JP2011062748A - 少なくとも２枚の平板を接合する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一方の平板がこれの上に配置された被支持板よりも強度が高い支持板である少なくとも２枚の平板を接合する装置を提供する。
【解決手段】回転フィーダ部１１によって回転される接合要素５により、カラーを有する接合要素５が、被支持板２を支持板１に押圧して、シャフト部を介して、支持板１への摩擦溶接接合が行われる。回転フィーダ部１１が、この回転フィーダ部１１によって加えられる軸方向の力と各送り距離とを測定して、接合要素のシャフト部が支持板１に当接すると押圧力が高まり、回転フィーダ部１１を前進させる測定器１４を備える。回転フィーダ部１１の送り動作が、被支持板２を貫通するように調整する第１の段階と、支持板１とシャフト部との摩擦溶接を調整する第２の段階と、接合要素５の軸方向の力を支持板１に加える第３の段階の少なくとも３つの連続した接合段階によって調整されて摩擦溶接プロセスを完了させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一方の平板がこれの上に配置された被支持板よりも強度が高い支持板である少なくとも２枚の平板を回転フィーダ部によって回転される接合要素によって接合する装置において、接合要素がカラーにより被支持板を支持板に対して押圧し、シャフト部（shaft）によって支持板に摩擦溶接接合を形成する装置に関する。

ボルトと平板との間に摩擦溶接接合を形成するために、ＤＥ１０ ２００４ ０３４ ４９８Ａ１に開示される装置が用いられている。
この装置において、回転フィーダ部によって回転されたボルトが、ボルトと平板との間に引き起こされる摩擦加熱によって平板との接触領域におけるボルトの溶融及び平板表面の溶融がこの位置で引き起こされるような回転速度及び押圧力で平板に押圧されて、摩擦溶接のプロセスが開始し、ボルトと平板との間の摩擦力が直ちに低下することによってトルクが低下するため、平板に対するボルトの押圧力を維持しつつ摩擦位置を冷却しながら摩擦溶接が行われたという信号を提供する。
このため、この装置には、距離センサと、トルクセンサと、押圧力センサとが設けられ、これらのデータを制御部に供給する。
制御部は、これらのデータが供給されると、これらの測定データの検出に基づいて回転フィーダを制御し該当する溶融部分が凝固するように回転フィーダを静止状態とし、これにより摩擦溶接接合を完了させる。

この種の特殊な摩擦溶接接合は、ＤＥ１９６ ２０ ８１４Ａ１に記載されている。
この公報に開示されている摩擦溶接接合は、接合部品により互いに接合された２次元金属部品（two-dimensional metal part）と金属ベースとからなる３部品接合体に関し、接合部品が、回転されながら２次元金属部品に押し当てられ、接合部品の領域において２次元金属部品を溶融させて金属ベースに接近し、金属ベースとともに摩擦溶接による接合部を形成している。
接合部品が、そのカラーまたはフランジによって２次元金属部品に圧力を加え、接合部品のシャフト部が、２次元金属部品を貫通して摩擦溶接により金属ベースに接合されることにより、この多部品接合体は接合部品により互いに強固に保持される。

このような多部品接合体を製造し、実用的に使用するためには、接合する平板の材料に依存して、接合部品をある一定の押圧力で２次元金属部品上に押し下げて２次元金属部品の材料を溶融し、その後金属ベース内に挿入させて摩擦溶接接合を形成する必要がある。
ここで、それぞれ維持されるべき回転速度及び押圧力の値は通常実験により求められるものであり、十分な強度のある摩擦溶接接合を形成するために、接合プロセス（connection process）中に最適と判定された回転速度変化（sequence）及び押圧力変化の値が動作中維持される。

独国特許出願公開第１０２００４０３４４９８号明細書 独国特許出願公開第１９６２０８１４号明細書

本発明の目的は、接合要素によって少なくとも２枚の平板を接合する装置を提供することである。
この装置により、特に回転速度、送り距離、送り押圧力等の各動作パラメータを任意に調整することができる。
金属平板とともにプラスチック平板も摩擦溶接プロセスにより相互に強固に接合することができるので、異なる材料についても考慮する必要がある。
本明細書において考慮される２枚の平板を接合する場合、支持板は、その上に配置された被支持板よりも強度が高くなければならない。

この課題は、以下の特徴を有する上記装置によって解決される。
上記装置において、回転フィーダ部が、回転フィーダ部によって加えられる軸方向の力と各送り距離とを測定し、接合要素のシャフト部を下げることで引き起こされる押圧力の上昇を示す信号を送り、回転フィーダ部を前進させる測定器を備えている。
回転フィーダ部の送り動作が、少なくとも３つの連続した接合段階によって調整可能になっている。
すなわち、被支持板を貫通するように調整する第１の段階と、シャフト部と支持板との摩擦溶接を調整する第２の段階と、接合要素の軸方向の力を支持板に加える第３の段階により、摩擦溶接プロセスは完了する。

上記特徴を有する装置により、摩擦溶接プロセスに必要な回転送り動作を個々に各送り距離に関して接合する平板の材料を考慮して調整することができる。
これにより、回転フィーダ部は、接合する平板の材料の厚さに応じたステップ長さ（step length）を動作することができ、このステップ長さは、接合する平板の厚さ及びこの接合する平板の材料に適合している。
このように、接合する平板の材料を考慮しながら平板の既知の厚さを元に、回転フィーダ部が段階的に進む間隔の長さが本装置によって処理されて判定され、接合要素によって自動的に平板間の所望の接合が形成されている。
本発明によれば、接合プロセスは、回転フィーダ部によって開始位置から行われる３つの段階に分けて調整される。
これらの３つの段階の間に、接合要素によって平板の材料の異なる処理が行われる。
開始位置において、本装置は、まず、回転フィーダ部を開始位置に配置して、接合要素を被支持板上に配置すると、回転フィーダ部に押圧力が発生し、以下の接合要素の送り動作の３段階の開始信号を生成する。
本装置は、回転フィーダ部に接続された測定器によって接合要素の各位置を測定することができるので、３つの連続した段階において行われた送り動作を測定することにより、接合要素はこれに従って動作することができる。
そして、接合要素は、強制的に各段階を処理して回転フィーダ部によって進み、最終的には支持板との接合のために摩擦溶接プロセスを行う。
ここで、第１の段階の長さは被支持板の貫通の長さに対応するように調整され、その後続く２つの段階においてシャフト部の支持板との摩擦溶接が行われ、その後第３の段階では回転フィーダ部の押圧力を加えた摩擦溶接プロセスが終了して、接合要素は支持板に押し当てられる。

これにより、２枚の平板を摩擦溶接により接合するプロセスは、制御されて完了する。

上述した接合要素と平板との相互作用において、支持板上に存在し得る汚染物又は被膜を除去するために、第１の段階と第２の段階との間の中間段階において、回転フィーダ部が、回転速度及び軸方向の力を第１の段階とは変えて接合要素を回転させるように制御することにより、この中間段階において支持板の表面が洗浄されて、第２の段階における摩擦溶接をこれに応じて設定することができる。
回転速度及び軸方向の力の変化は、支持板の被膜の強度に依存する。

本装置は、特に摩擦溶接により鋼製の支持板を軽金属製の被支持板と接合するように構成されている。
ここで、第１の段階において、軽金属製の被支持板には接合要素が貫通して、支持板表面を溶融させ始めて接合要素と支持板との摩擦溶接プロセスに備えて、接合要素がその領域において被支持板を軟化させる。

この場合、接合要素も鋼製であることが好ましい。
なお、平板及び接合要素をプラスチック材料により形成することもできる。
第１の段階において、接合要素が、第１の段階における接合要素の送り動作が被支持板の厚さに亘って行われるように回転フィーダ部によって操作され、回転速度が、摩擦加熱によって被支持板の材料が接合要素の領域を流動するように設定される。

その後、第２の段階において、回転フィーダ部が、ここで被支持板が溶融し始めるように、第１の段階よりも低い回転速度及び高い軸方向の力で接合要素を回転させる。

第３の段階において、接合要素と支持板との摩擦溶接接合を完了させるためには、回転フィーダの回転をゼロに設定して、回転フィーダ部が接合要素に押圧力を加えながら支持板へ押し当てを行い、加えられた軸方向の押圧力を受けて接合要素と支持板の溶融された表面とが強固な接合を形成する。

図面に本発明の実施例を示す。

回転フィーダ部と測定器とを備える装置の全体図。 相互に接合される２枚の平板と支持板上に配置された接合要素とを備える装置の図。 図２と同じ構成であるが、接合要素が支持板に貫通した状態（第１の段階）の図。 図３と同様の構成であるが、接合要素の正面の円錐状部分が摩耗した状態（中間段階）の図。 図４と同じ構成であるが、接合要素と支持板とが摩擦溶接接合された状態（第２の段階）の図。 上記各図に示すものと同じ構成を完成した多部品接合体の図。

図１に、本発明に係る装置の主要部をＤＥ１０ ２００４ ０３４ ４９８Ａ１に記載の部品を摩擦溶接する装置の構成に倣って示す。
本発明に係る装置は制御部１３を備え、この制御部１３によって回転フィーダ部１１等の機械的構成要素が制御され、回転フィーダ部１１は固定のフレーム１２に対して回転フィーダ部１１の長さ方向に動くように構成されている。
回転フィーダ部１１は、接合要素５を下端において把持するとともに、軸方向の押圧力を受けて回転するプランジャ７を備えている。
ダウンホルダ４は、平板が相互に確実に接合されるようにしている。
すなわち、接合要素５が回転され押圧力を加えられて被支持板２上に押し下げられると、支持板１と被支持板２とが相互に強固に接する。
プランジャ７の各位置と接合要素５の各位置とは、測定器１４によって測定されている。

図２に、相互に接合される、支持板１とこの支持板１上に配置された被支持板２とを示す。
支持板１は、例えば鋼製であり、被支持板２は、例えばアルミニウム等の軽金属製である。
支持板１と被支持板２との間に層３が示され、この層３は、支持板１に塗布された保護層又は汚染若しくは付着による層を示す。
２枚の平板１、２を接合する装置は、例えば、支持板１に押圧力を加えるダウンホルダ４によって、被支持板２上に配置され、被支持板２を何らかの形で基台（図示せず）上に置かれた支持板１に対して押圧している。
ダウンホルダ４内において、被支持板２とは反対側に向いた端部にカラー６を備える接合要素５が案内されている。カラーに関しては、詳細を後述する。
摩擦溶接により２枚の平板を接合する装置（例えば、図１を参照）に概略的に示されたプランジャ７が、カラー６に押圧力を加えることにより、回転するプランジャ７が、トルクス（登録商標）凹部８とこれに対応するプランジャ７の凸部を介して接合要素５にトルクを与える。

したがって、これは既知の構成事項である。

図２には、接合要素５の先端部９が被支持板２に当接する位置における接合要素５が示される。
このような当接は、本装置と協動する図１に示す測定器１４によって検出される。
すなわち、接合要素５の被支持板２への供給動作中に接合要素５が突然固定され、これが本装置内の回転フィーダ部１１を自動的に駆動するための信号として用いられることにより、回転フィーダ部１１は、プランジャ７を駆動して接合要素５に押圧力を加えながら被支持板２内へと押圧する。
このプロセスにおいて、プランジャ７の回転と巻き取られた（taken up）接合要素５によって、接合要素５の先端部９に強い摩擦が生じ、接合要素５の先端領域の材料が急速にかつ実質的に加熱される。
これにより、被支持板２の材料が軟化して、接合要素５の先端部９が被支持板２の軟化した材料に挿入する（図３参照）。
これにより、接合要素５と支持板１との間に以下に述べる摩擦溶接プロセスが開始される。

塗膜又は接着の組合せにより支持板１に保護被膜を施すことは多くの場合避けられないが、この場合、被支持板２を貫通するプロセスの後に支持板１の保護被膜又は汚染被膜がそれぞれなくなるまで洗浄する。
これにより、接合要素５の先端部９の領域における被支持板２及び支持板１の材料が相互に接合されて、摩擦溶接接合を形成することができる。

図４に示す中間段階では、接合要素５の回転によって接合要素５の先端部９が取り除かれ、その結果、接合要素５がそのシャフト部１０によって支持板１上に配置されていることを示す。

図２乃至図６に示すように、接合要素５が各段階に到達した時点で、回転フィーダ部１１に接続された測定器１４（図１参照）によって、図５に示すように、強固な摩擦溶接接合を形成するために静止状態の接合要素５を介して十分な押圧力を加えることができ、接合要素５の表面が支持板１の材料と接合されて、接合要素５が摩擦溶接によって支持板１に接合されている。

そして、各部品を接合する本装置を被支持板２から取り外すことができ、接合要素５上のカラー６により被支持板２が支持板１に対してさらに確実に押圧されている。
最終的な配置を図６に示す。

１ ・・・ 支持板
２ ・・・ 被支持板
３ ・・・ 層
４ ・・・ ダウンホルダ
５ ・・・ 接合要素
６ ・・・ カラー
７ ・・・ プランジャ
８ ・・・ トルクス凹部
９ ・・・ 先端部
１０ ・・・ シャフト部
１１ ・・・ 回転フィーダ部
１２ ・・・ フレーム
１３ ・・・ 制御部
１４ ・・・ 測定器

Claims (10)

1. 一方の平板がこれの上に配置された他方の被支持板よりも強度の高い支持板である少なくとも２枚の平板を回転フィーダ部によって回転される接合要素を介して接合して、該接合要素がカラーによって前記被支持板を支持板に対して押圧するとともに、シャフト部を介して前記支持板と摩擦溶接接合を形成する装置において、
   前記回転フィーダ部が、該回転フィーダ部によって加えられる軸方向の力と各送り距離とを測定して、前記接合要素のシャフト部を下げると引き起こされる押圧力の上昇を示す信号を送り、前記回転フィーダ部を前進させる測定器を備えているとともに、
   前記回転フィーダ部の送り動作が、前記被支持板を貫通するように調整する第１の段階と、前記シャフト部と支持板との摩擦溶接を調整する第２の段階と、前記接合要素の軸方向の力を前記支持板に加える第３の段階の少なくとも３つの連続した接合段階によって調整されて摩擦溶接プロセスを完了させることを特徴とする装置。
2. 前記回転フィーダ部が、前記第１の段階と第２の段階との間の中間段階において、前記第１の段階とは異なる回転速度及び異なる軸方向の力で回転することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記支持板が、鋼で製造されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記被支持板が、軽金属で製造されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記接合要素が、鋼で製造されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記接合要素が、アルミニウムで製造されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記少なくとも２枚の平板及び前記接合要素が、プラスチックで製造されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記回転フィーダ部が、前記第１の段階において、前記回転フィーダ部の回転速度及び軸方向の力によって前記被支持板の厚さに対応するように調整されて、
   前記回転速度及び軸方向の力を設定する際に、前記被支持板の材料が、前記接合要素の領域で流動するように設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記回転フィーダ部が、前記第２の段階において、前記第１の段階よりも低い回転速度及び高い軸方向の力で回転していることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記回転フィーダ部の回転が、前記第３の段階において、ゼロに調整されて、
    前記回転フィーダ部が、前記接合要素に押圧力を加えることにより、前記支持板に対して押し当てを行っていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の装置。

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