(57)【要約】  要素を一緒に接合する方法であって、要素を互いに対して位置決めするステップと、レーザを使用してこの要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分の成形性を高めるステップと、機械的締結方法を使用してこの要素を一緒に接合するステップとを含む方法。
2009538738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
要素を一緒に接合する方法であって、
前記要素を互いに対して位置決めするステップと、
レーザを使用して前記要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分の成形性を高めるステップと、
機械的締結方法を使用して前記要素を一緒に接合するステップとを含むことを特徴とする要素接合方法。
【請求項２】
前記機械的締結方法が前記要素のうちの少なくとも１つの前記一部分に近接して行われることを特徴とする請求項１記載の要素接合方法。
【請求項３】
前記レーザのパワー出力が１００ワットから５０００ワットの間であることを特徴とする請求項１又は２記載の要素接合方法。
【請求項４】
前記レーザのパワー出力が１００ワットから２５００ワットの間であることを特徴とする請求項１又は２記載の要素接合方法。
【請求項５】
前記要素の成形性を適切に高めるのにかかる時間が３．５秒未満であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項６】
前記要素の成形性を適切に高めるとともに、前記機械的締結方法を使用して前記要素を一緒に接合するのにかかる時間が１０秒未満であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項７】
前記要素の成形性が、前記一部分の温度を前記要素の溶融点（固相線）の８０％まで上昇させることによって適切に高められることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項８】
前記方法が、前記レーザのエネルギの吸収を高めるように前記（複数の）要素の前記一部分の表面を下処理するステップも含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項９】
前記表面を下処理する前記ステップが、前記表面を粗くするステップを含むことを特徴とする請求項８記載の要素接合方法。
【請求項１０】
前記表面を下処理する前記ステップが、前記表面を清掃するステップを含むことを特徴とする請求項８又は９記載の要素接合方法。
【請求項１１】
前記表面を下処理する前記ステップが、前記表面に光吸収被覆を塗布するステップを含むことを特徴とする請求項８乃至１０のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項１２】
前記方法が、前記成形性を高める前記ステップに先立ち、接合する予定の前記要素のうちの少なくとも２つの間に接着材料を塗布するステップも含むことを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項１３】
前記方法が、互いに対するそれらの位置に前記要素をクランプするステップも含むことを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項１４】
クランプする前記ステップを、機械的工具を使用して前記要素を一緒に接合するステップに先立って行うことを特徴とする請求項１３記載の要素接合方法。
【請求項１５】
クランプする前記ステップを、前記機械的締結方法を使用して前記要素を一緒に接合するステップと同時に行うことを特徴とする請求項１３又は１４記載の要素接合方法。
【請求項１６】
クランプする前記ステップを、前記機械的締結方法を使用して前記要素を一緒に接合するステップの後で行うことを特徴とする請求項１３乃至１５のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項１７】
前記機械的締結方法が、クリンチング式またはプレス接合プロセスであることを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項１８】
前記機械的締結方法が、機械的締結具を使用するステップを含むことを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項１９】
前記機械的締結具が自己穿孔型リベットであることを特徴とする請求項１８記載の要素接合方法。
【請求項２０】
前記要素を一緒に接合する前記ステップが、前記要素内に、かつ／または前記要素を貫通して前記リベットを駆動するためのリベットガンの形態である機械的締結工具によって作用させられる自己穿孔型リベット締結プロセスであることを特徴とする請求項１９記載の要素接合方法。
【請求項２１】
前記機械的工具がダイも備えることを特徴とする請求項１９記載の要素接合方法。
【請求項２２】
前記方法が、前記レーザを使用して前記ダイを加熱するステップを含むことを特徴とする請求項２１記載の要素接合方法。
【請求項２３】
前記機械的締結具がボルト、ナット、ネジまたはスタッドであることを特徴とする請求項１８記載の要素接合方法。
【請求項２４】
前記方法が、前記要素を一緒に接合する前記ステップに先立って前記機械的締結具を加熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１８乃至２３のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項２５】
前記機械的締結具が前記レーザを使用して加熱されることを特徴とする請求項２４記載の要素接合方法。
【請求項２６】
前記機械的締結方法が、前記要素の一部分を機械的締結具に変形させるように、機械的工具を使用して前記要素の前記一部分を変形させるステップを含むことを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項２７】
前記方法が、接合線に沿った複数の個別の位置で前記要素を一緒に接合するステップを繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至２６のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項２８】
前記方法が、前記要素のうちの少なくとも１つの複数の個別の部分の成形性を高めるステップを繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項２７記載の要素接合方法。
【請求項２９】
前記方法が、前記複数の部分のいくつかまたは全ての成形性を同時に高めるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２８記載の要素接合方法。
【請求項３０】
前記方法が、前記要素のうちの少なくとも１つの複数の部分の成形性を高めるために、単一のレーザビームを分割するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至２９のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項３１】
前記レーザのパワー出力がレーザビーム分割当たり１００〜５０００ワットであることを特徴とする請求項３０記載の要素接合方法。
【請求項３２】
前記レーザのパワー出力がレーザビーム分割当たり１００〜２５００ワットであることを特徴とする請求項３０記載の要素接合方法。
【請求項３３】
前記レーザのビームが、前記機械的締結方法を実施するために機械的工具が前記要素に作用する側と反対側に投射されることを特徴とする請求項１乃至３２のうちいずれか一項に記載の要素接合方法。
【請求項３４】
要素を一緒に接合するための装置であって、前記要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分にレーザビーム投射を供給するためのレーザビーム発生器と、前記要素を一緒に接合するための機械的締結具に作用させるための機械的締結工具とを備えることを特徴とする要素接合装置。
【請求項３５】
前記機械的締結工具が、機械的締結具に作用するためのリベットガンを備えることを特徴とする請求項３４記載の要素接合装置。
【請求項３６】
前記機械的締結工具が、前記要素の一部分を前記要素の噛み合わされる変形に変形させるためのパンチを備えることを特徴とする請求項３４記載の要素接合装置。
【請求項３７】
前記機械的締結工具がダイも備えることを特徴とする請求項３５又は３６記載の要素接合装置。
【請求項３８】
前記ダイが、外形が平らなくぼみを備えることを特徴とする請求項３７記載の要素接合装置。
【請求項３９】
前記ダイが、接合されている前記要素の流れを前記ダイの中心から離れるように促すような形状にされたくぼみを備えることを特徴とする請求項３７記載の要素接合装置。
【請求項４０】
前記ダイが、外形が円錐形状のくぼみを備えることを特徴とする請求項３７又は３９記載の要素接合装置。
【請求項４１】
前記ダイが、平らなプレートを備えることを特徴とする請求項３７記載の要素接合装置。
【請求項４２】
前記ダイが、ノンスティック被覆を備えることを特徴とする請求項３７乃至４１のうちいずれか一項に記載の要素接合装置。
【請求項４３】
前記ダイが、耐熱被覆を備えることを特徴とする請求項３７乃至４２のうちいずれか一項に記載の要素接合装置。
【請求項４４】
前記ダイが、耐酸化被覆を備えることを特徴とする請求項３７乃至４３のうちいずれか一項に記載の要素接合装置。
【請求項４５】
前記装置が、前記要素を互いに対してそれらの位置にクランプするためのクランピング工具も備えることを特徴とする請求項３４乃至４４のうちいずれか一項に記載の要素接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、要素、より詳しくは金属要素を一緒に接合するための方法に関する。本発明は、また、要素を一緒に接合するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
両方が強くかつ十分な審美的魅力のある金属シートの間に接合部を形成することは、多くの産業、特に自動車産業に対して継続的な課題である。重大な問題点が残る接合の１つの領域は、２つの異なる金属シート間に接合部を作るときである。
大量生産で金属シートを接合するのに広く使用される１つの技術は、スポット溶接または突合せ溶接であり、それらはレーザの使用を伴うこともでき、伴わないこともできる。レーザ溶接は、異なる厚さのシートを接合するのに特に適しており、結果として高速で作り出される、整ったかつ狭い接合部になる。しかしながら、レーザ溶接には多数の問題点が存在する。そのような問題点の１つは、（少なくともいくらかの溶融を伴うどのような技術とも同様に）マグネシウム合金をアルミニウム合金に接合するためにそのような技術を使用するときであり、レーザ溶接は結果として溶接部の周りに硬くかつ脆い金属間相の形成を生じさせる。さらに、そのような技術は、高圧ダイカストプロセスによって形成されるマグネシウム合金に対しては、そのような鋳造物内に捕捉されたガスのために、特には適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この問題点は、レーザ溶接を使用するときマグネシウムに特有なものではない。例えば鋼の場合、レーザ溶接接合部周りのマルテンサイトなどの硬い相の形成は、ステンレス鋼または非ステンレス鋼の延性を損なう。アルミニウム／鋼要素間の接合部の場合は、金属間Ｆｅ−Ａｌ相が、界面のところに層を形成するように成長する。受け入れ可能な機械的特性のＦｅ−Ａｌ接合部を作り出すために、この金属間層の厚さは１０μｍ未満でなければならず、したがって、適切な温度〜時間サイクルを必要とする。
【０００４】
レーザ溶接をするとき、構成部品のうちの少なくとも１つは溶融する。アルミニウムの鋼へのレーザ溶接は、より低い溶融点の合金のみが融解を行うロウ付けプロセスと似ている。他方では、マグネシウムとアルミニウムのレーザ溶接は両方の金属の溶融に繋がり、したがって化学元素の相互拡散を防止することができない。これは結果として、満足な接合部を形成するために最小限にしなければならない、例えばβ−Ｍｇ１７（Ａｌ、Ｚｎ）１２などの金属間相の形成になる。
【０００５】
接合部を形成するための代替の１つの技術は、それが固体状態接合プロセスであり、それによって２つの材料がプローブの作用の下で可塑化されるので、接合されている異種金属および（捕捉されたガスを有する）高圧ダイカストに対しより耐性のある摩擦攪拌接合（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｓｔｉｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ）（ＦＳＷ）である。したがって、摩擦攪拌接合されるとき、金属は溶融しない。しかしながら、このプロセスの低速、プロセスを適用できる部品形状が限られること、および多量の動力および摩擦およびクランプのための特殊な治工具を必要とする可能性のある強い力の必要性を含む、摩擦攪拌接合に伴う多数の問題点が存在する。さらに、マグネシウムをアルミニウムに接合するために摩擦攪拌接合を使用するとき、応力下で割れる可能性のあるＡｌ３Ｍｇ２およびＡｌ１２Ｍｇ１７相が溶接部の周りに形成されることを示唆する証拠が存在する。
【０００６】
上記の方法に対する１つの代替として、所望されない金属化合物の形成なしで異種金属を接合し、かつ高圧ダイカストで捕捉されたガスに関連する課題を避けるために、冷間接合技術を使用することができる。そのような技術の１つは、追加の重量、正確な位置合わせの必要性、（特に金属がマグネシウムまたはマグネシウム合金である場合）ボルトと金属部品間のフレッティングおよび摩耗、およびボルトを設けることの増加する材料コストを含む、多数のそれ自体の問題点を有するボルト接合である。
【０００７】
１つの代替の冷間接合技術は、適度に成形性のある異種金属を接合するのに特に適している自己穿孔型リベット締結（ｓｅｌｆ−ｐｉｅｒｃｉｎｇ  ｒｅｖｅｔｉｎｇ）（ＳＰＲ）の技術である。自己穿孔型リベット締結の利点は、電解腐食を最小限にできることである。しかしながら、例えばＳＰＲプロセスを使用してアルミニウム合金とマグネシウム合金を接合するとき、マグネシウムが接合部の底部（ダイ）側にあるとき重大な問題点が生じ、そこではマグネシウムを変形させる高引張り歪が、マグネシウムの室温での乏しい延性の故に、マグネシウムに割れを生じさせる傾向にある。
【０００８】
マグネシウムを予熱することによってこの問題点を克服するための試みが行われてきている。この一例は、ドイツ国特許第１９６３０４８８号に記載され、そこではＳＰＲ接合部を形成する際に誘導加熱がマグネシウムを予熱するために使用される。しかしながら、高電力の必要性、長いサイクル時間、および嵩張ってかつ適応させるのに困難である、治工具製作に特有の困難性を含む、このプロセスに伴う多数の問題点が存在する。これらの問題点が、この技術の経済的な実現性を減少させている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、要素を一緒に接合する方法が提供され、この要素接合方法は、
要素を互いに対して位置決めするステップと、
レーザを使用して要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分の成形性を高めるステップと、
機械的締結方法を使用して要素を一緒に接合するステップとを含む。
【００１０】
要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分の成形性を高めることは、例えば、延性、加工性、可塑性、流動性（硬化挙動）、降伏曲面または異方性などの、その部分の任意の１つまたは複数の物理的特性を高めることを含むことができることを理解されたい。
一実施形態では、この機械的締結方法は、この要素のうちの少なくとも１つのその部分に近接して、好ましくはこの要素のうちの少なくとも１つのその部分のところで行われる。
【００１１】
この機械的締結方法は、任意の適した方法であることができる。
一実施形態では、機械的締結方法は機械的締結具を使用することを含む。
しかしながら他の実施形態では、機械的締結方法は、クリンチング式プロセスまたはプレス接合プロセスである。
この要素は、どのような具体的な物品にも限られず、接合を必要とする任意の物品であることができる。具体的な用途ではこの要素は材料のシートである場合があるが、要素のうちのいくつかまたは全ては材料のシートでなく、例えばスタッド、枠組み、バーまたは他の構造部材であることができる。
【００１２】
一実施形態では、レーザはこの部分上に投射されるレーザビームを発生させる。
このレーザビームは、少なくとも１つの要素のどちら側にも投射できるが、機械的工具が機械的締結方法を実施するために要素上に作用する側と反対側、すなわちダイ側に投射できるのが好ましい。
レーザビームは一般に、この部分を加熱することによってこの部分の成形性を高める。
【００１３】
この部分の成形性を高めるステップは、要素を互いに対して位置決めするステップに先立って起きることも、起きないこともできる。
この方法は、レーザを使用して要素のいくらかのまたは全ての部分の成形性を高めるステップを含むことができる。
別の実施形態では、要素のうちの１つの一部分のみの成形性が高められる。
【００１４】
一実施形態では、要素のうちの１つのみの一部分の成形性が成形性において高められるべき場合は、成形性が高められる要素は、室温で最も成形性の低い材料の要素、または機械的締結方法を使用して一緒にそれらを接合するステップ中でより大きな歪に曝されるであろう要素である。
レーザは、適切な持続時間、エネルギおよび周波数のパルスレーザまたは断続レーザであることができる。
【００１５】
別の実施形態では、このレーザは一定のビームを生じさせる連続レーザである。この連続レーザは、任意の適切な機械的、電気的または他の型式の装置によって、パルスレーザまたは断続レーザに変換することができる。
一実施形態では、レーザを使用して成形性の高められる部分のサイズ、形状およびエネルギ分布は、１つまたは複数のレーザパワー、レーザスポットサイズ、レーザパルス長または周波数を変更することによって変更し、したがって最適化することができる。
【００１６】
一実施形態では、このレーザビームの形状は円盤またはリング（環状）形状であることができる。レーザビームの形状は、より高い機械的歪が加えられる予定のところにより高い温度を得ることができるように、部分の表面のところの温度分布または部分内の温度勾配を改変するために使用することができる。
通常は、より強力なレーザがより短い時間で要素の温度をより高く上昇させるであろう。
【００１７】
一実施形態では、特にマグネシウム要素の成形性を高めるために、このレーザパワー出力は１００ワットから５０００ワット、好ましくは１００ワットから２５００ワットの間である。このレーザパワー出力は、１５ｍｍより薄い、好ましくは１０ｍｍより薄い、好ましくは７ｍｍより薄い、より好ましくは６．６ｍｍより薄い合計厚さを有する要素に特に適している。
【００１８】
要素の成形性を適切に高めるために必要とされるレーザパワー出力またはかけられる時間は、他の要因の中でも、一緒に接合されている要素の数、要素の合計厚さ、合金、要素のサイズおよび要素の縁部からのその部分の距離のためにより高くすることができる。必要とされるレーザパワー出力は、一度にレーザによって成形性が高められている部分の数によっても変わる。前述の必要なパワーは一般に、高められている部分当たりの（すなわち、単一の部分当たりの）必要なパワーであると考えることができる。
【００１９】
一実施形態では、要素の成形性を適切に高めるためにかけられる時間は、３．５秒未満である。これは「レーザ滞留時間（ｌａｓｅｒ  ｄｗｅｌｌ  ｔｉｍｅ）」と呼ぶことができる。
一実施形態では、成形性を適切に高めかつ機械的締結方法を使用して要素を一緒に接合するためにかけられる時間は、１０秒未満であり、好ましくは５秒未満である。この時間は「総サイクル時間（ｔｏｔａｌ  ｃｙｃｌｅ  ｔｉｍｅ）」と呼ぶことができる。この時間は要素を互いに対して位置決めするためにかかる時間を含まないことに留意する。
【００２０】
要素の成形性は、その部分の温度をこの要素の溶融点（固相線）の８０％まで上昇させることによって適切に高めることができる。この温度は、合金種類および熱処理、ならびに必要とされる変形の度合、分布および速度に対する要素の温度に応じて、マグネシウム合金に対して１００〜３５０℃であることができる。
一実施形態では、この方法はレーザ光学装置を使用して要素のうちの少なくとも１つの上にレーザビームを反射させるステップをさらに含む。
【００２１】
一実施形態では、このレーザ光学装置は光学ヘッドおよび／またはミラーを備える。
一実施形態では、レーザを使用して成形性が高められる部分のサイズ、形状および温度分布は、このレーザ光学装置の構成部品を変更することによって変更、したがって最適化することができる。
通常、要素のうちの少なくとも１つのより小さな部分上に投射される、より焦点化されるレーザビームは、要素の温度をより短い時間でより高く上昇させる。
【００２２】
このレーザは、ダイオードレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、またはＣＯ２レーザまたは任意の他の適切なレーザであることができる。
一実施形態では、この方法は、レーザエネルギの吸収を高めるために要素のその部分の表面を下処理するステップも含む。
一実施形態では、この表面を下処理するステップは、例えばサンドブラスティングまたは酸洗し、すすぎかつ乾燥させることによって表面を清浄化するステップを含む。
【００２３】
別の実施形態では、この表面を下処理するステップは、例えばガラス玉ブラスティング（ｇｌａｓｓ  ｂｅａｄ  ｂｌａｓｔｉｎｇ）によって表面を粗くするステップを含む。
別の実施形態では、この表面を下処理するステップは、表面に光吸収被覆を塗布するステップを含む。
この吸収被覆は、グラファイト、黒色炭素（ｂｌａｃｋ  ｃａｒｂｏｎ）、Ａｅｒｏ５０４（Ｊａｐａｎ  Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）または任意の他の適切な吸収剤の被覆である。
【００２４】
一実施形態では、この吸収被覆は、腐食防止被覆としても機能する被覆であることができる。そのような被覆の一例はｅ−コーティング（ｅ−ｃｏａｔｉｎｇ）である。
一実施形態ではこの方法は、成形性を高めるステップに先立って接合する予定の要素の少なくとも２つの間に接着材料を塗布するステップも含む。
この実施形態では、レーザを使用して要素のうちの少なくとも１つのその部分の成形性を高めるに際して、この接着材料は加熱され、それがこの接着材料を硬化させかつ／または固化させる。
【００２５】
一実施形態では、この接着材料は要素間の接合部に追加の接着をもたらす。
一実施形態では、この機械的締結方法は、要素上に作用する機械的締結工具を使用するステップを含む。
一実施形態では、この機械的締結工具は、機械的締結具に作用することによって要素上に作用する。
【００２６】
一実施形態では、この機械的締結具は、要素のうちの少なくとも１つのその部分内に、かつ／または部分を貫通して要素を一緒に接合させる。
一実施形態では、この機械的締結具は要素を変形させる。
一実施形態では、この機械的締結具は自己穿孔型リベットである。この自己穿孔型リベットは、中実または半中空リベットであることができる。
【００２７】
他の実施形態では、この機械的締結具は、例えばボルト、ナット、ネジまたはスタッドである。
一実施形態では、要素を一緒に接合するステップは、要素内にかつ／または要素を貫通してリベットを駆動するためのリベットガンの形態の機械的締結工具によって自己穿孔型リベットが作用させられる、自己穿孔型リベット締結プロセスである。この実施形態では、この機械的工具はダイも備えることができる。
【００２８】
別の実施形態では、この機械的締結具はプラスチックリベットである。
別の実施形態では、この機械的締結方法は、機械的工具を使用して要素の一部分を変形させるステップを含む。
この実施形態では、機械的工具で要素のその部分を変形させるステップは、要素のその部分を機械的締結具に形成するステップを含む。
【００２９】
この実施形態での機械的締結具は、要素の噛み合わされた変形部である。
この実施形態での機械的工具は、パンチを備える。この機械的工具は、ダイも備えることができる。
この実施形態では、接合するステップは、機械的工具がパンチとダイの形態であり、接合するステップが、要素を一緒に接合する機械的締結具を形成するように、要素の一部分をダイ内に変形させるステップを含むクリンチング式プロセスであることができる。
【００３０】
別の実施形態では、この機械的締結方法はダイなしのクリンチングまたはダイなしのリベットクリンチングなどの、プレス接合プロセスである。
この方法は、要素を一緒に接合するステップに先立って、この機械的締結具を加熱するステップをさらに含むことができる。
一実施形態では、この機械的締結具はレーザを使用して加熱される。
【００３１】
レーザビームは、この機械的締結具を予熱するために機械的締結具と同軸に配置することができる。
このレーザは、要素を一緒に接合するステップの前に動作し、要素を一緒に接合するステップ中にも動作することができる。
別の実施形態では、このレーザビームは、機械的締結具と軸方向でなく配置される。
【００３２】
この方法は、要素を一緒に接合するステップに先立って機械的締結工具を加熱するステップをさらに含むことができる。
一実施形態では、この機械的締結工具はレーザを使用して加熱される。
このレーザビームは、この機械的締結工具を予熱するために機械的締結工具と同軸に配置することができる。
【００３３】
別の実施形態では、このレーザビームは、機械的締結工具と軸方向でなく配置される。
一実施形態では、この方法は、機械的締結工具のダイを加熱するステップも含む。
一実施形態では、要素を互いに対して位置決めするステップは、要素を互いの頂部上に配置するステップを含む。
一実施形態ではこの方法は、要素を互いに対しそれらの位置にクランプするステップをさらに含む。
【００３４】
一実施形態では、クランプするこのステップは、要素にかなりの圧縮力を加えるステップを含む。
一実施形態では、クランプするこのステップは、機械的締結方法を使用して要素を一緒に接合するステップに先立って起きる。
一実施形態では、クランプするこのステップは、機械的締結方法を使用して要素を一緒に接合するステップと同時に起きる。
【００３５】
一実施形態では、クランプするこのステップは、機械的締結方法を使用して要素を一緒に接合するステップの後で起きる。
一実施形態では、クランプするこのステップは、機械的締結方法を使用して要素を一緒に接合するステップに先立って、ステップと同時にまたはステップの後での任意の組み合わせで起きる。
【００３６】
一実施形態では、この方法は、接合線に沿って複数の個別の位置で要素を一緒に接合するステップを繰り返すステップをさらに含む。
一実施形態では、この方法は、要素のうちの少なくとも１つの複数の個別の部分の成形性を高めるステップを繰り返すステップをさらに含む。
一実施形態では、この複数の個別の部分は、そこで要素が一緒に接合される接合線に沿った複数の個別の位置を画成する。
【００３７】
別の実施形態では、この方法は、要素のうちの少なくとも１つの広い面積の成形性を、レーザを使用して高めるステップを含み、この広い面積は、要素がそこで一緒に接合される複数の個別の位置を包含する。
一実施形態では、単一のレーザが複数の部分の成形性を高めるために使用される。
一実施形態では、この方法は、複数の部分のうちのいくつかまたは全ての成形性を同時に高めるステップをさらに含む。
【００３８】
一実施形態では、この方法は、要素のうちの少なくとも１つの複数の部分の成形性を高めるために単一のレーザビームを分割するステップをさらに含む。この実施形態では、レーザは、ビームの分割数に応じて５０００ワットより高いパワー出力を必要とする可能性がある。したがって一実施形態では、このレーザパワー出力は、レーザビーム分割当たり１００〜５０００Ｗ、好ましくはレーザビーム分割当たり１００〜２５００Ｗである。
【００３９】
別の実施形態では、多数のレーザをいくつかのまたは全ての部分の成形性を同時に高めるために使用される。
別の実施形態ではこの方法は、複数の部分の成形性を一度に高めるために単一のレーザを使用するステップをさらに含む。
本発明の第２の態様によれば、要素を一緒に接合するための装置が提供され、この要素接合装置は、要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分にレーザビーム投射を供給するためのレーザビーム発生機器と、要素を一緒に接合するための機械的締結具に作用させるための機械的締結工具とを備える。
【００４０】
一実施形態では、このレーザ発生機器は、ダイオード、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発生機器、またはＣＯ２レーザ発生機器または任意の他の適切なレーザ発生機器である。
一実施形態では、この機械的締結工具は、機械的締結具に作用させるためのリベットガンを備える。
この機械的工具は、ダイも備えることができる。
【００４１】
このリベットガンおよびダイは、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第５，７５２，３０５号および米国特許第６，７４２，２３５号に開示されるものなどの、任意の適切なリベットガンおよびダイであることができる。
別の実施形態では、この機械的工具は、要素の一部分を要素の噛み合わされた変形に変形させるためのパンチを備える。
【００４２】
この実施形態では、この機械的工具はダイも備えることができる。
一実施形態では、このダイは外形が平らなくぼみを備える。
別の実施形態では、このダイは、接合されている要素の流れをダイの中心から離れるように促すような形状にされたくぼみを備える。
一実施形態では、このダイは形状が半トロイダルである。
【００４３】
一実施形態では、このダイは外形が円錐形状のくぼみを備える。
一実施形態では、この円錐形状のダイは、くぼみの高くされた中央部分を備える。この高くされた中央部分は、曲がっているまたは直線で縁取られている（すなわち３角形）ことができる。
一実施形態では、このダイは平面プレートである、すなわちくぼみを全く有さない。
【００４４】
一実施形態では、このダイはノンスティック被覆を有する。
別の実施形態では、このダイは耐熱被覆を有する。
一実施形態では、このダイは耐酸化被覆を有する。
一実施形態ではこの装置は、要素を互いに対してそれらの位置にクランプするためのクランプ工具も備える。
次に本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して、例示としてのみ説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
本発明の好ましい実施形態によれば、２つ以上の要素を一緒に接合するための方法が提供される。この方法では、通常、要素の部分が互いに重なり合って、要素は互いに対して位置決めされる。この要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分は、レーザを使用して成形性が高められる。注目に値すべきは、このレーザは、要素のうちの少なくとも１つの部分の成形性を要素と物理的に接触することなくその部分を加熱することによって高め、その結果この加熱を達成するために要素からある距離のところに間隔をあけて配置することができる。他の利点の中でも、これが工具の要素へのアクセス可能性を高める。
【００４６】
次いでこの要素は一緒に接合することができ、これは本発明の一実施形態では機械的締結方法を使用して起きる。これは、接合線に沿った個別の位置のところで要素間の接合線に沿って繰り返し行うことができる。このレーザは、接合線に沿った個別の位置のところで要素のうちの少なくとも１つの複数の部分の成形性を高めるために使用できるのが好ましい。このレーザビームは、これらの部分のいくつかの成形性を同時に高めるために分割することができ、またはいくつかの部分の成形性を同時に高めるために多数のレーザを使用することができ、あるいは複数の部分を単一のレーザビームで一度に高めることができる。
【００４７】
別の実施形態では、要素のうちの少なくとも１つの広い面積がレーザを使用して成形性が高められ、この広い面積は、この機械的締結方法が要素をそこで一緒に接合する複数の個別の位置を包含する。
本発明の好ましい実施形態によるこの方法は、室温でプレスし、成形しまたは接合するのに脆くまたは硬い材料のものである要素を一緒に接合するのに特に適している。具体的には、この方法は、マグネシウムおよびマグネシウム合金ならびに高強度アルミニウム合金、チタンおよびチタン合金、鋼および他の金属およびそれらの合金を含む金属に適用可能である。この方法は、この方法が要素の可塑化を伴うが溶融を伴わないので、異種材料の要素を接合するのにも特に適している。同じ理由で、本発明の好ましい実施形態による方法は、少なくとも１つが高圧ダイカスト金属である要素を一緒に接合するのにも特に適している。この金属は本方法を使用する接合に先立って、熱間または冷間圧延し、引き抜かれ、半仕上げであり、または仕上げられている（例えば、被覆されている）ことができる。
【００４８】
この要素はどのような特定の物品にも限定されず、接合を必要とする任意の物品であることができる。特定の用途でこの要素は材料のシートであることができるが、この要素のうちのいくつかまたは全ては材料のシートではなく、例えばスタッド、枠組み、バーまたは他の構造部材であることができる。
この機械的締結方法は、この要素のうちの少なくとも１つのその部分に近接して、好ましくは要素のうちの少なくとも１つのその部分で行われる。この機械的締結方法は、機械的締結具を使用する方法、またはクリンチング式プロセス、またはプレス接合プロセスなどの、任意の適切な方法であることができる。
【００４９】
このレーザビームは、図１（Ｃ）および図１（Ｄ）（ダイ側）に対して図１（Ａ）および図１（Ｂ）（リベット側）に示すように、要素のうちの１つの部分の成形性を高めるために要素のどちら側にも投射することができる。この部分の成形性を高めることは、互いに対して要素を位置決めするのに先立って起きることも、起きないこともできる。この要素のうちのいくつかまたは全ての部分をレーザビームによって高めることができ、あるいは要素のうちの１つの一部分のみ高めることもできる。要素のうちの１つのみの一部分が成形性が高められる予定の場合は、レーザビームによってそのように高められる要素は、室温で最も成形性の低い材料の要素、または機械的締結方法を使用して一緒にそれらを接合するための要素の変形中により大きな歪に曝されるであろう要素であることが好ましい。
【００５０】
レーザは、適切な持続時間、エネルギおよび周波数のパルスレーザまたは断続レーザであることができ、あるいは一定のビームを生じさせる連続レーザであることができる。連続レーザは、任意の適切な機械的、電気的または他の型式の装置によって、パルスレーザまたは断続レーザに変換することができる。レーザビームによって加熱される部分のサイズ、形状および温度分布は、レーザパワー、レーザスポットサイズ、レーザパルス長または周波数の１つまたは複数を変更することによって変更し、したがって最適化することができる。
【００５１】
レーザビームによって成形性が高められる部分のサイズ、形状および温度分布も、要素のうちの少なくとも１つの上にレーザビームを反射させるレーザ光学装置の構成部品を変更することによって変更し、したがって最適化することができる。このレーザ光学装置は（アキシコン焦点化レンズなどの）様々な光学ヘッドおよび／またはミラーを備えることができる。
【００５２】
成形性が高められる少なくとも１つの要素のその部分の形状、ならびにレーザビームの形状も、円盤またはリング（環状）形状であることができる。このレーザビームの形状は、より高い機械的歪が加えられる予定のところにより高い温度を得ることができるように、その部分の表面のところの温度分布および／またはその部分内の温度勾配を改変するためにも使用することができる。
【００５３】
少なくとも１つの要素の温度は、要素上のレーザパワー、（「レーザスポットサイズ」と呼ぶことができる）高められている部分のサイズおよびレーザ滞留時間（すなわち、要素の成形性を適切に高めるためにかかる時間）を変化させることによって変更することができる。これは、３ｍｍ厚さの高圧ダイカスト（ＨＰＤＣ）ＡＭ５０マグネシウム合金の温度が表面にスポット溶接された細い線の熱電対を使用してダイ側で測定された、図２Ａ〜図２Ｄに示されている。このレーザは２．５ｋＷ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザであった。
【００５４】
より大きな変形がダイ側で要素に加えられるので、要素のダイ側の温度がより重要である。
図２Ａおよび図２Ｂでは、レーザビームはリベット側に投射されている。ダイ側で２５０〜３００℃に到達するために、より多くのパワー密度および／またはより長い滞留時間が必要である。パワー密度は、レーザパワー出力を増加させる、かつ／またはレーザスポットサイズ（すなわち、高められている部分のサイズ）を減少させることによって増加させることができるが、これはレーザ照射される側の要素の温度を上昇させ、初期溶融に繋がる可能性がある。
【００５５】
図２Ｃおよび図２Ｄでは、レーザビームはダイ側に投射されており、それで２５０〜３００℃に到達するのに必要なパワー密度および／または滞留時間は、図２Ａおよび図２Ｂにおけるより少なく、かつ初期溶融のリスクは減少する。
図２Ｂおよび図２Ｄの両方は、レーザビームが予め設定された滞留時間の間オンにされ、次いでオフにされるときの、要素の加熱および冷却温度履歴を示す。
【００５６】
要素の表面のところの実際のレーザビームパワーは、その間のシステム損失に起因してレーザパワー出力より少ないであろうことに留意する。要素の成形性を適切に高めるために必要なレーザパワー出力およびかけられる時間は、他の要因の中でも、一緒に接合される要素の数、要素の合計厚さ、合金、要素のサイズおよび要素の縁部からのその部分の距離のために、より高くなる可能性がある。このレーザは、（存在する場合には）レーザビームの分割の数に応じて５０００ワットまたはそれより高いパワー出力も必要とする可能性があることも留意する。換言すれば、必要とされるレーザパワー出力は、一度にレーザによって成形性が高められている部分の数によっても決まる。したがって、前述の必要なパワーは一般に、レーザビーム分割当たりの、または高められる部分当たりの必要なパワーであると考えることができる。それにもかかわらず、必要なパワーは、誘導加熱補助ＳＰＲのパワーより相当に低い。
【００５７】
さらに、図２Ｂおよび図２Ｄに実証されたように、少なくとも１つの要素を本発明の好ましい実施形態による方法を使用して、３．５秒以内で（その成形性が相当に高められる）その溶融点（固相線）の８０％まで加熱することが可能である。（図２Ｂおよび図２Ｄに関連して使用されるとき）マグネシウム合金に対するこの温度は、合金種類、ならびに必要とされる変形の度合、分布に対する要素の温度の均一性に応じて、１００〜３５０℃の間であることができることに留意する。より高い温度は、より多くのリベットの噛み合わせおよびより高い強度を必要とする厚い接合部を作り出すためにより長いまたはより硬いリベットを使用するときなどの、より高い歪または増大する変形に対応することができる（図１１参照）。したがって、成形性を高め、かつこの機械的締結方法を使用して要素を接合するステップは、図３Ａに示すように１０秒未満で、好ましくは５秒未満で起きることができる。これも、加熱および接合がいっそう長くかかる誘導加熱補助ＳＰＲより優れた重要な利点をもたらす。さらに、この方法は結果として、要素の角および縁部のところでの過熱または溶融にならない。
【００５８】
この加熱温度およびこの接合方法を実施するのにかかる時間は、要素のどのような溶融も避けながら、加熱されている要素の表面温度を測定し、この測定された温度をプリセット加熱時間内の時間にわたり、レーザパワー出力を制御するために使用することによって最適化することができる。図２Ｅは、要素の成形性が適切に高められる所望の温度にできるだけ迅速に到達させ、この温度での滞留時間を延長し、かつ機械的締結具を使用して接合するためのこの部分内の温度勾配を最適化することを可能にする、このことなどの例示的な時間依存エネルギ入力を提供する。
【００５９】
例えば図１Ａから図１Ｄに示すように、このレーザビームは、要素を一緒に接合するように機械的締結具に作用する機械的締結工具と軸方向に位置合わせして、要素上に導くことができる。別の実施形態では、レーザビームは、この機械的工具に対して軸方向でなく配置することができる。このレーザビームは、要素を一緒に接合中のみならず、直前にもこの部分を加熱できるように、機械的工具と同軸であることが好ましい。さらに、レーザビームの（ダイの加熱を含む）機械的締結工具との同軸配置によって、接合中の要素から機械的締結具および工具への熱損失が最小限にされるように、使用に先立って機械的要素および工具の少なくとも部分的加熱が可能になる。
【００６０】
このレーザは、ダイオードレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、またはＣＯ２レーザまたは任意の他の適切なレーザであることができる。
この方法は、レーザエネルギの吸収を高め、したがって、加熱速度を増加させかつ／または必要なパワーを減少させるために、（例えば、ガラス玉ブラスティングを使用することによって）粗くすることによって、あるいは（例えば、サンドブラスティングによって、または酸洗し、すすぎかつ乾燥させることによって）清浄化することによって、あるいは光吸収被覆を塗布することによって、レーザビームが投射される要素のその部分の表面を下処理するステップも含むことができる。この吸収被覆は、グラファイト、黒色炭素、Ａｅｒｏ５０４（Ｊａｐａｎ  Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）または任意の他の適切な吸収剤の被覆であることができる。この吸収被覆は、軽く塗るまたは噴霧することによって塗布される。この光吸収被覆は、ｅ−コーティングなどの腐食保護被覆としても機能する被覆であることができる。
【００６１】
この方法は、加熱に先立って、接合する予定の要素のうちの少なくとも２つの間に接着材料を塗布するステップも含むことができる。レーザを使用して要素のうちの少なくとも１つのこの部分の加熱に際して、この接着材料も加熱され、それがこの接着材料を硬化させかつ／または固化させる。これが要素間の接合部に追加の接着をもたらす。
この方法は、クランプ工具を使用して互いに対するそれらの位置に要素を一緒にクランプするステップも含むことができる。クランプするこのステップは、要素に相当な圧縮力を与えるステップを含む。クランプするこのステップは、機械的接合方法を使用して要素を一緒に接合するステップに先立って、ステップと同時に、ステップの後にまたはそれらの任意の組み合わせのいずれかで起きることができる。接合するステップに先立って要素をクランプするステップは、要素に圧縮力を加えるために油圧クランプを使用するステップを含む。接合によって同時にクランプするステップのために、接合のステップが起きるとき圧縮力を加えるためにバネクランプが使用される。接合するステップに先立って、またはステップと同時に要素をクランプするステップは、接合のステップ中に要素が互いに相対的に移動しないように作用する。機械的締結方法が機械的締結具を使用するステップを含む場合に、接合するステップの後に要素をクランプするステップは、要素材料を機械的締結具の周りに押すように作用し、そのことは、その疲れ強度を増加させることによって接合部を改善する。
【００６２】
本発明の好ましい実施形態での機械的締結方法を使用して要素を一緒に接合するステップは、「自己穿孔型リベット締結」（ＳＰＲ）プロセスであり、そこでは自己穿孔型リベット（それは中実または半中空リベットであることができる）は、レーザによって成形性が高められてきた要素のその部分内にかつ／またはその部分を貫通してリベットを駆動するための、リベットガンおよびダイの形態の機械的締結工具によって作用され、それによって要素を変形させる。高められる部分は、その側からリベットが要素内にかつ／または要素を貫通して駆動される側である要素のリベット側に、あるいは、リベット側と反対側である要素のダイ側にあることができる。要素と機械的締結工具の間の接触時間は、１．５秒未満であり（図３Ａ参照）、かつ好ましくは１．２秒未満であることに留意する。図３Ａは、４から５．３ｍｍの組み合わされた厚さを有する要素の接合に関連することに留意する。
【００６３】
別の実施形態では、この機械的締結具はプラスチックリベットである。この機械的締結具は、例えばボルト、ネジ、ナットまたはスタッドであることもできる。
別の実施形態では、この機械的締結方法は機械的工具を使用して要素のその部分を変形させるステップを含む。機械的工具で要素のこの部分を変形させるステップは、要素のこの部分を通常、要素の噛み合わせ変形の形態である機械的締結具の形態にする。
【００６４】
この機械的締結方法は、ダイなしのクリンチングまたはダイなしのリベットクリンチングなどの、クリンチング式のプロセスまたはプレス接合プロセスであることができ、この場合機械的工具はパンチとダイの形態である。
再度図１（Ａ）、１（Ｂ）、１（Ｃ）および１（Ｄ）を参照すると、主として試験目的のための、本発明の一実施形態による要素を一緒に接合するための装置１０の代替配置が示されている。この装置１０は、要素を一緒に接合するための自己穿孔型リベット（図示せず）の形態の機械的締結具に作用するための、リベットガン１１およびダイ１４の形態の機械的締結工具を備える。このリベットガン１１は、Ｃ−フレーム１２上に搭載される。この装置１０は、要素のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分に投射するレーザビームエネルギを供給するためのレーザビーム発生機器１３も備える。図１（Ａ）から１（Ｄ）に示すように、このレーザビーム発生機器１３は、要素からある距離間隔をあけて配置される。したがって、レーザ発生機器１３は、要素から離れたこの距離から部分上にレーザビームエネルギ投射を供給することによって、この部分と物理的に接触しなくても、この部分の成形性を高めることが可能である。
【００６５】
リベットガン１１およびレーザビーム発生機器１３は、要素１５に対して異なる配置で図１（Ａ）、１（Ｂ）、１（Ｃ）および１（Ｄ）に示されている。図１（Ａ）では、レーザビーム発生機器１３は、要素１５のリベット側１８（それはリベットが要素１５内にかつ／または要素を貫通して駆動される側である）に投射する収束レーザビームを供給し、一方図１（Ｂ）では、レーザビームは平行であり、リベット側１８に投射される。図１（Ｃ）では、レーザビーム発生機器１３は、要素１５のダイ側１７に収束レーザビーム投射を供給し、一方図１（Ｄ）では、レーザビームは平行であり、ダイ側１７に投射される。
【００６６】
その上、図１（Ｄ）では、レーザビーム発生機器１３はリベットガン１１およびダイ１４（図１（Ｄ）に図示せず）と同軸のレーザビームを供給し、一方図１（Ａ）、１（Ｂ）および１（Ｃ）では、レーザビームはリベットガン１１（およびダイ１４）に対して軸方向でなく配置される。レーザビーム発生機器１３が、リベットガン１１と同軸でかつ要素のリベット側１７に投射されたレーザビームを供給するように配置された場合は、これは、接合中の要素１５からリベットおよびリベットガン１１への熱損失が最小限にされるように、使用に先立ったかつ／または使用中のリベットまたはリベットガン１１の少なくとも部分的な加熱を可能にするであろう。同様に、レーザビームのダイ１４との同軸位置合わせおよびダイ側１８への投射は、熱損失を最小限にするための使用に先立ったかつ／または使用中のダイ１４の少なくとも部分的な加熱を可能にするであろう。
【００６７】
リベット軸部の長さは、最大強度の割れなしの接合部を作り出すために、一緒に接合される要素の組み合わされる厚さに対して最適化することができる。このリベット軸部長さは、依然としてこのリベットが全ての要素を十分に穿孔するのを可能にしながら、接合中のリベット軸部の広がりを計上するように、リベット軸部の長さは、一緒に接合されている要素の組み合わされた厚さより長くすべきである。リベット軸部のこの長さは、リベットの直径によっても決まる。例えば、５ｍｍ直径のリベットに対しては、最適な軸部長さは、接合される要素の組み合わされる厚さより２から４ｍｍ長いものである。
【００６８】
接合部の強度は、より硬いリベットを使用することによって改善することができる。これは、接合部のどのような破損もリベットではなく、接合される要素内で起こりそうだからである。したがって、このリベットは接合される要素を強化する。図８Ａは、より長くより硬いリベットを使用するときの２つの３ｍｍＡＭ５０要素の間の接合部での強度の改善を示す。
【００６９】
しかしながら、より硬いリベットを使用するとき、リベット軸部は接合工程中、より広がらない傾向になり、そのことは結果として、接合された要素内に所望されない割れ形成を起こす可能性がある。
この問題点を克服するために、ダイ１４は、リベット軸部が適切に広がり、接合されている要素がより低い主歪を受け、その結果より割れそうもなくなるように、リベット軸部および接合される要素が接合中ダイの中心から離れて流れるのを促す、平らなプレートまたは平らなくぼみダイ以外の形状のものであることができる（図８Ｂ参照）。特に適した形状のダイは、高くされた中央部分を有する（図４に示す）「円錐」形状のダイである。この高くされた中央部分は、曲がっているまたは直線で縁取られている（すなわち３角形）ことができる。（平らなかつ円錐のダイの両方のための）ダイの正確な形状は、図４に示すようなダイ直径（Ｄ）、ダイ深さ（ｄ）、面取り（α）、曲線の半径（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）または先端高さ（ｔ）を調整することによって様々な条件に対して最適化することができる。別の適切に形状化されるダイは、半トロイダル形状のダイである。ダイ形状を最適化することができる条件には、リベット長さ、リベット硬度、接合される要素の組み合わされる厚さ、要素が形成される材料および接合部の要求される強度が含まれる。図８Ａも、より長くかつより硬いリベットに対する、円錐形状のダイを使用するときの、平らなくぼみダイより優れた接合部強度の改善を示す。
【００７０】
このダイ１４は、ダイ１４の稼動寿命を延ばし、かつダイ１４と接合されている最下部の要素との間の摩擦を制御するために、ノンスティック、かつ／または耐熱性のかつ／または耐酸化性の被覆を備えることができる。
【実施例】
【００７１】
本発明の実施形態を実証するために、要素のうちの少なくとも１つの一部分の成形性を高めるためのレーザと機械的締結具として自己穿孔型リベットとを使用して、多数の異なる対の要素が異なる条件の下で接合された。
実施例は、２．５ｋＷ  Ｎｄ：ＹＡＧレーザが自己穿孔型リベット締結（ＳＰＲ）装置と一緒に使用された場合で与えられる。このＳＰＲ装置は、１つの複動油圧シリンダと１つの事前クランプ油圧シリンダを備える、２段油圧リベット取り付け工具である。
【００７２】
実験室試験目的で、このレーザは、図１（Ｃ）に概略的に示すように、ダイ側でかつ約４５°傾けて要素に投射された。ビーム焦点化レンズは、ＳＰＲ接合用に使用されるダイの内側直径と近似する１１±０．８ｍｍの一定のレーザスポットサイズを要素上に生じさせるように位置決めされた。
図２Ｅに示すような一定のエネルギ入力外形が、加工物（要素）に供給された。エネルギ入力またはレーザパワーのレベル、およびレーザ滞留時間は主要なプロセスパラメータであった。
【００７３】
レーザビームの適用は、機械的プロセスシャッターによって行われた。このレーザプロセスシャッターからの電圧信号は記録された。接合中のクランピングおよびリベットセッティング圧力も監視された。要素のレーザ照射される側の表面温度は、赤外線（ＩＲ）熱画像カメラを使用して監視された。
様々な厚さおよび合金の要素が接合された。以下で与えられる実施例は、マグネシウム対マグネシウム（Ｍｇ／Ｍｇ）、およびアルミニウム対マグネシウム（Ａｌ／Ｍｇ）のレーザ補助ＳＰＲ接合に対するものである。標示付け規約は、リベット側要素対ダイ側の要素を示している。
【００７４】
使用された材料には、２から３ｍｍ厚さの高圧ダイカスト（ＨＰＤＣ）ＡＭ５０およびＡＭ６０マグネシウム合金、３．３ｍｍ厚さストリップ鋳造ＡＺ３１−Ｏマグネシウム合金、２ｍｍ厚さＡｌ５００５−Ｈ３４アルミニウム合金シート、および１．５または３ｍｍ厚さのＡｌ６０６０−Ｔ５アルミニウム合金押し出しプレートが含まれた。
５ｍｍ直径の軸および様々な軸長さおよび硬度レベルを有する中空鋼リベットが使用された。８Ｌ３リベットは、８ｍｍ長でありかつＬ３と指定される硬度を有するものであることに留意する。硬度Ｌ２、Ｌ３およびＬ４のリベットが使用されたが、Ｌ３リベットはＬ２リベットより硬く、Ｌ４リベットはＬ３リベットより硬い。
【００７５】
図４に概略的に示すような「円錐」ダイ外形または「平らな」ダイ外形のいずれかを有する、多数の異なる形状のダイが試験に使用された。
【実施例１】
【００７６】
割れのない接合部を作り出すために、マグネシウム合金要素をダイ側でその成形性を適切に高める温度まで局所的に予熱するために、レーザパワーおよび滞留時間が変更された。したがってこのレーザパワー出力は、３．６秒までのプリセットされた加熱時間、および図３Ａに示すような要素の様々な組み合わせに対して、実験的に求められた。対応する接合部の外部および内部外観を図３Ｂから３Ｅに示す。
【実施例２】
【００７７】
図５Ａは、２つの厚い要素を接合するための典型的なレーザ予熱およびＳＰＲサイクルを示す。この温度曲線は、シャッターが閉じられた後の温度低下を示す。温度内の引き続く急な山形は、赤外線カメラの測定視野内に入ってくるＳＰＲ工具に起因する。したがって、ＳＰＲの開始後のＩＲ温度データは接合中の要素温度を示さず、クランピングおよびリベットセッティングのための圧力データと一致するＳＰＲプロセスの様々な段階での情報を与える。
【００７８】
したがって、ＳＰＲプロセスのクランピングおよびリベットセッティング段階の総継続時間は、レーザ補助ＳＰＲのいくつかの試験で平均１．４７±０．０３秒までと判定され、引き続く試験でクランピングの開始とリベットセッティングの開始の間の時間遅れを減少させることによって、１．２９±０．０７秒まで減少した。これは、ＳＰＲ装置のプログラマブル論理制御器の１つの設定パラメータを変更することによって達成された。実際には、これは結果として要素と機械的ＳＰＲ工具との間の接触時間を減少させ、したがって、熱損失を減少させることになった。熱損失は、レーザ照射部分から離れて要素の残りに入る熱拡散にも起因する。この熱損失を補償し、割れなしの接合部を作り出すために使用されるレーザパワーおよび滞留時間をそれぞれ図５Ｂおよび図５Ｃに示す。結果として、レーザによって加熱される要素の表面温度は、要素の溶融点の８０％まで上昇させられ、それが溶融を防止しかつクランピング中にＳＰＲ工具に接触することによる熱損失を補償し、したがって、リベットセッティング中の要素温度は、その成形性が適切に高められた温度範囲内になった。これを表１に要約する。（要素を互いに対して位置決めすることを除く）この接合方法を完了させるのにかかる総時間は、図６に示すように、（引き続く試験に対して）５秒未満であることが求められた。
【００７９】
【表１】
2009538738.tif 000003
【００８０】
2009538738.tif 000004
【００８１】
2009538738.tif 000005
【００８２】
2009538738.tif 000006
【００８３】
上記の表１は、レーザによって加熱された要素の表面温度は要素の溶融点の８０％まで上昇し、それが要素の溶融を防止し、クランピング中のＳＰＲ工具との接触による熱損失を補償し、したがって、リベットセッティング中の要素温度がその成形性が適切に高められた温度範囲内になったことを示す。ＳＰＲ成形のための温度範囲は、合金、変形速度（歪速度）および付与される歪のレベルおよび分布に応じて、Ｍｇ要素に対して１００〜３５０℃であることができる。後者は、使用されるダイおよびリベット、ならびに要素の厚さにより変わる。
【００８４】
図７Ａは、８ｍｍ−Ｌ３リベットおよびφ１１ｍｍ×１．２ｍｍ深さのＢＤ２円錐ダイ外形によって作られた３ｍｍ＋３ｍｍＨＰＤＣ  ＡＭ５０接合部の温度および対応する表面外観を示す。不十分な加熱では、ＳＰＲ工具への熱損失は相当大きくなる可能性があり、要素の接合が、延性が問題になる成形温度範囲で起きる。低延性に起因する割れは、図７Ａのサンプル＃１１および１２によって示すように、要素温度を上昇させることによって克服することができる。（例えば、高すぎるパワー、長すぎるレーザ滞留時間またはレーザ照射の増加する吸収に起因する）過熱または初期溶融によって、要素の接合は、図７のサンプル＃８および９によって示されるように、熱間脆さが問題になる熱間作業温度範囲内で起き、これに対してピーク表面温度は赤外線カメラの測定範囲外になった。従来型の等温熱間作業状況では、この温度は合金溶融点の５０から６０％を通常超えない。
【００８５】
温度での時間は短くかつ接合が１．３秒未満で起きるので、８０％固相線までのピーク表面温度が可能である（表１参照）。より高い温度は、図８Ａおよび８Ｂに示すような正しいダイ外形が使用されることを前提として図７Ｂに示すように、より大きなリベット噛み合いおよびより高い強度を有する厚い接合部を作り出すためにより長いまたはより硬いリベットが使用されるときなどの、より高い歪または増加する変形に対応することができる。したがって、レーザ補助接合パラメータの適切な選択および制御によって、十分な強度を有する良好な接合部を生み出すように、図８Ｃに示すように、再現性のある温度履歴を達成することができる（図８Ｃに関連する接合部の強度の図１０Ｃ参照）。
【実施例３】
【００８６】
多数の異なる対の要素が、要素のうちの少なくとも１つの一部分の成形性を高めるためにレーザの使用ありまたは使用なしで、それらの効果を評価するために異なる条件下で接合された。レーザの使用ありまたはなしで形成された接合部を比較する画像が図９に示す。この接合部は、実施例１の図３Ｂから３Ｅに示すものより長くかつ／またはより硬い軸を有するリベットを使用して作り出された。レーザが成形性を高めるために使用されるとき、底部要素の割れが防止されるのみならず、レーザが使用されるとき取り囲む材料とのリベットヘッドのより良好な接触も存在することに留意する。
【００８７】
図１０に、様々なリベットおよびダイで作られた要素の異なる組み合わせの単点接合部に対するいくつかの静的重ね剪断試験データが与えられている。図１０は、様々な強度要求に合致するレーザ補助ＳＰＲ接合部を作成できることを示す。
言葉または必要な含意を表現するために文脈がそうではないことを要求する場合を除き、添付の特許請求の範囲および本発明の前述の説明では、単語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」あるいは「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形形態は、包含的な意味で、すなわち本発明の様々な実施形態で述べられた特徴の存在を特定するが別の特徴の存在または追加を除外しない意味で使用される。
【００８８】
従来技術の出版物が本明細書に参照されているけれども、この参照は、任意のこれらの文献がオーストラリアでの、または任意の他の国でのこの分野の一般的な周知知識の一部をなすことを承認するものではないことを明瞭に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｂ）、（Ｂ）は主として試験目的のための、本発明による、要素を一緒に接合するための装置の代替配置の側面図である。
【図２Ａ】要素上へのレーザビーム投射のレーザパワーを変化させることの、高圧ダイカストＡＭ５０合金の３ｍｍ厚さの要素の温度に対する時間にわたる効果を示す図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、レーザビームが要素のリベット側上に向けられる場合であり、図２Ｃおよび図２Ｄは、レーザビームが要素のダイ側上に向けられる場合である。
【図２Ｂ】要素上へのレーザビーム投射のレーザパワーを変化させることの、高圧ダイカストＡＭ５０合金の３ｍｍ厚さの要素の温度に対する時間にわたる効果を示す図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、レーザビームが要素のリベット側上に向けられる場合であり、図２Ｃおよび図２Ｄは、レーザビームが要素のダイ側上に向けられる場合である。
【図２Ｃ】要素上へのレーザビーム投射のレーザパワーを変化させることの、高圧ダイカストＡＭ５０合金の３ｍｍ厚さの要素の温度に対する時間にわたる効果を示す図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、レーザビームが要素のリベット側上に向けられる場合であり、図２Ｃおよび図２Ｄは、レーザビームが要素のダイ側上に向けられる場合である。
【図２Ｄ】要素上へのレーザビーム投射のレーザパワーを変化させることの、高圧ダイカストＡＭ５０合金の３ｍｍ厚さの要素の温度に対する時間にわたる効果を示す図であり、図２Ａおよび図２Ｂは、レーザビームが要素のリベット側上に向けられる場合であり、図２Ｃおよび図２Ｄは、レーザビームが要素のダイ側上に向けられる場合である。
【図２Ｅ】時間依存エネルギ入力と比べた一定エネルギ入力に対する時間にわたる要素表面温度の温度の比較を示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による方法を使用して他の要素に接合中の、変化する厚さの要素の温度を示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ａの接合部の内部および外部外観を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ａの接合部の内部および外部外観を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ａの接合部の内部および外部外観を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、要素を一緒に接合するための装置のダイ外形の概略図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による、接合のための方法中の、最大表面温度、クランプおよびリベットセッティング圧力のグラフである。
【図５Ｂ】実施例２で形成された割れなしの接合部に対するデータ点を示す、それぞれ、合計要素厚さに対する要素上へのレーザパワー、および合計要素厚さに対するレーザ加熱時間のグラフである。
【図５Ｃ】実施例２で形成された割れなしの接合部に対するデータ点を示す、それぞれ、合計要素厚さに対する要素上へのレーザパワー、および合計要素厚さに対するレーザ加熱時間のグラフである。
【図６】合計要素厚さに対する（互いに対する要素の位置決めを除く）要素の接合のためにかかった総時間のグラフである。
【図７】本発明の実施形態による方法を使用する、高圧ダイカストＡＭ５０合金要素の３ｍｍ厚さの要素を別の同じ要素に接合中の温度の効果を示す図であり、接合部の外部外観への温度の効果を図７Ａに示し、図７Ｂは異なる最大表面温度に対し一緒に接合された要素の最大荷重のグラフである。
【図８Ａ】ダイおよびリベットを変化させる効果を検討した、実施例３に付随するグラフである。
【図８Ｂ】ダイおよびリベットを変化させる効果を検討した、実施例３に付随するグラフである。
【図８Ｃ】ダイおよびリベットを変化させる効果を検討した、実施例３に付随するグラフである。
【図８Ｄ】ダイおよびリベットを変化させる効果を検討した、実施例３に付随するグラフである。
【図９】要素のうちの少なくとも１つの一部分の成形性を高めるために、レーザを使用した場合と、使用しない場合との、一緒に接合した要素の一連の比較画像である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態による接合方法を使用して一緒に接合された様々な要素の最大荷重のグラフであり、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃはそれぞれ、３．５〜４ｍｍ、５〜５．５ｍｍおよび６〜６．６ｍｍの合計要素厚さに対するグラフである。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態による接合方法を使用して一緒に接合された様々な要素の最大荷重のグラフであり、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃはそれぞれ、３．５〜４ｍｍ、５〜５．５ｍｍおよび６〜６．６ｍｍの合計要素厚さに対するグラフである。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態による接合方法を使用して一緒に接合された様々な要素の最大荷重のグラフであり、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃはそれぞれ、３．５〜４ｍｍ、５〜５．５ｍｍおよび６〜６．６ｍｍの合計要素厚さに対するグラフである。
【図１０Ｄ】機械的テストのために使用された接合部試料のサイズの概略図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【国際調査報告】
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