(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024084708
(43)【公開日】2024-06-25
(54)【発明の名称】摩擦撹拌接合ツールおよび接合方法
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20240618BHJP
【ＦＩ】
B23K20/12 344
B23K20/12 360
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023206603
(22)【出願日】2023-12-07
(31)【優先権主張番号】18/063,353
(32)【優先日】2022-12-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】500520743
【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】シェムクナス， マイケル フィリップ
(72)【発明者】
【氏名】ローズ， スコット アンソニー
(72)【発明者】
【氏名】レイエス， マリオ エー．
(72)【発明者】
【氏名】サーストン， ショーン マイケル
(57)【要約】 （修正有）
【課題】細長い金属構造体に適用できる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツールを提供する。
【解決手段】ハウジング（１０８）は、ハウジング（１０８）に対するピン（１０４）の回転を可能にするように、ピン（１０４）の遠位端に結合されている。ピン（１０４）は、ハウジング（１０８）の支持面（４２４）を通って延びている。支持面（４２４）は、ＦＳＷプロセス中にワークピース（２１２、２１４）のそれぞれの内面（４２６、４２８）と接触する。ショルダー（１０６）はピン（１０４）を囲み、ＦＳＷプロセス中、回転するように、構成されている。ショルダー（１０６）は、ワークピース（２１２、２１４）がショルダー（１０６）とハウジング（１０８）の支持面（４２４）との間に挟まれるように、ＦＳＷプロセス中、ワークピース（２１２、２１４）のそれぞれの外面（４３０、４３２）と接触する。
【選択図】図７
【解決手段】ハウジング（１０８）は、ハウジング（１０８）に対するピン（１０４）の回転を可能にするように、ピン（１０４）の遠位端に結合されている。ピン（１０４）は、ハウジング（１０８）の支持面（４２４）を通って延びている。支持面（４２４）は、ＦＳＷプロセス中にワークピース（２１２、２１４）のそれぞれの内面（４２６、４２８）と接触する。ショルダー（１０６）はピン（１０４）を囲み、ＦＳＷプロセス中、回転するように、構成されている。ショルダー（１０６）は、ワークピース（２１２、２１４）がショルダー（１０６）とハウジング（１０８）の支持面（４２４）との間に挟まれるように、ＦＳＷプロセス中、ワークピース（２１２、２１４）のそれぞれの外面（４３０、４３２）と接触する。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール（１０２）であって、
２つのワークピース（２１２，２１４）の縁部（４０２，４０４）の間の接合線（２１６）を通って延びるように構成され、回転して、前記２つのワークピース（２１２，２１４）を前記接合線（２１６）で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピン（１０４）、
ハウジング（１０８）であって、前記ハウジング（１０８）は、前記ハウジング（１０８）に対する前記ピン（１０４）の回転を可能にするように、前記ピン（１０４）の遠位端（３０４）に結合されており、前記ピン（１０４）は、前記ハウジング（１０８）の支持面（４２４）を通って延びており、前記支持面（４２４）は、前記ＦＳＷプロセス中、前記ワークピース（２１２，２１４）のそれぞれの内面（４２６，４２８）に接触する、ハウジング（１０８）、および
前記ピン（１０４）を囲んでおり、前記ＦＳＷプロセス中、回転するように構成されているショルダー（１０６）であって、前記ショルダー（１０６）は、前記ワークピース（２１２，２１４）が前記ショルダー（１０６）と前記ハウジング（１０８）の前記支持面（４２４）との間に挟まれるように、前記ＦＳＷプロセス中、前記ワークピース（２１２，２１４）のそれぞれの外面（４３０，４３２）に接触する、ショルダー（１０６）、
を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール（１０２）。
２つのワークピース（２１２，２１４）の縁部（４０２，４０４）の間の接合線（２１６）を通って延びるように構成され、回転して、前記２つのワークピース（２１２，２１４）を前記接合線（２１６）で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピン（１０４）、
ハウジング（１０８）であって、前記ハウジング（１０８）は、前記ハウジング（１０８）に対する前記ピン（１０４）の回転を可能にするように、前記ピン（１０４）の遠位端（３０４）に結合されており、前記ピン（１０４）は、前記ハウジング（１０８）の支持面（４２４）を通って延びており、前記支持面（４２４）は、前記ＦＳＷプロセス中、前記ワークピース（２１２，２１４）のそれぞれの内面（４２６，４２８）に接触する、ハウジング（１０８）、および
前記ピン（１０４）を囲んでおり、前記ＦＳＷプロセス中、回転するように構成されているショルダー（１０６）であって、前記ショルダー（１０６）は、前記ワークピース（２１２，２１４）が前記ショルダー（１０６）と前記ハウジング（１０８）の前記支持面（４２４）との間に挟まれるように、前記ＦＳＷプロセス中、前記ワークピース（２１２，２１４）のそれぞれの外面（４３０，４３２）に接触する、ショルダー（１０６）、
を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール（１０２）。
【請求項2】
前記ハウジング（１０８）は、頂部側（３１６）と、前記頂部側（３１６）の上面（４６２）を越えて突き出ている隆起したプラットフォーム（４６０）とを含み、前記支持面（４２４）は、前記隆起したプラットフォーム（４６０）に沿って配置されている、請求項１に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項3】
前記ショルダー（１０６）は、前記ピン（１０４）と同軸であり、前記ＦＳＷプロセスを実行するために前記ピン（１０４）の周りを回転するように構成されている、請求項１に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項4】
前記ピン（１０４）の前記遠位端（３０４）は、前記ハウジング（１０８）の内部（３４６）のベアリングアセンブリ（３４０）に結合されている、請求項１に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項5】
前記ハウジング（１０８）は、前記ＦＳＷプロセス中、前記２つのワークピース（２１２，２１４）によって画定された細長い空洞（２０８）の対応する側面（４２０，４２２）に接触するように構成された第１および第２の側壁（３１８，３２０）を含む、請求項１に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項6】
前記第１および前記第２の側壁（３１８，３２０）は、前記対応する側面（４２０，４２２）に接触する摩耗パッド（３３２）を含む、請求項５に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項7】
前記ハウジング（１０８）は箱形であり、前記２つのワークピース（２１２，２１４）によって画定された細長い空洞（２０８）内に適合するようなサイズである、請求項１に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項8】
前記ハウジング（１０８）は、前記ハウジング（１０８）の端壁を通って延びており、熱を放散するために冷却剤を受け入れるように構成された少なくとも第１のポート（４４０）（４４０Ａ）を含む、請求項１に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項9】
前記第１のポート（４４０）（４４０Ａ）内に設置され、前記冷却剤を搬送する冷却ラインに接続するように構成されたクイックコネクトフィッティング（４４２）を、さらに備える、請求項８に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項10】
前記ピン（１０４）に接続された第１のスピンドル（１１０）と、前記ショルダー（１０６）に接続された第２のスピンドル（１１０）（１１４）とをさらに備え、前記第１のスピンドル（１１０）は、前記ＦＳＷプロセス中、前記ピン（１０４）を前記ハウジング（１０８）および前記ワークピース（２１２，２１４）に対して回転させ、前記第２のスピンドル（１１０）（１１４）は、前記ＦＳＷプロセス中、前記ショルダー（１０６）を前記ハウジング（１０８）および前記ワークピース（２１２，２１４）に対して回転させる、請求項１に記載のＦＳＷツール（１０２）。
【請求項11】
２つの細長いワークピース（２１２，２１４）であって、前記ワークピース（２１２，２１４）のそれぞれの縁部（４０２，４０４）がそれらの間に接合線（２１６）を画定するように、互いに対して所定の位置に固定された２つの細長いワークピース（２１２，２１４）にＦＳＷツール（１０２）をロードすることであって、前記ＦＳＷツール（１０２）は、前記接合線（２１６）を通って延びるピン（１０４）、前記ピン（１０４）の遠位端（３０４）に結合されたハウジング（１０８）、および前記ピン（１０４）を囲むショルダー（１０６）を含み、前記ＦＳＷツール（１０２）は、前記ハウジング（１０８）が前記接合線（２１６）の第１の側に沿って配置され、前記ショルダー（１０６）が前記第１の側とは反対側の前記接合線（２１６）の第２の側に沿って配置されるように、ロードされる、ＦＳＷツール（１０２）をロードすることと、
少なくとも、前記ピン（１０４）を回転させることと、前記接合線（２１６）の長さに沿って前記ＦＳＷツール（１０２）を移動させることとによって、ＦＳＷプロセスを実行して、接合部を形成することと、
を含む接合方法（５００）。
少なくとも、前記ピン（１０４）を回転させることと、前記接合線（２１６）の長さに沿って前記ＦＳＷツール（１０２）を移動させることとによって、ＦＳＷプロセスを実行して、接合部を形成することと、
を含む接合方法（５００）。
【請求項12】
前記ワークピース（２１２，２１４）の前記縁部（４０２，４０４）は、前記ワークピース（２１２，２１４）の対向するフランジ（４０６，４０８）によって画定され、前記ＦＳＷプロセスを実行することは、前記対向するフランジ（４０６，４０８）を前記ショルダー（１０６）の遠位端（３０４）と前記ハウジング（１０８）の支持面（４２４）との間に挟むことを含む、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
【請求項13】
前記ＦＳＷプロセスを実行することは、前記ショルダー（１０６）を前記ハウジング（１０８）に対して回転させることを含む、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
【請求項14】
前記ＦＳＷプロセスを実行することは、前記ハウジング（１０８）の支持面（４２４）が、前記ピン（１０４）および前記接合線（２１６）を囲む前記ワークピース（２１２，２１４）のそれぞれの内面（４２６，４２８）に接触するように、前記ハウジング（１０８）を配置することを含む、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
【請求項15】
前記２つの細長いワークピース（２１２，２１４）に前記ＦＳＷツール（１０２）をロードすることは、前記接合線（２１６）の前記長さにわたって延びる、前記ワークピース（２１２，２１４）によって画定された空洞（２０８）内に前記ハウジング（１０８）を配置することを含む、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
【請求項16】
前記ＦＳＷツール（１０２）の前記ハウジング（１０８）は、前記ワークピース（２１２，２１４）の対応する側面（４２０，４２２）が前記空洞（２０８）内での前記ハウジング（１０８）の回転を阻止するように、前記空洞（２０８）に対してサイズ設定される、請求項１５に記載の接合方法（５００）。
【請求項17】
前記ＦＳＷプロセスを実行している間、冷却剤を前記ハウジング（１０８）の内部（３４６）に搬送することを、さらに含み、前記冷却剤は、前記ハウジング（１０８）のポート（４４０）に接続された冷却剤ライン（１１６）を介して搬送される、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
【請求項18】
前記接合線（２１６）は第１の接合線（２１６Ａ）であり、前記接合部は第１の接合部であり、前記ワークピース（２１２，２１４）は、それらの間に第２の接合線（２１６Ｂ）を画定し、前記第２の接合線（２１６Ｂ）は、前記第１の接合線（２１６）に平行であり、かつ前記第１の接合線（２１６）に対して空洞（２０８）の反対側に沿っており、前記ＦＳＷプロセスを実行することは、前記第１の接合部を形成した後に前記ワークピース（２１２，２１４）に対して前記ＦＳＷツール（１０２）の向きを変えることと、前記第２の接合線（２１６Ｂ）の長さに沿って前記ＦＳＷツール（１０２）を移動させて、第２の接合部を形成することと、を含む、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
【請求項19】
前記ＦＳＷツール（１０２）は第１のＦＳＷツール（１０２）であり、前記接合線（２１６）は第１の接合線（２１６Ａ）であり、前記接合部は第１の接合部であり、前記ワークピース（２１２，２１４）は、それらの間に第２の接合線（２１６Ｂ）を画定し、前記第２の接合線（２１６Ｂ）は、前記第１の接合線（２１６Ａ）に平行であり、かつ前記第１の接合線（２１６Ａ）に対して空洞（２０８）の反対側に沿っており、前記方法（５００）は、
第２のＦＳＷツール（１０２）を前記第１のＦＳＷツール（１０２）に隣接して前記ワークピース（２１２，２１４）にロードすることであって、前記第２のＦＳＷツール（１０２）のピン（１０４）が前記第２の接合線（２１６Ｂ）を通って延びるように、第２のＦＳＷツール（１０２）をロードすることを、さらに含み、
前記ＦＳＷプロセスを実行することは、前記第１のＦＳＷツール（１０２）の前記ピン（１０４）を回転させることと、前記第２のＦＳＷツール（１０２）の前記ピン（１０４）を回転させることと、前記第１のＦＳＷツール（１０２）を前記第１の接合線（２１６Ａ）の前記長さに沿って第１の方向に移動させて、前記接合部を形成することと、前記第２のＦＳＷツール（１０２）を前記第２の接合線（２１６Ｂ）の長さに沿って前記第１の方向に移動させて、第２の接合部を形成することと、を含み、前記第１のＦＳＷツール（１０２）と前記第２のＦＳＷツール（１０２）が同時に移動し、前記第２のＦＳＷツール（１０２）が前記第１のＦＳＷツール（１０２）を追従する、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
第２のＦＳＷツール（１０２）を前記第１のＦＳＷツール（１０２）に隣接して前記ワークピース（２１２，２１４）にロードすることであって、前記第２のＦＳＷツール（１０２）のピン（１０４）が前記第２の接合線（２１６Ｂ）を通って延びるように、第２のＦＳＷツール（１０２）をロードすることを、さらに含み、
前記ＦＳＷプロセスを実行することは、前記第１のＦＳＷツール（１０２）の前記ピン（１０４）を回転させることと、前記第２のＦＳＷツール（１０２）の前記ピン（１０４）を回転させることと、前記第１のＦＳＷツール（１０２）を前記第１の接合線（２１６Ａ）の前記長さに沿って第１の方向に移動させて、前記接合部を形成することと、前記第２のＦＳＷツール（１０２）を前記第２の接合線（２１６Ｂ）の長さに沿って前記第１の方向に移動させて、第２の接合部を形成することと、を含み、前記第１のＦＳＷツール（１０２）と前記第２のＦＳＷツール（１０２）が同時に移動し、前記第２のＦＳＷツール（１０２）が前記第１のＦＳＷツール（１０２）を追従する、請求項１１に記載の接合方法（５００）。
【請求項20】
互いに対して所定の位置に固定された２つの細長いワークピース（２１２，２１４）によって規定された構造体（２００）であって、前記構造体（２００）は、前記２つの細長いワークピース（２１２，２１４）のそれぞれの縁部（４０２，４０４）の間に画定された接合線（２１６）を含み、前記構造体（２００）は、前記接合線（２１６）の長さにわたって延びる空洞（２０８）を含む、構造体（２００）、ならびに
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール（１０２）であって、
前記空洞（２０８）内に配置されたハウジング（１０８）と、
前記接合線（２１６）を通って延び、前記ハウジング（１０８）に結合されたピン（１０４）であって、前記ハウジング（１０８）および前記接合線（２１６）に対して回転して、前記２つの細長いワークピース（２１２，２１４）を前記接合線（２１６）で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピン（１０４）と、
前記空洞（２０８）の外側に配置され、前記ピン（１０４）を囲むショルダー（１０６）であって、前記ＦＳＷプロセス中、前記ハウジング（１０８）および前記接合線（２１６）に対して回転するように構成されたショルダー（１０６）と、
を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール（１０２）、
を備える接合アセンブリ（４００）。
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール（１０２）であって、
前記空洞（２０８）内に配置されたハウジング（１０８）と、
前記接合線（２１６）を通って延び、前記ハウジング（１０８）に結合されたピン（１０４）であって、前記ハウジング（１０８）および前記接合線（２１６）に対して回転して、前記２つの細長いワークピース（２１２，２１４）を前記接合線（２１６）で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピン（１０４）と、
前記空洞（２０８）の外側に配置され、前記ピン（１０４）を囲むショルダー（１０６）であって、前記ＦＳＷプロセス中、前記ハウジング（１０８）および前記接合線（２１６）に対して回転するように構成されたショルダー（１０６）と、
を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール（１０２）、
を備える接合アセンブリ（４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［０００１］本開示の実施形態は、概して、２つのワークピースを摩擦撹拌接合して接合部を形成することに関する。
【背景技術】
【0002】
［０００２］一部の産業用途では、細長い金属構造体が必要である。例えば、航空機メーカーは、旅客機に細長い金属構造体を使用する。これらの細長い金属構造体の長さは、最大で４０フィート、またはそれを超える場合もある。しかしながら、比較的厳しい寸法公差を達成し、所望の強度および剛性特性を提供する長くて薄い金属構造体を製造することは困難である。１つの従来の製造プロセスには、金属を所望の形状になるように押し出すことが含まれるが、長くて薄い押し出し成形品には、ねじれや曲がりなどの歪みが生じる傾向がある。所望の強度と剛性を備え、厳しい寸法公差を満たす、薄くて細長い中空構造体を押し出すことは、非常に困難である。さらに、一部の用途では、本質的に押し出しが難しい細長い金属構造体のために特定の金属組成物が必要となる場合がある。別の従来の製造プロセスは、融接である。しかしながら、材料特性を劣化させる極端な温度変化による微細構造内の望ましくない反応のため、融接は、一部の材料組成では現実的な選択肢ではない。例えば、高強度アルミニウム合金の細長い構造体は、アルミニウム合金が融接後に亀裂を形成するので、融接では製造できない場合がある。これらの製造上の問題に対応するために、一部の細長い金属構造体は必要以上に厚く重くなる可能性があり、これにより航空機やその他の用途のコストと重量が増加する。
【発明の概要】
【0003】
［０００３］薄い壁を有する機械的に強くて硬い細長い金属構造体を高い信頼度でかつ繰り返し製造できる摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツールおよび方法が必要とされている。例えば、細長い金属構造体は、押し出しおよび融接が困難な高強度アルミニウム合金から構成され得る。壁が薄いと、よりかさばる細長い構造体に比べて、材料コストと重量を削減することができる。軽量化は、航空機用途に特に有利となり得る。
【0004】
［０００４］これらのニーズを念頭に置いて、本開示の特定の実施形態は、ピン、ハウジング、およびショルダー（肩部）を含む摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツールを提供する。ピンは、２つのワークピースの縁部の間の接合線を通って延びるように構成されている。ピンが回転して、２つのワークピースを接合線で接合するＦＳＷプロセスを実行する。ハウジングは、ハウジングに対するピンの回転を可能にするように、ピンの遠位端に結合されている。ピンは、ハウジングの支持面を通って延びている。支持面は、ＦＳＷプロセス中、ワークピースのそれぞれの内面に接触する。ショルダーがピンを囲み、ＦＳＷプロセス中、回転するように、構成されている。ショルダーは、ワークピースがショルダーとハウジングの支持面との間に挟まれるように、ＦＳＷプロセス中、ワークピースのそれぞれの外面に接触する。
【0005】
［０００５］本開示の特定の実施形態は、ワークピースのそれぞれの縁部がそれらの間に接合線を画定するように、互いに対して所定の位置に固定された２つの細長いワークピースにＦＳＷツールをロードすることを含む接合方法を提供する。ＦＳＷツールは、接合線を通って延びるピン、ピンの遠位端に結合されたハウジング、およびピンを囲むショルダーを含む。ＦＳＷツールは、ハウジングが接合線の第１の側に沿って配置され、ショルダーが接合線の第１の側とは反対側の第２の側に沿って配置されるように、ロードされる。この方法は、少なくとも、ピンを回転させ、接合線の長さに沿ってＦＳＷツールを移動させることによって、ＦＳＷプロセスを実行して、接合部を形成することを含む。
【0006】
［０００６］本開示の特定の実施形態は、構造体および摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツールを含む接合アセンブリを提供する。この構造体は、互いに対して所定の位置に固定された２つの細長いワークピースによって規定される。この構造体は、２つの細長いワークピースのそれぞれの縁部の間に画定された接合線を含む。この構造体は、接合線の長さにわたって延びる空洞を含む。ＦＳＷツールは、空洞内に配置されたハウジングと、接合線を通って延びハウジングに結合されたピンと、空洞の外側に配置されピンを囲むショルダーとを含む。ピンは、ハウジングおよび接合線に対して回転して、２つの細長いワークピースを接合線で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されている。ショルダーは、ＦＳＷプロセス中ハウジングおよび接合線に対して回転するように構成されている。
【0007】
［０００７］本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解されるであろう。添付の図面では、図面全体にわたって、同様の番号が同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】一実施形態による摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）機械のブロック図である。
【図2】一実施形態によるＦＳＷ機械によって形成される接合構造体の斜視図である。
【図3】一実施形態によるＦＳＷツール１２の斜視図である。
【図7】一実施形態によるＦＳＷツールおよび接合構造体を含む接合アセンブリの立面図である。
【図8】ショルダーを除いたＦＳＷツールの斜視図である。
【図9】一実施形態による接合方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
［００１７］前述の概要および以下の特定の実施形態の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、よりよく理解されるであろう。本明細書で使用される場合、単数形で記載され、単語「ａ」または「ａｎ」が前に付く要素またはステップは、必ずしも複数の要素またはステップを排除するものではないと理解されるべきである。さらに、「一実施形態」への言及は、記載された特徴を同じく組み込む追加の実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。さらに、明示的に反対の記載がない限り、特定の条件を有する要素または複数の要素を「含む」または「有する」実施形態は、その条件を有さない追加の要素を含むことができる。
【0010】
［００１８］本開示の例は、２つの細長いワークピースを接合部に沿って互いに固定するために摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）を実行するための方法およびツールを提供する。ワークピースは金属であってもよい。例えば、ワークピースは、金属の押し出し成形品であってもよい。このツールは、ハウジングに結合され、ハウジングから延びるピンを含む。ピンは、２つのワークピースの対向する縁部の間に画定された接合線を通って延びるように設計されている。このツールは、接合線がショルダーとハウジングとの間にあるように、ピンの一部を囲むショルダーを含む。ピンとショルダーは、ハウジングとワークピースに対して回転する。ピンとショルダーの回転は、ワークピースに摩擦力を及ぼし、縁部が、ワークピースの融点より低い可塑性状態まで加熱される。縁部は、可塑性の可鍛性状態にあるときに互いに混ざり合い、冷却および固化すると接合部を形成して２つのワークピースを一体的に接合する。接合プロセスの生成物は、接合構造体である。
【0011】
［００１９］本明細書で説明するＦＳＷツールおよび方法は、強度があり軽量である接合構造体を製造するために使用することができる。強度は、接合構造体の材料組成および／または構造設計に起因し得る。例えば、ＦＳＷツールおよび方法は、高強度金属合金からなる２つのワークピースを接合するために使用され得る。一部の高強度金属合金は、亀裂などの欠陥が形成されるため、融接することができない。ＦＳＷツールおよび方法は、高強度アルミニウム合金など、これらの「溶接不可能な」合金の少なくとも一部に適用できる可能性がある。接合構造体の構造設計は、相互接続された壁の配置に基づいて強度に寄与し得る。例えば、本明細書に記載される１つまたは複数の実施形態におけるワークピースは、ワークピースの長さにわたって延びる細長い中空の箱形状を画定するように配置され得る。中空の箱は、接合構造体の形状を構造的に支持し、内部の中空箱要素を持たない構造体と比較して接合構造体の剛性および強度を高めることができる。接合構造体の強度の利点の１つは、指定された強度パラメータ（例えば、剛性など）を維持しながら、接合構造体の壁を比較的薄くできることである。本明細書に記載の接合構造体の壁は、同じまたは同様の用途における他の既知の構造体よりも薄くすることができ、これにより、材料コストおよび重量が削減される。軽量な構造体を提供することは、民間航空機などの航空用途にとって特に有益である。本明細書に記載のＦＳＷツールおよび方法を使用して形成された構造体は、接合を行わずに細長い構造体を製造するための他の技術（例えば、構造体を最終形状で押し出すなど）よりも優れた品質（例えば、より優れた表面仕上げ、より優れた寸法精度、より少ない変形、より少ない欠陥など）を有し得る。
【0012】
［００２０］一例では、２つのワークピースを摩擦撹拌接合することによって形成される接合構造体は、トラックである。例えば、接合構造体は、乗客シートを乗り物内の所定の位置に固定するための乗り物のシートトラックであってもよい。乗り物は、道路を走る乗り物（例えば、バス、トラック、バンなど）、空中の乗り物（例えば、航空機、ヘリコプター、宇宙船など）、レールを走る乗り物（例えば、電車）、船舶（例えば、クルーズ船、ヨットなど）などであってよい。例えば、乗り物の客室内のシートトラックに複数の乗客シートを固定することができる。特定の例では、本明細書で説明されるＦＳＷデバイスおよび方法は、航空機のシートトラックを製造するように設計され得る。本明細書で説明される実施形態は、航空機の用途に限定されず、またシートトラックにも限定されない。ＦＳＷデバイスおよび方法は、様々な乗り物および／または非乗り物用途向けの様々な異なるタイプの細長い構造体を形成するために適用され得る。
【0013】
［００２１］図１は、一実施形態による摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）機械１００のブロック図である。ＦＳＷ機械１００は、ＦＳＷツール１０２を含み、ＦＳＷツール１０２は、ワークピースと係合して、ＦＳＷプロセスを実行し、接合部でワークピースを組み合わせるツールである。ＦＳＷツール１０２は、ピン１０４、ショルダー１０６、およびハウジング１０８を含む。ピン１０４は、ＦＳＷプロセス中にピン１０４を回転させるアクチュエータに機械的に接続（例えば、結合）されている。一例では、ＦＳＷツール１０２は、自己反応型のＦＳＷツールであってもよい。ＦＳＷツール１０２は、単一のアセンブリ内にピン１０４を含み、接合を生成するためにワークピースの長さに沿って一緒に移動する２つの対向する構成要素を含むことができる。例えば、ワークピースは、ショルダー１０６とハウジング１０８の頂面との間に挟まれ得る。ピン１０４は、接合プロセス中、接合部を通って延びることができる。
【0014】
［００２２］図示の実施形態では、アクチュエータは、ピン１０４を回転させるために１つまたは複数の動力源１１２によって動力を供給される第１のスピンドル１１０を含む。動力源１１２は、モータ、バッテリ、圧縮ガスを含む空気圧タンク、油圧ポンプなどを含むことができる。例えば、動力源１１２は、ＦＳＷ機械１００の動作を制御するユーザ入力装置によって生成される制御信号に基づいて制御され得る。スピンドル１１０および動力源１１２は、ピン１０４の回転速度を制御することができ、受信した制御信号に基づいて速度を変更することができる。
【0015】
［００２３］ハウジング１０８は、ピン１０４に結合されている。例えば、ピン１０４の遠位セグメントは、ハウジング１０８内に延びることができる。ピン１０４は、ＦＳＷプロセス中、ハウジング１０８（およびワークピース）に対して回転することができる。一実施形態では、ハウジング１０８は、ＦＳＷプロセス中、ワークピースに対して回転しない。例えば、ハウジング１０８は、まるまる３６０度の回転を完了しない。図示の実施形態では、ショルダー１０６は、ＦＳＷプロセス中にショルダー１０６を回転させる第２のアクチュエータに機械的に接続（例えば、結合）されている。例えば、第２のアクチュエータは、ショルダー１０６を回転させるために１つまたは複数の動力源１１２によって動力を供給される第２のスピンドル１１４を含むことができる。任意選択で、ショルダー１０６の回転は、ピン１０４の回転とは独立していてもよい。一例では、ピン１０４は、ショルダー１０６とは異なる時間、異なる方向、および／または異なる速度で回転することができる。１つの設定では、ショルダー１０６およびピン１０４は、同じ速度（例えば、スピード）および方向で同時に回転するように制御され得る。代替の実施形態では、ショルダー１０６は、ＦＳＷプロセス中に回転しなくてもよい。その場合、ピン１０４は、ショルダー１０６、ハウジング１０８、およびワークピースに対して回転する。
【0016】
［００２４］任意選択で、ＦＳＷツール１０２のハウジング１０８は、ＦＳＷツール１０２から熱を放散するために、冷却剤をハウジング１０８に、および／またはハウジング１０８から搬送する１つまたは複数の冷却ライン１１６に接続され得る。熱は、ＦＳＷツール１０２によってワークピースに加えられる摩擦力、および／またはＦＳＷツール１０２自体の内部の動く構成要素間の摩擦力から発生し得る。冷却剤は、グリコール溶液などの流体であってもよい。冷却剤は、冷却システム１１８を介して冷却ライン１１６を通してポンプで送られることができる。任意選択で、ＦＳＷ機械１００は、冷却システム１１８からハウジング１０８に冷却剤を送達する第１の冷却ラインと、冷却剤をハウジング１０８から冷却システム１１８に戻す第２の冷却ラインとを含んでもよい。冷却ライン１１６は、ホース、チューブなどであってもよい。第１の代替実施形態では、ＦＳＷ機械１００は、冷却システム１１８および冷却剤を欠いており、冷却ライン１１６は、ハウジング１０８から熱を受動的に伝導して逃がす金属棒である。第２の代替実施形態では、ＦＳＷ機械１００は、冷却システム１１８と冷却ライン１１６の両方を欠いていてもよい。
【0017】
［００２５］図２は、一実施形態によるＦＳＷ機械１００によって形成される接合構造体２００の斜視図である。接合構造体２００（本明細書では構造体２００とも呼ばれる）は細長く、構造体２００の第１の端２０２から構造体２００の第１の端２０２の反対側の第２の端２０４まで延びている。構造体２００は、第１の端２０２と第２の端２０４との間の長さに沿って直線状であってもよい。構造体２００は、細長い空洞２０８を画定する箱形部分２０６を含むことができる。細長い空洞２０８は、構造体２００の長さ全体にわたって延びることができる。構造体２００は、箱形部分２０６から突き出た１つまたは複数の翼セグメント２１０を含むことができる。翼セグメント２１０は、構造体２００の長さにわたって延びることができる。図示の実施形態では、構造体２００は４つの翼セグメント２１０を有する。構造体２００のこの断面形状を図７に拡大して示す。構造体２００は、図２では一定の縮尺で示されていない場合がある。例えば、構造体２００の長さは、２０フィートまで、またはそれ以上、４０フィートまで、またはそれ以上、などであってもよい。箱形部分２０６および／または翼セグメント２１０の壁は、比較的薄くてもよい。一例では、厚さは、０．２５インチ以下、さらには０．１２５インチ以下であってもよい。他の実施形態では、構造体２００は、他の断面形状を有してもよい。
【0018】
［００２６］ＦＳＷ機械１００は、２つのワークピースを接合して構造体２００を形成することができる。例えば、第１のワークピース２１２および第２のワークピース２１４は、ワークピース２１２、２１４の縁部が、本明細書において接合線２１６と呼ばれる１つまたは複数の継ぎ目を画定するように、互いに対して位置決めされ得る。ワークピース２１２、２１４は、１つまたは複数の固定具を介して所定の位置に固定され得る。図示の実施形態では、構造体２００は、２つの接合線２１６を有する。接合線２１６は、構造体２００の長さにわたって延びることができる。ＦＳＷプロセス中、ＦＳＷツール１０２は、ワークピース２１２、２１４の長さに沿って移動し、接合線に接合部を形成して、２つのワークピース２１２、２１４を一体的に接続し、図２に示す単一の接合構造体２００を規定することができる。
【0019】
［００２７］図１に戻って、一実施形態では、ＦＳＷ機械１００は、ＦＳＷプロセス中にワークピース２１２、２１４の長さに沿ってＦＳＷツール１０２を移動させる推進源１２０を含み得る。推進源１２０は、電動アクチュエータ、ロボットアーム、ＦＳＷツール１０２を引っ張る吊り下げられた軌道上のツール、ワークピース２１２、２１４に沿って駆動するようにＦＳＷツール１０２上の車輪の回転に動力を与えるトラクションモータ、および／または同様のものを含んでもよい。推進源１２０は、ＦＳＷプロセス中のＦＳＷツール１０２の動きを、指定された一定の速度で制御することができる。指定された速度は、長さに沿って比較的均一な接合が成功するようにＦＳＷツール１０２が接合線の各セクションに十分な注意を払うことを保証する接合条件に基づくことができる。接合条件は、ピン１０４の回転速度、ワークピース２１２、２１４の材料特性、冷却剤による熱放散量などを含むことができる。代替の実施形態では、ＦＳＷツール１０２は、ＦＳＷプロセス中に人間のオペレータによって接合線２１６の長さに沿って手動で押したり引いたりされてもよい。
【0020】
［００２８］図３は、一実施形態によるＦＳＷツール１０２の斜視図である。図４は、図３に示すＦＳＷツール１０２の立面図である。図５は、図３に示すＦＳＷツール１０２の断面図である。図５の断面図は、図３の線５－５に沿ったものである。以下の説明は、図３～図５をまとめて参照する。
【0021】
［００２９］ピン１０４は直線状であり、ピン１０４の近位端３０２から近位端３０２の反対側のピン１０４の遠位端３０４まで延びている。ピン１０４は、ピン１０４を通って延びており、近位端３０２と遠位端３０４との間のピン１０４の長さと平行である中心軸３０６の周りで回転する。ピン１０４の近位セグメント３０８は、第１のスピンドル１１０（またはピン１０４を回転させる別のタイプのアクチュエータアセンブリ）に接続する。近位セグメント３０８は、螺旋状ねじ山３１０を含んでもよい。ピン１０４の遠位セグメント３１２は、ハウジング１０８に接続する。図５に示されるように、遠位セグメント３１２は、ハウジング１０８内に延びることができる。遠位端３０４は、任意選択で、ハウジング１０８内にあってもよいし、ハウジング１０８の底部側３１４を越えて突き出ていてもよい。遠位セグメント３１２は、ピン１０４をハウジング１０８に固定するための螺旋状ねじ山または別の機構を含んでいてもよい。ピン１０４は、近位セグメント３０８および近位端３０２がハウジング１０８の外側になるように、ハウジング１０８の頂部側３１６から突き出ている。一実施形態では、ピン３０２の長さの大部分は、ハウジング１０８の外側にある。ピン１０４は、高強度の金属材料で構成されていてもよい。
【0022】
［００３０］ショルダー１０６は、ピン１０４を囲んでいる。ショルダー１０６は、ショルダー１０６がピン１０４の一部分のみを囲むように、ピン１０４よりも短くてもよい。ショルダー１０６は、図５に示すように中空のシェルであってもよい。ショルダー１０６は、ピン１０４と同軸であってもよく、ピン１０４の周り（例えば中心軸３０６の周り）に回転してもよい。ショルダー１０６は、円筒形であってもよい。ショルダー１０６は、ハウジング１０８に直接接続されていなくてもよい。例えば、図７を参照して説明されるように、ＦＳＷプロセス中、ショルダー１０６はハウジング１０８から離間することができ、ハウジング１０８によって接触される表面とは異なるワークピース２１２、２１４の表面に接触することができる。ショルダー１０６は、金属材料で構成されていてもよい。ショルダー１０６の材料組成は、ピン１０４の組成と同じであっても異なっていてもよい。
【0023】
［００３１］一例では、ハウジング１０８は箱形である。ハウジング１０８は、頂部側３１６、底部側３１４、第１の側壁３１８、第２の側壁３２０、第１の端壁３２２、および第２の端壁３２４を含む。ハウジング１０８は、複数の構成要素のアセンブリであってもよい。例えば、ハウジング１０８は、端壁３２２、３２４、または端壁３２２、３２４の少なくとも一部を画定する本体３２６を含んでもよい。下部プレート３２８が、底部側３１４の少なくとも一部を画定することができる。上部プレート３３０が、頂部側３１６の少なくとも一部を画定することができる。第１および第２の側壁３１８、３２０は、摩耗パッド３３２によって画定され得る。本体３２６、上部プレート３３０、下部プレート３２８、および摩耗パッド３３２は、締結具３３４を介して互いに固定され得る。代替の実施形態では、ハウジング１０８は、異なる構成要素を有してもよい。代替の実施形態では、本体３２６がプレート３３０、３２８の機能を提供するように形成され得るので、ハウジング１０８は、別個の上部プレート３３０および下部プレート３２８を有さずに、本体３２６および摩耗パッド３３２を含んでもよい。例えば、本体３２６の頂面は、裏側接合封じ込めを提供することができ、本体３２６の一部は、内部のベアリングがハウジング１０８から落ちるのを阻止することができる。
【0024】
［００３２］図６は、図５に示すＦＳＷツール１０２の一部の拡大断面図である。一実施形態では、ピン１０４の遠位セグメント３１２は、ハウジング１０８内のベアリングアセンブリ３４０に接続されている。ベアリングアセンブリ３４０は、ハウジング１０８に機械的に接続されたままでありながら、ピン１０４がハウジング１０８に対して回転することができるようにする。ベアリングアセンブリ３４０は、ピン１０４にしっかりと固定されたブッシング３４２を含むことができる。例えば、遠位セグメント３１２は、ねじでブッシング３４２内に取りつけられることができ、止めねじなどを介してブッシング３４２内に保持されることができる。ベアリングアセンブリ３４０は、ブッシング３４２の一部を囲む環状のトラックまたはレース３４４を含むことができる。レース３４４はブッシング３４２と接触し、ブッシング３４２が低摩擦でレース３４４に対して回転できるようにする。レース３４４は、ボールベアリングを含んでもよい。ベアリングアセンブリ３４０は、ハウジング１０８の内部３４６に組み込まれている。ベアリングアセンブリ３４０は、ハウジング１０８を回転させることなく、ピン１０４が回転できるようにする。一実施形態では、ハウジング１０８は、ＦＳＷプロセス中、ワークピースに対して回転しない。ベアリングレース３４４は、レース３４４を収容できるようなサイズに作られた本体３２６の凹部または空洞内の所定の位置に取り付けられ得る。ブッシング３４２は、レース３４４内にブッシング３４２を保持するために、レース３４４の底部側または本体３２６に接触するフランジ３４８を有してもよい。
【0025】
［００３３］図７は、一実施形態によるＦＳＷツール１０２および接合構造体２００を含む接合アセンブリ４００の立面図である。図７は、一実施形態による、接合構造体２００を規定するワークピース２１２、２１４に対してＦＳＷプロセスを実行しているＦＳＷツール１０２を示す。例えば、ＦＳＷツール１０２は、ワークピース２１２、２１４のそれぞれの第１のフランジ４０６、４０８の対向する縁部４０２、４０４によって画定される第１の接合線２１６Ａを接合するように位置決めされている。図示の実施形態では、第１および第２のワークピース２１２、２１４は、互いの複製コピーである。例えば、ワークピース２１２、２１４は、ギリシャ文字のパイの形状に似た形状を有していてもよい。ワークピース２１２、２１４はまた、第１の接合線２１６Ａから細長い空洞２０８を横切ったところにある第２の接合線２１６Ｂを画定することもできる。ＦＳＷツール１０２は、図示の向きでは第２の接合線２１６Ｂを接合するように配置されていない。第２の接合線２１６Ｂは、第１および第２のワークピース２１２、２１４の第２のフランジ４１０、４１２の縁部の間に画定される。ＦＳＷツール１０２は、第２の接合線２１６Ｂを接合するために、構造体２００に対して反転され得る。あるいは、第２のＦＳＷツール１０２が図示のＦＳＷツール１０２と組み合わせて使用されて、例えば２つのＦＳＷツール１０２を構造体２００の長さに沿って一方を他方の前にして順に移動させることによって、第２の接合線２１６Ｂを接合してもよい。別の実施形態では、ワークピース２１２、２１４のうちの少なくとも１つは、異なる形状を有してもよい。
【0026】
［００３４］ＦＳＷツール１０２のハウジング１０８は、構造体２００の細長い空洞２０８内に適合するようなサイズおよび形状であってもよい。例えば、ハウジング１０８は、図７において細長い空洞２０８内に配置されている。ピン１０４がハウジング１０８に結合され、第１の接合線２１６Ａを通って延びている。ショルダー１０６は、細長い空洞２０８の外側に配置されている。一実施形態では、ピン１０４は、ＦＳＷプロセス中、回転されて、第１の接合線２１６Ａで第１のフランジ４０６、４０８の縁部４０２、４０４に接触する。ピン１０４と縁部４０２、４０４との間の摩擦により縁部４０２、４０４が加熱され、ワークピース２１２、２１４の２つの第１のフランジ４０６、４０８が第１の接合線２１６Ａで接合される。一実施形態では、ショルダー１０６は、ＦＳＷプロセス中、ピン１０４の回転と並行して回転される。
【0027】
［００３５］ピン１０４およびショルダー１０６は、静止して保持されているハウジング１０８および接合線２１６Ａに対して回転することができる。例えば、ハウジング１０８は、細長い空洞２０８内で回転することが物理的にできない場合がある。ハウジング１０８の側壁３１８、３２０の一方または両方が、細長い空洞２０８の対応する側面４２０、４２２に接触し得る。例えば、側壁３１８は、第１のワークピース２１２の側面４２０に接触してもよく、側壁３２０は、第２のワークピース２１４の側面４２２に接触してもよい。一実施形態では、側壁３１８、３２０は、摩耗パッド３３２によって画定される。摩耗パッド３３２は、ワークピース２１２、２１４の表面品質に悪影響を与えることを避けるために、抵抗を低減し、かつ／または摩耗を低減するように、制限された摩擦で対応する側面４２０、４２２に沿って滑り動くように設計され得る。摩耗パッド３３２は、ナイロン、高密度プラスチックなどから構成され得る。摩耗パッド３３２は、交換可能であってもよい。
【0028】
［００３６］一実施形態では、ワークピース２１２、２１４のフランジ４０６、４０８は、ＦＳＷプロセス中、ショルダー１０６とハウジング１０８との間に挟まれ得る。ハウジング１０８は、フランジ４０６、４０８のそれぞれの内面（または下面）４２６、４２８に接触する支持面４２４を含んでもよい。表面４２６、４２８は、細長い空洞２０８の内側に面しているので、内面である。ハウジング１０８の支持面４２４は、接合線２１６Ａに沿った変形可能な縁部４０２、４０４が重力および／または他の力によって垂れ下がるのを防ぐ基部を提供することができる。支持面４２４は、滑らかであってもよい。接合部は、支持面４２４の滑らかな形状に従うことができ、その結果、接合部の内面に沿って滑らかな表面仕上げが得られる。
【0029】
［００３７］ショルダー１０６は、ＦＳＷプロセス中、フランジ４０６、４０８のそれぞれの外面（または上面）４３０、４３２に接触し得る。例えば、ショルダー１０６は、ピン１０４の長さに沿って滑り動くことができてもよい。ショルダー１０６は、重力によりフランジ４０６、４０８に向かって付勢され得る。あるいは、ばねなどの付勢部材が、フランジ４０６、４０８に向かってショルダー１０６に付勢力を及ぼすこともできる。ショルダー１０６およびハウジング１０８によって与えられる圧縮力は、接合部に所望の形状および表面仕上げを与えることができる。ショルダー１０６の遠位端４３４は、ＦＳＷプロセス中、ショルダー１０６が回転しているときに、外面４３０、４３２に接触し、外面４３０、４３２に沿って滑り動くことができる。ショルダー１０６の能動的な回転によってもたらされる摩擦により、表面仕上げの品質を向上させることができる。
【0030】
［００３８］一実施形態では、ハウジング１０８は、ハウジング１０８の内部に延びる少なくとも１つのポート４４０を含む。ポート４４０は、ハウジング１０８の内部を通って延びる１つまたは複数の冷却チャネルに流体的に接続され得る。冷却チャネルは、図６に示されるベアリングアセンブリ３４０の近くを延びることができる。冷却チャネルは、ハウジング１０８の本体３２６を通って画定され得る。ポート４４０は、ハウジング１０８から熱を吸収する冷却剤を受け入れることができる。図示の実施形態では、ハウジング１０８は、第１のポート４４０Ａおよび第２のポート４４０Ｂを含む。両方のポート４４０Ａ、４４０Ｂが、図７ではハウジング１０８の共通の端壁３２２に沿って配置されている。ポート４４０Ａ、４４０Ｂは、ハウジング１０８の幅に沿って離間している。代替の実施形態では、ハウジング１０８は、異なる数のポートを含んでもよく、かつ／またはポートの少なくともいくつかが、ハウジング１０８の異なる端壁に配置されていてもよい。一実施形態では、それぞれの取付具（フィッティング）４４２が、各ポート４４０内に設置されている。取付具４４２は、クイックコネクトフィッティングであってもよい。取付具４４２は、対応する冷却ライン１１６（図１に示す）に接続するように構成されている。
【0031】
［００３９］図８は、ショルダー１０６を除いたＦＳＷツール１０２の斜視図である。ＦＳＷプロセス中にワークピース２１２、２１４と位置合わせされてワークピース２１２、２１４に接触するピン１０４のセグメントは、不均一な表面４５０を有することができる。不均一な表面４５０は、起伏、隆起、鋸歯状、等を含むことができる。任意選択で、不均一な表面４５０は、ピン１０４の外周に沿って交互に配置される滑らかな部分４５２と起伏のある部分４５４とを含んでもよい。
【0032】
［００４０］一実施形態では、ハウジング１０８は、頂部側３１６の上面４６２を越えて突き出ている隆起したプラットフォーム４６０を含む。隆起したプラットフォーム４６０は、ＦＳＷプロセス中にフランジ４０６、４０８に接触してこれらを支持する支持面４２４を画定する。隆起したプラットフォーム４６０は、楕円形のアンビル形状を有し得る。隆起したプラットフォーム４６０は、ハウジング１０８の頂部側３１６に沿って中央に位置することができ、頂部側３１６の周囲領域からオフセットされている。ピン１０４は、隆起したプラットフォーム４６０を通って延びている。図示の実施形態では、隆起したプラットフォーム４６０は、上部プレート３３０の構成要素である。代替の実施形態では、ハウジング１０８の本体３２６が、隆起したプラットフォーム４６０を画定することができる。隆起したプラットフォーム４６０上の支持面４２４は、比較的平面であってもよい。例えば、支持面４２４は、ピン１０４の近くで平面であってもよく、隆起したプラットフォーム４６０の半径方向縁部に沿って先細または湾曲していてもよい。代替の実施形態では、ハウジング１０８は、隆起したプラットフォーム４６０を含まない。例えば、支持面４２４は、頂部側３１６の周囲領域と同じ高さである、または頂部側３１６の周囲領域よりも下に凹んだ、ハウジング１０８の頂部側３１６の中央領域によって画定されてもよい。
【0033】
［００４１］任意選択で、本体３２６は、ハウジング１０８の下部プレート３２８とのダブテールインターフェース４７０を画定してもよい。下部プレート３２８は、ダブテールインターフェース４７０で本体３２６内に滑り込むことによって組み立てられ得る。締結具３３４が、下部プレート３２８を所定の位置に固定することができる。
【0034】
［００４２］図９は、一実施形態による接合方法のフローチャート５００である。接合方法は、摩擦撹拌接合プロセスであってもよい。接合方法は、図１に示されるＦＳＷ機械１００を使用して実行され得る。この方法は、２つの押し出された細長いワークピースを接合して、単一で一体の接合構造体を形成するために実行され得る。接合構造体は、比較的強度があり、硬く、軽量であり得る。この方法は、任意選択で、図９に図示されているものに追加した少なくとも１つのステップを含んでもよいし、図示されているものより少なくとも１つ少ないステップを含んでもよいし、および／または図示されているものとは異なる少なくとも１つのステップを含んでもよい。
【0035】
［００４３］ステップ５０２では、２つの細長いワークピース２１２、２１４が固定具４８０に配置されて、互いに対して固定位置に固定される。ワークピース２１２、２１４は、ワークピース２１２、２１４の第１のフランジ４０６、４０８の縁部４０２、４０４が互いに対向し、接合線２１６を画定するように、固定具４８０内で配向され得る。接合線２１６は、細長いワークピース２１２、２１４の長さにわたって延びることができる。
【0036】
［００４４］ステップ５０４では、ＦＳＷツールまたはツール１０２が、固定具４８０に保持された２つの細長いワークピース２１２、２１４にロードされる。ＦＳＷツール１０２は、一方の端部における、２つのワークピース２１２、２１４の組み合わされた端部セグメントに取り付けられることができる。ＦＳＷツール１０２は、ＦＳＷツール１０２のピン１０４が接合線２１６を通って延び、ＦＳＷツール１０２のハウジング１０８が接合線２１６の第１の側に沿って配置され、ＦＳＷツール１０６のショルダー１０６が、接合線２１６の第１の側とは反対側の第２の側に沿って配置されるように、ワークピース２１２、２１４にロードされ得る。任意選択で、ワークピース２１２、２１４の端部は、接合線２１６と整列し、ピン１０４を収容することができる、予め形成されたスロットを含んでもよい。予め形成されたスロットにより、ピン１０４を回転させる前に、指定された位置にＦＳＷツール１０２をセットアップすることが可能になる。
【0037】
［００４５］一実施形態では、固定具４８０内の２つの細長いワークピース２１２、２１４は、ワークピース２１２、２１４の長さにわたって延びる細長い空洞２０８を画定する。空洞２０８は、開いた端部とともに４つの壁によって画定され得る。接合線２１６は、４つの壁のうちの１つを通って延びている。任意選択で、第２の接合線２１６が、４つの壁のうちの別の壁を通って延びている。ステップ５０４でＦＳＷツール１０２を２つの細長いワークピースにロードすることは、細長い空洞２０８内にハウジング１０８を配置することを含むことができる。ＦＳＷツール１０２のハウジング１０８は、ワークピース２１２、２１４の対応する側面４２０、４２２が空洞２０８内でのハウジング１０８の回転を阻止するように、空洞２０８に対してサイズ設定され得る。
【0038】
［００４６］ステップ５０６で、ＦＳＷツール１０２を使用してＦＳＷプロセスが実行される。ＦＳＷプロセスは、ピン１０４を回転させ、ＦＳＷツール１０２を接合線２１６の長さに沿って移動させて接合線２１６に接合部を形成することによって少なくとも部分的に実行され得る。ＦＳＷプロセスは、ハウジング１０８の支持面４２４が、ピン１０４および接合線２１６を囲むワークピース２１２、２１４のそれぞれの内面４２６、４２８に接触するように、ハウジング１０８を配置することによって実行され得る。ＦＳＷプロセスを実行することは、ショルダー１０６の遠位端４３４とハウジング１０８の支持面４２４との間にワークピース２１２、２１４の対向する壁またはフランジ４０６、４０８を挟むことを含んでもよい。ＦＳＷプロセスはまた、ピン１０４とショルダー１０６の両方が回転するように、ショルダー１０６をハウジング１０８に対して回転させることを含んでもよい。一実施形態では、ショルダー１０６は、ピン１０４とは独立して回転することができる。任意選択で、ＦＳＷプロセスは、ハウジング１０８のポート４４０に接続された冷却剤ライン１１６を介して冷却剤をハウジング１０８の内部に搬送することを含んでもよい。冷却剤は、ＦＳＷツール１０２から熱を吸収して放散することができる。
【0039】
［００４７］ワークピース２１２、２１４は、任意選択で、構造体２００の長さに沿って互いに平行に延びる第１および第２の接合線２１６Ａ、２１６Ｂの両方を画定することができる。例えば、第２の接合線２１６Ｂは、第１の接合線２１６Ａに対して空洞２０８の反対側に沿って位置していてもよい。一例では、ＦＳＷプロセスを実行することは、ピン１０４が第１の接合線２１６Ａを通って延びている状態で構造体２００の長さに沿ってＦＳＷツール１０２を移動させることによって、第１の期間中に第１の接合線２１６Ａに沿って第１の接合部を形成することを含み得る。次に、方法５００は、（第１の接合部を形成した後）ワークピース２１２、２１４に対してＦＳＷツール１０２の向きを変えることを含むことができる。ピン１０４が第２の接合線２１６Ｂを通って延びるように、ＦＳＷツール１０２の向きを変えることができる。例えば、ＦＳＷツール１０２は、固定具４８０内のワークピース２１２、２１４の向きに対して１８０度反転されてもよい。ＦＳＷプロセスは、構造体２００の長さに沿ってＦＳＷツール１０２の第２の通路を作って、第２の接合線２１６Ｂに第２の接合部を形成することを含むことができる。
【0040】
［００４８］２つのワークピース２１２、２１４が２つの接合線２１６Ａ、２１６Ｂを画定する別の例では、方法は、２つの接合部の１つをそれぞれ形成するために２つの異なるＦＳＷツール１０２を利用することを含み得る。例えば、第２のＦＳＷツール１０２が、第１のＦＳＷツール１０２に隣接してワークピース２１２、２１４にロードされてもよい。これは、第２のＦＳＷツールが第１のＦＳＷツールを追従するように、２つのＦＳＷツール１０２を細長い空洞２０８内に端から端までロードすることを含み得る。２つのＦＳＷツール１０２は、ツールが同じ構成要素を有するように、互いのコピーまたは複製であってもよい。ＦＳＷ機械１００は、対向する接合部を同時に接合するために、スピンドルの別のセットを備えていてもよい。
【0041】
［００４９］図７および図９に示す実施形態では、２つのＦＳＷツールを互いに対して１８０度反転させることができる。第１のＦＳＷツールのピン１０４は第１の接合線２１６Ａを通って延び、第２のＦＳＷツールのピン１０４は第２の接合線２１６Ｂを通って延びる。ＦＳＷプロセスは、第１のＦＳＷツールのピン１０４を回転させ、第２のＦＳＷツールのピン１０４を回転させ、第１のＦＳＷツールを第１の接合線２１６Ａの長さに沿って第１の方向に移動させて接合部を形成し、第２のＦＳＷツールを第２の接合線の長さに沿って第１の方向に移動させて第２の接合部を形成することによって、実行され得る。第１および第２のＦＳＷツールは、第２のＦＳＷツールが第１のＦＳＷツールを追従するようにして、同時に移動してもよい。
【0042】
［００５０］条項１． 摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツールであって、
２つのワークピースの縁部の間の接合線を通って延びるように構成され、回転して、２つのワークピースを接合線で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピン、
ハウジングに対するピンの回転を可能にするように、ピンの遠位端に結合されたハウジングであって、ピンは、ハウジングの支持面を通って延びており、支持面は、ＦＳＷプロセス中、ワークピースのそれぞれの内面に接触する、ハウジング、および
ピンを囲んでおり、ＦＳＷプロセス中、回転するように構成されているショルダーであって、ワークピースがショルダーとハウジングの支持面との間に挟まれるように、ショルダーが、ＦＳＷプロセス中、ワークピースのそれぞれの外面に接触する、ショルダー、を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール。
２つのワークピースの縁部の間の接合線を通って延びるように構成され、回転して、２つのワークピースを接合線で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピン、
ハウジングに対するピンの回転を可能にするように、ピンの遠位端に結合されたハウジングであって、ピンは、ハウジングの支持面を通って延びており、支持面は、ＦＳＷプロセス中、ワークピースのそれぞれの内面に接触する、ハウジング、および
ピンを囲んでおり、ＦＳＷプロセス中、回転するように構成されているショルダーであって、ワークピースがショルダーとハウジングの支持面との間に挟まれるように、ショルダーが、ＦＳＷプロセス中、ワークピースのそれぞれの外面に接触する、ショルダー、を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール。
【0043】
［００５１］条項２． ハウジングは、頂部側と、頂部側の上面を越えて突き出ている隆起したプラットフォームとを含み、支持面は、隆起したプラットフォームに沿って配置されている、条項１に記載のＦＳＷツール。
【0044】
［００５２］条項３． ショルダーは、ピンと同軸であり、ＦＳＷプロセスを実行するためにピンの周りを回転するように構成されている、条項１または条項２に記載のＦＳＷツール。
【0045】
［００５３］条項４． ピンの遠位端は、ハウジングの内部にあるベアリングアセンブリに結合されている、条項１から３のいずれかに記載のＦＳＷツール。
【0046】
［００５４］条項５． ハウジングは、ＦＳＷプロセス中、２つのワークピースによって画定された細長い空洞の対応する側面に接触するように構成された第１および第２の側壁を含む、条項１から４のいずれかに記載のＦＳＷツール。
【0047】
［００５５］条項６． 第１および第２の側壁は、対応する側面に接触する摩耗パッドを含む、条項５に記載のＦＳＷツール。
【0048】
［００５６］条項７． ハウジングは箱形であり、２つのワークピースによって画定された細長い空洞内に適合するようなサイズである、条項１から６のいずれかに記載のＦＳＷツール。
【0049】
［００５７］条項８． ハウジングは、ハウジングの端壁を通って延びており、熱を放散するために冷却剤を受け入れるように構成された少なくとも第１のポートを含む、条項１から７のいずれかに記載のＦＳＷツール。
【0050】
［００５８］条項９． 第１のポート内に設置され、冷却剤を搬送する冷却ラインに接続するように構成されたクイックコネクトフィッティングをさらに備える、条項８に記載のＦＳＷツール。
【0051】
［００５９］条項１０． ピンに接続された第１のスピンドルと、ショルダーに接続された第２のスピンドルとをさらに備え、第１のスピンドルは、ＦＳＷプロセス中、ピンをハウジングおよびワークピースに対して回転させ、第２のスピンドルは、ＦＳＷプロセス中、ハウジングおよびワークピースに対してショルダーを回転させる、条項１から９のいずれかに記載のＦＳＷツール。
【0052】
［００６０］条項１１． ワークピースのそれぞれの縁部がそれらの間に接合線を画定するように、互いに対して所定の位置に固定された２つの細長いワークピースにＦＳＷツールをロードすることであって、ＦＳＷツールは、接合線を通って延びるピン、ピンの遠位端に結合されたハウジング、およびピンを囲むショルダーを含み、ＦＳＷツールは、ハウジングが接合線の第１の側に沿って配置され、ショルダーが第１の側とは反対側の接合線の第２の側に沿って配置されるように、ロードされる、ＦＳＷツールをロードすることと、
少なくとも、ピンを回転させ、接合線の長さに沿ってＦＳＷツールを移動させることによって、ＦＳＷプロセスを実行して、接合部を形成することと、を含む接合方法。
少なくとも、ピンを回転させ、接合線の長さに沿ってＦＳＷツールを移動させることによって、ＦＳＷプロセスを実行して、接合部を形成することと、を含む接合方法。
【0053】
［００６１］条項１２． ワークピースの縁部は、ワークピースの対向するフランジによって画定され、ＦＳＷプロセスを実行することは、対向するフランジをショルダーの遠位端とハウジングの支持面との間に挟むことを含む、条項１１に記載の接合方法。
【0054】
［００６２］条項１３． ＦＳＷプロセスを実行することは、ショルダーをハウジングに対して回転させることを含む、条項１１または条項１２に記載の接合方法。
【0055】
［００６３］条項１４． ＦＳＷプロセスを実行することは、ハウジングの支持面が、ピンおよび接合線を囲むワークピースのそれぞれの内面に接触するように、ハウジングを配置することを含む、条項１１から１３のいずれかに記載の接合方法。
【0056】
［００６４］条項１５． ２つの細長いワークピースにＦＳＷツールをロードすることは、接合線の長さにわたって延びるワークピースによって画定された空洞内にハウジングを配置することを含む、条項１１から１４のいずれかに記載の接合方法。
【0057】
［００６５］条項１６． ＦＳＷツールのハウジングは、ワークピースの対応する側面が空洞内でのハウジングの回転を阻止するように、空洞に対してサイズ設定される、条項１５に記載の接合方法。
【0058】
［００６６］条項１７． ＦＳＷプロセスを実行している間、冷却剤をハウジングの内部に搬送することをさらに含み、冷却剤は、ハウジングのポートに接続された冷却剤ラインを介して搬送される、条項１１から１６のいずれかに記載の接合方法。
【0059】
［００６７］条項１８． 接合線が第１の接合線であり、接合部が第１の接合部であり、ワークピースが、それらの間に、第１の接合線に平行で、かつ第１の接合線に対して空洞の反対側に沿った第２の接合線を画定し、ＦＳＷプロセスを実行することは、第１の接合部を形成した後、ワークピースに対してＦＳＷツールの向きを変えることと、第２の接合部を形成するために第２の接合線の長さに沿ってＦＳＷツールを移動させることとを含む、条項１１から１７のいずれかに記載の接合方法。
【0060】
［００６８］条項１９． ＦＳＷツールは第１のＦＳＷツールであり、接合線は第１の接合線であり、接合部は第１の接合部であり、ワークピースが、それらの間に、第１の接合線に平行で、かつ第１の接合線に対して空洞の反対側に沿った第２の接合線を画定し、方法はさらに、
第２のＦＳＷツールのピンが第２の接合線を通って延びるように、第２のＦＳＷツールを第１のＦＳＷツールに隣接してワークピースにロードすることを含み、
ＦＳＷプロセスを実行することは、第１のＦＳＷツールのピンを回転させることと、第２のＦＳＷツールのピンを回転させることと、第１のＦＳＷツールを第１の接合線の長さに沿って第１の方向に移動させて接合部を形成することと、第２のＦＳＷツールを第２の接合線の長さに沿って第１の方向に移動させて第２の接合部を形成することと、を含み、第１および第２のＦＳＷツールが同時に移動し、第２のＦＳＷツールが第１のＦＳＷツールを追従する、条項１１から１８のいずれかに記載の接合方法。
第２のＦＳＷツールのピンが第２の接合線を通って延びるように、第２のＦＳＷツールを第１のＦＳＷツールに隣接してワークピースにロードすることを含み、
ＦＳＷプロセスを実行することは、第１のＦＳＷツールのピンを回転させることと、第２のＦＳＷツールのピンを回転させることと、第１のＦＳＷツールを第１の接合線の長さに沿って第１の方向に移動させて接合部を形成することと、第２のＦＳＷツールを第２の接合線の長さに沿って第１の方向に移動させて第２の接合部を形成することと、を含み、第１および第２のＦＳＷツールが同時に移動し、第２のＦＳＷツールが第１のＦＳＷツールを追従する、条項１１から１８のいずれかに記載の接合方法。
【0061】
［００６９］条項２０． 互いに対して所定の位置に固定された２つの細長いワークピースによって規定された構造体であって、構造体は、２つの細長いワークピースのそれぞれの縁部の間に画定された接合線を含み、構造体は、接合線の長さにわたって延びる空洞を含む、構造体、ならびに
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツールであって、
空洞内に配置されたハウジングと、
接合線を通って延びハウジングに結合されたピンであって、ハウジングおよび接合線に対して回転して、２つの細長いワークピースを接合線で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピンと、
空洞の外側に配置されピンを囲むショルダーであって、ＦＳＷプロセス中、ハウジングおよび接合線に対して回転するように構成されたショルダーと、を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール、を備える接合アセンブリ。
摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツールであって、
空洞内に配置されたハウジングと、
接合線を通って延びハウジングに結合されたピンであって、ハウジングおよび接合線に対して回転して、２つの細長いワークピースを接合線で接合するＦＳＷプロセスを実行するように構成されたピンと、
空洞の外側に配置されピンを囲むショルダーであって、ＦＳＷプロセス中、ハウジングおよび接合線に対して回転するように構成されたショルダーと、を備える摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）ツール、を備える接合アセンブリ。
【0062】
［００７０］本開示の実施形態を説明するために、頂部、底部、下方、中央、横方向、水平、垂直、前部などの様々な空間的および方向的用語を使用することができるが、このような用語は、単に図面に示された向きに関して使用されていることが理解される。向きは、上部が下部である、またはその逆、水平が垂直になるなど、反転、回転、またはその他の方法で変更することができる。
【0063】
［００７１］本明細書で使用される場合、タスクまたは操作を実行するように「構成された」構造、制限、または要素は、特に、タスクまたは操作に対応する方法で構造的に形成、構築、または適合されている。明確にし、誤解を避けるために言うと、タスクまたは操作を実行するように変更することが単にできるにすぎない対象物は、本明細書で使用されるような、タスクまたは操作を実行するように「構成され」てはいない。
【0064】
［００７２］上記の説明は例示を目的とするものであり、限定するものではないことを理解されたい。例えば、上述の実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用することができる。さらに、特定の状況または材料を本開示の様々な実施形態の教示に適合させるために、その範囲から逸脱することなく、多くの修正を行うことができる。本明細書に記載される寸法および材料の種類は、本開示の様々な実施形態のパラメータを定めることを意図しているが、実施形態は決して限定的なものではなく、例示的な実施形態である。上記の説明を検討すれば、当業者には他の多くの実施形態が明らかになるであろう。したがって、本開示の様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲とともに決定されるべきである。添付の特許請求の範囲および本明細書の詳細な説明において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「ここで（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」は、それぞれ用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な英語での等価物として使用されている。さらに、「第１の」、「第２の」、「第３の」などの用語は単にラベルとして使用されており、それらの対象に数値要件を課すことを意図したものではない。さらに、以下の請求項の限定は、そのような請求項の限定が、さらなる構造を欠いた機能の記述が後に続く「～のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」という語句を明示的に使用しない限り、そしてそれまでは、ミーンズ・プラス・ファンクション形式で書かれてはおらず、米国特許法第１１２条（ｆ）に基づいて解釈されることを意図したものではない。
【0065】
［００７３］この書面による説明は、最良の形態を含む本開示の様々な実施形態を開示するために、また、任意のデバイスまたはシステムの製造および使用、ならびに組み込まれた任意の方法の実行を含む、本開示の様々な実施形態を当業者が実践できるようにするためにも、例を使用している。本開示の様々な実施形態の特許取得可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者が思いつく他の例を含むことができる。このような他の例は、例が、特許請求の範囲の文字通りの表現と異ならない構造要素を有する場合、または例が、特許請求の範囲の文字通りの表現と実質的な違いはない等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【外国語明細書】