JP4624792B2 - 分離式締結システム - Google Patents

Description

本出願は、２００２年１０月７日に出願された米国仮出願番号第６０／４１６，６１４号のＰＣＴ国際出願である。本出願は、２００２年１０月２４日に出願された米国仮出願番号第６０／４２０，９５１号の利益を主張する。上記の出願の開示を、引用により組み入れる。

本発明は、部材を金属構造部品に締結するための、より具体的には、部材を板金材料に締結するための締結システムに関する。環状の溶接面を有するねじ付き金属スタッドが短時間アーク溶接で構造部品に締結され、破損可能なロックナットがスタッドにねじ込まれ、部材を構造部品に締結する。

金属溶接スタッドは、一般に、棒状材料から冷間成形されるといった、標準的なファスナ型打ち法によって形成された非圧縮性の中実の本体である。こうした溶接スタッドは、該溶接スタッドを通じてエネルギーを供給し、円形の犠牲溶接要素及び部品の基材材料の一部の両方を溶融する周知の溶接装置を用いることによって、該部品の表面に溶接される。溶接スタッドは、液化した金属の混合及び冷却のために、基材材料に固定される。溶接装置、特に溶接ガンは、スタッドの肩部と溶接されることになる面の端部との間の領域において、クランプジョーを用いて溶接スタッドを把持する。各々の溶接スタッドは、溶接の直前に、１度に１つずつ溶接ガンの口の中に配置される。これらのスタッドのサイズ、重さ、及び構造により、気体吹き付け式溶接ガンに該スタッドを使用することはできない。
運送業における燃料経済性の要求が増大し、より薄いゲージ材料が使用されるようになった。特に、金属の複合材料、具体的にはポリマー・コアを有するアルミニウム複合材料が、種々の構造体のための表面材料又は外板材料として有効に使用されるようになった。これらの非常に薄い金属ラミネートは、一般に、該ラミネートの一方の側の支持構造体に締結されることによって、該支持構造体に結合又は締結される。このために、普通の溶接スタッドをラミネート構造体に締結し、該構造体への該スタッドの結合を容易にすることが周知である。

従来より、溶接スタッドは、薄いラミネート材料の少なくとも第１層を溶かす。溶接部が、溶接スタッドのラミネート境界面の強度が著しく脆弱化された応力集中部をもたらす。繰り返し溶接スタッドに負荷をかけることにより、結合境界面が塑性変形され、スタッドがラミネート境界面に対して早期に破損する。
周知のスタッドは、頭部と、該頭部に結合されたシャンクとを有する。スタッドの頭部は、車体の板金材料に溶接される。溶接作業は、周知の引き上げ式アーク溶接方法によって行われる。この方法においては、スタッドを板金材料と接触させ、次いで溶接電流を流し、該スタッドを該板金材料から引き離し、該スタッドと該板金材料との間にアークを形成する。アークの燃焼中、スタッド頭部の一部及び板金材料一部が溶融する。十分な量の溶融金属が生成されると、スタッドを溶融部の中に打ち込む。溶接作業それ自体は、幾つかのパラメータに影響され得る。個々のパラメータの影響は、引き上げ式アーク方法によりスタッドを溶接するときに、誤差に対する感受性に様々な影響を有する。

アークの開始のために、これに応じてスタッド頭部の幾何学的形状を設計しなければならない。これに関連して、円錐状先端部をもつ頭部を有するスタッドが、当業界において周知である。点火用先端部が前端部の中心に形成された、実質的に平坦な頭部／前端部をもつスタッドが、更に周知である。さらに、平坦な前端部をもつスタッドも、当業界において周知である。ねじ付きスタッドは、いわゆる短時間アーク溶接で本体の板金材料に溶接される。短時間アーク溶接もスタッド溶接として周知であり、その場合、金属スタッド（ねじ付きスタッド）が、本体の板金材料と接触するように配置される。次に、監視電流が流され、金属スタッドが本体の板金材料から再び僅かに持ち上げられる。それと同時に、アークが発生する。次いで、溶接電流が流され、それにより金属スタッドと本体の板金材料の対向面が溶融される。次いで、金属スタッドが本体の板金材料上に再び下ろされ、それにより溶融部が接合される。溶接電流が切られ、全ての溶融物が固化される。

次いで、一般に、ロックナットがスタッド上にねじ込まれ、本体の板金材料から突出する。ナットは、部材を板金材料に固定するように働く。一般に、ロックナットは合金材料から形成される。スタッドは、並目ねじ付きスタッドか又は細目ねじ付きスタッドとすることができる。適合するねじがロックナットに設けられる。並目ねじの場合には、別の方法としてロックナットに穴を１つだけ設けることができる。次いで、並目ねじが穴の中に対応する逆のねじを切る。
ねじ付きスタッド及び本体の板金材料の破損が、不定の状態で生じる。破損の原因が何であったかを明らかにすることは困難である。さらに、車体の破損した板金材料の再加工は、破損したスタッドの場合における再加工よりも、かなり経費がかかる。スタッドの破損の場合においては、板金材料の強度を損なわせることなく、同じ部位に新しいスタッドを溶接することができる。

この背景に対し、本発明の根底にある課題は、特に、溶接スタッド構造体へのナットの結合に失敗した状況の下で、要する再加工が僅かな、一般的なタイプの改善された締結システムを提供することある。

述べられた締結システムの不利な点を克服するために、構造部品とねじ付きスタッドとの間の溶接接合部の強度、並びに該スタッドとナット自体の強度が、互いに適合される。具体的には、これらの強度は、ロックナットがねじ付きスタッドにねじ込まれたときに、仕様書に従って適用されるトルクを超えたトルクが適用されると、スタッドが破損する前にナットが破損し、ナットが破損しない状況においては、構造部品が破損する前にスタッドが破損することが保証されるように適合される。
これは、「良好な」溶接接合部を有するねじ付きスタッドに高過ぎるトルクが適用されるときにはいつも、全ての場合において構造部品ではなくスタッドが破損するか又はそのねじが損傷することを保証する。この方法では、不適正に調整されたトルクレンチ又は張力レンチに起因する再加工コスト、或いはファスナに関するねじ切りの問題が低減される。強度が大きすぎるロックナットが用いられたときであっても、スタッドと部品との間の溶接接合部が「良好」であれば、構造部品の損傷は大きく除外されることが保証される。

これに関連して、「破損」は、それぞれの要素に適用されるトルクを、締結チェーンの後続する要素にもはや伝達することができない、要素（ロックナット、スタッド、構造部品）のどんな損傷をも意味するように意図されている。構造部品の破損は、通常は、部品が構造的に損傷すること、特に、溶接接合部の領域内から引き出されたことを示すように意図されている。このような方法で目的は十分に達成される。
この実施形態は、過度に高いトルクが適用されたときに、部品が破損する前にスタッドが破損することを保証するために、構造部品（乗り物の車体の板金材料）を強化する必要がないという利点を有する。

別の好ましい実施形態によると、ねじ付きスタッドは、溶接接合部に隣接して配置されたフランジ部分を有し、該フランジ部分に対してロックナットにより部材がねじ込まれるか、又は該フランジ部分に対して該ロックナット自体がねじ込まれる。
別の好ましい実施形態によると、スタッドは並目ねじ付きスタッドであり、ロックナットがねじ込まれたときに、スタッドの雄ねじがロックナットの穴の中にねじを切る。代替的な実施形態によると、ねじ付きスタッドは、メートルねじといった細目ねじを有し、ロックナットは対応する雌ねじを有する。

さらに、ねじ付きスタッドの強度とロックナットの強度は、ロックナットがねじ付きスタッド上にねじ込まれたときに、仕様書に従って適用されるトルクを超えたトルクがロックナットに適用されると、スタッドが構造的に損傷する前にロックナットが構造的に損傷することが保証されるように互いに対して適合されることが好ましい。
総括すると、ロックナットの所定の破壊モーメントが、ねじ付きスタッドの所定の破壊モーメントより小さく、構造部品及び／又は該構造部品とスタッドとの間の溶接接合部の所定の破壊モーメントより小さい、というような閉じたプロセスチェーンが得られる。

別の実施形態の教示によると、従来技術の欠点を克服する引き上げ式アーク溶接システムと共に用いるための溶接スタッド組立体が提供される。溶接スタッド組立体は、環状の溶接領域をもつ頭部を有する。環状の溶接領域は、頭部の外半径と一致する外半径を有する。環状の溶接領域は、板金材料へのスタッドの捩り荷重の分散を改善しながら、一般的な円形の溶接領域からの表面積とほぼ等しい溶接表面積を提供するように働く。

上記の特徴と以下の説明は、本発明の範囲を逸脱することなく、各事例において示される組み合わせで使用可能であるだけでなく、他の組み合わせで又は単独で使用することもできる。本発明の教示によると、従来技術の欠点を克服する引き上げ式アーク溶接システムと共に用いるための溶接スタッド組立体が提供される。溶接スタッド組立体は、環状の溶接領域をもつ頭部を有する。環状の溶接領域は、頭部の外半径と一致する外半径を有する。環状の溶接領域は、板金材料へのスタッドの捩り荷重の分散を改善しながら、一般的な円形の溶接領域からの表面積とほぼ等しい溶接表面積を提供するように働く。
さらなる本発明の適用可能領域が、以下に与えられる詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しており、説明のために意図されたものであり、本発明の範囲を限定するよう意図されるものではない。

本発明は、詳細な説明及び添付の図面からより完全に理解されるようになるであろう。
好ましい実施形態の次の説明は、本質的に例示的なものにすぎず、決して、本発明、その用途、又は使用を制限するように意図されるものではない。
図１は、本発明の教示による引き上げ式アーク溶接スタッド１０を表す。この溶接スタッド１０は、３つの主要な部品、すなわちシャンク１２、頭部１４、及び環状の溶接部１６から形成される。限定されない例として、シャンク１２は、Ｍ６ねじ付きファスナとすることができる。同様に、シャンクは、パインツリー型コネクタ又は他の寸法のねじ付きファスナの形態を取ることができる。

頭部１４は、冷間ヘッド成形方法を用いて形成される。Ｍ６ファスナの頭部１４は、約１３ｍｍの外径、及び約２ｍｍの厚さを有する。さらに、頭部は、約１３ｍｍの直径を有する平坦な下面１５を有する。ファスナの強度は、頭部の厚さの関数である。したがって、一般に、頭部の厚さが増大するにつれて、溶接スタッド１０の強度が増大する。ファスナの強度が増すことにより、該ファスナとラミネート材料の境界面に望ましくない損傷がもたらされることが多い。こうした損傷により、ファスナがラミネート材料から引き抜かれ、薄い板金材料の中に穴が残る。
環状の溶接部１６は、頭部１４の下面１５の外半径と等しい外半径１８を有する。Ｍ６スタッド・シャンクの場合、頭部１４の外半径は約１３ｍｍである。溶接部１６の内半径は、約１１ｍｍの半径を有する。結果として生じる溶接面積は、約１５０ｍｍ²になる。各々の頭部１４は、厚さＴを有する。溶接部１６の厚さ１９は、Ｔの値の５０％より少なく、Ｔの値の約２０％から約３５％までであることが好ましい。

この点で、頭部１４はウェブ厚２１を有し、このウェブ厚２１は、ファスナ１０の損傷モードに適合させるように変更することができる。限定されない例として、３．０ｍｍのウェブ厚を有するスタッド１０は、１８２０ｌｂｓより大きい張力破損モードを有し、１４０ｉｎ・ｌｂｓのトルク荷重でねじ山が剥離する捩り破損を有する。２．５ｍｍのウェブ厚２１を有するスタッド１０の場合は、基材材料の張力破損が、約１７３０ｌｂｓより大きい荷重で生じ、１４０ｉｎ・ｌｂｓより大きい荷重でファスナのねじ山が剥離して捩り破損が生じる。２．０ｍｍのウェブ厚２１を有するスタッド１０の場合は、スタッドは、約１７００ｌｂｓより大きい荷重の張力で破損し、約１３５ｉｎ・ｌｂｓより大きい荷重の捩り力でねじ山が剥離して破損する。１．５ｍｍのウェブ厚２１を有するスタッド１０の場合は、スタッドの基材材料は、１８３０ｌｂｓより大きい荷重で破損し、ウェブは、１２０ｌｂｓより大きい捩り荷重で破損する。１．０ｍｍのウェブ厚２１を有するスタッド１０の場合は、スタッドは、１４００ｌｂｓより大きい荷重のウェブ張力、及び約７５ｉｎ・ｌｂｓより大きいトルク荷重のウェブの張力で破壊される。

後に述べるように、シャンクがウェブ部分より小さい捩りレベル及び張力応力レベルで破損するように、スタッド破損モードを設計することができる。さらに、ウェブ厚２１を変更することによって、ウェブ部分２１の破損モードを、溶接境界面に対してスタッドより低いレベルに、さらに該スタッドのシャンク破損レベルよりも高いレベルに設定することができる。
頭部１４の外半径と等しい外半径を有する環状の溶接部１６を設けることによって、基材の板金材料の加熱が、大きい面積にわたって分散される。板金材料の表面に対する破損が低減され、表面境界面に対する溶接スタッド１０の強度が改善される。例として、本発明の教示によるＭ６溶接スタッドの境界面は、約４００ｉｎ−ｌｂｓの捩り荷重に耐えることができる。
シャンク１２の捩り破損強度を約８０インチポンドに設定することによって、スタッドが板金材料のラミネート構造体を引き出し、損傷を与える前に、シャンクが捩り力で常に破損し、そのため基材材料の完全性が維持される。

図３に最もよく見られるように、スタッド１０をラミネート板２０に溶接するとき、溶接領域２６によって、該スタッド１０がラミネートの上部層２３に結合される。溶接工程の間、上部層２３は、ラミネート板２０の下部層２５に部分的に結合される。中間ポリマー層２７は、上部層２３及び下部層２５の両方に結合されたままである。この中間ポリマー２７は、ラミネート構造２０を支持するように機能する。さらに、スタッドの下方の、環状の溶接部内にあるラミネート板中央の結合が、捩り応力の分散を助け、よって、該環状の溶接接合部２６の捩り強さが強化されると考えられる。これは、ポリマー層２７を通して燃焼し、又は該ポリマー層２７を薄い層に裂く従来のスタッドと反対である。

本発明の適用を例証するために、図３は、スタッド１０と構造板又はラミネート構造２０との間の溶融結合を示す。スタッド１０の設計は、溶接前の図１のものに対応し、繰り返しを避けるために、図１の説明を参照する。
使用において、図１のスタッド１０は、ラミネート構造体２０と接触した状態で配置され、環状の溶接部１６の平坦な縁部２２が、該ラミネート構造体２０に接する。次に、溶接電流が適用される。溶接電流の適用後、スタッド１０が引っ込められ、アークを形成する。アークの燃焼中、スタッド１０の平坦な縁部２２及び構造体２０の一部の両方が溶融する。所定の時間後、スタッド１０を、溶融金属の中に押し込む。押し込む前又は押し込んでいる間、溶接電流が切られる。次に、溶接部が冷却される。図３に示されるように、周方向の縁部２２の一部が溶融された。溶融金属の一部は、環状の溶接領域によって定められたキャビティ２４に入った。溶接部は実質的に環状である。スタッド１０及び構造体２０は、設定された共通の溶接領域２６を有する。もちろん、本発明の他の図示された実施形態も同様に働く。

本発明の締結システム又は構成の第１の実施形態が、全体的に９と表記される。締結システム９は、部材１１を、孔１３により横断される合成材料の部品を表す場合には構造板２０に、この場合には車体の板金材料に締結するように働く。
締結システム９は、スタッド溶接工程において車体のラミネート又は同質の板金材料２０に溶接されるねじ付きスタッド１０を含む。さらに、締結システム９は、スタッド１０上にねじ込むことができる、破損可能な材料で作られたロックナット６８を含む。
スタッド１０は、頭部１４を含む。この場合には、頭部１４は、スタッド１０のシャンク１２の直径の２倍の大きさであるかなり大きな直径をもつ部分を指すように意図されていることが好ましい。

ねじ付きスタッド１０は、スタッド溶接工程において、頭部１４の下側により板金材料２０の上側に溶接される。溶接接合部２６が、図４及び図５に概略的に示されている。頭部１４の反対側にはシャンク１２が設けられており、該シャンク１２上に並目ねじが形成される。
並目ねじと頭部１４との間の遷移領域において、ねじ付きスタッド１０はさらに脆弱部分２８を有し、該脆弱部分は、この場合は任意の周辺溝３０によい形成される。後に詳細に示されるように、脆弱部分２８は、スタッドの所定の破壊点を表す。

ロックナット６８は穴７０を有し、該穴７０の直径はシャンク１２の直径に適合される。並目ねじは、自己でねじ切りするねじとして設計され、それによりロックナット６８がスタッド１０上にねじ込まれるときに、穴７０の中に雌ねじが切られる。任意に、ロックナット６８は、所定の捩り荷重で破損するように構成されたねじ付き金属ナットとすることができる。この破損は、ねじ山又はナット６８の本体内で生じる。
図４に見られるように、部材１１の孔１３は、ねじ付きスタッド１０の上に滑動される。次いで、ロックナット６８がねじ込まれ、それにより部材１１が頭部１４の上側とロックナット６８の下側との間に保持される。

図４において、ねじ領域において、ロックナット６８に適用されたトルクＭが、どのくらいスタッド１０に対する引張力を生成する軸方向の力Ａに変換され、次にねじ付きスタッド１０に対して対応するモーメントをかける接線方向の力Ｔに変換されるかを概略的に示す。締結システム９の改造１０’が、図５に示されている。締結システム９においては、ねじ付きスタッド１０’は、シャンク１２’と溶接部分２６との間に位置する頭部１４’をもつように設計される。
ねじ付きスタッド１０’が車体１４の板金材料上に溶接されたときには、平坦な縁部２２と板金材料２０との間に溶接接合部２６’が生じる。その結果、板金材料２０の上側と頭部１４’の下側との間にスペース３６が残存する。
溶接部分２６の直径は、シャンク１２’の直径より大きくなるように選択される。したがって、全体として、溶接接合部２６’は、溶接部分１６の直径がシャンク１２’の「指定された」直径に等しいときに得ることができる強度より大きい強度を得ることができる。

図６は、締結システム９の別の実施形態を示す。締結システム９は、金属管の形態の部材４２を車体の板金材料のような別の構造部分４４に締結するように働く。締結システム９は、スタッド溶接工程によって車体の板金材料４４に溶接される、ねじ付きスタッド１０を有する。さらに、締結システム９は、合成材料のクリップの形態のロックナット６８を含む。

ねじ付きスタッド１０は、図５の締結システム９の頭部１４’に対応する頭部１４を有する。ねじ付きスタッド１０と車体の板金材料２０との間の溶接接合部が、５２で示される。スタッド１０のシャンク１２には、ねじ山が形成される。ねじ付きスタッド１０は、５８で概略的に示されるように、シャンク１２と頭部１４との間の遷移領域において脆弱化される。締結システム９においては、シャンク１２の直径が、頭部１４の直径、及び該頭部１４の下に位置し、詳細には説明しない溶接部分の直径より明らかに小さいときにのみ脆弱化がもたらされる。さらに、シャンク１２と頭部１４との間の遷移部は、鋭い縁部をもつコーナー部として設計される。
この場合には、合成材料のクリップは、クリップ６８の下側が頭部１４の上側に当たるまで、ねじ付きスタッド１０上にねじ込まれる。金属管の形態の部材４２は、合成材料のクリップ６８に排他的に固定される。図示された実施形態においては、金属管４２に適応させるために、凹部６４が設けられる。さらに、合成材料のクリップ６８は、可撓性をもって着座されるロックストラップ６６を有し、該ロックストラップ６６は、凹部６４を閉鎖し、それにより金属管４２をクリップ６８内にロックされた状態で収容する目的のために設計される。

図４から図６までの３つの実施形態の全てにおいて、車体のねじ付きスタッド１０及び板金材料２０は、各事例において鋼又は鋼合金もしくはアルミニウム又はアルミニウム合金から構成されてもよいことが理解される。また、ロックナット６８は、図７を参照しながら後で説明される強度要求に適合していれば、合成材料以外の材料から形成されても良い。
部材１２は、代替的に金属要素であってもよい。これに対応して、部材は、代替的に合成材料の要素であってもよい。３つの実施形態の全てにおいて、図６に概略的に示すように、別個の要素の強度は互いに適合される。

部材１２を車体の板金材料に締結するためにロックナット６８に適用される図７に表わされたトルクＭは、図７においては横座標にプロットされる。部材１２の適正な締結を得るために、ロックナット６８は、所定の定格トルクＭ_Nをもつ状態でねじ込まれ、これは図７においてゼロより大きいものとして定性的に示される。定格トルクＭ_Nには、許容域Ｔ_Nが割り当てられ、トルクレンチ又は張力レンチにより典型的に適用される定格トルクＭ_Nはその許容域内で変化する。
定格トルクＭ_Nが適用された後に、部品に不良がなく、溶接接合部２６に不良がなければ、部材１４の適正な締結が得られる。ロックナット６８の所定の破壊モーメントが、さらに図７のＭ_Mで示される。所定の破壊モーメントＭ_Mは、定格トルクＭ_Nより定性的に高い。所定の破壊モーメントＭ_Mには許容域Ｔ_Mが割り当てられ、該許容域内においてロックナット６８が破損するか又はそのねじ山が破壊される。またその際、許容域Ｔ_M及びＴ_Nは交差しないが、互いに隣接することが好ましいことに留意すべきである。

図７はさらに、ねじ付きスタッド１０の所定の破壊モーメントＭ_Gを示す。所定の破壊モーメントＭ_Gは、ロックナット６８の所定の破壊モーメントＭ_Mより定性的に高い。所定の破壊モーメントＭ_Gには許容域が割り当てられ、該許容域はロックナット６８の許容域Ｔ_Mと交差しないが、すぐそばに隣接する。
最後に、溶接接合部２６の所定の破壊モーメントが、図７においてはＭ_Sで示されている。所定の破壊モーメントＭ_Sは、スタッド１０の所定の破壊モーメントＭ_Gより明らかに大きい。溶接接合部２６の所定の破壊モーメントＭ_sには、同様に許容域Ｔ_Sが割り当てられる。

溶接接合部２６の所定の破壊モーメントＭ_Sの許容域Ｔ_Sは、許容域Ｔ_Gと交差しないが、むしろ、そこからかなり大きな距離をおいて位置する。したがって、ねじ付きスタッド１０により依然として生成され得る最大の所定の破壊モーメントＭ_G（許容域Ｔ_Gの上限）は、溶接接合部２６が破損することになる所定の最小破壊モーメントＭ_Sより明らかに小さいことが保証される。
簡単に表すために、図７においては溶接接合部２６の１つのみの破損が示されている。しかしながら、これは、溶接接合部及び／又は車体の板金材料の破損を意味するように意図されていることが理解される。この定格トルクと所定の破壊モーメントの「閉じたプロセス及び締結チェーン」は、全ての作業条件において、結果としてその取替えが最も低コストとなる要素が常に破損するものであることを保証する。

同様に、ウェブ厚２１の破壊モーメントが、スタッド・シャンクの破壊モーメントＭ_Gと溶接接合部２６の破壊モーメントＭ_Sとの間になるように、該ウェブ厚２１を調整することができる。破損時に、環状の溶接構成は、溶接領域によって板金材料の構造体に結合された破損された環状の頭部部分を残す。
ロックナット６８が部材１２にねじ込まれ、高過ぎる（許容域Ｔ_Nの上限より大きい）トルクＭが不注意にも適用された場合には、ナットの所定の破壊モーメントＭ_Mがねじ付きスタッド１０の所定の破壊モーメントＭ_Gより明らかに小さいので、及び許容域Ｔ_M及びＴ_Gが交差しないという事実のため、全ての場合においてナットが破損するか又はそのねじがすり減る。

図４の描写において、不適正なロックナット６８（高過ぎる強度をもつロックナット）が、不注意にも選択された場合には、許容域Ｔ_G及びＴ_Mを隔てる明白な距離は、全ての場合において最初にスタッド１０が破損し（普通はその所定の破壊点３０において、又はそのねじの破壊により）、それにより溶接接合部２６又は車体の板金材料２０の損傷が生じないことが保証される。
したがって、締結システム９において起こり得る全ての誤差の要因について、溶接接合部２６と車体の板金材料２０が不必要に損傷されないことが保証される。

ロックナット６８がねじ込まれる前のねじ付きスタッド１０の品質管理においては、普通は、指定されたロックナット６８の所定の破壊モーメントＭ_Mに等しい試験モーメントがスタッドに適用される。普通は繊維ガラスで補強された試験ナットがこの目的のために用いられる。この試験においては、高過ぎるトルクが不注意にも適用された場合、許容域Ｔ_GとＴ_S間の距離は、全ての場合においてスタッド１０が破損し、溶接接合部２６と車体の板金材料２０は損傷されないことが保証される。
種々のモーメント及び閉プロセスチェーンの上記の説明は、図５及び図６の実施形態に対応して適用可能である。図６の実施形態においては、合成材料のクリップ６８がロックナットを表す。

スタッド１０とロックナット６８との間のねじ適合は、該ロックナット６８のねじ山が破壊される場合には、それにもかかわらずねじを抜くことが可能であり、したがってねじを抜くときに不必要に高いトルクがスタッド１０、４６に適用されることが防止されるように選択すべきであることが理解される。閉プロセスチェーンにより、ロックナット６８、１８（普通は合成材料から形成される）が、「最も脆弱な結合部」である。次に脆弱な結合部は締結スタッド１０である。溶接接合部２６又は５２は最も高い強度を有する。
ねじ付きスタッド１０が１つの部位において脆弱化されること、及び構造部品が該構造部品とスタッドとの間の溶接接合部の領域において破損する前にスタッド１０が脆弱部位において破損するように脆弱化が設計されることは、特に有利である。

ここでの脆弱化は、多くの方法で、例えば、材料の選択、スタッドの構成などによって行うことができる。スタッド１０のねじが使用不能になった場合、すなわちもはやトルクを伝達できなくなった場合も、破損と理解されるべきである。或いは、破損とは、溶接接合部が構造的に損傷することなく、ねじ付きスタッド１０がその足部に対して全体的に折り取られたことと理解される。スタッド１０が、脆弱凹部、特に周辺溝を有することは、特に有利である。
こうした脆弱凹部は、本発明により、過度のトルクが適用されたときに構造部品が破損する前にスタッドが最初に破損することが構造的に単純な手法で保証されることを可能にする。脆弱凹部は、例えば機械加工によって製造することができる。

図８の側面図は、ねじ切られた部分８２と漏斗状の管状部分８４とを有する作用トルクを制限するための、本発明によるナット６８を示す。隙間又はくびれとして設計された所定の破壊モーメント８６は、ねじ切られた部分８２と管状部分８４との間に配置される。言い換えれば、所定の破壊モーメント８６は、ねじ切られた部分８２の外径又は外寸より小さく、管状部分８４の外径又は外寸より小さい外径を有する。管状部分８４は、ねじ切られた部分８２の雌ねじ８８の外側又は公称直径から始まり、該ねじ切られた部分から遠ざかるように（遠ざかる方向に）広がるように、例えば漏斗状に設計することができる。
図９に示される管状部分８４の漏斗状の設計に代わるものが、図１０における円筒形の設計である。次に、有利なことに、円筒形に設計されたこうした管状部分８５は、ねじ切られた部分８２の雌ねじ８８の外側又は公称直径より大きい直径を有する。

説明された２つの実施形態（漏斗状又は円筒形）は、雌ねじ８８の上部に、ことによると管状部分８４内に突出するスタッド１０（図示せず）内に強い摩擦がある場合、力の導入がこの接合部を介しても、スタッド１０の端部を介しても行われないために、所定の破壊点８６がその強い摩擦に全く耐えることができなくなるるという点で、冒頭に説明された問題を最小にするのを有利に助けるものである。
図９又は図１０に見られるように、少なくとも管状部分８４が、ツールすなわち最も単純な場合においてはオープンエンドスパナ又はそれに匹敵する外部ツールのために、第２の肩部構造体９０を有する。例えば正方形又は六角形などのような、内部ツールのための第３の肩部構造体９２が、管状部分８４内に有利に設計される。特に、組み立てられたナット９４を分解するために、ねじ切られた部分８２内に、付加的なツール、さらに有利に外部ツールのための第１の肩部構造８９を有する。

図１１は、同様の寸法をもつ第１の肩部構造体８９及び第２の肩部構造体９０を有する、図９又は図１０のロックナット６８の平面図を示す。任意に設けられたフランジ８７は、例えば、ナット９４の領域における構造部品（図示せず）の着座位置又は緊密さを有利に改善する。さらに、こうしたロックナット６８は、該ロックナット６８と協働するスタッド１０が、例えば板金材料から引き剥がされるのを防止する。
図６に示されるように、本発明によると、ロックナット６８は、異なった寸法の第１及び第２の肩部構造体８９、９０をもつことが好ましい。したがって、第１の肩部構造体８９は、例えば、第２の肩部構造体９０より大きい、特に、図示されるように比べものにならない、すなわち比較できない寸法の多角形を有することができる。

本発明によるナット９４は、合成材料、特にポリアミドのようなポリマーから構成されることが好ましい。このことは、特に所定の破壊モーメント８６の領域は、ねじ切られた部分８２及び／又は管状部分８４と異なる材料、特により柔らかい材料から構成され得るという利点を有する、すなわち定められたトルク限界は、所定の破壊モーメント８６の幾何学的形状によるだけでなく選択的に処理された適切な品質の材料によっても得ることができ、或いは選択的に処理された適切な品質の材料によって排他的に得ることができる。

図１２は、本発明の教示による溶接パラメータを説明する図表を示す。増幅器における溶接アーク電流対３つの特定の領域を有する溶接アーク時間を表す図表が図示されている。許容可能な溶接領域は、スタッドの９０％以上により定められ、該スタッドは、荷重をかけられた条件下で該スタッドを配置したときに、該溶接領域１６の不良ではなく該スタッドの不良によって破損する。第１の領域８０は、従来技術のスタッド及び本発明の教示によるスタッド１０の両方についての、許容不能な溶接部のものである（Ｕと表記される）。また、本発明の教示によるスタッド１０についての許容可能な溶接部を表す、点線で囲まれた領域８１も示される（Ａと表記される）。従来技術のスタッド及び本発明のスタッド１０についての許容可能な溶接領域を示す、実線で囲まれた第３の領域８３が示される。

図表から分かるように、本発明のスタッド１０は、溶接工程において著しい改善点を示す。許容可能な溶接パラメータの範囲の増大によって、自動化溶接工程を著しく改善するし、より安価に製造することができる。この図表は、スタッドを薄い板金材料に締結する際に、スタッド１０を使用する許容可能な溶接部が、５０ｍｓｅｃより長い溶接アーク時間、１５０ａｍｐｓより少ない溶接アーク電流について利用可能であることを示す。０．９０ｍｍに等しい又は０．９０ｍｍより薄い金属厚を有するラミネートが、図表の作成に用いられた。
本発明の説明は、本質的に例示なものにすぎず、よって、本発明の主旨から逸脱しない変形が本発明の範囲内に含まれることが意図される。こうした変形は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とみなされるべきではない。

本発明の教示による引き上げ式アーク溶接スタッドの側面図である。 図１による引き上げ式アーク溶接スタッドの底面図である。 積層板に結合された、図１による引き上げ式アーク溶接スタッドの側面図である。 本発明による締結システムの第１の実施形態の概略的な断面図である。 締結システムの改造された実施形態の詳細な断面図である。 本発明による締結システムの別の実施形態の断面図である。 本発明の締結システムの種々の関連するトルクを定量的に表す図表である。 本発明の教示による脆いナットの断面図である。 本発明の教示による脆いナットの断面図である。 代替的なロックナットの側面図である。 代替的なロックナットの側面図である。 本発明の教示による溶接パラメータを説明する図表を表す。

Claims (15)

1. 第１の頭部厚及び頭部下面をもつウェブを有するファスナ頭部と、
   前記頭部下面を囲むように形成された、前記第１の頭部厚より薄い第２の頭部厚を有する環状の溶接領域と、
   を備え、
   前記第２の頭部厚は前記第１の頭部厚の約２０％から約３５％の間にあり、前記環状の溶接領域を溶接相手側の金属表面に溶接した状態で、前記環状の溶接領域と前記頭部下面と溶接相手側の金属表面との間に溶接されていないキャビティが形成されるようになっており、前記環状の溶接領域は第１の外半径を有し、前記頭部は前記第１の外半径に等しい第２の外半径を有しており、
   前記頭部には、前記環状の溶接領域とは反対側に、外面の一部がねじ切りされた中実の円筒体が設けられ、前記中実の円筒体の外面に第１の破損荷重で破損される部分が形成されており、前記ウェブは前記第１の破損荷重より高い第２の破損荷重を有し、前記環状の溶接領域は、前記第１及び第２の破損荷重より高い第３の破損荷重を有する
   ことを特徴とする溶接可能な環状スタッド・ファスナ。
2. 前記中実の円筒体が前記頭部に隣接した脆弱部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の溶接可能なファスナ。
3. 前記中実の円筒体は、ねじ付きシャンクであることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接可能なファスナ。
4. 前記第１の厚さが１．５ｍｍより厚いことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか1項に記載の溶接可能なファスナ。
5. 前記第１の厚さが２．０ｍｍより厚いことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか1項に記載の溶接可能なファスナ。
6. 金属の複合構造体と、
   第１の厚さ及び下面を有するウエブをもった頭部を備え、前記頭部には、前記下面を囲むように、前記第１の厚さより薄い第２の厚さを有する環状の溶接領域が形成された溶接可能なファスナと、
   を備え、
   前記溶接可能なファスナの前記環状の溶接領域と前記複合材料の間に該溶接可能なファスナを該複合材料に結合する環状の溶接接合部が形成され、
   前記第２の頭部厚は前記第１の厚さの約２０％から約３５％の間にあり、前記環状の溶接領域を金属の複合体に溶接した状態で、前記環状の溶接領域と前記頭部下面と前記金属複合体の表面とが溶接されていないキャビティを形成するようになっており、
   前記頭部には前記環状の溶接領域の反対側に中実の円筒体が設けられており、前記中実の円筒体の外面に第１の破損荷重で破損される部分が形成されており、前記頭部は前記第１の破損荷重より高い第２の破損荷重を有し、前記環状の溶接接合部は、前記第１及び第２の破損荷重より高い第３の破損荷重を有する
   ことを特徴とする構造体取付用スタッド構造。
7. 前記中実の円筒体は、前記頭部に結合されたねじ付きシャンクであることを特徴とする請求項６に記載の構造体取付用スタッド構造。
8. 前記複合材料が金属ラミネートであることを特徴とする請求項６又は７に記載の構造体取付用スタッド構造。
9. 前記金属ラミネートがポリマー層を含むことを特徴とする請求項８に記載の構造体取付用スタッド構造。
10. 前記ラミネートが第１の金属層及び第２の金属層を含み、前記ポリマー層が前記第１の層と前記第２の層との間に配置されたことを特徴とする請求項９に記載の構造体取付用スタッド構造。
11. 前記溶接領域が前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に部分的に配置されたことを特徴とする請求項１０に記載の構造体取付用スタッド構造。
12. 前記環状の溶接領域内の前記ポリマー層が前記第１の金属層と前記第２の金属層を結合することを特徴とする請求項１０に記載の構造体取付用スタッド構造。
13. ねじ付きシャンクを構造体に結合する方法であって、
    第１の破損荷重となるように形成された部分を有するねじ付きシャンクに、第１の厚さを有するウエブと該ウエブの下面を囲むように形成された前記第１の厚さより薄い第２の厚さを有する環状の溶接領域とをもつ頭部を結合したものを準備し、この際、前記環状の溶接領域の厚さが前記第１の厚さの約２０％から約３５％の間にあり、前記頭部が前記第１の破損荷重より高い第２の破損荷重を有し、前記環状の溶接領域を前記構造体に溶接したときに形成される溶接接合部が前記第１及び第２の破損荷重より高い第３の破損荷重となるようなものとし、
    前記構造体に接触するように前記環状の溶接領域を配置し、
    前記環状の溶接領域に電流を印加し、
    前記環状の溶接部を前記構造体から引っ込め、アークを形成して溶融金属を生成し、
    前記頭部を溶融金属内に押し込んで、スタッドと構造体の境界面に前記第３の破損荷重を有する前記溶接接合部を形成し、
    前記溶接接合部が形成された状態で、前記環状溶接領域の内側には溶接されていないキャビティが形成されるようにする
    段階を含むことを特徴とする方法。
14. 前記溶接領域に電流を印加することが、９５０ａｍｐｓより少ない電流を該溶接部領域に印加することである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記頭部を引っ込めることが、５０ミリ秒より長く該頭部を引っ込めることである、請求項１３又は１４に記載の方法。

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