対する潜在的に可能性がある網膜損傷のみならず、６価クロムおよびマンガン暴露に関連する健康上の問題が存在する。多くの場合、溶接可能と見なされないより高い強度の材料の優位性のため、溶接可能と見なされるより低い強度の基部材料を使用するためには加工物のサイズを増加させなければならない。より低い強度の鋼から現行製造される自動車車体がこのケースにあたる。進歩した高強度鋼（２相（Ｄｕａｌ Ｐｈａｓｅ）鋼およびＴＲＩＰ鋼）を車両重量を劇的に低下させるためにフレーム構造に使用することができるが、融解溶接性問題のため、これらの材料は使用されてこなかった。
【０００５】
摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）は、融解溶接方法より優れた多くの利点を有する固体溶接プロセスである。図１は、ショルダ１２およびショルダから外向きに延びるピン１４を有する全体的に円筒状の工具１０によって特徴付けられる摩擦攪拌溶接用に使用される工具の斜視図である。ピン１４は、十分な熱が発生するまで加工物１６に押し付けられて回転させられ、その点で工具のピンは、可塑化された加工物材料内に突入させられる。加工物１６はしばしば、接合線１８のところで一緒に付き合わされる材料の２枚のシートまたはプレートである。ピン１４は、接合線１８のところで加工物１６内に突入させられる。この工具は従来技術で開示されてきているが、この工具は新規な目的のために使用できることが明らかにされるであろう。用語「加工物（ｗｏｒｋ ｐｉｅｃｅ）」および「ベース材料（ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、この文献の最初から終わりまで同義的に使用されるであろうことにも留意する。
【０００６】
加工物材料１６に押し付けられたピン１４の回転動作により生じる摩擦熱は、加工物材料を溶融温度に達することなく軟らかくさせる。工具１０は接合線１８に沿って横方向に移動させられ、それによって、可塑化された材料がピンの周りで前縁から後縁に流れるとき溶接部を作り出す。この結果は、他の溶接部と比較して、加工物材料１６それ自体と全体的に見分けがつかない可能性のある、接合線１８のところの固相結合部２０になる。
【０００７】
ショルダ１２が加工物の表面と接触するとき、その回転が、挿入されるピン１４の周りに材料のより大きな円筒状の柱を可塑化させる追加の摩擦熱を作り出すことが観察される。このショルダ１２は、工具ピン１４によって生じる上向きの金属流を阻止する前進力をもたらす。
【０００８】
ＦＳＷ中、溶接される予定の領域および工具は、工具が溶接接合部の所望の長さ横断するように、互いに対して移動させられる。回転するＦＳＷ工具は連続的な熱間加工作用をもたらし、ベース金属に沿って横断方向に移動するときに狭いゾーン内で金属を可塑化させ、同時に金属をピンの前面からその後縁に移送する。工具が通過するときに液体が全く作り出されないので、溶接部ゾーンが冷却するとき、凝固は通常存在しない。結果として得られる溶接部が、欠陥なしで、再結晶した、溶接部の領域に形成される細粒ミクロ構造であることは、常にではないが、よくあることである。
【０００９】
移動速度は、通常１０から５００ｍｍ／分であり、回転速度は２００から２０００ｒｐｍである。到達する温度は通常固相線温度に近いが、それより低い。摩擦攪拌溶接パラメータは、材料の熱特性、高温流れ応力および貫通深さの関数である。
【００１０】
米国特許第６，６４８，２０６号および第６，７７９，７０４号などの発明者らの何人かによる以前の特許は、以前に機能的に溶接できないと思われていた材料について摩擦攪拌溶接を実施することができる利点を教示してきた。これらの材料のいくつかは、融解溶接不可能、または溶接するのが全く困難である。これらの材料には、例えば、金属マトリックス複合材料、鋼およびステンレス鋼などの鉄合金、および非鉄材料が含まれる。やはり摩擦攪拌溶接の利点を取ることができた材料の別の部類は超合金である。超合金は、より高い溶融温度の青銅またはアルミニウムを有する材料とすることができ、混合された他の元素も同様に有することができる。超合金のいくつかの例は、一般に約５３４℃（１０００°Ｆ）より上の温度で使用されるニッケル、鉄−ニッケル、およびコバルトベースの合金である。超合金に一般に存在する追加の元素には、限定されるものではないが、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、タンタル、およびレニウムが含まれる。
【００１１】
語句「摩擦攪拌処理」は、固体状態処理と同義的に呼ばれることができることにも留意する。固体状態処理は、本明細書では通常液相を含まない可塑化状態への一時的な変態として定義される。しかしながら、いくつかの実施形態では１つまたは複数の元素が液相を通過でき、かつ依然として本発明の利益を得ることができることに留意する。
【００１２】
摩擦攪拌処理では、工具ピンが回転させられ、処理する予定の材料内に突入されられる。この工具は材料の処理領域を横切って横断方向に移動させられる。それは、当初の材料と異なる特性を有するように改変される材料に結果としてなる可能性のある、固体処理で材料に可塑化を行わせる作用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＦＳＷに伴う主な欠点は、溶接の終わりに加工物内に残される残留孔である。多くの場合、エンドタブ（run off tab）を溶接部の端部のところに使用し、後で取り除くことができるので、これは問題点にならない。溶接が進行するとき端部孔をなくすために後退可能なピンを使用することができるが、この工具および設備は大規模でありコストが高い。ＦＳＷ中、工具を溶接部から徐々に引き抜くことを可能にする工具形状も使用することができるが、既存の溶接に対して追加される熱サイクルと組み合わされた追加の処理時間はコストを増加させ、かつベース金属特性を低下させる。
【００１４】
摩擦攪拌スポット溶接（ＦＳＳＷ）が現在、高度な高強度鋼を重ね溶接形態で接合するために実験的に使用されている。ＦＳＳＷは、米国特許出願第２００５０１７８８１７号に記載されるように、アルミニウム構成部品を重ね溶接するために商業的に使用されている。２つの手法が現行使用される。
【００１５】
第１の手法は、加工物が一緒にスポット摩擦攪拌溶接されるまで、ピン工具（ピンおよびショルダから構成されるＦＳＳＷ工具）を加工物内に突入させることを含む。この方法に伴う欠点は、図２に示すようにピンの後に残される穴２６である。加工物２８の間の結合は工具のショルダの下で達成されるが、このピン穴は溶接部の強度を低下させる。
【００１６】
第２の方法は、材料をピン穴内に強制的に戻す設備の設計を含む（米国特許第６，７２２，５５６号）。この方法は、大きなスピンドルヘッド、固定要件、およびスポット溶接を行うために必要な荷重のために極めて面倒である。
【００１７】
迅速かつ経済的な方法でリベットを使用してＦＳＳＷを実施するために、部分的に消耗可能な工具を使用するシステムおよび方法を提供できることは、金属加工物接合の最新技術分野より優れた利点となるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様では、少なくとも部分的に消耗可能なピンを使用して摩擦攪拌リベット締結を実施するための摩擦攪拌工具が提供される。このピンは、その底部表面に切削縁部を含む。この工具は、ピンによって第２の材料と重なり合う第１の材料内に切り込むことを可能にするように第１の速度で回転させられ、ピンが十分な深さまで切削した後、この工具の回転速度は増加させられ、それによって消耗可能なピン、第１の材料、および第２の材料の可塑化を可能にし、次いでこの工具は停止するまで急速に減速され、ピン、第１の材料、および第２の材料の間の拡散結合が可能になる。
【００１９】
本発明のこれらのおよび他の目的、特徴、利点および代替の態様は、添付の図面と組み合わせて行われる以下の詳細な説明の考察から当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】高溶融温度材料に摩擦攪拌溶接を実施することができる既存の摩擦攪拌溶接工具の従来技術の斜視図である。
【図２】従来技術で行われたときの、摩擦攪拌スポット溶接（ＦＳＳＷ）を使用して実施された３つの溶接部の外形図である。
【図３】摩擦攪拌リベット締結を実施することができる、本発明の一実施形態の原理により構築された回転工具の斜視図である。
【図４】消耗可能なピンが完全に２つの加工物を貫通している、図３の工具の外形図である。
【図５】迅速摩擦攪拌リベット締結用の多重分割ピン用の中央孔を有する工具の外形切欠図である。
【図６】本発明の一実施形態の原理により製造された多重分割消耗ピンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の様々な要素に数字の指定が与えられ、当業者が本発明を作りかつ使用できるようにするように本発明が論じられるであろう図面に対して参照が行われる。以下の説明は本発明の原理の例示でしかなく、添付の特許請求の範囲を狭めるものとして見るべきではないことを理解されたい。
【００２２】
本発明の第１の態様では、上記で述べた接合の問題点の多くを解決するために新規な手法が使用される。分離可能かつ少なくとも部分的に消耗可能なピンと組み合わされた非消耗可能なショルダを有する回転摩擦攪拌リベット締結工具が、本発明の摩擦攪拌リベット締結接合法の基礎を形成する。このピンは、全部消耗可能であっても部分的に消耗可能であってもよい。図３は、どのようにこの工具を構成することができるかの例を示す。
【００２３】
図３は、ショルダ領域３２および分離可能かつ少なくとも部分的に消耗可能なピン３４を有する摩擦攪拌リベット締結工具３０を示す。この具体的な実施形態では、この分離可能かつ少なくとも部分的に消耗可能なピン３４は、小さな隙間３６を含む。この小さな隙間３６は、ピン３４のずっとより小さなピン直径部分４２によって形成される。ピン３４のこの小さなピン直径部分４２は、破断するようにされるであろう。この小さな隙間３６は、ピン３４の分離可能な部分３８が、リベットとして加工物内に埋め込まれて残ることを可能にする。ピン３４の非分離部分４０は、説明されるであろうように、別のピンセグメントの頂部でもあることができることにも留意する。
【００２４】
説明として図４を使用すると、本発明のこの第１の実施形態の工具を使用して鋼または別の金属を摩擦リベット締結するために、この工具３０は、工具のピン３４が第１の加工物材料５０をその中に穴５４を形成するように取り除いて機械加工することができる、ある速度で回転させられる。所望の穴を機械加工するのを容易にするために、ピン３４の端部に機構を加えることができる。例えば、切削機構４４がこの第１の実施形態に示されている。
【００２５】
この穴５４の深さ５６が第１の加工物材料５０を完全に貫通し、少なくとも部分的に第２の加工物材料５２内に延びることは好ましいが必須ではない。
【００２６】
用途に応じて、この穴５４は第１の加工物材料５０内に部分的にのみ延び、または、第１の加工物材料を完全に貫通するが第２の加工物材料５２内には延びず、または、第１の加工物材料を完全に貫通するが第２の加工物材料内に部分的にのみ延び、または、第１と第２の加工物材料の両方を実質的に貫通して延びるようにすることができることを理解されたい。最初の穴５４が作られた後、次いで工具３０は、ピン３４に摩擦攪拌リベット締結の暗黙の原理に従った所望のレベルの貫通を行わせることができる。ピン３４は、第１と第２の加工物材料５０、５２の両方を完全に貫通して延びることができ、あるいは、第１の加工物材料を完全に貫通するが第２の加工物材料内に部分的にのみ延びることができる。この場合も、これは使用者の用途によって変わる。
【００２７】
この第１の実施形態では、穴５４の深さ５６が図４に示すように第２の加工物５２内に延びた後、工具３０の回転速度は、ピン３０と、一緒に接合されつつある２つの第１と第２の加工物５０、５２との間に熱を発生させるように減速させられる。工具３０を保持しかつ回転させているスピンドル（図示せず）は、直ちに停止させるか、それとも工具を回転させるために必要なトルクがより小さなピン直径部分４２の剪断強度を超えるまで減速させることができる。より小さなピン直径部分４２は、特定のトルクでピン３４の分離可能な部分３８を工具３０から剪断して離すように設計される。
【００２８】
この第１の実施形態では、ピン３４の分離可能な部分３８が工具３０から剪断して離された後、この工具は後退させられ、新たなピン３４と交換することができる。第１と第２の加工物材料５０、５２内に後に残されたピン３４またはリベットの分離可能な部分３８は、加工物内に摩擦溶接される。第１と第２の加工物５０、５２の間の工具ショルダの下のみならず、ピン３４またはリベットの周りにも結合部が存在する。
【００２９】
図５に示すような本発明の代替実施形態では、工具６０は、中央軸を貫通して配設される穴６２を有する。この穴６２は、（ここではより小さな直径のピン部分７２によって分離される３つのセグメントを有して示される）多重分割されたピン６４が挿入され、必要に応じて穴６２を通り押されることができるようにする。この多重分割されたピン６４は、より小さな直径のピン部分７２を有する複数の隙間６６を含む。次いである種のプランジャー機構６８が、この多重分割されたピン６４を工具６０を貫通して押し、加工端部７０から外へ出すために使用される。多重分割されたピン６４の各セグメントが破断して離されるとき、プランジャー機構６８は、十分なピン６４が次の摩擦攪拌リベット締結プロセスのために露出されるまで、多重分割されたピンを穴６２を貫通して押し下げる。このような方法で、停止させかつ多重分割されたピン６４を再装填しなければならないことなく、多数のリベットを加工物内に挿入することができる。
【００３０】
多重分割されたピン６４に使用できるセグメントの数は、３つに限られると見なすべきではない。図５は説明目的のためのみである。より多くのセグメントを多重分割されたピン６４に配設することができる。分割数は、工具６０の長さおよびプランジャー機構６８の長さによっても変わる。
【００３１】
図６は、自動的かつ迅速な摩擦攪拌リベット締結プロセスに使用できる多重分割されたピン６４を図示するために提供される。多重分割されたピン６４のセグメントは、摩擦攪拌リベット締結工具６０の中央軸を貫通する穴内に配設できるように、同軸である。
【００３２】
本発明に使用できるショルダを有する工具を作り出すために使用される材料は、本発明者のうちの何人かによって作り出され、摩擦攪拌溶接の固体接合プロセス中に鋼およびステンレス鋼などの高溶融温度材料を一緒に接合するのに使用できる工具に見出すことができる。
【００３３】
この技術は、特別な摩擦攪拌溶接工具を使用することを含む。このショルダは、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）および多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）などの材料を使用して作り出すことができる。含むことができる他の材料には、タングステン、レニウム、イリジウム、チタン、モリブデン等の難溶性物質が存在する。
【００３４】
本発明の原理を使用して接合できる加工物には、青銅およびアルミニウムより高い溶融温度を有する材料が含まれる。この部類の材料には、金属マトリックス複合材料、鋼およびステンレス鋼などの鉄合金、非鉄材料、超合金、チタン、通常表面硬化に使用されるコバルト合金、および空気焼入れ鋼または高速度鋼が含まれるが、これらに限定されない。しかしながら本発明は、上記で説明したより高い溶融温度の定義内に含まれない、全ての他のより低い溶融温度材料と考えることができる材料に対しても使用することができる。
【００３５】
工具３０のショルダ３２は、ショルダの第１の加工物５０への接着を防止し、かつ優れた熱安定性および耐磨耗特性をもたらすことができる多結晶立方晶窒化ホウ素または同様に説明される材料から作ることができる。いくつかのショルダ形態をリベットヘッドの形状を形成するために、あるいはピン３４が加工物５０、５２内に摩擦溶接された後で、リベットヘッドを切り離すためにさえ使用することができる。
【００３６】
ピン３４用に使用される材料は一般に、摩擦攪拌リベット締結プロセス中に消耗することができる材料になりそうなものである。そのような材料は、第１と第２の加工物材料の間の結合を好ましく高めるであろうし、摩擦攪拌溶接の分野の当業者に知られている。
【００３７】
本発明の代替実施形態には、やはり重要な要素であると見なされるべき様々な態様が含まれる。第１に、リベットとして挿入されることになるピン３４の端部に様々な切削構造または外形を使用できる。図３に示す機構の代わりに、代替の切削構造として螺旋状の刻み目の外形を使用することができる。
【００３８】
別の代替実施形態では、アルゴンまたは二酸化炭素などの不活性ガスを、摩擦攪拌リベット締結中の酸化を防止するために工具３０の中心を通り流れるようにすることができる。
【００３９】
別の代替実施形態では、３つ以上の加工物を本発明の摩擦攪拌リベット締結プロセスを使用して接合することができる。したがって、ピン３４のセグメントの長さは、それに準じて調整されるであろう。
【００４０】
別の代替実施形態では、接合されつつある加工物は、用途に応じて同じ材料または異なる材料であり得ることに留意されたい。
【００４１】
同様に、ピンに使用される材料は、加工物と異なる材料、または、加工物のうちの少なくとも１つと同じ材料、または、全ての加工物の材料と同じ材料とすることができる。
【００４２】
ピン外形は大きく変更することができる。このピンの外形は、切削プロセスおよび摩擦攪拌リベット締結プロセスを実施するであろう、テーパの付いた形状、６角形状、または任意の所望の形状とすることができる。この形状は、所望の結合特性または使用される様々な材料の強度などの、様々な態様により変わるであろう。
【００４３】
別の実施形態では、このピンは中空でもあり得る。このピンは、棒またはワイヤの形態であり、工具の中心を貫通して自動的に供給することができる。ピンのために正方形の形状が使用されるとき、これによって工具からのトルクをピンまたはリベットに伝達できるようになる。しかしながら、トルク伝達する他の外形も使用できる。ピン材料の外径上のクランプ力またはクランプ機構が、回転力が加えられるときにピンが工具内で滑るのを防ぐのに十分である限り、ピンのために丸い形状でさえ使用することができる。
【００４４】
このピンまたはリベットは、加工物貫通を容易にするために、様々な硬度または硬度分布を有することができる。
【００４５】
この工具は、特定の位置または荷重値に対して１から１０，０００ＲＰＭの範囲のＲＰＭで作動させることができる。
【００４６】
この工具は、融解スポット溶接と同じ構造で作動させることができる。例えば、Ｃ字形クランプ構造において溶接チップと一緒にクランプを利用するのではなく、直径が小さい回転工具（図３）をロボットの端部のＣ字形クランプ内に配置することができる。このＣ字形クランプ構造も手動で使用することができる。
【００４７】
このピンは、機械的取付具をその位置で使用できるように、「ヘッド」に留め具を有することができる。例えば、摩擦リベットの端部は、加工物が接合された後で加工物の上方に突出するように残されるねじ切りされたスタブを有することができる。次いでナットを、加工物に別の構成部品を取り付けるために使用できる。
【００４８】
この摩擦攪拌リベット締結プロセスの利点のうちのいくつかは、それらに限定されると見なすべきでないが、迅速で、エネルギ入力プロセス要件が低く、固体状態プロセスなので残留応力が低く、従来型のリベット締結のように事前にあけられた穴が全く必要なく、加工物の歪が低減されまたはなくされ、ＦＳＳＷでのように加工物内に穴が全く残されておらず、プロセスを密閉された領域で使用でき、ｚ軸の力が抵抗スポット溶接に必要な現行の力と同程度であり、ショルダ／ピン比率を接合部強度を最適化するために特定の熱分布を発生させるようなサイズにすることができ、耐食性ピン材料を使用でき、このプロセスがある高められた温度で完了するのでピンまたはリベットの形成が降伏せずより大きなエネルギ吸収特性を有し、このピンまたはリベット材料がより強い強度のために加工物材料に勝ることができ、かつ、加工物内のさらなる割れ伝播を防止するためにリベットまたはピンが割れの先端のところに使用できる、固体状態接合プロセスが含まれる。
【００４９】
このピンは、接合される材料より硬い材料を使用して作られるのが一般的である。しかしながら、このピンは、より軟らかいが十分な力でおよび十分に迅速に押されることができ、それはより硬い加工物材料を接合するために使用することができる。
【００５０】
本発明の別の態様は、ピンによって加工物の穴から切断され、形成される材料を取り除くというオプションがある。材料を取り除く１つの方法は、ペッキング・モーション（ｐｅｃｋｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ）を使用することである。工具のペッキング・モーションは、この材料を取り除くために流体流と組み合わせることもできる。この流体は、圧縮性または非圧縮性であり、ガス、空気、ミスト、および水を含むことができる。
【００５１】
前に述べたように、本発明は異なる材料を一緒に接合するために使用することができ、３つの物体（２つの加工物と１つのピン）という構成に限定されない。材料の多数の層を同時に接合することができる。結合される材料の溶融温度より低い温度勾配に材料が曝される限り、任意の数の材料を結合することができる。
【００５２】
工具の表面移動速度の範囲は、毎分０．１ｍｍから毎分１０メートルであると見なされるべきである。工具の回転速度は、１ｒｐｍから１００，０００ｒｐｍまで変更することができる。
【００５３】
被覆を工具に、または、接合される加工物に、または、工具および加工物の両方に、使用することができる。
【００５４】
本発明の工具は、ＣＢＮショルダ、または結合される材料より高いまたは低い弾性率を有する異なる材料を有する工具などの、複合工具とすることができる。
【００５５】
結合される材料の硬度は、ロックウエル・スケールＡ、ＢおよびＣ上の全ての材料を含むと見なすべきである。
【００５６】
本発明のピンの切断縁部は、任意の適切な切断形状を有することができる。したがって、結合部を生じさせる目的で切断、切断と加熱、および加熱を可能にする任意の機構をピン上に含むことができる。このピンはねじを設けることもできる。したがって、このピンは切断形状を有さなければならないことはない。一つの代替実施形態は、他の加工物材料内に、またはそれを貫通して穴または開口部を作り出すことを可能にするために、ピンの加熱を使用する。
【００５７】
本発明は、作り出される穴の軸方向にかつ側面を含む、複数の平面上の拡散結合を可能にする。
【００５８】
上記で説明した構成は、本発明の原理の応用の例示でしかないことを理解されたい。多数の改変および代替構成は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者によって考え出されることができる。添付の特許請求の範囲は、そのような改変および構成を包含することを意図している。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、摩擦攪拌接合方法に関する。より詳しくは、本発明は、少なくとも部分的に消耗可能なピンを有する消耗可能な摩擦攪拌工具を使用して金属加工物を互いに接合する方法であり、このピンは、第１の速度で回転させられるとき、第１の加工物材料を貫通して切削する切削縁部を有する。少なくとも第１の加工物材料を十分な深さまで切削した後、工具の回転速度は、接合される第１と第２の加工物材料のみならず、ピン自体の可塑化を生じさせるように変更される。第１と第２の加工物材料およびピンの十分な加熱の後、ピンと第１と第２の加工物材料の結合が可能になるように、工具の回転は急速に減速されまたは完全に停止される。このプロセスは、この文献の最初から最後まで摩擦攪拌リベット締結（ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｒｉｖｅｔｉｎｇ）と呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００６年６月１３日に出願の米国特許出願第６０／８０４，６２８号、および２００６年６月２３日に出願の米国特許出願第６０／８１６，３９６号の優先権を主張し、それらの主題の全てを参照により本明細書に組み込む。
【０００３】
金属加工物を一緒に接合するための多くの方法が存在する。それらのいくつかには溶接、スポット溶接、（ねじとボルトなどの）留め具、摩擦攪拌溶接等が含まれる。全ての接合方法を支配する３つの基本的な原理には、機械的取付け、融解接合（溶接）、および固体（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ）接合（摩擦溶接）が含まれる。各々の原理的な技術は、利点を有する。しかしながら、ある用途のためにしばしば選択される方法は、許容可能な欠点が最も少ない方法によって決定される。機械的な加工物接合方法の例には、ねじ、ナットとボルト、蟻接ぎ、スェージング、リベット締結、締付けによる取付け（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）等が含まれる。多くの用途は、ねじが限られた荷重担持能力しか有さないこと、複数の構成部品および組み立て品の高コスト、加工物内に配置しなければならない穴のコストおよび／または留め具のために要するスペースのために、ねじまたはボルトを使用できない。蟻接ぎおよび他の加工物固定方法は、特定の方向に固定するが、他の方向に離れて摺動または回転することができる。リベットは、おそらく任意の機械的留め具のうちで単位面積および容積当たり最大の接合強度を有するが、リベットヘッドの機械的な変形は、伸びのみならずエネルギ吸収能力も減少させる。
【０００４】
機械的方法が受け入れ可能な接合技術でないとき、加工物が溶接可能でないと見なされない限り融解溶接方法が利用される。例えば、７０００シリーズアルミニウムから作られる航空機構成部品は、結果として得られる溶接部の強度がベースになっている金属の特性の５０％と同じくらい低くなるので、溶接可能とは見なされない。鋼、ステンレス鋼およびニッケルベースの合金などの高溶融温度材料（ＨＭＴＭ）は溶接することができるが、接合部の強度は融解溶接に関連する問題点のために限定される。これらの問題点には、限定的ではないが、凝固欠陥、溶接部マクロ構造体内の硬い／軟らかいゾーン、液体から固体への相変態から結果として生じる残留応力、空隙率、割れ、非均一なかつ予想できないミクロ構造、腐食敏感性、加工物変形、および加工物ベース材料特性の喪失が含まれる。変形を修復するためまたは溶接部非破壊性を評価するために溶接後工程がしばしば必要になり、このプロセスにコストを加える。その上、適切な安全処置が付随しない場合、作業者に対する潜在的に可能性がある網膜損傷のみならず、６価クロムおよびマンガン暴露に関連する健康上の問題が存在する。多くの場合、溶接可能と見なされないより高い強度の材料の優位性のため、溶接可能と見なされるより低い強度の基部材料を使用するためには加工物のサイズを増加させなければならない。より低い強度の鋼から現行製造される自動車車体がこのケースにあたる。進歩した高強度鋼（２相（Ｄｕａｌ Ｐｈａｓｅ）鋼およびＴＲＩＰ鋼）を車両重量を劇的に低下させるためにフレーム構造に使用することができるが、融解溶接性問題のため、これらの材料は使用されてこなかった。
【０００５】
摩擦攪拌溶接（ＦＳＷ）は、融解溶接方法より優れた多くの利点を有する固体溶接プロセスである。図１は、ショルダ１２およびショルダから外向きに延びるピン１４を有する全体的に円筒状の工具１０によって特徴付けられる摩擦攪拌溶接用に使用される工具の斜視図である。ピン１４は、十分な熱が発生するまで加工物１６に押し付けられて回転させられ、その点で工具のピンは、可塑化された加工物材料内に突入させられる。加工物１６はしばしば、接合線１８のところで一緒に付き合わされる材料の２枚のシートまたはプレートである。ピン１４は、接合線１８のところで加工物１６内に突入させられる。この工具は従来技術で開示されてきているが、この工具は新規な目的のために使用できることが明らかにされるであろう。用語「加工物（ｗｏｒｋ ｐｉｅｃｅ）」および「ベース材料（ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、この文献の最初から終わりまで同義的に使用されるであろうことにも留意する。
【０００６】
加工物材料１６に押し付けられたピン１４の回転動作により生じる摩擦熱は、加工物材料を溶融温度に達することなく軟らかくさせる。工具１０は接合線１８に沿って横方向に移動させられ、それによって、可塑化された材料がピンの周りで前縁から後縁に流れるとき溶接部を作り出す。この結果は、他の溶接部と比較して、加工物材料１６それ自体と全体的に見分けがつかない可能性のある、接合線１８のところの固相結合部２０になる。
【０００７】
ショルダ１２が加工物の表面と接触するとき、その回転が、挿入されるピン１４の周りに材料のより大きな円筒状の柱を可塑化させる追加の摩擦熱を作り出すことが観察される。このショルダ１２は、工具ピン１４によって生じる上向きの金属流を阻止する前進力をもたらす。
【０００８】
ＦＳＷ中、溶接される予定の領域および工具は、工具が溶接接合部の所望の長さ横断するように、互いに対して移動させられる。回転するＦＳＷ工具は連続的な熱間加工作用をもたらし、ベース金属に沿って横断方向に移動するときに狭いゾーン内で金属を可塑化させ、同時に金属をピンの前面からその後縁に移送する。工具が通過するときに液体が全く作り出されないので、溶接部ゾーンが冷却するとき、凝固は通常存在しない。結果として得られる溶接部が、欠陥なしで、再結晶した、溶接部の領域に形成される細粒ミクロ構造であることは、常にではないが、よくあることである。
【０００９】
移動速度は、通常１０から５００ｍｍ／分であり、回転速度は２００から２０００ｒｐｍである。到達する温度は通常固相線温度に近いが、それより低い。摩擦攪拌溶接パラメータは、材料の熱特性、高温流れ応力および貫通深さの関数である。
【００１０】
米国特許第６，６４８，２０６号および第６，７７９，７０４号などの発明者らの何人かによる以前の特許は、以前に機能的に溶接できないと思われていた材料について摩擦攪拌溶接を実施することができる利点を教示してきた。これらの材料のいくつかは、融解溶接不可能、または溶接するのが全く困難である。これらの材料には、例えば、金属マトリックス複合材料、鋼およびステンレス鋼などの鉄合金、および非鉄材料が含まれる。やはり摩擦攪拌溶接の利点を取ることができた材料の別の部類は超合金である。超合金は、より高い溶融温度の青銅またはアルミニウムを有する材料とすることができ、混合された他の元素も同様に有することができる。超合金のいくつかの例は、一般に約５３４℃（１０００°Ｆ）より上の温度で使用されるニッケル、鉄−ニッケル、およびコバルトベースの合金である。超合金に一般に存在する追加の元素には、限定されるものではないが、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、タンタル、およびレニウムが含まれる。
【００１１】
語句「摩擦攪拌処理」は、固体状態処理と同義的に呼ばれることができることにも留意する。固体状態処理は、本明細書では通常液相を含まない可塑化状態への一時的な変態として定義される。しかしながら、いくつかの実施形態では１つまたは複数の元素が液相を通過でき、かつ依然として本発明の利益を得ることができることに留意する。
【００１２】
摩擦攪拌処理では、工具ピンが回転させられ、処理する予定の材料内に突入されられる。この工具は材料の処理領域を横切って横断方向に移動させられる。それは、当初の材料と異なる特性を有するように改変される材料に結果としてなる可能性のある、固体処理で材料に可塑化を行わせる作用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＦＳＷに伴う主な欠点は、溶接の終わりに加工物内に残される残留孔である。多くの場合、エンドタブ（run off tab）を溶接部の端部のところに使用し、後で取り除くことができるので、これは問題点にならない。溶接が進行するとき端部孔をなくすために後退可能なピンを使用することができるが、この工具および設備は大規模でありコストが高い。ＦＳＷ中、工具を溶接部から徐々に引き抜くことを可能にする工具形状も使用することができるが、既存の溶接に対して追加される熱サイクルと組み合わされた追加の処理時間はコストを増加させ、かつベース金属特性を低下させる。
【００１４】
摩擦攪拌スポット溶接（ＦＳＳＷ）が現在、高度な高強度鋼を重ね溶接形態で接合するために実験的に使用されている。ＦＳＳＷは、米国特許出願第２００５０１７８８１７号に記載されるように、アルミニウム構成部品を重ね溶接するために商業的に使用されている。２つの手法が現行使用される。
【００１５】
第１の手法は、加工物が一緒にスポット摩擦攪拌溶接されるまで、ピン工具（ピンおよびショルダから構成されるＦＳＳＷ工具）を加工物内に突入させることを含む。この方法に伴う欠点は、図２に示すようにピンの後に残される穴２６である。加工物２８の間の結合は工具のショルダの下で達成されるが、このピン穴は溶接部の強度を低下させる。
【００１６】
第２の方法は、材料をピン穴内に強制的に戻す設備の設計を含む（米国特許第６，７２２，５５６号）。この方法は、大きなスピンドルヘッド、固定要件、およびスポット溶接を行うために必要な荷重のために極めて面倒である。
【００１７】
迅速かつ経済的な方法でリベットを使用してＦＳＳＷを実施するために、部分的に消耗可能な工具を使用するシステムおよび方法を提供できることは、金属加工物接合の最新技術分野より優れた利点となるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様では、少なくとも部分的に消耗可能なピンを使用して摩擦攪拌リベット締結を実施するための摩擦攪拌工具が提供される。このピンは、その底部表面に切削縁部を含む。この工具は、ピンによって第２の材料と重なり合う第１の材料内に切り込むことを可能にするように第１の速度で回転させられ、ピンが十分な深さまで切削した後、この工具の回転速度は増加させられ、それによって消耗可能なピン、第１の材料、および第２の材料の可塑化を可能にし、次いでこの工具は停止するまで急速に減速され、ピン、第１の材料、および第２の材料の間の拡散結合が可能になる。
【００１９】
本発明のこれらのおよび他の目的、特徴、利点および代替の態様は、添付の図面と組み合わせて行われる以下の詳細な説明の考察から当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】高溶融温度材料に摩擦攪拌溶接を実施することができる既存の摩擦攪拌溶接工具の従来技術の斜視図である。
【図２】従来技術で行われたときの、摩擦攪拌スポット溶接（ＦＳＳＷ）を使用して実施された３つの溶接部の外形図である。
【図３】摩擦攪拌リベット締結を実施することができる、本発明の一実施形態の原理により構築された回転工具の斜視図である。
【図４】消耗可能なピンが完全に２つの加工物を貫通している、図３の工具の外形図である。
【図５】迅速摩擦攪拌リベット締結用の多重分割ピン用の中央孔を有する工具の外形切欠図である。
【図６】本発明の一実施形態の原理により製造された多重分割消耗ピンの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の様々な要素に数字の指定が与えられ、当業者が本発明を作りかつ使用できるようにするように本発明が論じられるであろう図面に対して参照が行われる。以下の説明は本発明の原理の例示でしかなく、添付の特許請求の範囲を狭めるものとして見るべきではないことを理解されたい。
【００２２】
本発明の第１の態様では、上記で述べた接合の問題点の多くを解決するために新規な手法が使用される。分離可能かつ少なくとも部分的に消耗可能なピンと組み合わされた非消耗可能なショルダを有する回転摩擦攪拌リベット締結工具が、本発明の摩擦攪拌リベット締結接合法の基礎を形成する。このピンは、全部消耗可能であっても部分的に消耗可能であってもよい。図３は、どのようにこの工具を構成することができるかの例を示す。
【００２３】
図３は、ショルダ領域３２および分離可能かつ少なくとも部分的に消耗可能なピン３４を有する摩擦攪拌リベット締結工具３０を示す。この具体的な実施形態では、この分離可能かつ少なくとも部分的に消耗可能なピン３４は、小さな隙間３６を含む。この小さな隙間３６は、ピン３４のずっとより小さなピン直径部分４２によって形成される。ピン３４のこの小さなピン直径部分４２は、破断するようにされるであろう。この小さな隙間３６は、ピン３４の分離可能な部分３８が、リベットとして加工物内に埋め込まれて残ることを可能にする。ピン３４の非分離部分４０は、説明されるであろうように、別のピンセグメントの頂部でもあることができることにも留意する。
【００２４】
説明として図４を使用すると、本発明のこの第１の実施形態の工具を使用して鋼または別の金属を摩擦リベット締結するために、この工具３０は、工具のピン３４が第１の加工物材料５０をその中に穴５４を形成するように取り除いて機械加工することができる、ある速度で回転させられる。所望の穴を機械加工するのを容易にするために、ピン３４の端部に機構を加えることができる。例えば、切削機構４４がこの第１の実施形態に示されている。
【００２５】
この穴５４の深さ５６が第１の加工物材料５０を完全に貫通し、少なくとも部分的に第２の加工物材料５２内に延びることは好ましいが必須ではない。
【００２６】
用途に応じて、この穴５４は第１の加工物材料５０内に部分的にのみ延び、または、第１の加工物材料を完全に貫通するが第２の加工物材料５２内には延びず、または、第１の加工物材料を完全に貫通するが第２の加工物材料内に部分的にのみ延び、または、第１と第２の加工物材料の両方を実質的に貫通して延びるようにすることができることを理解されたい。最初の穴５４が作られた後、次いで工具３０は、ピン３４に摩擦攪拌リベット締結の暗黙の原理に従った所望のレベルの貫通を行わせることができる。ピン３４は、第１と第２の加工物材料５０、５２の両方を完全に貫通して延びることができ、あるいは、第１の加工物材料を完全に貫通するが第２の加工物材料内に部分的にのみ延びることができる。この場合も、これは使用者の用途によって変わる。
【００２７】
この第１の実施形態では、穴５４の深さ５６が図４に示すように第２の加工物５２内に延びた後、工具３０の回転速度は、ピン３０と、一緒に接合されつつある２つの第１と第２の加工物５０、５２との間に熱を発生させるように減速させられる。工具３０を保持しかつ回転させているスピンドル（図示せず）は、直ちに停止させるか、それとも工具を回転させるために必要なトルクがより小さなピン直径部分４２の剪断強度を超えるまで減速させることができる。より小さなピン直径部分４２は、特定のトルクでピン３４の分離可能な部分３８を工具３０から剪断して離すように設計される。
【００２８】
この第１の実施形態では、ピン３４の分離可能な部分３８が工具３０から剪断して離された後、この工具は後退させられ、新たなピン３４と交換することができる。第１と第２の加工物材料５０、５２内に後に残されたピン３４またはリベットの分離可能な部分３８は、加工物内に摩擦溶接される。第１と第２の加工物５０、５２の間の工具ショルダの下のみならず、ピン３４またはリベットの周りにも結合部が存在する。
【００２９】
図５に示すような本発明の代替実施形態では、工具６０は、中央軸を貫通して配設される穴６２を有する。この穴６２は、（ここではより小さな直径のピン部分７２によって分離される３つのセグメントを有して示される）多重分割されたピン６４が挿入され、必要に応じて穴６２を通り押されることができるようにする。この多重分割されたピン６４は、より小さな直径のピン部分７２を有する複数の隙間６６を含む。次いである種のプランジャー機構６８が、この多重分割されたピン６４を工具６０を貫通して押し、加工端部７０から外へ出すために使用される。多重分割されたピン６４の各セグメントが破断して離されるとき、プランジャー機構６８は、十分なピン６４が次の摩擦攪拌リベット締結プロセスのために露出されるまで、多重分割されたピンを穴６２を貫通して押し下げる。このような方法で、停止させかつ多重分割されたピン６４を再装填しなければならないことなく、多数のリベットを加工物内に挿入することができる。
【００３０】
多重分割されたピン６４に使用できるセグメントの数は、３つに限られると見なすべきではない。図５は説明目的のためのみである。より多くのセグメントを多重分割されたピン６４に配設することができる。分割数は、工具６０の長さおよびプランジャー機構６８の長さによっても変わる。
【００３１】
図６は、自動的かつ迅速な摩擦攪拌リベット締結プロセスに使用できる多重分割されたピン６４を図示するために提供される。多重分割されたピン６４のセグメントは、摩擦攪拌リベット締結工具６０の中央軸を貫通する穴内に配設できるように、同軸である。
【００３２】
本発明に使用できるショルダを有する工具を作り出すために使用される材料は、本発明者のうちの何人かによって作り出され、摩擦攪拌溶接の固体接合プロセス中に鋼およびステンレス鋼などの高溶融温度材料を一緒に接合するのに使用できる工具に見出すことができる。
【００３３】
この技術は、特別な摩擦攪拌溶接工具を使用することを含む。このショルダは、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）および多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）などの材料を使用して作り出すことができる。含むことができる他の材料には、タングステン、レニウム、イリジウム、チタン、モリブデン等の難溶性物質が存在する。
【００３４】
本発明の原理を使用して接合できる加工物には、青銅およびアルミニウムより高い溶融温度を有する材料が含まれる。この部類の材料には、金属マトリックス複合材料、鋼およびステンレス鋼などの鉄合金、非鉄材料、超合金、チタン、通常表面硬化に使用されるコバルト合金、および空気焼入れ鋼または高速度鋼が含まれるが、これらに限定されない。しかしながら本発明は、上記で説明したより高い溶融温度の定義内に含まれない、全ての他のより低い溶融温度材料と考えることができる材料に対しても使用することができる。
【００３５】
工具３０のショルダ３２は、ショルダの第１の加工物５０への接着を防止し、かつ優れた熱安定性および耐磨耗特性をもたらすことができる多結晶立方晶窒化ホウ素または同様に説明される材料から作ることができる。いくつかのショルダ形態をリベットヘッドの形状を形成するために、あるいはピン３４が加工物５０、５２内に摩擦溶接された後で、リベットヘッドを切り離すためにさえ使用することができる。
【００３６】
ピン３４用に使用される材料は一般に、摩擦攪拌リベット締結プロセス中に消耗することができる材料になりそうなものである。そのような材料は、第１と第２の加工物材料の間の結合を好ましく高めるであろうし、摩擦攪拌溶接の分野の当業者に知られている。
【００３７】
本発明の代替実施形態には、やはり重要な要素であると見なされるべき様々な態様が含まれる。第１に、リベットとして挿入されることになるピン３４の端部に様々な切削構造または外形を使用できる。図３に示す機構の代わりに、代替の切削構造として螺旋状の刻み目の外形を使用することができる。
【００３８】
別の代替実施形態では、アルゴンまたは二酸化炭素などの不活性ガスを、摩擦攪拌リベット締結中の酸化を防止するために工具３０の中心を通り流れるようにすることができる。
【００３９】
別の代替実施形態では、３つ以上の加工物を本発明の摩擦攪拌リベット締結プロセスを使用して接合することができる。したがって、ピン３４のセグメントの長さは、それに準じて調整されるであろう。
【００４０】
別の代替実施形態では、接合されつつある加工物は、用途に応じて同じ材料または異なる材料であり得ることに留意されたい。
【００４１】
同様に、ピンに使用される材料は、加工物と異なる材料、または、加工物のうちの少なくとも１つと同じ材料、または、全ての加工物の材料と同じ材料とすることができる。
【００４２】
ピン外形は大きく変更することができる。このピンの外形は、切削プロセスおよび摩擦攪拌リベット締結プロセスを実施するであろう、テーパの付いた形状、６角形状、または任意の所望の形状とすることができる。この形状は、所望の結合特性または使用される様々な材料の強度などの、様々な態様により変わるであろう。
【００４３】
別の実施形態では、このピンは中空でもあり得る。このピンは、棒またはワイヤの形態であり、工具の中心を貫通して自動的に供給することができる。ピンのために正方形の形状が使用されるとき、これによって工具からのトルクをピンまたはリベットに伝達できるようになる。しかしながら、トルク伝達する他の外形も使用できる。ピン材料の外径上のクランプ力またはクランプ機構が、回転力が加えられるときにピンが工具内で滑るのを防ぐのに十分である限り、ピンのために丸い形状でさえ使用することができる。
【００４４】
このピンまたはリベットは、加工物貫通を容易にするために、様々な硬度または硬度分布を有することができる。
【００４５】
この工具は、特定の位置または荷重値に対して１から１０，０００ＲＰＭの範囲のＲＰＭで作動させることができる。
【００４６】
この工具は、融解スポット溶接と同じ構造で作動させることができる。例えば、Ｃ字形クランプ構造において溶接チップと一緒にクランプを利用するのではなく、直径が小さい回転工具（図３）をロボットの端部のＣ字形クランプ内に配置することができる。このＣ字形クランプ構造も手動で使用することができる。
【００４７】
このピンは、機械的取付具をその位置で使用できるように、「ヘッド」に留め具を有することができる。例えば、摩擦リベットの端部は、加工物が接合された後で加工物の上方に突出するように残されるねじ切りされたスタブを有することができる。次いでナットを、加工物に別の構成部品を取り付けるために使用できる。
【００４８】
この摩擦攪拌リベット締結プロセスの利点のうちのいくつかは、それらに限定されると見なすべきでないが、迅速で、エネルギ入力プロセス要件が低く、固体状態プロセスなので残留応力が低く、従来型のリベット締結のように事前にあけられた穴が全く必要なく、加工物の歪が低減されまたはなくされ、ＦＳＳＷでのように加工物内に穴が全く残されておらず、プロセスを密閉された領域で使用でき、ｚ軸の力が抵抗スポット溶接に必要な現行の力と同程度であり、ショルダ／ピン比率を接合部強度を最適化するために特定の熱分布を発生させるようなサイズにすることができ、耐食性ピン材料を使用でき、このプロセスがある高められた温度で完了するのでピンまたはリベットの形成が降伏せずより大きなエネルギ吸収特性を有し、このピンまたはリベット材料がより強い強度のために加工物材料に勝ることができ、かつ、加工物内のさらなる割れ伝播を防止するためにリベットまたはピンが割れの先端のところに使用できる、固体状態接合プロセスが含まれる。
【００４９】
このピンは、接合される材料より硬い材料を使用して作られるのが一般的である。しかしながら、このピンは、より軟らかいが十分な力でおよび十分に迅速に押されることができ、それはより硬い加工物材料を接合するために使用することができる。
【００５０】
本発明の別の態様は、ピンによって加工物の穴から切断され、形成される材料を取り除くというオプションがある。材料を取り除く１つの方法は、ペッキング・モーション（ｐｅｃｋｉｎｇ ｍｏｔｉｏｎ）を使用することである。工具のペッキング・モーションは、この材料を取り除くために流体流と組み合わせることもできる。この流体は、圧縮性または非圧縮性であり、ガス、空気、ミスト、および水を含むことができる。
【００５１】
前に述べたように、本発明は異なる材料を一緒に接合するために使用することができ、３つの物体（２つの加工物と１つのピン）という構成に限定されない。材料の多数の層を同時に接合することができる。結合される材料の溶融温度より低い温度勾配に材料が曝される限り、任意の数の材料を結合することができる。
【００５２】
工具の表面移動速度の範囲は、毎分０．１ｍｍから毎分１０メートルであると見なされるべきである。工具の回転速度は、１ｒｐｍから１００，０００ｒｐｍまで変更することができる。
【００５３】
被覆を工具に、または、接合される加工物に、または、工具および加工物の両方に、使用することができる。
【００５４】
本発明の工具は、ＣＢＮショルダ、または結合される材料より高いまたは低い弾性率を有する異なる材料を有する工具などの、複合工具とすることができる。
【００５５】
結合される材料の硬度は、ロックウエル・スケールＡ、ＢおよびＣ上の全ての材料を含むと見なすべきである。
【００５６】
本発明のピンの切断縁部は、任意の適切な切断形状を有することができる。したがって、結合部を生じさせる目的で切断、切断と加熱、および加熱を可能にする任意の機構をピン上に含むことができる。このピンはねじを設けることもできる。したがって、このピンは切断形状を有さなければならないことはない。一つの代替実施形態は、他の加工物材料内に、またはそれを貫通して穴または開口部を作り出すことを可能にするために、ピンの加熱を使用する。
【００５７】
本発明は、作り出される穴の軸方向にかつ側面を含む、複数の平面上の拡散結合を可能にする。
【００５８】
上記で説明した構成は、本発明の原理の応用の例示でしかないことを理解されたい。多数の改変および代替構成は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者によって考え出されることができる。添付の特許請求の範囲は、そのような改変および構成を包含することを意図している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）少なくとも２つの加工物を重ね合わせるステップと、
（２）少なくとも部分的に消耗可能なピンを有する摩擦攪拌リベット締結工具を準備するステップであって、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンがその作業端部に、前記少なくとも２つの加工物の少なくとも第１の加工物内に切り込むのに適した切断機構を含むステップと、
（３）前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの前記切断機構が前記少なくとも第１の加工物内に所望の深さまで切り込むことを可能にするように前記工具を回転させるステップと、
（４）前記摩擦攪拌リベット締結工具をある異なる速度で回転させ、それによって前記少なくとも部分的に消耗可能なピンおよび前記少なくとも２つの加工物の可塑化を可能にするステップと、
（５）前記摩擦攪拌リベット締結工具をある異なる速度で回転させ、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンと前記少なくとも２つの加工物の拡散結合を可能にするステップとを含む、摩擦攪拌リベット締結工具内に配設される少なくとも部分的に消耗可能なピンを使用して少なくとも２つの加工物を一緒に拡散結合する方法。
【請求項２】
少なくとも前記第１の加工物内に切り込む前記ステップが、前記第２の加工物材料内に切り込むステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも２つの加工物を重ね合わせる前記ステップが、複数の加工物を重ね合わせるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも部分的に消耗可能なピンが折ることができるより小さな直径を有する部分を有し、それによって前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの一部分を前記少なくとも２つの加工物内に残すように、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを構築するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（１）前記摩擦攪拌リベット締結工具の中央軸に沿って穴を形成するステップと、
（２）前記穴内に前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを配設するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの形状が、前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの回転を防止するように、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを形成するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの回転を防止するためのクランプ機構を設けるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを、より小さな直径のピン区画によって一緒に連結される複数の同軸のセグメントとして設けるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
プランジャー機構を設けるステップをさらに含み、前記プランジャー機構が、前記複数の同軸のセグメントの各々のセグメントが前記少なくとも２つの加工物内に摩擦攪拌リベット締結された後で、前記複数の同軸のセグメントを前記穴を貫通して前進させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記摩擦攪拌リベット締結工具を前記少なくとも１つの加工物の切削を実施させるために第１の速度で回転させるステップと、摩擦攪拌リベット締結を実施するために前記摩擦攪拌リベット締結工具をより高速で回転させるステップと、前記摩擦攪拌リベット締結工具を低速で回転させまたは停止させ、それによって拡散結合を可能にするステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
（１）その加工端部に切断機構を含む消耗可能なピンを有する摩擦攪拌リベット締結工具を準備するステップと、
（２）複数の加工物を貫通する穴を形成するように、前記消耗可能なピンを前記複数の加工物に押し付けて回転させるステップと、
（３）前記消耗可能なピンを異なる速度で回転させ、それによって前記消耗可能なピンおよび前記複数の加工物の可塑化を可能にするステップと、
（４）前記消耗可能なピンと前記複数の加工物の拡散結合を可能にするように、前記消耗可能なピンの回転を停止させるステップとを含む、消耗可能なピンを使用して複数の加工物を一緒に摩擦攪拌リベット締結する方法。
【請求項１２】
非消耗可能なショルダを有する軸部と、
前記非消耗可能なショルダの中央軸に沿った穴内に配設される消耗可能なピンであって、前記消耗可能なピンの一部分の破断を可能にするより小さな直径のピンの部分を含む消耗可能なピンとを備え、
前記消耗可能なピンが、前記軸部が回転させられるときの前記非消耗可能なショルダ内の前記穴内での回転が防止され、かつ
前記消耗可能なピンが、その加工端部に切断機構を含む、摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１３】
前記消耗可能なピンがリベット締結する加工物材料と拡散結合するのに適した材料からなる前記消耗可能なピンをさらに備える、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１４】
前記非消耗可能なショルダまで前記軸部を完全に貫通して配設される穴と、
前記非消耗可能なショルダに対向する前記軸部の端部に配設されるプランジャー機構とを備え、前記プランジャー機構が前記摩擦攪拌リベット締結工具の加工端部に向かって前記消耗可能なピンを前進させる、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１５】
それによって前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記消耗可能なピンの回転を防止するように非円形横断面を有して形成される前記消耗可能なピンをさらに備える、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１６】
それによって前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記消耗可能なピンの回転を防止するように前記摩擦攪拌リベット締結工具上にクランプ機構をさらに備える、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１７】
前記消耗可能なピンが複数の消耗可能なセグメントからさらに構成され、前記複数の消耗可能なセグメントが、破断させることができ、それによって前記複数の消耗可能なセグメントのうちの１つのセグメントを加工物内に残すことができる、より小さな直径のピン部分によって分離される、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１】
（１）少なくとも２つの加工物を重ね合わせるステップと、
（２）少なくとも部分的に消耗可能なピンを有する摩擦攪拌リベット締結工具を準備するステップであって、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンがその作業端部に、前記少なくとも２つの加工物の少なくとも第１の加工物内に切り込むのに適した切断機構を含むステップと、
（３）前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの前記切断機構が前記少なくとも第１の加工物内に所望の深さまで切り込むことを可能にするように前記工具を回転させるステップと、
（４）前記摩擦攪拌リベット締結工具をある異なる速度で回転させ、それによって前記少なくとも部分的に消耗可能なピンおよび前記少なくとも２つの加工物の可塑化を可能にするステップと、
（５）前記摩擦攪拌リベット締結工具をある異なる速度で回転させ、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンと前記少なくとも２つの加工物の拡散結合を可能にするステップとを含む、摩擦攪拌リベット締結工具内に配設される少なくとも部分的に消耗可能なピンを使用して少なくとも２つの加工物を一緒に拡散結合する方法。
【請求項２】
少なくとも前記第１の加工物内に切り込む前記ステップが、前記第２の加工物材料内に切り込むステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも２つの加工物を重ね合わせる前記ステップが、複数の加工物を重ね合わせるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも部分的に消耗可能なピンが折ることができるより小さな直径を有する部分を有し、それによって前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの一部分を前記少なくとも２つの加工物内に残すように、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを構築するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（１）前記摩擦攪拌リベット締結工具の中央軸に沿って穴を形成するステップと、
（２）前記穴内に前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを配設するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの形状が、前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの回転を防止するように、前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを形成するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記少なくとも部分的に消耗可能なピンの回転を防止するためのクランプ機構を設けるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも部分的に消耗可能なピンを、より小さな直径のピン区画によって一緒に連結される複数の同軸のセグメントとして設けるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
プランジャー機構を設けるステップをさらに含み、前記プランジャー機構が、前記複数の同軸のセグメントの各々のセグメントが前記少なくとも２つの加工物内に摩擦攪拌リベット締結された後で、前記複数の同軸のセグメントを前記穴を貫通して前進させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記摩擦攪拌リベット締結工具を前記少なくとも１つの加工物の切削を実施させるために第１の速度で回転させるステップと、摩擦攪拌リベット締結を実施するために前記摩擦攪拌リベット締結工具をより高速で回転させるステップと、前記摩擦攪拌リベット締結工具を低速で回転させまたは停止させ、それによって拡散結合を可能にするステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
（１）その加工端部に切断機構を含む消耗可能なピンを有する摩擦攪拌リベット締結工具を準備するステップと、
（２）複数の加工物を貫通する穴を形成するように、前記消耗可能なピンを前記複数の加工物に押し付けて回転させるステップと、
（３）前記消耗可能なピンを異なる速度で回転させ、それによって前記消耗可能なピンおよび前記複数の加工物の可塑化を可能にするステップと、
（４）前記消耗可能なピンと前記複数の加工物の拡散結合を可能にするように、前記消耗可能なピンの回転を停止させるステップとを含む、消耗可能なピンを使用して複数の加工物を一緒に摩擦攪拌リベット締結する方法。
【請求項１２】
非消耗可能なショルダを有する軸部と、
前記非消耗可能なショルダの中央軸に沿った穴内に配設される消耗可能なピンであって、前記消耗可能なピンの一部分の破断を可能にするより小さな直径のピンの部分を含む消耗可能なピンとを備え、
前記消耗可能なピンが、前記軸部が回転させられるときの前記非消耗可能なショルダ内の前記穴内での回転が防止され、かつ
前記消耗可能なピンが、その加工端部に切断機構を含む、摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１３】
前記消耗可能なピンがリベット締結する加工物材料と拡散結合するのに適した材料からなる前記消耗可能なピンをさらに備える、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１４】
前記非消耗可能なショルダまで前記軸部を完全に貫通して配設される穴と、
前記非消耗可能なショルダに対向する前記軸部の端部に配設されるプランジャー機構とを備え、前記プランジャー機構が前記摩擦攪拌リベット締結工具の加工端部に向かって前記消耗可能なピンを前進させる、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１５】
それによって前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記消耗可能なピンの回転を防止するように非円形横断面を有して形成される前記消耗可能なピンをさらに備える、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１６】
それによって前記摩擦攪拌リベット締結工具が回転させられるときの前記消耗可能なピンの回転を防止するように前記摩擦攪拌リベット締結工具上にクランプ機構をさらに備える、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【請求項１７】
前記消耗可能なピンが複数の消耗可能なセグメントからさらに構成され、前記複数の消耗可能なセグメントが、破断させることができ、それによって前記複数の消耗可能なセグメントのうちの１つのセグメントを加工物内に残すことができる、より小さな直径のピン部分によって分離される、請求項１２に記載の摩擦攪拌リベット締結工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００９−５３９６２１（Ｐ２００９−５３９６２１Ａ）
【公表日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１５５０３（Ｐ２００９−５１５５０３）
【出願日】平成１９年６月１３日（２００７．６．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１４００４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１４６４０２
【国際公開日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０６０３９７１５）エスアイアイ・メガダイアモンド・インコーポレーテッド (6)
【出願人】（５０５２８９６５０）アドバンスト・メタル・プロダクツ・インコーポレーテッド (5)
【出願人】（５９２０８７６４７）ブリガム・ヤング・ユニバーシティ (34)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＩＧＨＡＭ ＹＯＵＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１３日（２００７．６．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０１４００４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１４６４０２
【国際公開日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０６０３９７１５）エスアイアイ・メガダイアモンド・インコーポレーテッド (6)
【出願人】（５０５２８９６５０）アドバンスト・メタル・プロダクツ・インコーポレーテッド (5)
【出願人】（５９２０８７６４７）ブリガム・ヤング・ユニバーシティ (34)
【氏名又は名称原語表記】ＢＲＩＧＨＡＭ ＹＯＵＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
【Ｆターム（参考）】
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