▶ エレメント シックス （ユーケイ） リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-09
(54)【発明の名称】摩擦撹拌接合工具組立体
(51)【国際特許分類】
B23K 20/12 20060101AFI20231101BHJP
【ＦＩ】
B23K20/12 344
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023525550
(86)(22)【出願日】2021-11-29
(85)【翻訳文提出日】2023-04-26
(86)【国際出願番号】 EP2021083356
(87)【国際公開番号】W WO2022122446
(87)【国際公開日】2022-06-16
(31)【優先権主張番号】2019611.9
(32)【優先日】2020-12-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】517007574
【氏名又は名称】エレメント シックス （ユーケイ） リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100144451
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 博子
(74)【代理人】
【識別番号】100123630
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邊 誠
(72)【発明者】
【氏名】ゴーシュ サントーヌ
(72)【発明者】
【氏名】ゼピナ ブラニスラヴ
(72)【発明者】
【氏名】カン マリア ルイーズ
(72)【発明者】
【氏名】ロドリゲス スアレス テレサ
(72)【発明者】
【氏名】リナーン デヴィッド
【テーマコード（参考）】
4E167
【Ｆターム（参考）】
4E167BG05
4E167BG06
(57)【要約】
本開示は、工具インサートと工具ホルダの両方に機械的に係合し、それにより相対分離を阻止する保持機構体を含む摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）工具組立体に関する。保持機構体は、工具インサートおよび／または工具ホルダ周りに設けられていて、工具インサートおよび／または工具ホルダと嵌合係合関係をなして結合する環状係止カラーを含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
使用中における回転の中心となる長手方向回転軸線を有する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）工具組立体であって、前記工具組立体は、工具インサートおよび前記工具インサートを同軸状に保持する工具ホルダを含み、前記工具組立体は、前記工具インサートと前記工具ホルダの両方に機械的に係合し、それにより相対的分離を阻止する保持機構体をさらに含み、前記保持機構体は、前記工具インサートおよび／または前記工具ホルダ周りに設けられていて前記工具インサートおよび／または前記工具ホルダと嵌合係合関係をなして結合する環状係止カラーを含む、工具組立体。
【請求項2】
前記工具インサートは、多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）から成る、請求項１記載の工具組立体。
【請求項3】
前記工具インサートは、タングステン・レニウムから成る、請求項１または２記載の工具組立体。
【請求項4】
前記係止カラーは、２つ以上の弧状カラー部分から成る、請求項１～３のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項5】
前記弧状カラー部分は、単一の係止カラーを形成するよう端と端を互いに突き合わせた状態で互いに結合するようになっている、請求項４記載の工具組立体。
【請求項6】
前記弧状カラー部分は、長さ寸法が互いに等しい、請求項４または５記載の工具組立体。
【請求項7】
前記工具インサートは、円周方向に延びる溝を有する、請求項１～６のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項8】
前記溝は、前記工具インサートの周りに部分的に延びている、請求項７記載の工具組立体。
【請求項9】
前記溝は、前記工具組立体の周り全体にわたって延びている、請求項７記載の工具組立体。
【請求項10】
前記工具インサートは、円周方向に延びるフランジを有する、請求項１～９のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項11】
前記フランジは、前記工具インサートの周りに部分的に延びている、請求項１０記載の工具組立体。
【請求項12】
前記溝は、前記工具組立体の周り全体にわたって延びている、請求項１０記載の工具組立体。
【請求項13】
前記保持機構体は、前記工具インサートおよび／または前記工具ホルダに設けられた係止孔と結合する係止ピンを含む、請求項１～１２のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項14】
前記保持機構体は、２本以上の係止ピンを含む、請求項１３記載の工具組立体。
【請求項15】
前記係止ピンは、直径方向反対側に位置している、請求項１４記載の工具組立体。
【請求項16】
前記工具インサートは、第１および第２の端を備えた肩、前記肩の前記１の端から延びる攪拌ピン、前記肩の前記２の端から延びる本体部分を有し、前記攪拌ピン、前記肩および前記本体部分は、一体に形成されている、請求項１～１５のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項17】
前記工具ホルダは、凹みカップを有し、前記工具インサートは、前記凹みカップ内に少なくとも部分的に設けられ、前記凹みカップは、底及び前記工具インサートを受け入れる開口部を有する、請求項１～１６のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項18】
前記凹みカップは、円筒形であり、前記凹みカップは、不変の円形横断面を有し、前記工具インサートは、少なくとも部分的に円筒形である、請求項１７記載の工具組立体。
【請求項19】
前記凹みカップは、部分的に円錐形であり、前記凹みカップは、前記底から遠ざかるにつれて減少する円形横断面を有する、請求項１７記載の工具組立体。
【請求項20】
前記凹みカップは、前記工具インサートの一部分のみを受け入れるように構成されており、その結果、前記本体部分が前記工具ホルダから突き出るようになっている、請求項１７～１９のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項21】
前記回転軸線回りの前記工具インサートと前記工具ホルダの相対運動を阻止する回転防止部材をさらに含む、請求項１～２０のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項22】
前記回転防止部材は、前記凹みカップの底のところに単一のセグメント状段部をを有する、請求項２１記載の工具組立体。
【請求項23】
前記回転防止部材は、前記凹みカップの底のところに２つのセグメント状段部をを有する、請求項２１記載の工具組立体。
【請求項24】
前記回転防止部材は、前記工具ホルダおよび前記工具インサートにそれぞれ設けられた正方形の形をしたボスおよびこれに対応した形の凹部を有し、あるいは、前記工具インサートおよび前記工具ホルダにそれぞれ設けられた正方形の形をしたボスおよびこれに対応した形の凹部を有する、請求項２１記載の工具組立体。
【請求項25】
前記工具インサートと前記工具ホルダとの間のインターフェースのところに設けられた冷却システムをさらに含む、請求項１～２４のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示（本発明）は、工具インサートおよび工具ホルダを含む摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）工具組立体に関する。具体的には、本開示（本発明）は、高温合金鉄および他の高温合金を摩擦撹拌接合するためのＦＳＷ工具組立体に関する。より具体的には、本開示（本発明）は、工具インサートが多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）またはタングステン・レニウム（Ｗ‐Ｒｅ）から成るＦＳＷ工具組立体に関する。
【背景技術】
【0002】
ＦＳＷは、回転中の工具を接合されるべき２つの隣り合う工作物に強く接触させ、そして工具の回転により工作物の摩擦および粘性発熱を生じさせる技術である。混ざり合っているときに広範囲に及ぶ変形が塑性ゾーンに沿って起こる。塑性ゾーンの冷却時、工作物は、溶接接合部に沿って接合される。工作物は、固相のままであるので、このプロセスは、技術的には溶接プロセスではなく鍛造プロセスであるが、それにもかかわらず、このプロセスは、慣例により溶接または摩擦撹拌接合と呼ばれており、本明細書においては、かかる慣例に従う。
【0003】
低温金属のＦＳＷの場合、工具／工具ホルダ全体は、成形工具鋼から成る単一の部品の場合があり、この場合、かかる単一の部品は、「プローブ」と呼ばれる場合が多い。工具が鋼のような高温合金を溶接または接合するためのものである場合、工具は、２つ以上の部品で構成され、端要素が接合中の材料と直接的な接触状態にあり、多くの場合、「パック」または「工具インサート」と呼ばれており、工具の残部がパックをしっかりと保持し、そしてＦＳＷ機中に嵌まり込む「工具ホルダ」であり、その結果、工具パックと工具ホルダは一緒になって、「工具」または「工具組立体」を構成するようになっている。工具パックは、典型的には、肩（ショルダ）および撹拌ピンを形成するよう成形され、多くの場合、逆螺旋状切れ目が表面中に設けられ、その結果、回転中、この切れ目は、金属をピンに引き寄せるとともにこの金属をピンによって形成されている穴の中に押し下げるようになっている。
【0004】
一般に、ＦＳＷ作業は、多数のステップを含み、例えば次の通りである。
ａ）工具が工作物に接触した時点からピンが加熱されるとともに軟化した工作物内に最高肩まで完全に埋め込まれる時点までの侵入または挿入ステップ（プランジ（plunge）ステップとも呼ばれている）、
ｂ）工具が接合されるべき工作物相互間内で直線的に横方向に動く際の工具横送り、および
ｃ）工具が工作物から持ち上げられまたは横送りされながらこれから離れる際の取り出しステップ。
ａ）工具が工作物に接触した時点からピンが加熱されるとともに軟化した工作物内に最高肩まで完全に埋め込まれる時点までの侵入または挿入ステップ（プランジ（plunge）ステップとも呼ばれている）、
ｂ）工具が接合されるべき工作物相互間内で直線的に横方向に動く際の工具横送り、および
ｃ）工具が工作物から持ち上げられまたは横送りされながらこれから離れる際の取り出しステップ。
【0005】
主として溶接部を形成する段階である工具横送りは、通常、一定条件下で行われ、すなわち、典型的には、これら条件は、回転速度、プランジ条件、横送り速度などである。
【0006】
ＰＣＢＮ利用工具は、温度が１１００℃を超える温度に達する過酷なＦＳＷ作業環境に耐えることができる。ＰＣＢＮで作られた工具パックは、費用効果が比較的良好であり、しかも耐久性が高い。しかしながら、ＰＣＢＮパックの製造プロセスの一欠点は、パックを作るもととなるバルクＰＣＢＮ片が必要になるということにある。一体形ＰＣＢＮブロックは、直径５０ｍｍ、高さ５０ｍｍという大きなサイズであることが必要であり、その目的は、ピン高さが１２ｍｍのパックを作ることにあり、かかるパックは、１２ｍｍプレート（板）厚さを溶接・形成することができる。これよりも大きな一体形ＰＣＢＮブロック（およびかくしてＰＣＢＮパック）は、現在のところ、ＰＣＢＮ焼結プロセス中に用いられる高圧高温（ＨＰＨＴ）プレスの制約に起因して実行可能ではない。これよりも大形のプレスは、材料均質性を損なう場合がある。要するに、現時点において実用的に達成できるＰＣＢＮパックのサイズは、厚さ１２ｍｍ以下の板材を溶接・製作できるサイズに限定される。
【0007】
厚さが１２ｍｍを超える鉄製板材を溶接・製作することができるＰＣＢＮ工具および付随工具ホルダを開発することが切に求められている。
【0008】
大形ＰＣＢＮ工具に関して直面する重要な課題は、特に侵入および横送り段階の際に工具を工具ホルダ内に保持することである。場合によっては分離が起こり、この分離は、ＰＣＢＮ工具インサートと典型的には鋼製の工具ホルダとの熱伝導率の不一致によって引き起こされると考えられる。ＦＳＷプロセスの極端な条件に起因して、伝統的な方法や手段、例えばねじは、役立たない。この問題は、ＰＣＢＮ工具インサートの性能を落とし、もしそうでなければ潜在的に得ることができる溶接長さが制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
工具インサートを長期間にわたる使用中、工具ホルダ内に保持する高温合金を溶接するＦＳＷ工具組立体が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明によれば、使用中における回転の中心となる長手方向回転軸線を有する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）工具組立体であって、工具組立体は、工具インサートおよび工具インサートを同軸状に保持する工具ホルダを含み、工具組立体は、工具インサートと工具ホルダの両方に機械的に係合し、それにより相対的分離を阻止する保持機構体をさらに含み、保持機構体は、工具インサートおよび／または工具ホルダ周りに設けられていて工具インサートおよび／または工具ホルダと嵌合係合関係をなして結合する環状係止カラーを含むことを特徴とする工具組立体が提供される。
【0011】
本発明の好ましい特徴および／またはオプションとしての特徴は、従属形式の請求項に記載されている。
【0012】
次に、添付の図面を参照して本発明について具体的に説明するが、これは例示であるに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】組み立て状態にある工具組立体の第１の実施形態の斜視図である。
【図15】これまた組み立て状態にある工具組立体の第２の実施形態の斜視図である。
【図27】別の実施形態に係る工具インサートの斜視図である。
【図31】本発明の一実施形態に係る工具組立体の断面図であり、特に、工具インサートと工具ホルダとの間のブレーズ（ろう）の層を示す図である。
【図34】本発明の別の実施形態に係る工具組立体の断面図であり、特に、ブレーズの領域内の隣に位置する冷却システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
実施形態全体を通じて、類似の部分を同一の参照符号で示しており、簡潔にするためにそれ以上の説明を省く。
【0015】
最初に図１～図４を参照すると、本発明の工具組立体の一実施形態が全体を符号１０で示されている。工具組立体は、多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）工具インサート１２およびＰＣＢＮ工具インサート１２を保持する工具ホルダ１４を含む。工具ホルダ１０は、これが摩擦撹拌接合プロセスにおける使用中に回転の中心となる長手方向回転軸線（図示せず）を有する。この回転軸線は、非対称ねじ山パターンが工具インサート１２に機械加工により設けられていることにより回転対称軸ではないことに注目されたい。工具インサート１２と工具ホルダ１４は、回転軸線回りに同軸状に整列している。
【0016】
工具組立体１０は、工具インサート１０と工具ホルダ１２を互いに機械的に係止し、それによりＦＳＷ中の分離を阻止する保持機構体をさらに含む。この確実な係止作用は、当該技術分野において知られている受動的焼嵌め法とは別ものでありかつこれよりも遙かに優れている。「機械的に係合」する、という表現は、特に、摩擦係合および相対的分離を阻止するために摩擦係合を利用する形態を排除することを意図している。この確実な係止作用はまた、場合によって工具ホルダ周りに取り付けられるねじ山付きねじキャップ構造とは別ものである。この実施形態では、保持機構体は、以下に詳細に説明する係止カラー１６を含む。
【0017】
工具インサート
【0018】
図１０～図１４を参照すると、工具インサート１２は、撹拌ピン１８、肩部分２０および本体部分２２を有し、これらは全て、互いに軸方向整列状態にあり、肩部分２０は本質的に、撹拌ピン１８と本体部分２２との間のインターフェースである。撹拌ピン１８、肩部分２０および本体部分２２は、全て互いに一体形成されており、その結果、工具インサート１２は、一体ものである。工具インサート１２は、ブロックがＨＰＨＴプレス内で焼結された後に単一のＰＣＢＮブロックから機械加工により作られる。
【0019】
撹拌ピン１８は、丸みを帯びた頂点２４から肩部分２０に向かって外方にテーパした円錐形輪郭を有する。撹拌ピン１８は、頂点２４から肩部分２０に向かって下方にかつこの上に延びる内接螺旋特徴部２６を有する。螺旋体２６は、平面状の経路を有し、この平面状の経路は、軸方向に向いており、作業面は、半径方向に向いている。
【0020】
肩部分２０は、ディスク状であり、この肩部分は、撹拌ピン１８の円形底部よりも大きな直径を有する。肩部分２０は、本体部分２２に合体するよう軸方向下方に延びている。
【0021】
本体部分２２は、全体として円筒形である。
【0022】
有利には、円周方向に延びる係止溝２８が肩部分２０の近くで本体部分２２の上側領域に設けられており、保持機構体の一部として係止カラー１６と機械的に嵌合するようになっている。係止溝２８は、本体部分２２の周囲全体に沿ってぐるりと延びている。しかしながら、このことは、そうである必要はなく、別法として、係止溝２８は、本体部分２２の周囲に沿って一部にのみ延びていてもよく、係止カラー１６は、それに応じて構成される。
【0023】
変形実施形態では、工具インサート１２の円周方向に延びる溝２８に代えて円周方向に延びるフランジ（図示せず）が用いられる。フランジは、工具インサート１２周りに部分的に延びてもよく、あるいは、工具インサート１２周り全体にわたって延びてもよい。かかる実施形態では、フランジは、係止カラー１６に設けられた１つ以上の円周方向に延びる溝（図示せず）と協働する。
【0024】
図１１に示すように、２つのセグメント状のスロット３０が本体部分２２の下端部に切欠き・形成されている。セグメント状スロット３０は、互いに直径方向反対側に位置している。セグメント状スロット３０は、工具インサート１２が定位置にありかつ工具ホルダ１４によって支持されているときに、回転防止機構の一部をなすよう２つのセグメント状段部３２（図５参照）と協働する。回転防止機構は、回転軸線回りにおける工具インサート１２と工具ホルダ１４の相対回転運動を阻止する。回転防止機構の別の実施例について後で詳細に説明する。
【0025】
使用にあたり、工具組立体１０の回転は、螺旋体２６が工作物材料流れを肩部分２０のエッジから中心に、そして次に撹拌ピン１８の長さ方向に沿って下方に駆動するようなものである。これにより、工作物材料は、撹拌ゾーン内で循環し、そして工具インサート１２が既知の仕方で横断しているときに撹拌ピン１８により形成される空所を埋めるようになる。
【0026】
工具ホルダ
【0027】
【0028】
幹状部材３６は、中実かつ円筒形（円柱体）である。幹状部材３６の目的は、ＦＳＷ機械への工具組立体１０の連結を容易にすることにある。
【0029】
保持部材３４は、外部が円筒形であり、そして内側に、工具インサート１２を受け入れる凹みカップ３８を有する。凹みカップ３８は、回転軸線を中心として配置されている。凹みカップ３８は、下側底面４０、工具インサート１２を挿入させる上側開口部４２、および底面４０を開口部４２に連結する側壁４４を有する。
【0030】
この実施形態では、側壁４４は、全体として円筒形であり、この側壁は、その長さ周りに不変の円形横断面を有し、少なくとも部分的に円筒形である工具インサートとの併用が意図されている。
【0031】
変形実施形態では、側壁４４は、全体として切頭円錐形であり、その側壁は、直径が底面４０から遠ざかるにつれて増大する円形横断面を有する。凹みカップ３８のこの輪郭は、少なくとも部分的に円錐形である工具インサートとの併用が意図されている。
【0032】
凹みカップ３８は、本体部分２２の一部分だけを受け入れるような寸法および形状に設定されており、その結果、結合されると、工具インサート１２は、肩部分２０が露出された状態で工具ホルダ１４から突き出るようになっている。
【0033】
凹みカップ３８の内側輪郭が円錐形であるか円筒形であるかとは関係なく、２つのセグメント状段部３２が側壁４４に組み込まれる。したがって、側壁４４は、図２２に示すように縦断面で見て段（ステップ）が付けられている。セグメント状段部３２は、上述の回転防止機構の一部をなす。工具インサート１２が凹みカップ３８内の位置にあるとき、セグメント状段部３２は、工具インサート１２のセグメント状スロット３０に当接し、それにより工具ホルダ１４に対する工具インサート１２の回転を阻止する。これは、工具インサートが次第に弛み状態になって工具ホルダ１４から外れる場合のある１つのあり方なので、回転を回避することが重要である。
【0034】
保持機構体
【0035】
上述したように、保持機構体は、係止カラー１６（図７）および工具インサート１２に設けられた円周方向に延びる溝２８を含む。オプションとして、保持機構体は、係止カラー１６の下に配置された高温シールをさらに含む。
【0036】
図１および図６に示すように、係止カラー１６は、２つの弧状カラー部分１６ａ，１６ｂを有し、ただし、これとは異なりそれ以上のカラー部分を使用することができる。好ましくは、弧状カラー部分１６ａ，１６ｂは、長さが等しく設定されている。本質的には、弧状カラー部分１６ａ，１６ｂは、しっかりと端と端を付き合わせた状態で結合し、それにより単一のリングを形成するようになっている。係止カラー１６を弧状のカラー部分１６ａ，１６ｂの状態で設けることにより、工具インサート１２および／または工具ホルダ１４周りの密嵌めが可能であるが、圧縮力は生じない。
【0037】
係止カラー１６は、環状であり、より具体的にはリング状であり、Ｌ字形横断面を備えている。工具インサート１２が工具ホルダ１４で支持された状態で現場に位置しているとき、係止カラー１６は、工具ホルダの開口部４２周りにそのリムに当たった状態で延びる。係止カラー１６もまた、保持部材３４の外面４６に当たった状態で設けられる。係止カラー１６は、嵌合係合関係をなした状態で工具インサート１２の円周方向に延びる溝２８中に延びる。弧状カラー部分１６ａ，１６ｂは、互いにしっかりと連結されたとき、工具インサート１２を工具ホルダ１４内にしっかりと保持された状態で定位置に保持し、それにより工具インサート１２が工具ホルダ１４から外れないようにする。
【0038】
図１５～図２６を参照すると、工具組立体の変形実施形態が全体を符号１００で示されている。工具組立体１００は、別の実施形態としての工具インサート１１２および別の実施形態としての工具ホルダ１１４を含む。この実施形態では、保持機構体は、工具インサート１１２および／または工具ホルダ１１４に設けられた係止孔５０と結合する係止ピン４８を含む。好ましい実施形態では、保持機構体は、２本以上の係止ピン４８を含む。２本の係止ピン４８は、互いに直径方向反対側に位置している。好ましくは、係止ピン４８は、応力を最小限に抑えるために軟鋼から作られる。一実施形態では、係止孔５０は、工具ホルダ１１４を貫通して設けられた半径方向に延びる貫通穴５２、および工具インサート１１２に設けられるとともに工具ホルダ１１４の貫通穴５２と整列した半径方向に延びる止まり穴５４を含む。
【0039】
図２７～図３０は、符号２１２で示された工具インサートの別の実施形態における回転防止機構の別の実施例を示している。回転防止部材は、工具ホルダの下面に設けられた正方形の形をしているボスおよび工具インサート１１２に設けられたこれに対応した形の凹部５６を有する。別の実施例として、正方形のボスは、工具インサートに設けられてもよく、正方形の凹部は、工具ホルダ１１４の底面４０に設けられてもよい。
【0040】
工具ホルダ材料
【0041】
上述の機械的ソリューションを補足する保持機構体のもう１つの観点は、工具ホルダ材料である。保持部材３４および幹状部材３６は、好ましくは、互いに一体に形成されそれにより工具ホルダ１４は、単一の部品になる。しかしながら、これらの部材は、２つの別々のコンポーネントとして作られてもよく、これら部材は、２つの別々の材料を含みまたは２つの別々の材料から成り、そして、その後に互いに接合される。
【0042】
工具ホルダ１２は、高温高力合金から成る。例えば、工具ホルダ１２は、次の材料、すなわち、NIMONIC （登録商標）80A 、インコネル合金（ニッケル‐クロム系超合金の等級）、Ｗ‐Ｎｉ（タングステン‐ニッケル）合金、ＴＺＭ（モリブデン‐チタン‐ジルコニウム）、高エントロピー合金のうちの任意の１つ以上から成るのがよい。一般に、これら合金は、高温でも強度が良好であることを特徴とする。
【0043】
高エントロピー合金であるNIMONIC （登録商標）80A およびＡｌ4Ｎｂ4ＨＥＡから成る工具ホルダ１４について実施された試験の結果、工具ホルダ１４内への優れた工具インサート１２保持作用が得られた。理論に束縛されるものではないが、温度がＦＳＷの初期段階中に増大するにつれて合金が軟化し、それにより工具インサート１２が工具ホルダ１４を１０～５０ミクロンの深さまで凹ませることができるということが考えられる。プランジ段階がいったん完了すると、次に、析出硬化が熱サイクル動作に起因して起こり、それにより合金を硬化させるとともに驚くべきこととして工具インサート１２を定位置に把持する。
【0044】
何種類かの材料に関し、析出硬化ではなく、別のまたは追加の硬化機構、例えばひずみ硬化および／または相変化がトリガされる。これらは、高温ではＦＳＷプロセス中、しかも工具ホルダが荷重を受けている間に意図的に起こる。硬化機構の作用効果は、工具インサートを工具ホルダ内に保持するよう利用される。
【0045】
ろう付けおよび材料
【0046】
別の実施形態では、工具組立体３００は、工具インサート１２と工具ホルダ１４との間に位置するブレーズ層３０２をさらに有し、これについては図３１を参照されたい。ブレーズ層３０２は、工具インサート１２および工具ホルダ１４に化学的に結合し、それにより、これら相互間に強固な接合部が形成される。ろう付け材３０２は、工具がプランジング（plunging）中に落ち込むことがないようにするに足るほどの強度を提供する。次に摩擦に起因して生じる熱は、工具ホルダ１４を変形させ、工具インサート１２は、上述の硬化機構により工具ホルダ１４中にめり込む。
【0047】
好ましくは、ブレーズ層３０２は、パラジウム系合金、例えばジョンソン・マッセイ（Johnson Matthey （商標））社製の適当に選択されたPallabraze（商標）フィラー金属から成る。かかる合金は、良好な耐酸化性および高温での良好な強度を示す。適当に選択されると、パラジウム系合金は、９５０℃を超える融解温度を有しかつ高温での高い剪断強度を有する。
【0048】
本用途に適した別のブレーズ材料としては、ジョンソン・マッセイ（Johnson Matthey （商標））社製のアクティブ・ブレージング・アロイ（ABA （登録商標））、モルガン・アドバンスド・マテリアルズ（Morgan Advanced Materials （商標））社製のTicusil（登録商標）およびNiCrInMn合金が挙げられる。
【0049】
組み立て中、ろう付けは、高温かつ高真空下で行われ、圧力は、＞１０-5ｂａｒである。
【0050】
本発明者は、予期せぬこととして、ろう付けが１２ｍｍよりも厚い鋼板を接合する上で実施可能な技術であるという知見を得た。厚手の板を接合するための従来の制限要因は、撹拌ピン１８の長さであり、その結果としてのＰＣＢＮ工具インサート１２の全体的サイズである。工具インサートについての先行技術の設計により、ピン厚さが高い工具インサートに対応するための大形ＰＣＢＮブロック（「シリンダ」とも呼ばれる）の製造は、ＨＰＨＴプレスダイボア長さに対する制約ならびに背の高いＨＰＨＴカプセルに起因して生じる不均一な圧力分布に起因して、とてつもない難題である。加圧用の長いシリンダを用いることなく撹拌ピン１８の高さを増大させることは、製造の面で顕著な利点をもたらす。
【0051】
フィラー金属を用いて工具インサートを工具ホルダに取り付ける場合、工具インサートの全高を著しく短くすることができ、と言うのは、工具インサートを定位置に焼嵌めするのに必要な広い表面積がもはや必要とされないからである。有利には、このことはまた、一般的に用いられるねじ山付きねじキャップは工具ホルダ周りに設けられるが、かかるねじ山付きねじキャップを省くことができ、それにより費用面での利益をもたらすと言うことを意味している。
【0052】
短い工具インサート１２を用いると、通常結果的に破損を生じる工具インサート中のピーク応力もまた、既存の設計例と比較して著しく小さくなり、これについては図３２を参照されたい。有限要素解析モデル化の示すところによれば、平均応力がろう付け設計例においては高いにもかかわらず、ろう付け設計例のピーク応力は、既存の設計例よりも約５０％低く、これについては図３３を参照されたい。
【0053】
ブレーズを用いて工具インサートと工具ホルダを結合することなく、その代わりに、高温グルーおよび他の類似の接着剤を用いるこということが想定される。同様に、機械的結合もまた実施可能である。
【0054】
冷却システム
【0055】
図３４に示すように、工具組立体３００は、冷却システム３０４を含むのがよい。冷却システム３０４は、ブレーズ接合部を保護する。オプションとして、冷却システム３０４は、冷却剤、例えば水を運ぶ導管網を含む。オプションとして、冷却システム３０４は、例えば蛇行状パターンをなして設けられた単一の導管から成っていてもよい。好ましくは、冷却システム３０４は、ブレーズ領域の温度を１５０℃未満の温度に維持するようになっている。
【0056】
理想的には、導管は、工具ホルダ１４の底面４０内にまたはこの近くに配置される。冷却システム３０４の配設範囲はまた、凹みカップ３８の側壁４４まで完全に及ぶのがよい。変形例として、冷却システム３０４は、底面４０ではなく側壁４４内にまたはこの背後に配置されてもよく、ただし、この配置は、実効性が低い。
【0057】
このように、冷却システム３０４は、ＦＳＷ中に生じる熱を運び去ることができ、かかる熱は、撹拌ピン１８および肩部分２０のところで生じ、またこの熱は、工具インサート１２の本体部分２２を通って伝導される。工具インサート１２と工具ホルダ１４との間のブレーズ領域の温度を低くすることにより、接合部は、高い温度から遮蔽され、もしそのようにしなければ生じるブレーズ強度に対する悪影響が最小限に抑えられる。これは、工具ホルダ１４内への工具インサート１２の保持を容易にする。
【0058】
本発明を実施形態と関連して具体的に図示するとともに説明したが、当業者であれば理解されるように、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部における種々の変更を行うことができる。
【0059】
例えば、回転防止機構に関し、たった１つの組をなすセグメントスロットおよび段部を上述の２つの組に代えて用いることができる。同様に、これに代えて、３つ以上の組をなすセグメントスロットおよび段部を設けてもよい。
【0060】
機械式保持機構体は、次の要素、すなわち、ブレーズ層、指定された工具ホルダ材料（すなわち、高温高力合金）および／または冷却システムのうちの任意の１つ以上と関連して使用できる。しかしながら、これら要素のうちの任意の１つがそれ自体の利益をもたらす。したがって、これら要素は、個々にまたはリスト中の他の要素のうちの任意の１つ以上と組み合わせて具体化できる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【手続補正書】
【提出日】2023-04-26
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
使用中における回転の中心となる長手方向回転軸線を有する摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）工具組立体であって、前記工具組立体は、工具インサートおよび前記工具インサートを同軸状に保持する工具ホルダを含み、前記工具組立体は、前記工具インサートと前記工具ホルダの両方に機械的に係合し、それにより相対的分離を阻止する保持機構体をさらに含み、前記保持機構体は、前記工具インサートおよび／または前記工具ホルダ周りに設けられていて前記工具インサートおよび／または前記工具ホルダと嵌合係合関係をなして結合する環状係止カラーを含み、前記工具インサートは、円周方向に延びる溝を有する、工具組立体。
【請求項2】
前記工具インサートは、多結晶質立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）から成る、請求項１記載の工具組立体。
【請求項3】
前記工具インサートは、タングステン・レニウムから成る、請求項１または２記載の工具組立体。
【請求項4】
前記係止カラーは、２つ以上の弧状カラー部分から成る、請求項１～３のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項5】
前記弧状カラー部分は、単一の係止カラーを形成するよう端と端を互いに突き合わせた状態で互いに結合するようになっている、請求項４記載の工具組立体。
【請求項6】
前記弧状カラー部分は、長さ寸法が互いに等しい、請求項４または５記載の工具組立体。
【請求項7】
前記溝は、前記工具インサートの周りに部分的に延びている、請求項１記載の工具組立体。
【請求項8】
前記溝は、前記工具組立体の周り全体にわたって延びている、請求項１記載の工具組立体。
【請求項9】
前記工具インサートは、円周方向に延びるフランジを有する、請求項１～８のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項10】
前記フランジは、前記工具インサートの周りに部分的に延びている、請求項９記載の工具組立体。
【請求項11】
前記溝は、前記工具組立体の周り全体にわたって延びている、請求項９記載の工具組立体。
【請求項12】
前記保持機構体は、前記工具インサートおよび／または前記工具ホルダに設けられた係止孔と結合する係止ピンを含む、請求項１～１１のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項13】
前記保持機構体は、２本以上の係止ピンを含む、請求項１２記載の工具組立体。
【請求項14】
前記係止ピンは、直径方向反対側に位置している、請求項１３記載の工具組立体。
【請求項15】
前記工具インサートは、第１および第２の端を備えた肩、前記肩の前記１の端から延びる攪拌ピン、前記肩の前記２の端から延びる本体部分を有し、前記攪拌ピン、前記肩および前記本体部分は、一体に形成されている、請求項１～１４のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項16】
前記工具ホルダは、凹みカップを有し、前記工具インサートは、前記凹みカップ内に少なくとも部分的に設けられ、前記凹みカップは、底及び前記工具インサートを受け入れる開口部を有する、請求項１～１５のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項17】
前記凹みカップは、円筒形であり、前記凹みカップは、不変の円形横断面を有し、前記工具インサートは、少なくとも部分的に円筒形である、請求項１６記載の工具組立体。
【請求項18】
前記凹みカップは、部分的に円錐形であり、前記凹みカップは、前記底から遠ざかるにつれて減少する円形横断面を有する、請求項１６記載の工具組立体。
【請求項19】
前記凹みカップは、前記工具インサートの一部分のみを受け入れるように構成されており、その結果、前記本体部分が前記工具ホルダから突き出るようになっている、請求項１６～１８のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項20】
前記回転軸線回りの前記工具インサートと前記工具ホルダの相対運動を阻止する回転防止部材をさらに含む、請求項１～１９のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【請求項21】
前記回転防止部材は、前記凹みカップの底のところに単一のセグメント状段部を有する、請求項２０記載の工具組立体。
【請求項22】
前記回転防止部材は、前記凹みカップの底のところに２つのセグメント状段部を有する、請求項２０記載の工具組立体。
【請求項23】
前記回転防止部材は、前記工具ホルダおよび前記工具インサートにそれぞれ設けられた正方形の形をしたボスおよびこれに対応した形の凹部を有し、あるいは、前記工具インサートおよび前記工具ホルダにそれぞれ設けられた正方形の形をしたボスおよびこれに対応した形の凹部を有する、請求項２０記載の工具組立体。
【請求項24】
前記工具インサートと前記工具ホルダとの間のインターフェースのところに設けられた冷却システムをさらに含む、請求項１～２３のうちいずれか一に記載の工具組立体。
【国際調査報告】