JP2023553663A - 成形部品の電磁スポット溶接のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

成形部品（２，３）の電磁スポット溶接用の装置（１）が記述される。装置（１）は、加圧体（１０）；圧力下での溶接によって融合されるべき成形部品（２，３）の接触面（２０，３０）を接合するように成形部品（２，３）に対して加圧体（１０）の加圧面（１００）を、又はこれとは逆に動かすように構成された第１変位手段（５０）を備える。加圧体（１０）は、更に、少なくとも成形部品（２，３）の接触面（２０，３０）において電磁場を生成するインダクタ（１１）を備える。過熱からの保護のためにインダクタ（１１）の少なくとも一部の周りで加圧体（１０）にシールド（１２）が設けられる。インダクタ（１１）及び加圧面（１００）と直接触してインダクタ（１１）及び加圧面（１００）の間で加圧体（１０）にヒートシンク（１３）が設けられる。インダクタ（１１）は、インダクタ（１１）、シールド（１２）、及びヒートシンク（１３）を冷却するために構成された冷却手段（１１１）を具備する。上記装置（１）を用いて成形部品（２，３）を電磁溶接するための方法も開示される。

Description

本発明は、成形部品の電磁スポット溶接のための方法、及び、電磁スポット溶接のための装置に関する。本出願のコンテキストにおけるスポット溶接は、交番電圧の下で電磁場を生成する静止インダクタを提供することによって、一つの溶接箇所で不連続溶接を生成する。これは、インダクタが、溶接の軌跡に沿って一緒に溶接される成形部品上を動かされる連続溶接とは対照的である。スポット溶接と連続溶接は、比較対象ではない。例えば、溶接対象の成形部品における熱生成が完全に異なり得る。

成形部品、例えば、繊維強化熱可塑性又は熱硬化性複合部品を接合するための多数の技術がある。成形部品の２つの接触面を接合するため、機械的締結及び接着剤ボンディングが伝統的に用いられている。しかしながら、機械的締結及び接着剤ボンディングの両方が、コスト高であり、また時間を要するように思える。機械的締結は、例えば、高価な孔の位置決め、穿孔、シム(shimming)及び締結具の実装を要求し、他方、接着剤ボンディングは、化学物質を伴い得る複雑な表面前処理を要求する。

電磁溶接は、別々の締結具の使用を除去し、また、相対的に速い速度及び、あるとしても僅かな事前処理で、成形複合部品の接触面を接合する潜在的な能力を提供する。電磁溶接は、一つ又は複数の成形部品（群）の誘導感応コンポーネント(induction-sensitive component)において電磁場を生成し、成形部品（群）の熱溶融可能な結合手段を結合手段の融点を超えて加熱する。成形部品の接触面が溶融した結合手段によってお互いに接合される。結合手段は、例えば、接合される一つ又は複数の部品の熱可塑性樹脂であり得、又は、別に適用される熱可塑性樹脂であり得る。熱可塑性及び熱硬化性成形部品を一緒に溶接するため、誘導感応コンポーネントが溶融する熱可塑性樹脂は、例えば、ホットメルト接着剤として機能し得る。

成形部品、例えば、繊維強化複合成形部品の間にスポット溶接の接続を形成するために多数の溶接方法が利用可能である。抵抗溶接では、溶接要素として機能する外部材料が加えられる必要がある。伝導溶接については、複合部品又は積層体が徹底的に加熱されて表面のツールプリントに帰結し、超音波溶接では、特定のエネルギーディレクタ材料が要求され、また、例えば、幾何公差及び部分的な再結晶に非常に敏感である。電磁スポット溶接の既知の方法は、特に、航空産業のような相対的に高い機械的強度及び溶接の接続の耐荷重能力が望まれる高グレード用途において品質が劣る接合部品を製造し得る。

別の問題は、（スポット）溶接の接続は、溶接された成形部品の面に垂直な方向において十分な強度を提供しないおそれがあることである。所謂、面外荷重は、（スポット）溶接された成形部品（の部分）を離層する傾向がある。

本発明の目的は、成形部品のスポット溶接用の改良された方法及び装置を提供することにある。本発明の別の目的は、面外荷重及び離層に対して高められた耐性を有する溶接された成形部品を製造し得る成形部品のスポット溶接用の方法及び装置を提供することにある。

この目的のために本発明は、成形部品の電磁スポット溶接用の装置を提供し、当該装置が、加圧体；圧力下での溶接によって融合されるべき成形部品の接触面を接合するように成形部品に対して加圧体の加圧面を、又はこれとは逆に動かすように構成された第１変位手段を備え、加圧体は、更に、加圧体に設けられ、かつ少なくとも成形部品の接触面において電磁場を生成するように構成されたインダクタ；過熱からの保護のために構成され、インダクタの少なくとも一部の周りで加圧体に設けられたシールド；及びインダクタ及び加圧面と直接触してインダクタ及び加圧面の間に設けられたヒートシンクを備え、インダクタは、インダクタ、シールド、及びヒートシンクを冷却するために構成された冷却手段を備える。

その装置により、急速及び効率的な態様で成形部品間で良質なスポット溶接の接続を実現することができ、スポット溶接された製品は、特に良好な機械的耐荷重性能を持つ。成形部品は、熱溶融可能な結合手段と、誘導感応コンポーネントを備える。請求に係る装置は、加圧体のインダクタによって成形部品の少なくとも接触面において電磁場を生成する；これにより誘導感応コンポーネントを加熱することにより結合手段を熱溶融する。請求された加圧体の特徴を備える請求に係る装置は、幾何学的にフォーカスされた被加熱部分を成形部品内に提供するように構成される。

ヒートシンクは、インダクタ及び加圧面と直接触してそれらの間に設けられ得る。ヒートシンクの材料は、電気絶縁性でありながら熱伝導性があり、周囲から熱を吸収するように構成される。ヒートシンクは、受動的な熱交換器として働き、周囲の空気に、又は、インダクタの冷却手段に、成形部品の上部で生成された熱を伝導する。ヒートシンクの適切な材料は、高い熱伝導率を有するが、極めて低い電気導電率を有する。

装置の好適な実施形態は、インダクタの断面寸法よりも大きい加圧面に接触した平面寸法を有するヒートシンクを備える。この実施形態は、熱伝導を改善することだけではなく、より拡張的かつ均一な成形部品上の加圧も提供する。

シールドは、過熱から保護するために構成され、インダクタの少なくとも一部の周りに設けられる。装置の模範的な実施形態では、加圧体が、加圧面に加えて２つの側面と、加圧面とは反対の上面を有し、シールドは、インダクタ及び側面の間に位置付けられる。

シールドの材料は、好ましくは断熱性である。シールドの製造に適した材料は、磁性誘電材料、及び有機バインダーに絶縁性の鉄粒子が埋設されたもののようなバインダーに埋設された金属粒子を有する材料を含み得るが、これらに限られない。これらの材料は、例えば、Ｆｌｕｘｔｒｏｌ（登録商標）という商品名で商業的に入手可能である。

その断面形状といったインダクタの幾何形状は、原則として必要に応じて選択される。断面は、例えば、三角形又は円形であり得る。有用な実施形態は、インダクタが四辺形の断面を有する装置に関する。

インダクタの３Ｄ形状もまた必要に応じて選択される。これは、以下に更に開示の幾つかの実施形態において、インダクタは、溶接位置の成形部品を加熱する必要があるだけでなく、装置の他の部分も加熱する必要があるために関連する。幾つかの実施形態では、よって、電磁場が拡張される必要がある。

加圧体のインダクタが、第１及び第２インダクタ、又は、複数のインダクタを備える実施形態も提供され得る。

ある実施形態では、インダクタが成形部品の少なくとも接触面において実質的に円柱状の電磁場を生成するように構成されるべくインダクタが線形セグメントを有する装置が提供される。この態様において、接触面は、高度に選択的な態様において加熱可能であり、正確なスポット溶接の接続が獲得される。

加圧体におけるインダクタの位置も必要に応じて選択される。装置の実用的な実施形態では、インダクタは、線形セグメントが加圧体の加圧面に実質的に平行に延びるように加圧体に位置付けられる。

発明に係る装置により形成されるスポット溶接を強化するため、特には、接触面に対して非ゼロ角度で延びる面外方向において強化するため、実施形態に係る装置は、インダクタにより生成される電磁場又は他の手段により加熱されるように構成された機械的締結具；及び成形部品に向けて機械的締結具を動かし、加熱された機械的締結具を接合した成形部品内に成形部品の接触面よりも離れた位置まで打ち込むように構成された第２変位手段を更に備える。

そのような実施形態では、第２変位手段は、好適には、接触面に対して非ゼロの角度の、好適には接触面に対して垂直な方向において、加熱された機械的締結具を接合した成形部品内に打ち込むように構成される。

実用的な実施形態は、加圧体は、加圧面まで延びるキャビティーを、オプションとして中央に有し、第２変位手段は、キャビティーを通して機械的締結具を動かすように構成される装置に関する。

本発明に係る装置は、加圧体によってスポット溶接されるべき成形部品上に圧力を付与する。装置の別形態は、受動的又は能動的のいずれかにおいて、第１変位手段の反対側の接合された成形部品の側に逆加圧手段を備える。

実用的な実施形態において請求の装置は、エンド・エフェクタ(end-effector)としてロボットアーム又は他のツールの端部に設けられる。これにより、複数のスポット溶接を行うため、接合された成形部品上で加圧体を正確に位置決めすることができる。

一つ又は複数の成形部品が好適には熱可塑性材料から製造され、これが溶融によって溶接可能であるが、熱的結合手段として熱可塑性材料又は熱溶融可能な接着剤を成形部品の間の接触面上だけに形成することも想定できる。

本発明の別の側面は、成形部品の電磁スポット溶接のための方法に関する。方法は、Ａ）本発明に係る装置を提供する工程；Ｂ）第１変位手段によって加圧体の加圧面を成形部品に対して又はこれとは逆に動かし、圧力下での溶接によって融合されるべき成形部品の接触面を接合する工程にして、成形部品が、熱溶融可能な結合手段及び誘導感応コンポーネントを備える、工程；Ｃ）加圧体のインダクタによって少なくとも成形部品の接触面において電磁場を生成し、これにより誘導感応コンポーネントの加熱によって結合手段を熱溶融する工程；Ｄ）溶融した熱溶融可能な結合手段によって圧力下で成形部品を結合する工程；その間、Ｅ）加圧体のインダクタ、シールド及びヒートシンクを、インダクタの冷却手段で冷却する工程を含む。

方法においては、成形部品は、一般的に、例えば、金属製ガーゼ(metal gauze)といった導電性コンポーネントを備え、又は、このコンポーネントが成形部品の間に配置される。好適には発電機から交流電流が提供されたインダクタにより生成された交番電磁場によってフーコー電流又は渦電流が導電性コンポーネントに誘起される。ジュール効果により、これらのフーコー電流は、熱溶融可能な結合手段を溶融するのに必要な熱を生成する。インダクタをスポット溶接の位置上に位置付けることにより、成形部品は、溶接位置で相互に接続される。

方法の実施形態における実質的に円柱状の電磁場の使用によって、制御された、均一、かつターゲットに向けられた加熱を可能とし、溶接の必要がない成形部品の過熱ができる限り阻止される。過熱によって材料が劣化し、また従って、構造の望まない弱体化を生じさせ得る。円柱状の電磁場は、１０～２０ｍｍの幅まで非常に狭く形成され得る。

成形部品における誘導感応コンポーネントを加熱する目的のため、熱溶融可能な結合手段に熱的に接触しなければならない。これは、例えば、射出成形可能な混合材料のような、誘導感応コンポーネント及び熱溶融可能な結合手段を混合することにより可能である。

使用材料、特には、誘導感応コンポーネント、及びこのコンポーネントからのインダクタの距離に依存して、適切な電力及び周波数を決定可能である。周波数は、とりわけ電磁場の浸透力を決定し、インダクタの電力は、交番電磁場の強さ、従って、誘導感応コンポーネントで生成される熱の程度を決定する。

熱溶融可能な結合手段が熱可塑性ポリマーを備えるならば有利である。熱可塑性ポリマー同士は、融合によって単純な態様で結合可能である。更には、金属製ガーゼ又はカーボンファイバーといった誘導感応コンポーネントを熱可塑性ポリマーに混合することが簡単である。特に適した熱可塑性ポリマーの例は、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン及びポリフェニレンスルフィドであるが、方法は、原則として任意の熱可塑性のために適する。

誘導加熱可能なコンポーネントは、好適にはカーボンファイバー及び／又は金属を備える。これらの材料は、瞬時に誘導加熱され、また、導電に加えて良好な熱伝導も有し、生成熱が上手く分散される。カーボンファイバーにより材料強度も高められるため、熱可塑性ポリマーに組み込まれたカーボンファイバーが推奨される。

方法の別の好適な実施形態においては、誘導加熱可能なコンポーネントが強磁性粒子を備える。適切な粒子は、例えば、ＷＯ０１８５８２７に記載されており、また、キュリー温度に到達する時、磁気双極子を失い、それ以上加熱されなくなる追加の利益を有する。これにより過熱に対して保護を形成可能である。

接触面に誘起されたフーコー電流又は渦電流が成形部品の幾何形状により制限される。成形部品のエッジ、コーナー又は穴が、フーコー電流の分布に影響し、従って、発生する熱にも影響する。このような電磁場の中断により、溶接工程において加熱の必要のないコンポーネントの加熱に帰結し得る。逆に、幾つかのパーツの加熱が困難である可能性もある。これらの問題は、熱可塑性成形部品の決定された場所にフーコー電流が生じはじめるエリアの境界を再配置することで解決可能である。好適な実施形態では、従前は加熱が困難であったパーツがそれにも関わらず加熱され、また望まない場所での高温が阻止可能である。

方法の別の実施形態は、成形部品に向かって第２変位手段により、インダクタ又は他の手段により生成された電磁場により加熱されるように構成された機械的締結具を動かし、及び加熱された機械的締結具を接合した成形部品内に成形部品の接触面よりも遠い位置まで打ち込むことを更に含む。

好適には、加熱された機械的締結具は、接触面に対して非ゼロの角度の、好適には、接触面に垂直な方向において第２変位手段によって接合した成形部品内に打ち込まれる。

実用的な実施形態においては、加圧体は、加圧面まで延びるキャビティーを有し、第２変位手段が、キャビティーを通して機械的締結具を動かす。キャビティーは、ランダムな位置に位置付けられ得るが、好適には、加圧体の略中央に位置付けられる。

逆加圧手段によって、第１変位手段とは反対の接合した成形部品の側に圧力が付与され得る。

本発明の請求に係る方法における適用としては、インダクタが交流電流生成器に接続され、交流電流生成器が、インダクタの電気的接続手段に電気的に接続される。使用可能な周波数は、一般的に０．１～１０ＭＨｚの間にある。０．１ＭＨｚと０．５ＭＨｚの間の周波数が好適に使用され、０．１５ＭＨｚと０．４ＭＨｚの間の周波数がより好適に使用される。そのような好適な周波数で、電磁場の浸透力と加熱速度の最適なバランスが達成される。

インダクタは、好適には、複数の巻き線を有する。そのようなインダクタは、コンパクトに具現化でき、好適には、平坦な側面が設けられ得る。精密に決定された誘導のために適切であり得る。

インダクタが実質的にフラットであれば有益である。これは、例えば、インダクタを単一面に存在する導電体として具現化することにより可能である。そのようなフラットなインダクタは、非常にコンパクトであり、非常に正確かつ均一な態様で決定された位置で電磁場を適用することに適する。

更なる好適な実施形態においては、インダクタは、冷却シースといった、冷媒の通路のために適合された少なくとも一つの供給チャネルが設けられる。インダクタの温度は、これにより、使用中に一定に保持可能であり、これは、インダクタの電気抵抗に関しても望ましい。冷媒は、好適には、高い熱容量を有する水といった液体である。誘導パーツは、例えば、所望の形態に曲げられた金属筒であり、交番電圧で電磁場が金属管自体に生じる間、これを介してポンプにより冷媒が流される。

ここで、次の図面を参照して本発明を説明するが、これに限定されない。

図１は、エンド・エフェクタとして本発明の実施形態に係る装置が設けられた溶接システムを概略的に示す。 図２は、本発明の実施形態に係る装置の断面図を概略的に示す。 図３は、本発明の実施形態に係る方法の別工程における図１の装置の断面図を概略的に示す。 図４は、本発明の実施形態に係る方法のまた別工程における図１の装置の断面図を概略的に示す。 図５は、本発明の実施形態に係る方法のまた別工程における図１の装置の断面図を概略的に示す。 図６は、本発明の実施形態に係る方法のまた別工程における図１の装置の断面図を概略的に示す。 図７は、本発明の実施形態に係る方法のまた別工程における図１の装置の断面図を概略的に示す。 図８は、本発明の実施形態に係る方法のまた別工程における図１の装置の断面図を概略的に示す。 図９は、本発明の実施形態に係る別の方法の工程の断面図を概略的に示す。 図１０は、本発明の実施形態に係る方法のまた別の工程において図９の装置の断面図を概略的に示す。 図１１は、本発明の実施形態に係る方法のまた別の工程において図９の装置の断面図を概略的に示す。 図１２は、本発明の実施形態に係る方法のまた別の工程において図９の装置の断面図を概略的に示す。 図１３は、本発明の実施形態に係る方法のまた別の工程において図９の装置の断面図を概略的に示す。

図１は、本発明の実施形態に係る装置１を具備するスポット溶接システム５を示す。装置１は、工業用６軸ロボット５１の部分であるロボットアーム５０のエンド・エフェクタとして作動する。ロボットアーム５０は、本発明の本質ではなく、静止アクチュエータといった装置１のための他の変位手段も想定されることに留意されたい。ロボット５１は、ロボットアーム５０の形態の第１変位手段及びエンド・エフェクタ装置１を、スポット溶接が行われるべき複数の別々の位置でスポット溶接される成形部品（２，３）のアセンブリに向けて動かすようにプログラムされる。装置１の加圧体１０に組み込まれたインダクタ１１（図２参照）は、電磁場の生成のためにロボット５１上に配置された交流電流生成器５２に接続されて作動する。しかしながら、交流電流生成器５２を他の場所に配置することもでき、装置１の加圧体１０に組み込むことさえもできる。図示の形態では、逆加圧手段４が、アセンブリ（２，３）に接近している第１変位手段又はロボットアーム５０の側とは反対の接合した成形部品（２，３）の側に設けられる。逆加圧手段４は、固体として実施され得、又は、接合した成形部品（２，３）の上述の側に対して押圧可能である意味において能動的であり得る。

図２により詳細に図示のように、成形部品（２，３）の電磁スポット溶接のための装置１は、加圧体１０と、例えば、（図２において矢印５０により概略的に表示されている）ロボットアーム５０の形態の第１変位手段を含む。加圧体１０は、鉄といった金属の固体ブロックであり得、又は、基板に対して圧力を付与する限りにおいて他の方法で実施され得る。図２の加圧体１０は、加圧面１００と加圧面１００の反対の上面１０２に加えて、２つの側面（１０１ａ，１０１ｂ）を有する。図示のように、加圧体１０は、更に、ある実施形態において、後述のように、中央キャビティー１０３を更に有するが、中央キャビティーは、本発明の本質的特徴ではない。図２は、装置１の垂直な中心面での断面図を示すことに注意されたい。キャビティー１０３は、前側で開口しているように見えるが、実施形態においては、例えば、固体ブロックに設けられた中央円柱キャビティーにおけるもののように、加圧体１０の材料により閉鎖される。

ロボットアーム５０は、成形部品（２，３）に対して加圧体１０の加圧面１００を、又はこれとは逆に動かすようにプログラムされる。次に、図３に図示のように、溶接により融合される成形部品（２，３）の接触面（２０，３０）は、圧力下で接合される（が、まだ溶接されていない）。

図２によると、加圧体１０は、加圧体１０に設けられたインダクタ１１を更に備える。インダクタ１１は、成形部品（２，３）の少なくとも接触面（２０，３０）において電磁場１２を生成するように構成される。図示の形態においては、インダクタ１１は、四辺形の断面を有し、また線形セグメントを更に備え、インダクタが成形部品（２，３）の少なくとも接触面（２０，３０）において実質的に円柱状の電磁場を生成するように構成される。このようにして、電磁場は、溶接される位置よりも十分遠くに到達しないように集中され得る。図２における線形セグメント（群）は、加圧体１０から少し離れた距離１０４で加圧体１０の加圧面１００に実質的に平行に延びる。別のセグメントは、加圧面１００からより遠く離れた距離１０５に位置付けられ得る。この他のセグメントは、同一のインダクタ１１の一部であり得、又は、より高い高さで加圧体１０に設けられた第２のインダクタ１１の一部であり得る。

インダクタ１１の少なくとも一部の周りで加圧体１０にシールド１２も設けられる。シールドは、過熱からの保護のために構成され、また、Ｆｌｕｘｔｒｏｌ（登録商標）といった適切な断熱材料から成る。シールド１２は、板状構造を備え、またインダクタ１１と加圧体１０の側面（１０１ａ，１０１ｂ）の間に位置付けられる。

発明に係る装置１０は、更に、加圧体１０に組み込まれ、かつインダクタ１１と加圧面１００の間に設けられたヒートシンク１３を更に備える。ヒートシンク１３は、更には、インダクタ１１（の下面）と加圧面１００に直に接触する態様で位置付けられる。適切ならば、追加のヒートシンク材料１３ａがインダクタ部分１１の間にも設けられ得る。ヒートシンク１３は、板状構造として実施され得、更には、インダクタ１１の断面寸法１１０よりも大きい加圧面１００と接触する平面寸法１０６を有し得る。ヒートシンク１３は、好適には、セラミックス材料から成る。

また図示のように、インダクタ１１には冷却シース１１１が設けられ、例えば、水といった冷却液が流れる導管により実施される。冷却シースは、インダクタ１１を冷却するだけではなく、少なくとも部分的に、シールド１２及びヒートシンク１３を冷却するようにも適合される。

図示した実施形態は、更には、インダクタ１１により生成された電磁場、又は、別個の熱、ＩＲ等のヒーター（不図示）のような他の手段により加熱されるように構成されたリブ付きリベット６の形態の機械的締結具を更に備える。本実施形態の装置１は、図５～８に図示のように、成形部品（２，３）に向けてリベット６を動かし、図６に図示のように、加熱されたリベット６を、接触面（２０，３０）に垂直に、成形部品（２，３）の接触面（２０，３０）よりも遠い位置まで接合した成形部品（２，３）内に打ち込むように構成されたプランジャー７の形態の第２変位手段も具備している。結果として、リベット６が、接合及び溶接された成形部品（２，３）内に溶接される。これによって、特には面外方向８においてリベット６により機械的に強化された成形部品（２，３）の間にスポット溶接された接続が提供される。この実施形態では、加圧体１０は、加圧体１０の加圧面１００まで延びるオプションの中央キャビティー１０３を備える。第２変位手段又はプランジャー７は、従って、キャビティー１０３を通してリベット６を動かすように構成される。

図２～４を参照すると、発明に係る装置１を用いて成形部品（２，３）の電磁スポット溶接のための多数の工程が図示される。

初めの工程（図２）では、装置１は、スポット溶接の必要がある第１の成形部品２と第２の成形部品３に近傍に配置される。成形部品（２，３）は、まだお互いに離れている。

次工程では、ロボットアーム５０で、加圧体１０の加圧面１００が成形部品（２，３）に対して、又はこれとは逆に動かされ、スポット溶接により融合されるべき成形部品（２，３）の接触面（２０，３０）が圧力下で一緒に合わされ、又は接合される（がまだ溶接されない）。成形部品（２，３）は、熱溶融可能な結合手段、及びインダクタ１１により生成される電磁場の影響の下でそれを加熱する誘導感応コンポーネントを備える。これについて、成形部品（２，３）が、カーボンファイバーで強化された熱可塑性ポリマーから製造され得、カーボンファイバーが誘導感応コンポーネントとして機能し、熱可塑性ポリマーが熱溶融可能な結合手段として機能し得る。成形部品（２，３）は、例えば、カーボンファイバー強化ポリフェニレンスルフィドを含むことができ、例えば、１～３ｍｍの材料厚を有する。第１の成形部品２は、折り端を有し、また、例えば、補強材であり得、他方、第２の成形部品３は、平板である。明らかに、両方の成形部品（２，３）は、湾曲といった別の形状を持ち得る。

図４を参照すると、別の工程は、加圧体１０のインダクタ１１で成形部品（２，３）の少なくとも接触面（２０，３０）において電磁場を生成し、同時に冷却シース１１１でインダクタ１１を冷却することを含む。これは、成形部品（２，３）におけるカーボンファイバーを加熱することにより、成形部品（２，３）の両方の部分(volume)２１における成形部品（２，３）の熱可塑性ポリマーを加熱する（また可能性として溶融する）。部分２１における温度は全体的に均一ではないかもしれず、また、部分２１の中央部分だけが熱可塑性ポリマーの融点を超える温度を持ち得る。（溶接されるべきスポットの周囲の）必要な範囲に部分２１を制限するため、円柱状の電磁場が好適である。このような電磁場は、線形セグメント（群）を有するインダクタ１１により誘起される。シールド１２、ヒートシンク１３及び冷却シース１１１を備える加圧体１０の特定の構成は、制御され、かつ上手く集中（フォーカス）された部分２１を提供する。熱可塑性ポリマー（オプションとして接触面２０，３０に塗布された熱溶融可能な接着剤）を加熱溶融するのに十分に高い温度までの接合構成における成形部品（２，３）の加熱は、少なくとも溶接されるスポットの周囲の部分において２つの成形部品（２，３）を一緒に融合する。加熱及び／又はオプションとしてその後の短時間の間、接触面（２０，２０）は、好適には、加圧体１０自体と逆加圧手段４によって一緒に加圧され、これにより成形部品（２，３）の間の接続をもたらす。この接続は、特に高い機械的な耐荷重能力を持つ。加圧体１０は、続いて、ロボットアーム５０によりスポット溶接された成形部品（２，３）から取り外される。

上述の工程が、スポット溶接の実施が必要な別の位置において繰り返される。加圧手段１０は、他の位置に動かされ、図２～４に示した一連のイベントが繰り返される。

本発明の別の実施形態が図５～８に図示される。この実施形態は、更に、リベット６といった機械的締結具を図３に示した工程において接合した接合済みの成形部品（２，３）内に設けることを含む。インダクタ１１による電磁場の励起の後、図４に図示の工程に即して、同じように、インダクタ１１により生成された電磁場、又は、別の加熱といった他の手段により、リベット６が加熱される。

次工程において、加熱されたリベット６は、部分２２でインダクタ１１により生成された電磁場により加熱された接合済みの成形部品（２，３）に向けてプランジャー７によって動かされる。この部分２２は、部分２１よりも僅かに大きいかもしれず、この理由は、例えば、リベット６も加熱されているためである。プランジャー７は、加圧体１０の加圧面１００まで延びるキャビティー１０３に沿って動き、従って、キャビティー１０３を通して加熱されたリベット６を動かす。

図６を参照すると、加熱されたリベット６は、次に、ロボットアーム５０によって、成形部品（２，３）の接触面（２０，３０）の位置よりも更に下方の位置６０まで接触面（２０，３０）に略垂直な方向８において接合及び加熱された成形部品（２，３）内に打ち込まれる。この工程においては、リベット６は、形成される接続を実際に強化する側にカーボンファイバーを動かし得る。成形部品（２，３）の熱可塑性ポリマーが加熱され、かつコア部分においてその融点を超えて加熱されるため、加熱されたリベット６の打ち込みが促進される。

図７を参照すると、インダクタ１１が交流電流生成器５２から切断され、電磁場が非活性になる。これにより、まだ圧力を付与している間、加熱された部分２２が冷却される。冷却によって熱可塑性ポリマーが硬化し、スポット溶接された成形部品（２，３）においてリベット６を幾何学的にロックする。リベット６の頭部６ａが横方向に延びてリベット６が成形部品（２，３）内により遠くまで打ち込まれることを阻止する。

最後の工程において、加圧体１０は、スポット溶接され、かつ機械的にリベット留めされた成形部品（２，３）からロボットアーム５０で取り外される。

上述の工程は、リベット留めされたスポット溶接の実施が必要な別の位置のために繰り返され得る。加圧手段１０がこの別の位置に動かされ、図２～８に示した一連のイベントが繰り返される。

図９～１３を参照すると、発明に係る装置１を用いた成形部品（２，３）の電磁スポット溶接のための方法及び装置１のまた別の実施形態が図示される。幾つかの場合には別の実施形態ではあるが、参照番号は、他の図面において用いた参照番号と同一のものにより示されるアイテムに対応する。図９によると、加圧体１０は、加圧体１０に設けられたインダクタ１１を備える。インダクタ１１は、単一の巻き線を有し、また、成形部品（２，３）の少なくとも接触面（２０，３０）において電磁場１２を生成するように構成される。図示の実施形態では、インダクタ１１は、四辺形の断面を有する。図９におけるインダクタ１１の線形セグメントが、加圧体１０から少しの距離１０４で加圧体１０の加圧面１００に実質的に平行に延びていることが見られる。

シールド１２も、インダクタ１１の少なくとも一部の周りで加圧体１０に設けられる。シールドは、過熱から保護するために構成され、またＦｌｕｘｔｒｏｌ（登録商標）といった適切な断熱材料からそこに成る。シールド１２は、板状構造を備え、また、インダクタ１１上、更には、インダクタ１１と加圧体１０の側面（１０１ａ，１０１ｂ）の間に位置付けられる。

図示の実施形態における発明に係る装置１０は、加圧体１０に組み込まれ、かつインダクタ１１の巻き線との間、及び、インダクタ１１と加圧面１００の間に設けられたヒートシンク１３を更に備える。ヒートシンク１３は、更には、それがインダクタ１１（の下面）と加圧面１００に直接触する態様で位置付けられる。ヒートシンク１３は、板状構造として具現化され得、更には、インダクタ１１の断面寸法１１０よりも大きい加圧面１００に接触する平面寸法１０６を有し得る。ヒートシンク１３は、好適にはセラミックス材料から成る。

また図示のように、インダクタ１１には、他の実施形態について上述したように、冷却シース１１１が設けられる。

本実施形態（図９）に係る方法の最初の工程において、装置１は、スポット溶接が必要な第１の成形部品２と第２の成形部品３の近傍に設けられる。成形部品（２，３）は、まだお互いに分離されている。

次工程において、図１０に示すように、ロボットアーム５０で、加圧体１０の加圧面１００は、成形部品（２，３）に対して、又は逆に動かされ、スポット溶接されるべき成形部品（２，３）の接触面（２０，３０）が圧力下で合わされて又は接合される（がまだ溶接されていない）。成形部品（２，３）は、他の実施形態のコンテキストにおいて上述したように、熱溶融可能な結合手段と、インダクタ１１により生成される電磁場の影響の下でそれを加熱する誘導感応コンポーネントを備える。

図１１を参照すると、別の工程は、加圧体１０のインダクタ１１で成形部品（２，３）の少なくとも接触面（２０，３０）において電磁場を生成し、同時に、冷却シース１１１でインダクタ１１を冷却することを含む。これは、成形部品（２，３）のカーボンファイバーを加熱することにより、両方の成形部品（２，３）の部分２１における成形部品（２，３）の熱可塑性ポリマーを加熱（可能性として溶融）する。シールド１２、ヒートシンク１３、及び冷却シース１１１を備える加圧体１０の特定の構成は、制御され、かつよく集中（フォーカス）された部分２１を提供する。熱可塑性ポリマー（又はオプションとして接触面（２０，３０）に付与された熱溶融可能な接着剤）を熱溶融するのに十分に高い温度まで接合構成における成形部品（２，３）を加熱することで、少なくとも溶接されるべきスポットの周りの部分において二つの成形部品（２，３）が一緒に融合する。加熱及び／又はオプションとしてその後の短時間の間、接触面（２０，２０）は、好適には、加圧体１０自体と逆加圧手段４によって一緒に加圧され、これにより成形部品（２，３）の間の接続をもたらす。この接続は、図１２に示すように、（電磁場をオフに切り替えることにより）部分２１を冷却することにより提供される。加圧体１０は、次に、図１３に示すように、続いて、ロボットアーム５０によりスポット溶接された成形部品（２，３）から取り外される。

上述の工程は、スポット溶接の実施が必要な別の位置のために繰り返され得る。加圧体１０がこの別の位置に動かされ、図９～１３に示した一連のイベントが繰り返される。

電磁溶接は、別々の締結具の使用を除去し、また、相対的に速い速度及び、あるとしても僅かな事前処理で、成形複合部品の接触面を接合する潜在的な能力を提供する。電磁溶接は、一つ又は複数の成形部品（群）の誘導感応コンポーネント(induction-sensitive component)において電磁場を生成し、成形部品（群）の熱溶融可能な結合手段を結合手段の融点を超えて加熱する。成形部品の接触面が溶融した結合手段によってお互いに接合される。結合手段は、例えば、接合される一つ又は複数の部品の熱可塑性樹脂であり得、又は、別に適用される熱可塑性樹脂であり得る。熱可塑性及び熱硬化性成形部品を一緒に溶接するため、誘導感応コンポーネントが溶融する熱可塑性樹脂は、例えば、ホットメルト接着剤として機能し得る。国際公開第２０１４／１９６２６８Ａ１は、自己貫通リベットを用いる複数の樹脂部材の接合用の接合装置を開示する。米国特許出願公開第２０１４／０３５６０５３Ａ１は、部材を一緒に接続するための方法を開示する。誘導又は絶縁加熱の一つを用いて部材を加熱する間、部材をお互いに押圧し、従って、部材の少なくとも一つの一部である熱可塑性樹脂を溶融する。

図９～１３を参照すると、発明に係る装置１を用いた成形部品（２，３）の電磁スポット溶接のための方法及び装置１のまた別の実施形態が図示される。幾つかの場合には別の実施形態ではあるが、参照番号は、他の図面において用いた参照番号と同一のものにより示されるアイテムに対応する。図９によると、加圧体１０は、加圧体１０に設けられたインダクタ１１を備える。インダクタ１１は、単一の巻き線を有し、また、成形部品（２，３）の少なくとも接触面（２０，３０）において電磁場を生成するように構成される。図示の実施形態では、インダクタ１１は、四辺形の断面を有する。図９におけるインダクタ１１の線形セグメントが、加圧体１０から少しの距離１０４で加圧体１０の加圧面１００に実質的に平行に延びていることが見られる。

図１１を参照すると、別の工程は、加圧体１０のインダクタ１１で成形部品（２，３）の少なくとも接触面（２０，３０）において電磁場を生成し、同時に、冷却シース１１１でインダクタ１１を冷却することを含む。これは、成形部品（２，３）のカーボンファイバーを加熱することにより、両方の成形部品（２，３）の部分２１における成形部品（２，３）の熱可塑性ポリマーを加熱（可能性として溶融）する。シールド１２、ヒートシンク１３、及び冷却シース１１１を備える加圧体１０の特定の構成は、制御され、かつよく集中（フォーカス）された部分２１を提供する。熱可塑性ポリマー（又はオプションとして接触面（２０，３０）に付与された熱溶融可能な接着剤）を熱溶融するのに十分に高い温度まで接合構成における成形部品（２，３）を加熱することで、少なくとも溶接されるべきスポットの周りの部分において二つの成形部品（２，３）が一緒に融合する。加熱及び／又はオプションとしてその後の短時間の間、接触面（２０，３０）は、好適には、加圧体１０自体と逆加圧手段４によって一緒に加圧され、これにより成形部品（２，３）の間の接続をもたらす。この接続は、図１２に示すように、（電磁場をオフに切り替えることにより）部分２１を冷却することにより提供される。加圧体１０は、次に、図１３に示すように、続いて、ロボットアーム５０によりスポット溶接された成形部品（２，３）から取り外される。

Claims (24)

1. 成形部品の電磁スポット溶接用の装置であって、
   加圧体；
   圧力下での溶接によって融合されるべき前記成形部品の接触面を接合するように前記成形部品に対して前記加圧体の加圧面を、又はこれとは逆に動かすように構成された第１変位手段を備え、
   前記加圧体は、更に、
   前記加圧体に設けられ、かつ少なくとも前記成形部品の前記接触面において電磁場を生成するように構成されたインダクタ；
   過熱からの保護のために構成され、前記インダクタの少なくとも一部の周りで前記加圧体に設けられたシールド；及び
   前記インダクタ及び前記加圧面と直接触して前記インダクタ及び前記加圧面の間に設けられたヒートシンクを備え、
   前記インダクタは、前記インダクタ、前記シールド、及び前記ヒートシンクを冷却するために構成された冷却手段を備える、装置。
2. 前記ヒートシンクは、前記インダクタの断面寸法よりも大きい前記加圧面に接触した平面寸法を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記インダクタは、四辺形の断面を有する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記インダクタは、線形セグメントを有し、少なくとも前記成形部品の前記接触面において実質的に円柱状の電磁場を生成するように構成される、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記インダクタは、前記線形セグメントが前記加圧体の前記加圧面に実質的に平行に延びるように前記加圧体に位置付けられる、請求項４に記載の装置。
6. 前記加圧体の前記インダクタは、第１及び第２インダクタを備える、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記インダクタにより生成される前記電磁場又は他の手段により加熱されるように構成された機械的締結具；及び
   前記成形部品に向けて前記機械的締結具を動かし、加熱された前記機械的締結具を接合した前記成形部品内に前記成形部品の前記接触面よりも離れた位置まで打ち込むように構成された第２変位手段を更に備える、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記第２変位手段は、前記接触面に対して非ゼロの角度の、好適には前記接触面に対して垂直な方向において、加熱された前記機械的締結具を前記接合した成形部品内に打ち込むように構成される、請求項７に記載の装置。
9. 前記加圧体は、前記加圧面まで延びるキャビティーを、オプションとして中央に有し、前記第２変位手段は、前記キャビティーを通して前記機械的締結具を動かすように構成される、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記第１変位手段とは反対の前記接合した成形部品の側に逆加圧手段を更に備える、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記インダクタに接続された交流電流生成器を更に備える、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記ヒートシンクがセラミックス材料から成る、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記シールドが、磁性誘電材料から成る、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記加圧体は、前記加圧面に加えて２つの側面と、前記加圧面とは反対の上面を有し、前記シールドは、前記インダクタ及び前記側面の間に位置付けられる、上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
15. エンド・エフェクタとしてロボットアームの端部又は他のツールに設けられた上述の請求項のいずれか一項に記載の装置。
16. 成形部品の電磁スポット溶接のための方法であって、
    Ａ）上述の請求項のいずれか一項に係る装置を提供する工程；
    Ｂ）前記第１変位手段によって前記加圧体の加圧面を前記成形部品に対して又はこれとは逆に動かし、圧力下での溶接によって融合されるべき前記成形部品の接触面を接合する工程にして、前記成形部品が、熱溶融可能な結合手段及び誘導感応コンポーネントを備える、工程；
    Ｃ）前記加圧体の前記インダクタによって少なくとも前記成形部品の前記接触面において電磁場を生成し、これにより前記誘導感応コンポーネントの加熱によって前記結合手段を熱溶融する工程；
    Ｄ）前記溶融した熱溶融可能な結合手段によって圧力下で前記成形部品を結合する工程；その間、Ｅ）前記加圧体の前記インダクタ、前記シールド及び前記ヒートシンクを、前記インダクタの前記冷却手段で冷却する工程を含む、方法。
17. 実質的に円柱状の電磁場が前記工程Ｃ）において生成される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記熱溶融可能な結合手段が熱可塑性ポリマーを含む、請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 前記誘導感応コンポーネントが、カーボンファイバー、金属粒子、及び／又は強磁性粒子を含む、請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記成形部品に向かって第２変位手段により、前記インダクタ又は他の手段により生成された前記電磁場により加熱されるように構成された機械的締結具を動かすこと、及び前記加熱された機械的締結具を前記接合した成形部品内に前記成形部品の前記接触面よりも遠い位置まで打ち込むことを更に含む、請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記加熱された機械的締結具は、前記接触面に対して非ゼロの角度の、好適には、前記接触面に垂直な方向において前記第２変位手段によって前記接合した成形部品内に打ち込まれる、請求項２０に記載の方法。
22. 前記加圧体は、前記加圧面まで延びるキャビティーをオプションとして中央に有し、前記第２変位手段が、前記キャビティーを通して前記機械的締結具を動かす、請求項２０又は２１に記載の方法。
23. 逆加圧手段により前記第１変位手段とは反対の前記接合した成形部品の側に圧力が付与される、請求項１６乃至２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記インダクタにおいて交流電流が生じる、請求項１６乃至２３のいずれか一項に記載の方法。

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