JP2013540833A - 剥離耐性を有する、溶接可能で形成可能な軽量複合材 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本発明は、2011年2月15日に出願された米国仮特許出願番号13/027,423、2010年8月6日に出願された61/371,360、2010年8月27日に出願された61/377,599、および、2010年9月28日に出願された61/387,164の出願日の利益を請求し、これらの内容はそのまま引用することによって本明細書により組み込まれる。
M. Weiss, M. E. Dingle, B. F. Rolfe, and P. D. Hodgson, ”The Influence of Temperature on the Forming Behavior of Metal/Polymer Laminates in Sheet Metal Forming”, Journal of Engineering Materials and Technology, October 2007, Volume 129, Issue 4, pp. 530−537.
D. Mohr and G. Straza, ”Development of Formable All−Metal Sandwich Sheets for Automotive Applications”, Advanced Engineering Materials, Volume 7 No. 4, 2005, pp. 243−246.
J.K.Kim and T.X.Yu, ”Forming And Failure Behaviour Of Coated, Laminated And Sandwiched Sheet Metals:A Review”, Journal of Materials Processing Technology, Volume 63, No1 −3, 1997, pp. 33−42.
K.J.Kim, D. Kim, S.H. Choi.K. Chung, K.S. Shin, F. Barlat, K.H. Oh, J.R. Youn, ”Formability of AA5182 polypropylene/AA5182 Sandwich Sheet, Journal of Materials Processing Technology, Volume 139.Number 1 , 20 August 2003 , pp. 1−7.
Trevor William Clyne and Athina Markaki 米国特許番号6,764,772 (2001年10月3日出願、2004年7月20日発行).
Frank Gissinger and Thierry Gheysens, 1993年3月4日出願、1994年9月13日発行の米国特許番号5,347,099, ”Method And Device For The Electric Welding Of Sheets Of Multilayer Structure”.
Straza George C P, 国際特許出願公開公報(PCT):WO2007062061 , ”Formed Metal Core Sandwich Structure And Method And System For Making Same”,公開日:2007年5月31日.
Haward R.N., Strain Hardening of Thermoplastics, Macromoiecules 1993,26, 5860−5869.
2010年2月25日公開の国際特許公開公報No.WO20 0/021899(by Mizrahi)
2009年12月28日出願の米国特許出願No.61/290,384(by Mizrahi)
2008年8月18日出願の米国特許出願No.61/089,704(by Mizrahi)
2009年3月27日出願の米国特許出願 No.61/181 ,511(by Mizrahi)
米国特許出願公報 No.US2010/0040902A1 , published on February 18, 2010, by Mizrahi.
<材料>
ポリマー層は、充填ポリマー(例えば、金属繊維のような補強繊維により充填された熱可塑性ポリマー)を、一般に含み、あるいは、それらのものから本質的に成るものでもよい。そのようなものとして、一般に充填されたポリマー材料複合材の塊であり、当該ポリマー材料複合材の塊は、ポリマーマトリックスと、該ポリマーマトリックス全体にわたって分布した、繊維の塊を有する。
<ポリマー>
充填ポリマー材料(例えば、充填熱可塑性ポリマー層)は、1つ以上のフィラーを含有する。フィラーは繊維などの補強フィラー、および、とくに金属繊維であり得る。使用され得る金属のフィラー(例えば、金属繊維)は、2010年2月25日にMizrahiによって公開された国際特許出願公開第WO2010/O21899号公報に記載されている。例えば、本発明において使用され得る金属繊維は、鋼(例えば、低炭素鋼、ステンレス鋼など)、アルミニウム、マグネシウム、チタン、銅、少なくとも40重量%の銅を含む金属、少なくとも40重量%の鉄を含む他の合金、少なくとも40重量%のアルミニウムを含む他の合金、少なくとも40重量%のチタンを含む他の合金、およびそれらの任意の組み合わせ、などの金属から形成された繊維を含む。金属繊維は、約10重量%以下のクロム、約7重量%以下のクロム、または約3重量%以下のクロムを有する鋼などの炭素鋼、を含むか、あるいは本質的に成る。
試験材料に関する電流の範囲は、試験材料の薄板、および試験材料の薄板と同じ厚さを有する調節性の一体の鋼(1枚の亜鉛メッキした鋼材など)から成るスタックの溶接により、測定することができる。溶接は、2つの電極を使用して行なわれ得る。試験材料に対する電極は、フェース直径(face diameter)dを有する。調節性の鋼の薄板に対する電極は、dに等しいまたはdより大きいこともある。溶接時間および溶接圧力は固定され、材料のための標準の溶接スケジュールなどから、予め定められ得る。溶接ボタンサイズは、2枚の薄板の分離により測定され得る。測定は、0.95d以上の溶接ボタンを作る電流を選択することにより始められる。その後、溶接ボタンがd未満となるまで、溶接電流は漸増的に減少する。その後、溶接不良が得られるまで、溶接電流は増加される。許容可能な溶接(例えば、少なくとも0.95dの溶接ボタンサイズを有する溶接)を作る最小の電流は、最小の溶接電流である。高い溶接電流にて、溶接不良は、金属の排出、薄板の電極への固着、大きな溶接ポッピング音(loud weld popping noise)、または他に、それらの任意の組合せによって示され得る。許容可能な溶接を作る最も高い電流は、最大の溶接電流である。溶接電流範囲は、最大の溶接電流と初期の溶接電流の間の差である。一例として、溶接電流範囲は、約0.8mmの厚さを有する複合材料、および約0.8mmの厚さを有するガルバニール処理された鋼板を使用して実行され得る。複合材料上の電極の直径は約3.8mmであり得、ガルバニール処理された鋼の上の電極の厚さは約4.8mmであり得る。約610psiの圧縮力が適用され得る。溶接条件は、約1,000Hzの周波数、約50ミリ秒のアップスロープ時間、および約200ミリ秒の溶接時間を有する、中間の周波数DC溶接電流を含み得る。材料は、好ましくは、約25mmの幅、および25mmまたは75mmの厚さを有する。
静止接点抵抗は、複合材シート、および2つのクラスのI−RWNA電極間で約0.8mmの厚さを有する(好ましくは約4.8mmのフェース直径を有する)冷却圧延鋼の薄板から成るスタックによって測定され得、2枚の薄板を溶接することなく約45秒以上の間約500psiの力を加え、抵抗が安定する時間の後5秒間、溶接スタックの平均抵抗を測定する。安定した抵抗は、毎秒2%未満、毎秒1%未満、または毎秒0.5%未満の抵抗変化によって決定され得る。好ましくは、静止接点抵抗は、約0.8mmの厚さ、約25mmの幅、および約25mmまたは約75mmの長さを有する薄板を使用して測定され得る。しかしながら、他の厚さ、長さ、および幅を有する薄板が使用され得る。
議論されるように、本明細書の複合材は、ポリマーコアの塊が間隔を置いた層により対向する側面上に位置する、サンドイッチ構造を利用し得ることが予見される。例えば、本明細書の構造は、シート間に配置される、好ましくはシートに接して配置される、金属繊維を強化したポリマーのコア材料を有する、2枚の薄板(例えば、金属板)を含み得る。サンドイッチ構造の金属層(例えば、第1金属層および第2金属層)は、層をわたる、ホイルまたは薄板または等しいあるいは不等な厚さ(例えば、平均厚さ)を有する層の形をした、適切な材料(例えば、金属)から作られ得る。各金属層は、一般に一定の厚さを有し、または異なる厚さを有し得る。各側面の各面金属(face metal)は、同じまたは異なる特性を有する材料で作られ、同じまたは異なる金属で作られ得る。金属面が不等な厚さの金属板で作られている場合、材料は、異なる特性を有し、または異なる金属を有する。複合材料は、マーキング、または、異なる金属面を同定し、区別する他の手段を有し得る。層は、互いの層と比較して、構成、サイズ(例えば、厚さ、幅、体積、またはそれ以外のもの)、形状、または他の特徴において、同じまたは異なり得る。金属層は、腐食(例えば、亜鉛、リン、またはその両方によるコーティング)に抵抗するのを支援するための表面処理を有し得る。故に、充填ポリマー層を有する複合材を作る前、またはその後に、1以上の金属層は、亜鉛メッキされ、リン酸塩化され、またはその両方が行われ得る。
複合材料は、多層のシート(例えば、充填ポリマー材料のコアを狭持する金属等の材料のシートを含む、サンドイッチ構造)の形状であってもよい。シートは、約30mm未満、好ましくは約10mm未満、好ましくは約4mm、および最も好ましくは約2mm未満の;および好ましくは約0.1mmより大きな、より好ましくは約0.3mmより大きな、および最も好ましくは約0.7mmより大きな、合計の平均厚さを有し得る。複合材料は、一般的に均一な厚さを有し、または複合材料は、異なる(例えば、1つ以上の方向における無作為または周期的な変化)厚さを有し得る。例えば、厚さの変化は、厚さの標準偏差が平均厚さの約10%未満であるようなものである。厚さの標準偏差は、好ましくは平均厚さの約5%未満、より好ましくは平均厚さの約2%未満、および最も好ましくは平均厚さの約1%未満である。
充填ポリマー材料および複合材料を準備するプロセスは、Mizrahiによって2010年2月25日に発行された、国際特許出願公報WO2010/021899に記載されるプロセスを利用し得る。
本発明の複合材料は、材料を塑性的に変形し、スタンピング、ロール成形、曲げ、鍛造、パンチング、引き伸ばし、巻きつけ、幾つかの他の金属細工、またはそれらの任意の組み合わせの工程を含み得るプロセスなどの適切な成形プロセスにさらされる。好ましい成形プロセスは、複合材料をスタンピングする工程を含むプロセスである。スタンピングプロセスは、大気温度またはその付近の温度で生じ得る。例えば、スタンピング中の複合材料の温度は、約65℃未満、好ましくは約45℃未満、およびより好ましくは約38℃未満であり得る。成形プロセスは、様々な延伸比率に複合材料の領域を延伸させる工程を含み得る。本発明の1つの態様において、複合材料は、ひび割れ、皺、またはねじれのない、比較的高い延伸比率に延伸する工程にさらされる。例えば、複合材料が延伸工程にさらされ、その結果、少なくとも一部の複合材は、1.2より高い延伸比率にまで延伸される。望ましくは、複合材料は、延伸されることができ、約1.5より大きい、好ましくは約1.7より大きい、より好ましくは約2.1より大きい、および最も好ましくは約2.5より大きい最大延伸比率に延伸されることができる。延伸比率のひび割れが生じる限界点は、Weiss et al.(M. Weiss, M. E. Dingle, B. F. Rolfe, and P. D. Hodgson, ”The Influence of Temperature on the Forming Behavior of Metal/Polymer Laminates in Sheet Metal Forming”, Journal of Engineering Materials and Technology, (October 2007), Volume 129, Issue 4, pp. 534−535)により記載されているような、環状のカップ図面試験(the circular cup drawing test)を用いて測定されるものであり、これら文献は引用によって本明細書に組み込まれる。成形プロセスは、複合材料に接して、ダイス型(die)(例えば、モールの硬度計によって測定されるように、金属繊維の硬度より大きな硬度を有するダイス型)に圧力を加える工程を含み得る。
ポリマー層、複合材料、またはその両方は、Mizrahiにより2010年2月25日に発行された国際特許出願公報WO2010/021899に記載されるもの等、低いスプリングバック角度、比較的低い電気抵抗率、優れた溶接性(例えば、抵抗溶接を使用して)、比較的低い熱伝導率、比較的低い音響伝送、またはその任意の組み合わせを有し得る。
固有抵抗=(V/I)(A/t)
ここで、Aはシートの領域であり、tはシートの厚さである。複合材料、コア層、またはその両方の(導通の厚さ方向における)固有抵抗は、比較的低い(例えば、複合材料、コア層、またはその両方は、約100,000Ω・cm未満、好ましくは約10,000Ω・cm未満、より好ましくは約3,000Ω・cm未満、および最も好ましくは約1,000Ω・cm未満の固有抵抗により特徴化され得る)。
複合材料を1つ以上の一体の金属材料(例えば鋼板などの鋼材)に溶接する場合(例えばスポット溶接)、プロセスは複合材料と接触する第1の電極、および一体の金属と接触する第2の電極を使用し得る。第1の電極および第2の電極は同じまたは異なり得る。好ましくは、第1の電極および第2の電極は異なる。驚くことに、第1の電極が第2の電極の直径に満たない直径を有している場合、複合材料の両方の金属層は、より容易に一体の金属材料に溶接される。理論に縛られず、複合材料と接触するための、より小さな直径の電極の使用は、より均等な熱分布をもたらすか、より効率的に溶接領域からポリマーを取り除くか、またはその両方をもたらすと考えられている。最も好ましくは、第1の電極は、第2の電極の直径よりも十分に小さな直径を有し、そのため、第1の金属層および第2の金属層は両方ともスポット溶接プロセスの間に溶接される。第1の電極の直径に対する、第2の電極の直径の比率は、好ましくは約1.02以上、より好ましくは約1.06以上、さらにより好ましくは約1.12以上、および最も好ましくは約1.2以上である。第1の電極の直径に対する、第2の電極の直径の比率は、好ましくは約5以下、より好ましくは約3以下、および最も好ましくは約2以下である。
以下の実施例の構成は、約±20%だけ変動することもあり、同様の結果(例えば約±20%内)を与えることを理解されたい。さらに、本明細書で教示された他の材料は、記述されたものに置き換えられ、同様の結果が考慮される。
軽量複合材用のコア材は、約45gのポリアミド6と、約3乃至10μmの平均直径および約2乃至4mmの平均長さを有する、約72gのステンレス鋼繊維とを、約20rpmの速度で、260℃でのブラベンダー・プラストグラフ・ミキサー内で、溶融混合により準備される。ポリアミド6は約1.142g/cm3の密度を有し、鋼は約7.9g/cm3の密度を有する。約60分間混ぜ合わせた後、混合物はブラベンダー・ミキサーから取り除かれる。より長いまたは好ましくはより短い混合時間(例えば、約30分未満、約20分未満、約10分未満または約5分未満でさえも)が使用され得ることが、当業者に理解されるだろう。さらに、そのような混合時間は、本教示の他のポリマーに使用され得る。このように準備されると、実施例1は、約18.8体積%の鋼繊維および約81.2体積%のポリアミド6を含み、約2.41g/cm3の密度を有する。
ステンレス鋼繊維の重量が約102gであり、ポリアミド6の重量が約40gであることを除いては、コア料は実施例1と同じ方法を使用して準備される。このように準備されると、混合物は、約26.9体積%の鋼繊維および約73.1体積%のポリアミド6を含み、約2.962g/cm3の密度を有する。
ステンレス鋼繊維の重量が約35.4gであり、ポリアミド6の重量が約50.6gであることを除いては、コア材は実施例1と同じ方法を使用して準備される。このように準備されると、混合物は、約10体積%の鋼繊維および約90体積%のポリアミド12を含み、約1.816g/cm3の密度を有する。
ステンレス鋼繊維が一切使用されず、約53gのポリアミド6がブラベンダー・プラストグラフ・ミキサーにおいて混合されることを除いては、コア料は実施例1と同じ方法を使用して準備される。比較例5は、約1.142g/cm3の密度を有する。
複合材料は、2つの鋼板を含むサンドイッチパネルを圧縮成型することによって準備され、前記2つの鋼板の各々は約0.20mmの厚さ、約74.2mmの長さ、約124.2mmの幅を有し、ポリアミド12は金属繊維なしで、金属板の間に置かれる。鋼板は、AISA 1008およびASTM A109基準を満たす5番の焼き戻し(temper)(アルミニウムキルド)低炭素鋼で作られている。表1に示されるように、比較例5および6のためのコア材の厚さは、それぞれ約0.30mm、および約0.44mmである。比較例5および6は、約250℃の温度および約12000kgの負荷での押し込み金型を使用して圧縮成型される。複合材パネルの総合的な密度は、鋼板で使用される鋼の密度より約32乃至46重量%低い。比較例5および6の板厚(through−thickness)電気抵抗率は、1×1010 Ω・cmより大きく、これらのパネルが絶縁特性を有することを示している。スタンピング処理が可能ではあるが、比較例5および6を一体の鋼パネルに溶接しようとする試みは、一緒に溶接されない構造をもたらす。これらのサンプルは、溶接部が、一緒に溶接されているパネルよりも弱いという点において、溶接試験で不合格となる。
約26.9体積%の鋼繊維および約73.1体積%のポリアミド12を含むコア材が使用されることを除いては、実施例7および8は、比較例7に記載された方法を使用し、サンドイッチパネルを圧縮成型することによって準備された、複合材料である。コア材における鋼繊維は、約3乃至10μmの平均直径および約2乃至4mmの平均長さを有し、約260℃でブラベンダー・プラストグラフ・ミキサーにおいて、ポリアミド12と混合される。コア材の厚さは、実施例7および8に関して、それぞれ約0.40mmおよび約0.57mmである。これらのサンプルは表2に例示される。複合材パネルの総合的な密度は、鋼の密度より約29乃至36重量%低い。これらの複合材パネルは、AC抵抗溶接(スポット溶接)を使用して、約0.8mmの厚さを有する鋼板に溶接される。優れた溶接部(すなわち、溶接されているパネルより強いため、溶接パネルが力によって分離される際に、溶接ボタンを得るような溶接部)は、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流および8つの溶接サイクルを使用して得られる。これらの条件は、厚さ0.8mmの鋼の2枚の一体の薄板を溶接するために必要とされるものより低い(12.9kA、15つの溶接サイクル、600psiの圧力)。各溶接サイクルは約1/60秒であり、溶接パラメータは約1つのサイクル(すなわち約1/60秒)の勾配、約10つのサイクル(すなわち約1/6秒)の保持時間、および約1秒の圧搾時間を含む。
約20.2体積%の鋼繊維および約79.8体積%のポリアミド12を含むコア材が使用されることを除いては、実施例12および13は、比較例5乃至6に関して記載された方法を使用し、サンドイッチパネルを圧縮成型することによって準備された複合材料である。コア材における鋼繊維は、約3乃至10μmの平均直径および約2乃至4mmの平均長さを有し、約260℃でブラベンダー・プラストグラフ・ミキサーにおいてポリアミド12と混合される。コア材の厚さは、実施例9および10に関して、それぞれ約0.37および約0.55mmである。これらのサンプルは表2に例示される。複合材パネルの総合的な密度は、鋼の密度より約31乃至41重量%低い。これらの複合材パネルは、AC抵抗溶接(スポット溶接)を使用して、約0.8mmの厚さを有する鋼の薄板に溶接される。優れた溶接部は、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流および8つの溶接サイクルを使用して得られる。
実施例11の複合材料サンプルは、実施例3がコア材に使用されることを除いては、比較例5に関して記載された方法を使用して、サンドイッチパネルを圧縮成型することにより準備される。この複合材パネルのサンプルは、AC抵抗溶接(スポット溶接)を使用して、約0.8mmの厚さを有する鋼板に溶接される。優れた溶接部は、約600psiの圧力で、約9.7kAの溶接電流および8つの溶接サイクルを使用して得られる。
実施例12から14は、純粋なポリマー、および実施例1の方法を使用して準備されたステンレス鋼繊維とポリマーとの混合物である。実施例12から14は、実施例12、13および14に関して、それぞれ約0重量%、約3重量%、および約10重量%のステンレス鋼繊維を備えたポリアミド6を使用して準備される。実施例12のコア材の引張係数は、約3.3GPaである。鋼繊維が約3重量%の濃度で加えられる場合(実施例13)、引張係数は約3.9GPaまで17%以上増加する。鋼繊維が約10重量%の濃度で加えられる場合(実施例14)、引張係数は約7.3GPaまで100%以上増加する。ポリアミドはコポリアミドと置き換えられ、ステンレス鋼繊維の濃度は、実施例15、16および17に関して、それぞれ約0重量%、約3重量%、および約10重量%である。実施例15のコア材の引張係数は、約700MPaである。鋼繊維が約3重量%の濃度で加えられる場合(実施例16)、引張係数は約1160MPaまで50%以上増加する。鋼繊維が約10重量%の濃度で加えられる場合(実施例17)、引張係数は約2280MPaまで200%以上増加する。そのため、一般に、本明細書に教示された発明のこのおよび他の実施形態は、鋼繊維を含まないが同じ複合材を有する充填ポリマー材料(例えばコア層の材料)の引張係数よりも、好ましくは、少なくとも15%、より好ましくは少なくとも50%以上、さらにより好ましくは少なくとも約100%、最も好ましくは少なくとも約200%大きい、鋼繊維を含む充填ポリマー材料(例えばコア層の材料)の引張係数により特徴付けられる。
実施例15乃至20は、表3に示されるポリマーおよび鋼繊維の濃度を使用して、ブラベンダー・ミキサーにおいて鋼繊維と熱可塑性物質を混合することにより準備される。その後、複合材料は、2枚の厚さ0.2mmの鋼板の間に、0.4mmの繊維充填熱可塑性層を有する、サンドイッチを成型することにより準備される。複合材料の板厚電気抵抗率は、AC変調を使用して測定され、表3に示される。複合材料を充填した熱可塑性物質の全ては、比較的低い電気抵抗率を有し、充填していない熱可塑性物質の全ては、比較的高い電気抵抗率を有する。
充填された熱可塑性物質は、約4乃至約40μmの直径、および約1乃至約10mmの長さを有する約15体積%の低炭素鋼繊維と、約50重量%のポリアミド6と約50重量%のポリアミド6,9の約85体積%のコポリアミド(ISO 527−2に従って測定された約300MPaの弾性係数、ISO 11357に従って測定された約130℃の溶融点、およびISO 527−3に従って測定された約900%の破断伸びにより特徴付けられたコポリマー)とを混合することで準備される。充填された熱可塑性物質は、約190°C乃至約250°Cの温度で混合される。その後、充填された熱可塑性物質は、2枚の低炭素鋼の間に配置され、その各々は約0.2mmの厚さを有する。その後、該材料は約220℃乃至約230℃の温度で、約1乃至約22MPaの圧力で圧縮される。複合材料は、約0.4mmの充填された熱可塑性材料のコア厚を有する。複合材料は、約3より大きな絞り比で、高速のスタンピング作業においてスタンピング処理され、割れまたはその他の表面欠陥は一切観察されない。スタンピングの後、複合材料の表面は、同じ全体の厚さを有し、かつ同じ条件下でスタンピング処理された一体の低炭素鋼サンプルの表面と比較して、比較的滑らかである。その後、複合材料は典型的な電着(e−coat)プロセスにさらされ、プライマーおよび黒色の塗料で塗装される。塗面には、点食、橙色のはがれ、および他の目に見える表面欠陥が一切なく、滑らかな仕上がりである。塗面はA級の仕上がりとして特徴付けられる。塗装された複合材料の表面は、約0.8mmの厚さを有する、低炭素鋼の同様に処理された一体のサンプルの表面よりも滑らかである。
複合材料は、繊維が、繊維の長さに直角な方向に通常長方形の断面を有する低炭素繊維と置き換えられることを除いては、実施例21と同じ材料、合成物および方法を使用して準備される。繊維は約2.3mmの平均の長さを有する。繊維の平均の断面積は約0.0045mm2である。繊維の厚さに対する幅の比率は、約2対8である。複合材料は約0.8mmの厚さを有する。複合材料は、約0.8mmの厚さを有する冷間圧延鋼のサンプルで積み重ねられる。スタックは、約13mmの直径を有する一対の溶接チップの間にある、スポット溶接機械に配置される。約2.2 kNtの力は溶接チップに適用される。板厚方向における複合材料の抵抗性は、2.2 kNtの力にかけられている間に測定される。このように測定されると、実施例22の複合材料の電気抵抗率は、約0.1Ω以下である。約0.8mmの厚さを有する冷間圧延鋼の2枚の薄板にとって典型的な溶接計画を使用して溶接されたとき、複合材料は冷間圧延鋼に溶接され、溶接チップの直径より大きな直径を有する溶接ボタンを作り出す。実施例22により優れた溶接部を作り出すために、余分な加熱、余分な溶接サイクル、および余分な電流は一切必要とされない。
実施例22Bは、充填ポリマー材料における金属繊維の濃度が、約20体積パーセント増加され、ポリマーの濃度が約80体積パーセント減少されることを除いては、実施例22と同一である。実施例22Bの複合材料は、約0.8mmの厚さを有する、1枚のガルバニール処理された鋼に溶接される。約3.8mmの表面直径を有する電極は、複合材料を有する溶接スタックの側で使用され、約4.8mmの表面直径を有する電極は、ガルバニール処理された鋼を有する側で使用される。約610lBsの力が電極によって溶接スタックに適用される。材料は、約1,000Hertzの周波数を有する中間周波数のDC溶接を使用して溶接される。各溶接は、約25mmの幅および約75mmの長さを有するサンプル上で為される。溶接時間は約200ミリ秒で一定している。溶接は、約8.8 kA乃至13kA以上に及ぶ溶接電流を使用して為される。複合材板上の溶接ボタンサイズは、溶接が完了した後に測定される。溶接ボタンサイズおよび各溶接サンプル(46)の溶接電流は、図6内の図表30に示される。領域(44)によって与えられた低い溶接電流で溶接ボタンサイズは、溶接工程間の複合材料の面で使用される、電極(36)の直径の95%未満である。領域(40)によって例示された中間溶接電流で、ボタンサイズは、電極(36)の直径の95%以上である。領域(42)によって例示された溶接電流で、金属の排出および/または大きなポッピング音を生じ、結果として生じた溶接は許容できないものである。許容可能な溶接を得るための最小の溶接電流(34)は、実施例22Bの関しては約10kAである。許容可能な溶接を得るための最大の溶接電流(32)は約13kAである。最大の溶接電流(32)と最小の溶接電流(34)の間の差は、電流範囲(38)である。このように測定されると、実施例22Bの溶接電流範囲は約3.0kAである。比較のために、溶接電流範囲は、各々が同様に測定された約0.8mmの厚さを有する、ガルバニール処理された鋼の2枚の一体の薄板から成る溶接スタックに関するものであり、約1.3kA未満であるように決定される。驚くことに、実施例22Bの複合材料は、そのより高い溶接電流範囲によって測定されるように、ガルバニール処理された鋼より溶接するのが容易である(すなわち、溶接のためにより広い処理窓を有する)。
溶接電流範囲は、各々が同様に測定された約0.8mmの厚さを有する、2枚の一体のガルバニール処理された鋼から成る溶接スタックに関して測定され、約1.3kA未満であるように決定される。溶接電流範囲は実施例228に関するものと同じ方法を使用して測定される。驚くことに、実施例228の複合材料は、そのより高い溶接電流範囲(例えば、実施例22Cと比較して)で測定されたように、ガルバニール処理された鋼よりも溶接するのが容易である(すなわち、溶接のためにより広い処理窓を有する)。
実施例22Dは、実施例228と同じ合成物、充填熱可塑性ポリマー、および構造を有する複合材料である。溶接への負荷が約2.76kN(約600lb)、アップスロープ時間が約50ミリ秒、溶接時間が約300ミリ秒、および初期の溶接電流が約8乃至9kAであることを除いては、実施例220の溶接電流範囲は、実施例228と同じ条件を使用して測定される。溶接電流範囲は、初めに、実施例220の複合材料、および約1.2mmの厚さを有するコーティングされていない深絞り品質鋼(Le.,000)からなる溶接ストック(stock)に関して測定される。溶接ボタンサイズは図7で示されるように異なる溶接電流で測定される。i)ボタンサイズの直径が約3.6mm以上であること、およびii)金属が一切排出されないことにより特徴付けられた優れた溶接部は、溶接電流が約6.4kA乃至約9.2kAであるときに得られる。溶接電流範囲は、実施例22Dを1.2mmの厚さのコーティングされていないDDWに溶接するために、約2.8kAであると決定される。
複合材料は、鋼薄板が約359MPaの降伏強度、約460MPaの引張強度、および約22%の伸びを有する、0.2mmの厚さの高強度鋼に置き換えられることを除いては、実施例21と同じ材料、合成物および方法を使用して準備される。複合材料は、約193MPaの降伏強度、約253MPaの引張強度、および約22%の伸びを有すると予想される。複合材料の密度は、同じ厚さ(約0.8mm)を有する低炭素鋼の一体の薄板より約34%低いと予想される。複合材料は、同じ厚さを有する低炭素鋼の一体の薄板の降伏強度よりも、約50MPaまたはそれ以上である降伏強度を有すると予想される。複合材料は、同じ厚さを有する低炭素鋼の一体の薄板の引張強度の、少なくとも約90%である引張強度を有すると予想される。複合材料は、同じ厚さを有する低炭素鋼の一体の薄板の曲げ弾性率の少なくとも約85%である曲げ弾性率を有すると予想される。
Claims (34)
- 複合材料であって、
前記複合材料は、
a)
i)少なくとも第1の熱可塑性ポリマー、および、
ii)第1の熱可塑性ポリマーとは異なる少なくとも1つの第2の熱可塑性ポリマー
の混合物を含むポリマーベースのマトリックス、
b)ポリマーベースのマトリックスを含む複合材の塊を形成するために、マトリックス全体に分布した金属繊維の塊を備え、
金属繊維の塊は、
i)少なくとも1つの一般的には平面を有する複数の金属繊維を含み、および、
ii)複合材の塊の総体積に基づいて、約3体積%よりも高い濃度で存在する、複合材料。 - 少なくとも1つの第1の熱可塑性ポリマーは、少なくとも1つのポリオレフィンポリマーを含む、請求項1に記載の複合材料。
- 少なくとも1つの第1の熱可塑性ポリマーは、線状の低密度ポリエチレンを含む、請求項1または2に記載の複合材料。
- 少なくとも1つの第2のポリマーは、熱可塑性エラストマー(エチレン−オクテンコポリマーのようなエラストマー)、イオノマー、または、その組み合わせから選択される、請求項1乃至3のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は基板に取り付けられる、請求項1乃至4のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は金属板に取り付けられる、請求項1乃至5のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は対向する金属板の間に挟持される、請求項1乃至6のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は、腐食に耐えるためのコーティングによって、金属板の少なくとも1つのほとんどの表面がコーティングされた対向する金属板の間に挟持される、請求項1乃至7のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は、亜鉛、リン酸塩、または、その両方を含む、1以上のコーティングによって、金属板の少なくとも1つのほとんどの表面がコーティングされた対向する金属板の間に挟持される、請求項1乃至8のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は、アルミニウム、普通炭素鋼、高強度鋼、または、ニッケル、マンガン、銅、ニオブ、バナジウム、クロム、モリブデン、チタン、カルシウム、1つ以上のレアアース元素、ジルコニウム、窒素、または、任意の組み合わせから選択された合金成分を含む鋼の1つ以上に取り付けられる、請求項1乃至9のいずれかに記載の複合材料。
- 金属繊維の塊は、腐食に耐えるための合成物とともに1つの層を有する複数の繊維を含む、請求項1乃至10のいずれかに記載の複合材料。
- 金属繊維の塊は、犠牲陽極を定義するための合成物でコーティングされた複数の繊維を含み、その結果、耐腐食性は、複合材の塊が取り付けられる金属の標準的な電気化学的還元電位未満の標準電気化学的還元電位を有する繊維によって、複合材の塊が取り付けられる金属に提供される、請求項1乃至11のいずれかに記載の複合材料。
- 金属繊維の塊は、アルミニウムの粒子および/または繊維、亜鉛、マグネシウムの粒子および/または繊維、あるいは、その任意の組み合わせを含む、請求項1乃至12のいずれかに記載の複合材料。
- 金属繊維は、アルミニウム、亜鉛、リン酸塩、または、その任意の組み合わせで少なくとも部分的にコーティングされた繊維を有する、請求項1乃至13のいずれかに記載の複合材料。
- 金属繊維の塊は、リボンの形状をした複数の繊維を含む、請求項1乃至14のいずれかに記載の複合材料。
- ポリマーベースのマトリックスは、架橋結合可能なポリマーを含む、請求項1乃至15のいずれかに記載の複合材料。
- ポリマーベースのマトリックスは、放射(例えば、紫外線放射および/または赤外線放射)、湿気、熱、または、その任意の組み合わせから選ばれた外部刺激の適用によって架橋結合することができるポリマーを含む、請求項1乃至16のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は、DIN11339下でピール試験にさらされた後に、該複合材が、少なくとも約40%の凝集破壊を示すように、任意の金属層に十分に結合される、請求項1乃至17のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材の塊は、DIN11465下で重ね剪断試験にさらされた後に、該複合材が、少なくとも約40%の凝集破壊を示すように、任意の金属層に十分に結合される、請求項1乃至17のいずれかに記載の複合材料。
- 複合材料であって、
複合材料を用いて形成されたサンドイッチ複合材の降伏強度は、約100MPa以上である、複合材料。 - 複合材料であって、
複合材料を用いて形成されたサンドイッチ複合材の引張強度は、約160MPa以上である、複合材料。 - 複合材は、約0.4mm以上の厚さを有するサンドイッチ複合材の形状であり、複合材の塊は、サンドイッチ複合材の総厚さの少なくとも約30%である厚さを有する、請求項1乃至21のいずれかに記載の複合材料。
- 請求項1乃至22のいずれかの複合材料を含む溶接物品。
- 請求項1乃至22のいずれかの複合材料を含む溶接物品であって、
金属繊維の形状、大きさ、濃度、および、種類は、請求項1乃至22のいずれかの複合材料と、軽量複合材とほぼ同じ厚さを有するガルバニール処理された鋼板とからなる溶接スタックが、各々が4.8mmの電極表面直径を有する2つの軸方向に並べられた電極によって加えられる約500lbsの圧縮力を用いて測定されるような0.0020Ω以下の静的接触抵抗を示すように、選択される、溶接物品。 - 請求項1乃至24のいずれかの複合材料を含む溶接物品であって、
金属繊維の形状、大きさ、濃度、および、種類は、軽量複合材が約0.01以下の静的接触抵抗比率を有するように選択され、該静的接触抵抗比率は、(i)請求項1乃至23のいずれかの複合材料と、軽量複合材とほぼ同じ厚さを有する鋼板とからなる第1の溶接スタックの静的接触抵抗の、(ii)第1の溶接スタック中のような2枚の同じ鋼からなる第2の溶接スタックの静的接触抵抗に対する、比率であり、静的接触抵抗は、各々が4.8mmの電極表面直径を有する2つの軸方向に並べられた電極によって加えられる約500lbs(約2224Nt)の圧縮力を用いて測定される、溶接物品。 - 物品を作る方法であって、
前記方法は、
請求項1乃至25のいずれかの複合材料を、少なくとも約1.5の絞り比へと可塑的に変形させる工程を含む、方法。 - 物品を作る方法であって、
前記方法は、
請求項1乃至25のいずれかの複合材料を、スタンピング動作において、少なくとも約1.5の絞り比へと可塑的に変形させる工程を含む、方法。 - 物品を作る方法であって、
前記方法は、
請求項1乃至25のいずれかの複合材料を、少なくとも約1.5の絞り比へと可塑的に変形させる工程を含む、方法。 - 物品を作る方法であって、
前記方法は、
請求項1乃至25のいずれかの複合材料を用いて形成されたサンドイッチ複合材を、金属本体に溶接する工程を含む、方法。 - 物品を作る方法であって、
前記方法は、請求項1乃至25のいずれかの複合材料を用いて形成されたサンドイッチ複合材を、金属本体に溶接する工程を含み、
該工程は、i) 溶接スタックに圧力を加える工程、ii) 圧力をかけている間に、第1の溶接電流を流す工程であって、第1の溶接電流は約0.8kA以下である、工程、iii)溶接電流が第2の溶接電流に達するまでアップスロープ時間にわたって、溶接電流を、増分式に、徐々に、または、連続して、傾斜させる工程であって、第2の溶接電流は第1の溶接電流よりも少なくとも約0.5kA高く、アップスロープ時間は約0.01秒以上であり、該工程は、少なくとも0.06秒間、溶接電流を第2の溶接電流で維持する工程を含んでいる、工程を含む、方法。 - 物品を作る方法であって、
前記方法は、
特別な溶接パラメータを用いる必要なく、従来の溶融亜鉛メッキ加工した鋼の2つの本体を溶接するために従来用いられるのと同じ溶接条件を用いて、請求項1乃至25のいずれかの複合材料を用いて形成されたサンドイッチ複合材を、金属本体に溶接する工程を含む、方法。 - 請求項26乃至30のいずれかの方法に従って作られた物品。
- 請求項1乃至25のいずれかの、または、請求項26乃至31のいずれかの方法に由来する複合材を用いた物品の使用。
- 自動車車両の部品としての、請求項1乃至25のいずれかの、または、請求項26乃至30のいずれかの方法に由来する複合材を用いた物品の使用。
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