DE102017007520A1

DE102017007520A1 - Metallelement-Verbindungsvorrichtung und Verbindungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102017007520A1
Application number: DE102017007520.4A
Authority: DE
Inventors: Masanori Nakai; Akira Hashimoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2018-03-01
Also published as: JP6504134B2; CN107775169A; US11161196B2; JP2018030166A; CN107775169B; US20180056433A1

Abstract

Eine Metallelement-Verbindungsvorrichtung umfasst eine Druckausübungseinheit, eine Stromversorgungseinheit und eine Verformungsunterdrückungseinheit. Die Druckausübungseinheit übt einen Druck auf ein erstes Metallelement in der Richtung eines Lochabschnitts eines zweiten Metallelements aus, so dass das erste Metallelement in den Lochabschnitt gepresst wird. Die Stromversorgungseinheit führt einen Schweißstrom zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement zu. Die Verformungsunterdrückungseinheit unterdrückt die Verformung von einem des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements, wobei das eine Element ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur aufweist, die niedriger ist als diejenigen des anderen Elements, wobei die Verformung in einer Richtung eines Querschnitts vorliegt, welche die Richtung des Einpressens kreuzt. Ferner ist die Verformungsunterdrückungseinheit in einem Bereich bereitgestellt, der mindestens einen Bereich des plastischen Fließens in der Einpressrichtung umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metallelement-Verbindungsvorrichtung und ein Verbindungsverfahren dafür.
Stand der Technik
Als Verfahren zum Verbinden eines ersten Metallelements mit einer Stabform oder einer zylindrischen Form und eines zweiten Metallelements mit einer Ringform wird ein Verbindungsverfahren eingesetzt, bei dem, während eines der Elemente in einen Lochabschnitt des anderen Elements gepresst wird, ein starker Strom in einem kurzen Zeitraum durch die Elemente geleitet wird. Insbesondere wird zuerst ein Querschnitt des ersten Metallelements auf eine größere Größe eingestellt als ein Querschnitt des Lochabschnitts des zweiten Metallelements. Zusätzlich ist ein vorderer Endabschnitt des ersten Metallelements konisch und eine Öffnungskante des Lochabschnitts des zweiten Metallelements ist ebenfalls konisch.
Als nächstes fließt, während das erste Metallelement in den Lochabschnitt des zweiten Metallelements eingepasst ist, fließt ein starker Strom in einem kurzen Zeitraum, während Druck ausgeübt wird. Als Ergebnis werden eine Außenumfangsoberfläche des ersten Metallelements und ein Seitengrenzflächenabschnitt des zweiten Metallelements erweicht und plastisch fließfähig gemacht, so dass an dem Grenzflächenabschnitt ein Festphasenverbinden bewirkt wird.
In dem vorstehend genannten Verbindungsverfahren ist es unwahrscheinlich, dass ein Verbindungsabschnitt und ein Randbereich bzw. Umfang davon eine Verschmorung oder eine Dehnbeanspruchung aufweist, da ein großer Strom in einem kurzen Zeitraum angelegt wird, so dass ein hochpräzises Verbinden ermöglicht wird. Zusätzlich kann verglichen mit einem Verbinden mittels Lichtbogenschweißen oder Löten eine weitere Kostensenkung realisiert werden.
JP 2006-181627 A offenbart eine Technik zum Verbinden von verschiedenen Arten von Metallen mit voneinander verschiedenen physikalischen Eigenschaften (Schmelztemperatur, Dehngrenze und dergleichen), so dass eine Gewichtsverminderung und eine Kostensenkung realisiert werden.
Wenn ein Verbindungsverfahren, wie es vorstehend beschrieben ist, gemäß der herkömmlichen Technik zum Verbinden von verschiedenen Arten von Metallen mit voneinander verschiedenen physikalischen Eigenschaften eingesetzt wird, ist es jedoch erforderlich, dass ein großes Stauchausmaß vorliegt, um eine Verbindungsfestigkeit sicherzustellen, was zu einer Zunahme der Größe und des Gewichts eines Verbindungsteils führt.
Gegenstände, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung für das vorstehend genannte Problem berücksichtigt worden sind, werden unter Bezugnahme auf die 10 beschrieben. Die 10 zeigt einen Zustand, bei dem ein erstes Metallelement 900, das aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist, und ein zweites Metallelement 901, das aus einer Aluminiumlegierung (Al-Legierung) hergestellt ist, unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Verbindungsverfahrens verbunden werden. Wie es in der 10 gezeigt ist, wird in dem Verbindungsverfahren eine konische Oberfläche 900a des ersten Metallelements 900 gegen eine konische Oberfläche 901b des zweiten Metallelements 901 gepresst (Pfeil A₉₀) und plastisch fließfähig gemacht, was aufgrund der Bildung einer Diffusionsschicht 902 zu einem Festphasenverbinden führt.
Da jedoch die Schmelztemperatur des zweiten Metallelements 901, das aus einer Al-Legierung hergestellt ist, niedriger ist als diejenige von Kohlenstoffstahl, schmilzt die Al-Legierung in einer anfänglichen Stufe des Verbindens, so dass sie zu einem Grat 903 wird, der nach außen vorragt. Dies erzeugt einen nicht verbundenen Abschnitt Ar₀. Zusätzlich wird aufgrund einer Differenz der Dehngrenze zwischen der Al-Legierung und Kohlenstoffstahl das zweite Metallelement 901 verformt. Unter diesen Umständen erfordert die herkömmliche Technik ein großes Stauchausmaß zum Sicherstellen einer Verbindungsfestigkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung, die eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrücken kann, während sie eine hohe Verbindungsfestigkeit sicherstellt, sowie eines Verbindungsverfahrens dafür.
Eine Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Verbindungsvorrichtung zum Pressen eines ersten Metallelements mit einer Stabform oder einer zylindrischen Form in einen Lochabschnitt eines zweiten Metallelements mit einer Ringform zum Verbinden des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements.
Das erste Metallelement, bei dem es sich um eines der zu verbindenden Elemente handelt, ist aus einem ersten Metallmaterial hergestellt.
Das zweite Metallelement, bei dem es sich um das andere zu verbindende Element handelt, ist aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt, das von dem ersten Metallmaterial verschieden ist und den Lochabschnitt mit einem Querschnitt aufweist, der eine geringere Größe als der Querschnitt des ersten Metallelements aufweist.
Ferner umfasst die Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts eine Druckausübungseinheit, eine Stromversorgungseinheit und eine Verformungsunterdrückungseinheit.
Die Druckausübungseinheit übt einen Druck auf das erste Metallelement in der Richtung des Lochabschnitts des zweiten Metallelements aus, so dass das erste Metallelement in den Lochabschnitt gepresst wird.
Die Stromversorgungseinheit führt einen Schweißstrom zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement zu.
Die Verformungsunterdrückungseinheit unterdrückt eine Verformung von einem des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements, wobei das eine Element ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur aufweist, die niedriger ist als diejenige des anderen Elements, wobei die Verformung in einer Richtung des Querschnitts stattfindet, welche die Richtung des Einpressens kreuzt.
Dabei ist die Verformungsunterdrückungseinheit in einem Bereich bereitgestellt, der mindestens einen plastischen Fließbereich in der Einpressrichtung umfasst.
In der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts ist die Verformungsunterdrückungseinheit bereitgestellt, die eine Verformung eines Elements, das ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur, die niedriger ist als diejenige des anderen Elements, aufweist, in der Querschnittsrichtung unterdrückt. Daher ist es möglich, eine Verformung des Elements mit dem niedrigeren Wert nach dem Pressen des ersten Metallelements in den Lochabschnitt des zweiten Metallelements durch die Druckausübungseinheit und dem Beginnen eines Stromflusses zu unterdrücken.
Zusätzlich können, da die Verformungsunterdrückungseinheit in einem Bereich bereitgestellt ist, der den plastischen Fließbereich umfasst, die Erzeugung und das Vorragen von Graten nach außen in dem Bereich effektiv unterdrückt werden.
Demgemäß ermöglicht die Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts beim Verbinden von verschiedenen Arten von Metallelementen (des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements), deren Metallbestandteilsmaterialien jeweils mindestens eines von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur aufweisen, die voneinander verschieden sind, das Unterdrücken einer Zunahme des Stauchausmaßes, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Verformungsunterdrückungseinheit in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht zum Erläutern einer Funktion, die durch die Verformungsunterdrückungseinheit ausgeführt wird;
4 ist eine schematische Schnittansicht, die ein erstes Metallelement und ein zweites Metallelement zeigt, die unter Verwendung der Metallelement-Verbindungsvorrichtung verbunden worden sind;
5 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
6 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Verformungsunterdrückungseinheit in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung zeigt;
7 ist eine schematische Schnittansicht, die ein erstes Metallelement und ein zweites Metallelement zeigt, die unter Verwendung der Metallelement-Verbindungsvorrichtung verbunden worden sind;
8 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Verformungsunterdrückungseinheit von Konfigurationen einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
9 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Verformungsunterdrückungseinheit von Konfigurationen einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt; und
10 ist eine schematische Schnittansicht, die ein erstes Metallelement und ein zweites Metallelement zeigt, die unter Verwendung einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des Standes der Technik verbunden worden sind.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Im Folgenden zu beschreibende Ausführungsformen sind lediglich gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung und die vorliegende Erfindung ist nicht durch die nachstehend angegebenen Ausführungsformen beschränkt, ausgenommen deren wesentlicher Aufbau.
[Erste Ausführungsform]
1. Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1
Der Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst die Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Basis 10, eine Druckausübungseinheit 19, eine Verformungsunterdrückungseinheit 17 und eine Schweißstromversorgungseinheit 18. Die Basis 10 ist trapezförmig. Ein zweites Metallelement 101 ist auf einer oberen Oberfläche 10a der Basis 10 angeordnet. Die Druckausübungseinheit 19 weist einen Schweißkopf 11, einen Druckausübungsstab 12 und einen Druckausübungsmechanismus (nicht gezeigt) auf.
Der Schweißkopf 11 ist mit dem Druckausübungsstab 12 verbunden und kann in einer Z-Achsenrichtung abgesenkt werden, wie es durch den Pfeil A₁ angegeben ist. Ein erstes Metallelement 100 ist durch den Schweißkopf 11 gehalten. Dabei kann die Vorrichtung auch so ausgebildet werden, dass dann, wenn das erste Metallelement 100 so eingestellt ist, dass es auf dem zweiten Metallelement 101 angeordnet ist, der Schweißkopf 11 abgesenkt werden kann, so dass auf das erste Metallelement 100 Druck ausgeübt wird.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist der Druckausübungsstab 12 so mit dem Druckausübungsmechanismus gekoppelt, dass er einhergehend mit einem Antrieb des Druckausübungsmechanismus in der Z-Achsenrichtung angehoben und abgesenkt wird. Spezifische Beispiele für den Druckausübungsmechanismus umfassen einen Pneumatikzylinder, einen Hydraulikzylinder, einen Elektromotor und dergleichen.
Die Verformungsunterdrückungseinheit 17 weist ein Paar von Verformungsunterdrückungsköpfen 13 und 14, Pressstäbe 15 und 16, die mit den jeweiligen Verformungsunterdrückungsköpfen 13 und 14 verbunden sind, und einen Pressmechanismus (nicht gezeigt) auf. Die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 sind so angeordnet, dass sie einen Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements 101 umgeben, das auf der oberen Oberfläche 10a der Basis 10 angeordnet ist. Der Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements 101 und Innenumfangsabschnitte der Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 stehen näherungsweise ohne Spalt in einem engen Kontakt miteinander.
Die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 sind so ausgebildet, dass sie den Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements 101 beim Aufnehmen einer Presskraft mittels der Pressstäbe 15 und 16 in einer Querschnittsrichtung, wie sie durch die Pfeile A₂ und A₃ angegeben ist, einwärts pressen. Obwohl dies nicht gezeigt ist, sind die Pressstäbe 15 und 16 so mit dem Pressmechanismus gekoppelt, dass sie sich einhergehend mit einem Antrieb des Pressmechanismus in einer X-Richtung vorwärts und rückwärts bewegen. Spezifische Beispiele für den Pressmechanismus umfassen einen Pneumatikzylinder, einen Hydraulikzylinder, einen Elektromotor und dergleichen.
Vorstehend stellt eine „Querschnittsrichtung” eine Richtung orthogonal zu einer Einpressrichtung des ersten Metallelements 100 in einen Lochabschnitt 101a des zweiten Metallelements 101 dar (eine Ebenenrichtung orthogonal zu der Z-Richtung). In der vorliegenden Offenbarung gilt dies auch für andere Teile.
Dabei wird das Pressen durch die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 synchron mit dem Ausüben von Druck auf den Schweißkopfs 11 durchgeführt. Insbesondere beginnen zu dem Zeitpunkt (synchron mit), bei dem ein vorderes Ende des ersten Metallelements 100 beginnt, in den Lochabschnitt 101a des zweiten Metallelements 101 gepresst zu werden, nachdem der Schweißkopf 11 abgesenkt worden ist, wie es durch den Pfeil A₁ angegeben ist, die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 damit, den Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements 101 zu pressen, wie es durch die Pfeile A₂ und A₃ angegeben ist.
Eine Presskraft und ein Presshub der Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 werden so eingestellt, dass der Durchmesser des Außenumfangsabschnitts des zweiten Metallelements 101 nicht um ein vorgegebenes Ausmaß oder mehr vermindert wird.
Die Schweißstromversorgungseinheit 18 führt in einem kurzen Zeitraum einen starken Strom zwischen dem ersten Metallelement 100 und dem zweiten Metallelement 101 zu. Obwohl die 1 zeigt, dass die Verdrahtung direkt von der Schweißstromversorgungseinheit 18 zu dem ersten Metallelement 100 und dem zweiten Metallelement 101 verbunden ist, ist der Verdrahtungsmodus in der Praxis nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die Basis 10 und der Schweißkopf 11 aus einem leitfähigen Material ausgebildet sein, so dass ein Strom von der Schweißstromversorgungseinheit 18 mittels der Basis 10 und dem Schweißkopf 11 zugeführt wird.
Insbesondere kann als Schweißstromversorgungseinheit 18 eine Starkstromversorgungsvorrichtung eingesetzt werden, die einen Elektrolytkondensator, einen Schweißtransformator, eine Entladungsschaltung und eine Starkstromschaltung umfasst. Die Schweißstromversorgungseinheit 18 ist eine Vorrichtung, die einmal den Elektrolytkondensator mit elektrischer Energie lädt, die zum Schweißen erforderlich ist, und die elektrische Energie in einem kurzen Zeitraum zu dem Transformator entlädt, wodurch zwischen dem ersten Metallelement 100 und dem zweiten Metallelement 101 in einem kurzen Zeitraum ein starker Strom zugeführt wird.
2. Erstes Metallelement 100 und zweites Metallelement 101, die verbunden werden sollen
Anschließend werden das erste Metallelement 100 und das zweite Metallelement 101, die verbunden werden sollen, unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben.
Wie es in der 1 gezeigt ist, weist das erste Metallelement 100 eine massive Stabform auf. Dann wird das erste Metallelement 100 so angeordnet, dass eine Achse davon entlang der Z-Richtung vorliegt.
Ein unteres Ende des ersten Metallelements 100 in der Z-Richtung, d. h., eine Außenumfangsoberfläche einer vorderen Endseite, die in den Lochabschnitt 101a des zweiten Metallelements 101 gepresst werden soll, ist ein konischer Abschnitt 100a.
Zusätzlich weist das erste Metallelement 100 einen Querschnittsdurchmesser auf, der größer ist als ein Lochdurchmesser des Lochabschnitts 101a des zweiten Metallelements 101.
Ein Metallbestandteilsmaterial des ersten Metallelements 100 ist ein Metallmaterial, das Eisen (Fe) enthält und das insbesondere aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist S35C als ein Beispiel angegeben. Die Streckgrenze (Dehngrenze) von S35C beträgt nicht weniger als 305 N/mm² und die Schmelztemperatur beträgt 1538°C. Ferner beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient 11,7 × 10^–6/°C.
Andererseits weist das zweite Metallelement 101, das ringförmig ist, den Lochabschnitt 101a mit einem Durchmesser auf, der kleiner ist als der Querschnittsdurchmesser des ersten Metallelements 100. In dem zweiten Metallelement 101 ist ein Einpressseitenrand des Lochabschnitts 101a ein konischer Abschnitt 101b. Der Kegelwinkel des konischen Abschnitts 101b ist etwa mit dem Kegelwinkel des konischen Abschnitts 100a des ersten Metallelements 100 identisch.
Das zweite Metallelement 101 ist ein Metallmaterial, das Aluminium (Al) enthält, und ist insbesondere aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. In der vorliegenden Ausführungsform wird als ein Beispiel A5056 (H34) verwendet, wobei es sich um eine Aluminiumlegierung auf Al-Mg-Basis handelt. Die Streckgrenze (Dehngrenze) von A5056 (H34) beträgt 230 N/mm² und die Schmelztemperatur beträgt 568 bis 638°C. Ferner beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient 26,3 × 10^–6/°C.
3. Aufbau der Verformungsunterdrückungseinheit 17
Der Aufbau der Verformungsunterdrückungseinheit 17, die in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt ist, wird ergänzend unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben. Die 2 ist eine schematische Draufsicht, welche die Verformungsunterdrückungseinheit 17 in einer Draufsicht zeigt, die in der Z-Richtung in der 1 von oben betrachtet wird.
Wie es in der 2 gezeigt ist, weisen die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 in der Verformungsunterdrückungseinheit 17 jeweils eine Halbringform auf. Der Verformungsunterdrückungskopf 13 und der Verformungsunterdrückungskopf 14 sind so angeordnet, dass deren Endseiten einander gegenüberliegen.
Das zweite Metallelement 101 mit dem Lochabschnitt 101a weist einen Außenumfangsabschnitt 101c auf, entlang dem die Innenumfangsoberflächen der Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 näherungsweise ohne Spalt bereitgestellt sind. Zwischen den Verformungsunterdrückungsköpfen 13 und 14, die mit dem Außenumfangsabschnitt 101c des zweiten Metallelements 101 in Kontakt sind, sind die Spalte G₁ und G₂ bereitgestellt. Die Spalte G₁ und G₂ sind kleine Spalte.
Der Grund für die Bereitstellung der Spalte G₁ und G₂ zwischen den Verformungsunterdrückungsköpfen 13 und 14, die mit dem Außenumfangsabschnitt 101c des zweiten Metallelements 101 in Kontakt sind, ist die Unterdrückung einer Verformung des zweiten Metallelements 101 selbst mit einer Abmessungstoleranz des zweiten Metallelements 101 oder Abmessungstoleranzen der Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14.
4. Verbinden des ersten Metallelements 100 und des zweiten Metallelements 101 mit der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1
Das Verbinden des ersten Metallelements 100 und des zweiten Metallelements 101 mit der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1, die in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut ist, wird in der folgenden Weise durchgeführt.

(i) Das erste Metallelement 100 wird hergestellt und an dem Schweißkopf 11 angesetzt. Wie es in der 1 gezeigt ist, wird beim Ansetzen des ersten Metallelements 100 an den Schweißkopf 11 das erste Metallelement 100 so angesetzt, dass an einem Außenumfang des vorderen Endes davon der konische Abschnitt 100a auf die Seite der Basis 10 gerichtet ist.
(ii) Das zweite Metallelement 101 wird hergestellt und auf der oberen Oberfläche 10a der Basis 10 angeordnet. Dabei wird das zweite Metallelement 101 so angeordnet, dass die Seite, auf welcher der konische Abschnitt 101b an dem Einpressseitenrand bereitgestellt ist, auf die Seite des Schweißkopfs 11 gerichtet ist. Zusätzlich wird eine Positionseinstellung derart durchgeführt, dass die Mitte des Lochs des Lochabschnitts 101a in dem zweiten Metallelement 101 mit einer Achse des ersten Metallelements 100, das an den Schweißkopf 11 angesetzt ist, zusammenfällt.
(iii) Die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 der Verformungsunterdrückungseinheit 17 werden auf den Außenumfangsabschnitt 101c des zweiten Metallelements 101 eingestellt. Auf dieser Stufe wird angenommen, dass die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 einfach derart auf den Außenumfangsabschnitt 101c des zweiten Metallelements 101 eingestellt werden, dass kein Spalt vorliegt, und einwärts in einer radialen Richtung keine Presskraft ausgeübt wird.
(iv) Der Schweißkopf 11 wird abgesenkt, wie es durch den Pfeil A₁ angegeben ist.
(v) Bei einem Zeitpunkt, bei dem das vordere Ende des ersten Metallelements 100 und eine Öffnungskante, die auf den Lochabschnitt 101a des zweiten Metallelements 101 gerichtet ist, miteinander in Kontakt kommen oder sich stark annähern, wird mit der Stromzufuhr von der Schweißstromversorgungseinheit 18 begonnen.
(vi) Bei einem Zeitpunkt, bei dem das vordere Ende des ersten Metallelements 100 beginnt, in den Lochabschnitt 101a des zweiten Metallelements 101 gepresst zu werden, werden einhergehend mit der vorstehend genannten Stromzufuhr die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 in der radialen Richtung des zweiten Metallelements 101 einwärts gepresst, wie es durch die Pfeile A₂ und A₃ angegeben ist. Mit anderen Worten, synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements 100 in den Lochabschnitt 101a des zweiten Metallelements 101 wird eine Befestigungskraft einwärts in der radialen Richtung des zweiten Metallelements 101 ausgeübt.
(vii) Das erste Metallelement 100 wird mit einem vorgegebenen Stauchausmaß gepresst, so dass das Verbinden beendet ist. Dann endet gleichzeitig mit dem Beenden des Verbindens oder ein wenig später der Verformungsunterdrückungsvorgang durch die Verformungsunterdrückungseinheit 17.

5. Funktion, die durch die Verformungsunterdrückungseinheit 17 ausgeübt wird
Nachstehend wird eine Funktion, die durch die Verformungsunterdrückungseinheit 17 in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 ausgeübt wird, unter Bezugnahme auf die 3 und die 4 beschrieben. Die 3 ist eine schematische Ansicht, die schematisch das Aussehen des zweiten Metallelements 101 in einem Zustand zeigt, bei dem das erste Metallelement 100 eingepresst ist und ein Schweißstrom zugeführt wird. Die 4 ist eine schematische Schnittansicht, die das erste Metallelement 100 und das zweite Metallelement 101 zeigt, die unter Verwendung der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 verbunden werden.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist das zweite Metallelement 101 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und weist sowohl eine Dehngrenze als auch eine Schmelztemperatur auf, die niedriger sind als diejenigen des Kohlenstoffstahls, der das erste Metallelement 100 bildet. Folglich wird, wie es in der 3 gezeigt ist, eine Kraft F₁ auf das zweite Metallelement 101 ausgeübt, so dass das zweite Metallelement 101 in der radialen Richtung auswärts verformt wird. Dies führt zu einer Vergrößerung der Umfangslängen eines Innenumfangsabschnitts 101d und des Außenumfangsabschnitts 101c des zweiten Metallelements 101.
In der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch auf das zweite Metallelement 101 eine Kraft F₂ einwärts in der radialen Richtung synchron mit dem Eingriff ausgeübt, wobei die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 der Verformungsunterdrückungseinheit 17 in Kontakt mit dem Außenumfangsabschnitt 101c sind. Demgemäß ändert sich in dem zweiten Metallelement 101 ein Außendurchmesser D₂ kaum und auch ein Innendurchmesser D₁ ändert sich im Wesentlichen kaum, mit Ausnahme einer Veränderung aufgrund eines plastischen Fließens.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, werden bei dem ersten Metallelement 100 und dem zweiten Metallelement 101, die unter Verwendung der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1, die mit der Verformungsunterdrückungseinheit 17 versehen ist, verbunden worden sind, eine Graterzeugung und eine Entladung unterdrückt, wie es in der 4 gezeigt ist, und die Erzeugung eines solchen „nicht verbundenen Abschnitts”, wie er in der 10 gezeigt ist, wird ebenfalls unterdrückt. Folglich kann beim Verbinden mit der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Verbindungsabschnitt (eine Diffusionsschicht 102) mit einer großen Verbindungslänge L_B102 gebildet werden, während eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt wird.
Demgemäß können beim Verbinden unter Verwendung der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das erste Metallelement 100 und das zweite Metallelement 101 mit einer hohen Verbindungsfestigkeit verbunden werden, während eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt wird.
Wie es in der 4 gezeigt ist, weist in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Verformungsunterdrückungseinheit 17 eine Höhe H₁₃ der Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 (in der 4 ist nur der Verformungsunterdrückungskopf 13 gezeigt) in der Z-Richtung auf, die gleich oder größer eingestellt ist als die Höhe des zweiten Metallelements 101 in der Z-Richtung. Mit anderen Worten, eine untere Oberfläche 13b des Verformungsunterdrückungskopfs 13, 14 wird so eingestellt, dass ein Kontakt mit der oberen Oberfläche 10a der Basis 10 hergestellt wird, und eine obere Oberfläche 13a wird so eingestellt, dass sie mit einer oberen Oberfläche des zweiten Metallelements 101 in der Z-Richtung bündig ist oder höher angeordnet ist als die obere Oberfläche.
Durch Einstellen der Größe und der Anordnung der Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 in der vorstehend beschriebenen Weise kann auf das zweite Metallelement 101 eine Anbringungsbelastung innerhalb eines Bereichs ausgeübt werden, der einen Bereich eines plastischen Fließens zum Zeitpunkt des Verbindens (etwa den gleichen Bereich, bei dem die Diffusionsschicht 102 gebildet wird) in der Z-Richtung umfasst. Dies ermöglicht eine zuverlässige Unterdrückung der Verformung des zweiten Metallelements 101 in einer Richtung, so dass der Radius innerhalb eines Bereichs vergrößert wird, bei dem ein plastisches Fließen zum Zeitpunkt des Verbindens auftritt, so dass die Erzeugung und das Vorragen von Graten nach außen unterdrückt werden.
6. Effekt
Die Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 ist mit der Verformungsunterdrückungseinheit 17 ausgestattet, welche die Verformung des Außenumfangsabschnitts 101c des zweiten Metallelements 101 in einer Richtung, so dass der Radius vergrößert wird, unterdrückt, wobei das zweite Metallelement 101 ein Bestandteilsmaterial aufweist, das sowohl eine Dehngrenze als auch eine Schmelztemperatur aufweist, die niedriger sind als diejenigen des ersten Metallelements 100. Daher kann die Verformung des zweiten Metallelements 101 in der Richtung der Vergrößerung des Radius nach dem Pressen des ersten Metallelements 100 in den Lochabschnitt 101a des zweiten Metallelements 101 und dem Beginn eines Stromflusses unterdrückt werden.
Zusätzlich kann die Erzeugung und das Vorragen von Graten nach außen zum Zeitpunkt des Verbindens effektiv unterdrückt werden, da die Verformungsunterdrückungseinheit 17 so bereitgestellt ist, dass sie einen Bereich presst, der einen Bereich des plastischen Fließens umfasst.
Demgemäß ermöglicht die Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beim Verbinden des ersten Metallelements 100, das aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist, und des zweiten Metallelements 101, das aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, die Unterdrückung einer Erhöhung des Stauchausmaßes, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Zusätzlich kann, da die Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 eine Anbringungsbelastung durch die Verformungsunterdrückungseinheit 17 synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements 100 in den Lochabschnitt 101a durch Absenken des Schweißkopfs 11 ausübt, die Belastung für die Unterdrückung einer Verformung bei einem geeigneten Zeitpunkt ausgeübt werden. Es ist daher möglich, eine Zunahme des Stauchausmaßes effizient zu unterdrücken, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Zusätzlich weist die Verformungsunterdrückungseinheit 17 in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 zwei Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 auf. Dies ermöglicht ein weniger uneinheitliches Pressen und ermöglicht, dass eine Verformung des zweiten Metallelements 101 in der Querschnittsrichtung in der Richtung der Vergrößerung des Radius einheitlich unterdrückt wird.
[Zweite Ausführungsform]
1. Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2
Der Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben. Die 5 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 zeigt, worin die Darstellung eines Teils des Aufbaus weggelassen ist. Zusätzlich sind in der 5 dieselben Bezugszeichen Teilen mit demselben Aufbau wie demjenigen der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform zugeordnet, so dass nachstehend die detaillierte Beschreibung davon weggelassen wird.
Wie es in der 5 gezeigt ist, ist in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 eine Verformungsunterdrückungseinheit 20 innerhalb eines Rohr eines röhrenförmigen zweiten Metallelements 104 bereitgestellt. Die Verformungsunterdrückungseinheit 20 ist so gestaltet, dass sie eine Presskraft auf einen Innenumfangsabschnitt 104b des zweiten Metallelements 104 auswärts in einer radialen Richtung davon ausübt.
Ein unteres Ende des zweiten Metallelements 104 in einer Z-Richtung, d. h., eine Außenumfangsoberfläche einer vorderen Endseite, die in einen Lochabschnitt 103a des ersten Metallelements 103 gepresst werden soll, ist ein konischer Abschnitt 104a, wobei die Anordnung dieselbe wie bei dem ersten Metallelement 100 der ersten Ausführungsform ist.
Andererseits ist in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform keine Verformungsunterdrückungseinheit zum Ausüben einer Anbringungsbelastung auf einen Außenumfangsabschnitt des ersten Metallelements 103 bereitgestellt. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist eine Positionierungsvorrichtung für das erste Metallelement 103 zum Unterdrücken einer Positionsverschiebung auf der Basis 10 bereitgestellt.
Ein Einpressseitenrand des Lochabschnitts 103a des ersten Metallelements 103 ist ein konischer Abschnitt 103b. Der Kegelwinkel des konischen Abschnitts 103b ist mit dem Kegelwinkel des konischen Abschnitts 104a des zweiten Metallelements 104 etwa identisch. Zusätzlich ist der Lochdurchmesser des Lochabschnitts 103a des ersten Metallelements 103 ein wenig größer als ein Außendurchmesser des zweiten Metallelements 104.
2. Metallbestandteilsmaterial des ersten Metallelements 103 und des zweiten Metallelements 104
Ein Metallbestandteilsmaterial des ersten Metallelements 103 ist ein Metallmaterial, das Eisen (Fe) enthält, und das insbesondere aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist. Auch in der vorliegenden Ausführungsform wird S35C als ein Beispiel eingesetzt, wie dies in der ersten Ausführungsform der Fall ist. Die Streckgrenze (Dehngrenze) von S35C beträgt nicht weniger als 305 N/mm² und die Schmelztemperatur beträgt 1538°C. Zusätzlich beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient 11,7 × 10^–6/°C.
Andererseits ist ein Metallbestandteilsmaterial des zweiten Metallelements 104 ein Metallmaterial, das Aluminium (Al) enthält, und das insbesondere aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Auch in der vorliegenden Ausführungsform wird A5056 (H34) als ein Beispiel eingesetzt, wobei es sich um eine Aluminiumlegierung auf Al-Mg-Basis wie in der ersten Ausführungsform handelt. Die Streckgrenze (Dehngrenze) von A5056 (H34) beträgt 230 N/mm² und die Schmelztemperatur beträgt 568 bis 638°C. Zusätzlich beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient 26,3 × 10^–6/°C.
3. Aufbau der Verformungsunterdrückungseinheit 20
Der Aufbau der Verformungsunterdrückungseinheit 20, die in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt ist, wird unter Bezugnahme auf die 6 ergänzend beschrieben. Die 6 ist eine schematische Draufsicht, welche die Verformungsunterdrückungseinheit 20 in einer virtuellen Draufsicht zeigt, die von oben in der Z-Richtung in der 5 betrachtet wird.
Wie es in der 6 gezeigt ist, weist die Verformungsunterdrückungseinheit 20 sechs Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 auf. Obwohl dies nicht gezeigt ist, weist die Verformungsunterdrückungseinheit 20 einen Pressmechanismus auf, der bewirkt, dass sich die jeweiligen Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 in der radialen Richtung vorwärts und rückwärts bewegen.
Jeder der Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 weist eine Fächerform auf, die durch Teilen eines Kreises in sechs Teile erhalten wird. Jeder der Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 ist so gestaltet, dass jede Außenumfangsoberfläche mit dem Innenumfangsabschnitt 104b des zweiten Metallelements 104 bei einer Ausdehnung in der radialen Richtung näherungsweise ohne Spalt in Kontakt kommt.
Die Verformungsunterdrückungseinheit 20, die in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt ist, weist den gleichen Mechanismus wie eine mit dem Innendurchmesser spannende Spannzange auf.
Während des Betriebs der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform übt die Verformungsunterdrückungseinheit 20 eine Belastung auf den Innenumfangsabschnitt 104b des zweiten Metallelements 104 in einer Richtung, in welcher der Radius vergrößert wird, synchron mit dem Pressen des zweiten Metallelements 104 in den Lochabschnitt 103a des ersten Metallelements 103 aus, und zwar durch Absenken des Schweißkopfs 11 in der Druckausübungseinheit 19.
4. Zustand der Verbindung zwischen dem ersten Metallelement 103 und dem zweiten Metallelement 104
In dem ersten Metallelement 103 und dem zweiten Metallelement 104, die mittels der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 verbunden worden sind, die mit der Verformungsunterdrückungseinheit 20 ausgestattet ist, wie es in der 7 gezeigt ist, wird auch die Erzeugung und das Vorragen von Graten nach außen unterdrückt und die Erzeugung eines „nicht verbundenen Abschnitts”, wie er in der 10 gezeigt ist, wird ebenfalls unterdrückt. Folglich kann bei einem Verbinden unter Verwendung der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Verbindungsabschnitt (eine Diffusionsschicht 105) mit einer großen Verbindungslänge L_B105 gebildet werden, während eine Zunahme eines Stauchausmaßes unterdrückt werden kann.
Demgemäß können auch beim Verbinden mit der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das erste Metallelement 103 und das zweite Metallelement 104 mit einer hohen Verbindungsfestigkeit verbunden werden, während eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt werden kann.
Wie es in der 7 gezeigt ist, ist in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Höhe H₂₃ der Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 (in der 7 ist nur der Verformungsunterdrückungskopf 23 gezeigt) in der Z-Richtung in der Verformungsunterdrückungseinheit 20 so eingestellt, dass sie zum Zeitpunkt des Verbindens einen Bereich des plastischen Fließens (etwa den gleichen Bereich, bei dem die Diffusionsschicht 105 gebildet wird) umfasst. Mit anderen Worten, eine untere Oberfläche 23b jedes der Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 ist etwa bündig mit der unteren Endoberfläche des zweiten Metallelements 104 in der Z-Richtung eingestellt, und eine obere Oberfläche 23a ist so eingestellt, dass sie in der Z-Richtung über einem geplanten Bereich vorliegt, in dem die Diffusionsschicht 105 gebildet werden soll.
Durch Einstellen der Größe und der Anordnung der Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 in der vorstehend beschriebenen Weise kann eine Belastung auf das zweite Metallelement 104 auswärts in der radialen Richtung innerhalb eines Bereichs ausgeübt werden, der einen Bereich eines plastischen Fließens (etwa der gleiche Bereich, in dem die Diffusionsschicht 105 gebildet wird) zum Zeitpunkt des Verbindens in der Z-Richtung umfasst. Dies ermöglicht die zuverlässige Unterdrückung der Verformung des zweiten Metallelements 104 in einer Richtung zur Verminderung des Radius innerhalb eines Bereichs, bei dem ein plastisches Fließen zum Zeitpunkt des Verbindens stattfindet, so dass die Erzeugung und das vorragen von Graten nach außen unterdrückt werden.
5. Effekt
Die Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 ist mit der Verformungsunterdrückungseinheit 20 ausgestattet, welche die Verformung des Innenumfangsabschnitts 104b des zweiten Metallelements 104 in einer Richtung zur Verminderung des Radius unterdrückt, wobei das zweite Metallelement 104 ein Bestandteilsmaterial sowohl mit einer Dehngrenze als auch mit einer Schmelztemperatur aufweist, die niedriger sind als diejenigen des ersten Metallelements 103. Daher kann eine Verformung des zweiten Metallelements 104 in der Richtung zur Verminderung des Radius nach dem Pressen des zweiten Metallelements 104 in den Lochabschnitt 103a des ersten Metallelements 103 und dem Beginn eines Stromflusses unterdrückt werden.
Zusätzlich kann die Erzeugung und das Vorragen von Graten nach außen zum Zeitpunkt des Verbindens effektiv unterdrückt werden, da die Verformungsunterdrückungseinheit 20 so bereitgestellt ist, dass sie einen Bereich presst, der einen plastischen Fließbereich umfasst.
Demgemäß ermöglicht die Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beim Verbinden des ersten Metallelements 103, das aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist, und des zweiten Metallelements 104, das aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, auch eine Unterdrückung der Zunahme des Stauchausmaßes, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Demgemäß kann eine Belastung zum Unterdrücken eines Verformens bei einem geeigneten Zeitpunkt ausgeübt werden, da die Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch die Verformungsunterdrückungseinheit 20 eine Belastung auswärts in der radialen Richtung synchron mit dem Pressen des zweiten Metallelements 104 in den Lochabschnitt 103a durch Absenken des Schweißkopfs 11 in der Druckausübungseinheit 19 ausübt. Es ist daher möglich, eine Zunahme des Stauchausmaßes effizient zu unterdrücken, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Zusätzlich weist die Verformungsunterdrückungseinheit 20 in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 2 die sechs Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 auf. Dies ermöglicht ein weniger uneinheitliches Pressen und ermöglicht die einheitliche Unterdrückung einer Verformung des zweiten Metallelements 104 in der Querschnittsrichtung in einer Richtung zur Verminderung des Radius.
[Dritte Ausführungsform]
Der Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 8 beschrieben. Die 8 zeigt einen Teil eines Aufbaus einer Verformungsunterdrückungseinheit 30 von Konfigurationen der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die jeweiligen Konfigurationen, deren Erläuterung weggelassen ist, sind mit denjenigen der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform identisch.
Wie es in der 8 gezeigt ist, weist die Verformungsunterdrückungseinheit 30, die in der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform bereitgestellt ist, drei Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 und Pressstäbe 34 bis 36 auf, die mit den jeweiligen Verformungsunterdrückungsköpfen 31 bis 33 verbunden sind. Zusätzlich weist die Verformungsunterdrückungseinheit 30, obwohl dies nicht gezeigt ist, einen Pressmechanismus auf, der mit den Pressstäben 34 bis 36 verbunden ist, so dass bewirkt wird, dass sich die jeweiligen Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 in einer radialen Richtung vorwärts oder rückwärts bewegen.
Jeder der Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 weist eine ebene Form auf, die durch Teilen eines Kreises in drei Teile erhalten wird. Die Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 sind so angeordnet, dass sie gegenüberliegende Endseiten aufweisen.
Ein zweites Metallelement 101 mit einem Lochabschnitt 101a weist einen Außenumfangsabschnitt 101c auf, entlang dem Innenumfangsoberflächen der Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 näherungsweise ohne Spalt eingepasst sind. Die Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 sind so ausgebildet, dass sie dazwischen Spalte G₃, G₄ und G₅ in einem Zustand aufweisen, der durch die Pfeile A₄ bis A₆ angegeben ist, wobei die Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 in der radialen Richtung einwärts bewegt werden, so dass sie mit dem Außenumfangsabschnitt 101c des zweiten Metallelements 101 in Kontakt sind. Die Spalte G₃, G₄ und G₅ sind kleine Spalte.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht die Bereitstellung der Spalte G₃, G₄ und G₅ die Unterdrückung der Verformung des zweiten Metallelements 101 selbst mit einer Abmessungstoleranz des zweiten Metallelements 101 oder mit Abmessungstoleranzen der Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 entsprechend den Vorstehenden.
Ferner kann mit der Metallelement-Verbindungsvorrichtung, welche die in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaute Verformungsunterdrückungseinheit 30 aufweist, derselbe Effekt wie derjenige der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden.
[Vierte Ausführungsform]
Der Aufbau einer Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 9 beschrieben. Die 9 zeigt einen Teil eines Aufbaus einer Verformungsunterdrückungseinheit 40 von Konfigurationen der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Während in der ersten bis dritten Ausführungsform ein Element mit einem runden oder ringförmigen Querschnitt als zu verbindendes Element eingesetzt wird, ist in der vorliegenden Ausführungsform ein zweites Metallelement 106 mit einem quadratischen Ringquerschnitt eines der zu verbindenden Elemente, wie es in der 9 gezeigt ist.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist das andere zu verbindende Element ein stabförmiges oder zylindrisches Metallelement mit einem quadratischen Querschnitt, welcher der Form eines Lochabschnitts 106a in dem zweiten Metallelement 106 entspricht.
Wie es in der 9 gezeigt ist, umfasst die Verformungsunterdrückungseinheit 40 der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform vier Verformungsunterdrückungsköpfe 41 bis 44 und vier Pressköpfe 45 bis 48. Die vier Verformungsunterdrückungsköpfe 41 bis 44 sind so ausgebildet, dass sie mit vier Außenumfangsabschnitten 106c bis 106f in dem zweiten Metallelement 106 jeweils ohne Spalt in Kontakt kommen können. Obwohl dies nicht gezeigt ist, sind die vier Pressköpfe 45 bis 48 mit einem Pressmechanismus verbunden und können einwärts eine Anbringungsbelastung auf das zweite Metallelement 106, wie es durch die Pfeile A₇ bis A₁₀ angegeben ist, synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements in den Lochabschnitt 106a durch eine Presseinheit 19 ausüben.
Ferner kann mit der Metallelement-Verbindungsvorrichtung, welche die Verformungsunterdrückungseinheit 40 aufweist, die in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut ist, der gleiche Effekt wie mit der Metallelement-Verbindungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden.
[Modifizierung]
Obwohl in der ersten bis vierten Ausführungsform ein Element, das aus einem Material hergestellt ist, das Al (eine Al-Legierung) enthält, und ein Element, das aus einem Material hergestellt ist, das Fe (Kohlenstoffstahl) enthält, als zu verbindende Elemente eingesetzt werden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. In der vorliegenden Erfindung kann der Effekt durch Bereitstellen einer Verformungsunterdrückungseinheit, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, zum Verbinden zwischen Elementen eingesetzt werden, die aus Materialien hergestellt sind, die jeweils mindestens eines von einer Dehngrenze und eine Schmelztemperatur aufweisen, die voneinander verschieden sind.
Die vorliegende Erfindung ist z. B. auch auf das Verbinden zwischen einem Element, das aus einem Material hergestellt ist, das Magnesium (Mg) (z. B. eine Mg-Legierung) enthält, und einem Element, das aus einem Material hergestellt ist, das Al (z. B. eine Al-Legierung) enthält, und auf das Verbinden zwischen einem Element, das aus einem Material hergestellt ist, das Magnesium (Mg) (z. B. eine Mg-Legierung) enthält, und einem Element, das aus einem Material hergestellt ist, das Fe (z. B. Kohlenstoffstahl) enthält, anwendbar. Auch in diesen Fällen kann eine Verformungsunterdrückungseinheit unter Berücksichtigung von mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur eines Materials, welches das Element bildet, bereitgestellt werden.
Wenn z. B. MDC1D als Mg-Legierung verwendet wird, beträgt die Streckgrenze (Dehngrenze) 160 N/mm² und die Schmelztemperatur beträgt 470 bis 595°C. Zusätzlich beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient 27,0 × 10^–6/°C. Es kann eine Beziehung zwischen diesen physikalischen Eigenschaften und einem Material, das ein Element als Verbindungsziel bildet, berücksichtigt werden.
In der zweiten Ausführungsform ist die Verformungsunterdrückungseinheit 20 für das zweite Metallelement 104 so bereitgestellt, dass sie verhindert, dass das zweite Metallelement 104 beim Verbinden mit dem ersten Metallelement 103 einen verminderten Durchmesser aufweist. In der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine Verformungsunterdrückungseinheit ferner für das erste Metallelement 103 in der zweiten Ausführungsform bereitgestellt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dann, wenn ein Schweißstrom fließt, die Temperaturen der Elemente 103 und 104 erhöht werden und die Elemente 103 und 104 zu einer Ausdehnung neigen. In diesem Fall ist es wahrscheinlich, dass der Durchmesser des ersten Metallelements 103, das aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist und das eine Ringform aufweist, zunimmt. Das Unterdrücken der Zunahme des Durchmessers wird bei der Unterdrückung einer Erzeugung und eines Vorragens von Graten nach außen effektiv sein. Für ein zu verbindendes Metallelement kann selbst dann, wenn ein Bestandteilsmaterial davon von den vorstehend beschriebenen Bestandteilsmaterialien verschieden ist, eine Verformungsunterdrückungseinheit, die den gleichen Effekt bereitstellt, durch Berücksichtigen eines linearen Ausdehnungskoeffizienten zusammen mit der Dehngrenze und der Schmelztemperatur eines Bestandteilsmaterials jedes Elements ausgebildet werden.
Während in der ersten bis vierten Ausführungsform ein Beispiel als Form der verbindenden Elemente 100, 101, 103, 104 und 106 gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein längliches ringförmiges Element oder ein Element mit einem Außenumfang eines Dreiecks oder ein Vieleck mehr als ein Fünfeck in der Draufsicht ein zu verbindendes Element sein. In diesem Fall kann derselbe Effekt, wie er vorstehend beschrieben ist, durch Bereitstellen eines Verformungsunterdrückungskopfs erhalten werden, der einer Form von jedem der Außenumfangsabschnitte entspricht.
In der ersten bis vierten Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Verformung der zweiten Metallelemente 101, 104 und 106 durch Bereitstellen der Verformungsunterdrückungseinheiten 17, 20, 30 und 40 unterdrückt wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Verformungsunterdrückungseinheiten 17, 20, 30 und 40 in diesen Ausführungsformen eine Funktion des Unterdrückens einer Verformung der zweiten Metallelemente 101, 104 und 106 in der Richtung eines Querschnitts aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann in einem Zustand, bei dem ein Schweißstrom fließt und ein Metallelement mit einer niedrigeren Schmelztemperatur teilweise erweicht wird, das erweichte Metallelement in der Querschnittsrichtung zu dem anderen zu verbindenden Metallelement verformt werden. Ein solcher Aufbau hat einen Vorteil bei der Unterdrückung der Verminderung der Dichte eines plastisch fließfähig gemachten Bereichs in der Querschnittsrichtung, wodurch eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Obwohl in der ersten, dritten und vierten Ausführungsform eine Anbringungsbelastung auf die Außenumfangsabschnitte 101c, 106c, 106d, 106e und 106f der zweiten Metallelemente 101 und 106 ausgeübt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann eine obere Oberfläche eines Außenkantenabschnitts des zweiten Metallelements 101 in der Z-Richtung, die in der 1 gezeigt ist, gegen die Basis 10 gedrückt werden, so dass eine Verformung des zweiten Metallelements 101 in der radialen Richtung durch eine Reibungskraft unterdrückt wird.
Obwohl in der ersten Ausführungsform das zweite Metallelement 101 auf der oberen Oberfläche 10a der Basis 10 angeordnet ist und in der zweiten Ausführungsform das erste Metallelement 103 auf dieser angeordnet ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielweise kann ein zweiter Schweißkopf gegenüber dem Schweißkopf 11 zum Greifen des zweiten Metallelements 101 und des ersten Metallelements 103 so bereitgestellt werden, dass er beim Schweißen in der Z-Richtung angehoben wird.
Während in der ersten bis dritten Ausführungsform die Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14, 21 bis 26 und 31 bis 33 so ausgebildet sind, dass sie sich nur in der radialen Richtung vorwärts oder rückwärts bewegen können, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die jeweiligen Verformungsunterdrückungsköpfe so ausgebildet sein, dass sie spiralförmig rotieren, so dass deren Durchmesser zunimmt oder abnimmt.
Ferner ist, obwohl die zwei Verformungsunterdrückungsköpfe 13 und 14 in der ersten Ausführungsform bereitgestellt sind, die sechs Verformungsunterdrückungsköpfe 21 bis 26 in der zweiten Ausführungsform bereitgestellt sind, die drei Verformungsunterdrückungsköpfe 31 bis 33 in der dritten Ausführungsform bereitgestellt sind und die vier Verformungsunterdrückungsköpfe 41 bis 44 in der vierten Ausführungsform bereitgestellt sind, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann in der 1 ein integriert ausgebildeter ringförmiger Verformungsunterdrückungskopf hergestellt werden und in einen engen Kontakt mit dem Außenumfangsabschnitt des ringförmigen zweiten Metallelements 101 gebracht werden.
Zusätzlich ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, die Größe des Verformungsunterdrückungskopfs in der Einpressrichtung des Metallelements nicht auf diejenigen der vorstehenden jeweiligen Ausführungsformen beschränkt, solange die Größe innerhalb eines Bereichs eines plastischen Fließens eines zu verbindenden Metallelements liegt.
Während in der ersten und der zweiten Ausführungsform die zu verbindenden Metallelemente 100, 101, 103 und 104 mit den konischen Abschnitten 100a, 101b, 103b und 104a versehen sind, muss die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise einen konischen Abschnitt erfordern.
[Schlussfolgerung]
Die Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Verbindungsvorrichtung zum Pressen eines ersten Metallelements mit einer Stabform oder einer zylindrischen Form in einen Lochabschnitt eines zweiten Metallelements mit einer Ringform zum Verbinden des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements.
Das erste Metallelement, bei dem es sich um eines der zu verbindenden Elemente handelt, ist aus einem ersten Metallmaterial hergestellt.
Das zweite Metallelement, bei dem es sich um das andere zu verbindende Element handelt, ist aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt, das von dem ersten Metallmaterial verschieden ist und den Lochabschnitt mit einem Querschnitt aufweist, der eine geringere Größe als der Querschnitt des ersten Metallelements aufweist.
Ferner umfasst die Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts eine Druckausübungseinheit, eine Stromversorgungseinheit und eine Verformungsunterdrückungseinheit.
Die Druckausübungseinheit übt einen Druck auf das erste Metallelement in der Richtung des Lochabschnitts des zweiten Metallelements aus, so dass das erste Metallelement in den Lochabschnitt gepresst wird.
Die Stromversorgungseinheit führt einen Schweißstrom zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement zu.
Die Verformungsunterdrückungseinheit unterdrückt eine Verformung von einem des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements, wobei das eine Element ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur aufweist, die niedriger ist als diejenige des anderen Elements, wobei die Verformung in einer Richtung des Querschnitts stattfindet, welche die Richtung des Einpressens kreuzt.
Dabei ist die Verformungsunterdrückungseinheit in einem Bereich bereitgestellt, der mindestens einen plastischen Fließbereich in der Einpressrichtung umfasst.
In der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts ist die Verformungsunterdrückungseinheit bereitgestellt, die eine Verformung eines Elements, das ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur, die niedriger ist als diejenige des anderen Elements, aufweist, in der Querschnittsrichtung unterdrückt. Daher ist es möglich, eine Verformung des Elements mit dem niedrigeren Wert nach dem Pressen des ersten Metallelements in den Lochabschnitt des zweiten Metallelements durch die Druckausübungseinheit und dem Beginnen eines Stromflusses zu unterdrücken.
Zusätzlich können, da die Verformungsunterdrückungseinheit in einem Bereich bereitgestellt ist, der den plastischen Fließbereich umfasst, die Erzeugung und das Vorragen von Graten nach außen in dem Bereich effektiv unterdrückt werden.
Demgemäß ermöglicht die Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts beim Verbinden von verschiedenen Arten von Metallelementen (des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements), deren Metallbestandteilsmaterialien jeweils mindestens eines von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur aufweisen, die voneinander verschieden sind, das Unterdrücken einer Zunahme des Stauchausmaßes, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Ein „Bereich eines plastischen Fließens” kann auf der Basis von physikalischen Eigenschaften, Verbindungsbedingungen, Umgebungsbedingungen und dergleichen des ersten Metallmaterials bzw. des zweiten Metallmaterials experimentell oder erfahrungsgemäß eingestellt werden.
Zusätzlich kann als die Stromversorgungseinheit eine Stromversorgungsvorrichtung für eine bekannte Metallelement-Verbindungsvorrichtung (Kondensatorschweißvorrichtung) eingesetzt werden. Insbesondere umfasst die Vorrichtung einen Elektrolytkondensator, einen Schweißtransformator, eine Entladungsschaltung und eine Starkstromschaltung und lädt einmal den Elektrolytkondensator mit elektrischer Energie, die zum Schweißen erforderlich ist, und entlädt die elektrische Energie in einem kurzen Zeitraum zu dem Transformator, wodurch zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement in einem kurzen Zeitraum ein starker Strom zugeführt wird.
In der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung weist bei dem vorstehend genannten Aufbau das zweite Metallmaterial eine Dehngrenze und Schmelztemperatur auf, die niedriger sind als diejenigen des ersten Metallmaterials, und die Verformungsunterdrückungseinheit übt eine Anbringungsbelastung auf das zweite Metallelement von einem Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements einwärts in der Querschnittsrichtung aus.
Wie es vorstehend beschrieben ist, neigen in einem Fall, bei dem die Dehngrenze und die Schmelztemperatur des zweiten Metallmaterials niedriger sind als diejenigen des ersten Metallmaterials, wenn mit dem Stromfluss begonnen wird, während durch die Druckausübungseinheit Druck ausgeübt wird, sowohl der Innen- als auch der Außenumfang des zweiten Metallelements dazu, aufgrund eines Temperaturanstiegs und einer auswärts gerichteten Belastung in der Querschnittsrichtung länger zu werden. Mit anderen Worten, das zweite Metallelement neigt zu einer Zunahme des Durchmessers.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts kann jedoch eine Ausdehnung des zweiten Metallelements nach außen unterdrückt werden, da das zweite Metallelement in der Querschnittsrichtung von dessen Außenumfangsabschnitt durch die Verformungsunterdrückungseinheit einwärts fixiert ist.
Demgemäß kann bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt werden, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird, selbst wenn das zweite Metallelement aus einem Material mit einer relativ niedrigen Dehngrenze und Schmelztemperatur ausgebildet ist.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird bei dem vorstehend genannten Aufbau das Ausüben einer Anbringungsbelastung auf die Verformungsunterdrückungseinheit synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements in den Lochabschnitt des zweiten Metallelements durch die Druckausübungseinheit durchgeführt.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts kann eine Belastung zum Unterdrücken einer Verformung bei einem geeigneten Zeitpunkt ausgeübt werden, da das Ausüben einer Anbringungsbelastung und das Einpressen synchron miteinander durchgeführt werden können. Es ist daher möglich, eine Zunahme des Ausmaßes des Stauchens effizient zu unterdrücken, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt ist.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung weist bei dem vorstehend genannten Aufbau die Verformungsunterdrückungseinheit eine Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen auf, die in einem Zustand angeordnet sind, bei dem sie den Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements umgeben, und sie weist einen Pressmechanismus auf, der jeden der Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen in der Querschnittsrichtung einwärts presst.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts wird davon ausgegangen, dass sie als spezifischen Aufbau der Verformungsunterdrückungseinheit die Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen und den Pressmechanismus aufweist, der die Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen presst. Dies ermöglicht eine Unterdrückung der Verformung des zweiten Metallelements ohne die Verwendung eines komplizierten Mechanismus.
Zusätzlich wird ein geringeres uneinheitliches Pressen ermöglicht, wodurch eine einheitliche Unterdrückung der Ausdehnung des zweiten Metallelements in der Querschnittsrichtung nach außen ermöglicht wird, da der Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements mittels der Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen gepresst wird.
Als spezifische Beispiele für den „Pressmechanismus” können ein Pneumatikzylinder, ein Hydraulikzylinder, ein Elektromotor und dergleichen eingesetzt werden oder es ist auch ein manuelles Pressen mittels eines Kopplungsmechanismus oder dergleichen möglich (insbesondere z. B. ein Aufbau mit einer Spannzange).
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist das zweite Metallmaterial in dem vorstehend genannten Aufbau ein Material, das Aluminium enthält, und das erste Metallmaterial ist ein Material, das Eisen enthält.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts kann auch dann, wenn ein Material auf Aluminiumbasis (ein Material, das Aluminium enthält) und ein Material auf Eisenbasis (ein Material, das Eisen enthält) mit Dehngrenzen und Schmelztemperaturen, die voneinander verschieden sind, verbunden werden, eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt werden, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung weist bei dem vorstehend genannten Aufbau das erste Metallmaterial eine Dehngrenze und eine Schmelztemperatur auf, die niedriger sind als diejenigen des zweiten Metallmaterials, das erste Metallelement weist eine zylindrische Form auf und die Verformungsunterdrückungseinheit übt eine Belastung auf das erste Metallelement auswärts in der Querschnittsrichtung von einem Innenumfangsabschnitt des ersten Metallelements auf.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts kann selbst dann, wenn die Dehngrenze und die Schmelztemperatur des ersten Metallmaterials, welches das erste Metallelement bildet, niedriger sind als diejenigen des zweiten Metallmaterials, welches das zweite Metallelement bildet, eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt werden, während eine Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird, wie dies vorstehend der Fall ist.
Bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird bei dem vorstehend genannten Aufbau das Ausüben einer Belastung durch die Verformungsunterdrückungseinheit synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements in den Lochabschnitt des zweiten Metallelements durch die Druckausübungseinheit durchgeführt.
Ferner kann bei der Metallelement-Verbindungsvorrichtung gemäß des vorliegenden Aspekts durch Durchführen des synchronen Ausübens einer Belastung durch die Verformungsunterdrückungseinheit und Einpressens eine Belastung zum Unterdrücken einer Verformung bei einem geeigneten Zeitpunkt ausgeübt werden. Es ist daher möglich, eine Zunahme des Stauchausmaßes ausreichend zu unterdrücken, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Das Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren des Pressens eines ersten Metallelements mit einer Stabform oder einer zylindrischen Form in einen Lochabschnitt eines zweiten Metallelements mit einer Ringform zum Verbinden des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements, wobei das Verfahren umfasst:

(i) einen Schritt des Herstellens eines ersten Metallelements, bei dem das erste Metallelement hergestellt wird, das aus einem ersten Metallmaterial hergestellt ist;
(ii) einen Schritt des Herstellens eines zweiten Metallelements, bei dem das zweite Metallelement hergestellt wird, das aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt ist, das von dem ersten Metallmaterial verschieden ist und das den Lochabschnitt mit einem Querschnitt aufweist, der eine geringere Größe aufweist als der Querschnitt des ersten Metallelements;
(iii) einen Schritt des Ausübens von Druck, bei dem auf das erste Metallelement in der Richtung des Lochabschnitts des zweiten Metallelements Druck ausgeübt wird, so dass das erste Metallelement in den Lochabschnitt gepresst wird;
(iv) einen Stromversorgungsschritt des Zuführens eines Schweißstroms zwischen dem ersten Metallelement und dem zweiten Metallelement; und
(v) einen Verformungsunterdrückungsschritt des Unterdrückens einer Verformung von einem des ersten Metallelements und des zweiten Metallelements in der Richtung des Querschnitts, wobei das eine Element ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von der Dehngrenze und der Schmelztemperatur aufweist, die niedriger als bei dem anderen Element ist.

Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts wird in dem Verformungsunterdrückungsschritt eine Verformung in der Einpressrichtung innerhalb eines Bereichs unterdrückt, der mindestens einen Bereich des plastischen Fließens umfasst.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts wird (v) der Verformungsunterdrückungsschritt des Unterdrückens einer Verformung in der Querschnittsrichtung für das Element mit einem Metallbestandteilsmaterial durchgeführt, bei dem mindestens eines von der Dehngrenze und der Schmelztemperatur niedriger ist als diejenigen des anderen Elements. Demgemäß kann eine Verformung des Elements mit dem niedrigeren Wert nach dem Pressen des ersten Metallelements in den Lochabschnitt des zweiten Metallelements in (iii) dem Druckausübungsschritt und beim Beginn des Stromflusses unterdrückt werden.
Zusätzlich kann, da in (v) dem Verformungsunterdrückungsschritt eine Verformung innerhalb eines Bereichs, der einen Bereich eines plastischen Fließens umfasst, unterdrückt wird, die Erzeugung und das Vorragen von Graten nach außen in dem Bereich effektiv unterdrückt werden.
Demgemäß ermöglicht das Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts zum Zeitpunkt des Verbindens verschiedener Arten von Metallelementen (das erste Metallelement und das zweite Metallelement), die Metallbestandteilsmaterialien aufweisen, bei denen sich mindestens eines von der Dehngrenze und der Schmelztemperatur unterscheidet, das Unterdrücken einer Zunahme des Stauchausmaßes, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung weist bei dem vorstehend genannten Verfahren das zweite Metallmaterial eine Dehngrenze und eine Schmelztemperatur auf, die niedriger sind als diejenigen des ersten Metallmaterials, und bei dem Verformungsunterdrückungsschritt wird eine Anbringungsbelastung auf das zweite Metallelement von einem Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements einwärts in der Querschnittsrichtung ausgeübt.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, neigen in einem Fall, bei dem das zweite Metallmaterial eine Dehngrenze und eine Schmelztemperatur aufweist, die niedriger sind als diejenigen des ersten Metallmaterials, wenn mit dem Stromfluss begonnen wird, während in dem Druckausübungsschritt Druck ausgeübt wird, sowohl der Innen- als auch der Außenumfang des zweiten Metallelements aufgrund eines Temperaturanstiegs und einer auswärts gerichteten Belastung in der Querschnittsrichtung dazu, länger zu werden. Mit anderen Worten, ein Ring des zweiten Metallelements neigt zu einer Zunahme des Durchmessers.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts kann eine Ausdehnung nach außen (eine Zunahme des Radius) des zweiten Metallelements unterdrückt werden, da das zweite Metallelement in (v) dem Verformungsunterdrückungsschritt von dessen Außenumfangsabschnitt her einwärts in der Querschnittsrichtung angebracht wird.
Demgemäß kann bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts selbst dann, wenn das zweite Metallelement aus einem Material mit einer relativ niedrigen Dehngrenze und Schmelztemperatur ausgebildet ist, eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt werden, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird bei dem vorstehend genannten Verfahren das Ausüben der Anbringungsbelastung in dem Verformungsunterdrückungsabschnitt synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements in den Lochabschnitt des zweiten Metallelements in dem Druckausübungsschritt durchgeführt.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts kann durch synchrones Durchführen des Ausübens einer Anbringungsbelastung und Einpressens eine Belastung zum Unterdrücken einer Verformung bei einem geeigneten Zeitpunkt ausgeübt werden. Es ist daher möglich, eine Zunahme des Stauchausmaßes effizient zu unterdrücken, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird bei dem vorstehend genannten Verfahren in dem Verformungsunterdrückungsschritt eine Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen, die in einem Zustand angeordnet sind, so dass sie den Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements umgeben, durch einen Pressmechanismus, der mit jedem der Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen verbunden ist, in der Querschnittsrichtung einwärts gepresst.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts wird davon ausgegangen, dass als spezifisches Verfahren zum Durchführen (v) des Verformungsunterdrückungsschritts die Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen durch den Pressmechanismus gepresst wird. Dies ermöglicht die Unterdrückung der Verformung des zweiten Metallelements, während eine Variation einer Presskraft, die auf jeden Bereich des Außenumfangsabschnitts ausgeübt werden muss, unterdrückt wird.
Zusätzlich ermöglicht, da der Außenumfangsabschnitt des zweiten Metallelements unter Verwendung der Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen gepresst wird, ein weniger uneinheitliches Pressen die einheitliche Unterdrückung einer Ausdehnung des zweiten Metallelements in der Querschnittsrichtung nach außen (eine Zunahme des Radius).
Das Vorstehende gilt auch für spezifische Beispiele des Pressmechanismus.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist bei dem vorstehend genannten Verfahren das zweite Metallmaterial ein Material, das Aluminium enthält, und das erste Metallmaterial ist ein Material, das Eisen enthält.
Bei dem Metallelement-Verbindungsverfahren gemäß des vorliegenden Aspekts kann auch dann, wenn ein Material auf Aluminiumbasis (ein Aluminium-enthaltendes Material) und ein Material auf Eisenbasis (ein Eisen-enthaltendes Material) mit Dehngrenzen und Schmelztemperaturen, die sich voneinander unterscheiden, verbunden werden, eine Zunahme des Stauchausmaßes unterdrückt werden, während eine hohe Verbindungsfestigkeit sichergestellt wird.
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-165901 , die beim japanischen Patentamt am 26. August 2016 eingereicht worden ist und deren Inhalt unter Bezugnahme einbezogen ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, sollte beachtet werden, dass für den Fachmann verschiedene Veränderungen und Modifizierungen ersichtlich sind. Daher sollten solche Veränderungen und Modifizierungen so betrachtet werden, dass sie in die vorliegende Erfindung einbezogen sind, falls solche Veränderungen und Modifizierungen nicht von dem Umfang der vorliegenden Erfindung, der nachstehend festgelegt ist, abweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-181627 A [0005]
JP 2016-165901 [0158]

Claims

Metallelement-Verbindungsvorrichtung (1, 2) zum Pressen eines ersten Metallelements (100, 104) mit einer Stabform oder einer zylindrischen Form in einen Lochabschnitt (101a, 103a, 106a) eines zweiten Metallelements (101, 103, 106) mit einer Ringform zum Verbinden des ersten Metallelements (100, 104) und des zweiten Metallelements (101, 103, 106), wobei das erste Metallelement (100, 104) aus einem ersten Metallmaterial hergestellt ist und das zweite Metallelement (101, 103, 106) aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt ist, das von dem ersten Metallmaterial verschieden ist und den Lochabschnitt (101a, 103a, 106a) mit einem Querschnitt aufweist, der eine geringere Größe als der Querschnitt des ersten Metallelements (100, 104) aufweist, wobei die Metallelement-Verbindungsvorrichtung (1, 2) umfasst: eine Druckausübungseinheit (19), die einen Druck auf das erste Metallelement (100, 104) in der Richtung des Lochabschnitts (101a, 103a, 106a) des zweiten Metallelements (101, 103, 106) ausübt, so dass das erste Metallelement (100, 104) in den Lochabschnitt gepresst wird; eine Stromversorgungseinheit (18), die einen Schweißstrom zwischen dem ersten Metallelement (100, 104) und dem zweiten Metallelement (101, 103, 106) zuführt; und eine Verformungsunterdrückungseinheit (17, 20, 30, 40), die eine Verformung von einem des ersten Metallelements (10, 104) und des zweiten Metallelements (101, 103, 106) unterdrückt, wobei das eine Element ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur aufweist, die niedriger ist als diejenige des anderen Elements, wobei die Verformung in einer Richtung des Querschnitts stattfindet, welche die Richtung des Einpressens kreuzt, wobei die Verformungsunterdrückungseinheit (17, 20, 30, 40) in einem Bereich bereitgestellt ist, der mindestens einen plastischen Fließbereich in der Einpressrichtung umfasst.
Metallelement-Verbindungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das zweite Metallmaterial eine Dehngrenze und eine Schmelztemperatur aufweist, die niedriger sind als diejenigen des ersten Metallmaterials, und die Verformungsunterdrückungseinheit (17, 30, 40) eine Anbringungsbelastung auf das zweite Metallelement (101, 106) von einem Außenumfangsabschnitt (101c, 106c, 106d, 106e, 106f) des zweiten Metallelements (101, 106) einwärts in der Querschnittsrichtung ausübt.
Metallelement-Verbindungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das Ausüben der Anbringungsbelastung auf die Verformungsunterdrückungseinheit (17, 30, 40) synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements (100) in den Lochabschnitt (101a, 106a) des zweiten Metallelements (101, 106) durch die Druckausübungseinheit (19) durchgeführt wird.
Metallelement-Verbindungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Verformungsunterdrückungseinheit (17, 30, 40) eine Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen (13, 14, 31, 32, 33, 41, 42, 43, 44) aufweist, die in einem Zustand angeordnet sind, in dem sie den Außenumfangsabschnitt (101c, 106c, 106d, 106e, 106f) des zweiten Metallelements (101, 106) umgeben, und einen Pressmechanismus (15, 16, 34, 35, 36, 45, 46, 47, 48) aufweist, der jeden der Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen (13, 14, 31, 32, 33, 41, 42, 43, 44) in der Querschnittsrichtung einwärts presst.
Metallelement-Verbindungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das zweite Metallmaterial ein Aluminium-enthaltendes Material ist und das erste Metallmaterial ein Eisen-enthaltendes Material ist.
Metallelement-Verbindungsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei das erste Metallmaterial eine Dehngrenze und eine Schmelztemperatur aufweist, die niedriger sind als diejenigen des zweiten Metallmaterials, das erste Metallelement (104) eine zylindrische Form aufweist und die Verformungsunterdrückungseinheit (20) eine Belastung auf das erste Metallelement (104) in der Querschnittsrichtung auswärts von einem Innenumfangsabschnitt (104b) des ersten Metallelements (104) ausübt.
Metallelement-Verbindungsvorrichtung (2) nach Anspruch 6, wobei das Ausüben der Belastung durch die Verformungsunterdrückungseinheit (20) synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements (104) in den Lochabschnitt (103a) des zweiten Metallelements (103) durch die Druckausübungseinheit (19) durchgeführt wird.
Metallelement-Verbindungsverfahren des Pressens eines ersten Metallelements (100, 104) mit einer Stabform oder einer zylindrischen Form in einen Lochabschnitt (101a, 103a, 106a) eines zweiten Metallelements (101, 103, 106) mit einer Ringform zum Verbinden des ersten Metallelements (100, 104) und des zweiten Metallelements (101, 103, 106), wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Herstellens des ersten Metallelements, bei dem das erste Metallelement (100, 104) hergestellt wird, das aus einem ersten Metallmaterial hergestellt ist; einen Schritt des Herstellens des zweiten Metallelements, bei dem das zweite Metallelement (101, 103, 106) hergestellt wird, das aus einem zweiten Metallmaterial hergestellt ist, das von dem ersten Metallmaterial verschieden ist, und das den Lochabschnitt (101a, 103a, 106a) mit einem Querschnitt aufweist, der eine geringere Größe aufweist als der Querschnitt des ersten Metallelements (100, 104); einen Schritt des Ausübens von Druck, bei dem auf das erste Metallelement (100, 104) in der Richtung des Lochabschnitts (101a, 103a, 106a) des zweiten Metallelements (101, 103, 106) Druck ausgeübt wird, so dass das erste Metallelement (100, 104) in den Lochabschnitt gepresst wird; einen Stromversorgungsschritt des Zuführens eines Schweißstroms zwischen dem ersten Metallelement (100, 104) und dem zweiten Metallelement (101, 103, 106); und einen Verformungsunterdrückungsschritt des Unterdrückens einer Verformung von einem des ersten Metallelements (100, 104) und des zweiten Metallelements (101, 103, 106) in der Richtung des Querschnitts, wobei das eine Element ein Metallbestandteilsmaterial mit mindestens einem von einer Dehngrenze und einer Schmelztemperatur aufweist, die niedriger als bei dem anderen Element ist, wobei in dem Verformungsunterdrückungsschritt eine Verformung in der Einpressrichtung innerhalb eines Bereichs unterdrückt wird, der mindestens einen Bereich eines plastischen Fließens umfasst.
Metallelement-Verbindungsverfahren nach Anspruch 8, bei dem das zweite Metallmaterial eine Dehngrenze und eine Schmelztemperatur aufweist, die niedriger sind als diejenigen des ersten Metallmaterials, und in dem Verformungsunterdrückungsschritt eine Anbringungsbelastung auf das zweite Metallelement (101, 106) von einem Außenumfangsabschnitt (101c, 106c, 106d, 106e, 106f) des zweiten Metallelements (101, 106) in der Querschnittsrichtung einwärts ausgeübt wird.
Metallelement-Verbindungsverfahren nach Anspruch 9, bei dem das Ausüben der Anbringungsbelastung in dem Verformungsunterdrückungsschritt synchron mit dem Pressen des ersten Metallelements (100) in den Lochabschnitt (101a, 106a) des zweiten Metallelements (101, 106) in dem Druckausübungsschritt durchgeführt wird.
Metallelement-Verbindungsverfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem in dem Verformungsunterdrückungsschritt eine Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen (13, 14, 31, 32, 33, 41, 42, 44), die in einem Zustand angeordnet sind, in dem sie den Außenumfangsabschnitt (101c, 106c, 106d, 106e, 106f) des zweiten Metallelements (101, 106) umgeben, durch einen Pressmechanismus (15, 16, 34, 35, 36, 45, 46, 47, 48), der mit jedem der Mehrzahl von Verformungsunterdrückungsköpfen (13, 14, 31, 32, 33, 41, 42, 44) verbunden ist, in der Querschnittsrichtung einwärts gepresst wird.
Metallelement-Verbindungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das zweite Metallmaterial ein Aluminium-enthaltendes Material ist und das erste Metallmaterial ein Eisen-enthaltendes Material ist.