JP2019537512A - シートの積層を磁気パルスで溶接する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、金属材料からなるシートの積層を含む物品を磁気パルスで溶接する方法に関する。本方法は、積層（５５）の厚みに少なくとも１つの孔（６０）を設けることと、第１のプレート（５１）および第２のプレート（５２）と称する金属材料からなる２枚のプレートを積層の両側に構成し、少なくとも１つの貫通孔（６０）を覆う被覆領域（５３）を形成することと、プレートと積層との組立体をコイル（１１）の有効部分（１２１）に対向させて配置し、被覆領域の作用領域がコイルの有効部分と対面して前記作動領域が少なくとも１つの孔（６０）を覆うようにすることと、組立体を接合するまで作動領域を磁場に暴露することとを含む。本発明は、作動領域を磁場に暴露している間に、少なくとも１つの孔（６０）の辺りで第１のプレート（５１）に圧力がかかって第１のプレートを第２のプレート（５２）に押し付けることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接の分野であり、さらに詳細には、部品を互いに恒久的に組み合わせるための磁気パルスによる溶接の分野である。本発明は、特に、金属材料製シートの積層を溶接する方法に関する。

今日、特に自動車分野の産業で、金属材料製の２枚のプレートの間にある数十枚の金属材料製シートの積層から形成された物品に対する需要が増大している。各シートの厚みは小さく、一般に約０．０１〜０．０２ｍｍである。各プレートの厚みは大きく、一般に約０．２〜０．５ｍｍである。このような物品は、特にリチウムイオン電池を形成することが目的である。

これらの物品を生産することの難しさは、これらの様々なシートとプレートとの間の導電性を良好にするという要件にある。

現在、これらのシートとプレートとを組み合わせるのに使用されている技術は、超音波溶接およびレーザ溶接である。２つの部品間の溶接は、その２つの部品間の境界に生じる熱によって行われる。

これらの組み合わせ技術は迅速で経済的だが、いくつかの欠点がある。

これらの技術は、シートをまとめて十分に圧縮できない上に、シートに局所的な加熱が生じるおそれがあり、これによって穴ができてしまって最終的な溶接の質が低下し、その結果、組立体の導電性が低下する。

本発明は、上記の欠点を克服することが狙いである。

本発明の目的は、特に、厚みの小さい金属シートを組み合わせることを可能にすると同時に、得られた物品の導電性を確保する効果的な対策を提供することである。

本発明の補助的な目的は、この方法が実施しやすく迅速であることである。

そのために、本発明は、金属材料製シートの積層を含む物品を磁気パルスで溶接する方法を提供する。

磁気パルス溶接の一般的な定義は、一方の金属部品をもう一方の金属部品に対して重なっている領域で押圧することによって２つの金属部品の間に溶接部ができるが、外部に熱を出さないことである。このような方法の原理は主に、コイルによって生じる電磁力によって部品に高速の衝撃を与えることにある。

本発明による方法は、
−積層の厚みに、少なくとも１つの貫通孔を設けることと、
−金属材料製の２枚のプレートを積層の両側に設置し、少なくとも１つの貫通孔を覆う重複領域を形成することと、
−プレートと積層との組立体をコイルの有効部分と対向させて配置し、それによって重複領域の作動領域がコイルの前記有効部分と対面して配置され、前記作動領域が少なくとも１つの孔を覆うようにすることと、
−プレートと積層の組立体を磁気パルス溶接することと
を含む。

プレートは、積層を挟むようにしてこの積層と対向して配置される。プレートは、この積層の両側に配置されたときに積層の貫通孔と対向する孔を含んではいない。

プレートと積層との組立体の溶接は、作動領域をコイル磁場に暴露することによって行う。

コイルの有効部分から来る磁場は、作動領域で、コイルに近い方のプレートに圧力をかける。

よって、圧力が第１のプレートと称する一方のプレートにかかり、プレートをシートに押し付けてこのプレートと直接接触させる。今度はこのシートが隣接するシートに押し付けられ、これが積層の最後のシートまで繰り返される。この最後のシートに関しては、第２のプレートと称するもう一方のプレートに押し付けられる。

少なくとも１つの貫通孔では、この圧力は第１のプレートにかかり、第１のプレートを第２のプレートに押し付けて２枚のプレートの間の恒久的な溶接を実現する。第２のプレートに押し付けるとは、第１のプレートが第２のプレートに衝突するという意味である。換言すれば、少なくとも１つの貫通孔の所では、第１のプレートと第２のプレートとの間に直接の接触がある。貫通孔の所で行われる２枚のプレート間の溶接は、実際にはこの孔の周囲を環状に溶接した形状である。

そのため、作動領域がコイルによって生じた磁場に暴露されて圧力による溶接を実現すると、２枚のプレートは、少なくとも１つの貫通孔の所で、コイルに近い方のプレートが他方のプレートの方向に急速に変形することによって互いにぴったりと押し付け合い、シートを包み込む。

２枚のプレートに同時に圧力をかけることも可能である。

このような方法により、２枚のプレートを少なくとも１つの貫通孔の所で互いに溶接することが可能になり、これによってシートをしかるべき場所に維持し、有利には、シートが後で剥離するのを制限することが可能になる。

また、このような方法により、２枚のプレート間が直接接触することで物品の導電性を向上させるとともに、貫通孔の周囲でシートを第１のプレートと接触させることも可能になる。

また、このような磁気パルス溶接方法の１つの利点は、物品を形成している部品、すなわち２枚のプレートとシートとを組み合わせることが固体状態で行われることにもあり、これによって、材料が溶解してしまうという従来の溶接のあらゆる公知の問題を避けることが可能になる。そのため、エネルギー損失が最小になり、その結果、物品を形成している溶接対象の部品はそれほど加熱されない。溶接中に部品が溶解することがないため、融点の異なる材料を組み合わせることが可能になる。

そのため、例えば非常に優れた導電体である銅製のプレートとアルミニウム製のシートとを組み合わせることが可能である。

特定の実施形態によれば、本発明による方法は、さらに以下の特徴を満たしており、これらの特徴は、別々に取り込まれるか、その一つひとつの技術上の有効性を組み合わせて取り入れられる。

本発明の特定の実施形態では、シートとプレートとの接触を向上させるため、少なくとも１つの貫通孔、好ましくは全ての貫通孔は、例えば直円錐台または斜円錐台の形状に開けられる。

代替実施形態では、圧力を２枚のプレートに同時にかける場合、少なくとも１つの貫通孔、好ましくは全ての貫通孔は、小さい底面が互いにつながっている２つの逆向きの円錐台の形状に開けられる。

本発明の特定の実施形態では、孔でのプレート間の溶接を引き伸ばすため、この貫通孔は、横断面が楕円形の筒形状に開けられる。

本発明の特定の実施形態では、貫通孔は、２枚のプレートのいずれかのプレートの面に対して実質的に垂直方向を向いている平均軸を有するように開けられる。

代替実施形態では、貫通孔は、この貫通孔の所で２枚のプレートのいずれかのプレートの面への垂直線に対して傾斜した平均軸を有するように開けられる。

本発明は、金属材料製の２枚のプレートの間に金属材料製シートの積層を含む物品にも関する。積層は、その厚みに貫通孔を有する。積層は、貫通孔を覆っている重複領域で２枚のプレートの間に含まれている。プレートと積層との組立体は、孔を覆っている重複領域の一部で不可逆的に溶接される。プレートと積層との組立体は、磁気パルスで溶接される。２枚のプレートは、貫通孔の所で互いに溶接される。

好ましくは、物品は、少なくとも１つの実施形態による溶接方法を用いて得られる。

得られた物品は、２枚のプレートを孔の所で互いに溶接することで、シートをプレートの間でしかるべき位置に保持でき、後で剥離する危険性がないという点で有利である。

２枚のプレートの間を直接接触させると同時に、貫通孔の周囲でシートを第１のプレートと接触させることで、物品の導電性が実現される。

好適な実施形態によれば、本発明は、さらに以下の特徴を満たしており、これらの特徴は、別々に取り込まれるか、その一つひとつの技術上の有効性を組み合わせて取り入れられる。

本発明の特定の形態によれば、貫通孔は、例えば直円錐台または斜円錐台の形状である。
このような実施形態は、有利には、シートとプレートとの接触を向上させる。

本発明の特定の形態によれば、積層の貫通孔は、断面が楕円形の筒形状である。

本発明の特定の形態によれば、積層は、横断面が同じで大きさが同じである２つの貫通孔を有し、前記孔は、貫通孔の大きさの分だけ互いに離れている。

本発明は、添付の図面に照らして記載した以下の説明を読むことでよりよく理解されるであろう。

シートの積層を含む物品を磁気パルスによる溶接に適応した溶接装置内に配置して溶接の準備ができた状態にある概略側面図である。 図１の溶接装置の断面図である。 シートの積層の厚みにある孔の形状の代替案を示す図である。 シートの積層の厚みにある孔の形状の代替案を示す図である。 孔の横断面の代替案を示すシートの上面図である。 孔の横断面の代替案を示すシートの上面図である。 磁気パルスによる溶接の作業をした後の物品の重複領域の写真である。

図１は、シート５６の少なくとも１つの積層５５を含む物品５０の磁気パルスによる溶接に適応した溶接装置１０を概略的に描いている。

物品５０を形成している様々な部品は、平坦形状、あるいは管状形状であってよい。

平坦形状とは、部品がその長さの全体または一部にわたって、少なくとも部品が互いに重なっている領域で、少なくとも１つの平坦または実質的に平坦な形状の面を有しているという意味である。

管状形状とは、部品がその長さの全体または一部にわたって、少なくとも部品が互いに重なっている領域で、管の形状であるという意味である。

ここで、本発明を、平坦形状のシート５６の積層５５を溶接する事例で詳細に説明する。

溶接装置１０は、公知の方法で、コイル１１、格納ユニット（図示せず）および１つ以上のスイッチ（図示せず）を備えている。

格納ユニットは、例えばおよそ数十キロジュール（ｋＪ）という強力なエネルギーを蓄積するように構成され、意図されている。

好適な実施例では、格納ユニットは、放電コンデンサのアレイである。

コイル１１の場合、規定の空間に集中した磁場ができるように構成され、意図されている。

コイル
コイル１１は、本体１２を有する。この本体１２は、可塑性の変形に対して機械的抵抗があるという点のほか、およそ数十万アンペアの極めて高強度の電流を流すための高い導電性という点で特定の特徴を有する材料から作製されている。

好適な実施例では、本体の材料は、鋼、好ましくは高強度の鋼で作製されている。

スイッチが閉じると、本体１２は格納ユニットに接続し、本体に高強度の電流が流れて磁場を生み出す。

コイル１１は、前記コイルの一領域での電流密度が溶接条件を満たすのに十分であるように設計される。この領域を有効部分１２１と呼ぶ。

留意すべきことは、溶接を行うためには、複数のパラメータ、特に衝突の角度および衝突の速度を考慮しなければならないことである。この２つのパラメータは、コイルと溶接する部品との最初の相対配置、部品の材料および使用した電流信号に関係する。これらのパラメータは当業者に公知であり、ここでは詳細に説明しない。

電流は、有効部分では、厚みが表皮深さと一致している有効部分によって画定された層の上に集中する。

鋼製コイルの非限定的な例では、表皮深さは、数十ｋＨｚの周波数に対しておよそ数ミリメートルである。

所望の使用、すなわちシートの積層５５を溶接するためには、銅製プレートの場合、例えばおよそ０．３ｍｍという極めて浅い表皮深さに磁場を集中させる必要がある。磁場をこのような表皮深さに集中させるため、発生した周波数は少なくとも２５ｋＨｚよりも高い。

磁場を０．１ｍｍ未満の表皮深さに集中させることを所望している別の例では、発生した周波数は少なくとも７０ｋＨｚよりも高い。

溶接する物品
溶接する物品５０は、シートの積層５５と、第１のプレート５１および第２のプレート５２と称する２枚のプレートとを含んでいる。

積層５５は、シートを積み重ねたものを含んでいる。この積層は、第１のシート５６ａ、最後のシート５６ｃ、およびこの２つシートの間に中間シート５６ｂを含んでいる。

積層５５は、２枚のプレート５１、５２の全体または一部の間に挟まっている。換言すれば、第１のプレート５１の内面５１１の全体または一部は、第１のシート５６ａに当接して配置され、第２のプレート５２の内面５２１の全体または一部は、最後のシート５６ｃに当接して配置されている。

積層５５と２枚のプレート５１、５２とは、上下に配置されるように意図され、それによって重複領域５３と称する共通の重ね合わさった領域を形成し、その後、前記重複領域の全体または一部をコイル１１によって溶接するようになっている。

積層５５と２枚のプレート５１、５２とは、少なくとも重複領域５３で、実質的に平行に上下に位置している。

好ましくは、重複領域５３は、少なくとも１枚のプレートの端部、例えば第１のプレート５１の端部５１３に位置している。

各プレート５１、５２は、例えば２００〜４００μｍの厚みを有していてよい。

各プレート５１、５２は、好ましくは金属材料製である。

非限定的な好適な例では、プレート５１、５２はアルミニウム製である。

別の非限定的な例では、プレート５１、５２は銅製である。

別の実施形態では、２枚のプレート５１、５２は、異なる金属材料でできている。

図１〜図４に示した例では、積層５５は、９枚のシートを含んでいるが、これは本発明を限定するものではない。

シートは図面に示され、９枚として描かれているが、これらのシートの数は記載して図示した数に限定されるものではない。そのため、本発明の文脈から逸脱しない限り、１０枚未満のシートまたは数十枚のシートを含む積層５５を作ることが可能である。

好ましくは、積層５５は、少なくとも４０枚のシートを含む。

各シートは、例えば２０μｍの厚みを有する。

各シートは、好ましくは金属材料製である。

非限定的な好適な例では、シートはアルミニウム製である。

異なる金属材料でできたシートから積層５５を作ることも可能である。

積層５５は、その厚みに、ひいては各シートに、複数の貫通孔６０を有する。以下の説明では、貫通孔を孔と称する。

当然ながら、積層５５がその厚みに孔６０を１つのみ有することは自明である。以下の説明でもこの場合を適用する。

孔６０は、２枚のプレート５１、５２と積層５５とが組み合わさっているときに孔６０が重複領域５３に位置するように、積層５５内に位置付けられる。

積層５５を間に挟んでいる２枚のプレート５１、５２が、前記積層と共に溶接される準備の整った状態にあるとき、前記２枚のプレートは、図２〜図４に示したように、積層に開けられた孔６０に対面にしている孔を有してはいない。

１つの実施例では、孔６０どうしは、実質的には同列にある。図２〜図４は、物品５０の溶接作業をする前の孔６０のラインの断面を示している。

図２〜図４に示した例では、６つの孔６０がある。

孔６０は、図面には６つとして図示され説明されているが、この孔の数は、説明し図示した数に限定されるものではない。そのため、本発明の文脈から逸脱しない限り、孔の数が６よりも少ないか多い積層５５を作ることが可能である。

孔６０の数は、積層５５の寸法に左右されることは明らかである。

孔の数、形状および大きさは、重複領域および／または積層の厚みの寸法に応じて決定される。

図２〜図４に示した１つの実施形態では、１つの孔６０、好ましくは全ての孔は、この孔がその形状に関わらず平均軸６１を有し、前記平均軸がこの孔の所で第１のプレート５１、または第２のプレート５２の内面に対して実質的に垂直方向を向いているように、積層５５内に開けられる。

別の実施形態では、孔６０の平均軸は、前記孔の所で、第１または第２のプレートの内面に垂直な軸に対して実質的に傾斜している。

孔の１つの実施例では、図２に示したように、孔６０は筒形状である。

筒形状とは、第１のプレート５１の内面５１１から第２のプレート５２の内面５２１に向けての断面が一定の形状であるという意味である。

筒形状は、あらゆる横断面の形状、例えば楕円形、円形、四角形、長方形または多角形の断面などを包含する。

１つの実施形態では、孔６０は、横断面が円形の筒形状である。図５は、シートの上面を示しており、例えば第１のシート５６ａは、横断面が円形の孔を６つ含んでいる。

別の実施形態では、孔６０は筒形状で、横断面が楕円形である。図６は、シートの上面を示しており、例えば第１のシート５６ａは、横断面が楕円形の孔を６つ含んでいる。

孔の代替実施形態では、図３に示したように、孔６０は、実質的に円錐台の形状であり、大きい底面６２が第１のプレート５１の内面５１１の近くに位置し、小さい底面６３が第２のプレート５２の内面５２１の近くに位置している。

実質的に円錐台の形状とは、横断面が単調に小さくなるか大きくなっていく形状を意味し、この場合は、第１のプレート５１の内面５１１から第２のプレート５２の内面５２１に向かって小さくなっている。

孔の形状を説明するために使用した「円錐台」という表現は、広義の意味に捉えるべきであり、円錐台のあらゆる形状の断面、例えば楕円形、円形、四角形、長方形または多角形の断面などを包含する。

円錐台は、直円錐台または斜円錐台であってよい。

孔の改良した代替実施形態では、孔６０は、ディアボロの形状になるように、小さい底面が互いに逆向きにつながっている２つの中空の円錐台の形状である。第１の円錐台は、大きい底面が第１のプレート５１の内面５１１の近くに位置している。第２の円錐台は、大きい底面が第２のプレート５２の内面５２１の近くに位置している。好ましくは、２つの円錐台は同軸である。

１つの実施形態では、２つの円錐台は同じ寸法である。

別の実施形態では、２つの円錐台は非対称である。

本発明は、孔６０どうしの形状が同じである積層５５に限定されるものではない。積層５５は、形状が異なる孔６０を含んでいてよい。当業者は、記載していない形状および構成に本発明を適応させることができる。

図２〜図６の例では、２つの隣接する孔６０は２つごとに、孔の横断面の最大寸法に等しい距離だけ離れている。

図５の例では、横断面が同じ円形である孔６０はすべて２つごとに、実質的に孔の直径に等しい距離だけ離れている。

好ましくは、孔６０は、直径が５０ｍｍで、互いに５０ｍｍ離れている。

ここで、物品５０を溶接する本方法の一例を説明する。本溶接方法は、好ましくは前述の溶接装置１０を用いて実施される。

前半の工程では、孔６０は積層５５に開けられる。

孔６０は、物品に対して磁気パルスによる溶接を所望する積層箇所に開けられる。

１つの実施形態では、シート５６は事前に積層され、その後、孔は全シートに対して同時に開けられる。

別の実施形態では、孔はシートごとに開けられ、その後シートは、孔６０の平均軸６１が同列になるように積層される。

１つの実施例では、孔６０は機械加工、例えば孔抜きまたは押し抜きによって開けられる。

後半の工程では、溶接する物品を形成している部品、すなわち積層５５と２枚のプレート５１、５２とを組み合わせる。

２枚のプレート５１、５２は、積層５５の両側に配置され、少なくとも事前に設けた孔６０を覆う重複領域５３を形成する。

第１のプレート５１の内面５１１は、第１のシートに当接して配置される。第２のプレート５２の内面５２１は、最後のシートに当接して配置される。

本方法は、次に、プレートと積層との組立体を溶接装置１０内に設置する工程を含む。

積層５５および２枚のプレート５１、５２は、有利には、コイル１１の所に設置し、重複領域５３の全体または一部がこのコイルの有効部分１２１と対向するようにする。

コイルの有効部分１２１と対応している重複領域５３を作動領域と称する。作動領域は孔６０を覆っている。

図１および図２の非限定的な例では、第１のプレート５１は、コイルの有効部分１２１に近い方の部品である。第１のプレート５１の外面５１２は、コイルの有効部分１２１と対向して配置される。第２のプレート５２の外面５２２は、ブロック１３と対向して配置される。

２枚のプレート５１、５２と積層５５とは、少なくとも重複領域５３で、コイル１１の有効部分１２１の近くで実質的に互いに平行になるように固定手段（図示せず）を介して維持される。

これらの工程の後、物品は、溶接する準備が整った状態にある。

２つの前半工程を実施する順序はこの通りである必要はなく、本方法に従って、記載した順序とは逆の順序で実行してもよいし、この工程の結果に変化がなければ同時に実行してもよい。

次に、本方法は、磁気パルスによる溶接の工程を含む。

スイッチ５１が閉じると、コイル１１の本体１２は格納ユニットとに接続し、高強度の電流がコイル１１に流れる。電流は、作動領域と有効部分１２１との間の所定空間に、この有効部分から来る集中磁場を発生させる。

その後、作動領域は磁場に暴露され、
−圧力が第１のプレート５１の外面５１２にかかってこの第１のプレートを第１のシート５６ａにぴったりと押し付け、今度はこの第１のシートが第２のシートにぴったりと押し付けられ、最後のシート５６ｃが第２のプレート５２の内面５２１にぴったりと押し付けられるまでこれを繰り返し、シートとプレートを恒久的に結合させ、
−孔６０の所では、この圧力は第１のプレート５１の外面５１２にかかってこの第１のプレートを第２のプレート５２の内面５２１にぴったりと押し付ける
ようにする。

この工程の後、物品５０は作動領域で溶接される。２枚のプレート５１、５２と積層５５とは、孔６０どうしの間で溶接によって互いに接合し、２枚のプレート５１、５２は、孔６０で溶接によって互いに接合する。

図７は、情報提供のために溶接後の物品を示している。積層は、アルミニウム製のシート５６を４０枚含んでいる。２枚のプレートはアルミニウム製である。重複領域５３の大きさは、長さ４３０ｍｍ、幅１２０ｍｍである。孔は筒状で、同一の円形横断面を有し、直径は５０ｍｍであり、数は５で、２つごとに５０ｍｍ離れている。

本方法は、管状部品にも適応できる。

上記の説明は、様々な特徴および利点によって本発明が目的を達成していることを明確に説明している。特に、シートの積層を含む部品の溶接に適応した磁気パルスによる溶接方法を提供している。

Claims (9)

1. 金属材料製シートの積層（５５）を含む物品（５０）を磁気パルスで溶接する方法であって、
   −前記積層（５５）の厚みに、少なくとも１つの貫通孔（６０）を設けることと、
   −第１のプレート（５１）および第２のプレート（５２）と称する金属材料製の２枚のプレートを前記積層の両側に設置し、前記少なくとも１つの貫通孔（６０）を覆う重複領域（５３）を形成することと、
   −前記プレートと積層との組立体をコイル（１１）の有効部分（１２１）と対向させて配置し、それによって前記重複領域の作動領域が前記コイルの前記有効部分に対面して配置され、前記作動領域が前記少なくとも１つの孔（６０）を覆うようにすることと、
   −前記組立体を接合するまで前記作動領域を磁気に暴露することと
   を含む方法において、
   前記作動領域を前記磁場に暴露している間、前記少なくとも１つの孔（６０）の所で、圧力が前記第１のプレート（５１）にかかって前記第１のプレートを前記第２のプレート（５２）に押し付けることを特徴とする、
   方法。
2. 貫通孔（６０）は、円錐台の形状に開けられる、請求項１に記載の溶接方法。
3. 貫通孔（６０）は、断面が楕円形の筒形状に開けられる、請求項１に記載の溶接方法。
4. 前記貫通孔（６０）は、前記２枚のプレートのいずれかのプレートの面に対して実質的に垂直方向を向いている平均軸（６１）を有するように開けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接方法。
5. 前記貫通孔（６０）は、前記貫通孔の所で前記２枚のプレートのいずれかのプレートの面への垂直線に対して傾斜した平均軸（６１）を有するように開けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接方法。
6. 金属材料製の２枚のプレート（５１、５２）の間に金属材料製シートの積層（５５）を含む物品（５０）であって、
   前記積層は、その厚みに貫通孔（６０）を有し、前記積層は、前記貫通孔を覆っている重複領域で前記２枚のプレートの間に含まれ、前記プレートと積層との組立体は、前記孔を覆っている前記重複領域の一部で不可逆的に溶接される、物品において、
   前記２枚のプレートは、前記貫通孔（６０）の所で互いに溶接されることを特徴とする、物品。
7. 貫通孔（６０）は、円錐台の形状である、請求項６に記載の物品。
8. 貫通孔（６０）は、断面が楕円形の筒形状である、請求項６に記載の物品。
9. 横断面が同じで大きさが同じである２つの貫通孔（６０）を有し、前記孔は、貫通孔の大きさの分だけ互いに離れている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の物品。

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