KR20160117556A - 저항 용접 체결구, 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
스틸, 플라스틱 및 알루미늄과 같은 이종 재료를 체결하기 위한 장치 및 방법에 제공된다. 다수의 층을 갖는 저항 용접 체결구가 밀봉재와 함께 또는 밀봉재 없이 사용될 수 있다. 체결구는 부착의 헤밍 패턴을 통해서 알루미늄 커버된 스틸 적층체를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 체결구는 중실 샤프트를 가질 수 있거나 연장된 리치를 가질 수 있고 용접 전극과 상호작용하기 위한 특징부를 가질 수 있다. 체결구와 협력하기 위해 다양한 전극 팁이 채용될 수 있다.
Description
(관련 출원에 대한 상호-참조)
본 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용되고 발명의 명칭이 "저항 용접 체결구, 장치 및 방법(Resistance Welding Fastener, Apparatus and Methods)"인 2014년 2월 3일자 미국 가출원 제61/934,951호의 이익을 청구한다.
(분야)
본 발명은 부품을 체결하기 위한, 보다 구체적으로는 이종 금속을 포함하는 금속을 체결하기 위한 체결구, 체결 장치 및 체결 방법에 관한 것이다.
부품 또는 서브유닛을 접합 및 조립하기 위한, 용접, 리벳팅, 나사식 체결구 등과 같은, 다양한 체결구, 장치 및 방법이 공지되어 있다. 일부 경우에, 알루미늄 부품, 서브유닛, 층 등을 스틸[베어(bare), 코팅된, 저탄소, 고강도, 초고강도, 스테인리스], 티타늄 합금, 구리 합금, 마그네슘, 플라스틱 등과 같은 다른 재료로 제조된 다른 부품, 서브유닛, 층 등에 비용 효과적으로 결합할 필요가 있다. 이들 체결 문제에 대한 해결책은 예를 들어 이종 금속의 접합부에 존재하는 아연도금 효과로 인한 부식을 최소화하면서 적절한 접합 강도를 유지하기 위해 접착제 및/또는 배리어 층과 조합하여 기계적 체결구/리벳을 포함한다. 알루미늄과 기타 재료 사이의 다이렉트 용접은 알루미늄과 기타 재료에 의해 발생되어 기계적 강도 및 내식성에 부정적인 영향을 미치는 금속간 화합물 때문에 보편적으로 사용되지 않는다. 다이렉트 용접이 사용되는 경우에, 이는 통상적으로 금속간 화합물을 최소화하기 위해 고체-상태 용접(마찰, 업셋(upset), 초음파 등) 또는 브레이징/솔더링 기술의 일부 형태이지만, 이러한 조인트의 기계적 성능은 때때로 빈약하거나 또는 특이한 조인트 형태에만 적용될 수 있다.
자동차 산업에서, 스틸 대 스틸 접합을 위한 현재 기술은 비용 및 사이클 시간 요건(개별 조인트 당 3초 미만이며 로봇에 의해 수행될 수 있음) 때문에 저항 스폿 용접(resistance spot welding: RSW)이다. 알루미늄 대 스틸 접합을 위한 공지된 방법으로는 종래의 관통-구멍 리벳팅/체결구의 사용, SPR(self-pierce riveting), 플로우 드릴 나사(FDS 또는 상표명 EJOTS)의 사용, 마찰 교반(friction stir) 스폿 용접/접합(FSJ), 마찰 비트 접합(friction bit joining: FBJ), 및 접착제 사용이 포함된다. 이들 공정의 각각은 스틸-대-스틸 저항 스폿 용접(RSW)보다 어렵다. 예를 들어, 고강도 알루미늄(240 MPa 이상)이 SPR을 사용하여 스틸에 결합될 때, 알루미늄은 리벳팅 공정 중에 균열될 수 있다. 또한, 고강도 스틸(590 MPa 초과)은 천공이 어려우며, 이는 크고 무거운 리벳팅 건에 의한 큰 힘의 인가를 요구한다. FSJ는 SPR에 비해서 접합 특성(주로 박리 및 십자 인장)이 낮기 때문에 자동차 산업에서 널리 사용되지 않는다. 또한, FSJ는 매우 정밀한 정렬 및 피트업(fitup)을 요구한다. 접합부의 두께가 증가할수록 공정을 위한 사이클 시간이 급격히 증가할 수 있으며, 5mm 내지 6mm 접합부 적층은 7초 내지 9초의 총 처리 시간을 요구할 수 있는데, 이것은 스틸 구조물 제조 시의 RSW의 2 내지 3초 사이클 시간을 크게 상회한다. FBJ는 알루미늄을 통해서 회전되고 이후 스틸에 용접되는 비트를 채용한다. 이 공정은 FSJ와 유사하게 매우 정밀한 정렬 및 피트업을 요구하며, 스틸에 대한 용접을 위해서는 높은 단조력이 요구된다. FDS는 피가공물 내로 나사를 회전시키는 단계, 시트 중 하나를 가소화시키는 단계를 수반하며, 이 시트는 이후 나사의 나사산과 인터로크된다. FDS는 통상적으로 편면으로부터 인가되고, 스틸 시트 내의 파일럿 구멍과의 정렬을 요구하며, 이는 조립을 복잡하게 하고 비용을 추가한다.
따라서 부품 또는 서브유닛을 접합 및 조립하기 위한 다른 체결구, 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명은 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법으로서, 제 1 재료와 제 2 재료를 함께 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하는 단계로서, 제 1 재료는 제 2 재료보다 낮은 융점을 갖는, 배치하는 단계; 제 2 재료에 용접될 수 있고 제 1 재료보다 높은 융점을 갖는 도전성 체결구를 제 1 재료와 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하여 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 도전성 스택을 형성하는 단계; 스택을 형성하도록 체결구를 배치하는 단계 이전에 또는 이후에, 체결구와 제 1 재료 사이에 밀봉재를 도포하는 단계; 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, 제 1 재료를 연화시키는 저항 가열을 초래하는 단계; 체결구를 연화된 제 1 재료를 통해서 제 2 재료 쪽으로 압박하는 단계; 체결구가 제 2 재료와 접촉한 후에, 체결구를 제 2 재료에 용접하는 단계를 포함하는 체결 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 체결구는 캡과 상기 캡으로부터 직각으로 연장되는 스템(stem)을 가지며, 밀봉재는 체결구가 배치 단계 중에 배치될 제 1 재료의 표면 상에 또는 제 1 재료 근처의 캡의 적어도 하나에 도포되는 밀봉재의 비드, 링, 디스크, 밴드 또는 용착물(deposit) 중 적어도 하나의 형태이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 밀봉재는 접착제, 폴리머, 브레이징 재료 또는 솔더 중 적어도 하나이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 저항 가열 단계 중에 밀봉재를 유동 가능하게 만드는 단계를 추가로 포함하며, 밀봉재는 용접 단계가 완료된 후 캡과 제 1 재료 사이의 계면의 적어도 일부에 합치되어 이를 커버한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 체결구 배치 단계는 체결구를 캐리어 웨브 내에 유지하고 제 1 재료 위의 웨브와 체결구를 선택된 위치로 이동시키는 단계를 포함하며, 용접 단계 이후에 체결구로부터 웨브를 분리하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 압박 단계 중에 및 분리 단계 이전에 웨브의 일부가 체결구와 제 1 재료 사이에 포획된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 웨브의 포획된 부분은 밀봉재이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 체결구는 캡, 상기 캡으로부터 연장되고 상기 캡에서 먼 단부를 갖는 샤프트를 구비하며, 상기 체결구는, 전기적으로 접촉하여 배치되는 제 1 및 제 2 도전성 재료를 구비하는 스택 내에 배치되고 스택을 가로질러 인가되는 전위를 받을 때, 스택을 통과하는 전류를 전도할 수 있으며, 전류는 캡에서 먼 단부에서 제 2 재료에 대한 저항 가열 및 용접을 초래하고, 제 1 재료는 단부가 제 2 재료에 용접된 후에 캡과 제 2 재료 사이에 포획되며, 체결구는 다수의 층을 갖고, 제 1 층은 제 1 조성을 가지며 제 2 층은 제 1 조성과 다른 제 2 조성을 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 층은 스틸이고 상기 제 2 층은 알루미늄이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 재료는 스틸이고 상기 제 2 재료는 알루미늄이며, 상기 제 2 층은 알루미늄 제 2 재료가 제 1 재료 내의 개구를 통해서 연장되고 전기 저항 용접을 받은 후에 알루미늄 제 2 재료에 접촉 및 접합된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 2 층은 캡의 하측을 포함하는 체결구의 전체 하면, 샤프트의 외측면 및 체결구의 샤프트의 단부의 외측면을 따라서 존재하는 하층이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 2 층은 캡에서 먼 샤프트 단부의 하면을 따라서 존재하는 하층이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 2 층은 캡의 하면과 샤프트의 외측면을 따라서 존재하지만 캡에서 먼 샤프트 단부 상에 존재하지 않는 하층이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 샤프트의 단부는 제 2 층이 충합하는 주위 레지(ledge)를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 층은 제 2 재료에의 용접에 호환가능하며 상기 제 2 층은 제 1 재료에의 용접에 호환가능하다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 층은 스틸이고, 상기 제 1 재료는 알루미늄이며, 상기 제 2 재료는 스틸이고, 상기 제 2 층은 티타늄, 스테인리스 스틸 및 저온 분사된(cold sprayed) 알루미늄에서 선택된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 층은 제 2 재료에의 용접에 호환가능하며 상기 제 2 층은 제 1 층이 제 2 재료와 전기 접촉하기 위해 이를 통해서 연장되는 전기 절연체이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 2 층은 세라믹과 폴리머 중에서 선택된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다수의 층은 이 다수의 층 중 두 개의 층 사이에 배치되는 확산 배리어를 구비하고, 상기 두 개의 층은 이종 금속이며, 제 1 층은 상층이고 제 2 층은 확산 배리어에 대해 하층이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 층은 스틸, 티타늄 및 구리 중 적어도 하나이고, 상기 제 2 층은 알루미늄이며, 상기 확산 배리어는 고순도 알루미늄, 티타늄 또는 아연 중 적어도 하나이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 2 층은 체결구의 단부에 결합된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 체결구는 캡, 상기 캡으로부터 연장되고 상기 캡에서 먼 단부를 갖는 샤프트를 구비하며, 상기 체결구는, 전기적으로 접촉하여 배치되는 제 1 및 제 2 도전성 재료를 구비하는 스택 내에 배치되고 스택을 가로질러 인가되는 전위를 받을 때, 스택을 통과하는 전류를 전도할 수 있고, 제 1 재료는 제 2 재료보다 낮은 융점을 가지며, 전류는 캡에서 먼 단부에서 제 2 재료에 대한 저항 가열 및 용접을 초래하고, 제 1 재료는 단부가 제 2 재료에 용접된 후에 캡과 제 2 재료 사이에 포획되며, 샤프트는 캡과 상기 캡에서 먼 단부 사이에서 중실 단면을 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 캡에는 용접 전극의 표면으로부터 연장되는 돌출부를 수용할 수 있는 오목부가 구비되고, 전극 팁과 캡 사이의 접촉 표면적은 팁과 제 2 재료의 접촉 표면적을 초과한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 캡에는 용접 전극 팁으로부터 돌출하는 방사형(radiused) 표면을 수용할 수 있는 방사형 오목부가 구비된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 캡은 캡의 표면으로부터 연장되어 용접 전극 팁의 표면의 오목부에 수용될 수 있는 돌출부를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 체결구는 캡, 상기 캡으로부터 연장되고 상기 캡에서 먼 단부를 갖는 샤프트를 구비하며, 상기 체결구는, 전기적으로 접촉하여 배치되는 제 1 및 제 2 도전성 재료를 구비하는 스택 내에 배치되고 스택을 가로질러 인가되는 전위를 받을 때, 스택을 통과하는 전류를 전도할 수 있고, 전류는 캡에서 먼 단부에서 제 2 재료에 대한 저항 가열 및 용접을 초래하고, 제 1 재료는 단부가 제 2 재료에 용접된 후에 캡과 제 2 재료 사이에 포획되며, 캡은 그 외주가 단부와 대략 동일한 공간에 걸쳐있도록 샤프트의 단부 쪽으로 다시 만곡되고, 캡의 외주에 부착되는 전기 절연체를 추가로 포함하며, 상기 절연체는 전류가 단부를 통해서 흐르는 전류와 평행하게 외주를 통해서 흐르는 것을 방지할 수 있고, 상기 캡은 제 1 재료를 통한 단부의 통과를 수용하기 위해 굴곡될 수 있으며 절연체가 제 1 재료의 표면에 대해 충합하는 동안 제 2 재료에 용접될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료의 다수의 인접한 층을 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법은 제 1 재료와 제 2 재료를 함께 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하는 단계로서, 제 1 재료는 제 2 재료보다 낮은 융점을 갖는, 배치하는 단계; 제 2 재료에 용접될 수 있고 제 1 재료보다 높은 융점을 갖는 도전성 체결구를 제 1 재료와 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하여 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 도전성 스택을 형성하는 단계; 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, 제 1 재료를 연화시는 저항 가열을 초래하는 단계; 체결구를 제 1 재료의 연화된 다수의 층을 통해서 제 2 재료 쪽으로 압박하는 단계; 체결구가 제 2 재료와 접촉한 후에, 체결구를 제 2 재료에 용접하는 단계로서, 제 1 재료의 다수의 층은 체결구가 통과하는 장소 근처에서 상호 용접되는, 용접하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 2 재료는 제 2 체결구이며 상기 제 1 재료의 다수의 층은 제 1 체결구와 제 2 체결구 중 적어도 하나의 근처에서 함께 용접된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법은 제 1 재료를 J-형 단면을 갖는 구조로 굴곡시키는 단계; 제 1 및 제 2 재료가 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 제 2 재료를 J-형상의 곡선에 삽입하는 단계로서, 제 1 재료는 제 2 재료보다 낮은 융점을 갖는, 삽입하는 단계; 제 2 재료에 용접될 수 있고 제 1 재료보다 높은 융점을 갖는 도전성 체결구를 제 1 재료와 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 J 형상의 짧은 쪽에 대해 배치하여 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 도전성 스택을 형성하는 단계; 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, J 형상의 짧은 쪽에서 제 1 재료를 연화시키는 저항 가열을 초래하는 단계; 체결구를 연화된 제 1 재료를 통해서 제 2 재료 쪽으로 압박하는 단계; 체결구가 제 2 재료와 접촉한 후에 체결구를 제 2 재료에 용접하는 단계를 포함한다.
상기 체결구는 J 형상의 짧은 쪽을 통해서 삽입되고 J 형상의 다른 쪽에서 제 1 재료의 외표면을 방해하지 않으면서 제 2 재료에 용접된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 가장자리(hem)를 형성하는 다수의 체결구에 대해 반복된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 저항 용접 체결구를 적용하기 위한 전기 저항 용접 전극용 팁에 있어서, 상기 팁은 용접 전극 근처의 대직경 부분과 전극에서 먼 소직경 부분을 갖는 병코(bottlenose) 형상을 가지며, 소직경 부분은 용접 중에 체결구와 접촉하기 위한 방사형 단부를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 대직경 부분의 외벽에 대해 경사져 배치되는 직벽(straight wall) 형태인, 소직경 부분으로부터 대직경 부분으로의 전이부가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 이중 곡선 형태인, 소직경 부분으로부터 대직경 부분으로의 전이부가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 방사형 단부의 반경의 두 배 이상의 반경을 갖는 표면 형태인, 소직경 부분으로부터 대직경 부분으로의 전이부가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법은 제 1 재료에 개구를 제공하는 단계; 제 1 및 제 2 재료를 함께 물리적으로 접촉하도록 배치하는 단계; 제 1 재료의 개구보다 큰 캡과 상기 개구를 통과할 수 있는 적어도 일부를 갖는 샤프트를 가지며 제 2 재료에 용접될 수 있는 도전성 체결구를 제공하는 단계; 상기 체결구의 샤프트를 제 1 재료의 개구를 통해서 제 2 재료와 전기적으로 접촉하도록 배치하여 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 스택을 형성하는 단계; 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, 체결구 및 제 2 재료를 연화시키는 저항 가열을 초래하는 단계; 체결구를 제 2 재료에 용접하고 제 1 재료를 캡과 제 2 재료 사이에 포획시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 재료는 전기적으로 비도전성이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 재료는 플라스틱이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제 1 재료는 세라믹이다.
본 발명의 보다 완전한 이해를 위해서, 첨부 도면과 함께 고려되는 예시적 실시예의 하기 상세한 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 체결구의 사시도이다.
도 2는 단면 선 2-2를 따라서 취하고 화살표 방향으로 바라본 도 1의 체결구의 횡단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 것과 유사하지만 상이한 치수를 갖는 체결구의 횡단면도이다.
도 4는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 5는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 6은 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 7은 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 8은 제 1 층을 통해서 삽입되고 편측(single sided) 접근을 통해서 튜브형 부재에 용접되는 도 7에 도시된 것과 유사한 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 9는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 시리즈 용접 형태로 용접되는 도 7에 도시된 것과 유사한 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 10은 제 1 및 제 2 층을 통해서 삽입되고 상호 용접되는 도 7에 도시된 것과 유사한 대향 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 11은 체결될 재료 층의 상이한 스택에 이웃하여 배치되는 도 7에 도시된 것과 유사한 체결구를 도시하는 삽입 또는 용접 이전의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스폿 용접 캡의 측면도이다.
도 13a 및 도 13b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 평면도 및 측면도이다.
도 14a 및 도 14b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 측면도 및 평면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 체결구 스탬핑 도구의 측면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 체결구를 적용하기 전의 스폿 용접 장치에서의 두 개의 금속 시트의 사시도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 18 내지 도 20은 각각 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 평면도 및 횡단면도이다.
도 21은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 22는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 도 21의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 23은 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 24는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 25는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 도 24의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 26은 본 발명의 대체 실시예에 따른 2-부분 체결구의 개략 횡단면도이며, 제 1 부분은 지지층을 통해서 삽입되고 제 2 부분에 용접된다.
도 27은 본 발명의 대체 실시예에 따른 2-부분 체결구의 개략 횡단면도이며, 제 1 부분은 지지층을 통해서 삽입되고 제 2 부분에 용접된다.
도 28은 본 발명의 대체 실시예에 따른 밀봉재를 갖는 체결구의 횡단면도이다.
도 29는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 도 28의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 30은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 31은 제 2 층에 용접되기 위해 제 1 층을 통해서 삽입되는 도 30의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 32는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 33은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 34는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 35는 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 36은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 37은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 38은 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 39는 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 40은 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 41은 각각의 체결구가 관련 외층을 통해서 삽입되고 공통 중심 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 42는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 43은 J-형 층의 일부를 통해서 삽입되고 J-형상에 의해 포용되는 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 44a 및 도 44b는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구 및 복합 구조물의, 적용되는 중의 및 적용 이후의, 개략 횡단면도이다.
도 45는 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 제 3 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 46은 비견될 수 있는 두께의 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 상호 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 47은 상이한 두께의 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 상호 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 48은 세 개의 층 세트를 통해서 삽입되고 상호 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 49는 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 제 3 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면의 사진이다.
도 50은 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 제 3 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면의 사진이다.
도 51은 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 52는 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 53은 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 54는 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 55는 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 56은 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 57은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구 및 관련 재료 층의 개략 횡단면도이다.
도 58은 체결구를 전기 저항 용접 팁 및 체결될 재료 층에 대해 위치설정하기 위한 체결구 및 관련 캐리어의 개략 횡단면도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 체결구의 사시도이다.
도 2는 단면 선 2-2를 따라서 취하고 화살표 방향으로 바라본 도 1의 체결구의 횡단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 것과 유사하지만 상이한 치수를 갖는 체결구의 횡단면도이다.
도 4는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 5는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 6은 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 7은 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 8은 제 1 층을 통해서 삽입되고 편측(single sided) 접근을 통해서 튜브형 부재에 용접되는 도 7에 도시된 것과 유사한 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 9는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 시리즈 용접 형태로 용접되는 도 7에 도시된 것과 유사한 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 10은 제 1 및 제 2 층을 통해서 삽입되고 상호 용접되는 도 7에 도시된 것과 유사한 대향 체결구의 삽입을 순차적으로 도시하는 개략도이다.
도 11은 체결될 재료 층의 상이한 스택에 이웃하여 배치되는 도 7에 도시된 것과 유사한 체결구를 도시하는 삽입 또는 용접 이전의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 스폿 용접 캡의 측면도이다.
도 13a 및 도 13b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 평면도 및 측면도이다.
도 14a 및 도 14b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구의 측면도 및 평면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 체결구 스탬핑 도구의 측면도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 체결구를 적용하기 전의 스폿 용접 장치에서의 두 개의 금속 시트의 사시도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 18 내지 도 20은 각각 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 평면도 및 횡단면도이다.
도 21은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 22는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 도 21의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 23은 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 24는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 25는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 도 24의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 26은 본 발명의 대체 실시예에 따른 2-부분 체결구의 개략 횡단면도이며, 제 1 부분은 지지층을 통해서 삽입되고 제 2 부분에 용접된다.
도 27은 본 발명의 대체 실시예에 따른 2-부분 체결구의 개략 횡단면도이며, 제 1 부분은 지지층을 통해서 삽입되고 제 2 부분에 용접된다.
도 28은 본 발명의 대체 실시예에 따른 밀봉재를 갖는 체결구의 횡단면도이다.
도 29는 제 1 층을 통해서 삽입되고 제 2 층에 용접되는 도 28의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 30은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 31은 제 2 층에 용접되기 위해 제 1 층을 통해서 삽입되는 도 30의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 32는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 33은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 34는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 35는 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 36은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 37은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 38은 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 39는 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 40은 용접 전극 팁 근처에 배치되는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 41은 각각의 체결구가 관련 외층을 통해서 삽입되고 공통 중심 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 42는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면도이다.
도 43은 J-형 층의 일부를 통해서 삽입되고 J-형상에 의해 포용되는 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 44a 및 도 44b는 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구 및 복합 구조물의, 적용되는 중의 및 적용 이후의, 개략 횡단면도이다.
도 45는 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 제 3 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 46은 비견될 수 있는 두께의 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 상호 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 47은 상이한 두께의 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 상호 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 48은 세 개의 층 세트를 통해서 삽입되고 상호 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 한 쌍의 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 49는 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 제 3 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면의 사진이다.
도 50은 한 쌍의 층을 통해서 삽입되고 제 3 층에 용접되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구의 횡단면의 사진이다.
도 51은 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 52는 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 53은 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 54는 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 55는 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 56은 한 쌍의 층 상에 배치되는, 본 발명의 대체 실시예에 따른 용접 전극 팁 및 체결구의 개략 횡단면도이다.
도 57은 본 발명의 대체 실시예에 따른 체결구 및 관련 재료 층의 개략 횡단면도이다.
도 58은 체결구를 전기 저항 용접 팁 및 체결될 재료 층에 대해 위치설정하기 위한 체결구 및 관련 캐리어의 개략 횡단면도이다.
도 1 및 도 2는 주위 캡(12) 및 상기 캡(12)에 대향하는 뭉툭한 단부(16)를 갖는 테이퍼진 샤프트(14)를 갖는 체결구(10)를 도시한다. 내부 중공(H)은 캡(12)을 통해서 샤프트(14) 내로 연장된다. 체결구(10)는 저항 스폿 용접 공정을 지원할 수 있는 예를 들어 스틸 또는 티타늄과 같은 도전성 금속으로 제조될 수 있다. 캡(12)은 에지-상부(edge-to-top) 치수(CE), 및 직경(CD)을 갖는다. 스템은 직경(SD) 및 캡(12)에서 단부(16)까지의 길이(SL)를 갖는다. 후술하듯이, 이들 치수는 체결구(10)가 놓이는 용도에 따라서, 예를 들어 체결구(10)가 접합하기 위해 사용되는 부품의 두께 및 형태에 따라서 변경될 수 있다. 일 예에서, 직경(CD)은 약 4 mm 내지 16 mm의 범위에 있을 수 있고, 길이(SL)는 약 3 mm 내지 10 mm의 범위에 있을 수 있으며, CE는 약 0.5 mm 내지 3.0 mm의 범위에 있을 수 있고, SD는 약 2 mm 내지 12 mm의 범위에 있을 수 있다. 도 3은 도 1의 것과 유사하지만 상이한 치수를 갖는, 즉 보다 뾰족한 단부(26)를 갖는 보다 얇은 샤프트(24)를 갖는 체결구(20)를 도시한다.
도 4는 예를 들어 알루미늄 합금과 같은 금속의 제 1 층(11)을 통한 본 발명의 실시예에 따른 체결구(10a)의 삽입을 도시하며, 이 체결구는 예를 들어 스틸 합금과 같은 금속의 제 2 층(13)에 용접되어 적층 구조물(L1)을 형성한다. 이것은 순차적 스테이지(A-E)로 도시되어 있다. 스테이지 A에서 도시되어 있듯이, 이 과정은 대향 전극을 갖는 종래의 스폿 용접 스테이션에서 실시될 수 있으며, 대향 전극의 팁(15a, 17a)은 금속 시트/층(11, 13)으로부터 이격된 것으로 도시되어 있고, 체결구(10a)가 팁(15a)과 층(11) 사이에 삽입될 수 있게 한다. 팁(15a)은 용접 공정을 통해서 체결구(10a)를 수용, 지지, 성형 및/또는 유지하는 형상을 갖는 표면(S1)을 가질 수 있다. 스테이지 B에서, 팁(15b, 17b)을 서로를 향해서 이동시키기 위해 종래의 용접기(도시되지 않음)에 의해 가해지는 대향 힘(F1, F2)은 그 사이에 체결구(10b) 및 층(11, 13)을 포획시키며 이들 요소의 접합부를 통해서 전류(I)가 인가된다. 힘(F1, F2)과 전류(I)는 스테이지 B 내지 E 전체에 걸쳐서 인가되고, 각각의 크기와 지속기간은 각 스테이지에서의 요건에 따라서 변경될 수 있다. 예를 들어, 스테이지 B에서 알루미늄을 가열/가소화하는데 필요한 전류(I)는 스테이지 D 및 E에서 발생하는 스틸 대 스틸 용접에 필요한 전류보다 작을 수 있다. 마찬가지로, 힘(F1, F2)은 변화하는 처리 요건을 수용하도록 변경될 수 있다.
전류(I)는 체결구(10b)와 층(11, 13)의 각각을 알루미늄 층(11)이 가소화되고 체결구(10b)에 의해 변위/천공될 수 있는 온도로 가열한다. 알루미늄 층(11)은 전류(I)에 의해 저항식으로 가열되며 또한 체결구(10b)와 층(13) 양자로부터의 전도를 통해서 가열된다. 체결구(10b)와 층(13)은 알루미늄 층(11)보다 낮은 열 및 전기 전도율을 가지며, 따라서 스틸 내에 저항 스폿 용접을 실시하기에 적합한 저항 스폿 용접기에 의해 통상적으로 달성되는 낮은 전류는 알루미늄 층을 가소화할 뿐 아니라 후술하듯이 층(13)에 대한 용접을 실시하는데 필요한 열을 발생하기 위해 사용될 수 있다. 알루미늄이 스틸 층(13) 또는 이 예에서 역시 스틸인 체결구(10b)보다 낮은 융점을 갖기 때문에, 알루미늄 층(11)은 체결구(10b)에 의한 변위를 허용하고 체결구(10b)의 단부(16b)가 알루미늄 층(11)을 관통할 수 있게 하는 소성 상태에 도달한다. 스테이지 C에서 도시되어 있듯이, 알루미늄 층(11) 내로의 체결구(10c)의 삽입은 층(11)의 최초 상면(11S) 위로 상승하는 변위 소성된 알루미늄의 용승부(upwelling)(11U)를 초래한다. 스테이지 D에서 도시되어 있듯이, 체결구(10d)는 층(11)을 완전히 관통하고 스틸 층(13)과 접촉하며, 그 결과 체결구(10d)의 단부(16d)는 용융되어 평탄해지기 시작하고, 용융된 금속의 지역(Pd)이 층(13)과 체결구 단부(16d)의 계면에 형성되기 시작한다. 지역(Pd)은 용접 재료 또는 "덩어리(nugget)"이며 여기에서는 체결구(10d)의 금속과 층(13)이 액화되고 혼합된다. 스테이지 E에서 도시되어 있듯이, 수렴성 힘(F1, F2)과 전류(I)의 지속적 인가는 용융된 지역(Pe)의 확대와 더불어 스템(14e)의 길이의 일부와 단부(16e)의 추가 뭉툭해짐 및 용융을 초래한다. 스테이지 E는 또한 캡(12e)이 상면(US) 레벨까지 하강되어, 알루미늄 층(11) 내로의 체결구(10e)의 완전한 삽입에 기여할 수 있는 용승부(11U)를 커버 및 밀봉하는 것을 도시한다.
스테이지 E를 달성한 후에, 힘(F1, F2)과 전류(I)는 제거될 수 있고 팁(15e, 17e)은 철회될 수 있다. 상기 공정은 배리어 층이 전류(I)가 전기 저항 가열을 생성하기 위해 유동하는 것을 방지하는 한, 배리어 층에 의해, 예를 들어 표면(US)에 및/또는 층(11, 13) 사이에 인가되는 표면 전처리 또는 페인트/프라이머(도시되지 않음)의 접착제 층에 의해 실시될 수 있다. 이런 식으로, 층(11, 13)의 이종 금속 사이의 접촉과, 원치 않는 아연도금 상호작용 및 부식이 감소될 수 있다. 공정의 관통 및 용접 국면 중에 체결구(10)의 부분 용융은 체결구(10a)가 광범위한 층(11) 두께를 수용할 수 있게 한다.
체결구(10a)의 캡(12a)은 캡(12a)이 알루미늄 층(11)의 표면(11S) 상에서 "바닥에 도달"할 때 관통(스테이지 B 및 C) 및 용접(스테이지 D 및 E)으로부터 발생되는 알루미늄 및 금속간 화합물을 수용, 포획 및 밀봉할 수 있는 환형 리세스를 갖는다. 이러한 알루미늄 및 금속간 화합물의 봉입은 체결구(10a)에 기여할 수 있는 부식 성능 및 접합 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 캡(12a)은 용접 공정 이전에 체결구(10a)에 형성될 수 있거나 용접 도중에 원 위치에 형성될 수 있다. 도 8을 참조하여 보다 충실하게 후술되듯이, 체결구(10a)의 형태와 팁(15a) 및 표면(S1)과의 상호작용/그에 의한 유지는 편면 용접[반대 힘을 제공하기 위해 전극 접촉 부재(13)가 없는 일 측부로부터 전극 팁(15a)과 정 반대로 용접]을 가능하게 한다. 팁(15a)은 용접 중에 체결구(10a)를 팁(15a) 상에 유지하는 체결구(10a)의 탄성 또는 스프링 로딩을 통해서 체결구(10a)에 의해 파지되도록 성형될 수 있지만, 용접이 완료되면 분리될 수 있다. 예를 들어, 팁(15)은 체결구(10a)의 상부 에지가 탄성적으로 및 착탈식으로 파지하는 주위 에지 또는 오목부를 가질 수 있다.
체결구(10)는 예를 들어 약 1 mm 내지 4 mm 두께의 얇은 시트 스틸로 형성될 수 있지만, 층(11, 13)의 두께에 의해 결정되는 임의의 주어진 두께로 제조될 수 있으며, 층 두께가 클수록 체결구의 더 큰 두께가 요구된다. 대안적으로, 체결구(10)의 샤프트(14)는 중실형 또는 반-중실형일 수 있다. 체결구의 두께/중공성(주어진 표면적당 밀도)에 관계없이, 샤프트(14)는 단부(16)가 시트(13)에 용접될 때 비례하여 붕괴할 수 있으며, 따라서 캡은 용접이 완료될 때(스테이지 E) 시트(11)의 상면(US)과 접촉하고 및/또는 일체의 금속간 화합물 및 용승된 영역(11U)을 밀봉한다.
용접 지역(Pe)의 최종 치수는 체결구 샤프트(14e)의 초기 및 최종 치수, 즉 샤프트 벽의 직경, 길이 및 두께에 종속될 것이다. 체결구 샤프트(14e)의 치수가 클수록, 용접 지역(Pe)의 치수는 크다. 일 예에서, 0.5 mm 내지 4.0 mm 두께의 알루미늄으로 조성된 시트(11)를 0.5 mm 내지 3.0 mm 두께의 스틸로 조성된 시트(13)에 대해 2 mm 내지 8 mm 범위의 용접 직경으로 부착하는 것은 유익한 전단 및 박리 강도 특성을 나타낼 것이다.
본 발명의 체결구(10)로 제조된 완성된 용접 제품의 무게를 최소화하기 위해, 체결구(10) 제조 용으로 채용되는 시트의 게이지는 감소될 수 있다. 그 결과, 체결구 샤프트(14)의 감소된 측벽 강도는 용접 과정 중에 그 조기 붕괴를 초래할 수 있다. 샤프트(14)를 지지하기 위해, 전극(15a)은 중공(H) 내의 샤프트(14)의 내표면과 부분적으로 또는 전적으로 결합하기 위해 중공(H) 내로 연장되도록 형성될 수 있다. 도 5는 대체 체결구(110)를 용접 과정에서의 두 국면에서 도시하는 바, 즉 층(11)을 통해서 압출되기 전의 국면(B5) 및 용접 이후의 국면(E5)에서 도시한다. 체결구(110)의 단부(116)를 지지하는 표면(S2)을 갖는 전극 팁(115)은 단부(116)가 단부(116) 또는 샤프트(측벽)(114)의 변형 없이 층(11)을 통해서 푸시될 수 있게 한다. 팁(115)은 체결구가 국면(E5)에서 도시된 용접 지역(Pg)을 형성하기 위해 층(11)을 통해서 완전히 가압될 때 체결구(110)가 용승부(11U)에 대해 가압되는 것에 반응하여 체결구 주위(110p)의 대응 영역을 수용하고 형성/성형할 수 있는 오목한 환형 표면(S3)을 갖는다.
도 6은 예를 들어 알루미늄 시트와 같은 상층(11)을 통한 스폿 용접을 수행하여 상층(11)을 예를 들어 스틸 시트와 같은 하층(13)에 체결하기 위한 체결구(110) 사용에 있어서의 단계(A6-F6)의 보다 총합적인 시퀀스를 도시한다. 알 수 있듯이, 이 공정은 체결구(110)가, 층(11)을 통해서 돌입되고 층(11)에 구멍을 만들며 용접에 의해 층(13)에 접합되는 리벳으로 기술될 수 있다는 점에서 "저항 스폿 체결" 또는 "저항 스폿 리벳팅"으로 지칭될 수도 있으며, 체결구의 캡(112)은 층(11)을 층(13)에 대해 클램핑한다. 체결구(110)가 상층(11)을 관통하고 하층(13)과 결합함에 따라, 전극 팁(115) 내의 오목한 환형 표면(S3)은 층(11), 특히 용승부(11U)를 봉입하고 그에 대해 밀봉한다. 일 예에서, 스테이지 B6 및 C6은 예를 들어 600 내지 2000 파운드(272 내지 907 kg) 크기의 관련 힘(FH)과 예를 들어 4,000 내지 24,000 암페어 크기의 전류 레벨(IH)을 가질 수 있으며, 이는 2 mm의 두께를 갖는 알루미늄의 제 1 층(11)을 가소화하고 이를 16 mm의 전체 직경, 3 mm의 총 높이 및 1.0 mm의 평균 벽 두께를 갖는 저탄소강의 체결구에 의해 1.0 mm 두께를 갖는 780 MPa 아연도금 코팅된 스틸의 제 2 층(13)에 용접하기에 적합하다. 이들 크기의 힘과 전류는 단지 예시적인 것이며 체결구(110)와 층(11, 13)의 치수 및 조성에 종속된다. 스테이지 B6에서 C6으로의 이행 기간은 0.2 내지 2.0 초 정도일 수 있다. 이 예를 더 추구하고 체결구(110) 및 층(11, 13)의 동일한 치수 및 특성을 사용하여, 스테이지 D6은 예를 들어 500 내지 800 파운드(227 내지 363 kg) 크기의 관련 힘(Fw)과 예를 들어 6,000 내지 18,000 암페어 크기의 전류 레벨(IW)을 사용할 수 있으며, 이는 용융된 용접 지역(Pd)을 형성하기 위해 체결구(110) 및 하위 레벨(13)의 용융을 개시하기에 적합하다. 팽창된 용접 지역을 형성하여 용접을 템퍼링하고 이를 4 mm 내지 6 mm의 평균 횡단면 직경을 갖게 만들기 위해 힘(Fw)의 크기는 스테이지 E6에서 예를 들어 600 내지 1,000 파운드(272 내지 454 kg) 크기의 힘(FT)과 예를 들어 3,000 내지 12,000 암페어 크기의 전류 레벨(IT)로 변경될 수 있다. 스테이지 D6의 완료에는 예를 들어 0.1 내지 0.5 초가 소요될 수 있다. 스테이지 F6에서, 제 1 및 제 2 전극 팁(115, 117)은 철회될 수 있다. 알 수 있듯이, 용승부(11U)는 캡(112)을 표면(S3)에 합치되도록 강요하여 밀착 상대 끼움을 수립하기 때문에, 스테이지 F6에서 제 1 팁(115)을 체결구(110f)로부터 철회하기에는 얼마간의 저항이 있을 수 있다. 일부 적용에서는, 철회력, 사이클 시간을 감소시키고 캡(112)을 표면(S3) 및 용승부(11U)에 합치되도록 성형하는데 필요한 용접 력(Fw)의 양을 감소시키기 위해 예비-형성된 체결구를 사용하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 7은 예를 들어 알루미늄 시트와 같은 상층(11)을 통한 스폿 용접을 수행하여 상층(11)을 예를 들어 스틸 시트와 같은 하층(13)에 체결하기 위한 체결구(210) 사용에 있어서의 단계(A7-F7)의 시퀀스를 도시한다. 체결구(210)는 도 6의 스테이지 D6 및 E6에 도시된 용접 력에 의해 형성된 후에 체결구(110)와 유사한 형상을 갖도록 예비형성되며, 따라서 상부 섹션은 용접 과정 중에 전극에 의해 형성될 필요가 없이 상면을 봉입 밀봉할 수 있다. 체결구(210)가 예비형성되기 때문에, 전극 팁(215)은 체결구(210)에 의해 관통되는 곳 근처에서 제 1 층(11)의 용승부(11U)를 수용하여 밀봉하도록 캡(212)을 성형하기 위해 오목한 환형 표면(S3)을 요구하지 않는다. 그 결과, 전극 팁(215)은 체결구(210)의 단부(216)를 지지하는 표면(S2) 쪽으로 테이퍼질 수 있다[표면(S4, S5)에서 반경형성될 수 있다]. 이것은 작은 영역 위에서 가열, 용접 및 템퍼링 힘(FH, FW, FT)뿐 아니라 가열, 용접 및 템퍼링 전류(IH, IW, IT)의 집중을 가능하게 하며, 감소된 힘과 전류가 관통, 용접 및 템퍼링 임무를 달성할 수 있게 한다.
도 4 내지 도 7은 예를 들어 15a, 17a와 같은 저항 용접 전극이 피가공물/용접 스택(10a, 11, 13)을 양쪽에서 클램핑하는 직접 액세스 용접을 도시한다. 도 8에 도시하듯이, 본 발명에 따른, 체결구(10, 20, 110, 210)를 이용한 스폿 용접은 간접 용접을 사용하여 일 측으로부터 실시될 수 있다. 스틸 빔과 같은 구조물(S8) 또는 임의의 다른 형태의 구조물은 용접을 수행하기 위해 전위 공급원의 하나의 폴(pole)에 연결될 수 있다. 다른 폴은 스테이지 B8 및 C8에서의 가열, D8에서의 용접 및 E8에서의 템퍼링을 위한 전력을 공급하기 위해 용접 팁(215)에 전력을 제공한다. 간접 용접은 보통 스틸에 대해 이루어지지만, 알루미늄 대 알루미늄 접합에 대해 실시되기는 어렵다. 본 발명은 알루미늄 이외의 재료로 제조된 체결구에 의한 용접을 허용하기 때문에, 본 발명은 스틸 튜브와 같은 스틸 구조물(S8)에 대한 예를 들어 알루미늄 시트와 같은 알루미늄 층(11)의 접합을 촉진한다.
직렬 용접에서는 두 개 이상의 전극이 편면으로부터 접근한다. 용접 전류가 다수의 건 사이에서 직렬 방식으로 흐름에 따라 다중 용접이 생성된다. 도 9는 본 발명의 용접 방법 및 장치가 층/부재(11, 13)를 단일 용접 작업으로 접합하기 위해 직렬 용접 체결구(210a, 210b)를 수행하는데 사용될 수 있음을 도시한다. 전류(IH)는 전극(215a), 층(11, 13)을 통과하고, 전도성 지원 막대(backer bar)(S9)를 통과하며, 이후 층(11, 13)을 통해서 전극(215b)으로 되돌아간다. 전과 같이, 전류(IH)는 층(11)을 가열하여 체결구(210a, 210b)에 의한 관통을 허용하며, 체결구는 층(13)과의 접촉 시에 용접한다. 전체 공정은 전술한 것과 유사하지만, 스테이지 B9, D9 및 F9만 도시되어 있다. 직렬 용접은 통상적으로 알루미늄에 대해 이루어지지 않으며, 보통 스틸 재료를 사용하여 이루어진다. 본 발명은 알루미늄 이외의 재료로 제조된 체결구에 의한 용접을 허용하기 때문에, 이는 직렬 용접을 통해서 스틸 튜브 또는 박스 구조물과 같은 스틸 층/시트(13) 또는 구조물에 대한 예를 들어 알루미늄 시트와 같은 알루미늄 층(11)의 접합을 촉진한다.
상기 예는 스틸로 제조된 체결구(10, 20, 110, 210)를 참조하지만, 체결구(10, 20, 110, 210)는 임의의 재료로 제조될 수 있으며 연속(제 2) 층(13) 또한 조성 및 개수에 있어서 변경될 수 있다. 층(11)과 같은 개재 층을 관통하기 위해, 체결구(10... 210)는 예를 들어 B6, C6(도 6)과 같은 가열/관통 국면 중에 관통되는 개재 층(11)보다 높은 융점을 갖는 재료로 제조되어야 한다. 예를 들어 D6과 같은 용접 국면을 실시하기 위해, 체결구(110) 재료는 이것이 저항 용접되는, 예를 들어 층(13)과 같은 층과 친화적이어야 한다. 예를 들어, 층(13)이 고강도(590 MPa 초과) 아연도금된 스틸로 제조되면, 체결구(110)는 예를 들어 표준적으로 저탄소강, 고강도 스틸(590 MPa 초과) 또는 스테인리스 스틸 등급으로 제조될 수 있다.
도 10은 예를 들어 알루미늄 또는 마그네슘으로 제조된 한 쌍의 층(11a, 11b)을 캡(212c, 212d)이 그 사이에 층(11a, 11b)을 포획하도록 스폿 용접에 의해 상호 접합하기 위해 체결구(210c)가 대향 체결구(210d)와 함께 사용될 수 있음을 도시한다. 스테이지 A10 내지 F10에 도시되어 있는 절차는 가열, 층의 관통, 및 용접에 전기 저항이 사용된다는 점에서 예를 들어 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명된 것과 같은 전술한 절차와 유사하지만, 체결구(210c, 210d)가 이것이 용접되는 층(13)에 도달하는 대신에, 체결구는 개재 층(11a, 11b)을 반대 방향으로 관통하고, 만나서 상호 용접된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 다양한 조합의 층이 접합될 수 있음을 도시한다. 조합 G에 도시되어 있듯이, 재료의 적층은 스테이지 B7에서 도 7과 관련하여 앞서 도시되고 설명된 적층과 유사한 알루미늄(11A) 및 스틸(13S)일 수 있다. 전술했듯이, 체결구(210)는 알루미늄 층(11A)을 통해서 푸시될 수 있고 스틸 층(13S)에 용접될 수 있다. 조합 H는 두 개의 알루미늄 층(11A1, 11A2)과 스틸 층(13S)의 적층을 도시한다. 전과 같이, 체결구(210)는 알루미늄 층(11A1, 11A2)을 통해서 푸시될 수 있고 스틸 층(13S)에 용접될 수 있다. 조합 I는 알루미늄 층(11A) 및 마그네슘 층(11M)과 스틸 층(13S)의 적층을 도시한다. 체결구(210)는 알루미늄 층(11A) 및 마그네슘 층(11M)을 통해서 푸시될 수 있고 이후 스틸 층(13S)에 용접될 수 있다. 조합 J는 외측 마그네슘 층(11M), 중간 알루미늄 층(11A) 및 스틸 층(13S)의 적층을 도시한다. 체결구(210)는 마그네슘 층(11M) 및 알루미늄 층(11A)을 통해서 푸시될 수 있고 이후 스틸 층(13S)에 용접될 수 있다. G, H, I, J에 도시된 적층체의 각각에서, 체결구(210)는 도시된 적층 구조물을 고정하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 체결구(210, 110, 20, 10)에 의해 고정되기 위한 층의 재료, 두께 및 개수의 다른 조합이 가능하다.
도 12는 방사형 테이퍼진 표면(S4, S5)을 갖는 용접 부분(215W)과 커넥터 슬리브(215S)를 갖는 용접 전극 팁(215)을 도시한다. 이와 유사한 팁을 CMW Contacts Metal Welding(www.cmwinc.com)으로부터 입수할 수 있으며, 이는 G-캡으로 지칭된다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 체결구(310)로서 기능하도록 다른 목적을 갖는 캡 너트를 도시한다. 체결구(310)는 캡(312), 샤프트(314) 및 단부(316)를 갖는다. 교합 도구(318)와 상호작용하기 위한 러그(318)는 체결구(310)를 팁(115)과 같은 전극 팁 상에 유지하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 또한 체결구가 중간 층(11)을 통해서 푸시될 때 및/또는 층(13)에 용접될 때 체결구를 비틀기 위해 사용될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 체결구(410)의 측면도 및 평면도이다. 체결구(410)는 도 15에 도시된 스탬핑 도구 및 백업 다이를 사용하여 스탬핑으로서 제조될 수 있다. 캡(412)은 곡선 C1에서 샤프트(414)로 전이되고 샤프트(414)는 곡선 C2에서 단부(416)로 전이된다. 곡선(C1)은, 체결구(410)의 대칭축(S) 주위로 회전되고 에지(412e) 및 샤프트(414) 상의 그 투영에 의해 획정될 때, 예를 들어 도 5에서 11U로 도시되는, 관통된 층의 용승부를 봉쇄 및 밀봉할 수 있는 체적(V1)을 둘러싼다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 체결구 스탬핑 도구(505)를 도시한다. 스탬핑 도구는 체결구(410)와 같은 체결구를 예를 들어 스틸 시트와 같은 스톡 재료(520)로 형성하기 위해 사용될 수 있다. 체결구 스탬핑 도구(505)는 형성 표면(522S)(점선으로 도시됨)을 갖는 업셋(upset) 다이(522)를 갖는다. 펀치(526)(점선으로 도시된 샤프트)에 의해 구동되는 성형 도구(524)(점선)는 스톡(520)으로부터 체결구(410)(도 14a, b)를 형성하기 위해 업셋 다이(522)와 협력하여 작용한다. 도시된 실시예에서, 성형 도구(524)는 스톡(520)으로부터 체결구(410)를 절단하며 체결구가 펀치(526)에 의해 스톡(520)을 통해서 하향 구동될 때 이를 성형한다. 대안적으로, 체결구(410)를 형성하기 위해 필요한 치수를 갖는 디스크형 블랭크(도시되지 않음)가 별도 펀치에 의해 스톡으로부터 절단될 수 있으며, 펀치(526)가 블랭크를 체결구(410)로 성형하기 위해 업셋 다이(522)에 대해 하향 구동되기 전에 블랭크 홀더(530) 내에 로딩된다. 체결구(410)가 체결구 스탬핑 도구(505)에 의해 배출된 후에 펀치(526)를 중립 위치로 복귀시키기 위해 스프링(532)이 리테이너 캡(534)과 블랭크 홀더(530) 사이에 삽입될 수 있다. 펀치(526)는 펀치와 프레스를 작동시키기 위해 통상적인 방식으로 기계적으로, 유압식으로 또는 공압식으로 구동되는 펀치 홀더(528)에 결합될 수 있다.
도 16은 관통 또는 용접 이전에 체결구(610)가 제 1 및 제 2 층(611, 613)에 대해 배치되는 용접 적층(605)을 도시한다. 제 1 층(611)은 알루미늄, 마그네슘 또는 구리 시트일 수 있으며 제 2 층은 스틸, 티타늄 또는 인코넬 시트일 수 있다. 층(611, 613) 및 체결구(610)는 Centerline Welding, Ltd.로부터 입수 가능한 250kVA와 같은 시판되는 전기 스폿 용접기의 하부 및 상부 전극(640, 642)과 전기적으로 연속되는 제 1 및 제 2 팁(615, 617) 사이에 클램핑된다.
본 발명에 따라 구성된 용접 작업의 일 예에서는, 시판되는 250kVA AC 저항 스폿 용접 페데스탈 기계는 알루미늄 시트를 통해서 체결구/리벳을 가열 및 돌입시키기 위해 사용되고 스틸 지지 시트에 용접된다. 상부 전극 팁(615)은 G-캡[도 12의 팁(215)과 유사]으로 지칭되는 시판 전극이고, 하부 전극 팁(617)은 표준 단조 구조(16 mm 직경, RWMA 타입 C-Nose)이다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 표준 캡 너트(610)가 리벳 용으로 사용된다. 접합될 부품은 1.5 mm의 7075-T6 알루미늄 합금 및 0.7 mm의 270 MPa 아연도금된 스틸이다. 캡 너트(610)는 G-캡 전극(615) 상에 배치되고 이후 도 16에 도시된 적층체 내의 알루미늄 시트(611)에 대해 배치된다. 캡 너트(610)가 알루미늄 시트(611)를 관통하게 만들기 위해 9,000 암페어에서의 약 1.5초 기간의 전류 펄스가 발생된다. 관통 이후에, 캡 너트(610)는 0.166 동안 15 kA 정도의 전류 임펄스에 의해 스틸에 용접된다. 스틸 캡 너트와 0.7 mm의 270 MPa 스틸 시트 사이에서 대략 5 mm 직경의 용접 버튼이 얻어진다.
본 발명의 양태는 낮은 부품 뒤틀림을 포함하는 바, 그 이유는 예를 들어 11, 13과 같은 체결될 층이 용접 중에 압축 유지되고 가열 영향받는 지역이 주로 체결구(10)의 캡, 예를 들어 12의 풋프린트(footprint)로 한정되기 때문이다. 예를 들어 10, 20, 110, 210, 310, 410, 610과 같은 체결구는 제 1 층(11)을 통한 체결구의 관통에 의해 변위되는 금속간 화합물 또는 재료를 가두기 위한 제 1 층(11)에 대한 체적을 형성한다. 예를 들어 10...610과 같은 체결구는 광범위한 층 두께 및 개수의 각종 재료 층을 체결하기 위해, 즉 적절한 치수 및 재료 조성의 체결구를 선택함으로써 사용될 수 있다. 또한, 주어진 체결구(10...610)는 그것이 형성되는 재료의 탄성뿐 아니라 체결구의 형상으로 인해 광범위한 두께에 걸쳐서 작동될 수 있다. 예를 들어, 캡(412)은 체결구(410)가 층(13)에 용접될 때 다양한 두께를 수용하고 예를 들어 11과 같은 층(들) 상에 탄성적으로 가압되기 위해 사용될 때 샤프트(414)에 대해 탄성적으로 굴곡될 수 있다. 예를 들어 11과 같은 층에 대한 캡(412)의 탄성 가압은 체결구(10...610)가 적소에 위치할 때 그 둘레 주위에 시일을 형성하고 유지하는데 기여할 수 있다.
본 발명의 체결구(10...610)는 예를 들어 11, 13과 같은 층 사이에 인가되는 접착제 및/또는 기타 코팅을 통해서 및/또는 상층(11)에 도포된 코팅을 통해서 적용될 수 있다. 체결구의 사용에 의해 형성된 용접, 예를 들어 도 4에서 Pe는 층(13)을 관통하지 않고, 용접과 대향하는 표면(13)을 방해하지 않으며, 외관, 내식성을 보존하고, 수밀하다. 예를 들어 도 4의 스테이지 C에서의 체결구 관통 및 용접 국면 중에, 체결구(10c, 10d, 10e)는 용접 지역(Pd, Pe)을 따라서 지속적으로 붕괴 및 팽창할 것이고, 용접 지역으로부터 금속간 화합물을 밀어낼 것이다. 본 발명의 방법 및 장치는 스틸 시트 저항 용접을 위해 개발된 종래의 RSW 장비와 비견되며, 체결구(10...610)는 다양한 스틸 등급(저탄소, 고강도, 초고강도, 스테인리스), 티타늄, 알루미늄, 마그네슘 및 구리와 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 본 발명의 체결구는 경우에 따라서 내식성을 향상시키기 위해 코팅[아연도금, 갈바닐(galvaneal), 용융-도금(hot-dip), 알루미늄화)될 수 있다.
전술했듯이, 본 발명의 체결구(10...610)는 편면 또는 양면 액세스 용접을 통해서 사용될 수 있다. 체결구(10...610)는 파일럿 구멍을 요구하지 않지만, 알루미늄 또는 상부 시트 내의 파일럿 구멍과 함께 사용될 수도 있다. 파일럿 구멍은 또한 접착제 층 또는 내식 코팅/층과 같은 유전체 층을 통한 전류 흐름을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 체결구(10...610)의 사용으로 인한 용접 품질은 용접에 의해 남겨진 공동에 적용되는 품질 보장 측정에 따라서, 즉 공동의 치수를 측정함으로써 테스트될 수 있다. 초음파 NDE 기술은 또한 용접 품질을 모니터링하기 위해 예를 들어 층(13)의 후면(스틸 측)에 사용될 수 있다.
FDS(EJOTS), SPR 및 SFJ에 비교하여, 본 발명의 체결구(10...610)를 적용하기 위해 사용되는 장치는 보다 작은 풋프린트를 가지며, 보다 타이트한 공간에 대한 접근을 가능하게 한다. 본 발명의 장치와 방법은 체결구 삽입 국면(예를 들어 도 4의 스테이지 C 참조) 중에 제 1 층(11)이 가열/연화되기 때문에 SPR보다 낮은 삽입력을 사용한다. 본 발명의 방법 및 장치는 스틸 금속을 체결구로 관통시킬 필요가 전혀 없지만 오히려 체결구가 그것에 용접되기 때문에 고강도 알루미늄(SPR 작업 중에 균열에 민감)을 접합하고 고강도 및 초고강도 스틸을 접합하는 능력을 제공한다.
본 발명의 장치 및 방법은 성분 층/부품이 고정되는 방법과 관련하여 전체 과정이 종래의 저항 스폿 용접(RSW)과 유사하기 때문에 회전 부품을 요구하지 않으며 분할 부품 장착 문제를 촉진한다. 또한, 체결구(10...610)의 적용은 종래의 RSW와 유사한 급속 처리 속도를 제공하기 위해 신속하게 이루어질 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 단조 및 주조된 알루미늄 제품에 사용하기 위해 적용될 수 있으며, 낮은 접합 강도를 가질 수 있는 알루미늄 대 스틸 용접 시의 바이메탈 용접보다 더 적합한 금속 조인트를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 전술했듯이, 본 발명의 장치 및 방법은 다수의 상이한 재료 층, 예를 들면 두 개의 알루미늄 층, 하나의 스틸 층; 하나의 알루미늄 층, 두 개의 스틸 층; 또는 하나의 알루미늄 층, 하나의 마그네슘 층, 및 하나의 스틸 층을 접합하기 위해 사용될 수 있다.
도 17a는 도 14a의 체결구(410)와 같은 체결구(710)의 횡단면도이며, 여기에서 캡(712), 샤프트(714) 및 단부(716)의 두께는 거의 일정한 두께이다. 단부(716)는 편평하다.
도 17b는 단부(816)가 편평하고 캡(812)의 샤프트(814)보다 큰 두께를 갖는 체결구(810)를 도시한다.
도 17c는 일정한 두께를 갖는 방사형 단부(916)를 갖는 체결구(910)를 도시한다. 일 예에서, 반경(R)은 1 내지 6 인치(2.54 내지 15.24 cm)의 범위에 있다.
도 17d는 방사형 단부(1016)를 갖고 상기 단부(1016)와 샤프트(1014)의 접합부에 스플라인(1014s)을 갖는 체결구(1010)를 도시한다. 스플라인(1014s)은 대칭/회전 축(S)과 정렬될 수 있거나 또는 그것에 대해 각도 A로 배치될 수 있다. 스플라인은 체결구가 층(11)을 통해서 가압될 때 체결구를 특정 방향으로, 예를 들면 직선으로 또는 나선으로 안내하기 위해 사용될 수 있거나 및/또는 설치된 체결부(1010)에 대한 층(11)의 회전을 방지하는 회전 방지 특징부로서 사용될 수 있다.
도 18 내지 도 20은 그 폭(W)보다 큰 길이(L)를 갖는 체결구(1110)를 도시한다. 일 예에서, 길이(L)는 8 mm 내지 25 mm의 범위에 있을 수 있으며 폭은 4 mm 내지 8 mm의 범위에 있을 수 있다.
도 21은 횡단면도에서 1212c에서 수렴하는 좌우 부분(1210a, 1210b)을 갖는 체결구(1210)를 도시한다. 체결구(1210)는 대칭/회전 라인(S) 주위로의 회전체이며, 따라서 단부(1216a, 1216b)는 이하에서 더 도시되듯이 기판에 용접될 수 있는 연속적인 링 표면을 형성한다.
도 22는 예를 들어 알루미늄으로 제조되는 제 1 층(11)을 통해서 삽입되고, 연속 링 형상을 갖게 될 용접 지역(Pa, Pb)에서 예를 들어 스틸로 제조된 층(13)에 용접되는 체결구(1210)를 도시한다. 링 형상 용접은 예를 들어 도 14a에 도시된 것과 같은 체결구(410)의 사용에 의해 생성될 디스크 형상 용접보다 넓은 표면적에 걸쳐서 분포될 것이다. 팁(1215)은 체결구가 가열되고 팁(1217)을 향해서 가압될 때 체결구(1210)를 수용하고 지지하는 표면(1215s)을 갖는다.
도 23은 제 1 층(11)을 통해서 삽입되고 용접 지역(Pa, Pb)에서 제 2 층(13)에 용접되는 체결구(1310)의 횡단면도이다. 도 21에서와 같이, 체결구(1310)는 대칭/회전 라인(S) 주위로의 회전체이며, 용접 지역(Pa, Pb)은 층(13)에 대한 연속 링-형상 용접의 부분이다. 체결구(1310)는 볼트(도시되지 않음)와 같은 교합 나사식 체결구를 수용하기에 적합한 나사산(1342t)을 갖는 나사식 중심 소켓(1342)을 특징으로 한다. 이런 식으로, 체결구(1310)는 두 가지 기능을 수행할 수 있는 바, 즉 층(11 내지 13)을 유지할 수 있고, 교합 나사식 체결구(도시되지 않음)를 통한 다른 부재 또는 구조물(도시되지 않음)에 대한 조립을 허용하는 나사식 소켓을 제공할 수 있다. 팁(1315)은 용접 중에 소켓(1342)을 수용하기 위한 리세스(1315r)를 갖는다.
도 24 및 도 25는 체결구(1310)와 유사하지만, 교합 나사식 체결구(도시되지 않음)가 소켓 부분(1442)을 통과할 수 있도록 개방 단부형인 나사산(1442t)을 갖는 소켓 부분(1442)을 갖는 체결구(1410)를 도시한다. 도 25에 도시하듯이, 체결구(1410)의 설치를 준비하는 중에, 층(11, 13)은 바람직하게 드릴 천공되거나 아니면, 소켓 부분(1442)이 이를 통해서 삽입될 수 있는 교합 구멍(11h, 13h)을 갖는다. 층(11)의 관통 및 층(11)에 대한 용접은 이후 전술한 저항 용접에 의해 이루어질 수 있다. 팁(1415)은 체결구(1410)가 층(11)을 통해서 가압되고 층(13)에 용접될 때 체결구(1410)를 지지하기 위한 면(1415s)을 갖는다. 팁(1417)은 용접 과정 중에 층(11, 13)을 통해서 연장되는 소켓 부분(1442)을 수용하는 리세스(1417r)를 갖는다.
도 26은 체결구를 예를 들어 알루미늄 층(11)에 부착하기 위해 함께 용접될 수 있는 상측 부분(1510u) 및 하측 부분(1510l)을 갖는 체결구(1510)를 도시한다. 하측 부분(1510l)은 나사식 소켓(1510t)을 특징으로 한다. 체결구(1510)는 스틸 또는 티타늄으로 제조될 수 있다. 용접 공정은 제 2 층(13)에 대한 용접을 대신해서만 전과 같이 이루어지며, 상측 부분(1510u)은 알루미늄 층(11)을 통해서 푸시된 후에 하측 부분(1510l)에 용접된다. 전과 같이, 용접 지역(Pa, Pb)은 체결구(1510)가 회전체이기 때문에 링 형상 용접의 부분이다. 층(11)은 플랜지 부분(1510f)과 캡(1512) 사이에 포획된다. 체결구(1510)는 예를 들어 스틸 또는 티타늄과 같은 제 1 재료로 제조된 나사식 소켓(1510t)이 예를 들어 알루미늄 또는 마그네슘과 같은 다른 금속의 층(11)에 부착될 수 있게 한다.
도 27은 체결구를 예를 들어 알루미늄 층(11)에 부착하기 위해 함께 용접될 수 있는 상측 부분(1610u) 및 하측 부분(1610l)을 갖는 체결구(1610)를 도시한다. 하측 부분(1610l)은 나사식 스터드(1610s)를 특징으로 한다. 체결구(1610)는 스틸 또는 티타늄으로 제조될 수 있다. 용접 공정은 제 2 층(13)에 대한 용접을 대신해서만 전과 같이 이루어지며, 상측 부분(1610u)은 알루미늄 층(11)을 통해서 푸시된 후에 하측 부분(1610l)에 용접된다. 용접 지역(Pa)은 대략 디스크 형상이며 체결구(1610)는 회전체이다. 층(11)은 플랜지 부분(1610f)과 캡(1612) 사이에 포획된다. 체결구(1610)는 예를 들어 스틸 또는 티타늄과 같은 제 1 재료로 제조된 나사식 스터드(1610s)가 예를 들어 알루미늄 또는 마그네슘과 같은 다른 금속의 층(11)에 부착될 수 있게 한다.
도 28 및 도 29는 캡(1712)과 샤프트(1714)의 접합부 근처에서 하측에 적용되는 밀봉재(1728)의 비드를 갖는 셀프-밀봉 체결구(1710)를 도시한다. 밀봉재는 접착제 또는 폴리머일 수 있고 액체, 겔 또는 페이스트로서 도포될 수 있으며 고체 또는 반고체로 경화될 수 있거나 체결구(1710)의 사용 전에 소프트하거나 액체인 상태로 남아있을 수 있다. 예를 들어 체결구(210)(도 10)에 대해 전술했듯이 체결구(1710)를 베이스 시트(13) 또는 다른 체결구(1710)에 용접함으로써 재료의 층[알루미늄 층(11), 스틸 층(13)]을 함께 결합하기 위해 체결구(1710)가 사용될 때, 밀봉재는 상태 변화를 겪을 수 있으며, 예를 들어 고체일 경우 이는 전기 저항으로부터의 용융에 의해 또는 용접(1710W)을 형성하기 위한 용접 국면 중에 체결구(1710)가 중간층(11)을 통해서 삽입됨으로써 발생되는 열로 인해 용융될 수 있다. 체결구(1710) 및 이것이 용접되는 금속이 냉각된 후에, 밀봉재(1728)는 상층(11)의 표면 및 그 안의 임의의 용승부(11U)에 합치된 후 고체로 복귀할 수 있으며, 따라서 상층(11)과 체결구(1710) 사이에 시일을 갖는 밀봉된 조인트(1710J)를 제공한다. 밀봉재(1728)는 체결구(1710), 시트(11, 13) 및/또는 용접(1710W)의 부식을 초래할 수 있는, 예를 들어 산소 또는 수분과 같은, 환경 중에 존재하는 원소에 의한 침윤을 방지한다. 대안적으로, 밀봉재(1728)는 용접(1710W)이 완료된 후에 반고체 또는 겔로 남아있을 수 있다. 밀봉재(1728)는 (i) 체결구 제조 시의 단계로서 체결구(1710)에 대한 도포; (ⅱ) 용접된 조인트를 형성하는데 사용하기 직전의 체결구(1710)에 대한 도포를 포함하는 여러가지 다른 방식으로 도포될 수 있으며; 예를 들면 비드(압력 하에 노즐에 의해 방출됨), 고체 또는 반고체 형태로 예비형성되는[그리고 체결구(1710) 상에 배치되는] 링, 또는 밀봉재의 밴드(절단 가능한 스트립 형태로 제공되거나 접촉 도포기에 의해 페인팅되거나 압력 하에 분사됨)를 외부 시트(11)에 대한 접촉 이전에 적용함으로써 도포될 수 있다. 대안적으로, 밀봉재(1728)는 예를 들어, 접합 공정 이전에 체결구(1710)가 삽입될 상면(11S) 상에 또는 시트(11) 내의 파일럿 구멍의 둘레 주위에 배치되는 접착제 도트 형태로, 시트(11)의 표면에 도포될 수 있다. 밀봉재(1728)는 음료 캔 단부 라이닝 공정에 현재 사용되는 '복합 라이너' 장비의 사용을 통해서 체결구(1710)에 도포될 수 있다. 그 전체가 본 명세서에 참조로 원용되는 미국 특허 제6,887,030호에 개시된 기술은 밀봉재(1728) 도포 중에 체결구(1710)의 회전을 정지시키기 위해 사용될 수 있으며, 체결구(1710)에 도포되는 밀봉재(1728)의 보호성 코팅에 대한 손상을 감소시킨다. 밀봉재(1728)는 전술한 체결구(10, 110, 210 등)와 층(11, 13, 11M 등)의 임의의 것에 사용될 수 있다. 도 29는 체결구(1710)가 층(13)에 용접된 후의 밀봉재(1728)를 도시한다. 밀봉재(1728)는 체결구(1710)의 하측(1710U)과 시트(11)의 상면(US) 사이의 공동을 부분적으로 또는 전적으로 충전할 수 있다. 밀봉재(1728)는 부식 방지를 제공할 수 있고, 체결구(1710)와 상면(11S) 사이의 접합 강도를 증가시킬 수 있으며, 및/또는 물/수분이 조인트(J)에 진입하는 것을 방지할 수 있다.
도 30 및 도 31은 예를 들어 스틸, 티타늄, 구리 또는 제 1 알루미늄 합금, 예를 들어 1xxx로 제조된 제 1 층(1810S) 및 예를 들어 알루미늄 또는 다른 형태의 알루미늄 합금, 예를 들어 6xxx로 제조된 제 2 층(1810A)을 갖는 2-층 체결구(1810)의 횡단면도이다. 체결구(1810)는 다중-합금(6xxx 상에 피복된 1xxx 등) 또는 다중-재료(알루미늄 피복된 스틸, 알루미늄 피복된 구리 등)의 2-층 시트로 형성, 예를 들어 스탬핑될 수 있다. 도 31은 2-층 체결구(1810)에 의해 형성되는 조인트(1810J), 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 제 1 시트(11) 및 스틸, 티타늄, 구리, 마그네슘 또는 상기 층(11)의 합금과 별개인 다른 합금의 제 2 시트(13)의 횡단면도이다. 2-층 체결구(1810)는 층(1810A)을 시트(11)에 용접함으로써 알루미늄 부재(11)에 대한 용접을 가능하게 한다. 이 경우에, 개구(1810H)가 시트(13)에 형성되며, 따라서 체결구(1810)는 저항 용접에 의해 개구를 통해서 용융되기 보다는 개구(1810H)를 통해서 삽입될 수 있다. 이 접근법의 일 양태는 스틸 시트 또는 부재(13)를 예를 들어 튜브와 같은 알루미늄 시트 또는 부재(11)에 편면으로부터 접합시킬 수 있다는 것이다. 2-층 체결구(1810)는 저전류 레벨을 사용하여 용접이 발생할 수 있게 하는데 그 이유는 전극 비드(1815)와 접촉하는 예를 들어 스틸일 수 있는 층(1810S)이 용접 중에 층(1810A)과 시트(11)의 개선된 가열을 제공하기 때문이다. 제 1 접근법에서, 층(1810A)은 저항 용접이 아닌 대향 시트(11)에 대한 브레이즈 접합을 가능하게 하는 브레이징 합금으로 제조되거나 브레이징 합금을 구비할 수 있다. 이것은 필요한 용접 전류의 양을 감소시키는데 유익할 수 있다. 조인트(1810J)는 알루미늄 또는 플라스틱 시트(13)를 알루미늄 시트(11)에 접합하기 위해 사용될 수 있으며, 여기에서는 시트(13)의 용융을 방지하기 위해 낮은 열 입력이 요구된다. 이 실시예의 다른 양태에서, 알루미늄 피복 스틸로 형성된 체결구(1810)는 다수의 알루미늄 시트를 접합하기 위해 사용될 수 있다. 체결구(1810)의 스틸 층(1810S)은 전극(1815)과 접촉할 것이며, 알루미늄 측부(1810A)는 알루미늄 시트(11)와 접촉할 것이다(이 실시예에서 시트(13)는 또한 알루미늄일 것이다). 용접 가열이 인가됨에 따라, 스틸 층(1810S)은 체결구(1810)의 알루미늄 부분(1810A)이 낮은 전류에서 알루미늄 시트(11, 13)와 용접될 수 있게 하는 개선된 가열을 제공할 것이다. 본 실시예의 다른 양태에서, 층(1810S)은 알루미늄 부분(1810A)에 대한 구리 피복으로 형성될 수 있다. 구리 부분(1810S)은 전극(1815)과 접촉할 것이며 알루미늄 부분(1810A)은 알루미늄 시트(11, 13)에 접촉 및 용접될 것이다. 이 실시예에서, 체결구(1810)의 구리 부분(1810S)은 양호한 열전달 및 낮은 전극 마모를 나타낼 것이다.
도 32는 층(1910S, 1910M, 1910A)을 갖는 3-금속 체결구(1910)를 도시한다. 중간 층(1910M)은 체결구(1910)가 상승된 온도에 노출될 때 외층(1910S, 1910A) 사이의 확산을 방지하기 위해 선택될 수 있으며, 조인트 강도를 제공한다. 중간 층(1910M)은 고순도 알루미늄, 티타늄 또는 아연을 포함하지만 이것에 한정되지 않는 다양한 재료로 조성될 수 있다. 일 예에서, 외층(1910S)은 스틸이며 루트 외층(1910A)은 알루미늄이다. 중간 층(1910M)은 얇은 티타늄 층이도록 선택될 수 있으며, 이는 알루미늄 층(1910A) 및 스틸 층(1910S)이 고온(200℃ 초과)에서 확산되는 것을 방지할 것이다.
도 33은 스탬핑/저온 형성된 스틸 부분(2010S)에 접합되는 알루미늄의 디스크(2010A)를 갖는 2-층 체결구(2010)를 도시한다. 알루미늄 디스크(2010A)는 냉간 용접, 초음파, 마찰 용접, 업셋 버트(butt) 용접, 고압 용접, 기계적, 또는 브레이징/솔더링에 한정되지 않는 다수의 수단을 통해서 스틸 부분(2010S)에 접합될 수 있다. 경우에 따라서, 알루미늄 디스크(2010A)는 스틸 부분(2010S)을 도시된 형상으로 성형하기 전에 와이어 형태(냉간 용접, 압력 용접)로 스틸 부분(2010S)에 접합될 수 있다. 체결구(2010)는 시트(13)를 시트(11)에 체결하기 위해 도 31에 도시된 체결구(1810)와 같은 방식으로 사용될 수 있다.
도 34는 도 33의 체결구(2010)와 유사하지만, 예를 들어 스틸로 제조된 층(2110S)과 예를 들어 알루미늄으로 제조된 층(2110A) 사이에 배치되는 예를 들어 티타늄으로 제조된 추가 층(2110T)을 갖는 3-층 체결구(2110)를 도시한다. 체결구(2110)는 도 31의 체결구(1810) 및 도 33의 체결구(2010)와 유사한 방식으로 사용될 수 있지만, 추가 층(2110T)은 층(2110A, 2110S) 사이의 확산을 방지하기 위해 사용될 수 있으며 따라서 도 32에 도시된 중간 층(1910M)을 갖는 체결구(1910)와 유사한 방식으로 고온 적용에 유용할 수 있다.
도 35는 기계적으로 인터로크된 부분(2210A, 2210S)을 갖는 체결구(2210)를 도시한다. 기계적 인터로킹은 연신, 단조, 업셋 또는 굴곡에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 부분(2210A)에는 주위 리세스(2210AR)가 형성될 수 있으며 부분(2210S)에는 내측으로 연장되는 주위 립(lip)(2210SL)이 형성될 수 있다. 부분(2210A)은 이후 주위 리세스(2210AR)와 주위 립(2210SL)이 인터로크되도록 부분(2210S) 내로 강요될 수 있다. 이것은 또한 붕괴되어 부분(2210S)을 부분(2210A) 주위로 압축하여 인터로킹 관계를 생성하는 단조 다이에 의해 달성될 수 있다. 제 1 양태에서, 2210S 및 2210A의 재료는 상이한 알루미늄 합금(1xxx 내지 6xxx, 4xxx 내지 6xxx, 4xxx 내지 Al-Li) 또는 상이한 재료(스틸과 알루미늄, 알루미늄과 마그네슘, 알루미늄과 티타늄 등)일 수 있다. 체결구(2210)는 전극 팁(2215)에 대해 배치된 것으로 도시되어 있으며, 도 31에 도시된 체결구(1810)와 유사하게 사용될 수 있다.
도 36은 체결구(2310)의 캡(2312) 및 스템(2314)에 가까운 부분(2310S) 주위에 배치된 보호 슬리브(2310T)를 갖는 체결구(2310)를 도시한다. 보호 슬리브(2310T)는 체결구(2310)와 관통되는 시트 사이에 부식 방지를 제공할 수 있다. 예를 들어, 부분(2310S)이 스틸이고 도 6 및 도 7에 도시하듯이 스틸 시트(13)에 대한 용접을 위해 저항 가열에 의해 알루미늄 시트(11)를 통과하는 경우에, 코팅(2310T)은 티타늄, 스테인리스 스틸 또는 저온 분사된 알루미늄일 수 있다. 슬리브(2310T)는 도 37에 도시하듯이[슬리브(2410A)를 도시] 저온 분사 코팅, 플라즈마 분사 코팅 등에 의해 도포되는 부분(2310S)에 기계적으로 인터로크될 수 있다. 보호 슬리브(2310T)는 세라믹과 같은 낮은 열 또는 전기 전도율을 갖는 재료로 제조되거나 금속으로 제조될 수 있다. 이 양태에서, 낮은 (열적/전기적) 전도성 재료는 열 및 전류를 체결구(2310)의 단부(2316)를 통해서 집중시킬 것이며, 보호 슬리브(2310T)가 존재하지 않는 경우보다 낮은 전류가 층(13)에 대한 용접을 달성할 수 있게 만들 것이다. 층(13)에 용접된 후, 예를 들어 알루미늄 층(11)을 스틸 층(13)에 체결하기 위해(도 6 및 도 7 참조), 보호 슬리브(2310)는 스틸로 제조될 수 있는 부분(2310S)을 그것이 통과하는 알루미늄 층(11)으로부터 격리시키도록 기능할 수 있으며, 이종 금속 사이의 접촉 및 아연도금 효과로 인한 부식을 방지할 수 있다.
도 37은 도 36에 도시된 체결구(2310)와 유사한 방식으로 부분(2410S) 상에 배치된 보호 슬리브(2410A)를 갖는 체결구(2410)를 도시한다. 보호 슬리브(2410A)는 이 슬리브(2410A)를 림(2416R)과 캡 부분(2412) 사이에 포획시키는 림(2416R)에 의해 체결구(2410) 상에 유지된다. 림(2416R)은 예비 형성될 수 있으며, 슬리브(2410A)는 림(2416R) 위에서 슬립되고 이후 다이에 의해 압축될 수 있으며, 또는 슬리브(2410A)는 샤프트(2414) 상에서 슬립되고 이후 예를 들어 업셋/단조에 의해 림(2416R)이 형성될 수 있다. 체결구(2310)와 같이, 체결구(2410)는 개선된 내식성 및 열 전달을 나타낼 수 있으며, 예를 들어 알루미늄의 제 1 시트 또는 부재(11)를 예를 들어 스틸의 제 2 시트 또는 부재(13)에 결합시키기 위해(도 6 및 도 7 참조) 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 림(2416R)은 체결구가 중간 층(11)(도 6 및 도 7 참조)을 통해서 푸시될 때 리딩 요소이고, 스틸로 형성될 수 있기 때문에, 이는 슬리브(2410A)를 수용하기에 충분히 큰 중간 층(11)을 통해서 개구를 형성할 것이며, 따라서 슬리브 자체는 중간 층(11)에 개구를 형성하는데 있어서 역할을 할 필요가 없고 따라서 체결구(2410)가 개재 층(11)을 통해서 가압될 때 샤프트(2414) 상의 뒤틀림 또는 느슨해짐으로부터 보호된다.
도 38은 중실 샤프트(2514)를 갖는 "반중실" 체결구(2510)를 도시한다. 캡(2512)은 전극(2515)의 전극 연장부(2515E)를 교합적으로 수용하는 전극 오목부(2512D)를 갖는다. 이 구조는 전극(2515) 마모를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 전극 오목부(2512D)와 전극 연장부(2515E)는 각각 4-8 mm 직경에 근사하고 1 mm 내지 4 mm의 깊이를 갖는다. 샤프트(2514)가 중실이기 때문에, 이는 도 1 및 도 2에 도시된 체결구(10)의 샤프트(14)와 같이 얇은 벽 샤프트로서 붕괴될 수 없다. 중간 층(11)(예를 들어 알루미늄으로 제조됨)을 층(13)(예를 들어 스틸로 제조됨)에 도달하도록 관통시켜 용접시킬 때(도 6 및 도 7 참조), 체결구(2510)의 샤프트(2514)는 보다 짧으며 붕괴될 필요가 없다. 그 결과, 체결구(2515)는 층(13)에 더 빨리 도달한다. 이것은 전류가 전극(2515) 및 체결구(2510)를 통해서 흐르는 시간을 단축시키고, 전극 부식을 감소시키며, 공정의 생산성을 향상시킨다. 전극 연장부(2515E)와 전극 오목부(2512D) 사이의 접촉 면적은 매끄러운 교합면의 면적에 비해서 전기 접촉 면적을 증가시키며, 전기 저항을 감소시키며, 체결구(2510)의 배치 중에 체결구(2510)와 전극(2515)의 상대 위치를 보존하는 기계적 결합을 제공한다.
도 39는 중실 샤프트(2614)를 갖는 "중실" 체결구(2610)를 도시한다. 캡(2612)은 예를 들어 1 내지 6 인치(2.54 내지 15.24 cm)의 일정한 반경을 갖는 상부 전극 수용면(2612S)을 가지며, 이는 유사한 반경을 갖는 종래의 방사형 스폿 용접 전극(2615)의 사용을 가능하게 한다. 이 관계는 특수 전극 설계 및 드레싱 설비에 대한 필요성을 감소시키고 또한 전극 마모를 감소시킨다. 캡(2612)은 삽입 과정 중에 샤프트(2614)가 이를 통해서 푸시되는 시트(11)(도 6 및 도 7 참조) 쪽으로 붕괴할 수 있도록 적합할 수 있으며, 캡(2612)은 완전히 삽입될 때 시트(11)에 대해 편평해진다. 작은 팁 요소(2616T)가 체결구(2610)의 단부(2616)로부터 연장될 수 있으며, 이는 천공될 시트(11)의 가열/연화를 개시하고 시트(13)에 대한 용접을 개시하는데 도움이 되도록 전류 및 가열을 집중시키기 위해 사용될 수 있다.
도 40은 체결구(2610)와 유사하지만, 방사형 표면(2712S)으로부터 상향 연장되는 전극 정렬 돌출부(2712P)를 갖는 중실 체결구(2710)를 도시한다. 돌출부(2712P)는 전극(2715)의 교합 리세스(2715R) 내에 수용될 수 있다. 교합 돌출부(2712P)와 리세스(2715R)는 [도 6 및 도 7에 도시하듯이 시트(13)에 용접되기 위해 시트(11)를 통해서] 삽입 및 용접 공정 중에 체결구(2710)를 전극(2715)과 정렬된 상태로 유지시키는데 도움을 줄 수 있다. 돌출부(2712P)의 반경은 예를 들어 3/16"(4.76 mm) 내지 1/4"(6.35 mm)일 수 있다. 리세스(2715R)는 고유한 전극 형태를 요구하지만, 이는 종래의 전극 드레싱 장비에 적합하다.
도 41은 한 쌍의 대향 체결구(2810A, 2810B)가 예를 들어 저항 가열 및 압력에 의해 층(11A, 11B)(알루미늄 시트와 같은)을 각각 관통하고 예를 들어 스틸로 제조된 중심 층(13)에 용접되는 조인트(2800J)를 도시한다. 이 구조를 달성하기 위해, 체결구(2810A, 2810B)는 알루미늄 시트(11A, 11B)를 통해서 동시에(단일 작업으로) 삽입될 수 있고 스틸 층(13)에 용접될 수 있다. 대안적으로, 체결구(2810A, 2810B)는 순차적으로 삽입 및 용접될 수 있다.
도 42는 연장된 파지 범위를 갖는 체결구(2910)의 횡단면도이다. 캡(2912)은 샤프트(2914)에 필적하는 정도로 하향 연장된다. 절연 재료의 링(2912l)은 링(2912l)의 하부 에지가 단부(2916)와 대략 동일한 공간에 걸쳐있도록 캡(2912)의 말단부에 부착된다. 사용 시에, 체결구(2910)는 예를 들어 알루미늄으로 제조된 시트(11)의 표면 상에 배치될 수 있고, 이후 시트(11)를 관통하여 예를 들어 스틸로 제조된 기저 시트(13)에 용접되기 위해 도 6 및 도 7과 관련하여 전술한 저항 용접기에 의한 전기 저항에 의해 가열될 수 있다. 링(2912l)이 절연체이기 때문에, 전류는 단부(2916)를 통해서만 이동한다. 단부(2912)가 시트(11)를 통해서 가압됨에 따라, 링(2912l)은 단부(2016)가 시트를 통과할 때 시트(11)에 대해 충합된다. 따라서, 캡(2912l)은 링(2912l)이 시트(11)에 대해 충합되는 동안 단부(2916)가 시트(13)에 도달하여 용접될 수 있게 하는데 필요한 정도로 굴곡된다. 그 결과, 샤프트(2914)는 다양한 두께의 시트(11)를 관통할 수 있으며 [그 링(2912l)은] 시트(11)에 대해 여전히 가압하여 이를 시트(13)와 접촉하도록 압박할 것이다.
도 43 및 도 44는 예를 들어 스틸로 제조된 제 2 패널(13)에 대해 배치되는, 예를 들어 알루미늄 합금으로 제조된 제 1 패널(11)을 도시한다. 제 1 패널(11)은 패널(13)의 에지(13E)를 포위하는 J-형상(11J)을 형성하도록 굴곡된다. 패널(11)은 패널(11)의 하나의 두께(11T)를 통과하고 3010W에서 스틸 패널(13)에 용접되어 조인트(3000J)를 형성하는 체결구(3010)에 의해 J-형상(11J) 및 에지(13E) 근처에서 패널(13)에 적층된다. 도시하듯이, 용접(3010W)은 패널(11)의 잔여부(11R)를 방해하지 않으며, 따라서 조인트(3000J)는 패널의 잔여부(11R)에서 매끄러운 표면 외관을 요구하는 자동차 보디와 같은 용도에 적합하다. 도 44a에 도시하듯이, 전극(3015, 3017)은 동일한 방향에서 접근할 수 있으며, 전극(3015)은 체결구(3010)에 대해 가압하고 전극(3017)은 스틸 패널(13)과 접촉한다. 저항 가열이 시트(11)를 연화시킴에 따라, 체결구(3010)는 시트(11)를 통해서 가압되고 시트(13)에 용접된다. 도 44b에 도시하듯이, 시트(13)의 에지(13E)를 따라서 "가장자리"(3010H)를 형성하기 위해 다수의 체결구(3010)가 사용될 수 있으며, J-형상(11J)은 에지(13E) 주위에 래핑된다. 둘러싸인 조인트(3010H)는 시트(11, 13)를 함께 유지하는데 도움을 주기 위해 접착제를 채용할 수 있다.
도 45는 체결구(3110)에 의해 예를 들어 스틸의 층(13)에 결합되는 예를 들어 알루미늄의 한 쌍의 시트(11A, 11B)를 도시한다. 체결구(3110)는 3110W에서 스틸 시트(13)에 접촉하고 이어서 용접되어 조인트(3100J)를 형성하기 전에 예를 들어 전기 저항 용접에 의해 알루미늄 시트(11A, 11B)를 관통하였다. 조인트(3100J)에서, 예를 들어 스틸일 수 있는 체결구(3110)에서 방출되는 관통 및 용접으로부터의 열은 체결구(3130) 근처에서 알루미늄 시트(11A, 11B)를 국소적으로 용융시키고, 시트(11A, 11B) 사이에 용접부(3110W2)를 생성하며, 이 용접부는 체결구(3110)를 부분적으로 또는 전적으로 둘러싼다. 용접부(3110W2)는 알루미늄 시트(11A, 11B)를 통합시키고 조인트(3100J)를 강화시킨다. 알루미늄 시트(11A, 11B)는 동일하거나 상이한 두께일 수 있다. 하나의 또는 전체 시트 계면 사이에는 접착제가 존재할 수 있다.
도 46은 예를 들어 스틸로 제조된 두 개의 대향 체결구(3210A, 3210B)에 의해, 예를 들어 알루미늄으로 제조된 두 장의 시트(11A, 11B)를 결합시키는 조인트(3200J)를 도시한다. 체결구(3210A, 3210B)는 도 10에 도시된 실시예와 유사한 방식으로 한 쌍의 대향 용접 전극에 의해 양쪽으로부터 동시에 설치될 수 있다. 체결구(3210A, 3210B)는 저항 가열에 의해 함께 압박되고, 알루미늄 시트(11A, 11B)를 관통하며, 이후 상호 용접되어 용접부(3210W)를 형성한다. 도 45에 도시된 실시예와 관련하여 전술했듯이, 시트(11A, 11B)를 통과하는데 있어서, 스틸 체결구(3210A, 3210B)는 그것에 인접한 알루미늄 시트(11A, 11B)를 국소적으로 가열하여 용접부(3210W2)를 생성하며 이 용접부는 체결구(3210A, 3210B) 사이에서 용접부(3210W)를 부분적으로 또는 전적으로 포위한다. 도 46은 대칭 조인트(3200J)를 초래하는 동일한 두께의 시트(11A, 11B)를 도시하지만, 후술하듯이 공정은 상이한 게이지의 시트(11A, 11B)에 대해 작용할 것이다. 다른 대안에서는, 상이한 작동 리치(reach)(샤프트 길이)를 갖는 두 개의 상이한 체결구(3210A, 3210B)가 채용될 수 있으며, 더 두꺼운 길이를 갖는 시트에는 더 큰 길이가 적용되고 반대의 경우도 마찬가지이다.
도 47은 예를 들어 스틸로 제조된 두 개의 대향 체결구(3310A, 3310B)에 의해, 예를 들어 알루미늄으로 제조된 두 장의 시트(11A, 11B)를 결합시키는 조인트(3300J)를 도시한다. 체결구(3310A, 3310B)는 도 10에 도시된 실시예와 유사한 방식으로 한 쌍의 대향 용접 전극에 의해 양쪽으로부터 동시에 설치될 수 있다. 체결구(3310A, 3310B)는 저항 가열에 의해 함께 압박되고, 알루미늄 시트(11A, 11B)를 관통하며, 이후 상호 용접되어 용접부(3310W)를 형성한다. 도 45 및 도 46에 도시된 실시예와 관련하여 전술했듯이, 시트(11A, 11B)를 통과하는데 있어서, 스틸 체결구(3310A, 3310B)는 그것에 인접한 알루미늄 시트(11A, 11B)를 국소적으로 가열하여 용접부(3310W2)를 생성하며 이 용접부는 체결구(3310A, 3310B) 사이에서 용접부(3310W)를 부분적으로 또는 전적으로 포위한다. 도 47은 비대칭 조인트(3300J)를 초래하는, 동일하지 않은 두께의 시트(11A, 11B)를 도시한다. 도시하듯이 체결구(3310A, 3310B)는 시트(11A, 11B) 사이의 계면(3311I)에 존재하지 않는 용접부(3310W)를 초래하는 동일한 작동 리치(샤프트 길이)를 갖는다. 조인트(3300J)의 양태는 조인트가 향상된 기계적 성능을 갖도록 조인트(3300J)를 통한 하중 경로가 여러 방향(동일 축에 있지 않음)을 따르는 것이다. 전술했듯이, 조인트(3300J)는, 예를 들어 계면(3311I)에 도포되는 접착제를 갖거나 갖지 않고 채용될 수 있다. 알루미늄 시트(11A, 11B) 사이의 용접 지역(3310W2)은 용접 공정 중에 채용되는 용접 스케줄을 선택함으로써 선택적으로 더 크게 또는 더 작게 만들어질 수 있다. 알루미늄 용접 지역(3310W2)을 확장시키고 조인트(3300J)의 전체 성능을 증가시키기 위해 추가 가열 사이클이 추가될 수 있다.
도 48은 예를 들어 스틸로 제조된 두 개의 대향 체결구(3410A, 3410B)에 의해, 예를 들어 알루미늄으로 제조된 세 장의 시트(11A, 11B, 11C)를 결합시키는 조인트(3400J)를 도시한다. 체결구(3410A, 3410B)는 도 10에 도시된 실시예와 유사한 방식으로 한 쌍의 대향 용접 전극에 의해 양쪽으로부터 동시에 설치될 수 있다. 체결구(3410A, 3410B)는 저항 가열에 의해 함께 압박되고, 알루미늄 시트(11A, 11B, 11C)를 관통하며, 이후 상호 용접되어 용접부(3410W)를 형성한다. 도 45 내지 도 47에 도시된 실시예와 관련하여 전술했듯이, 시트(11A, 11B, 11C)를 통과하는데 있어서, 스틸 체결구(3410A, 3410B)는 그것에 인접한 알루미늄 시트(11A, 11B, 11C)를 국소적으로 가열하여 용접부(3410W2)를 생성하며 이 용접부는 체결구(3410A, 3410B) 사이에서 용접부(3410W)를 부분적으로 또는 전적으로 포위한다. 도 48은 대칭 조인트(3400J)를 초래하는 대략 동일한 두께의 시트(11A, 11B, 11C)를 도시한다. 도시하듯이 체결구(3410A, 3410B)는 동일한 작동 리치(샤프트 길이)를 가지며, 따라서 용접부(3410W)를 형성하도록 접합될 때, 이들 체결구는 시트(11B)의 대략 중간에 있으며, 이는 시트(11A, 11B, 11C) 사이의 계면(3411I1, 3411I2)에 존재하지 않고 따라서 향상된 기계적 성능을 갖는 용접부(3410W)를 초래한다. 전술했듯이, 조인트(3400J)는, 예를 들어 계면(3411I, 3411I2)에 도포되는 접착제를 갖거나 갖지 않고 채용될 수 있다. 알루미늄 시트(11A, 11B, 11C) 사이의 용접 지역(3410W2)은 용접 공정 중에 채용되는 용접 스케줄을 선택함으로써 선택적으로 더 크게 또는 더 작게 만들어질 수 있다. 알루미늄 용접 지역(3410W2)을 확장시키고 조인트(3400J)의 전체 성능을 증가시키기 위해 추가 가열 사이클이 추가될 수 있다. 시트(11A, 11B, 11C)는 동일하거나 변경되는 두께 및 합금 형태의 것일 수 있다. 체결구(3410A, 3410B)는 알루미늄 시트(11A, 11B, 11C) 적층체의 중심에서 또는 접합 성능을 최대화하고 하중 경로를 연장시킬 다른 위치에서 만나도록 설계될 수 있다.
도 49는 그 횡단면을 도시하도록 절단된 조인트(3500J)의 사진이다. 조인트(3500J)는 체결구(3510)와 0.9 mm의 아연도금된 스틸의 스틸 시트(13) 사이에서 1.0 mm의 C710-T4 알루미늄 합금의 두 개의 알루미늄 시트(11A, 11B)를 결합시킨다. 체결구(3510)는 G1A 리벳이다. 용접 지역(3510W2)은 체결구(3510) 근처에서의 시트(11A, 11B)의 병합을 도시한다. 용접은 파일럿 구멍이 없는 시트(11A, 11B)에 대해 이루어졌다. 조인트(3500J)는 8kA @ 400 msec 예비가열 플러스 16kA @ 100 msec 용접 펄스, 800 lb(363 kg)의 용접 입력에 의해 생성되었다. 샘플은 횡단면을 위해 절단되는 동안 다소 뒤틀렸다.
도 50은 그 횡단면을 도시하도록 절단된 조인트(3600J)의 사진이다. 조인트(3600J)는 두 개의 체결구(3610A, 3610B) 사이에서 1.6 mm의 7075-T6 알루미늄 합금의 두 개의 알루미늄 시트(11A, 11B)를 결합시킨다. 체결구(3610A, 3610B)는 G1A 리벳이다. 용접 지역(3610W2)은 체결구(3610A, 3610B) 근처에서의 시트(11A, 11B)의 병합을 도시한다. 용접은 파일럿 구멍이 없는 시트(11A, 11B)에 대해 이루어졌다. 조인트(3500J)는 8kA @ 400 msec 예비가열 플러스 12kA @ 300 msec 용접 펄스, 800 lb(363 kg)의 용접 입력에 의해 생성되었다.
도 51은 표준 형태를 갖는 팁(3715T)을 갖는 전극(3715)을 도시한다. 전극 팁(3715T)은 교합 테이퍼진 표면(3715TS1, 3715TS2)을 통해서 전극 샤프트(3715S) 내에 삽입되어 유지된다. 팁(3715T)은 약 8 mm의 반경(R)을 갖는 리벳팅 표면(3715RS)을 갖는다. 전극(3715)은 팁(3715T)의 리벳팅 표면(371RS)의 곡률 반경에 근사한 곡률 반경(R1)을 가질 수 있는 오목한 표면(3712S)을 갖는 넓은 캡(3712) 및 짧은 중실 샤프트(3714)를 갖는 체결구(3710)와 접촉 상태로 도시되어 있다. 체결구(3710)는 예를 들어 알루미늄으로 제조된 적층된 시트(11)와 예를 들어 스틸로 제조된 시트(13) 상에 배치된다. "반중실" 체결구(3710)는 표준 전극 반경을 수용한다. 전극(3715)은 보통 산업에서 사용되며 우수한 전극 마모 및 드레싱 능력을 제공한다. 특히 대량 생산에서는 전극 배향의 수직으로부터의 일탈이 자주 발생한다. 방사형 접촉면(3712CS)은 전극이 수직에 대해 작은 경사도를 갖게 할 수 있으며 체결구(3710)를 구동 및 용접하도록 여전히 기능하게 할 수 있다. 매우 두꺼운 관통 필요(4 mm 이상)를 위해서 샤프트(3714)와 체결구(3710)는 예를 들어 도 1 내지 도 11에 도시된 다른 체결구 설계에 비해서 매우 두꺼울 것이며, 여기에서 예를 들어 15, 115, 215와 같은 전극은 예를 들어 10, 110, 210과 같은 체결구 내로 비교적 깊이 관통한다. 체결구(3710)는 캐리어 웨브 또는 테이프 또는 전극 접촉 이전에 체결구를 적소에 유지하기 위한 일부 다른 수단에 의해 용접 전극(3715)에 공급될 수 있으며, 이는 체결구를 접합될 피가공물에 대해 가압한다.
도 52는 "병코" 형태를 갖는 전극 팁(3815T)을 도시한다. 도 51에 도시하듯이, 전극 팁(3815T)은 3715S와 같은 전극 샤프트 내에 삽입되어 유지될 것이다. 팁(3815T)은 약 4 mm의 반경(R)을 갖는 리벳팅 표면(3815RS)을 갖는다. 전극 팁(3815T)은 예를 들어 1.5 mm보다 큰 길이를 갖는 짧은 중실 샤프트(3814)를 갖는 체결구(3810)와 접촉 상태로 도시되어 있다. 체결구(3810)는 팁(3815T)의 리벳팅 표면(3815RS)의 곡률 반경에 근사한 곡률 반경을 가질 수 있는 오목한 표면(3812CS)을 갖는 넓은 캡(3812)을 갖는다. 체결구의 높이는 전체적으로 대략 4 mm 내지 5 mm이다. 체결구(3810)는 예를 들어 알루미늄으로 제조된 시트(11)와 예를 들어 스틸로 제조된 시트(13) 상에 배치된다. "반중실" 체결구(3810)는 "병코" 팁(3815T)을 수용한다. 전술했듯이, 전극 배향의 수직으로부터의 일탈이 자주 발생하며 방사형 접촉면(3812CS)은 전극이 수직에 대해 작은 경사도를 갖게 할 수 있으며 체결구(3810)를 구동 및 용접하도록 여전히 기능하게 할 수 있다. 표면(3815RS)의 작은 반경은 용접 전극으로부터 각도적으로 오프셋되어 기능하기 위한 증가된 가요성 및 체결구(3810) 내부에서의 더 큰 전극 관통을 제공하며, 이는 시트-대-시트 스폿 용접을 보다 밀접하게 닮아있다. 또한 이 타입의 팁 형태는 광범위한 체결구 샤프트 길이와 협력할 것인데 그 이유는 4 mm 이상의 두께를 갖는 시트(11, 13)를 용접할 때 매우 두꺼운 베이스가 요구되지 않기 때문이다. 전극 팁(3815T)의 작은 반경 "코(nose)"는 접촉면(3812CS) 상의 반경과 밀착 매치되는 표면(3815RS)을 가질 것이다. 표면(3815RS)에서 전극 팁(3815T)의 외벽(3815OW)으로의 전이는 도 52 내지 도 55에 도시하듯이(도 52는 이중 곡선을 도시함) 큰 반경, 경사 직벽 또는 이중 곡선을 구비하는 다양한 형상을 사용하여 이루어질 수 있다. 전극 팁(3815T)은 우수한 전극 마모 및 전극 드레싱과 같은, 도 51에 도시된 표준 전극의 장점을 유지한다.
도 53은 팁(3815T)의 병코 형상이 예를 들어 3910과 같은 다양한 체결구 및 적층 두께를 수용할 수 있고, 전극 팁(3815T)이 동일한 전극 도구에 의해 광범위한 적층 두께를 처리할 수 있게 만드는 것을 도시한다.
도 54는 전극 마모를 감소시킬 수 있는 다른 형태의 병코 전극 팁(4015T)을 도시한다. 리벳팅 표면(4015RS)의 반경(R)은 도 52 및 도 53에 도시된 것보다 작은 반경을 갖는 바, 즉 4 mm에 대해 3 mm의 반경을 갖는다. 일반적으로, 리벳팅 표면(4015RS)의 반경은 2 mm보다 크지만 8 mm보다 작아야 하며, 3 mm 내지 6 mm인 것이 바람직하다. 도 54에서, 체결구 접촉면(4010CS)은 리벳팅 표면(4015RS)보다 약간 큰 4 mm의 반경을 갖는다. 리벳팅 표면(4015RS)은 외벽(4015OW)에 대해 예를 들어 45도 각도로 배치된 직벽(4015TW)을 거쳐서 외벽(4015OW)으로 전이한다. 전극 팁(4015T)은 체결구(4010)의 그것에 대해 전극 팁(4015T)의 배향 및 위치 상의 각도적 및 x, y 오프셋에도 불구하고 작동성을 나타낸다. 일부 실시예에서, 접촉면(4010CS)의 반경은 리벳팅 표면(4015RS)의 반경보다 약간 큰 것이 바람직하며, 접촉면(4010CS)은 3 mm 내지 12 mm 또는 4 mm 내지 8 mm일 수 있다.
도 55는 전극 마모를 감소시킬 수 있는 전극 팁(4115T)을 도시한다. 리벳팅 표면(4115RS)의 반경(R)은 3 mm 내지 8 mm일 수 있다. 리벳팅 표면(4115RS)은 예를 들어 50 mm 내지 150 mm의 큰 반경을 갖는 곡선 벽(4115TW)을 거쳐서 외벽(4115OW)으로 전이된다. 이 형태는 개선된 열전달 및 냉각을 제공한다.
도 56은 체결구(4010)와 오정렬된 배향에서의, 예를 들어 시트(11, 13)에 수직한 배향으로부터 30 도까지의 각도 오프셋에서의, 도 54와 관련하여 전술한 병코 전극 팁(4015T)을 도시한다. 병코 팁(4015T)은 30 도 이상까지의 각도 오정렬을 수용할 것이며, 실행 가능한 전기적 및 기계적 접촉을 여전히 제공할 것이다. 체결구(4010)가 약간 더 큰 반경(R)을 가지면, 이는 전극 팁(4015T)을 갖는 스폿 용접 장치가 체결구(4010)를 시트(11)를 통해서 푸시하고 그렇지 않으면 이상적인 생산 피트업으로부터의 변동을 수용하는 능력을 향상시킬 것이다. 각도 오정렬을 조정하는 능력은 통상적으로 큰 평탄면의 전극을 채용하는 투영 타입 용접 공정에게 새로우며, 전통적인 전기 저항 용접으로부터 현재 개시된 기술의 다른 상당한 발전을 제공한다.
도 57은 복합 체결구(4250, 4260, 4270)를 도시하며, 각각의 체결구는 다수의 부품(4250A, 4250B, 4260A, 4260B, 4270A, 4270B)을 각각 갖는다. 도시되어 있듯이, 부품(4250A, 4260A, 4270A)은 전술한 체결구(10, 110, 210, 310 등) 중 임의의 것과 같은 체결구일 수 있다. 부품(4250B, 4260B, 4270B)은 체결구 부품(425OA, 4260A, 4270A)에 압입되거나 접착되는 재료 시트의 형태일 수 있다. 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)는 폴리머, 수지, 접착제(a, b 이상) 또는 금속(a, b, c)을 포함하는 재료로 조성될 수 있다. 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)는 전술한 전기 저항 가열 및 용접을 통해서 체결구(4250, 4260) 등을 적용하는 과정 중에 체결구(4250) 등을 예를 들어 도 4 내지 도 7의 시트와 같은 체결될 재료에 대해 위치시키기 위한 운송 또는 유지 기구로서 작용하는 큰 웨브와 일체일 수 있고 그로부터 절단 가능할 수 있다. 부품(4250B, 4260B, 4270B)은 체결구(4250A, 4260A, 4270A)에 의해 형성된 조인트에 포획 유지되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)는 체결구에 의해 형성된 조인트를 부식으로부터 밀봉 보호하기 위한 플라스틱/폴리머 밀봉재일 수 있다.
시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)가 금속제이고 예를 들어 운송/위치설정 기구로서 채용되는 테이프 또는 웨브와 같은 큰 구조물과 일체형이면, 테이프 또는 웨브에 대한 부착은 관련 체결구(4250A, 4260A, 4270A)가 사용될 때 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)가 큰 구조물에서 분리될 수 있게 하는 천공된 연결 또는 깨지기 쉬운 연결에 의해 이루어질 수 있다. 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)는 갈바닉 부식 전위를 감소시키거나 및/또는 체결구(4250A, 4260A, 4270A)와 그것이 접촉할 수 있는 예를 들어 시트(11, 13)와 같은 모든 표면 사이의 접합 본드를 연장시키기 위해 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄 브레이징 합금, 고순도 알루미늄 등과 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 브레이징 합금이 채용되면, 이는 접촉면을 따라서 개선된 습윤을 제공하고 개선된 접합 성능을 제공하기 위해 예비플럭스될 수 있다. 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)는 대응 체결구(4250A, 4260A, 4270A)와 예를 들어 억지 끼워맞춤과 같은 기계적 방식으로 또는 표면 인력이나 접착제 사용을 통한 접착과 같은 다른 수단에 의해 연관될 수 있다. 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)의 조성 및 기능은 도 36 및 도 37의 슬리브(2310T 및/또는 2410A)와 동일하거나 유사할 수 있다. 체결구(4250A, 4260A, 4270A) 및 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)는 체결 작업을 수행하기 전에 조립될 수 있으며, 체결 작업의 요건 및 목적에 기초하여 체결구(4250A, 4260A, 4270A)와 시트 부재(4250B, 4260B, 4270B)의 다른 조합이 선택될 수 있다.
도 58은 본 발명의 실시예에 따른, 용접 전극의 팁(4315T)과 예를 들어 저항 용접에 의해 체결구(4310)와 함께 체결될 시트(11, 13)와 같은 피가공물 사이에 체결구(4310)를 로딩하기 위한 매체(4382) 및 피딩(feeding) 기구(4380)를 도시한다. 체결구(4310)는 피딩 기구(4380)의 좌측(L) 및 우측(R) 코일 사이에서 연장되는 벨트 또는 테이프 형태일 수 있는 매체(4382)에 의해 장착 및 운반된다. 매체는 가이드 롤에 의해 또는 활송 장치(chute)나 안내면(4380S1, 4380S2)과 같은 다른 형태의 가이드에 의해 프레임(4380F)을 통해서 안내될 수 있으며, 따라서 매체에 의해 운반되는 체결구(4310)는 전극 팁(4315T)과 시트(11) 사이에 주기적으로 제공된다. 전극 팁은 전기 저항 가열 및 용접에 의해 본 발명에서 전술한 관통/용접 작업을 수행하기 위해 주기적으로 상승 및 하강된다. 피딩 기구(4380)는 또한 시트(11)에 대해 상하로 이동할 수 있다. 매체(4382)는 체결구(4310)가 시트(11, 13)에 적용될 때 부분적으로 또는 전적으로 소비될 수 있다. 대안적으로, 매체(4382)의 나머지 부분(4382R)은 도포된 체결구(4310)를 지나서 이동할 수 있으며 폐기 또는 재사용을 위해 권선(wind-up) 롤 또는 기타 권취(take-up) 기구에 의해 권취될 수 있다. 도 57과 관련하여 전술했듯이, 매체(4382)는 체결구(4310)에 의해 형성된 조인트에 유익하게 기여하도록 선택될 수 있으며, 예를 들어 매체(4382)는 밀봉재 또는 부식 감소 필름, 접착제 또는 브레이징 매체일 수 있다. 체결구(4310)를 수용하기 위한 개구(4382O)를 갖는 두 가지 형태의 매체(4382A, 4382B).
본 발명의 체결구(10, 110, 210 등) 및 체결 방법의 양태는 이하의 것을 포함한다. 체결구를 적용하기 위한 공정은 예를 들어 11, 13과 같은 재료의 층 및 체결구(10, 110) 등이 용접 중에 압축 유지되고 열 영향 지역은 예를 들어 12와 같은 캡 아래에 포획되기 때문에 낮은 부품 비틀림과 연관된다. 캡(12)은 용접 작업에 의해 변위되는 용융된 금속, 금속간 화합물 등을 수용하고 가두기 위한 리세스를 형성하기 위해 굴곡되거나 예비-형성된 리세스를 가질 수 있다. 예를 들어 10, 110 등과 같은 주어진 체결구가 관통 및 용접 국면 중에 변형, 예를 들어 용융 및 붕괴될 수 있기 때문에, 이는 체결될 예를 들어 11, 13과 같은 시트의 광범위한 두께를 취급할 수 있다. 체결구 관통 및 용접 중에, 체결구(10, 110 등)가 용접 지역을 따라서 붕괴 및 팽창함에 따라, 금속간 화합물은 용접 지역으로부터 변위된다. 체결구(10, 110 등)[즉, 그 캡(12)]가 전극(15, 115, 215 등)의 영향 하에 예를 들어 11과 같은 상부 시트에 대해 압축할 때, 이는 캡(12)이 상부 시트(11)에 대해 밀봉하는 상태에서 정지될 것이다. 체결구(10, 110 등)는 시트(11, 13) 사이에 도포되는 접착제를 통해서 적용될 수 있다. 체결구(10, 110, 210 등)는 제 2 시트(13)의 일 측면에 용접 또는 브레이징되기 때문에, 시트(13)의 다른 측면은 천공되지 않고 수밀하게 유지된다. 본 발명의 용접 공정은 예를 들어 자동차 제조에 사용되는 스틸 시트 저항 용접을 위해 개발된 종래의 RSW 장비에 적합하다.
체결구(10, 110, 210 등)는 상이한 스틸 등급(저탄소, 고강도, 초고강도, 스테인리스), 티타늄, 알루미늄, 마그네슘 및 구리와 같은 다양한 재료로 제조될 수 있으며 내식성을 향상시키기 위해 코팅(아연도금, 갈바닐, 용융-도금, 알루미늄화)될 수 있다. 체결구(10, 110, 210 등)는 편면 또는 양면 액세스 용접 기술을 거쳐서 도포될 수 있다. 하나의 접근법에서는, 파일럿 구멍이 전혀 사용되지 않으며 체결구는 저항 가열에 의해 연화되는 제 1 층(11)을 천공한다. 다른 접근법에서는, 알루미늄, 플라스틱일 수 있는 상부 시트(11)에 파일럿 구멍이 제공될 수 있거나, 알루미늄 샤프트 단부(16)를 갖는 체결구의 경우에 제 1 시트는 스틸, 티타늄, 또는 구리 및 제 2 시트 알루미늄일 수 있다. 체결구가 제 1 시트의 파일럿 구멍을 통해서 삽입되는 경우에, 제 1 시트는 도전성일 필요가 없으며 제 2 시트보다 낮은 융점을 가질 필요가 없다(체결구는 전기 저항 가열에 의해 제 1 시트를 관통하지 않기 때문에). 품질 보장 측정은 예를 들어 용접의 치수, 예를 들어 깊이, 체적 등을 검사하기 위해 체결구를 제 2 시트에 고정하는 용접의 파괴적 분리로부터 남겨진 공동에 대해 이루어질 수 있다. 초음파 NDE 기술은 체결구가 용접 품질을 모니터링하기 위해 용접되는 시트의 반대 쪽에 사용될 수 있다.
본 발명의 체결구(10, 110, 210 등)를 적용하기 위해 사용되는 장비는 FDS(EJOTS), SPR, SFJ보다 훨씬 작은 풋프린트를 가지며, 이는 보다 타이트한 공간에 대한 접근을 가능하게 한다. 본 발명의 체결구를 구동하기 위해 사용되는 삽입력은 SPR에 사용되는 것보다 낮은데, 그 이유는 알루미늄 시트(11)가 가열되거나 개구형성되어, 체결구 삽입을 촉진하고, SPR 작업 중에 균열에 민감한 고강도 알루미늄을 접합하는 능력을 향상시키기 때문이다. 본 발명의 접근법은 또한 고강도 및 초고강도 스틸에 대한 접합을 촉진하는데 그 이유는 체결구로 스틸 금속을 천공할 필요가 없고 대신에 체결구가 시트 금속에 용접되기 때문이다. 본 발명의 방법은 체결구의 회전을 요구하지 않거나 또는 피가공물이 부품 피트업을 촉진하는데, 그 이유는 접합될 부품이 고정구라는 측면에서 공정이 종래의 RSW와 유사하기 때문이다. 체결구(10, 110)는 종래의 RSW의 처리 속도에 근사한 처리 속도에서 적용될 수 있으며 공정은 단조 및 주조된 알루미늄에 대해 사용될 수 있다. 알루미늄 대 스틸 용접이 회피되기 때문에, 2원 금속(bimetallic) 용접과 연관된 낮은 접합 강도 또한 회피된다. 본 발명의 공정은 알루미늄과 스틸 및 기타 금속의 다중 시트, 예를 들면 두 개의 알루미늄 층과 하나의 스틸 층; 하나의 알루미늄 층과 두 개의 스틸 층; 또는 하나의 알루미늄 층, 하나의 마그네슘 층 및 하나의 스틸 층이 체결될 수 있게 한다.
체결구(10, 110, 210 등)의 적용 중에, 체결구에 의해 관통되는 제 1 시트(11) 또는 시트(11A, 11B)는 또한 용융되어 함께 용접될 수 있으며, 용접 지역 및 전체 조인트 강도를 증가시킬 수 있다. 체결구는 친화적 시트(13)에 용접하기 위한 다양한 재료로 제조될 수 있고 다층 형성될 수 있으며, 따라서 체결구는 부식 방지 및 용접에 적합한 조합인 기계적 및 갈바닉 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 체결구는 알루미늄 제 2 시트(13)에의 용접에 호환가능한 알루미늄 단부를 갖고 제조될 수 있지만, 그 기계적 특성을 향상시키기 위해 스틸, 티타늄 또는 구리 층을 가질 수 있다. 다층 체결구는 고온 적용에 유용할 수 있으며, 다중-재료 계면에 걸친 확산을 방지하기 위해 단수 또는 다수의 재료 층을 구비할 수 있다.
시트(11)에 대한 캡(12)의 밀봉을 향상시키기 위해 필름, 접착제 또는 코팅이 체결구에 적용될 수 있거나 또는 체결구와 제 1 시트(11) 사이에 도입될 수 있다. 본 발명의 방법은 캡/시트(11) 계면을 통한 전기 전도를 회피하기 위해 절연체로 코팅될 수 있는, 샤프트의 단부 쪽으로 되말리는 역행 캡을 통합함으로써 광범위한 시트 두께를 접합하기 위해 사용될 수 있으며, 캡은 적층체 내의 상이한 두께를 수용하기 위해 가열 관통 국면 중에 굴곡된다. 본 발명은 알루미늄, 스틸, 스테인리스 스틸, 구리, 및 티타늄을 포함하는 다양한 재료로 제조된 체결구를 고려한다. 체결구는 저항 브레이징 또는 솔더링과 같은 저항 용접 및 저가열 공정을 활성화하기 위해 두 개 이상의 다른 형태의 알루미늄으로 구성될 수 있다. 본 발명의 체결구 및 방법에 의해 만들어진 조인트는 용접 과정 중에 압축 유지되는 부품으로 인해 개선된 피로 성능을 나타낼 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예는 단지 예시적인 것이며 통상의 기술자는 청구범위의 취지 및 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변경 및 수정을 수행할 수 있음을 알 것이다. 이러한 변경 및 수정 전체는 청구범위의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
Claims (39)
- 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법에 있어서,
상기 제 1 재료와 제 2 재료를 함께 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하는 단계로서, 상기 제 1 재료는 상기 제 2 재료보다 낮은 융점을 갖는, 배치하는 단계;
상기 제 2 재료에 용접될 수 있고 상기 제 1 재료보다 높은 융점을 갖는 도전성 체결구를 제 1 재료와 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하여 상기 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 도전성 스택을 형성하는 단계;
상기 스택을 형성하도록 상기 체결구를 배치하는 단계 이전에 또는 이후에, 상기 체결구와 제 1 재료 사이에 밀봉재를 도포하는 단계;
상기 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, 상기 제 1 재료를 연화시키는 저항 가열을 초래하는 단계;
상기 체결구를 연화된 제 1 재료를 통해서 제 2 재료 쪽으로 압박하는 단계;
상기 체결구가 제 2 재료와 접촉한 후에, 상기 체결구를 제 2 재료에 용접하는 단계를 포함하는
체결 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 체결구는 캡과 상기 캡으로부터 직각으로 연장되는 스템을 가지며, 상기 밀봉재는 체결구가 배치 단계 중에 배치될 제 1 재료의 표면 상에 또는 제 1 재료 근처의 캡의 적어도 하나에 도포되는 밀봉재의 비드, 링, 디스크, 밴드 또는 용착물 중 적어도 하나의 형태인
체결 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 밀봉재는 접착제, 폴리머, 브레이징 재료 또는 솔더 중 적어도 하나인
체결 방법. - 제 1 항에 있어서,
저항 가열 단계 중에 밀봉재를 유동 가능하게 만드는 단계를 추가로 포함하며, 상기 밀봉재는 용접 단계가 완료된 후 캡과 제 1 재료 사이의 계면의 적어도 일부에 합치되어 이를 커버하는
체결 방법. - 제 1 항에 있어서,
체결구 배치 단계는 체결구를 캐리어 웨브 내에 유지하고 제 1 재료 위의 웨브와 체결구를 선택된 위치로 이동시키는 단계를 포함하며, 용접 단계 이후에 체결구로부터 웨브를 분리하는 단계를 추가로 포함하는
체결 방법. - 제 5 항에 있어서,
압박 단계 중에 및 분리 단계 이전에 웨브의 일부가 체결구와 제 1 재료 사이에 포획되는
체결 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 웨브의 포획된 부분은 밀봉재인
체결 방법. - 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 체결구에 있어서,
캡, 상기 캡으로부터 연장되고 상기 캡에서 먼 단부를 갖는 샤프트를 포함하며,
상기 체결구는, 전기적으로 접촉하여 배치되는 제 1 및 제 2 도전성 재료를 구비하는 스택 내에 배치되고 스택을 가로질러 인가되는 전위를 받을 때, 스택을 통과하는 전류를 전도할 수 있으며, 전류는 캡에서 먼 단부에서 제 2 재료에 대한 저항 가열 및 용접을 초래하고, 상기 제 1 재료는 단부가 제 2 재료에 용접된 후에 캡과 제 2 재료 사이에 포획되며, 상기 체결구는 다수의 층을 갖고, 제 1 층은 제 1 조성을 가지며 제 2 층은 제 1 조성과 다른 제 2 조성을 갖는
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 층은 스틸이고 상기 제 2 층은 알루미늄인
체결구. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 재료는 스틸이고 상기 제 2 재료는 알루미늄이며, 상기 제 2 층은 알루미늄 제 2 재료가 제 1 재료 내의 개구를 통해서 연장되고 전기 저항 용접을 받은 후에 알루미늄 제 2 재료에 접촉 및 접합되는
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 층은 캡의 하측을 포함하는 체결구의 전체 하면, 샤프트의 외측면 및 체결구의 샤프트의 단부의 외측면을 따라서 존재하는 하층인
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 층은 캡에서 먼 샤프트 단부의 하면을 따라서 존재하는 하층인
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 층은 캡의 하면과 샤프트의 외측면을 따라서 존재하지만 캡에서 먼 샤프트 단부 상에 존재하지 않는 하층인
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 샤프트의 단부는 제 2 층이 충합하는 주위 레지를 갖는
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 층은 제 2 재료에의 용접에 호환가능하며 상기 제 2 층은 제 1 재료에의 용접에 호환가능한
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 층은 스틸이고, 상기 제 1 재료는 알루미늄이며, 상기 제 2 재료는 스틸이고, 상기 제 2 층은 티타늄, 스테인리스 스틸 및 저온 분사된 알루미늄에서 선택되는
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 층은 제 2 재료에의 용접에 호환가능하며 상기 제 2 층은 제 1 층이 제 2 재료와 전기 접촉하기 위해 이를 통해서 연장되는 전기 절연체인
체결구. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 2 층은 세라믹과 폴리머에서 선택되는
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 다수의 층은 상기 다수의 층 중 두 개의 층 사이에 배치되는 확산 배리어를 구비하고, 상기 두 개의 층은 이종 금속이며, 제 1 층은 상층이고 제 2 층은 확산 배리어에 대해 하층인
체결구. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 층은 스틸, 티타늄 및 구리 중 적어도 하나이고, 상기 제 2 층은 알루미늄이며, 상기 확산 배리어는 고순도 알루미늄, 티타늄 또는 아연 중 적어도 하나인
체결구. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 층은 체결구의 단부에 결합되는
체결구. - 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 체결구에 있어서,
캡, 상기 캡으로부터 연장되고 상기 캡에서 먼 단부를 갖는 샤프트를 포함하며,
상기 체결구는, 전기적으로 접촉하여 배치되는 제 1 및 제 2 도전성 재료를 구비하는 스택 내에 배치되고 스택을 가로질러 인가되는 전위를 받을 때, 스택을 통과하는 전류를 전도할 수 있고, 상기 제 1 재료는 제 2 재료보다 낮은 융점을 가지며, 전류는 캡에서 먼 단부에서 제 2 재료에 대한 저항 가열 및 용접을 초래하고, 상기 제 1 재료는 단부가 제 2 재료에 용접된 후에 캡과 제 2 재료 사이에 포획되며, 상기 샤프트는 캡과 상기 캡에서 먼 단부 사이에서 중실 단면을 갖는
체결구. - 제 22 항에 있어서,
상기 캡에는 용접 전극의 표면으로부터 연장되는 돌출부를 수용할 수 있는 오목부가 구비되고, 전극 팁과 캡 사이의 접촉 표면적은 팁과 제 2 재료의 접촉 표면적을 초과하는
체결구. - 제 22 항에 있어서,
상기 캡에는 용접 전극 팁으로부터 돌출하는 방사형 표면을 수용할 수 있는 방사형 오목부가 구비되는
체결구. - 제 22 항에 있어서,
상기 캡은 캡의 표면으로부터 연장되어 용접 전극 팁의 표면의 오목부에 수용될 수 있는 돌출부를 갖는
체결구. - 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 체결구에 있어서,
캡, 상기 캡으로부터 연장되고 상기 캡에서 먼 단부를 갖는 샤프트를 포함하며,
상기 체결구는, 전기적으로 접촉하여 배치되는 제 1 및 제 2 도전성 재료를 구비하는 스택 내에 배치되고 스택을 가로질러 인가되는 전위를 받을 때, 스택을 통과하는 전류를 전도할 수 있고, 전류는 캡에서 먼 단부에서 제 2 재료에 대한 저항 가열 및 용접을 초래하고, 상기 제 1 재료는 단부가 제 2 재료에 용접된 후에 캡과 제 2 재료 사이에 포획되며, 상기 캡은 그 외주가 단부와 대략 동일한 공간에 걸쳐있도록 샤프트의 단부 쪽으로 다시 만곡되고, 캡의 외주에 부착되는 전기 절연체를 추가로 포함하며, 상기 절연체는 전류가 단부를 통해서 흐르는 전류와 평행하게 외주를 통해서 흐르는 것을 방지할 수 있고, 상기 캡은 제 1 재료를 통한 단부의 통과를 수용하기 위해 굴곡될 수 있으며 절연체가 제 1 재료의 표면에 대해 충합하는 동안 제 2 재료에 용접될 수 있는
체결구. - 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료의 다수의 인접한 층을 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법에 있어서,
상기 제 1 재료와 제 2 재료를 함께 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하는 단계로서, 상기 제 1 재료는 상기 제 2 재료보다 낮은 융점을 갖는, 배치하는 단계;
상기 제 2 재료에 용접될 수 있고 상기 제 1 재료보다 높은 융점을 갖는 도전성 체결구를 제 1 재료와 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 배치하여 상기 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 도전성 스택을 형성하는 단계;
상기 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, 상기 제 1 재료를 연화시키는 저항 가열을 초래하는 단계;
상기 체결구를 제 1 재료의 연화된 다수의 층을 통해서 제 2 재료 쪽으로 압박하는 단계;
상기 체결구가 제 2 재료와 접촉한 후에, 상기 체결구를 제 2 재료에 용접하는 단계로서, 상기 제 1 재료의 다수의 층은 체결구가 통과하는 장소 근처에서 상호 용접되는, 용접하는 단계를 포함하는
체결 방법. - 제 27 항에 있어서,
상기 제 2 재료는 제 2 체결구이며, 상기 제 1 재료의 다수의 층은 제 1 체결구와 제 2 체결구 중 적어도 하나의 근처에서 함께 용접되는
체결 방법. - 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 도전성 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법에 있어서,
상기 제 1 재료를 J-형 단면을 갖는 구조로 굴곡시키는 단계;
상기 제 1 및 제 2 재료가 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 제 2 재료를 J-형상의 곡선에 삽입하는 단계로서, 상기 제 1 재료는 상기 제 2 재료보다 낮은 융점을 갖는, 삽입하는 단계;
상기 제 2 재료에 용접될 수 있고 상기 제 1 재료보다 높은 융점을 갖는 도전성 체결구를 제 1 재료와 물리적 및 전기적으로 접촉하도록 J 형상의 짧은 쪽에 대해 배치하여 상기 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 도전성 스택을 형성하는 단계;
상기 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, J 형상의 짧은 쪽에서 제 1 재료를 연화시키는 저항 가열을 초래하는 단계;
상기 체결구를 연화된 제 1 재료를 통해서 제 2 재료 쪽으로 압박하는 단계;
상기 체결구가 제 2 재료와 접촉한 후에 상기 체결구를 제 2 재료에 용접하는 단계를 포함하는
체결 방법. - 제 29 항에 있어서,
상기 체결구는 J 형상의 짧은 쪽을 통해서 삽입되고 J 형상의 다른 쪽에서 제 1 재료의 외표면을 방해하지 않으면서 제 2 재료에 용접되는
체결 방법. - 제 29 항에 있어서,
상기 방법은 가장자리를 형성하는 다수의 체결구에 대해 반복되는
체결 방법. - 저항 용접 체결구를 적용하기 위한 전기 저항 용접 전극용 팁에 있어서,
상기 팁은 용접 전극 근처의 대직경 부분과 전극에서 먼 소직경 부분을 갖는 병코 형상을 가지며, 상기 소직경 부분은 용접 중에 체결구와 접촉하기 위한 방사형 단부를 갖는
전기 저항 용접 전극용 팁. - 제 32 항에 있어서,
상기 대직경 부분의 외벽에 대해 경사져 배치되는 직벽 형태인, 소직경 부분으로부터 대직경 부분으로의 전이부가 제공되는
전기 저항 용접 전극용 팁. - 제 32 항에 있어서,
이중 곡선 형태인, 소직경 부분으로부터 대직경 부분으로의 전이부가 제공되는
전기 저항 용접 전극용 팁. - 제 32 항에 있어서,
방사형 단부의 반경의 두 배 이상의 반경을 갖는 표면 형태인, 소직경 부분으로부터 대직경 부분으로의 전이부가 제공되는
전기 저항 용접 전극용 팁. - 전기 저항 용접을 사용하여 제 1 재료를 제 2 도전성 재료에 체결하기 위한 방법에 있어서,
상기 제 1 재료에 개구를 제공하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 재료를 함께 물리적으로 접촉하도록 배치하는 단계;
상기 제 1 재료의 개구보다 큰 캡과 상기 개구를 통과할 수 있는 적어도 일부를 갖는 샤프트를 가지며 상기 제 2 재료에 용접될 수 있는 도전성 체결구를 제공하는 단계;
상기 체결구의 샤프트를 제 1 재료의 개구를 통해서 제 2 재료와 전기적으로 접촉하도록 배치하여 상기 체결구, 제 1 재료 및 제 2 재료를 포함하는 스택을 형성하는 단계;
상기 스택을 가로질러 전위를 인가하여, 전류가 스택을 통해서 흐르도록 유도하며, 상기 체결구 및 제 2 재료를 연화시키는 저항 가열을 초래하는 단계;
상기 체결구를 제 2 재료에 용접하고 상기 제 1 재료를 캡과 제 2 재료 사이에 포획시키는 단계를 포함하는
체결 방법. - 제 36 항에 있어서,
상기 제 1 재료는 전기적으로 비도전성인
체결 방법. - 제 36 항에 있어서,
상기 제 1 재료는 플라스틱인
체결 방법. - 제 36 항에 있어서,
상기 제 1 재료는 세라믹인
체결 방법.
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