JP5418944B2 - 複数の重ね板の摩擦溶接組立体 - Google Patents

Description

この発明は、複数の重ね板の摩擦溶接組立体に関するものである。複数の板は、接続体によって一緒になって保持されている。接続体は、カラーによって上板上に保持され、かつ尖った先端で終端となる細長い円錐体として形成されている。この接続体は、加圧および回転工具を取り付けるために、カラーの領域に力伝達要素を備える。

そのような摩擦溶接組立体は、国際公開公報ＷＯ０２／０６２５１８Ａ１に開示されている。この公報の図７ｃにおいて、そのような摩擦溶接組立体用に設けられた接続体が示されており、この接続体は、一方に上板に当接するためのカラーを備え、他方は、実質的に、カラーから遠ざかる方向において平らな先端部を形成する細長い円錐体（ｓｌｅｎｄｅｒ ｃｏｎｅ）と、細長い円錐体から連続している短い円錐体（ｓｈｏｒｔ ｃｏｎｅ）とからなる。細長い円錐体の先端部は、鈍角となるように形成されている。この接続体は、カラーが上板に当接するまで、２枚の重ね板内に回転しながら押込まれる。接続体の回転および接続体と２枚の板との間に発生する摩擦によって、一方が他方上で広がっている部分の材料は、塑性変形し、その結果、摩擦溶接領域が発生する。摩擦溶接領域の材料
は、上板の上部側面の端領域を横切って進展する。上記公報の図９ａ〜ｄに示されている接続体は、加圧および回転工具を取り付けるためにカラーの領域に力伝達要素を備える。この公報では、六角頭部および溝が示されている。

国際公開公報ＷＯ０２／０６２５１８Ａ１

この発明の目的は、特別な形状設計によって高強度を発揮することのできる摩擦溶接組立体を提供することである。

この発明によれば、細長い円錐体によって形成されかつ上板から下板内にまで突入する梁（ｇｉｒｄｅｒ）、および下板から突出する梁（ｇｉｒｄｅｒ）が、それらの内側表面に沿って、細長い円錐体にまで延びる摩擦溶接領域を形成する。

この発明は、特別な形状設計の摩擦溶接ゾーンを利用する。すなわち、十分な圧力および高摩擦下での摩擦溶接時に形成される梁は、接続体によってのみならず、摩擦溶接作業時に圧縮される板材によって、重ね合わされた板間の接続をもたらす。特に、上板から形成されて下板内に突入する梁は、重ね合った板の両者に緊密に接続し、両板を互いにしっかりと保持する力を生み出す。この保持力は、主として、摩擦溶接時に加圧押出される板材によってなされるものである。摩擦溶接は、この目的のために、十分な量の摩擦溶接材料を提供する。細長い円錐体によって形成される上板の梁は、下板の材料内にまで延びる。梁は、接続体からの材料の押出しの如き連続摩擦溶接ゾーンを形成するとともに、両板を信頼性をもって互いに接続する。

好ましくは、細長い円錐体の先端は、細長い円錐体の実質長さを持つ部分よりも急勾配の短い円錐体によって形成される。この形状設計のため、接続体は、困難性無く、相応の軸方向圧力および回転を伴って重ね合った板の両者に圧入されることができる。接続体は、その周囲の摩擦によって板材を溶かし、相応の力成分を持つ円錐体（ｃｏｎｅ）として前方に押しやる。こうして、溶けた板材は軸線方向に延在する。接続体は、その形状ゆえ、困難性無く、重ね合わされた板の両者に貫入し、接続体に当接する領域の板を急速に溶かす。その結果、上板から出て下板にまで突入する梁によって、両板は、緊密に接続される。

摩擦溶接組立体を構成するにあたり、尖った先端が下板から突出するように形成することができる。

好ましくは、尖った先端は、付加的に硬化処理されてもよい。硬質の先端は、また、細長い円錐体の材料よりも硬い材料で被覆されるものであってもよい。このように加工された先端であれば、板材への突入が容易になる。

さらに、別部品としての硬質チップを例えば溶接によって金属ピースに取り付けるようにしても良い。

接続体を形成する細長い円錐体は、接続体として動作することに加えて、例えばボルトやナットのような別の機能を発揮するようなものであっても良い。この場合、細長い円錐体は、この目的のために、盲穴を備える。摩擦溶接の際に溶けた材料（特に上板から）をカラーの方向に流出させるために、上板に対面するカラーの側面に溝を設けてもよい。

接続体と上板との間の特に強固な接続を達成するために、上板に対面するカラーの側面に熱融解接着剤を被覆するようにしても良い。熱融解接着剤は、摩擦溶接時に加熱されて液状化し、冷却後にカラーと板材との間に付加的な接続を提供する。また、この接続は、腐食防止としても作用する。

しばしば、特に薄い板材を強化することが必要とされる。この場合、摩擦溶接組立体は、以下のように実施することができる。一方の板材が他方の板材に対する補強材として形成される。両板材は、摩擦溶接組立体によって互いに強固に接続され、必要な接続強度が補強材を超えて延びる板材に与えられる。こうして、両板材は、摩擦溶接の目的のために、互いに対して固定される。

細長い円錐体を下降させ両板内に回転突入させることをガイドするために、両板のうちの少なくとも一方に穴を設けることができる。特に、ここでは上板が関与し、細長い円錐体の先端を穴に導く。しかしながら、細長い円錐体によって穴の壁から摩擦溶接用の十分な材料を残して梁を形成するために、穴は幅狭のものでなければならない。穴によって、両板への突入がより速くなる。

接続体の特に硬質先端用の材料は、次のようなものであってもよい。駆動ピンが接続体に付加され、接続体の尖った先端を形成する。この場合、結果的に、接続体は、２個の部品から構成される。

板材および接続体のための材料として、一つの局面では金属が使用され得る。しかしながら、板材および接続体を、プラスチックまたは異なった材料の組合せで形成するようにしてもよい。

２枚の重ね合わせた板材およびその上の接続体を示す図である。 ２枚の板材内に回転突入してこれらの板材の部分に摩擦溶接ゾーン及び梁を形成している接続体を示す図であり、接続体は下板の材料によって完全に包囲されている。 図２と同様な図であるが、接続体の先端が下板から突出している状態を示している。 ねじ付ボルトを有する接続体を示す図である。 同軸の盲穴が設けられた接続体を示す図である。 カラーの下端に凹部を有する接続体を示す図である。 ２枚の板材内に回転突入している接続体を示す図であり、接続体のカラーの下にまで延びる摩擦溶接ゾーンを形成している。 カラーの下端に熱融解接着剤の層を有する接続体を示す図である。 ２枚の板材のうちの一方が補強材として機能している板材と接続体とを示す図である。 予め穴が設けられた板材と接続体とを示す図である。 上板のみに予め穴を設けた板材と接続体とを示す図である。 ２個の部品から組立てられるようにされた接続体を示す図である。 ２個の部品から組立てられるようにされた接続体を示す図である。

図１において、２枚の重ね合わせた板材１，２および接続体３が示されている。接続体３は、六角頭部として形成されたカラー４と、細長い円錐体５（ｓｌｅｎｄｅｒ ｃｏｎｅ）と、細長い円錐体から連続しているより急勾配の短い円錐体６（ｓｈｏｒｔ ｃｏｎｅ）とを備える。細長い円錐体５は、接続体３の最も大きな長さを占めている。接続体３および２枚の板材１，２は、摩擦溶接組立体を製造するのに先立つ所定の位置で図示されている。

図１に示されている構造部品から形成された摩擦溶接組立体が図２に示される。接続体３を回転させながら加圧挿入することによって、接続体は板材１，２に突入する。この実施形態では、接続体は、板材２を完全に貫通していない。短い円錐体６および細長い円錐体５を２枚の板材１，２内に突入させることによる接続体３の摩擦溶接作業時に、接続体の回転によって板材１，２の材料に対して高い摩擦が発生する。太線７で示した摩擦溶接ゾーンは、細長い円錐体５および急勾配の円錐体６に沿って形成される。板材１から、および板材２から、梁８（ｇｉｒｄｅｒ）および梁９（ｇｉｒｄｅｒ）が押出されている。梁８は板材２の材料の領域内に部分的に入り込んで延び、梁９は短い円錐体６および尖った先端１０上を覆うように形成されている。

この構成のため、摩擦溶接ゾーン７を横切って延び、分離しようとする力に晒される板材１、２間に、強固な接続が形成される。これにより、両板材１，２間の接続は解除されない。

図３において、図２の変形例が示されている。細長い円錐体は、接続体の尖った先端１０が板材２を完全に貫通するように長く形成されている。短い円錐体および先端１０の領域は、下板を完全に貫通し、そこから外に延びている。図３において、摩擦溶接ゾーンが参照番号７で示されている。図１〜図３に示された接続体はそれぞれ、その上縁に、六角頭部として形成されたカラーを有している。それゆえに、接続体は、適切な高速回転工具によって容易に挿入され得る。したがって、接続体は、所望の回転を伴って挿入され、摩擦溶接ゾーン７を形成することができる。

図４の接続体は、他の形態を備えている。その細長い円錐体１２は等しい角度で先端１３にまで延びている。この接続体の摩擦溶接ゾーンは、カラー４から先端１３まで連続的に等しく延びる。この接続体は、ねじ付ボルト１１に固定され得る。

接続体の形状、すなわち急勾配の短い円錐体を有するのか、それとも連続的な細長い円錐体を有するのかということに関しては、接続体が回転挿入されるべき材料に依存して適宜選択される。

図５は、図１および図２に示したのと同様な接続体を示している。しかしながら、接続体４の円錐体は、図１および図２に示したものとは異なった形状を有している。というのは、尖った先端１７にまで延びる急勾配の端部円錐体１６は、丸められた遷移部１５を介して細長い円錐体１４に続いている。さらに、図５の接続体３は、盲穴１８を有している。この穴には、例えば雌ねじが形成されており、後にボルトを接続体３内にねじ込むことができるようになっている。

図６において、図１〜３の接続体３に対応する接続体が示されている。しかしながら、それは、内側に位置する力伝達要素１９を有している。回転操作のために、この内側力伝達要素１９内には、対応する外部係合表面を持つ工具が挿入され得る。さらに、接続体３は、カラー２０の下面に、溝２１を有する。溝２１は、重ね合わせた板材１，２内に接続体を押込む際に材料を受入れてそこで溶接するように作用する。

図７において、図３に対応する接続体が示されている。しかしながら、接続体は、摩擦溶接ゾーンがカラーの下面にまで形成され、その結果そのゾーンが細長い円錐体に沿う摩擦溶接ゾーンにまで連続的に接続される程度に、板材１，２の両者内にねじ込まれている。カラー４の下の摩擦溶接ゾーン２２は、接続体を特に強い圧力で板材１，２内に挿入することによって形成される。摩擦溶接ゾーンの冷却後、接続体と２枚の板材１，２との間に特に強固な接続が実現される。

図８において、図１に示したものと同様な接続体が示されている。しかしながら、この接続体は、カラーの下面が、熱融解接着剤２３で覆われている。接続体３のカラー４と上板とを係合させると、熱融解接着剤２３と上板の上部表面との間に摩擦が生じ、その結果、熱融解接着剤が液状化する。摩擦溶接ゾーンの形成後および接続体の押込み動作の完了後に熱融解接着剤２３が冷却されると、それは上板に圧接し、この領域に特に封止目的および腐食防止として使用され得る接続部を形成する。

この発明に従った摩擦溶接組立体は、かなり薄い板材を補強する目的で使用され得る。これは図９に示されている。厚みの大きい支持板２５は薄い板２４の補強として機能する。ここでは、支持板２５は、薄い板２４の下に位置する。板２４の対応領域は、補強板２５によって特に高い剛性が付与される。ディンプル２６および支持プレート２５に対応する受入れ部を設けることによって、全体構造が特に高強度となる。この実施形態において、梁８，９は、図２および図３の実施形態のものとして形成される。

図１０および図１１において、図３と同様な接続体が示されている。接続体は、予め穴が設けられた板材１，２内に挿入され得る。図１０では、板材１および２の両者を貫通する貫通穴２７が設けられており、図１１では、上板１のみに貫通穴２８が設けられている。いずれの場合においても、梁および摩擦溶接ゾーンの形成を生じさせる。その結果、両板材１，２は、互いに強固に接続される。貫通穴２７または２８の形成は、板材内に接続体を迅速にねじ込むという目的で形成されるものであり、これは非常に固い原材料の場合に特に有利である。

図１２および図１３において、さらに他の実施形態に係る接続体が示されている。尖った先端は、接続体自体によって形成されているのではなく、駆動ピン２９によって形成されている。駆動ピン２９は、接続体３１の貫通穴３０内に挿入され、完全に挿入後には、この貫通穴を貫通する。このことは、図１３から明らかである。接続体３１の細長い円錐体３２は、実質的に遷移部を持つことなく、尖った先端３３を持つ円錐体３４に合体している。駆動ピン２９の動作は、駆動ピン２９の端部の六角頭部３５によって行われる。駆動ピン２９の頭部３５は、接続体３１のカラー３７に形成された対応の受入れ部３６内に嵌り込む。接続体３１の駆動は、図１に示した実施形態と同様、六角頭部を介して行われる。駆動ピン２９は、それが高い硬度を持つ場合に、特に有利である。この場合、駆動ピン２９は、硬い原材料の中に突入することができる。溶接完了後に駆動ピン２９を引き抜くことができ、それをさらなる摩擦溶接作業に使用することができる。

この発明は、複数の板材を摩擦溶接で接合する技術として有利に利用され得る。

１，２ 板材、３ 接続体、４ カラー、５ 細長い円錐体、６ 急勾配の短い円錐体、７ 太線、８，９ 梁、１０ 尖った先端、１１ ボルト、１２ 細長い円錐体、１３ 先端、１４ 細長い円錐体、１５ 丸められた遷移部、１６ 急勾配の端部円錐体、１７ 先端、１８ 盲穴、１９ 内部の力伝達要素、２０ カラー、２１ 溝、２２ 摩擦溶接ゾーン、２３ 熱融解接着剤、２４ 薄い板、２５ 厚い支持板、２６ ディンプル、２７ 貫通穴、２８ 貫通穴、２９ 駆動ピン、３０ 貫通穴、３１ 接続体、３２ 細長い円錐体、３３ 先端、３４ 円錐体。

Claims (18)

1. カラーを有する接続体によって共に保持された複数の重ね合わせた板材の摩擦溶接組立体であって、
   前記接続体のカラーは、前記複数の重ね合せた板材のうちの最上方の板材の上に位置し、
   前記接続体は、加圧回転工具取付け用の前記カラーの力伝達要素と、前記カラーの下に位置する細長い円錐体と、前記接続体の下方端に位置する尖った先端とを備え、
   前記細長い円錐体が前記複数の重ね合せた板材を通過して延び、前記接続体と前記複数の板材の各板材との間に摩擦溶接領域が形成されており、少なくとも前記接続体の尖った先端が前記複数の板材のうちの最下方の板材から突出しており、
   前記摩擦溶接領域は、前記最下方の板材内に突入する最上方の板材の梁と、最下方の板材の梁とを含み、
   前記最上方の板材の梁および前記最下方の板材の梁は、前記細長い円錐体と前記複数の板材の各々との間に前記摩擦溶接領域を形成する内側表面を有している、複数の重ね板の摩擦溶接組立体。
2. 前記尖った先端は、前記細長い円錐体と比較してより急勾配の短い円錐体によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦溶接組立体。
3. 前記尖った先端は、付加的に硬化処理されている、請求項１又は２に記載の摩擦溶接組立体。
4. 前記尖った先端は、細長い円錐体の材料よりも硬い材料によって被覆されている、請求項１又は２に記載の摩擦溶接組立体。
5. 前記尖った先端は、付加部品として、細長い円錐体に固定されている、請求項１又は２に記載の摩擦溶接組立体。
6. 前記細長い円錐体は、ボルトと合体している、請求項１〜５のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
7. 前記細長い円錐体は、盲穴を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
8. 前記カラーは、前記最上方の板材に対面する面に、溝を備える、請求項１〜７のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
9. 前記摩擦溶接領域は、前記最上方の板材に対面するカラーの面にまで延びている、請求項１〜７のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
10. 前記カラーは、前記最上方の板材に対面する面が、熱融解接着剤によって被覆されている、請求項１〜９のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
11. 前記最上方の板材および前記最下方の板材のうちの一方が、他方の補強材として形成されている、請求項１〜１０のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
12. 前記最上方の板材および前記最下方の板材のうちの少なくとも一方には、穴が設けられている、請求項１〜１１のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
13. 前記短い円錐体は、前記細長い円錐体の貫通穴を貫通する駆動要素によって形成されており、前記駆動要素は、前記細長い円錐体の連続体として形成され、かつ、短い円錐体に対向して位置する細長い円錐体のカラーに形成された対応の受入れ部内にはまり込むようにされている、請求項２〜１２のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
14. 前記最上方および最下方の板材および接続体は、金属からなる、請求項１〜１３のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
15. 前記最上方および最下方の板材および接続体は、プラスチック材料からなる、請求項１〜１３のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
16. 前記最上方および最下方の板材は、異なった原材料からなる、請求項１〜１３のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
17. 前記最上方および最下方の板材は、プラスチック材料からなり、前記接続体は金属からなる、請求項１〜１３のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。
18. 前記接続体は、プラスチックコーティングを備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の摩擦溶接組立体。

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