JP2020073280A - 溶接スタッドを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐腐食性であり、２つの部品又は部分間で良好なシール性及び確実に固定された接続をもたらす、軽量の溶接スタッドを容易に製造する方法を提供する。【解決手段】凹部又は突起部の一方を含む、軽金属の溶接部品１２０を準備するステップと、凹部又は突起部の他方を含む、鋼の機能部品１４０を準備するステップと、ダイＤ及びポンチＰを備えたプレスを準備するステップと、突起部が凹部と協働するように溶接部品と機能部品とを互いに配置するステップと、溶接部品及び機能部品を、突起部が凹部と協働するようにポンチによってダイの中へ押し込むことによって、溶接スタッドを形成し、溶接部品が溶接部分を形成し、機能部品が機能部分を形成し、溶接部分が機能部分上にスリーブを形成するように、溶接スタッドを製造するステップとを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接スタッドを製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、２つの異なる材料で作られた溶接スタッドを製造する方法に向けられる。

溶接スタッドは、特に、自動車産業において、スタッドをワークピースの表面上に固定するのに用いられる。例えば、溶接スタッドは、溶接プロセスでシャーシの部品上に結合され、この場合には、溶接されたスタッドは、その溶接部分によってシャーシ部分に溶接され、次いでナット又はクランプを用いることによって構成部品が溶接スタッドの機能部分上に締結される。

多くの技術分野において、軽量の組立体及び構築物に関心が向けられている。特に、軽量材料が用いられる。軽量材料は、例えば、高強度鋼、アルミニウム、又はガラス繊維強化ポリマー複合材とすることができ、重質鋼材料に代えて用いることができる。このような材料は、構成部材の重量を１０パーセントから６０パーセント削減することができる。軽量車体において、軽量材料は構築材料として用いられ、特に燃料消費を削減する。しかしながら、これらの材料のいくつか、例えばアルミニウム合金の強度は、重質鋼よりかなり低い。強度不足は、構成部品を取外し可能に接続しようとする場合に問題である。したがって、こうした部材は、多くの場合、依然として鋼で作られる。他方、アルミニウム材料は、容易にワークピースに溶接することができるが、重質鋼の溶接は、より困難である。

容易に溶接可能な軽量の溶接スタッドを提供するために、特許文献１は、溶接部分と機能部分とを含む溶接スタッドを開示する。溶接部分は軽量材料で作られ、機能部分は鋼で作られる。機能部分は、溶接部分の相補的な凹部と係合する先端部を有し、先端部と凹部とが摩擦溶接接続により接続される。

アルミニウム合金及び鋼のような材料の摩擦溶接による接続は、特に金属相間シームの形成のため脆弱な場合がある。２つの部分間の接触は、特に振動荷重下では、必ずしも常に確実に固定されるわけではない。そのうえ、腐食の危険が生じることもある。最後に、摩擦溶接接続が可能な部分の形状又は断面形状は、いくつかの形状しかない。

欧州特許第１２０７０００号明細書

したがって、本発明の目的は、上述の欠点を少なくとも軽減することである。より具体的には、本発明の１つの目的は、耐腐食性であり、２つの部品又は部分間で良好なシール性及び確実に固定された接続をもたらす、軽量の溶接スタッドを容易に製造する方法を提供することである。

この目的のため、本発明によれば、ワークピースに溶接されるようにされた、軽金属の溶接部分と鋼の機能部分とを含む溶接スタッドを製造する方法であって、
ａ．凹部又は突起部の一方を含む、軽金属の溶接部品を準備するステップと、
ｂ．凹部又は突起部の他方を含む、鋼の機能部品を準備するステップと、
ｃ．ダイ及びポンチを備えたプレスを準備するステップと、
ｄ．突起部が凹部と協働するように溶接部品と機能部品とを互いに配置するステップと、
ｅ．溶接部品及び機能部品を、突起部が凹部と協働するようにポンチによってダイの中へ押し込むことによって、溶接スタッドを形成し、溶接部品が溶接部分を形成し、機能部品が機能部分を形成する、溶接スタッドを製造するステップと、
を含むことを特徴とする方法が提供される。

溶接スタッドは、機能部品にかかり得る強度又はトルクを低減することなく、溶接スタッドを様々な構成部品に対して組み付けることを可能にする２つの異なる材料で作られる。ハイブリッド溶接スタッドの製造は、冷間成形、より具体的には衝撃押出しによって行われる。溶接部品と機能部品とが互いに固定接続される。この製造は、実施が容易である。

一実施形態において、機能部品は、長手方向軸に沿って延びるシャンクと、プレス嵌め領域と、シャンクとプレス嵌め領域との間に配置されたフランジとを含み、フランジは、シャンクから半径方向外向きに延びる。したがって、フランジは、シャンクに面する第１の支持面と、支持面の反対側に、溶接部品又は溶接部分のための当接面とを形成する。

一実施形態において、シャンクはねじ付き部分を含む。ねじ付き部分は、様々な構成部品の固定を可能にする。衝撃押出しはそれでもなお可能である。

一実施形態において、ポンチはシャンクに接続され、溶接部品はダイ上に配置される。溶接部品は、簡単にダイ上に配置することができる。

付加的な実施形態において、プレス嵌め領域は突起部であり、突起部は、円錐台形状を構成し、フランジから延びる小さい方の直径の端部と、凹部に配置される大きい方の直径の端部とを有する。円錐台形状は、部品のより良好な接合を可能にする。

付加的な実施形態において、突起部の外面は、長手方向軸に対して２度と７度との間の角度で延びる。例えば、角度は５度である。この角度は、組み立ての改善を可能にする。

一実施形態において、ダイは、面取り縁を有するダイ凹部を含む。面取り縁は、溶接スタッドをダイからより上手く取り外すこと、そしてまた、溶接スタッド上に面取り領域を生成することを可能にする。

一実施形態において、プレス嵌め領域は凹部である。該凹部は、機能部品からの突起部と協働するようになっている。溶接部品は、このようにしてスリーブを形成する。

一実施形態において、凹部は側壁により定められ、側壁は、内面及び外面を含み、内面は長手方向軸に対して実際的に平行に延び、外面は、フランジから半径方向外向きにテーパ付きで延びる。したがって、側壁は、断面において三角形状を有する。

一実施形態において、溶接スタッドは、機能部品が凹部内に延びているときに側壁を長手方向軸に向かって押し付けて、側壁の自由端が機能部品に固定されるようにすることによって形成される。

一実施形態において、ダイは、エゼクタピンにより閉じられたダイ凹部を含む。エゼクタピンは、溶接スタッドをダイからより上手く取り外すこと、及び、プロセス速度を改善することを可能にする。

一実施形態において、エゼクタピンは、機能部品を押し付けている間に機能部分上に先端部を形成するようにテーパ付けされる。

一実施形態において、溶接部品は、アルミニウム材料である。アルミニウム材料（又はアルミニウム合金）は、良好な溶接特性を有する。

本発明は、さらに、上述の方法により実現される溶接スタッドに向けられる。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として与えられる以下の実施形態の説明から容易に明らかになるであろう。

溶接部分及び機能部分と有する、第１の実施形態による溶接スタッドを概略的に示す。 溶接部品と機能部品とを押し付けて図１の溶接スタッドを実現する前の、ダイ及びポンチを備えたプレス内の溶接部品及び機能部品を概略的に示す。 衝撃押出し後の、溶接部品により形成された溶接部分と機能部品により形成された機能部分とを有する図１の溶接スタッドを概略的に示す。 第２の実施形態による衝撃押出し前の溶接部品及び機能部品を示す。 衝撃押出し後の、図４の溶接部品により形成された溶接部分と図４の機能部品により形成された機能部分とを有する溶接スタッドを示す。

異なる図面において、同じ参照符号は、同一又は同様の要素を示す。

図１及び図５は、溶接スタッド１０、１０’、より具体的にはハイブリッド溶接スタッドの、２つの実施形態を示す。溶接スタッド１０、１０’は、溶接部分１２、１２’と、機能部分１４、１４’とを含む。溶接スタッド１０、１０’は、例えば、車体のようなワークピースに溶接されるように適合されている。より具体的には、溶接スタッド１０、１０’の溶接部分１２、１２’は自動車の本体に溶接され、機能部分１４、１４’は、様々な構成部品に接続するように適合される。溶接部分１２、１２’及び機能部分１４、１４’は、２つの異なる材料で作られる。

例えば、溶接部分１２、１２’は、アルミニウム合金のような優れた溶接可能材料で作られ、機能部分は鋼材料で作られる。

溶接部分１２、１２’は、溶接部品１２０、１２０’から作られ、機能部分１４は、機能部品１４０、１４０’に由来する。溶接部品は、第１の材料、特にアルミニウムなどの軽量材料で作られる。機能部品は鋼で作られる。

より具体的には、図１又は図５の溶接スタッドを製造するために、機能部品１４０、１４０’と溶接部品１２０、１２０’とが、衝撃押出しによって互いに接合される。衝撃押出しは、冷間成形プロセスである。ダイＤとポンチＰとを用いて、極端な力及び／又は高速度で機能部品１４０、１４０’を溶接部品に押し当ててダイＤの中へ押し込む。例えば、機能部品１４０、１４０’又は溶接部品１２０、１２０’がダイＤ（金型とも呼ばれる）内に配置される。ダイの中の溶接部品１４０、１４０’又は機能部品１２０、１２０’に、機能部品又は溶接部品を強い力で打ち当てる。このときダイの中の部品の材料が、ハイブリッド溶接スタッド１０、１０’を形成するために所定の位置に流れ込む。

例えば、図１の溶接スタッド１０の場合、機能部品１４０は、溶接部品を著しく塑性状態に変化させることを可能にするような力で溶接部品１２０に衝突し、これにより溶接部品がダイの中及び機能部品の周りに流れ込むことを可能にする。

冷間成形プロセス前、溶接部品１２０と機能部品１４０とは互いに独立した形態である。冷間成形プロセス後、両方の部品が互いに固定接合される。

図１、図３、又は図５に示されるように、溶接部分１２、１２’は、ワークピースに溶接されるように適合された上部セクション１６、１６’を含む。上部セクション１６、１６’は、溶接ナゲットを形成するように適合されている。上部部分１６、１６’は、平坦であってもよく、又は図１及び図５に示すように先端部１８、１８’を設けてもよい。先端部１８、１８’は、ワークピースに対する溶接スタッド１０、１０’の溶接プロセスを改善する。より具体的には、上部セクション１６、１６’の表面は、円錐形状を有することができ、円錐の刃先が先端部１８、１８’となる。他の実施形態において、上部部分は、互いに非平行に延びて先端部を形成するいくつかの部分を含む。

溶接部分１２、１２’は、上部セクション１６，１６’の反対側に後部セクション２０、２０’を含む。後部セクション２０、２０’は、機能部分１４、１４’に面するように適合される。

上部セクション１６、１６’は、溶接部品１２０、１２０’の上部セクション１６０、１６０’により形成される。後部セクション２０、２０’は、溶接部品１２０、１２０’の後部セクション２００、２００’により形成される。

図２に示される第１の実施形態において、後部セクション２００に凹部２２０を設ける。凹部２２０は、ブラインドホールであり、スルーホールではない。凹部２２０は、円形断面を構成し、凹部軸Ｘｒの周りに延びる側壁を有する。凹部は、凹部直径Ｄｒ及び凹部長さＬｒを構成する。凹部は、厚さＴｈを有する側壁によって囲まれる。凹部の底部が、溶接ナゲットを形成することになる。

図２の実施形態において、機能部品１４０は、第１の端部セクションと第２の端部セクションとの間で長手方向軸Ｘに沿って延びる。機能部品１４０は、長手方向軸Ｘに沿って延びるシャンク１４１と、凹部２２０と協働するように適合されたプレス嵌め領域１４３と、シャンク１４１とプレス嵌め領域１４３との間に配置されたフランジ１４２とを含み、フランジ１４２は、シャンク１４１から半径方向外向きに延びる。

シャンク１４１は、ねじ山部分を含む。

プレス嵌め領域１４２は突起部である。より具体的には、プレス嵌め領域１４２は、フランジを越えたシャンクの連続部により形成される。例えば、突起部は、円錐台形状を構成し、フランジから延びる直径が小さい方の端部と、自由端である直径が大きい方の端部とを有する。突起部は、長手方向軸Ｘに沿った突起部長さＬｐを構成する。突起部の外面は、長手方向軸に対して２度と７度との間で延びる。例えば、角度は、実際的には５度である。

突起部は、図２に示されるように、冷間成形プロセスの直前に凹部２２内に配置されるように適合される。突起部の大きい方の直径は、凹部直径より小さい。突起部長さＬｐは、凹部長さＬｒより長い。

衝撃押出しプロセスのために、溶接部品１２０は、ダイ（又は金型）内に配置される。ダイは、例えば、機械式又は液圧式プレス上に配置される。より具体的には、ダイＤは、押出しキャビティＣを定める内壁を有する。キャビティＣは、底端部を含む。押出しキャビティの形状は、溶接部分の生成に必要なサイズに対応する。

底端部は、溶接部分にくぼみを生成するための突出点を含むことができる。底端部は、部分的に又は完全にエゼクタピン１５０によって形成することができ、ひとたび溶接スタッドが形成されると、その溶接スタッドのより良好な取り出しを可能にする。

内壁の自由端を面取りして、より良好な冷間成形及びより良好な取り出しを可能にすることができる。溶接部品は、例えば、面取り縁上に配置される。

プレスは、ポンチＰも含む。ポンチＰは、機能部品１４０に固定接続され、ポンチと機能部品とが一緒にポンチングユニットを形成するようになっている。ポンチングユニットの一部分をダイＤの中に受け入れることができる。より具体的には、突起部をダイＤの中に受け入れることができる。溶接スタッドの製造は、ポンチングユニットを、金属を溶接部品からポンチングユニットとダイとの間で押出すのに十分な力で凹部２２０内へと前進させて、図３に示されるように所望の溶接部分を形成することによって行うことができる。溶接部分１２は、このようにして突起部の周りにチューブ又はスリーブを形成する。

より具体的には、冷間成形後、溶接部分１２は、突起部を完全に取り囲み、フランジ１４２に当接する。凹部の形状及びサイズが、形成される溶接部分の形状及びサイズを与える。面取り縁は、溶接部分１２がフランジの方向に傾斜を形成することを可能にして、突起部に面したフランジの表面が溶接部分によって完全に覆われるようになっている。突起部の周りの溶接部分の厚さは、実際的には一定である。溶接部分の底部（上部セクション１６を形成する）は、機能部分を損傷せずに又は機能部分を妨害せずにワークピースに溶接されるのに十分な厚さである。

第１の実施形態において、冷間成形は、溶接部品１２０の形状を変化させて溶接部分１２を形成するが、機能部品１４０の形状は、実際的には変化しないままであり、機能部分１４の形状に対応する。

第２の実施形態において、図４及び図５を参照すると、機能部品１２０’及び溶接部品１４０’の両方の形状を冷間成形中に変化させて、溶接スタッドを形成する。

図４に示されるように、冷間成形前、機能部品１４０’は、プレス嵌め領域１４３’を形成する凹部を含む。フランジ１４２’が凹部の底部を形成する。凹部は、側壁Ｗによって定められる。側壁Ｗは、内面１４４’と、内面の反対側の外面１４５’とを含む。内面１４４’は、長手方向軸に対して実際的には平行である。外面１４５’は、フランジから半径方向外向きにテーパ付きで延びる。より具体的には、壁の外面は、断面において角度ｇを形成する。凹部１４３’は、円形断面を構成し、凹部直径を有する。フランジは、球又は半球とすることができる。

第２の実施形態における溶接部品１２０’は、機能部品の凹部に挿入されるように適合された第１の直径を有する第１のセクション１２１’と、第１の直径より大きい第２の直径を有し、凹部の外側にとどまるように適合された第２のセクション１２２’とを有するトークンである。第１の直径と凹部の直径とは、実質的に同様である。第１のセクションと第２のセクションとの間の界面はエルボー１２３’を形成し、機能部品の側壁の縁は、そのエルボーに当接して載置されるように適合される。

冷間成形中、凹部の側壁Ｗは、トークンの方向、より具体的には第１のセクションの方向に、半径方向に押される。側壁を第１のセクションの方向に押すことによって、トークンは変形する。側壁Ｗの自由端は、第１のセクションに固定される。機能部品１４０’の変形は、冷間成形後、側壁の外面が長手方向軸Ｘに対して実際的には平行に延びるような変形とすることができる。例えば、冷間成形後、側壁の内面は、断面において角度ｈを定める。

衝撃押出し中、フランジ１４２’、より具体的にはシャンク１４１’に面したフランジの支持面は変形しないことに留意されたい。したがって、フランジの直径Ｄｆは、冷間成形前後で変化しないままである。この目的で、トークンの第２のセクションの直径Ｄｂ、フランジの直径Ｄｆ、変形後の側壁の端部直径Ｄｄ、及び横軸Ｘに沿ったフランジの厚さは、互いに特別に整合される。例えば、図に示されるように、変形後の側壁の端部直径Ｄｄは、フランジの直径Ｄｆより大きい。さらに、変形後の側壁の端部直径Ｄｄは、トークンの第２のセクションの直径Ｄｂより大きい。凹部直径は、変形後の側壁の端部直径Ｄｄより小さい。より具体的には、凹部直径（又は第１の直径）と変形後の側壁の端部直径Ｄｄとの間の比は、０．２と０．９との間である。例えば、比は０．８である。

角度ｇは、形成された状態（角度ｈ）においてトークンを機能部品内に保持するのに十分な圧力を発生させるように選択される。角度ｇは、例えば１５度と３５度との間、又は２０度と３０度との間であり、より具体的には、角度ｇは、２６度とすることができる。

フランジ１４１’の支持面と溶接部品の第２のセクションの外縁との間の長手方向長さｆは、フランジ１４１’の支持面と溶接部分の第２のセクション１２２’の外縁との間の最終長さｅと整合されることになる。

ねじり荷重の増大により、機能部品１４０’（より具体的には、凹部内）及び溶接部品１２０’（溶接ナゲットを形成するように設計された第２のセクションではなく、第１のセクション１２１’のみ）は、トルク荷重下でアルミニウムが鋼構成部品に対してねじれることを避ける特定の外形、例えば、六角シェーパ、内側の鋸歯状の刻み目（セレーション）、六角形、又は八角形で、配置することができる。あるいは、側壁の外面に対して冷間成形工程を行い、例えば多角形の外形を作り出すことができる。この形状は、次いで機能部分１４’から溶接部分１２’に転写され、このようにして機能部品と溶接部品との確実接続が生成され、構成部品が互いに回転することを防止する。

１０、１０’：溶接スタッド
１２、１２’：溶接部分
１４、１４’：機能部分
１６、１６’：上部セクション
１８、１８’：先端部
２０、２０’：後部セクション
１２０、１２０’：溶接部品
１２１’：第１のセクション
１２２’：第２のセクション
１４０、１４０’：機能部品
１４１、１４１’：シャンク
１４２、１４２’：フランジ
１４３、１４３’：プレス嵌め領域
１４４’：内面
１４５’：外面
１５０：エゼクタピン
１６０、１６０’：溶接部品の上部セクション
２００、２００’：溶接部品の後部セクション
２２０：凹部
Ｃ：押出しキャビティ
Ｄ：ダイ
Ｐ：ポンチ
Ｗ：側壁

Claims (14)

1. ワークピースに溶接されるように適合された、軽金属の溶接部分（１２、１２’）と鋼の機能部分（１４、１４’）とを含む溶接スタッド（１０、１０’）を製造する方法であって、
   ａ．凹部又は突起部の一方を含む、軽金属の溶接部品（１２０、１２０’）を準備するステップと、
   ｂ．前記凹部又は突起部の他方を含む、鋼の機能部品（１４０、１４０’）を準備するステップと、
   ｃ．ダイ（Ｄ）及びポンチ（Ｐ）を備えたプレスを準備するステップと、
   ｄ．前記突起部が前記凹部と協働するように前記溶接部品（１２０、１２０’）と前記機能部品（１４０、１４０’）とを互いに配置するステップと、
   ｅ．前記溶接部品（１２０、１２０’）及び前記機能部品（１４０、１４０’）を、前記突起部が前記凹部と協働するように前記ポンチ（Ｐ）によって前記ダイ（Ｄ）の中へ押し込むことによって、前記溶接スタッド（１０、１０’）を形成し、前記溶接部品（１２０、１２０’）が前記溶接部分（１２、１２’）を形成し、前記機能部品（１４０、１４０’）が前記機能部分（１４、１４’）を形成し、前記溶接部分が前記機能部分上にスリーブを形成するように、前記溶接スタッド（１０、１０’）を製造するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記機能部品（１４０、１４０’）は、長手方向軸Ｘに沿って延びるシャンク（１４１、１４１’）と、プレス嵌め領域（１４３、１４３’）と、前記シャンクと前記プレス嵌め領域との間に配置されたフランジ（１４２、１４２’）とを含み、前記フランジは、前記シャンクから半径方向外向きに延びることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記シャンク（１４１、１４１’）は、ねじ付き部分を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ポンチ（Ｐ）は前記シャンク（１４１、１４１’）に接続され、前記溶接部品（１２０、１２０’）は前記ダイ（Ｄ）上に配置されることを特徴とする請求項２〜請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 前記プレス嵌め領域（１４３）が前記突起部であり、前記突起部は、円錐台形状を構成し、前記フランジから延びる小さい方の直径の端部と、前記凹部内に配置される大きい方の直径の端部とを有することを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 前記突起部の外面は、前記長手方向軸に対して２度と７度との間の角度で延びることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記ダイは、面取り縁を有するダイキャビティ（Ｃ）を含むことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の方法。
8. 前記プレス嵌め領域（１４３’）が凹部であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。
9. 前記凹部は側壁（Ｗ）により定められ、前記側壁は、内面（１４４’）及び外面（１４５’）を含み、前記内面は前記長手方向軸に対して実際的に平行に延び、前記外面は、前記フランジから半径方向外向きにテーパ付きで延びることを特徴とする請求項８に記載に方法。
10. 前記溶接スタッド（１０’）は、前記機能部品が前記凹部内に延びているときに前記側壁を前記長手方向軸に向かって押し付けて、前記側壁の自由端が前記機能部品に固定されるようにすることによって形成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記ダイ（Ｄ）は、エゼクタピン（１５０）によって閉じられたダイ凹部を含むことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載に方法。
12. 前記エゼクタピン（１５０）は、前記機能部品を押し付けている間に前記機能部分（１４、１４’）上に先端部を形成するようにテーパ付けされていることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記溶接部品は、アルミニウム材料であることを特徴とする、請求項１〜請求項１２のいずれかに記載に方法。
14. ワークピースに溶接されるように適合され、軽金属の溶接部分と鋼の機能部分とを含み、請求項１〜請求項１３に記載のいずれかの方法により製造される、溶接スタッド（１０、１０’）。