JP2011527738A - スタッド溶接のためのスタッド - Google Patents

Abstract

本発明は、シャンク（１２）と、シャンク（１２）に対して軸方向に隣接する位置で半径方向に突出し、外周が、工具（４０）を用いて試験用トルク（Ｔ）をスタッド（１０）に印加することができるように多角形の設計であるフランジ（１４）と、該フランジ（１４）に対して軸方向に隣接する環状部分（１６）とを有し、該環状部分（１６）の半径方向に延びる前部環状面（１９）が加工物（３２）に溶接される溶接面として設計されているスタッド溶接のためのスタッド（１０）であって、該環状部分（１６）は該フランジ（１４）の直ぐ隣に位置し、これら環状部分（１６）及びフランジ（１４）は、全体にわたって一様な外径（Ｄ）を有するヘッド部分（２０）を形成し、フランジ（１４）の多角形状（２２）は、環状部分（１６）上でその前部環状面（１９）まで延びる、スタッド（１０）に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シャンクと、該シャンクに対して軸方向に隣接した位置で半径方向に突出するフランジと、該フランジに対して軸方向に隣接する環状部分とを有し、該環状部分の半径方向に延びる環状面が、加工物に溶接される溶接面として設計される、スタッド溶接のためのスタッドに関する。

本発明はまた、加工物と該加工物に溶接されたスタッドとを有する締結構成に関し、また、スタッドを加工物に溶接する方法、及び加工物の上に溶接するためのスタッドの使用に関する。

本発明は、一般に、スタッド溶接の分野に関する。この溶接方法は、とりわけ、自動車技術の分野において大量に用いられる。この場合には、スタッドが車体鋼板に溶接され、プラスチックの締結要素（クリップ）、ダッシュボード等のためのアンカーとして機能する。
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年７月９日に出願された独国特許出願第１０ ２００８ ０３３ ３７３．５号に基づく優先権を主張するものであり、その開示は、引用により本明細書に組み入れられる。

近年、例えば、自動車の重量を減らすため、車体鋼板の厚さを減らす傾向にある。ますます薄くなっている車体鋼板上へのスタッドの溶接は、困難になっている。通例として、スタッドは、円錐状にテーパした溶接面を有する。スタッド溶接中にこの面を溶着させるためには、相対的に高いエネルギーの入力が必要になる。このことは、車体鋼板の「焼け穴」を生じかねない。

そのため、凹状の陥凹部を有し、コンデンサ放電溶接用に設計された溶接スタッドが、特許文献１に提案されている。この例においては、陥凹部が、スタッドの外径部分と相俟って環状フランジを形成する。これは、溶融池の一様性を改善することを意図するものである。

特許文献２は、環状フランジ構造を有する溶接要素を開示する。この環状フランジは、断面が先細になった縁部を有し、ほぼ直線状の縁部がスタッドの前端に得られる。この溶接縁部が、加工物上に置かれる。次いで、スタッドが引き上げられて、アークが形成される。最後に、このようにして形成された溶融池にスタッドが押し込まれる。ほぼ環状の溶接スポットが全周にわたって形成され、この環状の溶接スポットの内部において、スタッドと加工物との間にキャビティが形成される。スタッドのこの形状は、引き上げアーク生成法を用いて、比較的薄い鋼板へのスタッドの溶接を可能にすることを意図するものであることが述べられている。

最後に、特許文献３は、スタッドが薄板（具体的には、サンドイッチ薄板）に溶接される締結要素を開示する。このスタッドは、定められた破断条件が達成されるように、所定の破断点として働く領域を有する。ナットがスタッドにねじ込まれ、スタッドの強度はナットの強度に適合されて、スタッドが破断する前にナットが破断する。ナットが破断しなかった場合には、薄板が裂ける前にスタッドが破断する。

換言すれば、組み立て作業において、プラスチックの締結要素等が実際にスタッド上に取り付けられるまで、トルクがスタッドにかけられることはない。何らかの理由で、この時点でスタッド及び／又は薄板に影響を与える欠陥が生じた場合には、比較的費用のかかる修復が必要である。これは、この時点では、薄板は原則として既に塗装されており、溶接スポットの修理及びスタッドの再取付けを行なうと、結果的に、車体鋼板表面に対して複雑な次の処理が必要になるためである。

使用されるスタッドは、シャンクと、フランジ部分と、該フランジ部分と協働してヘッド部分を形成する軸方向に隣接する環状部分とを有する。環状部分の軸方向長さと、（フランジ部分と環状部分により形成された）ヘッド部分の軸方向長さの比は５０％より小さく、特定的には、２５％から３５％までの範囲内である。本適用例のヘッド部分の他の寸法又は寸法の比も、かなり重要である。この場合、ヘッド部分の外径は、丸型に設計される。

米国特許第ＵＳ−Ａ−３，６７１，７１０号 独国特許第ＤＥ１９６ １１ ７１１ Ａ１号 国際特許第ＷＯ２００４／０３３９２３ Ａ１号

上述の背景に対比して、本発明の目的は、費用効果が高いスタッド、改善された締結構成、及び厚さが薄い加工物の上にスタッドを溶接する改善された方法を特定することであり、溶接接合部が損傷した場合に、組み立て領域において費用のかかる修復を行わなければならない状況を回避することができる。

この目的は、第１に、シャンクと、該シャンクに対して軸方向に隣接する位置で半径方向に突出し、その外周が、工具を用いて試験用トルクをスタッドに作用させることができるように多角形状の設計であるフランジと、該フランジに対して軸方向に隣接する環状部分とを有し、該環状部分の半径方向に延びる前部環状面が加工物に溶接される溶接面として設計されるスタッドであって、該環状部分はフランジと直ぐ隣に位置し、環状部分とフランジとが、全体にわたって一様な外径を有するヘッド部分を形成し、フランジの多角形状は、環状部分上をその前部環状面まで延びる、スタッド溶接のためのスタッドにより達成される。

上述の目的はまた、厚さが１ｍｍより薄い、特定的には０．８ｍｍより薄い加工物と、該加工物に溶接された本発明による形式のスタッドとを有する締結構成によっても達成される。

上述の目的はまた、スタッドを加工物に溶接し、溶接接合部の強度をチェックする方法であって、
本発明による形式のスタッドを準備し、
特定的には引き上げアーク生成方式のスタッド溶接により、該スタッドを加工物に溶接し、
工具をスタッドのヘッド部分に取り付け、所定のトルクを該スタッドに与えて、溶接接合部の強度をチェックする、
ステップを含む方法によっても達成される。

最後に、上述の目的は、厚さが１ｍｍより薄い、特定的には０．８ｍｍより薄い加工物に溶接するための、本発明によるスタッドの使用により達成される。

本発明によるスタッドは、薄い車体鋼板等の非常に薄い加工物に溶接するのに特に適している。近年、薄板は、１ｍｍより薄くなる傾向にあり、特定的には、０．８ｍｍより薄く、或いは０．６ｍｍより薄いものさえも、そしてもっと薄いものも使用される傾向になっている。この場合、環状部分及び環状面として形成される溶接面の設計により、相対的に小さいエネルギーの入力で溶接を行なうことができるため、薄板に焼け穴が生じる危険が低減される。ヘッド部分の外径における多角形状の設計のために、溶接接合部の強度をチェックすることが可能である。これは、下塗り段階中に、すなわち、例えば、スタッドが加工物に溶接された直後に行なわれることが好ましい。それにより、どのような不完全な溶接接合部があっても、適時に修理することができる。組み立て段階中の修理の場合に必要になり得る、費用のかかる修復は不要になる。さらに、驚くべきことに、全体にわたる（環状部分上を前部環状面まで延びる）多角形状があるにもかかわらず、アーク形成中に、本質的に欠点が生じないことがわかった。さらに、ヘッド部分全体にわたる多角形状により、費用効果が高くなるようにスタッドを製造することができる。
従って、本目的は完全に達成される。

スタッドは、一体部品の金属、具体的には鋼材で製造されることが特に好ましい。
しかしながら、スタッドは、一般に、例えばアルミニウム等の別の金属で製造することもできる。

さらに、スタッドは、冷間成形プロセス、具体的には、相対的に成形加工が少ない一段階プロセスで製造することが有利である。これにより、スタッドの形状を相対的に単純な設計にし、多角形状をヘッド部分の外周全体にわたって延ばすことが可能になる。大型フランジ・スタッドの場合は、多段階成形法を用いることもできる。多段階法の場合であっても、多角形状は、成形加工により製造することができる。このことは、例えば、より大型のフランジを据え込みにより形成し、バリ取りすることにより行なうことができる。次いで、最終形状は、プレス工具を用いる付加的なプレス成形段階において、成形される。

シャンクは、円筒形の設計とすることができるが、ねじを有することが好ましい。ねじは、メートルねじとすることができるが、特定的には、並目ねじである。
多角形状は八角形状であることが好ましい。

本実施形態において、スタッドは、高い費用効果で製造することができる。さらに、比較的簡単な工具を用いて、既に溶接されたスタッドに試験用トルクを印加することができる。しかしながら、多角形状は、六角形状であってもよいし、別の多角形状であってもよい。さらに、この場合における「多角形状」という表現は、外周が歯状になっているか、又は、円形状とは異なる別の形状を有するという事実を指すことも意図される。

ヘッド部分の軸方向長さとヘッド部分の外径との比は、１／７から３／４まで、特定的には、標準的なスタッドの場合は１／３から３／４まで、又は大型フランジ・スタッドの場合は１／６から１／２までの範囲内であることが特に好ましい。
このように、ヘッド部分の軸方向長さを相対的に大きく設計し、試験用トルクをかけるための工具の取り付けを比較的単純にすることができる。

さらに好ましい実施形態によると、フランジの軸方向長さとヘッド部分の軸方向長さの比は、３／１０から５／１０までの範囲内である。
このようにして、環状部分をフランジに対して相対的に長く設計することができる。従って、第一に、重量を小さくすることができる。第二に、ヘッド部分全体の軸方向長さを比較的小さくすることができるため、全体の高さを低くすることができる。
このことは、特に、フランジの軸方向長さとヘッド部分の軸方向長さの比が５／１０より小さい場合にあてはまる。

大型フランジ・スタッドの場合には、フランジの軸方向長さとヘッド部分の軸方向長さとの比は、原則として５／１０より大幅に小さい。
大きいフランジ径を有するスタッドの場合には、溶接装置への自動供給のための位置決め点、及び組み立て（連結装置のねじ込み又は取り付け）のための位置決め点を設けることが好ましい。この位置決め点は、ヘッド部分とは反対側のシャンクの端面に設けられ、シャンクより小さい直径を有する。
さらに、プラスチック部品（プラスチックのナット、プラスチックの構成要素等）又は金属部品（キャップナット、アーススタッド用フランジナット又は金属の構成要素）を有する形に予め完成された状態で、大型フランジ・スタッドを形成し、自動的に又は手動で溶接することもできる。

上述の特徴及び以下に述べられる特徴は、それぞれ指定された組み合わせで用いることができるだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組み合わせ又はそれ自体でも用いることができることは言うまでもない。

本発明の実施形態によるスタッドの部分断面側面図を示す。 図１のスタッドの正面図を示す。 加工物と、該加工物に溶接された図１及び図２によるスタッドとを有する締結構成を示す。

本発明の例示的な実施形態が、図面に示され、以下により詳細に説明される。
本発明によるスタッドの実施形態が、図１及び図２において全体が１０で示される。
スタッド１０は、シャンク１２と、該シャンク１２に対して軸方向に隣接するフランジ１４とを有する。環状部分１６がフランジ１４に軸方向に隣接し、該環状部分１６の中に円形断面の陥凹部１７が配置される。
スタッド１０の長手方向軸が１８で示される。
前部環状面１９が、環状部分１６の前端部に形成される。陥凹部１７は、前部環状面１９からフランジ１４まで延びる。

全体として、フランジ１４及び環状部分１６はヘッド部分２０を形成し、その外周は多角形状２２を有し、本例では、八角形状を有する。
並目ねじ２４がシャンク１２上に形成される。スタッド１０は全長Ｌを有する。ヘッド部分２０の軸方向長さは、図１にＫで示される。フランジ部分の軸方向長さは、図１にＦで示される。ヘッド部分２０の外径はＤで示され、陥凹部１７の内径はＡで示される。

フランジ１４の軸方向長さＦとヘッド部分の軸方向長さＫの比は、３／１０から５／１０までの範囲内であり、本例においては、およそ４．５／１０の範囲内である。
陥凹部１７の内径Ａとヘッド部分２０の外径Ｄとの比は、５／１０から８／１０までの範囲内であり、６／１０から７／１０までの範囲内であることが好ましい。
ヘッド部分２０の軸方向長さＫとスタッド１０の全長Ｌとの比は、１／１０から４／１０までの範囲内であり、１．５／１０から３／１０までの範囲内であることが好ましい。本例においては、この比は約２／１０である。
前部環状面１９が、半径方向に延びる。環状部分１６の内周の断面は、円形の設計である。

図３は、本発明による締結構成３０を示し、この締結構成３０は、図１及び図２に示す形式のスタッド１０を有し、該スタッド１０は、加工物３２の上に溶接されている。加工物３２は金属薄板であり、スタッド１０と同じ材料又はこれと同様の材料で作られることが好ましい。加工物３２の厚さＷは、１．０ｍｍより薄く、特定的には０．８ｍｍより薄い。本例においては、厚さＷは、約０．６ｍｍである。
図３に概略的に示すように、スタッド１０は、従来技術においてそれ自体が周知であるように、プラスチックの締結要素又はクリップ３４を取り付けるのに適している。クリップ３４は、例えば、構成要素３８のレセプタクル３６を含むことができる。構成要素３８は、例えば、ケーブル又はケーブル・ハーネス、ブレーキライン又は燃料ラインとすることができる。
この場合、クリップ３４は、図３に示すように、フランジ１４のシャンク１２に向いた側に支持される。

自動車技術の分野においては、クリップ３４は、原則として、「組み立て領域」においてスタッド１０に締結される。この場合、自動車の車体が製造され、スタッド１０を含む加工物３２は、原則として既に塗装されているため、必要な取り付けを行なうことができる。スタッド１０は、「下塗り段階」で、事前に加工物３２に溶接される。
下塗り段階の直後、及び次の工程段階の前に、スタッド１０と加工物３２との間の溶接接合部が十分な強度を有するかどうかチェックすることが好ましい。

この場合、下塗り段階中、又は、組み立て段階前に、スタッド１０に対して、工具４０を用いて、長手方向軸１８の周りにトルクＴを印加する（図３に概略的に示す）。この工程において、工具４０は、多角形状に形成されたヘッド部分２０に作用する。この場合、与えられるトルクＴは、加工物３２に正しく溶接されたスタッド１０が、溶接接合部及び／又はスタッド１０を損傷させることなく吸収することが可能な所定のトルクである。
さらに、ヘッド部分１４の多角形状は、適切なレセプタクルが設けられていることを条件に、取り付けられた構成要素又はプラスチックの締結要素（クリップ３４）が、多角形状２２に作用して、回転防止ロック又は正しい位置への調整を可能にする。

スタッド１０は、一般に、汎用的に用いることができる。予め完成されたプラスチック部品が設けられていても、設けられていなくてもよい（例えば、プラスチックの締結要素がスタッド１０上に予め取り付けられている場合には、例えば、車両底面における締結において、加工物にスタッド１０を溶接するのが有利である）。
本実施形態においては、予め取り付けられたプラスチックの締結要素が、ヘッド部分２０の多角形状２２の少なくとも一部を自由状態のままに残して、下塗り段階で試験用トルクをかけることができるようにすることが保証されるように、できる限り注意すべきである。
さらに、スタッド１０は、上述のように、予め取り付けられたプラスチック部品なしで加工物３２の上に溶接することもできる。次に、例えば組み立て領域において、クリップ３４等のプラスチックの締結要素をスタッド１０に締結することができる。

スタッド１０は、引き上げアーク生成法を用いて、アーク溶接により溶接することが好ましい。この工程においては、環状面１９が加工物３２上に置かれる。次いで、電気パイロット電流が導通される。次いで、スタッド１０が加工物３２から再び持ち上げられ、この過程で、アークが形成される。この後、必要であれば、クリーニング電流がオンにされる（必ずしも必要なわけではない）。最後に、溶接電流が導通される。この溶接電流は、パイロット電流より大幅に高く、そのエネルギーは、前部環状面１９と加工物３２上の対応する嵌合面を溶着させるのに十分なものである。最後に、スタッド１０が再び加工物３２の上に降下され、この過程において、溶融池が互いに溶着する。次いで、溶接電流がオフにされる。溶融池全体が固化し、スタッド１０が加工物３２に一体的に接続される。
本発明の例示的な実施形態が示され、説明されたが、当業者であれば、その範囲が特許請求の範囲及びその均等物に定義される本発明の原理及び思想から逸脱することなく、これらの実施形態に変更を行うことができることを理解するであろう。

１０：スタッド
１２：シャンク
１４：フランジ
１６：環状部分
１７：陥凹部
１８：長手方向軸
１９：前部環状面
２０：ヘッド部分
２２：多角形状
２４：ねじ
３２：加工物
３４：締結要素
３６：レセプタクル
３８：構成要素
４０：工具

Claims (11)

1. シャンク（１２）と、前記シャンク（１２）に対して軸方向に隣接する位置で半径方向に突出し、外周が、工具（４０）を用いて試験用トルク（Ｔ）をスタッド（１０）に与えることができるように多角形の設計にされたフランジ（１４）と、前記フランジに対して軸方向に隣接する環状部分（１６）とを有し、前記環状部分（１６）の半径方向に延びる前部環状面（１９）が加工物（３２）に溶接される溶接面として設計されている、スタッド溶接のためのスタッド（１０）であって、
   前記環状部分（１６）は、該フランジ（１４）の直ぐ隣に位置し、前記環状部分（１６）及び該フランジ（１４）は、全体にわたって一様な外径（Ｄ）を有するヘッド部分（２０）を形成し、該フランジ（１４）の前記多角形状（２２）は、該環状部分（１６）上でその前部環状面（１９）まで延びることを特徴とする、スタッド。
2. 前記スタッド（１０）は、一体部品の金属、特定的には鋼で製造されることを特徴とする請求項１に記載のスタッド。
3. 前記スタッド（１０）は、冷間成形プロセスにより製造されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスタッド。
4. 前記シャンク（１２）はねじ（２４）を有することを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のスタッド。
5. 前記多角形状（２２）は、八角形状（２２）であることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のスタッド。
6. 前記ヘッド部分の軸方向長さ（Ｋ）と前記ヘッド部分の（２０）の外径（Ｄ）との比が１／７から３／４までの範囲内であることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のスタッド。
7. 前記フランジ（１４）の軸方向長さ（Ｆ）と前記ヘッド部分（２０）の軸方向長さ（Ｋ）との比が３／１０から５／１０までの範囲内であることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のスタッド。
8. 前記フランジ（１４）の軸方向長さ（Ｆ）と前記ヘッド部分（２０）の軸方向長さ（Ｋ）との比が５／１０より小さいことを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のスタッド。
9. 加工物（３２）と、前記加工物（３２）に溶接されたスタッド（１０）とを有する締結構成（３０）であって、前記加工物（３２）は、１ｍｍより薄く、特定的には０．８ｍｍより薄い厚さ（Ｗ）を有し、前記スタッドは、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のスタッド（１０）であることを特徴とする、締結構成（３０）。
10. スタッド（１０）を加工物（３２）に溶接し、溶接接合部の強度をチェックする方法であって、
    請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のスタッド（１０）を準備し、
    特定的には引き上げアーク生成式のスタッド溶接により、前記スタッド（１０）を前記加工物（３２）に溶接し、
    工具（４０）を前記スタッド（１０）の前記ヘッド部分（２０）に取り付け、所定のトルク（Ｔ）を該スタッド（１０）に与えて、前記溶接接合部の強度をチェックする、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
11. 厚さ（Ｗ）が１ｍｍより薄く、特定的には０．８ｍｍより薄い加工物（３２）の上に溶接するための、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のスタッド（１０）の使用。

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