(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性ファスナーを用いて、電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を、導電性の第２材料に締結する方法であって、
前記ファスナーは、初期形状及び最終形状を有するキャップと、前記キャップから下向きに延びるシャフトとを有し、
第１材料は第２材料よりも低い融点を有し、前記ファスナーは第２材料に溶接可能で第１材料よりも高い融点を有しており、
第１材料と第２材料とを物理的及び電気的に接触するように配置する、第１材料及び第２材料配置ステップと、
前記ファスナーを、第１材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料及び第２材料を含む導電性スタックを形成する、ファスナー配置ステップと、
前記スタックに電位を印加し、電流がスタックを通って流れるように電流を誘導し、抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によって第１材料を軟化させる、印加ステップと、
ファスナーを、軟化した第１材料を通り第２材料に向けて移動させる、移動ステップと、
ファスナーが第２材料と接触した後、ファスナーを第２材料に溶接する、溶接ステップと、を含み、
前記ファスナーは、前記シャフトが、前記移動ステップ中に第１材料を貫通し、前記キャップが、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中に第１材料から押し出された材料を捕獲し、被覆することができるようにしており、
前記印加ステップ、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中に、キャップを、初期形状から最終形状に変形させるステップをさらに含む、方法。
【請求項２】
ファスナー及び第２材料は、スチール、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、それらの合金及びインコネルの少なくとも１種であり、第１材料は、アルミニウム、銅、マグネシウム、それらの合金及びインコネルの少なくとも１種を含む、請求項１の方法。
【請求項３】
電位は間接抵抗溶接の過程で印加される、請求項１の方法。
【請求項４】
電位は直列抵抗溶接の過程で印加される、請求項１の方法。
【請求項５】
第１材料は複数の層を含む、請求項１の方法。
【請求項６】
第２材料は第２ファスナーである、請求項１の方法。
【請求項７】
前記印加ステップの前に、ファスナー、第１材料及び第２材料の間の少なくとも１つの箇所に防食バリアを形成する、バリア形成ステップをさらに含む、請求項１の方法。
【請求項８】
バリアは非導電性であり、前記印加ステップ中に、電流が流れることのできる貫通部をバリアに開設するステップをさらに含む、請求項７の方法。
【請求項９】
導電性ファスナーを用いて、電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を、導電性の第２材料に締結する方法であって、
前記ファスナーは、キャップと、前記キャップから下向きに延びるシャフトとを有し、
第１材料は第２材料よりも低い融点を有し、前記ファスナーは第２材料に溶接可能で第１材料よりも高い融点を有しており、
電位は電極によって印加され、電極の少なくとも１つはファスナーの形状に相補的な形状であるチップを有し、前記チップがファスナーを受けることができるものであり、
第１材料と第２材料とを物理的及び電気的に接触するように配置する、第１材料及び第２材料配置ステップと、
ファスナーを、少なくとも１つのチップに連結するステップと、
前記ファスナーを、第１材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料及び第２材料を含む導電性スタックを形成する、ファスナー配置ステップと、
前記スタックに電位を印加し、電流がスタックを通って流れるように電流を誘導し、抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によって第１材料を軟化させる、印加ステップと、
ファスナーを、軟化した第１材料を通り第２材料に向けて移動させる、移動ステップと、
ファスナーが第２材料と接触した後、ファスナーを第２材料に溶接する、溶接ステップと、を含み、
ファスナーは、前記シャフトが、前記移動ステップ中に第１材料を貫通し、前記キャップが、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中に第１材料から押し出された材料を捕獲し、被覆することができるようにしている、方法。
【請求項１０】
ファスナーは、前記溶接ステップ中に、ある厚さ範囲の第１材料を、選択された度合いにまで変形させることにより、第２材料に締結する能力を有する、請求項１の方法。
【請求項１１】
導電性ファスナーを用いて、電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を、導電性の第２材料に締結する方法であって、
前記ファスナーは中空部を含み、キャップと、前記キャップから下向きに延びるシャフトとを有し、
第１材料は第２材料よりも低い融点を有し、前記ファスナーは第２材料に溶接可能で第１材料よりも高い融点を有しており、
第１材料と第２材料とを物理的及び電気的に接触するように配置する、第１材料及び第２材料配置ステップと、
前記ファスナーを、第１材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料及び第２材料を含む導電性スタックを形成する、ファスナー配置ステップと、
前記ファスナー配置ステップ中に、電極チップの一部分を中空部に挿入するステップと、
前記スタックに電位を印加し、電流がスタックを通って流れるように電流を誘導し、抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によって第１材料を軟化させる、印加ステップと、
ファスナーを、軟化した第１材料を通り第２材料に向けて移動させる、移動ステップと、
ファスナーが第２材料と接触した後、ファスナーを第２材料に溶接する、溶接ステップと、を含み、
ファスナーは、前記シャフトが、前記移動ステップ中に第１材料を貫通し、前記キャップが、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中に第１材料から押し出された材料を捕獲し、被覆することができる、方法。
【請求項１２】
キャップは、前記溶接ステップの完了後に第１材料に当接する、請求項１の方法。
【請求項１３】
前記印加ステップ、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中、電流の流れを変化させる、請求項１の方法。
【請求項１４】
導電性ファスナーを用いて、電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を、導電性の第２材料に締結する方法であって、
前記ファスナーは、キャップと、前記キャップから下向きに延びるシャフトとを有し、
第１材料は第２材料よりも低い融点を有し、前記ファスナーは第２材料に溶接可能で第１材料よりも高い融点を有しており、
第１材料と第２材料とを物理的及び電気的に接触するように配置する、第１材料及び第２材料配置ステップと、
前記ファスナーを、第１材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料及び第２材料を含む導電性スタックを形成する、ファスナー配置ステップと、
前記スタックに電位を印加し、電流がスタックを通って流れるように電流を誘導し、抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によって第１材料を軟化させる、印加ステップと、
ファスナーを、軟化した第１材料を通り第２材料に向けて移動させる、移動ステップと、
ファスナーが第２材料と接触した後、ファスナーを第２材料に溶接する、溶接ステップと、を含み、
ファスナーは、前記シャフトが、前記移動ステップ中に第１材料を貫通し、前記キャップが、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中に第１材料から押し出された材料を捕獲し、被覆することができ、
前記印加ステップ、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中、電流の流れ時間を変化させる、方法。
【請求項１５】
導電性ファスナーを用いて、電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を、導電性の第２材料に締結する方法であって、
前記ファスナーは、キャップと、前記キャップから下向きに延びるシャフトとを有し、
第１材料は第２材料よりも低い融点を有し、前記ファスナーは第２材料に溶接可能で第１材料よりも高い融点を有しており、
第１材料と第２材料とを物理的及び電気的に接触するように配置する、第１材料及び第２材料配置ステップと、
シートからファスナーをスタンピングするステップと、
前記ファスナーを、第１材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料及び第２材料を含む導電性スタックを形成する、ファスナー配置ステップと、
前記スタックに電位を印加し、電流がスタックを通って流れるように電流を誘導し、抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によって第１材料を軟化させる、印加ステップと、
ファスナーを、軟化した第１材料を通り第２材料に向けて移動させる、移動ステップと、
ファスナーが第２材料と接触した後、ファスナーを第２材料に溶接する、溶接ステップと、を含み、
ファスナーは、前記シャフトが、前記移動ステップ中に第１材料を貫通し、前記キャップが、前記移動ステップ及び前記溶接ステップ中に第１材料から押し出された材料を捕獲し、被覆することができる、方法。
【請求項１６】
ファスナーは、ガルバナイジング、電気めっき、電気亜鉛めっき、アルミナイジング又はガルバニーリングのうちの少なくとも１つが施されたものである、請求項１の方法。
【請求項１７】
導電性ファスナーを用いて、電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するための方法であって、
前記ファスナーは、第２材料に溶接可能なシャフトと、前記シャフトの上端部から外向きに延在するキャップとを具え、前記キャップは、上向き凸状に湾曲した形状を有するリップ部を含み、
第１材料にパイロット孔を形成するステップと、
第１材料と第２材料が物理的に接触するように両材料を配置するステップと、
前記導電性ファスナーを、第１材料のパイロット孔に通すことにより、第２材料と電気的に接触するように配置する、ファスナー配置ステップと、
ファスナーを押圧するステップと、同時に、ファスナー及び第２材料に電位を印加する電位印加ステップと、
電流がファスナー及び第２材料を通って流れるように電流を誘導して抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によってファスナーを第２材料に溶接し、溶接部を形成する、溶接部形成ステップと、
シャフトを軟化させて、キャップが第１材料に接触するまでシャフトを押圧するステップとを含み、
前記キャップが、ファスナー配置ステップ、電位印加ステップ及び溶接部形成ステップのうちの少なくとも１つのステップ中に、パイロット孔から押し出された材料を捕獲することができる、方法。
【請求項１８】
ファスナーと第２材料は、スチール、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、それらの合金及びインコネルのうちの少なくとも１種であり、第１材料は、プラスチック、プラスチック複合材、金属−プラスチック積層体、セラミック、塗装金属、アルミニウム、スチール、チタン、銅、マグネシウム、それらの合金及びインコネルのうちの少なくとも１種である、請求項１７の方法。
【請求項１９】
電気抵抗溶接を用いて、導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、前記第１材料は前記第２材料よりも低い融点を有しており、
前記ファスナーが、第２材料に溶接可能なシャフトと、前記シャフトの上端部から外向きに延在するキャップとを具え、前記キャップが、上向き凸状に湾曲した形状を有するリップ部を含み、
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面がＵ字状であり、
前記ファスナーは、前記第１材料と前記第２材料とが電気的に接触するように配置されたスタックの中に配置され、該スタックに電位が印加されると、電流がスタックを通って流れ、前記電流が抵抗加熱を発生させて、第１材料を軟化させることができるようにしており、
前記シャフトは、その下端部が、第１材料を貫通して、第２材料に溶接できるようにしており、前記下端部が第２材料に溶接された後、第１材料がキャップと第２材料との間に捕獲されるようにしている、ファスナー。
【請求項２０】
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面が四角形Ｕ字状である、請求項１９のファスナー。
【請求項２１】
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面が分岐Ｕ字状であり、シャフトの前記下端部は平坦面を形成し、ファスナーの壁の厚さは、キャップ及びシャフト全体で略一定である、請求項１９のファスナー。
【請求項２２】
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面が分岐Ｕ字状であり、シャフトの前記下端部は平坦面を形成し、前記下端部の壁の厚さはシャフトの他の部分及びキャップの厚さより大きい、請求項１９のファスナー。
【請求項２３】
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面が分岐Ｕ字状であり、シャフトの前記下端部が円弧面を形成し、ファスナーの壁の厚さはキャップ、シャフト、及びシャフトの下端部で略一定である、請求項１９のファスナー。
【請求項２４】
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面が分岐Ｕ字状であり、前記シャフトが、前記下端部に近接する位置に、シャフトの外面から延びる少なくとも１つのスプラインを有する、請求項１９のファスナー。
【請求項２５】
電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、前記第１材料は前記第２材料よりも低い融点を有しており、
前記ファスナーが、第２材料に溶接可能なシャフトと、前記シャフトの上端部から外向きに延在するキャップとを具え、前記キャップが上向き凸状に湾曲した形状を有するリップ部を含み、
ファスナーは回転軸に関して非対称であり、挿入方向に直交する方向に測定された長さは、挿入方向に直交する方向に測定された幅よりも大きく、シャフトは、断面が分岐Ｕ字状であり、
前記ファスナーは、前記第１材料と前記第２材料とが電気的に接触するように配置されたスタックの中に配置され、該スタックに電位が印加されると、電流がスタックを通って流れ、前記電流が抵抗加熱を発生させて、第１材料を軟化させることができるようにしており、
前記シャフトは、その下端部が、第１材料を貫通して、第２材料に溶接できるようにしており、前記下端部が第２材料に溶接された後、第１材料がキャップと第２材料との間に捕獲されるようにしている、ファスナー。
【請求項２６】
電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、前記第１材料は前記第２材料よりも低い融点を有しており、
前記ファスナーが、第２材料に溶接可能なシャフトと、前記シャフトの上端部から外向きに延在するキャップとを具え、前記キャップが上向き凸状に湾曲した形状を有するリップ部を含み、
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面が分岐Ｕ字状で２つの部分が中央の下向き先端部で結合され、シャフトの前記下端部がリング形状であり、
前記ファスナーは、前記第１材料と前記第２材料とが電気的に接触するように配置されたスタックの中に配置され、該スタックに電位が印加されると、電流がスタックを通って流れ、前記電流が抵抗加熱を発生させて、第１材料を軟化させることができるようにしており、
前記シャフトは、その下端部が、第１材料を貫通して、第２材料に溶接できるようにしており、前記下端部が第２材料に溶接された後、第１材料がキャップと第２材料との間に捕獲されるようにしている、ファスナー。
【請求項２７】
電気抵抗溶接により、導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、前記第１材料は前記第２材料よりも低い融点を有しており、
前記ファスナーが、第２材料に溶接可能なシャフトと、前記シャフトの上端部から外向きに延在するキャップとを具え、前記キャップが上向き凸状に湾曲した形状を有するリップ部を含み、
ファスナーは回転軸に関して対称であり、シャフトは、断面が分岐Ｕ字状で２つの部分がファスナーの中央ネジ部で結合され、シャフトの前記下端部がリング形状であり、
前記ファスナーは、前記第１材料と前記第２材料とが電気的に接触するように配置されたスタックの中に配置され、該スタックに電位が印加されると、電流がスタックを通って流れ、前記電流が抵抗加熱を発生させて、第１材料を軟化させることができるようにしており、
前記シャフトは、その下端部が、第１材料を貫通して、第２材料に溶接できるようにしており、前記下端部が第２材料に溶接された後、第１材料がキャップと第２材料との間に捕獲されるようにしている、ファスナー。
【請求項２８】
ファスナーの前記ネジ部はネジ付きソケットである、請求項２７のファスナー。
【請求項２９】
ネジ付きソケットは端部が開口し、第１材料の開口を挿通することができる、請求項２８のファスナー。
【請求項３０】
ファスナーのネジ部はネジ付きスタッドを有する、請求項２８のファスナー。
【請求項３１】
ファスナーは、キャップ及びシャフトを有する上方部分と、ネジ付きソケットを有する下方部分とを含み、前記上方部分が第１材料を貫通して、前記下方部分に溶接される、請求項２８のファスナー。
【請求項３２】
ファスナーは、キャップ及びシャフトを有する上方部分と、フランジ及び該フランジから下向きに延びるネジ付きスタッドを有する下方部分とを含み、前記上方部分が第１材料を貫通して、フランジに溶接される、請求項２８のファスナー。
【請求項３３】
シャフトの少なくとも一部分は断面が中実である、請求項２８のファスナー。
【請求項３４】
ファスナーは、スチール、チタン、マグネシウム、アルミニウム、銅、それらの合金及びインコネルのうちの少なくとも１種から作られる、請求項２８のファスナー。
【請求項３５】
電位印加ステップの前に、ファスナー、第１材料及び第２材料の間の少なくとも１つの箇所に非導電性の防食バリアを形成するステップと、前記電位印加ステップ中に、前記ファスナーにより、電流が流れることのできる貫通部をバリアに開設するステップと、をさらに含む、請求項１７の方法。
【請求項３６】
ファスナーは、前記溶接部形成ステップ中に、ある厚さ範囲の第１材料を、選択された度合いにまで変形させることにより、第２材料に締結する能力を有する、請求項１７の方法。
【請求項３７】
ファスナーは初期形状と最終形状を有するキャップを有し、前記ファスナーを押圧するステップ、前記電位印加ステップ及び前記溶接部形成ステップ中に、キャップを初期形状から最終形状に変形させるステップをさらに含む、請求項１７の方法。
【請求項３８】
キャップは、前記溶接部形成ステップの完了後に第１材料に当接する、請求項１７の方法。
【請求項３９】
第２材料に溶接可能で第１材料よりも融点が高い材料の層を、前記第１材料と前記第２材料との間に、前記第２材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料、第２材料及び前記材料の層を含む導電性スタックを形成するステップと、
前記ファスナーを第２材料に溶接するステップの間、前記材料の層を、第２材料に溶接するステップと、をさらに含む、請求項１の方法。
【請求項４０】
第２材料に溶接可能な材料の層を、前記第１材料と前記第２材料との間に、前記第２材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料、第２材料及び前記材料の層を含む導電性スタックを形成するステップと、
前記溶接部形成ステップ中に、前記材料の層を第２材料に溶接するステップと、をさらに含む、請求項１７の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本願は、２０１３年６月２６日に出願した米国仮特許出願第６１／８３９，４７３号、発明の名称「Resistance Welding Fastener, Apparatus and Method」について、その利益を主張し、その全体が引用を以て本願に組み入れられるものとする。
【０００２】
＜分野＞
本発明は、部品を締結するためのファスナー(fasteners)、締結装置(fastening apparatus)及び締結方法に関し、より具体的には、異種金属を含む金属を締結するためのファスナー、締結装置及び締結方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
＜背景＞
部品又はサブユニットの接合及び組立てを行うための様々なファスナー、装置及び方法は知られており、例えば、溶接、リベット、ネジ等による締結手段がある。異種金属の接合において、例えば、アルミニウムの部品、サブユニット、層体(layers)等を、例えばスチール(裸鋼、被覆鋼、低炭素鋼、高強度鋼、超高強度鋼、ステンレス鋼)、チタン合金、銅合金、マグネシウム、プラスチック等の他の材料から作られた他の部品、サブユニット、層体等に接合する場合、費用効率が要請される。これらの締結において、機械的ファスナー／リベットを接着材及び／又はバリア層と組み合わせることで、異種金属の接合部で生ずるガルバニック効果による腐食をできるだけ少なくして、適切な接合強度を維持できるようにするものがある。アルミニウムと他の材料とを直接溶接することは一般的に採用されていないが、それは、アルミニウムと他の材料によって生成される金属間化合物が、機械的強度および腐食抵抗に悪影響を及ぼすためである。直接溶接が用いられる場合としては、金属間化合物をできるだけ少なくするために、通常は、ある種の固相溶接(摩擦、アプセット、超音波等)又はろう付け／はんだ付けが行われるが、接合部の機械的性能が劣ることがあり、特殊な継手形状のものにしか適用されない。
【０００４】
自動車産業では、スチールとスチールを接合するのに抵抗スポット溶接(ＲＳＷ)が行われているが、それは、コストとサイクル時間(継手形成はロボットで行われ、１つの継手につき３秒未満)を考慮したものである。アルミニウムとスチールを接合する方法として、従来のスルーホールリベット／ファスナー、セルフピアスリベット法(ＳＰＲ)、フロードリルネジ(ＦＤＳ又は商品名ＥＪＯＴＳ)を使用するもの、摩擦撹拌スポット溶接／接合法(ＦＳＪ)、摩擦ビット接合法(ＦＢＪ)、及び接着材を使用するものがある。これらのどれもが、スチール対スチールの抵抗スポット溶接(ＲＳＷ)よりも困難である。例えば、ＳＰＲを用いて高強度アルミニウム(２４０Ｍｐａ超)がスチールに結合されるとき、リベット締結工程中にアルミニウムにクラックが入ることがある。さらに、高強度鋼(＞５９０ＭＰａ)の場合、穿孔が難しいため、大型リベットガンを用いて大きな力を加える必要がある。ＦＳＪは、ＳＰＲと比べて接合特性(主に剥離およびクロス張力)が低いため、自動車産業ではあまり使用されていない。さらに、ＦＳＪでは位置合せと取付けに高い精度が要求される。接合部の厚さが大きくなるにつれて、工程のサイクル時間が飛躍的に増大し、接合部スタックが５ｍｍ〜６ｍｍの場合、合計処理時間が７〜９秒にもなる。これは、スチール構造を作製するときのＲＳＷのサイクル時間が２〜３秒であるのと比べると、著しく長い。ＦＢＪではビットを使用し、ビットが回転しながらアルミニウムを貫通し、次いでスチールに溶接される。この工程も、ＦＳＪと同様、位置合せと取付けに高い精度が要求され、また、スチールへの溶接に大きな鍛造力が必要となる。ＦＤＳでは、ネジを回転させながらワークピースに挿入し、シートの１つを可塑化することにより、シートがネジのネジ山と相互結合される。ＦＤＳは、通常、片側から行われるため、スチールシートのパイロット孔との位置合せが必要であり、組立てが複雑でコストの上昇を招く。それゆえ、部品又はサブユニットの接合及び組立てを行うためのファスナー、装置及び方法について、他のファスナー、装置及び方法が要請されている。
【発明の概要】
【０００５】
＜要旨＞
開示される主題は、電気抵抗溶接を用いて、導電性の第１材料を、導電性の第２材料に締結する(fastening)方法に関するもので、第２材料よりも融点が低い第１材料と第２材料とを物理的及び電気的に接触するように配置すること、；第２材料に溶接可能で第１材料よりも融点が高い導電性ファスナーを、第１材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料及び第２材料を含む導電性スタックを形成すること、；スタックに電位を印加し、電流がスタックを通って流れるように電流を誘導して抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によって第１材料を軟化させること、；ファスナーを、軟化した第１材料を通じて、第２材料に向けて強制移動(urge)させること、を含む。ファスナーが第２材料と接触した後、ファスナーは第２材料に溶接される。
【０００６】
本開示の別の態様において、第１材料はアルミニウム、銅、マグネシウム及びそれらの合金の少なくとも１種を含む。
【０００７】
本開示の別の態様において、第２材料はスチール、チタン、それらの合金及びインコネルの少なくとも１種を含む。
【０００８】
本開示の別の態様において、ファスナーはスチール、チタン、それらの合金及びインコネルの少なくとも１種から作られる。
【０００９】
本開示の別の態様において、ファスナーの一部分は、ファスナーが第１材料の中を通って強制移動されるときに変位する第１材料の盛上り部(upwelled portion)を被覆する。
【００１０】
本開示の別の態様において、第１材料及び第２材料は層の形態である。
本開示の別の態様において、層は金属シートである。
【００１１】
本開示の別の態様において、第２材料は構造部材の形態である
【００１２】
本開示の別の態様において、電位は直接抵抗溶接の過程で印加される。
本開示の別の態様において、電位は間接抵抗溶接の過程で印加される。
本開示の別の態様において、電位は直列抵抗溶接の過程で印加される。
【００１３】
本開示の別の態様において、スタックは、第２材料及びファスナーよりも低い融点を有する材料からなる複数の層を含む。
本開示の別の態様において、複数の層はアルミニウム合金の複数の層を含む。
本開示の別の態様において、複数の層はアルミニウム合金の層とマグネシウム合金の層を含む。
【００１４】
本開示の別の態様において、第２材料は第２ファスナーである。
本開示の別の態様において、ファスナーと第２ファスナーは、それらの間で第１材料をクランプする。
【００１５】
本開示の別の態様において、第１材料は複数の層を含み、ファスナーと第２ファスナーは、それらの間にある前記複数の層を一緒にクランプする。
【００１６】
本開示の別の態様において、第２ファスナーはネジ付きソケットを有する。
本開示の別の態様において、ネジ付きソケットは第１材料を貫通する。
【００１７】
本開示の別の態様において、第２ファスナーはネジ付きスタッドを有する。
本開示の別の態様において、ファスナー及び第２ファスナーは同じものである。
【００１８】
本開示の別の態様において、電位を印加するステップの前に、ファスナー、第１層、及び第２層の少なくとも１つの間に防食バリア(corrosion barrier)を形成するステップをさらに含む。
本開示の別の態様において、バリアは非導電性であり、電位を印加するステップ中に電流が流れることのできる孔をバリアに開設するステップをさらに含む。
【００１９】
本開示の別の態様において、電位は電極によって印加され、電極の少なくとも１つはファスナーの形状に相補的な形状であり、ファスナーを受け入れることができるチップを有し、配置するステップの前に、ファスナーを少なくとも１つのチップに連結するステップをさらに含む。
【００２０】
本開示の別の態様において、同じファスナーは、溶接するステップ中に第１材料を選択された度合いにまで変形させることにより、ある厚さ範囲の第１材料を第２材料に締結する能力を有する。
【００２１】
本開示の別の態様において、ファスナーは初期形状と最終形状を有するキャップを有し、電位を印加してファスナーを移動させ、溶接するステップ中に、キャップを初期形状から最終形状に変形させるステップをさらに含む。
【００２２】
本開示の別の態様において、ファスナーは中空部を有し、配置するステップ中に、電極チップの一部分を中空部に挿入するステップをさらに含む。
【００２３】
本開示の別の態様において、ファスナーはキャップ部とシャフト部を有し、シャフト部は、ファスナーを移動させるステップ中に第１層を貫通する。
【００２４】
本開示の別の態様において、キャップは、ファスナーを移動させ、溶接するステップ中に、第１層から押し出された材料を捕捉することができる。
【００２５】
本開示の別の態様において、キャップは、溶接するステップの完了後に第１層に当接する。
【００２６】
本開示の別の態様において、電位を印加し、ファスナーを移動させ、溶接するステップ中、電流の流れは可変である。
本開示の別の態様において、電位を印加し、ファスナーを移動させ、溶接するステップ中、電流の流れる時間は可変である。
【００２７】
本開示の別の態様において、ファスナーを配置するステップの前に、シートからファスナーをスタンピングすることをさらに含む。
【００２８】
本開示の別の態様において、ファスナーには亜鉛めっき(galvanized)、電気めっき、電気亜鉛めっき、アルミナイズド又はガルバニールドのうちの少なくとも１つが施される。
【００２９】
本開示の別の態様において、ファスナーはステンレス鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、及びインコネルのうちの少なくとも１種である。
【００３０】
本開示の別の態様は、電気抵抗溶接を用いて第１材料を導電性の第２材料に締結するための方法であって、該方法は、第１材料にパイロット孔を形成すること、；第１材料と第２材料が物理的に接触するように両材料を配置すること、；第２材料に溶接可能な導電性ファスナーをパイロット孔に通すことにより、前記導電性ファスナーを第２材料と電気的に接触するように配置すること、；ファスナー及び第２材料に電位を印加し、電流がファスナー及び第２材料を通って流れるように電流を誘導して抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によってファスナーを第２材料に溶接すること、を含む。
【００３１】
本開示の別の態様において、ファスナー及び第２材料はスチール、アルミニウム、マグネシウム、チタン及びそれらの合金のうちの少なくとも１種であり、第１材料はプラスチック、プラスチック複合材、金属−プラスチック積層体、セラミック、塗装金属、アルミニウム、スチール、チタン、マグネシウム、それらの合金及びインコネルのうちの少なくとも１種である。
【００３２】
本開示の別の態様は、電気抵抗溶接を用いて導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、該ファスナーは、キャップと、キャップから延びてキャップから遠位側に端部を有するシャフトと、を有する。第１材料は第２材料より融点が低い材料であり、前記ファスナーが、電気的に接触するように配置された第１材料と第２材料を含むスタックの中に配置され、該スタックに電位が印加されると、電流がスタックを通って流れ、抵抗加熱を生じさせて、第１材料を軟化させることができ、シャフトが第１材料を貫通してキャップから遠位側の端部で第２材料に溶接されると、第１材料はキャップと第２材料との間に捕捉される(captured)。
【００３３】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面がＵ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成されている。
【００３４】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が四角形Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成されている。
【００３５】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、ファスナーの壁の厚さはキャップ、シャフト及び端部で略一定であり、前記端部は平坦面を形成する。
【００３６】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、端部は平坦面を形成し、端部の壁の厚さはシャフト及びキャップの厚さより大きい。
【００３７】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、ファスナーを形成するファスナーの壁の厚さはキャップ、シャフト、及び端部で略一定であり、端部にはアール面(radiused surface)が形成される。
【００３８】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、シャフトは端部に近接する位置にシャフト外面から延びる少なくとも１つのスプラインを有する。
【００３９】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して非対称であり、挿入方向に直交する方向に測定された長さは、挿入方向に直交する方向に測定された幅よりも大きく、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成されている。
【００４０】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の２つの部分が中央の下向き先端部で結合された中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、端部はリング形状である。
【００４１】
本開示の別の態様において、ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の２つの部分が中央のネジ付きファスナーの部分で結合された中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、端部はリング形状である。
【００４２】
本開示の別の態様において、ネジ付きファスナーの部分はネジ付きソケットである。
本開示の別の態様において、ネジ付きソケットは端部が開口しており、第１材料の開口を通る。
本開示の別の態様において、ネジ付きファスナーの部分はネジ付きスタッドを有する。
【００４３】
本開示の別の態様において、ファスナーは、キャップ、シャフト及び端部を具える上部と、ネジ付きソケットを具える下部とを有し、上部は第１材料を貫通して、下部に溶接される。
【００４４】
本開示の別の態様において、ファスナーは、キャップ、シャフト及び端部を具える上部と、ネジ付きスタッドを具える下部とを有し、ネジ付きスタッドはフランジから延在し、上部は第１材料を貫通して、フランジに溶接される。
【００４５】
本開示の別の態様において、シャフトの少なくとも一部分は断面が中実である。
【００４６】
本開示の別の態様において、ファスナーはスチール、チタン、マグネシウム、アルミニウム、それらの合金及びインコネルのうちの少なくとも１種から作製される。
【００４７】
本開示の別の態様は、電気抵抗溶接を用いてパイロット孔を有する非導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、該ファスナーは、キャップと、キャップから延びてキャップの遠位側に端部を有するシャフトを特徴とする。第１材料と第２材料がスタックに配置されると、ファスナーは、パイロット孔を挿通することができる。ファスナーは導電性材料から形成され、電位がファスナーとスタックに印加されると、電流がスタックを通って流れ、抵抗加熱が生じ、ファスナーが、キャップから遠位側の端部で第２材料に溶接されると、第１材料はキャップと第２材料との間で捕捉される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本開示のより完全な理解のために、例示的実施形態について、添付の図面と共に以下に詳細に説明する。
【００４９】
【図１】本開示の一実施形態に係るファスナーの斜視図である。
【００５０】
【図２】図１の２−２線に沿うファスナーの断面図であって、矢印の方向に見た図である。
【００５１】
【図３】図２と同様なファスナーについて、図２とは寸法が異なるファスナーの断面図である。
【００５２】
【図４】本開示の一実施形態に係るファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を順次示す概略図である。
【００５３】
【図５】本開示の他の実施形態に係るファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を順次示す概略図である。
【００５４】
【図６】本開示の他の実施形態に係るファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を順次示す概略図である。
【００５５】
【図７】本開示の他の実施形態に係るファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を順次示す概略図である。
【００５６】
【図８】図７に示されるファスナーと同様なファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を順次示す概略図である。
【００５７】
【図９】図７に示されるファスナーと同様なファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を順次示す概略図である。
【００５８】
【図１０】図７に示されるファスナーと同様なファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を順次示す概略図である。
【００５９】
【図１１】図７に示されるファスナーと同様なファスナーであって、締結される材料層の異なるスタックに隣接して配置され、挿通又は溶接前のファスナーの概略図である。
【００６０】
【図１２】本開示の一実施形態に係るスポット溶接用キャップの側面図である。
【００６１】
【図１３Ａ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの平面図である。
【図１３Ｂ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの側面図である。
【００６２】
【図１４Ａ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの側面図である。
【図１４Ｂ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの平面図である。
【００６３】
【図１５】本開示の一実施形態に係るファスナースタンピングツールの側面図である。
【００６４】
【図１６】スポット溶接機における２つの金属シートの斜視図であって、本開示の一実施形態に係るファスナーを使用する前の状態を示している。
【００６５】
【図１７Ａ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【図１７Ｂ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【図１７Ｃ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【図１７Ｄ】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【００６６】
【図１８】本開示の他の実施形態に係るファスナーの平面図である。
【図１９】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【図２０】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【００６７】
【図２１】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【００６８】
【図２２】図２１のファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を示す概略断面図である。
【００６９】
【図２３】本開示の他の実施形態に係るファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を示す概略断面図である。
【００７０】
【図２４】本開示の他の実施形態に係るファスナーの断面図である。
【００７１】
【図２５】図２４のファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を示す概略断面図である。
【００７２】
【図２６】本開示の他の実施形態に係る２部分型ファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を示す概略断面図である。
【００７３】
【図２７】本開示の他の実施形態に係る２部分型ファスナーについて、第１層への挿通と、第２層への溶接を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
図１及び図２は、ファスナー１０を示しており、該ファスナーは、周縁キャップ１２と、該キャップ１２の反対側に鈍く尖った端部１６を有するテーパ状シャフト１４とを有する。内側の中空部Ｈはキャップ１２を通りシャフト１４内を延びる。ファスナー１０は、抵抗スポット溶接プロセスを支持することのできるスチール、チタン等の導電性金属から作られる。キャップ１２は、エッジ部から頂部までの寸法がＣＥ、直径がＣＤである。脚部は直径がＳＤ、キャップ１２から端部１６までの長さがＳＬである。後で説明するように、これらの寸法は、ファスナー１０が用いられる用途によって異なり、例えば接合するためにファスナー１０が用いられる部分の厚さ及び種類によって異なる。一実施例において、直径ＣＤは約４ｍｍ〜１６ｍｍ、長さＳＬは約３ｍｍ〜１０ｍｍであり、ＣＥは約０．５〜３．０ｍｍであり、ＳＤは約２〜１２ｍｍである。図３は、図１と同様のファスナー２０であるが、寸法が異なり、シャフト２４の直径が小さく、端部２６は鋭く尖っている。
【００７５】
図４を参照すると、本開示の実施形態に係るファスナー１０ａは、アルミニウム合金等の金属からなる第１層１１に挿通され、例えばスチール合金等の金属からなる第２層１３に溶接されて、積層構造Ｌ１が形成される。この過程は、段階Ａ〜Ｅとして順次示されている。段階Ａのプロセスは、対向する電極を有する従来のスポット溶接ステーションで行われることができる。図４では、電極のチップ１５ａ、１７ａが、金属シート／層１１、１３から離間して配置され、チップ１５ａと層１１の間にファスナー１０ａが挿入されるようにしている。チップ１５ａの表面Ｓ１は、溶接プロセスを通じて、ファスナー１０ａを収容し、支持し、形状形成し、及び／又は保持することができる形状である。段階Ｂでは、従来の溶接機(図示せず)により対向する力Ｆ１、Ｆ２が加えられ、チップ１５ｂ、１７ｂは互いに接近する方向に移動し、チップ１５ｂ、１７ｂの間にファスナー１０ｂ、層１１、１３が捕捉され、これらの要素の結合体を通って流れるように電流Ｉが印加される。段階Ｂ〜Ｅの全体を通じて、力Ｆ１、Ｆ２及び電流Ｉが加えられ、各々の大きさ及び持続期間は各段階の条件によって異なる。例えば、段階Ｂでアルミニウムを加熱／可塑化するのに必要な電流Ｉは、段階Ｄ及びＥにおけるスチールとスチールの溶接に必要な電流より低くてもよい。同様に、力Ｆ１及びＦ２は、処理条件の変化に合わせて変えることができる。
【００７６】
電流Ｉにより、ファスナー１０ｂ、層１１、１３の各々は加熱される。加熱温度は、アルミニウム層１１が可塑化し、ファスナー１０ｂによって変位／穿孔される温度である。アルミニウム層１１は、電流Ｉによって抵抗加熱され、ファスナー１０ｂ及び層１３の両方からの熱伝導もある。ファスナー１０ｂと層１３は、アルミニウム層１１よりも熱伝導及び電気伝導が小さいので、スチールの抵抗スポット溶接を行うのに適した抵抗スポット溶接機そ使用することができるので、この溶接機で一般的に用いられる低電流により、アルミニウム層を可塑化して層１３に溶接するのに必要な熱を発生させることができる。これについては、後で説明する。アルミニウムは、スチール層１３又はファスナー１０ｂ(この実施例ではスチール)よりも融点が低いので、アルミニウム層１１は可塑状態に達して、ファスナー１０ｂによる変位が可能となり、ファスナー１０ｂの端部１６ｂがアルミニウム層１１に貫通することできる。段階Ｃに示されるように、ファスナー１０ｃがアルミニウム層１１を貫通すると、層１１の元の上面１１Ｓは可塑化による変位で隆起し、盛上り部(upwelling)１１Ｕを生じる。段階Ｄに示されるように、ファスナー１０ｄは層１１完全に貫通してスチール層１３と接触し、同時にファスナー１０ｄの端部１６ｄは溶融を開始して平坦化する。そして、溶融金属のゾーンＰｄは、層１３とファスナーの端部１６ｄとの界面で成形を開始する。ゾーンＰｄは、ファスナー１０ｄの金属と層１３が液化して混合する溶接材料又は「ナゲット(nugget)」である。段階Ｅに示されるように、力Ｆ１、Ｆ２及び電流Ｉの作用を継続することにより、端部１６ｅの先端が鈍化し、脚部１４ｅの長さの一部分が溶融し、溶融ゾーンＰｅが拡大する。段階Ｅでは、ファスナー１０ｅが完全にアルミニウム層１１内に挿入されるため、キャップ１２ｅは上面１１Ｓの面レベルと同じになり、盛上り部１１Ｕを被覆し、密封する。
【００７７】
段階Ｅが完了した後、力Ｆ１、Ｆ２、及び電流Ｉの作用を解除し、チップ１５ｅ及び１７ｅを後退させる。また、表面１１Ｓ及び／又は層１１、１３の間に施されるバリア層についても、そのバリア層が電気抵抗加熱をもたらす電流Ｉの流れを妨げない限り、上記プロセスを実施することができる。バリア層は、例えば、表面前処理用接着材層又ペイント／プライマー(図示せず)である。このバリア層により、異種金属の層１１、１３間の接触を低減し、望ましくないガルバニック相互作用及び腐食を低減することができる。プロセスにおける貫通及び溶接段階中にファスナー１０の一部分が溶融することができれば、ファスナー１０ａは、ある範囲の厚さの層１１にまで対応が可能である。
【００７８】
ファスナー１０ａのキャップ１２ａは環状凹部を画定する。キャップ１２ａがアルミニウム層１１の表面１１Ｓの最も低い位置に達する(bottom out)と、環状凹部が、アルミニウムと、ファスナーが貫通し(段階Ｂ及びＣ)て溶接(段階Ｄ及びＥ)が行われたときに生じる金属間化合物とを受けて、これらを捕捉し、密封することができる。アルミニウムと金属間化合物がこのようにファスナー１０ａで封じ込められることにより、耐食性能及び接合強度が有意に改善される。キャップ１２ａは、溶接プロセスの前にファスナー１０ａに形成されることができるし、溶接中にその場で形成されることもできる。図８を参照して以下でさらに詳しく説明するが、ファスナー１０ａ、チップ１５ａ及び表面Ｓ１と相互作用し、チップ１５ａと表面Ｓ１によって保持される形状であるので、片側溶接(一方側からの溶接)が可能となり、電極接触部材１３を電極チップ１５ａに直接対向させて対向力を付与する必要はない。チップ１５ａは、ファスナー１０ａに弾性力又はばね負荷を作用させることによりファスナー１０ａで把持される形状に形成され、溶接中、ファスナー１０ａはチップ１５ａ上に保持されるが、溶接が一旦完了すると切り離される。例えば、チップ１５の周縁に凸部又は凹部を形成し、これらの凸部又は凹部により、ファスナー１０ａの上縁が弾性的かつ着脱可能に把持されるように構成することもできる。
【００７９】
ファスナー１０は、例えば厚さ約１ｍｍ〜４ｍｍの薄肉スチールシートから作られるが、層１１、１３の厚さに応じて任意の厚さに作られることができ、層の厚さが大きくなると、ファスナーの厚さも大きくする必要がある。或いはまた、ファスナー１０のシャフト１４は、中実(solid)又は半中実(semi-solid)であってよい。シャフト１４は、ファスナーの厚さ／中空性(所定表面積に対する密度)とは関係なく、端部１６がシート１３に溶接されたときに破壊する比率で形成されるので、キャップは金属シート１１の上面１１Ｓと接触し、及び／又は、溶接が完了したとき(段階Ｅ)、あらゆる金属間化合物及び盛上り領域１１Ｕを密封する。
【００８０】
溶接ゾーンＰｅの最終寸法はファスナーシャフト１４ｅの開始時寸法と最終寸法、すなわちシャフト壁の直径、長さ、及び厚さによって異なる。ファスナーシャフト１４ｅの寸法が大きいほど、溶接ゾーンＰｅの寸法は大きくなる。一実施例として、厚さ０．５ｍｍ〜４．０ｍｍのアルミニウムから成るシート１１を、厚さ０．５ｍｍ〜３．０ｍｍのスチールから成るシート１３に取り付ける場合、溶接直径は２ｍｍ〜８ｍｍのときが剪断強度及び剥離強度特性において有利である。
【００８１】
本開示のファスナー１０を用いて作製された溶接完成製品の重量をできるだけ小さくするために、ファスナー１０を作るのに用いられる金属シートのゲージを減じることができる。その結果、ファスナーシャフト１４の側壁強度が低下し、溶接プロセス中にシャフトの早期破壊が生じる。シャフト１４を支持するために、電極１５ａは、中空部Ｈの中を延びて、中空部Ｈ内でシャフト１４の内面と部分的又は完全に係合するように形成されることができる。図５は、他のファスナー１１０について溶接プロセスにおける２つの段階を示しており、段階Ｂ５は層１１の中に挿通される前の段階、段階Ｅ５は溶接後の段階である。電極チップ１１５の表面Ｓ２は、ファスナー１１０の端部１１６を支持し、端部１１６又はシャフト(側壁)１１４が変形することなく、端部１１６は層１１の中に押し込まれることができる。ファスナー１１０が層１１を通って完全に押し込まれ、段階Ｅ５に示されるように溶接ゾーンＰｇが形成され、ファスナー１１０が盛上り部１１Ｕに押圧されると、ファスナーの周縁部１１０ｐは、チップ１１５の凹状環状表面Ｓ３の形状に倣うことができる。
【００８２】
図６は、ファスナー１１０を用いて、例えばアルミニウムシートの上層１１にスポット溶接を行ない、上層１１を例えばスチールシートの下層１３に締結する例を、よりわかりやすく説明するために、ステップＡ６〜Ｆ６により順次示すものである。なお、ファスナー１１０に代えてリベットを使用して、該リベットが層１１に押し込まれ、層１１に孔が形成され、溶接によって層１３に接合されると、ファスナーのキャップ１１２が層１１を層１３に当ててクランプするのと同じであるので、このプロセスは「抵抗スポット締結法」又は「抵抗スポットリベット接合法」とも称されることは理解されるであろう。ファスナー１１０はトップ層１１を貫通してボトム層１３と係合するので、電極チップ１１５の凹状環状表面Ｓ３は、層１１、特に盛上り部１１Ｕを取り囲んで密封する。一実施例において、段階Ｂ６及びＣ６で加えられる力ＦＨは、例えば１００〜２０００ポンドの大きさであり、電流レベルＩＨは例えば２５００〜２４０００アンペアの大きさであり、これは、全体径１６ｍｍ、全体高さ３ｍｍ、平均壁厚１．０ｍｍの低炭素鋼ファスナーを用いて、厚さ２ｍｍのアルミニウムの第１層１１を可塑化し、厚さ１．０ｍｍの７８０Ｍｐａ亜鉛めっき鋼の第２層１３に溶接するのに適当である。これらの力及び電流の大きさは単なる例示であって、ファスナー１１０、層１１、１３の寸法及び組成によって異なる。段階Ｂ６からＣ６への移行時間は、例えば０．２〜６．０秒のオーダである。一実施例において、例えば、力は１００ｌｂｓであり、電流は２５００Ａ、サイクルタイムは６秒である。力と電流が大きくなるとサイクルタイムは短くなる。同じ寸法及び特性のファスナー１１０、層１１、１３を使用したこの実施例において、段階Ｄ６で加えられる力ＦＷは、例えば４００〜８００ポンドの大きさであり、電流レベルＩＷは６０００〜１８０００アンペアの大きさであり、これは、ファスナー１１０及び下層１３の溶融を開始し、溶融溶接ゾーンＰｄを形成するのに適当である。段階Ｅ６にて、例えば４００ポンドの力ＦＷを１０００ポンドの力ＦＴに変更し、例えば３０００アンペアの電流レベルを１２０００アンペアの電流レベルＩＴに変更すると、拡大溶接ゾーンが形成され、溶接部をテンパーして、平均断面直径は４〜６ｍｍになる。段階Ｄ６は例えば０．１〜０．５秒で完了する。段階Ｆ６で、第１電極チップ１１５及び第２電極チップは後退される。盛上り部１１Ｕはキャップ１１２に作用して表面Ｓ３の形状に倣うので、相対適合度(relative fit)は密になり、段階Ｆ６にて第１チップ１１５をファスナー１１０ｆから引き抜くのに抵抗が存在する。用途によっては、引抜き力、サイクルタイムを低減すると共に、表面Ｓ３と盛上り部１１Ｕに倣うようにキャップ１１２の形状を形成するのに必要な溶接力ＦＷの量を低減するために、予備成形されたファスナーを用いることが好ましい。
【００８３】
図７は、ファスナー２１０を用いて、例えばアルミニウムシートの上層１１にスポット溶接を行ない、上層１１を、例えばスチールシートの下層１３に締結する例を、ステップＡ７〜Ｆ７により順次示すものである。ファスナー２１０は、図６の段階Ｄ６及びＥ６に示される溶接力によって形成された後、ファスナー１１０と同様の形状を有するように予め形成されるので、上部がトップ面を封じ込んで密封することができ、溶接プロセス中に電極によって成形される必要は無い。ファスナー２１０は予備成形されるので、ファスナー２１０が貫通する部位に近接する位置で、キャップ２１２が第１層１１の盛上り部１１Ｕを収容し密封できるように、電極チップ２１５に凹状環状表面Ｓ３を設ける必要はない。その結果、電極チップ２１５は、ファスナー２１０の端部２１６を支持する表面Ｓ２に対してテーパ状にする(表面Ｓ４、Ｓ５をアール面にする)ことができる。これは、加熱、溶接及びテンパー時の力ＦＨ、ＦＷ、ＦＴと、加熱、溶接及びテンパー時の電流ＩＨ、ＩＷ、ＩＴを小さい領域に集中させることができるので、挿通、溶接及びテンパー時のタスクを達成するのに必要な力と電流を低減することができる。
【００８４】
図４〜図７は直接アクセス溶接を示し、抵抗溶接電極、例えば１５ａ、１７ａは、ワークピース／溶接用スタック１０ａ、１１、１３を両側からクランプする。図８に示されるように、本開示におけるファスナー１０、２０、１１０、２１０を用いたスポット溶接は、間接溶接を用いて片側から行なわれることができる。スチールビームの如き構造Ｓ８又は他の種類のあらゆる構造は、溶接を行なうために電位源の一方の極に接続されることができる。他方の極は、溶接チップ２１５に電力を供給し、段階Ｂ８及びＣ８で加熱、Ｄ８で溶接、Ｅ８でテンパーが行われる。間接溶接は一般的にスチールに対して行われ、アルミニウム対アルミニウムの接合に行なうことは難しい。本開示はアルミニウム以外の材料で作られたファスナーによる溶接を可能にするもので、アルミニウム層１１、例えばアルミニウムシートをスチール管等のスチール構造Ｓ８に接合することが容易になる。
【００８５】
直列溶接では、２以上の電極が片側から接近する。溶接電流が直列配置された複数のガンの間を流れると、複数の溶接部が形成される。図９は、本開示の溶接プロセス及び装置が、ファスナー２１０ａ、２１０ｂに直列溶接を行なうのに用いられ、層／部材１１、１３が１回の溶接動作で接合されることを示す。電流ＩＨは、電極２１５ａ、層１１、１３を通過し、導電性バッカーバー(backer bar)Ｓ９を通過し、次いで層１１、１３を通って電極２１５ｂに戻る。前述したように、電流ＩＨは層１１を加熱して、ファスナー２１０ａ、２１０ｂによる貫通を可能にし、ファスナーは層１３と接触した状態で溶接される。プロセス全体は上記と同様であるが、段階Ｂ９、Ｄ９、及びＦ９だけを示している。直列溶接は通常はアルミニウムには行われず、一般的にスチール材料を用いて行われる。本開示はアルミニウム以外の材料から作られたファスナーによる溶接を可能にするもので、直列溶接により、アルミニウム層１１、例えばアルミニウムシートを、スチール層／シート１３、又はスチール管若しくはボックス構造の如き構造に接合することが容易になる。
【００８６】
上記の実施例はスチール製のファスナー１０、２０、１１０、２１０に関するものであるが、ファスナー１０、２０、１１０、２１０は、溶接される層１３等の層に溶接適合性がある限り、例えばチタン、マグネシウム、被覆鋼、電気めっき鋼、ステンレス鋼等から作られることができる。第１層１１及びこれに続く層(第２層)１３の組成及び数は異なるものとすることができる。例えば、第１層はアルミニウム、マグネシウム、銅又はそれらの合金であってよい。第１層１１は、上記したいずれかの金属の複数の層であってもよく、例えばアルミニウムの２層、マグネシウムの２層、又はマグネシウム、銅又はアルミニウムの３層以上であってよい。所望により、複数の層に２種類以上の材料を使用することもできる。層１１のような介在層を貫通するには、ファスナー１０〜２１０は、例えばＢ６、Ｃ６(図６)の加熱／貫通段階中に貫通するように、介在層１１よりも融点が高い材料から作られるべきである。例えばＤ６の溶接段階を実行するには、ファスナー１１０の材料は、抵抗溶接される層(例えば層１３)に適合するものでなければならない。例えば層１３が高強度(＞５９０Ｍｐａ)の亜鉛めっき鋼で作られる場合、ファスナー１１０は、例えば標準の低炭素鋼、高強度鋼(＞５９０Ｍｐａ)又はステンレス鋼グレードで作製されることができる。
【００８７】
図１０は、ファスナー２１０ｃと対向するファスナー２１０ｄを用いて、例えばアルミニウム又はマグネシウムから作製された一対の層１１ａ、１１ｂをスポット溶接により互いに接合する例を示しており、キャップ２１２ｃ、２１２ｄの間に、層１１ａ、１１ｂが捕捉される。段階Ａ１０〜Ｆ１０に示される段階は、電気抵抗が、加熱、層の貫通及び溶接に使用される点で、例えば図４〜図７を参照して記載した上記段階と同様であるが、ファスナー２１０ｃ、２１０ｄが溶接される層１３に達する代わりに、ファスナーは各々が対向する方向から介在層１１ａ、１１ｂを貫通し、合流し、互いに溶接される。
【００８８】
図１１は、本開示の実施形態に基づいて、層の様々な組合せを接合する例を示す。組合せＧに示されるように、材料のスタックアップは、アルミニウム１１Ａとスチール１３Ｓであり、これは、図７の段階Ｂ７に示されるスタックと同様である。上述した通り、ファスナー２１０はアルミニウム層１１Ａに押し込まれて該層を貫通し、スチール層１３Ｓに溶接されることができる。他の実施例において、層１１Ａ１、１１Ａ２の一方又は両方はマグネシウム／マグネシウム合金であってよい。組合せＨはアルミニウムの２層１１Ａ１、１１Ａ２とスチール層１３Ｓとのスタックアップを示す。前述したように、ファスナー２１０はアルミニウム層１１Ａ１及び１１Ａ２に押し込まれて該層を貫通し、次いでスチール層１３Ｓに溶接されることができる。組合せＩは、アルミニウム層１１Ａ及びマグネシウム層１１Ｍとスチール層１３Ｓとのスタックを示す。ファスナー２１０はアルミニウム層１１Ａ及びマグネシウム層１１Ｍに押し込まれてこれら層を貫通し、次いでスチール層１３Ｓに溶接されることができる。組合せＪはマグネシウムの外層１１Ｍ、アルミニウムの中間層１１Ａ、及びスチール層１３Ｓのスタックアップを示す。ファスナー２１０はマグネシウム層１１Ｍ及びアルミニウム層１１Ａに押し込まれてこれら層を貫通し、次いでスチール層１３Ｓに溶接されることができる。Ｇ、Ｈ、Ｉ、及びＪに示されたスタックの各々は、ファスナー２１０を、図示された積層構造に締結するのに使用される。層の材料、厚さ及び個数については、本開示のファスナー２１０、１１０、２０、１０で締結する際、他の組合せが可能である。
【００８９】
図１２は、コネクタスリーブ部２１５Ｓと、アールが形成されたテーパ面Ｓ４及びＳ５を有する溶接部２１５Ｗとを具える溶接用電極チップ２１５を示す。このようなチップはＣＭＷ  Ｃｏｎｔａｃｔｓ  Ｍｅｔａｌ  Ｗｅｌｄｉｎｇ(www.cmwinc.com)から入手可能であり、Ｇキャップと呼ばれる。
【００９０】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、本開示に係るファスナー３１０として機能するように再利用されるキャップナットを示す。ファスナー３１０は、キャップ３１２と、シャフト３１４と、端部３１６とを有する。嵌合ツール(mating tool)３１８と相互作用するためのラグ３１８を用いることにより、ファスナー３１０をチップ１１５の如き電極チップに保持することができ、また、ファスナーが中間層１１に押し込まれて貫通するとき、及び／又はファスナーが層１３に溶接されるときに、ファスナーを捩ることができる。
【００９１】
図１４Ａは、本開示の別の実施形態に係るファスナー４１０の側面図、図１４Ｂは平面図である。ファスナー４１０は、図１５に示されるように、スタンピングツール及びバックアップ用型を用いてスタンピングすることによって作られることができる。キャップ４１２は屈曲部Ｃ１でシャフト４１４に移行し、シャフト４１４は屈曲部Ｃ２で端部４１６に移行する。ファスナー４１０の対称軸Ｓを中心に回転され、シャフト４１４の縁部４１２ｅ及びその突起によって画定されるとき、屈曲部Ｃ１は、例えば図５に１１Ｕとして示される貫通された層の盛上り部を含み密封することのできる体積Ｖ１を定める。
【００９２】
図１５は、本開示の実施形態に係るファスナースタンピングツール５０５を示す。ファスナー４１０の如きファスナーは、スタンピングツールを用いて、例えばスチールシート等の素材(stock material)５２０から形成される。ファスナースタンピングツール５０５のアプセット金型５２２は成形面５２２Ｓ(破線で示す)を有する。形状形成ツール(shaping tool)５２４(破線)はパンチ５２６(シャフトを破線で示す)によって駆動され、アプセット金型５２２と協同して、素材５２０からファスナー４１０(図１４Ａ、１４Ｂ)を成形する。図示の実施形態において、形状形成ツール５２４は、素材５２０からファスナー４１０をカットし、パンチ５２６を素材５２０の中へ下方に押しながらファスナー形状に成形する。或いはまた、別個のパンチを用いて、ファスナー４１０を形成するのに必要な寸法を有する円板状ブランク(図示せず)を素材から切り出し、ブランクホルダー５３０に装着した後、パンチ５２６をアプセット金型５２２に向けて下方に移動させて、ブランクをファスナーに成形する。ばね５３２をリテーナキャップ５３４とブランクホルダー５３０との間に介在させることにより、ファスナー４１０がファスナースタンピングツール５０５によって打ち抜かれた後、パンチ５２６を中立位置に戻すことができる。パンチ５２６はパンチホルダー５２８に連結されることができ、該ホルダーは、パンチ及びプレスを作動させる従来の方法によって、機械的に、又は油圧により、又は空気圧によって駆動されることができる。
【００９３】
図１６は溶接用スタック６０５を示しており、ファスナー６１０は、貫通又は溶接の前に、第１層６１１及び第２層６１３に当接するように配置される。第１層６１１は、例えばアルミニウム、マグネシウム又は銅のシートであり、第２層はスチール、チタン又はインコネルのシートである。層６１１、６１３及びファスナー６１０は、第１チップ６１５と第２チップ６１７の間でクランプされ、これらは、市販の電気スポット溶接機(例えば、Centerline Welding,Ltd.製の２５０ｋＶＡ溶接ステーション)の下電極６４０及び上電極６４２とにより電気的に接続される。
【００９４】
本開示に基づいて行なうことができる溶接作業の一実施例では、市販の２５０ｋＶＡ  ＡＣ抵抗スポット溶接機を使用し、ファスナー／リベットを加熱し、アルミニウムシートに押し込んで該シートを貫通させて、スチールのバッキングシートに溶接される。上電極チップ６１５は、Ｇキャップと称される市販の電極(図１２のチップ２１５と同様のもの)であり、下電極チップ６１７は標準の平面型(直径１６ｍｍ、ＲＷＭＡ型Ｃ−Ｎｏｓｅ)である。リベットは、図１３Ａ及び図１３Ｂに示される標準のキャップナット６１０を使用した。接合する部品は１．５ｍｍの７０７５−Ｔ６アルミニウム合金と、０．７ｍｍの２７０Ｍｐａ亜鉛めっき鋼である。キャップナット６１０はＧキャップ電極６１５に配置され、次いで図１６に示されるスタックのアルミニウムシート６１１に当接される。キャップナット６１０をアルミニウムシート６１１に貫通させるのに、９０００アンペアで約１．５秒間の電流パルスを発生させた。貫通後、キャップナット６１０のスチールへの溶接は、０．１６６、約１５ｋＡの電流インパルスにて行なった。スチールキャップナットと０．７ｍｍの２７０Ｍｐａスチールシートとの間に、直径約５ｍｍの溶接ボタンが得られた。
【００９５】
本開示の態様では、例えば層１１、１３のように締結される層は、溶接中、圧縮状態に維持され、熱影響ゾーンは主として、ファスナー１０のキャップ１２のフットプリントに制限されるので、部品の歪みは小さい。ファスナー１０、２０、１１０、２１０、３１０、４１０、６１０は、第１層１１に関して容積が形成され、ファスナーが第１層１１を貫通することによって変位した金属間化合物又は材料を捕捉するようにしている。ファスナー１０〜６１０の使用においては、ある範囲の厚さの層及び異種材料からなる複数の層を締結するのに適当な寸法及び材料組成のファスナーが選択される。なお、ファスナー１０〜６１０は、形成される材料の弾性により、また、ファスナーの形状により、ある範囲の厚さに対して使用可能である。例えば、ファスナー４１０が様々な厚さに対応して、層１３に溶接されるときに例えば層１１を弾性的に押圧するように使用される場合に、キャップ４１２はシャフト４１４に対し弾性的に撓むことができる。例えば、使用されるファスナーが様々な厚さに適応できるとき、キャップ４１２はシャフト４１４に関して弾性力で屈曲することができるし、層１３に溶接されるとき、層１１を弾性力で押圧することができる。キャップ４１２を例えば層１１に対して弾性力で押圧することにより、所定位置に置かれたファスナー１０〜６１０の周囲は密封されると共にその密封状態が維持されることができる。
【００９６】
本開示のファスナー１０〜６１０は、例えば層１１と層１３の間に施される接着材及び／又は他のコーティングを通じて適用されることができるし、また、トップ層１１に形成されるコーティングを通じて適用されることができる。例えば、図４のＰｅのように、ファスナーを用いて形成される溶接部は、層１３を貫通しないし、溶接部に対向する層１３の表面を損なうこともないので、外観、耐腐食性及び水密性が維持される。例えば図４の段階Ｃのファスナーの貫通段階中、及び段階Ｄの溶接段階中、ファスナー１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの崩壊及び溶接ゾーンＰｄ、Ｐｅに沿う拡張は連続的に行われ、金属間化合物は溶接ゾーンから押し出される。本開示の方法及び装置は、スチールシートの抵抗溶接用に開発された従来のＲＳＷ装置の適用が可能であり、ファスナー１０〜６１０は、例えば様々なスチールグレード(低炭素鋼、高強度鋼、超高強度鋼、ステンレス鋼)、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び銅等の様々な材料から作られることができる。本開示のファスナーは、耐腐食性向上のために、所望によりコーティング(例えば、亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっき、溶融めっき、アルミめっき、電気めっき)が形成されることができる。
【００９７】
上述したように、本開示のファスナー１０〜６１０は、片側アクセス溶接又は両側アクセス溶接に用いられることができる。ファスナー１０〜６１０は、アルミニウム及び他の導体から作られるトップシートにパイロット孔は必要でないが、アルミニウム又はトップシートに設けられたパイロット孔を利用して、溶接前にファスナーを挿入し、トップシートを通ってボトムシート１３に達するようにすることができる。パイロット孔はまた、接着材層又は耐腐食性コーティング／層の如き誘電性／非導電性の層に電流を通すために利用されることができる。また、プラスチックやプラスチック複合材等の誘電性／非導電性材料は、スチールファスナー１０〜６１０を介して、スチールに取り付けられることができ、該ファスナーがこれら材料の層に形成されたパイロット孔をに挿通され、電気抵抗溶接によりスチール層に溶接されることができる。前記誘電性／非導電性材料として、例えば、炭素繊維強化プラスチック、金属−プラスチック積層体(金属は、例えばアルミニウム、マグネシウム又はスチールであり、プラスチックは、例えばジョージア州イーストマンのAlcoa Architectural Products社から市販されているReynobond(登録商標)、ファイバーグラス、ＳＭＣ、熱硬化性樹脂、熱可塑性プラスチック、セラミック(ガラスを含む)が挙げられる。プラスチック、プラスチック複合材及びセラミックはまた、全部又は一部が、例えばアルミニウム合金の適合性材料から作られたファスナー１０〜６１０を介して、アルミニウム層１３に接合されることができる。プラスチック、プラスチック複合材及びセラミックはまた、全部又は一部が、例えばアルミニウム合金又はマグネシウム合金の適合性材料から作られたファスナー１０〜６１０を介して、マグネシウム層１３に接合されることができる。同様に、プラスチック、プラスチック複合材及びセラミックはまた、全部又は一部が、例えばチタン合金の適合性材料から作られたファスナー１０〜６１０を介して、チタン層１３に接合されることができる。導電性コーティング(例えば、下地材、防錆コーティング、ペイント、陽極酸化層等)でコートされたトップ層１１は、本開示のファスナー１０〜６１０を、コートされた非導電層に形成されたパイロット孔に挿通することにより、スチール、アルミニウム、マグネシウム又はチタンから作られた溶接可能層に接合されることができる。この方法は、ファスナー１０〜６１０が層１３に溶接適合性を有する材料から作られる限りにおいて、アルミニウム、スチール、マグネシウム又はチタンからなるペイント又はコートされた非導電性層１１を、スチール、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はこれらの任意の組合せからなる層１３に接合するのに適用されることができる。この方法は、溶接可能層１３に接合される層１１がプリペインティングが施される産業、プロセス及び製造者に適用可能である。プリペインティングは、アルミニウムとスチールのような異種材料を接合する際に、ガルバニック電食を防止するために一般的に行われる。組立前に２つのシート１１、１３の一方がコートされることにより、両シートがコートされていない場合又は裸シート(bare sheets)の場合と比較して、耐腐食性が向上する。
【００９８】
ファスナー１０〜６１０を使用した後の溶接品質を調べるために、溶接によって残るキャビティに対して、キャビティの寸法を測定する品質性能試験を行なうことができる。例えば層１３(スチール側)の裏側に超音波ＮＤＥ技術を用いて、溶接の品質を監視することもできる。
【００９９】
本開示のファスナー１０〜６１０を適用するために使用される装置は、ＦＤＳ(ＥＪＯＴＳ)、ＳＰＲ、及びＳＦＪと比較して、フットプリントが小さいため、より狭い空間へのアクセスが可能である。本開示の装置及び方法は、例えば図４の段階に示されるように、第１層１１がファスナー挿入段階中に加熱され軟化されるので、ＳＰＲと比べて、挿入に必要な力は小さい。本開示の方法及び装置は、スチール金属をファスナーで穿孔する必要が無く、ファスナーがスチール金属に溶接されるので、高強度アルミニウム(これはＳＰＲ工程中に亀裂が入り易い)を接合し、高強度鋼及び超高強度鋼に接合することができる。
【０１００】
本開示の装置及び方法は、プロセス全体が、従来の抵抗スポット溶接(ＲＳＷ)による構成部品層／部品の固定方法と同じであるので、回転部品を必要とせず、部品取付け問題を解決することができる。さらに、ファスナー１０〜６１０の適用を迅速に実行することができるので、従来のＲＳＷと同様、処理速度が速い。本開示の装置及び方法は、鍛造アルミニウム製品及び鋳造アルミニウム製品の両方に適用して、適合性金属の接合に用いられることができ、アルミニウムをスチールに溶接するときのような二種金属溶接における低接合強度の問題はない。上述の通り、本開示の装置及び方法は、例えばアルミニウム又はマグネシウムからなる２以上の層のような異種材料からなる複数の層のスチール１層への接合、アルミニウム１層のスチール(図２２〜図２７)２層への接合、アルミニウム又はマグネシウムからなる１層のスチール１層への接合に使用されることができる。
【０１０１】
図１７Ａは、図１４Ａのファスナー４１０と同様なファスナー７１０の断面図を示しており、キャップ７１２、シャフト７１４及び端部７１６の厚さは略一定の厚さである。端部７１６は平坦である。
【０１０２】
図１７Ｂに示すファスナー８１０は、端部８１６が平坦で、厚さがキャップ８１２のシャフト８１４より大きい。
【０１０３】
図１７Ｃに示すファスナー９１０は、アール付き端部９１６は一定の厚さを有する。一実施例において、曲率半径Ｒは１〜６インチの範囲である。
【０１０４】
図１７Ｄに示すファスナー１０１０は、端部１０１６とシャフト１０１４の結合部にアール付き端部１０１６とスプライン１０１４ｓがある。スプライン１０１４は、対称軸／回転軸Ｓと同一線上にあるか、又は前記軸に関して角度Ａで配置されることができる。スプラインは、ファスナーが層１１を通して押圧されるとき、ファスナーを特定方向(例えば、直進方向)又はらせん状に案内するために、及び／又は、回転防止手段として、ファスナー１０１０に関する層１１の回転を防止するために用いられることができる。
【０１０５】
図１８〜図２０は、幅Ｗより大きい長さＬを有するファスナー１１１０を示す。一実施例において、長さＬは８ｍｍ〜２５ｍｍの範囲であり、幅は４ｍｍから８ｍｍの範囲である。
【０１０６】
図２１は、１２１２ｃで合流する左部分１２１０ａと右部分１２１０ｂを有するファスナー１２１０の断面を示す。ファスナー１２１０は、対称軸／回転軸Ｓの軸線を中心とする回転体であり、端部１２１６ａ、１２１６ｂが連続するリング面を形成し、後記するように基板に溶接されることができる。
【０１０７】
図２２に示すファスナー１２１０は、例えばアルミニウムから作られた第１層１１に挿通され、溶接ゾーンＰａ、Ｐｂで、例えばスチールから作られた層１３に溶接され、連続するリング形状を有する。リング状溶接部は、大きな表面積に分配され、次に、例えば図１４Ａに示されるファスナー４１０を使用することにより、ディスク形状の溶接部が形成される。チップ１２１５の表面１２１５ｓは、ファスナー１２１０が加熱されチップ１２１７に向かって押圧されるとき、ファスナー１２１０を収容し支持する。
【０１０８】
図２３は、ファスナー１３１０の断面を示しており、第１層１１に挿通され、溶接ゾーンＰａ、Ｐｂで第２層１３に溶接されている。図２１と同様、ファスナー１３１０は、対称軸／回転軸Ｓの軸線を中心とする回転体であり、溶接ゾーンＰａ、Ｐｂは、層１３に溶接された連続するリング形状溶接部の一部である。ファスナー１３１０は、ボルト等の螺合用ネジ付きファスナー(図示せず)を受けるのに適したネジ部１３４２ｔを有するネジ付き中央ソケット１３４２を具える。このようにして、ファスナー１３１０は、層１１〜層１３を保持する機能と、ネジ付きソケットがネジ付きファスナー(図示せず)を介して別の部材又は構造物(図示せず)に組み立てる機能の２つの機能を果たすことができる。チップ１３１５は、溶接中、ソケット１３４２を収容するための凹部１３１５ｒを有する。
【０１０９】
図２４及び図２５に示すファスナー１４１０はファスナー１３１０と同様であるが、ソケット部１４４２はネジ部１４４２ｔの端部が開口し、螺合用ネジ付きファスナー(図示せず)がソケット部１４４２を通過することができる。図２５に示されるように、ファスナー１４１０の取付準備の際、層１１、１３に、ソケット部１４４２を挿通することができるドリル孔又は他の係合用孔１１ｈ、１３ｈを設けることが好ましい。層１１の貫通及び層１１への溶接は、上記したように、抵抗溶接によって行われることができる。チップ１４１５の表面１４２５ｓは、ファスナー１４１０が層１１の中へ押圧され、層１３に溶接されたとき、ファスナー１４１０を支持する。チップ１４１７の凹部１４１７ｒは、溶接工程中に層１１、１３を貫通するソケット部１４４２を収容する。
【０１１０】
図２６に示すファスナー１５１０は、上部１５１０ｕと下部１５１０ｌが一緒に、例えばアルミニウム層１１に溶接されて取り付けられる。下部１５１０ｌはネジ付きソケット１５１０ｔを具える。ファスナー１５１０はスチール又はチタンから作られることができる。溶接工程は上記と同様に行われるが、第２層１３への溶接に代えて、上部１５１０ｕがアルミニウム層１１を通って押し込まれた後、上部１５１０ｕが下部１５１０ｌに溶接される。上記したように、ファスナー１５１０は回転体であるため、溶接ゾーンＰａ、Ｐｂはリング形状溶接部の一部である。層１１はフランジ部１５１０ｆとキャップ１５１２との間に捕捉される。ファスナー１５１０により、例えばスチール又はチタンからなる第１材料で作られたネジ付きソケット１５１０ｔが、例えばアルミニウム又はマグネシウムの異種金属からなる層１１に取り付けられることができる。
【０１１１】
図２７に示すファスナー１６１０は、上部１６１０ｕと下部１６１０ｌが一緒に、例えばアルミニウム層１１に溶接されて取り付けられる。下部１６１０ｌはネジ付きスタッド１６１０ｓを具える。ファスナー１６１０はスチール又はチタンから作られることができる。溶接工程は上記と同様に行われるが、第２層１３への溶接に代えて、上部１６１０ｕがアルミニウム層１１を通って押し込まれた後、上部１６１０ｕが下部１６１０ｌに溶接される。溶接ゾーンＰａは略ディスク形状であり、ファスナー１６１０は回転体である。層１１はフランジ部１６１０ｆとキャップ１６１２との間に捕捉される。ファスナー１６１０により、例えばスチール又はチタンの第１材料から作られたネジ付きスタッド１６１０ｓが、例えばアルミニウム又はマグネシウムの異種金属からなる層１１に取り付けられることができる。
【０１１２】
この明細書に記載された実施形態は、単なる例示であって、当該分野の専門家であれば、開示された主題の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変形及び改変をなすことができるであろう。そのような変形及び改変は全て特許請求の範囲に含まれることが意図される。
出願時の特許請求の範囲の内容を下記に記載する。
［１］
電気抵抗溶接を用いて、導電性の第１材料を、導電性の第２材料に締結する方法であって、
第２材料よりも融点が低い第１材料と第２材料とを物理的及び電気的に接触するように配置すること、
第２材料に溶接可能で第１材料よりも融点が高い導電性ファスナーを、第１材料と物理的及び電気的に接触するように配置して、ファスナー、第１材料及び第２材料を含む導電性スタックを形成すること、
スタックに電位を印加し、電流がスタックを通って流れるように電流を誘導して抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によって第１材料を軟化させること、
ファスナーを、軟化した第１材料を通り第２材料に向けて移動させること、
ファスナーが第２材料と接触した後、ファスナーを第２材料に溶接すること、
を含む、方法。
［２］
第１材料は、アルミニウム、銅、マグネシウム及びそれらの合金の少なくとも１種を含む、前記１の方法。
［３］
第２材料は、スチール、チタン、それらの合金及びインコネルの少なくとも１種を含む、前記２の方法。
［４］
ファスナーは、スチール、チタン、それらの合金及びインコネルの少なくとも１種から作られ、前記
３の方法。
［５］
ファスナーの一部分は、ファスナーが第１材料の中を通って移動されるときに変位する第１材料の盛上り部を被覆する、前記１の方法。
［６］
第１材料及び第２材料は層の形態である、前記１の方法。
［７］
層は金属シートである、前記６の方法。
［８］
第２材料は構造部材の形態である、前記１の方法。
［９］
電位は直接抵抗溶接の過程で印加される、前記１の方法。
［１０］
電位は間接抵抗溶接の過程で印加される、前記１の方法。
［１１］
電位は直列抵抗溶接の過程で印加される、前記１の方法。
［１２］
スタックは、第２材料及びファスナーの融点よりも融点が低い材料からなる複数の層を含む、前記１の方法。
［１３］
複数の層はアルミニウム合金の複数の層を含む、前記１２の方法。
［１４］
複数の層はアルミニウム合金の層とマグネシウム合金の層を含む、前記１２の方法。
［１５］
第２材料は第２ファスナーである、前記１の方法。
［１６］
ファスナーと第２ファスナーは、それらの間で第１材料をクランプする、前記１５の方法。
［１７］
第１材料は複数の層を含み、ファスナーと第２ファスナーは、前記複数の層を一緒にクランプする、前記１６の方法。
［１８］
第２ファスナーはネジ付きソケットを有する、前記１５の方法。
［１９］
ネジ付きソケットは第１材料を貫通する、前記１８の方法。
［２０］
第２ファスナーはネジ付きスタッドを有する、前記１５の方法。
［２１］
ファスナーと第２ファスナーは同じものである、前記１５の方法。
［２２］
前記印加するステップの前に、ファスナー、第１層及び第２層の少なくとも１つの間に防食バリアを形成するステップをさらに含む、前記１の方法。
［２３］
バリアは非導電性であり、前記印加するステップ中に、電流が流れることのできる孔をバリアに開設するステップをさらに含む、前記２２の方法。
［２４］
電位は電極によって印加され、電極の少なくとも１つはファスナーの形状に相補的な形状であって、ファスナーを受け入れることができるチップを有し、前記配置するステップの前に、ファスナーを少なくとも１つのチップに連結するステップをさらに含む、前記１の方法。
［２５］
同じファスナーは、前記溶接するステップ中に、第１材料を選択された度合いにまで変形させることにより、ある厚さ範囲の第１材料を第２材料に締結する能力を有する、前記１の方法。
［２６］
ファスナーは初期形状と最終形状を有するキャップを有し、前記印加するステップ、前記移動させるステップ及び前記溶接するステップ中に、キャップを初期形状から最終形状に変形させるステップをさらに含む、前記１の方法。
［２７］
ファスナーは中空部を有し、前記配置するステップ中に、電極チップの一部分を中空部に挿入するステップをさらに含む、前記１の方法。
［２８］
ファスナーはキャップ部とシャフト部を有し、シャフト部は、前記移動させるステップ中に第１層を貫通する、前記１の方法。
［２９］
キャップは、前記移動させるステップ及び前記溶接するステップ中に、第１層から押し出された材料を捕捉することができる、前記２８の方法。
［３０］
キャップは、前記溶接するステップの完了後に第１層に当接する、前記２９の方法。
［３１］
前記印加するステップ、前記移動させるステップ及び前記溶接するステップ中、電流の流れは可変である、前記１の方法。
［３２］
前記印加するステップ、前記移動させるステップ及び前記溶接するステップ中、電流の流れる時間は可変である、前記１の方法。
［３３］
前記配置するステップの前に、シートからファスナーをスタンピングすることをさらに含む、前記１の方法。
［３４］
ファスナーには、亜鉛めっき、電気めっき、電気亜鉛めっき、アルミナイズド又はガルバニールドのうちの少なくとも１つが施される、前記４の方法。
［３５］
ファスナーは、ステンレス鋼、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、及びインコネルのうちの少なくとも１種である、前記１の方法。
［３６］
電気抵抗溶接を用いて第１材料を導電性の第２材料に締結するための方法であって、
第１材料にパイロット孔を形成すること、
第１材料と第２材料が物理的に接触するように両材料を配置すること、
第２材料に溶接可能な導電性ファスナーをパイロット孔に通すことにより、前記導電性ファスナーを第２材料と電気的に接触するように配置すること、
ファスナー及び第２材料に電位を印加し、電流がファスナー及び第２材料を通って流れるように電流を誘導して抵抗加熱を生じさせ、該抵抗加熱によってファスナーを第２材料に溶接すること、
を含む、方法。
［３７］
ファスナーと第２材料は、スチール、アルミニウム、マグネシウム、チタン及びそれらの合金のうちの少なくとも１種であり、第１材料は、プラスチック、プラスチック複合材、金属−プラスチック積層体、セラミック、塗装金属、アルミニウム、スチール、チタン、マグネシウム、それらの合金及びインコネルのうちの少なくとも１種である、前記３６の方法。
［３８］
電気抵抗溶接を用いて、導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、
キャップと、
キャップから延びてキャップから遠位側に端部を有するシャフトとを具え、
ファスナーが、第２材料よりも融点が低い前記第１材料と前記第２材料とが電気的に接触するように配置されたスタックの中に配置され、該スタックに電位が印加されると、電流がスタックを通って流れ、抵抗加熱が生じて、第１材料が軟化されるようにしており、
シャフトが、軟化した第１材料を貫通し、シャフトがキャップから遠位側の端部で第２材料に溶接されると、第１材料がキャップと第２材料との間に捕捉されるようにしている、ファスナー。
［３９］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面がＵ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成されている、前記３８のファスナー。
［４０］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が四角形Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成されている、前記３８のファスナー。
［４１］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成されており、ファスナーの壁の厚さはキャップ、シャフト及び端部で略一定であり、前記端部は平坦面を形成する、前記３８のファスナー。
［４２］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、端部は平坦面を形成し、端部の壁の厚さはシャフト及びキャップの厚さより大きい、前記３８のファスナー。
［４３］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、ファスナーを形成するファスナーの壁の厚さはキャップ、シャフト、及び端部で略一定であり、端部にアール面が形成されている、前記３８のファスナー。
［４４］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、シャフトは端部に近接する位置にシャフト外面から延びる少なくとも１つのスプラインを有する、前記３８のファスナー。
［４５］
ファスナーは回転軸に関して非対称であり、挿入方向に直交する方向に測定された長さは、挿入方向に直交する方向に測定された幅よりも大きく、断面が分岐Ｕ字状の中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成されている、前記３８のファスナー。
［４６］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の２つの部分が中央の下向き先端部で結合された中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、端部はリング形状である、前記３８のファスナー。
［４７］
ファスナーは回転軸に関して対称であり、断面が分岐Ｕ字状の２つの部分が中央のネジ付きファスナーの部分で結合された中空シャフトを有し、キャップは、シャフトから延びて、Ｕ字状の開口端に、逆向きに屈曲した周縁リップ部が形成され、端部はリング形状である、前記３８のファスナー。
［４８］
ネジ付きファスナーの部分はネジ付きソケットである、前記４７のファスナー。
［４９］
ネジ付きソケットは端部が開口し、第１材料の開口を挿通することができる、前記４８のファスナー。
［５０］
ネジ付きファスナーの部分はネジ付きスタッドを有する、前記４８のファスナー。
［５１］
ファスナーは、キャップ、シャフト及び端部を具える上部と、ネジ付きソケットを具える下部とを有し、上部は第１材料を貫通して、下部に溶接される、前記４８のファスナー。
［５２］
ファスナーは、キャップ、シャフト及び端部を具える上部と、ネジ付きスタッドを具える下部とを有し、ネジ付きスタッドはフランジから延びて、上部は第１材料を貫通して、フランジに溶接される、前記４８のファスナー。
［５３］
シャフトの少なくとも一部分は断面が中実である、前記３８のファスナー。
［５４］
ファスナーはスチール、チタン、マグネシウム、アルミニウム、それらの合金及びインコネルのうちの少なくとも１種から作られる、前記３８のファスナー。
［５５］
電気抵抗溶接を用いて、パイロット孔を有する非導電性の第１材料を導電性の第２材料に締結するためのファスナーであって、
キャップと、  キャップから延びてキャップから遠位側に端部を有するシャフトとを具え、
ファスナーは、第１材料と第２材料がスタックに配置されると、パイロット孔に挿通されることができ、ファスナーは導電性材料から形成され、ファスナーとスタックに電位が印加されると、電流がスタックを通って流れ、抵抗加熱が生じ、ファスナーがキャップから遠位側端部で第２材料に溶接されると、第１材料がキャップと第２材料との間で捕捉されるようにしている、ファスナー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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