(57)【要約】【課題】異種材料を接合する既知の方法の加工時間、信頼性、品質および／またはコストに関する欠点を解消することにある。【解決手段】本発明は、低い圧力および温度を加えることにより、材料の歪みおよび熱影響を受ける領域を最小にできる異種材料の接合方法、例えばアルミニウムを鋼に接合する方法を提供する。本発明の方法は、溶接要素に電流を供給する段階と、加熱された溶接要素により、第１材料の一部を少なくとも部分的に溶融させる段階と、および第１材料の少なくとも一部が溶融した部分に溶接要素を通す段階とを有している。本発明の方法は更に、加熱された溶接要素と第２材料とを接触させる段階と、互いに接触している溶接要素の一部と第２材料の一部とを溶融させて溶接部を形成する段階とを有している。溶接要素は、第２材料との間に第１材料を捕捉する頭部と、溶接要素が通るときに少なくとも一部が溶融した第１材料を受入れる通気孔とを有するように設計されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１材料を第２材料に沿って配置する工程を有し、第１材料および第２材料は異種材料であり、
第１材料に沿って溶接要素を配置する工程を有し、溶接要素は第１端部から第２端部まで延びている通気孔を備え、
溶接要素を加熱すべく溶接要素に電流を供給する工程と、
第１材料の一部を少なくとも部分的に溶融させかつ加熱された溶接要素を第１材料の少なくとも一部が溶融された部分に通す工程と、
第１材料の少なくとも一部が溶融した部分を通った後に、加熱された溶接要素と第２材料とを接触させる工程と、
互いに接触している溶接要素の一部と第２材料の一部とを溶融させて溶接部を形成する工程とを更に有することを特徴とする異種材料の接合方法。
【請求項２】
前記溶接要素と第２材料との間で第１材料を捕捉する工程を有することを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項３】
前記第１材料は非鉄系金属であり、第２材料および溶接要素は鉄系金属であることを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項４】
前記電流を供給する工程は第１時間およびこれに続く第２時間の間電流を供給する段階を有し、第２時間中の電流は第１時間中の電流に等しいかこれより大きく、第１材料の少なくとも一部が溶融した部分に通す工程は第１時間中に行われ、第１時間は溶接要素が第２材料と接触すると終了し、溶接要素と第２材料との間に溶接部を形成する工程は第２時間中に行われることを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項５】
前記第１時間中に電流を変化させる工程および第２時間中に電流を一定に維持する工程を有することを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項６】
前記加熱された溶接要素を第１材料の少なくとも一部が溶融された部分に通す工程は、３００ポンドを超えないレベルの圧力を加熱された溶接要素に加える段階を有することを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項７】
前記溶接要素は、中心軸線から離れた位置に面しておりかつ中心軸線に対して垂直な外幅を有する外面を有し、外幅は、第１端部における外幅の方が第２端部における外幅より大きいことを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項８】
前記溶接要素は中心軸線に対して垂直に中心軸線から外方に延びている頭部を有し、第１材料の露出面を溶接要素の頭部に接触させる工程を更に有することを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項９】
前記溶接要素は、第１端部で中心軸線から外方に延びている頭部を有し、溶接要素の頭部にキー溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項１０】
前記溶接要素に電流が供給されている間に、第１材料上に第２材料を配置する工程を有することを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項１１】
前記電流を供給する工程は、主電極が溶接要素と係合している間に変圧器から主電極に電流を供給する段階と、主電極が係合しておりかつ溶接要素に電流を供給している間に主電極に圧力を加える段階とを有していることを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項１２】
前記第１材料はアルミニウム系でありかつシート、チューブまたはキャスティングからなり、
第２材料は非鉄系でありかつシート、チューブまたはキャスティングからなり、
溶接要素は鉄系でありかつ第１端部から第２端部まで中心軸線に沿って長手方向に延びており、溶接要素は中心軸線から外方にかつ該中心軸線に対して垂直に延びた頭部を有し、溶接要素は第１端部から第２端部まで中心軸線に沿って連続的に延びた通気孔を有し、
第１材料の接触面を第２材料の接触面に沿ってかつ該接触面に対して平行に配置する工程と、
第１材料上に第２材料を配置する工程と、
第１材料の接触面とは反対側の露出面上に溶接要素の第２端部を配置する段階とを更に有し、
電流を供給する工程は、第２時間が後に続く第１時間の間、主電極が溶接要素の第１端部と係合する間に、変圧器から主電極に電流を供給する段階を有し、第１材料の少なくとも一部が溶融した部分を通す工程は第１時間中に行われ、第１時間は溶接要素が第２材料に接触すると終了し、溶接要素と第２材料との間に溶接部を形成する工程は第２時間中に行われ、第１時間は０．５秒より短く、第２時間は０．５秒より短く、
電流を供給する工程は、第１時間よりも第２時間の方が大きい電流を供給し、
電流を供給する工程は、第１時間中は電流を変化させ、第２時間中は全時間に亘って電流を一定に維持し、
電流を供給する工程は、第１時間中よりも第２時間中の方が溶接要素をより高い温度に加熱する段階を有し、
溶接要素の第２端部が第２材料に接触する時点を決定すべく、溶接要素が第１材料を通るときに、第１材料および第２材料の少なくとも一方に対する溶接要素の位置を決定し、
ひとたび溶接要素の第２端部が第２材料に接触すると、より大きい電流で第２時間を開始し、
主電極が溶接要素と係合して溶接要素に電流を供給している間に主電極に荷重を加えることにより溶接要素に圧力を加え、
溶接要素に圧力を加える工程は、第１時間中および第２時間中に荷重を一定に維持する段階を有し、
第１材料の露出面を溶接要素の頭部に接触させ、
溶接要素の頭部と第２材料との間で第１材料を捕捉することを特徴とする請求項１記載の異種材料の接合方法。
【請求項１３】
第１材料を第２材料に沿って配置する工程を有し、第１材料および第２材料は異種材料であり、
第１材料に沿って溶接要素を配置する工程を有し、溶接要素は第１端部から第２端部まで延びている通気孔を備え、
溶接要素を加熱すべく溶接要素に電流を供給する工程と、
第１材料の一部を少なくとも部分的に溶融させかつ加熱された溶接要素を第１材料の少なくとも一部が溶融された部分に通す工程と、
第１材料の少なくとも一部が溶融した部分を通った後に、加熱された溶接要素と第２材料とを接触させる工程と、
互いに接触している溶接要素の一部と第２材料の一部とを溶融させて溶接部を形成する工程と、
溶接要素と第２材料との間で第１材料を捕捉して機械的接合部を形成する工程とを更に有することを特徴とする異種材料の接合方法。
【請求項１４】
第２材料に沿って配置される第１材料を有し、第１材料および第２材料は異種材料であり、
第１材料に沿って配置される溶接要素を有し、該溶接要素は第１端部から第２端部まで延びている通気孔を備え、
主電極に接続されたエネルギ源を更に有し、該エネルギ源は、主電極が溶接要素と係合している間に主電極に電流を供給し、これにより、溶接要素を加熱して第１材料の一部を少なくとも部分的に溶融させ、溶接要素を第１材料の少なくとも一部が溶融した部分に通し、溶接要素を第２材料に接触させ、第２材料と溶接要素とを接触させかつ互いに接触している溶接要素の一部と第２材料の一部とを溶融させて溶接部を形成することを特徴とする異種材料の接合システム。
【請求項１５】
前記溶接要素が第２材料に接触する時点を決定しかつひとたび溶接要素が第２材料に接触したならばより大きい電流を供給するセンサを有することを特徴とする請求項１４記載の異種材料の接合システム。
【請求項１６】
第２材料に沿って配置される第１材料を有し、第１材料および第２材料は異種材料であり、
第１材料を通って延びている溶接要素を有し、該溶接要素は第１端部から第２端部まで中心軸線に沿って延びており、第２端部は第２材料に溶接されており、
溶接要素は第１端部から第２端部まで延びている通気孔を備えていることを特徴とする構造。
【請求項１７】
前記第１材料が溶接要素と第２材料との間で捕捉されていることを特徴とする請求項１６記載の構造。
【請求項１８】
前記溶接要素は、溶接要素と第２材料との間で第１材料を捕捉するための、中心軸線から外方に延びた頭部を有していることを特徴とする請求項１７記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは、異種材料の接合方法、異種材料の接合システムおよび接合された異種材料を含む構造に関する。
【０００２】
従来出願に関する相互参照
このＰＣＴ特許出願は、「異種材料の接合方法」の名称に関する２０１４年２月１１日付米国仮特許出願第６１／９３８，３６７号の利益を主張する。この米国仮特許出願の全開示は本願の一部であるとみなしかつ本願に援用する。
【背景技術】
【０００３】
ビーム、ピラーおよびレール等の自動車用構造部品は、しばしば異種材料例えば高強度を有する第１材料および高延性を有する第２材料からなる。異種材料を一体に接合するのに種々の方法、例えば溶接または打鋲（リベッティング）を使用できる。異種材料を接合するのに使用される１つの溶接技術としてインサート溶接がある。この技術は、第１材料にリベットを押し込み、第２材料にリベットを溶接する工程を有している。
しかしながら、異種材料を接合する既知の方法は、加工時間、信頼性、品質および／またはコストに関する欠点を有している。例えばアルミニウムおよび鋼のように、材料の融点および熱膨張係数が大きく異なるときは溶接は困難である。また、インサート溶接は高荷重を必要とし、これは設備が高価であることおよび接合される材料に大きな損傷が加えられる可能性があることを意味する。また、多くの溶接技術は、接合すべき材料の反対側にアクセスすることを必要とし、これは或る場合には不可能である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、溶接要素を用いて低い圧力および熱で異種材料を接合する方法、したがって材料の最小歪みおよび低コストを達成できる異種材料の接合方法を提供する。本発明の方法は、第１材料を第２材料に沿って配置する工程を有し、ここで第１材料および第２材料は異種材料である。本発明の方法は、第１材料に沿って溶接要素を配置する工程を有し、溶接要素は第１端部から第２端部まで延びている通気孔を備え、溶接要素を加熱すべく溶接要素に電流を供給する工程を更に有している。本発明の方法は次に、第１材料の一部を少なくとも部分的に溶融させかつ加熱された溶接要素を第１材料の少なくとも一部が溶融された部分に通す工程を有している。第１材料の少なくとも一部が溶融された部分は、加熱された溶接要素が第１材料を通るとき、通気孔の第２端部に入って第１端部に向かって流れる。第１材料の少なくとも一部が溶融された部分を通った後、本発明の方法は、第１材料の少なくとも一部が溶融した部分を通った後に、加熱された溶接要素と第２材料とを接触させる工程と、互いに接触している溶接要素の一部と第２材料の一部とを溶融させて溶接部を形成する工程とを更に有している。
【０００５】
本発明はまた、異種材料の接合システムを提供する。本発明のシステムは、第２材料に沿って配置される第１材料を有し、溶接要素は第１材料に沿って配置される溶接要素を有している。主電極にはエネルギ源が接続されている。エネルギ源は、主電極が溶接要素と係合している間に主電極に電流を供給する。加熱された溶接要素は、第１材料の一部を少なくとも部分的に溶融させ、第１材料の少なくとも一部が溶融した部分を通る。互いに接触している溶接要素の一部と第２材料の一部とが溶融され、溶接部を形成する。
【０００６】
本発明は更に、溶接要素により一体接合された異種材料を含む構造を提供する。第１材料が第２材料に沿って配置され、溶接要素が第１材料を通って延びており、第２端部が第２材料に溶接されている。溶接要素はまた、中心軸線に沿って第１端部から第２端部まで延びている通気孔を備えており、通気孔は第１材料の再凝固部分を収容できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】溶接要素を用いた異種材料の例示的接合方法の５つのフェーズを示す図面である。
【図１Ａ】図１に示した第２フェーズから第４フェーズ中の異種材料および溶接要素を示す側断面図である。
【図２】溶接要素を用いて３つ以上の異種材料を接合する他の実施形態を示す側断面図である。
【図３】溶接要素の外面が円形を呈しかつ溶接要素の頭部がキー止めされている一例示実施形態による溶接要素を示す平面図である。
【図４】溶接要素の外面が六角形を呈する他の実施形態による溶接要素を示す平面図である。
【図５】溶接要素の外面が矩形を呈する更に別の実施形態による溶接要素を示す平面図である。
【図６】面取りされた第１端部と、該第１端部から第２端部に向かって減少する通気孔幅とを有する他の実施形態による溶接要素を示す側断面図である。
【図７】鋭い第１端部と、該第１端部から第２端部に向かって減少する通気孔幅とを有する更に別の実施形態による溶接要素を示す側断面図である。
【図８】溶接要素が第１材料の縁部に配置される他の実施形態による異種材料および溶接要素を示す側断面図である。
【図８Ａ】図８の異種材料および溶接要素を示す平面図である。
【図９】溶接要素の頭部が第１材料内に押し込まれる更に別の実施形態による異種材料および溶接要素を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、アルミニウムを鋼に接合するように、異種の第１材料２０および第２材料２２を低圧および低温で、したがって低コストでかつ両材料２０、２２の歪みが最小になるようにして接合する改善された方法を提供するものである。本発明の方法は、第１材料２０を通って少なくとも一部を溶融する工程、および第２材料２２を加熱された溶接要素２４に接触させる工程を有している。溶接要素２４と第１材料２０との間には連結部２８が形成されかつ溶接要素２４と第２材料２２との間には冶金学的接合部すなわち溶接部２６が形成される。溶接要素２４の幾何学的形状は、溶接要素２４と第２材料２２との間に第１材料２０を捕捉すること、すなわち、ひとたび溶接部２６が所定位置に形成されたならば現場での機械的接合を創出することが好ましい。
【０００９】
図１には、本発明の方法の例示実施形態が概略的に示されている。本発明の方法は、最初に第１材料２０および第２材料２２を用意する工程を有している。一般に、両材料２０、２２はチューブまたはシートの形態で用意される。両材料２０、２２は、種々の異なる形状のキャスティングとすることもできる。両材料２０、２２の大きさおよび寸法は、製品の意図する用途に基づいて変えることができる。例示実施形態では、両材料２０、２２は、２ミリメートルを超えない厚さｔ1、ｔ2を有するシートの形態で用意される。しかしながら、溶接要素２４の大きさおよび寸法は適宜設計できるため、溶接要素２４を用いて接合される異種材料２０、２２の厚さｔ1、ｔ2は限定されるものではない。例えば、両材料２０、２２が大きい厚さｔ1、ｔ2を有する場合には、溶接要素２４の長さを増大させることができる。
【００１０】
種々の異種材料の組成物は溶接要素２４により接合されるが、一般に第１材料２０は第２材料２２より低い融点および電気抵抗を有する。第１材料２０は非鉄系金属および／またはカーボン繊維複合体である。例示実施形態では、第１材料２０はアルミニウム合金または他のアルミニウム系材料、例えば５１８２の表示で販売されているアルミニウム合金である。第２材料２２は鉄系金属である。例示実施形態では、第２材料２２は、例えば６０Ｇ６０Ｇの名称で販売されている種類の鋼である。
【００１１】
図１および図１Ａの例示実施形態は２つのみの異種材料２０、２２を接合する溶接要素２４を示しているが、本発明の方法は３つ以上の異種材料を接合する工程を含むものである。図２には、一体接合された４つの材料２０、２２、３０、３２の例が示されており、この例では第１材料２０と第２材料２２との間に第３材料３０および第４材料３２が配置されている。この例では、第３材料３０はマグネシウムで形成され、第４材料３２はアルミニウムで形成されている。
【００１２】
本発明の方法はまた、溶接要素２４を用意する工程により開始される。図１および図１Ａに示す例示実施形態では、溶接要素２４は、第１端部３４から第２端部３６まで中心軸線Ａに沿って長手方向に延びているリベットである。この溶接要素２４は、中心軸線Ａに対して垂直にかつ外方に延びた頭部３８と、該頭部３８から第２端部３６まで中心軸線Ａに沿って延びている軸部４０とを有している。溶接要素２４はまた、中心軸線Ａから離れる方向を向いた外面４２を有し、該外面４２は中心軸線Ａに対して垂直に計測した外幅Ｗ0を有している。一般に、第１端部３４での外幅Ｗ0は、第２端部３６での外幅Ｗ0より大きい。例示実施形態では、軸部４０より頭部３８に沿う外幅Ｗ0の方が大きい。また、外幅Ｗ0は、第１端部３４から軸部４０まで全頭部３８に沿って一定であり、かつ頭部３８から第２端部３６まで全軸部４０に沿って一定である。別の構成として、図２に示すように、外幅Ｗ0は、第１端部３４と第２端部３６との間で連続的にテーパ状にすることもできる。他の実施形態では、図３に示すように、溶接要素２４の頭部３８にキー溝が設けられる。頭部３８にキー溝を付す特徴は、非破壊的トルク試験を行うこと、したがって両異種材料２０、２２を一体に接合する溶接要素２４の強度を決定することに使用できる。例えば、キー溝付頭部３８と係合し、溶接要素２４にトルクを加えて両異種材料２０、２２間の連結強度を測定するのにレンチを使用できる。
【００１３】
溶接要素２４の外面４２は、断面で見たとき、種々の異なる形状にすることができる。一実施形態では、図３に示すように、頭部３８および軸部４０の両方の外面４２が円形を呈している。別の構成として、溶接要素２４の外面４２は、図４に示すような六角形にするか、図５に示すような長方形にすることができる。更に、頭部３８および軸部４０は、互いに異なる形状にすることもできる。
【００１４】
溶接要素２４には、図１、図２、図６および図７に示すように、第１端部３４から第２端部３６まで中心軸線Ａに沿って連続的に延びる通気孔を設け、これにより、第１材料２０が溶融または一部溶融する間に、第１材料２０の少なくとも一部の溶融部分が第２端部３６で通気孔に入り、溶接要素２４の第１端部３４に向かって流れるようにするのが好ましい。溶接要素２４の外面４２は、少なくとも一部が溶融した第１材料２０を溶接要素２４が通るときに切断線を創成して、少なくとも一部が溶融した第１材料２０を通気孔に指向させる。溶接要素２４の内面４４は中心軸線Ａに対して垂直な通気孔幅ＷVを形成し、該通気孔幅ＷVは少なくとも一部が溶融した第１材料２０の所望の流れに基づいて変えることができる。図１および図２に示す実施形態では、通気孔幅ＷVは第１端部３４から第２端部３６まで一定である。図６および図７の実施形態では、第１端部３４の通気孔幅ＷVの方が第２端部３６の通気孔幅ＷVより大きい。他の実施形態では、溶接要素２４の内面４４には、他のコンポーネントを取付けるためのねじ山が通気孔に沿って設けられている。
【００１５】
また、溶接要素２４の両端部３４、３６は、平坦でもよいし、尖鋭でもよい。例えば図１の実施形態では、第１端部３４および第２端部３６の両方が平坦面を有している。図２の実施形態では、第１端部３４は平坦であるが第２端部３６は尖鋭である。図６の実施形態では、第１端部３４は、平坦面を呈するように面取りされ、第２端部３６も平坦である。図７では、第１端部３４が尖鋭で、第２端部３６は平坦である。
【００１６】
溶接要素２４は種々の材料で形成できるが、一般に、融点および電気抵抗が第１材料２０より高く、第２材料２２と同等の材料、例えば鋼または他の鉄系材料で形成される。例示実施形態では、溶接要素２４は、１０１８鋼の名称で販売されている鋼で形成されている。他の実施形態では、溶接要素２４は複数の異種材料で形成される。例えば、溶接要素２４には、第２端部３６に沿って配置されるステンレス鋼の層を設け、一方、溶接要素２４の残部は、ステンレス鋼より高い融点および電気抵抗を有する鉄系材料で形成することができる。任意であるが、溶接要素２４にコーティングを施すことができる。一実施形態では、溶接要素２４は、ステンレス鋼の層または例えば４０００シリーズのアルミニウム合金のようなアルミニウム系材料でエレクトロコーティングされる。
【００１７】
両異種材料２０、２２および溶接要素２４がひとたび用意されたならば、本発明の方法は、第１材料２０の接触面４６を第２材料２２の接触面４７に沿ってかつ平行に配置する工程を有している。本発明の方法はまた、溶接要素２４を用いて３つ以上の異種材料を接合することができる。付加材料を接合するときは、図２に示すように、付加材料３０、３２もまた第１材料２０および第２材料２２に沿って配置される。図１および図１Ａに示す例示実施形態では、本発明の方法は、第１材料２０の上に第２材料２２を配置する工程を有している。この配置は、少なくとも一部が溶融した第１材料２０が通気孔を通って流れることを補助し、したがって溶接要素２４に加える圧力を小さくすることができる。
【００１８】
本発明の方法はまた、両異種材料２０、２２を接合する準備として、溶接要素２４の第２端部３６を、第１材料２０の接触面４６とは反対側の露出面４８上に配置する工程を有している。本発明の方法により得られる長所は、本発明の方法が、他の接合方法におけるように両側ではなく、異種材料２０、２２の一側にアクセスするだけでよいことである。図１に示す例示実施形態では、保持装置５２を備えた溶接装置５０が溶接要素２４を第１材料２０上に置く。一般に溶接要素２４は、該溶接要素２４が第１材料２０を通って溶融されまたは少なくとも一部が溶融された後、溶接要素２４の全外面が第１材料２０により包囲されるように第１材料２０に沿って位置決めされる。しかしながら、溶接要素２４は、図８および図８Ａに示すように、第１材料２０の縁部に沿って配置することもできる。
【００１９】
前述のように、本発明の方法は次に、溶接要素２４を用いて、第１材料２０の一部を溶融しまたは少なくとも一部を溶融し、第１材料２０の少なくとも一部が溶融した部分を小さい力で通し、溶接要素２４と第２材料２２との間に溶接部２６を形成する工程を有している。この工程は、溶接要素２４に電流を供給して溶接要素２４を加熱すると同時に、加熱された溶接要素２４に小さい圧力を加える段階を含んでいる。例示実施形態では、溶接装置５０が、溶接要素２４に接触する主電極５８と、電流を主電極５８および溶接要素２４に供給するエネルギ源５４とを有している。第２材料２２は主電極５８の接地を形成し、これは溶接工程中の一側アクセスを可能にする。別の構成として、電流が供給されるときに別体の接地電極５６を第２材料２２に接触させることができる。
【００２０】
一実施形態では、エネルギ源５４は、主電極５８に正接続されたＡＣ変圧器である。ＡＣ変圧器はまた、第２材料２２に負接続されている。この例では、正接続は約４８０ＶＡＣであり、負接続は約９〜２１ＶＡＣである。しかしながら、ＤＣ変圧器のような他の形式のエネルギ源５４を使用することもできる。
【００２１】
溶接要素２４に電流を供給する工程は、一般に、溶接要素２４を第１材料２４に通して溶融または一部溶融させるときには小電流を供給し、ひとたび溶接要素２４が第２材料２２に接触したときには小電流に等しいかこれより大きい電流を供給して、溶接要素２４と第２材料２２との間に溶接部２６を形成する段階を有している。例えば例示実施形態では、本発明の方法は、第１時間およびこれに続く第２時間中、主電極５８が溶接要素２４の第１端部３４と係合するときに変圧器から主電極５８に電流を供給する工程を有している（ここで、電流は第２時間中の方が大きい）。第１材料２０の少なくとも一部が溶融した部分を通る工程は、第１時間中に生じる。溶接要素２４の第２端部３６が第２材料２２の接触面４７と接触するときに、第１時間が終了しかつ第２時間が開始する。次に、第２時間中に、溶接要素２４と第２材料２２との間に溶接部２６を形成する工程が生じる。
【００２２】
両異種材料２０、２２の少なくとも一方に対する溶接要素２４の位置を決定し、したがって溶接要素２４の第２端部３６が第２材料２２の接触面４７と係合する時点を決定するのにセンサ６０を使用できる。溶接装置５０は、溶接要素２４が第２材料２２に接触するまで、溶接要素２４を第１材料２０の少なくとも一部が溶融した部分内に長手方向に移動させることを続ける。ひとたび溶接要素２４が第２材料２２に接触すると、溶接装置５０は、溶接要素２４を押圧することを停止するか、第２材料２２の溶融部分内に非常に短距離だけ押し込んで溶接部２６を形成する。図１、図８および図９に示す実施形態では、溶接要素２４の頭部３８が該頭部３８と第２材料２２との間に第１材料２０を捕捉し、かつ溶接部２６が溶接要素２４を第２材料２２に冶金学的に接合して、溶接要素２４と両異種材料２０、２２とを所定位置に固定する。溶接部２６は高い強度および疲労強度を有し、したがって、ビーム、ピラーおよびレール等の種々の自動車用途に信頼性をもって使用できる。
【００２３】
前述のように、第２時間中に供給される電流は、第１時間中に供給される電流に等しくするか、これより大きくすることができる。例示実施形態では、第１時間中の電流は約１３〜１５ｋＡに到達し、第２時間中の電流はこれより大きい。電流は、第１時間から第２時間にかけて、第１時間の終時に急激にまたは徐々に増大させることができる。また、第１時間中および第２時間中は、電流を一定に保つか変化させることができる。例示実施形態では、本発明の方法は、第１時間中は電流を変化させ、第２時間中は電流を一定に維持する工程を有している。
【００２４】
異なる電流レベルを供給することにより、本発明の方法は、第２時間中の溶接要素２４の温度が第１時間中の溶接要素２４の温度と等しくなるか、高くなるように溶接要素２４を加熱する工程を有している。例示実施形態では、溶接要素２４の温度は第２時間中の方が高い。溶接要素２４が鉄系材料で形成される場合には、溶接部２６を形成すべく、方法実施中の任意の時点での溶接要素２４の最高温度は、７００℃を超えてはならず第２時間中は６００℃よりごく僅か高い温度が好ましい。
【００２５】
前述のように、電流が供給されている間に溶接要素２４に圧力が加えられ、少なくとも一部が溶融された第１材料２０を通して、加熱された溶接要素２４を移動させる。例示実施形態では、この工程は、主電極５８が溶接要素２４と係合して該溶接要素２４に電流を供給している間に、主電極５８に荷重を加える段階を有している。溶接要素２４に加えられる荷重は、材料とリベットとを接合するのに使用される他の方法と比較して小さい。この小さい圧力は、第１材料２０および第２材料２２の溶融されていないか一部が溶融された部分の歪みを最小にして大きい歪みを防止する。加熱された溶接要素２４が、小さい力で、第１材料２０の少なくとも一部が溶融された部分を通る間は、加熱された溶接要素２４が、加熱された溶接要素２４により溶融されていないか一部が溶融された第１材料２０の隣接部分を変形させないことが好ましい。換言すれば、第１材料２０および第２材料２２は、異種材料を接合するのに使用される他の方法におけるように強く貫入されず、破壊されずまたは穿刺されることがない。一般に、第１材料２０および第２材料２２は、溶接要素２４に隣接する第１材料２０の溶融部分または一部が溶融した部分および第２材料２２と溶接要素２４との間の溶接部２６を除き、全溶接工程を通して同じ形状を維持する。例示実施形態では、溶接要素２４に加えられる荷重は、３００ポンドを超えることがなくかつ第１時間および第２時間中に一定に維持される。別の構成として、荷重は第１時間および第２時間のいずれかまたは両方の時間の間中変えることができるが、依然として低い値に維持される。
【００２６】
前述のように、加熱された溶接要素２４に電流および小さい圧力を加えることにより、溶接要素２４の第２端部３６に隣接する第１材料２０の一部が溶融されるか一部が溶融される。少なくとも一部が溶融した第１材料２０は、第２端部３６で通気孔内に流入し、該通気孔を通り、溶接要素２４の第１端部３４に向かって流れる。しかしながら、或る場合には、第１材料２０が通気孔内に流入しない。第１材料２０のごく僅かな部分が溶融するか一部が溶融し、残部は固体を維持する。少なくとも一部が溶融した第１材料２０は次に溶接要素２４の周囲および通気孔内で凝固し、これにより、溶接要素２４および該溶接要素２４に沿って配置された材料２０、２２の腐食が防止される。ひとたび溶接要素２４の第２端部３６が第２材料２２に接触すると、電流が増大されて、第２端部３６に沿う溶接要素２４の部分並びに溶接要素２４の第２端部３６が接触する第２材料２２の部分を溶融させる。溶接要素２４および第２材料２２のごく小さい部分が溶融し、残部は固体に留まる。溶融部分は凝固しかつ溶接部２６を形成する。
【００２７】
図１に示す例示実施形態では、溶接要素２４の頭部３８が短い距離だけ第１材料２０内に押し込まれ、両者の間に連結部２８を形成する。別の構成では、頭部３８を第１材料２０と接触させて露出面上に置き、連結部を形成することもできる。この場合には、頭部３８は第１材料２０の外部に留まる。或いは、頭部３８を露出面４８に通して第１材料２０内に押し込み、溶接要素２４の表面に沿う腐食の発生を低減させることもできる。例えば、頭部３８を第１材料２０の皿孔内に入れることもできる。溶接要素２４が頭部３８を備えていない実施形態では、溶接要素２４の第１端部３４を第１材料２０の露出面４８と同一面にするか、第１材料２０の露出面４８の外部に留めるか、腐食を低減させるため第１材料２０の露出面４８の内部に押込むことができる。ひとたび溶接部２６が形成されたならば、溶接装置５０が後退され、本発明の方法が反復される。
【００２８】
前述のように、本発明の方法によれば、低圧および低温、したがって低コストおよび第１材料２０および第２材料２２の最小歪み、両材料２０、２２間の小さい熱影響ゾーン、強い溶接部２６および耐食性を含む多くの長所が提供される。また、本発明の方法は、接合すべき両材料２０、２２の一側のみにアクセスすればよく、材料２０、２２の厚さｔにはいかなる制限もない。本発明の方法の他の長所は速いサイクルタイムにある。溶接要素２４が第１材料２０を通る第１時間は、一般に０．５秒より短い。溶接部２６が形成される第２時間も一般に０．５秒より短い。例示実施形態では、溶接要素２４が第１材料の少なくとも一部を溶融しかつ溶接部２６を形成し始めるときからの全時間は０．８秒を超えない。
【００２９】
本発明はまた、アルミニウムを鋼に接合する上記方法のような異種材料２０、２２の接合システムを提供する。システムの一例が図１に示されている。システムは、第１材料２０および第２材料２２、溶接要素２４、溶接装置５０およびエネルギ源５４を有している。エネルギ源５４は溶接装置５０の主電極５８に接続されており、主電極５８が溶接要素２４と係合しかつ小さい圧力を加えている間に主電極５８に電流を供給する。加熱された溶接要素２４は、第１材料２０の一部を少なくとも部分的に溶融し、第１材料２０の少なくとも部分的に溶融した部分を小さい力で通って第２材料２２と接触する。溶接要素２４の一部と第２材料２２の一部とが互いに接触して溶融し、溶接部２６を形成する。また、システムは溶接要素２４が第２材料２２に接触した時点を決定するセンサ６０を有しており、これによりエネルギ源５４は、ひとたび溶接要素２４が第２材料２２に接触すると、より大きい電流を供給する。
【００３０】
本発明はまた、上記方法により第１材料２０を通って延びかつ第２材料２２に溶接される溶接要素２４により接合された異種材料２０、２２を有する構造を提供する。この構造の一例が図１に示されている。第１材料２０および第２材料２２は異種材料であり、例えば第１材料２０はアルミニウム系材料で形成でき、第２材料２２および溶接要素２４は鉄系材料で形成できる。溶接要素２４は、第１端部３４から第２端部３６まで中心軸線Ａに沿って延びている。第１端部３４は第１材料２０に沿って配置され、第２端部３６は第２材料２２に溶接される。溶接要素２４はまた、第１端部３４から第２端部３６まで中心軸線Ａに沿って延びている通気孔を有し、該通気孔は第１材料２０の再凝固部分を収容する。
【００３１】
上記教示に基づいて本発明の多くの修正および変更が可能であり、これらの修正および変更は特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で実施可能である。
【符号の説明】
【００３２】
２０  第１材料
２２  第２材料
２４  溶接要素
２６  溶接部
３４  溶接要素の第１端部
３６  溶接要素の第２端部
３８  頭部
４０  軸部
５０  溶接装置
５２  保持装置
５４  エネルギ源
５６  接地電極
５８  主電極
６０  センサ
【図１】
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【図１Ａ】
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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８Ａ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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