JP2007521964A - １つ又は複数の接続点で機械的に接合するとともに加圧溶接することによって、２つ以上の、形状部品又は金属板を接合する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、２つ以上の、金属板又は特に自動車部品の形状部品と自動車部品とを接続する方法を開示する。本発明は、特に、少なくとも１つが高張力鋼から成る２つ以上の、金属板及び／又は形状部品を接続する方法に関し、ａ）金属板又は形状部品の１つ又は複数の接続点における確実且つ／又は非確実な機械的接続、及び、ｂ）加圧溶接による接続点の熱接合を含む。本発明による方法により、特に自動車分野において、非常に高品質のスポット溶接接続部を有する車体部分を製造することができる。
Description
本発明はさらに、２つ以上の、金属板及び／又は形状部品を接続する方法に関する。本発明は、特に、少なくとも１つが高張力鋼から成る２つ以上の、金属板及び／又は形状部品を接続する方法に関する。金属板及び／又は形状部品の溶接、特に金属板及び／又は形状部品の加圧溶接は、多大な機材費を伴わずに迅速に実行でき、永久的な粘着接続を可能にするため、特に経済的な方法である。
しかしながら、溶接の基本的な前提条件は溶接すべき材料を互いに良好に溶接できることであるため、溶接は限られた状況でしか用いることができない。主に、同じ又はほぼ同じ金属及び合金は互いに溶接できる。異なる金属又は合金、例えばアルミニウムと鋼又は銅と鋼同士は、辛うじて溶接できるだけであるか又は全く溶接できない。
さらに、特に例えばスポット溶接、プロジェクション溶接、又はロールシーム溶接等の加圧溶接法によって溶接が実行される場合、異なるタイプの鋼だけでなく同じタイプの鋼も互いに溶接し難いことが多い。
金属及び合金製の金属板及び／又は形状部品を接続するために、従来技術による溶接とは別に、多くの機械的接続法、例えばリベット又はねじによる確実な接続が既知である。しかしながら、ねじ留め又はリベット留め用に導入される孔が概して機械的「ノッチ」として働くため、機械的に着脱可能な接続を概して行うこれらの方法の長期強度は非常に弱い。孔又はねじ孔の打ち抜き、穿孔、又は切削によって形成されるこれらの機械的な「ノッチ」は、過剰な応力につながることが多く、これは長期にわたり荷重を受けた場合に急速な材料疲労をもたらし得る。溶接接続によって得られるような長期強度は、一般的に、確実且つ／又は摩擦的な機械的接続では可能とならない。
さらに、辛うじて溶接できるだけの高張力鋼及び超高張力鋼は数多くあることが特に分かっている。特に、加圧溶接による溶接は、非常に正確に規定された溶接条件下でのみ可能であるが、こうした条件は維持し難い。
これらのいわゆる高張力鋼及び超高張力鋼を、特に自動車工学で用いて、軽量車体部分が得られる。同等の強度等級の場合、高張力鋼及び超高張力鋼では、例えば比較的高い伸び値、したがって非常に良好な冷間成形性を得ることができる。さらに、従来の鋼と比較して、確実に調整可能な強度の範囲が大幅に広がる。したがって、これらの高張力鋼及び超高張力鋼は軽量構成方式を可能にし、これは、強度特性を高めると同時に金属板又は形状材の厚さを減らすことによって可能になる。
言及されている高張力鋼及び超高張力鋼は、混晶硬化、細粒化、析出硬化、及び特別な形態の強度向上、いわゆる「プレス硬化」法によって調整される鋼を含む。後者の方法では、熱間成形された板又は形状部品に工具内で焼入れが施されるため、形成されるマルテンサイト量が多くなる。
高張力鋼又は超高張力鋼のさらに重要な群は、複合組織鋼である。これらの複合組織鋼の強度の向上は、軟質相に加えて硬質相が微細構造に導入されることによって達成される。
これらの複合組織鋼の第１の重要な群は、いわゆる二相組織鋼であり、その微細構造は、実質的に最高２０％のマルテンサイト量を有するフェライトから成る。
これらの複合組織鋼の第２の重要な群は、いわゆる残留オーステナイト鋼であり、これはフェライト及び混在したベイナイトから成る基本マトリックス中に残留オーステナイト成分を含み、これは成形中に硬質マルテンサイトに変態する。これらの残留オーステナイト鋼は、「ＴＲＩＰ」鋼という名称で知られている。この場合、「ＴＲＩＰ」という略語は「変態誘起塑性」を表す。
これらの複合組織鋼の第３の群は、いわゆる複相組織鋼である。この場合、均一な分布の非常に細粒化された微細構造に非常に微細な析出物が存在するため、非常に硬質な相、例えばマルテンサイトに加えて、より軟質の微細構造成分が存在する。
第４の重要な群は、フェライト−ベイナイト組織鋼であり、これはベイナイト及びフェライトでできた微細構造を有する。
これらの高張力鋼及び超高張力鋼は全て、複合組織及び脆化組織を含む微細構造を有するため、非常に弱くしか溶接できないという共通点がある。特に、ベイナイト及びマルテンサイトに代表されるような硬質相を含む鋼、又は溶接によってこのような硬質相が次第に形成される鋼は、加圧溶接、特にスポット溶接によって辛うじて粘着的に接続することしかできない。一般的に、溶接スポット微細構造では、過剰量のマルテンサイト及び／又はベイナイトが蓄積し、これが脆化につながり、したがって溶接部の長期強度が限られるか又は弱くなる。
さらに、上述の高張力鋼だけが互いに溶接し難い、すなわち弱くしか溶接できないのではないことが分かっている。容易に溶接可能な鋼自体、例えば従来の軟鋼での溶接接続も、限られた状況でしか可能でない。この場合、溶接点の表面だけでなく溶接スポット微細構造の内部にも生じ得る割れも見られることが多い。
さらに、高張力鋼及び超高張力鋼は、スプリングバック挙動を有し、これは、加圧溶接時、特にスポット溶接時の問題につながり得る。
これらのスプリングバック特性により、機材費の増加が必要となる。高張力鋼及び超高張力鋼のスプリングバックの結果として、一般的に、溶接すべき金属板及び／又は形状材間に隙間が生じる。しかしながら、プレス内で生じるこの隙間は、加圧溶接の場合、特にスポット溶接の場合は、スポット溶接力の急増によって補償しなければならない。これには、各場合に補償すべき隙間の厚さに応じて加えるべきスポット溶接力を適合させることが必要である。
加圧溶接時又はスポット溶接時に用いられる溶接トングを用いてスプリングバックする金属板又は形状部品を押し合わせることで、スポット溶接後に、十分な耐荷重強度にまだ達していないまだ高温の溶接点が、一緒に挟み付けられた結果として生じる金属板又は形状部品内の応力を受けなければならなくなる。したがって、この作業を行うために、溶接トングは保持時間後の比較的長時間にわたって閉じたままにしておかなければならない。これはさらに、製造のサイクルタイムの急激な延長につながる。サイクルタイムの延長はさらに、仕上げラインでの処理量の減少を引き起こす。処理量の減少はさらに、仕上げられる製品のコストの上昇につながる。
したがって、本発明の目的は、特に自動車の車体構造における、少なくとも１つが高張力鋼から成る２つ以上の、金属板及び／又は形状部品を接続する新たな方法を提供することである。この方法は、上述の問題を克服すること、すなわち、永久的で製造に関して安全な溶接接続を提供すると同時に、従来のスポット溶接と比較して溶接時間を短縮することである。
本発明によれば、この目的は、少なくとも１つが高張力鋼から成る２つ以上の、金属板及び／又は形状部品を接続する方法であって、以下のステップ、
ａ）金属板又は形状部品の１つ又は複数の接続点における確実且つ／又は摩擦的な機械的接続、及び
ｂ）加圧溶接による接続点の熱接合
を含む方法によって果たされる。
ａ）金属板又は形状部品の１つ又は複数の接続点における確実且つ／又は摩擦的な機械的接続、及び
ｂ）加圧溶接による接続点の熱接合
を含む方法によって果たされる。
この方法により、一方では、接続すべき２つの金属板及び／又は形状部品間で安定性の優れた機械的接続を非常に迅速に可能にすることで、加工すべき高張力鋼のスプリングバック特性の結果としてプレス内に現れる隙間を効果的且つ効率的に閉じることができるとともに、その後で加圧溶接によって形成される接続点を溶接する際に、溶接トングによって行わなければならない各場合に加えるべきスポット溶接力の不経済で時間のかかる調整を避けることができる。
この方法により、一方では、高張力鋼及び超高張力鋼のように、少なくとも一方の鋼タイプが弱くしか溶接できないものである異なるタイプの鋼を互いに溶接できる。他方では、弱くしか溶接できない同じタイプの鋼も互いに接続できることが明らかである。したがって、この方法は、高張力鋼及び超高張力鋼を互いに接続するのに適しているが、高張力鋼及び超高張力鋼を従来容易に溶接可能な軟鋼に接続するのにも適している。
この方法はさらに、高張力鋼を他の金属又は合金に接続するのにも適している。特に、アルミニウムを高張力鋼に接続することが可能である。
この方法は、特に、最初に述べたプレス硬化鋼、二相組織鋼、フェライト−ベイナイト組織鋼、残留オーステナイト鋼、複相組織鋼、及びマルテンサイト組織鋼に適している。
本発明の第１の実施の形態では、機械的接続は、貫入接合（Durchsetzfugen）によって行われる。貫入接合は、「クリンチング」という用語でも知られている。接続すべき金属板及び／又は形状部品に貫入点が設けられた後で、ほぼ小板状の溶接材料片が概して貫入接合点の窪みに挿入され、溶接材料が設けられた貫入接合点が続いて加圧溶接される。
本発明の代替的な実施の形態では、機械的接続は、接続片を用いて行われる。この場合、接続片は溶接材料として加圧溶接で用いられる。この機械的接続の一実施の形態はリベット留めである。別の実施の形態はねじ留めである。この場合、予め打ち抜かれた孔に導入されたリベット及び／又はねじが、溶接材料としてその後の加圧溶接時にさらに用いられる。
本発明のさらなる実施の形態は、パンチリベットにより接合すべき金属板及び／又は形状部品の確実且つ摩擦的な機械的接続である。接続すべき金属板及び／又は形状部品に導入されたパンチリベットは、溶接材料としてその後の加圧溶接時にさらに用いられる。
本発明による方法では、例えば貫入接合時に用いられる上述のリベット、ねじ、又はパンチリベット、又は溶接材料であり得る用いられる接続片が、容易に溶接可能な鋼から成ることが重要である。容易に溶接可能な鋼は、一般的には、純フェライト又はフェライト−パーライト微細構造を有する軟鋼、例えば欧州規格ＥＮ１０１３０、特にＤＣ０４、ＤＣ０５、及びＤＣ０６のタイプによる鋼である。
さらに、接続片が例えば表面窒化によって硬化された表面であり得ることにより、パンチリベットがあまり大きく塑性変形しないため、特に良好な打ち抜き挙動が得られる。接続片の表面硬化に関しては、表面窒化に加えて、焼きなまし及びその後の焼入れも考慮に入れられる。同様に、接続片の縁の簡単な誘導硬化すなわち炎焼入れも考えられる。
鋼タイプＤＣ０６は、ＩＦ鋼、換言すればいわゆる「極低炭素」鋼である。ＩＦ鋼では、機械的特性は、製鉄所での真空処理によって炭素及び窒素元素を完全に除去して最低量まで低減し、対応する圧延及び焼きなまし条件と組み合わせたニオブ及び／又はチタンでのマイクロアロイングによって得られる。
接続片には、例えば亜鉛、ニッケル、又は銅製の薄い金属被覆も設けることができ、これは、接合すべき金属板及び／又は形状部品への冶金的接続を向上させる。特に、このような被覆により、溶接スポット微細構造の領域における混合化合物及び／又は拡散化合物の形成に好ましい影響を及ぼすことができる。
用いられる加圧溶接法は通常、電気抵抗溶接である。電気抵抗溶接の場合、スポット溶接がさらに好ましい。しかしながら、別の電気抵抗溶接法、例えばプロジェクション溶接又はロールシーム溶接を用いることもできる。
本発明による方法は、自動車工学の分野に、その中でも特に高張力鋼及び／又は超高張力鋼を用いて軽量構成方式で製造すべき車体部分の製造に、非常に適している。
しかしながら、異なるタイプの作業に、例えば造船、軍事分野、建設、又は高張力鋼及び／又は超高張力鋼の使用が推奨される機械工学の特殊分野で、この方法を用いることもできる。
車体組み立てで用いる場合、本発明による方法を用いると、車体部分は、軽量構造方式で製造することができ、加工された高張力鋼及び超高張力鋼間にスポット溶接によって通常形成される溶接接続点に割れが生じず、非常に迅速に比較的少ない機材費で製造できる点が特徴的である。
さらに、溶接点はベイナイト又はマルテンサイト量の少ない純フェライト又はフェライト−パーライト溶接スポット微細構造を事実上有し、これらの溶接スポット微細構造は金属板又は形状部品の微細構造とはっきりと区別されることで、既知の超音波探傷検査法で問題なく検査することができるため、形成された溶接点の品質検査がかなり簡略化される。
溶接点表面及び／又は溶接点内部の領域の割れを検出するための超音波探傷検査法は、従来技術の高張力鋼及び／又は超高張力鋼のスポット溶接接合部の場合、特定の条件下でしか用いることができないことが特に分かっている。溶接スポット微細構造の微細研磨の一連の金属組織学的研究と、種々の染色浸透探傷法によって、超音波探傷検査法では検出できなかった割れが生じていることを確認できるであろう。
したがって、本発明による方法により、従来技術よりも向上したスループット時間で車体部分を製造することができ、従来技術と比較して製造安全性が大幅に向上する。したがって、本発明による方法は、製造の高速化だけでなく、完成した車体部分の実質的に簡略化された迅速な品質検査も可能にする。
さらに、本発明は、さらなる利点として、高張力鋼及び／又は超高張力鋼を含む従来製造されてきた車体部分と比較して、非常に調整し難い溶接プロセスウィンドウを維持せずに溶接接続部を後で改善できるため、欠陥のある溶接接続点の修理を迅速に問題なく実行できるようにする。これにより、製造ラインにおいて及び修理工場でのすでに納品された自動車の修理時の両方での、容易且つ経済的な修理の可能性が広がる。
本発明は、一例として図面に示されており、図面を用いて本明細書中で詳細に後述する。
図面によれば、まず、互いに接合されてパッケージを形成する第１の金属板１及び第２の金属板２が設けられる。図示の第１の金属板１及び図示の第２の金属板２はいずれも、ここでは高張力鋼から成る。２つの金属板の厚さは、約１．５ｍｍである。
続いて、第１の金属板１及び第２の金属板２は、パンチリベット設置工具３に導入される。パンチリベット工具３は、内部にプランジャが配置された送り突起４から成る。送り突起４はプランジャ５を導き、パンチ５の下端にはパンチリベット６が配置されている。内部にプランジャ５がある送り突起４及び導かれるパンチリベット６は、第１の金属板１及び第２の金属板２が互いに接合されてできるパッケージの上方に位置する。接合されるこのパッケージの下方には、母型７がある。
第１の金属板１及び第２の金属板２がパンチリベット設置工具３に導入されると（図１ａに示す）、パッケージは、上部にある送り突起４及び下部にある母型７によって挟み付けられる。これを図１ｂに示す。
この後で、図１ｃに示すように実際のパンチリベット留め法が開始される。この場合、半中空リベットとして構成される設置すべきパンチリベット６は、第１の金属板１に押し付けられるため、この第１の金属板１は打ち抜かれる。図１ｄに示すようにパンチリベット６が続いて下の第２の金属板２内まで延びると、パンチリベット留めプロセスは終了する。２つの金属板１及び２は、続いて互いに確実に且つ摩擦的に機械的に接続される。
ここで用いられるパンチリベットは、高張力ＩＦ鋼、換言すればいわゆる高張力「極低炭素」鋼から成る。ＩＦ鋼では、機械的特性は、真空処理によって製鉄所で最低量まで低減された元素である炭素及び窒素を完全に除去し、対応する圧延及び焼きなまし条件と組み合わせたニオブ及び／又はチタンでのマイクロアロイングによって得られる。強度を高めるために、合金化処理によってマンガン及び／又は燐を加える。
さらに、パンチリベットの幾何学的形状、母型７の構成、及び加えられる接合力は、残留オーステナイト鋼製の接合すべき金属板１及び２の材料特性に合わせられる。
完成したパンチリベット接続部の形成後、図１ｅに示すように、パッケージの上方にある送り突起４は内部にあるプランジャ５とともに取り外され、下側の母型７は接続点から取り外される。
パンチリベット６が設けられた金属板１及び２は、続いてスポット溶接装置８に導入される。スポット溶接装置は、電源接続部（図示せず）、溶接電流源（図示せず）、及び２つの銅電極９及び１０を有する。
パンチリベット６の直径よりも大きな直径を有することもできる銅電極９及び１０は、パッケージ内にあるパンチリベット６の表面と、パンチリベット６を含む第２の金属板２の下面とに置かれる。続いて、パンチリベット６、第１の金属板１、及び第２の金属板２から成るパッケージは、最初に銅電極９及び１０によって確実に押圧され、大電流が溶接電流源内にある変圧器によって生成されてパッケージを加熱する。
形成すべき溶接点の領域では銅電極９及び１０の直径が比較的小さいことにより、電流は非常に狭い断面に通される。この効果は、パッケージの電気抵抗によってさらに高まる。パンチリベット６の領域のパッケージが柔らかい状態になるとすぐに、銅電極９及び１０はパッケージを押し合わせるため、パッケージが冶金的に接続される。続いて電流が切られ、パッケージの溶接点の領域が冷却する。溶接されたパッケージは、続いてスポット溶接装置８から取り出される。
図２ａは、パンチリベット６が皿頭とともに用いられるパンチリベット接続部を断面で示す。アンダーカットＨ及び残りの下部強度Ｒｂにより、図１ａ〜図１ｅで実行される方法によって確実且つ摩擦的な機械的接続部が形成される。
図１ｆからスポット溶接を実行した後、この確実且つ摩擦的な機械的接続部は粘着接続部に変わり、その微小断面図を図２ｂに示す。
高張力ＩＦ鋼製のパンチリベット６がこの場合用いられるため、ここで示す溶接スポット微細構造Ｓにはベイナイト及びマルテンサイトが事実上内部にない。溶接スポット微細構造Ｓは、主にフェライト又はフェライト−パーライト微細構造である。
この微細構造は、第１の金属板１及び第２の金属板２に面したその縁に混合化合物及び拡散化合物を有する。微細構造のこれらの縁は硬化微細構造である。
溶接スポット微細構造Ｓの全体が高い延性を有し、特に内部に割れがない。スポット溶接された高張力鋼及び／又は超高張力鋼の従来の溶接スポット微細構造と比較して、これらの溶接スポット微細構造Ｓでは、表面にさえも割れが生じない。
参照符号のリスト
１ 第１の金属板
２ 第２の金属板
３ パンチリベット工具
４ 送り突起
５ プランジャ
６ パンチリベット
７ 母型
８ スポット溶接装置
９ 第１の銅電極
１０ 第２の銅電極
Ｈ アンダーカット
Ｒｂ 残りの下部強度
Ｓ 溶接スポット微細構造
１ 第１の金属板
２ 第２の金属板
３ パンチリベット工具
４ 送り突起
５ プランジャ
６ パンチリベット
７ 母型
８ スポット溶接装置
９ 第１の銅電極
１０ 第２の銅電極
Ｈ アンダーカット
Ｒｂ 残りの下部強度
Ｓ 溶接スポット微細構造
Claims (20)
- ２つ以上の、金属板又は形状部品を接続する方法であって、
ａ）前記金属板又は形状部品を１つ又は複数の接続点で形状嵌合及び／又は圧入嵌合式に機械的に接続するステップと、続いて
ｂ）前記接続点を加圧溶接によって熱接合するステップと
による、２つ以上の、金属板又は形状部品を接続する方法。 - 少なくとも１つが高張力鋼から成る２つ以上の、金属板又は形状部品を接続する方法であって、
ａ）前記金属板又は形状部品を１つ又は複数の接続点で形状嵌合及び／又は圧入嵌合式に機械的に接続するステップと、続いて
ｂ）前記接続点を加圧溶接によって熱接合するステップと
による、少なくとも１つが高張力鋼から成る２つ以上の、金属板又は形状部品を接続する方法。 - 前記金属板又は形状部品は、異なるタイプの鋼から成る、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記金属板又は形状部品は、同じタイプの鋼から成る、請求項１又は２に記載の方法。
- 前記高張力鋼は、プレス硬化鋼、二相組織鋼又はフェライト−ベイナイト組織鋼である、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記高張力鋼は、複相組織鋼又は残留オーステナイト鋼又はマルテンサイト組織鋼である、請求項２乃至４に記載の方法。
- 前記機械的接続は、貫入接合によって行われ、該貫入接合部にその後の加圧溶接用の溶接材料が導入される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記機械的接合は、接続片を用いて行われ、該接続片は、その後の加圧溶接プロセス中に溶接材料としての役割を果たす、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記機械的接続は、リベット留め又はねじ留めによって行われ、リベット又はねじは、その後の加圧溶接プロセス中に前記溶接材料としての役割を果たす、請求項８に記載の方法。
- 前記機械的接続は、パンチリベット留めによって行われ、パンチリベットは、その後の加圧溶接中に溶接材料としての役割を果たす、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記溶接材料は溶接に適した軟鋼から成る、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
- 前記軟鋼はＩＦ鋼である、請求項１１に記載の方法。
- 前記加圧溶接は電気抵抗溶接によって行われる、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記加圧溶接はスポット溶接によって行われる、請求項１３に記載の方法。
- 自動車用の車体部分の製造のための、請求項１乃至１４のいずれか１項による方法の使用。
- 少なくとも１つが高張力鋼から成る少なくとも２つの形状部品又は金属板を有する自動車用の車体部分であって、前記形状部品又は金属板は、１つ又は複数の接続点で形状嵌合及び／又は圧入嵌合式に機械的に接続され、溶接材料によって加圧溶接されることを特徴とする、少なくとも１つが高張力鋼から成る少なくとも２つの形状部品又は金属板を有する自動車用の車体部分。
- 少なくとも１つが高張力鋼から成る少なくとも２つの形状部品又は金属板を有する自動車用の車体部分であって、前記形状部品又は金属板は、１つ又は複数の接続点で形状嵌合及び／又は圧入嵌合式に機械的に接続され、前記接続素子は前記形状部品又は金属板に加圧溶接されることを特徴とする、少なくとも１つが高張力鋼から成る少なくとも２つの形状部品又は金属板を有する自動車用の車体部分。
- 前記形状部品又は金属板の少なくとも１つは、プレス硬化鋼、二相組織鋼、フェライト−ベイナイト組織鋼、残留オーステナイト鋼、複相組織鋼、又はマルテンサイト組織鋼から成ることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の車体部分。
- スポット溶接部の内部の溶接接続点は、実質的にベイナイト及びマルテンサイトのない組織を有する、請求項１６乃至１８のいずれか１項に記載の車体部分。
- 前記形状部品又は金属板は、パンチリベットによって形状嵌合及び／又は圧入嵌合式に機械的に接続され、前記パンチリベットのところで互いにスポット溶接されることを特徴とする、請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の車体部分。
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