JP2007196291A - 留め要素 - Google Patents

Abstract

【課題】腐食およびその他の化学的な影響に対して保護がなされた摩擦溶接接続を提供する。
【解決手段】この発明は、平坦な部品に摩擦溶接を行なうための摩擦溶接面を備える留め要素（１）であって、摩擦溶接が留め要素に作用する回転力および部品に対する押圧力を介する留め要素に関する。摩擦溶接面（４）は、円形の同軸摩擦はんだ付け面（５）を境を接し、摩擦溶接面は、摩擦はんだ付け面に対し、基本的に摩擦溶接に必要な材料だけを含む長さで軸方向に突出する。
【選択図】図１ａ

Description

この発明は、平坦な部品に摩擦溶接するための同心環状リングを有する摩擦溶接面を備える留め要素であって、摩擦溶接が留め要素に働く回転力および部品に対する押圧力を介して行なわれる留め要素に関する。

このような留め要素は、スタッドに関するＤＥ１９６４２３３１Ｃ２で提示されており、スタッドの端部にはフランジが設けられ、フランジは、その端部に、スタッドから見て外方に向いた同心環状リングを有する。環状リングは、フランジの半径方向の端部に配置され、かつ、中央の凹部の周囲を囲む。環状リングの摩擦面は凸形であり、これによって、スタッドの上に環状の線形摩擦面が生じる。摩擦溶接処理の間、既知のスタッドにより、スタッドの回転および部品に対する押圧を通して、接触面の溶融に必要な熱を生じさせることが可能となる。

さらに、留め要素はＤＥ１９９２７３６９Ａ１の図ｇから知られており、そこでは、留め要素はスタッドであり、スタッドの端部にはフランジが設けられ、フランジは、その端部に、スタッドから見て外方に向いた同心環状リングを有する。環状リングの摩擦面は平坦であり、これによって、スタッドの上に環状の平坦な摩擦面が生じ、摩擦面は、摩擦溶接を通して、かなりの断面積でもって平坦な部品に接着させることが可能となる。
ＤＥ１９６４２３３１Ｃ２ ＤＥ１９９２７３６９Ａ１

この発明の目的は、腐食およびその他の化学的影響に対する保護を伴う摩擦溶接接続を提供することである。この発明の目的は、摩擦溶接面の周囲を同軸の摩擦はんだ付け面で縁取ることで実現でき、摩擦溶接面は、摩擦はんだ付け面に対して軸方向に、基本的に摩擦溶接に必要な材料のみを含む長さで突出する。

そのような留め要素の設計では、摩擦溶接および摩擦はんだ付けが以下のようにして必ず連続して起こる。最初に摩擦はんだ付け面に対して突出する摩擦溶接面が平坦な部品と接触し、その結果、ここでは摩擦溶接処理の開始および実行が可能となり、摩擦溶接に必要な環状リングからの材料が、摩擦溶接接続で吸収される。この処理では、留め要素が部品に近接して引上げられ、その摩擦はんだ付け面が部品と接触し、その結果、既に摩擦溶接処理によって前もって加熱された摩擦はんだ付け面が、すぐに摩擦はんだ付けに必要な温度に達し、それによって、摩擦はんだ付け面／部品の上のはんだが溶解する。この結果、摩擦溶接接続が、その後の摩擦はんだ付け接続によって環状に囲まれ、摩擦はんだ付け接続は、摩擦溶接接続をしっかりと囲み、かつ、摩擦溶接接続を、あらゆる外的影響、特に腐食およびその他の化学的影響から保護する。摩擦溶接から摩擦はんだ付けの移行は連続的なものであり、留め要素の回転および留め要素の部品に対する押圧の処理が中断されることはなく、したがって、機能的に自己完結型の処理が生じ、そこでは摩擦溶接接続の保護が事実上自動的に行なわれる。

摩擦はんだ付け接続を行なうには、部品の亜鉛コーティングまたは摩擦はんだ付け面の亜鉛コーティングの使用が特に適しており、摩擦溶接に比べて、摩擦はんだ付けには比較的低い温度でよいという利点がある。亜鉛コーティングされた鋼板の摩擦溶接に必要な摩擦溶接温度は、約１１００℃から１２００℃であるのに対し、亜鉛コーティングを用いる
ときの摩擦はんだ付けの温度は、約３００℃から４００℃で十分である。もちろん、錫と銅の合金またはその類似物などの、別の摩擦はんだ付け用のはんだを用いることも可能である。たとえば、鋼板の亜鉛コーティングに十分な厚さを与えることで、その亜鉛コーティングが、摩擦はんだ付け処理に必要な材料を設けることが可能となる。しかしながら、その代わりとして、摩擦はんだ付け処理を行なうために、留め要素の上に、亜鉛コーティングまたはその類似物を備える摩擦はんだ付け面のみを設けることも可能である。部品および摩擦はんだ付け面の両方をはんだ材料でコーティングすると、特に確実な溶接はんだ付け接続が得られる。

摩擦溶接面は、環状溝によって摩擦はんだ付け面から分離されると好都合である。この環状溝は、摩擦溶接処理の間に生じる擦り減った材料、より具体的には、溶解した残留物および埃の粒子などを収容できるので、それらによって、摩擦溶接処理、および特にその後の摩擦はんだ付け処理が妨げられることはない。

摩擦溶接面は、わずかな傾斜のある平面であってもよく、傾斜は内方向または外方向に延在する。この傾斜によって、摩擦溶接面の軸方向に最も高い点において縁部が形成され、この縁部は、留め要素の回転および留め要素の部品に対する押圧の間に、留め要素を中心に置く上で好都合である。傾斜が内方向に延在する場合、すなわち、摩擦溶接面と部品との間の距離が内方向に大きくなる場合、溶解した残留物および埃の粒子は、内方向に離れて運ばれる傾向があるのに対し、傾斜が外方向に延在する場合、すなわち、摩擦溶接面の軸方向に最も高い高度が内側にある場合、このような材料は外方向に離れて運ばれる。このような場合、上記の不要物を環状溝によって外方向に収容することができる。

摩擦溶接面は、凸状の断面であると好都合である。このような設計の結果、凸状の摩擦溶接面が同心の細い接触線において部品と接触すると、摩擦溶接処理の間に留め要素が自動的に中心に置かれることになる。

同じことが摩擦はんだ付け面の設計にも適用され、摩擦はんだ付け面もまた凸形であってよく、それによって、摩擦はんだ付け処理は、中心の接触線から半径方向内側および外側に連続的に行なわれることになり、これによって均一なはんだ付け接続が実現する。

留め要素は、スタッドの形状であってもよいし、ナットの形状であってもよく、それは、いずれの場合でも、摩擦はんだ付け接続が存在することで、摩擦溶接接続にとって望ましい保護効果があるためである。

摩擦溶接面は、少なくとも１つの放射状溝が設けられていると好都合であり、この放射状溝によって、摩擦溶接処理の間、摩擦溶接処理の内側の領域と摩擦溶接処理の外側の領域との間で開口部が形成される。この接続によって、何らかの蒸気または揮発性不純物が生じても、外側に除去することが可能となるが、そうでなければ、それらは摩擦溶接接続によって形成される内部空間に封じ込められてしまう。塗料およびコーティングは削り取ることができる。放射状溝はごく細いので、摩擦溶接接続の強度が実質的に低下することはない。摩擦はんだ付け面に少なくとも１つの放射状溝が設けられた場合にも、同じ考慮事項が当てはまる。

部品に対して必要な圧力を与えた状態で留め要素を回転させるには、留め要素にドライバを設けると好都合であり、このドライバは六角形であると好都合である。

この発明の例示的な実施例を図面に示す。
図１は、スタッドの形状の留め要素１を示し、留め要素１は、その一方側にねじ山が付
けられた軸２および他方側にフランジ３が設けられ、フランジ３は、ねじ山が付けられた軸２から見て外方に向いた側に、摩擦溶接面４と摩擦はんだ付け面５とが設けられる。摩擦溶接面４の中心には凹部６が形成され、凹部は磨耗によって落とされた材料（溶解した残留物および埃の粒子）を収容することができる。

図１ｂは、図１ａの留め要素１を、摩擦溶接面４および摩擦はんだ付け面５の上面図で示す。

図１ａに示すように、摩擦溶接面４は、摩擦はんだ付け面５に対してわずかに突出し（実際には、約０．２から１．０ｍｍ）、その結果、留め要素が平坦な部品に押付けられると、留め要素１が回転するにつれて、摩擦溶接面４が最初に熱せられ、それから部品の表面と溶融して、摩擦溶接面４の材料が部品の材料と混合する（図８を参照）。これによって、留め要素１のフランジ３が部品により近くなって、最終的には摩擦はんだ付け表面５も部品の表面と接触するようになり、その場合、（摩擦溶接処理によって起こる）部品およびフランジ３の予熱のために、摩擦はんだ付け面５の領域に位置するはんだが急速に溶解し、その結果、最終的に、摩擦溶接面４を完全に囲む摩擦はんだ付け面５が、部品と溶融し、それによって、摩擦溶接面４を外側に対して遮断する。摩擦溶接面４の材料は、後に続く部品との摩擦はんだ付けおよび接合に必要なおおよその量とする。これによって、摩擦はんだ付け面５で確実に遮断された摩擦溶接面４による、留め要素１および部品（図示せず）の間で強力な接続が得られる。留め要素１と部品との接合については、図８を参照する。

図２に示す留め要素１は、図１ａおよび図１ｂに示すものと概ね同一である。図１ａおよび図１ｂに示す留め要素とは異なり、図２の留め要素は、摩擦溶接面４と摩擦はんだ付け面５との間に環状溝７が設けられている。摩擦溶接面４および摩擦はんだ付け面５と同心であるこの環状溝の目的は、摩擦溶接の間、外側に運ばれる不純物または材料の残留物を捕捉することであり、よって、これら不純物または残留物は、摩擦はんだ付け面５から確実に遠ざけられる。

図３ａおよび図３ｂは、図２に示すものと概ね同一の留め要素１を示す。図３ａおよび図３ｂでは、それは単に、摩擦溶接面８または９にそれぞれ、わずかな傾斜が設けられた事例であり、この結果、傾斜の方向によって、図３ａに従う配置では摩擦溶接面の内縁１０が形成され、または図３ｂに従う配置では摩擦溶接面９の外縁１１が形成される。縁部１０または１１によってそれぞれ、留め要素１が部品の上に配置されて回転したときに、特に集中的な中心化作用が確実に生じ、留め要素が回転している間、広範囲にわたって横方向の動きが防止される。さらに、摩擦溶接面８または９の傾斜はそれぞれ、回転および押圧の間に、最初に縁部１０または１１のそれぞれの領域のみが集中的に加熱され、次にそこから、それぞれの材料が場合に応じて外方向または内方向に均一に軟化していくという作用を有しており、これは、効果的で連続的に均一な摩擦溶接処理を行なう上で好都合である。さらに、この傾斜によって、不純物が外方向により良好に排除されるか、または内方向により良好に排除されることが確実となる。

上記で示したように、摩擦溶接面および摩擦はんだ付け面はいずれも、凸状の断面にすると好都合である。その例示的な実施例を図４に示しており、そこでは、摩擦溶接面１２および摩擦はんだ付け面１３はいずれも凸形である。しかしながら、留意点として、もちろん摩擦溶接面のみまたは摩擦はんだ付け面のみを凸形にすることも可能である。摩擦溶接面１２が凸形であるのは、留め要素１が部品の上に配置されたとき、最初に線状の接触およびそれに応じた強い集中的な加熱が起こることを意味しており、これは、摩擦溶接処理の実施速度において利点があり、部品に対して中央の接触リングから外側または内側に溶融領域またははんだ付け領域が線形に形成され、これによって、必要な熱の供給が促さ
れる。

図５ａおよび図５ｂは、図２に示すものと同様の留め要素１を示し、ここでは摩擦溶接面１４および摩擦はんだ付け面１５の両方に、それぞれの放射状溝１６および１７が設けられ、放射状溝１６および１７は、特に図５ｂ（留め要素１の対応する側の上面図）ではっきりと認識できる。放射状溝１６および１７は、一方では、対応する部品に特に強力な摩擦を与え、他方では、これらの溝が与える遠心力によって溶解した残留物を確実に除去する。放射状溝１６および１７は、図５ａに示すように、ごく小さい深部であるので、後の摩擦溶接接続および摩擦はんだ付け接続の強度には、実質的な影響を与えない。しかしながら、これらの溝は、特に埃の粒子、コーティングおよび溶解した残留物の除去に適している。

既に上記で説明したように、留め要素は、スタッドの形状（図１から図５）であってもよいし、ナットの形状であってもよい。この目的で、図６ａおよび図６ｂのナット１８を参照する。ナット１８は、端部の一方では図２に示す構造と同様の構造である。ナットは、ドライバとして六角形２０を有し、六角形は、たとえば、回転工具と係合するように作用してもよい。ナット１８は、ねじ山が付けられた穴２１が設けられ、かつ、摩擦はんだ付け面５の領域における境界部分で斜面１９が設けられ、この斜面は対応する領域で縁が鋭利になるのを防ぐ。さらに、斜面１９の作用は、外面的には完全に丸みを帯び、かつ、清潔な摩擦はんだ付け面を設けることであり、したがって、図６ｂに示す上面図で明らかに認識できるように、はんだ付け接続を設けることである。

図７ａおよび図７ｂは、六角フランジ２３を備えるスタッドの形状の留め要素２２を示し、摩擦溶接面４および摩擦はんだ付け面５を備えるフランジ２３の側面は、図６ａに示す構造と同一である。フランジ２３は、ここでは六角形であり、それによって、図６ａに示す例示的な実施例と同様、フランジ２３が回転工具と有利に係合して、留め要素を駆動する。

図８は、図３ａに従った、平坦な部品を示す金属部２４に溶接された留め要素１を示す。留め要素１のフランジ３は金属部２４に押付けられるので、摩擦溶接面８は、摩擦溶接領域２５において金属部２４に溶接され、その一方、摩擦はんだ付け面５は、はんだ付け領域２７によって、金属部２４の対応する表面２６に接合され、そこでは、たとえば、表面２６上の亜鉛コーティングおよび摩擦はんだ付け面５上の亜鉛コーティングが互いに融合し、すなわち、ここでは金属部２４および留め要素１の対応する部分同士の間にはんだ付け接続を形成する。図８から明らかなように、はんだ付け領域２７が溶接領域２５を囲み、それによって、留め要素１を金属部２４に固定する役割を担っている溶接領域２５は、腐食およびその類似物などのいかなる影響からも完全に保護される。

摩擦溶接面およびそれに直接隣接する摩擦はんだ付け面を備えるスタッド形状の留め要素を示す図である。 図１ａに従う留め要素の軸方向の上面図である。 図１のものと類似の配置の留め要素を示し、摩擦溶接面と摩擦はんだ付け面との間に環状溝が設けられる図である。 類似の留め要素を示し、摩擦溶接面は傾斜を有し、その傾斜は外方向に延在する図である。 図３ａに従う設計の変形例を示し、摩擦溶接面は、内方向に傾斜する図である。 留め要素のある配置を示し、摩擦溶接面および摩擦はんだ付け面はいずれも凸形である図である。 図２に示すものと概ね同一の留め要素を示すが、摩擦溶接面および摩擦はんだ付け面の両方に放射状溝が設けられる図である。 図５ａの留め要素の摩擦溶接面および摩擦はんだ付け面を軸方向に見た図である。 図２に従う設計の摩擦溶接面および摩擦はんだ付け面を備える、ナット形状の留め要素の側面図である。 図２に従う設計の摩擦溶接面および摩擦はんだ付け面を備える、ナット形状の留め要素の上面図である。 図２のものと同様の留め要素の１つの設計を示し、留め要素を駆動させるために六角形のドライバが設けられている図である。 図２のものと同様の留め要素の１つの設計を示し、留め要素を駆動させるために六角形のドライバが設けられている図である。 金属部に溶接された、図３ａに従う留め要素を示す図である。

符号の説明

１、２２ 留め要素、２ ねじ山が付けられた軸、３ フランジ、４ 摩擦溶接面、５
摩擦はんだ付け面、６ 凹部、７ 環状溝。

Claims (11)

1. 平坦な部品（２４）に摩擦溶接するための摩擦溶接面（４、８、９、１２、１４）を備える留め要素（１、１８、２２）であって、摩擦溶接が留め要素（１、１８、２２）に作用する回転力および部品２４に対する押圧力を介して行なわれる留め要素であって、摩擦溶接面（４、８、９、１２、１４）は、円形の同軸摩擦はんだ付け面（５、１３、１５）と境を接し、摩擦溶接面（４、８、９、１２、１４）は、摩擦はんだ付け面（５、１３、１５）に対し、基本的に摩擦溶接に必要な材料だけを含む長さで軸方向に突出することを特徴とする、留め要素。
2. 摩擦溶接面（４、８、９、１２、１４）は、環状溝７によって、摩擦はんだ付け面（５、１３、１５）から分離されることを特徴とする、請求項１に記載の留め要素。
3. 摩擦溶接面（９、８）は、半径方向に傾斜を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の留め要素。
4. 摩擦溶接面は、凸形の断面（１２）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の留め要素。
5. 摩擦はんだ付け面（１３）は凸形であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の留め要素。
6. 留め要素は、スタッド（１）の形状であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の留め要素。
7. 留め要素は、ナット（１８）の形状であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の留め要素。
8. 摩擦溶接面（１４）は、少なくとも１つの放射状溝（１６）を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の留め要素。
9. 摩擦はんだ付け面（１５）は、少なくとも１つの放射状溝（１７）を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の留め要素。
10. 回転力および押圧力をかけるためのドライバ（２０、２３）を特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の留め要素。
11. ドライバ（２０、２３）は六角形であることを特徴とする、請求項１０に記載の留め要素。

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