JP2023543372A - 異種材料の均衡のとれた溶接 - Google Patents
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Abstract
異種材料の抵抗スポット溶接に有効な多段階溶接プログラムを開示する。プロセスは、多数の等級/厚さ及び導電性材料のシート数にわたって再現可能であり、従来の溶接工具と電極を用いて実施可能である。異なる大きさ/異なる材料/異なる接触面形状の溶接面を使用して、材料の熱特性の均衡をとり、プロセスは、工業用大量生産に適した高強度で2つの異なる導電性材料を共に保持するのに効果的な、小さな一貫した金属間化合物(IMC)を作成するように設計されている。多段階抵抗スポット溶接プロセスでは、サンプルを予熱し、溶接し、冷却して、サンプル内に形成されるIMCの形成を制御する。
Description
本開示の分野は、抵抗スポット溶接のためのシステム及び方法に関し、さらに具体的には、2つの異種材料間に一体の金属間化合物(IMC)を一貫して形成するそのようなシステム及び方法に関する。
抵抗スポット溶接とは、互いに接触している金属表面の点を、電流の抵抗から得られる熱によって接合する(即ち、溶接する)プロセスである。抵抗スポット溶接では、ワークピースを互いに押し付けながら、2つの電極が電流を小区域に集中させる。ワークピースは、溶接プロセス中、電極が及ぼす圧力下で共に保持される金属シートを含む場合がある。小区域に強制的に電流を流すと、金属が溶融し、凝固後の圧力点にて(一般に「ナゲット」として知られている)溶接接合部が形成されることになる。この再凝固した材料は、2つの材料を互いに接合するのに役立つ。特定の状況では、2つの異種材料を互いにスポット溶接すると、溶接ナゲットの代わりに、材料間に薄いIMCが形成されることになる。このIMCは、接合される材料間の熱特性と電気特性の差によって形成される。2つの異種材料を溶接する際の特性の差により、一方の材料が他方の材料よりも先に溶融する傾向があり、ナゲットを形成する代わりに、粒子が一方の材料から他方の材料に限られた空間内で拡散し、2つの材料間に強固な合金を形成することになる。しかし、わかりやすくするために、接合を「溶接」と呼ぶことにする。
抵抗スポット溶接は、その経済的で効率的な利点のために、自動組立ライン用途など、多数の用途で利用されている一般的な接合プロセスである。このため、抵抗スポット溶接は、自動車業界で自動車の車体を組み立てるための最も一般的な接合プロセスである。抵抗スポット溶接はこのほか、家具及び家庭用器具の製造など、他の産業で広く使用されている。抵抗スポット溶接は、短時間で多数のスポット溶接を発生させることができるため効率的である。例えば、抵抗スポット溶接は、金属シートの局所エリアにて、金属シートの残りの部分を過度に加熱することなく、溶接を実施することを可能にする。しかし、異種材料を溶接する場合は、溶接対象の2つの異種材料間の特性の差に関して特別な注意を払う必要がある。熱伝導率、融点及び熱膨張の差により、異種材料の特定の組み合わせが、溶接ナゲットではなくIMCによって接合されることになる可能性がある。材料特性のこのような差は、形成されるものが最適な溶接強度のために均一で一貫していることを確実なものするために、IMCを形成する最も効果的な方法を判定しながら、適切に均衡を取る必要がある。
鋼と鋼など、同一の種類の材料を共に溶接するために利用される従来のスポット溶接技術に依存すると、不安定なIMCが形成されるため、工業用途での使用には適していない。複数の事業者が、熱特性の不均衡に対処するために、中間層インサート、あるいは加熱の方向を変える固定具などの追加のプロセスと材料を導入することを試みてきた。しかし、このような製品は、その制限のために、大量生産用途での使用には適していない。
このほか、追加の接地を介して熱の方向を変えるか、さまざまな位置にて溶接電流を停止して界面での熱の蓄積を低減し、段階的な期間及び電流にわたって均一なIMCを生成させることにより、2つの異種材料を接合するために、さまざまな試みがこれまで実施されてきた。しかし、このような試みは、プロセスにコストがかかるか、サイクル時間が長くなり、効率が低下するため、満足のいくものではない。
このほか、追加の接地を介して熱の方向を変えるか、さまざまな位置にて溶接電流を停止して界面での熱の蓄積を低減し、段階的な期間及び電流にわたって均一なIMCを生成させることにより、2つの異種材料を接合するために、さまざまな試みがこれまで実施されてきた。しかし、このような試みは、プロセスにコストがかかるか、サイクル時間が長くなり、効率が低下するため、満足のいくものではない。
プロセスのコスト効率を高めるために、抵抗スポット溶接のシステムと方法の進歩と改善が継続的に求められている。従来の溶接工具を利用した改善は、現在の異種材料の締結用途と比較すると、最も費用対効果の高い解決策と考えられる。このため、(IMCが形成される場合に)2つの異種材料間の一体型IMCを一貫して形成する改良された抵抗スポット溶接システム及び方法が必要とされている。
従来技術の上記の制限の少なくともいくつかを克服する、異種材料を抵抗スポット溶接するためのシステム及び方法を開示する。開示しているのは、異なる電極を使用して異種材料を接合するための抵抗スポット溶接方法であり、この方法は、溶接機の対向する上部溶接電極及び下部溶接電極で、上部及び下部のワークピース(work piece)を押し当てて、両ワークピースを固定するステップを含む。予熱フェーズ(phase)では、両ワークピースが溶接電極によって加圧され、固定された状態で、ワークピースを徐々に加熱するために、電流が溶接電極を通してワークピースに所定のレベルにて所定の期間供給される。予熱フェーズの後の溶接フェーズでは、両ワークピースが溶接電極によって加圧され、固定された状態で、予熱フェーズよりも高い所定のレベルにて所定の期間、溶接電極を介してワークピースに電流が供給されて、ワークピース間にIMCを形成する。電流は、予熱フェーズから溶接フェーズまで停止することなくワークピースに継続的に供給される。
このほか、異種材料のワークピースを接合するための抵抗スポット溶接方法を開示する。この方法は、異種材料のワークピースを接合するための抵抗スポット溶接方法のステップを含む。この方法は、溶接機の対向する溶接電極を用いてワークピースを押し当てて、固定するステップを含む。予熱フェーズでは、両ワークピースが溶接電極によって押し当てられ、固定された状態で、ワークピースを徐々に加熱するために、電流が溶接電極を通してワークピースに所定のレベルで所定の期間供給される。予熱フェーズの後の溶接フェーズでは、両ワークピースが溶接電極によって押し当てられ、固定された状態で、予熱フェーズよりも高い所定のレベルで所定の期間、溶接電極を介してワークピースに電流が供給されて、ワークピース間にIMCを形成する。予熱フェーズと溶接フェーズとの間の傾斜フェーズでは、両ワークピースが溶接電極によって押し当てられ、固定された状態で、ワークピースに供給される電流が、予熱フェーズの所定のレベルから溶接フェーズの所定のレベルまで所定の期間にわたって徐々に上昇する。そこから、典型的には、サンプルと新たに生成されたIMCとの間の温度冷却速度を制御するために、焼き戻しフェーズが導入される。ワークピースに電流が流れない状態で一定の圧力で所定の期間、溶接電極がワークピースを押し当てて固定し続けている間、溶接電極に流れる冷却流体を使用して、焼き戻しフェーズの後、ワークピースの冷却速度を高めることができる。電流は、予熱フェーズ、傾斜フェーズ、溶接フェーズ及び焼き戻しフェーズを通して停止することなくワークピースに継続的に供給される。
前述の開示及び以下のさまざまな好ましい実施形態のさらに詳細な説明から、本開示が異種材料の抵抗スポット溶接のためのシステム及び方法の技術に著しい進歩をもたらすことが当業者には明らかであろう。この点で特に重要なのは、本発明が、従来の溶接工具を確実に利用することができる効果的なシステム及び方法を提供する可能性を秘めていることである。さまざまな好ましい実施形態の追加の特徴及び利点が、以下に提供される詳細な説明を考慮していっそうよく理解されるであろう。
以下の図は、本開示の特定の態様を説明するために添付されており、排他的な実施形態と考えられるべきものではない。開示した主題は、本開示の範囲から逸脱することなく、形態及び機能の大幅な変更、修正、組み合わせ及び等価物が可能である。
当業者、即ち、この技術分野の知識又は経験を有する者には、本明細書に開示された改良されたシステム及び方法に対して多くの利用法及び設計変更が可能であることは明らかであろう。さまざまな代替的実施形態及び好ましい実施形態に関する以下の詳細な考察は、本発明の一般的な原理を説明するであろう。他の用途に適した他の実施形態が、本開示の利益を考慮すれば、当業者には明らかであろう。
本明細書で考察する実施形態では、電流抵抗スポット溶接工具を使用して異種材料を共に接合する新規プロセスを説明する。実施形態のいくつかでは、2つの材料を共に接合するために使用される異なる電極を説明する。このような電極は、電流が材料間を流れる際の熱の流れの均衡をとることによって、異種材料の熱特性を打ち消すように選択される。熱伝導率及び融点などの特性の差により、導電率の高い方の材料に対する電極は、抵抗率の高い方の材料に対する電極よりも直径が大幅に大きくなる。このような実施形態では、導電側からの溶融排出(molten expulsion)を回避しながら、抵抗側を充分に加熱する結果となる。場合によっては、熱流量の均衡はこのほか、異種材料及び/又は異なる接触面形状の電極接触面又は先端を使用することのほか、片面方式でいずれかの側に力又は電流を加えることによって達成されてもよい。
本明細書に開示する他の実施形態では、異種材料を熱的に接合するためにIMCを一貫して形成する新規な方法で既存の技術を使用する溶接プロセスを説明する。そのような実施形態には、均一なIMCを生成するために溶接界面全体に熱を分配するために1つの連続プログラムに組み合わされた複数のスポット溶接プログラムを含む複雑な多段階溶接プログラムの使用が含まれる。この多段階溶接プログラムは、界面全体に熱を分散させ、一貫した一体型IMCを形成するのに役立つ。この方法は、従来の抵抗スポット溶接と比較して機械的強度を向上させるだけでなく、他の方法よりも比較的高速な方法で機械的強度の向上を実現する可能性を有する。
現在開示している実施形態は、制御された方法で異種材料間に分散された熱を提供する。このような実施形態は、異種材料間の異なる熱特性を相殺して、異種材料を共に接合するのに充分な量の熱を送達するのに役立つ。本明細書に開示する方法を、成形からの排出又は整合しないIMCなどの好ましくない溶接条件を回避しながら実施する。結果として得られるこのIMCは最適な厚さであり、調和するように溶接面全体に広がる。IMCはこのほか、亀裂の量が大幅に減少しているため、工業生産での使用に適している。
従来技術の既存のプロセスとは対照的に、このような方法は、既存の溶接工具を使用して2つの異なる導電性材料を効果的に接合するが、部品を最初に接合するために締結具を必要としない。このほか、このような方法では、熱の方向を変えるための溶接工具への何らかの追加の留め具、あるいは材料間に配置する被覆材が必要ない。このような方法はこのほか、連続的なものであり、続行する前に溶融材料を再形成するために停止する必要はない。本明細書で説明する多段階溶接プログラムは、従来の溶接機を使用して1つの連続的な電流の流れで行われ、接合される材料のさまざまな熱特性に適合する方法で熱を効果的に分配することによって、異種材料を効果的に接合する。
典型的には、多段階溶接プログラムは、溶接プロセスの各段階で中断のない電流の流れを維持することになる。しかし、接合されている異種材料の任意の積み重ねに適していると考えられる方法で電流を変化させることができる。これには、直流又は交流の溶接機のために電流を傾斜状に増大させること、交流パルス機能などが含まれるが、ここに挙げたものに限定されない。これは、電流が最初から最後まで途切れることなく流れ続ける限り許容される。このような方法は、複数の積み重ねにわたって再現可能であり、従来の溶接よりも効果的であるが、利用可能な他の解決策よりも高速で効率的である可能性がある。
図1は、本主題による抵抗溶接機又はシステム100の一例を示す。溶接機100は、さまざまなロボット又は非ロボット溶接装置を利用してもよく、接合される材料の界面に必要な溶接プログラムを提供することができる任意のタイプの溶接機を概ね備えてもよい。いくつかの例では、溶接機100はサーボ駆動の溶接機であるが、他の例では、溶接機100は空気圧駆動の溶接機である。しかし、本開示から逸脱することなく、ほぼ同じ技術を実施することができる任意の他のタイプの溶接装置を利用してもよい。溶接機を流れる電流は、直流(DC)、交流(AC)、あるいはワークピースに電流を印加する任意の他の組み合わせ及び/又は方法であることがあり得る。
図示のように、溶接機100は、上部電極110と、対向する下部電極120とを備える。上部電極110は、下部電極120が下部金属ワークピースの下部金属表面142と接触するようになると、上部金属ワークピースの上部金属表面132と接触するようになる。図示の金属ワークピースは金属シートであるが、これとは別に任意の他の適切なタイプのものであることがある。ここでは2枚のシートで描写されているこのプロセスにはこのほか、接合プロセスに2枚以上のシートが追加される可能性がある。上部及び下部の電極110、120の両方は、異なる均一な半径及び成形面を有する円筒形状を有するものとして描写される。図1は、平坦な溶接面を有する電極110、120を示す。しかし、他の状況又は実施形態では、電極110、120の溶接面は、平坦、内向き又は外向きの特徴の任意の組み合わせを有してもよい。
上部電極110及び/又は下部電極120のいずれかは、任意のさまざまな形状を備えてもよい。例えば、上部電極110及び/又は下部電極120の任意の組み合わせがそれぞれ、上部電極接触面112又は下部電極接触面122のいずれかが円錐台形の本体の端部で丸みを帯びた溶接面となり、円筒形本体の端部の切頭端(truncated end)の半径によって規定されるような特定の外形であってもよい。異種溶接のほとんどの実施形態では、上部電極110の形状が下部電極120の形状とは異なる。上部電極110及び下部電極120は、任意のさまざまな外形及び形状を備えてもよい。電極の形状及び溶接面の外形に関係なく、電極接触面112、122は、平坦な溶接面として設けられても、内側又は外側に突出する曲率を備えて設けられてもよい。電極表面112、122は、滑らかなものにすることができ、あるいは隆起又は窪みの特徴(歯、ギザギザ、突起、窪み、隆起、凹凸、クロスハッチ、平行線又は非平行線、星形、三角形、六角形など及びその組み合わせ)から構成されたグループから選択された複数の雄型嵌合特性又は雌型嵌合特性を備えるきめのある表面(textured surface)を有することができる。この質感は、適用可能な場所で表面の酸化物層を破壊するのに役立つ。質感のある溶接面の更なる情報としては、特許文献1(PCT/US2019/052094号)を参照されたい。この公報は、参照することによって、その全体が本明細書に明示的に組み込まれる。
典型的な抵抗スポット溶接作業中に、上部電極110の上部電極接触面112は、設定された力で上部金属部品又はワークピース130に押し付けられ、最適な圧力を加える。このとき、下部電極120の下部電極面122は、上部電極110と同時に、設定された力又は所定の力で下部金属部品140の下部金属表面142に押し付けられ、最適な圧力を送達する。電極110、120は、ワークピース130、140を共に設定された力で同時に押圧する。図示のように、上部電極110の上部電極接触面112は、下部電極120が下部金属部品140の下部金属表面142に押し付けられると同時に、上部金属部品130の上部金属表面132に押し付けられる。次に、溶接機100は、上部電極110と下部電極120との間に、上部金属部品130と下部金属部品140との界面を横切って充分な電流を流し、溶接プロセスの最終製品としてIMC151を生成する。
溶接スケジュールは、形成される接合部の品質に果たす役割により、IMCの形成に不可欠である。適切に均衡のとれた溶接スケジュールが、最適な厚さの一貫した堅牢なIMCを形成する。最適な厚さの一貫したIMCが、異種材料間で形成される合金の亀裂の数を低減する。これは、内部障害が発生する可能性のある箇所の数を低減する。これにより、異種材料の溶接で達成可能な強度のレベルをさらに高めることになるほか、周期的試験の疲労をはじめとする形態の性能が向上することになる。図示の溶接機は、ソフトウェア又はプログラミングコードを利用して、以下に開示する溶接スケジュール又は溶接プログラムをはじめとするステップを実行する適切なシステムプロセッサ及びメモリを備える。
図2A及び図2Bは、従来の鋼対鋼溶接で使用される典型的な先行技術の溶接プログラムの一例を示す。このプロセスは、電極がワークピースを互いに押し付けることを特徴としており、電極の先端とワークピースに一定量の電流が所与の時間流れると、溶接プロセスが発生する。このプロセスは最初から最後まで継続される。図2Aは、プロセスステップ210、220、230及び240を示す例のフローチャートであり、図2Bは、その例の溶接グラフである。図2Bは、プロセスステップ210からプロセスステップ240まで、ワークピースを流れる電流の推移を経時的にチャート化することにより、溶接グラフを提示する。従来の溶接プログラムを使用して異種材料を接合すると、形成されるIMCは一貫性がなく、大きさと形状が不安定になる。特定の場合では、IMCが形成されない場合があり、代わりに別のものが形成される。このような不規則性は、空隙及び亀裂などの過剰な欠陥につながり、異種材料を共に保持する合金の潜在的な強度を低下させる。図2Cは、この従来の溶接プログラムから得られた溶接の例示的なSEM画像を示し、異種材料を接合するために従来の抵抗スポット溶接法を使用することの欠点を示す。このIMCは、空隙及び亀裂などの欠陥を多く含んでおり、溶接強度が不充分になる可能性がある。図2Dは、鋼ワークピース間の従来の溶接で使用されるほぼ同じ大きさの溶接電極の側面図を示す。
図3A及び図3Bは、本開示の好ましい実施形態の連続溶接プログラムの一例を示す。本明細書に開示するさまざまな好ましい実施形態が、IMCの適切な形成のために熱を適切に分配するために同一の一般的な流れに追従することになる。溶接プロセスのいくつかの段階(stage)に熱が分散され、堅牢で構造的に機能するIMCが形成される。図3Aは、プロセスステップ210、310、320、220、330、230及び240を有する例のフローチャートである。図3Bは、プロセスステップ210からプロセスステップ240まで、ワークピースを通って流れる電流の推移を経時的に示す例の溶接グラフである。図3Cは、異種ワークピース間の熱伝導率の差を打ち消すために必要とされる異なる大きさの溶接電極の側面図を示す。
上部及び下部の溶接電極110、120は、金属部品又はワークピース130、140を、接触面112、122にて、所定の期間210の間、設定又は所定の圧力で互いに押し付ける。溶接電極接触面112、122のこの押圧により、上部及び下部の電極110、120は、それぞれの材料表面132、142の外部酸化物層が存在する場合、外部酸化物層を破壊することができる。上部電極110は、接合される上部金属部品130に電極表面112が付着するのを防止することによって先端の寿命を維持しながら、さらに効果的な電流の流れを促進するために上部金属部品130の酸化物に開口部を形成する。下部電極120は、さらに効果的な電流の流れを促進するために、下部金属部品140の(酸化物層が存在する場合の)酸化物に開口部を形成する。このアプローチは、異種材料の2枚以上のシートを接合するように拡張され得る。
異種材料としてのアルミニウムと鋼の例では、溶接プログラムは予熱プログラム310を利用して、上部金属部品130と下部金属部品140との間のエリアを均一に加熱する。次に電流を徐々に上げていき(320)、鋼の被覆を溶融し、体心立方相から面心立方相への相変化を促進する。例示的な傾斜は一定であり、角度の付いた直線を提供するのに対して、これとは別に、凹曲線、凸曲線、階段などの他の任意の適切な増加量を使用することができるが、ここに挙げたものに限定されないことに留意されたい。この傾斜ステップは、接合される材料の抵抗率、溶接性及び厚さとさらに良好に相関するように、さまざまな電流の期間と時間に操作することができる。このほか、必要に応じて、予熱フェーズと溶接フェーズとの間の傾斜フェーズも削除することができることに留意されたい。この相変化の後、鉄イオンがアルミニウムに拡散してIMCの生成を促進することになる。アルミニウムと鋼を溶接する場合、アルミニウムは、5xxx、6xxx、7xxx、8xxx又はさまざまな質と厚さの任意の他のアルミニウム合金とすることができ、被覆されていなくても、さまざまな種類の表面被覆が施されていてもよい。同じように、鋼はさまざまな厚さで被覆されていても被覆されていなくてもよく、さまざまな材料強度を有することがあり得る(低炭素鋼、中強度鋼、高強度鋼、熱間鍛造ボロン鋼、ステンレス鋼などが挙げられるが、ここに挙げたものに限定されない)。このほか、他の異種材料の組み合わせ(アルミニウムとスチール以外)を、このアプローチによって接合することがあり得る。電流と圧力がかかる状態でアルミニウムと鋼とほぼ同じ方法で異種材料が相互作用する場合、異種材料を接合することができる。フェーズと結晶構造の変化は、接合される異種材料によって異なることになる。さまざまな適切な時間と電流を使用することができ、電流の推移は、予熱フェーズ又は溶接フェーズで使用される電流値に依存しない。
IMCの作成中、傾斜フェーズ320の電流は、連続する所定の電流220に変わり、異種材料を共に溶接して、薄く一貫したIMCを形成することになる。本明細書では、さまざまな適切な電流及び溶接時間を使用することができる。
IMCが形成された後、金属部品130、140の冷却が始まる。焼き戻しフェーズ330が、溶接電極110、120との溶接界面にわたって実施される。金属部品130、140の焼き戻しは、溶接フェーズ又は溶接段階よりも比較的低い電流で実施され、温度が徐々に低下することを可能にする。この緩やかな低下により、融点が低めであるために最初に溶融する材料全体にわたって、制御された材料の移行が可能になり、制御された方法で冷却される領域へと固化して、IMCの熱応力を制限する。この熱応力の制限により、IMCの亀裂が減少し、その結果、損傷の伝搬点(propagation point)が減少する。
金属部品130、140を横切って電流が流れるのを溶接プログラムが終了した、焼き戻しフェーズ又は段階の終了時に、電極110、120は、金属部品130、140を、規定された期間又は所定の期間230の間、一体にした状態に維持する。水又は任意の他の冷却剤が、この保持時間の間、電極110、120内を通って流れ続け、金属部品130、140及び電極110、120の両方を冷却することになる。金属部品130、140が規定又は所定の期間保持された時点で、上部及び下部の溶接電極表面112、122は、完全に形成されたIMC151を含むサンプルを時間240にて解放し、溶接プロセスの終了を知らせる。
図4A~図4Cは、図3A及び図3Bに関して上述したように溶接プロセスが好結果に実施された後の接合部の断面図を示す。異種材料間にIMCが形成され、異種材料が正常に溶接されている。電流がIMCの上部側を通過する領域にて、導電性の高い方の材料が溶融し、再形成された。図4Aは、本明細書で製造された断面の製図である。上部金属部品130がアルミニウムであり、下部金属部品140が鋼である例では、これは、領域150にてアルミニウムを溶融し、IMC151の上にある固化堆積物として再固化した後に得られる。下部金属部品130として使用される鋼は、体心立方(BCC)相から面心立方(FCC)相に移行し、冷却するとBCC相に戻る。結晶構造の変化は、接合される材料によって異なることになる。上部及び下部の電極面112、122は、特定の溶接用途向けに設計された特定の硬度及び輪郭を有してもよい。図4Bは、本明細書で作成された断面の顕微鏡図を提示する。図4Cは、上記で開示した方法から得られた溶接のSEM画像を示し、複雑な多段階溶接プログラムを利用することにより、従来の溶接で生じた問題を解決して堅牢で機能的なIMCを作成する方法を示している。これにより、異種溶接に対する高い強度が得られるほか、周期的試験の疲労をはじめとする形態の性能が向上する。
溶接電極110、120は、ワークピース130、140内の電流の流れがペルチェ効果を促進するように方向づけられた接触面112、122をそれぞれ有することが好ましい。ペルチェ効果は、電流が2つの接触している導電性であるが異種である材料に流れるときに発生する熱電効果である。この効果により、一方の材料が他方の材料に熱を伝達して、化学ポテンシャルのギャップ(gap)を調整する。そのため、ペルチェ効果を促進するために、電流の流れを特定の方向に整列させることができる。このプロセスは、ペルチェ効果に従って整列されていない方向でも機能するが、ペルチェ効果を利用すると、そうしない場合と比較して一貫性のレベルを大幅に向上できることに留意することが重要である。
ワークピース130、140の異種材料のうちの導電性の高い方の材料と接触している溶接電極110、120の接触面112、122は、好ましくは、ワークピース130、140の異種材料のうちの導電性の低い方の材料と接触している溶接電極110、120の接触面112、122と同等の直径比を有し、異種材料間の熱伝導率及び熱膨張の相違を打ち消す。伝導性の高い方の側で使用するために選択される接触面112、122は、異種材料間の熱伝導率と熱膨張の相違を適切に打ち消すことができるように、少なくとも伝導性の低い方の材料に当てられる接触面112、122と同等の直径比である必要がある。場合によっては、熱流量の均衡はこのほか、異種材料及び/又は異なる接触面形状の溶接電極110、120を使用することによって、達成されてもよい。
本明細書で考察した材料に固有の特定の複雑さと、材料を接合するICとは、適切な結合を容易にするために、さらに高いレベルのプログラムの変動(program variance)を必要とする場合があるであろう。溶接手順の複雑さに影響を及ぼすことになるいくつかの要因には、材料の表面状態(酸化物スケール、破片、汚染物質など)、接合される材料の等級と厚さ、接合される材料の形状、材料間の中間層の存在(接着剤、防水剤など)及び接合されるシートの数が挙げられる(しかし、ここに挙げたものに限定されない)。溶接スケジュールに影響を及ぼすことがある他の要因がいくつかあることがあり得る。プログラムの変動は、多段階溶接スケジュールに電流の追加の変動を導入することによって明らかになる。溶接段階を追加するか削除し得るこのような変動を図5~図10に開示する。本明細書に開示するプロセスは、以下の図に限定されない。図5~図10は、開示するプロセスの追加の例である。溶接プログラムには、経時的にさまざまな量で変化するさまざまな電流レベルが含まれる場合がある。実際のプログラムは、本明細書で考察する図によって異なる場合がある。
図5A~図5Cは、図3A及び図3Bの溶接プロセスから変更された溶接プロセスを表す。ここで、溶接プロセスは、溶接フェーズ又はステップ220に移行する前に、複数レベルの予熱フェーズ又はステップ310、510を通過する。複数の予熱フェーズを使用して、材料が熱負荷の変化に敏感である可能性がある状況で、異種材料をさらに高いレベルで制御することができる。電流が停止しない限り、接合される材料の要求に合わせて予熱のレベルを増減させることができ、最終的な予熱ステップは、電流を溶接ステップに移行させることによって進行する。図示の例は2つの予熱ステップ310、510を有するが、これとは別に、必要に応じて任意の他の適切な複数の予熱ステップを利用することができることに留意されたい。図5Aはプロセスステップ210、310、510、320、220、330、230及び240を有する例のフローチャートであり、図5Bは、その例の溶接グラフである。図5Bは、プロセスステップ210からプロセスステップ240まで、溶接材料を通って流れる電流の推移を経時的にチャート化することによって、溶接グラフを示す。予熱のレベルの数は、発生する相変化の種類と、(IMCが形成される場合には)IMCを形成するのに必要な関連する拡散速度とによって異なる場合がある。予熱電流のさまざまな段階は、図5Bにみられるように2つの中断されない予熱電流など、任意の数のパターンであることがあり、あるいは図5Cにみられるように、交流方式/パルス方式にすることができる。溶接される金属部品130、140によって異なる予熱には、いくつかの追加の利点があり得る。
図6A~図6Cは、図3A及び図3Bの溶接プロセスから変更された溶接プロセスを表す。ここで、溶接プロセスは、冷却前に複数レベルの溶接220、610を通過する。複数レベルの溶接を利用して、IMCを構成するために作成される相のタイプと濃度をさらに高いレベルで制御する状態を維持することができる。電流が停止しない限り、接合される材料の要求に合わせて溶接のレベルを増減させることができ、最終的な溶接ステップは、冷却フェーズに進行する。この図示の例は2つの溶接ステップ220、610を有するが、これとは別に、必要に応じて、任意の他の適切な複数の溶接ステップを利用することができることに留意されたい。図6Aは、プロセスステップ210、310、320、220、610、330、230及び240を有する例のフローチャートである。図6Bは、その例の溶接グラフである。図6Bは、プロセスステップ210からプロセスステップ240まで、金属部品130、140を通って流れる電流の推移を経時的にチャート化することによって、溶接グラフを提示する。溶接電流のさまざまな段階は、図6Bにみられるように2つの途切れない溶接電流などの任意の数のパターンとすることができ、あるいは図6Cにみられるように交流方式/パルス方式とすることができる。
図7A及び図7Bは、図3A及び図3Bの溶接プロセスから変更された溶接プロセスを表す。ここで、この溶接プロセスは、接合された材料を冷却するために溶接面に電流を流すことなく、任意の焼き戻しフェーズを迂回して、溶接された材料を保持する溶接面に直行する。特定の材料の組み合わせは、IMCの適切な形成を促進するために焼き戻しフェーズを必要としない場合がある。これにより、プロセス時間が短縮され、大幅なコスト削減が可能になる。図7Aは、プロセスステップ210、310、320、220、230及び240を有する例のフローチャートである。図7Bは、プロセスステップ210、310、320、220、230及び240を有する例の溶接グラフである。図7Bは、プロセスステップ210からプロセスステップ240まで、金属部品130、140を通って流れる電流の推移を経時的にチャート化することによって、溶接グラフを提示する。
図8A~図8Cは、図3A及び図3Bの溶接プロセスから変更された溶接プロセスを表す。ここで、溶接プロセスは、電流の流れを停止する前に、複数のレベルの焼き戻し810を経由する。電流が停止しない限り、接合される材料の要求を満たすように材料の冷却速度をさらに制御するために、複数のレベルの焼き戻しが時間又は電流のいずれかにて増大するか減少することができる。このプロセスは、依然として、電極表面112、122からの圧力を利用して、金属部品130、140を所定の期間一体的に固定することによって終了することになる。この図示の例は、2つの焼き戻しステップ330、810を有するが、これとは別に、必要に応じて、任意の他の適切な複数の焼き戻しステップを利用することができることに留意されたい。図8Aは、プロセスステップ210、310、320、220、330、810、230及び240を有する例のフローチャートである。図8Bは、その例の溶接グラフである。図8Bは、プロセスステップ210からプロセスステップ240まで、金属部品130、140を通って流れる電流の推移を経時的にチャート化することによって、溶接グラフを提示する。焼き戻し電流のさまざまな段階は、図8Bにみられるように2つの一貫した焼き戻し電流など、任意の数のパターンであることがあり、あるいは図8Cにみられるように、交流方式/パルス方式であることがある。
図9A及び図9Bは、図5C、図6C及び図8Cにみられるパルス電流を採用し、1つの脈動溶接プログラムに統合した。図9Aは、直流(DC)と一致する溶接スケジュールにてこの方法を示す。図9Bは、交流(AC)と一致する溶接スケジュールにてこの方法を示す。
図10A及び図10Bは、図3A及び図3Bの溶接プロセスから変更された溶接プロセスを表す。ここで、溶接プロセスは、予熱フェーズと溶接フェーズとの間の任意の傾斜フェーズを迂回して、IMCの形成のために溶接段階に直行する。特定の材料の組み合わせには、IMCの適切な形成を促進するために傾斜フェーズを必要としない場合がある。これにより、プロセス時間が短縮され、大幅なコスト削減が可能になる。図10Aは、プロセスステップ210、310、1020、330、230及び240を有する例のフローチャートである。図10Bは、プロセスステップ210、310、1020、330、230及び240を有する例の溶接グラフである。図10Bは、プロセスステップ210からプロセスステップ240まで、金属部品130、140を通って流れる電流の推移を経時的にチャート化することによって、溶接グラフを提示する。
図は、異種材料を溶接するための好結果のプログラムの例であるが、本明細書に開示する発明は、上記の図のみに限定されるものではない。溶接プログラムが連続多段階プロセスである限り、任意の数及び組み合わせのステップを使用することができる。ワークピース130、140に供給される電流は、一定の電流レベルに含まれる必要はなく、電流がワークピース130、140を継続的に流れる限り、パルス方式又は傾斜方式(sloping method)のいずれかで変動することができる。
上述の実施形態及び変形例の特徴又は属性のいずれも、要望どおり、上述の実施形態及び変形例の他の特徴及び属性のいずれかと組み合わせて使用することができる。
ここで開示している実施形態は、コスト及び時間の節約など、溶接作業にかなりの効率を提供する。例えば、締結具を使用せずに異種材料を良好に接合することができると、締結具を使用するほとんどの用途でのコストを節約する。ありとあらゆる接合部から締結具を取り外すという簡素であるが斬新なタスクは、従来は異種材料を共に接合していたであろうありとあらゆる締結具のコストと重量を取り除くことにより、このプロセスを適用する事業者に利点をもたらすであろう。締結具がなく、従来の溶接工具とラインレイアウトを使用することができるため、時間が大幅に節約される。この解決策はこのほか、界面を通過するエネルギーの流れを一定に保つことにより、他の溶接解決策と比較して時間を大幅に節約する。これにより、電流の送達に断続的な停止がないため、さらに短い時間で大量のエネルギーを供給することができる。
このため、開示したシステム及び方法は、言及した目的及び利点のほか、システム及び方法に固有の目的及び利点を達成するように良好に適合される。本開示の教示は、本明細書の教示の恩恵を受ける当業者には明らかな、別々であるが同等の方法で変更され、実施され得るため、上記で開示した特定の実施形態は例示に過ぎない。さらに、以下の特許請求の範囲に記載するものを除いて、本明細書に示す構造又は設計の詳細を限定することを意図するものではない。このため、上記で開示した特定の例示的な実施形態は変更されても、組み合わされても、修正されてもよく、そのような変形はいずれも本開示の範囲内であると考えられることは明らかである。本明細書に例示的に開示するシステム及び方法は、本明細書に具体的に開示していない任意の要素及び/又は本明細書に開示した任意の最適な要素がなくても適切に実施される場合がある。組成物及び方法を、さまざまな構成要素又はステップを「備える」、「包含する」又は「含む」という観点から説明しているが、組成物及び方法はこのほか、さまざまな構成要素及びステップから「本質的に構成する」ことができるか、「構成する」ことができる。上記で開示したあらゆる数値と範囲が多少異なる場合がある。下限及び上限を伴う数値範囲を開示する場合は常に、その範囲内に含まれる任意の数値及び任意の範囲を具体的に開示する。特に、(「約aから約bまで」又は同等に「約aからb」又は同等に「約a~b」の形式の)本明細書で開示する値のあらゆる範囲は、さらに広い範囲の値に含まれるあらゆる数値と範囲を示すと理解されることになる。このほか、特許請求の範囲の用語は、特許権者によって明示的かつ明確に定義されていない限り、平易で通常の意味を有する。さらに、特許請求の範囲で使用する不定冠詞「a」又は「an」は、本明細書では、本明細書が導入する要素のうちの1つ又は複数を意味するように定義される。本明細書の単語又は用語の使用法と、参照により本明細書に組み込まれる可能性のある1つ又は複数の特許文書又は他の文書の単語又は用語の使用法に何らかの矛盾がある場合は、本明細書と一致する定義を採用する必要がある。
本明細書で使用するように、項目のうちのいずれかを区切る「及び」又は「又は」という用語を伴う一連の項目の前にある「~の少なくとも1つ」という語句は、リストの各部材(即ち、各項目)ではなく、リスト全体を修飾する。「~の少なくとも1つ」という語句は、項目のうちのいずれか1つの少なくとも1つ及び/又は項目の任意の組み合わせの少なくとも1つ及び/又は項目のそれぞれの少なくとも1つを含むという意味を許容する。例として、「A、B及びCの少なくとも1つ」又は「A、B又はCの少なくとも1つ」という語句はそれぞれ、Aのみ、Bのみ又はCのみ、A、B及びCの任意の組み合わせ及び/又はA、B及びCのそれぞれの少なくとも1つを指す。
Claims (20)
- 異種材料のワークピースを接合するための抵抗スポット溶接方法であって、前記方法は、
溶接機の対向する溶接電極によって、前記ワークピースを加圧して、前記ワークピースを固定するステップと、
予熱フェーズにて、前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態で、前記溶接電極を介して前記ワークピースに所定のレベルで所定の期間電流を供給して、前記ワークピースを徐々に加熱するステップと、
前記予熱フェーズ後の溶接フェーズにて、前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態で、溶接電極を介して前記ワークピースに前記予熱フェーズよりも高い所定のレベルで所定の期間電流を供給して、前記ワークピース間に金属間化合物(IMC)を形成するステップと、を含む方法において、
前記電流は、前記予熱フェーズから溶接フェーズまで停止することなく前記ワークピースに連続的に供給される、抵抗スポット溶接方法。 - 前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態で、前記予熱フェーズと前記溶接フェーズとの間の傾斜フェーズをさらに含み、前記ワークピースに供給される電流が、所定の期間にわたって前記予熱フェーズの前記所定のレベルから前記溶接フェーズの前記所定のレベルまで徐々に上昇し、その上昇の大きさは、接合される材料によって異なる、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 異なる所定レベルの電流をそれぞれが有する複数の前記予熱フェーズが存在する、請求項2に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 異なる所定レベルの電流をそれぞれが有する複数の前記溶接フェーズが存在する、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記溶接フェーズの後に、焼き戻しフェーズを更に有し、前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態で、前記溶接フェーズの前記所定のレベルよりも低い所定のレベルで溶接電極を介して前記ワークピースに電流を供給して、前記ワークピースを徐々に冷却する、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記焼き戻しフェーズは、一定の所定のレベルの電流によって前記ワークピースを冷却する、請求項5に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記焼き戻しフェーズは、前記溶接フェーズよりも低い電流レベルであり、前記予熱フェーズよりも低いか等しい電流レベルである、請求項5に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 異なる所定レベルの電流をそれぞれが有する複数の前記焼き戻しフェーズが存在する、請求項5に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記ワークピースに電流が流れていない状態で、一定の圧力で所定の期間、前記溶接電極が前記ワークピースを加圧し、固定し続けながら、前記焼き戻しフェーズの後に、前記溶接電極内を流れる冷却流体を使用して、前記ワークピースの冷却速度を増大させるステップをさらに含む、請求項5に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記ワークピースに電流が流れていない状態で、一定の圧力で所定の期間、前記溶接電極が前記ワークピースを加圧し、固定し続けながら、前記溶接フェーズの後に、前記溶接電極内を流れる冷却流体を使用して、前記ワークピースの冷却速度を増大させるステップをさらに含む、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記溶接電極が前記ワークピースを最初に固定した時から焼き戻しフェーズの終了まで前記ワークピース内の電流が停止することなく、冷却液が前記溶接電極を通って流れている状態で前記溶接電極は前記ワークピースを固定し続ける、請求項10に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記溶接電極はそれぞれ、前記ワークピース内の電流の流れが促進されるように方向付けられ、ペルチェ効果を考慮し、実施することによって最適化される接触面を有する、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記異種材料のうち導電性の高い方の材料と接触している前記溶接電極の接触面が、前記材料のうち導電性の低い方の材料と接触している前記電極の接触面と同等の直径比を有して、前記異種材料間の熱伝導率及び熱膨張の相違を打ち消し、前記比は、前記2つの材料間の厚さの差に基づいて変化することもできる、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記ワークピースに供給される前記電流は、各フェーズで一定の電流レベルではなく、前記電流が前記ワークピースに継続的に流れている間、パルス方式又は傾斜方式のいずれかで変動する、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 異種材料がアルミニウムと鋼である、請求項1に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 異種材料のワークピースを接合するための抵抗スポット溶接方法であって、前記方法は、
溶接機の対向する溶接電極によって前記ワークピースを加圧して、前記ワークピースを固定するステップと、
予熱フェーズにて、前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態で、前記溶接電極を介して前記ワークピースに所定のレベルで所定の期間電流を供給して、前記ワークピースを徐々に加熱するステップと、
前記予熱フェーズ後の溶接フェーズにて、前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態で、前記予熱フェーズよりも高い所定のレベルで所定の期間、前記溶接電極を介して前記ワークピースに電流を供給して、前記ワークピース間に金属間化合物(IMC)を形成するステップと、
前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態での前記予熱フェーズと前記溶接フェーズとの間の傾斜フェーズのステップであって、前記ワークピースに供給される電流が、前記予熱フェーズの前記所定のレベルから前記溶接フェーズの前記所定のレベルまで所定の期間にわたって徐々に上昇する、ステップと、
前記溶接フェーズの後の焼き戻しフェーズのステップであって、典型的には前記予熱フェーズよりも低いレベルの電流を利用して、IMCへの熱衝撃のリスクを低減するように温度を下げることにより、制御された方法で冷却が生じる、ステップと、
前記ワークピースに電流が流れていない状態で、一定の圧力で所定の期間、前記溶接電極が前記ワークピースを加圧し、固定し続ける間に、前記溶接電極に流れる冷却液を使用して、焼き戻しフェーズ後に前記ワークピースの冷却速度を増大させるステップと、を含む抵抗スポット溶接方法であって、
前記電流は、前記予熱フェーズ、前記傾斜フェーズ及び前記溶接フェーズを通じて停止することなく前記ワークピースに連続的に供給される、抵抗スポット溶接方法。 - 前記溶接フェーズの後かつ前記冷却速度の増大ステップの前の焼き戻しフェーズにて、前記ワークピースが前記溶接電極によって加圧され、固定された状態で、前記溶接フェーズの前記所定のレベルよりも低い所定のレベルで前記溶接電極を介して前記ワークピースに電流を供給して、ワークピースを徐々に冷却するステップをさらに含む、請求項16に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記焼き戻しフェーズは、前記溶接フェーズよりも低い電流レベルであり、前記予熱フェーズよりも低いか等しい電流レベルである、請求項17に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記溶接電極が前記ワークピースを最初に固定してから前記焼き戻しフェーズの終了まで、前記ワークピース内の電流が停止しない、請求項17に記載の抵抗スポット溶接方法。
- 前記異種材料がアルミニウムと鋼である、請求項16に記載の抵抗スポット溶接方法。
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